JP2002100279A

JP2002100279A - 電子放出素子及び電子源及び画像形成装置及び電子放出素子の駆動方法

Info

Publication number: JP2002100279A
Application number: JP2000289183A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sasakuri; 大助笹栗
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】低電圧で容易に駆動制御を行うことができ、
安定した制御が可能な電子放出素子及び電子源及び画像
形成装置及び電子放出素子の駆動方法を提供する。【解決手段】アノード電極６に駆動電圧（例えば１０
ＫＶの電圧）を印加するようにし、駆動を行う場合には
ゲート電極４に例えば０Ｖを印加することで、カソード
電極２に作用する電界強度を、カソード電極から電子放
出が開始される閾値電界よりも大きくし、駆動を行わな
い場合にはゲート電極４に制御電圧（例えば−１５Ｖの
電圧）を印加することで、カソード電極２に作用する電
界強度を閾値電界よりも小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧を印加するこ
とによって電子放出を行う電子放出素子及び電子源及び
画像形成装置及び電子放出素子の駆動方法に関するもの
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”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈ
ｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓ
ｐｉｎｄｔ，”ＰＨＹＳＩＣＡＬＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓ
ｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅ
ｎｉｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，
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。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．ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦ
ｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２））、Ｉｎ₂Ｏ₃／Ｓｎ
Ｏ₂薄膜によるもの（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥＤ
Ｃｏｎｆ．，５１９（１９８３））等が報告されてい
る。

【０００７】ここで、電子放出素子を用いて画像表示装
置を実現するためには、カソード電極等から構成する電
子放出部と、それに対向して配置する蛍光体からなる陽
極電極等を設けて、電子放出部から放出した電子を陽極
電極に衝突させて発光させる構成とする。そして、高精
細な画像形成装置を実用化するためには、低電圧で安定
した電子放出素子を実現する必要があった。

【０００８】従来、代表的な電子放出素子としては、Ｓ
ｐｉｎｄｔ型と呼ばれるものが知られており、これはゲ
ート電極と呼ばれる制御電極に正の電圧を印加して、電
子を放出するマイクロカソードに電界を集中すること
で、マイクロカソードから電子を放出させて、カソード
上空に配置したアノード電極により電子を補足するもの
である。

【０００９】その他にも、特開平０８−０９７０３号公
報に開示されているように、ホール構造をした電子放出
素子等も提案されている。

【００１０】また、近年、より低電圧で電子放出可能な
電子放出材料が盛んに研究され、ダイヤモンド、ダイヤ
モンドライクカーボン（ＤＬＣ）、カーボンナノチュー
ブ（ＣＮＴ）等の炭素系材料が注目されている。これら
の電子放出材料により、電子放出に必要な電界は、従来
１×１０⁹Ｖ／ｍ程度だったものが、１×１０⁷Ｖ／ｍ程
度まで低下できるようになってきた。

【００１１】

【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。

【００１２】上記のような電子放出材料を用いた電子放
出素子では、例えば、ＵＳＰ５５４３６８４に開示され
ているように、アノード電極に印加する電圧を変化させ
て、スイッチングを行うものがある。

【００１３】しかし、高電圧に印加したアノード電極を
変調する方法の場合には、応答速度が低下してしまうこ
とや、周辺回路の設計が困難であるという問題があっ
た。

【００１４】また、高輝度な画像形成装置を実現するた
めには、真空中に放出した電子を、高いエネルギーに加
速して蛍光体に衝突させることが望ましく、そのため、
蛍光体に高電圧を印加する必要があるが、この場合、ゲ
ート電圧をＯＦＦした場合でも、アノード電極に印加し
た電圧で、電子が放出されてしまい、完全に電子放出を
停止することが困難であった。

【００１５】これらについて、図１５および図１６を参
照して更に詳しく説明する。

【００１６】図１５は従来技術に係るアノード電極変調
型電子放出素子の電位分布を示したものであり、（ａ）
は電子を放出する駆動状態、（ｂ）は電子放出を停止し
ている状態である。

【００１７】図１６は従来技術に係るゲート電極でカソ
ード電極上に配置した電子放出材料から電子を放出させ
る構造をとる電子放出素子の電位分布を示したものであ
り、（ａ）は電子を放出する駆動状態、（ｂ）は電子放
出を停止している状態である。

【００１８】図１５に示す電子放出素子おいては、アノ
ード電極６に電圧を印加することによって、直接カソー
ド電極２上に設けられた電子放出部５から電子を放出さ
せて、放出した電子をアノード電極６で捕獲する構成で
あることから、電子放出と放出の停止を制御する場合に
は、高電圧に印加したアノード電極６を変調する必要が
あった。

