(57)【要約】【課題】電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供する。【解決手段】基材３と、基材３の端部３ａに設けられた突起５と、突起５の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜７と、を備え、突起５は、一辺が１０００μｍである立方体内に収容可能な形状を有し、突起５の先端部５ｂの表面は露出しており、導電性皮膜７の厚さは、突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に減少している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材の端部に設けられた突起と、該突起の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜と、を備え、
前記突起は、一辺が１０００μｍである立方体内に収容可能な形状を有し、
前記突起の先端部の表面は露出しており、
前記導電性皮膜の厚さは、前記突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記導電性皮膜は前記突起の融点より低い融点を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記導電性皮膜は多層構造を有する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記突起はダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記突起はｎ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記ｎ型ドーパントはリン又は窒素である、ことを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記突起はｐ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記ｐ型ドーパントはボロン又はガリウムである、ことを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記突起はＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記突起はＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記突起はＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項１２】
前記突起はＣＶＤダイヤモンド結晶を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記突起は、突起本体と該突起本体の表面に形成され該突起本体を被覆する被覆体とからなり、
前記突起本体はＩｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶のうちの何れかからなり、
前記被覆体はｎ型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項１４】
前記導電性皮膜は、融点が６００℃より高く３５００℃より低い金属からなる、ことを特徴とする請求項５〜請求項１３の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
基材を用意する工程と、
前記基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が１０００μｍの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、
前記突起を形成した後に、前記突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、
前記導電性皮膜を形成した後に、収束イオンビーム法を用いて、前記突起の先端部の表面に形成された前記導電性皮膜を除去し前記突起の先端部の表面を露出させると共に、前記導電性皮膜の厚さが前記突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少するように前記導電性皮膜を加工する工程と、を備える、
ことを特徴とする電子放出素子の作製方法。
【請求項１６】
基材を用意する工程と
前記基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が１０００μｍの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、
前記突起を形成した後に、前記突起の先端部を含み前記突起の基端部を除く前記突起の先端領域を、前記突起の表面に接することなく被覆可能な箱状のマスクを用意する工程と、
前記マスクを用意した後に、該マスクを前記突起に被せて、前記突起の前記先端領域を前記突起の表面に接することなく被覆する工程と、
前記先端領域を被覆した後に、前記マスクを用いたスパッタリングにより、前記突起の先端部を除く前記突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、を備える、
