JP3765358B2

JP3765358B2 - Cold cathode device

Info

Publication number: JP3765358B2
Application number: JP1685498A
Authority: JP
Inventors: 孝岩佐; 順三石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JPH11213867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い前記冷陰極素子を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、Ｘ線光電子分光法によるＣ_1S電子の光電子スペクトルの半値幅Ｈｗが、Ｈｗ≧１．７２ｅＶであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている冷陰極素子が提供される。
【０００６】
ここで、ダイヤモンド状炭素膜とは、その結晶構造がダイヤモンド単結晶構造ではないが、その性質がダイヤモンドに近いものを言う。
【０００７】
このようなダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Ｈｗを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【０００８】
ただし、前記半値幅ＨｗがＨｗ＜１．７２ｅＶでは、ダイヤモンド状炭素膜のダイヤモンド性が強められるため、放出電界が高くなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は陰極ユニット１を示し、その陰極ユニット１はＡｌ製陰極板２と、その表面に形成された冷陰極素子３とよりなる。その冷陰極素子３は、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ、ＸＰＳ）によるＣ_1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≧１．７２ｅＶであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている。
【００１０】
前記半値幅Ｈｗは、図２に示すように、ダイヤモンド状炭素膜について、Ｘ線光電子分光法による分析を行い、得られたＣ_1S電子の光電子スペクトル４から求められる。即ち、ピーク値の２分の１におけるスペクトルの幅（ｅＶ）を半値幅Ｈｗとする。
【００１１】
ダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Ｈｗを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子３の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【００１２】
ダイヤモンド状炭素膜はスパッタリングまたはイオンビーム蒸着法により形成される。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、ダイヤモンド状炭素膜の原子密度は、スパッタリングによるもの、正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり同一の半値幅Ｈｗを有していても、導電性は前記順序で強くなり、放出電界は前記順序で低くなる。
【００１３】
これは次のような理由による。即ち、スパッタリングにおいては、蒸着エネルギが不定であると共に蒸着粒子サイズもランダムであるため、ダイヤモンド状炭素膜内に多くの欠陥が生じ、これによりその導電性が阻害される。一方、正、負イオンビーム蒸着法においては、蒸着エネルギを制御することが可能であるから、ダイヤモンド状炭素膜内の欠陥の発生を大いに抑制して高密度化を図ることができる。この効果は、負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜において顕著であり、これは負イオンの内部ポテンシャルエネルギ（電子親和力）が正イオンのそれ（電離電圧）よりも低いことに起因する。
【００１４】
以下、具体例について説明する。
【００１５】
〔Ｉ〕負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
図３は、公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置（NIABNIS:Neutral and Ionized Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ５、フィラメント６、熱遮蔽体７等を有するセシウムプラズマイオン源８と、サプレッサ９と、高純度高密度炭素よりなるターゲット１０を備えたターゲット電極１１と、負イオン引出し電極１２と、レンズ１３と、マグネット１４を有する電子除去体１５と、偏向板１６とを有する。ダイヤモンド状炭素膜３（便宜上、冷陰極素子と同一の符号を用いる）の形成に当っては、（ａ）図３に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）セシウムプラズマイオン源８によりセシウムの正イオンを発生させる、（ｃ）セシウムの正イオンによりターゲット１０をスパッタして炭素等の負イオンを発生させる、（ｄ）サプレッサ９を介して負イオン引出し電極１２により負イオンを引出して負イオンビーム１７を発生させる、（ｅ）レンズ１３により負イオンビーム１７を収束する、（ｆ）電子除去体１５により負イオンビーム１７に含まれる電子を除去する、（ｇ）偏向板１６により負イオンのみを電極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１６】
図４は負イオンビーム１７の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム１７の主たる負イオンは構成原子数が１であるＣ^-イオンと構成原子数が２である
Ｃ₂ ^-イオンである。ただし、イオン電流はＣ^-＞Ｃ₂ ^-である。
【００１７】
表１は負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜７における形成条件を示す。例１〜７の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００１８】
【表１】

