(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極を有する強誘電体と、強誘電体の一方主面に形成される裏面電極と、強誘電体の他方主面に形成される上面電極とを有してなる強誘電体電子放出冷陰極であって、
前記上面電極の形成された強誘電体の他方主面上に、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの中から選ばれる少なくとも１種の材料からなる保護膜を形成したことを特徴とする強誘電体電子放出冷陰極。
【請求項２】
前記上面電極が、ストライプ状、メッシュ状またはアレイ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体電子放出冷陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子源として利用する電子放出冷陰極に関するものであり、特に強誘電体を用いた電子放出冷陰極の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体には、平行または反平行に並んだ永久双極子によって生じる自発分極が存在しており、外部から摂動を与えることによってこれを変化させることが可能である。例えば、電場による分極変化は分極履歴現象（ヒステリシス）として観測され、また応力や温度変化を与えるとそれぞれ圧電効果や焦電効果となって現れる。これらの現象は、強誘電体上に形成された電極への電荷の出入りによって観測されるが、電極の形状あるいは形成位置、膜厚等を適切に選択することにより、強誘電体からの電子の放出も可能となる。
【０００３】
上述の強誘電体からの電子放出現象については、従来より様々な研究が行われており、例えばＢａＴｉＯ3等の代表的な強誘電体単結晶に、外部から電界の印加、温度変化、光照射等の摂動を与えて分極変化を誘起すると言った各種の実験が行われていた。しかしこれらの実験は比較的緩やかな分極変化を用いたものであり、放出される電子の電流密度も１０-9Ａ／ｃｍ2と極めて小さなものであったため、実用的なデバイスへの応用は困難であると考えられていた。ところが、近年になってチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと略す）や、これに少量のＬａを添加したＰＬＺＴなどの強誘電体セラミックに高速パルス電界を印加することにより、１０〜１０2Ａ／ｃｍ2程度の電子放出がなされることがＨ．Ｇｕｎｄｅｌらによって報告されて以来、この現象を電子デバイスへ応用しようとする機運が高まっている。
【０００４】
例えば、Ｈ．Ｇｕｎｄｅｌらによって報告された強誘電体電子放出冷陰極１は、図１に示すように、下面電極２、強誘電体３、上面電極４をその主たる構成要素とし、また例えば特開平５−３２５７７７号公報に記載された強誘電体電子放出冷陰極５は、図２に示すように、下面電極２、強誘電体３、上面電極４に加えて絶縁膜６、補助電極７をその主たる構成要素としている。これら図１、図２に示された構成の強誘電体電子放出冷陰極は、下面電極と上面電極との間に交番電界を印加することにより、その電界の急激な変化に伴い強誘電体内部に分極の変化（分極反転）を生ぜしめ、その際に上面電極の近傍に存在する電子をクーロン力によってはじき飛ばし、電子の放出を行うものであると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の強誘電体電子放出冷陰極は、以下のような問題点を有していた。
【０００６】
すなわち従来の冷陰極にあっては、下面電極と上面電極との間に交番電界を印加して強誘電体内に分極反転を生ぜしめる動作を繰り返すと、強誘電体表面および／または上面電極内部に疲労および劣化が生じ、次第に電子の放出が行われなくなる。この劣化は通常、数回〜数十回程度のパルス電圧の印加で生じるため、本冷陰極をそのまま実用に供することは不可能であった。この劣化を抑制するために印加するパルス電圧の絶対値を小さくすることも考えられるが、この場合、放出される電子の電流密度が小さくなるという問題が新たに生じる。また従来の冷陰極では、未だ充分満足のゆくだけの電子放出量が得られておらず、かつその放出量も不安定であると言う問題点を有していた。
【０００７】
