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JPH11232994A - Electron-emitting device - Google Patents

Electron-emitting device

Info

Publication number
JPH11232994A
JPH11232994A JP3558198A JP3558198A JPH11232994A JP H11232994 A JPH11232994 A JP H11232994A JP 3558198 A JP3558198 A JP 3558198A JP 3558198 A JP3558198 A JP 3558198A JP H11232994 A JPH11232994 A JP H11232994A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diamond
electron
thin film
emitting device
conductive layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3558198A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Kitahata
真 北畠
Masahiro Deguchi
正洋 出口
Hideo Kurokawa
英雄 黒川
Tetsuya Shiratori
哲也 白鳥
Toshifumi Sato
利文 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP3558198A priority Critical patent/JPH11232994A/en
Publication of JPH11232994A publication Critical patent/JPH11232994A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 テ゛ィスフ゜レーなどに応用可能な高効率電子放出素
子の提供する。 【解決手段】 タ゛イヤモント゛薄膜14の電子放出表面と、タ゛
イヤモント゛薄膜14表面に沿って電子が移動するように設置
された2つの電極と、タ゛イヤモント゛表面から電子を引き出す
電界を印可するもう1つの電極を含む。タ゛イヤモント゛薄膜表
面が導電層を含み、タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電子が移
動するように設置された2つの電極のうち、一つは導電
層のない裏面側、もう一つは導電層のある表面側に形成
され上記導電層と電気的につながっている。タ゛イヤモント゛薄
膜表面に沿って電子が移動するように設置された2つの
電極がタ゛イヤモント゛薄膜の異なる部分と接しており、2つの
電極の間に間隙がありどちらの電極とも接していないタ゛
イヤモント゛薄膜の部分が存在する。
(57) [Summary] (with correction) [PROBLEMS] To provide a high-efficiency electron-emitting device applicable to a display or the like. The device includes an electron emission surface of a diamond film, two electrodes disposed so that electrons move along the diamond film surface, and another electrode for applying an electric field to extract electrons from the diamond surface. . Of the two electrodes placed so that electrons move along the surface of the diamond film, the back surface without the conductive layer and the other surface surface with the conductive layer And is electrically connected to the conductive layer. Two electrodes placed so that the electrons move along the surface of the diamond film are in contact with different parts of the diamond film, and there is a gap between the two electrodes and the part of the diamond film that is not in contact with either electrode. Exists.

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、自発光の平面テ゛ィス
フ゜レーとして期待されるフィールドエミッションテ゛ィスフ゜レ
ー、高周波・高パワー・雑音耐性マイクロエレクトロニ
クス素子用の、高効率のエミッタを実現可能とする電子
放出素子に関する。特に、ダイヤモンド表面からの高効
率電子放出を利用した電子放出素子の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission display which is expected to be a self-luminous planar display, and an electron-emitting device which can realize a high-efficiency emitter for a high-frequency, high-power, and noise-resistant microelectronic device. . In particular, the present invention relates to a structure of an electron-emitting device using highly efficient electron emission from a diamond surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高精細な薄型ディスプレィ用の電
子銃に代わる電子線源や、高速動作が可能な微小真空デ
バイスのエミッター部分として、ミクロンサイズの微小
電子放出素子が注目されている。このような電子放出素
子のタイプとしては様々なものがあるが、電界放出型
(FE型)、トンネル注入型(MIM型、MIS型)、表面伝導
型(SC型)などが知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, micron-sized microelectron-emitting devices have attracted attention as an electron beam source replacing a high-definition thin display electron gun and as an emitter of a microvacuum device capable of high-speed operation. There are various types of such electron-emitting devices, and a field emission type (FE type), a tunnel injection type (MIM type, MIS type), a surface conduction type (SC type) and the like are known.

【0003】FE型電子放出素子は、ゲート電極に電圧を
かけて電子放出部分に電界を印加することにより、シリ
コン(Si)やモリブデン(Mo)で作製されたコーン状の
突起部分から電子を放出させるものである。
The FE type electron-emitting device emits electrons from a cone-shaped protrusion made of silicon (Si) or molybdenum (Mo) by applying a voltage to a gate electrode and applying an electric field to the electron-emitting portion. It is to let.

【0004】またMIM型、MIS型素子は、金属、絶縁体
層、半導体層等の積層構造を形成することにより、金属
側より注入された電子の一部を電子放出部より外部に取
り出すものである。
[0004] Further, the MIM-type and MIS-type elements form a laminated structure of a metal, an insulator layer, a semiconductor layer, and the like, so that a part of electrons injected from the metal side is extracted to the outside from an electron emitting portion. is there.

【0005】またSC型は、基板上に形成された薄膜の面
内方向に電流を流すことにより、予め形成された電子放
出部より電子を取り出すもので、一般的に薄膜の通電領
域中に存在する微細な亀裂部分より電子放出するもので
ある。
[0005] In the SC type, electrons are extracted from an electron emission portion formed in advance by flowing a current in an in-plane direction of a thin film formed on a substrate. Electrons are emitted from the fine cracks.

