JP2005135852A - 熱電子放出陰極 - Google Patents

Abstract

【目的】 本発明は、動作電圧を低電圧化し、放射電流の不安定性を解消し、さらに動作温度を低減し、高効率長寿命化を実現すること。
【構成】 大きなエネルギーバンドギャップを持ち極めて小さな或いは負の電子親和力（ＮＥＡ）を示し、且つ金属又は半導体との接触面における電子に対するバリアの小さな耐熱薄膜３としたこと。該耐熱薄膜３を金属又は半導体製の導電性基体Ａに堆積してなること。前記耐熱薄膜３をダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素薄膜（ＤＬＣ）としてなること。前記導電性基体Ａを板片１として、その上面又は下面等の一側面に前記耐熱薄膜Ａを堆積してなること。
【選択図】 図３

Description

本発明は、動作電圧を低電圧化し、放射電流の不安定性を解消し、さらに動作温度を低減し、高効率長寿命化を実現することができる熱電子放出陰極に関する。

近時、平面型ディスプレーや真空管集積回路等真空マイクロエレクトロニクス分野において新しい高効率の電子放出源が求められている。また、従来のブラウン管ディスプレーにおいても省エネルギーを実現しかつ安定で長寿命の熱電子放出陰極（電子源）が求められている。
特開２００２−９３３０９号公報 特開２００２−３７３５７０号公報 特開平１０−２４１５４９号公報 特開平１０−２８３９１４号公報

このような要求に対して、特許文献１に示すように、半導体の微細加工技術を利用した、耐熱金属や半導体微小冷陰極を多数集積したスピント型電子源が開発されている。また、特許文献２に示すように、炭素ナノチューブ等を微細な針状結晶を用いた冷陰極が開発されている。さらに、特許文献３及び４に示すように、ダイヤモンド微粒子や薄膜を用いた冷陰極が開発されている。

しかしこれらの陰極は動作に最低でも１００Ｖオーダーの電圧を要し、通常は数１００Ｖを上回る動作電圧の低減が重要課題となっている。さらに冷陰極では、電子放出は陰極の表面の形状と電気的状態に強く依存し放出電流の安定性や寿命の点で課題が残っている。これに対し従来ブラウン管などに用いられている熱電子源は、陰極表面の仕事関数が電子放出に対してバリアとなるために仕事関数の低い物質を用いてこれを高温に加熱して動作させている。しかし、この場合も電子は陰極表面の電気的特性に依存するために、電子放出に必要な高温での低仕事関数物質の分解、蒸発などにより性能劣化をきたすものである。このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、冷陰極の様な動作電圧の高さや放射電流の不安定性を解消し、従来型の熱電子放出陰極の課題である動作温度を低減し高効率長寿命化を実現することである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、大きなエネルギーバンドギャップを持ち極めて小さな或いは負の電子親和力を示し、且つ金属又は半導体との接触面における電子に対するバリアの小さな耐熱薄膜を金属又は半導体製の導電性基体に堆積してなる熱電子放出陰極としたことにより、前記課題を解決したものである。

また、前述の構成において、前記耐熱薄膜をダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素薄膜としてなる熱電子放出陰極としたり、或いは、前記耐熱薄膜を窒化ボロン，窒化ガリウム又は炭化ケイ素としてなる熱電子放出陰極としたことにより、前記課題を解決したものである。また、前述の構成において、前記導電性基体を板片状として、その上面又は下面等の一側面に前記耐熱薄膜を堆積してなる熱電子放出陰極としたり、或いは、前記導電性基体を棒状として、この周囲に前記耐熱薄膜を堆積してなる熱電子放出陰極としたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、動作電圧を低電圧化し、放射電流の不安定性を解消し、さらに動作温度を低減し、高効率長寿命化を実現することができる。請求項２の発明においては、特に、高効率長寿命化を実現できる。さらに、請求項３乃至５においては、請求項２と同様の効果を奏する。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、図１乃至図２は熱電子放出陰極であって、適宜の形状の金属製又は半導体からなる導電性基体Ａに、大きなエネルギーバンドギャップ（広いバンドギャップ）を持ち極めて小さな或いは負の電子親和力（Negative Electron Affinity：ＮＥＡ）を示し、且つ金属又は半導体との接触面における電子に対するバリアの小さな耐熱薄膜３が堆積されている。該耐熱薄膜３としては、大きなエネルギーバンドギャップを持つ材料の代表的材料であるダイヤモンド、或いはダイヤモンドライクカーボン薄膜（ダイヤモンド状炭素薄膜：Diamond Like Carbon ：ＤＬＣ）が主に使用される。また、場合によっては、前記耐熱薄膜３にＢＮ（窒化ボロン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）等を使用することもある。

