(57)【要約】従来に比べて、より小型で動作電圧が低く、高効率な電子放射素子およびこれを用いた電子線源を提供する。  光を陰極に照射するための発光素子を有し、陰極の少なくとも電子放出面がダイヤモンドからなる構成する。このような構成にすることによって、電子を引き出すための電圧は、従来より大幅に低下させることができ、低電圧駆動が可能な小型の電子放出素子を得ることができる。前記発光素子は、前記陰極と一体に形成されていることが望ましく、また発光素子と電極はダイヤモンドからなることが好ましい。更に、陰極の電子放出面は、ｎ型あるいはｐ型のダイヤモンド半導体であることが望ましい。
2005027172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を陰極に照射するための発光素子を有し、陰極の少なくとも電子放出面がダイヤモンドからなることを特徴とするダイヤモンド電子放出素子。
【請求項２】
前記発光素子が、ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項３】
前記陰極の電子放出面が、ｎ型ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項４】
前記陰極の電子放出面が、ｐ型ダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項５】
前記ｐ型ダイヤモンド半導体が、結晶欠陥あるいはｓｐ２成分を含むことを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項６】
前記陰極の電子放出面が、水素終端されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項７】
前記陰極の電子放出面が、酸素終端されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項８】
前記発光素子が、ダイヤモンドのｐｎ接合、ショットキー接合、もしくはＭＩＳ構造からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項９】
前記陰極の電子放出面が、先鋭な突出部を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１０】
前記発光素子から発光される光の波長エネルギーが、５．０〜５．４ｅＶを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１１】
前記発光素子から発光される光の波長エネルギーが、２．０ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１２】
前記発光素子の光が、ダイヤモンドの不純物準位の電子を伝導帯に励起していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１３】
前記発光素子の光が、ダイヤモンドのバンドギャップ中の準位の電子を伝導帯に励起していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１４】
前記発光素子の光が、ｐ型ダイヤモンド中のグラファイト、非晶質炭素、ダイヤモンドライクカーボン、フラーレン、格子欠陥、転位欠陥、粒界欠陥のいずれかに起因する準位の電子を伝導帯に励起していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１５】
前記ｎ型ダイヤモンドは、窒素、リン、硫黄、リチウムの少なくとも１種類の元素、あるいは、前記いずれかの元素と硼素を不純物として含むことを特徴とする請求項３に記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１６】
前記発光素子が、前記陰極と一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のダイヤモンド電子放出素子。
【請求項１７】
光を陰極に照射するための発光素子と、少なくとも電子放出面がダイヤモンドである陰極とが、共に電子銃の内部に配置されていることを特徴とするダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源。
【請求項１８】
前記少なくとも電子放出面がダイヤモンドである陰極と、空間を隔てて陽極を設置し、陰極に対して正の電圧を陽極に印加することを特徴とする請求項１７に記載のダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源。
【請求項１９】