ことを特徴とする電子放出素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子、及び、電子放出素子の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及び電子線描画装置等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等を利用した電子放出素子が用いられている。このような電子放出素子は、一般に１５００℃以上の高温の状態において利用される（非特許文献１）。このような高温の状態において電子放出素子から放出される電子のエネルギーの分散は、フェルミ分布の広がり及びフォノン散乱等によって大きくなる。これに対して、仕事関数の低いダイヤモンドを電子放出素子に利用することにより、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。この場合、特に、ｎ型にドープされたダイヤモンドの利用が有効であることが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０９５４７８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１０７７５号公報
【特許文献３】特許第３８５１８６１号公報
【特許文献４】ＷＯ  ２００５／０３４１６５
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.Vac.Sci.Techno.B 3(1),Jan/Feb(1985)220
【非特許文献２】Phys.Rev.B,60,4(1999)R2139
【非特許文献３】J.Vac.Sci.Technol.B 22(3),May/Jun(2004)1349
【非特許文献４】Diam.Relat.Mater.11,12(2002)1897
【非特許文献５】Nature,393,4,June(1998)432
【非特許文献６】Appl.Phys.Lett,81,5,July(2005)232102
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような電子放出素子は、ダイヤモンドが、Ｓ（硫黄）ドープされている場合、Ｂ（ボロン）ドープされている場合、ノンドープの場合、Ｎ（窒素）ドープされている場合の何れの場合においても、仕事関数が低く、比較的低温において電子放出が可能との報告がある。このような電子放出素子においては、電子放出性能の向上が望まれている。そこで、本発明の目的は、電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子放出素子は、基材と、該基材の端部に設けられた突起と、該突起の表面に設けられ導電性を有する導電性皮膜と、を備え、突起は、一辺が１０００μｍである立方体内に収容可能な形状を有し、突起の先端部の表面は露出しており、導電性皮膜の厚さは、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜の厚さが突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜の表面には、電界集中点となり得る角部が少ない、若しくは無いので、余分な電界集中点が生じることに起因する突起の先端部における電界強度の低下が抑制される。その結果、突起の先端部における電子放出性能を向上させることができる。
【０００７】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は突起の融点より低い融点を有する、ことが好ましい。この場合、突起に異常発熱が生じた場合であっても、突起より先に導電性皮膜が融解する。その結果、導電性皮膜が融解する際の融解熱により突起を冷却できるので、突起の熱破壊を防止できる。
【０００８】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は多層構造を有する、ことが好ましい。この場合、多層構造における複数の層のうちの、突起の表面と接する層を、突起の表面との密着性の高い材料により形成し、多層構造における複数の層のうちの他の層を、当該電子放出素子に所望する特性に応じた材料により形成できる。
【０００９】
本発明の電子放出素子においては、突起はダイヤモンド結晶を含む、ことが好ましい。この場合、ダイヤモンドの仕事関数が比較的小さいので、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【００１０】
本発明の電子放出素子においては、突起はｎ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。
【００１１】
本発明の電子放出素子においては、ｎ型ドーパントはリン又は窒素である、ことが好ましい。ｎ型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低いので、実効的な仕事関数が比較的低い。このため、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【００１２】
本発明の電子放出素子においては、突起はｐ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。
【００１３】
本発明の電子放出素子においては、ｐ型ドーパントはボロン又はガリウムである、ことが好ましい。ｐ型ドーパントがボロンである場合、ボロンが安価であることから、当該電子放出素子を比較的低コストにより得ることができる。一方、ガリウムは収束イオンビーム装置等によって簡便にドーピングできる上に、ガリウムのドーピングを行うことで欠陥準位を導入することができる。その結果、ｐ型ドーパントがガリウムである場合、例えば、突起に金属被覆を行う際、突起の界面と金属との間のオーム性接触抵抗を低くすることができる。
【００１４】
本発明の電子放出素子においては、突起はＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性が少ないので、抵抗値が変化し難い。このため、本発明の電子放出素子は、安定して電子を放出できる。
【００１５】