【００１９】従って、高精細な画像形成装置のスイッチ
ング方法としては不適切であった。

【００２０】また、図１６に示す電子放出素子において
は、アノード電極６に対しては常に所定の電圧を印加し
ておき、カソード電極２上に絶縁層３を介して積層させ
たゲート電極４に駆動電圧を印加することでカソード電
極２から電子を引き出して（放出させて）、引き出した
電子をアノード電極６によって形成した電界によりアノ
ード電極６で捕獲し、ゲート電極４への電圧印加を停止
することでカソード電極２からの電子の引き出しを停止
する構成である。

【００２１】この場合には、電子放出を比較的低い電圧
で行うことができるが、図１６（ｂ）に示す電子放出を
停止する状態において、高電圧に印加されたアノード電
極による電界Ｅａが電子放出の閾値電界Ｅｅより大きく
なってしまうことがあり、完全に電子放出を停止するこ
とが困難な場合があった。

【００２２】また、低電界電子放出材料を形成する場合
には、ゲート電極間との距離の制御が困難で、駆動電圧
のバラツキ等も問題となっていた。

【００２３】本発明は、上記のような従来技術の課題を
解決するためになされたものであって、その目的とする
ところは、低電圧で容易に駆動制御を行うことができ、
安定した制御が可能な電子放出素子及び電子源及び画像
形成装置及び電子放出素子の駆動方法を提供することで
ある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の電子放出素子にあっては、電子を放出するカ
ソード電極と、駆動電圧が印加されることで電界を形成
し、前記カソード電極より電子を放出させて該電子を捕
獲するアノード電極と、該アノード電極に前記駆動電圧
が印加された状態で、制御電圧が印加されることで電界
を形成し、前記電子の放出を制御するゲート電極と、を
備えることを特徴とする。

【００２５】また、前記ゲート電極に、電子放出を停止
させる電圧を印加すると、前記アノード電極がカソード
電極に対して作用する電界強度が、該カソード電極から
電子が放出する電界の閾値よりも小さくなることを特徴
とする。

【００２６】また、前記ゲート電極がカソード電極に作
用する電界をＥｇ，前記アノード電極がカソード電極に
作用する電界をＥａ，前記カソード電極から電子が放出
する電界の閾値をＥｅとすると、電子を放出する駆動状
態の場合には、Ｅｇ＜ＥeかつＥｅ＜Ｅａを満たすと共
に、電子放出を停止させる場合には、Ｅｇ＜ＥａかつＥ
ａ＜Ｅｅ、または、Ｅａ＜ＥｇかつＥｇ＜Ｅｅを満たす
ように、前記ゲート電極に電圧を印加することを特徴と
する。

【００２７】また、前記ゲート電極は、カソード電極上
に絶縁層を介してアノード電極側に積層されると共に、
該ゲート電極の一部及び絶縁層の一部に、カソード電極
の一部がアノード電極側に露出するように開口部が設け
られており、該開口部内に電子放出部が設けられること
を特徴とする。

【００２８】また、前記カソード電極は、ゲート電極上
に絶縁層を介してアノード電極側に積層されることを特
徴とする。

【００２９】また、前記カソード電極上に、電子放出部
となる電子放出材料を設けることを特徴とする。

【００３０】また、前記電子放出材料は、カソード電極
の素材とは異なる材料であることを特徴とする。

【００３１】また、前記電子放出材料は、炭素を主成分
とする材料であることを特徴とする。

【００３２】また、本発明の電子源にあっては、上記の
電子放出素子が複数配置されたことを特徴とする。

【００３３】また、前記複数の電子放出素子が、マトリ
クス配線されていることを特徴とする。

【００３４】また、本発明の画像形成装置にあっては、
上記電子源と、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。

【００３５】また、前記画像形成部材は蛍光体であるこ
とを特徴とする。

【００３６】また、本発明の電子放出素子の駆動方法に
あっては、アノード電極に対向して配置されたカソード
電極の近傍にゲート電極を設け、前記アノード電極に駆
動電圧を印加して電界を形成させ、カソード電極から電
子を放出させて、放出させた電子を該アノード電極によ
って捕獲させると共に、該アノード電極に前記駆動電圧
を印加したままの状態で、前記ゲート電極に制御電圧を
印加することによって電界を形成させ、前記カソード電
極からの電子放出を制御することを特徴とする。

【００３７】また、前記アノード電極がカソード電極に
対して作用する電界強度が、該カソード電極から電子が
放出する電界の閾値よりも小さくなるように、前記ゲー
ト電極に電圧を印加することを特徴とする。

【００３８】

【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。

【００３９】図１〜図６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。

【００４０】まず、特に、図１〜図３を参照して、本発
明の実施の形態に係る電子放出素子の全体構成及び製造
方法について説明する。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（（ａ）は模式的断面図，
（ｂ）は模式的平面図）であり、図２は電圧を印加可能
な状態に配線した場合における電子放出素子の模式図で
ある。また、図３は本発明の実施の形態に係る電子放出
素子の製造工程図である。

