JPH0729483A

JPH0729483A - 電子エミッタ素子

Info

Publication number: JPH0729483A
Application number: JP17697393A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobashi; 宏司小橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】エミッタ部の耐熱性及び耐電圧が高く、使用
に伴う電子放出特性の劣化が少なくて、寿命が長く、大
電力で使用することが可能な電子エミッタ素子を提供す
ることを目的とする。【構成】電子エミッタ素子は基板１と、この基板１上
に形成され針状のエミッタ部２ａが設けられたダイヤモ
ンド層２と、基板１の下面に形成された電極４とにより
構成されている。この電子エミッタ素子は、例えば蛍光
薄膜６を備えた発光板に対向して配置され、発光素子と
して使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロエレクトロニク
ス技術を利用した整流素子、増幅素子、発光素子及びデ
ィスプレイ等に適用可能な電子エミッタ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体トランジスタ等の製造に使
用されている微細加工技術を利用して、ミクロンサイズ
の微小な真空素子を作製する技術が研究開発されている
（（１）伊藤順司、応用物理、第５９巻、第２号、１９
９０年、（２）横尾邦義、電気学会誌、第１１２巻、第
４号、１９９２年）。

【０００３】図１２は、シリコンを使用した電子エミッ
タ素子により構成された発光素子の一例を示す模式的断
面図である。電子エミッタ素子は、導電性シリコン基板
５１とこのシリコン基板５１上に形成されたシリコン層
５２とにより構成されており、シリコン層５２の表面に
は微細加工技術を使用して円錐状に成形加工されたシリ
コン電子エミッタ部５２ａが設けられている。また、こ
の電子エミッタ部５２ａに対向して対向電極５６が配置
されている。この対向電極５６は透明なガラス基板５５
に、透明電極５４及び蛍光薄膜５３を順次コーティング
して形成されたものであり、蛍光薄膜５３側が電子エミ
ッタ部５２ａ側に配置されている。

【０００４】このように構成された発光素子を高真空中
におき、基板５１と対向電極５６との間に所定の電圧を
印加すると、エミッタ部５２ａの先端から真空中に電子
が放出される。この放出された電子は、図中矢印で示す
ような軌道を通って蛍光薄膜５３に到達する。電子流が
蛍光薄膜５３に衝突することにより、蛍光薄膜５３が発
光する。この場合に、蛍光薄膜５３の材料を変えること
により、赤・黄・青の３原色又はその中間色を自由に発
光させることができる。また、単一の発光素子又はこれ
らの発光素子を直線状又は平面状に配列した光ディスプ
レイを構成することもできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、従来の電子エミッタ素子においては、エミッ
タ部の構成材料がシリコンからなるため、素子動作中に
発生する熱により、エミッタ部先端の曲率が大きくなっ
て、電子放出特性が急速に劣化するという問題点があ
る。動作電流が大きい場合は、発熱量がより一層大きく
なって電子放出特性の劣化がより一層加速される。ま
た、真空中には極めて微量であるものの酸素等のガスが
存在しているため、前記酸素がエミッタ部５２ａの表面
のシリコンと反応してエミッタ部５２ａの表面に電気絶
縁性のＳｉＯ₂膜が形成される。このＳｉＯ₂膜によって
も、電子放出特性が劣化する。このように、従来の電子
エミッタ素子は、寿命が短く、大電力動作に耐えられな
いため、実用化が極めて困難であるという問題点があ
る。

【０００６】そこで、気相合成法により形成されたダイ
ヤモンド粒子又はダイヤモンド薄膜を利用して電子エミ
ッタ素子を形成することが考えられる。ダイヤモンド薄
膜に電圧を印加すると、電子放出が起こることは既に報
告されている（C.Wang、A.Garcia、D.C.Ingram、M.Lake
and M.E.Kordesch、Electronics Letters；Vol.2
7、No.16、ｐ1459、August 1991）。

