JP4104241B2

JP4104241B2 - 電子素子

Info

Publication number: JP4104241B2
Application number: JP09084499A
Authority: JP
Inventors: 孝岩佐; 順三石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000285793A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子素子、例え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として用いられる電子素子に関する。
【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、例えば冷陰極素子として用いた場合、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である等高い実用性を持つ前記電子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、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成されて、Ｃｓ（セシウム）を膜内及び膜表面に多数点在させるように含む非晶質炭素膜より構成される電子素子であって、前記膜表面には、そこに点在するＣｓが酸素と化合してできたＣｓ酸化物よりなる複数の円錐状突起が存在し、その突起の平均高さｈは、１０ nm ≦ｈ≦５００ nm であることを特徴とする電子素子が提供される。
【０００６】
Ｃｓは、そのイオン半径（１．８１Å）および金属結合半径（２．６６Å）が元素中最も大きいので、これを非晶質炭素膜内に存在させると、その内部に歪みが生じ、これにより、非晶質炭素膜、したがって電子素子の電気絶縁性を弱める一方、導電性を強めることが可能である。またＣｓは非晶質炭素膜内だけでなく、その表面にも多数点在する。この場合、Ｃｓが活性であることから、膜表面のＣｓは空気中の酸素と化合して安定なＣｓ酸化物となり、そのＣｓ酸化物は、微視的ではあるが、円錐状突起をなす。
【０００７】
このような電子素子よりなる冷陰極素子においては、その放出電界が低められるので、その冷陰極素子に対する印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させることが可能である。
【０００８】
而して、突起の平均高さｈは、ｈ＜１０ nm では効果がなく、一方、その平均高さｈがｈ＞５００ nm では素子表面およびその近傍における歪みが増大して冷陰極素子（非晶質炭素膜）にクラックが生じ易くなる。
【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電子素子としての冷陰極素子３とよりなる。その冷陰極素子３は、Ｃｓを含む蒸着膜即ち非晶質炭素膜より構成され、膜表面にＣｓ酸化物よりなる複数の極微細な円錐状をなす突起ｐを有する。その各円錐状突起ｐの平均高さｈは１０nm≦ｈ≦５００nmである。
【００１０】
Ｃｓは、そのイオン半径（１．８１Å）および金属結合半径（２．６６Å）が元素中最も大きいので、これを非晶質炭素膜内に存在させると、その内部に歪みが生じ、これにより、非晶質炭素膜、したがって冷陰極素子３の電気絶縁性を弱める一方、導電性を強めることが可能である。またＣｓは非晶質炭素膜内だけでなく、その表面にも多数点在する。この膜表面の活性なＣｓは空気中の酸素と化合して安定なＣｓ酸化物となり、そのＣｓ酸化物は、微視的ではあるが、円錐状突起ｐをなす。さらに膜内のＣｓはＣ（炭素）の仕事関数を低下させる効果も発揮する。
【００１１】
このような冷陰極素子３においては、その放出電界が低められるので、その冷陰極素子３に対する印加電圧を低くしても十分な電子放出を現出させることが可能である。
【００１２】
ただし、円錐状突起ｐの平均高さｈがｈ＜１０nmでは効果がなく、一方、円錐状突起ｐの平均高さｈがｈ＞５００nmでは素子表面およびその近傍における歪みが増大して冷陰極素子３にクラックが生じ易くなる。
【００１３】
前記のような効果を得るためには、非晶質炭素膜におけるＣｓ含有量を０．１原子％≦Ｃｓ≦５．０原子％に設定するのがよい。この場合、Ｃｓ含有量がＣｓ＜０．１原子％ではＣｓ添加の意義がなく、一方、Ｃｓ＞５．０原子％では膜内の歪みが過大となって、その膜のｓｐ³性が低くなるため、その膜の負の電子親和力による電界放出を期待できなくなる。
【００１４】
前記非晶質炭素膜は単体で用いられる外、例えばＳｉよりなる冷陰極素子の性能向上を図るべく、その素子の表面被膜層構成材料としても用いられる。
【００１５】
非晶質炭素膜はイオンビーム蒸着法により形成され、その形成に際し、入射イオンとしてＣｓイオンを用い、また形成条件を調整することによってＣｓを非晶質炭素膜に均一に含有させることが可能となる。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、非晶質炭素膜の原子密度は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、導電性はこの順序で強くなり、放出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は、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。
【００１６】
以下、具体例について説明する。
【００１７】
図２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とを備えている。
【００１８】
非晶質炭素膜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２に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）Ｃｓプラズマイオン源８によりＣｓの正イオンを発生させる、（ｃ）Ｃｓの正イオンによりターゲット１０をスパッタしてＣ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陰極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１９】
図３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。
【００２０】
表１は負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜３の例１〜４における形成条件を示す。例１〜４の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００２１】
【表１】

【００２２】
次に、例１〜４の略中央部についてラマン分光法による分析を行って、それらが非晶質であるか否かを調べた。図４は例２の分析結果を示し、波数１５００cm^-1付近を中心としたブロードなラマンバンドが観察される。このことから例２は非晶質であることが判明した。他の例１，３，４についても図４と同様の結果が得られた。
【００２３】
また例１〜４についてＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）定量分析によりＣｓ含有量を調べたところ、例１〜３はＣｓを含有していたが、例４は、Ｃｓを含有していないことが判明した。
【００２４】
さらに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により例１〜４表面を撮影してそれらの表面写真を得た。図５は例２に関する表面写真の要部拡大写図であり、この図面において、非晶質炭素膜３の表面に点在する多数の円錐状突起ｐはＣｓ酸化物よりなる。他の例１，３についても図５と略同様の結果が得られた。これらの表面写真から、例１〜３における円錐状突起ｐの平均高さｈを求めた。
【００２５】
さらにまた、例１〜４について、図６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の非晶質炭素膜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。
【００２６】
表２は例１〜４に関するＣｓ含有量、円錐状突起ｐの平均高さｈおよび放出電界を示す。
【００２７】
【表２】

【００２８】
表２から明らかなように、表面にＣｓ酸化物よりなる複数の円錐状突起ｐを持つ例１〜３は、その突起ｐを持たない例４に比べて放出電界が極端に低いことが判る。
【００２９】
この種の冷陰極素子は、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。
【００３０】
【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、例えば冷陰極素子として用いることが可能な、高い実用性を持つ電子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】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図３】前記装置によるビームスペクトルである。
【図４】非晶質炭素膜の例２に関するラマン分光法による分析結果を示すチャートである。
【図５】非晶質炭素膜の例２に関する原子間力顕微鏡による表面写真の要部拡大写図である。
【図６】放出電界測定方法の説明図である。
【符号の説明】
１陰極ユニット
２陰極板
３冷陰極素子（非晶質炭素膜）
ｐ円錐状突起

Claims

負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成されて、Ｃｓを膜内及び膜表面に多数点在させるように含む非晶質炭素膜（３）より構成される電子素子であって、
前記膜表面には、そこに点在するＣｓが酸素と化合してできたＣｓ酸化物よりなる複数の円錐状突起（ｐ）が存在し、
その突起（ｐ）の平均高さｈは、１０ nm ≦ｈ≦５００ nm であることを特徴とする電子素子。
前記非晶質炭素膜は、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である、請求項１記載の電子素子。