JP2000323015A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出特性のよい電子放出素子を提供す
る。 【解決手段】 電子を供給するための電子供給層１をｎ
−ＧａＮ層により構成し、電子を表面側に移動させる電
子移動層２をノンドープ（真性）でＡｌ含有比ｘについ
て傾斜組成を有するＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）に
より構成し、表面層３を負の親和力（ＮＥＡ）を有する
ノンドープのＡｌＮにより構成している。Ａｌ_x Ｇａ
_1-x Ｎからなる電子移動層２のバンドギャップは、電子
供給層１から表面層３に至るまでほぼ連続的に拡大し、
電子親和力が負又は０に近くなる。表面電極４の側が正
になるような電圧Ｖを印加すると、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎの
バンドが曲がることで、電子供給層１から電子移動層２
を経て表面層３に、主として拡散電流による電流が流れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子親和力が負又
は実質的に負である材料により構成される表面層を備え
た電子放出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子は、タングステン
（Ｗ）等の高融点金属材料からなる陰極と、空間を隔て
て陰極に対向する陽極とを設け、陰極を高温に加熱する
ことにより、熱電子を固体から真空中に放出するという
熱陰極方式（電子銃方式）による構造となっている。近
年、電子銃に代わる電子線源として、冷陰極タイプの微
小電子放出素子が注目されている。このようなタイプの
電子放出素子としては、一般的には電界放出型の素子
や、表面に低仕事関数材料を被覆したｐｎ接合型のもの
などが報告されている。

【０００３】電界放出型の電子放出素子は、シリコン
（Ｓｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属材料に
よって形成されたコーン状のエミッタ部と、このエミッ
タ部とは空間を挟んで設けられた引き出し電極とを備
え、引き出し電極に電圧を印加して高電界（＞１×１０
⁹ Ｖ／ｍ）を生ぜしめることにより、エミッタ部から電
子を放出させるものであり、微細加工技術を用いること
によって小型化を図ることができるという利点を有す
る。

【０００４】それに対し、半導体材料を用いたｐｎ接合
型の電子放出素子は、ｐ型層からなる半導体表面にセシ
ウム（Ｃｓ）などの低仕事関数材料の被覆層を備えるこ
とで、負の電子親和力状態を形成したもので、素子にバ
イアス電圧を印加することによって、そのｐ型半導体表
面層より電子を真空中に放出するように構成されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、冷陰極タイプ
の微小電子放出素子に共通して要求される特性は、比較
的小さな動作電圧で電子を放出し易いこと（例えば、エ
ミッタ材料の電子親和力が小さいこと）、放出される電
子ビームを容易に制御できること、安定な電子放出特性
を有するためにエミッタ部の表面が化学的に安定なこ
と、耐摩耗性や耐熱性に優れていること、などである。

【０００６】ところが、上記従来の各種の電子放出素子
においては、それぞれ以下のような不具合があった。

【０００７】電界放出形の素子は、高電界によって電子
放出を得るため、動作電圧が比較的高いという不具合が
あった。また放出電流量はエミッタ部の形状依存性や表
面状態依存性が大きく、多数のコーン状エミッタを均一
性良く形成することが困難であるため、放出電流量の制
御性に乏しいという不具合もあった。

【０００８】また半導体材料を用いたｐｎ接合型の電子
放出素子は、容易に電子を放出させるためにｐ型半導体
表面にセシウム（Ｃｓ）などの低仕事関数材料の被覆層
が必要不可欠であるが、この被覆層が安定性に乏しいた
め、素子の安定性や寿命に対して不具合があった。

【０００９】本発明の目的は、容易に電子放出が可能な
状態を安定性良く得るために、電子親和力が負あるいは
０に近い実質的に負であるような材料を用いつつ、従来
にない素子構成により効率的に電子を電子放出部である
表面層まで供給し得る手段を講じることにより、低電圧
駆動が可能で、かつ電子放出特性のきわめて良好な新タ
イプの電子放出素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の電子放出
素子は、電子供給層として機能する半導体層と、上記半
導体層とは離間して設けられ、電子親和力が負あるいは
０に近い材料により構成される表面層と、上記半導体層
と上記表面層との間に介設され、半導体層から表面層に
向かう方向に電子親和力が小さくなるように組成が変化
している組成傾斜層と、上記表面層上に設けられ、半導
体層から表面層の最表面まで電子を供給させるように電
圧を印加するための表面電極とを備えている。

【００１１】これにより、電子が移動する領域である組
成傾斜層は、表面層に向かって電子親和力が大きな状態
から小さな状態に変化していくように構成されているの
で、電子供給層として機能する半導体層と表面電極との
間に電圧を印加して、電子を組成傾斜層を経て表面層に
供給することにより、負の電子親和力を有する表面層か
ら真空中に容易に電子が放出される。その際印加する電
圧は、素子構成にも依存するが高くとも１０Ｖ程度で良
いため、低電圧駆動が可能でかつ電子を高い効率で放出
し得る電子放出素子を実現することができる。

【００１２】第１の電子放出素子において、上記組成傾
斜層にドープしていない半導体材料を適用することによ
り、効率的に電子を電子供給層から表面層に供給するこ
とができる。

【００１３】第１の電子放出素子において、上記組成傾
斜層に少なくとも一部が上記半導体層から上記表面層ま
でほぼ連続的に拡大するバンドギャップを有するような
構成を適用することにより、組成傾斜層における電子の
移動がスムーズになるので好ましい。

【００１４】第１の電子放出素子において、上記表面層
が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでいることによ
り、ＡｌＮ表面が持つ負の電子親和力特性を利用して電
子放出効率の高い素子を得ることができるので好まし
い。

【００１５】第１の電子放出素子において、上記表面層
の上に設けられ、上記表面層とは異なる材料からなる被
覆層をさらに備えていることにより、電子放出の状態を
調節したり、表面層の保護を図ることができるので好ま
しい。

【００１６】第１の電子放出素子において、上記被覆層
が電子親和力が負あるいは０に近い材料を含んでいるこ
とにより、電子放出の状態を調節したり、表面層の保護
を図りつつ、効率的な電子放出特性を維持することがで
きるので好ましい。

【００１７】第１の電子放出素子において、上記被覆層
が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでいることが好
ましい。

【００１８】第１の電子放出素子において、上記組成傾
斜層及び表面層を含む領域は、最表面に近づくほどＡｌ
の割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦
ｘ≦１）により構成されていることにより、容易にかつ
高品質な組成傾斜層及び表面層を形成することができる
ので好ましい。

【００１９】第１の電子放出素子において、上記表面電
極は、上記表面層とショットキー接触していることによ
り、制御性良く電子供給層より電子を供給できるので好
ましい。

【００２０】第１の電子放出素子において、上記表面電
極は第１の領域と、上記表面層との間のエネルギー障壁
が表面層−第１の領域間のエネルギー障壁より大きい第
２の領域とを有することにより、表面電極の第１の領域
に電子流を集中でき、放出電流密度を高めることができ
るので好ましい。

【００２１】第１の電子放出素子において、上記表面電
極が放出される電子の分布を制御するためのパターンを
有していることにより、所望の分布を持った放出電子流
を制御して作り出すことができるので好ましい。

【００２２】第１の電子放出素子において、上記表面電
極の上に、上記表面電極の少なくとも一部の上方を開放
するように設けられた絶縁体層と、上記絶縁体層上に設
けられ、上記表面層から外部に放出された電子を加速及
び制御するための制御電極とをさらに備えていることに
より、放出された電子流の加速／制御機構を一体化でき
る。

【００２３】本発明の第２の電子放出素子は、電子供給
層として機能する半導体層と、上記半導体層とは離間し
て設けられ、電子親和力が負あるいは０に近い材料によ
り構成される表面層と、上記半導体層と上記表面層との
間に介設され、半導体層から表面層に向かう方向に供給
される電子を共鳴透過させるための複数からなる層を積
層した超格子層と、上記表面層上に設けられ、半導体層
から表面層の最表面まで電子を供給させるように電圧を
印加するための表面電極とを備えている。

【００２４】これによっても、表面電極に電圧を印加す
ることにより、超格子層に形成されるサブバンドを介し
て効率的に半導体層から表面層の最表面に電子が輸送さ
れる構成となるので、低電圧を印加するだけで高効率に
電子が放出される素子が得られる。

【００２５】第２の電子放出素子において、上記超格子
層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される２つの
混晶であって互いに成分比が異なるものを交互に積層し
た構成にすることにより、良質な超格子層を容易に形成
できるので好ましい。

【００２６】第２の電子放出素子においても、上記表面
層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでいることが好
ましい。

【００２７】第２の電子放出素子においても、上記表面
層の上に設けられ、表面層とは異なる材料からなる被覆
層をさらに備えていることが好ましい。

【００２８】第２の電子放出素子においても、上記被覆
層は電子親和力が負あるいは０に近い材料を含んでいる
ことが好ましい。

【００２９】第２の電子放出素子においても、上記被覆
層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでいることが好
ましい。

【００３０】本発明の第３の電子放出素子は、電子供給
層として機能する半導体層と、上記半導体層とは離間し
て設けられ、電子親和力が負あるいは０に近い材料によ
り構成させる表面層と、上記半導体層と上記表面層との
間に介設され、上記半導体層から表面層に向かう方向に
電子を供給するため電子移動層と、上記表面層上の少な
くとも一部とショットキー接触するように設けられ、上
記半導体層から表面層の最表面まで電子を供給させるよ
うに電圧を印加するための表面電極とを備えている。

【００３１】これにより、半導体層とショットキー表面
電極との間に電圧を印加することで、半導体層から電子
移動層を経て制御性良く電子を表面層に供給できるの
で、効率的でかつ制御性の高い電子放出素子が得られ
る。

【００３２】第３の電子放出素子においても、上記電子
移動層は、上記半導体層から上記表面層に向かう方向に
電子親和力が小さくなるように組成が変化していること
が好ましい。

【００３３】第３の電子放出素子においても、上記電子
移動層は、上記半導体層から上記表面層に向かう方向に
バンドギャップが拡大するように組成が変化しているこ
とが好ましい。

【００３４】第３の電子放出素子においても、上記電子
移動層は、上記半導体層から上記表面層に向かう方向に
供給される電子を共鳴透過させるための複数からなる層
を積層した超格子層から構成されていることが好まし
い。

【００３５】第３の電子放出素子においても、上記表面
層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでいることが
好ましい。

【００３６】第３の電子放出素子においても、上記電子
移動層及び表面層を含む領域は、最表面に近づくほどＡ
ｌの割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０
≦ｘ≦１）により構成されていることが好ましい。

【００３７】第３の電子放出素子において、上記表面電
極は、上記表面層の一部のみに接して設けられた上記半
導体層よりも狭い面積を有する第１の領域と、上記第１
の領域と連続して設けられ、表面層との間のエネルギー
障壁が表面層−第１の領域間のエネルギー障壁より大き
い第２の領域とを有することが好ましい。

【００３８】また、その場合、上記第２の領域が、上記
第１の領域よりも大きい面積を有し、かつ上記第１の領
域を構成する材料よりもイオン衝撃に対する耐性の大き
い材料により構成されていることにより、電子放出素子
の耐久性が向上するので好ましい。

【００３９】また、上記表面層のうち上記表面電極の第
１の領域に接触する領域を除く領域上に形成された絶縁
体層をさらに備え、上記表面電極の第２の領域は、上記
絶縁体層の側面から上面に亘って設けられていることに
より、電子の放出が容易な第１の領域に電子流を集中す
ることができるので、より効率的な電子放出素子を構成
することができる。

