CN1659671A - 电子发射设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电场发射型电子发射设备，利用它电子束的斑点较小，电子发射区域较大，可能以低电压实现高效电子发射，并且制造过程容易。所述电子发射设备包括一个层2，它电连接到一个阴极电极5，以及多个粒子3，每个粒子包含一种材料，该材料的电阻系数低于组成层2的一种材料的电阻系数，并且其中层2中的粒子3的密度大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3。

Description

电子发射设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种使用电子发射膜的电子发射设备，一种其中安排了多个电子发射设备的电子源，以及一种通过使用该电子源构成的图像显示装置。
背景技术
在将一个使用电子发射膜的电子发射设备应用到使用磷的图像显示装置的情况下，所述电子发射设备需要实现发射电流，该电流足以引起磷产生足够的亮度。此外，要照射到磷上的电子束的大小应该较小，以便图像显示装置(显示器)的分辨率(清晰度)较高。另外，该装置本身易于制造也是很重要的。
冷阴极电子源是一种电子发射设备，它包括一个场发射型(以下称为“FE型”)，表面传导电子发射设备或类似的设备。
对于FE型来说，Spindt型是非常高效并且是期望采用的。但是，Spindt型的电子发射设备的制造过程复杂，并且可能使电子束分散。从而，必须在电子发射部件上安排一个聚焦电极，以避免电子束的分散。
另一方面，JP 08-096703A、JP 8-096704A、JP 8-264109A中提出了电子发射设备的一些例子，其中电子束的斑点大小不会像Spindt型那样增加很多。这些电子发射设备使得电子从安排在它的一个孔中的一层平的薄膜(电子发射膜)发射出。从而在电子发射膜上形成一个相对平的等电势表面，并且降低了电子束的加宽，同时可以相对容易地制造出电子发射设备。此外，通过使用一种低功函的材料作为形成电子发射膜的物质，可实现降低电子发射所必需的驱动电压。此外，电子发射是在平面形状上执行的(在Spindt型中是在圆点状中执行的)，从而可减轻电场聚焦。从而，可实现电子发射设备的长寿命。已提出一种碳基电子发射膜作为这样的平的电子发射膜。例如，在由R.D.Forrest等人所著并发表于1988年出版的Applied PhysicsLetters第73卷第25期第3784页的“A study of electron field emissionas a function of film thickness from amorphous carbon films”等中提出了使用碳基膜的电子发射设备。此外，例如，在由X.Z.Ding等人所著并发表于2000年出版的Journal of applied physics第88卷第11期第6842页的“Electron field emission from Ti-containing tetrahedralamorphous carbon films deposited by filtered cathodic vacuum arc”；由Y.J.Li等人所著并发表于2000年出版的Applied Physics Letters第77卷第13期第2021页的“Field emission from cobalt-containingamorphous carbon composite films heat-treated in an acetyleneambient”；由Richard G.Forbes所著并发表于Solid-State Electronics45(2001)第779-808页的“Low-macroscopic-field electron emissionfrom carbon films and other electrically nanostructuredheterogeneous materials：hypotheses about emission mechanism”；由S.P.Lau等人所著并发表于Diamond Related Materials 10(2001)第1727-1731页的“Field emission from metal-containing amorphouscarbon composite films”；JP 2001-006523A；JP 2001-202870A等中提出了其中添加了不同金属的碳膜的例子。
此外，以不同的方式研究了使用一种导电材料和一种绝缘材料的电子发射膜。例如，在由S.Bajic和R.v.Latham所著并发表于J.Phys.D：Appl.Phys.21(1988)第200-204页的“Enhanced cold-cathodeemission using composite resin-carbon coatings”；由A.P.Burden等人著并发表于J.Vac.Sci.Technol.B 18(2)，Mar/Apr(2000)第900-904页的“Field emitting inks for consumer-priced broad-areaflat-panel displays”；日本实用新型申请早期公开04-131846等中提出了这种电子发射膜。此外，关于电子发射膜的报告还有例如在JP2001-101966中提出的将导电材料添加到绝缘材料的孔中的电子发射膜，或者在US 4,663,559中提出的在陶瓷和金属的金属陶瓷中电子从金属注入到绝缘层中以发射电子的电子发射膜。
发明内容
图18显示了一个电子发射设备被用作一个图像显示装置1000的例子。多行栅电极层1002和多行阴极电极层1004以矩阵形状被安放在一个衬底1001上，电子发射设备1014被安放在两行的交叉部分。根据一个信息信号电子从安放在一个选中的交叉部分中的电子发射设备1014中发射出，并且被阳极1012的电压所加速，以便入射到磷1013上。这种设备就是所谓的三极设备(triode device)。注意参考数字1003表示绝缘层。
在考虑将场发射电子发射设备应用到图像显示装置的情况下，要求同时满足以下要求：
(1)电子束的斑点大小(电子束直径)小；
(2)电子发射区域大；
(3)电子发射点密度(electron emission site density)(ESD)高并且电流密度高；
(4)可以以低电压进行高效率电子发射；以及
(5)制造过程简单。
但是，在能够同时满足上述要求的情况下，不能总是实现上述使用电子发射膜的常规设备。
因此设计了本发明以解决常规技术的上述问题，并且本发明的一个目的是提供：一种场发射电子发射设备，其电子束的斑点大小(电子束直径)小，电子发射区域大，可以以低电压进行高效率的电子发射，并且制造过程简单；一种电子源以及一种图像显示装置。
被设计来达到上述目的的本发明的一种构造如下所述。
根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；电连接到所述阴极电极的一层；多个粒子，其包含一种材料作为一个主要成分，该材料的电阻系数低于所述层的一种材料的电阻系数；其中多个粒子被安排在所述层上；并且层中的粒子密度为大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；电连接到所述阴极电极的一层；多个粒子，其包含一种材料作为一个主要成分，该材料的电阻系数低于所述层的一种材料的电阻系数；其中多个粒子被安排在所述层上；并且粒子的主要元素相对于该层的主要元素的浓度为大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；电连接到所述阴极电极的一层；多个粒子，其包含一种材料作为一个主要成分，该材料的电阻系数低于所述层的一种材料的电阻系数；其中多个粒子被安排在所述层上；层中的粒子密度大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3；并且粒子的主要元素相对于层的主要元素的浓度为大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；安排在所述阴极电极上并且包含碳作为主要成分的一层；以及至少两个粒子，它们被安排为在所述层上彼此相邻，并且各自包含金属作为主要成分，其中相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的金属。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；以及连接到所述阴极电极的一层，其中组粒子多被安排在所述层中，每个群由至少两个彼此相邻的粒子组成；所述粒子包含一种材料作为一个主要成分，该材料的电阻系数低于所述层的一种材料的电阻系数，相邻的两个粒子被安排在小于或等于5nm的范围内；相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且所述粒子的多组被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；以及连接到所述阴极电极的一层，其中多组粒子被安排在所述层中，每个组由至少两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子组成；所述层包含一种材料作为一个主要成分，该材料的电阻系数高于包含金属作为一个主要成分的粒子的电阻系数；相邻的两个粒子被安排在小于或等于5nm的范围内；相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；以及连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层，其中多组粒子组被安排在所述层中，每个组由至少两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子组成；所述的多组粒子被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度；在碳层的表面一侧的碳层中的金属的浓度比所述阴极电极一侧的低。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；以及连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层，其中多组粒子被安排在所述层中，每组由两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子组成；相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；至少在多个粒子的一部分中的相邻粒子之间包含了graphen。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备，包括：一个阴极电极；以及电连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层；以及安排在所述层中并且包含碳作为一个主要成分的多个导电粒子，其中所述的包含碳作为一个主要成分的层包含的氢元素相对于碳元素大于或等于0.1atm％。
