DE3856492T2

DE3856492T2 - Ein Elektronenemissionselement enthaltende Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE3856492T2
Application number: DE19883856492
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ichikawa; Tetsuya Kaneko; Masahiko Okunuki; Isamu Shimoda; Akira Suzuki; Toshihiko Takeda; Takeo Tsukamoto; Takao Yonehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-02-06
Filing date: 1988-02-04
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2008-02-05
Also published as: DE3856492D1; EP0278405A2; EP0713241B1; EP0713241A2; AU1134388A; DE3855482D1; EP0278405A3; DE3855482T2; AU631327B2; AU8774991A; EP0713241A3; EP0278405B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die Elektronenemissionselemente aufweist.
Heißkathodenelektronenemissionselemente sind häufig als herkömmliche Elektronenemissionsquellen verwendet worden. Eine Elektrodenemission unter Verwendung von Heißelektroden ist jedoch durch das Erhitzen mit einem hohen Energieverlust verbunden, so dass ein Vorerhitzen in unerwünschter Weise erforderlich ist.
Um diese Probleme zu lösen, sind diverse Kaltkathodenelektronenemissionselemente vorgeschlagen worden. Von diesen Elementen steht ein Feldeffektelektronenemissionselement zum Emittieren von Elektronen durch elektrische Feldemission zur Verfügung.
Ein typisches Beispiel eines Feldeffektelektronenemissionselementes ist in einer Teilschnittansicht in Fig. 1 dargestellt. Schritte zur Herstellung dieses Elektronenemissionselementes sind in den Fig. 2A-2D gezeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist jede konische Elektrode 19, die aus Mo (Molybdän) o. ä. hergestellt ist, auf einem Substrat 21, beispielsweise aus Silicium, ausgebildet. Eine Isolationsschicht 20, beispielsweise eine SiO&sub2; - Schicht, hat eine Öffnung. Diese Öffnung ist auf der Elektrode 19 zentriert. Eine Ableitelektrode 18, von der ein Teil in der Nähe des konischen Abschnittes ausgebildet ist, ist auf der Isolationsschicht vorgesehen.
Bei dem Elektronenemissionselement mit der vorstehend beschriebenen Struktur wird eine Spannung zwischen das Substrat 21 und die Elektrode 18 gelegt, und Elektronen werden vom konischen Abschnitt, der eine hohe Feldintensität besitzt, emittiert.
Das vorstehend beschriebene Elektronenemissionselement wird mit den folgenden Schritten hergestellt.
Wie in Fig. 2A gezeigt, wird die Isolationsschicht 20 als Oxidfilm (d. h. ein SiO&sub2; - Film) auf dem Substrat 21 aus beispielsweise Si ausgebildet. Die Mo - Schicht 18 wird durch Elektronenstrahlepitaxie ausgebildet, und ein Elektronenstrahlresist, wie PMMA (Polymethylmethacrylat) wird durch Schleuderbeschichtung auf der Mo - Schicht 18 angeordnet. Der Resistfilm wird mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und gemustert. Der Resist wird mit Isopropylalkohol o. ä. teilweise entfernt, so dass auf diese Weise die Mo - Schicht 18 selektiv geätzt und eine erste Öffnung 22 ausgebildet wird. Nachdem der Elektronenstrahlresist vollständig entfernt worden ist, wird Flußsäure verwendet, um die Isolationsschicht 22 zu ätzen und auf diese Weise eine zweite Öffnung 23 auszubilden.
Wie in Fig. 2B gezeigt, ist das Substrat 21 geringfügig um einen Winkel θ geneigt, während es um eine Achse X gedreht wird, und eine Al -Schicht 24 wird auf der Oberseite der Mo - Schicht 18 ausgebildet. In diesem Fall wird Aluminium auch auf der Seitenfläche der Mo - Schicht 18 abgeschieden. Durch Steuern der Abscheidungsrate von Aluminium kann der Durchmesser der ersten Öffnung 22 willkürlich verringert werden.
Wie in Fig. 2C gezeigt, wird Mo durch Elektronenstrahlepitaxie vertikal auf dem Substrat 21 abgeschieden. In diesem Fall wird Molybdän sowohl auf der Al - Schicht 24 und dem Substrat 21 als auch auf der Seitenfläche der Al - Schicht 24 abgeschieden. Der Durchmesser der ersten Öffnung 22 kann graduell reduziert werden, wenn die Abscheidung der Mo - Schicht fortschreitet. Wenn der Durchmesser der ersten Öffnung 22 reduziert wird, wird der Abscheidungsbereich des auf dem Substrat 21 abgeschiedenen Metalls (Mo) verringert. Daher wird eine im wesentlichen konische Elektrode 19 auf dem Substrat 21 ausgebildet.
Schließlich wird, wie in Fig. 2D gezeigt, durch Entfernen der abgeschiedenen Mo - Schicht 25 und der abgeschiedenen Al - Schicht 24 ein Elektronenemissionselement, das die im wesentlichen konische Elektrode 19 aufweist, hergestellt.
Eine Anzeigevorrichtung, die eine Vielzahl von Elektronenemissionselementen aufweist, ist aus der EP - A 0 172 089 bekannt. Die Elektronenemissionselemente umfassen Elektroden, die einen konischen Abschnitt, wie vorstehend beschrieben, und eine Ableitelektrode aufweisen, die auf einer Isolationsschicht ausgebildet ist, welche Öffnungen zur Aufnahme der konischen Abschnitte aufweist. Die von den konischen Abschnitten der Emissionselektroden emittierten Elektronen erregen eine Leuchteinheit, die so ausgebildet ist, dass sie den Elektroden mit ihren konischen Abschnitten gegenüberliegt, so dass auf diese Weise Bilder erzeugt werden.
Desweiteren betrifft die US - A 3 970 887 eine Elektronenemissionsvorrichtung, bei der Elektronenemissionselektroden Verwendung finden, die aus einem Einkristallmaterial bestehen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Anzeigevorrichtung zu schaffen, deren Elektronenemissionselektroden eine hohe dielektrische Durchschlagspannung aufweisen.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit einer Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht.
Ein wesentliches Merkmal der Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, dass die Elektronenemissionelektroden auf einer Abscheidungsfläche eines amorphen Substrates ausgebildet sind und dass die konischen Abschnitte der Elektronenemissionselektroden aus einem Einkristall bestehen.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Hiervon zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht eines Teiles eines herkömmlichen Feldeffektelektronenemissionselementes;
die Fig. 2A bis 2D schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Elementes;
die Fig. 4A bis 4D schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines Mehrfach - Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
die Fig. 5A bis 5C perspektivische Teilansichten der Fig. 4A, 4C, 4D;
die Fig. 6A bis 6E schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Mehrfach - Elektronenemissionselementes;
Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Mehrfachelektronenemissionselementes vom Matrixtyp;
die Fig. 8A und 8B Ansichten zur Darstellung einer selektiven Abscheidung;
Fig. 9 eine Darstellung, die Änderungen der Keimbildungsdichten der Abscheidungsflächen von SiO&sub2; und Siliciumnitrid in Abhängikeit von der Zeit zeigt;
die Fig. 10A bis 10C Ansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Ausbildung eines Einkristalls;
die Fig. 11A und 11B perspektivische Ansichten des Substrates in den Fig. 10A und 10C;
die Fig. 12A bis 12C Ansichten zur Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Einkristalls;
Fig. 13 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchsatzverhältnis von NH&sub3; zu SiH&sub4; und dem Zusammensetzungsverhältnis von Si zu N im ausgebildeten Siliciumnitridfilm;
Fig. 14 eine Darstellung des Si/N - Zusammensetzungsverhältnisses und der Keimbildungsdichte;
Fig. 15 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Si-Ionendotierungsmenge und der Keimbildungsdichte;
die Fig. 16A-16D schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 17 eine schematische Teilschnittansicht zur Darstellung des Schrittes zur Herstellung eines Emissionselementes gemäß den Fig. 16A-16D;
Fig. 18 eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung der Leitungsführung des vorstehend beschriebenen Elektronenemissionselementes;
die Fig. 19A-19F schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes;
Fig. 25 eine schematische Ansicht einer ersten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 26 einen äquivalenten Schaltplan der ersten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 27 eine schematische Ansicht einer zweiten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 28 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der zweiten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 29 eine schematische Ansicht einer dritten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 30 einen äquivalenten Schaltplan der dritten Elektronenemissionsvorrichtung im Elektronenemissionsbetrieb;
Fig. 31 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise der dritten Elektronenemissionsvorrichtung;
die Fig. 32A-32F schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 33 eine schematische Teilschnittansicht zur Darstellung des Schrittes zur Herstellung eines Elektronenemissionselementes gemäß den Fig. 32A-32F;
Fig. 34 eine schematische Teilschnittansicht zur Darstellung eines anderen Elektronenemissionselementes;
Fig. 35 eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung der Leitungsführung des vorstehend genannten Elektronenemissionselementes;
Fig. 36A eine schematische Ansicht eines anderen Elektronenemissionselementes;
Fig. 36B eine vergrößerte Teilansicht des a - Abschnittes in Fig. 36 A;
Fig. 37 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise dieses Elektronenemissionselementes;
Fig. 38 einen äquivalenten Schaltplan des Emissionsabschnittes eines Elementes bei einem Mehrfach - Elektronenemissionselement, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
die Fig. 39A + 39B Zeitdiagramme, die an in Matrixform angeordnete Elektroden gelegte Spannungen zeigen;
Fig. 40 eine schematische Schnittansicht einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 41A eine vergrößerte Teilansicht eines Elektronenemissionsabschnittes in Fig. 40 A;
Fig. 41B eine Draufsicht des Elektronenemissionsabschnittes der Fig. 40A;
Fig. 42 eine Ansicht, die den Zusammenbau des Elektronenemissionsabschnittes zeigt;
Fig. 43 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Elektronenemissionssteuerbetriebes durch eine Matrix von Verdrahtungsleitungen und Ableitelektroden;
Fig. 44 eine Ansicht zur Darstellung der Funktionsweise der in Fig. 40 gezeigten Anzeigevorrichtung;
Fig. 45 eine schematische Teilschnittansicht einer anderen Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 46 ein Energiebanddiagramm einer Metall - Halbleiter - Übergangszone;
Fig. 47 ein Energiebanddiagramm auf der Halbleiteroberfläche;
Fig. 48 eine schematische Teilschnittansicht zur Darstellung eines anderen Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 49 eine Ansicht zur Darstellung der Funktionsweise des in Fig. 48 gezeigten Elementes;
Fig. 50A ein Energiebanddiagramm in einem Gleichgewichtszustand des Elementes der Fig. 48; und
Fig. 50B ein Energiebanddiagramm, wenn das Element in Fig. 48 in Funktion ist.
Es werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichungen beschrieben.
Die Fig. 4A-4D sind schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines Mehrfach - Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Die Fig. 5A-5C sind perspektivische Teilansichten der Fig. 4A, 4C, 4D.
Wie in Figur A gezeigt, wird ein Oxidsubstrat 201 aus einem Isolationsmaterial, wie SiO&sub2;, durch Fotoätzen o. ä. gemustert, um eine Vielzahl von zylindrischen Ausnehmungen 202 auszubilden, die jeweils einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 100 um besitzen. Wie in Fig. 4A gezeigt, werden zwischen den Ausnehmungen 202 der entsprechenden Reihen Rillen ausgebildet.
Wie in Fig. 4B gezeigt, werden auf den Bodenflächen (Abscheidungsflächen) der Ausnehmungen 202 Keimbildungsbasen 203, wie aus Si oder Si&sub3;N&sub4;, ausgebildet.
Wie in Fig. 4C gezeigt, finden in den Keimbildungsbasen 203 ausgebildete Einzelkeime als Wachstumszentren für ein Einkristall, wie aus Mo, W oder Si, Verwendung, um auf diese Weise konische Elektroden 204 auszubilden, die jeweils eine gewünschte Größe und einen konischen Abschnitt besitzen. Wie in Fig. 5B gezeigt, werden die in jeder Reihe ausgerichteten Elektroden 204 gemeinsam über eine Verdrahtungsschicht 206 miteinander verbunden, die durch die entsprechende, im Oxidsubstrat 201 ausgebildete Rille vorgesehen wird. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls wird später im einzelnen beschrieben. Bei dieser Ausführungsform dienen die Bodenflächen der Ausnehmungen 202 des Oxidsubstrates 201 als Abscheidungsflächen, und die Seitenwandabschnitte der Ausnehmungen 202 bestehen aus einem Isolationselement. Das Isolationselement kann auf der Abscheidungsfläche in einem anderen Prozeß unter Verwendung des gleichen Materials wie dem der Abscheidungsfläche oder eines hiervon verschiedenen Materials ausgebildet werden.
Wie in den Fig. 4D und 5C gezeigt, wird schließlich eine Metallplatte 205, die als Ableitelektrode dient und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die durch Ätzen ausgebildet sind, so mit dem Oxidsubstrat 201 verklebt, dass die Mittelpunkte der Öffnungen jeweils zu den Mittelpunkten der Ausnehmungen 202 ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird ein Mehrfach - Elektronenemissionselement hergestellt.
Bei dem vorstehend beschriebenen und in Fig. 5C gezeigten Mehrfach - Elektronenemissionselement wird eine Spannung zwischen die Metallplatte 205 und die gewünschte Verdrahtungsschicht 206 gelegt, so dass das Potential der Metallplatte 205 höher ist als das der gewünschten Verdrahtungsschicht 206. Durch die konischen Abschnitte der entsprechenden Elektroden 204 wird hierdurch ein starkes elektrisches Feld erzeugt, wobei Elektronen von den konischen Abschnitten emittiert werden.
Wenn in dem vorstehend beschriebenen Mehrfach - Elektronenemissionselement die Metallplatte 205 in Streifen aufgeteilt wird, um eine Matrix mit den Elektrodenverdrahtungsschichten 206 zu bilden, kann ein Mehrfach - Elektronenemissionselement vom Matrixtyp hergestellt werden.
Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Mehrfach - Elektronenemissionselementes vom Matrixtyp.
Wie man Fig. 7 entnehmen kann, sind Metallplatten 205&sub1; bis 205&sub4; und Elektrodenverdrahtungsschichten 206&sub1; bis 206&sub4; in einer Matrixform angeordnet. Wenn eine Spannung zwischen gewünschte Metallplatten der Metallplatten 2051 bis 205&sub4; und gewünschte Elektrodenverdrahtungsschichten der Elektrodenverdrahtungsschichten 206&sub1; bis 206&sub4; gelegt wird, kann eine punktförmige, linienförmige oder flächenförmige Elektronenemissionsquelle erhalten werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des obigen Elementes wird die Elektrode 204 mit einem konischen Abschnitt auf dem Oxidsubstrat 201 ausgebildet. Es kann jedoch auch ein Oxidfilm 201a auf einem darunterliegenden Substrat ausgebildet werden, um das gleiche Elektronenemissionselement, wie vorstehend beschrieben, herzustellen. Bei der obigen Ausführungsform wird die Metallplatte 205 als Ableitelektrode mit dem Substrat verklebt. Die Ableitelektrode kann jedoch auch durch Abscheiden einer Metallschicht, wie einer Mo - Schicht, ausgebildet werden.
Die Fig. 6A bis 6E sind schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Mehrfach - Elektronenemissionselementes.
Wie in Fig. 6A gezeigt, wird ein Oxidfilm 201a, beispielsweise ein SiO&sub2;- Film, auf einem darunterliegenden Substrat 207, beispielsweise einem Si - Substrat, ausgebildet, und Ausnehmungen 202 werden in der gleichen Weise wie in Fig. 4A im Oxidfilm 201a vorgesehen.
Wie in den Fig. 6B und 6C gezeigt, werden Keimbildungsbasen 203 und Elektroden 204 mit konischen Abschnitten und einer gewünschten Größe in der gleichen Weise wie in den Fig. 4A und 4B ausgebildet.
Wie in Fig. 6D gezeigt, wird ein Resist in die Ausnehmungen 202 gefüllt, und eine Metallschicht 208, wie eine Mo - Schicht, wird auf dem Resist und dem Oxidsubstrat 201 ausgebildet. Ein Fotoresist 209 wird auf die Metallschicht 208 aufgebracht, belichtet und geätzt, um Öffnungen 210 auszubilden.
Schließlich wird, wie in Fig. 6E gezeigt, die Metallschicht 208 geätzt, um Öffnungen auszubilden, und das Resistmuster wird entfernt, um ein Mehrfach - Elektronenemissionselement herzustellen.
Wenn die Metallschicht 208 in Streifen unterteilt wird, um eine Matrixelektrodenstruktur in der gleichen Weise wie bei den in Fig. 7 gezeigten Metallplatten 205&sub1; bis 205&sub4; auszubilden, kann ein Mehrfach - Elektronenemissionselement vom Matrixtyp hergestellt werden.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Elektrode 204 mit dem konischen Abschnitt von Bedingungen festgelegt, die durch das Oxidsubstrat 201 (Oxidfilm 201a), das die Abscheidungsfläche bildet, die Keimbildungsbasen 203, das Material des Abscheidungsmaterials und die Abscheidungsbedingungen bestimmt werden. Die Größe des konischen Abschnittes kann unabhängig von den Größen der Ausnehmungen 202 und der Öffnungen 210 festgelegt werden, um auf diese Weise Dimensionsveränderungen zu verhindern, die durch Änderungen der Größen der Ausnehmungen 202 und der Öffnungen 210 verursacht werden. Die Position der Elektrode 204 mit dem konischen Abschnitt kann durch die Position der entsprechenden Keimbildungsbasis 203 bestimmt werden. Somit kann die Elektrode 204 mit einer hohen Genauigkeit an einer gewünschten Position ausgebildet werden. Folglich kann eine Vielzahl von Elektronenemissionspunkten des Mehrfach - Elektronenemissionselementes in feinen Abständen gleichmäßig ausgebildet werden.
Da das Einkristall unter Verwendung der Keimbildungsbasis als ein Zentrum (später beschrieben) in einfacher Weise ausgebildet werden kann, ist eine breite Materialauswahl zulässig, ohne dass die Kristallinität o. ä. zwischen dem Abscheidungsmaterial und der Abscheidungsfläche beachtet werden muss. Beispielsweise kann im Gegensatz zu dem herkömmlichen Fall, bei dem es schwierig ist, ein Einkristall auf einem Isolationssubstrat, wie einem amorphen Substrat, wachsen zu lassen, ein Einkristall auf dem Isolationssubstrat ausgebildet werden, so dass ein großer Elementenbereich sichergestellt werden kann. Daher ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung sehr effektiv, um Mehrfach - Elektronenemissionselemente herzustellen. Ferner können die Formen der konischen Abschnitte als Elektronenemissionsabschnitte in einheitlicher und scharfer Weise ausgebildet werden, so dass eine hohe Feldintensität erreicht wird. Daher können Schwankungen der anfänglichen Betriebsspannungen verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann weiter verbessert werden.
Wie in Fig. 6 gezeigt, kann die Abscheidungsfläche auf einem darunterliegenden Substrat aus einem gewünschten Material ausgebildet werden. Beispielsweise wird eine Abscheidungsfläche auf einem Substrat mit einer hohen Wärmevernichtungseffizienz ausgebildet, so dass die Zuverlässigkeit der Schaltung stark verbessert werden kann.
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist es einfach, eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt unter Verwendung eines Einkristalles herzustellen. Die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden. Der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt kann an die Kristalloberfläche einer vorgegebenen Struktur angepaßt werden, um den Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz zu verbessern. Gleichzeitig kann eine Vielzahl von Elektroden, die jeweils mit einem konischen Abschnitt versehen sind, auf der Abscheidungsfläche des Isolationsmateriales ausgebildet werden, wodurch die elektrische Isolation verbessert wird. Daher können gegenseitige Beeinflussungen von benachbarten Elektroden vermieden werden.
Es wird nunmehr ein Verfahren zum Wachsenlassen des Einkristalls auf einer Abscheidungsfläche beschrieben.
Hiernach wird ein Verfahren zum selektiven Abscheiden eines Filmes auf der Abscheidungsfläche erläutert. Bei dem Verfahren zur selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung von Differenzen von Faktoren zwischen den Materialien, die die Keimbildung bestimmen. Diese Faktoren sind die Oberflächenenergie, Abscheidungskoeffizienten, Eliminationskoeffizienten, Oberflächendiffusionsraten u. ä., die alle zum Dünnfilmherstellungsverfahren gehören.
Die Fig. 8A und 8B sind Ansichten zur Darstellung der selektiven Abscheidung.
Wie in Fig. 8A gezeigt, wird ein Dünnfilm 212, der andere Faktoren als ein Substrat 211 besitzt, auf dem Substrat auf einem gewünschten Abschnitt desselben ausgebildet. Wenn die Abscheidung eines Dünnfilmes aus einem geeigneten Material unter geeigneten Abscheidungsbedingungen durchgeführt wird, wird ein Dünnfilm 213 nur auf dem Dünnfilm 212 ausgebildet, wie in Fig. 8B gezeigt, jedoch nicht auf anderen Bereichen des Substrates 212. Unter Ausnutzung dieses Phänomens kann der Dünnfilm 213 in selbstausrichtender Weise wachsen. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Prozeß kann auf Fotolithografietechniken unter Verwendung eines Resistes verzichtet werden.
Die Materialien, die einer selektiven Abscheidung unterzogen werden, sind SiO&sub2; zur Ausbildung des Substrates 211, Si, GaAs oder Siliciumnitrid zur Ausbildung des Dünnfilmes 212 und Si, W, GaAs oder InP zur Ausbildung des Dünnfilmes 213.
Fig. 9 ist eine Darstellung, die Änderungen in den Keimbildungsdichten und den Abscheidungsbereichen von SiO&sub2; und Siliciumnitrid in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
Wie aus der obigen Darstellung deutlich wird, ist die Keimbildungsdichte auf SiO&sub2; unmittelbar nach der Abscheidung unter 10³ cm² gesättigt und wird nach zwanzig Minuten im wesentlichen unverändert gehalten.
Die Keimbildungsdichte auf Silciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) ist jedoch zeitweise bei 4 · 10&sup5; cm&supmin;² gesättigt und verändert sich innerhalb von zehn Minuten nicht. Danach steigt jedoch die Keimbildungsdichte schnell an. Bei dieser Messung wurden die Filme durch CVD bei einem Druck von 175 Torr(23275 Pa)und einer
Temperatur von 1000ºC in einer Atmosphäre abgeschieden, die mit H&sub2;- Gas verdünntes SiCl&sub4;- Gas enthielt. Ferner können SiH&sub4;, SiH&sub2;Cl&sub2;, SiHCl&sub3; oder SiF&sub4; - Gas als Reaktionsgas verwendet werden, und der Druck, die Temperatur u. ä. können so gesteuert werden, dass die gleichen Effekte wie vorstehend beschrieben erhalten werden. Die obige Abscheidung kann auch durch Vakuumabscheidung realisiert werden.
In diesem Fall wird ein Keim auf SiO&sub2; ohne Probleme ausgebildet. Durch Zusetzen von HCl - Gas zum Reaktionsgas wird die Keimbildung auf SiO&sub2; weiter unterdrückt, um eine Ausbildung von SiO&sub2; aus Si zu verhindern.
Das obige Phänomen hängt von Unterschieden zwischen den Absorptionskoeffizienten, den Eliminationskoeffizienten und den Oberflächendiffusionskoeffizienten von Si und denen von SiO&sub2; und Siliciumnitrid ab. Si - Atome reagieren mit SiO&sub2;, so dass Siliciummonoxid (SiO) erzeugt wird, das einen hohen Dampfdruck besitzt. SiO&sub2; selbst wird durch Siliciummonoxid weggeätzt. Ein solches Ätzphänomen tritt nicht auf Siliciumnitrid auf (T. Yonehara, S. Yoshioka und S. Miyazawa, Journal of Applied Physics 53, 6839, 1982).
Wenn als Materialien für die Abscheidungsfläche SiO&sub2; und Siliciumnitrid und als Abscheidungsmaterial Silicium ausgwählt werden, kann eine ausreichend hohe Keimbildungsdichtedifferenz erhalten werden, wie in der Darstellung der Fig. 9 gezeigt. SiO&sub2; wird als Material für die Abscheidungsfläche bevorzugt. Selbst wenn jedoch SiOx verwendet wird, kann eine zufriedenstellende Keimbildungsdichtedifferenz erhalten werden.
Die Materialien sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Materialien beschränkt. Die ausreichende Keimbildungsdichtedifferenz ist 102 mal oder mehr so groß wie die Keimbildungsdichte, wie aus Fig. 9 hervorgeht. Materialien, die später im einzelnen beschrieben werden, können verwendet werden, um in zufriedenstellender Weise Abscheidungsfilme herzustellen.
Ein anderes Verfahren zum Erhalten der obigen Keimbildungsdichtedifferenz besteht darin, einen Bereich auszubilden, der eine überschüssige Menge an Si und N enthält, indem eine örtliche Ionenimplantation von Si und N auf SiO&sub2; durchgeführt wird.
Bei Durchführung des obigen selektiven Abscheidungsverfahrens und bei Herstellung eines ausreichend feinen heterogenen Materialmusters mit einer ausreichend hohen Keimbildungsdichte, die höher ist als die des Materials der Abscheidungsfläche, um nur das Wachstum des einzelnen Keimes zu ermöglichen, kann man ein Einkristall an einer Stelle wachsen lassen, an der das feine heterogene Materialmuster vorhanden ist.
Da das selektive Wachstum des Einkristalls durch den Elektronenzustand auf der Abscheidungsfläche bestimmt wird, insbesondere durch den Zustand der freien Bindungen, muss ein Material mit einer niedrigen Keimbildungsdichte (d. h. SiO&sub2;) kein voluminöses Material sein, sondern kann auf jedem beliebigen Material oder Substrat ausgebildet werden und auf diese Weise nur die Abscheidungsfläche bilden.
Die Fig. 10A-10C sind Ansichten, die ein Verfahren zur Ausbildung eines Einkristalls zeigen, während die Fig. 11A und 11B perspektivische Ansichten des Substrates der Fig. 10A und 10B sind.
Wie in den Fig. 10A und 11A gezeigt, wird ein Dünnfilm 215 mit einer niedrigen Keimbildungsdichte, so dass er eine selektive Abscheidung ermöglicht, auf einem Substrat 214 ausgebildet, und ein heterogenes Material mit einer hohen Keimbildungsdichte wird auf dem Dünnfilm 215 ausgebildet. Diese Filme werden durch Fotolithografie gemustert, um ein Muster 216 aus dem heterogenen Material zu erhalten. Die Größe und die Kristallstruktur des Substrates 214 können willkürlich festgelegt werden. Es kann auch ein Substrat mit aktiven Elementen Verwendung finden. Das Muster 216 aus dem heterogenen Material umfaßt einen denaturierten Bereich, der einen Überschuß an Si und N enthält und durch Ionenimplantation von Si und N in den Dünnfilm 215 erhalten worden ist.
Ein einziger Keim eines Dünnfilmmaterials wird gemäß den geeigneten Abscheidungsbedingungen nur im Muster 216 aus dem heterogenen Material ausgebildet. Dieses Muster 216 aus dem heterogenen Material muß ein ausreichendes Mikromuster sein, um das Wachstum von nur einem einzigen Keim zu ermöglichen. Die Größe des Musters 216 aus dem heterogenen Material ist geringer als einige um, je nach den Arten der Materialien. Der Keim hält die Einkristallstruktur aufrecht und ist als Einkristallinsel 217 gewachsen. Um die Insel 217 zu erhalten, müssen die Bedingungen zur Vermeidung einer Keimbildung auf dem Dünnfilm 215 festgelegt sein.
Die Einkristallinsel 217 wächst weiter mit dem Muster 216 aus dem heterogenen Material als ihrem Zentrum, während die Einkristallstruktur aufrechterhalten wird. Wie in Fig. 11C gezeigt, wird ein Einkristallkonus 217a erhalten.
Da der Dünnfilm 215 als Material der Abscheidungsfläche auf dem Substrat 214 ausgebildet wird, kann das Substrat 214 als Trägertarget aus irgendeinem Material gebildet werden. Selbst wenn das Substrat 214 aktive Elemente u. ä. aufweist, kann darauf ein Einkristall in einfacher Weise ausgebildet werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird das Material für die Abscheidungsfläche als Dünnfilm 215 ausgebildet. Es kann jedoch auch ein Substrat aus einem Material mit einer niedrigen Keimbildungsdichte, das eine selektive Abscheidung ermöglicht, ohne Modifikation verwendet werden, und es kann ein Einkristall in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet werden.
Die Fig. 12A-12C sind Ansichten zur Darstellung eines weiteren Verfahrens zur Ausbildung eines Einkristalls.
Wie in den Fig. 12A-12C gezeigt, wird ein heterogenes Material 216 aus einem Substrat 215 eines Materiales mit einer ausreichend niedrigen Keimbildungsdichte, das eine selektive Abscheidung ermöglicht, mikrogemustert. Ein Einkristall kann in der gleichen Weise wie in Fig. 9 ausgebildet werden.

