JPH01296531A - 表面伝導形電子放出素子及び該素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は同一基板上に複数の電子放出部を有する表面伝
導形電子放出素子に関するもので、特に、各放出部の電
極形状によって放出位置、特性等の調整を行った素子及
び該素子の製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子として、
例えば、エム・アイ・エリンソン（Ｍ、　Ｉ。

Ｅｌｉｎｓｏｎ）等によって発表された冷陰極素子が知
られている［ラジオ・エンジニアリングエレクトロン゛
フィジイッス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ。

Ｐｈｙｓ、）第１θ巻、　１２９０〜１２９６頁、　１
９６５年］。

これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平
行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利
用するもので、一般には表面伝導形放出素子と呼ばれて
いる。

この表面伝導形放出素子としては、前記エリンソン等に
より発表された５ｎＯｚ（Ｓｂ）薄膜を用いたものの他
、Ａｕ９膜によるもの［ジー・ディトマ一二゛′スイン
・ソリドフィルムス゛’　（Ｇ、　Ｄｉｔｔｍｅｒ＋”
Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ”　）　、　９巻、
３１７頁、　（１９７２＋１＝）　］　、　ｒｒｏ薄膜
によるもの［エム・バー□トウエル・アント・シー・ジ
ー・フォンスタット：　　”′アイ・イー・イー・イー
・ｌ・ランス・イー・デイー′コン７”　　（１４，Ｈ
ａｒｔｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓｔａｄ：
”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ＥＤ　Ｃｏｎｆ、’：　
）５１９頁、（１９７５年）］、カーボン薄膜によるも
の［荒木久他：“′真空″。

第２６巻、第１号、２２頁、　　（１９８３年）］等が
報告されている。

これらの表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第６
図に示す。図中、■は基板、３および４は電気的接続を
得るための電極、５は電子放出部、６は電子放出材料で
形成される簿膜を示す。

−に述した表面伝導形放出素子は、いずれも、薄膜６を
設けた基板ｌ上に電極３，４を設けて、電極３，４間に
電圧を印加し、フォーミンクと呼ばれる通電加熱処理で
′１シ子放出部５を形成することによって製造されてい
る。即ち、電８ｉ３　、４間への電圧の印加によって≠
Ｉｌｌに通電し、これにより発生するジュール熱で薄１
１Ｑ６を局所的に破壊。

変・形も・しくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態に
した電子数７Ｊ、ｊ都５を形成することにより、電子放
出機能を付与しているものである。

上記電気的な高抵抗状態とは、薄膜６の二部に０．５ｇ
ｍ〜５ＩＬｍの亀裂を有し、かつ亀裂内が、いわゆる島
構造を有する不連続状態膜となっていることをいう。島
構造を有する不連続状態膜とは、一般に数十オングスト
ロームから数ミクロン径の微粒子が基板ｌ上にあり、植
機粒子は空間的に不連続でかつ電気的に連続な膜を形成
していることを七う。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、電極を設けた後に、当該電極に電圧を印
加し、ジュール熱によって電子放出部を形成する、フォ
ーミング■程を経る従来の製造方法では、電極間に形成
される電子放出部の位置、形状、特性等が一定せず、こ
れらを１Ｆ確に制御できない問題がある。従って、一基
板に−・電子放出部を形成する場合でさえ、製品間のバ
ラツキが大きく、素子構造が簡弔であるという利点があ
るにも拘らず、表面伝導形放出素子の積極的な製造は行
われていない。まして、−・基板に複数の電子放出部を
形成することは、同一基板上の各電子放出部の位置関係
、形状、特性等が全く無秩序となってしまい、とても実
用的価値のある製品が得られないのが現状である。

本発明は、」二記問題点に鑑みてなされたもので、点状
あるいは線状に二次元配列された表面伝導形電子放出素
子において各電子放出部の位置、形状、特性等（具体的
には例えば微粒子の分散密度の違い等を電極形状によっ
て調整した、同一基板上に複数の安定した電子放出部を
有する表面伝導形電子放出素子を提供することを解決す
べき課題としている。

［課題を解決するだめの手段］ １−記課題を解決するために本発明において講じられた
手段を、本発明の説明図である第１図により説明すると
、本発明では、あらかじめ基板１上に、電子放出材料で
構成された島構造を右する不連続状ｙハ；膜２を形成し
、その後電極３，４を設けて電極３，４間を電子放出部
５とするという手段を講じているものである。

更に本発明を説明すると、本発明において、′電子放出
材料で構成された島構造を有する不連続状態膜２の形成
は、次のような方法で行うことができる。

（１）第１図（ａ）〜（ｃ）に示されるように、基板１
トに電子放出材料の薄膜６を形成した後焼成して微粒子
７を生成させ、島構造を有する不連続」二大麻区３とす
る方法。この場合の薄膜６の形成には、例えば真空蒸着
等の一般の薄膜形成方法を利用することができる他、電
子放出材料の溶融液の塗布や当該溶解液へのディッピン
グ等によってもよい。

