JP2004014406A

JP2004014406A - 電子源装置とその製造方法および表示装置

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Publication number: JP2004014406A
Application number: JP2002168880A
Authority: JP
Inventors: Takeo Ito; 伊藤　武夫; Shuzo Matsuda; 松田　秀三; Hajime Tanaka; 田中　肇; Masaaki Inamura; 稲村　昌晃; Kazuo Sakai; 坂井　和夫
Original assignee: Toshiba Corp; Fuji Pigment Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Fuji Pigment Co Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】電子放出能力が高く、安価で寿命の長い電子源装置を提供する。
【解決手段】本発明の電子源装置は、垂直方向に配置された多数の微細孔（ナノホール）を有する多孔質絶縁体層（例えば多孔質アルミナ層）と、そのナノホールの開口部側の面に配設された第１の導電体層と、ナノホール内に形成された導体または半導体から成る導通層と、第２の導電体層とを備え、ナノホールの底部側端部と第２の導電体層とが誘電体から成るバリア層により隔てられている。そして、第１の導電体層と第２の導電体層との間に電圧が印加され、この電圧により第２の導電体層からバリア層に向う方向と反対方向に電子が放出されるように構成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子源装置とその製造方法、および電子源装置を備えた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、平面型の画像表示装置として、フィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤと示す。）の開発が進められている。このＦＥＤは、所定の隙間をおいて対向配置されたフェースプレートとリアプレートとを有し、フェースプレートの内面には３色の蛍光体層が形成され、リアプレートの内面には、これらの蛍光体を励起する電子を放出する電子放出源が設けられている。
【０００３】
従来、ＦＥＤの電子放出源として、スピンドル型と称する構造が提案されている。この電子放出源は、Ｍｏから形成された電子放出部の先鋭部に電界を集中させ、蛍光体層との間にかけた電圧により電子放出部から電子を放出させて蛍光体を発光させる構造を有している。この方式により、薄型の平面表示装置が実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した電子放出源は非常に精細な構造を有し、均一にかつ簡便に多数形成することが極めて難しかった。したがって、このような電子放出源を用いて大型の平面表示装置を作ることが困難であるとともに、小型画面の平面表示装置であっても製造コストが高くなってしまうという問題があった。また、電子放出源の僅かな形状の相違により電子放出能力に違いが生じるため、安定した画像を得ることが難しかった。
【０００５】
最近、アルミニウム（Ａｌ）の陽極酸化により得られる、直径が数ｎｍ〜数１００ｎｍの極めて微細な細孔（ナノホール）に、カーボンナノチューブ（ＣＮ）を形成して電子放出源とした構造が提案されている（Ｄｉｓｐｌａｙｓ２１（２０００）Ｐ９９−１０４参照）。
【０００６】
しかしながら、このような構造の電子放出源においては、ＣＮが高価格であるばかりでなく、管内の真空度が低いと管内ガスがＣＮを汚染するため寿命が短くなるなど、実用化面で多くの問題があった。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、電子放出能力が高く、安価で低真空度でも長寿命の電子源装置とその製造方法、およびそのような電子源装置を備え、発光効率が高く安価で信頼性の高い表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子源装置は、少なくとも一方の主面側に開口部を持つように垂直方向に配置された多数の微細孔を有する多孔質絶縁体層と、前記多孔質絶縁体層の前記微細孔の開口部側の主面に配設された第１の導電体層と、前記微細孔の底部側端部を閉塞するように形成された、誘電体から成るバリア層と、前記多孔質絶縁体層の前記微細孔内に形成された、前記第１の導電体層と電気的に接する導体または半導体層と、前記バリア層の上に形成された第２の導電体層とを備え、前記微細孔の底部側端部と前記第２の導電体層とが、前記バリア層により隔てられ、かつ前記第１の導電体層と前記第２の導電体層との間に印加される電圧により、前記第２の導電体層から前記バリア層に向う方向と反対方向に電子が放出されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の電子源装置においては、微細孔を有する多孔質絶縁体層が、多孔質アルミナ層であることができる。そして、多孔質アルミナ層としては、アルミニウムを主成分とする層の陽極酸化により得られた酸化アルミニウム層が好適に用いられる。また、本発明の電子源装置においては、バリア層として、多孔質絶縁体層を構成する絶縁体と同じ絶縁体から成る層を有することができる。また、バリア層として、多孔質絶縁体層を構成する絶縁体と別の誘電体から成る層を有することができる。さらに、第２の導電体層を間に挟んで第１の導電体層と反対側に、第３の電極を設けることができる。
【００１０】
本発明の電子源装置の製造方法は、アルミニウムを主成分とする導電性基板を陽極酸化することにより、一方の主面に開口部を有し該主面に対して垂直方向に配置された多数の微細孔を有する多孔質アルミナ層を形成する陽極酸化工程と、前記多孔質アルミナ層を前記導電性基板から分離する工程と、分離された前記多孔質アルミナ層における前記微細孔の開口部側の主面に、第１の導電体層を形成する工程と、前記多孔質アルミナ層の前記微細孔内に、一端が前記第１の導電体層に電気的に接し、他端が前記微細孔の底端部に達する導体または半導体層を形成する工程と、前記多孔質アルミナ層の前記微細孔の底端部側の主面に、直接あるいは誘電体層を介して第２の導電体層を形成する工程とを備え、前記陽極酸化工程において、前記微細孔の底端部と前記導電性基板との間に、前記アルミナから成るバリア層を形成することを特徴とする。
