(57)【要約】【課題】比較的低温及び低引き出し電圧のもとで電子放出の可能な電子放出素子、及び、この電子放出素子の作製方法を提供する。【解決手段】電子放出素子２は、ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜６と、エピタキシャル膜６が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部５とを備える。ダイヤモンド突起部５は、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する。更に、電子放出素子２は、エピタキシャル膜６上に設けられた金属膜７を更に備える。また、エピタキシャル膜６はｎ型又はｐ型ドーパントを含有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜と、前記エピタキシャル膜が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部とを備えた電子放出素子であって、
前記ダイヤモンド突起部は、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する、ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記エピタキシャル膜上に設けられた金属膜を更に備え、
前記金属膜は、前記エピタキシャル膜に接合されている、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】
前記エピタキシャル膜は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有し、
前記エピタキシャル膜の前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、
前記エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、０．１０〜４．０ｅＶである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記エピタキシャル膜は、Ｂの元素を含むｐ型ドーパントを含有し、
前記エピタキシャル膜の前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、
前記エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、０．３０〜２．０ｅＶである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記エピタキシャル膜は、第１の層及び第２の層を含み、
前記第１の層は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有し、
前記第２の層は、Ｂの元素を含むｐ型ドーパントを含有しており、
先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部の表面上に前記第１の層が形成され、且つ、この第１の層上に前記第２の層が形成されているか、又は、前記先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部の表面上に前記第２の層が形成され、且つ、この第２の層上に前記第１の層が形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記ダイヤモンド突起部は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、前記先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記先端面を含む前記ダイヤモンド突起部の端部は階段状に先細る形状を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記ダイヤモンド突起部の表面に含まれ前記エピタキシャル膜の形成されている領域の面方位は（１１１）、（１１２）又は（１００）である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記ダイヤモンド突起部は、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のうち少なくとも一の型の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８の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド突起部と一体のベース部を更に備え、
前記ダイヤモンド突起部は前記ベース部の一端に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記ベース部はヘテロエピタキシャル構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の電子放出素子。
【請求項１２】
１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱を包含可能な形状を有しておりＩｂ型、ＩＩａ型又はＩＩｂ型の何れか一の型のダイヤモンド結晶を含むダイヤモンド基材の一端部を研磨しメサ形状とする工程と、
メサ形状となった前記ダイヤモンド基材の端部をエッチングすることによって、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と前記先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し前記円柱内に収容可能な形状を有するダイヤモンド突起部を形成する工程と、
前記ダイヤモンド突起部を形成した後に、ｎ型又はｐ型のドーパントを含有するダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜をプラズマＣＶＤ法によって成膜する工程と、
