JP2005294033A

JP2005294033A - 電子源装置

Info

Publication number: JP2005294033A
Application number: JP2004107297A
Authority: JP
Inventors: Toru Baba; 徹馬場; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuya Komoda; 卓哉菰田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4433858B2

Abstract

【課題】大気中での電子放出特性を安定化することができるとともに電子源素子の劣化を防止できる電子源装置を提供する。
【解決手段】絶縁性基板１１の一表面上に電子源素子１０ａが形成された電子源１０と、電子源１０に対向配置されるアノード電極２１とを備える。また、電子源素子１０ａに吸着した水分を除去する水分除去手段としての加熱手段を備える。電子源素子１０ａは、下部電極１２と電子通過層たる強電界ドリフト層６と表面電極７とで構成され、加熱手段は、下部電極１２の両端に形成された一対の加熱用電極１３，１３と、両加熱用電極１３，１３間に通電する通電手段とを備えており、両加熱用電極１３，１３間に通電した時に下部電極１２に流れる電流によるジュール熱によって電子源素子１０ａを加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子源装置に関するものである。

従来から、電界放射により電子線を放射する電子源として、例えば、図８に示す構成の電子源１０’が知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

図８に示す構成の電子源１０’は、導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面（一表面）側に酸化した多孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成している。なお、表面電極７の厚さ寸法は例えば１０ｎｍ程度に設定されている。また、図８に示す構成の電子源１０’では、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シリコン層３が介在しており、多結晶シリコン層３と強電界ドリフト層６とで、下部電極１２と表面電極７との間に介在し電子が通過する電子通過層を構成しているが、多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフト層６のみで電子通過層を構成したものも提案されている。また、上述の電子源１０’では、下部電極１２と電子通過層と表面電極７とで電子源素子を構成しているが、絶縁性基板上に導電性層からなる下部電極と電子通過層と表面電極とからなる電子源素子を形成した電子源も提案されている。

上述の電子源１０’から電子を放出させるには、例えば、表面電極７に対向配置されたアノード電極２１を設け、表面電極７とアノード電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにアノード電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。ここに、直流電圧Ｖpsを適宜に設定すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図８中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。

上述の各電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、アノード電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図８参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉｅ／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。なお、上述の電子源１０’では、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流Ｉｅが大きくなる。
特開平１１−３２９２１３号公報特開２０００−１００３１６号公報特開２００１−１５５６２２号公報

ところで、上述の電子源素子は、真空中に限らず大気中でも電子を放出することが可能であるが、大気中で使用した場合、大気中の水分が電子源素子に吸着し、電子源素子に吸着した水分の影響で電子源素子の電子放出特性（エミッション電流Ｉｅ、電子放出効率など）が不安定となったり電子源素子が劣化することが考えられる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、大気中での電子放出特性を安定化することができるとともに電子源素子の劣化を防止できる電子源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子通過層が下部電極と表面電極との間に設けられ、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加された時に表面電極を通して電子を放出する電子源素子と、電子源素子の表面電極と下部電極との間に前記駆動電圧を与える駆動手段と、電子源素子に吸着した水分を除去する水分除去手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、大気中で電子源素子に吸着した水分を水分除去手段により除去することができるので、大気中での電子源素子の電子放出特性を安定化することができるとともに電子源素子の劣化を防止できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記水分除去手段は、前記電子源素子を加熱する加熱手段からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子に吸着した水分を、前記加熱手段により前記電子源素子を加熱することで蒸発させることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記下部電極の両端に形成された一対の加熱用電極と、両加熱用電極間に通電する通電手段とからなることを特徴とする。

この発明によれば、両加熱用電極間に通電することにより前記下部電極で発生するジュール熱によって前記電子源素子が加熱され、また、前記下部電極には前記電子通過層や前記表面電極に比べて大きな電流を流すことができるので、前記電子源素子の加熱温度を高めることができ、前記電子源素子に吸着した水分を短時間で蒸発させることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記電子通過層の厚み方向に直交する面内で前記電子通過層を挟む形で前記電子通過層の外周面に形成された一対の加熱用電極と、両加熱用電極間に通電する通電手段とからなることを特徴とする。

