JP2001068011A - ｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイス - Google Patents
ｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイスInfo
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- JP2001068011A JP2001068011A JP23896099A JP23896099A JP2001068011A JP 2001068011 A JP2001068011 A JP 2001068011A JP 23896099 A JP23896099 A JP 23896099A JP 23896099 A JP23896099 A JP 23896099A JP 2001068011 A JP2001068011 A JP 2001068011A
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- diamond semiconductor
- semiconductor
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- Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 薄型化及び平板化が可能で電子放出のしきい
値電圧が小さく、ダイヤモンドの負の電子親和力を効果
的に利用することのできる優れたｎ型ダイヤモンド電子
放出素子及び電子デバイスを提供する。 【解決手段】 基板２上に形成したｎ型ダイヤモンド半
導体４と、このダイヤモンド半導体の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
近傍に設けたアノード電極７と、ｎ型ダイヤモンド半導
体の一部表面に形成したカソード電極８とを高真空容器
９内に備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として電
圧を印加し電子を放出する。
値電圧が小さく、ダイヤモンドの負の電子親和力を効果
的に利用することのできる優れたｎ型ダイヤモンド電子
放出素子及び電子デバイスを提供する。 【解決手段】 基板２上に形成したｎ型ダイヤモンド半
導体４と、このダイヤモンド半導体の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
近傍に設けたアノード電極７と、ｎ型ダイヤモンド半導
体の一部表面に形成したカソード電極８とを高真空容器
９内に備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として電
圧を印加し電子を放出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は冷陰極の電子放出
源に利用し、電界により電子を放出するためのｎ型ダイ
ヤモンドの電子放出素子及び電子デバイスに関する。
源に利用し、電界により電子を放出するためのｎ型ダイ
ヤモンドの電子放出素子及び電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】近時多く使われているブラウン管（以
下、「ＣＲＴ」という）は表示デバイスとして現時点で
最適なものとされているが、そのサイズ、重量及び消費
電力が小さくできないという解決すべき課題がある。こ
れに代わり、最近では液晶ディスプレイが薄型表示素子
として利用されている。しかし、この液晶ディスプレイ
にも、視野角が狭いこと、大面積化が困難であること、
応答性が遅いこと、輝度が暗いこと等の解決すべき課題
がある。
下、「ＣＲＴ」という）は表示デバイスとして現時点で
最適なものとされているが、そのサイズ、重量及び消費
電力が小さくできないという解決すべき課題がある。こ
れに代わり、最近では液晶ディスプレイが薄型表示素子
として利用されている。しかし、この液晶ディスプレイ
にも、視野角が狭いこと、大面積化が困難であること、
応答性が遅いこと、輝度が暗いこと等の解決すべき課題
がある。
【０００３】これらに対して、最近、真空マイクロエレ
クトロニクスの分野では、マイクロバキューム（超小型
真空管）内に微細な電子エミッターをアレイ状に並べて
電子線を各画素ごとに照射する表示方式が知られてい
る。これは電子放出源として電界放出素子を用いて作製
されることからフィールドエミッターディスプレイ（以
下、「ＦＥＤ」という）と呼ばれている。このＦＥＤで
は電界放出型電子放出素子の微小電極が２次元状に配列
され、電子の偏向及び収束が不要であり、表示装置が薄
型化及び平板化等されている。
クトロニクスの分野では、マイクロバキューム（超小型
真空管）内に微細な電子エミッターをアレイ状に並べて
電子線を各画素ごとに照射する表示方式が知られてい
る。これは電子放出源として電界放出素子を用いて作製
されることからフィールドエミッターディスプレイ（以
下、「ＦＥＤ」という）と呼ばれている。このＦＥＤで
は電界放出型電子放出素子の微小電極が２次元状に配列
され、電子の偏向及び収束が不要であり、表示装置が薄
型化及び平板化等されている。
【０００４】ところで、ダイヤモンドは５．５ｅＶとい
う広いバンドギャップを持つ半導体結晶であり、その水
素化面では負の電子親和力（以下、「ＮＥＡ」という）
状態が観測され、電子放出素子としての応用が期待され
ている。
う広いバンドギャップを持つ半導体結晶であり、その水
素化面では負の電子親和力（以下、「ＮＥＡ」という）
状態が観測され、電子放出素子としての応用が期待され
ている。
【０００５】図８は半導体ダイヤモンドのバンド図と真
空中での電子準位（真空準位）との関連を示す図であ
り、（ａ）は通常の半導体のバンド図、（ｂ）はダイヤ
モンド半導体のバンド図を示す。なお、図８において、
白丸は伝導電子、Ｅ0 は真空準位、Ｅc は伝導帯のエネ
ルギー、Ｅv は価電子帯のエネルギー、ＥG はエネルギ
