(57)【要約】【課題】　高電流密度で長時間動作を行っても電流低下のない安定な電界放出型電子源素子を得るとともに、長期間に渡り安定な表示性能を維持できる高性能な画像表示装置を得る。【解決手段】　陰極基板１１と、陰極基板１１上に形成され、開口部１２を有する絶縁層１３と、絶縁層１３上に形成された引き出し電極１４と、開口部１２内に形成されたエミッタ１５とを含み、エミッタ１５の電子放出領域の表面層１６に、水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープした電界放出型電子源素子とする。また、上記電界放出型電子源素子を備えた画像表示装置とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　陰極基板と、前記陰極基板上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成された引き出し電極と、前記開口部内に形成されたエミッタとを含む電界放出型電子源素子であって、
　前記エミッタの電子放出領域の表面層に、水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープしたことを特徴とする電界放出型電子源素子。
【請求項２】
　前記エミッタが、シリコンを含む材料から形成されている請求項１に記載の電界放出型電子源素子。
【請求項３】
　前記エミッタが、金属から形成され、かつ前記金属の表面にはシリコンを含む薄膜が形成されている請求項１に記載の電界放出型電子源素子。
【請求項４】
　前記表面層の厚さが、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の電界放出型電子源素子。
【請求項５】
　前記還元性要素が、イオンドーピング法によりドープされている請求項１〜４のいずれかに記載の電界放出型電子源素子。
【請求項６】
　前記還元性要素が、プラズマドーピング法によりドープされている請求項１〜４のいずれかに記載の電界放出型電子源素子。
【請求項７】
　請求項１〜６のいずれかに記載の電界放出型電子源素子を含むことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
　真空容器と、前記真空容器内に配置された電子銃と、前記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、前記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを含む画像表示装置であって、
　前記電子銃が、請求項１〜６のいずれかに記載の電界放出型電子源素子を含み、
　前記真空容器内の雰囲気を、前記電界放出型電子源素子のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を含むことを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
　真空容器と、前記真空容器内に配置された電子銃と、前記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、前記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを含む画像表示装置であって、
　前記電子銃が、エミッタを有する電界放出型電子源素子を含み、
　前記真空容器内の雰囲気を、前記エミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を含むことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
　前記還元作用を有する雰囲気に制御する手段が、水素吸蔵材料を含む材料で構成されている請求項９に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
　前記水素吸蔵材料を含む材料の近傍に、更に加熱手段を配置した請求項１０に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
　前記水素吸蔵材料が、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー及び他のカーボン材料から選ばれた少なくとも１種類を含む材料である請求項１０または１１に記載の画像表示装置。
【請求項１３】
　前記水素吸蔵材料を含む材料が、前記真空容器内に設けられた導電性材料である請求項１０に記載の画像表示装置。
【請求項１４】
　前記水素吸蔵材料を含む材料が、前記電子銃のグリッド電極を構成している請求項１０に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、カラーテレビや高精細モニタテレビに用いられる陰極線管（ＣＲＴ）、更には収束した電子ビームを利用する電子ビーム露光装置等に用いられる電子銃に係わり、特に高電流密度動作が要求される高輝度なＣＲＴの電子銃に用いられる電界放出型電子源素子及びそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　近年、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の薄型ディスプレイが登場し、フラットディスプレイ市場が急速に拡大しつつあるが、３２インチサイズ程度の家庭用テレビの用途としては、価格・性能の点で依然としてＣＲＴディスプレイが優位にある。また、新たに地上波デジタル放送が導入された場合には、テレビ用のディスプレイ技術が大きく変化することが予想されている。このようにテレビを取り巻く環境がデジタル方式にシフトする中で、特にディスプレイには高解像性能が強く求められている。
