(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ダイヤモンドからなる基板と、前記基板上に設けられた突起とを備えた電子放出素子であって、
前記突起は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部と、前記基部上に設けられた、先端から電子が放出される電子放出部とを有し、
前記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンド及びノンドープダイヤモンドのいずれかからなり、
前記基部と前記電子放出部との界面を含む部分に形成される空間電荷領域は、前記突起の根元側よりも先端近傍に位置するとともに、前記電子放出部には電極が設けられておらず、
前記突起の先端から前記基部と前記電子放出部との界面までの距離で規定される前記電子放出部の高さは、前記基部と前記電子放出部との界面を含む部位に形成される空間電荷領域の幅寸法以下であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
ｎ型ダイヤモンドからなる基板と、前記基板上に設けられた突起とを備えた電子放出素子であって、
前記突起は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部と、前記基部上に設けられた、先端から電子が放出される電子放出部とを有し、
前記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンドからなる先端層と、前記先端層と前記基部との間に設けられた、ノンドープダイヤモンドからなる中間層とを有し、
前記基部と前記電子放出部との界面を含む部分に形成される空間電荷領域は、前記突起の根元側よりも先端近傍に位置するとともに、前記電子放出部には電極が設けられておらず、
前記突起の先端から前記基部と前記電子放出部との界面までの距離で規定される前記電子放出部の高さは、前記基部と前記電子放出部との界面を含む部位に形成される空間電荷領域の幅寸法以下であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
ｎ型ダイヤモンドからなる基板と、前記基板上に設けられた突起とを備えた電子放出素子であって、
前記突起は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部と、前記基部上に設けられた、先端から電子が放出される電子放出部とを有し、
前記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンド及びノンドープダイヤモンドのいずれかからなり、
前記基部と前記電子放出部との界面を含む部分に形成される空間電荷領域は、前記突起の根元側よりも先端近傍に位置するとともに、前記電子放出部には電極が設けられておらず、
少なくとも前記基部の側面を、前記基部と前記電子放出部との界面を除いた状態で被覆した導電性材料を、さらに備えたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
ｎ型ダイヤモンドからなる基板と、前記基板上に設けられた突起とを備えた電子放出素子であって、
前記突起は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部と、前記基部上に設けられた、先端から電子が放出される電子放出部とを有し、
前記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンドからなる先端層と、前記先端層と前記基部との間に設けられた、ノンドープダイヤモンドからなる中間層とを有し、
前記基部と前記電子放出部との界面を含む部分に形成される空間電荷領域は、前記突起の根元側よりも先端近傍に位置するとともに、前記電子放出部には電極が設けられておらず、
少なくとも前記基部の側面を、前記基部と前記電子放出部との界面を除いた状態で被覆した導電性材料を、さらに備えたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項記載の電子放出素子において、
前記突起の先端から前記基部と前記電子放出部との界面までの距離で規定される前記電子放出部の高さは、１００ｎｍ以下である。
【請求項６】
請求項３又は４記載の電子放出素子において、
