JPH02126531A - 電子放出素子 - Google Patents

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 この発明は、電子放出素子、例えば、電子顕微鏡、電子
ビーム露光装置、ＣＲＴ等、各種電子ビーム応用装置の
電子発生源として利用される電子放出素子に関する。

従来の技術 電子顕微鏡やＣＲＴ等の電子発生源として使われる電子
放出素子として、従来、熱電子を放出する熱陰極が用い
られている。しかし、熱陰極は陰極自体を加熱する加熱
手段を必要としたり、加熱に伴うエネルギー損失があっ
たりという問題がある。それで、加熱を必要としない電
子放出素子、いわゆる冷陰極の研究がなされ、いくつか
の素子が実際に提案されている。

具体的には、ＰＮ接合に逆バイアス電圧を印加し、電子
なだれ降伏現象を起こさせて素子外に電子を放出されせ
ようにしたもの、あるいは、電界集中の生じ易い形状の
金属に対し電圧を印加して局所的に電界強度を高め、金
属から素子外に電子を放出させる電界効果型のもの、さ
らには、金属−絶縁体層−金属層の３層構成で、両金属
間に電圧を印加することにより、トンネル効果で絶縁体
層を通過してきた電子を金属層表面から素子外に放出さ
せるもの（ＭＩＭ型と通称される）等の電子放出素子が
ある。これらのうちＭＩＭ型電子放出素子は構成が簡潔
であり、これからの素子として注目もされている。

従来のＭＩＭ型の電子放出素子として、つぎのようなも
のがある。

第４図は、従来のＭＩＭ型電子放出素子をあられす。

この電子放出素子は、金属体４１上に薄い絶縁体層４２
が積層され、同絶縁体層４２の上に薄い金属層４３が積
層された構成となっている。電源４４によって、金属層
４３の仕事関数φよりも大きな電圧を金属体４１・金属
層４３間に印加することによって、絶縁体層４２をトン
ネルした電子のうち真空準位より大きなエネルギーをも
つ電子が、放出電子４５として、金属層４３表面から飛
び出す。

さらに、従来、第５図や第６図にみるようなＭＩＭ型電
子放出素子も知られている。

第５図の電子放出素子は、ガラス基板５０上にＡｌの金
属層５１およびＡｕの金属層５４が積層されているとと
もに、両金属層５１．５４の間には、図にみるように、
Ａｌ２Ｏ３の絶縁体層５２およびＳｉＯの絶縁体層５３
が設けられた構成となっている。この電子放出素子では
、電源５５により金属層５１．５４間に図示のごとくに
電圧が加えられると、金属層５４における電子放出領域
５６より電子が飛び出す（テレビジョン学会電子装置研
究委員会資料［トンネルカソードを用いた陰極線管Ｊ　
１９６８年４月３０日）。

第６図の電子放出素子は、導電性材６０の上に絶縁体層
６１を積層し、同絶縁体層６１上に金属層６２を積層す
るとともに、電子放出領域６３における導電性材６０と
絶縁体層６１との界面に微小突起部６４を設けた構成と
なっている。この電子放出素子では、電源により導電性
材６０・金属層６２間に電圧が加えられると、微小突起
部６４前面に強い電界が形成され、電子は微小突起部６
４から絶縁体層６１をトンネルして金属層６２の電子放
出領域６３から素子外に飛び出す（特開昭６２−２７２
４２１号公報）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来のＭＩＭ型電子放出素子は、電
子放出効率が十分でないという問題がある。

絶縁体層が、従来、蒸着、陽極酸化等によシ、単に５０
〜２００Ａ程度の非常に薄くすることだけを目指して形
成されており、形成された超薄膜が不定形の膜であった
からである。絶縁体層が不定形の膜であると、絶縁体層
をトンネル現象によって透過する電子は、その多くが層
内を抜ける途中で散乱されエネルギーを失うため、結局
、真空中（素子外）に飛び出す電子の数が著しく少なく
なるのである。