ーギャップ、Ｘは｛Ｅ0−Ｅc ｝で電子親和力を示す。
空中での電子準位（真空準位）との関連を示す図であ
り、（ａ）は通常の半導体のバンド図、（ｂ）はダイヤ
モンド半導体のバンド図を示す。なお、図８において、
白丸は伝導電子、Ｅ0 は真空準位、Ｅc は伝導帯のエネ
ルギー、Ｅv は価電子帯のエネルギー、ＥG はエネルギ
ーギャップ、Ｘは｛Ｅ0−Ｅc ｝で電子親和力を示す。
【０００６】図８に示すように、通常の半導体では正の
電子親和力（以下、「ＰＥＡ」という）を有しているた
め伝導帯にある電子は真空に放出されないが、負の電子
親和力を有するダイヤモンド半導体表面と真空との間で
は伝導帯にある電子が何のバリアもなく真空中へ放出さ
れることとなる。
電子親和力（以下、「ＰＥＡ」という）を有しているた
め伝導帯にある電子は真空に放出されないが、負の電子
親和力を有するダイヤモンド半導体表面と真空との間で
は伝導帯にある電子が何のバリアもなく真空中へ放出さ
れることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイヤ
モンドにおいてはｐ型半導体のみが合成可能であって、
伝導帯に電子がほとんど存在しないため、伝導帯に電子
を注入するにはＨｅ放電による紫外線照射によってダイ
ヤモンド中の電子を価電子帯から伝導帯に励起して、電
子が伝導帯の最下端レベルから真空中へ放出されること
になるが、紫外線などによって電子励起することは実用
的でない。
モンドにおいてはｐ型半導体のみが合成可能であって、
伝導帯に電子がほとんど存在しないため、伝導帯に電子
を注入するにはＨｅ放電による紫外線照射によってダイ
ヤモンド中の電子を価電子帯から伝導帯に励起して、電
子が伝導帯の最下端レベルから真空中へ放出されること
になるが、紫外線などによって電子励起することは実用
的でない。
【０００８】また、電子放出可能な形状の先端部を有す
るように、ダイヤモンド基板の表面上に成長させたダイ
ヤモンド突起を有する電子放出素子用ダイヤモンド部材
の提案はあるが（特開平１０−３１２７３５号公報）、
ダイヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用するため
には改善の余地がある。
るように、ダイヤモンド基板の表面上に成長させたダイ
ヤモンド突起を有する電子放出素子用ダイヤモンド部材
の提案はあるが（特開平１０−３１２７３５号公報）、
ダイヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用するため
には改善の余地がある。
【０００９】そこで、本発明は上記の課題にかんがみ、
薄型化及び平板化が可能で電子放出のしきい値電圧が小
さく、ダイヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用す
ることのできる優れたｎ型ダイヤモンド電子放出素子及
び電子デバイスを提供することを目的とする。
薄型化及び平板化が可能で電子放出のしきい値電圧が小
さく、ダイヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用す
ることのできる優れたｎ型ダイヤモンド電子放出素子及
び電子デバイスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は、ｎ型ダ
イヤモンド半導体と、ｎ型ダイヤモンド半導体表面を水
素化して負の電子親和力を有する水素化表面と、水素化
表面に対向して設けたアノード電極とを備え、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体を冷陰極として電子を放出する構成とし
た。また請求項２記載の発明は、上記構成に加え、水素
化表面に対向した面上にアノード電極を一つ以上設けた
ことを特徴とする。さらに請求項３記載の発明は、水素
化表面がマトリックス状に形成されていることを特徴と
するものである。
に、本発明のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は、ｎ型ダ
イヤモンド半導体と、ｎ型ダイヤモンド半導体表面を水
素化して負の電子親和力を有する水素化表面と、水素化
表面に対向して設けたアノード電極とを備え、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体を冷陰極として電子を放出する構成とし
た。また請求項２記載の発明は、上記構成に加え、水素
化表面に対向した面上にアノード電極を一つ以上設けた
ことを特徴とする。さらに請求項３記載の発明は、水素
化表面がマトリックス状に形成されていることを特徴と
するものである。
【００１１】請求項４記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド
半導体がマトリックス状のメサ構造を有していることを
特徴とする。請求項５記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド
半導体表面の一部に酸化表面を形成していることを特徴
とするものである。請求項６記載の発明は、ｎ型ダイヤ
モンド半導体表面が負の電子親和力及び正の電子親和力
を有していることを特徴とする。また、請求項７記載の
発明は、ｎ型ダイヤモンド半導体表面とアノード電極と
の距離を調節することにより電子放出しきい値電圧を可
変にしたことを特徴とするものである。
半導体がマトリックス状のメサ構造を有していることを
特徴とする。請求項５記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド
半導体表面の一部に酸化表面を形成していることを特徴
とするものである。請求項６記載の発明は、ｎ型ダイヤ
モンド半導体表面が負の電子親和力及び正の電子親和力
を有していることを特徴とする。また、請求項７記載の
発明は、ｎ型ダイヤモンド半導体表面とアノード電極と
の距離を調節することにより電子放出しきい値電圧を可
