JP2001283720A

JP2001283720A - 電子放出素子および電子放出素子の駆動方法および電子源および画像形成装置

Info

Publication number: JP2001283720A
Application number: JP2000094775A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sasakuri; 大助笹栗
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構成で電子軌道の制御を可能として電
子放出効率の向上を図り、また、素子の長寿命化を実現
し得る電子放出素子および電子放出素子の駆動方法およ
び電子源および画像形成装置を提供する。【解決手段】絶縁層３上に電気的に分離された高電位
電極４ａと高電位電極４ｂを設け、一方の側、例えば、
高電位電極４ｂと低電位電極２との間にのみ電圧を印加
して間隙６から電子を放出するようにし、他方の高電位
電極４ａは低電位電極２と電気的に接続させて電子軌道
制御用の電極として機能させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放出する電
子放出素子及びその駆動方法、この電子放出素子を備え
た電子源、及びこの電子源を備えた画像形成装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子としては、大別して
熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類のものが
知られている。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以
下、「ＦＥ型」という。）、金属／絶縁層／金属型（以
下、「ＭＩＭ型」という。）や表面伝導型電子放出素子
等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としてはＷ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆
Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，’ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏ
ｎ’，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰ
ｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．
Ｓｐｉｎｄｔ，’ＰＨＹＳＩＣＡＬＰｒｏｐｅｒｔｉ
ｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉ
ｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂ
ｄｅｎｉｕｍｃｏｎｅｓ’，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの
が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としてはＣ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，’ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ’，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【０００５】また、最近の例では、Ｔｏｓｈｉａｋｉ．
Ｋｕｓｕｎｏｋｉ，’Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ−ｆｒｅ
ｅｅｌｅｃｔｒｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍ
ｎｏｎ−ｆｏｒｍｅｄｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ−ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）ｃａｔｈｏｄｅｓＦａｂｒ
ｉｃａｔｅｄｂｙｌｏｗｃｕｒｒｅｎｔＡｎｏ
ｄｉｃｏｘｉｄａｔｉｏｎ’，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ１６
９５，Ｍｕｔｓｕｍｉｓｕｚｕｋｉｅｔａｌ’Ａｎ
ＭＩＭ−ＣａｔｈｏｄｅＡｒｒａｙｆｏｒＣａ
ｔｈｏｄｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｓｐｌａｙ
ｓ’，ＩＤＷ’９６，（１９９６）ｐｐ．５２９等が研
究されている。

【０００６】表面伝導型の例としては、エリンソンの報
告（Ｍ．Ｉ．ＥｌｉｎｓｏｎＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０（１９６５））に記
載のもの等があり、この表面伝導型電子放出素子は、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
である。

【０００７】表面伝導型素子では、前記のエリソンの報
告に記載のＳｎＯ₂薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜を用い
たもの（Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ．ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２））、Ｉｎ₂Ｏ₃／Ｓ
ｎＯ₂薄膜によるもの（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．
ＥＤＣｏｎｆ．，５１９（１９８３））等が報告され
ている。

【０００８】これら表面伝導型のうち、図１５，１６に
示すような平面型、垂直型の電子放出素子については、
本出願人によって提案されている。また、これらの電子
放出素子を多数配列した例としては、例えば、特開昭６
４−３１３３２号公報、特開平１−２８３７４９号公
報、特開平１−２５７５５２号公報等に開示されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合には、下記のような問題が生じて
いた。

【００１０】上述した電子放出素子を利用して画像形成
装置を実現するためには、電子放出素子から放出した電
子を、電子放出素子に対向して配置した蛍光体に衝突、
発光させるが、高精細な画像形成装置においては、電子
軌道の制御、電子放出効率（ここで記述する効率とは、
電子放出素子間に流れる電流の内、素子上空の陽極もし
くは蛍光体に到達する量を示す。）の向上、素子サイズ
の縮小等が要求される。

【００１１】特に、電子軌道の制御と電子放出効率の向
上は一般的にトレードオフの関係にあり、これらの関係
を同時に実現することは困難であった。更に、電子放出
素子では、素子の長寿命化が必要不可欠な要素であっ
た。

【００１２】例えばＦＥ型電子放出素子では、特開平７
−６７１４号公報では、電子放出電極、電子引き出し電
極の他に、電子を収束させるための電極を配置し、電子
軌道を収束する方法等が開示されているが、作製方法の
複雑さや、素子面積の増加、電子放出効率の低下等の課
題を残していた。

【００１３】また、長寿命化に関しては、電子放出部を
構成する材料の検討等がなされているが、いまだ十分で
はない。

【００１４】表面伝導型電子放出素子においては、特開
平３−２０９４１号公報や特開平７−２３５２５６号公
報等で、素子サイズの小型化について、また、特開平９
−８２２１４号公報等では、高効率化についての技術が
開示されているが、いずれの技術についても高精細な画
像形成装置を実現するためには不十分であった。

【００１５】また、長寿命化に関しても、特開平５−１
２９８６号公報や特開平１０−５５７４６号公報でその
技術が開示されているが、いずれの技術も高効率化及び
電子軌道収束まで考慮してなされておらず、また、高精
細な画像形成装置を実現するためには必須条件となる素
子の高集積化という観点からも不十分であった。

