JP2020184453A - 電子放出素子及び電子顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
(2) 前記第2の電極は、1層以上20層以下のグラフェンであることを特徴とする前記(1)記載の電子放出素子。
(3) 前記絶縁膜は、六方晶系の窒化ホウ素であることを特徴とする前記(1)又は(2)記載の電子放出素子。
(4) 前記第1の電極は、半導体であることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の電子放出素子。
(5) 前記第1の電極は、磁性体であることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の電子放出素子。
(6) 前記第1の電極は、量子井戸構造を有することを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の電子放出素子。
(7) 前記(1)乃至(6)のいずれか1項に記載された電子放出素子を備え、該電子放出素子から真空中又は気体中に電子を放出することを特徴とする電子顕微鏡。
本実施の形態について図1を参照して以下説明する。電子放出素子10は、導電性基板からなる下部電極1(第1の電極)と、電子放出面5を規定する厚い絶縁膜2と、電子放出面5の電子加速層として機能する薄い絶縁膜6と、電子透過電極3(表面電極、上部電極、第2の電極)と、コンタクト電極4(第3の電極とも呼ぶ。)とを備える。下部電極1として、本実施の形態では、シリコン半導体基板を用いる。
(工程1) 単結晶シリコン基板を用意する。
(工程2) 不純物を除去するために、シリコン基板を洗浄する。半導体の分野で用いられる洗浄方法を用いることができる。
(工程3) シリコン基板上にヘキサゴナル構造の窒化ホウ素膜を成膜する。成膜方法には、CuやNi−Fe合金など他の基板上に成膜されたヘキサゴナル窒化ホウ素膜を転写する方法や、アンモニアボラン(H6NB)、ボラジン(B3N3H6)、又はジボラン(B2H6)とアンモニア(NH3)を、原料としたCVD法などを用いることができる。成膜方法には特に限定されない。
シリコン半導体基板(n―Si)の下部半導体電極と、h−BNの絶縁膜(例13nm)と、上部グラフェン電極(例1nm)とを備える、本実施の形態の電子放出素子を準備して、得られる電子ビームの電子放出特性評価を超高真空チャンバー中で行った。まず、下部半導体電極(cathode)を接地、上部グラフェン電極(gate)に0Vから+20V程度まで0.1Vステップで電圧を印加し、電子放出素子と対抗させたSUSプレート(anode)に+1000Vを印加して、下部半導体電極、上部グラフェン電極、SUSプレートに流れる電流を計測した。計測結果から、印加電圧13Vから電子放出を開始し、印加電圧の増加とともに放出電流が増加することを確認した。印加電圧55Vで放出電流密度2A/cm2に到達し、十分な放出電流が得られることを確認した。次に、電子放出素子から放出した電子のエネルギー幅の測定は、超高真空チャンバーに搭載された電子分光器を使用して行う。電子分光器には例えば静電半球型エネルギーアナライザーを使用する。静電平行平板型を用いてもよい。電子放出素子の動作方法は、電子放出特性評価とは一部異なる。電子放出素子に透明電極に蛍光体を塗布したスクリーンを対向させる。このスクリーンの中央には直径1mm程度のホールを設けておく。スクリーンに+2.5kVの電圧を印加する。下部半導体電極と上部グラフェン電極に−100V印加する。電子放出素子から電子を放出させる際は、上部グラフェン電極に印加している電圧を−100Vから徐々に減少させていく。要は、上部グラフェン電極と下部半導体電極間の電位差が0V〜20Vになるように調整することで、電子放出特性評価と同様に電子放出素子を動作させることができる。放出した電子は蛍光スクリーンに当たり、電子放出パターンが観測できる。この電子放出パターンを観測しながら、放出電子がスクリーン上のホールを通過するように電子放出素子の位置を調整する。スクリーン上のホールを通過した電子は電子線エネルギーアナライザーに取り込まれ、放出電子のエネルギースペクトルが計測される。半導体下部電極に−100Vを印加する理由は2次電子の影響を除くためである。得られたエネルギースペクトルの半値全幅をエネルギー幅と定義する。本実施の形態においては、電子のエネルギーの半値幅は0.275eVであった。
本発明の実施の形態の動作原理を、図2を参照して説明する。図2は、下部半導体電極11、h−BN12、上部グラフェン電極13が積層された構造において、上部グラフェン電極13に電圧を印加した状態の、エネルギーバンド図である。上部金属電極(上部グラフェン電極)−下部半導体電極間に印加された電圧によってh−BN12内に電界が生じる。この電界によって下部半導体電極11中から電子がトンネル現象によってh−BN12中に流れ込む。下部半導体電極11中からh−BN12にトンネルした直後の電子のエネルギー分布21は、トンネル現象により電子の非弾性散乱がないため、下部半導体電極11内でのエネルギー分布と同じである。この電子はh−BN12中の電界によって加速されホットエレクトロンとなる。h−BNは、絶縁層を構成する元素がB、Nであり、従来のSiO2やAl2O3と比較して、構成元素の原子番号が小さい。