专利名称：电子管的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子管，特别涉及具有场致发射体的电子管。
作为用于电子管电子束源的场致发射体，众所周知，一般有热阴极型和场致发射型。近年来，场致发射型的电子源因其具有高电子发射密度而更引人注目。具体而言，以把半导体比如硅、或难熔金属比如钼或钨用作这种场致发射体的材料。近来，例如，在EP-B1-0523494和日本特许公报No.7-29483中，就披露了由金刚石或主要由金刚石组成的材料制成的具有场致发射体的电子管。
图1是表示配备了单晶金刚石制成的场致发射体电子管结构的剖面图，在上述提到的EP-B1-0523494中披露了这种电子管。如上所述，这种电子管至少包括排列在基片100上的场致发射体(电子源)110；与场致发射体110对置的阳极130；控制电极120，设置在场致发射体110和阳极130之间，调整加在其上的电压可控制从场致发射体110至阳极130的电子发射。场致发射体110向阳极130延伸形成尖端部111，从尖端部上处于费米能级的电子向阳极130发射。利用电压源141、142和143，把预定的电压分别加在基片100、控制电极120和阳极130上。
通过不断研究上述那样的常规的场致发射体，本发明者发现如下问题。
金刚石场致发射体如此令人注意的原因在于在金刚石中导带底部上的能量和禁带能量的差较小。具体地说，当其最外层上未结合的碳原子的末端是氢(H2)时，导带底部上的能量减去禁带能量所得到的值，即电子亲和势就变为零或负值，因此实现了所谓的负电子亲和力(NEA)。
另一方面，由于场致发射体有圆锥形形状，在其尖端有较大发射电流密度，所以场致发射体一般会产生大量的焦耳热。因此，就金刚石场致发射体而言，当其表面的末端是氢时，氢会释放上述热量。再有，氢释放热量之后，场致发射体的表面可能吸收除氢以外的分子。因此，这种场致发射体可能不断改变其电子亲和势，并不能总是维持电子亲和势为零。就电子管的工作稳定性来说，状态上的这种变化是固有的问题。还有，由于电子发射效率因其状态变化可能会极大地降低，所以就场致发射体的性能而言，这种变化产生了一系列的问题。
因此，本发明的目的在于提供具有可在长时间内保持其工作稳定性的结构的电子管。
按照本发明的电子管，至少包括电子束源，利用隧道效应发射在费米能级上的电子；阳极，接受由电子束源发射的电子；和密封管壳，至少装有电子束源和阳极。
具体地说，电子束源由金刚石或主要由金刚石组成的材料制成，并有末端是氢的表面。还有，把氢密封在密封管壳内。利用这种结构，可使场致发射体表面总处于预定的负的电子亲和势状态。
在这种电子管中，从电子发射效率的观点来看，电子束源最好是用多晶金刚石制成的场致发射体。
在按照本发明的电子管中，密封在密封管壳内的氢的分压力范围最好在1×10-6至1×10-3乇内。当把氢的分压力设定在这个范围内时，可以保证更稳定的工作。换句话说，当氢的分压力高于1×10-3乇时，在电子管内容易出现放电。另一方面，当氢的分压力低于1×10-6乇时，就要用很长时间把多晶金刚石场致发射体表面所释放的氢再次吸收，因而使电子管内保留的其他分子较容易地吸收在多晶金刚石场致发射体的表面，失去了由封闭在其内的氢所获得的效果。
按照本发明的电子管中的场致发射体最好有朝向阳极的锥体形状。在此情况下，电子从场致发射体的尖端发射，因此实现了高电子发射密度。按照本发明的电子管可包括多个具有朝向阳极的锥体形状的场致发射体。可把这些场致发射体按预定间隔二维地排列在与阳极相对的平面上。
按照本发明的电子管中，可使阳极包括荧光屏，当由电子束源发射的电子打在其上时荧光屏就会发光。当把这种荧光屏和在预定平面上二维排列的多个场致发射体组合在一起时，同样可显示二维信息。
在此结构中，可以把多个控制电极设置在分立的场致发射体和阳极之间，使其分别与场致发射体相对应。还有，可把聚焦电极设置在各控制电极和阳极之间，使其与各自的场致发射体相对应。
这里所用的“场致发射体”称为电子束源(场致发射型电子源)，它通过隧道效应发射费米能级上的电子。因此，它完全不同于发射光电子的电极，光电子是因入射光激励从价带跃迁至导带的电子。