本発明の電子放出素子においては、突起はＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性こそ大きいが、抵抗値の絶対値が小さい。このため、本発明の電子放出素子は、比較的大きな電流を放出できる。
【００１６】
本発明の電子放出素子においては、突起はＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、Ｉｂ型ダイヤモンドがＩＩａ型ダイヤモンド結晶やＩＩｂ型ダイヤモンド結晶に比べて安価であることから、比較的安価に当該電子放出素子を作製できる。
【００１７】
本発明の電子放出素子においては、突起はＣＶＤダイヤモンド結晶を含む、ことが好ましい。ＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）により形成されたダイヤモンド結晶は、他の方法により形成されたダイヤモンド結晶に比べて意図的に結晶欠陥を多く含ませることができる。このため、本発明の電子放出素子においては、通常の電子放出に加えて、結晶欠陥を介しての電子放出が増大される。したがって、この電子放出素子によれば、電子の放出量を増大させることができる。なお、本発明におけるＣＶＤダイヤモンド結晶とは、ＣＶＤにより形成されたダイヤモンド結晶である。
【００１８】
本発明の電子放出素子においは、突起は、突起本体と該突起本体の表面に形成され該突起本体を被覆する被覆体とからなり、突起本体はＩｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶のうちの何れかからなり、被覆体はｎ型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなる、ことが好ましい。この場合、突起本体の材料による特性と、被覆体の材料による特性とを併せて発揮することができる。例えば、当該電子放出素子は、突起本体がＩｂ型ダイヤモンドからなる場合には比較的安価に作製でき、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には安定した電子放出が可能であり、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には比較的大きな電流を放出でき、さらに、被覆体がｎ型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなるので、被覆体の活性化エネルギーが比較的低く、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【００１９】
本発明の電子放出素子においては、導電性皮膜は、融点が６００℃より高く３５００℃より低い金属からなる、ことが好ましい。この場合、導電性皮膜の融点は、電極形成の際のアニール温度、電子放出動作温度及びエミッション電流による発熱温度より高く、ダイヤモンドの融点（およそ３５００℃）よりも低い。このため、導電性皮膜は、ダイヤモンド結晶からなる突起を備える電子放出素子の作製時や通常動作時において融解せず、突起が異常発熱した時には突起より先に融解する。
【００２０】
本発明の電子放出素子の作製方法は、基材を用意する工程と、基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が１０００μｍの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、突起を形成した後に、突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、導電性皮膜を形成した後に、収束イオンビーム法を用いて、突起の先端部の表面に形成された導電性皮膜を除去し突起の先端部の表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に減少するように前記導電性皮膜を加工する工程と、を備える、ことを特徴とする。本発明の電子放出素子の作成方法によれば、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜を備える電子放出素子を作製することができる。
【００２１】
本発明の電子放出素子の作製方法は、基材を用意する工程と、基材を用意した後に、該基材の端部に、一辺が１０００μｍの立方体内に収容可能な形状を有する突起を形成する工程と、突起を形成した後に、突起の先端部を含み突起の基端部を除く突起の先端領域を、突起の表面に接することなく被覆可能な箱状のマスクを用意する工程と、マスクを用意した後に、該マスクを突起に被せて、突起の先端領域を突起の表面に接することなく被覆する工程と、先端領域を被覆した後に、マスクを用いたスパッタリングにより、突起の先端部を除く突起の表面に導電性を有する導電性皮膜を形成する工程と、を備える、ことを特徴とする。本発明の電子放出素子の作成方法によれば、導電性皮膜を形成する工程において、スパッタリングのターゲット物質が突起の表面とマスクとの間へ回り込んで突起の表面に堆積されるので、突起の基端部から先端部に向かう方向に連続的に厚さが減少する導電性皮膜を形成することができる。したがって、本発明の電子放出素子の作製方法によれば、突起の基端部から先端部へ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜を備える電子放出素子を作製することができる。
【発明の効果】
【００２２】
電子放出性能を向上可能な電子放出素子、及び、そのような電子放出素子の作製方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る電子放出素子の断面構成を示す図である。
【図２】図１に示された突起の変形例を示す図である。
【図３】図１に示された導電性皮膜の変形例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の主要な工程を示す図である。