【０００３】
　ところが、これまで広く用いられてきたテレビ技術では、これらの要求に十分に応えられない可能性が出てきている。すなわち、テレビには画像を表示する心臓部として電子銃が用いられており、電子銃の性能が解像性能に強く係わっている。電子銃に用いられている陰極の電流密度を向上させれば、実効的な陰極面積を縮小することができ、結果的に解像性能を向上させることができる。現在、電子銃の陰極として用いられている熱陰極材料は、これまでに様々な技術改良が加えられ電流密度の向上が図られてきたが、もはや物理的な限界に近づいてきており、これ以上の飛躍的な電流密度の向上は困難な状況である。近年、実用化が図られつつあるデジタル放送用の電子銃用陰極には、従来の熱陰極の６倍から１０倍程度の電流密度の向上が要求されている。このような理由から、大幅な電流密度の向上に応える技術として冷陰極が期待されている。
【０００４】
　一方、冷陰極を電子銃に用いる考えは従来から提案されている。冷陰極は、微小構造の陰極を高密度に集積化が可能なため電流密度を高くできるという特長を備えており、これまでにも電子線顕微鏡等の一部の製品に実用化が図られてきた。
【０００５】
　冷陰極をＣＲＴに用いる最初の提案として、特許文献１には電界放出型陰極を用いたカラー受像管について開示されている。電界放出型陰極をカラー受像管に用いるメリットして、上記の高電流密度の点以外にも、低消費電力化に有利であることが挙げられる。従来の熱陰極方式では、電子放出を行うために加熱用のヒータが必要であり、電子銃を使用していないときでも常に数ワット程度の待機電力を必要としていた。ところが、電界放出型陰極の場合には加熱用ヒータを全く必要としないため、待機電力の無駄を省けるだけでなく、電子銃の瞬時起動ができるというメリットがある。
【０００６】
　一般的に、冷陰極の材料としては、モリブデン等の高融点金属が多く使用されている。ＣＲＴ製造工程を経て完成されたＣＲＴの管内真空度は、製造工程の制約やＣＲＴの構造に起因する課題から通常１０-4Ｐａ程度となっている。このレベルの真空環境下で、冷陰極を１０Ａ／ｃｍ2程度の電流密度で動作をさせると、次のような問題が発生する。すなわち、ＣＲＴ内には、その製造工程で発生した様々な種類の残留ガスが存在している。これらの残留ガスの構成元素のうち、酸素元素（Ｏ）や炭素元素（Ｃ）が一時的にエミッタ表面に付着し、あるいはエミッタの表面組成を変化させることにより、冷陰極のエミッション性能が低下することが知られている。
【０００７】
　これらの課題に対して、特許文献２には、水素ガス（Ｈ2）を利用して放出電流の安定化を図ることが開示されている。以下、これについて、従来の電界放出型電子源素子を用いた電界放出型発光素子の断面図を示す図８を用いて説明する。
【０００８】
　電界放出型発光素子１の陰極基板２の上面には陰極導体３が形成されており、陰極導体３の上には絶縁層４が形成されている。絶縁層４の上にはゲート５が形成されており、ゲート５は、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉ等の水素吸蔵金属を含んでいる。ゲート５と絶縁層４には厚さ方向に連続した複数の開口部６が形成されている。絶縁層４の開口部６の底部に露出した陰極導体３の上には、エミッタ７が形成されている。また、陽極基板８の内面には陽極導体９が形成されており、陽極導体９の上には蛍光体層１０が形成されている。
【０００９】
　電界放出型発光素子１の点灯時、陽極導体９に駆動信号を与え、陰極導体３とゲート５でマトリクスの交点を選択し、陽極導体９の所望位置に対応する蛍光体層１０を発光させる。常時陽極導体電流をモニターし、陽極導体電流がある一定のレベルを下回った場合、非点灯時にゲート５に信号を与える。これによりゲート５に電子が射突すれば、水素やメタン（ＣＨ4）がエミッタ７の近傍に放出され、エミッタ７に付着した酸素元素や炭素元素を除去し、エミッタ７の仕事関数の増加を防止してエミッション性能を回復させる。その結果、エミッタ７の長寿命、高信頼性が確保される。
【００１０】
　本従来例では電子を水素吸蔵金属からなるゲート５に衝突させることにより、一時的にエミッタ７に付着した酸素元素や炭素元素を除去してエミッション性能の回復を図る方法を採用している。エミッタの材料としてモリブデン等の高融点金属を用いた場合には、エミッタ７の表面の高融点金属と、これに付着した酸素元素や炭素元素との化学的結合力が弱いため、本従来例の方法により比較的容易に酸素元素や炭素元素を除去することができる。
【特許文献１】特開昭４８−９０４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−３６２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
