JPH0260025A - 電子放出素子とその製造方法 - 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、表面伝導型電子放出素子とその製造方法に関
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１
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　フィシ４−／ス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ。

Ｐｈ７ｓ、）第１Ｏ巻、１２９０〜１２９Ｅ１頁、１９
６５年］これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、
膜面に上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、一般には表面伝導型電子放出素
子と呼ばれている。

この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンンン
等により開発された５ｎ０２（Ｓｂ）薄膜を用いたもの
、　Ａｕ薄膜によるもの［ジー・ディトマー°゛スイン
　ソリド　フィルムス”　（Ｇ、　Ｄｉｔｔ＋ｎｅｒ：
”丁ｈｉｎ　５ｏｌｉｄ　ＦｉｌｍＳ”　）　、　９巻
、３１７頁、　（１９７２年）１．１丁０薄膜によるも
の［エム　ハートウェル　アンド　シー　ジー　フォン
スタット°゛アイイー　イー　イー　トランスパイ−デ
イ−コア　７７　Ｌ／　７（Ｍ、　Ｈａｒｔｗｅｌｌ　
ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓｔａｄ：”　ＩＥＥＥ　Ｔ
ｒａｎｓ、　ＥＤ　Ｇｏｎｆ、”　）　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）］などが報告されている。

これらの表面伝導型電子放出素子の典型的素子構成は、
第４図に示す。同図に於いて１及び２は電気的接続を得
る為の電極、３は電子放出材料で形成される薄膜、４は
基板、５は電子放出部を示す。

従来、これらの表面伝導型電子放出素子に於いては　７
ｔｔ子放出を行なう前にあらかじめフォーミングと呼ば
れる通電加熱処理によって電子放出部を形成する。即ち
、前記電極１と電極２の間に電圧を印加する事により、
薄膜３に通電し、これにより発生するジュール熱で薄膜
３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放出部５を形成することにより
電子放出機源を得ている。

上述、電気的に高抵抗状態とは、薄膜３の一部に０．５
１〜５μｍの亀裂を有し、且つ亀裂内が所謂島構造を有
する不連続状態膜を云う。島構造とは一般に数十Ａから
数１径の微粒子が基板４にあり、各微粒子は空間的に不
連続で電気的に連続な膜を云う。

従来、表面伝導型電子放出素子は上述高抵抗不連続膜に
電極１，２により電圧を印加し、素子表面に電流を流す
ことにより、し述微粒子より電子放出せしめるものであ
る。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記の様な従来の通電加熱によるフォー
ミング処理によって製造された電子放出２に子には次の
様な問題点があった。

（１）’ｉｆｆ子放出部となる島構造の設計が不可能な
為、素子の改良が難しく、素子間の電子放出部の位置や
特性にもバラツキを生じやすく、再現性に乏しい。

（２）島構造の寿命が短かく且つ安定性が悪く、また外
界の電磁波ノイズにより素子破壊も生じやすい。

（３）フォーミング工程の際に生じるジュール熱が大き
い為、基板が破壊しやす〈マルチ化が難しい。

（４）島の材料が金、銀、　Ｓ＋１０２　、　ＩＴＯ等
に限定され仕事関数の小さい材料が使えない為、大電流
を得ることができない。

そこで、フォーミングを使用せず、上記島構造を作製す
る方法として、微粒子を分散形成する方法や熱処理によ
る局所的な析出現象を利用する方法等が考えられる。

しかしながら、これらの方法を用いても、微粒子を取り
扱う工程が煩雑であり抵抗値を制御することも容易では
なかった。

以上の様な問題点があるため、表面伝導型電子放出素子
は素子構造が簡単であるという利点にもかかわらず、産
業上積極的に応用されるには至っていなかった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は前述従来例の問題点を解決するためになされた
ものである。

即ち、本発明は微粒子を含む不連続な高抵抗部を一対の
電極間に形成した表面伝導型電子放出素子において、向
い合う電極の方向に対し、高抵抗部の微粒子の密度分布
を変化させたことを特徴とする表面伝導型電子放出素子
である。

