JPH01296532A - 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、表面伝導形電子放出素子に関し、＃ｙに微粒
子密度によって特性制御及びパターン化された二次元配
列電子放出素子及びその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
１フイシイツス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ。

Ｐｈｙｓ、）第１０８　、１２９０〜１２９６頁、　１
９６５年］。

これは、基板上に形成された不面桔の薄１１りに、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５ｎＯ２（Ｓｂ）薄ｌＩりを用いたもの
の他、Ａｕ薄膜によるもの［ジー　ディトマー：“スイ
ン・ンリド・フィルムス”　（Ｇ、　Ｄｉｔｔｍｅｒ：
”Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ”　）　、　９巻
、３１７頁、　（１９７２イ、）］、ＩＴＯＮＭ膜によ
るもの［エム・ハートウェル・アンド・シー・シー　フ
ォンスタンド二″アイ・イー・イー−イー・トランス・
イー・デイー゛コン７”　　（Ｍ、　Ｈａｒｔｗｅｌｌ
　ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓｔａｄ：”　ＩＥＥＥ　
Ｔｒａｎｓ、　ＥＤ　Ｃｏｎｆ、”　）５１９頁、（１
９７５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８
１図に示す。図中、ｌは基板、３および４は電気的接続
を得るだめの電極、５は′電子放出部、６は電子放出材
料で形成されるγ１すｔｒｑを示す。

］−述した表面伝導形放出素子は、いずれも、肋膜６を
設けた基板１上に電極３．４を設けて、’ｉｈ極３　、
４１Ｈ１に電圧を印加し、フォーミンクとＩｌｊばれる
通電加熱処理で電子放出部５を形成することによって製
造されている。即ち、電極３，４間への電圧の印加によ
って薄膜６に通電し、これにより発生するジュール熱で
薄ＩＩ！５！６を局所的に破壊。

変形もしくは変質せしめ、？［気菌に高抵抗な状態にし
た電子放出部５を形成することにより、電子放出機能を
イｌＪｊしているものである。

−に記電気的な高抵抗状態とは、薄ｌｌ９６の一部に０
．５ＩＬｍ〜５Ｉ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ｙハ４膜となっていることを
いう。島構造をイＪする不連続状ｙ几膜と６日、−・般
に数１′オンゲスｉ・ロームから数ミクロン径の微粒子
−が基板１」−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汀う。

［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
ーミング工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、特性等が一５？ｌせず
、これらを正確に制御できない問題がある。従って、一
基板に一電子放出部を形成する場合でさえ、製品間の／
ヘラツキが犬きく、素子構造が簡単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−Ｃ１一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ｌ開
係、形状、＃ｙ性等が全く無秩序となってしまい、とて
も実用画側（＋＋’ｉのある製品が得られないのが現状
である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、素子の
信頼性を高度に保ちつつ同一基板上、に複数の素子を二
次元に配列することの可能な表面伝導形電子放出素子を
提供することを１」的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために本発明において購じられた手
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Ｉにに相対向する電極３，
４を設け、その後この電極３．４間の所望の位置に所望
の電子放出材料から成る微粒子２を所望の密度で形成す
ることでス（板上に高富度に形成された微粒子から成る
電子放出部と、低富度あるいは、微粒子の存在しない非
放出部とを合わせ持つ表面伝導形電子放出素子とした。

更に本発明を説明すると、本発明では、第１図（ａ）　
、　（ｂ）に示されるように、まず相対向する電極３．
４の旧設を行う。この相対向する゛上極３，４のイ９設
は、フォトリソグラフィ等によって行うことができる。

電極３，４間の間隔は、数百オングスＩ・ローへ〜数１
−ミクロン程度が好ましい。電極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がなく、直線
的であっても曲線的であってもよい。

上記電極３，４の旧設後、内電極３．４が相対向してい
る位置に電ｊ′−放出材利で構成された島構造をイＪす
る不連続状態Ｉ（り２を形成して電子放出部５とするの
は、次のような方法で行うことができる。

（１）第１図（Ｃ）〜（ｅ）に示されるように、基体１
」−にマスク８を施して、所定の位置に電子放出材料の
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状態膜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、電子放出材料の溶解液の
塗布や当該溶解液へのデツピング等によってもよい。

（２）第１図（ｄ）の段階を経ずして（ｅ）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８該分散液へのデツ
ピング等により、基体１へ微粒子７を固着させる方法が
挙げられる。微粒子７の基体Ｊへの固着は、分散液への
バインダーの混入や、分散液塗布又は分散液へのデツピ
ング後の焼結笠によって行うことかできる。また、′電
子放出材料の基若やガスデポジションの初期膜を、（ｅ
）の島構造を有する不連続状態膜３とすることも可能で
ある。