【００４１】本実施の形態に係る電子放出素子は、概
略、基板１と基板１上に積層されるカソード電極２と、
カソード電極２上に積層される絶縁層３と、絶縁層３上
に積層されるゲート電極４と、絶縁層３及びゲート電極
４を貫き、カソード電極を露出させる開口部内の電子放
出部５と、これらに対向して配置されるアノード電極６
と、から構成される。

【００４２】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、予め、その表面を十分に
洗浄した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少さ
せたガラス、青板ガラス及びシリコン基板等にスパッタ
法等によりＳｉＯ₂を積層した積層体、アルミナ等のセ
ラミックスの絶縁性の基板１上にカソード電極２を形成
する。

【００４３】カソード電極２は一般的に導電性を有して
おり、蒸着法や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。

【００４４】カソード電極２の材料は、例えば、Ｂｅ、
Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、
Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属ま
たは合金材料、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、Ｓｉ
Ｃ、ＷＣ等の炭化物、ＨｆＢ ₂、ＺｒＢ₂、ＬａＢ₆、Ｃ
ｅＢ₆、ＹＢ₄、ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、
ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等
から適宜選択される。

【００４５】また、カソード電極２の厚さとしては、数
十ｎｍから数百μｍ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。

【００４６】ここで、本発明の実施の形態のように、カ
ソード電極２から直接電子を放出する素子構造の場合に
は、カソード電極２の素材は低仕事関数材料が望まし
く、例えば、ダイヤモンド、ＤＬＣ等の炭素系材料、金
属の炭化物、窒化物等から最適な材料を適宜選択すれば
良い。

【００４７】また、カソード電極２は、低電界で電子が
放出される材料が望ましく、例えば上記ダイヤモンドの
他、ダイヤモンドライクカーボン、ＴｉＮ等を選択して
も良い。

【００４８】次に、カソード電極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、数ｎｍから数μｍ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。

【００４９】更に、絶縁層３上にゲート電極４を堆積す
る。

【００５０】ゲート電極４は、カソード電極２と同様に
導電性を有しており、蒸着法や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。

【００５１】ゲート電極４の材料は、例えば、Ｂｅ、Ｍ
ｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａ
ｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属また
は合金材料、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、Ｓｉ
Ｃ、ＷＣ等の炭化物、ＨｆＢ₂、ＺｒＢ₂、ＬａＢ₆、Ｃ
ｅＢ₆、ＹＢ₄、ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、
ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等
から適宜選択される。

【００５２】ゲート電極４は、アノード電極６の電界に
より電子が放出しないように、カソード電極２に比べ
て、仕事関数の大きな材料が望ましい。

【００５３】ゲート電極４の厚さとしては、数十ｎｍか
ら数μｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数
百ｎｍ程度の範囲で選択される。

【００５４】次に、フォトリソグラフィー技術により、
絶縁層３の一部及びゲート電極４の一部が基板１から取
り除かれ、カソード電極２がアノード電極６側に露出す
るように開口領域が形成される。

【００５５】この開口領域は、開口部周辺に絶縁層３と
ゲート電極４の積層領域が配置されるように形成され
る。また、本エッチング工程は、カソード電極２上で停
止しても良いし、カソード電極２の一部がエッチングさ
れて停止しても良い。

【００５６】なお、この開口領域内に、電子放出部５が
形成される。ただし、この電子放出部５は、開口領域内
の空間部自体が電子放出部となる場合や、カソード電極
２と同じ材料あるいは異なる材料によって、電子放出を
容易にするために所定の構造を形成する場合がある。

【００５７】本工程で形成される開口領域には、ホール
型やスリット型等が挙げられ、必要なビーム形状や駆動
電圧等により適切な形状が選択ばれる。また、開口領域
のサイズは、必要なビームサイズ、駆動電圧等により最
適な領域から選択され、そのサイズは数ｎｍから数十μ
ｍの範囲から選択される。

【００５８】ここで、本発明の実施の形態に係る電子放
出素子及び電子放出素子の駆動方法の場合には、アノー
ド電極６の電界によってカソード電極２から容易に直接
電子が放出するように、カソード電極２上に、ダイヤモ
ンド、ＤＬＣ、ＣＮＴ等を配置した構造を設けて、これ
を電子放出部５とするのが望ましい。

【００５９】ここで、低電界電子放出材料を用いた電子
放出素子においては、従来技術に係る電子放出素子のよ
うに、ゲート電極に電圧を印加して、電子を引き出す構
造の場合には、上述のように、電子放出を停止するため
にゲート電極への電圧の印加を停止している状態におい
ても、アノード電極による電界によって、電子が放出し
てしまい、完全にＯＦＦ状態にすることが困難であっ
た。

