JP2002163976A - 電子放出素子及び電子源及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子ビーム径が小さく、電子放出面積が大き
く、低電圧で高効率な電子放出が可能で、製造プロセス
が容易な電界放出型の電子放出素子及び電子源及び画像
形成装置を提供する。 【解決手段】 第１の電極層４２と第１の絶縁層４３を
貫通するように設けられた開口部内に、第２の絶縁層４
６を備えており、この第２の絶縁層４６には、第１の電
極層４２側から第２の電極層４４側に向かうにつれて開
口面積が徐々に小さくなるようなテーパーを有する開口
部が設けられている。この第２の絶縁層４６と第２の電
極層４４の間に、第３の電極層４５が備えられている。
この第３の電極層４５にも開口部が設けられており、こ
の開口部内に、電子放出材料としての電子放出層１７を
形成している。

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
とで電子の放出を行う電子放出素子及び電子源及び画像
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熱電子源と冷
陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源には
電界放出型（以下、ＦＥ型と称する）、金属／絶縁層／
金属型（以下、ＭＩＭ型と称する）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，“Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ，８，８９ （１９５６） あるいはＣ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“ＰＨＹＳＩＣＡＬ Ｐｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓ ｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙ
ｂｄｅｎｉｕｍ ｃｏｎｅｓ”，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．Ｍｅａｄ，
“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓ
ｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙ
ｓ．，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
ｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ
ｎｏｎ−ｆｏｒｍｅｄ ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ−ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）ｃａｔｈｏｄｅｓ Ｆａｂｒ
ｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｎｏ
ｄｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ１６
９５，Ｍｕｔｓｕｍｉ ｓｕｚｕｋｉ ｅｔａｌ“Ａｎ
ＭＩＭ−Ｃａｔｈｏｄｅ Ａｒｒａｙ ｆｏｒ Ｃａ
ｔｈｏｄｅ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ
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．Ｅｌｉｎｓｏｎ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．，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、前記のエリンソンの
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．Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉ
ｄＦｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２））、Ｉｎ₂Ｏ₃／
ＳｎＯ₂薄膜によるもの（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎ
ｄ Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．
ＥＤ Ｃｏｎｆ．，５１９（１９８３））等が報告され
ている。

【０００８】

【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。

【０００９】電子放出素子を画像形成装置に応用するに
は、蛍光体を十分な輝度で発光させる放出電流が必要で
ある。また、ディスプレイの高精細化のためには蛍光体
に照射される電子ビームの径が小さいものである事が要
求される。そして、製造し易いという事が重要である。

【００１０】従来のＦＥ型の例としてＳｐｉｎｄｔ型の
電子放出素子を図１３に示す。図１３において、１は基
板、４はカソード電極層（低電位電極）、３は絶縁層、
２はゲート電極層（高電位電極）、５はマイクロチッ
プ、６は等電位面である。

【００１１】曲率ｒを有するマイクロチップ５とゲート
電極層２間にバイアスすると、マイクロチップ５先端か
ら電子が放出されアノードに向かう。放出電子の量は、
ゲート電極層２とマイクロチップ５先端の距離ｄ、ゲー
ト電圧Ｖｇ及び放出部材料の仕事関数により決定され
る。つまり、ゲート電極層２とマイクロチップ５間距離
ｄを制御よく作製する事が素子の性能を決定する要素と
なる。

【００１２】Ｓｐｉｎｄｔ型の電子放出素子の一般的な
製造工程を図１４に示す。

【００１３】この図に添って製造工程を説明すると、ま
ず、ガラス等からなる基板１上に、Ｎｂ等からなるカソ
ード電極層４、ＳｉＯ₂等からなる絶縁層３、Ｎｂ等か
らなるゲート電極層２をこの順に積層する。その後、反
応性イオンエッチング法により、ゲート電極層２及び絶
縁層３を貫通する円形の開口部（微細孔）を形成する
（図１４（ａ））。

【００１４】その後、アルミニウム等からなる犠牲層７
をゲート電極層２上に斜方蒸着等により成膜する（図１
４（ｂ））。

【００１５】このようにして形成した構造に、真空蒸着
法によりモリブデン等のマイクロチップ材料８を堆積す
る。これによって、犠牲層７上の堆積物が堆積の進行と
ともに開口部の内部を塞いでいき、開口部内にマイクロ
チップ５が円錐状に形成される（図１４（ｃ））。

