(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ライン状に導電性材料が形成されてなるカソード電極と、該ライン状の導電性材料の両側には挟むように電気的絶縁材が設けられ、該カソード及び該電気的絶縁材と直交するように、且つ挟むように設けられた該電気的絶縁材に橋をかけるような形でライン状に導電性材料が形成されてなるグリッド電極とを構成し、該カソードとグリッド電極が電気的に絶縁されており、かつ、該カソード上には炭素を含む材料が積層されており、該カソードとグリッド電極との間に電界を加えることで、前記カソード上の炭素を含む材料から電子を放出することを特徴とする電子発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記カソード上の炭素を含む材料は、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする電子発生装置。
【請求項３】
請求項１において、前記カソード上の炭素を含む材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする電子発生装置。
【請求項４】
請求項１において、前記ライン状カソードは平行に複数本形成されてアレー状になっており、かつ、前記ライン状グリッドは平行に複数本アレー状に形成されていて、前記カソードとグリッド電極の両方に電界が印加されたところの交点で、電子が放出されることを特徴とする電子発生装置。
【請求項５】
請求項２において、ダイヤモンドライクカーボンが積層されるカソード表面には突起状凹凸が形成されていることを特徴とする電子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子発生装置、より詳細には、電子放出用冷陰極電子発生装置に係り、例えば、ディスプレイ、高速高周波電子デバイス、撮像デバイス等に応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、スピント型といわれている従来の冷陰極型電子放出素子（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｅｖｅｉｃｅ）の一例を示す図で、図中、２１は硝子基板、２２は導体層、２３は抵抗層、２４は絶縁層、２５はゲート電極、２６はホール、２７はエミッタで、図示のように、電子放出部（エミッタ）２７が尖塔形状に形成されていてそこから電子を放出するようになっている。その尖塔部分２７は、Ｓｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗなどの半導体や金属が用いられている。その周囲にはゲート電極がはちまき状に形成されていて、尖塔部分（いわゆるカソード）２７とゲート電極２５間に電圧を加えることで、尖塔部分２７から電子が放出される。従来、これらの材料による放出部分は大気中の水素等のガスが吸着すると、表面の仕事関数が変化するため、得られる電流が変動するという欠点と、其れを防ぐため１０−８Ｔｏｒｒ以上の高真空中に保持する必要がある。また、仕事関数の値が大きいため、電子放出のしきい値電圧が大きいという問題がある。
【０００３】
上記の問題を克服できる電子放出用材料として、炭素系材料（ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ）が注目されている。理論的にはこれらの材料の真空電位は低いため、低しきい値での電子放出が可能である。また、吸着原子による変動も少なく安定な放出電流が得られる。
【０００４】
図４は、カーボンナノチューブを用いた例を示す図で、図中、３１は基板、３２は電子放出層（カーボンナノチューブ層）、３３は絶縁層、３４はグリッド電極、３５はアノード、３６は放出電子で、図示のように、カソードである基板３１上に一様に形成されたカーボンナノチューブ３２上に、グリッド電極３４としてメッシュ状の金属が形成されていて電界放出素子が形成されている。本素子では、まだ十分な性能は得られていないが、カーボンナノチューブからの電子放出が観測されている。しかし、選択的に選ばれた位置から電子を放出することは出来ない構造である。
【０００５】
カーボンナノチューブを電子放出用に用いたものとして、特公平７−９２４６３号公報に記載の発明がある。これは電子顕微鏡用で、グリッド電極を近傍に設けてアレー状にすることは出来ない構造である。また、ダイヤモンドを電子放出部に用いる例もある（特開平７−６５７０１号公報）が、ダイヤモンド薄膜は所望の位置に所望の方位を持った結晶部を選択的に形成するには温度、種結晶の方位や質などを精密に制御せねばならず、製法上の困難さがある。また、ダイヤモンドを作成後整形することはほとんど不可能で扱いにくい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、スピント型の電子発生装置は、電子放出部分に大気中の水素等のガスが吸着すると、表面の仕事関数が変化するため、得られる電流が変動するという欠点と、其れを防ぐため１０−８Ｔｏｒｒ以上の高真空中に保持する必要がある。また、仕事関数の値が大きいため、電子放出のしきい値電圧が大きいという問題がある。
