JPH08510858A

JPH08510858A - 非晶質ダイヤモンド・フイルムの平坦な電界放出陰極

Info

Publication number: JPH08510858A
Application number: JP7500588A
Authority: JP
Inventors: カマ，ネイリン; クシー，チェンガング
Original assignee: マイクロイレクトラニクス、アンド、カムピュータ、テクナラジ、コーパレイシャン
Priority date: 1993-06-02
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1996-11-12
Also published as: AU5897594A; EP0730780A1; EP0730780A4; KR100307042B1; CA2164294A1; WO1994028571A1; KR960702937A

Abstract

(57)【要約】電界放出陰極には、導電性材料層（14）及び放出サイトを形成するべく導電性材料全体にわたり付着された（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）低有効仕事関数材料として機能する非晶質ダイヤモンド・フイルム層（12）が含まれている、放出サイトはそれぞれ異なる電子親和力をもつ少なくとも２つの下位領域（ｓｕｂ−ｒｅｇｉｏｎ）を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称非晶質ダイヤモンド・フィルムの平坦な電界放出陰極関連出願本出願は、本書に参考として内含されている「ダイヤモンドの薄膜をベースとしたフラットパネル表示装置」という題で１９９２年３月１６日に出願された出願第０７／８５１，７０１号の一部継続出願である。発明の技術分野本発明は一般に、平坦な電界放出陰極（ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅ）、より特定的に言うと、平坦な放出表面上にある複数の放出サイト（ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｉｔｅ）を有する非晶質ダイヤモンド・フイルム（ａｍｏｒｐｈｉｃｄｉａｍｏｎｄｆｉｌｍ）を利用するこのような陰極に関する。発明の背景電界放出は、放出材料の表面に最も近い電界が放出材料の表面に存在するポテンシャル障壁の幅を狭くする場合に起こる現象である。これにより量子トンネル効果を発生させることができ、かくして、電子はポテンシャル障壁の中を横断して材料から放出される。これは、放出材料内の熱エネルギーを材料から電子を追い出すのに充分なものにする熱電子放出と相反するものである。熱電子放出は、古典的な現象であるのに対して、電界放出は量子力学的現象である。特定の１つの材料の表面から電子の電界放出を開始させるのに必要とされる電界強度は、その材料の有効「仕事関数」（ｅｆｆｅｃｔｉｂｅｗｏｒｋｆｕｎｃｔｉｏｎ）により左右される。数多くの材料が正の仕事関数をもち、従って、電界放出をもたらすのに比較的強い電界を必要とする。実際には、いくつかの材料は低い仕事関数、さらには負の電子親和力さえ有し、従って放出が起こるのに強い電界を必要としない。このような材料は、薄膜として導体上に被着させることができ、その結果、電子放出を生成するのに必要とされる比較的低いしきい電圧をもつ陰極が得られる。先行技術に基づく装置においては、円錐形陰極［マイクロチップ陰極（ｍｉｃｒｏ−ｔｉｐｃａｔｈｏｄｅ）と呼ばれる］のチップで単一の比較的鋭い点に電子放出を集束させた陰極幾何形状を提供することによって電子の電界放出を増強させるのが、望ましいことであった。これらのマイクロチップ陰極は、陰極に最も近い注出グリッドと合わせて、電界放出表示装置において長年にわたり使用されてきた。例えば、Ｓｐｉｎｄｔｅｔａｌ．、に対して１９８９年８月１５日付で発行された米国特許第４，８５７，７９９号は、電界放出陰極を用いたマトリクス・アドレス式フラットパネル表示装置に向けられている。陰極は表示装置裏打ち構造内に内蔵されており、面板上の対応する陰極ルミネセンス部域を付勢する。面板は、好ましい実施形態においては陰極配置から４０ミクロン離隔されており、面板と陰極の間の空間内には真空が具備されている。画素間に散在させられた脚状のスペーサが、間隔どりを維持し、陰極のベースのための電気接続は裏打ち構造を通しての拡散したセクションである。Ｓｐｉｎｄｔｅｔａｌ．は、マトリクス配置で複数のマイクロチップ電界放出陰極を利用しており、ここで陰極のチップは、陰極全体にわたり１つの陽極内のアパーチャと心合せされている。