(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分として構成されると共に、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印加されて前記電界放出型電子放出源から放出された電子が入射される陽極とを気密容器の内部に備える電子管において、前記電界放出型電子放出源の表面の水素による終端を維持するように前記気密容器の内部に水素が封入されていることを特徴とする電子管。
【請求項２】
前記水素は、分圧が1×10-6〜1×10-3Torrの範囲で封入されている請求項１に記載の電子管。
【請求項３】
前記電界放出型電子放出源は多結晶ダイヤモンドから構成されている請求項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が２次元状に配列され、且つ、前記陽極が前記電界放出型電子放出源から放出された電子の入射により発光する蛍光膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子管に関し、特に、電界放出型電子放出源を用いた電子管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子管に用いられる電子ビーム発生源として、従来の熱陰極型のものに代わり、近年、電界放出型のものが高電子放出密度を有するために注目されている。このいわゆる電界放出型電子放出源は一般に針状であって、これを用いた電子管は図５に示される。
【０００３】
図示のように、気密容器１内部の導電性の基台１０上に設けられたフィールドエミッタ１１の針の先端が、ガラス面板２０上に導電性透明膜２を介して形成された膜状の蛍光体２１と対向配置して構成されている。そして、蛍光体２１にはフィールドエミッタ１１に対して正の高電圧が印加されるよう、基台１０と導電性透明膜２との間には直流電源３０が電気リード４０を介して接続されている。このため、フィールドエミッタ１１の針の先端から電子が加速して放出されるようになり、蛍光体２１に入射するときには発光表示がなされうる。このとき、使用されるフィールドエミッタは、Ｓｉ等の半導体或いはＭｏ，Ｗ等の高融点金属からなるものが一般的である（電気学会誌、第１２巻第４号、１９９２年）。
【０００４】
しかし、最近、フィールドエミッタとしてダイヤモンド或いはダイヤモンドを主成分としたものが用いられている（例えば、特開平７−２９４８３）。このとき用いられるダイヤモンドは単結晶又は多結晶薄膜からなるものが典型的である。このようにダイヤモンドが注目されるのは、ダイヤモンドの伝導帯の底のエネルギと真空準位のエネルギとの差が小さいためである。特に、その最表面の未結合の炭素原子が水素（Ｈ2）で終端されたものについては、伝導帯の底のエネルギに対する真空準位のエネルギの差、すなわち電子親和力が零又は負になり、いわゆる負の電子親和力(Negative Electron Affinity:ＮＥＡ)状態になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィールドエミッタは針の先端における放出電流密度が高いため、ジュール熱が大量に発生するの一般的である。このため、上に述べたように、フィールドエミッタがダイヤモンドからなる場合、その表面を水素が終端していても、上記の熱により脱離するようになる。さらに、その脱離後に、フィールドエミッタの表面には水素以外の他の分子が吸着することもある。したがって、かかるフィールドエミッタでは電子親和力が絶えず変化し、また、電子親和力が負の状態とならないこともある。このような状態変化は、電子管の動作の安定性という観点で本質的な問題である。また、状態変化により、電子放出効率が著しく低下することもあるので、フィールドエミッタの性能という点からも大きな問題となる。
【０００６】
そこで、本発明は、このようなダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分とする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電子管を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、ダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分として構成されると共に、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印加されて電界放出型電子放出源から放出された電子が入射される陽極とを気密容器の内部に備えており、電界放出型電子放出源の表面の水素による終端を維持するように、その内部には水素が封入されていることを特徴としている。これにより、水素による終端が安定になされるので、効率のよい電子の放出が安定して実現される。
【０００８】
水素の封入は、分圧が1×10-6〜1×10-3Torrの範囲で封入されているのが好ましく、これにより、電界放出型電子放出源の表面は一定の負の電子親和力を絶えず有するようになる。
【０００９】
また、電界放出型電子放出源は多結晶ダイヤモンドから構成されているのが好適であり、これにより、負の電子親和力を有する安価な電界放出型電子放出源が容易に実現される。
【００１０】