この発明によれば、両加熱用電極間に通電することにより前記電子通過層で発生するジュール熱によって前記電子源素子が加熱されるので、前記電子源素子に吸着した水分を効果的に除去することができる。

請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記表面電極の両端間に通電する通電手段からなることを特徴とする。

この発明によれば、電子源素子の構造を変更することなしに、大気と接していて水分が吸着しやすい前記表面電極の水分を効果的に除去することができる。

請求項６の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記表面電極と前記下部電極との間に前記表面電極を低電位側とした逆バイアス電圧を印加することで前記電子源素子を加熱することを特徴とする。

この発明によれば、加熱用電極が不要なので、請求項３ないし請求項５の発明に比べて構造が簡単となり、また、前記電子源素子の厚み方向に流れる電流により発生するジュール熱によって前記電子源素子の全体を加熱することができ、水分を効果的に除去することができる。

請求項７の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記電子源素子とは別体に設けたヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子に特別な構造を設けることなしに、前記電子源素子を容易に加熱することができる。

請求項８の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記電子源素子における前記表面電極の厚み方向において前記表面電極に重なり且つ前記表面電極の所定領域からの電子の放出を妨げない形状に形成された薄膜抵抗体からなるヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子を駆動しながら前記電子源素子を加熱することが可能となる。

請求項９の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記下部電極における前記電子通過層とは反対側に形成された薄膜抵抗体からなるヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項４ないし請求項９の発明において、前記駆動電圧がパルス状電圧であって、前記駆動手段は、前記電子源素子へ前記駆動電圧を間欠的に印加し、前記加熱手段は、前記駆動手段による前記電子源素子へ前記駆動電圧が印加される期間の合間ごとに前記電子源素子を加熱することを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子への前記駆動電圧の印加後毎に前記電子源素子が加熱されるので、前記電子源素子に吸着した水分を効果的に除去することができる。要するに、前記電子源素子に水分が吸着した状態で前記電子源素子が駆動される期間をより短くすることができる。

請求項１１の発明は、請求項２の発明において、前記加熱手段は、前記表面電極の表面へ高温ガスを供給することにより前記電子源素子を加熱することを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子が高温ガスにより加熱されて水分が除去されるので、前記電子源素子に吸着した水分を前記電子源素子に通電することなく効果的に除去することができる。

請求項１２の発明は、請求項１の発明において、前記水分除去手段は、前記表面電極の表面へ乾燥ガスを供給することで水分を除去することを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源素子に吸着した水分を前記電子源素子に通電することなく効果的に除去することができ、熱による電子放出特性の変動を防止することができる。

請求項１の発明では、大気中で電子源素子に吸着した水分を水分除去手段により除去することができるので、大気中での電子源素子の電子放出特性を安定化することができるとともに電子源素子の劣化を防止できるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の電子源装置は、図１に示すように、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）１１の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜など）からなる下部電極１２が形成され、下部電極１２上に強電界ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成された電子源１０と、電子源１０の表面電極７に対向配置されるアノード電極２１とを備えている。なお、本実施形態では、アノード電極２１の形状を矩形板状としてあるが、アノード電極２１の形状は特に限定するものではなく、例えば、電子源１０から放出された電子の通過可能な網目を有した網状の形状としてもよい。また、アノード電極２１は、例えば、電子源１０との間に枠状のフレームを介在させて電子源１０と対向配置するようにすればよいが、アノード電極２１と電子源１０とを対向配置するための構造は特に限定するものではない。

本実施形態では、強電界ドリフト層６が電子通過層を構成しており、下部電極１２と電子通過層と表面電極７とで表面電極７を通して大気中へ電子を放出する電子源素子１０ａを構成している。また、本実施形態の電子源装置は、電子源素子１０ａの表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を与える駆動手段（図示せず）およびアノード電極２１と表面電極７との間にアノード電極２１を高電位側として加速電圧を与える加速電圧印加手段（図示せず）を備え、さらに、電子源素子１０ａに吸着した水分を除去する水分除去手段として、絶縁性基板１１の上記一表面上で下部電極１２の両端（図１における左右両端面）に形成された一対の加熱用電極１３，１３と、両加熱用電極１３，１３間に通電する通電手段（図示せず）とを備えている。ここにおいて、本実施形態では、電子源素子１０ａの平面形状を矩形状としてあり、一対の加熱用電極１３，１３は、下部電極１２の厚み方向に直交する面内で下部電極１２を挟む形で下部電極１２の外周面（上記左右両端面）に形成されている。なお、水分除去手段については電子源素子１０ａについて説明した後で述べる。

