JP2009211987A - 弾道電子放出源、真空管デバイス、表示デバイス、テラヘルツ放出源、電磁波放出デバイス及びｘ線源 - Google Patents

Abstract

【課題】集束電極を設けることなく、電子の集束発散を制御するとともに、電子の放出角度を制御でき、効率良く固体中から電子を放出できるようにすることを目的とする。
【解決手段】ナノ結晶粒４０１と、ナノ結晶粒４０１を覆う絶縁物４０２とからなる電子ドリフト層１０４を挟んで、カソード電極１０６とアノード電極１０７とが形成される弾道電子放出源において、カソード電極１０６及びアノード電極１０７のうち少なくとも一方を複数配置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾道電子放出源、真空管デバイス、表示デバイス、テラヘルツ放出源、電磁波放出デバイス及びＸ線源に関し、特に、集束電極を必要としない弾道電子放出源、真空管デバイス、表示デバイス、テラヘルツ放出源、電磁波放出デバイス及びＸ線源に関する。

電界放出型電子素子は、以下の２種類に大別することができる。

素子が形成された基板面に対して垂直な方向に電子を放出させることにより動作させる縦型素子と、素子が形成された基板面に対して平行な方向に電子を放出させることにより動作させる平面型素子とである。

通常、電界放出型電子素子の電子放出部は、電子放出電極と電子引き出し電極とにより構成されている。

縦型素子は、電子放出部の両電極間の容量を小さくすることが困難な構造であるため、高速動作に適さない。

一方、電子放出部の両電極間の容量を小さくすることが容易な構造の平面型素子は、高速動作が可能で、高速素子等への応用が期待されている。

特許文献１には、弾道電子を放出する弾道電子放出源として、半導体基板と電極の間に量子サイズ効果を有する微粒子を積層して、半導体基板と電極の間を伝導する電子の平均自由行程を大きくした電子銃が開示されている。

弾道電子放出現象は、電子が弾道的に移動していくことで固体中で加速され、エネルギーをもって電子が放出される現象であり、電子は放出時の運動量の方向へ放出されるので、進行方向の揃った電子を放出することが可能である。

電子放出源を利用したデバイスの応用として、微小真空管や薄型表示素子等の電界放出型電子素子や、電磁波放出デバイスなどがある。

特許文献２は、電界放出電子源を微小真空管に応用した例である。

特許文献３は、表示デバイスなどにおいて電子を集束させるための集束電極とは別に遮蔽電極を設けて収束特性の優れた電子線源を得ようとするものである。しかし、収束電極にさらに遮蔽電極を設けており、構造は複雑である。

特許文献４は、電界放出電子源を電磁波放出デバイスに応用した例である。

特許文献５は、ドライプロセスのみでシリコンナノ結晶構造体を作製する方法が開示されている。
特開２００１−３３２１６８号公報 特開平０６−３１００２２号公報 特開平０８−１０６８４８号公報 特表２００３−５００８６２号公報 特開２００６−１７６８５９号公報

従来の弾道電子放出源は半導体基板と電極の間に電圧を印加することによって基板に垂直方向に弾道電子を放出する構成で、電子を収束したり発散したり、放出角度を制御することはできなかった。また、放出方向を制御することもできなかった。

微小真空管に応用した場合、エミッタから放出された電子がアノード電極に捕集される際に、到達する箇所によって到達時間に差を生じてしまうことがある。

アノード電極を工夫することで、到達時間のばらつきを小さくしようと試みはあるが、電子の発散によりカソードからの放出電子が拡がることは解決されていない。

したがって、微小真空管の動作周波数が制限され、高速応答性及び高周波特性に優れた電界放出型電子を実現することが困難であった。

表示デバイスや電磁波放出デバイスでは、集束（発散）電極を用いて照射面積を放出部分に調整する必要があったり、複数の静電レンズを設けて電子を収束させたり発散させたりする必要があり構成が複雑であった。

そこで、本発明は、集束電極を設けることなく、電子の集束発散を制御するとともに、電子の放出角度を制御でき、効率良く固体中から電子を放出できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源において、前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置することを特徴とする。

本発明によれば、電子の放出角度を電極によって設定でき、集束電極を設けることなく、効率良く固体中から収束した電子を放出できるようになる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線において切断した平面図である。図１６は、本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す斜視図である。また、図１は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線において切断したときの断面図に相当する。

図１に示すように、基板１０１と、第１の絶縁層１０２と、第２の絶縁層１０３と、電子ドリフト層１０４と、第３の絶縁層１０５と、カソード電極群１０６と、アノード電極群としての電子取り出し電極群１０７とがある。

本実施の形態では、基板１０１はｎ型シリコン基板である。

シリコン基板の代わりに、シリコン以外の半導体基板、絶縁性基板又は金属基板を用いることができる。

具体的には、半導体基板としては、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムリン、ガリウムナイトライドなどが使用可能である。絶縁性基板としては、ポリイミドが使用可能である。金属基板としては、アルミニウム、ステンレスなどが使用可能である。

ｎ型シリコン基板１０１の上に、各電極を絶縁するための第１の絶縁層１０２が形成されている。

第１の絶縁層１０２は、基板１０１上に形成された集積回路（不図示）との絶縁のために設けられており、基板上に集積回路を形成しない場合や基板としてガラス基板などの絶縁物を用いた場合、設けないことも可能である。

第２の絶縁層１０３は、電子ドリフト層１０４を基板１０１から絶縁するために設けられており、その厚さは材質にも関係するが、基板１０１と電子ドリフト層１０４が導通しないように絶縁破壊しない程度の厚さであれば良い。たとえば、基板１０１がシリコンであれば、１０ｎｍ〜１μｍが好ましい。ガラスなどの絶縁性基板に形成する場合には設けない構成とすることもできる。