【００１６】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、簡易
な構成で電子軌道の制御を可能として電子放出効率の向
上を図り、また、素子の長寿命化を実現し得る電子放出
素子および電子放出素子の駆動方法および電子源および
画像形成装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、第１導電層と、該第１導電層上に
設けられる絶縁層と、該絶縁層上に設けられ、それぞれ
電気的に分離された第２導電層及び第３導電層と、を備
えた電子放出素子であって、前記絶縁層は、その両端側
に前記第１導電層が露出するように設けられると共に、
前記第２導電層あるいは第３導電層のうちのいずれか一
方と前記第１導電層との間に、該第１導電層側が低電位
となるような電圧を印加して、前記絶縁層の一方の端面
側で電子放出を行うことを特徴とする。

【００１８】従って、絶縁層上に電気的に分離した導電
層（第２導電層及び第３導電層）を設け、一方に電圧を
印加するという簡易な構成によって、電圧が印加されて
いない導電層により、電圧を印加した側からの電界が、
この電圧が印加されていない導電層側に落ち込まないよ
うにする（等電位面を電圧が印加されていない導電層の
部分で内側に持ち上げるようにする）ことができ、絶縁
層の一方の端面側から放出された電子が、絶縁層の他方
の端面側に向かって落ち込むことを抑制するように電子
軌道を制御することができる。

【００１９】前記第１導電層の表面上に、該表面領域よ
りも狭い領域内に前記絶縁層を積層形成して、該絶縁層
の両端側に前記第１導電層を露出させるとよい。

【００２０】前記第２導電層と第３導電層との間の分離
された領域は、前記第１導電層の領域上にあるとよい。

【００２１】素子本体に対向して配置された陽極上の対
応する領域に対して、放出する電子を照射するとよい。

【００２２】前記第２導電層あるいは第３導電層のう
ち、電圧を印加されていない導電層は前記第１導電層と
電気的に接続されているとよい。

【００２３】これにより、より一層、電圧を印加した側
からの電界が、電圧が印加されていない導電層側に落ち
込まないようにする（等電位面を電圧が印加されていな
い導電層の部分で内側に持ち上げるようにする）ことが
できる。

【００２４】前記絶縁層の一端側に前記第２導電層と第
１導電層との間で電子放出を行う場合の第１電子放出部
が設けられ、前記絶縁層の他端側に前記第３導電層と第
１導電層との間で電子放出を行う場合の第２電子放出部
が設けられると共に、前記第２導電層側あるいは第３導
電層側に、電圧の印加を切り替える切替手段を備えると
よい。

【００２５】これにより、切替手段の切り替えによって
電子放出部を切り替えることで長寿命化を図ることがで
きる。

【００２６】前記切替手段は、電圧を印加する導電層を
切り替えると共に、電圧を印加しない導電層に対する前
記第１導電層との電気的接続も切り替えるとよい。

【００２７】これにより、いずれの電子放出部を利用し
た場合でも、十分な電子制御を行うことができる。

【００２８】表面伝導型電子放出素子であるとよい。

【００２９】また、本発明の電子放出素子の駆動方法に
あっては、上記の電子放出素子を用いて、前記切替手段
による切り替えによって、第１電子放出部と第２電子放
出部とに順次交代させながら電子放出を行うことを特徴
とする。

【００３０】従って、一方のみを集中的に利用すること
による劣化を防止できる。

【００３１】また、本発明の電子源にあっては、上記の
電子放出素子を複数配列したことを特徴とする。

【００３２】前記電子放出素子がマトリクス配線されて
いるとよい。

【００３３】また、本発明の画像形成装置にあっては、
上記の電子源と、該電子源から放出された電子によって
画像を形成する画像形成部材と、を備えることを特徴と
する。

【００３４】前記画像形成部材は、電子の衝突によって
発光する蛍光体であるとよい。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００３６】図１〜図１２を参照して、本発明の実施の
形態に係る電子放出素子について説明する。

【００３７】まず、図１〜図３を参照して、発明の実施
の形態に係る電子放出素子の全体構成等について、詳細
に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る電子放出
素子の模式図であり、（ａ）は断面的模式図であり、
（ｂ）は平面的模式図であり、図２は本発明の実施の形
態に係る電子放出素子の駆動状態を示す模式図である。
また、図３は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の
製造方法を示す概略工程図である。

【００３８】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の
製造方法の一例を説明すると、表面を洗浄した石英ガラ
ス、Ｎａ等の不純物を減少させたガラス、青板ガラス、
及びシリコン基板等に絶縁材料を積層した積層体、ある
いはアルミナ等のセラミックの絶縁性の基板１に第１導
電層としての素子電極（以下低電位電極と称する）２を
積層する。

【００３９】低電位電極２は一般的に導電性を有してお
り、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォ
トリソグラフィー技術により形成される。この低電位電
極２の厚さとしては、数十ｎｍから数ｍｍの範囲で設定
され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で選択され
る。

【００４０】次に、低電位電極２に続いて絶縁層３を堆
積する。絶縁層３は、スパッタ法等の一般的な真空成膜
法、熱酸化法、陽極酸化法等で形成され、その厚さとし
ては、３ｎｍから１μｍの範囲で設定され、好ましくは
数十ｎｍから数百ｎｍの範囲から選択される。

【００４１】更に、絶縁層３に続き素子電極（以下、高
電位電極と称する）４を堆積する（以上、図３
（ａ））。本高電位電極４は、上記低電位電極２と同様
に導電性を有しており、低電位電極２と同様に一般的な
真空成膜技術及びフォトリソグラフィー工程により形成
される。選択される材料は、低電位電極２と同じ材料で
も、異種材料でも良く、厚さとしては、数ｎｍから数ｍ
ｍの範囲で選択され、好ましくは、数十ｎｍから数百ｎ
ｍの範囲から選択される。

