JP4405027B2

JP4405027B2 - 冷陰極素子

Info

Publication number: JP4405027B2
Application number: JP2000060443A
Authority: JP
Inventors: 孝岩佐; 順三石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: US20020033674A1; JP2001250470A; US6414422B1

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、波長６３０nmにおける表面の屈折率ｎがｎ≧２．５である非晶質炭素膜より構成されている冷陰極素子が提供される。
【０００６】
前記屈折率ｎは分光エリプソメトリにより測定されたもので、その値は波長６３０nmにおける値である。表面の屈折率ｎを、前記のようにｎ≧２．５に設定された非晶質炭素膜においては、従来のダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜よりも、非晶質炭素膜を構成する原子（以下、膜構成原子と言う）の密度が高くなり、その結果、余剰電子を生じ、その余剰電子が固体内で存在しにくい状態となるため、放出電界が低められ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となる。ただし、屈折率ｎがｎ＜２．５では、膜構成原子の密度が低くなる。またｎ＞３．０では炭素原子相互間の斥力に起因して、膜構成の原子の密度を高めることが困難となるので、前記屈折率ｎの上限値はｎ＝３．０に設定される。
【０００７】
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。
【０００８】
【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は非晶質炭素膜より構成され、分光エリプソメトリにより測定された、波長６３０nmにおける、表面の屈折率ｎはｎ≧２．５に設定されている。
【０００９】
表面の屈折率ｎを前記のように設定された非晶質炭素膜においては、従来のダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜よりも、膜構成原子の密度が高くなり、その結果、余剰電子を生じ、その余剰電子が固体内で存在しにくい状態となるため、放出電界が低められ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となる。
【００１０】
非晶質炭素膜の表面に関する分光エリプソメトリによる屈折率ｎは、通常、ｎ＜２．５である。この実施例に係る非晶質炭素膜は、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、これにより、非晶質であっても膜構成原子の密度を高めて、その表面の屈折率ｎをｎ≧２．５に設定することができる。
【００１１】
これは次のような理由による。即ち、負イオンは、その電子親和力［Ｃ^-→Ｃ＋ｅ^-−１．２６８ｅＶ、（吸熱）］が原子間結合エネルギ（１〜８ｅＶ）に比べて同等またはそれよりも低く、また中性化は吸熱反応であるため、イオンビーム蒸着におけるエネルギは運動エネルギ、したがって蒸着エネルギが支配的となり、これによりエネルギ制御を容易に行って結合原子間距離を小さくし得るのである。
【００１２】
一方、正イオンは、そのイオン化ポテンシャルエネルギ［Ｃ⁺＋ｅ^-→Ｃ＋１１．２６ｅＶ（発熱）］が原子間結合エネルギ（１〜８ｅＶ）に比べて、大幅に大きく、そのためイオンビーム蒸着時には余剰エネルギが生じ、これが原子間に働く斥力を大きくするため結合原子間距離が大となる、つまり膜構成原子の密度が低くなるのである。
【００１３】
以下、具体例について説明する。
【００１４】
〔Ｉ〕負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜の形成
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Ｃｓ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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１〜５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。
【００１８】
【表１】

【００１９】
次に、例１〜５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ところ、所定の波数を中心としたブロードなラマンバンドが観察され、このことから例１〜５は非晶質であることが判明した。
【００２０】
また例１〜５の表面について分光エリプソメトリによる屈折率ｎの測定を行い、波長６３０nmにおける値を求めた。
【００２１】
さらに、例１〜５について、図４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。
【００２２】
表２は例１〜５に関する表面の屈折率ｎと放出電界を示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２から明らかなように、例４、５のように表面の屈折率ｎをｎ≧２．５に設定すると、ｎ＜２．５のものに比べて放出電界を５０％以上低くすることができる。
【００２５】
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。
【００２６】
【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】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】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）

Claims

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、
波長６３０nmにおける表面の屈折率ｎがｎ≧２．５である非晶質炭素膜より構成されていることを特徴とする冷陰極素子。
前記屈折率ｎの上限値がｎ＝３．０である、請求項１記載の冷陰極素子。
前記非晶質炭素膜は、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た、請求項１または２記載の冷陰極素子。