JP3378524B2 - Electron emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents
Electron emitting device and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子に係
わり、特にダイアモンド等の炭素系低仕事関数材料を電
子放出物質として用いたものに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron emitting device, and more particularly to a device using a carbon-based low work function material such as diamond as an electron emitting substance.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ダイアモンド電子放出素子
近年、半導体微細加工技術を用いて、半導体デバイスと
同程度の微細な電子放出素子の開発が行われている。さ
らに最近では、電子放出物質としてダイアモンド等の炭
素系材料が注目されている。この理由としてはダイアモ
ンドが負の電子親和力（NEA: Negative Electron Affin
ity ）という性質を持っていることがあげられる。NEA
とは真空準位が伝導帯の下に位置し、伝導帯中の電子が
真空中に放出されるのを妨げるエネルギー障壁が無い状
態であり、このため電子放出が容易に起こることが期待
されている。さらにダイアモンドは化学的、熱的に安定
な物質であり、電子放出素子のほか高温デバイス、ハイ
パワーデバイス等にとっても理想的な材料である。2. Description of the Related Art In recent years, a diamond electron-emitting device has been developed by using a semiconductor fine processing technique, which is as fine as a semiconductor device. Furthermore, recently, carbon-based materials such as diamond have attracted attention as electron-emitting materials. The reason for this is that diamond has a negative electron affinity (NEA: Negative Electron Affinity).
It has the property of "ity". NEA
Is a state in which the vacuum level is located below the conduction band, and there is no energy barrier that prevents the electrons in the conduction band from being emitted into the vacuum, and therefore it is expected that electron emission will occur easily. There is. Furthermore, diamond is a chemically and thermally stable substance, and is an ideal material for high temperature devices, high power devices, etc. as well as electron emitting devices.
【０００３】ダイアモンドを用いた電子放出素子は図１
のように構成される。電子を放出するダイアモンド層裏
面に電子を注入するための金属電極（カソード電極）が
形成されている。素子は真空中に置かれ、素子に対向し
て電子を引き出すための金属電極（アノード電極）が設
けられている。図１には摸式的なバンド図も併せて示さ
れている。高さf B のエネルギー障壁がダイアモンド-
金属界面に形成されており、アノード電極に対しカソー
ド電極に負の電圧を印可すると、電子がカソード電極側
からダイアモンド側に注入され、もう一方のダイアモン
ド表面へ移動した後、真空中に放出される。注入される
電子数はエネルギー障壁の高さと厚みに依存するため、
電子放出特性はエネルギー障壁の高さを低くし、障壁に
加わる電界の大きさを増加させることにより改善される
（T. Sugino,Y. Iwasaki, S. Kawasaki, R. Hattori, J
unji Shirafuji, Diamond Relat. Mater., 6(1997)8
89）。An electron-emitting device using diamond is shown in FIG.
It is configured like. A metal electrode (cathode electrode) for injecting electrons is formed on the back surface of the diamond layer that emits electrons. The element is placed in a vacuum, and a metal electrode (anode electrode) is provided facing the element to extract electrons. FIG. 1 also shows a schematic band diagram. The energy barrier of height f B is diamond-
It is formed at the metal interface, and when a negative voltage is applied to the cathode electrode with respect to the anode electrode, electrons are injected from the cathode electrode side to the diamond side, move to the other diamond surface, and then are emitted into the vacuum. . Since the number of injected electrons depends on the height and thickness of the energy barrier,
The electron emission properties are improved by lowering the height of the energy barrier and increasing the magnitude of the electric field applied to the barrier (T. Sugino, Y. Iwasaki, S. Kawasaki, R. Hattori, J
unji Shirafuji, Diamond Relat. Mater., 6 (1997) 8
89).
