(57)【要約】【課題】  高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を提供する。【解決手段】  電界放射型冷陰極１は、カソード基板１０、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えており、カソード基板１０表面の電子放出面Ｓ１から電子を放出させるものである。カソード基板１０は、ダイヤモンド基板１２、不純物添加層１４ａ（不純物添加ダイヤモンド）、及びノンドープ層１４ｂ（ノンドープダイヤモンド）を有する。ここで、ノンドープ層１４ｂは、不純物添加層１４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ１に露出している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなる電子源であって、
電子源の電子放出面と前記半導体材料に電子を供給する電子供給電極との間の電子が通過する経路において、
不純物添加領域とノンドープ領域とが隣接している領域を有し、
少なくとも１つの前記ノンドープ領域が、前記不純物添加領域に遮られることなく連続して前記電子供給電極と前記電子放出面に接触していることを特徴とする電子源。
【請求項２】
半導体材料からなる電子源であって、
電子源の電子放出面と前記半導体材料に電子を供給する電子供給電極との間の電子が通過する経路において、
不純物添加領域とノンドープ領域とが隣接している領域を有し、
少なくとも１つの前記ノンドープ領域が、経路の５０％以上に渡って前記不純物添加領域に遮られることなく連続していることを特徴とする電子源。
【請求項３】
基台部と前記基台部上に立設された突出部とから構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子源。
【請求項４】
少なくとも１つの前記ノンドープ領域が、前記突出部の長さの５０％以上にわたって前記不純物添加領域に遮られることなく連続していることを特徴とする請求項３に記載の電子源。
【請求項５】
前記ノンドープ領域の少なくとも一部が、前記突出部形状に沿って設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電子源。
【請求項６】
前記ノンドープ領域の少なくとも一部の界面あるいは表面が前記突出部の表面と平行であることを特徴とする請求項３又は４に記載の電子源。
【請求項７】
前記ノンドープ領域の一方の端が前記電子放出面となっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項８】
前記ノンドープ領域の一方の端に、前記電子放出面となる不純物添加領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項９】
前記不純物添加領域の少なくとも一部が、前記電子放出面から１００ｎｍ以内の距離にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１０】
前記不純物添加領域及び前記ノンドープ領域は交互に積層されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１１】
前記電子供給電極が前記不純物添加領域とオーミック接合されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１２】
２層以上の前記不純物添加領域と１層以上の前記ノンドープ領域とが交互に積層され、
前記電子供給電極は、２層以上の前記不純物添加領域とオーミック接合されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１３】
前記ノンドープ領域の不純物密度が１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１４】
前記不純物添加領域の不純物密度が１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１５】
前記半導体材料がダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１６】
前記不純物添加領域は、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＣｌからなる群より選ばれる１種類以上の元素が不純物として添加されていることを特徴とする請求項１５に記載の電子源。
【請求項１７】
前記電子放出面が水素で終端されていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の電子源。
【請求項１８】
前記半導体材料が、ＢＮ、ＡｌＮ、又はＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電子源。
【請求項１９】
請求項３又は４に記載の前記突出部を有する電子源を製造する方法であって、
前記基台部上に突起を形成する工程と、
前記突起の表面に前記不純物添加領域もしくは前記ノンドープ領域を１層以上気相成長させる工程と、
を備えることを特徴とする電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子源、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電界放射型冷陰極などの電子源が注目されている。電界放射型冷陰極は、比較的少ない消費電力で大きな電流密度の電子線を取り出すことが可能である。電界放射型冷陰極の作製においては、電界強度の増加や小型化を図るべく、微細加工技術が必要とされる。そこで、カソード基板の材料として、微細加工が可能なＳｉ、耐熱性に優れるＷやＭｏ等の高融点金属、或いは尖鋭な先端で強電界を発生させるカーボンナノチューブ等が注目されている。
