JPH09288961A - Field electron emitter and its manufacture - Google Patents
Field electron emitter and its manufactureInfo
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- JPH09288961A JPH09288961A JP10173596A JP10173596A JPH09288961A JP H09288961 A JPH09288961 A JP H09288961A JP 10173596 A JP10173596 A JP 10173596A JP 10173596 A JP10173596 A JP 10173596A JP H09288961 A JPH09288961 A JP H09288961A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電界電子放出素子
とその製造方法に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a field electron emission device and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、マイクロ波真空管や薄形の表
示装置などの所謂真空マイクロエレクトロニクスデバイ
スの電子源として電界電子放出素子が使用されている。
電界電子放出素子の電子放出特性は、（１）式に示すフ
ァウラーノルドハイムの式に従っており、エミッタの材
質即ち仕事関数、エミッタの尖端部の尖端形状、エミッ
タ−ゲート間の距離、温度などに大きく依存している。2. Description of the Related Art Conventionally, field electron emission devices have been used as electron sources for so-called vacuum microelectronic devices such as microwave vacuum tubes and thin display devices.
The electron emission characteristics of the field electron emission device follow the Fowler-Nordheim equation shown in the equation (1), and are largely dependent on the material of the emitter, that is, the work function, the tip shape of the tip of the emitter, the distance between the emitter and the gate, and the temperature. Depends on.
【０００３】 ｊ＝（ＡＦ2 ／Φ）ｅｘｐ（−ＢΦ3/2 ／Ｆ） ・・・（１） Ｆ＝βＶ ・・・（２） ここで、ｊは放出電流密度、Ａ，Ｂは定数、Φはエミッ
タの仕事関数、Ｆは電界強度、Ｖは印加電圧、βはエミ
ッタの尖端部の鋭さやエミッタ−ゲート間の距離などの
幾何学的な量に依存する係数である。なお、係数βはエ
ミッタの尖端部の形状が鋭い程、エミッタ−ゲート間の
距離が短い程大きくなる。J = (AF 2 / Φ) exp (−BΦ 3/2 / F) (1) F = βV (2) where j is the emission current density and A and B are constants. , Φ is the work function of the emitter, F is the electric field strength, V is the applied voltage, and β is a coefficient depending on geometrical quantities such as the sharpness of the tip of the emitter and the distance between the emitter and the gate. The coefficient β increases as the shape of the tip of the emitter becomes sharper and the distance between the emitter and the gate becomes shorter.
【０００４】（１），（２）式より、放出電流密度ｊは
電界強度Ｆが大きい程、またエミッタの仕事関数Φが小
さい程、飛躍的に増大する。今、エミッタの仕事関数Φ
を一定とすると、放出電流密度ｊは次式で表される。こ
こで、Ａ’＝Ａ／Φ、Ｂ’＝ＢΦ3/2 とする。 ｊ＝Ａ’Ｆ2 ｅｘｐ（−Ｂ’／Ｆ） ・・・（３） ここで、（２）式より電界強度Ｆはエミッタ−ゲート間
の距離やエミッタの尖端部の形状の鋭さに依存している
ので、エミッタ−ゲート間の距離が一定であれば、印加
電圧Ｖと放出電流Ｉの関係は図９に示すようになる。エ
ミッタの尖端部の形状をＤ3 ，Ｄ2 ，Ｄ1 の順に鋭く形
成した場合、エミッタの尖端部の形状が鋭い程、同じ放
出電流Ｉを得るために必要な印加電圧Ｖが低くなってい
る。また、エミッタの尖端部の形状が一定であれば、印
加電圧Ｖと放出電流Ｉの関係は図１０に示すようにな
る。エミッタ−ゲート間の距離がＥ3 ，Ｅ2 ，Ｅ1 の順
で短くなる場合、エミッタ−ゲート間の距離が短いほ
ど、同じ放出電流Ｉを得るために必要な印加電圧Ｖが低
くなる。而して、エミッタの尖端部の形状を鋭くした
り、エミッタ−ゲート間の距離をマイクロメーターのオ
ーダーまで狭くしたことにより、比較的低い印加電圧Ｖ
で電界放出を発生させることができた。From equations (1) and (2), the emission current density j increases dramatically as the electric field strength F increases and the work function Φ of the emitter decreases. Now, the work function Φ of the emitter
Assuming that is constant, the emission current density j is expressed by the following equation. Here, it is assumed that A ′ = A / Φ and B ′ = BΦ 3/2 . j = A′F 2 exp (−B ′ / F) (3) Here, the electric field strength F depends on the distance between the emitter and the gate and the sharpness of the shape of the tip of the emitter from the equation (2). Therefore, if the emitter-gate distance is constant, the relationship between the applied voltage V and the emission current I is as shown in FIG. When the shape of the tip of the emitter is made sharper in the order of D 3 , D 2 , and D 1 , the sharper the shape of the tip of the emitter, the lower the applied voltage V required to obtain the same emission current I. . If the shape of the tip of the emitter is constant, the relationship between the applied voltage V and the emission current I is as shown in FIG. When the emitter-gate distance becomes shorter in the order of E 3 , E 2 , and E 1 , the shorter the emitter-gate distance becomes, the lower the applied voltage V required to obtain the same emission current I becomes. By sharpening the shape of the tip of the emitter and narrowing the distance between the emitter and the gate to the order of micrometers, a relatively low applied voltage V
It was possible to generate field emission.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記構成の電界電子放
出素子では、所望の電子放出特性を得るために、エミッ