集積回路とカソード電極１０６や電子取り出し電極群１０７への接続は第１の絶縁層１０２に設けた貫通孔であるビアを通して不図示の配線で接続されている。

第１の絶縁層１０２は絶縁耐性や機械的強度、加工性を満たせばよく、一般的に半導体装置で用いられる絶縁材、たとえば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２などの絶縁層を用いることができる。

また、図１において、１０８はカソード電極群１０６から放出された電子が電子取り出し電極群１０７に至り、電子放出源から飛び出す際の電子の軌跡を示している。以降、この軌跡を電子軌跡１０８と呼ぶことにする。

また、図２において、２０２は電子取り出し電極群１０７又はその一部とカソード電極１０６との間に印加された電圧により生じる電界の電気力線を示している。以降これを電気力線２０２と呼ぶ。

第２の絶縁層１０３の厚さを調節すると、電子軌跡１０８が基板１０１上に形成された回路（不図示）や電極（不図示）の上面からどれくらい離れた高さに位置するかを決めることができる。

また、第２の絶縁層１０３は、絶縁耐性や機械的強度、加工性を満たせばよく、一般的に半導体で用いられる絶縁材、たとえば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２などの絶縁層を用いることができる。

また、界面での電子の散乱を低減するために第２の絶縁層１０３と電子ドリフト層１０４との界面が平坦に形成されていることが望ましく、化学的研磨などの方法によって第２の絶縁層１０３を平坦化することが好ましい。

図４は、電子ドリフト層１０４を拡大した様子を示す平面図である。

図４に示すように、電子ドリフト層１０４は、ナノ結晶粒４０１とナノ結晶粒４０１を覆う絶縁物４０２とで形成されている。

ナノ結晶粒４０１は、シリコン、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムリン、ガリウムナイトライドなどの半導体材料からなる。

ナノ結晶粒４０１の粒径が電子の平均自由行程よりも小さいとナノ結晶粒４０１の中では電子は無散乱で加速されるので、弾道電子となることができる。たとえば、シリコンであれば、５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限のサイズはナノ結晶粒４０１として半導体の性質を有するサイズであれば良く、たとえばシリコンであれば１ｎｍ以上であれば良い。

ナノ結晶粒４０１を覆う絶縁層４０２は、後記するように電子がトンネリングすることによって電子を加速する働きをしており、この部分の絶縁耐性は重要になる。

したがって、ナノ結晶粒４０１を絶縁破壊することなく完全に覆うことができる厚さであることが望ましい。

一方、後記するように低い印加電圧で電子がトンネリングするためには、絶縁層４０２は薄く形成されている必要がある。したがって、たとえば、シリコンであれば１ｎｍから３ｎｍが好ましい。また、その材質は良好な絶縁耐性を維持できる材料で、たとえば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡｌＮなどの絶縁物を用いることができる。

電子ドリフト層１０４に電圧を印加すると印加電圧のほとんどはナノ結晶粒４０１を覆う絶縁層４０２にかかっており、強電界領域を形成している。

電子はナノ結晶粒４０１を覆う絶縁層４０２をトンネルして隣接しているナノ結晶粒４０１に入り、絶縁層４０２を通過するごとに加速される。これが、電子取り出し電極群１０７方向に向かって進みながら、繰り返し起こる。

そのため、電子取り出し電極群１０７付近に到達した電子は、熱平衡状態よりかなり高い運動エネルギーを持つことになる。その結果、電子取り出し電極群１０７の仕事関数よりも大きなエネルギーをもつ電子はトンネリングして真空中に放出される。

このとき、放出された電子は電子ドリフト層中１０４で加速された運動量が保存された状態で真空中に放出されることとなるので、固体中での電気力線に添って加速され、その速度方向を維持したまま電子が真空中に放出される。

電子ドリフト層１０４の厚さは電子放出の面積を勘案して決めればよい。

電子ドリフト層１０４の幅、すなわち、カソード電極１０６と電子取り出し電極群１０７の間隔は、以下の三つの要件によって決定される。すなわち、絶縁破壊電圧と、カソード電極１０６及び電子取り出し電極群１０７に印加する電圧の上限と、所望の取り出し電流密度とである。ナノ結晶粒４０１とナノ結晶粒４０１を覆う絶縁層４０２の材質の組み合わせによって異なってくる。

たとえば、シリコンとシリコン酸化膜の組み合わせであれば、５０ｎｍ〜５μｍの幅が好ましい。

本実施形態において、電子ドリフト層１０４は、上記のように絶縁層４０２の内部にナノ結晶粒４０１が分散した構成を示したが、ナノ結晶粒４０１の表面に絶縁層が形成された粒子の集合体も適用できる。

図１において、第３の絶縁層１０５は電子ドリフト層１０４を覆うように形成されており、電子ドリフト層１０４からの不要な電子の放出を防ぐために形成されている。このような現象に配慮しない場合は設けない構成とすることもできる。

また、界面での電子の散乱を低減するために第３の絶縁層１０５と電子ドリフト層１０４との界面が平坦に形成されていることが望ましく、化学的研磨などの方法によって電子ドリフト層１０４を平坦化することが好ましい。

カソード電極１０６は電子ドリフト層１０４の一方の端面の一部に形成されている。カソード電極１０６の材料としてはＡｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗなど半導体材料で一般的に用いられる材料とすることができる。

そして、不要な方向への電子の放出を防ぐ目的で、図１に示すようにカソード電極１０６は、第２の絶縁層１０３と第３の絶縁層１０５に接するように形成されていることがより好ましい。