【０００７】しかし、この場合は、電流量が１０ｍＡ／
ｃｍ²程度であり、集積化したシリコン電子放出素子ア
レーの場合の１０００Ａ／ｃｍ²に比して電子放出量が
極めて少ないという問題点がある。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、電子放出特性の劣化を抑制できて、寿命が
長く、大電力でも動作させることが可能な電子エミッタ
素子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子エミッ
タ素子は、電子を放出するエミッタ部を備えた電子エミ
ッタ素子において、前記エミッタ部は先端が尖った形状
をなし、ダイヤモンドにより構成されていることを特徴
とする。

【００１０】

【作用】本発明においては、電子を放出するエミッタ部
がダイヤモンドにより構成されており、その先端部は尖
った形状をなしている。ダイヤモンドは耐熱性及び耐電
圧が高いため、本発明に係る電子エミッタ素子に高電圧
を印加し大電力で動作させても、エミッタ部の先端形状
の変化が少なく、寿命が長いと共に、電子放出特性の劣
化が抑制される。また、ダイヤモンドの真空準位は導電
帯に近い位置にある（M.W.Geis、J.A.Gregory、and P.
B.Pate；IEEE Transaction on Electron Devices、Vol.
38、No.3、p619、March 1991）。このため、ダイヤモン
ドには、電子を一旦導電帯に励起すれば、僅かなエネル
ギーを加えるだけで電子が真空中に自然に放出されると
いう特性がある。このような特性は他の材料では見られ
ず、ダイヤモンドは電子エミッタ素子のエミッタ部構成
材料として極めて適している。

【００１１】本発明では、上記ダイヤモンドの特長を生
かすと共に、電子放出量が小さいという欠点を解決する
ために、ダイヤモンドにより構成されるエミッタ部の先
端を尖った形状にする。これにより、エミッタ部の先端
にかかる電界強度を大きくでき、前記エミッタ部からの
電子放出量を大幅に増大させることができる。

【００１２】なお、前記エミッタ部の材料であるダイヤ
モンドは、天然ダイヤモンド、高圧下で人工的に合成さ
れた人工ダイヤモンド及び気相合成ダイヤモンド等のう
ちから任意に選択すればよく、これらを組み合わせたも
のであってもよい。ダイヤモンドは、気相合成を使用し
て、シリコン等のセラミックス基板及びモリブデン等の
金属基板上に成長させることができるが、このとき、原
料ガス中に例えばジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスを微量添加す
ることにより、ダイヤモンドが成長する過程でダイヤモ
ンド中にＢ（ホウ素）元素が不純物として取り込まれ、
電気導電性のｐ型半導体ダイヤモンドが形成される。ま
た、ダイヤモンド内への炭素イオン注入等によって、ｎ
型半導体ダイヤモンドを形成することもできる。このよ
うなｐ型又はｎ型半導体ダイヤモンドを使用してエミッ
タ部を形成することにより、真性半導体ダイヤモンドを
使用してエミッタ部を形成する場合に比して、電子放出
効率が高い電子エミッタ素子を得ることができる。

【００１３】更に、エミッタ部を尖った形状に成形する
ためには、例えばダイヤモンド部材を酸素を含むプラズ
マによりエッチングするか、又はイオンビームにより成
形加工すればよい。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００１５】図１（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の
実施例に係る電子エミッタ素子を製造するための製造方
法の１例を工程順に示す断面図である。先ず、図１
（ａ）に示すように、１辺が約５ｍｍの正方形であり、
表面結晶方位が（１００）にカットした低抵抗（＜０．
０１Ω・ｃｍ）Ｓｉ基板１を用意し、このＳｉ基板１上
に、マイクロ波ＣＶＤ（化学気相成長）法によって、Ｂ
（ホウ素）原子をドーピングしたｐ型半導体多結晶ダイ
ヤモンド薄膜２を例えば約２０μｍの厚さに形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、ｐ型半導体多結晶ダイ
ヤモンド薄膜２上に、フォトリソグラフィー法を使用し
て、直径が例えば約１０μｍ、膜厚が例えば約２０００
Åの金薄膜を５０μｍ間隔で格子状に配列させて形成
し、レジストマスク３とする。

