WO1999040601A1 - Dispositif emetteur d'electrons, son procede de production, et son procede d'excitation; afficheur d'images comprenant ledit emetteur d'electrons et son procede de fabrication - Google Patents

Description

明 細 書

電子放出素子及びその製造方法と駆動方法並びにその 電子放出素子を用いた画像表示装置及びその製造方法

技術分野

本発明は、 適切な材料 （例えば粒子状のダイヤモンド） を電子放出源 （エミッ タ） として使用して電子を放出する電子放出素子及びその製造方法、 並びに、 そ のような電子放出素子を備えた画像表示装置及びその製造方法に関する。 また、 本発明は、 上記のような電子放出素子の駆動方法に関する。 背景技術

近年、 薄型ディスプレイ用の電子放出源や、 高速動作が可能な微小真空デバィ スのエミッタ部分として、 微小電子放出素子の開発が盛んである。 従来、 電子放 出素子としては、 高温に加熱されたタングステン等の材料に高電圧を印加する 「熱放出型」 のものが用いられていたが、 近年、 高温に加熱する必要が無く、 低 電圧でも電子を放出することが可能である 「冷陰極型」 の電子放出素子が盛んに 研究開発がなされている。

ここで、 冷陰極型の電子放出素子 （以下では、 「冷陰極素子」 とも称する） と して要求される特性は、 低電圧，低消費電力駆動が可能で、 高電流が安定に得ら れることである。 このような冷陰極素子として、 近年では、 ダイヤモンドを電子 放出領域 （ェミッタ） に使用した構造が提案されてきている。 これは、 ダイヤモ ンドが広い禁制帯幅 （5 . 5 e V ) を有する半導体材料であること、 高硬度、 耐 磨耗性、 高熱伝導率、 化学的に不活性であるなど電子放出素子材料として非常に 適した特性を有していること、 更に、 表面状態を制御することによって伝導帯端 のエネルギー準位を真空のエネルギー準位よりも低くして負の電子親和力を有す る状態にすることが可能であること、 に着目したものである。 特に、 負の電子親 和力を有するという特性は、 ダイヤモンドの伝導帯に電子を注入すれば、 容易に 電子を放出させることが可能になることを意味している。

ダイヤモンドを使用した電子放出素子は、 例えば特開平 7— 2 8 2 7 1 5号公 報に開示されており、 その構成の簡略図を図 2 9に示す。

具体的には、 図 2 9の構成では、 基板 1 1 1 1の上に電極として機能する導電 層 1 1 1 2が形成され、 更にその導電層 1 1 1 2の上には、 ダイヤモンド粒子 1 1 1 3からなる電子放出領域 1 1 1 4が形成されている。 各ダイヤモンド粒子 1 1 1 3は、 所定の処理によって負の電子親和力を有している。 このようなダイヤ モンド粒子 1 1 1 3から構成される電子放出領域 1 1 1 4に対向するように対向 電極 （不図示） が設けられ、 この電極に電位を与えることによって、 各粒子 1 1 1 3から電子を取り出す。

上記のような図 2 9に示す従来の構成において、 ダイヤモンド粒子 1 1 1 3の 表面の電子親和力が負になっているので、 導電層 1 1 1 2からダイヤモンド粒子 1 1 1 3に入った電子は、 容易にダイヤモンド粒子 1 1 1 3から放出される。 こ のため、 理論的には、 対向電極 （不図示） に高電圧を印加しなくても、 ダイヤモ ンド粒子 1 1 1 3からの電子の引き出しが可能になるはずである。

しかし、 実際には、 図 2 9の構成で電子を取り出すためには、 対向電極に従来 と同様の高電圧を印加する必要がある。 発明の開示

本発明は、 従来技術における上記の課題に鑑みてなされたものであり、 その目 的は、 （ 1 ) 低電圧駆動で高電流を安定に得ることが可能な電子放出素子及びそ の製造方法を提供すること、 （2 ) 上記のような電子放出素子を用いて構成され る画像表示装置及びその製造方法を提供すること、 並びに （3 ) 上記のような電 子放出素子の駆動方法を提供すること、 である。

本発明の電子放出素子は、 電子輸送部材と、 電子放出部材と、 該電子輸送部材 と該電子放出部材との間に形成された電界集中領域と、 を少なくとも備えている。 前記電子輸送部材は、 導電層であり得る。

前記電界集中領域は、 絶縁層から構成されていてもよい。

前記電子放出部材は、 粒子から構成されていてもよい。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材が導電層であり、 前記電界集中領域が該 導電層の上に形成された絶縁層から構成されており、 前記電子放出部材が該絶縁 層の上に配設された粒子から構成されている。

ある実施形態では、 前記電子放出部材に対して所定の位置に配置された、 該電 子放出部材から電子を 5！き出すための電位が印加される引き出し電極を更に備え る。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材の表面が凹凸形状を有するように粗面化 されており、 前記電子放出部材は、 該電子輸送部材の該粗面化された表面の上に、 少なくとも該凹凸形状の凸部を介して配設されている。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材に電流を流す回路を更に備える。

ある実施形態では、 前記電界集中領域は、 前記電子放出部材を構成する粒子の 表面に形成された絶縁層から構成されていて、 該粒子が該絶縁層を介して前記電 子輸送部材の上に配設されている。

他の実施形態では、 前記電子輸送部材が導電層であり、 前記電界集中領域が該 導電層の上に形成された絶縁層から構成されており、 前記電子放出部材が、 該絶 縁層に一部を埋没させるように配設された粒子から構成されている。

好ましくは、 前記電界集中領域の厚さが 1 0 0 O A以下である。

ある実施形態では、 前記電子放出部材が、 お互いに接触せずに独立して配設さ れた複数の粒子から構成されている。

好ましくは、 前記電子放出部材が、 負の電子親和力を有する材料の粒子から構 成されている。

前記粒子は、 ダイヤモンド粒子であり得る。 例えば、 前記ダイヤモンド粒子は 人工ダイヤモンド粒子である。 或いは、 前記ダイヤモンド粒子は気相合成法によ り合成されたダイヤモンド粒子である。

或いは、 前記粒子は、 ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン粒子であり 得る。

前記ダイヤモンド粒子或いは前記カーボン粒子の最表面原子は、 水素原子と結 合した終端構造を有し得る。

例えば、 前記ダイヤモンド粒子或いは前記力一ボン粒子は、 6 0 0 °C以上の水 素雰囲気に曝されて形成されたものである。

前記ダイヤモンド粒子或いは前記カーボン粒子が、 不純物を含んでいても良い。 前記不純物が、 イオン注入により形成されていてもよい。 好ましくは、 前記不純 物の密度が 1 X 1 0 ^{1 3}個ノ c m ³以上である。

前記電子輸送部材は、 低仕事関数材料から構成される導電層であり得る。

本発明の他の局面による電子放出素子は、 電子注入部材と、 電子放出部材と、 該電子注入部材と該電子放出部材との間に位置する電子輸送部材と、 を少なくと も備えており、 該電子輸送部材は、 所定の直流小電圧の印加時に電気的に絶縁性 を有するか或 、は高抵抗を有する部分を含む。

好ましくは、 前記電子輸送部材は、 該電子輸送部材の中の最大電界強度が 1 m 以下であるような小電界の印加時に、 電気抵抗率が 1 c m以上であ る部分を含む。

前記電子放出部材は、 負の電子親和力を有する物質を含み得る。

前記電子放出部材は、 少なくとも炭素を含む物質或いはその粒子を含み得る。 例えば、 前記電子放出部材は、 黒鉛の粒子を含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材が、 3 . 5 e V以上のバンドギャップを を有するワイ ドバンドギヤップ半導体粒子を少なくとも含む。

例えば、 前記電子放出部材はダイャモンド粒子を含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材が粒子から構成されており、 該粒子が、 1 n mを一辺とする立方体よりも大きく、 且つ l mmを一辺とする立方体の中に 含まれる大きさである。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材が 3 . 5 e V以上のバンドギヤップを有 するワイドバンドギャップ半導体材料の粒子或いは薄膜から構成され、 前記電子 放出部材が、 該ワイ ドバンドギヤップ半導体材料の粒子或いは薄膜の表面に形成 されている。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材及び前記電子放出部材の各々が、 気相成 長法により形成されたダイャモンド材料の粒子或し、は薄膜から構成されている。 前記電子放出部材は、 水素化されたダイャモンド材料の粒子或 、は薄膜の表面 導電層であり得る。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材及び前記電子放出部材の各々がダイヤモ ンド薄膜から構成され、 該ダイヤモンド薄膜の厚さが 1 0 n m以上且つ 1 0 m 以下である。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材がダイヤモンド粒子から構成されており、 前記電子放出部材が、 該電子輸送部材を構成するダイヤモンド粒子の表面の少な くとも一部に形成された、 ダイヤモンドを含む炭素系薄膜或いは微粒子から構成 されている。

ある実施形態では、 前記電子放出部材及び前記電子輸送部材の少なくとも一方 力、'、 3 . 5 e V以上のノ ンドギャップを有するワイ ドバンドギャップ半導体材料 から構成されており、 該ワイ ドバンドギヤップ半導体材料が、 G a、 A 1、 I n、 及び Bの内の少なくとも一つ以上の元素と窒素との化合物である。

好ましくは、 前記電子注入部材と前記電子輸送部材とがォーミック接合してい る。

前記電子輸送部材が、 厚さ 5 0 0 n m以下の絶縁層を含んでいても良い。

本発明の電子放出素子の製造方法は、 基板の上に電子輸送部材を形成する工程 と、 該電子輸送部材に対して、 電界集中領域を介して接触する電子放出部材を配 設する工程と、 を包含する。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材は前記基板の上に形成された導電層であ り、 前記電子放出部材は、 前記電界集中領域として機能する絶緣層を介して該導 電層に接触するように配設された粒子から構成される。

ある実施形態では、 前記電子放出部材に対する所定の位置に、 該電子放出部材 から電子を引き出すための電位が印加される引き出し電極を配置する工程を更に 含む。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材の表面を粗面化する工程を更に含む。 ある実施形態では、 前記電子輸送部材に電流を流すための回路を構成する工程 を更に含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子輸送部材と して機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 該絶縁層の上に、 該電子放出部材として機能する粒子を配設する工程と、 を含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子放出部材と して機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能する絶緣層を形成する 工程と、 該拉子を、 前記電子輸送部材として機能する導電層の上に配設する工程 と、 を含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 液状硬化性絶縁物質 と所定の粒子との混合物を、 前記電子輸送部材として機能する導電層の上に付着 させる工程と、 該液状硬化性絶縁物質を硬化させる工程と、 該硬化させた絶縁物 質の表層部のみを選択的に除去して、 該混合物に含まれる該粒子の一部を露出さ せて、 該粒子の露出した部分を該電子放出部材として機能させる工程と、 を含む。 前記選択的除去工程は、 化学的エッチング処理によって実行され得る。 例えば、 前記化学的エッチング処理は、 水素プラズマ照射プロセスである。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子輸送部材と して機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 泣子を分散させた溶液の中に、 該絶縁層が形成された前記基板を設置す る工程と、 該溶液に超音波振動を印加して、 該溶液の中の該粒子を該絶縁層に付 着させる工程と、 を含み、 該付着された粒子が該電子放出部材として機能する。 ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子輸送部材と して機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 粒子を分散させた溶液を該絶縁層の上に塗布して、 該粒子を該絶縁層に 付着させる工程と、 を含み、 該付着された粒子が該電子放出部材として機能する。 ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子輸送部材と して機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 粒子を分散させた溶液を用いた電気泳動処理プロセスによって、 該粒子 を該絶縁層に付着させる工程と、 を含み、 該付着された粒子が該電子放出部材と して機能する。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子放出部材と して機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 該粒子を分散させた溶液の中に、 前記電子輸送部材として機能する導電 層が形成された前記基板を設置する工程と、 該溶液に超音波振動を印加して、 該 溶液の中の該粒子を該導電層に付着させる工程と、 を含む。

ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子放出部材と して機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 該粒子を分散させた溶 液を該絶縁層の上に塗布して、 該粒子を該絶縁層に付着させる工程と、 を含む。 ある実施形態では、 前記電子放出部材を配設する工程が、 前記電子放出部材と して機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を形成する 工程と、 前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 該粒子を分散させた溶 液を用 、た電気泳動処理プロセスによつて該粒子を付着させる工程と、 を含む。 ある実施形態では、 前記電子輸送部材の表面を粗面化する工程が、 前記電子輸 送部材として機能する導電層を溶射法により形成する工程を含む。

ある実施形態では、 前記電子輸送部材の表面を粗面化する工程が、 前記電子輸 送部材として機能する平坦な導電層を形成する工程と、 該平坦な導電層の表面を 粗面化する工程と、 を含む。 例えば、 前記平坦な導電層の表面を粗面化する工程 がブラスト処理による。 或いは、 前記平坦な導電層の表面を粗面化する工程が化 学的エッチング処理による。

ある実施形態では、 前記基板の表面を粗面化する工程を更に含み、 該粗面化さ れた基板の表面に前記電子輸送部材を形成することによって、 該電子輸送部材の 表面を粗面化する。

