JPS63207028A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子放出素子に係り、特に絶縁材料の堆積面に
形成された高抵抗膜と、この高抵抗膜の両端部に設けら
れた電極とを有する電子放出素子に関する。

［従来技術］ 従来、電子放出源としては熱陰極型電子放出素子が多く
用いられていたが、熱電極を利用した電子放出は加熱に
よるエネルギーロスが大きく、予備加熱が必要等の問題
点を有していた。

これらの問題点を解決すべく、冷陰極型の電子放出素子
がいくつか提案されており、その中に高抵抗膜に電流を
流し、この高抵抗膜から電子を放出させる表面伝導型の
電子放出素子がある。

第１　’１図は上記の表面伝導型の電子放出素子の一例
を示す概略的説明図である。

第１１図に示すように、ガラス等の絶縁基板１７上に一
定の間隔をおいて対向する電極１８゜１９を形成し、こ
の間にＭｏ（モリブデン）等の金属の堆積膜を形成し、
この堆積膜を高温で通電して、堆積膜を部分に破壊し、
高抵抗膜２０を形成する。

このような構造の電子放出素子において、電極１８．１
９間に電圧を印加して、高抵抗膜２０に電流を流し、こ
の高抵抗膜２０の上側に設けられた不図示の電極に高電
位の電圧を印加すると高抵抗膜２０から電子が放出され
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来の電子放出素子は、高抵抗膜の表面形状が電子
放出特性を決定する大きな要因であるが、電子放出効率
を高めるには、高抵抗膜は膜が途切れていたり、島状と
なっていたり、欠陥が生じたりした状態（以下、このよ
うな表面状態を汚い表面状態という。）に、形成するこ
とが望ましい。これは電子放出が局所的な高電界電子放
出、熱電子放出等に起因するためと考えられる。汚い表
面状態とするためには、一般的には上記のように、堆積
膜を形成した後に高温で通電して、堆積膜を部分に破壊
することによって行なわていた。

しかしながら、このような製造方法で形成された高抵抗
膜を用いた電子放出素子は、高抵抗膜の不安定性から、
動作電圧、電子放出効率のバラツキが大きく、また一部
のみから電子が放出されて、電流密度が大きくなり、高
抵抗膜の部分破壊が起きる等の問題点を有していた。

本発明の目的は、電子放出部となる高抵抗膜の表面形状
を安定して形成でき、且つ電子放出効率を向上させるこ
とのできる電子放出素子を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の電子放出素子は、絶縁材料の堆積面に形成され
た高抵抗膜と、この高抵抗膜の両端部に設けられた電極
とを有する電子放出素子において、 前記高抵抗膜が、前記堆積面の材料より核形成密度が十
分大きく、且つ単一の核だけが成長する程度に十分微細
な複数の異種材料が設けられ、これらの異種材料に成長
した単一の核によって成長した複数の尖頭部を有する結
晶によって形成されていることを特徴とする。

ここで、結晶とは前記それぞれの異種材料に成長した単
一の核を中心として成長した単結晶（実質的に単結晶と
みなされるものを含む）の集合体からなるものをいう。

［作用］ 本発明の電子放出素子は、複数の異種材料に成長した単
一の核を中心として単結晶を成長させることにより、所
望の位置に単結晶特有の尖頭部を有する複数の単結晶を
形成し、また堆積面材料。

異種材料、堆積材料の種類及び堆積膜形成条件を制御す
ることにより、所望の大きさの複数の単結晶を形成して
、高抵抗膜を作製するものである。

また、本発明は、複数の単結晶を異種材料に成長した単
一の核を中心として、略均−に成長させ、尖頭部の形状
を略均−に形成し、高抵抗膜の表面の凹凸を容易に制御
可能とするものである。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の電子放出素子の一実施例を説明するた
めの概略的部分断面図である。