前記耐熱薄膜３の条件を分析すると、(1) の大きなエネルギーバンドギャップを持ち、(2) の電子親和力（Electron Affinity：ＥＡ）が小さいかもっと極端に負に成るような材料は多くの場合バンドギャップの広さに伴うことで同じ材料で実現される。基本的にエネルギーバンドギャップが２ｅＶ程度以上の材料であればこの条件を満たす可能性が生ずる。(3) のバリアが小さい事の条件は、金属と材料の組み合わせによって変化する。この関係は多くは実験と経験則に頼るものである。この条件において、通常の金属の仕事関数４ｅＶに比較して小さいものである。これによって低温で動作する。前記ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＢＮ（窒化ボロン）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）等は、(1) 及び(2) の条件を満足し、且つ前述の材料は金属電極を付けて電流を流すことができ、また１ｅＶ程度のショットキー障壁高さの実測値もあるので(3) の条件もクリアする材料である。従って、前述の材料は、前記ダイヤモンド状炭素薄膜と同様である。

図１では、適宜の形状の板片１としてなる導電性基体Ａ上に、耐熱薄膜３としてのダイヤモンド、或いはダイヤモンド状炭素薄膜が堆積されている。また、図２では、棒片２としてなる導電性基体Ａの外周に、耐熱薄膜３としてのダイヤモンド、或いはダイヤモンド状炭素薄膜が堆積されている。特に、耐熱薄膜３としてのダイヤモンド状炭素薄膜の場合は、電気化学的方法、ＣＶＤ等の方法で図１及び図２のように付着させられる。陰極は薄膜でよいので熱電子放出源として、任意の形状の金属又は半導体からなる導電性基体Ａに、適宜の形状としての耐熱薄膜３を堆積できる。該堆積状態は、前記導電性基体Ａの一部又は略全体に対して行われる。

図３は電子放出特性の測定回路であって、陰極としての前記耐熱薄膜３付き導電性基体Ａと、陽極４とが真空容器５内に設けられ、前記耐熱薄膜３付き導電性基体Ａと陽極４との間に回路６が設けられて陽極電源７が印加されている。さらに前記耐熱薄膜３付き導電性基体Ａには加熱回路８を介して加熱電源９が印加されている。前記回路６には電流計１０が備えられている。電子放出特性の実測は、図３に示すような真空装置内で実施され、低温で電子放出が得られた。陽極電源７は放出電子を収集するために必要であるが、冷陰極の場合のように陰極表面の電子に対するバリアをトンネル効果が生じる程薄める必要はないので低電圧で十分動作する。このように、熱電子放出であるので冷陰極の様に動作のために高電圧を要せず、遥かに小さな電圧の回路を実現できる。このため半導体集積回路との親和性も良くなる。