【００１９】
次に、例１〜７についてＸ線光電子分光法による分析を行い、得られたＣ_1S電子の光電子スペクトル４から半値幅Ｈｗを求めた。
【００２０】
その後、例１〜７について、図５に示す方法で、放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源１８にＡｌ製導電板１９を接続し、その導電板１９上に、中央部に縦０．８cm、横０．８cm（０．６４cm²）の開口２０を有する厚さ１５０μｍのカバーガラス２１を載せ、また、そのカバーガラス２１上に陰極ユニット１のダイヤモンド状炭素膜３を載せ、さらに、その陰極板２に電流計２２を接続した。次いで、電源１８より導電板１９に所定の電圧を印加して、電流計２２により電流を読取った。そして、測定電流と開口２０の面積とから、放出電流密度（μＡ／cm²）を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が８μＡ／cm²に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス２１の厚さとから放出電界（Ｖ／μｍ）を求めた。
【００２１】
表２は例１〜７に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００２２】
【表２】

【００２３】
〔II〕正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜３の形成には、図３の装置を用い、またアルゴンの正イオンによりスパッタを行って炭素の正イオンを発生させ、さらに負イオン引出し電極１２、レンズ１３、偏向板１６および陰極板２の極性を、前記〔Ｉ〕の場合（図３参照）と逆に設定した。
【００２４】
表３は、正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜５における形成条件を示す。例１〜５の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００２５】
【表３】

【００２６】
次に、例１〜５について、前記と同様の方法で半値幅Ｈｗを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【００２７】
表４は例１〜５に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００２８】
【表４】

【００２９】
〔III 〕スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜３の形成には、公知の高周波スパッタ装置を用いた。
【００３０】
表５は、スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜３における形成条件を示す。例１〜３の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００３１】
【表５】

【００３２】
次に、例１〜３について、前記と同様の方法で半値幅Ｈｗを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【００３３】
表６は例１〜３に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００３４】
【表６】