注出グリッド全体にわたり１つの陽極を付加して、Ｓｐｉｎｄｔｅｔａｌ．の中で記述されている表示装置は、三極管（３端子）表示装置となっている。残念なことに、マイクロチップは、細かい幾何形状を有することから、製造の困難な構造を利用している。マイクロチップが表示装置全体を通して一貫した幾何形状をもつのでないかぎり、チップ同士の放出の変動が発生し、表示装置の照度の不均等性が結果としてもたらされる。さらに、製造許容誤差が比較的厳しいことから、かかるマイクロチップ表示装置は製造が高くつく。長年にわたり、他の人々は、精確かつ精密な性能をもつようにする厳しい許容誤差で大量生産されうる陰極を作り出すという問題を解決する方向に向かって多大な努力を払ってきた。これらの先行技術の発明のいくつかのもう１つの目的は、注出電界強度を最小限におさえるよう比較的低い有効仕事関数をもつ放出材料を使用することにあった。このような研究努力の１つは、金属吸着剤が選択的に上に被着された電界放出チップに向けられたＦｒａｓｅｒ，Ｊｒ．ｅｔａｌ．に対し１９７６年３月３０日付けで発行された米国特許第３，９４７，７１６号の中で報告されている。真空中で、清浄な電界放出チップが、選択された平面の熱による電界蓄積を作り出すべく静電界の存在下で加熱用パルスに付される。この選択された平面からの放出パターンが観察され、静電界内でチップが加熱するプロセスは、望まれる平面から放出が観察されるまで反復される。次に、吸着剤はチップ上に蒸発させられる。この方法により製造されたチップは、低い仕事関数をもつ放出性平坦表面と高い仕事関数をもつものとしての非放出性平坦表面を伴って、選択的に面加工されている。このように調製されたチップ上に付着された金属吸着剤が、実質的に改善された放出特性をもつ電界エミッタ・チップ（ｆｉｅｌｄｅｍｉｔｔｅｒｃｈｉｐ）を結果としてもたらす。残念なことに、前述の通り、このようなマイクロチップ陰極は、その細かい幾何形状のため製造が高くつく。同様に、放出は、比較的鋭いチップから起こることから、陰極によってなお幾分か一貫性に欠ける。コンピュータ用のフラットパネル表示装置といったような、数多くの陰極を大規模に利用する場合、このような欠点は許容しがたいものとなる。上述の陰極構造において明白であるように、優れた陰極設計の重要な属性は、陰極を構成する材料の仕事関数を最小限におさえることにある。実際、ダイヤモンド結晶の形での炭素元素及びアルカリ金属といったようないくつかの物質は、低い有効仕事関数を示す。陰極のためのコーティングとして負の電子親和力物質を利用する陰極のために適した幾何形状を発見することに、数多くの発明が向けられてきた。例えば、Ｓｍｉｔｈｅｔａｌ．に対し１９７６年７月２０日に発行された米国特許第３，９７０，８８７号は、超小形電界放出電子供給源及びそれを製造する方法において、電界エミッタ・チップが単結晶半導体基板と一体化されるような形で基板の表面上の望ましい電界放出陰極部位で複数の集積単結晶半導体隆起電界エミッタ・チップを製造するべく単結晶半導体基板が既知の集積超小形電子回路技術に従って加工される、超小形電界放出電子供給源及びその製造方法に向けられている。半導体基板の上に示された順序で絶縁層及びその上の導電性層を形成することができ、これには電界エミッタ・チップのための微小陽極構造（ｍｉｃｒｏ−ａｎｏｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成するべく電界放出場所に開口部が具備されていてよい。電界放出場所の各各で反対の導電率タイプの領域を提供するため半導体基板を最初に適切にドープし、導電性層を適切に形成することにより、いくつかの電界放出場所の間の電気絶縁を得ることができる。Ｓｍｉｔｈｅｔａｌ．は、鋭いチップをもつ陰極を要求している。かくしてＳｍｉｔｈｅｔａｌ．の中で開示されている陰極は、Ｆｒａｓｅｒ，Ｊｒｅｔａｌ．と同じ欠点を有する。Ｇｒａｙｅｔａｌ．に対して１９８１年１２月２９日に発行された米国特許第４，３０７，５０７号は、マスキングされていない部域が、下にある基板上で島を構成するように単結晶材料の基板が選択的にマスキングされる、電界エミッタ・アレイ陰極構造の製造方向に向けられている。マスキングされていない部域の下の単結晶材料は、結晶学的に鋭い点で交叉する側面をもつ穴のアレイを形成するべく方向性依存型のエッチングが施される。Ｂｕｓｔａｅｔａｌ．に対して１９８７年８月１１日付けで発行された米国特許第４，６８５，９９６号も同様に、電界エミッタの製造方法に向けられており、これには、基板上に少なくとも１つの漏斗形の突出部を形成するべく異方性エッチングの施された単結晶シリコン基板が含まれている。