　しかし、エミッタの材料として他の材料、例えばシリコンなどを用いる場合には、上記従来例の方法を用いてもエミッション性能を回復させることができないという問題がある。すなわち、エミッタとして作用する清浄化されたシリコンの最表面は、シリコンの結合手（結合ボンド）が終端されずに存在しており、一般に化学的に不安定な状態となっている。ここで、このエミッタの近傍にＨ2ＯやＣＯ2等の酸化性ガスが微量でも存在すると、これらの酸化性ガスの酸素元素がシリコン表面のシリコン未結合手と容易に結合し、エミッタ表面にＳｉＯ2の膜が形成される。エミッタ表面に形成されたＳｉＯ2膜は、エミッタの電子放出性能を低下させるため、結果的に放出電流が著しく低下することになる。また、ＳｉＯ2膜は化学的にも極めて安定なため、一旦エミッタ表面でＳｉ−Ｏ間の結合が生じてしまえば、従来例の水素やメタン等のガスを利用しても後から除去することは極めて困難であり、エミッション性能の回復を図ることができないという大きな問題が発生する。従って、シリコン材料などの容易に酸化されやすく、かつ安定な酸化膜を形成する材料をエミッタとして用いる場合には、エミッタ表面にエミッション性能を劣化させる酸化膜を形成させないことが不可欠の要素となる。
【００１２】
　本発明は、高電流密度で長時間動作を行っても電流低下のない安定な電界放出型電子源素子を提供するとともに、長期間に渡り安定な表示性能を維持できる高性能な画像表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
　本発明は、陰極基板と、前記陰極基板上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成された引き出し電極と、前記開口部内に形成されたエミッタとを含む電界放出型電子源素子であって、
　前記エミッタの電子放出領域の表面層に、水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープしたことを特徴とする電界放出型電子源素子を提供する。
【００１４】
　また、本発明は、上記電界放出型電子源素子を含むことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【００１５】
　また、本発明は、真空容器と、前記真空容器内に配置された電子銃と、前記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、前記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを含む画像表示装置であって、
　前記電子銃が、上記電界放出型電子源素子を含み、
　前記真空容器内の雰囲気を、前記電界放出型電子源素子のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を含むことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【００１６】
　また、本発明は、真空容器と、前記真空容器内に配置された電子銃と、前記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、前記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを含む画像表示装置であって、
　前記電子銃が、エミッタを有する電界放出型電子源素子を含み、
　前記真空容器内の雰囲気を、前記エミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を含むことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
　本発明の電界放出型電子源素子は、エミッタの電子放出領域の表面層に水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープすることにより、エミッタ（陰極）の表面の酸化を有効に防ぐことが可能になるため、安定な電子放出性能が維持できる。
【００１８】
　また、本発明の画像表示装置は、真空容器内の雰囲気を電子銃のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を備えているため、電子銃の陰極として用いられる電界放出型電子源素子の酸化による性能劣化を有効に防止でき、長寿命動作や安定動作に大きな効果を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
　以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
　本発明の電界放出型電子源素子の一例は、陰極基板と、上記陰極基板上に形成され、複数の開口部を有する絶縁層と、上記絶縁層上に形成された引き出し電極と、上記陰極基板上の複数の上記開口部内に形成された複数のエミッタ（陰極）とを備えており、上記エミッタの電子放出領域の表面層には、水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素がドープされている。
【００２１】
　水素及び一酸化炭素は還元作用を有しており、エミッタの電子放出領域の表面層に上記還元性要素をドープすることにより、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐことができ、高電流密度で長時間動作を行っても電流低下のない安定な電界放出型電子源素子を得ることができる。
【００２２】
　ここで、エミッタは電子を電界放出する部分であり、通常コーン形状に形成されている。このコーン形状からなるエミッタの先端部が実質的な電子放出領域となる。従って、本実施形態の電界放出型電子源素子では、少なくともこの電子放出領域の表面層に上記還元性要素をドープする必要があるが、エミッタ表面全体に上記還元性要素をドープしてもよい。また、電子放出領域を含むエミッタ表面の一部に上記還元性要素をドープしてもよい。
