JPH08321256A - 電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法 - Google Patents
電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法Info
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- JPH08321256A JPH08321256A JP25535695A JP25535695A JPH08321256A JP H08321256 A JPH08321256 A JP H08321256A JP 25535695 A JP25535695 A JP 25535695A JP 25535695 A JP25535695 A JP 25535695A JP H08321256 A JPH08321256 A JP H08321256A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安価で、生産性がよく、大面積化が容易であ
り、高効率で長寿命な電子放出陰極及びそれを用いた電
子放出素子を提供する。 【解決手段】 粒子状のダイヤモンドを含み、ダイヤモ
ンドの一部が表面から突出しているｎ形半導体膜からな
る陰極と、真空空間を隔ててｎ形半導体膜に対向して設
けられた陽極とを有する電子放出素子。ダイヤモンドの
（１１１）面は負の電子親和力を備えており、真空中に
電子を放出し易くなっているので陰極と陽極との間に電
圧を印加することにより、陰極から高効率で電子を放出
させることができる。
り、高効率で長寿命な電子放出陰極及びそれを用いた電
子放出素子を提供する。 【解決手段】 粒子状のダイヤモンドを含み、ダイヤモ
ンドの一部が表面から突出しているｎ形半導体膜からな
る陰極と、真空空間を隔ててｎ形半導体膜に対向して設
けられた陽極とを有する電子放出素子。ダイヤモンドの
（１１１）面は負の電子親和力を備えており、真空中に
電子を放出し易くなっているので陰極と陽極との間に電
圧を印加することにより、陰極から高効率で電子を放出
させることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、真空下で電子を放
出する電子放出陰極及びそれを用いた電子放出素子、フ
ラットディスプレイ、ならびに熱電冷却装置に関する。
出する電子放出陰極及びそれを用いた電子放出素子、フ
ラットディスプレイ、ならびに熱電冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体微細化技術を用いて、微細な電子
放出素子を集積して作製し、超高速素子等の高機能素子
を実現する研究が近年盛んになってきている。こうした
研究分野は真空マイクロエレクトロニクスと呼ばれ、特
に、フラットディスプレイ（フィールドエミッションデ
ィスプレイ、以下ＦＥＤと略す）への応用が注目されて
いる。電子放出素子をＦＥＤに用いれば、従来のブラウ
ン管ディスプレイに比べ、薄型で軽量の表示装置が実現
されると考えられるからである。
放出素子を集積して作製し、超高速素子等の高機能素子
を実現する研究が近年盛んになってきている。こうした
研究分野は真空マイクロエレクトロニクスと呼ばれ、特
に、フラットディスプレイ（フィールドエミッションデ
ィスプレイ、以下ＦＥＤと略す）への応用が注目されて
いる。電子放出素子をＦＥＤに用いれば、従来のブラウ
ン管ディスプレイに比べ、薄型で軽量の表示装置が実現
されると考えられるからである。
【０００３】電子放出素子を用いたＦＥＤでは、電子放
出素子が二次元的に配置され、蛍光体を塗布した陽極と
対向して保持される。そして、陰極と陽極との間に電圧
を印加することにより、真空中に電子が引き出され、蛍
光体に電子が衝突することにより、蛍光体が励起発光す
る。
出素子が二次元的に配置され、蛍光体を塗布した陽極と
対向して保持される。そして、陰極と陽極との間に電圧
を印加することにより、真空中に電子が引き出され、蛍
光体に電子が衝突することにより、蛍光体が励起発光す
る。
【０００４】以下に、従来の電子放出素子について説明
する。一般に、真空中で固体電極から電子を引き出すと
きの電流密度Ｊは、ファウラー−ノルドハイム（Ｆｏｗ
ｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式（１）により与えられ
る。
する。一般に、真空中で固体電極から電子を引き出すと
きの電流密度Ｊは、ファウラー−ノルドハイム（Ｆｏｗ
ｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式（１）により与えられ
る。
【０００５】 Ｊ＝(Ａ・Ｆ2/φ)・exp(−Ｂ・φ3/2/Ｆ) ・・・・・・・・（１） ここでＡ、Ｂは正の定数、Ｆは電界、φは陰極の仕事関
数である。また電子を引き出す際に印加する電圧をＶと
すると、電界Ｆは、式（２）で与えられる。
数である。また電子を引き出す際に印加する電圧をＶと
すると、電界Ｆは、式（２）で与えられる。
【０００６】 Ｆ＝βＶ ・・・・・・・・（２） ここで、βは陰極の幾何学的形状により決定される定数
である。
である。
【０００７】式（１）及び式（２）より、印加電圧Ｖが
一定の場合、電流密度Ｊを大きくするためにはβを大き
くするか、あるいはφを小さくすればよい。ただし陰極
として半導体を用いる場合には仕事関数φの代わりに、
真空準位と半導体の伝導帯のエネルギー差で与えられる
電子親和力χを小さくすればよい。βを大きくするため
には鋭い先端を持つように陰極を加工する必要があり、
具体的には例えば、ｎ形シリコン基板をエッチングして
先端をとがらせた突起状の電子放出部を形成する手法が
とられている。
一定の場合、電流密度Ｊを大きくするためにはβを大き
くするか、あるいはφを小さくすればよい。ただし陰極
として半導体を用いる場合には仕事関数φの代わりに、
真空準位と半導体の伝導帯のエネルギー差で与えられる
電子親和力χを小さくすればよい。βを大きくするため
には鋭い先端を持つように陰極を加工する必要があり、
具体的には例えば、ｎ形シリコン基板をエッチングして
先端をとがらせた突起状の電子放出部を形成する手法が
とられている。
【０００８】図１８は、鋭い先端を持つ突起状の電子放
出部を備えた従来の電子放出素子の断面構造を概略的に
示している。電子放出素子５００は、電子放出部５０２
を有するシリコン基板５０４と電子放出部を囲むように
絶縁膜５０６を介してシリコン基板５０４上に形成され
たゲート電極５０８とを有している。電子放出部５０２
はシリコン基板５０４をエッチングすることにより得ら
れ、先端が尖った円錐形をしている。また、シリコン基
板５０４には電極５１０が設けられている。
出部を備えた従来の電子放出素子の断面構造を概略的に
示している。電子放出素子５００は、電子放出部５０２
を有するシリコン基板５０４と電子放出部を囲むように
絶縁膜５０６を介してシリコン基板５０４上に形成され
たゲート電極５０８とを有している。電子放出部５０２
はシリコン基板５０４をエッチングすることにより得ら
れ、先端が尖った円錐形をしている。また、シリコン基
板５０４には電極５１０が設けられている。
【０００９】真空下において、電子放出素子５００を陽
極と対向させて保持し、電極５１０を介して、シリコン
基板５０４に対してゲート電極５０８に数十〜数百ボル
トの正の電圧を印加すると、電子放出部５０２は先端が
鋭くなっているため電界が集中するようになる。そし
て、電子放出部５０２中の電子に対して真空準位が形成
する電位障壁が低く押し下げられ、その電位障壁が薄く
なり、トンネル効果によって電子放出部５０２の表面か
ら電子が真空中へ引き出される。引き出された電子は、
シリコン基板５０４と対向し、ゲート電極５０８に対し
て数百〜数キロボルトの正電圧を印加した陽極に捕獲さ
れる。
極と対向させて保持し、電極５１０を介して、シリコン
基板５０４に対してゲート電極５０８に数十〜数百ボル
トの正の電圧を印加すると、電子放出部５０２は先端が
鋭くなっているため電界が集中するようになる。そし
て、電子放出部５０２中の電子に対して真空準位が形成
する電位障壁が低く押し下げられ、その電位障壁が薄く
なり、トンネル効果によって電子放出部５０２の表面か
ら電子が真空中へ引き出される。引き出された電子は、
シリコン基板５０４と対向し、ゲート電極５０８に対し
て数百〜数キロボルトの正電圧を印加した陽極に捕獲さ
れる。
【００１０】ゲート電極が存在せずシリコン基板５０４
と電子放出部５０２のみで構成された電子放出陰極で
は、シリコン基板５０４に対し数百〜数キロボルトの電
圧を印加した対向する陽極により直接電子が引き出され
捕獲される。
と電子放出部５０２のみで構成された電子放出陰極で
は、シリコン基板５０４に対し数百〜数キロボルトの電
圧を印加した対向する陽極により直接電子が引き出され
捕獲される。
【００１１】また、電気的エネルギを熱的エネルギに変
化する従来の熱電装置装置として、図１９に示される熱
電冷却装置が知られていた。熱電冷却装置５２０は、ｎ
形半導体層５２２とｐ形半導体層５２４とが金属板５２
６及び５２８を介して交互に直列に接続された構造を備
えており、端子５３０及び５３２の間に電圧を印加する
ことにより、金属板の一方が冷却され、他方は加熱され
る。
化する従来の熱電装置装置として、図１９に示される熱
電冷却装置が知られていた。熱電冷却装置５２０は、ｎ
形半導体層５２２とｐ形半導体層５２４とが金属板５２
６及び５２８を介して交互に直列に接続された構造を備
えており、端子５３０及び５３２の間に電圧を印加する
ことにより、金属板の一方が冷却され、他方は加熱され
る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の電子放出素子では、以下に示すような問題点があ
る。
従来の電子放出素子では、以下に示すような問題点があ
る。
【００１３】まず、電子放出部の先端はナノメートルの
オーダで加工する必要があり、高度な半導体プロセス技
術が必要となる。このため、そのような電子放出素子を
用いたＦＥＤを低コストで生産することは困難であると
考えられる。また、電子放出部の先端部分の形状にばら
つきが生じやすく、これにより、ＦＥＤの表示が不均一
になるという問題が生じる。更に、真空中、電子放出部
の先端部分にイオン粒子が衝突してスパッタリングされ
やすいために、先端部分が経時変化を起こしやすいとい
う問題がある。このため、長寿命のＦＥＤを期待できな
い。
オーダで加工する必要があり、高度な半導体プロセス技
術が必要となる。このため、そのような電子放出素子を
用いたＦＥＤを低コストで生産することは困難であると
考えられる。また、電子放出部の先端部分の形状にばら
つきが生じやすく、これにより、ＦＥＤの表示が不均一
になるという問題が生じる。更に、真空中、電子放出部
の先端部分にイオン粒子が衝突してスパッタリングされ
やすいために、先端部分が経時変化を起こしやすいとい
う問題がある。このため、長寿命のＦＥＤを期待できな
い。
【００１４】上述の電子放出素子を用いてＦＥＤを構成
する場合には、１０-8〜１０-10Ｔｏｒｒ程度の高真空
を実現する必要があり、そのような高真空を備えたＦＥ
Ｄを商業的に生産することは現実的ではない。
する場合には、１０-8〜１０-10Ｔｏｒｒ程度の高真空
を実現する必要があり、そのような高真空を備えたＦＥ
Ｄを商業的に生産することは現実的ではない。
【００１５】更に、基板としてシリコン基板を用いるた
め、ＦＥＤの画面サイズはシリコン基板の大きさにより
決定されてしまい、大画面のＦＥＤを実現できないとい
う問題もある。
め、ＦＥＤの画面サイズはシリコン基板の大きさにより
決定されてしまい、大画面のＦＥＤを実現できないとい
う問題もある。
【００１６】また、従来の熱電冷却装置では、冷却され
る金属板と加熱される金属板とは、ｎ形半導体層５２２
及びｐ形半導体層５２４を介して接合されている。この
ため、加熱される金属板から冷却される金属板へこれら
の半導体層５２２及び５２４を介して熱が伝導され、熱
の漏れが大きかった。このため、冷却効率及び加熱効率
が非常に悪かった。
る金属板と加熱される金属板とは、ｎ形半導体層５２２
及びｐ形半導体層５２４を介して接合されている。この
ため、加熱される金属板から冷却される金属板へこれら
の半導体層５２２及び５２４を介して熱が伝導され、熱
の漏れが大きかった。このため、冷却効率及び加熱効率
が非常に悪かった。
【００１７】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的とすることは、安価で、生産性
がよく、大面積化が容易で長寿命な電子放出陰極及びそ
れを用いた電子放出素子を提供することにある。また、
それらを用いたフラットディスプレイ及び効率の高い熱
電冷却装置を提供することにある。
たものであり、その目的とすることは、安価で、生産性
がよく、大面積化が容易で長寿命な電子放出陰極及びそ
れを用いた電子放出素子を提供することにある。また、
それらを用いたフラットディスプレイ及び効率の高い熱
電冷却装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の電子放出陰極
は、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一
部が表面から突出しているｎ形半導体膜を有し、真空空
間を隔てて該ｎ形半導体膜に対向して設けられる陽極と
の間に電圧を印加することにより電子を放出させる構造
を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
は、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一
部が表面から突出しているｎ形半導体膜を有し、真空空
間を隔てて該ｎ形半導体膜に対向して設けられる陽極と
の間に電圧を印加することにより電子を放出させる構造
を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
【００１９】前記ダイヤモンドはｐ形半導体であっても
のよい。
のよい。
【００２０】本発明の別の電子放出陰極は、粒子状のダ
イヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突
出しているカーボン膜を有し、真空空間を隔てて該カー
ボン膜に対向して設けられる陽極との間に電圧を印加す
ることにより電子を放出させる構造を備えており、その
ことにより、上記目的が達成される。
イヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突
出しているカーボン膜を有し、真空空間を隔てて該カー
ボン膜に対向して設けられる陽極との間に電圧を印加す
ることにより電子を放出させる構造を備えており、その
ことにより、上記目的が達成される。
【００２１】前記カーボン膜はがｎ形半導体もしくは疑
似ｎ形半導体であってもよい。
似ｎ形半導体であってもよい。
【００２２】前記カーボン膜はｎ形不純物として窒素を
