JP4545864B2

JP4545864B2 - Cold cathode device

Info

Publication number: JP4545864B2
Application number: JP2000010225A
Authority: JP
Inventors: 孝岩佐; 順三石川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: JP2001202870A

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、Ｃｓを分散状態で含有させた非晶質炭素膜であり且つそのＣｓ含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成され、前記非晶質炭素膜に含まれているＣｓのＸＰＳ半値幅ｗがｗ≧１．７５ｅＶである冷陰極素子が提供される。
【０００６】
Ｃｓは原子半径（２．６２Å）の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜（Ｃの原子半径：０．７７Å）に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Ｃｓ含有量が多すぎる（Ｃｓ＞１．８原子％）とＣｓは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる（相互作用が小さい）。逆にＣｓ含有量が少ない（Ｃｓ＜０．１原子％）場合、Ｃｓ自体の影響力が弱くなる。ＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはＣｓの存在状態の安定度（居心地の良否）を示す指標となり、その半値幅ｗがｗ≧１．７５ｅＶと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【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、Ｃｓ含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成され、そのＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはｗ≧１．７５ｅＶである。
【０００９】
Ｃｓは原子半径（２．６２Å）の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜（Ｃの原子半径：０．７７Å）に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Ｃｓ含有量が多すぎる（Ｃｓ＞１．８原子％）とＣｓは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる（相互作用が小さい）。逆にＣｓ含有量が少ない（Ｃｓ＜０．１原子％）場合、Ｃｓ自体の影響力が弱くなる。ＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはＣｓの存在状態の安定度（居心地の良否）を示す指標となり、その半値幅ｗがｗ≧１．７５ｅＶと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【００１０】
さらに、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酸化物となる。その結果、膜表面の多数のＣｓ酸化物は多数の電気絶縁性ポイントを形成するので、膜表面に電界を印加すると、それら電気絶縁性ポイントを除いた部分に電界が集中し、これによっても冷陰極素子３の電界放出特性の向上が図られる。
【００１１】
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。
【００１２】
以下、具体例について説明する。
〔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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
前記方法により得られた非晶質炭素膜３の例１〜６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。
【００１６】
表１は例１〜６に関するＣｓ含有量、ＸＰＳ半値幅ｗ、放出電界、非晶質炭素膜の形成条件を示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１から明らかなように、例３〜５のごとく、Ｃｓ含有量を０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％に、またＣｓのＸＰＳ半値幅ｗをｗ≧１．７５ｅＶにそれぞれ設定すると、非晶質炭素膜３の放出電界を大いに低くすることができる。なお、ＸＰＳ半値幅ｗがｗ≧２．０ｅＶの状態は、Ｃｓ含有量の増加を意味し、その場合前記のように個々に安定化するため、前記のような膜形成方法においては起こりえない。
【００１９】
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。
【００２０】
【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）[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, the amorphous carbon film containing Cs in a dispersed state, and the Cs content thereof. Is made of an amorphous carbon film with 0.1 atomic% ≦ Cs ≦ 1.8 atomic%, and the XPS half-value width w of Cs contained in the amorphous carbon film is w ≧ 1.75 eV. A cold cathode device is provided.
[0006]
Since Cs is an element having a large atomic radius (2.62 Å), it acts to disturb the structure of the amorphous carbon film (C atomic radius: 0.77 Å) serving as a parent phase. Depending on the disturbance, the density can be increased locally. However, if the Cs content is too high (Cs> 1.8 atomic%), Cs is stabilized as a single substance, and the degree of structural disorder with respect to the parent phase is reduced (the interaction is small). Conversely, when the Cs content is small (Cs <0.1 atomic%), the influence of Cs itself is weakened. The XPS half-value width w of Cs is an index indicating the stability (goodness of comfort) of the presence state of Cs. Conceivable. In this case, since the film is densified, excess electrons are generated, and as a result, high field emission can be achieved even with a low applied voltage.
[0007]
In addition to being used alone, the amorphous carbon film is also used as a constituent material for the surface coating layer of the cold cathode element made of Si, for example.
[0008]
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 an amorphous carbon film having a Cs content of 0.1 atomic% ≦ Cs ≦ 1.8 atomic%, and the XPS half-value width w of the Cs is w ≧ 1.75 eV. .
[0009]
Since Cs is an element having a large atomic radius (2.62 Å), it acts to disturb the structure of the amorphous carbon film (C atomic radius: 0.77 Å) serving as a parent phase. Depending on the disturbance, the density can be increased locally. However, if the Cs content is too high (Cs> 1.8 atomic%), Cs is stabilized as a single substance, and the degree of structural disorder with respect to the parent phase is reduced (the interaction is small). Conversely, when the Cs content is small (Cs <0.1 atomic%), the influence of Cs itself is weakened. The XPS half-value width w of Cs is an index indicating the stability (goodness of comfort) of the presence state of Cs. Conceivable. In this case, since the film is densified, excess electrons are generated, and as a result, high field emission can be achieved even with a low applied voltage.
[0010]
Furthermore, many Cs are scattered not only in the amorphous carbon film but also on the surface thereof. In this case, since Cs is active, Cs on the film surface combines with oxygen in the air to form a stable oxide. As a result, a large number of Cs oxides on the film surface form a large number of electrically insulating points. Therefore, when an electric field is applied to the film surface, the electric field concentrates on the portion other than the electrically insulating points, which also causes cooling. The field emission characteristics of the cathode element 3 can be improved.
[0011]
The amorphous carbon film is formed by an ion beam deposition method. In forming the amorphous carbon film, Cs ions can be used as incident ions, and Cs can be uniformly contained in the amorphous carbon film by adjusting the formation conditions. Become. 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 amorphous carbon film increases in the order of positive ion beam evaporation and negative ion beam evaporation, that is, the conductivity increases in this order, and the emission electric field increases in this order. Lower. This difference in atomic density is attributed to the fact that the internal potential energy (electron affinity) of negative ions is lower than that of positive ions (ionization voltage).
[0012]
Hereinafter, specific examples will be described.
[Formation of amorphous carbon film by negative ion beam evaporation method]
Fig. 2 shows a known ultra-high vacuum negative ion beam deposition system (NIABNIS: Neutral and Ionized).
Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source). The apparatus includes a Cs 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. An electrode 12, a lens 13, an electron removing body 15 having a magnet 14, and a deflection plate 16 are provided.
[0013]
In forming the amorphous 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. 2, (b) Cs plasma Cs positive ions are generated by the ion source 8. (c) The target 10 is sputtered by the Cs positive ions to generate negative ions such as C. (d) The negative ions are extracted by the negative ion extraction electrode 12 through the suppressor 9. Ions are extracted 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) deflection. A method is adopted in which only negative ions are caused to fly toward the cathode plate 2 by the plate 16.
[0014]
FIG. 3 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 ⁻ .
[0015]
With respect to Examples 1 to 6 of the amorphous carbon film 3 obtained by the above method, 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 formed on the conductive plate 19. A cover glass 21 of 150 μm was placed, the amorphous 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.
[0016]
Table 1 shows the Cs content, XPS half width w, emission electric field, and amorphous carbon film formation conditions for Examples 1-6.
[0017]
[Table 1]

