JPH076687A - 薄膜冷陰極 - Google Patents
薄膜冷陰極Info
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- JPH076687A JPH076687A JP14582993A JP14582993A JPH076687A JP H076687 A JPH076687 A JP H076687A JP 14582993 A JP14582993 A JP 14582993A JP 14582993 A JP14582993 A JP 14582993A JP H076687 A JPH076687 A JP H076687A
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】放射電子電流密度が大きく、電流変動が小さ
く、電子放出効率が高く、放射電子のエネルギー広がり
が小さく、高安定で、長寿命の平面冷陰極を提供する。 【構成】本発明は、ホットエレクトロンを利用する薄膜
冷陰極、一例として金属−絶縁体−金属、もしくは半導
体−絶縁体（酸化膜）−金属で構成されるトンネル陰極
において、高電界が印加される絶縁体−金属間もしくは
酸化膜−金属間に、単結晶半導体、多結晶半導体、もし
くはアモルファス半導体の薄膜を挿入して、陰極表面の
実効的な仕事関数を低下させようとしたものである。
く、電子放出効率が高く、放射電子のエネルギー広がり
が小さく、高安定で、長寿命の平面冷陰極を提供する。 【構成】本発明は、ホットエレクトロンを利用する薄膜
冷陰極、一例として金属−絶縁体−金属、もしくは半導
体−絶縁体（酸化膜）−金属で構成されるトンネル陰極
において、高電界が印加される絶縁体−金属間もしくは
酸化膜−金属間に、単結晶半導体、多結晶半導体、もし
くはアモルファス半導体の薄膜を挿入して、陰極表面の
実効的な仕事関数を低下させようとしたものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電子管、電子顕微鏡
などの表面分析装置、電子線露光などの半導体プロセス
装置、画像表示装置、加速器などの電子線を用いる装置
に使用する冷陰極、特にホットエレクトロンを利用した
薄膜冷陰極に関するものである。
などの表面分析装置、電子線露光などの半導体プロセス
装置、画像表示装置、加速器などの電子線を用いる装置
に使用する冷陰極、特にホットエレクトロンを利用した
薄膜冷陰極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】冷陰極は、放射電子の電流密度が大きい
こと、電子のエネルギー広がりが小さいことから、電子
線を利用する装置の電子源として優れた陰極と考えられ
ている。これまで、開発研究の行なわれてきた冷陰極と
しては、電界放射陰極、なだれやトンネル効果を利用し
たホットエレクトロン薄膜冷陰極等がある。
こと、電子のエネルギー広がりが小さいことから、電子
線を利用する装置の電子源として優れた陰極と考えられ
ている。これまで、開発研究の行なわれてきた冷陰極と
しては、電界放射陰極、なだれやトンネル効果を利用し
たホットエレクトロン薄膜冷陰極等がある。
【０００３】図４ホットエレクトロン薄膜冷陰極の従来
技術である、半導体−絶縁体−金属で構成されたトンネ
ル陰極の構造図を示す。図４において、Ｓｉ等のｎ型半
導体の半導体基板１の上にＳｉＯ2 等の酸化膜の絶縁体
２を形成する。この絶縁体２は基本的には厚さ約５００
ｎｍの絶縁体薄膜で構成されているが、局部的に厚さ約
５〜２０ｎｍの部分が複数個あり、この厚さ５〜２０ｎ
ｍの部分が電子放出部５になる。絶縁体２の上には一面
に厚さ約１〜２０ｎｍのアルミニウム等の金属４が形成
されている。半導体基板１と金属４の間に、金属４の方
を正極性にして約３〜１０Ｖの電圧を印加すると、電子
放出部５からホットエレクトロンと呼ばれる速度エネル
ギーを持った電子が放出される。
技術である、半導体−絶縁体−金属で構成されたトンネ
ル陰極の構造図を示す。図４において、Ｓｉ等のｎ型半
導体の半導体基板１の上にＳｉＯ2 等の酸化膜の絶縁体
２を形成する。この絶縁体２は基本的には厚さ約５００
ｎｍの絶縁体薄膜で構成されているが、局部的に厚さ約
５〜２０ｎｍの部分が複数個あり、この厚さ５〜２０ｎ
ｍの部分が電子放出部５になる。絶縁体２の上には一面
に厚さ約１〜２０ｎｍのアルミニウム等の金属４が形成
されている。半導体基板１と金属４の間に、金属４の方
を正極性にして約３〜１０Ｖの電圧を印加すると、電子
放出部５からホットエレクトロンと呼ばれる速度エネル