从后面的详细说明和附图中，会进一步理解本发明，这些说明和附图都是示意性的，本发明并不限于此。
从后面的详细说明中，会使本发明的应用领域进一步明确。可是，应该指出，详细的说明和特定的实例，以及发明的优选实施例仅是说明性的，因为对于本领域的技术人员来说，在本发明的精神和范围内，显然可根据这些详细说明中进行各种变化和改进。
图1是表示具有单晶金刚石制成的场致发射体的常规电子管的结构的剖面图；图2是表示本发明第1实施例的电子管结构的侧剖面图；图3是用于说明从场致发射体发射电子的过程的能带图；图4是用于说明从Csl光电阴极发射光电子的过程的能带图；图5是用于说明从NEA光电阴极发射光电子过程的能带图；图6-10是分别表示按照本发明制造场致发射体的工艺剖面图；图11是表示本发明第2实施例的电子管结构的侧剖面图；图12是表示本发明第3实施例的电子管结构的侧剖面图；和图13是表示把均有图4所示三极管结构的多个元件二维排列的显示装置结构的透视图。
下面，参照图2至图13，详细说明本发明的优选实施例。图中，互相相同或等效的部件附以相同的参考序号。
图2是表示本发明第1实施例的电子管结构的侧剖面图，为解释其基本操作，把其电子系统和部件与单个象素相对应地设置。
如图2所示，本发明第1实施例的电子管有二极管结构。换句话说，在密封管壳1中，具有点状端部的场致发射体11设置在传导平板10上。作为阳极的形成为膜状的荧光体21(荧光屏)，设置在玻璃平板20上的透光导电膜2上，与场致发射体11的端部对置。场致发射体11最好由多晶金刚石制成，并使其电子亲和势相对于其表面状态为负。为把相对于场致发射体11的正高电压加在荧光体21上，在平板10和透明导电膜2之间通过导线40连接着DC电源30。再有，本实施例中，把氢密闭在密封管壳1中，因而构成场致发射体11的金刚石表面的末端是氢12。因此，场致发射体11的表面显现出负的电子亲和势。最好使密封管壳1内氢的分压力比如为1×10-3乇或更低，以便不使其中的氢放电，但为保持场致发射体11的表面状态，氢的分压力至少应为1×10-6乇。
当预定电压由DC电源30加在场致发射体11上时，由于隧道效应，就会从处于含氢的低气压的场致发射体11的端部发射费米能级上的电子(e-)。其中，由于末端是氢12的金刚石表面有低的功函数，所以电子容易发射。当该电子射入相对于场致发射体11加有正电压的荧光体21上时，荧光体21就发光。
这里，应该指出，按照本发明的场致发射体根本不同于光电阴极。作为一般场致发射体的公知装置是这样的装置，即当把强电场(＞106V/cm)加在金属或半导体的表面时，如图3所示，利用隧道效应，该装置就将费米能级上的电子射入真空中(在设置场致发射体的真空空间中)。换句话说，从图3也可看出，发射的电子是费米能级上的电子而不是从价带到导带的受激电子，即所谓的光电子。其中，图3是用于说明电子由场致发射体发射的过程的能带图。相反地，如图4和5所示，例如，光电阴极是将光电子射入真空中的电极(光电阴极)，光电子由入射光激励从价带移向导带。它完全不同于利用隧道效应将费米能级上的电子射入真空中的场致发射体。再有，在光电阴极中，并不总是要把强电场加在其表面上。对于光电阴极，由强电场产生的场发射电子会变为暗电流并极大地损害其性能。图4和5是分别说明由Csl和NEA光电阴极发射光电子的过程的能带图。
其中，由于发射电流密度很大，所以就会产生大量的焦耳热。因此，在本实施例的场致发射体11中，由尖端表面吸收的氢12多半处于释放状态。在氢12从其中释放后，密封管壳1中除氢以外的剩余物可被场致发射体的尖端部分吸收。当从场致发射体11的尖端发射的电子射入荧光体21并被加速时，由荧光体21吸收的分子或类似物会被电离，并释放在密封管壳1的内部空间，因而被场致发射体11的尖端部分吸收。上述这些现象在利用场致发射的电子管中是固有的问题。当吸收或释放出现在场致发射体11的尖端部分的表面时，其功函数就变化，因而场致发射体11的电子发射效率同样也会变化。
