JPH09199001A - 電子放出装置 - Google Patents
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- JPH09199001A JPH09199001A JP658796A JP658796A JPH09199001A JP H09199001 A JPH09199001 A JP H09199001A JP 658796 A JP658796 A JP 658796A JP 658796 A JP658796 A JP 658796A JP H09199001 A JPH09199001 A JP H09199001A
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Landscapes
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 表面から効率的に電子を放出させることがで
き、長時間動作が可能な電子放出装置を提供する。 【解決手段】 金属体と、前記金属体と接合されたダイ
ヤモンド、ＡｌＮ，ＢＮ等の負性電子親和力を有する半
導体と、前記金属体および前記半導体とは電気的に絶縁
され前記半導体との間が空間であるように配置された電
極と、を備えることを特徴とする。半導体を厚み１０ｎ
ｍ程度以下の薄膜とし、また半導体の表面を水素原子で
終端することにより、優れた電子放出特性が得られる。
き、長時間動作が可能な電子放出装置を提供する。 【解決手段】 金属体と、前記金属体と接合されたダイ
ヤモンド、ＡｌＮ，ＢＮ等の負性電子親和力を有する半
導体と、前記金属体および前記半導体とは電気的に絶縁
され前記半導体との間が空間であるように配置された電
極と、を備えることを特徴とする。半導体を厚み１０ｎ
ｍ程度以下の薄膜とし、また半導体の表面を水素原子で
終端することにより、優れた電子放出特性が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体からの電子
放出を利用する電子放出装置に関するものである。本発
明の電子放出装置は、電子顕微鏡、オージェ電子分光装
置等の分析機器やマイクロ波増幅管、更にフラット表示
パネルなどのキーデバイスである電子線源として用いら
れる。
放出を利用する電子放出装置に関するものである。本発
明の電子放出装置は、電子顕微鏡、オージェ電子分光装
置等の分析機器やマイクロ波増幅管、更にフラット表示
パネルなどのキーデバイスである電子線源として用いら
れる。
【０００２】
【従来の技術】従来、電子線源としてファウラーノルト
ハイム放出を用いた電界放出型素子（フィールドエミッ
タ）の研究開発が金属やシリコンを中心とした半導体を
用いて進められてきている（例えば I.Brodie and C.A.
Spindt, "Vacuum Microelectronics," Advances in Ele
ctronics and Electron Physics, 83, pp.1-106, 199
2）。また、ダイヤモンド表面を電子放出面として利用
するフィールドエミッタの試作が開示されている。（特
開平5-205616号公報、特開平6-20591号公報、特開平7-9
4077号公報など）
ハイム放出を用いた電界放出型素子（フィールドエミッ
タ）の研究開発が金属やシリコンを中心とした半導体を
用いて進められてきている（例えば I.Brodie and C.A.
