JP3540445B2

JP3540445B2 - Ｍｉｍ／ｍｉｓ電子源およびその製造方法

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Publication number: JP3540445B2
Application number: JP17137995A
Authority: JP
Inventors: 明田崎; 要司岩本
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JPH097499A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＭＩＭ／ＭＩＳ電子源、特に、基板上の任意のパターン領域から電子放出を可能にするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＩＭ電子源は、金属−絶縁体−金属(Metal-Insulator-Metal) という３層構造から構成される電子源であり、また、ＭＩＳ電子源は、金属−絶縁体−半導体(Metal-Insulator-Semiconductor) という３層構造から構成される電子源である。これらの電子源は、▲１▼表面汚染の影響を受けにくい、▲２▼動作電圧が５〜１０Ｖ程度と低い、▲３▼電子放出領域を任意のパターンにできる、といった利点を有する素子として注目を集めている。その動作原理は、量子力学上のトンネル効果を利用したものである。すなわち、フェルミレベルの異なる２種類の金属同士もしくは金属と半導体とを絶縁層を挟んで接合し、この絶縁層をトンネルして通り抜けた電子を外部へ放出させるものである。
【０００３】
現在、提案されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の構造は、基板上に、金属−絶縁体−金属という薄膜の３層構造を形成したＭＩＭ構造のものが主流である。たとえば、日本学術振興会真空マイクロエレクトロニクス第１５８委員会第３回研究会資料（平成６年８月２９日）の第１７〜２１頁には、「金属−絶縁体−金属型電子源の非フォーミング状態での電子放出特性」と題して、シリコン基板上に、アルミニウム−酸化アルミニウム−金という３層薄膜構造をもったＭＩＭ電子源を試作した実験結果が報告されている。また、第５５回応用物理学関係連合講演会予稿集第５７９頁には、「ＭＩＭ電子源の電子放出特性の温度依存性」と題して、ＭＩＭ電子源の放出電流の温度特性が報告されている。更に、第４２回応用物理学関係連合講演会予稿集第６４２頁には、「コーン型ＭＩＳ電子源の電子放出特性」および「外部電極を持つコーン型ＭＩＳ電子源の作製」と題して、ＭＩＳ電子源に関する研究結果が報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来報告されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子源は、いずれも実験段階のものであり、面内で均一な電子放出を安定して行うことが困難であり、また、製造プロセスが非常にむずかしいという問題点があり、実用化には至っていない。ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の素子としての性能に大きく影響を与える要因のひとつは、絶縁層の品質および膜厚である。絶縁層はトンネル効果が生じる程度の薄膜にする必要があり、通常は、数ｎｍ程度の厚みしかもたない。このため、ピンホールなどが発生しやすく、高品質の絶縁膜を形成することは非常に困難である。また、一様な膜厚をもった絶縁層を形成することも技術的に難しい。絶縁層にピンホールなどの欠陥や厚みの変動が生じていると、漏れ電流が発生し、均一で安定した電子放出が阻害されることになる。また、絶縁層と金属層（半導体層）との界面状態も、ＭＩＭ／ＭＩＳ素子としての性能に影響を与える要因のひとつであり、理想的な界面を有する素子を製造することは非常に困難である。
【０００５】
そこで本発明は、所定面内で、均一かつ安定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
表面が絶縁層によって覆われた第１の導電性材料からなる微粒子を多数充填することにより構成された微粒子層と、この微粒子層の下面に形成された下部電極層と、この微粒子層の上面に形成された上部電極層と、を設け、
絶縁層はトンネル効果により電子が通り抜けることが可能な厚みとし、
上部電極層は第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料からなり、第１の導電性材料と第２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異なる金属もしくは半導体によって構成されるようにし、第１の導電性材料のフェルミレベルは、第２の導電性材料のフェルミレベルよりも高くなるようにし、