【００１６】最後に犠牲層７を溶解する事により、マイ
クロチップ材料８をリフトオフして、素子を完成させる
（図１４（ｄ））。

【００１７】しかし、このような製造方法では上記距離
ｄを再現よく制御する事が困難であり、素子ごとに放出
電流量のバラツキが生じてしまう。また、リフトオフの
際に生じた金属片等がマイクロチップ５とゲート電極層
２を短絡するおそれがあり、この場合、駆動時にマイク
ロチップ５とゲート電極層２間に電圧を印加すると短絡
部で熱が発生し、短絡部及びその周囲の破壊が起こって
しまう。このため有効な放出領域が減少してしまう。

【００１８】上記のような素子ごとによるバラツキは例
えば画像形成装置として応用した場合に、輝度ムラを引
き起こし、非常に目障りな物となる。

【００１９】さらに、この例では、１放出点から電子が
放出されるため、蛍光体を発光させるために放出電流密
度を大きくすると、電子放出部の熱的な破壊を誘起し、
ＦＥ素子の寿命を制限することになる。また、真空中に
存在するイオンがマイクロチップ先端を集中的にスパッ
タして、素子の寿命を縮める事もある。

【００２０】なお、真空中に放出された電子は等電位面
と直交して進行するが、図１３のような構成では、等電
位面６はマイクロチップ５に沿って孔内に形成される事
になるためマイクロチップ５先端から放出された電子は
広がる傾向がある。

【００２１】また、このように放出される電子に広がり
が生ずると、放出された電子の一部はゲート電極層２に
吸収され、アノードに到達する電子量が減少する。ゲー
ト電極層２に吸収される電子量は、距離ｄを小さくする
と増大する傾向にある。

【００２２】このようなＦＥ素子の欠点を克服するため
に、個別の解決策として様々な例が提案されている。

【００２３】電子ビームの広がりを防ぐ例としては、例
えば図１５に示すように、電子放出部上方に収束電極９
を配置した例がある。図１５は収束電極付きＦＥ型素子
の構成図である。この例では放出された電子ビームを収
束電極９の負電位により絞っているが、この例では上記
のような製造工程よりもさらに複雑な工程が必要とな
り、製造コストの増大を招く。

【００２４】収束電極を配置せずに電子ビーム径を小さ
くする例としては、Ｓｐｉｎｄｔ型のようなマイクロチ
ップを形成しない方法がある。たとえば、特開平８−０
９６７０３号公報、特開平８−０９６７０４号公報、特
開平８−２６４１０９号公報に開示された技術がある。

【００２５】これらに開示された技術では、孔内に配置
した薄膜から電子放出を行わせるため、電子放出面上に
平坦な等電位面が形成されて、電子ビームの広がりが小
さくなるという利点がある。

【００２６】また、電子放出物質として低仕事関数の構
成材料を使用することで、マイクロチップを形成しなく
ても電子放出が可能であり、低電圧での駆動を可能と
し、また、製造方法が比較的に簡易であるという利点も
ある。

【００２７】さらに、電子放出が面で行われるために、
電界の集中がおきず、チップの破壊がおこらず、長寿命
であるという利点もある。

【００２８】しかし、これらの例では孔周辺には、孔深
さとゲート電極層間距離に相関した電位分布が形成さ
れ、このためスピント型程ではないが、やはり放出され
た電子は広がる傾向にあり、放出された電子の一部はゲ
ート電極層２に吸収もしくは散乱されるという問題は解
決されていない。

【００２９】電子放出効率を向上させる例としては、例
えば、図１６に示すような特開平１０−２８９６５０号
公報に開示された技術等がある。

【００３０】この技術では、カソード電極層４に対し
て、両面側にそれぞれ絶縁層３を介して、ゲート電極層
２および第２ゲート電極層１１を設けた構造としてい
る。

【００３１】そして、カソード電極層４に対し、ゲート
電極層２および第２ゲート電極層１１に正の電位を印加
（但し、０＜｜Ｖｇ１｜≦｜Ｖｇ２｜）する事によりカ
ソード電極層４から放出される電子量を増大させている
が、やはり放出された電子は広がる傾向にある。

【００３２】一方、ＭＩＭ型は、図１７に示すように、
下部電極（カソード電極層４）と上部電極（ゲート電極
層２）の間に絶縁層３を配置し、両電極間に電圧を印加
して電子を取り出す構造である。

