以下、本発明の実施形態を図面を参照し� ��説明する。なお、図面は模式的なものであ� ��、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの� ��率等は現実のものと異なる。従って、具体� ��な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせ� ��判断するべきものである。また、図面相互� ��においても、互いの寸法の関係や比率が異� ��る部分が含まれることに注意が必要である� ��また、第1導電型をn型としている。

 (第1の実施形態)
 図1は、本発明の第1の実施形態に係る電子� �出素子の断面図である。図に示すように、� �1の実施形態に関わる電子放出素子1は、基板 2上に、第1の第1のダイヤモンド層3が配置さ� �ており、第1のダイヤモンド層3上に、電子放 出層として第2のダイヤモンド層4が配置され� ��いる。基板2は、導電性を有する材質である ことが好ましく、例えば、Si基板で構成され� ��いる。第1のダイヤモンド層3は、燐(P)をド� �プしたダイヤモンド結晶を主成分とする半� �体層で、単結晶であっても多結晶であって� �構わない。第2のダイヤモンド層4は、窒素(N) をドープしたダイヤモンド結晶を主成分とす る半導体層で、単結晶であっても多結晶であ っても構わない。

 本発明者等は、電子放出素子の効率を上� ��るために、窒素をドープしたダイヤモンド� ��導体層(電子放出層)4と導電性基板2の間に燐 をドープしたダイヤモンド層2を設けること� �試みた。これにより、導電性基板2とダイヤ� ��ンド結晶層3、4の間の電気的な連続性を向� �させ、導電性基板2に垂直な方向の抵抗を低� ��することができ、且つ燐(P)ドープダイヤモ� ��ドを電子放出層としたときには得られない� ��低温・低電界での熱電子放出が得られるこ� ��を見出した。

 基板と材料の異なる半導体層を有する電� ��放出素子では、基板との間に不連続領域を� ��生しやすく、特にバンドギャップの大きな� ��導体層を接合する場合には大きな電気的な� ��ャップが生じ、電流の妨げとなる。特に、� ��ナーの準位が深い場合、フェルミ準位も伝� ��帯底から深い位置に存在し、接合付近での� ��導帯間に大きなギャップを生じることによ� ��、電子が基板から半導体層に注入されにく� ��なる。

 図2Aは、Si基板(左側)上に窒素(N)ドープダ� ��ヤモンド(N-doped diamond)(中央)を形成した場� �のエネルギーレベルを模式的に比較したも� �で、右側が真空(Vacuum)であり、矢印で示すよ うに、真空の方向に電子が放出される。また 、Si基板とNドープダイヤモンドのフェルミレ ベル(Ef)は一致している状態で比較している� �Ec(Si),Ec(N)は、夫々Siの伝導帯底、Nドープ添� �ダイヤモンドの伝導帯底を表わす。Nドープ� ��イヤモンドのドナー準位は、前述のように1 .7eVと深いため、他の半導体に比べ抵抗が高� �。

 図2Bは、Si基板(左側)上にPドープダイヤモ ンド(P-doped diamond)層を介してNドープダイヤ� �ンド(N-doped diamond)層を形成した場合のエネ� �ギーバンドを模式的に比較したもので、右� �が真空(Vacuum)であり、矢印で示すように、真 空の方向に電子が放出される。また、Si基板� ��Pドープダイヤモンド層、Nドープダイヤモ� �ド層のフェルミレベル(Ef)は一致している状� ��(接合状態)で比較している。Ec(P)はPの伝導� �底を表わす。Pドープダイヤモンドのドナー� ��位は、前述のように0.6eVとNに比べてかなり� ��さく、電流も流れやすい。

 このように、基板とNドープダイヤモンド 層の間に、よりドナー準位の浅いPドープダ� �ヤモンド層を介することにより、伝導帯は� �階的な接合となり、電子が注入されやすく� �る。したがって、低抵抗で、低温・低電界� �高効率のダイヤモンド電子放出素子を得る� �とができる。

 次に、第1の実施形態に係る電子放出素子の 製造方法を、図3A,図3Bを用いて説明する。最� ��に、図3Aに示すように、n型Si基板2上に、プ� ��ズマCVD法により、炭素原料としてのメタン� ��ス(CH ₄ )、キャリアガスとしての水素ガス(H ₂ )、さらにドーパントである燐の原料、例え� �ホスフィン等を流し、第1のダイヤモンド半� ��体層3を厚さ150nmに形成する。このとき、基� ��温度は900℃、メタンガスの流量は2sccm、水� �ガスの流量は1slm、プラズマ出力は1000W,反応� ��圧力は30Torrとする。燐の濃度は1×10 ²⁰ /cm ³ であることが望ましいが、1×10 ¹⁸ /cm ³ 以上であって、残留不純物として存在する窒 素の濃度より高い濃度であることが肝要であ る。