【００１１】
本発明の電子源装置の製造方法においては、多孔質アルミナ層の微細孔の底端部側の主面に、陽極酸化により形成される誘電体とは別の誘電体から成る層を形成する工程と、この誘電体層の上に第２の導電体層を形成する工程とを備えることができる。
【００１２】
また、本発明の電子源装置の別の製造方法は、基板上にアルミニウムを主成分とする導電層を形成する工程と、前記導電層の前記基板側を導電層のままで残しながら陽極酸化することにより、該基板上に残した前記導電層である第１の導電体層、および該第１の導電体層上に主面に開口部を有し垂直方向に配置された微細孔を有する多孔質アルミナ層を同時に形成する陽極酸化工程と、前記多孔質アルミナ層において前記微細孔の底端部側のアルミナ層を除去し、前記微細孔を前記第１の導電体層に接続する工程と、前記多孔質アルミナ層の微細孔内に、一端が前記第１の導電体層と電気的に接続し、他端が前記微細孔の少なくとも開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する埋め込み層工程と、前記微細孔内に導体または半導体の埋め込み層が形成された前記アルミナ層の表面に、前記微細孔の開口部を閉塞するように誘電体からなるバリア層を形成する工程と、前記バリア層の表面に第２の導電体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の表示装置は、互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板の内面に設けられた蛍光体層と、前記第２の基板の内面側に設けられ、前記蛍光体層を励起する電子を放出する電子源とを備えた表示装置であり、前記電子源は、前記した電子源装置であることができる。
【００１４】
本発明の電子源装置によれば、多孔質絶縁体層の有する微細孔の内部に、第１の導電体層と電気的に接するように導体または半導体層が形成されるとともに、この微細孔の底部側端部と第２の導電層体層との間に、誘電体によるバリア層が設けられているので、第１の導電体層を基準電極とするとともに第２の導電体層をゲート電極とし、これらの電極間に電圧（正電圧）を印加することにより、バリア層に電界が集中し、電子が放出される。電子の移動方向は、第１の導電体層から第２の導電体層に向う方向であり、第２の導電体層から外部の例えば蛍光体層に向けて電子が放出される。
【００１５】
こうして、均一で電子の放出能力が高い電子源装置が得られる。また、電子放出部と雰囲気ガスとの直接接触が回避されているので、電子放出部の汚染による劣化がほとんど生じず、長寿命が達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
本発明の第１の実施形態である電子源装置は、図１に示すように、主面に対してほぼ垂直方向に延びた、直径が数ｎｍ〜数１００ｎｍの多数の微細孔（ナノホール）１ａを含む多孔質絶縁体層１を有する。多数のナノホール１ａは、多孔質絶縁体層１の一方の主面側、例えば下面側に開口部を有するが、上下両面側に開口部を有し、透孔（貫通孔）となっていても良い。
【００１８】
ここで、多孔質絶縁体としては、多孔質アルミナ（酸化アルミニウム）を挙げることができる。アルミニウムを主成分とする層を陽極酸化することにより、多数のナノホールが微小間隔をおいて規則的に配列された多孔質アルミナ層を得ることができる。多孔質アルミナ層は、陽極酸化以外の方法でも形成することができる。さらに、多孔質絶縁体層としては、チタン（Ｔｉ）層の陽極酸化により形成された、多数のナノホールを有する酸化チタン層を用いることも可能である。アルミニウムやチタンの他に、タンタル、ニオブ、バナジウム、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、タングステンなどを、例えば陽極酸化することにより形成された酸化層を挙げることもできる。
【００１９】
このような多孔質絶縁体層１のナノホール１ａの開口部側である下面には、基準電極となる第１の導電体層２が配設されている。第１の導電体層２を構成する導電体としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｂａなどの金属やカーボンなどを挙げることができる。
【００２０】
多孔質絶縁体層１のナノホール１ａ内には、導体または半導体から成る導通層３が形成されている。この導体または半導体層３は、ナノホール１ａの開口部で第１の導電体層２と電気的に接し、かつ後述するバリア層までナノホール１ａ内の導通を確保することができるものであれば良い。ナノホール１ａの内壁面に付着・形成されていても、あるいはナノホール１ａ内に埋め込み・充填されていても良い。
【００２１】
この導通層３を構成する材料としては、ある程度の導電性を有するものであれば、種類を問わず使用することができる。例えば、カーボン、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｂａなどの導電性材料を使用することができる。また、Ｎｉ酸化物、ＡＴＯ、ＩＴＯなどの半導体材料も使用することができる。これらの導通層３の形成は、例えば、電気化学的方法やＣＶＤ法あるいは蒸着法などにより行うことができる。
【００２２】
多孔質絶縁体層１のナノホール１ａの開口部と反対側の面である上面には、ナノホール１ａの底部側の端部を閉塞するように、誘電体から成るバリア層４が形成されている。
【００２３】
バリア層４を構成する誘電体としては、特に種類は限定されないが、誘電率が高く耐電圧特性が良好なものが好ましい。例えば、酸化タンタル、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム（アルミナ）、シリカ等が挙げられる。また、前記したナノホール１ａを有する絶縁体と同一の材料を使用しても良い。例えば、アルミニウムの陽極酸化により形成されたアルミナ層を、バリア層４として使用することができる。
【００２４】