【００４０】また、第３の電子放出素子において、上記
表面電極の第２の領域は、上記第１の領域よりも大きい
厚みを有していることが好ましい。

【００４１】本発明の第４の電子放出素子は、電子制御
層として機能する固体層と、上記固体層の上に設けら
れ、電子親和力が負あるいは０に近い材料からなる表面
層と、上記表面層に接して設けられ、上記固体層と表面
層の最表面との間に電圧を印加するための表面電極と、
上記表面電極と空間を挟んで設けられた外部電極と、上
記表面電極と上記外部電極との間の空間を減圧状態に保
つための密閉部材とを備えている。

【００４２】これにより印加される電圧値によって放出
電子量を制御する固体層を経て表面層から減圧状態であ
る空間に放出された電子は、外部電極に印加された正電
圧によって加速され、外部電極に達する。すなわち、外
部電極に与える電圧値によって、放出電子の運動エネル
ギーを制御することができる。また放出電子量そのもの
は、固体層−表面電極間に印加する電圧で制御すること
ができるので、結局表面電極と空間を挟んで設けられた
外部電極に流れる電流を制御することができる。従っ
て、固体層−表面電極間に印加する電圧値で放出電子量
そのものを制御し、さらに減圧状態下の空間で電子を加
速して外部電極で収集することにより、信号増幅やスイ
ッチング動作が可能な素子（真空トランジスタ）として
機能させることが可能となる。

【００４３】この素子は、上記のように電子放出が容易
な固体層／表面層からなり、さらに減圧空間で放出電子
を加速する構成となっているので、絶縁耐圧が高い、内
部損失が小さい、かつ低電圧駆動が可能であるといった
利点を有している。

【００４４】第４の電子放出素子において、上記固体層
は、電子供給層として機能する半導体層と、上記半導体
層と表面層との間に介設され、半導体層から表面層に向
かう方向に電子親和力が小さくなるように組成が変化し
ている組成傾斜層とを少なくとも有した構成を採ること
ができる。

【００４５】第４の電子放出素子において、上記組成傾
斜層は、上記半導体層から上記表面層に向かう方向にバ
ンドギャップが拡大するように組成が変化していること
が好ましい。

【００４６】第４の電子放出素子において、上記組成傾
斜層は、少なくとも一部において上記半導体層から上記
表面層までほぼ連続的に拡大するバンドギャップを有す
ることが好ましい。

【００４７】第４の電子放出素子において、上記組成傾
斜層および表面層を含む領域は、最表面に近づくほどＡ
ｌの割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０
≦ｘ≦１）により構成されていることが好ましい。

【００４８】第４の電子放出素子において、上記固体層
は、電子供給層として機能する半導体層と、上記半導体
層と表面層との間に介設され、上記半導体層から供給さ
れる電子を共鳴透過させるための複数からなる層を積層
した超格子層とを少なくとも有した構成を採ることがで
きる。

【００４９】第４の電子放出素子において、上記表面層
は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成されているこ
とが好ましい。

【００５０】第４の電子放出素子において、上記表面電
極は、上記表面層の一部のみに接して設けられた上記半
導体層よりも狭い面積を有する第１の領域と、上記第１
の領域と連続して設けられ、上記表面層との間のエネル
ギー障壁が表面層−第１の領域間のエネルギー障壁より
大きい第２の領域とを有することが好ましい。

【００５１】第４の電子放出素子においても、上記第２
の領域は、上記第１の領域よりも大きい面積を有し、か
つ上記第１の領域を構成する材料よりもイオン衝撃に対
する耐性の大きい材料により構成されていることが好ま
しい。

【００５２】第４の電子放出素子においても、上記表面
層のうち上記表面電極に接触する第１の領域を除く領域
上に形成された絶縁体層をさらに備え、上記表面電極の
第２の領域は、上記絶縁体層の側面から上面に亘って設
けられていることが好ましい。

【００５３】

【発明の実施の形態】本発明は、負の電子親和力（Nega
tive Electron Affinity; NEA）を有する半導体材料又
は絶縁体材料を用いた電子放出素子に関する。以下、本
発明の各実施形態を説明する前に、ＮＥＡ材料を利用し
た電子放出素子（以下、”ＮＥＡ電子放出素子”とい
う）の原理について説明する。

【００５４】−ＮＥＡ電子放出素子の基本構成及び原理
− 図１は、ＮＥＡ材料の例として窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）を用いたＮＥＡ電子放出素子の構成を示す斜視図で
ある。図１に示すように、本発明のＮＥＡ電子放出素子
は、電子を供給するための電子供給層１と、電子供給層
１から供給される電子を固体表面側に移動させる電子移
動層２と、ＮＥＡ材料からなる表面層３と、電子供給層
１から表面層３に電子を移動させるように電圧を印加す
るための表面電極４とを備えている。

【００５５】ここでは、電子供給層１をｎ型のＧａＮ
（ｎ−ＧａＮ）により構成し、電子供給層１から表面層
３まで電子を円滑に移動させる電子移動層２をノンドー
プでＡｌ含有比ｘが連続的に変化する傾斜組成を有する
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘは０から１までほぼ連続的に増加す
る変数）により構成し、表面層３を真のＮＥＡ材料であ
るＡｌＮにより構成し、表面電極を白金（Ｐｔ）等の金
属により構成した例を示しているが、本発明のＮＥＡ電
子放出素子の各部構成は、これに限定されるものではな
い。

【００５６】以下、本発明の基本的特性にとって重要な
性質である電子親和力と、電子を円滑に移動させるため
に必要な電子移動層の構造とについて説明する。

【００５７】 電子親和力（Electron Affinity） 半導体材料における”電子親和力”とは、伝導帯端に存
在する電子を真空中に取り出すのに要するエネルギー値
を示し、材料固有の値を持つ。以下に、”負の電子親和
力”（Negative Electron Affinity; NEA）という概念
について説明する。

【００５８】図２（ａ）、（ｂ）は、電子親和力の値が
負及び正である半導体材料のエネルギー状態をそれぞれ
表すエネルギーバンド図である。図２（ｂ）に示すよう
に、半導体のフェルミ準位をＥ_f、伝導帯端のエネルギ
ー準位をＥ_c、価電子帯端のエネルギー準位をＥ_v、バン
ドギャップをＥ_gとし、真空準位をＥ_vacとしたとき、一
般の半導体における電子親和力χは、χ＝Ｅ_vac−Ｅ_c＞
０である。つまり、正の電子親和力を有する。それに対
し、半導体の種類によっては、図２（ａ）に示すよう
に、χ＝Ｅ_vac−Ｅ_c＜０となる状態が存在する。つま
り、このような半導体材料、例えばＡｌＮは負の電子親
和力を有することになる。

【００５９】ここで、図２（ｂ）に示すように、正の電
子親和力を有する半導体の場合、伝導帯端に存在する電
子を真空中に取り出すためには、χの大きさのエネルギ
ー障壁が存在するため、その分だけエネルギーを与える
必要がある。そのため通常、電子放出させるために加熱
によって電子にエネルギーを与えたり、高電界を印加し
てエネルギー障壁をトンネル透過させる必要がある。

【００６０】一方、図２（ａ）に示すように、負の電子
親和力を有する半導体の場合には、表面の伝導帯端に存
在する電子にとってエネルギー障壁が存在しないので、
電子は容易に真空中に放出されることとなる。すなわ
ち、半導体表面に存在する電子を真空に取り出すための
余分なエネルギーを必要としない。

【００６１】ただし、図２（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、一般に半導体材料の伝導帯に存在する電子は、エネ
ルギー分布を有しているため、たとえ電子親和力値χが
正であっても、χが十分に小さい場合には効率的には低
下するが、ある程度の電子を低エネルギーで放出するこ
とは可能である。そこで、本明細書においては、”ＮＥ
Ａ材料”というときには、負の電子親和力を有する材料
（図２（ａ）のような真のＮＥＡ材料）だけではなく、
χの値が実質的に０といえる程度に小さい正の電子親和
力を有する材料（擬ＮＥＡ材料）をも含むものとする。

【００６２】これまで知られているＮＥＡ材料として
は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やガリウム隣（Ｇａ
Ｐ）、シリコン（Ｓｉ）などの半導体表面に低仕事関数
材料であるセシウム（Ｃｓ）や酸化セシウム（Ｃｓ−
Ｏ）、セシウムアンチモン（Ｃｓ−Ｓｂ）、酸化ルビジ
ウム（Ｒｂ−Ｏ）等を薄くコートした構成が知られてい
るが、これらの構成においては上記の表面吸着層が安定
性に乏しいため、高真空下でないとＮＥＡ状態を維持す
ることができない。

【００６３】また表面吸着層を用いないＮＥＡ材料とし
ては、ダイヤモンドやＡｌＮなどに加えて、以下に述べ
るようにＡｌ含有比ｘの高いＡｌ_xＧａ_1-xＮも負の電子
親和力を有する。

【００６４】図３は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ系半導体材料の電
子親和力の測定データを示す図である。この図におい
て、横軸はＡｌ_xＧａ_1-xＮ中のＡｌ含有比ｘを表してい
る。ただしＡｌ含有比ｘとは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ中のＧａ
とＡｌ含有量におけるＡｌ割合を示し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
全体におけるＡｌ含有比のことではない。以下、同様と
する。この図より、ｘ＝０の時、すなわちＧａＮの電子
親和力は〜３．３ｅＶであり、正の電子親和力特性を示
すが、Ａｌ含有比ｘが増加するにつれて電子親和力値は
減少し、ｘ＞０．６５の領域では電子親和力値はほぼ
０、あるいは負になることがわかる。したがって、ｘ＝
１のＡｌ_xＧａ_1-xＮであるＡｌＮの電子親和力は負の状
態である。

【００６５】 電子移動層 電子放出素子において電子が放出される表面層に、上記
のような電子親和力が負あるいは実質的に０であるよう
な材料を用いることが、効率的な電子放出に有効である
と考えられるが、一般的に平衡状態においてＮＥＡ材料
の伝導帯に電子は存在していない。故に、何らかの方法
で電子放出が容易な材料から構成される表面層に効率的
に電子を供給する必要がある。

【００６６】その一構成例として、電子が多数存在する
電子供給層１（正の電子親和力）からＮＥＡ状態の表面
層３（負の電子親和力）に有効に電子を供給するため
に、電子親和力値が徐々に小さくなるような中間層（電
子移動層２）を介した構造が考えられる。

【００６７】図４（ａ），（ｂ）は、電子供給層１、電
子移動層２、表面層３及び表面電極４とからなる図１の
構成例において、電子供給層１−表面電極４間に電圧を
印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイア
スを印加した時のエネルギーバンド図である。上述のよ
うに、電子移動層２は、表面に向かって徐々に電子親和
力χが小さくなるような材料から選択されるが、その材
料を巧く選択することにより、その材料の組成比を変化
させることによって実現することができる。

【００６８】本構成例においては、電子供給層１として
ｎ型にドープされたＧａＮ（キャリア密度：〜４×１０
¹⁸個／cm³ ）、電子移動層２としてドープしていない傾
斜組成のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）、表面層３と
してＡｌＮ層、及び表面電極４としてＰｔを用いてい
る。傾斜組成のＡｌ_xＧａ_1-xＮからなる電子移動層２
は、電子供給層１であるＧａＮと接する部分ではｘ＝
０、つまりＡｌを含んでおらず、表面層３であるＡｌＮ
と接する部分ではｘ＝１、つまりＧａを含んでいない構
成としている。またその途中はｘ値を徐々に増加させ
た、つまりＡｌ含有量が表面に向かって増加していくよ
うに組成を傾斜させている。このような構造にすること
により、Ａｌ_xＧａ_1-xＮからなる電子移動層２の電子親
和力は、電子供給層１と接する部分では正であるが、表
面に向かうにつれて図３に示したようにＡｌ含有量の増
加に伴って電子親和力値は小さくなり、表面層３と接す
る部分ではＡｌＮと同様の負状態となる。したがって、
電子移動層の電子親和力は電子供給層１から表面層に至
るまでほぼ連続的に減少していることとなる。