根据本发明的电子发射设备，最好所述的包含碳作为一个主要成分的层包含的氢元素相对于碳元素大于或等于1atm％并且小于或等于20atm％。
此外，最好所述层的表面不均匀度按均方根值(rms)来算小于其膜厚度的1/10。
此外，最好所述层包含碳作为一个主要成分。
此外，最好所述层中氢相对于碳的平均浓度大于或等于0.1atm％。
此外，最好包含碳作为一个主要成分的层具有一个sp3键。
此外，最好所述粒子包含金属作为一个主要成分。
此外，最好所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的金属。
此外，最好所述粒子包含单晶金属作为一个主要成分。
此外，最好所述粒子的平均粒子直径为大于或等于1nm到小于或等于10nm。
此外，最好所述层的厚度小于或等于100nm。
此外，最好所述的多个粒子中的至少两个相邻粒子被安排为彼此相离的距离小于或等于5nm。
此外，最好所述层中的粒子密度大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3，尤其大于或等于1×1015/cm3并且小于或等于5×1017/cm3。
此外，最好所述粒子的一种主要元素相对于所述层的一种主要元素的浓度大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％，尤其地，大于或等于0.05atm％并且小于或等于1atm％。
此外，最好：多个粒子作为多组粒子被分散地安排在所述层上，每组由至少两个相邻的粒子组成；相邻的两个粒子之一被安放为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且所述的多组粒子被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度。
此外，本发明的电子发射设备进一步包括：一绝缘膜，它被安排在所述阴极电极上，并且具有一个第一开口；以及一个栅电极，它被安排在所述绝缘膜上并且具有一个第二开口，并且最好：所述的第一开口和所述的第二开口彼此相通；并且所述层暴露在所述的第一开口中。
此外，根据本发明，提供了一种电子源，其中安排了多个本发明的电子发射设备。
此外，根据本发明，提供了一种图像显示装置，其包括：本发明的电子源；以及一个光发射元件，它通过被电子照射而发射光。
此外，根据本发明，提供了一种电子发射设备的制造方法，其包括：形成一个层，它包含金属和一种材料作为一个主要成分，其中所述材料的电阻系数高于所述金属的电阻系数；并且在包含氢的保护气氛中加热所述层。
根据本发明的制造方法，最好所述的包含氢的保护气氛进一步包含碳氢化合物。
此外，最好所述碳氢化合物是乙炔。
此外，最好所述金属是第八族元素。
此外，最好所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的。
此外，最好所述加热中的热处理温度大于或等于450℃。
此外，最好所述的包含一种电阻系数高于所述金属的电阻系数的材料作为一个主要成分的层是包含碳作为一个主要成分的层。
此外，最好所述金属在加热之前被包含在所述的包含碳作为一个主要成分的层中，并且相对于碳元素的比率为大于或等于0.001atm％并且小于或等于5atm％，尤其大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
此外，最好所述的加热前包含碳作为一个主要成分的膜具有一个sp3键。
根据以上所述的本发明，可获得低电场中的高密度电子发射和要发射的电流的稳定度，并且同时可实现高分辨率的电子束。此外，可以容易地实现显示出上述效果的电子发射设备。从而，在应用了本发明的电子发射设备的电子源和图像显示装置中，可获得高性能电子源和图像显示装置。
附图说明
图1是显示根据本发明的一个电子发射设备的结构的示意截面图；
图2是根据本发明的一个实施方式的示意图；
图3A和3B是根据本发明的该实施方式的示意图；
图4A、4B、4C和4D是显示根据本发明的电子发射设备的一种制造方法的一个例子的示意图；
图5是显示根据本发明的一个被动矩阵(passive matrix)排列的一个电子源的结构图；
图6是显示使用根据本发明的一个被动矩阵排列的电子源的一个图像显示装置的示意结构图；
图7是使用根据本发明的一个被动矩阵排列的电子源的图像显示装置的驱动电路图；
图8A(a)、8A(b)和8A(c)是显示根据本发明的第一实施例的一个电子发射设备的示意图；
图8B(a)、8B(b)和8B(c)是显示根据本发明的第二实施例的一个电子发射设备的示意图；
图9是显示根据本发明的电子发射设备的伏安特性的图；
图10A、10B和10C是显示根据本发明的第三实施例的一个电子发射设备的示意图；
图11是根据本发明的第三实施例的装置的图；
图12是显示根据本发明的电子发射设备的伏安特性的图；
图13A、13B和13C是显示根据本发明的第四实施例的一个电子发射设备的示意图；
图14A、14B和14C是显示根据本发明的第五实施例的一个电子发射设备的示意图；
图15是显示根据本发明的第六实施例的电子发射设备的示意图；
图16A和16B分别是显示根据本发明的电子发射设备的示意截面图和示意平面图；
图17是显示根据本发明的电子发射设备的伏安特性的图；
图18是示意性地显示采用使用了一个常规电子发射设备的一个三极结构的一个图像显示装置的一个例子的图。
图19A、19B和19C是是显示根据本发明的一种制造方法的一个例子的示意截面图；
图20是显示根据本发明的电子发射设备的一个例子的示意截面图；
图21是显示根据本发明的电子发射设备的一个例子的示意截面图；
图22是显示根据本发明的电子发射设备的一个例子的示意平面图；
图23A、23B、23C和23D是显示根据本发明的制造方法的一个例子的示意截面图。
图24A、24B、24C和24D是显示根据本发明的制造方法的一个例子的示意截面图；以及
图25是显示根据本发明的电子发射设备的一个例子的示意平面图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的优选实施方式。注意除非特别说明，否则以下实施方式中所说明的元件的尺寸、材料、形状和相对排列并不是要将本发明的范围限制在其中。
图1显示了本发明的一个电子发射设备的一个例子的示意性部分截面图。在图1中，参考数字1表示一个衬底；2表示包含多个粒子3的一层；3表示粒子；而5表示一个阴极电极。最好根据需要在阴极电极5和层2之间安排一个电阻层。
在一个使用本发明的电子发射设备的电子发射装置(包括一个图像显示装置)中，例如，如图16A和16B中所示，通常采用三极结构。在该三极结构中，通常一个阳极电极12被安排为与衬底1的表面大致平行，在衬底1上安排了所述电子发射设备(阴极电极5和层2)，并且一个栅电极(电子抽取电极)8被进一步安排在阳极电极12和组成电子发射设备的层2之间，从而驱动该设备。当被驱动时，一个高于加到阳极电极5的电势的电势被加到栅电极8，从而电子从层2发射出，其方向与衬底1的表面基本垂直。注意，虽然此处说明了三极结构的电子发射设备的例子，但也可能去掉图16A和16B中的栅电极8(和绝缘层7)，而通过给出一个从层2吸引电子的电势来使用阳极电极12作为电子抽取电极。这种结构是所谓的“二极管结构”。
包含多个粒子3的层2的主要成分的电阻系数被设置为高于粒子3的电阻系数。从而，基本上，层2的主体是由电介质体构成的，而粒子3的主体是由导体构成的。通过将层2的主体的电阻系数设为大于或等于粒子3的主体的电阻系数的100倍，可以在低电场中实现电子发射。
此外，作为包含多个粒子3的层2的主体的材料，当只考虑电场聚焦时，最好采用介电常数较小的材料，以下将详细说明电场聚焦(electric field concentration)。但是，当作为电子发射材料时，最好使用碳。此外，在使用碳的情况下，最好层2中既有sp2键，又有一个sp3键。尤其地，具有石墨的微结构(graphen)和包含sp3键的能带结构的碳膜的最初电场聚焦较低，且最好具有电子发射特性。从而，上述碳膜被用作层2的主体，此外，粒子3被安排在层2中(其结构将在以下说明)，从而可另外实现进一步的电场聚焦效果，尤其可实现优选的电子发射特性。但是，如上所述，重要的是层2具有高电阻同时基本上用作一个绝缘体。从而，最好碳膜的主体是无定形碳，例如类钻碳(DLC)，因为可获得1×10至1×1014Ωcm量级的电阻系数，并且碳膜可用作一个电介质体。
另一方面，粒子3最好包含金属作为其主体，更特定地，包含一种第八族元素。此外，在层2的主体是碳的情况下，粒子3最好是从Ni、Fe和Co中选出的金属，尤其最好是Co。由于在Ni、Fe或Co与碳之间的频带屏障较小，因此电子注入的阻碍较小。此外，在实现较大的发射电流密度时，粒子3最好包含单晶(单晶体)金属作为其主体。此外，在更低的电场中可能实现稳定的电子发射，并且当graphen(石墨的微结构)被安排在粒子3周围(尤其是在相邻的粒子之间)时，电子发射特性变得更好。此外，最好使用Ni、Fe或Co作为粒子的主体，而使用碳作为层2的主体，因此，在通过“凝聚(团聚)”(以下将说明)产生本发明的电子发射设备的情况下，由于构成层2的元素碳的石墨化更易于通过低温下的热处理生长，因此易于形成导电通道和石墨的微结构。