【0006】これらの素子構造は、微細加工技術を用い
ることによって小型化、集積化を図ることができるなど
の特徴を有したものである。
[0006] These element structures have features such as downsizing and integration by using fine processing technology.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】一般的に電子放出素子
の材料として要求される特性は、(1)比較的小さな電
界で電子を放出し易いこと、すなわちその物質の電子親
和力が小さいこと、(2)安定な電子放出特性を維持す
るために、エミッター部表面が化学的に安定なこと、
(3)耐摩耗性や耐熱性に優れていることなどがある。
Generally, the characteristics required as a material for an electron-emitting device are (1) that electrons are easily emitted by a relatively small electric field, that is, the material has a small electron affinity, 2) In order to maintain stable electron emission characteristics, the emitter surface is chemically stable;
(3) It has excellent abrasion resistance and heat resistance.

【0008】そのような観点で従来技術をみた場合、電
界放出型素子は放出電流量のエミッター部形状依存性が
大きく、その作製、制御が非常に困難であると共に、用
いられている材料の表面安定性の点で課題があった。ま
たこの方式では、個々の素子は点の電子放出源であり、
面状の電子放出流を得ることは困難であった。
In view of the prior art from such a point of view, the field emission type element has a large dependence of the emission current on the shape of the emitter portion, making it very difficult to manufacture and control the field emission element, and to reduce the surface of the material used. There were issues in terms of stability. Also in this scheme, each element is a point electron emission source,
It has been difficult to obtain a planar electron emission flow.

【0009】またアバランシェ増幅型は、一般的に非常
に大きな電流量を素子に印加する必要があるので素子の
発熱が起こり、そのため電子放出特性が不安定になった
り素子寿命が短くなったりするといった問題点があっ
た。またアバランシェ増幅型ではエミッター部表面にセ
シウム層等を設けることによって電子放出部分の仕事関
数量を小さくしているが、セシウム等の仕事関数が小さ
い材料は化学的に不安定であるため表面状態が安定でな
い、すなわち電子放出特性が安定でないといった問題点
もあった。以上のようにこれまで用いられてきた材料お
よび構造は、電子放出素子に要求される特性を十分に満
たすものではなかった。
In the avalanche amplification type, since it is generally necessary to apply a very large amount of current to the element, heat is generated in the element, which causes unstable electron emission characteristics and shortens the life of the element. There was a problem. In the avalanche amplification type, the work function amount of the electron emission portion is reduced by providing a cesium layer or the like on the surface of the emitter, but a material having a small work function such as cesium has a chemically unstable surface state. There is also a problem that it is not stable, that is, the electron emission characteristics are not stable. As described above, the materials and structures used so far do not sufficiently satisfy the characteristics required for the electron-emitting device.

【0010】これに対しダイヤモンドは、広禁制帯幅
(5.5eV)を有する半導体材料であり、その特性は
高硬度、耐磨耗性、高熱伝導率、化学的に不活性である
など電子放出素子材料として非常に適している。またダ
イヤモンドは、その表面状態を制御することによって、
伝導帯端のエネルギー準位が真空のエネルギー準位より
も高くなる、すなわち負の電子親和力の状態にすること
が可能である。すなわちダイヤモンド層の伝導帯に電子
を注入してやれば、容易に電子を放出させることが可能
になるといった利点を有している。加えてダイヤモンド
は一般に炭素系ガス種と水素ガスを原料ガスとした気相
合成法で容易に形成することが可能であり、製造的な面
でも優位性を持っている。
[0010] On the other hand, diamond is a semiconductor material having a wide bandgap (5.5 eV), and has characteristics such as high hardness, abrasion resistance, high thermal conductivity, and chemical inertness. Very suitable as a device material. In addition, by controlling the surface state of diamond,
It is possible that the energy level at the conduction band edge becomes higher than the energy level of the vacuum, that is, a state of negative electron affinity. That is, there is an advantage that if electrons are injected into the conduction band of the diamond layer, electrons can be easily emitted. In addition, diamond can generally be easily formed by a gas phase synthesis method using carbon-based gas species and hydrogen gas as source gases, and has an advantage in terms of manufacturing.

【0011】本発明は、従来技術における前記課題を解
決するため、タ゛イヤモント゛薄膜の電子放出表面と、タ゛イヤモント゛
薄膜表面に沿って電子が移動するように設置された2つ
の電極と、上記タ゛イヤモント゛表面から電子を引き出す電界を
印可するもう1つの電極、よりなる構成要素を含むこと
により、高効率の電子放出素子を提供することを目的と
する。
In order to solve the above-mentioned problems in the prior art, the present invention provides an electron emission surface of a diamond film, two electrodes provided so that electrons move along the diamond film surface, and an electron beam from the diamond surface. Another object of the present invention is to provide a high-efficiency electron-emitting device by including a constituent element composed of another electrode for applying an electric field for extracting electric field.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る電子放出素子の構成は、少なくとも、
タ゛イヤモント゛薄膜の電子放出表面と、タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿
って電子が移動するように設置された2つの電極と、上
記タ゛イヤモント゛表面から電子を引き出す電界を印可するもう
1つの電極、よりなる構成要素を含むことを特徴とす
る。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the structure of the electron-emitting device according to the present invention comprises at least:
Including a component comprising an electron emission surface of a diamond film, two electrodes arranged to move electrons along the diamond film surface, and another electrode for applying an electric field for extracting electrons from the diamond surface. It is characterized by the following.