ある実施形態では、 前記電子輸送層及び前記電子放出層の少なくとも一方が気 相成長プロセスによって成長されたダイヤモンド薄膜であり、 該気相成長プロセ スの前処理工程として、 I X 1 0 ^{1 Q}個 Z c m²以上の分布密度を有するダイヤモ ンド成長核を分布させる工程を含む。

本発明の他の局面によれば、 電子注入部材と、 電子放出部材と、 該電子注入部 材と該電子放出部材との間に位置する電子輸送部材と、 を少なくとも備え、 該電 子輸送部材は、 所定の直流小電圧の印加時に電気的に絶縁性を有するか或いは高 抵抗を有する部分を含むような、 電子放出素子の駆動方法が提供される。 該駆動 方法は、 該電子放出部材に対して時間的に変化する電位を印加する工程を包含す る。

好ましくは、 前記時間的に変化する電位を、 前記電子放出部材が前記電子注入 部材に対して直流的に絶縁された状態で、 該電子放出部材に印加する。

ある実施形態では、.前記時間的に変化する電位は、 前記電子注入部材に対して 前記電子放出部材が正電位になるような直流電圧を、 所定の交流電圧に重畳する ことによって形成する。

ある実施形態では、 前記電子放出部材から電子を放出させるための電界を該電 子放出部材に対して真空を介して印加する 3 1き出し電極に、 前記電子注入部材が 負で該弓 Iき出し電極が正となる直流電圧を印加する。

本発明の画像表示装置は、 電子放出源と、 該電子放出源から放出された電子に より画像を形成する画像形成部と、 を少なくとも備え、 該電子放出源は、 複数の 電子放出素子を少なくとも備えており、 該複数の電子放出素子の各々が、 上記で 説明したような特徴を有する本発明の電子放出素子である。

本発明の画像表示装置の製造方法は、 複数の電子放出素子を形成する工程と、 該形成された複数の電子放出素子を用 、て電子放出源を形成し、 該電子放出源を 所定の箇所に配設する工程と、 該電子放出源から放出された電子により画像を形 成する画像形成部を、 該電子放出源に対して所定の位置関係で配設する工程と、 を包含し、 該複数の電子放出素子の各々を、 上記で説明したような特徴を有する 本発明による電子放出素子の製造方法によつて形成する。 図面の簡単な説明

図 1 Aは、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図で ある。

図 1 Bは、 図 1 Aに示す構成において、 電界集中領域が存在する場合の、 電界 (等電位線） を模式的に描く図である。

図 1 Cは、 図 1 Aに示す構成において、 電界集中領域が存在しない場合の、 電 界 （等電位線） を模式的に描く図である。

図 1 Dは、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の改変された構成の 模式的な断面図である。

図 1 Eは、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の他の改変された構 成の模式的な断面図である。

図 2は、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の更に他の改変された 構成の模式的な断面図である。

図 3は、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の更に他の改変された 構成の模式的な断面図である。

図 4は、 本発明の第 2の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図であ る。

図 5 Aは、 本発明の第 3の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図で ある。

図 5 Bは、 本発明の第 3の実施形態における電子放出素子の改変された構成の 模式的な断面図である。

図 6 Aは、 本発明の第 4の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図で ある。

図 6 Bは、 本発明の第 4の実施形態における電子放出素子の改変された構成の 模式的な断面図である。

図 Ίは、 本発明の第 5の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図であ る。

図 8は、 本発明の第 6の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図であ る。

図 9は、 本発明の第 7の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図であ る。

図 1 0は、 本発明の第 8の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図で ある。

図 1 1は、 本発明の第 9の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図で ある。

図 1 2は、 本発明の第 9の実施形態における電子放出素子の改変された構成の 模式的な断面図である。

図 1 3は、 本発明の第 9の実施形態における電子放出素子の他の改変された構 成の模式的な断面図である。

図 1 4は、 本発明の第 1 0の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図 である。

図 1 5は、 本発明の第 1 1の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図 である。

図 1 6は、 本発明の第 1 2の実施形態における電子放出素子の模式的な断面図 である。

図 1 7は、 本発明の第 1 0の実施形態における電子放出素子の改変された構成 の模式的な断面図である。

図 1 8は、 本発明の第 1 1の実施形態における電子放出素子の改変された構成 の模式的な断面図である。

図 1 9 (a) 〜 （c) は、 図 1 Aの電子放出素子の製造工程を模式的に説明す る断面図である。

図 20 (a) - (d) は、 図 4の電子放出素子の製造工程を模式的に説明する 断面図である。

図 2 1 (a) ~ (c) は、 図 5 Aの電子放出素子の製造工程を模式的に説明す る断面図である。

図 22 (a) 〜 （d) は、 図 6 Aの電子放出素子の製造工程を模式的に説明す る断面図である。

図 23 (a) 〜 （c) は、 図 7の電子放出素子の製造工程を模式的に説明する 断面図である。

図 24 (a：) 〜 （d) は、 図 8の電子放出素子の製造工程を模式的に説明する 断面図である。

図 25 (a) ~ (c) は、 図 9の電子放出素子の製造工程を模式的に説明する 断面図である。

図 26 (a) 〜 （d) は、 図 1 0の電子放出素子の製造工程を模式的に説明す る断面図である。

図 27は、 本発明の第 1 3の実施の形態における画像表示装置の構成の模式的 な断面図である。

図 2 8 ( a )〜（d ) は、 図 2 7の画像表示装置の製造工程を模式的に説明す る断面図である。

図 2 9は、 従来技術による電子放出素子の構成を模式的に示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態

本願発明者らによる検討によれば、 図 2 9に示す従来技術の電子放出素子の構 成において、 先述のように実際に電子を取り出すためには対向電極に高電圧を印 加する必要があるのは、 導電層 1 1 1 2とダイヤモンド粒子 1 1 1 3との界面に 存在する電子障壁に起因する。

導電層 1 1 1 2とダイヤモンド粒子 1 1 1 3とがォーミック接合を形成すれば、 このような問題は発生しない。 し力、し、 ダイヤモンドとォーミック接合を形成す ることは、 材料特性の点から一般に困難であり、 実際には、 ショッ トキ一接合が 形成される。 これより、 導電層 1 1 1 2からダイヤモンド粒子 1 1 1 3に電子を 注入するためには、 両者の界面に存在する電子障壁を越えさせねばならず、 この 結果として対向電極に高電圧を印加して電子に十分なエネルギーを与える必要が 生じる。

以上のような原因により、 図 2 9に示す従来の構成では、 導電層 1 1 1 2から ダイヤモンド粒子 1 1 1 3に電子を効率的に注入することが困難であり、 そのた めに電子を十分に得ることができない。 以下では、 以上のような本願発明者らによる検討結果に基づいて行われた本発 明の幾つかの具体的な実施形態を、 添付の図面を参照して説明する。 (第 1の実施形態）

図 1 Aは、 本発明の第 1の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもの である。 図 1 Aの構成は、 一般にダイオード構成と呼ばれている。

図 1 Aにおいて、 基板 1 1の上に電子輸送部材 1が形成されており、 電子輸送 部材 1の上には、 電界集中領域 2を介して、 電子放出領域 4を構成する電子放出 部材 3が設けられている。 電子放出部材 1としては導電層 1、 電子放出部材 3と しては粒子状物体、 電界集中領域 2としては絶縁層 2を用いることができるが、 特にこれらに限られるわけではない。

電子放出部材 3に対向した電極 （図示せず） に電圧を印加すると、 電子輸送部 材 1と不図示の電極との間に、 その間の電位差及び間隔によって決定される電界 が発生する。 ここで、 例えば粒子状の電子放出部材 3が存在すると、 等電位線 a は電子放出部材 3を避けて発生する。 このとき、 図 1 Cに示すように、 電界集中 領域 2が存在せずに電子輸送部材 1の上に直接に電子放出部材 3が設けられてい ると、 電界 （等電位線） は、 電子放出部材 3とそれに対向した不図示の電極との 間 （電子放出部材 3の先端近傍） の 1箇所のみに集中する。 一方、 図 1 Bに示す ように電界集中領域 2が設けられていると、 電界 （等電位線） は、 電子放出部材 3とそれに対向した不図示の電極との間に加えて、 電子放出部材 3と電子輸送部 材 1との間に位置する電界集中領域 2にも、 集中する。 そして、 この電界集中領 域 2における電界集中の存在によって、 電子輸送部材 1から電子放出部材 3への 電子の注入が、 容易に行われるようになる。

この構成での電子放出過程を、 以下に説明する。

電界集中領域 2の厚さは、 電子放出部材 3と不図示の対向電極との間の間隔よ りも十分に狭いので、 発生する電界集中の大きさは、 電子放出部材 3の先端近傍 よりも電界集中領域 2の中の方が大きい。 従って、 電子はまず最初に、 電子輸送 部材 1から電界集中領域 2をトンネリングして電子放出部材 3に注入される。 電子の注入が十分になつた状態では、 電子放出部材 3は電子輸送部材 1と同電 位となり、 電位的には、 電子放出部材 3はあたかも電子輸送部材 1の上に存在す る突起のようになる。 この時点で、 電界集中領域 2における電界の集中も消滅す る。

この状態から、 次に電子は、 電子放出部材 3と不図示の対向電極との間に発生 している電界集中によって、 電子放出部材 3から対向電極に向かって引き出され る。 この時点で、 初期の状態に戻ったことになる。

そして、 再び、 電界集中領域 2及び電子放出部材 3と対向電極との間 （電子放 出部材 3の先端近傍） の 2箇所に、 電界集中が発生する。

以上の動作の繰り返しによって、 電子輸送部材 1からの電子の引き出しが行わ れる。

以上の説明では、 電子放出部材 3の形状が粒子状であるとしているが、 これは、 電子放出部材 3から対向電極への電子の引き出しの際に両者間での電界集中をよ り高める効果を得ることを意図している。 しかし、 電子輸送部材 1から電子放出 部材 3への電子注入過程の効率の改善という本発明の目的の達成のためには、 上 記の場合に限られるわけではない。 例えば、 図 1 Dに示すように、 電子輸送部材 1の上に電界集中領域 2を介して層状の電子放出部材 （電子放出層） 3が設けら れている構成においても、 上記と同様の効果を得ることができる。

—方、 電界集中領域 2は、 上記のように絶縁層から構成される場合に限られる わけではない。 例えば、 図 1 Eに示すように、 電子輸送部材 1と電子放出部材 3 との間に非常に狭い隙間を設ければ、 その隙間の真空空間部分 2が電界集中領域 2として作用して、 上記と同様の効果を得ることができる。

何れの構成においても、 電界集中領域 2における電子の移動は、 トンネリング による。 従って、 電界集中領域 （例えば絶緣層） 2の厚さは、 電子のトンネリン グが可能な厚さ、 例えば約 1 0 0 O A以下とすることが好ましい。

図 1 Aでは、 電子輸送部材 1としての導電層 1に対して、 電界集中領域 2とし ての絶縁層 2を介して、 電子放出領域 4を構成する電子放出部材 3としての粒子 3が付着 '配設されている構成が示されている。 しかし、 本発明を実現する構成 は、 これに限られるわけではない。 例えば、 図 2に示すような、 表面に絶縁層 2 が形成された粒子 3が導電層 1の上に付着 ·配設されている構造、 或いは、 図 3 に示すような、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中に粒子 3がその一部を埋 没させて設けられている構成であっても、 構わない。

また、 電子放出領域 4からの放出電流は、 個々の粒子 3からの電子放出量の集 積となることから、 電子放出領域 4を構成する粒子 3は、 互いに接触することな く独立して付着させることが、 電流量の増大や時間的及び空間的な電流量の均一 性 -安定性の観点で好ましい。

ここで、 粒子 3として特にダイヤモンドを用いれば、 物質特性面での安定性が 得られ、 電子放出の経時的な安定性が更に増す。 工業的に利用できるダイヤモン ドとしては、 例えば気相合成法により合成された人工ダイヤモンド等が挙げられ る。 また、 一般にダイヤモンドの表面を水素終端すると、 電子親和力が負になる と言われており、 そのような観点から、 粒子 3がダイヤモンドで且つ更にその表 面が水素終端されたものであれば、 本発明の効果を更に大きくすることが可能と なる。 ダイヤモンド粒子を水素終端する方法としては、 例えば、 ダイヤモンド粒 子を 6 0 0 °C以上の水素雰囲気に曝す方法や水素ブラズマに曝す方法が挙げられ る。

また、 粒子 3として、 ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン粒子を用い ても、 上記と同様の効果を得ることができる。 この場合にも、 水素終端すること により、 同様に本発明の効果を大きくすることができる。 水素終端の方法は、 ダ ィャモンド粒子の場合と同様である。