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、電子放出素子と、電子放出素子の作製方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電子顕微鏡、電子線描画装置、透過型電子顕微鏡等には、ＺｒＯ／Ｗ又はＬａＢ６等の電子銃チップが利用されている。このような電子銃チップ等の電子放出素子は、一般に華氏１８００度以上の高温で利用されるので（非特許文献１）、フェルミ分布の広がり及びフォノン散乱等によって電子放出素子から放出される電子のエネルギーが大きく分散する。これに対し、ダイヤモンドを利用した電子放出素子も開発されている。ダイヤモンドの仕事関数は比較的低いので、ダイヤモンドを利用した電子放出素子は、比較的低温であっても電子放出が可能となる。特に、ｎ型の不純物がドープされたダイヤモンド膜の有効性が知られている（特許文献１）。また、ダイヤモンド膜が、Ｓドープされている場合（非特許文献２）、Ｂドープされている場合（非特許文献３）、ノンドープの場合（非特許文献４）、Ｎドープされている場合（非特許文献５）の何れの場合においても、仕事関数は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。更に、Ｌｉドープされたｎ型のダイヤモンド膜も、比較的低い活性化エネルギーを有するとの報告がある（非特許文献７）。
【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２００５−３１０７２４号公報
【特許文献３】特開２００８−２１０７７５号公報
【特許文献４】特開２００５−０４４６３４号公報
【特許文献５】特開２００８−１９９９３６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Vac. Sci. Technol. 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】Thin-Film Diamond I, Semiconductors and Semimetals Vol. 76, Chapter3, Elsevier Inc., 2003
【非特許文献７】Appl. Phys. Let., 81 , 5, July (2005)  232102
【非特許文献８】Appl. Phys. Let., 82 , 17, Apr (2003)  2904
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなダイヤモンドの電子放出特性に関する様々な研究結果に基づいて、比較的に低温及び低引き出し電圧のもとでも利用可能な電子銃チップの開発が望まれている。そこで、本発明の目的は、比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出の可能な電子放出素子、及び、この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、ダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜と、エピタキシャル膜が形成された領域を含む表面を有するダイヤモンド突起部とを備えた電子放出素子であって、ダイヤモンド突起部は、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド突起部にダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜が形成された構成を有しているので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数によって比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出が可能となる。
【０００７】
本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜上に設けれられた金属膜を更に備え、金属膜は、エピタキシャル膜に接合されているのが好ましい。この金属膜に電流を流すことによって電子放出素子は電子銃として利用可能となる。
【０００８】
本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有し、エピタキシャル膜のｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、０．１０〜４．０ｅＶである、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜は、ドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。
【０００９】
本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、Ｂの元素を含むｐ型ドーパントを含有し、エピタキシャル膜のｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、エピタキシャル膜の活性化エネルギーは、０．３０〜２．０ｅＶである、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜は、ドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。
【００１０】