【００２３】
　上記エミッタは、シリコンを含む材料から形成されていることが好ましい。シリコンには上記還元性要素を安定してドープさせることができるからである。シリコンとしては、結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン等が使用できる。
【００２４】
　また、上記エミッタは、金属から形成し、かつ上記金属の表面には上記シリコンを含む薄膜を形成しておいてもよい。シリコンを含む薄膜には、上記還元性要素を安定してドープさせることができるからである。上記金属としては、モリブデン、タングステン等の高融点金属を用いることができる。
【００２５】
　また、上記還元性要素がドープされるエミッタの表面層の厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下がより好ましい。この範囲内であれば上記還元性要素を過不足なくドープすることができるからである。
【００２６】
　また、上記還元性要素は、イオンドーピング法によりドープされていることが好ましい。イオンドーピング法は、従来から半導体の製造プロセスで使用されている方法であり、イオンドープの信頼性が高いからである。
【００２７】
　また、上記還元性要素は、プラズマドーピング法によりドープされていることがより好ましい。プラズマドーピング法は、イオンドーピング法に比べて、より高濃度に上記還元性要素をドープさせることが可能であり、より一層エミッタ表面の酸化を防止することができるからである。
【００２８】
　本発明の画像表示装置の一例は、真空容器と、上記真空容器内に配置された電子銃と、上記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、上記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを備え、かつ上記電子銃が上記電界放出型電子源素子を備えたものである。
【００２９】
　また、本発明の画像表示装置の他の一例は、真空容器と、上記真空容器内に配置された電子銃と、上記電子銃から放出される電子ビームを偏向する手段と、上記電子銃に対向する位置に設けた蛍光体層とを備えており、上記電子銃がエミッタを有する電界放出型電子源素子を含み、上記真空容器内の雰囲気を、上記エミッタ（陰極）の材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を備えたものである。
【００３０】
　これにより、真空容器内を常に還元性雰囲気に保つことができるため、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐことができ、安定な電子放出が維持でき、長期間に渡り安定な表示性能を維持できる高性能な画像表示装置を得ることができる。
【００３１】
　また、上記還元作用を有する雰囲気に制御するためには、水素吸蔵材料を上記真空容器内に配置することが好ましい。これにより、簡易かつ最少のスペースを用いて真空容器内を還元性雰囲気に保つことができるからである。
【００３２】
　また、上記水素吸蔵材料としては、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、他のカーボン材料等を少なくとも１種類含む材料を用いることが好ましい。これらの材料は水素の吸蔵能力に優れ、これにより、より一層真空容器内を還元性雰囲気に保つことができるため、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐことができ、より安定な電子放出が維持できるからである。
【００３３】
　また、上記水素吸蔵材料としては、水素吸蔵金属を含む材料を用いることも好ましい。この材料は水素の吸蔵能力に優れ、これにより、より一層真空容器内を還元性雰囲気に保つことができるため、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐことができ、より安定な電子放出が維持できるからである。
【００３４】
　また、本実施形態の画像表示装置は、上記水素吸蔵材料を含む材料の近傍に、更に加熱手段を配置することが好ましい。これにより、水素吸蔵材料からの水素（Ｈ2）の放出を促進でき、より一層真空容器内を還元性雰囲気に保つことができるため、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐことができ、より安定な電子放出が維持できるからである。
【００３５】
　更に、上記電子銃は、前述の本実施形態の電界放出型電子源素子を備えていることが好ましい。エミッタの電子放出領域の表面層に、水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープすること、及び真空容器内を還元性雰囲気に保つことにより、エミッタ表面の酸化を確実に防止でき、より安定な電子放出が維持でき、より長期間に渡り安定な表示性能を維持できる高性能な画像表示装置を得ることができるからである。
【００３６】
　次に、本発明の実施の形態を図面に基づきより具体的に説明する。
【００３７】
　（実施形態１）