前記基部と前記電子放出部との界面の最大径をＲとし、前記界面からの前記導電性材料の端までの前記電子放出部の高さ方向に沿った最小距離をＬとするとき、当該電子放出素子は、
Ｌ＜Ｒ  又は
Ｌ＜１０００ｎｍ
なる条件を満たしている。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項記載の電子放出素子において、
前記電子放出部の表面は、水素終端されている。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項記載の電子放出素子は、さらに、
前記電子放出部における先端からの電子放出を制御するための電極であって、前記電子放出部から所定距離離間するとともに該電子放出部を取り囲んだ状態で、前記基板上に絶縁体又は真空空間を介して配置された制御電極を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、高周波増幅、マイクロ波発振、発光素子、電子線露光等の装置に広く適用可能な電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、電子放出素子（電子源）としては、タングステンフィラメントによる熱電子放出源や六ホウ化ランタンによる冷陰極、ジルコニア被覆タングステンによる熱電界放射陰極などが用いられてきた。これら電子放出素子に適用される材料の中でも、近年では、負の電子親和力を有していることからダイヤモンドが注目を集めている。このような電子放出素子としては、例えば非特許文献１に記載されたように、金属陰極にダイヤモンドをコーティングした電子放出素子や、ダイヤモンドの負性電子親和力を効果的に利用するため、特許文献１に記載されたように、突起状のダイヤモンドエミッタにバンドギャップが連続的に変化する層が形成した電子放出素子、あるいは特許文献２に記載されたように、ダイヤモンドのｐｎ接合を利用した電子放出素子が知られている。
【特許文献１】特開平１１−１５４４５５号公報
【特許文献２】特開平４−６７５２８号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆＶａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ  １４（１９９６）２０６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  発明者らは、上述のような従来の電子放出素子について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。【０００４】  すなわち、上記非特許文献１に記載された電子放出素子は、表面のダイヤモンド粒子に効果的に電子が注入されず、実際にはダイヤモンドの伝導帯ではなく価電子帯に存在する電子が強電界によって放出されると考えられる。また、上記特許文献１に記載された電子放出素子は、ダイヤモンドの結晶性が悪く、ダイヤモンドの伝導帯に電子が注入されても、散乱や再結合等によって電子がエネルギーを失ってしまう。そのため、上記特許文献１に記載された電子放出素子では、陰極表面に到達しなくなる可能性があり、効果的には電子放出に寄与しないと考えられる。さらに、上記特許文献２に記載された電子放出素子は、ダイヤモンドの伝導帯に電子を注入するため、電子放出面に電極を形成する必要がある。したがって、上記特許文献２に記載された電子放出素子では、構成が煩雑になるとともに駆動のためのバイアスで電力消費が発生してしまう。【０００５】  この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、効率良く電子を放出させるための構造を備えた電子放出素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  この発明に係る電子放出素子は、ｎ型ダイヤモンドからなる基板と、該基板上に形成された突起とを備える。上記突起は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部と、該基部上に設けられた、先端から電子が放出される電子放出部とを有する。そして、上記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンド又はノンドープダイヤモンド（ｎｏｎ−ｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ  ｄｏｐｅｄ  ｄｉａｍｏｎｄ）からなる。