前記陰極と陽極との間に、前記陰極の放出電子電流を制御する制御電極を設置したことを特徴とする請求項１８に記載のダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、高周波増幅、マイクロ波発振、発光素子、電子線露光装置などの装置に広く用いられる電子線を放出するダイヤモンド電子放出素子およびこのダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源に関するものである。
【背景技術】  近年、電子放出素子として熱陰極に加えて、モリブデンやカーボンナノチューブ等による冷陰極素子の開発が進められている。また、負の電子親和力を持つことから、ダイヤモンド陰極が注目されている。
ダイヤモンド陰極は、様々な形態が提案されている。例えば、ＷＯ９３／１５５２２号公報のようなｐｎ接合型や、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ１４（１９９６）２０５０のような金属陰極にダイヤモンドをコーティングしたものがある。ｐｎ接合型は、図８に示すように、ｐ型ダイヤモンド８２の上に、ｎ型ダイヤモンド８１を積層し、その上に電極８０を形成し、バイアス電圧をかけて電子を放出する。また、特開平８−２６４１１１号公報やＷＯ９８／４４５２９号公報のようなＳｉの鋳型中にダイヤモンドを形成して、先鋭化したダイヤモンド陰極も提案されている。
上記ダイヤモンド陰極は、強い電界で電子を真空中に引き出しているが、光で電子を励起して、陰極から電子を放出させることもできる。例えば、特開平１０−１４９７６１号公報や特開平１１−１６６８６０号公報や特開２０００−３５７４４９号公報等に提案されている。これらは、放出された電子を計測することにより、光検出器として用いることができる。
【発明の開示】
上述の特許文献に開示されている素子では、強い電界や高い動作電圧をかけなければ、素子から真空中へ電子を引き出すことができない。そこで、冷陰極として注目されているＳｐｉｎｄｔ型冷陰極では、電界を強くするために、多数の先鋭化したエミッタに電極を設置することにより、動作電圧を下げているが、動作効率の向上や駆動電力の低減の要求から、更なる低電圧動作が要求されている。
本発明の目的は、これらの課題を解決し、より小型で動作電圧が低く、高効率な電子放射素子およびこれを用いた電子線源を提供するものである。
本発明のダイヤモンド電子放出素子は、光を陰極に照射するための発光素子を有し、陰極の少なくとも電子放出面がダイヤモンドからなる。図４に示すように、発光素子を有するので、光によって真空準位２５よりも高いダイヤモンドの伝導帯２１以上に電子を励起できるため、電子を引き出すための電圧は、従来より大幅に低下させることができ、低電圧駆動が可能な小型の電子放出素子を得ることができる。
前記発光素子は、ダイヤモンドからなることが望ましい。ダイヤモンドはバンドギャップが大きいので、高いエネルギーで電子を励起することができるので、動作効率を向上させることができる。
前記陰極の電子放出面は、ｎ型ダイヤモンド半導体であることが望ましい。ｎ型ダイヤモンドの不純物準位は、伝導帯から近いので、エネルギーの低い光で励起されても、電子は伝導帯まで励起され、電子放出が起こるので効率が良くなる。
前記陰極の電子放出面は、ｐ型ダイヤモンド半導体であってもよい。ダイヤモンドの表面でバンドの曲がりが起こっても、ｐ型ダイヤモンド半導体は、表面近傍でポテンシャルが低下するので、伝導帯に励起された電子が容易に放出される。また、この場合、ｐ型ダイヤモンド半導体には、結晶欠陥あるいはｓｐ２成分を含むことが望ましい。結晶欠陥とは、空格子欠陥、不純物・空格子ペアによる欠陥、転位欠陥、粒界、双晶等である。また、ｓｐ２成分とは、グラファイト、非晶質炭素、フラーレンなどである。
ダイヤモンド発光素子は、自由励起子発光などのエネルギーの高い光の他に、例えばバンドＡなどのエネルギーの低い光も発光する。結晶欠陥あるいはｓｐ２成分を含むと、ダイヤモンドのバンドギャップ中に準位が増えるので、よりエネルギーの低い光も伝導帯への電子励起に利用されるので、電子放出量を増加させることができる。
前記陰極の電子放出面は、水素終端されていることが望ましい。水素終端していると、電子放出面であるダイヤモンドの表面の電子親和力が負となるので、伝導帯に励起された電子は、容易に真空中へ放出される。
また、前記陰極の電子放出面は、酸素終端されていてもよい。特に、陰極の電子放出面がｎ型ダイヤモンド半導体の場合は、その表面が水素終端していると、表面で発生した正孔が、陰極のキャリアである電子を減少させるので、陰極が高抵抗となる。表面が酸素終端されていれば、このような現象が起きないので、低抵抗の陰極とすることができる。
更に、前記発光素子は、ダイヤモンドのｐｎ接合からなることが望ましい。ダイヤモンドのｐｎ接合からなる発光素子は、自由励起子による５．２７ｅＶの発光など波長の短い光を発光するので、電子放出が容易となる。また、陰極と同じ材料のダイヤモンドとすることにより、発光素子と陰極とを一体にして形成することが容易になる。