(Beispiel)

Es wird nunmehr ein praktisches Verfahren zur Ausbildung eines Einkristalls beschrieben.
SiO&sub2; wird als Abscheidungsflächenmaterial für einen Dünnfilm 215 verwendet. In diesem Fall kann ein Quarzsubstrat verwendet werden. Alternativ dazu kann ein SiO&sub2; - Film auf einem Substrat aus einem Metall, einem Halbleiter, einem magnetischen Material, einem piezoelektrischen Material oder einem Isolationsmaterial durch Sputtern, CVD oder Vakuumabscheidung ausgebildet werden. SiO&sub2; wird als Abscheidungsflächenmaterial bevorzugt. Es kann jedoch auch SiOx verwendet werden, wobei x variabel ist.
Eine Siliciumnitridschicht (Si&sub3;N&sub4; - Schicht) oder eine polykristalline Siliciumschicht als heterogenes Material wird durch Niedrigdruck - Epitaxie auf der SiO&sub2; - Schicht 215 abgeschieden. Die Siliciumnitridschicht oder die polykristalline Siliciumschicht wird mit einer herkömmlichen Fotolithografietechnik oder einer Fotolithografietechnik unter Verwendung von Röntgenstrahlen, einem Elektronenstrahl oder einem Ionenstrahl gemustert, um auf diese Weise ein Mikromuster 216 aus einem heterogenen Material zu erhalten, das eine Größe von einigen um oder weniger und vorzugsweise von etwa 1 um oder weniger besitzt.
Danach wird durch Verwendung eines Gasgemisches aus HCl, H&sub2; und SiH&sub2;Cl&sub2;, SiCl&sub4;, SiHCl&sub3;, SiF&sub4; oder SiH&sub4; Si selektiv auf dem Substrat 214 wachsen gelassen. In diesem Fall beträgt diese Substrattemperatur 700º - 1100ºC, während der Druck etwa 100 Torr (13.300 Pa) beträgt.
Innerhalb einer Zeitdauer zwischen zehn Minuten und zwanzig Minuten ist das Einkristall Si 217 gewachsen, wobei als dessen Zentrum das Mikromuster 216 aus dem heterogenen Material, nämlich Silciumnitrid oder polykristallines Silicium, verwendet wurde. Durch Einstellen von optimalen Wachstumsbedingungen wird die Größe des Si 217 von der Größe des heterogenen Materials bis auf einige 10 um des Einkristalls 217a erhöht.

(Zusammensetzung von Siliciumnitrid)

Um eine ausreichend hohe Keimbildungsdichtedifferenz zwischen dem Material der Abscheidungsfläche und dem heterogenen Material zu erhalten, wie vorstehend beschrieben, ist das Material nicht auf Si&sub3;N&sub4; beschränkt. Vielmehr kann die Zusammensetzung von Siliciumnitrid auch verändert werden.
Im Plasma - CVD, bei dem SiH&sub4; - Gas und NH&sub3; - Gase in einem HF - Plasma zersetzt werden, um einen Siliciumnitridfilm bei niedriger Temperatur zu erhalten, wird das Durchsatzverhältnis zwischen dem NH&sub3; - Gas und dem SiH&sub4; - Gas verändert, um das Zusammensetzungsverhältnis von Si und N im Siliciumnitridfilm, der abgeschieden werden soll, stark zu verändern.
Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Si/N - Zusammensetzungsverhältnis und dem NH&sub3;/SiH&sub4; - Durchsatzverhältnis.
Die Abscheidungsbedingungen für die Darstellung der Fig. 13 waren wie folgt: Die HF - Leistung betrug 175 W, die Substrattemperatur betrug 380ºC, und der SiH&sub4; - Gas - Durchsatz wurde auf 300 cm³/ min fixiert, während der NH&sub3; - Gas - Durchsatz verändert wurde. Als das NH&sub3;/SiH&sub4; - Gasdurchsatzverhältnis auf 4-10 verändert wurde, veränderte sich die Si/N Zusammensetzung im Siliciumnitridfilm auf 1,1 - 0,58 gemäß Auger -Elektrospektroskopie.
Die Zusammensetzung des Siliciumnitridfilmes, der unter den Bedingungen ausgebildet wurde, dass die SiH&sub2;Cl&sub2; - und NH&sub3; - Gase bei einem niedrigen Druck von 0,3 Torr (39,9 Pa)bei einer Temperatur von etwa 800ºC eingesetzt wurden, entsprach der von Si&sub3;N&sub4; (S1/N = 0,75) als stöchiometrisches Verhältnis.
Ein durch Erhitzen von Si in Ammoniak oder N&sub2; bei einer Temperatur von etwa 1.200ºC hergestellter Siliciumnitridfilm (thermische Nitrifikation) besitzt eine Zusammensetzung, die dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, da die Filmausbildung in einem thermischen Gleichgewichtszustand durchgeführt wird.
Wenn der Si - Keim durch Verwendung von Siliciumnitrid als Abscheidungsflächenmaterial mit einer höheren Keimbildungsdichte als der von Si wachsen gelassen wird, tritt eine Keimbildungsdichtedifferenz infolge des Zusammensetzungsverhältnisses auf.
Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Si/N - Zusammensetzungsverhältnis und der Keimbildungsdichte. Wie aus dieser Darstellung deutlich wird, wird die auf dem Siliciumnitridfilm gewachsene Si - Keimbildungsdichte stark verändert, wenn die Zusammensetzung des Siliciumnitridfilmes verändert wird. In diesem Fall sind die Keimbildungsbedingungen so, dass der Druck des SiCl&sub4; - Gases auf 175 Torr (23275 Pa)reduziert und SiCl&sub4; bei 1.000ºC mit H&sub2; zur Reaktion gebracht wurde, um auf diese Weise Si zu erzeugen.
Das Phänomen, gemäß dem die Keimbildungsdichte durch die Siliciumnitridzusammensetzung verändert wird, beeinflußt stark die Mustergröße des Siliciumnitrides als Muster aus dem heterogenen Material, das ausreichend fein ausgebildet wird, um das Wachstum des einzelnen Keimes zu ermöglichen. Somit kann kein einzelner Keim ausgebildet werden, wenn nicht Siliciumnitrid mit einer Zusammensetzung für eine hohe Keimbildungsdichte fein gemustert wird.
Die Keimbildungsdichte und die optimale Siliciummustergröße zur Selektion des einzigen Keimes müssen selektiert werden. Bei Abscheidungsbedingungen zum Erhalt einer Keimbildungsdichte von beispielsweise 10&sup5; cm&supmin;² wird die Selektion eines einzigen Keimes durch eine Silciumnitridgröße von 4 um oder weniger ermöglicht.

