JP5342470B2

JP5342470B2 - 電界放射型電子源およびそれを用いた発光装置

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Publication number: JP5342470B2
Application number: JP2010037814A
Authority: JP
Inventors: 崇幡井; 勉櫟原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP2011175790A

Description

本発明は、電界放出により電子を放射する電界放射型電子源およびそれを用いた発光装置に関するものである。

従来より、加速されたホットエレクトロンが表面電極をトンネルして放出されるＭＩＭ（Metal InsulatorMetal）型、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型やＢＳＤ（Ballistic electron Surface-emittingDevice）型などの平面型の電界放射型電子源が知られている。

この種の電界放射型電子源としては、たとえば、下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、上記下部電極と上記表面電極との間に介在し上記下部電極と上記表面電極との間に上記表面電極を高電位側とした電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、該電子通過層を通過した電子が上記表面電極を通して放出されるものが知られている（たとえば、特許文献１を参照。）。

図４に示すＢＳＤ型の電界放射型電子源１０’では、絶縁性の基板１の一表面側に形成された下部電極２と、該下部電極２に対向する表面電極４’との間に介在する電子通過層３’が、ノンドープの多結晶シリコン層３１上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３２を備え、該強電界ドリフト層３２が図示していないナノメータオーダの多数のシリコン微結晶と各シリコン微結晶それぞれの表面に形成されシリコン微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数のシリコン酸化膜からなる絶縁膜とを有している。また、電界放射型電子源１０’の表面電極４’は、強電界ドリフト層３２上に積層された導電性炭化物層４１と、導電性炭化物層４１に積層された貴金属層４２との多層膜に構成している。

電界放射型電子源１０’は、表面電極４’を真空中に配置するとともに表面電極４’に対向してコレクタ電極（図示していない）を配置し、表面電極４’と下部電極２との間に表面電極４’を高電位側として直流電圧を印加させるとともに、上記コレクタ電極と表面電極４’との間に上記コレクタ電極を高電位側として直流電圧を印加させることにより、下部電極２側から注入された電子が、多結晶シリコン層３１上の強電界ドリフト層３２をドリフトし表面電極４’を通して放出される。

通常、電界放射型電子源１０’の表面電極４’は、表面が酸化などの変質を起こすと電子放出効率が減少するので、化学的に安定な金属（たとえば、Ａｕなどの貴金属）が採用されている。また、表面電極４’は、表面電極４’の膜厚を電子を透過しやすい厚さ（たとえば、１０ｎｍ程度）に設定させている。

しかしながら、電界放射型電子源１０’は、真空封止して使用される場合が多い。電界放射型電子源１０’は、組立時の真空封止工程などの熱工程によって、表面電極４’として一般的に用いられているＡｕ薄膜では４００℃以上の温度領域で凝集が起こり、膜厚の均一性の低下および膜連続性の低下を引き起こす。そのため、電界放射型電子源１０’は、表面電極４’の抵抗値が上昇し、結果的にエミッション特性（放出電子電流密度、電子放出効率、電子エネルギーなど）が低下してしまう場合がある。このような凝集の起こりにくい金属材料としては、ＷやＡｌなどが知られているが、表面電極４’としてＷやＡｌを用いた電界放射型電子源１０’は、表面電極４’の表面が酸化されやすく、電子放出効率が低くなってしまう。また、製造プロセスの途中などに電子通過層３’から表面電極４’が剥離してしまうと、歩留まりが低下してコストが増加したり、経時安定性および信頼性が低下してしまう。

また、製造プロセスの途中などに電子通過層３’から表面電極４’が剥離してしまうと、歩留まりが低下してコストが増加したり、経時安定性および信頼性が低下してしまう。

図４に示す、電界放射型電子源１０’では、強電界ドリフト層３２上に積層された導電性炭化物層４１と、導電性炭化物層４１に積層された貴金属層４２との多層膜に表面電極４’を構成することで、エミッション特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上させることができる、としている。

特開２００３−１８７６８８号公報

ところで、電界放射型電子源１０’における表面電極４’を強電界ドリフト層３２上に積層された導電性炭化物層４１と、導電性炭化物層４１に積層された貴金属層４２との多層膜に構成することで、エミッション特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上させることができるものの、表面電極４’の膜厚は、電子を透過させるために数ｎｍや十数ｎｍでしかなく、制御性よく成膜することが難しいことに変わりはない。

また、上述のＢＳＤ型の電界放射型電子源１０’と同様、ＭＩＭ型、ＭＯＳ型などの平面型の電界放射型電子源では、電子通過層で加速されたホットエレクトロンが表面電極４’をトンネルして放射される。そのため、いずれの電界放射型電子源においても表面電極４’の膜厚は、電界放射型電子源のエミッション特性に対して特に大きな影響を与える。すなわち、表面電極４’の膜厚を薄くするほど、表面電極４’での電子のトラップが減少し、エミッション特性は向上する。