【０００７】  以上のような構成により、基部と電子放出部との界面（ｎ型ダイヤモンドとｐ型ダイヤモンドとの接合界面又はｎ型ダイヤモンドとノンドープダイヤモンドとの接合界面）を含む部位に形成される空間電荷領域は、突起の根元側よりも先端側に位置することになる。この場合、上記特許文献２に記載された電子放出素子のような電極を設けなくても、電界によって電子放出素子から電子を放出させる際に、突起に電界がかかり易くなる。すなわち、電界が容易に突起内部に入り込んで空間電荷領域のエネルギーバンドを押し下げ、障壁が小さい状態となる。これは、基部を構成するｎ型ダイヤモンドの電子が電子放出部を構成するダイヤモンドの伝導帯に効果的に注入されるようになることを意味する。また、ダイヤモンドの伝導帯に電子が注入された後では、電子が散乱等によって突起内部でエネルギーを失うことは少なく、電子放出部の表面に十分に電子が到達するようになる。その結果、当該電子放出素子では、電子放出部の先端から電子が効率良く放出される。【０００８】  なお、上記突起の一部を構成する上記電子放出部は、ｐ型ダイヤモンドからなる先端層と、該先端層と上記基部との間に設けられた、ノンドープダイヤモンドからなる中間層とを有してもよい。この構成により、基部と電子放出部（中間層）との界面（ｎ型ダイヤモンドとノンドープダイヤモンドとの接合界面）を含む部位に形成される空間電荷領域は、突起の根元部よりも先端側に位置することになる。この場合も、上記特許文献２に記載された電子放出素子のような電極を設けなくても、電界によって電子放出素子から電子を放出させる際に、突起に電界がかかり易くなる。すなわち、電界が容易に突起内部に入り込んで空間電荷領域のエネルギーバンドを押し下げ、障壁が小さい状態となる。これは、基部を構成するｎ型ダイヤモンドの電子が電子放出部を構成するダイヤモンドの伝導帯に効果的に注入されるようになることを意味する。また、ダイヤモンドの伝導帯に電子が注入された後では、電子が散乱等によって突起内部でエネルギーを失うことは少なく、電子放出部の表面に十分に電子が到達するようになる。さらに、ノンドープダイヤモンドの中間層が設けられることにより、界面の結晶欠陥等を減少させることができ、電子が界面を通過する時にエネルギーが失われることを防ぐことができる。その結果、当該電子放出素子では、電子放出部の先端から電子が効率良く放出される。【０００９】  この発明に係る電子放出素子において、突起の先端から基部と電子放出部との界面までの距離で規定される、該電子放出部の高さは、１００ｎｍ以下であるのが好ましい。この場合、異種ダイヤモンド同士の接合界面を含む部位に形成される空間電荷領域は、突起の先端近傍に位置することになる。そのため、電界によって当該電子放出素子から電子を放出させる際に、電界が十分に突起内部に入り込んで空間電荷領域のエネルギーバンドを効果的に押し下げる。その結果、当該電子放出部の先端から電子がさらに効率良く放出される。また、この距離であれば、突起における基部から注入された電子は散乱等でエネルギーを失うことなく当該電子放出素子の先端に達することが可能になるため、より効果的に電子を放出させることができる。【００１０】  また、この発明に係る電子放出素子において、突起の先端から基部と電子放出部との界面までの距離で規定される該電子放出部の高さは、基部と電子放出部との界面を含む部位に形成される空間電荷領域の幅寸法以下であるのが好ましい。この場合、突起の先端から基部と電子放出部との界面までの距離が十分に短くなるため、空間電荷領域は突起の先端近傍に位置することになる。したがって、電界によって当該電子放出素子から電子を放出させる際に、電界が十分に突起内部に入り込んで空間電荷領域のエネルギーバンドを効果的に押し下げる。その結果、当該電子放出素子では、電子放出部の先端から電子がさらに効率良く放出される。【００１１】  この発明に係る電子放出素子において、基部と電子放出部との界面あるいは基部と中間層との界面は、真空空間に露出しているのが好ましい。この構成により、界面においても電界が効果的に侵入するため、空間電荷領域のエネルギーバンドを押し下げられ、電子放出効率が上昇する。【００１２】  さらに、この発明に係る電子放出素子は、少なくとも基部の側面を被覆する導電性材料をさらに備えるのが好ましい。