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JP2006004966A - Electrostatic discharge protection device - Google Patents

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JP2006004966A
JP2006004966A JP2004176476A JP2004176476A JP2006004966A JP 2006004966 A JP2006004966 A JP 2006004966A JP 2004176476 A JP2004176476 A JP 2004176476A JP 2004176476 A JP2004176476 A JP 2004176476A JP 2006004966 A JP2006004966 A JP 2006004966A
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JP
Japan
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protection device
electrostatic discharge
carbon nanotube
carbon nanotubes
gap
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Pending
Application number
JP2004176476A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukie Suzuki
幸栄 鈴木
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive electrostatic discharge protection device where voltage change to low impedance can be stabilized and a protection function operates on low voltage. <P>SOLUTION: A pair of electrodes 3 and 4 which are disposed through a gap 2 and are insulated by the gap 2 and carbon nanotubes 8 projected from the surface of the gap 2-side of at least one electrode 3 are installed in the electrostatic discharge protection device 1 for setting a charge generated by electrostatic discharge free. Thus, the carbon nanotubes 8 are used as field emission elements of a spark gap. Consequently, the electrostatic discharge protection device 1 can be supplied whose cost is made low, in which voltage change to low impedance can be stabilized, and in which the protection function operates on low voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、集積回路(IC)や光デバイスなどを静電気による過渡電圧から保護する静電気放電保護デバイスに関する。   The present invention relates to an electrostatic discharge protection device that protects an integrated circuit (IC), an optical device, and the like from a transient voltage due to static electricity.

静電気放電(ESD)は、SiやSiGe、化合物半導体などを用いた集積回路(IC)、化合物半導体を用いた光デバイス、及びそれらを用いたネットワーク通信装置、または、コンピュータに代表される情報を記憶するための磁気ディスクドライブなどにとって有害である。それらを静電気放電から保護するため各種ESD保護回路が提案され、特に、特許文献1(集積回路)や特許文献2(ネットワーク通信装置)、特許文献3(磁気ディスクドライブ)には、スパークギャップを用いたESD保護が提案されている。しかし、これらの中で用いられているスパークギャップについては、電界を集中させる集中構造を形成する、つまり部材の先端を1μm未満の半径に尖らせるように製造すること(特許文献3参照)が述べられている。   Electrostatic discharge (ESD) stores information such as integrated circuits (ICs) using Si, SiGe, compound semiconductors, etc., optical devices using compound semiconductors, and network communication devices using them, or computers. It is detrimental to magnetic disk drives and so on. In order to protect them from electrostatic discharge, various ESD protection circuits have been proposed. In particular, Patent Document 1 (Integrated Circuit), Patent Document 2 (Network Communication Device), and Patent Document 3 (Magnetic Disk Drive) use a spark gap. ESD protection has been proposed. However, the spark gap used in these is described as forming a concentrated structure for concentrating the electric field, that is, manufacturing the tip of the member so as to be sharpened to a radius of less than 1 μm (see Patent Document 3). It has been.

一方、GaAsなどに代表される化合物半導体を用いた半導体レーザやフォトダイオードなどは、幹線系のネットワークばかりでなく、LAN、ネットワーク端末や電子機器間、ボード間、LSIチップ間などの光を用いた情報伝達に用いられている。特に、電子機器間やボード間、LSIチップ間を結ぶ光インタコネクションが今後ますます重要になってくる。その中で化合物半導体では、CMOSやSOI、SiGeなどの半導体で用いられてきたダイオードやトランジスタによるESD保護デバイスを形成することは非常に困難である。そこで、非特許文献1では、GaAsに円錐形の突起をエッチングで形成し、微小ギャップを隔てた電極と対向させるスパークギャップを形成している。これは、静電気放電の電圧が印加されると、GaAsの突起の先端に極めて強い電界が印加されるため、ギャップでスパークを起こして、静電気放電による電流が流れ、デバイスや必要な回路側に電流が流れることを防止することができるので、ESD保護デバイスとして作用する。このようなフィールドエッミッションによるESD保護デバイスは、ダイオードやトランジスタを利用した保護素子に比べ、静電容量が小さく、回路の通常の機能に大きな影響を及ぼさない利点がある。また、非常に大きな電流を放電できるため、ESD保護能力も高い。   On the other hand, semiconductor lasers and photodiodes using compound semiconductors typified by GaAs, etc. used light not only from trunk-line networks, but also from LANs, network terminals and electronic devices, between boards, and between LSI chips. It is used for information transmission. In particular, optical interconnections connecting electronic devices, boards, and LSI chips will become increasingly important in the future. Among them, with compound semiconductors, it is very difficult to form an ESD protection device using diodes and transistors that have been used in semiconductors such as CMOS, SOI, and SiGe. Therefore, in Non-Patent Document 1, a conical protrusion is formed on GaAs by etching, and a spark gap is formed so as to face an electrode with a small gap. This is because when an electrostatic discharge voltage is applied, an extremely strong electric field is applied to the tip of the GaAs protrusion, causing a spark in the gap, and a current due to the electrostatic discharge flows, and the current flows to the device and necessary circuit side. Can be prevented from flowing, and thus acts as an ESD protection device. Such an ESD protection device based on field emission has an advantage that it has a small capacitance and does not significantly affect the normal function of the circuit as compared with a protection element using a diode or a transistor. Further, since a very large current can be discharged, the ESD protection capability is also high.

一方、カーボンナノチューブ(CNT)は、グラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が1個、または数個〜数十個入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径がナノメートルオーダーのきわめて微細な物質である。このグラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が1個のチューブは単層カーボンナノチューブ(SWNT)と呼ばれており、グラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が数〜数10個入れ子状に配列した繊維状構造のチューブは多層カーボンナノチューブ(MWNT)と呼ばれている。これらは、グラファイト状炭素原子面を丸めた非常に安定な結合を持ったものであるため、機械的強度に優れ、化学的にも安定である。また、カーボンナノチューブは、その構造によって金属から半導体と幅広い電気特性を持ち、微小で表面積が大きい、アスペクト比(長さ/直径比)が大きい、中空であるといった独特の形状を有する。さらに、カーボンナノチューブは形状に由来する特殊な特性を持つことから、新しい炭素材料として産業上への適用が期待されている。特に、カーボンナノチューブの先端は、ナノメートルオーダーの径をもつ半球状で、電圧印加による電界の集中が容易に得られ、低い印加電圧でも先端から電界放出が期待される。実際に、非特許文献2では、実験的にはじめて1本の多層カーボンナノチューブ(MWNT)からの電界放出が報告されている。その後、特許文献1や特許文献2、非特許文献3など、ディスプレイ装置に用いる電子放出素子に電子放出源としてカーボンナノチューブを採用している。   On the other hand, carbon nanotubes (CNT) have a fibrous structure in which one or several to several tens of cylinders with rounded graphite-like carbon atomic surfaces are arranged in a nested manner, and the diameter is extremely fine on the order of nanometers. It is a serious substance. This tube with a rounded graphite-like carbon atom surface is called a single-walled carbon nanotube (SWNT), and a fiber in which several to several tens of cylinders with a rounded graphite-like carbon atom surface are arranged in a nested manner The tube having the structure is called a multi-walled carbon nanotube (MWNT). Since these have a very stable bond obtained by rounding the graphite-like carbon atom face, they have excellent mechanical strength and are chemically stable. Carbon nanotubes have a wide range of electrical properties from metals to semiconductors depending on their structures, and have unique shapes such as being minute and having a large surface area, a large aspect ratio (length / diameter ratio), and hollow. Furthermore, since carbon nanotubes have special characteristics derived from their shapes, they are expected to be applied to industries as new carbon materials. In particular, the tip of the carbon nanotube has a hemispherical shape with a diameter on the order of nanometers, and electric field concentration can be easily obtained by applying a voltage. In fact, Non-Patent Document 2 reports field emission from a single multi-walled carbon nanotube (MWNT) for the first time experimentally. Thereafter, carbon nanotubes are employed as electron emission sources in electron emission elements used in display devices such as Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 3.

