(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、
Ｃｓ含有量が  ０．１原子％≦Ｃｓ≦５．０原子％である非晶質炭素膜より構成されていることを特徴とする冷陰極素子。
【請求項２】
Ｃｓ含有量が  ０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である、請求項１記載の冷陰極素子。
【請求項３】
前記非晶質炭素膜の表面にＣｓの酸化物が点在している、請求項２記載の冷陰極素子。
【請求項４】
前記非晶質炭素膜は、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成された、請求項１，２または３記載の冷陰極素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い前記冷陰極素子を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、Ｃｓ（セシウム）含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦５．０原子％である非晶質炭素膜より構成されている冷陰極素子が提供される。
【０００６】
非晶質炭素膜自体冷陰極素子として機能するが、このような非晶質炭素膜に、前記のように特定された量のＣｓを含有させると、Ｃ（炭素）とＣｓとの原子半径の相違に起因して膜内の構造に乱れを生じ、その膜の電気絶縁性が弱められる一方、導電性が強められる。また膜内のＣｓはＣの仕事関数を低下させる効果も発揮する。これにより冷陰極素子の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【０００７】
ただし、Ｃｓ含有量がＣｓ＜０．１原子％ではＣｓ添加の意義がなく、一方、Ｃｓ＞５．０原子％では膜内の構造の乱れが激しくなって、その膜のｓｐ3 性が低くなるため、その膜の負の電子親和力による電界放出を期待できなくなる。この場合、Ｃｓ＞１．８原子％になると、膜表面のＣｓ量が過多となって、その膜の大気への暴露によりＣｓの酸化が急速に進行するため、その膜にクラックが生じるおそれがある。それ故、Ｃｓ含有量が１．８原子％＜Ｃｓ≦５．０原子％である冷陰極素子の製造およびその使用は真空中で行わなければならず、一方、大気に曝される可能性のある冷陰極素子は０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％のものがよい、と言える。
【０００８】
前記非晶質炭素膜は単体で用いられる外、例えばＳｉよりなる冷陰極素子の性能向上を図るべく、その素子の表面被膜層構成材料としても用いられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は陰極ユニット１を示し、その陰極ユニット１はＡｌ製陰極板２と、その表面に形成された冷陰極素子３とよりなる。その冷陰極素子３は、Ｃｓ含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦５．０原子％、実施例では、０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成されている。
【００１０】
非晶質炭素膜自体冷陰極素子として機能するが、このような非晶質炭素膜に、前記のように特定された量のＣｓを含有させると、Ｃの原子半径（０．７７Å）とＣｓの原子半径（２．６２Å）との相違に起因して膜内の構造に乱れを生じ、その膜の電気絶縁性が弱められる一方、導電性が強められる。また膜内のＣｓはＣの仕事関数を低下させる効果も発揮する。これにより冷陰極素子３の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【００１１】
さらに、Ｃｓは非晶質炭素膜内だけでなく、その表面にも多数点在する。この場合、Ｃｓが活性であることから、膜表面のＣｓは空気中の酸素と化合して安定な酸化物となる。その結果、膜表面の多数のＣｓ酸化物は多数の電気絶縁性ポイントを形成するので、膜表面に電界を印加すると、それら電気絶縁性ポイントを除いた部分に電界が集中し、これによっても冷陰極素子３の電界放出特性の向上が図られる。
【００１２】
非晶質炭素膜はイオンビーム蒸着法により形成され、その形成に際し、入射イオンとしてＣｓイオンを用い、また形成条件を調整することによってＣｓを非晶質炭素膜に均一に含有させることが可能となる。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、非晶質炭素膜の原子密度は正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり、導電性はこの順序で強くなり、放出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は、負イオンの内部ポテンシャルエネルギ（電子親和力）が正イオンのそれ（電離電圧）よりも低いことに起因する。
【００１３】
以下、具体例について説明する。
【００１４】
〔Ｉ〕負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜の形成
図２は公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置（NIABNIS:Neutral and
Ionized Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ５、フィラメント６、熱遮蔽体７等を有するＣｓプラズマイオン源８と、サプレッサ９と、高純度高密度炭素よりなるターゲット１０を備えたターゲット電極１１と、負イオン引出し電極１２と、レンズ１３と、マグネット１４を有する電子除去体１５と、偏向板１６とを備えている。
【００１５】