ｂｕｓｔａｅｔａｌ．の中で開示されている製造方法は、鋭いチップをもつ陰極（ｓｈａｒｐ −ｔｉｐｐｅｄｃａｔｈｏｄｅ）を提供する。鋭いチップをもつ陰極はさらに、Ｂｕｓｔａｅｔａｌ．に対し１９８９年８月８日付けで発行された米国特許第４，８８５，６３６号に記述されている。さらにもう１つの鋭いチッブを持つ放出陰極（ｓｈａｒｐ−ｔｉｐｐｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅ）は、Ｇｒａｙｅｔａｌ．に１９９０年１０月２３日付けで発行された米国特許第４，９６４，９４６号に開示されている。Ｇｒｅｙｅｔａｌ．は、例えばスピン・オン・プロセス（ｓｐｉｎ−ｏｎｐｒｏｃｅｓｓ）といったソフト・レベリング平坦化技術（ｓｏｆｔ−ｌｅｖｅｌｉｎｇｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いてソフト・アラインド電界エミッタ・アレイ（ｓｏｆｔ−ａｌｉｇｎｅｄｆｉｅｌｄｅｍｉｔｔｅｒａｒｒａｙ）を製造するための方法を開示している。鋭いチップを持つ陰極は、低い有効仕事関数材料を有利に用いているとしても、以上で簡単に言及したとおりフラット・パネル・グラフィック表示装置で使用される場合に基本的な問題点をもつ。まず第１に、鋭いチップを持つ陰極は、製造費が比較的高くつく。第２に、非常に一貫性のある状態で製造するのが困難である。すなわち、鋭いチップを持つ陰極からの電子放出はチップにて起こる。従って、チップは、隣接する陰極のマトリクスにおいていくつかの陰極は他の陰極以上に効率良く電子と放出して不均等な視覚的表示を作り出すことがないように、極めて精確に製造されなくてはならない。換言すると、陰極の製造は、表示装置の中のこの装置に沿っての輝度に一貫性がないという問題を最小限にとどめるべく、より信頼性の高いものにされなくではならない。１９９２年３月１６日付けで提出され「ダイヤモンドの薄膜に基づくフラット・パネル表示装置」という題の出願第０７／８５１，７０１号において、代替的な陰極構造が初めて開示された。第０７／８５１，７０１号は、前述のマイクロチップ配置に対するものとして比較的平坦な放出表面をもつ陰極を開示している。陰極は、その好ましい実施態様において、比較的低い有効仕事関数をもつ電界放出材料を利用する。この材料は、導電性層の上に付着され、各々比較的低い強度の電界の存在下で電子を電界放出することのできる複数の放出サイトを形成する。平坦な陰極は、細かいマイクロチップ幾何形状が削除されていることから、大量生産がはるかに廉価で容易である。平坦な陰極構造の利点は、この出願の中で詳細に論述されている。本発明と共同譲渡されたこの第０７／８５１，７０１号は、その全体が参考として本書に内含されている。材料科学の分野における比較的最近の進歩は、非晶質ダイヤモンドの発見であつた。非晶質ダイヤモンドの構造及び特徴については、Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓｅｔａｌ．により１９８９年のＴｅｘａｓＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，第４１巻第４号の中で公開された「薄膜ダイヤモンド」の中で詳細に論述されている。Ｃｏｌｌｉｎｓｅｔａｌ．はレーザー付着技術（ｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）により非晶質ダイヤモンド・フィルムを製造する方法について記述している。この中で記述されているように、非晶質ダイヤモンドには、フィルムの調整方法に応じて特定の構造を各々有する複数の微結晶が含まれている。これらの微結晶が形成される要領及びその固有の特性については完全にわかっていない。ダイヤモンドは負の電子親和力を有する。すなわち、ダイヤモンドの表面に存在するポテンシャル障壁に歪みを発生させるには、比較的低い電界しか必要とされないのである。かくして、ダイヤモンドは電界放出陰極と合わせて使用するのに非常に望ましい材料である。実際、先行技術では、マイクロチップ陰極上の放出表面として結晶質ダイヤモンド・フィルムが有利に利用されてきた。英国ＡｓｔｏｎＴｒｉａｎｇｌｅ，ＢｕｒｍｉｎｇｈａｍＢ４７ＥＴのアストン大学電子工学・応用物理学部からＳ．Ｂａｊｉｃ及びＲ．Ｖ．Ｌａｔｈａｍにより公表された「複合樹脂炭素コーティングを用いた強化冷陰極放出」の中では、約１．