また、前記発光素子は、ダイヤモンドと金属のショットキー接合あるいはＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造からなるものでもよい。ショットキー接合あるいはＭＩＳ構造による発光では、波長の短い光を発光するので、深い準位の電子を励起することができ、励起後の電子のエネルギーが高いので、電子放出確率が高くなるので、電子放出が容易となる。
前記陰極の電子放出面は、先鋭な突出部を有していることが望ましい。先鋭な突出部の先端には、電界が集中するので動作電圧を下げることができる。
前記発光素子から発光される光の波長エネルギーは、５．０〜５．４ｅＶを含むことが望ましい。この波長は、主にダイヤモンドの自由励起子に起因するものである。この波長を用いれば、深い準位から電子を伝導帯に励起することができるので、例えば、ｐ型の不純物であるホウ素の準位から励起することにより、高効率で電子放出させることができる。
また、前記発光素子から発光される光の波長エネルギーは、２．０ｅＶ以上であることが望ましい。２．０ｅＶ以上の波長には、ダイヤモンドの欠陥等に起因した、例えば、バンドＡなどがあり、２．０ｅＶ以上の波長の光であれば、伝導帯近傍の準位、例えばｎ型窒素ドープダイヤモンドの不純物準位を励起することができるので、ｎ型ダイヤモンド陰極を効率良く電子放出させることができる。従来の光電陰極は、バンドギャップより大きなエネルギーの光で、価電子帯の電子を励起しているが、本発明の構成では、このようにダイヤモンドのバンドギャップより小さいエネルギーの光で励起することが可能である。このように発光素子の光は、ダイヤモンドの不純物準位の電子を伝導帯に励起していることが望ましい。
また、発光素子の光は、ダイヤモンドのバンドギャップ中の準位の電子を伝導帯に励起していることが望ましい。また特に、陰極がｐ型ダイヤモンドの場合は、発光素子の光が、ｐ型ダイヤモンド中のグラファイト、非晶質炭素、ダイヤモンドライクカーボン、フラーレン、格子欠陥、転位欠陥、粒界欠陥のいずれかに起因する準位の電子を伝導帯に励起していることが望ましい。この励起を電子線源に用いれば、ダイヤモンドのバンドギャップよりエネルギーの小さい波長の光でも、伝導帯への励起が可能であり、電子放出量を増加させることができる。
また、ｎ型ダイヤモンドの場合は、窒素、リン、硫黄、リチウムの少なくとも１種類の元素、あるいは、前記いずれかの元素と同時に硼素を不純物として含むことが望ましい。このような不純物を用いれば、キャリアの電子が増加するので、発光素子が励起できる電子が増え、電子放出量を増加させるのに好適である。
また、前記発光素子はダイヤモンドに限らず、窒化物半導体などＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いてもよい。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ｃＢＮ等がある。特に、ｃＢＮはバンドギャップが６．３ｅＶと広いため発光のエネルギーが高く、また結晶構造がダイヤモンドと近いのでヘテロエピなど積層構造にする場合にも好適である。
また、前記発光素子は、前記陰極と一体に形成されていることが望ましい。一体に形成することにより、電子放出面と発光素子との距離を短くすることができるので、光量のロスが少なくなり、光電変換効率を高めることができると共に、該ダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源を小型化することができる。特に、発光素子をダイヤモンドにすれば、陰極と発光素子を一体化することが容易になる。
更に本発明は、光を陰極に照射するための発光素子と、少なくとも電子放出面がダイヤモンドである陰極とが、共に電子銃の内部に配置されていることを特徴とするダイヤモンド電子放出素子を用いた電子線源を提供する。このような構成とすることによって、低電圧駆動が可能な小型の電子線源とすることができる。
また、本発明の電子線源は、前記少なくとも電子放出面がダイヤモンドである陰極と、空間を隔てて陽極を設置し、陰極に対して正の電圧を陽極に印加することによって動作させることが好ましい。
更に、前記陰極と陽極との間に、前記陰極の放出電子電流を制御する制御電極を設置してもよい。制御電極を用いれば、放出電子の量を自在に制御することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明のダイヤモンド電子放出素子の断面模式図である。
図２は、図１のダイヤモンド電子放出素子のバンド図である。
図３は、本発明の他のダイヤモンド電子放出素子の断面模式図である。
図４は、図３のダイヤモンド電子放出素子のバンド図である。
図５は、本発明の他のダイヤモンド電子放出素子の断面模式図である。
図６は、本発明の他のダイヤモンド電子放出素子の断面模式図である。
図７は、図６のダイヤモンド電子放出素子のバンド図である。
