JP2001006523A - 電子素子 - Google Patents

電子素子

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JP2001006523A JP17063799A JP17063799A JP2001006523A JP 2001006523 A JP2001006523 A JP 2001006523A JP 17063799 A JP17063799 A JP 17063799A JP 17063799 A JP17063799 A JP 17063799A JP 2001006523 A JP2001006523 A JP 2001006523A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷陰極素子として用いた場合,低い印加電圧
によっても十分に電子を放出することが可能である等高
い実用性を持つ電子素子を提供する。 【解決手段】 電子素子3は,非晶質炭素膜よりなり,
且つ金属結合半径が炭素の原子半径の2倍以上である金
属元素mを含有する主体部3aと,その主体部3aを被
覆し,且つsp3 性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層
3bとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電子素子,例えば電
界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子と
して用いられる電子素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来,電子放出素子としては熱陰極素子
と冷陰極素子とが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】熱陰極素子は真空管に
代表される分野に用いられているが,熱を付与するため
に集積化が困難である,といった問題がある。一方,冷
陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子とし
て,フラットパネルディスプレイ,電圧増幅素子,高周
波増幅素子等への応用が期待されている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は,例えば冷陰極
素子として用いた場合,低い印加電圧によっても十分に
電子を放出することが可能である等高い実用性を持つ前
記電子素子を提供することを目的とする。
【0005】前記目的を達成するため本発明によれば,
非晶質炭素膜よりなり,且つ金属結合半径が炭素の原子
半径の2倍以上である金属元素を含有する主体部と,そ
の主体部を被覆し,且つsp3 性の高い非晶質炭素膜よ
りなる表面層とを有する電子素子が提供される。
【0006】前記のような金属結合半径を有する金属元
素を非晶質炭素膜よりなる主体部内に存在させると,そ
の内部に歪みが生じ,これにより,主体部の電気絶縁性
を弱める一方,導電性を強めることが可能である。また
表面層を構成するsp3 性の高い非晶質炭素膜は,元来
優れた電界放出特性を有する。このような電子素子より
なる冷陰極素子においては,その放出電界が低められる
ので,その冷陰極素子に対する印加電圧を低くしても十
分な電子放出を現出させることが可能である。
【0007】
【発明の実施の形態】図1は陰極ユニット1を示し,そ
の陰極ユニット1はAl製陰極板2と,その表面に形成
された電子素子としての冷陰極素子3とよりなる。その
冷陰極素子3は,非晶質炭素膜よりなり,且つ金属結合
半径が炭素の原子半径の2倍以上である金属元素mを含
有する主体部3aと,その主体部3aに接合され,且つ
sp3性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層3bとを有
する。
【0008】前記のような金属結合半径を有する金属元
素mを非晶質炭素膜よりなる主体部3a内に存在させる
と,その内部に歪みが生じ,これにより,主体部3aの
電気絶縁性を弱める一方,導電性を強めることが可能で
ある。また金属元素mは主体部3aの,表面層3bとの
界面iにも点在する。この場合,前記金属元素mが活性
であることから,界面iの金属元素mは空気中の酸素と
化合して安定な酸化物となり,その酸化物は,微視的で
はあるが,突起pをなす。その結果,表面層3bはそれ
ら突起pに倣って形成された複数の凸部rを有する。表
面層3bを構成するsp3 性の高い非晶質炭素膜は,元
来優れた電界放出特性を有し,これに各凸部rによる電
界集中効果が付加されるので,表面層3bの電界放出特
性が一層高められる。
【0009】このような冷陰極素子3においては,その
放出電界が低められるので,その冷陰極素子3に対する
印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させること
が可能である。
【0010】炭素の原子半径は0.77Åであり,した
がって前記金属元素mとしては,金属結合半径が2.6
6Åのセシウム(Cs),金属結合半径が2.47Åの
ルビジウム(Rb)等が用いられる。
【0011】表面層3bにおいて,X線光電子分光法
(ESCA,XPS)によるC1S電子の光電子スペクト
ルの半値幅HwはHw≦2.0eVであることが好まし
い。半値幅Hwは,図2に示すように,表面層3bにつ
いて,X線光電子分光法による分析を行い,得られたC