【０００７】
また、ダイヤモンドを用いた電子発生装置において、ダイヤモンド薄膜は所望の位置に所望の方位を持った結晶部を選択的に形成するには温度、種結晶の方位や質などを精密に制御せねばならず、製法上の困難さがある。また、ダイヤモンドを作成後整形することはほとんど不可能で扱いにくい。
【０００８】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、従来のＦＥＤでは不可能な低真空動作、安定大電流動作、低電圧動作が可能で、かつ、個別動作可能なＦＥＤを実現すること、さらには、ダイヤモンドのように結晶性の制御が必要でなく、容易に形成されることを目的としてなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、基板上に、ライン状に導電性材料が形成されてなるカソード電極と、該ライン状の導電性材料の両側には挟むように電気的絶縁材が設けられ、該カソード及び該電気的絶縁材と直交するように、且つ挟むように設けられた該電気的絶縁材に橋をかけるような形でライン状に導電性材料が形成されてなるグリッド電極とを構成し、該カソードとグリッド電極が電気的に絶縁されており、かつ、該カソード上には炭素を含む材料が積層されており、該カソードとグリッド電極との間に電界を加えることで、前記カソード上の炭素を含む材料から電子を放出することを特徴とし、もって、低真空領域で、安定な電流が得られるようにしたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記カソード電極上の炭素を含む材料が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とし、もって、低真空領域で、安定な電流特性が得られるようにし、さらには、低電圧駆動で、大電流が得られ、また、プラズマＣＶＤなども使え、製法を容易としたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記カソード電極上の炭素を含む材料が、カーボンナノチューブであることを特徴とし、もって、請求項２の効果に加えて、更なる低電圧駆動で、大電流が得られるようにしたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記ライン状カソードが平行に複数本形成されてアレー状になっており、かつ、前記ライン状グリッド電極が平行に複数本アレー状に形成されていて、前記カソードとグリッド電極の両方に電界が印加されたところの交点で、電子が放出されることを特徴とし、もって、アレー化により、個別駆動を可能としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、ダイヤモンドライクカーボンが積層されるカソード表面に突起状凹凸が形成されていることを特徴とし、もって、請求項２の効果をさらに良くし、低電圧駆動で、大電流が得られるようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による電子発生装置は、硝子、半導体、セラミックス、フィルムのどれかからなる基板上に電気的絶縁層を介して、ライン状に導電性材料が形成されてカソードを構成しており、それらは外部に設けた電源から電圧を印加出来るようになっている。そのライン状導電性材料の両側には挟むように電気的絶縁材が設けられていて、その高さは該導電材の表面よりも高くなっている。それらと直交するように、かつ、挟むように設けられた電気的絶縁材に橋を架けるような形でライン状に導電性材料が形成されてグリッド電極を構成しており、前記カソードとグリッド電極間に挟むように設けられた電気的絶縁材によって、双方は電気的に絶縁されており、該グリッド電極には外部から電界が印加できるようになっている。カソード上には炭素を含む材料が積層されており、カソードとグリッド電極間に電界を加えることで、カソード上の炭素を含む材料からグリッド方向に電子が放出される構造になっている。
【００１５】
上記カソード上の炭素を含む材料はダイヤモンドライクカーボンで構成されている。この材料はメタン等の炭化水素系ガスを用いたプラズマＣＶＤ法でカソード上に積層することが出来る。
上記カソード上の炭素を含む材料はカーボンナノチューブで構成されている。この材料はカーボン材のアークプラズマによる放電、レーザアベレーションなどの手法によりカソード上に堆積させることが出来る。
上記のダイヤモンドライクカーボンはダイヤモンドのようなきちっとした結晶構造にはなっておらず、精密な構造制御、方位制御は不要である。
【００１６】