タの尖端部を尖鋭化したり、エミッタ−ゲート間の距離
を高精度に制御しなければならず、従来の半導体プロセ
ス技術で培われた薄膜微細加工技術を用いて加工するこ
とのできる微細構造が必要となる。ところで、電界電子
放出素子ではエミッタ表面が真空中に晒されているの
で、エミッタの電子放出特性はその表面状態に大きく依
存している。また、プロセス工程で発生するエミッタの
尖端形状のばらつきやゲート−エミッタ間の距離のばら
つきによって、エミッタの尖端部に印加される電界強度
が均一にならず、エミッタの放出電流にばらつきが発生
して、エミッタに過電流が流れる場合があり、その過電
流によって発生したジュール熱によりエミッタの尖端部
の温度が融点を超えて、エミッタの尖端部の形状が変形
或いは蒸発する場合があった。In the field electron emission device having the above structure, the tip of the emitter must be sharpened or the distance between the emitter and the gate must be controlled with high accuracy in order to obtain desired electron emission characteristics. Inevitably, a fine structure that can be processed by using the thin film fine processing technology cultivated in the conventional semiconductor process technology is required. By the way, since the emitter surface of the field electron emission device is exposed to a vacuum, the electron emission characteristics of the emitter largely depend on its surface state. Also, due to variations in the shape of the tip of the emitter and variations in the distance between the gate and the emitter that occur during the process steps, the electric field strength applied to the tip of the emitter may not be uniform, resulting in variations in the emission current of the emitter. In some cases, an overcurrent may flow through the emitter, and the Joule heat generated by the overcurrent may cause the temperature of the tip of the emitter to exceed the melting point and cause the shape of the tip of the emitter to deform or evaporate.
【０００６】而して、エミッタの放出電流の増加によっ
て、エミッタの尖端部が破壊されることになり、放出電
流の増加がエミッタの劣化の要因になるという問題点が
あった。また、エミッタの尖端部の温度上昇によって放
出電子電流が増加して、エミッタの劣化が一層促進され
るという問題点もあった。さらに、エミッタの尖端部に
は非常に大きな電界が印加されているので、エミッタの
尖端部の形状が電界から受ける力によって除々に変形し
（ビルトアップ現象）、経時的に尖鋭化するため、エミ
ッタに過電流が発生する原因となり、エミッタの劣化の
要因となるという問題点もあった。Therefore, there is a problem that the tip of the emitter is destroyed due to the increase of the emission current of the emitter, and the increase of the emission current causes the deterioration of the emitter. There is also a problem that the temperature of the tip of the emitter rises and the emission electron current increases, which further accelerates the deterioration of the emitter. In addition, since a very large electric field is applied to the tip of the emitter, the shape of the tip of the emitter is gradually deformed by the force received from the electric field (build-up phenomenon) and sharpens with time. There is also a problem in that it causes an overcurrent and causes deterioration of the emitter.
【０００７】本発明は上記問題点に鑑みて為されたもの
であり、放出電流の安定化を図るとともに長寿命化を図
った電界電子放出素子及びその製造方法を提供すること
にある。The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a field electron emission device having a stable emission current and a long life, and a method for manufacturing the same.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、エッチング保護膜が表面に積
層された基板と、エッチング保護膜上に形成された電圧
−電流特性の異なる複数のエミッタと、エッチング保護
膜上に絶縁層を介して積層され電子放出空間となる所定
の凹所を介してエミッタと対向するゲート電極とを備え
ているので、エミッタの印加電圧が増加しても全体とし
ては放出電流を略一定とすることができる。In order to achieve the above object, according to the invention of claim 1, a substrate having an etching protection film laminated on its surface and a voltage-current characteristic formed on the etching protection film are different from each other. Since a plurality of emitters and a gate electrode, which is laminated on the etching protection film via an insulating layer and faces the emitter via a predetermined recess serving as an electron emission space, are provided, the voltage applied to the emitter increases. Also, the emission current can be made substantially constant as a whole.
【０００９】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、エミッタに平面方向に突出する尖端部を設け、尖
端部の尖端形状をエミッタ毎に複数種類変化させてお
り、請求項３の発明では、エミッタとゲート電極との間
の距離をエミッタ毎に複数変化させているので、エミッ
タの印加電圧が増加しても全体としては放出電流を略一
定とすることができる。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the emitter is provided with a pointed portion projecting in a plane direction, and a plurality of pointed shapes of the pointed portion are changed for each emitter. Since the distance between the emitter and the gate electrode is changed for each emitter, the emission current can be made substantially constant as a whole even if the voltage applied to the emitter increases.