按照本发明的电子管中，与常规的电子管不同(图1)，在密封管壳1内密封预定压力的氢。例如，把分压力为1×10-6乇的氢密封在密封管壳1的情况下，那么密封的氢就以约1.4×1016个/(cm2·秒)的频率碰撞场致发射体的表面。具体地说，固体的最外层的原子密度约为1×1015个/cm2。因此，当限定场致发射体11表面的氢12因电子发射产生的焦耳热从该表面被释放时，该表面在约0.1秒内会再次被密封的氢限定。再有，在电子射在保持在密封管壳1内的分子上或荧光体21上时产生的离子，被金刚石表面吸收的情况下，它们就被密封管壳1中存在的大量氢置换。换句话说，场致发射体11的表面总上由氢限定，因而其功函数不变化。因此，在场致发射体中，可有效地获得稳定的发射电流密度。其中，最好使用本实施例中所用的荧光体，该荧光体在降低压力的情况下基本不逸出气体。
下面，参照图6至10，说明制造这种场致发射体的方法。这些附图分别表示按照本发明的制造场致发射体的工艺过程。
首先，如图6所示，利用微波等离子体CVD技术在Si(100)基片上形成厚度约为20μm的多晶金刚石膜。在此情况下，甲烷气体(CH4)+氢(H2)作为气体材料，并在微波输出为1.5KW，压力为50乇，膜形成温度为850℃的条件下形成金刚石膜。
尽管在此情况下把微波等离子体CVD用于形成多晶膜，但本发明并不限于这种膜形成方法。例如，也可采用热丝(hotfilament)CVD技术和类似技术形成膜。
接着，如图7所示，把光致抗蚀剂加在多晶金刚石的整个表面。然后，如图8所示，利用预定的光掩膜留下直径约10μm的各个圆形部分，同时，除去光致抗蚀剂的保留部分。
然后，把这样的产品用ECR等离子体腐蚀装置进行干式腐蚀。由于腐蚀按各向同性的方式实现，所以留下了如图9所示有凸出部形状的光致抗蚀剂部分。其中，通过多晶金刚石膜的厚度、掩膜形状、腐蚀时间等，可精确地控制凸出部和类似物的形状和间隔。
最后，除去保留的光致抗蚀剂，从而形成如图10所示的场致发射体11。
再有，为了制造使各象素都具有二极管结构的显示装置，可采用下面的工艺。首先，把有均匀形状(用上述工艺形成)的场致发射体11二维地排列在平板10上。然后，把荧光体21(荧光屏)设置在玻璃平板20上的透明导电膜2上。接着，把装有多个场致发射体11的平板10设置在密封管壳1中。然后，使玻璃平板与发射电子的场致发射体11的尖端部分的位置相对。在此状态下，把密封管壳1抽真空至压力变为1×10-8乇或更低后，向其内引入预定压力的氢。
按照本发明的电子管并不局限于上述一种二极管结构。在本发明的第2实施例的电子管中，与第1实施例不同(图2)，采用了三极管结构。图11是说明本发明第2实施例的电子管结构的剖视图。第2实施例中，与二极管结构不同，环形的栅电极14设置在装在平板10上的环形绝缘膜13上，以便围绕密封管壳1内的场致发射体11。再有，为了把正电压加在相对于场致发射体11的栅电极14上，还要经导线40把DC电源31连接在栅电极14和平板10之间。这种结构中，当预定电压加在栅电极14上时，从场致发射体发射的电子就受栅电极14的控制。此外，与实施例1相同，把分压力范围为1×10-6乇至1×10-3乇的氢密封在第2实施例的密封管壳1中。因此，有氢限定表面的场致发射体11的尖端上的发射电流就由栅电极14控制，所以可实现更稳定的工作。
本发明第3实施例的电子管的四极管结构是在第2实施例的栅电极14上又在环形绝缘膜150上设置环形聚焦电极15。图12是说明本发明第3实施例的电子管结构的剖视图。第3实施例中，与三极管结构不同，环形聚焦电极15设置在栅电极14上的绝缘膜150上。为了把相对于栅电极14电压的负电压加在聚焦电极15上，还要经导线40把DC电源32连接在聚焦电极15和栅电极14之间。
在这种结构中，当预定电压加在聚焦电极15上时，由场致发射体11发射的电子被聚焦电极15聚焦。再有，与第1和第2实施例一样，在第3实施例中把分压力范围为1×10-6乇至1×10-3乇的氢密封的密封管壳1中。因此，在其末端是氢的表面的场致发射体11上的发射电流经栅电极14控制之后，由聚焦电极15聚焦，从而可基本抑制单独象素之间的串扰。所以，按照第3实施例的电子管以很稳定的工作实现了高清晰度显示。
例如，如图13所示的显示装置50中，可把多个有第2实施例的三极管结构的元件进行二维排列。换句话说，可把荧光体21设置在与多个场致发射体11的尖端部分相对的位置处。再有，各元件都有其对应的开关电路。显示装置50装在密封了在降低压力状态下的氢的密封管壳内。