含んでおり、該カーボン膜の一部はダイヤモンド構造を
有する微粒子を含んでいてもよい。
含んでおり、該カーボン膜の一部はダイヤモンド構造を
有する微粒子を含んでいてもよい。
【００２３】本発明のさらに別の電子放出陰極は、導電
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第２導
電形半導体膜とを有し、真空空間を隔てて該導電性膜に
対向して設けられる陽極との間に電圧を印加することに
より電子を放出させる構造を備えており、そのことによ
り、上記目的が達成される。
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第２導
電形半導体膜とを有し、真空空間を隔てて該導電性膜に
対向して設けられる陽極との間に電圧を印加することに
より電子を放出させる構造を備えており、そのことによ
り、上記目的が達成される。
【００２４】前記第１導電形半導体膜は島状に形成され
ていてもよい。
ていてもよい。
【００２５】本発明のさらに別の電子放出陰極は、導電
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成されており、少なく
とも該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数の開
口部が設けられた第２導電形半導体膜とを有し、真空空
間を隔てて該導電性膜に対向して設けられる陽極との間
に電圧を印加することにより電子を放出させる構造を備
えており、そのことにより、上記目的が達成される。
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成されており、少なく
とも該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数の開
口部が設けられた第２導電形半導体膜とを有し、真空空
間を隔てて該導電性膜に対向して設けられる陽極との間
に電圧を印加することにより電子を放出させる構造を備
えており、そのことにより、上記目的が達成される。
【００２６】前記開口部は導電性膜の表面が露出するよ
うに、前記第１導電形半導体膜にも設けられていてもよ
い。
うに、前記第１導電形半導体膜にも設けられていてもよ
い。
【００２７】前記第１導電形半導体膜及び前記第２導電
形半導体膜の一方は、ボロンをドープしたダイヤモンド
を含んでいてもよい。
形半導体膜の一方は、ボロンをドープしたダイヤモンド
を含んでいてもよい。
【００２８】前記第１導電形半導体膜及び前記第２導電
形半導体膜の一方は、ピリジン、ピリダジン、ピリミジ
ン、及び１，３，５−トリアジンからなるグループから
選ばれた材料を原料として製造される窒素を含有した炭
素薄膜から構成されていてもよい。
形半導体膜の一方は、ピリジン、ピリダジン、ピリミジ
ン、及び１，３，５−トリアジンからなるグループから
選ばれた材料を原料として製造される窒素を含有した炭
素薄膜から構成されていてもよい。
【００２９】本発明の電子放出素子は、粒子状のダイヤ
モンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出し
ているｎ形半導体膜からなる陰極と、真空空間を隔てて
該ｎ形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、該
陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該陰
極から電子を放出させる構造を備えており、そのことに
より、上記目的が達成される。
モンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出し
ているｎ形半導体膜からなる陰極と、真空空間を隔てて
該ｎ形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、該
陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該陰
極から電子を放出させる構造を備えており、そのことに
より、上記目的が達成される。
【００３０】本発明の別の電子放出素子は、粒子状のダ
イヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突
出しているカーボン膜からなる陰極と、真空空間を隔て
て該ｎ形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、
該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
イヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突
出しているカーボン膜からなる陰極と、真空空間を隔て
て該ｎ形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、
該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
【００３１】本発明のさらに別の電子放出素子は、導電
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第２導
電形半導体膜とを有する陰極と、真空空間を隔てて該第
１導電形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、
該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第２導
電形半導体膜とを有する陰極と、真空空間を隔てて該第
１導電形半導体膜に対向して設けられた陽極とを有し、
該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
【００３２】本発明のさらに別の電子放出素子は、導電
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成されており、少なく
とも該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数の開
口部が設けられた第２導電形半導体膜とを有する陰極
と、真空空間を隔てて該第１導電形半導体膜に対向して
設けられた陽極とを有し、該陰極と該陽極との間に電圧
を印加することにより、該陰極から電子を放出させる構
造を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜
と、該第１導電形半導体膜上に形成されており、少なく
とも該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数の開
口部が設けられた第２導電形半導体膜とを有する陰極
と、真空空間を隔てて該第１導電形半導体膜に対向して
設けられた陽極とを有し、該陰極と該陽極との間に電圧
を印加することにより、該陰極から電子を放出させる構
造を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
【００３３】前記陰極と前記陽極との間に設けられてお
り、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部を備え
たゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される電圧に
より、該陰極から電子を引き出させてもよい。
り、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部を備え
たゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される電圧に
より、該陰極から電子を引き出させてもよい。
【００３４】前記陰極及び前記ゲート電極は、互いに交
差するように異なる方向に延びるストライプ状にそれぞ
れ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差する部
分に前記開口部が設けられていてもよい。
差するように異なる方向に延びるストライプ状にそれぞ
れ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差する部
分に前記開口部が設けられていてもよい。
【００３５】本発明のフラットディスプレイは、支持基
板と、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの
一部が表面から突出しているｎ形半導体膜からなり、該
支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基板
の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該透
明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持さ
れており、該支持基板と該透明基板とにより保持された
空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
板と、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの
一部が表面から突出しているｎ形半導体膜からなり、該
支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基板
の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該透
明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持さ
れており、該支持基板と該透明基板とにより保持された
空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
【００３６】本発明の別のフラットディスプレイは、支
持基板と、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモン
ドの一部が表面から突出しているカーボン膜からなり、
該支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基
板の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該
透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持
されており、該支持基板と該透明基板とにより保持され
た空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこ
とにより、上記目的が達成される。
持基板と、粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモン
ドの一部が表面から突出しているカーボン膜からなり、
該支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基
板の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該
透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持
されており、該支持基板と該透明基板とにより保持され
た空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこ
とにより、上記目的が達成される。
【００３７】本発明のさらに別のフラットディスプレイ
は、支持基板と、導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成された島状の第２導電形半導体膜とを有しており、該
支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基板
の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該透
明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持さ
れており、該支持基板と該透明基板とにより保持された
空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
は、支持基板と、導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成された島状の第２導電形半導体膜とを有しており、該
支持基板上に設けられた陰極と、透明基板と、透明基板
の表面に設けられた蛍光体とを有し、該支持基板と該透
明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向するように保持さ
れており、該支持基板と該透明基板とにより保持された
空間が真空に保たれている構造を備えており、そのこと
により、上記目的が達成される。
【００３８】本発明のさらに別のフラットディスプレイ
は、支持基板と、導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成されており、少なくとも該第１導電形半導体膜の表面
を露出させる複数の開口部が設けられた第２導電形半導
体膜とを有しており、該支持基板上に設けられた陰極
と、透明基板と、透明基板の表面に設けられた蛍光体と
を有し、該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光
体が対向するように保持されており、該支持基板と該透
明基板とにより保持された空間が真空に保たれている構
造を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
は、支持基板と、導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成されており、少なくとも該第１導電形半導体膜の表面
を露出させる複数の開口部が設けられた第２導電形半導
体膜とを有しており、該支持基板上に設けられた陰極
と、透明基板と、透明基板の表面に設けられた蛍光体と
を有し、該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光
体が対向するように保持されており、該支持基板と該透
明基板とにより保持された空間が真空に保たれている構
造を備えており、そのことにより、上記目的が達成され
る。
【００３９】前記陰極と前記蛍光体との間に設けられて
おり、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部を備
えたゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される電圧
により、該陰極から電子を引き出させてもよい。
おり、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部を備
えたゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される電圧
により、該陰極から電子を引き出させてもよい。
【００４０】前記陰極及び前記ゲート電極は、互いに交
差するように異なる方向に延びるストライプ状にそれぞ
れ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差する部
分に前記開口部が設けられていてもよい。
差するように異なる方向に延びるストライプ状にそれぞ
れ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差する部
分に前記開口部が設けられていてもよい。
【００４１】本発明の熱電冷却装置は、表面を有する第
１の導電性基板と、該第１の導電性基板の該表面上に形
成された陰極と、該表面と対向するように該第１の基板
と真空空間を隔てて保持された第２の導電性基板とを有
し、該第１の導電性基板と該第２の導電性基板との間に
電圧を印加し、陰極から該真空空間を介して該第２の基
板へ電子を放出し、該第１の導電性基板と第の基板との
間に流れる電流により生じる吸熱効果により、該第１の
導電性基板を冷却する構造を備えており、そのことによ
り、上記目的が達成される。
１の導電性基板と、該第１の導電性基板の該表面上に形
成された陰極と、該表面と対向するように該第１の基板
と真空空間を隔てて保持された第２の導電性基板とを有
し、該第１の導電性基板と該第２の導電性基板との間に
電圧を印加し、陰極から該真空空間を介して該第２の基
板へ電子を放出し、該第１の導電性基板と第の基板との
間に流れる電流により生じる吸熱効果により、該第１の
導電性基板を冷却する構造を備えており、そのことによ
り、上記目的が達成される。
【００４２】前記陰極は、粒子状のダイヤモンドを含
み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出している第１
導電形半導体膜から構成されていてもよい。
み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出している第１
導電形半導体膜から構成されていてもよい。
【００４３】前記陰極は、粒子状のダイヤモンドを含
み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出しているカー
ボン膜から構成されていてもよい。
み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出しているカー
ボン膜から構成されていてもよい。
【００４４】前記陰極は、導電性膜と、該導電性膜上に
形成された第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体
膜上に形成されており、少なくとも該第１導電形半導体
膜の表面を露出させる複数の開口部が設けられた第２導
電形半導体膜とを有していてもよい。
形成された第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体
膜上に形成されており、少なくとも該第１導電形半導体
膜の表面を露出させる複数の開口部が設けられた第２導
電形半導体膜とを有していてもよい。
【００４５】前記陰極は、低い仕事関数表面を有するも
ので構成されていてもよい。
ので構成されていてもよい。
【００４６】前記陰極は、多数の微細な突起を有してい
てもよい。
てもよい。
【００４７】前記陰極は、半導体から構成されていても
よい。
よい。
【００４８】前記第１の導電性基板及び前記第２の導電
性基板は同心軸を有する２つの円柱の側面であってもよ
い。
性基板は同心軸を有する２つの円柱の側面であってもよ
い。
【００４９】前記第１の導電性基板と前記第２の導電性
基板はそれぞれフィンを有していてもよい。
基板はそれぞれフィンを有していてもよい。
【００５０】前記第１の導電性基板と前記第２の導電性
基板とは１００μｍ以下の間隙で保持されていてもよ
い。
基板とは１００μｍ以下の間隙で保持されていてもよ
い。
【００５１】本発明の電子放出陰極の製造方法は、粒子
状ダイヤモンドとｎ型半導体粉末または、カーボン粉末
とを含むペーストを作製する工程と、該ペーストを基板
上に塗布する工程と、該塗布されたペーストを焼成する
工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成され
る。
状ダイヤモンドとｎ型半導体粉末または、カーボン粉末
とを含むペーストを作製する工程と、該ペーストを基板
上に塗布する工程と、該塗布されたペーストを焼成する
工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成され
る。
【００５２】本発明の別の電子放出陰極の製造方法は、
粒子状ダイヤモンドを基板上に配置する工程と、ダイヤ
モンドの粒径よりも小さな厚みを備え、ダイヤモンド構
造を部分的に備えたカーボン膜を該基板上に形成する工
程とを包含しており、そのことにより上記目的が達成さ
れる。
粒子状ダイヤモンドを基板上に配置する工程と、ダイヤ
モンドの粒径よりも小さな厚みを備え、ダイヤモンド構
造を部分的に備えたカーボン膜を該基板上に形成する工
程とを包含しており、そのことにより上記目的が達成さ
れる。
【００５３】本発明のさらに別の電子放出陰極の製造方
法は、ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン膜を
該基板上に形成する工程と、該カーボン膜に粒子状ダイ
ヤモンドを付着させる工程とを包含しており、そのこと
より、上記目的が達成される。
法は、ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン膜を
該基板上に形成する工程と、該カーボン膜に粒子状ダイ
ヤモンドを付着させる工程とを包含しており、そのこと
より、上記目的が達成される。
【００５４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。
いて説明する。
【００５５】（実施例１）図１（ａ）は、本発明の第１
の実施例による電子放出素子の斜視図である。電子放出
素子１０は、基板１２上に設けられた電子放出陰極１４
と、電子放出陰極１４上に設けられた絶縁膜１６と、絶
縁膜１６上に設けられたゲート電極１８とを有してい
る。導電膜からなるゲート電極１８及び絶縁膜１６に
は、開口部２０が設けられており、その底部において、
電子放出陰極１４の一部が露出している。開口部２０
は、数ｎｍから数十μｍ程度の大きさであることが好ま
しい。
の実施例による電子放出素子の斜視図である。電子放出
素子１０は、基板１２上に設けられた電子放出陰極１４
と、電子放出陰極１４上に設けられた絶縁膜１６と、絶
縁膜１６上に設けられたゲート電極１８とを有してい
る。導電膜からなるゲート電極１８及び絶縁膜１６に
は、開口部２０が設けられており、その底部において、
電子放出陰極１４の一部が露出している。開口部２０
は、数ｎｍから数十μｍ程度の大きさであることが好ま
しい。
【００５６】電子放出素子１０は、更にゲート電極１８
が向かい合うように基板１２と数μｍから数十μｍ程度
離れて対向して保持された陽極２２を有しており、陽極
２２と電子放出陰極１４との間の空間は、１０-2から１
０-5Ｔｏｒｒ程度の真空に保たれている。電子放出陰極
１４とゲート電極１８との間に数十から数百ボルトの電
圧を印加し、電子放出陰極１４と陽極２２との間に数百
から数千ボルトの電圧を印加すると、電子放出陰極１４
とゲート電極１８との間に印加された電圧により、電放
出陰極１４の表面から電子が放出される。この電子の一
部はゲート電極１８に入射するが、大部分は陽極２２に
向かって放出される。ゲート電極１８に印加する電圧に
よって放出される電子の量は調節できる。
が向かい合うように基板１２と数μｍから数十μｍ程度
離れて対向して保持された陽極２２を有しており、陽極
２２と電子放出陰極１４との間の空間は、１０-2から１
０-5Ｔｏｒｒ程度の真空に保たれている。電子放出陰極
１４とゲート電極１８との間に数十から数百ボルトの電
圧を印加し、電子放出陰極１４と陽極２２との間に数百
から数千ボルトの電圧を印加すると、電子放出陰極１４
とゲート電極１８との間に印加された電圧により、電放
出陰極１４の表面から電子が放出される。この電子の一
部はゲート電極１８に入射するが、大部分は陽極２２に
向かって放出される。ゲート電極１８に印加する電圧に
よって放出される電子の量は調節できる。
【００５７】図１（ａ）では、電子放出素子１０は３端
子素子として構成しているが、２端子素子として構成し
てもよい。その場合には、ゲート電極１８及び絶縁膜１
６を省略し、電子放出陰極１４を直接、陽極２２に対向
させればよい。また図１（ａ）の電子放出素子１０にお
いて、ゲート電極１８は絶縁膜１６を介して電子放出陰
極１４上に設けられていたが、図１（ｂ）に示す電子放
出素子１１のように、ゲート電極１８を電子放出陰極１
４上に直接形成してもよい。この場合ゲート電極１８と
電子放出陰極１４との間に流れる電流の一部が電子放出
陰極１４から開口部２０を介して放出される。
子素子として構成しているが、２端子素子として構成し
てもよい。その場合には、ゲート電極１８及び絶縁膜１
６を省略し、電子放出陰極１４を直接、陽極２２に対向
させればよい。また図１（ａ）の電子放出素子１０にお
いて、ゲート電極１８は絶縁膜１６を介して電子放出陰
極１４上に設けられていたが、図１（ｂ）に示す電子放
出素子１１のように、ゲート電極１８を電子放出陰極１
４上に直接形成してもよい。この場合ゲート電極１８と
電子放出陰極１４との間に流れる電流の一部が電子放出
陰極１４から開口部２０を介して放出される。
【００５８】図２は、電子放出陰極１４の斜視図であ
る。図２に示されるように電子放出陰極１４は、粒子状
のダイヤモンド２６が添加されたカーボン膜２４からな
る。ダイヤモンド２６はｐ形の導電型を備え、少なくと
も幾つかはカーボン膜２４の表面から一部分が突出して
いる。
る。図２に示されるように電子放出陰極１４は、粒子状
のダイヤモンド２６が添加されたカーボン膜２４からな
る。ダイヤモンド２６はｐ形の導電型を備え、少なくと
も幾つかはカーボン膜２４の表面から一部分が突出して
いる。
【００５９】カーボン膜２４内において、電子は通常カ
ーボン膜２４の内部を動き回っているが、カーボン膜２
４を介してダイヤモンド２６の表面に電界が印加される
と、カーボン膜２４の内部の電子は、ダイヤモンド２６
の表面準位へ遷移する。ダイヤモンドは電子親和力が非
常に小さく、電子放出材料として適しているが、特にダ
イヤモンドの（１１１）面では、電子親和力は負の値
（Negative Electron Affinity)となり、導電準位より
も真空準位が低くなっているため、ダイヤモンド２６の
表面準位の電子は、（１１１）面の導電準位を介して真
空中へ放出されることになる。
ーボン膜２４の内部を動き回っているが、カーボン膜２
４を介してダイヤモンド２６の表面に電界が印加される
と、カーボン膜２４の内部の電子は、ダイヤモンド２６
の表面準位へ遷移する。ダイヤモンドは電子親和力が非
常に小さく、電子放出材料として適しているが、特にダ
イヤモンドの（１１１）面では、電子親和力は負の値
（Negative Electron Affinity)となり、導電準位より
も真空準位が低くなっているため、ダイヤモンド２６の
表面準位の電子は、（１１１）面の導電準位を介して真
空中へ放出されることになる。
【００６０】この真空中への電子放出は、負の電子親和
力によるので、高い電圧を必要とせず、しかも大きな遷
移確率でおこる。従って、非常に低い電圧で多くの電子
を放出させることができる。また、この様な電子放出機
構によれば、高い真空状態を必要とせず、１０-2から１
０-5Ｔｏｒｒ程度で十分電子放出が可能となる。ダイヤ
モンド表面での電気伝導を高めるために、ダイヤモンド
２６の表面は水素原子で終端化されていることが好まし
い。
力によるので、高い電圧を必要とせず、しかも大きな遷
移確率でおこる。従って、非常に低い電圧で多くの電子
を放出させることができる。また、この様な電子放出機
構によれば、高い真空状態を必要とせず、１０-2から１
０-5Ｔｏｒｒ程度で十分電子放出が可能となる。ダイヤ
モンド表面での電気伝導を高めるために、ダイヤモンド
２６の表面は水素原子で終端化されていることが好まし
い。
【００６１】電子放出素子１０は、例えば以下の方法に
より製造される。
より製造される。
【００６２】まず、基板１２上に電子放出陰極１４を形
成する。カーボンの微粉末にｐ形の導電性を有するダイ
ヤモンド粒子を混合し、適当な溶媒を添加することによ
りペーストを形成する。ダイヤモンドの粒径は数ｎｍか
ら数μｍの範囲にあることが好ましい。その後、印刷に
よって、このペーストから、適切な厚さを備えた膜を基
板１２上に形成し、焼成することにより、カーボン膜２
４が得られる。カーボン膜２４の表面から確実にダイヤ
モンド２６の一部を突出させるには、ダイヤモンド２６
の粒径よりも小さな厚みを有するようにカーボン膜２４
を形成すればよい。焼成を行うことにより、カーボン膜
２４中の炭素とダイヤモンド２６との間に原子レベルで
の結合、あるいは原子間の相互作用による表面準位が形
成され、カーボン膜２４からダイヤモンド２６へ電子が
移動しやすくなる。
成する。カーボンの微粉末にｐ形の導電性を有するダイ
ヤモンド粒子を混合し、適当な溶媒を添加することによ
りペーストを形成する。ダイヤモンドの粒径は数ｎｍか
ら数μｍの範囲にあることが好ましい。その後、印刷に
よって、このペーストから、適切な厚さを備えた膜を基
板１２上に形成し、焼成することにより、カーボン膜２
４が得られる。カーボン膜２４の表面から確実にダイヤ
モンド２６の一部を突出させるには、ダイヤモンド２６
の粒径よりも小さな厚みを有するようにカーボン膜２４
を形成すればよい。焼成を行うことにより、カーボン膜
２４中の炭素とダイヤモンド２６との間に原子レベルで
の結合、あるいは原子間の相互作用による表面準位が形
成され、カーボン膜２４からダイヤモンド２６へ電子が
移動しやすくなる。
【００６３】基板１２は焼成時に変形しない程度の耐熱
性を有しておればどの様なものでもよく、導電性であっ
ても絶縁性であってもよい。また、上述の方法により、
カーボン膜２４を他の基板に形成した後、基板１２に付
着させてもよい。
性を有しておればどの様なものでもよく、導電性であっ
ても絶縁性であってもよい。また、上述の方法により、
カーボン膜２４を他の基板に形成した後、基板１２に付
着させてもよい。
【００６４】次に、カーボン膜２４からなる電子放出陰
極１４上に絶縁膜１６及びゲート電極１８を形成する。
絶縁膜１６には酸化ケイ素や窒化ケイ素などの材料を用
いてもよいし、他の絶縁材料でもよい。また、導電膜１
８には、アルミニウム等の導電性の金属を用いる。
極１４上に絶縁膜１６及びゲート電極１８を形成する。
絶縁膜１６には酸化ケイ素や窒化ケイ素などの材料を用
いてもよいし、他の絶縁材料でもよい。また、導電膜１
８には、アルミニウム等の導電性の金属を用いる。
