JP3435401B2 - 電子放出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンドをドナ
ー不純物元素でドープした層をエミッタ層として使用す
る電子放出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型の電子放出装置は平面ディス
プレイや、各種の高周波パワー応用、パワースイッチ応
用等への展開が期待されている。中でも炭素系材料をエ
ミッタ材料として用いた電子放出装置は、低電界での電
子放出への期待から、近年活発な研究・開発が行われて
いる。ダイヤモンドはその極めて大きなバンドギャップ
（５．５ｅＶ）から、負の電子親和力が報告されてお
り、究極の低電界電子エミッタ材料として、注目されて
いる。

【０００３】これまでに、このダイヤモンドを用いた各
種の電子エミッタの報告がなされているが、上記の負の
電子親和力を活かしたような低電界で、且つ大電流密度
の電子放出は必ずしも実現されていない。電子エミッタ
の用途からは、当然、電子を多数キャリヤとするｎ型ド
ーピングが望まれ、実際にこれまでいくつかのｎ型ドー
ピングを施したダイヤモンドからの電子放出も報告され
ている。しかしながらこのようなｎ型ドーピングを施し
たダイヤモンドにおいて、必ずしもｐ型ドーピングを施
したダイヤモンド、或いはノンドーピングでも適当な条
件で作成されたダイヤモンドと比べて大幅な特性向上が
見られているわけではない。特に放出電流密度におい
て、ダイヤモンドを用いたエミッタは、これまでの例え
ばＭｏ等を用いたチップ型電子放出装置に比べ必ずしも
充分とはいえない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術の問題に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド
を用いた電子放出装置において、低電界性と共に、従来
不足していた放出電流密度を向上させることを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点は、
電子放出装置において、ダイヤモンド層と、前記ダイヤ
モンド層の表面にドナー不純物元素が含有されてなる、
電子を放出するためのエミッタ層と、前記エミッタ層に
電子を供給するために前記エミッタ層の電子を放出する
側の表面上に配設された、メッシュ形状を有する金属製
の第１の電極と、を具備することを特徴とする。

【０００６】本発明の第２の視点は、電子放出装置にお
いて、ダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層の表面に
ドナー不純物元素が含有されてなる、電子を放出するた
めのエミッタ層と、前記エミッタ層に電子を供給するた
めに前記エミッタ層の電子を放出する側の表面上に配設
された、メッシュ形状を有し且つカソードとなる金属製
の第１の電極と、前記第１の電極が配設された側で、前
記エミッタ層に対向するように配設されたアノードとな
る第２の電極と、前記エミッタ層と前記第２の電極との
間に、前記エミッタ層から放出された電子が移動するた
めの真空空間を形成するための手段と、を具備する。

【０００７】更に、本発明に係る実施の形態には種々の
段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件
における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され
得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾
つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場
合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が
周知慣用技術で適宜補われるものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】ダイヤモンドからの低電界電子放
出の要因として、ダイヤモンド表面に形成された水素終
端層による伝導とダイヤモンドの粒界にしばしば存在す
る局所的な導電性絡路が寄与していることが推測されて
いる。特に後者の局所的な微細導電性絡路は、本発明者
等の研究により、ダイヤモンド間に存在するグラファイ
ト状成分がその原因であることが判明して来つつある
（L. Zhang et al., Appl. Phys.Lett., vol.75 (199
9), pp.3527-3529.)。

【０００９】本発明者等は、本発明の開発の過程におい
て、先ず、このような局所的な導電性絡路を有するダイ
ヤモンドからの電子放出について研究した。図７は局所
的な導電性絡路を有するダイヤモンドを用いた比較例の
電子放出装置を示す断面図である。図７図示の如く、こ
の装置において、支持基板１２上にダイヤモンド層１４
が配設され、更にその上にカソード電極１６が配設され
る。図７図示の装置によれば、低電界での電子放出が可
能であることが確認されている。