変にしたことを特徴とするものである。
【００１２】このような構成のｎ型ダイヤモンド電子放
出素子によれば、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極とし
てアノード電極にしきい値電圧を印加すると、負の電子
親和力を持つｎ型ダイヤモンド半導体が伝導帯の電子を
何のバリアもなく真空へ放出する。したがって、本発明
のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は薄型化及び平板化が
可能で電子放出のしきい値電圧がきわめて小さく、ダイ
ヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用して、電子を
放出することができる。
出素子によれば、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極とし
てアノード電極にしきい値電圧を印加すると、負の電子
親和力を持つｎ型ダイヤモンド半導体が伝導帯の電子を
何のバリアもなく真空へ放出する。したがって、本発明
のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は薄型化及び平板化が
可能で電子放出のしきい値電圧がきわめて小さく、ダイ
ヤモンドの負の電子親和力を効果的に利用して、電子を
放出することができる。
【００１３】また本発明の電子デバイスのうち請求項８
記載の発明では、ｎ型ダイヤモンド半導体と、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体表面を水素化して負の電子親和力を有す
る水素化表面と、水素化表面に対向して設けたアノード
透明電極と、アノード透明電極の表面に塗布した蛍光体
とを備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極としてアノ
ード透明電極により電子を引き出し、電子が蛍光体に衝
突し発光する構成としている。また、請求項９記載の発
明は、上記構成に加え、アノード透明電極がバイアス電
圧切り換え可能な複数のアノード透明電極であって、複
数のアノード透明電極ごとに蛍光体を塗布している。請
求項１０記載の発明は、アノード透明電極がカラーフィ
ルターを備えていることを特徴とする。
記載の発明では、ｎ型ダイヤモンド半導体と、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体表面を水素化して負の電子親和力を有す
る水素化表面と、水素化表面に対向して設けたアノード
透明電極と、アノード透明電極の表面に塗布した蛍光体
とを備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極としてアノ
ード透明電極により電子を引き出し、電子が蛍光体に衝
突し発光する構成としている。また、請求項９記載の発
明は、上記構成に加え、アノード透明電極がバイアス電
圧切り換え可能な複数のアノード透明電極であって、複
数のアノード透明電極ごとに蛍光体を塗布している。請
求項１０記載の発明は、アノード透明電極がカラーフィ
ルターを備えていることを特徴とする。
【００１４】さらに請求項１１記載の発明は、水素化表
面がマトリックス状に形成されていることを特徴とす
る。請求項１２記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半導体
がマトリックス状のメサ構造を有していることを特徴と
する。請求項１３記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半導
体表面の一部に酸化表面を形成していることを特徴とす
る。また請求項１４記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半
導体表面が負の電子親和力及び正の電子親和力を有して
いることを特徴とする。
面がマトリックス状に形成されていることを特徴とす
る。請求項１２記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半導体
がマトリックス状のメサ構造を有していることを特徴と
する。請求項１３記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半導
体表面の一部に酸化表面を形成していることを特徴とす
る。また請求項１４記載の発明は、ｎ型ダイヤモンド半
導体表面が負の電子親和力及び正の電子親和力を有して
いることを特徴とする。
【００１５】このような構成の電子デバイスでは、ｎ型
ダイヤモンド半導体を冷陰極とする電子放出源から電子
を引き出し、この電子が蛍光体に衝突し発光する。した
がって、本発明の電子デバイスは薄型化及び平板化が可
能な冷陰極電子源を有する装置を提供することができ
る。
ダイヤモンド半導体を冷陰極とする電子放出源から電子
を引き出し、この電子が蛍光体に衝突し発光する。した
がって、本発明の電子デバイスは薄型化及び平板化が可
能な冷陰極電子源を有する装置を提供することができ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図７に基づき、実質
的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて、本発
明によるｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイ
スの好適な実施の形態を説明する。図１はこの発明に係
るｎ型ダイヤモンド電子放出素子の概略図である。図１
を参照すると、本発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放出
素子１０は、基板２上に形成されたｎ型ダイヤモンド半
導体４と、このダイヤモンド半導体の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