しかしながら、更なるエミッション特性の向上ために表面電極４’の膜厚をより薄くすると、成膜プロセスの製造ばらつきなどによって表面電極４’が薄くなりすぎたり、表面電極４’の形成後の熱プロセスの影響によって表面電極４’が凝集したりして、表面電極４’の導通がとれなくなるという問題が再び顕在化する傾向にある。また、表面電極４’が断線すると電界放射型電子源１０’として全く機能しなくなる恐れがあり、信頼性の高い電界放射型電子源１０’を量産性よく製造することは難しい。

すなわち、表面電極４’の膜厚を厚く形成すれば、信頼性を向上させることができるものの、更なるエミッション特性の向上を図ることが難しいというトレードオフの関係となる。特に、電子放射型電子源１０’を電子放射型電子源１０’から放射した電子で蛍光体層を発光させる発光装置に用い、該発光装置を光出力のより高い照明器具への応用を考慮すると、上記構成の電界放射型電子源１０’だけでは十分ではなく更なる改良が求められている。

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、エミッション特性の向上を図りつつ、より信頼性の高い電界放射型電子源およびそれを用いた発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために第１の発明は、下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、前記電子通過層と接する最下部と、前記電子通過層から最も離れた最上部とを備えた少なくとも２層以上の多層膜からなり、前記最下部が前記最上部よりも前記電子通過層との密着性の良い第１の材料からなるとともに、前記最上部が前記最下部よりも電子透過率の高い第２の材料からなり、前記最上部と前記最下部の膜厚を前記表面電極の主表面に沿った方向において、互いに逆方向に連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする。

第２の発明は、下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、少なくとも前記電子通過層との密着性が良い第１の材料と、該第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料との合金であり、前記第１の材料と第２の材料との合金比率を前記表面電極の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする。

第３の発明は、上記第１の発明または上記第２の発明において、前記表面電極は、前記第１の材料がＣｒまたはＴｉであり、前記第２の材料がＡｕであることを特徴とする。

第４の発明は、下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、化合物からなり、該化合物の組成比を前記表面電極の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする。

第５の発明は、上記第４の発明において、前記化合物は、導電性窒化物であることを特徴とする。

第６の発明は、上記第５の発明において、前記導電性窒化物は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから選択される１種からなることを特徴とする。

第７の発明は、上記第１の発明ないし上記第６の発明のいずれかにおいて、絶縁性の基板の一表面側に前記下部電極が形成されているとともに、前記電子通過層は、強電界ドリフト層を備え、該強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と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とを有し、前記下部電極と前記表面電極との間に前記表面電極を高電位側として電圧を印加することにより前記下部電極から注入された電子が前記強電界ドリフト層をドリフトし前記表面電極を通して放出されることを特徴とする。

第８の発明は、上記第１の発明ないし上記第７の発明のいずれかに記載の電界放射型電子源と、Ｘｅガスが封入され少なくとも一部が透光性材料により形成された気密容器と、該気密容器内においてＸｅガスを直接励起させる電子を供給する前記電界放射型電子源と対向配置されたコレクタ電極と、前記気密容器の内面側に配置され励起されたＸｅガスの発光過程で放射される励起光によって励起され蛍光を発する蛍光体を有する蛍光体層と、前記電界放射型電子源へ供給する電圧および前記コレクタ電極と前記電界放射型電子源との間の電圧を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

上記第１の発明は、エミッション特性の向上を図りつつ、より信頼性を高い電界放射型電子源とすることが可能になるという効果がある。

上記第２の発明は、エミッション特性の向上を図りつつ、より信頼性を高い電界放射型電子源とすることが可能になるという効果がある。

上記第４の発明は、エミッション特性の向上を図りつつ、より信頼性を高い電界放射型電子源とすることが可能になるという効果がある。

上記第８の発明では、エミッション特性の向上を図りつつ、より信頼性を高い発光装置とすることが可能になるという効果がある。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は電界放射型電子源の要部模式断面図である。同上の発光装置に用いられる電界放射型電子源の他の要部模式断面図である。同上の発光装置に用いられる電界放射型電子源の別の要部模式断面図である。従来の電界放射型電子源の模式的断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置を図１ないし図３に基づいて説明する。

本実施形態の図１（ａ）に示す発光装置２０は、Ｘｅガスが封入され少なくとも一部が透光性材料により形成された気密容器２１と、該気密容器２１内においてＸｅガスを直接励起させる電子を供給する電界放射型電子源１０と対向配置された透光性電極（たとえば、ＩＴＯ膜など）からなるコレクタ電極２３と、気密容器２１の内面側に配置され励起されたＸｅガスの発光過程で放射される励起光によって励起され発光する蛍光体を有する蛍光体層２４とを備えている。また、発光装置２０は、駆動用電源Ｖｐｓから電界放射型電子源１０の表面電極４（上部電極）と下部電極２との間へ供給する電圧およびコレクタ電極用電源Ｖａからコレクタ電極２３と電界放射型電子源１０の表面電極４との間へ供給する電圧を制御する制御手段２５ａを有する制御装置２５とを備えている。

