(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加によって電子を放出する電界放出型電子放出源と、
前記電界放出型電子放出源に対して正の電圧が保持され、前記電子を増倍して前記電子の入射する面とは異なる面から２次電子を放出する透過型２次電子面と、
前記透過型２次電子面に対して正の電圧が保持され、前記２次電子の入射により前記２次電子を光学像に変換する蛍光面が含まれる陽極と、
を気密容器の内部に備え、
前記透過型２次電子面が多結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドを主成分としたものからなり、零又は負の電子親和力を有することを特徴とする電子管。
【請求項２】
前記電界放出型電子放出源がダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなり、零又は負の電子親和力を有することを特徴とする請求項１に記載の電子管。
【請求項３】
前記電界放出型電子放出源が１次元又は２次元状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子管。
【請求項４】
前記電界放出型電子放出源と前記透過型２次電子面とが１次元又は２次元状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界放出型電子放出源を用いた電子管に関し、特に、発光表示機能を有する電子管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるフラットパネルディスプレイのような発光表示機能を有する電子管では、電子ビーム発生源として熱陰極型のものではなく電子放出密度の高い電界放出型のものが用いられる。
【０００３】
図７は、電界放出型電子放出源たるフィールドエミッタが用いられた電子管の断面図である。ただし、構成及び基本的な動作を説明するために、電気系統と画素を構成する部品の相対的な配置とを概略的に示してある。図示のように、有底略円筒状の気密容器６０が絶縁性の側管６２の一端に導電性の基台６４を取り付け、また、その他端にはガラス面板６６を金属製の保持具６８を介して取り付けることにより構成されている。基台６４の内面には、Ｓｉ等の半導体或いはＭｏ，Ｗ等の高融点金属によって通常形成された針状のフィールドエミッタ７０が設けられている。また、フィールドエミッタ７０と対向して、導電性透明膜７０、蛍光層７２及びいわゆるメタルバック電極７４がガラス面板６６内面に順次形成された蛍光面７６が配置されている。このような電子管の構成においては、フィールドエミッタ７０は蛍光面７６に対して所定の負の高電位とされている。このため、フィールドエミッタ７０の針の先端から電子（ｅ−）が放出された後、図７に矢印で示されるように、蛍光面７６に加速して入射して光が発するようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した電子管が発光表示に必要な十分な輝度を得るために、フィールドエミッタ７０の放出電流密度を高める必要がある。しかし、その結果として大量のジュール熱が発生するのが一般的であるため、フィールドエミッタ７０の表面状態が変化し、電子放出特性が変化するおそれがある。また、蛍光面７６に電子が加速されて入射することにより、蛍光面７６から陽イオンが放出される。この陽イオンは蛍光面７６に対して負の電圧に印加されたフィールドエミッタ７０に衝突するいわゆるイオンフィードバックが生じ、電子放出特性が変化するおそれがある。このような電子放出特性の変化は、電子管の動作の安定性という観点では本質的な問題である。
【０００５】
このような問題を解決するための方法の一つが、特開平８ー２４１６８２号公報に開示されている。この公報には、フィールドエミッタから放出された電子をマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）で増倍して得られた多数の２次電子を、蛍光面に加速して入射させていることが開示されている。この構成によれば、電界放出型電子放出源の電子放出密度が低減されても、ＭＣＰにより蛍光面で実用的な輝度を有する光学像に変換するための電子が効率よく得られる。
【０００６】
