(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体または半導体基板表面上に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が存在し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項２】
導体または半導体基板に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が埋め込まれ、前記粒子状材料の一部が露出し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項３】
導体または半導体基板上に導体層または半導体層があり、前記層内に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料があり、その粒子状材料の一部が露出し、前記導体層または前記半導体層および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体からの電子放出を利用する電子放出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属やシリコンを用いて尖塔形状を作製したスピント型と呼ばれている電子放出素子が研究開発されている。また、近年、負性電子親和力を有するダイヤモンドや窒化ホウ素薄膜を用いたフィールドエミッタの研究も進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フィールドエミッタには、低電圧動作、高電流密度動作、そして長寿命動作が要求される。低電圧化や高電流密度化を達成するためには、フィールドエミッタ用材料として、小さい仕事関数を有する金属や、小さい電子親和力または負性電子親和力を有する半導体が注目されている。また、長寿命化のためには、硬質で安定な材料が必要である。
【０００４】
これまで、金属やシリコンを尖塔型の形状に加工し、その近傍に引き出し電極を作製することによって、低電圧動作が図られている。そして、これらに優る電子放出特性が負性電子親和力を持つダイヤモンドや窒化物半導体によって得られることが見出されている。近年、負性電子親和力を持つ窒化ホウ素薄膜においてダイヤモンドに匹敵する電子放出特性が示されているが、窒化ホウ素薄膜においては、表面が平坦で電界集中因子も小さく、さらに低電圧高電流密度動作を実現するのは困難であった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決し、ホウ素、炭素、窒素を含有する材料による電子放出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、導体または半導体基板表面上に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が存在し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【０００７】
請求項２に記載された発明は、導体または半導体基板に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料が埋め込まれ、前記粒子状材料の一部が露出し、前記基板および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【０００８】
請求項３に記載された発明は、導体または半導体基板上に導体層または半導体層があり、前記層内に窒素とホウ素と炭素とを含んだ粒子状材料があり、その粒子状材料の一部が露出し、前記導体層または前記半導体層および前記粒子状材料に電気的に絶縁して第１の金属体が設けられ、前記粒子状材料に対向して前記第１の金属体と空間をもって第２の金属体を設けたことを特徴とする電子放出装置である。
【００１６】
本発明の電子放出装置は、窒素とホウ素と炭素とを含んだ不定形の粒子状材料を基板表面に用いることにより、表面での電界集中因子の向上を図り、電界が集中する尖塔部の密度を増加させることにより、放出電流密度の向上を図る。前記粒子状材料および基板と電気的に絶縁して引き出し電極を設けることを特徴とし、さらに、前記材料に対向して空間をもって電気的に絶縁した金属体を設けることを特徴とする。
【００１７】
前記粒子状材料を基盤とし、その上への窒化ホウ素炭素薄膜の堆積、ドナー不純物の添加、および前記粒子状材料表面や堆積薄膜表面の水素原子による終端によって、低電圧動作可能な高性能電子放出装置が実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明に関する窒素とホウ素とを主要元素とした粒子状材料を高密度に基板上に固定させた電子放出装置は、導電性基板および絶縁性基板上に作製できる。そして、本発明は、平面型の電子放出装置の実現につながり、フィールドエミッションディスプレー、電子ビーム露光機、マイクロ波進行波管、撮像素子等、様々な用途にキーデバイスとして応用できる。
【００１９】
以下に本発明の電子放出装置の実施例について具体的に説明する。
【００２０】
【実施例１】