【００１０】請求項４の発明では、請求項１の電界電子
放出素子を製造するにあたり、基板表面にエッチング保
護膜を積層し、エッチング保護膜上にさらにエミッタを
積層し、エミッタ表面にエッチングマスクを形成し、エ
ミッタをエッチングにより所望の尖端形状の尖端部に形
成しているので、エミッタの尖端部の形状を容易に制御
することができる。According to the invention of claim 4, in manufacturing the field electron emission device of claim 1, an etching protective film is laminated on the surface of the substrate, an emitter is further laminated on the etching protective film, and an etching mask is formed on the surface of the emitter. Since the emitter is formed and the emitter is formed into a desired pointed tip by etching, the shape of the tip of the emitter can be easily controlled.
【００１１】請求項５の発明では、請求項１の電界電子
放出素子を製造するにあたり、基板表面にエッチング保
護膜を積層する際に、エッチング保護膜のゲート電極が
積層される部位に所定の高さの段差を設けており、請求
項６の発明では、基板を予めエッチングして、基板のゲ
ート電極を積層する部位に所定の高さの段差を設けてい
るので、エミッタ−ゲート間の距離を容易に制御するこ
とができる。According to the invention of claim 5, in manufacturing the field electron emission device according to claim 1, when the etching protection film is laminated on the surface of the substrate, a predetermined height is formed on a portion of the etching protection film where the gate electrode is laminated. According to the invention of claim 6, the substrate is pre-etched to form a step having a predetermined height at a portion of the substrate where the gate electrode is laminated. Therefore, the distance between the emitter and the gate is reduced. It can be controlled easily.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。 （実施形態１）本実施形態の電界電子放出素子は、図２
（ｆ）に示すように、ガラス基板１と、ガラス基板１の
表面に積層された反応性イオンエッチング時のエッチン
グ保護膜としてのＡｌ2 Ｏ3 層２と、Ａｌ2 Ｏ3 層２上
に形成されたクロムからなるベース電極３と、ベース電
極３上にシリコンからなる抵抗層４を介して積層された
タングステンからなるエミッタ５と、エミッタ５以外の
ベース電極３及びＡｌ2Ｏ3 層２上に形成された絶縁層
８と、絶縁層８上に形成され所定の凹所１２を介してエ
ミッタ５と対向するゲート電極９とを備えている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. (Embodiment 1) The field electron emission device of the present embodiment is shown in FIG.
As shown in (f), it is formed on the glass substrate 1, the Al 2 O 3 layer 2 laminated on the surface of the glass substrate 1 as an etching protection film at the time of reactive ion etching, and the Al 2 O 3 layer 2. On the base electrode 3 and the Al 2 O 3 layer 2 other than the emitter 5 and the base electrode 3 made of chromium, the emitter 5 made of tungsten laminated on the base electrode 3 via the resistance layer 4 made of silicon. The insulating layer 8 is formed, and the gate electrode 9 that is formed on the insulating layer 8 and faces the emitter 5 via a predetermined recess 12.
【００１３】この電界電子放出素子の製造方法を図２を
用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ガラ
ス基板１上に反応性イオンエッチング時のエッチング保
護膜としてのＡｌ2 Ｏ3 層２を電子ビーム蒸着法を用い
て２０００Å蒸着し、さらに、Ａｌ2 Ｏ3 層２の表面に
クロムからなるベース電極３を蒸着する。この時、ベー
ス電極３のパターンは蒸着時のメタルマスクでも良い
し、蒸着後にエッチングを行なっても良い。さらに、ベ
ース電極３上にシリコンからなる抵抗層４と、タングス
テンからなるエミッタ５と、アルミニウム層６とを順に
積層する。次に、図２（ｂ）に示すように、アルミニウ
ム層６の表面にフォトレジスト７を塗布して、フォトリ
ソグラフィーにより所望のレジストパターンを形成す
る。そして、フォトレジスト７をエッチングマスクとし
て、アルミニウム層６をエッチングした後、図２（ｃ）
に示すようにフォトレジスト７を除去する。尚、アルミ
ニウム層６のエッチングはドライエッチングでもウェッ
トエッチングでも良い。次に、図２（ｄ）に示すよう
に、アルミニウム層６をエッチングマスクとして、四フ
ッ化塩素（ＣＦ4 ）等のエッチングガスを用いた反応性
イオンエッチングにより、エミッタ５と抵抗層４をエッ
チングする。この時、エッチング条件を調整することに
より、反応性イオンエッチングに等方性エッチングの傾
向を持たせて、抵抗層４にアンダーカットを発生させ
て、抵抗層４の幅をエミッタ５の幅よりも狭くしてい
る。そして、図２（ｅ）に示すように、抵抗層４以外の
ベース電極３及び酸化アルミニウム層２の表面に、酸化
シリコン（ＳｉＯ2 ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ
3 ）等からなる絶縁層８と、クロムからなるゲート電極
９とを電子ビーム蒸着によって順に蒸着させる。さら
に、図２（ｆ）に示すように、犠牲層としてのアルミニ
ウム層６を溶解除去（リフトオフ）し、電界電子放出素
子を形成している。A method of manufacturing this field electron emission device will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2 (a), the the Al 2 O 3 layer 2 as an etching protective film during reactive ion etching on the glass substrate 1 to 2000Å deposited by electron beam evaporation, and further, Al 2 A base electrode 3 made of chromium is deposited on the surface of the O 3 layer 2. At this time, the pattern of the base electrode 3 may be a metal mask at the time of vapor deposition, or may be etched after vapor deposition. Further, a resistance layer 4 made of silicon, an emitter 5 made of tungsten, and an aluminum layer 6 are sequentially stacked on the base electrode 3. Next, as shown in FIG. 2B, a photoresist 7 is applied to the surface of the aluminum layer 6 and a desired resist pattern is formed by photolithography. Then, after etching the aluminum layer 6 using the photoresist 7 as an etching mask, FIG.