この構成により、電子放出素子と陽極等の電極との間に電圧が印加されたとき、基部を構成するｎ型ダイヤモンド中に電子を十分に供給される。また、導電性材料部分は全体的に同電位となるため、突起先端の導電性材料の端部において突起内部に入り込む電界強度を増大させることができる。【００１３】  この発明に係る電子放出素子において、導電性材料の端部から、基部と電子放出部との界面あるいは基部と中間層との界面までの距離（電子放出部の高さ方向に沿った距離）は、ある範囲内に設定される。ここで、界面における突起の最大径（突起が円錐形状を有する場合は該界面の直径）をＲとし、界面から導電性材料の端部までの電子放出部の高さ方向に沿った最小距離をＬとするとき、Ｌ＜Ｒなる条件が満たされるか、又は、Ｌ＜１０００ｎｍなる条件が満たされるのが好ましい。条件Ｌ＜Ｒが満たされる場合、界面における空乏領域に急峻に電界がかかる。また、条件Ｌ＜１０００ｎｍが満たされる場合、高電界における電子の自由行程より距離Ｌは短くなるので、再結合によるキャリア損失が抑制され、電子放出部に効率よく電子が注入され得る。【００１４】  一方、Ｌ＞Ｒの場合、電界は突起全体に緩やかに侵入してバンドを効率的に押し下げることができず、また、余分な抵抗が生じて電子放出−電流特性に悪影響が及ぶ。加えて、Ｌ＞１０００ｎｍの場合、ｐ型又はノンドープの電子放出部において電子が格子等との相互作用によりエネルギーを失ってしまう。このとき、電子は伝導帯に存在できなくなるため、最表面の負の電気陰性度の特性が有効に利用できなくなる。【００１５】  この発明に係る電子放出素子において、電子放出部の表面が水素終端されているのが好ましい。この場合、電子放出部の表面が負の電子親和力に保たれるので、電子放出特性が長期間にわたって安定化するようになる。【００１６】  さらに、この発明に係る電子放出素子は、上記電子放出部における先端からの電子放出を制御するための制御電極をさらに備えるのが好ましい。この制御電極は、電子放出部から所定距離離間するとともに該電子放出部を取り囲んだ状態で、基板上に絶縁体又は真空空間を介して配置される。【００１７】  なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。【００１８】  また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
【発明の効果】
【００１９】  この発明によれば、突起における基部を構成するｎ型ダイヤモンドの電子が電子放出部を構成するダイヤモンドの伝導帯に効果的に注入され、さらにダイヤモンドの伝導帯に注入された電子が電子放出部の表面に十分に到達するので、電子放出素子から効率良く電子を放出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】［図１］は、この発明に係る電子放出素子の第１実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。
［図２］は、図１中の電子放出素子の突起を構成するダイヤモンドのエネルギーバンドである。
［図３］は、基板上の突起全体がｐ型ダイヤモンドからなる電子放出素子を備えた電子線源の構成を、電子放出素子と陽極との間に生じる電界分布とともに示す断面図である。
［図４］は、図３に示された電子放出素子の突起を構成するダイヤモンドのエネルギーバンド（電圧印加時）である。
［図５］は、図１中の電子放出素子と陽極との間に生じる電界分布を示す図である。
［図６］は、図１中の電子放出部をノンドープダイヤモンドで構成した場合におけるダイヤモンドのエネルギーバンドである。
［図７］は、この発明に係る電子放出素子の第２実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。
［図８］は、図７中の電子放出素子の突起を構成するダイヤモンドのエネルギーバンドである。
［図９］は、この発明に係る電子放出素子の第３実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。
［図１０］は、この発明に係る電子放出素子の第４実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。