電子取り出し電極群１０７は、電子ドリフト層１０４のカソード電極１０６に対向する他方の端面の一部に形成されている。

電子取り出し電極群１０７の材料は薄くても導電性が高く化学的に安定な金属が良く、また、仕事関数の小さな材料が望ましく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｌｕ、Ａｇ、Ｃｕなどが望ましい。

また、その厚さは、電極中での散乱を減少させ、導電性を持たせることから、５〜５０ｎｍが望ましい。

そして、図１に示すように電子取り出し電極群１０７は、第２の絶縁層１０３と第３の絶縁層１０５に接するように形成されていることがより好ましい。

カソード電極１０６と電子取り出し電極群１０７との間には電子取り出し電極群１０７が正になる電圧を印加する回路（不図示）が設けられている。

カソード電極１０６と電子取り出し電極群１０７とに、電子取り出し電極群１０７が正となる電圧を数十Ｖ程度かけることにより、電子取り出し電極群１０７表面から電子が放出する。

図２に示すように、カソード電極１０６と電子取り出し電極群１０７との少なくとも一方を一つの電子放出源に対して複数配置する構成とすることが好ましい。

図２の例では、カソード電極１０６を一つ配置し、カソード電極１０６よりも小さな電子取り出し電極群１０７を複数配置している。

図２（ａ）の例では、中央の一つの電子取り出し電極２０１を選択し、カソード電極１０６の電位に対し、選択された電子取り出し電極２０１が正になるように電圧を印加することによって電子が放出される。

このとき、カソード電極１０６から注入された電子は電子ドリフト層１０４中で電気力線２０２に沿って加速され、選択された電子取り出し電極２０１に集まるように走行する。そして、選択された電子取り出し電極２０１を透過した弾道電子が真空中に放出される。

真空中に放出された弾道電子はその運動量が保存されているため、真空中に放出されたときの速度方向に飛行し、概略、カソード電極１０６と選択された電子取り出し電極１０７の端部を結んだ位置に集束する。

このとき、取り出し電極群１０７が配列している方向の、電圧が印加されている取り出し電極群１０７の幅は、カソード電極群１０６に隣接する領域の、電子がドリフトする方向の電子ドリフト層１０４の幅よりも、小さいことが好ましい。

言い換えれば、弾道電子放出源として使用する二つの電極の好ましい構成は、取り出し電極群１０７の幅がカソード電極群１０６の幅より小さいという構成である。小さければ、電子ドリフト層１０４中で電気力線２０２に沿って加速され、選択された取り出し電極２０１に集まるように走行し取り出し電極へ集束する効果がより得られる。

逆に、電子ドリフト層１０４の幅よりも取り出し電極１０７の幅が十分大きい状態では、概略カソード電極１０６の電子ドリフト層１０４と接する面に垂直に電子が放出されるようにみなせるため、電子を集束させる効果が小さい。

カソード電極１０６と取り出し電極群１０７を互いに交差する構成にすると、一方向には、電子軌跡１０８が発散し、一方向には集束する構成となることがある。そのため、電子ビームの形状を変えることはできるが、電子ビームを収束することができないので、カソード電極１０６と取り出し電極群１０７を互いに交差しないように配置することが好ましい。

また、図１及び図２では、カソード電極と取り出し電極を基板に対して略垂直に配置したが、基板に平行に配置しても良い。その場合は、基板に平行な幅広の集束された電子ビームを得ることができる。幅広の集束された電子ビームは広い領域を照射して効率を高めることのできる露光装置などに好適に利用できる。

選択された電子取り出し電極１０７の位置によっては、電子のカソード電極からの走行距離が異なることがあるので、より収束位置を修正するために夫々の電極に印加する電圧を変えることがより好ましい。

上記のように、本実施の形態の弾道電子放出源は、集束電極を設けないため取り出せる電流が大きく、効率良く固体中から集束した電子を放出できる。

次に、図３を用いて、本実施形態の弾道電子放出源素子の製造方法について説明する。

図３（ａ）から（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｊ）、（ｌ）、（ｎ）は、本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の製造方法における各工程を示す断面図である。

図３（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）、（ｋ）、（ｍ）、（ｏ）は本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の製造方法における各工程の上面図を示している。

図３(ａ)において、基板１０１上に第１の絶縁層１０２、第２の絶縁層１０３を順次堆積する。絶縁層は、熱酸化法、プラズマＣＶＤ法及びスパッタ法など半導体を製造する際に一般的に用いられる方法により堆積する。

次に、図３(ｂ)において、第２の絶縁層１０３上に電子ドリフト層１０４を堆積する。電子ドリフト層１０４はたとえば、特許文献５に記載の方法で形成することができる。

すなわち、基板を５００〜６００℃に加熱し、シランガスの熱分解反応により１０ｎｍ以下のシリコン結晶粒を形成し、その後、酸素ガスによりシリコンナノ結晶粒の表面を酸化する。

所望の厚さとなるまで以上の工程を繰り返し行う。

図３（ｃ）において、電子ドリフト層１０４上に第３の絶縁層１０５を堆積する。絶縁層の堆積法はプラズマＣＶＤ法、スパッタ法など半導体製造で一般的に用いられる方法により堆積する。

続いて、図３（ｄ）において、第３の絶縁層１０５上にレジスト３０１を前面に塗布し所定の位置にリソグラフィー技術によって、レジストを除去しエッチングする。こうすることによって、第２の絶縁層１０３、電子ドリフト層１０４、第３の絶縁層１０５を除去し、電子源を所定の幅で形成する。