本発明の電子放出素子では、エピタキシャル膜は、第１の層及び第２の層を含み、第１の層は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有し、第２の層は、Ｂの元素を含むｐ型ドーパントを含有しており、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部の表面上に第１の層が形成され、且つ、この第１の層上に第２の層が形成されているか、又は、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部の表面上に第２の層が形成され、且つ、この第２の層上に第１の層が形成されている、のが好ましい。このように、エピタキシャル膜はｐｎ接合を含むので、バイアス電圧を用いて電子放出を制御できる
【００１１】
本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有する、のが好ましい。このように、ダイヤモンド突起部は細長い形状を有する。
【００１２】
本発明の電子放出素子では、先端面を含むダイヤモンド突起部の端部は階段状に先細る形状を有する、のが好ましい。このように、ダイヤモンド突起部の端部は様々な形状が可能である。
【００１３】
本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部の表面に含まれエピタキシャル膜の形成されている領域の面方位は（１１１）、（１１２）又は（１００）である、のが好ましい。このような面方位によって、エピタキシャル膜の成膜が良好に行える。
【００１４】
本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部は、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含む、のが好ましい。このようなダイヤモンド突起部の結晶構造の場合に、ｎ型ドーパントを含むエピタキシャル膜をダイヤモンド突起部の表面に成膜できる。
【００１５】
本発明の電子放出素子では、ダイヤモンド突起部と一体のベース部を更に備え、ダイヤモンド突起部はベース部の一端に形成されている、のが好ましく、ベース部はヘテロエピタキシャル構造を有する、のが好ましい。ベース部上にダイヤモンド突起部が形成されているので、ベース部を介することによってダイヤモンド突起部の移動等が容易となる。
【００１６】
本発明の電子放出素子の作製方法は、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱を包含可能な形状を有しておりＩｂ型、ＩＩａ型又はＩＩｂ型の何れか一の型のダイヤモンド結晶を含むダイヤモンド基材の一端部を研磨しメサ形状とする工程と、メサ形状となったダイヤモンド基材の端部をエッチングすることによって、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し円柱内に収容可能な形状を有するダイヤモンド突起部を形成する工程と、ダイヤモンド突起部を形成した後に、ｎ型又はｐ型のドーパントを含有するダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜をプラズマＣＶＤ法によって成膜する工程と、を備える、ことを特徴とする。このように、本発明の電子放出素子は、ダイヤモンド突起部にダイヤモンド結晶を含むエピタキシャル膜が形成された構成を有しているので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数によって比較的低温における電子放出が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、比較的低温及び低引き出し電圧のもとであっても電子放出の可能な電子放出素子、及び、この電子放出素子の作製方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】実施形態に係るダイヤモンド突起部のバリエーションを示す図である。
【図３】実施形態に係る電子放出素子の作製方法を説明するための図である。
【図４】実施形態に係るダイヤモンド突起部の撮影画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。また、以下に示す数値は所定の誤差を含む。図１に、実施形態に係る電子放出素子２の断面構成を示す。電子放出素子２は、ベース部４、ダイヤモンド突起部５、エピタキシャル膜６及び金属膜７を備える。
【００２０】
ベース部４とダイヤモンド突起部５とは一体に形成されている。ベース部４とダイヤモンド突起部５とは、何れも、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型の何れか一の型のダイヤモンド結晶から成るが、ベース部４とダイヤモンド突起部５とは同一の材料からなる。この場合、ベース部４は、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含むものとなるが、ダイヤモンド突起部５に接続する部分のダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド突起部５と同様の型（Ｉｂ型、ＩＩａ型又はＩＩｂ型）のダイヤモンド結晶となっている。後述するエピタキシャル膜６をベース部４（更にはダイヤモンド突起部５）の表面に数μｍオーダの厚みに形成する場合、ダイヤモンドの硬度が高いこと、エピタキシャル膜６とベース部４及びダイヤモンド突起部５との熱膨張係数が異なること、更に、ピタキシャル膜６とベース部４及びダイヤモンド突起部５とにおいて格子定数にずれが生じること等によって、エピタキシャル膜６中に歪みが生じ、この歪みによってエピタキシャル膜６に割れ等が生じる場合がある。しかし、ベース部４及びダイヤモンド突起部５が、Ｉｂ型、ＩＩａ型又はＩＩｂ型のダイヤモンド結晶の場合、このような割れ等は低減され、良質なエピタキシャル膜６が形成可能となる。なお、ベース部４は、ヘテロエピタキシャル構造を有していてもよい。このヘテロエピタキシャル構造は、ダイヤモンド結晶が、エピタキシャル成長によって、例えば、シリコン（１００）面、白金（１１１）面、Ｉｒ（１００）面、又は、ＳｉＣ（１００）面等において形成された構成である。
【００２１】