図８は、従来のダイヤモンド電子放出素子の断面模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】  高温高圧法で合成したｐ型のダイヤモンド単結晶の（１００）面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型の硫黄ドープダイヤモンドを合成した。合成条件は、ｐ型ダイヤモンドの温度は８２５℃とし、メタン／水素濃度比が１．０％、硫化水素／メタン濃度比が１０００ｐｐｍとした。ｎ型硫黄ドープダイヤモンドの厚みは、１０μｍ合成した。
次に、ｎ型硫黄ドープダイヤモンドの上に、スパッタによりＡｌを１μｍ成膜した。フォトリソグラフィーとウェットエッチングにより、Ａｌ膜を直径５μのドット状に加工した。その後、ＲＩＥ法を用いて硫黄ドープダイヤモンドをエッチングすることにより、図１に示すように硫黄ドープダイヤモンド１を突起状にした。その後、大気中４００℃で３０分アニールすることにより、硫黄ドープダイヤモンドの表面を酸素終端した。
次に、硫黄ドープダイヤモンド１の平面部と、ｐ型ダイヤモンド２の硫黄ドープダイヤモンドを形成した面とは反対側の面に、電極５、６を形成した。形成方法は、電極を形成するダイヤモンドの面に、Ａｒイオンを注入してダイヤモンドをグラファイト化した後、３００℃に加熱しながらＴｉ／Ａｕを蒸着することによって、オーミック電極５、６とした。
この電極を形成した突起部を有するダイヤモンドを、真空チャンバー（図示せず）内に設置し、さらに陽極７を突起部先端から１００μｍの距離を隔てて配置した。
まず、電極５と陽極７の間に電圧をかけていくと、１ｋＶの電圧から、ｎ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、電極５と６の間に、１０Ｖの電圧をかけると、ｐｎ接合層から発光ｈｖが確認できた。この発光波長は、広い範囲のものであったが、主な波長は、２３５ｎｍの自由励起子発光と、４３０ｎｍを中心とするバンドＡの発光であった。
次に、ｐｎ接合層で発光させたまま、電極５と７の間に電圧をかけていくと、６５０Ｖから電子放出が検出された。このように、発光を伴うことによって、電子放出が開始する電圧が低くなることが確認できた。
図２に示すように、ｎ型ダイヤモンド１の不純物準位２３を占める電子は、発光ｈｖを伴うことによって、真空準位２５よりも高い伝導帯２１に励起され、電子放出が開始する閾値電圧が大幅に低下することが判る。また、この時、陽極で検出される電子放出電流が増加した。
【実施例２】  高温高圧法で合成したＩｂ型のダイヤモンド単結晶１０の（１１１）面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型のリンドープダイヤモンド１を合成した。合成条件は、Ｉｂ型ダイヤモンドの温度は８７０℃とし、メタン／水素濃度比が０．０５％、ホスフィン／メタン濃度比が１００００ｐｐｍとした。ｎ型リンドープダイヤモンドの厚みは、１０μｍ合成した。
ｎ型ダイヤモンドの上に、同じマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンドを合成した。合成条件は、Ｉｂ型ダイヤモンドの温度は８３０℃とし、メタン／水素濃度比が６．０％、ジボラン／メタン濃度比が１６７ｐｐｍとした。ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの厚みは、１０μｍ合成した。なお、ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドには、双晶等の結晶欠陥が多数あった。
次に、実施例１と同様に、ｐ型ダイヤモンドの上に、ドット状のＡｌ膜を形成し、ＲＩＥ法によりｐ型ダイヤモンドをエッチングし、図３に示すように、ｐ型ダイヤモンド２を突起部を有する形状に加工した。その後、再びマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に入れて、８５０℃で１０分間水素プラズマ処理を施し、ｐ型ダイヤモンドの表面を水素終端した。更に、実施例１と同様にして、Ｔｉ／Ａｕによりオーミック電極５と６を形成した。
次に、実施例１と同様に、真空チャンバー内に、１００μｍ離した陽極７と共に設置した。実施例１と同様に、電極５と陽極７の間に電圧をかけていくと、１．５ｋＶの電圧から、ｐ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、電極５と６の間に、１０Ｖの電圧をかけると、ｐｎ接合層から発光ｈｖが確認できた。この発光波長は、広い範囲のものであったが、主な波長は、２３５ｎｍの励起子発光と、４３０ｎｍを中心に広く分布するバンドＡの発光であった。
次に、ｐｎ接合層で発光させたまま、電極５と７の間に電圧をかけていくと、８００Ｖから電子放出が検出された。このように、発光を伴うことによって、電子放出が開始する電圧が低くなることが確認された。