【0013】本発明に係るもう一つの構成は、ダイヤモ
ンド薄膜表面が導電層を含み、タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿っ
て電子が移動するように設置された2つの電極のうち、
一つは導電層のない裏面側、もう一つは導電層のある表
面側に形成され上記導電層と電気的につながっているこ
とを特徴とする。
Another configuration according to the present invention is that, of the two electrodes provided so that the diamond thin film surface includes a conductive layer and electrons move along the diamond film thin film surface,
One is formed on the back side without the conductive layer and the other is formed on the front side with the conductive layer, and is electrically connected to the conductive layer.

【0014】上記構成において、ダイヤモンド薄膜表面
の導電層が水素化されたダイヤモンド層であることを特
徴とする。
In the above structure, the conductive layer on the surface of the diamond thin film is a hydrogenated diamond layer.

【0015】また本発明に係るもう一つの構成は、タ゛イヤ
モント゛薄膜表面に沿って電子が移動するように設置された
2つの電極がダイヤモンド薄膜の異なる部分と接してお
り、2つの電極の間に間隙がありどちらの電極とも接し
ていないダイヤモンド薄膜の部分が存在することを特徴
とする。
According to another configuration of the present invention, two electrodes provided so that electrons move along the surface of a diamond film are in contact with different portions of the diamond thin film, and a gap is provided between the two electrodes. And there is a portion of the diamond thin film that is not in contact with either electrode.

【0016】また本発明に係るもう一つの構成は、ダイ
ヤモンド薄膜の厚さが10nm以上5μm以下であることを特
徴とする。
Further, another configuration according to the present invention is characterized in that the thickness of the diamond thin film is 10 nm or more and 5 μm or less.

【0017】上記構成において、ダイヤモンド薄膜が気
相成長法によって成長され、気相成長の前処理として1x
1010cm-2以上の分布密度を有するダイヤモンド成長核を
分布させる行程を含むことを特徴とする。
In the above structure, a diamond thin film is grown by a vapor phase growth method, and 1x is used as a pretreatment for the vapor phase growth.
The method includes a step of distributing diamond growth nuclei having a distribution density of 10 10 cm -2 or more.

【0018】また本発明に係るもう一つの構成は、タ゛イヤ
モント゛薄膜表面に沿って電子が移動するように設置された
2つの電極のうち、導電層のない裏面側の電極はダイヤ
モンドとショットキー接合、導電層のある表面側の電極は表面
導電層とオーミック接合していることを特徴とする。
In another configuration according to the present invention, of the two electrodes provided so that electrons move along the surface of the diamond film, the electrode on the back side without the conductive layer is a Schottky junction with diamond, The electrode on the surface side with the conductive layer is characterized by being in ohmic contact with the surface conductive layer.

【0019】上記構成において、電層のある表面側の電
極は少なくともTiを含む金属によって形成されているこ
とを特徴とする。
The above structure is characterized in that the electrode on the surface side with the electric layer is formed of a metal containing at least Ti.

【0020】更に本発明に係るもう一つの構成は、ダイ
ヤモンド薄膜表面・裏面にそれぞれ互いに重ならないよ
うに櫛形電極を設置することを特徴とする。
Further, another configuration according to the present invention is characterized in that comb electrodes are provided on the front and back surfaces of the diamond thin film so as not to overlap each other.

【0021】また本発明に係るもう一つの構成は、タ゛イ
ヤモンド薄膜がn型の半導体特性を有する部分を含み、
ダイヤモンド薄膜に設置された2つの電極のうちの一つ
が前記n型の半導体特性を有するダイヤモンド薄膜の部
分とオーミック接合していることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a diamond thin film including a portion having n-type semiconductor characteristics,
One of the two electrodes provided on the diamond thin film is in ohmic contact with the portion of the diamond thin film having the n-type semiconductor characteristics.