【００１６】次に、図１（ｃ）に示すように、直流、高
周波又はマイクロ波プラズマ（ＥＣＲプラズマも含む）
ＣＶＤ装置を使用し、この試料を酸素プラズマで約１０
分間処理する。これにより、レジストマスク３の下方に
針状のエミッタ部２ａを形成することができる。

【００１７】次いで、図１（ｄ）に示すように、レジス
トマスク３を除去した後、Ｓｉ基板１の裏面側に銀電極
４を形成する。これにより、本実施例に係る電子エミッ
タ素子が完成する。

【００１８】本実施例に係る電子エミッタ素子は、エミ
ッタ部が針状のダイヤモンドにより形成されているた
め、エミッタ部の先端における電界強度が高くなり、電
子放出量が多い。また、エミッタ部がダイヤモンドによ
り構成されているため、耐熱性及び耐電圧が高い。従っ
て、高電圧を印加してもエミッタ部の先端部の形状の変
化が少なく寿命が長いと共に、大電力で動作させること
ができる。

【００１９】なお、上述した電子エミッタ素子の製造方
法においては、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を使用し
ダイヤモンド膜をエッチングしてエミッタ部を形成する
場合について説明したが、イオンビームでダイヤモンド
部材を成形加工することによって針状のエミッタ部を形
成することもできる。

【００２０】本実施例に係るエミッタ素子は、例えば、
エミッタ部から離隔して電子引き出し用陽極を配設した
構造とする。このような構造は、発光素子、整流素子及
び過電流制御素子等に適用することができる。この場合
に、前記エミッタ部と前記電子引き出し用電極との間
は、真空であってもよいし、絶縁体、半導体、有機物又
は液体等が介在していてもよい。また、例えば、エミッ
タ部から離隔して電子引き出し用陽極を配設すると共
に、前記エミッタ部及び前記陽極間に制御用電極を配設
した構造としてもよい。このような構造は、スイッチン
グ素子、増幅素子、整流素子及び過電流制御素子等に適
用することができる。この場合も、エミッタ部と陽極と
の間は、真空であってもよいし、絶縁体、半導体、有機
物、液体又は気体が介在していてもよい。更に、上述の
電子素子を複数個集積して集積回路を形成することも可
能である。

【００２１】次に、本実施例に係るエミッタ素子を使用
して実際に発光素子を形成し、その特性を調べた結果に
ついて説明する。

【００２２】図２は、本実施例に係るエミッタ素子を実
際に発光素子に適用した例を示す模式的断面図である。
電子エミッタ素子のエミッタ部２ａの先端から約２０μ
ｍの位置に発光板を配置した。この発光板は、石英板８
に透明電極７及び蛍光薄膜６が積層されたものである。
そして、このエミッタ素子及び発光板をガラス容器５内
に封入し、このガラス容器５内を真空にした。なお、エ
ミッタ素子の銀電極４及び発光板の透明電極７は、夫々
配線９ａ，９ｂに接続されており、この配線９ａ，９ｂ
はガラス容器５の壁を貫通してガラス容器５の外部に導
出されている。

【００２３】このように構成された発光素子において、
配線９ａ，９ｂに２０Ｖの電圧を印加したところ、蛍光
薄膜６が発光した。そして、その発光強度は、２４時間
経過した後も殆ど変化がなかった。一方、比較のため
に、エミッタ部が針状に成形されていないダイヤモンド
薄膜を用いた以外は上述の構造と同様の発光素子を製造
した。この発光素子は、１００Ｖ以上の電圧を印加しな
ければ、発光が認められなかった。