エッチングは、半導体の製造の際に一般的に使用されるドライエッチング法やウエットエッチング法で行う。

図３（ｅ）は、第２の絶縁層１０３、電子ドリフト層１０４及び第３の絶縁層１０５が所定の幅で除去されていることを示す上面図である。

図３（ｆ）において、ウェーハ前面にレジスト３０２を塗布する。

図３（ｇ）はレジスト３０２が電子源を覆うように塗布されていることを示す上面図である。

図３（ｈ）において、第２の絶縁層１０３、電子ドリフト層１０４及び第３の絶縁層１０５からなる電子源の側面が含まれるようリソグラフィー技術により、レジストに開口部３０３を設ける。

図３（ｉ）はカソード電極側及び電子取り出し電極側のそれぞれに３ヶ所の開口３０３を形成したことを示す上面図である。

図３（ｊ）において、カソード電極１０６を形成する材料を真空蒸着する。

一般的に斜め蒸着と呼ばれる技術で、蒸着している方向と逆に電子源の側面には、蒸着膜が形成されないよう蒸着方向は基板１０１に対し、２０°から５０°傾いた方向から蒸着を行う。

図３（ｋ）はカソード電極側に蒸着膜が形成されたことを示す上面図である。

続いて、図３（ｌ）において、電子取り出し電極群１０７を形成する材料を真空蒸着する。

カソード電極１０６を形成する材料を蒸着した方向とは逆の方向から蒸着をし、電子源の他方の側面に電子取り出し電極を形成する。

蒸着している方向と逆に電子源の側面には、蒸着膜が形成されないよう蒸着方向は基板１０１に対し、２０°から５０°傾いた方向から蒸着を行う。

図３（ｍ）は電子取り出し電極側に蒸着膜が形成されたことを示す上面図である。

最後に、図３（ｎ）において、不要な部分に形成されたカソード電極１０６を形成する材料や電子取り出し電極群１０７を形成する材料をリフトオフ技術によって除去する。リフトオフ技術は半導体の製造の際に一般的に使用される方法でよい。

図３（ｏ）はカソード電極側及び電子取り出し電極側のそれぞれに３ヶ所の電極を形成したことを示す上面図である。

以上の工程で、弾道電子放出源が形成される。

上記弾道電子放出源の特性をより詳細に示すために、上記弾道電子放出源の電子放出面側に複数のアノード電極群を設置し、電子放出の状態を調べた結果を説明する。

図５は、夫々の電極に流れた電流からの電子軌跡を示す平面図である。電圧Ｖｃは３０Ｖと一定にし、電圧Ｖａは１００Ｖ一定とした。

図５(ａ)は、電子取り出し電極群１０７のうち中央の電極を一つ選択した場合の電子軌跡５０４を示す。

図５(ｂ)は、電子取り出し電極群１０７のうち中央の電極を三つ選択した場合の電子軌跡５０４を示す。

図５(ｃ)は、電子取り出し電極群１０７のうち中央の電極を五つ選択した場合の電子軌跡５０４を示す。

図５に示すように、電子放出源に放出された電子を集束又は発散する目的で分割された第１のアノード電極群５０１ａ〜ｇ、第２のアノード電極群５０２ａ〜ｇ、第３のアノード電極群５０３ａ〜ｇを配置している。

電子放出源として、第２の絶縁層１０３を厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２とし、電子ドリフト層１０４を厚さ５００ｎｍとし、第３の絶縁層１０５を厚さ２００ｎｍとしている。

電子ドリフト層１０４のナノ結晶粒４０１は平均粒径５ｎｍのシリコンとし、ナノ結晶粒を覆う絶縁層４０２を平均厚さ１ｎｍのＳｉＯ_２とする。電子ドリフト層１０４の幅、すなわちカソード電極１０６と電子取り出し電極１０７との距離、は１μｍとしている。

カソード電極１０６としては、厚さ２００ｎｍのアルミニウムが電子ドリフト層１０４の一方の端面に形成されている。高さ方向は第２の絶縁層１０３と電子ドリフト層１０４と第３の絶縁層１０５とにかかるように形成されている。その幅は１μｍとし、一つ形成する。

電子取り出し電極群１０７としては、厚さ１０ｎｍの金が電子ドリフト層１０４のカソード電極１０６が形成される面とは反対の一方の端面に形成されている。高さ方向は第２の絶縁層１０３と電子ドリフト層１０４と第３の絶縁層１０５とにかかるように形成されている。その幅は２００ｎｍとし、５０ｎｍ間隔で配置している。

電子放出源に対向するように配置した第１、第２及び第３のアノード電極群５０１〜５０３は、各々ａ〜ｇの五つある。個々の電極の幅は２００ｎｍである。個々の電極間の間隔は５０ｎｍで配置されている。アノード電極群５０１、５０２及び５０３の各々間隔は１μｍとしている。また、第１のアノード電極群５０１と電子取り出し電極１０７との間隔は５００ｎｍとしている。

また、第１のアノード電極群５０１ａ〜ｇ、第２のアノード電極群５０２ａ〜ｇ、第３のアノード電極群５０３ａ〜ｇと電子取り出し電極１０７の間にアノード電極群が正になるように電圧Ｖａを印加した。

電子放出源を真空チャンバ（図示せず）内に収容し、真空チャンバ内の真空度を約５×１０^−５Ｐａとする。

電子取り出し電極群１０７とカソード電極１０６との間に電圧Ｖｃを印加し、それぞれの第１のアノード電極群５０１ａ〜ｇ、第２のアノード電極群５０２ａ〜ｇ、第３のアノード電極群５０３ａ〜ｇを選択し、流れる電流を観測する。