　図１は、本発明の電界放出型電子源素子の一例を示す断面図である。図１に示すように、陰極基板１１の上には、アレイ状の陰極形成領域にそれぞれ円形状の開口部１２を有する絶縁層１３が形成されている。絶縁層１３の上には、電子の放出を制御するための引き出し電極１４が形成されている。
【００３８】
　陰極基板１１の材料としては、電子源素子の特性やプロセス条件などを考慮して、通常のガラス基板やシリコン基板等の最適な材料を用いることができる。絶縁層１３の材料としては、半導体製造プロセスで用いられるシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）やシリコン窒化膜、あるいはこれらの膜を組み合わせた膜等を用いることができる。引き出し電極１４の材料としては、低抵抗のポリシリコン膜やタングステン膜等の高融点金属を用いた配線材料等を用いることができる。
【００３９】
　また、絶縁層１３及び引き出し電極１４の開口部１２の内部には、電子放出部となるエミッタ（陰極）１５が形成されており、複数のエミッタ１５からなる電界放出型電子源アレイ部が陰極基板１１の表面全面域、あるいは所望される一部の領域に形成されている。エミッタ１５の形状は、特に限定されないが、通常先端鋭角部を有するコーン形状が採用される。
【００４０】
　エミッタ１５の材料としては、結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン等の半導体を用いることができる。この場合のエミッタ１５の製造方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の半導体製造プロセルを利用できる。また、エミッタ１５の材料として、モリブデン、タングステン等の高融点金属を用いる場合には、還元性要素のドープを容易にするために、高融点金属の表面にシリコンからなる薄膜を形成する。この場合のエミッタ１５の製造方法としては、蒸着法等により高融点金属からなるエミッタ本体を形成した後、上記半導体製造プロセスにより、高融点金属の表面にシリコンの薄膜を形成する方法が利用できる。
【００４１】
　更に、エミッタ１５の表面層１６には、水素及び一酸化炭素から選ばれる少なくとも一つの還元性要素がドープされている。ここで、コーン形状からなるエミッタ１５の先端部が実質的な電子放出領域となるので、少なくともこの電子放出領域の表面層に上記還元性要素をドープする必要があるが、エミッタの表面層全体に上記還元性要素をドープしてもよく、また、電子放出領域を含むエミッタの表面層の一部に上記還元性要素をドープしてもよい。
【００４２】
　続いて、エミッタ１５の材料としてシリコンを用いた場合を例として、本実施形態の電界放出型電子源素子を説明する。
【００４３】
　シリコン材料は、既に述べたように、酸化性ガス雰囲気中では容易に酸化性ガスと反応し、酸化膜であるＳｉＯ2膜が形成されやすい性質を持っている。清浄化されたシリコン表面を常温の大気中に曝すだけで、数分の内に数原子層のＳｉＯ2膜が表面に形成される。ＣＲＴの管内真空度は、製造工程の制約やＣＲＴの構造に起因する課題から通常１０-4Ｐａ程度となっている。ＣＲＴ内の残留ガスとしては、Ｈ2ＯやＣＯ2等の酸化性ガスも多量に含まれている。このレベルの真空環境下においても、冷陰極を１０Ａ／ｃｍ2程度の電流密度で動作をさせると、冷陰極の動作領域である電界放出型電子源素子のシリコン表面（エミッタ表面）は、放出された電子や残留ガスとの衝突によって生成されたイオンによって、活性化された状態となる。たとえ真空環境下であっても、活性化されたシリコン表面とイオン化された酸化性ガスは、相互に容易に化学的に結合して、シリコン最表面が酸化膜であるＳｉＯ2膜で覆われることが最近の我々の研究によって明らかになってきた。これがシリコン材料をＣＲＴ用陰極として利用する際の最大の技術課題となっている。
【００４４】
　一方、シリコン材料に対して、例えば水素や一酸化炭素が還元作用を示すことが知られている。従って、シリコンの表面層に水素、一酸化炭素等の還元性要素をドープすることによって、上述の酸化性ガスによるシリコン表面の酸化を抑える効果が期待できる。シリコン表面に酸化防止機能を有するドープ層を形成する方法としては、イオンドーピング法、プラズマドーピング法等の複数の方法がある。
【００４５】
　本実施形態では、電界放出型電子源素子の各部分の大きさや、各部分の製造方法については特に限定されず、適宜選択できる。
【００４６】
　また、本実施形態では電界放出型電子源素子の用途として、代表的な陰極線管（ＣＲＴ）の例を挙げて説明を行ったが、陰極線管に用途を限定するものではなく、例えば屋外表示用の高輝度発光表示管や照明用発光表示管等にも応用可能である。
【００４７】
　次に、液晶ディスプレイに用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）デバイス製造用のイオンドーピング法を用いて電界放出型電子源素子を製造する一例について図面に基づき説明する。
【００４８】
　図２は、本実施形態の電界放出型電子源素子を製造する工程の一例を示す断面図である。図２に示すように、電界放出型電子源素子を完成させた後、イオン源として水素イオンを用いたイオンドーピング処理を、電界放出型電子源素子の全面に渡って行う。プロセス条件としては、加速エネルギーを２０〜３０ｋｅＶ程度、ドーピング量を５×１０15ａｔｏｍ／ｃｍ2程度に設定すればよい。
【００４９】
