JP2000285792A - 電子放出素子及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 雰囲気を超高真空にしなくとも酸化反応を抑
止することができ、電子放出を長期に経時劣化を抑えて
安定に得ることができ、そしてそれを用いた画像形成装
置について、輝度のばらつき，劣化を抑えて画像表示を
安定に行える電子放出素子及びそれを用いた画像形成装
置を提供する。 【解決手段】 基板４上にベース電極３を設けて、その
ベース電極３上にエミッタ部８を設ける。エミッタ部８
は尖った先端を持つ形状に形成し、これを囲んで絶縁層
５を設けて、絶縁層５の上にはゲート電極６を配設す
る。エミッタ部８の先端が電子放出体１となる。この電
子放出体１を含むエミッタ部８とゲート電極６とに、シ
リコン酸化物（や弗化カルシウム等）の被覆部材２を成
膜させて、所定の厚み（１〜１０ｎｍ）に被覆する。ゲ
ート電極６，ベース電極３間に電源７を接続し、エミッ
タ部８の先端に電界を集中させて電子放出を起こさせ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極の電子放出
部から電子を放出する電子放出素子及びそれを用いた画
像形成装置に関し、とりわけ、その電子放出部を被覆部
材により被覆するようにした電子放出素子及びそれを用
いた画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、冷陰極型の電子放出素子
は、いわゆる冷電子を冷陰極から放出するものであり、
電界放出（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＦＥ）型，
金属・絶縁層・金属（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）型，表面伝導型，半導体型など
がある。

【０００３】ＦＥ型は、例えば、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄ
ｔ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔ
ｈｉｎ ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃ
ａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｃ
ｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４
８（１９７６）や真空管に応用した米国特許ＵＳ３７５
５７０４、３７８９４７等に開示されたものが知られて
いる。

【０００４】即ち、上記したＳｐｉｎｄｔの電界放出型
電子放出素子は、基板に形成した導体上に、３次元的に
鋭く尖った形状の先端を持つ電子放出体を設けると共
に、電子を引き出すための開口部を有するゲート電極を
設けて、電子放出体の先端とゲート電極との間に７Ｖ／
ｃｍ程度の強電界を発生させて電子を真空中に引き出す
構成を採っている。

【０００５】また、ＦＥ型には、例えば米国特許ＵＳ４
８２７８７等に見られるように、いわゆる横型のものも
知られている。つまり、金属膜を２次元的に三角形や矩
形に加工し、基板上に設けた対向電極との間に強電界を
発生させ、これにより、金属膜の先端部あるいは角部分
から基板に平行に電子を放出させるようにした構成を採
る。

【０００６】何れにしても電界放出型電子放出素子にお
いては、電界を集中させるため電子放出体の先端を鋭く
尖らしていて、強電界を印加するため、電子放出体の材
料には例えばＷ，Ｍｏ等の熱及び電界に強い高融点の金
属材料を用いている。しかしその場合、揺らぎと呼ばれ
る電子放出体への真空中に残留するガスの付着による仕
事関数の変化に伴って電子放出電流が時間的に変化し、
また真空中に残留するガスのイオンにより先端部の形状
が変形し、そして過度の電界集中により電子放出電流が
時間的に変化する等の問題があり、即ち劣化が進んでし
まう。

【０００７】このため、電子放出体として、低仕事関数
あるいは負の電子親和力を示すダイヤモンド等の炭素を
用いて、電子放出体を鋭く尖らせることなく、低電界で
耐真空駆動を行えて電子放出電流を安定に得るようにす
る技術が提案されており、例えば、Ｃ．Ｘｉｅ；ＳＩＤ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＤ
ｉｇｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｐｅｒ，ｐｐ４
３（Ｍａｙ，１９９４）や米国特許ＵＳ５１８０９５１
等に開示されている。

【０００８】また、例えば電気通信学会技報ＥＤ９７−
８９ ｐ２９（１９９７）には、耐真空駆動を行えて電
子放出電流を安定に得るために電子放出体の材料とし
て、遷移金属チッカ物等を用いる技術が開示されてい
る。

【０００９】ＭＩＭ型は、例えば、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，”Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【００１０】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成
した小面積の薄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ある。例えば、特
開平７−２３５２５５号公報等には、電子放出部とし
て、炭素あるいはその化合物を活性化工程と呼ぶ製造方
法によって形成することで、電子放出特性を改善するよ
うにした表面伝導型電子放出素子が開示されている。

【００１１】半導体型は、例えば特開昭５６−６５２９
号公報等に見られるように、Ｇｏｒｋｏｍ等によるｐｎ
型の半導体に逆パイアスの強電界を印加してアバランシ
ェ現象を利用し、電子を放出させるものが知られてい
る。

【００１２】一方、薄い平面型の画像形成装置には、上
記した電子放出素子を基体上に多数配列して電子源に構
成しており、その電子源が放射する電子線により蛍光体
を励起して発光表示を行っている。つまり、リアプレー
トの上に、電子放出素子を多数配列して電子源を構成し
ていて、フェイスプレートには蛍光体の膜層を設け、両
プレートを平行に離間させた隙間に枠部材を配置して封
着させて真空容器となる本体を形成している。

【００１３】こうした画像形成装置では、その本体（真
空容器）において上述したように電子放出素子の劣化が
進む懸念がある一方、真空中（雰囲気）に残留するガス
により蛍光体が劣化することが問題となっている。特
に、硫化亜鉛系の蛍光体については、硫化亜鉛の硫黄
が、雰囲気に残留した水，酸素等と反応して劣化を促進
するため、蛍光体の劣化対策として、例えば特開平８−
２２７６６９号公報等に見られるように、蛍光体の表面
にポリ燐酸塩をコートして劣化反応を抑制するようにし
た技術が提案されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そうし
た従来の電子放出素子及びそれを用いた画像形成装置に
あっては、以下のような問題があった。