図４に示すように、ｐ型ダイヤモンド２の不純物準位２４および欠陥に起因する準位２６を占める電子は、真空準位２５よりも高い伝導帯２１に励起され、電子放出が開始する閾値電圧が大幅に低下することが判る。また、この時、陽極で検出される電子放出電流が増加した。
【実施例３】  高温高圧法で合成したＩｂ型のダイヤモンド単結晶１０の（１００）面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンド１を合成した。合成条件は、Ｉｂ型ダイヤモンドの温度は８３０℃とし、メタン／水素濃度比が６．０％、ジボラン／メタン濃度比が１６７ｐｐｍとした。ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの厚みは、１０μｍ合成した。
次に、実施例１と同様に、ｐ型ダイヤモンド１の上に、ドット状のＡｌ膜を形成し、ＲＩＥ法によりｐ型ダイヤモンドをエッチングし、図５に示すように、ｐ型ダイヤモンドを突起部を有する形状に加工した。更に、実施例１と同様にして、Ｔｉ／Ａｕによりオーミック電極５を形成した。更に、突起部の周辺にＷを蒸着し、ショットキー電極４を形成した。更に、ホウ素ドープダイヤモンドの外周部にＳｉＯ２からなる絶縁体９とＭｏを蒸着し、制御電極８を形成した。
次に、実施例１と同様に、真空チャンバー内に、１００μｍ離した陽極７と共に設置した。実施例１と同様に、電極５と陽極７の間に、ならびに電極５と８との間に電圧をかけていくと、それぞれ１ｋＶ、３００Ｖの電圧から、ｐ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、電極５と４の間に、１０Ｖの電圧をかけると、ショットキー接合層から発光ｈｖが確認できた。この発光波長は、自由励起子発光からバンドＡ発光までを含む広い範囲のものであった。
次に、ショットキー接合層で発光させたまま、電極５と７の間に電圧をかけていくと、６００Ｖから電子放出が検出された。このように、発光を伴うことによって、ｐ型ダイヤモンドの不純物準位を占める電子は、真空準位よりも高い伝導帯に励起され、電子放出が開始する閾値電圧が大幅に低下することが判る。また、この時、陽極で検出される電子放出電流が増加した。
また、電極５と８の間にかける電圧を変化させると、電子放出電流は、直線的に比例して変化した。更に、電子放出電流は、電極５と４の間にかける電圧を変化させて、発光量を変化させても、発光量に比例して変化した。
【実施例４】  実施例３と同様に、Ｉｂ型ダイヤモンド単結晶１０の（１００）面に、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンド２を１０μｍの厚さで合成し、図６に示すように、ｐ型ダイヤモンドを突起部を有する形状にした。これを実施例２と同様にして、ｐ型ダイヤモンドの表面を水素終端した後、Ｔｉ／Ａｕによりオーミック電極５を形成した。
ホウ素ドープダイヤモンドとリンドープダイヤモンドからなるｐｎ接合を利用したダイヤモンドＬＥＤを別に用意し、真空チャンバー内に、このダイヤモンドＬＥＤ６０と陽極７とともに設置した。ダイヤモンドＬＥＤは、前記ｐ型ダイヤモンドの突起部周辺に設置し、陽極は該突起部先端から１００μｍ離した位置に設置した。
実施例１と同様に、電極５と陽極７の間に電圧をかけていくと、１ｋＶの電圧から、ｐ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、ダイヤモンドＬＥＤに３０Ｖの電圧をかけて発光させた。この発光は、複数の発光が起こっており、主な発光は自由励起子発光で、サブバンドとしてバンドＡの発光であった。ＬＥＤを発光させたまま、電極５と陽極６の間に電圧をかけていくと、６５０Ｖの電圧から電子放出が検出され、電子放出が開始する閾値電圧が低下することが確認された。
図７にダイヤモンドのバンド図を示す。図中の２１は伝導帯、２２は価電子帯である。５．２７ｅＶの自由励起子発光により、ｐ型ダイヤモンドの不純物準位２４を占める電子は、真空準位２５よりも高い伝導帯に励起され、水素終端した表面は負性電子親和力を示すことから、容易に電子が放出される。ＬＥＤの発光量を変化させると、電子放出電流は、直線的に比例して変化した。
【実施例５】  シリコンウェハにダイヤモンドパウダーを用いて傷付け処理を施した後、フィラメントＣＶＤ法を用いて、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンドを合成した。合成条件は、シリコンウェハの温度は８００℃とし、フィラメント温度２１００℃、圧力１３．３ｋＰａ、メタン／水素濃度比を２．０％、アセトンに溶解させたホウ酸トリメチルをホウ素／炭素濃度比が０．１％となるようにアルゴンガスでバブリングした。ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの厚みは、２０μｍ合成した。このｐ型ダイヤモンドは、ｐ型の電気伝導を示すほか、多結晶であるので結晶粒界や転位などの欠陥を含んでいた。