上部電極層と下部電極層との間に所定の電圧を印加したときに、両者間に電流が流れるのに十分な密度で、微粒子を充填するようにしたものである。
【０００７】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
第１の導電性材料としてアルミニウムを、第２の導電性材料として金を、絶縁層として酸化アルミニウムを、それぞれ用いたものである。
【０００８】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
第１の導電性材料としてシリコンを、第２の導電性材料として金を、絶縁層として酸化シリコンを、それぞれ用いたものである。
【０００９】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
微粒子層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子を用いたものである。
【００１０】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を製造する方法において、
所定の支持基板上に下部電極層を形成し、
第１の導電性材料を収容する第１のチャンバと、微粒子層を形成させるための第２のチャンバと、を用意し、
第１のチャンバ内で、不活性ガスおよび絶縁層の材料ガスを導入しながら第１の導電性材料を蒸発させて微粒子を生成し、第２のチャンバ内に支持基板を収容し、生成した微粒子を第２のチャンバ内に導入してノズルから支持基板上の下部電極層に向けて放出することにより、下部電極層上に微粒子層を形成し、
微粒子層上に第２の導電性材料からなる上部電極層を形成するようにしたものである。
【００１１】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係るＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法において、
第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動させながら微粒子層を成長させることにより、移動軌跡に応じたパターンの微粒子層を形成するようにしたものである。
【００１２】
【作用】
本発明の基本概念は、金属−絶縁体−金属というＭＩＭ電子源もしくは金属−絶縁体−半導体というＭＩＳ電子源の基本構成要素の一部を、微粒子を用いて実現した点にある。たとえば、アルミニウムの微粒子の表面に酸化アルミニウムからなる絶縁膜を形成する。これらの微粒子を所定の基板上にある程度の密度で付着させて微粒子層を作れば、この微粒子層は、内部に金属−絶縁体というＭＩＭ電子源の基本構成要素の一部を多数含んだ層になる。この微粒子層の上面に、たとえば、金の薄膜を形成すれば、「アルミニウム−酸化アルミニウム−金」という接合、すなわち、「金属−絶縁体−金属」というＭＩＭ接合が得られることになる。ここで、酸化アルミニウムの膜厚をトンネル効果が生じるように十分小さな膜厚にしておき、個々の微粒子を十分な密度で充填しておくようにすれば、「アルミニウム−酸化アルミニウム−金」というＭＩＭ接合が随所において見られるようになり、このような接合箇所がそれぞれ個々のＭＩＭ電子源素子として機能することになる。したがって、微粒子層の下面に下部電極層を形成しておき、この下部電極層と上部電極層との間に所定の電圧を印加すれば、この両電極層間に電流が流れることになる。ここで、上部電極層の厚みを電子放出に適した厚みにしておけば、上部電極層の表面から電子放出が起こる。特に、用いる微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子を用いるようにすれば、上部電極層の表面から非常にきめが細かい一様な電子放出が得られるようになる。
【００１３】
このような構造をもつＭＩＭ電子源の素子は、非常に簡便な製造プロセスで製造可能である。たとえば、第１のチャンバ内を所定の真空度に保ち、酸素ガスを導入しながらアルミニウムを蒸発させれば、チャンバ内に酸化膜で覆われたアルミニウムの微粒子を充満させることができる。なお、一般にアルミニウムは非常に酸化されやすい金属なので、チャンバ内に不活性ガスを満たした状態でアルミニウムの微粒子を作成しても、このアルミニウムの微粒子を大気中で取り出した段階で、表面は酸化膜で覆われた状態になり、チャンバ内においても不活性ガス中の不純物酸素や水によって表面は酸化される傾向にある。したがって、チャンバ内には必ずしも酸素ガスを積極的に導入する必要はないが、酸素ガスの導入によって酸化膜厚を制御することが可能になる。
【００１４】