在本发明中，多个粒子3不总是均匀地分散在层2中。正如图1示意性地显示的那样，多个粒子3在某种程度上形成集合体(粒子组)10，并且集合体(粒子组)10被离散地安排在层2上。各集合体(粒子组)10之间的距离最好等于或大于层2的平均膜厚度。注意层2的平均膜厚度是以阳极电极5的表面(或者衬底1的表面)作为参考来定义的。更特定地，各集合体(粒子组)10之间的距离等于或大于层2的平均膜厚度，最好大于或等于其1.5倍并小于或等于其1000倍。在超过此的范围内，层2中的电子发射点密度(ESD)难以满足图像显示装置所要求的电子发射设备的特性。
通过这种方式，各集合体(粒子组)10彼此充分远离，从而可降低电子发射的阈值。这是因为，由于集合体(粒子组)10彼此远离，因此有将电场聚焦增加到各集合体(粒子组)10的效果。注意，在本发明中，没有形成集合体10的粒子3可存在于各集合体(粒子组)10之间。
此外，构成各集合体(粒子组)10的多个粒子被安排为在层2的膜厚度方向(从阳极电极5一侧到层2的表面一侧的方向)上基本对齐。根据这样一种结构，电场可集中在各集合体10中。
在本发明中，在层2的膜厚度方向上对齐的粒子3的数目是不限的，只要等于或多于2个。例如，只要两个粒子在层2的膜厚度方向上对齐，并且相邻两个粒子之一被安排在比另一个更接近阳极电极5的表面(或层2的表面)的位置就足够了。但是，为了进一步降低电子发射的阈值，最好该另一个粒子被安排在比该一个粒子的中心位置更接近阳极电极5的表面(或层2的表面)的位置，此外，该另一个粒子被安排在该一个粒子与阳极电极5的表面(或层2的表面)之间的一个区域中。在本发明中，粒子3最好相对于阳极电极5的表面(层2的表面)垂直对齐，但是不必限于这种排列。
此外，在本发明中，相邻粒子最好被安排在小于或等于5nm的范围内。当超过此范围时，电子发射的阈值开始极度上升，并且也难以获得足够的发射电流。此外，在各集合体(粒子组)中，相邻的粒子3可以彼此接触。粒子3之间的距离最好不要超过其平均粒子直径，因为这更不可能发生电场聚焦。此外，在本发明中，由于层2中包含的导体是粒子状的，因此即使相邻粒子彼此接触，相邻粒子之间的电阻也会增加。从而，可以推测，能抑制存在于层2中的各电子发射点处的发射电流的极度增长，而且可稳定地执行电子发射。
此外，在本发明中，最好粒子3基本完全地嵌入在层2中，但是可能部分从层2的表面露出。从而，层2表面的不均匀度按“均方根值(rms)”来算最好是小于或等于平均膜厚度的1/10。“均方根值”是按照日本工业标准定义的。有了这种结构，能尽可能地抑制由于层2的表面粗糙度而引起的电子束分散。此外，根据上述结构，由于粒子3的表面更不可能受存在于真空中的气体的影响，因此可推测该结构也能为稳定的电子发射做出贡献。
根据本发明的上述结构的电子发射设备，可推测导体粒子3的一条导电通道部分地(离散地)形成。从而，具有平表面的碳膜通常所要求的诸如调节这样的预处理就变得不必要了，并且可在不遭受局部破坏或损害的情况下实现令人满意的电子发射。但是，当粒子仅在导电通道(即整个层2)上均匀分散时，电子发射的阈值将增大。此外，当各集合体(粒子组)10之间的距离过度增大时，则不能获得显示器中所用的电子发射设备所必需的电子发射电流和稳定地流动电子发射电流所必需的电子发射点密度。因此，不能获得稳定的电子发射和稳定的显示图像。由于此原因，层2中的粒子3的密度最好大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3。此外，如果密度大于或等于1×1015/cm3并且小于或等于5×1017/cm3，则可实现较低电场中的电子发射。此外，由于同样的原因，构成粒子3的一个主要元素相对于构成层2的一个主要元素的浓度的一个实际范围在大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％的范围内。此外，当浓度大于或等于0.05atm％并且小于或等于1atm％时，可实现较低电场中的电子发射。当浓度超过上述范围时，如上所述，电子发射的阈值将增加。此外，要施加的驱动电压增加，因此可能引起击穿，或者不能获得足够的电子发射点密度。从而，不能保证图像显示装置所必需的发射电流密度。
这里将说明上述数值范围。层2中存在的集合体(粒子组)10的数目在图3A和3B中显示为粒子密度的函数。注意X是构成一个集合体(一个粒子组)的粒子的数目。
当假设层2中的粒子3的密度为P/cm3，层2的膜厚度为h，并且粒子的平均半径为r时，粒子3在膜厚度方向继续的区域(集合体10)的数目E为2rP(8r3P)(h/2r-1)/cm2。图3A是当r＝2nm时的图，而图3B是当r＝5nm时的图。注意此处r表示粒子3的平均粒子直径的一半，而粒子3的平均粒子直径最好大于或等于1nm并且小于或等于10nm，正如以下将详细说明的那样。
最好将密度设为可使得电场聚焦发生在粒子10的组中，并且将E设得较大。为了使两个或多个粒子3为电场聚焦部分而重叠，并且为了使其数目E变为大于或等于1×102/cm2，且最好大于或等于1×104/cm2，在r＝2nm的情况下满足P＝1×1014/cm3就够了。此外，为了使E变为大于或等于1×104/cm2，在r＝5nm的情况下满足至少P＝1×1014/cm3就够了。另一方面，当P超过5×1018/cm3时，有太多粒子3，层2变成只是一个导体，或者不太可能发生到集合体10的电场聚焦。从而，ESD减小并且电流密度也减小，这对电子发射特性来说是不可取的。
当粒子3的大小被控制为几nm，并且层2的膜厚度被假设为几十nm时，最好P的范围是1×1014/cm3≤P≤5×1018/cm3，虽然这取决于层2的膜厚度和粒子3的大小。在粒子3的平均粒子直径(2r)为1至10nm并且粒子3包含Co作为其主体的情况下，满足上述条件的层2中的Co浓度为0.001至1.5atm％。
理想地，P的范围最好是1×1015/cm3≤P≤5×1017/cm3。例如，在图3A和3B的例子中，当各集合体10由两个或多个重叠的粒子形成的情况下，集合体10的数目E为大于或等于1×104/cm3并且小于或等于1×1010/cm3。
这里将用图2说明电场聚焦。当假设导电通道的高度为h，电子发射部分的半径为r，发生大小为(2+h/r)电场聚焦，此外，由于其尖端的微形状而发生一个电场聚焦因子β的类似的电场聚焦，并且整体上发生大小为两者之积(2+h/r)β的电场聚焦。因此，通过采用上述形式，可在本发明的电子发射设备中构造一层电子发射膜，通过该电子发射膜可更容易地实现电子发射。
另一方面，在层2的膜厚度小于或等于100nm的情况下，要发射的束的形状对于形成不发散的束是重要的，虽然这取决于层2的膜厚度、粒子3的大小和形状以及电场的设计等。此外，层2的结构应力小，并适于薄膜工艺。当粒子3的大小增加并且膜厚度以相同比率增加时，各个粒子组10之间的距离也增大，并且每单位面积中的电子发射点的数目减小。对于小于或等于100nm的较小的膜厚度，粒子3的大小理想地为几nm(大于或等于1nm并且小于或等于10nm)，并且粒子3最好采用以下形式：从阳极电极侧向电子发射膜的表面安排几个粒子。
此外，在层2中混合氢以松弛层2的应力是可取的。例如，包含诸如类钻碳(DLC)这样的碳的层2具有高的硬度和强的应力。因此，层2不总是能够满意地与包括热处理的处理过程相兼容。还有一个问题是，虽然它作为电子发射膜是具有高质量的，但是在就处理过程来说不稳定的情况下，它不能用作电子发射设备和电子源。能够根据用氢进行的应力松弛形成在制造过程中稳定的膜也是很重要的。因此，在层2的主体是碳的情况下，可以通过包含一种氢元素，其相对于层2的碳元素的浓度大于或等于0.1atm％，来引起应力松弛。尤其，当包含了大于或等于1atm％的氢元素时，此松弛是强的，且可降低硬度和杨氏模量。但是，当氢元素相对于碳元素的比率超过20atm％时，电子发射特性开始恶化。因此，实质上限为20atm％。
接下来将说明本发明的电子发射设备的一种制造过程。但是不必说，此结构本身是一个例子，而不是特定受限的。
现将参考图4A至4D说明根据本发明的一个实施方式的电子发射设备的一种制造方法的一个例子。不必说，本发明不限于此制造方法。特别地，根据不同结构的淀积顺序和蚀刻方法是不受限的，将在一个实施例中分别对它们进行说明。
(步骤1)
首先，预先将以下之一用作衬底1以便将阳极电极5层压在衬底1上：通过将SiO2层压在玻璃、碱石灰玻璃、硅衬底或类似物上形成的一个分层体，其表面足够清洁，并且通过溅射方法或类似的方法减少石英玻璃、Na或类似杂质的含量；一个陶瓷绝缘衬底，例如铝。
阳极电极5一般具有导电性，并且是通过一般的真空淀积技术，例如蒸气淀积方法或溅射方法形成的。阳极电极5的材料宜于从以下物质中选择：例如，金属或合金材料诸如Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt或Pd，碳化物诸如TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC或WC，硼化物诸如HfB2、ZrB2、LaB6、CeB6、YB4或GdB4，氮化物诸如TiN、ZrN或HfN，半导体诸如Si或Ge，无定形碳，石墨，类钻碳，其中散布了钻石的碳，碳化合物或类似的物质。阳极电极5的厚度被设为在几十nm到几mm的范围内，并且最好从几百nm到几μm的范围中选出。
(步骤2)
接下来，如图4A所示，层2被淀积到阳极电极5上。层2是通过一般真空淀积技术，例如蒸发方法、溅射方法或热灯丝CVD(HFCVD)方法形成的，但不限于这些方法。层(电子发射膜)2的厚度被设为在几nm至几百nm的范围内，并且最好从几nm到几十nm的范围中选择。此外，此步骤可在以下说明的步骤6之后(在形成具有一个开口的绝缘层7和具有一个开口的栅电极8之后)执行，以便将层2选择性地淀积在暴露在开口9中的阳极电极5上。