【００１５】（１）電子放出体が金属の場合には、雰囲
気に残留した水，酸素等によって酸化物の形成があり、
このため仕事関数が増加し、形状が変形してしまい、電
子放出電流が著しく減少する。また、電子放出体をダイ
ヤモンド等の炭素部材とした場合には、その炭素部材と
雰囲気の残留ガス（水，酸素等）との化学反応によりＣ
Ｏ，ＣＯ₂ となって消失するので、電子放出体の形状が
変形してしまい、電子放出電流が減少する問題があり、
このため画像形成装置においては、電子放出電流の減少
に伴って輝度が低下してしまう。

【００１６】（２）上記（１）で問題とした酸化反応を
抑止するために、電子放出素子を超高真空で動作させる
ことが行われているが、雰囲気（環境）を超高真空とす
るにはコストがかさみ、その超高真空を保持することが
技術的に難しいという問題があった。

【００１７】（３）電子放出素子を用いた平面型の画像
形成装置においては、真空を維持するため放出ガスを吸
着するゲッタ材を設けているが、高真空を維持するには
ゲッタ材を多量に配設しなければならない。しかし、電
子放出素子を多数配列した電子源と蛍光体との間の距離
は数百μｍから数ｍｍとなり比較的に狭く、ゲッタ材の
配設部所は画像表示の邪魔にならない領域に限られるた
め、多量に配設することが困難であり、特に、大画面化
するため大型化した場合は、ゲッタ材の配設部所とガス
の放出部所との位置関係に応じてガスの残留分布を生じ
てしまい、このため電子源について電子放出がばらつ
き、輝度がばらついてしまう問題があった。

【００１８】そこで、本発明はそうした従来の課題に鑑
みてなされたものであって、雰囲気を超高真空にしなく
とも酸化反応を抑止することができ、電子放出を長期に
経時劣化を抑えて安定に得ることができ、そしてそれを
用いた画像形成装置について、輝度のばらつき，劣化を
抑えて画像表示を安定に行える電子放出素子及びそれを
用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明の請求項１に示す電子放出素子は、冷陰極
の電子放出部から電子を放出する電子放出素子におい
て、前記電子放出部を絶縁性の被覆部材により被覆し、
その膜厚を電子がトンネリングし得る膜厚として構成す
る。

【００２０】また、請求項２の電子放出素子は、前記被
覆部材を、シリコン酸化物あるいは弗化カルシウムとし
て構成する。

【００２１】そして、請求項３の電子放出素子は、前記
被覆の膜厚を、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下として構成す
る。

【００２２】さらに、請求項４の電子放出素子は、前記
電子放出部と対向させてゲート電極を設けて駆動電圧を
印加し、当該電子放出部の尖った先端等に電界を集中さ
せる構成とする。

【００２３】また、請求項５の電子放出素子は、前記電
子放出部を、二つの素子電極間に渡される導電性薄膜に
形成し、電子放出のため二つの素子電極間に平行に電流
を流す構成とする。

【００２４】そして、請求項６の電子放出素子は、前記
電子放出部が炭素を有するものとして構成する。

【００２５】さらに、請求項７の電子放出素子は、前記
炭素を、グラファイト，アモルファスカーボン，ダイヤ
モンド等のいずれか、あるいはそれらの混合物として構
成する。

【００２６】また、請求項８の画像形成装置は、平行に
離間させた第一基板と第二基板の隙間に枠部材を設けて
封止した真空容器内に、電子源と画像形成部材を対向に
備える画像形成装置において、前記電子源は、請求項１
〜７に記載の電子放出素子を、基体上に多数配列して形
成した構成とする。

【００２７】以上の構成により請求項１の電子放出素子
は、絶縁性の被覆部材により電子放出部が被覆されるの
で、雰囲気にある水，酸素等の残留ガスを遮断でき、酸
化反応を抑止することができる。即ち、雰囲気を超高真
空にしなくとも酸化反応を抑止することができる。

【００２８】この被覆部材の膜厚は、電子がトンネリン
グし得る膜厚とされるので、金属あるいは炭素等による
電子放出部から放出された電子を効率良く真空にトンネ
リングでき、電子が真空に引き出される。

【００２９】被覆部材としては、シリコン酸化物や弗化
カルシウムなどが好ましく、これらは無機絶縁体なので
電子放出部からの電子放出時において安定であり、即
ち、熱的，化学的な安定性に優れるため被覆の膜厚を薄
くできて好ましく、また、弗化カルシウムなどはバンド
ギャップが増して絶縁耐圧が上がり、このためシリコン
酸化物よりも熱的，化学的な安定性に優れて被覆の膜厚
をより薄くできる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる電子放出素
子及びそれを用いた画像形成装置の実施形態を添付図面
に基づいて説明する。

【００３１】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態を示し、電界放出型の電子放出素子の断面図であ
る。

【００３２】図１において、８はエミッタ部であり、こ
のエミッタ部８は尖った先端を持つ形状に形成されてい
て、その先端が、電子を放出するための電子放出体１に
なっている。２は電子放出体１の被覆部材である。