電子源素子１０ａの強電界ドリフト層６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図３に示すように、少なくとも、下部電極１２の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１１の厚み方向に延びている）。

上述の電子源素子１０ａから電子を放出させるには、図２に示すように、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に直流電圧（駆動電圧）Ｖpsを上記駆動手段により印加すれば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図２中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。ここに、強電界ドリフト層６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし大気中に放出される。また、電子源素子１０ａに上記駆動電圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極２１が表面電極７に対して高電位側となるようにアノード電極２１と表面電極７との間に直流電圧（加速電圧）Ｖｃを上記加速電圧印加手段により印加しておけば、電子源素子１０ａが上記駆動電圧Ｖpsにより駆動されて表面電極７を通して電子が放出され、表面電極７を通して放出された電子が上記加速電圧Ｖｃにより加速される。

本実施形態の電子源素子１０ａでは、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、アノード電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高いことになる。ここに、本実施形態における電子源素子１０ａでは、表面電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。また、本実施形態の電子源素子１０ａは、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができるという特徴を有しており、大気中でも電子を放出することができる。

本実施形態における電子源素子１０ａの基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図３中の矢印の向き（図３における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。

上述の強電界ドリフト層６の形成方法の一例について説明する。

強電界ドリフト層６の形成にあたっては、まず、絶縁性基板１１上に形成した下部電極１２上にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図３参照）と多数のシリコン微結晶６３（図３参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。

ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスを行うことで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図３のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる強電界ドリフト層６を形成する。酸化プロセスでは、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる強電界ドリフト層６を形成するようになっている。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。

なお、上述の強電界ドリフト層６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。

以下、上記水分除去手段としての上記加熱手段について説明する。

上記加熱手段は、上述のように、下部電極１２の両端（図１における左右両端面）に形成された一対の加熱用電極１３，１３と、両加熱用電極１３，１３間に通電する通電手段とを備えており、上記通電手段は、下部電極１２に所定電流密度（例えば、１ｍＡ／ｃｍ^２）の電流が流れるように加熱用電極１３，１３間にパルス状の電圧（加熱用電圧）を間欠的に印加する加熱用電源を備えている。なお、本実施形態では、下部電極１２をタングステン膜により構成しているが、下部電極１２は材料はタングステンに限定されるものではなく、例えば、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、ニッケル、アルミニウム、銅、金、白金、シリサイドなどを採用してもよいし、多層構造としてもよい。

ところで、上記駆動手段は、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側としてパルス状の駆動電圧Ｖpsを間欠的に印加可能な駆動電源を備え、上記通電手段は、一対の加熱用電極１３，１３間にパルス状の加熱用電圧を間欠的に印加可能な加熱用電源を備えているが、本実施形態では、上記駆動手段による電子源素子１０ａへ上記駆動電圧Ｖpsが印加される期間の合間ごとに一対の加熱用電極１３，１３間に加熱用電圧を与えて一対の加熱用電極１３，１３間に通電して下部電極１２に流れる電流によるジュール熱によって電子源素子１０ａを加熱するようになっている。すなわち、電子源素子１０ａへ駆動電圧Ｖpsが図４（ａ）に示すように間欠的に印加される場合、一対の加熱用電極１３，１３間には図４（ｂ）に示すようなタイミングで加熱用電圧が間欠的に印加される。言い換えれば、本実施形態の電子源装置では、電子源素子１０ａの駆動期間と電子源素子１０ａの加熱期間とが交互に繰り返されることになる。