【０００３】
また、カソード基板の材料として、ダイヤモンドは、負性電子親和力（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity）を持つことから特に注目を集めている。ダイヤモンドからなるカソード基板としては、ｐｎ接合型ダイヤモンドからなるもの（特許文献１）、金属陰極にダイヤモンドをコーティングしたもの（非特許文献１）、或いは尖鋭化したダイヤモンドからなるもの（特許文献２）等が提案されている。その他、ＢＮ、ＡｌＮなどもＮＥＡ材料として注目されている。
【特許文献１】国際公開第９３／１５５２２号パンフレット
【特許文献２】特開平８−２６４１１１号公報
【特許文献３】特開平７−９４０８１号公報
【特許文献４】特開平２−２３９１９３号公報
【非特許文献１】Journal of Vacuum Science and Technology B14, 1996, p.2050−2055
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ダイヤモンドやＡｌＮなどのワイドバンドギャップ半導体をカソード基板の材料として利用するためには、不純物をドーピングすることにより半導体材料に導電性を付与することが必要となる。例えば、ｐ型ダイヤモンドにおいては、ホウ素が比較的浅い不純物準位を作り、１０００ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ以上の速いキャリア移動度が実現される。一方、室温で充分に低い抵抗率を実現するためには、ホウ素を高濃度にドーピングしなければならない。しかし、その場合には、キャリア移動度が、数ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ〜数十ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ程度にまで大幅に低下してしまうという問題がある。このような低速なキャリア移動度のダイヤモンドを用いたのでは、電子源の高速応答は望めない。
【０００５】
一方、ｎ型ダイヤモンドにおいては、例えば特許文献３に記載のように窒素やリンのドーピング、或いは特許文献４に記載のように硫黄のドーピングが行われる。しかしながら、これらのドーパントは何れも深い不純物準位を形成するため、常温ではキャリアの活性化率が低く、それゆえダイヤモンドの抵抗率が高くなってしまうという問題がある。このような高抵抗のダイヤモンドを用いたのでは、電子源の高い電子放出特性は望めない。また、大きな放出電流密度を得ようとすると電子源における電力の損失が大きくなり、それに伴う発熱によって陰極の寿命が低下してしまう等の難点もある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による電子源は、半導体材料からなる電子源であって、電子源の電子放出面と半導体材料に電子を供給する電子供給電極との間の電子が通過する経路において、不純物添加領域とノンドープ領域とが隣接している領域を有し、少なくとも１つのノンドープ領域が、不純物添加領域に遮られることなく連続して電子供給電極と電子放出面に接触していることを特徴とする。
【０００８】
この電子源においては、ノンドープ領域が、不純物添加領域に隣接して設けられているとともに、電子放出面に接触している。このため、不純物添加領域に供給されたキャリアは、隣接するノンドープ領域に拡散することにより、高い移動度で電子放出面まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電子源が実現される。
【０００９】
また、不純物添加領域からノンドープ領域にキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加ダイヤモンドにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電子源が実現される。
【００１０】
ノンドープ領域は不純物添加領域に遮られることなく電子供給電極と電子放出面に接していることが望ましいが、不純物のドーピング工程において一部遮られることがある。この際、この不純物添加領域において高い移動度をもったキャリアが減速するため、少なくとも経路の５０％以上に渡ってノンドープ領域は連続していることが望ましい。
【００１１】
カソード基板は、基台部と基台部上に立設された突出部とから構成されてもよい。この場合、特にノンドープ領域が突出部の長さの５０％以上にわたって不純物添加領域に遮られることなく連続していることが望ましい。
【００１２】
不純物添加領域の少なくとも一部、又はノンドープ領域の少なくとも一部が、突出部表面に沿って設けられていることが好適である。特に、ノンドープ領域の界面或いは表面が突出部の表面と平行であることが望ましい。この場合、例えば、不純物添加領域又はノンドープ領域を斜面上にエピタキシャル成長させることにより、基台部から突出部の先端まで連続した不純物添加領域又はノンドープ領域を容易に形成することができる。
【００１３】
不純物添加領域の少なくとも一部が、電子放出面に露出しているか、又は電子放出面から１００ｎｍ以内の距離にあることが好適である。この場合、電子放出面に対して充分にキャリアを供給することができる。
【００１４】
不純物添加領域及びノンドープ領域は、交互に積層されていることを特徴としてもよい。この場合、積層する層数を増やすことにより、カソード基板中の総キャリア数を増やすことができる。
【００１５】
カソード基板に電子を供給する電極を備え、電極は、不純物添加領域とオーミック接合されていることが好適である。この場合、不純物添加領域を通して、電極からノンドープ領域へと効率良くキャリアを供給することができる。
【００１６】
２層以上の不純物添加領域と、１層以上のノンドープ領域とが交互に積層され、電極は、２層以上の不純物添加領域とオーミック接合されていることが好適である。この場合、各不純物添加領域及びそれに隣接する複数のノンドープ領域に効率良くキャリアを供給することができる。