The photoresist 7 is removed as shown in FIG. The etching of the aluminum layer 6 may be dry etching or wet etching. Next, as shown in FIG. 2D, the emitter 5 and the resistance layer 4 are etched by reactive ion etching using an etching gas such as chlorine tetrafluoride (CF 4 ) with the aluminum layer 6 as an etching mask. To do. At this time, by adjusting the etching conditions, the reactive ion etching has a tendency of isotropic etching to generate an undercut in the resistance layer 4 so that the width of the resistance layer 4 is smaller than that of the emitter 5. It is narrowing. Then, as shown in FIG. 2E, silicon oxide (SiO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O) are formed on the surfaces of the base electrode 3 and the aluminum oxide layer 2 other than the resistance layer 4.
3 ) An insulating layer 8 made of, for example, and a gate electrode 9 made of chromium are sequentially deposited by electron beam evaporation. Further, as shown in FIG. 2F, the aluminum layer 6 as the sacrificial layer is dissolved and removed (lifted off) to form a field electron emission device.
【００１４】上述のように、エミッタ５の表面にフォト
レジスト７を形成し、フォトレジスト７をエッチングマ
スクとして、反応性イオンエッチングを行なって、エミ
ッタ５の尖端部５ａを所望の形状に精度良く形成するこ
とができるので、エミッタ５の個数や配置を自由に制御
することができる。ここで、エミッタ５のエッチングに
用いるフォトレジスト７のパターンは、図１（ａ）〜
（ｄ）に示すように、平面方向に鋭く突出する４個の尖
端部５ａが形成されており、尖端部５ａの角度は、例え
ば、４５度〔図１（ｂ）〕、３０度〔図１（ｃ）〕、１
５度〔図１（ｄ）〕の３種類に形成されている。３種類
のパターンの尖端部５ａはアレイ状に同数配置されてお
り、上述の製造方法を用いて形成されている。As described above, the photoresist 7 is formed on the surface of the emitter 5, and reactive ion etching is performed using the photoresist 7 as an etching mask to accurately form the tip 5a of the emitter 5 into a desired shape. Therefore, the number and arrangement of the emitters 5 can be freely controlled. Here, the pattern of the photoresist 7 used for etching the emitter 5 is as shown in FIG.
As shown in (d), four sharp tips 5a that project sharply in the plane direction are formed, and the angles of the sharp tips 5a are, for example, 45 degrees [FIG. 1 (b)] and 30 degrees [FIG. (C)], 1
It is formed in three types of 5 degrees [FIG. 1 (d)]. The tip portions 5a of the three types of patterns are arranged in the same number in an array and are formed by using the above-described manufacturing method.
【００１５】この電界電子放出素子の電子放出特性を図
３乃至図５に示す。この電界電子放出素子は、図３に示
すように、電子放出を続けると、時間の経過とともにエ
ミッタ５が除々に劣化して、放出電流が除々に減少する
（図３のＡ）。この時、エミッタ５の印加電圧を増加さ
せて、エミッタ５の劣化による放出電流の低下を補正し
ているが、エミッタ５の印加電圧の増加に伴って、一部
のエミッタ５では過電流が流れ、過電流によるジュール
熱の発生によってエミッタ５の尖端部５ａの温度が融点
を超えて、尖端部５ａが破壊する。本発明の電界電子放
出素子では、図４に示すように、尖端部５ａの形状がｒ
1 （図４のＢ1 ），ｒ2 （図４のＢ2 ），ｒ3 （図４の
Ｂ3 ）のエミッタ５を同数ずつ形成することにより、電
圧−電流特性の異なるエミッタ５を同数ずつ配置してい
るので、印加電圧の増加に伴って、一部のエミッタ５が
破壊しても、残りのエミッタ５の放出電流の増加によ
り、全体としては安定した放出電流を得ることができ
る。尖端部５ａの形状がｒ1 ，ｒ2 ，ｒ3 のエミッタ５
の電圧−電流特性を図５に示す。尖端部５ａの形状はｒ
3 ，ｒ2 ，ｒ1 の順で鋭くなっており、同じ放出電流を
得るために必要な印加電圧はｒ3 （図５のＣ3 ），ｒ2
（図５のＣ2 ），ｒ1 （図５のＣ1 ）の順に小さくなっ
ている。ここで、エミッタ５の印加電圧がＶ0 に増加し
た場合、尖端部５ａの形状がｒ1 のエミッタでは過電流
が流れ、尖端部５ａの形状がｒ1 のエミッタ５は破損す
るが、尖端部５ａの形状がｒ2 ，ｒ3 のエミッタ５の放
出電流は夫々増加するので、全体としては放出電流を略
一定とすることができる。したがって、時間の経過とと
もに、エミッタ５の印加電圧が増加しても放出電流を安
定化することができ、素子の長寿命化を図ることができ
る。The electron emission characteristics of this field electron emission device are shown in FIG.