次に、このｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの表面を研磨した後、実施例１と同様にドット状のＡｌ膜を形成し、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドを突起形状に加工した。これを再びフィラメントＣＶＤ装置に入れて、８５０℃で１０分間水素プラズマ処理を施し、ｐ型ダイヤモンドの表面を水素終端した。更に、実施例１と同様にして、Ｔｉ／Ａｕによりオーミック電極を形成した。
図６に示すように、実施例４と同様にｐｎ接合を利用したダイヤモンドＬＥＤを別に用意し、真空チャンバー内に、このダイヤモンドＬＥＤ６０と陽極７とともに突起形状のｐ型ダイヤモンド２を設置した。ダイヤモンドＬＥＤは、前記ｐ型ダイヤモンドの突起部周辺に設置し、陽極は該突起部先端から１００μｍ離した位置に設置した。
実施例１と同様に、電極５と陽極７の間に電圧をかけていくと、１．５ｋＶの電圧から、ｐ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、ダイヤモンドＬＥＤに３０Ｖの電圧をかけて発光させた。この発光は、複数の発光が起こっており、主な発光は自由励起子発光で、サブバンドとしてバンドＡの発光であった。ＬＥＤを発光させたまま、電極５と陽極６の間に電圧をかけていくと、６００Ｖの電圧から電子放出が検出され、電子放出が開始する閾値電圧が低下することが確認された。
【実施例６】  シリコンウェハにダイヤモンドパウダーを用いて傷付け処理を施した後、フィラメントＣＶＤ法を用いて、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンドを合成した。合成条件は、シリコンウェハの温度は８００℃とし、フィラメント温度２１００℃、圧力１３．３ｋＰａ、メタン／水素濃度比を２．０％、アセトンに溶解させたホウ酸トリメチルをホウ素／炭素濃度比が０．１％となるようにアルゴンガスでバブリングした。ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの厚みは、２０μｍ合成した。このｐ型ダイヤモンドは、ｐ型の電気伝導を示すほか、多結晶であるので結晶粒界や転位などの欠陥を含んでいた。
次に、このｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの表面を研磨した後、実施例１と同様にドット状のＡｌ膜を形成し、ＲＩＥ法を用いてエッチングし、ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドを突起形状に加工した。これを再びフィラメントＣＶＤ装置に入れて、８５０℃で１０分間水素プラズマ処理を施し、ｐ型ダイヤモンドの表面を水素終端した。更に、実施例１と同様にして、Ｔｉ／Ａｕによりオーミック電極を形成した。
図６に示すように、窒化アルミニウムのｐｎ接合を利用したＬＥＤを別に用意し、真空チャンバー内に、このＬＥＤ６０と陽極７とともに突起形状のｐ型ダイヤモンド２を設置した。ＬＥＤは、前記ｐ型ダイヤモンドの突起部周辺に設置し、陽極は該突起部先端から１００μｍ離した位置に設置した。
実施例１と同様に、電極５と陽極７の間に電圧をかけていくと、１．５ｋＶの電圧から、ｐ型ダイヤモンドの突起部からの電子放出が検出された。次に、ＬＥＤを発光させたまま、電極５と陽極６の間に電圧をかけていくと、５００Ｖの電圧から電子放出が検出され、電子放出が開始する閾値電圧が低下することが確認された。
【産業上の利用可能性】  本発明のダイヤモンド電子放出素子は、電子を励起するための発光素子を有しているので、従来の電子放出素子に比べて、低い駆動電圧で高い電子放出特性を有する小型の電子放出素子とすることができる。発光素子とダイヤモンド陰極とを電子銃の内部に配置するので、小型で高効率な電子放出特性を持つ電子線源を得ることができる。従って、本発明の電子放出素子を用いれば、従来に比べて高性能の電子線応用機器、例えば、マイクロ波発振管や高周波増幅素子あるいは電子線露光などの電子線加工装置などを提供することができる。
【図１】
2005027172.tif 000003
【図２】
2005027172.tif 000004
【図３】
2005027172.tif 000005
【図４】
2005027172.tif 000006
【図５】
2005027172.tif 000007
【図６】
2005027172.tif 000008
【図７】
2005027172.tif 000009
【図８】
2005027172.tif 000010
【国際調査報告】
2005027172.tif 000011
2005027172.tif 000012
2005027172.tif 000013
2005027172.tif 000014