JP3387005B2 - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放出する電
子放出素子及びその製造方法に関し、特に、ダイヤモン
ド粒子を用いて形成される電子放出素子及びその製造方
法に関する。また、本発明は、上記のような電子放出素
子を複数個使用して構成される電子放出源、及びそれを
利用した画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高精細な薄型ディスプレイ用の電
子銃に代わる電子線源や、高速動作が可能な微小真空デ
バイスの電子源として、ミクロンサイズの微小電子放出
素子が注目されている。このような電子放出素子には様
々なタイプがあるが、一般的には、電界放出形（ＦＥ
型）、トンネル注入型（ＭＩＭ型或いはＭＩＳ型）、或
いは表面伝導型（ＳＣＥ型）などが報告されている。

【０００３】ＦＥ型の電子放出素子では、ゲート電極に
電圧をかけて電子放出部分に電界を印加することによ
り、シリコン（Ｓｉ）やモリブデン（Ｍｏ）で作製され
たコーン状の突起部分から電子を放出させる。ＭＩＭ型
或いはＭＩＳ型の電子放出素子では、金属、絶縁体層、
半導体層等を含む積層構造を形成し、金属層の側より電
子をトンネル効果を利用して絶縁体層に注入・通過させ
て、電子放出部より外部に取り出す。また、ＳＣＥ型の
電子放出素子では、基板上に形成された薄膜の面内方向
に電流を流して、予め形成された電子放出部（一般的に
は、薄膜の通電領域中に存在する微細な亀裂部分）か
ら、電子を放出させる。

【０００４】これらの素子構造は何れも、微細加工技術
を用いることによって、構成の小型化及び集積化を図る
ことができるなどの特徴を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に、
電子放出素子の電子放出部の材料は、（１）比較的に小
さな電界で電子を放出し易い（すなわち、効率的な電子
放出が可能である）、（２）得られる電流の安定性が良
い、（３）電子放出特性の経時変化が小さい、などの特
性を有することが要求される。

【０００６】しかし、これまでに報告されている前述の
ような従来技術による電子放出素子は、その動作特性の
電子放出部の形状に対する依存性や経時変化が大きいと
いう課題を有している。

【０００７】また、従来技術によれば、再現性良く電子
放出素子を作製することが困難であり、その動作特性の
制御が、非常に困難である。

【０００８】以上のようなことから、従来技術における
電子放出素子の構成、或いはそれに含まれる電子放出部
の構造や材料は、要求される特性を十分に満たすもので
あるとは言えない。

【０００９】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、（１）粒子或い
は粒子の凝集体からなる複数個の電子放出部を点在させ
ることにより、効率的に電子を放出できる安定性の高い
電子放出素子を提供すること、（２）上記のような電子
放出素子を複数個配置することにより、高効率な電子放
出源及びそれを用いた画像表示装置を提供すること、
（３）特に、電子放出部材としてダイヤモンドの粒子を
用いることで、より効率的に電子を放出できる電子放出
素子及び電子放出源を提供すること、（４）上記のよう
な効率的に電子を放出できる電子放出素子を複数個配置
した電子放出源と画像形成部材とから構成された画像表
示装置を提供し、明るく安定な画像を表示するフラット
ディスプレイを提供すること、（５）本発明に係る電子
放出素子にて電子放出部として用いられるダイヤモンド
粒子に対する重要な作製プロセスを、容易且つ合理的に
実施できる製造方法を提供すること、及び（６）ダイヤ
モンドを均一に分布させる工程を実施することにより、
安定して動作する電子放出部を有する電子放出素子を、
大面積に渡って容易に且つ再現性良く作成できる電子放
出素子の製造方法を提供すること、である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の電子放出素子
は、水平方向に所定の間隔を隔てて配置された１対の電
極と、該１対の電極の間に分散されて配置されている複
数の電子放出部と、を備えており、そのことによって上
記の目的が達成される。

【００１１】ある実施形態では、上記の電子放出素子は
絶縁性表面を有する基板をさらに備えており、前記１対
の電極及び前記複数の電子放出部は、該基板の該絶縁性
表面の上に配置されている。具体的には、前記１対の電
極間に発生する横方向電界によって、電子が一方の電極
から他方の電極へ向けて、前記複数の電子放出部を介し
てホッピングするように移動する。

【００１２】他の実施形態では、前記１対の電極の間に
配置され且つ該１対の電極に電気的に接続されている導
電層をさらに備えており、前記複数の電子放出部は該導
電層の上に配置されている。

【００１３】例えば、前記１対の電極は、前記導電層の
端部の一部領域として設けられ得る。或いは、前記１対
の電極と前記導電層とは異なる材料から構成され得る。
何れの場合にも、前記導電層の内部を面内方向に流れる
電流によって、電子が一方の電極から他方の電極へ向け
て移動する。

【００１４】前記導電層の内部を面内方向に前記電流が
流れるときに、該導電層が加熱され得る。

【００１５】前記導電層の内部を面内方向に流れる前記
電流の量を制御することによって、電子放出量が変調さ
れ得る。

【００１６】好ましくは、前記複数の電子放出部の分散
密度が、約１×１０⁹個／ｃｍ²以上である。

【００１７】好ましくは、前記複数の電子放出部が、お
互いに接触することなく孤立している。

【００１８】前記複数の電子放出部の各々は、所定の材
料の粒子或いは該粒子の凝集体から構成され得る。

【００１９】好ましくは、前記複数の電子放出部の各々
を構成する前記粒子の平均粒径が、約１０μｍ以下であ
る。

【００２０】前記所定の材料は、ダイヤモンド或いはダ
イヤモンドを主成分とする材料であり得る。

【００２１】ダイヤモンド或いはダイヤモンドを主成分
とする材料の最表面原子は、水素原子との結合によって
終端された構造を含み得る。好ましくは、前記最表面原
子と結合した前記水素原子の量が、約１×１０¹⁵個／ｃ
ｍ²以上である。

【００２２】前記ダイヤモンド或いはダイヤモンドを主
成分とする材料は、結晶欠陥を有し得る。好ましくは、
前記結晶欠陥の密度が、約１×１０¹³個／ｃｍ³以上で
ある。

【００２３】前記ダイヤモンド或いはダイヤモンドを主
成分とする材料は、約１０体積％より少ない非ダイヤモ
ンド成分を有し得る。

【００２４】前記所定の材料の粒子は、気相合成法で合
成されたダイヤモンド膜を粉砕して作製されたダイヤモ
ンド粒子であり得る。例えば、前記気相合成法は、プラ
ズマジェットＣＶＤ法である。

【００２５】前記導電層は、金属層或いはｎ型半導体層
であり得る。

【００２６】好ましくは、前記導電層の厚さが約１００
ｎｍ以下である。

【００２７】好ましくは、前記導電層の電気抵抗値が、
前記電子放出部の電気抵抗値よりも高い。

【００２８】本発明に従って提供される電子放出源は、
複数の電子放出素子が、各々への入力信号に応じて電子
を放出するように所定のパターンに配列されており、該
複数の電子放出素子の各々が、上記のような特徴を有す
る素子であり、それにより、前述の目的が達成される。

【００２９】好ましくは、上記の電子放出源は、互いに
電気的に絶縁された複数の第１方向配線と、互いに電気
的に絶縁された複数の第２方向配線と、をさらに備えて
おり、該複数の第１方向配線及び該複数の第２方向配線
がお互いに直交する方向に配置されていて、該第１方向
配線と該第２方向配線との各交差点の近傍に、前記電子
放出素子がそれぞれ配置されている。

【００３０】本発明に従って提供される画像表示装置
は、電子放出源と、該電子放出源から放出された電子に
照射されて画像を形成する画像形成部材と、を備えてお
り、該電子放出源が、上記のような特徴を有していて、
それにより、前述の目的が達成される。

【００３１】本発明の電子放出素子の製造方法は、水平
方向に所定の間隔を隔てて１対の電極を配置する電極形
成工程と、該１対の電極の間に複数の電子放出部を分散
して配置する分散配置工程と、を包含しており、それに
より、前述の目的が達成される。

【００３２】ある実施形態では、上記の製造方法は絶縁
性表面を有する基板を設ける工程をさらに含み、前記１
対の電極及び前記複数の電子放出部を該基板の該絶縁性
表面の上に配置する。

【００３３】また、上記の製造方法は、前記１対の電極
の間に該１対の電極に電気的に接続されている導電層を
設ける工程をさらに含み得て、前記複数の電子放出部を
該導電層の上に配置する。

【００３４】前記１対の電極は、前記導電層の端部の一
部領域として設けられ得る。或いは、前記１対の電極と
前記導電層とは、異なる材料から構成され得る。

【００３５】前記分散配置工程は、所定の材料の粒子或
いは該粒子の凝集体を、前記複数の電子放出部として分
散して配置する工程を含み得る。

【００３６】例えば、前記分散配置工程は、前記所定の
材料の粒子を分散させた溶液或いは溶媒の塗布工程と、
該溶液或いは溶媒の除去工程と、を含み得る。或いは、
前記分散配置工程は、前記所定の材料の粒子を分散させ
た溶液或いは溶媒中での超音波振動印加工程を含み得
る。

【００３７】前記所定の材料は、ダイヤモンド或いはダ
イヤモンドを主成分とする材料であり得る。

【００３８】その場合に、前記分散配置工程は、ダイヤ
モンド粒子を分散させた溶液を用いて該ダイヤモンド粒
子を分布させる分布工程を含み得る。或いは、前記分布
工程は、前記ダイヤモンド粒子を分散させた前記溶液中
での超音波振動印加工程を含み得る。

【００３９】好ましくは、前記溶液中に分散される前記
ダイヤモンド粒子の量が、溶液１リットル当たり約０．
０１ｇ以上約１００ｇ以下、或いは、前記溶液中に分散
される前記ダイヤモンド粒子の数が、溶液１リットル当
たり約１×１０¹⁶個以上約１×１０²⁰個以下である。

【００４０】好ましくは、前記ダイヤモンド粒子を分散
させた前記溶液のｐＨ値が約７以下である。

【００４１】前記ダイヤモンド粒子を分散させた前記溶
液は、少なくともフッ素原子を含み得る。或いは、前記
ダイヤモンド粒子を分散させた前記溶液は、少なくとも
フッ化水素酸或いはフッ化アンモニウムを含み得る。

【００４２】ある実施形態では、上記の製造方法は、前
記ダイヤモンド粒子の最表面原子に水素原子を結合させ
る水素結合工程を、さらに包含する。

【００４３】前記水素結合工程では、水素ガスを含む雰
囲気中で約６００℃以上に加熱処理されたダイヤモンド
粒子が用いられ得る。或いは、前記水素結合工程は、水
素を含む雰囲気中における６００℃以上での前記ダイヤ
モンド粒子の加熱工程或いは紫外線光照射工程を含み得
る。

【００４４】或いは、前記水素結合工程は、前記ダイヤ
モンド粒子の温度が約３００℃以上である状態で、該ダ
イヤモンド粒子を少なくとも水素を含むプラズマに曝す
工程を含み得る。

【００４５】ある実施形態では、上記の製造方法は、前
記ダイヤモンド粒子に結晶欠陥を導入する欠陥導入工程
をさらに包含する。

【００４６】前記欠陥導入工程では、加速した粒子によ
る表面の照射処理を施されたダイヤモンド粒子が用いら
れ得る。或いは、前記欠陥導入工程は、前記ダイヤモン
ド粒子に加速原子を照射する工程を含み得る。

