JP4938568B2 - 電界放出素子 - Google Patents
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Description
本発明は、小型電界放出素子に関し、特に、不活性気体で作動するナノレベルの電界放出素子に関する。
真空管は、従来から重要な技術として研究されている。世界で一番初めのコンピューターは一万八千本の真空管を備える。１９４７年に、ベル実験室によってトランジスタを開発した。トランジスタは、低エネルギー消費、低コスト、小型化、集成化、量産化などの優れた点があるので、真空管に取って代わっていく。且つ、トランジスタを利用してマイクロプロセッサ及びコンピューターを大規模に製造することができる。しかし、真空管は、高周波、広ダイナミックレンジ、逆方向降伏の防止、高パワーという特徴があり、高温及び高輻射の環境で作動することができるという特性があるので、ある領域に対しては、トランジスタが真空管に取って代わることができない。
例えば、真空管に電界放出される電子は、１０Ｖの加速電圧で１．８７×１０８ｃｍ/ｓの速度で移動するが、電界強度が１０４Ｖ／ｃｍの電界で１．５×１０７ｃｍ／ｓの速度で移動する。真空管における電子はトランジスタと比べて、移動速度が非常に速いと理解できる。従って、真空管における陰極と陽極との距離は十分に近く設置される（例えば、１００ｎｍ）場合、前記真空管を利用する電子装置の開閉速度は、トランジスタを利用する電子装置により速くなる。また、従来のトランジスタは高温で作動さればその性能が悪くなるので、操作温度を３５０°C以下に設定する必要である。しかし、真空管は温度によって受ける影響が少ないので、高温で正常に作動することできる。また、トランジスタは高エネルギー粒子の輻射で作動する場合、トランジスタの性能が不安定になり、トランジスタの損害が生じる恐れがある。また、真空管は基本的に高エネルギー粒子の輻射で影響されないという特性がある。これにより、真空管を利用して、宇宙の調査、地質学調査、分子炉のモニタ、製鋼、ジェットエンジンなどの領域でのリアルタイム追跡、高速通信、信号処理が可能となる。
しかし、従来の真空管は大型及び大重量であり、集積化が困難となる。また、従来の真空管は複雑な信号処理を実行することができないという問題がある。前記問題を解決するために、１９６０年から小型真空管についての研究を始め、小型三極管が製造された。小型真空管の作動原理は従来の真空管と同様であるので、真空管の内部の高真空度が必要である。真空管の内部に残るガスはイオン化された場合、真空管の性能が損なわれる。例えば、イオン化されたガスの正イオンが原因で真空管に大きい騒音が発生し、また、真空管の陰極電極は正イオンの衝撃で損害される可能性がある。さらに、真空管の陰極電極の表面に残されたガスは、真空管の性能が不安定になる原因となる。
真空管の内部の真空度を高めるほど、真空管の性能は良好である。従来、真空管の製造工程において真空管の内部に生じたガスを吸着し、真空管の内部の真空度を保持するために、ゲッタを真空管の内部に設置している。しかし、小型の真空管は内部空間が狭く、比表面積が大きいので、高真空度を保持することができない。従って、小型の真空管は高真空度及び実用化が実現されないという課題がある。
前記課題を解決するために、本発明は不活性気体で作動する小型電界放出素子を提供する。このナノレベルの電界放出素子は性能が安定で、真空度が高く、応用範囲が広いという優れた点がある。
本発明に係る電界放出素子は、基板と、該基板に設置される陰極電極と、該陰極電極に電気接続されるエミッタと、陽極電極と、を含む。前記陰極電極と前記陽極電極との間には少なくとも一種の不活性ガスが注入される。前記エミッタは前記陽極電極に対向して形成される先端を有する。前記エミッタの前記先端と前記陽極電極との距離をｈと表示し、前記不活性ガスの雰囲気で運動する電子の平均自由行程を
と表示する場合、次の式を満足する。
さらに、前記陰極電極と前記陽極電極との間にゲート電極を設置する。
前記ゲート電極の前記エミッタに対向する位置には開口部が形成される。
前記エミッタはシリコン、タングステン、モリブデンのいずれか一種からなることが好ましい。
前記エミッタの先端に低仕事関数の材料が堆積されることが好ましい。
前記低仕事関数の材料は金属ホウ化物及び／又は希土類酸化物からなる。
前記先端にカーボンナノチューブ、半導体ナノワイヤを設置することが好ましい。
前記エミッタは希土類酸化物、炭化物、高融点の金属などのいずれか一種を含む。