【００３３】エミッタ部８は、ベース電極３の上に設け
られていて、ベース電極３は基板４上に設けられてい
る。

【００３４】基板４には、絶縁性の板材あるいは導電性
の板材の何れを用いてもよい。ベース電極３の上には、
エミッタ部８を囲んで絶縁層５が設けられ、その絶縁層
５の上には、エミッタ部８の先端部つまり電子放出体１
と所定に離れた位置に対向してゲート電極６が配設され
ている。そして、ベース電極３とゲート電極６とに電源
７が接続され、両電極間に所定の電位差が設定される構
成となっている。

【００３５】図２は、図１の電子放出素子の製造工程を
順に説明する断面図である。

【００３６】この電子放出素子の製造には、先ず、ガラ
ス，セラミックス等からなる絶縁性の基板４の上に、例
えばＭｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ａｌ等を膜厚２００〜３
００ｎｍに堆積させて導電性薄膜によるベース電極３を
形成する。その上に、例えばＳｉＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μｍの絶縁層５を形成し、さら
にこの絶縁層５の上に、例えばＭｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃ
ｒ，Ｎｂなどを膜厚２００〜３００ｎｍに堆積させて、
ゲート電極６となる導電性薄膜を形成する。そして、半
導体の微細加工技術を用いて、その導電性薄膜の側から
直径１〜２μｍの空洞２１を形成する〔図２（ａ）〕。

【００３７】その後、基板４を回転させながら、Ａｌ，
ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などのリフトオフ物質を斜め蒸着
して空洞２１の開口部を漸次閉じさせると共に、このと
き空洞２１の開口部の真上から正蒸着によって、例え
ば、Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＳｉＣ，
ＬａＢ₆ 等の電子放出材料を蒸着させてエミッタ部８を
形成する〔図２（ｂ）〕。

【００３８】そして、リフトオフ物質と電子放出材料の
混合物質２２を除去する〔図２（ｃ）〕。

【００３９】次に、ＳｉＯ₂ からなる被覆部材２を、例
えばスパッタ法等により電子放出部１及びゲート電極６
の上に成膜させ、電界放出型電子放出素子の製作を完了
する〔図２（ｄ）〕。

【００４０】この電子放出素子を動作させるには、図１
に示すように電源７の接続を、ゲート電極６が正でベー
ス電極３が負となる接続とし、エミッタ部８に電圧を印
加して電子放出体１の先端に電界を集中させる。そし
て、所定以上の電圧を印加することにより、真空中へ電
子放出を起こさせる。ここで、電子放出体１の上に積層
させる被覆部材２の膜厚は、例えば１〜１０ｎｍの範囲
に設定することが好ましく、２〜５ｎｍの範囲に設定す
ることがより好ましい。

【００４１】被覆部材２の膜厚の下限は使用部材つまり
ＳｉＯ₂ の被覆性により定まり、その上限はトンネル現
象による電子の透過性により定まる。即ち、エミッタ部
８の少なくとも電子放出体１を被覆し得る最低限の厚さ
よりも厚くし、電子のトンネリングを阻害しない最大限
の厚さよりも薄い範囲に設定される。このため、電子放
出体１をなす金属あるいは炭素等から放出された電子を
効率良く真空にトンネリングさせることができ、電子が
真空中に引き出される。

【００４２】被覆部材２としては、シリコン酸化物が好
ましく、即ち、シリコン酸化物の絶縁性は、電子がトン
ネリングする強電界が印加された場合においても、電子
放出体１からその表面の被覆部材２（絶縁層）に注入さ
れた電子によって衝突イオン化が抑制される、あるいは
衝突イオン化されても被覆部材２からホールが吐き出さ
れるために、その膜厚を薄くすると絶縁耐圧が上がり、
絶縁破壊が発生しにくくなって好ましい。また、弗化カ
ルシウムなどはバンドギャップが増して絶縁耐圧が上が
り、このためシリコン酸化物よりも熱的，化学的な安定
性に優れて被覆の膜厚をより薄くできる。

【００４３】以上の構成により本実施形態の電子放出素
子は、シリコン酸化物の被覆部材２により電子放出体１
が被覆されるので、雰囲気にある水，酸素等の残留ガス
を遮断でき、酸化反応を抑止することができる。即ち、
雰囲気を超高真空にしなくとも酸化反応を抑止すること
ができる。

【００４４】このシリコン酸化物は、無機絶縁体なので
電子放出体１からの電子放出時において安定であり、即
ち、熱的，化学的な安定性に優れるため被覆の膜厚を薄
くできて好ましく、電子がトンネリングし得る膜厚とさ
れるので、金属あるいは炭素等による電子放出体１から
放出された電子を効率良く真空にトンネリングでき、電
子が真空に引き出される。従って、電子放出を長期に経
時変化を抑えて安定に得ることができ、その結果、電子
源，画像形成装置等へ好ましく適用することができる。

【００４５】（第２実施形態）図４は、本発明の第２実
施形態を示し、電界放出型の電子放出素子の断面図であ
る。

【００４６】本実施形態は、炭素材料により電子放出体
を形成したものであり、図４において、４８はエミッタ
部であり、このエミッタ部８は尖った先端を持つ形状に
形成されていて、その先端が、電子を放出するための電
子放出体４１になっている。４２は電子放出体４１の被
覆部材である。

【００４７】エミッタ部４８は、ベース電極４３の上に
設けられていて、ベース電極４３はｎ＋Ｓｉの板材であ
って基板を兼ねるようになっている。

【００４８】ベース電極４３の上には、エミッタ部４８
を囲んで絶縁層４５が設けられ、その絶縁層４５の上に
は、エミッタ部４８の先端部つまり電子放出体４１と所
定に離れた位置に対向してゲート電極４６が配設されて
いる。そして、ベース電極４３とゲート電極４６とに電
源４７が接続され、両電極間に所定の電位差が設定され
る構成となっている。

