JP2005294005A - 熱陰極およびその製造方法、ならびに放電灯 - Google Patents

Abstract

【課題】低温動作においてもｎ型ダイヤモンドから安定して熱電子放出を行うことが可能な、長寿命かつ低消費電力の熱陰極およびその製造方法を得る。
【解決手段】基体の表面上に電子放出物質としてｎ型ダイヤモンド層を備え、該ｎ型ダイヤモンド層がその表層部に遷移金属元素を含有する層を有することを特徴とする。また、基体の表面上にｎ型ダイヤモンド層を形成する工程と、前記ｎ型ダイヤモンド層の表層部に、該ｎ型ダイヤモンド層の表層側から遷移金属元素を含有させる工程と、を含むこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱陰極およびその製造方法、ならびに放電灯に関するものであり、特に電子放出部にｎ型ダイヤモンドを用いた熱陰極およびその製造方法、ならびに放電灯に関する。

従来、物質を高温にした際に放出される熱電子を用いる熱陰極はＸ線管、高周波電子管のような真空中で動作する真空管の電子源として、また蛍光灯のようにガス中で動作する放電管の電子源として広く用いられている。熱陰極における熱電子の電流密度は、陰極表面の仕事関数および動作温度によって決まる。温度が一定の場合は、熱陰極材料の仕事関数が小さくなると、より大きな電流密度が得られる。また、電流密度が一定の場合は、熱陰極材料の仕事関数が小さくなると、より低い温度で動作させることができる。

このような熱陰極を真空中で動作させる場合には、熱陰極の寿命は陰極材料の蒸発度合いによって決まる。このため、動作温度を低くすれば陰極材料の蒸発を抑制して熱陰極の長寿命化を図ることができる。さらに、動作温度を低くすることで、熱陰極の加熱に要する電力を低減することもできる。低い温度で動作する熱陰極としては、ＢａＯのような酸化物陰極が良く知られているが、より低い温度で動作する熱陰極材料が求められている。

ダイヤモンドはこのような要求を満足しうる優れた熱陰極材料候補である。ダイヤモンドは優れた冷陰極材料候補でもあり、冷陰極材料としてダイヤモンドを用いた冷陰極において長寿命化の技術も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。一方、熱陰極においてもダイヤモンドを用いた技術の研究が進められており、プラズマＣＶＤ法によって作製した多結晶のＮドープダイヤモンド膜は、表面が水素で終端されている場合、７２５℃で熱電子放出電流が得られるが、高温により表面から水素が離脱するため時間とともに減少することや、水素に代わり表面を０．３ｎｍの薄いＴｉで被覆した場合、安定した熱電子放出電流が得られ、９５０℃でも熱電子放出が観測されることがわかってきている（たとえば、非特許文献１参照）。

以下では、ダイヤモンド膜の熱電子放出特性を図１６に示すＮドープダイヤモンドのバンド図を用いて説明する。図１６において、Ｅｃ、Ｅｖはそれぞれ伝導帯下端、価電子帯上端のエネルギーを示しており、ダイヤモンドのバンドギャップはＥｇ＝５．５ｅＶである。また、Ｎドープしたダイヤモンドはｎ型半導体であって、そのドナー準位ＥｄはＥｃより１．４ｅＶ下にある。真空準位ＥｖａｃとＥｃの差は、いわゆる電子親和力χ＝Ｅｖａｃ−Ｅｃであり、ダイヤモンドにおいては表面がクリーンな状態ではχが正（ＰＥＡ：Positive Electron Affinity）に、表面が水素で終端された状態ではχが負（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity）になることが知られている。