上述のようにして、例えは第２図に示されるような表面
伝導形放出素子を得ることができる。この表面伝導形放
出素了では相対向する電極３，４間に沿って、一定間隔
で電子放出部５が設けられていて、点状の電子源か同一
・基板１土に多数存在するマルチ化された素子となって
いる。また、線状電子源を得るには、相対向する電極３
．４間を全て電子放出部５とすればよく、いずれの範囲
に電子放出部５を設けるかは必要に応して適宜定めれば
良い。

ところで、電子放出部５の特性は、相対向する電極３，
４の間隔と、当該対向部間に設けられる島構造を有する
不連続状態膜２の密度や材質等の性状とに大きく影響さ
れる。従って、当該■ジ２の性状を同一基板１１−で積
極的に変（ヒさせ、電子放出特性を制御することもでき
る。

また、島構造を有する不連続状ｙハ１膜２の（−１設は
、前記（２）の方法、中でも焼結によらず微粒子７を基
板ｌへ固着する方法によれば、作業か簡単でかつ基板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料としては、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、
従来のフォーミンク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。

ＪＬ体的には、例えば、ＬａＢ５　ＣｅＢ６．　ＹＢａ
、　ＧｄＢ、＋等の硼化物、ＴｉＪ　ＺｒＣ，ＨｆＧ、
　Ｔａｇ、　ＳＩｃ、　１ＩＩＣ等０”）炭化物、Ｔｉ
Ｎ、　ＺｒＮ、　ＨｆＮ等の窒化物、Ｎｂ、　Ｍｏ。

Ｒｈ、　Ｈｆ、　Ｔａ、　Ｗ、　Ｒｃ、旨、　Ｐｔ、　
Ｔｉ、　Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃｕ。

Ｃｒ、　Ａｐ、　Ｇｏ、　Ｎｉ、Ｆｅ、　Ｐｂ、Ｐｄ、
　Ｃ３等の金属、Ｉｎ２Ｏ３，５ｎ０７．５ｂ７０３等
の金属酸化物、Ｓｉ、　Ｇｅなどの半導体、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１の材料としては、島構凸をイ］する不連続
状態ｎｉ　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、石英等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＋ｎ）
を熱性材４゛［とじなくどもよい。

［作　川］ 同一基板トで電子放出部を形成する微粒子の密度を変え
ることで電子放出部と非放出部を明確に区別した本発明
の′Ｉｋ了放出素Ｙ−では、素子−製造を極めて容易に
し更に素−ｒ特性の制御Ｐ１を向−１−させることがで
きる。

即ち、わらかしめ基板１トに相対向する電極３．４を設
け、その後島構漬を有する不連続状ｉハ；膜２を１没け
ることにより、所黄の間隔で相対向している電極３．４
間の所要領域に当該膜２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、島構造を有する不連続状態
膜２の旧設は、先立って設けられている電極３，４間の
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、島
構造を有する不連続状態膜２の性状に影響されるので、
後から行われる当該膜２の旧設は、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２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角石英基板１上に
、通常のフォトリングラフィ技術を用いて、リフトオフ
により、プラスの電極３とマイナスの電極４を形成した
。電極材料はＮｉで厚さ２００ＯＡとした。また、電極
３と電極４の間隔（以下「電極キャップ」と呼ぶ）は、
２ＩＬｍであり、電子放出部５を二次元的に配列するた
め、両′市極３．４をクシ形とした。

次に、第３図に示すように、」−記クシ形の電極３．４
のクシの刃の部分に、フォトリングラフィ技術を用いて
、グレーティング状のフォトレジストのマスク８を形成
した後、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１−ＣＣＰ）をスピンコータを用
いて回転’ｔ＞　１ＯＬだ。その後、２５０°Ｃ−１０
分間の焼成を行い、Ｐｄの微粒子７から成る、島構造を
有する不連続状１ル膜２を設けて電子放出部５とし、最
後にフォ）・レシス）・５を除去して氷表面伝導形放出
素子を完成した。

得られた表面伝導形放出素子を模式的に拡大した平面図
を第３図として示す。図中７がＰｄの微粒イで、５がこ
れから成る、島構造を有する不連続状態膜２の電子放出
部である。本実施例で用いたグレーティングは５ｍｍピ
ッチ、スリント幅１１００ｐ、電極３，４は５ｍｍピッ
チであるため、５ｃｍ角の基板ｌ上に８１ケ所の電子放
出部５が形成された。