在rf溅射方法的情况下，例如，Ar被用作保护气氛。但是，例如，如果使用Ar/H2，则可使氢进入层2中。可适当确定诸如rf功率和气压等参数。
此外，在钴被用作粒子3的主体而碳被用作层2的主体的情况下，例如，可以适当选择使用利用了石墨靶和钴靶的多靶方法，用混合了石墨和钴的一个靶控制钴含量的方法，或类似的方法。
(步骤3)
然后，执行以下步骤：进行热处理以使存在于层2中的粒子3的材料(例如钴)凝聚(进行热处理以便聚集粒子的材料)，从而形成粒子3。但是，可以稍后才执行引起粒子3的材料凝聚的步骤，且在需要的步骤中使得粒子3的材料凝聚。热处理例如在大于或等于450°C时通过灯加热进行。热处理是在包含氢的保护气氛中进行的。但是，就缩短处理过程来看，最好在包含氢和碳氢化合物气体的保护气氛中执行热处理。此外，碳氢化合物气体最好是乙炔气体、乙烯气体或类似气体。当在氢和乙炔气体的混合气体中进行热处理时，可在保持层2的表面平面性的同时以增加的速度促进金属(Co)的凝聚反应。当在N2保护气氛中进行热处理时，层2的表面不均匀性增加。
(步骤4)
接下来淀积绝缘层7。绝缘层7是通过一般的真空淀积方法，例如溅射方法、CVD方法或真空蒸发方法形成的，并且其厚度被设为在几nm至几μm的范围内，并且最好从几十nm到几百nm的范围内选择。对于绝缘层7的材料，采用具有较高耐压能够耐受高电场的材料是所希望的，例如SiO2、SiN、Al2O3、CaF或不掺杂的钻石。
(步骤5)
此外，在淀积绝缘层7之后淀积栅电极8(图4B)。栅电极8的导电性与栅电极5的相同，并且是通过一般真空淀积技术，例如蒸发方法或溅射方法，或照相平版技术形成的。栅电极8的材料宜于从以下物质中选择：例如，金属或合金材料诸如Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt或Pd，碳化物诸如TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC或WC，硼化物诸如HfB2、ZrB2、LaB6、CeB6、YB4或GdB4，氮化物诸如TiN、ZrN或HfN，半导体诸如Si或Ge。栅电极8的厚度被设为在几nm到几μm的范围内，最好从几nm到几百nm的范围中选择。注意电极8和5可以以相同材料或不同材料形成，并且可以以相同形成方法或不同形成方法形成。
(步骤6)
接下来，如图4C中所示，通过照相平版技术形成一个开口图案的掩模M，并且进行蚀刻处理，从而可形成一个具有图4D所示的形式的电子发射设备。栅电极和绝缘层7最好具有光滑和垂直的蚀刻表面，并且只需根据栅电极和绝缘层7的材料选择蚀刻方法。蚀刻方法可以是干式的或湿式的。通常，开口9的直径W1宜根据形成设备的材料或该设备的电阻值、电子发射设备的材料的功函和驱动电压，或所要求的电子发射束的形状来设置。通常，W1是从几百nm到几十μm的范围中选择的。
注意，本发明的电子发射设备不限于图4A至4D、16A和16B中所示的形式，在这些图中，用于抽取电子的电极(栅电极8等)被安排在层2之上，其中层2被安排在衬底之上。如图24D和25所示，本发明的电子发射设备可采用以下形式：作为电子发射层的层2和用于从层2抽取电子的电极(栅电极8)被安排在衬底1的表面上，以使得它们越过一个间隙(间隔)彼此相对。图24D是一幅示意截面图而图25是一幅示意平面图。即使在图24D所示的形式的电子发射设备的情况下，如果提供了一个阳极电极，则可以通过在衬底1上安排阳极电极来获得三极结构，如图16A所示。注意，虽然在图25和26中描绘了层2保持在栅电极8上的形式，但层2保持在栅电极8上并不总是必要的。
此外，在本发明的电子发射设备中，最好以氢终止层2的表面。通过以氢终止层2的表面，可进一步促进电子发射。
接下来将说明应用了本发明的电子发射设备的应用。本发明的多个电子发射设备被安排在一个衬底上，从而可构成一个电子源或一个图像显示装置。
采用了电子发射设备的多种排列。例如，有一种被动矩阵排列，其中多个电子发射设备被安排在X方向和Y方向的一个矩阵形状中，安排在同一行上的多个电子发射设备的电极之一被共同连接到X方向中的布线，而安排在同一列上的多个电子发射设备的另一个电极被共同连接到Y方向中的布线。
以下将用图5说明可应用本发明的、通过安排多个电子发射设备而获得的被动矩阵排列的电子源。在图5中，参考数字91表示一个电子源衬底；92表示X方向布线；而93表示Y方向布线。参考数字94表示本发明的电子发射设备。
m个X方向布线92包括Dx1、Dx2、…Dxm，且可由导电金属或类似材料构成，其是由真空蒸发方法、印刷方法、溅射方法或类似方法形成的。适当设计布线的材料、膜厚度和宽度。Y方向布线93包括n个布线Dy1、Dy2、…Dyn，并且通过与X方向布线92相同的方式形成。未显示出的层间绝缘层被提供在m个X方向布线92和n个Y方向布线93之间，并且使两种布线(m和n均为正整数)电隔离。
未显示的层间绝缘层是由SiO2或类似物构成的，其是用真空蒸发方法、印刷方法、溅射方法或类似的方法形成的。例如，层间绝缘层在衬底91的整个表面或部分表面上按所需要的形状形成，其中在衬底91上形成了X方向布线92。特别的，其膜厚度、材料和制造方法被设置为使得层间绝缘层能够耐受X方向布线92和Y方向布线93的交叉部分处的电势差。X方向布线92和Y方向布线93分别被抽出作为外部端口。
组成电子发射设备94的一对设备电极(即上述电极5和8)被m个X方向布线92和n个Y方向布线93以及由导电金属或类似的材料构成的连接电连接起来。
构成X方向布线92和Y方向布线93的材料、构成连接的材料和构成设备电极对的材料可以彼此相同，或者它们的组成元素部分或完全不同。根据上述设备电极(电极5和8)的材料适当选择这些材料。在组成设备电极的材料和布线材料相同的情况下，可以认为连接到设备电极的布线是设备电极。
未显示出的扫描信号施加装置连接到X方向布线92，其中扫描信号施加装置施加一个扫描信号，用于选择安排在X方向的电子发射设备94的一行。另一方面，未显示出的调制信号生成装置连接到Y方向布线93，其中调制信号生成装置用来根据输入信号调制安排在Y方向的电子发射设备94的每一行。施加到每个电子发射设备的驱动电压是作为施加到设备的扫描信号和调制信号的差分电压来提供的。
在上述构造中，用被动矩阵布线可以独立选择和驱动单个设备。现将用图6说明通过使用这种被动矩阵排列的一个电子源构成的一个图像显示装置。图6是显示图像显示装置的显示面板的一个例子的示意图。
在图6中，参考数字91表示一个电子源衬底，其上安排了多个电子发射设备；101表示一个背板，其上固定了电子源衬底91；而106表示一个正面板，其中作为图像形成构件的用作磷的荧光膜104、一个金属背面105以及类似的部件形成在一个玻璃衬底103内部。参考数字102表示一个支撑框架，并且用搪瓷玻璃或类似的材料将背板101和正面板106连接到支撑框架102。参考数字107表示一个外壳，它是密封的，并且是通过，例如，在保护气氛或氮中于400至500℃的温度范围内烘烤10分钟或更久而形成的。参考数字94对应于本发明的电子发射设备。参考数字92和93表示连接到电子发射设备的电极对8和5的X方向布线和Y方向布线。
如上所述，外壳107是由正面板106、支撑框架102和背板101构成的。由于提供背板101的目的主要是增加衬底91的强度，因此如果衬底91本身具有足够的强度，则不必单独提供背板101。即，支撑框架102可直接密封到衬底91上，以便用正面板106、支撑框架102和衬底91形成外壳107。另一方面，对于大气压力具有足够强度的外壳107也可以通过在正面板106和背板101之间设置一个未显示的支撑体来构成，该支撑体被称为间隔件。
注意，在使用本发明的电子发射设备的图像显示装置中，考虑到发射出的电子的轨道，磷(荧光膜104)被成一直线地安排在电子发射设备94上。在本发明中，由于电子束直接到达电子发射设备94上，因此图像显示装置是通过放置荧光膜104以便被直接安排在电子发射设备94之上而构成的。
接下来将说明一种用于密封经受密封处理过程的外壳(面板)的真空密封处理过程。
真空密封处理过程在加热外壳(安装板)107并且将其保持在80至250℃的同时，用一个排气装置(例如离子泵或吸收泵)通过排气管(未显示)对外壳(安装板)107排气，以获得具有足够少的有机物质的气氛，然后，用炉子加热排气管以便完全融化和密封它。为了在密封外壳107后保持压力，也可执行吸气处理。此处理用电阻加热、高频加热等来加热吸气剂，以便在进行外壳107的密封之前或之后立即形成蒸发膜，其中吸气剂被安排在外壳107中的一个预定位置处(未显示)。吸气剂通常包含Ba或类似的物质作为其主要元素，并且根据蒸发膜的吸收作用保持外壳107中的气氛。
在用通过上述处理过程制造的被动矩阵排列的电子源构成的图像显示装置中，电子发射是通过经由盒子Dox1至Doxm以及Doy1至Doyn外的终端将电压施加到各电子发射设备而引起的。此外，一个高电压Va经由一个高电压端子113被施加到金属背面105或一个透明电极(未显示)，以加速电子束。加速后的电子撞到荧光膜104并且发光，从而形成图像。
接下来，将用图7说明用于在一个显示面板上进行电视显示的一个驱动电路的结构，其中所述电视显示根据NTSC***的电视信号，并且所述显示面板是通过使用被动矩阵排列的电子源构成的。在图7中，参考数字121表示一个图像显示面板；122表示一个扫描电路；123表示一个控制电路；而124表示一个移位寄存器。参考数字125表示一个线路存储器；126表示一个同步信号分离电路；而127表示一个调制信号生成器；而参考符号Vx和Va表示DC电压源。
显示面板121经由终端Dox1至Doxm、终端Doy1至Doyn以及高电压终端Hv连接到一个外部电路。用于顺序驱动显示面板中设置的电子源的扫描信号被施加到终端Dox1至Doxm，其中电子源即是指按照一行布线在M行N列的一个矩阵形状中的电子发射设备组(N个设备)。
用于控制被扫描信号选中的一行的电子发射设备中每个设备的输出电子束的调制信号被施加到终端Doy1至Doyn。从DC电压源Va例如提供一个10k[V]的DC电压到高电压终端Hv。此电压是一个加速电压，用于提供足够的能量来激励磷以得到从电子发射设备发射出的电子束。