为了从指定元件发射电子，比如，对应于象素的场致发射体11的地址是如图13所示的X3Y2，其对应的开关电路由控制单元500控制，以便把预定电压加在该象素的栅电极14和场致发射体11之间。由该场致发射体11发射的电子轰击在特定位置的荧光体21上，因而在该位置上发光。因此，具有场致发射体11的显示装置50可以良好的稳定性进行工作。
尽管图13所示的显示装置50有不带聚焦电极的三极管结构，但各象素也可以具有二极管或四极管结构。再有，用于显示的驱动系统并不限于静态驱动系统，可以是时分动态驱动系统。
在第1至第3实施例中，场致发射体由如上所述的末端是氢的金刚石制成。可是，本发明并不限于此。换句话说，本发明可用于所有各种场致发射体，即其表面的末端总是氢时可获得有固定功函数的负电子亲和势，利用这种亲和势使场致发射体能够有效和稳定地工作。例如，不用说，在主要由碳基材料、比如类金刚石碳、玻璃碳等组成的发射体中也能获得很好的效果。
再有，如上所述实施例中的显示装置可以形成为二维的平面显示装置，并可用于一维线性显示装置。此外，当荧光体可发出R、G和B的彩色光成分时，就可构成彩色显示装置。
按照本发明的电子管中，由于在其中密封了预定压力的氢，所以由金刚石或类似物制成的场致发射体表面的末端总是氢。因此，场致发射体表面的电子亲和势就保持在负值。这样，具有这种场致发射体的电子管就能够在较长的时间内有效和稳定地工作。换句话说，使电子管延长了寿命。
根据对发明的说明，明显可知，本发明可以有多种变型。不应认为这些变更超出了本发明的精神和范围，对本领域的技术人员而言，这些改变均包含在所附权利要求所限定的范围内。
这里，参考了同族的在1996年10月14日提出的日本专利申请No.270786/1996。
权利要求
1.一种电子管，包括电子束源，利用隧道效应发射在费米能级上的电子，所述电子束源由金刚石或主要由金刚石组成的材料制成，所述电子束源具有以氢结尾的表面；阳极，接受由所述电子束源发射的电子；和密封管壳，至少装有所述电子束源和阳极，所述密封管壳把氢密封在其中。
2.如权利要求1的电子管，其特征在于，密封在所述密封管壳内的氢的分压在1×10-6乇至1×10-3乇的范围内。
3.如权利要求1的电子管，其特征在于，所述电子束源由多晶金刚石制成。
4.如权利要求1的电子管，其特征在于，所述电子束源包括具有朝向所述阳极变尖的形状的场致发射体。
5.如权利要求4的电子管，其特征在于，还包括控制电极，控制由所述场致发射体发射的电子，所述控制电极设置在所述场致发射体和所述阳极之间。
6.如权利要求5的电子管，其特征在于，还包括聚焦电极，聚焦从所述场致发射体发射的电子束，所述聚焦电极设置在所述场致发射体和所述控制电极之间。
7.如权利要求1的电子管，其特征在于，所述电子束源包括多个场致发射体，每个场致发射体有朝向所述阳极变尖的形状，所述多个场致发射体按预定间隔排列在与所述阳极相对的表面上。
8.如权利要求7的电子管，其特征在于，还包括多个控制电极，设置在所述多个场致发射体和所述阳极之间，所述多个控制电极分别配置，使之与所述多个场致发射体相对应，并起到控制从所对应的所述场致发射体发射的电子的作用。
9.如权利要求8的电子管，其特征在于，还包括多个聚焦电极，所述多个聚焦电极与所述多个场致发射体相对应地设置，并起到聚焦从所对应的所述场致发射体发射的电子束的作用。
10.如权利要求1的电子管，其特征在于，所述阳极包括荧光屏，当从所述电子束源发射的电子打在其上时荧光屏就会发光。
全文摘要
本发明涉及具有可长时间保持其工作稳定性的结构的电子管。该电子管至少包括:场致发射体,由金刚石或主要由金刚石组成的材料制成,并有其末端是氢的表面;和密封管壳,装有金刚石场致发射体。利用氢的末端,可把金刚石场致发射体的电子亲和势设置为负值。此外,把氢密封在密封管壳内。由于这种结构,金刚石场致发射体表面末端的氢状态稳定,并且场致发射体的电子亲和势在长时间内不会改变。
文档编号H01J29/94GK1181607SQ9712009
公开日1998年5月13日 申请日期1997年10月13日 优先权日1996年10月14日
发明者新垣实, 广畑彻, 菅博文, 山田正美 申请人:浜松光子学株式会社