电子发射元件及其制造方法技术

本公开提供一种电子发射元件(10)，其特征在于，所述电子发射元件具备将第一电极(1)、由绝缘膜构成的电子加速层(6)、第二电极(3)以及被覆膜(7)依次层叠而成的层叠结构，上述第二电极为供电子透过并从表面发射电子的电极，上述被覆膜为供电子透过的膜，并且是材质与上述第二电极不同的保护膜，构成电子发射面(5)。构成电子发射面(5)。构成电子发射面(5)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电子发射元件及其制造方法


[0001]本专利技术涉及一种用于发射电子的电子发射元件及其制造方法。

技术介绍

[0002]以往，作为将电子从原子发射到外部的电子发射元件(也称为“电子源”)，已知冷阴极型电子源和热阴极型电子源。冷阴极型电子源通过在阴极与阳极间施加高电压，向电子提供从阴极飞出的能量。关于冷阴极型电子源的技术例如在平面型显示器装置、照明、氢发生装置、电子显微镜等领域中正在进行开发。
[0003]已知用于平面型显示器装置等的、由薄膜的层叠结构构成的薄膜电子源。薄膜电子源具有将上部电极、电子加速层、下部电极层叠而成的结构，向真空中发射在电子加速层中进行了加速的电子。薄膜电子源例如包括MIM(Metal－Insulator－Metal：金属－绝缘体－金属)型电子源、MOS(Metal－Oxide－Semiconductor：金属－氧化物－半导体)型电子源、弹道型面电子源等。上部电极也称为表面电极或电子透过电极，构成电子发射面。薄膜电子源不是针、灯丝结构，因此也称为平面型的电子发射元件。平面型的电子发射元件未必限于平板，也包括不为针、灯丝形状的具有曲面的薄膜层叠结构的元件。平面型的电子发射元件具有如下特征：发射电子的稳定性高、发射电子的直行性高、能在10V以下的低电压下工作、即使在低真空下也能稳定工作、能面发射电子、能通过现有的半导体工艺制作等。
[0004]图1是示意性地表示以往的电子发射元件300的构成的剖视图(参照专利文献1等)。电子发射元件300由下部电极基板301、绝缘体层302以及电子透过电极层303构成。为了防止功函数因氧化等的影响而增加，电子透过电极层303的材料使用金、铂、铱等贵金属。绝缘体层302的一部分的厚度为5nm～20nm，作为电子加速层发挥功能，电子透过电极层303层叠于该绝缘体层302上而构成电子发射面。电子发射面以外的部分的绝缘体层302比电子发射面厚，为几十至几百nm左右的厚度。在电子透过电极层303中不与电子发射面305重叠的部分上，设有用于施加电压的接触电极层304。
[0005]本专利技术人等提出了将石墨烯等用作电子透过电极的、具有石墨烯/绝缘膜/硅的层叠结构的电子发射元件作为向固体外部发射电子的元件(参照专利文献1)。
[0006]本专利技术人等提出了一种电子源，该电子源为将上部电极、电子加速层以及下部电极层叠而成的结构的电子源，构成电子发射面的上部电极使用石墨烯膜或石墨膜，上部电极和下部电极的一部分或全部具有曲面，电子发射面为曲面(参照专利文献2)。
[0007]此外，电子发射元件能够通过在气体气氛、液体中发射电子并使电子与气体、液体碰撞来分解分子。提出了使用了电子发射元件的氢制造装置(参照专利文献3)。例如，本专利技术人等提出了在电子发射元件中，在接触电极层的表面设置由石墨烯层或石墨层构成的保护层(参照专利文献3)。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1：日本特开2017－45639号公报
[0011]专利文献2：日本特开2019－71260号公报
[0012]专利文献3：日本特开2019－216095号公报