また、 ダイヤモンド粒子 3或いはダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン 粒子 3が、 その内部に不純物を含んでいれば、 それらの粒子自身の電気抵抗が低 下するので、 電流量を増加させる効果が得られる。 これより、 本発明の効果を更 に高めることが可能となる。 この不純物は、 例えばイオン注入等の方法により、 人工的に粒子 3の内部に制御して存在させることが可能である。 不純物密度は、 例えば 1 X 1 0 ^{1 3}個/ c m ³以上とすることが好ましい。 また、 導電層 1は、 電子放出領域 4を構成する粒子 3に電子を供給する電極と して作用するものであり、 通常の金属をはじめとする任意の導電性材料の薄膜或 いは厚膜とすることができる。 また、 1層構造或いは多層構造の何れであっても、 本発明の効果が得られることは自明である。 更に、 構造上で許容される場合には、 基板 1 1が導電層 1の役割を兼ねる構成も可能である。

ここで、 本発明の第 1の実施形態における具体的な構成例とその製造工程を、 以下に説明する。

まず、 図 1 9 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に導電層 1を形成する。 次に、 図 1 9 ( b ) に示すように、 導電層 1の上に、 厚さ 5 0 0人の S i 0 ₂膜 2を形成する。 更にその上に、 図 1 9 ( c ) に示すように平均粒子径が 1 Ο « ΠΙ のダイヤモンド粒子 3を付着して、 電子放出領域 4を形成する。

付着方法としては、 例えば、 ビークルにダイヤモンド粒子 3を混入してスピン コートを行って付着させる方法、 粒子 3を分散させた溶液中に図 1 9 ( b ) の基 板 1 1を浸して設置し、 溶液に超音波振動を印加することによって、 溶液中の粒 子 3を付着させる方法、 或いは、 電気泳動法により粒子 3を付着させる方法など を、 適用することができる。 何れの方法においても、 適切な付着条件を設定すれ ば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

この状態で、 S i基板 1 1から 1 m m離して対向電極を設けて電圧を印加した ところ、 3 k V程度の電圧で 1 A / c m ²以上のエミッション電流が得られた。 また、 上記に換えて、 図 2に示すように、 その表面に酸化膜による絶縁層 2を 形成した C u粒子 3を導電層 1の上に付着した構造としてもよい。

或いは、 図 3に示すように、 導電層 1としてのインジウム層 1の表面に酸化膜 2を形成した後に、 ダイヤモンド粒子 3を酸化膜 2を壊さないように埋め込んだ 構造としてもよい。 また、 粒子と液状の硬化性絶縁物質とを混合し、 その混合物 を導電層の上に付着して硬化させた後に、 絶縁物質の表層部近傍のみを選択的に 除去して粒子の一部を露出させる方法によっても、 上記と同様の効果が得られる _c 上記の何れの製造プロセス （及びそれによつて得られる構成） においても、 複 数の粒子 3が、 互いに接触させずに導電層 1の上に付着される。 この結果、 個々 の粒子 3が電子放出源 （ェミッタ） として機能することになるので、 電子放出領 域 4からの放出電流 （電子） 量は、 個々の粒子 3からの電子放出量の集積となる。 この結果、 大きな電流の取り出しが可能な電子放出素子が得られることになる。 上記で用いたダイヤモンドは、 例えば気相合成法により合成された人工ダイヤ モンドである。 また、 このダイヤモンドを 6 0 0 °Cの水素雰囲気に曝してその表 面を水素終端したところ、 電子放出の開始電圧の低下が見られた。 或いは、 ダイ ャモンド粒子を水素プラズマに曝すことによつても、 同様の効果が得られた。 また、 一般に質が悪いとされる黒色のダイヤモンド粒子は、 実際にはダイヤモ ンド構造を部分的に備えたカーボン粒子であるが、 粒子 3としてこれを用いた場 合においても、 同様の効果を得ることができた。 この場合にも、 先程と同様のプ ロセスによりその表面を水素終端することにより、 ダイヤモンド粒子の場合と同 様の効果を得た。

また、 ダイヤモンド粒子或いはダイヤモンド構造を部分的に備えた力一ボン粒 子は、 その内部に不純物を含んでいるので、 それ自身の電気抵抗が低下しており、 その結果として電流量の増加が見られた。 或いは、 不純物をイオン注入により人 ェ的に粒子 3の内部に制御して存在させることにより、電子放出特性を制御する ことが可能である。 例えば、 不純物としてのボロンを 1 X 1 0 ^{1 3}個 c m ³以上 の密度で注入することにより、 エミッシヨン特性の更なる改善効果が見られた。 なお、 上記の構成における電子輸送部材 1は、 できる限り小さい仕事関数を有 する材料から構成されていることが好ましい。 これは、 電界集中領域 2に発生す る電界集中によって電子輸送部材 1から電子を引き出して電子放出部材 3に注入 することから、 電子輸送部材 1の構成材料の仕事関数が小さい方が、 電子の引き 出し （電子放出部材 3への注入） が効率的に行われるためである。 この特徴は、 同様の構成を有する本発明の他の実施形態においても、 同様に適用される。 (第 2の実施形態）

図 4は、 本発明の第 2の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもので ある。

図 4の構成では、 基板 1 1の上に導電層 （電子輸送部材） 1が形成されている。 更に、 その導電層 1の上に絶縁層 （電界集中領域） 2が形成されており、 絶縁層 2の上には、 粒子 （電子放出部材） 3が付着して電子放出領域 4を形成している。 また、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが設けられている引き出し電 極 5が、 電子放出領域 4と所定の間隔を隔てて設けられている。

図 4の構成は、 一般的にトライオード構成と呼ばれるものであり、 引き出し電 極 5に電圧を印加することによって、 電子放出領域 4の表面に電界を集中させて 電子 eを引き出し、 開口部 5 aを通過させて取り出すものである。 第 1の実施形 態におけるダイォ一ド方式に比べて、 電子放出素子としての構成は若干複雑には なるが、 電子 eを取り出すために引き出し電極 5に印加する電圧と、 蛍光体 （不 図示） を発光させるために不図示の対向電極に印加する必要がある電圧とは、 お 互いに独立して設定することが可能である。 従って、 引き出し電極 5を電子放出 領域 4に近接して設置可能となり、 結果として、 更に低電圧での電子 eの取り出 しが可能となる。

引き出し電極 5に設けられる開口部 5 aの形状は、 特定の形状に限られるもの ではなく、 円形の孔、 方形の孔、 或いはその他の多角形形状を有する孔など、 様々な形状が可能である。 或いは、 スリッ ト状の開口部を形成することも可能で ある。 なお、 図 4に示す断面図では、 開口部 5 aが円形や多角形の孔である場合 に見える孔の端面は、 簡略化のために図示を省略している。 これは、 本願に含ま れる同様の図でも同様である。

ここで、 本発明の第 2の実施形態における具体的な構成例及びその製造工程を、 以下に説明する。

まず、 図 2 0 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に、 導電層 1を形成す る。 次に、 図 2 0 ( b ) に示すように、 導電層 1の上に厚さ 5 0 0 Aの S i 0 ₂ 膜 2を形成する。 更にその上に、 図 2 0 ( c ) に示すように、 平均粒子径が 1 0 mのダイヤモンド粒子 3を S i 0 ₂膜 2の上に付着して、 電子放出領域 4を形 成する。

付着方法としては、 例えば、 ビークルにダイヤモンド粒子 3を混入してスピン コートを行って付着させる方法、 粒子 3を分散させた溶液中に図 2 0 ( b ) の基 板 1 1を浸して設置し、 溶液に超音波振動を印加することによって、 溶液中の粒 子 3を付着させる方法、 或いは、 電気泳動法により粒子 3を付着させる方法など を、 適用することができる。 何れの方法においても、 適切な付着条件を設定すれ ば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

上記の何れの製造プロセス （及びそれによつて得られる構成） においても、 複 数の粒子 3が、 互いに接触させずに導電層 1の上に付着される。 この結果、 個々 の粒子 3が電子放出源 （ェミッタ） として機能することになるので、 電子放出領 域 4からの放出電流 （電子） 量は、 個々の粒子 3からの電子放出量の集積となる。 この結果、 大きな電流の取り出しが可能な電子放出素子が得られることになる。 この状態で、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を適切な材料の金属薄板で形 成して、 図 2 0 ( d ) に示すように、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが位置するように、 電子放出領域 4から l mm離して引き出し電極 5を配置す る。 この引き出し電極 5に電圧を印加したところ、 3 k V程度の電圧で 1 A Z c m ²以上のェミツション電流が得られた。

なお、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を所定の位置に設置した後に、 電子 放出領域 4を構成する粒子 3の付着処理を行うことも可能である。 但し、 その場 合には、 引き出し電極 5への粒子 3の付着を防ぐ必要がある。

本実施形態の構成では、 アノード電極 （不図示） に、 電子 eの引き出しのため の印加電圧とは独立して電圧を印加することが可能である。 例えば、 アノード電 極に 1 0 k Vの電圧を印加することで、 輝度の高い画像表示が可能になった。 本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出部材） 3が導 電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 （電界集中領域） 2を介して付着している ことによって得られる効果は、 第 1の実施形態の構成の場合と同様である。 また、 絶縁層 2、 粒子 3、 及び他の構成要素の具体的な構成材料や改変内容、 それらに よって得られる効果、 更には電子放出メカニズム等は、 第 1の実施形態の場合と 同様である。

本実施形態の構成は、 図 4に示すように、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2 の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3或し、は粒子の凝集体 3を配設する構成 に限るものでない。 例えば、 表面に絶縁層 2が形成された拉子 3が導電層 1の上 に配設されている構造、 或いは、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中に粒子 3がその一部を埋没させるように設けられている構造でも構わない点は、 第 1の 実施形態の場合と同様である。

(第 3の実施形態）

図 5 Aは、 本発明の第 3の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもの である。

図 5 Aの構成では、 基板 1 1の上に導電層 （電子輸送部材） 1が形成されてい る。 導電層 1の表面は粗面化されて凹凸形状が形成されており、 この凹凸形状に 沿って絶縁層 （電界集中領域） 2が形成されている。 絶縁層 2の上には、 個々が 少なくとも 1つの凸部に接触するように粒子 （電子放出部材） 3が付着して、 電 子放出領域 4を形成している。

図 5 Aの構成も一般的にダイォード構成と呼ばれるものであるカ^ 特に図 5 A の構成では、 電子放出領域 4を構成する粒子 3が、 表面が粗面化された導電層 1 の上に絶縁層 2を介して付着しているので、 第 1の実施形態のように粒子 3と導 電層 1とが絶縁層 2を介して平面的に接触している場合に比べて、 導電層 1と粒 子 3との間の電界集中が更に高められる。 その結果として、 電界集中領域 2を設 けることによる電界集中効果に加えて、 凹凸形状を設けることによる電界集中効 果も生じて、 粒子 3への電子の注入が更に容易になるので、 より低い印加電圧で の電子 eの取り出しが可能となる。

ここで、 本発明の第 3の実施形態における具体的な構成例及びその製造方法を、 以下に説明する。

まず、 図 2 1 ( a ) に示すように、 S i基板 1の上に、 その表面が粗面化され た導電層 1を形成する。

導電層 1の表面を粗面化する方法として、 例えば、 導電層 1を溶射プロセスで 形成することが挙げられる。 この場合に得られる凹凸形状の大きさ （表面粗さ） は、 溶射条件の調節で制御可能であって、 最大で約 1 0 mの表面粗さが得られ る。 また、 溶射プロセスは真空プロセスではなく、 大気圧下で成膜できるという 特徴を有するので、 導電層 1の形成コス卜が低減される。

或いは、 平坦な導電層 1を形成後に、 その表面をサンドプラストプロセスで粗 面化することも可能である。 サンドブラストプロセスでは、 鋭利な突起形状を導 電層 1の表面に形成することができる。

また、 平坦な導電層 1を形成後に、 その表面を化学的にエッチングして粗面化 することも可能である。 例えば、 湿式エッチングプロセスを利用する場合、 所定 のエッチング液を導電層 1の表面にスプレー状 （噴霧状） に散布することで、 約 2 μ mの表面粗さを有する凹凸形状を形成することができる。

更に、 基板 1 1の表面を粗面化した上で、 その粗面化された表面の上に導電層

1を形成することにより、 導電層 1の形成面に凹凸形状を与えることもできる。 基板 1の粗面化は、 上述したサンドブラスト法ゃェッチング法を使用することが できる。

次に、 図 2 1 ( b ) に示すように、 形成された導電層 1の凹凸形状の上に、 厚 さ 5 0 0人の S i 0 ₂膜 2を形成する。 更にその上に、 図 2 1 ( c ) に示すよう に、 平均粒子径が 1 0 μ πιのダイヤモンド粒子 3を付着して、 電子放出領域 4を 形成する。

付着方法としては、 例えば、 ビークルにダイヤモンド粒子 3を混入してスピン コートを行って付着させる方法、 粒子 3を分散させた溶液中に図 2 1 ( b ) の基 板 1 1を浸して設置し、 溶液に超音波振動を印加することによって、 溶液中の粒 子 3を付着させる方法、 或いは、 電気泳動法により粒子 3を付着させる方法など を、 適用することができる。 何れの方法においても、 適切な付着条件を設定すれ ば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