Spindt, "Vacuum Microelectronics," Advances in Ele
ctronics and Electron Physics, 83, pp.1-106, 199
2）。また、ダイヤモンド表面を電子放出面として利用
するフィールドエミッタの試作が開示されている。（特
開平5-205616号公報、特開平6-20591号公報、特開平7-9
4077号公報など）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】フィールドエミッタに
は通常、低電界での電子放出、高電流密度動作、および
長時間動作（長寿命化）が要求される。量子力学的トン
ネル現象を用いて固体材料から真空中に電子を取り出す
ため、用いる金属の仕事関数や半導体の電子親和力によ
って動作電界が大きく左右される。このため小さい仕事
関数、又は電子親和力をもつ材料を選ぶことが必要であ
る。低電界の動作しきい値を実現することは高電流密度
動作にもつながる。
は通常、低電界での電子放出、高電流密度動作、および
長時間動作（長寿命化）が要求される。量子力学的トン
ネル現象を用いて固体材料から真空中に電子を取り出す
ため、用いる金属の仕事関数や半導体の電子親和力によ
って動作電界が大きく左右される。このため小さい仕事
関数、又は電子親和力をもつ材料を選ぶことが必要であ
る。低電界の動作しきい値を実現することは高電流密度
動作にもつながる。
【０００４】固体材料を尖塔型にし、高電界を集中させ
て高電流密度動作を行うと固体の温度が上昇し、固体表
面の特性劣化や溶融が生じ、電子の放出効率が激減す
る。このためダイヤモンドなどの耐熱材料が選ばれる。
しかし十分満足できるものが実現されていないのが現状
である。
て高電流密度動作を行うと固体の温度が上昇し、固体表
面の特性劣化や溶融が生じ、電子の放出効率が激減す
る。このためダイヤモンドなどの耐熱材料が選ばれる。
しかし十分満足できるものが実現されていないのが現状
である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】低電界動作を可能にする
ためには小さい仕事関数を有する金属の使用が要求さ
れ、実験的にはセシウムでその優位性が示されている
が、酸化性、耐熱性等に課題があり、実用には至ってい
ない。通常、安定な金属の仕事関数は４−６ｅＶでそれ
によって動作電界が決まる（図３）。本発明はこの動作
電界を低下させる手段を提供する。Ｎ型半導体と金属に
よってショットキー接合を形成するとそのショットキー
障壁高さは理想的には金属の仕事関数と半導体の電子親
和力の差によって決まることが知られている。このショ
ットキー接合では図４に示すように、逆方向電圧を印加
することにより、金属から半導体の伝導帯に電子を供給
することができる。この電子の濃度はショットキー障壁
高さに依存し、障壁高さの減少で増加する。半導体の伝
導帯を金属表面での真空準位と仮定すると、Ｎ型半導体
を用いてショットキー接合を形成することは金属の仕事
関数を減少させる有効な手段と考えられる。
ためには小さい仕事関数を有する金属の使用が要求さ
れ、実験的にはセシウムでその優位性が示されている
が、酸化性、耐熱性等に課題があり、実用には至ってい
ない。通常、安定な金属の仕事関数は４−６ｅＶでそれ
によって動作電界が決まる（図３）。本発明はこの動作
電界を低下させる手段を提供する。Ｎ型半導体と金属に
よってショットキー接合を形成するとそのショットキー
障壁高さは理想的には金属の仕事関数と半導体の電子親
和力の差によって決まることが知られている。このショ
ットキー接合では図４に示すように、逆方向電圧を印加
することにより、金属から半導体の伝導帯に電子を供給
することができる。この電子の濃度はショットキー障壁
高さに依存し、障壁高さの減少で増加する。半導体の伝
導帯を金属表面での真空準位と仮定すると、Ｎ型半導体
を用いてショットキー接合を形成することは金属の仕事
関数を減少させる有効な手段と考えられる。
【０００６】次に半導体に供給された電子が真空中に放
出されるためには、通常、半導体の電子親和力に値する
障壁を越えなければならない。この課題を克服する手段
として負性電子親和力を有する半導体を用いることが提
案される。更に、半導体膜を電子のトンネリングが可能
な程度に薄くすることにより金属から供給された電子を
半導体内で衝突させることなく真空中へ放出することが
できる。この状態にすると金属を用いた従来型のフィー