【００２４】図３は、本発明の第２の実施例に係る電子
エミッタ素子を示す模式的断面図である。本実施例にお
いては、エミッタ部がｐ型半導体ダイヤモンド層１２と
ｎ型半導体ダイヤモンド層１３との２層構造になってい
る。即ち、本実施例に係る電子エミッタ素子は、基板１
１上にｐ型半導体ダイヤモンド層１２を形成し、このｐ
型半導体ダイヤモンド層１２を加工して複数の針状の突
起１２ａを設け、全面にｎ型ダイヤモンド層１３を積層
したものである。本実施例においては、真性半導体を用
いる場合に比して、電子放出効率をより一層増大できる
という効果がある。なお、このような構造は、ｐ型半導
体層１２を加工して針状のエミッタ部を形成した後、ｐ
型ダイヤモンド半導体層１２の表面に炭素イオンを注入
しこのｐ型半導体ダイヤモンド層１２の表面をｎ型化し
て形成してもよい。

【００２５】図４は、本発明の第３の実施例に係る電子
エミッタ素子を示す模式的断面図である。単結晶ダイヤ
モンドからなる基板１６上には、気相合成法により形成
されたｐ型半導体ダイヤモンド層１７が設けられてい
る。そして、このｐ型半導体ダイヤモンド層１７には、
針状に成形された複数個のエミッタ部１７ａが設けられ
ている。本実施例に係る電子エミッタ素子は、基板１６
が単結晶ダイヤモンドからなるため、第１の実施例に比
して耐熱性が高いと共に、高周波特性が優れているとい
う効果を得ることができる。また、ｐ型半導体ダイヤモ
ンド層１７の電気特性を制御することにより、所望の特
性を有する電子エミッタ素子を製造できる。

【００２６】図５は、本発明の第４の実施例に係る電子
エミッタ素子を示す模式的断面図である。本実施例が第
３の実施例と異なる点は、基板１８にＳｉウェハが使用
されていることにある。本実施例においては、所望の特
性を有する電子エミッタを得ることができると共に、大
面積に多数のエミッタ部を形成することが容易であると
いう効果を奏する。

【００２７】図６は、本発明の第５の実施例に係る電子
エミッタ素子を示す斜視図である。内側エミッタ部２０
ａ及び外側エミッタ部２０ｂは同心円の円周に沿って延
び、平面視で２重のリング状に配置されている。そし
て、これらのエミッタ部２０ａ，２０ｂはいずれもダイ
ヤモンドにより構成されており、その先端は鋭利に尖っ
ている。このような形状のエミッタ部は、図１（ｂ）に
示す工程において、ダイヤモンド膜上に形成するマスク
の形状を２重のリング状とすることによって形成するこ
とができる。本実施例においても、第１の実施例と同様
の効果を得ることができる。

【００２８】なお、本実施例においては、エミッタ部が
２重のリング状に形成されている場合について説明した
が、エミッタ部はその先端が尖った形状であれば、１重
又は３重以上のリング状に形成されていてもよい。ま
た、エミッタ部は、必ずしもリング状に閉じている必要
はなく、例えばＣ字形等のように開いていても、直線上
に延びるものであってもよい。

【００２９】更に、上述の各実施例においては、いずれ
も基板上に形成されたダイヤモンドを成形加工してエミ
ッタ部を形成したものであるが、例えば、予め針状に成
形されたダイヤモンド部材を金属製の保持台に導電ペー
ストで接合し、前記ダイヤモンド部材をエミッタ部とし
てもよい。