上記の何れの製造プロセス （及びそれによつて得られる構成） においても、 複 数の粒子 3が、 互いに接触させずに導電層 1の上に付着される。 この結果、 個々 の粒子 3が電子放出源 （ェミ ッタ） として機能することになるので、 電子放出領 域 4からの放出電流 （電子） 量は、 個々の粒子 3からの電子放出量の集積となる。 この結果、 大きな電流の取り出しが可能な電子放出素子が得られることになる。 この状態で、 基板 1 1から l mm離して対向電極 5を配置して電圧を印加した ところ、 2 k V程度の電圧で 1 μ ΑΖ c m²以上のェミツション電流が得られた。 本実施形態の構成で、 導電層 （電子輸送部材） 1、 絶縁層 （電界集中領域） 2、 粒子 （電子放出部材） 3、 及び他の構成要素の具体的な構成材料や改変内容、 そ れらによって得られる効果、 更には電子放出メカニズム等は、 第 1の実施形態の 場合と同様である。

本実施形態の構成は、 図 6 Aに示すように、 凹凸状の導電層 1の上に形成され た絶縁層 2の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るもの でない。 例えば、 表面に絶縁層 2が形成された粒子 3が凹凸状の導電層 1の上に 配設されている構造、 或いは、 凹凸状の導電層 1の上に形成された絶緣層 2の中 に粒子 3がその一部を埋没させるように設けられている構造でも構わない点は、 先の実施形態の場合と同様である。

また、 粒子状の電子放出部材 3に代えて、 層状の （すなわち層構造を有する） 電子放出部材 3を導電層 1の凹凸形状の上に絶縁層 2を介して設けても、 同様の 効果を得ることができる。

更に、 図 5 Bに示すように、 導電層 1の凹凸形状のうちの凸部の先端部分に相 当する箇所にのみ、 絶縁層 2を介して電子放出層 3が設けられている構成とする ことも、 可能である。 この構成でも、 図 5 Aの構成と同様の効果を得ることがで さる。

(第 4の実施形態）

図 6 Aは、 本発明の第 4の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもの である。

図 6 Aの構成では、 基板 1 1の上に導電層 （電子輸送部材） 1が形成されてい る。 導電層 1の表面は粗面化されて凹凸形状が形成されており、 この凹凸形状に 沿って絶緣層 （電界集中領域） 2が形成されている。 絶縁層 2の上には、 個々が 複数の凸部に接触するように粒子 （電子放出部材） 3が付着して、 電子放出領域 4を形成している。 また、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが設けら れている引き出し電極 5力 ·<、 電子放出領域 4と所定の間隔を隔てて設けられてい る。

図 6 Aの構成も、 一般的にトライオード構成と呼ばれるものであり、 引き出し 電極 5に電圧を印加することによって、 電子放出領域 4の表面に電界を集中させ て電子 eを引き出し、 開口部 5 aを通過させて取り出すものである。 第 3の実施 形態におけるダイオード方式に比べて、 電子放出素子としての構成は若干複雑に はなるカ^ 電子 eを取り出すために引き出し電極 5に印加する電圧と、 蛍光体 (不図示） を発光させるために不図示の対向電極に印加する必要がある電圧とは、 お互いに独立して設定することが可能である。 従って、 引き出し電極 5を電子放 出領域 4に近接して設置可能となり、 結果として、 更に低電圧での電子 eの取り 出しが可能となる。

ここで、 本発明の第 4の実施形態における具体的な構成例及びその製造工程を、 以下に説明する。

まず、 図 2 2 ( a ) に示すように、 S i基板 1の上に、 その表面が粗面化され た導電層 1を形成する。

導電層 1の表面を粗面化する方法として、 例えば、 導電層 1を溶射プロセスで 形成することが挙げられる。 この場合に得られる凹凸形状の大きさ （表面粗さ） は、 溶射条件の調節で制御可能であって、 最大で約 1 0 mの表面粗さが得られ る。 また、 溶射プロセスは真空プロセスではなく、 大気圧下で成膜できるという 特徴を有するので、 導電層 1の形成コストが低減される。

或いは、 平坦な導電層 1を形成後に、 その表面をサンドブラストプロセスで粗 面化することも可能である。 サンドブラストプロセスでは、 鋭利な突起形状を導 電層 1の表面に形成することができる。

また、 平坦な導電層 1を形成後に、 その表面を化学的にエッチングして粗面化 することも可能である。 例えば、 湿式エッチングプロセスを利用する場合、 所定 のエッチング液を導電層 1の表面にスプレー状 （噴霧状） に散布することで、 約 2 / mの表面粗さを有する凹凸形状を形成することができる。

更に、 基板 1 1の表面を祖面化した上で、 その粗面化された表面の上に導電層 1を形成することにより、 導電層 1の形成面に凹凸形状を与えることもできる。 基板 1の粗面化は、 上述したサンドブラスト法ゃエッチング法を使用することが できる。

次に、 図 2 2 ( b ) に示すように、 形成された導電層 1の凹凸形状の上に、 厚 さ 5 0 0 Aの S i 0₂膜 2を形成する。 更にその上に、 図 2 2 ( c ) に示すよう に、 平均粒子径が 1 0 のダイヤモンド粒子 3を付着して、 電子放出領域 4を 形成する。

付着方法としては、 例えば、 ビ一クルにダイヤモンド粒子 3を混入してスピン コートを行って付着させる方法、 粒子 3を分散させた溶液中に図 2 2 ( b ) の基 板 1 1を浸して設置し、 溶液に超音波振動を印加することによって、 溶液中の粒 子 3を付着させる方法、 或いは、 電気泳動法により粒子 3を付着させる方法など を、 適用することができる。 何れの方法においても、 適切な付着条件を設定すれ ば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

上記の何れの製造プロセス （及びそれによつて得られる構成） においても、 複 数の粒子 3が、 互いに接触させずに導電層 1の上に付着される。 この結果、 個々 の粒子 3が電子放出源 （ェミッタ） として機能することになるので、 電子放出領 域 4からの放出電流 （電子） 量は、 個々の粒子 3からの電子放出量の集積となる。 この結果、 大きな電流の取り出しが可能な電子放出素子が得られることになる。 この状態で、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を適切な材料の金属薄板で形 成して、 図 2 2 ( d ) に示すように、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが位置するように、 電子放出領域 4から 1 mm離して引き出し電極 5を配置す る。 この引き出し電極 5に電圧を印加したところ、 2 k V程度の電圧で 1 A / c m ²以上のェミツション電流が得られた。

なお、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を所定の位置に設置した後に、 電子 放出領域 4を構成する粒子 3の付着処理を行うことも可能である。 但し、 その場 合には、 引き出し電極 5への粒子 3の付着を防ぐ必要がある。

本実施形態の構成では、 アノード電極 （不図示） に、 電子 eの引き出しのため の印加電圧とは独立して電圧を印加することが可能である。 例えば、 アノード電 極に 1 0 k Vの電圧を印加することで、 輝度の高い画像表示が可能になった。 本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出部材） 3が、 表面が粗面化された導電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 （電界集中領域） 2 を介して付着していることによつて得られる効果は、 第 3の実施形態の構成の場 合と同様である。 また、 絶縁層 2、 粒子 3、 及び他の構成要素の具体的な構成材 料や改変内容、 それらによって得られる効果、 更には電子放出メカニズム等は、 第 1の実施形態の場合と同様である。

本実施形態の構成は、 図 6 Aに示すように、 凹凸状の導電層 1の上に形成され た絶縁層 2の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るもの でない。 例えば、 表面に絶縁層 2が形成された粒子 3が凹凸状の導電層 1の上に 配設されている構造、 或いは、 凹凸状の導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中 に粒子 3がその一部を埋没させるように設けられている構造でも構わない点は、 先の実施形態の場合と同様である。

但し、 本実施形態において、 導電層 1と粒子 3との間での電界集中を高める効 果を確実に得るためには、 導電層 1の粗面化された表面の表面粗さが、 粒子 3の 直径よりも十分に小さし、ことが好ましい。

また、 粒子状の電子放出部材 3に代えて、 層状の （すなわち層構造を有する） 電子放出部材 3を導電層 1の凹凸形状の上に絶縁層 2を介して設けても、 同様の 効果を得ることができる。

更に、 図 6 Bに示すように、 導電層 1の凹凸形状のうちの凸部の先端部分に相 当する箇所にのみ、 絶縁層 2を介して電子放出層 3が設けられている構成とする ことも、 可能である。 この構成でも、 図 6 Aの構成と同様の効果を得ることがで きる。

(第 5の実施形態）

図 7は、 本発明の第 5の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもので ある。

図 7に示す構成では、 図 1 Aに示した構成において、 更に導電層 1に所定量の 電流を流す回路 6が形成されている。 この回路 6によって導電層 1に流す電流 (電子） の一部を電子放出領域 4から放出させることによって、 図 1 Aの構成に 比べて、 更に多くの放出電流量を得ることができる。 なお、 その他の構成は図 1 Aの構成と実質的に同じであり、 対応する構成要素には同じ参照番号を付してい るので、 ここではそれらの説明は省略する。

ここで、 本発明の第 5の実施形態における具体的な構成例及びその製造工程を， 以下に説明する。

まず、 図 2 3 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に、 導電層 1を形成す る。 次に、 図 2 3 ( b ) に示すように、 導電層 1の上に厚さ 5 0 O Aの S i 0₂ 膜 2を形成するとともに、 導電層 1に所定の電流を流す回路 6を形成する。 具体 的には、 適切な値の抵抗 （不図示） 等の回路素子を使用して、 1 . 5 Vの電圧値 で約 1 mAの電流を導電層 1に流す回路 6を接続する。 更に、 図 2 3 ( c ) に示 すように、 S i〇₂膜 2の上に、 平均拉子径が 1 0 μ πιのダイヤモンド粒子 3を 付着して、 電子放出領域 4を形成する。 付着方法としては、 ビ一クルにダイヤモ ンド粒子 3を混入してスピンコ一トを行って付着させる方法など、 第 1の実施形 態に関連して説明した何れかの方法を使用することができる。 適切な付着条件を 設定すれば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

この状態で、 S i基板 1 1から 1 mm離して対向電極 （不図示） を配置して電 圧を印加したところ、 3 k V程度の電圧で 2 ^ AZ c m²以上のエミ ッション電 流が得られた。

本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出部材） 3が導 電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 （電界集中領域） 2を介して付着している ことによって得られる効果は、 第 1の実施形態の構成の場合と同様である。 また、 絶縁層 2、 粒子 3、 及び他の構成要素の具体的な構成材料や改変内容、 それらに よって得られる効果、 更には電子放出メカニズム等は、 先の実施形態の場合と同 様である。

本実施形態の構成は、 図 7に示すように、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2 の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るものでない。 例 えば、 表面に絶縁層 2が形成された粒子 3が導電層 1の上に配設されている構造、 或いは、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中に粒子 3がその一部を埋没させ るように設けられている構造でも構わない点は、 先の実施形態の場合と同様であ る。 (第 6の実施形態）

図 8は、 本発明の第 6の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもので ある。

図 8に示す構成では、 図 4に示した構成において、 更に導電層 1に所定量の電 流を流す回路 6が形成されている。 この回路 6によって導電層 1に流す電流 （電 子） の一部を電子放出領域 4から放出させることによって、 図 4の構成に比べて、 更に多くの放出電流量を得ることができる。 なお、 その他の構成は図 4の構成と 実質的に同じであり、 対応する構成要素には同じ参照番号を付しているので、 こ こではそれらの説明は省略する。

ここで、 本発明の第 6の実施形態における具体的な構成例及びその製造工程を、 以下に説明する。

まず、 図 2 4 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に導電層 1を形成する。 次に、 図 2 4 ( b ) に示すように、 導電層 1の上に厚さ 5 0 0 Aの S i 0₂膜 2 を形成するとともに、 導電層 1に所定の電流を流す回路 6を形成する。 具体的に は、 適切な値の抵抗 （不図示） 等の回路素子を使用して、 1 . 5 Vの電圧値で約 1 m Aの電流を導電層 1に流す回路 6を接続する。 更に、 図 2 4 ( c ) に示すよ うに、 S i 0₂膜 2の上に、 平均粒子径が 1 0 mのダイヤモンド粒子 3を付着 して、 電子放出領域 4を形成する。 付着方法としては、 ビークルにダイヤモンド 粒子 3を混入してスピンコ一卜を行って付着させる方法など、 先の実施形態に関 連して説明した何れかの方法を使用することができる。 適切な付着条件を設定す れば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能となる。

この状態で、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を適切な材料の金属薄板で形 成して、 図 2 4 ( d ) に示すように、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが位置するように、 電子放出領域 4から l mm離して引き出し電極 5を配置す る。 この引き出し電極 5に電圧を印加したところ、 2 k V程度の電圧で 1 A / c m²以上のェミツション電流が得られた。 なお、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を所定の位置に設置した後に、 電子 放出領域 4を構成する粒子 3の付着処理を行うことも可能である。 但し、 その場 合には、 引き出し電極 5への粒子 3の付着を防ぐ必要がある。