【００１０】図８は図７図示の装置に用いたダイヤモン
ド層を導電性ＡＦＭ（Atomic ForceMicroscope）により
観察した結果を示す。図８（ａ）はダイヤモンド層の表
面性状を示すＡＦＭ写真図である。図８（ａ）におい
て、符号Ｐ１はダイヤモンド層のマトリックス部分を示
し、符号Ｐ２はグラファイト状部分を示す。図８（ｂ）
は図８（ａ）中の部分Ｐ１、Ｐ２における電圧−電流特
性を示す。図８（ｂ）の電流値は、部分Ｐ１、Ｐ２夫々
においてＡＦＭの導電性プローブを固定し、同プローブ
からダイヤモンド層に電圧を印加することにより測定し
た。即ち、図８（ｂ）はダイヤモンド層の部分Ｐ１、Ｐ
２における電流の流れ易さを示す。

【００１１】図８（ｂ）に示すように、部分Ｐ２は部分
Ｐ１に比べて遥かに電流が流れ易いことが分かる。これ
は、絶縁性のダイヤモンドマトリックス中で、グラファ
イト状成分等からなる微小な導電性絡路が導電性のチッ
プとして機能することを意味する。従って、図７図示の
装置においては、導電性のチップとして機能する微小な
導電性絡路の周りで電界集中が生じ、低電界での電子放
出に結びついている可能性が高い。

【００１２】一方、このような微小導電性絡路の存在し
ない単結晶或いは多結晶ダイヤモンドも存在するが、こ
れらは極めて抵抗が高い。このため、電子放出を得る前
提となる電気を流すには、ダイヤモンド表面の水素終端
層の伝導やボロン等のｐ型ドーピングによる伝導が必要
となる。しかし、これらはいずれもｐ型でホール伝導で
あるため、フェルミレベルは、価電子帯に近い深いとこ
ろにあり、必ずしも低電界での電子放出を得られるもの
ではない。

【００１３】これに対して、近年、ｎ型のドーピングが
報告されつつあり、リンや窒素イオウ等によるｎ型伝導
の可能性が報告されている。しかしながら、いずれもド
ナーとしてのエネルギーレベルが深く、明瞭で充分なｎ
型伝導を得るには至っていないのが現実である。本発明
者等は、このような局所導電性絡路の存在しない単結晶
ダイヤモンドにｎ型ドーピングを施した試料について、
電子放出特性を調べたところ、以下に述べるような結果
が得られた。

【００１４】即ち、電子放出はダイヤモンド表面全体か
ら得られるものの、電子放出密度は場所によって大きく
依存した。具体的には、極めて微小なアノード電極をか
ざしてダイヤモンド表面を詳細に調べたところ、表面の
一部に設けたコンタクト電極（電荷を供給するカソード
電極）に近いほど電子放出密度が高いことが分かった。
更に、アノード電極を上記コンタクト電極に極めて近接
させて測定を行ったところ、それまでの距離依存性から
はずれた極めて大きな電流密度の電子放出が得られた。
なお、同様の実験をｐ型のドーピングを施した試料に試
みた場合には、同じ電界での電子放出は得られず、電極
近傍での電子放出の増大も観測されなかった。

【００１５】この結果は以下のように推論される。即
ち、ｎ型ドーピングはいわゆる伝導帯をフリー電子が走
るという理想的なｎ型伝導を実現しているかどうかは不
明瞭であっても、少なくとも電子が層内を輸送されるエ
ネルギーレベルはｐ型等の場合に比べて高エネルギーと
なっている。しかし、その実キャリヤ密度は低く、結果
として伝導度は充分には高くない。このため、外部から
印加した電子引き出しのための電界も層内での電荷輸送
のためにかなり消耗されてしまい（内部に電界が侵入
し）、通常のコンタクト電極配置では、電流が充分得ら
れない。