また、スピント型冷陰極は、電界放出現象により電子を取り出しているが、このためには、電子放出面の表面の電界がおおよそ１０⁹ Ｖ／ｍ以上にならなければならない。基本的に陰極表面の電界強度は、電極間の電圧を陰極と陽極間（ＦＥＡではグリッドもその役割を果たす）の距離で割った値になる。通常平坦な電極同士では上記の、１０⁹ Ｖ／ｍの電界強度を実現するには、電極間距離１ｍｍでも、１０⁶ Ｖを要する。１μｍでも１０００Ｖ以上必要になる。現実的な電圧において１０⁹ Ｖ／ｍの電界強度を実現するためにカーボンナノチューブのような針状のまたはシリコンや金属をピラミッド状の形状にして、先端が尖っている幾何学的な効果による先端部での電界増強を利用して、上の平板電極の場合よりも電子を引き出すために必要な電圧を下げている。カーボンナノチューブの径を細くし、陽極に相当する電極位置を調整することで低電圧を実現している。

ところで、本発明における陰極としての前記耐熱薄膜３付き導電性基体Ａは、熱電子放出現象を利用するために、電子を取り出すために熱エネルギーを利用し、電界は、電子を陽極に導くために副次的に必要である。原理的には陽極電圧０Ｖから陰極は電子放出源として動作するのである。実際には取り出せる電流は陽極電源７によって値が変わるが、電極管距離などが同じであれば電界放出型陰極よりも低い電圧で動作する。

次に、本発明の作用につきエネルギーバンド図を概念図（図４参照）から説明する。本発明の熱電子放出源では大きなエネルギーギャップを持ち、導電性基体Ａのエネルギーが真空準位よりも大きくなる負の電子親和力（ＮＥＡ）状態を呈する可能性の有る材料の薄膜を金属や半導体としての導電性基体Ａに堆積して陰極とするので、電子放出は、前記耐熱薄膜３（図４のＤＬＣ）と導電性基体Ａ（図のＡ）の界面のバリアφ_i によって制限されるために電子放出面となる前記耐熱薄膜３の表面の性状にほとんど影響されない。このため安定な動作が期待できる。この点について詳述する。

図５は従来図であって、通常の純金属熱陰極の動作を説明する際のモデルとなり、この 図の縦軸は電子の位置エネルギーを表わす。横軸は、左から金属Ｍと真空の丁度界面を表している。金属Ｍ内の電子は真空中の電子よりも、最低でもφ_i だけ低いエネルギー状態にある。斜線部分は前記金属Ｍ中の自由電子の分布であって、Ｅ_F よりも低いエネルギーに電子が詰まっていることを示す。図５から電子を金属から真空中に取り出すには最低でもφ_i のエネルギーを加える必要が判る。純金属の場合、φ_i は仕事関数と呼ばれ材料固有の値になる。

このエネルギーを熱的に与えるのが熱電子放出で、一般的な金属の仕事関数４ｅＶを乗り超えて熱電子を放出させるためには概ね２０００℃を超える温度が必要になる。従って、熱電子放出を低温で行わせるためには、仕事関数の低い材料を選択する必要がある。しかし純金属の場合ほとんど選択肢がなく、仕事関数とは無関係に高温における蒸発等で生じる陰極の損耗を考えて耐熱特性の良いタングステン、レニウム、イリジウム等の金属が選ばれる。これらの材料を用いて仕事関数を下げ、低温で動作させるには、トリウム（Ｔｈ）セシウム（Ｃｓ）等の元々仕事関数の低い材料を陰極材料内に含侵しておいて、陰極表面に薄い被膜を作る方法（仕事関数約２．６ｅＶ）がとられている。この時の動作温度は、１６００℃程度になる。しかし一般に仕事関数の低い材料は蒸発しやすく、ＴｈやＣｓの枯渇が陰極の寿命を制限する。この場合、被膜は一原子層程度なのでモデル図は、上の図５で仕事関数が小さくなったもので代用できる。

化合物の中には、この仕事関数が小さい材料があり、例えばランタン６ボロン化物（ＬａＢ６）（仕事関数２．６ｅＶ）やアルカリ土類金属酸化物を含む複合材料（仕事関数１ｅＶから２ｅＶ程度）が使われる。酸化物陰極では１０００℃前後の低温でも動作するが、やはり動作温度で化合物組成の変化が徐々に進行し寿命を制限する。これらの場合も、モデルとしては図５にて考えられる。つまり電子放出を制限するバリアは真空と材料表面の界面にある。実際真空中に残留する気体の吸着やスパッタリングによって起きる材料表面の変化は直ちにこれらの電子放出源の特性の不安定化の原因となるものである。