【００６５】その後、ゲート電極１８及び絶縁膜１６を
貫通し、電子放出陰極１４の表面が露出するように開口
部２０を設ける。
貫通し、電子放出陰極１４の表面が露出するように開口
部２０を設ける。
【００６６】最後に陽極２２を電子放出陰極１４に対向
させて設け、陽極２２と電子放出陰極１４との間の空間
を真空状態で封止するか、または、陽極２２及び電子放
出陰極１４全体を真空空間に封じ込めることにより、電
子放出素子１０が完成する。陽極２２は従来の電子放出
素子で用いられる透明電極付ガラス基板や低抵抗シリコ
ン基板等のようなものなど、導電性を有すものであれば
よい。
させて設け、陽極２２と電子放出陰極１４との間の空間
を真空状態で封止するか、または、陽極２２及び電子放
出陰極１４全体を真空空間に封じ込めることにより、電
子放出素子１０が完成する。陽極２２は従来の電子放出
素子で用いられる透明電極付ガラス基板や低抵抗シリコ
ン基板等のようなものなど、導電性を有すものであれば
よい。
【００６７】上記実施例では、カーボン膜にｐ形ダイヤ
モンドを添加したが、ｐ形ダイヤモンドに効率よく電子
を注入することができる材料であれば、他の材料からな
る膜を用いてもよい。
モンドを添加したが、ｐ形ダイヤモンドに効率よく電子
を注入することができる材料であれば、他の材料からな
る膜を用いてもよい。
【００６８】図３は、粒子状のダイヤモンド２６が添加
された半導体膜３０からなる電子放出陰極１４の斜視図
である。半導体膜３０は、具体的には、窒素がドープさ
れておりｎ形または疑似ｎ形のＤＬＣ膜(Diamond-like
carbon)と呼ばれるダイヤモンドの微粒子を含むアモル
ファス炭素膜である。ＤＬＣ膜は、ビッカース硬度２０
００から６０００ｋｇ／ｍｍ2程度の硬度を備えてお
り、ラマン散乱スペクトルにおいて、１５５０ｃｍ-1及
び１２４０ｃｍ-1付近に特徴的なブロードなスペクトル
がみられることにより同定される。ここで疑似ｎ形とは
電子をキャリアとし、バンドギャップを有しているが、
ｎ形半導体の性質を示さないか、またはわずかに示すも
のをいう。
された半導体膜３０からなる電子放出陰極１４の斜視図
である。半導体膜３０は、具体的には、窒素がドープさ
れておりｎ形または疑似ｎ形のＤＬＣ膜(Diamond-like
carbon)と呼ばれるダイヤモンドの微粒子を含むアモル
ファス炭素膜である。ＤＬＣ膜は、ビッカース硬度２０
００から６０００ｋｇ／ｍｍ2程度の硬度を備えてお
り、ラマン散乱スペクトルにおいて、１５５０ｃｍ-1及
び１２４０ｃｍ-1付近に特徴的なブロードなスペクトル
がみられることにより同定される。ここで疑似ｎ形とは
電子をキャリアとし、バンドギャップを有しているが、
ｎ形半導体の性質を示さないか、またはわずかに示すも
のをいう。
【００６９】半導体膜３０を用いる場合には、半導体膜
３０に電子を供給するために、アルミニウムからなる基
板３２の上に半導体膜３０を形成することが好ましい。
アルミニウムを用いることにより半導体膜３０と基板３
２との間はオーミック接触が形成される。
３０に電子を供給するために、アルミニウムからなる基
板３２の上に半導体膜３０を形成することが好ましい。
アルミニウムを用いることにより半導体膜３０と基板３
２との間はオーミック接触が形成される。
【００７０】この様な構造の電子放出陰極１４を用いる
ことにより、更に、容易に、ｐ形のダイヤモンド２６に
電子を供給することができ、低電圧で多くの電子を電子
放出陰極１４から放出させることができる。
ことにより、更に、容易に、ｐ形のダイヤモンド２６に
電子を供給することができ、低電圧で多くの電子を電子
放出陰極１４から放出させることができる。
【００７１】ダイヤモンド２６が添加された半導体膜３
０は、粒子状のダイヤモンド２６を基板３２の上に散布
した後、ｎ形のＤＬＣ膜からなる半導体膜３０を基板３
２上に形成することにより得られる。ＤＬＣ膜からなる
半導体膜３０をまず基板３２上に形成し、ダイヤモンド
２６を半導体膜３０に押しつけて、その後、焼成しても
よい。
０は、粒子状のダイヤモンド２６を基板３２の上に散布
した後、ｎ形のＤＬＣ膜からなる半導体膜３０を基板３
２上に形成することにより得られる。ＤＬＣ膜からなる
半導体膜３０をまず基板３２上に形成し、ダイヤモンド
２６を半導体膜３０に押しつけて、その後、焼成しても
よい。
【００７２】ＤＬＣ膜は以下のような方法により製造さ
れる。
れる。
【００７３】真空に排気したチャンバ内にピリジンの蒸
気を導入する。ピリジンに不活性ガスをバブリングして
チャンバに導入してもよい。次に、チャンバ内のピリジ
ンに数十から数百ボルトの電圧を印加して、気化したピ
リジンをイオン化し、イオン化した粒子を数千ボルトの
電圧で加速してチャンバ内に取り付けた基板に堆積させ
る。堆積した膜には窒素原子が含まれるのでｎ形半導体
として機能する。ピリジン以外には、ピリダジン、ピリ
ミジン及びそれらの誘導体を用いてもよい。またピラジ
ンや１，３，５−トリアジン及びこれらの誘導体をベン
ゼンなどの溶媒に溶解して用いてもよい。
気を導入する。ピリジンに不活性ガスをバブリングして
チャンバに導入してもよい。次に、チャンバ内のピリジ
ンに数十から数百ボルトの電圧を印加して、気化したピ
リジンをイオン化し、イオン化した粒子を数千ボルトの
電圧で加速してチャンバ内に取り付けた基板に堆積させ
る。堆積した膜には窒素原子が含まれるのでｎ形半導体
として機能する。ピリジン以外には、ピリダジン、ピリ
ミジン及びそれらの誘導体を用いてもよい。またピラジ
ンや１，３，５−トリアジン及びこれらの誘導体をベン
ゼンなどの溶媒に溶解して用いてもよい。
【００７４】以上説明したように、本実施例の電子放出
陰極は、粒子状のダイヤモンドがカーボン膜あるいはｎ
形半導体膜中に分散されており、印刷等の方法により形
成することができる。したがって、大面積の電子放出陰
極を容易に、また安価で作製することができる。また、
電子放出面は平面状であるため、電極の劣化が抑制で
き、電子放出機構が従来とは異なるため、低真空下でも
電子を放出させることができる。また、電極の単位面積
当たりのダイヤモンドの粒子数を制御することにより、
電子放出量を容易に制御することができ、従来に比べて
単位面積当たりの電流量もかなり大きくすることができ
る。
陰極は、粒子状のダイヤモンドがカーボン膜あるいはｎ
形半導体膜中に分散されており、印刷等の方法により形
成することができる。したがって、大面積の電子放出陰
極を容易に、また安価で作製することができる。また、
電子放出面は平面状であるため、電極の劣化が抑制で
き、電子放出機構が従来とは異なるため、低真空下でも
電子を放出させることができる。また、電極の単位面積
当たりのダイヤモンドの粒子数を制御することにより、
電子放出量を容易に制御することができ、従来に比べて
単位面積当たりの電流量もかなり大きくすることができ
る。
【００７５】上記実施例において、半導体膜３０として
ＤＬＣ膜を用いたが、シリコンやゲルマニウムなどの他
の半導体からなる膜を用いてもよい。
ＤＬＣ膜を用いたが、シリコンやゲルマニウムなどの他
の半導体からなる膜を用いてもよい。
【００７６】（実施例２）図４（ａ）は、本発明の第２
の実施例による電子放出素子の斜視図である。電子放出
素子４０は、基板４２上に設けられた電子放出陰極４４
と、電子放出陰極４４上に設けられた絶縁膜４６と、絶
縁膜４６上に設けられたゲート電極４８とを有してい
る。ゲート電極４８及び絶縁膜４６には、開口部５０が
設けられており、その底部において、電子放出陰極４４
の一部が露出している。
の実施例による電子放出素子の斜視図である。電子放出
素子４０は、基板４２上に設けられた電子放出陰極４４
と、電子放出陰極４４上に設けられた絶縁膜４６と、絶
縁膜４６上に設けられたゲート電極４８とを有してい
る。ゲート電極４８及び絶縁膜４６には、開口部５０が
設けられており、その底部において、電子放出陰極４４
の一部が露出している。
【００７７】電子放出素子４０は、更に開口部５０が向
かい合うように電子放出陰極４４と対向して保持された
陽極２２を有しており、陽極２２と電子放出陰極４４と
の間の空間は、１０-2から１０-5Ｔｏｒｒ程度の真空に
たもたれている。電子放出陰極４４とゲート電極４８と
の間に数十から数百ボルトの電圧を印加し、電子放出陰
極４４と陽極２２との間に数百から数千ボルトの電圧を
印加すると、電子放出陰極４４とゲート電極４８との間
に印加された電圧により、電子放出陰極４４の表面から
電子が放出される。この電子の一部はゲート電極４８に
入射するが、大部分は陽極２２に向かって放出される。
ゲート電極４８に印加する電圧によって放出される電子
の量は調節できる。
かい合うように電子放出陰極４４と対向して保持された
陽極２２を有しており、陽極２２と電子放出陰極４４と
の間の空間は、１０-2から１０-5Ｔｏｒｒ程度の真空に
たもたれている。電子放出陰極４４とゲート電極４８と
の間に数十から数百ボルトの電圧を印加し、電子放出陰
極４４と陽極２２との間に数百から数千ボルトの電圧を
印加すると、電子放出陰極４４とゲート電極４８との間
に印加された電圧により、電子放出陰極４４の表面から
電子が放出される。この電子の一部はゲート電極４８に
入射するが、大部分は陽極２２に向かって放出される。
ゲート電極４８に印加する電圧によって放出される電子
の量は調節できる。
【００７８】図４（ｂ）は、電子放出陰極４４の断面を
示している。電子放出陰極４４は、導電膜５２と導電膜
５２上に形成されたｎ形半導体膜５４と、半導体膜５４
上に形成された島状のｐ形半導体膜５６とを有してい
る。
示している。電子放出陰極４４は、導電膜５２と導電膜
５２上に形成されたｎ形半導体膜５４と、半導体膜５４
上に形成された島状のｐ形半導体膜５６とを有してい
る。
【００７９】図４（ａ）及び（ｂ）では、電子放出素子
４０は３端子素子として構成しているが、２端子素子と
して構成してもよい。その場合には、図５に示すよう
に、ゲート電極４８及び絶縁膜４６を省略し、電子放出
陰極４４を直接、陽極２２に対向させればよい。また図
４（ａ）の電子放出素子４０において、ゲート電極４８
は絶縁膜４６を介して電子放出陰極４４上に設けられて
いたが、図４（Ｃ）に示すように、ゲート電極４８を電
子放出陰極４４上に直接形成してもよい。この場合ゲー
ト電極４８と電子放出陰極４４との間に流れる電流の一
部が電子放出陰極４４から開口部５０を介して放出され
る。
４０は３端子素子として構成しているが、２端子素子と
して構成してもよい。その場合には、図５に示すよう
に、ゲート電極４８及び絶縁膜４６を省略し、電子放出
陰極４４を直接、陽極２２に対向させればよい。また図
４（ａ）の電子放出素子４０において、ゲート電極４８
は絶縁膜４６を介して電子放出陰極４４上に設けられて
いたが、図４（Ｃ）に示すように、ゲート電極４８を電
子放出陰極４４上に直接形成してもよい。この場合ゲー
ト電極４８と電子放出陰極４４との間に流れる電流の一
部が電子放出陰極４４から開口部５０を介して放出され
る。
【００８０】以下に本実施例で用いる電子放出素子４０
の動作について説明する。
の動作について説明する。
【００８１】ｎ形半導体とｐ形半導体を接触させると接
合面ではキャリアは密度の高い方から低い方へ拡散する
ため、接合面近傍でキャリアが消滅し、熱平衡状態では
ｎ形半導体とｐ形半導体との間で拡散電位が形成され
る。その大きさをｅＶDとすると、ｐ形半導体の伝導帯
の下端はｎ形半導体の伝導帯の下端よりもｅＶDだけエ
ネルギー準位が高くなる。このため、ｐ形半導体におい
て少数キャリアとなる電子を伝導帯へ注入すれば、ｎ形
半導体の伝導帯から電子を放出させるよりもｐ形半導体
の伝導帯から電子を放出させる方がエネルギー的に優位
となる。
合面ではキャリアは密度の高い方から低い方へ拡散する
ため、接合面近傍でキャリアが消滅し、熱平衡状態では
ｎ形半導体とｐ形半導体との間で拡散電位が形成され
る。その大きさをｅＶDとすると、ｐ形半導体の伝導帯
の下端はｎ形半導体の伝導帯の下端よりもｅＶDだけエ
ネルギー準位が高くなる。このため、ｐ形半導体におい
て少数キャリアとなる電子を伝導帯へ注入すれば、ｎ形
半導体の伝導帯から電子を放出させるよりもｐ形半導体
の伝導帯から電子を放出させる方がエネルギー的に優位
となる。
【００８２】図６は、電子を引き出して捕獲するための
陽極２２（図４）に対して導電膜５２に負の電圧を印加
した場合の電子放出陰極４４のエネルギーバンドを模式
的に示している。
陽極２２（図４）に対して導電膜５２に負の電圧を印加
した場合の電子放出陰極４４のエネルギーバンドを模式
的に示している。
【００８３】導電膜５２、ｎ形半導体膜５４、及びｐ形
半導体膜５６では、それぞれのフェルミ準位６２、６
４、及び６６は図６に示されるように位置している。ま
た、ｐ形半導体膜５６の伝導帯端と真空準位との間には
電位障壁６８が形成される。
半導体膜５６では、それぞれのフェルミ準位６２、６
４、及び６６は図６に示されるように位置している。ま
た、ｐ形半導体膜５６の伝導帯端と真空準位との間には
電位障壁６８が形成される。
【００８４】陽極２２と導電膜５２との間に印加された
電圧によって、導電膜５２から電子７０がｎ形半導体膜
５４の伝導帯に注入される。この電子７０は印加電圧に
より、エネルギー準位のより高いｐ形半導体膜５６の伝
導帯へ注入される。上述したように、ｐ形半導体膜５６
では、ｎ形半導体膜５４の伝導帯に比べて疑似的に電子
親和力が小さくなる。このため、ｐ形半導体膜５６に注
入された電子７０は、印加電圧によって薄くなった真空
準位が形成する電位障壁６８をトンネリングすることに
よって真空空間へ放出され、陽極に捕獲される。
電圧によって、導電膜５２から電子７０がｎ形半導体膜
５４の伝導帯に注入される。この電子７０は印加電圧に
より、エネルギー準位のより高いｐ形半導体膜５６の伝
導帯へ注入される。上述したように、ｐ形半導体膜５６
では、ｎ形半導体膜５４の伝導帯に比べて疑似的に電子
親和力が小さくなる。このため、ｐ形半導体膜５６に注
入された電子７０は、印加電圧によって薄くなった真空
準位が形成する電位障壁６８をトンネリングすることに
よって真空空間へ放出され、陽極に捕獲される。
【００８５】ここで注意すべきことは、ｐ形半導体膜５
６中の少数キャリアである電子７０の振舞いである。ｐ
形半導体膜５６の伝導帯中の電子７０は、熱エネルギー
等によりｐ形半導体膜５６の価電子帯およびｐ形半導体
５６の表面準位から励起されて生成する場合と、ｎ形半
導体膜５４から注入される場合がある。ｐ形半導体膜５
６中の電子７０がｐ形半導体膜５６中の多数キャリアで
ある正孔７２と再結合して消滅することを避けるために
は、ｐ形半導体膜５６中を流れる電子７０が真空へ放出
される間に移動する距離がｐ形半導体膜５６中の電子７
０の拡散長より小さくすればよい。したがってｎ形半導
体膜５４とｐ形半導体膜５６の薄膜を堆積したｐｎ接合
においては、ｐ形半導体膜５６の膜厚を小さくすればよ
い。ただし膜厚の非常に小さい薄膜を均一に製膜するの
は困難である。そこで本実施例における電子放出素子で
は、島状のｐ形半導体膜５６がｎ形半導体膜５４上に部
分的に堆積されている。