電子放出素子の表面の金属層でも、電子が透過する際、
散乱によるエネルギー損失が生じる。これを防ぐには、
金属層の厚みを薄くすればよいのであるが、厚みが薄く
なると、電源側から電子放出領域にかけて生ずる電圧降
ドが大きくなって、電子放出領域での実効的電界強度が
低下し、有効に電子を引き出すことができなくなる。こ
の場合、電源電圧を上げれば、電子放出領域での実効的
電界強度の低下が防げることにはなるが、今度は、金属
層を流れる電流によるジュール熱が増加し途中の金属層
が蒸発することになるため、電子放出の不均一や断線と
いった不都合が起こる。

上記のような事情に鑑み、請求項１記載の発明は、絶縁
体層内での電子の散乱を抑え十分な電子放出効率をもつ
電子放出素子を提供することを第１の課題とし、請求項
２記載の発明は、加えて、電子放出効率部分における金
属層の厚みが薄くても、電圧降下および金属層の蒸発を
伴うことのない電子放出素子を提供することを第２の課
題とする。

課題を解決するだめの手段 前記第１の課題を解決するため、請求項１記戦の電子放
出素子は、導電性材上に絶縁体層が積層され、同絶縁体
層の上に金属層が積、噴されていて、前記導電性材・金
属層間への電圧印加に伴い金属層面から電子が放出され
るようになっているとともに、前記絶縁体層は少なくと
も電子放出領域部分において配向している構成となって
いる。

前記第２の課題を解決するため、請求項２記載の電子放
出素子は、上に加えて、金属層を、電子放出領域におい
て、少なくとも一部が同旬領域外よりも厚みが薄くなる
ようにしている。

作　　　用 請求項１．２記載の電子放出素子のように、電子放出領
域部分において絶縁体層が配向していると、トンネル現
象で透過しようとする電子と絶縁体層中の原子、電子と
の相互作用が、不定形絶縁体層の場合に比べ、大巾に減
少する。その結果、電子の散乱、エネルギー損失が大き
く減少し、真空中（素子外）に放出される電子の数が増
え、電子放出効率が大巾に向上することとなる。

請求項２記載の電子放出素子のように、金属１＠が、電
子放出領域において、少なくとも一部が同領域外よりも
厚みが薄くなっていると、厚みの薄いところでは、電子
の散乱、エネルギー損失が減少するため、十分な数の放
出電子が確保され、高い電子放出効率となる。しかも、
金属層は厚みの薄い部分以外で厚みがあることにより、
金属層自体の抵抗が十分に小さい値に留捷っており、電
源によって印加された電圧が途中で降下したりしない。

そのため、金属層の厚みが薄くても、電源電圧を高く上
げることなく、ジュール熱による金属層の蒸発断線も阻
止しつつ、電子放出領域に十分な強度の実効的電界を形
成することができる。

実施例 以下、この発明にかかる電子放出素子を、その一実施例
をあられす図面を参照しながら詳しく説明する。

第１図は、請求項１記載の電子放出素子の一実施例をあ
られす。第１図において、ｌＯは導電性材、１１は絶縁
体層、１２は配向性絶縁体層、１３は金属層、１４は電
子放出領域をそれぞれ示す。

この電子放出素子は、導電性材１０上に電子放出領域１
４を除いた部分に厚目の絶縁体層１１が形成され、さら
に電子放出領域１４部分を覆うようにして配向性絶縁体
層１２が非常【て薄い（例えば５０〜２００Ａ程度）厚
みでもって形成されており、かつ、絶縁体層１２上には
金属層１３が形成されだ構成となっている。