図１６において、χ１は上記のＰＥＡの状態に対応し、χ２は上記のＮＥＡの状態に対応する。図１６に示すＥｆはフェルミ準位であり、ＥｃとＥｄの間にある。熱電子放出で問題となる仕事関数φは、真空準位Ｅｖａｃとフェルミ準位Ｅｆとの差であり、図中φ１はＰＥＡの状態に対応し、φ２はＮＥＡの状態に対応する。しかしながら、ＮＥＡの状態においては電子は伝導帯から放出されるので、実際には図中のφ２ではなく、伝導帯下端のエネルギーＥｃとフェルミ準位Ｅｆの差φ２’が実効的な仕事関数となる。そして、図１６から、水素終端でＮＥＡ状態の場合に仕事関数が小さく、温度が上がって水素終端が失われるとＰＥＡ状態になって仕事関数が大きくなることがわかる。以上により、水素終端のダイヤモンド膜で熱電子放出電流が小さくなること説明できる。また、薄いＴｉの被膜は水素終端と同様の効果を有しており、高温下でも安定しているものと考えられる。

特開２００２−２９８７７７号公報 Ｆ．Ａ．Ｍ．Ｋｏｃｋ他 Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｖｏｌ．１１，ｐ７７４，２００２年

しかしながら、前述のｎ型ダイヤモンドを用いる半導体熱陰極は、以下に述べるような大きな問題を有している。ｎ型ダイヤモンドが低温で熱電子放出を行うのは、表面が水素終端された状態か、Ｔｉで薄く表面を被覆した状態された状態である。ところが、前述のように高温下ではｎ型ダイヤモンドの表面の水素終端が失われてしまうという問題がある。薄いＴｉによる被覆は水素終端よりは安定しているが、熱電子放出が生じるような温度では長時間のうちにＴｉが蒸発してしまうので、やはり同様の問題がある。

以上はｎ型ダイヤモンドを用いる熱陰極を真空管のような真空中で使用する場合の問題であるが、ｎ型ダイヤモンドを用いる熱陰極を放電管に用いる場合は問題はさらに深刻であり、放電に伴うイオンスパッタ等により水素終端や薄いＴｉの被膜はさらに容易に失われることになる。このため、長時間安定した熱電子放出を行うｎ型ダイヤモンドを用いた半導体熱陰極の実現が困難であるという問題が生じていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低温動作においてもｎ型ダイヤモンドから安定して熱電子放出を行うことが可能な、長寿命かつ低消費電力の熱陰極およびその製造方法、ならびに放電灯を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱陰極は、基体の表面上に電子放出物質としてｎ型ダイヤモンド層を備え、該ｎ型ダイヤモンド層がその表層部に遷移金属元素を含有する層を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる熱陰極の製造方法は、基体の表面上にｎ型ダイヤモンド層を形成する工程と、ｎ型ダイヤモンド層の表層部に、該ｎ型ダイヤモンド層の表層側から遷移金属元素を含有させる工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる放電灯は、光透過部を有し放電ガスが封止された外囲器と、外囲器内に配置された一対の電極と、外囲器の内面に設けられた蛍光体と、を備え、電極は、基体の表面上に電子放出物質としてｎ型ダイヤモンド層を備え、該ｎ型ダイヤモンド層がその表層部に遷移金属元素を含有する層を有してなること、を特徴とする。

この発明によれば、電極表面のｎ型ダイヤモンド層は、その表層部に遷移金属元素を含有するため、ｎ型ダイヤモンド層が加熱された際に、該ｎ型ダイヤモンド層からは低温でも安定して熱電子が放出される。また、たとえば遷移金属元素をｎ型ダイヤモンド層の表面に配置した場合には、ｎ型ダイヤモンド層の加熱または経時変化により遷移金属元素は蒸発してしまうため、長時間にわたりｎ型ダイヤモンド層の表面にとどまることができない。しかしながら、本発明においては遷移金属元素がｎ型ダイヤモンド層の表層部に含有されるため、該遷移金属元素の蒸発が抑制され、該遷移金属元素がｎ型ダイヤモンド層の表層部にとどまることとなる。