ダイヤモンド突起部５は、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有するが、電子放出素子２を電子銃チップとして用いる場合には、十分な電界集中を実現するために１０〜４００μｍの高さと、５〜１００μｍの太さ（高さ方向に垂直な断面の径の最大値であり、以下同様）とを有する形状が好ましい。ダイヤモンド突起部５は、この円柱内に収容されるものであって、細長い形状を有するものであれば、円錐（又は円錐台）、円柱、角錐（又は角錐台）、角柱等のうち何れの形状であってもよい。例えば、図２（Ａ）に示すダイヤモンド突起部５ａ、図２（Ｂ）に示すダイヤモンド突起部５ｂ、図２（Ｃ）に示すダイヤモンド突起部５ｃ及び図２（Ｄ）に示すダイヤモンド突起部５ｄ等であってもよい。
【００２２】
ダイヤモンド突起部５ａは、円錐形状、又は、円錐台形状を有している。この円錐台形状の端面（ダイヤモンド突起部５ａの先端面）は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部５ａの表面（全表面又は一部）にダイヤモンド膜６ａが形成されている。ダイヤモンド突起部５ｂは、円柱形状を有している。ダイヤモンド突起部５ｂの先端面は、平坦であるが、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部５ｂの表面（全表面又は一部）にダイヤモンド膜６ｂが形成されている。ダイヤモンド突起部５ｃは、円柱に円錐又は円錐台が接合された形状である（すなわち、ダイヤモンド突起部５ｃの端部の形状は円錐又は円錐台となっている）。円錐又は円錐台は円柱の端面に設けられており、円柱の端面と、円錐又は円錐台の底面（円錐台の場合、二つの端面のうち大きい方の端面を意味する）とは同一の形状である。円錐台の端面（ダイヤモンド突起部５ｃの先端面）は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部５ｃの表面（全表面又は一部）にダイヤモンド膜６ｃが形成されている。ダイヤモンド突起部５ｄは、端部が階段状に先細る形状を有している。ダイヤモンド突起部５ｄの先端面は、この階段状を成す形状の最も先端にある面である。このダイヤモンド突起部５ｄの先端面は、平坦であってもよいし、仮想的な球面の一部と同形状であってもよい。ダイヤモンド突起部５ｄの表面（全表面又は一部）にダイヤモンド膜６ｄが形成されている。以上のダイヤモンド突起部５ａ〜ダイヤモンド突起部５ｄ等のダイヤモンド突起部５の先端面は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能である。そして、ダイヤモンド突起部５ａ〜ダイヤモンド突起部５ｄ等のダイヤモンド突起部５の側面は、ダイヤモンド突起部５の先端面の面積よりも大きい。
【００２３】
エピタキシャル膜６は、ベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面（全表面又は一部）に形成されており、ベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面を覆っている。なお、エピタキシャル膜６は、ダイヤモンド突起部５の端部（ダイヤモンド突起部５の先端面を含む部分）の表面のみに形成されていてもよいし、又は、ダイヤモンド突起部５の端部の表面と、ベース部４の表面のうち金属膜７の形成されている部分とにのみ形成されていてもよい。また、エピタキシャル膜６は、ダイヤモンド突起部５の先端面に形成されていなくてもよい。
【００２４】
エピタキシャル膜６は、より多くのキャリアを活性化させるために、比較的低い活性化エネルギーを有する必要がある。Ｐドープされたダイヤモンド結晶は、活性化エネルギーが比較的低い０．６０ｅＶ程度なのでエピタキシャル膜６に好適である。Ｎドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い１．７ｅＶ程度なのでエピタキシャル膜６に好適である。Ｓドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い０．３０〜０．４０ｅＶ程度なのでエピタキシャル膜６に好適である。Ｌｉドープされたダイヤモンド結晶も活性化エネルギーが比較的低い０．１０ｅＶなのでエピタキシャル膜６に好適である。
【００２５】
そこで、エピタキシャル膜６は、Ｌｉ（リチウム）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｎ（窒素）のうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有してもよいし、Ｂ（ホウ素）の元素を含むｐ型ドーパントを含有してもよい。エピタキシャル膜６がｎ型ドーパントを含有する場合、このｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、この場合のエピタキシャル膜６の活性化エネルギーは、０．１０〜４．０ｅＶである。エピタキシャル膜６がｐ型ドーパントを含有する場合、このｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１３〜１×１０２２ｃｍ−３であり、この場合のエピタキシャル膜６の活性化エネルギーは、０．３０〜２．０ｅＶである。
【００２６】
なお、エピタキシャル膜６は、第１の層及び第２の層（不図示）を含んでいてもよい。第１の層は、Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むｎ型ドーパントを含有し、第２の層は、Ｂの元素を含むｐ型ドーパントを含有する。この場合、ダイヤモンド突起部５の先端面を含むダイヤモンド突起部５の端部の表面上に第１の層が形成され、且つ、この第１の層上に第２の層が形成されるか、又は、ダイヤモンド突起部５の先端面を含むダイヤモンド突起部５の端部の表面上に第２の層が形成され、且つ、この第２の層上に第１の層が形成される。また、ドーピングされていなエピタキシャル膜６も利用できる。