更に本発明は、素子上の一対の電極間に微粒子を堆積さ
せて表面伝導型電子放出素子を製造する方法に於いて、
素子上に飛来する微粒子を帯電させ、かつこの微粒子と
正負が同じ電位を電極に印加しつつ微粒子を堆積させる
ことを特徴とする表面伝導型電子放出素子の製造方法に
係るものである。

これにより、従来のフォーミングと呼ばれる処理を施す
ことなく、簡単な工程でフォーミング処理により得られ
る電子放出素子と同等以上の品質を有し、特性のバラツ
キが少なく、素子の形状も制御でき、素子寿命を延ばし
た電子放出素子を提供できる。

以下１本発明を図に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の電子放出素子の一実施形態概念を示す
模式平面図である。同図に於いて、ガラス、石英等の絶
縁体上に電圧印加用の低抵抗体からなる電極２および３
が微小間隔をおいて設けられ、その間に微粒子６が対向
する電極間方向に対し密度分布をもつ様に電子放出部と
して形成されている。また、不図示であるが、電子放出
特性の測定のために、電子放出部の上面に間隔を取って
、放出された電子を引き出す為の引き出し電極を設けて
、高真空中で電極１．２間に電圧を印加して電子放出部
より引き出し電極の方向、すなわち、はぼ紙面に垂直な
方向に電子を放出するものである。

ここで、絶縁体４上の微粒子６ば粒径が数１０Ａ−数μ
国で、さらに各微粒子間の間隔が数１０Ａ〜２ｐ、ｒｓ
の範囲内で形成されるとよい。

本発明の電子放出素子での電子放出のメカニズムの詳細
は不明だが電極２，３方向での電流を伴なって電子放出
がおこることから、微粒子６による回折、散乱、２次電
子放出、電界放出、熱電子、ポツピング電子、オージェ
電子等が考えられる。また、構造的には粒子間隔の大き
さによって、適度な電圧降下を生じ、局所的な電子放出
が粒子間相互作用の小さい所でおこっているとも考えら
れる。

本発明で用いられる微粒子の材料は非常に広い範囲にお
よび通常の金属、半金属、半導体といった導電性材料の
ほとんど全てを使用可能である。

なかでも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、また従来のフォーミング処理で
表面伝導型電子放出素子を形成する薄膜材料や、２次電
子放出係数の大きな材料などが好適である。

こうした材料から必要とする目的に応じて適宜材料を選
んで微粒子として用いることにより、所望の電子放出素
子を形成することができる。

具体的にはＬａＢ６．　ＣｅＢ６．　ＹＢ４．　ＧｄＢ
ｓ　などの硼化物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，
ＳｉＣ，Ｗｃなどの炭化物、ＴｉＮ、　ＺｒＮ、　Ｈｆ
Ｎなどの窒化物、Ｗｂ、　Ｎｏ、　Ｒｈ。

Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ
、Ｃｕ、Ｃｒ。

ＡＩ！、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｐｂ、　Ｐｄ、　
Ｃｓ、　Ｂａなどの金属。

Ｉｎ２Ｏ３，５ｎ０２．５ｂ２０３などの金属酸化物、
　Ｓｉ、　Ｇｅなどの半導体、カーボン、ＡｇＭｇなど
を一例として挙げることができる。なお本発明は上記材
料に限定されるものではない。

電極材としては、−殻内な導電性材料、Ａｕ。

Ｐｔ、　Ａｇ等の金属の他５ｎ０２．　ＩＴＯ等の酸化
物導電性材料でも使用できる。第１図において電極１．
２の厚みは数１００　Ａからａｇｍ程度が適当であるが
、この数値に限るものではない。また電極間隔りの寸法
は数１００ＯＡ−数１００ｇｍ　、間隔幅Ｗは数ル厘か
ら数■程度が適当であるが、このＬおよびＷの寸法に限
定するものではない。

［実施例］ 実施例１ 清浄な石英製の絶縁基板上にＮｉ電極（膜厚３０００Ａ
　）を形成し、フォトリングラフイーの手法を使って、
：５１図の電極１．２に示した様なパターンを形成する
。第１図中のＬは３０ｐ、ｍ、Ｗは４００μｍとした。