　このイオンドーピング処理によって、シリコンからなるエミッタ１５の全表面あるいは、少なくとも電子放出領域を含む一部の表面には、高濃度に水素イオンがドープされた表面層１６が形成される。更に、ドープされた水素イオンの活性化処理のために、窒素中、あるいは真空雰囲気の中で温度８００℃、時間３０分程度のアニール処理を行う。このアニール処理により、シリコン表面にドープされた水素イオンがシリコン結晶中に取り込まれ、酸化防止機能が有効に発揮されることになる。
【００５０】
　このドープされた水素イオンの効果を検証するために、Ｈ2Ｏなどの酸化性ガスが微量に存在する真空チャンバの中で、電界放出型電子源素子を連続動作させ、電流の安定性を比較調査した。
【００５１】
　評価を行った真空チャンバ中の残留ガスの組成と分圧を四重極質量分析装置（Ｑ−Ｍａｓｓ）を用いて調べたところ、全真空度１×１０-6Ｐａにおける残留ガスの最も支配的なガスはＨ2Ｏであり、残留ガスの約７０体積％を占めていた。その他に、Ｎ2（１５体積％）、Ｈ2（９体積％）、ＣＯ2（６体積％）等の残留ガスが確認された。この真空チャンバの中に、シリコンを用いてスパッタリング法によりエミッタを作製した電界放出型電子源素子を導入して、電界放出電流の変化を測定した。
【００５２】
　上記電界放出型電子源素子の主な構成は以下のとおりである。引き出し電極として、半導体製造プロセスで一般的に用いられる導電処理を行ったポリシリコンを用い、開口径は約０．６μｍとした。また、電界放出特性に影響を与えるエミッタ先端の曲率半径は、シリコンの熱酸化による先鋭化効果を利用しておよそ数ｎｍとした。エミッタの数は１０００個とし、エミッタ間の距離は１．６μｍとした。また、残留ガスと並んで電流安定性に影響を与える放出電流の条件として、今回は１００μＡのエミッション条件を選択した。
【００５３】
　次に、上記の構成及び条件で作製した電界放出型電子源素子にイオンドーピング法により、エミッタの表面層に水素イオンをドープした。ドーピングの加速電圧は２０ｋｅＶとし、ドーピング量は５×１０15ａｔｏｍ／ｃｍ2とした。このようにして作製した電界放出型電子源素子を実施例の素子とした。また、水素イオンをドープしなかった以外は、上記実施例の素子と同様にして作製した電界放出型電子源素子を比較例の素子とした。
【００５４】
　図３に、実施例と比較例の電界放出型電子源素子の経過時間とエミッション電流との関係を示す。図３では、初期（経過時間０）のエミッション電流値を１００（％）とした場合の相対値でエミッション電流値（％）を示した。図３から明らかなように、水素イオンをドープした電界放出型電子源素子（実施例）と上記水素イオンをドープしなかった電界放出型電子源素子（比較例）の間に、電流安定性に顕著な差が発生した。すなわち、比較例の素子では、約３０時間の経過時点でエミッション電流値が半減したのに対し、実施例の素子では、３０時間経過後でも９０％以上のエミッション電流値が維持されていた。
【００５５】
　その後、両方の電界放出型電子源素子の表面をオージェ電子分光法を用いて解析した結果、比較例の素子の方は、電子放出領域の表面がＳｉＯ2膜で覆われており、この表面酸化が電流低下の主な要因であることが確認された。これに対して、実施例の素子の方は、電子放出領域の表面には顕著なＳｉＯ2膜の存在は確認されなかった。これらの解析により、水素イオンをドープしたエミッタの表面層が、酸化性ガスによる酸化作用を抑制し、長時間に渡る安定なエミッション動作に有効であることが実証された。
【００５６】
　また、シリコン材料の表面層に、より高濃度の水素をドープする方法として、上記イオンドーピング法の他にプラズマドーピング法がある。この方法は、水素元素を含むガスのプラズマを発生させ、そのプラズマの中に直接シリコン材料を設置してシリコン材料全面に極めて低いエネルギー（数ｋｅＶ以下のエネルギー）にてドープする方法であり、シリコン材料の表面から１０〜３０ｎｍの深さ領域に、高濃度の水素ドーピング層を形成することが可能となる。この方法を用いれば、上記イオンドーピング法と比較して、シリコン材料の表面層へ、より高濃度の水素をドープすることが可能となり、エミッタの酸化防止効果を一層高めることができる。
【００５７】
　以上のように、本実施形態に係わる電界放出型電子源素子によると、電界放出型電子源素子のエミッタの電子放出領域の表面層に水素ドーピング層を形成することにより、エミッタ（陰極）の表面の酸化を有効に防ぐことが可能になるため、安定な電子放出性能が維持できる。
【００５８】
　（実施形態２）
　図４は、本発明の画像表示装置の一例を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態の画像表示装置は、バルブ４１のネック４２内に電子銃４３を収納し、電子銃４３から放出される電子ビーム４４を、ファンネルの外周に装着した偏向ヨーク４５により走査し、フェースパネル４６の内面に被着した蛍光膜４７上に照射して、フェースパネル４６の全面に画像を形成するように構成したものである。更に、ファンネルの内面には、水素吸蔵材料とグラファイト等の導電材からなる導電性材料４８が配置されている。従来、この導電性材料としては、３０ｋＶ程度の高圧が印加されるフェースパネル４６とネック４２との電位を一定に保持するために、通常グラファイト等の導電材を主とする導電ペーストが利用されるが、本実施形態ではその導電ペーストに水素吸蔵材料を混合したものである。この水素吸蔵材料は、真空容器内に配置すればよく、その位置は特に限定されないが、ＣＲＴで通常使用される導電性材料４８内に含有させることが、製造工程上簡易である。