【0022】図1に本発明に係る電子放出素子の概念図
(断面図)を示す。絶縁性の基板11表面の一部に下部
の電極12を形成し、上記下部電極12と基板表面の露
出部13の上層に双方にまたがっる様にダイヤモンド薄
膜14を形成する。更に上記ダイヤモンド薄膜14の上
層に上記下部電極12上にかぶる部分がないように、間
隙15をあけて上部のもう一つの電極16を形成した。
ダイヤモンド薄膜14表面は導電層17を有し、上部電
極16と表面導電層17は等電位となり、下部電極12
と上部電極16に印可された電圧は下部電極12上のダ
イヤモンド薄膜14の厚み方向に集中的にかかることに
なる。この集中電界により下部電極12からダイヤモン
ド薄膜14に注入された電子18は表面導電層17に達
し、図1に示した矢印のようにダイヤモンド薄膜表面導
電層17に沿って上部電極16に向かって移動する。こ
の表面近傍を走る電子は、ダイヤモンドの導電層表面が
負の電子親和力(NEA)を有しているため、ダイヤモンド
薄膜の表面から真空に向かって非常に飛び出しやすい。
この場合、もう一つの第3の電極19を設置すると、こ
の第3の電極と表面導電層17の間の電位差によって、
電子18が真空中に引き出される。
FIG. 1 shows a conceptual diagram (cross-sectional view) of an electron-emitting device according to the present invention. A lower electrode 12 is formed on a part of the surface of the insulating substrate 11, and a diamond thin film 14 is formed on the lower electrode 12 and the exposed portion 13 on the substrate surface so as to extend over both. Another upper electrode 16 was formed with a gap 15 so that the upper portion of the diamond thin film 14 did not cover the lower electrode 12.
The surface of the diamond thin film 14 has a conductive layer 17, and the upper electrode 16 and the surface conductive layer 17 have the same potential, and the lower electrode 12
And the voltage applied to the upper electrode 16 is applied intensively in the thickness direction of the diamond thin film 14 on the lower electrode 12. The electrons 18 injected from the lower electrode 12 into the diamond thin film 14 by the concentrated electric field reach the surface conductive layer 17 and move toward the upper electrode 16 along the diamond thin film surface conductive layer 17 as shown by arrows in FIG. I do. Electrons running near this surface are very likely to fly out of the diamond thin film surface into a vacuum because the surface of the diamond conductive layer has a negative electron affinity (NEA).
In this case, when another third electrode 19 is provided, the potential difference between the third electrode and the surface conductive layer 17 causes
Electrons 18 are drawn into the vacuum.

【0023】この場合、ダイヤモンド薄膜表面の導電層
が水素化されたダイヤモンド層であると、表面が導電性
で負の電子親和力を示し、電子放出が効率的に起こり好
ましい。
In this case, it is preferable that the conductive layer on the surface of the diamond thin film is a hydrogenated diamond layer because the surface is conductive and exhibits a negative electron affinity, and electron emission is efficient.

【0024】上述の様に、タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電
子が移動するように設置された2つの電極がダイヤモン
ド薄膜の異なる部分と接しており、2つの電極の間に間
隙がありどちらの電極とも接していないダイヤモンド薄
膜の部分が存在すると、ダイヤモンド薄膜中に注入され
た電子がダイヤモンド薄膜表面を走り、その間に電界に
引かれて電子が真空中に放出し、電子放出が効率的に起
こり好ましい。
As described above, the two electrodes provided so that electrons move along the surface of the diamond film are in contact with different portions of the diamond thin film, and there is a gap between the two electrodes, and both electrodes have If there is a portion of the diamond thin film that is not in contact, the electrons injected into the diamond thin film run on the surface of the diamond thin film, and during that time, the electrons are emitted into a vacuum by an electric field, so that the electron emission is efficient, which is preferable.

【0025】また、ダイヤモンド薄膜の厚さが10nm以上
であれば、下部電極12とダイヤモンド表面導電層17
の間の絶縁性が有る程度確保でき電圧の印可が可能とな
り、更に5μm以下であると、ダイヤモンド層の下部電極
12とダイヤモンド薄膜の表面導電層17の間に印可し
た電圧が十分な電界をダイヤモンド中に発生させ、下部
電極12からダイヤモンド層14へ電子が効率的に供給
され、電子放出が効率的に起こり好ましい。
If the thickness of the diamond thin film is 10 nm or more, the lower electrode 12 and the diamond surface conductive layer 17
When the thickness is 5 μm or less, a voltage applied between the lower electrode 12 of the diamond layer and the surface conductive layer 17 of the diamond thin film causes a sufficient electric field to be applied to the diamond. It is preferable that electrons are efficiently supplied from the lower electrode 12 to the diamond layer 14 so that electrons are efficiently emitted.

【0026】上記構成において、ダイヤモンド薄膜が気
相成長法によって成長され、気相成長の前処理として1x
1010cm-2以上の分布密度を有するダイヤモンド成長核を
分布させる行程を含むと、上記膜厚レンジのダイヤモン
ド薄膜を再現性良く形成でき、下部電極12とダイヤモ
ンド表面導電層17の間の絶縁性が有る程度確保でき電
圧の印可が可能となり、下部電極12からダイヤモンド
層14へ電子が効率的に供給され、電子放出が効率的に
起こり好ましい。
In the above structure, a diamond thin film is grown by a vapor growth method, and 1x is used as a pretreatment for the vapor growth.
By including the step of distributing diamond growth nuclei having a distribution density of 10 10 cm -2 or more, a diamond thin film having the above thickness range can be formed with good reproducibility, and the insulation between the lower electrode 12 and the diamond surface conductive layer 17 can be improved And the voltage can be applied, electrons are efficiently supplied from the lower electrode 12 to the diamond layer 14, and electrons are efficiently emitted, which is preferable.