(Ausbildung des heterogenen Materials durch Ionenimplantation)

Um eine große Keimbildungsdifferenz für Si zu erhalten, können N-, P-, B-, F-, Ar-, He-, C-, As-, Ga- und Ge- Ionen o. ä. örtlich auf der Oberfläche der Schichten aus SiO&sub2; als Abscheidungsflächenmaterial mit einer niedrigen Keimbildungsdichte implantiert werden, um einen denaturierten Bereich auf der SiO&sub2; - Abscheidungsfläche auszubilden. Dieser denaturierte Bereich kann als Abscheidungsflächenmaterial mit einer hohen Keimbildungsdichte dienen.
Beispielsweise wird ein Resist auf der Oberfläche der SiO&sub2; - Schicht ausgebildet und mit einem gewünschten Maskenmuster belichtet, entwickelt und gelöst, um die Oberfläche der SiO&sub2; - Schicht teilweise freizulegen.
Danach wird SiF&sub4; - Gas als Quellengas verwendet, und Si - Ionen werden in SiO&sub2; mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; - 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;² sowie einer Beschleunigungsspannung von 10keV implantiert. Der Projektionsbereich beträgt 114 Å (1,14 · 10&supmin;&sup8; m). Die Konzentration von Si erreicht 10²² cm³ auf der Oberfläche der SiO&sub2; - Schicht. Der mit Ionen dotierte Bereich ist amorph.
Um einen denaturierten Bereich auszubilden, können Ionen unter Verwendung eines Resistes als Maske implantiert werden. Unter Verwendung der mit einem fokussierten Ionenstrahl arbeitenden Technik kann ein fokussierter Si-Ionenstrahl auf die Oberfläche der SiO&sub2; - Schicht treffen, ohne dass eine Resist - Maske verwendet wird.
Nach Beendigung der Ionenimplantation wird das Resistmuster entfernt, um einen denaturierten Bereich zu bilden, der eine überschüssige Menge an Si auf der SiO&sub2; - Fläche enthält. Man läßt dann Si epitaxial auf der SiO&sub2; - Abscheidungsfläche mit dem denaturierten Bereich wachsen.
Fig. 15 zeigt die Injektionsmenge der Si-Ionen und die Keimbildungsdichte.
Wie man Fig. 15 entnehmen kann, steigt die Keimbildungsdichte an, wenn die Injektionsmenge von Si&spplus; entsprechend ansteigt.
Durch Ausbildung des ausreichend feinen denaturierten Bereiches kann der denaturierte Bereich als heterogenes Material dienen, um das Wachstum eines einzelnen Keimes zu ermöglichen. Folglich kann man ein Einkristall wachsen lassen, wie vorstehend beschrieben.
Die Ausbildung des ausreichend feinen denaturierten Bereiches, d. h. die Ausbildung des Mikromusters, kann mit einem Resistmuster oder einem fokussierten Ionenstrahlpunkt erreicht werden.

(Si - Abscheidungsverfahren ausschließlich CVD)

Zusätzlich zum CVD zur Ausbildung eines Einkristalls unter Ausnutzung der Si - Keimbildung kann auch ein anderes Verfahren Verwendung finden, bei dem Si durch eine Elektronenkanone im Vakuum (< 10&supmin;&sup6; Torr) (1,33 · 10&supmin;&sup4; Pa) verdampft und auf einem erhitzten Substrat abgeschieden wird. Speziell bei der MBE (Molekularstrahlepitaxie)zur Abscheidung von Si in einem hohen Vakuum (< 10&supmin;&sup9; Torr) (1,33 · 10&supmin;&sup7; Pa) läßt man den Si - Ionenstrahl mit SiO&sub2; bei einer Substrattemperatur von 900ºC reagieren, und es bildet sich kein Si - Keim auf SiO&sub2; aus (T. Yonehara, S. Yoshiok und S. Miyazawa, Journal of Applied Physics, 53, 10, 5.6839, 1983) Einzelne Si - Keime wurden perfekt und selektiv in Siliciumnitridmikromustern ausgebildet, die auf SiO&sub2; verstreut waren, indem das obige Phänomen ausgenutzt wurde. Dabei wuchs ein Einkristall aus Si. In diesem Fall waren die Abscheidungsbedingungen wie folgt: Der Unterdruck betrug 10&supmin;&sup8; Torr (1,33 · 10&supmin;&sup6; Pa) oder weniger, die Si - Strahlintensität betrug 9,7 · 10¹&sup4; Atome/cm²·sec, und die Substrattemperatur betrug 900ºC-1000ºC.
In diesem Fall wird ein Reaktionsprodukt, wie SiO mit einem sehr hohen Dampfdruck, durch die Reaktion SiO&sub2; + Si → 2SiO↑ erhalten. SiO&sub2; selbst wird durch Si durch diese Verdampfung ausgeätzt.
Auf Siliciumnitrid tritt jedoch kein Ätzphänomen auf, und es können die Keimbildung und die Abscheidung vonstatten gehen.
Zusätzlich zu Siliciumnitrid als Abscheidungsflächenmaterial mit einer hohen Keimbildungsdichte können Tantaloxid (Ta&sub2;O&sub5;), Siliciumnitrid - Oxid (S1ON) o. ä. engesetzt werden, um den gleichen Effekt wie vorstehend beschrieben zu erhalten. Diese Materialien können fein ausgebildet werden und als heterogenes Material dienen, so dass ein Einkristall unter Verwendung des heterogenes Materials als dessen Zentrum wachsen gelassen werden kann.

(Wachstum des Wolfram - Einkristalls)

