(57)【要約】【課題】リーク電流を抑制できる電子放出素子を提供する。【解決手段】互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を電子が移動する電子放出素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板１、２と、互いに離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２にそれぞれ積層された２つの電極３、４と、２つの電極３、４から離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２と接続され、２つの電極３、４の間の距離を規定するスペーサ５と、を備え、２つの基板１、２のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向するように配置された一対の電極を備え、前記一対の電極の間を電子が移動する電子放出素子であって、
互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、
互いに離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、
前記２つの電極から離された状態で前記２つの基板の間に配置され、前記２つの基板と接続され、前記２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、
前記２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている電子放出素子。
【請求項２】
前記２つの電極のうち、電子を放出する電極は、半導体材料で構成されている請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記半導体材料は、ダイヤモンドを主成分とする請求項２に記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに離された状態で配置された一対の電極の間を電子が移動する電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子放出素子として、例えば、電界放出素子、熱電子発電素子が挙げられる。電界放出素子は、金属及び半導体材料に高電界を印加することにより電子が放出される現象を利用したものであり、カソード電極とアノード電極に電圧を印加することにより、カソード電極から電子が放出され、アノード電極に到達する。
【０００３】
熱電子発電素子は、高温の電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、エミッタ電極を高温にすることで熱電子が放出され、コレクタ電極に到達する。
【０００４】
これらの電子放出素子では、電極間の距離を短くすることで、有利な効果が得られる。例えば、電界放出素子では、電極間への印加電圧の増加により放出電子が増加するが、電極間距離を短くすると、所望の量の放出電子を得るために必要な印加電圧を低くすることができる。
【０００５】
また、熱電子発電素子については、高効率な発電を実現するために、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、トンネル現象を利用して熱電子放出効率を向上させることが検討されている。また、電極間隔を狭くすれば空間電荷の影響が小さくなり、発電出力が大きくなることが原理的に分かっている。
【０００６】
しかし、電極間の距離を短くすることについては、いくつかの問題がある。例えば、熱電子発電素子において、トンネル現象が発生するナノメートルオーダー程度の微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
【０００７】
これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００２−５４０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、リーク電流を抑制できる電子放出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、一対の電極の間を電子が移動する電子放出素子であって、互いに対向するように配置された２つの基板（１、２）と、互いに離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板にそれぞれ積層された２つの電極（３、４）と、２つの電極から離された状態で２つの基板の間に配置され、２つの基板と接続され、２つの電極の間の距離を規定するスペーサ（５）と、を備え、２つの基板のうち少なくともいずれか一方は、絶縁体で構成されている。
【００１２】
これによれば、スペーサが２つの電極から離された状態で配置されており、２つの電極とスペーサは、絶縁体で構成された基板により電気的に絶縁されているため、スペーサを介したリーク電流を抑制することができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態にかかる電子放出素子の断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる電子放出素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の電子放出素子は、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、この一対の電極の間を電子が移動する電界放出素子であり、電界放出ディスプレイ、電子顕微鏡等に用いられる。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の電子放出素子は、互いに対向するように配置された２つの基板１、２と、互いに離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２にそれぞれ積層された２つの電極３、４と、スペーサ５とを備えている。