第２図は上記第１図の高抵抗膜のＡ部分の部分拡大断面
図である。

第１図及び第２図に示すように、絶縁材料である５ｉ０
２等の酸化基体１に、Ｓｔ、Ｓｉ３Ｎ４等の異種材料た
る核形成ベース６を複数個形成する。これらの核形成ベ
ース６に形成された単一　の核を中心としてＭ　ｏ　、
　Ｗ　、　Ｓ　ｉ等の単結晶を成長させることにより、
複数の単結晶からなる略円錐形の尖頭部７を有する所望
の大きさの高抵抗膜３を形成する。それぞれの高抵抗膜
３の尖頭部７は電子放出部となる。核形成ベース３は、
第２図に示すような等間隔に形成せずに、ランダムに形
成されてもよいが、等間隔に形成すれば、高抵抗膜３の
凹凸をほぼ均一にすることができる。なお、前記単結晶
の成長方法の詳細については、後述する。高抵抗膜３の
両端には、電極２ａ、２ｂが形成される。この電極２ａ
、２ｂ及び酸化基体１上には、高抵抗膜３上が開口され
た絶縁層４が設けられ、さらにこの絶縁層４上に引き出
し電極５が形成される。

引き出し電極５は、レジストで高抵抗［３上の電子放出
口を埋めて、このレジスト及び絶縁層４上にＭｏ等の金
属層を形成し、さらに、この金属層にホトエツチング等
によって開口部を形成し、レジストを除去することによ
って作製される。

上記実施例の製造方法においては、酸化基体１上に複数
の尖頭部７を有する高抵抗膜３が設けられているが、酸
化膜を下地基材上に形成し、こ、　　の上に高抵抗膜３
を形成することもできる。

なお、上記実施例においては、引き出し電極５は、Ｍｏ
等の金属層をプロセス中で加工することによって作製し
たが、前記絶縁層４の形成後に開口部を有する金属板を
絶縁層４に接着することによって作製してもよい。

以上説明した実施例の電子放出素子は、高抵抗膜の単結
晶の製造条件が、堆積面を構成する酸化基体ｌ、核形成
ベース６、単結晶を構成する堆積物の材質、堆積条件等
の条件で決定され、それぞれの植成形ベース６に成長し
た単一の核を中心として、同一の条件で形成されるので
、その大きさのバラツキを抑えることができ、またそれ
ぞれの尖頭部の位置が核形成ベース６の位置精度で決め
られるので、所望の位置に高精度に作製することができ
る。

また、単結晶を核形成ベース６を中心として容易に形成
することができる（詳細については、後述する。）ので
、堆積物と堆積面との結晶性等を考慮することなく広範
囲の材料から選ぶことができる０例えば、従来、単結晶
の成長が困難であった非晶質基体上にも単結晶を成長さ
せることが可能となり、大面積化が容易である。

加えて、単結晶特有の尖頭部が形成されるので、電子放
出部の形状を均−且つシャープに形成して電界強度を均
−且つ強いものとし、動作開始電圧の範囲のバラツキを
抑え、電子放出効率を向上させることができる。また、
尖頭部の電子放出部を一定の構造の結晶面とすることが
可能となり、ショットキー効果を向上させ、電子放出効
率を向上させることができる。

さらに、通常の半導体製造プロセスで製造することがで
きるので、簡易な工程で高集積化を行なうことができる
。

なお、高抵抗膜上に引き出し電極を設ければ、電界強度
を高め、電子放出効率を高めることができる。

次に、堆積面に単結晶を成長させる単結晶成長法につい
て詳述する。

まず、堆積面上に選択的に堆積膜を形成する選択堆積法
について述べる０選択堆積法とは、表面エネルギー、付
着係数、脱ｌｉｔ係数、表面拡散速度等という薄膜形成
過程での核形成を左右する因子の材料間での差を利用し
て、基板上に選択的に薄膜を形成する方法である。

第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図である
。

まず、同図（Ａ）に示すように、基板８上に、基板８と
上記因子の異なる材料から成る薄膜９を所望部分に形成
する。そして、適当な堆積条件によって適当な材料から
成る薄膜の堆積を行うと、同図（Ｂ）に示すように、薄
膜１０は薄膜９上にのみ成長し、基板８上には成長しな
いという現象を生じさせることができる。この現象を利
用することで、自己整合的に成形された薄膜ｌＯを成長
させることができ、従来のようなレジストを用いたりソ
ゲラフイエ程の省略が可能となる。

このような選択形成法による堆積を行うことができる材
料としては、たとえば基板８としてＳｉ０２　、薄膜９
としてＳｉ、　ＧａＡｓ、窒化シリコン、そして堆積さ
せる薄膜１０としテＳｉ、　Ｗ　、　ＧａＡｓ、ＩｎＰ
等がある。

