(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
前記陰極と該陰極に隣接する電子放出領域に跨って、かつ電気絶縁性薄膜を介してゲート電極を設け、前記陰極に対して正となる電圧を前記ゲート電極に印加することにより、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くして電子に対するトンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極への電子放出を生じ易くしたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成され、
前記電気絶縁性薄膜上に、前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて形成されており、
前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
請求項２において、
前記電気絶縁性薄膜は、膜厚の薄い薄膜部分と該薄膜部分よりも膜厚の厚い第１、第２の厚膜部分を有し、
前記陰極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第１の厚膜部分から前記薄膜部分まで延び、
前記陽極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第２の厚膜部分だけに形成されており、
前記電気絶縁性薄膜に電子がチャージアップされるのを抑制することを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
請求項２において、
前記ゲート電極は、厚い第１の部分と該第１の部分よりも薄い第２の部分とを有すると共に、前記電気絶縁性薄膜で覆われており、
前記ゲート電極の前記第２の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陰極が形成され、
前記ゲート電極の前記第１の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陽極が形成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
絶縁性基板又は半導体基板上に前記陰極とゲート電極とが形成され、
前記ゲート電極は電気絶縁性薄膜で覆われ、
前記電気絶縁性薄膜上に前記陽極が形成されており、
前記陰極と前記ゲート電極との間には前記電気絶縁性薄膜が介在し、
前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成されていて、該電気絶縁性薄膜の一部面域上に前記陰極が形成され、
前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて空間的に分離されており、
前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】
請求項６において、
前記ゲート電極は凸部を有し、
該凸部を含む前記ゲート電極を前記電気絶縁性薄膜が被覆し、
前記陰極は、前記凸部を囲む前記電気絶縁性薄膜上に形成され、
前記ゲート電極の前記凸部の頂部面は、前記陰極と比べて前記陽極に近い位置にあることを特徴とする電子放出素子。
【請求項８】
請求項４、あるいは請求項５、又は請求項７において、
前記ゲート電極は、前記陰極に近い側よりも前記陽極側に近い側が狭くなる断面台形状になっていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項９】
請求項４又は請求項５、あるいは請求項７において、
電子放出面近傍の前記ゲート電極と前記陰極との間の前記電気絶縁性薄膜を他の領域の前記電気絶縁性薄膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１０】
陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、
半導体基板の一方の主面側に前記陰極と電気絶縁性薄膜とが位置し、また、前記半導体基板の他方の主面にはゲート電極が形成され、
前記陰極は、前記半導体領域上と前記電気絶縁性薄膜とに跨って形成されており、
前記陽極は前記電気絶縁性薄膜上に形成され、
前記陰極と前記ゲート電極とは前記半導体基板とそれぞれ接合をなし、
前記接合の降伏電圧は、前記電気絶縁性薄膜の破壊電圧よりも小さくなるように設定され、
前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、
前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかにおいて、
前記陰極における電子放出面を薄い第２の電気絶縁性薄膜で覆い、実効的な電子放出面の電子障壁を低下させたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載した前記電子放出素子の前記電子放出領域は真空であり、前記ゲート電極に正電圧又はゼロ電圧を印加することによってオンとなり、該ゲート電極にゼロ電圧又は負の電圧を印加することによって、オフとなる３極真空管又は電力用スイッチ素子として用いることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１３】
請求項２ないし請求項１２のいずれかの電子放出素子を用いた電子放出型のセンサにおいて、
第４の電極を、前記電気絶縁性薄膜の面に前記陽極及び前記陰極と離して設けるか、又は前記陽極及び前記陰極と空間的に分離して設け、前記陰極を基準として前記陽極に第１の正電圧を印加し、前記ゲートに第２の正電圧を印加して、前記電子放出素子の電子放出を促進するとともに、第４の電極に正又は負の第３の電圧を印加して、陽極の電流及び第４の電極の電流を検出することにより、前記陽極と前記陰極との近傍における磁気、真空度などの状態を検出することを特徴とする電子放出型のセンサ。
【請求項１４】
請求項２ないし請求項１２のいずれかの電子放出素子を用いた電気分解装置において、
前記陽極と前記陰極との間に電気分解される液体又は気体を存在させ、
前記陰極を基準として前記陽極に第１の正電圧を印加すると共に、前記ゲート電極に第２の正電圧を印加することにより、
前記電子放出素子の電子放出が促進され、前記液体又は気体の電気分解を促進することを特徴とする電気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出面近傍にゲート電極を備え、そのゲート電極にバイアスを印加することにより陰極からの電子放出を促進する電子放出素子、及びその電子放出素子を用いた磁気センサ又は真空センサのような電子放出型のセンサ、電気分解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の電子放出デバイスが提案され、フラットディスプレイなどへの応用が試みられている。当初はｓｐｉｎｄｔ形とよばれる先を尖らせた円錐形の陰極が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、この構造は電子放出させるのに高い電圧が必要なことや、加工が難しいなどの問題点がある。また、気相合成ダイヤモンドなど負の電子親和力（ＮＥＡ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）を呈する材料で構成される電子エミッタが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この電子エミッタもピラミッド状に形成され、電子放出部分の先端が尖っており、ダイヤモンドなどの表面処理やその周囲の環境により特性が変化する不安定性などの問題を有する。
【０００３】
また、近年では、カーボンナノチューブを電子放出物質として用い、効果的に電子放出を行うことが提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。カーボンナノチューブは、低電圧でナノスケールの微小な先端から電子放出が可能なことから、フラットディスプレイや電子顕微鏡の電子源などへの応用が試みられている。しかしながら、カーボンナノチューブはシリコンチップに結合力の弱いファンデルワールス力で支持されているために、堅牢性に乏しく、環境によってはカーボンナノチューブ自体が化学変化を起こし、特性が劣化するなどの問題が考えられる。また、実効的な集積密度を大きくするのは困難であり、大きな放出電流を得難いという問題もある。また、低い電圧でも十分に電子を放出するために、表面の屈折率が２．５以上である非晶質炭素膜を用いて冷陰極素子を構成するものも提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００４】