近傍に設けたアノード電極７と、ｎ型ダイヤモンド半導
体の一部表面に形成されたカソード電極８とを高真空容
器９内に備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として
電圧を印加し電子を放出するものである。
的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて、本発
明によるｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイ
スの好適な実施の形態を説明する。図１はこの発明に係
るｎ型ダイヤモンド電子放出素子の概略図である。図１
を参照すると、本発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放出
素子１０は、基板２上に形成されたｎ型ダイヤモンド半
導体４と、このダイヤモンド半導体の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
近傍に設けたアノード電極７と、ｎ型ダイヤモンド半導
体の一部表面に形成されたカソード電極８とを高真空容
器９内に備え、ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として
電圧を印加し電子を放出するものである。
【００１７】アノード電極７は金属であればよいが、本
実施の形態では金（Ａｕ）を使用した。さらに複数のア
ノード電極を冷陰極のｎ型ダイヤモンド半導体に対向さ
せて設ければ面電子源となる。また基板２はダイヤモン
ド基板でよい。なお、図１中、ｄはアノード電極と表面
との距離を示し、３は電源を示す。
実施の形態では金（Ａｕ）を使用した。さらに複数のア
ノード電極を冷陰極のｎ型ダイヤモンド半導体に対向さ
せて設ければ面電子源となる。また基板２はダイヤモン
ド基板でよい。なお、図１中、ｄはアノード電極と表面
との距離を示し、３は電源を示す。
【００１８】ｎ型ダイヤモンド半導体４については、イ
オウドープしたｎ型ダイヤモンド半導体が本発明者らに
よる特願平１１−１２４６８２号に開示した製造方法に
より製造できる。本発明に係るｎ型ダイヤモンド半導体
表面を水素化した水素化表面は、ダイヤモンド基板上に
イオウをドープしたｎ型ダイヤモンド半導体を成長させ
た後、例えばマイクロ波プラズマ、高周波プラズマ、直
流放電、熱フィラメント等によって励起した原子状水素
を照射することにより形成することができる。さらに後
述するｎ型ダイヤモンド半導体表面を酸化した酸化表面
は、ダイヤモンド基板上にイオウをドープしたｎ型ダイ
ヤモンド半導体を成長させた後、例えば酸素雰囲気中、
３００℃以上の温度に加熱するか、液相酸化として硝
酸、クロム酸、塩素酸などの酸化力のある酸中で酸化す
ることにより形成することができる。
オウドープしたｎ型ダイヤモンド半導体が本発明者らに
よる特願平１１−１２４６８２号に開示した製造方法に
より製造できる。本発明に係るｎ型ダイヤモンド半導体
表面を水素化した水素化表面は、ダイヤモンド基板上に
イオウをドープしたｎ型ダイヤモンド半導体を成長させ
た後、例えばマイクロ波プラズマ、高周波プラズマ、直
流放電、熱フィラメント等によって励起した原子状水素
を照射することにより形成することができる。さらに後
述するｎ型ダイヤモンド半導体表面を酸化した酸化表面
は、ダイヤモンド基板上にイオウをドープしたｎ型ダイ
ヤモンド半導体を成長させた後、例えば酸素雰囲気中、
３００℃以上の温度に加熱するか、液相酸化として硝
酸、クロム酸、塩素酸などの酸化力のある酸中で酸化す
ることにより形成することができる。
【００１９】図２はｎ型ダイヤモンド半導体の紫外線光
電子放出スペクトルを示し、（ａ）は水素化表面、
（ｂ）は酸化表面からのスペクトルを示す。図２に示す
ように、Ｈｅ放電による紫外線２１．２ｅＶによって、
ダイヤモンド中の電子は価電子帯から伝導帯に励起さ
れ、伝導帯の最下端レベルから真空中へ放出されること
になる。図２（ａ）からわかるように、水素化表面から
の紫外線光電子スペクトルは左端の方が急峻に立ち上が
っており、この急峻なピークが負の電子親和力状態を示
している。また図２（ｂ）からわかるように、酸化表面
からの紫外線光電子スペクトルは正の電子親和力状態を
示す。
電子放出スペクトルを示し、（ａ）は水素化表面、
（ｂ）は酸化表面からのスペクトルを示す。図２に示す
ように、Ｈｅ放電による紫外線２１．２ｅＶによって、
ダイヤモンド中の電子は価電子帯から伝導帯に励起さ
れ、伝導帯の最下端レベルから真空中へ放出されること
になる。図２（ａ）からわかるように、水素化表面から
の紫外線光電子スペクトルは左端の方が急峻に立ち上が
っており、この急峻なピークが負の電子親和力状態を示
している。また図２（ｂ）からわかるように、酸化表面
からの紫外線光電子スペクトルは正の電子親和力状態を
示す。
【００２０】またｎ型ダイヤモンド半導体を形成後、マ
スク処理などの選択成長により、メサ構造のｎ型ダイヤ
モンド半導体をマトリックス状に形成可能であり、さら
にマスク処理により水素化表面と酸化表面とをｎ型ダイ
ヤモンド半導体表面上に作り分けることも可能である。
したがって、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導体の
水素化表面を実質上マトリックス状に形成できる。この
場合、各マトリックスに対応してアノード電極を設けれ
ば、マトリックス状の各ｎ型ダイヤモンド半導体表面か
ら電子を放出可能にすることができる。なお、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体はダイヤモンド基板上にホモエピタキシ
ャル成長させているが、Ｓｉ上のＳｉＣヘテロエピタキ
シャル成長膜などを基板としてｎ型ダイヤモンド半導体
をへテロエピタキシャル成長させてもよい。
スク処理などの選択成長により、メサ構造のｎ型ダイヤ
モンド半導体をマトリックス状に形成可能であり、さら
にマスク処理により水素化表面と酸化表面とをｎ型ダイ