【図５】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の主要な工程を示す図である。
【図６】本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の変形例の主要な工程を示す図である。
【図７】本実施形態に係る電子放出素子の撮影画像を示す図である。
【図８】実施例に係る電子放出素子の電子放出特性を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本実施形態に係る電子放出素子の断面構成を示す図である。図１に示されるように、電子放出素子１は、基材３、突起５及び導電性皮膜７を備える。このような電子放出素子１は、例えば、電子銃チップとして利用される。
【００２５】
基材３は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のいずれかの型のダイヤモンド結晶からなるが、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）及びＣＢＮ（立体晶窒化ホウ素）等の窒化物、或いは、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の酸化物等を含む材料からなることもできる。
【００２６】
突起５は、基材３の長手方向の端部３ａにおいて、基材３と一体に形成されている。突起５は、基材３と同様に、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れかの型のダイヤモンド結晶からなるが、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＣＢＮ等の窒化物、或いは、ＺｎＯ等の酸化物等を含む材料からなることもできる。突起５がＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合、Ｉｂダイヤモンド結晶がＩＩａ型ダイヤモンド結晶やＩＩｂ型ダイヤモンド結晶等に比べて安価であることから、比較的安価に電子放出素子１を作製できる。また、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性が少ないので、抵抗値が変化し難い。このため、突起５がＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合、電子放出素子１は、安定して電子を放出できる。さらに、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶は、抵抗値の温度依存性こそ大きいが、抵抗値の絶対値が小さい。このため、突起５がＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合、電子放出素子１は、比較的大きな電流を放出できる。
【００２７】
突起５は、端部３ａにおける基材３の端面３ｂから突出して形成されており、一辺が１０００μｍの立方体内に収容可能な形状を有している。電子放出素子１を電子銃チップとして用いる場合、十分な電界集中を行わせる必要があることから、突起５は、底面の直径が１００μｍであり高さが４００μｍである円柱体内に収容可能な形状とすることが好ましい。突起５は、円柱形状の基端部５ａと円錐形上の先端部５ｂとを組み合わせた形状を有している。先端部５ｂは、例えば、突起５の先端部分の領域であって突起５全体の長さ（高さ）の１０％程度の長さを有するものとすることができる。なお、電子放出素子１は、突起５に替えて、図２（ａ）に示されるような円錐形状又は角錐形状の突起６ａを有することができる。また、電子放出素子１は、突起５に替えて、図２（ｂ）に示されるような円柱形状又は角柱形状の突起６ｂを有することもできる。
【００２８】
導電性皮膜７は、基材３の表面及び突起５の表面に形成されており、導電性を有する。ただし、突起５の先端部５ｂの表面には導電性皮膜７が形成されておらず、突起５の先端部５ｂの表面は露出している。導電性皮膜７の材料は、Ｔｉ（チタン）であるが、導電性を有し突起の融点より低い融点を有する任意の材料とすることができる。本実施形態においては、突起はダイヤモンド結晶からなるので、導電性皮膜７の材料は、ダイヤモンドの融点（およそ３５００℃）より低い融点を有する材料とすることができる。一方で、導電性皮膜７の材料は、電極形成の際のアニール温度、電子放出動作温度及びエミッション電流による発熱温度を考慮すると、６００℃より高い融点を有する材料であることが好ましい。このような導電性皮膜７の材料としては、６００℃より高く３５００℃より低い融点を有する金属、例えば、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｃ（テクネチウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｂ（ボロン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）及びＲｅ（レニウム）や、これらの金属による合金を利用できる。これらの金属は、真空に対する仕事関数が２ｅＶ以上であり、且つ、２０００℃以上の融点を有するので、ダイヤモンド結晶からなる突起５の発熱に十分対応することができる。
【００２９】
