JP3585677B2 - 絶縁体内電子放出電極 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電子放電素子及び放電方法に関する。本発明の電子放出素子及び放電方法は、多量の電子を必要とする物理的又は化学的処理等に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
電子放出電極及び素子（以下、電子放出素子という）として、種々のものが知られ、放電や発光の分野で利用されている。電子放出電極には、熱電子源と冷陰極電子源の２種類がある。さらに冷陰極電子源としては、電界放出型（ＦＥ型）電子放出素子、金属／絶縁層／金属型（ＭＩＭ型）電子放出素子及び表面伝導型電子放出素子が知られている。
ＭＩＭ型電子放出素子としては、ミード（Ｍｅａｄ）によって、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３−Ａｌ Ｔａ−Ｔａ２Ｏ５−Ａｕ等の素子が真空エミッタとして作動することが示された。ＭＩＭ型電子放出素子は、Ａｌ２Ｏ３ のような絶縁膜（Ｉ）の中をトンネル電子が通過することで電子の放出を起こす。しかし、安定して高い効率で放電が得られず、かつ電子放出のための高い印加電場のために絶縁破壊が起き、素子自体の安定性にも問題があり、実用されるに至っていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、トンネル効果を利用して電子の放出を起こす電子放出素子であって、印加電圧のために絶縁破壊が起き難い、新たな構造の電子放出素子とこの素子を用いた電子の放出の方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は以下のとおりである。
〔請求項１〕 誘電体基板の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さと前記誘電体基板より低い誘電率とを有することを特徴とする電子放出素子。
〔請求項２〕 誘電体層が均一または不均一な厚さを有する請求項１に記載の電子放出素子。
〔請求項３〕 誘電体基板が誘電体層の５倍以上の誘電率を有する請求項１又は２に記載の電子放出素子。
〔請求項４〕 誘電体基板の一方の面に導電層（１）を有し、他方の面に誘電体層及び導電層（２）をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さと前記誘電体基板より低い誘電率を有する素子の導電層（１）と（２）の間に、導電層（１）が陰極となり、導電層（２）が陽極となるように電圧を印加することで、導電層（２）の表面から電子を放出させる方法。
【０００５】
【発明の実施の態様】
電子放出素子
本発明の電子放出素子は、誘電体基板の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有するものである。誘電体基板は、誘電性を示す材料からなるものであり、例えば、誘電率εが約８０〜１０５ の範囲のものを用いることができる。誘電体基板の材料としては、例えば、常誘電体として酸化チタン、反強誘電体としてジルコン酸鉛、ニオブ酸ナトリウム、強誘電体としてチタン酸バリウム等を挙げることができる。また、誘電体基板の厚みは、例えば、放電特性と強度等を考慮して適宜決定できるが、例えば、０．１ 〜１０μｍ の範囲とすることができ、好ましくは、０．２ 〜２ μｍ の範囲である。
【０００６】
２つの導電層は、誘電体基板との界面及び外界との界面において酸化等の化学的変化を受けないものであることが適当である。特に誘電体層上に設けた導電層は化学的変化を受け易いので、化学的に安定な材料であることが適当である。誘電体層上に設けた導電層の材料としては、導電性が良好でかつ化学的安定な金属である、例えば、金、白金等の貴金属等を用いることができる。また、誘電体基板上に設けた導電層は、化学的変化を受けにくいので上記金属以外にアルミニウム等の化学的安定性がやや低いものであっても良い。また、誘電体基板上に設ける導電層は、誘電体基板上に化学的に安定な金、白金等の貴金属等の層を設け、その上にアルミニウム等の化学的安定性がやや低い金属からなる層を設けた、複層構造であるても良い。
誘電体基板の導電層の厚みには特に制限はない。それに対して、誘電体層上に設けた導電層は、電子が容易に放出されるという観点から、２０ｎｍ±１０ｎｍの範囲であることが適当である。
【０００７】