【０００４】電子放出素子に用いられるダイアモンド薄
膜は一般にホットフィラメント法等のCVD 法により形成
されるが、形成される膜の質は成膜条件に強く依存す
る。このようなダイアモンド薄膜の内部にはダイアモン
ドの炭素結合であるsp3 結合だけでなく、グラファイト
の炭素結合であるいわゆるsp2 結合が含まれる。 sp3結
合は導電性を有しないが、sp2 結合は導電性を有する。
そしてsp2 結合が含まれる割合が大きいダイアモンド薄
膜の電子放出のしきい値（電子放出が始まる電圧）はsp
3 結合が含まれる割合が大きいダイアモンド薄膜のそれ
よりも一般に低くなる。このことはMIM （metal-insula
tor-metal ）微細構造モデルにより説明できる。このモ
デルはダイアモンド中に存在する孤立したsp2 結合の粒
子がダイアモンドとsp2-ダイアモンド(sp3)-sp2 のカス
ケード構造をなし、微細なMIM 構造を形成して、ダイア
モンド内部の電界を増加させるというものである。The diamond thin film used in the electron-emitting device is generally formed by a CVD method such as a hot filament method, and the quality of the formed film depends strongly on the film forming conditions. Such a diamond thin film contains not only sp3 bonds which are carbon bonds of diamond, but also so-called sp2 bonds which are carbon bonds of graphite. The sp3 bond is not conductive, but the sp2 bond is conductive.
The threshold of electron emission (voltage at which electron emission starts) of a diamond thin film containing a large amount of sp2 bonds is sp
It is generally lower than that of diamond films, which have a high proportion of 3 bonds. This is MIM (metal-insula
can be explained by a fine structure model. In this model, isolated sp2-bonded particles in diamond form a cascade structure of diamond and sp2-diamond (sp3) -sp2, forming a fine MIM structure and increasing the electric field inside the diamond. is there.
【０００５】sp2 粒子が埋め込まれたダイアモンドのバ
ンド図を図２に示す。導電性を有するsp2 粒子と金属電
極間の電界はこの領域に生じる電位差DV{ EMBED Equati
on.2, } (1/KS(Dd/d)Vにより、sp2 粒子が無い場合より
も大きくなる。ここでV はアノード- カソード間電圧、
d はアノード- カソード間距離、Ddはsp2 粒子とダイア
モンド- 金属界面の距離(Dd<<d) であり、K S はダイア
モンドの比誘電率である。このためダイアモンド- 金属
界面におけるトンネル距離W が減少することになる（W.
P. Kang, A. Wisitsora-at, J. L. Davidson, D.V. Ke
rns, Q. Li,J. F. Xu, C. K. Kim, Ｊ. Ｖａｃ.Sci.Te
chnol.B16(2) (1998) 684）。このトンネル距離の減少
は電子が金属電極からダイモンドの伝導帯へトンネルす
る確率を増加させことになる。その結果、孤立して存在
し導電性を有するsp2 粒子により、低電圧下でも電子の
通路( 金属電極から真空への電子放出) が形成されるこ
とになり、電子放出が可能となる。
ダイアモンド表面のイオン照射による改質
炭素の結晶として一般的なものはグラファイトとダイア
モンドである。グラファイトは炭素原子がsp2 結合によ
り層状に結合したものであり、各層間には弱い力が働い
て結合している。一方、ダイアモンドはsp3 結合により
強固に結合している。この結合の違いにより、その物理
的、化学的性質は大変異なったものとなっている。グラ
ファイトは柔らかく、不透明であり、導電性を有してい
る。一方、ダイアモンドは極めて固く、広い波長域で透
明であり、絶縁性を示す。A band diagram of diamond with embedded sp2 particles is shown in FIG. The electric field between the conductive sp2 particle and the metal electrode causes a potential difference DV {EMBED Equati
on.2,} (1 / K S ( Dd / d) V is larger than without sp2 particles, where V is the anode-cathode voltage,
d is the anode-cathode distance, Dd is the distance between the sp2 particle and the diamond-metal interface (Dd << d), and K S is the relative permittivity of the diamond. This reduces the tunnel distance W at the diamond-metal interface (W.