さらに、図２に示すように、２層以上の誘電体層を積層することにより、バリア層４を形成しても良い。例えば、アルミニウムの陽極酸化により形成されたアルミナ層４ａの上に、１層あるいは２層以上の別の誘電体層４ｂを積層して形成し、多層構造のバリア層４を形成することができる。
【００２５】
このようなバリア層４の上に、ゲート電極となる第２の導電体層５が形成されている。第２の導電体層５を構成する導電体としては、前記した第１の導電体層１を構成する導電体と同様に、カーボン、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｂａなどを挙げることができる。第２の導電体層５の形成は、蒸着、スパッタリング、電界析出など、種々の方法で行うことが可能である。例えば、Ａｕ層の形成は、蒸着、スパッタリングなどの方法で行うことができる。また、Ａｌ層は蒸着法により、Ａｇ層は電界析出法により、それぞれ形成することができる。
【００２６】
この電子源装置によれば、基準電極である第１の導電体層２とゲート電極である第２の導電体層５との間に電圧（正電圧）を印加することにより、この電圧が、第１の導電体層２と電気的に接続された導通層３を介して第２の導電体層５との間に印加され、誘電体から成るバリア層４に電界が集中する。そして、この電界集中の結果、電子の放出がなされる。そして、放出された電子は、第２の導電体層５を突きぬけ、この層から外部に向けて発せられる。
【００２７】
このような構造を有する電子源装置において、バリア層４の厚さは、２ｎｍ〜５０ｎｍとすることが望ましい。バリア層４の厚さが２ｎｍ未満では、電子の放出（エミッション）が生じにくい。また、バリア層４の厚さが５０ｎｍを超えても、安定した良好なエミッションが生じにくくなる。
【００２８】
ナノホール１ａの深さに相当する多孔質絶縁体層１の厚さは、５０ｎｍ〜３０μｍとすることが望ましい。多孔質絶縁体層１の厚さが５０ｎｍ未満では、エミッションは良好であるが、耐電圧特性が悪化して好ましくない。また、多孔質絶縁体層１の厚さが３０μｍを超えた場合には、ナノホール１ａの底端部に達する導通層３を形成し、バリア層４までの導通を確保することが困難になる。したがって、バリア層４に電界を集中させることが難しく、良好なエミッションを得ることが難しい。
【００２９】
ナノホール１ａの孔径は、２ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが望ましく、より好ましくは１０〜５００ｎｍとする。孔径が大きすぎると電界集中が起こりにくくなり、電子放出特性が低下する。反対に孔径が小さすぎると、ナノホール１ａの形成が難しくなる。多孔質絶縁体層１の厚さすなわちナノホール１ａの深さとナノホール１ａの孔径は、ともにバリア層４にかかる電界強度に影響を及ぼす。
【００３０】
ナノホール１ａ内に形成される導体または半導体から成る導通層３の厚さは、第１の導電体層２からバリア層４までの導通を確保することができれば、特に限定されない。
【００３１】
第１の導電体層の厚さは、導通を確保することができれば特に限定されるものではないが、安定した良好な導通を確保するには１０ｎｍ以上とすることが望ましい。
【００３２】
第２の導電体層５の厚さは、５ｎｍ〜３００ｎｍとすることが望ましい。第２の導電層５の厚さが５ｎｍ未満では、安定した良好な導通を確保することが難しい。反対に、３００ｎｍを超えると、電子が突きぬけて放出されにくくなり、好ましくない。
【００３３】
さらに、本発明の電子源装置では、導電性金属薄膜１５と導電性基板１１との間に印加された電圧により、バリア層１６に電界を集中し電子を放出させるために、陽極である導電性金属薄膜１５と陰極である導電性基板１１との間の抵抗値を、５Ω〜２ＭΩの範囲とすることが望ましい。
【００３４】
本発明の第１の実施形態の電子源装置は、例えば以下に示す方法で製造することができる。
【００３５】
まず、アルミニウムを主成分とする導電性基板を陽極酸化する。陽極酸化により、導電性基板本体の上に、ナノホールを有する所定厚の多孔質アルミナ層が形成される。
【００３６】
次に、こうして形成された多孔質アルミナ層を、酸化されずに残った導電性基板本体から分離する。分離には、ＨｇＣｌ_２の飽和水溶液中に浸漬することにより、多孔質アルミナ層とアルミニウム基板との境界に、アルミニウムと水銀とのアマルガムを形成するなどの方法を採ることができる。なお、この分離工程は、ナノホール内へのＮｉ等の埋め込み層形成後に行うこともできる。
【００３７】
次いで、分離された多孔質アルミナ層のナノホール内に、Ａｌやカーボン等の導体から成る導通層を形成する。Ｎｉ等からなる導通層（埋め込み層）の形成は、電解析出法により行うこともできる。
【００３８】
また、多孔質アルミナ層において、ナノホールの開口部側の面に、第１の導電体層を形成する。導通層の形成と第１の導電体層の形成は、同じ導電性材料を用いて蒸着を行うことにより、同一工程で行うことも可能である。さらに、第１の導電体層を多層構造とし、導通層とともに蒸着により形成された下層導電体層の上に、さらに別の導電体から成る上層を形成することもできる。
【００３９】
次いで、多孔質アルミナ層のナノホールの開口部と反対側の面に、Ａｕをスパッタリングするなどの方法で第２の導電体層を形成し、ナノホール内に形成された導通層とこの第２の導電体層とが、アルミナから成るバリア層により隔てられているようにする。
【００４０】
また、以下に示す方法で製造することもできる。まず、ガラスなどの基板上にアルミニウム等を主成分とする導電層を形成する。次いで、この導電層を陽極酸化する。このとき、基板側の所定厚の導電層を酸化しないで残すように、陽極酸化の時間をコントロールし、基板と反対側の導電層を酸化する。こうして、酸化されないで残った導電層（第１の導電体層）と、その上に微細孔を有する多孔質絶縁体層（例えば、アルミナ層）が形成される。
【００４１】
次に、この多孔質絶縁体層の微細孔の底端部に存在する絶縁層を、溶解などの方法で除去し、この微細孔の底部が第１の導電体層に直接接するようにする。なお、陽極酸化に用いる電解液などに電圧を印加せずに浸漬することにより、微細孔の底端部の絶縁層を溶解することができる。
【００４２】
その後、多孔質絶縁体層にＮｉなどの金属埋め込み層を、電気化学的な方法などで形成し、一端が第１の導電体層に電気的に接続し、他端が微細孔上部の開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する。