【００２７】
また、ベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面に含まれエピタキシャル膜６の形成されている領域の面方位は、Ｐドープされたダイヤモンド膜がもっとも成長しやすいとされる（１１１）面が好ましいが、（００１）面又は（１１２）面であってもよい。実際に、発明者は、これらの面方位の面上において成長させたＰドープされたダイヤモンド膜が均質に形成できたこと、そして、５μｍ以上の厚みのエピタキシャル膜６によってダイヤモンド突起部５の端部を被覆できたこと、を確認している。
【００２８】
金属膜７は、ダイヤモンド結晶に対し高密着性、高温耐性、オーム性接触が可能なものが適しており、例えばＴｉ／Ｗ（チタン／タングステン）から成る。このＴｉ層はエピタキシャル膜６又はベース部４に接合されている。Ｔｉ層上には、Ｗ以外の他の金属層が設けられていてもよい。Ｔｉはダイヤモンドに対して比較的良好な電気的接触をとることのできる金属であり、金属―半導体間の電子注入効率が最も良いと考えられるが、Ｔｉに限らずダイヤモンドにおけるオーミック電極として知られる周知の金属、周知の成膜方法が利用可能である。そして、金属膜７には、電極Ｐが接続される。
【００２９】
以下、図３を参照し、電子放出素子２の作製方法について説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、ダイヤモンド基材４ａを用意する。ダイヤモンド基材４ａは、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱を包含可能な形状（この円柱よりも大きな形状）を有しており、ベース部４及びダイヤモンド突起部５のそれぞれの材料（Ｉｂ型、ＩＩａ型又はＩＩｂ型の何れか一の型のダイヤモンド結晶）を含む。そして、以下の工程によって、ダイヤモンド基材４ａからベース部４及びダイヤモンド突起部５が形成される。すなわち、ダイヤモンド基材４ａの端面８ａを研磨し、図３（Ｂ）に示すようなメサ形状に形成する。ダイヤモンド基材４ａは、この結果、端面８ａ側がメサ形状（メサ形状部分１０）に形成されたダイヤモンド基材４ｂとなる。ダイヤモンド基材４ｂはメサ形状部分１０を有している。
【００３０】
次に、メサ形状部分１０の端面８ｂの中央部分に金属薄膜のマスク９を形成し、ＩＣＰエッチング装置（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を用いてメサ形状部分１０をエッチングし、図３（Ｃ）に示すようなダイヤモンド突起部５を形成する。マスク９は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な大きさ（面積）を有する。メサ形状部分１０がエッチングされることによって、ダイヤモンド基材４ｂから、ベース部４、ダイヤモンド突起部５及び端面８ｃが形成される。ダイヤモンド突起部５は、ベース部４の端面８ｃに形成されており、端面８ｃの上方に延びる形状を有する。ダイヤモンド突起部５は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、この先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有し、１００μｍの直径の底面と１０００μｍの高さとを有する円柱内に収容可能な形状を有する。端面８ｃを含むベース部４の表面、及び、ダイヤモンド突起部５の表面の面方位は、（１１１）、（１１２）又は（１００）である。
【００３１】
この後、図３（Ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面にダイヤモンド結晶から成るエピタキシャル膜６を成膜する。プラズマＣＶＤ法を用いる前に、ベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面が水素プラズマに曝される。これによりベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面を正常かつ平坦に整えることができる。プラズマＣＶＤ法を用いたエピタキシャル膜６の成膜工程は、プラズマの集中による異常成長やエッチング等を回避するために、ダイヤモンド突起部５を、プラズマを発生させる二つの電極間に生じる電界の向きに対し垂直となるように、換言すれば、ダイヤモンド突起部５の軸がこの電界の向きに対しほぼ垂直となる状態で、プラズマＣＶＤ法を用いる。この場合、プラズマの周り込み等も生じ、３６０度全てのオフ角でエピタキシャル成長が可能であり、均等なエピタキシャル膜６が形成される。エピタキシャル膜６がＰドープされる場合、ダイヤモンド突起部５の面のうち、電極に対向する面は（１１１）面（又は（００１）面）が好ましいが、Ｂドープされる場合には、（００１）面が好ましい。そして、エピタキシャル膜６が成膜された後、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）法、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法及びＩＣＰ法の何れか一又は二以上の加工方法を用いて、エピタキシャル膜６の表面を平坦に整形する。なお、この整形加工は、金属膜７をエピタキシャル膜６の全体に形成した後においても行える。
【００３２】
エピタキシャル膜６は、ｎ型のドーパント（Ｌｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎのうちの一又は複数の元素を含むドーパント）、又は、ｐ型のドーパント（Ｂの元素を含むドーパント）を含有する。エピタキシャル膜６は、これに限らず、ｎ型のドーパントを含有する第１の層とｐ型のドーパントを含有する第２の層とを含んでもよい。この場合、ダイヤモンド突起部５の先端面を含むダイヤモンド突起部５の端部の表面上に第１の層が形成され、且つ、この第１の層上に第２の層が形成されるか、又は、ダイヤモンド突起部５の先端面を含むダイヤモンド突起部５の端部の表面上に第２の層が形成され、且つ、この第２の層上に第１の層が形成される。