P. Kang, A. Wisitsora-at, JL Davidson, DV Ke
rns, Q. Li, JF Xu, CK Kim, J. Vac. Sci. Te
chnol.B16 (2) (1998) 684). This decrease in tunnel distance increases the probability that electrons will tunnel from the metal electrode to the conduction band of the diamond. As a result, the sp2 particles which are isolated and have conductivity form electron passages (electron emission from the metal electrode to the vacuum) even at a low voltage, which enables electron emission. Commonly used crystals of modified carbon by ion irradiation on the diamond surface are graphite and diamond. Graphite is composed of carbon atoms bonded in layers by sp2 bonds, and a weak force acts between the layers to bond them. On the other hand, diamond is strongly bonded by sp3 bond. Due to this difference in bonding, their physical and chemical properties are very different. Graphite is soft, opaque and conductive. On the other hand, diamond is extremely hard, transparent in a wide wavelength range, and has an insulating property.
【０００６】室温においてダイアモンドはグラファイト
に比して準安定な物質であり、例えばイオン照射により
ダイアモンドをグラファイトに変換できる。この変換の
度合いはイオン照射のドーズ量により制御できる。グラ
ファイトは導電性を有し、一方ドープしていないダイア
モンドは絶縁性を有するので、導電率とイオン照射のド
ーズ量の関係をモニターすればダイアモンドからグラフ
ァイトへの変換の進行の度合いを知ることができる。イ
オン照射による導電率の変化は、異なるイオン種(C, A
r, Xe, Sb) を用いても同様な結果を示している。エネ
ルギーが40から340keV、ドーズ量が1013-10 15 ions/cm
2 の範囲では、イオン照射によりダイアモンドの抵抗は
最大で10桁程度減少する。これはダイアモンド中のsp2
結合の割合と欠陥が増加するためである。At room temperature, diamond is a metastable substance as compared with graphite, and for example, diamond can be converted into graphite by ion irradiation. The degree of this conversion can be controlled by the dose amount of ion irradiation. Graphite has conductivity, while undoped diamond has insulation, so by monitoring the relationship between conductivity and the dose of ion irradiation, the degree of progress of conversion from diamond to graphite can be known. . The change in conductivity due to ion irradiation depends on different ion species (C, A
Similar results are also shown using r, Xe, Sb). Energy is 40 to 340 keV, dose is 10 13 -10 15 ions / cm
In the range of 2, the diamond resistance is reduced by up to 10 digits due to ion irradiation. This is sp2 in the diamond
This is because the proportion of bonds and defects increase.
【０００７】図3 に一例として、100keVのC イオンを照
射した場合のデータを示す。同様な結果は他のイオン種
においても得られている。図には傾向の異なる3 つの領
域が認められる。D<D 1 の領域ではイオン照射により、
導電率が少し増加する。これはおそらく欠陥が増加する
ためと考えられる。D 1<D<D 2 領域ではドーズ量の増加
に伴い導電率は減少し、D がおよそD 2 で導電率が急激
に増加する。より高いドーズ量では導電率が飽和し、そ
の値は多結晶グラファイトの値に近くなって、金属的な
伝導を示すようになる。室温においてはD 1 は原子あた
り1eV のエネルギーに相当し、D2は5eV のエネルギーに
相当する（A. Hoffmann, S. Prawer, R.Kalish, Phys.R
ev. 45(22) (1992) 12736 ）。FIG. 3 shows, as an example, data obtained by irradiation with 100 keV C ions. Similar results have been obtained with other ionic species. The figure shows three areas with different trends. In the region of D <D 1 , due to ion irradiation,
The conductivity increases slightly. This is probably because defects increase. In the D 1 < D <D 2 region, the conductivity decreases as the dose increases, and the conductivity increases sharply when D is about D 2 . At higher doses, the conductivity saturates, approaching that of polycrystalline graphite and exhibiting metallic conductivity. At room temperature, D 1 corresponds to an energy of 1 eV per atom and D 2 corresponds to an energy of 5 eV (A. Hoffmann, S. Prawer, R. Kalish, Phys.R.
ev. 45 (22) (1992) 12736).