ギーを持った電子が放出される。
【０００４】図５は図４に示す従来技術の冷陰極である
トンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドを示す。
図５において、１，２，４はそれぞれ図４の半導体基板
１、絶縁体２、金属４のエネルギーバンド状態を示し、
６は真空のエネルギーバンド状態を示す。いま、半導体
１と金属４の間に、金属４の方を正極性にして電圧を印
加すると、印加電圧は図５に示すように、絶縁体２の両
端に印加される。この状態では、半導体基板１の伝導帯
の電子は絶縁体２の伝導帯をトンネル効果で透過する。
絶縁体を透過した電子は、金属４を透過後、金属の仕事
関数を越えるエネルギーを持つ電子が真空中に放射され
る。この際、電子は絶縁体２の伝導帯を走行するので、
ここでは、散乱による電子エネルギーの広がり、及び低
下が生じる。
トンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドを示す。
図５において、１，２，４はそれぞれ図４の半導体基板
１、絶縁体２、金属４のエネルギーバンド状態を示し、
６は真空のエネルギーバンド状態を示す。いま、半導体
１と金属４の間に、金属４の方を正極性にして電圧を印
加すると、印加電圧は図５に示すように、絶縁体２の両
端に印加される。この状態では、半導体基板１の伝導帯
の電子は絶縁体２の伝導帯をトンネル効果で透過する。
絶縁体を透過した電子は、金属４を透過後、金属の仕事
関数を越えるエネルギーを持つ電子が真空中に放射され
る。この際、電子は絶縁体２の伝導帯を走行するので、
ここでは、散乱による電子エネルギーの広がり、及び低
下が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】電界放射陰極は、放射
電子の電流密度が大きい特徴を有するが、点陰極である
ので電子線が広がること、雰囲気のガス圧依存性が大き
いこと、放射電子電流に変動があること等の欠点があ
る。
電子の電流密度が大きい特徴を有するが、点陰極である
ので電子線が広がること、雰囲気のガス圧依存性が大き
いこと、放射電子電流に変動があること等の欠点があ
る。
【０００６】一方、ホットエレクトロン薄膜冷陰極は、
面陰極であるので平行電子線が発生できること、原理的
には、放射電子の電流密度は大きく、そのエネルギー広
がりも小さい等の特徴を有するが、これまでの研究で
は、薄膜に流れる電流に比べて放射電子電流が小さく、
放射電子電流の変動も大きく、上記の特徴を持つ冷陰極
は得られていない。
面陰極であるので平行電子線が発生できること、原理的
には、放射電子の電流密度は大きく、そのエネルギー広
がりも小さい等の特徴を有するが、これまでの研究で
は、薄膜に流れる電流に比べて放射電子電流が小さく、
放射電子電流の変動も大きく、上記の特徴を持つ冷陰極
は得られていない。
【０００７】以上の点に鑑み、本発明は、ホットエレク
トロンを利用する薄膜冷陰極において、陰極表面の実効
的な仕事関数を低下させ、薄膜に流れる電流に対する放
射電子電流の割合である電子放射効率が高く、放射電子
のエネルギー広がりが小さく、放射電子電流密度が大き
く、かつ電流変動の小さい冷陰極を提供することを目的
とする。
トロンを利用する薄膜冷陰極において、陰極表面の実効
的な仕事関数を低下させ、薄膜に流れる電流に対する放
射電子電流の割合である電子放射効率が高く、放射電子
のエネルギー広がりが小さく、放射電子電流密度が大き
く、かつ電流変動の小さい冷陰極を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、ホットエレク
トロンを利用する薄膜冷陰極、一例として金属−絶縁体
−金属、もしくは半導体−絶縁体（酸化膜）−金属で構
成されるトンネル陰極において、高電界が印加される絶
縁体−金属間もしくは酸化膜−金属間に、単結晶半導
体、多結晶半導体、もしくはアモルファス半導体を用い
た半導体薄膜を挿入して、陰極表面の実効的な仕事関数
を低下させようとしたものである。
トロンを利用する薄膜冷陰極、一例として金属−絶縁体
−金属、もしくは半導体−絶縁体（酸化膜）−金属で構
成されるトンネル陰極において、高電界が印加される絶
縁体−金属間もしくは酸化膜−金属間に、単結晶半導
体、多結晶半導体、もしくはアモルファス半導体を用い
た半導体薄膜を挿入して、陰極表面の実効的な仕事関数
を低下させようとしたものである。
【０００９】
【実施例】以下、本発明にかかわる薄膜冷陰極の構成