本実施形態の構成では、 アノード電極 （不図示） に、 電子 eの引き出しのため の印加電圧とは独立して電圧を印加することが可能である。 例えば、 アノード電 極に 1 0 k Vの電圧を印加することで、 輝度の高い画像表示が可能になった。 本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出郜材） 3が導 電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 （電界集中領域） 2を介して付着している ことによって得られる効果は、 第 2の実施形態の構成の場合と同様である。 また、 絶縁層 2、 粒子 3、 及び他の構成要素の具体的な構成材料や改変内容、 それらに よって得られる効果、 更には電子放出メカニズム等は、 先の実施形態の場合と同 様である。

本実施形態の構成は、 図 8に示すように、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2 の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るものでない。 例 えば、 表面に絶緣層 2が形成された粒子 3が導電層 1の上に配設されている構造、 或いは、 導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中に粒子 3がその一部を埋没させ るように設けられている構造でも構わない点は、 先の実施形態の場合と同様であ o (第 7の実施形態）

図 9は、 本発明の第 7の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもので ある。

図 9に示す構成では、 図 5 Aに示した構成において、 更に導電層 1に所定量の 電流を流す回路 6が形成されている。 この回路 6によって導電層 1に流す電流 (電子） の一部を電子放出領域 4から放出させることによって、 図 5 Aの構成に 比べて、 更に多くの放出電流量を得ることができる。 なお、 その他の構成は図 5 Aの構成と実質的に同じであり、 対応する構成要素には同じ参照番号を付してい るので、 ここではそれらの説明は省略する。

ここで、 本発明の第 7の実施形態における具体的な構成例及びその製造方法を、 以下に説明する。

まず、 図 2 5 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に、 先の実施形態に関 連して説明した何れかの方法を使用して、 表面が粗面化された導電層 1を形成す る。 次に、 図 2 5 ( b ) に示すように、 表面が粗面化された導電層 1の上に厚さ 5 0 0 Aの S i 0 ₂膜 2を形成するとともに、 導電層 1に所定の電流を流す回路 6を形成する。 具体的には、 適切な値の抵抗 （不図示） 等の回路素子を使用して、 1 . 5 Vの電圧値で約 1 mAの電流を導電層 1に流す回路 6を接続する。 更に、 図 2 5 ( c ) に示すように、 S i 0 ₂膜 2の上に、 平均拉子径が 1 0 a mのダイ ャモンド粒子 3を付着して、 電子放出領域 4を形成する。 付着方法としては、 ビ 一クルにダイヤモンド粒子 3を混入してスピンコ一トを行って付着させる方法な ど、 先の実施形態に関連して説明した何れかの方法を使用することができる。 適 切な付着条件を設定すれば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能 となる。

この状態で、 S i基板 1 1から 1 mm離して対向電極 （不図示） を配置して電 圧を印加したところ、 2 k V程度の電圧で 2 μ A Z c m²以上のエミッション電 流が得られた。

本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出部材） 3が、 表面が粗面化されて凹凸形状を有する導電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 (電界集中領域） 2を介して付着していることによって得られる効果は、 第 3の 実施形態の構成の場合と同様である。 また、 絶縁層 2、 粒子 3、 及び他の構成要 素の具体的な構成材料や改変内容、 それらによって得られる効果、 更には電子放 出メカニズム等は、 先の実施形態の場合と同様である。

本実施形態の構成は、 図 9に示すように、 凹凸状の導電層 1の上に形成された 絶縁層 2の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るもので ない。 例えば、 表面に絶緣層 2が形成された粒子 3が凹凸状の導電層 1の上に配 設されている構造、 或いは、 凹凸状の導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中に 粒子 3がその一部を埋没させるように設けられている構造でも構わない点は、 第 3の実施形態の場合と同様である。

更に、 第 3の実施形態に関連して説明したものと同様の構成上の改変を加える ことも、 もちろん可能である。 例えば、 図 5 Bに示した構成に対して、 上記で説 明した回路 6を接続する構成としてもよい。 (第 8の実施形態）

図 1 0は、 本発明の第 8の実施形態における電子放出素子の断面図を示すもの である。

図 1 0に示す構成では、 図 6 Aに示した構成において、 更に導電層 1に所定量 の電流を流す回路 6が形成されている。 この回路 6によって導電層 1に流す電流 (電子） の一部を電子放出領域 4から放出させることによって、 図 6 Aの構成に 比べて、 更に多くの放出電流量を得ることができる。 なお、 その他の構成は図 6 Aの構成と実質的に同じであり、 対応する構成要素には同じ参照番号を付してい るので、 ここではそれらの説明は省略する。

ここで、 本発明の第 8の実施形態における具体的な構成例及びその製造方法を、 以下に説明する。

まず、 図 2 6 ( a ) に示すように、 S i基板 1 1の表面に、 先の実施形態に関 連して説明した何れかの方法を使用して、 表面が粗面化された導電層 1を形成す る。 次に、 図 2 6 ( b ) に示すように、 表面が粗面化された導電層 1の上に厚さ 5 0 0 Aの S i 0 ₂膜 2を形成するとともに、 導電層 1に所定の電流を流す回路 6を形成する。 具体的には、 適切な値の抵抗 （不図示） 等の回路素子を使用して、 1 . 5 Vの電圧値で約 1 mAの電流を導電層 1に流す回路 6を接続する。 更に、 図 2 6 ( c ) に示すように、 S i 0 ₂膜 2の上に、 平均粒子怪が 1 0 mのダイ ャモンド粒子 3を付着して、 電子放出領域 4を形成する。 付着方法としては、 ビ 一クルにダイャモンド粒子 3を混入してスピンコートを行って付着させる方法な ど、 先の実施形態に関連して説明した何れかの方法を使用することができる。 適 切な付着条件を設定すれば、 粒子 3を互いに接触させずに付着させることが可能 となる。

この状態で、 開口部 5 aを有する引き出し電極 5を適切な材料の金属薄板で形 成して、 図 2 6 ( d ) に示すように、 電子放出領域 4に対応した箇所に開口部 5 aが位 fiするように、 電子放出領域 4から 1 mm離して引き出し電極 5を配置す る。 この引き出し電極 5に電圧を印加したところ、 2 k V程度の電圧で 1 A Z c m ²以上のェミツション電流が得られた。

本実施形態の構成では、 アノード電極 （不図示） に、 電子 eの引き出しのため の印加電圧とは独立して電圧を.印加することが可能である。 例えば、 アノード電 極に 1 0 k Vの電圧を印加することで、 輝度の高い画像表示が可能になった。 本実施形態の構成で、 電子放出領域 4を構成する粒子 （電子放出部材） 3が、 表面が粗面化されて凹凸形状を有する導電層 （電子輸送部材） 1の上に絶縁膜 (電界集中領域） 2を介して付着していることによって得られる効果は、 第 4の 実施形態の構成の場合と同様である。 また、 絶縁層 2、 拉子 3、 及び他の構成要 素の具体的な構成材料や改変内容、 それらによって得られる効果、 更には電子放 出メカニズム等は、 先の実施形態の場合と同様である。

本実施形態の構成は、 図 1 0に示すように、 凹凸状の導電層 1の上に形成され た絶縁層 2の上に更に電子放出部材 3としての粒子 3を配設する構成に限るもの でない。 例えば、 表面に絶縁層 2が形成された粒子 3が凹凸状の導電層 1の上に 配設されている構造、 或いは、 凹凸状の導電層 1の上に形成された絶縁層 2の中 に粒子 3がその一部を埋没させるように設けられている構造でも構わない点は、 第 4の実施形態の場合と同様である。 更に、 第 4の実施形態に関連して説明したものと同様の構成上の改変を加える ことも、 もちろん可能である。 例えば、 図 6 Bに示した構成に対して、 上記で説 明した回路 6を接続する構成としてもよい。 (第 9の実施形態）

次に、 本発明の第 9の実施形態に係る電子放出素子を説明する。

図 1 1の構成において、 電子注入電極 1 0 1の上に、 電子輸送部材 1 0 2及び 導電性を有する電子放出部材 1 0 3が形成されている。 更に、 電子放出部材 1 0 3力、ら、 例えば真空のギャップを介して、 電子放出を生じさせる電界を形成する ための電圧が印加される対向電極 1 0 4が配置されている。 電子放出部材 1 0 3 の表面から電子を引き出す電界を形成するためには、 例えば、 電子注入電極 1 0 1を接地して対向電極 1 0 4に正の電圧を電源 1 0 5を用いて印加する。 更に、 —方を接地した交流電源 （時間的に電圧力、'変化する電源） 1 0 6を、 コンデンサ 1 0 7を介して電子放出部材 1 0 3に接続する。 これによつて、 電子放出部材 1 0 3に交流電圧が、 コンデンサ 1 0 7、 並びに電子注入電極 1 0 1と導電性の電 子放出部材 1 0 3とそれらの間に挟まれた絶縁性の電子輸送部材 1 0 2とによつ て構成されるもう一つのコンデンサを負荷として、 印加される。 この印加電圧に よって、 十分に遅い変化をする電圧に対して、 それぞれのコンデンサに電荷が蓄 積される。

コンデンサ 1 0 7の交流電源 1 0 6側の電極に正電荷が蓄積されるような極性 の電圧が印加される瞬間を考えると、 コンデンサ 1 0 7のもう一方の電極には負 電荷、 電子放出部材 1 0 3に正電荷、 電子注入電極 1 0 1の電子輸送部材 1 0 2 との界面に負電荷が、 それぞれ蓄積される。 電子輸送部材 1 0 2にかかる電界が 十分に大きくなると、 電子注入電極 1 0 1の界面に蓄積されていた電子が電子輸 送部材 1 0 2にトンネル注入され、 更に電界によって輸送されて、 導電性の電子 放出部材 1 0 3に達する。 ここで、 絶縁性の電子輪送部材 1 0 2とコンデンサ 1 0 7とによって直流的に絶縁されている電子放出部材 1 0 3は、 負にチャージさ れる。 対向電極 1 0 4によって印加される電圧に、 このチャージによって印加さ れる電圧が重畳されて、 これらによって電子放出領域 3に印加された電界によつ て、 電子が電子放出領域 3から真空中に放出される。

図 1 2は、 図 1 1の構成の改変例であり、 対応する構成要素には同じ参照番号 を付している。

図 1 2に示したように、 導電性を有する電子放出部材 1 0 3に、 例えばコンデ ンサ 1 0 7を介して、 電子注入電極 1 0 1に対して直流的に絶縁された状態で、 交流電源 1 0 6、 及び電子注入電極 1 0 1側が負で電子放出部材 1 0 3側が正の 直流電源 1 0 8を直列に接続して、 これらの電圧を重畳させて印加すると、 電子 放出部材 1 0 3に正電荷、 電子注入電極 1 0 1の電子輸送部材 1 0 2との界面に 負電荷が蓄積される状態が多く形成される。 この場合には、 上記のメカニズムに よって電子がより効率的に電子放出部材 1 0 3に注入されて、 好ましい。

上記で説明した本実施形態における電子放出の原理においては、 電子放出部材 1 0 3が電子注入電極 1 0 1から直流的に絶縁されて電気的にフローティング状 態にあることが重要である。 この絶縁性は、 電子輸送部材 1 0 2に十分に小さい 直流電界を与えた場合に、 電子輸送部材 1 0 2が電気的に絶縁された部分或いは 高抵抗な部分を含むようにすることにより、 達成され得る。 このような絶縁性を 有する構成により、 本実施形態の原理に従った効率的な電子放出が起こる。

この絶縁性に関して、 上記の図 1 1或いは図 1 2に示す構成において、 電子注 入電極 1 0 1と電子放出部材 1 0 3との間の電子輸送部材 1 0 2に、 その中で最 も電界が集中する部分における電界強度が 1 m Vノ m以下となる様な十分に小 さい電界を与えた場合に、 電子輸送部材 1 0 2の電気抵抗率が 1 k Ω c m以上で あれば、 上記で説明した直流的にフローティングな状態が達成されて、 好ましい。 図 1 1及び図 1 2の構成において、 コンデンサ 1 0 7、 交流電源 1 0 6、 及び 直流電源 1 0 8が電子放出部材 1 0 3に接続されていない状態でも電子放出部材 1 0 3が電気的にフローティング状態であれば、 対向電極 1 0 4に印加される直 流電圧により、 絶縁性の電子輸送部材 1 0 2を挟んだ電子放出部材 1 0 3と電子 注入電極 1 0 1との間に電圧が誘起されて、 電子注入電極 1 0 1から電子が注入 される。 この場合には、 電子放出部材 1 0 3の電位が時間的に変位していること が、 重要なもう一つの特徴となる。

具体的には、 電子放出部材 1 0 3の正電位が大きくなつた時点で、 電子が、 電 子注入電極 1 0 1から電子輸送部材 1 0 2に注入される。 電子放出部材 1 0 3に 電子が到達すると、 その正電位が急激に負電位に変化する。 この電位の変化が、 電子放出部材 1 0 3から真空への電子放出を促進する。 このように、 本実施形態 の電子放出素子においては、 上記のような電子放出部材 1 0 3の電位の時間的変 化が誘起されており、 この時間的な電位の変化が、 電子放出を促進する。