更にまた、カソード電極上に電気絶縁層を介してゲート電極を形成し、カソード電極から放出された電子ができるだけ多く陽極に到達するようにしているものも多数提案されている。例えば、陰極から放出された電子の散乱を軽減し、電子ビーム径を小さくするものとして、カソード電極上に電気絶縁層を介してゲート電極を形成し、カソード電極を薄くした面域上に電子放出膜を設け、陽極との距離が電子放出膜、電気絶縁層、ゲート電極の順になるように形成している発明がある（例えば、特許文献６参照）。この提案によれば、前述のような効果が得られるが、電気絶縁膜のチャージアップが大きくなり、電子が放出され難くなるという欠点がある。また，これらのゲート電極は、電子放出を支配する陰極放出面の真空に対する障壁幅を効率よく狭めて、積極的に電子放出を促進しているものではない。さらに、これらのゲート電極は陰極に対して開放状態で、このゲートに捕獲される電子も生じるため、陽極に電子を到達させるためには、ゲートに印加する電圧の調整が必要となる。 さらに、従来の３極真空管に代表される真空管デバイスは、電子の高速動作のため、限られた用途ではあるが現在でも使用されている。これらほとんどのデバイスは熱電子放出機構を利用したものであり、陰極を加熱するためのヒータや駆動回路が必要であり、温度変化による電子放出の変動が大きいばかりではなく消費電力も大きく、素子の経時変化による劣化等のデメリットが多い。本発明によるゲート電極による電子放出促進機構をこれらの真空管に応用することにより、低制御電力動作で、堅牢な高速真空電子素子が実現できる。
【特許文献１】特開平０７−０６５６９７号公報
【特許文献２】特開２０００−１２３７１１公報
【特許文献３】特開２０００−２６８７０５公報
【特許文献４】特開２０００−２８５７９５公報
【特許文献５】特開２００１−２５０４７０公報
【特許文献６】特開２００３−１０９４８９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献に開示されている電子放出素子は、いずれも加工が困難な陰極構造や特殊な電子放出物質を用いねばならず、非常に条件が管理されている環境下で用いねばならない。更に、従来のゲート電極はいずれも、陰極から放出された電子をできるだけ多く陽極に、又は陽極の所定箇所に到達させる働きを行うだけであるので、特別の材質の陰極を用いなければ、放出電流の大きな電子放出を行う電子放出素子を得るのは困難であるという欠点がある。すなわち、従来のゲート電極は陰極から放出された電子を制御するのが主であり、電子放出の積極的な促進作用は有してはいない。
【０００６】
本発明は、電子を放出する陰極近傍に電気絶縁型のゲート電極を設け、その電気絶縁型のゲート電極に、陰極が呈する電位障壁のトンネル効果を促進する大きさのバイアス電圧を印加することにより、陰極から電子が放出され易くすることを特徴とし、特に、ナノレベルの加工精度を必要とせず、化学的に不安定で経時変化しやすい仕事関数の小さな電子放出材料を必要としないので，従来に比べて条件の悪い環境下でも用いることが可能で、製造が容易で堅牢性に富んだ放出電流の大きな電子放出デバイス及び３極真空管（以下、本発明では総称して電子放出素子という。）を提供することを課題としている。つまり、本発明はゲート電極によって陰極からいかに多くの電子を放出させ易くするかというところに特徴がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、前記課題を解決するために、陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、前記陰極と該陰極に隣接する電子放出領域に跨って、かつ電気絶縁性薄膜を介してゲート電極を設け、前記陰極に対して正となる電圧を前記ゲート電極に印加することにより、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くして電子に対するトンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極への電子放出を生じ易くしたことを特徴とする電子放出素子を提供する。
【０００８】
第２の発明は、陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成され、前記電気絶縁性薄膜上に、前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて形成されており、前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【０００９】
第３の発明は、前記第２の発明において、前記電気絶縁性薄膜は、膜厚の薄い薄膜部分と該薄膜部分よりも膜厚の厚い第１、第２の厚膜部分を有し、前記陰極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第１の厚膜部分から前記薄膜部分まで延び、前記陽極は、前記電気絶縁性薄膜の前記第２の厚膜部分だけに形成されており、前記電気絶縁性薄膜に電子がチャージアップされるのを抑制することを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１０】
第４の発明は、前記第２の発明において、前記ゲート電極は、厚い第１の部分と該第１の部分よりも薄い第２の部分とを有すると共に、前記電気絶縁性薄膜で覆われており、前記ゲート電極の前記第２の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陰極が形成され、前記ゲート電極の前記第１の部分に形成されている前記電気絶縁性薄膜の上に前記陽極が形成されることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１１】
第５の発明は、陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、絶縁性基板又は半導体基板上に前記陰極とゲート電極とが形成され、前記ゲート電極は電気絶縁性薄膜で覆われ、前記電気絶縁性薄膜上に前記陽極が形成されており、前記陰極と前記ゲート電極との間には前記電気絶縁性薄膜が介在し、前記陰極と前記陽極との間は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１２】
第６の発明は、陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、ゲート電極上に電気絶縁性薄膜が形成されていて、該電気絶縁性薄膜の一部面域上に前記陰極が形成され、前記陰極と前記陽極とが互いに所定距離離れて空間的に分離されており、前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１３】
第７の発明は、前記第６の発明において、前記ゲート電極は凸部を有し、その凸部を含む前記ゲート電極を前記電気絶縁性薄膜が被覆し、前記陰極は、前記凸部を囲む前記電気絶縁性薄膜上に形成され、前記ゲート電極の前記凸部の頂部面は、前記陰極と比べて前記陽極に近い位置にあることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１４】
第８の発明は、前記第４の発明又は前記第５の発明、あるいは前記第７において、前記ゲート電極は、前記陰極に近い側よりも前記陽極側に近い側が狭くなる断面台形状になっていることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１５】
第９の発明は、前記第４の発明又は前記第５の発明、あるいは前記第７の発明において、電子放出面近傍の前記ゲート電極と前記陰極との間の前記電気絶縁性薄膜を他の領域の前記電気絶縁性薄膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１６】