導電性皮膜７の厚さは、突起５の基端部５ａから先端部５ｂに向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜７は滑らかな表面を有しており、その終端部においては、導電性皮膜７の表面と突起５の表面とが滑らかに接続されている。また、電子放出素子１を側面視した際の、導電性皮膜７の表面７ａと突起５の側面５ｃとの成す角θは、４５°以下であることが好ましい。このような導電性皮膜７は、フィラメント電極（共通端子）Ｆに接続されている。このため、導電性皮膜７の電位は、導電性皮膜７内において略一定に保たれる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態に係る電子放出素子１においては、導電性皮膜７の厚さが突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に減少している。このため、導電性皮膜７は滑らかな表面を有しており、その終端部においては、導電性皮膜７の表面と突起５の表面とが滑らかに接続されている。したがって、導電性皮膜７の表面には、電界集中点となり得る角部が少ない、若しくは無いので、先端部５ｂの頂点以外の他の余分な電界集中点が生じることに起因する突起５の先端部５ｂにおける電界強度の低下が抑制される。その結果、突起５の先端部５ｂにおける電子放出性能を向上させることができる。また、導電性皮膜７は、突起５の融点より低い融点を有する。このため、突起５に異常発熱が生じた場合であっても、突起５より先に導電性皮膜７が融解する。その結果、導電性皮膜７が融解する際の融解熱によって突起５を冷却できるので、突起５の熱破壊を防止できる。さらに、導電性皮膜７の電位は、導電性皮膜７内において略一定に保たれている。このため、導電性皮膜７によって突起５が電気的にシールドされるので、突起５内における電界の影響を低減できる。
【００３１】
また、突起５は仕事関数が比較的小さいダイヤモンド結晶を含むので、電子放出素子１は、比較的低温の状態において電子の放出が可能である。また、導電性皮膜７が突起５の先端部５ｂ近くまで形成されているので、導電性皮膜７と突起５の先端部５ｂとの間の抵抗が低減される。その結果、本実施形態に係る電子放出素子１によれば、導電性皮膜７から突起５の先端部５ｂまで比較的低抵抗で電子を輸送できるので、電子放出で生じる損失を低減できる。また、導電性皮膜７が突起５の先端部５ｂ近くまで形成されているため、フィラメント電極Ｆから電子放出素子に注入される電流は、突起５の先端部５ｂに至るまで、ダイヤモンド結晶からなる突起５ではなく導電性皮膜７内を流れるので、電流によって生じる突起５の発熱を抑制できる。その結果、突起５の熱破壊を抑制可能であるとともに、エミッション電流を効率良くビーム電流とすることができる。さらに、突起５が発熱した場合であっても、基材３がラジエータとして機能するので、突起５における急激な過熱状態の発生が防止される。このため、先端部５ｂの急激な過熱による電子分布の急激な変化が抑制され、その結果、安定した電子放出を行うことができる。
【００３２】
なお、突起５はｎ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなることができる。つまり、突起５は、ｎ型の導電型を有するダイヤモンド結晶により形成することができる。ｎ型ドーパントとしては、例えば、リンや窒素等が好ましい。ｎ型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低い（リンの場合０．６ｅＶ程度、窒素の場合１．７ｅＶ程度である）ので、実効的な仕事関数が比較的低い。このため、電子放出素子１がｎ型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなる突起５を備える場合、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。なお、突起５においては、活性化エネルギーが０．３〜０．４ｅＶ程度とされている硫黄や、活性化エネルギーが０．１ｅＶと報告されているリチウムをドーパントとして含有するダイヤモンド結晶を用いることができる。この場合もリンや窒素をドーパントとする場合と同様に、実効的な仕事関数を下げることができる。
【００３３】
また、突起５は、ｐ型ドーパントを含有するダイヤモンド結晶からなることができる。つまり、突起５は、ｐ型の導電型を有するダイヤモンド結晶により形成
することができる。ｐ型ドーパントとしては、例えば、ボロンやガリウム等が好ましい。ｐ型ドーパントがボロンである場合、ボロンが安価であることから、電子放出素子１を比較的安価に作製できる。一方、ガリウムは収束イオンビーム装置等によって簡便にドーピングできる上に、ガリウムのドーピングを行うことで欠陥準位を導入することができる。その結果、ｐ型ドーパントがガリウムである場合、例えば、突起５に金属被覆を行う際、突起５の界面と金属との間のオーム性接触抵抗を低くすることができる。
【００３４】
また、突起５は、ＣＶＤダイヤモンド結晶を含むことができる。ＣＶＤにより形成されたダイヤモンド結晶は、他の方法により形成されたダイヤモンド結晶に比べて意図的に結晶欠陥を多く含ませることができる。このため、電子放出素子１がＣＶＤダイヤモンド結晶を含む突起５を備える場合、通常の電子放出に加えて、結晶欠陥を介した電子放出が増大する。したがって、この電子放出素子１によれば、電子の放出量を増大させることができる。
【００３５】
さらに、突起５は、突起本体（不図示）と、この突起本体の表面に形成され突起本体を被覆する被覆体（不図示）からなる構成とすることができる。この場合、突起本体はＩｂ型ダイヤモンド結晶、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶及びＩＩｂ型ダイヤモンド結晶のうちの何れかからなり、被覆体はｎ型ドーパントとしてリンを含有するダイヤモンド結晶からなることが好ましい。この構成によれば、電子放出素子１は、突起本体の材料による特性と、被覆体の材料による特性とを併せて発揮することができる。例えば、電子放出素子１は、突起本体がＩｂ型ダイヤモンドからなる場合には比較的安価に作製でき、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる場合には安定した電子放出が可能であり、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる場合には比較的大きな電流を放出でき、さらに、被覆体がｎ型ドーパントとしてリン又は窒素を含有するダイヤモンド結晶からなるので、被覆体の活性化エネルギーが比較的低く、比較的低温の状態において電子の放出が可能となる。