【００１６】そこで、本発明者等は、ｎ型ドーピングを
施した各種のダイヤモンド試料上にメッシュ形状を有す
る金属製のカソード電極を配設し、カソード電極とダイ
ヤモンドとのなす縁面の距離が大きくなるようにして電
子放出を測定した。その結果、通常の全面ダイヤモン
ド、即ち、アノード電極に対してダイヤモンド部分が全
面的に露出対面するように端部にコンタクトを形成した
構造の場合に比べて、平均の電子放出量を著しく増大さ
せることができることを見出した。一方で、このような
効果は上述のような局所的な導電性絡路を内包するダイ
ヤモンドにおいては、顕著には得られなかった。これ
は、導電性絡路が存在することによって、電荷の移動や
伝導度の発現がそれらグラファイト状成分から支配的に
生じるため、ｎ型ドーピングによるフェルミレベル押し
上げの効果が見えなくなってしまうためではないかと考
えられる。以上のような結果から、本発明者等は以下の
ような知見を得た。

【００１７】即ち、単結晶或いは多結晶で粒界や粒内に
グラファイト状成分からなる局所的な導電性絡路を有し
ないダイヤモンド層を使用する場合、ダイヤモンド層の
表面をドナー性不純物元素でドーピングすることにより
エミッタ層を形成し、且つメッシュ形状を有する金属製
カソード電極をエミッタ層の表面に形成することにより
良好な電子放出特性が得られるようになる。この場合、
カソード電極を介してエミッタ層に電子を注入し、カソ
ード電極のメッシュ形状の開口部を通してエミッタ層か
ら電子を放出させる。

【００１８】上述のように、電子放出密度はカソード電
極に近いほど高くなるため、エミッタ層とカソード電極
の縁とがなす縁面距離（即ちカソード電極の開口部の周
囲長）は、与えられたデザインルールにおいて、最大と
なるように設計されていることが望ましい。かかる要件
は、カソード電極のメッシュ形状において、開口部の寸
法を可能な限り小さくするという前提の下で、開口部の
幅とメッシュ枠の幅とを略等しくすることにより達成さ
れる。

【００１９】また、ｎ型ダイヤモンドのエミッタ層と金
属製のカソード電極とは、バンドギャップが大きく異な
るため、カソード電極からエミッタ層への電子の注入を
直接行うことは困難さを伴う。従って、エミッタ層とカ
ソード電極との界面に介在層を配設することが望まし
い。この介在層は、グラファイト状炭素、非晶質炭素、
水素含有非晶質炭素、ＤＬＣ（Diamond-Like-Carbon：
ダイヤモンドライクカーボン）、フラーレン状炭素から
なる群から選択された材料から形成することができる。

【００２０】上述のドナー性不純物元素はイオン注入法
によってダイヤモンド層中に注入することができる。望
ましくは、室温よりも高い温度で当該注入が行われ、注
入後にも室温よりも高い温度で熱処理を行う。当該不純
物元素としては、イオウ、リン、窒素等が挙げられる
が、中でもイオウが望ましい。

【００２１】以下に、このような知見に基づいて構成さ
れた本発明の実施の形態について図面を参照して説明す
る。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成
を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説
明は必要な場合にのみ行う。

【００２２】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態
に係る電子放出装置を示す断面図及びその一部を拡大し
て示す断面図である。図２は同装置の基板側の構造を示
す平面図である。

【００２３】この装置において、支持基板２２上にダイ
ヤモンド層２４が配設される。ダイヤモンド層２４に
は、その表面をドナー不純物元素でドープすることによ
り、電子を放出するためのエミッタ層２５が形成され
る。エミッタ層２５の電子を放出する側の表面上には、
エミッタ層２５に電子を供給するための金属製のカソー
ド電極２６が配設される。カソード電極２６は、メッシ
ュ枠２７ａと開口部２７ｂとからなる矩形格子状のメッ
シュ形状を有する。エミッタ層２５及びカソード電極２
６の厚さは夫々、例えば、０．４μｍ及び０．３μｍに
設定される。