図１は、本発明に係る電子放出装置の実施例１を示す断面図である。実施例１の電子放出装置は、シリコン基板１、フォトレジスト２、窒化ホウ素粒子３、ＳｉＯX薄膜４、引き出し電極５、カソード電極６およびアノード電極７で構成される。
【００２１】
シリコン基板１は、ｎ型のシリコン半導体の基板である。フォトレジスト２は、シリコン基板１の一方の面（以下、表面という）に設けられている。フォトレジスト２として、ポジ型フォトレジストやネガ型フォトレジストを用いることができる。フォトレジスト２には、窒化ホウ素粒子３が混在している。窒化ホウ素粒子３は、窒素とホウ素とを主要元素とした結晶粒子である。引き出し電極５は、ＳｉＯX薄膜４によって絶縁された第１の金属体である。カソード電極６は、シリコン基板１の他方の面（以下、裏面という）に設けられている。アノード電極７は、引き出し電極５と空間をもって設けられた第２の金属体である。
【００２２】
この構成の電子放出装置を次に示す手順で作製した。つまり、図２（Ａ）に示すｎ型のシリコン基板１の表面上に、フォトレジスト２を塗布した（図２（Ｂ））。フォトレジスト２には、粒子の大きさが１〜３［μｍ］の窒化ホウ素粒子３を混入させた。フォトレジスト２の塗布されたシリコン基板１を、６５０［℃］で熱処理をした。この熱処理の際、フォトレジスト２２が炭化された。この後、その上にＳｉＯX薄膜４を５００［ｎｍ］形成した（図２（Ｃ））。ＳｉＯX薄膜４の上に引き出し電極５用の金属として、Ｔｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した（図２（Ｃ））。
【００２３】
一方、シリコン基板１の裏面にアルミニウムを蒸着して、オーミック接合を形成し、カソード電極６とした（図２（Ｃ））。フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極５用金属およびＳｉＯX薄膜４をウェットエッチングにより除去し、直径５［μｍ］の窓５Ａを形成した（図２（Ｄ））。窓５Ａの中に露出した窒化ホウ素粒子３を含む部分の表面を、水素プラズマで処理した。この後、真空チェンバー内でアノード電極７となる金属板を窒化ホウ素粒子３を含むフォトレジスト２に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図２（Ｄ））。
【００２４】
前記構成の電子放出装置は、次のようにして用いられる。つまり、引き出し電極５を接地し（図１）、カソード電極６に電源１１を接続し、アノード電極７に電源１２を接続する。これによって、カソード電極６とアノード電極７とに各々バイアスが加えられる。さらに、８×１０-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。このとき、アノード電圧を５００［Ｖ］と一定にし、カソード電圧を変化させた。この結果、図３に示すように、カソード電圧４０［Ｖ］で０．２［ｍＡ］の高い放出電流が得られた。
【００２５】
【実施例２】
次に、本発明にかかる電子放出装置の実施例２について説明する。図４は、本発明に係る電子放出装置の実施例２を示す断面図である。実施例２の電子放出装置は、シリコン基板２１、フォトレジスト２２、窒化ホウ素粒子２３、ＳｉＯX薄膜２４、引き出し電極２５、カソード電極２６、アノード電極２７およびイオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜２８で構成される。
【００２６】
シリコン基板２１は、ｎ型のシリコン半導体の基板である。フォトレジスト２２は、シリコン基板２１の表面に設けられている。フォトレジスト２２には、窒化ホウ素粒子２３が混在している。窒化ホウ素粒子２３は、窒素とホウ素とを主要元素とした結晶粒子である。引き出し電極２５は、ＳｉＯX薄膜２４によって絶縁された第１の金属体である。カソード電極２６は、シリコン基板２１の裏面に設けられている。アノード電極２７は、引き出し電極２５と空間をもって設けられた第２の金属体である。イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜２８は、フォトレジスト２２の表面に設けられた、窒素とホウ素とを主要元素した薄膜である。
【００２７】
この構成の電子放出装置を次に示す手順で作製した。つまり、図５（Ａ）に示すｎ型のシリコン基板２１上に、フォトレジスト２２を塗布した（図５（Ｂ））。フォトレジスト２２には、粒子の大きさが１〜３［μｍ］の窒化ホウ素粒子２３を混入させた。フォトレジスト２２の塗布されたシリコン基板２１を、６５０［℃］で熱処理をした。この熱処理の際、フォトレジスト２２が炭化された。この後、プラズマアシスト化学気相成長法により窒素、三塩化ホウ素およびメタンを材料ガスとして、イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜２８を２００［ｎｍ］堆積させた（図５（Ｂ））。
【００２８】
この際、炭素組成比は０．１、窒素およびホウ素の組成比は各々０．５、０．４とした。また、イオウ原子を不純物として１×１０18［ｃｍ-3］の濃度に添加した。その上にＳｉＯX薄膜２４を５００［ｎｍ］、および引き出し電極２５用の金属としてＴｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（５００［ｎｍ］）を電子ビーム蒸着法で形成した（図５（Ｃ））。