しかして、本実施形態の電子源装置では、大気中で電子源素子１０ａに吸着した水分を加熱手段により電子源素子１０ａを加熱することで蒸発させることができる（つまり、大気中で電子源素子１０ａに吸着した水分を上記水分除去手段により除去することができる）ので、大気中での電子放出特性を安定化することができるとともに電子源素子１０ａの劣化を防止できる。また、本実施形態では、電子源素子１０ａの駆動期間と電子源素子１０ａの加熱期間とが交互に繰り返されることになって、電子源素子１０ａの駆動と加熱とが同時に行われることがなく、電子源素子１０ａへの駆動電圧Ｖpsの印加後毎に電子源素子１０ａが加熱されるので、電子源素子１０ａの駆動に影響を与えることなく、電子源素子１０ａに吸着した水分を効果的に除去することができる。また、両加熱用電極１３，１３間に通電する際に、下部電極１２には強電界ドリフト層６や表面電極７に比べて大きな電流を流すことができるので、電子源素子１０ａの加熱温度を高めることができ、電子源素子１０ａに吸着した水分を短時間で蒸発させることが可能となる。

ところで、本実施形態では、上記加熱手段における一対の加熱用電極１３，１３が、下部電極１２の厚み方向に直交する面内で下部電極１２を挟む形で下部電極１２の外周面に形成されているが、一対の加熱用電極１３，１３を、電子通過層たる強電界ドリフト層６の厚み方向に直交する面内で強電界ドリフト層６を挟む形で形成してもよい（例えば、図１における強電界ドリフト層６の左右両側面に形成してもよく、この場合には絶縁性基板１１の上記一表面と各加熱用電極１３，１３それぞれとの間に絶縁層を介在させればよい）。このように一対の加熱用電極１３，１３を強電界ドリフト層６の外周面に形成して上記通電手段から両加熱用電極１３，１３間に通電するようにした場合には、表面電極７や下部電極１２に比べて水分を吸着しやすい構造を有すると考えられる強電界ドリフト層６で発生するジュール熱によって電子源素子１０ａが加熱されるので、電子源素子１０ａに吸着した水分を効果的に除去することができる。

また、一対の加熱用電極１３，１３を別途に設けずに表面電極７の両端間に通電手段から通電するようにしてもよく、この場合には、電子源素子１０ａを小さな電流で効果的に加熱することでき、大気と接していて水分が吸着しやすい表面電極７の水分を効果的に除去することができる。要するに、表面電極７に吸着した水分を強電界ドリフト層６や下部電極１２まで侵入する前に除去することが可能となる。

また、一対の加熱用電極１３，１３を下部電極１２における絶縁性基板１１側に設けるようにすれば、加熱用電極１３，１３の形状や厚みの設計の自由度が増すとともに、加熱用電極１３，１３の材料の選択肢が多くなる。

（実施形態２）
本実施形態の電子源装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１にて説明した一対の加熱用電極１３，１３を設けずに、電子源素子１０ａを加熱する加熱手段が、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を低電位側とした逆バイアス電圧を印加することで電子源素子１０ａを加熱するように構成した点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

ここにおいて、本実施形態では、電子源素子１０ａの表面電極７と下部電極１２との間に、下部電極１２を基準電位側として図５に示すように順バイアス電圧Ｖｄ（上記駆動電圧Ｖpsに相当する）と逆バイアス電圧−Ｖｄ（加熱用電圧）とが交互に印加されるようにしてある。ここに、順バイアス電圧および逆バイアス電圧の一例としては、順バイアス電圧Ｖｄの電圧値を１２Ｖ、パルス幅を１００ｍｓｅｃとし、逆バイアス電圧の絶対値を１０Ｖ、パルス幅を１００ｍｓｅｃとし、順バイアス電圧Ｖｄの印加期間と逆バイアス電圧−Ｖｄの印加期間との間の期間であり表面電極７と下部電極１２との間の電圧を０Ｖとする期間の時間幅は例えば１０ｍｓｅｃとすればよい。なお、順バイアス電圧Ｖｄおよび逆バイアス電圧−Ｖｄそれぞれのパルス幅は、例えば、１０ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃの範囲で適宜設定すればよい。