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】本発明は電子放出を生
じさせるのに必要なしきい値電圧を低下させることによ
り、電子放出素子を動作させるのに必要な電圧を低下さ
せ、効率の高い電子放出素子を実現するためになされた
ものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention lowers the threshold voltage required to cause electron emission, thereby lowering the voltage required to operate an electron-emitting device, and increasing the efficiency of electron emission. This was done to realize the device.
【０００９】上記のようにダイアモンドを用いた電子放
出素子において、電子放出のしきい値は主に電子を注入
するための金属電極とダイアモンド層界面のエネルギー
障壁により制限されている。電子はこのエネルギー障壁
をトンネルして金属電極からダイアモンド層へ移動する
必要がある。このためしきい値を下げるためには、エネ
ルギー障壁を低くし、トンネル距離を短くする必要があ
る。本発明は上記課題を解決するためになされたもの
で、その目的とするところは、現行のダイアモンドを用
いた電子放出素子のしきい値をさらに低下させ、高効率
の電子放出素子を提供することにある。As described above, in the electron-emitting device using diamond, the threshold of electron emission is limited mainly by the energy barrier at the interface between the metal electrode for injecting electrons and the diamond layer. The electrons need to tunnel through this energy barrier and travel from the metal electrode to the diamond layer. Therefore, in order to lower the threshold value, it is necessary to lower the energy barrier and shorten the tunnel distance. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to further reduce the threshold value of an electron-emitting device using a current diamond to provide a highly efficient electron-emitting device. It is in.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は電子をダイアモ
ンド等の炭素系低仕事関数材料に注入するための電極を
形成する前に、イオン照射等の手段を用いて前記電極が
形成される側のダイアモンド層表面を改質することを特
徴とする。According to the present invention, before forming an electrode for injecting electrons into a carbon-based low work function material such as diamond, the side on which the electrode is formed by means of ion irradiation or the like. The surface of the diamond layer is modified.
【００１１】本発明の電子放出素子においてはCVD 等の
方法により形成されたダイアモンド等の膜の一方の表面
がイオン照射等の方法により、成膜中に形成されたsp3
結合の割合が多い構造からsp2 結合の割合が多い構造へ
と変換される。上述の臨界ドーズ量D2以上のイオンを照
射することにより、ダイアモンド層表面は導電率と欠陥
が増加する。この面上に電子を注入するための金属電極
を形成すると、エネルギー障壁が低下し、トンネル距離
が短くなっているため、電子の金属側からダイアモンド
側へのトンネル確率が増加し、低電圧下でも金属電極か
ら電子放出へ至る通路が形成されることになる。このた
め、低電圧の下でも電子放出が可能となる。このように
して作製されたダイアモンドを用いた電子放出素子のし
きい値電圧は低下し、高効率の電子放出素子が実現でき
る。In the electron-emitting device of the present invention, one surface of a film of diamond or the like formed by a method such as CVD is formed during film formation by a method such as ion irradiation.
A structure with a high proportion of bonds is converted to a structure with a high proportion of sp2 bonds. By irradiating the ions with the above critical dose amount D2 or more, the conductivity and defects increase on the surface of the diamond layer. When a metal electrode for injecting electrons is formed on this surface, the energy barrier is lowered and the tunnel distance is shortened, so the probability of electrons tunneling from the metal side to the diamond side increases, and even under low voltage. A path from the metal electrode to the electron emission will be formed. Therefore, it is possible to emit electrons even at a low voltage. The threshold voltage of the electron-emitting device using the diamond thus manufactured is lowered, and a highly efficient electron-emitting device can be realized.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
（第一実施例）形状の一様性、再現性に優れたダイアモ
ンドFEA （Field Emitter Array ）は以下のようにして
作製できる。まず(100) 面のSi単結晶基板に異方性エッ
チングを用いて逆ピラミッド型の凹部を形成する。次に
凹部内も含め熱酸化によりSi基板表面に酸化層を形成す
る。この過程で凹部の底部は先鋭化される。次に図4 に
示すようにドープしたダイアモンド層を凹部内も含め、
Si基板表面に形成し、図5 に示すように凹部内をダイア
モンド層が覆いつくすまで成膜を行う。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Example) A diamond FEA (Field Emitter Array) excellent in shape uniformity and reproducibility can be manufactured as follows. First, an inverted pyramid-shaped recess is formed in a (100) plane Si single crystal substrate by anisotropic etching. Next, an oxide layer is formed on the surface of the Si substrate by thermal oxidation including the inside of the recess. In this process, the bottom of the recess is sharpened. Next, as shown in Fig. 4, the doped diamond layer is
It is formed on the surface of the Si substrate, and the film is formed until the diamond layer covers the inside of the recess as shown in Fig. 5.
