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JP2011003361A - Electron emission element, and manufacturing method of electron emission element - Google Patents

Electron emission element, and manufacturing method of electron emission element Download PDF

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JP2011003361A
JP2011003361A JP2009144514A JP2009144514A JP2011003361A JP 2011003361 A JP2011003361 A JP 2011003361A JP 2009144514 A JP2009144514 A JP 2009144514A JP 2009144514 A JP2009144514 A JP 2009144514A JP 2011003361 A JP2011003361 A JP 2011003361A
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diamond
electron
epitaxial film
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protrusion
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JP2009144514A
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Kazuhiro Ikeda
和寛 池田
Akihiko Ueda
暁彦 植田
Natsuo Tatsumi
夏生 辰巳
Yoshiki Nishibayashi
良樹 西林
Takahiro Imai
貴浩 今井
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】比較的低温及び低引き出し電圧のもとで電子放出の可能な電子放出素子、及び、この電子放出素子の作製方法を提供する。
【解決手段】電子放出素子2は、ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜6と、エピタキシャル膜6が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部5とを備える。ダイヤモンド突起部5は、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する。更に、電子放出素子2は、エピタキシャル膜6上に設けられた金属膜7を更に備える。また、エピタキシャル膜6はn型又はp型ドーパントを含有する。
【選択図】図1
An electron-emitting device capable of emitting electrons under a relatively low temperature and a low extraction voltage, and a method for manufacturing the electron-emitting device are provided.
An electron-emitting device includes an epitaxial film including a diamond crystal and a diamond protrusion having a surface including a region where the epitaxial film is formed. The diamond protrusion 5 has a shape that can be accommodated in a cylinder having a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm. Further, the electron-emitting device 2 further includes a metal film 7 provided on the epitaxial film 6. The epitaxial film 6 contains an n-type or p-type dopant.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電子放出素子と、電子放出素子の作製方法とに関する。   The present invention relates to an electron-emitting device and a method for manufacturing the electron-emitting device.

従来より、電子顕微鏡、電子線描画装置、透過型電子顕微鏡等には、ZrO/W又はLaB6等の電子銃チップが利用されている。このような電子銃チップ等の電子放出素子は、一般に華氏1800度以上の高温で利用されるので(非特許文献1)、フェルミ分布の広がり及びフォノン散乱等によって電子放出素子から放出される電子のエネルギーが大きく分散する。これに対し、ダイヤモンドを利用した電子放出素子も開発されている。ダイヤモンドの仕事関数は比較的低いので、ダイヤモンドを利用した電子放出素子は、比較的低温であっても電子放出が可能となる。特に、n型の不純物がドープされたダイヤモンド膜の有効性が知られている(特許文献1)。また、ダイヤモンド膜が、Sドープされている場合(非特許文献2)、Bドープされている場合(非特許文献3)、ノンドープの場合(非特許文献4)、Nドープされている場合(非特許文献5)の何れの場合においても、仕事関数は低く比較的低温において電子放出が可能との報告がある。更に、Liドープされたn型のダイヤモンド膜も、比較的低い活性化エネルギーを有するとの報告がある(非特許文献7)。   Conventionally, electron gun chips such as ZrO / W or LaB6 have been used in electron microscopes, electron beam drawing apparatuses, transmission electron microscopes, and the like. Since such an electron-emitting device such as an electron gun chip is generally used at a high temperature of 1800 degrees Fahrenheit (Non-Patent Document 1), electrons emitted from the electron-emitting device due to Fermi distribution spread and phonon scattering are used. Energy is greatly dispersed. On the other hand, an electron-emitting device using diamond has been developed. Since the work function of diamond is relatively low, an electron-emitting device using diamond can emit electrons even at a relatively low temperature. In particular, the effectiveness of a diamond film doped with n-type impurities is known (Patent Document 1). Further, when the diamond film is S-doped (Non-Patent Document 2), B-doped (Non-Patent Document 3), Non-doped (Non-Patent Document 4), or N-doped (Non-Patent Document 3). In any case of Patent Document 5), there is a report that the work function is low and electron emission is possible at a relatively low temperature. Furthermore, it has been reported that an n-type diamond film doped with Li also has a relatively low activation energy (Non-patent Document 7).

特開2007−095478号公報JP 2007-095478 A 特開2005−310724号公報JP 2005-310724 A 特開2008−210775号公報JP 2008-210775 A 特開2005−044634号公報JP 2005-044634 A 特開2008−199936号公報JP 2008-199936 A

J. Vac. Sci. Technol. B 3(1), Jan/Feb (1985) 220J. Vac. Sci. Technol. B 3 (1), Jan / Feb (1985) 220 Phys. Rev. B, 60, 4(1999) R2139Phys. Rev. B, 60, 4 (1999) R2139 J. Vac. Sci. Technol. B 22(3), May/Jun (2004) 1349J. Vac. Sci. Technol. B 22 (3), May / Jun (2004) 1349 Diam. Relat. Mater. 11, 12 (2002) 1897Diam. Relat. Mater. 11, 12 (2002) 1897 Nature, 393 , 4, June (1998) 432Nature, 393, 4, June (1998) 432 Thin-Film Diamond I, Semiconductors and Semimetals Vol. 76, Chapter3, Elsevier Inc., 2003Thin-Film Diamond I, Semiconductors and Semimetals Vol. 76, Chapter3, Elsevier Inc., 2003 Appl. Phys. Let., 81 , 5, July (2005) 232102Appl. Phys. Let., 81, 5, July (2005) 232102 Appl. Phys. Let., 82 , 17, Apr (2003) 2904Appl. Phys. Let., 82, 17, Apr (2003) 2904

上記のようなダイヤモンドの電子放出特性に関する様々な研究結果に基づいて、比較的に低温及び低引き出し電圧のもとでも利用可能な電子銃チップの開発が望まれている。そこで、本発明の目的は、比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出の可能な電子放出素子、及び、この電子放出素子の作製方法を提供することである。   Based on various research results on the electron emission characteristics of diamond as described above, it is desired to develop an electron gun tip that can be used even at a relatively low temperature and a low extraction voltage. Therefore, an object of the present invention is to provide an electron-emitting device capable of emitting electrons even under a relatively low temperature and a low extraction voltage, and a method for manufacturing the electron-emitting device.

本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜と、エピタキシャル膜が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部とを備えた電子放出素子であって、ダイヤモンド突起部は、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド突起部にダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜が形成された構成を有しているので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数によって比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出が可能となる。   An electron-emitting device according to the present invention is an electron-emitting device including an epitaxial film containing a diamond crystal and a diamond protrusion having a surface including a region where the epitaxial film is formed. The diamond protrusion has a diameter of 100 μm. It has the shape which can be accommodated in the cylinder which has a bottom face of and a height of 1000 micrometers. As described above, the electron-emitting device of the present invention has a configuration in which an epitaxial film including a diamond crystal is formed on a diamond protrusion, so that a relatively low temperature and a low extraction voltage can be obtained by a relatively low work function of diamond. Even in the original, electron emission becomes possible.

本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜上に設けれられた金属膜を更に備え、金属膜は、エピタキシャル膜に接合されているのが好ましい。この金属膜に電流を流すことによって電子放出素子は電子銃として利用可能となる。   The electron-emitting device of the present invention preferably further comprises a metal film provided on the epitaxial film, and the metal film is preferably joined to the epitaxial film. The electron-emitting device can be used as an electron gun by passing a current through the metal film.