【００５９】
　次に、本実施形態の特徴である水素吸蔵材料を含有する導電性材料４８の機能について具体的に説明する。
【００６０】
　カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料が、水素吸蔵機能を有する有望な材料であることが最近の研究により明らかにされ注目を集めている。ＣＮＴを高圧水素雰囲気中で一定の処理を行うことにより、ストロー形状のような内部空隙に水素ガスを貯蔵できるメカニズムが明らかにされつつある。水素処理の条件にもよるが、吸蔵量は１０重量％に達するとの報告例もある。この水素吸蔵処理を施したＣＮＴ材料を、ＣＲＴの内部の導電性材料として用いられる導電ペースト材料として、あるいはその導電性材料の混合物として利用することによって、ＣＲＴの内部に一定量の水素を吸蔵させることが可能になる。その際は、ＣＲＴ製造のプロセス処理条件や管内ゲッター処理条件等の真空環境を想定して、常に一定量の水素を放出させるように、ＣＮＴの分量やＣＮＴの水素吸蔵条件を設定することができる。ＣＲＴ内の酸化性ガス（Ｈ2Ｏ、Ｏ2、ＣＯ2など）の分圧に比べて、ＣＮＴから放出される還元性ガスである水素の分圧を常に３倍から１０倍程度に高く設定することによって、ＣＲＴの内部を常に還元性ガス雰囲気に保つことが可能になる。
【００６１】
　前述の実施形態１では、電界放出型電子源素子のエミッタの電子放出領域の表面層に水素または一酸化炭素をドープすることにより、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐ構成について説明したが、本実施形態の画像表示装置でも実施形態１とほぼ同等の酸化防止効果が得られることが確認できた。また、実施形態１で行ったような連続動作による電流安定性評価実験においても、本実施形態のＣＮＴを用いてＣＲＴの内部を還元性ガス雰囲気にすることにより、電界放出型電子源素子のエミッタから安定な電子放出が長期間に渡り得られることが確認できた。
【００６２】
　また、本実施形態では水素吸蔵作用に優れたＣＮＴを用いる例を示したが、ＣＮＴ以外にもグラファイトナノファイバーや活性炭、フラーレン等の他のカーボン材料でも同様の水素吸蔵効果が確認されており、これらの材料を用いることも可能である。
【００６３】
　本実施形態では、画像表示装置の各部分の大きさや、各部分の製造方法については特に限定されず、適宜選択できる。
【００６４】
　本実施形態では画像表示装置の用途として、代表的な陰極線管（ＣＲＴ）の例を挙げて説明したが、陰極線管に用途を限定するものではなく、例えば屋外表示用の高輝度発光表示管や照明用発光表示管等にも応用可能である。
【００６５】
　以上のように、本実施形態の画像表示装置によると、ＣＲＴの真空容器内の雰囲気を、電子銃のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御することにより、エミッタ（陰極）の表面の酸化を有効に防ぐことが可能になるため、安定な電子放出性能が維持でき、長寿命動作や安定動作に大きな効果を発揮できる。
【００６６】
　また、本実施形態で用いる電子銃の電界放出型電子源素子して、実施形態１で用いた電界放出型電子源素子を用いると、本実施形態で述べた効果が更に強まり、より望ましい効果が期待できることになる。
【００６７】
　（実施形態３）
　図５は、本発明の画像表示装置に用いる電子銃の一例を示す概略断面図である。図５において、電界放出型電子源素子５１は陰極構造体５２の上に固定されている。電界放出型電子源素子５１に対向する位置には、グリッド電極Ｇ１からＧ５の集合体からなる電子レンズ部５３が配置されている。この電子レンズ部５３を構成するグリッド電極Ｇ１からＧ５の各電極には、それぞれ最適な電圧が印加され、電界放出型電子源素子５１から放射された電子ビームを加速・収束する作用を有している。
【００６８】
　本実施形態においては、ＣＲＴの真空容器内の雰囲気を電子銃のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段としては、電子銃に以下の構成を付加することによって行う。すなわち、電子銃の構成要素の中で、少なくとも陰極構造体５２あるいは電子レンズ部５３を構成するグリッド電極Ｇ１からＧ５の内のいずれかを、水素吸蔵機能を備えた水素吸蔵金属を用いて作製する。水素吸蔵金属としては、例えば、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｐｄ、あるいはＴｉＣｏ等の合金を用いることができる。これらの金属を３００℃から１０００℃程度の水素の高温雰囲気に一定時間曝して水素アニール処理を行うことにより、一定量の水素を吸蔵した金属を得ることができる。また、ＣＲＴ製造工程の中の様々な熱処理条件にも曝されるため、これらの高熱環境下で性能を維持できる材料構成やプロセス処理条件を適宜設定する。具体的には、ＣＲＴ内の酸化性ガス（Ｈ2Ｏ、Ｏ2、ＣＯ2など）の分圧に比べて、水素吸蔵金属から放出される還元性ガスである水素の分圧を、常に３倍から１０倍程度に高く設定することによって、ＣＲＴの内部を常に還元性ガス雰囲気に保つことが可能になる。更に、本実施形態で説明したように、電子銃の構成要素の中で、少なくとも陰極構造体５２あるいは電子レンズ部５３を構成するグリッド電極Ｇ１からＧ５の内のいずれかが、水素吸蔵機能を備えた水素吸蔵金属を用いて作製されるため、放出される水素が常にエミッタ（陰極）の近傍に存在することになる。これにより、より一層エミッタの酸化防止効果が高まるため、より安定な陰極動作が期待できる。