前記不活性ガスはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリブトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）又はその混合ガスのいずれか一種である。
前記エミッタの前記先端と前記陽極電極との距離をｈと表示し、前記不活性ガスの雰囲気で運動する電子の平均自由行程を
と表示する場合、次の式を満足する。
前記不活性ガスの雰囲気で運動する電子の平均自由行程を
と表示する場合、次の式から得られ、
ここで、ｎは不活性ガスの密度、σは不活性ガス分子の有効直径と設定され、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｐは大気圧である。
本発明に係る小型電界放出素子は次の優れた点がある。該小型電界放出素子の内部には不活性ガスが注入され、エミッタの先端と陽極電極との距離が電子の平均自由行程より短く設定されるので、該小型電界放出素子は良好な放出特性を有する。また、本発明に係る小型電界放出素子は寸法が小さく、電界放出の電圧が低いので、該小型電界放出素子の内部の不活性ガスがイオン化される可能性が非常に低い。また、不活性ガスの原子はエミッタの表面に吸着されず、不活性ガスの原子が連続的にエミッタの表面を攻撃することにより、エミッタの表面に吸着された不純物を清浄化することができる。従って、小型電界放出素子の機能を安定にすることができる。また、本発明に係る小型電界放出素子は開閉速度が速く、高温及び高輻射の環境で正常に作動することができる。
次に、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。
（実施例１）
図１に示すように、本実施例に係る小型電界放出素子１０は、双極性の構造体であり、基板１２と、陰極電極１４と、エミッタ１６と、陽極電極１８と、を含む。前記陰極電極１４は、前記基板１２に設置され、前記エミッタ１６は、前記陰極電極１４に電気接続されている。前記エミッタ１６は、前記陽極電極１８に対向して形成される先端１６２を有する。前記エミッタ１６の前記先端１６２と前記陽極電極１８との距離をｈ１と表示する。前記陽極電極１８と前記陰極電極１４との間に絶縁部１４２を設置して、前記小型電界放出装置１０の内部に密封されるスペース１４４を形成する。該スペース１４４には不活性ガスが注入される。本実施例において、前記不活性ガスは複数の不活性ガス分子１４６からなる。前記スペース１４４に封入された前記不活性ガスは０．１〜１０ａｔｍに設定されるが、１ａｔｍであることが好ましい。前記不活性ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリブトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）又はその混合ガスのいずれか一種である。本実施例において、前記不活性ガスとしては、ヘリウムが利用される。前記小型電界放出装置１０を前記不活性ガスの雰囲気で作動させるために、次の条件を満足しなければならない。
図１に示すように、本実施例に係る小型電界放出素子１０は、双極性の構造体であり、基板１２と、陰極電極１４と、エミッタ１６と、陽極電極１８と、を含む。前記陰極電極１４は、前記基板１２に設置され、前記エミッタ１６は、前記陰極電極１４に電気接続されている。前記エミッタ１６は、前記陽極電極１８に対向して形成される先端１６２を有する。前記エミッタ１６の前記先端１６２と前記陽極電極１８との距離をｈ１と表示する。前記陽極電極１８と前記陰極電極１４との間に絶縁部１４２を設置して、前記小型電界放出装置１０の内部に密封されるスペース１４４を形成する。該スペース１４４には不活性ガスが注入される。本実施例において、前記不活性ガスは複数の不活性ガス分子１４６からなる。前記スペース１４４に封入された前記不活性ガスは０．１〜１０ａｔｍに設定されるが、１ａｔｍであることが好ましい。前記不活性ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリブトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）又はその混合ガスのいずれか一種である。本実施例において、前記不活性ガスとしては、ヘリウムが利用される。前記小型電界放出装置１０を前記不活性ガスの雰囲気で作動させるために、次の条件を満足しなければならない。
ここで、ｈ１は、前記エミッタ１６の前記先端１６２と前記陽極電極１８との距離であり、即ち、前記小型電界放出装置１０の電界放出距離である。
は、不活性ガス分子１４６の平均自由行程である。