［図１１］は、この発明に係る電子放出素子を備えた電子線源の他の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２１】  ２…電子放出素子、４…基板、５…突起、６…基部、７…電子放出部、１１…電子放出素子、１２…突起、１３…基部、１４…電子放出部、１５…先端層、１６…中間層、２１…電子放出素子、２２…電極部、３１…電子放出素子、Ｋ…電圧印加前の空間電荷領域。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】  以下、この発明に係る電子放出素子の各実施例を、図１〜１１を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付し重複する説明を省略する。【００２３】  図１は、この発明に係る電子放出素子の第１実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。この図１において、電子線源１は、ダイヤモンドからなる電子放出素子２と、この電子放出素子２と対向して配置された陽極（アノード電極）３とを備える。なお、電子放出素子２及び陽極３は、真空チャンバ内に設置されている。【００２４】  電子放出素子２は、ｎ型ダイヤモンドからなる基板４と、この基板４上に形成された複数の突起５（図１では１つのみ図示）とを有している。突起５は、円錐状又は四角錐状のような先鋭な形状を有している。【００２５】  突起５は、基板４側に設けられた基部６と、この基部６上に設けられ、先端から電子が放出される電子放出部７とで構成されている。基部６は、基板４と同様に、ｎ型ダイヤモンドからなる。電子放出部７は、ｐ型ダイヤモンドからなる。【００２６】  ｎ型ダイヤモンドは、不純物が含まれていないノンドープダイヤモンドに、窒素、リン、硫黄、リチウムのいずれかの元素又は２種類以上の元素、あるいはいずれかの元素と同時にホウ素を不純物としてドープすることにより得られるダイヤモンドである。ｐ型ダイヤモンドは、ノンドープダイヤモンドにホウ素等の不純物をドープすることにより得られるダイヤモンドである。【００２７】  なお、優れた電子放出特性を得るためには、電子放出部７を攻勢するｐ型ダイヤモンドは、結晶性の良いダイヤモンドであることが望ましい。また、基部６を構成するｎ型ダイヤモンドと電子放出部７を構成するｐ型ダイヤモンドとの界面には欠陥が少ないことが好ましい。【００２８】  このように突起５を基部６と電子放出部７とで構成することにより、突起５の内部には、ｎ型ダイヤモンドとｐ型ダイヤモンドとのｐｎ接合が形成されることになる。この場合、基部６と電子放出部７との界面（ｎ型ダイヤモンドとｐ型ダイヤモンドとの接合界面）を含む部位には、図２に示されたように、キャリアが減少した空乏層（空間電荷領域）Ｋが形成される。なお、図２中の（ａ）は、突起５を構成するダイヤモンドの電圧印加前のエネルギーバンドを示し、図２中の（ｂ）は、該ダイヤモンドの電圧印加時のエネルギーバンドを示す。【００２９】  ここで、突起５は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部６とｐ型ダイヤモンドからなる電子放出部７とで構成されているので、例えば図３に示されたように突起５全体がｐ型ダイヤモンドからなる場合と比較して、突起５を構成するダイヤモンド中におけるｐ型領域が小さくなる。したがって、ｐ型領域のエネルギーバンドとしては、図２中の（ａ）に示されたように、平らにならずに空乏層Ｋに連続して曲がった状態となる。【００３０】  突起５の表面は、水素終端されている。このとき、電子放出部７の表面のみが水素終端されてもよいし、基部６及び電子放出部７の双方の表面が水素終端されてもよい。この構成により、電子放出部７の表面が負の電子親和力に保たれるので、電子放出特性が長期間にわたって安定化するようになる。【００３１】  この���うな電子放出素子２の基板４と陽極３との間には、陰極である電子放出素子２に対して正の電圧を陽極３に印加するための電源８が接続されている。この電源８により陽極３に所定の電圧が印加されると、電子放出素子２と陽極３との間に電界が生じる。【００３２】  このとき、電子放出素子２の突起５は先鋭であるため、突起５の先端部には電界が強くかかるが、突起５の基端部には電界が強くかからない。また、突起５の内部に存在する空乏層Ｋにはキャリアが殆ど存在しないため、空乏層Ｋには電界がかかりやすく、その電界によって空乏層Ｋのエネルギーバンドが曲げられる。【００３３】  ところで、図３に示されたように、ｎ型ダイヤモンドからなる基板４上に設けられる突起５全体がｐ型ダイヤモンドで構成される場合、ダイヤモンド中の空乏層は突起５の根元部に存在することになる。