JP3579972B2 - 面状冷陰極 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は面状冷陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上部電極と下部電極の２つの電極膜で絶縁層等を挟みこみ、両電極間に高電界を印加して電子を真空中に放出する面状冷陰極は、それを２次元的に配置し、マトリクス駆動することにより２次元パターン情報を容易にアドレスすることが可能であり、転写型の電子線描画装置や、カソードルミネッセンスを利用したフラットパネルディスプレイの陰極として利用が期待される。これらの面状冷陰極の具体例としては、下部電極側から、金属−絶縁体−金属（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ，ＭＩＭ）、あるいは金属−絶縁体−半導体（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＭＩＳ）の薄膜を積層したトンネル陰極や、金属−絶縁体−半導体−金属を積層したＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）型冷陰極などがある。ここではＭＩＭ冷陰極を例に面状冷陰極の電子放出の原理と従来の技術を示す。
【０００３】
図２はＭＩＭ冷陰極の動作時のエネルギーダイアグラムである。上部電極１０と下部電極１２の間に駆動電圧Ｖｄを印加すると、絶縁層１１内の電界のため、下部電極１２のフェルミ準位近傍の電子は、トンネル現象により絶縁層１１のポテンシャル障壁を透過する。透過した電子は、絶縁層１１、上部電極１０の伝導帯に出現し、駆動電圧Ｖｄの電位差に相当する数ｅＶのエネルギーを持つホットエレクトロンとなる。このうち、上部電極１０の仕事関数Φ以上のエネルギーを有するものは真空１３中に放出され、放出電流Ｉｅとなる。放出されなかった電子は上部電極１０に流れ込みダイオード電流Ｉｄとなる。
【０００４】
しかし、数ｅＶのホットエレクトロンの平均自由行程は１〜３ｎｍ程度と短く、大部分が真空１３中に放出される前に冷陰極内で非弾性散乱されてエネルギーを減損する。そのため、ほとんどの電子は仕事関数Φのポテンシャル障壁を越せず、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｄが１／１０^４〜１／１０^５程度と低かった。
【０００５】
そこで、より高効率の電子放出を得るため、Ｃｓを上部電極膜の電子放出面に吸着させ、表面の仕事関数Φを低下させることが試みられている。図３はＣｓ原子１４が吸着したとき、金属表面１５に生じる電気双極子層１６とその時のポテンシャル１７を示したものである。Ｃｓ原子１４は金属表面に吸着すると、価電子分布が金属側に偏り、電気双極子ポテンシャルを形成する。このポテンシャル１７は仕事関数Φを実効的に低下させる。Ｃｓ原子１４は電気双極子能率が大きく、仕事関数Φの低下に有効である。実際にＭＩＭ冷陰極に適用した例では，仕事関数Φは約１．４ｅＶまで低減され、電子放出効率が約１００倍向上することが報告されている（インターナショナル ターグング フュア エレクトロネンマイクロスコピー、ハンブルグ、（１９８２）３６９−３７０ページ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｔａｇｕｎｇ ｆｕｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｎｍｉｋｒｏｓｋｏｐｉｅ，Ｈａｍｂｕｒｇ，（１９８２）ｐｐ３６９−３７０）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ｃｓを金属や半導体表面に吸着させることは、表面の仕事関数Φを最も低下させる方法であるが、面状冷陰極に適用した場合、低仕事関数表面は１０分〜１時間程度の短時間で消滅し、高効率の電子放出を長時間維持できないことが報告されている（エス アイ ディ ９２ ダイジェスト、（１９９２）３３６−３３８ページ：ＳＩＤ ９２ ＤＩＧＥＳＴ（１９９２）ｐｐ３３６−３３８）。この原因は、ホットエレクトロンの衝突によるエネルギー励起により、吸着しているＣｓが真空中へ脱離しやすいことが挙げられる。
【０００７】
本発明の目的は、面状冷陰極の上部電極を長時間、仕事関数Φが低い状態に維持する手段を提供し、面状冷陰極から高効率の電子放出を長時間安定に得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、面状冷陰極の上部電極の電子放出面に、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋのうちの少なくとも１種類のアルカリ金属原子を吸着させることにより達成される。
【０００９】
【作用】