【００１３】次に図6 に示すように、ダイアモンド層表
面に前述の臨界イオンドーズ量D2以上のドーズ量のイオ
ン照射を行う。これにより照射された面の抵抗は大幅に
低下し、面直下の領域のみで欠陥密度が増大する。Next, as shown in FIG. 6, the diamond layer surface is irradiated with ions having a dose amount equal to or greater than the above-mentioned critical ion dose amount D2. As a result, the resistance of the irradiated surface is significantly reduced, and the defect density is increased only in the region directly below the surface.
【００１４】次に図7 に示すようにH2プラズマにより表
面を処理する。これにより電子放出のしきい値電圧が低
下する場合もある。ただしsp2 結合を多く含む層がエッ
チングにより除去される場合もあるので、この処理は必
須ではない。Next, as shown in FIG. 7, the surface is treated with H 2 plasma. This may lower the electron emission threshold voltage. However, this treatment is not essential because the layer containing many sp2 bonds may be removed by etching.
【００１５】次に図８に示すようにスパッタリング等に
より電子注入のための金属電極を形成する。次に図９に
示すように不要なSi基板と熱酸化層をエッチング除去
し、露出したダイアモンド面にプラズマ処理を行う。こ
のプラズマ処理により電子放出のしきい値電圧が低下す
る場合もある。この処理もまた必須ではない。Next, as shown in FIG. 8, a metal electrode for electron injection is formed by sputtering or the like. Next, as shown in FIG. 9, the unnecessary Si substrate and the thermal oxide layer are removed by etching, and the exposed diamond surface is subjected to plasma treatment. This plasma treatment may reduce the electron emission threshold voltage. This process is also not essential.
【００１６】本実施例においてはイオン照射により、電
子注入のための金属電極と接する側のダイアモンド膜の
構造がsp3 結合の割合が多い構造からsp2 結合の割合が
多い構造へと変換されており、導電率と欠陥が増加して
いる。このため界面におけるエネルギー障壁が低下し、
トンネル距離が短くなっている。結果として、電子の金
属電極側からダイアモンド側へのトンネル確率が増加
し、低電圧下でも電子放出へ至る通路が形成されること
になる。結果として低電圧の下でも電界電子放出が可能
となる。このようにして作製されたダイアモンドを用い
た電子放出素子のしきい値電圧は低下し、高効率の電子
放出素子が実現できる。In this embodiment, the structure of the diamond film on the side in contact with the metal electrode for electron injection is converted from a structure having a large proportion of sp3 bonds to a structure having a large proportion of sp2 bonds by ion irradiation. The conductivity and defects are increasing. This lowers the energy barrier at the interface,
The tunnel distance is getting shorter. As a result, the probability of electrons tunneling from the metal electrode side to the diamond side increases, and a path for electron emission is formed even under a low voltage. As a result, field electron emission is possible even under a low voltage. The threshold voltage of the electron-emitting device using the diamond thus manufactured is lowered, and a highly efficient electron-emitting device can be realized.
【００１７】（第二実施例）図１０は、本発明のさらに
別の実施形態に係わる電界放出エミッタの製造方法を示
す図である。(Second Embodiment) FIG. 10 is a diagram showing a method for manufacturing a field emission emitter according to still another embodiment of the present invention.