【００１７】
ノンドープ領域の不純物密度は１０17ｃｍ-3以下であることが好適である。この場合、結晶欠陥を充分に小さくすることができ、キャリアの移動度が不純物添加領域に比べ充分高速となる。また、不純物添加領域の不純物密度が１０19ｃｍ-3以上であることが好適である。この場合、カソード基板の総不純物数が高くなるため、カソード基板に充分な導電率を付与することができる。
【００１８】
電子源に用いる半導体材料は、ダイヤモンドが望ましい。これにより、ＮＥＡ特性を有する良好な電子放出特性を得ることができる。
【００１９】
不純物添加領域は、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＣｌからなる群より選ばれる１種類以上の元素が不純物として添加されていることを特徴としてもよい。この場合、充分な数の活性なキャリアを得ることができる。
【００２０】
電子放出面に露出しているダイヤモンドは水素で終端されていることが好適である。ダイヤモンドは、この場合に特に良好なＮＥＡ特性を示し、良好な電子放出性能を得ることができる。
【００２１】
また、電子源の半導体材料は、ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮなどのIII−V族半導体であってもよい。この場合にも、ダイヤモンドと同様にＮＥＡ特性を示し、良好な電子放出特性を得ることができる。
【００２２】
本発明による電子源の製造方法は、基台部上に突起を形成する工程と、突起の表面に不純物添加領域もしくはノンドープ領域を１層以上気相成長させる工程と、を備えることを特徴とする。
【００２３】
この製造方法により、従来のように半導体基板に事前にドーピング領域を形成する場合と比べて、電子源近傍の複雑な３次元構造でも容易に電子供給電極から電子放出面まで連続するノンドープ領域を形成することができる。したがって、この製造方法によれば、基台部と突出部とから構成されたカソード基板を備える電子源を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、高速応答が可能で、且つ高い電子放出特性をもつ電子源及びその製造方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面とともに本発明による電子源、及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２６】
図１〜図３を参照しつつ、本発明による電子源の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電界放射型冷陰極１を示す正面端面図である。図２は、図１に示す電界放射型冷陰極１のII−II線に沿った側面端面図である。図３は、電界放射型冷陰極１を示す平面図である。
【００２７】
図１に示すように、電界放射型冷陰極１は、カソード基板１０、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えており、カソード基板１０表面の電子放出面Ｓ１から電子を放出させるものである。カソード基板１０は、ダイヤモンド基板１２、不純物添加層１４ａ（不純物添加領域）、及びノンドープ層１４ｂ（ノンドープ領域）を有する。ダイヤモンド基板１２としては、天然のダイヤモンドを用いてもよいし、高温高圧合成又は気相合成法により作製したものを用いてもよい。
【００２８】
ダイヤモンド基板１２上には、不純物添加層１４ａが形成されている。不純物添加層１４ａは、不純物が添加された不純物添加ダイヤモンドからなる。例えば、不純物添加層１４ａは、ジボランＢ2Ｈ6又はホスフィンＰＨ3等を雰囲気ガスに添加しながらエピタキシャル成長させることにより形成することができる。或いは、不純物添加層１４ａは、イオン注入法により形成してもよい。不純物添加層１４ａに添加する不純物としては、例えば、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、及びＣｌ等を用いることができる。なお、これらの不純物は、１種類だけ添加してもよいし、２種類以上添加してもよい。また、不純物添加層１４ａの不純物密度は、１０19ｃｍ-3以上とすることが望ましい。
【００２９】
また、ダイヤモンド基板１２上には、ノンドープ層１４ｂも形成されている。ノンドープ層１４ｂは、不純物が実質的に添加されていないノンドープダイヤモンドからなる。ノンドープ層１４ｂは、断面矩形状をしており、一方向（図１では紙面に垂直な方向）に延びている。ダイヤモンド基板１２上においては、複数のノンドープ層１４ｂが所定の間隔で互いに並行して設けられており、ノンドープ層１４ｂ以外の部分に不純物添加層１４ａが設けられている。これにより、不純物添加層１４ａとノンドープ層１４ｂとは、互いに隣接し、ともにカソード基板１０の電子放出面Ｓ１に露出している。なお、ノンドープ層１４ｂの不純物密度は、１０17ｃｍ-3以下であることが望ましい。また、電子放出面Ｓ１に露出しているノンドープ層１４ｂの表面は、水素で終端することが望ましい。
【００３０】
図２に示すように、電界放射型冷陰極１は、電子供給電極９２を備えている。電子供給電極９２は、カソード基板１０上の電子放出面Ｓ１以外の一部に設けられており、各不純物添加層１４ａとオーミック接合されている。この電子供給電極９２は、カソード基板１０に電子を供給するための電極である。電子供給電極９２としては、例えばグラファイトやＴｉ電極などを用いることができる。
【００３１】