【0027】また、タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電子が移
動するように設置された2つの電極のうち、導電層のな
い裏面側の電極がダイヤモンドとショットキー接合いると裏面
側の電極との間に高電界を印可することができダイヤモ
ンドに電子を注入することができ、導電層のある表面側
の電極が表面導電層とオーミック接合しているとダイヤモン
ド表面導電層に効率的に電位を与えることができ、下部
電極12とダイヤモンド表面導電層17の間への電圧の
印可が可能となり、下部電極12からダイヤモンド層1
4へ電子が効率的に供給され、電子放出が効率的に起こ
り、好ましい。上記構成において、導電層のある表面側
の電極は少なくともTiを含む金属によって形成されてい
ると、導電層のない裏面側の電極はダイヤモンドとショット
キー接合する金属、導電層のある表面側の電極は前記構成
により表面導電層とオーミック接合していて、上記構成を達
成でき好ましい。
Also, of the two electrodes provided so that electrons move along the surface of the diamond film, if the electrode on the back side without the conductive layer is Schottky-bonded to diamond, it will be between the electrode on the back side. A high electric field can be applied, electrons can be injected into diamond, and if the electrode on the surface side with the conductive layer is in ohmic contact with the surface conductive layer, the potential can be efficiently applied to the diamond surface conductive layer. Thus, a voltage can be applied between the lower electrode 12 and the diamond surface conductive layer 17.
This is preferable because electrons are efficiently supplied to 4 and electron emission occurs efficiently. In the above structure, if the electrode on the front side with the conductive layer is formed of a metal containing at least Ti, the electrode on the back side without the conductive layer is a metal that forms a Schottky junction with diamond, and the electrode on the front side with the conductive layer. Is preferably in ohmic contact with the surface conductive layer by the above configuration, and can achieve the above configuration.

【0028】更にダイヤモンド薄膜表面・裏面にそれぞ
れ互いに重ならないように櫛形電極を設置すると、電子
が放出する電極間の間隙15が広い面積に渡って均一に
形成され、広面積の均一な電子放出が得られ好ましい。
Further, if the comb-shaped electrodes are arranged on the front and back surfaces of the diamond thin film so that they do not overlap each other, the gap 15 between the electrodes from which electrons are emitted is formed uniformly over a wide area, and uniform electron emission over a wide area is achieved. Obtained and preferred.

【0029】また、タ゛イヤモンド薄膜がn型の半導体特
性を有する部分を含み、ダイヤモンド薄膜に設置された
2つの電極のうちの一つが前記n型の半導体特性を有す
るダイヤモンド薄膜の部分とオーミック接合していると、前
記電極からダイヤモンド薄膜への電子の注入が容易とな
り、効率的な電子放出が達成でき好ましい。
Also, the diamond thin film includes a portion having n-type semiconductor characteristics, and one of the two electrodes provided on the diamond thin film forms an ohmic junction with the portion of the diamond thin film having n-type semiconductor characteristics. In this case, injection of electrons from the electrode into the diamond thin film becomes easy, and efficient electron emission can be achieved, which is preferable.

【0030】上述の説明では、下部電極と上部電極と言
うように、ダイヤモンド薄膜をサンドイッチするように
2つの電極を設置しているが、ダイヤモンド薄膜の一方
の面に2つの電極が設置されている場合でも、上記ダイ
ヤモンド薄膜への電子の注入が起こり、ダイヤモンド薄
膜表面に沿って電子が移動する構成になっていれば良
い。
In the above description, two electrodes are provided so as to sandwich a diamond thin film, such as a lower electrode and an upper electrode, but two electrodes are provided on one surface of the diamond thin film. Even in such a case, it is sufficient that electrons are injected into the diamond thin film and the electrons move along the surface of the diamond thin film.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】(実施の形態1)図1を用いて、
本発明の第一の実施例を説明する。溶融石英の基板11
表面に、一部を金属マスクで隠してPt電極12を真空蒸
着で形成した。この一部に下部電極12が形成された基
板11を通常の有機洗浄により清浄化し、平均粒径が0.
02μmのダイヤモンド粒子を分散させた溶液中に浸け、
超音波振動を与えてダイヤモンド成長のための高密度成
長核を形成した。上記ダイヤモンド粒子分散液は、1リ
ットルの純水に2gのダイヤモンド粒子を入れ更に2リ
ットルのエタノールを加えた後数滴フッか水素酸を滴下
したpH値3程度の液であった。超音波処理は10分間さ
れ、基板表面に形成されたダイヤモンド成長核の密度は
5x1010個cm -2程度であった。上記ダイヤモンド成長核が
形成された基板をマイクロ波CVD装置に設置し、水素で
希釈されたCO(1-10%)ガスを供給し数百Wのパワーで25-4
0 Torrの真空度でダイヤモンド薄膜形成を行った。この
場合の基板温度は800-900℃であった。
(Embodiment 1) Referring to FIG.
A first embodiment of the present invention will be described. Fused quartz substrate 11
A part of the surface is hidden by a metal mask, and the Pt electrode 12 is vacuum-evaporated.
It was formed by wearing. The base on which the lower electrode 12 is formed
The plate 11 was cleaned by ordinary organic washing, and the average particle size was 0.
Immerse in a solution in which 02 μm diamond particles are dispersed,
High density formation for diamond growth by applying ultrasonic vibration
Formed a long nucleus. The above diamond particle dispersion is
Add 2 g of diamond particles to the pure water of
Add a few drops of hydrofluoric acid after adding ethanol
The solution had a pH value of about 3. Sonicate for 10 minutes
The density of the diamond growth nuclei formed on the substrate surface is
5x10TenPieces cm -2It was about. The above diamond growth nucleus
The formed substrate is placed in a microwave CVD device, and hydrogen
Supply diluted CO (1-10%) gas and power of several hundred W to 25-4
A diamond thin film was formed at a vacuum of 0 Torr. this
The substrate temperature in this case was 800-900 ° C.

