JP2007035453A - 電子放出素子、及びそれを用いた電子放出型のセンサ、電気分解装置 - Google Patents
電子放出素子、及びそれを用いた電子放出型のセンサ、電気分解装置 Download PDFInfo
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Abstract
電子放出電流が大きく、製造が容易で堅牢性に富んだ電子放出電流の大きな電子放出を実現し、3極真空管、磁気センサ、真空センサなどの応用デバイスを提供すること。
【解決手段】
陰極2から陽極3へ向けて電子を放出する電子放出素子において、陰極2と陰極2に隣接する電子放出領域1に跨って、かつ電気絶縁性薄膜5を介してゲート電極4を設け、陰極2に対して正となる電圧をゲート電極4に印加することにより、ゲート電極4近傍の陰極2における電子放出面6の障壁幅を狭くして電子に対するトンネル効果を促進し、陰極2から陽極3への電子放出を生じ易くしたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
図1及び図2によって請求項1の第1の発明を実施するための実施形態1に係る電子放出素子について説明する。図1は電子放出素子の基本構造を示し、図2はゲート電圧による電子放出の促進作用を説明するためのエネルギー状態図である。図1に示すように本電子放出素子の構成は、電子放出領域である電子放出空間1を挟んで位置する陰極2及び陽極3と、陰極2に近接させて設けたゲート電極4からなり、3端子型のデバイス構造となる。ゲート電極4は、薄い電気絶縁性薄膜5(数nmから数100nm程度)を介して、陰極2の電子放出面6にほぼ直交し、かつ電子放出面6と真空空間である電子放出領域1とに跨って配置される。この電子放出素子にあっては、電子放出領域1を真空空間とし、陰極2と陽極3との間隔を応用に合わせて適宜(数nmから数mm程度に)設定することにより、集積回路等に応用できる微小の電子放出デバイス、つまり微小の3極真空管や電力用の3極真空管又は電力用スイッチ素子、さらにディスプレー用の電子放出デバイスにも応用できる。
図3によって請求項2に係る第2の発明を実施するための実施形態2の電子放出素子について説明する。図3において、図1で示した記号と同一の記号は図1の部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態2の電子放出素子は基板を用いている。図3(A)に示すように、不純物濃度の高い半導体あるいは導電性材料からなる導電性基板7Aをゲート領域あるいはゲート電極4として用い、その一方の表面に電気絶縁性薄膜5を形成し、さらに電気絶縁性薄膜5上に陰極2と陽極3とを形成している。導電性基板7Aとしては、金属材料でも合金材料を用いても良い。作成プロセスに耐え得るだけの厚みの導電性基板7Aを用い、表面に電気絶縁物を形成する。電気絶縁物材料としては種々あるが、図3(A)に示す電子放出素子では、SiO2(二酸化シリコン)膜を用いた例について示す。SiO2膜をスパッタにより100nmほど導電性基板7A上に堆積させ、陰極2及び陽極3となる金属材料をスパッタ又は蒸着で形成する。陽極3と陰極2のパターニングを行って電極を形成することで、電子放出素子が実現できる。
図4によって、請求項3に係る第3の発明の実施形態3に係る電子放出素子について説明する。図4において、図1〜図3で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第3の発明によれば、前記第2の発明と電子放出の原理は同様であるが、電子放出領域1の下の面域に比べて陽極3の下の面域における電気絶縁性薄膜5を厚くし、陰極2の一部分を電気絶縁性薄膜5の薄い部分に形成して、陰極2から上方にある陽極3方向へ放出電子を向けることで、放出電子が電気絶縁性薄膜5上を散乱することなく、陽極3へ到達させることができる。また、この構造では、電子放出領域1以外の電気絶縁性薄膜5を厚く形成し、静電破壊電圧を増大させて堅牢性を向上できる。この実施形態3の場合は、厚い電気絶縁性薄膜5を形成したあとに、フォトリソグラフィーにより電子放出領域1周辺の酸化膜を一旦除去し、薄い電気絶縁性薄膜5を再度形成することにより、図4の構造を実現できる。その他の電極形成法や応用などについては、前述した第2の発明の実施形態2と全く同様となる。この第3の発明においても、前記第2の発明と同様に、半導体基板や絶縁性基板を用いても実現できる。なお、動作原理は前記第2の発明の電子放出素子とほぼ同様であるので、動作説明については省略する。
図5及び図6によって、請求項4の第4の発明に係る実施形態4の電子放出素子について説明する。図5、図6において、図1〜図4で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態4の電子放出素子は、図5に示すように、前記第2の発明による電子放出素子を縦型構造に形成したものであり、電子放出素子の集積化を図って電子放出電流を増大させることができる。実施形態4の電子放出素子は、ゲート電極4として前記第2の発明と同様に導電性基板、又は半導体基板を用いることができる。
