JP5354598B2 - 電子源 - Google Patents
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Description
また、n型ダイヤモンド半導体表面に関する電界電子放出特性において、NEAとなる水素終端表面よりも、通常の正の電子親和力となる酸素化表面の方が、電子放出が開始する引き出し電圧が高いことが報告され、n型半導体表面は負の電子親和力を利用する表面としては適していないと考えられてきた。(非特許文献5、6参照)
(1)水素終端によって負の電子親和力表面を有した5×1019cm-3未満の濃度のリンドープダイヤモンドで構成されバンド伝導を有しているn型ダイヤモンド半導体層と
該n型ダイヤモンド半導体層に少なくとも正極がショットキー電極で構成された電極対とを含み、電極対にバイアスを印加して電流を流すことにより、外部に電子放出することを特徴とする電子源。
(2)上記n型ダイヤモンド半導体層が、n型ダイヤモンド半導体自立膜であることを特徴とする(1)に記載の電子源。
(3)上記n型ダイヤモンド半導体層が、ホッピング伝導を示す5×1019cm-3以上の濃度のリンドープダイヤモンド低抵抗層の一部に接して、あるいは低抵抗層を介して、負極に接して構成されていることを特徴とする(1)又は(2)に記載の電子源。
(4)上記n型ダイヤモンド半導体層が、マイクロ波プラズマCVD法により形成されたダイヤモンドであることを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の電子源。
(5)上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{001}表面から形成されていることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の電子源。
(6)上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{111}表面から形成されていることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の電子源。
(7)上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{110}表面から形成されていることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の電子源。
(8)上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド多結晶表面から形成されていることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の電子源。
また、本発明では、材料に水素終端ダイヤモンドを用いた場合、自由励起子が生成されないため、紫外線発光が望ましくない場合に応用できる固体電子源となる。負の電子親和力を応用するため、原理的に1eV未満の低エネルギー電子源としての幅広い応用にすべて適用可能であり、さらに原理的に、真空以外の雰囲気下でも電子放出が可能と考えられ、従来の電子源では不可能であった応用も可能となる。
すなわち照明、殺菌・浄水、分析等の各種情報センシング、医療分野、のみならず、巨大な電力系統スイッチ・バスの超小型化などのパワーエレクトロニクスへの応用、電子放出を真空以外の溶液・ガス雰囲気中にも可能なため微小領域(マイクロチャネル)化学反応制御、等への応用が実現可能となる。そして従来にない連続NEA電子源を実現できる。
本発明は、負の電子親和力を持つn型ダイヤモンド半導体が本質的に持つ表面での上向きのバンド湾曲により電子放出が阻害されるのを、二対の電極を用いて電圧をかけることによって、正極側でバンド湾曲が解除されて負の電子親和力の効果が活性する原理を実証し、室温において、加熱や高電界が不要な従来にない新しい電子源であり、従来の電子源のみならず、真空以外の雰囲気でも利用可能となる紫外線発光を伴わない電子源である。
以下本発明の原理について、詳細に説明する。
結果として、十分時間がたった熱平衡下では、矢印右側に示すように、表面非占有状態に結晶内部の電子が捕獲されるため、欠陥が介在しなくても、本質的に上向きのバンド湾曲が生じて、NEA表面であるにもかかわらず、結晶内部からの電子放出が阻害されることになる。
そうであれば、図7に示すように、負極から電子が注入されることによって、正極近傍表面では電子がn型ダイヤモンド半導体層から外に放出される動きが駆動される。ここで、正極に移るか、NEAを通じて真空に移るかは、収集電極や素子のバイアスと空間的形状で決まる電界分布による。また、この素子は多数キャリヤで駆動されるため、少数キャリヤで駆動するpn接合を利用したNEA電子源と異なり、電子の拡散長は問題ではない。性能を決定するのは、負極での電子の注入効率と、電子放出が起こるn型半導体表面の結晶性や負の電子親和力の安定性である。したがって、多結晶でも不純物や欠陥の少ない高品質な場合であれば、原理的には動作する。
高温高圧合成Ib型(001)ダイヤモンド基板4上に、マイクロ波プラズマCVD法により、n型ダイヤモンド半導体ホモエピタキシャル薄膜を形成する。メタン濃度0.4%、フォスフィンのメタンに対する濃度5%、基板温度900℃で、マイクロ波電力は750W、ガス流量は400sccm、ガス圧力は25Torr、合成時間は6時間で合成した。
その後、フォトリソグラフィーにより電極パターンをレジストに転写し、真空蒸着法によって、Ti/Pt/Auの順で電極を蒸着した。蒸着後、リフトオフ過程で電極パターンを形成した。
その後、Ar雰囲気中で420℃、30分で電極2、3のエージングを行い、密着性を向上させた。最後に、全体を水素ラジカル処理によって水素化した。