ルドエミッタと等価なエネルギーバンド構造と見なすこ
とができ、かつ障壁高さが低下できると考えられる。
出されるためには、通常、半導体の電子親和力に値する
障壁を越えなければならない。この課題を克服する手段
として負性電子親和力を有する半導体を用いることが提
案される。更に、半導体膜を電子のトンネリングが可能
な程度に薄くすることにより金属から供給された電子を
半導体内で衝突させることなく真空中へ放出することが
できる。この状態にすると金属を用いた従来型のフィー
ルドエミッタと等価なエネルギーバンド構造と見なすこ
とができ、かつ障壁高さが低下できると考えられる。
【０００７】電子放出が起こる半導体表面の特性劣化を
抑制するため、耐熱性を有する材料が必要となる。この
ような条件はダイヤモンドや窒化アルミニウム、窒化ホ
ウ素等の窒素をＶ族元素として含有するIII−Ｖ族化合
物半導体を用いることによって実現される。
抑制するため、耐熱性を有する材料が必要となる。この
ような条件はダイヤモンドや窒化アルミニウム、窒化ホ
ウ素等の窒素をＶ族元素として含有するIII−Ｖ族化合
物半導体を用いることによって実現される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明に関する半導体材料の一例
としてダイヤモンドを取り上げ、金属−ダイヤモンド接
合部のバンド構造を図４に示す。ドナー不純物を添加し
たＮ型ダイヤモンドを用いる。ダイヤモンドの表面が水
素処理されていない場合には電子親和力は２．３ｅＶの
正の値を取ると報告されている（M.W.Geis, J.A.Gregor
y andB.B.Pate, "Capacitance-voltage measurements o
n metal-SiO2-diamond structures fabricated with (1
00)- and (111)-oriented substrates," IEEE Trans.El
ectron Devices, 38, pp.619-626, 1991）。
としてダイヤモンドを取り上げ、金属−ダイヤモンド接
合部のバンド構造を図４に示す。ドナー不純物を添加し
たＮ型ダイヤモンドを用いる。ダイヤモンドの表面が水
素処理されていない場合には電子親和力は２．３ｅＶの
正の値を取ると報告されている（M.W.Geis, J.A.Gregor
y andB.B.Pate, "Capacitance-voltage measurements o
n metal-SiO2-diamond structures fabricated with (1
00)- and (111)-oriented substrates," IEEE Trans.El
ectron Devices, 38, pp.619-626, 1991）。
【０００９】リン原子をドナー不純物として添加すると
そのドナー準位は伝導帯端より０．２ｅＶに存在するこ
とが知られている。このため高濃度にリン原子を添加す
るとフェルミ準位は伝導帯端の方へ移動する。このダイ
ヤモンドと金属（仕事関数４−６ｅＶ）のショットキー
接合を作製することにより２−４ｅＶのショットキー障
壁高さが得られる。金属と接合していない方のダイヤモ
ンド表面を水素原子で終端することにより負性電子親和
力が得られる。このため金属からダイヤモンドに供給さ
れた電子は容易に真空中に取り出される。この時、ダイ
ヤモンド膜の電気抵抗は電子放出による電流密度を低減
する要因となる。ダイヤモンド膜厚を電子がトンネリン
グできる程度、例えば１０ｎｍ以下、に薄くすることに
より金属から供給された電子はダイヤモンド内で衝突す
ることなく真空中に取り出されることになる。
そのドナー準位は伝導帯端より０．２ｅＶに存在するこ
とが知られている。このため高濃度にリン原子を添加す
るとフェルミ準位は伝導帯端の方へ移動する。このダイ
ヤモンドと金属（仕事関数４−６ｅＶ）のショットキー
接合を作製することにより２−４ｅＶのショットキー障
壁高さが得られる。金属と接合していない方のダイヤモ
ンド表面を水素原子で終端することにより負性電子親和
力が得られる。このため金属からダイヤモンドに供給さ
れた電子は容易に真空中に取り出される。この時、ダイ
ヤモンド膜の電気抵抗は電子放出による電流密度を低減
する要因となる。ダイヤモンド膜厚を電子がトンネリン
グできる程度、例えば１０ｎｍ以下、に薄くすることに
より金属から供給された電子はダイヤモンド内で衝突す
ることなく真空中に取り出されることになる。
【００１０】