1S電子の光電子スペクトル4から求められる。即ち,ピ
ーク値の2分の1におけるスペクトルの幅(eV)を半
値幅Hwとする。表面層3bにおいて,半値幅Hwを前
記のように設定すると,その放出電界を低めることが可
能である。
【0012】二層構成の非晶質炭素膜は,例えばSiよ
りなる冷陰極素子の性能向上を図るべく,その素子の表
面被膜層構成材料としても用いられる。
【0013】主体部3aおよび表面層3bはイオンビー
ム蒸着法により形成され,その形成に際し,入射イオン
としてセシウムイオンを用い,また形成条件を調整する
ことによってセシウムmを主体部3aに均一に含有させ
ることが可能となる。イオンビーム蒸着法においては,
正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。こ
の場合,主体部3a等の原子密度は正イオンビーム蒸着
法によるもの,負イオンビーム蒸着法によるもの,の順
に高くなる,つまり,導電性はこの順序で強くなり,放
出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は,負
イオンの内部ポテンシャルエネルギ(電子親和力)が正
イオンのそれ(電離電圧)よりも低いことに起因する。
【0014】以下,具体例について説明する。
【0015】図3は公知の超高真空型負イオンビーム蒸
着装置(NIABNIS:Neutral andIonized Alkaline metal
bombardment type heavy Negative Ion Source)を示
す。その装置は,センタアノードパイプ5,フィラメン
ト6,熱遮蔽体7等を有するセシウムプラズマイオン源
8と,サプレッサ9と,高純度高密度炭素よりなるター
ゲット10を備えたターゲット電極11と,負イオン引
出し電極12と,レンズ13と,マグネット14を有す
る電子除去体15と,偏向板16とを備えている。
【0016】主体部3aの形成に当っては,(a)図3
に示すように,各部に所定の電圧を印加する,(b)セ
シウムプラズマイオン源8によりセシウムの正イオンを
発生させる,(c)セシウムの正イオンによりターゲッ
ト10をスパッタして炭素等の負イオンを発生させる,
(d)サプレッサ9を介して負イオン引出し電極12に
より負イオンを引出して負イオンビーム17を発生させ
る,(e)レンズ13により負イオンビーム17を収束
する,(f)電子除去体15により負イオンビーム17
に含まれる電子を除去する,(g)偏向板16により負
イオンのみを陰極板2に向けて飛行させる,といった方
法を採用した。
【0017】図4は負イオンビーム17の質量スペクト
ルを示す。この負イオンビーム17の主たる負イオンは
構成原子数が1であるC- イオンと構成原子数が2であ
るC2 - イオンである。ただし,イオン電流はC- >C
2 - である。
【0018】前記方法により,図5に示すように陰極板
2の表面に主体部3aが形成される。この主体部3aに
おいては,その内部および表面層3bとの界面iに複数
のセシウムmが点在する。図6に示すように界面iに点
在する複数のセシウムmは経時的に酸化して,その酸化
物による突起pが形成される。
【0019】次いで,前記同様の負イオンビーム蒸着法
を行って主体部3aの界面i上に非晶質炭素膜よりなる
表面層3bを形成すると共にその層3bを主体部3aに
接合する。これにより,図1に示すように表面層3bは
複数の突起pに倣って形成された複数の凸部rを有す
る。このようにして得られた冷陰極素子3を実施例とす
る。
【0020】比較のため,図7に示すように,前記と同
様の方法で前記同様の主体部3aを陰極板2表面に形成
し,それを大気中に放置したところ,界面iに点在する
セシウムmの酸化物よりなる突起pの略全部が円錐状に
成長していた。このような主体部3aからなる冷陰極素
子3を比較例とする。
【0021】表1は,負イオンビーム蒸着法による実施
例および比較例の形成条件を示す。
【0022】
【表1】
【0023】実施例の主体部3a形成後,その主体部3
aの略中央部分についてラマン分光法による分析を行っ
て,それが非晶質であるか否かを調べた。図8は分析結
果を示し,波数1500cm-1付近を中心としたブロード
なラマンバンドが観察される。このことから主体部3a
は非晶質であることが判明した。表面層3bおよび比較
例についても図8と同様の結果が得られた。
【0024】また原子間力顕微鏡(AFM)により実施
例および比較例の表面を撮影してそれらの表面写真を得
た。図9は実施例に関する表面写真の要部拡大写図であ
り,本図より,表面に多数の凸部rが点在することが判
る。図10は比較例に関する表面写真の要部拡大写図で
あり,本図より表面に多数の円錐状突起pが点在するこ
とが判る。
【0025】さらに実施例および比較例について,走査
電子顕微鏡(SEM)を用いて検鏡を行ったところ,実
施例および比較例の内部にセシウムmの存在が認められ
た。
【0026】さらにまた,オージエ電子分光法(AE
S)により実施例および比較例に関する表面の二次電子
像を撮影したところ,実施例については,表面層3bの
表面にセシウムの存在は認められなかったが,比較例の
表面にはセシウムの存在が認められた。
【0027】さらに実施例および比較例について,図1
1に示す方法で放出電界の測定を行った。即ち,電圧調
整可能な電源18にAl製導電板19を接続し,その導
電板19上に,中央部に縦0.8cm,横0.8cm(0.