【００６９】
　前述の実施形態１では、電界放出型電子源素子のエミッタの電子放出領域の表面層に水素をドープすることにより、エミッタ表面の酸化を有効に防ぐ構成について説明したが、本実施形態の画像表示装置でも実施形態１とほぼ同等の酸化防止効果が得られることが確認できた。また、実施形態１で行ったような連続動作による電流安定性評価実験においても、本実施形態の水素吸蔵金属を用いてＣＲＴの内部を還元性ガス雰囲気にすることにより、電界放出型電子源素子のエミッタから安定な電子放出が長期間に渡り得られることが確認できた。
【００７０】
　また、図６に示すように、陰極構造体５２の一部に陰極の近傍を一定の温度に加熱できる機構として加熱ヒータ５４を設けることも有効である。また、図７に示すように、ＣＲＴを作製した後に陰極を外部から加熱できる構成として加熱ヒータ５４を設けることによっても、同様の加熱処理を行うことが可能である。これらの加熱機構により、上記水素吸蔵金属に吸蔵されている水素を効率よく陰極付近に放出することが可能になり、陰極近傍の還元性雰囲気をより効果的に維持することができる。また、加熱処理を行うことは、水素吸蔵金属からの水素放出を促進させるだけでなく、電界放出型電子源素子自身の表面清浄化作用を高めることができる。更に、ＣＲＴ内での動作により一時的にエミッタ表面に付着した酸素元素や炭素元素等の吸着ガス成分を加熱処理により除去して、エミッション性能の回復を図る効果も期待できる。
【００７１】
　なお、本実施形態では、電子銃を構成する陰極構造体の材料として、直接水素吸蔵金属を用いる例を示したが、従来用いられているような一般的な電子銃の部材の表面に水素吸蔵材料を被覆して用いても、同様な効果が得られる。
【００７２】
　本実施形態では、画像表示装置や電子銃の各部分の大きさや、各部分の製造方法については特に限定されず、適宜選択できる。
【００７３】
　本実施形態では画像表示装置の用途として、代表的な陰極線管（ＣＲＴ）の例を挙げて説明したが、陰極線管に用途を限定するものではなく、例えば屋外表示用の高輝度発光表示管や照明用発光表示管等にも応用可能である。
【００７４】
　以上のように、本実施形態の画像表示装置によると、ＣＲＴの真空容器内の雰囲気を、電子銃のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御することにより、エミッタ（陰極）の表面の酸化を有効に防ぐことが可能になるため、安定な電子放出性能が維持でき、長寿命動作や安定動作に大きな効果を発揮する。
【００７５】
　また、本実施形態で用いる電子銃の電界放出型電子源素子して、実施形態１で用いた電界放出型電子源素子を用いると、本実施形態で述べた効果が更に強まり、より望ましい効果が期待できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
　以上のように、本発明の電界放出型電子源素子は、エミッタの電子放出領域の表面層に水素及び一酸化炭素から選ばれた少なくとも一つの還元性要素をドープすることにより、エミッタ（陰極）の表面の酸化を有効に防ぐことが可能になるため、安定な電子放出性能を有する陰極線管（ＣＲＴ）、電子銃等を提供できる。
【００７７】
　また、本発明の画像表示装置は、真空容器内の雰囲気を電子銃のエミッタの材料に対して還元作用を有する雰囲気に制御する手段を備えているため、電子銃の陰極として用いられる電界放出型電子源素子の酸化による性能劣化を有効に防止でき、長寿命動作や安定動作に大きな効果を有するＣＲＴディスプレイ等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の電界放出型電子源素子の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の電界放出型電子源素子を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図３】実施例と比較例の電界放出型電子源素子の経過時間とエミッション電流との関係を示す図である。
【図４】本発明の画像表示装置の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の画像表示装置に用いる電子銃の一例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の画像表示装置に用いる電子銃の他の一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の画像表示装置の他の一例を示す断面図である。
【図８】従来の電界放出型電子源素子を用いた電界放出型発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１　陰極基板
１２　開口部
１３　絶縁層
１４　引き出し電極
１５　エミッタ
１６　表面層
【図１】
2004095544.tif 000003
【図２】
2004095544.tif 000004
【図３】
2004095544.tif 000005
【図４】
2004095544.tif 000006
【図５】
2004095544.tif 000007
【図６】
2004095544.tif 000008
【図７】
2004095544.tif 000009
【図８】
2004095544.tif 000010