【００３５】
〔IV〕電界放出特性
前記各ダイヤモンド状炭素膜３に関し、表２，４，６に基づいて半値幅Ｈｗと放出電界との関係をグラフ化したところ、図６の結果を得た。図６から明らかなように、半値幅ＨｗをＨｗ≧１．７２ｅＶに設定すると、ダイヤモンド状炭素膜３の放出電界を大いに低くすることができる。この場合、ダイヤモンド状炭素膜３の電界放出特性は、スパッタリングによるもの、正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなることが判る。
【００３６】
本発明に係る冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い冷陰極素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】陰極ユニットの断面図である。
【図２】ダイヤモンド状炭素膜に関するＸ線光電子分光法によるＣ_1S電子の光電子スペクトルである。
【図３】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図４】前記装置によるビームスペクトルである。
【図５】放出電界測定方法の説明図である。
【図６】半値幅と放出電界との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１陰極ユニット
２陰極板
３冷陰極素子（ダイヤモンド状炭素膜）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cold cathode device that emits electrons when an electric field is applied.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a hot cathode device and a cold cathode device are known as electron-emitting devices.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The hot cathode element is used in a field represented by a vacuum tube, but has a problem that it is difficult to integrate in order to apply heat. On the other hand, cold cathode devices are expected to be applied to flat panel displays, voltage amplification devices, high frequency amplification devices and the like as devices that can be integrated because they do not use heat.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide the cold cathode device with high practicality capable of sufficiently emitting electrons even with a low applied voltage.
[0005]
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a cold cathode device that emits electrons when an electric field is applied, and the half width Hw of the photoelectron spectrum of C _1S electrons by X-ray photoelectron spectroscopy is Hw ≧ A cold cathode device comprising a diamond-like carbon film of 1.72 eV is provided.
[0006]
Here, the diamond-like carbon film refers to a film whose crystal structure is not a diamond single crystal structure, but whose properties are close to diamond.
[0007]
In such a diamond-like carbon film, when the half width Hw is set as described above, the diamond property, that is, the electrical insulation, in the diamond-like carbon film is weakened, while the graphite property, that is, the conductivity is enhanced. As a result, the emission electric field of the cold cathode device can be lowered, so that electrons can be sufficiently emitted even with a low applied voltage.
[0008]
However, when the full width at half maximum Hw is Hw <1.72 eV, the diamond property of the diamond-like carbon film is enhanced, so that the emission electric field is increased.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a cathode unit 1, which comprises an Al cathode plate 2 and a cold cathode element 3 formed on the surface thereof. The cold cathode element 3 is composed of a diamond-like carbon film in which the half-value width Hw of the photoelectron spectrum of C _1S electrons by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA, XPS) is Hw ≧ 1.72 eV.
[0010]
The half width Hw is obtained from the photoelectron spectrum 4 of C _1S electrons obtained by analyzing the diamond-like carbon film by X-ray photoelectron spectroscopy as shown in FIG. That is, the spectrum width (eV) at a half of the peak value is defined as the half-value width Hw.
[0011]
In the diamond-like carbon film, when the half-value width Hw is set as described above, the diamond property, that is, the electrical insulation, in the diamond-like carbon film is weakened, while the graphite property, that is, the conductivity is enhanced. As a result, the emission electric field of the cold cathode element 3 can be lowered, so that electrons can be sufficiently emitted even with a low applied voltage.
[0012]
The diamond-like carbon film is formed by sputtering or ion beam evaporation. In the ion beam deposition method, a positive ion beam or a negative ion beam is used. In this case, the atomic density of the diamond-like carbon film increases in the order of sputtering, positive ion beam deposition, and negative ion beam deposition, that is, even if they have the same half width Hw, The conductivity increases in the order, and the emission electric field decreases in the order.
[0013]
This is due to the following reason. That is, in sputtering, since the deposition energy is indefinite and the deposited particle size is also random, many defects are generated in the diamond-like carbon film, thereby inhibiting its conductivity. On the other hand, in the positive and negative ion beam deposition methods, the deposition energy can be controlled, so that the generation of defects in the diamond-like carbon film can be greatly suppressed and the density can be increased. This effect is remarkable in the diamond-like carbon film formed by the negative ion beam deposition method, and this is due to the fact that the internal potential energy (electron affinity) of negative ions is lower than that of positive ions (ionization voltage).
[0014]
Hereinafter, specific examples will be described.
[0015]
[I] Formation of Diamond-like Carbon Film by Negative Ion Beam Deposition Method FIG. 3 shows a known ultra high vacuum type negative ion beam deposition apparatus (NIABNIS: Neutral and Ionized Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source). The apparatus includes a cesium plasma ion source 8 having a center anode pipe 5, a filament 6, a heat shield 7 and the like, a suppressor 9, a target electrode 11 having a target 10 made of high-purity high-density carbon, and negative ion extraction. It has an electrode 12, a lens 13, an electron removing body 15 having a magnet 14, and a deflecting plate 16. In forming the diamond-like carbon film 3 (for the sake of convenience, the same reference numeral as that of the cold cathode element is used), (a) a predetermined voltage is applied to each part as shown in FIG. 3, (b) cesium plasma ions Cesium positive ions are generated by the source 8, (c) The target 10 is sputtered by the cesium positive ions, and negative ions such as carbon are generated. (D) The negative ions are extracted by the negative ion extraction electrode 12 through the suppressor 9. To generate a negative ion beam 17, (e) the negative ion beam 17 is converged by the lens 13, (f) electrons contained in the negative ion beam 17 are removed by the electron removing body 15, and (g) a deflecting plate. 16, a method of causing only negative ions to fly toward the electrode plate 2 was adopted.
[0016]
FIG. 4 shows a mass spectrum of the negative ion beam 17. The main negative ions of the negative ion beam 17 are C ⁻ ions having 1 constituent atom and C ₂ ⁻ ions having 2 constituent atoms. However, the ion current is C ⁻ > C ₂ ⁻ .
[0017]
Table 1 shows the formation conditions in Examples 1 to 7 of the diamond-like carbon film 3 by the negative ion beam evaporation method. The thickness of Examples 1 to 7 was 0.4 to 0.8 μm.
[0018]
[Table 1]