従って、本実施例に係る小型電界放出装置１０は次の優れた点がある。
第一に、ｈ１が
より小さく設定されるので、前記エミッタ１６から前記陽極電極１８まで電子を放出する場合、前記エミッタ１６からの電子は前記不活性ガス分子１４６と衝突する可能性が少なくなる。さらに、ｈ１が
よりはるかに小さく設定される場合、前記エミッタ１６からの電子は前記不活性ガス分子１４６と衝突する可能性がほとんどなくなる。従って、この場合、前記エミッタ１６からの電子は自由に前記陽極電極１８に到達することができると見なされる。本実施例において、ｈ１は
の１／１０程度に設定される（即ち、
）。
本実施例において、電子の平均自由行程
は次の式から得られる。
ここで、ｎは不活性ガスの密度、σは不活性ガス分子の有効直径と設定される。ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｐは大気圧である。さらに、ｋは次の式を満足する。
式（４）を満足する場合、電子が異なる不活性ガスでの平均自由行程は表１に示すようになる。
本実施例においては、前記不活性ガスはヘリウムである。［表１］に示すように、大気圧が１ａｔｍの条件で、前記エミッタ１６の前記先端１６２と前記陽極電極１８との距離ｈ１を、ヘリウム（Ｈｅ）の雰囲気で運動する電子の平均自由行程
（例えば、１．０７μｍ）より小さく設定する場合、前記電子は前記陽極電極１８まで自由に到達することができると見なされる。従って、［表２］に示すように、ｈ１を
の１／１０程度（１０７ｎｍ）に設定する場合、９１％の電子がＨｅ分子と衝突しない。
第二に、ｈ１を
より小さく設定する場合、前記エミッタ１６の先端１６２と前記陽極電極１８との距離ｈ１が非常に小さくなるので、前記小型電界放出素子１０の放出電圧が低く設定され、電子が放出電圧から得られるエネルギーが低くなる。電子が放出電圧から得られるエネルギーが前記不活性ガスがイオン化されて得るエネルギーより低い場合、前記不活性ガスは前記電子によってイオン化されない。反対に、電子が放出電圧から得られるエネルギーが前記不活性ガスがイオン化されて得るエネルギーと等しいか又はより少し高い場合も、前記不活性ガス分子のイオン化の比率が非常に低いので、無視することができる。［表３］は、異なる不活性ガスがイオン化して得るエネルギーを表示する。［表３］に示すように、本実施例において、前記エミッタ１６からの電子は前記不活性ガス分子１４６と衝突しても、前記不活性ガス分子１４６はイオン化されない。
第三に、前記小型電界放出素子１０に不活性ガスが注入されるので、該不活性ガスは前記陰極電極１４のエミッタ１６の表面に付着されない。また、運動エネルギーの原因で、前記不活性ガス分子が続いて前記エミッタを攻撃するので、製造工程において前記エミッタ１６に吸着された不純物を除去することができる。
一般に、単位領域の不活性ガスの攻撃頻度は次式のようになる。
ここで、ｎは気体分子の密度、
は運動エネルギーによる気体分子の平均速度、ｐはガスの気圧、Ｍは気体分子量、Ｔは絶縁温度、と設定される。また、ＮＡはアボガドロ定数であり、［数２３］を満足する。
Ｒ＝８．３１Ｊ／（ｍｏｌ．Ｋ）
本実施例において、前記電界放出素子１０の内部に１ａｔｍのＨｅガスが注入され、該電界放出素子１０が３００Ｋの温度で作動する場合、単位領域のＨｅガス分子の攻撃頻度が７．７×１０２７/ｍ２ｓとなる。前記エミッタの前記先端１６２が半径が１ｎｍの半球体と仮定される場合、該先端１６２への前記Ｈｅガス分子での攻撃頻度が４．８×１０１０／ｓになる。前記エミッタ１６の前記先端１６２に不純物（例えば、水分子で、面積が１０−１９ｍ２）が吸着された場合、該不純物の分子への電子での攻撃頻度は７．７×１０８/sとなるので、前記先端１６２を十分に清浄化することができる。従って、不純物の吸着の原因で前記エミッタ１６の電界放出特性が悪くなることを防止することができる。
本実施例において、前記陽極電極１８は、耐高温及び耐酸化性を有する金属、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、チタニウム（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、レニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などのいずれか一種からなる。この代わりに、前記陽極電極１８は半導体材料、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのいずれか一種からなってもよい。また、前記陽極電極１８が前記半導体に前記金属を塗布してなる材料からなることもできる。前記陰極電極１４も前記陽極電極１８と同様な材料からなる。