【００２４】カソード電極２６が配設された側で、エミ
ッタ層２５に対向するようにアノード電極３２が配設さ
れる。エミッタ層２５とアノード電極３２との間の空間
は、フレーム及びスペーサ３４により、エミッタ層２５
から放出された電子が移動するための真空空間（減圧空
間）３６として包囲される。エミッタ層２５からアノー
ド電極３２までの距離は、例えば、１０〜１００μｍに
設定される。

【００２５】図１図示の電子放出装置を製造プロセスは
次の通りである。先ず、基板２２上にマイクロ波プラズ
マＣＶＤ法によってダイヤモンド膜を成長させた。基板
２２には、高温高圧合成の単結晶ダイヤモンド或いは、
Ｓｉ、Ｍｏ等の基板２２を用いた。ＣＶＤ条件におい
て、メタン／水素の供給ガス流量比を０．５％以下、望
ましくは０．１％以下とし、基板２２の温度は８００−
９００℃、望ましくは８５０℃とし、ガス圧力は４０Ｔ
ｏｒｒとした。

【００２６】図３はこのようにして堆積したダイヤモン
ド膜の表面性状を導電性ＡＦＭにより観察した結果を示
す。図３（ａ）はダイヤモンド膜の表面性状を示すＡＦ
Ｍ写真図である。図３（ｂ）はＡＦＭの導電性プローブ
（金でコートされたプローブ）を用いて測定したダイヤ
モンド膜の表面の電流値の分布を示すＡＦＭ写真図であ
る。具体的には、図３（ｂ）は、ダイヤモンド膜の表面
を、一定電圧を印加したプローブでスキャンし、得られ
た電流値の大小でプロットした図で、明るい部位の方が
暗い部位に比べて相対的に電流値が大きい。図３
（ｃ）、（ｄ）は、夫々図３（ｂ）中の明るい部位及び
暗い部位における電圧−電流特性を示す。図３（ｃ）、
（ｄ）の電流値は、明るい部位及び暗い部位夫々におい
てＡＦＭの導電性プローブを固定し、同プローブからダ
イヤモンド層に電圧を印加することにより測定した。即
ち、図３（ｃ）、（ｄ）は図３（ｂ）中の明るい部位及
び暗い部位における電流の流れ易さを示す。

【００２７】図３（ａ）図示の如く、上述の条件で形成
されたダイヤモンド膜の表面性状には幾分の凹凸が認め
られる。しかし、電流の流れ易さについては、図３
（ｂ）図示の如く、ダイヤモンド膜の面内において幾分
分布はあるものの、その差は図３（ｃ）、（ｄ）図示の
如く小さく、殆ど均一である。また、いずれにおいても
電流は非常に流れ難く、高抵抗のオーミック性を示す。
なお図３（ｃ）、（ｄ）の特性曲線上に現れる凹凸（ジ
グザグ）は、電流が非常に流れ難いために現れたノイズ
である。

【００２８】図３図示のダイヤモンド膜の全体が高抵抗
を示すことは、図８図示の低電界電子放出特性を示すダ
イヤモンド層の例と比較すると明確となる。前述のよう
に、図８図示のダイヤモンド層においては、部分Ｐ２は
部分Ｐ１に比べて遥かに電流が流れ易い。これは、絶縁
性のダイヤモンドマトリックス中で、グラファイト状成
分等からなる微小な導電性絡路が導電性のチップとして
機能することを意味する。これに対して図３図示のダイ
ヤモンド膜ではそのような導電性絡路は存在せず、膜の
全体は、図８図示のダイヤモンド層のマトリックス部分
Ｐ１よりも更に高抵抗を示す（電流値は１／１００程
度）。

【００２９】再び、図１図示の電子放出装置の製造プロ
セスに戻り、基板２２上に形成したダイヤモンド膜の表
面に高温でドナー性不純物元素をイオン注入した。本実
施の形態では、４００℃で、最高濃度が１０²⁰ｃｍ^-3と
なるような条件でイオウのイオン注入を行った。更に、
この注入後、７００℃から８００℃、窒素雰囲気中で熱
処理し、図１図示のようなエミッタ層２５を表面に有す
るダイヤモンド層２４を形成した。なお、ドナー性不純
物元素は、注入層がプラトーとなるように、エネルギー
を変えて、多段に打ち込むことが望ましい。