现将说明扫描电路122。此电路内部提供了M个开关元件(在图中将开关元件示意性地显示为S1至Sm)。各开关元件选择DC电压源Vx的输出电压和0[V](地电平)中的一个，并且电连接到显示面板121的终端Dox1至Doxm。S1至Sm中的各开关元件根据控制电中123输出的控制信号Tscan操作，并且可以通过组合一个开关元件(例如FET)来构成。
在这个例子的情况下，DC电压源Vx被设置为输出一个恒定电压，用于根据电子发射设备的特性(电子发射阈电压)使要施加到一个尚未被扫描的设备的驱动电压等于或低于电子发射阈电压。
控制电路123具有匹配各部件的操作的功能，从而可根据从外部输入的图像信号进行适当的显示。根据从同步信号分离电路126发送来的同步信号Tsync，控制电路123生成各部件的控制信号Tscan、Tsft和Tmry。
同步信号分离电路126是用于从外部输入的NTSC***电视信号中分离出一个同步信号分量和一个亮度信号分量的电路，且可以用一般的频率分离(滤波器)电路或类似的电路来构成此电路。虽然由同步信号分离电路126分出的同步信号包括一个垂直同步信号和一个水平同步信号，但这里为了便于说明，将它描述为Tsync信号。为方便起见，从电视信号分离出的图像的亮度信号分量被表示为DATA信号。DATA信号输入到移位寄存器124。
移位寄存器124对于一幅图像的每一行串行/并行转换按时间序列串行输入的DATA信号，并且根据从控制电路123发送的控制信号Tsft进行操作(即，可以说控制信号Tsft是移位寄存器124的移位时钟)。一幅图像的一行的经串行/并行转换后的数据(等价于电子发射设备的N个设备的驱动数据)作为N个并行信号Id1至Idn从移位寄存器124输出。
线路存储器125是一个储存设备，用于仅在必要的时间内储存一幅图像的一行的数据，并且根据从控制电路123发送的控制信号Tmry适当地储存Id1至Idn的内容。储存的内容作为I’d1至I’dn输出，并输入调制信号生成器127。
调制信号生成器127是一个信号源，用于根据各图像数据I’d1至I’dn进行驱动以便适当地调制各电子发射设备，并且它的一个输出信号通过终端Doy1至Doyn加到显示面板121中的电子发射设备。
本发明的电子发射设备具有以下关于发射电流Ie的基本特征。即，电子发射具有一个明确的阈电压Vth，并且只有当等于或高于Vth的电压被加到电子发射设备时才发生电子发射。响应等于或高于电子发射阈值的电压，发射电流根据加到设备上的电压的变化而变化。从而，在一个电压被加到设备的情况下，例如，虽然即使在一个等于或低于电子发射阈值的电压被加到设备的情况下不发生电子发射，但是在一个等于或高于电子发射阈值的电压被加到其上的情况下，将输出电子束。在该情况下，可以通过改变所加的电压Vf来控制输出的电子束的强度。此外，在一个脉冲电压被加到该设备的情况下，可以通过改变脉冲高度Ph来控制电子束的强度，并且通过改变脉冲的宽度Pw来控制输出的电子束的电荷总量。
因此，可采用电压调制***、脉冲宽度调制***或类似的***来作为根据一个输入信号调制电子发射设备的***。在实现电压调制***时，可采用电压调制***的电路来作为调制信号生成器127，其中该电路生成一个固定长度的电压脉冲，以便根据输入的数据适当调制脉冲的峰值。
在实现脉冲宽度调制***时，可采用脉冲宽度调制电路的一个电路来作为调制信号生成器127，该电路生成一个固定峰值的电压脉冲，以便根据输入的数据适当调制电压脉冲的宽度。
对于移位寄存器124和线路存储器125，既可采用数字信号***，也可采用模拟信号***。这是因为图像信号的串行/并行转换和储存只需要以一个预定的速度来执行。
在采用数字信号***的情况下，有必要将同步信号分离电路126的输出信号DATA转变成一个数字信号。为了实现此目的，只需要在同步信号分离电路126的输出部分提供一个A/D转换器。与此相关，调制信号生成器127中采用的一个电路根据线路存储器125的输出信号是数字信号还是模拟信号而略有不同。即，在采用数字信号的电压调制***的情况下，例如，一个D/A转换电路被用于调制信号生成器127，并且如果必要的话，一个放大电路或类似的电路被添加到其上。在脉冲宽度调制***的情况下，例如，一个电路被用作调制信号生成器127，在该电路中结合了一个高速振荡器、一个用于对高速振荡器输出的波数进行计数的计数器、以及一个用于比较计数器的输出值和存储器的输出值的比较器。如果必要的话，也可添加一个放大器，用于将一个调制信号调制到电子发射设备的驱动电压，该调制信号是从比较器输出的，它受到脉冲宽度调制。
在使用模拟信号的电压调制***的情况下，例如，可采用一个使用运算放大器或类似元件的放大电路来作为调制信号生成器127，并且如果必要的话，可在其上添加一个电平移动电路或类似的电路。在脉冲宽度调制电路的情况下，例如，可采用一个电压控制振荡电路(VCO)，并且如果必要的话，可向其添加一个放大器，用于将调制信号放大到电子发射设备的驱动电压。
在可以应用本发明的图像显示装置中，一个电压经由盒子Dox1至Doxm和Doy1至Doyn外的终端被加到各电子发射设备，从而发生电子发射，其中图像显示装置可采用上述结构。一个高电压经由高电压终端Hv被加到金属背面105或一个透明电极(未显示)，以加速电子束。加速后的电子碰撞荧光膜，并发生光发射，从而形成图像。
这里说明的图像显示装置的结构是可以应用本发明的图像显示装置的一个例子，可以根据本发明的技术概念进行各种修改。对于输入信号，将NTSC***作为一个例子进行说明。但是，输入信号并不限于这种信号，除了PAL***和SECAN***外，可采用由比PAL和SECAM***更多的扫描线组成的TV信号***(即，以MUSE***或类似***为代表的高清晰度TV)。
本发明的图像显示装置除了用作用于电视广播的显示装置和用于电视会议***、计算机等的显示装置外，也可以以光学打印机的方式用作图像显示装置或类似装置，其中光打印机是通过采用感光鼓等构成的。
实施例
以下将详细说明本发明的实施例。
(第一实施例)
以下将用图8A(a)至8A(c)说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
首先将石英用作衬底1，然后在充分清洁衬底之后，通过溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极(图8A(a))。
接下来，通过溅射方法将厚度约为12nm的碳膜2淀积到阴极电极5上，其中碳膜2中镍浓度为0.02％。Ar被用作保护气体。条件如下所述。
rf电源：13.56MHz
rf功率：400W
气体压强：267mPa
衬底温度：300℃
靶：石墨和镍的混合靶
接下来，通过在包含氢的保护气氛中于600℃用灯加热300分钟来对衬底进行热处理。然后如图8A(c)所示，镍凝聚并且形成多个主要包含镍的粒子3。如图8A(c)所示，金属粒子3的集合体(粒子组)10存在于碳膜2的厚度之内，或者彼此离得更远。根据TEM观测，热处理形成的镍粒子3的浓度P为P＝1×1016/cm3。
测量此实施例中制造的包含层2和阴极电极5的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极(其面积为1mm2)，该阳极与层(电子发射膜)2平行，并且与层2相距1mm。图9显示了该电子发射设备的电压/电流特性。注意水平轴表示电场强度，而垂直轴表示发射电流密度。
在本实施例中制造的电子发射设备中，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性。
(第二实施例)
以下将用图8B(a)至8B(c)说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
首先将石英用作衬底1，然后在充分清洁衬底之后，通过溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极(图8B(a))。
接下来，通过溅射方法将厚度约为12nm的碳膜2淀积到阴极电极5上，其中碳膜2中钴浓度为0.3％，氢浓度为1％。Ar和H2以1∶1比例混合的混合气体被用作保护气体。条件如下所述。
rf电源：13.56MHz
石墨rf功率：1KW
钴rf功率：1KW
气体压强：267mPa
衬底温度：300℃
靶：石墨和钴的混合靶
接下来，通过在乙炔和氢混合的保护气氛中于600℃用灯加热60分钟来对衬底进行热处理。反应比第一实施例中说明的氢保护气氛时快，并且钴凝聚并且形成晶体结构的钴粒子3(图8B(c))。此时，在除凝聚的钴粒子3之外的部分中，钴等于或小于EDAX测量中的检测极限。根据TEM观测，热处理形成的钴粒子的浓度P为P＝1×1017/cm3。
与实施例1一样，这里也可测量此实施例中制造的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极，该阳极与电子发射膜平行，并且与电子发射设备相距1mm。结果，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性。此外，可形成与第一实施例相比硬度更小、应力更小的电子发射膜。
(第三实施例)
以下将用图10A至10C说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
首先，如图10A所示，将n+Si衬底用作衬底1，并且将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极5。接下来，通过HFCVD方法淀积厚度约为30nm的碳膜2。图11中显示了HFCVD方法的装置图。
在图11中，参考数字21表示一个真空容器；22表示一个衬底；23表示一个衬底支架；24表示一个热源，用于溶解热电子和材料气体以生成离子；25表示一个衬底偏置电极，用于将电压加到衬底；26表示一个电极，用于从热源24提取热电子；27表示一个监控机制，用于观察衬底电压和流向衬底的电流；28表示一个电源，用于将电压加到衬底；29表示一个电流监控机制，用于监控衬底电流；30表示一个电压施加机制，用于将电压加到一个热电子抽取电极；31表示一个电源，用于将电压加到该热电子抽取电极；32表示一个膜形成过程控制机制，用于控制机制27和30；33表示一个气体引入端口；以及34表示一个排气泵，用于为真空容器21排气。