夫々の電極に流れた電流から電子軌跡を、図５に示している。電圧Ｖｃは３０Ｖと一定にし、電圧Ｖaは１００Ｖ一定とした。

図５(ａ)は取り出し電極群１０７のうち、中央の電極をひとつ選択した場合の電子軌跡５０４を示す。図５(ｂ)は取り出し電極群１０７のうち中央の電極を３つ選択した場合の電子軌跡５０４を示す。図５(ｃ)は取り出し電極群１０７のうち、中央の電極を五つ選択した場合の電子軌跡５０４をそれぞれ示している。

このように、電子取り出し電極群１０７のうち、電圧を印加する電極を選択することによって、電子軌跡を収束したり発散させたりすることができる。

したがって、電子取り出し電極群１０７のうちの選択個数を変えることによって、電子軌跡を集束させたり、発散させたりすることができる。

すなわち、本実施形態の弾道電子放出源によって、集束電極を設けることなく電子放出角を制御することができ、集束位置が適宜選択可能となる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略平面図である。

本実施形態は図６に示すようにカソード電極群１０６を複数配置し、カソード電極群１０６の全体長よりも小さな電子取り出し電極群１０７を一つ配置している。

複数のカソード電極群１０６より、一部のカソード電極６０１を選択し、選択されたカソード電極６０１と電子取り出し電極１０７の間に電子取り出し電極１０７が正になるように電圧を印加することによって、電子が放出される。

このとき、選択されたカソード電極６０１から注入された電子は電子ドリフト層１０４中で電気力線６０２に沿って加速され、電子取り出し電極１０７に集まるように走行する。そして、選択された電子取り出し電極１０７を透過した弾道電子が真空中に放出される。

真空中に放出された弾道電子はその運動量が保存されているため、真空中に放出されたときの速度方向に飛行し、概略、選択されたカソード電極６０１と電子取り出し電極１０７の端部を結んだ位置に集束する。

このとき、選択されたカソード電極６０１と電子取り出し電極１０７の中心がずれた位置にある場合、電子軌跡１０８は電子取り出し電極１０７の中心の真空側への延長線上からずれた位置に焦点を結ぶことになる。このことにより、弾道電子が集束する位置を制御することが可能となる。

すなわち、選択された電子取り出し電極２０１の中心位置を変えることによって、カソード電極群１０６から電子取り出し電極群１０７に向かう電気力線が変化し、放出される電子の軌跡が変化する。

したがって、カソード電極群１０６のいずれかをどのように選択するかということと、取り出し電極群１０７のいずれかをどのように選択するかということとによって、弾道電子の軌道を調整できる。すなわち、任意のカソード電極群１０６と任意の取り出し電極群１０７を選択することによって、弾道電子を任意に調整できるということである。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略断面図と概略上面図である。

本実施形態では、複数のカソード電極からなるカソード電極群７０６を電子ドリフト層７０４の下部に設け、電子取り出し電極７０７を上部に設けた縦型構造である。

基板７０１としてｎ型シリコン基板を用いているが、それ以外の半導体基板、絶縁性基板、金属基板を用いることができる。具体的には、半導体基板としては、シリコン、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムリン、ガリウムナイトライドなどを用いることができる。絶縁性基板としては、ガラス、ポリイミドなどを用いることができる。金属基板としては、アルミニウム、ステンレスなどを用いることができる。

ｎ型シリコン基板７０１の上の各電極を絶縁するために、第１の絶縁層７０２が形成されている。

第１の絶縁層７０２は、基板７０１上に形成された集積回路７０３と絶縁するために設けられている。

集積回路７０３と、カソード電極群７０６又は電子取り出し電極７０７とは、第１の絶縁層７０２に設けたビア７０５を通して配線７０６及び７０９で接続されている。

第１の絶縁層７０２の材料としては、絶縁耐性や機械的強度、加工性を満たすものであればよく、一般的に半導体で用いられる絶縁材、たとえば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２などを用いることができる。

電子ドリフト層７０４は、ナノ結晶粒４０１とナノ結晶粒４０１を覆う絶縁物４０２からなる材料で形成され、第１の実施の形態の場合と同様である。

カソード電極群７０６は、電子ドリフト層７０４の一方の端面の一部である電子ドリフト層７０４の下部に形成されている。

電子取り出し電極７０７は、電子ドリフト層７０４の対向する他方の端面の一部である電子ドリフト層７０４の上部に形成されている。

第２の絶縁層７０８は、電子ドリフト層７０４を覆うように形成されており、電子ドリフト層１０４を絶縁するとともに、電子ドリフト層７０４から不要な電子が放出することを防ぐために形成されている。

カソード電極群７０６と電子取り出し電極７０７との間には電子取り出し電極７０７が正になる電圧を印加する回路（不図示）が設けられている。カソード電極群７０６と電子取り出し電極７０７との間に電子取り出し電極７０７を正とする電圧を５〜２０Ｖ程度かけると、電子取り出し電極７０７表面から電子が放出する。

７１０は電子ドリフト層１０４中の電気力線を示している。７１１は電子放出源から飛び出す際の電子の軌跡を示している。

カソード電極群７０６と電子取り出し電極７０７のいずれか又は両方を一つの電子放出源に対して複数配置する構成とすることが好ましい。

図７（ａ）の例では、カソード電極群７０６を複数マトリックスに配置し、カソード電極群７０６よりも小さな電子取り出し電極７０７を一つ配置している。

図８は、本実施の形態の弾道電子放出源の構成を示す概略平面図と概略断面図である。

図８（ａ）は、本実施形態の弾道電子放出源の動作時の構成を示す概略平面図である。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の動作時に対応するカソード電極の位置を示す上面図である。