【００６０】また、このような構造の場合には、低電界
電子放出材料を形成する場合に、ゲート電極間との距離
の制御が困難で、駆動電圧のバラツキ等が問題であっ
た。

【００６１】これに対して本発明の実施の形態において
は、次のように駆動することで、そのような問題を解決
している。以下、電子放出機構について特に図４〜図６
を参照して詳細に説明する。

【００６２】図４は本実施の形態に係る電子放出素子の
電位分布（（ａ）は駆動時、（ｂ）は駆動停止時）を示
す模式図であり、図５は本実施の形態に係る電子放出素
子の電子軌道を示す模式図であり、図６はゲート電圧へ
の印加に対する電子放出量のタイムチャート図（（ａ）
は本実施の形態の場合，（ｂ）は従来の場合）である。

【００６３】図４に示す一例では、開口領域のホールサ
イズを２μｍとし、電子を放出する駆動状態（ａ）と、
電子放出を停止している駆動状態（ｂ）の電位分布を示
している。

【００６４】また、バイアス状態としては、アノード電
極６をカソード電極２から２ｍｍの距離を隔てた位置に
設け、アノード電極６に駆動電圧（ここでは１０ＫＶの
電圧）を印加するようにし、駆動を行う場合（ａ）には
ゲート電極４に０Ｖ、駆動を行わない場合（ｂ）にはゲ
ート電極４に制御電圧（ここでは−１５Ｖの電圧）を印
加した状態である。

【００６５】ここで、アノード電極６がカソード電極２
に作用する電界をＥａ，ゲート電極４がカソード電極２
に作用する電界をＥｇ，カソード電極２から電子放出が
開始される閾値電界をＥｅとすると、電子を放出する駆
動状態の場合には、Ｅｇ＜ＥeかつＥｅ＜Ｅａを満たす
と共に、電子放出を停止させる場合には、Ｅｇ＜Ｅａか
つＥａ＜Ｅｅ、または、Ｅａ＜ＥｇかつＥｇ＜Ｅｅを満
たすように、ゲート電極４に電圧を印加することが必要
である。

【００６６】図４（ａ）に示す状態では、カソード電極
２に電子放出が開始される閾値電界Ｅｅより大きな電界
Ｅａがアノード電極６から印加され、電子放出が起こる
駆動状態であることを示している。

【００６７】一方、図４（ｂ）に示す状態では、ゲート
電極４に負の電圧が印加され、アノード電極６による電
界ＥａがＥｅ＞Ｅａとなり、電子放出が停止する。

【００６８】すなわち、本実施の形態の場合には、図６
（ａ）に示すタイミングチャートのように、ゲート電極
に電圧を印加する状態では電子放出が停止し、ゲート電
極に電圧を印加しない（あるいは駆動時に比べて印加す
る電圧値の絶対値が低い）状態では電子放出が行われ
る。

【００６９】なお、従来のようにゲート電極で電子を引
き出す構成の場合には、これとは逆に、図６（ｂ）に示
すタイミングチャートのように、ゲート電極に電圧を印
加する状態では電子放出が行われ、ゲート電極に電圧を
印加しない状態では電子放出が停止する。

【００７０】このように、本実施の形態に係る電子放出
素子の場合には、アノード電極６によって形成する電界
によって、直接カソード電極２から電子を放出させる構
成であって、アノード電極６に対して一定電圧を印加し
た状態のまま、ゲート電極４に対して、印加電圧を制御
することによって、電子の放出及び停止を制御すること
ができる。

【００７１】従って、ゲート電極４への印加電圧の制御
を行えばよいので、アノード電極６への印加電圧を制御
する場合と比較して、小さな電圧によって制御でき、安
定した制御が可能となる。

【００７２】また、ゲート電極によってカソード電極か
ら電子を引き出す構造の場合のように、駆動を停止すべ
き場合に、アノード電極によって形成される電界によっ
て直接カソード電極から電子が放出されてしまうという
ような問題も解消できる。

【００７３】なお、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子では、電子を放出する駆動状態において、ゲート電
極４に負の電圧を印加する場合であっても、Ｅｅ＜Ｅａ
の範囲内であれば、図５に示すように、電子放出部上空
の電位を制御し、電子を収束する効果を得ることができ
る。

【００７４】また、図７に示すように、カソード電極上
の電子放出部５を、ダイヤモンド粒子を配置した構造と
したり、図８に示すように、カソード電極上の電子放出
部５を、低仕事関数材料を用いた突起構造を形成した構
造としたりする場合でも同様の効果が得られる。

【００７５】さらに、図９に示すように、カソード電極
２が、ゲート電極４上に絶縁層３を介して配置された構
造においても、上記の各図に示す構造の場合と同様に、
ゲート電極４に負の電圧を印加することで、電子放出を
停止することができる。