【００４９】図５は、図４の電子放出素子の製造工程を
順に説明する断面図である。

【００５０】この電子放出素子の製造には、先ず、ベー
ス電極４３をなすｎ＋Ｓｉ基板に、熱酸化膜を膜厚３０
０ｎｍに形成する。さらにドット形状のレジスト膜をパ
ターニングした後、これをマスクにしてＳｉＯ₂ をドッ
ト形状の部分を除いて除去する〔図５（ａ）〕。

【００５１】次に、これを熱酸化させる〔図５
（ｂ）〕。

【００５２】この後、ＳｉＯ_x を膜厚３００〜５００ｎ
ｍに堆積させて絶縁層４５を形成し、さらに、例えばＭ
ｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ等を膜厚２００〜３００ｎｍに堆
積させてゲート電極４６となる導電性薄膜を形成し、そ
の際、バッファーふっ酸を用いてリフトオフ法によリエ
ミッタ部４８の上部にＳｉＯ_x 膜層，導電膜層を残して
形成する〔図５（ｃ）〕。

【００５３】次に、これを真空チャンバーに収容して、
当該真空チャンバー内には、ＣＨ₄ガス及びＨ₂ ガスを
１：５０の比率で全流量１００ｓｃｃｍにフローさせて
全圧力を２Ｐａとし、所定の電圧を印加して電離を起こ
させて堆積膜を形成する。つまり、エミッタ部４８を零
電位としてゲート電極４６に正電圧を印加して、エミッ
タ部４８の先端に炭素を堆積させる〔図５（ｄ）〕。

【００５４】次に、ＳｉＯ₂ からなる被覆部材４２を、
例えばスパッタ法等により電子放出体４１及びゲート電
極４６の上に成膜させ、電界放出型電子放出素子の製作
を完了する〔図５（ｅ）〕。

【００５５】この場合も、前述した第１実施形態と同様
の作用，効果となり、シリコン酸化物の被覆部材４２に
より電子放出体４１が被覆されるので、雰囲気にある
水，酸素等の残留ガスを遮断でき、酸化反応を抑止する
ことができる。即ち、雰囲気を超高真空にしなくとも酸
化反応を抑止することができる。

【００５６】これにより、金属あるいは炭素等による電
子放出体１から放出された電子を効率良く真空にトンネ
リングでき、電子が真空に引き出される。従って、電子
放出を長期に経時変化を抑えて安定に得ることができ、
その結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく適用する
ことができる。

【００５７】（第３実施形態）図６は、本発明の第３実
施形態を示し、表面伝導型の電子放出素子であり（ａ）
はその平面図、（ｂ）はその断面図である。

【００５８】図６において、６１は基体、６２，６３は
素子電極、６４は導電性膜、６５は電子放出部である。
両素子電極６２，６３には電源６０が接続されており、
素子電極６２が低電位となり素子電極６３が高電位とな
る接続とし、電子放出部６５を境にして、素子電極６２
側を、これと接続した導電性膜６４を含めて低電位側と
呼び、素子電極６３側を、これと接続した導電性膜６４
を含めて高電位側と呼ぶことにする。

【００５９】また、６６は導電性膜６４の亀裂近傍の低
電位側に堆積させた炭素被膜、６７は導電性膜６４に形
成させた亀裂、６８は炭素被膜６６と同様に導電性膜６
４の亀裂近傍の高電位側に堆積させた炭素被膜、６９は
電子放出部６５の被覆部材である。

【００６０】電子放出部６５は、亀裂６７及びその近傍
の導電性膜６４の上に堆積させた炭素被膜６６，６８か
らなり、亀裂６７を挟んで対向する炭素被膜６６，６８
が被覆部材６９で覆われる構成となっている。

【００６１】被覆部材６９は、ここでは弗化カルシウム
からなり、その膜厚は第１実施形態と同様に適切に設定
されている。

【００６２】この場合も、前述した第１実施形態と同様
の作用，効果となり、弗化カルシウムの被覆部材６９に
より電子放出部６５が被覆されるので、雰囲気にある
水，酸素等の残留ガスを遮断でき、酸化反応を抑止する
ことができる。即ち、雰囲気を超高真空にしなくとも酸
化反応を抑止することができる。また、弗化カルシウム
などはバンドギャップが増して絶縁耐圧が上がり、この
ためシリコン酸化物よりも熱的，化学的な安定性に優れ
て被覆の膜厚をより薄くできて好ましい。

【００６３】これにより、金属あるいは炭素等による電
子放出部６５から放出された電子を効率良く真空にトン
ネリングでき、電子が真空に引き出される。従って、電
子放出を長期に経時劣化を抑えて安定に得ることがで
き、その結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく適用
することができる。

【００６４】（第４実施形態）図８は、本発明の第４実
施形態を示し、電界放出型の電子放出素子の断面図であ
る。

【００６５】本実施形態は、ダイヤモンドライク炭素に
より電子放出体を形成したものであり、図８において、
８０はエミッタ部であり、開口部の底面全体がエミッタ
部８０となっている。８１はエミッタ部８０のダイヤモ
ンドライク炭素材料であって、グラファイト中にダイヤ
モンド微粒子を分散させた形態を有する電子を放出する
電子放出体、８２は電子放出体８１の被覆部材である。