第４図は、５ｉ０２の堆積面と窒化シリコンの堆積面と
の核形成密度の経時変化を示すグラフである。

同グラフが示すように、堆積を開始して間もなく５ｉ０
２上での核形成密度は１０３ｃｍ−２以下で飽和し、２
０分後でもその値はほとんど変化しない。

それに対して窒化シリコン（Ｓｉ３　Ｎ　４　）上では
、〜４　Ｘ　１０５ｃｍ−２で一旦飽和し、それから１
０分ほど変化しないが、それ以降は急激に増大する。

なお、この測定例では、ＳｉＣ＋４ガスをＨ２ガスで希
釈し、圧力１７５　Ｔｏｒｒ、温度１０００℃の条件下
でＣＶＤ法により堆積した場合を示している。他にＳｉ
Ｈ４、ＳｉＨ２Ｇ＋２　、５ｉＨＣ＋　３　、　ＳｉＦ
　４等を反応ガスとして用いて、圧力、温度等を調整す
ることで同様の作用を得ることができる。また、真空蒸
看でも可能である。

この場合、５ｉ０２上の核形成はほとんど問題とならな
いが、反応ガス中にＨＧＩガスを添加することで、５ｉ
０２上での核形成を更に抑制し、　Ｓｉ０２上でのＳｆ
の堆積を皆無にすることができる。

このような現象は、ＳｉＯ２および窒化シリコンの材料
表面のＳｉに対する吸着係数、脱離係数、表面拡散係数
等の差によるところが大きいが、Ｓｉ原子自身によって
５ｉ０２が反応し、蒸気圧が高い一酸化シリコンが生成
されることでＳｉ０２自身がエツチングされ、窒化シリ
コン上ではこのようなエツチング現象は生じないという
ことも選択堆積を生じさせる原因となっていると考えら
れる（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ、Ｓ、Ｙｏｓｈｉｏｋａ、
Ｓ、Ｍｉｙａｚａｖａ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆＡｐ
ｐｌｉｅｄ　　Ｐｈ７ｓｉｃｓ　　５３．［ｆ８３Ｊ１
９８２）　　。

このように堆積面の材料としてＳｉＯ２および窒化シリ
コンを選択し、堆積材料としてシリコンを選択すれば、
同グラフに示すように十分に大きな核形成密度差を得る
ことができる。なお、ここでは堆積面の材料としてＳｉ
Ｏ２が望ましいが、これに限らすＳｉＯｘであっても核
形成密度差を得ることができる。

勿論、これらの材料に限定されるものではなく、核形成
密度の差が同グラフで示すように核の密度で１０２倍以
上であれば十分であり、後に例示するような材料によっ
ても堆積膜の十分な選択形成を行うことができる。

この核形成密度差を得る他の方法としては、Ｓｉ０２上
に局所的にＳｉやＮ等をイオン注入して過剰にＳｉやＮ
等を有する領域を形成してもよい。

このような選択堆積法を利用し、堆積面の材料より核形
成密度の十分大きい異種材料を単一の核だけが成長する
ように十分微細に形成することによって、その微細な異
種材料の存在する箇所だけに単結晶を選択的に成長させ
ることができる。

なお、単結晶の選択的成長は、堆積面表面の電子状態、
特にダングリングボンドの状態によって決定されるため
に、核形成密度の低い材料（たとえばＳｉ０２　）はバ
ルク材料である必要はなく、任意の材料や基板等の表面
のみに形成されて上記堆積面を成していればよい。

第５図（Ａ）〜（Ｃ）は、単結晶形成方法の第一実施例
を示す形成工程図であり、第６図（Ａ）および（Ｂ）は
、第５図（Ａ）および（Ｃ）における基板の斜視図であ
る。

まず、第５図（Ａ）および第６図（Ａ）に示すように、
非晶質絶縁基板１１上に、距ｒａｆｔを隔てて。

非晶質絶縁基板１１に対して核形成密度の大きい異種材
料を薄く堆積させ、リングラフィ等によってパターニン
グすることで異種材料１２を十分微細に形成する。また
、異種材料１２とは、上述したように、ＳｉやＮ等を非
晶質絶縁基板１１にイオン注入して形成される過剰にＳ
ｉやＮ等を有する変質領域も含めるものとする。

