(57)【要約】【課題】ディスプレィなどに応用可能な高効率電子放出素子を提供する。【解決手段】炭素材料により構成された電子放出部、および前記電子放出部に電子を供給する電極部を具備する電子放出素子において、前記電子放出部と前記電極部との接合界面に絶縁層を設ける。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料により構成された電子放出部、前記電子放出部に電子を供給する電極部、および前記電子放出部と前記電極部との接合界面に設けられた絶縁層を具備することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記炭素材料がダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記ダイヤモンドの表面の少なくとも一部に水素原子を有することを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記電子放出部が粒子状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記粒子の平均粒径が、１０ｎｍ以上０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記電子放出部が薄膜状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記電子放出部の表面が導電性被膜で覆われてい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素子。
【請求項８】
前記絶縁層の厚さが、１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精細な薄型ディスプレィ用の電子線源および微小真空デバイスのエミッタ部分などとして適用可能な、電子を効率的に放出する電子放出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高精細な薄型ディスプレィ用の電子線源、および高速動作が可能な微小真空デバイスのエミッタ部分として、従来の熱陰極電子銃に代わる、加熱を必要としない冷陰極電子源が注目されている。このような電子放出素子のタイプとしては様々なものがあり、電界放出型（ＦＥ型）、表面伝導型（ＳＣ型）およびトンネル注入型（ＭＩＭ型、ＭＩＳ型）などが知られている。これらの素子は、微細加工技術を用いることによって小型化および集積化された構造を有するなどの特徴を有する。
ＦＥ型電子放出素子は、例えば特許文献１に示されるように、微細加工により形成されたシリコン（Ｓｉ）またはモリブデン（Ｍｏ）などで作製されたコーン状の突起部分と、制御電極（ゲート電極）とにより構成される。そして、制御電極に電圧をかけて前記突起部分に電界を印加することにより、前記突起部分の先端に電界集中させ、電子を放出させる。
また、ＳＣ型電子放出素子においては、基板上に形成された薄膜の面内方向に電流を流し、予め形成された電子放出部より電子を取り出す。一般的には、薄膜の通電領域中に存在する微細な亀裂部分より電子を放出させる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第３６６５２４１号明細書
【０００４】
薄型ディスプレィ用の電子線源としてのＦＥ型およびＳＣ型電子放出素子は、ともに、電子放出部と制御電極部との間に大きな電界をかけて電子を放出させ、アノード電極部と制御電極部との間の電界（電子放出部−制御電極間の電界よりも小さな電界強度）で放出させた電子を加速する。加速された電子を、アノード電極表面に塗布されている蛍光体に照射して発光させ、ディスプレィの１画素を表示する。この場合、シリコン（Ｓｉ）またはモリブデン（Ｍｏ）などからの電子を放出させるためには非常に大きな電界を必要とし、この電界を制御電極によって与える必要がある。したがって、電極間のブレークダウンを抑えた低電圧で高電界を得るためには、非常に微細な加工を施して電極間距離を設定する必要がある。
ＭＩＮ型およびＭＩＳ型の電子放出素子においては、金属層（Ｍ）、絶縁体層（Ｉ）および半導体層（Ｓ）などを含む積層構造を形成し、金属側から注入された電子の一部を電子放出部から外部に取り出す。
【０００５】
ところで、炭素により構成されるダイヤモンド、ナノチューブおよびＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ　ｃａｒｂｏｎ）などは、高効率の電子放出源を構成する材料として期待されている。例えば、ダイヤモンドは広禁制帯幅（５．５ｅＶ）を有する半導体材料であり、高硬度、高耐磨耗性、高熱伝導率および化学的不活性など、電子放出素子用の材料として非常に好ましい特性を有している。また、ダイヤモンドの表面状態を制御すると、伝導帯端のエネルギー準位が真空のエネルギー準位よりも高くなる。すなわち、負の電子親和力を有する状態を形成することが可能である。したがって、ダイヤモンド層の伝導帯に電子を注入してやれば、容易に電子を放出させることが可能である。加えて、ダイヤモンドは、一般に炭素系ガス種と水素ガスとを原料ガスとして用いた気相合成法で容易に形成することが可能であり、製造的な面からも優位性を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、一般的に、電子放出材料およびこれを用いた電子放出素子に望まれる特性としては、（１）低電力における電子放出可能性、すなわち電子放出材料を構成する物質の高い電子放出能力、（２）電子放出特性を安定して維持するための、電子放出部の化学的安定性、（３）耐摩耗性および耐熱性、ならびに（４）放出電子の高い集束制御性および電子ビームの高い制御性などがあげられる。