図８（ｃ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）とは異なるカソード電極の組み合わせを用いた本実施形態の弾道電子放出源の動作時の構成を示す概略平面図である。

図８（ｄ）は、図８（ｃ）の動作時に対応するカソード電極の位置を示す上面図である。

図８（ａ）は図８（ｂ）で示されたカソード電極８０１を選択した時の動作を表し、図８（ｃ）は異なるカソード電極群を選択したときの動作を表している。

選択されたカソード電極群８０１と電子取り出し電極群７０７との間に電子取り出し電極７０７が正になるように電圧を印加することによって、電子が放出される。

このとき、選択されたカソード電極群８０１から注入された電子は電子ドリフト層７０４中で電気力線８０２に沿って加速され、電子取り出し電極７０７に集まるように走行する。

電子取り出し電極７０７を透過した弾道電子が真空中に放出される。

真空中に放出された弾道電子はその運動量が保存されているため、真空中に放出されたときの速度方向に飛行し、概略、選択されたカソード電極群８０１と電子取り出し電極７０７の端部を結んだ位置に集束する。

このとき、電子がドリフトする方向の電子ドリフト層７０４の厚さよりも、電子取り出し電極７０７のカソード電極群７０６又は電子取り出し電極７０７が配列している方向の幅は小さいことが好ましい。

小さければ、電子ドリフト層７０４中で電気力線８０２に沿って加速され、電子取り出し電極７０７に集まるように走行し電子取り出し電極７０７へより集束しやすくなる。

逆に、電子ドリフト層７０４の幅よりも電子取り出し電極７０７の幅が十分大きい状態では、概略基板に垂直に電子が放出されるようにみなせる。

選択されたカソード電極群８０１の位置によっては、電子のカソード電極群８０１からの走行距離がばらつくので、より集束位置を修正するために夫々の電極に印加する電圧を変えることがより好ましい。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする真空管デバイスを示す断面図である。

図９の例では、弾道電子放出源をエミッタ９０１として配置している。封止材９０２によって、エミッタ９０１は高真空に維持された空間に保持されている。

不図示のゲッター材によって、長期間に渡って高真空に維持されるようにすることが好ましい。

アノード電極９０３は、エミッタ９０１から放出された電子を受けるように配置されており、概略垂直な面に形成されるのが好ましい。

不図示制御電極の電位によって、エミッタ９０１から放出された電子がアノード電極９０３に到達する量を制御する。

別途、不図示制御電極を用いなくとも、電子取り出し電極１０７の電圧を制御することによって、エミッタ９０１から放出された電子がアノード電極９０３に到達する量を制御することもできる。

特許文献２の図１に示されているように、従来例ではエミッタから放出された電子は、電界放出のために先端に電界が集中するため電子の軌跡が広がり、アノードへの到達時間が異なることになっていた。

図９に示すように、本実施形態のエミッタ９０１を用いれば、エミッタ９０１から放出された電子はカソード電極と電子取り出し電極の幅をより小さくなるように調整することによって電子を発散しないようにすることができる。そのため、従来の微小真空管と比較して、電子の経路に応じて陰極から陽極までに要する電子の移動時間の差を無くすことができる。

したがって、電界放出型電子素子の動作周波数を著しく向上させることができ、高速応答性及び高周波特性に優れた電界放出型電子を実現することが可能となる。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする表示デバイスを示す断面図である。

本実施の形態では、弾道電子放出源をＣＲＴの電子銃に使用している。レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）に対応して三つの電子源が同一基板１００１上に形成されている。

ＲＧＢのエミッタ１００２、１００３、１００４が分離され、独立して放出電流を変調できる。これらの端子にはそれぞれ不図示の電源より、適当なＤＣ電位が与えられ、これに変調のための電圧を印加する。また、アノード電極１００５には１５ｋＶが印加されている。

電子源から放出された電子線１００６は偏向マグネット１００７の磁界による偏向を受けた後、シャドーマスク１００８を通過して蛍光面１００９にあたり発光する。

電子源から出た電子線１００６は電子取り出し電極の電圧の変調により、放出電流の変調ができる。

本実施の形態の弾道電子放出源はエミッタから放出された電子は、カソード電極の幅と電子取り出し電極の幅を、電子取り出し電極の幅がより小さくなるように調整することによって電子を発散しないようにすることができる。そのため、低エミッタンスの集束された電子線１００６を発生する。

したがって、蛍光面で電子線が集束するように調整することができる。

よって、この電子源を、ＣＲＴのカソードに適用する場合、従来必要であった発散する電子を集束するための集束レンズを設ける必要がなく、電子銃の構造は従来の電子銃よりも大幅に簡略化できる。

また、収束された電子線１００６はその断面積が大きくても集束し易いため、広いカソード面が利用でき、大きな電流値が得られるとともに、スポット径も小さくすることができる。

したがって、本実施形態の弾道電子放出源を表示デバイスに用いることで、集束電極を設けることなく、電子の収束量や位置を制御できる。

そして、集束や発散の量を変えることによって、有効エリア内の照射量を変え、発光輝度を調節することができる。

また、集束する位置を変えることによって、発光色を選択することが可能となるため、装置を簡略化することができる。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする表示デバイスの例を示す断面図である。

本実施の形態では、弾道電子放出源をアレイ上に並べた電界放出ディスプレイ型の表示デバイスの例を示している。

レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）に対応して三つの電子源を一画素とし、同一基板１１０１上に形成されている。

それぞれのエミッタ１１０２Ｒ、１１０２Ｇ、１１０２Ｂにはそれぞれ不図示の電源より、適当なＤＣ電位が与えられ、これに変調のための電圧を印加する。また、アノード電極１１０３には１５ｋＶが印加されている。