また、発光装置２０の電界放射型電子源１０は、図１（ｂ）に示すように、下部電極２と、該下部電極２に対向する表面電極４と、下部電極２と表面電極４との間に介在し下部電極２と表面電極４との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層３とを備え、電子通過層３を通過した電子が表面電極４を通して放出されるものである。また、表面電極４は、電子通過層３と接する最下部４１と、電子通過層３から最も離れた最上部４２とを備えた少なくとも２層以上の多層膜からなっている。最下部４１は、最上部４２よりも電子通過層３との密着性の良い第１の材料（たとえば、ＣｒやＴｉなど）であるとともに、最上部４２が上記第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料（たとえば、Ａｕ）であって、最上部４２と最下部４１の膜厚を互いに逆方向に連続的に変化させてなる。ここで、表面電極４のトータル膜厚は、表面電極４の主表面に沿った方向において、略一定にしている。したがって、最下部４１と最上部４２との界面となる最下部４１の表面４ａは、電子通過層３に対して傾斜しているものの、最上部４２の表面４２ａは、電子通過層３と略平行となっている。

本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、ＢＳＤ型、すなわち弾道電子面放出型電子源であり、絶縁性の基板（たとえば、ガラス基板やセラミック基板）１の一表面１ａ側に下部電極２が形成されているとともに、電子通過層３が、強電界ドリフト層３２（図２を参照）となっている。電界放射型電子源１０は、より詳細な図２で例示するように、強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶３１３と各半導体微結晶３１３それぞれの表面に形成され半導体微結晶３１３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜よりなる多数の絶縁膜３１４とを有している。

電界放射型電子源１０は、下部電極２と表面電極４との間に表面電極４を高電位側となるように駆動用電源Ｖｐｓから電圧を印加することにより下部電極２から注入された電子ｅ⁻が強電界ドリフト層３２をドリフトし表面電極４を通して放出する。

ここで、発光装置２０の制御装置２５における駆動用電源Ｖｐｓから電界放射型電子源１０の表面電極４と下部電極２との間に表面電極４側を高電位とする１０〜２０Ｖ程度の電圧を印加することにより、電界放射型電子源１０は電子ｅ⁻を放出することができる。また、制御装置２５によってコレクタ電極用電源Ｖａからコレクタ電極２３と電界放射型電子源１０の表面電極４との間にコレクタ電極２３を高電位側とする電圧を印加させることで、発光装置２０は、電界放射型電子源１０から放出された電子ｅ⁻を、コレクタ電極２３と表面電極４との間の電界によって加速させて、コレクタ電極２３と表面電極４との間に存在するＸｅガスの原子に衝突させることができる。

電子ｅ⁻が衝突されたＸｅガスは、電子ｅ⁻によって励起され、Ｘｅガスの発光過程で励起光たる紫外線を放射する。紫外線は、蛍光体層２４の蛍光体で可視光に波長変換され気密容器２１を通して外部に放射される。なお、図１および図２中の直線の矢印は、電界放射型電子源１０から放出される電子ｅ⁻を示し、図１中の波線の矢印は励起されたＸｅガスが基底状態に戻る過程（発光過程）で放射される紫外線を例示している。

なお、気密容器２１は、透光性材料（たとえば、ガラスなど）からなる矩形板状のリヤプレート２６と、リヤプレート２６の一表面２６ａ側と対向配置された透光性材料（たとえば、ガラスなど）からなる矩形板状のフェースプレート２２と、リヤプレート２６とフェースプレート２２との間に介在する矩形枠状のスペーサ２７とで構成されている。また、リヤプレート２６の上記一表面２６ａ側に上述した電界放射型電子源１０が配置されている。フェースプレート２２における電界放射型電子源１０との対向面側は、コレクタ電極２３が形成され、コレクタ電極２３における電界放射型電子源１０との対向面側に蛍光体層２４が形成されている。

なお、気密容器２１の形状は、特に限定するものではない。また、リヤプレート２６、フェースプレート２２およびスペーサ２７の材料は、ガラスに限らず、たとえば、透光性セラミックを用いてもよい。また、本実施形態の発光装置２０において、気密容器２１は、気密容器２１の全体を透光性材料により形成させているが、必ずしも気密容器２１の全体を透光性材料により形成させる必要はなく、少なくとも一部が透光性材料により形成され蛍光体層２４からの光を外部に放出できればよい。

以下、本実施形態の発光装置２０に用いられる各構成について詳述する。

本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、基板１の一表面１ａ側に形成された下部電極２と、下部電極２上に形成された半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層を用いて形成させた強電界ドリフト層３２たる電子通過層３と、電子通過層３上に形成された表面電極４とで構成されている。

本実施形態の電界放射型電子源１０における基板１の材料としては、たとえば、基板１上に形成させる下部電極２、電子通過層３や表面電極４の成膜温度、発光装置２０における真空封止工程の熱工程など製造プロセス時の温度条件に応じて、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、低アルカリガラス基板、ソーダライムガラス基板などから適宜選択すればよく、セラミック基板を用いる場合には、アルミナ基板などを用いることができる。