ヤモンド半導体表面上に作り分けることも可能である。
したがって、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導体の
水素化表面を実質上マトリックス状に形成できる。この
場合、各マトリックスに対応してアノード電極を設けれ
ば、マトリックス状の各ｎ型ダイヤモンド半導体表面か
ら電子を放出可能にすることができる。なお、ｎ型ダイ
ヤモンド半導体はダイヤモンド基板上にホモエピタキシ
ャル成長させているが、Ｓｉ上のＳｉＣヘテロエピタキ
シャル成長膜などを基板としてｎ型ダイヤモンド半導体
をへテロエピタキシャル成長させてもよい。
【００２１】次に、この発明に係る電子放出の原理を説
明する。図３はｐ型半導体とｎ型半導体のエネルギーバ
ンド及び状態密度とフェルミ準位との関係を示す概念図
であり、（ａ）はｎ型半導体、（ｂ）はｐ型半導体を示
す概念図である。なお、図３中、黒丸は電子、白丸は正
孔、εはエネルギー、Ｄ（ε）は状態密度、Ｅc は伝導
帯のエネルギー、Ｅv は価電子帯のエネルギー、εF は
フェルミエネルギーを示す。
明する。図３はｐ型半導体とｎ型半導体のエネルギーバ
ンド及び状態密度とフェルミ準位との関係を示す概念図
であり、（ａ）はｎ型半導体、（ｂ）はｐ型半導体を示
す概念図である。なお、図３中、黒丸は電子、白丸は正
孔、εはエネルギー、Ｄ（ε）は状態密度、Ｅc は伝導
帯のエネルギー、Ｅv は価電子帯のエネルギー、εF は
フェルミエネルギーを示す。
【００２２】図３に示すように、ｎ型ダイヤモンド半導
体ではドナーイオンとともに伝導帯に伝導電子１２が生
成しており、これら電子がキャリアとなって電子移動す
る。すなわち、この場合、伝導帯に生成した電子はダイ
ヤモンド半導体内を拡散し、図８（ｂ）に示したように
負の親和力のため、その表面から真空に電子が放出され
る。なお、図３（ｂ）に示すようにｐ型ダイヤモンド半
導体では固体内を移動するキャリアは正孔であり、伝導
帯には電子がほとんど存在しないため、いくら表面がＮ
ＥＡ状態となっても電子放出されようがない。
体ではドナーイオンとともに伝導帯に伝導電子１２が生
成しており、これら電子がキャリアとなって電子移動す
る。すなわち、この場合、伝導帯に生成した電子はダイ
ヤモンド半導体内を拡散し、図８（ｂ）に示したように
負の親和力のため、その表面から真空に電子が放出され
る。なお、図３（ｂ）に示すようにｐ型ダイヤモンド半
導体では固体内を移動するキャリアは正孔であり、伝導
帯には電子がほとんど存在しないため、いくら表面がＮ
ＥＡ状態となっても電子放出されようがない。
【００２３】次に本発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放
出素子の作用について説明する。図４はアノード電極と
冷陰極のｎ型ダイヤモンド半導体表面との距離ｄをパラ
メータにした本発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放出素
子の電界放出特性を示す図であり、（ａ）はｄが３０μ
ｍ、（ｂ）はｄが５０μｍ、（ｃ）はｄが７０μｍの場
合を示す。
出素子の作用について説明する。図４はアノード電極と
冷陰極のｎ型ダイヤモンド半導体表面との距離ｄをパラ
メータにした本発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放出素
子の電界放出特性を示す図であり、（ａ）はｄが３０μ
ｍ、（ｂ）はｄが５０μｍ、（ｃ）はｄが７０μｍの場
合を示す。
【００２４】図４に示すように、この発明に係るｎ型ダ
イヤモンド電子放出素子は一定電圧を超えると電界放出
によってダイヤモンド表面から電子を放出する。そのと
きのしきい値電圧はこれまで知られている電界電子放出
素子に比較して非常に小さく、１ｎＡの電流を得るため
に必要なバイアス電圧は１１．８Ｖ／ｍｍである。さら
に図３から明らかなように、しきい値電圧はアノード電
極とダイヤモンド半導体表面との距離を調節することに
より可変である。
イヤモンド電子放出素子は一定電圧を超えると電界放出
によってダイヤモンド表面から電子を放出する。そのと
きのしきい値電圧はこれまで知られている電界電子放出
素子に比較して非常に小さく、１ｎＡの電流を得るため
に必要なバイアス電圧は１１．８Ｖ／ｍｍである。さら
に図３から明らかなように、しきい値電圧はアノード電
極とダイヤモンド半導体表面との距離を調節することに
より可変である。
【００２５】ｎ型ダイヤモンド電子放出素子はｎ型ダイ
ヤモンド半導体表面を水素化してＮＥＡを示す状態であ
るが、ｎ型ダイヤモンド半導体表面を酸化してＰＥＡを
示す状態にすることもできる。図５はイオウをドープし
たｎ型ダイヤモンド半導体の電界放出特性を示す図であ
り、（ａ）は水素化ダイヤモンド表面からの電界放出特
性、（ｂ）は酸化ダイヤモンド表面からの電界放出特性
を示す。なお、アノード電極と冷陰極のｎ型ダイヤモン
ド半導体表面との距離が５０μｍである。
ヤモンド半導体表面を水素化してＮＥＡを示す状態であ
るが、ｎ型ダイヤモンド半導体表面を酸化してＰＥＡを
示す状態にすることもできる。図５はイオウをドープし
たｎ型ダイヤモンド半導体の電界放出特性を示す図であ
り、（ａ）は水素化ダイヤモンド表面からの電界放出特
性、（ｂ）は酸化ダイヤモンド表面からの電界放出特性
を示す。なお、アノード電極と冷陰極のｎ型ダイヤモン
ド半導体表面との距離が５０μｍである。
【００２６】図５（ｂ）に示すように、ダイヤモンド表
面が酸化されている場合には表面と真空準位との関係が
ＰＥＡ状態にあるため、その分のエネルギーを与えない
と伝導帯にある電子も真空中へ放出されない。図５
（ａ）に示すようにダイヤモンド表面が水素化状態にあ
るとＮＥＡ状態となり、ｎ型ダイヤモンド半導体の伝導
帯にある電子はほとんど何の抵抗もなく真空中に飛び出
すこととなる。したがって、ｎ型ダイヤモンド半導体表
面がＮＥＡ状態に形成されているかＰＥＡ状態に形成さ
れているかで電子放出の有無を調整可能である。