（２）第１図（ｂ）の段階を経ずして（Ｃ）の島構造を
有する不連続状態膜３を形成する方法としては、電子放
出材料の微粒子７の分散液の塗布や当該分散液へのディ
ッピング等により、基板１へ微粒子７を固着させる方法
か挙げられる。微粒子７の基板１への固着は、分散液へ
のバインターの混入や、分散液塗布又は分散液へのデイ
ンピンク後の焼結等によって行うことかできる。また、
電子放出材お（の蒸着やガスデポジションの初期膜を、
（ｃ）の島構造をイフする不連続状態ｊ模３とすること
も可能である。

上記のようにして得られた微粒子から成る島構造を有す
る不連続状態膜２の微粒子密度が不均一で基板１−に配
置されていた場合には、前記微粒子密度の分４ｊに応じ
て最適な電極形状を選択すれば複数の安定した電子放出
部を有する表面伝導形放出素子とすることができる。ま
た微粒子密度が均一・で基板１　、ｌ−に配置されてい
た場合には電子放出部を形成する電極形成を調整するこ
とで、各電子放出部の電子放出特性を各々調整した複数
の電子放出部を有する表面伝導形放出素子とすることが
できる。本発明でいう電極形状とは、電子放出特性隔と
なる電極間隔及び／又は電極幅を示す。

次に島構造を有する不連続状態膜２を基板１」−に形成
、その後電極４，５を設ける。この電極４．５は、第１
図（ｄ）　、　（ｅ）に示されるように、電極形成用マ
スク８を、島構造を有する不連続状態膜３上に施し、真
空蒸着を行ってから７［棒形成用マスク８を１りがすこ
と等によって、所望の位置、間隔及び形状で設けること
ができる。

第２図は、上述のようにして得られる表面伝導形放出素
子の平面図で、電極４，５間に数百オングストローム−
数十ミクロンの間隔を持った対向部を形成することによ
り、当該対向部間の島構造を有する不連続状態膜２が電
子放出部５となっている。

本発明における’ｒ［ｒ極３，４の形状は、プラスとマ
イナスが相対向していれば特に制約かなく、直線的であ
っても曲線的であってもよい。特に、電子放出部５の特
性は、相対向する電極３，４間の間隔と、当該対向部間
の島構造を有する不連続状態膜２とに大きく影響される
。従って、相対向する電極３，４間の間隔及び幅を同一
、−）ｉ（板１１−で積極的に変化させ、電子放出特性
を制御したことが本発明の特徴である。

本発明であらかしめ基板１１−に設ける、島構造を有す
る不連続状態膜２は、相対向する電極３゜４間の間隔調
整によるその間の電子放出部５の特性調整を容易にする
ため、できるだけ均一に形成することか好ましい。また
、島構造を有する不連続状態膜２の（ｌ設は、前記（２
）の方法、中でも焼結によらず微粒子７を基板１へ固着
する方法によれば、作業が簡単でかつ基板１の材質的制
約が小さいので好ましい。

本発明で用いる電子放出材Ｐｉとしては、低仕事関数で
高融点かつ低蒸気圧という性質をもつ通常の陰極材料や
、従来のフォーミング処理によって電子放出部５を形成
する材料や、二次電子放出効率の高い材料が好適である
。

具体的には、例えば、ＬａＢ１．、　ＣｅＢ＋、、　Ｙ
Ｂ４．　ＣａＢ６等の硼化物、Ｔｉｅ、　ＺｒＣ：、　
ＨｆＣ，Ｔａｇ、　Ｓｉｎ、　Ｗｅ等の炭化物、ＴｉＮ
、　ＺｒＮ、　ＨｆＮ等の窒化物、Ｎｂ、　Ｍｏ。

Ｒｈ、　Ｈｆ、　Ｔａ、　Ｗ、　Ｒｅ、　Ｉｒ、　Ｐｔ
、　Ｔｉ、　Ａｕ、　Ａｚ、　Ｃｕ。

Ｏｒ、　ＡＲ，Ｇｏ、　Ｎｉ、　Ｆｐ、　Ｐｂ、　Ｐｄ
、　Ｃｓ等の金属、Ｉｎ；＋０３．　ＳｎＯ２，５ｂ２
Ｏｒ、等の金属醇化物、Ｓｉ、　Ｇｅなどの゛Ｖ、導体
、カーボン、Ａｇ、Ｍｇ等を挙げることができる。前記
（１）の方法による場合、これらの中結晶を使用し、前
記（２）の方法による場合、これらの微粒子を使用すれ
ばよい。