本実施形態の電界放射型電子源１０では、絶縁性の基板１を用いているが、シリコン基板などの半導体基板を用い、該半導体基板に積層した導電性層とで下部電極２を構成するようにしてもよい。また、強電界ドリフト層３２と下部電極２との間には、多結晶シリコン層を介在させた構成を採用して、強電界ドリフト層３２と多結晶シリコン層とで電子通過層３を構成してもよい。すなわち、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０では、後述する陽極酸化技術により、多結晶シリコン層の全部（下部電極２に達する深さまで）を強電界ドリフト層３２として形成しているが、多結晶シリコン層の一部（所定深さまで）のみを酸化させ、図４のごとく、下部電極２上に多結晶シリコン層３１を備えた構成としていてもよい。

電界放射型電子源１０の下部電極２は、金属材料からなる単層（たとえば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる単層）の薄膜により構成することができる。また、下部電極２は、多層（たとえば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物からなる多層）の薄膜により構成してもよい。下部電極２の材料として、金属あるいは合金を採用する場合、たとえば、スパッタ法や蒸着法により形成することができる。

また、下部電極２は、下部電極２を半導体材料により構成する場合、高濃度ドープのｎ形多結晶シリコンにより形成させてもよいし、ｐ形不純物をドーピングしたｐ形多結晶シリコン層により構成してもよい。下部電極２は、不純物をドープした半導体材料として多結晶シリコン層に限らず、不純物をドーピングした多結晶シリコン以外の半導体材料により構成させてもよい。

電界放射型電子源１０の電子通過層３は、下部電極２上に各種のＣＶＤ法などで成膜させた多結晶シリコン層に対して後述の陽極酸化技術を利用した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、酸化した強電界ドリフト層３２として形成することができる。強電界ドリフト層３２は、少なくとも、図２で示すような柱状の多結晶シリコンである複数のグレイン（半導体結晶）３１１と、各グレイン３１１それぞれの表面に形成された薄いシリコン酸化膜たる絶縁膜３１２と、隣り合うグレイン３１１間に介在する多数のナノメータオーダのナノ結晶シリコンよりなる半導体微結晶３１３と、各半導体微結晶３１３の表面に形成され当該半導体微結晶３１３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜たる絶縁膜３１４とを含んでいる。すなわち、電子通過層３は、多結晶シリコンおよび多結晶シリコンの粒界付近に存在する多数のナノ結晶シリコンが混在している。なお、各グレイン３１１は、基板１の厚み方向に沿って延びている。

なお、強電界ドリフト層３２では、酸化プロセスを採用してシリコン酸化膜からなる絶縁膜３１４を形成しているが、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い。絶縁膜３１４の形成において、窒化プロセスを採用した場合、上述の各絶縁膜３１２，３１４は、いずれもシリコン窒化膜となる。同様に、酸窒化プロセスを採用した場合には、上述の各絶縁膜３１２，３１４は、いずれもシリコン酸窒化膜とすることができる。

また、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０では、強電界ドリフト層３２が電子通過層３を構成しているが、電子通過層３として、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などからなる絶縁体層を採用するとともに、電子通過層３と下部電極２との間に多結晶シリコン層を介在させることで、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造の電界放射型電子源とすることができる。また、電子通過層３として、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などからなる絶縁体層を採用するとともに、電子通過層３と下部電極２との間に上記多結晶シリコン層を介在させない場合には、ＭＩＭ型の電界放射型電子源とすることができる。

本実施形態に用いられる電界放射型電子源１０の表面電極４は、多層膜として、電子通過層３と接する最下部４１となる下層側が電子通過層３との密着性が良い第１の材料からなるＣｒ膜で、電子通過層３から最も離れた最上部４２となる表層側が上記第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料からなるＡｕ膜の２層構造で形成している。Ｃｒ膜とＡｕ膜とのそれぞれの膜厚は、表面電極４の主表面に沿った方向において、互いに逆方向に傾斜して形成されている。言い換えれば、図１（ｂ）で示すように表面電極４の主表面に沿った方向において、最下部４１のＣｒ膜の膜厚がより厚い部分では、最上部４２のＡｕ膜の膜厚がより薄い。また、最下部４１のＣｒ膜の膜厚がより薄い部分では、最上部４２のＡｕ膜の膜厚がより厚い。ここでは、最上部４２と最下部４１とを合わせた表面電極４のトータル膜厚は、略均一となっている。表面電極４は、より具体的には、たとえば、最下部４１のＣｒ膜が２ｎｍで最上部４２のＡｕ膜が８ｎｍの部分（図１（ｂ）中の左側）から、最下部４１のＣｒ膜が０．５ｎｍで最上部４２のＡｕ膜が９．５ｎｍの部分（図１（ｂ）中の右側）まで傾斜的に連続して変化させている。ここにおいて、表面電極４は、Ｃｒ膜とＡｕ膜で形成されているが、最下部４１は電子通過層３との密着性が良く、耐熱性の高いＴｉなどの材料を用いてもよい。また、最上部４２の材料は、Ａｕに限らず、たとえば白金、イリジウムなどの他の貴金属により形成してもよい。また、表面電極４の最上部４１および最下部４２は、それぞれ金属の単体だけでなくそれぞれ合金を用いて構成しても良い。