Wolfram wird anstelle von Si verwendet.
Eine Wolfram - Keimbildung tritt nicht auf SiO&sub2; auf. Wolfram kann jedoch als polykristalliner Film auf Si, WSi&sub2;, PtSi, Al o. ä. abgeschieden werden. Gemäß dem Verfahren zur Ausbildung eines Einkristalls nach der vorliegenden Erfindung kann man das Einkristall in einfacher Weise wachsen lassen.
Genauer gesagt, Si, WSi&sub2;, PtSi oder Al werden auf Glas, Quarz oder einem thermischen Oxidfilm, der SiO&sub2; als Hauptbestandteil enthält, im Vakuum abgeschieden und durch Fotolithografie gemustert, um ein Mikromuster mit einer Größe von einigen um oder weniger zu erhalten.
Danach wird die entstandene Struktur in einen Reaktionsofen eingebracht, der auf 250º-500ºC erhitzt ist. Ein Gasgemisch aus WF&sub6; und H&sub2; wird im Ofen unter einem Druck von etwa 0,1-10 Torr (13,3-1.330 Pa) zugeführt. In diesem Fall betragen der Durchsatz von WF&sub6; 75 cm³/min und der Durchsatz von H&sub2; 10 cm³/min.
Wolfram wird nach der Reaktionsformel WF&sub6; + 3H&sub2; → W + 6HF hergestellt. In diesem Fall reagiert Wolfram kaum mit SiO&sub2;, und es entstehen dazwischen keine starken Bindungen. Daher tritt keine Keimbildung und somit auch keine Filmabscheidung auf.
Ein Wolframkeim wird auf Si, WSi&sub2; PtSi oder Al ausgebildet. In diesem Fall werden nur einzelne Wolframkeime ausgebildet. Ein solcher Keim wächst kontinuierlich auf SiO&sub2; in lateraler Richtung zu einem Einkristallbereich, da Wolfram keinem Keimwachstum unterzogen wird und nicht als Mehrfachkristall wachsen kann.
Kombinationen der Abscheidungsflächenmaterialien, heterogenen Materialien und Abscheidungsmaterialien sind nicht auf die der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es kann jede beliebige Kombination Anwendung finden, wenn eine ausreichend hohe Keimbildungsdichtedifferenz erhalten werden kann. Ein Einkristall kann in dem Fall ausgebildet werden, wenn eine Halbleiterverbindung, wie GaAs oder InP, einer selektiven Abscheidung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen wird.
Bei dem Mehrfach - Elektronenemissionselement gemäß der vorstehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsform wird die Vielzahl der Elektroden, die jeweils einen auf der Abscheidungsfläche ausgebildeteten konischen Abschnitt besitzen, aus einem Einkristall hergestellt. Somit kann die Leitfähigkeit der Elektroden mit dem konischen Abschnitt verbessert werden. Der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt wird an die Kristalloberfläche mit einer vorgegebenen Struktur angepaßt, wodurch der Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden können. Ferner wird die Vielzahl der Elektroden, die jeweils einen konischen Abschnitt aufweisen, auf der Abscheidungsfläche ausgebildet, die aus einem Isolationsmaterial besteht, so dass die elektrische Isolation verbessert und eine gegenseitige Beeinflussung zwischen benachbarten Elektroden verhindert werden kann.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Mehrfach - Elektronenemissionselementes kann das Einkristall auf einem Material abgeschieden werden, das in herkömmlicher Weise infolge von Kristallinität o. ä. das Wachstum eines Einkristalls nicht ermöglicht. Somit kann der Auswahlbereich der Einkristallmaterialien stark erweitert werden, und es kann eine große Fläche eines Einkristalls erhalten werden. Desweiteren können die Formen der Elektronenemissionsabschnitte gleichmäßig und scharf ausgebildet sein, um eine höhere Feldintensität zu erhalten. Schwankungen der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann weiter verbessert werden.
Desweiteren kann die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des feinen Musters aus dem heterogenen Material festgelegt und willkürlich bestimmt werden. Ferner können die Formen der Vielzahl der Elektroden, die jeweils mit dem konischen Abschnitt versehen sind, durch solche Bedingungen, wie die zum Aufbau verwendeten Materialien und die Abscheidungsbedingungen, festgelegt werden. Die Größe der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann einfach gesteuert werden, und die Dimensionsschwankungen können minimiert werden. Folglich kann die Vielzahl der Elektronenemissionspunkte der Mehrfach - Elektronenemissionselemente einheitlich mit gleichen Abständen ausgebildet werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann die Abscheidungsfläche auf einem darunterliegenden Substrat aus einem gewünschten Material hergestellt werden, so dass auf diese Weise die Zuverlässigkeit des Elementes verbessert wird.
Die Fig. 16A-16D sind schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Wie in Fig. 16A gezeigt, wird ein Oxidsubstrat 301 aus SiO&sub2; als amorphes Isolationsmaterial fotogeätzt, um eine Ausnehmung 302 auszubilden.
Wie in Fig. 16B gezeigt, ist ein Einkristall aus Mo, W, Si o. ä. mit einem einzigen Keim als seinem Zentrum in einer Keimbildungsbasis 303 aus Si, Si&sub3;N&sub4; o. ä. auf der Bodenfläche (d. h. einer Abscheidungsfläche) der Ausnehmung 302 gewachsen. Eine Elektrode 4 mit einem konischen Abschnitt mit einer gewünschten Form wird ausgebildet. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls wird später beschrieben. Bei dieser Ausführungsform dient die Bodenfläche der Ausnehmung 302 des Oxidsubstrates 301 als Abscheidungsfläche, während die Seitenwandfläche der Ausnehmung 302 als Isolationselement dient. Das Isolationselement kann auf der Abscheidungsfläche in einem separaten Prozess unter Verwendung des gleichen Materials wie bei der Abscheidungsfläche oder eines hiervon verschiedenen Materials ausgebildet werden.
Wie in Fig. 16C gezeigt, wird ein Resist in die Ausnehmung 302 gefüllt, und eine Metallschicht 305, wie eine Mo - Schicht, wird auf dem Resist und dem Oxidsubstrat 1 ausgebildet. Desweiteren wird ein Fotoresist 306 auf die Metallschicht 305 aufgebracht, mit Licht belichtet und in diesem Fotoätzprozess geätzt, um auf diese Weise eine Öffnung 307 auszubilden.
Schließlich wird, wie in Fig. 16D gezeigt, durch Ätzen eine Öffnung in der Metallschicht 305 ausgebildet, und es wird eine Metallschicht 305, die als Ableitelektrode dient, hergestellt. Das Resistmuster wird entfernt, so dass auf diese Weise ein Elektronenemissionselement hergestellt wird.
Bei dem obigen Verfahren wird die Elektrode mit dem konischen Abschnitt auf dem Oxidsubstrat 301 ausgebildet. Es kann jedoch auch ein Oxidfilm 301a auf einem darunterliegenden Substrat ausgebildet werden, um ein Elektronenemissionselement in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben herzustellen.
Fig. 17 ist eine schematische Teilschnittansicht eines Elektronenemissionselemenstes gemäß den Fig. 16A-16 D.
Wie in Fig. 17 gezeigt, wird ein Oxidfilm 301a auf einem darunter befindlichen Substrat 308 aus Si ausgebildet, und eine Ausnehmung 302 wird im Oxidfilm 301a hergestellt, um auf diese Weise das Elektronenemissionselement auf dem darunterliegenden Si - Substrat vorzusehen. Die nachfolgenden Schritte sind die gleichen wie bei den Fig. 16B-16D, wobei auf eine Beschreibung hiervon verzichtet wird.
Fig. 18 ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Leitungsmusters des in den Fig. 16A- 17 gezeigten Elektronenemissionselementes.
Wie in Fig. 18 gezeigt, wird in den gemäß den Fig. 16A -17 hergestellten Elektronenemissionselementen eine Anschlußklemme so ausgebildet, dass eine Elektrode 304 mit einem konischen Abschnitt auf der Bodenfläche der Ausnehmung 302, eine Rille im Oxidsubstrat 301 oder einem Oxidfilm 301a und eine Leitungsschicht 309 in der Rille ausgebildet werden. Die Anschlußklemme wird an die Elektrode 304 mit dem konischen Abschnitt angeschlossen. Von einer Stromquelle 310 wird eine Spannung an den Übergangsbereich zwischen der Leitungsschicht 309 und der Metallschicht 305 gelegt, um eine Elektronenemission zu bewirken. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Metallschicht, wie eine Mo - Schicht, als Ableitelektrode während des Prozesses ausgebildet. Es kann jedoch auch eine Metallplatte mit einer Öffnung mit dem Oxidsubstrat 301 oder dem Oxidfilm 301a nach Ausbildung der Rille verklebt werden.
Bei dem in den Fig. 16A-17 beschriebenen Verfahren wird die Elektrode 304 mit dem konischen Abschnitt durch solche Bedingungen festgelegt, wie das Oxidsubstrat 301 (Oxidfilm 301a), das die Abscheidungsfläche bildet, die Keimbildungsbasis 303, das Material der Abscheidung und die Abscheidungsbedingungen. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann unabhängig von den Größen der Ausnehmung 302 und der Öffnung 307 ausgebildet werden. Daher können Schwankungen in der Elektrodengröße verhindert werden. Die Position der Elektrode 304 mit dem konischen Abschnitt wird durch die Position der Keimbildungsbasis 303 festgelegt. Daher kann die Elektrode 304 mit dem konischen Abschnitt an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden.
Da das Einkristall mit der Keimbildungsbasis 303 als seinem Zentrum ausgebildet werden kann (Einzelheiten werden später beschrieben), ist eine große Materialauswahl möglich, ohne die Kristallinität o. ä. zwischen dem Abscheidungsmaterial und der Abscheidungsfläche berücksichtigen zu müssen. Beispielsweise kann im Gegensatz zum herkömmlichen Fall ein Einkristall auf einem amorphen Substrat ausgebildet werden, und es ist eine perfekte elektrische Isolation möglich. Eine große Fläche eines Einkristalls wird sichergestellt. Desweiteren können die Formen der Elektronenemissionsabschnitte als konische Abschnitte gleichmäßig und scharf gemacht werden, um eine höhere Feldintensität zu erhalten. Schwankungen der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann weiter verbessert werden.
Wie in Fig. 17 gezeigt, kann die Abscheidungsfläche auf einem darunterliegenden Substrat eines gewünschten Materials ausgebildet werden. Beispielsweise wird die Abscheidungsfläche auf einem Substrat ausgebildet, das eine hohe Wärmevernichtungseffizienz besitzt, so dass auf diese Weise die Zuverlässigkeit des Elementes verbessert werden kann.
Gemäß dem obige Verfahren kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt einfach hergestellt werden, und die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden. Der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt kann an die Kristallfläche, die eine vorgegebene Struktur besitzt, angepaßt werden. Der Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz können verbessert werden.
Ein Verfahren zum Wachsenlassen eines Einkristalls auf einer Abscheidungsfläche wird nachfolgend beschrieben.
Es wird die selektive Abscheidung zum selektiven Abscheiden eines Filmes auf der Abscheidungsfläche erläutert. Die selektive Abscheidung ist ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung der Unterschiede der Faktoren der Materialien. Diese Faktoren umfassen die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationskoeffizienten, die Oberflächendiffusionsraten und legen die Ausbildung des Keimes während des Dünnfilmausbildungsprozesses fest.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem obige Elektronenemissionselement die Elektrode mit dem konischen Abschnitt, die auf der Abscheidungsoberfläche ausgebildet ist, aus einem Einkristall bestehen. Die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden. Ferner kann der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt an die Kristalloberfläche mit einer vorgegebenen Struktur angepaßt werden, so dass auf diese Weise der Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden können.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des obigen Elektronenemissionselemtes kann im Gegensatz zum herkömmlichen Fall ein Einkristall auf einem Substrat ausgebildet werden, das infolge der Kristallinität o. ä. die Ausbildung des Einkristalls nicht ermöglicht. Somit kann der Auswahlbereich für das Einkristallmaterial erweitert werden. Durch geeignetes Auswählen des Materials des Substrates kann das Einkristall auf perfekte Weise gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert werden. Hierdurch kann eine große Fläche des Einkristalls sichergestellt werden. Die Formen der Elektronenemissionsabschnitte können gleichmäßig und scharf gemacht werden, um eine höhere Feldintensität zu erreichen. Auf diese Weise können Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung unterdrückt werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann weiter verbessert werden.
Da die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des feinen Musters aus dem heterogenen Material festgelegt werden kann, kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt präzise an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden. Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann durch Bedingungen festgelegt werden, wie die verwendeten Targetmaterialien und die Abscheidungsbedingungen. Die Größe der Elektrode kann in einfacher Weise gesteuert werden. Veränderungen in der Größe der Elektrode können verhindert werden. Folglich kann die Vielzahl der Elektronenemissionspunkte des Mehrfach - Elektronenemissionselementes gleichmäßig mit feinen Abständen ausgebildet werden.
Bei dem obigen Verfahren kann die Abscheidungsfläche auf einem darunterliegenden Substrat aus einem gewünschten Material ausgebildet werden. Beispielsweise wird die Abscheidungsfläche auf einem Substrat mit einer hohen Wärmevernichtungseffizienzs ausgebildet, so dass die Zuverlässigkeit des Elementes verbessert werden kann.
Die Fig. 19A-19F sind schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes.
Wie in Fig. 19A gezeigt, wird eine Isolationsschicht 402, die aus einem Isolationsmaterial, wie SiO&sub2;, besteht, auf einem Substrat 401 ausgebildet, das aus einem leitenden Material (einschließlich eines Halbleiters), wie Si, besteht.
Wie in Fig. 19B gezeigt, wird eine Ausnehmung 403 durch Fotoätzen in der Isolationsschicht 402 ausgebildet.
Wie in Fig. 19C gezeigt, wird eine Öffnung 404 in der Bodenfläche der Ausnehmung 403 in der Isolationsschicht 402 ausgebildet.
Wie in Fig. 19D gezeigt, wird eine Keimbildungsbasis 405 als heterogenes Material, wie Si oder Si&sub3;N&sub4;, auf der Bodenfläche der Ausnehmung 403 mikrogemustert.
Wie in Fig. 19E gezeigt, wird ein Einkristall 406, beispielsweise ein Mo -, W - oder Si - Einkristall, mit einem einzigen Keim als seinem Zentrum in der Keimbildungsbasis 405 ausgebildet. Ein Verfahren zur Ausbildung dieses Einkristalls wird später beschrieben. Wenn das Einkristall 406 gewachsen ist, ist gleichzeitig ein Einkristall 407 auf dem freiliegenden Abschnitt des leitenden Materials der Öffnung 404 gewachsen.
Wie Fig. 19F gezeigt, läßt man das Einkristall 406 wachsen und schließt dieses an das Einkristall 407 an, um auf diese Weise eine Elektrode 408 mit einem konischen Abschnitt 408 auszubilden.
Die Abscheidungskoeffizienten der Einkristallatome des Materials des Einkristalls 406, das Material der Keimbildungsbasis 405, das leitende Material des Substrates 401 und das Material der Isolationsschicht 402 werden mit K, L, M und N bezeichnet. Damit muß die nachfolgende Bedingung erfüllt werden:
K > L > M > N.
Wenn das leitende Material des Substrates 1 ein Material ist, das die Bedingung L > M erfüllt, wächst das Einkristall 406 mit der Keimbildungsbasis 405 und dann das Einkristall 407 aus der Öffnung 407. Das Einkristall 406 kann mit einer konischen Form wachsen, die für das Einkristall einzigartig ist. Nachdem das Einkristall 406 mit dem Einkristall 407 verbunden ist, wächst das Kristall 406 kontinuierlich weiter, wobei die Form des konischen Abschnittes beibehalten wird.
Wenn jedoch die Bedingung K > M > L > N erfüllt ist und das leitende Material des Substrates 401 ein Material ist, das die Bedingung L < M erfüllt, wächst zuerst das Einkristall in der Öffnung 404. Daher ist es schwierig, das Einkristall 406 mit einem konischen Abschnitt auszubilden, während es auf dem einzigen Keim, der in der Keimbildungsbasis 405 ausgebildet ist, zentriert ist. In diesem Fall muß das Wachstum des Einkristalls 407 unterdrückt werden. Beispielsweise muß die Öffnung 404 ein Loch mit einem sehr kleinen Durchmesser sein, und die Dicke der Isolationsschicht muß erhöht werden, um auf diese Weise die Zahl der Einkristallatome, die die Oberfläche des freiliegenden leitenden Materials erreichen, zu reduzieren. Alternativ dazu muß die Öffnung 404 mit einem Resist aufgefüllt werden, bis das Einkristall 406 eine vorgegebene Größe erreicht. Danach wächst das Einkristall 407.
Schließlich wird eine Elektrodenschicht, wie eine Mo - Schicht, auf der Isolationsschicht 402 ausgebildet und durch Fotolithografie gemustert, um eine Öffnung 410 über dem konischen Abschnitt der Elektrode 408 auszubilden, und es wird eine Elektrodenschicht 409, die als Ableitelektrode dient, hergestellt, um auf diese Weise ein Elektronenemissionselement fertigzustellen.
Das auf der Oberfläche des leitenden Materials ausgebildete Kristall wurde als Einkristall beschrieben. Bei dieser Ausführungsform kann jedoch auch ein Polykristall Verwendung finden.
Bei dem nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Elektronenemissionselement wird die Elektrode mit dem konischen Abschnitt an die Oberfläche des leitenden Materials durch die in der Isolationsschicht ausgebildete Öffnung angeschlossen. Daher kann die Verdrahtungsdichte und somit die Packungsdichte des Elementes erhöht werden, und es kann die Zuverlässigkeit des Elementes verbessert werden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dieses Verfahrens wird die Elektrode mit dem konischen Abschnitt in der folgenden Weise an die Oberfläche des leitenden Materials angeschlossen. Das Kristall wird auf der freiliegenden Oberfläche des leitenden Materials in der in der Isolationsschicht ausgebildeten Öffnung abgeschieden. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt des auf dem einzigen Keim, der im feinen Muster des heterogenen Materials ausgebildet ist, zentrierten gewachsenen Kristalls wird an die Oberfläche des leitenden Materials angeschlossen. In diesem Fall kann ein zusätzlicher Verbindungsprozess entfallen, und die einfache elektrische Verbindung kann erleichtert werden.
Das ausreichend feine Muster aus dem heterogenen Material, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als das Material der Isolationsschicht und nur das Wachstum des einzigen Keimes ermöglicht, wird auf der Isolationsschicht ausgebildet. Das Einkristall läßt man in auf dem einzigen Keim, der im Muster aus dem heterogenen Material gewachsen ist, zentrierter Weise wachsen. Gemäß diesem Verfahren wird die Elektrode 408 mit dem konischen Abschnitt durch Bedingungen festgelegt, wie die die Abscheidungsfläche bildende Isolationsschicht 402, die Keimbildungsbasis 405, das Material der Abscheidung und die Abscheidungsbedingungen. Die Elektrode 408 kann unabhängig von den Größen der Ausnehmung 403 und der Öffnung 410 der Elektrodenschicht 409 ausgebildet werden. Auf diese Weise können Schwankungen in den Größen der Elektroden 408 unterdrückt werden. Die Position der Elektrode 408 mit dem konischen Abschnitt kann durch die Position der Keimbildungsbasis 405 festgelegt werden, so dass auf diese Weise die Position der Elektrode 408 willkürlich mit hoher Genauigkeit festgelegt werden kann. Folglich kann die Vielzahl der Elektronenemissionspunkte des Mehrfach - Elektronenemissionselementes gleichmäßig mit feinen Abständen festgelegt werden.
Die Formen der Elektronenemissionsabschnitte als konische Abschnitte können gleichmäßig und scharf gemacht werden, um eine hohe Feldintensität zu erreichen. Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung können unterdrückt werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann weiter verbessert werden.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann das Einkristall auf einer Isolationsschicht abgeschieden werden, die in herkömmlicher Weise infolge von Kristallinität o. ä. keine Ausbildung eines Einkristalls hierauf ermöglicht. Die elektrische Isolation kann stark verbessert werden, und es kann eine große Fläche des Einkristalls sichergestellt werden. Die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden, und der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt kann an die Kristalloberfläche mit einer vorgegebenen Struktur angepaßt werden, so dass auf diese Weise der Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden können.
Ein Verfahren zur Ausbildung des obigen Einkristalls auf der Isolationsschicht wird nachfolgend beschrieben.
Es wird die selektive Abscheidung zum selektiven Ausbilden eines Filmes auf einer Abscheidungsfläche erläutert. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung von Differenzen der Faktoren der Materialien. Diese Faktoren sind die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationskoeffizienten und die Oberflächendiffusionsraten und bestimmen die Keimbildung während der Dünnfilmerzeugung.
Bei dem vorstehend beschriebenen Elektronenemissionselement wird die Elektrode mit dem konischen Abschnitt mit der Oberfläche des leitenden Materials durch die in der Isolationsschicht ausgebildete Öffnung verbunden. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert werden, so dass die Verdrahtungsdichte und die Zuverlässigkeit des Anschlusses verbessert werden können.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Elektronenemissionselementes kann die Elektrode mit dem konischen Einkristallabschnitt auf die folgende Weise mit der Oberfläche des leitenden Materials verbunden werden. Das Einkristall wird auf der freiliegenden Oberfläche des leitenden Materials in der in der Isolationsschicht ausgebildeten Öffnung abgeschieden und in der mit dem im feinen Muster aus dem heterogenen Material ausgebildeten einzigen Keim zentrierter Weise wachsen gelassen. Daher kann die elektrische Verbindung zwischen der Elektrode mit dem konischen Abschnitt und der Oberfläche des leitenden Materials über ein einfaches Verfahren hergestellt werden.