また、ｎ型ダイヤモンド層の表面において遷移金属元素の蒸発が多少生じても、ｎ型ダイヤモンド層の深さ方向に遷移金属元素が含有されているため、大部分の遷移金属元素がｎ型ダイヤモンド層の表層部にとどまることとなる。したがって、本発明においては、ｎ型ダイヤモンド層がその表層部の深さ方向において遷移金属元素を含有することにより、加熱または経時変化により遷移金属元素が蒸発して無くなることが防止されており、遷移金属元素がｎ型ダイヤモンド層の表層に長期間にわたって保持される。

ｎ型ダイヤモンド層としては、窒素、燐または硫黄がドーピングされた一般的なｎ型ダイヤモンド層を用いることができる。また、遷移金属元素としては、Ｔｉが好適である。そして、ｎ型ダイヤモンド層の表層部に、該ｎ型ダイヤモンド層の表層側から遷移金属元素を含有させる場合には、イオン注入を用いることにより遷移金属元素の含有される深さと濃度を容易に制御することができる。

この発明によれば、電極表面のｎ型ダイヤモンド層の表層部に遷移金属元素を含有させることにより、低温加熱においても安定してｎ型ダイヤモンド層から熱電子放出を行うことが可能な、長寿命かつ低消費電力の熱陰極およびその製造方法、ならびに放電灯を得ることができる。

以下に、本発明にかかる熱陰極およびその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下において示す図では、説明の便宜上、各部材により縮尺を異ならせて記載してある場合がある。

（第１の実施の形態）
まず、本発明にかかる熱陰極およびその製造方法の第１の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明を適用した熱陰極を備えた熱陰極放電灯の一構成例を示す概略図である。図１に示す熱陰極放電灯１は、本発明を適用した熱陰極を備えた熱陰極型蛍光ランプである。

図１に示されるように本実施の形態に係る熱陰極放電灯１は、内面に蛍光体１２を塗布した光透過部を有する外囲器であるガラス管１０と、ガラス管１０の両端に取り付けられた一対の電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂと、導入線１１ｃ及び１１ｄと、一対のステム１４ａ、１４ｂとを備えて構成されている。導入線１１ｃ及び１１ｄは電極１１ａ、１１ｂをそれぞれ保持して通電を行うためのものであり、一対のステム１４ａ、１４ｂによりそれぞれ保持される。電極（熱陰極）１１ａ及び１１ｂは、基板上にエミッタと呼ばれる電子放出物質層が形成されて構成されている。ガラス管１０内には放電を容易にするために封止ガス１３としてアルゴン又は混合希ガスと、微量の水銀が２〜４ｈＰａ程度の圧力で封止されている。

放電の際は、電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂに電流を流して予熱すると、エミッタから電子が放出される。放出された電子は対極電極（陽極）に移動し、放電が開始する。ここで、一般的には放電を生じさせるために交流電圧を電極１１ａ、１１ｂに印加する構成となっており、電極１１ａ、１１ｂの片方がエミッタとして作用するときは他方は対極電極（陽極）として作用する。この放電により電子はガラス管１０内に封止した水銀原子と衝突する。水銀原子は衝突によりエネルギーを受け紫外線を放出する。この紫外線により蛍光体１２が励起され可視光線を発生する。発光色は蛍光体の種類によって異なり、白色、昼光色、青色など数々の色種の光がランプから放射される。

図２は、電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂの構成を拡大して示す断面図であり、本発明にかかる熱陰極の特徴的な構成を示す図である。図２に示されるように電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂにおいては、基体であるシリコン（Ｓｉ）基板２１の表面上にｎ型ダイヤモンド層２４が形成されている。そして、該ｎ型ダイヤモンド層２４は、遷移金属元素であるチタン（Ｔｉ）を含有するＴｉ含有層２３をその表層部に有し、その下層にチタンを含有しないｎ型ダイヤモンド層２２を有した構成とされている。ここで、ｎ型ダイヤモンドとしては、窒素、燐または硫黄がドーピングされた一般的なｎ型ダイヤモンド層を用いることができる。