【００４３】
次いで、この微細孔の開口部分を閉塞させるように、誘電体層をスパッタリング、蒸着、または封孔処理などの方法で形成する。
【００４４】
次いで、Ａｕをスパッタリングするなどの方法で、この誘電体層の上に第２の導電体層を形成し、微細孔内に形成された導体または半導体層とこの第２の導電体層とが、誘電体層により隔てられているようにする。
【００４５】
本発明の第１の実施形態によれば、電子放出能力が高く長寿命で信頼性の高い電子放出源を、簡便でかつ安価に得ることができる。
【００４６】
また、多孔質絶縁体層１のナノホール１ａの一方の端部である開口部を塞いで第１の導電体層２が配設され、かつナノホール１ａの他方の端部である底端部がバリア層４により閉塞されているので、ナノホール１ａ内に形成された導体または半導体から成る導通層３が、孔内に完全に封止され保護されている。したがって、導通層３として、カーボンのように安定性に劣る材料を使用しても、長期に亘って安定した電子放出特性が発揮される。
【００４７】
なお、本発明の電子源装置においては、基準電極となる第１の導電体層２とゲート電極となる第２の導電体層５の少なくとも一方を、所定のパターンに形成することができる。第１の導電体層２および／または第２の導電体層５をパターンに形成した場合には、電子発生部位の調整ならびに電子発生量の制御が可能である。これらの導電体層のパターンとしては、例えば単純マトリックス型のパターンが挙げられる。すなわち、第１および第２の導電体層２，５をそれぞれＸ軸およびＹ軸方向に平行なストライプ状に形成し、かつ互いにクロスするように配置することができる。
【００４８】
次に、このような第１の実施形態の電子源装置を備えたＦＥＤについて、図面に基づいて説明する。
【００４９】
このＦＥＤは、図３に示すように、それぞれ矩形状のガラス基板からなるリアプレート６およびフェースプレート７を備え、これらのプレートは所定の間隔をおいて対向配置されている。そして、リアプレート６とフェースプレート７は、それぞれ周端部がガラスからなる矩形枠状の側壁８を介して接合され、真空外囲器９を形成している。
【００５０】
フェースプレート７の内面には、蛍光体スクリーン１０が形成されている。蛍光体スクリーン１０は、ストライプ状あるいはドット状に形成された赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の３色の蛍光体層と黒色顔料から成る光吸収層が、並べられて構成されている。また、蛍光体スクリーン１０の上には、第３の電極（アノード電極）としてメタルバック層１１が形成されている。なお、蛍光体スクリーン１０とフェースプレート７との間に、第３の電極として対向電極（図示を省略。）を形成し、これをアノード電極とすることができる。対向電極としては、例えばＩＴＯからなる透明電極が用いられる。
【００５１】
ここで、光吸収層はフォトリソグラフィなどにより形成することができる。また、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の３色の蛍光体層の形成は、ＺｎＳ系、Ｙ_２Ｏ_３系、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ系などの蛍光体液を用いたスラリー法で行うことができる。なお、各色の蛍光体層の形成は、スプレー法や印刷法で行うこともでき、これらの方法においても、必要に応じてフォトリソグラフィによるパターニングを併用することができる。
【００５２】
リアプレート６の内面には、第１の実施形態の電子源装置１２が設けられている。電子源装置１２は、電子源装置外に電子ビーム（矢印で示す。）を放出する第２の導電体層５を内側（蛍光体スクリーン１０側）にして、配設されている。
【００５３】
側壁８は、例えばフリットガラスにより、リアプレート６の周縁部とフェースプレート７の周縁部に封着され、これらリアプレート６とフェースプレート２および側壁８から構成された真空外囲器９の内部は、ほぼ真空に保持されている。さらに、リアプレート６とフェースプレート７の間には、これらのプレート間の間隙を維持するため、多数のスペーサ（図示を省略。）が所定の間隔をおいて配置されている。スペーサはそれぞれ板状あるいは柱状に形成されている。
【００５４】
このようなＦＥＤによれば、電子源装置において、基準電極である第１の導電体層２とゲート電極である第２の導電体層５との間の電圧印加により、第２の導電体層５を突きぬけて放出された電子が、蛍光体スクリーン１０側に設けられた第３の電極（メタルバック層１１）に印加された電圧（アノード電圧）により加速され、蛍光体層に衝突する。そして、電子の衝突の結果、蛍光体が励起されて発光し、所望の画像が表示される。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、使用する材料は上述した実施の形態に限定されることなく、必要に応じて種々選択可能である。
【００５６】
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
【００５７】
実施例１
予め脱脂処理が施された厚さ３ｍｍのＡｌ板（第１のＡｌ板）を、２０℃に保持されたリン酸水溶液（リン酸濃度４重量％）の浴に浸漬した。そして、対向電極として第２のＡｌ板を使用し、５０Ｖの電圧を４５分間印加して陽極酸化を行い、図４に示すように、約４μｍの厚さの陽極酸化層２１を形成した。この陽極酸化層２１は、６０〜１５０ｎｍの孔径のナノホール２２を有する多孔質アルミナ層２３であり、ナノホール２２の底端部には、アルミナから成る厚さ２０ｎｍのバリア層２４が形成された。なお、符号２５は、陽極酸化されずに残ったＡｌ層（第１のＡｌ層）を示す。
【００５８】
次に、こうして陽極酸化されたＡｌ板を、ＨｇＣｌ_２の飽和水溶液中に浸漬し、図５に示すように、陽極酸化層２１（多孔質アルミナ層２３）をＡｌ層２５から分離した。
【００５９】
次いで、図６に示すように、多孔質アルミナ層２３のナノホール２２が開口した面側からＡｌを蒸着し、ナノホール２２の内部にＡｌ充填層２６を形成するとともに、多孔質アルミナ層２３の開口部側の面に、約１００ｎｍの厚さのＡｌ層（第２のＡｌ層）２７を形成した。
【００６０】