特に、前記耐熱薄膜３としての、熱電子放出源で大きなエネルギーギャップを持つ材料のダイヤモンドライクカーボン被膜を例にとると厚さがμｍオーダーとなるため、図４のような構造となる。ここでＥ_Cは、ダイヤモンドライクカーボン膜の伝導帯のエネルギーを表する。ダイヤモンドライクカーボン膜内では、Ｅ_Cよりも高いエネルギーの電子しか存在できない。それより低いエネルギーの部分はエネルギーギャップで電子は存在できない。このエネルギーＥ_Cが、真空中の電子のエネルギーＥ_VAC （真空準位）より大きい状態を、負の電子親和力（ＮＥＡ）という。万一耐熱薄膜３としてのダイヤモンドライクカーボン膜の伝導帯中に電子が存在すると、その電子はほとんど転げ落ちる状態で真空側（ＶＡＣＵＵＭ）に放出される。

さらに詳述すると、固体の場合フェルミ準位Ｅ_Fは真空準位Ｅ_VACから数ｅＶ（２ｅＶ〜６ｅＶ）低い位置にあり、エネルギーギャップの大きさが、２ｅＶを超える半導体や絶縁体では、エネルギーＥ_CがエネルギーＥ_VAC （真空準位）に極めて近いか、図４に示すように、より上に来るものである。電子親和力ＥＡがほとんど零に近い小さな値から、図４に示すように、負にもなり、負の電子親和力（ＮＥＡ）となるものである。また、固体中でエネルギーＥ_Cのエネルギーを持つ電子は真空中に出たほうがエネルギー的に低い状態で安定するのでほとんど何もしなくても固体から離れて真空中に出てくることになる。このように、負の電子親和力（ＮＥＡ）が大きなエネルギーギャップを持つ材料と結びつくものである。

また、図４から判るように、電子が越えるべきバリアは導電性基体Ａと耐熱薄膜３としてのダイヤモンドライクカーボン膜との界面の障壁である。一旦これを越えてダイヤモンドライクカーボン膜に入ると、真空に飛び出した方がエネルギー的に安定であるために、電子が真空に出てくるために障害はない。図４でφ_i は仕事関数ではなく、ショットキーバリアと呼ばれるものになる。実験例では、このショットキーバリアの高さは低いもので１ｅＶ程度である。半導体と金属のショットキーバリアは１ｅＶよりも小さいことが普通であり、該ショットキーバリアが低ければ低温でも電子が前記耐熱薄膜３としてのダイヤモンドライクカーボン膜の伝導帯に入り込むことができる。

電子放出を制限する最も重要な部分が固体なる導電性基体Ａ内にあるために、真空側の影響を受けていないので常に安定している。この事実はこれまでの熱電子放出源には無いものである。丁度トランジスタが真空管よりも長寿命で今日の隆盛を得た事実と同じであると解される。以上のように、動作中に膜材料の蒸発が生じても、電子放出を直接には制御しないダイヤモンドライクカーボンと真空との界面で生じるので、電子放出特性には影響しない。このため、安定な動作と長寿命が期待できる。

また、図４に示したエネルギーバンド構造を考えると、電子は陰極の金属又は半導体の導電性基体Ａとダイヤモンドライクカーボン薄膜としての耐熱薄膜３との界面のバリヤを越えるだけの熱エネルギーを与えられれば、ダイヤモンドの伝導帯中に注入される。この値がデータより算出された１ｅＶ程度で金属や半導体表面の仕事関数の一般的な値約４ｅＶより著しく小さくできている。注入された電子は、薄膜の表面が負の電子親和力を持つので、真空中に容易に放出されるために障害がなく効率良く真空に放出される。電子の放出が基板−ＮＥＡ薄膜界面で決定され、真空環境にさらされるＮＥＡ薄膜−真空界面の影響は弱い。従って、真空中の残留気体の吸着などに影響されにくく電子放出特性は安定している。