６中の少数キャリアである電子７０の振舞いである。ｐ
形半導体膜５６の伝導帯中の電子７０は、熱エネルギー
等によりｐ形半導体膜５６の価電子帯およびｐ形半導体
５６の表面準位から励起されて生成する場合と、ｎ形半
導体膜５４から注入される場合がある。ｐ形半導体膜５
６中の電子７０がｐ形半導体膜５６中の多数キャリアで
ある正孔７２と再結合して消滅することを避けるために
は、ｐ形半導体膜５６中を流れる電子７０が真空へ放出
される間に移動する距離がｐ形半導体膜５６中の電子７
０の拡散長より小さくすればよい。したがってｎ形半導
体膜５４とｐ形半導体膜５６の薄膜を堆積したｐｎ接合
においては、ｐ形半導体膜５６の膜厚を小さくすればよ
い。ただし膜厚の非常に小さい薄膜を均一に製膜するの
は困難である。そこで本実施例における電子放出素子で
は、島状のｐ形半導体膜５６がｎ形半導体膜５４上に部
分的に堆積されている。
【００８６】図７は、ｎ形半導体膜５４およびｐ形半導
体膜５６の接合部分を示す拡大断面図である。ｐ形半導
体膜５６の厚さＷが電子の拡散長よりも短い場合、軌道
７６に示されるように、電子はｐ形半導体膜５６を横切
って放出される。
体膜５６の接合部分を示す拡大断面図である。ｐ形半導
体膜５６の厚さＷが電子の拡散長よりも短い場合、軌道
７６に示されるように、電子はｐ形半導体膜５６を横切
って放出される。
【００８７】一方、Ｗが拡散長より大きい場合、図７に
示すように、軌道７６に沿って電子を放出することは困
難である。しかし、ｐｎ接合界面７４付近では、ｎ形半
導体膜５４から注入される電子７０はｐ形半導体膜５６
の表面へ拡散することができる。このとき、ｐ形半導体
膜５６の表面へ拡散した電子７０は、軌道８０に示され
るように、ｐ形半導体膜５６中の正孔と再結合する前に
真空空間へ放出可能となる。またｐ形半導体膜５６を構
成する半導体の種類によってはｐ形半導体膜５６の表面
に到達した電子がｐ形半導体膜５６の表面を移動し、軌
道７８で示されるように電子７０を放出することも可能
である。なお、図７に示される軌道７６、７８および８
０は説明のため示した例であり、電子放出の経路はこの
軌道に限定されるものではない。
示すように、軌道７６に沿って電子を放出することは困
難である。しかし、ｐｎ接合界面７４付近では、ｎ形半
導体膜５４から注入される電子７０はｐ形半導体膜５６
の表面へ拡散することができる。このとき、ｐ形半導体
膜５６の表面へ拡散した電子７０は、軌道８０に示され
るように、ｐ形半導体膜５６中の正孔と再結合する前に
真空空間へ放出可能となる。またｐ形半導体膜５６を構
成する半導体の種類によってはｐ形半導体膜５６の表面
に到達した電子がｐ形半導体膜５６の表面を移動し、軌
道７８で示されるように電子７０を放出することも可能
である。なお、図７に示される軌道７６、７８および８
０は説明のため示した例であり、電子放出の経路はこの
軌道に限定されるものではない。
【００８８】以上のように本実施例によれば、ｎ形半導
体膜上に部分的に堆積したｐ形半導体膜を設けることに
より、疑似的に電子親和力を低下させ、ｐ形半導体膜中
を拡散した電子がｐ形半導体膜表面に到達しやすいた
め、効果的に電子を放出することができる。
体膜上に部分的に堆積したｐ形半導体膜を設けることに
より、疑似的に電子親和力を低下させ、ｐ形半導体膜中
を拡散した電子がｐ形半導体膜表面に到達しやすいた
め、効果的に電子を放出することができる。
【００８９】図４（ａ）、４（ｂ）及び図５を参照し
て、電子放出素子４０の製造方法の一例を説明する。
て、電子放出素子４０の製造方法の一例を説明する。
【００９０】まず基板４２上に電子放出陰極４４を形成
する。基板４２上に導電膜５２を形成し、導電膜５２上
にはｎ形半導体膜５４を形成する。その後、ｐ形半導体
膜５６がｎ形半導体膜５４を完全に覆ってしまわないよ
うに短時間でｐ形半導体膜５６の堆積を完了させる。あ
るいは、ｎ形半導体膜５４を完全に覆うｐ形半導体層を
形成した後、選択エッチングによりｐ形半導体層の一部
を除去し、島状のｐ形半導体膜５６としてもよい。ま
た、ｎ形半導体膜５４上に島状の開口を有するマスクを
設けてｐ形半導体層を形成し、マスクを除去するか、粒
子状のｐ形半導体を表面に分散させてｐ形半導体膜５６
を形成してもよい。ｐ形半導体膜は数ｎｍから数μｍ程
度の大きさを有する島状に形成することが好ましい。導
電膜５２からｎ形半導体膜５４への電子注入を容易にす
るため、導電膜５２とｎ形半導体膜５４はオーミック接
触を形成するような組み合わせを選択する。これによ
り、電子放出陰極４４が形成される。
する。基板４２上に導電膜５２を形成し、導電膜５２上
にはｎ形半導体膜５４を形成する。その後、ｐ形半導体
膜５６がｎ形半導体膜５４を完全に覆ってしまわないよ
うに短時間でｐ形半導体膜５６の堆積を完了させる。あ
るいは、ｎ形半導体膜５４を完全に覆うｐ形半導体層を
形成した後、選択エッチングによりｐ形半導体層の一部
を除去し、島状のｐ形半導体膜５６としてもよい。ま
た、ｎ形半導体膜５４上に島状の開口を有するマスクを
設けてｐ形半導体層を形成し、マスクを除去するか、粒
子状のｐ形半導体を表面に分散させてｐ形半導体膜５６
を形成してもよい。ｐ形半導体膜は数ｎｍから数μｍ程
度の大きさを有する島状に形成することが好ましい。導
電膜５２からｎ形半導体膜５４への電子注入を容易にす
るため、導電膜５２とｎ形半導体膜５４はオーミック接
触を形成するような組み合わせを選択する。これによ
り、電子放出陰極４４が形成される。
【００９１】なお、ｎ形半導体膜５４及びｐ形半導体膜
５６としては、ボロンやリン、窒素などをドープしたダ
イヤモンドやＤＬＣ膜を用いることができる。
５６としては、ボロンやリン、窒素などをドープしたダ
イヤモンドやＤＬＣ膜を用いることができる。
【００９２】電子放出陰極４４上に絶縁膜４６及びゲー
ト電極４８を形成する。絶縁膜４６には酸化ケイ素や窒
化ケイ素などの材料を用いてもよいし、他の絶縁材料で
もよい。また、導電膜ゲート電極４８には、アルミニウ
ム等の導電性の金属を用いる。その後、ゲート電極４８
及び絶縁膜４６を貫通し、電子放出陰極４４の表面が露
出するように開口部５０を設ける。図５に示す構造の電
子放出素子を作製する場合には、ゲート電極４８及び絶
縁膜４６を形成しなくてよい。
ト電極４８を形成する。絶縁膜４６には酸化ケイ素や窒
化ケイ素などの材料を用いてもよいし、他の絶縁材料で
もよい。また、導電膜ゲート電極４８には、アルミニウ
ム等の導電性の金属を用いる。その後、ゲート電極４８
及び絶縁膜４６を貫通し、電子放出陰極４４の表面が露
出するように開口部５０を設ける。図５に示す構造の電
子放出素子を作製する場合には、ゲート電極４８及び絶
縁膜４６を形成しなくてよい。
【００９３】最後に陽極２２を電子放出陰極４４に対向
させて設け、陽極２２と電子放出陰極４４との間の空間
を真空に保つか、または、陽極２２及び電子放出陰極４
４全体を真空空間に封じ込めることにより、電子放出素
子４０が完成する。
させて設け、陽極２２と電子放出陰極４４との間の空間
を真空に保つか、または、陽極２２及び電子放出陰極４
４全体を真空空間に封じ込めることにより、電子放出素
子４０が完成する。
【００９４】上記実施例で説明した電子放出陰極４４を
種々に改変することが可能である。以下に、他の構造を
備えた電子放出陰極を説明する。
種々に改変することが可能である。以下に、他の構造を
備えた電子放出陰極を説明する。
【００９５】図８は、電子放出陰極８０の断面を模式的
に示している。電子放出陰極８０は、基板４２上に形成
された導電膜８２と、導電膜８２上に島状に形成された
ｎ形半導体膜８４と、ｎ形半導体膜８４の一部と重なる
ように導電膜８２上に形成された島状のｐ形半導体膜８
６とを有している。島状のｎ形半導体膜８４及び島状の
ｐ形半導体膜８６は、上述の電子放出陰極４４で説明し
たのと同じ方法により形成することができる。
に示している。電子放出陰極８０は、基板４２上に形成
された導電膜８２と、導電膜８２上に島状に形成された
ｎ形半導体膜８４と、ｎ形半導体膜８４の一部と重なる
ように導電膜８２上に形成された島状のｐ形半導体膜８
６とを有している。島状のｎ形半導体膜８４及び島状の
ｐ形半導体膜８６は、上述の電子放出陰極４４で説明し
たのと同じ方法により形成することができる。
【００９６】電子放出陰極８０は、図４（ａ）あるいは
図５に示される電子放出陰極４４にかえて電子放出素子
４０に用いることにより、同様に電子を放出させること
ができる。
図５に示される電子放出陰極４４にかえて電子放出素子
４０に用いることにより、同様に電子を放出させること
ができる。
【００９７】ｎ形半導体膜８４とｐ形半導体膜８６との
界面が表面に露出しているので、その界面付近におい
て、ｎ形半導体膜８４の内部あるいは表面を通ってｐ形
半導体膜８６中を拡散した電子はｐ形半導体表面に容易
に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半導体に
比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少してい
るので、ｐ形半導体膜８６の表面から、効率よく電子を
放出させることができる。
界面が表面に露出しているので、その界面付近におい
て、ｎ形半導体膜８４の内部あるいは表面を通ってｐ形
半導体膜８６中を拡散した電子はｐ形半導体表面に容易
に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半導体に
比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少してい
るので、ｐ形半導体膜８６の表面から、効率よく電子を
放出させることができる。
【００９８】図９に示される電子放出陰極９０は、基板
４２上に形成された導電膜９２と、導電膜９２上に島状
に形成されたｎ形半導体膜９４と、ｎ形半導体膜９４上
に形成されたｐ形半導体膜９６とを有している。この構
造は、導電膜９２を完全に覆うｎ形半導体層を形成し、
更に島状のｐ形半導体膜９６をｎ形半導体層上に形成
し、ｐ形半導体膜９６をマスクとして、ｎ形半導体層を
エッチングして、島状のｎ形半導体膜９４を得ることに
より形成される。
４２上に形成された導電膜９２と、導電膜９２上に島状
に形成されたｎ形半導体膜９４と、ｎ形半導体膜９４上
に形成されたｐ形半導体膜９６とを有している。この構
造は、導電膜９２を完全に覆うｎ形半導体層を形成し、
更に島状のｐ形半導体膜９６をｎ形半導体層上に形成
し、ｐ形半導体膜９６をマスクとして、ｎ形半導体層を
エッチングして、島状のｎ形半導体膜９４を得ることに
より形成される。
【００９９】電子放出陰極９０も、図４（ａ）あるいは
図５に示される電子放出陰極４４にかえて電子放出素子
４０に用いることにより、同様に電子を放出させること
ができる。
図５に示される電子放出陰極４４にかえて電子放出素子
４０に用いることにより、同様に電子を放出させること
ができる。
【０１００】ｎ形半導体膜９４とｐ形半導体膜９６との
界面が表面に露出しているので、その界面付近におい
て、ｎ形半導体膜９４の内部あるいは表面を通ってｐ形
半導体膜９６中を拡散した電子はｐ形半導体表面に容易
に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半導体に
比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少してい
るので、ｐ形半導体膜９６の表面から、効率よく電子を
放出させることができる。
界面が表面に露出しているので、その界面付近におい
て、ｎ形半導体膜９４の内部あるいは表面を通ってｐ形
半導体膜９６中を拡散した電子はｐ形半導体表面に容易
に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半導体に
比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少してい
るので、ｐ形半導体膜９６の表面から、効率よく電子を
放出させることができる。
【０１０１】図１０に示される電子放出陰極１００は、
基板４２上に形成された導電膜１０２と、導電膜１０２
上に形成されたｎ形半導体膜１０４と、開口部１０８を
有し、ｎ形半導体膜１０４上に形成されたｐ形半導体膜
１０６とを有している。導電膜１０２を完全に覆うｎ形
半導体膜１０４を形成し、開口１０８を規定する島状の
マスクをｎ形半導体膜１０４上に形成した後、ｐ形半導
体膜１０６をｎ形半導体膜１０４上に形成し、マスクを
リフトオフ法により除去することによって、開口１０８
を有するｐ形半導体膜１０６が得られる。
基板４２上に形成された導電膜１０２と、導電膜１０２
上に形成されたｎ形半導体膜１０４と、開口部１０８を
有し、ｎ形半導体膜１０４上に形成されたｐ形半導体膜
１０６とを有している。導電膜１０２を完全に覆うｎ形
半導体膜１０４を形成し、開口１０８を規定する島状の
マスクをｎ形半導体膜１０４上に形成した後、ｐ形半導
体膜１０６をｎ形半導体膜１０４上に形成し、マスクを
リフトオフ法により除去することによって、開口１０８
を有するｐ形半導体膜１０６が得られる。
【０１０２】電子放出陰極１００も、図４（ａ）に示さ
れる電子放出陰極４４にかえて電子放出素子４０に用い
ることにより、同様に電子を放出させることができる。
れる電子放出陰極４４にかえて電子放出素子４０に用い
ることにより、同様に電子を放出させることができる。
【０１０３】ｎ形半導体膜１０４とｐ形半導体膜１０６
との界面が表面に露出しているので、その界面付近にお
いて、ｎ形半導体膜１０４の内部あるいは表面を通って
ｐ形半導体膜１０６中を拡散した電子はｐ形半導体表面
に容易に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半
導体に比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少
しているので、ｐ形半導体膜１０６の表面から、効率よ
く電子を放出させることができる。
との界面が表面に露出しているので、その界面付近にお
いて、ｎ形半導体膜１０４の内部あるいは表面を通って
ｐ形半導体膜１０６中を拡散した電子はｐ形半導体表面
に容易に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半
導体に比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少
しているので、ｐ形半導体膜１０６の表面から、効率よ
く電子を放出させることができる。
【０１０４】図１１に示される電子放出陰極１１０は、
基板４２上に形成された導電膜１１２と、導電膜１１２
上に形成されたｎ形半導体膜１１４と、ｎ形半導体膜１
１４上に形成されたｐ形半導体膜１１６とを有してい
る。ｎ形半導体膜１１４及びｐ形半導体膜１１６には、
開口１１８が複数形成されており、開口１１８の底部に
おいて導電膜１１２の一部が露出している。開口１１８
はフォトレジストを用いたエッチングまたは陽極酸化等
の方法により形成することができる。フォトレジストを
用いたエッチングによれば、μｍオーダーの直径を有す