そのため、基板４と陽極３との間に電界を発生させたときに、突起５を構成するｐ型ダイヤモンド中に存在するキャリアによって電界が遮蔽されるので、突起５の内部に電界がかかりにくくなる。その結果、図４に示されたように、電界が空乏層のエネルギーバンドを曲げることが困難になるため、効果的に電子を真空中に放出させることができない。【００３４】  これに対し、上述の第１実施例に係る電子放出素子１は、突起５の先端側を構成するｐ型ダイヤモンドの領域が小さいので、ダイヤモンド中の空乏層Ｋが突起５の根元側よりも先端側に位置することになる。すなわち、図５に示されたように、電子放出素子２と陽極３との間に生じた電界が突起５の内部に容易にしみ込むようになる。これは、図２中の（ｂ）に示されたように、電界が空乏層Ｋのエネルギーバンドを効果的に押し下げ、障壁が小さい状態となることを意味する。その結果、突起５の基部６を構成するｎ型ダイヤモンド中の電子が電子放出部７を構成するｐ型ダイヤモンドの伝導帯に十分に注入されるようになる。【００３５】  また、ｐ型ダイヤモンドの伝導帯に電子が注入された後でも、電子放出素子２と陽極３との間に電界が生じていれば、上述のように、電界が突起５の内部に容易に侵入して空乏層Ｋのエネルギーバンドを押し下げ、障壁が小さい状態に維持される。このため、電子が突起５内で散乱や再結合等によりエネルギーを失うことは少なく、負性の電子親和力をもつ電子放出部７の表面に電子が十分に到達するようになる。そして、その状態で、電子放出部７の先端から電子が真空中に放出される。【００３６】  このとき、突起５（電子放出部７）の先端から基部６と電子放出部７との界面までの距離で規定される該電子放出部７の高さＡは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、突起５を構成するダイヤモンド中の空乏層Ｋは、突起５の先端近傍に位置することになる。したがって、陽極３に印加される電圧が比較的低い場合であっても、電界が突起５の内部に容易に侵入して空乏層Ｋのエネルギーバンドを押し下げることができる。その結果、低い駆動電圧で、電子放出部７の先端から電子を放出させることが可能になる。【００３７】  また、ダイヤモンド中における空乏層Ｋの幅寸法Ｗは不純物濃度によっても異なるが、ホウ素ドープのｐ型ダイヤモンドにおいて、結晶性と電気伝導性を良好にするために���ウ素濃度を例えば３×１０１８ｃｍ−３とした場合、空乏層Ｗの幅寸法Ｗは５０ｎｍ程度である。したがって、突起５の先端から基部６と電子放出部７との界面までの距離（電子放出部７の高さ）Ａは、空乏層Ｗの幅寸法Ｗ以下としても良い。なお、ここでいう空乏層Ｖの幅寸法Ｗは、電圧印加前の状態における寸法である。【００３８】  さらに、突起５の先端から基部６と電子放出部７との界面までの距離Ａが１０ｎｍ以下である場合、突起５の内部に存在する電子がエネルギーを殆ど失うことなく電子放出部７の表面まで移動するようになる。したがって、電子放出部７から電子を放出しやすくなる。【００３９】  以上のようにこの第１実施例に係る電子放出素子によれば、突起５の基部６を構成するｎ型ダイヤモンド中の電子が電子放出部７を構成するｐ型ダイヤモンドの伝導帯に十分に注入され、さらにｐ型ダイヤモンドの伝導帯に注入された電子が電子放出部７の表面に十分に到達する。その結果、当該電子放出素子は、電子を効率良く放出させることができる。【００４０】  また、当該電子放出素子は、基板４上に突起５を設け、突起５に電界を集中させて電子を放出させる構成を有するので、ｎ型ダイヤモンド層及びｐ型ダイヤモンド層の双方にバイアス用の電極を設ける必要がない。このため、ダイヤモンド中の空乏層Ｋのエネルギーバンドを曲げ続けるためにｐｎ接合間に電圧をかけ続ける必要がなく、動作時の省電力化を図ることができる。【００４１】  なお、上述の第１実施例では、突起５の電子放出部７をｐ型ダイヤモンドで構成されたが、ノンドープダイヤモンド（ｉ型ダイヤモンド）で構成されてもよい。この場合、電子放出素子２と陽極３との間に電界を発生させたときには、電界が突起５を構成するダイヤモンド内に容易に入り込み、図６に示されたように、ｎ型ダイヤモンドとｉ型ダイヤモンドとの接合界面を含む部位に形成される空間電荷領域Ｋのエネルギーバンドを押し下げる。これにより、電子放出素子２から電子を効率良く放出させることができる。