【００３０】図７は、本発明に係る電子エミッタ素子を
発光素子に使用した第２の例を示す模式的断面図であ
る。電子エミッタ素子２０は、基板２１及びこの基板２
１上に形成されたダイヤモンド層２２により構成されて
おり、このダイヤモンド層２２には針状に突出するエミ
ッタ部２２ａが設けられている。また、この電子エミッ
タ素子２０に対向して、発光板２３が配置されている。
電子エミッタ素子２０及び発光板２３はガラス容器２６
内に封入されており、ガラス容器２６内は真空に維持さ
れている。発光板２３の一方の面には引き出し電極２４
が形成されており、この引き出し電極２４はガラス容器
２６の内面に接合されている。エミッタ素子２０に接続
された配線２５ａは、ガラス容器２６の壁を貫通して外
部に導出されており、引き出し電極２４に接続された配
線２５ｂはガラス容器２６内の壁面に沿って引き回しさ
れ、ガラス容器２６の壁面を貫通して配線２５ａと同一
方向に導出されている。

【００３１】このように構成された発光素子において
は、図２に示す発光素子と同様に、低電圧で発光板を発
光させることができると共に、長時間に亘って良好な発
光強度を得ることができる。

【００３２】図８は、本発明に係る電子エミッタ素子を
整流素子に適用した例を示す模式的断面図である。ガラ
ス容器２７内には電子エミッタ素子２０及び引き出し電
極２８が相互に対向して配置されている。このガラス容
器２７内は真空に維持されるようになっている。また、
電子エミッタ素子２０及び引き出し電極２８に夫々接続
された配線２９ａ及び２９ｂは、ガラス容器２７の壁を
貫通して外部に引き出されている。

【００３３】このように構成された整流素子において、
配線２９ａ及び２９ｂに交流電圧を印加すると、エミッ
タ部２２ａから引き出し電極２８側に電子が流れるが、
逆方向には電子が流れないので、配線２９ａ，２９ｂ間
に印加された交流電圧は整流される。

【００３４】図９は、本発明に係る電子エミッタ素子を
整流素子に適用した他の例を示す模式的断面図である。
基板３１上にはダイヤモンド層３２が形成されており、
このダイヤモンド層３２には針状に成形されたエミッタ
部３２ａが設けられている。また、ダイヤモンド層３２
上には絶縁膜３３が形成されている。この絶縁膜３３の
エミッタ部３２ａに対応する部分には孔３３ａが設けら
れており、エミッタ部３２ａが露出している。孔３３ａ
の周囲の絶縁膜３３上には、引き出し電極３４が形成さ
れている。

【００３５】このように構成された整流素子において、
基板３１と引き出し電極３４との間に交流電圧を印加す
ると、基板３１側に負の電圧が印加されている期間はエ
ミッタ部３２ａから引き出し電極３４側に電子が流れ、
基板３１側に正の電圧が印加されている期間は電流が流
れないので、基板３１と引き出し電極３４との間に印加
された交流電圧は整流される。

【００３６】なお、この整流素子の構造は、過電流制御
素子に応用することができる。即ち、基板３１と引き出
し電極３４との間に流れる電流が設定された電流量を越
えないようにすることができる。

【００３７】図１０は、本発明に係る電子エミッタ素子
をトランジスタに適用した例を示す模式的断面図であ
る。基板３６上にはダイヤモンド層３７が形成されてお
り、このダイヤモンド層３７上には針状のエミッタ部３
７ａが設けられている。ダイヤモンド層３７上には絶縁
膜３８が形成されており、この絶縁膜３８のエミッタ部
３７ａに対応する部分には孔３８ａが設けられている。
この孔３８ａの周囲の絶縁膜３８上には電流制御用電極
３９が配設されており、この電流制御用電極３９の外側
には引き出し電極４０が配設されている。

【００３８】このように構成されたトランジスタにおい
て、基板３６と引き出し電極４０との間に所定の電圧を
印加すると、エミッタ部３７ａから引き出し電極４０に
向けて電子が流れ、引き出し電極４０からエミッタ部３
７ａに電流が流れる。この場合に、電流制御用電極３９
に印加する電圧を制御することにより、引き出し電極４
０からエミッタ部３７ａに流れる電流を制御することが
できる。