この電子放出部材 1 0 3の電位の時間変化は、 所定の電圧を印加して生じさせ ても良く、 或いは自動的に誘起されるものであっても良い。 例えば、 電子放出部 材 1 0 3に電位の所期の時間変化が生じる限りは、 図 1 3の様に、 コンデンサ、 交流電源、 及び直流電源が電子放出部材 1 0 3に接続されていない構成であって も、 同様の効果を得ることができる。

或いは、 対向電極 1 0 4が設けられておらず、 対向電極 1 0 4への印加直流電 圧による電界が存在しない場合でも、 絶縁性の電子輸送部材 1 0 2を挟んだ電子 放出部材 1 0 3と電子注入電極 1 0 1との間に電圧が印加されれば、 これによつ て電子注入電極 1 0 1から電子が注入される。 この場合には、 電子放出部材 1 0 3が負の電子親和力を有する物質であれば、 電子放出部材 1 0 3から真空に容易 に電子が放出されて、 電子放出素子として所定の機能を発揮する。 このように、 電子放出のために対向電極 1 0 4は必ずしも必要ではなく、 対向電極 1 0 4が設 けられていなくても、 真空への電子放出が生じ得る。 放出された電子は、 非常に 小さな電界でも真空中を走る。

ここで、 再び図 1 1を参照して、 本発明の第 9の実施形態における電子放出素 子の具体的な構成例を以下に説明する。

図 1 1の構成の形成にあたっては、 まず、 電子注入電極 1 0 1を兼ねたモリブ デン （M o ) 基板を、 平均粒径 0 . 0 2 /z mのダイヤモンド粒子を分散させた溶 液中に浸けて、 この状態で超音波振動を与えて、 ダイヤモンド成長のための高密 度成長核を基板表面に形成する。 ダイヤモンド粒子分散液は、 1 リッ トルの純水 に 2 gのダイヤモンド粒子を入れ、 更に 2リッ トルのエタノールを加えた後に数 滴のフッ化水素酸を滴下して得られる、 p H値が約 3の液である。 上記の超音波 振動処理は 1 0分間に渡って印加し、 これによつて基板表面に形成されたダイヤ モンド成長核の密度は、 約 5 X 1 0 個 じ^ でぁる。

上記のようにダイヤモンド成長核が形成された基板を、 次にマイクロ波 C V D 装置の中に設置し、 水素で希釈された C Oガス （ 1 ~ 1 0 %) を供給して、 数百 Wのパワーで 2 5〜4 0 T o r rの真空度でダイヤモンド薄膜形成を行う。 この 場合の基板温度は、 8 0 0〜9 0 0 °Cである。 数分間程度の C V D成長により、 厚さ 0 . 2 mの膜厚のダイヤモンド薄膜を形成する。

上記の C V D成長プロセスにおいて、 ダイヤモンドに対するドーピングを意図 的に行わないことにより、 ほぼ絶縁性のダイヤモンド薄膜が形成される。 この絶 縁性のダイヤモンド薄膜が、 電子輸送部材 1 0 2として機能する。 堆積時 （as d eposition) の状態では、 ダイヤモンド薄膜表面は水素化されており、 表面に導 電層が存在する。 このダイヤモンド薄膜の表面導電層が、 導電性の電子放出部材 1 0 3として機能する。

上記のようにして形成されたダイヤモンド薄膜表面の導電層の上の一部に、 T i電極を、 所定のパターンのメタルマスクを用いて電子ビーム蒸着により形成す る。 この T i電極の上に更に A uを蒸着し、 この A u電極から、 A u線のワイヤ ボンドによりリード線を取り出す。 また、 M o基板の電子注入電極 1 0 1からも、 同様にリード線を取り出す。

以上のようにして形成されたダイヤモンド薄膜による電子放出素子を、 真空度 が 1 0— ⁷To r r以下に保たれた真空装置内部に設置し、 更に、 そこから lm m離して、 対向電極 104を設置する。

M o基板の電子注入電極 101から取り出されたリード線は接地し、 ダイャモ ンド薄膜の表面導電層の電子放出部材 1 03から取り出されたリード線は、 コン デンサ 107に結線する。 コンデンサ 1 07のもう一方の電極に接続されたリー ド線は交流電源 106に接続し、 交流電源 106のもう一方の端子は、 接地する。 上記のようにして得られた図 1 1の構成において、 10VZ60HZの交流電 界をコンデンサ 107を介して電子放出部材 103に印加し、 更に、 接地レベル と対向電極 104との間に 3 kVの直流電圧を印加したところ、 1 AZcm² 以上の電流密度での電子放出が生じることが確認された。

一方、 図 12のように直流電源 108を含む構成においては、 上記の図 1 1の 構成に対する場合と同様の条件で、 直流電源 108によって印加される直流電圧 を 10 Vとして、 接地レベルと対向電極 104との間に 2. 5 k Vの直流電圧を 印加したところ、 1 iA/ cm²以上の電流密度での電子放出が生じることが確 認された。

更に、 図 1 3のようにコンデンサ、 交流電源、 及び直流電源を含まない構成に おいては、 接地レベルと対向電極 104との間に 7 kVの直流電圧を印加したと ころ、 1 μ AZ c m²以上の電流密度での電子放出が生じることが確認された。 (第 10の実施形態）

図 14に、 本発明の第 10の実施形態による電子放出素子の構成を示す。

図 14の構成のように、 導電性を有する電子放出部材 103が粒子状の形状を 有する物質 1 09 (単に 「粒子 1 09」 と称する） である場合 （例えば炭素粒 子） には、 粒子 109の先端部分 1 1 0に電界が集中しやすく、 ここから電子が 放出されやすくなる。 また、 上記の構成において、 導電性を有する電子放出部材 103が黒鉛粒子を含むと、 黒鉛の c面の s p 2プレインのエツジから電子が放 出しやすく、 好ましい。

上記の構成において、 導電性を有する電子放出部材 1 0 3を構成している粒子 1 0 9が、 少なくとも 3 . 5 e V以上のバンドギヤップを有するワイドバンドギ ヤップ半導体粒子であると、 通常は数 e Vである電子親和力が、 小さい正の値或 いは負の値となる。 これによつて、 伝導帯に注入された電子カ^ 小さい活性化工 ネルギ一で真空中に放出される。 更に、 上記の構成において、 導電性を有する電 子放出部材 1 0 3が負の電子親和力を有する材料 （例えばダイヤモンド） を含む 粒子であると、 電子が真空に容易に放出されるので好ましい。 また、 導電性を有 する電子放出部材 1 0 3が、 G a、 A l、 I n、 及び Bの内の少なくとも一つ以 上の元素と窒素との化合物を含むと、 負或いは小さい正の値の電子親和力を示す ことになり、 容易に電子放出が起こって好ましい。

更に、 上記の構成において、 電子放出部材 1 0 3を構成している個々の粒子 1 0 9が、 1 n mを一辺とする立方体よりも大きく、 且つ 1 mmを一辺とする立方 体の中に含まれるような大きさを有することが、 好ましい。 粒子 1 0 9力、' 1 ri m を一辺とする立方体よりも小さい場合は、 サイズが小さすぎるために粒子 1 0 9 が結晶構造を保つことができず、 構造が不安定となって、 安定した電子放出を保 つことが難しい。 一方、 1 mmを一辺とする立方体よりも大きい拉子 1 0 9では、 電子を放出する場所が限定されて、 その存在密度が低くなるので、 電子放出素子 としての応用の面で好ましくない。

ここで、 図 1 4の構成のより具体的な例を以下に説明する。

まず、 拉径 1 mのダイヤモンド粒子を水素雰囲気中で 6 0 0 °Cにて 1時間処 理して、 その表面を水素化し、 導電性の負の電子親和力を有する表面層を形成す る。 このダイヤモンド粒子を空気中で 9 0 0てにて 5分間処理して、 その表面に 酸化膜を形成し、 その後に N i電極上に押し付けて分散させる。 この N i電極が 電子注入電極 1 0 1として機能し、 N i電極表面の酸化膜が絶縁性の電子輸送部 材 1 0 2、 ダイャモンド拉子の水素化表面が電子放出部材 1 0 3として作用し、 図 1 4に示す電子放出素子が構成される。

以上のようにして形成されたダイヤモンド薄膜による電子放出素子を、 真空度 が 1 0— ⁷ T o r r以下に保たれた真空装置内部に設置し、 更に、 そこから l m m離して、 対向電極 1 0 4を設置する。

N i基板の電子注入電極 1 0 1からリード線を取り出して接地し、 接地レベル と対向電極 1 0 4との間に 7 k Vの直流電圧を印加したところ、 1 A Z c m ² 以上の電流密度での電子放出が生じることが確認された。

また、 水素化されて表面が導電性となったダイヤモンド粒子の存在密度を増や した上で、 個々のダイヤモンド粒子の導電性表面を相互に接続すれば、 電子放出 部材 1 0 3に存在するダイヤモンド粒子の集合体が、 全体として導電性を示すよ うになる。 この場合、 図 1 7に示すように、 電子放出部材 1 0 3からリード線を 取り出して、 そこにコンデンサ 1 0 7、 交流電源 1 0 6、 及び直流電源 1 0 8を 直列に接続することにより、 第 9の実施形態で図 1 2を参照して説明したように、 より高効率で電子放出が生じる。

(第 1 1の実施形態）

図 1 5に、 本発明の第 1 1の実施形態による電子放出素子の構成を示す。

図 1 5に示すように、 電子輸送部材 1 0 2が 3 . 5 e V以上のバンドギヤップ を有するワイドバンドギャップ半導体材料の粒子から構成され、 その粒子表面に 導電性の電子放出部材 1 0 3が形成されていると、 電子注入電極 1 0 1から電子 輸送部材 1 0 2の半導体材料粒子の伝導帯に効率的に電子が注入され、 更に、 伝 導帯に注入された電子は電子放出部材 1 0 3まで輸送されて、 小さい正の値或い は負の値の電子親和力を有する電子輸送部材 1◦ 2のワイ ドバンドギヤップ半導 体材料の表面から真空中に容易に放出される。 この場合、 電子輸送部材 1 0 2を 構成している 3 . 5 e V以上の/ ンドギャップを有するワイ ドバンドギャップ半 導体粒子が、 G a、 A l、 I n、 及び Bの内の少なくとも一つ以上の元素と窒素 との化合物を含むと、 負或いは小さい正の値の電子親和力を示すことになり、 容 易に電子放出が起こって好ましい。

上記において、 電子輸送部材 1 0 2が、 3 . 5 e V以上のバンドギャップを有 するワイ ドバンドギャップ半導体材料の薄膜から構成され、 その薄膜表面に導電 性の電子放出部材 1 0 3が形成されている構成としても、 同様の効果が得られる。 また、 電子輸送部材 1 0 2に加えて電子放出部材 1 0 3もワイ ドバンドギヤップ 半導体材料で形成しても良い。

上記の構成において、 電子輸送部材 1 0 2 (及び電子放出部材 1 0 3 ) が気相 成長法により形成されたダイヤモンド薄膜により構成されていると、 ダイヤモン ドの負の電子親和力を有効に活用できて、 好ましい。 また、 この場合には、 電子 輸送部材 1 0 2 (及び電子放出部材 1 0 3 ) を構成するダイヤモンド薄膜の厚さ は、 1 n m以上 1 0 m以下であることが好ましい。 ダイヤモンド薄膜の厚さが 1 n m以下の場合は、 電子輸送部材 1 0 2の絶縁性を保つことが困難になる。 一 方、 厚さが 1 0 以上の場合は、 電子注入電極 1 0 1と電子放出部材 1 0 3と の間に印加される電圧によって電子輸送部材 1 0 2に誘起される電界が小さくな り、 電子注入電極 1 0 1からのトンネリングによる電子の注入が困難になる。 水素化されたダイャモンド粒子或いは薄膜の表面導電層を導電性を有する電子 放出部材 1 0 3として機能させる場合には、 電子輸送部材 2として機能するダイ ャモンド粒子或いは薄膜の表面に、 負の電子親和力を有する電子放出領域 3が自 動的に形成されることになるので、 本実施形態の電子放出素子が簡便に形成でき る。

ここで、 図 1 5の構成のより具体的な例を以下に説明する。

まず、 粒径 1 mのダイヤモンドの粒子をポリマ接着剤に練り込んで、 これを タングステン （W) 電極基板表面に塗る。 次に、 この基板をマイクロ波 C V D装 置の中に設置し、 水素で希釈された C Oガス （ 1〜： 1 0 % ) を供給して、 数百 W のパワーで 2 5〜 4 0 T o r rの真空度でダイャモンド薄膜形成を行う。 この場 合の基板温度は、 8 0 0〜9 0 0 °Cとする。 数分間程度の C V D成長により、 0 . 2 mの膜厚のダイヤモンド薄膜が形成される。 この処理の間に、 ポリマ接着剤 は水素ブラズマにより表面からエッチングされて除去され、 その結果として得ら れる露出表面に現れたダイヤモンド粒子表面が水素化されながら、 ダイヤモンド 粒子が成長する。 この結果、 最終的に接着剤成分が全てエッチングで除去された 時点では、 ダイヤモンド粒子と W電極界面の付近は水素化及びダイヤモンド成長 が不十分で絶縁性になつており、 一方、 ダイャモンド粒子の真空側の先端部分の みが、 十分に水素化及びダイヤモンド成長されて導電性となる。