上記の電界放出素子のライン状のカソードは平行に複数本形成されてアレー状になっており、各々のカソードは外部から個別に電圧を印加できる構造となっている。かつ、各カソードを挟むように設けられた電気的絶縁材上に直交するように設けられたライン状グリッド電極は、平行に複数本アレー状に形成されていて、各グリッド電極には個別に外部から電圧が印加出来るようになっている。本アレー状で、個別動作可能な電界放出素子アレーは、カソードとグリッドの両方に電界が印加されたところの交点で、選択的に電子が放出される。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の第一の実施例を説明するための斜視図（図１（Ａ））、及び、断面図（図１（Ｂ））図で、図示のように、硝基板１上にカソードであるグラファイト２が約１μｍ設けられている。さらに、その上に電子放出層であるカーボンナノチューブ層３が数μｍ設けられている。このナノチューブは直径１０から４０ｎｍ、長さ０．５から数μｍである。これらは図１（Ｂ）に示す断面図に対して垂直方向にライン状に形成されている。さらに、ライン状電子放出層３（幅約３０μｍ）の両側には、厚さ約７μｍで幅約２０μｍのシリコン酸化膜からなる絶縁領域４がライン状に設けられている。その上に、配線電極５が電子放出部に対し垂直（断面図に対し平行に）に設けられてグリッド電極を形成している。グリッド電極５に正、カソード２に負の電圧を印加することによって、図中に示された矢印方向に電子６が放出される。
【００１８】
（実施例２）
第二の実施例として、電子放出層として、ダイヤモンドライクカーボンを用いた実施例がある。この実施例では、ダイヤモンドライクカーボンの積層される領域の表面が数ミクロンオーダで凹凸が付けられたその上に積層することでより効果的に電子が放出される。このときのダイヤモンドライクカーボン膜厚は約４００から１０００ｎｍである。図２は、上記第二の実施例を説明するための要部断面図で、図中、１０がカソードに設けられた突起状凹凸、１１が積層されたダイヤモンドライクカーボンである。なお、１は基板、４は絶縁領域、５はグリッド電極である。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明の効果：基板上に、ライン状に導電性材料が形成されてなるカソード電極と、該ライン状の導電性材料の両側には挟むように電気的絶縁材が設けられ、該カソード及び該電気的絶縁材と直交するように、且つ挟むように設けられた該電気的絶縁材に橋をかけるような形でライン状に導電性材料が形成されてなるグリッド電極とを構成し、該カソードとグリッド電極が電気的に絶縁されており、かつ、該カソード上には炭素を含む材料が積層されており、該カソードとグリッド電極との間に電界を加えることで、前記カソード上の炭素を含む材料から電子を放出するようにしたもので、低真空領域で、安定な電流が得られる。
【００２０】
請求項２の発明の効果：請求項１の発明において、前記カソード上の炭素を含む材をダイヤモンドライクカーボンとしたので、低真空領域で、安定な電流特性が得られ、さらには、低電圧駆動で、大電流が得られ、また、プラズマＣＶＤなども使え、製法が容易となる。
【００２１】
請求項３の発明の効果：請求項１の発明において、前記カソード電極上の炭素を含む材料をカーボンナノチューブとしたので、請求項２の発明の効果に加えて、更なる低電圧駆動で、大電流が得られる。
【００２２】
請求項４の発明の効果：請求項１の発明において、前記ライン状カソード電極は平行に複数本形成されてアレー状になっており、かつ、前記ライン状グリッド電極は平行に複数本アレー状に形成されていて、前記カソードとグリッド電極の両方に電界が印加されたところの交点で、電子が放出されるようにしたので、アレー化により、個別駆動が可能となる。
【００２３】
請求項５の発明の効果：請求項２の発明において、ダイヤモンドライクカーボンが積層されるカソード表面に突起状凹凸が形成されているので、請求項２の発明の効果をさらに良くし、低電圧駆動で、大電流が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための要部斜視図（（Ａ）図）、及び、断面図（（Ｂ）図）である。
【図２】本発明の第２の実施例を説明するための要部断面図である。
【図３】従来のスピント型電子発生装置の一例を説明するための要部概略構成図である。
【図４】従来のカーボンナノチューブを用いた電子発生装置の一例を説明するための要部構成図である。
【符号の説明】
１…基板、２…カソード材、３…電子放出材、４…ライン状絶縁領域、５…ライン状グリッド電極、６…放出電子、１０…カソード材、１１…電子放出材、２１…硝子基板、２２…導体層、２３…抵抗層、２４…絶縁層、２５…ゲート電極、２６…ホール、２７…エミッタ、３１…基板、３２…電子放出層（カーボンナノチューブ層）、３３…絶縁層、３４…グリッド電極、３５…アノード、３６…放出電子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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