JP2004119019A

JP2004119019A - 電子放出素子

Info

Publication number: JP2004119019A
Application number: JP2002276423A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Nishibayashi; 西林　良樹; Yutaka Ando; 安藤　豊; Takahiro Imai; 今井　貴浩
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: DE60333711D1; EP1403896B1; US20040095051A1; EP1403896A3; US7026750B2; EP1403896A2; JP3847235B2

Abstract

【課題】ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって電子放出効率の優れたものを提供する。
【解決手段】ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって、柱状の基体部１２と、基体部１２の上に位置すると共に先端が尖った先鋭部１３とを備える突起１４を含んで構成され、基体部１２の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］と、ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが下記式（１）；
【数１】

で表される関係式を満たす
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドを含んで成る電子放出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイヤモンドを含んで成る電子放出素子では、ダイヤモンドの導電性を高めるためにアクセプタ準位の低いホウ素がドープされていた。また、電子放出素子の多くは低い電圧で電子を引き出すために先端の尖ったＴｉｐ（先鋭部）が形成されており、ホウ素がドープされたダイヤモンドにおいても先端の尖ったＴｉｐが形成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電子放出素子では、非常に鋭く尖ったＴｉｐを形成するとホウ素がドープされたダイヤモンドの有効性がなくなり電子放出効率が悪くなるという問題点があった。この理由についてはあまり理解されていなかった。それはこれまでは電子が放出されるＴｉｐの先端形状とアノードの形状とで決まる真空中の電界について評価されていたが、Ｔｉｐ内部の電界についてまでは検討されることがなかったからである。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって電子放出効率の優れたものを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電子放出素子は、ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって、柱状の基体部と、前記基体部の上に位置すると共に先端が尖った先鋭部とを備える突起を含んで構成され、前記基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］と、前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが下記式（１）；
【０００６】
【数４】

【０００７】
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、電子放出部に電子を供給するカソード電極に負の電圧を印加したときに空乏層が広がり、電子放出部への導電性が低下すると共に、Ｔｉｐ先端に強い電界がかからなくなるために電子放出効率が悪くなることを見出した。上記式（１）の条件が満たされることにより、基体部の内部にキャリア層が確保され電子放出効率が向上する。なお、基体部が先細りの形状であるときは、基板との境界部における中心軸と側面との最短距離がｒとされる。
【０００９】
本発明の電子放出素子は、基体部の中心軸と側面との最短距離が０．１μｍ以下であり、ダイヤモンドにおけるホウ素濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上であることが好適である。
【００１０】
ホウ素濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上である電子放出素子にあっては基体部が細いほど電子放出効率が良い。
【００１１】
上記課題を解決するために、ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって、柱状の基体部と、前記基体部の上に位置すると共に先端が尖った先鋭部とを備える突起を含んで構成され、前記先鋭部を構成するダイヤモンド結晶が水素終端されており、前記基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］と、前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが下記式（２）；
【００１２】
【数５】

【００１３】
で表される関係式を満たすものであることを特徴とする。
【００１４】
先鋭部の露出面（電子放出部）が水素終端されることにより電子親和力が小さくなる（負になる）ことと、表面がｐ型となりホウ素濃度が増加させたと同じ効果を及ぼすために、空乏層が薄くなり電子が放出されやすくなる。
【００１５】
本発明の電子放出素子は、ダイヤモンドに窒素がドープされており、ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］が、窒素濃度Ｎｎ［ｃｍ^−３］よりも高いことが好適である。
【００１６】
また、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンドに窒素がドープされており、ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］と、窒素濃度Ｎｎ［ｃｍ^−３］とが下記式（３）；
【００１７】
【数６】

【００１８】
で表される関係式を満たすものであることが好適である。
【００１９】
窒素がドープされたときに更に電子放出効率が向上する。特に窒素濃度Ｎｎ［ｃｍ^−３］が上記式（３）の条件によるとき最も電子放出効率が良くなることが見出された。
【００２０】
本発明の電子放出素子は、前記突起の位置する部分が（１１１）セクターであることが好適である。
【００２１】
（１１１）セクターを突起としたときの電子放出効率が最も優れていることが見出された。
【００２２】
本発明の電子放出素子は、水素終端した場合は前記突起の位置する部分が（３１１）セクター又は（１１０）セクターであることが好適である。
【００２３】
水素終端された場合は、（３１１）セクター又は（１１０）セクターを突起としたときの電子放出効率が最も優れていることが見出された。
【００２４】
本発明の電子放出素子は、前記突起を備える基板が気相合成により形成されたダイヤモンドであることが好適である。
【００２５】
気相合成により容易にホウ素を含有するダイヤモンドを形成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
本実施形態の電子放出素子１の構造を説明する。図１は、電子放出素子１の縦断面図である。電子放出素子１は、ダイヤモンドからなる基板１１を備え、基板１１からダイヤモンドの突出部１４が突出している。突出部１４の下部を構成する柱状部１２は、円柱の形状をなし、その側面は基板１１の表面に対して略直角である。突出部１４の上部は先端に針状体を備える先鋭部１３で構成されている。この針状体が電子放出部として機能する。
【００２８】
突出部１４及び基板１１を構成するダイヤモンドはホウ素をドープ（気相合成、熱拡散、イオン注入などにより）することで導電性とされている。
【００２９】
柱状部１２の半径ｒ［ｃｍ］と、ホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］は下記式（１）で表される関係式を満たす。
【００３０】
【数７】