なお、図６中の（ａ）は電子放出部７を構成するノンドープダイヤモンドの電圧印加前のエネルギーバンドを示し、図６中の（ｂ）は、該ノンドープダイヤモンドの電圧印加時のエネルギーバンドを示す。【００４２】  図７は、この発明に係る電子放出素子の第２実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。この図７において電子線源１０は、第２実施例に係る電子放出素子１１を備える。この第２実施例に係る電子放出素子１１は、基板４上に形成された先鋭な突起１２を有している。突起１２は、ｎ型ダイヤモンドからなる基部１３と、この基部１３上に設けられ、先端から電子が放出される電子放出部１４とで構成されている。【００４３】  電子放出部１４は、ｐ型ダイヤモンドからなる先端層１５と、この先端層１５と基部１３との間に設けられた、ノンドープダイヤモンド（ｉ型ダイヤモンド）からなる中間層１６で構成されている。このようにノンドープダイヤモンドからなる中間層１６が先端そう５と基部１３との間に設けられることにより、界面の結晶欠陥等を減少させることができ、電子が界面を通過する時にエネルギーが失われることを防ぐことができる。【００４４】  突起１２（電子放出部１４）の先端から基部１３と電子放出部１４との界面までの距離（電子放出部１４の高さ）Ａは、１００ｎｍ以下であることが好ましく、また、ｎ型ダイヤモンドとｉ型ダイヤモンドとｐ型ダイヤモンドとの接合界面を含む部位に形成される空間電荷領域Ｋの幅寸法Ｗ以下であってもよい。【００４５】  このような電子線源１０において、電源８により陽極３に所定の電圧を印加すると、電子放出素子１１と陽極３との間に電界が生じ、その電界が突起１２を構成するダイヤモンド内に容易に入り込む。そして、図８に示されたように、電界が空間電荷領域Ｋのエネルギーバンドを押し下げ、障壁が小さくなった状態で、突起１２の先端から電子が効率良く真空中に放出される。なお、図８中の（ａ）は、電子放出部１４を構成するダイヤモンドの電圧印加前のエネルギーバンドを示し、図８中の（ｂ）は、該ダイヤモンドの電圧印加時のエネルギーバンドを示す。【００４６】  図９は、この発明に係る電子放出素子の第３実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図である。この図９において電子線源２０は、第３実施例に係る電子放出素子２１を備える。この第３実施例に係る電子放出素子２１は、上述の第１実施例に係る電子放出素子１と同一構造の基板４及び突起５を有している。ただし、第２実施例に係る電子放出素子２１は、基板４の表面と突起５の基部６の側面が、Ｔｉ等の導電性材料からなる電極部２２で被覆されている点で、第１実施例とは異なる。【００４７】  ここで、上記導電性材料からなる電極部２２は、基板４の表面及び突起５の基部６の側面との間でオーミック接合を形成するのが好ましい。そのため、Ｔｉ等を蒸着した後は加熱処理してオーミック接合を改善したり、グラファイト等の材料を電極に用いてもよい。基部６の側面を被覆する電極部２２は、突起５の根元から、基部６と電子放出部７との界面よりも基板４側の部位まで延びている。電極部２２と陽極３との間には、陽極３に電圧を印加するための電源８が接続されている。【００４８】  上記電極部２２が設けられることにより、電源８が陽極３に所定電圧を印加することにより電界が発生したとき、突起５の基部６を構成するｎ型ダイヤモンド中にキャリアの電子が十分に供給される。また、電極部２２は全体的に同電位となるため、突起５の内部に入り込む電界の強度を電極部２２の端部で増大させることができる。【００４９】  さらに、上記導電性材料が金属の場合、エネルギーバンドが完全に平らになる。一方、ダイヤモンドからなる突起５にかかる電界は、上述のように突起５の先端に行くほど強くなる。そこで、電極部２２が設けられることにより、基部６と電子放出部７との界面よりも基板４側の所定位置まではエネルギーバンドを完全に平らにし、当該所定位置でエネルギーバンドを強く急激に曲げることが可能になる。【００５０】  ここで、上記導電性材料の端部と界面との距離（電子放出部７の高さ方向に沿った距離）Ｌは、界面における突起５の直径Ｒと比較して、Ｌ＜Ｒなる条件を満たしているのが好ましい。なお、この第３実施例では、界面の直径は３００ｎｍであり、距離Ｌは２００ｎｍである。【００５１】  図１０は、この発明に係る電子放出素子の第４実施例を備えた電子線源の構成を示す断面図���ある。