特開平7−263566号公報JP-A-7-263666 特開平11−26185号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-26185 特開平8−335305号公報JP-A-8-335305 特開平10−12124号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-12124 特開平11−111158号公報JP-A-11-111158 特開2000−44216公報JP 2000-44216 A 日経Science 2003年 1月号 P84Nikkei Science January 2003 P84 Science 269,1550(1995)Science 269, 1550 (1995) Appl.Phys.Lett.,Vol72,No.22(1998)P2912Appl. Phys. Lett. , Vol 72, No. 22 (1998) P2912

しかしながら、特許文献3などでは、電界を集中させる集中構造を形成する、つまり部材の先端を1μm未満の半径に尖らせるように製造することが述べられているが、通常のフォトリソグラフィーやマスキング技術を用いてウェハー平面に製造するもので、その先端の先鋭化には限界があり、さらにフォトリソグラフィーなどの高価なプロセスを必要としてしまう。   However, Patent Document 3 and the like describe that a concentrated structure for concentrating the electric field is formed, that is, the tip of the member is manufactured so as to be sharpened to a radius of less than 1 μm. It is used to manufacture on a wafer plane, and there is a limit to sharpening the tip, and an expensive process such as photolithography is required.

非特許文献1では、GaAsに円錐形の突起をエッチングで形成し、微小ギャップを隔てた電極と対向させるスパークギャップを形成している。このようにGaAsやSiのような半導体を円錐形の突起を形成するには、一般に、エッチングなどの微細加工が必要であり、かつその形状により電界放出する電圧値が変化しやすい。また、この微細加工は、フォトリソグラフィーやエッチングなど比較的高価なプロセスを複数回経なければならず、高コストである。   In Non-Patent Document 1, a conical protrusion is formed on GaAs by etching, and a spark gap is formed to face an electrode with a minute gap. Thus, in order to form a conical protrusion from a semiconductor such as GaAs or Si, fine processing such as etching is generally required, and the electric field emission voltage value is likely to change depending on the shape. Further, this microfabrication requires a relatively expensive process such as photolithography and etching a plurality of times, and is expensive.

特許文献6では、カーボンナノチューブの精製法が提案されている。その中では、帯電防止材料によるESD対策が挙げられている。これは、導電性をもたせた材料により帯電を防止することで、静電気放電を防止するもので、その帯電防止材料として、半導体から金属までユニークな電気的特性をもつカーボンナノチューブの可能性を示唆しているが、スパークギャップのようにカーボンナノチューブの電界放出特性を用いたESD保護デバイスを示唆するものではない。   Patent Document 6 proposes a method for purifying carbon nanotubes. Among them, ESD countermeasures using antistatic materials are cited. This is to prevent electrostatic discharge by preventing electrification with a conductive material, and suggests the possibility of carbon nanotubes with unique electrical characteristics from semiconductors to metals as antistatic materials. However, this does not suggest an ESD protection device using the field emission characteristics of carbon nanotubes such as a spark gap.

本発明の目的は、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらに低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することである。   An object of the present invention is to provide an electrostatic discharge protection device capable of realizing a low cost, stabilizing a voltage changing to a low impedance, and having a protective function even for a lower voltage.

請求項1記載の発明は、静電気放電により発生した電荷を逃がすための静電気放電保護デバイスにおいて、それぞれギャップを介して設けられ、そのギャップにより絶縁された一対の電極と、少なくとも一方の前記電極のギャップ側の表面から突出するカーボンナノチューブと、を備えることを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an electrostatic discharge protection device for releasing charges generated by electrostatic discharge, each of which is provided via a gap and insulated by the gap, and a gap between at least one of the electrodes And a carbon nanotube protruding from the surface on the side.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは、一対の前記電極の両方のギャップ側の表面から突出している、ことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the electrostatic discharge protection device according to the first aspect, the carbon nanotube protrudes from both gap-side surfaces of the pair of electrodes.

請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記ギャップは、不活性ガス又は窒素で満たされた状態、または真空状態である、ことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the electrostatic discharge protection device according to the first or second aspect, the gap is in a state filled with an inert gas or nitrogen, or in a vacuum state.

請求項4記載の発明は、請求項1、2又は3記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the electrostatic discharge protection device according to the first, second, or third aspect, the carbon nanotube is a multi-walled carbon nanotube.

請求項5記載の発明は、請求項1、2又は3記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the electrostatic discharge protection device according to the first, second, or third aspect, the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube.

請求項6記載の発明は、請求項1ないし5のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブはその先端が開環しているチューブである、ことを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the electrostatic discharge protection device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the carbon nanotube is a tube whose tip is opened.

請求項7記載の発明は、請求項1ないし6のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは複数本設けられている、ことを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is the electrostatic discharge protection device according to any one of the first to sixth aspects, wherein a plurality of the carbon nanotubes are provided.

請求項8記載の発明は、請求項1ないし7のいずれか一記載の静電気放電保護デバイスにおいて、前記カーボンナノチューブは、それを保持して前記電極に設けられたカーボンナノチューブ保持層によって、前記電極の表面に設けられている、ことを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the electrostatic discharge protection device according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbon nanotube is held by the carbon nanotube holding layer provided on the electrode. It is provided on the surface.

請求項1記載の発明によれば、スパークギャップの電界放出素子として、カーボンナノチューブ(CNT)を用いることによって、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができ、さらにその電圧値を低電圧化することが可能になるため、低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, by using carbon nanotubes (CNT) as the spark gap field emission device, it is possible to achieve low cost and stabilize the voltage that changes to low impedance, Since the voltage value can be lowered, it is possible to provide an electrostatic discharge protection device in which a protection function works even for a low voltage.

請求項2記載の発明によれば、一対の電極のいずれの表面にもカーボンナノチューブを突出させることによって、低コストを実現して、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、正電位、負電位どちらの電気的過電圧に対しても、低インピーダンスに変化する電圧値を同一にできる静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the second aspect of the present invention, the carbon nanotubes are projected from either surface of the pair of electrodes, thereby realizing low cost and stabilizing the voltage that changes to low impedance, while maintaining the positive potential and the negative potential. It is possible to provide an electrostatic discharge protection device capable of making the voltage value changing to low impedance the same for both electrical overvoltages.

請求項3記載の発明によれば、一対の電極間のギャップを、He、Ne、Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスまたは窒素で満たした状態、または真空状態にすることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、カーボンナノチューブの劣化を防止することができ、より長寿命で信頼性が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the third aspect of the invention, the gap between the pair of electrodes is reduced to a low impedance by being filled with an inert gas such as He, Ne, Ar, Kr, Xe or nitrogen, or in a vacuum state. While stabilizing the changing voltage, it is possible to prevent the deterioration of the carbon nanotube, and it is possible to provide an electrostatic discharge protection device having a longer life and higher reliability.

請求項4記載の発明によれば、多層カーボンナノチューブを電極から突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、金属的伝導性を利用して、電界放出特性が高く、より低コストな静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the invention of claim 4, by projecting the multi-walled carbon nanotube from the electrode, the voltage changing to low impedance is stabilized, and the field emission characteristic is high and the cost is reduced by utilizing the metallic conductivity. An electrostatic discharge protection device can be provided.

請求項5記載の発明によれば、単層カーボンナノチューブを電極から突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、低インピーダンスに変化する電圧をより低電圧化することができ、より低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the invention of claim 5, by causing the single-walled carbon nanotube to protrude from the electrode, the voltage changing to low impedance can be further lowered while stabilizing the voltage changing to low impedance, It is possible to provide an electrostatic discharge protection device in which a protection function works even for a low voltage.

請求項6記載の発明によれば、先端が開環したカーボンナノチューブを用いることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、低インピーダンスに変化する電圧をより低電圧化することができ、より低い電圧に対しても保護機能が働く静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the invention of claim 6, by using the carbon nanotube whose tip is opened, the voltage changing to low impedance can be further reduced while stabilizing the voltage changing to low impedance, It is possible to provide an electrostatic discharge protection device in which a protection function works even for a low voltage.