【００４２】次に、フォトリソグラフィー技術により、
上記各層の一部を取り除き（図３（ｂ））、更に絶縁層
３及び高電位電極４の一部が基板１から取り除かれ、低
電位電極２上に絶縁層３と高電位電極４に段差構造が形
成される（以上、図３（ｃ））。ただし、本エッチング
工程は、低電位電極２上で停止しても良いし、低電位電
極２の一部がエッチングされて停止しても良い。

【００４３】続いて、フォトリソグラフィー工程によ
り、高電位電極４の一部を基板１から除去することによ
り電気的に分離し、複数の電極領域を形成する。ここ
で、図示の例では、本工程により高電位電極４ａと高電
位電極４ｂが形成された。尚、本エッチング工程は、絶
縁層３上で停止してもよいし、絶縁層３の途中もしくは
低電位電極２上で停止してもよい。

【００４４】以上のように形成された素子構造の場合に
は、低電位電極２が低電位となり、高電位電極４ａおよ
び４ｂが高電位となるように、低電位電極２と高電位電
極４ａとの間に電圧を印加して、第１電子放出部として
の間隙７から電子を放出するか、あるいは、低電位電極
２と高電位電極４ｂとの間に電圧を印加して、第２電子
放出部としての間隙６から電子を放出する。

【００４５】また、以上のように構成された電子放出素
子では、高電位電極と低電位電極の距離の制御で電子を
放出する場合もあれば、低電位電極に電界が集中する構
造を形成し電子を放出しやすくする場合もある。

【００４６】また、電子放出部６及び７を形成する際
に、所望の領域にのみ導電性薄膜９を配置することで、
電界の集中もしくは発熱効果により高電位電極と低電位
電極に挟まれた領域に選択的に間隙６及び７を形成する
場合もある。

【００４７】この導電性薄膜９を用いた間隙６及び７の
形成は、図３（ｅ）に示すように、まず所定領域に導電
性薄膜９を形成した後に、通電フォーミングと呼ばれる
工程で、導電性薄膜９に通電して、局所的に破壊、変質
もしくは変形させて間隙を形成する手法である。

【００４８】この導電性薄膜９は、真空蒸着法やスパッ
タ法等により形成され、用いる材料としては、Ｐｄ，Ｒ
ｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚ
ｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｄ等の金属やこれらの合金、Ｐ
ｄＯ，ＳｎＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＰｂＯ，Ｓｂ₂Ｏ₃等の酸化
物、ＨｆＢ₂，ＺｒＢ₂，ＬａＢ₆，ＣｅＢ₆，ＹＢ₄，Ｇ
ｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，
ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等の
窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、カーボン、ＡｇＭｇ，
ＮｉＣｕ，Ｐｂ，Ｓｎ等であり、その抵抗値は、１０³
〜１０⁷Ω／□のシート抵抗値を示す。

【００４９】さらに、本発明の実施の形態に係る電子放
出素子では、電子放出を容易にするために、有機材料の
存在下で、低電位電極２と高電位電極４ａ及び４ｂの間
に電圧を印加することによって、電子放出領域に炭素を
生成し電子放出点を形成する活性化と呼ばれる工程を行
う場合がある。

【００５０】本活性化工程で用いる真空処理装置につい
て、図４を用いて説明する。図４は活性化工程を説明す
る概略構成図である。

【００５１】図４において、４５は真空容器であり、４
６は排気ポンプであり、４７は本発明の実施の形態に係
る電子放出素子の高電位電極と低電位電極間の絶縁層側
壁において、炭素を生成する際に用いられる有機ガスの
供給源である。

【００５２】真空容器４５内には本発明の実施の形態に
係る素子が配置されている。即ち、１は基板、２は低電
位電極、３は絶縁層、４ａ及び４ｂは高電位電極、６及
び７は間隙、８は素子上空に配置した陽極（アノード電
極）、９は導電性薄膜、４１は電子放出素子に素子電圧
Ｖｆを印加するための電源、４０は低電位電極２と高電
位電極４ａあるいは４ｂとの間を流れる素子電流Ｉｆを
測定するための電流計である。

【００５３】４３は陽極８に電圧を印加するための高電
圧源、４２は電子放出素子より放出される放出電流を測
定するための電流計である。また、４８及び４９は、間
隙６と間隙７とを選択的に切り替えて電子放出させため
の、切替手段としての切り替えスイッチを示しており、
活性化工程においては、高電位電極４ａ及び４ｂの両方
に電圧を印加しておけば良い。

【００５４】一例として、陽極８の電圧を０〜１０ｋＶ
の範囲として、陽極８と電子放出素子との距離Ｈを１０
０μｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができる。

【００５５】真空容器４５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。

【００５６】本構成の場合には、高電位電極４ａ及び４
ｂをスイッチ４８及び４９を切り替えることで、間隙
６，７のいずれか一方からのみ電子を放出して、各々測
定評価を行うことができる。

【００５７】排気ポンプ４６は、ターボポンプ、ロータ
リーポンプからなる通常の高真空装置系と、更にイオン
ポンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されてい
る。

【００５８】以上の構成により、まず、真空容器４５に
基板１を配置し、排気して、真空雰囲気にした後、有機
ガスの供給源４７より有機ガスを真空容器４５に導入
し、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、高電位電極
４ａ，４ｂ及び低電位電極２間に電圧を印加する。

【００５９】電圧波形は、パルス波形で繰り返し印加さ
れる。これには、パルス波高値を定電圧としたパルスを
連続的に印加する方法や、パルス波高値を増加させなが
ら、電圧パルスを印加する方法がある。また、本炭素を
生成する工程は、必要に応じて数種類のガスを混合して
行なう場合がある。