【実施例】図２に本発明の第１の実施例である電子放出
装置の陰極部の作成工程を断面図により示す。図２
（ａ）に示すように尖塔状に加工したＰｔ線１を水洗、
乾燥後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応管内にセ
ットする。メタンと水素を原料ガスとしてマイクロ波プ
ラズマによりガスを分解、励起してＰｔ銅線の先端にダ
イヤモンド薄膜２を成長させる（図２（ｂ））。この
際、リン原子を不純物として添加するためホスフィンガ
スを同時に反応管へ供給する。ダイヤモンド薄膜の厚さ
が１０ｎｍ程度になるように成長を行う。
装置の陰極部の作成工程を断面図により示す。図２
（ａ）に示すように尖塔状に加工したＰｔ線１を水洗、
乾燥後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応管内にセ
ットする。メタンと水素を原料ガスとしてマイクロ波プ
ラズマによりガスを分解、励起してＰｔ銅線の先端にダ
イヤモンド薄膜２を成長させる（図２（ｂ））。この
際、リン原子を不純物として添加するためホスフィンガ
スを同時に反応管へ供給する。ダイヤモンド薄膜の厚さ
が１０ｎｍ程度になるように成長を行う。
【００１１】ダイヤモンド薄膜の成長が終了した後、メ
タンとホスフィンガスを止め、水素のマイクロ波プラズ
マを生成してダイヤモンド表面を５分間処理する。これ
はダイヤモンド表面を水素原子３で終端するためである
（図２（ｃ））。
タンとホスフィンガスを止め、水素のマイクロ波プラズ
マを生成してダイヤモンド表面を５分間処理する。これ
はダイヤモンド表面を水素原子３で終端するためである
（図２（ｃ））。
【００１２】前記のように作製したダイヤモンド陰極と
平板電極の距離を１００μｍにして１×１０-7Ｔｏｒｒ
の真空中に封入し図１に示す電子放出装置を形成した。
この電子放出装置の特性を測定したところ、１ｋＶの印
加電圧に対して０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
又、１００時間の連続動作においてもダイヤモンド表面
の変化および電子放出特性の劣化は認められなかった。
平板電極の距離を１００μｍにして１×１０-7Ｔｏｒｒ
の真空中に封入し図１に示す電子放出装置を形成した。
この電子放出装置の特性を測定したところ、１ｋＶの印
加電圧に対して０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
又、１００時間の連続動作においてもダイヤモンド表面
の変化および電子放出特性の劣化は認められなかった。
【００１３】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
第１の実施例と同様に尖塔状に加工したＰｔ線を水洗、
乾燥後、熱ＣＶＤ装置の反応管内にセットする。トリメ
チルアルミニウムとＮＨ3を原料ガスとしてＰｔ線の先
端にＡｌＮ薄膜を形成する。この際ＡｌＮ薄膜中にＳｉ
を不純物として添加する。ＡｌＮ薄膜の厚みが１０ｎｍ
程度になるように成長を止めた。
第１の実施例と同様に尖塔状に加工したＰｔ線を水洗、
乾燥後、熱ＣＶＤ装置の反応管内にセットする。トリメ
チルアルミニウムとＮＨ3を原料ガスとしてＰｔ線の先
端にＡｌＮ薄膜を形成する。この際ＡｌＮ薄膜中にＳｉ
を不純物として添加する。ＡｌＮ薄膜の厚みが１０ｎｍ
程度になるように成長を止めた。
【００１４】前記のように作製したＡｌＮ陰極と平板電
極の距離を３０μｍにして１×１０-7Ｔｏｒｒの真空中
で封管に封入し、図１に模式図を示す電子放出装置を形
成した。この電子放出装置の特性を測定したところ、
２．５ｋＶの印加電圧に対して８０μＡの高い放出電流
が得られた。又、１００時間の連続動作においてもＡｌ
Ｎ表面の変化および電子放出特性の劣化は認められなか
った。
極の距離を３０μｍにして１×１０-7Ｔｏｒｒの真空中
で封管に封入し、図１に模式図を示す電子放出装置を形
成した。この電子放出装置の特性を測定したところ、
２．５ｋＶの印加電圧に対して８０μＡの高い放出電流
が得られた。又、１００時間の連続動作においてもＡｌ
Ｎ表面の変化および電子放出特性の劣化は認められなか
った。
【００１５】上記第１および第２の実施例では金属とし
てＰｔを用いたが、Ｔａやタングステン等の高融点金属
の他、銅も使用することができる。
てＰｔを用いたが、Ｔａやタングステン等の高融点金属
の他、銅も使用することができる。
【００１６】また、半導体の表面に１つまたは２つ以上