【００３１】
基板１１上には表面にＡｌからなるカソード電極膜１５が形成されている。なお、カソード電極膜は基板１１の裏に形成されていてもよい。
【００３２】
電子放出素子１の上方にはアノード電極Ａ（図示されていない。）が、先鋭部１３と対向するように設置されている。カソード電極膜１５に負の電圧が印加されると、カソード電極膜１５から基板１１を経て突出部１４に電子が供給される。先鋭部１３の針状体先端に到達した電子は、アノード電極Ａとの間の電界によって外部に放出される。
【００３３】
次に電子放出素子１の作用・効果を説明する。カソード電極膜１５に負の電圧が印加されると、先鋭部１３と柱状部１２に外側から形成される空乏層が内部に広がって行くが、電子放出部から放出される電子も増加し一定の厚さで安定する。このときの空乏層の厚さｗ［ｃｍ］は、上記式（１）の右辺で表される。空乏層の厚さＷ［ｃｍ］の理論値は、ホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］と電圧［Ｖ］をパラメータとする下記式（４）で表される。この式より、基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］が空乏層の厚さよりも長い条件では基体部の内部にキャリア層が確保されることがわかる。このキャリア層は基板と同電位であるので、先端で等電位面が歪み高電界が先端にかかることを示している。このような条件を維持してある特定の電圧Ｖ_０を超え、電子放出が可能な高電界がかかると電子放出が起こりはじめる。そうすると、もはや空乏層がほとんど伸びないので、それ以上の電圧においても同様な状態が続く。しかしながら、電圧がＶ_０に達する前に空乏層が最短距離ｒを超えて大きくなり基体部中のキャリア層がなくなると、等電位面が基板面に近づき平行に近くなる。そうすると、高電圧をかけているにもかかわらず、等電位面は突起付近ではそれほど歪まず、電子放出に必要な高電界もかからず、電子放出が得られない。したがって、上記式（４）を満たすようにすることが重要である。このような原理を基に経験的に定数を求めて、基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］とホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが上記式（１）を満たすことにより電子放出効率が向上することが見出された。
【００３４】
【数８】

【００３５】
ε：誘電率［Ｆ／ｍ］
【００３６】
ｑ：電気素量［Ｃ］
【００３７】
図１Ａは、柱状部１２の半径ｒが空乏層の厚さｗよりも短く設定されている場合を示す。この場合は、柱状部１２内部の全体が空乏層で覆われてしまい、電子放出部へ電子が供給されなくなってしまう。
【００３８】
図１Ｂは、柱状部１２の半径ｒが空乏層の厚さｗよりも長く設定されている場合を示す。この場合は、柱状部１２の中心部にキャリア層が残存し、ここを介して電子が電子放出部へ供給される。そのため、電子放出効率が向上する。
【００３９】
先鋭部１３の露出面が水素終端されていない場合における柱状部１２の半径ｒが０．１５μｍであったとき及び０．０５μｍであったときの電子放出特性（２ｋＶの電圧が印加されたときに電子が放出されたことを○で、電子が放出されなかったことを×で示している。）を表１に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１に示すように、ホウ素濃度Ｎｂが１０^１８ｃｍ^−３のときには、柱状部１２の半径ｒが０．１５μｍのときにのみ電子が放出された。これは、空乏層ｗの厚さよりも半径ｒを長くすることにより電子放出効率が向上することを実証する。また、表１は、半径ｒが同一であるときには、ホウ素濃度Ｎｂが高い方が電子が放出されやすいことを示す。これは、ホウ素濃度を上げて空乏層ｗを半径ｒよりも短くすることにより電子放出効率が向上することを実証する。
【００４２】
先鋭部１３の露出面が水素終端されている場合における柱状部１２の半径ｒが０．１５μｍであったとき及び０．０５μｍであったときの電子放出特性（１ｋＶ以下の電圧の印加で電子が放出されたことを○で、２ｋＶ以下の電圧の印加で電子が放出されたことを△で示している。）を表２に示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
表２からも表１で実証されたことが導かれるが、さらに先鋭部１３の露出面が水素終端されている場合には、低いホウ素濃度Ｎｂでも空乏層が薄くなることが示されている。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例により、本発明の内容を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
高圧合成によって作製されたホウ素を含有する単結晶ダイヤモンド（１００）基板を用意する。単結晶ダイヤモンド（１００）基板上にＡｌ膜を蒸着し、フォトリソグラフィー技術を用いてＡｌの微細なドット形状のマスクを作製した。次に、ＲＩＥ技術を用いて、ＣＦ_４／Ｏ_２（ＣＦ_４濃度：１％）ガス中で、圧力２Ｐａ、パワー２００Ｗ、基板の加熱なしの条件で、単結晶ダイヤモンド（１００）基板をリアクティブイオンエッチングした。０．５〜１時間エッチングすることにより、所望の高さ（３〜６μｍ）の微小円柱を形成した。
【００４７】
Ａｌを除去した後、パワー４００Ｗ、基板温度１０５０℃、圧力１００Ｔｏｒｒの条件で、ＣＯ_２／Ｈ_２（ＣＯ_２濃度：０．５〜２％）ガスのマイクロ波プラズマに微小円柱を曝すことにより、先端部を先鋭化した。
【００４８】
図２は、実施例１における先鋭部露出面の構成を示す。このようにして得られた試料の先鋭部の各箇所における電子放出特性を評価した。その結果、針状体のあるところから電子が放出されるが、その中でも（１１１）セクターから良好に電子が放出されることが確認された。
【００４９】
図３は、水素終端した先鋭部露出面の構成を示す。先鋭部露出面が水素終端された電子放出素子を作製した上、先鋭部の各箇所における電子放出特性を評価した。その結果、針状体のあるところから電子が放出されるが、その中でも（３１１）セクター及び（１１０）セクターから良好に電子が放出されることが確認された。
【００５０】
（実施例２）
高圧合成によって作製されたホウ素及び窒素を含有する単結晶ダイヤモンド基板を用いて、電子放出素子を形成した。この試料の電子放出特性を評価したが、電子放出がほとんど見られなかった。このとき窒素濃度はホウ素濃度よりも高かった。
【００５１】
（実施例３）
高圧合成によって作製されたホウ素及び窒素を含有する単結晶ダイヤモンド基板を用いて、（１１１）セクターに針状体が形成されている電子放出素子を作製した。
【００５２】
電子放出特性とホウ素及び窒素濃度との関係を評価したところ、ホウ素が１０^１９〜１０^２０ｃｍ^−３以上入っており、かつ窒素が混入している試料の特性が良いことがわかった。
【００５３】
表３に、ホウ素濃度が１０^１９ｃｍ^−３の電子放出素子における窒素濃度と閾値電圧との関係を示す。
【００５４】
【表３】