なお、実施形態１にて説明した上記駆動手段として表面電極７と下部電極１２との間に順バイアス電圧（上記駆動電圧Ｖps）および逆バイアス電圧（加熱用電圧）を印加可能なものを用いることにより、上記駆動手段を加熱手段に兼用することができ、低コスト化が図れるとともに、順バイアス電圧を印加するタイミングと逆バイアス電圧を印加するタイミングとの制御が容易になる。

しかして、本実施形態の電子源装置では、実施形態１にて説明した一対の加熱用電極１３，１３が不要なので、電子源１０に上記一対の電極１３，１３を設ける必要がなく、実施形態１に比べて構造が簡単となるという利点があり、また、電子源素子１０ａの厚み方向に流れる電流により発生するジュール熱によって電子源素子１０ａの全体を加熱することができ、水分を効果的に除去することができるという利点がある。

（実施形態３）
本実施形態の電子源装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１にて説明した一対の加熱用電極１３，１３を設けずに、電子源素子１０ａを加熱する加熱手段として、電子源１０が載置されるヒータ（図示せず）と、当該ヒータへ通電する通電手段としての電源とを設けた点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

しかして、本実施形態の電子源装置では、電子源素子１０ａに当該電子源素子１０ａを加熱するための特別な構成要素（構造）を付加する必要がなく、電子源１０の製造にあたって電子源素子１０ａ以外の構成要素を形成するためのプロセスを追加する必要がないので、電子源１０の製造が容易になる。また、本実施形態の電子源装置では、電子源素子１０ａとは別体のヒータにより電子源素子１０ａを容易に加熱することができるとともに、電子源素子１０ａの駆動時にも電子源素子１０ａを加熱することが可能となり、電子源素子１０ａの駆動条件の制約が少なくなるという利点がある。逆に言えば、電子源素子１０ａの駆動条件に左右されることなく、電子源素子１０ａを加熱することが可能となり、電子源素子１０ａに吸着した水分をより効果的に除去することが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態の電子源装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１にて説明した一対の加熱用電極１３，１３を設けずに、電子源素子１０ａを加熱する加熱手段として、図６に示すように、電子源素子１０ａにおける表面電極７の厚み方向において表面電極７に重なり且つ表面電極７の所定領域からの電子の放出を妨げない形状（図示例では、つづら折れ状）に形成された薄膜抵抗体からなるヒータ１４と、ヒータ１４へ通電する通電手段（図示せず）とを設けた点が相違し、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

上述のヒータ１４は、表面電極７の下面側（強電界ドリフト層６側）に形成してある。ヒータ１４の形成にあたっては、例えば、下部電極１２上に強電界ドリフト層６を形成した後であって、表面電極７を形成する前に、強電界ドリフト層６上にヒータ１４形成用にパターニングされたレジスト層を形成し、続いて、当該レジスト層をマスクとして強電界ドリフト層６の一部をヒータ１４の厚み寸法に一致する深さまでエッチングし、その後、ヒータ１４用の薄膜を成膜してリフトオフ法によりレジスト層１４を除去すればよい。

本実施形態の電子源装置においても、電子源素子１０ａを駆動しながら電子源素子１０ａを加熱することが可能となる。

なお、本実施形態では、ヒータ１４を表面電極７の下面側に形成してあるが、ヒータ１４は表面電極７の上面側（表面側）に形成してもよいし、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間に形成してもよい。

（実施形態５）
本実施形態の電子源装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、水分除去手段としての加熱手段の構成が相違する。本実施形態における加熱手段は、電子源１０とアノード電極２１との間の空間へ図７中に矢印で示す向きで高温ガスを供給する高温ガス供給手段（図示せず）を設けてあり、電子源素子１０ａの表面電極７の表面へ高温ガスを供給することにより電子源素子１０ａを加熱するようになっている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ここにおける、高温ガスとしては、Ｎ_２ガスを所定温度（例えば、１００〜４００℃の範囲内で適宜設定すればよい）に加熱して用いているが、Ａｒガスなどの他の不活性ガスを加熱してもよいし、Ｏ_２ガスなどを用いてもよい。なお、上記所定温度は、電子源素子１０ａに吸着した水分を蒸発させることができる温度であり且つ電子源素子１０ａの電子放出特性などが悪影響を受けない温度に設定する必要があることは勿論である。また、高温ガスの流量は、例えば１〜５Ｌ／ｍｉｎ程度の範囲内で適宜設定すればよい。