また、電界放出型電子放出源が２次元状に配列され、且つ、陽極が電界放出型電子放出源から放出された電子の入射により発光する蛍光膜であることを特徴としてもよい。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、本発明に係る電子管の好適な実施形態の構成と、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た側断面図である。
【００１３】
第１実施形態の電子管は、図１に示されるように２極管構造となっている。すなわち、気密容器１中において、導電性の基台１０上に針状のフィールドエミッタ１１が設置されている。また、フィールドエミッタ１１の針の先端と対向して、陽極たる膜状の蛍光体２１（蛍光膜）がガラス面板２０上に導電性透明膜２を介して配置されている。好適には、フィールドエミッタ１１は多結晶のダイヤモンドからなり、その表面の状態に応じて負となりうる。また、蛍光体２１にはフィールドエミッタ１１に対して正の高電圧が印加されるよう、基台１０と導電性透明膜２との間には直流電源３０が電気リード４０を介して接続されている。さらに、本実施形態では、気密容器１内に水素が封入されて、フィールドエミッタ１１を構成するダイヤモンドの表面を終端している。このため、その表面は負の電子親和力を有するようになる。好適には、水素の分圧は気密容器１内で水素による放電が生じない程度、例えば1×10-6〜1×10-3Torrであるのがよい。
【００１４】
これに直流電源３０により所定の電圧が印加されると、フェルミ準位の電子（ｅ-）がフィールドエミッタ１１の針の先端からトンネル効果によって水素封入された低圧雰囲気中へ放出される。このとき電子の放出は、水素１２によって終端されたダイヤモンド表面では仕事関数が低下しているので容易である。この電子がフィールドエミッタ１１に対して正の電圧に印加された蛍光体２１に入射されると、蛍光体２１は発光する。
【００１５】
ところで、フィールドエミッタ１１の針の先端においては、放出電流密度が非常に高いので、ジュール熱が大量に発生する。このため、本実施形態のフィールドエミッタ１１では、先端の表面に吸着している水素１２が脱離するようになる。そして、水素１２の脱離後には、気密容器１中の水素以外の残留物がフィールドエミッタ１１の先端に吸着することもある。或いは、フィールドエミッタ１１の先端から放出された電子が蛍光体２１に加速して入射した場合、蛍光体２１上に吸着している分子等がイオン化して気密容器１の内部空間に放出されて、フィールドエミッタ１１先端の表面に吸着することもある。上に述べたような現象は、電界放出を利用した電子管にとって本質的なものである。このため、フィールドエミッタ１１先端の表面において吸着又は脱離が生じることにより、表面の仕事関数が変化する。したがって、フィールドエミッタ１１の電子放出効率も変化するようになる。
【００１６】
しかしながら、本発明に係る電子管では、従来のものとは異なり、気密容器１内に所定圧力の水素が封入されている。例えば、分圧が1×10-6Torrの水素が気密容器１内に封入されている場合、約1.4×1016個／(cm2・秒)の頻度でフィールドエミッタ１１の表面に入射する。また、一般に、固体の最表層における原子密度は約1×1015個／cm2である。したがって、フィールドエミッタ１１表面を終端している水素１２が電子放出により発生するジュール熱で脱離しても、約０.１秒以内に封入された水素により表面が再び終端されることとなる。また、気密容器１内の残留分子や蛍光体２１に電子が入射することにより生じたイオンがダイヤモンド表面に吸着しても、気密容器１内において相対的に多く存在する水素によって置換されることとなる。すなわち、フィールドエミッタ１１の表面は水素１２によって常に終端された状態となり、その仕事関数が変化しない。斯くして、フィールドエミッタ１１において、安定した放出電流密度が効率的に得られる。なお、本実施形態で用いられる蛍光体等の部品は、減圧下において全く或いはほとんどガス放出しないものが好ましい。
【００１７】
なお、このようなフィールドエミッタは、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程度のスポット状にレジスト膜を形成し、これをマスクして、ＥＣＲプラズマで処理すると、尖った形状が得られる。
【００１８】
また、２極管構造の画素を備えた表示デバイスを作製するために以下のようなことがなされる。まず、形状の揃ったフィールドエミッタ１１を基台１０上に２次元状に配列する。また、膜状の蛍光体２１をガラス面板２０上に導電性透明膜２を介して設ける。つぎに、基台１０上に設置されたフィールドエミッタ１１を気密容器１内に設置する。そして、フィールドエミッタ１１から電子が放出する先端部と対向させる。この状態で、気密容器１内を1×10-8Torr以下になるまで排気した後、所定圧力の水素を導入する。
【００１９】