【００３６】
また、突起５は、基材３と異なる材料によって形成されてもよい。例えば、突起５は、基材３の端面３ｂ上に、ヘテロエピタキシャル成長によって形成されてもよい。
【００３７】
ここで、電子放出素子１は、図３（ａ）に示されるように、導電性皮膜７に替えて導電性皮膜９を備えることができる。導電性皮膜９の稜線は、突起５側に凸となる曲線状をなしている。導電性皮膜９におけるその他の構成・形状は導電性皮膜７と同様である。また、電子放出素子１は、図３（ｂ）に示されるように、導電性皮膜７に替えて導電性皮膜１１を備えることができる。導電性皮膜１１は、第１の層１１ａと第２の層１１ｂとからなる多層構造を有している。第１の層１１ａ及び第２の層１１ｂは、基材３及び突起５の表面上にこの順番で形成されている。この場合、突起５の表面と接する第１の層１１ａを突起５の表面との密着性の高い材料により形成し、第１の層１１ａの表面上に形成される第２の層１１ｂを所望の特性に応じた材料により形成することができる。本実施形態においては、突起５がダイヤモンド結晶からなるので、第１の層１１ａの材料は、例えば、ダイヤモンドとの密着性の高いＴｉやＲｕ等とすることが好ましい。Ｔｉは、比較的低い温度でのアニールによって、ダイヤモンドとのオーミック性接触がとれるので、第１の層１１ａの材料として特に好ましい。また、第２の層１１ｂの材料は、例えば、ＷやＭｏ等とすることができる。
【００３８】
次に、図４及び図５を参照して、電子放出素子１の作製方法について説明する。まず、図４（ａ）に示されるように、基材１３を用意する。基材１３は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のいずれかの型のダイヤモンドからなる。続いて、基材１３の端部１３ａを研磨し、図４（ｂ）に示されるような基材１５を形成する。この基材１５は、メサ形状の端部１５ａを有する。その後、ＩＣＰエッチング装置（ＩＣＰ：Inductively coupled Plasma）を用いて、基材１５の端部１５ａをエッチングし、図４（ｃ）に示されるように、基材３と突起５とを形成する。
【００３９】
その後、ＲＦスパッタ法等の周知の成膜方法を用いて、図５（ｂ）に示されるように、基材３及び突起５の表面に導電性皮膜１７を形成する。導電性皮膜１７の材料はＴｉである。そして、収束イオンビーム法を用いて、突起５の先端部５ｂの表面に形成された導電性皮膜を除去し突起５の先端部５ｂの表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に減少するように導電性皮膜１７を加工して導電性皮膜７を形成する。この工程により、滑らかな表面を有する導電性皮膜７が形成される。この導電性皮膜７の表面と突起５の表面とは、導電性皮膜７の終端部において、滑らかに接続されている。以上の工程によって、電子放出素子１が作製される。以上説明した電子放出素子１の作成方法によれば、突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜７を備える電子放出素子を作製することができる。なお、突起５の先端部５ｂの表面を露出させる工程に用いられる加工方法は、収束イオンビーム法に限られない。例えば、金属粒子のようなクラスターを含むペーストを突起５の先端部５ｂに付着させた後に導電性皮膜を形成し、その後に有機溶剤中での超音波洗浄によってペーストを除去し、突起５の先端部５ｂを露出させる、という方法でもよい。また、導電性皮膜１７を加工する工程においては、収束イオンビーム法に限らす、ナノスケールの加工が可能な周知の方法を用いることができる。
【００４０】
ここで、電子放出素子１の作製方法は、上記の作製方法に限らず、例えば、次のような作製方法でもよい。基材１５の端部１５ａをエッチングし、基材３と突起５とを形成した後に、底壁と側壁からなる箱状のマスクＭを用意する。このマスクＭは、突起５の先端部５ｂを含み基端部５ａを除く突起５の先端領域５ｄを、突起５の表面に接することなく被覆可能である。続いて、図６（ａ）示されるように、マスクＭを突起５に被せる。この場合、マスクＭは、突起５の先端領域５ｄを突起５の表面に接することなく被覆する。ここで、マスクＭの内面と突起５の側面との間隔Ｗは、例えば、０．１μｍ程度とすることが好ましい。そして、このマスクＭを用いたスパッタリングにより、基材３の表面と、突起５の先端部５ｂの表面を除く突起の表面と、に導電性皮膜７を形成する。この電子放出素子１の作成方法によれば、導電性皮膜７を形成する工程において、スパッタリングのターゲット物質が突起５の表面とマスクＭとの間へ回り込んで突起５の表面に堆積されので、突起５の基端部５ａから先端部５ｂに向かう方向に連続的に厚さが減少する導電性皮膜７を形成することができる。したがって、この電子放出素子１の作製方法によれば、突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に厚さが減少している導電性皮膜７を備える電子放出素子１を作製することができる。
【実施例１】
【００４１】