上記において、 W電極が電子注入電極 1 0 1として機能する。 更に、 ダイヤモ ンド粒子の内で、 W電極近傍に位置して水素化及びダイヤモンド成長が不十分な 絶縁性部分が電子輸送部材 1 0 2、 一方、 ダイヤモンド粒子の先端部分の、 水素 化及びダイヤモンド成長が十分な導電性表面が、 電子放出部材 1 0 3として作用 し、 これによつて本実施形態の電子放出素子が構成される。

以上のようにして形成されたダイヤモンド粒子を利用した電子放出素子を、 真 空度が 1 0— ⁷ T o r r以下に保たれた真空装置内部に設置し、 更に、 そこから 1 mm離して、 対向電極 1 0 4を設置する。

W基板の電子注入電極 1 0 1力、らリード線を取り出して接地し、 接地レベルと 対向電極 1 0 4との間に 7 k Vの直流電圧を印加したところ、 l A Z c m ²以 上の電流密度での電子放出が生じることが確認された。

また、 水素化されて表面が導電性となったダイヤモンド粒子の存在密度を増や した上で、 個々のダイヤモンド粒子の導電性表面を相互に接続すれば、 電子放出 部材 1 0 3に存在するダイヤモンド粒子の集合体が、 全体として導電性を示すよ うになる。 この場合、 図 1 8に示すように、 電子放出部材 1 0 3からリード線を 取り出して、 そこにコンデンサ 1 0 7、 交流電源 1 0 6、 及び直流電源 1 0 8を 直列に接続することにより、 第 9の実施形態で図 1 2を参照して説明したように、 より高効率で電子放出が生じる。 (第 1 2の実施形態）

図 1 6に、 本発明の第 1 2の実施形態による電子放出素子の構成を示す。

本実施形態における電子放出素子の構成は、 先の実施形態で説明した構成を更 に好適に改変したものである。 具体的には、 図 1 6に示すように、 電子輸送部材 1 0 2がダイヤモンド粒子 1 0 9によって構成されている。 導電性を有する電子 放出部材 1 0 3は、 電子輸送部材 1 0 2を構成するダイャモンド粒子 1 0 9の表 面の少なくとも一部に形成された、 ダイヤモンドを含む炭素系薄膜或いは微粒子 1 1 1によって構成されている。 この場合、 電子輸送部材 1 0 2を構成している ダイヤモンド粒子 1 0 9の大きさカ^ 電子放出部材 1 0 3を構成しているダイヤ モンドを含む炭素系薄膜或いは微粒子 1 1 1に対して十分に大きいと、 細かい表 面構造を有する電子放出部材 1 0 3に対して電界集中が有効に作用し、 効率的な 電子放出が行われるので、 更に好ましい。 具体的には、 電子輸送部材 1 0 2を構 成しているダイヤモンド粒子 1 0 9が、 直径約 0 . 1 // m〜約 1 μ πιの大きさで あり、 一方、 電子放出部材 1 0 3を構成している薄膜或いは微粒子 1 1 1が直径 (厚さ） 約 0 . 0 1 111〜約0 . 1 の大きさであると、 更に好ましい効果が 得られる。

なお、 電子放出部材 1 0 3を構成している薄膜或いは微粒子 1 1 1は、 電子輸 送部材 1 0 2を構成しているダイヤモンド粒子 1 0 9の表面の一部に形成されて いれば良く、 必ずしもその全面を覆う必要は無い。

上記の構成において、 電子注入電極 1 0 1と電子輸送部材 1 0 2とがォーミ ッ ク接合していると、 電子注入電極 1 0 1からの電子の注入が効率的となり、 好ま しい。 また、 電子輸送部材 1 0 2に厚さ約 5 0 0 n m以下の薄い絶縁層を設ける と、 第 1の実施形態などにて説明したように、 電界が絶縁層に集中して印加され ることになり、 電子の注入が効率的に生じて、 より好ましい効果が得られる。 ここで、 図 1 6の構成のより具体的な例を以下に説明する。

まず、 粒径 1 / mのダイヤモンドの粒子を水に練り込んで、 これをタンダステ ン （W) 電極基板表面に塗る。 次に、 この基板をマイクロ波 CVD装置の中に設 置し、 水素で希釈された COガス （1〜10%) を供給して、 数百 Wのパワーで 25〜 40 T o r rの真空度でダイャモンド薄膜形成を行う。 この場合の基板温 度は、 800〜900°Cとする。 数分間程度の CVD成長により、 付着した拉径 約 1 imのダイヤモンド粒子 109の表面に、 粒径約 0. l /mのダイヤモンド 微粒子 1 1 1が形成される。

この処理に際して、 CVD成長プロセスにより形成されたダイヤモンド微粒子 1 1 1は連続膜を形成していない。 特に、 付着したダイヤモンド粒子 1 09と W 電極との界面付近では、 ダイヤモンド微粒子 1 1 1の成長が更に不十分になる。 この結果、 付着されたダイャモンド粒子 109の表面は水素化及びダイャモンド 成長が不十分で絶緣性になっており、 一方、 CVD成長したダイヤモンド微粒子 1 1 1の表面のみが、 十分に水素化及びダイヤモンド成長されて導電性となる。 この結果、 電子放出部材 103として機能する CVD成長ダイヤモンド微粒子 1 1 1は、 電子注入電極 101に対して、 導電性が小さい付着ダイヤモンド粒子 1 09の表面を介して電気的に接続された状態になる。

上記において、 W電極が電子注入電極 101として機能する。 更に、 付着され たダイャモンド粒子 109の内で、 W電極近傍に位置して水素化及びダイャモン ド成長が不十分な絶緣性部分が電子輸送部材 102として機能し、 一方、 C V D 成長されたダイャモンド粒子 1 1 1が導電性の電子放出部材 103として作用し、 これによつて本実施形態の電子放出素子が構成される。

以上のようにして形成されたダイヤモンド薄膜による電子放出素子を、 真空度 が 1 0_⁷T o r r以下に保たれた真空装置内部に設置し、 更に、 そこから lm m離して、 対向電極 104を設置する。

W基板の電子注入電極 1 01からリード線を取り出して接地し、 接地レベルと 対向電極 1 04との間に 7 kVの直流電圧を印加したところ、 1 AZcm²以 上の電流密度での電子放出が生じることが確認された。 以上の幾つかの実施形態において、 電子輸送部材 1 0 2や電子放出部材 1 0 3 を構成するダイヤモンド薄膜を気相成長法によって成長するにあたって、 気相成 長プロセスの前処理として、 1 X 1 0 ^{1 D}個ノ c m²以上の分布密度を有するダイ ャモンド成長核を分布させる工程を含むことが好ましい。 このような前処理工程 により、 非常に薄い連続薄膜状のダイヤモンド薄膜が形成可能になり、 厚さが 5 0 0 n m以下の絶縁層としてのダイヤモンド薄膜の気相成長が、 初めて可能にな つた。 例えば、 水素希釈のメタンを用いたマイクロ波 C V D気相成長によるダイ ャモンド薄膜成長を行う場合には、 ダイヤモンド薄膜表面が水素化されて導電性 を有するようになり、 結果として、 自動的に導電性の電子放出領域が形成される。

(第 1 3の実施形態）

図 2 7に、 本発明の第 1 3の実施形態として、 画像表示装置の概略断面図を示 す。 この画像表示装置は、 これまでの各実施形態で説明した本発明の電子放出素 子を電子放出源として用いて、 構成されている。

具体的には、 本発明による電子放出素子 2 1 1が複数個、 外囲器 2 1 2の一部 を兼ねた基板 2 1 2 aの上に形成されて、 電子放出源 2 2 0を構成している。 2 1 3は画像形成部であり、 電子放出源 2 2 0 (電子放出素子 2 1 1 ) からの電子 に対して例えば加速 ·偏向 ·変調等の駆動 ·制御を行う電子駆動電極 2 1 3 aと、 外囲器 2 1 2の一部 2 1 2 bの内面に付着された蛍光体 2 1 3 bとからなり、 駆 動された電子により蛍光体 2 1 3 bを発光させて画像を表示する。

ここで、 電子放出源 2 2 0を本発明の電子放出素子 2 1 1を用いて構成してい るため、 低電圧で大きなエミッシヨン電流の取り出しが可能であり、 従って、 低 電圧駆動が可能で且つ高輝度の平板型画像表示装置が実現できる。

図 2 8 ( a ) ~ ( d ) には、 本実施形態の画像表示装置の製造方法の概略工程 図を示す。

まず、 図 2 8 ( a ) に示すように、 外囲器 2 1 2の一部を兼ねる基板 2 1 2 a の上に、 本発明の何れかの実施形態にて説明した製造方法によって複数の電子放 出素子 2 1 1を設けて、 電子放出源 2 2 0を形成する。 そして、 画像形成部の一 部である電子駆動電極 2 1 3 aを配設し （図 2 8 ( b ))、 また、 内面に蛍光体 2 1 3 bを付着した外囲器の一部 2 1 2 bを設置する （図 2 8 ( c ))。 最後に、 外 囲器 2 1 2の内部を真空にして、 図 2 7に示した本実施形態による画像表示装置 を製造する （図 2 8 ( d ))。

産業上の利用可能性

以上のように、 本発明によれば、 電子輸送部材としての導電層に対して、 例え ば粒子状の形状を有する電子放出部材が、 絶縁膜などによって構成される電界集 中領域を介して付着している。 このために、 電子輸送部材 （導電層） と電子放出 部材 （粒子） との間に位置する電界集中領域 （絶縁膜） に、 電界が効率的に集中 される。 その結果として、 電子輸送部材 （導電層） と電子放出部材 （粒子） との 界面に存在する電子障壁が低減されて、 電子放出部材 （粒子） への電子の注入が 容易に行われるようになつて、 低 t、電圧での電子の取り出しが可能である電子放 出素子が形成される。

また、 本発明によれば、 電子注入電極と電子放出部材との間に電子輸送部材を 設けた上で、 この電子輸送部材を、 電子注入電極と電子放出部材との間に十分に 小さ 、直流電界を印加した際に電気的に絶縁性或 、は高抵抗を有する部分を含む ように構成する。 これによつて、 電子放出素子に要求される、 （1 ) 比較的に小 さ 、電界で電子を放出できる （電子放出部材の電子親和力が小さ 、） 、 （ 2 ) 電 子放出部材 （ェミッタ） の表面が化学的に安定で、 安定な電子放出特性を維持す ることができる、 及び （3 ) 耐摩耗性や耐熱性に優れている、 という観点から見 た場合に、 総合的に優れた特性を有する電子放出素子が実現される。

Claims

請求の範囲

1 . 電子輸送部材と、 電子放出部材と、 該電子輸送部材と該電子放出部材と の間に形成された電界集中領域と、 を少なくとも備える、 電子放出素子。

2 . 前記電子輸送部材が導電層である、 請求項 1に記載の電子放出素子。

3 . 前記電界集中領域が絶縁層から構成されている、 請求項 1に記載の電子 放出素子。

4 . 前記電子放出部材が粒子から構成されている、 請求項 1に記載の電子放 出素子。

5 . 前記電子輸送部材が導電層であり、 前記電界集中領域が該導電層の上に 形成された絶縁層から構成されており、 前記電子放出部材が該絶縁層の上に配設 された粒子から構成されている、 請 _項 1に記載の電子放出素子。

6 . 前記電子放出部材に対して所定の位置に配置された、 該電子放出部材か ら電子を引き出すための電位が印加される引き出し電極を更に備える、 請求項 1 に記載の電子放出素子。

7 . 前記電子輸送部材の表面が凹凸形状を有するように粗面化されており、 前記電子放出部材は、 該電子輸送部材の該粗面化された表面の上に、 少なくとも 該凹凸形状の凸部を介して配設されている、 請求項 1に記載の電子放出素子。

8 . 前記電子輸送部材に電流を流す回路を更に備える、 請求項 1に記載の電 子放出素子。

9 . 前記電界集中領域は、 前記電子放出部材を構成する粒子の表面に形成さ れた絶縁層から構成されていて、 該粒子が該絶緣層を介して前記電子輸送部材の 上に配設されている、 請求項 1に記載の電子放出素子。

1 0 . 前記電子輪送部材が導電層であり、 前記電界集中領域が該導電層の上 に形成された絶縁層から構成されており、 前記電子放出部材が、 該絶縁層に一部 を埋没させるように配設された粒子から構成されている、 請求項 1に記載の電子 放出素子。