この図１０において電子線源３０は、第４実施例に係る電子放出素子３１を備える。この第４実施例に係る電子放出素子３１も、第１実施例に係る電子放出素子１と同一構造の基板４及び突起５を有している。ただし、この第４実施例に係る電子放出素子３１は、基板４上に絶縁層３２を介して制御電極３３を備えている点において第１実施例と異なる。なお、この第４実施例において、基板４と制御電極３３との間には、制御電極３３に電圧を印加するための可変電源３４が接続されている。【００５２】  このような構成では、可変電源３４が制御電極３３に印加する電圧を制御することで、電子放出素子３１からの電子の放出量（放出電子電流）を、低電圧で容易にかつ細かく調整することができる。また、このとき、突起５の基部６表面には、上述の第３実施例と同様に導電性材料が被覆されてもよい。【００５３】  なお、この発明に係る電子放出素子は、上述の実施例に限定されるものではない。例えば、上記各実施例に係る電子放出素子を備えた電子線源では、当該電子放出素子から電子を放出させるための電極として陽極３を用いたが、当該電子放出素子が電子銃等に適用される場合には、陽極３の代わりに、図１１に示されたように環状の加速電極３５を設けた構成としてもよい。なお、図１１は、この発明に係る電子放出素子の各実施例が適用可能な電子線源の他の構成を示す断面図である。【００５４】  次に、上述の第３実施例に係る電子放出素子を備えた電子線源の具体的構成について説明する。【００５５】  まず、図９に示されたような構造を有する電子放出素子を備えた電子線源が製造される。具体的には、高温高圧法で合成されたｐ型のＩＩａダイヤモンド単結晶の（１１１）面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いてｎ型の燐ドープダイヤモンドが形成される。この燐ドープダイヤモンドの成長条件は、合成温度が８７０℃、水素／メタンガス流量比が０．０５％、メタン／ホスフィンガス流量比が１００００ｐｐｍであり、その膜厚は１０μｍである。【００５６】  次いで、ドーパントガスを変えたマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ｐ型のホウ素ドープダイヤモンドが形成される。このホウ素ドープダイヤモンドの成長条件は、合成温度が８３０℃、水素／メタンガス流量比が６．０％、メタン／ジボランガス流量比が０．８３ｐｐｍであり、その膜厚は０．２μｍである。【００５７】  さらに、スパッタ法により先に形成されたダイヤモンド膜上にＡｌが成膜され、このＡｌ膜がフォトリソグラフィーとウェットエッチングを用いてドット状に加工される。その後、ＲＩＥ法によりダイヤモンドがエッチングされる。エッチング後のダイヤモンドは、図９に示されたように高さ５μｍの突起状エミッタとなっている。このとき、エッチングにより突起先端部分のｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの厚さは４０ｎｍに減少している。【００５８】  エミッタ側の燐ドープダイヤモンド表面にはさらにＡｒがイオン注入され、該ダイヤモンド表面がグラファイト化される。そして、表面がグラファイト化されたダイヤモンドに３００℃に加熱しながらＴｉが蒸着され、オーミック電極が形成される。また、エミッタから１００μｍの距離を隔ててアノード電極（陽極）が設置される。【００５９】  以上の構成において、オーミック電極とアノード電極の間に所定電圧が印加されることにより、電子放出素子から電子を放出させる。このとき、電子放出を開始する閾電圧は、６００Ｖと低電圧であった。【００６０】  なお、比較のため、図３に示されたように突起全体がｐ型ダイヤモンドで構成された電子放出素子を使用して電子を放出させたところ、電子放出を開始する閾電圧は１．５ｋＶであった。【００６１】  以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６２】  この発明に係る電子放出素子は、高性能の電子線応用機器、例えばマイクロ波発振管、高周波増幅素子、電子線露光等の電子線加工装置などへの適用が可能である。
【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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