第１０の発明は、陰極から陽極へ向けて電子を放出する電子放出素子において、半導体基板の一方の主面側に前記陰極と電気絶縁性薄膜とが位置し、また、前記半導体基板の他方の主面にはゲート電極が形成され、前記陰極は、前記半導体領域上と前記電気絶縁性薄膜とに跨って形成されており、前記陽極は前記電気絶縁性薄膜上に形成され、前記陰極と前記ゲート電極とは前記半導体基板とそれぞれ接合をなし、前記接合の降伏電圧は、前記電気絶縁性薄膜の破壊電圧よりも小さくなるように設定され、前記陰極と前記陽極との間の周囲は真空であるか、又は液体あるいは気体が存在し、前記ゲート電極近傍における前記陰極の電子放出面の障壁幅を狭くする電圧を前記ゲート電極に印加することによって、トンネル効果を促進し、前記陰極から前記陽極へ向けての電子放出を生じ易くすることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１７】
第１１の発明は、前記第１の発明ないし前記第１０の発明のいずれかにおいて、前記陰極における電子放出面を薄い第２の電気絶縁性薄膜で覆い、実効的な電子放出面の電子障壁を低下させたことを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１８】
第１２の発明は、前記第１の発明ないし前記第１１の発明のいずれかに記載した前記電子放出素子の前記電子放出領域は真空であり、前記ゲート電極に正電圧又はゼロ電圧を印加することによってオンとなり、そのゲート電極にゼロ電圧又は負の電圧を印加することによって、オフとなる３極真空管又は電力用スイッチ素子として用いることを特徴とする電子放出素子を提供する。
【００１９】
第１３の発明は、前記第２の発明ないし前記第１２の発明のいずれかの電子放出素子を用いた電子放出型のセンサにおいて、第４の電極を、前記電気絶縁性薄膜の面に前記陽極及び前記陰極と離して設けるか、又は前記陽極及び前記陰極と空間的に分離して設け、前記陰極を基準として前記陽極に第１の正電圧を印加し、前記ゲートに第２の正電圧を印加して、前記電子放出素子の電子放出を促進するとともに、第４の電極に正又は負の第３の電圧を印加して、陽極の電流及び第４の電極の電流を検出することにより、前記陽極と前記陰極との近傍における磁気、真空度などの状態を検出することを特徴とする電子放出型のセンサを提供する。
【００２０】
第１４の発明は、前記第２の発明ないし前記第１２の発明のいずれかの電子放出素子を用いた電気分解装置において、前記陽極と前記陰極との間に電気分解される液体又は気体を存在させ、前記陰極を基準として前記陽極に第１の正電圧を印加すると共に、前記ゲート電極に第２の正電圧を印加することにより、前記電子放出素子の電子放出が促進され、前記液体又は気体の電気分解を促進することを特徴とする電気分解装置を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
前記第１の発明によれば、電子に対するトンネル効果を促進できるので放出電流密度を増大できる。また、陰極と陽極間の低電圧化も可能であり、電子は直接ゲート電極に流れないので、陽極への電子の到達率を向上できる。さらに、化学的に安定な金属材料も陰極として用いることができ、電子放出素子の堅牢性も達成できる。陰極と陽極の幅を増加させることにより大電流化を図ることができ、パワー半導体デバイスであるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と同様な電力用スイッチを実現できる。この場合、半導体を用いた電力用デバイスに比べて、陰極と陽極間を数１０分の１から数１００分の１の長さに短縮できるので、非常にコンパクトな高耐圧デバイスも実現できる。
【００２２】
前記第２の発明によれば、電子放出領域を真空にした場合は、ゲート電極により電子放出を制御する集積回路等や電力用の３極真空管に応用が可能となり、真空センサなどにも応用できる。また、電子放出領域を液体あるいは気体にすることにより、放出された電子による液体の電気分解や、気体のイオン化等を利用したセンサなどへの応用が可能になる。さらに、ゲート電圧により電子放出量が増大するので、電気分解や気体のイオン化などの高速化が期待できる。
【００２３】
前記第３の発明によれば、陰極から放出された電子の電気絶縁性薄膜上の散乱や、電気絶縁性薄膜５上への帯電、つまりチャージアップを防止できる。また、静電破壊電圧を増大させることにより堅牢性が向上できる。
【００２４】
前記第４の発明によれば、電子放出素子の集積化を図って電子放出電流を増大させることができる。
【００２５】
前記第５の発明によれば、絶縁性基板上に電子放出素子の集積化を図ることにより電子放出電流を増大させることができる。
【００２６】
前記第６の発明によれば、陽極からの電界は電気絶縁性薄膜５に対してほぼ法線方向に作用するので、電子放出面から放出された電子の電気絶縁性薄膜上での散乱や、電子放出素子へのチャージアップを抑制できる。
【００２７】
前記第７の発明によれば、電子放出領域を高集積化することにより電子放出素子の大電流化が図れるので、フラットディスプレイなどの高輝度化が達成できる。
【００２８】
前記第８の発明によれば、電子放出面から放出された電子の電気絶縁性薄膜上での散乱や、電子放出素子へのチャージアップを抑制できる。
【００２９】
前記第９の発明によれば、電子放出素子の制御性を低下させることなく、高耐圧化を図ることができる。
【００３０】
前記第１０の発明によれば、逆バイアスショットキー接合を利用することによって、電気絶縁性薄膜の静電破壊を防止することができる。
【００３１】
前記第１１の発明によれば、障壁高さを低下させることによってトンネル効果を促進できるので、電子放出を促進させることができ、放出電流密度を増大できる。
【００３２】
前記第１２の発明によれば、第1の発明ないし第１１の発明に係る電子放出素子のゲート電極の電圧を正、又は０に制御することによりオンとなり、ゲート電極の電圧をゼロ、又は負に制御することによりオフとなる、３極真空管又は電力用スイッチ素子として動作させることができる。
【００３３】
前記第１３の発明によれば、磁気や真空をセンシングする電子放出型の感度の良好なセンサを実現できる。
【００３４】
前記第１４の発明によれば、高速で電気分解を行うことができ、水の電気分解に応用すれば、高速に水素ガスや酸素ガスを生成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
[実施形態１]
図１及び図２によって請求項１の第1の発明を実施するための実施形態１に係る電子放出素子について説明する。図１は電子放出素子の基本構造を示し、図２はゲート電圧による電子放出の促進作用を説明するためのエネルギー状態図である。図１に示すように本電子放出素子の構成は、電子放出領域である電子放出空間１を挟んで位置する陰極２及び陽極３と、陰極２に近接させて設けたゲート電極４からなり、３端子型のデバイス構造となる。ゲート電極４は、薄い電気絶縁性薄膜５（数ｎｍから数１００ｎｍ程度）を介して、陰極２の電子放出面６にほぼ直交し、かつ電子放出面６と真空空間である電子放出領域１とに跨って配置される。この電子放出素子にあっては、電子放出領域１を真空空間とし、陰極２と陽極３との間隔を応用に合わせて適宜（数ｎｍから数ｍｍ程度に）設定することにより、集積回路等に応用できる微小の電子放出デバイス、つまり微小の３極真空管や電力用の３極真空管又は電力用スイッチ素子、さらにディスプレー用の電子放出デバイスにも応用できる。
【００３６】
前述したようにこの実施形態の電子放出素子にあっては、電気絶縁性薄膜５を介在させたゲート電極４を陰極２の電子放出面６近傍に設けているので、陰極２に対して正となる電圧を陽極３に印加した状態で、陰極２に対して正となる電圧をゲート電極４に印加することにより、ゲート電極４近傍の電子放出面６の障壁幅が狭くなり、電子に対するトンネル効果が促進され、放出電流密度を増大できる。また、ゲート電圧の制御による電子放出促進効果により、陰極２と陽極３間の低電圧化も可能であり、電子は直接ゲート電極に流れないので、陽極３への電子の到達率を向上できる。ゲート電極４の薄い電気絶縁性薄膜５の厚みは、応用に応じて設定する必要があり、低電圧の集積回路や３極真空管においては数ｎｍ程度にし、電力用の３極真空管やディスプレー用の電子放出デバイスにおいては数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度の範囲内で適宜選択する。