【００６９】電子移動層２として組成傾斜Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎを用いた場合、上記のような構成はバンドギャップの
連続的な拡大ともとらえることもできる。図５は、Ａｌ
_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップのＡｌ含有
比依存性を示す図である。同図において、横軸はＡｌ含
有比ｘを表しており、縦軸はその組成におけるバンドギ
ャップＥ_g（ｅＶ）を表している。同図に示すように、
Ａｌ_xＧａ_1-xＮのＥ_g値は、ｘの増加に対して厳密には
直線ではないが、直線に近い関係で大きくなっていく。
故に本構成例のように電子移動層であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ
は、電子供給層１であるＧａＮと接する部分ではｘ＝
０、つまりＧａＮと同じバンドギャップ（Ｅｇ＝３．４
ｅＶ）であり、表面層３であるＡｌＮと接する部分では
ｘ＝１、つまりＡｌＮと同じバンドギャップ（Ｅｇ＝
６．２ｅＶ）である。またその途中はｘ値を徐々に増加
させた、つまり、Ａｌ含有量が表面に向かって増加して
いくように組成を傾斜させることにより、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎからなる電子移動層２のバンドギャップは、Ａｌ含有
量の増加に伴って、電子供給層１から表面層に至るまで
ほぼ連続的に広がっていくこととなる。このような構成
はＡｌ_xＧａ_1-xＮ系半導体が混晶であることから、原料
組成を変化させたエピタキシャル成長により単結晶薄膜
で実現することが可能である。

【００７０】さて、図４（ａ）に示したような平衡状態
では、電子供給層１の伝導帯には多数の電子が存在して
いるが、表面層３の伝導帯端のエネルギーレベルが高い
ため、電子が最表面に到達することはない。一方、この
ような構造に順バイアス（表面電極側に正電圧）を印加
すると、図４（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが曲
がる。その結果、電子供給層１に存在する電子は濃度勾
配及び電位勾配によって、表面層３側への移動が生じ
る。つまり電子電流が流れる。また、電子移動層２であ
るＡｌ_xＧａ_1-xＮや表面層３であるＡｌＮはノンドープ
であることから、電子供給層１から電子移動層２、表面
層３に注入された電子は、正孔等との再結合によって捕
捉されることなく移動することができる。また電子移動
層２での組成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の
障害となるエネルギー障壁が伝導帯端には形成されない
ため、効率的に電子を表面まで送るという点で有利であ
る。

【００７１】以上のように組成傾斜が施されたＡｌ_xＧ
ａ_1-xＮ層を電子移動層２として適用することにより、
正の電子親和力であるｎ−ＧａＮ層から負の電子親和力
である表面層３（ＡｌＮ）まで、効率よく移動させるこ
とが可能になる。このようにして電子移動層２及び表面
層３に注入された電子は、表面層がＮＥＡ状態であるこ
とから容易に真空中に取り出すことができるようにな
る。

【００７２】次に図４に示す本発明の基本的な構造と、
従来報告されているｐｎ接合型ＮＥＡ素子とを比較す
る。

【００７３】図２３（ａ）、（ｂ）は、表面吸着層を用
いたｐｎ接合型ＮＥＡ素子の断面構造と順バイアス印加
時のエネルギーバンド図である。この構成の場合、図４
の電子供給層に相当する部分をｎ型ＧａＡｓ（ｎ型半導
体層）により構成し、電子移動層に相当する部分をｐ型
ＧａＡｓ（ｐ型半導体層）により構成し、表面層に相当
する部分をＣｓ−Ｏ吸着層により構成したものと考える
こともできる。この場合、ＧａＡｓ層、並びにＣｓ−Ｏ
層のいずれにおいても単独ではＮＥＡ材料ではないが、
接合状態における表面付近のエネルギーバンドの曲がり
のため、ｐ型半導体の伝導帯端のエネルギーレベルが真
空準位よりも高くなるため、表面では実効的にＮＥＡ状
態が実現される。故に、ｎ型層から電子を注入してＣｓ
−Ｏが吸着されたｐ型半導体表面に供給することによ
り、真空中に電子を取り出すことができる。

【００７４】しかし、このような構成においてＮＥＡ状
態の表面から電子を取り出すためには、母材として用い
る半導体層と表面吸着層の関係が重要であり、例えばｐ
型半導体層の代わりにノンドープの真性半導体層を用い
た場合では、たとえ表面吸着層が存在したとしてもＮＥ
Ａ状態は得られない。

【００７５】以上の観点から、本発明構成と従来構成を
比較すると、従来構造では、真のＮＥＡ材料ではないｐ
型半導体層と表面吸着層の相関関係により、ＮＥＡ状態
を得ているのに対し、本発明においては、表面層そのも
のの電子親和力が負あるいは０に近い状態であるため、
半導体層をｐ型に限定する必要がなく、また、不安定な
表面吸着層を必要としない点で利点を有する。また、従
来構成の場合、ｐ型層を用いる関係上、素子に電子放出
に無関係な正孔電流が流れるのに対し、本発明ではノン
ドープ層で電子移動層を構成しているため、電子電流し
か流れない。すなわち、このことは、注入された電子を
正孔との再結合で失うことがないとともに、素子電流に
対する放出電子電流の割合が高くなるため、非常に高効
率な素子を実現することができる。

【００７６】以上のように、図４のような電子供給層と
して機能する半導体層に対して、表面層に向かう方向に
電子親和力が小さくなるように組成が変化していくよう
な組成傾斜層を積層し、さらに電子親和力が負あるいは
０に近い材料からなる表面層からなる電子放出素子構成
とすることによって、組成傾斜層の作用により容易に真
のＮＥＡ状態である表面まで電子を供給し、真空中に取
り出すことが可能となる。

【００７７】ただし、本構成例においては、電子移動層
の組成が連続的に変化する場合について説明したが、そ
の限りではなく、ステップ状に変化した場合や多少不連
続に変化する場合においても、電子の移動に関して大き
な障害とならない程度であれば問題はない。全体として
電子移動層の電子親和力が表面方向に向かって小さくな
るように組成が変化していくようであれば、本発明の効
果を得ることができる。

【００７８】以上の説明では、表面層３に至るまで、連
続的に組成を傾斜させることによって電子移動層２の電
子親和力値を制御し、効率良く電子を半導体層１から表
面層３に供給する構成について説明したが、このような
作用を得る電子移動層２の構成はこの限りではない。

【００７９】例えば、電子移動層２として、上記構成例
と同様に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮで表される半導体を用いてい
るが、ｘの最大値として１より小さいところで止めた場
合の構成について説明する。

【００８０】図６（ａ），（ｂ）は、電子移動層として
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）を適用した
ＮＥＡ電子放出素子の平衡状態と順バイアス印加時にお
けるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
図６（ａ）に示すように、この構成例では電子供給層１
（ｎ−ＧａＮ）の上に電子移動層２として機能するノン
ドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）
を形成した後、表面層３として更にＡｌＮ層が積層され
ている。このような構造においては、図６（ａ）に示す
ように、電子移動層２と表面層３の界面にエネルギーレ
ベルの不連続が生じる。この伝導帯におけるエネルギー
障壁の値は、電子移動層に適用するＡｌ _xＧａ_1-xＮ層の
Ａｌ含有比ｙ（ｘの最大値）によって決まるが、この値
があまりに大きいと電子供給層から注入される電子が効
率的に表面層３に移動させることができない。故に本構
成例に場合では、０．５≦ｙ≦０．８が好適である。

【００８１】そして、図６（ｂ）に示すように、電子供
給層−表面電極間に順バイアス（表面電極側に正電圧）
を印加すると、電子移動層及び表面層のエネルギーバン
ドは印加される電圧値に応じて曲がる。その結果、上記
のように電子供給層より電子は濃度勾配及び電位勾配に
よって、表面層３側への移動が生じる。その際表面層３
に適用するＡｌＮ層の膜厚がある程度薄く、かつ伝導帯
に形成されるエネルギー障壁の高さがある程度低いと、
電子移動層−表面層界面に達した電子はトンネリングに
よりエネルギー障壁を透過し、最表面に移動することが
できる。すなわち、電子親和力が負あるいは０に近い材
料により構成される表面層より真空に取り出すことがで
きる。このようなトンネリング透過が可能な表面層の膜
厚としては、電子移動層の膜厚やＡｌ組成比との兼ね合
いもあり、限定はできないが概ね１０ｎｍ以下である。

【００８２】以上のように、不連続なエネルギー障壁を
伝導帯に有する組成傾斜Ａｌ_xＧａ_{1 -x}Ｎ層を電子移動層
として適用した場合においても、正の電子親和力である
ｎ−ＧａＮ層から負の電子親和力である表面層まで、効
率よくかつ移動させることが可能になる。このようにし
て電子移動層及び表面層に注入された電子は、表面層が
ＮＥＡ状態であることから容易に真空中に取り出すこと
ができるようになる。

【００８３】上記は組成傾斜することによって電子移動
層２の電子親和力値を制御し、効率良く電子を半導体層
１から表面層３に供給する構成について説明したが、こ
のような作用を得る構成はこの限りではない。

【００８４】例えば図７は、電子移動層２として、Ａｌ
_xＧａ_1-xＮで表される半導体であって、Ａｌ含有比の異
なる２つの層（例えば、ＧａＮ層とＡｌＮ層）を交互に
積層した超格子層を適用した場合の電子放出素子の構成
を模式的に示す図である。このタイプの電子放出素子
は、電子移動層２として適当な組成からなる層を適当な
膜厚で適当な回数交互に積層することにより、電子供給
層１から供給される電子を超格子層の伝導帯部分に形成
されるサブバンドを介して共鳴透過させ、効率的に表面
層３に移動させるように構成されている。

【００８５】電子供給層１は、上記構成と同様に、例え
ばｎ−ＧａＮを用いることができる。また電子移動層に
用いる各層のパラメータは、一方の層として、Ａｌ含有
比ｘが０≦ｘ≦０．２であり、他方は０．６≦ｘ≦１の
ものが好ましく用いられ、それぞれ膜厚は各々５〜１０
ｎｍ程度であるが、この限りではない。またその積層回
数は２〜５組程度が好適である。一般的に、表面層３が
この電子移動層２の上に積層されるが、超格子構造から
なる電子移動層に用いる層の最表面層の構成が、例えば
ＡｌＮのような電子親和力が負あるいは０に近い材料で
構成される場合には、この層が表面層と同等の機能をは
たすので、新たな表面層の形成を省略することも可能で
ある。

【００８６】図８（ａ）、（ｂ）は、電子移動層として
超格子層を適用したＮＥＡ電子放出素子の平衡状態と順
バイアス印加時におけるエネルギー状態を示すエネルギ
ーバンド図である。図８（ａ）に示すように、この構成
例では電子供給層１（ｎ−ＧａＮ）の上にノンドープの
ＡｌＮ層とノンドープのＧａＮを交互に２組積層して
後、表面層３として、さらにＡｌＮ層が積層されてい
る。このような構造においては、図８（ａ）に示すよう
に、電子移動層２の超格子層にエネルギーレベルが不連
続なサブバンドが形成される。そして、図８（ｂ）に示
すように、電子供給層−表面電極間に順バイアス（表面
電極側に正電圧）を印加すると、超格子層のエネルギー
バンドは印加される電圧値に応じて曲がる。その際、最
適な電圧を印加することで、隣合う量子井戸部の許容エ
ネルギー準位が一致するようになると、電子がサブバン
ドを介して共鳴透過し、超格子層内を容易に移動できる
ようになる。その結果、電子供給層より何層かの超格子
構造からなる電子移動層を共鳴透過した電子は表面層付
近において、真空準位よりも高い、あるいは同等のエネ
ルギーレベルを有するようになるため、表面層より容易
に真空中に放出させることができる。この場合、電子が
表面層より放出されるような印加電圧は、超格子層の構
造で決められる離散値であり、上記の構成例とは異なっ
た印加電圧依存性を示す。