カソード基板１０上には、絶縁層９４が形成されている。絶縁層９４は、電子放出面Ｓ１を包囲するように、カソード基板１０の外周に沿って設けられている。この絶縁層９４は、電子供給電極９２とゲート電極９６との間における電位差を確保するためのものである。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。ゲート電極９６は、電子供給電極９２との間に電圧を印加するための電極である。電子供給電極９２とゲート電極９６との間に電圧を印加することにより、電子放出面Ｓ１に電界が発生し、電子放出面Ｓ１から電子が放出される。
【００３２】
また、図３の平面図に示すように、電界放射型冷陰極１を電子放出面Ｓ１側から見ると、電子放出面Ｓ１において、不純物添加層１４ａとノンドープ層１４ｂとが交互にストライプ状をなしている様子がわかる。
【００３３】
電界放射型冷陰極１の効果について説明する。電界放射型冷陰極１においては、ノンドープ層１４ｂが、不純物添加層１４ａに隣接して設けられているとともに、電子供給電極９２から電子放出面Ｓ１まで連続して、両者に接触している。このため、電子供給電極９２及び不純物添加層１４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層１４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ１まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極１が実現されている。
【００３４】
また、不純物添加層１４ａからノンドープ層１４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層１４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板１０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極１が実現される。また、カソード基板１０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極１の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極１が実現される。
【００３５】
また、電子供給電極９２が不純物添加層１４ａとオーミック接合されている。このため、不純物添加層１４ａを通して、電子供給電極９２からノンドープ層１４ｂへと効率良くキャリアを供給することができる。
【００３６】
また、ノンドープ層１４ｂの不純物密度が１０17ｃｍ-3以下である場合、ダイヤモンドとしての結晶欠陥を充分に小さくすることができる。これにより、不純物散乱等によるキャリア移動度の低下が抑制され、１０００ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ以上の移動度が得られる。一方、不純物添加層１４ａの不純物密度を１０19ｃｍ-3以上とした場合、カソード基板１０に充分な導電率を付与することができる。
【００３７】
また、電子放出面Ｓ１に露出しているノンドープ層１４ｂの表面を水素で終端した場合、ノンドープ層１４ｂは良好なＮＥＡ特性を示す。これにより、電界放射型冷陰極１の電子放出特性も良好となる。
【００３８】
また、不純物添加層１４ａに添加する不純物を、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｌｉ、Ａｓ、Ｓｅ、又はＣｌとした場合、充分な数の活性キャリアを得ることができる。さらに、これらの元素を２種類以上同時にドーピングすることにより、ダイヤモンド中における不純物の固溶度を増加させたり、不純物準位を所望に変化させたりすることが可能となる。
【００３９】
図４は、本発明の第２実施形態に係る電界放射型冷陰極２を示す端面図である。電界放射型冷陰極２は、カソード基板２０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板２０は、基台部２０ａと、基台部２０ａ上に立設された突出部２０ｂとから構成されている。突出部２０ｂは、尖鋭な先端をもつ円錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ２となる。
【００４０】
また、カソード基板２０は、ダイヤモンド基板２２、不純物添加層２４ａ、及びノンドープ層２４ｂを有する。不純物添加層２４ａ及びノンドープ層２４ｂは、突出部２０ｂにおいて交互に積層されており、互いに隣接している。積層方向は図中の左右方向であり、各層２４ａ，２４ｂは基台部２０ａ側から突出部２０ｂ側へと延びている。具体的には、これらの不純物添加層２４ａ及びノンドープ層２４ｂは、ともに基台部２０ａの底面（突出部２０ｂと反対側の面）から電子放出面Ｓ２まで連続して設けられている。すなわち、これらの層２４ａ，２４ｂは、ともに一端が基台部２０ａの底面に露出し、他端が電子放出面Ｓ２に露出している。
【００４１】
基台部２０ａの底面には、電極９２が形成されている。この電極９２は、不純物添加層２４ａとオーミック接合されている。また、基台部２０ａの上面（突出部２０ｂが設けられている側の面）には、突出部２０ｂを包囲するように、絶縁層９４が形成されている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。
【００４２】
電界放射型冷陰極２の効果について説明する。電界放射型冷陰極２においては、ノンドープ層２４ｂが、不純物添加層２４ａに隣接して設けられているとともに、電子供給電極９２から電子放出面Ｓ２まで連続して、両者に接触している。このため、電子供給電極９２及び不純物添加層２４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層２４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ２まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極２が実現されている。
【００４３】