【００６０】以上の炭素生成工程により、雰囲気中に存
在する有機物資から、炭素が低電位電極２と高電位電極
４ａの間と、低電位電極２と高電位電極４ｂの間、もし
くは、通電して形成した間隙に堆積して、低電圧で電子
放出が可能な構造となる。

【００６１】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子について、その電子放出特性を、従来技術を参照し
つつ詳細に説明する。

【００６２】最初に、比較のために、従来の表面伝導型
電子放出素子について述べる。図１５は従来の平面型、
図１６は従来の垂直型の素子構造である。なお、説明簡
単のため本実施の形態で説明した構成と同一の構成につ
いては同一の符号を付している。図１６中、３３は段差
を設けるために絶縁性の材料で堆積した堆積物である。

【００６３】ＳＩＤ’９８Ｄｉｇｅｓｔ，Ｏｋｕｄ
ａ，ｅｔａｌによると、この種の表面伝導型電子放出
素子においては、電子放出部には間隙があり、この間隙
に駆動電圧Ｖｆを印加すると、低電位電極の先端から電
子がトンネル現象により放出され、その電子が高電位電
極の先端部で等方的に散乱することが記述されている。

【００６４】より詳しくは、高電位電極の先端部で電子
が等方的に散乱することが、実験と数値計算予測が矛盾
なく一致することについて記述されている。

【００６５】この場合、低電位電極から放出された電子
の大多数は高電位電極上で数回の弾性散乱（多重散乱）
が繰り返され、低電位電極と高電位電極とで形成される
電界で束縛される特徴距離Ｘｓを越えた電子がアノード
電極（蛍光体）に到達すると説明されている。

【００６６】この特徴距離Ｘｓは、Ｘｓ＝Ｄ／２√［１＋（２Ｈ×Ｖｆ／（π×Ｖａ×Ｄ））×２］ ≒（Ｈ×Ｖｆ）／（π×Ｖａ）で表される。ここで、Ｈは電子放出素子とアノード電極
間の距離、πは円周率、Ｄは電子放出部に形成された間
隙幅、Ｖｆは駆動電圧、Ｖａはアノード電極の電圧であ
る。

【００６７】この式の２番目の近似式は、Ｖｆ／Ｄ≫Ｖ
ａ／Ｈの場合に成立するが、通常の表面伝導型電子放出
素子の場合では十分に成立する。

【００６８】電子放出効率は、電子放出部から放出され
た電子が、上述した特徴距離Ｘｓを越えるまでの間に、
多重散乱によって高電位電極に一部吸収されることによ
る電子数の減少に支配されている。

【００６９】数十ｅＶ程度の電子の衝突に伴い散乱され
る割合（散乱係数）βについては明らかでないが、一回
の散乱につき０．１〜０．５程度と見積もられている。
このような散乱機構で、βが１以下であることから、真
空中に取り出される電子の量（存在確率）は、散乱回数
の増加に従い、べき乗で減少していくことが分かる。

【００７０】従って、図１５，１６に示すような従来技
術に係る表面伝導型電子放出素子では、間隙から放出し
た電子が、特徴距離Ｘｓ内で高電位電極上を少なくとも
一回、多くの電子は複数回散乱するため、高電位電極中
に取り込まれて消滅する電子の数が増大し電子放出効率
が低下する。

【００７１】一方ビーム径について記述すると、従来の
図１５に示す素子ではＳＩＤ’９８Ｄｉｇｅｓｔ，Ｏ
ｋｕｄａ，ｅｔａｌよりＬｈ≒２Ｋｈ×Ｈ√（Ｖｆ／Ｖａ）Ｌｗ≒２Ｋｗ×Ｈ√（Ｖｆ／Ｖａ）で表記できることが知られている。

【００７２】ここで、Ｌｈはビームの縦方向、Ｌｗはビ
ームの横方向のサイズを示している。また、Ｋｈ，Ｋｗ
は素子構造によって若干異なる場合があるが約１で近似
できることが示されている。

【００７３】図１５に示す従来の構造では、図１７に示
すように、高電位電極４上を特徴距離Ｘｓ内で複数回の
等方散乱を繰り返すため、その散乱過程で電子の進行方
向の均一性が失われる。

【００７４】その結果、電子軌道の制御が困難となりビ
ーム径の縮小に不利で、高精細な画像形成装置に利用す
ることは困難であった。

【００７５】また、特開平１０−５５７４６号公報に開
示されている方法によれば、図１８に示すような複数の
電子放出部を有する構造で、素子の長寿命化が提案され
ているが、上記の理由により、電子放出効率の高効率化
と電子ビームの収束の両立は困難であった。

【００７６】また、従来の図１８に示す素子をマトリク
ス配置すると、図１９に示すように、一つの電子放出素
子の面積が増大し、高精細な画像形成装置を実現するこ
とは困難であった。

【００７７】更に、特開平１０−５５７４６号公報で
は、図２０に示すような素子構造も開示されているが、
本構造では、例えば上部電極４ｃを正に印加すると、電
子軌道が広がってしまい、また、下部電極２ａを正に印
加すると、大多数の電子は下部電極２ａ上で複数回散乱
され、大幅な効率の低下になってしまう。

【００７８】本発明の実施の形態に係る電子放出素子で
は、上述の問題を検討し、電子放出効率の向上とビーム
径の縮小を同時に実現するものである。以下に、本発明
の実施の形態に係る電子放出素子について詳述する。