図7によって、請求項5の第5の発明に係る実施形態5の電子放出素子について説明する。図7(A)及び(B)において、図1〜図6で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態5の電子放出素子は。図7(A)及び(B)に示すように、ガラスなどの絶縁性基板7Cを用い、その上にスパッタなどによりに電極材料を堆積し、リアクティブイオンエッチングなどを行って不要部分を削除してゲート電極4を形成する。電気絶縁性薄膜5をスパッタにより形成し、部分的にゲート電極4のパッド部の電気絶縁性薄膜5を開口する。その際、陰極下となる電気絶縁性薄膜5を除去した場合は図7(A)のデバイス構造となり、陰極下となる電気絶縁性薄膜5を除去しない場合は図7(B)のデバイス構造となる。続いて、電極材料をスパッタして、陰極2と陽極3のパターニングを行うことで、図7(A)及び(B)に示す電子放出素子を作成できる。また、ゲート電極材料として導電性の高い、つまり不純物濃度の高い半導体を用い、リアクティブイオンエッチングなどにより不要部分を削除してゲート電極4を形成してもよい。この第5の発明によれば、比較的簡単なプロセスで薄い電気絶縁性フィルムなどに、電子放出素子を集積化することができる。なお、動作原理は前記第4の発明と同様であるので説明を省略する。
図8によって、請求項6の第6の発明に係る実施形態6の電子放出素子について説明する。図8において、図1〜図7で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第6の発明は、図8に示すように陰極2と陽極3とが分離した構造であり、フラットディスプレイなどへの応用可能な電子放出素子が簡易プロセスで実現可能となる。第6の発明によれば、電気絶縁性薄膜5のほぼ法線方向に陽極3からの電界が作用するので、電子放出面から放出された電子の電気絶縁性薄膜5上の散乱やチャージアップを抑制できるという特徴を有する。
図9によって、請求項7の第7の発明に係る実施形態7の電子放出素子について説明する。図9において、図1〜図8で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第7の発明は、前記第6の発明と動作原理は同様であるが、図9に示すように凸形のゲート構造に採用することで、電子放出素子の電子放出領域1の高集積化により大電流化が図れるので、フラットディスプレイなどの高輝度化が達成できるところに特徴がある。
図10によって、請求項8の第8の発明に係る実施形態8の電子放出素子について説明する。図10において、図1〜図9で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第8の発明の電子放出素子は、前記第4の発明あるいは前記第7の発明による電子放出素子のゲート電極4を台形形状にすることにより、ゲート電極4上における電気絶縁性薄膜5の接線方向の電界緩和を図ったものであり、陰極2から放出される電子の電気絶縁性薄膜5上の散乱やチャージアップを防止することができる。それぞれ、前記第4の発明に適用した場合を図10(A)に示し、前記第7の発明に適用した場合を図10(B)に示している。
図11によって、請求項9の第9の発明に係る実施形態9の電子放出素子について説明する。図11において、図1〜図10で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第9の発明は、前記第4の発明ないし前記第8の発明のいずれかの電子放出素子における電子放出面近傍のゲート電極4と陰極2との間の電気絶縁性薄膜5を薄くして制御性を高め、それ以外の電気絶縁性膜5を厚くして高耐圧化を図ったものであり、制御性と堅牢性の向上を図ることができる。図11は第9の発明を実施形態4に適用した場合であり、この図を用いて実施形態9について説明する。製作プロセスについては、図6に示した前記第4の発明の電子放出デバイスの製作プロセスと図6(C)における電気絶縁性薄膜を形成するまでのプロセスは同様であるが、この電気絶縁性薄膜5の耐圧を大きくするために厚めに形成する。
図12によって、請求項10の第10の発明に係る実施形態10の電子放出素子について説明する。図12において、図1〜図11で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第10の発明は、前記実施形態3ないし前記実施形態9の電子放出デバイスにおいて、陰極2と電気絶縁性薄膜5とゲート電極4からなる構造を逆バイアスのショットキー接合により短絡することで、電気絶縁性薄膜5の静電破壊防止を実現したところに特徴がある。この実施形態10は実施形態3の電子放出素子の横型構造に適用したものであり、実施形態10の電子放出素子ではn型半導体基板12を用いている。電子放出領域近傍の電気絶縁性薄膜5の厚みは応用により異なるが、集積回路などや低耐圧の三極真空管では数nmの厚みで、その静電破壊電圧は数10V、電力用の三極真空管や電気分解の応用ではその厚みは数10nm程度であり、その静電破壊電圧は数100V程度となる。このような電子放出デバイスとして動作させる場合には、陰極2とゲート電極4間にも正電圧が印加されるので、電子放出領域1近傍の電気絶縁性薄膜5が薄い場合には、静電破壊を防止する必要が生じる。