【００７６】なお、図１０には、図９に示す構造におい
て、（ａ）では電子を放出する駆動状態、（ｂ）では電
子放出を停止する状態を示している。

【００７７】また、図１１に示すように、図１０に示す
構造において、電子放出をより低電圧で可能とするよう
に、カソード電極２上の電子放出部５を、カソード電極
２とは異なる電子放出材料を配置することで構成する構
造としても良い。

【００７８】次に、これまで説明した本実施の形態に係
る電子放出素子を画像形成装置（いかに説明する蛍光膜
などを除く構成では電子源ということもできる）に用い
た例について図１２を参照して説明する。

【００７９】本実施の形態に係る画像形成装置は、上記
電子放出素子を複数配して得られるもので、図１２にお
いて、１１１１は電子源基体、１１１２はＸ方向配線、
１１１３はＹ方向配線であり、１１１４は本実施の形態
に係る電子放出素子である。

【００８０】図１２においてｍ本のＸ方向配線１１１２
はＤＸ₁，ＤＸ₂，．．ＤＸ_mからなり、蒸着法にて形成
された厚さ約１μｍ、幅３００μｍのアルミニウム系配
線材料で構成されている。配線の材料、膜厚、巾は、適
宜設計される。

【００８１】Ｙ方向配線１１１３は厚さ０．５μｍ、幅
１００μｍ，ＤＹ₁，ＤＹ₂．．ＤＹ _nのｎ本の配線より
なり、Ｘ方向配線１１１２と同様に形成される。

【００８２】これらｍ本のＸ方向配線１１１２とｎ本の
Ｙ方向配線１１１３との間には、不図示の厚さ約１μｍ
の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離し
ている（ｍ，ｎは，共に正の整数）。

【００８３】不図示の層間絶縁層は、スパッタ法等を用
いて形成された絶縁層である。例えば、Ｘ方向配線１１
１２を形成した基体１１１１の全面或は一部に所望の形
状で形成され、特に、Ｘ方向配線１１１２とＹ方向配線
１１１３の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚，材
料，製法が適宜設定される。

【００８４】Ｘ方向配線１１１２とＹ方向配線１１１３
は、それぞれ外部端子として引き出されている。

【００８５】本実施の形態においては、電子放出素子１
１１４を構成する一対の電極の層自体が、ｍ本のＸ方向
配線１１１２とｎ本のＹ方向配線１１１３としての機能
も果たしている。

【００８６】Ｘ方向配線１１１２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１１１４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。

【００８７】一方、Ｙ方向配線１１１３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１１１
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。

【００８８】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。なお、本発明の実施の形態においてはＹ
方向配線には高電位、Ｘ方向配線には低電位になるよう
に接続されている。このように接続することで、ビーム
の収束効果が得られる。

【００８９】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【００９０】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の表示パネルを形成するこ
とができる。

【００９１】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では、放出した電子軌道を考慮
して素子上部に画像形成部材としての蛍光体をアライメ
ントして配置する。

【００９２】図１３は本実施の形態に係る表示パネルに
使用した蛍光膜を示す模式図である。

【００９３】カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配列に
より図１３（ａ）に示すブラックストライプあるいは図
１３（ｂ）に示すブラックマトリクスなどと呼ばれる黒
色導電材１２１と蛍光体１２２とから構成する。

【００９４】ここで、ブラックストライプやブラックマ
トリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、必要とな
る三原色蛍光体の各蛍光体１２２間の塗り分け部を黒く
することで混色等を目立たなくし、蛍光膜１２４におけ
る外光反射によるコントラストの低下を抑制するためで
ある。

【００９５】ブラックストライプの材料としては、本実
施の形態では通常用いられている黒鉛を主成分とする材
料用いた。

【００９６】図１２において蛍光膜１１２４の内面側に
は、通常メタルバック１１２５が設けられる。

【００９７】メタルバック１１２５は、蛍光膜１１２４
を作製した後、蛍光膜１１２４の内面側表面の平滑化処
理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、そ
の後Ａｌを、真空蒸着等を用いて堆積させることで作る
ことができる。

【００９８】フェースプレート１１２６には、更に蛍光
膜１１２４の導電性を高めるため、蛍光膜１１２４の外
面側に透明電極（不図示）を設けた。

【００９９】また、図１２中、１１２２は支持枠であ
り、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
されることで、外囲器１１２７を構成しており、例え
ば、大気中あるいは窒素中で、所定の温度範囲で所定時
間以上焼成することで、封着して構成される。

【０１００】この封着を行う際には、カラーの場合は各
色蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、十
分な位置合わせが不可欠となる。本実施の形態では電子
源の真上に対応する蛍光体が配置される。