【００７９】本発明の実施の形態に係る電子放出素子に
おいても、先述のＳＩＤ’９８Ｄｉｇｅｓｔ，Ｏｋｕ
ｄａ，ｅｔａｌにより報告されている表面伝導型電子
放出素子と同様の機構で電子放出されているものと推察
すると、低電位電極から放出された電子は高電位電極先
端で等方的に散乱し、その後、高電位電極上を数回の散
乱の後、素子上部の陽極に到達する。

【００８０】実際に本発明の実施の形態に係る電子放出
素子を駆動した様子を図５に示し、また、電子放出部近
傍の様子を図６に示す。

【００８１】図６に示すように、基板１上に高電位電極
４ａ及び４ｂが絶縁層３を介して低電位電極２の略上方
に配置された構造とすることで、真空中に放出された電
子は、高電位電極４ａあるいは４ｂの側壁を散乱し、素
子上空の陽極８へ到達する。

【００８２】従って、電子の散乱回数は、高電位電極４
ａ，４ｂの厚さに依存することが明らかである。

【００８３】電子が高電位電極４ａ，４ｂに衝突し、次
に衝突するまでの距離を電子の飛行距離と呼ぶとする
と、飛行距離は電子放出部に形成された間隙６，７の幅
Ｄのおよそ２００倍程度であると見積もられている。

【００８４】従って、高電位電極４ａ，４ｂの厚さＴ１
を、Ｄ×２００よりも薄くすることで、電子は一回の散
乱のみで陽極８に到達することができ、大幅な電子放出
効率の向上が実現できる。実際は、高電位電極材料の抵
抗率等の問題を考慮して設計する必要があるが、数ｎｍ
から数百ｎｍの範囲から選択され、更に好ましくは数十
ｎｍ程度の範囲から選択される。

【００８５】また、図５に示すように、高電位電極４ｂ
と低電位電極２との間の間隙６から放出された電子は、
高電位電極４ｂの側壁での散乱を経て素子上空に配置さ
れた陽極８に到達するが、その過程で、低電位電極２と
電気的に接続された高電位電極４ａ（この場合、高電位
電極４ａは低電位となる）により、電子を反発する方向
の電界が形成され、この効果により電子軌道を、素子上
空へと集向するように制御することができる。

【００８６】すなわち、絶縁層３の両端のうち、電子が
放出された側とは反対側への電子の落下を低減すること
ができる。

【００８７】図９には、本発明の実施の形態に係る電子
放出素子と、図１５に示す従来構造の電子放出素子とを
実際に駆動した場合の素子上空の陽極８上における、電
子ビームの広がりの比較を示した。

【００８８】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の
場合には、電子の集向という観点から考えると、図１に
示すように、高電位電極４の開口領域幅Ｌ２（高電位電
極４ａと４ｂとの間の幅）よりも高電位電極４ａ，４ｂ
自体の幅Ｌ３のほうが重要であり、最適なＬ３の幅は数
百ｎｍから数十μｍの範囲から選択され、更に好ましく
は数μｍ程度が選択される。

【００８９】この場合、高電位電極４ａの端部から高電
位電極４ｂの端部までの距離すなわち、絶縁層３の幅Ｌ
１の幅も数μｍ程度が選択される。また、この場合の絶
縁層３の幅Ｌ１は、先述のＬ２，Ｌ３の設計により電子
軌道を考慮して選択すれば良く、数百ｎｍから数十μｍ
の範囲から選択される。

【００９０】次に、電子放出部の切り替えについて説明
する。本発明の実施の形態に係る電子放出素子では、複
数の電子放出部を電気的に切り替えて選択することで、
電子放出素子の長寿命化を実現するものである。

【００９１】まず、図７（ａ）に示すように、高電位電
極５ｂ側に駆動電圧Ｖｆを印加して、この場合は間隙６
から電子を放出させる。

【００９２】一方、電圧を印加しない高電位電極５ａ
を、低電位電極２と電気的に接続することで、高電位電
極５ａを低電位として、この高電位電極５ａを電子軌道
制御用電極として用いることができる。また、電子を放
出しない高電位電極５ａは、低電位電極２、高電位電極
５ｂとは独立に電子が放出しない電圧を印加すること
で、電子軌道の制御電極として用いることができる。

【００９３】次に、必要な電子放出量が得られるなくな
った時点で、図７（ｂ）に示すように、駆動電圧Ｖｆを
印加する高電位電極を高電位電極５ａに切り替えること
で、間隙７から電子を放出させるようにして、再び十分
な電子放出量を得ることができる。

【００９４】なお、この場合には、電圧を印加しない高
電位電極５ｂを、低電位電極２と電気的に接続すること
で、高電位電極５ｂを低電位として、この高電位電極５
ｂを電子軌道制御用電極として用いることができる。

【００９５】この結果、電子放出部を切り替えること
で、例えば、図８に示すような特性が得られ、素子の長
寿命化を実現できる。図８はアノード電極に到達した電
子による電流Ｉｅの経時的な変化について、従来技術に
係る素子と本実施の形態に係る素子との比較を示す図で
ある。

【００９６】電子放出部を切り替えるタイミングについ
ては、図１０（ａ）に示すように、必要な電子放出量が
得られなくなった時点で切り替えてもよいし、また、図
１０（ｂ）に示すように、交互に切り替えることによ
り、複数の電子放出部から順次電子放出を行うようにし
てもよい。