本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有し、エピタキシャル膜のn型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、0.10〜4.0eVである、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜は、ドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。 In the electron-emitting device of the present invention, the epitaxial film contains an n-type dopant containing one or more elements of Li, P, S, and N, and the concentration of the n-type dopant in the epitaxial film is 1 × 10 13. It is ˜1 × 10 22 cm −3 and the activation energy of the epitaxial film is preferably 0.10 to 4.0 eV. Thus, since the epitaxial film has a relatively low activation energy by containing the dopant, the relatively low work function of diamond and the relatively low activation energy achieve sufficient electron emission performance. it can.

本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、Bの元素を含むp型ドーパントを含有し、エピタキシャル膜のp型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、0.30〜2.0eVである、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜は、ドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。 In the electron-emitting device of the present invention, the epitaxial film contains a p-type dopant containing an element of B, and the concentration of the p-type dopant in the epitaxial film is 1 × 10 13 to 1 × 10 22 cm −3. The activation energy of the film is preferably 0.30 to 2.0 eV. Thus, since the epitaxial film has a relatively low activation energy by containing the dopant, the relatively low work function of diamond and the relatively low activation energy achieve sufficient electron emission performance. it can.

本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、第1の層及び第2の層を含み、第1の層は、Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有し、第2の層は、Bの元素を含むp型ドーパントを含有しており、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部の表面上に第1の層が形成され、且つ、この第1の層上に第2の層が形成されているか、又は、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部の表面上に第2の層が形成され、且つ、この第2の層上に第1の層が形成されている、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜はpn接合を含むので、バイアス電圧を用いて電子放出を制御できる   In the electron-emitting device of the present invention, the epitaxial film includes a first layer and a second layer, and the first layer includes an n-type dopant including one or more elements of Li, P, S, and N. And the second layer contains a p-type dopant containing an element of B, the first layer is formed on the surface of the end of the diamond protrusion including the tip surface, and the second layer The second layer is formed on the first layer, or the second layer is formed on the surface of the end portion of the diamond protrusion including the tip surface, and the first layer is formed on the second layer. It is preferable that the following layer is formed. Thus, since the epitaxial film includes a pn junction, electron emission can be controlled using a bias voltage.

本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有する、のが好ましい。このように、ダイヤモンド突起部は細長い形状を有する。   In the electron-emitting device of the present invention, it is preferable that the diamond protrusion has a flat front end surface that can be accommodated in a square region having a side of 1 μm and a side surface having an area larger than the area of the front end surface. Thus, the diamond protrusion has an elongated shape.

本発明の電子放出素子では、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部は階段状に先細る形状を有する、のが好ましい。このように、ダイヤモンド突起部の端部は様々な形状が可能である。   In the electron-emitting device of the present invention, it is preferable that the end of the diamond protrusion including the tip surface has a stepped shape. As described above, the end of the diamond protrusion can have various shapes.

本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部の表面に含まれエピタキシャル膜の形成されている領域の面方位は(111)、(112)又は(100)である、のが好ましい。このような面方位によって、エピタキシャル膜の成膜が良好に行える。   In the electron-emitting device of the present invention, it is preferable that the plane orientation of the region included in the surface of the diamond protrusion and where the epitaxial film is formed is (111), (112) or (100). With such a plane orientation, the epitaxial film can be satisfactorily formed.

本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部は、Ib型、IIa型及びIIb型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含む、のが好ましい。このようなダイヤモンド突起部の結晶構造の場合に、n型ドーパントを含むエピタキシャル膜をダイヤモンド突起部の表面に成膜できる。   In the electron-emitting device of the present invention, the diamond protrusion preferably includes at least one type of diamond crystal of type Ib, IIa, and IIb. In the case of such a crystal structure of the diamond protrusion, an epitaxial film containing an n-type dopant can be formed on the surface of the diamond protrusion.

本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部と一体のベース部を更に備え、ダイヤモンド突起部はベース部の一端に形成されている、のが好ましく、ベース部はヘテロエピタキシャル構造を有する、のが好ましい。ベース部上にダイヤモンド突起部が形成されているので、ベース部を介することによってダイヤモンド突起部の移動等が容易となる。   In the electron-emitting device of the present invention, it is preferable that a base portion integrated with the diamond protrusion is further provided, and the diamond protrusion is preferably formed at one end of the base portion, and the base portion preferably has a heteroepitaxial structure. . Since the diamond protruding portion is formed on the base portion, the diamond protruding portion can be easily moved through the base portion.

本発明の電子放出素子の作製方法は、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱を包含可能な形状を有しておりIb型、IIa型又はIIb型の何れか一の型のダイヤモンド結晶を含むダイヤモンド基材の一端部を研磨しメサ形状とする工程と、メサ形状となったダイヤモンド基材の端部をエッチングすることによって、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し円柱内に収容可能な形状を有するダイヤモンド突起部を形成する工程と、ダイヤモンド突起部を形成した後に、n型又はp型のドーパントを含有するダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜をプラズマCVD法によって成膜する工程と、を備える、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド突起部にダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜が形成された構成を有しているので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数によって比較的低温における電子放出が可能となる。   The method for producing an electron-emitting device of the present invention has a shape capable of including a cylinder having a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm, and is a diamond of any one of the Ib, IIa, and IIb types Polishing one end portion of the diamond base material containing crystals into a mesa shape, and etching the end portion of the diamond base material that has become a mesa shape, so that it can be accommodated in a square region having a side of 1 μm. Forming a diamond protrusion having a tip surface and a side surface having an area larger than the area of the tip surface and having a shape that can be accommodated in a cylinder; and after forming the diamond protrusion, an n-type or p-type dopant And a step of forming an epitaxial film containing a diamond crystal containing bismuth by a plasma CVD method. As described above, the electron-emitting device of the present invention has a structure in which an epitaxial film including a diamond crystal is formed on the diamond protrusion, so that electron emission at a relatively low temperature is possible due to a relatively low work function of diamond. It becomes.

本発明によれば、比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出の可能な電子放出素子、及び、この電子放出素子の作製方法が提供できる。   According to the present invention, an electron-emitting device capable of emitting electrons even under a relatively low temperature and a low extraction voltage, and a method for manufacturing the electron-emitting device can be provided.

実施形態に係る電子放出素子の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the electron emission element which concerns on embodiment. 実施形態に係るダイヤモンド突起部のバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of the diamond protrusion part which concerns on embodiment. 実施形態に係る電子放出素子の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the electron emission element which concerns on embodiment. 実施形態に係るダイヤモンド突起部の撮影画像である。It is a picked-up image of the diamond projection part concerning an embodiment.

以下、図面を参照して、本発明に係る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、可能な場合には、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、以下に示す数値は所定の誤差を含む。図1に、実施形態に係る電子放出素子2の断面構成を示す。電子放出素子2は、ベース部4、ダイヤモンド突起部5、エピタキシャル膜6及び金属膜7を備える。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, if possible, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The numerical values shown below include a predetermined error. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of an electron-emitting device 2 according to the embodiment. The electron-emitting device 2 includes a base portion 4, a diamond protrusion portion 5, an epitaxial film 6, and a metal film 7.

