【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.29】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22AT0281

利用課題名 / Title

グラフェン電極を用いた平面型電子放出素子

利用した実施機関 / Support Institute

産業技術総合研究所 / AIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

グラフェン電極, 平面型電子放出素子, MOS形電子放出素子, GOS（Graphene/Oxide/Semiconductor）,Atomic Layer Deposition(ALD), Al2O3

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

村上 勝久

所属名 / Affiliation

産業技術総合研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AT-031：原子層堆積装置_1[FlexAL]

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

 　MOS(Metal/Oxide/Semiconductor)構造を用いた平面型電子放出素子は、従来の針状陰極構造を有する冷陰極素子に比べて、低電圧で動作可能、既存の半導体プロセスで作製可能、動作可能な真空度の制約が少ない、面放出であるなど様々な特徴を有している。しかしながら、電子取り出し効率の低さがMOS型電子放出素子の実用化を妨げていた。我々のグループではMOS形電子放出素子の上部電極にグラフェンを用いたGOS（Graphene/Oxide/Semiconductor）構造の平面型電子放出素子を試作し、上部電極での電子散乱を抑制することにより、電子放出効率を従来素子と比較して１万倍向上することに成功した。
　GOS型電子放出デバイスは低真空、大気中、液中で動作することから、宇宙応用や液体材料改質など様々な用途での応用が検討されているが、酸素を含む環境中では放出電子により酸素ラジカルが発生し、グラフェン電極が損傷することが課題である。そのため、GOS型電子放出デバイスの特性を悪化させることなく酸素耐性を付与する、極薄の保護層の開発が重要となる。今回、GOS型電子放出デバイスの電子放出面にAtomic Layer Deposition(ALD)により極薄のAl₂O₃を成膜した、保護膜付きデバイスを試作評価した。

実験 / Experimental

【利用した装置】
【NPF031】原子層堆積装置_1[FlexAL]

【実験方法】
 　ベースとなる基板には熱酸化膜付n-Si基板（酸化膜厚300 nm）を用いた。電子放出部のサイズは10 um角で、フォトリソグラフィとウェットエッチングによりパターニングした。その後、電子放出部に膜厚10nmの熱酸化膜層を作成した。上部の多層グラフェン電極（1 nm）は独自開発のプラズマCVD法を用いて、基板全面に成膜した。成膜したグラフェン上にコンタクト電極としてNi/Ti電極をフォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着、リフトオフプロセスにより作製した。その後、ALDによりAl₂O₃を15サイクル成膜した。

結果と考察 / Results and Discussion

　図1に保護膜付きGOS型電子放出素子の電子放出特性を示す。印加電圧8Vから放出電流を検出し、10Vで電流密度865 pAに到達した。最大電子放出効率は0.84 %であった。Al₂O₃保護膜を付けてもGOSデバイスは電子放出可能であることを実証した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1: Current voltage curve of the GOS type electron emission device with a Al₂O₃ protection layer

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件