このような観点から上述の従来技術を検討した場合、ＦＥ型およびＳＣ型の電子放出素子においては、放出電流量の電子放出部の形状に対する依存性が大きく、電子放出部の作製および制御が非常に困難であり、用いられている材料の表面の安定性の点で問題があった。
【０００７】
また、ＭＩＮ型およびＭＩＳ型電子放出素子には、一般的に大量の電流を素子に印加する必要があるため、発熱が起こって電子放出特性が不安定になったり寿命が短くなったりするという問題点があった。電子放出を容易にするために、エミッタ部の表面にセシウム（Ｃｓ）層などを設けられることもあるが、このような層は化学的に不安定であり表面の状態が不安定である、すなわち電子放出特性が不安定であるといった問題点もあった。
【０００８】
一方、ダイヤモンドを電子放出部に用いた場合、従来から用いられている他の材料を用いた場合に比べて、エミッタ部の化学的安定性、耐摩耗性および耐熱性が優れている。また、材料の有する電子放出能力についても、負の電子親和力の状態を利用することで、低電力での電子放出が期待できる。しかし、ダイヤモンドは高硬度の材料であるため、電子放出部の形状制御および微細加工が困難である。また、ダイヤモンドは広禁制帯幅（５．５ｅＶ）を有する半導体材料であるため、一般的に伝導帯への電子注入が困難である。
【０００９】
また、例えばナノチューブの集合体、ナノホーンおよびグラファイトの集合体などの炭素により構成される材料が、高効率の電子放出源として機能することが知られている。しかし、これらの炭素により構成される材料に対して、電極からどのように電子を供給するかについて、つまり、炭素により構成される材料と電極との接合については、なんら考慮されていなかった。
そこで、本発明の目的は、炭素により構成される材料を用い、薄型ディスプレィ用の電子線源および微小真空デバイスなどの電子放出部分に容易に適用することができ、簡便な方法で高電流密度の電子を放出することができる電子放出素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子放出素子は、炭素材料により構成された電子放出部、前記電子放出部に電子を供給する電極部を具備し、さらに、前記電子放出部と前記電極部との接合界面に絶縁層を具備する点に特徴を有する。
前記炭素材料がダイヤモンドであるのが好ましい。
また、前記ダイヤモンドの表面の少なくとも一部に水素原子を有するのが好ましい。
【００１１】
この場合、前記電子放出部が粒子状であるのが好ましい。
さらに、前記粒子の平均粒径が、１０ｎｍ以上０．１ｍｍ以下であるのが好ましい。
一方、前記電子放出部が薄膜状であるのも好ましい。
また、前記電子放出部の表面が導電性被膜で覆われているのも好ましい。
また、絶縁層の厚さが、１ｎｍ以上１μｍ以下であるのも好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明に係る電子放出素子は、炭素材料により構成された電子放出部、および前記電子放出部に電子を供給する電極部を具備し、さらに、前記電子放出部と前記電極部との接合界面に絶縁層を具備することを特徴とする。
ここで、図面を参照しながら、本発明に係る電子放出素子のメカニズムについて説明する。図１は、本発明に係る電子放出素子の構造を示す概略断面図である。図１に示すように、電極部１を構成する金属電極基板上に、絶縁層２が積層されており、さらにその表面に炭素材料により構成された粒子状の電子放出部３が形成されている。つまり、前記電子放出部３と前記電極部１との接合界面に絶縁層２を具備した構造を有している。
【００１３】
上記電子放出素子を動作させる場合、電極部１と、例えば電子放出部３の上方に位置する対向電極（図示せず）との間に、電極部１が負、対向電極が正となるように電圧を印加する。印加された電圧は、電子放出部３と電極部１の接合界面に存在する絶縁層２に印加され、絶縁層２に強電界が発生する。上記強電界により電子が、上記電極部１から上記電子放出部３に、絶縁層２をトンネルすることにより注入される。
【００１４】
注入された電子は、例えばダイヤモンドにより構成される電子放出部のＮＥＡ表面から容易に真空中に放出される。電子放出のメカニズムの詳細は不明であるが、絶縁層２における電界集中により電極部１から電子放出部３へ電子注入が起こる構造をとることにより、高効率で安定な電子放出特性が実現される。この場合、絶縁層２は、電極部１と電子放出部３に挟まれた構造をとっており、構造的に安定であり、安定な電子放出特性が得られる。