しかしながら、ＭＣＰを備えた電子管が発光表示の機能を有していても、その大きさはＭＣＰの大きさによって決まる。ＭＣＰは直径約１０μｍのガラス細管を１００万本程度束ねた複雑な構造を有し、高価である。また、ＭＣＰを例えばフラットパネルディスプレイのような電子管に適用しようとしても、ＭＣＰの大きさについても、現在のところその製造上最大１０ｃｍ×１０ｃｍの矩形が限界である。形状の小さいＭＣＰを２次元状に配列させることも可能であるが、ＭＣＰの大きさはガラス細管によって決まり、しかも発光に十分な２次電子が生成できないおそれがある。したがって、ＭＣＰを用いた電子管は実用上重要性を有しない。
【０００７】
そこで、本発明は、電界放出型電子放出源が安定して効率よく電子を放出させるようにした実用化可能な電子管を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子管は上記目的を達成するためになされたもので、電圧の印加によって電子を放出する電界放出型電子放出源と、電界放出型電子放出源に対して正の電圧が保持され、電子を増倍して電子の入射する面とは異なる面から２次電子を放出する透過型２次電子面と、透過型２次電子面に対して正の電圧が保持され、２次電子の入射により２次電子を光学像に変換する蛍光面が含まれた陽極とを気密容器の内部に備え、透過型２次電子面がダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなり、零又は負の電子親和力を有することを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、透過型２次電子面が非常に簡単な構造を有しているにもかかわらず、蛍光面で実用的な輝度を有する光学像に変換するための２次電子を効率よく生成することができる。このため、電界放出型電子放出源に印加される電圧を低くすることができ、さらに、電界放出電流も小さくすることができる。したがって、電界放出型電子放出源の定した動作が実現されるようになる。また、透過型２次電子面は多結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドを主成分としたものからなるので、大量生産及び生産コストの面で有利である。さらに、透過型２次電子面内の２次電子の広がりが最大数μｍしかないので、位置検出機能も備えている。
【００１０】
また、電界放出型電子放出源がダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなり、零又は負の電子親和力を有することを特徴としてもよい。
【００１１】
これにより、ポテンシャル障壁が薄くなってトンネル効果が生じやすくなり、電子放出特性が向上するようになる。
【００１２】
また、本発明の電子管が１次元又は２次元の表示機能を有するよう、電界放出型電子放出源が１次元又は２次元状に配列されていることを特徴としてもよい。或いは、電界放出型電子放出源と透過型２次電子面とが１次元又は２次元状に配列されていてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００１４】
図１〜図３は、本発明に係る電子管の実施形態の構成及び基本的な動作を説明するために、電気系統と画素を構成する部品の相対的な配置とをそれぞれ概略的に示した断面図である。
【００１５】
図１は、本発明の電子管の第１実施形態の断面図である。図１に示されるように、有底略円筒状の気密容器１０は、絶縁性の側管１２の一端に導電性の基台１４を取り付け、また、その他端にはガラス面板１６を金属製の保持具２０を介して取り付けることにより構成されている。基台１３の内面には針状のフィールドエミッタ２０が電界放出型電子源として設けられている。このフィールドエミッタ２０は多結晶のダイヤモンドからなる。ダイヤモンドは熱的耐性を備えているだけでなく、表面の状態に応じて零又は負の電子親和力を有しているからである。特に、本実施形態では、ダイヤモンド表面を図示されない水素が終端し、その電子親和力を零又は負にしている。これにより、トンネル効果が生じやすくなる程度にダイヤモンドのポテンシャル障壁が薄くなり、フィールドエミッタ２０の電子放出特性が向上するようになる。
【００１６】