【０１０１】次に、本実施の形態に係る電子放出素子を
画像形成装置に適用する場合における画像形成装置の走
査回路図について図１４を参照して説明する。

【０１０２】同回路は、内部にＭ個のスイッチング素子
を備えたもので（図中，Ｓ１ないしＳｍで模式的に示し
ている）ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘ
の出力電圧もしくは０［Ｖ］（グランドレベル）のいず
れか一方を選択し、表示パネル１３０１の端子Ｄｘ１な
いしＤｘｍと電気的に接続される。

【０１０３】Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制
御回路１３０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づい
て動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチ
ング素子を組み合わせることにより構成することができ
る。

【０１０４】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には本発明
の実施の形態に係る電子電子放出素子の特性（電子放出
しきい値電圧）に基づき走査されていない素子に印加さ
れる駆動電圧が電子放出しきい値電圧以下となるような
一定電圧を出力するよう設定されている。

【０１０５】制御回路１３０３は、外部より入力する画
像信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の
動作を整合させる機能を有する。制御回路１３０３は、
同期信号分離回路１３０６より送られる同期信号Ｔｓｙ
ｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆ
ｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１０６】同期信号分離回路１３０６は、外部から入
力されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と
輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数
分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信
号分離回路１３０６により分離された同期信号は、垂直
同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便
宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。

【０１０７】前記テレビ信号から分離された画像の輝度
信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表した。該ＤＡＴＡ信
号はシフトレジスタ１３０４に入力される。

【０１０８】シフトレジスタ１３０４は、時系列的にシ
リアルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライ
ン毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記
制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づ
いて動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは，シフトレジ
スタ１３０４のシフトクロックであるということもでき
る。）。

【０１０９】シリアル／パラレル変換された画像１ライ
ン分（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデ
ータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記
シフトレジスタ１３０４より出力される。

【０１１０】ラインメモリ１３０５は、画像１ライン分
のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに
従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶さ
れた内容は、Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎとして出力され、変
調信号発生器１３０７に入力される。

【０１１１】変調信号発生器１３０７は、画像データ
Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて本発明の実施の形
態に係る電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の
信号源であり、その出力信号は、端子Ｄｏｘ１、Ｄｏｙ
ｎを通じて表示パネル１３０１内の本発明の実施の形態
に係る電子放出素子に印加される。

【０１１２】ここで、本発明の実施の形態に係る電子放
出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有して
いる。

【０１１３】即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖ
ｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子
放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対して
は、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化す
る。

【０１１４】このことから、本素子にパルス状の電圧を
印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加し
ても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を
印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パ
ルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電子ビーム
の強度を制御することが可能である。

【０１１５】また、パルスの幅Ｐｗを変化させることに
より出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が
可能である。

【０１１６】従って、入力信号に応じて、電子放出素子
を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調
方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１３０７として、一定長さの電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの
波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いるこ
とができる。

【０１１７】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１３０７として、一定の波高値の電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パル
スの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用い
ることができる。

【０１１８】シフトレジスタやラインメモリは、デジタ
ル信号式あるいはアナログ信号式のものを採用できる。
画像信号のシリアル／パラレル変換や記憶が所定の速度
で行なわれれば良いからである。

【０１１９】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１３０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号
化する必要があるが、これには１３０６の出力部にＡ／
Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ
１３０５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かに
より、変調信号発生器１３０７に用いられる回路が若干
異なったものとなる。

【０１２０】即ち、デジタル信号を用いた電圧変調方式
の場合、変調信号発生器１３０７には、例えばＤ／Ａ変
換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。
パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１３０７に
は、例えば高速の発振器および発振器の出力する波数を
計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値と前記
メモリの出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組
み合わせた回路を用いる。

【０１２１】必要に応じて、比較器の出力するパルス幅
変調された変調信号を本発明の電子電子放出素子の駆動
電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加することも
できる。

【０１２２】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１３０７には、例えばオペアンプな
どを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシ
フト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方
式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）
を採用でき、必要に応じて本発明の実施の形態に係る電
子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を
付加することもできる。

【０１２３】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば入力
信号については、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこ
れに限られるものではなく、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式な
ど他、これよりも、多数の走査線からなるＴＶ信号（例
えば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式を
も採用できる。

【０１２４】また、表示装置の他、感光性ドラム等を用
いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等と
しても用いることができる。

【０１２５】

【実施例】以下、上記実施の形態に基づいたより具体的
な実施例について詳細に説明する。

【０１２６】（実施例１）本実施例においては、その基
本的な構成及び製造方法については、上記実施の形態の
中で参照・説明した図１〜図３に示したものと同一であ
る。

【０１２７】以下に、本実施例に係わる電子放出素子の
製造工程を詳細に説明する。

【０１２８】基板１に石英を用い、十分洗浄を行った
後、スパッタ法によりカソード電極２として厚さ３００
ｎｍのＴｉＮ、絶縁層３として厚さ１００ｎｍのＳｉＯ
₂、ゲート電極４として厚さ１５０ｎｍのＴａを堆積し
た。