を、その一実施例をあらわす図面等を参照しながら説明
する。
を、その一実施例をあらわす図面等を参照しながら説明
する。
【００１０】図１は本発明の第１の実施例を示す薄膜冷
陰極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成され
たトンネル陰極の構造図である。図１において、Ｓｉ等
のｎ型半導体の半導体１の上にＳｉＯ2 等の酸化膜の絶
縁体２を形成する。この絶縁体２は厚さ約５００ｎｍの
一部に厚さ約３〜１０ｎｍの部分があり、ここが電子放
出部５になる。絶縁体２の上には一面に厚さ約１〜３０
ｎｍの真性半導体もしくは導入不純物の少ない高抵抗半
導体を用いた半導体薄膜３が形成され、半導体薄膜３の
上にはアルミニウム等の金属４が形成されている。半導
体１と金属４の間に、金属４の方を正極性にして約３〜
１０Ｖの電圧を印加すると、電子放出部５からホットエ
レクトロンと呼ばれる速度エネルギーを持った電子が放
出される。
陰極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成され
たトンネル陰極の構造図である。図１において、Ｓｉ等
のｎ型半導体の半導体１の上にＳｉＯ2 等の酸化膜の絶
縁体２を形成する。この絶縁体２は厚さ約５００ｎｍの
一部に厚さ約３〜１０ｎｍの部分があり、ここが電子放
出部５になる。絶縁体２の上には一面に厚さ約１〜３０
ｎｍの真性半導体もしくは導入不純物の少ない高抵抗半
導体を用いた半導体薄膜３が形成され、半導体薄膜３の
上にはアルミニウム等の金属４が形成されている。半導
体１と金属４の間に、金属４の方を正極性にして約３〜
１０Ｖの電圧を印加すると、電子放出部５からホットエ
レクトロンと呼ばれる速度エネルギーを持った電子が放
出される。
【００１１】図２は図１に示す第１の実施例の薄膜冷陰
極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成された
トンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドの概要を
示す。図２において、１から４はそれぞれ図１の半導体
１、絶縁体２、半導体薄膜３、金属４の間に、金属４の
方を正極性にして電圧を印加すると、薄膜で構成される
半導体薄膜３は空乏層を形成して、印加電圧は図２に示
すように、絶縁体２と半導体薄膜３に配分される。この
状態では、半導体１の伝導帯の電子は絶縁体２を直接ト
ンネルで透過し、半導体薄膜３の伝導帯に注入される。
この際、電子は絶縁体２の伝導帯を走行することがない
ので、ここでは、散乱による電子エネルギーの広がり、
及び低下は生じない。注入された電子は、半導体薄膜３
の伝導帯を電界により加速されながら走行し、金属４を
透過後、金属の仕事関数を越えるエネルギーを持つ電子
が真空中に放射される。この際、絶縁体２を透過したト
ンネル電子に対しては、半導体薄膜３に印加される加速
電圧分だけ実効的に金属４の仕事関数が低下したことに
なる。また、電子は半導体３の伝導帯を走行中にも散乱
を受け、電子エネルギーの広がりと、低下を生じるが、
この散乱の割合は、絶縁体２の伝導帯での散乱に比べて
十分に小さいと考えられる。このため、電子放射効率の
著しい改善が実現でき、放射電子エネルギーの広がりを
抑えることができる。
極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成された
トンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドの概要を
示す。図２において、１から４はそれぞれ図１の半導体
１、絶縁体２、半導体薄膜３、金属４の間に、金属４の
方を正極性にして電圧を印加すると、薄膜で構成される
半導体薄膜３は空乏層を形成して、印加電圧は図２に示
すように、絶縁体２と半導体薄膜３に配分される。この
状態では、半導体１の伝導帯の電子は絶縁体２を直接ト
ンネルで透過し、半導体薄膜３の伝導帯に注入される。
この際、電子は絶縁体２の伝導帯を走行することがない
ので、ここでは、散乱による電子エネルギーの広がり、
及び低下は生じない。注入された電子は、半導体薄膜３
の伝導帯を電界により加速されながら走行し、金属４を
透過後、金属の仕事関数を越えるエネルギーを持つ電子
が真空中に放射される。この際、絶縁体２を透過したト
ンネル電子に対しては、半導体薄膜３に印加される加速
電圧分だけ実効的に金属４の仕事関数が低下したことに
なる。また、電子は半導体３の伝導帯を走行中にも散乱
を受け、電子エネルギーの広がりと、低下を生じるが、