５ＭＶｍ^-1といった低い印加電界でオン切替えすることがわかっておりしかもその後標準的に８ＭＶｍ^-1以下の中程度の印加電界で１ｍＡ以上の安定した放出電流を伴って可逆的Ｉ−Ｖ特性を有する新しいタイプの複合樹脂− 炭素電界放出陰極について記録されている。１つの直接的電子放出結像技術は、外部的に記述された全電流が、陰極表面全体にわたり無作為に分布した高密度の個々との放出部位に由来するものである、ということを示した。観察された特性は、金属−絶縁体−金属−絶縁体−真空（ＭＩＭＩＶ）放出状態と結びつけられた２段階オン切替えプロセスが関与する新しい熱い電子放出メカニズムによって定性的に説明されてきた。しかしながら、樹脂コンパランド内への黒鉛粉未の混合は、さらに大きい粒という結果をもたらし、その結果、単位面積あたりの粒子数が少ないことから放出部位はさらに少なくなる。低電圧源からより均質な輝度を生成するためには、より大量の部位が生成されることが好ましい。１９９１年６月１０日付でオハイオ州Ａｔｈｅｎｓのオハイオ大学物理・天文学・縮合物質及び表面化学プログラム学部からＣ．Ｗａｎｇ，Ａ．Ｇａｒｃｉａ，Ｄ．Ｃ．Ｉｎｇｒａｍ，Ｍ．Ｌａｋｅ及びＭ．Ｅ．Ｋｏｒｄｅｓｃｈにより公表された「放出電子顕微鏡検査において観察されたＣＶＤダイヤモンド・フィルムからの低温電界放出」の中では、外部の励起無しで放出顕微鏡の加速する電界の中で１つの画像を形成するのに充分な強度をもつ電子を発出するものであることが観察されてきた厚い化学蒸着「ＣＶＤ」多結晶性ダイヤモンド・フィルムについて、記述されている。個々の微結晶は約１〜１０ミクロンのものである。ＣＶＤプロセスは、ダイヤモンド・フィルムの被着のため８００℃を必要とする。このような温度は、ガラス基板を溶融させることになる。先行技術では以下のことができなかった：すなわち：（１）被結晶ダイヤモンドの唯一の特性を利用すること；（２）電界放出がそこから起こりうるさらに拡散した部域をもつ電界放出陰極を提供すること；及び（３）各々の陰極部位からより均質な電子放出を生成するため充分に高い放出部位濃度（すなわちより小さな粒子又は微結晶）を提供し、なおかつ電子放出のために必要な電界を生成するための低電圧源しか必要としないこと。発明の概要先行技術では、他のダイヤモンド形態とは実質的に異なる物理的長所をもつ無定形すなわち非晶質ダイヤモンド（ａｍｏｒｐｈｉｃｄｉａｍｏｎｄ）が極めて優れた放出材料を作るということを認議できなかった。第０７／８５１７０１号は、放出材料としての非晶質ダイヤモンド・フィルムを初めて開示したのであった。実際には、この出願に記述されていた発明の好ましい実施形態において、非晶質ダイヤモンド・フィルムは平坦な陰極構造と合わせて使用され結果として根本的に異なる電界放出陰極の設計をもたらした。本発明は、各々の領域（画素）において結晶のうちの何パーセントかがＳＰ² 配置で現われもう何パーセントかがＳＰ³配置で現われるように複数のダイヤモンド微結晶領域が陰極表面上に被着されるような形で非晶質ダイヤモンドを被着させることによって、非晶質ダイヤモンドの利用をさらにもう一歩推し進めるものである。各領域における数多くのＳＰ²及びＳＰ³配置は、ＳＰ²及びＳＰ³微結晶が異なる電子親和力をもつ状態で、配置間の数多くの不連続性又は界面境界を結果としてもたらす。従って、上述の機会を利用するべく、本発明の第一の目的は、導電性材料層及びこの層全体にわたって付着され低有効仕事関数材料として機能する非晶質ダイヤモンド・フィルム層を含む、個々にアドレス可能な陰極において、非晶質ダイヤモンド・フィルムが複数の分布され局在化した電子放出サイトを含み、各々の下位部位が、下位領域間で異なる電子親和力をもつ複数の下位領域を有する陰極、を提供することにある。本発明の好ましい実施形態においては、非晶質ダイヤモンド・フィルムは、比較的平坦な放出表面として被着されている。平坦な陰極は、製追がより容易であり従ってより廉価であり、表示装置の作動中、そこからの放出を制御するのがさらに容易である。本発明の１つの技術的な利点は、異なる電子親和力をもつ不連続な境界を含めた電気的特性を放出部位が有している陰極を提供しているという点にある。本発明のもう１つの技術的利点は、放出部位がドーパント原子（ｄｏｐａｎｔａｔｏｍ）を含んでいる陰極を提供しているという点にある。本発明のさらにもう１つの技術的利点は、ドーパント原子が炭素である陰極を提供しているという点にある。本発明のさらにもう１つの技術的利点は、放出サイトの各々が複数のボンディング構造を有する陰極を提供しているという点にある。本発明のさらにもう１つの技術的利点は、放出部位の１つのボンディング構造がＳＰ³である陰極を提供しているという点にある。