電子源から蛍光面１１０４にあたり発光する。電子源から出た電子線１１０５は引き出し電圧の変調により、放出電流の変調ができる。蛍光面で、電子がエネルギーを失い、蛍光体を励起することによって発光する。

本実施の形態の弾道電子放出源は集束された電子線１１０５を発生する。

よって、本実施の形態の弾道電子放出源は集束電極を用いることなく、構造は従来の電界放出ディスプレイよりも大幅に簡略化できる。

また、集束された電子線１１０５はその断面積が大きくても集束しやすいため、広いカソード面が利用でき、大きな電流値が得られるとともに、スポット径も小さくすることができる。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明の第７の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとするテラヘルツ電子放出源の例を示す断面図である。

本実施の形態では、弾道電子放出源をエミッタとしたスミス・パーセル効果に基づくテラヘルツ放出源が示されている。

ここで、スミス・パーセル効果とは、荷電粒子が金属回折格子上を走行する際、鏡像電荷による双極子が振動するため電磁波が放射される現象をいう。また、テラヘルツ放出源とは、テレヘルツ帯の電磁波を放出する放出源のことをいう。テラヘルツ波は周波数１ＴＨｚ（波長３００μｍ）前後の電磁波のことをいう。光波と電波の中間領域に当たり、非金属や無極性物質を透過し、光学測定系の構築が可能であるという特長を有する。

本実施形態の弾道電子放出源をエミッタ１２０１とし高い指向性ビーム値を有する小型テラヘルツ放射源を形成することができる。

加速電極１２０２及び周期電極１２０３を用いることにより、小型化された自由電子レーザを構成することができる。

電子ビームを発散させずに放出することができるので、集束電極を用いることなく、周期電極１２０３に対して一定の距離を保ったまま走行するように制御することができる。

エミッタ１２０１から放出された電子が周期電極１２０３上を高速に通過することによる電磁波１２０４の放射を行うことができる。

この状況で、約２０ｋＶまでの加速電圧と、１００〜３００μｍ周期の周期電極１２０３を用いると、遠赤外線における赤外線放射が１００μｍ〜１ｍｍ波長で放射される。

この放射は、電子が周期電極１２０３の表面を通って飛翔することに応答して振動する鏡像電荷によって生成される。電磁波１２０４が周期電極１２０３に沿ってコヒーレントに放射される。電子はアノード電極１２０４で収集される。

エミッタ１２０２から出た電子が周期電極１２０４からなる金属回折格子上を走行する際、鏡像電荷による双極子が振動するため、電磁波が放射される。これはスミス・パーセル効果に基づく放射である。

本実施の形態の弾道電子放出源では、エミッタから放出された電子はカソード電極と電子取り出し電極の幅を電子取り出し電極がより小さくなるように調整することによって電子ビームを発散しないようにすることができる。さらに、従来必要であった発散する電子を集束するための集束レンズを別途も設ける必要がなくなった。その結果、平面に複数集積することが容易であることから、均一な電子の放射が可能な、大面積平面型のテラヘルツ光源が得られる。

（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする電磁波放出デバイスの例を示す図である。

図１３の電磁波放出デバイスをアレイ状に配置することで、本実施の形態の弾道電子放出源をエミッタとしたスミス・パーセル効果に基づく可視光表示デバイスが得られる。

レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）に対応して三つの電子源を一画素とし、同一基板１３０１上に形成されている。

それぞれのエミッタ１３０２Ｒ、１３０２Ｇ、１３０２Ｂにはそれぞれ不図示の電源より、適当なＤＣ電位が与えられ、これに変調のための電圧を印加する。また加速電極１３０３には２０ｋＶが印加されている。電子はアノード電極１３０５で収集される。

エミッタ１３０２から出た電子が周期電極１３０４からなる金属回折格子上を走行する際、鏡像電荷による双極子が振動するため、電磁波が放射される。これはスミス・パーセル効果に基づく放射である。

スミス・パーセル効果によって放射される電磁波の波長は、下記数１で表される。

λ：波長 ｄ：周期電極の間隔 ｎ：次数 Ｃ：光速 ｖ：電子の速度 θ：放射方向
したがって、周期電極の間隔をＲＧＢで変えれば、カラー表示を行うことができる。

ここで、加速電圧を２０ｋｅＶとすれば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）のそれぞれの周期電極１３０４Ｒ、１３０４Ｇ、１３０４Ｂの間隔を２００ｎｍ、１５０ｎｍ、１２０ｎｍとする。

それぞれの波長の光１３０６Ｒ（赤色）、１３０６Ｇ（緑色）、１３０６Ｂ（青色）が放射される。

本実施形態の弾道電子放出源を用いることで、電子ビームを発散させずに放出することができ、集束電極を用いることなく、平面に複数集積することが容易である。そのため、電磁波放出デバイスである大面積平面型の可視光表示デバイスが実現できる。

また、別途集束電極を設けることなく電子を集束できることにより効率良く電子を放出できるため、取り出せる電流が大きくなり、強い発光が得られる。また、印加電圧や収束位置を変化させることにより、発振波長を安定にすることができる。また、電磁波放射デバイスをアレイ状に形成した場合、均一な電子の放射が得られる。また、より小型のデバイスを得ることができる。

（第９の実施形態）
図１４は、本発明の第９の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとするＸ線源の例を示す断面図である。

本実施の形態では、弾道電子放出源をエミッタとした制動放射効果に基づくＸ線源が示されている。

ここで、制動放射効果とは、電子が加速度運動するとき、速度変化に関連したエネルギーの変化が電磁波エネルギーを放出される電磁波放射のことをいう。

本実施形態の弾道電子放出源をエミッタ１４０１とし、加速電極１４０２、ターゲット電極１４０３とすることによって、小型化されたＸ線源を構成することができる。

本実施の形態では、電子源は、電子ビームを発散させずに放出することができるので、集束電極を用いることなく、ターゲット電極１４０３に電子ビームを照射することができる。