また、表面電極４の膜厚は、表面電極４のトータルの膜厚が一定になるように多層膜の膜厚を変化させる必要はない。そのため、表面電極４は、図３（ａ）で例示するように、たとえば、最下部４１となるＣｒ膜の膜厚が２ｎｍで、最上部４２となるＡｕ膜の膜厚が８ｎｍとなるトータル膜厚が１０ｎｍ（図３(ａ)中の左側）から最下部４１となるＣｒ膜の膜厚が０．５ｎｍで、最上部４２となるＡｕ膜の膜厚が１０ｎｍのトータル膜厚が１０．５ｎｍ（図３(ａ)中の右側）まで変化させた構造とすることができる。また、表面電極４は、図３（ｂ）で例示するように、たとえば、最下部４１となるＣｒ膜の膜厚が２ｎｍで、最上部４２となるＡｕ膜の膜厚が８ｎｍとなるトータル膜厚が１０ｎｍ（図３(ｂ)中の左側）から最下部４１となるＣｒ膜の膜厚が０．５ｎｍで、最上部４２となるＡｕ膜の膜厚が９ｎｍとなるトータル膜厚が９．５ｎｍ（図３(ｂ)中の右側）まで変化させた構造としてもよい。

なお、表面電極４のトータル膜厚や多層膜の各膜厚は、表面電極４の主表面に沿って、連続的に一方向に変化させるばかりでなく、表面電極４の膜厚が表面電極４の断面において、階段状に段階的に変化させてもよい。また、表面電極４の膜厚は、表面電極４の中央部で薄く、該中央部の周部で厚くなるように連続的に変化させてもよい。さらに、表面電極４の膜厚は、表面電極４の膜厚が表面電極４の断面において、階段状に段階的に変化させ厚い部分と薄い部分とを表面電極４の主表面に沿った方向において、繰り返すように段階的に変化させても良い。また、表面電極４には、電子通過層３との密着性を向上させるために、導電性炭化物層を更に備えてもよい。

本実施形態の発光装置２０では、電界放射型電子源１０の基板１をリヤプレート２６の一表面２６ａ側に配置して構成しているが、発光装置２０のガラス基板からなるリヤプレート２６を基板１として、リヤプレート２６の一表面２６ａ側に電界放射型電子源１０の下部電極２、電子通過層３や表面電極４を直接形成させてもよい。

本実施形態の発光装置２０に用いられる制御装置２５は、電界放射型電子源１０の表面電極４と下部電極２との間に電圧を印加する駆動用電源Ｖｐｓと、コレクタ電極２３と電界放射型電子源１０の表面電極４との間に電圧を印加するコレクタ電極用電源Ｖａと、駆動用電源Ｖｐｓおよびコレクタ電極用電源Ｖａそれぞれを制御するマイクロコンピュータなどにより構成される制御手段２５ａとで構成することができる。

ここで、制御手段２５ａは、電子ｅ⁻のエネルギー分布のピークエネルギーが、気密容器２１内に封入されているＸｅガスの励起エネルギーよりも大きく、Ｘｅガスのイオン化エネルギーよりも小さくなるように電界放射型電子源１０の表面電極４と、下部電極２との間の電圧を制御することでＸｅガスを放電させずに励起させることができる。

本実施形態の発光装置２０では、電界放射型電子源１０とコレクタ電極２３との間隔をパッシェン・ミニマムよりも大きな間隔（たとえば、１ｃｍ）に設定してあり、Ｘｅガスの放電が起こりにくくしている。なお、電界放射型電子源１０とコレクタ電極２３との間の間隔は１ｃｍに限定するものではない。また、本実施形態の発光装置２０では、気密容器２１内に封入するＸｅガスの圧力を５ｋＰａに設定してあるが、当該ガス圧は５ｋＰａに限定するものではなく、ガス圧を２ｋＰａ〜２０ｋＰａの範囲内で適宜に設定すれば、Ｘｅガスの放電を防止することができるとともに発光効率の向上を図れることが可能となる。

なお、本実施形態の発光装置２０における制御装置２５は、電界放射型電子源１０から気密容器２１内に周期的に電子が供給されるように、上述の駆動用電源Ｖｐｓから電界放射型電子源１０の表面電極４と下部電極２との間に表面電極４を高電位側として矩形波電圧を印加させて、電界放射型電子源１０を間欠的に駆動させてもよい。

本実施形態の発光装置２０では、電界放射型電子源１０から放出された電子ｅ⁻でＸｅガスを直接励起し、Ｘｅガスから放射される紫外線によって蛍光体層２４の蛍光体を発光させる。そのため、本実施形態の発光装置２０は、電界放射型電子源１０におけるエミッション特性の面内均一性が悪くても、蛍光体層２４から発せられる蛍光の均一性には影響が及びにくく、面内均一性に優れた光を発光することが可能な平面型の照明器具として利用することができる。