ベース部4とダイヤモンド突起部5とは一体に形成されている。ベース部4とダイヤモンド突起部5とは、何れも、Ib型、IIa型及びIIb型の何れか一の型のダイヤモンド結晶から成るが、ベース部4とダイヤモンド突起部5とは同一の材料からなる。この場合、ベース部4は、Ib型、IIa型及びIIb型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含むものとなるが、ダイヤモンド突起部5に接続する部分のダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド突起部5と同様の型(Ib型、IIa型又はIIb型)のダイヤモンド結晶となっている。後述するエピタキシャル膜6をベース部4(更にはダイヤモンド突起部5)の表面に数μmオーダの厚みに形成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いこと、エピタキシャル膜6とベース部4及びダイヤモンド突起部5との熱膨張係数が異なること、更に、ピタキシャル膜6とベース部4及びダイヤモンド突起部5とにおいて格子定数にずれが生じること等によって、エピタキシャル膜6中に歪みが生じ、この歪みによってエピタキシャル膜6に割れ等が生じる場合がある。しかし、ベース部4及びダイヤモンド突起部5が、Ib型、IIa型又はIIb型のダイヤモンド結晶の場合、このような割れ等は低減され、良質なエピタキシャル膜6が形成可能となる。なお、ベース部4は、ヘテロエピタキシャル構造を有していてもよい。このヘテロエピタキシャル構造は、ダイヤモンド結晶が、エピタキシャル成長によって、例えば、シリコン(100)面、白金(111)面、Ir(100)面、又は、SiC(100)面等において形成された構成である。   The base part 4 and the diamond protrusion part 5 are integrally formed. The base part 4 and the diamond protrusion part 5 are all made of any one of the Ib type, IIa type and IIb type diamond crystals, but the base part 4 and the diamond protrusion part 5 are made of the same material. . In this case, the base portion 4 includes at least one type of diamond crystal of Ib type, IIa type, and IIb type, but the diamond crystal in the portion connected to the diamond protrusion portion 5 is the same as the diamond protrusion portion 5. It is a diamond crystal of the same type (type Ib, type IIa or type IIb). When an epitaxial film 6 to be described later is formed on the surface of the base portion 4 (and also the diamond protrusion portion 5) to a thickness of several μm, the diamond has high hardness, the epitaxial film 6, the base portion 4 and the diamond protrusion portion 5 Further, due to the difference in the thermal expansion coefficients of the film, the lattice constant is shifted between the epitaxial film 6 and the base part 4 and the diamond protrusion part 5, etc., strain is generated in the epitaxial film 6. Cracks may occur. However, when the base part 4 and the diamond protrusion part 5 are Ib type, IIa type, or IIb type diamond crystals, such cracks are reduced, and a high-quality epitaxial film 6 can be formed. Note that the base portion 4 may have a heteroepitaxial structure. This heteroepitaxial structure is a structure in which a diamond crystal is formed by, for example, a silicon (100) plane, a platinum (111) plane, an Ir (100) plane, or a SiC (100) plane by epitaxial growth.

ダイヤモンド突起部5は、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有するが、電子放出素子2を電子銃チップとして用いる場合には、十分な電界集中を実現するために10〜400μmの高さと、5〜100μmの太さ(高さ方向に垂直な断面の径の最大値であり、以下同様)とを有する形状が好ましい。ダイヤモンド突起部5は、この円柱内に収容されるものであって、細長い形状を有するものであれば、円錐(又は円錐台)、円柱、角錐(又は角錐台)、角柱等のうち何れの形状であってもよい。例えば、図2(A)に示すダイヤモンド突起部5a、図2(B)に示すダイヤモンド突起部5b、図2(C)に示すダイヤモンド突起部5c及び図2(D)に示すダイヤモンド突起部5d等であってもよい。   The diamond protrusion 5 has a shape that can be accommodated in a cylinder having a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm. However, when the electron-emitting device 2 is used as an electron gun chip, sufficient electric field concentration is realized. Therefore, a shape having a height of 10 to 400 μm and a thickness of 5 to 100 μm (the maximum value of the diameter of a cross section perpendicular to the height direction, the same applies hereinafter) is preferable. As long as the diamond protrusion 5 is accommodated in the cylinder and has a long and narrow shape, any shape of a cone (or a truncated cone), a cylinder, a pyramid (or a truncated pyramid), a prism, etc. It may be. For example, the diamond protrusion 5a shown in FIG. 2A, the diamond protrusion 5b shown in FIG. 2B, the diamond protrusion 5c shown in FIG. 2C, the diamond protrusion 5d shown in FIG. It may be.

ダイヤモンド突起部5aは、円錐形状、又は、円錐台形状を有している。この円錐台形状の端面(ダイヤモンド突起部5aの先端面)は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部5aの表面(全表面又は一部)にダイヤモンド膜6aが形成されている。ダイヤモンド突起部5bは、円柱形状を有している。ダイヤモンド突起部5bの先端面は、平坦であるが、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部5bの表面(全表面又は一部)にダイヤモンド膜6bが形成されている。ダイヤモンド突起部5cは、円柱に円錐又は円錐台が接合された形状である(すなわち、ダイヤモンド突起部5cの端部の形状は円錐又は円錐台となっている)。円錐又は円錐台は円柱の端面に設けられており、円柱の端面と、円錐又は円錐台の底面(円錐台の場合、二つの端面のうち大きい方の端面を意味する)とは同一の形状である。円錐台の端面(ダイヤモンド突起部5cの先端面)は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部5cの表面(全表面又は一部)にダイヤモンド膜6cが形成されている。ダイヤモンド突起部5dは、端部が階段状に先細る形状を有している。ダイヤモンド突起部5dの先端面は、この階段状を成す形状の最も先端にある面である。このダイヤモンド突起部5dの先端面は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部5dの表面(全表面又は一部)にダイヤモンド膜6dが形成されている。以上のダイヤモンド突起部5a〜ダイヤモンド突起部5d等のダイヤモンド突起部5の先端面は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能である。そして、ダイヤモンド突起部5a〜ダイヤモンド突起部5d等のダイヤモンド突起部5の側面は、ダイヤモンド突起部5の先端面の面積よりも大きい。   The diamond protrusion 5a has a conical shape or a truncated cone shape. The frustoconical end surface (the tip surface of the diamond protrusion 5a) may be flat or may have the same shape as a part of a virtual spherical surface. A diamond film 6a is formed on the surface (entire surface or part) of the diamond protrusion 5a. The diamond protrusion 5b has a cylindrical shape. The front end surface of the diamond protrusion 5b is flat, but may have the same shape as a part of a virtual spherical surface. A diamond film 6b is formed on the surface (entire surface or part) of the diamond protrusion 5b. The diamond projection 5c has a shape in which a cone or a truncated cone is joined to a cylinder (that is, the shape of the end of the diamond projection 5c is a cone or a truncated cone). The cone or truncated cone is provided on the end face of the cylinder, and the end face of the cylinder and the bottom face of the cone or truncated cone (in the case of the truncated cone, the larger end face of the two end faces) have the same shape. is there. The end surface of the truncated cone (tip surface of the diamond protrusion 5c) may be flat or may have the same shape as a part of a virtual spherical surface. A diamond film 6c is formed on the surface (entire surface or part) of the diamond protrusion 5c. The diamond protrusion 5d has a shape whose end is tapered stepwise. The front end surface of the diamond protrusion 5d is the frontmost surface of the stepped shape. The tip surface of the diamond protrusion 5d may be flat or may have the same shape as a part of a virtual spherical surface. A diamond film 6d is formed on the surface (entire surface or part) of the diamond protrusion 5d. The tip surfaces of the diamond protrusions 5 such as the diamond protrusions 5a to 5d described above can be accommodated in a square region having a side of 1 μm. The side surfaces of the diamond protrusion 5 such as the diamond protrusion 5 a to the diamond protrusion 5 d are larger than the area of the tip surface of the diamond protrusion 5.