次に第２図に示した真空装置内に上記基板を入れる。真
空装置は超微粒子生成室７と超微粒子堆積室８及びその
２室をつなぐ縮小拡大ノズル９から構成され、超微粒子
堆積室８内の図中試料基板１０の位置にセットされる。

排気系１３で真空度をＩ　Ｘ　１Ｏ−６Ｔｏｒｒ以下に
なるまで排気した後、Ａｒガス１２を超微粒子生成室７
にＳＯ９（ＣＡＭ流した。この時、ａ微粒子生成室７の
圧力は５　Ｘ　１（１２Ｔｏｒｒ、超微粒子堆積室８の
圧力はＩ　Ｘ　１Ｏ−４Ｔｏｒｒとなり、２ケタの真空
度の差を生じた。縮小拡大ノズルの径は５φであり、ノ
ズル−基板間距離は１５０ｍｍとした。

次いでカーボン製ルツボの蒸発源１１よりＰｄを前述条
件下で蒸発させて生成したＰｄ超微粒子を、ノズル９よ
り吹き出させ基板上に堆積させる。この時、超微粒子生
成室７と超微粒子堆積室８の圧力差のためにノズルから
のＰｄ超微粒子を含むガスが高速ビームとなり基板上に
衝突固定化されつつ堆積する。さらに、この蒔ノズルか
ら吹き出す超微粒子流の周辺から電子銃１２より電子（
ｅ）を供給してＰｄ超微粒子を帯電させる。負に帯電し
たＰｄａ微粒子が基板ｌＯ上に飛来してくる事になるが
、この時基板上の電極の片方に負電位（−５Ｖ程度）を
印加しておく。

このようにしてＰｄ超微粒子をわずかに約１０ＯＡ相当
の電極間周辺に堆積させた。このときＰｄ超微粒子は試
料全面に配置されるが、電子放出に際し電極間隔り部具
外のＰｄ超微粒子は実質的に電圧が印加されないため何
らの支障はない、この堆積物を高分解源ＦＥ−３ＥＨで
観察したところ、約５０〜２００人の粒径をもち、中心
粒径が１０ＯＡのＰｄ、ｉｉｉ微粒、子が島状に散在し
、第３図（ａ）のように負電位をかけた電極２１近傍に
はＰｄＩＢ微粒子１６はほとんどわずかしか散見できな
かった。

第３図（ａ）の素子に対し真空度１０１Ｔｏｒｒ下で引
き出し電極を基板面に対し、垂直方向３　ｔａｔｆ！Ｉ
　した位置に設定し、電極２１　、２２間に電圧を印加
したところ安定な電子放出を観測した。特性は１５Ｖの
電圧印加で平均放出電流２μＡが安定して得られ、従来
のフォーミング処理における電子放出素子の数倍となっ
た。

効率も４　Ｘ　１０−４となり、従来のフォーミング素
子の１ケタ程度改善された。また、素子の電子放出特性
で素子間の再現性も良く、特性のバラツキも５〜２０％
に入っていた。電子放出の断続くり返し寿命も１００時
間以上の動作が可能である。これは両方の電極に電位を
印加しない、即ち密度分布をもたない素子に比べ１．５
〜５倍の寿命をもったことになる。

実施例２ 実施例１に於いて電極の両方に負電位（−２，５Ｖ程度
）を印加した以外は実施例１と同様の素子作製条件にし
た。電極のギヤツブ部付近のＰｄ、ｔｆｌ微粒子の分布
は第３図（ｂ）の様に電極２１　、２２の近傍のＰｄ超
微粒子はほとんどわずかしか散見されなかった。

この素子についても安定な電子放出が見られ、特性は１
５Ｖ電圧印加で平均放出電流１．２ｔｔＡで、効率は２
　Ｘ　１０−４となった。素子間の再現性も良く、特性
のバラツキも５〜１０％程度でおった。くり返し寿命も
１００ｈｒ以上となって良好となり、フォーミング素子
に対し、改善効果が見られた。

実施例３ 電極パターン形状でＬを６０＃Ｌ膓、Ｗを３００鉢層と
した。また、超微粒子生成室内の蒸発源を高周波誘導加
熱によりＣｕを蒸発させ、Ｃｕ超微粒子を約２００Ａ相
当電極間周辺上に堆積させた。これ以外の試料作製条件
は実施例１と同様にした。