ただし、このようなフィールドエミッタは、水素により終端された多結晶ダイヤモンドからなるものに限定されない。例えば、炭素系材料を主たる材料としたもの、すなわち、ｓｐ３混成軌道及びｓｐ２混成軌道を有するアモルファス状のダイヤモンドライクカーボンや炭素原子の１次元の鎖の構造をもったグラッシーカーボン等においても、同様効果が得られるのはもちろんである。しかし、ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボン等では、一定の品質のもの作成するのが困難である。したがって、安価で品質の安定した多結晶ダイヤモンド等が現状では好適である。
【００１７】
ガラス面板１６の内面には蛍光面２２が形成されている。すなわち、ガラス面板１６内面にはＩＴＯ等で形成された導電性透明膜２４が形成され、導電性透明膜２４の上には絶縁性の高い蛍光層２６が堆積され、さらに、蛍光層２６上には、Ａｌ等からなるいわゆるメタルバック電極２８が導電性透明膜２４と電気的に接続するように被着されている。
【００１８】
フィールドエミッタ２０と蛍光面２２との間には、下周縁部にＳｉからなる環状の補強枠３０が取り付けられた透過型２次電子面３２が、側管１２の壁体を貫通して設けられたステムピン３４によって支持されている。この透過型２次電子面３２は、多結晶ダイヤモンドの薄膜からなる。したがって、薄膜表面の状態に応じて電子親和力が零又は負となるため、２次電子生成効率が高い。また、このような透過型２次電子面３２内では２次電子の広がりが最大数μｍしかないので、ＭＣＰよりも優れた位置検出機能も備えられている。
【００１９】
ここで、多結晶ダイヤモンドとしたのは、大量生産及び生産コストの点で有利なためである。なお、フィールドエミッタ２０のダイヤモンドと同様、透過型２次電子面３２を構成するダイヤモンド表面が負の電子親和力を有するよう、図示されない水素により終端されている。また、ダイヤモンド薄膜はホウ素（Ｂ）がドープされて、ｐ型導電性を有するのが好適である。実験結果によれば、このようなダイヤモンド薄膜はさらに高い２次電子生成効率を有するからである。
【００２０】
以上のような構成においては、図１に示されるように、フィールドエミッタ２０に対して透過型２次電子面３２は所定の正の電位とされている。また、透過型２次電子面３２に対して蛍光面２２は所定の正の電位とされて、蛍光面２２は陽極としても機能している。その結果、フィールドエミッタ２０の電子（ｅ−）が蛍光面２２に直接入射することなく、いったん透過型２次電子面３２の一面に入射して２次電子増倍された後、その他面から放出されるようになる。このことは、透過型２次電子面３２に対するフィールドエミッタ２０の負の電位が比較的小さくても、すなわち、フィールドエミッタ２０の電子放出密度が低減されても、蛍光面２２内で運動エネルギを失って蛍光面２２を発光させるための２次電子が透過型２次電子面によって多数生成されることを意味する。
【００２１】
このため、電界放出を利用した電子管にとって本質的な現象がほとんど生じなくなる。例えば、ジュール熱の発生が抑制される。また、いわゆるイオンフィードバックにより、蛍光面２２のイオンがフィールドエミッタ２０表面に吸着することもほとんどない。このため、ダイヤモンドからなるフィールドエミッタ２０の場合は、ダイヤモンド表面を終端していた水素が脱離するといったことはほとんど生じなくなる。また、気密容器１０中の水素以外の残留物がフィールドエミッタ２０表面に吸着することもほとんどない。その結果として、フィールドエミッタ２０表面の仕事関数の変化が無視できるようになって、フィールドエミッタ２０の電子放出特性がほぼ一定に維持されるようになる。
【００２２】
上述したフィールドエミッタ２０は、図示されないが、例えば下記のように作製される。まず、シリコン基板を用意し、この（１００）面にマイクロ波ＣＶＤ法で多結晶ダイヤモンド薄膜を約２０μｍ程度の厚さに形成する。そして、直径１０μｍ程度のスポット状のフォトレジスト膜を形成し、これをマスクにして、ＥＣＲプラズマで処理すると、尖った形状を有するフィールドエミッタが得られる。
【００２３】
また、透過型２次電子面３２はマイクロ波プラズマ化学気相堆積（以下「マイクロ波プラズマＣＶＤ」という。）法により、図４（ａ）〜（ｅ）にしたがって作製される。
【００２４】