【００９７】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子の好ましい駆動条件について説明する。

【００９８】図５に示した電子軌道は、電子放出部にＶ
ｆ＝１５Ｖ、素子上空の陽極８に距離Ｈ＝２ｍｍ隔て
て、Ｖａ＝１０ｋＶを印加した。なお、本発明の実施の
形態に係る素子では、Ｖｆには特に制約はないが、高電
位電極４ａ及び４ｂの設計値から、必要な駆動電圧を選
択すれば良い。また、Ｖａは真空耐圧の保持できる領域
から選択され、その範囲は数百Ｖから数十ｋＶで選択さ
れる。

【００９９】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子において、その他の構造例を挙げる。

【０１００】本発明の実施の形態に係る電子放出素子に
おいて、より低電圧で電子放出可能にするために、電子
放出部を先鋭な構造に形成し、電界強度を向上させる方
法がある。

【０１０１】例えば、図１１に示すように、低電位電極
２の一部まで除去したり（図１１（ａ））、低電位電極
２上に突起構造を形成する場合（図１１（ｂ））等が挙
げられる。

【０１０２】更に、電子放出素子をより長寿命化するた
めに、図１２に示すように、多くの電子放出部を形成す
ることも可能である。すなわち、第２導電層として高電
位電極４ａ，４ｃを設け、第３導電層として高電位電極
４ｂ、４ｄを設けることで、各高電位電極４ａ，４ｂ，
４ｃ，４ｄと低電位電極２との間の間隙をそれぞれ電子
放出部とする。

【０１０３】このように構成することで、順次電子放出
部を切り替えることで長寿命化を図ることができる。

【０１０４】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子を用いた電子源について図１３を参照して説明す
る。図１３は本発明の実施の形態に係る電子源の模式図
である。

【０１０５】図１３において１０１１は電子源基体、１
０１２はＸ方向配線、１０１３はＹ方向配線である。ま
た、１０１４は本発明の実施の形態に係る電子放出素
子、１０１５は結線である。

【０１０６】Ｘ方向配線１０１２には、Ｘ方向に配列し
た本発明の実施の形態に係る電子放出素子１０１４の行
を、選択するための走査信号を印加する不図示の走査信
号印加手段が接続される。

【０１０７】一方、Ｙ方向配線１０１３には、Ｙ方向に
配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子１０１
４の各列を入力信号に応じて、変調するための不図示の
変調信号発生手段が接続される。

【０１０８】各電子放出素子に印加される駆動電圧は、
当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧とし
て供給される。また、Ｙ方向配線は、一つの素子に複数
ある電子放出部のそれぞれに対して、独立で設けられ、
それぞれ電気的に切り替えることが可能となっている。

【０１０９】本発明の実施の形態においては、Ｙ方向配
線は高電位、Ｘ方向配線は低電位になるように接続され
ている。

【０１１０】次に、このような単純マトリクス配置の電
子源を用いて構成した画像形成装置について、図１４を
用いて説明する。図１４は本実施の形態に係る画像形成
装置の模式的斜視図であり、ガラス材料としてソーダラ
イムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルを示す図
である。

【０１１１】図１４において、１１１１は電子放出素子
を複数配した電子源基体、１１２１は電子源基体１１１
１を固定したリアプレート、１１２６はガラス基体１１
２３の内面に画像形成部材としての蛍光膜（蛍光体）１
１２４と陽極（アノード電極）として機能するメタルバ
ック１１２５等が形成されたフェースプレートである。

【０１１２】また、１１２２は支持枠であり、この支持
枠１１２２には、リアプレート１１２１、フェースプレ
ート１１２６がフリットガラス等を用いて接続されてい
る。

【０１１３】１１２７は外囲器であり、真空中で、４５
０度の温度範囲で１０分焼成することで、封着して構成
される。

【０１１４】１１１４は、図５における電子放出部６あ
るいは７に相当する。１１１２，１１１３は、各素子電
極と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線である。本実
施の形態に係る電子放出素子を用いた場合には、Ｙ方向
配線は一素子中に存在する電子放出部の数に応じて複数
設けられる。

【０１１５】外囲器１１２７は、上述の如く、フェース
プレート１１２６、支持枠１１２２、リアプレート１１
２１で構成されるが、フェースプレート１１２６、リア
プレート１１２１間に、スペーサーとよばれる不図示の
支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強
度をもつ外囲器１１２７を構成することもできる。

【０１１６】尚、本発明の実施の形態に係る電子放出素
子を用いた画像形成装置においては、放出した電子軌道
を考慮して素子上部に設ける蛍光体をアライメントして
配置する。

【０１１７】

【実施例】以下、上記実施の形態に基づくより具体的な
実施例を示す。

【０１１８】［実施例１］まず、本実施例の製造工程を
説明する。

【０１１９】十分洗浄した石英基板１に、低電位電極２
として厚さ２００ｎｍのＴａ、絶縁層３として厚さ５０
ｎｍのＳｉＯ₂をそれぞれスパッタ法により堆積した。

【０１２０】次に、高電位電極４として厚さ５０ｎｍの
Ｔａをスパッタ法により成膜した。

【０１２１】次に、フォトリソグラフィー工程でマスク
パターンを転写した。その後、パターニングしたレジス
トをマスクとし、高電位電極４、絶縁層３をドライエッ
チングして段差を形成した。ここでの高電位電極４及び
絶縁層３の幅は８μｍとした。

【０１２２】次に、フォトリソグラフィー工程により、
高電位電極に２μｍのスリット状の開口領域を形成し、
二つの高電位電極領域を形成した。この結果、二つの高
電位電極幅Ｌ２は４μｍとなった。