これらの問題点から、強誘電体を用いた電子放出冷陰極は未だ実用化されていないのが現状である。従って本発明の目的は、上述の技術的問題点を克服し、寿命が長く、大きな電子の放出量を安定して得られる強誘電体電子放出冷陰極を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するために、本発明の強誘電体電子放出冷陰極は、強誘電体の両主面に裏面電極と上面電極とを有してなる強誘電体電子放出冷陰極において、上面電極の形成された強誘電体の他方主面上に、電子放出能の高い材料、例えばＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等からなる保護膜を形成した。
【０００９】
このように、電子の放出される主面上に電子放出能の高い材料からなる保護膜を形成することにより、寿命および放出電子量の安定性のいずれの面においても、従来の冷陰極よりも格段に優れた強誘電体電子放出冷陰極を得られることを本発明者らは見い出し、本発明を完成させるにいたった。本発明の構成を採用することにより上述の効果が得られる詳細なメカニズムは現時点では明らかでないが、おそらく分極を急激に反転させることによって強誘電体表面に集中して生じていた作用が、保護膜側に分散、緩和されつつ電子放出能の高い保護膜からの電子放出が行われることにより、冷陰極の長寿命化、放出量の安定化が図られるものと考えられる。
【００１０】
なお本発明に用いる強誘電体としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴｉＯ3等のセラミック強誘電体、ＰＶＤＦ等の高分子強誘電体等を用いることができる。強誘電体の厚みは、２０ｎｍ〜２０００μｍ、より好ましくは１００ｎｍ〜２００μｍが好ましい。これは、使用条件にもよるが、強誘電体の厚みが２０ｎｍより薄くなるとその両面に形成される電極同士が短絡する恐れが高くなり、また、２０００μｍより厚くなると動作電界を非常に大きなものにする必要が生じるからである。また、使用する強誘電体は、バルク状のものを用いても良いし、成膜された薄膜状のものを用いても良い。
【００１１】
本発明に用いる電極材料としては、一般的な電極材料をいずれも用いることが可能である。具体的には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｃｓ、Ｃｒ、Ｗ等の金属、およびこれらの合金が挙げられる。なかでも、電子の放出しやすさの面からはＩｒ、Ｃｓ等の仕事関数の低い電極材料が望ましい。電極の形成方法は任意の成膜方法を用いることができるが、蒸着法、スパッタリング法等の成膜技法を用いることが好ましい。これは、後述の通り、本構造の冷陰極においては電極の膜厚が厚くなると電子が放出されにくくなる傾向を有しているからである。
【００１２】
本発明の冷陰極で形成される電極（特に上面電極）の膜厚としては、５０００Å以下、より好ましくは５００Å以下が好ましい。電極の膜厚が５０００Åよりも厚くなると、その厚みのため電子の放出が妨げられるためである。この値は使用する電極材料によって若干の変動はあるが、例えば電極材料としてＰｔを用いる場合、１００〜５００Å程度が最も好適である。
【００１３】
本発明で印加する動作電界は、正あるいは負のいずれでも良く、またいずれの場合もその絶対値において３００ｋＶ／ｃｍ程度以下の範囲が好ましい。３００ｋＶ／ｃｍ程度を越える電界を印加すると、その高電界のため電極および強誘電体が破壊されるという問題が生じるからである。また、動作電界のパルス時間は、正あるいは負どちらとも０．０１〜１０００μ秒、より好ましくは５〜２００μ秒の範囲が好ましい。０．０１μ秒未満ではパルス時間が短いため充分な電子放出量が得られず、また１０００μ秒を越えて電界を印加しても１０００μ秒以下のパルス時間で放出する電子放出量とほとんど変わらないからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例の強誘電体電子放出冷陰極１１は主として、図３に示すように、薄板形状の強誘電体１２と、強誘電体１２の裏面全面に形成される下面電極１３と、強誘電体１２の表面にストライプ状に形成される上面電極１４と、上面電極１４を含む表（おもて）面全面に形成される保護膜１５とから構成されている。なお、図３は冷陰極１１の断面形状しか示されていないが、上面電極１４および保護膜１５は奥行き方向にも延びて形成されている。
【００１５】