[0018]
As is clear from Table 1, as in Examples 3 to 5, the Cs content was set to 0.1 atomic% ≦ Cs ≦ 1.8 atomic%, and the XPS half-value width w of Cs was set to w ≧ 1.75 eV. Then, the emission electric field of the amorphous carbon film 3 can be greatly reduced. It should be noted that a state where the XPS half-value width w is w ≧ 2.0 eV means an increase in the Cs content. In this case, since it is individually stabilized as described above, it cannot occur in the film forming method as described above. .
[0019]
This type of cold cathode device is applied to a flat panel display, a voltage amplification device, a high frequency amplification device, a high-precision close-range radar, a magnetic sensor, a visual sensor, and the like.
[0020]
【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 schematic view of an ultra-high vacuum type negative ion beam deposition apparatus.
FIG. 3 is a beam spectrum obtained by the apparatus.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an emission electric field measurement method.
[Explanation of symbols]
1 Cathode unit 2 Cathode plate 3 Cold cathode element (amorphous carbon film)

Claims

A cold cathode device that emits electrons when an electric field is applied,
An amorphous carbon film containing Cs in a dispersed state and having an Cs content of 0.1 atomic% ≦ Cs ≦ 1.8 atomic%,
The cold cathode device, wherein an XPS half-value width w of Cs contained in the amorphous carbon film is w ≧ 1.75 eV.

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