【００３７】
この電子放出素子の動作原理について説明すると、図２の曲線（ａ）に示すように、陰極２と陽極３間のみに電圧を印加して、ゲート電極４に電圧を印加しない場合は、陰極２内の電子には電子放出空間１に対して障壁が存在するために、電子放出は生じにくい。図２の曲線（ｂ）に示すように、ゲート電極４に電圧を印加することによりゲート電極４近傍の陰極２の表面電界が１０７Ｖ／ｃｍ程度以上になると障壁幅が狭くなり、トンネル効果が生じやすくなって電子放出を促進させることができる。この場合の電子放出が生じる領域の大部分は、ゲート電極４直下の電気絶縁性薄膜５近傍における電子放出面６の数ｎｍ程度の幅に限られ、ゲート電極４から離れるに従って電子放出作用は低下する。このように電子放出面６の内の限られた幅ではあるが、障壁幅を著しく低下させることができるので電子放出量を促進できる。
【００３８】
したがって、第１の発明の電子放出素子によれば、電気絶縁性薄膜５を介在させたゲート電極４を陰極２の電子放出面６近傍に設けて、陰極２に対して正となる電圧をゲート電極４に印加することにより、ゲート電極４近傍の電子放出面６の障壁幅が狭くなり、電子に対するトンネル効果が促進され、放出電流密度を増大できる。また、ゲート電極４の電圧制御による電子放出促進効果により、陰極２と陽極３間の低電圧化も可能であり、電子は直接ゲート電極４に流れないので、陽極３への電子の到達率を向上できる。さらに、従来では仕事関数が大きく電子放出には不向きとされているが、化学的に安定な金属材料も陰極２として用いることができ、電子放出素子の堅牢性も達成できる。勿論、陰極の電子放出材料としては、適宜、仕事関数の小さな材料等の電子放出の生じやすい材料や負の電子親和力を持つ材料を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
[実施形態２]
図３によって請求項２に係る第２の発明を実施するための実施形態２の電子放出素子について説明する。図３において、図１で示した記号と同一の記号は図１の部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態２の電子放出素子は基板を用いている。図３（Ａ）に示すように、不純物濃度の高い半導体あるいは導電性材料からなる導電性基板７Ａをゲート領域あるいはゲート電極４として用い、その一方の表面に電気絶縁性薄膜５を形成し、さらに電気絶縁性薄膜５上に陰極２と陽極３とを形成している。導電性基板７Ａとしては、金属材料でも合金材料を用いても良い。作成プロセスに耐え得るだけの厚みの導電性基板７Ａを用い、表面に電気絶縁物を形成する。電気絶縁物材料としては種々あるが、図３（Ａ）に示す電子放出素子では、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）膜を用いた例について示す。ＳｉＯ２膜をスパッタにより１００ｎｍほど導電性基板７Ａ上に堆積させ、陰極２及び陽極３となる金属材料をスパッタ又は蒸着で形成する。陽極３と陰極２のパターニングを行って電極を形成することで、電子放出素子が実現できる。
【００４０】
また、この実施形態２では導電性基板を用いているが、別の実施例として図３（Ｂ）に示すように、加工の容易なＳｉ基板のような半導体基板７Ｂを用いてもよい。ただし、この場合はゲート電圧によるバイアス効果を上げるために０．１Ωｃｍ以下の抵抗率の半導体基板が望ましい。また、同図に示すように半導体基板７Ｂの他方の面にゲート電極４を形成する必要がある。Ｓｉ基板の場合は、熱酸化により緻密な酸化膜を作成することができる。ただし、半導体基板７Ｂの抵抗率が大きい場合には、ゲート領域となるＳｉ基板にオーミック電極を形成する工程が増える。さらに、別の実施例として図３（Ｃ）に示すように、絶縁性基板７Ｃを用いても、第２の発明による電子放出素子が実現できる。この場合は、ガラスなどの絶縁性基板７Ｃを用いて、その上にゲート電極４及び電気絶縁性薄膜５をスパッタにより形成し、部分的にゲート電極４のパッド部の電気絶縁性薄膜５を開口する。続いて、陰極材料をスパッタして、陰極２と陽極３のパターニングを行うことで、図３（Ｃ）の電子放出素子を作成できる。この第２の発明によれば、図３に示すように前記第１の発明による電子放出素子を、簡易プロセスの横型構造で形成できる。なお、動作原理は前記第１の発明と同様であるので説明を省略する。
【００４１】
[実施形態３]
図４によって、請求項３に係る第３の発明の実施形態３に係る電子放出素子について説明する。図４において、図１〜図３で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第３の発明によれば、前記第２の発明と電子放出の原理は同様であるが、電子放出領域１の下の面域に比べて陽極３の下の面域における電気絶縁性薄膜５を厚くし、陰極２の一部分を電気絶縁性薄膜５の薄い部分に形成して、陰極２から上方にある陽極３方向へ放出電子を向けることで、放出電子が電気絶縁性薄膜５上を散乱することなく、陽極３へ到達させることができる。また、この構造では、電子放出領域１以外の電気絶縁性薄膜５を厚く形成し、静電破壊電圧を増大させて堅牢性を向上できる。この実施形態３の場合は、厚い電気絶縁性薄膜５を形成したあとに、フォトリソグラフィーにより電子放出領域１周辺の酸化膜を一旦除去し、薄い電気絶縁性薄膜５を再度形成することにより、図４の構造を実現できる。その他の電極形成法や応用などについては、前述した第２の発明の実施形態２と全く同様となる。この第３の発明においても、前記第２の発明と同様に、半導体基板や絶縁性基板を用いても実現できる。なお、動作原理は前記第２の発明の電子放出素子とほぼ同様であるので、動作説明については省略する。
【００４２】
[実施形態４]
図５及び図６によって、請求項４の第４の発明に係る実施形態４の電子放出素子について説明する。図５、図６において、図１〜図４で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態４の電子放出素子は、図５に示すように、前記第２の発明による電子放出素子を縦型構造に形成したものであり、電子放出素子の集積化を図って電子放出電流を増大させることができる。実施形態４の電子放出素子は、ゲート電極４として前記第２の発明と同様に導電性基板、又は半導体基板を用いることができる。
【００４３】
次に、導電性基板を用いた場合の実施例の製作プロセスを図６により説明すると、先ず、図６（Ａ）に示すように、厚みを適宜選択した導電性基板７Ａの一方の表面に、電気絶縁性薄膜５を堆積する。この場合は、電気絶縁性薄膜５としてＳｉＯ２膜を用い、厚みを１μｍ程度として８００Ｖ程度の絶縁破壊電圧に耐えるようにする。次にフォトレジストでマスク９を形成する。続いて図６（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜をエッチングし、導電性基板７Ａをエッチングする。この際、急峻な側壁を得るためには、リアクティブイオンエッチング等の異方性の強いエッチングを用いる。さらに図６（Ｃ）に示すように、導電性基板７Ａのエッチングした面域などを覆うように電気絶縁性薄膜５を形成するが、この厚みは数ｎｍから数１００ｎｍ程度であり、集積回路用や電力用のスイッチなどの仕様に合わせて設定する。
【００４４】
次に、電気絶縁性薄膜５を覆うように電極材料１０をスパッタにより形成し、図６（Ｄ）に示すようにフォトレジストの粘度などを調整して、側壁部がレジスト１１で覆われない条件で塗布し、つまり、電極材料１０の側壁部が覆われないように塗布した状態でベーキングする。続いて、前記側壁部の電極材料１０をエッチングすることで、陰極２、陽極３が形成され、図６（Ｅ）に示すような第４の発明の電子放出素子が得られる。この電子放出素子では、図３（Ａ）で示した実施形態２の電子放出素子と同様に導電性基板７Ａがゲート電極４となり、陰極２、陽極３が電気絶縁性薄膜５を介してゲート電極４である導電性基板７Ａに対設される。この実施形態では導電性基板７Ａを用いているが、図３（Ｂ）に示したように、加工の容易なＳｉ基板のような半導体基板を用いてもよい。この場合は、半導体基板にゲート電極を形成する必要がある。この場合もゲート電極４のバイアス効果を上げるために半導体基板とゲート電極のオーミック性が良好であることが望ましいので、０．１Ωｃｍ以下程度の抵抗率の基板を用いるのが良い。なお、Ｓｉ基板の場合は、熱酸化により緻密な酸化膜も作成可能である。
