Improvement of stability and life of radiation and high temperature tolerant vacuum electron devices by lowering of operating voltage
| Project/Area Number |
21H01860
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
後藤 康仁 京都大学, 工学研究科, 准教授 (00225666)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長尾 昌善 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (80357607)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | フィールドエミッタアレイ / 耐熱・耐放射線 / 電子デバイス / 窒素組成 / 仕事関数 / 窒化ハフニウム / Volcano構造フィールドエミッタアレイ / 仕事関数制御 |
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| Outline of Research at the Start |
原子炉や放射線施設において利用することのできる、高温・高線量率放射線環境下において安定・長時間動作可能な電子デバイスの実現を目指して微小真空電子デバイスを取り上げる。陰極に窒化ハフニウムを用い、窒素組成制御による仕事関数の最適制御を行って動作電圧の低下を行う。組成制御された窒化ハフニウムを陰極とする微小真空電子デバイスの作製技術を確立するとともに、陰極と対向電極の間の絶縁層に、漏れ電流を低減、放電を抑制する新たな素子構造を導入する作製プロセスを開発する。以上の技術を組み合わせた微小真空電子デバイスを作製し、放射線環境下ないしは高温下における動作試験を行って、デバイスの性能を評価する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
直流及び高周波の反応性スパッタリング法を利用して、異なる窒素／アルゴン流量比の下で窒化ハフニウム薄膜を作製し、流量比などの成膜条件と薄膜の窒素組成の関係を明らかにした。大気中においてそれらの薄膜の仕事関数を測定するとともに、真空中における仕事関数測定のための予備的な実験を行った。大気中において測定した仕事関数は、窒素組成の上昇とともに高い値を示し、従来の傾向が定性的には窒素組成の低い領域まで延長できることが明らかとなった。真空中において薄膜を加熱して吸着分子を脱離させることで仕事関数が低下することがあきらかとなったが、今年度の条件では表面が若干酸化することがイオンビーム分析の結果明らかとなった。
SiN/SiO2の二層構造の絶縁層を有するFEAの作製プロセスを適用して、HfN薄膜をコーティングしたFEAの試作を行った。窒素組成の違いによる電子放出特性の違いを確認することができた。しかしながら、窒素組成を制御して成膜したHfNはFEAを露出する工程で使用するフッ化水素酸に溶解することがわかり、2021年度に開発した作製プロセスを単純に適用しただけでは、エミッタ表面が十分にHfNで被覆できないことが明らかとなった。そこで、フッ化水素酸を使用せずにドライエッチングだけで、エミッタ先端を露出する方法を新たに用いてFEAを試作した。SEM観察により、十分な厚みのHfNで被覆されたFEAが形成できたことが明らかとなった。
また、ガンマ線照射のための真空容器の準備を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の目的であった、窒化ハフニウムの窒素組成と結晶性、抵抗率、可視光反射率などの物性に加え、仕事関数の関係を明らかにすることができた。また、真空中での仕事関数測定装置の動作も確認し、いくつかの薄膜について表面吸着粒子の影響を排除した表面の仕事関数の評価も行った。2021年度に開発した二層構造のFEAの作製プロセスを用いてHfN被覆FEAを試作し、作製方法に課題があることも明らかとなったが、FEAの電圧電流特性を評価し、電子源材料の効果をある程度検証することができた。ガンマ線照射の準備も整ってきている。以上のことから、概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
窒素組成と仕事関数の関係をより詳しく調べるために、真空中での仕事関数の評価をさらに進める。2022年度の実験で明らかとなった真空中加熱時の表面の酸化の問題は、過去に行った実験と比較して装置内部の圧力が若干高かったことが原因と考えられるため、真空加熱装置の圧力の低減を図る。2022年度に実施した研究で、現在のプロセスではHfN薄膜がフッ化水素酸で溶けることが明らかとなった。フッ化水素酸を使わずにドライエッチングでエミッタ先端を露出させることでFEAは形成できたが、ドライエッチングではプラズマによるダメージの影響を排除しきれない。今後は、HfN薄膜の成膜条件の検討や、新たにフッ化水素酸を使わないFEAの作製方法、HfNがフッ化水素酸に接触しないような作製方法を考案してダメージのないHfN被覆FEAが作製できるようにし、FEAの電流電圧特性の評価を行う。また、作製したFEAの放射線環境下における動作特性なども調査する。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