この電子放出素子では、金属層■３が”十″側で導電性
材１０が“−”側となるように電圧が印加される。そう
すると、電子放出領域１４の下側の配向性絶縁体層１２
に強電界が形成され、導電性材１０より電子が引き出さ
れ、引き出された電子はトンネル効果によって配向性絶
縁体層１２を抜は金属層１３に達する。金属層１３に達
した電子のうち、金属層１３の仕事関数以上のエネルギ
ーを持った電子は金属層１３より飛び出していく。

電子放出領域１４部分にある上記絶縁体層１２ば、配向
し結晶性がよく、透過途中で原子や電子による散乱が起
き難い。そのため、金属層１３へ到達する電子の数が増
え、しかも、達した電子のうちに十分なエネルギーをも
つ電子の数が増える。

したがって、金属層１３表面から素子外に飛び出す電子
の数が著しく増加し、電子放出効率が高くなる。

第１図に示す電子放出素子の製造例を具体的に説明する
。

導電性材１０として、比抵抗０．０２ΩαのＳｉを用い
、同導電性材１０上に、直径Ｚｏｏ／ｊｍの電子放出領
域１４に対応した部分を除いて膜厚１０００Ａの５ｉ０
２膜を、絶縁体層１１として形成した。さらにＭＢＥ法
によってＡ１２０３　をエピタキ７ヤル成長させて、電
子放出領域１４部分を覆う＜１１１　＞配向しだ膜厚５
０〜２００Ａの配向性絶縁体層１２を形成し、ついで、
この絶縁体＠１２の上に、金属層１３としてＡｕを１０
０〜２００Ａ蒸着し、電子放出素子を作成した。

このようにして得た電子放出素子の電子放出電流を測定
したところ、直流動作で０．１ｍＡ、パルス動作で１０
ｍＡの放出電流が確認できた。また、この時の電流透過
率はαｍ′Ｓ＝０．０９であった。

続いて請求項１記載の発明の他の実施例を説明する。

第２図は、請求項１記載の電子放出素子の他の実施例を
あられす。第２図において、２０は導電性材、２１は配
向性絶縁体層、２２は絶縁体層、２３は金属層、２４は
電子放出領域をそれぞれ示す。

この電子放出素子は、導電性材２０の上にまず配向性絶
縁体層２１を形成し、その後、電子放出領域２４を除い
た部分に絶縁体層２２を形成し、ついで、電子放出領域
２４部分に金属層２３を形成した構成となっている。

電子放出領域２４下の絶縁体層は配向したものとなって
いるため、先の実施例と同様、やはり、絶縁体層２１を
透過する際の電子の散乱を減少させることができ、電子
放出効率が良くなる。

絶縁体層２１．２２の作成順序を一部変更する以外は、
前記実施例と略同様にして、第２図に示す実施例の電子
放出素子を作成し、その特性を調べたところ、前記実施
例と略同様の結果が得られた。

続いて、請求項２記載の発明の実施例について説明する
。

第３図（ａｌ、　（ｂｌは、請求項２記載の電子放出素
子の一実施例をあられす。第３図（ａｔ、　（ｂｌにお
いて、３０は導電性材、３１は絶縁体層、３２は配向性
絶縁体層、３３は第１金属層、３４は第２金属層、３５
は電源をそれぞれあられす。

この電子放出素子は、第３図（ｂｌにみるように、導電
性材３０の上に電子放出領域３６を除いた部分に厚い絶
縁体層３１が形成され、さらに電子放出領域３６部分を
覆うようにして配向性絶縁体層３２が非常に薄い（例え
ば５０〜２００Ａ程度）厚みでもって形成されており、
この絶縁体層３２上に第１．２金属層３３．３４が形成
された構成となっている。第１金属層３３は非常に薄い
膜厚で形成され、第２金属層３４は、第１金属層３３よ
りも厚く格子状に形成されている。第２金属層３４は全
体がひとつにつながった状態となっている。