注意，可以通过一个陶瓷板等使衬底支架23和衬底偏置电极25绝缘。此外，通过一个未显示的电源将电压输入到热源24，并且将热源24加热到所需要的温度。此处的电源可为直流也可为交流。此外，膜形成过程控制机制32可由个人电脑或类似的设备控制，或者可以具有能手动控制的结构。
在图11所示的一个HFCVD装置中，将一个n+Si衬底安排在衬底偏置电极25上，并且用排气泵34将真空容器21排气到1×10-5Pa。接下来，从气体引入端口33引入10sccm的氢气，并将真空容器21保持在1×10-1Pa。此后，在将14V的AC电压加到热源24以将其加热到2100℃后，用电压施加机制27将150V的DC电压加到衬底偏置电极25，并且通过电流监控器29观察到一个0.5mA的电流值。保持此状态20分钟，并且进行衬底清洁。
接下来，停止氢气引入，并且在将真空容器21再次排气到1×10-5Pa后，真空容器21被保持在1×10-1Pa。接下来，在用一个衬底加热机制将衬底22设置为30℃后，将-150V的DC电压加到衬底偏置电极25。然后将15V的AC电压加到热源24以将其加热到2100℃。接着，将一个电压加到热电子抽取电极26，并且使离子照射到衬底22上。此处，热电子抽取电极26的电压值被设置为90V，以便由电流监控机制29观察到的电流量变为5mA，并且保持衬底22为此状态10分钟，以形成具有许多SP3键的DLC膜2。
接下来，通过离子注入方法，在25keV下并且按3×1016/cm2的剂量将钴注入DLC(类钻碳)膜(图10B)。
接下来，通过在0.1％乙炔(99.9％氢)的保护气氛中于550℃用灯加热300分钟来对衬底进行热处理。然后如图10C所示，钴凝聚和以及晶体结构的钴粒子3部分形成在一个表面层(层2)上。此外，钴粒子3的集合体(粒子组)10离散地形成在层2上。此处，在钴膜中除凝聚的钴粒子外的部分中，钴等于或小于EDAX测量中的检测极限。另一方面，在接近DLC膜和Si衬底之间的接口的部分(层2’)中，钴粒子的密度高，并且它们大多数起导体(导电层)的作用。在一个截面TEM图像中，看到钴粒子3以单晶状态存在于DLC膜2中。当图像被进一步放大时，观察到在Co粒子周围形成了一个石墨层。据TEM观测，热处理形成的钴粒子的浓度为P＝5×1016/cm3。氢浓度为4％。
此外，当用一个AFM评估层2的表面不均匀度时，发现当P-V(峰-谷)值(最大值-最小值)为4.4nm，而rms为0.28nm时，可保证平面性。
测量这样制造出的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极(面积为1mm2)，该阳极与电子发射设备平行，并且与电子发射设备相距1mm。
图12显示了此处的伏安特性。注意，水平轴表示电场强度而垂直轴表示发射电流密度。
在此实施例中制造的电子发射设备中，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性。电子发射点密度(ESD)等于或大于1×106/cm2，而发射电流密度等于或大于10mA/cm2。
(第四实施例)
以下将用图13A至13C说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
将n+Si衬底用作衬底1，并且用溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极5。接下来，通过HFCVD方法淀积厚度约为15nm的DLC膜2(与第三实施相似)。调整膜厚度以缩短时间。
接下来，对DLC膜2施加光致抗蚀剂并且形成图案，此后，通过离子注入方法，在25keV下并且按5×1016/cm2的剂量将钴注入DLC膜2(图13B)。钴只是部分注入没有安排光致抗蚀剂R的区域。RP在硅衬底中，并且在碳膜中只形成一个第三实施例的低浓度钴层。由于DLC膜经历了图案形成和离子注入，因此确定了形成包含金属的粒子的位置，并且在DLC膜2中，从阴极电极侧到DLC膜2的表面安排的区域(粒子的集合体10)决不彼此相邻地形成，而是以多个的形式离散安排，即使离子注入浓度较高。
接下来，通过在0.1％乙炔(99.9％氢)的保护气氛中于750℃用灯加热60分钟来对衬底进行热处理。然后如图13C所示，钴凝聚并且晶体结构的钴粒子3以高浓度形成。当图像被进一步放大时，观察到在Co粒子周围形成了一个石墨的微结构(graphen)4。
测量这样制造出的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极，该阳极与电子发射设备平行，并且与电子发射设备相距1mm。结果，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性。
(第五实施例)
以下将用图14A、14B和14C说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
将n+Si衬底用作衬底1，并且用溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极5。接下来，与第三实施例相似，通过HFCVD方法淀积厚度约为15nm的DLC膜2(图14A)。
接下来，通过溅射方法形成厚度为25nm的二氧化硅膜200。此后，通过离子注入方法，在25keV并以5×1015/cm2的剂量将钴注入二氧化硅膜和DLC膜(图14B)。RP在二氧化硅膜中，且在DLC的表面上浓度高达1％。
在用缓冲氢氟酸除去二氧化硅膜后，通过在0.1％乙炔(99.9％氢)的保护气氛中于550℃用灯加热300分钟来对衬底进行热处理。然后如图14C所示，钴凝聚，并且晶体结构的钴粒子3以高浓度2×1017/cm3形成在其表面。
测量这样制造出的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极，该阳极与电子发射膜平行，并且与电子发射设备相距1mm。结果，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性。虽然电子发射的阈值较高，但与第三实施例相比有许多发射点，并且获得了等于或大于1×107/cm2的ESD和等于或大于10mA/cm2的电流密度。
(第六实施例)
以下将用图15说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
首先将石英用作衬底1，然后在充分清洁衬底1之后，通过溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极5。
接下来，通过溅射方法将厚度约为12nm的碳膜6淀积到阴极电极5上。Ar/H2被用作保护气体。条件如下所述。
rf电源：13.56MHz
rf功率：400W
气体压强：267mPa
衬底温度：300℃
靶：石墨
接下来，将厚度为12nm、钴浓度为8％的碳膜淀积在碳膜6上，以钴和石墨的多靶作为靶。Ar/H2被用作保护气体。条件如下所述。
rf电源：13.56MHz
石墨rf功率：600W
钴rf功率：10W
气体压强：267mPa·BR＞衬底温度：300℃
靶：石墨和钴。
注意，在此过程中，石墨靶一侧的功率增大，且钴比率逐渐减小。在衬底表面，钴浓度设为0.1％。
接下来，在0.1％乙炔的保护气氛(99.9％的氢)中于600℃对衬底进行300分钟的热处理。从而如图15所示，钴凝聚，并且形成晶体结构的钴粒子3。形成了分层结构，其中一个Ta电极5、一个由无定形碳形成的高电阻层6、一个以高浓度排列Co粒子3的低电阻Co-C层2’、以及一个以低浓度排列Co粒子3的层2按照此顺序层叠。在层2中，离散地形成了区域(粒子集合体)10，其中钴粒子3从阴极电极5一侧向层2的表面排列。在这样的结构中，底层的高电阻层6用作一个电流限制电阻，防止发射电子时发射过多电子，并且有助于均匀的电子发射。在中间的低电阻层2’中，钴粒子的密度高，通过高电阻层6的电子进入钴粒子，并且利用一个电场向上传导。此低电阻层2’用作一个导体，而不是介电体。在衬底表面附近，钴粒子密度低，在这里获得了可能发生电场聚焦的结构，且电子被发射到真空中。
测量这样制造出的电子发射设备的电子发射特性。用本实施例中制造的电子发射设备作为阴极，一个电压被加到一个阳极，该阳极与电子发射设备平行，并且与电子发射设备相距1mm。结果，没有显著的电击穿，即，可以观察到不用调节的令人满意的电子发射特性，该特性显示了均匀的光发射特性。
(第七实施例)
图16A显示了根据此实施例制造的一个电子发射设备的示意截面图，图16B显示了它的一个示意平面图。
参考数字1表示一个衬底；5表示一个阴极电极；7表示一个绝缘层；8表示一个栅电极；以及2表示一个电子发射膜。此外，参考符号W1表示栅电极8中的一个孔的直径。参考符号Vg表示加在栅电极8和阴极电极5之间的一个电压；Va表示加在栅电极8和阳极12之间的一个电压；以及Ie表示电子发射电流。
当加上Vg和Va以驱动设备时，在孔中形成一个强电场，且孔中的等势面的形状是根据Vg、绝缘层7的厚度和形状或者绝缘层的介电常数等确定的。在该孔外，由于Va而获得了一个基本平行的等电势面，尽管主要取决于阴极电极5和阳极12之间的距离H。
当加到电子发射膜2的电场超过某个特定的阈值时，电子从电子发射膜中发射出来。此时从孔中发射出的电子朝向阳极12被加速并与阳极12中的磷(未显示)相撞以发光。
以下将用图4A至4D详细说明此实施例的电子发射设备的制造过程。
(步骤1)
首先如图4A所示，将石英用作衬底1，然后在充分清洁衬底1之后，通过溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为阴极电极5。
(步骤2)
接下来，通过HFCVD方法淀积厚度约为30nm的碳膜2。此处，碳膜2是以生长DLC的条件形成的。生长条件如下所示。
气体：CH4
衬底偏置：-50V
气体压强：267mPa
衬底温度：室温
灯丝：钨
灯丝温度：2100℃
反向偏置：100V
(步骤3)
接下来，通过离子注入方法，在25keV下并以3×1016/cm2的剂量将钴注入DLC膜2。