その後、図７に示すように、多孔質アルミナ層２３のナノホール開口部と反対側（バリア層２４側）の面に、Ａｕをスパッタリングすることにより、厚さ約４０ｎｍのＡｕ薄膜２８を形成した。
【００６１】
こうして、多数のナノホール２２を有する多孔質アルミナ層２３、そのナノホール２２内に形成されたＡｌ充填層２６、多孔質アルミナ層２３のナノホール２２開口部側の面に蒸着・形成された第２のＡｌ層２７、アルミナから成るバリア層２４、およびバリア層２４上に形成されたＡｕ薄膜２８から構成される電子源装置が得られた。
【００６２】
この電子源装置において、第２のＡｌ層２７は、第１の電極（基準電極）であるカソード電極となり、Ａｕ薄膜２８は第２の電極であるドライブ電極となる。そして、第１の電極と電気的に接続されたＡｌ充填層２６と第２の電極との間に挟まれたバリア層２４が、電子放出部位となると考えられる。
【００６３】
実施例２
実施例１と同様にして、Ａｌ板の陽極酸化と陽極酸化層の分離を行った。その後、多孔質アルミナ層のナノホールが開口した面側から、カーボンを蒸着し、ナノホールの内壁面全体にカーボン導通層を形成するとともに、多孔質アルミナ層の開口部側の面に、約５０ｎｍの厚さのカーボン層を形成した。そして、このカーボン層の上に、厚さ１００ｎｍの第１電極側Ａｕ薄膜をスパッタリングにより形成した。
【００６４】
次いで、実施例１と同様にして、多孔質アルミナ層のバリア層側の面に、厚さ４０ｎｍの第２電極側Ａｕ薄膜を形成した。
【００６５】
こうして、図８に示すように、多数のナノホール２２を有する多孔質アルミナ層２３、そのナノホール２２内に形成されたカーボン導通層２９、多孔質アルミナ層２３のナノホール２２開口部側の面に蒸着・形成されたカーボン層３０、カーボン層３０の上に積層して形成された第１電極側Ａｕ薄膜３１、アルミナから成るバリア層２４、およびバリア層２４上に形成された第２電極側Ａｕ薄膜Ａｕ薄膜２８から構成される電子源装置が得られた。
【００６６】
この電子源装置において、カーボン層３０および第１電極側Ａｕ薄膜３１は、基準電極であるカソード電極となり、第２電極側Ａｕ薄膜２８はドライブ電極となる。そして、基準電極と電気的に接続されたカーボン導通層２９とドライブ電極との間に挟まれたバリア層２４が、電子放出部位となると考えられる。
【００６７】
実施例３
実施例１と同様にして、Ａｌ板を陽極酸化した後、陽極酸化により形成された多孔質アルミナ層のナノホール内に、電解析出法によりＮｉ埋め込み層を形成した。すなわち、硫酸ニッケル、ホウ酸および硫酸第一スズを含む電解液を使用し、電圧１４Ｖで多孔質アルミナ層に対して電解を行い、ナノホール内にＮｉを析出させた。
【００６８】
次いで、実施例１と同様にして陽極酸化層を分離した後、多孔質アルミナ層の開口部側の面に、約１００ｎｍの厚さのＡｌ層（第２のＡｌ層）を蒸着により形成した。その後、実施例１と同様にして、多孔質アルミナ層のバリア層側の面に、厚さ４０ｎｍのＡｕ薄膜を形成した。
【００６９】
こうして、図９に示すように、多数のナノホール２２を有する多孔質アルミナ層２３、そのナノホール２２内に充填・形成されたＮｉ埋め込み層３２、多孔質アルミナ層２３のナノホール２２開口部側の面に蒸着・形成された第２のＡｌ層２７、アルミナから成るバリア層２４、およびバリア層２４上に形成されたＡｕ薄膜２８から構成される電子源装置が得られた。
【００７０】
この電子源装置において、第２のＡｌ層２７は、第１の電極（基準電極）であるカソード電極となり、Ａｕ薄膜２８は第２の電極であるドライブ電極となる。そして、第１の電極と電気的に接続されたＮｉ埋め込み層３２と第２の電極との間に挟まれたバリア層２４が、電子放出部位となると考えられる。
【００７１】
実施例４
実施例２と同様にして、Ａｌ板の陽極酸化と陽極酸化層の分離を行った後、ナノホールの内壁面全体にカーボン導通層を形成するとともに、多孔質アルミナ層の開口部側の面にカーボン層を形成した。さらに、このカーボン層の上に、厚さ１００ｎｍの第１電極側Ａｕ薄膜をスパッタリングにより形成した。
【００７２】
次いで、多孔質アルミナ層のナノホール開口部と反対側の面に、厚さ１０ｎｍの酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）層をスパッタリングにより形成した。この酸化タンタル層は、ナノホールの底部に形成された厚さ２０ｎｍのアルミナ層の上に積層され、２層構造のバリア層が得られる。
【００７３】
次いで、この酸化タンタル層の上に、厚さ約４０ｎｍのＡｕ薄膜をスパッタリングにより形成した。
【００７４】
こうして、図１０に示すように、多数のナノホール２２を有する多孔質アルミナ層２３、そのナノホール２２内に形成されたカーボン導通層２９、多孔質アルミナ層２３のナノホール２２開口部側の面に蒸着・形成されたカーボン層３０、カーボン層３０の上に積層して形成された第１電極側Ａｕ薄膜３１、アルミナから成るバリア層２４、酸化タンタル層３３、およびアルミナバリア層２４と酸化タンタル層３３との２層構造のバリア層３４上に形成された第２電極側Ａｕ薄膜Ａｕ薄膜２８から構成される電子源装置が得られた。
【００７５】
この電子源装置において、カーボン層３０および第１電極側Ａｕ薄膜３１は、基準電極であるカソード電極となり、第２電極側Ａｕ薄膜２８はドライブ電極となる。そして、基準電極と電気的に接続されたカーボン導通層２９とドライブ電極との間に挟まれた２層構造のバリア層３４が、電子放出部位となると考えられる。
【００７６】
実施例５
縦１０ｃｍ×横１０ｃｍのガラス板を使用し、その片面を界面活性剤とアセトンを用いて十分に洗浄した後、その上にアルミニウムを蒸着し、厚さ５μｍのアルミニウム層を形成した。
【００７７】
次に、こうして形成されたアルミニウム層を、２０℃に保持されたリン酸水溶液（リン酸濃度４重量％）の浴に浸漬した。そして、対向電極として第２のＡｌ板を使用し、５０Ｖの電圧を４５分間印加して陽極酸化を行い、図１１に示すように、約４μｍの厚さの陽極酸化層（多孔質アルミナ層）３５を形成した。なお、陽極酸化時間は、得られる陽極酸化膜に十分な導電性が認められる範囲で、すなわちアルミニウム層が全厚に亘って酸化されることなく、ガラス基板上にアルミニウム層が残る条件で決定した。図１１中、符号３６はガラス基板、３７は陽極酸化後残留したアルミニウム層、３８は陽極酸化層３５中に形成されたナノホールを示す。
【００７８】