【００３３】
なお、エピタキシャル膜６がＢの元素を含むｐ型ドーパントを含有する場合、このｐ型ドーパントを含有しベース部４及びダイヤモンド突起部５の表面に含まれるエピタキシャル膜６（又は、第２の層）の形成される部分の好ましい面方位は、（００１）である。また、エピタキシャル膜６の厚みは、例えば、０．５〜２μｍが好ましいが、第１の層及び第２の層を含む場合、各層のそれぞれの厚みは１μｍ以下が好ましい。なお、エピタキシャル膜６は、ダイヤモンド突起部５の先端面に形成されなくてもよい。そして、エピタキシャル膜６の成膜の後、エピタキシャル膜６の表面に金属膜７を形成する。金属膜７は、Ｔｉ／Ｗから成る。以上の工程によって、電子放出素子２が作製される。
【００３４】
以上説明した構成を有する電子放出素子２は、エピタキシャル膜６の仕事関数が比較的低いので、比較的低温において比較的低い引き出し電圧によって電子放出が可能となる。更に、エピタキシャル膜６は、ｎ型又はｐ型のドーパントを含有することによって比較的低い活性化エネルギーを有するので、ダイヤモンドの比較的低い仕事関数と、この比較的低い活性化エネルギーとによって、十分な電子放出性能を実現できる。
【００３５】
また、電子放出素子２は、エピタキシャル膜６を介してショットキー放出できるので、安定性が良い。すなわち、熱放出・電界放出それぞれのモードで動作させる構造を作ることができることに加え、熱電界によるショットキー放出を行うことができる。この放出モードは、熱による電子放出の安定性と、電界放出による放出電子のばらつきの少ない運動量、すなわち、低エネルギー分散性と、を実現できる。
【００３６】
また、エピタキシャル膜６のドーピング構造を選択することによってエピタキシャル膜６の活性化エネルギーを制御できるので、エピタキシャル膜６の安定動作温度・電圧条件をコントロールできる。このように、電界放出用、熱電子放出用又は熱電界電子放出用等のそれぞれの電子放出モードに適したドーピング構造を提供できる。
【００３７】
また、エピタキシャル膜６が第１及び第２の層を含み、エピタキシャル膜６にｐｎ接合が形成されている場合、バイアス電圧を用いて電子放出を制御できる。また、金属膜７が設けられているので、金属膜７に電圧を加えることによって電子放出素子２を電子銃として利用可能となる。また、ダイヤモンド突起部５は、一辺が１μｍの正方形の領域内に収容可能な平坦な先端面と、この先端面の面積よりも大きな面積の側面とを有するので、細長い形状となっている。また、ダイヤモンド突起部５の先端面を含むダイヤモンド突起部５の端部は階段状に先細る形状を有してもよく、このように、ダイヤモンド突起部５の端部は様々な形状が可能である。
【００３８】
なお、ダイヤモンド突起部５の表面に導体被覆膜を設けてもよい。この導体被覆膜は、金属又は金属的な良導体であって、ダイヤモンド突起部５の先端部（電子放出部）の除くダイヤモンド突起部５の他の表面を覆う。このような導体被覆膜は、次のようにして形成される。まず、ダイヤモンド突起部５の全体（ダイヤモンド突起部５の先端部を含む）をこの導体被覆膜で被覆し、この後、ＦＩＢ等の周知のナノスケールの加工方法を用いて、電子放出部を覆う導体被覆膜をエッチングし、この電子放出部のダイヤモンドの表面を露出させる。このようにして、電子放出部を除くダイヤモンド突起部５の表面を被覆する導体被覆膜が形成される。
【００３９】
また、ダイヤモンド突起部５の表面に含まれエピタキシャル膜６の形成されている領域の面方位は（１１１）、（１１２）又は（１００）となっているので、エピタキシャル膜６の成膜が良好に行える。また、ダイヤモンド突起部５は、Ｉｂ型、ＩＩａ型及びＩＩｂ型のうち少なくとも一の型のダイヤモンド結晶を含むので、このようなダイヤモンド突起部５の結晶構造の場合に、ｎ型ドーパントを含むエピタキシャル膜６をダイヤモンド突起部５の表面に成膜できる。また、電子放出素子２はダイヤモンド突起部５と一体のベース部４を更に備え、ダイヤモンド突起部５はベース部４の一端に形成されているので、ベース部４を介することによってダイヤモンド突起部５の移動等が容易となる。
【実施例１】
【００４０】
次に、実施例１に係る電子放出素子２の具体的な作製方法について説明する。実施例１に係る電子放出素子２は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材４ａをＩＩｂ型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ＩＣＰエッチング装置を用いて、高さ３０μｍ、太さ６μｍ、のダイヤモンド突起部５を電子銃針として作製した。この場合のベース部４及びダイヤモンド突起部５の側面の面方位は（１１１）であり、この面に対しプラズマＣＶＤ法によってエピタキシャル膜６を成膜した。エピタキシャル膜６にはＰがドープされた。本実施例１の電子放出素子２のＳＥＭ写真を図４に示す。結晶面が出ていることから、ダイヤモンド突起部５の全体にエピタキシャル膜６が形成されていることがわかる。ダイヤモンド突起部５とエピタキシャル膜６とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。
【実施例２】
【００４１】