エピタキシャル膜6は、ベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面(全表面又は一部)に形成されており、ベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面を覆っている。なお、エピタキシャル膜6は、ダイヤモンド突起部5の端部(ダイヤモンド突起部5の先端面を含む部分)の表面のみに形成されていてもよいし、又は、ダイヤモンド突起部5の端部の表面と、ベース部4の表面のうち金属膜7の形成されている部分とにのみ形成されていてもよい。また、エピタキシャル膜6は、ダイヤモンド突起部5の先端面に形成されていなくてもよい。   The epitaxial film 6 is formed on the surface (entire surface or part) of the base portion 4 and the diamond protrusion 5 and covers the surfaces of the base portion 4 and the diamond protrusion 5. The epitaxial film 6 may be formed only on the surface of the end of the diamond protrusion 5 (including the tip surface of the diamond protrusion 5), or the surface of the end of the diamond protrusion 5 Further, it may be formed only on a portion of the surface of the base portion 4 where the metal film 7 is formed. Further, the epitaxial film 6 may not be formed on the tip surface of the diamond protrusion 5.

エピタキシャル膜6は、より多くのキャリアを活性化させるために、比較的低い活性化エネルギーを有する必要がある。Pドープされたダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低い0.60eV程度なのでエピタキシャル膜6に好適である。Nドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い1.7eV程度なのでエピタキシャル膜6に好適である。Sドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い0.30〜0.40eV程度なのでエピタキシャル膜6に好適である。Liドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い0.10eVなのでエピタキシャル膜6に好適である。   The epitaxial film 6 needs to have a relatively low activation energy in order to activate more carriers. P-doped diamond crystal is suitable for the epitaxial film 6 because the activation energy is relatively low, about 0.60 eV. N-doped diamond crystal is also suitable for the epitaxial film 6 because its activation energy is about 1.7 eV, which is relatively low. S-doped diamond crystals are also suitable for the epitaxial film 6 because the activation energy is relatively low, about 0.30 to 0.40 eV. Li-doped diamond crystals are also suitable for the epitaxial film 6 because the activation energy is 0.10 eV, which is relatively low.

そこで、エピタキシャル膜6は、Li(リチウム)、P(リン)、S(硫黄)、N(窒素)のうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有してもよいし、B(ホウ素)の元素を含むp型ドーパントを含有してもよい。エピタキシャル膜6がn型ドーパントを含有する場合、このn型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、この場合のエピタキシャル膜6の活性化エネルギーは、0.10〜4.0eVである。エピタキシャル膜6がp型ドーパントを含有する場合、このp型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、この場合のエピタキシャル膜6の活性化エネルギーは、0.30〜2.0eVである。 Therefore, the epitaxial film 6 may contain an n-type dopant containing one or more elements of Li (lithium), P (phosphorus), S (sulfur), and N (nitrogen), and B (boron). A p-type dopant containing the element of) may be contained. When the epitaxial film 6 contains an n-type dopant, the concentration of the n-type dopant is 1 × 10 13 to 1 × 10 22 cm −3 , and the activation energy of the epitaxial film 6 in this case is 0.10. -4.0 eV. When the epitaxial film 6 contains a p-type dopant, the concentration of this p-type dopant is 1 × 10 13 to 1 × 10 22 cm −3 , and the activation energy of the epitaxial film 6 in this case is 0.30. ~ 2.0 eV.

なお、エピタキシャル膜6は、第1の層及び第2の層(不図示)を含んでいてもよい。第1の層は、Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有し、第2の層は、Bの元素を含むp型ドーパントを含有する。この場合、ダイヤモンド突起部5の先端面を含むダイヤモンド突起部5の端部の表面上に第1の層が形成され、且つ、この第1の層上に第2の層が形成されるか、又は、ダイヤモンド突起部5の先端面を含むダイヤモンド突起部5の端部の表面上に第2の層が形成され、且つ、この第2の層上に第1の層が形成される。また、ドーピングされていなエピタキシャル膜6も利用できる。   The epitaxial film 6 may include a first layer and a second layer (not shown). The first layer contains an n-type dopant containing one or more elements of Li, P, S, and N, and the second layer contains a p-type dopant containing an element of B. In this case, the first layer is formed on the surface of the end of the diamond protrusion 5 including the tip surface of the diamond protrusion 5, and the second layer is formed on the first layer, Or a 2nd layer is formed on the surface of the edge part of the diamond projection part 5 including the front end surface of the diamond projection part 5, and a 1st layer is formed on this 2nd layer. An undoped epitaxial film 6 can also be used.

また、ベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面に含まれエピタキシャル膜6の形成されている領域の面方位は、Pドープされたダイヤモンド膜がもっとも成長しやすいとされる(111)面が好ましいが、(001)面又は(112)面であってもよい。実際に、発明者は、これらの面方位の面上において成長させたPドープされたダイヤモンド膜が均質に形成できたこと、そして、5μm以上の厚みのエピタキシャル膜6によってダイヤモンド突起部5の端部を被覆できたこと、を確認している。   Further, the plane orientation of the region included in the surface of the base portion 4 and the diamond protrusion portion 5 where the epitaxial film 6 is formed is preferably a (111) plane on which the P-doped diamond film is most likely to grow. , (001) plane or (112) plane. Actually, the inventor has been able to uniformly form a P-doped diamond film grown on the planes of these plane orientations, and that the epitaxial film 6 having a thickness of 5 μm or more has an end portion of the diamond protrusion 5. It was confirmed that the coating could be applied.

金属膜7は、ダイヤモンド結晶に対し高密着性、高温耐性、オーム性接触が可能なものが適しており、例えばTi/W(チタン/タングステン)から成る。このTi層はエピタキシャル膜6又はベース部4に接合されている。Ti層上には、W以外の他の金属層が設けられていてもよい。Tiはダイヤモンドに対して比較的良好な電気的接触をとることのできる金属であり、金属―半導体間の電子注入効率が最も良いと考えられるが、Tiに限らずダイヤモンドにおけるオーミック電極として知られる周知の金属、周知の成膜方法が利用可能である。そして、金属膜7には、電極Pが接続される。   The metal film 7 is suitable to be capable of high adhesion, high temperature resistance and ohmic contact with the diamond crystal, and is made of, for example, Ti / W (titanium / tungsten). This Ti layer is bonded to the epitaxial film 6 or the base portion 4. A metal layer other than W may be provided on the Ti layer. Ti is a metal that can make relatively good electrical contact with diamond, and the electron injection efficiency between metal and semiconductor is considered to be the best, but it is not limited to Ti and is well known as an ohmic electrode in diamond Metals known in the art can be used. The electrode P is connected to the metal film 7.