前記エミッタ１６は、小型構造体であり、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗなどの半導体材料からなる。さらに、前記エミッタ１６の前記先端１６２に低仕事関数の材料を堆積させることができる。前記低仕事関数の材料は、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）などの金属ホウ化物及び／又は酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、炭化タンタル（Ｄｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物からなる。この代わりに、前記エミッタは、希土類酸化物、炭化物、高融点の金属などのいずれか一種を含んでもよい。前記炭化物は、炭化トリウム、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタルなどのいずれか一種である。前記高融点の金属は、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｐｔなどのいずれか一種である。また、前記エミッタ１６の前記先端１６２にカーボンナノチューブ、半導体ナノワイヤを設置することが好ましい。前記陰極電極１４に前記カーボンナノチューブ又は前記半導体ナノワイヤを直接形成して前記エミッタ１６として利用することができる。
前記小型電界放出素子１０が作動する場合、前記陰極電極１４及び前記陽極電極１８の間に電界放出電圧を印加すると、前記エミッタ１６の前記先端１６２の表面バリヤが低く、狭くなる。前記先端１６２の表面バリヤが前記エミッタ１６からの電子の波長の幅同様になるまで、前記電子はトンネル効果で前記エミッタ１６の前記先端１６２の表面バリヤを透過して前記スペース１４４に入射して、電界放出動作を実現することができる。
（実施例２）
本実施例の小型電界放出素子２０は、実施例１の小型電界放出素子１０と比べて、次の異なる点がある。
本実施例の小型電界放出素子２０は、実施例１の小型電界放出素子１０と比べて、次の異なる点がある。
図２を参照すると、前記小型電界放出素子２０は、三極性の構造体であり、基板２２と、陰極電極２４と、エミッタ２６と、陽極電極２８と、ゲート電極２８２と、を含む。前記陰極電極２４は、前記基板２２に設置され、前記エミッタ２６は、前記陰極電極２４に電気接続されている。前記エミッタ２６は、前記陽極電極２８に対向して形成される先端２６２を有する。前記ゲート電極２８２は、前記陽極電極２８と前記陰極電極２４との間に設置されている。前記陽極電極２８と前記ゲート電極２８２との間、及び前記ゲート電極２８２と前記陰極電極２４との間には、それぞれ絶縁部２４２が設置され、前記小型電界放出素子２０の内部にはスペース２４４が形成されている。該スペース２４４には、不活性ガスが注入されている。該不活性ガスは、複数の不活性ガス分子２４６からなる。前記ゲート電極２８２が前記エミッタ２６の前記先端２６２に対向する位置には開口部が形成されている。前記エミッタ２６の前記先端２６２と前記陽極電極２８との距離をｈ２と表示する。ｈ２が前記エミッタ２６からの電子の平均自由行程より少なく設定される。
前記小型電界放出素子２０が作動する場合、前記ゲート電極２８２に電圧を印加して前記エミッタ２６から電子を放出させる。さらに、前記陽極電極２８に電圧を印加して、前記エミッタ２６からの電子を加速し、前記陽極電極２８まで到達するようにする。
（実施例３）
本実施例の小型電界放出素子３０は、実施例２の小型電界放出素子２０と比べて、次の異なる点がある。
本実施例の小型電界放出素子３０は、実施例２の小型電界放出素子２０と比べて、次の異なる点がある。
図３を参照すると、前記小型電界放出素子３０は三極性の構造体であり、基板３２と、陰極電極３４と、エミッタ３６と、陽極電極３８と、ゲート電極３８２と、を含む。前記陰極電極３４は、前記基板３２に設置され、前記エミッタ３６は前記陰極電極３４に電気接続されている。前記エミッタ３６は、前記陽極電極３８に対向して形成される先端３６２を有する。前記ゲート電極３８２は、前記陽極電極３８と前記陰極電極３４との間に設置されている。前記陽極電極３８と前記ゲート電極３８２との間、及び前記ゲート電極３８２と前記陰極電極３４との間には、それぞれ絶縁部３４２が設置され、前記小型電界放出素子３０の内部にスペース３４４が形成されている。該スペース３４４には、不活性ガスが注入されている。該不活性ガスは複数の不活性ガス分子３４６、３４８からなる。前記ゲート電極３８２が前記エミッタ３６の前記先端３６２に対向する位置には開口部が形成されている。前記エミッタ３６の前記先端３６２と前記陽極電極３８との距離をｈ３と表示する。ｈ３は、前記エミッタ３６からの電子の平均自由行程より少なく設定される。