次に、実施例２に係る電子放出素子２の具体的な作製方法について説明する。実施例２に係る電子放出素子２は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材４ａをＩＩｂ型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ＩＣＰエッチング装置を用いて、高さ３０μｍ、太さ６μｍ、のダイヤモンド突起部５を電子銃針として作製した。この場合のベース部４及びダイヤモンド突起部５の側面の面方位は（１１１）であり、この面に対しプラズマＣＶＤ法によって、摂氏８７０度及び３００Ｗ（ワット）の元で、Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス及びＰＨ３ガスを導入し、５時間かけて２μｍの膜厚のエピタキシャル膜６を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部５の全体がエピタキシャル膜６によってコーティングされた。エピタキシャル膜６にはＰがドープされた。ダイヤモンド突起部５とエピタキシャル膜６とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏１０００度、引き出し電圧３．５ｋＶの元で、本実施例２の電子銃チップから１００μＡのエミッション電流が得られた。
【実施例３】
【００４２】
次に、実施例３に係る電子放出素子２の具体的な作製方法について説明する。実施例３に係る電子放出素子２は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材４ａをＩＩｂ型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ＩＣＰエッチング装置を用いて、高さ５０μｍ、太さ８μｍ、のダイヤモンド突起部５を電子銃針として作製した。この場合のベース部４及びダイヤモンド突起部５の側面の面方位は（１１１）であり、この面に対しプラズマＣＶＤ法によって、摂氏８７０度及び３００Ｗ（ワット）の元で、Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス及びＰＨ３ガスを導入し、５時間かけて２μｍの膜厚のエピタキシャル膜６を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部５の全体がエピタキシャル膜６によってコーティングされた。エピタキシャル膜６にはＰがドープされた。ダイヤモンド突起部５とエピタキシャル膜６とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏１０００度、引き出し電圧３．５ｋＶの元で、本実施例３の電子銃チップから１５０μＡのエミッション電流が得られた。
【実施例４】
【００４３】
次に、実施例４に係る電子放出素子２の具体的な作製方法について説明する。実施例４に係る電子放出素子２は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材４ａをＩｂ型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ＩＣＰエッチング装置を用いて、高さ３０μｍ、太さ６μｍ、のダイヤモンド突起部５を電子銃針として作製した。この場合のベース部４及びダイヤモンド突起部５の側面の面方位は（１１１）であり、この面に対しプラズマＣＶＤ法によって、摂氏８７０度及び３００Ｗ（ワット）の元で、Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス及びＰＨ３ガスを導入し、５時間かけて２μｍの膜厚のエピタキシャル膜６を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部５の全体がエピタキシャル膜６によってコーティングされた。エピタキシャル膜６にはＰがドープされた。ダイヤモンド突起部５とエピタキシャル膜６とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏１０００度、引き出し電圧３．５ｋＶの元で、本実施例４の電子銃チップから１００μＡのエミッション電流が得られた。
【実施例５】
【００４４】
次に、実施例５に係る電子放出素子２の具体的な作製方法について説明する。実施例５に係る電子放出素子２は、電子銃に用いることを想定して作製された。ダイヤモンド基材４ａをＩＩｂ型のダイヤモンド結晶を含む基材とし、ＩＣＰエッチング装置を用いて、高さ５０μｍ、太さ８μｍ、のダイヤモンド突起部５を電子銃針として作製した。この場合のベース部４及びダイヤモンド突起部５の側面の面方位は（１１１）であり、この面に対しプラズマＣＶＤ法によって、摂氏８７０度及び３００Ｗ（ワット）の元で、Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス及びＰＨ３ガスを導入し、５時間かけて２μｍの膜厚のエピタキシャル膜６を成膜した。少なくともダイヤモンド突起部５の全体がエピタキシャル膜６によってコーティングされた。エピタキシャル膜６にはＰがドープされた。ダイヤモンド突起部５とエピタキシャル膜６とは、所望とする電子銃チップの電子放出部分の形状に整形された。摂氏１０００度、引き出し電圧３．５ｋＶの元で、本実施例５の電子銃チップから１５０μＡのエミッション電流が得られた。
【００４５】
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およ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。本発明は、本実施の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、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００４６】
１０…メサ形状部分、２…電子放出素子、４…ベース部、４ａ，４ｂ…ダイヤモンド基材、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…ダイヤモンド突起部、６…エピタキシャル膜、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…ダイヤモンド膜、７…金属膜、８ａ，８ｂ，８ｃ…端面、９…マスク、Ｐ…電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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