の突起を設けることにより、優れた電子放出特性を得る
ことができる。さらに、図５に示すように平面状の金属
６の表面に高さ１０ｎｍ以下の尖塔形状を有する１つま
たは２つ以上の半導体７を配置することもできる。この
ような尖塔形状を有する半導体を金属表面上に２つ以上
設けることによって、放出電流密度が極めて高い電子放
出装置を実現することができる。
の突起を設けることにより、優れた電子放出特性を得る
ことができる。さらに、図５に示すように平面状の金属
６の表面に高さ１０ｎｍ以下の尖塔形状を有する１つま
たは２つ以上の半導体７を配置することもできる。この
ような尖塔形状を有する半導体を金属表面上に２つ以上
設けることによって、放出電流密度が極めて高い電子放
出装置を実現することができる。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の電子放出装
置は高輝度で安定な特性を有しているため、高精度を必
要とするオージエ電子分光装置等の分析機器の電子銃や
マイクロ波増幅管、更に表示機器のキーデバイスとして
利用すると効果的である。
置は高輝度で安定な特性を有しているため、高精度を必
要とするオージエ電子分光装置等の分析機器の電子銃や
マイクロ波増幅管、更に表示機器のキーデバイスとして
利用すると効果的である。
【図１】本発明の電子放出装置の一実施例を示す模式
図。
図。
【図２】本発明の電子放出装置の陰極部作成工程を表す
断面図。
断面図。
【図３】従来の電子放出装置のエネルギーバンド構造を
示す模式図。
示す模式図。
【図４】本発明の電子放出装置のエネルギーバンド構造
を示す模式図。
を示す模式図。
【図５】本発明の電子放出装置の他の実施例を示す模式
図。
図。
１・・・金属 ２・・・半導体薄膜 ３・・・表面終端した水素原子 ４・・・平板電極 ５・・・封管 ６・・・平面状の金属 ７・・・尖塔形状を有する半導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白藤 純嗣 大阪府箕面市今宮３−27−41 (72)発明者 鹿田 真一 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 塩見 弘 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内
Claims (8)
- 【請求項１】 金属体と、前記金属体と接合された負性
電子親和力を有する半導体と、前記金属体および前記半
導体とは電気的に絶縁され前記半導体との間が空間であ
るように配置された電極と、を備えることを特徴とする
電子放出装置。 - 【請求項２】 前記半導体の表面に１つまたは２つ以上
の突起を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電子
放出装置。 - 【請求項３】 前記半導体が厚み１０ｎｍ以下の薄膜で
あることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放
出装置。 - 【請求項４】 金属体と、前記金属体の表面上に配置さ
れ高さ１０ｎｍ以下の尖塔形状を有し負性電子親和力を
有する１つまたは２つ以上の半導体と、前記金属体およ
び前記半導体とは電気的に絶縁され前記半導体との間が
空間であるように配置された電極と、を備えることを特
徴とする電子放出装置。 - 【請求項５】 前記半導体が、不純物を意図的には添加
しないもの、ドナー型不純物を添加したもの、または結
晶欠陥によるドナー型トラップ準位を有するもの、のい
ずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
に記載の電子放出装置。 - 【請求項６】 前記半導体の表面を水素原子で終端した
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子
放出装置。 - 【請求項７】 前記半導体がダイヤモンドであることを
特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電子放出装
置。 - 【請求項８】 前記半導体が、窒素をＶ族元素として含
有するIII−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする
請求項１〜６のいずれかに記載の電子放出装置。
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