こうして発生させた微粒子を、第２のチャンバ内に導入し、支持基板上の下部電極層に向けて放出すれば、下部電極層上に微粒子層を形成させることができる。微粒子の大きさや酸化膜の厚みは、チャンバ内の真空度や材料の蒸発温度によって制御することができる。下部電極層上に形成される微粒子層内には、膨大な数の微粒子が堆積した状態になり、個々の微粒子の表面に「金属−絶縁体」接合が形成されることになる。したがって、この微粒子層の上面に上部電極層を形成すれば、最終的に、「金属−絶縁体−金属」というＭＩＭ接合を得ることができ、しかも、全体として得られるＭＩＭ接合の面積は非常に大きなものになる。このため、非常に効率的な電子放出が可能になる。また、全体として、微粒子の密度や分布は下部電極層上で均一になるため、面内において均一な安定した電子放出が得られることになる。
【００１５】
なお、第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動させながら微粒子層を成長させるようにすれば、ノズルから放出される微粒子を支持基板上の任意の位置へ堆積させることが可能になり、移動軌跡に応じた任意のパターンを非常に簡単に形成させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を図示する実施例に基いて説明する。はじめに、参考のために、従来提案されている一般的なＭＩＭ電子源の構造およびその動作を簡単に説明しておく。
【００１７】
図１は、従来提案されている一般的なＭＩＭ電子源と、このＭＩＭ電子源を用いた電子デバイスの構成を示す断面図である。この例では、ＭＩＭ電子源は、金属層１、絶縁層２、金属層３の３層によって構成されている。ここで、金属層１はアルミニウム（Ａｌ）からなり、絶縁層２は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなり、金属層３は金（Ａｕ）からなる。このような３層構造を有するＭＩＭ電子源において、金属層１と金属層３との間に図のような電圧Ｖ１（たとえば、Ｖ１＝１０Ｖ）を印加し、更に、このＭＩＭ電子源から少し離れた位置に対向電極４を配置し、この対向電極４にアノード電圧Ｖ２（たとえば、Ｖ２＝５００Ｖ）を印加すれば、ＭＩＭ電子源から対向電極４に向けて電子ｅ⁻が放出されることになる（両者間は、たとえば、１０^−５Ｐａ程度の圧力に保たれる）。
【００１８】
このような現象は、図２に示すエネルギー準位図によって説明される。アルミニウムと金は、互いにフェルミレベルの異なる金属であるが、両者のフェルミレベルが一致する方向に電圧Ｖ１を印加すると、中間の酸化アルミニウム層２を挟んで、図示のようなエネルギー準位が得られることになる。ここで、印加電圧Ｖ１＝１０Ｖ程度とし、酸化アルミニウム層２の厚みをトンネル効果が起こり得る１０ｎｍ程度とすると、酸化アルミニウム層２内の電界は１０^９Ｖ／ｍ程度に達するため、アルミニウム層１から酸化アルミニウム層２の伝導帯へ電子がトンネルし、このトンネル電子ｅ⁻は金層３へと移動し、散乱によりエネルギーを失う。このようなトンネル電子ｅ⁻の移動により、ＭＩＭ構造をもった３層を流れるダイオード電流Ｉ１が発生することになる。一方、エネルギー損失が少なかったトンネル電子ｅ⁻は、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出され、対向電極４へと向かうことになる。対向電極４に流れる放出電流Ｉ２は、こうして放出されたトンネル電子ｅ⁻の移動によるものである。ここで、電流比Ｉ２／Ｉ１は、全トンネル電子のうちの対向電極側へ放出される電子の割合（放出比）を示すものとなり、これまで報告されている一般的なＭＩＭ電子源の場合、Ｉ２／Ｉ１＝１０^−３〜１０^−５程度である。
【００１９】
このような原理に基いて動作するＭＩＭ電子源は、表面汚染に対して非常に強い素子になる。これは、トンネル電流を支配しているのが、表面障壁ではなく、アルミニウム層１と酸化アルミニウム層２との間の界面障壁であるためである。
【００２０】
しかしながら、このような従来のＭＩＭ電子源では、放出面から均一で安定した電子放出を行うことが困難であり、また、製造プロセスが難しいという問題があることは既に述べたとおりである。たとえば、図１に示す例の場合、金層３の表面から均一に安定した電子放出を行うためには、各薄膜の厚みを均一にし、しかも、部分的な欠陥のない高品質な薄膜を形成する必要がある。現在の技術では、このような品質の高い薄膜を均一に形成することは非常に困難である。
【００２１】
本発明に係るＭＩＭ電子源は、図２に示すエネルギー準位図によって説明される動作原理に基いて動作する素子ではあるが、その物理的な構造は、全く異なるものである。図３は、本発明の一実施例に係るＭＩＭ電子源の基本構成を説明するための断面図である。このＭＩＭ電子源は、下部電極層５と微粒子層６と上部電極層７とによって構成されている。ここで、下部電極層５は、単に微粒子層６へ電子を供給するための電極として用いられる層であり、電極として機能する材料であればどのような材料で構成してもかまわない。たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、クロムなどの金属や、その他、どのような導電材料を用いて下部電極層５を構成してもよい。