ｎ型ダイヤモンドは低温で安定な熱電子放出が可能であり、さらに熱伝導率が大きいため表面温度が均一となり、結果として均一な熱電子放出が得られるという特徴を有している。これにより、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、低消費電力で安定した熱電子放出が得られる。また、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、熱陰極を通常のフィラメント構造ではなくプレーナー構造として、電子放出面積を大きくしてある。これにより大電流の熱陰極放電灯を実現することができる。

また、上述したＴｉ含有層２３の厚みは、５ｎｍ以上とされており、ｎ型ダイヤモンド層２４の表層から５ｎｍ以上の深さまでＴｉが含有されている。これにより、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、真空中において使用する場合、高温により、または経時変化によりｎ型ダイヤモンド層２４の表面に露出したＴｉが蒸発しても、ｎ型ダイヤモンド層２４の最表面の深さ方向におけるごく近傍にＴｉが存在する。

そして、このＴｉは、ｎ型ダイヤモンド層２４、より詳細にはＴｉ含有層２３内にとらわれているので蒸発しにくい。また、仮にＴｉが多少蒸発したとしても、Ｔｉ含有層２３内での熱拡散により他の領域からＴｉがｎ型ダイヤモンド層２４、より詳細にはＴｉ含有層２３の表面に移動するため、ｎ型ダイヤモンド層２４の最表面の深さ方向におけるごく近傍には常にＴｉが存在することになる。また、Ｔｉ含有層２３の厚みが５ｎｍ未満である場合には、ｎ型ダイヤモンド層２４の表層からの深さが少なく、Ｔｉが蒸発しやすくなる虞がある。したがって、Ｔｉをより長期間にわたってｎ型ダイヤモンド層２４の最表面の深さ方向におけるごく近傍に保持するためには、Ｔｉ含有層２３の厚みを５ｎｍ以上とすることが好ましい。

以上の理由により、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、長期間にわたって安定して熱電子放出を行うことが可能である。すなわち、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、効果的に長寿命化が図られている。

また、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂは、ガス中の放電に用いる場合においても、イオンスパッタリング等によりｎ型ダイヤモンド層２４（Ｔｉ含有層２３）が消耗しても、Ｔｉ含有層２３が残存する限りは低温動作で安定した熱電子放出が得られ、また、長寿命化かつ低消費電力化の効果が得られる。なお、このｎ型ダイヤモンド層２４の加熱はＳｉ基板２１またはｎ型ダイヤモンド層２４への通電により行うことができる。

したがって、本実施の形態にかかるｎ型ダイヤモンドを用いた熱陰極１１ａ、１１ｂでは、ｎ型ダイヤモンド層２４を低温加熱して低温動作させた場合でも安定した熱電子放出が得られ、さらに長寿命化かつ低消費電力化が図られた熱陰極が実現されている。

つぎに、上述した電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂの製造方法について説明する。まず、図３に示すように熱陰極の基体としてＳｉ基板２１を準備する。そして、該Ｓｉ基板２１を洗浄した後、図４に示すようにこのＳｉ基板２１にマイクロ波プラズマＣＶＤ法によりｎ型ダイヤモンド層として５μｍ程度の厚みのｎ型多結晶ダイヤモンド層２４を形成する。ここで、ダイヤモンド層の厚みは上記の値に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、ｎ型多結晶ダイヤモンド層２４の形成方法も、これに限定されず他の手法を用いることも可能である。

ｎ型多結晶ダイヤモンド層２４の成長条件は、たとえばマイクロ波パワーを１．５ｋＷ、水素流量を２００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を４ｓｃｃｍとし、原料ガスのメタン濃度は２％とすることができる。そして原料ガスの圧力は８０Ｔｏｒｒとし、基板は８５０℃に加熱する。ｎ型のドーパントにはＰを用い、ダイヤモンド膜成長時にＰＨ₃ガスを同時に供給する。このような条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法を行うことにより、５μｍ程度の厚みのｎ型多結晶ダイヤモンド層２４を形成することができる。