Fig. 25 ist eine schematische Ansicht einer ersten Elektronenemissionsvorrichtung, die bei einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.
Wie in Fig. 25 gezeigt, wird eine Keimbildungsbasis 603 aus Si oder Si&sub3;N&sub4; auf einer Abscheidungsfläche eines Oxidsubstrates 602, das aus einem amorphen Material, wie SiO&sub2;, besteht, ausgebildet. Ein Einkristall aus Mo, W, Si o. ä. wird in auf einem einzigen Keim, der in der Keimbildungsbasis 603 ausgebildet ist, zentrierter Weise wachsen gelassen, um auf diese Weise eine Elektronenemissionselektrode 604 mit einer gewünschten Größe und einem konischen Abschnitt auszubilden. Allgemein gesagt, ist es schwierig, ein Einkristall auf einem Isolationsmaterial auszubilden. Eine derartige Ausbildung kann jedoch über ein später beschriebenes Verfahren erreicht werden.
Eine Spannungsanlegeelektrode 601 wird auf der unteren Fläche des auf einem Isolationsmaterial bestehenden Oxidsubstrates 602 ausgebildet. Die Spannungsanlegeelektrode 601 liegt einer Elektronenemissionselektrode 604 gegenüber. Eine Ableitelektrode 607, die die Feldintensität am konischen Abschnitt erhöht und als Ladungszufuhreinrichtung dient, wird über der Elektronenemissionselektrode 604 ausgebildet. Die Ableitelektrode 607 wird so ausgebildet, dass eine Isolationsschicht mit einer Öffnung, die dem Elektronenemissionsbereich der Elektronenemissionselektrode 604 entspricht, auf dem Oxidsubstrat 602 ausgebildet wird, und eine Metallplatte mit einer entsprechenden Öffnung wird auf der Isolationsschicht vorgesehen.
Ein mit Elektronen, die von der Emissionselektrode emittiert werden, zu bestrahlendes Target 605 wird über der Ableitelektrode 607 angeordnet. Eine Stromquelle 505 wird zwischen das Target 605 und die Spannungsanlegeelektrode 601 so geschaltet, dass das Potential des Target 605 höher ist als das der Elektrode 601. Der EIN / AUS - Betrieb der Stromquelle 606 wird von einer Schalteinrichtung 611 gesteuert.
Stromquellen 608 und 609 werden zwischen die Ableitelektrode 607 und die Spannungsanlegeelektrode 601 parallel zueinander geschaltet. Die Stromquelle 608 wird so betrieben, dass das Potential der Ableitelektrode 607 höher ist als das der Spannungsanlegeelektrode 601. Die Stromquelle 609 wird so betrieben, dass das Potential der Spannungsanlegeelektrode 601 höher ist als das der Ableitelektrode 607. Die Stromquellen 608 und 609 werden über eine Schalteinrichtung 610 geschaltet.
Es wird nunmehr die Funktionsweise der die vorstehend beschriebene Konstruktion aufweisenden Elektronenemissionsvorrichtung beschrieben.
Die Stromquelle 606 wird von der Schalteinrichtung 611 betätigt, so dass sie eine Spannung zwischen das Target 605 und die Spannungsanlegeelektrode 601 legt. Die Stromquelle 608 wird von der Schalteinrichtung 610 so betätigt, dass sie eine Spannung zwischen die Ableitelektrode 607 und die Spannungsanlegeelektrode 601 legt. Zwischen der Elektronenemissionselektrode 604, dem Target 605 und der Ableitelektrode 607 werden Potentialdifferenzen erzeugt. Elektronen werden von der Elektronenemissionselektrode 604 emittiert (Elektronenemissionsbetrieb). In diesem Fall ist der Elektronenemissionsabschnitt hauptsächlich ein konischer Abschnitt der Elektronenemissionselektrode 604, der eine hohe Feldintensität besitzt. Durch diese Elektronenemission wird eine positive Ladung auf der Elektronenemissionselektrode 604 angesammelt und die Feldintensität geschwächt. Die Größe der Elektronenemission wird reduziert, und es werden schließlich keine Elektronen mehr emittiert.
Die Spannungsquelle 609 wird von der Schalteinrichtung 610 so betätigt, dass sie eine Umkehrspannung (Entladespannung) zwischen die Ableitelektrode 607 und die Spannunganlegeelektrode 601 legt. Zur gleichen Zeit wird die an das Target 605 gelegte Spannung von der Schalteinrichtung 611 auf 0V eingestellt. Elektronen werden von der Ableitelektrode 607 zur Elektronenemissionselektrode 604 emittiert. Die emittierten Elektronen werden mit der auf der Elektronenemissionselektrode 604 angesammelten positiven Ladung gekoppelt, um die positive Ladung zu löschen. Daher kann die Elektronenemissionselektrode 604 Elektronen emittieren (Entladungsbetrieb).
Die vorstehend beschriebenen Elektronenemissions - und Entladungsvorgänge werden wiederholt, um Elektronen zu emittieren.
Fig. 26 ist ein äquivalenter Schaltplan der Vorrichtung der Fig. 25 während des Elektronenemissionsbetriebes.
Wie man Fig. 26 entnehmen kann, ist ein Widerstand 612 äquivalent zum Target 605 und der Elektronenemissionselektrode 604. Ein Widerstand 613 ist zur Elektronenemissionselektrode 604 äquivalent. Ein Kondensator 614 ist zur Elektronenemissionselektrode 604, zum Oxidsubstrat 602 und der Spannungsanlegeelektrode 601 äquivalent. Eine Stromquelle 615 ist zur Stromquelle 606 äquivalent, um eine Spannung zwischen die Spannungsanlegeelektrode 601 und das Target 605 zu legen, und zur Stromquelle 608, um eine Spannung zwischen die Spannungsanlegeelektrode 601 und die Ableitelektrode 607 zu legen.
Die Größe der zwischen das Target 605 und die Elektronenemissionselektrode 604 gelegten Spannung relativ zur Anlegespannung von der Stromquelle 615 während des Elektronenemissionsbetriebes wird nachfolgend berechnet.
Der Widerstand RA des Widerstandes 612 hat den folgenden Wert, wenn die Emissionsstromdichte 10 A/cm² beträgt, die Spannung von der Stromquelle 615 100 V beträgt und der Querschnitt des Elektronenemissionsabschnittes der Elektronenemmissionselektrode 604 1 um² beträgt:
RA = 10&sup9; (Ω)
Der Widerstand RS des Widerstandes 613 hat den folgenden Wert, wenn der spezifische Widerstand ρ 10 Q cm beträgt, die Durchschnittslänge 1 der Elektronenemissionselektrode 604 1 um beträgt und der Querschnitt S 1 um² beträgt:
RS = ρ.d/S = 10&sup4; (Ω)
Die Kapazität C des Kondensators 614 hat den folgenden Wert, wenn die Dicke t des Oxidsubstrates 602 1000 Å (1 · 10&supmin;&sup7; m) beträgt, die Elektrodenfläche S 10 um² beträgt und die spezifische dielektrische Konstante &epsi;s 4 beträgt:
C = &epsi;s·&epsi;&sub0;·S/d
= 3,6 · 10&supmin;¹&sup8;
Wenn die Betriebsfrequenz 1000 MHz beträgt, beträgt die Impedanz (Z) des Kondensators 614:
Z = 5 · 10&sup7; (Ω)
Unter diesen Bedingungen beträgt das Verhältnis der zwischen das Target 605 und die Elektronenemissionselektrode 604 gelegten Spannung und der von der Stromquelle 615 gelieferten Spannung:
Z / RA + RS + Z < 1/10
Die zwischen das Target 605 und die Elektronenemissionselektrode 604 gelegte Spannung, d. h. die Spannung zur Ermöglichung einer Elektronenemission, wird vom Kondensator nicht so stark beeinflußt.
Bei der vorstehend beschriebenen ersten Elektronenemissionsvorrichtung werden Elektronen von der Ladungszuführeinrichtung zugeführt und können von der unabhängig von der Isolationsfläche angeordneten Elektronenemissionselektrode emittiert werden. Daher kann die dielektrische Durchschlagspannung stark erhöht werden. Die Verdrahtungsschicht muss nicht entlang der Fläche des Isolationsmaterials ausgebildet werden, oder die Verdrahtung muss nicht durch Ausbildung eines Durchgangslochs in der Isolationsschicht auf dem leitenden Substrat realisiert werden. Daher kann die Packungsdichte stark erhöht werden.
Die Elektronenemissionelektrode 604 muss nicht aus einem Einkristall bestehen, sondern kann auch aus einem Polykristall bestehen, wenn ein konischer Abschnitt ausgebildet werden kann. Wenn jedoch die Elektronenemissionselektrode 604 aus einem Einkristall besteht, kann die Elektrode eine konische Form besitzen, die für das Einkristall einzigartig ist. Die Form des Elektronenemissionsabschnittes wird gleichmäßig und scharf ausgebildet. Es muss keine Technik zur Herstellung der Konizität Anwendung finden, und es kann eine höhere Feldintensität auf gleichmäßige Weise erhalten werden. Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann verbessert werden. Bei dem obigen Verfahren wird ein mikrobemusterter heterogener Materialbereich mit einer ausreichend höheren Keimbildungsdichte als das Material der Abscheidungsfläche, der das Wachstum von nur einem einzigen Keim ermöglicht, auf der Abscheidungsfläche ausgebildet, und man lässt das Kristall in einer auf dem einzigen Keim, der im heterogenen Materialbereich gewachsen ist, zentrierten Weise wachsen. Dieses Verfahren kann auch bei anderen Methoden Anwendung finden, wenn ein Polykristall o. ä. verwendet wird.
Wenn das Verfahren Anwendung findet, bei dem man das Kristall in einer auf dem einzigen Keim, der im heterogenen Materialbereich gewachsen ist, zentrierten Weise wachsen lässt, können die folgenden Vorteile erreicht werden.
(1) Die Form der Elektronenemissionselektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch Bedingungen festgelegt, wie die Abscheidungsfläche, das heterogene Material, das Material der Abscheidung und die Abscheidungsbedingungen. Die Größe des konischen Abschnittes kann in einfacher Weise gesteuert werden. Daher kann ein konische Abschnitt mit einer gewünschten Größe ausgebildet werden, und Veränderungen der Größe können verhindert werden.
(2) Da die Position der Elektronenemissionselektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des Bereiches aus dem heterogenen Material bestimmt werden kann, kann die Elektrode an einer gewünschten Stelle mit hoher Genauigkeit ausgebildet werden. Ferner kann die Vielzahl der Elektronenemissionspunkte im Mehrfach - Elektronenemissionselement auf gleichmäßige Weise in feinen Abständen eingestellt werden.
(3) Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann ein Einkristall auf einem amorphen Isolationssubstrat ausgebildet werden, und es kann ein Elektronenemissionselement mit einer hohen dielektrischen Durchschlagspannung vorgesehen werden.
(4) Das Element kann über ein herkömmliches Halbleiterherstellverfahren ausgebildet und über ein einfaches Verfahren auf höchste Weise integriert werden.
Es wird nunmehr eine zweite Elektronenemissionsvorrichtung unter Anwendung des obigen Verfahrens beschrieben.
Fig. 27 ist eine schematische Ansicht der zweiten Elektronenemissionsvorrichtung. Die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 25 bezeichnen die gleichen Teile in Fig. 27.
Wie in Fig. 27 gezeigt, werden Keimbildungsbasen 603&sub1; - 603&sub3; aus Si, Si&sub3;N&sub4; o. ä. auf einer Abscheidungsfläche eines Oxidsubstrates 602, das aus einem amorphen Material, wie SiO&sub2;, besteht, ausgebildet. Ein Kristallbereich aus Mo, W, Si o. ä. lässt man in einer auf einem einzigen Keim, der in den Keimbildungsbasen 603&sub1;-603&sub3; ausgebildet ist, zentrierten Weise wachsen. Es werden Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; ausgebildet, die jeweils eine gewünschte Größe und einen konischen Abschnitt besitzen (die Anzahl der Elektronenemissionselektroden ist nicht auf drei beschränkt).
Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; werden auf der Unterseite des Oxidsubstrates 602, das aus einem Isolationsmaterial besteht, so ausgebildet, dass sie den Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; gegenüberliegen. Eine Ableitelektrode 607, die die Feldintensität der konischen Abschnitte erhöht und als Ladungszuführeinrichtung dient, wird über den Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; ausgebildet. Ein mit Elektronen, die von den Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; emittiert werden, zu bestrahlendes Target 605 wird über der Ableitelektrode 607 angeordnet. Eine Stromquelle 606 wird zwischen den Spannungsanlegelektroden 601&sub1;-601&sub3; über eine Schalteinrichtung 611, einen Impulsgenerator 616 und eine selektive Schaltvorrichtung 617 so angeordnet, dass das Potential des Target 605 höher ist als das der Spannungsanlegeelektroden. Eine an das Target 605 gelegte Spannung wird von der Schalteinrichtung 611 gesteuert.
Stromquellen 608 und 609 werden parallel zueinander über eine Schalteinrichtung 610, einen Impulsgenerator 616 und eine selektive Schaltvorrichtung 617 zwischen die Ableitelektrode 607 und die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; geschaltet. Die Spannungsquelle 609 wird so betätigt, dass das Potential der Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; geringer ist als das der Ableitelektrode 607. Die Stromquelle 609 wird so betätigt, dass das Potential der Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; höher ist als das der Ableitelektrode 607. Die Stromquellen 608 und 609 werden von der Schalteinrichtung 610 geschaltet.
Während des Elektronenemissionsbetriebes schaltet die selektive Schaltvorrichtung 617 sequentiell die vom Impulsgenerator erzeugten Impulse und legt die Impulse sequentiell an die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3;. Während des Entladevorganges wird eine Entladespannung von einer Rückstelleinheit 620 an die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;- 601&sub3;, die gemeinsam hieran geschaltet sind, gelegt.
Die Rückstelleinheit 620 ist während des Entladevorganges an die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; gemeinsam geschaltet. Während des Elektronenemissionsbetriebes legt die Rückstelleinheit 620 eine Vorspannung an die AUS - Spannungsanlegeelektroden, um auf diese Weise eine gegenseitige Beeinflußung zwischen den benachbarten Elektroden zu verhindern.
Eine Steuereinheit 618 führt Steuersignale der Rückstelleinheit 620, der selektiven Schaltvorrichtung 617, dem Impulsgenerator 616, der Schalteinrichtung 611 und der Schalteinrichtung 610 zu und steuert die Schaltzeiten und die Impulserzeugungszeiten. Die von der Steuereinheit 618 abgegebenen Steuersignale werden durch in einem Speicher 619 gespeicherte Steuerinformationen gesteuert.
Die Funktionsweise der zweiten Elektronenemissionsvorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird nunmehr erläutert.
Fig. 28 ist ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise der zweiten Elektronenentladevorrichtung.
Wie in Fig. 28 gezeigt, ist ein Intervall t2 ein Elektronenemissionsbetriebsintervall. Während dieses Intervalls wird die Stromquelle 606 von der Schalteinrichtung 611 so betätigt, dass sie eine Spannung V3 an das Target 605 legt. Die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; werden von der selektiven Schaltvorrichtung 617 sequentiell auf 0V gesetzt. Wie vorstehend beschrieben, legt die Rückstelleinheit 620 eine Vorspannung V4 an die AUS - Spannungsanlegeelektroden. Die Stromquelle 608 wird von der Schalteinrichtung 610 so betätigt, dass sie eine Spannung V1 an die Ableitelektrode 607 legt.
Unter der Voraussetzung, das eine ausgewählte Elektrode, d. h. die EIN - Elektrode, die Spannungsanlegeelektrode 601&sub1; ist, wird die Spannung V3 zwischen die Spannungsanlegeelektrode 601&sub1; und das Target 605 und die Spannung V1 zwischen die Ableitelektrode 607 und die Elektrode 601&sub1; gelegt. Ein elektrisches Feld, das ausreichend hoch ist, um eine Elektronenemission durchzuführen, wird zwischen die Elektronenemissionselektrode 604&sub1; und das Target 605 gelegt. Elektronen werden dann von der Elektronenemissionselektrode 604&sub1; emittiert.
In diesem Fall wird die Vorspannung V4 an die nicht ausgewählten oder AUS - Spannungsanlegeelektroden 601&sub2; und 601&sub3; gelegt. Ein ausreichend hohes elektrisches Feld, das groß genug ist, um eine Elektronenemission durchzuführen, wird nicht zwischen die Elektronenemissionselektrode 604&sub1; und das Target 5 gelegt, so dass keine Elektronenemission durchgeführt wird.
Auf diese Weise werden die Spannungen sequentiell an die Spannungsanlegeelektroden 601&sub2; und 601&sub3; gelegt, und Elektronen werden sequentiell von den Elektronenemissionselektroden 604&sub2; und 604&sub3; emittiert. Wenn drei oder mehr Spannungsanlegeelektroden vorhanden sind, d. h. die Spannungsanlegeelektroden 601n, wobei n > 3 ist, können Spannungsimpulse mit der gleichen Wellenform sequentiell an die folgenden Spannungsanlegeelektroden nach der Elektrode 601&sub3; während des Intervalls t2 gelegt werden.
Wie vorstehend beschrieben, werden positive Ladungen auf den Elektronenemissionselektroden 604&sub1; bis 604&sub3; durch Elektronenemission gesammelt. Während der entsprechenden Elektronenemissionsbetriebsintervalle werden die Feldintensitäten geschwächt und die Größen der Elektronenemission verringert. Folglich werden keine weiteren Elektronen mehr emittiert.
Ein Intervall t1 ist ein Entladebetriebsintervall. Die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; werden miteinander verbunden und von der Rückstelleinheit 620 auf 0V gesetzt. Die Spannungsquelle 609 wird von der selektiven Schaltvorrichtung 617 und der Schalteinrichtung 610 so betätigt, dass sie eine Spannung -V2 an die Ableitelektrode 607 legt. Das Target 605 wird von der Schalteinrichtung 611 auf 0V gesetzt. In diesem Fall wird eine hohe Spannung V2 zwischen die Ableitelektrode 607 und die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1;-601&sub3; gelegt, so dass das Potential der Elektroden 601&sub1;-601&sub3; höher ist als das der Elektrode 607. Ein ausreichend hohes elektrisches Feld für eine Elektronenemission wird zwischen die Elektronenemissionselektroden 604&sub1;- 604&sub3; und die Ableitelektrode 607 gelegt. Elektronen werden von der Ableitelektrode 607 emittiert. Die emittierten Elektronen werden mit den auf den Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; angesammelten positiven Ladungen gekoppelt, um die positiven Ladungen zu löschen. Daher können die Elektronenemissionselektroden 604&sub1;-604&sub3; die Elektronen emittieren.
Danach wird eine Elektronenemission im nächsten Elektronenemissionsbetriebsintervall durchgeführt. Auf diese Weise werden ein Elektronenemissionsbetrieb und ein Entladebetrieb abwechselnd wiederholt, um Elektronen zu emittieren.
Bei der vorstehend im einzelnen beschriebenen zweiten Elektronenemissionsvorrichtung werden die Elektronen von der Ladungszuführeinrichtung zugeführt, um die Emission von Elektronen von den Elektronenemissionselektroden zu ermöglichen, die unabhängig voneinander auf der Isolationsfläche ausgebildet sind. Daher kann die dielektrische Durchschlagspannung stark erhöht werden. Die elektrische Isolation zwischen den benachbarten Elektroden kann stark verbessert werden. Daher ist diese Ausführungsform für eine Elektronenemissionsvorrichtung mit einer Vielzahl von Elektronenemissionsquellen, die gleichmäßig in feinen Abständen ausgebildet sind, geeignet. Ferner muss eine Verdrahtungsschicht nicht entlang der Oberfläche des Isolationsmaterials ausgebildet werden, oder es muss kein Durchgangsloch in einer auf einem leitenden Substrat ausgebildeten Isolationsschicht erzeugt werden, so dass auf diese Weise die Packungsdichte der Vorrichtung stark erhöht werden kann.
Bei der obigen Ausführungsform werden die Spannungsimpulse zeitlich unterteilt an die Vielzahl der Spannungselektroden gelegt, um Spannungskomponenten zwischen die Spannungsanlegeelektroden und das Target zu legen und auf diese Weise Elektronenemissionsoperationen durchzuführen. In diesem Fall kann die Schaltungsanordnung mit einer größeren Zahl von Elektronenemissionselektroden vereinfacht werden. Wenn beispielsweise eine Spannung an die Schalteinrichtung 611 synchron zu Wählzeiten der Spannungsanlegeelektroden 601&sub1; bis 601&sub3; in Fig. 27 angelegt wird, können Elektroden von der gewünschten Elektronenemissionselektrode emittiert werden. Wählsignale müssen den Spannungsanlegeelektroden nicht zugeführt werden.
Wie bei der ersten und zweiten Elektrodenemissionsvorrichtung gezeigt, muss eine separate Ladungszuführeinrichtung nicht angeordnet werden, wenn die Ableitelektrode so ausgebildet ist, dass sie die Feldintensität der Elektronenemissionselektrode erhöht und als Ladungszuführeinrichtung dient. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung vereinfacht werden.
Eine bei einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbare dritte Elektronenemissionsvorrichtung wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 29 ist eine schematische Darstellung der dritten Elektronenemissionsvorrichtung. Die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Elektronenemissionsvorrichtung der Fig. 25 bezeichnen bei der dritten Elektronenemissionsvorrichtung gleiche Teile. Eine detaillierte Beschreibung hiervon wird weggelassen.
Die Ausführung der dritten Elektronenemissionsvorrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie die der ersten Elektronenemissionsvorrichtung. Die Ableitelektrode als Ladungszuführeinrichtung, die Stromquellen 608 und 609 und die Schalteinrichtung 610 sind weggelassen (wenn jedoch die Ableitelektrode 607 so ausgebildet ist, dass sie eine positive Spannung empfängt, kann die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden). Ein Substrat 621 ist kein perfektes Isolationssubstrat, sondern ein Halbleitersubstrat, das einen Leckstrom ermöglicht. Wenn Elektronen beim Elektronenemissionsvorgang emittiert werden, wird die verlorene Ladungskomponente von einer Spannungsanlegeelektrode 601 zur gegenüberliegenden Elektronenemissionselektrode durch das Substrat 621, das aus einem Halbleitermaterial besteht, geführt.
Ein Halbleitermaterial kann ein Metall, wie Pd, und ein Halbleitermaterial, wie In&sub2;O&sub3;, ZnO oder SnO&sub2; sein. Das Substrat 621 kann nur aus einem Halbleitermaterial bestehen. Es wird jedoch bevorzugt, zugunsten einer Hochgeschwindigkeitsladungszuführoperation ein dünnes Substrat auszubilden. Ein leitender Film wird generell auf einem Isolationssubstrat ausgebildet. Wenn die obigen Materialien zu Filmen geformt werden, haben deren Flächenwiderstände die folgenden Werte: Etwa 10²-10&sup7; Ω/ für Pd, etwa 10²-10&sup8; Ω/ für In&sub2;O&sub3;, etwa 10²-10&sup8; Ω/ für ZnO und etwa 10²-10&sup8; Ω/ für SnO&sub2;.
Die Herstellbedingungen zur Ausbildung von SnO&sub2; auf einem Glassubstrat durch Reaktivsputtern werden nachfolgend wiedergegeben:

(1) Sputtervorrichtung

SPF - 312H (NICHIDEN Anelba K.K.)

(2) Herstellbedingungen

Target: SnO&sub2; (99,9%) (Furuuchi Kagaku K.K.)
Sputtergas: O&sub2; (100%)
Hochfrequenzenergie: 400 W
Sputterdruck: 5 · 10&supmin;³ Torr (665 10&supmin;³ Pa)
Substrattemperatur: 200ºC
Abscheidezeit: 20 min

(3) Abkühlungsbedingungen

300 Cº, 1h (N&sub2;- Atmosphäre)
Ein SiO&sub2; - Film mit einer Dicke von etwa 500-1000 Å kann auf einem Glassubstrat unter den folgenden Bedingungen ausgebildet werden.
Fig. 30 ist ein äquivalenter Schaltplan der obigen Elektronenemissionsvorrichtung während des Elektronenemissionsbetriebes. Die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 26 kennzeichnen die gleichen Teile in Fig. 30. Eine detaillierte Beschreibung hiervon wird weggelassen.
Wie man Fig. 30 entnehmen kann, legt eine äquivalente Stromquelle 607 eine Spannung zwischen die Spannungsanlegeelektrode 601 und das Target 605, da die Ableitelektrode 607, die Stromquellen 608 und 609 und die Schalteinrichtung 610 weggelassen sind. Ein äquivalenter Widerstand 622 kennzeichnet das der Stromleckage ausgesetzte Halbleitermaterial und ist zu einem Kondensator 614 parallel geschaltet.
Fig. 31 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der dritten Elektronenemissionsvorichtung, die vorstehend beschrieben wurde.
Wie in Fig. 31 gezeigt, wird das Potential der Elektronenemissionselektrode 604 erhöht, wenn eine gepulste Spannung von der äquivalenten Stromquelle 615 zwischen die Spannungsanlegeelektrode 601 und das Target 605 während eines Intervalls T3 gelegt wird. Wenn die Elektronen von der Elektrode 604 emittiert werden, wird deren Potential weiter erhöht. Dieses Potential wird erhöht, bis die Potentialdifferenz zwischen dem Target 605 und der Elektronenemissionselektrode 604 null beträgt. Daher wird das Potential auf einem vorgegebenen Wert gehalten. In diesem Fall wird die Spannung von beiden Seiten des Kondensators 614 um eine Zeitkonstante erhöht, die durch den Widerstand der Widerstände 612, 613, 622 und die Kapazität des Kondensators 612 definiert wird.
Wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Target 605 und der Elektronenemissionselektrode 604 reduziert und die Elektronenemission beendet ist, wird die äquivalente Stromquelle 615 während eines Intervalls t4 im ausgeschalteten Zustand gehalten. In diesem Fall wird das AUS - Target 615 elektrisch von der Elektronenemissionselektrode 604 getrennt, und es wird kein Strom zwischen diesen geführt. Mit anderen Worten, der Widerstand des äquivalenten Widerstandes 612 ist im wesentlichen unendlich. Da, wie vorstehend beschrieben, das Substrat 621 aus einem Halbleitermaterial besteht, wird die Ladung im Kondensator durch den äquivalenten Widerstand 622 entladen.
Die Intervalle t3 und t4 werden richtig eingestellt, um der Zeit zu entsprechen, die zum Aufladen und Entladen erforderlich ist. Aus diese Weise kann die Elektronenemission kontinuierlich durchgeführt werden.
Eine vierte Elektronenemissionsvorrichtung, die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, entspricht im wesentlichen der zweiten Elektronenemissionsvorrichtung der Fig. 27, mit der Ausnahme, dass die Ableitelektrode 607 als Ladungszuführeinrichtung, die Stromquellen 608 und 609 und die Schalteinrichtung 610 weggelassen sind (wenn jedoch die Ableitelektrode 607 so ausgebildet ist, dass sie eine positive Spannung empfängt, kann die Elektronenemissioneffizienz verbessert werden) und dass die Substrate aus Halbleitermaterial bestehen. Auf eine detaillierte Beschreibung hiervon wird verzichtet.
Wenn während der Elektronenemissionsoperation eine Spannung mit der gleichen Wellenform wie im Zeitdiagramm der Fig. 28 an das Target 605 und die Spannungsanlegeelektroden 601&sub1; - 601&sub3; gelegt wird, kann die Elektronenemission kontinuierlich durchgeführt werden. Der Entladevorgang dieser Vorrichtung entspricht dem der dritten Elektronenemissionsvorrichtung. Auf eine detaillierte Beschreibung hiervon wird verzichtet. In diesem Fall ist während eines Intervalls t3 eine ausreichende Zeitdauer erforderlich, um die Ladungen von den entsprechenden Elektroden zu entladen.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Ausbildung eines Einkristalls auf einer Abscheidefläche beschrieben.
Es wird hiernach eine selektive Abscheidung zum selektiven Abscheiden eines Filmes auf der Abscheidefläche beschrieben. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat durch Ausnutzung von Unterschieden in den Faktoren von Materialien. Diese Faktoren sind die Oberflächenenergie, Abscheidekoeffizienten, Eliminationskoeffizienten und Oberflächendiffusionsraten und bestimmen die Keimbildung während des Dünnfilmausbildungsprozesses.
Bei dem obigen Elektronenemissionsverfahren wird die verlorene Ladung von der Elektronenemissionselektrode während des Elektronenemissionsbetriebes nach dem Elektronenemissionsbetrieb wieder ergänzt. Die Elektronenemissionselektrode kann somit auf einer Isolationsschicht ausgebildet werden, und die dielektrische Durchschlagspannung der Vorrichtung kann erhöht werden. Eine Schaltungsschicht muss nicht entlang der Oberfläche der Isolationsschicht oder ein Durchgangsloch muss nicht in einer Isolationsschicht auf einem leitenden Substrat ausgebildet werden. Daher kann die Packungsdichte der Vorrichtung stark erhöht werden.
Bei der ersten Elektronenemissionsvorrichtung werden die Elektronen von der Ladungszuführeinrichtung nach dem Elektronenemissionsbetrieb zugeführt, und die auf der Isolationsfläche ausgebildete isolierte Elektronenemissionselektrode kann kontinuierlich die Elektronen emittieren. Daher kann die dielektrische Durchschlagspannung stark erhöht werden. Die Größe der der Elektronenemissionselektrode zuzuführenden Ladung kann willkürlich eingestellt werden. Gleiches trifft für die für die Entladung erforderliche Zeit zu.
Bei der zweiten Elektronenemissionsvorrichtung werden die Elektronen von der Ladungszuführeinrichtung nach dem Elektronenemissionsbetrieb zugeführt, und die Elektronen können kontinuierlich von der Vielzahl der isolierten Elektronenemissionselektroden auf der Isolationsfläche emittiert werden. Die dielektrische Durchschlagspannung kann stark erhöht werden. Die elektrische Isolation zwischen den benachbarten Elektroden kann verbessert werden. Diese Vorrichtung ist für eine Elektronenemissionsvorrichtung geeignet, die eine Vielzahl von Elektronenemissionsquellen besitzt, welche gleichmäßig mit feinen Abständen ausgebildet sind. Ferner kann auch die Größe der den Elektronenemissionselektroden zugeführten Ladung willkürlich eingestellt werden. Dies trifft auch auf die für die Entladung erforderliche Zeit zu.
Desweiteren wird die Spannung zeitlich unterteilt der Vielzahl der Spannungsanlegeelektroden zugeführt, um eine Spannung zwischen die Spannungsanlegeelektroden und das Target zu legen und auf diese Weise die Elektronenemission durchzuführen. In diesem Fall kann eine Schaltungsanordnung mit einer größeren Zahl von Elektronenemissionselektroden vereinfacht werden, die Zahl der Komponenten reduziert werden und die Packungsdichte erhöht werden.
Wenn bei der ersten und zweiten Elektronenemissionsvorrichtung die Ableitelektrode so ausgebildet ist, dass sie die Feldintensität der Elektronenemissionselektrode erhöht und als Ladungszuführeinrichtung verwendet wird, muss eine separate Ladungszuführeinrichtung nicht ausgebildet werden, wodurch die Schaltungsanordnung vereinfacht wird.
Bei der dritten Elektronenemissionsvorrichtung ist die Elektronenemissionselektrode auf einem Halbleitermaterial ausgebildet, wobei der Ladungsverlust während des Elektronenemissionsbetriebes der Elektronenemissionselektrode durch das Halbleitermaterial geführt werden kann. Die dielektrische Durchschlagspannung kann erhöht werden. Ferner muss keine spezielle Ladungszuführeinrichtung ausgebildet werden, und die Vorrichtung kann vereinfacht werden.
Bei der vierten Elektronenemissionsvorrichtung ist die Vielzahl der Elektronenemissionselektroden auf einem Halbleitermaterial ausgebildet. Der Ladungsverlust während des Ladungsemissionsbetriebes der Vielzahl der Elektronenemissionselektroden kann durch das Halbleitermaterial geführt werden. Die dielektrische Durchschlagspannung kann erhöht werden. Die elektrische Isolation zwischen den benachbarten Elektroden kann verbessert werden. Diese Vorrichtung kann in geeigneter Weise bei einer Elektronenemissionsvorrichtung Anwendung finden, die eine Vielzahl von Elektronenemissionsquellen aufweist, die gleichmäßig in feinen Abständen ausgebildet sind. Eine spezielle Ladungszuführeinrichtung muss nicht angeordnet werden, und die Vorrichtung kann vereinfacht werden.
Die Fig. 32A-32F sind schematische Teilschnittansichten zur Darstellung der Schritte bei der Herstellung eines anderen Elektronenemissionselementes gemäß der vorliegenden Erfindung, das für eine Anzeigevorrichtung geeignet ist.
Wie in Fig. 32A gezeigt, ist eine Keimbildungsbasis 702 aus einem heterogenen Material, wie Si oder Si&sub3;N&sub4;, auf einer Abscheidefläche eines Substrates 701 ausgebildet, das aus einem amorphen Isolationsmaterial, wie SiO&sub2;, besteht. Wie in Fig. 32B gezeigt, ist ein Einkristall aus Mo, W, Si o. ä. in zentrierter Weise auf einem einzigen Keim gewachsen, der in der Keimbildungsbasis 720 ausgebildet ist.
Eine Elektrode 703 mit einer gewünschten Größe und einem konischen Abschnitt ist vorgesehen. In der nachfolgenden Beschreibung handelt es sich bei dem auf der Abscheidefläche ausgebildeten Kristall um ein Einkristall. Das auf der Abscheidefläche ausgebildete Kristall ist jedoch nicht auf ein Einkristall beschränkt, sondern kann auch ein Polykristall sein. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls wird später im einzelnen erläutert. Ein Isolationsmaterial, wie ein Polyimidharzfilm oder ein Acrylatfilm, ist auf der Elektrode 703 mit dem konischen Abschnitt und dem Substrat 701 abgeschieden.
Wie in Fig. 32C gezeigt, ist eine Elektrodenschicht 705, wie beispielsweise eine Mo - Schicht, auf der Isolationsschicht 704 ausgebildet. Ein Photoresist 706 ist auf die Elektrodenschicht 705 aufgebracht und bildet eine Öffnung unmittelbar über dem konischen Abschnitt der Elektrode 703. Wie in Fig. 32D gezeigt, wird die Elektrode 705 geätzt, um eine Öffnung 703 auszubilden.
Wie in Fig. 32E gezeigt, wird die Isolationsschicht 704 durch die Öffnung 707 selektiv geätzt, um eine Öffnung 708 auszubilden, so dass mindestens der konische Abschnitt der Elektrode 703 freiliegt.
Wie in Fig. 32F gezeigt, wird schließlich der Photoresist 706 entfernt, um ein Elektronenemissionselement herzustellen.
Bei dem obigen Verfahren wird die Elektrode 703 mit einem konischen Abschnitt auf dem SiO&sub2; - Substrat 701 ausgebildet. Es kann jedoch auch ein amorpher SiO&sub2; - Film 701a auf einem darunterliegenden Substrat ausgebildet werden, um ein Elektronenemissionselement in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, herzustellen.
Fig. 33 ist eine schematische Teilschnittansicht, die einen Schritt zur Ausbildung eines anderen Elektronenemissionselementes unter Verwendung des Verfahren der Fig. 32 A - 32 F zeigt.
Wie in Fig. 32 gezeigt, wird ein amorpher Film 701a auf einem darunterliegenden Si - Substrat 709 ausgebildet. Eine Keimbildungsbasis 702 wird auf dem amorphen Film 701a ausgebildet, um auf diese Weise das Elektronenemissionselement auf dem darunterliegenden Si - Substrat herzustellen. Die nachfolgenden Schritte sind die gleichen wie die in den Fig. 32B-32F gezeigten. Eine detaillierte Beschreibung hiervon wird weggelassen.
Wie in Verbindung mit dem Verfahren zur Herstellung der Elektronenemissionsvorrichtungen in den Fig. 32A-33 beschrieben, wird eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt, der als Elektronenemissionsabschnitt dient, auf einem einzigen Keim zentriert, der in einem heterogenen Mikromuster - Materialbereich und auf einer reinen Oberfläche ausgebildet wurde. Eine Isolationsschicht und eine Ableitelektrode darauf werden nacheinander ausgebildet, um die Elektrode mit dem konischen Abschnitt des Einkristalls im wesentlichen frei von Kristalldefekten zu machen. Die Formen der konischen Abschnitte als Elektronenemissionsabschnitte können gleichmäßig gemacht werden, was zu einem Anstieg der Feldintensität führt. Variationen in der anfänglichen Betriebsspannung können minimiert werden.
Wie in Fig. 33 gezeigt kann die Abscheidefläche auf dem darunterliegenden Substrat aus einem gewünschten Material ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Abscheidefläche auf einem Substrat ausgebildet werden, das eine hohe Wärmevernichtungseffizienz besitzt, um auf diese Weise die Zuverlässigkeit der Vorrichtung zu verbessern.
Ein heterogener Materialbereich mit ausreichendem Mikromuster, der eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als das Material der Abscheidefläche und nur das Wachstum des Einkristallkeimes gestattet, wird auf der Abscheidefläche ausgebildet. Das Kristall wächst in zentrierter Weise auf dem Einkristallkeim, der im Bereich aus dem heterogenen Material gewachsen ist. Gemäß diesem Verfahren wird die Elektrode 703 mit dem konischen Abschnitt durch Bedingungen festgelegt, wie die Isolationsschicht 704, die die Abscheidefläche bildet, die Keimbildungsbasis 702, das Material der Abscheidung und die Abscheidungsbedingungen. Die Größe der Elektrode 703 wird unabhängig von der Größe der Öffnung 707 bestimmt. Variationen in den Größen der Elektroden 703 können verhindert werden. Die Position der Elektrode 703 kann durch die Position der Keimbildungsbasis 702 bestimmt werden. Die Elektrode 703 kann mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden. Folglich kann die Vielzahl der Elektronenemissionsausgänge des Elektronenemissionselementes vom Mehrfachtyp gleichmäßig mit feinen Abständen ausgebildet werden.
Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann in einfacher Weise durch das Einkristall ausgebildet werden. Die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden, und der Elektronenemissionsabschnitt als konischer Abschnitt kann an die Kristallfläche, die eine vorgegebene Struktur besitzt, angepasst werden, so dass auf diese Weise der Schottky - Effekt und die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden können.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Wachsenlassen des Einkristalls auf der Abscheidefläche beschrieben.
Nachfolgend wird die selektive Abscheidung zum selektiven Ausbilden eines Films auf einer Abscheidefläche beschrieben. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilms auf einem Substrat unter Ausnutzung von Unterschieden der Faktoren der Materialien. Bei diesen Faktoren handelt es sich um die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationskoeffizienten, die Oberflächendiffusionsraten u. ä.. Sie legen die Ausbildung des Keimes beim Dünnfilmausbildungsprozess fest.
Gemäß dem vorstehend im einzelnen beschriebenen Verfahren wird eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt, der als Elektronenemissionsabschnitt dient, auf einem Einzelkeim zentriert, der in einem heterogenen Material mit Mikromuster ausgebildet wird, und auf einer reinen Oberfläche ausgebildet. Eine Isolationsschicht und eine Ableitelektrode darauf werden nacheinander geformt, um eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt eines Einkristalls zu erhalten, der im wesentlichen frei von Kristalldefekten ist. Die Formen der konischen Abschnitte als Elektronenemissionsabschnitte können gleichmäßig gemacht werden, was zu einem Anstieg der Feldintensität führt. Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung können minimiert werden.
Desweiteren kann die Abscheidefläche auf einer darunterliegenden Schicht aus einem gewünschten Material ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Abscheidefläche auf einem Substrat mit hoher Wärmevernichtungseffizienz ausgebildet werden, und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung kann stark verbessert werden.
Fig. 34 ist eine schematische Teilschnittansicht, die ein anderes Elektronenemissionselement zeigt.
Wie in Fig. 34 gezeigt, wird eine Isolationsschicht 802 aus einem amorphen Isolationsmaterial, wie SiO&sub2;, auf einem Substrat 801 aus Si o. ä. ausgebildet. Die Isolationsschicht 802 wird photogeätzt, um eine Ausnehmung 807 auszubilden. Bei dieser Ausführungsform dient eine Unterseite 807a der Ausnehmung 807 als Abscheidefläche. Die Seitenwandfläche besteht aus dem Isolationselement, wobei diese in einem einzigen Prozess ausgebildet werden. Das Isolationselement kann jedoch auch auf der Abscheidefläche in einem separaten Schritt vorgesehen werden. Das Material des Isolationselementes kann das gleiche sein wie das der Abscheidefläche oder kann aus einem unterschiedlichen Material bestehen.
Eine Keimbildungsbasis 803, die aus einem heterogenen Material, wie Si oder Si&sub3;N&sub4;, besteht, wird auf der Unterseite 807a (Abscheidefläche) der Ausnehmung 807 ausgebildet. Man lässt ein Einkristall, wie beispielsweise ein Si - Einkristall, in zentrierter Weise auf dem in der Keimbildungsbasis 803 ausgebildeten einzigen Keim wachsen. Ein leitendes Element 804 mit einem konischen Abschnitt wird geformt, und ein hitzefester leitender Film 805 wird auf dem leitenden Element 804 ausgebildet, um auf diese Weise eine Elektrode 808 mit einem konischen Abschnitt herzustellen. Das Material des leitenden Elementes 804 ist nicht auf ein spezielles Material beschränkt, wenn ein vorgegebener Strom durch das Material fließen kann. Das leitende Material kann somit ein Halbleiter oder ein Leiter sein. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls aus dem leitenden Element wird später beschrieben.
Der hitzefeste leitende Film 805 besteht aus W, LaB&sub6; o. ä. und wird auf dem leitenden Element 804 gemäß einem gewünschten Herstellverfahren ausgebildet. Um einen Film auf einem leitenden Element aus einem Si - Einkristall zu formen, wird beispielsweise das CVD - Verfahren durchgeführt, damit die folgende chemische Reaktion auf dem Si - Einkristall stattfindet:
Si + WF&sub6; → W + SiF&sub4;
so dass ein W - Film auf dem Si - Einkristallfilm ausgebildet wird.
Eine Ableitelektrode 806 wird in der Nähe des konischen Abschnittes der Elektrode 808 über der Isolationsschicht 802 ausgebildet. Die Ableitelektrode 806 kann wie folgt ausgebildet werden. Die Ausnehmung 807 wird mit einem Resist gefüllt, und eine Metallschicht, wie beispielsweise eine Mo - Schicht, wird auf der Resistschicht und der Isolationsschicht 802 ausgebildet. Die Metallschicht wird fotogeätzt, um eine Öffnung in der Nähe des konischen Abschnittes der Elektrode 808 auszubilden. Schließlich wird der Resistfilm entfernt.