【００４５】
[実施形態５]
図７によって、請求項５の第５の発明に係る実施形態５の電子放出素子について説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）において、図１〜図６で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。実施形態５の電子放出素子は。図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ガラスなどの絶縁性基板７Ｃを用い、その上にスパッタなどによりに電極材料を堆積し、リアクティブイオンエッチングなどを行って不要部分を削除してゲート電極４を形成する。電気絶縁性薄膜５をスパッタにより形成し、部分的にゲート電極４のパッド部の電気絶縁性薄膜５を開口する。その際、陰極下となる電気絶縁性薄膜５を除去した場合は図７（Ａ）のデバイス構造となり、陰極下となる電気絶縁性薄膜５を除去しない場合は図７（Ｂ）のデバイス構造となる。続いて、電極材料をスパッタして、陰極２と陽極３のパターニングを行うことで、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す電子放出素子を作成できる。また、ゲート電極材料として導電性の高い、つまり不純物濃度の高い半導体を用い、リアクティブイオンエッチングなどにより不要部分を削除してゲート電極４を形成してもよい。この第５の発明によれば、比較的簡単なプロセスで薄い電気絶縁性フィルムなどに、電子放出素子を集積化することができる。なお、動作原理は前記第４の発明と同様であるので説明を省略する。
【００４６】
[実施形態６]
図８によって、請求項６の第６の発明に係る実施形態６の電子放出素子について説明する。図８において、図１〜図７で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第６の発明は、図８に示すように陰極２と陽極３とが分離した構造であり、フラットディスプレイなどへの応用可能な電子放出素子が簡易プロセスで実現可能となる。第６の発明によれば、電気絶縁性薄膜５のほぼ法線方向に陽極３からの電界が作用するので、電子放出面から放出された電子の電気絶縁性薄膜５上の散乱やチャージアップを抑制できるという特徴を有する。
【００４７】
この実施形態６の電子放出素子は、図８に示すように陰極２と陽極３とが電気的かつ空間的に分離しており、フラットディスプレイなどの電子放出デバイスを簡易プロセスで実現できる。なお、図８は電子放出デバイスの１画素を示しており、他の画素もこれに並列構造で形成されている。この電子放出デバイスにおいて、ゲート電極４として導電性基板７Ａを用いる場合の製作プロセスについて説明する。導電性基板７Ａの表面にＳｉＯ２膜などの電気絶縁性薄膜５、さらにその上に電極材料をスパッタなどにより堆積する。次に、堆積された電極材料の一部をマスクし、エッチングして陰極２を形成することにより、電子放出素子を簡易プロセスで作成できる。
【００４８】
次に、第６の発明における電子放出素子の動作原理を説明する。陽極３と陰極２間に電圧を印加した状態では電子放出は生じないが、この状態で陰極２に対して正となる電圧をゲート電極４に印加すると、陰極２のゲート電極４に近い側壁領域において、真空準位に対する障壁幅が小さくなり電子放出が促進される。このデバイスにおいては、電気絶縁性薄膜５の表面に対して法線方向に陽極３からの電界が生じるので、この放出電子は電気絶縁性薄膜５上を散乱せずに、また、この電気絶縁性薄膜５上にチャージアップすることがない。また、この実施形態６の電子放出デバイスの周囲が液体であれば、電気分解等への応用も可能であり、この場合は電子放出の促進作用により、電気分解の高速化が図れる。この実施形態６の陰極２と陽極３とについては、応用に応じて適宜間隔を設定するが、陰極２と陽極３とは分離していても、あるいは絶縁物を介して連結させても良い。なお、この実施形態については、導電性基板７Ａを用いた製作プロセスについて説明したが、前記第４の発明と同様に、半導体基板や絶縁性基板を用いてもよい。
【００４９】
[実施形態７]
図９によって、請求項７の第７の発明に係る実施形態７の電子放出素子について説明する。図９において、図１〜図８で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第７の発明は、前記第６の発明と動作原理は同様であるが、図９に示すように凸形のゲート構造に採用することで、電子放出素子の電子放出領域１の高集積化により大電流化が図れるので、フラットディスプレイなどの高輝度化が達成できるところに特徴がある。
【００５０】
この実施形態７に係る電子放出素子は、図９（Ａ）に示すように、前記第６の発明による電子放出素子のゲート電極４を凸形構造にしたものであり、電子放出領域の高集積化により大電流化が図れる。図９（Ａ）も電子放出素子の１画素について示したものである。次にこの実施例の製作プロセスについて説明する。このデバイスの陰極部とゲート電極部の製作に関しては、前記第４の発明に係る電子デバイスの製作方法とほぼ同様となり、図６（Ａ）から図６（Ｄ）に示す通り、凸形のゲート電極部とその表面を覆う電気絶縁膜性薄膜５とを形成し、さらにその上に電極材料を形成するまでは同様のプロセスとなる。しかしながら、この第７の発明の電子放出デバイスの製作にあたっては、フォトレジストの粘度を低目に調整することにより、凸形部の頂部面と側壁部とがレジストで覆われない条件で塗布し、電極材料をエッチングする必要がある。このプロセスにより、図９（Ａ）に示す第７の発明の電子放出デバイスが作成できる。また、フォトレジストの粘度を調整して、凸形部の頂部面と底部面はレジストで覆われ、凸形部の側壁部はレジストで覆われない条件で作成しても良い。この場合は図９（Ｂ）の電子放出デバイスが実現でき、凸形部の頂部面に形成された第４の電極１５を制御電極として用いることができる。
【００５１】
この実施形態７では導電性基板をゲート電極４として用いているが、加工の容易なＳｉ基板などの半導体基板を用いても良い。この場合もゲート電極４のバイアス効果を上げるために０．１Ωｃｍ以下程度の抵抗率の半導体基板が望ましい。Ｓｉ基板の場合は、熱酸化により緻密な酸化膜も作成可能である。また、この実施形態７の電子放出デバイスの周囲が液体であれば、電気分解などへの応用も可能であり、この場合は電子放出の促進作用により電気分解の高速化が図れる。この実施形態の陰極２と陽極３とについては、応用に応じて適宜間隔を設定するが、陰極２と陽極３は分離しても、絶縁物を介して連結しても良い。更にまた、前記実施形態と同様に基板として絶縁性基板を用い、その絶縁基板にゲート電極を形成してもよい。
【００５２】
[実施形態８]
図１０によって、請求項８の第８の発明に係る実施形態８の電子放出素子について説明する。図１０において、図１〜図９で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第８の発明の電子放出素子は、前記第４の発明あるいは前記第７の発明による電子放出素子のゲート電極４を台形形状にすることにより、ゲート電極４上における電気絶縁性薄膜５の接線方向の電界緩和を図ったものであり、陰極２から放出される電子の電気絶縁性薄膜５上の散乱やチャージアップを防止することができる。それぞれ、前記第４の発明に適用した場合を図１０（Ａ）に示し、前記第７の発明に適用した場合を図１０（Ｂ）に示している。
【００５３】
最初に、前記実施形態４の電子放出素子に適用した場合の実施形態について図１０（Ａ）を用いて説明する。この電子放出の製作プロセスについては、前記第４の発明の電子放出デバイスの製作プロセスを示す図６とほぼ同様であるが、図６（Ｂ）に示すような急峻な側壁を形成するような垂直方向に異方性の強いエッチングを採用せずに、幾分等方性のあるエッチング技術を用いて横方向のアンダーエッチを利用し、台形形状のゲート領域を形成する。これから後のプロセスについては、図６とほぼ同様となり、この実施形態８を実施形態４に適用した場合の電子放出デバイスが実現できる。このデバイスの場合は台形形状のゲート電極の採用により、陰極２から放出された電子に対してはゲート電極４上の電気絶縁性薄膜５に沿う方向よりも、陰極２に対して垂直方向の電界が強いので、放出電子の電気絶縁性薄膜５上の散乱やチャージアップを防止できる。したがって、放出された電子を効率よく陽極３へ輸送できる。