つぎに、図５に示すように室温でｎ型ダイヤモンド層２４に該ｎ型ダイヤモンド層２４の表層側から遷移金属元素としてチタン（Ｔｉ）イオンを注入し、図６に示すようにｎ型ダイヤモンド層２４の表層部に、Ｔｉイオンを含有したＴｉ含有層２６を形成する。Ｔｉ含有層２６は、ｎ型ダイヤモンド層２４の最表層部に位置するＴｉ濃度の低いＴｉ含有層２５と、その下層に位置するＴｉ濃度の高い層Ｔｉ含有層２３とで構成される。Ｔｉ含有層２６の深さと濃度はイオンの加速電圧とドーズ量により制御が可能であり、たとえば加速電圧２５ｋｅＶ、ドーズ量１ｘ１０¹⁵／ｃｍ²とすることができる。なお、Ｔｉ元素をｎ型ダイヤモンド層２４の表層部に含有させる方法は、Ｔｉ元素をｎ型ダイヤモンド層２４の表層部に含有させる方法としては上記のイオン注入に限定されるものではなく、熱拡散など他の手法を使用することも可能である。ただし、イオン注入法によればＴｉ含有層２３の深さと濃度の制御が容易であり、且つ精度良く制御できるため好ましい。

つぎに、たとえば酸素を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりｎ型ダイヤモンド層２４の表面層をエッチングしてＴｉイオン濃度の低いＴｉ含有層２５を除去し、図７に示すようにＴｉイオン濃度の高い層Ｔｉ含有層２３をダイヤモンド層の表面に露出させる。これはイオン注入においては深さ方向に濃度が分布を持ち、Ｔｉイオンが注入されたｎ型ダイヤモンド層２４の最表面近傍ではＴｉイオン濃度が低いため、Ｔｉイオン濃度の低い表面層を取り除き、Ｔｉイオン濃度の高い層をダイヤモンド層の表面に露出させるために行う。以上により上述した本実施の形態にかかる熱陰極１１ａ、１１ｂを作製することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明にかかる熱陰極およびその製造方法の第２の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図８は、本発明を適用した熱陰極を備えた熱陰極放電灯の一構成例を示す概略図である。図８に示す熱陰極放電灯３１は、本発明を適用した熱陰極を備えた熱陰極型蛍光ランプである。なお、図８中、図１と同じ部材については図１との同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図８に示されるように本実施の形態に係る熱陰極放電灯３１は、内面に蛍光体１２を塗布した外囲器であるガラス管１０と、ガラス管１０の両端に取り付けられた一対の電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂと、導入線１１ｃ及び１１ｄと、一対のステム１４ａ、１４ｂとを備えて構成されている。導入線１１ｃ及び１１ｄは、電極４１ａ、４１ｂをそれぞれ保持して通電を行うためのものであり、一対のステム１４ａ、１４ｂによりそれぞれ保持される。電極（熱陰極）４１ａ及び４１ｂは、基板上にエミッタと呼ばれる電子放出物質層が形成されて構成されている。ガラス管１０内には放電を容易にするために封止ガス１３としてアルゴン又は混合希ガスと、微量の水銀が２〜４ｈＰａ程度の圧力で封止されている。

図９は、電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂの構成を拡大して示す断面図である。また、図１０は、図９中の線分Ａ−Ａ′における断面図であり、本実施の形態にかかる熱陰極の特徴的な構成を示す図である。図９に示されるように電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂにおいては、石英基板５１の表面上に線状のタングステン（Ｗ）層５２が形成されている。そして、石英基板５１および線状のタングステン層５２上にノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３が形成され、さらにその上にリン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層５６が形成されている。そして、該ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６は、遷移金属元素であるチタン（Ｔｉ）を含有するＴｉ含有層５５をその表層部に有し、その下層にチタンを含有しないｎ型多結晶ダイヤモンド層５４を有した構成とされている。ここで、ｎ型ダイヤモンドとしては、窒素、燐または硫黄がドーピングされた一般的なｎ型ダイヤモンド層を用いることができる。