この散乱の割合は、絶縁体２の伝導帯での散乱に比べて
十分に小さいと考えられる。このため、電子放射効率の
著しい改善が実現でき、放射電子エネルギーの広がりを
抑えることができる。
【００１２】また、従来のトンネル陰極に比べて、電子
の散乱を低下できるため、絶縁体２中でのエネルギー損
失を低減でき、放射電子電流の変動、陰極の劣化、すな
わち陰極の安定性、寿命も改善できると考えられる。
の散乱を低下できるため、絶縁体２中でのエネルギー損
失を低減でき、放射電子電流の変動、陰極の劣化、すな
わち陰極の安定性、寿命も改善できると考えられる。
【００１３】図３は本発明の第２の実施例を示す薄膜冷
陰極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成され
たトンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドの概要
を示す。第２の実施例は、絶縁体２の膜厚の厚いファウ
ラ・ノルドハイムトンネルの場合を示しており、基本構
造は第１の実施例と同様に図１で表すことができる。こ
の第２の実施例では、半導体１の伝導帯の電子は絶縁体
２をトンネル効果で透過するため、絶縁体２の部分の散
乱にともなう放射電子のエネルギー広がりとエネルギー
の低下は従来例と変わらない。しかし、半導体薄膜３中
では電子は伝導帯を走行中に電界で加速されるため、実
効的に金属４の仕事関数は低下し、電子放出効率は第１
の実施例と同様に改善される。
陰極である、半導体−絶縁体−半導体−金属で構成され
たトンネル陰極の電圧印加時のエネルギーバンドの概要
を示す。第２の実施例は、絶縁体２の膜厚の厚いファウ
ラ・ノルドハイムトンネルの場合を示しており、基本構
造は第１の実施例と同様に図１で表すことができる。こ
の第２の実施例では、半導体１の伝導帯の電子は絶縁体
２をトンネル効果で透過するため、絶縁体２の部分の散
乱にともなう放射電子のエネルギー広がりとエネルギー
の低下は従来例と変わらない。しかし、半導体薄膜３中
では電子は伝導帯を走行中に電界で加速されるため、実
効的に金属４の仕事関数は低下し、電子放出効率は第１
の実施例と同様に改善される。
【００１４】半導体薄膜３としては、単結晶半導体に限
らず多結晶半導体、アモルファス半導体を用いることも
できる。さらに、第１ならびに第２の実施例では、半導
体−絶縁体−金属で構成されるトンネル陰極についての
適用例を述べたが、本発明構成は、金属−絶縁体−金
属、半導体−絶縁体−半導体及び金属−絶縁体−半導体
で構成されるトンネル陰極にも適用できる。
らず多結晶半導体、アモルファス半導体を用いることも
できる。さらに、第１ならびに第２の実施例では、半導
体−絶縁体−金属で構成されるトンネル陰極についての
適用例を述べたが、本発明構成は、金属−絶縁体−金
属、半導体−絶縁体−半導体及び金属−絶縁体−半導体
で構成されるトンネル陰極にも適用できる。
【００１５】
【発明の効果】近年、微細真空デバイス、マイクロ波
管、電子顕微鏡、電子線露光、画像表示装置、加速器な
ど電子線を用いる装置において、高性能の冷陰極開発の
要求がますます大きくなっている。このため、高電流密
度、高安定、平面冷陰極実現への期待は大きい。本発明
は、ホットエレクトロンを利用するトンネル陰極などの
薄膜陰極において、放射電流密度が大きく、電流変動の
小さい平面例陰極の実現を可能とするもので、電子線を
用いるデバイスはもとにより、電子線をデバイス作成に
利用する半導体デバイス等、電子工業に与える影響は極
めて大きい。
管、電子顕微鏡、電子線露光、画像表示装置、加速器な
ど電子線を用いる装置において、高性能の冷陰極開発の
要求がますます大きくなっている。このため、高電流密
度、高安定、平面冷陰極実現への期待は大きい。本発明
は、ホットエレクトロンを利用するトンネル陰極などの
薄膜陰極において、放射電流密度が大きく、電流変動の
小さい平面例陰極の実現を可能とするもので、電子線を
用いるデバイスはもとにより、電子線をデバイス作成に
利用する半導体デバイス等、電子工業に与える影響は極
めて大きい。
【図１】本発明の第１の実施例による薄膜冷陰極の構造
を示す斜視図。
を示す斜視図。
【図２】本発明の第１の実施例による薄膜冷陰極のエネ
ルギーバンド概要図。
ルギーバンド概要図。
【図３】本発明の第２の実施例による薄膜冷陰極のエネ
ルギーバンド概要図。
ルギーバンド概要図。
【図４】従来技術の薄膜冷陰極の構造図。
【図５】従来技術の薄膜冷陰極のエネルギーバンド概要
図。
図。