【０１２９】その後、フォトリソグラフィー行程で、ポ
ジ型フォトレジスト（ＯＦＰＲ８００／東京応化社製）
のスピンコーティング、フォトマスクパターンを露光、
現像し、マスクパターンを転写した。その後、パターニ
ングした前記フォトレジストをマスクとし、絶縁層３及
びゲート電極４を、ＣＦ₄ガスを用いてドライエッチン
グし、カソード電極２で停止させた。このときの開口領
域は、２μｍの円形とした。

【０１３０】次に、前記開口部の中に選択的にカーボン
ナノチューブを成長させ、電子放出材料とした。

【０１３１】以上のようにして作製した素子を、真空容
器に配置して駆動した。駆動電圧は、アノード電極６に
基板から２ｍｍの距離を隔てて１０ＫＶの電圧を加えた
状態で、カソード電極２及びゲート電極４をそれぞれ０
Ｖとした状態にすると電子放出が観測された。

【０１３２】次に、ゲート電極４に−２０Ｖ、カソード
電極２に０Ｖを印加すると、カソード電極２からの電子
放出を停止することができた。

【０１３３】（実施例２）実施例１と同様に、基板１上
に、カソード電極２、絶縁層３、ゲート電極４を積層
し、フォトリソグラフィー技術により開口領域を形成
し、カソード電極上にＣＮＴを成長させた。

【０１３４】以上のようにして作製した素子を、真空容
器に配置し駆動した。

【０１３５】駆動電圧として、アノード電極６には素子
から２ｍｍの距離を隔てて１０ＫＶの電圧を印加し、カ
ソード電極２を０Ｖ、ゲート電極４に−５Ｖを印加し
た。その結果、カソード電極２から電子放出が観測さ
れ、また、カソード電極２が０Ｖの場合と比べて、電子
軌道を収束できた。

【０１３６】次に、上記の電子放出の駆動状態から、ゲ
ート電極４に−２０Ｖの電圧を印加すると、カソード電
極２からの電子放出を停止できた。

【０１３７】（実施例３）十分洗浄した青板ガラス上
に、スパッタ法でゲート電極４としてＴａを２００ｎｍ
堆積し、次に絶縁層３として、ＳｉＯ₂を１００ｎｍ堆
積した。次に、ＳｉＯ₂上に、カソード電極２としてＴ
ｉＮを１００ｎｍ堆積した。

【０１３８】次に、上記のカソード電極２及びＳｉＯ₂
層を周囲がゲート電極４によって囲まれるように、カソ
ード電極２の一部及びＳｉＯ₂層の一部を除去した構造
を形成した（図９及び図１０に示す構造）。

【０１３９】その結果、凸構造の素子が作製できＴｉＮ
のカソード電極２の層を電子放出材料とした。

【０１４０】上記のようにして作製した素子を、真空容
器内にセットし、アノード電極６を蛍光体として素子上
空に１ｍｍの距離を隔てて１０ＫＶの電圧を印加した状
態で、ゲート電極４及びカソード電極２に０Ｖを印加し
た。

【０１４１】その結果、電子放出が観測され、蛍光体に
１００μｍの電子ビームパターンが観測された。

【０１４２】次に、蛍光体に上記と同じ電圧を印加した
状態で、カソード電極２に０Ｖ、ゲート電極４に−２５
Ｖを印加すると、電子放出が停止した。

【０１４３】（実施例４）実施例３と同様に、ゲート電
極４、絶縁層３、カソード電極２をこの順に堆積した
後、カソード電極２上にダイヤモンド粒子を散布した。
次に、実施例３と同様に、フォトリソグラフィー技術を
用いて、周囲をゲート電極が取り囲むように、ダイヤモ
ンド粒子、カソード電極、絶縁層を除去した（図１１に
示す構造）。

【０１４４】上記のようにして作製した素子を、真空容
器内に配置し、基板上空に１ｍｍの距離を隔てた位置に
設けられたアノード電極６に１０ＫＶの電圧を印加した
状態で、ゲート電極４に−５Ｖの電圧を印加すると、電
子放出が観測できた。

【０１４５】次に、上記の駆動状態からゲート電極４に
−２５Ｖの電圧を印加すると、電子放出が停止した。

【０１４６】（実施例５）実施例１から４に示す電子放
出素子を１０×１０のＭＴＸ状に配置して電子源を構成
し、画像形成装置として構成する場合について説明す
る。一例として、実施例１の電子放出素子を適用する場
合について説明する。