ＣｓはＦｒを除く全てのアルカリ金属の中でもイオン化エネルギーが最も小さく、金属表面に吸着させた際の電気双極子能率が高いため、仕事関数Φの低減に最も有効であった。しかしながら他のアルカリ金属もイオン化エネルギーは小さく、面状冷陰極表面の仕事関数Φの低減には十分有効であると考えられる。
【００１０】
図４はアルカリ金属を、上部電極材料としてよく用いられるＡｕ（Φ＝４．７ｅＶ）に吸着させた時の、仕事関数の低下量ΔΦの表面被覆率依存性を、光電子分光法やＬＥＥＤ法を用いて測定したものである。低被覆率領域（〜０．３）ではアルカリ金属の原子番号が大きいほどΔΦが大きく、Ｃｓの場合がΔΦ＝−３ｅＶである。しかし、Ｒｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉを吸着させた場合でも、ΔΦ＝−１．５〜−２．７ｅＶと大幅な仕事関数低下が実現している。
【００１１】
さらに吸着させ続けると、仕事関数Φはやや高くなるが、それでもΔΦ＝−１．５〜−２．５ｅＶが実現している。とくにＫ、Ｎａ、Ｌｉは第２原子層が吸着する被覆率１より大きい領域でもΔΦは大きい。これらのΔΦはＡｕなどの仕事関数Φ＝４．７ｅＶと比較し、十分な低下量である。従って、いずれのアルカリ金属を面状冷陰極に吸着させた場合でも、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｄを大幅に向上できる。
【００１２】
そこでどのアルカリ金属を面状冷陰極に適用するかは、吸着の安定性によって決められる。
【００１３】
図５は昇温脱離法によって求めたアルカリ金属の脱離エネルギーの被覆率依存性である。アルカリ金属はいずれも電気双極子能率が大きく、面状冷陰極の上部電極膜上に静電吸着する。しかしながら電気双極子能率は被覆率が増すと双極子間の干渉により低下し、静電吸着力は小さくなる。そのため脱離エネルギーが急減する。この効果は特に原子番号の大きいＣｓ、Ｒｂで顕著である。一方、原子番号の小さいＬｉ、ＮａやＫなどは脱離エネルギーの減少は小さい。被覆率が高い領域では脱離エネルギーは、Ｌｉ、ＮａやＫなどの方が大きくなる。これは被覆率が高くなると、吸着しているアルカリ金属間の凝集力が働くためである。この凝集エネルギーは原子番号の小さいほうが大きい（融点が高いことから明らかである）。これらは図４、図５にも示されているように、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋが１原子層以上の高被覆率（１以上）の吸着も可能であるのに対し、ＣｓやＲｂなどの被覆率が０．５〜０．７程度で飽和することにも反映している。
【００１４】
図５に示される脱離エネルギ−に比べ、面状冷陰極のホットエレクトロンのエネルギ−は大きい。したがって、アルカリ金属に脱離エネルギーに相当するエネルギー励起を与える確率は高い。そこで実際に脱離するかしないかは、ホットエレクトロンによる励起を受けたあと、静電吸着力やアルカリ金属間の凝集力により励起原子が緩和されるかどうかによる。面状冷陰極のホットエレクトロンは、上部電極膜内部から真空に向かって表面に垂直な運動エネルギーを持って放出するため、衝突によって吸着しているアルカリ金属に真空側方向の運動エネルギーを主に与える。これに対し、緩和力としてのアルカリ金属の静電吸着力は、上部電極膜表面からの距離の関数であり、表面から離れると急激に小さくなる。そのためＣｓやＲｂの様に被覆率が低く、静電吸着力のみによって吸着している場合、ホットエレクトロンによるエネルギー励起を受けると、凝集力も静電吸着力も働かないため、緩和されず容易に脱離する。一方、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋは２原子層以上の高被覆率の表面が実現するため、吸着原子間の凝集力が周囲から働き、緩和されやすい。また脱離が起こっても、第２原子層などから吸着原子を補給することが可能で、低仕事関数表面を維持できる。このように面状冷陰極において安定なアルカリ金属吸着表面を得るには、凝集エネルギーが大きく、高被覆率の吸着表面が可能なＬｉ、Ｎａ、Ｋを用いればよい。
【００１５】
【実施例】
本発明をＭＩＭ冷陰極に用いた実施例を示す。ここでは一例として、下部電極１２にＡｌ膜、絶縁膜１１にＡｌ_２Ｏ_３膜、上部電極１０にＡｕ膜を用いたＭＩＭ構造を用いて説明する。他の材料や、ＭＩＳ構造など他の構造を用いた場合においても本発明の効果は同様に発揮される。図１に作成したＭＩＭ冷陰極の構造を示す。まず熱酸化膜付きＳｉ基板等の絶縁性基板１８に下部電極１２として、Ａｌ膜をスパッタリング法により１００ｎｍ形成した。次に陽極酸化法でＡｌの表面を酸化することにより、４ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３を形成した。陽極酸化は３％酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコ−ルの混合液中で行なった。特開昭７−６５７１０号公報に記載されているように、化成電流密度を０．１Ａ／ｍ^２以下、０．０００１Ａ／ｍ^２以上とすると良質の絶縁層を形成できる。この上に上部電極１０としてＡｕ膜をスパッタリング法により１０ｎｍ形成することにより、ＭＩＭ冷陰極を完成する。これらの成膜にはこの他、分子線エピタキシー法やイオン・クラスター・ビーム法等を用いることも有効である。