面が酸化されている場合には表面と真空準位との関係が
ＰＥＡ状態にあるため、その分のエネルギーを与えない
と伝導帯にある電子も真空中へ放出されない。図５
（ａ）に示すようにダイヤモンド表面が水素化状態にあ
るとＮＥＡ状態となり、ｎ型ダイヤモンド半導体の伝導
帯にある電子はほとんど何の抵抗もなく真空中に飛び出
すこととなる。したがって、ｎ型ダイヤモンド半導体表
面がＮＥＡ状態に形成されているかＰＥＡ状態に形成さ
れているかで電子放出の有無を調整可能である。
【００２７】このような本発明に係るｎ型ダイヤモンド
電子放出素子は、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導
体とアノード電極とを電子線源として、例えば電子線回
折装置、Ｘ線管及び電子顕微鏡等に利用できる。
電子放出素子は、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導
体とアノード電極とを電子線源として、例えば電子線回
折装置、Ｘ線管及び電子顕微鏡等に利用できる。
【００２８】次にこの発明に係る電子デバイスについて
説明する。この電子デバイスはｎ型ダイヤモンド電子放
出素子をＦＥＤに適用したものであるが、電子デバイス
はＦＥＤに限らず電子線源を必要とする装置であっても
よい。
説明する。この電子デバイスはｎ型ダイヤモンド電子放
出素子をＦＥＤに適用したものであるが、電子デバイス
はＦＥＤに限らず電子線源を必要とする装置であっても
よい。
【００２９】図６はこの発明に係る電子デバイスの概略
図である。図６を参照すると、本発明に係る電子デバイ
ス２０は、基板２上に形成されたｎ型ダイヤモンド半導
体４と、このダイヤモンド半導体４の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
に対向して設けられたガラス基板１１と、このガラス基
板上に形成されｎ型ダイヤモンド半導体表面と対向した
アノード透明電極１２と、このアノード透明電極の表面
に塗布された蛍光体１４と、ｎ型ダイヤモンド半導体の
一部表面に形成されたカソード電極８とを高真空容器１
６内に備えている。
図である。図６を参照すると、本発明に係る電子デバイ
ス２０は、基板２上に形成されたｎ型ダイヤモンド半導
体４と、このダイヤモンド半導体４の表面を水素化して
水素化表面を形成したＮＥＡ状態の表面６と、この表面
に対向して設けられたガラス基板１１と、このガラス基
板上に形成されｎ型ダイヤモンド半導体表面と対向した
アノード透明電極１２と、このアノード透明電極の表面
に塗布された蛍光体１４と、ｎ型ダイヤモンド半導体の
一部表面に形成されたカソード電極８とを高真空容器１
６内に備えている。
【００３０】この高真空容器１６は、１０-8Ｔｏｒｒ以
下の気圧に設定しておくのが望ましい。なお、図６中、
３は電源を示し、１８の矢印は見る方向を示す。
下の気圧に設定しておくのが望ましい。なお、図６中、
３は電源を示し、１８の矢印は見る方向を示す。
【００３１】図６に示した例では、蛍光体１４はアノー
ド透明電極１２全面に塗布されているが、バイアス電圧
の切り換え可能な複数のアノード透明電極をガラス基板
上に形成し、この複数のアノード透明電極ごとに対応し
て蛍光体を塗布し画素としてもよい。さらに各画素ごと
にＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを設けるのが望まし
い。
ド透明電極１２全面に塗布されているが、バイアス電圧
の切り換え可能な複数のアノード透明電極をガラス基板
上に形成し、この複数のアノード透明電極ごとに対応し
て蛍光体を塗布し画素としてもよい。さらに各画素ごと
にＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを設けるのが望まし
い。
【００３２】このような構成の電子デバイスでは、バイ
アス電圧を印加し、ｎ型ダイヤモンド半導体４を冷陰極
として、アノード透明電極１２により電子を真空中に引
き出し、アノード透明電極１２に塗布された蛍光体１４
に衝突させて発光させるものである。さらに上述したよ
うに、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導体の水素化
表面を実質上マトリックス状に形成して電子源とし、各
アノード透明電極に形成した画素に対応して電子を放出
するように制御することも可能である。
アス電圧を印加し、ｎ型ダイヤモンド半導体４を冷陰極
として、アノード透明電極１２により電子を真空中に引
き出し、アノード透明電極１２に塗布された蛍光体１４
に衝突させて発光させるものである。さらに上述したよ
うに、冷陰極としてのｎ型ダイヤモンド半導体の水素化
表面を実質上マトリックス状に形成して電子源とし、各
アノード透明電極に形成した画素に対応して電子を放出
するように制御することも可能である。
【００３３】図７は図６で示した電子デバイスを矢印１
８方向から撮影した発光写真である。図７の白い輝点は
本発明に係る電子デバイスの蛍光体が実際に光っている
ことを示す。このように本発明に係る電子デバイスで
は、電子親和力が負のｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極
として用いているため、きわめて低いバイアス電圧で電
子を引き出して画素に衝突させ発光させることができ
る。
８方向から撮影した発光写真である。図７の白い輝点は
本発明に係る電子デバイスの蛍光体が実際に光っている
ことを示す。このように本発明に係る電子デバイスで
は、電子親和力が負のｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極
として用いているため、きわめて低いバイアス電圧で電
子を引き出して画素に衝突させ発光させることができ
る。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、この