また、導電性基体ＡとＮＥＡ薄膜の界面のバリアφ_i は一般的な金属、半導体の仕事関数４ｅＶと比べると小さく従来の熱電子放出源に必要な温度より低い温度で熱電子を基板からＮＥＡを有する薄膜の伝導帯に注入できる。注入された電子は、負の電子親和力状態に有るので、容易にＮＥＡ材料表面から真空（ＶＡＣＵＵＭ）中に放出される。従って従来の熱電子陰極よりも低温で動作し加熱に必要な電力を低減でき、高効率にできる。

また、図６は導電性基体ＡをＴａ金属板とし、これに耐熱薄膜３としてのダイヤモンドライクカーボン薄膜を付着した陰極における陰極温度と放出電流の実測例である。導電性基体Ａと耐熱薄膜３としてのダイヤモンドライクカーボンとの界面のバリア高については、放出電流の温度特性から測定でき、堆積した膜の熱処理などの条件で変わるが、１ｅＶから２ｅＶの間の値が実測された。温度が低くて電流が取れるという実験とは独立に測定することができる。この値は、仕事関数の小さな化合物陰極より小さく酸化物陰極等と同等かそれより小さい値である。また動作温度に関しても例にあげた陰極の動作温度は概ね１０００℃を上回るので、図６では、４００℃から７００℃という温度での動作は熱電子放出としては低いものである。この実測例からは約４００℃で観測可能な放出電流値が得られ、このデータから熱電子放出に対するバリアφ_i は約１ｅＶ程度と算出される。

図７に示したものは、導電性基体Ａが円筒状金属製の真空管１１内に、陰極加熱用のヒータ１２が内蔵された構造である。前記真空管１１の外表面に耐熱薄膜３が堆積されている。この堆積については、前記導電性基体Ａの外表面に付着する構造であるならば、その製造法には限定されず、かなりの自由度を有するものである。何れにしても、前記導電性基体Ａに耐熱薄膜３を設けたものであり、陽極４を円筒にした実験を実施しているが、電流電圧特性を理論式に乗せる上で計算やデータの解析が容易になるものであり、基本的な物理現象については同じであり、基本的な特性は変わらないものである。

本発明は、平面型ディスプレーや真空管集積回路等真空マイクロエレクトロニクス分野において新しい高効率の電子放出源として利用可能性が極めて高いものである。

本発明の第１の実施形態の斜視図である。 本発明の第２の実施形態の斜視図である。 電子放出特性の測定回路である。 本発明のエネルギーバンド図である。 従来公知のエネルギーバンド図である。 本発明の実施例の陰極温度と放出電流との測定グラフである。 本発明の第３の実施形態の斜視図である。

符号の説明

Ａ…導電性基体、１…板片、２…棒片、３…耐熱薄膜

Claims (5)

1. 大きなエネルギーバンドギャップを持ち極めて小さな或いは負の電子親和力を示し、且つ金属又は半導体との接触面における電子に対するバリアの小さな耐熱薄膜を金属又は半導体製の導電性基体に堆積してなることを特徴とする熱電子放出陰極。
2. 請求項１において、前記耐熱薄膜をダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素薄膜としてなることを特徴とする熱電子放出陰極。
3. 請求項１において、前記耐熱薄膜を窒化ボロン，窒化ガリウム又は炭化ケイ素としてなることを特徴とする熱電子放出陰極。
4. 請求項１，２又は３において、前記導電性基体を板片状として、その上面又は下面等の一側面に前記耐熱薄膜を堆積してなることを特徴とする熱電子放出陰極。
5. 請求項１，２又は３において、前記導電性基体を棒状として、この周囲に前記耐熱薄膜を堆積してなることを特徴とする熱電子放出陰極。

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