誘電体層は、上記誘電体基板よりも相対的に低い誘電率を有する材料からなり、誘電体基板の誘電率の５分の１以下であることが適当であり、好ましくは２０分の１以下である。そのような材料の例として、ＬＢ膜、石英等の酸化珪素、塩化カリウム等を挙げることができる。これら以外でも、これまでのＭＩＭ型電子放出素子に提案さたものと同様の材質のものを利用することもできる。誘電体層は厚さが５ｎｍ以下の層であり、層の厚さは均一であっても不均一であっても良い。但し、電子放電の起こり易さは、誘電体基板の材質及び厚さ並びに誘電体層の材質が決まると誘電体層の厚さに依存する傾向があるので、均一層とする場合、誘電体層の厚さは、電子放電の起こり易さを考慮して決定することが適当である。また、不均一層の場合、電子自身が放電の起こり易い厚さを箇所を選択して放電することから、層の厚さを厳密にコントロールしなくても、電子放電素子が得られるという利点がある。上記範囲の厚さの不均一層であることで、接する導電層に容易に高い効率で電子を注入させることができる。誘電体層は、好ましくは厚さが４ｎｍ以下の不均一層である。
本発明の素子の具体例としては、例えば、▲１▼誘電体基板：酸化チタン、誘電体層：石英、▲２▼誘電体基板：チタン酸バリウム、誘電体層：ストロンチウム酸鉛等をあげることができる。但し、これらに限定されるものではない。
【０００８】
本発明の素子は、半導体製造等の分野で利用されている物理的あるいは化学的気相成長法や真空蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等の薄膜製造技術を利用して製造することができる。
【０００９】
電子放出方法
上記本発明の素子を用いての電子の放出方法及びそのメカニズムを図１に基づいて説明する。
本発明の素子は、誘電体基板１０の一方の面に導電層（１）１１を有し、他方の面に誘電体層１２及び導電層（２）１３をこの順に有する。誘電体層１２は厚さが５ｎｍ以下の層であり、この層は前記範囲内の均一又は不均一な厚さを有することができる。この素子の導電層（１）１１と（２）１３の間に、導電層（１）が陰極となり、導電層（２）が陽極となるように電圧を印加する。誘電体基板１０と誘電体層１２の界面でポジティブホールと電子とが生じ、電子はトンネル効果により、誘電体層１２内を透過して導電層（２）１３に至り、さらに、導電層（２）１３の表面から外部に放出される。一方ポジティブホールは、誘電体基板１０内を透過して導電層（１）１１に至り、電子と再結合する。
導電層（２）の表面からの電子の放出量は、素子の構造〔特に、誘電体基板１０の膜厚と材質（誘電率）、誘電体層１２の膜厚と材質（誘電率）〕、及び印加される電圧によって変化させることができる。
【００１０】
本発明の素子及び電子放出方法は、従来の電子放出素子の用途、例えば、放電ランプ、放電管、画像表示用のディスプレイ等にそのまま用いることができるばかりでなく、電子放出量が大きいことから、環境デバイス等の化学分野での利用の道も開ける。例えば、多量の電子を供給できることから、粉塵の収集や化学物質の還元処理等にも利用の可能性がある。
【００１１】
【実施例】
以下本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例１
金薄膜（膜厚１μｍ）の上に酸化チタン膜をＣＶＤ法により厚さ１μｍに形成した。この酸化チタン膜の上にさらにＭＢＥ法により、厚さ５ｎｍの範囲で分布する不均一層である石英膜を形成した。さらに、酸化チタン膜上に金薄膜（膜厚２０ｎｍ）を形成して本発明の素子を得た。
この素子の両金薄膜に５０Ｖの電圧を印加したところ、石英膜に接する金薄膜の表面から電子の放出が確認された。
【００１２】
実施例２
金薄膜（膜厚１μｍ）の上に酸化チタン膜をＣＶＤ法により厚さ１．５μｍに形成した。この酸化チタン膜の上にさらにＣＶＤ法により、厚さ４ｎｍの範囲で分布する不均一層である石英膜を形成した。さらに、酸化チタン膜上に金薄膜（膜厚２０ｎｍ）を形成して本発明の素子を得た。
この素子の両金薄膜に５５Ｖの電圧を印加したところ、石英膜に接する金薄膜の表面から電子の放出が確認された。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、トンネル効果を利用して電子の放出を起こす電子放出素子であって、印加電圧のために絶縁破壊が起き難い、新たな構造の電子放出素子とこの素子を用いた電子の放出の方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出素子とその放電方法の説明図。
【符号の説明】
１０・・・誘電体基板
１１・・・導電層（１）
１２・・・誘電体層
１３・・・導電層（２）
【発明が属する技術分野】
本発明は、電子放電素子及び放電方法に関する。本発明の電子放出素子及び放電方法は、多量の電子を必要とする物理的又は化学的処理等に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
電子放出電極及び素子（以下、電子放出素子という）として、種々のものが知られ、放電や発光の分野で利用されている。電子放出電極には、熱電子源と冷陰極電子源の２種類がある。さらに冷陰極電子源としては、電界放出型（ＦＥ型）電子放出素子、金属／絶縁層／金属型（ＭＩＭ型）電子放出素子及び表面伝導型電子放出素子が知られている。