3 to 5 are shown. This field electron emission device is shown in FIG.
As described above, if the electron emission is continued,
The mitter 5 gradually deteriorates, and the emission current gradually decreases.
(A in FIG. 3). At this time, increase the applied voltage of the emitter 5.
To correct the decrease in emission current due to the deterioration of the emitter 5.
However, as the applied voltage to the emitter 5 increases,
Overcurrent flows in the emitter 5 of the
Due to the generation of heat, the temperature of the tip 5a of the emitter 5 melts.
Beyond, the tip 5a breaks. Field electron emission of the present invention
In the output element, as shown in FIG. 4, the shape of the tip 5a is r.
1(B in FIG. 41), RTwo(B in FIG. 4Two), RThree(Of FIG. 4
BThreeBy forming the same number of emitters 5) of
The same number of emitters 5 having different pressure-current characteristics are arranged.
Therefore, as the applied voltage increases, some of the emitters 5
Even if it is destroyed, the emission current of the remaining emitters 5 will increase.
Therefore, a stable emission current can be obtained as a whole.
You. The shape of the tip 5a is r1, RTwo, RThreeEmitter 5
FIG. 5 shows the voltage-current characteristics of the. The shape of the tip 5a is r
Three, RTwo, R1It becomes sharper in the order of
The applied voltage required to obtain is rThree(C in FIG. 5Three), RTwo
(C in FIG. 5Two), R1(C in FIG. 51) Decreasing in order
ing. Here, the applied voltage of the emitter 5 is V0Increased to
If the shape of the tip 5a is r1Overcurrent in the emitter of
Flow and the shape of the tip 5a is r1The emitter 5 of is damaged
However, the shape of the tip 5a is rTwo, RThreeRelease of the emitter 5
Since the output current increases, the emission current is reduced as a whole.
It can be constant. Therefore, with the passage of time
Even if the applied voltage of the emitter 5 is increased, the emission current is reduced.
Can be standardized and the life of the device can be extended.
You.
【００１６】尚、本実施形態の電界電子放出素子では、
エミッタ５の尖端部５ａの角度を３種類設けたが、尖端
部５ａの種類を３種類に限定する趣旨のものではなく、
２種類としてもよい。 （実施形態２）実施形態１ではエミッタ５の尖端部５ａ
の形状を複数種類形成して電圧−電流特性の異なるエミ
ッタ５を形成したが、本実施形態ではエミッタ５とゲー
ト電極９との距離を複数変化させることにより、エミッ
タ５の電圧−電流特性を変化させている。In the field electron emission device of this embodiment,
Although three types of angles of the tip 5a of the emitter 5 are provided, it is not intended to limit the number of types of the tip 5a to three,
It may be two types. (Embodiment 2) In Embodiment 1, the tip 5a of the emitter 5 is
The emitter 5 having different voltage-current characteristics is formed by forming a plurality of shapes, but in the present embodiment, the voltage-current characteristics of the emitter 5 are changed by changing the distance between the emitter 5 and the gate electrode 9. I am letting you.
【００１７】ところで、図６に示すように、エッチング
保護膜２上のベース電極３以外の部位にＡｌ2 Ｏ3 層１
０、絶縁層８、Ａｌ2 Ｏ3 層１１及びゲート電極９が順
に積層されている場合、エミッタ５とゲート電極９との
距離ｄは、犠牲層たるアルミニウム層６のエミッタ５か
らの突出量をｄS 、絶縁層８とゲート電極９及びＡｌ 2
Ｏ3 層１０，１１の膜厚をｔ、絶縁層８とゲート電極９
及びＡｌ2 Ｏ3 層１０，１１の端面の傾斜角をθとする
と、 ｄ＝ｄs ＋ｔ・ｔａｎθ ・・・（４） と表される。ここで、傾斜角θは略一定であるので、エ
ミッタ−ゲート間の距離ｄはアルミニウム層６の突出量
ｄs と、絶縁層８とゲート電極９及びＡｌ2 Ｏ3層１
０，１１の膜厚ｔに依存している。ここで、アルミニウ
ム層６をリフトオフし易くするためには突出量ｄs を大
きくする必要があるが、エミッタ−ゲート間の距離ｄを
短くするために、突出量ｄs を略一定としている。By the way, as shown in FIG.
Al on the part other than the base electrode 3 on the protective film 2TwoOThreeLayer 1
0, insulating layer 8, AlTwoOThreeLayer 11 and gate electrode 9 are in order
Of the emitter 5 and the gate electrode 9
The distance d depends on whether the emitter 5 of the aluminum layer 6, which is a sacrificial layer,
The amount of protrusionS, Insulating layer 8 and gate electrode 9 and Al Two
OThreeThe thickness of the layers 10 and 11 is t, the insulating layer 8 and the gate electrode 9 are
And AlTwoOThreeLet θ be the inclination angle of the end faces of the layers 10 and 11.