以下、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０の製造方法について説明する。

まず、石英ガラス基板からなる絶縁性の基板１の一表面１ａ上に、たとえば、スパッタ法によって、膜厚が５００ÅのＴｉ膜と２５００ÅのＷ膜との積層膜からなる金属薄膜たる下部電極２を形成する。続いて、下部電極２上に所定膜厚（たとえば、１．５μｍ）のノンドープの多結晶シリコン層を形成する。なお、ノンドープの多結晶シリコン層の形成方法としては、たとえば、各種のＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法により、アモルファスシリコンを堆積させた後にレーザアニール処理する方法などを採用すればよい。

続いて、多結晶シリコン層に、多数のグレイン３１１と多数のシリコン微結晶たる半導体微結晶３１３とが混在する複合ナノ結晶層を形成する図示していないナノ結晶化工程を行う。ナノ結晶化工程は、下部電極２を陽極とし第１の電解液（たとえば、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）中において、上記多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置するとともに、電源から下部電極２と上記白金電極との間に定電流（たとえば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（たとえば、１０秒）だけ流す。また、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により、上記多結晶シリコン層の主表面に光照射を行っている。これにより、多結晶シリコンのグレイン３１１およびシリコン微結晶たる半導体微結晶３１３を含む複合ナノ結晶層を形成することができる。

ナノ結晶化プロセスが終了した後に、酸化プロセスを行うことによって上述の複合ナノ結晶層を備えた強電界ドリフト層３２が電子通過層３として形成される。酸化プロセスでは、たとえば、下部電極２を陽極とし、第２の電解液（たとえば、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）中において上述の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置する。また、電源から下部電極２と白金電極との間に定電流（たとえば、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し、下部電極２と白金電極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、強電界ドリフト層３２を形成することができる。

なお、上述の酸化プロセスは、上記電気化学的な酸化方法に限らず、急速加熱法により複合ナノ結晶層を酸化することによって、グレイン３１１、半導体微結晶３１３、各シリコン酸化膜たる絶縁膜３１２、３１４を含む強電界ドリフト層３２として電子通過層３を形成してもよい。

ここにおいて、急速加熱法による酸化プロセスでは、ランプアニール装置を用い、炉内をＯ_２ガス雰囲気（たとえば、標準状態での酸素ガス流量を０．２〜０．４Ｌ／ｍｉｎ）として、基板１の温度を室温から所定の酸化温度（たとえば、９００℃）まで規定の昇温速度（たとえば、８０℃／ｓ）で上昇させて所定の酸化時間（たとえば、１時間）だけ維持することで急速熱酸化（Rapid Thermal Oxidation : ＲＴＯ）を行うことができる。

また、酸化プロセスで強電界ドリフト層３２を酸化により形成させる代わりに、強電界ドリフト層３２を窒化プロセス、あるいは酸窒化プロセスにより強電界ドリフト層３２を形成してもよい。

強電界ドリフト層３２を窒化プロセスにより形成させる場合には、多結晶シリコン半導体をＯ_２ガスを利用した急速加熱法により酸化する酸化工程の代わりに、たとえば、ＮＨ_３ガスを利用した急速加熱法により窒化する窒化工程を採用すればよい。窒化工程の場合、図２にて説明した各絶縁膜３１２，３１４は、いずれもシリコン窒化膜とすることができる。

同様に、強電界ドリフト層３２を酸窒化プロセスにより形成させる場合には、多結晶シリコン半導体を急速加熱法により酸化する工程の代わりに、たとえば、Ｏ_２ガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスを利用した急速加熱法により酸窒化する酸窒化工程を採用すればよい。酸窒化工程の場合、図２にて説明した各絶縁膜３１２，３１４は、いずれもシリコン酸窒化膜とすることができる。

強電界ドリフト層３２として電子通過層３を形成した後は、Ｃｒ薄膜とＡｕ薄膜とを順次スパッ夕法などによって成膜することにより、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０における所定形状の表面電極４を形成することができる。ここで、スパッタリング装置としては、スパッタターゲットと表面電極４を形成させるための電子通過層３との間に、スリットが形成された平板を備えた可動式のシャッターを設置している。