請求項7記載の発明によれば、複数のカーボンナノチューブが電極表面から突出していることによって、複数のカーボンナノチューブからの電界放出が生じ、静電気放電による電荷を短時間のうちに、より多くの電流を流すことができるため、保護能力が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the seventh aspect of the present invention, since the plurality of carbon nanotubes protrude from the surface of the electrode, field emission from the plurality of carbon nanotubes occurs, and charge due to electrostatic discharge can be increased in a short time. Therefore, it is possible to provide an electrostatic discharge protection device with a high protection capability.

請求項8記載の発明によれば、電極表面から突出するカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ保持層を介して電極に保持されていることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化しつつ、強力に電極に保持されることによって、カーボンナノチューブの離脱を防止することが可能になり、信頼性が高い静電気放電保護デバイスを提供することができる。   According to the eighth aspect of the present invention, the carbon nanotube protruding from the electrode surface is held on the electrode through the carbon nanotube holding layer, so that the voltage changing to low impedance is stabilized and the electrode is strongly turned into the electrode. By being held, it is possible to prevent detachment of the carbon nanotube, and it is possible to provide a highly reliable electrostatic discharge protection device.

本発明の第一の実施の形態を図1及び図2に基づいて説明する。図1は本実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal side view schematically showing a basic configuration of an ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of the present embodiment.

図1に示すように、ESD保護デバイス1は、電界放出を発生させるためのギャップ2を挟んで設けられた一対の電極3,4、それらの電極3,4をそれぞれ保持する基板5,6、その一対の電極3,4の間に設けられギャップ2を形成するスペーサ7、一方の電極3の表面から突出するカーボンナノチューブ(CNT)8、およびギャップ2を大気から遮断するシールド(図示せず)などから構成されている。このようなESD保護デバイス1は、信号線と接地線(GND線)との間に設けられ、IC(集積回路)や光デバイスなどに侵入した静電気放電による過渡電圧からICや光デバイスなどの破壊を防止する。   As shown in FIG. 1, the ESD protection device 1 includes a pair of electrodes 3 and 4 provided with a gap 2 for generating field emission, and substrates 5 and 6 holding the electrodes 3 and 4, respectively. A spacer 7 provided between the pair of electrodes 3 and 4 to form the gap 2, a carbon nanotube (CNT) 8 protruding from the surface of the one electrode 3, and a shield (not shown) that blocks the gap 2 from the atmosphere. Etc. Such an ESD protection device 1 is provided between a signal line and a ground line (GND line), and destroys an IC or an optical device from a transient voltage caused by electrostatic discharge that has entered the IC (integrated circuit) or the optical device. To prevent.

基板5,6としては、Si基板やGaAs基板等が用いられる。また、一対の電極3,4は、ギャップ2を挟んで対向するように設けられており、そのギャップ2により絶縁されている。この一対の電極3,4はICや光デバイスなどの信号線と接地線とに接続される。一方の電極3のギャップ2側の表面には、カーボンナノチューブ8が突出している。また、スペーサ7は絶縁体等により形成されており、絶縁性を有している。   As the substrates 5 and 6, a Si substrate, a GaAs substrate, or the like is used. The pair of electrodes 3 and 4 are provided so as to face each other with the gap 2 therebetween, and are insulated by the gap 2. The pair of electrodes 3 and 4 are connected to a signal line such as an IC or an optical device and a ground line. Carbon nanotubes 8 protrude from the surface of one electrode 3 on the gap 2 side. The spacer 7 is formed of an insulator or the like and has an insulating property.

カーボンナノチューブ8は、それを保持するCNT保持層(カーボンナノチューブ保持層)9により電極3に設けられている。そのCNT保持層9は電極3の表面に設けられている。すなわち、カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とからなるCNTエポキシ樹脂マトリクスをCNT保持層9として電極3上に形成し、そのCNT保持層9の表面を研磨することで、電極3の表面から突出するように形成されている。ここで、図2は、走査型電子顕微鏡によりCNT保持層9の表面を斜め上方から撮影した写真である。図2に示すように、棒状に光って見える部分(白い部分)が、電極3の表面(CNT保持層9の表面)から突出したカーボンナノチューブ8である。   The carbon nanotube 8 is provided on the electrode 3 by a CNT holding layer (carbon nanotube holding layer) 9 for holding it. The CNT holding layer 9 is provided on the surface of the electrode 3. That is, the carbon nanotube 8 is formed by forming a CNT epoxy resin matrix composed of an epoxy resin and the carbon nanotube 8 on the electrode 3 as the CNT holding layer 9 and polishing the surface of the CNT holding layer 9 to thereby obtain the surface of the electrode 3. It is formed so as to protrude from. Here, FIG. 2 is a photograph of the surface of the CNT holding layer 9 taken obliquely from above with a scanning electron microscope. As shown in FIG. 2, the portion (white portion) that appears to shine in a rod shape is the carbon nanotube 8 that protrudes from the surface of the electrode 3 (the surface of the CNT holding layer 9).

カーボンナノチューブ8は、金属的な電気伝導性を持つため、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とが混合してなるCNT保持層9も電気伝導性を持っている。そのため、電極3に印加された電圧はCNT保持層9を介してカーボンナノチューブ8の先端に印加されるため、非常に大きな電界を形成することができる。   Since the carbon nanotube 8 has metallic electrical conductivity, the CNT holding layer 9 formed by mixing the epoxy resin and the carbon nanotube 8 also has electrical conductivity. Therefore, since the voltage applied to the electrode 3 is applied to the tip of the carbon nanotube 8 via the CNT holding layer 9, a very large electric field can be formed.

カーボンナノチューブ8は、機械的強度に優れ、化学的にも安定で、低電圧で電界放出特性を示し、Fowler−Nordheimの式   The carbon nanotube 8 has excellent mechanical strength, is chemically stable, exhibits field emission characteristics at a low voltage, and has a Fowler-Nordheim equation.

Figure 2006004966
Figure 2006004966

に従うことが知られている。 Is known to follow.

このような構成において、静電気放電による負の過渡電圧がESD保護デバイス1に侵入すると、電極3を通じて、電極3の表面に突出したカーボンナノチューブ8に負電圧が印加され、その先端が数nmから数十nmと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、上式にしたがって、瞬時に電界放出による電流が発生し、ESD保護デバイス1を通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。   In such a configuration, when a negative transient voltage due to electrostatic discharge enters the ESD protection device 1, a negative voltage is applied to the carbon nanotubes 8 protruding from the surface of the electrode 3 through the electrode 3, and the tip thereof is several nm to several nm. Due to the sharpness of 10 nm, a very strong electric field is locally formed, and a current due to field emission is generated instantaneously according to the above formula, and a transient voltage can be avoided by the ground line through the ESD protection device 1. it can.

このときの電界では、10V/cmオーダーで、平行平板型の金属電極を用いて電界放出する場合には、例えば10μmギャップで10Vと非常に大きな電圧を印加して、はじめて電界放出が始まる。実際には、電極表面の粒界など微細な凹凸によって、より低い電圧で電界放出が始まるが、さらに低電圧で動作させるために、突起を形成するなどして、電界集中による低電圧動作するようにしている。このような突起は、半導体プロセスにおいてよく知られるフォトリソグラフィーとエッチングによる微細加工技術により形成されるが、その形状を安定して形成することは困難である。これに対して、カーボンナノチューブ8は、より微細な先端を持ち、比較的直径のそろったものを製造することができ、さらに多数のカーボンナノチューブ8を電極3の表面から突出させることによって、局所電界は、カーボンナノチューブ8の径とギャップ2に依存することになり、より安定した特性を得ることができる。 In the electric field at this time, in the case of field emission using a parallel plate type metal electrode on the order of 10 7 V / cm, for example, the field emission is not made until a very large voltage of 10 4 V is applied with a 10 μm gap, for example. Begins. Actually, field emission starts at a lower voltage due to fine irregularities such as grain boundaries on the electrode surface. However, in order to operate at a lower voltage, a protrusion is formed to operate at a lower voltage due to electric field concentration. I have to. Such protrusions are formed by photolithography and etching microfabrication techniques well known in the semiconductor process, but it is difficult to stably form the shape. On the other hand, the carbon nanotubes 8 can be manufactured to have a finer tip and a relatively uniform diameter. Further, by projecting a large number of carbon nanotubes 8 from the surface of the electrode 3, a local electric field can be obtained. Depends on the diameter of the carbon nanotube 8 and the gap 2, and more stable characteristics can be obtained.