約２０ｋＶの加速電圧を印加することでＸ線１４０４が放射される。この放射は、電子ビームがターゲット電極１４０３に照射され制動放射に基づく特性Ｘ線及び連続Ｘ線である。

本実施形態の弾道電子放出源は、電子ビームを発散させずに放出することができ、かつ、集束電極を用いることなく、平面に複数集積することが容易である。そのため、均一な電磁波の放射が可能な、大面積平面型のＸ線源が得られる。

（第１０の実施形態）
図１５は、本発明の第１０の実施形態としての弾道電子放出源の概略構成を示す平面図である。

本実施形態は、図１５に示すようにカソード電極群１０６を複数配置し、カソード電極群１０６の全体長よりも小さな取り出し電極群１０７を複数の配置している。

カソード電極群１０６と取り出し電極群１０７から、それぞれ電圧を印加する電極を選択することによって、より、集束する位置を制御することが可能となる。

本発明は、弾道電子放出源を用いる装置に利用可能であり、特に、平面型の表示デバイスに利用可能である。

本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略断面図である。 図１のＡ−Ａ線において切断した平面図である。 本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の製造方法における各工程を示す断面図である。 電子ドリフト層１０４を拡大した様子を示す平面図である。 夫々の電極に流れた電流からの電子軌跡を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略平面図である。 本発明の第３の実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す概略断面図と概略上面図である。 本発明の第３の実施の形態の弾道電子放出源の構成を示す概略平面図と概略断面図である。 本発明の第４の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする真空管デバイスを示す断面図である。 本発明の第５の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする表示デバイスを示す断面図である。 本発明の第６の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする表示デバイスの例を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとするテラヘルツ電子放出源の例を示す断面図である。 本発明の第８の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとする電磁波放出デバイスの例を示す図である。 本発明の第９の実施形態としての弾道電子放出源をエミッタとするＸ線源の例を示す断面図である。 本発明の第１０の実施形態としての弾道電子放出源の概略構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態としての弾道電子放出源の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 第１の絶縁層
１０３ 第２の絶縁層
１０４ 電子ドリフト層
１０５ 第３の絶縁層
１０６ カソード電極
１０７ 電子取り出し電極群
１０８ 電子軌跡
２０１ 選択された電子取り出し電極
２０２ 電気力線
４０１ ナノ結晶粒
４０２ ナノ結晶流を覆う絶縁層
５０１ 第１のアノード電極群
５０２ 第２のアノード電極群
５０３ 第３のアノード電極群
６０１ 選択されたカソード電極
７０３ 集積回路
７０５ 配線
７０６ カソード電極群
７０７ 電子取り出し電極
７０８ 絶縁層
７０９ 配線
８０１ 選択されたカソード電極群
９０１ エミッタ
９０２ 封止材
９０３ アノード電極
１００２、１００３、１００４ エミッタ
１００５ アノード電極
１００７ 偏向マグネット
１００８ シャドーマスク
１００９ 蛍光面
１１０３ アノード電極
１１０４ 蛍光面
１１０５ 電子線
１２０１ エミッタ
１２０２ 加速電極
１２０３ 周期電極
１２０４ 電磁波
１３０２ エミッタ
１３０３ 加速電極
１３０４ 周期電極
１３０５ アノード電極
１３０６ 光
１４０１ エミッタ
１４０２ 加速電極
１４０３ ターゲット電極
１４０４ Ｘ線

Claims (13)

1. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源において、
   前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置することを特徴とする弾道電子放出源。
2. 前記カソード電極と前記アノード電極との間の距離よりも、前記アノード電極の面の方向の幅が小さいことを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
3. 前記カソード電極は、前記電子ドリフト層が形成される基板と略垂直に形成されることを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
4. 前記アノード電極は、前記電子ドリフト層が形成される基板と略垂直に形成されることを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
5. 前記カソード電極又は前記アノード電極が形成される面の、前記カソード電極又は前記アノード電極が形成されていない箇所には絶縁層が形成されることを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
6. 複数の前記アノード電極から任意の前記アノード電極を選択し、該選択されたアノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
7. 複数の前記カソード電極から任意の前記カソード電極を選択し、該選択されたカソード電極と前記アノード電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
8. 複数の前記カソード電極から任意の前記カソード電極を選択し、
   複数の前記アノード電極から任意の前記アノード電極を選択し、
   前記選択されたアノード電極と前記選択されたカソード電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の弾道電子放出源。
9. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源を有する真空管デバイスにおいて、
   前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置された弾道電子放出源をエミッタとしていることを特徴とする真空管デバイス。
10. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源を有する表示デバイスにおいて、
    前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置された弾道電子放出源をエミッタとしていることを特徴とする表示デバイス。
11. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源を有するテラヘルツ放出源において、
    前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置された弾道電子放出源をエミッタとしていることを特徴とするテラヘルツ放出源。
12. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源を有する電磁波放出デバイスにおいて、
    前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置された弾道電子放出源をエミッタとしていることを特徴とする電磁波放出デバイス。
13. ナノ結晶粒と、該ナノ結晶粒を覆う絶縁物とからなる電子ドリフト層を挟んで、カソード電極とアノード電極とが形成される弾道電子放出源を有するＸ線源において、
    前記カソード電極及び前記アノード電極のうち少なくとも一方を複数配置された弾道電子放出源をエミッタとしていることを特徴とするＸ線源。