【００４７】ある実施形態では、上記の製造方法は、前
記分布されたダイヤモンド粒子の上にダイヤモンドを追
成長させる追成長工程をさらに含む。

【００４８】前記追成長工程では、ダイヤモンドの気相
合成プロセスを使用し得る。

【００４９】本発明に従って提供される電子放出源の製
造方法は、複数の電子放出素子を、各々への入力信号に
応じて電子を放出するように所定のパターンに配列する
工程を含み、該複数の電子放出素子の各々を、上記のよ
うな特徴を有する製造方法によって形成するものであ
り、それにより、前述の目的が達成される。

【００５０】上記の電子放出源の製造方法は、互いに電
気的に絶縁された複数の第１方向配線と互いに電気的に
絶縁された複数の第２方向配線とを、該複数の第１方向
配線及び該複数の第２方向配線がお互いに直交する方向
に配置する工程と、該第１方向配線と該第２方向配線と
の各交差点の近傍に、前記電子放出素子をそれぞれ配置
する工程と、を含む。

【００５１】本発明に従って提供される画像表示装置の
製造方法は、電子放出源を構成する工程と、該電子放出
源から放出された電子に照射されて画像を形成する画像
形成部材を、該電子放出源に対して所定の位置関係に配
置する工程と、を包含しており、該電子放出源を、上記
のような特徴を有する製造方法で構成し、それにより、
前述の目的が達成される。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下に、添付の図面を参照しなが
ら、本発明について説明する。なお、図面中で、対応す
る構成要素には同じ参照番号を付しており、重複する説
明は省略することがある。

【００５３】高効率な電子放出素子を実現するために
は、電子の放出を容易にする素子構造の設計及び材料の
選択が、重要な考慮事項になる。また、実用面からは、
低価格で製造できることが望まれる。そこで、本発明で
は、粒子或いは粒子の凝集体を電子放出部として使用す
ることにより、高効率で電子を放出し且つ面発光が可能
であるような、容易に製造される電子放出素子を実現す
る。特に、電子放出部の構成材料（電子放出材）として
ダイヤモンド或いはダイヤモンドを主成分とする材料
（粒子或いはその粒子の凝集体）を用いて、その表面状
態を制御することにより、低い印加電力（消費電力）で
多くの電子放出を実現する。

【００５４】（第１の実施形態）本発明の電子放出素子
の第１の基本構成によれば、少なくとも２つ以上の水平
方向に一定間隔を隔てて配置された電極と、これらの電
極の間に分散して配置された粒子或いは粒子の凝集体か
らなる複数の電子放出部と、が設けられる。図１Ａは、
そのような本発明の第１の基本構成に従ったある実施形
態における電子放出素子の構成を、模式的に示す斜視図
である。

【００５５】具体的には、図１Ａの構成では、絶縁性基
板４の表面に、水平方向に一定間隔を隔てて２つの電極
２及び３が配置されている。電極２及び３の間における
絶縁性基板４の表面には、各々が粒子或いは粒子の凝集
体からなる複数の電子放出部１が分散されている。電極
２及び３の間にバイアス電圧を印加すると、電極２及び
３の間に横方向の電界が生じ、この横方向電界の効果に
よって、電子は陰極２から陽極３に向けて、電子放出部
１を介して（複数の電子放出部１の間をホッピングする
ようにして）、図１Ａに水平方向の矢印で模式的に示す
ように移動する。個々の電子放出部１から放出された電
子は、隣接する電子放出部１に向けて移動する間に、電
極２及び３の間の横方向電界によって加速される。

【００５６】さらに、この移動の過程で、ある電子放出
部１から放出されて隣接する電子放出部１に到達した電
子の一部は、到達時に例えば弾性散乱などによって、絶
縁性基板４の表面から離れる方向に取り出される。図１
Ａでは、この取り出し方向を垂直方向の矢印で模式的に
示しているが、必ずしも、常に絶縁性基板４の表面に実
質的に垂直な方向に向かうわけではない。このとき、図
１Ｂに示すように、絶縁性基板４に相対して第３の電極
（引き出し電極）５を設けて、これに正のバイアス電圧
を印加すると、電子の外部への取り出し方向が実質的に
一方向に揃うとともに、取り出し効率が向上する。

【００５７】図２は、図１Ｂの構成を例にとって、本実
施形態における電子放出素子の構成を模式的に示す断面
図であり、特に電子放出部１の近傍を拡大している。さ
らに、この図２は、本実施形態（本発明の第１の基本構
成）の電子放出素子における電子放出の概念を、模式的
に表している。

【００５８】すなわち、電極２及び３の間に電圧を印加
することによって発生する電極２及び３の間の横方向電
界の作用によって、陰極２から隣接する電子放出部１に
向けて電子が放出される。電極２及び３の間の電圧は、
必然的に、隣接する電子放出部１の間にも電界をもたら
すので、ある電子放出部１に到達した電子は、さらに隣
接する電子放出部１に向けて再び放出される。このよう
な放出動作を繰り返しながら、電子は陰極２から陽極３
に向けて次第に移動していくが、その過程で一部の放出
電子は、絶縁性基板４の表面から離れる方向に取り出さ
れる。

【００５９】電子放出部１を粒子或いは粒子の凝集体で
形成すると、電子放出部１を高密度で分散させることが
可能となり、好ましい。また、電子放出部１の構成材料
としては、仕事関数が小さく電子が放出されやすい材料
が好ましく、例えば、ダイヤモンドのように負の電子親
和力を示す材料の使用が挙げられる。

【００６０】電極２及び３の間、及び／或いは引き出し
電極５に印加されるバイアス電圧の大きさを制御すれ
ば、適切な大きさの電界を隣接する電子放出部１の間に
与えることができて、結果として放出される電子の数を
制御することができる。また、電子放出部１の間を移動
する電子の加速エネルギーや軌道を制御することも、可
能である。電極２及び３の間に印加するバイアス電圧の
好ましい値は、電極２及び３の間隔や電子放出部１の密
度に依存するが、概ね２００Ｖ以下である。

【００６１】電子放出部１は、極めて狭い間隔で孤立し
て存在している。電子の放出（すなわち隣接する電子放
出部１への移動）を効率よく行うためには、隣接する電
子放出部１の間隔が狭いほど好ましく、できれば約０．
１μｍより小さいことが好ましい。実際に得られる電子
放出部１の間隔は、電子放出部１を形成する粒子の大き
さや密度に依存するが、例えば平均粒径が約０．０１μ
ｍの粒子を使用する場合には、上記の好ましい間隔を得
るためには、粒子密度（電子放出部１の分散密度）を約
１×１０¹⁰個／ｃｍ²以上とすることが好ましい。

【００６２】なお、電子放出部１の一部が電極２或いは
３の表面に存在していても、本発明の効果には何の悪影
響も及ぼされない。

【００６３】電極の構成（組合せ）は、図１Ａ及び図１
Ｂに示すものに限られるわけではない。例えば、図３Ａ
及び図３Ｂに示すような枠状の電極（フォーカス電極）
６を配置し、これに適切な電圧を印加すれば、放出され
る電子による電子ビームの絞り（フォーカス）の状態を
調整することができる。

【００６４】また、図４Ａに示すような棒状の電極７ａ
及び７ｂを電極２及び３に対向するように配置し、これ
らの電極７ａ及び７ｂを電源８ａ及び８ｂにそれぞれ接
続する構成とすることも可能である。この構成におい
て、電極７ａ及び７ｂへの負電圧の印加をお互いに独立
して制御すれば、放出される電子による電子ビームの方
向を制御或いは調整することができる。例えば、図４Ｂ
に示すように、電極７ａ及び７ｂの双方に負電圧を印加
しなければ、電子ビーム９は、次第に広がるように発せ
られる。一方、図４Ｃに示すように、電極７ａ及び７ｂ
の双方に負電圧を印加すれば、電子ビーム９は、次第に
集束するように発せられる。さらに、図４Ｄに示す例
は、電極７ａには負電圧を印加せずに電極７ｂのみに負
電圧を印加する場合であり、一方、図４Ｅに示す例は、
電極７ｂには負電圧を印加せずに電極７ａのみに負電圧
を印加する場合である。これらの場合には、電極７ａ及
び７ｂのうちで負電圧が印加されていない電極が存在す
る側に、電子ビーム９は傾いて集束される。

【００６５】或いは、電極７ａ及び７ｂに正電圧を印加
することによっても、上記に類似した電子ビームの制御
が可能である。但し、その場合には、正電圧が印加され
ている電極７ａ或いは／及び７ｂに近付くように、電子
ビームの方向や集束状態が制御される。

【００６６】なお、図４Ａ〜図４Ｅには、先に説明した
引き出し電極５や絞り調整用電極（フォーカス電極）６
が描かれていないが、これらの電極５及び６の一方或い
は双方をさらに設けることも、もちろん可能である。

【００６７】さらに、これまでに説明した例では、電極
２及び３のお互いに対向する面は直線的に形成されてい
ているが、図５Ａに示す例では、電極２及び３のお互い
に対向する面に、相対する凸部２ａ及び３ａがそれぞれ
複数個ずつほぼ等間隔で形成されている。或いは、図５
Ｂに示すように、この凸部２ａ及び３ａで挟まれている
領域４ａのみに、電子放出部１を分散してもよい。

【００６８】このような対向する複数の凸部２ａ及び３
ａが設けられると、それらの凸部２ａ及び３ａの近傍に
電界が集中する傾向があるが、むしろそれによって、電
界が電極２及び３の対向する側面の一部に過度に集中す
るのではなく、その全体に渡って均等に分散される。そ
の結果、電子放出素子の中での電子放出状態が、均一化
される。このような電子放出素子を、例えば画像表示装
置に使用すれば、上記のような電子放出状態の均一化に
よって、表示される画像の輝度むらの低減などの効果が
得られて、より高品質の画像を表示することが可能にな
る。

【００６９】また、これまでに説明した例では、電極２
及び３は絶縁性基板４の表面に直接に配置されている
が、その代わりに、図６Ａに示すように、絶縁層１０を
介して配置されても良い。或いは、図６Ｂに示すよう
に、所定の間隔を隔てて１対の絶縁層１０を絶縁性基板
４の上に配置し、その上面及び対向する側面の表面に電
極層１２及び１３を形成する構成としてもよい。さら
に、この場合には、図６Ｃに示すように、一方の電極
（図示される例では電極２）は絶縁性基板４の上にこれ
までの例のように配置し、他方は、絶縁層１０の上面及
び側面に形成された電極層１３としてもよい。

【００７０】以上に説明したように、本実施形態の構成
における電極構成（電極２及び３、及び、その他の目的
で設けられる付加的な電極５或いは６）や電子放出部の
配置は、様々な改変が可能である。

【００７１】以上のような構成により電子の放出が実現
されるが、より効率的な電子放出特性を得るためには、
電子放出部１の構成や材料として好適なものを選択する
ことが重要である。

【００７２】そこで、本発明では、点在する電子放出部
１を、好ましくはダイヤモンド或いはダイヤモンドを主
成分とする材料から構成する。ダイヤモンドは、広い禁
制帯幅（５．５ｅＶ）を有する半導体材料であり、高硬
度及び高熱伝導率を有する上に、耐摩耗性にすぐれ且つ
化学的に不活性であるなど、電子放出材料として非常に
適した性質を有する。従って、上記のように、ダイヤモ
ンド或いはダイヤモンドを主成分とする材料を用いれ
ば、安定性の高い電子放出部を構成することが可能とな
る。

【００７３】また、この際に、電子放出部１を構成する
ダイヤモンド或いはダイヤモンドを主成分とする材料の
最表面原子が、水素原子との結合によって終端された構
造を含むことが好ましい。水素終端されたダイヤモンド
表面は負の電子親和力状態であることから、非常に電子
放出をし易い状態が得られ、電子放出に対してさらに適
したダイヤモンド表面を維持することが可能となる。こ
の様な安定表面を得るための結合水素原子量としては、
ほぼ全ての最表面炭素原子が水素原子と結合する約１×
１０¹⁵個／ｃｍ²以上とすることが好ましく、より好ま
しくは約２×１０¹⁵個／ｃｍ²以上とする。