(步骤4)
接下来，通过在0.1％乙炔的保护气氛(99.9％的氢)中于550℃用灯加热60分钟来对衬底进行热处理。
(步骤5)
接下来，如图4B所示，依次分别将厚度为1μm的SiO2和厚度为100nm的Ta淀积作为绝缘层7和栅电极8。
(步骤6)
接下来，如图4C，通过照相平版印刷术暴光和显影一个正性光致抗蚀剂(AZ1500/Clariant公司制造)的旋涂和光掩模图案以形成一个掩模图案。
(步骤7)
如图4D所示，用CF4气体在用所述掩模图案作掩模的情况下干刻Ta栅电极8，接下来用缓冲氢氟酸蚀刻SiO2膜7以形成开口9。
(步骤8)
完全去除掩模图案以完成此实施例的电子发射设备。注意，这种膜应力小，并且不会发生膜剥落或过程中的其他问题。
如图16A和16B所示，阳极12被安排在按照上述方式制造的电子发射设备之上，并且在电极5和8之间加一个电压以驱动设备。图17是通过上述形式制造的电子发射设备的伏安特性图。根据本发明，可以用低电压发射电子。可以形成一个电子源，其中实际电压Vg＝20V和Va＝10kV并且电子发射设备和阳极12之间的距离H设为1mm。
此处，虽然电子发射部件被描述为一个基本圆形的孔，如图16A和16B所示，但是此电子发射部件的形状并不是特别限制的，它可以形成为，例如一条线的形状。制造方法完全相同，只不过图形形状改变了。也可能安排多条线图形，并且可以保证大的发射面积。
(第八实施例)
以下将用图19A至19C说明根据此实施例制造的一个电子发射设备的制造过程。
首先将石英用作衬底1，然后在充分清洁衬底1之后，通过溅射方法将厚度为500nm的Ta膜形成为一个阴极电极5。接下来，通过溅射方法，用一个包含钴且钴浓度为1.0％的碳靶和一个石墨靶，将包含0.8％钴的碳层211淀积到阴极电极5上(图19A)。
接下来，通过只用一个石墨靶，将厚度为几十nm的不包含钴的碳层212淀积到碳层211上(图19B)。
接着，通过在乙炔和氢的混合保护气氛中于600℃用灯加热60分钟来对衬底进行热处理，以便在层211中形成包含Co作为主体的微粒213，以便在膜厚度方向重叠(图19C)。
在此实施例中，包含钴的碳层211被不包含钴的碳层覆盖，从而可在抑制层211表面上外来物生长的同时制造包含较高浓度的钴的碳膜。根据TEM观测，在此实施例中形成的层(由211和212表示的区域)中的钴粒子浓度为P＝3×1017/cm3。此外，在将阳极电极安排为与此实施例中制造的电子发射设备(阴极电极5和碳膜(211和212))相对之后，当在阴极电极和阳极电极之间加一个电压以测量电子发射特性时，可改善电子发射点密度。
(第九实施例)
用与第八实施例中相同的膜形成装置形成碳膜(211、212)。但是，在此实施例中，包含钴的碳靶的rf功率随着时间流逝从100W变到700W，并且在衬底1的一个接口附近形成一个钴浓度低的区域，以便形成高电阻膜。结果，可降低电子发射时的波动，并获得稳定的电子发射特性。
(第十实施例)
在与第八实施例相同的条件下在一个阴极电极5上形成碳膜(211，212)，并且通过在乙炔和氢的混合保护气氛中用灯加热来对衬底进行热处理。但是，在此实施例中，在热处理后，通过氢等离子体去除不包含钴的碳层，以暴露一部分钴粒子，以便电子更易发射到真空中(参见图20)。结果，可形成能够以较低电场强度发射电子的电子发射膜。
(第十一实施例)
图21和22中显示了根据此实施例制造的一个电子发射设备的示意图。图21是示意截面图，图22是示意平面图。
参考数字1表示一个衬底；2表示一个电子发射膜；5表示一个阴极电极；7表示一个绝缘层；8表示一个栅电极；以及210表示一个聚焦电极。通过提供聚焦电极201，可获得更高精度的电子束。
以下将用图23A至23D说明在此实施例中制造的一个电子发射设备的制造方法。
首先，通过溅射方法在石英衬底1上淀积厚度为500nm的Ta电极，以形成阴极电极5。接下来，通过热灯丝CVD方法(HFCVD方法)形成厚度为25nm的类钻碳膜(DLC膜)2，然后，通过溅射方法淀积厚度为25nm的Al以形成聚焦电极201。接着，淀积厚度为500nm的二氧化硅膜7，并且淀积厚度为100nm的Ta作为栅电极8，以形成图23A中所示的分层结构。
通过照相平版印刷术在Ta膜8和二氧化硅膜7中形成φ1μm的开口区域(图23B)。更具体地，当通过蚀刻去除衬底直到二氧化硅膜时，停止形成开口区域。
接下来，通过离子注入方法，在25keV下并以5×1015/cm2的剂量将钴离子注入分层结构(图23C)。在此实施方式中，由于Co离子是在安排了Al层201的状态下注入碳膜2的，因此可简单地设置Co浓度以使其在碳膜2表面附近为最高。
接下来，在用磷酸蚀刻以去除Al层201之后，通过在乙炔和氢的混合保护气氛中用灯加热来对碳膜2进行热处理(图23D)。
当这样制造出来的电子发射设备被安放在一个真空容器中，并且3kV的电压被加到一个安排在与阴极电极5相距1mm的位置处的阳极电极(其表面有磷)，以及同时，一个用于从碳膜2抽取电子的电势被加到栅电极8，从而电子从碳膜2向阳极电极发射以驱动设备时，在磷中观察到发射出的光图像。当此结果与从第七实施例中制造的电子发射设备发射的电子束的发射出的光图像相比较时，束大小(发射出的光图像)减小，并实现了高精度。根据此实施例，通过与使用离子注入掩模一起使用聚焦电极201，实现了制造过程的高精度和简化，并且实现了低成本。
(第十二实施例)
在此实施例中，以氢主动地终止第二实施例中的碳膜2的表面。更具体地，用在总压强为7Kpa的保护气氛(70％甲烷和30％氢)中于60度下60分钟的热处理取代了第二实施例中的在乙炔和氢的混合保护气氛中的热处理。制造过程的其他部分与第二实施例相同。
当以与第二实施例相同的方式测量根据此实施例制造的碳膜的电子发射特性时，电子发射开始时的电压减半，并且同时，当施加与加到第二实施例的碳膜2的电势相同的电势时获得的电子发射量本身也增加了，并且ESD也增加了两位数。
注意，虽然在此实施例中将在上述条件下在碳氢化合物和氢的混合保护气氛中的热处理描述为在碳膜(层)2表面的氢终止处理，但是氢终止处理不限于上述例子。可以根据其他方法进行氢终止处理。
(第十三实施例)
用上述第七实施例中制造的电子发射设备制造图像显示装置。第七实施例中说明的设备被安排在一个100×100的矩阵形状中。X侧的布线连接到阴极电极5，而Y侧的布线连接到栅电极8，如图5所示。以水平300μm和垂直300μm的间距安排各设备。磷被安排在各设备之上。从而可形成一个图像显示装置，它能按矩阵被驱动，并且亮度和精度都高。
(第十四实施例)
图24A至24D和25中显示了根据此实施例制造的一个电子发射设备的示意图。图24A至24D是此实施例中制造的电子发射设备的制造过程的示意截面图。图25是图24A至24D中获得的电子发射设备的示意平面图。
以下将用图24A至24D说明此实施例中制造的电子发射设备的制造方法。
首先，用溅射方法在一个绝缘衬底1上淀积厚度为100nm的由Ta组成的导电膜241。接下来，在通过热灯丝CVD方法(HFCVD方法)在由Ta组成的导电膜上形成厚度为35nm的碳膜2后，在碳膜上淀积厚度为30nm的由二氧化硅膜242组成的绝缘层。
接着，通过照相平版印刷术在在二氧化硅膜、碳膜和导电膜中形成一个宽度W为2μm的间隙243(图24B)。
接下来，在去除光致抗蚀剂后，通过离子注入方法，在25keV下以及按1×1015/cm2的剂量(图24C)将钴离子注入碳膜和二氧化硅膜层的分层体，在此实施例中，由于Co离子是在安排了二氧化硅膜层的状态下注入到碳膜中的，因此可简单地设置Co浓度以使其在碳膜表面附近最高。
接着，在蚀刻去除二氧化硅膜层后，在乙炔和氢的混合保护气氛中通过灯加热对碳膜2进行热处理(图24D)。根据此过程，形成了层2，其中多个Co粒子沿膜厚度方向安排。
当通过将这样制造的电子发射设备设置在一个真空容器中、将5kV的电压加到安排在距离衬底1向上1mm远处某位置的一个阳极电极(其表面有磷)、并且同时施加一个驱动电压到阴极电极5和栅电极8，从而电子被从层2驱动地发射出时，，则可以用低驱动电压观察到从磷发射出的光图像。
注意，虽然在此实施例中说明了层2保持在栅电极8上的形式，但层2不必总是保持在栅电极8上。
(发明效果)
如上所述，本发明可提供一种电子发射设备，它不包括调节过程，并且能够以低阈值发射电子。此外，本发明可提供一种电子发射设备，其中电子束的斑点大小较小，可以用低电压进行高效电子发射，并且制造过程简单。
当本发明的电子发射设备用于电子源和图像显示装置时，可实现性能优良的电子源和图像显示装置。

Claims (40)

1.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；
电连接到所述阴极电极的一层；以及
多个粒子，每个粒子包含一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数低于所述层的材料的电阻系数，其中
所述的多个粒子被安排在所述层上；并且
所述层中的粒子的密度大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3。
2.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；
电连接到所述阴极电极的一层；以及
多个粒子，每个粒子包含一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数低于所述层的材料的电阻系数；其中
所述的多个粒子被安排在所述层上；并且
所述粒子的一种主要元素相对于所述层的一种主要元素的浓度为大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
3.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；
电连接到所述阴极电极的一层；以及
多个粒子，每个粒子包含一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数低于所述层的材料的电阻系数；其中
所述的多个粒子被安排在所述层上；