具体的には強誘電体１２としては１０×１５ｍｍ角、５０μｍ厚のバルク状のＰＺＴ薄板が用いられる。また、下面電極１３は膜厚５００ｎｍのＩｒ電極が、上面電極１４は膜厚１００ｎｍのＩｒ電極が、それぞれスパッタリング法によって形成される。ストライプ状の上面電極１４はライン／スペースが５００μｍ／３００μｍに形成される。保護膜１５はＭｇＯ膜からなり、ＥＢ蒸着法によって膜厚１００ｎｍに形成される。
【００１６】
ここで、上述の構成の本発明の冷陰極１１と、ＭｇＯ保護膜を形成されない（その他の構成は本発明の冷陰極１１と同一である）従来の冷陰極（図示せず）との二種の試料につき、図４に示す測定装置を用いて、その寿命および放出電子量の安定性を測定する。なお、これら２種の冷陰極を構成する強誘電体には予め電気的に分極処理を施しておく。なお、測定に際しては、上面電極のうちの１本のストライプのみを使用する。
【００１７】
以下、測定方法を具体的に説明する。まず図４に示すように、試料２０を真空チャンバ２１内のホルダ２２に固定したうえで試料２０の上面電極を接地する。次いで、パルス印加手段２３によって発生する正負のパルス電圧を下面電極１３に印加する。この時、印加パルスは±２００Ｖ、パルス幅は１０μｓｅｃとする。このパルス電圧の印加によって放出される電子は、試料２０の１０ｍｍ上方に配置されたコレクタ２４に集められる。ここで、この電流が抵抗Ｒを通ることによる電位の変化をオシロスコープ２５を用いて観測して放出電流のピーク値を測定し、このピーク値をもとにオシロスコープの積分演算機能を用いて時間積分することにより放出電子量を算出する。
【００１８】
ここで、本発明の冷陰極１１および従来の冷陰極について、上述の測定方法に従って得られた測定結果を対比して図５に示す。図５から読みとれるように、従来の冷陰極では１０回程度のパルス電圧の印加によって電子の放出量がほぼ０となっている。これは、従来技術欄においても説明したように、急激な分極反転の繰り返しにより強誘電体および／または上面電極が劣化したためと考えられる。一方、保護膜１５を形成した本発明の冷陰極１１では、パルス電圧印加回数が１０００回を越えても電圧印加開始当初と同様に電子が放出されており、かつその放出量も充分な安定性を有している。また、保護膜１５を形成することにより放出量自体も従来の冷陰極に比べて３割程度多くなっていることが確認できる。
【００１９】
なお、本実施例では保護膜１５の材料としてＭｇＯを用いたが、同様に二次電子放出能の高いＺｎＯ、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの各材料について測定したところ、ＭｇＯ膜を形成した場合と同様の効果が得られることが確認できた。また本実施例では、強誘電体１２の表面全面に保護膜１５を形成したが、例えば図６に示すように、強誘電体１２、上面電極１３、エアの３つの境界部付近に保護膜を形成することによっても同種の効果が得られる。加えて、本実施例では強誘電体としてバルク状のＰＺＴ薄板を使用したが、例えばプラズマＣＶＤ法等によって形成した薄膜状のＰＺＴ薄膜を本発明の強誘電体として使用しても構わない。
【００２０】
【発明の効果】
このように、電子の放出される主面上に電子放出能の高い材料からなる保護膜を形成することにより、分極を急激に反転させることによって強誘電体内部に集中して生じていた作用が保護膜側に分散、緩和されつつ保護膜からの電子放出が行われるので、寿命および放出電子量の安定性のいずれの面においても、従来の冷陰極よりも格段に優れた強誘電体電子放出冷陰極を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来例の強誘電体電子放出冷陰極を示す断面図である。
【図２】  また別の従来例の強誘電体電子放出冷陰極を示す断面図である。
【図３】  本発明の強誘電体電子放出冷陰極を示す断面図である。
【図４】  強誘電体電子放出冷陰極の特性測定装置を示す概略断面図である。
【図５】  本発明の冷陰極と従来の冷陰極の電子放出特性を比較した比較図である。
【図６】  本発明の別の実施例の冷陰極を示す断面図である。
【符号の説明】
１１  ・・・  強誘電体電子放出冷陰極
１２  ・・・  強誘電体
１３  ・・・  下面電極
１４  ・・・  上面電極
１５  ・・・  保護膜
【図１】
0004114264.tif 000002
【図２】
0004114264.tif 000003
【図３】
0004114264.tif 000004
【図４】
0004114264.tif 000005
【図５】
0004114264.tif 000006
【図６】
0004114264.tif 000007