And, d = ds+ T · tan θ is expressed as (4). Here, since the inclination angle θ is substantially constant,
The distance d between the mitter and the gate is the amount of protrusion of the aluminum layer 6.
ds, Insulating layer 8, gate electrode 9 and AlTwoOThreeLayer 1
It depends on the film thickness t of 0 and 11. Where Aluminium
In order to make it easier to lift off the vacuum layer 6, the protrusion amount dsIs large
The distance d between the emitter and the gate must be
To make it shorter, the protrusion amount dsIs almost constant.
【００１８】したがって、エミッタ−ゲート間の距離ｄ
は絶縁層８とゲート電極９及びＡｌ 2 Ｏ3 層１０，１１
の膜厚ｔに依存するが、膜厚ｔは絶縁層８の厚みによっ
て略決定され、絶縁層８の厚みは絶縁耐圧によって決ま
るので、距離ｄを小さくするために膜厚ｔを薄くするこ
とはできない。５００Ｖ程度の絶縁耐圧を得るために
は、絶縁層８の厚みは１μｍ程度必要である。Therefore, the distance d between the emitter and the gate
Is an insulating layer 8, a gate electrode 9 and Al TwoOThreeLayers 10 and 11
The thickness t depends on the thickness t of the insulating layer 8.
The thickness of the insulating layer 8 is determined by the withstand voltage.
Therefore, the film thickness t should be reduced in order to reduce the distance d.
I can not do such a thing. To obtain a dielectric strength of about 500V
The insulating layer 8 needs to have a thickness of about 1 μm.
【００１９】而して、本実施形態の電界電子放出素子で
は、膜厚ｔを薄くする代わりに、図７に示すように、実
施形態１で説明した製造工程においてガラス基板１の表
面にＡｌ2 Ｏ3 層２を形成する際に、Ａｌ2 Ｏ3 層２を
リン酸系の酸でウェットエッチングして、Ａｌ2 Ｏ3 層
２のゲート電極９を積層する部位に所定の高さの段差２
ａを設けて、エミッタ−ゲート間の距離ｄを制御してい
る。Therefore, in the field electron emission device of this embodiment, instead of reducing the film thickness t, as shown in FIG. 7, Al 2 is formed on the surface of the glass substrate 1 in the manufacturing process described in the first embodiment. When the O 3 layer 2 is formed, the Al 2 O 3 layer 2 is wet-etched with a phosphoric acid to form a step 2 having a predetermined height at a portion of the Al 2 O 3 layer 2 where the gate electrode 9 is laminated.
By providing a, the distance d between the emitter and the gate is controlled.
【００２０】このようにして、エミッタ−ゲート間の距
離ｄが異なるエミッタ５を複数種類形成することによ
り、電圧−電流特性の異なるエミッタ５を同数ずつ配置
することができ、印加電圧の増加に伴って、一部のエミ
ッタ５が破壊しても、残りのエミッタ５の放出電流の増
加により、全体としては安定した放出電流を得ることが
できるので、素子の長寿命化が実現できる。By forming a plurality of types of emitters 5 having different emitter-gate distances d in this manner, the same number of emitters 5 having different voltage-current characteristics can be arranged, and as the applied voltage increases. Thus, even if some of the emitters 5 are destroyed, the emission current of the remaining emitters 5 increases and a stable emission current can be obtained as a whole, so that the life of the device can be extended.
【００２１】尚、本実施形態では、Ａｌ2 Ｏ3 層２を、
リン酸系の酸を用いてウェットエッチングしたが、水酸
化ナトリウムや水酸化カリウム等のアルカリ或いはリン
酸、硝酸からなる混酸等の酸を用いてウェットエッチン
グしても良いし、ドライエッチングしても良い。尚、本
実施形態では、エミッタ−ゲート間の距離ｄのみを複数
種類変化させているが、エミッタ−ゲート間の距離ｄを
複数種類変化させるとともに、エミッタ５の尖端部５ａ
の形状を複数種類変化させても良い。 （実施形態３）実施形態２ではエミッタ−ゲート間の距
離ｄを制御するためにＡｌ2 Ｏ3 層２に段差２ａを設け
たが、本実施形態ではガラス基板に段差を設けている。In this embodiment, the Al 2 O 3 layer 2 is
Wet etching was performed using a phosphoric acid, but wet etching may be performed using an alkali such as sodium hydroxide or potassium hydroxide or an acid such as phosphoric acid or a mixed acid consisting of nitric acid, or dry etching may be performed. good. In the present embodiment, only the emitter-gate distance d is changed in plural types, but the emitter-gate distance d is changed in plural types and the tip 5a of the emitter 5 is changed.
A plurality of shapes may be changed. (Embodiment 3) Embodiment 2 In the emitter - it is provided with a step 2a to the Al 2 O 3 layer 2 to control the distance d between the gate, in the present embodiment is provided with a step on the glass substrate.