このように本実施の形態によれば、ESD保護デバイス1は低電圧印加でもIC(集積回路)や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からICや光デバイスなどの破壊を防止することができる。また、カーボンナノチューブ8を電極3の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ8が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ8からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ8を用いることで、その金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるCNT保持層9を形成することができ、より低コストなESD保護デバイス1を提供することができる。また、カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とを混ぜ合わせたCNT樹脂マトリクスからなるCNT保持層9を介して電極3に保持されているため、カーボンナノチューブ8の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のESD保護デバイス1を提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したESD保護デバイス1を形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, the ESD protection device 1 can prevent destruction of the IC, the optical device, etc. from the transient voltage caused by the electrostatic discharge entering the IC (integrated circuit), the optical device, etc. even when a low voltage is applied. it can. In addition, by causing the carbon nanotubes 8 to protrude from the surface of the electrode 3, it is possible to stabilize the voltage that changes to low impedance. In particular, since a large number of carbon nanotubes 8 protrude, field emission from the plurality of carbon nanotubes 8 occurs, and a larger amount of current can flow in a short time due to electrostatic discharge. Furthermore, by using the multi-walled carbon nanotube 8, it is possible to form a CNT holding layer 9 having electrical conductivity using a resin by utilizing its metallic conductivity, and the ESD protection device 1 with a lower cost can be obtained. Can be provided. Further, since the carbon nanotube 8 is held on the electrode 3 through the CNT holding layer 9 made of a CNT resin matrix in which an epoxy resin and the carbon nanotube 8 are mixed, it is possible to prevent the carbon nanotube 8 from being detached. Thus, the ESD protection device 1 having sufficient mechanical strength and high reliability can be provided. Furthermore, it is possible to form the ESD protection device 1 that maintains the small capacitance and the large discharge current, which are the characteristics of the field emission element.

なお、本実施の形態では、カーボンナノチューブ8をエポキシ樹脂に分散させてCNT樹脂マトリクスをCNT保持層9として形成し、そのCNT保持層9を研磨することによって、カーボンナノチューブ8を電極3の表面に突出させているが、CNT保持層9をエッチング処理してカーボンナノチューブ8を電極3の表面に突出させてもよい。また、電極3の表面に直接カーボンナノチューブ8をCVD成長させてもよく、あるいは電極3の表面に導電性接着剤を介してカーボンナノチューブ8を固定させてもよい。
本発明の第二の実施の形態を図3に基づいて説明する。図3は本実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。
In the present embodiment, the carbon nanotubes 8 are dispersed on the epoxy resin to form a CNT resin matrix as the CNT holding layer 9 and the CNT holding layer 9 is polished, so that the carbon nanotubes 8 are formed on the surface of the electrode 3. Although protruding, the carbon nanotubes 8 may protrude from the surface of the electrode 3 by etching the CNT holding layer 9. Further, the carbon nanotubes 8 may be directly grown on the surface of the electrode 3 by CVD, or the carbon nanotubes 8 may be fixed to the surface of the electrode 3 via a conductive adhesive.
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a longitudinal side view schematically showing a basic configuration of the ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of the present embodiment.

本実施の形態のESD保護デバイス1Aは、第一の実施の形態のESD保護デバイス1と略同じ構成である。ここでは、本実施の形態のESD保護デバイス1Aと第一の実施の形態のESD保護デバイス1との相違点について説明する。なお、第一の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。   The ESD protection device 1A of the present embodiment has substantially the same configuration as the ESD protection device 1 of the first embodiment. Here, differences between the ESD protection device 1A of the present embodiment and the ESD protection device 1 of the first embodiment will be described. In addition, the same part as 1st embodiment is shown with the same code | symbol, and the description is also abbreviate | omitted.

図3に示すように、対向する一対の電極3,4の両方の表面には、カーボンナノチューブ(CNT)8が突出している。これにより、正または負のどちらの静電気放電による過渡電圧を印加された場合でも、相対的に低い電圧の電極3,4の表面から突出するカーボンナノチューブ8から電界放出による電流が発生し、ESD保護デバイス1Aを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。   As shown in FIG. 3, carbon nanotubes (CNT) 8 protrude from both surfaces of the pair of electrodes 3 and 4 that face each other. Thus, even when a transient voltage due to positive or negative electrostatic discharge is applied, a current due to field emission is generated from the carbon nanotubes 8 protruding from the surfaces of the electrodes 3 and 4 having a relatively low voltage, and ESD protection is performed. Transient voltages can be avoided on the ground line through the device 1A.

また、カーボンナノチューブ8が突出して対向する一対の電極3,4によって形成されたギャップ2には、不活性ガスであるArが充填されている。酸素が存在する雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化が発生するが、Ar雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化が抑制されるため、より長寿命で信頼性が高いESD保護デバイス1Aを提供することができる。なお、充填するガスとしては、Arを用いているが、これに限るものではなく、例えば、He、Ne、Kr、Xeなどの不活性ガス、または窒素を用いてもよい。このようにギャップ2は不活性ガスまたは窒素で満たされた状態であってもよく、あるいは真空状態であってもよい。   In addition, the gap 2 formed by the pair of electrodes 3 and 4 which are protruded and opposed to each other by the carbon nanotube 8 is filled with Ar which is an inert gas. In the atmosphere in which oxygen is present, the carbon nanotubes 8 are deteriorated due to field emission. However, in the Ar atmosphere, the deterioration of the carbon nanotubes 8 due to field emission is suppressed, so that the ESD protection has a longer lifetime and higher reliability. A device 1A can be provided. Note that although Ar is used as the gas to be filled, the present invention is not limited to this, and for example, an inert gas such as He, Ne, Kr, or Xe, or nitrogen may be used. Thus, the gap 2 may be filled with an inert gas or nitrogen, or may be in a vacuum state.

このような構成において、静電気放電による正負どちらかの過渡電圧がESD保護デバイス1Aに侵入すると、電極3又は電極4を通じて、電極3又は電極4の表面に突出したカーボンナノチューブ8に負電圧又は正電圧が印加され、その先端が数nmから数十nmと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、瞬時に電界放出による電流が発生し、ESD保護デバイス1Aを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。   In such a configuration, when either a positive or negative transient voltage due to electrostatic discharge enters the ESD protection device 1A, a negative voltage or a positive voltage is applied to the carbon nanotube 8 protruding from the surface of the electrode 3 or 4 through the electrode 3 or 4. Is applied, and the tip thereof is sharp, from several nanometers to several tens of nanometers. Therefore, a very strong electric field is locally generated, current is generated by field emission instantaneously, and a transient voltage is grounded through the ESD protection device 1A. The line can be avoided.

このように本実施の形態によれば、ESD保護デバイス1Aは低電圧印加でもIC(集積回路)や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からICや光デバイスなどの破壊を防止することができる。特に、ESD保護デバイス1Aは、正負どちらの電圧印加でも低電圧で、静電気放電に対する保護デバイスとして作用する。さらに、ギャップ2にArを充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化がなく、より長寿命のESD保護デバイス1Aを提供することができる。また、カーボンナノチューブ8を電極3,4の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ8が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ8からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ8を用いることで、金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるCNT保持層9を形成することができ、より低コストなESD保護デバイス1Aを提供することができる。また、カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブとを混ぜ合わせたCNT樹脂マトリクスからなるCNT保持層9を介して電極3,4に保持されているため、カーボンナノチューブ8の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のESD保護デバイス1Aを提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したESD保護デバイス1Aを形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, the ESD protection device 1A can prevent destruction of the IC or the optical device from the transient voltage caused by the electrostatic discharge that enters the IC (integrated circuit) or the optical device even when the low voltage is applied. it can. In particular, the ESD protection device 1A acts as a protection device against electrostatic discharge at a low voltage regardless of whether a positive or negative voltage is applied. Furthermore, by filling the gap 2 with Ar, there is no deterioration of the carbon nanotubes 8 due to field emission, and it is possible to provide a longer-life ESD protection device 1A. Further, by causing the carbon nanotubes 8 to protrude from the surfaces of the electrodes 3 and 4, it is possible to stabilize the voltage that changes to low impedance. In particular, since a large number of carbon nanotubes 8 protrude, field emission from the plurality of carbon nanotubes 8 occurs, and a larger amount of current can flow in a short time due to electrostatic discharge. Furthermore, by using the multi-walled carbon nanotubes 8, it is possible to form the electrically conductive CNT holding layer 9 using a resin using metallic conductivity, and to provide a lower cost ESD protection device 1A. can do. In addition, since the carbon nanotubes 8 are held on the electrodes 3 and 4 via the CNT holding layer 9 made of a CNT resin matrix in which an epoxy resin and a carbon nanotube are mixed, the separation of the carbon nanotubes 8 can be prevented. Therefore, the ESD protection device 1A having sufficient mechanical strength and high reliability can be provided. Furthermore, the ESD protection device 1A that maintains the small capacitance and the large discharge current, which are the characteristics of the field emission element, can be formed.