次に、適当な堆積条件によって異種材料１またけに薄膜
材料の単一の核が形成される。すなわち、異種材料１２
は、単一の核のみが形成される程度に十分微細に形成す
る必要がある。異種材料１２の大きさは、材料の種類に
よって異なるが、数ミクロン以下であればよい、更に、
核は単結晶構造を保ちながら成長し、第５図（Ｂ）に示
すように島状の単結晶粒１３となる。島状の単結晶粒１
３が形成されるためには、すでに述べたように、非晶質
絶縁基板ｌｌ上で全く核形成が起こらないように条件を
決めることが必要である。

島状の単結晶粒１３の基板法線方向の結晶方位は、基板
１１の材料および堆積する薄膜材料の界面エネルギを最
小にするように一定に決まる。なぜならば、表面あるい
は界面エネルギは結晶面によって異方性を有するからで
ある。しかしながら、すでに述べたように、非晶質基板
における基板面内の結晶方位は決定されない。

島状の単結晶粒１３は単結晶構造を保ちながら異種材料
１２を中心して更に成長し、同図（Ｃ）に示すように隣
りの単結晶粒１３と接触するが、基板面内の結晶方位は
一定ではないために、異種材料１２の中間位置に結晶粒
界１５が形成される。

続いて、単結晶粒１３は三次元的に成長し、成長速度の
遅い結晶面がファセットとして現われ、略円錐形状の尖
頭部を有する単結晶群１４が形成される。この単結晶群
１４の大きさは、上述したように異種材料１２の間隔文
によって決定・される、すなわち、異種材料１２の形成
パターンを適当に定めることによって、粒界の位置を制
御することができ、所望の大きさの単結晶を所望の配列
で形成することができる。

第７図（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第二実施例を示す形
成工程図である。

同図に示すように、所望の基板１６上に、選択堆積を可
能にする核形成密度の小さい材料から成る薄膜１１を形
成し、その上に間隔見で異種材料１２を形成し、上記第
一実施例と同様にして単結晶層１４を形成することがで
きる。

（具体例） 次に、上記例における単結晶層の具体的形成方法を説明
する。

５ｉ０２を薄膜１１の堆積面材料とする。勿論、石英基
板を用いてもよいし、金属、半導体、磁性体、圧電体、
絶縁体等の任意の基板上に、スパッタ法、　ＣＶＤ法、
真空蒸着法等を用いて基板表面にＳｉ０２層を形成して
もよい、また、堆積面材料としてはＳｉ０２が望ましい
が、ＳｉＯｘとしてＸの値を変化させたものでもよい。

こうして形成された薄ｆｌａｉｌのＳｉ０２層上に減圧
気相成長法によって窒化シリコン層（ここではＳ’３　
’　４　Ｒ）又は多結晶シリコン層を異種材料として堆
積させ、通常のリングラフィ技術又はＸ線、電子線若し
くはイオン線を用いたリングラフィ技術で窒化シリコン
層又は多結晶シリコン層をパターニングし、数ミクロン
以下、望ましくは〜１　ｐｍ以下の微小な異種材料１２
を形成する。

続イテ、ＩＣ＋　、！：Ｈ２ト、ＳｉＨ２Ｃ１０、９ｉ
Ｃ１＋、ＳｉＨ０１３、ＳｉＦ　４若しくはＳｉＨ４と
の混合ガスを用いて上記薄膜１１上にＳｉを選択的に成
長させる。その際の基板温度は７００〜１１００℃、圧
力は約１００　Ｔｏｒｒである。

数十分程度の時間で、ＳｉＯｚ上の窒化シリコン又は多
結晶シリコンの微細な異種材料１２を中心として、単結
晶のＳｉの粒１３が成長し、最適の成長条件とすること
で、その大きさは上記の異種材料程度の大きさから数＋
ｐｍ程度あるいはそれ以上に制御された単結晶１４が形
成される。

（窒化シリコンの組成） これまで述べてきたような堆積面材料と異種材料との十
分な核形成密度差を得るには、Ｓｉ３　Ｎ　４に限定さ
れるものではなく、窒化シリコンの組成を変化させたも
のでもよい。

ＲＦプラズマ中でＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとを分解さ
せて低温で窒化シリコン膜を形成するプラズマＣＶＤ法
では、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとの流量比を変化させ
ることで、堆積する窒化シリコン膜のＳｉとＮの組成比
を大幅に変化させることができる。