以下、図3を参照し、電子放出素子2の作製方法について説明する。まず、図3(A)に示すように、ダイヤモンド基材4aを用意する。ダイヤモンド基材4aは、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱を包含可能な形状(この円柱よりも大きな形状)を有しており、ベース部4及びダイヤモンド突起部5のそれぞれの材料(Ib型、IIa型又はIIb型の何れか一の型のダイヤモンド結晶)を含む。そして、以下の工程によって、ダイヤモンド基材4aからベース部4及びダイヤモンド突起部5が形成される。すなわち、ダイヤモンド基材4aの端面8aを研磨し、図3(B)に示すようなメサ形状に形成する。ダイヤモンド基材4aは、この結果、端面8a側がメサ形状(メサ形状部分10)に形成されたダイヤモンド基材4bとなる。ダイヤモンド基材4bはメサ形状部分10を有している。   Hereinafter, a method for manufacturing the electron-emitting device 2 will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3A, a diamond substrate 4a is prepared. The diamond base material 4a has a shape capable of including a cylinder having a bottom surface having a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm (a shape larger than this cylinder), and the respective materials of the base portion 4 and the diamond protrusion 5 (Ib type, IIa type, or IIb type diamond crystal). And the base part 4 and the diamond protrusion part 5 are formed from the diamond base material 4a by the following processes. That is, the end surface 8a of the diamond base material 4a is polished to form a mesa shape as shown in FIG. As a result, the diamond base material 4a becomes the diamond base material 4b in which the end face 8a side is formed in a mesa shape (mesa shape portion 10). The diamond base material 4 b has a mesa-shaped portion 10.

次に、メサ形状部分10の端面8bの中央部分に金属薄膜のマスク9を形成し、ICPエッチング装置(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いてメサ形状部分10をエッチングし、図3(C)に示すようなダイヤモンド突起部5を形成する。マスク9は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な大きさ(面積)を有する。メサ形状部分10がエッチングされることによって、ダイヤモンド基材4bから、ベース部4、ダイヤモンド突起部5及び端面8cが形成される。ダイヤモンド突起部5は、ベース部4の端面8cに形成されており、端面8cの上方に延びる形状を有する。ダイヤモンド突起部5は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、この先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する。端面8cを含むベース部4の表面、及び、ダイヤモンド突起部5の表面の面方位は、(111)、(112)又は(100)である。   Next, a metal thin film mask 9 is formed at the central portion of the end face 8b of the mesa-shaped portion 10, and the mesa-shaped portion 10 is etched using an ICP etching apparatus (ICP: Inductively Coupled Plasma), as shown in FIG. A diamond protrusion 5 as shown is formed. The mask 9 has a size (area) that can be accommodated in a square region having a side of 1 μm. By etching the mesa-shaped portion 10, the base portion 4, the diamond protrusion portion 5, and the end surface 8 c are formed from the diamond base material 4 b. The diamond protrusion 5 is formed on the end surface 8c of the base portion 4, and has a shape extending above the end surface 8c. The diamond protrusion 5 has a flat front end surface that can be accommodated in a square region having a side of 1 μm, and a side surface having an area larger than the area of the front end surface, and has a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm. It has a shape that can be accommodated in a cylinder having The surface orientation of the surface of the base portion 4 including the end face 8c and the surface of the diamond protrusion 5 is (111), (112) or (100).

この後、図3(D)に示すように、プラズマCVD法を用いて、ベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面にダイヤモンド結晶から成るエピタキシャル膜6を成膜する。プラズマCVD法を用いる前に、ベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面が水素プラズマに曝される。これによりベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面を正常かつ平坦に整えることができる。プラズマCVD法を用いたエピタキシャル膜6の成膜工程は、プラズマの集中による異常成長やエッチング等を回避するために、ダイヤモンド突起部5を、プラズマを発生させる二つの電極間に生じる電界の向きに対し垂直となるように、換言すれば、ダイヤモンド突起部5の軸がこの電界の向きに対しほぼ垂直となる状態で、プラズマCVD法を用いる。この場合、プラズマの周り込み等も生じ、360度全てのオフ角でエピタキシャル成長が可能であり、均等なエピタキシャル膜6が形成される。エピタキシャル膜6がPドープされる場合、ダイヤモンド突起部5の面のうち、電極に対向する面は(111)面(又は(001)面)が好ましいが、Bドープされる場合には、(001)面が好ましい。そして、エピタキシャル膜6が成膜された後、FIB(Focused Ion Beam)法、RIE(Reactive Ion Etching)法及びICP法の何れか一又は二以上の加工方法を用いて、エピタキシャル膜6の表面を平坦に整形する。なお、この整形加工は、金属膜7をエピタキシャル膜6の全体に形成した後においても行える。   Thereafter, as shown in FIG. 3D, an epitaxial film 6 made of a diamond crystal is formed on the surfaces of the base portion 4 and the diamond protrusion portion 5 by using a plasma CVD method. Before using the plasma CVD method, the surfaces of the base portion 4 and the diamond protrusion 5 are exposed to hydrogen plasma. Thereby, the surface of the base part 4 and the diamond projection part 5 can be prepared normally and flatly. In the process of forming the epitaxial film 6 using the plasma CVD method, in order to avoid abnormal growth or etching due to plasma concentration, the diamond protrusion 5 is oriented in the direction of the electric field generated between the two electrodes that generate plasma. In other words, in other words, the plasma CVD method is used in a state where the axis of the diamond protrusion 5 is substantially perpendicular to the direction of the electric field. In this case, plasma wrap-around occurs, and epitaxial growth is possible at all 360 ° off angles, and an equivalent epitaxial film 6 is formed. When the epitaxial film 6 is P-doped, the (111) plane (or (001) plane) of the faces of the diamond projections 5 facing the electrode is preferred. ) Surface is preferred. After the epitaxial film 6 is formed, the surface of the epitaxial film 6 is formed by using one or more processing methods of FIB (Focused Ion Beam), RIE (Reactive Ion Etching), and ICP. Shape it flat. This shaping process can be performed even after the metal film 7 is formed on the entire epitaxial film 6.

エピタキシャル膜6は、n型のドーパント(Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むドーパント)、又は、p型のドーパント(Bの元素を含むドーパント)を含有する。エピタキシャル膜6は、これに限らず、n型のドーパントを含有する第1の層とp型のドーパントを含有する第2の層とを含んでもよい。この場合、ダイヤモンド突起部5の先端面を含むダイヤモンド突起部5の端部の表面上に第1の層が形成され、且つ、この第1の層上に第2の層が形成されるか、又は、ダイヤモンド突起部5の先端面を含むダイヤモンド突起部5の端部の表面上に第2の層が形成され、且つ、この第2の層上に第1の層が形成される。   The epitaxial film 6 contains an n-type dopant (a dopant containing one or more elements of Li, P, S, and N) or a p-type dopant (a dopant containing an element of B). The epitaxial film 6 is not limited to this, and may include a first layer containing an n-type dopant and a second layer containing a p-type dopant. In this case, the first layer is formed on the surface of the end of the diamond protrusion 5 including the tip surface of the diamond protrusion 5, and the second layer is formed on the first layer, Or a 2nd layer is formed on the surface of the edge part of the diamond projection part 5 including the front end surface of the diamond projection part 5, and a 1st layer is formed on this 2nd layer.