また、不純物添加層２４ａからノンドープ層２４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層２４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板２０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極２が実現される。また、カソード基板２０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極２の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極２が実現される。
【００４４】
図５は、本発明の第３実施形態に係る電界放射型冷陰極３を示す端面図である。電界放射型冷陰極３は、カソード基板３０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板３０は、基台部３０ａと、基台部３０ａ上に立設された突出部３０ｂとから構成されている。突出部３０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ３となる。この四角錐は、一側面が基台部３０ａ表面に対して垂直となっている。
【００４５】
また、カソード基板３０は、ダイヤモンド基板３２、不純物添加層３４ａ、及びノンドープ層３４ｂを有する。不純物添加層３４ａは、突出部３０ｂの斜面に沿って形成されている。一方、ノンドープ層３４ｂは、ダイヤモンド基板３２上に形成され、ダイヤモンド基板３２と反対側の面上には、一側面が基台部３０ａ表面に対して垂直な四角錐状の突起３３が形成されている。この突起３３、及び突起３３の斜面上に形成された不純物添加層３４ａが、突出部３０ｂを構成している。また、不純物添加層３４ａは、基台部３０ａから突出部３０ｂ先端まで連続して形成されている。
【００４６】
また、カソード基板３０の基台部３０ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層３４ａとオーミック接合されている。また、基台部３０ａ上には、突出部３０ｂを包囲するようにして絶縁層９４が形成されている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。
【００４７】
電界放射型冷陰極３の効果について説明する。電界放射型冷陰極３においては、ノンドープ層３４ｂが、不純物添加層３４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ３に露出している。この場合、電子供給電極９２とノンドープ層３４ｂは直接接触していないが、基台部３０ａから電子放出面Ｓ３の先端まで連続しているため、電子供給電極９２から不純物添加層３４ａを通して拡散したキャリアは、その経路の大半をノンドープ領域３４ｂを通って高速に電子放出面Ｓ３に到達できる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極３が実現されている。
【００４８】
また、不純物添加層３４ａからノンドープ層３４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層３４ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板３０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極３が実現される。また、カソード基板３０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極３の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極３が実現される。
【００４９】
また、不純物添加層３４ａが突出部３０ｂの斜面方向に沿って形成されている。この不純物添加層３４ａは、例えば、突起３３の斜面を利用して、斜面と平行にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。このため、基台部３０ａから突出部３０ｂの先端まで連続した不純物添加層３４ａを形成することが容易となる。また、このように不純物添加層３４ａを基台部３０ａから突出部３０ｂ先端まで連続して設けることにより、キャリアを突出部３０ｂの先端まで充分に供給することができる。
【００５０】
図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）〜図７（ｃ）を用いて、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を説明する。まず、Ｉｂ型ダイヤモンド単結晶基板３２を準備し、この基板３２の（１００）面上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりノンドープ層３５を１０μｍ形成した（図６（ａ））。次に、ノンドープ層３５上にＡｌのメタルマスク（図示せず）を形成した後、ＲＩＥ法を用いたドライエッチングにより四角柱状の突起３５ａを形成した。（図６（ｂ））。次に、四角柱状突起３５ａに対して、Ｈ2及びＣＯ2の混合ガスによるプラズマエッチングを行い、四角錐状の突起３５ｂを形成した。ここで、突起３５ｂの斜面が（１１１）面となるようにした（図６（ｃ））。
【００５１】