る開口１１８が形成できる。また、陽極酸化によれば、
ｎｍオーダーの直径を有する開口１１８が形成できる。
開口１１８の直径や数に特に制限はない。
基板４２上に形成された導電膜１１２と、導電膜１１２
上に形成されたｎ形半導体膜１１４と、ｎ形半導体膜１
１４上に形成されたｐ形半導体膜１１６とを有してい
る。ｎ形半導体膜１１４及びｐ形半導体膜１１６には、
開口１１８が複数形成されており、開口１１８の底部に
おいて導電膜１１２の一部が露出している。開口１１８
はフォトレジストを用いたエッチングまたは陽極酸化等
の方法により形成することができる。フォトレジストを
用いたエッチングによれば、μｍオーダーの直径を有す
る開口１１８が形成できる。また、陽極酸化によれば、
ｎｍオーダーの直径を有する開口１１８が形成できる。
開口１１８の直径や数に特に制限はない。
【０１０５】電子放出陰極１１０も、図４（ａ）に示さ
れる電子放出陰極４４にかえて電子放出素子４０に用い
ることにより、同様に電子を放出させることができる。
れる電子放出陰極４４にかえて電子放出素子４０に用い
ることにより、同様に電子を放出させることができる。
【０１０６】ｎ形半導体膜１１４とｐ形半導体膜１１６
との界面が表面に露出しているので、その界面付近にお
いて、ｎ形半導体膜１１４の内部あるいは表面を通って
ｐ形半導体膜１１６中を拡散した電子はｐ形半導体表面
に容易に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半
導体に比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少
しているので、ｐ形半導体膜１１６の表面から、効率よ
く電子を放出させることができる。
との界面が表面に露出しているので、その界面付近にお
いて、ｎ形半導体膜１１４の内部あるいは表面を通って
ｐ形半導体膜１１６中を拡散した電子はｐ形半導体表面
に容易に到達することができる。ｐ形半導体ではｎ形半
導体に比べて電圧印加状態で擬似的に電子親和力が減少
しているので、ｐ形半導体膜１１６の表面から、効率よ
く電子を放出させることができる。
【０１０７】以上の説明から明らかなように、本実施例
の電子放出陰極は、ｎ形半導体膜から電子が供給され、
かつｎ形半導体膜とｐ形半導体膜との接合部分近傍が真
空中に露出した構造を備えている。従って、ｎ形半導体
膜からｐ形半導体膜へ注入された電子が、ｐ形半導体膜
内で正孔と再結合する前に、真空中へ放出可能な経路が
形成され、ｎ形半導体に比べて電圧印加状態で擬似的に
電子親和力の小さいｐ形半導体から効率的に電子を放出
することができる。
の電子放出陰極は、ｎ形半導体膜から電子が供給され、
かつｎ形半導体膜とｐ形半導体膜との接合部分近傍が真
空中に露出した構造を備えている。従って、ｎ形半導体
膜からｐ形半導体膜へ注入された電子が、ｐ形半導体膜
内で正孔と再結合する前に、真空中へ放出可能な経路が
形成され、ｎ形半導体に比べて電圧印加状態で擬似的に
電子親和力の小さいｐ形半導体から効率的に電子を放出
することができる。
【０１０８】また、突起状の電子放出部が必要ないた
め、種々の基板上に形成可能であり、大面積を備えた電
子放出陰極を形成することも容易である。また、突起が
ないため電界の集中が起こりにくく、電極の経時変化は
非常に小さい。
め、種々の基板上に形成可能であり、大面積を備えた電
子放出陰極を形成することも容易である。また、突起が
ないため電界の集中が起こりにくく、電極の経時変化は
非常に小さい。
【０１０９】上記実施例では、導電膜が基板４２上に形
成されているが、基板自身が導電性を有するものであれ
ば、基板上の導電膜は特に必要でない。また基板および
ｎ形半導体膜を一体とみなしてｎ形半導体基板を用いて
も差し支えない。
成されているが、基板自身が導電性を有するものであれ
ば、基板上の導電膜は特に必要でない。また基板および
ｎ形半導体膜を一体とみなしてｎ形半導体基板を用いて
も差し支えない。
【０１１０】またｐ形半導体として、ボロンをドープし
たダイヤモンドを用いた場合、ダイヤモンドの電子親和
力は他の物質に比べて非常に小さく、結晶面によっては
電子親和力が負になるため、実施例１で説明したように
更に効果的な電子放出素子が得られる。シリコン等を用
いた電子放出素子では雰囲気に汚染され酸化膜を形成す
るためある程度の高真空が必要であるが、ダイヤモンド
は雰囲気に対して不活性であるという特徴もあり、１０
-2Torr程度の比較的低真空でも動作する。ダイヤモンド
表面での電気伝導を顕著にするため、ダイヤモンド表面
は水素終端されていることが好ましい。
たダイヤモンドを用いた場合、ダイヤモンドの電子親和
力は他の物質に比べて非常に小さく、結晶面によっては
電子親和力が負になるため、実施例１で説明したように
更に効果的な電子放出素子が得られる。シリコン等を用
いた電子放出素子では雰囲気に汚染され酸化膜を形成す
るためある程度の高真空が必要であるが、ダイヤモンド
は雰囲気に対して不活性であるという特徴もあり、１０
-2Torr程度の比較的低真空でも動作する。ダイヤモンド
表面での電気伝導を顕著にするため、ダイヤモンド表面
は水素終端されていることが好ましい。
【０１１１】ｎ形半導体としてもダイヤモンドを用いれ
ばよいが、満足な特性を有するｎ形ダイヤモンドを得る
ことは困難である。従って、実施例１において説明した
ダイヤモンドの微粒子を含むＤＬＣ膜をｎ形半導体膜に
用いることが好ましい。この場合には、導電膜としてア
ルミニウムを選択すれば、良好なオーミック接触が得ら
れる。
ばよいが、満足な特性を有するｎ形ダイヤモンドを得る
ことは困難である。従って、実施例１において説明した
ダイヤモンドの微粒子を含むＤＬＣ膜をｎ形半導体膜に
用いることが好ましい。この場合には、導電膜としてア
ルミニウムを選択すれば、良好なオーミック接触が得ら
れる。
【０１１２】また、上記実施例では、導電膜上にｎ形半
導体膜が形成され、ｎ形半導体膜上にｐ形半導体膜が形
成された電子放出陰極を説明したが、ｐ形半導体膜を導
電膜上に形成し、ｐ形半導体膜上にｎ形半導体膜を形成
してもよい。ｐｎ接合界面が真空中に露出する限り、本
発明の効果は得られる。
導体膜が形成され、ｎ形半導体膜上にｐ形半導体膜が形
成された電子放出陰極を説明したが、ｐ形半導体膜を導
電膜上に形成し、ｐ形半導体膜上にｎ形半導体膜を形成
してもよい。ｐｎ接合界面が真空中に露出する限り、本
発明の効果は得られる。
【０１１３】（実施例３）本実施例では、実施例１及び
２で説明した電子放出陰極あるいは電子放出素子を用い
たフラットディスプレイについて説明する。
２で説明した電子放出陰極あるいは電子放出素子を用い
たフラットディスプレイについて説明する。
【０１１４】図１２（ａ）は、フラットディスプレイ１
５０の断面構造を概略的に示している。図１２（ａ）で
は、実施例２において説明した図５に示される電子放出
陰極４４を用いた例を示しているが、実施例１及び実施
例２において説明したいずれの電子放出陰極を用いても
よい。
５０の断面構造を概略的に示している。図１２（ａ）で
は、実施例２において説明した図５に示される電子放出
陰極４４を用いた例を示しているが、実施例１及び実施
例２において説明したいずれの電子放出陰極を用いても
よい。
【０１１５】フラットディスプレイ１５０において、支
持基板１５２上に実施例２で説明した導電膜５２、ｎ形
半導体膜５４、及びｐ形半導体膜５６を有する電子放出
陰極４４が形成されている。
持基板１５２上に実施例２で説明した導電膜５２、ｎ形
半導体膜５４、及びｐ形半導体膜５６を有する電子放出
陰極４４が形成されている。
【０１１６】フラットディスプレイ１５０は更にガラス
などからなる透明基板１５６を有しており、透明基板１
５６上には、ＩＴＯなどからなる透明電極１５８とその
上に蛍光体膜１６０とが設けられている。蛍光体膜１６
０は、ＺｎＯ：Ｚｎ等の無機材料、あるいは蛍光色素や
蛍光性導電性高分子等の有機材料で構成されている。透
明基板１５６と支持基板１５２とは、透明電極１５８及
び電子放出陰極４４が対向するように絶縁体１５４を挟
んで適当な間隔を隔てて保持されており、透明基板１５
６と支持基板１５２により形成される空間１６２は真空
に保たれている。
などからなる透明基板１５６を有しており、透明基板１
５６上には、ＩＴＯなどからなる透明電極１５８とその
上に蛍光体膜１６０とが設けられている。蛍光体膜１６
０は、ＺｎＯ：Ｚｎ等の無機材料、あるいは蛍光色素や
蛍光性導電性高分子等の有機材料で構成されている。透
明基板１５６と支持基板１５２とは、透明電極１５８及
び電子放出陰極４４が対向するように絶縁体１５４を挟
んで適当な間隔を隔てて保持されており、透明基板１５
６と支持基板１５２により形成される空間１６２は真空
に保たれている。
【０１１７】フラットディスプレイ１５０において、透
明電極１５８と電子放出陰極４４との間に電圧を印加す
ることにより、実施例２において説明したように電子放
出陰極４４から電子が放出され、加速される。加速され
た電子は透明電極１５８上の蛍光体膜１６０に衝突し、
励起発光する。
明電極１５８と電子放出陰極４４との間に電圧を印加す
ることにより、実施例２において説明したように電子放
出陰極４４から電子が放出され、加速される。加速され
た電子は透明電極１５８上の蛍光体膜１６０に衝突し、
励起発光する。
【０１１８】なお、透明電極１５８は必ずしも必要では
なく、透明電極１５８の代わりに電子放出陰極４４と透
明基板１５６との間に公知の加速手段を設けてもよい。
この場合には、蛍光体の表面にアルミニウム薄膜などを
もうけることが好ましい。
なく、透明電極１５８の代わりに電子放出陰極４４と透
明基板１５６との間に公知の加速手段を設けてもよい。
この場合には、蛍光体の表面にアルミニウム薄膜などを
もうけることが好ましい。
【０１１９】また、図１２（ｂ）に示すように、電子放
出陰極４４に近接して電子を引き出すためのゲート電極
を設けてもよい。図１２（ｂ）に示されるフラットディ
スプレイ１７０は、電子放出陰極４４上に絶縁膜４６を
介してゲート電極４８が設けられている。図４（ｃ）を
参照して説明したように絶縁膜４６は省略し、ゲート電
極４８を電子放出陰極４４上に設けてもよい。図１２
（ｂ）において、図１２（ａ）のフラットディスプレイ
パネル１５０と同一の構成要素には同じ参照符号を付し
ている。フラットディスプレイ１７０において、ゲート
電極４８と電子放出陰極４４との間に印加された電圧に
より電子が電子放出陰極４４から引き出され、陽極であ
る透明電極１５８により加速され、透明電極１５８上の
蛍光体膜１６０が励起発光する。
出陰極４４に近接して電子を引き出すためのゲート電極
を設けてもよい。図１２（ｂ）に示されるフラットディ
スプレイ１７０は、電子放出陰極４４上に絶縁膜４６を
介してゲート電極４８が設けられている。図４（ｃ）を
参照して説明したように絶縁膜４６は省略し、ゲート電
極４８を電子放出陰極４４上に設けてもよい。図１２
（ｂ）において、図１２（ａ）のフラットディスプレイ
パネル１５０と同一の構成要素には同じ参照符号を付し
ている。フラットディスプレイ１７０において、ゲート
電極４８と電子放出陰極４４との間に印加された電圧に
より電子が電子放出陰極４４から引き出され、陽極であ
る透明電極１５８により加速され、透明電極１５８上の
蛍光体膜１６０が励起発光する。
【０１２０】図１２（ａ）のフラットディスプレイ１５
０は２端子構造であり、簡単な構造である。一方、図１
２（ｂ）のフラットディスプレイ１７０は３端子でやや
構造が複雑となるが、ゲート電極を有するために、階調
表示が比較的容易となる。
０は２端子構造であり、簡単な構造である。一方、図１
２（ｂ）のフラットディスプレイ１７０は３端子でやや
構造が複雑となるが、ゲート電極を有するために、階調
表示が比較的容易となる。
【０１２１】また、フラットディスプレイを複数の画素
で構成するには、図１３に示すような構造を備えた電子
放出陰極を用いてもよい。図１３は、一画素分の電子放
出陰極の構成を説明する斜視図である。図１３に示され
るように、Ｙ方向に延びるストライプ状の信号電極線１
８０を形成し、その上に実施例１あるいは２で説明した
電子放出陰極を形成する。ここでは、電子放出陰極４４
を用いて説明する。そして、信号電極線１８０と交差す
るように絶縁膜１８４を介してＸ方向に延びるストライ
プ状のゲート電極線１８２が信号電極線１８０上に形成
されている。ゲート電極線１８２及び信号電極線１８０
の交差部分において、電子放出陰極４４の表面が露出す
るように開口部１８６がゲート電極線１８２に設けられ
ている。ゲート電極線１８２と交差していない電子放出
陰極４４の部分は必要に応じて絶縁膜を形成してもよ
い。
で構成するには、図１３に示すような構造を備えた電子
放出陰極を用いてもよい。図１３は、一画素分の電子放
出陰極の構成を説明する斜視図である。図１３に示され
るように、Ｙ方向に延びるストライプ状の信号電極線１
８０を形成し、その上に実施例１あるいは２で説明した
電子放出陰極を形成する。ここでは、電子放出陰極４４
を用いて説明する。そして、信号電極線１８０と交差す
るように絶縁膜１８４を介してＸ方向に延びるストライ
プ状のゲート電極線１８２が信号電極線１８０上に形成
されている。ゲート電極線１８２及び信号電極線１８０
の交差部分において、電子放出陰極４４の表面が露出す
るように開口部１８６がゲート電極線１８２に設けられ
ている。ゲート電極線１８２と交差していない電子放出
陰極４４の部分は必要に応じて絶縁膜を形成してもよ
い。
【０１２２】この様な構造を複数の信号電極線１８０及
び複数のゲート電極線１８２を用いて形成し、マトリク
ス状の画素を構成した基板を形成し、蛍光膜が設けられ
た透明電極を保持する透明基板と対向させれば、複数の
画素からなるフラットディスプレイが実現する。
び複数のゲート電極線１８２を用いて形成し、マトリク
ス状の画素を構成した基板を形成し、蛍光膜が設けられ
た透明電極を保持する透明基板と対向させれば、複数の
画素からなるフラットディスプレイが実現する。
【０１２３】（実施例４）実施例１及び実施例２で説明
したように、本発明の電子放出陰極は、真空下におい
て、高効率で多くの電子を放出することができる。この
特徴を利用することにより、新規な構造を備えた熱電冷
却装置が実現する。
したように、本発明の電子放出陰極は、真空下におい
て、高効率で多くの電子を放出することができる。この
特徴を利用することにより、新規な構造を備えた熱電冷
却装置が実現する。
【０１２４】図１４は、熱電冷却装置２００の断面を模
式的に示している。熱電冷却装置２００は、第１の導電
性基板２０２と第１の導電性基板２０２上に形成された
陰極２０４と、第２の導電性基板２０６とを有してい
る。陰極２０４は、具体的には、実施例１または２にお
いて説明される電子放出陰極のいずれかを用いることが
できる。第１の導電性基板２０２と第２の導電性基板２
０６とは、陰極２０４が内側となるように対向して保持
されており、封止ガラス２０８によって、第１の導電性
基板２０２と第２の導電性基板２０６との間の空間２１
０が真空に保たれている。また、第１の導電性基板２０