【００６６】電子放出体８１は、ベース電極８３の上に
設けられていて、そのベース電極８３が基板８４上に設
けられている。

【００６７】基板８４には、絶縁性の板材あるいは導電
性の板材の何れを用いてもよい。ベース電極８３の上面
には、電子放出体８１となるダイヤモンドライク炭素の
薄膜が全面に形成され、そしてその上に、エミッタ部８
０となる部所を囲んで絶縁層８５が設けられ、その絶縁
層８５の上には、エミッタ部８０の電子放出体８１と所
定に離れた位置に対向してゲート電極８６が配設されて
いる。そして、ベース電極８３とゲート電極８６とに電
源８７が接続され、両電極間に所定の電位差が設定され
る構成となっている。

【００６８】図８に示す電子放出素子の製造は、ダイヤ
モンドライク炭素材料により電子放出体８１を形成する
工程以外は前述した第１実施形態と同様の製造工程とな
っており、先ず、ガラス，セラミックス等からなる絶縁
性の基板８４の上に、例えばＭｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，
Ａｌ等を膜厚２００〜３００ｎｍに堆積させて導電性薄
膜によるベース電極８３を形成する。その上に、グラフ
ァイトをターゲットにしてレーザを照射してその蒸発物
を堆積し、電子放出体８１となるダイヤモンドライク炭
素の薄膜を形成する。そしてその上に、例えばＳｉＯ
₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μｍの絶縁
層８５を形成し、さらにこの絶縁層８５の上に、例えば
Ｍｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｂなどを膜厚２００〜３０
０ｎｍに堆積させて、ゲート電極８６となる導電性薄膜
を形成する。そして、半導体の微細加工技術を用いて、
その導電性薄膜の側から直径１〜２μｍの空洞を形成す
る。

【００６９】なお、ダイヤモンドライク炭素による薄膜
の形成方法は、本実施形態ではレーザアブレーション法
としたが、これに限られるものではなく、例えばプラズ
マＣＶＤ法やホットフィラメント法などの各種の方法を
適宜に適用すればよい。

【００７０】次に、弗化カルシウムからなる被覆部材８
２を、第３実施形態と同様に、例えばスパッタ法等によ
り電子放出体８１及びゲート電極８６の上に成膜させ、
製作を完了する。

【００７１】この場合も、前述した第１実施形態と同様
の作用，効果となり、弗化カルシウムの被覆部材８２に
より電子放出体８１が被覆されるので、雰囲気にある
水，酸素等の残留ガスを遮断でき、酸化反応を抑止する
ことができる。即ち、雰囲気を超高真空にしなくとも酸
化反応を抑止することができる。また、弗化カルシウム
などはバンドギャップが増して絶縁耐圧が上がり、この
ためシリコン酸化物よりも熱的，化学的な安定性に優れ
て被覆の膜厚をより薄くできて好ましい。

【００７２】これにより、金属あるいは炭素等による電
子放出体８１から放出された電子を効率良く真空にトン
ネリングでき、電子が真空に引き出される。従って、電
子放出を長期に経時劣化を抑えて安定に得ることがで
き、その結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく適用
することができる。

【００７３】（第５実施形態）図９は、本発明の第５実
施形態を示し、画像形成装置の斜視図である。

【００７４】本実施形態は、真空容器をなす外囲器内
に、第３実施形態の表面伝導型電子放出素子を多数配列
して電子源とすると共に、この電子源と画像形成部材
（蛍光体）とを対向させて備えて画像形成装置に構成し
たものである。

【００７５】図９において、９１は電子放出素子９２を
多数配列した電子源基体、９５は電子源基体９１を固定
したリアプレート、そして１００はガラス基板９７の内
面に蛍光膜９８とメタルバック９９等を形成したフェイ
スプレート、９６は支持枠である。

【００７６】支持枠９６には上下にフェイスプレート１
００，リアプレート９５が固着されており、外囲器が構
成されている。

【００７７】電子放出素子９２は、図６に示す表面伝導
型の素子であり、９３，９４は電子放出素子９２の一対
の素子電極と接続された行方向配線，列方向配線であ
る。行方向配線９３は端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍと接続して外
部に引き出されて走査側となっており、列方向配線９４
は端子Ｄｙ１〜Ｄｙｎと接続して外部に引き出されて変
調側となっている。

【００７８】蛍光膜９８は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の蛍光体
及びブラックストライプを備えて形成され、メタルバッ
ク９９はＡｌ等により形成されている。

【００７９】以上のように構成した画像表示装置におい
て、各電子放出素子９２には、図示しない信号発生手段
から端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ，Ｄｙ１〜Ｄｙｎを通じて走査
信号及び変調信号をそれぞれ印加して電子放出を起こさ
せるものであり、このときメタルバック９９には高圧端
子Ｈｖを通じて数ｋＶ以上の高電圧を印加して電子ビー
ムを加速し、蛍光膜９８へ衝突させて励起及び発光さ
せ、これにより画像の表示を行う。

【００８０】ここに、本発明にかかる各電子放出素子９
２については、電子放出を長期に経時劣化を抑えて安定
に得ることができるものであることから、それを用いた
第５実施形態の画像形成装置は、画像表示を長時間行っ
ても輝度のばらつき，劣化を抑えることができ、画像表
示を安定に行える。