【０１４７】配線は、図１２に示すようにｘ配線をカソ
ード電極２に、ｙ配線をゲート電極４に接続した。な
お、素子は、横１００μｍ、縦３００μｍのピッチで配
置した。素子上部には１ｍｍの距離を隔てた位置に１５
ｋＶの電圧を印加するアノード電極を配置した。

【０１４８】この結果、高精細な画像形成装置が形成で
きた。

【０１４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、電子放
出の駆動制御を、低電圧で容易に行うことができ、安定
した制御を行うことができる。

【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】電圧を印加可能な状態に配線した場合における
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３】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造
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電位
分布を示す模式図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の電子
軌道を示す模式図である。

【図６】ゲート電圧への印加に対する電子放出量のタイ
ムチャート図である。

【図７】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８】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９】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１０】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の電
位分布を示す模式図である。

【図１１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模
式図である。

【図１２】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一
部破断斜視図である。

【図１３】本発明の実施の形態に係る表示パネルに使用
した蛍光膜を示す模式図である。

【図１４】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の走
査回路図である。

【図１５】従来技術に係る電子放出素子の電位分布を示
す模式図である。

【図１６】従来技術に係る電子放出素子の電位分布を示
す模式図である。

【符号の説明】

１基板２カソード電極３絶縁層４ゲート電極５電子放出部６アノード電極１２１黒色導電材１２２蛍光体１２４蛍光膜１１１１基体１１１２Ｘ方向配線１１１３方向配線１１１４電子放出素子１１２１リアプレート１１２２支持枠１１２４蛍光膜１１２５メタルバック１１２６フェースプレート１１２７外囲器１３０１表示パネル１３０３制御回路１３０４シフトレジスタ１３０５ラインメモリ１３０６同期信号分離回路１３０７変調信号発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子を放出するカソード電極と、駆動電圧が印加されることで電界を形成し、前記カソー
ド電極より電子を放出させて該電子を捕獲するアノード
電極と、該アノード電極に前記駆動電圧が印加された状態で、制
御電圧が印加されることで電界を形成し、前記電子の放
出を制御するゲート電極と、を備えることを特徴とする
電子放出素子。
【請求項２】前記ゲート電極に、電子放出を停止させる
電圧を印加すると、前記アノード電極がカソード電極に
対して作用する電界強度が、該カソード電極から電子が
放出する電界の閾値よりも小さくな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】前記ゲート電極がカソード電極に作用する
電界をＥｇ，前記アノード電極がカソード電極に作用す
る電界をＥａ，前記カソード電極から電子が放出する電
界の閾値をＥｅとすると、電子を放出する駆動状態の場合には、Ｅｇ＜ＥeかつＥｅ＜Ｅａを満たすと共に、電子放出を停止させる場合には、Ｅｇ＜ＥａかつＥａ＜Ｅｅ、または、Ｅａ＜ＥｇかつＥ
ｇ＜Ｅｅを満たすように、前記ゲート電極に電圧を印加
す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】前記ゲート電極は、カソード電極上に絶縁
層を介してアノード電極側に積層されると共に、該ゲート電極の一部及び絶縁層の一部に、カソード電極
の一部がアノード電極側に露出するように開口部が設け
られており、該開口部内に電子放出部が設けられること
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】前記カソード電極は、ゲート電極上に絶縁
層を介してアノード電極側に積層されることを特徴とす
る請求項１，２または３に記載の電子放出素子。
【請求項６】前記カソード電極上に、電子放出部となる
電子放出材料を設ける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】前記電子放出材料は、カソード電極の素材
とは異なる材料であ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】前記電子放出材料は、炭素を主成分とする
材料であることを特徴とする請求項６または７に記載の
電子放出素子。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一つに記載の電子
放出素子が複数配置されたことを特徴とする電子源。
【請求項１０】前記複数の電子放出素子が、マトリクス
配線されていることを特徴とする請求項９に記載の電子
源。
【請求項１１】請求項９または１０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１２】前記画像形成部材は蛍光体であることを
特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。
【請求項１３】アノード電極に対向して配置されたカソ
ード電極の近傍にゲート電極を設け、前記アノード電極に駆動電圧を印加して電界を形成さ
せ、カソード電極から電子を放出させて、放出させた電
子を該アノード電極によって捕獲させると共に、該アノード電極に前記駆動電圧を印加したままの状態
で、前記ゲート電極に制御電圧を印加することによって
電界を形成させ、前記カソード電極からの電子放出を制
御することを特徴とする電子放出素子の駆動方法。
【請求項１４】前記アノード電極がカソード電極に対し
て作用する電界強度が、該カソード電極から電子が放出
する電界の閾値よりも小さくなるように、前記ゲート電
極に電圧を印加することを特徴とする請求項１３に記載
の電子放出素子の駆動方法。