【００２９】
一方、シリコン基板２１の裏面にアルミニウムを蒸着して、オーミック接合を形成し、カソード電極２６とした（図５（Ｃ））。フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極２５用の金属およびＳｉＯX薄膜２４をウェットエッチングにより除去し、直径５［μｍ］の窓２５Ａを形成した（図５（Ｄ））。窓２５Ａの中に露出した窒化ホウ素粒子を含む部分の表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極２７となる金属板を窒化ホウ素粒子を含むフォトレジスト膜２２に対向させ、その間隔を１２５［μｍ］とした（図５（Ｄ））。
【００３０】
前記構成の電子放出装置は、次のようにして用いられる。つまり、引き出し電極２５を接地し（図１）、カソード電極２６に電源１１を接続し、アノード電極２７に電源１２を接続する。これによって、カソード電極２６とアノード電極２７とに各々バイアスが加えられる。さらに、８×１０-7［Ｔｏｒｒ］以下の真空度で放出電流を測定した。このとき、アノード電圧を５００［Ｖ］と一定にし、カソード電圧を変化させた。
【００３１】
この結果、カソード電圧３５［Ｖ］で０．２［ｍＡ］の高い放出電流が得られ、実施例１の電子放出特性に比べて改善が見られた。つまり、実施例２のイオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜２８の堆積により、電子放出部の電気抵抗が低減でき、電界集中を向上することができ、電子放出特性の改善を図ることができる。
【００３２】
以上、実施例１，２について説明した。実施例１，２では、シリコン基板１，２１を用いたが、これらの代わりにガラス基板をはじめ様々な絶縁体基板も用いることができる。この場合には、絶縁体基板上に金属膜を設け、その上で実施例１，２のように作製する。
【００３３】
また、カソード電極６，２６用の金属、引き出し電極５，２５用の材料、アノード電極７，２７用の材料としては、実施例１，２で用いた材料に限定されず、それ以外の様々な材料を用いることができる。
【００３４】
また、実施例１，２では、窒化ホウ素粒子３，２３として無添加窒化ホウ素結晶粒子を用いたが、フォトレジストに混入する前に、この粒子にドナー不純物を熱拡散させて用いることにより、特性改善が期待できる。また、無添加窒化ホウ素結晶粒子を基板表面に塗布した後、イオン注入法により不純物を添加することもできる。さらに、実施例１，２では、フォトレジストを用いて窒化ホウ素粒子３，２３を基板上に塗布したが、窒化ホウ素粒子３，２３をアルコ―ルなどの溶剤に加えて塗布することもできる。
【００３５】
また、実施例２では、イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜２８の作製にプラズマアシスト化学気相成長法を用いたが、他のスパッタ法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法などの堆積方法も用いることができる。
【００３６】
さらに、実施例１，２の電子放出素子を同一基板上に２つ以上作製し、電子放出アレー装置を実現することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、窒素とホウ素とを主要元素とした粒子状材料を用いたことによって、窒化ホウ素炭素薄膜を成長させて作製した引き出し電極を有する電子放出装置が提供でき、低電圧で高輝度動作を実現できるため、表示装置のキーデバイスとして効果的である。
【００３８】
また、本発明によれば、低電圧で高い引き出し電流が実現できるため、本発明による電子放出装置を、フラットパネルディスプレー、電子ビーム露光装置、撮像装置、材料評価装置等のキーデバイスとして提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電子放出装置の実施例１を示す断面図である。
【図２】  実施例１の電子放出装置の作製手順を説明するための説明図である。
【図３】  実施例１の電子放出装置の電子放出特性を示す特性図である。
【図４】  本発明に係る電子放出装置の実施例２を示す断面図である。
【図５】  実施例２の電子放出装置の作製手順を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１，２１  シリコン基板
２，２２  フォトレジスト
３，２３  窒化ホウ素粒子
４，２４  ＳｉＯX薄膜
５，２５  引き出し電極
５Ａ，２５Ａ  窓
６，２６  カソード電極
７，２７  アノード電極
１１，１２  電源
２８  イオウ添加窒化ホウ素炭素薄膜
【図１】
0004312331.tif 000002
【図２】
0004312331.tif 000003
【図３】
0004312331.tif 000004
【図４】
0004312331.tif 000005
【図５】
0004312331.tif 000006