【００５４】
次に、図１０（Ｂ）を用いて、この第８の発明を実施形態７の電子放出素子に適用した場合について説明する。この電子放出の製作プロセスについては、台形形状のゲート領域４の作成とその上への電気絶縁性薄膜５の堆積、さらに陰極２の電極材料の堆積までは、この第８の発明を前記第４の発明の電子放出素子に適用した場合の製作プロセスと同様である。異なる点は、フォトレジストの粘度を低く目に調整することにより、凸形部の頂部面と側壁部がレジストで覆われない条件で塗布した後にベーキングし、電極材料をエッチングする点である。このプロセスにより、この第８の発明を実施形態７に適用した場合の縦型の電子放出デバイスが作成できる。このデバイスにおいても、台形形状のゲート電極の採用により、陰極２から放出される電子の電気絶縁性薄膜５上の散乱やチャージアップを防止することができる。また図面は示さないが、請求項７の発明による実施形態７の図９（Ｂ）の電子放出デバイスと同様に、凸形部の頂部面上に第４の電極１５を制御電極として形成しても良い。なお、この実施形態８については、導電性基板を用いてゲート電極（ゲート領域を含む）を形成する製作プロセスについて説明したが、ゲート電極を導電率の高い半導体基板で形成しても良いし、また絶縁性基板上に作成しても良い。これらの電子放出デバイスは実施形態４及び実施形態７の電子放出デバイスと同様に、電子放出デバイスの周囲の空間が真空であれば、３極真空管として動作させることができ、また、この実施形態８の電子放出デバイスの周囲が液体であれば、電子放出の促進作用と放出された電子の陽極３への到達が高効率となり、電気分解の高速化が図れる。
【００５５】
[実施形態９]
図１１によって、請求項９の第９の発明に係る実施形態９の電子放出素子について説明する。図１１において、図１〜図１０で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第９の発明は、前記第４の発明ないし前記第８の発明のいずれかの電子放出素子における電子放出面近傍のゲート電極４と陰極２との間の電気絶縁性薄膜５を薄くして制御性を高め、それ以外の電気絶縁性膜５を厚くして高耐圧化を図ったものであり、制御性と堅牢性の向上を図ることができる。図１１は第９の発明を実施形態４に適用した場合であり、この図を用いて実施形態９について説明する。製作プロセスについては、図６に示した前記第４の発明の電子放出デバイスの製作プロセスと図６（Ｃ）における電気絶縁性薄膜を形成するまでのプロセスは同様であるが、この電気絶縁性薄膜５の耐圧を大きくするために厚めに形成する。
【００５６】
次に、フォトレジストの粘度を調整して、凸形部の頂部面と下部面との電気絶縁性薄膜がレジストで覆われ、側壁部がレジストで覆われない条件で塗布し、ベーキングする。続いて、側壁部の電気絶縁性薄膜部分のみをエッチングし、再度電気絶縁性薄膜５を薄めに形成する。この膜厚については、用途に合わせて数ｎｍから数１００ｎｍ程度で適宜選択する。以降の電極形成については、実施形態４における図６（Ｄ）、（Ｅ）に示したプロセスと同様となり、この第９の発明を実施形態４に適用した場合の電子放出デバイスが実現できる。このデバイスにおいては電子放出面近傍のゲート電極４と陰極２との間の電気絶縁性薄膜５を薄くすることによって、電子放出を促進させて制御性を高めることができ、それ以外の電気絶縁性膜５は厚くして高耐圧化を図ることができるので、制御性と堅牢性の双方とも向上させることができる。この第９の発明を図１０に示した実施形態８に適用した場合、その製作プロセスは実施形態８と同様となるので説明を省略する。上述の実施形態では導電性基板を用いているが、半導体基板や絶縁性基板上にゲート電極４を形成してもよい。この第９の発明の応用についても、前記実施形態４の電子放出デバイスと同様となる。
【００５７】
[実施形態１０]
図１２によって、請求項１０の第１０の発明に係る実施形態１０の電子放出素子について説明する。図１２において、図１〜図１１で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第１０の発明は、前記実施形態３ないし前記実施形態９の電子放出デバイスにおいて、陰極２と電気絶縁性薄膜５とゲート電極４からなる構造を逆バイアスのショットキー接合により短絡することで、電気絶縁性薄膜５の静電破壊防止を実現したところに特徴がある。この実施形態１０は実施形態３の電子放出素子の横型構造に適用したものであり、実施形態１０の電子放出素子ではｎ型半導体基板１２を用いている。電子放出領域近傍の電気絶縁性薄膜５の厚みは応用により異なるが、集積回路などや低耐圧の三極真空管では数ｎｍの厚みで、その静電破壊電圧は数１０Ｖ、電力用の三極真空管や電気分解の応用ではその厚みは数１０ｎｍ程度であり、その静電破壊電圧は数１００Ｖ程度となる。このような電子放出デバイスとして動作させる場合には、陰極２とゲート電極４間にも正電圧が印加されるので、電子放出領域１近傍の電気絶縁性薄膜５が薄い場合には、静電破壊を防止する必要が生じる。
【００５８】
この実施形態１０の電子放出素子ではｎ型半導体基板１２をゲート領域としている。この構造では、ｎ型半導体基板１２の一方の主面側にショットキー接合１３を形成するゲート電極４を備え、他方の主面側に電気絶縁性薄膜５を形成し、その一部を除去して陰極２を形成して、さらにｎ型半導体基板１２との間にショットキー接合１３を形成している。したがって、陰極２とｎ型半導体基板１２間、ゲート電極４とｎ型半導体基板１２間の両者にショットキー接合１３が形成される。なお、陽極３下の電気絶縁性薄膜５の厚みを１μｍ程度とすれば、その静電破壊電圧は８００Ｖ程度となり、静電破壊は生じにくい。動作状態では、陰極２とゲート電極４間には正電圧が印加されるが、この場合にショットキー接合１３は逆バイアスとなるので、印加電圧は短絡されることはなく、ゲート制御により電子放出が可能となる。このショットキー接合１３の降伏電圧を電子放出領域１近傍の電気絶縁性薄膜５の静電破壊電圧よりも小さくなるように設定しておくことにより、大きな電圧が陰極２とゲート電極４間に印加されても、逆バイアス状態にあるショットキー接合１３が降伏してこれ以上大きな電圧が印加されないので、電気絶縁性薄膜５の静電破壊を防止することが可能となる。また、逆極性の電圧がゲート電極４に印加された場合も陰極２とｎ型半導体基板１２間のショットキー接合１３は順方向となるが、ｎ型半導体基板１２とゲート電極４間のショットキー接合１３は逆方向となるので、同様に大きな電圧が印加されると逆方向のショットキー接合１３が降伏し、これ以上電圧が印加されるのが防止できる。したがって、確実に電気絶縁性薄膜５の静電破壊を防止できる。
【００５９】
本実施形態１０の製作プロセスについて説明する。図１２において、最初にｎ型半導体基板１２の表面における陽極３の下の面域に、二酸化シリコン薄膜を熱酸化により１μｍ程度の厚みに形成する。次に、陽極３の下面に相当する面域以外の電気絶縁性薄膜をフォトエッチングによりエッチングする。続いて、再度電気絶縁性薄膜５となる二酸化シリコン薄膜を熱酸化により数ｎｍ程度で形成する。この膜厚の静電破壊電圧は数１０Ｖ程度となる。さらに、陰極２の下面となる面域に相当する電気絶縁性薄膜をフォトエッチングにより除去し、しかる後に電極材料をスパッタ等で形成し、陰極２、陽極３及びゲート電極４を形成することによって、図１２に示す本実施形態の電子放出デバイスが実現できる。この構造では、ｎ型半導体基板１２の抵抗率を０．５Ωｃｍから数Ωｃｍ程度にすることにより、陰極２とｎ型半導体基板１２との間にショットキー接合を形成できる。このショットキー接合の逆耐圧は、ｎ型半導体基板１２の抵抗率により変化させることができ、上記の抵抗率では数Ｖから数１０Ｖ程度となる。
【００６０】