本発明のさらにもう１つの技術的利点は、各々の放出サイトが複数のボンディング順序をもち、そのうちの１つがＳＰ³である陰極を提供していることにある。本発明のもう１つの技術的利点は、放出サイトが、低有効仕事関数材料とは異なる１つの元素のドーパントを含んでいる陰極を提供していることにある。低有効仕事関数材料としての非晶質ダイヤモンドの使用の場合においては、ドーパント元素は炭素以外のものである。本発明のさらにもう１つの技術的利点は、放出サイトが結晶構造内に不連続性を含んでいる陰極を提供しているという点にある。本発明はさらに、フラット・パネル表示装置のための新しい作動方法及び放出ワイヤ・スクリーン上のコーティングとして及び冷陰極螢光灯内の一要素としての非晶質ダイヤモンドの使用をも内含している。上述の特徴及び利点を達成する上で、本発明の好ましい実施形態は、基板、導電性材料層、基板全体にわたり付着した電子抵抗性ピラー及び導電性材料上に付着された非晶質ダイヤモンド・フィルム層を含む非晶質ダイヤモンド・フィルム冷陰極いおいて、非晶質ダイヤモンド・フィルムが、異なる電子親和力をもつ複数の分布した微小結晶（ｍｉｃｒｏ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅ）電子放出サイトを含む比較的平坦な放出表面を有している冷陰極である。以上では、以下の本発明についての詳細な説明をより良く理解できるようにするために本発明の特徴および技術的利点についてむしろ広義に概略説明した。本発明の付加的な特徴及び利点は、以下で記述するが、これらは本発明の請求の範囲の主題を形成するものである。当業者であれば、開示されている概念及び特定の実施形態が、本発明と同じ目的を実施するためのその他の構造を修正又は設計するためのベースとして容易に利用できるものである、ということに気づくはずである。又当業者であれば、かかる同等の構成が添付の請求の範囲内に記されているような本発明の精神及び範囲から逸脱するものでない、ということもわかるはずである。簡単な図面の説明本発明及びその利点をより完全に理解するため、ここで添付図面と合わせて以下の説明を参照する。なお図面中、図１は、本発明の陰極及び基板の横断面図である。図２は、放出部位を含む本発明の陰極の上面図である。図３は、図２の放出部位のより詳細な図である。図４は、本発明の陰極を利用するフラット・パネル表示装置の横断面図である。図５は、コーティングされたワイヤ・マトリクス・エミッタの図である。図６は、コーティングされたワイヤの横断面図である。図７は、図６のコーティングされたワイヤを利用する蛍光管の側面図である。図８は、図７の蛍光管の部分断面端面図である。図９は、本発明を取込んだフラット・パネル表示装置を備えたコンピュータである。発明の詳細な説明ここで図１を見ると、本発明に基づく陰極及び基板の横断面図が示されている。全体として１０という番号で表されている陰極は、抵抗層１１、低有効仕事関数エミッタ層１２及び中間金属層１３を含んで成る、陰極１０は、それ自体基板１５上に載っている陰極の導電性層１４の上に載っている。陰極１０の層１１、１２、１３の構造及び機能そして導電性層１４及び基板１５に対する陰極１０の関係については、本書に参考として内含されている関連出願第０７／８５１７０１号の中で詳細に説明されている。ここで図２を見ると、図１の陰極１０の上面図が示されている。エミッタ層１２は、本発明の好ましい実施形態においては、非晶質構造全体の中に複数のダイヤモンド微小結晶を含む非晶質ダイヤモンド・フイルムである。これらの微小結晶は、複数の微小結晶として非晶質ダイヤモンド・フイルムを付着させるレーザー・プラズマ・デポジション、化学ベーパ・デポジション（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、イオン・ビーム・デポジション、スパッタリング、低温デボジション（５００℃未満）、蒸着（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、陰極アーク蒸着、磁気分離陰極アーク蒸着、レーザー音波デポジション又はそれに類似した技術又はこれらの組合せを用いて、金属層１３上に非結晶ダイヤモンド材料が被着された場合に、結果として得られるものである。このようなプロセスの１つは、Ｃ．Ｂ．Ｃｏｌｌｉｎｓｅｔａｌ．により１９８９年１月にＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ（米国物理研究所）によつて出版された「非晶質ダイヤモンドのレーザー・プラズマ供給源」の中で論述されている。微結晶は、被着中の環境条件そして幾分かは運によつて左右される或る一定の原子構造を伴って形成する。