64cm2 )の開口20を有する厚さ150μmのカバー
ガラス21を載せ,また,そのカバーガラス21上に陰
極ユニット1の冷陰極素子3を載せ,さらに,その陰極
板2に電流計22を接続した。次いで,電源18より導
電板19に所定の電圧を印加して,電流計22により電
流を読取った。そして,測定電流と開口20の面積とか
ら,放出電流密度(μA/cm2 )を求め,実用性を考慮
して,その放出電流密度が8μA/cm2に達したとき,
それに対応する電圧とカバーガラス21の厚さとから放
出電界(V/μm)を求めた。
【0028】その結果,実施例の放出電界は0.8V/
μmであったが,比較例のそれは1.2V/μmであ
り,実施例は比較例に比べて十分に低い放出電界を有す
ることが判明した。
【0029】なお,主体部3aが前記のような金属元素
mを含有しない場合にも,それ相当の効果が得られる。
この種の冷陰極素子は,フラットパネルディスプレイ,
電圧増幅素子,高周波増幅素子,高精度至近距離レー
ダ,磁気センサ,視覚センサ等に応用される。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば,前記のように構成する
ことによって,例えば冷陰極素子として用いることが可
能な,高い実用性を持つ電子素子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】陰極ユニットの実施例の断面図である。
【図2】表面層に関するX線光電子分光法によるC1S
子の光電子スペクトルである。
【図3】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図で
ある。
【図4】前記装置によるビームスペクトルである。
【図5】形成直後の主体部の説明図である。
【図6】経時変化後の主体部の説明図である。
【図7】陰極ユニットの比較例の断面図である。
【図8】主体部に関するラマン分光法による分析結果を
示すチャートである。
【図9】実施例に関する原子間力顕微鏡による表面写真
の要部拡大写図である。
【図10】比較例に関する原子間力顕微鏡による表面写
真の要部拡大写図である。
【図11】放出電界測定方法の説明図である。
【符号の説明】
1 陰極ユニット 2 陰極板 3 冷陰極素子(電子素子) 3a 主体部 3b 表面層 i 界面 m 金属元素 p 突起 r 凸部

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非晶質炭素膜よりなり,且つ金属結合半
    径が炭素の原子半径の2倍以上である金属元素(m)を
    含有する主体部(3a)と,その主体部(3a)を被覆
    し,且つsp3 性の高い非晶質炭素膜よりなる表面層
    (3b)とを有することを特徴とする電子素子。
  2. 【請求項2】 前記表面層(3b)において,X線光電
    子分光法によるC1S電子の光電子スペクトルの半値幅H
    wがHw≦2.0eVである,請求項1記載の電子素
    子。
  3. 【請求項3】 前記主体部(3a)は,前記表面層(3
    b)との界面(i)に前記金属元素(m)を含む複数の
    突起(p)を有し,前記表面層(3b)は前記突起
    (p)に倣って形成された複数の凸部(r)を有する,
    請求項1または2記載の電子素子。
  4. 【請求項4】 前記金属元素(m)はCsおよびRbの
    一方である,請求項1,2または3記載の電子素子。
  5. 【請求項5】 前記主体部(3a)および表面層(3
    b)はそれぞれイオンビーム蒸着法により形成されたも
    のである,請求項1,2,3または4記載の電子素子。
  6. 【請求項6】 電界を印加されることにより電子を放出
    する冷陰極素子(3)として用いられる,請求項1,
    2,3,4または5記載の電子素子。
  7. 【請求項7】 非晶質炭素膜よりなる主体部(3a)
    と,その主体部(3a)を被覆し,且つsp3 性の高い
    非晶質炭素膜よりなる表面層(3b)とを有することを
    特徴とする電子素子。
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