第８図は、ＳｉＨ４とＮＨ３の流量比と形成された窒化
シリコン膜中のＳｔおよびＮのｍ酸比との関係を示した
グラフである。

この時の堆積条件は、ＲＦ出力１７５Ｗ、基板温度３８
０℃であり、ＳｉＨ４ガス流量を３００　ｃ　ｃ　／　
ｍ　ｉ　ｎに固定し、ＮＨ３ガスの流量を変化させた。

同グラフに示すようにＮＨ３／ＳｉＨ４のガス流量比を
４〜ｌＯへ変化させると、窒化シリコン膜中のＳ　ｉ　
／　Ｎ比は１．１〜０．５８に変化することがオージェ
電子分光法によって明らかとなった。

マタ、減圧ＣＶＤ法テＳｉＨ２Ｇ＋２　カストＮＨ３ガ
スとを導入し、０．３Ｔｏｒｒの減圧下、温度約８００
℃の条件で形成した窒化シリコン膜の組成は、はぼ化学
量論比であるＳｉ３　Ｎ　４　　（Ｓｉ／　Ｎ　〜０．
７５）に近いものであった。

また、ＳｉをアンモニアあるいはＮ２中で約１２００℃
で熱処理すること（熱窒化法）で形成される窒化シリコ
ン膜は、その形成方法が然平衡下で行われるために、更
に化学量論比に近い組成を得ることができる。

以上の様に種々の方法で形成した窒化シリコンをＳｉの
核形成密度が５ｉ０２より高い堆積面材料として用いて
上記Ｓｉの核を成長させると、その組成比により核形成
密度に差が生じる。

第９図は、Ｓ　ｉ　／　Ｎ組成比と核形成密度との関係
を示すグラフである。同グラフに示すように、窒化シリ
コン膜の組成を変化させることで、その上に成長するＳ
ｉの核形成密度は大幅に変化する。この時の核形成条件
は、５ｉＣ１４ガスを１７５Ｔｏｒｒに減圧し、１ｏｏ
ｏ℃でＨ２と反応させてＳｔを生成させる。

このように窒化シリコンの組成によって核形成密度が変
化する現象は、単一の核を成長させる程度に十分微細に
形成される異種材料としての窒化シリコンの大きさに影
響を与える。すなわち、核形成密度が大きい組成を有す
る窒化シリコンは、非常に微細に形成しない限り、単一
の核を形成することができない。

したがって、核形成密度と、単一の核が選択できる最適
な窒化シリコンの大きさとを選択する必要がある。たと
えば〜１０５ｃｍ−２の核形成密度を得る堆積条件では
、窒化シリコンの大きさは約４ｐｍ以下であれば単一の
核を選択できる。

（イオン柱入による異種材料の形成） Ｓｉに対して核形成密度差を実現する方法として、核形
成密度の低い堆積面材料である５ｉ０２の表面に局所的
にＳｉ、Ｎ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ａｒ。

Ｈｅ、Ｃ，Ａｓ、Ｇａ、Ｇｅ等をイオン注入して５ｉ０
２の堆積面に変質領域を形成し、この変質領域を核形成
密度の高い堆積面材料としても良い。

例えば、５ｉ０２表面をレジストで多い、所望の箇所を
露光、現像、溶解させて５ｉ０２表面を部分的に表出さ
せる。

続いて、Ｓ　ｉ　Ｆ４ガスをソースガスとして用い、Ｓ
ｉイオンを１０ｋｅＶで１Ｘ１０１１３〜ＬＸ１０１８
　ｃ　ｍ−２の密度で５ｉ０２表面に打込む。これによ
る投影飛程は１１４人であり、５ｉ０２表面ではＳｔ濃
度が〜１０２２　ｃ　ｍ−３に達する。

５ｉ０２はもともと非晶質であるために、Ｓｉイオンを
注入した領域も非晶質である。

なお、変質領域を形成するには、レジストをマスクとし
てイオン注入を行うこともできるが、集束イオンビーム
技術を用いて、レジストマスクを使用せずに絞られたＳ
ｉイオンを５ｉ０２表面に注入してもよい。

こうしてイオン注入を行った後、レジストを剥離するこ
とで、５ｉ０２面にＳｉが過剰な変質領域が形成される
。このような変質領域が形成された５ｉ０２堆積面にＳ
ｔを気相成長させる。

第１０図は、Ｓｉイオンの注入量と核形成密度との関係
を示すグラフである。

同グラフに示すように、Ｓｉ十十人入量多い程、核形成
密度が増大することがわかる。

したがって、変質領域を十分微細に形成することで、こ
の変質領域を異種材料としてＳｔの単一の核を成長させ
ることができ、上述したように単結晶を成長させること
ができる。