測定は全て負バイアスから正バイアスの方向で行った。素子に流れる対称性のある電流カーブが得られているが、オーミック特性ではなく、ダブルショットキー特性である。温度を上げることによって、室温では完全に活性化していないリンドナーが活性化していき、キャリヤが生まれ抵抗が下がり、電流レベルが上昇している。
一方、電子放出電流(Ie)は、(Id)と同様の振る舞いを示し、正・負ともに高いバイアスで電流レベルが高くなることによって、効率10-3〜10-4で観測されている。負にバイアスした場合の方が正にバイアスした場合よりもIeが落ち着いているように見えるが、これはバイアスVdをかけてから、電子放出強度が時間とともに一桁程度減少して定常状態に落ち着く振る舞いがあるためであり、測定が負バイアス側から開始しているため、非対称なVd-Ieカーブが観測された。
負にバイアスした場合、電子の注入が生じる負極側からの電子放出が支配的であるのか、あるいは電子が抜けていく正極側の方が支配的であるのかを考えてみる。右上図では、接地電極側が負極、正にバイアスした電極側が正極である。電子の注入が生じる負極側からの電子放出が支配的である場合、収集電極に到達できるポテンシャルエネルギーを持てるVe>=0Vから観測されると考えられる。
電子が抜けていく正極側の方が支配的である場合、同様に、収集電極に到達できるポテンシャルエネルギーを持てるVe>=+100Vから観測されると考えられる。右下図では、接地電極側が正極、負にバイアスした電極側が負極である。
電子の注入が生じる負極側からの電子放出が支配的である場合、収集電極に到達できるポテンシャルエネルギーを持てるVe>=-100Vから観測されると考えられる。一方、電子が抜けていく正極側の方が支配的である場合、同様に、収集電極に到達できるポテンシャルエネルギーを持てるVe>=0Vから観測されると考えられる。
次に実施例1に対する比較例を示す。
高温高圧合成Ib型(001)ダイヤモンド基板4上に負の電子親和力表面を有したn型ダイヤモンド半導体層1を形成し、そのn型ダイヤモンド半導体層1に、二対以上の電極2、3が接して構成されているが、n型ダイヤモンド半導体層1にホッピング伝導が支配的な5×1019cm-3以上の高濃度リンドープ層を用いる電子源である。
図12にこのn型ダイヤモンド半導体層の抵抗率の温度依存性を示す。リンドナーの活性化エネルギー570meVによるバンド伝導を示すのが直線であるが、図12の温度範囲においてそこから大きく逸脱し、点線のような低い活性化エネルギーを示していることがわかる。5×1019cm-3未満のリンドープn形ダイヤモンドでは、実験結果は実線に従う。
図13に、比較例で得られた電子源の電流(Id)と電子放出電流(Ie)の、室温での駆動電圧(Vd)依存性を示す。測定は全て負バイアスから正バイアスの方向で行った。素子に流れる対称性のある電流カーブは、オーミック特性ではなく、ダブルショットキーに対応している。実施例1と本結果の-100V付近で比較すると、電流レベルは10-7A程度から10-3A程度となっており4桁高い。室温であるが、電流レベルは極めて高いため、実施例1と同じ原理で同程度の効率(10-4)であれば10-8A程度以上の電子放出は容易に観測されるはずであるが、実施例1と比較して電子放出は得られなかった。(10-11Aは測定限界であった。)したがって、ホッピング伝導が生じるほど高濃度にドープされたn型半導体単体は本発明の電子源に適していないと言える。
この電子源の実現により、あらゆる電子ビーム応用への展開が可能であり、白色照明、殺菌・浄水、電子ビーム応用分析・電力スイッチング素子・高輝度電子銃・高輝度X線装置、マイクロ流路内局所化学反応用カソード等の各種情報センシング、医療、等の幅広い分野への応用が可能となる。
2 電極1
3 電極2
4 ダイヤモンド基板
5 低抵抗層
11 NEA表面を有するn型ダイヤモンド半導体自立膜
Claims (8)
- 水素終端によって負の電子親和力表面を有した5×1019cm-3未満の濃度のリンドープダイヤモンドで構成されバンド伝導を有しているn型ダイヤモンド半導体層と該n型ダイヤモンド半導体層の該表面にショットキー電極で構成された電極対とを含み、該電極対にバイアス電圧を所定の範囲において印加してダブルショットキー特性を示す電流を流すと、該負の電子親和力表面から外部に該電流特性と同様なダブルショットキー特性を示す量の電子を放出することを特徴とする電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、n型ダイヤモンド半導体自立膜であることを特徴とする請求項1に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、ホッピング伝導を示す5×1019cm-3以上の濃度のリンドープダイヤモンド低抵抗層の一部に接して、あるいは低抵抗層を介して、負極に接して構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、マイクロ波プラズマCVD法により形成されたダイヤモンドであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{001}表面から形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{111}表面から形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド単結晶{110}表面から形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電子源。
- 上記n型ダイヤモンド半導体層が、ダイヤモンド多結晶表面から形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電子源。
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