なお、第１．２金属層３３．３４が電気的につながって
いることはいうまでもない。

この電子放出素子では、導電性材３０、金属層３３．３
４間に電源３５から電圧を印加するようにする。そうす
ると、電源３５の電圧は厚い第２金属層３４を通して、
殆ど降下することなく第１金属層３３に印加される。薄
い第１金属層３３に十分に電源電圧がかかる（略ｉｏｏ
％ちかい値の電圧がかかる）だめ、電子放出領域３６に
強電界が形成され、第１金属層３３表向から多くの電子
が飛び出し、しかも、電源３５の電圧をあげる必要がな
いため、薄い第１金属層３３にダメージが加わることも
ない。

この実施例の電子放出素子の具体的製造例について説明
する。

パイレックスからなる絶縁性基材（図示せず）の上に導
電性材３０として、配向性Ａｌ膜をＭＢＥ法により形成
し、その上に、絶縁体層３１として膜厚１０００Ａの不
定形ｈｉ２ｏ５を積層し、その後、再び、ＭＢＥ法によ
シ配向性絶縁体層３２として配向させたＡｌ２Ｏ３膜を
５０〜２００Ａ形成した。ついで、第２金属層３４とし
て、フォトグラフィー技術を利用して膜厚１０００Ａの
Ａｕ膜を形成した後、第１金属層３３として、膜厚１０
０〜２００ＡのＡｕ膜をＭＢＥ法により形成した。この
ようにして得た電子放出素子の電子透過率を測定したと
ころ、αｍ手０．０７であった。

この発明は上記実施例に限らない。電子放出素子は、第
１〜３図に示す以外の構成であってもよい。導電性材、
絶縁体層、金属層がそれぞれ前記例示以外の材料で形成
されていてもよい。

絶縁体層の厚みも、上記例示の膜厚に限らず、絶縁破壊
を生じない範囲でなるべく薄くするようにするのが好ま
しい。

導電性材は、膜状のものでも、バルク状のものでもよい
。

発明の効果 請求項１．２記載の電子放出素子では、絶縁体層が、電
子放出領域部分において配向している。

そのため、トンネル現家で透過しようとする電子と絶縁
体層中の原子、電子との相互作用が従来の不定形絶縁体
層の場合に比べ少なく、絶縁体層内における散乱、エネ
ルギー損失が著しく減少する結果、電子放出効率が大巾
に向上することとなる。

請求項２記載の電子放出素子では、加えて、金属層が、
電子放出領域において、少なくとも一部が同領域外より
も厚みが薄くなっており、そのため、厚みの薄いところ
で十分な数の電子を放出させられ、しかも、厚みがある
ところで金属層自体の抵抗を十分に小さい値に確保する
ようにし、電源電圧の降下を抑え、電源電圧を高くあげ
ることなく、電子放出領域に十分な強度の実効的電界を
形成でき、しかも、ジュール熱による金属層の蒸発断線
も阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項１記載の電子放出素子の一実施例をあ
られす概略断面図、第２図は、請求項１記載の電子放出
素子の他の実施例をあられす概略断面図、第３図は、請
求項２記載の電子放出素子の一実施例をあられす図であ
って、図（ａｔは平面図、図（ｂｌは概略断面図、第４
〜６図は、それぞれ、従来の電子放出素子をあられす概
略断面図である。 １０．２０．３０・・・導電性材、１１，２２゜３１・
・・絶縁体層、１２，２１．３２・・配向性絶縁体層、
１３．２３，３３．３４・・・金属層、１４゜２４゜ ３６・・・電極放出領域。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性材上に絶縁体層が積層され、同絶縁体層の
   上に金属層が積層されていて、前記導電性材・金属層間
   への電圧印加に伴い金属層面から電子が放出されるよう
   になっているとともに、前記絶縁体層は少なくとも電子
   放出領域部分において配向している電子放出素子。
2. （２）金属層は、電子放出領域において、少なくとも一
   部が同領域外よりも厚みが薄くなっている請求項１記載
   の電子放出素子。