【００８１】

【実施例】以下、本発明にかかる電子放出素子及びそれ
を用いた画像形成装置の実施例と比較例を説明する。

【００８２】（実施例１及び比較例１）実施例１は、図
１に示す構成の電界放出型の電子放出素子を製作したも
のであり、図２に示す製造工程に従って実施した。

【００８３】即ち、被覆部材２には、ＳｉＯ₂ を用い
て、これをスパッタ法によりエミッタ部８（電子放出体
１）に成膜させ、その膜厚を３ｎｍに形成した。こうし
て図１に示す電子放出素子の製作を完了した。

【００８４】なお、本実施例では、被覆部材２をスパッ
タ法により成膜させたために、図１に示すようにゲート
電極６上にも形成され、こうして製作した電子放出素子
を真空チャンバーに収容して、１０^-7Ｐａまで排気した
後、３５０℃で加熱排気し、この後、水を１０^-5Ｐａ導
入して電子放出素子を駆動した。

【００８５】比較例１は、図２に示す実施例１の製造工
程において、（ａ），（ｂ），（ｃ）までの工程を実施
したものであり、（ｄ）の工程を行わずに、つまりＳｉ
Ｏ₂の被覆材料による被覆は設けずに製作を完了した。
この比較例１の電子放出素子も真空チャンバーに収容し
て実施例１と同様に駆動した。

【００８６】（評価）図３は、電子放出素子の経時変化
特性を示し、実施例１及び比較例１を長時間駆動したと
きの電子放出電流Ｉｅの変化を測定したグラフ図であ
る。同図に示すように、実施例１の電子放出電流Ｉｅ
は、比較例１に比べてやや低値ではあるが、長時間駆動
しても電流値の低減が少なく安定であった。―方、比較
例１の電子放出素子は、駆動時間の経過と共に、電子放
出電流Ｉｅが著しく減少した。

【００８７】即ち、本実施例の電子放出素子では、雰囲
気に水，酸素を導入しても電子放出電流Ｉｅを安定に得
られることを確認した。

【００８８】（実施例２）実施例２は、図４に示す構成
の電界放出型の電子放出素子を製作したものであり、第
２実施形態で説明した製造工程に従って実施した。

【００８９】即ち、被覆部材４２には、ＳｉＯ₂ を用い
て、これをスパッタ法によりエミッタ部８（電子放出体
１）に成膜させ、その膜厚を３ｎｍに形成した。こうし
て図４に示す電子放出素子の製作を完了した。

【００９０】なお、本実施例では、被覆部材４２をスパ
ッタ法により成膜させたために、図４に示すようにゲー
ト電極４６上にも形成され、こうして製作した電子放出
素子を真空チャンバーに収容して、１０^-7Ｐａまで排気
した後、３５０℃で加熱排気し、この後、水を１０^-5Ｐ
ａ導入して電子放出素子を駆動した。

【００９１】そして、本実施例の電子放出素子でも、雰
囲気に水，酸素を導入しても電子放出電流Ｉｅを安定に
得られることを確認した。

【００９２】（実施例３及び比較例２）実施例３は、図
６に示す構成の表面伝導型の電子放出素子を製作したも
のである。

【００９３】図７は、図６の電子放出素子の製造工程を
順に説明する断面図であり、本実施例は図７の製造工程
に従って実施した。

【００９４】（工程−ａ）清浄化した青板ガラス上に厚
さ０．５μｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成して
基板６１とし、その上に、素子電極６２，６３間のギャ
ップＬとなるパターンを、フォトレジスト（ＲＤ−２０
００Ｎ−４１，日立化成社製）により形成し、真空蒸着
法により、厚さ５０オングストロームのＴｉ、１０００
オングストロームのＮｉを順次堆積した。次に、フォト
レジストパターンを有機溶剤で溶解してＮｉ／Ｔｉの堆
積膜をリフトオフして素子電極６２，６３を形成し、こ
のとき素子電極間のギャップＬを１０μｍとし、素子電
極幅Ｗを３００μｍとした〔図７（ａ）〕。

【００９５】（工程−ｂ）（工程−ａ）で形成した素子
電極６２，６３を含む基板６１の表面全面に、Ｃｒ膜を
膜厚５００オングストロームに真空蒸着により堆積し、
さらにフォトレジストを全面に塗布した後、素子電極間
及びこの近傍に、上記ギャップＬ以上の長さで幅が１０
０μｍの開口を有する不図示のマスクを使用して、パタ
ーンニング，現像，開口部のＣｒのエッチングを行って
ギャップＬ及び素子電極６２，６３の―部を露出させて
幅１００μｍのＣｒマスクを製作した。

【００９６】その上に有機Ｐｄ〔ｃｃｐ４２３０；奥野
製薬（株）製〕をスピンナーにより回転塗布し、３００
℃で１０分間の加熱して焼成処理を行った。この後、酸
エッチャントでＣｒをエッチングし、リフトオフするこ
とにより導電性膜６４を形成した〔図７（ｂ）〕。

【００９７】こうして形成した導電性膜６４は主成分と
してＰｄＯの微粒子からなり、その膜厚は１２ｎｍで、
シート抵抗値は１．５×１０⁴ Ω／□であった。なお、
微粒子膜とは、複数の微粒子が集合した膜であり、その
微細構造として微粒子が個々に分散している状態のみな
らず、微粒子が互いに隣接し、あるいは重なり合った状
態（島状も含む）の膜も含み、そうした状態で粒子形状
を認識し得る微粒子についての径を粒径と呼んでいる。