本発明の実施形態に係る電子管は、上に述べたような２極管構造を備えたものに限定されない。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、３極管構造となっている。図２を参照して説明すると、２極管構造と異なり、気密容器１内の基台１０上にリング状の絶縁膜１３を介してリング状のゲート電極１４が設けられている。また、ゲート電極１４にはフィールドエミッタ１１に対して正の電圧が印加されるよう、ゲート電極１４と基台１０との間には電気リード４０を介して直流電源３１がさらに接続されている。このような構成においては、ゲート電極１４に所定の電圧が印加されると、フィールドエミッタ１１から放出される電子は、ゲート電極１４によって制御されるようになる。また、本実施形態でも第１実施形態と同様に、気密容器１中に分圧が1×10-6〜1×10-3Torrの水素が封入されている。したがって、表面が水素終端されたフィールドエミッタ１１先端における放出電流がゲート電極１４によって制御されるので、動作は一層安定したものとなる。
【００２０】
また、第３実施形態では、第２実施形態の３極管構造のゲート電極１４上に、リング状の絶縁膜１３を介してリング状の収束電極１５が設けられた４極管構造となっている。図３を参照して説明すると、３極管構造と異なり、ゲート電極１４上に絶縁膜１３を介してリング状の収束電極１５が設けられている。また、収束電極１５にはゲート電極１４に対して負の電圧が印加されるよう、収束電極１５とゲート電極１４との間には直流電源３２が電気リード４０を介して接続されている。
【００２１】
このような構成においては、収束電極１５に所定の電圧が印加されると、フィールドエミッタ１１から放出される電子は、収束電極１５によって収束されるようになる。また、本実施形態でも第１及び第２施形態と同様に、気密容器１中に分圧が1×10-6〜1×10-3Torrの水素が封入されている。したがって、表面が水素終端されたフィールドエミッタ１１先端における放出電流がゲート電極１４によって制御された後に、収束電極１５によって電子が収束されるので、本実施形態の電子管は、非常に安定した動作でもって高分解能な表示を実現することができる
図４の表示素子５０においては、例えば第２実施形態に述べた３極管構造の各エレメントが２次元状に配列されている。すなわち、複数のフィールドエミッタ１１の先端と対向して蛍光体２１が配置されている。また、各エレメントはスイッチ回路を有している。なお、水素の封入が減圧状態でなされた気密容器が、これらの部品を内部に収容している。
【００２２】
任意のエレメント、例えば、アドレスが図４に明示されるＸ3Ｙ2である画素のフィールドエミッタ１１から電子を放出させるために、そのスイッチ回路が制御装置によって、その画素のゲート電極１４及びフィールドエミッタ１１の間に所定の電圧を印加するようにする。そして、当該フィールドエミッタ１１から放出された電子は、蛍光体２１上の特定の位置に衝突し、その位置で光が発せられる。斯くして、かかるフィールドエミッタ１１を備えた表示素子は、安定性に優れた動作が可能となる。
【００２３】
なお、図４に明示した表示素子５０は、収束電極を備えない３極管構造のものであるが、画素が２極管構造又は４極管構造を備えたものでもよい。また、表示する際の駆動方式もスタティック駆動方式に限定されず、時分割によるダイナミック駆動方式が用いられてもよい。
【００２４】
以上に述べたように、第１〜第３実施形態では、フィールドエミッタが水素により終端されたダイヤモンドからなるものであった。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、表面が水素によって常に終端されると仕事関数が変化しない表面が負の電子親和力をもって得られることにより、効率よく安定に動作するフィールドエミッタの全てに適用が可能である、例えば、炭素系材料を主たる材料としたもの、すなわち、ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボン等においても、十分な効果が得られるのはもちろんである。
【００２５】
上記実施形態に述べた表示素子は２次元状の平面表示素子としたものでもよく、１次元状のライン表示素子にも適用可能である。また、蛍光体を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。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の電子管によれば、その内部に所定圧力の水素が封入されることにより、ダイヤモンド等からなるフィールドエミッタの表面を常に終端する。このため、フィールドエミッタのそのような表面においては電子親和力が負で維持されるので、かかるフィールドエミッタを備えた電子管は、長期にわたって効率的な動作を安定して行うことができる。すなわち、電子管の長寿命化も見込まれる。
【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側断面図である。
【図２】本発明の電子管の第２実施形態を概略的に示した側断面図である。
【図３】本発明の電子管の第３実施形態を概略的に示した側断面図である。
【図４】本発明の電子管の第２実施形態を２次元状に配置した表示素子を概略的に示した斜視図である。
【図５】従来例を概略的に示した側断面図である。
【符号の説明】
１…気密容器、２…導電性透明膜、１０…基台、１１…フィールドエミッタ、１２…水素、１３…絶縁膜、１４…ゲート電極、１５…収束電極、２０…ガラス面板、２１…蛍光体、３０…直流電源、３１…直流電源、３２…直流電源、４０…電気リード、５０…表示素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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