【００７４】ある場合には、電子放出部１を構成するダ
イヤモンド或いはダイヤモンドを主成分とする材料の表
面層を、結晶欠陥を有する層とする。これによって、電
子放出部に伝達される電子量を増加させることが可能と
なる。その場合には、その結晶欠陥密度が約１×１０¹³
個／ｃｍ³以上、より好ましくは約１×１０¹⁵個／ｃｍ³
以上であることが好ましい。

【００７５】なお、電子放出部１を構成するダイヤモン
ド粒子は、非ダイヤモンド成分（例えば、グラファイト
或いはアモルファス炭素）を含んでいても構わない。但
し、この場合に、含まれる非ダイヤモンド成分は約１０
体積％より少ないことが好ましい。

【００７６】電子放出部１を構成するダイヤモンド粒子
の製造方法は、特に特定のプロセスに限定されるもので
はないが、欠陥の導入や表面処理の実施などを考慮する
と、気相合成法で合成したダイヤモンド膜をさらに粉砕
して作成することが、効果的である。

【００７７】なお、電子放出部１は、粒子或いは粒子の
凝集体であることが好ましい。これにより、任意の領域
に任意の密度で、電子放出部１を容易に分散して配置さ
せることができる。この場合、微細な素子構造の形成を
可能にし、且つ多数の電子放出部１を配置することがで
きるようにするためには、個々の粒子の平均粒径を約１
０μｍ以下、さらに好ましくは約１μｍ以下とする。ま
た、形成される電子放出素子の動作効率の向上や安定動
作の実現を達成するためには、好ましくは電子放出部
（粒子或いは粒子の凝集体）１の分布密度を約１×１０
⁸個／ｃｍ²以上とする。さらに、より大きな電子放出電
流を得るためには、上記の分布密度をさらに高密度化
（好ましくは約１×１０¹⁰個／ｃｍ²以上に）する。

【００７８】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態として、第１の実施形態として説明した本発明
の第１の基本構成を有する電子放出素子のある製造方法
を、図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。図７Ａ及び
図７Ｂは、本発明の第１の基本構成に従ったある実施形
態における電子放出素子２０の構成を、模式的に示す平
面図及び側面図である。

【００７９】具体的には、絶縁性基板４、例えばガラス
基板４の上に、所定の間隔（典型的には、例えばＬ＝約
０．１ｍｍ）を隔てて、例えばＡｕからなる１対の電極
２及び３を、例えば蒸着法により形成する。電極２及び
３は、例えば厚さＴ＝約０．３μｍ、幅Ｗ＝約０．５ｍ
ｍである。なお、基板４の構成材料は、絶縁性材料であ
ればガラスに限定されるものでない。また、電極２及び
３の構成材料も、Ａｕに限るものでない。

【００８０】次に、ダイヤモンド粒子（平均粒径は約
０．０１μｍ：トーメイダイヤモンド社製）を分散させ
た溶液中に、上記のような電極２及び３が形成された基
板４を設置して、超音波振動を約１５分間印加する。こ
こで、本実施形態では、上記の溶液として、約１リット
ルの純水に約２ｇのダイヤモンド粒子を分散し、さらに
約２リットルのエタノールを加えた後にフッ化水素酸を
数滴滴下した溶液（ｐＨ値＝約３）を用いる。すなわ
ち、溶液中のダイヤモンド粒子濃度は、溶液１リットル
当たり約０．６７ｇ（粒子数として溶液１リットル当た
り約４×１０¹⁷個）である。

【００８１】続いて、超音波振動処理の終了後に、溶液
中から基板４を取り出し、純水で約１０分間流水洗浄を
行う。さらにその後、窒素ガスのブロー及び赤外線照射
による加熱によって、基板４を乾燥させる。これによっ
て、本実施形態の電子放出素子２０が形成される。

【００８２】以上のようなプロセスで処理されたガラス
基板４の表面を走査電子顕微鏡で観察すると、Ａｕ電極
２及び３の間に、粒径が約０．０１μｍ〜約０．１０μ
ｍのダイヤモンド粒子及びダイヤモンドの凝集体１が、
約５×１０¹⁰個／ｃｍ²の分布密度で均一に分布してい
る。

【００８３】次に、図８に示す評価装置を用いて行っ
た、上記のようにして形成された電子放出素子２０から
の電子放出状態を確認する実験の結果を以下に説明す
る。

【００８４】具体的には、真空度が約４×１０^-9Ｔｏｒ
ｒの真空容器２２の内部に電子放出素子２０を設置し、
Ａｕ電極２及び３の間に、電源２６により約２００Ｖま
でのバイアス電圧を印加し、さらに、基板４から約１ｍ
ｍの間隔を隔てて相対する引き出し電極２１に、電源２
５によって約２ｋＶの正の電位を印加した。その結果、
ダイヤモンド粒子１が分布している面から引き出し電極
２１に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、電流計２３及び２４を用いた測定で
は、Ａｕ電極２及び３の間の印加電圧が約１００Ｖであ
る場合に、Ａｕ電極２及び３の間に流れる電流は約１ｍ
Ａであり、引き出し電極２２から約２μＡの電流（放出
電流）が流れ出ることが観測された。

【００８５】Ａｕ電極２及び３の間隔、及びダイヤモン
ド粒子１の分散密度を変化させてさらに実験を行ったと
ころ、Ａｕ電極２及び３間に流れる電流と放出電流との
割合（放出効率）が約０．０１％〜約０．５％程度の範
囲で、電子が放出されていることを確認することができ
た。

【００８６】比較のために、粒径の異なるダイヤモンド
粒子を使用して、各々の場合に得られるダイヤモンド粒
子の分散密度及び電極２及び３の間の印加電圧を測定し
た。その結果を、表１に示す。

【００８７】 （表１） サンプルＮｏ． 粒径（μｍ） 密度（個／ｃｍ²） 電極間電圧（Ｖ） １ ０．０１ ２×１０¹¹ ５０ ２ ０．０５ ４×１０¹⁰ ７０ ３ ０．１０ １×１０¹⁰ １５０ ４ ０．１５ ７×１０⁸ ２００ ５ ０．２０ ２×１０⁷ −− これより、ダイヤモンド粒子の粒径が大きくなると、粒
子の分散密度が小さくなる。この場合には、粒子間の間
隔が大きくなるために、電子放出を実現するために電極
間に印加されるべき電圧が大きくなり、放出効率が悪化
する。特に、上記のサンプルＮｏ．５のように粒径が約
０．２０μｍになると、電極間電圧を約２００Ｖに設定
しても、電子の放出は確認できなかった。

【００８８】このように、本発明において効率良く電子
を放出させるためには、基板４の表面における電子放出
部（ダイヤモンド粒子）１の分散設置密度が約１×１０
¹⁰個／ｃｍ²以上であることが必要である。これを実現
するためには、基板４を設置して超音波を印加する溶液
中に分散しているダイヤモンド粒子の密度を、１リット
ル当たり約１×１０¹⁵個より大きくする必要がある。但
し、溶液中のダイヤモンド粒子の密度が１リットル当た
り約１×１０²⁰個より大きくなると、基板４の表面にお
けるダイヤモンド粒子１の分散性が悪くなり、電子放出
部（ダイヤモンド粒子）１を基板４の表面でお互いに接
触することなく配置することが困難となる。

【００８９】また、ダイヤモンド粒子１の分散設置密度
は、超音波振動処理の条件によっても改善が図れる。

【００９０】具体的には、粒子径が約０．０１μｍのダ
イヤモンド粒子を用いて、前記のプロセス条件で超音波
振動処理条件のみを印加電力を約３００Ｗ、処理時間を
約３０分に変更して実験を行った。得られた基板の表面
状態を走査電子顕微鏡で観察したところ、ダイヤモンド
粒子の凝集体はほとんどなくなり、ダイヤモンド粒子の
みが均一に且つより高分布密度で分散していることが確
認された。これは、超音波処理条件の印加電力及び処理
時間が大きくなったことに起因すると考えられる。具体
的には、ダイヤモンド粒子の分布密度は、約１×１０¹¹
個／ｃｍ²であった。但し、必ずしも、粒子の凝集体の
存在が好ましくないわけではない。

【００９１】また、ダイヤモンド粒子を分散する溶液中
にフッ素原子が含まれると、基板と溶液との濡れ性が改
善されて、結果として得られる基板の上でのダイヤモン
ド粒子の分布密度が向上する。例えば、本実施形態で
は、前述のように溶液中にフッ化水素酸を滴下している
が、これに限るものではなく、フッ化アンモニウムなど
でも同様の効果がある。

【００９２】また、ダイヤモンド粒子を分散した溶液
は、水或いはアルコールを主成分とすることがよい。ま
た、その溶液のｐＨ値は、約７以下であることが好まし
い。ｐＨ値が約７より大きくなると、結果として得られ
る基板の上でのダイヤモンド粒子の分布密度が著しく低
下する。このｐＨ値の設定範囲に関連するダイヤモンド
粒子の分散密度の低下現象は、本実施形態における超音
波振動を用いた処理方法に限られるものでなく、ダイヤ
モンド粒子分散溶液を用いた他の処理方法でも、確認さ
れた。

【００９３】上記のように本発明の製造方法において
は、電子放出部の構成材料として非常に適したダイヤモ
ンドを、電子放出部となり得る微小粒子或いはその凝集
体の形態で、所定の基板の表面に再現性良く且つ任意密
度で容易に分散配置できて、電子放出素子を効率的に形
成できる。なお、本実施形態のようなダイヤモンド粒子
分散溶液中での超音波処理の代わりに、同溶液中での電
圧印加処理や、同溶液の基板表面への塗布によっても、
同様の効果を発揮する電子放出素子を得ることができ
る。

【００９４】なお、電子放出部として、ダイヤモンド以
外の電子が放出し易い他の材料（例えば、粒子状の窒化
ホウ素（ＢＮ）など）を用いても、上記とほぼ同様の結
果が得られる。

【００９５】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
として、ダイヤモンド粒子或いはダイヤモンド粒子の凝
集体からなる電子放出部に所定の表面処理を施す工程を
含む、本発明の電子放出素子の製造方法を説明する。

【００９６】本実施形態においても、第２の実施形態と
同様のプロセス（形成される電子放出素子やその各構成
要素の形状及びサイズも第２の実施形態の場合と同じ）
で、ガラス基板の２つの電極間に、ダイヤモンド粒子を
均一分布させる。その後に、本実施形態では、ダイヤモ
ンド粒子の表面構造制御の方法として、ダイヤモンド粒
子を、水素ガスを放電分解して得られるプラズマに曝
す。具体的には、例えば、水素ガスのマイクロ波プラズ
マ放電を利用してダイヤモンド粒子の表面を水素プラズ
マに曝すことができるが、水素プラズマを形成する手段
はこれに限定されるものではない。プラズマの発生条件
は、水素圧力が約２０Ｔｏｒｒ及びマイクロ波投入電力
が約１５０Ｗであり、プラズマに曝された基板温度は約
５００℃、その際の水素プラズマ照射時間は約３０秒間
である。

【００９７】このような処理の結果、水素プラズマに曝
された領域の最表面炭素原子は、水素原子と結合してい
ることが確認された。このとき、炭素原子と結合した水
素原子の量は、約１×１０¹⁵個／ｃｍ²であった。

