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マイクロ波CVD法によりn塾Si基板上にダイヤモンド薄膜を作製し、フィールドエミッション特性を測定した。ダイヤモンド核の発生は、C_2H_4-H_2系の炭化およびバイアス処理、あるいはダイヤモンドパウダーによる種付け処理で行い、成長は(CH_3)_2CO-H_2系で行った。窒素ドープ源として(C_2H_5)_2NHを添加した。合成温度は、600〜900℃(基板温度)で行った。
1.表面形態及び膜質
C_2H_4-H_2系の炭化およびバイアス処理で核発生させ、温度(基板)800℃で成長させた膜は(100)配向の多結晶膜であった。(C_2H_5)_2NHドープ量が0〜500ppmでは結晶粒のファセットが明瞭であったが、1000ppm以上ではファセットが崩れる傾向にあった。ラマン分光分析では、0〜2000ppmにおいてダイヤモンドとグラファイトのピークがみられたが、5000ppmではダイヤモンドの明瞭なピークはみられなかった。ダイヤモンドパウダーによる種付け処理で核発生させた場合、無配向膜が成長した。
2.電界電子放出特性
電界電子放出特性は膜一電極間距離20μmで、印可電界0〜25V/mで測定した。C_2H_4-H_2系の炭化およびバイアス処理で核発生させた場合、800℃で合成した、300〜2000ppmドープ膜において電子放出が確認された。表面形態と膜質は、ノンドープ膜と500ppmドープ膜でほぼ同じであったが、ノンドープ膜では電子放出が確認されないのに対し、500ppmドープ膜では4.1V/μmから電子放出がおこり、大きなエミッション電流が確認された。一方、表面形態、膜質が完全に崩れた5000ppmドープ膜においては電子放出が確認されなかった。なお、種付け処理で核発生させた膜では、合成温度700℃、ドープ量1000ppmで20V/m以上から電子放出が観察されたが、他では電子放出は観測されなかった。
以上より、(C_2H_5)_2NHドープは電界電子放出特性の向上に有効であるが、膜質を低下させる傾向があり、ドープ量に最適値が存在することがわかった。また、配向性等の膜形態も、電子放出に関与していることが示唆された。
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