次に、得られた陽極酸化層３５を、陽極酸化に使用したリン酸水溶液中に電圧を印加せずに２０分間浸漬し、アルミナ層を溶解することにより、ナノホール３８の底端部に存在するアルミナ層を除去した。こうして得られた陽極酸化層は、図１２に示すように、孔径が８０〜１８０ｎｍのナノホール３８を有する多孔質アルミナ層であり、ナノホール３８の底端部のアルミナ層が除去され、ナノホール３８はアルミニウム層３７まで貫通していた。
【００７９】
次に、多孔質アルミナ層のナノホール内に、電解析出法によりＮｉ埋め込み層を形成した。すなわち、硫酸ニッケル、ホウ酸および硫酸第一スズを含む電解液を使用し、電圧１４Ｖで多孔質アルミナ層に対して電解を行い、ナノホール内にＮｉを析出させた。電解時間は、Ｎｉが、ナノホールのアルミニウム層と接する側の端部より析出しはじめてから、Ｎｉ埋め込み層がナノホールの開口部の近傍に到達する時間にコントロールした。
【００８０】
次いで、多孔質アルミナ層のナノホール開口部の面に、厚さ３０ｎｍのシリカ（ＳｉＯ_２）層をスパッタリングにより形成し、誘電体のバリア層とした。その後、実施例１と同様にして、このバリア層の上に、厚さ４０ｎｍのＡｕ薄膜を形成した。
【００８１】
こうして、図１３に示すように、多数のナノホール３８を有する多孔質アルミナ層３５、そのナノホール３８内に充填・形成されたＮｉ埋め込み層３９、多孔質アルミナ層３５のナノホール３８開口部側の面に形成されたバリア層であるシリカ層４０、このシリカ層４０上に形成されたＡｕ薄膜４１から構成される電子源装置が得られた。
【００８２】
実施例６
実施例１と同様にして、Ａｌ板の陽極酸化と陽極酸化層の分離を行った後、多孔質アルミナ層のナノホールが開口した面上に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介してＡｌを蒸着した。そして、幅１５０μｍ、１００μｍの間隔で、ナノホールの内部にＡｌ充填層のパターンを形成するとともに、多孔質アルミナ層の開口部側の面に、約１００ｎｍの厚さのＡｌ層（第２のＡｌ層）パターンを形成した。
【００８３】
その後、多孔質アルミナ層のナノホール開口部と反対側（バリア層側）の面に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介して金（Ａｕ）をスパッタリングし、幅１５０μｍのストライプ状のＡｕ薄膜（厚さ４０ｎｍ）パターンを１００μｍの間隔で形成した。
【００８４】
実施例７
実施例１と同様にして、Ａｌ板の陽極酸化と陽極酸化層の分離を行った後、多孔質アルミナ層のナノホールが開口した面上に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介してカーボンを蒸着した。そして、幅１５０μｍ、１００μｍの間隔で、ナノホールの内壁面全体にカーボン導通層のパターンを形成するとともに、多孔質アルミナ層の開口部側の面に、約５０ｎｍの厚さのカーボン層パターンを形成した。続いて、このマスクをそのまま利用して金（Ａｕ）をスパッタリングし、このカーボン層パターンの上に、厚さ１００ｎｍの第１電極側Ａｕ薄膜パターンを形成した。
【００８５】
その後、多孔質アルミナ層のナノホール開口部と反対側（バリア層側）の面に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介して金（Ａｕ）をスパッタリングし、幅１５０μｍのストライプ状のＡｕ薄膜（厚さ４０ｎｍ）パターンを１００μｍの間隔で形成した。
【００８６】
実施例８
実施例７と同様にして、幅１５０μｍ、１００μｍの間隔で、多孔質アルミナ層のナノホールの内壁面全体にカーボン導通層のパターンを形成するとともに、ナノホール開口部側の面に約５０ｎｍの厚さのカーボン層パターンを形成し、さらにこのカーボン層パターンの上に、厚さ１００ｎｍの第１電極側Ａｕ薄膜パターンを形成した。
【００８７】
次いで、多孔質アルミナ層のナノホール開口部と反対側の面に、厚さ１０ｎｍの酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）層をスパッタリングにより形成した。この酸化タンタル層は、ナノホールの底部に形成された厚さ２０ｎｍのアルミナ層の上に積層され、２層構造のバリア層が得られる。
【００８８】
次いで、この酸化タンタル層の上に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介して金（Ａｕ）をスパッタリングし、幅１５０μｍのストライプ状のＡｕ薄膜（厚さ４０ｎｍ）パターンを１００μｍの間隔で形成した。
【００８９】
実施例９
縦１０ｃｍ×横１０ｃｍのガラス板を使用し、その片面を界面活性剤とアセトンを用いて十分に洗浄した後、その上に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介してアルミニウムを蒸着した。こうしてガラス板上に、幅１５０μｍ、厚さ５μｍの細線（ストライプ）状のアルミニウム層パターンを１００μｍの間隔で形成した。
【００９０】
次に、こうして形成されたアルミニウム層パターンを２０℃に保持されたリン酸水溶液（リン酸濃度４重量％）の浴に浸漬した。そして、対向電極として第２のＡｌ板を使用し、５０Ｖの電圧を４５分間印加して陽極酸化を行い、約４μｍの厚さの陽極酸化層を形成した。なお、陽極酸化時間は、アルミニウム層が全厚に亘って酸化されることなく、ガラス基板上にアルミニウム層が残る条件で決定した。
【００９１】
次に、得られた陽極酸化層を、陽極酸化に使用したリン酸水溶液中に電圧を印加せずに２０分間浸漬し、アルミナ層を溶解することにより、ナノホールの底端部に存在するアルミナ層を除去した。こうして得られた陽極酸化層は、孔径が８０〜１８０ｎｍのナノホールを有する多孔質アルミナ層であり、ナノホールの底端部のアルミナ層が除去され、ナノホールはアルミニウム層まで貫通していた。
【００９２】
次に、陽極酸化により形成された多孔質アルミナ層のナノホール内に、実施例５と同様にしてＮｉ埋め込み層を形成した。次に、多孔質アルミナ層のナノホール開口部の面に、厚さ３０ｎｍのシリカ（ＳｉＯ_２）層をスパッタリングにより形成した後、このシリカ層の上に、幅１５０μｍのスリット状の多数の開口を有するマスクを介して金（Ａｕ）をスパッタリングし、幅１５０μｍのストライプ状のＡｕ薄膜（厚さ３０〜６０ｎｍ）パターンを１００μｍの間隔で形成した。なお、このＡｕ薄膜のパターンは、アルミニウム層および多孔質アルミナ層のパターンと直交する方向に形成した。