【0032】数分間程度のCVD成長により、0.2μmの膜
厚のダイヤモンド薄膜14を形成した。この場合、ダイ
ヤモンドに対してのドーピングは意識して行わなかった
ので、ほぼ絶縁性のダイヤモンド薄膜が形成された。ア
ズデポの状態ではダイヤモンド薄膜14表面は水素化さ
れており、表面に導電層17が存在した。上記ダイヤモ
ンド薄膜上に更に上部Ti電極16をメタルマスクを用い
て電子ヒ゛ーム蒸着により形成した。この場合、下部電極1
2の部分と上部電極16の間には間隙15をあけて電極
形成した。下部電極12と上部電極16の間の間隙は幅
5mm間隙1mmであった。
A diamond thin film 14 having a thickness of 0.2 μm was formed by CVD growth for several minutes. In this case, the diamond was not consciously doped, so that an almost insulating diamond thin film was formed. In the as-deposited state, the surface of the diamond thin film 14 was hydrogenated, and the conductive layer 17 was present on the surface. An upper Ti electrode 16 was further formed on the diamond thin film by electron beam evaporation using a metal mask. In this case, the lower electrode 1
An electrode was formed with a gap 15 between the portion 2 and the upper electrode 16. The gap between the lower electrode 12 and the upper electrode 16 was 5 mm in width and 1 mm in gap.

【0033】形成されたダイヤモンド薄膜による電子放
出素子を10-7 Torr以下に保たれた真空装置内部に設置
し、1mmはなしてその上部にITOを表面に含みその表面に
蛍光体を塗布したガラス板を置いた。下部電極11が
負、上部電極16が正となるように100Vの電圧を印可
し、更に、上部電極に対して正となる7kVの電位を電極
19に与えることにより1μA/cm2以上の電流密度での電
子放出を確認した。
An electron-emitting device using the formed diamond thin film is placed inside a vacuum device maintained at 10 -7 Torr or less, and a glass plate having a thickness of 1 mm and containing ITO on the surface and coating a phosphor on the surface is formed thereon. Was placed. A voltage of 100 V is applied so that the lower electrode 11 is negative and the upper electrode 16 is positive, and a potential of 7 kV, which is positive with respect to the upper electrode, is applied to the electrode 19 to obtain a current density of 1 μA / cm 2 or more. Electron emission was confirmed.

【0034】この場合、ダイヤモンド薄膜形成中にPを
ドーピングして、ダイヤモンド薄膜をn型の半導体とす
る事により、電子放出の増大が認められた。この場合の
下部電極12はNiを用いた。n型のダイヤモンド半導体
とNi電極はオーミック結合していることを確認した。上記構
成を達成するためには、上述以外の金属電極を使用する
ことも可能で、ダイヤモンド薄膜に接している電極のう
ち一方は、ダイヤモンドとショットキー接合/又はダイヤモン
ドのn型の半導体部分とオーミック接合していれば好まし
く、もう一方の電極はダイヤモンドの表面導電層とオーミッ
ク接合していれば好ましい。
In this case, an increase in electron emission was observed by doping P during the formation of the diamond thin film and using the diamond thin film as an n-type semiconductor. In this case, the lower electrode 12 used Ni. It was confirmed that the n-type diamond semiconductor and the Ni electrode were ohmic-coupled. In order to achieve the above configuration, it is possible to use a metal electrode other than those described above, and one of the electrodes in contact with the diamond thin film is formed between the diamond and a Schottky junction / or an n-type semiconductor portion of the diamond and an ohmic electrode. It is preferable that the electrodes are joined, and it is preferable that the other electrode is in ohmic contact with the surface conductive layer of diamond.