【００９８】先述のように、ダイヤモンド最表面の炭素
原子が水素原子と結合すると、負の電子親和力を示すと
言われており、上記のような本実施形態の処理に従って
得られたダイヤモンド粒子でも、紫外光照射による観察
の結果、負の電子親和力が確認された。従って、本実施
形態では、負の電子親和力（ＮＥＡ特性）を備えたダイ
ヤモンド粒子或いはダイヤモンド粒子の凝集体からなる
電子放出部を備えた電子放出素子が具現化される。

【００９９】水素ガスの放電プラズマに対するダイヤモ
ンド粒子の暴露時間を上述の値から変えた場合、水素ガ
スをアルゴンや窒素で１０％程度に希釈した場合、或い
は他の方法で形成した水素プラズマに曝した場合などに
おいても、炭素原子と結合した水素原子の量が約１×１
０¹⁵個／ｃｍ²であれば、上記とほぼ同様の結果が得ら
れる。しかし、炭素原子と結合した水素原子の量が上記
の値よりも小さくなると、負の電子親和力の状態が不十
分となり、好ましくない。

【０１００】炭素原子と結合した水素原子の量を上記の
ような約１×１０¹⁵個／ｃｍ²という値以上とするに
は、水素プラズマに曝す時のダイヤモンド粒子（或いは
ダイヤモンド粒子が分布している基板）の温度を、約３
００℃以上に保持することが望ましい。

【０１０１】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図８の装置を用いて評価した。

【０１０２】具体的には、真空度が約４×１０^-9Ｔｏｒ
ｒの真空容器の内部に本実施形態の電子放出素子を設置
し、Ａｕ電極の間に１５０Ｖまでのバイアス電圧を印加
し、さらに、基板から約１ｍｍの間隔を隔てて相対する
引き出し電極に約２ｋＶの正の電位を印加した。その結
果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き出し電
極に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、Ａｕ電極の間の印加電圧が約１００Ｖ
である場合に、Ａｕ電極の間に流れる電流は約１．２ｍ
Ａであり、引き出し電極から約２６μＡの電流（放出電
流）が流れ出ることが観測された。

【０１０３】Ａｕ電極の間隔、及びダイヤモンド粒子の
分散密度を変化させてさらに実験を行ったところ、Ａｕ
電極間に流れる電流と放出電流との割合（放出効率）が
約０．５％〜約１０％程度の範囲で、電子が放出されて
いることを確認することができた。これは、第２の実施
形態の場合よりもさらに効率よく電子が放出されること
を示すものであり、電子放出部の表面の水素処理によ
り、電子放出がさらに容易になったためと考えられる。

【０１０４】なお、以上では、ダイヤモンド粒子を分布
させた後に水素プラズマに曝したが、これに限定される
ものではない。ダイヤモンド粒子にまず水素プラズマ処
理を施し、その後にこれを分散配置した場合も、同様の
結果になることを確認している。

【０１０５】（第４の実施形態）次に、第４の実施形態
として、ダイヤモンド粒子或いはダイヤモンド粒子の凝
集体からなる電子放出部の表面状態を制御する方法とし
て、ダイヤモンド粒子の表面にｐ型の欠陥を形成する工
程を含む、本発明の電子放出素子の製造方法を説明す
る。

【０１０６】本実施形態においても、第２の実施形態と
同様のプロセス（形成される電子放出素子及びその各構
成要素の形状及びサイズも第２の実施形態の場合と同
じ）で、ガラス基板の２つの電極間に、ダイヤモンド粒
子を均一分布させる。その後に、本実施形態では、気相
合成法によって、ダイヤモンド粒子をｐ型のダイヤモン
ド粒子に成長させる。ダイヤモンドの気相合成方法は、
特定のものに限定されるものではないが、一般的には、
炭化水素ガス（例えば、メタン、エタン、エチレン、ア
セチレンなど）や有機化合物（例えばアルコールやアセ
トンなど）、或いは一酸化炭素などで代表される炭素源
を水素ガスで希釈したものを原料ガスとして用いて、そ
の原料ガスにエネルギーを与えて分解することによっ
て、行なわれる。その際、さらに原料ガスに、適宜酸素
や水等を添加することもできる。

【０１０７】以下に説明する本実施形態においては、気
相合成法の一種であるマイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
って、ｐ型のダイヤモンド粒子を成長させる。これは、
原料ガスにマイクロ波を印加することによってプラズマ
化し、ダイヤモンドの形成を行なう方法である。具体的
な条件としては、原料ガスとして、水素によって約１ｖ
ｏｌ％〜約１０ｖｏｌ％程度に希釈された一酸化炭素ガ
スを用いて、ｐ型化する際には、原料ガスにジボランガ
スを添加する。反応温度及び圧力は、それぞれ約８００
℃〜約９００℃及び約２５Ｔｏｒｒ〜約４０Ｔｏｒｒで
ある。

【０１０８】或いは、マイクロ波プラズマＣＶＤ法に代
えて、例えば熱フィラメント法などの他の気相合成プロ
セスを使用することも可能である。

【０１０９】形成されたｐ型ダイヤモンド成長層の厚さ
は、典型的には約０．１μｍである。また、得られたｐ
型膜の中には、二次イオン質量分析によって約１×１０
¹⁸個／ｃｍ³のホウ素原子が含まれていることが確認さ
れ、その抵抗率は、約１×１０²Ω・ｃｍ以下である。

【０１１０】さらに、上記のような気相合成プロセスに
よって得られたダイヤモンドの最表面には水素が結合し
ており、紫外光照射によってｐ型ダイヤモンドの電子親
和力状態を評価した結果、負の電子親和力状態であるこ
とが確認できた。

【０１１１】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図８の装置を用いて評価した。

【０１１２】具体的には、真空度が約４×１０^-9Ｔｏｒ
ｒの真空容器の内部に本実施形態の電子放出素子を設置
し、Ａｕ電極の間に約１５０Ｖまでのバイアス電圧を印
加し、さらに、基板から約１ｍｍの間隔を隔てて相対す
る引き出し電極に約２ｋＶの正の電位を印加した。その
結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き出し
電極に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、Ａｕ電極の間の印加電圧が約８０Ｖで
ある場合に、Ａｕ電極の間に流れる電流は約１．１ｍＡ
であり、引き出し電極から約９μＡの電流（放出電流）
が流れ出ることが観測された。

【０１１３】Ａｕ電極の間隔、及びダイヤモンド粒子の
分散密度を変化させてさらに実験を行ったところ、Ａｕ
電極間に流れる電流と放出電流との割合（放出効率）が
約０．５％〜約１０％程度の範囲で、電子が放出されて
いることを確認することができた。これは、第２の実施
形態の場合よりもさらに効率よく電子が放出されること
を示すものである。

【０１１４】（第５の実施形態）次に、第５の実施形態
として、ダイヤモンド粒子或いはダイヤモンド粒子の凝
集体からなる電子放出部の表面状態を制御する方法とし
て、ダイヤモンド粒子の表面に第４の実施形態とは異な
る方法で欠陥を形成する工程を含む、本発明の電子放出
素子の製造方法を説明する。

【０１１５】本実施形態においても、第２の実施形態と
同様のプロセス（形成される電子放出素子及びその各構
成要素の形状及びサイズも第２の実施形態の場合と同
じ）で、ガラス基板の２つの電極間に、ダイヤモンド粒
子を均一分布させる。その後に、本実施形態では、ダイ
ヤモンド粒子の表面にイオン注入法でホウ素原子をイオ
ン注入し、さらに真空中で約８００℃の温度でアニーリ
ングする。さらにその後に、第３の実施形態で説明した
マイクロ波放電により形成した水素プラズマに曝し、負
の電子親和力を備えるダイヤモンド粒子を得る。

【０１１６】イオン注入時の加速電圧は約１０ｋＶであ
り、イオンの注入密度は約１×１０¹⁶個／ｃｍ³であ
る。また、上記の処理の結果として得られる表面膜の抵
抗率は、約３×１０²Ω・ｃｍ以下である。

【０１１７】本発明において注入される原子はホウ素に
限定されるものではないが、炭素原子に対して触媒作用
を備えた原子（例えば、鉄、ニッケル、コバルト、な
ど）は好ましくない。

【０１１８】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図８の装置を用いて評価した。

【０１１９】具体的には、真空度が約２×１０^-8Ｔｏｒ
ｒの真空容器の内部に本実施形態の電子放出素子を設置
し、Ａｕ電極の間に約１００Ｖまでのバイアス電圧を印
加し、さらに、基板から約１ｍｍの間隔を隔てて相対す
る引き出し電極に約２ｋＶの正の電位を印加した。その
結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き出し
電極に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、Ａｕ電極の間の印加電圧が約４５Ｖで
ある場合に、Ａｕ電極の間に流れる電流は約０．７ｍＡ
であり、引き出し電極から約２μＡの電流（放出電流）
が流れ出ることが観測された。

【０１２０】Ａｕ電極の間隔、及びダイヤモンド粒子の
分散密度を変化させてさらに実験を行ったところ、Ａｕ
電極間に流れる電流と放出電流との割合（放出効率）が
約０．５％〜約８％程度の範囲で、電子が放出されてい
ることを確認することができた。これは、第２の実施形
態の場合よりもさらに効率よく電子が放出されることを
示すものである。

【０１２１】なお、以上では、ダイヤモンド粒子を分布
させた後にイオン注入処理を行っているが、これに限定
されるものではない。ダイヤモンド粒子にまずイオン注
入処理を施し、その後にこれを分散配置した場合も、同
様の結果になることを確認している。

【０１２２】（第６の実施形態）次に、第６の実施形態
として、ダイヤモンド粒子或いはダイヤモンド粒子の凝
集体からなる電子放出部に、他の所定の表面処理を施す
工程を含む、本発明の電子放出素子の製造方法を説明す
る。

【０１２３】本実施形態においても、第２の実施形態と
同様のプロセス（形成される電子放出素子及びその各構
成要素の形状及びサイズも第２の実施形態の場合と同
じ）で、ガラス基板の２つの電極間に、ダイヤモンド粒
子を均一分布させる。その後に、本実施形態では、ダイ
ヤモンド粒子の表面構造制御の方法として、ダイヤモン
ド粒子表面を高温水素ガス雰囲気中に曝す。具体的に
は、水素ガスを流した円筒形の容器内にダイヤモンド粒
子が分布された基板を設置し、約６００℃で約３０分間
加熱する。

【０１２４】このような処理の結果、水素プラズマに曝
された領域の最表面炭素原子は、水素原子と結合してい
ることが確認された。このとき、炭素原子と結合した水
素原子の量は、約１×１０¹⁶個／ｃｍ²であった。さら
に、紫外線照射で観測した結果、ダイヤモンド粒子表面
の電子親和力が正から負に変わっていることが確認さ
れ、このプロセスを用いることによって、電子放出部と
なるダイヤモンド粒子表面の電子親和力を制御すること
が可能であることが確認された。

【０１２５】また、容器に流す水素ガスをアルゴンや窒
素で１０％程度に希釈した場合、加熱温度を約４００℃
〜約９００℃の範囲で変化した場合、或いは加熱時間を
変化させた場合などにおいても、炭素原子と結合した水
素原子の量が約１×１０¹⁵個／ｃｍ²であれば、上記と
ほぼ同様の結果が得られる。しかし、炭素原子と結合し
た水素原子の量が上記の値よりも小さくなると、負の電
子親和力の状態が不十分となり、好ましくない。

【０１２６】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図８の装置を用いて評価した。

【０１２７】具体的には、真空度が約２×１０^-7Ｔｏｒ
ｒの真空容器の内部に本実施形態の電子放出素子を設置
し、Ａｕ電極の間に約１５０Ｖまでのバイアス電圧を印
加し、さらに、基板から約１ｍｍの間隔を隔てて相対す
る引き出し電極に約２ｋＶの正の電位を印加した。その
結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き出し
電極に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、Ａｕ電極の間の印加電圧が約１００Ｖ
である場合に、Ａｕ電極の間に流れる電流は約１．０ｍ
Ａであり、引き出し電極から約２０μＡの電流（放出電
流）が流れ出ることが観測された。