２と第２の導電性基板２０６との間隔は１００μｍ以下
に保たれている。
式的に示している。熱電冷却装置２００は、第１の導電
性基板２０２と第１の導電性基板２０２上に形成された
陰極２０４と、第２の導電性基板２０６とを有してい
る。陰極２０４は、具体的には、実施例１または２にお
いて説明される電子放出陰極のいずれかを用いることが
できる。第１の導電性基板２０２と第２の導電性基板２
０６とは、陰極２０４が内側となるように対向して保持
されており、封止ガラス２０８によって、第１の導電性
基板２０２と第２の導電性基板２０６との間の空間２１
０が真空に保たれている。また、第１の導電性基板２０
２と第２の導電性基板２０６との間隔は１００μｍ以下
に保たれている。
【０１２５】第２の基板２０６に対して、第１の導電性
基板２０２がマイナスとなるように電圧を印加すると、
電源から流れる電子は、第１の導電性基板２０２から陰
極２０４へに移る。この際、ペルチェ効果により、第１
の導電性基板２０２から吸熱する。
基板２０２がマイナスとなるように電圧を印加すると、
電源から流れる電子は、第１の導電性基板２０２から陰
極２０４へに移る。この際、ペルチェ効果により、第１
の導電性基板２０２から吸熱する。
【０１２６】陰極２０４は実施例１あるいは２で説明し
たように、高効率で真空中へ電子を放出することできる
ため、第１の導電性基板２０２から陰極２０４へ流れ込
んだ電子は、真空空間２１０へ引き出される。その際、
電子蒸発効果により第１の導電性基板２０２または、陰
極２０４から熱を奪う。
たように、高効率で真空中へ電子を放出することできる
ため、第１の導電性基板２０２から陰極２０４へ流れ込
んだ電子は、真空空間２１０へ引き出される。その際、
電子蒸発効果により第１の導電性基板２０２または、陰
極２０４から熱を奪う。
【０１２７】放出された電子は真空空間２１０に引き出
された後、対向する第２の導電性基板２０６に入射す
る。この際、電子は自己のポテンシャルエネルギーと運
動エネルギーを熱として放出し、第２の導電性基板２０
６を加熱する。
された後、対向する第２の導電性基板２０６に入射す
る。この際、電子は自己のポテンシャルエネルギーと運
動エネルギーを熱として放出し、第２の導電性基板２０
６を加熱する。
【０１２８】従って、熱電冷却装置２００を動作させる
と、第１の導電性基板２０２は冷却され、第２の基板２
０６は加熱される。この２つの導電性基板２０２及び２
０６は真空空間２１０を介して保持されているため、真
空空間２１０が第２の基板２０６から第１の基板２０２
へ熱が伝導するのを防ぎ、熱量の漏れによる冷却及び加
熱効率の低下を防ぐことができる。加熱量は第１の導電
性基板２０２で奪う熱量が大きいほど、また電子を引き
出す為の電圧が大きいほど大きくなる。
と、第１の導電性基板２０２は冷却され、第２の基板２
０６は加熱される。この２つの導電性基板２０２及び２
０６は真空空間２１０を介して保持されているため、真
空空間２１０が第２の基板２０６から第１の基板２０２
へ熱が伝導するのを防ぎ、熱量の漏れによる冷却及び加
熱効率の低下を防ぐことができる。加熱量は第１の導電
性基板２０２で奪う熱量が大きいほど、また電子を引き
出す為の電圧が大きいほど大きくなる。
【０１２９】従って、高効率・高出力の熱電冷却装置が
得られる。また、電極を金属板と薄膜で構成することが
できるので、従来のペルチェ素子の様に希少金属を大量
に用いる必要がなく、省資源の点で有効である。また構
成材料が少量ですむため、軽量、低コストで製作でき
る。また真空間隙を狭く構成しており、非常に薄い冷却
装置が実現できる。
得られる。また、電極を金属板と薄膜で構成することが
できるので、従来のペルチェ素子の様に希少金属を大量
に用いる必要がなく、省資源の点で有効である。また構
成材料が少量ですむため、軽量、低コストで製作でき
る。また真空間隙を狭く構成しており、非常に薄い冷却
装置が実現できる。
【０１３０】この様な熱電冷却装置に種々の改変を施す
ことが可能である。
ことが可能である。
【０１３１】図１５に示される熱電冷却装置２２０は、
図１４に示される熱電冷却装置２００の陰極２０４の代
わりに、ｎ形半導体膜２２２と半導体膜２２２の表面に
設けられた酸化セシウム膜２２４からなる陰極２２６を
有している。更に、第２の導電体基板２０６の第１の導
電性基板２０２と対向する面に、ｐ形半導体膜２３２と
酸化セシウム膜２３４とからなる陽極２３６を備えてい
る。
図１４に示される熱電冷却装置２００の陰極２０４の代
わりに、ｎ形半導体膜２２２と半導体膜２２２の表面に
設けられた酸化セシウム膜２２４からなる陰極２２６を
有している。更に、第２の導電体基板２０６の第１の導
電性基板２０２と対向する面に、ｐ形半導体膜２３２と
酸化セシウム膜２３４とからなる陽極２３６を備えてい
る。
【０１３２】酸化セシウムは仕事関数が小さいため、こ
の様な構成によっても真空中へ高効率で電子を放出する
ことができる。また、陰極２２６を構成する半導体膜と
陽極２３６を構成する半導体膜を反対の導電型を有する
半導体で形成することにより、第１の導電性基板２０２
と第２の導電性基板２０６との間に印加すべき電圧を小
さくすることができる。更に、電流の流れを逆にするこ
とにより、第２の導電性基板２０６を冷却し、第１の導
電性基板２０２を加熱することもできる。
の様な構成によっても真空中へ高効率で電子を放出する
ことができる。また、陰極２２６を構成する半導体膜と
陽極２３６を構成する半導体膜を反対の導電型を有する
半導体で形成することにより、第１の導電性基板２０２
と第２の導電性基板２０６との間に印加すべき電圧を小
さくすることができる。更に、電流の流れを逆にするこ
とにより、第２の導電性基板２０６を冷却し、第１の導
電性基板２０２を加熱することもできる。
【０１３３】図１６に示される熱電冷却装置２４０は、
図１５に示される熱電冷却装置２２０の陰極２２６の代
わりに、複数の微小突起２４４をその表面に備えたｎ形
半導体膜２４２を有している。また、陽極２３６の代わ
りに複数の微小突起２４４をその表面に備えたｐ形半導
体膜２４６を有している。
図１５に示される熱電冷却装置２２０の陰極２２６の代
わりに、複数の微小突起２４４をその表面に備えたｎ形
半導体膜２４２を有している。また、陽極２３６の代わ
りに複数の微小突起２４４をその表面に備えたｐ形半導
体膜２４６を有している。
【０１３４】この様な構造によれば、仕事関数が比較的
大きい半導体材料であっても電子を真空中に放出するこ
とができる。
大きい半導体材料であっても電子を真空中に放出するこ
とができる。
【０１３５】この様な微小突起２４４は、ｎ形半導体膜
２４２及びｐ形半導体膜２４６に直接形成してもよい
し、第１の導電性基板２０２及び第２の導電性基板２０
６に微小突起を設け、その表面にｎ形半導体膜２４２及
びｐ形半導体膜２４６を形成することによって微小突起
２４４を形成してもよい。
２４２及びｐ形半導体膜２４６に直接形成してもよい
し、第１の導電性基板２０２及び第２の導電性基板２０
６に微小突起を設け、その表面にｎ形半導体膜２４２及
びｐ形半導体膜２４６を形成することによって微小突起
２４４を形成してもよい。
【０１３６】また、熱電冷却装置の外形を改変すること
もできる。
もできる。
【０１３７】図１７に示される熱電冷却装置３００は、
第１の導電性基板として機能する導電性円筒３０２と、
その表面に形成された陰極３０４と、導電性円筒３０２
と同軸を有するように保持された第２の導電性基板とし
て機能する導電性円筒３０６と、その内壁に設けられた
陽極３０８とを有している。
第１の導電性基板として機能する導電性円筒３０２と、
その表面に形成された陰極３０４と、導電性円筒３０２
と同軸を有するように保持された第２の導電性基板とし
て機能する導電性円筒３０６と、その内壁に設けられた
陽極３０８とを有している。
【０１３８】陰極３０４及び陽極３０８には、図１５及
び１６を用いて説明したいずれの陰極及び陽極を用いて
もよい。また、陰極３０４に実施例１及び実施例２で説
明したいずれかの電子放出陰極を用い、陽極３０８は設
けなくてもよい。
び１６を用いて説明したいずれの陰極及び陽極を用いて
もよい。また、陰極３０４に実施例１及び実施例２で説
明したいずれかの電子放出陰極を用い、陽極３０８は設
けなくてもよい。
【０１３９】導電性円筒３０２と導電性円筒３０６とは
真空空間３１０を保つように封止材３１２で固定されて
おり、導電性円筒３０２の内壁、及び導電性円筒３０６
の外壁にはそれぞれ複数のフィン３１４及び３１６が設
けられている。
真空空間３１０を保つように封止材３１２で固定されて
おり、導電性円筒３０２の内壁、及び導電性円筒３０６
の外壁にはそれぞれ複数のフィン３１４及び３１６が設
けられている。
【０１４０】電源から流れだした電子は、導電性円筒３
０２に入り、その表面に形成された陰極３０４に移る際
に、ペルチェ効果による熱を吸収する。この吸熱作用に
よってフィン３１４の周囲を流れる流体から熱が奪わ
れ、流体は冷却される。一方、陰極３０４に入った電子
は、導電性円筒３０６と導電性円筒３０２との間に印加
された電圧により、陰極３０４の表面から引き出され、
真空空間３１０を飛翔し、陽極３０８を経て、導電性円
筒３０６に入る。その際に電子は自己の有していたエネ
ルギーを放出し、導電性円筒３０６を加熱する。この放
熱された熱はフィン３１６を介してその外部を流れる流
体に与えられ、流体は加熱される。この様な構造によれ
ば、非常にコンパクトに流体の冷却、加熱ができ、高い
効率が得られる。
０２に入り、その表面に形成された陰極３０４に移る際
に、ペルチェ効果による熱を吸収する。この吸熱作用に
よってフィン３１４の周囲を流れる流体から熱が奪わ
れ、流体は冷却される。一方、陰極３０４に入った電子
は、導電性円筒３０６と導電性円筒３０２との間に印加
された電圧により、陰極３０４の表面から引き出され、
真空空間３１０を飛翔し、陽極３０８を経て、導電性円
筒３０６に入る。その際に電子は自己の有していたエネ
ルギーを放出し、導電性円筒３０６を加熱する。この放
熱された熱はフィン３１６を介してその外部を流れる流
体に与えられ、流体は加熱される。この様な構造によれ
ば、非常にコンパクトに流体の冷却、加熱ができ、高い
効率が得られる。
【０１４１】導電性円筒３０２及び導電性円筒３０６
は、第１の導電性基板及び第２の導電性基板としてそれ
ぞれ機能すればよく、円筒以外にも多角形状のものでも
良いが、円筒形状であれば熱効率がさらに良好になる。
は、第１の導電性基板及び第２の導電性基板としてそれ
ぞれ機能すればよく、円筒以外にも多角形状のものでも
良いが、円筒形状であれば熱効率がさらに良好になる。
【０１４２】上記説明から明らかなように、本実施例の
熱電冷却装置によれば、加熱体と冷却体とが微小な真空
間隙により隔絶されているため、高温側から低温側への
漏れ熱量が著しく低減される。また、真空間隙は微小で
あるため、空間電荷効果による電子への障壁が小さく電
子放出が効率よく行われる。また、実施例１あるいは実
施例２で説明したように効率の良い電子放出陰極を用い
ており、電子が真空中へ放出される際、電子蒸発効果に
より著しく大きな冷却効果が得られる。従って、高効率
で高出力、かつ軽量の熱電冷却装置が得られる。
熱電冷却装置によれば、加熱体と冷却体とが微小な真空
間隙により隔絶されているため、高温側から低温側への
漏れ熱量が著しく低減される。また、真空間隙は微小で
あるため、空間電荷効果による電子への障壁が小さく電
子放出が効率よく行われる。また、実施例１あるいは実
施例２で説明したように効率の良い電子放出陰極を用い
ており、電子が真空中へ放出される際、電子蒸発効果に
より著しく大きな冷却効果が得られる。従って、高効率
で高出力、かつ軽量の熱電冷却装置が得られる。
【０１４３】上記実施例３及び４では、実施例１及び２
で説明した電子放出素子を用いた応用例としてフラット
ディスプレイ及び熱電冷却装置を説明したが、本発明の
電子放出陰極及び電子放出素子は高速動作するスイッチ
ング素子等にも応用可能である。
で説明した電子放出素子を用いた応用例としてフラット
ディスプレイ及び熱電冷却装置を説明したが、本発明の
電子放出陰極及び電子放出素子は高速動作するスイッチ
ング素子等にも応用可能である。
【０１４４】
【発明の効果】本発明によれば、経時劣化が小さく、大
面積化が容易で低い真空度においても高効率で電子を放
出することができ、安価で量産性に優れた電子放出陰極
及び電子放出素子が得られる。また、この電子放出電極
を用いた高輝度で寿命が長く、大きな画面を備えたフラ
ットディスプレイが得られる。さらに、電子放出電極を
用いた高効率で高出力、かつ軽量の熱電冷却装置が得ら
れる。
面積化が容易で低い真空度においても高効率で電子を放
出することができ、安価で量産性に優れた電子放出陰極
及び電子放出素子が得られる。また、この電子放出電極
を用いた高輝度で寿命が長く、大きな画面を備えたフラ
ットディスプレイが得られる。さらに、電子放出電極を
用いた高効率で高出力、かつ軽量の熱電冷却装置が得ら
れる。
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施例による電子
放出素子の斜視図である。
放出素子の斜視図である。
【図２】図１の電子放出素子に用いられる本発明による
電子放出陰極の斜視図である。
電子放出陰極の斜視図である。
【図３】本発明の別の電子放出陰極の斜視図である。
【図４】（ａ）は、第２の実施例による電子放出素子の
斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。（ｃ）は、
第２の実施例による電子放出素子の別な構造を示す断面
図である。
斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。（ｃ）は、
第２の実施例による電子放出素子の別な構造を示す断面
図である。
【図５】本発明の別の電子放出素子の断面図である。
【図６】図４及び図５に示される電子放出素子に用いら
れる電子放出陰極の模式的なエネルギバンド図である。
れる電子放出陰極の模式的なエネルギバンド図である。
【図７】図４及び図５に示される電子放出素子に用いら
れる電子放出陰極から電子が放出される様子を説明する
模式図である。
れる電子放出陰極から電子が放出される様子を説明する
模式図である。
【図８】本発明の別の電子放出陰極の断面図である。
【図９】本発明の別の電子放出陰極の断面図である。
【図１０】本発明の別の電子放出陰極の断面図である。
【図１１】本発明の別の電子放出陰極の断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のフラットディ
スプレイの模式的な断面図である。
スプレイの模式的な断面図である。
【図１３】図１２に示すフラットディスプレイに好適に
用いることのできる１画素分の電子放出陰極の構造を示
す斜視図である。
用いることのできる１画素分の電子放出陰極の構造を示
す斜視図である。
【図１４】本発明の熱電冷却装置の模式的な断面図であ
る。
る。
【図１５】本発明の別の熱電冷却装置の模式的な断面図
である。
である。