次に、実施例１に係る電子放出素子１について説明する。まず、実施例１に係る電子放出素子１の具体的な作製方法について説明する。ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなる基材１３を用意し、その端部１３ａを機械研磨し、メサ形状の端部１５ａを有する基材１５を形成した。続いて、この基材１５の端部１５ａを、ＩＣＰエッチング装置を用いてエッチングし、高さ３０μｍ、太さ６μｍの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有する突起５を形成するとともに基材３を形成した。続いて、基材３及び突起５の表面上に、ＲＦスパッタ法により、厚さ略１００ｎｍのＴｉ層と厚さ略１０００ｎｍのＷ層とが、この順に積層されてなる導電性皮膜１７を形成した。その後、真空中において略１０００℃でアニールを施した。その結果、基材３及び突起５の表面と導電性皮膜１７とは、アニールにより発生したＴｉＣ層によりオーミック接触がとられている。そして、収束イオンビーム法を用いて、突起５の先端部５ｂの表面に形成された導電性皮膜を除去し突起５の先端部５ｂの表面を露出させると共に、導電性皮膜の厚さが突起５の基端部５ａから先端部５ｂへ向かう方向に連続的に減少するように導電性皮膜１７を加工して導電性皮膜７を形成した。以上の工程によって、実施例１に係る電子放出素子１が作製された。
【００４２】
以上のようにして作製された実施例１に係る電子放出素子１のＳＥＭ写真を図７に示す。図７における矢印Ｒ１は、導電性皮膜７が形成されている領域を示しており、矢印Ｒ２は、導電性皮膜７が形成されておらず、突起５の表面が露出している領域を示している。図７に示されたＳＥＭ写真によれば、突起５の先端部５ｂは表面が露出しており、突起５の先端部５ｂ以外の領域には導電性皮膜７が形成されていることがわかる。この電子放出素子１の電子放出特性を図８に示す。図８に示された図表によれば、実施例１に係る電子放出素子１は、従来の電子放出素子に比べて、エミッション電流に対する角電流密度が大きいことがわかる。
【実施例２】
【００４３】
次に、実施例２に係る電子放出素子１について説明する。実施例２に係る電子放出素子１の突起５は、ＩＩａ型ダイヤモンド結晶からなる。また、突起５の先端部５ｂは、エピタキシャル成長膜によって被覆された後に、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例２に係る電子放出素子１のその他の構成は実施例１に係る電子放出素子１と同様である。この電子放出素子１は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子１によれば、略１０００℃の動作温度において略１５０μＡのエミッション電流を得ることができた。また、この電子放出素子１によれば、略５００℃の動作温度において略５０μＡのエミッション電流を得ることができた。
【実施例３】
【００４４】
次に、実施例３に係る電子放出素子１について説明する。実施例３に係る電子放出素子１の突起５は、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶からなり、高さ５０μｍ、太さ１０μｍの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起５の先端部５ｂは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例３に係る電子放出素子１のその他の構成は、実施例１に係る電子放出素子１と同様である。この電子放出素子１は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子１は、略１０００℃の動作温度において、略１００μＡのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略１ｍＡ／ｓｒであった。
【実施例４】
【００４５】
次に、実施例４に係る電子放出素子１について説明する。実施例４に係る電子放出素子１の突起５は、ＩＩｂ型ダイヤモンド結晶からなり、高さ２０μｍ、太さ６μｍの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起５の先端部５ｂは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例４に係る電子放出素子１のその他の構成は、実施例１に係る電子放出素子１と同様である。この電子放出素子１は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子１は、略１０００℃の動作温度において、略１００μＡのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略０．５ｍＡ／ｓｒであった。
【実施例５】
【００４６】
次に、実施例５に係る電子放出素子１について説明する。実施例５に係る電子放出素子１の突起５は、Ｉｂ型ダイヤモンド結晶からなり、高さ３０μｍ、太さ６μｍの仮想的な円柱体内に収容可能な形状を有している。また、突起５の先端部５ｂは、収束イオンビーム法によって曲面状に加工されている。実施例５に係る電子放出素子１のその他の構成は、実施例１に係る電子放出素子１と同様である。この電子放出素子１は、電子銃チップとして機能する。この電子放出素子１は、略１０００℃の動作温度において、略１００μＡのエミッション電流を放出し、その際の角電流密度は略１ｍＡ／ｓｒであった。
【００４７】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。また、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００４８】
１…電子放出素子、３，１３，１５…基材、３ａ，１３ａ，１５ａ…端部、３ｂ…端面、５，６ａ，６ｂ…突起、５ａ…基端部、５ｂ…先端部、５ｃ…側面、５ｄ…先端領域、７，９，１１，１７…導電性皮膜、７ａ…表面、１１ａ…第１の層、１１ｂ…第２の層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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