【００２２】
一方、微粒子層６および上部電極層７は、ＭＩＭ電子源としての本質的な機能を果たす部分である。すなわち、微粒子層６は、表面が絶縁層によって覆われた第１の導電性材料からなる微粒子を多数充填することにより構成された層であり、上部電極層７は、この第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料からなる層である。ここで、第１の導電性材料と第２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異なる金属によって構成され、第１の導電性材料のフェルミレベルは第２の導電性材料のフェルミレベルよりも高くなっている。しかも、微粒子層６を構成する各微粒子の表面に形成された絶縁層は、トンネル効果により電子が通り抜けることが可能な厚みをもっている。また、下部電極層５と上部電極層７との間に所定の電圧を印加したときに、両者間に電流Ｉ１が流れるのに十分な密度で微粒子を充填することにより、微粒子層６が構成されている。本実施例の場合、アルミニウム（Ａｌ）からなる超微粒子の表面に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の層を形成してなる超微粒子を、多数充填することにより微粒子層６を形成しており、また、上部電極層７としては、金（Ａｕ）の薄膜層を用いている。
【００２３】
一般に、「超微粒子」という言葉は、直径１００ｎｍ以下の微粒子に対して用いられている。本実施例では、微粒子層６を構成する超微粒子として、直径１０〜３０ｎｍ程度の大きさのものを用いており、微粒子層６の全体の厚みとしては、２０μｍ程度に設定している（図３では、微粒子層６の中間部分における微粒子の図示を省略しているが、これは、微粒子の直径がｎｍオーダであるのに対し、微粒子層６の厚みはμｍオーダであり、実際には、図の縦方向には１０^３個のオーダの微粒子が充填されているためである）。一方、超微粒子の表面に形成された酸化アルミニウムの絶縁膜は膜厚５ｎｍ程度のものであり、トンネル効果により電子が通り抜けることが可能な厚みとなっている。また、金からなる上部電極層７は、微粒子層６から供給されるトンネル電子が、その上面から放出されるような厚みにする必要があり、具体的には、１００ｎｍ以下に設定するのが好ましく、１０ｎｍ程度の厚みに設定できれば極めて好ましい。
【００２４】
本願発明者は、このような超微粒子を、下部電極層５上に微粒子層６として充填形成し、その上面に上部電極層７を形成すれば、このような構造体はＭＩＭ電子源として機能することを見出だしたのである。たとえば、図３において、下部電極層５内の点Ｐと、上部電極層７内の点Ｑとの間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給すると、両電極層５，７間に充填されているいくつかの超微粒子を介して電流が流れることになる。超微粒子の充填密度をある程度以上に保てば、三次元空間内において、各超微粒子の大部分は他の超微粒子と表面接触することになり、また、酸化アルミニウム層はトンネル電子が通り抜けられる厚みなので、結局、下部電極層５から微粒子層６を通って上部電極層７へ至る電子の移動経路が形成されることになる。このような電子の移動経路を有する構造体においては、図１に示すＭＩＭ電子源の３層構造と等価な現象が起こるのである。すなわち、電圧Ｖ１を供給すると、アルミニウムと金とのフェルミレベルの差に基いて、微粒子層６内のトンネル電子の一部が、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出される。別言すれば、微粒子層６から上部電極層７へと移動してきた電子がその表面から放出されることになる。そこで、図３に示すように、上部電極層７の上方に所定の空間を隔てて対向電極８（電極として機能するものであれば、どのような材料のものでもかまわない）を配置し、上部電極層７内の点Ｑと対向電極８内の点Ｒとの間に、所定のアノード電圧Ｖ２を印加しておけば、上部電極層７の表面から放出された電子は、対向電極８へと向かうことになる。
【００２５】
以上、図３の断面図に基いて、本発明の基本原理を説明したが、本発明の具体的な実施例に係るＭＩＭ電子源の実際の構造を、図４の斜視図に示す。この実施例のＭＩＭ電子源では、素子全体を支持するために支持基板９が用いられている。この支持基板９は、どのような材質のものでもよいが、この実施例ではガラス基板によって構成している。この支持基板９上には、アルミニウムからなる下部電極層５が形成されており、その上に、いわゆるカマボコ型の微粒子層６が形成されている。この微粒子層６は、図３に示したように、表面が酸化アルミニウムの層で覆われたアルミニウムの超微粒子を、所定の密度に充填してなる層であり、その厚みは２０μｍ程度である。そして、この微粒子層６の上面には、更に上部電極層７が形成されている。この上部電極層７は、金の薄膜層であり、上述したようにその厚みは１０ｎｍ程度である。なお、図示のとおり、下部電極層５と上部電極層７とは互いに短絡しない構造となっている。