なお、エピタキシャル膜6がBの元素を含むp型ドーパントを含有する場合、このp型ドーパントを含有しベース部4及びダイヤモンド突起部5の表面に含まれるエピタキシャル膜6(又は、第2の層)の形成される部分の好ましい面方位は、(001)である。また、エピタキシャル膜6の厚みは、例えば、0.5〜2μmが好ましいが、第1の層及び第2の層を含む場合、各層のそれぞれの厚みは1μm以下が好ましい。なお、エピタキシャル膜6は、ダイヤモンド突起部5の先端面に形成されなくてもよい。そして、エピタキシャル膜6の成膜の後、エピタキシャル膜6の表面に金属膜7を形成する。金属膜7は、Ti/Wから成る。以上の工程によって、電子放出素子2が作製される。   In addition, when the epitaxial film 6 contains the p-type dopant containing the element of B, the epitaxial film 6 (or 2nd layer) which contains this p-type dopant and is contained in the surface of the base part 4 and the diamond protrusion part 5 is included. The preferred plane orientation of the portion where is formed is (001). In addition, the thickness of the epitaxial film 6 is preferably 0.5 to 2 μm, for example, but when the first layer and the second layer are included, the thickness of each layer is preferably 1 μm or less. The epitaxial film 6 may not be formed on the tip surface of the diamond protrusion 5. Then, after the epitaxial film 6 is formed, a metal film 7 is formed on the surface of the epitaxial film 6. The metal film 7 is made of Ti / W. Through the above steps, the electron-emitting device 2 is manufactured.

以上説明した構成を有する電子放出素子2は、エピタキシャル膜6の仕事関数が比較的低いので、比較的低温において比較的低い引き出し電圧によって電子放出が可能となる。更に、エピタキシャル膜6は、n型又はp型のドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。   The electron-emitting device 2 having the above-described configuration can emit electrons with a relatively low extraction voltage at a relatively low temperature because the work function of the epitaxial film 6 is relatively low. Furthermore, since the epitaxial film 6 has a relatively low activation energy by containing an n-type or p-type dopant, the relatively low work function of diamond and this relatively low activation energy are sufficient. Electron emission performance can be realized.

また、電子放出素子2は、エピタキシャル膜6を介してショットキー放出できるので、安定性が良い。すなわち、熱放出・電界放出それぞれのモードで動作させる構造を作ることができることに加え、熱電界によるショットキー放出を行うことができる。この放出モードは、熱による電子放出の安定性と、電界放出による放出電子のばらつきの少ない運動量、すなわち、低エネルギー分散性と、を実現できる。   Further, since the electron-emitting device 2 can emit Schottky through the epitaxial film 6, the electron-emitting device 2 has good stability. That is, in addition to making it possible to make a structure that operates in each mode of thermal emission and field emission, Schottky emission by a thermal electric field can be performed. This emission mode can realize the stability of electron emission due to heat and the momentum with less variation of the emitted electrons due to field emission, that is, low energy dispersibility.

また、エピタキシャル膜6のドーピング構造を選択することによってエピタキシャル膜6の活性化エネルギーを制御できるので、エピタキシャル膜6の安定動作温度・電圧条件をコントロールできる。このように、電界放出用、熱電子放出用又は熱電界電子放出用等のそれぞれの電子放出モードに適したドーピング構造を提供できる。   Further, since the activation energy of the epitaxial film 6 can be controlled by selecting the doping structure of the epitaxial film 6, the stable operating temperature and voltage conditions of the epitaxial film 6 can be controlled. Thus, a doping structure suitable for each electron emission mode such as field emission, thermionic emission, or thermal field electron emission can be provided.

また、エピタキシャル膜6が第1及び第2の層を含み、エピタキシャル膜6にpn接合が形成されている場合、バイアス電圧を用いて電子放出を制御できる。また、金属膜7が設けられているので、金属膜7に電圧を加えることによって電子放出素子2を電子銃として利用可能となる。また、ダイヤモンド突起部5は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、この先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有するので、細長い形状となっている。また、ダイヤモンド突起部5の先端面を含むダイヤモンド突起部5の端部は階段状に先細る形状を有してもよく、このように、ダイヤモンド突起部5の端部は様々な形状が可能である。   Further, when the epitaxial film 6 includes the first and second layers and a pn junction is formed in the epitaxial film 6, electron emission can be controlled using a bias voltage. In addition, since the metal film 7 is provided, the electron-emitting device 2 can be used as an electron gun by applying a voltage to the metal film 7. Further, the diamond protrusion 5 has a flat tip surface that can be accommodated in a square region having a side of 1 μm and a side surface having an area larger than the area of the tip surface, and thus has an elongated shape. Further, the end of the diamond protrusion 5 including the tip surface of the diamond protrusion 5 may have a stepped shape, and thus the end of the diamond protrusion 5 can have various shapes. is there.

なお、ダイヤモンド突起部5の表面に導体被覆膜を設けてもよい。この導体被覆膜は、金属又は金属的な良導体であって、ダイヤモンド突起部5の先端部(電子放出部)の除くダイヤモンド突起部5の他の表面を覆う。このような導体被覆膜は、次のようにして形成される。まず、ダイヤモンド突起部5の全体(ダイヤモンド突起部5の先端部を含む)をこの導体被覆膜で被覆し、この後、FIB等の周知のナノスケールの加工方法を用いて、電子放出部を覆う導体被覆膜をエッチングし、この電子放出部のダイヤモンドの表面を露出させる。このようにして、電子放出部を除くダイヤモンド突起部5の表面を被覆する導体被覆膜が形成される。   A conductor coating film may be provided on the surface of the diamond protrusion 5. This conductor coating film is a metal or a good metallic conductor and covers the other surface of the diamond protrusion 5 except for the tip (electron emission portion) of the diamond protrusion 5. Such a conductor coating film is formed as follows. First, the entire diamond protrusion 5 (including the tip of the diamond protrusion 5) is covered with this conductor coating film, and then the electron emission portion is formed using a known nanoscale processing method such as FIB. The covering conductor coating film is etched to expose the diamond surface of the electron emission portion. In this manner, a conductor coating film that covers the surface of the diamond protrusion 5 excluding the electron emission portion is formed.

また、ダイヤモンド突起部5の表面に含まれエピタキシャル膜6の形成されている領域の面方位は(111)、(112)又は(100)となっているので、エピタキシャル膜6の成膜が良好に行える。また、ダイヤモンド突起部5は、Ib型、IIa型及びIIb型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含むので、このようなダイヤモンド突起部5の結晶構造の場合に、n型ドーパントを含むエピタキシャル膜6をダイヤモンド突起部5の表面に成膜できる。また、電子放出素子2はダイヤモンド突起部5と一体のベース部4を更に備え、ダイヤモンド突起部5はベース部4の一端に形成されているので、ベース部4を介することによってダイヤモンド突起部5の移動等が容易となる。   Further, since the plane orientation of the region included in the surface of the diamond protrusion 5 where the epitaxial film 6 is formed is (111), (112), or (100), the epitaxial film 6 can be satisfactorily formed. Yes. Further, since the diamond protrusion 5 includes at least one type of diamond crystal of the Ib type, IIa type, and IIb type, an epitaxial film containing an n-type dopant in the case of such a crystal structure of the diamond protrusion 5. 6 can be formed on the surface of the diamond protrusion 5. The electron-emitting device 2 further includes a base 4 integrated with the diamond protrusion 5, and the diamond protrusion 5 is formed at one end of the base 4. It becomes easy to move.