スパッタリング装置は、上記平板と略平行に配置させたシャッターを移動させことにより、スリットを介して電子通過層３側に最初に最下部４１としてＣｒ膜が成膜できるように構成してある。すなわち、スパッタリング装置は、可動式のシャッターを動かして、スリットの開口部分の位置を徐々に移動させることにより、電子通過層３の表面に成膜されるＣｒ膜の場所も移動する。スパッタリング装置は、上述のシャッターにおけるシャッターの移動速度を変えれば、シャッターの移動速度が遅いスリットの開口部分では成膜されるＣｒ膜の膜厚が厚くなり、シャッターの移動速度が速いスリットの開口部分では、成膜されるＣｒ膜の膜厚を薄くすることができる。すなわち、スパッタリング装置は、スリットが形成された平板を備えた可動式のシャッターの移動速度を制御することによって、表面電極４の最下部４１たるＣｒ膜の膜厚を連続的または段階的に変化させることが可能となる。このようにしてＣｒ膜を形成した後、スパッタターゲットをＣｒからＡｕに代えて、Ｃｒ膜とＡｕ膜との厚みが表面電極４の主表面に沿った方向において逆となるよう、同様の方法で表面電極４の最上部４２たるＡｕ膜を成膜させればよい。

また、スパッタリング装置は、スリットが形成された平板を備えた可動式のシャッターにおける移動速度を変えるのではなく、シャッターの移動に合わせてスパッタ条件を変えることで、表面電極４における最下部４１や最上部４２の膜厚を連続的または段階的に変化させることもできる。さらに、スパッタリング装置は、スリット幅の広い部分と、スリット幅の狭い部分とを備え、一定の速度で移動させる移動式のシャッターで構成することもできる。このようなスパッタリング装置のシャッターを移動させてスリットを開口させる場合、スリット幅が広い部分ほどシャッターがスリットを全て開口させるまでの時間が長く、スリット幅の狭い部分ほどシャッターがスリットを全て開口させるまでの時間が短くなる。

したがって、スリット幅が広い部分は、スリット幅の狭い部分と比較して、金属薄膜の成膜される時間が長く金属薄膜の厚く形成される部分ができるため、表面電極４における最下部４１や最上部４２の膜厚を連続的または段階的に変化させることができる。すなわち、スパッタリング装置は、スリットの形状によって膜厚の分布を制御することも可能である。なお、スパッタリング装置は、シャッターを固定しておいて、表面電極４における最下部４１や最上部４２を成膜させるための電子通過層３側を移動させてもよい。このような、電界放射型電子源１０における表面電極４の成膜は、スパッタ法に限らず蒸着法やイオンプレーティング法等を用いても同様にして形成することができる。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、図１に示す実施形態１の電界放射型電子源１０と略同一であり、表面電極４が多層膜により構成させたものの代わりに、表面電極４が、電子通過層３との密着性が良い第１の材料と、該第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料との合金であり、第１の材料と第２の材料との合金比率を表面電極４の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなる構成とした点が異なる。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適宜省略する。

本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、図１と同様に、下部電極２と、該下部電極２に対向する表面電極４と、下部電極２と表面電極４との間に介在し下部電極２と表面電極４との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層３とを備え、電子通過層３を通過した電子が表面電極４を通して放出されるものである。

ここで、電界放射型電子源１０の表面電極４は、電子通過層３との密着性が良い第１の材料（たとえば、ＣｒやＴｉ）と、該第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料（たとえば、Ａｕ）との合金であり、第１の材料と第２の材料との合金比率を表面電極４の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなる合金の構成としている。

本実施形態に用いられる電界放射型電子源１０の表面電極４を形成させるためには、多元同時スパッ夕装置を用いることができる。ここで、多元同時スパッタリング装置は、実施形態１の表面電極４を成膜させたスパッタリング装置と同様のスリットが形成された平板を備えた可動式のシャッターを複数個備えている。表面電極４の成膜にあたっては、たとえば、各シャッターの移動に合わせてＣｒと、Ａｕへのスパッタ条件を制御することで、Ｃｒと、Ａｕとの合金の合金比率が表面電極４の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化するように成膜させることができる。

本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０では、表面電極４の主表面に沿った方向において、電子通過層３との密着性が高い第１の材料（たとえば、ＣｒやＴｉ）が少なく、該第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料（たとえば、Ａｕ）が多い合金比率の表面電極４の部分では、表面電極４での電子トラップが少なくなるため良好なエミッション特性を得ることが可能となる。また、表面電極４の成膜後に行われる真空封止などの加熱を伴うプロセスの途中に、第２の材料の膜厚が厚くなっている部分が凝集し断線が発生したとしても、断線部分と隣接する表面電極４の部分では、密着性が高い第１の材料（たとえば、ＣｒやＴｉ）の合金比率を高くすることができるため、密着性の高い第１の材料が電子通過層３と密着を維持して表面電極４の全体での断線が生ずることを抑制することが可能となる。

このような、本実施形態に用いられる電界放射型電子源１０は、上述の実施形態１における電界放射型電子源１０と同様に、気密容器２１内に配置させることで発光装置２０を構成することができる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、図１に示す実施形態１の電界放射型電子源１０と略同一であり、表面電極４が多層膜により構成させたものの代わりに、表面電極４が、化合物からなり、該化合物の組成比を表面電極４の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなる構成とした点が異なる。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適宜省略する。

ここで、電界放射型電子源１０の表面電極４は、化合物たる導電性窒化物として、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから選択される１種を用い、該化合物の組成比を表面電極４の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなる構成としている。