１ 半導体 ２ 絶縁体 ３ 半導体薄膜 ４ 金属 ５ 電子放出部 ６ 真空
Claims (4)
- 【請求項１】 固体中のホットエレクトロンを利用し
て、真空中に電子を放出する薄膜冷陰極において、高電
界の印加される層の電子を放出する側に、半導体薄膜を
挿入したことを特徴とする薄膜冷陰極。 - 【請求項２】 前記半導体薄膜が、単結晶半導体、多結
晶半導体、アモルファス半導体のいずれかひとつもしく
はこれらの組合せであることを特徴とする請求項１記載
の薄膜冷陰極。 - 【請求項３】 前記高電界の印加される層を絶縁体と
し、金属−絶縁体−金属、半導体−絶縁体−金属、金属
−絶縁体−半導体、または半導体−絶縁体−半導体の積
層構造を形成し、前記絶縁体を電子がトンネル効果で透
過することを特徴とする請求項１記載の薄膜冷陰極。 - 【請求項４】 前記絶縁体を電子が直接トンネルで透過
することを特徴とする請求項３記載の薄膜冷陰極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14582993A JP2625349B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 薄膜冷陰極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14582993A JP2625349B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 薄膜冷陰極 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH076687A true JPH076687A (ja) | 1995-01-10 |
| JP2625349B2 JP2625349B2 (ja) | 1997-07-02 |
Family
ID=15394087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14582993A Expired - Fee Related JP2625349B2 (ja) | 1993-06-17 | 1993-06-17 | 薄膜冷陰極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2625349B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5729094A (en) * | 1996-04-15 | 1998-03-17 | Massachusetts Institute Of Technology | Energetic-electron emitters |
| WO1999010908A1 (en) * | 1997-08-27 | 1999-03-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Electron emitting device, field emission display, and method of producing the same |
| US6046542A (en) * | 1996-08-02 | 2000-04-04 | U.S. Philips Corporation | Electron devices comprising a thin-film electron emitter |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS444362Y1 (ja) * | 1968-08-14 | 1969-02-18 | ||
| JPS63141234A (ja) * | 1986-12-02 | 1988-06-13 | Canon Inc | 電子放出素子 |
| JPS63236240A (ja) * | 1987-03-24 | 1988-10-03 | Canon Inc | 電子放出装置 |
| JPH03203143A (ja) * | 1989-12-28 | 1991-09-04 | Casio Comput Co Ltd | 半導体装置 |
-
1993
- 1993-06-17 JP JP14582993A patent/JP2625349B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2625349B2 (ja) | 1997-07-02 |
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