図13ないし図15によって、請求項11の第11の発明に係る実施形態11の電子放出素子について説明する。図13において、図1〜図12で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第11の発明によれば、前記第2の発明ないし前記第10の発明のいずれかの電子放出素子において、陰極2の電子放出領域1に臨む電子放出面を数Åから数10Å程度の薄い第2の電気的絶縁性薄膜14で覆うことによって、実効的な電子の障壁高さを低下させることに特徴がある。図14(A)は、本発明を実施したデバイスの電圧が印加される前のエネルギー状態を示している。図14(B)において、曲線(a)は陰極2に第2の電気的絶縁性薄膜14を形成しておらず、ゲート電圧を印加しない状態の電子のエネルギー状態を示す。また、曲線(b)は陰極2に第2の電気的絶縁性薄膜14を形成し、ゲート電圧を印加しない状態の電子のエネルギー状態を示し、曲線(c)はゲート電圧を印加した状態の電子のエネルギー状態を示している。図14(B)から、陰極2に第2の電気的絶縁性薄膜14を形成することにより障壁高さが低下し、トンネル効果が促進されるので、ゲート電圧を印加することによって、より一層トンネル効果が有効となり、電子放出を促進できることが明らかである。
請求項12の第12の発明に係る実施形態12については図示しないが、前記実施形態1ない前記実施形態11の電子放出素子において電子放出領域1を真空空間にした場合は、ゲート電極4により電子放出を制御する集積回路などや電力用の3極真空管に応用が可能となる。この電子放出デバイスの周囲の空間が真空であれば、このデバイスは3極真空管として動作させることができ、陰極2と陽極3間を10nm以下とすれば、集積回路としての応用が可能であり、陰極2と陽極3間を10nmから10μm程度すれば、耐圧数10Vから数1000Vの電力用スイッチ素子に応用できる。また、陰極2の幅と陽極3の幅とを増大させることにより大電流化を図ることができ、既存のパワー半導体デバイスであるパワーMOSFETやIGBTと同様な電力用スイッチ素子を実現できる。半導体を用いた電力用デバイスに比べて、陰極2と陽極3間を数10分の1から数100分の1の長さに短縮できるので、非常に小型の高耐圧デバイスを実現できる。
図16ないし図23によって、請求項13の第13の発明に係る実施形態13の電子放出素子の各具体例について説明する。図16ないし図23において、図1〜図15で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第13の発明は、前記実施形態2ないし前記実施形態11の電子放出素子において、第4の電極15を設けることにより、陰極2と陽極3との近傍における真空度、磁気などの状態を検出するセンサを実現したものである。検出の機構は、陰極2を基準として陽極3に第1の正電圧を印加し、ゲート電極4に第2の正電圧を印加して電子放出を促進すると共に、第4の電極15に正又は負の第3の電圧を印加して、陽極3の電流及び第4の電極15の電流を検出することによる。この第13の発明により、磁気や真空を検出する電子放出型のセンサが実現できる。この実施形態13の電子放出素子の製作プロセスは、前記実施形態2の電子放出デバイスとほぼ同様であるが、陽極3側に第4の電極15を形成する点が異なる。また、この実施形態13においては、第4の電極15は陽極3に対して対象的な位置に配置されている。
請求項14の第14の発明に係る実施形態14についても図示しないが、前記実施形態2ないし前記実施形態11の電子放出素子を電気分解用の電子放出デバイスとして用い、陰極2と陽極3との間の電子放出領域1に電気分解される液体又は気体を存在させ、陰極2と陽極3間に印加された電圧の他に、陰極2とゲート電極4間に正電圧を印加することにより、陰極2からの電子放出が促進され、電気分解の高速性を達成できる。この第13の発明を水の電気分解に応用すれば、高速に水素ガスや酸素ガスを生成することが可能である。さらに、電子放出を促進するために、ゲート電圧印加と共に電子放出面に光照射を行っても良い。光照射により陰極表面の電子が高いエネルギーレベルに励起されるので、電子に対する実効的な障壁高さを低めることができ、トンネル効果が促進される。なお照射する光は紫外線程度の波長が望ましいが、ランプなどの人工光を用いてもよいし太陽光を用いてもよい。なお、液体中でこの電子放出デバイスを使用する場合は、陰極2及び陽極3に対してゲート電極4を電気的に絶縁する必要がある。
2・・・陰極
3・・・陽極
4・・・ゲート電極
5・・・電気絶縁性薄膜
6・・・電子放出面
7A・・・導電性基板
7B・・・半導体基板
7C・・・絶縁性基板
9・・・フォトレジスト
10・・・電極材料
11・・・レジスト材料
12・・・n型半導体領域
13・・・ショットキー接合
14・・・陰極2面上に設けた第2の電気絶縁性薄膜
15・・・第4の電極
16〜18・・・直流電圧源
Claims (14)
- 陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
前記陰極と該陰極に隣接する電子放出領域に跨って、かつ電気絶縁性薄膜を介してゲート電極を設け、前記陰極に対して正となる電圧を前記ゲート電極に印加することにより、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くして電子に対するトンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極への電子放出を生じ易くしたことを特徴とする電子放出素子。 - 陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成され、
前記電気絶縁性薄膜上に、前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて形成されており、