本発明の第三の実施の形態を図4に基づいて説明する。図4は本実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。   A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a longitudinal side view schematically showing a basic configuration of the ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of the present embodiment.

本実施の形態のESD保護デバイス1Bは、プリント回路基板(図示せず)の表面などに実装される表面実装タイプのデバイス(SMD:Surface - Mountable Device)である。なお、第一の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。   The ESD protection device 1B of the present embodiment is a surface mount type device (SMD: Surface-Mountable Device) mounted on the surface of a printed circuit board (not shown). In addition, the same part as 1st embodiment is shown with the same code | symbol, and the description is also abbreviate | omitted.

図4に示すように、ESD保護デバイス1Bは、部品を保持する基材11と、基材11に設けられプリント回路基板の信号線と接地線とにそれぞれ接続される一対の下電極4a,4b、ギャップ2を挟んで基材11に設けられた一対の上電極3a,3b、それらの上電極3a,3bの表面から突出するカーボンナノチューブ(CNT)8、及び上電極3a,3bにシール材12を介して設けられた保護層13などから構成されている。   As shown in FIG. 4, the ESD protection device 1 </ b> B includes a base material 11 that holds components, and a pair of lower electrodes 4 a and 4 b that are provided on the base material 11 and are connected to a signal line and a ground line of a printed circuit board, respectively. The pair of upper electrodes 3a and 3b provided on the base material 11 with the gap 2 interposed therebetween, the carbon nanotubes (CNT) 8 protruding from the surfaces of the upper electrodes 3a and 3b, and the sealing material 12 on the upper electrodes 3a and 3b It is comprised from the protective layer 13 etc. which were provided through.

下電極4a,4bと上電極3a,3bとは、それぞれターミネート電極14によって電気的に接続されている。また、上電極3a,3bの表面から突出するカーボンナノチューブ8とギャップ2とは、絶縁性のシール材12と保護層13とによって大気から遮断されている。   The lower electrodes 4a and 4b and the upper electrodes 3a and 3b are electrically connected to each other by a terminate electrode 14. Further, the carbon nanotubes 8 and the gap 2 protruding from the surfaces of the upper electrodes 3a and 3b are shielded from the atmosphere by the insulating sealing material 12 and the protective layer 13.

基材11としては、ガラス基板等が用いられる。また、一対の上電極3a,3bは、ギャップ2を挟んで対向するように設けられており、そのギャップ2により絶縁されている。一対の上電極3a,3bのギャップ2側の表面には、カーボンナノチューブ8が突出している。また、上電極3a,3bの表面から突出したカーボンナノチューブ8の先端は開環している。通常、カーボンナノチューブ8の先端は、炭素の5員環及び6員環によって閉じた形状をしているが、その先端を開環することによって、より低電圧で電界放出させることが可能になるため、動作電圧を低くすることができる。   As the base material 11, a glass substrate or the like is used. The pair of upper electrodes 3 a and 3 b are provided so as to face each other with the gap 2 interposed therebetween, and are insulated by the gap 2. Carbon nanotubes 8 protrude from the surface of the pair of upper electrodes 3a, 3b on the gap 2 side. Further, the tips of the carbon nanotubes 8 protruding from the surfaces of the upper electrodes 3a and 3b are opened. Normally, the tip of the carbon nanotube 8 has a closed shape by a 5-membered ring and a 6-membered ring of carbon. However, by opening the tip, it is possible to cause field emission at a lower voltage. The operating voltage can be lowered.

カーボンナノチューブ8は、それを保持するCNT保持層(カーボンナノチューブ保持層)9により上電極3a,3bに設けられている。CNT保持層9は、一対の上電極3a,3bの互いのカーボンナノチューブ8が対向するように上電極3a,3bの表面に設けられている。カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とからなるCNTエポキシ樹脂マトリクスを上電極3a,3bの間に形成し、そのCNTエポキシ樹脂マトリクスにリソグラフィーとアッシングとを用いてギャップ2を形成することで、上電極3a,3bの表面から突出するように形成されている。なお、ギャップ2を形成する際には、エポキシ樹脂だけが除去されるため、カーボンナノチューブ8はCNT保持層9の表面から突出する。   The carbon nanotubes 8 are provided on the upper electrodes 3a and 3b by a CNT holding layer (carbon nanotube holding layer) 9 that holds the carbon nanotubes 8. The CNT holding layer 9 is provided on the surfaces of the upper electrodes 3a and 3b so that the carbon nanotubes 8 of the pair of upper electrodes 3a and 3b face each other. The carbon nanotube 8 is formed by forming a CNT epoxy resin matrix composed of an epoxy resin and a carbon nanotube 8 between the upper electrodes 3a and 3b, and forming a gap 2 in the CNT epoxy resin matrix using lithography and ashing. The upper electrodes 3a and 3b are formed so as to protrude from the surface. When forming the gap 2, only the epoxy resin is removed, so that the carbon nanotubes 8 protrude from the surface of the CNT holding layer 9.

ギャップ2には、窒素が充填されている。酸素が存在する雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化が発生するが、窒素雰囲気中では、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化が抑制されるため、より長寿命で信頼性が高いESD保護デバイス1Bを提供することができる。なお、充填するガスとしては、窒素を用いているが、これに限るものではなく、例えば、He、Ne、Kr、Xeなどの不活性ガスを用いてもよい。このようにギャップ2は不活性ガスまたは窒素で満たされた状態であってもよく、あるいは真空状態であってもよい。   The gap 2 is filled with nitrogen. In the atmosphere in which oxygen is present, the carbon nanotubes 8 are deteriorated due to field emission. However, in the nitrogen atmosphere, the deterioration of the carbon nanotubes 8 due to field emission is suppressed, so that the ESD protection has a longer lifetime and higher reliability. Device 1B can be provided. Note that nitrogen is used as the gas to be filled, but is not limited thereto, and for example, an inert gas such as He, Ne, Kr, or Xe may be used. Thus, the gap 2 may be filled with an inert gas or nitrogen, or may be in a vacuum state.

このような構成において、静電気放電による正負どちらかの過渡電圧がESD保護デバイス1Bに侵入すると、上電極3a又は上電極3bを通じて、上電極3a又は上電極3bの表面に突出したカーボンナノチューブ8に負電圧又は正電圧が印加され、その先端が数nmから数十nmと先鋭であるために、局所的に非常に強い電界が形成され、瞬時に電界放出による電流が発生し、ESD保護デバイス1Bを通じて過渡電圧を接地線に回避させることができる。   In such a configuration, when either a positive or negative transient voltage due to electrostatic discharge enters the ESD protection device 1B, the negative voltage is negatively applied to the carbon nanotubes 8 protruding from the upper electrode 3a or the upper electrode 3b through the upper electrode 3a or the upper electrode 3b. A voltage or positive voltage is applied, and the tip thereof is sharp, from several nanometers to several tens of nanometers. Therefore, a very strong electric field is locally generated, and a current due to field emission is instantaneously generated through the ESD protection device 1B. Transient voltage can be avoided on the ground line.