1 1 . 前記電界集中領域の厚さが 1 0 0 0人以下である、 請求項 1に記載の 電子放出素子。

1 2 . 前記電子放出部材が、 お互いに接触せずに独立して配設された複数の 粒子から構成されている、 請求項 1に記載の電子放出素子。

1 3 . 前記電子放出部材が、 負の電子親和力を有する材料の粒子から構成さ れている、 請求項 1に記載の電子放出素子。

1 4 . 前記拉子はダイヤモンド粒子である、 請求項 1 3に記載の電子放出素 子。

1 5 . 前記ダイャモンド粒子は人工ダイャモンド粒子である、 請求項 1 4に 記載の電子放出素子。

1 6 . 前記ダイャモンド粒子は気相合成法により合成されたダイャモンド粒 子である、 請求項 1 4に記載の電子放出素子。

1 7 . 前記粒子は、 ダイヤモンド構造を部分的に備えたカーボン粒子である、 請求項 1 3に記載の電子放出素子。

1 8 . 前記ダイヤモンド粒子の最表面原子は、 水素原子と結合した終端構造 を有する、 請求項 1 4に記載の電子放出素子。

1 9 . 前記カーボン粒子の最表面原子は、 水素原子と結合した終端構造を有 する、 請求項 1 7に記載の電子放出素子。

2 0 . 前記ダイャモンド粒子は 6 0 0 °C以上の水素雰囲気に曝されて形成さ れた、 請求項 1 4に記載の電子放出素子。

2 1 . 前記力一ボン粒子は 6 0 0 °C以上の水素雰囲気に曝されて形成された、 請求項 1 7に記載の電子放出素子。

2 2 . 前記ダイャモンド粒子が不純物を含む、 請求項 1 4に記載の電子放出 素子。

2 3 . 前記カーボン粒子が不純物を含む、 請求項 1 7に記載の電子放出素子 c

2 4 . 前記不純物がイオン注入により形成されている、 請求項 2 2に記載の 電子放出素子。

25. 前記不純物の密度が 1 X 1 0¹³個 Zc m ³以上である、 請求項 22に 記載の電子放出素子。

26. 前記不純物がイオン注入により形成されている、 請求項 23に記載の 電子放出素子。

27. 前記不純物の密度が 1 X 1 0¹³個 Z cm ³以上である、 請求項 23に 記載の電子放出素子。

28. 前記電子輸送部材が、 低仕事関数材料から構成される導電層である、 請求項 1に記載の電子放出素子。

29. 電子注入部材と、 電子放出部材と、 該電子注入部材と該電子放出部材 との間に位置する電子輸送部材と、 を少なくとも備えており、

該電子輸送部材は、 所定の直流小電圧の印加時に電気的に絶縁性を有するか或 いは高抵抗を有する部分を含む、 電子放出素子。

30. 前記電子輸送部材は、 該電子輸送部材の中の最大電界強度が 1 m VZ m以下であるような小電界の印加時に、 電気抵抗率が 1 cm以上である部 分を含む、 請求項 29に記載の電子放出素子。

3 1. 前記電子放出部材が、 負の電子親和力を有する物質を含む、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

32. 前記電子放出部材が、 少なくとも炭素を含む物質或 、はその粒子を含 む、 請求項 29に記載の電子放出素子。

3 3 . 前記電子放出部材が黒鉛の粒子を含む、 請求項 3 2に記載の電子放出 素子。

3 4 . 前記電子放出部材が、 3 . 5 e V以上のバンドギヤップをを有するヮ ィ ドバンドギヤップ半導体粒子を少なくとも含む、 請求項 2 9に記載の電子放出 素子。

3 5 . 前記電子放出部材がダイャモンド粒子を含む、 請求項 2 9に記載の電 子放出素子。

3 6 . 前記電子放出部材が粒子から構成されており、 該粒子が、 l n mを一 辺とする立方体よりも大きく、 且つ 1 mmを一辺とする立方体の中に含まれる大 きさである、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

3 7 . 前記電子輸送部材が 3 . 5 e V以上の ンドギャップを有するワイ ド バンドギヤップ半導体材料の粒子或いは薄膜から構成され、 前記電子放出部材が、 該ワイ ドバンドギヤップ半導体材料の粒子或いは薄膜の表面に形成されている、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

3 8 . 前記電子輸送部材及び前記電子放出部材の各々が、 気相成長法により 形成されたダイヤモンド材料の粒子或いは薄膜から構成されている、 請求項 2 9 に記載の電子放出素子。

3 9 . 前記電子放出部材が、 水素化されたダイヤモンド材料の粒子或いは薄 膜の表面導電層である、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

4 0 . 前記電子輸送部材及び前記電子放出部材の各々がダイャモンド薄膜か ら構成され、 該ダイヤモンド薄膜の厚さが 1 0 n m以上且つ 1 0 以下である、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

4 1 . 前記電子輸送部材がダイャモンド粒子から構成されており、 前記電子 放出部材が、 該電子輸送部材を構成するダイヤモンド粒子の表面の少なくとも一 部に形成された、 ダイヤモンドを含む炭素系薄膜或いは微粒子から構成されてい る、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

4 2 . 前記電子放出部材及び前記電子輸送部材の少なくとも一方が、 3 . 5 e V以上のバンドギヤップを有するワイ ドバンドギヤップ半導体材料から構成さ れており、 該ワイ ドバンドギャップ半導体材料が、 G a、 A 1、 I n、 及び Bの 内の少なくとも一つ以上の元素と窒素との化合物である、 請求項 2 9に記載の電 子放出素子。

4 3 . 前記電子注入部材と前記電子輸送部材とがォーミック接合している、 請求項 2 9に記載の電子放出素子。

4 4 . 前記電子輸送部材が厚さ 5 0 0 n m以下の絶縁層を含む、 請求項 2 9 に記載の電子放出素子。

4 5 . 基板の上に電子輸送部材を形成する工程と、

該電子輸送部材に対して、 電界集中領域を介して接触する電子放出部材を配設 する工程と、

を包含する、 電子放出素子の製造方法。

4 6 . 前記電子輸送部材は前記基板の上に形成された導電層であり、 前記電子放出部材は、 前記電界集中領域として機能する絶縁層を介して該導電 層に接触するように配設された粒子から構成される、 請求項 4 5に記載の電子放 出素子の製造方法。

4 7 . 前記電子放出部材に対する所定の位置に、 該電子放出部材から電子を 引き出すための電位が印加される引き出し電極を配置する工程を更に含む、 請求 項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

4 8 . 前記電子輸送部材の表面を粗面化する工程を更に含む、 請求項 4 5に 記載の電子放出素子の製造方法。

4 9 . 前記電子輸送部材に電流を流すための回路を構成する工程を更に含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

5 0 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

該絶縁層の上に、 該電子放出部材として機能する粒子を配設する工程と、 を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

5 1 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子放出部材として機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

該粒子を、 前記電子輸送部材として機能する導電層の上に配設する工程と、 を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

5 2 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

液状硬化性絶縁物質と所定の粒子との混合物を、 前記電子輸送部材として機能 する導電層の上に付着させる工程と、

該液状硬化性絶縁物質を硬化させる工程と、

該硬化させた絶縁物質の表層部のみを選択的に除去して、 該混合物に含まれる 該粒子の一部を露出させて、 該粒子の露出した部分を該電子放出部材として機能 させる工程と、

を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

5 3 . 前記選択的除去工程が化学的エッチング処理による、 請求項 5 2に記 載の電子放出素子の製造方法。

5 4 . 前記化学的エッチング処理が水素プラズマ照射プロセスである、 請求 項 5 3に記載の電子放出素子の製造方法。

5 5 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

粒子を分散させた溶液の中に、 該絶縁層が形成された前記基板を設置する工程 と、

該溶液に超音波振動を印加して、 該溶液の中の該粒子を該絶緣層に付着させる 工程と、

を含み、

該付着された粒子が該電子放出部材として機能する、 請求項 4 5に記載の電子 放出素子の製造方法。

5 6 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能 する絶緣層を形成する工程と、

粒子を分散させた溶液を該絶緣層の上に塗布して、 該粒子を該絶緣層に付着さ せる工程と、

を含み、

該付着された粒子が該電子放出部材として機能する、 請求項 4 5に記載の電子 放出素子の製造方法。

5 7 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

粒子を分散させた溶液を用 、た電気泳動処理プロセスによって、 該粒子を該絶 縁層に付着させる工程と、

を含み、

該付着された粒子が該電子放出部材として機能する、 請求項 4 5に記載の電子 放出素子の製造方法。

5 8 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子放出部材として機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

該粒子を分散させた溶液の中に、 前記電子輸送部材として機能する導電層が形 成された前記基板を設置する工程と、

該溶液に超音波振動を印加して、 該溶液の中の該粒子を該導電層に付着させる 工程と、

を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

5 9 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子放出部材として機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 該粒子を分散させた溶液を該 絶縁層の上に塗布して、 該粒子を該絶縁層に付着させる工程と、

を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

6 0 . 前記電子放出部材を配設する工程が、

前記電子放出部材として機能する粒子の表面に、 前記電界集中領域として機能 する絶縁層を形成する工程と、

前記電子輸送部材として機能する導電層の上に、 該粒子を分散させた溶液を用

I、た電気泳動処理プロセスによつて該粒子を付着させる工程と、

を含む、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

6 1 . 前記電子輸送部材の表面を粗面化する工程が、 前記電子輸送部材とし て機能する導電層を溶射法により形成する工程を含む、 請求項 4 8に記載の電子 放出素子の製造方法。

6 2 . 前記電子輸送部材の表面を祖面化する工程が、

前記電子輸送部材として機能する平坦な導電層を形成する工程と、

該平坦な導電層の表面を祖面化する工程と、

を含む、 請求項 4 8に記載の電子放出素子の製造方法。

6 3 . 前記平坦な導電層の表面を粗面化する工程がブラスト処理による、 請 求項 6 2に記載の電子放出素子の製造方法。

6 4 . 前記平坦な導電層の表面を粗面化する工程が化学的ェッチング処理に よる、 請求項 6 2に記載の電子放出素子の製造方法。

6 5 . 前記基板の表面を粗面化する工程を更に含み、 該粗面化された基板の 表面に前記電子輸送部材を形成することによって、 該電子輸送部材の表面を粗面 化する、 請求項 4 5に記載の電子放出素子の製造方法。

6 6 . 前記電子輸送層及び前記電子放出層の少なくとも一方が気相成長プロ セスによって成長されたダイヤモンド薄膜であり、

該気相成長プロセスの前処理工程として、 l x 1 0 ^{1 Q}個/ c m ²以上の分布密 度を有するダイヤモンド成長核を分布させる工程を含む、 請求項 4 5に記載の電 子放出素子の形成方法。

6 7 . 電子注入部材と、 電子放出部材と、 該電子注入部材と該電子放出部材 との間に位置する電子輸送部材と、 を少なくとも備え、 該電子輸送部材は、 所定 の直流小電圧の印加時に電気的に絶縁性を有するか或し、は高抵抗を有する部分を 含む、 電子放出素子の駆動方法であって、

該電子放出部材に対して時間的に変化する電位を印加する工程を包含する、 電 子放出素子の駆動方法。

6 8 . 前記時間的に変化する電位を、 前記電子放出部材が前記電子注入部材 に対して直流的に絶縁された状態で、 該電子放出部材に印加する、 請求項 6 7に 記載の電子放出素子の駆動方法。

6 9 . 前記時間的に変化する電位は、 前記電子注入部材に対して前記電子放 出部材が正電位になるような直流電圧を、 所定の交流電圧に重畳することによつ て形成する、 請求項 6 8に記載の電子放出素子の駆動方法。

7 0 . 前記電子放出部材から電子を放出させるための電界を該電子放出部材 に対して真空を介して印加する引き出し電極に、 前記電子注入部材が負で該引き 出し電極が正となる直流電圧を印加する、 請求項 6 7に記載の電子放出素子の駆 動方法。

7 1 . 電子放出源と、

該電子放出源から放出された電子により画像を形成する画像形成部と、 を少なくとも備える画像表示装置であって、

該電子放出源は、 複数の電子放出素子を少なくとも備えており、

該複数の電子放出素子の各々が、 請求項 1に記載された電子放出素子である、 画像表示装置。

7 2 . 電子放出源と、

該電子放出源から放出された電子により面像を形成する面像形成部と、 を少なくとも備える画像表示装置であって、

該電子放出源は、 複数の電子放出素子を少なくとも備えており、

該複数の電子放出素子の各々が、 請求項 2 9に記載された電子放出素子である、 画像表示装置。

7 3 . 複数の電子放出素子を形成する工程と、

該形成された複数の電子放出素子を用し、て電子放出源を形成し、 該電子放出源 を所定の箇所に配設する工程と、

該電子放出源から放出された電子により画像を形成する画像形成部を、 該電子 放出源に対して所定の位置関係で配設する工程と、

を包含する面像表示装置の製造方法であって、

該複数の電子放出素子の各々を、 請求項 4 5に記載された方法によって形成す る、 画像表示装置の製造方法。