次に、実施例1に係る電子放出素子2の具体的な作製方法について説明する。実施例1に係る電子放出素子2は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材4aをIIb型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ICPエッチング装置を用いて、高さ30μm、太さ6μm、のダイヤモンド突起部5を電子銃針として作製した。この場合のベース部4及びダイヤモンド突起部5の側面の面方位は(111)であり、この面に対しプラズマCVD法によってエピタキシャル膜6を成膜した。エピタキシャル膜6にはPがドープされた。本実施例1の電子放出素子2のSEM写真を図4に示す。結晶面が出ていることから、ダイヤモンド突起部5の全体にエピタキシャル膜6が形成されていることがわかる。ダイヤモンド突起部5とエピタキシャル膜6とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。   Next, a specific method for manufacturing the electron-emitting device 2 according to Example 1 will be described. The electron-emitting device 2 according to Example 1 was manufactured assuming that it is used for an electron gun. The diamond base material 4a was used as a base material containing IIb type diamond crystal, and an ICP etching apparatus was used to produce a diamond protrusion 5 having a height of 30 μm and a thickness of 6 μm as an electron gun needle. In this case, the surface orientation of the side surfaces of the base portion 4 and the diamond projection portion 5 is (111), and the epitaxial film 6 is formed on this surface by plasma CVD. The epitaxial film 6 was doped with P. A SEM photograph of the electron-emitting device 2 of Example 1 is shown in FIG. It can be seen from the crystal plane that the epitaxial film 6 is formed on the entire diamond protrusion 5. The diamond protrusion 5 and the epitaxial film 6 were shaped into a desired electron emission portion shape of the electron gun chip.

次に、実施例2に係る電子放出素子2の具体的な作製方法について説明する。実施例2に係る電子放出素子2は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材4aをIIb型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ICPエッチング装置を用いて、高さ30μm、太さ6μm、のダイヤモンド突起部5を電子銃針として作製した。この場合のベース部4及びダイヤモンド突起部5の側面の面方位は(111)であり、この面に対しプラズマCVD法によって、摂氏870度及び300W(ワット)の元で、Hガス、CHガス及びPHガスを導入し、5時間かけて2μmの膜厚のエピタキシャル膜6を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部5の全体がエピタキシャル膜6によってコーティングされた。エピタキシャル膜6にはPがドープされた。ダイヤモンド突起部5とエピタキシャル膜6とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏1000度、引き出し電圧3.5kVの元で、本実施例2の電子銃チップから100μAのエミッション電流が得られた。 Next, a specific method for manufacturing the electron-emitting device 2 according to Example 2 will be described. The electron-emitting device 2 according to Example 2 was manufactured assuming use in an electron gun. The diamond base material 4a was used as a base material containing IIb type diamond crystal, and an ICP etching apparatus was used to produce a diamond protrusion 5 having a height of 30 μm and a thickness of 6 μm as an electron gun needle. In this case, the surface orientation of the side surfaces of the base portion 4 and the diamond projection portion 5 is (111), and H 2 gas, CH 4 is applied to this surface by plasma CVD method at 870 degrees Celsius and 300 W (watts). Gas and PH 3 gas were introduced, and an epitaxial film 6 having a thickness of 2 μm was formed over 5 hours. At least the entire diamond protrusion 5 was coated with the epitaxial film 6. The epitaxial film 6 was doped with P. The diamond protrusion 5 and the epitaxial film 6 were shaped into a desired electron emission portion shape of the electron gun chip. An emission current of 100 μA was obtained from the electron gun chip of Example 2 at 1000 degrees Celsius and an extraction voltage of 3.5 kV.

次に、実施例3に係る電子放出素子2の具体的な作製方法について説明する。実施例3に係る電子放出素子2は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材4aをIIb型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ICPエッチング装置を用いて、高さ50μm、太さ8μm、のダイヤモンド突起部5を電子銃針として作製した。この場合のベース部4及びダイヤモンド突起部5の側面の面方位は(111)であり、この面に対しプラズマCVD法によって、摂氏870度及び300W(ワット)の元で、Hガス、CHガス及びPHガスを導入し、5時間かけて2μmの膜厚のエピタキシャル膜6を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部5の全体がエピタキシャル膜6によってコーティングされた。エピタキシャル膜6にはPがドープされた。ダイヤモンド突起部5とエピタキシャル膜6とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏1000度、引き出し電圧3.5kVの元で、本実施例3の電子銃チップから150μAのエミッション電流が得られた。 Next, a specific method for manufacturing the electron-emitting device 2 according to Example 3 will be described. The electron-emitting device 2 according to Example 3 was manufactured assuming that it is used for an electron gun. The diamond base material 4a was used as a base material containing IIb type diamond crystals, and a diamond protrusion 5 having a height of 50 μm and a thickness of 8 μm was prepared as an electron gun needle using an ICP etching apparatus. In this case, the surface orientation of the side surfaces of the base portion 4 and the diamond projection portion 5 is (111), and H 2 gas, CH 4 is applied to this surface by plasma CVD method at 870 degrees Celsius and 300 W (watts). Gas and PH 3 gas were introduced, and an epitaxial film 6 having a thickness of 2 μm was formed over 5 hours. At least the entire diamond protrusion 5 was coated with the epitaxial film 6. The epitaxial film 6 was doped with P. The diamond protrusion 5 and the epitaxial film 6 were shaped into a desired electron emission portion shape of the electron gun chip. An emission current of 150 μA was obtained from the electron gun chip of Example 3 at 1000 degrees Celsius and an extraction voltage of 3.5 kV.

次に、実施例4に係る電子放出素子2の具体的な作製方法について説明する。実施例4に係る電子放出素子2は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材4aをIb型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ICPエッチング装置を用いて、高さ30μm、太さ6μm、のダイヤモンド突起部5を電子銃針として作製した。この場合のベース部4及びダイヤモンド突起部5の側面の面方位は(111)であり、この面に対しプラズマCVD法によって、摂氏870度及び300W(ワット)の元で、Hガス、CHガス及びPHガスを導入し、5時間かけて2μmの膜厚のエピタキシャル膜6を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部5の全体がエピタキシャル膜6によってコーティングされた。エピタキシャル膜6にはPがドープされた。ダイヤモンド突起部5とエピタキシャル膜6とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏1000度、引き出し電圧3.5kVの元で、本実施例4の電子銃チップから100μAのエミッション電流が得られた。 Next, a specific method for manufacturing the electron-emitting device 2 according to Example 4 will be described. The electron-emitting device 2 according to Example 4 was manufactured assuming use in an electron gun. The diamond substrate 4a was used as a substrate containing an Ib type diamond crystal, and a diamond protrusion 5 having a height of 30 μm and a thickness of 6 μm was produced as an electron gun needle using an ICP etching apparatus. In this case, the surface orientation of the side surfaces of the base portion 4 and the diamond projection portion 5 is (111), and H 2 gas, CH 4 is applied to this surface by plasma CVD method at 870 degrees Celsius and 300 W (watts). Gas and PH 3 gas were introduced, and an epitaxial film 6 having a thickness of 2 μm was formed over 5 hours. At least the entire diamond protrusion 5 was coated with the epitaxial film 6. The epitaxial film 6 was doped with P. The diamond protrusion 5 and the epitaxial film 6 were shaped into a desired electron emission portion shape of the electron gun chip. An emission current of 100 μA was obtained from the electron gun chip of Example 4 at 1000 degrees Celsius and an extraction voltage of 3.5 kV.

