JPH01235124A

JPH01235124A - 電界放射型電極

Info

Publication number: JPH01235124A
Application number: JP63061555A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kondo; 近藤　行広
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1988-03-15
Publication date: 1989-09-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした
電界放射型電極に関するものである。

【従来の技術１一般に、電子機器、分析機器、光源、表示素子等におい
て電子線源を必要とする機器が知られている。これらの
機器では、固体表面から空間への電子放射、あるいは、
固体から固体への注入的な電子放射を利用している。

ところで、このような電子線源としては大きく分けて２
種類が知られている。すなわち、熱電子放出を利用する
ものと、電界放射を利用するものとがある。熱電子放出
は、タングステン等の高融点金属を高温に加熱して金属
中の自由電子に熱エネルギーを与えることにより、金属
表面から電子が放出される現象であって、この現象を利
用した陰極は熱陰極と呼ばれている。熱陰極は、比較的
容易に電子が放出されることから一般に広く使用されて
いるが、以下のような欠点がある。

すなわち、タングステンを用いた熱陰極では、第３図に
示すように、温度の上昇に伴なって放出電流密度が指数
関数的に上昇するのであって、所要の放出電流密度を得
るには、ヒータを用いるか、あるいは陰極自身のジュー
ル熱を利用して必要な温度に加熱しなければならない、
したがって、所望の温度に設定するための抵抗値の調節
が必要となり、また、ジュール熱を利用しているからエ
ネルギーロスも大きいという問題が生じる。さらに、高
温に加熱するから陰極物質の蒸発や劣化等も問題になる
。分析用や光源用の電子線源としては、エネルギー分布
の集中度の高いもの、すなわち、各電子がほぼ等しいエ
ネルギーを持つような電子Ｍｉｌ！が要求され、また、
これらの分野では、効率および電流密度の高さが要求さ
れている。しかしながら、熱電子放出では、エネルギー
分布が２ｅＶ程度の幅を有し、また電流密度も高々２０
Ａ／ｃ屑２程度となっており、しかも上述したように効
率も低いものである。

一方、電界放射は、金属の表面に強い電界（通常は１０
＠Ｖ／ｚ以上）を印加して電位障壁を薄くすることによ
って、量子力学的トンネル効果により、金属内の電子が
障壁を通り抜けて金属外に放射されるというシシットキ
ー効果を利用するものである。しかるに、常温で電子の
放射が生じるものであるから、熱的なロスがほとんどな
く、しかも放射される電子のエネルギーは印加される電
界強度に依存しているからエネルギー分布の集中度が高
いという利点を有している。すなわち、熱電子放出によ
る欠点を解消できるのである。

［発明が解決しようとする課題１電界放射では上述したような利点がある反面、高電圧が
必要であり高価になるから、比較的高度な一部の機器で
しか利用されていないのが現状である。

本発明は上述の問題点を解決することを目的とするもの
であり、電子の放射を従来よりも低電圧で行なえるよう
にした電界放射型電極を提供しようとするものである。

［ｇ題を解決するための手段］本発明は、上記目的を達成するために、放射孔に臨むエ
ミッタチップの表面にエミッタチップの主体を形成する
材料よりも仕事関数の小さい物質よりなる表面層を形成
しているものである。

［作用１上記構成によれば、エミッタチップの表面の仕事関数を
小さくすることができるから、電子の放射に要する仕事
が小さくなるのであり、その結果、電界放射に要する電
界強度を低減させることができるのである。

さらに具体的に言えば、電界放射のエミッション電流Ｊ
は、下に示すＦｏｗｌｅｒ　−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式で
表わされる。

ここに、Ａ、Ｂは定数、ｔ（ｙ）＊ｖ（ｙ）はＮｏｒｄ
ｈｅｉｍの関数、Ｆは電界強度であって、Ｆ＝β■　　β＝ｆ（ｒ、Ｒ−θ）　［ｃｉ＋−’］ま
た、ｙ＝３．７９ｘｌ　Ｏ−’Ｆ””／φ であり、ここに、φは仕事関数、ｒは円錐状に形成され
たエミッタチップの先端径、Ｒはデート・エミッタチッ
プ間の距離、θはエミッタチップの先端部の開き角度で
ある。仕事関数φは、材料により決まっており、たとえ
ば、タングステンＷ、モリブデンＭｏ、タンタルＴａで
は以下のようになっている。