【0035】(実施の形態2)図2を用いて、本発明の
第2の実施例を説明する。溶融石英の基板21表面に、
Ptの櫛形電極22を真空蒸着で形成した。この櫛形下部
電極22が形成された基板21を通常の有機洗浄により
清浄化し、平均粒径が0.02μmのダイヤモンド粒子を分
散させた溶液中に浸け、超音波振動を与えてダイヤモン
ド成長のための高密度成長核を形成した。上記ダイヤモ
ンド粒子分散液は、1リットルの純水に2gのダイヤモ
ンド粒子を入れ更に2リットルのエタノールを加えた後
数滴フッか水素酸を滴下したpH値3程度の液であった。
超音波処理は10分間され、基板表面に形成されたダイ
ヤモンド成長核の密度は5x1010個cm-2程度であった。上
記ダイヤモンド成長核が形成された基板をマイクロ波CV
D装置に設置し、水素で希釈されたCO(1-10%)ガスを供給
し数百Wのパワーで25-40 Torrの真空度でダイヤモンド
薄膜形成を行った。この場合の基板温度は800-900℃で
あった。数分間程度のCVD成長により、0.2μmの膜厚の
ダイヤモンド薄膜24を形成した。この場合、ダイヤモ
ンドに対してのドーピングは意識して行わなかったの
で、ほぼ絶縁性のダイヤモンド薄膜が形成された。アズ
デポの状態ではダイヤモンド薄膜24表面は水素化され
ており、表面に導電層が存在した。上記ダイヤモンド薄
膜上に更に上部Ti櫛形電極26を電子ヒ゛ーム蒸着により形
成した。この場合、下部電極22の部分と上部電極26
の間には間隙25をあけて電極形成した。下部電極22
と上部電極26の間の間隙は幅20mm間隙1mmの櫛形電
極で全体で 20 x 20 mm2 の領域にわたって形成した。
(Embodiment 2) A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. On the surface of the fused quartz substrate 21,
Pt comb electrodes 22 were formed by vacuum evaporation. The substrate 21 on which the comb-shaped lower electrode 22 is formed is cleaned by ordinary organic cleaning, immersed in a solution in which diamond particles having an average particle size of 0.02 μm are dispersed, and subjected to ultrasonic vibration to provide a high-level for diamond growth. A density growth nucleus was formed. The above-mentioned diamond particle dispersion liquid was a liquid having a pH value of about 3 in which 2 g of diamond particles were added to 1 liter of pure water, 2 liters of ethanol was further added, and several drops of hydrofluoric acid were dropped.
The ultrasonic treatment was performed for 10 minutes, and the density of the diamond growth nuclei formed on the substrate surface was about 5 × 10 10 cm −2 . Microwave CV is applied to the substrate on which
A diamond thin film was formed in a D apparatus by supplying CO (1-10%) gas diluted with hydrogen and supplying a power of several hundred watts and a vacuum degree of 25-40 Torr. The substrate temperature in this case was 800-900 ° C. A diamond thin film 24 having a thickness of 0.2 μm was formed by CVD growth for several minutes. In this case, the diamond was not consciously doped, so that an almost insulating diamond thin film was formed. In the as-deposited state, the surface of the diamond thin film 24 was hydrogenated, and a conductive layer was present on the surface. An upper Ti comb electrode 26 was further formed on the diamond thin film by electron beam evaporation. In this case, the lower electrode 22 and the upper electrode 26
An electrode was formed with a gap 25 therebetween. Lower electrode 22
A gap between the upper electrode 26 and the upper electrode 26 was formed by a comb-shaped electrode having a width of 20 mm and a gap of 1 mm over an area of 20 × 20 mm 2 in total.

【0036】形成されたダイヤモンド薄膜による電子放
出素子を10-7 Torr以下に保たれた真空装置内部に設置
し、1mmはなしてその上部にITOを表面に含みその表面に
蛍光体を塗布したガラス板を置いた。下部電極21が
負、上部電極26が正となるように100Vの電圧を印可
し、更に、上部電極に対して正となる7kVの電位を電極
19に与えることにより1μA/cm2以上の電流密度での 2
0mm x 20mm の広さで一様な電子放出を確認した。
An electron-emitting device using the formed diamond thin film is placed inside a vacuum device maintained at 10 -7 Torr or less, and a glass plate is formed 1 mm apart from the surface and contains ITO on the surface and a phosphor applied to the surface. Was placed. A voltage of 100 V is applied so that the lower electrode 21 is negative and the upper electrode 26 is positive, and a potential of 7 kV, which is positive with respect to the upper electrode, is applied to the electrode 19 to obtain a current density of 1 μA / cm 2 or more. At 2
Uniform electron emission was confirmed in the area of 0mm x 20mm.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ダイヤモ
ンド薄膜の電子放出表面と、ダイヤモンド薄膜表面に沿
って電子が移動するように設置された2つの電極と、上
記ダイヤモンド表面から電子を引き出す電界を印加する
もう1つの電極とを少なくとも含むことにより、高効率
の電子放出素子を実現できる。
As described above, according to the present invention, an electron emission surface of a diamond thin film, two electrodes provided so that electrons move along the diamond thin film surface, and electrons are extracted from the diamond surface. By including at least another electrode for applying an electric field, a highly efficient electron-emitting device can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電子放出素子の構造・動作概念図FIG. 1 is a conceptual diagram showing the structure and operation of an electron-emitting device according to the present invention.