【００３３】この構造の場合には、内部電界方向と放出
される電子の方向が一致し、かつ放出面での電位分布に
歪みがないために、小さい電子ビーム径が実現できる
が、絶縁層３と上部電極で電子の散乱が起こるために効
率が悪いのが一般的である。

【００３４】次に、これら電子放出素子を画像形成装置
として応用した従来例について図１８を参照して説明す
る。図１８は従来技術に係る電子放出素子を画像形成装
置に応用する場合の説明図である。

【００３５】図示のように、ゲート電極層２のラインと
カソード電極層４のラインがマトリクス状に配列され、
両ラインの交差部に電子放出素子１４が配置され、情報
信号に応じて、選択された交差部にある電子放出素子１
４から電子が放出され、アノード１２の電圧により加速
されて蛍光体１３に入射する、いわゆる３極デバイスを
構成している。

【００３６】以上のようなディスプレイ等の画像形成装
置への応用を電界放出型電子放出素子で考えた場合に
は、 （１）電子ビーム径が小さいこと （２）電子放出面積が大きいこと （３）低電圧で高効率な電子放出が可能なこと （４）製造プロセスが容易であること が要求されるが、従来の電子放出素子ではこれらを同時
に満たす事は困難であった。

【００３７】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、電子
ビーム径が小さく、電子放出面積が大きく、低電圧で高
効率な電子放出が可能で、製造プロセスが容易な電界放
出型の電子放出素子及び電子源及び画像形成装置を提供
することにある。

【００３８】

【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及び第２の電極層と、前記第
１の電極層と前記第２の電極層の間に挟まれた第１の絶
縁層と、前記第１の電極層および第１の絶縁層を貫通す
るように設けられた開口部と、該開口部内に配置され、
前記第２の電極層に接続される電子放出材料とを有する
電子放出素子であって、前記開口部内に、前記第１の電
極層側の開口面積が、前記第２の電極層側の開口面積よ
りも大きくなるようなテーパー形状の開口部を有する第
２の絶縁層を備え、該第２の絶縁層と前記第２の電極層
との間には、開口部を有する第３の電極層が備えられ、
該第３の電極層の開口部内に、前記電子放出材料が配置
されていることを特徴とする。

【００３９】前記電子放出材料が導電体であることを特
徴とする。

【００４０】前記第２の電極層と第３の電極層と電子放
出材料とが、同電位であることを特徴とする。

【００４１】前記電子放出材料の露出表面は、前記第２
の絶縁層と第３の電極層との境界面と同一面あるいは第
２の電極層側に位置することを特徴とする。

【００４２】前記開口部の開口形状は略円形であること
を特徴とする。

【００４３】前記開口部の開口形状はライン状であるこ
とを特徴とする。

【００４４】前記第１の絶縁層と第２の絶縁層は、異な
る材料からなることを特徴とする。

【００４５】前記第２の絶縁層の誘電率が、第１の絶縁
層の誘電率よりも大きいことを特徴とする。

【００４６】前記第３の電極層と電子放出材料が同一の
材料で構成されることを特徴とする。

【００４７】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個配置されることを特徴とする。

【００４８】前記複数個の電子放出素子がマトリクス配
線されることを特徴とする。

【００４９】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が衝突さ
れることで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。

【００５０】前記画像形成部材は、電子の衝突によって
発光する発光体であることを特徴とする。

【００５１】また、本発明の電子放出素子にあっては、
第１の電極層及び第２の電極層と、前記第１の電極層と
前記第２の電極層の間に配置された絶縁層と、前記第１
の電極層に配置された第１の開口と、前記絶縁層に配置
され、前記第１の開口と連通する第２の開口と、前記第
２の開口内に配置され、前記第２の電極層に接続される
電子放出膜と、を備えた電子放出素子であって、前記第
２の開口は、前記第１の電極層側における開口面積が、
前記第２の電極層側における開口面積よりも大きくなる
テーパー形状を有し、前記絶縁層と前記第２の電極層と
の間に、前記電子放出膜の外周が挟まれていることを特
徴とする。