技术实现思路

[0013]专利技术所要解决的问题
[0014]以往的例如专利文献1所记载的石墨烯/绝缘膜/硅的层叠结构的电子源不仅在高真空能发射电子，即使在从低真空到大气压左右的压力中也能发射电子。例如，能够向气体直接注入加速为10eV左右的电子来分解气体。此外，能够向液体中注入气体，同样地分解液体的分子。
[0015]此外，本专利技术人等提出了一种电子发射元件，其具备将由半导体或磁性体构成的下部电极、由绝缘膜构成的电子加速层以及上部电极依次层叠而成的层叠结构，上部电极为供电子透过并从表面发射电子的电极，发射的电子的能量散度为100meV以上且600meV以下(参照日本特愿2019－88138)。该提案的目的在于，将绝缘膜中和电子透过电极膜中的电子的散射抑制至极限，实现电子的窄能量散度。在该提案中，将1层以上且20层以下的石墨烯用作上部电极。此外，将六方晶系的氮化硼用作电子加速层的绝缘膜。
[0016]然而，在使用石墨烯等与氧发生反应的材料作为电子透过电极的情况下，会产生电子发射效率降低的问题。当电子发射元件为在从低真空到大气压左右的压力中使用的元件时，特别是氧以气体中、低真空中的残留气体的形式存在的情况下，由于从电子发射元件发射出的电子，氧被激发而产生氧自由基。电子透过电极表面被该氧自由基破坏，例如在电子透过电极为石墨烯的情况下，存在石墨烯与氧发生反应并以CO2的形式消失的问题。因此，即使是能够在气体中、低真空中工作的电子发射元件，只要不是氧分压极小的环境，则也无法使用。
[0017]此外，不仅在氧气氛中，在CO2等包含氧分子的气体中也存在气体被发射出的电子分解而产生氧自由基的问题。因此，只要不是包含氧分子的气体的分压极小的环境，就无法使用。
[0018]此外，就如专利文献1～3那样的电子发射元件而言，可以考虑在宇宙空间中的用途。作为人造卫星的推进器，有向宇宙空间发射离子来控制人造卫星的姿势的被称为离子推进器的推进器。通常发射的离子大多仅带正电荷，因此当从离子推进器持续发射离子时，卫星自身会负充电，发射出的离子会返回到卫星，存在无法得到推进力的问题。因此，为了保持电荷平衡，也需要发射电子。作为用于这样的用途中的电子发射元件，期望在低电压下高效地进行电子发射。由于即使发射电子也对推进力没有贡献，因此需要以宇宙空间中的有限的供电进行工作，因此效率是最重要的要素。如此，本专利技术人等所提出的电子发射元件能够在十几伏的低电压下进行电子发射，效率非常高，为20％～50％，也期待作为用于上述用途的电子源。
[0019]但是，在宇宙空间中使用的电推进器的中和枪的情况下，存在石墨烯由于原子氧而消失的问题。其原因在于，在宇宙空间中，虽然取决于距地表的高度，但例如在地表400km的高度存在8
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[atoms/m3]左右的浓度的原子氧。
[0020]本专利技术旨在解决这些问题，本专利技术的目的在于提供一种电子发射元件，该电子发射元件防止电子透过电极暴露于气体、液体中的气体等而受到损伤或受到化学变化，具有
耐氧性等，能在氧气氛、包含氧原子的气体、其他反应性气体中稳定工作，电子发射效率更高。
[0021]用于解决问题的方案
[0022]为了实现上述目的，本专利技术具有以下特征。
[0023](1)一种电子发射元件，其特征在于，所述电子发射元件具备将第一电极、由绝缘膜构成的电子加速层、第二电极以及被覆膜依次层叠而成的层叠结构，上述第二电极为供电子透过并从表面发射电子的电极，上述被覆膜为供电子透过的膜，并且是材质与上述第二电极不同的保护膜，构成电子发射面。
[0024](2)根据上述(1)所述的电子发射元件，其特征在于，与上述第二电极相比，上述被覆膜是氧惰性的膜或耐腐蚀性高的膜。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电子发射元件，其特征在于，所述电子发射元件具备将第一电极、由绝缘膜构成的电子加速层、第二电极以及被覆膜依次层叠而成的层叠结构，所述第二电极为供电子透过并从表面发射电子的电极，所述被覆膜为供电子透过的膜，并且是材质与所述第二电极不同的保护膜，构成电子发射面。2.根据权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，与所述第二电极相比，所述被覆膜是氧惰性的膜或耐腐蚀性高的膜。3.根据权利要求1或2所述的电子发射元件，其特征在于，与没有所述被覆膜的情况相比，所述被覆膜的膜厚为由所述被覆膜引起的电子发射效率的减少率为90％以内的膜厚。4.根据权利要求1～3中任一项所述的电子发射元件，其特征在于，所述被覆膜为六方晶系的氮化硼。5.根据权利要求4所述的电子发射元件，其特征在于，所述被覆膜为1层以上且39层以下的六方晶系的氮化硼。6.根据权利要求4或5项所述的电子发射元件，其特征在于，所述第二电极为石墨烯膜或石墨膜。7.根据权利要求6项所述的电子发射元件，其特征在于，所述石墨烯膜为碳1层的多晶石墨烯膜，所述石墨膜为碳20层以下的多晶石墨膜。8.根据权利要求6或7所述的电子发射元件，其特征在于，所述石墨烯膜和所述石墨膜掺杂氮而成。9.根据权利要求4～8中任一项所述的电子发射元件，其特征在于，所述电子加速层为六方晶系的氮化硼。10.根据权利要求4或5所述的电子发射元件，其特征在于，所述第二电极为金属电极。11.根据权利要求1～3中任一项所述的电子发射元件，其特征在于，所述被覆膜为选自MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、GaS以...

【专利技术属性】
技术研发人员：村上胜久，长尾昌善，
申请(专利权)人：国立研究开发法人产业技术综合研究所，
类型：发明
国别省市：