発明のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は、薄型化及び平
板化が可能で電子放出のしきい値電圧が小さく、ダイヤ
モンドの負の電子親和力を効果的に利用して、電子を放
出することができるという効果を有する。また本発明の
電子デバイスでは、薄型化及び平板化が可能な冷陰極電
子源を有する装置を提供することができるという効果を
有する。
発明のｎ型ダイヤモンド電子放出素子は、薄型化及び平
板化が可能で電子放出のしきい値電圧が小さく、ダイヤ
モンドの負の電子親和力を効果的に利用して、電子を放
出することができるという効果を有する。また本発明の
電子デバイスでは、薄型化及び平板化が可能な冷陰極電
子源を有する装置を提供することができるという効果を
有する。
【図１】この発明に係るｎ型ダイヤモンド電子放出素子
の概略図である。
の概略図である。
【図２】この発明に係るｎ型ダイヤモンド半導体の紫外
線光電子放出スペクトルを示す図である。
線光電子放出スペクトルを示す図である。
【図３】ｐ型半導体とｎ型半導体のエネルギーバンド及
び状態密度とフェルミ準位との関係を示す概念図であ
る。
び状態密度とフェルミ準位との関係を示す概念図であ
る。
【図４】アノード電極と冷陰極のｎ型ダイヤモンド半導
体表面との距離ｄをパラメータにした本発明に係るｎ型
ダイヤモンド電子放出素子の電界放出特性を示す図であ
る。
体表面との距離ｄをパラメータにした本発明に係るｎ型
ダイヤモンド電子放出素子の電界放出特性を示す図であ
る。
【図５】イオウをドープしたｎ型ダイヤモンド半導体の
電界放出特性を示す図である。
電界放出特性を示す図である。
【図６】この発明に係る電子デバイスの概略図である。
【図７】この発明に係る電子デバイスを外部から撮影し
た発光写真である。
た発光写真である。
【図８】半導体ダイヤモンドのバンド図と真空中での電
子準位（真空準位）との関連を示す図である。
子準位（真空準位）との関連を示す図である。
２ 基板 ４ ｎ型ダイヤモンド半導体 ６ 表面 ７ アノード電極 ８ カソード電極 ９，１６ 高真空容器 １０ ｎ型ダイヤモンド電子放出素子 １１ ガラス基板 １２ アノード透明電極 １４ 蛍光体 ２０ 電子デバイス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 洋一郎 茨城県つくば市並木１−１ 無機材質研究 所内 (72)発明者 蒲生 美香 茨城県つくば市二の宮１−25−13 ルネス 柳橋302 Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD17 5C035 BB03 BB10 5C036 EE01 EE03 EE14 EF01 EF06 EF09 EG12 EH04
Claims (14)
- 【請求項１】 ｎ型ダイヤモンド半導体と、このｎ型ダ
イヤモンド半導体表面を水素化して負の電子親和力を有
する水素化表面と、この水素化表面に対向して設けたア
ノード電極とを備え、 上記ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として電子を放出
する、ｎ型ダイヤモンド電子放出素子。 - 【請求項２】 前記水素化表面に対向した面上に前記ア
ノード電極を一つ以上設けたことを特徴とする、請求項
１記載のｎ型ダイヤモンド電子放出素子。 - 【請求項３】 前記水素化表面がマトリックス状に形成
されていることを特徴とする、請求項１又は２記載のｎ
型ダイヤモンド電子放出素子。 - 【請求項４】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体がマトリッ
クス状のメサ構造を有していることを特徴とする、請求
項１〜３のいずれかに記載のｎ型ダイヤモンド電子放出
素子。 - 【請求項５】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体表面の一部
に酸化表面を形成していることを特徴とする、請求項１
〜４のいずれかに記載のｎ型ダイヤモンド電子放出素
子。 - 【請求項６】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体表面が負の
電子親和力及び正の電子親和力を有していることを特徴
とする、請求項１〜５のいずれかに記載のｎ型ダイヤモ
ンド電子放出素子。 - 【請求項７】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体表面と前記
アノード電極との距離を調節することにより電子放出し
きい値電圧を可変にしたことを特徴とする、請求項１〜
６のいずれかに記載のｎ型ダイヤモンド電子放出素子。 - 【請求項８】 ｎ型ダイヤモンド半導体と、このｎ型ダ
イヤモンド半導体表面を水素化して負の電子親和力を有
する水素化表面と、この水素化表面に対向して設けたア
ノード透明電極と、このアノード透明電極の表面に塗布
した蛍光体とを備え、 上記ｎ型ダイヤモンド半導体を冷陰極として上記アノー
ド透明電極により電子を引き出し、この電子が上記蛍光
体に衝突し発光する、電子デバイス。 - 【請求項９】 前記アノード透明電極がバイアス電圧切
り換え可能な複数のアノード透明電極であって、この複
数のアノード透明電極ごとに蛍光体を塗布していること
を特徴とする、請求項８記載の電子デバイス。 - 【請求項１０】 前記アノード透明電極がカラーフィル
ターを備えていることを特徴とする、請求項８又は９記
載の電子デバイス。 - 【請求項１１】 前記水素化表面がマトリックス状に形
成されていることを特徴とする、請求項８〜１０のいず
れかに記載の電子デバイス。 - 【請求項１２】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体がマトリ
ックス状のメサ構造を有していることを特徴とする、請
求項８〜１１のいずれかに記載の電子デバイス。 - 【請求項１３】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体表面の一