【００９３】
次に、図１４に示すように、実施例１〜９で製造された電子源を備えた基板（リアプレート）４２と、蛍光体スクリーン４３が形成された基板（フェースプレート）４４を、第２の電極であるＡｕ薄膜２８と蛍光体スクリーン４３とが向き合うように２ｍｍの間隔（ギャップ）をおいて対向配置し、真空雰囲気に保持した。
【００９４】
なお、蛍光体スクリーン４３は以下の手順で作製した。すなわち、縦１０ｃｍ×横１０ｃｍのガラス基板上に、まず、格子マトリックス状のグラフファイトを主成分とする光吸収層をフォトリソグラフィにより形成した後、光吸収層の間隙部に、規則正しく配列された赤（Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ）、緑（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、青（ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ）の蛍光体層４５を、フォトリソグラフィにより形成した。次いで、蛍光体層４５上にニトロセルロースからなるフィルムを形成し、その上にアルミニウムを蒸着し、メタルバック層４６を形成した。このメタルバック層４６は、第３の電極であるアノード電極となる。
【００９５】
なお、実施例１〜４および実施例６〜８の場合は、電子源をガラス板に固定し、電子源付きのリアプレートを作製した。実施例５および実施例９の場合は、電子源が形成されているガラス板をそのままリアプレートとして使用した。
【００９６】
また、リアプレート４２とフェースプレート４４との組立ては、以下の手順で行った。まず、電子源の画像有効面外の所望位置に穴をあけ、排気管をフリットガラスにより接合した。次いで、電子源に、ギャップ制御のためのスペーサであるガラス枠を配置し、その上にフェースプレートを配置し、電子源の第２の電極と蛍光面の第３の電極とがガラス枠を介して対向するようにした。電子源の個々の電子放出部位が蛍光面画素と対応するように位置合せを行った後、フリットガラスにより接合した。
【００９７】
このとき、電子源の第２の電極であるＡｕ薄膜と蛍光面のメタルバック層との間隔（ギャップ）が、全面で２ｍｍとなるようにガラス枠を制御した。次いで、３００℃で加熱しながら排気管により排気を行い、１×１０^−３〜５×１０^−３Ｐａの真空度になったところで排気管の封止を行った。以上の手順により、１０ｃｍ×１０ｃｍの表示装置を製作した。
【００９８】
次に、第３の電極の電圧（アノード電圧：Ｖａ）を７ｋｖとし、カソード電極である第１の電極（基準電極）とゲート電極である第２の電極との間に印加する電圧（ドライブ電圧：Ｖｄ）を変え、蛍光面の発光状態を観察することにより、電子放出（エミッション）開始電圧および絶縁破壊電圧をそれぞれ測定した。測定結果を表１および表２に示す。
【００９９】
【表１】

【０１００】
【表２】

【０１０１】
実施例１〜９の電子源を有する表示装置では、いずれも３〜７Ｖの低い電圧で電子の放出が開始し、良好な発光状態が得られた。また、絶縁破壊電圧が高く、耐電圧性も十分に満足のゆくものであった。
【０１０２】
【発明の効果】
以上の記載から明らかなように、本発明によれば、電子放出能力が高く、簡便で低真空度でも長寿命の電子源装置を安価に得ることができる。そして、この電子源装置を備えることで、発光効率が高く安価で信頼性の高い表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子源装置の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の電子源装置の第２の実施形態を示す断面図。
【図３】第１の実施形態の電子源装置を備えたＦＥＤの構造を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の実施例１において、Ａｌ板の陽極酸化工程を説明するための断面図。
【図５】本発明の実施例１において、陽極酸化層の分離工程を説明するための断面図。
【図６】本発明の実施例１において、Ａｌの蒸着工程を説明するための断面図。
【図７】本発明の実施例１において、Ａｕ薄膜の形成工程を説明するための断面図。
【図８】本発明の実施例２で製造された電子源の構造を示す断面図。
【図９】本発明の実施例３で製造された電子源の構造を示す断面図。
【図１０】本発明の実施例４で製造された電子源の構造を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例５において、陽極酸化工程を説明するための断面図。
【図１２】本発明の実施例５において、アルミナ層の除去工程を説明するための断面図。
【図１３】本発明の実施例５で製造された電子源の構造を示す断面図。
【図１４】実施例１〜９で得られた電子源を備えた表示装置において、特性を調べる方法を模式的に示す図。
【符号の説明】
１………多孔質絶縁体層、１ａ、２２………ナノホール、２………第１の導電体層、３………導体または半導体から成る導通層、４………バリア層、５………第２の導電体層、６………リアプレート、７………フェースプレート、１０………蛍光体スクリーン、１１………メタルバック層、２１，３５、………陽極酸化層、２２，３８………ナノホール、２３………多孔質アルミナ層、２４………アルミナから成るバリア層、２６………Ａｌ充填層、２７………Ａｌ層、２８，４１………Ａｕ薄膜、２９………カーボン導通層、３０………カーボン層、３１………第１電極側Ａｕ薄膜、３２，３９………Ｎｉ埋め込み層、３３………酸化タンタル層、３６………ガラス基板、３７………陽極酸化後残留したアルミニウム層、４０………シリカ層

Claims

少なくとも一方の主面側に開口部を持つように垂直方向に配置された多数の微細孔を有する多孔質絶縁体層と、
前記多孔質絶縁体層の前記微細孔の開口部側の主面に配設された第１の導電体層と、
前記微細孔の前記開口部と反対側の端部（以下、底部側端部と示す。）を閉塞するように形成された、誘電体から成るバリア層と、
前記多孔質絶縁体層の前記微細孔内に形成された、前記第１の導電体層と電気的に接する導体または半導体層と、
前記バリア層の上に形成された第２の導電体層とを備え、