【００１５】
一方、図２は、本発明に係る別の電子放出素子の構造を示す概略断面図である。図２と同じ構造を有する従来の電子放出素子において、電極部１と薄膜状の電子放出部３の間との接合は、電気伝導をできるだけスムースに実現する目的から、極力ギャップをなくしたオーミック接合として形成される。主として電子放出部１の突端部分での電界集中により電子を真空中に引き出す従来の電子放出素子は、突端部分の形状安定性および電界集中の安定性に問題があり、高効率の安定な電子放出特性の実現が難しかった。これに対し、本発明においては、従来の電極部１から電子放出部３へのをオーミック的な電気伝導による電子の注入から、図１で説明した絶縁層のトンネル電流による注入に変えることにより、本発明の高効率の電子放出素子を実現する。
【００１６】
また前記電子放出素子においては、炭素により構成される物質がダイヤモンドであり、ダイヤモンド粒子が基板上に分散されていることを特徴とする。ダイヤモンドは、表面がＮＥＡ特性を示し、伝導帯の電子が容易に真空に放出され効率よい電子放出素子が実現できる。ダイヤモンドは化学的および熱的に安定で、安定に動作する電子放出素子としても機能するため好ましい。
【００１７】
さらに、前記粒子状ダイヤモンドを構成要素に持つ電子放出部を有する電子放出素子においては、ダイヤモンド粒子の平均粒径が１０ｎｍ以上、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。１０ｎｍ以下の大きさのダイヤモンド粒子は、粒子が小さいために粒子部分での電界集中が小さく、電子放出部であるダイヤモンド粒子と電極部に挟まれた絶縁層における電界を強くすることが難しく好ましくない。０．１ｍｍ以上の場合は、粒子が大きすぎて、一様に分散させて基板上に上記粒子を配置することが難しく、電子放出素子としては好ましくない。
【００１８】
さらに前記電子放出素子においては、炭素により構成される物質の薄膜がダイヤモンドであることが好ましい。ダイヤモンドは、表面がＮＥＡ特性を示し、伝導帯の電子が容易に真空に放出され効率よい電子放出素子が実現できることが確認された。ダイヤモンドは化学的、熱的にも安定で、安定に動作する電子放出素子としても機能し好ましい。
【００１９】
また前記ダイヤモンドを構成要素に持つ電子放出素子においては、ダイヤモンドの表面が少なくとも水素（Ｈ）終端された領域を有していることが好ましい。ダイヤモンド表面が水素終端されていると、安定なＮＥＡ特性を示し、効率的な電子放出が起こり好ましい。
【００２０】
また、電子放出部のダイヤモンド粒子や薄膜の表面が、少なくとも導電性の被覆膜で覆われていると好ましい。この場合、導電性の被覆膜と電極部とが絶縁層をギャップとして挟んで接近した構造を取る部分が存在する。この接近部分で効率的に電化集中が起こり、トンネル電流が流れて、電極部から導電性の被覆膜を含む電子放出部に効率的に電子が注入される。
【００２１】
また、絶縁層の厚さが、１ｎｍ以上１μｍ以下であるのも好ましい。厚さが１ｎｍ以下の場合は、薄い絶縁層の電気的な絶縁性を再現性良く確保するのが難しく、１μｍ以上では、厚い絶縁層をトンネルするような高電界を印加することが難しい傾向にある。絶縁層の厚さが１ｎｍ以上１μｍ以下の範囲で、トンネル電流により電極部から電子放出部に効率的に電子注入できる構造が、再現性・安定性良く構成可能である。
【００２２】
前記絶縁層を構成する材料としては、例えば、酸化ケイ素のほか、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびＳｉＮなどのナイトライド、ＺｎＯ、ＴａＯ、ＴｉＯおよびサファイアなどの酸化物、ＡｌＮおよびＺｎＯに代表されダイヤモンドも含むワイドギャップ半導体、ＬｉＮｂＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴおよびＰＬＺＴなどの酸化物誘電体材料などが挙げられる。
【００２３】
さらに、図３は、本発明に係るさらに別の電子放出素子の構造を示す概略断面図である。図３に示す電子放出素子においては、電極部１と電子放出部３との界面にのみ絶縁層２が設けられる。
以下に、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【００２４】
【実施例】
《実施例１》
本実施例においては、図１に示す構造を有する電子放出素子を作製した。まず、タングステン製の基板で構成される電極部１の表面に、絶縁層２として酸化珪素薄膜をＣＶＤ蒸着した。絶縁層２の厚さは２５０Åとした。上記基板上に電子放出部３となるダイヤモンド粒子を配置した。また、炭素により構成される物質の電子放出部３は平均粒径１μｍのダイヤモンド粒子を分散させた分散剤（ダイヤモンド分散液）をスピンコート法により塗布することで作製した。
【００２５】