Ｗ　　：　　４，５ｅＶＭｏ　　：　　４．２７ｅＶＴａ　　：　　４，１２ｅＶしかるに、上式に照らしてみれば、これらの物質でエミ
ッタチップを形成した場合に、エミッタチップとデート
との間に１０’Ｖ／ｃｍ程度の電界強度をかけると、エ
ミッタチップの先端から電子が放出されるのであり、エ
ミッタチップとデートとの間の距離を１μ麓程度にすれ
ば、エミッタチップとデートとの間に１０３Ｖ程度の電
圧を印加すれば電子の放射が生じることになる。また、
エミッタチップの先端部を鋭くして、エミッタチップの
開き角度を小さくすれば、エミッタチップの先端部に電
荷が集中するのであって、エミッタチップの先端部の曲
率を５００人程度にすれば、電子の放出に必要な電界強
度は１桁下げることができる。

すなわち、エミッタチップとデートとの間に印加すべき
電圧を１０２ｖ程度にすることが可能となるのである。

以上のことから、エミッタチップから電子を放出させる
のに必要な電界強度は、エミッタチップの表面材料の仕
事関数に依存していることがわかるのであり、本発明で
は、エミッタチップの表面に仕事関数の小さい材料で形
成した表面層を形成することにより、電子の放射を容易
にしているのである。

［実施例］本発明の電界放射型電極は、第１図に示す構造を有して
いる。すなわち、十分にドープされたシリコンよりなる
導電性の基板１２に、二酸化シリコンよりなる絶縁層１
３を介してモリブデンよりなる導電性のデート層１４を
積層した積層体を有し、絶縁層１３およびデート層１４
を通して形成されて基板１２の表面を露出させる放射孔
１５内に主体がモリブデンよりなるエミッタチップ１６
を配設し、かつエミッタチップ１６の表面に主体よりも
仕事関数の小さい材料よりなる表面層１７を形成したも
のである０表面層１７を形成する材料としては、たとえ
ば、ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ等の炭化物、Ｌ　ａ　Ｂ　
ｓ等のほう化物、ＢａＯ，ＳｒＯ等の酸化物がある。基
板１２は１■程度の厚み、絶縁Ｍ１３は１μ屑程度の厚
み、放射孔１５は１μｌ程度の直径に設定されている。

この電界放射型電極を形成するには、第２図（ａ）に示
すよろに、基板１２を形成するシリコンウェハの表面に
酸化皮膜を形成することにより絶縁層１３を形成した後
、絶縁層１３の表面にモリブデンを電子ビーム蒸着する
ことにより、０．５μｌ程度の厚みのデート層１４を形
成し、さらに、エツチングにより放射孔１５を形成する
。次に、第２図（ｂ）に示すように、分離層１８を蒸着
により形成してから、第２図（ｅ）に示すように、電子
ビーム蒸着により、モリブデンを基板１２上に堆積させ
てエミッタチップ１６を形成する。このプロセスでエミ
ッタチップ１６が円錐形に形成されるのであり、その先
端は尖鋭に形成される。また、このプロセスの最後には
放射孔１５が閉塞されることになるが、その直前に主体
とは異なる材料を二ミッタチ２ブ１６の表面に蒸着する
ことによって、エミッタチップ１６の表面に表面層を形
成する。

最後に、第２図（ｄ）に示すように、分離層１８を剥離
すれば、電界放射型電極が形成されるのである。この電
界放射型電極の形成方法の基本部分は、文献（Ｃ，＾、
５ｐｉｎｄｔｓ　ｅｔ　ａｔ、ｓ”Ｐｈｙｓｉｃａｌ　
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ　　　ｔｈｉｎ−ｆｉｌｓ　
　　ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎ　　　ｃａｔｈｏｄｅ
ｓ　　ｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　　ｃｏｎｅｓ″
ｔＪ＋＋＾ｐｐ１．　Ｐｈｙｓ、＋　　Ｖｏｌ　　４７
＋　　Ｎｏ。

１２、　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９７６、ｐ、５２４８−
５２６３）に詳しく記載されている。エミッタチップ１
６は、上記実施例では円錐形に形成しているが、ひげ状
、針状等、先端が尖鋭であれば他の形状も適用しうるち
のである。