【００３０】次に、カソード電極２６を構成するための
２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層と、２００ｎｍの金（Ａ
ｕ）層を真空蒸着した。そして、これらの金属層をＰＥ
Ｐ（Photolithography Etching Process）によりパター
ニングし、図２に示すようなメッシュ形状のカソード電
極２６を形成した。なお、ここでは各々のメッシュ枠２
７ａの幅（電極の線幅）を４μｍ、開口部２７ｂの幅
（電極間の幅）も４μｍとしが、これらの寸法は、用い
るＰＥＰの解像度に依存する。

【００３１】前述の如く、電子放出密度はカソード電極
２６に近いほど高くなるため、エミッタ層２５とカソー
ド電極２６の縁とがなす縁面距離（即ちカソード電極２
６の開口部２７ｂの周囲長）は、与えられたデザインル
ールにおいて、最大となるように設計されていることが
望ましい。かかる要件は、カソード電極２６のメッシュ
形状において、開口部１７ｂの寸法を可能な限り小さく
するという前提の下で、開口部２７ｂの幅とメッシュ枠
２７ａの幅とを略等しくすることにより達成される。

【００３２】次に、カソード電極２６を配設した基板２
２側の構造に対して、図１図示の如くアノード電極３２
に対向させると共に、フレーム及びスペーサ３４によ
り、真空空間（減圧空間）３６を形成した。このように
して完成した電子放出装置を用いて電界放出特性の実験
を行ったところ、以下に述べるように、エミッタ層２５
の全体から均一で大きな電流密度の電子放出が得られ
た。

【００３３】具体的には、カソードとアノードとの間の
距離を５０μｍとした時に、アノード電圧５００Ｖで、
５０〜１００ｍＡ／ｃｍ2 の均一で再現性のある電子放
出が得られた。また、放出後も試料表面に損傷等は見ら
れず、特性は長期に亘って安定であった。

【００３４】図４（ａ）、（ｂ）は本発明の別の実施の
形態に係る電子放出装置を示す断面図及びその一部を拡
大して示す断面図である。この実施の形態の装置は、エ
ミッタ層２５とカソード電極２６との界面に介在層４２
が配設されている点で、図１図示の装置と異なる。介在
層４２は、ｓｐ２結合成分を含むグラファイト状炭素か
らなる。介在層４２によりカソード電極からエミッタ層
への電子の注入が容易となる。

【００３５】図４図示の装置を用いて図１図示の装置と
同様な実験条件で電界放出特性の実験を行ったところ、
電流密度が更に向上し、１００ｍＡ／ｃｍ² の最大電流
密度が得られた。

【００３６】なお、介在層４２は、グラファイト状炭
素、非晶質炭素、水素含有非晶質炭素、ＤＬＣ（Diamon
d-Like-Carbon：ダイヤモンドライクカーボン）、フラ
ーレン状炭素からなる群から選択された材料から形成す
ることができる。介在層４２は、ダイヤモンド層上にＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ法等によって非晶質炭素膜を形成す
ることにより配設可能となる。この場合、窒素等の添加
によって導電性を制御する、或いは成膜時のバイアスや
ガス圧、ガス組成の制御する等によって、非晶質炭素層
のバンド構造を変化させ、電子注入をより詳細に変調さ
せることが可能である。また、この他に、Ａｒ等を高濃
度にイオン注入して、元々のダイヤモンド層を変質させ
る方法がある。

【００３７】図５（ａ）、（ｂ）は本発明の更に別の実
施の形態に係る電子放出装置を示す断面図及びその一部
を拡大して示す断面図である。この実施の形態の装置
は、カソード電極２６上に、ゲート絶縁層４４を介して
ゲート電極４６が配設されている点で、図１図示の装置
と異なる。ゲート絶縁層４４及びゲート電極４６はカソ
ード電極２６のメッシュ形状と実質的に同じ平面形状の
メッシュ形状を有する。