【００８７】以上、図７に示すように、電子供給層とし
て機能する半導体層に対して、異なる組成を有する層を
積層した超格子層を積層し、さらに電子親和力が負ある
いは０に近い材料からなる表面層からなる電子放出素子
構成とすることによって、超格子層の作用により容易に
真のＮＥＡ状態である表面まで電子を供給し、真空中に
取り出すことが可能となる。

【００８８】次に、以上のような本発明の基本的な構造
を応用して得られる電子放出素子の各種実施形態につい
て、以下に説明する。

【００８９】−第１の実施形態− 図９は、本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ電子放
出素子の構造を示す断面図である。同図に示すように、
本実施形態のＮＥＡ電子放出素子は、サファイア（アル
ミナ単結晶）基板１１と、サファイア基板１１の上に設
けられた電子供給層として機能するｎ−ＧａＮ層１２
と、ｎ−ＧａＮ層１２の上に設けられ、Ａｌ組成比ｘが
０から１までほぼ連続的に変化する組成傾斜層であり電
子移動層として機能するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１３と、Ａｌ
_xＧａ_1-xＮ層１３の上に設けられた表面層として機能す
るＡｌＮ層１４とを備えている。さらに、ｎ−ＧａＮ層
１２の上に設けられた下部電極１５と、ＡｌＮ層１４の
上に設けられ、ＡｌＮ層１４とショットキー接触する表
面電極１６とを備えている。ここでＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１
３は、ｎ−ＧａＮ層１２との接合面においてはＡｌ含有
比ｘがほぼ０であり、ＡｌＮ層１４との接合面において
はＡｌ含有比がほぼ１である傾斜組成を有している。ま
た本実施形態における表面電極１６は単一組成の金属膜
（例えば、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金
（Ｐｔ））により構成されていて、膜厚が薄い第１の領
域１６ａ（膜厚：５〜１０ｎｍ）とその周囲の膜厚が厚
い第２の領域１６ｂ（膜厚：１００ｎｍ以上）とを有し
ている。

【００９０】本実施形態の電子放出素子においては、図
１に示すＮＥＡ電子放出素子の基本構造例とほぼ同じ構
造を有しているので、既に説明したとおり、順バイアス
を印加することによって、ｎ−ＧａＮ層１２（電子供給
層）から供給される電子を制御性良くＡｌ_xＧａ_1-xＮ層
１３（電子移動層）内を移動させて、ＡｌＮ層１４（表
面層）から真空中に効率よく放出させることができる。
その際、当然のことながら表面電極１６に流れ込んでし
まう電子が存在するが、表面電極１６の材質及び第１、
第２の領域の膜厚並びに面積を巧く設定することによ
り、表面電極１６のうち膜厚の薄い第１の領域１６ａか
ら主に電子を取り出すことができる。

【００９１】ここで、本実施形態のＮＥＡ電子放出素子
の製造方法について説明する。

【００９２】まず、サファイア基板１１の上に、ＭＯＣ
ＶＤ法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモ
ニア（ＮＨ₃）とを反応させて、ＧａＮバッファ層（図
示せず）を形成した後、同様の反応ガスにシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）を添加して電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２を
形成する。次に、ドープガスであるＳｉＨ₄の供給を停
止した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を導入し
て、Ａｌの添加量を徐々に増大させながら、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層１３を形成し始め、途中よりＴＭＧの供給を徐
々に減少させていくことによってＡｌ含有比の高いＡｌ
_xＧａ_1-xＮ層１３を連続的に形成する。そして最終的に
Ａｌ含有比ｘを１、つまりＧａ含有比を０にすること
で、表面層であるＡｌＮ層１４をＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１３
の上に連続して形成することができる。このとき、高品
質なＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１３を成長させるために、反応温
度も徐々に変化させる場合もある。このような手法によ
り、電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２、電子移動層で
あるＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１３及び表面層であるＡｌＮ層１
４を連続的に、かつ高品質に形成することができる。本
実施形態においては、各層の膜厚をそれぞれ、ｎ−Ｇａ
Ｎ層：４μｍ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層：０．０７μｍ、Ａｌ
Ｎ層：０．０１μｍとした。

【００９３】なお、ＧａＮ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、ＡｌＮ各
層の形成方法は、上記の方法に限定されるものではな
い。例えば、ＭＯＣＶＤ法に代わって、ＭＢＥ法などを
用いて形成することも可能である。また傾斜組成を有す
るＡｌ_xＧａ_1-xＮ層を形成する他の方法としては、例え
ば、ＧａＮ層の上に薄いＡｌ層をエピタキシャル成長さ
せて、これを熱処理することによって下方に行くほどＡ
ｌ含有比が小さく、表面に近いほどＡｌ含有比が大きい
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層を形成することも可能である。

【００９４】次に、電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２
に下部電極１５を形成する。このとき、基板として用い
たサファイアは絶縁体であることから、サファイア基板
１１の裏面に電極を設けることができない。そこで、ｎ
−ＧａＮ層１２の一部を露出するために表面からある深
さまでエッチングし、このエッチング処理によって露出
したｎ−ＧａＮ層面上に下部電極１５（材質：Ｔｉ／Ａ
ｌ）を真空蒸着法により形成した。

【００９５】さらに、表面層であるＡｌＮ層１４上に表
面電極１６を形成する。その材質は、適宜選択される
が、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ等が好ましく用いられる。また形
成方法についても、限定されるものではないが、電子ビ
ーム蒸着法が一般的である。なお、表面電極１６のうち
電子放出部として機能する第１の領域１６ａは、電子の
放出効率を高めるため、できる限り薄いことが好まし
い。故に、表面電極１６全体を形成する際には、第１の
領域１６ａと第２の領域１６ｂを分けて形成することも
ある。本実施形態では、各領域の膜厚をそれぞれ、第１
の領域：５ｎｍ、第２の領域：２００ｎｍとした。

【００９６】また、各領域の大きさはそれぞれ、第１の
領域：φ２０μｍ、第２の領域：φ５０μｍとした。

【００９７】このような第１の実施形態の構造を有する
ＮＥＡ電子放出素子に、２〜１０Ｖ程度の順方向バイア
スを下部電極−表面電極間に印加した結果、印加電圧に
応じて、１０²〜１０³（Ａ／ｃｍ²）程度の放出電子電
流が確認された。

【００９８】なお、第１の領域１６ａがない場合、つま
り表面電極１６の中央部が空間になっている場合におい
ても、効率的には低下するが電子を放出させることは可
能である。

【００９９】−第２の実施形態− 上記第１の実施形態の構造を有するＮＥＡ電子放出素子
は、真空中に電子を放出する機能を有するだけで、放出
された電子流を収集する機能を備えているわけではな
い。そこで、図１０に示すように、このＮＥＡ電子放出
素子の近辺にアノードとなる電極を付設することによ
り、放出された電子の加速／収集を行なうことができ
る。

【０１００】図１０は、本発明の第２の実施形態におけ
るＮＥＡ電子放出素子の構造を示す断面図である。同図
に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態
の構造に加えて、表面層と空間を隔てて対向したアノー
ド電極１７が設けられている。このアノード電極１７に
対して、適当なバイアス電圧を印加することにより、放
出された電子流を容易に制御することができる。また、
アノード表面に蛍光体等を塗布しておけば、この電子照
射による発光が得られるため、この発光を利用したディ
スプレィなどの表示素子を構成することができる。

【０１０１】なお、本実施形態において、アノード電極
１７はＮＥＡ電子放出素子とは空間的に切り離された位
置に配置されているが、この限りではなく、絶縁構造を
用いてアノード電極１７がＮＥＡ電子放出素子と一体化
された構成も可能である。

【０１０２】−第３の実施形態− 上記第１の実施形態においては、ＡｌＮ層１４を表面層
としているが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの内Ａｌ含有比ｘが０．
６５以上の範囲であればＮＥＡ材料であるので、０．６
５≦ｘ≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを表面層に用いても
良い。

【０１０３】図１１は、本発明の第３の実施形態におけ
るＮＥＡ電子放出素子の構造を示す断面図である。同図
に示すように、本実施形態においては、サファイア基板
１１の上に電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２と、この
ｎ−ＧａＮ層１２に接触する下部電極１５とが設けられ
ている。またｎ−ＧａＮ層１２の上にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ
層１３が設けられている。ここで本実施形態において
は、ＡｌＮ層が設けられていない。なぜならば、第１の
実施形態においては、ＮＥＡ材料であるＡｌＮ層を表面
層としているが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの内Ａｌ含有比ｘが
０．６５以上であればＡｌＮと同様にＮＥＡ材料となり
うるので、０．６５≦ｘ≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを
表面層に適用できるからである。すなわち、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層１３の表面付近がＡｌ含有比ｘ＝０．６５以上
であるように構成することで、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１３の
うち、表面層として機能する上部１８と、電子移動層と
して機能する下部１９とに機能別に分けて考えることが
できる。

【０１０４】例えば、本実施形態としては、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層１３のＡｌ含有比ｘを電子供給層側から連続的
に変化させてＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ｎに達した時点でエピタキ
シャル成長を止めて得られる構造も適用できるし、Ａｌ
_0.9Ｇａ_0.1Ｎの組成に達してから、さらに同組成で数ｎ
ｍ程度の厚さの層をエピタキシャル成長させて得られる
構造であっても良い。

【０１０５】さらに、既に説明したように、表面層の電
子親和力が必ずしも負に達していなくても、伝導帯に分
布する電子の相当量の部分が、真空準位よりも高いエネ
ルギーレベルを持つような電子親和力値を持つ組成にな
っていればよい。つまり真のＮＥＡ材料により構成され
ていなくても、実質的にＮＥＡ状態が実現されるような
材料により構成されていればよい。

【０１０６】そして、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の表面層である
上部１９の上には、ショットキー接触する金属からなる
表面電極１６が設けられている。この表面電極１６に用
いる金属及びその構成は、上記第１の実施形態で用いた
ものと同様である。

【０１０７】また、図１１に示す構造においては、アノ
ード電極は設けられていないが、上記第２の実施形態と
同様にさらに表面電極１６に対向してアノード電極を設
けることで、収束された電子流をアノード電極で加速／
収集することが可能となる。

【０１０８】第１の実施形態と同様に、本構成のＮＥＡ
電子放出素子に順バイアス（表面電極１６に正電圧）を
印加することによって、ｎ−ＧａＮ層１２（電子供給
層）から供給される電子を制御性良くＡｌ_xＧａ_1-xＮ層
の電子移動層部１９内を移動させて、表面層として機能
するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層表面１８から真空中に効率よく放
出させることができる。

【０１０９】−第４の実施形態− 上記第３の実施形態においては、ＮＥＡ状態であるＡｌ
_xＧａ_1-xＮ層（０．６５≦ｘ＜１）の上部を表面層とし
ているが、さらにその上に直接ＡｌＮ層のようなＮＥＡ
材料を堆積しても良い。この構成の場合、図６を参照し
ながら説明した伝導帯にエネルギー障壁が存在する構造
ともとれるし、ＡｌＮからなる被覆層を設けた構造とも
考えることができる。いずれの場合においても上記と同
様に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。

【０１１０】また、このようなＡｌ_xＧａ_1-xＮ層上にＮ
ＥＡ材料をさらに付加する構成においては、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層のＡｌ含有比が０≦ｘ≦０．６５の場合におい
ても、表面に形成するＡｌＮ層のようなＮＥＡ材料の膜
厚等が適当な値（５〜１０ｎｍ）であるならば、電子供
給層より注入された電子を表面にトンネル透過できるた
め、上記に説明された機構により同様の効果を得ること
ができる。