このように本実施の形態によれば、ESD保護デバイス1Bは、開環しない多層カーボンナノチューブ8の場合に比べてより低い電圧印加でも、IC(集積回路)や光デバイスなどに侵入する静電気放電による過渡電圧からICや光デバイスなどの破壊を防止することができる。さらに、ギャップ2に窒素を充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化がなく、より長寿命のESD保護デバイス1Bを提供することができる。また、カーボンナノチューブ8を上電極3a,3bから突出させることによって、動作電圧の安定化を実現することができる。特に、多数のカーボンナノチューブ8が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ8からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ8を用いることで、金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるCNT保持層9を形成でき、より低コストなESD保護デバイス1Bを提供することができる。また、カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とを混ぜ合わせたCNT樹脂マトリクスからなるCNT保持層9を介して上電極3a,3bに保持されているため、カーボンナノチューブ8の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のESD保護デバイス1Bを提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したESD保護デバイス1Bを形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, the ESD protection device 1B is caused by electrostatic discharge that intrudes into an IC (integrated circuit) or an optical device even when a lower voltage is applied as compared with the case of the multi-walled carbon nanotube 8 that does not open the ring. It is possible to prevent destruction of ICs and optical devices from the transient voltage. Furthermore, by filling the gap 2 with nitrogen, it is possible to provide an ESD protection device 1B having a longer life without deterioration of the carbon nanotubes 8 due to field emission. Further, the operation voltage can be stabilized by projecting the carbon nanotube 8 from the upper electrodes 3a and 3b. In particular, since a large number of carbon nanotubes 8 protrude, field emission from the plurality of carbon nanotubes 8 occurs, and a larger amount of current can flow in a short time due to electrostatic discharge. Furthermore, by using the multi-walled carbon nanotubes 8, it is possible to form the electrically conductive CNT holding layer 9 using a resin by utilizing metallic conductivity, and to provide a lower cost ESD protection device 1 </ b> B. it can. Further, since the carbon nanotubes 8 are held by the upper electrodes 3a and 3b via the CNT holding layer 9 made of a CNT resin matrix in which an epoxy resin and the carbon nanotubes 8 are mixed, the separation of the carbon nanotubes 8 is prevented. Therefore, the ESD protection device 1B having sufficient mechanical strength and high reliability can be provided. Further, it is possible to form the ESD protection device 1B that maintains the small capacitance and the large discharge current, which are the characteristics of the field emission element.

なお、本実施の形態では、カーボンナノチューブ8として多層カーボンナノチューブ(MWNT)を用いているが、これに限るものではなく、例えば単層カーボンナノチューブ(SWNT)を用いてもよい。この場合には、単層カーボンナノチューブ8は、グラフェンシートが単層であり、多層カーボンナノチューブ8に比べて、先端の曲率半径が小さく、より低電圧で電界放出する。例えば、単層カーボンナノチューブ8としては、その平均直径が1.5nmで、先端が開環していないチューブが用いられる。   In the present embodiment, multi-walled carbon nanotubes (MWNT) are used as the carbon nanotubes 8. However, the present invention is not limited to this, and for example, single-walled carbon nanotubes (SWNT) may be used. In this case, the single-walled carbon nanotube 8 has a single-layer graphene sheet, has a smaller radius of curvature at the tip than the multi-walled carbon nanotube 8, and emits electric field at a lower voltage. For example, as the single-walled carbon nanotube 8, a tube whose average diameter is 1.5 nm and whose tip is not opened is used.

<実施例1>
本発明の第一の実施の形態のESD保護デバイス1を製造する(図1参照)。まず、メッキやスパッタなどの公知技術によって、Si基板である基板5,6上に電極3,4を形成する。次に、平均の直径が10nm、平均長さが1μm、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ(NWNT)8をエポキシ樹脂中に分散し、これを基板5上に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とからなるCNTエポキシ樹脂マトリクスをCNT保持層9とする。次いで、このCNT保持層9の表面に対して、アルミナ研磨材(粒径0.3μm)と発泡ウレタンの研磨パッドとを用いて研磨を行い、電極3の表面からカーボンナノチューブ8を突出させる。
<Example 1>
The ESD protection device 1 according to the first embodiment of the present invention is manufactured (see FIG. 1). First, the electrodes 3 and 4 are formed on the substrates 5 and 6 which are Si substrates by a known technique such as plating or sputtering. Next, multi-walled carbon nanotubes (NWNT) 8 having an average diameter of 10 nm, an average length of 1 μm, and an unopened tip are dispersed in an epoxy resin, which is applied onto the substrate 5 and thermally cured. A CNT epoxy resin matrix composed of the thermoset epoxy resin and the carbon nanotubes 8 is used as a CNT holding layer 9. Next, the surface of the CNT holding layer 9 is polished using an alumina abrasive (particle size: 0.3 μm) and a urethane foam polishing pad, and the carbon nanotubes 8 are projected from the surface of the electrode 3.

カーボンナノチューブ8は、機械的及び化学的に安定で、研磨によりエポキシ樹脂のみが除去され、多数の多層カーボンナノチューブ8が、導電性を持つCNT保持層9を介して、電極3の表面から突出する。CNTエポキシ樹脂マトリクスが、電極3の表面に突出するカーボンナノチューブ8を保持するCNT保持層9として機能する。また、多層カーボンナノチューブ8は、金属的な電気伝導性を持つため、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とが混合してなるCNT保持層9も電気伝導性を持っている。そのため、電極に印加された電圧はCNT保持層9を介してカーボンナノチューブ8の先端に印加されるため、非常に大きな電界を形成することができる。   The carbon nanotubes 8 are mechanically and chemically stable, only the epoxy resin is removed by polishing, and a large number of multi-walled carbon nanotubes 8 protrude from the surface of the electrode 3 through the conductive CNT holding layer 9. . The CNT epoxy resin matrix functions as a CNT holding layer 9 that holds the carbon nanotubes 8 protruding from the surface of the electrode 3. Moreover, since the multi-walled carbon nanotube 8 has metallic electrical conductivity, the CNT holding layer 9 formed by mixing the epoxy resin and the carbon nanotube 8 also has electrical conductivity. Therefore, since the voltage applied to the electrode is applied to the tip of the carbon nanotube 8 via the CNT holding layer 9, a very large electric field can be formed.

最後に、カーボンナノチューブ8を表面に有する電極3が形成された基板5と電極4が形成された基板6とを絶縁性のスペーサ7を介して貼り合わせる。ここでは、スペーサ7として膜厚12μmのマイラーを用いて、CNT保持層9と対向する電極3,4の間に12μmのギャップ2を形成する。   Finally, the substrate 5 on which the electrode 3 having the carbon nanotubes 8 is formed and the substrate 6 on which the electrode 4 is formed are bonded together via an insulating spacer 7. Here, a mylar having a thickness of 12 μm is used as the spacer 7, and a gap 2 of 12 μm is formed between the electrodes 3 and 4 facing the CNT holding layer 9.

このようにして形成したESD保護デバイス1の最低動作電圧を計測したところ、ESD保護デバイス1は、−110Vと低電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。また、カーボンナノチューブ8を電極3の表面に突出させることによって、低インピーダンスに変化する電圧を安定化することができることも確認された。一方、IEC61000−4−2レベル4によって規定される、従来の接触放電8kVの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。   When the minimum operating voltage of the ESD protection device 1 thus formed was measured, it was confirmed that the ESD protection device 1 acts as a protection device against electrostatic discharge even when a low voltage of −110 V was applied. It was also confirmed that the voltage that changes to low impedance can be stabilized by causing the carbon nanotubes 8 to protrude from the surface of the electrode 3. On the other hand, it was also confirmed that it works sufficiently as a protection device against electrostatic discharge even for the conventional contact discharge 8 kV test defined by IEC61000-4-2 Level 4.