【０１２３】以上のようにして作製した素子を、図４に
示すような真空容器に配置し駆動した。駆動電圧は、Ｖ
ｆ＝３０Ｖ、Ｖａ＝１０ｋＶ、電子放出素子とアノード
電極との距離ＨをＨ＝２ｍｍとした。ここで、アノード
電極として蛍光体を塗布した電極を用い、電子ビームの
サイズを観察した。ここで言う電子ビームサイズとは、
発光した蛍光体におけるピーク輝度の１０％の領域まで
のサイズとした。

【０１２４】その結果、ビーム径１００μｍの収束した
電子ビームが得られ、電子放出素子の高電位電極と低電
位電極間に流れる電流Ｉｆと、素子上部のアノード電極
に到達した電子による電流Ｉｅの比で表される電子放出
効率Ｉｅ／Ｉｆは２．３％であった。

【０１２５】また、ビームのスポット径を１００μｍに
収束することができた。これに対して、従来の平面型の
場合には、ビーム径はおよそ２００μｍで効率はおよそ
１％程度であった。

【０１２６】さらに、本発明の実施例に係わる電子放出
素子においては、電子放出部を切り替えることで寿命を
２倍に延ばすことができた。

【０１２７】［実施例２］実施例１と同様にして素子を
作製し、電子放出特性を評価した。ここでは、二つに分
離した高電位電極のうち、電子放出を行う方の高電位電
極に駆動電圧Ｖｆを印加し、電子放出を行わない側の高
電位電極を低電位電極に電気的に接続した。

【０１２８】この結果、電子放出部から放出された電子
は、低電位電極と電気的に接続された高電位電極によ
り、軌道が変化し、より高精細な電子ビームが得られ、
ビーム径を９０μｍに収束できた。

【０１２９】［実施例３］上記実施例１と同様の構造の
電子放出素子を作製した。本実施例では、低電位電極に
突起状の構造を形成し、低電圧で電子放出可能な構造を
形成した。形成方法は、高電位電極と低電位電極の段差
領域にＭｏを２０ｎｍ堆積し、斜方よりＡｒイオンミリ
ング工程により形成した。

【０１３０】この結果、Ｖｆ＝１５Ｖで駆動でき、実施
例１と同様に、２．４％の電子放出効率が得られた。ま
た、ビームのスポット径を１００μｍとすることができ
た。また、電子放出部を切り替えることで素子の寿命が
２倍に延びた。

【０１３１】［実施例４］実施例１と同様の構造の電子
放出素子を作製した。本実施例では、より低電圧で電子
放出可能にするため、フォーミング工程と活性化工程を
行なった。用いた導電性薄膜は、厚さ４ｎｍのＰｔ−Ｐ
ｄで、本Ｐｔ−Ｐｄを電気的に分離した高電位電極と低
電位電極に跨るように成膜した。

【０１３２】次に、真空容器内でそれぞれの高電位電極
と低電位電極とにパルス電圧を印加し、電流が観測され
なくなった時点で停止した。更に、真空容器内にベンゾ
ニトリルを１．３×１０^-4Ｐａまで導入し、高電位電極
と低電位電極の間にパルス電圧を印加した。

【０１３３】この結果、駆動電圧Ｖｆ＝１５Ｖで電子放
出可能となり、このとき、２．４％の電子放出効率が得
られ、１００μｍのビームスポット径とすることができ
た。また、電子放出部を切り替えることで、寿命を２倍
にすることができた。

【０１３４】［実施例５］実施例３で作製した電子放出
素子において、二つの電子放出部から交互に電子放出を
行なうように電圧を印加した。この結果、素子の寿命を
２．２倍に延ばすことができた。

【０１３５】［実施例６］実施例１と同様の手順で素子
を作製した。ただし、ここでは、高電位電極を電気的に
分離する工程で、４μｍの開口領域を形成した。この結
果、二つの高電位電極幅Ｌ２は２μｍとなった。この素
子を先述と同様に、フォーミング工程と活性化工程を行
なった。

【０１３６】この結果、Ｖｆ＝１５Ｖで駆動でき、効率
２．１％、ビーム径７５μｍという結果が得られた。ま
た、放出部を切り替えて電子放出させることで、寿命を
２倍にできた。

【０１３７】［実施例７］実施例１と同様の方法で素子
を作製した。ただし、ここでは、高電位電極Ｔａの厚さ
を２０ｎｍとし、フォーミング工程、活性化工程を行な
った。その結果、Ｖｆ＝１５Ｖで、効率２．８％が得ら
れた。また、素子の寿命は２倍に延びた。

【０１３８】［実施例８］実施例１と同様の手順で素子
を作製した。ただし、ここでは、高電位電極を図１２に
示すように４つの領域に分割した。その結果実施例１と
同様の効率及びビーム径で、素子の寿命を４倍に延ばす
ことができた。

【０１３９】［実施例９］実施例１から７で作製した電
子放出素子を用いて画像形成装置を作製した。一例とし
て、実施例１の素子を用いた場合について説明する。

【０１４０】実施例１の電子放出素子を１０×１０のマ
トリクス上に配置し、Ｙ方向配線を高電位電極に、Ｘ方
向配線を低電位電極に接続した。素子の上部には、２ｍ
ｍの距離を隔てて蛍光体を配置した。尚、Ｙ方向配線
は、二つに分割した高電位電極のそれぞれに、電気的に
独立に設置した。

【０１４１】この結果、駆動条件をＶａ＝１０ｋＶ、Ｖ
ｆ＝３０Ｖに設定したところ、高精細な画像表示ができ
た。また、画像形成装置の寿命を２倍に延ばすことがで
きた。