【００５２】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。

【００５３】また、本発明の画像形成装置にあっては、
上記の電子源と、蛍光体とを有することを特徴とする。

【００５４】

【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。

【００５５】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的断面図であ
り、図２は本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模
式的平面図である。なお、図１は図２の平面図における
Ａ−Ａ’線での断面図に相当する。また、図３は本発明
の素子に対向してアノードを配置して駆動させた時の様
子を示す等電位線を含む模式図である。

【００５６】図示のように、基板１上には、第１の電極
層４２，第１の絶縁層４３，第２の電極層４４，第３の
電極層４５及び第２の絶縁層４６が積層した構造となっ
ている。

【００５７】この積層構造について、更に詳しく説明す
ると、基板１上に第２の電極層４４が積層され、この第
２の電極層４４上に開口部を有するように第１の絶縁層
４３が積層され、更に、この第１の絶縁層４３上に同じ
く開口部を有する第１の電極層４２が積層される構造と
なっており、第１の絶縁層４３が、第１の電極層４２と
第２の電極層４４の間に挟まれるようになっている。

【００５８】そして、第１の電極層４２と第１の絶縁層
４３を貫通するように設けられた開口部内に、第２の絶
縁層４６を備えており、この第２の絶縁層４６には、第
１の電極層４２側から第２の電極層４４側に向かうにつ
れて開口面積が徐々に小さくなるようなテーパーを有す
る開口部が設けられている。

【００５９】この第２の絶縁層４６と第２の電極層４４
の間に、第３の電極層４５が備えられている。この第３
の電極層４５にも開口部が設けられており、この開口部
内に、電子放出材料としての電子放出層（電子放出膜）
１７を形成している。

【００６０】ここで、第１の電極層４２は電子が放出さ
れない層であり、第２の電極層４４，第３の電極層４５
及び電子放出層１７とは、異なる導電材料を示すが、同
じ材料であっても問題はない。また、電子放出材料は導
電体が好ましいが，誘電体であっても効果がある。

【００６１】また、図中、Ｗ１は第２の電極層４４及び
電子放出層１７の幅を示し、Ｗ２は第１の電極層４２の
幅を示し、Ｗ３は開口部の大きさ（円の場合は径，方形
の場合は一辺の長さ）である。また、Ｄ１は第１の電極
層４２の厚さ、Ｄ２は絶縁層４３の厚さ、Ｄ３はアノー
ド１２と低電位電極となる第２の電極層４４の間の距
離，Ｄ４は第２の電極層４４の厚さ、Ｄ５は第３の電極
層４５の厚さである。

【００６２】Ｖｇは第１の電極層４２と第２の電極層４
４（電子放出層１７も含む）の間に印加される電圧であ
る。Ｖａはアノード１２に印加される電位であり、典型
的にはＧＮＤとアノード間に印加される電圧、または第
２の電極層４４とアノード１２間に印加されている電圧
となる。Ｉｅは電子放出電流である。また、ＥｈはＶｇ
により形成される電界であり、６は等電位面である。

【００６３】以上のような構成により、素子を駆動させ
るためにＶｇ，Ｖａを印加すると、電界Ｅｈが形成さ
れ、Ｖｇ，Ｄ２，Ｗ２，形状，絶縁層の誘電率等に基づ
いて開口部内部の等電位面６の形状が定められる。ま
た、開口部の外では主にＤ３とＶａにより、ほぼ平行な
等電位面となる。

【００６４】そして、本発明の実施の形態に係る電子放
出素子の構造・形状によると、図３に示すように等電位
面が、電子放出膜１７表面上で凹状に形成される。

【００６５】これは、主に、第２の絶縁層４６に設けら
れたテーパー形状の開口部と、第３の電極層４５による
効果である。開口部の外側（第１の絶縁層内）における
平行な等電位面が、第３の電極層４５及び第３の電極層
を覆う絶縁層により持ち上がり、そして、真空に接する
テーパー形状の絶縁層によって等電位面に傾きが形成さ
れるからである。

【００６６】ここで、テーパー形状の開口部を有する第
２の絶縁層４６表面から真空領域に出る境界で、等電位
面は下側に押さえつけられるために、その部分で等電位
面は下に曲がり、結果として電子放出膜表面では等電位
面は凹型にくびれた形となる。これは、真空の誘電率に
対し、第２の絶縁層の誘電率が高いためである。