【００１８】まず、図１０（ａ）に示すように（１０
０）結晶方位のｐ型のＳｉ基板１０１を準備する。次に
例えばＰ（リン）をイオン注入して、Ｓｉ基板１０１表
面の開口部にｎ型領域１０２を形成する。次に、Ｓｉ基
板１０１上に熱酸化ＳｉＯ２膜をドライ酸化により形成
し、さらにレジストをスピンコートにより塗布し、露
光、現像等のパターンニングを行った後、ＮＨ４Ｆ／Ｈ
Ｆ混合水溶液によりＳｉＯ２膜をエッチングし、例えば
４μｍ角の正方形開口部を形成する。次にＫＯＨ水溶液
による異方性エッチングを用いて、ｎ型領域１０２を貫
通する底部を尖らせた凹部１０３を形成する。First, as shown in FIG.
0) A p-type Si substrate 101 having a crystal orientation is prepared. Next, for example, P (phosphorus) is ion-implanted to form the n-type region 102 in the opening on the surface of the Si substrate 101. Next, a thermally oxidized SiO 2 film is formed on the Si substrate 101 by dry oxidation, a resist is applied by spin coating, patterning such as exposure and development is performed, and then NH 4 F / H is used.
The SiO 2 film is etched with the F mixed aqueous solution to form, for example, a square opening of 4 μm square. Next, anisotropic etching using a KOH aqueous solution is used to form a recessed portion 103 having a sharp bottom that penetrates the n-type region 102.
【００１９】次に図１０（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板
１０１の表面に、凹部１０３内も含めて、ウエット酸化
により熱酸化ＳｉＯ２膜１０４を形成する。次に凹部１
０３内も含め、エミッタ層となる炭素系材料をＣＶＤ法
により成膜する（本実施例ではダイアモンド層１０５と
する）。Next, as shown in FIG. 10B, a thermally oxidized SiO 2 film 104 is formed on the surface of the Si substrate 101 including the inside of the recess 103 by wet oxidation. Next, recess 1
A carbon-based material to be an emitter layer is formed by a CVD method (including the inside of 03) (the diamond layer 105 is used in this embodiment).
【００２０】次に図１０（ｃ）に示すように、イオン照
射やサンドブラスト等の手段を用いて、ダイアモンド層
１０５の表面構造を意図的に乱す。さらに表面構造を乱
すだけでは無く、ダイアモンド層１０５の表面に図示の
ような微少な凹凸を作製してもよい。これらの凹凸はイ
オン照射やサンドブラスト等に耐性のある材料をダイア
モンド層１０５上に成膜した後、パターンニングを行
い、マスクを形成することにより作製できる。また簡単
のため、耐性のある微少粒子を散布し、これをマスクと
して用いてもよい。Next, as shown in FIG. 10C, the surface structure of the diamond layer 105 is intentionally disturbed by means of ion irradiation, sandblasting or the like. Further, in addition to disturbing the surface structure, minute irregularities as illustrated may be formed on the surface of the diamond layer 105. These irregularities can be produced by forming a mask by forming a material having resistance to ion irradiation, sandblasting, etc. on the diamond layer 105, and then performing patterning. Further, for the sake of simplicity, it is possible to sprinkle resistant fine particles and use this as a mask.
【００２１】次に図１０（ｄ）に示すように、コンタク
ト電極１０６を形成する。次に図１０（ｅ）に示すよう
に、例えば接着剤１０７を用いてＳｉ基板１０１とガラ
ス基板１０８を接着する。Next, as shown in FIG. 10D, a contact electrode 106 is formed. Next, as shown in FIG. 10E, the Si substrate 101 and the glass substrate 108 are bonded to each other using, for example, an adhesive 107.
【００２２】次に図１０（ｆ）に示すように、電気化学
エッチングを利用して、Ｓｉ基板１０１のｐ型部分のみ
を選択的に除去する。電気化学エッチングはｐｎ接合に
逆バイアスとなるよう電圧を印加しつつ、ＫＯＨ水溶液
でＳｉをエッチングすることにより行われる。これによ
りｐ型の部分のみをエッチングし、ｎ型の部分はエッチ
ングされないようにすることができる。Next, as shown in FIG. 10F, only the p-type portion of the Si substrate 101 is selectively removed by utilizing electrochemical etching. Electrochemical etching is performed by etching Si with a KOH aqueous solution while applying a voltage to the pn junction so as to have a reverse bias. As a result, only the p-type portion can be etched and the n-type portion can be prevented from being etched.