前記微細孔の底部側端部と前記第２の導電体層とが、前記バリア層により隔てられ、かつ前記第１の導電体層と前記第２の導電体層との間に印加される電圧により、前記第２の導電体層から前記バリア層に向う方向と反対方向に電子が放出されることを特徴とする電子源装置。
前記微細孔を有する多孔質絶縁体層が、多孔質アルミナ層であることを特徴とする請求項１記載の電子源装置。
前記多孔質アルミナ層が、アルミニウムを主成分とする層の陽極酸化により得られた酸化アルミニウム層であることを特徴とする請求項２記載の電子源装置。
前記バリア層が、前記多孔質絶縁体層を構成する絶縁体と同じ絶縁体から成る層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電子源装置。
前記バリア層が、前記多孔質絶縁体層を構成する絶縁体と別の誘電体から成る層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の電子源装置。
前記第２の導電体層を間に挟んで前記第１の導電体層と反対側に、第３の電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の電子源装置。
前記第１の導電体層と前記第２の導電体層の少なくとも一方がパターン化されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の電子源装置。
アルミニウムを主成分とする導電性基板を陽極酸化することにより、一方の主面に開口部を有し該主面に対して垂直方向に配置された多数の微細孔を有する多孔質アルミナ層を形成する陽極酸化工程と、
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔内に、一端が前記微細構の底端部に達し、他端が前記微細孔の少なくとも開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する工程と、
前記多孔質アルミナ層を前記導電性基板から分離する工程と、
分離された前記多孔質アルミナ層における前記微細孔の開口部側の主面に、前記導体または半導体層と電気的に接する第１の導電体層を形成する工程と、
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔の底端部側の主面に、直接あるいは誘電体層を介して第２の導電体層を形成する工程とを備え、
前記陽極酸化工程において、前記微細孔の底端部と前記導電性基板との間に、前記アルミナから成るバリア層を形成することを特徴とする電子源装置の製造方法。
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔の底端部側の主面に、陽極酸化により形成される誘電体とは別の誘電体から成る層を形成する工程と、この誘電体層の上に第２の導電体層を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項８記載の電子源装置の製造方法。
アルミニウムを主成分とする導電性基板を陽極酸化することにより、一方の主面に開口部を有し該主面に対して垂直方向に配置された多数の微細孔を有する多孔質アルミナ層を形成する陽極酸化工程と、
前記多孔質アルミナ層を前記導電性基板から分離する工程と、
分離された前記多孔質アルミナ層の前記微細孔内に、一端が前記微細孔の底端部に達し、他端が前記微細孔の少なくとも開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する工程と、
前記多孔質アルミナ層における前記微細孔の開口部側の主面に、前記導体または半導体層と電気的に接する第１の導電体層を形成する工程と、
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔の底端部側の主面に、直接あるいは誘電体層を介して第２の導電体層を形成する工程とを備え、
前記陽極酸化工程において、前記微細孔の底端部と前記導電性基板との間に、前記アルミナから成るバリア層を形成することを特徴とする電子源装置の製造方法。
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔内に、一端が前記微細孔の底端部に達し、他端が前記微細孔の少なくとも開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する工程と、前記多孔質アルミナ層における前記微細孔の開口部側の主面に、前記導体または半導体層と電気的に接する第１の導電体層を形成する工程とが、同一の工程であることを特徴とする請求項１０記載の電子源装置の製造方法。
前記多孔質アルミナ層の前記微細孔の底端部側の主面に、陽極酸化により形成される誘電体とは別の第２の誘電体から成る層を形成する工程と、前記第２の誘電体層の上に第２の導電体層を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項１０記載の電子源装置の製造方法。
基板上にアルミニウムを主成分とする導電層を形成する工程と、
前記導電層の前記基板側を導電層のままで残しながら陽極酸化することにより、該基板上に残した前記導電層である第１の導電体層、および該第１の導電体層上に主面に開口部を有し垂直方向に配置された微細孔を有する多孔質アルミナ層を同時に形成する陽極酸化工程と、
前記多孔質アルミナ層において前記微細孔の底端部側のアルミナ層を除去し、前記微細孔を前記第１の導電体層に接続する工程と、
前記多孔質アルミナ層の微細孔内に、一端が前記第１の導電体層と電気的に接続し、他端が前記微細孔の少なくとも開口部近傍に達する導体または半導体層を形成する埋め込み層工程と、
前記微細孔内に導体または半導体の埋め込み層が形成された前記アルミナ層の表面に、前記微細孔の開口部を閉塞するように誘電体からなるバリア層を形成する工程と、
前記バリア層の表面に第２の導電体層を形成する工程とを備えることを特徴とする電子源装置の製造方法。
互いに対向して配置された第１の基板および第２の基板と、前記第１の基板の内面に設けられた蛍光体層と、前記第２の基板の内面側に設けられ、前記蛍光体層を励起する電子を放出する電子源とを備えた表示装置であり、
前記電子源は、請求項１乃至７のいずれか１項記載の電子源装置であることを特徴とする表示装置。