【００２２】すなわち、ガラス基板１にエッチング保護
膜２を形成する前に、ガラス基板１を四フッ化炭素（Ｃ
Ｆ4 ）ガスを主成分とするエッチングガスを用いてドラ
イエッチングして、ガラス基板１の絶縁層８を積層する
部位に所望の高さの段差１ａを形成し、エミッタ−ゲー
ト間の距離ｄを制御している。このようにして、エミッ
タ−ゲート間の距離ｄが異なるエミッタ５を複数種類形
成することにより、電圧−電流特性の異なるエミッタ５
を同数ずつ配置することができ、印加電圧の増加に伴っ
て、一部のエミッタ５が破壊しても、残りのエミッタ５
の放出電流の増加により、全体としては安定した放出電
流を得ることができるので、素子の長寿命化が実現でき
る。That is, before forming the etching protection film 2 on the glass substrate 1, the glass substrate 1 is coated with carbon tetrafluoride (C).
F 4 ) Dry etching is performed using an etching gas containing gas as a main component to form a step 1a having a desired height at a portion of the glass substrate 1 where the insulating layer 8 is laminated, and a distance d between the emitter and the gate is set. Have control. By thus forming a plurality of types of emitters 5 having different emitter-gate distances d, the emitters 5 having different voltage-current characteristics are formed.
Can be arranged in the same number, and even if some of the emitters 5 are destroyed as the applied voltage increases, the remaining emitters 5
By increasing the emission current of, the stable emission current can be obtained as a whole, so that the life of the device can be extended.
【００２３】尚、本実施形態では、エミッタ−ゲート間
の距離ｄのみを複数種類変化させているが、エミッタ−
ゲート間の距離ｄを複数種類変化させるとともに、エミ
ッタ５の尖端部５ａの形状を複数種類変化させても良
い。In this embodiment, only a plurality of types of the distance d between the emitter and the gate are changed.
A plurality of types of the distance d between the gates may be changed and a plurality of types of the tip 5a of the emitter 5 may be changed.
【００２４】[0024]
【発明の効果】請求項１の発明は、上述のように、エッ
チング保護膜が表面に積層された基板と、エッチング保
護膜上に形成された電圧−電流特性の異なる複数のエミ
ッタと、エッチング保護膜上に絶縁層を介して積層され
電子放出空間となる所定の凹所を介してエミッタと対向
するゲート電極とを備えており、放出電流を経時的に安
定化することができ、長寿命化を図ることができるとい
う効果がある。As described above, according to the present invention, a substrate having an etching protection film laminated on the surface thereof, a plurality of emitters formed on the etching protection film and having different voltage-current characteristics, and etching protection. Equipped with a gate electrode facing the emitter through a predetermined recess that becomes an electron emission space by being laminated on the film via an insulating layer, the emission current can be stabilized over time, and the life can be extended. There is an effect that can be achieved.
【００２５】請求項２の発明は、エミッタに平面方向に
突出する尖端部を設け、尖端部の尖端形状をエミッタ毎
に複数種類変化させており、請求項３の発明は、エミッ
タとゲート電極との間の距離をエミッタ毎に複数変化さ
せているので、放出電流を経時的に安定化することがで
き、長寿命化を図ることができるという効果がある。請
求項４の発明は、請求項２の発明において、基板表面に
エッチング保護膜を積層し、エッチング保護膜上にさら
にエミッタを積層し、エミッタ表面にエッチングマスク
を形成し、エミッタをエッチングにより所望の尖端形状
の尖端部に形成しているので、エミッタの尖端部の形状
を容易に制御することができ、簡易な製造プロセスで長
寿命化を図った電界電子放出素子を製造できるという効
果がある。According to a second aspect of the present invention, the emitter is provided with a pointed portion projecting in the plane direction, and a plurality of types of pointed shape of the pointed portion are changed for each emitter. Since a plurality of distances are changed for each emitter, the emission current can be stabilized over time and the life can be extended. According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, an etching protection film is laminated on the surface of the substrate, an emitter is further laminated on the etching protection film, an etching mask is formed on the surface of the emitter, and the emitter is etched to a desired shape. Since it is formed at the tip of the tip shape, the shape of the tip of the emitter can be easily controlled, and there is an effect that it is possible to manufacture a field electron emission device having a long life by a simple manufacturing process.
【００２６】請求項５の発明は、請求項３の発明におい
て、基板表面にエッチング保護膜を積層する際に、エッ
チング保護膜のゲート電極が積層される部位に所定の高
さの段差を設けているので、エミッタ−ゲート間の距離
を容易に制御することができ、簡易な製造プロセスで長
寿命化を図った電界電子放出素子を製造できるという効
果がある。According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, when the etching protection film is laminated on the substrate surface, a step having a predetermined height is provided at a portion of the etching protection film where the gate electrode is laminated. Therefore, it is possible to easily control the distance between the emitter and the gate, and it is possible to manufacture a field electron emission device having a long life by a simple manufacturing process.
【００２７】請求項６の発明は、請求項３の発明におい
て、基板を予めエッチングして、基板のゲート電極を積
層する部位に所定の高さの段差を設けているので、エミ
ッタ−ゲート間の距離を容易に制御することができ、簡
易な製造プロセスで長寿命化を図った電界電子放出素子
を製造できるという効果がある。According to a sixth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the substrate is pre-etched to provide a step having a predetermined height at a portion of the substrate where the gate electrode is laminated. It is possible to easily control the distance, and it is possible to manufacture a field electron emission device having a long life by a simple manufacturing process.