次に、ＡｌマスクとＲＩＥ法を用いたドライエッチングを再び用い、四角錐状突起３５ｂの一部（図中における左側半分）を除去し、一側面がノンドープ層３５表面に垂直な四角錐状突起３５ｃを形成した。これにより、突起３５ｃの斜面だけが（１１１）面となり、ノンドープ層３５の他の面は（１００）面となった。（図７（ａ））。次に、Ｈ2、ＣＨ4、及びＰＨ3ガスを用いて、ノンドープ層３５上にダイヤモンドをエピタキシャル成長させた。これにより、（１１１）面である突起３５ｃ斜面上に成長した層にだけリンがドーピングされて、不純物添加層３６ａが形成された。一方、突起３５ｃ斜面以外の部分に成長した層にはリンがドーピングされず、ノンドープ層３６ｂ，３６ｃが形成された（図７（ｂ））。次に、ノンドープ層３６ｃと不純物添加層３６ａの一部にＡｒイオンを注入してグラファイト電極を形成した後、加熱しながらＴｉ電極９２をノンドープ層３６ｂの一部に成膜し、不純物添加層３６ａとオーミック接合させた。最後に、絶縁層９４及びゲート電極９６をそれぞれ所定の位置に形成し、電界放射型冷陰極を得た（図７（ｃ））。ここで、ノンドープ層３５，３６ｂが図５のノンドープ層３４ｂに対応し、不純物添加層３６ａが図５の不純物添加層に対応する。
【００５２】
この製造方法においては、ノンドープ層３５に突起３５ｃを形成し、その突起３５ｃ表面に不純物添加層３６ａをエピタキシャル成長により形成している。これにより、突起３５ｃの表面において、ノンドープ層３５と不純物添加層３６ａとが隣接する構造が実現されている。また、不純物添加層３６ａは、突起３５ｃ表面のうち斜面部分にのみ形成されているため、突出部表面の一部にノンドープ層３６ｂが露出した構造も実現されている。したがって、この製造方法によれば、図５に示す電界放射型冷陰極３を容易に製造することができる。
【００５３】
ところで、リン等のｎ型ドーパントは、ダイヤモンドの（１１１）面に成長するエピタキシャル層には効率良くドープされる一方、（１００）面に成長するエピタキシャル層には実質的にドープされないという性質がある。したがって、突起３５ｃの斜面を（１１１）面とし、その他の部分を（１００）面とすることにより、突起３５ｃの斜面にのみ選択的に不純物添加層３６ａを形成することができる。なお、不純物添加層ではなくノンドープ層を突起上にエピタキシャル成長させる構成としてもよい。この場合は、ノンドープ層３５の代わりに不純物添加層を基板３２上に形成する。
【００５４】
図８は、本発明の第４実施形態に係る電界放射型冷陰極４を示す端面図である。電界放射型冷陰極４は、カソード基板４０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板４０は、基台部４０ａと、基台部４０ａ上に立設された突出部４０ｂとから構成されている。突出部４０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ４となる。この四角錐は、一側面が基台部４０ａ表面に対して垂直となっている。
【００５５】
また、カソード基板４０は、ダイヤモンド基板４２、ノンドープ層４４、不純物添加層４６ａ、及びノンドープ層４６ｂを有する。ダイヤモンド基板４２上にノンドープ層４４が形成されている。ノンドープ層４４のダイヤモンド基板４２と反対側の面上には、突起４４ａが形成されている。この突起４４ａは、一側面が基台部４０ａ表面に対して垂直な四角錐状をしている。突起４４ａの斜面上には、３層の不純物添加層４６ａと、２層のノンドープ層４６ｂとが交互に積層されている。これらの不純物添加層４６ａ及びノンドープ層４６ｂは、突起４４ａの斜面上に順次エピタキシャル成長させることにより形成することができる。
【００５６】
また、カソード基板４０の基台部４０ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層４６ａとオーミック接合されている。また、基台部４０ａ上には、絶縁層９４が形成されている。この絶縁層９４は、突出部４０ｂを包囲するようにして設けられている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。
【００５７】
電界放射型冷陰極４の効果について説明する。電界放射型冷陰極４においては、ノンドープ層４４，４６ｂが、不純物添加層４６ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ４に露出している。このため、不純物添加層４６ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層４４，４６ｂに拡散することにより、経路の大半を高い移動度で電子放出面Ｓ４まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極４が実現されている。
【００５８】
また、不純物添加層４６ａからノンドープ層４４，４６ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層４６ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板４０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極４が実現される。また、カソード基板４０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極４の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極４が実現される。
【００５９】
また、カソード基板４０においては、不純物添加層４６ａとノンドープ層４６ｂとが交互に複数積層されているため、充分な総キャリア数を得ることができる。このため、カソード基板４０の導電率が高くなり、それゆえ電界放射型冷陰極４の電子放出特性をより向上させることができる。
【００６０】
図９は、図８に示す電界放射型冷陰極４の変形例を示す端面図である。電界放射型冷陰極４ａは、カソード基板４０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている点で電界放射型冷陰極４と同様である。一方で、電界放射型冷陰極４ａは、不純物添加層４６ａ及びノンドープ層４６ｂのうち基台部４０ａ表面付近の一部４８がグラファイト化されている点で、電界放射型冷陰極４と相違する。このグラファイト化は、例えば、Ａｒイオン等によるイオン注入によって行うことができる。これにより、電極９２が複数の不純物添加層４６ａとオーミック接合されるため、各不純物添加層４６ａ及びそれに隣接する複数のノンドープ層４６ｂに効率良くキャリアを供給することができる。したがって、電界放射型冷陰極４のように電極９２が最表面の不純物添加層４６ａにのみオーミック接合されている場合に比して、より高い電子放出特性が得られる。