また、基板ｌの材料としては、島構造を有する不連続状
態膜２の形成に焼成や焼結等の熱処理を経るときには、
例えばガラス、石莢笠の電気的絶縁性と耐熱性を備えた
ものを用いるが、熱処理を経ずして島構造を有する不連
続状態膜２を形成するときには、ことさら耐熱性材料と
しなくともよい。

［作　用コ あらかじめ基板１」：に、島構造を有する不連続状態膜
２を設け、その後電極３，４を設けることにより、所要
の間隔で相対向して電極３，４を設けるだけで、確実に
当該電極３，４間を電子−発生部５として機能させるこ
とができる。即ち、後から行われる電極３．４の付設は
、先立って設けられている、島構造を有する不連続状態
膜２のいずれの箇所をどのような形状の電子発生部５と
するかを定める働きをなす。また、電子発生部５の特性
は、相対向する電極３，４の間隔に影響されるので、後
から行われる電極の付設は、電子発生部５の特性を定め
る働きをもなすものである。

［実施例］ 実施例１ 以下に述べるようにして、第３図に示されるような表面
伝導形放出素子を作製した。

まず、十分脱脂、洗浄を行った５ｃｍ角の石英基板１上
に、スピンコータを用いて、有機パラジウム化合物を含
む有機溶媒（奥野製薬工業製キャタペース）−ＣＣ：Ｐ
）を回転塗布した。次に、塗布した基板】について、空
気中で２５０°Ｃ１１０分間の焼成を行い、パラジウム
を微粒子化して、島構造を有する不連続状８膜２を基板
１上全面に形成した。

こうして得られた基板１上の比抵抗を測定したところ、
基板中央部と周辺部では、周辺部分の比抵抗は中央部分
の比抵抗は中央部分のほぼ３分の１程度となっていた。

また、同じ部分を電子顕微鏡によって観察したところ、
微粒子は周辺部分で密に存在した。１つの基板上に均一
の電子放出部を形成するためには電極形状による制御が
必要である。そこで、本実施例では、中央部分の′電極
幅を１ｍｍ、周辺部分の電極幅を３００μｍとして電子
放出特性の均一化を図った。このときの相対向する電極
の微少間隔は基板全面で５１一定とした。電極３．４の
材料にはＮ１を用いており、その膜厚はほぼ１００ＯＡ
である。

米表面伝導形放出素子では、相対向する電極３．４間に
挟まれた微小間隔領域が電気的には最も低抵抗となり、
当該領域が電子放出部５として機能するので、電子放出
部の数は、電極３．４間の微小間隔領域の数で決まる。

本実施例では、５ｃｍ角の基板１上に縦横ｌＯケ所ずつ
１００個の電子放出部５を形成した。また、焼成によっ
て得られたパラジウム微粒子の大きさは、電子顕微鏡観
察の結果、直径は数十オングストロームから数百オング
ストロームであった。

米表面伝導形放出素子を、Ｉ　Ｘ　１Ｏ−６Ｔｏｒｒ程
度の真空度に保たれた真空容器中に入れ、電極３，４間
に直流電圧２０Ｖを印加し、同素子から５Ｈの距離に蛍
光体を設け、その蛍光体に１ｋＶの電圧を印加して電子
放出実験を行った。蛍光体上での輝点観察では、米表面
伝導形放出素子に複数設けられた電子放出部５の配列形
状を反映していると思われる輝点が確認され、その数は
、縦１０列、横１０列のマトリクス状に１００個配列さ
れていた。従って、電極３，４の微小間隔領域が電子放
出部５となっていることが確認できた。

次に、微粒子重度に応じて電極幅を変えたことによる各
放出部の電子放出特性を調べるため１００ケ所の放出部
の中から基板中央部分から１０ケ所、周辺部分から１０
ケ所任意に選び各放出部の電子放出特性を測定したとこ
ろ、素子印加電圧Ｖｆ＝　２０ｖのとき平均の放出電流
は５００ｎＡであった。また、このときの任意に選んだ
２０ケ所の放出部の各放出電流の差は最大で５０ｎＡ程
度であり、はぼ均一の放出電流が得られ、電極幅を変化
させることで複数の電子放出部の特性制御が容易に可能
であった。

実施例２ 以下に述べるようにして第４図に示すような表面伝導形
電子放出素子を作製した。

まず、実施例１と同様に脱脂、洗浄を行った１０ｃｍ角
の石英基板ｌ上にスピンコータな用いて有機パラジウム
化合物を含む有機溶媒を回転塗布した後２５０°Ｃ−１
０分間の焼成を行ってパラジウム微粒子からなる島状不
連続膜２を基板１−ｈ全面に形成した。この島状不連続
膜は実施例１同様に同辺部分では密度が高く中央部分で
は密度が低くなっていることが比抵抗の測定及び電子顕
微鏡観察から明らかになった。