Bei der obigen Ausführungsform ist das Material der Abscheidefläche nicht auf das Isolationsmaterial beschränkt. Ein Halbleitermaterial oder ein leitendes Material können ebenfalls verwendet werden. Wenn jedoch ein Isolationsmaterial verwendet wird, kann die dielektrische Durchschlagspannung erhöht werden. Bei der obigen Ausführungsform wird die Isolationsschicht 802 auf dem Substrat 801 ausgebildet, um die Abscheidefläche zu bilden. Die Fläche eines Isolationssubstrates kann jedoch ebenfalls als Abscheidefläche dienen.
Fig. 35 ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung der Verdrahtung des Elektronenemissionselementes dieser Ausführungsform.
Gemäß Fig. 35 kann die Verdrahtung des obigen Elektronenemissionselementes wie folgt erfolgen. Nachdem die Elektrode 808 mit dem konischen Abschnitt auf der Unterseite 807a der Ausnehmung 807 ausgebildet worden ist, wird eine Nut in der Isolationsschicht 802 ausgebildet. Eine Leitungsschicht 809 wird in der Nut ausgebildet und an die Elektrode 808 mit dem konischen Abschnitt angeschlossen. Eine Spannung wird zwischen die Leitungsschicht 809 und die Ableitelektrode 806 gelegt, so dass das Potential der Ableitelektrode 806 höher ist als das der Leitungsschicht 809, und eine Elektronenemission kann durchgeführt werden. Bei der obigen Anordnung wird die Ableitelektrode 806 so ausgebildet, dass die Metallschicht, wie beispielsweise eine Mo - Schicht, im Prozess geätzt wird. Es kann jedoch auch eine Metallplatte mit einer Öffnung mit der Isolationsschicht 802 verklebt werden, nachdem die Nut ausgebildet worden ist.
Bei dem obigen Elektronenemissionselement umfasst die Elektrode mit dem konischen Abschnitt das leitende Element mit dem konischen Abschritt und den hitzefesten leitenden Film, der darauf ausgebildet ist. Der Elektronenemissionsabschnitt kann von dem leitenden Film mit der großen Hitzefestigkeit gebildet werden, um eine Verformung des konischen Abschnittes, verursacht durch ein Aufschmelzen durch Wärme, zu verhindern. Ferner besteht der größte Teil der Elektrode mit dem konischen Abschnitt aus dem leitenden Element mit hoher Leitfähigkeit, wodurch eine überflüssige Wärmeentwicklung verhindert wird.
Das leitende Element besteht vorzugsweise aus einem Einkristall, was sich günstig auf dessen Leitfähigkeit auswirkt. Das Material des leitenden Elementes ist jedoch nicht auf ein Einkristall beschränkt, sondern kann auch als Polykristall o. ä. vorhanden sein. Das Verfahren zur Ausbildung des leitenden Elementes ist nicht auf das vorstehend beschriebene Verfahren beschränkt, bei dem man das Einkristall wachsen lässt. Obwohl das in Fig. 1 gezeigte Verfahren eingesetzt werden kann, hat das Einkristallwachstumverfahren zur Ausbildung eines heterogenen Materiales mit Mikromuster, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als die Abscheidefläche, um nur die Ausbildung des einzelnen Keimes zu gestatten, und das Wachsenlassen des Kristalls unter Verwendung des einzigen Keimes als dessen Zentrum die folgenden Vorteile:
(1) Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Abscheidefläche, das heterogene Material, das Material des leitenden Elementes und die Abscheidebedingungen festgelegt. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann unabhängig von den Größen der Öffnungen der Isolationselementes und der Ableitelektrode ausgebildet werden. Daher kann eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt, der eine gewünschte Größe besitzt, ausgebildet werden, und Größenschwankungen desselben können verhindert werden.
(2) Da die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des Bereiches aus dem heterogenen Material festgelegt werden kann, kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden. Es kann ein Elektronenemissionselement vom Mehrfachtyp ausgebildet werden, so dass dessen Vielzahl von Elektronenemissionsausgängen in gleichmäßiger Weise mit feinen Abständen festgelegt werden kann.
(3) Da die Elektrode mit dem konischen Abschnitt eine konische Form besitzt, die für das Einkristall einzigartig ist, sind die Formen der Elektronenemissionsabschnitte gleichmäßig und scharf ausgebildet. Daher muss keine zusätzliche Abschrägtechnik eingesetzt werden, und die Feldintensität kann gleichmäßig und hoch sein. Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann verbessert werden.
(4) Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann das Einkristall in einfacher Weise auf dem amorphen isolierenden Substrat ausgebildet werden. Auf diese Weise wird ein Elektronenemissionselement mit einer hohen dielektrischen Durchschlagspannung vermieden.
(5) Da das Elektronenemissionselement durch das herkömmliche Halbleiterherstellverfahren ausgebildet werden kann, kann eine hohe Packungsdichte mit einem einfachen Verfahren erreicht werden.
Ein Verfahren zum Wachsenlassen des Einkristalls auf der Abscheidefläche wird nachfolgend beschrieben:
Nachfolgend wird die selektive Abscheidung zum selektiven Ausbilden eines Filmes auf einer Abscheidefläche erläutert. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung von Unterschieden in den Faktoren der Materialien. Bei diesen Faktoren handelt es sich um die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationskoeffizienten, die Oberflächendiffusionsraten u. ä., wobei diese Faktoren die Ausbildung des Keimes beim Dünnfilmherstellverfahren festlegen.
Fig. 36A ist eine schematische Ansicht, die eine Elektronenemissionsvorichtung unter Verwendung eines noch anderen Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 36B ist eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 35A gezeigten Abschnittes.
Fig. 37 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in den Fig. 36A und 36B gezeigten Elektronenemissionsvorrichtung.
Wie in Fig. 36A gezeigt, wird eine Spannungsanlegeelektrode 902 aus einem Metall (d. h. Al, Ta, Mo oder W)oder einem Halbleiter (d. h. Si) auf einem Substrat 901 ausgebildet. Eine aus einem Isolator, wie Al&sub2;O&sub3;, Ta&sub2;O&sub5; oder SiO&sub2;, bestehende Isolationsschicht 903 mit einer Dicke von 50-150 A wird auf der Spannungsanlegeelektrode 902 ausgebildet. Wie in Fig. 36B gezeigt, wird eine Keimbildungsbasis 909, die aus einem Material besteht, das sich von dem der Isolationsschicht 903 unterscheidet, auf der Isolationsschicht 903 an einer Stelle gegenüber der Elektrode 902 ausgebildet. Ein Einkristall, wie beispielsweise ein Si - Einkristall, wird auf dem in der Keimbildungsbasis 909 ausgebildeten einzelnen Keim zentriert, um eine Elektronenemissionselektrode 907 mit einer Größe von etwa 50-10.000 Å (5 · 10&supmin;&sup9; - 10&supmin;&sup5;m) und einem im wesentlichen konischen Abschnitt zu erhalten.
Eine Metallschicht 904, die aus Al, Au oder Pt besteht, wird aus der Isolationsschicht 903 ausgebildet und an die Elektronenemissionselektrode 907 angeschlossen. Das Material der Elektrode 907 ist nicht auf das Einkristall beschränkt, sondern kann auch durch ein Polykristall ersetzt werden. Wenn jedoch das Einkristall verwendet wird, können die Leitfähigkeit und die Elektronenemissionseffizienz der Elektrode 907 verbessert werden. Generell ist es schwierig, Ein Einkristall auf der Oberfläche des Isolationsmaterials auszubilden. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls kann jedoch das Einkristall in einfacher Weise auf der Isolationsschicht geformt werden.
Ein Verfahren zur Ausbildung der Elektronenemissionselektrode 907 wird später beschrieben.
Eine Isolationsschicht 905, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; oder Polyimidharz besteht und eine auf der Elektrode 907 zentrierte Öffnung besitzt, wird auf der Metallschicht 904 ausgebildet. Eine Ableitelektrode 906 mit einem Elektronenemissionsausgang wird auf der Isolationsschicht 905 ausgebildet.
Wenn eine vorgegebene Spannung zwischen die Elektrode 902 und die Metallschicht 904 gelegt wird, kann die Elektrode 902 über einen Tunneleffekt mit der Elektrode 907 leitend gemacht werden. In diesem Fall wird eine Spannung von einer Stromquelle 911 an die Ableitelektrode 906 gelegt, so dass das Potential der Elektrode 906 hoch ist. Ferner wird eine Spannung von einer Stromquelle 910 an ein Target 908 gelegt, so dass das Potential des Target 908 hoch wird. Elektronen werden aus dem konischen Abschnitt der Elektrode 907 emittiert.
Bei der Elektronenemissionsvorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die an die Elektrode 902 gelegte Spannung und die an die Metallschicht 904 gelegte Spannung gesteuert, um die Elektronen in einem gewünschten Timing zu emittieren.
Wie in Fig. 36 A gezeigt, ist ein Impulsgenerator 913 an die Elektrode 902 angeschlossen, während ein Impulsgenerator 912 an die Metallschicht 904 angeschlossen ist. Wie in Fig. 37 gezeigt, wird eine negative Spannung V1 an die Elektrode 901 und eine Spannung von 0V an die Metallschicht 904 während eines Intervalls t1 gelegt. In diesem Fall wird die Potentialdifferenz (V1-0) so eingestellt, dass sie einem Wert entspricht, der einen vorgegebenen Wert übersteigt. Die Elektronen passieren die Isolationsschicht 903 durch den Tunneleffekt und werden vom konischen Abschnitt der Elektronenemissionselektrode 907 emittiert. Während eines Intervalls t2 werden eine negative Spannung V2 (> V1) an die Elektrode 902 und eine negative Spannung V3 an die Metallschicht 904 gelegt. Wenn die Potentialdifferenz (V3- V2)so eingestellt wird, dass sie einem Wert unter einem vorgegebenen Wert entspricht, wird ein Tunneleffekt der Elektroden verhindert und werden die Elektroden 902 und 907 nicht leitend gemacht. Wenn die negative Spannung V1 an die Metallschicht 904 gelegt und die Potentialdifferenz (V3- V1)so eingestellt wird, dass sie einem Wert entspricht, der geringer ist als ein vorgegebener Wert, wird ein Tunneleffekt verhindert. Die elektrische Unterbrechung zwischen den Elektroden 902 und 907 wird aufrecht erhalten.
Die Elektronenemissionssteuerung durch die vorstehend beschriebenen gepulsten Spannungen kann in geeigneter Weise bei einer Mehrfachelektronenemissionsvorrichtung vom Matrixtyp, die eine Vielzahl von Elektronenemissionsquellen aufweist, Anwendung finden.
Fig. 38 ist ein äquivalenter Schaltplan eines Elektronenemissionsabschnittes in der Elektronenemissionsvorrichtung vom Mehrfachtyp, die bei einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.
Die Fig. 39A und 39B sind Zeitdiagramme zur Darstellung der zeitlichen Abläufe der an die in Matrixform angeordneten Elektroden angelegten Spannungen.
Wie in Fig. 38 gezeigt, haben die Dioden 914&sub1; - 914&sub3;&sub3; eine MIN - Struktur mit Elektroden 902, der Isolationsschicht 903 und den Elektronenemissionselektroden 907. Wenn eine vorgegebene Spannung durch willkürliches Auswählen der Elektroden 902&sub1;-902&sub3; und der Metallschicht 904&sub1;-904&sub3; angelegt wird, um die ausgewählte Metallschicht auf ein hohes Potential einzustellen, werden die Dioden an den gewünschten Positionen eingeschaltet. Wie in den Fig. 39 A und 39B gezeigt, wird eine Spannung V1 an die Elektrode 9021 gelegt, und eine Spannung von 0V wird sequentiell während eines Intervalls t4 an die Metallschichten 904&sub1;-904&sub3; gelegt. In diesem Fall werden die Dioden 914&sub1;&sub1;, 914&sub1;&sub2; und 914&sub1;&sub3; sequentiell eingeschaltet. Während der Intervalle t5 und t6 werden die Dioden sequentiell in der Reihenfolge von der Diode 914&sub2;&sub1; bis zur Diode 914&sub3;&sub3; eingeschaltet. In diesem Fall wird eine Ableitelektrode 906, wie in Fig. 36 gezeigt, gemeinsam den Elektronenemissionselektroden 907&sub1;&sub1;, 907&sub3;&sub3; (nicht gezeigt), die an die Metallschichten 904&sub1; - 904&sub3; angeschlossen sind, zur Verfügung gestellt. Wenn eine Spannung zwischen die Ableitelektrode 906 und das Target 908 gelegt wird, so dass das Potential der Elektroden 907&sub1;&sub1; -907&sub3;&sub3; höher ist als das des Target 908, werden Elektronen von den konischen Abschnitten der Elektroden 907&sub1;&sub1;-907&sub3;&sub3;, die an die Dioden 914&sub1;&sub1;-914&sub3;&sub3; gekoppelt sind, emittiert.
Ein Verfahren zur Ausbildung der Elektronenemissionselektrode 907 wird nachfolgend beschrieben.
Das Einkristallwachstumverfahren zur Ausbildung eines heterogenen Materiales mit Mikromuster, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als die Abscheidefläche, um auf diese Weise nur einen einzigen Keim auszubilden, und das Wachsenlassen des Kristalls unter Verwendung des einzigen Keimes als dessen Mittelpunkt hat die folgenden Vorteile.
(1) Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Abscheidefläche, das heterogene Material, das Material des leitenden Target und die Abscheidebedingungen festgelegt. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann unabhängig von den Größen der Öffnungen des Isolationselementes und der Ableitelektrode ausgebildet werden. Daher können eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt einer gewünschten Größe geformt und Variationen in der Größe verhindert werden.
(2) Da die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des heterogenen Materialbereiches festgelegt werden kann, kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Position ausgebildet werden. Ein Elektronenemissionselement vom Mehrfachtyp kann so ausgebildet werden, dass eine Vielzahl von Elektronenemissionsausgängen gleichmäßig unter feinen Abständen festgelegt werden kann.
(3) Da die Elektrode mit dem konischen Abschnitt eine konische Form besitzt, die für das Einkristall einzigartig ist, erhalten die Elektronenemissionsabschnitte gleichmäßige und scharfe Formen. Es muss daher keine zusätzliche Abschrägungstechnik Anwendung finden, und die Feldintensität kann gleichmäßig und hoch sein. Variationen in der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Elektronenemissionseffizienz kann verbessert werden.
(4) Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann das Einkristall in einfacher Weise auf dem amorphen Isolationssubstrat geformt werden, so dass ein Emissionselement erhalten wird, das eine hohe dielektrische Durchschlagspannung besitzt.
(5) Da das Elektronenemissionselement durch einen herkömmlichen Halbleiterherstellprozess geformt werden kann, kann eine hohe Packungsdichte über ein einfaches Verfahren erreicht werden.
Es wird nunmehr ein Verfahren zum Wachsenlassen des Einkristalls auf der Abscheidefläche beschrieben.
Nachfolgend wird die selektive Abscheidung zum selektiven Ausbilden eines Filmes auf einer Abscheidefläche erläutert. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung von Unterschieden der Faktoren der Materialien. Diese Faktoren sind die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationkoeffizienten, die Oberflächendiffusionsraten u. ä. und legen die Ausbildung des Keimes beim Dünnfilmherstellprozess fest.
Fig. 40 ist eine schematische Teilschnittansicht zur Darstellung einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 41A ist eine vergrößerte Ansicht eines Elektronenemissionsabschnittes der in Fig. 40 gezeigten Anzeigevorrichtung, während Fig. 41B eine Draufsicht des Elektronenemissionsabschnittes ist.
Wie in den Fig. 40 und 41A gezeigt, wird eine Vielzahl von Keimbildungsbasen 1002, die aus einem heterogenen Material, wie Si&sub3;N&sub4;, bestehen, auf einem Oxidsubstrat 1002 eines amorphen Isolationsmaterials, wie SiO&sub2;, das eine Abscheidefläche bildet, ausgebildet. Die Keimbildungsbasen 1002 sind in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Ein Einkristall, wie ein Mo -, W - oder Si - Einkristall, lässt man in zentrierter Weise auf jedem einzigen Keim, der in der entsprechenden Keimbildungsbasis 1002 ausgebildet ist, wachsen. Elektroden 1007, die jeweils einen konischen Abschnitt und eine gewünschte Größe haben, können auf diese Weise ausgebildet werden. Der konische Abschnitt einer jeden Elektrode 1007 dient als Elektronenemissionsabschnitt. Die Abscheidefläche ausschließlich der heterogenen Materialfläche dient als Fläche, auf der der Keim nicht ausgebildet wird. Daher kann ein Wachstum des Einkristalls in einem Bereich außerhalb des Bereiches, der auf der Keimbildungsbasis 1002 zentriert ist, verhindert werden. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls wird später erläutert.
Es wird eine Isolationsschicht 1005 ausgebildet, die aus SiO&sub2; o. ä. besteht und eine auf jeder Elektrode 1007 zentrierte Öffnung aufweist. Eine schalenförmige Ausnehmung, die auf der Elektrode 1007 zentriert ist, wird auf der Isolationsschicht 1005 ausgebildet. Eine Metallschicht, wie eine Mo - Schicht, wird in der Ausnehmung ausgebildet, um eine Ableitelektrode 1003 herzustellen. Eine aus SiO&sub2; o. ä. bestehende Isolationsschicht 1006 wird auf der Ableitelektrode 1003 ausgebildet. Wie in Fig. 41B gezeigt, werden ein Paar von Elektroden 1004&sub1; und 1004&sub3; und ein Paar von Elektroden 1004&sub2; und 1004&sub4; auf den Isolationsschichten 1004&sub2; und 1004&sub4; ausgebildet.
Eine Leuchteinheit 1008 wird über den Elektroden 1007 ausgebildet und besitzt Flächeneinheiten 1009 die jeweils aus einer Matrix von drei Reihen und drei Spalten bestehen, wobei jede Spalte oder Reihe aus R, B, B Leuchteinheiten besteht. Benachbarte Flächeneinheiten sind über einen vorgegebenen Spalt voneinander beabstandet. Die Flächeneinheiten 1009 sind in Übereinstimmung mit den Abständen der Elektroden 1007 so ausgebildet, dass sie jeweils den Elektroden 1007 gegenüberliegen.
Bei der obigen Ausführungsform wird die Ableitelektrode 1003 im Prozess zur Ausbildung der Metallschicht, wie der Mo - Schicht, ausgebildet. Eine Metallplatte mit Öffnungen kann jedoch mit der Isolationsschicht 1005 verbunden werden, nachdem die Isolationsschicht 1005 ausgebildet worden ist.
Die Funktionsweise der Anzeigevorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 42 ist eine Ansicht, die die Montage der Elektronenemissionsabschnitte der in Fig. 40 gezeigten Anzeigevorrichtung zeigt. Die Elektroden 1004&sub1; und 1004&sub3; und die Elektroden 1004&sub2; und 1004&sub4; sind aus Gründen einer besseren Darstellung weggelassen worden.
Fig. 43 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Elektronenemissionsfunktionsweise von Leitungen und Ableitelektroden, die in einer Matrixform angeordnet sind.
Fig. 44 ist eine Ansicht zur Darstellung der Funktionsweise der in Fig. 40 gezeigten Anzeigevorrichtung.