本実施の形態にかかる電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂは、加熱する部分と熱電子放出部分とが分離された、いわゆる傍熱型の熱陰極であり、線状のタングステン層５２に通電することにより加熱を行うものである。ノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３は線状のタングステン線５２とリン（Ｐ）をドープした多結晶ダイヤモンド層５６とを電気的に分離するために用いている。

上述したようにｎ型ダイヤモンドは低温で安定な熱電子放出が可能であり、さらに熱伝導率が大きいため表面温度が均一となり、結果として均一な熱電子放出が得られるという特徴を有している。これにより、この電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂでは、低消費電力で安定した熱電子放出が得られる。また、この電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂでは、熱陰極を通常のフィラメント構造ではなくプレーナー構造として、電子放出面積を大きくしてある。これにより大電流の熱陰極放電灯を実現することができる。

また、上述したＴｉ含有層５５の厚みは、５ｎｍ以上とされており、ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の表層から５ｎｍ以上の深さまでＴｉが含有されている。これにより、この電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂでは、第１の実施の形態の電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂと同様に、真空中において使用する場合、高温により、または経時変化によりｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の表面に露出したＴｉが蒸発しても、ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の最表面の深さ方向におけるごく近傍にＴｉが存在する。

そして、このＴｉは、ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６、より詳細にはＴｉ含有層５５内にとらわれているので蒸発しにくい。また、仮にＴｉが多少蒸発したとしても、Ｔｉ含有層５５内での熱拡散により他の領域からＴｉがｎ型多結晶ダイヤモンド層５６、より詳細にはＴｉ含有層５５の表面に移動するため、ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の最表面の深さ方向におけるごく近傍には常にＴｉが存在することになる。また、Ｔｉ含有層５５の厚みが５ｎｍ未満である場合には、ｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の表層からの深さが少なく、Ｔｉが蒸発しやすくなる虞がある。したがって、Ｔｉをより長期間にわたってｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の最表面の深さ方向におけるごく近傍に保持するためには、Ｔｉ含有層５５の厚みを５ｎｍ以上とすることが好ましい。

以上の理由により、この電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂでは、長期間にわたって安定して熱電子放出を行うことが可能である。すなわち、この電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂでは、第１の実施の形態の電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂと同様に、効果的に長寿命化が図られている。

また、この電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂは、ガス中の放電に用いる場合においても、イオンスパッタリング等によりｎ型多結晶ダイヤモンド層５６（Ｔｉ含有層５５）が消耗しても、Ｔｉ含有層５５が残存する限りは低温動作で安定した熱電子放出が得られ、また、長寿命化かつ低消費電力化の効果が得られる。

したがって、本実施の形態にかかるｎ型多結晶ダイヤモンドを用いた熱陰極４１ａ、４１ｂにおいても、第１の実施の形態の電極（熱陰極）１１ａ、１１ｂと同様に、ｎ型ダイヤモンド層２４を低温加熱して低温動作させた場合でも安定した熱電子放出が得られ、さらに長寿命化かつ低消費電力化が図られた熱陰極が実現されている。

つぎに、上述した電極（熱陰極）４１ａ、４１ｂの製造方法について説明する。まず、図１１に示すように熱陰極の基体として石英基板５１を準備する。そして、該石英基板５１を洗浄した後、石英基板５１上にタングステン層をスパッタリング法により形成し、該タングステン層をフォトリソグラフィーにより加工して、図１２に示すようにたとえば幅３０μｍの線状のタングステン層５２を形成する。

つぎに、上述した第１の実施の形態と同様にしてマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、図１３に示すようにノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３、およびリン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層５６を順次形成する。ノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３、およびリン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の厚みは、たとえばそれぞれ５μｍ程度とする。なお、ノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３、およびリン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の厚みは、上記の値に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、ノンドープの多結晶ダイヤモンド層５３、およびリン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層５６の形成方法も、これに限定されず他の手法を用いることも可能である。