なお、変質領域を単一の核が成長する程度に十分微細に
形成することは、レジストのパターニングや、集束イオ
ンビームのビームを絞ることによって容易に達成される
。

（ＣＶＤ以外のＳｉ堆積方法） Ｓｉの選択核形成によって単結晶を成長させるには、Ｃ
ＶＤ法だけではなく、Ｓｉを真空中（＜　１０−６　Ｔ
ａｒｒ）で電子銃により蒸発させ、加熱した基板に堆積
させる方法も用いられる。特に、超高真空中（＜　１０
−９Ｔｏｒｒ）で蒸着を行うＭ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅｃ
ｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　ＥｐｉｔａＢ）法では、基板温度
９００℃以上でＳｉビームとＳ　ｉ　０２が反応を始め
、５ｉ０２上でのＳｉの核形成は皆無になることが知ら
れている（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ、Ｓ、Ｙｏｓｈｉｏｋ
ａ　ａｎｄＳ、旧ｙａｚａｗａ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　
ｏｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　５３゜
１０、ｐ６８３９，１９８３）。

この現象を利用してＳ　ｆ　０２上に点在させた微小な
窒化シリコンに完全な選択性をもってＳｔの単一の核を
形成し、そこに単結晶Ｓｉを成長させることができた。

この時の堆積条件は、真空度　　２Ｌ　Ｏ”−８Ｔａｒ
ｔ以下、Ｓｉビーム強度９．７×１０１’ａｔｏｍｓ　
／　ｃｍ２　ａ　ｓｅｃ　、基板温度９００℃〜ｔｏｏ
ｏ℃であった。

この場合、５ｉ０２　＋Ｓｉ→２ＳｉＯ↑という反応に
より、ＳｉＯという蒸気圧の著しく高い反応生成物が形
成され、この蒸発による５ｉ０２自身のＳｉによるエツ
チングが生起している。

これに対して、窒化シリコン上では上記エツチング現象
は起こらず、核形成、そして堆積が生じている。

したがって、核形成密度の高い堆積面材料としては、窒
化シリコン以外に、タンタル酸化物（Ｔａ　２０　ｓ　
）　、窒化シリコン酸化物（ＳｉＯＮ）等を使用しても
同様の効果を得ることができる。すなわち、これらの材
料を微小形成して上記異種材料とすることで、同様に単
結晶を成長させることができる。

（タングステン単結晶の成長） Ｓｉ以外の材料としてタングステンの場合を例示する。

タングステンは、ＳｉＤ　ｚ上では核形成を起こさず、
Ｓｉ、　ＷＳｉ　２　、　ＰｔＳｉ、　ＡＩ等の上では
多結晶膜となって堆積することが知られている。しかし
、本発明による結晶成長方法によれば、単結晶を容易に
成長させることができる。

まず、Ｓｉ０２を主成分とするガラス、石英、熱酸化膜
等の上に、Ｓｉ、　ＷＳｉ　２　、　ＰｔＳｉ、又はＡ
１を真空蒸着で堆積させ、フォトリングラフィによって
数ＩＬｍ以下の大きさにパターニングする。

続いて、２５０〜５００℃に加熱された反応炉内に設首
し、ＷＦ、ガスおよび水素ガスの混合ガスを圧力的０．
１〜１０Ｔｏｒｒ１７）減圧下で、各ｈ　７５ｃｃ／　
ｓｉｎおよび１０ｃｃ／ｗｉｎの流址で流す。

これによって、ｗＦａ　＋３Ｈ２→−＋８１Ｆという反
応式で表現されるようにタングステンが生成する。この
時、タングステンとＳｉＯ２との反応性は極めて低く１
強固な結合が生じないために、核形成は起こらず、した
がって堆積は生じない。

これに対して、Ｓｉ、　ＷＳｉ　２　、　ＰｔＳｉ、　
ＡＩ上にはタングステンの核が形成されるが、微細に形
成されているために、タングステンの単一の核のみが形
成される。そして、この単一の核が成長誓統け、Ｓｉ０
２上にも横方向に単結晶のまま成長する。これは、Ｓｉ
Ｏｚ上にはタングステンの核成長が起こらないために、
単結晶成長を阻害して多結晶となることがないためであ
る。