【００５５】
表３から、窒素濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３、すなわちホウ素濃度と窒素濃度の差が６×１０^１８ｃｍ^−３になる付近で閾値電圧が最小になることがわかる。
【００５６】
（実施例４）
気相合成によって作製された単結晶ダイヤモンド基板にボロンドープ層を形成し、それを用いて電子放出素子（ホウ素含有濃度：５×１０^１９ｃｍ^−３ほど）を作製した。
【００５７】
電子放出特性を評価したところ、柱状部の半径が短いほど電子放出特性が良かった。他方、ホウ素濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以下であり柱状部が非常に細い（半径０．１μｍ以下）電子放出素子を作製して電子放出素子を評価したところ、良好な結果は得られなかった。
【００５８】
表４に、ホウ素濃度と閾値電圧との関係を示す。
【００５９】
【表４】

【００６０】
表４から、柱状部が非常に細い（半径０．１μｍ以下）電子放出素子では、ホウ素濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３になる付近で閾値電圧が大きく変化することがわかる。
【００６１】
（実施例５）
気相合成によって作製された単結晶ダイヤモンド基板にホウ素及び窒素をドーピングし、それを用いて作製された電子放出素子の電子放出特性を評価したところ、同じホウ素濃度の下では窒素を含有している方が電子放出特性が良好であった。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって電子放出効率の優れたものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子放出素子１の縦断面図である。
【図２】実施例１における先鋭部露出面の構成を示す。
【図３】水素終端した先鋭部露出面の構成を示す。
【符号の説明】
１…電子放出素子、１１…基板、１２…柱状部、１３…先鋭部、１４…突出部、１５…カソード電極膜。

Claims

ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって、
柱状の基体部と、前記基体部の上に位置すると共に先端が尖った先鋭部とを備える突起を含んで構成され、
前記基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］と、前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが下記式（１）；

で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする電子放出素子。
前記基体部の中心軸と側面との最短距離が０．１μｍ以下であり、
前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以上である
ことを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
ホウ素がドープされたダイヤモンドを含んで成る電子放出素子であって、
柱状の基体部と、前記基体部の上に位置すると共に先端が尖った先鋭部とを備える突起を含んで構成され、
前記先鋭部を構成するダイヤモンド結晶が水素終端されており、
前記基体部の中心軸と側面との最短距離ｒ［ｃｍ］と、前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］とが下記式（２）；

で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする電子放出素子。
前記ダイヤモンドに窒素がドープされており、
前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］が、窒素濃度Ｎｎ［ｃｍ^−３］よりも高い
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
前記ダイヤモンドに窒素がドープされており、
前記ダイヤモンドにおけるホウ素濃度Ｎｂ［ｃｍ^−３］と、窒素濃度Ｎｎ［ｃｍ^−３］とが下記式（３）；

で表される関係式を満たすものである
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
前記突起の位置する部分が（１１１）セクターである
ことを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
前記突起の位置する部分が（３１１）セクター又は（１１０）セクターである
ことを特徴とする請求項３記載の電子放出素子。
前記突起を備える基板が気相合成により形成されたダイヤモンドである
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電子放出素子。