まず、直径が２インチのＳｉ基板３６を用意し、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の堆積チャンバ内に配置させる。このＳｉ基板３６を用いたのは品質が安定しているため、ダイヤモンド薄膜を作製する上で有利であるからである。つぎに、励起ガスとしての水素を堆積チャンバ内に導入するときにマイクロ波によってプラズマ状態にする。この状態で、ダイヤモンド薄膜の原料であるメタン（ＣＨ４）を堆積チャンバ内に導入する。このとき、堆積チャンバ導入口付近で水素イオンによりＣＨ４が解離し、Ｓｉ基板３６上に多結晶ダイヤモンド３８が約５μｍの膜厚を一様に有して堆積するようになる（図４（ａ）参照）。なお、導電型がｐ型の多結晶ダイヤモンドを堆積させるために、ドーパントガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）をＣＨ４と共に堆積チャンバ内に導入してもよい。
【００２５】
つぎに、Ｓｉ基板３６下面にフォトレジスト４０を塗布し（図４（ｂ）参照）、フォトレジスト４０の中央部分に４０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状のマスク（図示せず）を配置する。この状態でフォトリソグラフィを行い、その後、マスクにより露光を受けていないフォトレジスト４０ａを取り除く（図４（ｃ）参照）。
【００２６】
つぎに、Ｓｉ基板３６をフッ酸＋硝酸（ＨＦ＋ＨＮＯ３）混合溶液でエッチング除去する（図４（ｄ）参照）。その後、Ｓｉ基板３６周縁下部のフォトレジスト４０ｂを取り除くと、４０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状の透過型２次電子面３２が、周縁下部にＳｉ基板３６が補強枠３０として取り付けられた状態で得られるようになる。
【００２７】
ただし、透過型２次電子面等の大きさは上記に限定されない。しかし、上記の透過型２次電子面よりも大面積ものを得るためには、透過型２次電子面の剛性がさらに補われる必要がある。したがって、多結晶ダイヤモンド薄膜の周縁部に補強手段としてのＳｉ基板を取り付ける以外に、格子状又は渦巻き状の補強手段を多結晶ダイヤモンド薄膜に取り付けることが必要である。さらに、多結晶ダイヤモンド薄膜の膜厚も上記に限定されない。フィールドエミッタ２０と透過型２次電子面３２と間の電位を考慮して、できるだけ多くの２次電子が蛍光面２２に入射するよう、その膜厚を決定すべきである。また、多結晶ダイヤモンド薄膜の補強手段としてＳｉ基板を述べたが、モリブデン（Ｍｏ）や銅（Ｃｕ）のような高融点金属からなる基板でもよい。Ｓｉ基板と同様、良質の多結晶ダイヤモンド薄膜が堆積可能だからである。
【００２８】
さらに、本実施形態の電子管は、図示されないが以下のように組み立てられる。
【００２９】
まず、フィールドエミッタ２０を基台１４上に配置する。また、ガラス面板１６内面にＩＴＯ等からなる導電性透明膜２４を形成し、その上に蛍光層２６を堆積し、蛍光層２６上には、Ａｌ等からなるいわゆるメタルバック電極２８を導電性透明膜２４と電気的に接続するように被着する。なお、ステムピン３４が壁体を貫通して設けられた側管１２を用意しておく。
【００３０】
つぎに、上述した透過型２次電子面３２を補強枠３０を介してステムピン３４に取り付ける。その後、フィールドエミッタ２０を側管１２内に設置するように、基台２２を側管１２の一端に気密に取り付け、また、蛍光面２２が側管１２内に設置されるよう、ガラス面板１６を側管１２の他端に気密に取り付ける。この状態で、気密容器１８内を真空排気した後、接着剤により真空封止することにより、上述した電子管が得られる。
【００３１】
図２は、本発明の電子管の第２実施形態の断面図である。この電子管は、第１実施形態の電子管と異なり、フィールドエミッタ２０の周囲にリング状の絶縁体４２を介してリング状のゲート電極４４が設けられている。また、このゲート電極４４は側管１２のステムピン４６の一端と接続し、また、その他端は側管１２の壁体を貫通して外部に延びている。そして、そのステムピン４６によりゲート電極４４がフィールドエミッタ２０に対して正の電位にされている。したがって、第２実施形態の電子管は、フィールドエミッタ２０からの電子をゲート電極４４によって制御することができる。
【００３２】
図３は、本発明の電子管の第３実施形態の断面図である。この電子管は、第２実施形態の電子管のゲート電極４４上に、リング状の絶縁体４８を介してリング状の収束電極５０が設けられたものである。収束電極５０はステムピン５２と接続され、ゲート電極に対して負の電位にされている。この電子管では、フィールドエミッタ２０からの電子がゲート電極４４にり制御された後、収束電極５０により減速されるので、レンズ効果が生じる。したがって、収束電極５０を通過した電子は収束されて、空間分解能が向上するようになる。