電子の非弾性散乱断面積は一般的に原子番号に比例するため、電子加速層の絶縁材料にh−BNを使用することにより、電子加速層での電子の非弾性散乱が抑制される。そのため、h−BNで加速され上部グラフェン電極13に到達した電子のエネルギー分布22は、下部半導体電極11をトンネルした直後の電子のエネルギー分布21と同じになる。さらに、上部グラフェン電極は、電極を構成する元素がCであり、従来用いられてきた上部金属電極材料の元素(Al、Au、Pt等)と比較して、原子番号が小さいため、上部グラフェン電極での電子の非弾性散乱も抑制することができる。上部グラフェン電極13−真空14界面、すなわち上部グラフェン電極の表面に達した時点で、すべての電子は表面の仕事関数よりも大きなエネルギーを有するため、上部グラフェン電極13−真空14界面で後方弾性散乱した電子以外のすべての電子が真空14中に放出される。この一連の過程において、電子の非弾性散乱が発生しないため、真空中に放出した電子のエネルギー分布23は、下部半導体電極11をトンネルした直後の電子のエネルギー分布21を保った状態となる。
本発明の実施の形態の電子放出素子から放出される電子のエネルギー幅は、100meV以上600meV以下の範囲である。上限として600meVが望ましいのは、次の理由による。下部半導体電極と上部グラフェン電極間に印加する電圧を高くし、電子加速層h−BN中を電子が走行する距離を十分長くし、h−BN中での電子の非弾性散乱の影響を大きくしても、放出される電子のエネルギー幅の増加は600meV程度で飽和することが分かった。また、下限として100meVが望ましいのは、次の理由による。室温での下部半導体電極中での電子のエネルギー幅は約70meVである。電子加速層h−BNの膜厚を4nmまで薄くすると、下部半導体電極とh−BN間の電位障壁をトンネルした電子は、電子加速層h−BNを走行する距離が極めて短く、上部グラフェン電極を透過し真空中に放出される。この場合、下部半導体電極中から真空中に放出される過程で電子散乱はほぼ抑制されるため、下部半導体電極中での電子のエネルギー分布よりわずかに広がった100meV程度のエネルギー幅となる。
本実施の形態では、下部電極として、第1の実施の形態とは異なる磁性体金属材料(Co,Cr,Fe等)を用いる場合について説明する。下部電極として磁化した磁性体金属を用いることにより、磁性体中のスピン状態を保持した電子を取り出すことが可能であり、エネルギー幅が小さいという効果に加えて異なる効果も得ることができる。本実施の形態の電子放出素子は、スピンの状態を観測するためのスピン偏極走査電子顕微鏡や、スピン分解光電子分光装置に使用できる。本実施の形態では、下部電極での電子のエネルギー分布が半導体の場合と異な金属材料であるので、通常のタングステン針からの電界放出電子と同様のエネルギー分布となり、エネルギー幅は最小で300meVで最大で600meV程度である。
本実施の形態では、下部電極として量子井戸構造のようなナノ構造を用いる場合について説明する。下部電極の電子状態を制御することにより、人工的に制御した電子状態を反映した電子分布で電子を取り出すことができる。例えば、下部電極として、10nm以下の膜厚の絶縁体−金属(または半導体)−絶縁体の積層体からなる量子井戸構造を用いて、下部電極内での電子のエネルギー分布を量子化することにより、電子加速層を介して上部電極から、特定のエネルギー準位を有する電子のみを取り出す。本発明の実施の形態の電子放出素子から放出される電子のエネルギー幅は、100meV以上600meV以下の範囲である。
2 厚い絶縁膜
3 電子透過電極
4 コンタクト電極
5、305 電子放出面
6 絶縁膜
10、300 電子放出素子
11、31 下部半導体電極
12 h−BN
13 上部グラフェン電極
14、34 真空
21、22、23、41、42、43、44 電子のエネルギー分布
32 電子加速層
33 上部金属電極
301 下部電極基板
302 絶縁体層
303 電子透過電極層
304 コンタクト電極層
Claims (7)
- 第1の電極と、絶縁膜からなる電子加速層と、第2の電極とが順に積層されてなる積層構造を備え、
前記第2の電極は、電子を透過し、表面から電子を放出する電極であり、
放出される電子のエネルギー幅が100meV以上で600meV以下であることを特徴とする電子放出素子。 - 前記第2の電極は、1層以上20層以下のグラフェンであることを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。
- 前記絶縁膜は、六方晶系の窒化ホウ素であることを特徴とする請求項1又は2記載の電子放出素子。
- 前記第1の電極は、半導体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電子放出素子。
- 前記第1の電極は、磁性体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電子放出素子。
- 前記第1の電極は、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電子放出素子。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載された電子放出素子を備え、該電子放出素子から真空中又は気体中に電子を放出することを特徴とする電子顕微鏡。
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