【０１１１】−第５の実施形態− 図１２は、本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。本実施形態におい
ては、第１の実施形態の構造に加えて、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
層１３内に形成された埋め込み絶縁層（あるいは、埋め
込みｐ型層）２０とを備えている。

【０１１２】本実施形態では、上記第１の実施形態のＮ
ＥＡ電子放出素子の機能に加えて、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１
３内に設けられた埋め込み絶縁層２０によって電子移動
層であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ層を移動する電子流を狭窄し
て、主たる電子放出部である表面電極１６ａに到達する
電子密度を高めるものである。例えば、開口径がφ５μ
ｍの埋め込み絶縁層２０を挿入した場合には、電子流の
集中効果により、２×１０³（Ａ／ｃｍ²）程度の電流密
度が得られた。

【０１１３】なお、本実施例においても、表面電極１６
のうち電子放出部として機能する第１の領域１６ａは、
電子の放出効率を高めるため、できる限り薄いことが好
ましい。

【０１１４】また第１の領域１６ａがない場合、つまり
表面電極１６の中央部が空間になっている場合において
も、効率的には低下するが電子を放出させることは可能
である。

【０１１５】また、本実施形態においては、ＡｌＮ層１
４を表面層としているが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの内Ａｌ含有
比ｘが０．６５以上であればＮＥＡ材料であるので、
０．６５≦ｘ≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを表面層に用
いても良い。また、さらにその上にＡｌＮ層を形成した
場合においても、ＡｌＮの被覆層を設けた構造とも考え
ることができる。いずれの場合においても上記と同様
に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。

【０１１６】また本実施形態において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
層のＡｌ含有比が０≦ｘ≦０．６５の場合においても、
上記のように表面層として適用するＡｌＮ層の膜厚等を
適当な値にすることで、注入された電子を表面にトンネ
ル透過できるため、同様の効果を得ることができる。

【０１１７】−第６の実施形態− 図１３は、本発明の第６の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。本実施形態におい
ては、第１の実施形態における表面電極１６ａ、１６ｂ
に代えて、仕事関数の相異なる金属によって構成される
第１の領域２１ａと、第２の領域２１ｂとを有する表面
電極２１が設けられている。ここで第１の領域２１ａを
構成する金属の仕事関数φ_M1と、第２の領域２１ｂを構
成する金属の仕事関数φ_M2の関係は、φ_M1＜φ_M2であ
り、その差が大きいほど効果的である。また、第１の領
域２１ａを構成する金属の膜厚ｄ_M1と、第２の領域２１
ｂを構成する金属の膜厚ｄ_M2の関係は、ｄ_M1＜ｄ_M2であ
る。それぞれの領域を構成する金属材料は、上記の関係
を満たしていれば特に限定されるわけではないが、形成
のし易さなどの観点から適宜選択される。例えば、第１
の領域２１ａを構成する仕事関数が小さい金属には、チ
タン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）
などが、第２の領域２１ｂを構成する仕事関数が大きい
金属には、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、タングステ
ン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などがある。

【０１１８】図１３に示す構造においては、埋め込み絶
縁層（埋め込みｐ型層）は設けられていないが、Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＮ層１３内に埋め込み絶縁層を設けても良い。
また図１３に示す構造においては、アノード電極は設け
られていないが、表面層に対向してアノード電極を設け
ても良い。

【０１１９】本実施形態においては、表面電極２１の第
１の領域２１ａが、第２の領域２１ｂよりも仕事関数φ
の小さい金属により構成されているので、上記の実施形
態の効果に加えて、以下の効果が得られる。

【０１２０】表面電極２１に順方向バイアスを印加する
と、ＡｌＮ層１４のうち第１の領域２１ａが配置された
領域の方が、表面層１４−第２の領域２１ｂ間に形成さ
れているエネルギー障壁よりも小さいため、第２の領域
２１ｂが配置された領域よりも先に電子供給層から供給
される電流が流れ始める。したがって、第１の領域２１
ａが電子放出部として機能し、第２の領域２１ｂは、外
部との信号接続部として機能することになる。

【０１２１】本実施形態によると、第２の領域２１ｂを
構成する金属よりも仕事関数の小さい金属により第１の
領域２１ａを構成し、さらに第２の領域２１ｂを構成す
る金属よりも膜厚の薄い金属により第１の領域２１ａを
構成することにより、第１の領域２１ａから電子を集中
して放出させることができ、よって上記の実施形態より
も電子の放出効率をさらに高めることができる。

【０１２２】例えば、上記の実施形態と同じ条件でバイ
アス電圧を印加した場合、１×１０ ⁴（Ａ／ｃｍ²）程度
の電流密度が得られた。なお、この場合においては、第
１の領域２１ａの金属として、膜厚が５ｎｍで直径がφ
２０μｍのチタン（Ｔｉ）を、第２の領域２１ｂの金属
として、膜厚が２００ｎｍで直径が２００μｍの白金
（Ｐｔ）を用いた。

【０１２３】なお、本実施形態では厚さが５ｎｍのＴｉ
を用いたが、表面電極２１のうち電子放出部として機能
する第１の領域２１ａは、電子の放出効率を高めるた
め、できる限り薄いことが好ましい。

【０１２４】−第７の実施形態− 図１４は、本発明の第７の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。同図に示すよう
に、本実施形態においては、サファイア基板１１の上に
電子供給層であるｎ−ＧａＮ層１２と、このｎ−ＧａＮ
層１２に接触する下部電極１５とが設けられている。こ
こで本実施形態においては、ＡｌＮ層が設けられていな
い。そしてＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１３のうち表面層である上
部１８の付近は、Ａｌ含有比ｘ＝０．６５以上であるよ
うに構成することから、負の電子親和力を有し、表面層
として機能する。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１３のうち、表面層
として機能する上部を除く部分である下部１９が電子移
動層として機能する。

【０１２５】例えば、本実施形態としては、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層のＡｌ含有比ｘを電子供給層側から連続的に変
化させてＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ｎに達した時点でエピタキシャ
ル成長を止めて得られる構造も適用できるし、Ａｌ_0.9
Ｇａ_0.1Ｎの組成に達してから、さらに同組成で数ｎｍ
程度の厚さの層をエピタキシャル成長させて得られる構
造であっても良い。さらに、既に説明したように、表面
層の電子親和力が必ずしも負に達していなくても、つま
り真のＮＥＡ材料により構成されていなくても、実質的
にＮＥＡ状態が実現されるような材料により構成されて
いればよい。

【０１２６】本実施形態においては、第６の実施形態と
同様、仕事関数の相異なる金属によって構成される第１
の領域２１ａと第２の領域２１ｂとを有する表面電極２
１が設けられている。用いられる金属及びその条件につ
いては、上記第６の実施形態で説明したものの中から、
適宜選択される。

【０１２７】本実施形態においても、第２の領域２１ｂ
を構成する金属よりも仕事関数の小さい金属により第１
の領域２１ａを構成し、さらに第２の領域２１ｂを構成
する金属よりも膜厚の薄い金属により第１の領域２１ａ
を構成することにより、第１の領域２１ａから電子を集
中して放出させることができ、よって上記実施形態より
も電子の放出効率をさらに高めることができる。

【０１２８】なお図１４に示す構造においては、アノー
ド電極は設けられていないが、表面層に対向してアノー
ド電極を設けても良い。

【０１２９】また本実施形態においては、０．６５≦ｘ
≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを表面層としているが、さ
らにその上にＡｌＮ層を形成した場合、ＡｌＮの被覆層
を設けた構造とも考えることができるので、上記と同様
に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。

【０１３０】また本実施形態において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
層のＡｌ含有比が０≦ｘ≦０．６５の場合においても、
上記のように表面層として適用するＡｌＮ層の膜厚等を
適当な値にすることで、注入された電子を表面にトンネ
ル透過できるため、同様の効果を得ることができる。

【０１３１】−第８の実施形態− 図１５は、本発明の第８の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。同図に示すよう
に、本実施形態のＮＥＡ電子放出素子の構造は、図１３
に示す第６の実施形態の構造と見かけ上同じである。そ
して、サファイア基板１１、ｎ−ＧａＮ層１２、Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＮ層１３、ＡｌＮ層１４、下部電極１５の構造
も、上記第６の実施形態と同様である。

【０１３２】本実施形態においては、第６の実施形態に
おける表面電極２１ａ、２１ｂに代えて、イオン衝撃に
対する耐性が相異なる金属によって構成される第１の領
域２２ａと、第２の領域２２ｂとを有する表面電極２２
が設けられている。それぞれの領域を構成する金属材料
は適宜選択されるが、例えば第１の領域２２ａを構成す
る金属は、上記と同様に仕事関数が小さいチタン（Ｔ
ｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、
バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）などで構成
されるのに対し、第２の領域２２ｂはイオン衝撃に対し
て耐性の高いタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タンタル（Ｔａ）などによって構成される。

【０１３３】なお、図１５に示す構造においては、アノ
ード電極は設けられていないが、表面層に対向してアノ
ード電極を設けても良い。

【０１３４】本実施形態においては、表面電極２２の第
２の領域２２ｂが、イオン衝撃耐性の高い金属により構
成されているので、上記の実施形態の効果に加えて、以
下の効果が得られる。

【０１３５】表面電極２２に順方向バイアスを印加する
と、ＡｌＮ層１４のうち第１の領域２２ａが配置された
領域より、主に電子が放出される。電子放出素子の表面
層から電子が真空中に放出されると、アノード電極（図
示せず）に達するまでに、残留気体中のガス分子と衝突
してイオンを発生する。このイオンは表面電極２２に向
かって加速されるので、高速で表面電極に衝突する、い
わゆるイオン衝撃が発生する。その際、このイオン衝撃
によって表面電極内の電子放出部が消耗することで、Ｎ
ＥＡ電子放出素子の寿命が短くなってしまう懸念があ
る。そこで、本実施形態に示すように、イオン耐性の高
い金属で表面電極の第２の領域２２ｂを形成すること
で、イオンが衝突する領域を分散すると共に、表面電極
の消耗を軽減することができる。

【０１３６】本実施形態によると、第２の領域２２ｂに
イオン衝撃耐性の高い金属を適用することにより、上記
の実施形態よりもＮＥＡ電子放出素子の耐久性を高める
ことができる。

【０１３７】−第９の実施形態− 図１６は、本発明の第９の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。本実施形態におい
ては、上記実施形態の構造に加えて、一部を開口した酸
化膜、窒化膜等からなる絶縁体膜２３が設けられてお
り、絶縁体膜２３の開口底面に相当する領域には表面電
極２４の第１の領域２４ａが設けられ、絶縁体膜２３の
側面から上面に亘る部分に表面電極２４の第２の領域２
４ｂが設けられている。上記第１の領域２４ａが電子放
出部として機能し、第２の領域２４ｂが外部との信号接
続部として主に機能する。

【０１３８】本実施形態においては、表面電極の第１の
領域２４ａ及び第２の領域２４ｂ共に、表面層とショッ
トキー接触する金属、例えば仕事関数の小さいチタン
（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ユウロピウム（Ｅ
ｕ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）など
により構成されている。そして、特に第１の領域２４ａ
は、膜厚が１０ｎｍ以下と薄く設けられ、第２の領域２
４ｂは膜厚が１００ｎｍ以上と比較的厚く設けられてい
る。ただし、この第２の領域２４ｂを、上記第１の領域
２４ａとは別の金属、例えば仕事関数の大きい白金（Ｐ
ｔ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル
（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などで構成しても良い。