次に通常のフォトリングラフィ技術を用いて、パラジウ
ム微粒子密度の低い中央部分には狭ギャップとなり、密
度の高い周辺部分では広ギャップとなるように電極３．
４を第４図に示すように形成した。このときの放出部の
電極幅は全て３００ｐ、ｍ一定とした。

こうして得られた素子を実施例１と同様にＩ　Ｘ　１Ｏ
−６Ｔｏｒｒ程度の真空度に保たれた真空容器中に入れ
電極３９．４間に直流電圧２該を印加し同素子から５ｍ
ｍの距離に蛍光体を設け、その蛍光体に１ｋＶの電圧を
印加して電子放出実験を行った。その結果、電子放出部
のほぼ鉛直」二の蛍光体上に輝点が観察された。この輝
点は全て、はぼ同様の明るさとなっており、各放出部か
ら均一の放出電流が得られていると考えられるため、同
一基板上の各放出部からの電流を各々測定したところ平
均で１放出部当り３００ｎＡ　、各放出部間の放出電流
のバラツキはほぼ２０ｎＡ程度であった。

従って、基板上の微粒子の密度に対応した電極キャンプ
を設けることで放出電流の均一化が容易に実現できた。

実施例３ 以下に述べるようにして、第５図に示されるような表面
伝導形電子放出素子を作製した。第４図において、■は
１０ｃｍ角石英基板、２はパラジウム微粒子から成る、
島構造を有する不連続状態膜、３．４はＮ１電極である
。

パラジウム微粒子の形成は、実施例１と同様に、脱脂洗
浄を行った石芙基板ｌ上に有機パラジウム化合物を含む
有機溶媒（奥野製薬工業製キャタペースＩ−ＧＣＰ）を
スピンコータで回転塗布した後、焼成することによって
行った。こうして得られたパラジウム微粒子は、基板ｌ
上で周辺部をのぞいて、はぼ均一密度に分散されている
。

次に、この基板１上に５０本の線状の電子放出部５を形
成するために、第５図に示すようなくし形の電極３，４
を真空蒸着によって形成するが、その際、各電子放出部
５の電気的特性及び放出電流量を変えるため、各電子放
出部５を形成する電極３．４間の間隔を、ＩＩｉ、ｍか
らｌｏＩＬｍまで変化させた。

こうして得られた表面伝導形電子放出素子を真空容器中
に入れ、電極３．４間に直流２０Ｖの電圧を印加して電
子放出実験を行った。放出された電子は、米表面伝導形
電子放出素子から５ｍｍの距離に設けられて１ｋＶの電
圧印加された蛍光体上での輝点観察及び電流測定によっ
て確認された。

輝点観察では、はぼ線状の輝点が５０本見られ、設計通
りの表面伝導形電子放出素子となっていた。電極３，４
間の間隔の違いは、輝点の明るさの違いとして現われ、
Ｉ＃Ｌｍと１０＃Ｌｍの部分を比較すると、ＩＩＬｍ間
隔の電子放出部５に対応した輝点が明るく、狭間隔から
成る電子放出部５の方が放出電子量が多くなっているこ
とが確認された。

また、５０本の線状の電子放出部５から放出された電子
による総放出電流はほぼ１０ＩＬＡであった。

以」二の結果、電極３，４間の間隔によって電子放出特
性を容易に制御できることが示された。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、相対向する２つの電極
３，４によって電子放出部５の位置、形状及び特性を制
御することができるものであり以下のような効果がある
。

（１）製造される表面伝導形電子放出素子のバラツキを
なくし、均質な製品を容易に大量生産できる。

（２）大面積化が容易となる。

（３）マルチ化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の製造方法の説明図、第
２図は本発明によって得られる表面伝導形電子放出素子
の一例を示す平面図、第３図、第４図及び第５図は各々
実施例１と２と３で作製した表面伝導形電子放出素子の
平面図、第６図は従来技術の説明図である。 ｌ：基板 ２：島構造を有する不連続状態膜 ３．４：電極 ５：電子放出部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電極間に配置してある微粒子により電子放出部が形
   成される表面伝導形電子放出素子に対し、前記放出部が
   基板上に複数形成されており、さらに１つの電子放出部
   を形成する電極の形状が他の電子放出部を形成する電極
   の形状と異なっていることを特徴とする表面伝導形電子
   放出素子。 ２）前記電極の形状が、電子放出部を形成する一対の電
   極間隔及び／又は電極幅を示している請求項１記載の表
   面伝導形電子放出素子。 ３）あらかじめ基板上に微粒子を配置した後、該微粒子
   の密度に応じ電極間隔を調整して形成することを特徴と
   する表面伝導形電子放出素子の製造方法。