[0019]
Next, analysis by X-ray photoelectron spectroscopy was performed on Examples 1 to 7, and the half width Hw was obtained from the photoelectron spectrum 4 of the obtained C _1S electrons.
[0020]
Then, about Examples 1-7, the emission electric field was measured by the method shown in FIG. That is, an Al conductive plate 19 is connected to a voltage-adjustable power source 18, and a thickness of 0.8 cm in length and 0.8 cm in width (0.64 cm ² ) in the center is provided on the conductive plate 19 A cover glass 21 of 150 μm was placed, the diamond-like carbon film 3 of the cathode unit 1 was placed on the cover glass 21, and an ammeter 22 was connected to the cathode plate 2. Next, a predetermined voltage was applied from the power source 18 to the conductive plate 19, and the current was read by the ammeter 22. Then, from the area of the measured current and the opening 20 determines the emission current density (μA / cm ^2), in consideration of practicality, when the emission current density reached 8 .mu.A / cm ^2, a voltage corresponding thereto The emission electric field (V / μm) was determined from the thickness of the cover glass 21.
[0021]
Table 2 shows the full width at half maximum Hw and the emission electric field for Examples 1-7.
[0022]
[Table 2]

[0023]
[II] Formation of Diamond-like Carbon Film by Positive Ion Beam Deposition Method The diamond-like carbon film 3 is formed by using the apparatus shown in FIG. 3 and sputtering with argon positive ions to generate carbon positive ions. Further, the polarities of the negative ion extraction electrode 12, the lens 13, the deflector plate 16 and the cathode plate 2 were set in the opposite manner to the case of [I] (see FIG. 3).
[0024]
Table 3 shows the formation conditions in Examples 1 to 5 of the diamond-like carbon film 3 by the positive ion beam evaporation method. The thickness of Examples 1 to 5 was 0.4 to 0.8 μm.
[0025]
[Table 3]

[0026]
Next, for Examples 1 to 5, the full width at half maximum Hw was determined by the same method as described above, and the emission electric field was measured by the same method as described above.
[0027]
Table 4 shows the full width at half maximum Hw and the emission electric field for Examples 1 to 5.
[0028]
[Table 4]

[0029]
[III] Formation of diamond-like carbon film by sputtering The diamond-like carbon film 3 was formed by using a known high-frequency sputtering apparatus.
[0030]
Table 5 shows the formation conditions in Examples 1 to 3 of the diamond-like carbon film 3 by sputtering. The thickness of Examples 1 to 3 was 0.4 to 0.8 μm.
[0031]
[Table 5]

[0032]
Next, for Examples 1 to 3, the full width at half maximum Hw was obtained by the same method as described above, and the emission electric field was measured by the same method as described above.
[0033]
Table 6 shows the full width at half maximum Hw and the emission electric field for Examples 1 to 3.
[0034]
[Table 6]

[0035]
[IV] Field Emission Characteristics With respect to each diamond-like carbon film 3, the relationship between the full width at half maximum Hw and the emission electric field was graphed based on Tables 2, 4 and 6, and the result of FIG. As apparent from FIG. 6, when the half width Hw is set to Hw ≧ 1.72 eV, the emission electric field of the diamond-like carbon film 3 can be greatly reduced. In this case, it can be seen that the field emission characteristics of the diamond-like carbon film 3 increase in the order of sputtering, positive ion beam evaporation, and negative ion beam evaporation.
[0036]
The cold cathode device according to the present invention is applied to a flat panel display, a voltage amplifying device, a high frequency amplifying device, a high-precision close-range radar, a magnetic sensor, a visual sensor and the like.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, by configuring as described above, it is possible to provide a highly practical cold cathode device capable of sufficiently emitting electrons even with a low applied voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cathode unit.
FIG. 2 is a photoelectron spectrum of C _1S electrons by X-ray photoelectron spectroscopy on a diamond-like carbon film.
FIG. 3 is a schematic view of an ultra-high vacuum type negative ion beam deposition apparatus.
FIG. 4 is a beam spectrum obtained by the apparatus.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an emission electric field measurement method.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the half width and the emission electric field.
[Explanation of symbols]
1 Cathode unit 2 Cathode plate 3 Cold cathode device (diamond-like carbon film)

Claims

A cold cathode device that emits electrons when an electric field is applied, and is composed of a diamond-like carbon film in which the half-value width Hw of the photoelectron spectrum of C _1S electrons by X-ray photoelectron spectroscopy is Hw ≧ 1.72 eV. A cold cathode device characterized by comprising:

The cold cathode device according to claim 1, wherein the diamond-like carbon film is formed by an ion beam deposition method.

The cold cathode device according to claim 1, wherein the diamond-like carbon film is formed by an ion beam deposition method using a negative ion beam.