非晶質炭素膜３（便宜上、冷陰極素子と同一の符号を用いる）の形成に当っては、（ａ）図２に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）Ｃｓプラズマイオン源８によりＣｓの正イオンを発生させる、（ｃ）Ｃｓの正イオンによりターゲット１０をスパッタしてＣ等の負イオンを発生させる、（ｄ）サプレッサ９を介して負イオン引出し電極１２により負イオンを引出して負イオンビーム１７を発生させる、（ｅ）レンズ１３により負イオンビーム１７を収束する、（ｆ）電子除去体１５により負イオンビーム１７に含まれる電子を除去する、（ｇ）偏向板１６により負イオンのみを陰極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１６】
図３は負イオンビーム１７の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム１７の主たる負イオンは構成原子数が１であるＣ- イオンと構成原子数が２である
Ｃ2 - イオンである。ただし、イオン電流はＣ- ＞Ｃ2 - である。
【００１７】
表１は負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜３の例１〜８における形成条件を示す。例１〜８の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
次に、例１〜８の略中央部についてラマン分光法による分析を行って、それらが非晶質であるか否かを調べた。図４は例４の分析結果を示し、波数１５００cm-1付近を中心としたブロードなラマンバンドが観察される。このことから例４は非晶質であることが判明した。他の例１〜３，５〜８についても図４と同様の結果が得られた。
【００２０】
また例１〜８についてＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）定量分析によりＣｓ含有量を調べた。
【００２１】
さらに、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）により例４表面の二次電子像を撮影して図５の写真を得た。図中、多数の白点は、非晶質炭素膜３の表面に点在するＣｓの酸化物を示す。他の例１〜３，５〜７についても図５と略同様の結果が得られた。
【００２２】
さらにまた、例１〜８について、図６に示す方法で放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源１８にＡｌ製導電板１９を接続し、その導電板１９上に、中央部に縦０．８cm、横０．８cm（０．６４cm2 ）の開口２０を有する厚さ１５０μｍのカバーガラス２１を載せ、また、そのカバーガラス２１上に陰極ユニット１の非晶質炭素膜３を載せ、さらに、その陰極板２に電流計２２を接続した。次いで、電源１８より導電板１９に所定の電圧を印加して、電流計２２により電流を読取った。そして、測定電流と開口２０の面積とから、放出電流密度（μＡ／cm2 ）を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が８μＡ／cm2 に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス２１の厚さとから放出電界（Ｖ／μｍ）を求めた。
【００２３】
表２は例１〜８に関するＣｓ含有量と放出電界を示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
〔II〕正イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜の形成
この非晶質炭素膜３の形成には、図２の装置を用い、またＣｓの正イオンによりスパッタを行ってＣの正イオンを発生させ、さらに負イオン引出し電極１２、レンズ１３、偏向板１６および陰極板２の極性を、前記〔Ｉ〕の場合（図２参照）と逆に設定した。
【００２６】
表３は、正イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜３の例１〜４における形成条件を示す。例１〜４の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
次に、例１〜４について、前記同様にラマン分光法による分析を行ってそれらの非晶質性を確認し、また前記同様の方法でＣｓ含有量を調べ、さらに前記同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【００２９】
表４は例１〜４に関するＣｓ含有量と放出電界を示す。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
〔IV〕電界放出特性
各非晶質炭素膜３に関し、表２，４に基づいてＣｓ含有量と放出電界との関係をグラフ化したところ、図７の結果を得た。図７から明らかなように、Ｃｓ含有量を０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％に設定すると、非晶質炭素膜３の放出電界を大いに低くすることができる。例８はＣｓ＝０原子％であることから放出電界が高く、また例７はＣｓ＞１．８原子％であることからクラックを生じた。さらに、非晶質炭素膜３の電界放出特性は、負イオンビーム蒸着法によるものの方が正イオンビーム蒸着法によるものよりも高くなることが明らかである。
【００３２】
この種の冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い冷陰極素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】陰極ユニットの断面図である。
【図２】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図３】前記装置によるビームスペクトルである。
【図４】非晶質炭素膜に関するラマン分光法による分析結果を示すチャートである。
【図５】非晶質炭素膜表面の二次電子像を示す写真である。
【図６】放出電界測定方法の説明図である。
【図７】Ｃｓ含有量と放出電界との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      陰極ユニット
２      陰極板
３      冷陰極素子（非晶質炭素膜）
【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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