【０１３９】本実施形態においては、表面電極２４が絶
縁体膜２３を挿入された領域と挿入されていない領域に
より構成されているので、上記の実施形態の効果に加え
て、以下の効果が得られる。

【０１４０】表面電極２４に順方向バイアスを印加する
と、ＡｌＮ層１４は電子放出部として機能する表面電極
の第１の領域２４ａと絶縁体膜の開口底部において接し
ており、その他の領域とは絶縁体膜と接しているので、
電子供給層から供給されて電子移動層を移動する電子流
は、第１の領域２４ａ部のみに収束する。したがって本
実施形態によると、一部を開口した絶縁体膜２３に対し
て、その開口底部に薄い表面電極層（第１の領域２４
ａ）を構成することにより、第１の領域２４ａから電子
を集中して放出させることができ、よって上記実施形態
よりも電子の放出効率をさらに高めることができる。

【０１４１】なお、図１６に示す構造においては、アノ
ード電極は設けられていないが、表面層に対向してアノ
ード電極を設けても良い。

【０１４２】また、本実施形態においては、ＡｌＮ層１
４を表面層としているが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの内Ａｌ含有
比ｘが０．６５以上であればＮＥＡ材料であるので、
０．６５≦ｘ≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを表面層に用
いても良い。また、さらにその上にＡｌＮ層を形成した
場合においても、ＡｌＮの被覆層を設けた構造とも考え
ることができる。いずれの場合においても上記と同様
に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。

【０１４３】また、本実施形態において、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ層のＡｌ含有比が０≦ｘ≦０．６５の場合において
も、上記のように表面層として適用するＡｌＮ層の膜厚
等を適当な値にすることで、注入された電子を表面にト
ンネル透過できるため、同様の効果を得ることができ
る。

【０１４４】−第１０の実施形態− 図１７は、本発明の第１０の実施形態におけるＮＥＡ電
子放出素子の構造を示す断面図である。本実施形態にお
いては、上記第１の実施形態の構造に加えて、表面電極
１６の第２の領域１６ｂの上に形成された酸化膜や窒化
膜などの絶縁体膜２５と、絶縁体膜２５上に設けられた
制御電極２６とを備えている。

【０１４５】本実施形態のＮＥＡ電子放出素子は、上記
第１の実施形態のＮＥＡ電子放出素子の機能に加えて、
真空中に放出された電子流を制御する機能をも備えてい
る。

【０１４６】例えば、下部電極１５−表面電極１６間に
に順バイアスを印加し、さらに制御電極２６に適当な正
電圧を印加した場合、真空中に放出された電子流の発散
を制御電極１８に印加したバイアスの効果により、抑制
することが可能となる。この場合に適用した素子の作製
条件は、電子供給層１２、電子移動層１３、表面層１
４、表面電極１６に関しては、上記の第１の実施形態で
用いたものと同様である。また、電子放出領域（制御電
極２６の開口部）の大きさは、φ１０μｍ、酸化膜２５
の厚さは、１０μｍである。

【０１４７】なお、本実施例においても、表面電極１６
のうち電子放出部として機能する第１の領域１６ａは、
電子の放出効率を高めるため、できる限り薄いことが好
ましい。

【０１４８】また第１の領域１６ａがない場合、つまり
表面電極１６の中央部が空間になっている場合において
も、効率的には低下するが電子を放出させることは可能
である。

【０１４９】また、本実施形態においては、ＡｌＮ層１
４を表面層としているが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの内Ａｌ含有
比ｘが０．６５以上であればＮＥＡ材料であるので、
０．６５≦ｘ≦１の領域のＡｌ_xＧａ_1-xＮを表面層に用
いても良い。また、さらにその上にＡｌＮ層を形成した
場合においても、ＡｌＮの被覆層を設けた構造とも考え
ることができる。いずれの場合においても上記と同様
に、効率的に電子を真空中に取り出すことができる。

【０１５０】また、本実施形態において、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ層のＡｌ含有比が０≦ｘ≦０．６５の場合において
も、上記のように表面層として適用するＡｌＮ層の膜厚
等を適当な値にすることで、注入された電子を表面にト
ンネル透過できるため、同様の効果を得ることができ
る。

【０１５１】また、図１７に示す構造においては、アノ
ード電極は設けられていないが、さらに制御電極に対向
してアノード電極を設けることで、収束された電子流を
アノード電極で加速／収集することが可能となる。

【０１５２】−第１１の実施形態− 図１８は、本発明の第１１の実施形態におけるＮＥＡ電
子放出素子の構造を示す断面図である。同図に示すよう
に、本実施形態のＮＥＡ電子放出素子の構造は、図９に
示す第６の実施形態の構造と見かけ上同じであるが、本
実施形態においては電子移動層としてＡｌＮ層（厚さ：
５ｎｍ）とＧａＮ層（厚さ：５ｎｍ）とを交互に二層ず
つ積層した超格子層２７を用いた。すなわち、本構成
は、ｎ−ＧａＮ層１２上にＡｌＮ層／ＧａＮ層／ＡｌＮ
層／ＧａＮ層からなる超格子層２７を積層し、さらにそ
の上にＡｌＮ層１４（表面層）を形成した形となる。な
お表面電極１６に関しては、上記第１の実施形態と同様
である。

【０１５３】また図１８に示す構造においては、アノー
ド電極は設けられていないが、表面層に対向してアノー
ド電極を設けても良い。

【０１５４】このような第１１の実施形態の構造を有す
るＮＥＡ電子放出素子に、２〜１０Ｖ程度の順方向バイ
アスを下部電極−表面電極間に印加した結果、上記実施
形態と同様に印加電圧に応じて、１０²〜１０³（Ａ／ｃ
ｍ²）程度の放出電子電流が確認された。

【０１５５】−第１２の実施形態− 図１９は、上記各実施形態で適用可能なＮＥＡ電子放出
素子の表面電極部構成を説明する図である。上記のよう
な第１〜第１１の各実施形態において、表面電極におけ
る第１の領域と第２の領域の配分は、一般的に任意であ
るが、その配分を巧く設定することにより放出される電
子ビームの形状や強度分布を制御することができる。

【０１５６】図１９（ａ）は、制御された表面電極配置
を有するＮＥＡ電子放出素子の表面電極部の斜視図であ
る。表面電極３０全体は、第１の領域２８と第２の領域
２９とで構成されるが、本実施例において、主に電子放
出領域として機能する第１の領域２８は、第２の領域２
９で囲われた範囲内に微小サイズで点在させた形で分布
している。その配置密度は、一般的には図１８（ｂ）に
示すようなガウシアン分布が採用される。なお、図１９
（ａ）に示す第１の領域２８は、上記第１〜第５及び第
１０、第１１の実施形態における第１の領域１６ａの形
状（図９〜図１２、図１７、図１８参照）として、第
６、第７の実施形態における第１の領域２１ａの形状
（図１３、図１４参照）として、第８の実施形態におけ
る第１の領域２２ａの形状（図１５参照）として、第９
の実施形態における第１の領域２４ａの形状（図１６参
照）として採用することができる。

【０１５７】図１９（ａ）に示すように、表面電極３０
内には微細な第１の領域部２８が多数存在するが、上記
のように第１の領域２８に配置される金属電極の厚さは
５〜１０ｎｍ程度、第２の領域２９に配置される金属電
極の厚さは１００ｎｍ以上である。具体的な構成例とし
ては、表面領域３０全体の大きさがφ３００μｍ程度で
あり、その中に直径がφ５μｍの第１の領域２８を１５
００個程度、表面電極の中心部が密になるような分布
（ガウシアン分布）で配置した。このような表面電極構
成とすることより、表面電極全体から一様に電子が放出
された場合と比べて、放出電子流の広がりが抑制されて
いることが確認された。

【０１５８】以上のように、本実施形態により、分割さ
れた微細な多数の電子放出領域（第１の領域２８）を表
面電極３０内に配置し、かつその分布を適宜設定するこ
とにより、放出される電子流の強度分布を制御すること
ができる。その際、電子放出領域の大きさ、形状、数を
適宜調整することにより、電子ビームの形状や電子ビー
ム内での強度分布を所望の分布状態、例えばガウシアン
分布に制御することが可能になる。その結果、同一のピ
ーク強度が得られる従来の単一電子放出源から得られる
電子ビームに比べて、広がりの小さな電子ビームを得る
ことができる。なお、この電子放出部が貫通孔であっ
て、金属膜が存在していない状態であってもよいものと
する。 −第１３の実施形態− 本実施形態においては、上記のＮＥＡ電子放出素子を真
空トランジスタに適用した例について説明する。

【０１５９】図２０は、第１３の実施形態における微小
真空トランジスタの構造を示す断面図である。本実施形
態の微小真空トランジスタは、第９の実施形態（図１６
に示すＮＥＡ電子放出素子）に類似したＮＥＡ電子放出
素子の構造を利用している。図２０に示すように、本実
施形態の微小真空トランジスタは、サファイア基板５１
と、サファイア基板５１の上に設けられた電子供給層と
して機能するｎ−ＧａＮ層５２と、ｎ−ＧａＮ層５２の
上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する組成傾斜層
であり、電子移動層として機能するＡｌ_xＧａ_1-xＮ層５
３と、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層５３の上に設けられ、表面層と
して機能するＡｌＮ層５４と、ｎ−ＧａＮ層５２の上に
設けられた下部電極５５と、ＡｌＮ層５４の上に設けら
れ、ＡｌＮ層５４とショットキー接触する表面電極５６
と、ＡｌＮ層５４の上に形成され、開口部を有する第１
の絶縁膜５７が設けられている。第１の絶縁膜５７は、
一般的に酸化シリコン等で構成されている。そして、第
１の絶縁膜５７の開口部の底面に露出するＡｌＮ層５４
の表面から第１の絶縁膜５７の開口部の底面に露出する
ＡｌＮ層５４の表面から第１の絶縁膜５７の開口部の側
面を経て、第１の絶縁膜５７の上面に至る領域に、上記
表面電極５６の薄膜部５６ａが形成されている。表面電
極５６の薄膜部５６ａは厚みが５〜１０ｎｍ程度の薄い
金属からなり、薄膜部５６ａのうち開口部内でＡｌＮ層
５４のショットキー接触する部分が電子放出部となって
いる。そして、表面電極５６の厚膜部５６ｂは、第１の
絶縁膜５７の上の設けられた厚みが１００ｎｍ以上の金
属からなり、厚膜部５６ｂは薄膜部５６ａに接続されて
配線の接続用パット部として機能する。以上の構造は、
上記の実施形態において説明したＮＥＡ電子放出素子と
基本的に共通する構造となっている。

【０１６０】ここで、本実施形態においては、第１の絶
縁膜５７の上に、第１の絶縁膜５７の開口径よりも大き
い内径を有する一部が欠けた円筒状の第２の絶縁膜５８
と、第２の絶縁膜５８の上端面を塞ぐ金属からなる上部
電極５９とが設けられている。この第２の絶縁膜５８
も、一般的に酸化シリコン等で構成されている。また、
第１の絶縁膜５７の上には、第２の絶縁膜５８の周囲を
囲む酸化シリコン、あるいは窒化シリコンからなるサイ
ドウォール６３が形成されている。そして、表面電極５
６，第２の絶縁膜５８，サイドウォール６３および上部
電極５９により囲まれる電子走行室６０は、内径が約１
０μｍで、圧力が１０^-5Torr（約１．３３ｍＰａ）程度
の減圧状態となっている。

【０１６１】なお、本実施形態において、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ層５３は下端部においてはＧａに対するＡｌ含有比が
ほぼ０であり（ｘ＝０）、逆に上端部においてはＡｌ含
有比がほぼ１である傾斜組成を有している。