このようなESD保護デバイス1では、特に、多数のカーボンナノチューブ8が突出しているために、複数のカーボンナノチューブ8からの電界放出が生じ、静電気放電により短時間により多くの電流を流すことができる。さらに、多層カーボンナノチューブ8を用いることで、その金属的伝導性を利用して、樹脂を用いて電気伝導性のあるCNT保持層9を形成することができ、より低コストなESD保護デバイス1を提供することができる。また、カーボンナノチューブ8は、エポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とを混ぜ合わせたCNT樹脂マトリクスからなるCNT保持層9を介して電極3に保持されているため、カーボンナノチューブ8の離脱を防止することが可能になり、機械的強度が十分で高い信頼性のESD保護デバイス1を提供することができる。さらに、フィールドエミッション素子の特性である、小さな静電容量と大きな放電電流を維持したESD保護デバイス1を形成することができる。   In such an ESD protection device 1, in particular, since a large number of carbon nanotubes 8 protrude, field emission from the plurality of carbon nanotubes 8 occurs, and a large amount of current can flow in a short time due to electrostatic discharge. Furthermore, by using the multi-walled carbon nanotube 8, it is possible to form a CNT holding layer 9 having electrical conductivity using a resin by utilizing its metallic conductivity, and the ESD protection device 1 with a lower cost can be obtained. Can be provided. Further, since the carbon nanotube 8 is held on the electrode 3 through the CNT holding layer 9 made of a CNT resin matrix in which an epoxy resin and the carbon nanotube 8 are mixed, it is possible to prevent the carbon nanotube 8 from being detached. Thus, the ESD protection device 1 having sufficient mechanical strength and high reliability can be provided. Furthermore, it is possible to form the ESD protection device 1 that maintains the small capacitance and the large discharge current, which are the characteristics of the field emission element.

<実施例2>
本発明の第二の実施の形態のESD保護デバイス1Aを製造する(図3参照)。まず、メッキやスパッタなどの公知技術によって、Si基板である基板5,6上に電極3,4を形成する。次に、平均の直径が10nm、平均長さが1μm、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ8をエポキシ樹脂中に分散し、これを基板5,6上に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブ8とからなるCNT樹脂マトリクスマトリクスをCNT保持層9とする。次いで、このCNT保持層9の表面に対して、アルミナ研磨材(粒径0.3μm)と発泡ウレタンの研磨パッドを用いて研磨を行い、電極3,4の表面からカーボンナノチューブ8を突出させる。
<Example 2>
The ESD protection device 1A according to the second embodiment of the present invention is manufactured (see FIG. 3). First, the electrodes 3 and 4 are formed on the substrates 5 and 6 which are Si substrates by a known technique such as plating or sputtering. Next, the multi-walled carbon nanotubes 8 having an average diameter of 10 nm, an average length of 1 μm, and an unopened tip are dispersed in an epoxy resin, which is coated on the substrates 5 and 6 and thermally cured. The CNT resin matrix matrix composed of the thermosetting epoxy resin and the carbon nanotubes 8 is used as the CNT holding layer 9. Next, the surface of the CNT holding layer 9 is polished using an alumina abrasive (particle size: 0.3 μm) and a urethane foam polishing pad, and the carbon nanotubes 8 are projected from the surfaces of the electrodes 3 and 4.

カーボンナノチューブ8は、機械的及び化学的に安定で、研磨によりエポキシ樹脂のみが除去され、多数の多層カーボンナノチューブ8が、導電性を持つCNT保持層9を介して、電極3の表面から突出する。CNTエポキシ樹脂マトリクスが、電極3の表面に突出するカーボンナノチューブ8を保持するCNT保持層9として機能する。   The carbon nanotubes 8 are mechanically and chemically stable, only the epoxy resin is removed by polishing, and a large number of multi-walled carbon nanotubes 8 protrude from the surface of the electrode 3 through the conductive CNT holding layer 9. . The CNT epoxy resin matrix functions as a CNT holding layer 9 that holds the carbon nanotubes 8 protruding from the surface of the electrode 3.

最後に、カーボンナノチューブ8を表面に有する電極3が形成された基板5とカーボンナノチューブ8を表面に有する電極4が形成された基板6とを絶縁性のスペーサ7を介して貼り合わせる。ここでは、スペーサ7として膜厚12μmのマイラーを用いて、CNT保持層9と対向する電極3,4の間に12μmのギャップ2を形成し、真空装置内で大気を排気した後、そのギャップ2にArガスを充填した後に貼り合わせてシールする。なお、充填するガスとしては、Arを用いているが、これに限るものではなく、例えば、He、Ne、Kr、Xeなどの不活性ガス、または窒素を用いてもよい。このようにギャップ2を不活性ガスまたは窒素で満たした状態にしても良く、あるいは真空状態にしてもよい。このようにギャップ2に酸素が存在しない場合には、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化を防止することができる。   Finally, the substrate 5 on which the electrode 3 having the carbon nanotube 8 on the surface is formed and the substrate 6 on which the electrode 4 having the carbon nanotube 8 on the surface are bonded to each other through the insulating spacer 7. Here, a mylar having a film thickness of 12 μm is used as the spacer 7, a gap 2 of 12 μm is formed between the electrodes 3 and 4 facing the CNT holding layer 9, the atmosphere is exhausted in a vacuum apparatus, and then the gap 2 After Ar is filled with Ar gas, it is bonded and sealed. Note that although Ar is used as the gas to be filled, the present invention is not limited to this, and for example, an inert gas such as He, Ne, Kr, or Xe, or nitrogen may be used. Thus, the gap 2 may be filled with an inert gas or nitrogen, or may be in a vacuum state. Thus, when oxygen does not exist in the gap 2, the deterioration of the carbon nanotube 8 due to field emission can be prevented.

このようにして形成したESD保護デバイス1Aの最低動作電圧を計測したところ、ESD保護デバイス1Aは、±110Vとどちらの極性の電圧印加でも、低電圧で静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。また、ESD保護デバイス1Aは、実施例1と同様の効果も有する。なお、ギャップ2にArを充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化がなく、より長寿命のESD保護デバイス1Aを提供することができる。   When the minimum operating voltage of the ESD protection device 1A formed in this way was measured, it was confirmed that the ESD protection device 1A acts as a protection device against electrostatic discharge at a low voltage when a voltage of either ± 110 V or any polarity is applied. It was done. The ESD protection device 1A also has the same effect as that of the first embodiment. In addition, by filling the gap 2 with Ar, the carbon nanotubes 8 are not deteriorated by field emission, and a longer-lifetime ESD protection device 1A can be provided.

<実施例3>
本発明の第三の実施の形態のESD保護デバイス1Bを製造する(図4参照)。まず、平均の直径が10nm、平均長さが1μm、先端が開環していない多層カーボンナノチューブ8を硫酸中に分散させ、150℃に加熱した状態で、過マンガン酸カリウムを加えて数時間還流し、多層カーボンナノチューブ8の先端を酸化させることで開環する。基材11としてガラス基板を用い、メッキやスパッタなどの公知技術によって基材11上に上電極3a,3bを形成する。次に、先端を開環した多層カーボンナノチューブ8をエポキシ樹脂中に分散し、これを上電極3a,3bの間に塗布して熱硬化させる。この熱硬化したエポキシ樹脂とカーボンナノチューブとからなるCNTエポキシ樹脂マトリクスをCNT保持層9とする。
<Example 3>
The ESD protection device 1B according to the third embodiment of the present invention is manufactured (see FIG. 4). First, multi-walled carbon nanotubes 8 having an average diameter of 10 nm, an average length of 1 μm, and no open ends are dispersed in sulfuric acid, heated to 150 ° C., added with potassium permanganate, and refluxed for several hours. The ring is opened by oxidizing the tip of the multi-walled carbon nanotube 8. A glass substrate is used as the base material 11, and the upper electrodes 3a and 3b are formed on the base material 11 by a known technique such as plating or sputtering. Next, the multi-walled carbon nanotubes 8 whose ends are opened are dispersed in an epoxy resin, which is applied between the upper electrodes 3a and 3b and thermally cured. The CNT epoxy resin matrix composed of this thermoset epoxy resin and carbon nanotubes is used as the CNT holding layer 9.