ＭＩＭ型電子放出素子としては、ミード（Ｍｅａｄ）によって、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３−Ａｌ Ｔａ−Ｔａ２Ｏ５−Ａｕ等の素子が真空エミッタとして作動することが示された。ＭＩＭ型電子放出素子は、Ａｌ２Ｏ３ のような絶縁膜（Ｉ）の中をトンネル電子が通過することで電子の放出を起こす。しかし、安定して高い効率で放電が得られず、かつ電子放出のための高い印加電場のために絶縁破壊が起き、素子自体の安定性にも問題があり、実用されるに至っていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、トンネル効果を利用して電子の放出を起こす電子放出素子であって、印加電圧のために絶縁破壊が起き難い、新たな構造の電子放出素子とこの素子を用いた電子の放出の方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は以下のとおりである。
〔請求項１〕 誘電体基板の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さと前記誘電体基板より低い誘電率とを有することを特徴とする電子放出素子。
〔請求項２〕 誘電体層が均一または不均一な厚さを有する請求項１に記載の電子放出素子。
〔請求項３〕 誘電体基板が誘電体層の５倍以上の誘電率を有する請求項１又は２に記載の電子放出素子。
〔請求項４〕 誘電体基板の一方の面に導電層（１）を有し、他方の面に誘電体層及び導電層（２）をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さと前記誘電体基板より低い誘電率を有する素子の導電層（１）と（２）の間に、導電層（１）が陰極となり、導電層（２）が陽極となるように電圧を印加することで、導電層（２）の表面から電子を放出させる方法。
【０００５】
【発明の実施の態様】
電子放出素子
本発明の電子放出素子は、誘電体基板の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有するものである。誘電体基板は、誘電性を示す材料からなるものであり、例えば、誘電率εが約８０〜１０５ の範囲のものを用いることができる。誘電体基板の材料としては、例えば、常誘電体として酸化チタン、反強誘電体としてジルコン酸鉛、ニオブ酸ナトリウム、強誘電体としてチタン酸バリウム等を挙げることができる。また、誘電体基板の厚みは、例えば、放電特性と強度等を考慮して適宜決定できるが、例えば、０．１ 〜１０μｍ の範囲とすることができ、好ましくは、０．２ 〜２ μｍ の範囲である。
【０００６】
２つの導電層は、誘電体基板との界面及び外界との界面において酸化等の化学的変化を受けないものであることが適当である。特に誘電体層上に設けた導電層は化学的変化を受け易いので、化学的に安定な材料であることが適当である。誘電体層上に設けた導電層の材料としては、導電性が良好でかつ化学的安定な金属である、例えば、金、白金等の貴金属等を用いることができる。また、誘電体基板上に設けた導電層は、化学的変化を受けにくいので上記金属以外にアルミニウム等の化学的安定性がやや低いものであっても良い。また、誘電体基板上に設ける導電層は、誘電体基板上に化学的に安定な金、白金等の貴金属等の層を設け、その上にアルミニウム等の化学的安定性がやや低い金属からなる層を設けた、複層構造であるても良い。
誘電体基板の導電層の厚みには特に制限はない。それに対して、誘電体層上に設けた導電層は、電子が容易に放出されるという観点から、２０ｎｍ±１０ｎｍの範囲であることが適当である。
【０００７】
誘電体層は、上記誘電体基板よりも相対的に低い誘電率を有する材料からなり、誘電体基板の誘電率の５分の１以下であることが適当であり、好ましくは２０分の１以下である。そのような材料の例として、ＬＢ膜、石英等の酸化珪素、塩化カリウム等を挙げることができる。これら以外でも、これまでのＭＩＭ型電子放出素子に提案さたものと同様の材質のものを利用することもできる。誘電体層は厚さが５ｎｍ以下の層であり、層の厚さは均一であっても不均一であっても良い。但し、電子放電の起こり易さは、誘電体基板の材質及び厚さ並びに誘電体層の材質が決まると誘電体層の厚さに依存する傾向があるので、均一層とする場合、誘電体層の厚さは、電子放電の起こり易さを考慮して決定することが適当である。また、不均一層の場合、電子自身が放電の起こり易い厚さを箇所を選択して放電することから、層の厚さを厳密にコントロールしなくても、電子放電素子が得られるという利点がある。上記範囲の厚さの不均一層であることで、接する導電層に容易に高い効率で電子を注入させることができる。誘電体層は、好ましくは厚さが４ｎｍ以下の不均一層である。