このＧｕａ微粒子を高分解Ｊ　ＦＥ−３ＥＷで観察した
ところ約５０〜１５０人の粒径で中心粒径が８ＯＡで超
微粒子が第３図（ａ）の如く島状散在していた。

特性は、＋５Ｖの電圧印加で平均放出電流０．８．Ａが
安定して得られ、効率１．ＯＸｌ０−４であった。素子
間の再現性も良く特性バラツキは４〜１２％であった。

電子放出のくり返し寿命も１００時間以１動作可能であ
った。

もう一方の極を正電位（それぞれ２Ｖ程度）とした以外
は素子作製条件を実施例３と同一にした。

Ｃｕ！Ｂ微粒子の分布状況は第３図（ｃ）に示した様に
、正電位極にＣｕ超微粒子がやや凝集・堆積した様に見
える以外は第３図（ａ）と同様の分布となった。

特性は、１５Ｖの電圧印加で平均放出電流０．８ｇＡが
安定して得られ効率０．８　Ｘｌ０−４となり素子間再
現性、特性のバラツキ、電子放出のくり返し寿命もほぼ
実施例３と同等であった。

なお、以上の実施例の中で、超微粒子の堆積方法は縮小
拡大ノズルに限定するものではなく、例えば圧力差を利
用した細管、細孔であってもよく、また、超微粒子生成
室内に基板を設置する方法も可能である。ただ、超微粒
子を含むガスをノズルによって高速化することは、超微
粒子の捕集、密着性の点から見れば望ましい。

また、ノズルの形状を変えたり、上記、超微粒子生成室
内に基板を設置するだけでも、素子のマルチ化をさらに
簡単に行なうことができ、生産性も向−Ｅする。

超微粒子の生成法は、材料を蒸発させる１段であれば抵
抗加熱やスパッタ、レーザー溶融等の使用も可能である
。

さらに、帯電法についても本実施例では電子銃で電子を
放出しているが、他の電子放出源でも良く、複数個設定
することも可能である。また、材料によってはイオン化
エネルギー以上の光を超微粒子に照射し、超微粒子を正
イオンに帯電させて、電極に電位を印加することで、近
傍の超微粒子分布を変化させることも可能である。

［発明の効果］ 以上、説明したように、一対の電極間に微粒子を含む不
連続な高抵抗部を形成した表面伝導型電子放出素子に於
いて微粒子を素子上の高抵抗部の電極間に堆積させるに
あたり、微粒子を帯電させかつ微粒子と正負が同じ電位
を電極に印加しつつ堆積させて、向い合う電極の方向に
対し微粒子の密度分布を変化させるだけという筒中な工
程で素子を作製できるばかりでなく、微粒子材としての
材料選択の幅が広がり、素子形状や特性のバラツキも少
なくなり素子寿命が延び、放出電流の太ささや安定性も
向トする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子放出素子を示す模式的平面図、第
２図は本発明の素子作製原理を示す真空装置、第３図は
各実施例における電極間の超微粒子の堆積状況を示す図
である。第４図は従来の電子放出素子の一例を示す図で
ある。 １．２，２１．２２・・・電極、４・・・基板、６．１
６・・・微粒子、　　　　７・・・微粒子生成室、８・
・・微粒子堆積室、　　　９・・・ノズル、１０・・・
試料素子、　　　　　１１・・・蒸発源、１２・・・導
入ガス（Ａｒ）、　　１３・・・排気系。 １４・・・電子銃。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）微粒子を含む不連続な高抵抗部を一対の電極間に
   形成した表面伝導型電子放出素子において、向い合う電
   極の方向に対し、高抵抗部の微粒子の密度分布を変化さ
   せたことを特徴とする表面伝導型電子放出素子。
2. （２）微粒子が電子放出部であることを特徴とする請求
   項１記載の表面伝導型電子放出素子。
3. （３）素子上の一対の電極間に微粒子を堆積させて表面
   伝導型電子放出素子を製造する方法において、素子上に
   飛来する微粒子を帯電させ、かつこの微粒子と正負が同
   じ電位を電極に印加しつつ微粒子を堆積させることを特
   徴とする表面伝導型電子放出素子の製造方法。