【００３８】図５図示の装置を製造する際は、カソード
電極２６、ゲート絶縁層４４、及びゲート電極４６とな
る材料層を、蒸着やスパッタＣＶＤ等によって一旦積層
形成する。次に、これらの層を纏めてＰＥＰによりパタ
ーニングし、図２に示すようなメッシュ形状を形成す
る。

【００３９】図５図示の装置によれば、電子の放出量を
ゲート電極４６への電圧印加によって変調することが可
能になり、パワースイッチ等の３極素子への応用が可能
になる。

【００４０】図６（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るカソー
ド電極２６のメッシュ形状の４つのパターンを示す。但
し、カソード電極２６のメッシュ形状はこれらのパター
ンに限られない。即ち、開口部が同一の駆動条件で動作
させられる電極に対して複数近接して配置されていれば
よく、エミッタ面のほとんどの場所で電極層が外周等の
元の給電点と連通していればよい。これは、上述のＰＥ
Ｐによる方法の他に、電極金属材料を極微量蒸着或いは
スパッタすることによって実現することができる。当該
金属をアイランド状で且つ概ねアイランドが連接するよ
うな段階に留めることで、金属と、ダイヤモンドと、真
空との３つ部分の接点を面内に多く備えながら、金属層
が概ね連通して共通の給電電極として働く構造を実現す
ることができる。

【００４１】カソード電極２６のメッシュ形状は、ＰＥ
Ｐにより電極材料層をパターニングする方法に代え、電
極材料を微小クラスタ状に付着させ、これを概ね連通す
るまで成長させ、開口部を残した状態で止めるといった
方法によっても形成することができる。

【００４２】図１乃至図６を参照して述べた本発明に係
る電子放出装置によれば、ダイヤモンドの本来持つ安定
性とｎ型のドーピングによる電子伝導特性を活かすこと
ができ、それによって低電界で高い電流密度を得ること
ができる。具体的には、ダイヤモンドの持つドーピング
によっても避けられない低い伝導度特性を補って、ダイ
ヤモンドへの電荷供給を極力高効率かすることができ
る。

【００４３】ダイヤモンド内の局所的な微細導電性絡路
を排除することは本発明にとって必須ではない。しか
し、このような導電性絡路を排除すると、全体としての
均一に実効的なフェルミレベルを高く保つことができ
る。この場合、ダイヤモンドが高抵抗となることが避け
得ないが、この問題は、メッシュ形状を有する金属製の
カソード電極２６を使用することにより解消することが
できる。この構成によれば、詳細な理由は明らかではな
いが、カソード電極２６からエミッタ層２５の電子放出
部位までの距離を単純に近づけたことだけでなく、金属
／ダイヤモンド界面での特異的な電子放出を最大限活用
することができる。

【００４４】また、望ましくは、介在層４２がエミッタ
層２５とカソード電極２６との界面に配設される。介在
層４２の効果は、これを介して電子がより容易にダイヤ
モンドの価電子帯或いはそれに近いエネルギーレベルに
注入されることによると考えられる。実験によれば、メ
ッシュ形状を有する金属製のカソード電極２６に介在層
４２を組み合わせることにより、図７図示の比較例の装
置に比べて略２桁高い、大電流密度が実現された。

【００４５】図９は本発明の更に別の実施の形態に係る
真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を示
す断面図である。

【００４６】図９図示の表示装置は、カソード電極２６
上にゲート絶縁膜４４を介して配設されたゲート電極４
６を有する、図５図示の電子放出装置を利用して構成さ
れる。図９図示の如く、カソード電極２６を構成する複
数のカソードラインが紙面に平行な方向に配列され、ゲ
ート電極４６を構成する複数のゲートラインが紙面に垂
直な方向に配列される。各画素に対応して、カソード電
極２６及びゲート電極４６のメッシュ形状が形成され
る。