本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０の表面電極４を形成させるためには、金属材料よりなるタ−ゲットを用いて、窒素を含むガスを利用した反応性スパッ夕法により成膜させることができる。ここで、スパッタリング装置は、実施形態１の表面電極４を成膜させたスパッタリング装置と同様のスリットが形成された平板を備えた可動式のシャッターを備えている。表面電極４の成膜にあたっては、反応性スパッ夕において、不活性ガス（たとえば、Ａｒガス）と、窒素原子を含む反応性ガス（たとえば、窒素ガス）との混合比や放電パワーなどにより、上記導電性窒化物層における窒素の組成比を制御することができる。したがって、表面電極４は、シャッターの移動に合わせて反応性スパッ夕条件を制御して成膜させれば、表面電極４の主表面に沿った方向において、上記導電性窒化物の組成比を連続的または段階的に変化させることができる。

ところで、金属と窒素との化合物である導電性窒化物は、Ａｕなどの貴金属に比べて融点が高く電子通過層３との密着性をよくすることができる。また、金属と窒素との化合物である導電性窒化物は、導電率も比較的高くすることができる。しかしながら、金属と窒素との化合物である導電性窒化物を表面電極４に用いた場合、表面電極４における電子透過率は、窒化が進むほど低下する傾向にある特徴を利用している。

そこで、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０の表面電極４では、表面電極４となる化合物たる導電性窒化物の組成比を、表面電極４の面方向で変化させ、窒化があまり進まずに耐熱性や密着性は悪いがエミッション特性の良い部分から、窒化が進んで耐熱や密着性は良いがエミッション特性は悪い部分に連続的または段階的に変化させて形成している。

したがって、本実施形態の発光装置２０に用いられる電界放射型電子源１０は、化合物の組成比が耐熱性や密着性は悪いがエミッション特性が良い部分から耐熱性や密着性は良いがエミッション特性が悪い部分まで備えてなる。上記化合物の組成比のうち、耐熱性や密着性は悪いがエミッション特性が良い部分で断線が発生しても、断線部分と隣接する部分では、耐熱性や密着性が高い部分とすることができるため、表面電極４の全体での断線が生ずることを抑制することが可能となる。また、表面電極４のいずれかで電気的接続を維持しつつ、表面電極４で耐熱性や密着性は悪いがエミッション特性が良い部分で良好なエミッション特性を得ることができることが可能になる。

１基板
１ａ一表面
２下部電極
３電子通過層
４表面電極
１０電界放射型電子源
２０発光装置
２１気密容器
２３コレクタ電極
２４蛍光体層
２５制御装置
３２強電界ドリフト層
４１最下部
４２最上部
３１３半導体微結晶
３１４絶縁膜

Claims

下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、前記電子通過層と接する最下部と、前記電子通過層から最も離れた最上部とを備えた少なくとも２層以上の多層膜からなり、前記最下部が前記最上部よりも前記電子通過層との密着性の良い第１の材料からなるとともに、前記最上部が前記第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料からなり、前記表面電極の主表面に沿った方向において、前記最上部と前記最下部の膜厚を互いに逆方向に連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする電界放射型電子源。
下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、少なくとも前記電子通過層との密着性が良い第１の材料と、該第１の材料よりも電子透過率の高い第２の材料との合金であり、前記第１の材料と前記第２の材料との合金比率を前記表面電極の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする電界放射型電子源。
前記表面電極は、前記第１の材料がＣｒまたはＴｉであり、前記第２の材料がＡｕであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電界放射型電子源。
下部電極と、該下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に介在し前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通過する電子通過層とを備え、前記電子通過層を通過した電子が前記表面電極を通して放出される電界放射型電子源であって、前記表面電極は、化合物からなり、該化合物の組成比を前記表面電極の主表面に沿った方向において、連続的または段階的に変化させてなることを特徴とする電界放射型電子源。
前記化合物は、導電性窒化物であることを特徴とする請求項４に記載の電界放射型電子源。
前記導電性窒化物は、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから選択される１種からなることを特徴とする請求項５に記載の電界放射型電子源。
絶縁性の基板の一表面側に前記下部電極が形成されているとともに、前記電子通過層は、強電界ドリフト層を備え、該強電界ドリフト層がナノメータオーダの多数の半導体微結晶と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とを有し、前記下部電極と前記表面電極との間に前記表面電極を高電位側として電圧を印加することにより前記下部電極から注入された電子が前記強電界ドリフト層をドリフトし前記表面電極を通して放出されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電界放射型電子源。
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電界放射型電子源と、Ｘｅガスが封入され少なくとも一部が透光性材料により形成された気密容器と、該気密容器内においてＸｅガスを直接励起させる電子を供給する前記電界放射型電子源と対向配置されたコレクタ電極と、前記気密容器の内面側に配置され励起されたＸｅガスの発光過程で放射される励起光によって励起され蛍光を発する蛍光体を有する蛍光体層と、前記電界放射型電子源へ供給する電圧および前記コレクタ電極と前記電界放射型電子源との間の電圧を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする発光装置。