【００９８】以上の工程により基板６１上に、素子電極
６２，６３及び導電性膜６４を形成した。

【００９９】（工程−ｃ）次に、基板６１を真空チャン
バーに収容し、真空ポンプにより排気して、１０^-7Ｐａ
の真空度に達した後、素子電極６２，６３間に矩形パル
ス電圧を印加してフォーミング処理を施した。ここで、
フォーミング処理の電圧波形は、ＯＮ時間を１ｍｓｅ
ｃ，ＯＦＦ時間を９ｍｓｅｃとし、電圧パルスの波高値
は０．１Ｖステップで昇圧してフォーミング処理を行っ
た。そして、フォーミング処理中は、ＯＦＦ時間に抵抗
測定パルスを０．１Ｖの電圧で挿入して抵抗を測定し、
測定値が約１ＭΩ以上になった時点でフォーミング処理
を終了した。これにより、導電性薄膜６４は、両素子電
極６２、６３間で電気的に分断された状態となる〔図７
（ｃ）〕。

【０１００】（工程−ｄ）続いて、真空チャンバーにア
セトンを１０^-2Ｐａ導入し、その雰囲気下で、フォーミ
ング処理した素子に、波高値を±１７Ｖとした矩形パル
スを通電して活性化処理を施した。

【０１０１】この活性化処理は、電子放出電流Ｉｅ及び
素子電流Ｉｆを測定しながら行い、電子放出電流Ｉｅが
飽和した時点で活性化処理を終了した。なお、素子電流
Ｉｆとは、電子放出電流Ｉｅが真空中に放出された電子
による電流成分であるのに対して、素子電極６２，６３
間に流れる電流成分である。ここに、導電性薄膜６４に
形成された亀裂６７の近傍に、グラファイト及びアモル
ファスカーボンの混合物からなる炭素被膜６６，６８が
形成される〔図７（ｄ）〕。

【０１０２】（工程−ｅ）次に、被覆部材６９として弗
化カルシウムを用いて、これをスパッタ法により膜厚
２．５ｎｍに堆積させた〔図７（ｅ）〕。

【０１０３】こうして図４に示す電子放出素子の製作を
完了した。

【０１０４】比較例２は、上述した実施例３の製造工程
において、（工程−ａ），（工程−ｂ），（工程−ｃ）
までの工程を実施したものであり、（工程−ｅ）を行わ
なずに、つまり弗化カルシウムの被覆材料による被覆は
設けずに製作を完了した。

【０１０５】（評価）製作した実施例３と比較例２の両
電子放出素子を、真空チャンバーへ収容して１０^-7Ｐａ
まで排気し、さらに３５０℃に加熱して排気した後に、
水及び酸素を１０^-5Ｐａ導入して、素子電極５２，５３
に電源５０を接続し、電子放出部５５に電圧を印加して
電子を真空に放出させた。

【０１０６】その結果、電子放出素子の経時変化特性は
前述した実施例１及び比較例１と同様であり、実施例３
の電子放出電流Ｉｅは、比較例２に比べてやや低値では
あるが、長時間駆動しても電流値の低減が少なく安定で
あった。―方、比較例２の電子放出素子は、駆動時間の
経過と共に、電子放出電流Ｉｅが著しく減少した。

【０１０７】即ち、本実施例の電子放出素子では、雰囲
気に水，酸素を導入しても電子放出電流Ｉｅを安定に得
られることを確認した。

【０１０８】また、電子放出部６５を被覆した弗化カル
シウムは、シリコン酸化物（ＳｉＯ₂ ）よりも熱的，化
学的な安定性に優れるものであり、本実施例において被
覆の膜厚をより薄くできることを確認した。

【０１０９】（実施例４）実施例４は、図８に示す電界
放出型の電子放出素子を製作したものであり、第４実施
形態で説明した製造工程に従って実施した。

【０１１０】つまり、図８に示す電子放出素子の製造
は、ダイヤモンドライク炭素材料により電子放出体８１
を形成する工程以外は前述した第１実施形態と同様の製
造工程となっており、先ず、ガラス，セラミックス等か
らなる絶縁性の基板８４の上に、例えばＭｏ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｃｒ，Ａｌ等を膜厚２００〜３００ｎｍに堆積させ
て導電性薄膜によるベース電極８３を形成した。その上
に、グラファイトをターゲットにしてレーザを照射して
その蒸発物を堆積し、電子放出体８１となるダイヤモン
ドライク炭素の薄膜を形成した。そしてその上に、例え
ばＳｉＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μ
ｍの絶縁層８５を形成し、さらにこの絶縁層８５の上
に、例えばＭｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｂなどを膜厚２
００〜３００ｎｍに堆積させて、ゲート電極８６となる
導電性薄膜を形成した。そして、半導体の微細加工技術
を用いて、その導電性薄膜の側から直径１〜２μｍの空
洞を形成した。

【０１１１】次に、弗化カルシウムからなる被覆部材８
２を、第２実施形態と同様に、例えばスパッタ法等によ
り電子放出体８１及びゲート電極８６の上に成膜させ、
製作を完了した。

【０１１２】こうして製作した電子放出素子を真空チャ
ンバーに収容して、１０^-7Ｐａまで排気した後、３５０
℃で加熱排気し、この後、水を１０^-5Ｐａ導入して電子
放出素子を駆動した。

【０１１３】そして、本実施例の電子放出素子でも、雰
囲気に水，酸素を導入しても電子放出電流Ｉｅを安定に
得られることを確認した。

【０１１４】また、電子放出体８１を被覆した弗化カル
シウムは、シリコン酸化物（ＳｉＯ₂ ）よりも熱的，化
学的な安定性に優れるものであり、本実施例において被
覆の膜厚をより薄くできることを確認した。