【０１４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、絶縁層
上に電気的に分離した導電層を設け、一方に電圧を印加
するという簡易な構成によって、絶縁層の一方の端面側
から放出された電子が、絶縁層の他方の端面側に向かっ
て落ち込むことを抑制するように電子軌道の制御を行う
ことができ、電子放出効率の向上を図ることができる。

【０１４３】絶縁層上に電気的に分離した導電層のうち
電圧を印加しない側は、低電位である第１導電層と電気
的に接続することで、より一層電子放出効率の向上を図
ることができる。

【０１４４】電圧の印加を切り替える切替手段を備える
ことによって、素子の長寿命化を図ることができる。

【０１４５】また、上記のような電子放出素子を適用す
ることによって、高精細で長寿命な電子源あるいは画像
形成装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模式
図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の駆動
状態を示す模式図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造
方法を示す概略工程図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の活性
化工程を説明する概略構成図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る電子放出素子を駆動
した様子を示す模式図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の電子
放出部近傍の様子を示す模式図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る電子放出素子を駆動
した様子を示す模式図である。

【図８】アノード電極に到達した電子による電流Ｉｅの
経時的な変化について、従来技術に係る素子と本実施の
形態に係る素子との比較を示す図である。

【図９】電子ビームの広がりの比較図である。

【図１０】本発明の実施の形態に係る電子放出素子にお
ける電子放出部の切替タイミング例を示すタイミング図
である。

【図１１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の構
造変形例を示す模式的断面図である。

【図１２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の構
造変形例を示す模式的断面図である。

【図１３】本発明の実施の形態に係る電子源の模式図で
ある。

【図１４】本実施の形態に係る画像形成装置の模式的斜
視図である。

【図１５】従来技術に係る電子放出素子の模式図であ
る。

【図１６】従来技術に係る電子放出素子の模式図であ
る。

【図１７】従来技術に係る電子放出素子の放出された電
子の散乱の様子を示す模式図である。

【図１８】従来技術に係る電子放出素子の模式図であ
る。

【図１９】従来技術に係る電子放出素子をマトリクス配
線した様子を示す模式図である。

【図２０】従来技術に係る電子放出素子の模式図であ
る。

【符号の説明】

１基板２低電位電極（素子電極）３絶縁層４，４ａ，４ｂ高電位電極（素子電極）６，７間隙８陽極（アノード電極）９導電性薄膜４０電流計４１電源４２電流計４５真空容器４６排気ポンプ４７有機ガスの供給源４８，４９スイッチ１０１１電子源基体１０１２Ｘ方向配線１０１３Ｙ方向配線１０１４電子放出素子１０１５結線１１２４蛍光膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 31/12 Ｈ０１Ｊ 1/30 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電層と、該第１導電層上に設けられる絶縁層と、該絶縁層上に設けられ、それぞれ電気的に分離された第
２導電層及び第３導電層と、を備えた電子放出素子であ
って、前記絶縁層は、その両端側に前記第１導電層が露出する
ように設けられると共に、前記第２導電層あるいは第３導電層のうちのいずれか一
方と前記第１導電層との間に、該第１導電層側が低電位
となるような電圧を印加して、前記絶縁層の一方の端面
側で電子放出を行うことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記第１導電層の表面上に、該表面領域よ
りも狭い領域内に前記絶縁層を積層形成して、該絶縁層
の両端側に前記第１導電層を露出させることを特徴とす
る請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】前記第２導電層と第３導電層との間の分離
された領域は、前記第１導電層の領域上にあることを特
徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】素子本体に対向して配置された陽極上の対
応する領域に対して、放出する電子を照射することを特
徴とする請求項１，２または３に記載の電子放出素子。
【請求項５】前記第２導電層あるいは第３導電層のう
ち、電圧を印加されていない導電層は前記第１導電層と
電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか一つに記載の電子放出素子。
【請求項６】前記絶縁層の一端側に前記第２導電層と第
１導電層との間で電子放出を行う場合の第１電子放出部
が設けられ、前記絶縁層の他端側に前記第３導電層と第
１導電層との間で電子放出を行う場合の第２電子放出部
が設けられると共に、前記第２導電層側あるいは第３導電層側に、電圧の印加
を切り替える切替手段を備えたことを特徴とする請求項
１〜５のいずれか一つに記載の電子放出素子。
【請求項７】前記切替手段は、電圧を印加する導電層を
切り替えると共に、電圧を印加しない導電層に対する前
記第１導電層との電気的接続も切り替えることを特徴と
する請求項６に記載の電子放出素子。
【請求項８】表面伝導型電子放出素子であることを特徴
とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の電子放出素
子。
【請求項９】請求項６または７の電子放出素子を用い
て、前記切替手段による切り替えによって、第１電子放
出部と第２電子放出部とに順次交代させながら電子放出
を行うことを特徴とする電子放出素子の駆動方法。
【請求項１０】請求項１〜８のいずれか一つに記載の電
子放出素子を複数配列したことを特徴とする電子源。
【請求項１１】前記電子放出素子がマトリクス配線され
ていることを特徴とする請求項１０に記載の電子源。
【請求項１２】請求項１０または１１に記載の電子源
と、該電子源から放出された電子によって画像を形成す
る画像形成部材と、を備えることを特徴とする画像形成
装置。
【請求項１３】前記画像形成部材は、電子の衝突によっ
て発光する蛍光体であることを特徴とする請求項１２に
記載の画像形成装置。