【００１６】
つぎにこのＭＩＭ冷陰極を１／１０^８Ｔｏｒｒ以下に排気した真空装置中に取り付け、その上部電極膜上にＫなどのアルカリ金属原子１９を吸着させて電子放出特性の変化を測定した。アルカリ金属の蒸着には、例えばアルカリディスペンサーを用ればよい。ＭＩＭ冷陰極は上部電極を接地し、下部電極に駆動電圧を印加する。
【００１７】
ここではＫを蒸着した例を示す。Ｋの蒸着は、蒸着距離１０ｃｍ、アルカリディスペンサーの加熱電流６Ａで２０分間行った。光電子分光法により、この時の上部電極の仕事関数Φは２ｅＶと求められている。図６にその測定結果を示す。○がＫの蒸着前、●がＫの蒸着後である。Ｋを吸着させるとより低電圧で電子放出が開始され、放出電流密度が大幅に増大している。Ｖｄ＝５．５Ｖでは、Ｋの蒸着前が８μＡ／ｃｍ^２，蒸着後が６００μＡ／ｃｍ^２と放出電流密度は７５倍に増加した。このようにＫを吸着させることによっても、Ｃｓを吸着させるのと同様の大幅な電子放出効率の向上を実現できた。このような放出電流密度の向上はＬｉ，Ｎａを用いた場合でも実現できる。
【００１８】
つぎに、アルカリ金属を吸着させた状態でのＭＩＭ冷陰極の電子放出の安定性を測定した。ここでは、Ｃｓ，Ｒｂ，Ｋを蒸着した例を示す。下部電極に−Ｖｄ＝−５．５を印加した時の電子放出効率（Ｉｅ／Ｉｄ）の時間変化を図７に示す。ここでＶｄはＭＩＭ冷陰極のフォ−ミングを防止するため、特願平６−７０４４０号明細書に記載されたパルス電圧とし、パルス幅は２ｍｓ、くり返し周期は４ｍｓとした。図７からわかるように、Ｃｓ，Ｒｂを吸着させた場合は、１時間の動作でＩｅ／Ｉｄは初期値の１０％〜３０％に減少する。これに対し、Ｋを吸着させた場合は、駆動開始直後約１０分で電子放出効率が初期値の８０％に低下するが、その後安定する。その後約１時間の駆動で電子放出効率の減少は５％以下である。これは冷陰極表面においてはＫのほうが、ＣｓやＲｂに比べ安定に吸着していることを示しており、低仕事関数表面を長時間維持することが可能であることがわかる。Ｌｉ，Ｎａの方がＫより凝集エネルギ−が大きいことから、同様の長時間安定性が得られることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、面状冷陰極において上部電極膜上にＬｉ，Ｎａ，Ｋを吸着させると、低仕事関数表面を安定に維持することが可能であり、高効率の面状電子線を長時間にわたって放出することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＩＭ構造を用いた本発明の面状冷陰極の構造図である。
【図２】ＭＩＭ冷陰極の放出原理を示すエネルギ−ダイアグラムを示す図である。
【図３】Ｃｓが吸着したときに金属表面に生じる電気双極子層と、その時のポテンシャル変化を示す図である。
【図４】Ａｕ膜上にアルカリ金属を吸着させたときの、アルカリ金属の被覆率と仕事関数の低下量ΔΦの関係を測定した結果を示す図である。
【図５】Ａｕ膜上にアルカリ金属を吸着させたときの、アルカリ金属の被覆率と脱離エネルギ−の関係を測定した結果を示す図である。
【図６】Ｋを蒸着する前後でＭＩＭ冷陰極の放出電流密度を測定した結果を示す図である。
【図７】ＭＩＭ冷陰極にＣｓ，Ｒｂ，Ｋを吸着させた状態で、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｄの時間変化を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…上部電極、１１…絶縁層、１２…下部電極、１３…真空、１４…Ｃｓ原子、１５…金属表面、１６…電気双極子層、１７…電気双極子層によるポテンシャル、１８…絶縁性基板、１９…アルカリ金属原子（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ）。

Claims (1)

1. 上部電極と下部電極の２つの電極膜の間に絶縁膜あるいは絶縁膜と半導体膜の積層膜を挟みこみ、前記上部電極と前記下部電極の間に高電界を印加して、前記上部電極膜表面から電子を放出する面状冷陰極において、前記上部電極膜の電子放出面にＬｉ、Ｎａ，Ｋのうちの少なくとも１種類の原子を被覆率１以上吸着させることを特徴とする面状冷陰極。

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