一定の与えられた周囲圧力及び温度において、一定の割合の結晶がＳＰ²（炭素原子の２次元ボンディング）配置にて現われることになる。しかしながら、これより幾分か少ない割合のものが、ＳＰ³（３次元ボンディング）配置にて現われることになる。ＳＰ³配置でのダイヤモンド微結晶に対する電子親和力は、ＳＰ²配置での炭素又は黒鉛微小結晶に対するものよりも小さい、従って、ＳＰ³配置での微小結晶はさらに低い電子親和力を有し、このため「放出サイト」となつている。これらの放出サイト（又はＳＰ³配置を有する微小結晶）は、図２に、エミッタ層１２内の複数の黒色斑点として表わされている。平坦な表面は基本的に微視的に平坦な表面である。しかしながら特定のタイプの表面形態は必要とされない。ただし、あらゆる多結晶薄膜に典型的である小さな特長は、強化（エンハンスメント）率の増大のための放出特性を改善する可能性がある。或る種のマイクロチップ幾何形状は、より大きいエンハンスメント率を結果としてもたらす可能性があり、実際、本発明をマイクロチップ又は「ピーク付き」構造の中で使用することができる。ここで図３を見ると、図２の微小結晶のさらに詳細な図が示されている。例えば複数の微小結晶３１、３２、３３、３４が示されている。微小結晶３１、３２、３３は、ＳＰ²配置を有するものとして示されている。微小結晶３４はＳＰ³配置を有するものとして示されている。図３を見ればわかるように、微小結晶３４は、ＳＰ²配置をもつ微小結晶によつてとり囲まれている。表面１単位面積あたり非常に数多くの無作為に分布した局在化された放出サイトが存在する。これらの放出サイトは、フイルムの残りの部分とは異なるこの場所の電子特性によつて特徴づけされる。これは、以下の条件のうちの１つ又はそれらの組合せに起因する。１）非晶質ダイヤモンド格子の中のドーパント原子（例えば炭素）の存在；２）同じ微小結晶中のＳＰ²からＳＰ³へのボンディング構造の変化；３）同じ微小結晶内のボンディング構造の順序の変化；４）フイルム材料のものとは異なる元素の不純物（恐らくはドーパント原子）；５）さまざまな微小結晶間の界面；６）微小結晶境界で起こる不純物又はボンディング構造の差異；又は７）点又は線欠陥又は転位といつたようなその他の欠陥。フイルムの製造中に上述の条件の各各を作り出すやり方は、当該技術分野において既知のことである。微小結晶の差異を作り出すための上述の条件の１つは、ドーピングである。非晶質ダイヤモンド薄膜のドーピングは、付着中にダイヤモンド内に炭素元素を挿入することによつて達成できる。炭素でドーピングする場合、異なる構造の微小結晶が統計的に作り出されることになる。いくつかの微小結晶はｎ型となる。代替的には、放出サイトの望ましい割合及び特性に応じて、非炭素ドーパント原子を使用することができる。幸いにも、フラット・パネル表示装置の環境においては、１というわずかな放出部位しか伴わない陰極が適切に機能することになる。しかしながら最適な機能のためには、１平方ミクロンあたり１〜１０個のｎ型微小結晶が望ましい。又実際、本発明は、直径１ミクロン未満、一般的には０．１ミクロンの微小結晶という結果をもたらす。図１の陰極からの放出は、陰極１０とこの陰極からわずかな距離だけ離隔した陽極（図１には示さず）の間で電位差が印加された時点で起こる。このポテンシャルの印加時点で、電子は陰極１０の放出層１２へと移動させられる。以下の例では、異なる仕事関数の微小結晶を作り出すのに存在すると仮定される条件は、同じ微小結晶内でのＳＰ²からＳＰ³へのボンディング構造の変更（上記条件３）である。図２及び３内に示されている放出サイトに関して、ＳＰ³配置を有する微小結晶は、ＳＰ²配置をもつ微小結晶に比べて低い仕事関数及び電子親和力を有する。従って、陰極１０と陽極（図示せず）の間で電圧が増大するにつれて、電圧は、ＳＰ³微小結晶が電子を放出し始める点に達することになる。陰極１０の表面上のＳＰ³微小結晶の割合が充分に高い場合、ＳＰ³微小結晶からの放出は、ＳＰ²微小結晶から放出が起こるのに充分な規模まで電圧レベルを高める必要なく、陽極（図示せず）を励起するのに充分なものとなる。従って、当該技術分野において周知のものである要領で非晶質ダイヤモンド・フイルムのデポジションの圧力、温度及び方法を制御することにより、ＳＰ³微小結晶を、充分な電子放出を生成するのに充分大きい微小結晶合計数中の割合にすることが可能である。ここで図４を見ると、本発明の陰極を利用したフラット・パネル表示装置の横断面図が示されている。図１と同様になおもその陰極導電性層１４と基板１５の上に載つている陰極１０は、好ましい実施形態においてはガラスである基板４２を含み全体として４１という番号で表わされている陽極にかみ合わされている。