【００２６】
ここで、下部電極層５と上部電極層７との間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給すれば、前述のように、トンネル電子の移動によって、両電極層５，７間には所定のダイオード電流Ｉ１が流れることになる。このとき、トンネル電子の一部は、仕事関数φの障壁を越えて真空中に放出される。したがって、図に破線で示すような対向電極８を用意し、この対向電極８にアノード電圧Ｖ２を印加し、支持基板９と対向電極８との間の空間を所定の真空度に維持しておけば、微粒子層６の表面から、仕事関数φの障壁を越えた電子が対向電極８へと向かって放出され、放出電流Ｉ２を生成することになる。このように、支持基板９上に形成された下部電極層５，微粒子層６，上部電極層７は、ＭＩＭ電子源として機能する。
【００２７】
ここで、上部電極層７の表面からは、非常に安定した電子放出が得られ、かつ、面に関する電子放出分布は均一になる。なぜなら、微粒子層６は、図３に示すような超微粒子を一様に分散させてなる層であり、層全体の至るところでトンネル現象が起こり、微粒子層６と上部電極層７との界面において均一に電子放出現象が起こるからである。もちろん、個々の超微粒子をミクロ的に見れば、それぞれ直径や形状も異なり、また、隣接する超微粒子との接触状態もそれぞれ異なっている。しかしながら、微粒子層６全体としてマクロ的に見れば、各超微粒子の分布も相互の接触状態も均一になるのである。しかも、本実施例の場合、微粒子層６は直径２０ｎｍ程度の非常に微細な粒子を多数充填させたものであるため、アルミニウムと酸化アルミニウムとの界面の面積、すなわち、トンネル現象の起こる界面障壁の面積は非常に大きくなり、トンネル現象が効果的に起こることになる。別言すれば、絶縁層を超微粒子の表面層として形成するようにしたため、安定した絶縁層の形成が可能になり、漏れ電流を抑制することができ、安定した電子放出が可能になるのである。
【００２８】
本発明に係るＭＩＭ電子源は、このように均一で安定した電子放出が得られるという特徴の他に、製造プロセスが容易であるという特徴を有する。以下、本実施例に係るＭＩＭ電子源の製造プロセスの一例を説明する。この製造プロセスは、いわゆるガスデポジション装置を用いた反応性超微粒子成膜技術を利用したものである。
【００２９】
まず、図５に示すように、２つのチャンバを用意する。第１のチャンバ１０は、収容したアルミニウム材料１１を蒸発させるとともに酸素ガスを導入し、表面が酸化膜で覆われたアルミニウムの超微粒子を生成させるためのチャンバである。また、第２のチャンバ２０は、この第１のチャンバで生成した超微粒子を、支持基板９上の下部電極層５に放出することにより、微粒子層６を形成させるためのチャンバである。
【００３０】
第１のチャンバ１０内には、アルミニウム材料１１を加熱するためのヒータ１２が備わっており、電源１３からヒータ１２に電流を供給することにより、アルミニウム材料１１の表面からアルミニウムが蒸発し、所定の真空度に保たれたチャンバ内に充満することになる。チャンバ内には、ガス導入管１４によって不活性ガスとしてのヘリウムと、酸化膜形成用の酸素ガスが導入されている。このような環境下では、チャンバ内のヘリウム・酸素雰囲気中において、散在しているアルミニウム原子が互いに結合して、アルミニウムの微粒子が生成されることになり、しかもその表面は酸素ガスによる酸化を受けて酸化膜が形成されることになる（ガス中蒸発法）。導入するヘリウムガスと酸素ガスとの配分率は、適宜選択することができるが、生成される超微粒子の酸化膜を薄くするためには、酸素の配分率を小さくする必要がある。この実施例では、酸素の配分率を１０％程度としている。生成される微粒子の大きさは、チャンバ内の真空度と、ヒータ１２の温度によって制御することができる。チャンバ内の圧力を、数１０ｍｔｏｒｒ〜数１０００ｔｏｒｒ程度に維持すれば、アルミニウムの超微粒子を生成することが可能であるが、最終的に製造される微粒子層６の密度を高くするためには、５００ｔｏｒｒ以上に維持しておくのが好ましい。
【００３１】
なお、アルミニウムは非常に酸化しやすい金属なので、第１のチャンバ１０内には積極的に酸素ガスを導入する操作を行わなくてもよい。酸素ガスを積極的に導入しなくても、チャンバ内の不活性ガス中に含まれる酸素や水によって、アルミニウム超微粒子の表面は酸化を受けるからである。ただ、酸素ガスを積極的に導入することによって、酸化膜厚を制御することができるので、実用上は、所定量の酸素ガスを積極的に導入するのが好ましい。
【００３２】
第１のチャンバ１０内で生成された酸化膜で覆われたアルミニウムの微粒子は、移送管１５を伝わって第２のチャンバ２０内に送られ、ノズル２１から放出される。第２のチャンバ２０内の圧力を、第１のチャンバ１０の圧力より低くしておけば、微粒子はチャンバ間の圧力差に基いて、自然に第２のチャンバ２０内に移送される。この実施例では、第１のチャンバ２０の圧力を５００ｔｏｒｒに維持するとともに、第２のチャンバ２０の圧力を５ｔｏｒｒ程度に維持している。