【図１】実施形態１の電界電子放出素子のエミッタを示
し、（ａ）は平面図、（ｂ）〜（ｄ）は要部拡大図であ
る。1A and 1B show an emitter of a field electron emission device according to a first embodiment, FIG. 1A is a plan view, and FIGS.
【図２】同上の製造方法を示し、（ａ）〜（ｆ）は各工
程の断面図である。FIG. 2 shows the same manufacturing method as above, and (a) to (f) are cross-sectional views of respective steps.
【図３】同上の時間と放出電流の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between time and emission current of the above.
【図４】同上のエミッタの尖端部の形状と個数の関係を
示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the shape and the number of tip portions of the above-mentioned emitter.
【図５】同上の電圧電流特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a voltage-current characteristic of the above.
【図６】電界電子放出素子のエミッタ−ゲート間の距離
を説明する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a distance between an emitter and a gate of a field electron emission device.
【図７】実施形態２の電界電子放出素子を示す断面図で
ある。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a field electron emission device of Embodiment 2.
【図８】実施形態３の電界電子放出素子を示す断面図で
ある。FIG. 8 is a sectional view showing a field electron emission device according to a third embodiment.
【図９】電圧電子放出素子のエミッタの尖端形状を変化
させた場合の電圧電流特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing voltage-current characteristics when the tip shape of the emitter of the voltage electron-emitting device is changed.
【図１０】同上のエミッタ−ゲート間の距離を変化させ
た場合の電圧電流特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a voltage-current characteristic when the distance between the emitter and the gate in the above is changed.
５ エミッタ ５ａ 尖端部 5 Emitter 5a Tip
Claims (6)
と、前記エッチング保護膜上に形成された電圧−電流特
性の異なる複数のエミッタと、前記エッチング保護膜上
に絶縁層を介して積層され電子放出空間となる所定の凹
所を介して前記エミッタと対向するゲート電極とを備え
て成ることを特徴とする電界電子放出素子。1. A substrate having an etching protection film laminated on the surface thereof, a plurality of emitters formed on the etching protection film and having different voltage-current characteristics, and laminated on the etching protection film with an insulating layer interposed therebetween. A field electron emission device comprising a gate electrode facing the emitter via a predetermined recess serving as an electron emission space.
を設け、前記尖端部の尖端形状を前記エミッタ毎に複数
種類変化させて成ることを特徴とする請求項１記載の電
界電子放出素子。2. The field electron emission device according to claim 1, wherein the emitter is provided with a pointed portion protruding in a plane direction, and a plurality of types of pointed shapes of the pointed portion are changed for each of the emitters.
離を前記エミッタ毎に複数種類変化させて成ることを特
徴とする請求項１記載の電界電子放出素子。3. The field electron emission device according to claim 1, wherein a plurality of types of distances between the emitter and the gate electrode are changed for each emitter.
るにあたり、前記基板表面に前記エッチング保護膜を積
層し、前記エッチング保護膜上にさらにエミッタを積層
し、前記エミッタ表面にエッチングマスクを形成し、前
記エミッタをエッチングにより所望の尖端形状の尖端部
に形成することを特徴とする電界電子放出素子の製造方
法。4. In manufacturing the field electron emission device according to claim 1, the etching protection film is laminated on the substrate surface, an emitter is further laminated on the etching protection film, and an etching mask is formed on the emitter surface. A method of manufacturing a field electron emission device, characterized in that the emitter is formed and the emitter is formed in a desired sharp tip by etching.
るにあたり、前記基板表面に前記エッチング保護膜を積
層する際に、前記エッチング保護膜の前記ゲート電極が
積層される部位に所定の高さの段差を設けることを特徴
とする電界電子放出素子の製造方法。5. The method of manufacturing the field electron emission device according to claim 1, wherein when the etching protection film is laminated on the surface of the substrate, a predetermined height is provided on a portion of the etching protection film where the gate electrode is laminated. A method for manufacturing a field electron emission device, characterized in that a step difference in height is provided.
の前記ゲート電極を積層する部位に所定の高さの段差を
設けて成ることを特徴とする請求項５記載の電界電子放
出素子の製造方法。6. The method for manufacturing a field electron emission device according to claim 5, wherein the substrate is pre-etched to provide a step having a predetermined height at a portion of the substrate where the gate electrode is laminated. Method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10173596A JPH09288961A (en) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | Field electron emitter and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10173596A JPH09288961A (en) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | Field electron emitter and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09288961A true JPH09288961A (en) | 1997-11-04 |
Family
ID=14308520
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10173596A Pending JPH09288961A (en) | 1996-04-23 | 1996-04-23 | Field electron emitter and its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09288961A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7365481B2 (en) | 2001-12-10 | 2008-04-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Field emission device with change in emission property |
-
1996
- 1996-04-23 JP JP10173596A patent/JPH09288961A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7365481B2 (en) | 2001-12-10 | 2008-04-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Field emission device with change in emission property |
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