つぎに、図１４に示すように第１の実施例と同様にしてリン（Ｐ）をドープした多結晶ダイヤモンド層５６の表面にＴｉをイオン注入し、その後、リン（Ｐ）をドープした多結晶ダイヤモンド層５６の表面を、酸素を用いたＲＩＥにてエッチングして図１５に示すようにＴｉイオン濃度の高いＴｉ含有層５５を表面に露出させる。以上により上述した本実施の形態にかかる熱陰極４１ａ、４１ｂを作製することができる。

なお、以上の説明は本発明の一例に過ぎず、例えば本発明の熱陰極は放電灯ではなく、真空管に用いることもできる。またダイヤモンドを成膜する基体の材料は上述したシリコン（Ｓｉ）やタングステン（Ｗ）に限定されず、その形状も板状に限定されない。その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施可能である。

以上のように、本発明にかかる熱陰極は低温動作の熱陰極に有用であり、特に、長寿命かつ低消費電力が要求される用途に適している。

第１の実施の形態にかかる熱陰極を備えた熱陰極放電灯の一構成例を示す概略図である。 第１の実施の形態にかかる電極（熱陰極）の構成を拡大して示す断面図である。 第１の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極を備えた熱陰極放電灯の一構成例を示す概略図である。 第２の実施の形態にかかる電極（熱陰極）の構成を拡大して示す平面図である。 第２の実施の形態にかかる電極（熱陰極）の構成を拡大して示す断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる熱陰極の製造方法を説明する断面図である。 ｎ型ダイヤモンド膜を用いた半導体熱陰極の特性を説明する特性図である。

符号の説明

１ 熱陰極放電灯
１０ ガラス管
１１ａ、１１ｂ 電極（熱陰極）
１１ｃ、１１ｄ 導入線
１２ 蛍光体
１３ 封止ガス
１４ａ、１４ｂ ステム
２１ シリコン基板
２２ チタンを含有しないｎ型多結晶ダイヤモンド層
２３ Ｔｉ含有層
２４ ｎ型ダイヤモンド層
３１ 熱陰極放電灯
４１ａ、４１ｂ 電極（熱陰極）
５１ 石英基板
５２ タングステン（Ｗ）層
５３ ノンドープの多結晶ダイヤモンド層
５４ チタンを含有しないｎ型多結晶ダイヤモンド層
５５ Ｔｉ含有層
５６ リン（Ｐ）をドープしたｎ型多結晶ダイヤモンド層

Claims (6)

1. 基体の表面上に電子放出物質としてｎ型ダイヤモンド層を備え、該ｎ型ダイヤモンド層がその表層部に遷移金属元素を含有する層を有すること
   を特徴とする熱陰極。
2. 前記遷移金属元素を含有する層が、前記ｎ型ダイヤモンド層の表面から５ｎｍ以上の厚みを有すること
   を特徴とする請求項１に記載の熱陰極。
3. 前記遷移金属元素がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱陰極。
4. 基体の表面上にｎ型ダイヤモンド層を形成する工程と、
   前記ｎ型ダイヤモンド層の表層部に、該ｎ型ダイヤモンド層の表層側から遷移金属元素を含有させる工程と、
   を含むことを特徴とする熱陰極の製造方法。
5. 前記遷移金属元素をイオン注入により前記ｎ型ダイヤモンド層の表層部に含有させること
   を特徴とする請求項４に記載の熱陰極の製造方法。
6. 光透過部を有し放電ガスが封止された外囲器と、
   前記外囲器内に配置された一対の電極と、
   前記外囲器の内面に設けられた蛍光体と、
   を備え、
   前記電極は、基体の表面上に電子放出物質としてｎ型ダイヤモンド層を備え、該ｎ型ダイヤモンド層がその表層部に遷移金属元素を含有する層を有してなること、
   を特徴とする放電灯。

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