【００３３】
第２のチャンバ２０内には、移動ステージ２２が設けられており、支持基板９は、この移動ステージ２２上に固定されている。このとき、支持基板９上には、予め下部電極層５を形成しておく。この実施例では、ガラスからなる支持基板９上に、アルミニウムからなる下部電極層５を蒸着形成している。ノズル２１から放出された超微粒子は、支持基板９の上面に吹き付けられる。移動ステージ２２は、このノズル２１の吹き出し方向に対して垂直な平面内において、支持基板９を自由に移動させることができる。そこで、たとえば、図６に示すように、予め形成されている下部電極層５に沿って、図の矢印Ａの方向に支持基板９をゆっくりと移動させながら、ノズル２１からの超微粒子を下部電極層５上に吹き出させれば、下部電極層５上には、この矢印Ａで示す移動軌跡に応じたパターンをもった微粒子層６を成長させることができる。この実施例では、幅２００μｍ、厚み（高さ）２０μｍ、長さ１０ｍｍ程度の寸法をもった微粒子層６を得ている。
【００３４】
上述の方法によれば、移動ステージ２２の移動軌跡によって、任意のパターンをもった微粒子層６を形成することができる。これは、ＭＩＭ電子源を各種素子に利用する上では大きなメリットである。また、必要に応じて、アルミニウムに対するエッチャントを用いれば、微粒子層６を形成後に、エッチングプロセスによりパターニングを行うことも可能である。最後に、蒸着法やスパッタリング法などにより、微粒子層６の上面に、上部電極層７として金の薄膜層を形成すれば、このＭＩＭ電子源は完成である。
【００３５】
以上、本発明を図示する実施例に基いて説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。たとえば、上述の実施例では、絶縁性の支持基板９の上面に下部電極層５を形成し、その上に微粒子層６を形成しているが、支持基板９として導電性の基板を用いれば、支持基板９自身を下部電極層５として機能させることができ、別層としての下部電極層５は不要になる。ただし、この場合、上部電極層７と支持基板９とが直接接触することがないように、両層間に絶縁層を設けるなどの方法をとる必要がある。
【００３６】
また、上述の実施例では、アルミニウム−酸化アルミニウム−金という３層構造によってＭＩＭ接合を得ているが、各層の構成材料はこれらのものに限定されるものではなく、アルミニウムや金の代わりに別な金属を用いてもかまわないし、金属以外の別な導電性材料を用いてもかまわない。本明細書における「導電性材料」は、半導体をも含んだ広い概念である。一方の導電性材料として半導体を用いれば、ＭＩＳ電子源を形成することができる。たとえば、第１の導電性材料として、アルミニウムの代わりにシリコンを用い、このシリコンの微粒子表面に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成すれば、金−酸化シリコン−シリコンという構造をもったＭＩＳ電子源を構成できる。なお、第１の導電性材料としてシリコンを用いる場合には、第１のチャンバ１０内に積極的に酸素の導入を行い、表面に酸化シリコン膜を形成させるのが好ましい。また、チャンバ１０内の酸素分率は５〜２０％程度に維持するのが好ましい。
【００３７】
もちろん、表面に絶縁膜が形成された金属微粒子と、半導体材料からなる上部電極層とによってＭＩＳ電子源を形成することも可能である。要するに、互いにフェルミレベルの異なる２種類の導電性材料を用意し、フェルミレベルの高い第１の導電性材料からなる微粒子の表面に、トンネル効果により電子が通り抜けることが可能な厚みをもった絶縁膜を形成し、フェルミレベルの低い第２の導電性材料によって上部電極層を形成することができれば、個々の材料としてはどのような元素あるいは化合物を用いてもかまわない。フェルミレベルの差が大きいほど、安定した電子放出を得ることができる。ただ、安定した酸化膜を容易に形成できるという点からは、一方の導電性材料としてアルミニウムを用いるのが実用上は好ましい。
【００３８】
また、上述の実施例では、微粒子層６を構成する微粒子として１種類の導電性材料を用いた同一の微粒子を用いているが、２種類以上の導電性材料を用いて２種類以上の微粒子を用意し、これらの微粒子を混合して微粒子層を形成するようにしてもかまわない。