【０１２８】Ａｕ電極の間隔、及びダイヤモンド粒子の
分散密度を変化させてさらに実験を行ったところ、Ａｕ
電極間に流れる電流と放出電流との割合（放出効率）が
約０．５％〜約１０％程度の範囲で、電子が放出されて
いることを確認することができた。これは、第２の実施
形態の場合よりもさらに効率よく電子が放出されること
を示すものであり、電子放出部の表面の水素処理によ
り、電子放出がさらに容易になったためと考えられる。

【０１２９】（第７の実施形態）次に、第７の実施形態
として、分布配置されて電子放出部を形成するダイヤモ
ンド粒子の質を変えた場合について、以下に説明する。

【０１３０】本実施形態においても、第２の実施形態と
同様のプロセス（形成される電子放出素子及びその各構
成要素の形状及びサイズも第２の実施形態の場合と同
じ）で、ガラス基板の２つの電極間に、ダイヤモンド粒
子を均一分布させる。このときのダイヤモンド粒子とし
て、本実施形態では、直流プラズマジェットＣＶＤ法で
合成したダイヤモンド膜（合成条件：水素／Ａｒの比＝
約０．２５，メタン／水素の比＝約０．２０、基板温度
＝約９６０℃、合成速度＝約６μｍ／分）を粉砕して作
製したものを使用する。これによって得られるダイヤモ
ンド粒子の粒子径は約１００μｍであり、また、これを
利用して最終的に形成される電子放出素子におけるダイ
ヤモンド粒子（電子放出部）の分布密度は、約２００個
／ｃｍ²である。

【０１３１】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図８の装置を用いて評価した。

【０１３２】具体的には、真空度が約５×１０^-7Ｔｏｒ
ｒの真空容器の内部に本実施形態の電子放出素子を設置
し、Ａｕ電極の間に約２５０Ｖまでのバイアス電圧を印
加し、さらに、基板から約１ｍｍの間隔を隔てて相対す
る引き出し電極に約２ｋＶの正の電位を印加した。その
結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き出し
電極に向かって、電子が放出されていることが確認され
た。具体的には、Ａｕ電極の間の印加電圧が約１５０Ｖ
である場合に、Ａｕ電極の間に流れる電流は約０．５ｍ
Ａであり、引き出し電極から約０．５μＡの電流（放出
電流）が流れ出ることが観測され、放出効率は約０．１
％であった。高圧合成法でほぼ同じサイズのダイヤモン
ド粒子を形成しても、そこからの電子放出が確認できな
いことから、本実施形態に従って高速合成したダイヤモ
ンド膜中に含まれる欠陥、或いは非ダイヤモンド成分
（特に結晶界面に存在すると考えられている）が、本実
施形態によって形成されたダイヤモンド粒子（電子放出
部）からの電子放出メカニズムをもたらしていると考え
られる。

【０１３３】（第８の実施形態）次に、本発明の第８の
実施形態として、第１〜第７の実施形態としてこれまで
に説明してきたものとは異なる第２の基本構成を有する
電子放出素子を、以下に説明する。

【０１３４】本発明の電子放出素子の第２の基本構成に
よれば、所定の間隔を隔てて配置された少なくとも２つ
以上の電極と、これらの電極に電気的に接続して電極間
に配置された導電層と、これらの電極の間に相当する導
電層の表面に分散して配置された粒子或いは粒子の凝集
体からなる複数個の電子放出部と、が設けられる。図９
Ａ及び図９Ｂは、そのような本発明の第２の基本構成に
従ったある実施形態における電子放出素子８０の構成
を、模式的に示す平面図及び側面図である。

【０１３５】具体的には、電子放出素子８０の構成で
は、絶縁性基板５４の表面に、導電層５５、及びその導
電層５５の両端にそれぞれ配置された２つの電極５２及
び５３が、形成されている。電極５２及び５３の間にお
ける導電層５４の表面には、各々が粒子或いは粒子の凝
集体からなる複数の電子放出部５１が分散されている。

【０１３６】図１０は、電子放出素子８０の電子放出部
５１の近傍を拡大して示す断面図である。さらに、この
図１０は、本実施形態（本発明の第２の基本構成）の電
子放出素子８０における電子放出の概念を、模式的に表
している。

【０１３７】図９Ａ及び図９Ｂに示す電極５２及び５３
の間にバイアス電圧を印加すると、導電層５５の面内方
向に一定電流が流れる。流れる電流量は導電層５５の厚
さやサイズ、或いは電気抵抗値などに依存するが、典型
的には約１ｍＡ〜約１００ｍＡ程度の電流が流れるよう
に諸パラメータを設定する。

【０１３８】この導電層５５の内部の面内電流によっ
て、図１０に模式的に示すように、導電層５５の内部を
電子６１が移動する。このとき、導電層５５の表面に
は、電子が外部に放出され易いような構造（例えば、エ
ネルギーバンド状態）を有する電子放出部５１が配置さ
れているので、導電層５５を移動する電子６１の一部
は、電子放出部５１の内部或いは表面層（不図示）に引
き寄せられる。さらに、そのようにして電子放出部５１
に入った電子６２は、電子放出部５１のエネルギーバン
ド状態の作用などによって外部に取り出されて、放出電
子６３となる。複数の電子放出部５１を導電層５５の表
面に適切な密度で分散して配置することによって、導電
層５５の内部を流れる電流の多くを、効率的に且つ均一
に、放出電子６３として外部に取り出すことができる。
この外部に取り出される放出電子６３の量は、導電層５
５の面内方向に流れる電流量の制御によって、変調され
得る。

【０１３９】図１０では、この放出電子６３の取り出し
方向を上向きの矢印で模式的に示しているが、必ずし
も、常に絶縁性基板５５の表面から実質的に垂直或いは
それに近い方向に向かうわけではない。但し、第１の基
本構成に関連して第１の実施形態にて説明したように、
絶縁性基板５４に相対して第３の電極（引き出し電極）
を設けて、これに正のバイアス電圧を印加すると、電子
の外部への取り出し方向が実質的に一方向に揃うととも
に、取り出し効率が向上する。さらに、同様に第１の実
施形態で説明した様々な電極配置を組み合わせることに
よって、放出電子６３の加速エネルギーや放出軌道の制
御を行うことができる。

【０１４０】本実施形態の電子放出素子８０において
は、導電層５５の面内方向に電流を流すだけで、上記の
ように放出電子６３を得ることができるが、通電と同時
に導電層５５を加熱すれば、加熱に伴う熱エネルギーの
助けを得て、より効率的な電子放出が実現される。この
場合においても、好ましい導電層５５の面内電流量は、
前記と同様である。また、好ましい加熱温度は、導電層
５５の材料やサイズなどに依存するが、典型的には約３
００℃〜約６００℃に設定する。上記の目的での加熱
は、導電層５５を外部から加熱する機構（例えばヒータ
層など）を備えても良く、或いは、導電層５５に通電す
ること自体によって発生するジュール熱で加熱する構成
としても良い。

【０１４１】なお、図９Ａ及び図９Ｂに示す例では、導
電層５５の端部を被覆するように電極５２及び５３が配
置されているが、この限りではなく、絶縁性基板５４の
上に電極５２及び５３を形成した後に、さらにその上に
導電層５５の一部を積層する構成でも良い。また、導電
層５５は１つに限るものではなく、電極５２及び５３の
間に複数個配置することもできる。

【０１４２】導電層５５は、金属或いはｎ型半導体から
選ばれる何れか材料で構成されることが好ましい。これ
によって、適切な大きさの面内電流を流すことができる
導電層５５が、比較的容易に形成できる。導電層５５を
金属で構成する場合には、タングステン（Ｗ）、白金
（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属が好まし
く、一方、ｎ型半導体で構成する場合には、シリコン系
非晶質半導体（例えば、a-Si或いはa-SiCなど）や微結
晶シリコン（μc-Si）、さらには多結晶シリコン（poly
-Si）などが好ましい。導電層５５の材質が金属である
場合には、電極５２及び５３の形成を省略することもで
きる。

【０１４３】導電層５５の電気抵抗率の好ましい範囲
は、導電層５５のサイズに依存するが、典型的には約１
０^-6Ω・ｃｍ〜約１０⁴Ω・ｃｍに設定する。

【０１４４】さらに、電子放出素子８０の構成におい
て、導電層５５の厚さを、好ましくは１００ｎｍ以下に
設定する。これによって、導電層５５の内部を流れる電
子６１を電子放出部５１に効率的に伝達することが可能
となる。さらに導電層５５の全体での電気抵抗値が電子
放出部５１の電気抵抗値よりも高くなるように、導電層
５５の構成材料や形状を適切に設定すれば、上記の効果
がより顕著となる。

【０１４５】以上のような構成により電子の放出が実現
されるが、より効率的な電子放出特性を得るためには、
電子放出部５１の構成や材料として好適なものを選択す
ることが重要である。そこで、本実施形態においても、
第１の基本構成の場合と同様に、点在する電子放出部５
１を、好ましくはダイヤモンド或いはダイヤモンドを主
成分とする材料（粒子或いはその粒子の凝集体）から構
成する。この点に関連する特徴や効果は、既に第１の実
施形態などを参照して説明しているので、ここではその
記述を省略する。

【０１４６】また、上記のような電子放出素子８０の構
成に対して、第１の実施形態に関連して説明した様々な
電極構成（電極５２及び５３、及び、その他の目的で設
けられる付加的な電極）や電子放出部の配置の様々な改
変を適用することも、可能である。その際に得られる特
徴や効果に関しても、重複するのでここではその記述を
省略する。

【０１４７】（第９の実施形態）次に、本発明の第９の
実施形態として、第８の実施形態として説明した基本構
成を有する電子放出素子のある製造方法を、再び図９Ａ
及び図９Ｂを参照して説明する。

【０１４８】具体的には、まず基板５４を準備する。基
板５４の構成材料は特に限定されるものではないが、以
下では石英ガラスを用いる。この石英ガラス基板５４の
上に、導電層５５として、ｎ型微結晶シリコン（μc-S
i）層５５を例えばプラズマＣＶＤ法によって、典型的
には約２００ｎｍの厚さに形成する。但し、導電層５５
の形成方法は、他のプロセスによってもよい。

【０１４９】次に、導電層（μc-Si層）５５をフォトリ
ソグラフィ工程及びエッチング工程でパターニングす
る。パターンサイズは適宜選択されるが、本実施形態で
は、幅Ｗ＝５０μｍ及び長さＬ＝５μｍの矩形パターン
を形成する。

【０１５０】次に、この導電層（μc-Si層）５５の上
に、平均粒径が約０．１μｍであるダイヤモンド粒子を
分散させた溶液を塗布する。例えば、約１リットルの純
水に約１ｇのダイヤモンド粒子を分散した溶液を、スピ
ンコート法で塗布する。さらにその後、赤外線照射によ
る加熱によって、基板５４を乾燥させる。ここまでのプ
ロセスの終了時に、導電層５５の表面を観察すると、ダ
イヤモンド粒子及びダイヤモンドの凝集体が、約５×１
０⁸個／ｃｍ²の分布密度で均一に分布している。

【０１５１】乾燥工程の後に、導電層５５の両端に、電
極５２及び５３となるアルミニウム（Ａｌ）層を形成す
る。これによって、本実施形態の電子放出素子が形成さ
れる。但し、電極５２及び５３の構成材料はＡｌに限ら
れない。