前記小型電界放出素子３０の前記スペース３４４に二種の不活性ガスが注入されている。本実施例において、前記二種の不活性ガスは、それぞれＨｅガス及びＮｅガスである。Ｈｅガスにより、電子の平均自由行程を高めるので、前記エミッタ３６の前記先端３６２と前記陽極電極３８との距離ｈ３が長く設置され、ｈ３の設置が簡単になる。Ｎｅガスの原子量が大きいので、前記エミッタ３６の表面に吸着する不純物を清浄化することができる。
なお、実施例１の小型電界放出素子１０のスペース１４４にも異なる不活性ガスを注入することができる。従って、原子量が大きい不活性ガスにより、エミッタ１６の表面に吸着する不純物を有効に清浄化され、原子量が少ない不活性ガスにより、前記エミッタ１６からの電子の平均自由行程を高め、前記エミッタ１６の先端１６２と陽極電極１８との距離ｈ１を長く設置することができ、ｈ１の設置が簡単になる。
本発明に係る小型電界放出素子は、電子ビームリソグラフィーと乾式／ウェットエッチング方法又は真空めっき法を組み合わせる方法により製造されることができる。前記小型電界放出素子の封止工程は、該小型電界放出素子の内部を真空にして、該小型電界放出素子のスペースに不活性ガスを注入する段階を含むことができる。この代わりに、前記小型電界放出素子の封止工程は、流れる不活性ガスの雰囲気において行うことができる。従って、前記小型電界放出素子の内部を真空にする段階を省略し、小型電界放出素子の製造効率を高め、コストを低減することができる。さらに、双極性の小型電界放出素子１０及び三極性の小型電界放出素子２０、３０は一つの基板に集積され、集積回路が形成できるので、複雑な信号を処理することができる。
１０ 電界放出素子
２０ 電界放出素子
３０ 電界放出素子
１２ 基板
２２ 基板
３２ 基板
１４ 陰極電極
２４ 陰極電極
３４ 陰極電極
１４２ 絶縁部
２４２ 絶縁部
３４２ 絶縁部
１４４ スペース
２４４ スペース
３４４ スペース
１４６ 不活性ガス分子
２４６ 不活性ガス分子
３４６ 不活性ガス分子
３４８ 不活性ガス分子
１６ エミッタ
２６ エミッタ
３６ エミッタ
１６２ 先端
２６２ 先端
３６２ 先端
１８ 陽極電極
２８ 陽極電極
３８ 陽極電極
２８２ ゲート電極
３８２ ゲート電極
２０ 電界放出素子
３０ 電界放出素子
１２ 基板
２２ 基板
３２ 基板
１４ 陰極電極
２４ 陰極電極
３４ 陰極電極
１４２ 絶縁部
２４２ 絶縁部
３４２ 絶縁部
１４４ スペース
２４４ スペース
３４４ スペース
１４６ 不活性ガス分子
２４６ 不活性ガス分子
３４６ 不活性ガス分子
３４８ 不活性ガス分子
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２６ エミッタ
３６ エミッタ
１６２ 先端
２６２ 先端
３６２ 先端
１８ 陽極電極
２８ 陽極電極
３８ 陽極電極
２８２ ゲート電極
３８２ ゲート電極
Claims (4)
- 基板と、該基板に設置される陰極電極と、該陰極電極に電気接続されるエミッタと、陽極電極と、前記陰極電極と前記陽極電極との間に配置されたゲート電極と、を含む電界放出素子において、
前記陰極電極と前記陽極電極との間にはＨｅガス及びＮｅガスが注入され、
前記エミッタは前記陽極電極に対向して形成される先端を有し、
前記ゲート電極の前記エミッタに対向する位置には開口部が形成され、
前記エミッタの前記先端と前記陽極電極との距離をｈと表示し、前記不活性ガスの雰囲気で運動する電子の平均自由行程を
- 前記エミッタは、シリコン、タングステン、モリブデンのいずれか一種からなることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
- 前記先端にカーボンナノチューブまたは半導体ナノワイヤが設置されることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
- 前記エミッタの前記先端と前記陽極電極との距離をｈと表示し、前記不活性ガスの雰囲気で運動する電子の平均自由行程を
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