【００３９】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、微粒子層および上部電極層によってＭＩＭ接合もしくはＭＩＳ接合を実現するようにしたため、所定面内で、均一かつ安定した電子放出が可能であり、また、製造プロセスが簡便なＭＩＭ／ＭＩＳ電子源を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来提案されている一般的なＭＩＭ電子源と、このＭＩＭ電子源を用いた電子素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＭＩＭ電子源において起こる現象を説明するためのエネルギー準位図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＭＩＭ電子源の基本構成を説明するための断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係るＭＩＭ電子源の実際の構造を示す斜視図である。
【図５】本発明に係るＭＩＭ電子源の製造方法を実施するための装置構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示す装置における第２のチャンバ２０内の詳細図である。
【符号の説明】
１…アルミニウム層
２…酸化アルミニウム層
３…金層
４…対向電極
５…下部電極層
６…微粒子層
７…上部電極層
８…対向電極
９…支持基板
１０…第１のチャンバ
１１…アルミニウム材料
１２…ヒータ
１３…電源
１４…ガス導入管
１５…移送管
２０…第２のチャンバ
２１…ノズル
２２…移動ステージ
Ｉ１…ダイオード電流
Ｉ２…放出電流Ｉ２
Ｐ，Ｑ，Ｒ…電圧供給点
Ｖ１…印加電圧
Ｖ２…アノード電圧
φ…仕事関数

Claims

表面が絶縁層によって覆われた第１の導電性材料からなる微粒子を多数充填することにより構成された微粒子層と、この微粒子層の下面に形成された下部電極層と、この微粒子層の上面に形成された上部電極層と、を有し、
前記絶縁層はトンネル効果により電子が通り抜けることが可能な厚みをもち、前記上部電極層は前記第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料からなり、前記第１の導電性材料と前記第２の導電性材料とは互いにフェルミレベルが異なる金属もしくは半導体によって構成され、前記第１の導電性材料のフェルミレベルは、前記第２の導電性材料のフェルミレベルよりも高く、
前記上部電極層と前記下部電極層との間に所定の電圧を印加したときに、両者間に電流が流れるのに十分な密度で、前記微粒子が充填されていることを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。
請求項１に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
第１の導電性材料としてアルミニウムを、第２の導電性材料として金を、絶縁層として酸化アルミニウムを、それぞれ用いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。
請求項１に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
第１の導電性材料としてシリコンを、第２の導電性材料として金を、絶縁層として酸化シリコンを、それぞれ用いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。
請求項１〜３のいずれかに記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源において、
微粒子層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子を用いたことを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源。
請求項１〜４のいずれかに記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法において、
所定の支持基板上に下部電極層を形成し、
第１の導電性材料を収容する第１のチャンバと、微粒子層を形成させるための第２のチャンバと、を用意し、
前記第１のチャンバ内で、不活性ガスおよび絶縁層の材料ガスを導入しながら第１の導電性材料を蒸発させて微粒子を生成し、前記第２のチャンバ内に前記支持基板を収容し、生成した微粒子を前記第２のチャンバ内に導入してノズルから前記支持基板上の前記下部電極層に向けて放出することにより、前記下部電極層上に微粒子層を形成し、
前記微粒子層上に第２の導電性材料からなる上部電極層を形成することを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法。
請求項５に記載のＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法において、
第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動させながら微粒子層を成長させることにより、移動軌跡に応じたパターンの微粒子層を形成することを特徴とするＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の製造方法。