【図2】本発明の電子放出素子のもう一つの構造概念図FIG. 2 is another conceptual diagram of the structure of the electron-emitting device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板 12 電極 13 電極の形成されていない部分 14 ダイヤモンド薄膜 15 2つの電極間の間隙 16 電極 17 表面導電層 18 電子 19 もう一つの電極 21 基板 22 櫛形下部電極 24 ダイヤモンド薄膜 25 2つの電極間の間隙 26 櫛形上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Electrode 13 Part where electrode is not formed 14 Diamond thin film 15 Gap between two electrodes 16 Electrode 17 Surface conductive layer 18 Electron 19 Another electrode 21 Substrate 22 Comb-shaped lower electrode 24 Diamond thin film 25 Between two electrodes Gap 26 Comb upper electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白鳥 哲也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 佐藤 利文 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Tetsuya Shiratori 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 タ゛イヤモント゛薄膜の電子放出表面と、タ゛イヤモン
ト゛薄膜表面に沿って電子が移動するように設置された2
つの電極と、上記タ゛イヤモント゛表面から電子を引き出す電界
を印可するもう1つの電極よりなる構成要素を含むこと
を特徴とする電子放出素子。
1. An electron emission surface of a diamond film, and an electron emission surface provided to move electrons along the diamond film surface.
An electron-emitting device, comprising: a component comprising one electrode and another electrode for applying an electric field for extracting electrons from the diamond surface.
【請求項2】 ダイヤモンド薄膜表面が導電層を含み、
タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電子が移動するように設置さ
れた2つの電極のうち、一つは導電層のない裏面側、も
う一つは導電層のある表面側に形成され上記導電層と電
気的につながっていることを特徴とする請求項1に記載
の電子放出素子。
2. The diamond thin film surface includes a conductive layer,
Of the two electrodes placed so that electrons move along the surface of the diamond film, one is formed on the back side without the conductive layer, and the other is formed on the front side with the conductive layer, and is electrically connected to the conductive layer. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the electron-emitting device is connected to:
【請求項3】 タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電子が移動す
るように設置された2つの電極がダイヤモンド薄膜の異
なる部分と接しており、2つの電極の間に間隙がありど
ちらの電極とも接していないダイヤモンド薄膜の部分が
存在することを特徴とする請求項1に記載の電子放出素
子。
3. The two electrodes provided so that electrons move along the surface of the diamond film are in contact with different portions of the diamond film, there is a gap between the two electrodes, and neither electrode is in contact. 2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a portion of the diamond thin film exists.
【請求項4】 ダイヤモンド薄膜表面の導電層が水素化
されたダイヤモンド層であることを特徴とする請求項2
に記載の電子放出素子。
4. The method according to claim 2, wherein the conductive layer on the surface of the diamond thin film is a hydrogenated diamond layer.
3. The electron-emitting device according to item 1.
【請求項5】 ダイヤモンド薄膜の厚さが10nm以上5μm
以下であることを特徴とする請求項1に記載の電子放出
素子。
5. The diamond thin film has a thickness of 10 nm or more and 5 μm.
The electron-emitting device according to claim 1, wherein:
【請求項6】 ダイヤモンド薄膜が気相成長法によって
成長され、気相成長の前処理として1x1010cm-2以上の分
布密度を有するダイヤモンド成長核を分布させる行程を
含むことを特徴とする請求項5に記載の電子放出素子。
6. The method according to claim 1, wherein the diamond thin film is grown by a vapor phase growth method, and includes a step of distributing diamond growth nuclei having a distribution density of 1 × 10 10 cm −2 or more as a pretreatment for the vapor phase growth. 6. The electron-emitting device according to 5.
【請求項7】 タ゛イヤモント゛薄膜表面に沿って電子が移動す
るように設置された2つの電極のうち、導電層のない裏
面側の電極はダイヤモンドとショットキー接合、導電層のある
表面側の電極は表面導電層とオーミック接合していることを
特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
7. Among two electrodes provided so that electrons move along the surface of a diamond film, the electrode on the back side without the conductive layer is a Schottky junction with diamond, and the electrode on the front side with the conductive layer is 2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the electron-emitting device has an ohmic junction with the surface conductive layer.
【請求項8】 導電層のある表面側の電極は少なくとも
Tiを含む金属によって形成されていることを特徴とする
請求項7に記載の電子放出素子。
8. The electrode on the surface side with the conductive layer has at least
The electron-emitting device according to claim 7, wherein the electron-emitting device is formed of a metal containing Ti.
【請求項9】 ダイヤモンド薄膜表面・裏面にそれぞれ
互いに重ならないように櫛形電極を設置したことを特徴
とする請求項1に記載の電子放出素子。
9. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a comb-shaped electrode is provided on the front and back surfaces of the diamond thin film so as not to overlap each other.
【請求項10】 ダイヤモンド薄膜がn型の半導体特性
を有する部分を含み、ダイヤモンド薄膜に設置された2
つの電極のうちの一つが前記n型の半導体特性を有する
ダイヤモンド薄膜の部分とオーミック接合していることを特
徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
10. A diamond thin film including a portion having n-type semiconductor characteristics, wherein the diamond thin film is provided on the diamond thin film.
2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein one of the electrodes is in ohmic contact with a portion of the diamond thin film having n-type semiconductor characteristics.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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