さらに上記のようにダイヤモンド粒子を配置した基板上に、メタン（ＣＨ４）および水素（Ｈ２）を含む原料ガスを用い、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を堆積した。このダイヤモンド堆積工程により、電子放出部３表面には電気伝導性の水素終端されたダイヤモンドが堆積された。上記ダイヤモンド薄膜表面はＮＥＡ特性を有していることがＵＰＳ測定により確認された。
【００２６】
以上のような方法で作製した電子放出素子表面から１ｍｍの位置に対向電極を配置し、１０−６Ｐａ程度の真空層内において対向電極に正電圧を印加することで電子放出素子からの放出電流を測定した。その結果、絶縁層を具備しない試料に比べて一桁以上大きな電流密度の電子放出が確認された。
【００２７】
また、ダイヤモンド粒子の平均粒径が１０ｎｍ以上、０．１ｍｍ以下の場合、絶縁層２の厚さが１ｎｍ以上１μｍ以下の場合であれば、本発明を実現することが可能であることを確認した。
さらに、炭素により構成される物質が、例えばナノチューブの集合体、ナノホーンと呼ばれる物質、またはグラファイトの集合体であっても、本発明が実現できることも確認した。
【００２８】
《実施例２》
まず、タングステン製の基板で構成される電極部１の表面に、絶縁層２として酸化珪素薄膜をＣＶＤ蒸着した。絶縁層２の厚さは２５０Åとした。さらに、上記基板上にメタン（ＣＨ４）および水素（Ｈ２）を含む原料ガスを用い、マイクロ波プラズマＣＶＤ法およびバイアス種付け法によりダイヤモンド薄膜を堆積した。このダイヤモンド堆積工程により、表面が電気伝導性の水素終端されたダイヤモンド薄膜が堆積された。
以上のような方法で作製した電子放出素子表面から１ｍｍの位置に対向電極を配置し、１０−６Ｐａ程度の真空層内において、対向電極に正電圧を印加することで電子放出素子からの放出電流を測定した。その結果、絶縁層を有しない試料に比べて一桁以上大きな電流密度の電子放出が確認された。
【００２９】
また、絶縁層２の厚さが１ｎｍ以上１μｍ以下の場合であれば本発明が実現可能であることを確認した。
さらに、炭素により構成される物質が、例えばナノチューブの集合体であったり、ナノホーンと呼ばれる物質であったり、グラファイトの集合体であっても、本発明が実現できることも確認した。
【００３０】
《実施例３》
本実施例においては、図３に示す構造を有する電子放出素子を作製した。まず、タングステン製の基板で構成される電極部１の表面に、絶縁層２として酸化珪素薄膜をＣＶＤ蒸着した。絶縁層２の厚さは２５０Åとした。上記基板上に電子放出部３となるダイヤモンド粒子を配置した。また、炭素により構成される物質の電子放出部３は平均粒径１μｍのダイヤモンド粒子を分散させた分散剤（ダイヤモンド分散液）をスピンコート法により塗布することで作製した。
【００３１】
さらに上記のようにダイヤモンド粒子を配置した基板上に、メタン（ＣＨ４）および水素（Ｈ２）を含む原料ガスを用い、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を堆積した。この工程の後、電子放出部３と電極部１との界面のみに絶縁層２を残した構造を形成（または自己形成）させるために、水素（Ｈ２）を原料ガスとしたプラズマに曝した。これにより、図３に示す構造の電子放出部３が自己形成された。上記ダイヤモンド薄膜表面はＮＥＡ特性を有していることがＵＰＳ測定により確認された。
【００３２】
以上のような方法で作製した電子放出素子表面から１ｍｍの位置に対向電極を配置し、１０−６Ｐａ程度の真空層内において対向電極に正電圧を印加することで電子放出素子からの放出電流を測定した。その結果、絶縁層を具備しない試料に比べて一桁以上大きな電流密度の電子放出が確認された。
【００３３】
また、ダイヤモンド粒子の平均粒径が１０ｎｍ以上、０．１ｍｍ以下の場合、絶縁層２の厚さが１ｎｍ以上１μｍ以下の場合であれば、本発明を実現することが可能であることを確認した。
さらに、炭素により構成される物質が、例えばナノチューブの集合体、ナノホーンと呼ばれる物質、またはグラファイトの集合体であっても、本発明が実現できることも確認した。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る電子放出素子は、簡便な方法で高電流密度の電子放出素子を提供可能とし、薄型ディスプレィ用の電子線源や微小真空デバイスのエミッタ部分として容易に適用可能であるため、その工業的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子放出素子の構成を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明に係る別の電子放出素子の構成を示す概略縦断面図である。
【図３】本発明に係るさらに別の電子放出素子の構成を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１　電極部
２　絶縁層
３　電子放出部
【図１】
2004139762.tif 000003
【図２】
2004139762.tif 000004
【図３】
2004139762.tif 000005