【００３９】なお、通常、本発明に係る電子エミッタ素
子は、真空中での電子の放出に使用されるが、絶縁体、
半導体、有機物、液体及び気体中に電子を放出するエミ
ッタ素子として使用することもできる。例えば、図１１
は、絶縁体中に電子を放出する電子エミッタ素子を示す
模式的断面図である。電子エミッタ素子４２はダイヤモ
ンドにより構成されており、一方の面側には針状のエミ
ッタ部４２ａが設けられ、他方の面側には電極４４が接
合されている。このエミッタ素子４２に対向して電極４
６が設けられており、このエミッタ素子４２と電極４６
との間には絶縁体からなる媒体４１が設けられている。
このような構造は、整流素子及び固体発光素子等に適用
することができる。また、媒体４１として半導体を使用
しても、整流素子及び固体発光素子等を構成することが
できる。更に、媒体４１として有機物、液体又は気体を
使用することによって、放射線センサ及び紫外線センサ
等に適用することができる。

【００４０】また、上述の実施例及び適用例において
は、いずれも単体の素子として使用する場合について説
明したが、複数個の電子エミッタ素子又はそれを応用し
た素子を集積化し、集積回路とすることも可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る電子エ
ミッタ素子は、電子を放出するエミッタ部がダイヤモン
ドにより構成されているから、電子放出特性の劣化を回
避できると共に、寿命が長く、大電力でも動作すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施例に係
る電子エミッタ素子を製造するための製造方法の１例を
工程順に示す模式的断面図である。

【図２】本発明の実施例に係るエミッタ素子を実際に発
光素子に適用した例を示す模式的断面図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係るダイヤモンドエミ
ッタ素子を示す模式的断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係る電子エミッタ素子
を示す模式的断面図である。

【図５】本発明の第４の実施例に係る電子エミッタ素子
を示す模式的断面図である。

【図６】本発明の第５の実施例に係る電子エミッタ素子
を示す斜視図である。

【図７】本発明に係る電子エミッタ素子を発光素子に使
用した第２の例を示す模式的断面図である。

【図８】本発明に係る電子エミッタ素子を整流素子に適
用した例を示す模式的断面図である。

【図９】本発明に係る電子エミッタ素子を整流素子に適
用した他の例を示す模式的断面図である。

【図１０】本発明に係る電子エミッタ素子をトランジス
タに適用した例を示す模式的断面図である。

【図１１】絶縁体中に電子を放出する電子エミッタ素子
を示す模式的断面図である。

【図１２】従来の電子エミッタ素子により構成された発
光素子の一例を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１，１１，１６，１８，２１，３１，３６，５１；基板２，１２，１３，１７，２２，３２，３７；ダイヤモン
ド層２ａ，１２ａ，１７ａ，２０ａ，２０ｂ，２２ａ，３２
ａ，３７ａ，５２ａ；エミッタ部３；レジストマスク４；銀電極５，２６，２７；ガラス容器６，５３；蛍光薄膜７，５４；透明電極８；石英板９ａ，９ｂ，２５ａ，２５ｂ，２９ａ，２９ｂ；配線２０，４２；電子エミッタ素子２４，２８，３４，４０；引き出し電極３３，３８；絶縁膜３９；電流制御用電極５５；ガラス基板５６；対向電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子を放出するエミッタ部を備えた電子
エミッタ素子において、前記エミッタ部は先端が尖った
形状をなし、ダイヤモンドにより構成されていることを
特徴とする電子エミッタ素子。
【請求項２】前記エミッタ部のダイヤモンドがｐ型半
導体ダイヤモンド、ｎ型半導体ダイヤモンド、真性半導
体ダイヤモンド又はこれらの複合されたものであること
を特徴とする請求項１に記載の電子エミッタ素子。
【請求項３】前記エミッタ部のダイヤモンドが天然ダ
イヤモンド、人工ダイヤモンド、気相合成ダイヤモンド
又はこれらを組み合わせたものであり、プラズマエッチ
ング又はイオンビームにより成形加工されていることを
特徴とする請求項１又は２に記載の電子エミッタ素子。