【００４７】支持基板５１と対向するようにガラス製の
対向基板５２が配設され、両基板５１、５２間に真空放
電空間５３が形成される。両基板５１、５２間の間隔
は、周辺のフレーム及びスペーサ５４により維持され
る。支持基板５１と対向する対向基板５２の面上には、
透明な共通電極即ちアノード電極５６と、蛍光体層５８
とが配設される。

【００４８】この平板型画像表示装置においては、ゲー
トラインとカソードラインとを介して各画素におけるゲ
ート電極４６とカソード電極２６との間の電圧を任意に
設定することにより、画素の点灯及び点滅を選択するこ
とができる。即ち、画素の選択は、いわゆるマトリック
ス駆動により、例えば、ゲートラインを線順次に選択し
て所定の電位を付与するのに同期して、カソードライン
に選択信号である所定の電位を付与することにより行う
ことができる。

【００４９】ある１つのゲートラインとある１つのカソ
ードラインとが選択され、夫々所定の電位が付与された
時、そのゲートラインとカソードラインとの交点にある
エミッタ層２５の部分のみが動作する。エミッタ層２５
より放出された電子は、アノード電極５６に印加された
電圧により引かれ、選択されたエミッタ層２５に対応し
た位置の蛍光体層５８に達してこれを発光させる。

【００５０】なお、図９図示の表示装置は図５図示の電
子放出装置を利用して形成されるが、図１或いは図４図
示の実施の形態のように、ゲート電極がない電子放出装
置を利用して表示装置を構成することもできる。この場
合、ゲート電極に代えてアノード電極を紙面に垂直な方
向に配列された複数のアノードラインから形成する。こ
れにより、アノードラインとカソードラインとを用いて
マトリックス駆動を行うことができる。

【００５１】また、本発明に係る電子放出装置は、上述
した用途の他、真空マイクロパワーデバイス、耐環境デ
バイス（宇宙用デバイス、原子力用デバイス、耐極限環
境用デバイス（耐放射線用デバイス、耐高温デバイス、
対低温デバイス））、各種センサ等に用いることが可能
である。

【００５２】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、そ
の趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施す
ることが可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、ダイヤモンドを用いた
電子放出装置において、低電界性と共に、従来不足して
いた放出電流密度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係る電
子放出装置を示す断面図及びその一部を拡大して示す断
面図。

【図２】図１図示の装置の基板側の構造を示す平面図。

【図３】図１図示の装置に用いたダイヤモンド膜の表面
性状を導電性ＡＦＭにより観察した結果を示す図であ
り、（ａ）はダイヤモンド膜の表面性状を示すＡＦＭ写
真、（ｂ）はＡＦＭの導電性プローブを用いて測定した
ダイヤモンド膜の表面の電流値の分布を示すＡＦＭ写
真、（ｃ）、（ｄ）は、夫々図３（ｂ）中の明るい部位
及び暗い部位における電圧−電流特性を示すグラフ。

【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明の別の実施の形態に係
る電子放出装置を示す断面図及びその一部を拡大して示
す断面図。

【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電子放出装置を示す断面図及びその一部を拡大し
て示す断面図。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るカソード電極の
メッシュ形状の４つのパターンを示す図。

【図７】局所的な導電性絡路を有するダイヤモンドを用
いた比較例の電子放出装置を示す断面図。

【図８】図７図示の装置に用いたダイヤモンド層を導電
性ＡＦＭにより観察した結果を示す図であり、（ａ）は
ダイヤモンド層の表面性状を示すＡＦＭ写真、（ｂ）は
図８（ａ）中の部分Ｐ１、Ｐ２における電圧−電流特性
を示すグラフ。

【図９】本発明の更に別の実施の形態に係る真空マイク
ロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面図。