なお、これまで述べた堆積面材料、異種材料および堆積
材料の組合せは、上記各実施例に示したものだけではな
く、十分な核形成密度差を有する材料の組合すであれば
よいことは明らかである。

したがって、選択堆積可能なＧａＡｓやＩｎＰ等の化合
物半導体の場合にも、本発明によって単結晶を形成する
ことができる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明の電子放出素子によ
れば、 高抵抗膜の単結晶の製造条件が、堆積面を構成する堆績
面、異種材料、単結晶を構成する堆積物の材質、堆積条
件等の条件で決定され、それぞれの異種材料に成長した
単一の核を中心として、同一の条件で形成されるので、
その大きさのバラツキを抑えることができ、またそれぞ
れの尖頭部の位置が異種材料の位置精度で決められるの
で、所望の位置に高精度に作製することができる。

さらに、単結晶を異種材料を中心として容易に形成する
ことができるので、堆積物と堆積面との結晶性等を考慮
することなく広範囲の材料から選ぶことができる。すな
わち、従来、単結晶の成長が困難であった非晶質基体上
にも単結晶を成長さ・　せることが可能となり、大面積
化が容易である。

加えて、単結晶特有の尖頭部が形成されるので、電子放
出部の形状を均−且つシャープに形成して電界強度を均
−且つ強いものとし、動作開始電圧の範囲のバラツキを
抑え、電子放出効率を向上させることができる。また、
尖頭部の電子放出部を一定の構造の結晶面とすることが
可能となり、ショットキー効果を向上させ、電子放出効
率を向上させることができる。

また、通常の半導体製造プロセスで製造することができ
るので、簡易な工程で高集積化を行なうことができる。

なお、高抵抗膜上に引き出し電極を設ければ、電界強度
を高め、電子放出効率を高めることができる。

また、本発明においては、堆積面を所望の材料の下地基
材上に形成することができ、例えば堆積面を放熱性の高
い基体上に形成することで、信頼性を向上させることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子放出素子の一実施例を説明するた
めの概略的部分断面図である。 第２図は上記第１図の高抵抗膜のＡ部の部分拡大断面図
である。 第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図である
。 第４図は５ｉ０２の堆積面と窒化シリコンの堆積面との
核形成密度の経時変化を示すグラフである。 第５図（Ａ）〜（Ｃ）は、単結晶形成方法の一例を示す
形成工程図である。 第６図（Ａ）およびＣＢ）は、第５図（Ａ）および（Ｃ
）における基板の斜視図である。 第７図（Ａ）〜（Ｃ・）は、未発明の第二実施例を示す
形成工程図である。 第８図はＳｉＨ４とＮＨ３の流量比と形成された窒化シ
リコン膜中のＳｉおよびＮの組成比との関係を示したグ
ラフである。 第９図はＳ　ｉ　／　Ｎ組成比と核形成密度との関係を
示すグラフである。 第１０図はＳｔイオンの注入量と核形成密度との関係を
示すグラフである。 第１１図はの表面伝導型の電子放出素子の一例を示す概
略的説明図である。 １・参・・・酸化基体 ２・・儲・・電極 ３・・φ・・高抵抗膜 ４会や・・拳絶縁層 ５・・・・・引き出し電極 ６・・・・・核形成ベース ７−・・・・尖頭部 ８・−・・・下地基材 代理人　弁理士　山　下　穣　平 、７ 第３図 （Ａ） （Ｅ３） ＄４図 １１’ｔ　ＰＡ　（４ｆ） 第６図 （Ａ） （Ｂ） 第７図 ０　　　　　　　　　　　　０．５　　　　　　　　　
　　１．Ｏ５ｉ／Ｎ、組八ル 第１１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁材料の堆積面に形成された高抵抗膜と、この
   高抵抗膜の両端部に設けられた電極とを有する電子放出
   素子において、 前記高抵抗膜が、前記堆積面の材料より核形成密度が十
   分大きく、且つ単一の核だけが成長する程度に十分微細
   な複数の異種材料が設けられ、これらの異種材料に成長
   した単一の核によって成長した複数の尖頭部を有する結
   晶によって形成されていることを特徴とする電子放出素
   子。
2. （２）前記高抵抗膜上に引き出し電極を設けた特許請求
   の範囲第１項記載の電子放出素子。
3. （３）前記堆積面が所望の下地材料上に形成された特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の電子放出素子。