前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項2において、
前記電気絶縁性薄膜は、膜厚の薄い薄膜部分と該薄膜部分よりも膜厚の厚い第1、第2の厚膜部分を有し、
前記陰極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第1の厚膜部分から前記薄膜部分まで延び、
前記陽極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第2の厚膜部分だけに形成されており、
前記電気絶縁性薄膜に電子がチャージアップされるのを抑制することを特徴とする電子放出素子。 - 請求項2において、
前記ゲート電極は、厚い第1の部分と該第1の部分よりも薄い第2の部分とを有すると共に、前記電気絶縁性薄膜で覆われており、
前記ゲート電極の前記第2の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陰極が形成され、
前記ゲート電極の前記第1の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陽極が形成されることを特徴とする電子放出素子。 - 陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
絶縁性基板又は半導体基板上に前記陰極とゲート電極とが形成され、
前記ゲート電極は電気絶縁性薄膜で覆われ、
前記電気絶縁性薄膜上に前記陽極が形成されており、
前記陰極と前記ゲート電極との間には前記電気絶縁性薄膜が介在し、
前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。 - 陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成されていて、該電気絶縁性薄膜の一部面域上に前記陰極が形成され、
前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて空間的に分離されており、
前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項6において、
前記ゲート電極は凸部を有し、
該凸部を含む前記ゲート電極を前記電気絶縁性薄膜が被覆し、
前記陰極は、前記凸部を囲む前記電気絶縁性薄膜上に形成され、
前記ゲート電極の前記凸部の頂部面は、前記陰極と比べて前記陽極に近い位置にあることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項4、あるいは請求項5、又は請求項7において、
前記ゲート電極は、前記陰極に近い側よりも前記陽極側に近い側が狭くなる断面台形状になっていることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項4又は請求項5、あるいは請求項7において、
電子放出面近傍の前記ゲート電極と前記陰極との間の前記電気絶縁性薄膜を他の領域の前記電気絶縁性薄膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とする電子放出素子。 - 陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
半導体基板の一方の主面側に前記陰極と電気絶縁性薄膜とが位置し、また、前記半導体基板の他方の主面にはゲート電極が形成され、
前記陰極は、前記半導体領域上と前記電気絶縁性薄膜とに跨って形成されており、
前記陽極は前記電気絶縁性薄膜上に形成され、
前記陰極と前記ゲート電極とは前記半導体基板とそれぞれ接合をなし、
前記接合は、前記電気絶縁性薄膜の破壊電圧よりも小さい降伏電圧を有し、
前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。 - 請求項1ないし請求項10のいずれかにおいて、
前記陰極における電子放出面を薄い第2の電気的絶縁性薄膜で覆い、実効的な電子放出面の電子障壁を低下させたことを特徴とする電子放出素子。 - 請求項1ないし請求項11のいずれかに記載した前記電子放出素子の前記電子放出領域は真空であり、前記ゲート電極に正電圧又はゼロ電圧を印加することによってオンとなり、該ゲート電極にゼロ電圧又は負の電圧を印加することによって、オフとなる3極真空管又は電力用スイッチ素子として用いることを特徴とする電子放出素子。
- 請求項2ないし請求項12のいずれかの電子放出素子を用いた電子放出型のセンサにおいて、
第4の電極を設けて、前記陰極を基準として前記陽極に第1の正電圧を印加し、前記ゲートに第2の正電圧を印加して、前記電子放出素子の電子放出を促進するとともに、第4の電極に正又は負の第3の電圧を印加して、陽極の電流及び第4の電極の電流を検出することにより、前記陽極と前記陰極との近傍における磁気、真空度などの状態を検出することを特徴とする電子放出型のセンサ。 - 請求項2ないし請求項12のいずれかの電子放出素子を用いた電気分解装置において、
前記陽極と前記陰極との間に電気分解される液体又は気体を存在させ、
前記陰極を基準として前記陽極に第1の正電圧を印加すると共に、前記ゲート電極に第2の正電圧を印加することにより、
前記電子放出素子の電子放出が促進され、前記液体又は気体の電気分解を促進することを特徴とする電気分解装置。
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