次にこの実施形態１０の電子放出素子の動作について説明する。動作状態では、陰極２に対してゲート電極４に正となる電圧が印加される。この極性においては、陰極２とｎ型半導体基板１２間のショットキー接合は逆バイアスであり、ゲート電極４とｎ型半導体基板１２間のショットキー接合は順バイアスとなるので、陰極２とｎ型半導体基板１２間の逆バイアスのショットキー接合に並列接続構成となる陰極２と電気絶縁性薄膜５とｎ型半導体基板１２との間に大きな電圧が印加され、電子放出が促進される。この極性の印加電圧を大きくしていくと、逆バイアス状態のショットキー接合が降伏状態となり、これ以上電圧が印加されるのが防止できる。このショットキー接合の降伏電圧を電子放出領域１近傍の電気絶縁性薄膜５の静電破壊電圧よりも小さくなるように設定することにより、陰極２とゲート電極間４との間に大きな電圧が印加されても、ショットキー接合が降伏して電気絶縁性薄膜５の静電破壊を防止することができる。また、逆極性の電圧がゲート電極４に印加された場合も陰極２とｎ型半導体基板１２間のショットキー接合は順方向、ｎ型半導体基板１２とゲート電極４間のショットキー接合は逆方向となるので、同様に逆極性においても大きな電圧が印加されるのを防止できる。なお、この実施例においては基板としてｎ型半導体基板を用いているが、ｐ型半導体基板を用いてショットキー接合を形成してもよい。さらに、プロセス的に多少工程数が増えるが、ショットキー接合に変えてｐｎ接合を用いても良い。この場合にはｐｎｐ型又はｎｐｎ型の半導体素子を基板として用い、基板と陰極２、基板とゲート電極４間はオーミック接触とすればよい。
【００６１】
[実施形態１１]
図１３ないし図１５によって、請求項１１の第１１の発明に係る実施形態１１の電子放出素子について説明する。図１３において、図１〜図１２で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。第１１の発明によれば、前記第２の発明ないし前記第１０の発明のいずれかの電子放出素子において、陰極２の電子放出領域１に臨む電子放出面を数Åから数１０Å程度の薄い第２の電気的絶縁性薄膜１４で覆うことによって、実効的な電子の障壁高さを低下させることに特徴がある。図１４（Ａ）は、本発明を実施したデバイスの電圧が印加される前のエネルギー状態を示している。図１４（Ｂ）において、曲線（ａ）は陰極２に第２の電気的絶縁性薄膜１４を形成しておらず、ゲート電圧を印加しない状態の電子のエネルギー状態を示す。また、曲線（ｂ）は陰極２に第２の電気的絶縁性薄膜１４を形成し、ゲート電圧を印加しない状態の電子のエネルギー状態を示し、曲線（ｃ）はゲート電圧を印加した状態の電子のエネルギー状態を示している。図１４（Ｂ）から、陰極２に第２の電気的絶縁性薄膜１４を形成することにより障壁高さが低下し、トンネル効果が促進されるので、ゲート電圧を印加することによって、より一層トンネル効果が有効となり、電子放出を促進できることが明らかである。
【００６２】
図１５は、この第１１の発明を図４に示した前記実施形態３の横型構造に適用した場合における電子放出素子の他の一実施例を示している。この実施例のデバイスのプロセスは、前記実施形態３の電子放出デバイスのプロセスとほとんど同様であるが、最終段階で電子放出面近傍に数Åから数１０Å程度の薄い第２の電気的絶縁性薄膜１４を形成している。この第２の電気的絶縁性薄膜１４の働きは、図１３に示した電子放出素子の第２の電気的絶縁性薄膜１４と全く同じである。なお、図１５に示す電子放出素子は、ゲート電極４として導電性基板を用いているが、半導体基板や絶縁性基板の上にゲート電極を形成してもよい。図１５に示す電子放出素子は、第１１の発明を実施形態３の電子放出素子に適用した場合を示しているが、同様に前記実施形態２、前記実施形態４ないし前記実施形態１０の電子放出素子にも適用できる。
【００６３】
[実施形態１２]
請求項１２の第１２の発明に係る実施形態１２については図示しないが、前記実施形態１ない前記実施形態１１の電子放出素子において電子放出領域１を真空空間にした場合は、ゲート電極４により電子放出を制御する集積回路などや電力用の３極真空管に応用が可能となる。この電子放出デバイスの周囲の空間が真空であれば、このデバイスは３極真空管として動作させることができ、陰極２と陽極３間を１０ｎｍ以下とすれば、集積回路としての応用が可能であり、陰極２と陽極３間を１０ｎｍから１０μｍ程度すれば、耐圧数１０Ｖから数１０００Ｖの電力用スイッチ素子に応用できる。また、陰極２の幅と陽極３の幅とを増大させることにより大電流化を図ることができ、既存のパワー半導体デバイスであるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴと同様な電力用スイッチ素子を実現できる。半導体を用いた電力用デバイスに比べて、陰極２と陽極３間を数１０分の１から数１００分の１の長さに短縮できるので、非常に小型の高耐圧デバイスを実現できる。
【００６４】
この実施形態の一実施例は、陰極２と陽極３との間に電圧が印加され、ゲート電極４に電圧を印加しない状態ではトンネル電流が生じないノーマリオフ型の３極真空管又は電力用スイッチ素子を示しており、この場合には、陰極２に対して正となる電圧をゲート電極４に印加すると、ノーマリオフ型の３極真空管又は電力用スイッチ素子はオンで、ゲート電極から電圧を除去するとオフである。また、他の一実施例として、陰極２と陽極３との間に電圧が印加され、ゲート電極４に電圧を印加しない状態でもトンネル電流を生じるノーマリオン型の３極真空管又は電力用スイッチ素子とすることもできる。この場合には、陰極２に対して負となる電圧をゲート電極４に印加することにより、ノーマリオン型の３極真空管又は電力用スイッチ素子をオフさせることができる。このようなノーマリオン型の３極真空管又は電力用スイッチ素子では、陰極２と陽極３との間の電界をかなり大きくしなければならず、また、陰極２の全面で行われる電子放出をゲート電極の負電圧で止めさせるためには、凸形ゲート構造の電極を採用し、単一ユニットの陰極幅を狭める必要がある。したがって、この場合には、第１２の発明を実施形態４、実施形態５、実施形態７〜実施形態９に適用するのが好ましい。なおこの場合は、陰極の電子放出領域以外の陰極領域は絶縁物で覆うなどして、電子放出が生じないような配慮が必要となる。
【００６５】
具体例を示すと、ノーマリオン型の電力用スイッチ素子における陰極２と陽極３との間の寸法が０．１μｍ程度であれば、陰極２と陽極３間に１００Ｖ程度の電圧を印加することによりトンネル電流が生じオンする。この場合、ゲート電極４が凸形状であって、陰極２の幅が０．０３μｍ程度以下のときには、陰極２に対して−１０Ｖ程度の電圧をゲート電極４に印加することにより、ノーマリオン型の電力用スイッチ素子をオフすることができる。このように、ノーマリオン型の電力用スイッチ素子であっても、陰極幅を狭めた陰極構造とすることによって、実用的な大きさのゲート電圧でオフさせることができ、非常に小型のノーマリオン型の電力用スイッチ素子を実現できる。３極真空管についても同様なことが言える。
【００６６】
[実施形態１３]
図１６ないし図２３によって、請求項１３の第１３の発明に係る実施形態１３の電子放出素子の各具体例について説明する。図１６ないし図２３において、図１〜図１５で用いた記号と同じ記号はそれら図面で用いた部材と同じ名称の部材を示すものとする。この第１３の発明は、前記実施形態２ないし前記実施形態１１の電子放出素子において、第４の電極１５を設けることにより、陰極２と陽極３との近傍における真空度、磁気などの状態を検出するセンサを実現したものである。検出の機構は、陰極２を基準として陽極３に第１の正電圧を印加し、ゲート電極４に第２の正電圧を印加して電子放出を促進すると共に、第４の電極１５に正又は負の第３の電圧を印加して、陽極３の電流及び第４の電極１５の電流を検出することによる。この第１３の発明により、磁気や真空を検出する電子放出型のセンサが実現できる。この実施形態１３の電子放出素子の製作プロセスは、前記実施形態２の電子放出デバイスとほぼ同様であるが、陽極３側に第４の電極１５を形成する点が異なる。また、この実施形態１３においては、第４の電極１５は陽極３に対して対象的な位置に配置されている。
【００６７】
次にこの実施形態１３の電子放出素子を磁気センサに応用した場合の電子放出デバイスの一実施例について、図１７を用いて説明する。磁気センサに応用する場合は、陰極２を基準として陽極３に第1の直流電圧源１６により第１の正電圧を印加し、第２の直流電圧源１７によりゲート電極４に第２の正電圧を印加して電子放出を促進すると共に、第４の電極１５にも陰極２に対して陽極３と同じ大きさの正電圧を第1の直流電圧源１６により印加する。この状態では、陽極３と第４の電極１５は陰極２に対して対象位置にあるから、両電極に到達する放出電子電流はほぼ同程度となる。この状態にさらに、陰極２から放出された電子の運動方向と垂直に上方から下方に向かう磁場を印加すると、放出した電子に対してローレンツ力が働く。この場合は陽極３に向かう電子はローレンツ力により第４の電極１５の方向に曲げられることになり、陽極３への電子電流は減少し、第４の電極１５に流れる電流が増加することになる。これらの陽極３及び第４の電極１５の電流差を計測することで、磁気センサに応用することができる。この実施形態１３の磁気センサによれば、半導体を用いた磁気センサに比較して、電子の速度を桁違いに増加できるので、高感度特性が得られる。