この点状マトリクス構造を有する氷表面伝導形放出素子
の真空中での電子放出特性を測定した結果、素子印加電
圧Ｖｒ＝　＋４Ｖ、電極間電流Ｉｆ＝１５０ｍＡのとき
、８１ケ所の電子放出部５からのトータル最大電流■ｅ
（ｌＩｄｘ）−２５ｐＡを得た。これは、１放出部当り
の放出電流がほぼ０．３ＪＡ　、放出効率（Ｉｅ／Ｉｆ
）α＝　１．７　Ｘ　１０−４であり、従来の表面伝導
形放出素子と同等の特性が得られていることが分かる。

また、氷表面伝導形放出素子から得られた電子線を１ｋ
Ｖで加速して蛍光体を発光させた結果、はぼ同程度の明
るさを持った９×９の輝点が観察され、所望の素子が得
られていることが示された。

実施例２ 微細なグレーティング状電極上に、電子放出機能料を用
いてパターン形成を行い、パターンと同一形状の電子放
出機能を示す表面伝導形放出素子を作製した。

まず、第５図に示すように、石英カラス基板１」二に電
極幅１００ｇｍ　、電極間隔１５０１からなる微細なり
シ形の電極３，４を、フォトリソグラフィ技術を用いて
、相対向させる様に形成した。電極３．４の材料は実施
例１と同様Ｎ１であり、その膜厚はおよそ１００ＯＡで
ある。従って、電極３　、４１ｆｉｌの間隔はおよそ５
μｍとなっている。

次に、クシ形電極パターンが形成された基板１上に、電
子放出材料である、１次粒径８０〜２００Ａの５ｎｉ２
ｖ１粒子の分散液（ＳｎＯ２：　１　ｇ、溶剤：　ＭＥ
Ｋ／シクロヘキサン−３７１のもの１００Ｏｃｃ、ブチ
ラール：１ｇ）を、先端径およそ１００１のノズルから
スプレー状に放出させ、所定の平面形状を描いて基板１
上に吹き伺けた後、大気中で２５０°Ｃ１１０分間の焼
成処理を行った。尚、ノズルから放出されるＳｎＯ２分
散液は、電極３，４のピッチ及び間隔に比べ、十分広い
範囲（およそ２ｍｌ１１径）に広がって吹き伺けられた
。

こうして得られた表面伝導形放出素子の電子放出部（図
示されていない）は、実質的には電極ギャップとＳｎＯ
２微粒子の旧著領域の交わる部分に限定されるが、真空
容器中で電極３，４間に直流電圧を印加して蛍光体の発
光パターンを観察したところ、はぼＳｎ０２ｍ粒子を付
着させて描いたパターンと同等であった。従って、十分
微細な一対のクシ形の電極３，４上では、島構造を有す
る不連続状態膜（図示されていない）をパターニングす
ることで、微小電子放出部の集合から成る所望形状の表
面伝導形放出素子を形成できることが示された。

実施例３ ！１８６図に示すように、正負画電極３，４の長さが５
０ｃｍに達する表面伝導形放出素子を作製した。

図中、ｌは絶縁性カラスの基板、３，４はＮｉを用いて
印刷によって形成した電極、５は実施例２と同様に、ス
プレーでの吹き伺は及び熱処理で形成した、ＳｎＯ２微
粒子の島構造を有する不連続状態膜２の電子放出部であ
る。電極キャップは５ｇｍであり、電子放出部５のサイ
ズはほぼ直径２００μｍの円形をしており、各電子放出
部５の間隔はほぼ５００ｐｍである。従って、米表面伝
導形放出素子は、１直線上に点状電子放出部５が５００
ケ所並んでいる。

電極３，４は、ともに幅１００μｍ、厚さ５ＩＬｍであ
り、米表面伝導形放出素子に１００ｍＡの電流を流すと
考えると、電極３，４両端の電圧降下は、Ｎ１の比抵抗
を６．８　Ｘｌ０−６Ω・Ｃｆｆ１として、およそ６．
８Ｖとなり、無視できない大きさとなる。従って、単に
等密度の電子放出部５を５０ｃｍの電極３，４上に形成
した場合、同一特性を有する電子放出部５は得られない
。そこで、電圧降下の生ずる部分の島構造を有する不連
続状態膜２は、微粒子の密度を高め、実効的に生ずる電
界強度が一定になるように形成して放出電流の均一化を
図った。

こうして得られた表面伝導形放出素子を真空容器中に入
れ、画電極３，４間に＋５Ｖの直流電圧を印加し、放出
した電子を引き出し電圧１ｋＶで蛍光体に当て、輝点観
察及び放出電流の測定を行った。蛍光体上の輝点は、−
直線」二に並び、電極３．４両端の明るさは、はぼ同一
であった。ま］　５ た、５００ケ所からの総放出電流はおよそ１００ＩＬＡ
　ｑ↓Ｉられた。