【００３３】
以上に述べた第１実施形態から第３実施形態の電子管は、電気系統と画素を構成する部品の相対的な配置及び基本的な動作を容易に説明するためのものである。したがって、発光表示ができるようになるためには、画素を構成する部品が１次元又は２次元状に配列される必要があるのはいうまでもない。
【００３４】
図５は、第１実施形態の電子管の各画素が２次元状に配列され、表示素子として機能するいわゆるフラットパネルディスプレイの概略斜視図である。この図では、ピッチ幅が１００μｍで２次元状に配列されたフィールドエミッタと対向して単一の蛍光面２２が配置されている。また、各フィールドエミッタと蛍光面との間には、膜厚が約２μｍで直径が１０〜１５０μｍの透過型２次電子面３２が２次元状に配列されている。なお、上述したこれら部品は図示されない気密容器内に収容されているものとする。また、各画素は、スイッチ回路（図示せず）を独立に有するいわゆるスタティック駆動方式で選択駆動されるものとする。ただし、時分割による繰り返し駆動を行うダイナミック駆動方式が用いられてもよい。
【００３５】
このような表示素子では、任意の画素、例えばアドレスがＸ２Ｙ２である画素のフィールドエミッタ２０から電子を放出させ、蛍光面２２に発光表示させることができる。そのためには、まず、アドレスがＸ２Ｙ２である画素のスイッチ回路が、図示されない制御装置を介してその画素のフィールドエミッタ２０、蛍光面２２及び透過型２次電子面３２に所定の電位を与え、当該フィールドエミッタ３２から電子（ｅ−）を放出させる。電子は透過型２次電子面３２で２次電子増倍され、２次電子群となって透過型２次電子面３２から放出される。そして、２次電子群は蛍光面２２上の特定の位置に衝突して、光が発するようになる。
【００３６】
ただし、フラットパネルディスプレは図５のものに限定されない。図６は、第２実施形態の電子管のゲート電極４４を有する各画素が２次元状に配列されたフラットパネルディスプレイの概略斜視図である。ここでは、図５の電子管と異なり、単一の透過型２次電子面３２を有しているため、構成が単純となって組み立て等が容易となる。
【００３７】
なお、フラットパネルディスプレイはこれらに限定されず、第３実施形態の電子管のような収束電極を各画素に備えてもよい。また、フラットパネルディスプレイだけでなく、１次元状のライン表示機能を有したものにも適用でき、画素の数も限定されないことは言うまでもない。さらに、蛍光面をＲ，Ｇ，Ｂの各色の光を発するものとすれば、カラー表示体とすることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の電子管は、構造が非常に簡単な透過型２次電子面により、蛍光面で実用的な輝度を有する光学像に変換するための２次電子を効率よく生成することができる。したがって、電界放出型電子放出源は低い電子放出密度でもって状態変化することなく安定した動作することができるので、電子管の長寿命化が図れる。
【００３９】
また、このような透過型２次電子面では大面積化が容易である。したがって、本発明の電子管は例えばフラットパネルディスプレイとして発光表示を大面積でもって行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子管の第１実施形態を概略的に示した断面図である。
【図２】本発明の電子管の第２実施形態を概略的に示した断面図である。
【図３】本発明の電子管の第３実施形態を概略的に示した断面図である。
【図４】図１〜図３の透過型２次電子面を製造する工程の一部を示す断面図である。
【図５】第１実施形態の電子管が２次元状に配置されたフラットパネルディスプレイを概略的に示した斜視図である。
【図６】第２実施形態の電子管が２次元状に配置されたフラットパネルディスプレイを概略的に示した斜視図である。
【図７】従来の電子管を概略的に示した断面図である。
【符号の説明】
１０…気密容器、２０…フィールドエミッタ、２２…蛍光面、３０…補強枠、３２…透過型２次電子面、４４…ゲート電極、５０…収束電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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