【０１５２】次に、図１１に示す評価装置を用いて行っ
た、上記のようにして形成された電子放出素子８０から
の電子放出状態を確認する実験の結果を以下に説明す
る。

【０１５３】具体的には、真空度が約１×１０^-7Ｔｏｒ
ｒの真空容器９２の内部に電子放出素子８０を設置し、
電極５２及び５３の間に、電源９６によりバイアス電圧
を印加し、さらに、基板５４から約１ｍｍの間隔を隔て
て相対する引き出し電極９１に、電源９５によって約１
ｋＶの正の電位を印加した。その結果、ダイヤモンド粒
子５１が分布している面から引き出し電極９１に向かっ
て、電子が放出されていることが確認された。具体的に
は、電流計９３及び９４を用いた測定では、電極５２及
び５３の間の印加電圧が約１０Ｖである場合に、電極５
２及び５３の間（導電層５５の内部）に流れる電流（素
子電流）は約１００μＡであり、引き出し電極９１から
約１μＡの電流（放出電流）が流れ出ることが観測され
た。

【０１５４】導電層５５への印加電圧を約１Ｖ〜約３０
Ｖの範囲で変化させたところ、導電層５５を流れる電流
（素子電流）の大きさの変化に応じて、引き出し電極９
１から外部に取り出される電流（放出電流）の大きさが
変化し、その際の素子電流量に対する放出電流量の割合
（放出効率）は、約１％であった。

【０１５５】また、比較例として、上記と同様のプロセ
スで作製した電子放出素子に対して、電極５２及び５３
の間に電圧を印加しない状態（すなわち導電層５５に電
流が流れていない状態）で、図１１の装置によって上記
と同様の測定を行ったが、電子放出電流は検出されなか
った。また、導電層５５の上にダイヤモンド粒子が分布
されていない比較試料（その他の構成は本実施形態によ
る電子放出素子８０の構成と同じ）を作成し、図１１の
装置によって約１０Ｖの電圧を電極５２及び５３の間に
印加して上記と同様の測定を行ったところ、素子８０の
導電層５５には前述のケースと同様の約１００μＡの電
流が流れたが、引き出し電極９１からの放出電流は、検
出されなかった。これらのことから、導電層５５の中の
面内電流及び導電層５５の表面の電子放出部５１（ダイ
ヤモンド粒子或いはその凝集体）の存在が、本発明の第
２の基本構成における電子放出メカニズムに必須である
ことが確認された。

【０１５６】なお、上記のようなダイヤモンド粒子分散
溶液の塗布による方法の代わりに、ダイヤモンド粒子の
導電層の上への直接散布、或いはダイヤモンド粒子分散
溶液を使用する他のプロセス（例えば、同溶液中での超
音波処理や電圧印加処理）の使用によっても、上記と同
様の効果を発揮する電子放出素子を得ることができる。
また、ダイヤモンド粒子の粒径や分布密度を変えても、
上記とほぼ同様の効果が得られる。

【０１５７】なお、電子放出部として、ダイヤモンド以
外の電子が放出し易い他の材料（例えば、粒子状の窒化
ホウ素（ＢＮ）など）を用いても、上記とほぼ同様の結
果が得られる。

【０１５８】（第１０の実施形態）次に、第１０の実施
形態として、導電層５５の材質を変えた場合について、
以下に説明する。なお、本実施形態においても、使用す
る基板５４、及び電子放出部５１として用いるダイヤモ
ンド粒子の材質やその分布方法などは、第９の実施形態
と同様である。

【０１５９】本実施形態では、導電層５５の材質とし
て、電子ビーム蒸着法で形成した厚さ約１００ｎｍのタ
ングステン（Ｗ）層を用いる。第９の実施形態と同様
に、Ｗ層は通常のフォトリソグラフィ工程及びエッチン
グ工程で、例えば幅Ｗ＝約１０μｍ及び長さＬ＝約２０
０μｍの矩形パターンにパターニングする。ここで、本
実施形態では、導電層５５それ自体が金属であり、電極
５２及び５３を別要素として形成する必要がない。そこ
で、上記のＷ層のパターニング時に、導電層５５として
機能する箇所の両端に、電極部として機能する配線用パ
ターン（サイズ＝約５００μｍ×約５００μｍ）を同時
に形成する。このようにパターニングされた導電層（Ｗ
層）の上に、平均粒径が約０．１μｍのダイヤモンド粒
子を分散させた溶液を、前述と同様に塗布する。

【０１６０】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図１１の装置を用いて評価した。評価
条件は、第９の実施形態で説明したものと同様である。
その結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き
出し電極に向かって、電子が放出されていることが確認
された。具体的には、導電層への印加電圧が約１Ｖであ
る場合に、導電層に流れる電流は約４０ｍＡであり、引
き出し電極から約４０μＡの電流（放出電流）が流れ出
ることが観測された。さらに、導電層への印加電圧を変
化させたところ、導電層を流れる電流（素子電流）の大
きさの変化に応じて、引き出し電極から外部に取り出さ
れる電流（放出電流）の大きさが変化し、その際の素子
電流量に対する放出電流量の割合（放出効率）は、約
０．１％であった。

【０１６１】さらに、Ｗからなる導電層を約３５０℃に
加熱した状態で上記と同様の評価試験を行ったところ、
熱エネルギーを補助として電子の放出が容易となったた
めに、放出効率は約０．５％まで向上した。

【０１６２】なお、上記のようなダイヤモンド粒子分散
溶液の塗布による方法の代わりに、ダイヤモンド粒子の
導電層の上への直接散布、或いはダイヤモンド粒子分散
溶液を使用する他のプロセス（例えば、同溶液中での超
音波処理や電圧印加処理）の使用によっても、上記と同
様の効果を発揮する電子放出素子を得ることができる。
また、ダイヤモンド粒子の粒径や分布密度を変えても、
上記とほぼ同様の効果が得られる。

【０１６３】なお、電子放出部として、ダイヤモンド以
外の電子が放出し易い他の材料（例えば、粒子状の窒化
ホウ素（ＢＮ）など）を用いても、上記とほぼ同様の結
果が得られる。

【０１６４】（第１１の実施形態）次に、第１１の実施
形態として、使用するダイヤモンド粒子に前処理を施す
工程を含む、本発明の第２の基本構成を有する電子放出
素子の製造方法を説明する。なお、本実施形態において
も、使用する基板５４及び導電層５５の材質、及び電子
放出部５１として用いるダイヤモンド粒子の分布方法な
どは、第９の実施形態と同様である。

【０１６５】本実施形態でも、第９の実施形態と同様
に、導電層（μc-Si層）の上に平均粒径が約０．１μｍ
のダイヤモンド粒子を分散させた溶液を塗布し、ダイヤ
モンド粒子を導電層の表面に分散配置する。その後に、
導電層の両端に電極となるアルミニウム層（Ａｌ）を形
成する。但し、本実施形態では、水素雰囲気中にて約６
００℃で約３時間の加熱処理を施したダイヤモンド粒子
を使用する。本願発明者らによる検討によれば、以上の
ような方法で得られた導電層上のダイヤモンド粒子の表
面は、水素原子と結合した状態で終端しており、その水
素原子量は約１．５×１０¹⁵個／ｃｍ²であることが確
認された。

【０１６６】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図１１の装置を用いて評価した。評価
条件は、第９の実施形態で説明したものと同様である。
その結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き
出し電極に向かって、電子が放出されていることが確認
された。具体的には、導電層への印加電圧が約１０Ｖで
ある場合に、導電層に流れる電流は約１００μＡであ
り、引き出し電極から約１．５μＡの電流（放出電流）
が流れ出ることが観測された。従って、本実施形態によ
れば、電子放出部として機能するダイヤモンド粒子の表
面状態を制御することによって、先に説明した実施形態
の場合よりも効率的な電子放出が実現される。

【０１６７】（第１２の実施形態）次に、第１２の実施
形態として、使用するダイヤモンド粒子に他の前処理を
施す工程を含む、本発明の第２の基本構成を有する電子
放出素子の製造方法を説明する。なお、本実施形態にお
いても、使用する基板５４及び導電層５５の材質、及び
電子放出部５１として用いるダイヤモンド粒子の分布方
法などは、第９の実施形態と同様である。

【０１６８】本実施形態でも、第９の実施形態と同様
に、導電層（μc-Si層）の上に平均粒径が約０．１μｍ
のダイヤモンド粒子を分散させた溶液を塗布し、ダイヤ
モンド粒子を導電層の表面に分散配置する。その後に、
導電層の両端に電極となるアルミニウム層（Ａｌ）を形
成する。但し、本実施形態では、その表面層にイオン注
入処理を施すことによって結晶欠陥が導入されたダイヤ
モンド粒子を使用する。具体的には、例えば炭素（Ｃ）
イオン或いはホウ素（Ｂ）イオンを約４０ｋｅＶの加速
エネルギーで、ドーズ量として約５×１０¹³個／ｃｍ²
が得られるように、注入する。本願発明者らによる検討
によれば、以上のような方法で得られた導電層上のダイ
ヤモンド粒子の表面層（厚さ約５０ｎｍ）には、約１×
１０²⁰個／ｃｍ³の結晶欠陥が導入されていることが確
認された。

【０１６９】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図１１の装置を用いて評価した。評価
条件は、第９の実施形態で説明したものと同様である。
その結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き
出し電極に向かって、電子が放出されていることが確認
された。具体的には、導電層への印加電圧が約１０Ｖで
ある場合に、導電層に流れる電流は約１００μＡであ
り、引き出し電極から約２μＡの電流（放出電流）が流
れ出ることが観測された。従って、本実施形態によれ
ば、電子放出部として機能するダイヤモンド粒子の表面
状態を制御することによって、先に説明した実施形態の
場合よりも効率的な電子放出が実現される。

【０１７０】（第１３の実施形態）次に、本発明の第１
３の実施形態として、第１０の実施形態のようにパター
ニングされたＷ層を形成し、その上にダイヤモンド粒子
を配置した後に、さらにその粒子を核としてダイヤモン
ドを追成長させることによって、本発明の第２の基本構
成を形成する製造方法を、以下に説明する。なお、本実
施形態においても、使用する基板５４及び導電層５５の
材質、及び電子放出部５１として用いるダイヤモンド粒
子の分布方法などは、第９の実施形態と同様である。

【０１７１】本実施形態では、第１０の実施形態と同様
にしてパターニングされたＷ層を形成し、その上に平均
粒径が約０．１μｍのダイヤモンド粒子を分散配置す
る。その後に、Ｗ層の上に分布されたダイヤモンド粒子
の上に、さらにダイヤモンド層を追成長させる。ダイヤ
モンド層の追成長のための合成方法は特に限定されない
が、本実施形態においては、原料ガスをマイクロ波でプ
ラズマ化してダイヤモンドの形成を行なうマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド追成長を行う。
具体的には、原料ガスとして、水素（Ｈ₂）で約１ｖｏ
ｌ％〜約１０ｖｏｌ％程度に希釈された一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）ガスを用いて、反応温度及び圧力をそれぞれ約８０
０℃〜約９００℃及び約２５Ｔｏｒｒ〜約４０Ｔｏｒｒ
に設定し、成長時間を約１分〜約３分間とする。

【０１７２】以上のような方法で、Ｗ層の上に分散配置
されたダイヤモンド粒子の上に新たに気相合成によるダ
イヤモンド層を形成（追成長）した結果、導電層である
Ｗ層の上に配置されたダイヤモンド粒子の大きさは、約
０．２μｍ〜約０．５μｍとなる。また、本願発明者ら
による検討によれば、以上のような方法で得られたＷ層
上のダイヤモンド粒子の表面は、水素原子と結合した状
態で終端していることが確認された。