所述层中的粒子的密度为大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3；并且
所述粒子的一种主要元素相对于所述层的一种主要元素的浓度为大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
4.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；
安排在所述阴极电极层上并且包含碳作为一个主要成分的一层；以及
至少两个粒子，所述的两个粒子被安排为在所述层中彼此相邻，并且各自包含金属作为主要成分，其中
所述的相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且
所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的金属。
5.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；以及
连接到所述阴极电极的一层，其中
多组粒子被安排在所述层中，每个组包括至少两个彼此相邻的粒子；
每个所述的粒子包含一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数低于所述层的材料的电阻系数，
所述的相邻的两个粒子被安排在小于或等于5nm的范围内；
所述的相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且
所述的多组粒子被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度。
6.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；以及
连接到所述阴极电极的一层，其中
多组粒子被安排在所述层中，每个组包括至少两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子；
所述层包含一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数高于所述粒子的电阻系数；
所述的相邻的两个粒子被安排在小于或等于5nm的范围内；并且
所述的相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极。
7.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；以及
连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层，其中
多组粒子被安排在所述层中，每个组包括至少两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子；
所述的多组粒子被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度；并且
在所述层的表面一侧的层中的金属的浓度比所述阴极电极一侧的低。
8.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；以及
连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层，其中
多组粒子被安排在所述层中，所述粒子包括至少两个包含金属作为一个主要成分并且彼此相邻的粒子；
所述的相邻的两个粒子之一被安排为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且
在所述的多个粒子的至少一部分中的两个相邻粒子之间包含graphen。
9.一种电子发射设备，包括：
一个阴极电极；
电连接到所述阴极电极并且包含碳作为一个主要成分的一层；以及
安排在所述层中的多个导电粒子，每个粒子包含碳作为一个主要成分，其中
所述层包含的氢元素相对于碳元素大于或等于0.1atm％。
10.根据权利要求9所述的电子发射设备，其中所述层包含的氢元素相对于碳元素大于或等于1atm％。
11.根据权利要求10所述的电子发射设备，其中所述层包含的氢元素相对于碳元素小于或等于20atm％。
12.根据权利要求1至11中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层的表面不均匀度按均方根值来算小于其膜厚度的1/10。
13.根据权利要求1至3、5和6中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层包含碳作为一个主要成分。
14.根据权利要求4、7、8和13中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层中氢相对于碳的平均浓度大于或等于0.1atm％。
15.根据权利要求4、7、8、9和13中任何一个所述的电子发射设备，其中所述的包含碳作为一个主要成分的层具有一个sp3键。
16.根据权利要求1至3、5和9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述粒子包含金属作为一个主要成分。
17.根据权利要求6至8和16中任何一个所述的电子发射设备，其中所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的金属。
18.根据权利要求1至3、5和9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述粒子包含单晶金属作为一个主要成分。
19.根据权利要求1至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述粒子的平均粒子直径为大于或等于1nm到小于或等于10nm。
20.根据权利要求1至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层的厚度小于或等于100nm。
21.根据权利要求1至4和7至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述的多个粒子中的至少两个相邻的粒子被安排为彼此离开的距离小于或等于5nm。
22.根据权利要求4至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层中的粒子的密度大于或等于1×1014/cm3并且小于或等于5×1018/cm3。
23.根据权利要求1至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述层中的粒子的密度大于或等于1×1015/cm3并且小于或等于5×1017/cm3。
24.根据权利要求4至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述粒子的一种主要元素相对于所述层的一种主要元素的浓度大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
25.根据权利要求1至9中任何一个所述的电子发射设备，其中所述粒子的一种主要元素相对于所述层的一种主要元素的浓度大于或等于0.05atm％并且小于或等于1atm％。
26.根据权利要求1至3和9中任何一个所述的电子发射设备，其中
所述的多个粒子作为多组粒子被分散地安排在所述层中，每个组包括至少两个相邻的粒子；
所述的相邻的两个粒子之一被安放为比另一个粒子更接近所述阴极电极；并且
所述的多组粒子被安排为彼此远离，离开的距离大于或等于所述层的平均膜厚度。
27.根据权利要求1至26中任何一个所述的电子发射设备，其中以氢终止所述层的表面。
28.根据权利要求1至27中任何一个所述的电子发射设备，进一步包括：
一绝缘膜，所述绝缘膜被安排在所述阴极电极上并具有一个第一开口；以及
一个栅电极，所述栅电极被安排在所述绝缘膜上并具有一个第二开口，
其中：
所述的第一开口和所述的第二开口彼此相通；并且
所述层暴露在所述的第一开口中。
29.一种电子源，其中安排了多个根据权利要求1至28中任何一个所述的电子发射设备。
30.一种图像显示装置，其特征在于包括根据权利要求29所述的电子源，以及一个光发射构件，其通过用电子照射而发射光。
31.一种电子发射设备的制造方法，包括：
形成一个层，它包含金属并且包括一种材料作为一个主要成分，所述材料的电阻系数高于所述金属的电阻系数；并且
在包含氢的保护气氛中加热所述层。
32.根据权利要求31所述的电子发射设备的制造方法，其中所述的包含氢的保护气氛进一步包含碳氢化合物。
33.根据权利要求32所述的电子发射设备的制造方法，其中所述碳氢化合物是乙炔。
34.根据权利要求31至33中任何一个所述的电子发射设备的制造方法，其中所述金属是第八族元素。
35.根据权利要求31至33中任何一个所述的电子发射设备的制造方法，其中所述金属是从Co、Ni和Fe中选出的金属。
36.根据权利要求31至35中任何一个所述的电子发射设备的制造方法，其中所述加热中的热处理温度大于或等于450℃。
37.根据权利要求31至36中任何一个所述的电子发射设备的制造方法，其中所述的包含一种电阻系数高于所述金属的电阻系数的材料作为一个主要成分的层是包含碳作为一个主要成分的层。
38.根据权利要求37所述的电子发射设备的制造方法，其中在所述加热之前所述金属被包含在所述的包括碳作为一个主要成分的层中，并且所述金属相对于所述碳元素的比率为大于或等于0.001atm％并且小于或等于5atm％。
39.根据权利要求37所述的电子发射设备的制造方法，其中在所述加热之前所述金属被包含在所述的包括碳作为一个主要成分的层中，并且所述金属相对于所述碳元素的比率为大于或等于0.001atm％并且小于或等于1.5atm％。
40.根据权利要求37至39中任何一个所述的电子发射设备的制造方法，其中在所述的加热前包含碳作为一个主要成分的膜具有一个sp3键。
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