次いで、このCNT保持層9をリソグラフィーとアッシングとを用いてパターニングし、そこに10μm幅のギャップ2を形成する。ここで用いられるパターニングは非常にラフなもので、低コストなものである。このときエポキシ樹脂だけが除去されるため、カーボンナノチューブ8はCNT保持層9の表面から突出する。すなわち、電極3a,3bの表面からカーボンナノチューブ8が突出する。その後、洗浄を行い、ギャップ2の間に遊離したカーボンナノチューブ8を除去し、真空装置内で大気を排気した後、窒素ガスを充填した後に、絶縁性のシール材12を用いて、カーボンナノチューブ8を表面に有する上電極3a,3bが形成された基材11と保護層13とを貼り合わせてシールする。最後に、下電極4a,4b及びターミネート電極14を形成し、ESD保護デバイス1Bとする。   Next, the CNT holding layer 9 is patterned using lithography and ashing to form a gap 2 having a width of 10 μm. The patterning used here is very rough and low cost. At this time, since only the epoxy resin is removed, the carbon nanotubes 8 protrude from the surface of the CNT holding layer 9. That is, the carbon nanotubes 8 protrude from the surfaces of the electrodes 3a and 3b. Thereafter, cleaning is performed to remove the carbon nanotubes 8 released between the gaps 2. After exhausting the atmosphere in a vacuum apparatus, filling with nitrogen gas, the carbon nanotubes 8 are filled with an insulating sealing material 12. The base material 11 on which the upper electrodes 3a and 3b having the surface are formed and the protective layer 13 are bonded together and sealed. Finally, the lower electrodes 4a and 4b and the terminate electrode 14 are formed to form the ESD protection device 1B.

ここでは、湿式の酸化によりカーボンナノチューブ8の先端を開環したが、これに限るものではなく、例えば大気中またはCO中において、700℃から850℃に加熱することによって先端を開環してもよい。また、充填するガスとしては、窒素を用いているが、これに限るものではなく、例えば、He、Ne、Ar、Kr、Xeなどの不活性ガスを用いてもよい。このようにギャップ2を不活性ガスまたは窒素で満たした状態にしても良く、あるいは真空状態にしてもよい。このようにギャップ2に酸素が存在しない場合には、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化を防止することができる。 Here, the tip of the carbon nanotube 8 is opened by wet oxidation, but the present invention is not limited to this. For example, the tip of the carbon nanotube 8 is opened by heating from 700 ° C. to 850 ° C. in the air or CO 2. Also good. Moreover, although nitrogen is used as the gas to be filled, the present invention is not limited to this. For example, an inert gas such as He, Ne, Ar, Kr, or Xe may be used. Thus, the gap 2 may be filled with an inert gas or nitrogen, or may be in a vacuum state. Thus, when oxygen does not exist in the gap 2, the deterioration of the carbon nanotube 8 due to field emission can be prevented.

このようにして形成したESD保護デバイス1Bの最低動作電圧を計測したところ、ESD保護デバイス1Bは、±80Vと、開環しない多層カーボンナノチューブ8の場合に比べてより低い電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。さらに、IEC61000−4−2レベル4によって規定される、従来の接触放電8kVの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。また、ESD保護デバイス1Bは、実施例1と同様の効果も有する。なお、ギャップ2に窒素を充填することによって、電界放出によるカーボンナノチューブ8の劣化がなく、より長寿命のESD保護デバイス1Bを提供することができる。   When the minimum operating voltage of the ESD protection device 1B formed in this way was measured, the ESD protection device 1B is ± 80 V, which is less susceptible to electrostatic discharge even when a lower voltage is applied than in the case of the multi-walled carbon nanotube 8 that does not open. It has been confirmed that it acts as a protective device. Furthermore, it was also confirmed that it works sufficiently as a protection device against electrostatic discharge even for the conventional contact discharge 8 kV test defined by IEC61000-4-2 Level 4. The ESD protection device 1B also has the same effect as that of the first embodiment. In addition, by filling the gap 2 with nitrogen, there is no deterioration of the carbon nanotube 8 due to field emission, and the ESD protection device 1B having a longer life can be provided.

<実施例4>
カーボンナノチューブ8として多層カーボンナノチューブに換えて単層カーボンナノチューブを用いて、実施例3と同様に本発明の第三の実施の形態のESD保護デバイス1Bを製造する(図4参照)。用いる単層カーボンナノチューブ8は、その平均直径が1.5nmで、先端が開環していないチューブである。
<Example 4>
By using single-walled carbon nanotubes instead of multi-walled carbon nanotubes as the carbon nanotubes 8, the ESD protection device 1B of the third embodiment of the present invention is manufactured in the same manner as in Example 3 (see FIG. 4). The single-walled carbon nanotube 8 to be used is a tube whose average diameter is 1.5 nm and whose tip is not opened.

このようにして形成したESD保護デバイス1Bの最低動作電圧を計測したところ、ESD保護デバイス1Bは、±80Vと、開環しない多層カーボンナノチューブ8の場合に比べてより低い電圧印加でも、静電気放電に対する保護デバイスとして作用することが確認された。さらに、IEC61000−4−2レベル4によって規定される、従来の接触放電8kVの試験に対しても、十分に静電気放電に対する保護デバイスとして働くことも確認された。また、ESD保護デバイス1Bは、実施例3と同様の効果も有する。   When the minimum operating voltage of the ESD protection device 1B formed in this way was measured, the ESD protection device 1B is ± 80 V, which is less susceptible to electrostatic discharge even when a lower voltage is applied than in the case of the multi-walled carbon nanotube 8 that does not open. It has been confirmed that it acts as a protective device. Furthermore, it was also confirmed that it works sufficiently as a protection device against electrostatic discharge even for the conventional contact discharge 8 kV test defined by IEC61000-4-2 Level 4. Further, the ESD protection device 1B has the same effect as that of the third embodiment.

本発明の第一の実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows roughly the basic composition of the ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of 1st embodiment of this invention. 走査型電子顕微鏡によりCNT保持層の表面を斜め上方から撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the surface of the CNT holding layer from diagonally upward with the scanning electron microscope. 本発明の第二の実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows roughly the basic composition of the ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施の形態のESD保護デバイス(静電気放電保護デバイス)の基本構成を概略的に示す縦断側面図である。It is a vertical side view which shows roughly the basic composition of the ESD protection device (electrostatic discharge protection device) of 3rd embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,1A,1B 静電気放電保護デバイス(ESD保護デバイス)
2 ギャップ
3,4 電極
3a,3b 電極(上電極)
8 カーボンナノチューブ
9 カーボンナノチューブ保持層(CNT保持層)
1,1A, 1B Electrostatic discharge protection device (ESD protection device)
2 Gap 3, 4 electrode 3a, 3b electrode (upper electrode)
8 Carbon nanotubes 9 Carbon nanotube holding layer (CNT holding layer)

Claims (8)

静電気放電により発生した電荷を逃がすための静電気放電保護デバイスにおいて、
それぞれギャップを介して設けられ、そのギャップにより絶縁された一対の電極と、
少なくとも一方の前記電極のギャップ側の表面から突出するカーボンナノチューブと、
を備えることを特徴とする静電気放電保護デバイス。
In the electrostatic discharge protection device for releasing the charge generated by electrostatic discharge,
A pair of electrodes each provided via a gap and insulated by the gap;
Carbon nanotubes protruding from the gap-side surface of at least one of the electrodes,
An electrostatic discharge protection device comprising:
前記カーボンナノチューブは、一対の前記電極の両方のギャップ側の表面から突出している、ことを特徴とする請求項1記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to claim 1, wherein the carbon nanotube protrudes from the surface of the gap side of both of the pair of electrodes. 前記ギャップは、不活性ガスまたは窒素で満たされた状態、または真空状態である、ことを特徴とする請求項1又は2記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to claim 1, wherein the gap is in a state filled with an inert gas or nitrogen, or in a vacuum state. 前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項1、2又は3記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to claim 1, wherein the carbon nanotube is a multi-walled carbon nanotube. 前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項1、2又は3記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to claim 1, wherein the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube. 前記カーボンナノチューブはその先端が開環しているチューブである、ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the carbon nanotube is a tube whose tip is opened. 前記カーボンナノチューブは複数本設けられている、ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。   The electrostatic discharge protection device according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of the carbon nanotubes are provided. 前記カーボンナノチューブは、それを保持して前記電極に設けられたカーボンナノチューブ保持層によって、前記電極の表面に設けられている、ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一記載の静電気放電保護デバイス。

The electrostatic discharge according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbon nanotube is provided on a surface of the electrode by a carbon nanotube holding layer provided on the electrode to hold the carbon nanotube. Protective device.

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