基板４２は、好ましい実施態様においてはインジウム・スス酸化物層である陽極導電性層４３を有している。最後に、陰極１０からの電子流の視覚表示を提供するため、陽極導電性層の上にリン光物質層４４が被着される。換言すると、陽極４１と陰極１０の間に電位差が印加された時点で、陰極１０から流れる電子は陽極導電性層４３に向かって流れるが、リン光物質層４４に衝突した時点で、リン光物質層がガラス基板４２を通して光を発するようにし、かくしてコンピュータ又はその他のビデオ機器と合わせて使用するのに望ましいタイプの視覚表示を提供することになる。陽極４１は、陰極１０と陽極４１の間に必要な分離を提供する絶縁されたセパレータ４５、４６によつて分離されている。これは全て、第０７／８５１７０１号中に記された装置に従ったものである。さらに、図４には、正極４８と負極４９を含む電圧源４７が表わされている。正極は電圧源４７から陽極の導電性層４３まで結合され、一方負極４９は電圧源４７から陰極の導電性層１４まで結合される。装置４７は、陰極１０と陽極４１の間に電位差を印加し、電圧源４７により印加された電圧が充分に高い場合に陰極１０と陽極４１の間に電子流を発生させる。ここで図９を見ると、付随するキーボード９３、ディスク駆動機構９４、ハードウエア９２及び表示装置９１を伴うコンピュータ９０が例示されている。本発明は、画像及びテキストを提供するための手段として表示装置９１の中で利用することができる。本発明のうちで目に見えるものといえば、陽極４１だけである。ここで図５を見ると、全体として５１という番号で示されているワイヤ・メッシュの形をしたコーティングされたワイヤ・マトリクス・エミッタが図示されている。ワイヤ・メッシュ５１は、交叉点において電気的に接合されている複数の行と列を含んでいる。その後ワイヤ・メッシュ５１は、非晶質ダイヤモンドといつたような低い有効仕事関数及び電子親和力をもつ材料でコーティングされ、かくして、従来はコーティング無しのワイヤ又はプレート陰極及び高い電流及び電位差の印加を用いてメッシュから陽極への電子の流れ及び白熱光を生成していた装置において使用するためのワイヤ・メッシュ陰極が製造される。非晶質ダイヤモンド・コーティング及びそれに付随する比較的低い仕事関数のため、もはや白熱光は必要でない。従って、ワイヤ・メッシュ５１陰極は、電子を放出するための室温で使用することができる。ここで図６を見ると、低い仕事関数及び電子親和力をもつ材料でコーティングされたワイヤの横断面が示されている。６１という番号で示されたワイヤは、レーザー・プラズマ・デボジション又は上で列挙したその他の周知の技術のうちのいずれか１つによつて付着されたコーティング６２を有し、かくしてこのコーティング６２が図１〜５に記述されている陰極と同じ要領で冷陰極として作用することができるようになつている。ここで図７を見ると、コーティングされたワイヤ６１が導電性フィラメントとして機能し、陽極として機能し電気的接点７３を有しかくして蛍光管を生成する１本のガラス管７２によつてとり囲まれている、ワイヤ６１の１つの応用が示されている。この管は、図１〜５と結びつけて論述されているフラット・パネル表示装置の応用と類似の要領で機能する。すなわち、陰極ワイヤ６１と管陽極７２の間の空間電荷を克服するのに充分な電位差がワイヤ６１（負）と管７２の間に印加される。ひとたび空間電荷が克服されたならば、電子はコーティング６２の中で放出サイトＳＰ³微小結晶から流れ出すことになる。ここで図８を見ると、図７の蛍光管７１の部分断面端面図が示されている。ここでも再び、一緒に蛍光管７１内の低い仕事関数の陰極を形成する図６のワイヤ６１とコーティング６２が示されている。図７のガラス管７２は、陽極の導電性層８２が上にコーティングされているガラス壁８１を含んでいる。陽極の導電性層８２は、図７の電気的接点７３に対し電気的に結合されている。最後に、陽極の導電性層８２の上にリン光物質層８３が付着される。陰極ワイヤ６１と陽極の導電性層８２の間に電位差が印加された場合、電子がエミッタ・コーティング８２と陽極の導電性層８２の間に流れることになる。しかしながら、図４にあるように、電子はまず最初にリン光物質層８３を打撃し、リン光物質層８３がガラス壁８１を通して蛍光管の外側で光子を発出するようにし、かくして従来の蛍光管と類似の要領で光を提供する。しかしながら、図７及び図８の蛍光管は、非晶質ダイヤモンド・フイルムといつたような低い有効仕事関数のエミッタを有する陰極を利用するため、蛍光管は作動中に熱くならない。かくして、従来の蛍光管では通常熱の形で浪費されるエネルギーは節減される。