【００６８】
同様に図１６の構造の電子放出素子を真空センサに応用した場合の一実施例について、図１８を用いて説明する。この実施例の場合は、陰極２に対して陽極３及びゲート電極４に正電圧を印加する点においては、前述の磁気センサと全く同様であるが、第４の電極１５には、陰極２に対して負となる電圧を第３の直流電圧源１８により印加する点が異なる。このバイアス状態では、陰極２から放出された放出電子が真空中の気体分子と衝突して、気体分子をイオン化させることにより、電子は陽極３に到達し、イオンは第４の電極１５に収集されることになる。このイオン電流は真空の気体分子の数に比例するので、イオン電流を測定することにより、閉じられた雰囲気の真空度が計測できる。従来の電離真空計はフィラメントを用いた熱電子放出を用いているので、真空度の低い状態で使用するとフィラメントが焼損する大きな問題があった。本実施例の真空センサは、原理的には従来の電離真空計と同様であるが、冷陰極の電子放出を用いているので、真空度の低い状態から使用でき、かつ非常に堅牢な真空センサが提供できる。
【００６９】
この第１３の発明における別の一実施例としては、図１９に示すよう、図４に示した前記実施形態３の電子放出素子に適用した場合も可能である。また、図２０に示すように電気絶縁性薄膜５の段差を利用して、陽極３と第４の電極１５それぞれの幅を増大させることにより、電子放出電流を増大させて検出感度を上げることも可能である。また、図２１に示すように、図５に示した前記実施形態４の縦型構造の電子放出素子にも応用することができる。さらに、図２２に示すように、図９に示した前記実施形態７の縦型構造の電子放出素子にも応用して、陽極３と第４の電極１５とを空間的に分離させて形成した電子放出デバイスとすることも可能である。また、図２３に示すように、陽極３を凸型ゲートの頂部面上に形成し、第４の電極１５を空間的に分離させても良いし、図示はしないが逆に第４の電極１５を凸型ゲートの頂部面上に形成し、陽極３を空間的に分離させても良い。さらに図２４に示すように、実施形態５における図７の実施例と同様に、この第１１の発明を絶縁性基板に適用することも可能である。なお、陽極３と第４の電極１５は、必ずしも陰極２に対して対称配置でなくてもよい。そして、これら電子放出デバイスに図１７又は図１８で示したように、陰極２とゲート電極４との間、陰極２と陽極３との間、陰極２と第４の電極１５との間に所定の電圧を印加することによって、磁気センサあるいは真空センサとすることができる。
【００７０】
[実施形態１４]
請求項１４の第１４の発明に係る実施形態１４についても図示しないが、前記実施形態２ないし前記実施形態１１の電子放出素子を電気分解用の電子放出デバイスとして用い、陰極２と陽極３との間の電子放出領域１に電気分解される液体又は気体を存在させ、陰極２と陽極３間に印加された電圧の他に、陰極２とゲート電極４間に正電圧を印加することにより、陰極２からの電子放出が促進され、電気分解の高速性を達成できる。この第１３の発明を水の電気分解に応用すれば、高速に水素ガスや酸素ガスを生成することが可能である。さらに、電子放出を促進するために、ゲート電圧印加と共に電子放出面に光照射を行っても良い。光照射により陰極表面の電子が高いエネルギーレベルに励起されるので、電子に対する実効的な障壁高さを低めることができ、トンネル効果が促進される。なお照射する光は紫外線程度の波長が望ましいが、ランプなどの人工光を用いてもよいし太陽光を用いてもよい。なお、液体中でこの電子放出デバイスを使用する場合は、陰極２及び陽極３に対してゲート電極４を電気的に絶縁する必要がある。
【００７１】
以上の実施形態において基板をほとんど図示していないが、実施形態１、実施形態３、実施形態４、実施形態６ないし実施形態１１では所望の機械的な強度を得るために基板上に形成される場合が多い。また、図１に示す実施形態１の構造、図１３に示す実施形態１１の構造では、基板として絶縁性基板を用いるが、図１６〜図２３に示す電子放出デバイスを含む他の実施形態でも絶縁性基板上に、ゲート電極を形成しても勿論よい。また、ゲート電極を金属薄板などの導電性基板又は半導体基板を用いて形成することも可能である。また、これら基板は図示しない他の電子部品が搭載されている基板であっても良いし、この電子放出素子の基板に他の半導体素子などの電子部品が一緒に搭載されていても勿論よい。また、基板は可撓性を呈する導電性又は電気絶縁性のフィルムであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態１に係る電子放出素子の基本構造を示す図である。
【図２】実施形態１に係る電子放出素子の基本原理を説明するためのである。
【図３】実施形態２に係る電子放出デバイスの基本構造を示す図である。
【図４】実施形態３に係る電子放出デバイスの他の基本構造を示す図である。
【図５】実施形態４に係る電子放出デバイスの他の基本構造を示す図である。
【図６】実施形態４に係る電子放出デバイスの製作プロセスを説明するための図である。
【図７】実施形態５に係る電子放出素子の基本構造を示す図である。
【図８】実施形態６に係る電子放出素子の基本構造を示す図である。
【図９】実施形態７に係る電子放出デバイスの基本構造を示す図である。
【図１０】実施形態８に係る電子放出デバイスの基本構造を示し、実施形態４、実施形態７の電子放出素子に適用した場合を示す図である。
【図１１】第９の発明に係る電子放出素子の基本構造を示し、実施形態４の電子放出素子に適用した場合を示す図である。
【図１２】第１０の発明に係る電子放出素子の基本構造を示し、実施形態３の横型構造の電子放出素子に適用した場合を示す図である。
【図１３】実施形態１１に係る電子放出素子の基本構造を示すための図である。
【図１４】実施形態１１に係る電子放出素子の基本原理を示すための図である。
【図１５】第１１の発明を実施形態３の電子放出素子に適用した場合の基本構造を示す図である。
【図１６】実施形態１３に係る横型構造の電子放出素子の基本構造を示し、実施形態２の電子放出素子に適用した場合を示す図である。
【図１７】第１３の発明を実施形態２の横型構造の電子放出素子に適用し、磁気センサに応用した一実施例を説明するための図である。
【図１８】第１３の発明を実施形態２の横型構造の電子放出素子に適用し、真空センサに応用した一実施例を説明するための図である。
【図１９】第１３の発明を実施形態３の横型構造の電子放出素子に適用した場合の基本構造を説明するための図である。
【図２０】第１３の発明を実施形態３の横型構造の電子放出素子に適用した場合の他の基本構造を説明するための図である。
【図２１】第１３の発明を実施形態４の縦型構造の電子放出素子に適用した場合の基本構造を説明するための図である。
【図２２】第１３の発明を実施形態７の縦型構造の電子放出素子に適用した場合の基本構造を説明するための図である。
【図２３】第１３の発明を実施形態７における他の縦型構造の電子放出素子に適用した場合の基本構造を説明するための図である。
【図２４】第１３の発明を実施形態５の縦型構造の電子放出素子に適用した場合の基本構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・電子放出領域
２・・・陰極
３・・・陽極
４・・・ゲート電極
５・・・電気絶縁性薄膜
６・・・電子放出面
７Ａ・・・導電性基板
７Ｂ・・・半導体基板
７Ｃ・・・絶縁性基板
９・・・フォトレジスト
１０・・・電極材料
１１・・・レジスト材料
１２・・・ｎ型半導体領域
１３・・・ショットキー接合
１４・・・陰極２面上に設けた第２の電気絶縁性薄膜
１５・・・第４の電極
１６〜１８・・・直流電圧源
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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