【００６１】
図１０は、本発明の第５実施形態に係る電界放射型冷陰極５を示す端面図である。電界放射型冷陰極５は、カソード基板５０、電子供給電極９２、絶縁層９４、及びゲート電極９６を備えている。カソード基板５０は、基台部５０ａと、基台部５０ａ上に立設された突出部５０ｂとから構成されている。突出部５０ｂは、四角錐状をしており、その表面が電子放出面Ｓ５となる。また、カソード基板５０は、ダイヤモンド基板５２、不純物添加層５４ａ、及びノンドープ層５４ｂを有する。ダイヤモンド基板５２は、その表面に四角錐状の突起５２ａを有する。突起５２ａの斜面上には、ノンドープ層５４ｂ、不純物添加層５４ａ、及びノンドープ層５４ｂが順に積層されている。これらの不純物添加層５４ａ及びノンドープ層５４ｂは、例えばエピタキシャル成長により形成することができる。
【００６２】
また、不純物添加層５４ａ上には、電子供給電極９２が形成されている。この電子供給電極９２は、不純物添加層５４ａとオーミック接合されている。また、カソード基板５０上には、絶縁層９４が形成されている。この絶縁層９４は、突出部５０ｂを包囲するようにして設けられている。また、絶縁層９４上には、ゲート電極９６が形成されている。
【００６３】
電界放射型冷陰極５の効果について説明する。電界放射型冷陰極５においては、ノンドープ層５４ｂが、不純物添加層５４ａに隣接して設けられているとともに、電子放出面Ｓ５に露出している。このため、不純物添加層５４ａに供給されたキャリアは、隣接するノンドープ層５４ｂに拡散することにより、高い移動度で電子放出面Ｓ５まで移動することができる。したがって、高速な電子放出応答が可能な電界放射型冷陰極５が実現されている。
【００６４】
また、不純物添加層５４ａからノンドープ層５４ｂにキャリアが拡散することにより、キャリアの活性化率が上昇する。これにより、不純物添加層４６ａにおける不純物準位が深い場合であっても、カソード基板５０の抵抗率が低くなり、それゆえ高い電子放出特性をもつ電界放射型冷陰極５が実現される。また、カソード基板５０の抵抗率が低ければ、電界放射型冷陰極５の電力損失が小さくなり、それゆえ電力損失に伴う発熱量も抑えることができる。よって、寿命の長い電界放射型冷陰極５が実現される。
【００６５】
なお、ノンドープ層５４ｂ中に拡散したキャリアの密度は、距離に応じて減少する。そこで、突出部５０ｂにおける最表面のノンドープ層５４ｂの膜厚を薄くし、電子放出面Ｓ５から不純物添加層５４ａまでの距離を１００ｎｍ以内とすることが望ましい。こうすることにより、電子放出面Ｓ５に露出しているノンドープ層５４ｂに対して充分にキャリアを供給することができる。
【実施例１】
【００６６】
図１に示す電界放射型冷陰極１を作製した。まず、ダイヤモンド基板１２として高圧合成のIIａ型ダイヤモンド単結晶基板１２を準備した。この基板１２の基板面は（１１１）面である。次に、基板１２の基板面上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により不純物添加層１４ａを形成した。このとき、ガスとして、水素、メタン、及びホスフィンを用い、不純物添加層１４ａの膜厚が５００ｎｍになるまで成膜を行った。また、不純物添加層１４ａの不純物密度を５×１０19ｃｍ-3とした。次に、ＲＩＥ法により不純物添加層１４ａに溝を形成し、その溝にノンドープ層１４ｂを成膜した。次に、研磨により、不純物添加層１４ａ及びノンドープ層１４ｂの表面を平坦化した。また、ノンドープ層１４ｂの表面は、水素で終端した。これにより、カソード基板１０を得た。そして、カソード基板１０上に、電子供給電極９２（図２参照）、絶縁層９４、及びゲート電極９６を順に形成し、電界放射型冷陰極１を得た。
【実施例２】
【００６７】
図４に示す電界放射型冷陰極２を作製した。まず、ダイヤモンド基板２２として高温高圧合成のＩｂ型ダイヤモンド単結晶基板２２を準備した。次に、リンドープ層（不純物添加層）２４ａとノンドープ層２４ｂとを交互に積層した後、この積層部分にＲＩＥ法によるドライエッチングを施し、突出部２０ｂを形成した。具体的には、エッチングガスとしてＡｌを用い、フォトリソグラフィーでパターニングをした後、Ｏ2とＣＦ4の混合ガスによるプラズマでエッチングを行った。次に、基板２２の突出部２０ｂと反対側の面に、Ａｒイオン注入で薄いグラファイト層を作り、電子供給電極９２としてＴｉ電極９２を加熱しながら成膜し、リンドープ層２４ａとオーミック接合させた。そして、基板２２の突出部２０ｂ側の面上に、絶縁層９４及びゲート電極９６を順に形成し、電界放射型冷陰極２を得た。
【００６８】
実施例１と同様に、ここで作製した電界放射型冷陰極２の効果を確認するために、比較例として電界放射型冷陰極６を作製した。
【００６９】
図１１は、比較例に係る電界放射型冷陰極６を示す端面図である。電界放射型冷陰極６は、カソード基板６０が基台部６０ａと突出部６０ｂとからなる点は電界放射型冷陰極２と同様である。一方で、カソード基板６０の作製においては、Ｉｂ型ダイヤモンド単結晶基板２２上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりリンドープ層２４ａを５μｍ積層した後、そのリンドープ層２４ａにＲＩＥ法によるドライエッチングを施すことにより突出部６０ｂを形成した。すなわち、この突出部６０ｂは、リンドープ層２４ａのみから構成されている。
【００７０】