その上、熱は生成されないため、空調によつて後で熱を除去する必要もない。本発明及びその利点を詳細に説明してきたが、添付のクレームにより規定されているような発明の精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変更、置換及び改変をこれに加えることが可能である、ということも理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．導電性材料の層と、複数の分布した局部的電子放出サイトを含む放出表面をもち、前記導電性材料全体にわたり付着された低い有効仕事関数の材料の層、を含んで成る陰極。２．前記電子放出サイトが、互いに不連続なものである電気特性を有する、請求の範囲第１項に記載の陰極。３．前記放出表面が比較的平坦である、請求の範囲第１項に記載の陰極。４．前記電子放出サイトが少なくとも２つの異なる電子親和力を有する、請求の範囲第１項に記載の陰極。５．前記各電子放出サイトが直径１ミクロン未満である、請求の範囲第１項に記載の陰極。６．前記低い有効仕事関数の材料のいくつかが非晶質ダイヤモンドである、請求の範囲第１項に記載の陰極。７．前記電子放出サイトがそれぞれドーパント原子を内含している請求の範囲第１項に記載の陰極。８．前記ドーパント原子が炭素である、請求の範囲第７項に記載の陰極。９．前記電子放出サイトが、それぞれ複数の異なるボンディング構造を有する、請求の範囲第１項に記載の陰極。 10．前記ボンディング構造の１つがＳＰ³である、請求の範囲第９項に記載の陰極。 11．前記電子放出サイトがそれぞれ結晶質構造の不連続性を含んでいる、請求の範囲第１項に記載の陰極。 12．前記不連続性が点不連続性である、請求の範囲第１１項に記載の陰極。 13．前記不連続性が線不連続性である、請求の範囲第１１項に記載の陰極。 14．前記不連続性が転位である、請求の範囲第１１項に記載の陰極。 15．基板と、導電性材料の層と、複数の微結晶電子放出サイトを含み、前記導電性材料全体にわたり付着された非晶質ダイヤモンド・フイルム層と、を含む、ダイヤモンド・フイルム冷陰極。 16．前記電子放出サイトのうち少なくともいくつかの隣接した電子放出サイトが不連続な電気特性を有する、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 17．前記放出表面が比較的平坦である、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 18．前記各電子放出サイトが、直径１ミクロン未満である、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 19．前記電子放出サイトがドーパント原子を含んでいる、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 20．前記ドーパント原子が炭素である、請求の範囲第１９項に記載の陰極。 21．前記電子放出サイトがそれぞれ少なくとも２つの異なるボンディング構造を有している、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 22．前記ボンディング構造の１つがＳＰ³である、請求の範囲第２１項に記載の陰極。 23．前記電子放出サイトのそれぞれが少なくとも２つの異なるボンディング順序を有する、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 24．前記電子放出サイトが炭素以外のドーパントを含んでいる、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 25．前記電子放出サイトが結晶質構造の欠陥を含んでいる、請求の範囲第１５項に記載の陰極。 26．前記欠陥が点欠陥である、請求の範囲第２５項に記載の陰極。 27．前記欠陥が線欠陥である、請求の範囲第２５項に記載の陰極。 28．前記欠陥が転位である、請求の範囲第２５項に記載の陰極。 29．導電性材料の層を通して電流を流れさせる段階と、不連続な電気特性を有する複数の放出サイトを含み、前記導電性材料全体にわたり付着された非晶質ダイヤモンド・フイルム層を通して、前記電流を差し向ける段階と、を包含する、陰極を動作させる方法。 30．複数の下位領域をそれぞれ有する複数の電子放出サイトを含み、導電性フィラメント全体にわたり付着された非晶質ダイヤモンド・フイルム層と、前記電子放出サイトによって放出された電子の受取りに応答して光を放射する、前記フィラメントと前記非晶質ダイヤモンド・フイルムとをとり囲んだ陽極と、を包含する蛍光光源。