実施例４ 第７図に示すように、同一基板上に３ケ所の電子放出部
を１つのユニットとする電子放出素子を作製した。本素
子は３ケ所の電子放出部の沿直上に赤、緑、青に発光す
る蛍光体９　、１０．１１を塗布した蛍光板を設け、真
空容器中で本素子の各電子放出部から放出した電子を前
記蛍光体の３色の蛍光体に各々独立に照射し、３色の蛍
光を得ることを目的としている。このとき、蛍光体の発
光効率は、赤、緑、青それぞれ１．８［１）ｍ／ｗ］、
　ｌｏ［１）ｍ／ｗ］。

１．２　［ｐｍ／ｗ］　と大きく異なるため、３色とも
同様の輝度を得るためには、各放出電流Ｉｅを調整しな
ければならない。そこで今回作製した素子では赤。

緑、青それぞれに対応させる放出部６，７．８の微粒子
密度を変えることで、発光輝度の均一化した。

具体的には、実施例１，２．３同様のプロセスを用いて
Ｎ１電極３．４を作製した。このときの電極ギャップ及
び幅はそれぞれ、２μｍ〜３００μｍであり、赤、緑、
青に対応する放出部に全て共通である。

次に、放出部を形成するＰｄの微粒子を有機パラジウム
のスプレー照射により電極キャップ部にのみ照射して素
子を完成した。このとき、電極ギャップ中のＰｄ微粒子
の密度が放出電流及び発光輝度に大きく影響するため、
種々の密度で実験を行った結果、放出電流はほぼ微粒子
の密度に比例する結果が得られたため、蛍光体の発光効
率に応じて有機パラジウムの照射量を変え密度の制御を
行った。照射量の比は１：５：１０である。

こうして得られた素子の３種類の電子放出部を真空容器
中に入れ各々の電子放出特性を測定したところ、放出電
流はそれぞれ、２００ｎＡ、　１　μＡ、　２　ｐ、Ａ
（Ｖｆ＝］４Ｖ）となり、はぼ、Ｐｄ微粒子の密度に比
例した値が得られた。この素子から放出される３木の放
出電流の異なる電子線を加速電圧１　ｋＶ、　Ｖｆ＝Ｉ
４Ｖで赤、緑、青の蛍光体に当て、発光の様子を観察し
たところ、放出電流が赤の蛍光体にはＩＩＬＡ、青の蛍
光体　には２μΔ、緑の蛍光体には２００　ｎＡのとき
に３色の輝度がほぼ均等となった。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、少なくとも相対向する
２つの電極と電子放出せしめるだめの微粒子からなる表
面伝導形電子放出素子において、同一基板Ｉ−で微粒子
重度を変化させることで二次元配列を容易にしたもので
あり、以Ｆのような効果がある。

（１）製造される表面伝導形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）マルチ化か容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の説明図、第２図は実施例１
で作製した表面伝導形放出素子の平面図、第３図はその
マスキング状態を模式的に拡大した平面図、第４図は第
２図の表面伝導形放出素子を模式的に拡大した平面図、
第５図及び第６図は各々実施例２と３で作製した表面伝
導形放出素子の平面図、第７図は実施例４で作製した表
面伝導形電子放出素子の平面図、第８図は従来技術の説
明図である。 １：基板　　２・島構造をイ〕する不連続状ｊＬ；膜３
．４：電極　　５：電子放出部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に分散配置されている微粒子のうち電極間に
   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、前記電子放出部が基板上に
   複数形成されており、さらに、前記電子放出部の微粒子
   密度が非放出部位の微粒子密度と異なることを特徴とす
   る表面伝導形電子放出素子。 ２）前記電子放出部の微粒子密度が各々の電子放出部に
   おいて異なっている請求項１記載の表面伝導形電子放出
   素子。 ３）前記電子放出部の微粒子密度が前記非電子放出部の
   微粒子密度の２倍以上となっている請求項１記載の表面
   伝導形電子放出素子。 ４）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、前記電子放出
   部が基板上に複数形成されており、さらに各電子放出部
   の微粒子密度が各々、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。 ５）あらかじめ基板上に相対向する電極を設け、その後
   この電極間に、微粒子を分散して電子放出部を形成する
   表面伝導形電子放出素子の製造方法であって、前記微粒
   子の分散させる密度を調整して、所望の位置に電子放出
   部を形成させ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。