【０１６２】以上の構成において、半導体層５２と電子
移動層５３とによって電子制御層として機能する固体層
が構成されており、上部電極５９が外部電極として機能
し、第２の絶縁膜５８とサイドウォール６３とにより密
閉部材が構成されている。

【０１６３】本真空トランジスタは、表面電極５６と下
部電極５５の間に印加された信号に対応して放出される
電子を、減圧された電子走行室６０で加速して、上部電
極５９で受けるものであり、電子走行領域を真空として
いるため、絶縁性が高く、内部損失が小さく、温度依存
性も小さい増幅素子又はスィッチング素子として機能す
る。

【０１６４】なお、本実施形態の微小真空トランジスタ
は、第９の実施形態に類似したＮＥＡ電子放出素子の構
造を利用したが、この限りではなく、第１〜第１１の実
施形態のうちいずれかの実施形態で説明したＮＥＡ電子
放出素子も利用できる。

【０１６５】ここで、本実施形態の真空トランジスタの
製造方法について説明する。図２１（ａ）〜（ｄ）は、
本実施形態における真空トランジスタの製造工程を示す
図である。

【０１６６】まず、サファイア基板５１上に電子供給層
であるｎ−ＧａＮ５２と、電子移動層であるＡｌ_xＧａ
_1-xＮ層５３と、表面層であるＡｌＮ層５４とを形成す
る。この工程については、上記第１の実施形態において
説明した通りである。

【０１６７】次に、図２０（ａ）に示す工程で、第１の
絶縁膜５７として酸化シリコン膜を堆積した後、電子放
出部用の開口を形成し、その後、基板の全面上に上部電
極５６の薄膜部５６ａを形成するための厚み５〜１０ｎ
ｍのチタン膜５６ｘを堆積する。更に、その上にアルミ
ニウム膜を堆積した後、このアルミニウム膜をパターニ
ングして、第１の絶縁膜５７の開口部とほぼ同心位置に
あって第１の絶縁膜５７の開口部よりも大径の円柱部
と、この円柱部の底部から四方に延びる棹状部とからな
る中子６５を形成する。この中子６５は、アルミニウム
膜の第１回目のパターニングにより、縦方向の軸を有す
る円柱部と、この円柱部から四方に放射状に延びる同じ
厚みの縦壁部とからなる水車状パターンを形成し、第１
回目のパターニングによって縦壁部の厚みを低減するこ
とにより容易に形成される。なお、この中子６５をフォ
トレジストにより構成しても良い。後に形成するサイド
ウォール６３の材料によっては縦壁部の厚みをわずかに
低減するだけでも良いし、あるいは全く低減しなくても
良い。

【０１６８】次に、図２０（ｂ）に示す工程で、低温Ｃ
ＶＤ法により、基板の全面上に第２の絶縁膜５９となる
酸化シリコン膜５８ｘを堆積した後、例えばＣＭＰ法に
より、アルミニウム膜の中子６５が露出するまで酸化シ
リコン膜５８ｘを平坦化する。その後、スパッタリング
により、基板の全面上に、上部電極５９となるタングス
テン膜５９ｘを堆積する。

【０１６９】次に図２０（ｃ）に示す工程で、フォトリ
ソグラフィー及びドライエッチングにより、タングステ
ン膜５９ｘ、酸化シリコン膜５８ｘ、中子６５及びチタ
ン膜５６ｘの全体を縦型円柱状にパターニングする。こ
れにより、第１の絶縁膜５８、上部電極５９及び表面電
極５６の薄膜部５６ａの寸法がほぼ決まる。

【０１７０】次に、図２０（ｄ）に示す工程で、基板全
体を硫酸化水液（硫酸、過酸化水素水の混合溶液）中に
浸漬する。このとき、中子６５の棹上部の端面が露出し
ていることから、アルミニウムによって構成される中子
６５がこの部分から硫酸化水液によってエッチングさ
れ、最終的に中子６５が除去される。そして、第２の絶
縁膜５８、上部電極５９及び表面電極５６の薄膜部５６
ａで囲まれる電子走行室６０が形成される。

【０１７１】次に、基板上に厚い酸化シリコン膜を堆積
すると、中子６５の棹状部が除去された後に形成されて
いる横穴が厚い酸化シリコン膜によって塞がれる。この
とき、ＭＢＥ法，スパッタリング法，真空蒸着法などを
利用して、ＳｉＯ₂ を上方から基板上に堆積することに
より、内部の電子走行室６０の圧力を例えば１０^-5Ｔor
r （約１．３３ｍＰａ）以下の低圧に減圧しながら、容
易に横穴をシリコン酸化膜で塞ぐことができる。

【０１７２】特に、当初はＣＶＤ法などを利用して横穴
の大部分を塞いだ後、最終的にＭＢＥ法，スパッタリン
グ法，真空蒸着法などによって絶縁体材料により横穴を
完全に塞ぐなどの工夫を行なうことにより、横穴の開口
寸法を大きくして工程の容易化を図りつつ、内部の電子
走行室６０の真空状態を確保することができる。

【０１７３】その後、厚いシリコン酸化膜の異方性エッ
チングを行なって、上部電極５９、第２の絶縁膜５８及
び表面電極５６の薄膜部５６ａの側面を取り囲むサイド
ウォール６３を形成する。

【０１７４】その後の工程の図示は省略するが、サイド
ウォール６３、上部電極５９、第２の絶縁膜５８の一端
部を除去した後、基板上に金属膜（例えば、Ｐｔ膜な
ど）を堆積して、これをパターニングすることにより、
表面電極５６の厚膜部５６ｂを形成する。その後、基板
にｎ−ＧａＮ層５２の一部に達する孔を形成して、下部
電極５５を形成する。

【０１７５】以上の工程により、真空トランジスタを容
易に得ることができる。

【０１７６】なお、本実施形態だけでなく、上記第１〜
第１１の実施形態において開示したいずれかのＮＥＡ電
子放出素子の構造を利用して、真空トランジスタを形成
することができることは言うまでもない。したがって、
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層５３に代えて超格子層を設けたり、Ａ
ｌＮ層５４を設けないでＡｌ含有比ｘが高いＡｌ_xＧａ
_1-xＮ層に直接ショットキー接触する表面電極を設ける
ことなどが可能である。

【０１７７】−第１４の実施形態− 次に、上記第１３の実施形態の変形例ともいえる第１４
の実施形態における真空トランジスタについて説明す
る。

【０１７８】図２２は、本実施形態における真空トラン
ジスタの構造を示す断面図である。本実施形態において
は、ＮＥＡ電子放出素子を密閉容器内に収納した構造を
有している。

【０１７９】図２２に示すように、本実施形態の真空ト
ランジスタは、上記第１３の実施形態における図２０に
示す構造とほぼ同様の構造に加えて、密閉用のキャップ
７０と、キャップ７０及びＮＥＡ電子放出素子を取り付
けるための治具７１と、下部電極５５、表面電極５６、
上部電極５９に電気的に接続される端子７２〜７４とを
備えている。ただし、本実施形態においては、電子走行
室６０は第２の絶縁膜５８、上部電極５９などによって
密閉されているわけではなく、第２の絶縁膜５８がブリ
ッジ状に形成されている。そして、図２０に示すサイド
ウォール６３は存在していない。本実施形態において
は、密閉部材がキャップ７０及び治具７１によって構成
され、内部の電子走行室６０が１０^-5Ｔorr （約１．３
３ｍＰａ）以下の高真空に保たれている。

【０１８０】本実施形態によっても、上記第１３の実施
形態と同様の効果を発揮することができる。特に、本実
施形態においては、電子走行室６０の真空度（減圧度）
を１０^-5Ｔorr （約１．３３ｍＰａ）以下にすることが
容易であるという利点がある。

【０１８１】−その他の実施形態− 上記第１〜第１１の実施形態における構造において、様
々な構成例を示したが、それらの構成を複合化したよう
な構造を用いることで、それぞれの効果を兼ね備えるこ
とも可能である。

【０１８２】上記各実施形態においては、表面層にＡｌ
ＮまたはＡｌ_xＧａ_1-xＮにより構成したが、それ以外の
ＮＥＡ材料であるダイヤモンド等によって表面層を構成
しても良い。

【０１８３】また、ＡｌＮ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮや、これら
のＮＥＡ材料膜の複数を積層することもできる。例え
ば、上記各実施形態における表面層上に、表面層の保護
のためダイヤモンド層などのごく薄い被覆層を設けても
良い。特に、電子放出部に金属膜を設けずに表面層上を
開放する場合には、表面層を構成するＡｌＮ層やＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ層保護のため、被覆層を設けることが好まし
い。

【０１８４】上記第１〜第１１の実施形態におけるＡｌ
_xＧａ_1-xＮ層内にｎ型不純物をドープして、ｎ型半導体
として機能させても良い。

【０１８５】上記第１〜第１１の実施形態における電子
放出部は、１つの素子に複数個設けられていても良い。

【０１８６】上記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層を利用した実施形態
においては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層のＡｌ含有比ｘが連続的
に変化する構造としたが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層のＡｌ含有
比ｘが、例えば階段状に変化するものがあってもよい。

【０１８７】

【発明の効果】本発明の電子放出素子によれば、負の電
子親和力又は負に近い電子親和力を有する材料により表
面層を構成すると共に、電子供給層から表面層に電子を
スムーズに移動させるための組成傾斜層や超格子層を設
けたので、低電圧駆動が可能で、かつな高効率に電子を
放出する機能を有する電子放出の提供を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＮＥＡ材料の例としてＡｌＮを用いたＮＥＡ電
子放出素子の構造を示す斜視図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は、負の電子親和力を有する半
導体と正の電子親和力を有する半導体とのエネルギーバ
ンド状態をそれぞれ示すエネルギーバンド図である。

【図３】Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎの電子親和力の測定データを
示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は、無負荷状態および表面電極
−電子供給層間に電圧Ｖを印加したときにおける各層の
エネルギーバンド状態を示すエネルギーバンド図であ
る。

【図５】Ａｌ_x Ｇａ_1-x ＮのバンドギャップのＡｌ含有
比依存性を示す図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は、単一障壁タイプ型のＮＥＡ
電子放出素子の無負荷時と電圧印加時におけるエネルギ
ーバンド状態を示すエネルギーバンド図である。

【図７】電子移動層として、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎで表され
るＡｌ含有比の異なる２つの超格子層を交互に積層した
超格子積層部を有する電子放出素子の構造を模式的に示
す図である。

【図８】（ａ），（ｂ）は、超格子積層型のＮＥＡ電子
放出素子の無負荷時と電圧印加時におけるエネルギーバ
ンド構造を示すエネルギーバンド図である。

【図９】本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ電子放
出素子の構造を示す断面図である。

【図１０】本発明の第２の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１１】本発明の第３の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１２】本発明の第５の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１３】本発明の第６の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１４】本発明の第７の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１５】本発明の第８の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１６】本発明の第９の実施形態におけるＮＥＡ電子
放出素子の構造を示す断面図である。

【図１７】本発明の第１０の実施形態におけるＮＥＡ電
子放出素子の構造を示す断面図である。

【図１８】本発明の第１１の実施形態におけるマイクロ
バキュームトランジスタの構造を示す断面図である。

【図１９】（ａ），（ｂ）は、各実施形態で適用可能な
ＮＥＡ電子放出素子の表面電極部の構成を説明する図で
ある。

【図２０】第１３の実施形態における微小真空トランジ
スタの構造を示す断面図である。

【図２１】（ａ）〜（ｄ）は、第１３の実施形態におけ
るマイクロバキュームトランジスタの製造工程を示す断
面図である。

【図２２】本発明の第１４の実施形態におけるマイクロ
バキュームトランジスタの構造を示す断面図である。

【図２３】（ａ），（ｂ）は、今までに報告されている
接合型ＮＥＡデバイスの構造を示す断面図およびこれに
電圧を印加したときのエネルギーバンド状態を示すエネ
ルギーバンド図である。