ところで、上記構成において、エミッタチップ１６の仕
事関数を小さくするだけであれば、エミッタチップ１６
の全体を仕事関数の小さい材料で形成することが考えら
れるのであるが、実際には、基板１２の材料との整合性
により、基板１２の上に堆積させることができる材料は
限定される。すなわち、格子定数、熱膨張係数、膜形成
時の内部応力の方向等により材料が限定されるのであり
、基板１２としてシリコンを選択すると、エミッタチッ
プ１６は、モリブデン、タングステン、ニオブ等でなけ
れば形成することができないことになる。したがって、
表面層１７を形成す己材料を、これらの材料で形成され
た主体の表面に堆積させることで、基板１２との整合性
とは無関係にエミッタチップ１６の仕事関数を低減させ
ようとしているのである。

以りのようにして形成された電界放射型電極は、エミッ
タチップ１６の表面の仕事関数が小さいから電子の放出
が容易になるのであり、たとえば、仕事関数が、従来の
エミッタチップ１６では４ｅ■程度、本発明では２ｅＶ
程度となるから、エミッシラン電流が１０’Ａ／ｃｍ２
であるとすると、電子の放射に必要な電界強度は、それ
ぞれ４，５Ｘ１０’Ｖ／ｃａ、１．７Ｘ１０’Ｖ／ｃｌ
Ｆとなり、他の条件が同じであるとすれば、印加電圧は
１．７／４．５に低減されるのであり、従来１００■の
印加電圧が必要であったところが、３８　Ｖ　ｌ：まで
低減させることができるのである。

Ｅ発明の効果］本発明は上述のように、放射孔に臨むエミッタチップの
表面にエミッタチップの主体を形成する材料よりも仕事
関数の小さい物質よりなる表面層を形成しているから、
エミッタチップの表面の仕事関数を小さくすることがで
き、その結果、電子の放射に要する仕事が小さくなり、
電界放射に要する電界強度を低減させることができると
いう利点を有するのである。すなわち、低電圧の電源を
用いて電子線を放出することができるから、比較的安価
に形成することができ、電子線源が必要な一般機器に応
用しやすくなるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は同上
の製造過程を示す工程図、第３図は熱電子放出の特性例
を示す特性図である。１２・・・基板、１３・・・絶縁層、１４・・・デート
層、１５・・・放射孔、１６・・・エミッタチップ、１
７・・・表面層。＊＋　　図　　１２・・・基板１３・・・絶縁層１４・・・デート層１５・・・放射孔１６・・・エミッタチップ１７・・・表面層塩２図（ｂ）一：、゛ｊ！ｔｌ　！ｊＪ！（ｄ）１１３１！＆温Ｌ（’Ｋ）手続補正書く自発）１．事件の表示昭和６３年特許願第６１５５５号２、発明の名称電界放射型電極３、補正をする者事件との関係　　特許出願人住　所　大阪府門真市大字門真１０４８番地名称（５８
３）松下電工株式会社代表者　　三　　好　　俊　　夫４、代理人郵便番号　５３０住　所　大阪市北区検出１丁目１２番１７号（検出ビル
５階）氏　名　（６１７６）弁理土石　１）長　七雪０６（３
４５）７７７７（代表）５、補正命令の日付自　　発６、補正により増加する請求項の数　なし［１］本願明
細書第９頁第２行の「形成する。」の次に、以下の文を
挿入する。「ここに、表面層の蒸着は、物理的蒸着法と化学的蒸着
法とのいずれの方法も採用しうるちのである。」代理人　弁理士　石　１）長　七

Claims

【特許請求の範囲】

（１）先端部が尖鋭なエミッタチップと、エミッタチッ
プの先端部を露出させる放射孔を有するとともにエミッ
タチップに対して絶縁された形で配置されたゲート層と
が真空中に配設された電極部を有し、エミッタチップを
デート層に対して負極としてショットキー効果が生じる
程度の高電圧を印加することにより、エミッタチップか
ら放射孔を通して電子線を放射する電界放射型電極にお
いて、放射孔に臨むエミッタチップの表面にエミッタチ
ップの主体を形成する材料よりも仕事関数の小さい物質
よりなる表面層を形成して成ることを特徴とする電界放
射型電極。