しかして、本実施形態では、電子源素子１０ａが高温ガスにより加熱されて水分が除去されるので、電子源素子１０ａに吸着した水分を電子源素子１０ａに通電することなく効果的に除去することができる。

（実施形態６）
本実施形態の電子源装置の基本構成は実施形態５と略同じであって、高温ガスを供給する高温ガス供給手段の代わりに、乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給手段を設けている点が相違するだけなので、図示を省略する。要するに、本実施形態では、電子源素子１０ａに吸着した水分を除去する水分除去手段が、表面電極７の表面へ乾燥ガスを供給することで水分を除去する点に特徴がある。

ここにおける、乾燥ガスとしては、乾燥Ｎ_２ガスを用いているが、Ａｒガスなどの他の不活性ガスを用いてもよいし、乾燥Ｏ_２ガスなどを用いてもよい。なお、乾燥ガスとしては、相対湿度が０〜３０％ＲＨの範囲内のガスを用いればよいが、相対湿度が５％ＲＨ以下のガスを用いることが望ましい。また、乾燥ガスの流量は、例えば１〜５Ｌ／ｍｉｎ程度の範囲内で適宜設定すればよい。

しかして、本実施形態では、電子源素子１０ａに吸着した水分を電子源素子１０ａに通電することなく効果的に除去することができ、熱による電子放出特性の変動を防止することができる。

上記各実施形態の電子源１０は、絶縁性基板１１の上記一表面側に下部電極１２を形成しているが、絶縁性基板１１に代えてシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板の裏面側に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極を構成するようにしてもよい。

実施形態１における電子源装置の概略構成図である。同上における電子源素子の動作説明図である。同上における電子源素子の要部説明図である。同上の動作説明図である。実施形態２における電子源装置の動作説明図である。実施形態４における電子源装置を示し、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図である。実施形態５における電子源装置の概略構成図である。従来例を示す電子源の動作説明図である。

符号の説明

６強電界ドリフト層
７表面電極
１０電子源
１０ａ電子源素子
１１絶縁性基板
１２下部電極
１３加熱用電極

Claims

多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子通過層が下部電極と表面電極との間に設けられ、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側とする駆動電圧が印加された時に表面電極を通して電子を放出する電子源素子と、電子源素子の表面電極と下部電極との間に前記駆動電圧を与える駆動手段と、電子源素子に吸着した水分を除去する水分除去手段とを備えることを特徴とする電子源装置。
前記水分除去手段は、前記電子源素子を加熱する加熱手段からなることを特徴とする請求項１記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記下部電極の両端に形成された一対の加熱用電極と、両加熱用電極間に通電する通電手段とからなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記電子通過層の厚み方向に直交する面内で前記電子通過層を挟む形で前記電子通過層の外周面に形成された一対の加熱用電極と、両加熱用電極間に通電する通電手段とからなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記表面電極の両端間に通電する通電手段からなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記表面電極と前記下部電極との間に前記表面電極を低電位側とした逆バイアス電圧を印加することで前記電子源素子を加熱することを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記電子源素子とは別体に設けたヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記電子源素子における前記表面電極の厚み方向において前記表面電極に重なり且つ前記表面電極の所定領域からの電子の放出を妨げない形状に形成された薄膜抵抗体からなるヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記下部電極における前記電子通過層とは反対側に形成された薄膜抵抗体からなるヒータと、ヒータへ通電する通電手段とからなることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記駆動電圧がパルス状電圧であって、前記駆動手段は、前記電子源素子へ前記駆動電圧を間欠的に印加し、前記加熱手段は、前記駆動手段による前記電子源素子へ前記駆動電圧が印加される期間の合間ごとに前記電子源素子を加熱することを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれかに記載の電子源装置。
前記加熱手段は、前記表面電極の表面へ高温ガスを供給することにより前記電子源素子を加熱することを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記水分除去手段は、前記表面電極の表面へ乾燥ガスを供給することで水分を除去することを特徴とする請求項１記載の電子源装置。