 次に、図3Bに示すように、第1のダイヤモン� ��半導体層2上にメタンガスと水素ガス、窒素 の原料である、例えば窒素ガスを流し、電子 放出層として窒素をドープしたダイヤモンド からなる第2の半導体層4を、厚さ100nmに形成� �る。このとき、基板温度は900℃、窒素ガス� �流量は20sccm、水素ガスの流量は1slm、プラズ� ��出力は1000W,反応管圧力は30Torrとする。窒素� ��濃度は1×10 ²⁰ /cm ³ であることが望ましいが、1×10 ¹⁹ /cm ³ 以上であればよい。

 上記のように作成した電子放出素子1を、 図4に示すように、対向するカソード電極5と� ��ノード電極6を有する気密容器7の中に導入� �、カソード電極5の上に設置する。気密容器7 の内部を真空にし、加熱手段8により電子放� �素子1を300℃に加熱し、カソード電極5とアノ ード電極6の間に電圧を印加する。上記装置� �、実際の電子放出装置の構成、及び動作を� �したものである。

 なお、図4の構成を基本構成として、表示 装置、照明装置、記録装置等の電子放出装置 を形成することができる。

 上記の状態で、基板2、第1のダイヤモンド� �3を介して電子放出層である第2のダイヤモン ド層4に電流を流したところ、数V程度の比較� ��低い電圧から、熱電子放出電流が観測され� ��。また、600℃に加熱したところ、100Vで4×10 ^-4 A/cm ² の電流が得られた。

 図5は、本実施形態の電子放出素子、Nド� �プダイヤモンド層、Pドープダイヤモンド層� ��ついて、600℃近辺に加熱した場合の、電界� ��度、アノード電圧と放出電流密度の関係を� ��す。図5に示すように、本実施形態の素子(1) は第1のダイヤモンド半導体層(Pドープダイヤ モンド層)を設けずに第2のダイヤモンド半導� ��層(Nドープダイヤモンド層)のみを電子放出� ��とした場合(2)に比べ、同じ温度において約3 倍高い値であった。なお、(3)は、Pドープ層� �イヤモンド半導体層を電子放出面とした場� �を、比較例として示す。なお、(1)、(2)、(3)� �データ取得時の加熱温度は夫々600℃、668℃� �670℃である。

 Nドープダイヤモンド層表面がPドープ層� �イヤモンド表面より高い電子放出特性を有� �る理由については、詳細は究明されていな� �が、表面の水素終端が関係しているのでは� �いかと推測される。図6Aは、窒素ドープダイ ヤモンド層の表面状態を摸式的示したもので 、水素終端が安定で、この状態は高温まで失 われない、即ち負性電子親和力が安定な状態 を保つ。図6Bは、Pドープダイヤモンド層の表 面を摸式的に示したもので、水素終端が低温 でも失われる、即ち負性電子親和力が不安定 な状態を示している。

 以上、第1の実施形態によれば、導電性基 板上に、Pドープダイヤモンド層を介してNド� ��プダイヤモンド層を形成しているので、伝� ��帯は段階的な接合となり、高電子放出量、� ��電流密度の電子放出素子および電子放出装� ��を提供することができる。

(第2の実施形態)
 図7は、本発明の第2の実施形態に係るヒー� �内蔵型電子放出素子の模式的断面図である� �第2の実施形態が第1の実施形態と異なるとこ ろは、第2のダイヤモンド層4を選択的に除去� ��、除去した部分に上部(第1)電極9を設け、n� �Si基板2の下面に下部(第2)電極10を設けたこと である。他の要素は第1の実施形態と同じで� �るので、同一番号を付して重複する説明を� �略する。

 本実施形態における電極9,10は、例えばTi/ Pt/Auの積層電極を用いることができる。ダイ� ��モンド層上にTiを500nm形成し、その上にPtを5 00nm、さらにAuを2000nm形成し、700℃10分程度の� ��ニールを実施し、Tiとダイヤモンドの間に� �金層を形成する。

 図7に示す電子放出素子において、電極9~1 0間に電圧を印加すると、第1のダイヤモンド� ��3、シリコン基板2を通じて電流が流れ、こ� �らの自己発熱により、第2のダイヤモンド層( 電子放出層)4を加熱することができる。この� ��き第2のダイヤモンド層(電子放出層)4の温度 が600℃以上になるように、第1のダイヤモン� �層3とSi基板1の不純物濃度、及び電極間の印� ��電圧を適宜調節すればよい。

 上記の素子を図4の構成を有する電子放出 装置に応用することができる。即ち、図4の� �子放出素子1を図7の電子放出素子に置き換え 、電極10をカソード電極5と同体化する。この ように構成すれば、加熱手段8を電子放出素� �の中に内蔵することができるので、素子を� �熱するための構造が簡略化された電子放出� �子を提供することができる。

 以上、本発明を実施形態を通じ説明した� ��、本発明は上記実施形態そのままに限定さ� ��るものではなく、実施段階ではその要旨を� ��脱しない範囲で構成要素を変形して具体化� ��きる。また、上記実施形態に開示されてい� ��複数の構成要素の適宜な組み合わせにより� ��種々の発明を形成できる。例えば、実施形� ��に示される全構成要素から幾つかの構成要� ��を削除してもよい。さらに、異なる実施形� ��にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよ� ��。