【符号の説明】

１ 電子供給層 ２ 電子移動層 ３ 表面層 ４ 表面電極 １１ サファイア基板 １２ ｎ−ＧａＮ層 １３ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層 １４ ＡｌＮ層 １５ 下部電極 １６ 表面電極 １６ａ 第１の領域（電子放出部） １６ｂ 第２の領域 １７ アノード電極 １８ 上部（表面層） １９ 下部 ２０ 埋め込み絶縁層（埋め込みｐ型層） ２１ 表面電極 ２１ａ 第１の領域（電子放出部） ２１ｂ 第２の領域 ２２ 表面電極 ２２ａ 第１の領域（電子放出部） ２２ｂ 第２の領域 ２３ 絶縁体膜 ２４ 表面電極 ２４ａ 第１の領域（電子放出部） ２４ｂ 第２の領域 ２５ 絶縁体膜 ２６ 制御電極 ２７ 超格子層 ２８ 第１の領域（電子放出部） ２９ 第２の領域 ３０ 表面電極 ５１ サファイア基板 ５２ ｎ−ＧａＮ層 ５３ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層 ５４ ＡｌＮ層 ５５ 下部電極 ５６ 表面電極 ５６ａ 薄膜部 ５６ｂ 厚膜部 ５７ 第１の絶縁膜 ５８ 第２の絶縁膜 ５９ 上部電極 ６０ 電子走行室 ６１ 高周波信号源 ６２ 配線 ６３ サイドウォール ６５ 中子 ７０ キャップ ７１ 治具 ７２〜７４ 端子

フロントページの続き (72)発明者 出口 正洋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 北畠 真 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5C035 BB01 BB03

Claims (37)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子供給層として機能する半導体層と、 上記半導体層とは離間して設けられ、電子親和力が負あ
   るいは０に近い材料により構成される表面層と、 上記半導体層と上記表面層との間に介設され、半導体層
   から表面層に向かう方向に電子親和力が小さくなるよう
   に組成が変化している組成傾斜層と、 上記表面層上に設けられ、半導体層から表面層の最表面
   まで電子を供給させるように電圧を印加するための表面
   電極とを備えている電子放出素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子放出素子において、 上記組成傾斜層は、ドープしていない半導体材料からな
   ることを特徴とする電子放出素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電子放出素子において、 上記組成傾斜層は、少なくとも一部において上記半導体
   層から上記表面層までほぼ連続的に拡大するバンドギャ
   ップを有することを特徴とする電子放出素子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載
   の電子放出素子において、 上記表面層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
   ることを特徴とする電子放出素子。
5. 【請求項５】 請求項１記載の電子放出素子において、 上記表面層の上に設けられ、表面層とは異なる材料から
   なる被覆層をさらに備えていることを特徴とする電子放
   出素子。
6. 【請求項６】 請求項５記載の電子放出素子において、 上記被覆層は、電子親和力が負あるいは０に近い材料を
   含んでいることを特徴とする電子放出素子。
7. 【請求項７】 請求項６記載の電子放出素子において、 上記被覆層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
   ることを特徴とする電子放出素子。
8. 【請求項８】 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載
   の電子放出素子において、 上記組成傾斜層及び表面層を含む領域は、最表面に近づ
   くほどＡｌの割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧａ
   _1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されていることを特徴
   とする電子放出素子。
9. 【請求項９】 請求項１〜４のうちいずれかの１つに記
   載の電子放出素子において、 上記表面電極は、上記表面層とショットキー接触してい
   ることを特徴とする電子放出素子。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のうちいずれかの１つに
    記載の電子放出素子において、 上記表面電極は、第１の領域と、 上記表面層との間のエネルギー障壁が表面層−第１の領
    域間のエネルギー障壁より大きい第２の領域とを有する
    ことを特徴とする電子放出素子。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のうちいずれか１つに
    記載の電子放出素子において、 上記表面電極は、放出される電子の分布を制御するため
    のパターンを有していることを特徴とする電子放出素
    子。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１１のうちいずれか１つに
    記載の電子放出素子において、 上記表面電極上に、上記表面電極の少なくとも一部の上
    方を開放するように設けられた絶縁体層と、 上記絶縁体層上に設けられ、上記表面層から外部に放出
    された電子を加速及び制御するための外部電極とをさら
    に備えていることを特徴とする電子放出素子。
13. 【請求項１３】 電子供給層として機能する半導体層
    と、 上記半導体層とは離間して設けられ、電子親和力が負あ
    るいは０に近い材料により構成される表面層と、 上記半導体層と上記表面層との間に介設され、半導体層
    から表面層に向かう方向に供給される電子を共鳴透過さ
    せるための複数からなる層を積層した超格子層と、 上記表面層上に設けられ、半導体層から表面層の最表面
    まで電子を供給させるように電圧を印加するための表面
    電極とを備えている電子放出素子。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の電子放出素子におい
    て、 上記超格子層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表さ
    れる２つの混晶であって互いに成分比が異なるものを交
    互に積層して構成されていることを特徴とする電子放出
    素子。
15. 【請求項１５】 請求項１３又は１４に記載の電子放出
    素子において、 上記表面層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
    ることを特徴とする電子放出素子。
16. 【請求項１６】 請求項１３〜１５のうちのいずれか１
    つに記載の電子放出素子において、 上記表面層の上に設けられ、表面層とは異なる材料から
    なる被覆層をさらに備えていることを特徴とする電子放
    出素子。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の電子放出素子におい
    て、 上記被覆層は、電子親和力が負あるいは０に近い材料を
    含んでいることを特徴とする電子放出素子。
18. 【請求項１８】 請求項１６記載の電子放出素子におい
    て、 上記被覆層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
    ることを特徴とする電子放出素子。
19. 【請求項１９】 電子供給層として機能する半導体層
    と、 上記半導体層とは離間して設けられ、電子親和力が負あ
    るいは０に近い材料により構成される表面層と、 上記半導体層と上記表面層との間に介設され、上記半導
    体層から表面層に向かう方向に電子を供給するため電子
    移動層と、 上記表面層上の少なくとも一部とショットキー接触する
    ように設けられ、半導体層から表面層の最表面まで電子
    を供給させるように電圧を印加するための表面電極とを
    備えている電子放出素子。
20. 【請求項２０】 請求項１９記載の電子放出素子におい
    て、 上記電子移動層は、上記半導体層から上記表面層に向か
    う方向に電子親和力が小さくなるように組成が変化して
    いることを特徴とする電子放出素子。
21. 【請求項２１】 請求項１９記載の電子放出素子におい
    て、 上記電子移動層は、上記半導体層から上記表面層に向か
    う方向にバンドギャップが拡大するように組成が変化し
    ていることを特徴とする電子放出素子。
22. 【請求項２２】 請求項１９記載の電子放出素子におい
    て、 上記電子移動層は、上記半導体層から上記表面層に向か
    う方向に供給される電子を共鳴透過させるための複数か
    らなる層を積層した超格子層から構成されていることを
    特徴とする電子放出素子。
23. 【請求項２３】 請求項１９〜２２のうちいずれか１つ
    に記載の電子放出素子において、 上記表面層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
    ることを特徴とする電子放出素子。
24. 【請求項２４】 請求項１９記載の電子放出素子におい
    て、 上記電子移動層及び表面層を含む領域は、最表面に近づ
    くほどＡｌの割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧａ
    _1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されていることを特徴
    とする電子放出素子。
25. 【請求項２５】 請求項１９記載の電子放出素子におい
    て、 上記表面電極は、上記表面層の一部のみに接して設けら
    れた上記半導体層よりも狭い面積を有する第１の領域
    と、 上記第１の領域と連続して設けられ、上記表面層との間
    のエネルギー障壁が表面層−第１の領域間のエネルギー
    障壁より大きい第２の領域とを有することを特徴とする
    電子放出素子。
26. 【請求項２６】 請求項２５記載の電子放出素子におい
    て、 上記第２の領域は、上記第１の領域よりも大きい面積を
    有し、かつ第１の領域を構成する材料よりもイオン衝撃
    に対する耐性の大きい材料により構成されていることを
    特徴とする電子放出素子。
27. 【請求項２７】 請求項２５又は２６記載の電子放出素
    子において、 上記表面層のうち、上記表面電極に接触する第１の領域
    を除く領域上に形成された絶縁体層をさらに備え、 上記表面電極の第２の領域は、上記絶縁体層の側面から
    上面に亘って設けられていることを特徴とする電子放出
    素子。
28. 【請求項２８】 請求項２５又は２６に記載の電子放出
    素子において、 上記表面電極の第２の領域は、上記第１の領域よりも大
    きい厚みを有していることを特徴とする電子放出素子。
29. 【請求項２９】 電子制御層として機能する固体層と、 上記固体層の上に設けられ、電子親和力が負あるいは０
    に近い材料からなる表面層と、 上記表面層に接して設けられ、上記固体層と表面層の最
    表面との間に電圧を印加するための表面電極と、 上記表面電極とは空間を挟んで設けられた外部電極と、 上記表面電極と上記外部電極との間の空間を減圧状態に
    保つための密閉部材とを備えている電子放出素子。
30. 【請求項３０】 請求項２９記載の電子放出素子におい
    て、 上記固体層は、 電子供給層として機能する半導体層と、 上記半導体層と上記表面層との間に介設され、半導体層
    から表面層に向かう方向に電子親和力が小さくなるよう
    に組成が変化している組成傾斜層とを有していることを
    特徴とする電子放出素子。
31. 【請求項３１】 請求項３０記載の電子放出素子におい
    て、 上記組成傾斜層は、上記半導体層から上記表面層に向か
    う方向にバンドギャップが拡大するように組成が変化し
    ていることを特徴とする電子放出素子。
32. 【請求項３２】 請求項２９又は３０記載の電子放出素
    子において、 上記組成傾斜層および表面層を含む領域は、最表面に近
    づくほどＡｌの割合が多くなるように変化するＡｌ_xＧ
    ａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）により構成されていることを特
    徴とする電子放出素子。
33. 【請求項３３】 請求項２９記載の電子放出素子におい
    て、 上記固体層は、 電子供給層として機能する半導体層と、 上記半導体層と上記表面層との間に介設され、半導体層
    から表面層に向かう方向に供給される電子を共鳴透過さ
    せるための複数からなる層を積層した超格子層とを有し
    ていることを特徴とする電子放出素子。
34. 【請求項３４】 請求項２９〜３３のうちいずれか１つ
    に記載の電子放出素子において、 上記表面層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでい
    ることを特徴とする電子放出素子。
35. 【請求項３５】 請求項２９〜３３のうちいずれか１つ
    に記載の電子放出素子において、 上記表面電極は、 上記表面層の一部のみに接して設けられた上記半導体層
    よりも狭い面積を有する第１の領域と、 上記第１の領域と連続して設けられ、上記表面層との間
    のエネルギー障壁が表面層−第１の領域間のエネルギー
    障壁より大きい第２の領域とを有することを特徴とする
    電子放出素子。
36. 【請求項３６】 請求項３５に記載の電子放出素子にお
    いて、 上記第２の領域は、上記第１の領域よりも大きい面積を
    有し、かつ上記第１の領域を構成する材料よりもイオン
    衝撃に対する耐性の大きい材料により構成されているこ
    とを特徴とする電子放出素子。
37. 【請求項３７】 請求項３５に記載の電子放出素子にお
    いて、 上記表面層のうち上記表面電極に接触する第１の領域を
    除く領域上に形成された絶縁体層をさらに備え、 上記表面電極の第２の領域は、上記絶縁体層の側面から
    上面に亘って設けられていることを特徴とする電子放出
    素子。