【０１７３】以上のようにして形成された電子放出素子
を、先に説明した図１１の装置を用いて評価した。評価
条件は、第９の実施形態で説明したものと同様である。
その結果、ダイヤモンド粒子が分布している面から引き
出し電極に向かって、電子が放出されていることが確認
された。具体的には、導電層への印加電圧が約１Ｖであ
る場合に、導電層に流れる電流は約４０ｍＡであり、引
き出し電極から約６０μＡの電流（放出電流）が流れ出
ることが観測された。従って、本実施形態によれば、電
子放出部として機能するダイヤモンド粒子の表面状態を
制御することによって、先に説明した実施形態の場合よ
りも効率的な電子放出が実現される。

【０１７４】（第１４の実施形態）次に、本発明の第１
４の実施形態として、以上に説明した本発明の電子放出
素子を複数個使用して構成される電子放出源を説明す
る。図１２は、本実施形態における電子放出源２００の
構成を模式的に示す図である。

【０１７５】この電子放出源２００は、互いに電気的に
絶縁された複数のＸ方向配線（Ｘ１〜Ｘｍ）１５１、及
び同様に互いに電気的に絶縁された複数のＹ方向配線
（Ｙ１〜Ｙｎ）１５２を、お互いに直交する方向に配置
する。そして、Ｘ方向配線１５１及びＹ方向配線１５２
の各交差点の近傍に、本発明に係る電子放出素子１００
をそれぞれ配置する。このとき、各電子放出素子１００
に含まれる電極１３０及び１２０を、対応するＸ方向配
線１５１及びＹ方向配線１５２のそれぞれに電気的に接
続する。このようにして、複数の電子放出素子１００が
２次元的に配列されて単純マトリクス配線された構成が
得られる。なお、電子は、電極１２０及び１３０の間の
領域１４０から放出される。

【０１７６】Ｘ方向配線１５１及びＹ方向配線１５２の
数（すなわちｍ及びｎの値）は、特定の値に限られるも
のではない。例えば、１６×１６のようにｍ及びｎを同
じ数にしたり、或いはｍとｎとを異なる数にしてもよ
い。

【０１７７】図１２の電子放出源２００の構成によれ
ば、各電子放出素子１００の個々の電極１２０及び１３
０に与える電圧を入力信号として、トータルの電子放出
量を制御することができる。その際に、入力信号として
電圧を印加すべき電子放出素子１００の個数を変化させ
たり、或いは各々の電子放出素子１００に与える電圧値
を変えることによって、電子放出量が変調できる。

【０１７８】さらに、図１２の構成を有する電子放出源
２００は、従来技術による構成と比較して、電子放出効
率が高く且つ電子放出量の経時変化も小さい。

【０１７９】また、図１２の構成における２次元配列状
の電子放出素子１００に対して、Ｘ方向及びＹ方向に分
布を有する入力信号を与えると、その入力信号の分布に
対応した電子放出分布が得られる。

【０１８０】このように、本実施形態の電子放出源２０
０によれば、高効率な電子放出素子１００を多数有して
いるために、小さな電力で大きな電子放出電流が得られ
る。さらに、電子放出領域の広域化が可能である。さら
に、入力信号に応じて個々の電子放出素子１００からの
電子放出量を制御できるので、任意の電子放出分布を得
ることが可能となる。

【０１８１】（第１５の実施形態）本実施形態では、上
述の第１４の実施形態にて作製した電子放出源２００を
用いて形成される、蛍光体を発光させる画像表示装置３
００を説明する。図１３は、本実施形態の画像表示装置
３００の構成を示す概略図である。

【０１８２】図１３の画像表示装置３００は、本発明の
電子放出素子１００を単純マトリクス配線した電子放出
源２００（第１４の実施形態を参照）を含む。このと
き、先の実施形態で説明したように、電子放出源２００
に含まれた個々の電子放出素子１００は、選択的に独立
して駆動され得る。電子放出源２００はバックプレート
３４１の上に固定されており、それに対向するように、
フェースプレート３４２がサイドプレート３４５によっ
て支えられて配置され、容器（エンクロージャー）を形
成している。なお、フェースプレート３４２の内面（バ
ックプレート３４１に対向する面）には、透明電極３４
３及び蛍光体３４４が形成されている。

【０１８３】フェースプレート３４２、バックプレート
３４１、及びサイドプレート３４５で構成される容器
は、その内部を真空に保持する必要がある。従って、各
プレート間の接合部は、真空漏れが生じないように封止
される。本実施形態では、フリットガラスを窒素雰囲気
中で約５００℃の温度にて焼成し、封着している。封着
後に、各プレートで形成される容器の内部を、必要に応
じて加熱しながら、イオンポンプなどのオイルレス排気
ポンプにより約１×１０^-7Ｔｏｒｒ以上の高真空雰囲気
になるまで排気し、その後に最終的に封止する。この真
空度を保持するために、容器内にゲッター（不図示）が
配置される。

【０１８４】フェースプレート３４２の内面の蛍光体３
４４は、ブラックストライブ配列とされており、例えば
印刷法で形成する。一方、透明電極３４３は、放出され
た電子を加速するためのバイアス電圧を印加する引き出
し電極として作用するものであり、例えばＲＦスパッタ
リング法で形成する。

【０１８５】或いは、放出された電子を加速するための
構成としては、このような透明電極（引き出し電極）３
４３を設ける代わりに、蛍光体３４４の表面に非常に薄
いメタルバックを設ける方法がある。この構成において
も、本実施形態の効果が有効に得られる。

【０１８６】このような構成の画像表示装置３００にお
いて、外部の所定の駆動回路（不図示）からＸ側配線及
びＹ側配線（第１４の実施形態における図１２を参照）
を通じて、各電子放出素子１００に所定の入力信号を印
加する。これによって、各電子放出素子１００からの電
子放出を制御し、放出された電子によって蛍光体３４４
を所定のパターンで発光させる。これにより、高輝度で
高精細な画像を表示できる、フラットパネルディスプレ
イのような画像表示装置を得ることができる。

【０１８７】なお、各プレートによって形成される容器
は、以上で説明した構成に限られるものではなく、例え
ば、大気圧に対して十分な強度を確保するために、フェ
ースプレート３４２とバックプレート３４１との間にさ
らに支持体が設置されている構成であっても構わない。
また、発せられる電子ビームのフォーカス性をさらに改
善するために、電子放出源２００とフェースプレート３
４２との間に、さらにフォーカス電極（絞り制御用電
極）が設置されている構成とすることもできる。

【０１８８】以上のように、本実施形態における画像表
示装置３００は、少なくとも、複数の電子放出素子１０
０を含む電子放出源２００と、蛍光体３４４などの画像
形成部材と、これらの電子放出源２００や画像形成部材
を真空状態に保持する容器と、を含み、入力信号に応じ
て電子放出源（各電子放出素子１００）から放出される
電子を画像形成部材（蛍光体３４４）に加速して照射す
ることで、画像を形成する。特に、電子放出源として、
高効率及び安定性の高い電子放出が可能な本発明による
電子放出源を配置することによって、制御性良く高輝度
に蛍光体を発光させることが可能となる。

【０１８９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、水平方
向に所定の間隔で配置された電極間に発生する横方向電
界、或いは上記の電極間に配置された導電層内を流れる
面内電流を利用して、電子の取り出し（放出）方向に沿
った外部からのバイアス電圧（電界）が印加されていな
い状態でも、効率よく且つ均一に電子を放出することが
できる、安定性の高い電子放出素子が得られる。また、
適切な引き出し電極を設けて適切なバイアス電圧（電
界）を印加すれば、電子の外部への取り出し（放出）方
向を実質的に一方向に揃えることができるとともに、電
子の外部への取り出し（放出）効率を向上させることが
できる。さらに、電極の構成や形状の適切な設定、或い
は付加的な電極の設置などによって、放出される電子の
軌道や得られる電子ビームの径やフォーカス性の制御
が、可能である。

【０１９０】電子放出部をダイヤモンド或いはダイヤモ
ンドを主成分とする材料（粒子或いはその凝集体）で構
成すれば、安定性の高い電子放出部が得られる。また、
粒子などの表面状態や欠陥の状態などを適切に制御する
ことによって、より効率的且つ安定した電子放出が実現
される。

【０１９１】また、本発明に係る電子放出素子を複数個
使用し、例えばそれらを２次元アレイ状に配置すれば、
電子放出領域の広域化が可能となる。また、その際に、
各電子放出素子への電気的接続状態を適切に設定すれ
ば、入力信号に応じて個々の電子放出素子の電子放出量
を制御することが可能になり、任意の電子放出分布を得
たり消費電力を低減したりすることが可能になる。

【０１９２】さらに、上記のような電子放出素子（電子
放出源）と電子を照射されて画像を形成する画像形成部
材とを組み合わせることによって、制御性良く高輝度に
画像形成部材を発光させることができる画像表示装置
（例えばフラットパネルディスプレイ）が構成される。

【０１９３】一方、本発明の電子放出素子の製造方法に
よれば、粒子或いは粒子の凝集体からなる電子放出部の
均一且つ高密度な分散配置を容易に実現することができ
て、高効率な電子放出素子を容易に形成することができ
る。

【０１９４】また、本発明によれば、電子放出部の構成
材料として非常に適したダイヤモンドを、電子放出部と
して機能し得る微小粒子或いはその凝集体の形態で、所
定の表面に再現性良く且つ任意密度で配置できるので、
高効率な電子放出素子を容易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のある構成を模式的に示す斜視図である。

【図１Ｂ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子の他の構成を模式的に示す斜視図である。

【図２】図１Ｂの構成を模式的に示す断面図であり、本
発明の第１の基本構成の電子放出素子における電子放出
の概念を模式的に表す図である。

【図３Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のさらに他の構成を模式的に示す斜視図である。

【図３Ｂ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のさらに他の構成を模式的に示す斜視図である。

【図４Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のさらに他の構成を模式的に示す斜視図である。

【図４Ｂ】図４Ａに示す電子放出素子からの電子ビーム
のある放出状態を模式的に示す図である。

【図４Ｃ】図４Ａに示す電子放出素子からの電子ビーム
の他の放出状態を模式的に示す図である。

【図４Ｄ】図４Ａに示す電子放出素子からの電子ビーム
のさらに他の放出状態を模式的に示す図である。

【図４Ｅ】図４Ａに示す電子放出素子からの電子ビーム
のさらに他の放出状態を模式的に示す図である。

【図５Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子における他の電極形状を模式的に示す平面図である。

【図５Ｂ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子におけるさらに他の電極形状を模式的に示す平面図で
ある。

【図６Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子におけるさらに他の電極形状を模式的に示す断面図で
ある。

【図６Ｂ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子におけるさらに他の電極形状を模式的に示す断面図で
ある。

【図６Ｃ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子におけるさらに他の電極形状を模式的に示す断面図で
ある。

【図７Ａ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のある構成を模式的に示す平面図である。

【図７Ｂ】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素
子のある構成を模式的に示す断面図である。

【図８】本発明の第１の基本構成に従った電子放出素子
の評価装置の構成を模式的に示す図である。

【図９Ａ】本発明の第２の基本構成に従った電子放出素
子のある構成を模式的に示す平面図である。

【図９Ｂ】本発明の第２の基本構成に従った電子放出素
子のある構成を模式的に示す断面図である。

【図１０】図９Ａ及び図９Ｂの構成における電子放出部
の近傍を模式的に示す拡大断面図であり、本発明の第２
の基本構成の電子放出素子における電子放出の概念を模
式的に表す図である。