【００２３】次に図１（ｇ）に示すように、ダイアモン
ドよりなる凸部１０９の先端部の周囲を覆う熱酸化Ｓｉ
Ｏ２膜１０４をエッチング除去し、素子が完成する。
ｎ型領域１０２は電子を引き出すためのいわゆるゲート
電極になる。Next, as shown in FIG. 1 (g), thermally oxidized Si covering the periphery of the tip of the convex portion 109 made of diamond.
The O2 film 104 is removed by etching to complete the device.
The n-type region 102 serves as a so-called gate electrode for extracting electrons.
【００２４】コンタクト電極１０６からダイアモンド層
１０５へ電子が移動する際の障壁の高さは、本実施例の
ようにダイアモンド層１０５の表面の構造が十分に乱れ
ている場合には、ダイアモンド層１０５の表面に多数の
表面準位が形成されているため、これら表面準位により
決まるようになる。このため、表面の構造を乱すことに
より障壁高さを下げることができ、結果として電子放出
のしきい値電圧を下げることが可能になる。さらに表面
に微少な凹凸がある場合には、ダイアモンド表面の凹部
の底の部分に、形状効果によりダイアモンド内に進入し
た電界の集中が起こり、電子がコンタクト電極１０６か
らダイアモンド層１０５へ移動しやすくなる。この形状
効果によっても電子放出のしきい値電圧は下がることに
なる。When the electrons move from the contact electrode 106 to the diamond layer 105, the height of the barrier is higher than that of the diamond layer 105 when the structure of the surface of the diamond layer 105 is sufficiently disordered as in this embodiment. Since many surface levels are formed on the surface, they are determined by these surface levels. Therefore, the barrier height can be lowered by disturbing the surface structure, and as a result, the threshold voltage of electron emission can be lowered. Further, when the surface has minute irregularities, the electric field entering the diamond is concentrated due to the shape effect at the bottom of the concave portion on the surface of the diamond, and electrons easily move from the contact electrode 106 to the diamond layer 105. . This shape effect also lowers the electron emission threshold voltage.
【００２５】[0025]
【発明の効果】本発明の電子放出素子においてはイオン
照射等により、電子を注入するための金属電極側のダイ
アモンド層がsp3 結合の割合が多い構造からsp2 結合の
割合が多い構造へと変換されているため、ダイアモンド
層の導電率と欠陥が増加している。このため金属電極と
ダイアモンド層界面のエネルギー障壁が低下し、電子の
トンネル確率が増加し、低電圧下でも金属電極から電子
放出へ至る通路が形成されることになり、低電圧の下で
も電界電子放出が可能となる。このようにして作製され
たダイアモンドを用いた電子放出素子のしきい値電圧は
低いものとなり、高効率の電子放出素子が実現できる。In the electron-emitting device of the present invention, the diamond layer on the metal electrode side for injecting electrons is changed from a structure having a large proportion of sp3 bonds to a structure having a large proportion of sp2 bonds by ion irradiation or the like. Therefore, the conductivity and defects of the diamond layer are increased. Therefore, the energy barrier at the interface between the metal electrode and the diamond layer is lowered, the tunnel probability of electrons is increased, and a path from the metal electrode to the electron emission is formed even under a low voltage. Release is possible. The electron-emitting device using diamond thus produced has a low threshold voltage, and a highly efficient electron-emitting device can be realized.
【図１】 ダイアモンド電子放出素子とバンド構造を説
明するための図FIG. 1 is a diagram for explaining a diamond electron emission device and a band structure.