次に、実施例5に係る電子放出素子2の具体的な作製方法について説明する。実施例5に係る電子放出素子2は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材4aをIIb型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ICPエッチング装置を用いて、高さ50μm、太さ8μm、のダイヤモンド突起部5を電子銃針として作製した。この場合のベース部4及びダイヤモンド突起部5の側面の面方位は(111)であり、この面に対しプラズマCVD法によって、摂氏870度及び300W(ワット)の元で、Hガス、CHガス及びPHガスを導入し、5時間かけて2μmの膜厚のエピタキシャル膜6を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部5の全体がエピタキシャル膜6によってコーティングされた。エピタキシャル膜6にはPがドープされた。ダイヤモンド突起部5とエピタキシャル膜6とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏1000度、引き出し電圧3.5kVの元で、本実施例5の電子銃チップから150μAのエミッション電流が得られた。 Next, a specific method for manufacturing the electron-emitting device 2 according to Example 5 will be described. The electron-emitting device 2 according to Example 5 was manufactured assuming use in an electron gun. The diamond base material 4a was used as a base material containing IIb type diamond crystals, and a diamond protrusion 5 having a height of 50 μm and a thickness of 8 μm was prepared as an electron gun needle using an ICP etching apparatus. In this case, the surface orientation of the side surfaces of the base portion 4 and the diamond projection portion 5 is (111), and H 2 gas, CH 4 is applied to this surface by plasma CVD method at 870 degrees Celsius and 300 W (watts). Gas and PH 3 gas were introduced, and an epitaxial film 6 having a thickness of 2 μm was formed over 5 hours. At least the entire diamond protrusion 5 was coated with the epitaxial film 6. The epitaxial film 6 was doped with P. The diamond protrusion 5 and the epitaxial film 6 were shaped into a desired electron emission portion shape of the electron gun chip. An emission current of 150 μA was obtained from the electron gun chip of Example 5 at 1000 degrees Celsius and an extraction voltage of 3.5 kV.

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

10…メサ形状部分、2…電子放出素子、4…ベース部、4a,4b…ダイヤモンド基材、5,5a,5b,5c,5d…ダイヤモンド突起部、6…エピタキシャル膜、6a,6b,6c,6d…ダイヤモンド膜、7…金属膜、8a,8b,8c…端面、9…マスク、P…電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Mesa shape part, 2 ... Electron emission element, 4 ... Base part, 4a, 4b ... Diamond base material, 5, 5a, 5b, 5c, 5d ... Diamond projection part, 6 ... Epitaxial film, 6a, 6b, 6c, 6d ... Diamond film, 7 ... Metal film, 8a, 8b, 8c ... End face, 9 ... Mask, P ... Electrode

Claims (12)

ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜と、前記エピタキシャル膜が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部とを備えた電子放出素子であって、
前記ダイヤモンド突起部は、100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する、ことを特徴とする電子放出素子。
An electron-emitting device comprising an epitaxial film including a diamond crystal and a diamond protrusion having a surface including a region where the epitaxial film is formed,
The diamond protrusion has a shape that can be accommodated in a cylinder having a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm.
前記エピタキシャル膜上に設けられた金属膜を更に備え、
前記金属膜は、前記エピタキシャル膜に接合されている、ことを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
A metal film provided on the epitaxial film;
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the metal film is bonded to the epitaxial film.
前記エピタキシャル膜は、Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有し、
前記エピタキシャル膜の前記n型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、
前記エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、0.10〜4.0eVである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出素子。
The epitaxial film contains an n-type dopant including one or more elements of Li, P, S, and N,
The concentration of the n-type dopant in the epitaxial film is 1 × 10 13 to 1 × 10 22 cm −3 ,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the activation energy of the epitaxial film is 0.10 to 4.0 eV.
前記エピタキシャル膜は、Bの元素を含むp型ドーパントを含有し、
前記エピタキシャル膜の前記p型ドーパントの濃度は、1×1013〜1×1022cm−3であり、
前記エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、0.30〜2.0eVである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出素子。
The epitaxial film contains a p-type dopant containing an element of B,
The concentration of the p-type dopant in the epitaxial film is 1 × 10 13 to 1 × 10 22 cm −3 ,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the activation energy of the epitaxial film is 0.30 to 2.0 eV.
前記エピタキシャル膜は、第1の層及び第2の層を含み、
前記第1の層は、Li、P、S、Nのうちの一又は複数の元素を含むn型ドーパントを含有し、
前記第2の層は、Bの元素を含むp型ドーパントを含有しており、
先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部の表面上に前記第1の層が形成され、且つ、この第1の層上に前記第2の層が形成されているか、又は、前記先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部の表面上に前記第2の層が形成され、且つ、この第2の層上に前記第1の層が形成されている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出素子。
The epitaxial film includes a first layer and a second layer,
The first layer contains an n-type dopant including one or more elements of Li, P, S, and N,
The second layer contains a p-type dopant containing an element of B,
The first layer is formed on the surface of the end of the diamond protrusion including the tip surface, and the second layer is formed on the first layer, or the tip surface is The second layer is formed on a surface of an end portion of the diamond protrusion including the first protrusion, and the first layer is formed on the second layer. 3. The electron-emitting device according to 2.
前記ダイヤモンド突起部は、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、前記先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の電子放出素子。   The said diamond projection part has the flat front end surface which can be accommodated in the square area | region of 1 micrometer on one side, and the side surface of an area larger than the area of the said front end surface. The electron-emitting device according to any one of 5. 前記先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部は階段状に先細る形状を有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか一項に記載の電子放出素子。   7. The electron-emitting device according to claim 1, wherein an end of the diamond protrusion including the tip surface has a stepped shape. 前記ダイヤモンド突起部の表面に含まれ前記エピタキシャル膜の形成されている領域の面方位は(111)、(112)又は(100)である、ことを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の電子放出素子。   8. The surface orientation of a region included in the surface of the diamond protrusion and where the epitaxial film is formed is (111), (112), or (100). An electron-emitting device according to claim 1. 前記ダイヤモンド突起部は、Ib型、IIa型及びIIb型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか一項に記載の電子放出素子。   9. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the diamond protrusion includes at least one type of diamond crystal of type Ib, IIa, and IIb. 前記ダイヤモンド突起部と一体のベース部を更に備え、
前記ダイヤモンド突起部は前記ベース部の一端に形成されている、ことを特徴とする請求項1〜請求項9の何れか一項に記載の電子放出素子。
Further comprising a base portion integral with the diamond protrusion,
The electron-emitting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the diamond protrusion is formed at one end of the base portion.
前記ベース部はヘテロエピタキシャル構造を有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項10の何れか一項に記載の電子放出素子。   The electron-emitting device according to any one of claims 1 to 10, wherein the base portion has a heteroepitaxial structure. 100μmの直径の底面と1000μmの高さとを有する円柱を包含可能な形状を有しておりIb型、IIa型又はIIb型の何れか一の型のダイヤモンド結晶を含むダイヤモンド基材の一端部を研磨しメサ形状とする工程と、
メサ形状となった前記ダイヤモンド基材の端部をエッチングすることによって、一辺が1μmの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と前記先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し前記円柱内に収容可能な形状を有するダイヤモンド突起部を形成する工程と、
前記ダイヤモンド突起部を形成した後に、n型又はp型のドーパントを含有するダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜をプラズマCVD法によって成膜する工程と、
を備える、ことを特徴とする電子放出素子の作製方法。
Polishing one end of a diamond substrate having a shape capable of including a cylinder having a bottom surface with a diameter of 100 μm and a height of 1000 μm and containing any one of diamond crystals of type Ib, IIa or IIb A process of forming a mesa shape;
By etching the end of the diamond base material having a mesa shape, a flat front end surface that can be accommodated in a square region having a side of 1 μm and a side surface having an area larger than the area of the front end surface Forming a diamond protrusion having a shape that can be accommodated in the cylinder; and
A step of forming an epitaxial film including a diamond crystal containing an n-type or p-type dopant by a plasma CVD method after forming the diamond protrusion;
A method for producing an electron-emitting device, comprising:
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