【図１１】本発明の第２の基本構成に従った電子放出素
子の評価装置の構成を模式的に示す図である。

【図１２】本発明の電子放出素子を使用して形成される
電子放出源の構成を模式的に示す図である。

【図１３】本発明の電子放出素子を使用して形成される
画像表示装置の構成を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 電子放出部 ２ 電極 ３ 電極 ４ 基板 ５ 引き出し電極 ６ 絞り調整用電極（フォーカス電極） ２０ 電子放出素子 ５１ 電子放出部 ５２ 電極 ５３ 電極 ５４ 基板 ５５ 導電層 ８０ 電子放出素子 １００ 電子放出素子 １５１ Ｘ方向配線 １５２ Ｙ方向配線 ２００ 電子放出源 ３００ 画像表示装置 ３４１ バックプレート ３４２ フェースプレート ３４３ 透明電極 ３４４ 蛍光体 ３４５ サイドプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 出口 正洋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 北畠 真 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−17325（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−97354（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−200532（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/316 H01J 9/02

Claims (44)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性表面を有する基板と、 該基板の上に 水平方向に所定の間隔を隔てて配置された
   １対の電極と、 該１対の電極の間に１×１０ ¹⁰ 個／ｃｍ ² 以上の分散密
   度で分散されてお互いに接触することなく孤立している
   ように配置されている複数の電子放出部と、 を備える、電子放出素子であって、 該複数の電子放出部の各々は、最表面原子が水素原子と
   の結合により終端されたダイヤモンドを主成分とする粒
   子或いは該粒子の凝集体から構成されている、電子放出
   素子 。
2. 【請求項２】 絶縁性表面を有する基板と、 該基板の上に水平方向に所定の間隔を隔てて配置された
   １対の電極と、 該１対の電極の間に配置され且つ該１対の電極に電気的
   に接続されている導電層と、 該導電層の上にお互いに接触することなく孤立している
   ように配置されている複数の電子放出部と、 を備える、電子放出素子であって、 該導電層の厚さは１００ｎｍ以下であり、 該導電層の電気抵抗率は、１０ ^-6 Ω・ｃｍ〜１０ ⁴ Ω・
   ｃｍの範囲内であり、 該複数の電子放出部の各々が、最表面原子が水素原子と
   の結合によって終端されたダイヤモンドを主成分とする
   粒子或いは該粒子の凝集体から構成されている、電子放
   出素子。
3. 【請求項３】 前記１対の電極は、前記導電層の端部の
   一部領域として設けられている、請求項２に記載の電子
   放出素子。
4. 【請求項４】 前記１対の電極と前記導電層とは異なる
   材料から構成されている、請求項２に記載の電子放出素
   子。
5. 【請求項５】 前記導電層の内部を面内方向に流れる電
   流によって、電子が一方の電極から他方の電極へ向けて
   移動する、請求項２に記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 前記導電層の内部を面内方向に前記電流
   が流れるときに該導電層が加熱される、請求項２に記載
   の電子放出素子。
7. 【請求項７】 前記導電層の内部を面内方向に流れる前
   記電流の量を制御することによって、電子放出量を変調
   する、請求項２に記載の電子放出素子。
8. 【請求項８】 前記複数の電子放出部のうち、隣接する
   電子放出部の間隔が０．１μｍよりも小さい、請求項１
   に記載の電子放出素子。
9. 【請求項９】 前記複数の電子放出部の各々を構成する
   前記粒子の平均粒径が、約１０μｍ以下である、請求項
   １または２に記載の電子放出素子。
10. 【請求項１０】 前記最表面原子と結合した前記水素原
    子の量が、約１×１０¹⁵個／ｃｍ²以上である、請求項
    １または２に記載の電子放出素子。
11. 【請求項１１】 前記ダイヤモンド或いはダイヤモンド
    を主成分とする材料が結晶欠陥を有する、請求項１また
    は２に記載の電子放出素子。
12. 【請求項１２】 前記結晶欠陥の密度が、約１×１０¹³
    個／ｃｍ³以上である、請求項１１に記載の電子放出素
    子。
13. 【請求項１３】 前記ダイヤモンド或いはダイヤモンド
    を主成分とする材料が、約１０体積％より少ない非ダイ
    ヤモンド成分を有する、請求項１または２に記載の電子
    放出素子。
14. 【請求項１４】 前記所定の材料の粒子が、気相合成法
    で合成されたダイヤモンド膜を粉砕して作製されたダイ
    ヤモンド粒子である、請求項１または２に記載の電子放
    出素子。
15. 【請求項１５】 前記気相合成法がプラズマジェットＣ
    ＶＤ法である、請求項１４に記載の電子放出素子。
16. 【請求項１６】 前記導電層が、金属層或いはｎ型半導
    体層である、請求項２に記載の電子放出素子。
17. 【請求項１７】 前記導電層の厚さが約１００ｎｍ以下
    である、請求項２に記載の電子放出素子。
18. 【請求項１８】 前記導電層の電気抵抗値が、前記電子
    放出部の電気抵抗値よりも高い、請求項２に記載の電子
    放出素子。
19. 【請求項１９】 複数の電子放出素子が、各々への入力
    信号に応じて電子を放出するように所定のパターンに配
    列されていて、 該複数の電子放出素子の各々が請求項１または２に記載
    の素子である、電子放出源。
20. 【請求項２０】 互いに電気的に絶縁された複数の第１
    方向配線と、互いに電気的に絶縁された複数の第２方向
    配線と、をさらに備えており、該複数の第１方向配線及
    び該複数の第２方向配線がお互いに直交する方向に配置
    されていて、該第１方向配線と該第２方向配線との各交
    差点の近傍に、前記電子放出素子がそれぞれ配置されて
    いる、請求項１９に記載の電子放出源。
21. 【請求項２１】 電子放出源と、該電子放出源から放出
    された電子に照射されて画像を形成する画像形成部材
    と、を備えており、 該電子放出源が請求項１９に記載の電子放出源である、
    画像表示装置。
22. 【請求項２２】 絶縁性表面を有する基板上に、水平方
    向に所定の間隔を隔てて１対の電極を配置する電極形成
    工程と、 該１対の電極の間に、最表面原子が水素原子との結合に
    よって終端されたダイヤモンドを主成分とする粒子或い
    は該粒子の凝集体を、複数個お互いに接触することなく
    孤立するように１×１０ ¹⁰ 個／ｃｍ ² 以上の分散密度で
    配置する分散配置工程と、 を包含する、電子放出素子の製造方法。
23. 【請求項２３】 絶縁性表面を有する基板上に、水平方
    向に所定の間隔を隔てて１対の電極を配置する電極形成
    工程と、 該１対の電極の間に該１対の電極に電気的に接続されて
    いる導電層を設ける導電層形成工程であって、該導電層
    の厚さは１００ｎｍ以下であり、該導電層の電気抵抗率
    は、１０ ^-6 Ω・ｃｍ〜１０ ⁴ Ω・ｃｍの範囲内である、
    導電層形成工程と、 該導電層の上に、最表面原子が水素原子との結合によっ
    て終端されたダイヤモンドを主成分とする粒子或いは該
    粒子の凝集体を、複数個お互いに接触することなく孤立
    するように配置する分散配置工程と、 を包含する、電子放出素子の製造方法。
24. 【請求項２４】 前記１対の電極を前記導電層の端部の
    一部領域として設ける、請求項２３に記載の電子放出素
    子の製造方法。
25. 【請求項２５】 前記１対の電極と前記導電層とを異な
    る材料から構成する、請求項２３に記載の電子放出素子
    の製造方法。
26. 【請求項２６】 前記分散配置工程は、前記所定の材料
    の粒子を分散させた溶液或いは溶媒の塗布工程と、該溶
    液或いは溶媒の除去工程と、を含む、請求項２２または
    ２３に記載の電子放出素子の製造方法。
27. 【請求項２７】 前記分散配置工程は、前記所定の材料
    の粒子を分散させた溶液或いは溶媒中での超音波振動印
    加工程を含む、請求項２６に記載の電子放出素子の製造
    方法。
28. 【請求項２８】 前記溶液中に分散される前記ダイヤモ
    ンド粒子の量が、溶液１リットル当たり約０．０１ｇ以
    上約１００ｇ以下である、請求項２６に記載の電子放出
    素子の製造方法。
29. 【請求項２９】 前記溶液中に分散される前記ダイヤモ
    ンド粒子の数が、溶液１リットル当たり約１×１０¹⁶個
    以上約１×１０²⁰個以下である、請求項２６に記載の電
    子放出素子の製造方法。
30. 【請求項３０】 前記ダイヤモンド粒子を分散させた前
    記溶液のｐＨ値が約７以下である、請求項２６に記載の
    電子放出素子の製造方法。
31. 【請求項３１】 前記ダイヤモンド粒子を分散させた前
    記溶液が少なくともフッ素原子を含む、請求項２６に記
    載の電子放出素子の製造方法。
32. 【請求項３２】 前記ダイヤモンド粒子を分散させた前
    記溶液が少なくともフッ化水素酸或いはフッ化アンモニ
    ウムを含む、請求項２６に記載の電子放出素子の製造方
    法。
33. 【請求項３３】 前記ダイヤモンド粒子の最表面原子に
    水素原子を結合させる水素結合工程をさらに包含する、
    請求項２６に記載の電子放出素子の製造方法。
34. 【請求項３４】 前記水素結合工程では、水素ガスを含
    む雰囲気中で約６００℃以上に加熱処理されたダイヤモ
    ンド粒子が用いられる、請求項３３に記載の電子放出素
    子の製造方法。
35. 【請求項３５】 前記水素結合工程は、水素を含む雰囲
    気中における６００℃以上での前記ダイヤモンド粒子の
    加熱工程或いは紫外線光照射工程を含む、請求項３３に
    記載の電子放出素子の製造方法。
36. 【請求項３６】 前記水素結合工程は、前記ダイヤモン
    ド粒子の温度が約３００℃以上である状態で、該ダイヤ
    モンド粒子を少なくとも水素を含むプラズマに曝す工程
    を含む、請求項３３に記載の電子放出素子の形成方法。
37. 【請求項３７】 前記ダイヤモンド粒子に結晶欠陥を導
    入する欠陥導入工程をさらに包含する、請求項２６に記
    載の電子放出素子の製造方法。
38. 【請求項３８】 前記欠陥導入工程では、加速した粒子
    による表面の照射処理を施されたダイヤモンド粒子が用
    いられる、請求項３７に記載の電子放出素子の製造方
    法。
39. 【請求項３９】 前記欠陥導入工程は、前記ダイヤモン
    ド粒子に加速原子を照射する工程を含む、請求項３７に
    記載の電子放出素子の製造方法。
40. 【請求項４０】 前記分布されたダイヤモンド粒子の上
    にダイヤモンドを追成長させる追成長工程をさらに含
    む、請求項２６に記載の電子放出素子の製造方法。
41. 【請求項４１】 前記追成長工程ではダイヤモンドの気
    相合成プロセスを使用する、請求項４０に記載の電子放
    出素子の製造方法。
42. 【請求項４２】 複数の電子放出素子を、各々への入力
    信号に応じて電子を放出するように所定のパターンに配
    列する工程を含み、 該複数の電子放出素子の各々を請求項２２または２３に
    記載の製造方法によって形成する、電子放出源の製造方
    法。
43. 【請求項４３】 互いに電気的に絶縁された複数の第１
    方向配線と互いに電気的に絶縁された複数の第２方向配
    線とを、該複数の第１方向配線及び該複数の第２方向配
    線がお互いに直交する方向に配置する工程と、 該第１方向配線と該第２方向配線との各交差点の近傍
    に、前記電子放出素子をそれぞれ配置する工程と、 を含む、請求項４２に記載の電子放出源の製造方法。
44. 【請求項４４】 電子放出源を構成する工程と、 該電子放出源から放出された電子に照射されて画像を形
    成する画像形成部材を、該電子放出源に対して所定の位
    置関係に配置する工程と、 を包含しており、 該電子放出源を請求項４２に記載の製造方法で構成す
    る、画像表示装置の製造方法。