【図２】 ダイアモンドの電子放出を説明するためのMI
M モデルに基づくバンド構造を説明するための図[Fig. 2] MI for explaining electron emission of diamond
Diagram for explaining the band structure based on the M model
【図３】 イオン照射によるダイアモンドの導電率の変
化を説明するための図FIG. 3 is a diagram for explaining a change in conductivity of diamond due to ion irradiation.
【図４】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（Si基板へのホットフィラメントCV
D によるダイアモンド膜の形成）FIG. 4 is a diagram showing a method of manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (hot filament CV on Si substrate).
Formation of diamond film by D)
【図５】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（十分な厚みのダイアモンド層をSi
基板に形成）FIG. 5 is a view showing a method of manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (a diamond layer having a sufficient thickness is
Formed on the substrate)
【図６】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（ダイアモンド層表面を改質するた
めのイオン照射）FIG. 6 is a diagram showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (ion irradiation for modifying the surface of a diamond layer).
【図７】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（電子注入側のダイアモンド面のH2
プラズマ処理）FIG. 7 is a diagram showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (H2 on the diamond surface on the electron injection side).
Plasma treatment)
【図８】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（電子注入のための金属電極形成）FIG. 8 is a diagram showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (formation of a metal electrode for electron injection).
【図９】 本発明の第一の実施例に係わる電子放出素子
の製造方法を示す図（Si基板除去および電子放出側のダ
イアモンド面のH2プラズマ処理）FIG. 9 is a diagram showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention (Si substrate removal and H2 plasma treatment of the diamond surface on the electron-emitting side).
【図１０】 本発明の別の実施の形態に係わる電界放出
エミッタの製造方法を示す図FIG. 10 is a diagram showing a method for manufacturing a field emission emitter according to another embodiment of the present invention.
１０１ Ｓｉ基板 １ ｎ型領域 ２ 凹部 ３ 熱酸化ＳｉＯ２膜 ４ ダイアモンド層 ５ コンタクト電極 ６ 接着剤 ７ ガラス基板 ８ ダイアモンド凸部 101 Si substrate 1 n-type region 2 recess 3 Thermally oxidized SiO2 film 4 diamond layer 5 Contact electrode 6 adhesive 7 glass substrate 8 diamond protrusion
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−306333（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−161655（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−270227（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−27263（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−283914（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/30 H01J 9/02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-9-306333 (JP, A) JP-A-9-161655 (JP, A) JP-A-9-270227 (JP, A) JP-A-9- 27263 (JP, A) JP-A-10-283914 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 1/30 H01J 9/02
Claims (2)
に電子を注入するための電極とを備え、前記エミッタは
ダイアモンド層からなり、前記電極が形成される側の前
記ダイアモンド層表面の構造が、イオン照射の手段を用
いて導電性の大きなｓｐ２結合の割合が多い構造に改質
されていることを特徴とする電子放出素子。1. An emitter for emitting electrons and the emitter
And an electrode for injecting electrons into the emitter
Made diamond layer, the structure of the diamond layer surface of the side where the electrode is formed, characterized in that it modified the conductivity of the large sp2 ratio of coupling is large structures by means of a ion irradiation Electron emitting device.
部内にエミッタとなるダイアモンド層を埋め込む工程Step of embedding a diamond layer that will become an emitter inside the part
と、このダイアモンド層表面の構造をイオン照射の手段And the structure of this diamond layer surface is a means of ion irradiation
を用いて導電性の大きなｓｐ２結合の割合が多い構造にTo form a structure with a large proportion of sp2 bonds with large conductivity.
改質する工程と、改質したダイアモンド層表面の上に電The process of modification and the charge on the surface of the modified diamond layer.
極層を形成する工程と、前記基板を除去する工程とを備A step of forming an electrode layer and a step of removing the substrate are provided.
えたことを特徴とする電子放出素子の製造方法。A method for manufacturing an electron-emitting device characterized by the above.
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| JP04980499A JP3378524B2 (en) | 1999-02-26 | 1999-02-26 | Electron emitting device and method of manufacturing the same |
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| JP2000251658A JP2000251658A (en) | 2000-09-14 |
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