部に酸化表面を形成していることを特徴とする、請求項
８〜１２のいずれかに記載の電子デバイス。 - 【請求項１４】 前記ｎ型ダイヤモンド半導体表面が負
の電子親和力及び正の電子親和力を有していることを特
徴とする、請求項８〜１３のいずれかに記載の電子デバ
イス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23896099A JP2001068011A (ja) | 1999-08-25 | 1999-08-25 | ｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23896099A JP2001068011A (ja) | 1999-08-25 | 1999-08-25 | ｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001068011A true JP2001068011A (ja) | 2001-03-16 |
Family
ID=17037866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23896099A Pending JP2001068011A (ja) | 1999-08-25 | 1999-08-25 | ｎ型ダイヤモンド電子放出素子及び電子デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001068011A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005027172A1 (ja) * | 2003-09-16 | 2005-03-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | ダイヤモンド電子放出素子およびこれを用いた電子線源 |
| JP2005108637A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法 |
| WO2007105739A1 (ja) * | 2006-03-14 | 2007-09-20 | Display Tech 21, Corporation | バックライト装置と液晶表示装置 |
| WO2009041612A1 (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-02 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 陰極及び陰極の製造方法 |
| JP2011129342A (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-30 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 電子源 |
-
1999
- 1999-08-25 JP JP23896099A patent/JP2001068011A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005027172A1 (ja) * | 2003-09-16 | 2005-03-24 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | ダイヤモンド電子放出素子およびこれを用いた電子線源 |
| EP1667188A1 (en) * | 2003-09-16 | 2006-06-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond electron emitter and electron beam source using same |
| JPWO2005027172A1 (ja) * | 2003-09-16 | 2006-11-24 | 住友電気工業株式会社 | ダイヤモンド電子放出素子およびこれを用いた電子線源 |
| EP1667188A4 (en) * | 2003-09-16 | 2008-09-10 | Sumitomo Electric Industries | DIAMONDELECTRONIC MIXER AND ELECTRON BEAM SOURCE WITH IT |
| JP2005108637A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法 |
| WO2007105739A1 (ja) * | 2006-03-14 | 2007-09-20 | Display Tech 21, Corporation | バックライト装置と液晶表示装置 |
| JP5051853B2 (ja) * | 2006-03-14 | 2012-10-17 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | バックライト装置と液晶表示装置 |
| WO2009041612A1 (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-02 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 陰極及び陰極の製造方法 |
| JP4925147B2 (ja) * | 2007-09-27 | 2012-04-25 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 陰極 |
| JP2011129342A (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-30 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 電子源 |
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