【００１８】
基板１は、例えばモリブデン等で構成された導電性基板である。基板２は、例えばＡｌ２Ｏ３等で構成された絶縁基板である。ここで、絶縁基板とは、酸化物、窒化物、セラミック、高抵抗の半導体材料等の高抵抗材料で構成された基板をいう。
【００１９】
図１に示すように、基板１には電極３が積層されている。電極３は、電子放出素子に電界が印加されることにより電子を放出するカソード電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。半導体材料とは、例えば、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、カーボンナノチューブ等である。本実施形態では、電極３は、基板１に積層された図示しないシリコン基板と、このシリコン基板に積層されたカーボンナノチューブで構成されている。
【００２０】
図１に示すように、基板２には電極４が積層されている。電極４は、電極３から放出された電子を捕獲するアノード電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。本実施形態では、電極４は、モリブデンで構成されている。
【００２１】
本実施形態では、電極３および電極４は板状とされている。電極３の上面は、基板１の上面よりも寸法が小さくされており、電極３は、基板１の上面の内周部に積層されている。また、電極４の上面は、基板２の下面よりも寸法が小さくされており、電極４は、基板２の下面の内周部に積層されている。そして、基板１の上面、基板２の下面の外周部には、スペーサ５が接続されている。
【００２２】
スペーサ５は、電極３と電極４との距離を一定に保つためのものであり、ここではＳＵＳで構成されている。図１に示すように、スペーサ５は、２つの電極３、４から離された状態で２つの基板１、２の間に配置され、２つの基板１、２と接続されている。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の電子放出素子はスペーサ５を２つ備えている。そして、２つのスペーサ５は、基板１、２、電極３、４の面内方向において、電極３、４の両側に配置されている。
【００２４】
具体的には、スペーサ５は円柱状とされており、長手方向が基板１、２、電極３、４の厚み方向と一致するように配置されている。そして、長手方向の一方の端部において基板１と接続され、他方の端部において基板２と接続されるように、基板１、２の外側からねじ止めされている。
【００２５】
スペーサ５の長手方向の寸法は、電極３、電極４の厚みと、これら２つの電極の間の距離とを合わせた寸法となっており、スペーサ５によって、２つの電極の間の距離が規定されている。
【００２６】
このような構成により、基板１、電極３、スペーサ５は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。
【００２７】
本実施形態の電子放出素子において、電極３に電圧を印加すると電極３から電子が放出される。そして、本実施形態の電子放出素子を例えば電界放出ディスプレイに用いた場合、アノード電極である電極４側に配置された蛍光体に電子が衝突することで、蛍光体が発光する。また、本実施形態の電子放出素子を電子顕微鏡に用いた場合、電極３から放出された電子が観察対象に衝突する。
【００２８】
このような電子放出素子では、電極間の距離を短くすることで、所望の量の放出電子を得るために必要な印加電圧を低くすることができる。しかし、トンネル現象が発生するナノメートルオーダー程度の微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
【００２９】
これについて、例えば特許文献１では、電極間隔を維持するために絶縁体で構成されるスペーサを電極間に保持する方法が提案されている。電極間隔を維持する方法としてスペーサを用いる方法は、電極間隔の制御、信頼性共に有利であり、また、このようなスペーサを用いた電子放出素子は、安価に作製することができる。
【００３０】
しかしながら、電界放出素子では、カソード電極とアノード電極間に高電界が印加されるため、電極間の絶縁性が低くなると、電流漏れや異常放電などが起きるおそれがある。そして、特許文献１に記載の装置では、電極に直接スペーサが接続されているため、スペーサの表面を電流がリークしやすい。
【００３１】
これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３、４から離された状態で配置されており、電極４とスペーサ５は、絶縁基板である基板２により電気的に絶縁されているため、スペーサ５を介したリーク電流を抑制することができる。
【００３２】
また、電極間にスペーサを配置する方法では、電極間隔が短くなるに従いスペーサの厚みも薄くなり、絶縁性が低くなるため、電極間の電流リークが増加する問題があった。
【００３３】
これに対し本実施形態では、スペーサ５の長さは基板１と基板２との距離により定まり、基板１と基板２との距離が一定であれば、電極３と電極４との距離が変化してもスペーサ５の長さは変化しない。そのため、スペーサ５の長さを維持し、絶縁性を保ったまま電極３と電極４との距離を短くすることが可能であり、電流リークをさらに抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、電極３が絶縁基板である基板２によって電極４と電気的に絶縁されているため、基板２の厚みを大きくすることにより、電極３と電極４との絶縁性を容易に高めることができる。
【００３５】
また、スペーサ５が電極３または電極４に接している場合、スペーサ５を絶縁材料で構成する必要がある。これに対し本実施形態では、スペーサ５が電極３および電極４から離された状態で配置されており、電極３は、絶縁基板である基板２によって、電極４と電気的に絶縁されている。そのため、スペーサ５を金属等の導電材料で構成することができる。
【００３６】