本発明の素子の具体例としては、例えば、▲１▼誘電体基板：酸化チタン、誘電体層：石英、▲２▼誘電体基板：チタン酸バリウム、誘電体層：ストロンチウム酸鉛等をあげることができる。但し、これらに限定されるものではない。
【０００８】
本発明の素子は、半導体製造等の分野で利用されている物理的あるいは化学的気相成長法や真空蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法等の薄膜製造技術を利用して製造することができる。
【０００９】
電子放出方法
上記本発明の素子を用いての電子の放出方法及びそのメカニズムを図１に基づいて説明する。
本発明の素子は、誘電体基板１０の一方の面に導電層（１）１１を有し、他方の面に誘電体層１２及び導電層（２）１３をこの順に有する。誘電体層１２は厚さが５ｎｍ以下の層であり、この層は前記範囲内の均一又は不均一な厚さを有することができる。この素子の導電層（１）１１と（２）１３の間に、導電層（１）が陰極となり、導電層（２）が陽極となるように電圧を印加する。誘電体基板１０と誘電体層１２の界面でポジティブホールと電子とが生じ、電子はトンネル効果により、誘電体層１２内を透過して導電層（２）１３に至り、さらに、導電層（２）１３の表面から外部に放出される。一方ポジティブホールは、誘電体基板１０内を透過して導電層（１）１１に至り、電子と再結合する。
導電層（２）の表面からの電子の放出量は、素子の構造〔特に、誘電体基板１０の膜厚と材質（誘電率）、誘電体層１２の膜厚と材質（誘電率）〕、及び印加される電圧によって変化させることができる。
【００１０】
本発明の素子及び電子放出方法は、従来の電子放出素子の用途、例えば、放電ランプ、放電管、画像表示用のディスプレイ等にそのまま用いることができるばかりでなく、電子放出量が大きいことから、環境デバイス等の化学分野での利用の道も開ける。例えば、多量の電子を供給できることから、粉塵の収集や化学物質の還元処理等にも利用の可能性がある。
【００１１】
【実施例】
以下本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例１
金薄膜（膜厚１μｍ）の上に酸化チタン膜をＣＶＤ法により厚さ１μｍに形成した。この酸化チタン膜の上にさらにＭＢＥ法により、厚さ５ｎｍの範囲で分布する不均一層である石英膜を形成した。さらに、酸化チタン膜上に金薄膜（膜厚２０ｎｍ）を形成して本発明の素子を得た。
この素子の両金薄膜に５０Ｖの電圧を印加したところ、石英膜に接する金薄膜の表面から電子の放出が確認された。
【００１２】
実施例２
金薄膜（膜厚１μｍ）の上に酸化チタン膜をＣＶＤ法により厚さ１．５μｍに形成した。この酸化チタン膜の上にさらにＣＶＤ法により、厚さ４ｎｍの範囲で分布する不均一層である石英膜を形成した。さらに、酸化チタン膜上に金薄膜（膜厚２０ｎｍ）を形成して本発明の素子を得た。
この素子の両金薄膜に５５Ｖの電圧を印加したところ、石英膜に接する金薄膜の表面から電子の放出が確認された。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、トンネル効果を利用して電子の放出を起こす電子放出素子であって、印加電圧のために絶縁破壊が起き難い、新たな構造の電子放出素子とこの素子を用いた電子の放出の方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出素子とその放電方法の説明図。
【符号の説明】
１０・・・誘電体基板
１１・・・導電層（１）
１２・・・誘電体層
１３・・・導電層（２）
Claims (4)
- 誘電体基板の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さを有し、かつ誘電体基板が誘電体層の５倍以上の誘電率を有することを特徴とする直流で作動する電子放出素子。
- 誘電体基板（但し、強誘電体を除く）の一方の面に導電層を有し、他方の面に誘電体層及び導電層をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さを有し、かつ誘電体基板が誘電体層の５倍以上の誘電率を有することを特徴とする電子放出素子。
- 誘電体層が均一または不均一な厚さを有する請求項１または２に記載の電子放出素子。
- 誘電体基板の一方の面に導電層（１）を有し、他方の面に誘電体層及び導電層（２）をこの順に有し、前記誘電体層が５ｎｍ以下の厚さを有し、かつ誘電体基板が誘電体層の５倍以上の誘電率を有する素子の導電層（１）と（２）の間に、導電層（１）が陰極となり、導電層（２）が陽極となるように直流電圧を印加することで、導電層（２）の表面から電子を放出させる方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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