【符号の説明】

２２…支持基板 ２４…ダイヤモンド層 ２５…エミッタ層 ２６…カソード電極 ２７ａ…メッシュ枠 ２７ｂ…開口部 ３２…アノード電極 ３４…フレーム及びスペーサ ３６…真空空間 ４２…介在層 ４４…ゲート絶縁膜 ４６…ゲート電極 ５１…支持基板 ５２…対向基板 ５３…真空放電空間 ５４…フレーム及びスペーサ ５６…アノード電極 ５８…蛍光体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 張 利 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平７−94077（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−161655（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−199001（ＪＰ，Ａ) 特開2000−231871（ＪＰ，Ａ) 特開2000−299082（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 29/04 H01J 31/12

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素としてイ
   オウが含有されてなる、電子を放出するためのエミッタ
   層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有する金属製の第１の電極と、 を具備することを特徴とする電子放出装置。
2. 【請求項２】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素としてイ
   オウが含有されてなる、電子を放出するためのエミッタ
   層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有し且つカソードとなる金属製の第１の電極と、 前記第１の電極が配設された側で、前記エミッタ層に対
   向するように配設されたアノードとなる第２の電極と、 前記エミッタ層と前記第２の電極との間に、前記エミッ
   タ層から放出された電子が移動するための真空空間を形
   成するための手段と、 を具備することを特徴とする電子放出装置。
3. 【請求項３】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素が含有さ
   れてなる、電子を放出するためのエミッタ層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有する金属製の第１の電極と、前記エミッタ層と前記第１の電極との界面に配設された
   介在層と、 を具備し、前記介在層は、グラファイト状炭素、非晶質
   炭素、水素含有非晶質炭素、ダイヤモンドライクカーボ
   ン、フラーレン状炭素からなる群から選択された 材料か
   ら形成される ことを特徴とする電子放出装置。
4. 【請求項４】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素が含有さ
   れてなる、電子を放出するためのエミッタ層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有し且つカソードとなる金属製の第１の電極と、 前記第１の電極が配設された側で、前記エミッタ層に対
   向するように配設されたアノードとなる第２の電極と、 前記エミッタ層と前記第２の電極との間に、前記エミッ
   タ層から放出された電子が移動するための真空空間を形
   成するための手段と、前記エミッタ層と前記第１の電極との界面に配設された
   介在層と、 を具備し、前記介在層は、グラファイト状炭素、非晶質
   炭素、水素含有非晶質炭素、ダイヤモンドライクカーボ
   ン、フラーレン状炭素からなる群から選択された材料か
   ら形成される ことを特徴とする電子放出装置。
5. 【請求項５】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素が含有さ
   れてなる、電子を放出するためのエミッタ層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有する金属製の第１の電極と、前記第１の電極上に、ゲート絶縁層を介して配設された
   ゲート電極と、 を具備し、前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極は前記
   第１の電極の前記メッシュ形状と実質的に同じ平面形状
   のメッシュ形状を有する ことを特徴とする電子放出装
   置。
6. 【請求項６】ダイヤモンド層と、 前記ダイヤモンド層の表面にドナー不純物元素が含有さ
   れてなる、電子を放出するためのエミッタ層と、 前記エミッタ層に電子を供給するために前記エミッタ層
   の電子を放出する側の表面上に配設された、メッシュ形
   状を有し且つカソードとなる金属製の第１の電極と、 前記第１の電極が配設された側で、前記エミッタ層に対
   向するように配設されたアノードとなる第２の電極と、 前記エミッタ層と前記第２の電極との間に、前記エミッ
   タ層から放出された電子が移動するための真空空間を形
   成するための手段と、前記第１の電極上に、ゲート絶縁層を介して配設された
   ゲート電極と、 を具備し、前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極は前記
   第１の電極の前記メッシュ形状と実質的に同じ平面形状
   のメッシュ形状を有する ことを特徴とする電子放出装
   置。
7. 【請求項７】前記エミッタ層と前記第１の電極との界面
   に配設された介在層を更に具備し、前記介在層は、グラ
   ファイト状炭素、非晶質炭素、水素含有非晶質炭素、ダ
   イヤモンドライクカーボン、フラーレン状炭素からなる
   群から選択された材料から形成されることを特徴とする
   請求項１、２、５、及び６のいずれかに記載の電子放出
   装置。