【図１６】本発明の更に別の熱電冷却装置の模式的な断
面図である。
面図である。
【図１７】本発明の更に別の熱電冷却装置の斜視図であ
る。
る。
【図１８】従来の電子放出素子の断面図である。
【図１９】従来の熱電冷却装置の斜視図である。
１０、４０ 電子放出素子 １２、４２ 基板 １４、４４、８０、９０、１００、１１０ 電子放出陰
極 １６、４６ 絶縁膜 １８、４８ ゲート電極 ２０、５０ 開口部 ２２ 陽極 ２４ カーボン膜 ２６ ダイヤモンド ３０ 半導体膜 ５２、８２、９２、１０２、１１２ 導電膜 ５４ ８４、９４、１０４、１１４ ｎ形半導体膜 ５６ ８６、９６、１０６、１１６ ｐ形半導体膜
極 １６、４６ 絶縁膜 １８、４８ ゲート電極 ２０、５０ 開口部 ２２ 陽極 ２４ カーボン膜 ２６ ダイヤモンド ３０ 半導体膜 ５２、８２、９２、１０２、１１２ 導電膜 ５４ ８４、９４、１０４、１１４ ｎ形半導体膜 ５６ ８６、９６、１０６、１１６ ｐ形半導体膜
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 31/15 Ｈ０１Ｊ 31/15 Ｃ Ｈ０１Ｌ 35/32 Ｈ０１Ｌ 35/32 Ａ
Claims (36)
- 【請求項１】 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤ
モンドの一部が表面から突出しているｎ形半導体膜を有
し、真空空間を隔てて該ｎ形半導体膜に対向して設けら
れる陽極との間に電圧を印加することにより電子を放出
させる電子放出陰極。 - 【請求項２】 前記ダイヤモンドがｐ形半導体である請
求項１に記載の電子放出陰極。 - 【請求項３】 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤ
モンドの一部が表面から突出しているカーボン膜を有
し、真空空間を隔てて該カーボン膜に対向して設けられ
る陽極との間に電圧を印加することにより電子を放出さ
せる電子放出陰極。 - 【請求項４】 前記カーボン膜がｎ形半導体もしくは疑
似ｎ形半導体である請求項３に記載の電子放出陰極。 - 【請求項５】 前記カーボン膜はｎ形不純物として窒素
を含んでおり、該カーボン膜の一部はダイヤモンド構造
を有する微粒子を含む請求項３に記載の電子放出陰極。 - 【請求項６】 導電性膜と、 該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜と、 該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第２導電形
半導体膜とを有し、 真空空間を隔てて該導電性膜に対向して設けられる陽極
との間に電圧を印加することにより電子を放出させる電
子放出陰極。 - 【請求項７】 前記第１導電形半導体膜は島状に形成さ
れている請求項６に記載の電子放出陰極。 - 【請求項８】 導電性膜と、 該導電性膜上に形成された第１導電形半導体膜と、 該第１導電形半導体膜上に形成されており、少なくとも
該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数の開口部
が設けられた第２導電形半導体膜とを有し、 真空空間を隔てて該導電性膜に対向して設けられる陽極
との間に電圧を印加することにより電子を放出させる電
子放出陰極。 - 【請求項９】 前記開口部は導電性膜の表面が露出する
ように、前記第１導電形半導体膜にも設けられている請
求項８に記載の電子放出陰極。 - 【請求項１０】 前記第１導電形半導体膜及び前記第２
導電形半導体膜の一方は、ボロンをドープしたダイヤモ
ンドを含む請求項６から９のいずれかに記載の電子放出
陰極。 - 【請求項１１】 前記第１導電形半導体膜及び前記第２
導電形半導体膜の一方は、ピリジン、ピリダジン、ピリ
ミジン、及び１，３，５−トリアジンからなるグループ
から選ばれた材料を原料として製造される窒素を含有し
た炭素薄膜からなる請求項６から９のいずれかに記載の
電子放出陰極。 - 【請求項１２】 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイ
ヤモンドの一部が表面から突出しているｎ形半導体膜か
らなる陰極と、 真空空間を隔てて該ｎ形半導体膜に対向して設けられた
陽極と、を有し、 該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる電子放出素子。 - 【請求項１３】 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイ
ヤモンドの一部が表面から突出しているカーボン膜から
なる陰極と、 真空空間を隔てて該ｎ形半導体膜に対向して設けられた
陽極と、を有し、 該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる電子放出素子。 - 【請求項１４】 導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成された島状の第２導電形半導体膜とを有する陰極と、 真空空間を隔てて該第１導電形半導体膜に対向して設け
られた陽極と、を有し、 該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる電子放出素子。 - 【請求項１５】 導電性膜と、該導電性膜上に形成され
た第１導電形半導体膜と、該第１導電形半導体膜上に形
成されており、少なくとも該第１導電形半導体膜の表面
を露出させる複数の開口部が設けられた第２導電形半導
体膜とを有する陰極と、 真空空間を隔てて該第１導電形半導体膜に対向して設け
られた陽極と、を有し、 該陰極と該陽極との間に電圧を印加することにより、該
陰極から電子を放出させる電子放出素子。 - 【請求項１６】 前記陰極と前記陽極との間に設けられ
ており、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部を
備えたゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される電
圧により、該陰極から電子を引き出させる、請求項１２
から１５のいずれかに記載の電子放出素子。 - 【請求項１７】 前記陰極及び前記ゲート電極は、互い
に交差するように異なる方向に延びるストライプ状にそ
れぞれ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差す
る部分に前記開口部が設けられている請求項１６に記載
の電子放出素子。 - 【請求項１８】 支持基板と、 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が
表面から突出しているｎ形半導体膜からなり、該支持基
板上に設けられた陰極と、 透明基板と、 該透明基板の表面に設けられた蛍光体とを有し、 該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向
するように保持されており、該支持基板と該透明基板と
により保持された空間が真空に保たれているフラットデ
ィスプレイ。 - 【請求項１９】 支持基板と、 粒子状のダイヤモンドを含み、該ダイヤモンドの一部が
表面から突出しているカーボン膜からなり、該支持基板
上に設けられた陰極と、 透明基板と、 透明基板上の表面に設けられた蛍光体とを有し、 該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向
するように保持されており、該支持基板と該透明基板と
により保持された空間が真空に保たれているフラットデ
ィスプレイ。 - 【請求項２０】 支持基板と、 導電性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導
体膜と、該第１導電形半導体膜上に形成された島状の第
２導電形半導体膜とを有しており、該支持基板上に設け
られた陰極と、 透明基板と、 透明基板の表面に設けられた蛍光体とを有し、 該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向
するように保持されており、該支持基板と該透明基板と
により保持された空間が真空に保たれているフラットデ
ィスプレイ。 - 【請求項２１】 支持基板と、 導電性膜と、該導電性膜上に形成された第１導電形半導
体膜と、該第１導電形半導体膜上に形成されており、少
なくとも該第１導電形半導体膜の表面を露出させる複数
の開口部が設けられた第２導電形半導体膜とを有してお
り、該支持基板上に設けられた陰極と、 透明基板と、 透明基板の表面に設けられた蛍光体とを有し、 該支持基板と該透明基板とが該陰極及び該蛍光体が対向
するように保持されており、該支持基板と該透明基板と
により保持された空間が真空に保たれているフラットデ
ィスプレイ。 - 【請求項２２】 前記陰極と前記蛍光体との間に設けら
れており、該陰極の少なくとも一部を露出させる開口部
を備えたゲート電極とを有し、ゲート電極に印加される
電圧により、該陰極から電子を引き出させる、請求項１
９から２１のいずれかに記載のフラットディスプレイ。 - 【請求項２３】 前記陰極及び前記ゲート電極は、互い
に交差するように異なる方向に延びるストライプ状にそ
れぞれ形成されており、該陰極と該ゲート電極が交差す
る部分に前記開口部が設けられている請求項２２に記載
のフラットディスプレイ。 - 【請求項２４】 表面を有する第１の導電性基板と、 該第１の導電性基板の該表面上に形成された陰極と、 該表面と対向するように該第１の基板と真空空間を隔て
て保持された第２の導電性基板と、を有し、該第１の導
電性基板と該第２の導電性基板との間に電圧を印加し、
陰極から該真空空間を介して該第２の基板へ電子を放出
し、該第１の導電性基板と第の基板との間に流れる電流
により生じる吸熱効果により、該第１の導電性基板を冷
却する熱電冷却装置。 - 【請求項２５】 前記陰極は、粒子状のダイヤモンドを
含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出しているｎ
形半導体膜からなる、請求項２４に記載の熱電冷却装
置。 - 【請求項２６】 前記陰極は、粒子状のダイヤモンドを
含み、該ダイヤモンドの一部が表面から突出しているカ
ーボン膜からなる、請求項２４に記載の熱電冷却装置。 - 【請求項２７】 前記陰極は、導電性膜と、該導電性膜
上に形成された第１導電形半導体膜と、該第１導電形半
導体膜上に形成されており、少なくとも該第１導電形半
導体膜の表面を露出させる複数の開口部が設けられた第
２導電形半導体膜とを有している、請求項２４に記載の
熱電冷却装置。 - 【請求項２８】 前記陰極は、低い仕事関数表面を有す
るもので構成されることを特徴とする請求項２４に記載
の熱電冷却装置。 - 【請求項２９】 前記陰極は、多数の微細な突起を有す
る請求項２４に記載の熱電冷却装置。 - 【請求項３０】 前記陰極は、半導体からなる請求項２
４に記載の熱電冷却装置。 - 【請求項３１】 前記第１の導電性基板及び前記第２の
導電性基板は同心軸を有する２つの円柱の側面である請
求項２４に記載の熱電冷却装置。 - 【請求項３２】 前記第１の導電性基板と前記第２の導
電性基板はそれぞれフィンを有する請求項３１に記載の
熱電冷却装置。 - 【請求項３３】 前記第１の導電性基板と前記第２の導
電性基板とは１００μｍ以下の間隙で保持されている請
求項２４から３３のいずれかに記載の熱電冷却装置。 - 【請求項３４】 粒子状ダイヤモンドとｎ型半導体粉末
または、カーボン粉末とを含むペーストを作製する工程
と、 該ペーストを基板上に塗布する工程と、 該塗布されたペーストを焼成する工程と、を包含する電
子放出陰極の製造方法。 - 【請求項３５】 粒子状ダイヤモンドを基板上に配置す
る工程と、ダイヤモンドの粒径よりも小さな厚みを備
え、ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン膜を該
基板上に形成する工程と、を包含する電子放出陰極の製
造方法。 - 【請求項３６】 ダイヤモンド構造を部分的に備えたカ
ーボン膜を該基板上に形成する工程と、 該カーボン膜に粒子状ダイヤモンドを付着させる工程
と、を包含する電子放出陰極の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25535695A JP3187302B2 (ja) | 1994-10-05 | 1995-10-02 | 電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法 |
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-241221 | 1994-10-05 | ||
| JP24122194 | 1994-10-05 | ||
| JP5601695 | 1995-03-15 | ||
| JP7-56016 | 1995-03-15 | ||
| JP6075595 | 1995-03-20 | ||
| JP7-60755 | 1995-03-20 | ||
| JP25535695A JP3187302B2 (ja) | 1994-10-05 | 1995-10-02 | 電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000314354A Division JP3465890B2 (ja) | 1994-10-05 | 2000-10-13 | 電子放出素子、およびそれを用いたフラットディスプレイ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08321256A true JPH08321256A (ja) | 1996-12-03 |
| JP3187302B2 JP3187302B2 (ja) | 2001-07-11 |
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ID=27463289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP25535695A Expired - Fee Related JP3187302B2 (ja) | 1994-10-05 | 1995-10-02 | 電子放出陰極、それを用いた電子放出素子、フラットディスプレイ、及び熱電冷却装置、ならびに電子放出陰極の製造方法 |
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|---|---|
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-
1995
- 1995-10-02 JP JP25535695A patent/JP3187302B2/ja not_active Expired - Fee Related
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