【０１１５】（実施例５）実施例５は、実施例３の表面
伝導型の電子放出素子を多数配列して単純マトリックス
の電子源に構成し、これを用いて図９に示す画像形成装
置を製作したものである。

【０１１６】製作した画像表示装置において、各電子放
出素子９２には、図示しない信号発生手段から端子Ｄｘ
１〜Ｄｘｍ，Ｄｙ１〜Ｄｙｎを通じて走査信号及び変調
信号をそれぞれ印加して電子放出を起こさせ、その際メ
タルバック９９には高圧端子Ｈｖを通じて数ｋＶ以上の
高電圧を印加して電子ビームを加速し、蛍光膜９８へ衝
突させて励起，発光させ、画像の表示を行った。

【０１１７】その結果、画像表示を長時間行っても輝度
のばらつき，劣化は極めて少なく、画像表示を安定に行
えることを確認した。また、画像形成装置をなす外囲器
内の真空を維持するためのゲッタ材には蒸発型ゲッタ材
を従来と同様に構成したので、当該外囲器内の雰囲気に
発生する水，酸素は従来と同様であり、従ってそれらに
起因する劣化を抑止し得ることを確認できた。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電子放出素
子及びそれを用いた画像形成装置は、次に示すような優
れた効果を奏する。

【０１１９】（１）本発明の電子放出素子は、絶縁性の
被覆部材により電子放出部が被覆されるので、雰囲気に
ある水，酸素等の残留ガスを遮断でき、酸化反応を抑止
することができる。即ち、雰囲気を超高真空にしなくと
も酸化反応を抑止することができる。

【０１２０】この被覆の膜厚は、電子がトンネリングし
得る膜厚とされるので、金属あるいは炭素等による電子
放出部から放出された電子を効率良く真空にトンネリン
グでき、電子が真空に引き出される。従って、電子放出
を長期に経時劣化を抑えて安定に得ることができ、その
結果、電子源，画像形成装置等へ好ましく適用すること
ができる。

【０１２１】（２）本発明の画像形成装置は、これへ用
いた各電子放出素子が、電子放出を長期に経時劣化を抑
えて安定に得ることができるものであることから、画像
表示を長時間行っても輝度のばらつき，劣化を抑えるこ
とができ、画像表示を安定に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示し、電界放出型の電
子放出素子の断面図である。

【図２】図１の電子放出素子の製造工程を順に説明する
断面図である。

【図３】電子放出素子の経時変化特性を示し、長時間駆
動時の電子放出電流Ｉｅの変化を測定したグラフ図であ
る。

【図４】本発明の第２実施形態を示し、電界放出型の電
子放出素子の断面図である。

【図５】図４の電子放出素子の製造工程を順に説明する
断面図である。

【図６】本発明の第３実施形態を示し、（ａ）は表面伝
導型の電子放出素子の平面図、（ｂ）はその断面図であ
る。

【図７】図６の電子放出素子の製造工程を順に説明する
断面図である。

【図８】本発明の第４実施形態を示し、電界放出型の電
子放出素子の断面図である。

【図９】本発明の第５実施形態を示し、画像形成装置の
斜視図である。

【符号の説明】

１，４１，８１ 電子放出体（電子放出部） ２，４２，８２ 被覆部材 ３，４３，８３ ベース電極 ４，４４，８４ 基板 ５，４５，８５ 絶縁層 ６，４６，８６ ゲート電極 ７，４７，６０，８７ 電源 ８，４８，８０ エミッタ部 ６１ 基体 ６２，６３ 素子電極 ６４ 導電性膜 ６５ 電子放出部 ６６，６８ 炭素被膜 ６７ 亀裂 ６９ 被覆部材 ９１ 電子源基体 ９２ 電子放出素子 ９３ 行方向配線 ９４ 列方向配線 ９５ リアプレート ９６ 支持枠 ９７ ガラス基板 ９８ 蛍光膜 ９９ メタルバック １００ フェイスプレー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河手 信一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD17 5C036 EE01 EE02 EE19 EF01 EF06 EF09 EG12 EH06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷陰極の電子放出部から電子を放出する
   電子放出素子において、前記電子放出部を絶縁性の被覆
   部材により被覆し、その膜厚を電子がトンネリングし得
   る膜厚としたことを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 前記被覆部材を、シリコン酸化物あるい
   は弗化カルシウムとしたことを特徴とする請求項１に記
   載の電子放出素子。
3. 【請求項３】 前記被覆部材の膜厚を、１ｎｍ以上１０
   ｎｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２に記
   載の電子放出素子。
4. 【請求項４】 前記電子放出部と対向させてゲート電極
   を設けて駆動電圧を印加し、当該電子放出部の尖った先
   端に電界を集中させることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれかに記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 前記電子放出部を、二つの素子電極間に
   渡される導電性薄膜に形成し、電子放出のため二つの素
   子電極間に平行に電流を流すことを特徴とする請求項１
   〜３のいずれかに記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 前記電子放出部が炭素を有することを特
   徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素
   子。
7. 【請求項７】 前記炭素を、グラファイト，アモルファ
   スカーボン，ダイヤモンド等のいずれか、あるいはそれ
   らの混合物としたことを特徴とする請求項６に記載の電
   子放出素子。
8. 【請求項８】 平行に離間させた第一基板と第二基板の
   隙間に枠部材を設けて封止した真空容器内に、電子源と
   画像形成部材を対向に備える画像形成装置において、前
   記電子源は、請求項１〜７のいずれかに記載の電子放出
   素子を、基体上に多数配列して形成したことを特徴とす
   る画像形成装置。