Wie in Fig. 43 gezeigt, können die Leitungen der Elektronenemissionsabschnitte so ausgebildet werden, dass jede Elektrode 1007 mit einem konischen Abschnitt auf der Abscheidefläche ausgebildet wird, eine Nut in der Isolationsschicht ausgebildet wird und eine Leitungsschicht (entsprechend der Leitung in Fig. 43) 10010 in der Nut ausgebildet wird. Die Leitungsschicht 10010 wird an die Ableitelektrode 1003 angeschlossen. Eine Spannung von einer Stromquelle V3 wird zwischen die Leitungsschicht 10010 und die Ableitelektrode 1003 gelegt, so dass das Potential der Ableitelektrode 3 höher ist als das der Leitungsschicht 10010 und Elektronen vom konischen Abschnitt der Elektrode 1007 emittiert werden.
Die Elektronenemissionssteuerung zwischen der Leitungsschicht 10010 und der Ableitelektrode 1003 wird so durchgeführt, dass 0V sequentiell an die Leitungen 10010&sub1; bis 10010&sub4; gelegt wird, Transistoren an die Ableitelektroden 1003&sub1; bis 1003&sub4; angeschlossen werden und Spannungssignale zu einem gewünschten Timing der gewünschten Ableitelektrode zugeführt werden, um auf diese Weise Elektronen von der Elektrode 1007 an einer willkürlichen Position zu emittieren.
Wenn eine Spannung zwischen die ausgewählte Elektrode 1007 und die Leuchteinheit 1008 gelegt wird, so dass das Potential der Leuchteinheit 1008 höher ist als das der ausgewählten Elektrode 1007, dringen die emittierten Elektronen durch die Elektroden 1004&sub1; und 1004&sub3; und die Elektroden 1004&sub2; und 1004&sub4; und werden auf die entsprechende Flächeneinheit 1009 in der Leuchteinheit 1008 emittiert. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine vorgegebene Spannung von einer Stromquelle V2 zwischen die Elektroden 10041 und 10043 gelegt wird, können die Elektroden in Y - Richtung in Fig. 44 abgelenkt werden. Wenn eine vorgegebene Spannung von der Stromquelle V1 zwischen die Elektroden 1004&sub2; und 1004&sub3; gelegt wird, werden die Elektronen in X - Richtung in Fig. 44 abgelenkt.
Bei der Anzeigevorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Größe der Elektronenemission durch Steuerung der an die Leitungsschicht 10010 und die Ableitelektrode 1003 gelegten Spannung gesteuert. Die Elektronen können an einer gewünschten Position an einer jeden Leuchteinheit, die die Flächeneinheit 1009 bildet, durch an die Elektroden 1004&sub1; und 1004&sub3; und die Elektroden 1004&sub2; und 1004&sub4; angelegte Spannungen emittiert werden.
Bei der obigen Ausführungsform muss die Elektrode mit dem konischen Abschnitt nicht aus einem Einkristall bestehen, sondern kann auch aus einem nicht - monokristallinen Material, wie einem Polykristall, hergestellt werden. Wenn die Elektrode mit dem konischen Abschnitt jedoch aus einem Einkristall besteht, können die Elektronenemissionsabschnitte gleichmäßige und scharfe Formen erhalten. Ferner muss keine Abschrägtechnik eingesetzt werden und die Feldintensität kann gleichmäßig erhöht werden. Variationen in der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Leitfähigkeit sowie die Elektronenemissionseffizienz können verbessert werden.
Das Einkristallwachstumsverfahren zur Ausbildung eines heterogenen Materiales mit Mikromuster, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als das der Abscheidefläche, um auf diese Weise nur die Ausbildung des einzigen Keimes zu gestatten, und zum Wachsenlassen des Kristalls unter Verwendung des einzigen Keimes als dessen Mittelpunkt hat die folgenden Vorteile:
(1) Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Abscheidefläche, das heterogene Material, das Material des leitenden Elementes und die Abscheidebedingungen festgelegt. Eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt einer gewünschten Größe kann ausgebildet werden, und es können Variationen von dessen Größe verhindert werden.
(2) Da die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des Bereiches des heterogenen Materials festgelegt werden kann, kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden. Ein Elektronenemissionselement vom Mehrfachtyp kann so ausgebildet werden, dass eine Vielzahl von Elektronenemissionsausgängen gleichmäßig in feinen Abständen festgelegt werden kann.
(3) Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann das Einkristall in einfacher Weise auf dem amorphen Isolationssubstrat ausgebildet werden, so dass ein Elektronenemissionselement mit einer hohen dielektrischen Durchschlagspannung erhalten werden kann. Da ferner das amorphe Isolationssubstrat relativ billig ist und in einem großen Bereich ausgebildet werden kann, kann auf einfache Weise eine Anzeigevorrichtung mit großer Fläche hergestellt werden.
(4) Da das Elektronenemissionselement über ein herkömmliches Halbleiterherstellverfahren ausgebildet werden kann, kann eine hohe Packungsdichte über einen einfachen Prozeß erreicht werden.
Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben:
Bei dieser Ausführungsform besteht ein konischer Abschnitt einer Elektrode aus mindestens einem durch Keimwachstum gebildeten Halbleiterkristall und einem Material mit einer niedrigen Arbeitsfunktion, um eine Anzeigevorrichtung einer niedrigen Spannung zu erhalten und auf diese Weise die Elektronenemissionseffizienz zu verbessern.
Bei dem Halbleiterkristall kann es sich um ein Halbleiterkristall vom p- und/oder n- Typ handeln. Ein Halbleiterkristall vom p- Typ und ein Material mit niedriger Arbeitsfunktion werden verwendet, um Elektronen gemäß der nachfolgenden Beschreibung zu emittieren.
Nachfolgend wird das Prinzip des Elektronenemissionsvorganges beschrieben.
Fig. 46 ist ein Energiebandiagramm einer Metall- Halbleiter- Übergangszone.
Fig. 47 ist ein Energiebandiagramm auf der Oberfläche des Halbleiters vom p- Typ.
Wie in Fig. 46 gezeigt, muss, um einen NEA- Zustand zu erhalten, bei dem das Unterdruckniveau Evac geringer ist als das Energieniveau eines Leitungsbandes Ec des Halbleiters vom p- Typ, ein Material zum Verringern der Arbeitsfunktion m auf der Oberfläche des Halbleiters ausgebildet werden. Ein typisches Beispiel eines derartigen Materials ist ein Alkalimetall, insbesondere Cs, Cs-O o. ä.. Wenn der Zustand, in dem die Arbeitsfunktion m auf der Halbleiteroberfläche gering ist, und ferner der NEA- Zustand erhalten werden, können in den Halbleiter vom p- Typ injizierte Elektronen in einfacher Weise emittiert werden, so dass auf diese Weise ein Elektronenemissionselement mit einer hohen Elektronenemissionseffizienz erhalten wird.
Die Übergangszone zwischen dem Halbleiter vom p- Typ und dem Material mit niedriger Arbeitsfunktion ist umgekehrt vorgespannt, um den Unterdruckpegel Evac auf einen Pegel einzustellen, der niedriger ist als der des Leitungsbandes Ec des Halbleiters vom p- Typ. Folglich kann auf einfache Weise eine größere Energiedifferenz Δ E als die herkömmliche Energiedifferenz erhalten werden. Selbst wenn der Unterdruckpegel Evac höher ist als der Energiepegel des Leitungsbandes Ec des Halbleiters vom p- Typ in einem Gleichgewichtszustand, kann der NEA- Zustand in einfacher Weise erhalten werden, indem ein chemisch beständiges Material mit einer relativ hohen Arbeitsfunktion m, das jedoch als Material mit niedriger Arbeitsfunktion definiert ist, verwendet wird.
Die vorstehend beschriebene Elektronenemissionseinheit wird in einer Anordnung verwendet, die einem Feldeffekt - Elektronenemissionselement entspricht, um ein Element mit niedriger Spannung zu erhalten und somit die Elektronenemissionseffizienz zu verbessern.
Es ist möglich, ein Elektronenemissionselement herzustellen, indem man ein Halbleiterkristall vom n- Typ und ein Material mit einer niedrigen Arbeitsfunktion verwendet, wie in Philips J. Res. 39, 59-60, 1984 beschrieben.
Das Einkristallwachstumsverfahren zur Ausbildung eines heterogenen Materials mit Mikromuster, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als das Material der Abscheidungsfläche, um auf diese Weise die Ausbildung eines einzigen Keimes zu ermöglichen, und zum Wachsenlassen des Kristalls unter Verwendung des einzigen Keimes als dessen Mittelpunkt hat die folgenden Vorteile.
(1) Der aus dem heterogenen Material bestehende einzige Keim wird nur in der Keimbildungsfläche ausgebildet und nicht auf dem Bereich der Abscheidefläche, die als Oberfläche dient, auf der der Keim nicht ausgebildet wird. Daher besteht der konische Abschnitt der Elektrode nur aus einem Einkristall. Die für das Einkristall einzigartige Facette kann als konischer Abschnitt des Elektronenemissiionsabschnittes verwendet werden.
(2) Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Herstellbedingungen, wie die Abscheidefläche, die Oberfläche des heterogenen Materiales, das Material der Elektrode und die Abscheidebedingungen, festgelegt. Daher kann eine Elektrode mit einer gewünschten Größe geformt werden, und Schwankungen hiervon können verhindert werden.
(3) Die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Position der Oberfläche des heterogenen Materials festgelegt. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Position ausgebildet werden.
(4) Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren kann ein Einkristall in einfacher Weise auf einer amorphen Isolationsfläche ausgebildet werden.
(5) Das Elektronenemissionselement kann gemäß dem herkömmlichen Halbleiterherstellverfahren geformt werden, und dessen Packungsdichte kann durch das einfache Verfahren erhöht werden.
Noch ein anderes Elektronenemissionselement, das für eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird im einzelnen in Verbindung mit den Fig. 49 -50 (B) beschrieben.
Fig. 48 ist eine schematische Teilschnittansicht dieses Elektronenemissionselementes. Fig. 49 ist eine Ansicht zur Darstellung der Funktionsweise des Elektronenemissionselementes.
Wie die Fig. 48 und 49 zeigen, wird eine Keimbildungsbasis 1102, die aus einem heterogenen Material, wie Si&sub3;N&sub4;, besteht, auf einem Oxidsubstrat 1001 ausgebildet, das aus einem amorphen Isolationsmaterial, wie SiO&sub2;, besteht und eine Abscheidefläche bildet. Man lässt ein Einkristall, wie beispielsweise ein Si - Einkristall, in zentrierter Weise auf einem einzigen Keim wachsen, der in jeder Keimbildungsbasis 1102 ausgebildet wird, während eine Verunreinigung vom n- Typ hierin dotiert wird. Es wird ein Halbleiterbereich 1109 vom n- Typ gebildet. Ein Halbleiterbereich 11010 vom p- Typ wird auf dem Halbleiterberich 1109 vom n- Typ ausgebildet, während eine Verunreinigung vom p- Typ dotiert wird. Der Halbleiterberiech 11010 vom p- Typ hat eine Facette, die für das Einkristall einzigartig ist. Ein 1000 Å dicker Materialbereich 11011 mit niedriger Arbeitsfunktion, der aus CsSi o. ä. besteht, wird auf dem Halbleiterbereich 11010 vom p- Typ ausgebildet, um eine Elektrode 11013 mit einem konischen Abschnitt herzustellen, die als Elektronenemissionsabschnitt dient. Ein bevorzugtes Material mit niedriger Arbeitsfunktion besitzt eine Arbeitsfunktion von 2,5 eV oder weniger und kann beispielsweise Li, Na, K, Rb, Sr, Cs, Ba, Eu, Yb oder Fr sein. Wenn die Stabilisierung des Bereiches 11011 aus dem Material mit niedriger Arbeitsfunktion berücksichtigt wird, kann ein Alkalimetallsilicid, wie CsSi oder RbSi, verwendet werden. Ein Verfahren zur Ausbildung des Einkristalls wird später beschrieben.
Der Halbleiterbereich 1109 der Elektrode 11013 vom n- Typ wird mit einer auf dem Oxidsubstrat 1101 ausgebildeten leitenden Schicht 1103 verbunden. Eine Isolationsschicht 1104, die aus SiO&sub2; o. ä. besteht und eine auf der Elektrode 11013, die auf der leitenden Schicht 1103 ausgebildet ist, zentrierte Öffnung besitzt, wird geformt. Eine leitende Schicht 1105, die mit dem Halbleiterbereich 11010 vom p- Typ verbunden ist, wird auf der Isolationsschicht 1104 ausgebildet. Eine Isolationsschicht 1106 wird auf der leitenden Schicht 1105 ausgebildet. Ein leitender Bereich 1108, der mit dem Bereich 1109 aus dem Material mit niedriger Arbeitsfunktion verbunden ist, wird auf der Isolationsschicht 1106 ausgebildet. Eine Isolationsschicht 1107 wird auf der Isolationsschicht 1106 ausgebildet, mit der Ausnahme des leitenden Bereiches 1108, und eine Ableitelektrode 11012 wird auf der Isolationsschicht 1107 ausgebildet.
Bei dem Element mit der obigen Struktur wird eine Spannung V2 zwischen die Halbleiterbereiche 1109 und 11010 vom n- und p- Typ gelegt, so dass das Potential des Halbleiterbereiches vom p- Typ höher ist als das des Halbleiterbereiches vom n- Typ. Eine umgekehrte Vorspannung V1 wird zwischen den Halbleiterbereich 11010 vom p- Typ und den Materialbereich 11011 mit niedriger Arbeitsfunktion gelegt. Eine Spannung V3 wird zwischen den Halbleiterberich 11010 vom p- Typ und die Ableitelektrode 11012 gelegt, so dass das Potential der Ableitelektrode 11012 höher ist als das des Halbleiterbereiches 11010 vom p- Typ. Unter diesen Bedingungen können Elektronen von der Oberfläche des Materialbereiches 11011 mit niedriger Arbeitsfunktion emittiert werden. Die obige Operation wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 50A ist ein Energiebanddiagramm in einem Gleichgewichtszustand, während Fig. 50B ein Energiebanddiagramm bei Betrieb des Elementes ist.
Wie in Fig. 49 gezeigt, wird das Energieband verändert, wie in Fig. 50B gezeigt, um den NEA- Zustand zu erhalten, in dem der Unterdruckpegel Evac gegenüber dem des Leitungsbandes Ec des Halbleiterbereiches 11010 vom p- Typ um Δ E niedriger ist, wenn die Vorwärtsvorspannung V2 an die p- n- Übergangszone und eine Rückwärtsvorspannung V1 zwischen den Halbleiterbereich 11010 vom p- Typ und den Materialbereich 11011 mit niedriger Arbeitsfunktion gelegt wird. Aus diesem Grunde werden die vom Halbleiterbereich 1109 vom n- Typ zum Halbleiterbereich 11010 vom vom p- Typ injizierten Elektronen von der Oberfläche des Materialbereiches 11010 mit niedriger Arbeitsfunktion emittiert, so dass daher eine hohe Elektronenemissionseffizienz mit einem größeren ΔE erhalten werden kann als im herkömmlichen Fall.
Um Δ E durch Rückwärtsvorspannen zu erhöhen, ist das Metallmaterial nicht auf Cs oder Cs-0 beschränkt, das eine geringe Arbeitsfunktion besitzt. Es kann vielmehr aus einem weiten Materialbereich einschließlich Alkalimetalle und Erdalkalimetalle ausgewählt werden. Es kann auch ein beständigeres Material ausgewählt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine positive Spannung an die Ableitelektrode 11012 gelegt, so dass ein Absinken der Arbeitsfunktion durch den Schottky - Effekt auftritt. Daher kann eine größere Elektronenemission erhalten werden.
Einkristallwachstumsverfahren zur Ausbildung der Halbleiterbereiche vom p- und n- Typ durch Ausbilden eines heterogenen Materials mit einem Mikromuster, das eine ausreichend höhere Keimbildungsdichte besitzt als das der Abscheidefläche, um auf diese Weise nur die Ausbildung des einzigen Keimes zu ermöglichen, und zum Wachsenlassen des Kristalls unter Verwendung des einzigen Keimes als dessen Mittelpunkt hat die folgenden Vorteile.
(1) Die Form der Elektrode mit dem konischen Abschnitt wird durch die Abscheidefläche, das heterogene Material, das Material des leitenden Elementes und die Abscheidebedingungen bestimmt. Die Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann unabhängig von der Größe der Öffnung der Ableitelektrode ausgebildet werden. Daher kann eine Elektrode mit einem konischen Abschnitt einer gewünschten Größe geformt werden, und es können Größenschwankungen derselben verhindert werden.
(2) Da die Position der Elektrode mit dem konischen Abschnitt durch die Position des heterogenen Materialbereiches festgelegt werden kann, kann die Elektrode mit dem konischen Abschnitt mit hoher Genauigkeit an einer gewünschten Position ausgebildet werden. Eine Vielzahl von Elektronenemissionsausgängen der Elektronenemissionsabschnitte kann gleichmäßig mit feinen Abständen festgelegt werden.
(3) Da der Halbleiterbereich vom p- Typ eine konische Form besitzt, die für das Einkristall einzigartig ist, und da die Form des Elektronenemissionsabschnittes gleichmäßig und scharf ausgebildet werden kann, muss keine zusätzliche Verjüngungstechnik Anwendung finden. Die Feldintensität kann gleichmäßig und hoch sein, Schwankungen in der anfänglichen Betriebsspannung können verhindert werden, und die Leitfähigkeit der Elektrode mit dem konischen Abschnitt kann verbessert werden. Daher kann die Elektronenemissionseffizienz verbessert werden.
(4) Im Gegensatz zum herkömmlichen Fall kann das Einkristall in einfacher Weise auf dem amorphen Isolationssubstrat ausgebildet und damit ein Elektronenemissionselement mit einer hohen dielektrischen Durchschlagspannung zur Verfügung gestellt werden.
(5) Da das Elektronenemissionselement durch einen herkömmlichen Halbleiterherstellprozess ausgebildet werden kann, kann über ein einfaches Verfahren eine hohe Packungsdichte erreicht werden.
Ein Verfahren zum Wachsenlassen des Einkristalls auf der Abscheidefläche wird nachfolgend beschrieben.
Nachfolgend wird die selektive Abscheidung zum selektiven Ausbilden eines Filmes auf einer Abscheidefläche erläutert. Bei der selektiven Abscheidung handelt es sich um ein Verfahren zum selektiven Ausbilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat unter Ausnutzung von Differenzen der Materialfaktoren. Diese Faktoren sind die Oberflächenenergie, die Abscheidungskoeffizienten, die Eliminationskoeffizienten, die Oberflächendiffusionsraten u. ä. und legen die Ausbildung des Keimes beim Dünnfilmherstellverfahren fest.
Die Fig. 3 und 20 bis 24 mit zugehöriger Beschreibung sind gestrichen worden, wobei die verbliebenen Fig. 1, 2, 4 bis 19, sowie 25 bis 50 nicht erneut fortlaufend durchnumeriert, sondern mit dieser Bezeichnung aufrecht erhalten worden sind.

Claims

1. Anzeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Elektronenemissionselektroden (1007), die auf einer Abscheidungsfläche eines amorphen Substrates (1001) ausgebildet sind, für die Ausbildung von Bildern auf einer Anzeigeeinheit verantwortlich sind und einen aus einem Einkristall bestehenden konischen Abschnitt aufweisen, einer Ableitelektrode (1003), die auf einer Isolationsschicht ausgebildet ist, welche auf der Abscheidungsfläche ausgebildet ist und Öffnungen aufweist, die die konischen Abschnitte aufnehmen, und einer Leuchtstoffeinheit (1008), die so ausgebildet ist, daß sie der Elektrode (1007) mit den konischen Abschnitten gegenüberliegt, wobei die Leuchtstoffeinheit (1008) mit von den Elektroden (1007) emittierten Elektronen erregt wird und eine Vielzahl von Leuchtstoffbereichen (1009) aufweist, die so angeordnet sind, daß ein Leuchtstoffbereich einer Elektronenemissionselektrode entspricht.