なお、本実施形態ではカソード電極である電極３をシリコン基板に積層されたカーボンナノチューブで構成したが、電極３を、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料で構成することがより好ましい。ここで、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とは、例えばダイヤモンドに半導体不純物が添加されたものをいう。また、ダイヤモンドの結晶粒界にグラファイト等が存在するものも、ダイヤモンドを主成分とする半導体材料とする。
【００３７】
例えば、電極３をシリコン基板にダイヤモンド膜が積層された構成とすることがより好ましい。ダイヤモンドは、カーボンナノチューブや他の半導体材料、金属材料に比べて仕事関数が小さく、電子を放出しやすい特性を持っているからである。また、ダイヤモンド膜はダイヤモンド構造を持つため固く、外部からの衝撃に強いからである。
【００３８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の電子放出素子は、互いに対向するように配置された一対の電極を備え、この一対の電極の間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子である。
【００３９】
図２に示すように、本実施形態の電子放出素子は、基板１、２、電極３、４、スペーサ５に加え、基板６を備えており、電極３と電極４との間に接続された図示しない負荷に電力を供給する。
【００４０】
本実施形態では、基板１および基板２が絶縁基板とされており、熱伝導率の高いＡｌＮで構成されている。図２に示すように、基板１には基板６が積層されている。基板６は導電性基板であり、例えばモリブデン等で構成されている。
【００４１】
図２に示すように、基板６には電極３が積層されている。電極３は、熱源からの熱が加わることにより熱電子を放出するエミッタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。半導体材料とは、例えば、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等である。
【００４２】
本実施形態では、電極３は、基板６に積層された図示しないシリコン基板と、このシリコン基板に積層されたＮ型ダイヤモンドの層とで構成されている。ダイヤモンドは仕事関数が小さいため、電極３をこのような構成とすることにより、低い温度で発電することができる。電極３を上記の構成とした本実施形態では、１０００℃以下の温度、例えば２００℃程度で発電することができる。
【００４３】
電極４は、電極３から放出された電子を捕獲するコレクタ電極であり、金属や低抵抗の半導体材料等の導電材料で構成されている。電極４は、基板２に積層された図示しないシリコン基板と、このシリコン基板に積層されたＮ型ダイヤモンドの層とで構成されている。
【００４４】
基板６の上面は、基板１の上面よりも寸法が小さくされており、図２に示すように、基板６は基板１の内周部に積層されている。本実施形態のスペーサ５は、電極３、４、基板６から離された状態で基板１、２の間に配置され、長手方向の一方の端部において基板１と接続され、他方の端部において基板２と接続されている。
【００４５】
本実施形態の電子放出素子は、電極３と電極４との間に図示しない負荷を接続した状態で用いられる。電極３に熱源からの熱が加えられると、電極３から熱電子が放出され、電極４に到達する。そして、熱電子は電極３と電極４との間の負荷を通って電極３に戻る。これにより、負荷に電力を供給することができる。
【００４６】
このような熱電子発電素子では、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くすることで、高効率に発電することができる。しかし、このような微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。
【００４７】
これについて、本実施形態では、第１実施形態と同様に、スペーサ５によって電極３と電極４との距離を維持しており、これにより、電極間の距離を短くすることができる。そして、スペーサ５が電極３、４から離された状態で配置されており、電極４とスペーサ５は、絶縁基板である基板２により電気的に絶縁されているため、スペーサ５を介したリーク電流を抑制することができる。
【００４８】
また、第１実施形態と同様に、スペーサ５の長さを維持し、絶縁性を保ったまま電極３と電極４との距離を短くすることが可能であり、電流リークをさらに抑制することができる。また、基板１または基板２の厚みを大きくすることにより、電極３と電極４との絶縁性を容易に高めることができる。また、スペーサ５を金属等の導電材料で構成することができる。
【００４９】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００５０】
例えば、上記第１実施形態では基板１が導電性基板、基板２が絶縁基板とされ、上記第２実施形態では基板１および基板２が絶縁基板とされているが、２つの基板１、２のうち少なくともいずれか一方が絶縁体で構成されていればよい。すなわち、上記第１実施形態において、基板１を絶縁基板とし、基板２を導電性基板としてもよく、基板１および基板２を絶縁基板としてもよい。また、上記第２実施形態において、基板１および基板２のうちいずれか一方のみを絶縁基板とし、他方を導電性基板としてもよい。なお、基板１を導電性基板とする場合、基板１の仕事関数を電極３の仕事関数よりも大きくすることが好ましい。
【００５１】
また、電子放出素子がスペーサ５を１つのみ備えていてもよい。また、電子放出素子がスペーサ５を３つ以上備えていてもよい。
【００５２】
また、電界放出素子、熱電子発電素子以外の電子放出素子に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板
２  基板
３  電極
４  電極
５  スペーサ
【図１】
2017143011.tif 000003
【図２】
2017143011.tif 000004