図１２は、電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について、それぞれ電子放出特性を測定した結果を示すグラフである。グラフ中の曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は、それぞれ電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について測定した結果を示している。測定は、それぞれの冷陰極２，６に対して、ゲート電極９６から５μｍ離れた位置にアノード電極を設置して行った。グラフの横軸は、アノード電極と電子放出面Ｓ２，Ｓ６との間の電圧を表し、縦軸は両者間の電流を表す。なお、横軸及び縦軸ともに任意スケールである。また、測定温度は室温である。
【００７１】
グラフからわかるように、電界放射型冷陰極２は、電界放射型冷陰極６に比して高い電子放出特性をもつことが確認された。
【００７２】
リンドープダイヤモンドは、不純物準位が深く、室温ではキャリアの活性化率が低いため高抵抗となる。電界放射型冷陰極２の場合、ノンドープ層２４ｂがリンドープ層２４ａに隣接するとともに、電子放出面Ｓ２に露出している。このため、不純物添加領域からノンドープ領域にキャリアが拡散することによってキャリア数が増加し、ノンドープ領域を通過することで、キャリアが高速な移動度で且つ実質的に低抵抗で電子放出面Ｓ２まで移動することができ、それゆえ電界放射型冷陰極２は高い電子放出特性を示すことができる。
【実施例３】
【００７３】
次に、本発明の別の構造例を電子源７として図１３に示す。これは、斜面を利用した構造で、突起加工したリンドープダイヤモンド７４ａの上に、ノンドープダイヤモンド層７４ｂとリンドープダイヤモンド層７４ｃを積層している。ここで、電子供給電極９２は、リンドープダイヤモンド層７４ｃの表面にのみ形成している。一方、比較例として、突起内部が全てリンドープダイヤモンド層８４ａである電子源８を図１４に示す。電子は、電子供給電極９２から図中の矢印の経路を通って突起先端Ｐから放出される。
【００７４】
電子源８では、キャリアは全てリンドープダイヤモンド層８４ａを通り、電子移動度は３００ｃｍ2／Ｖｓｅｃ以下の程度である。一方、電子源７では、点線矢印α，βの経路では移動度が遅く、素子性能の律速となってしまうものの、ノンドープダイヤモンド層７４ｂ中に拡散した電子（図中の実線矢印γの経路）は２０００ｃｍ2／Ｖｓｅｃの高い移動度で突起先端Ｐまで移動する。特に、電子の経路の５０％以上に渡り連続したノンドープ層があることが望ましい。例えば、ゲート電極９６に高周波の変調電圧をかけ、密度変調のある電子線を電子源から取り出す場合、電子源８と比べて電子源７の方が高い周波数まで電圧変調に追随した電子線を放出する。
【００７５】
なお、本発明の実施例においては、ダイヤモンドについて説明したが、ＡｌＮやＢＮなど他のＮＥＡとなる電子源材料を用いてもよい。また、実施例では、電解放射型冷陰極について説明したが、熱陰極や光電陰極など、他の電子源についても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電界放射型冷陰極１を示す正面端面図である。
【図２】図１に示す電界放射型冷陰極１のII−II線に沿った側面端面図である。
【図３】図１の電界放射型冷陰極１を示す平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電界放射型冷陰極２を示す端面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る電界放射型冷陰極３を示す端面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を示す工程図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による電界放射型冷陰極を製造する方法の一例を示す工程図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る電界放射型冷陰極４を示す端面図である。
【図９】図８に示す電界放射型冷陰極４の変形例を示す端面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る電界放射型冷陰極５を示す端面図である。
【図１１】比較例に係る電界放射型冷陰極６を示す端面図である。
【図１２】電界放射型冷陰極２及び電界放射型冷陰極６について、それぞれ電子放出特性を測定した結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の別の構造例を説明するための図である。
【図１４】図１３の構造例に対する比較例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７７】
１〜５…電界放射型冷陰極、１０，２０，３０，４０，５０…カソード基板、１２，２２，３２，４２，５２…ダイヤモンド基板、１４ａ，２４ａ，３４ａ，３６ａ，４６ａ，５４ａ…不純物添加層、１４ｂ，２４ｂ，３４ｂ，３５，３６ｂ，４４，４６ｂ，５４ｂ…ノンドープ層、２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ…基台部、２０ｂ，３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ…突出部、３３，４４ａ，５２ａ…突起、Ｓ１〜Ｓ５…電子放出面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005044634.tif 000011
【図１０】
2005044634.tif 000012
【図１１】
2005044634.tif 000013
【図１２】
2005044634.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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