【００６７】図４を参照して、本発明の実施の形態に係
る電子放出素子から放出された電子の軌道について説明
する。図４は電子放出素子における開口部の中におい
て、放出された電子軌道をＳｉｍｕｌａｔｉｏｎした結
果を示したものである。図４（ａ）は本実施の形態の構
造の場合、図４（ｂ）は特開平０８−９６７０４号公報
などに開示された電子放出素子における放出電子の軌道
を比較の意味で示したものである。

【００６８】図示のように、図４（ｂ）では等電位面は
電子放出膜１７側からゲート電極４２側に向かって凸状
になっており、真空に放出された電子は外側に軌道を取
り、電子放出膜の周囲から放出した電子は、開口部の周
囲の絶縁層や第１の電極層に衝突・散乱し、電子の軌道
は大きく広がる。さらに、散乱されない電子においても
外側に軌道が広がるため、ビーム径は大きくなる。

【００６９】これに対し、図４（ａ）に示した本発明の
素子おいては、電子放出膜１７上に凹状の等電位面が形
成されるため、電子放出膜の周囲から放出された場合で
も、開口部の周囲の第２の絶縁層や第１の電極層に衝突
・散乱することなく開口部の外に出ることができること
が分かる。このように、本発明の電子放出素子において
は、電子ビームの集束効果を有するが、更に、第２の絶
縁層４６の誘電率を第１の絶縁層４３の誘電率よりも大
きいものに設定すれば、一層のビーム集束効果が得られ
る。

【００７０】開口部から出た電子は、あとはＶａにより
Ｙ方向が加速され蛍光板に衝突する。ビーム広がりに影
響するＸ方向は開口部から出たときのＸ方向の初速度Ｖ
ｘの等速度運動で近似できる。

【００７１】ここで、ビーム径を小さくするのは、散乱
成分を抑制すること及びＶｘを小さくすることが重要
で、本発明の実施形態では散乱を抑制することができ、
かつ、低Ｖｘが実現できる。

【００７２】なお、その他ビームサイズは電界Ｅｈの増
加、Ｖａの低下に伴い広がる傾向にあり、これらのパラ
メータは、電子放出素子の使用用途に好適な値を選択す
る設計事項となる。

【００７３】このように、本発明の実施の形態に係る電
子放出素子では、上述のように散乱を抑制して電子を取
り出すことが可能なため、放出電子のほぼ全てがＩｅと
なり、低電圧でも非常に効率が良い。

【００７４】また、電子放出素子とアノードの間に歪み
が少なく凹型の電位分布が形成されているために、真空
中に放出された電子はそのままアノードに向かい、電子
ビームの広がりが小さいので、電子ビーム径が小さい。
さらに、放出された電子は凹型の電位分布に沿って進む
ため，周囲の壁に散乱することなく、電子ビームの広が
りを設計どおりに抑制することができる。

【００７５】また、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子上の電子放出面積は電子放出層１７表面全体であ
り、電子放出面積が広いために、真空中に存在するイオ
ン衝撃に対して耐久性が良い。

【００７６】さらに、アノードに向かう電子の軌道を妨
げる障害物および、障害となるような電位が存在してい
ないために、放出電子のほぼ全てが電子放出電流となる
ので、低電圧で高効率な電子放出が可能となる。

【００７７】さらには、本発明の実施の形態に係る電子
放出素子は積層を繰り返した非常に単純な構成であり、
製造プロセスが容易であり、歩留まり良く製造できる。

【００７８】このため、本発明の実施の形態のような電
界放出型電子放出素子は、電子ビーム径が小さく、電子
放出面積が大きく、低電圧で高効率な電子放出が可能
で、製造プロセスが容易であるので、ディスプレイ等の
画像形成装置への応用が可能である。

【００７９】尚、ここでは説明の都合上、絶縁層を第１
の絶縁層４３と第２の絶縁層４６とで構成した例を説明
したが、前述した効果を得る上で、第１の絶縁層の材料
と第２の絶縁層の材料を別材料で構成する必要は必ずし
もない。そのため、絶縁層を第１の絶縁層の作成プロセ
スと、第２の絶縁層の作成プロセスとに分ける場合があ
るが、必ずしも分ける必要はない。従って、第１の絶縁
層と第２の絶縁層とが別部材として構成されるものに本
発明は限定されない。

【００８０】そのため、本発明の実施の形態に係る電子
放出素子においては、図１等に示すように、開口を有す
る第１電極（ゲート電極）４２と、第２電極（カソード
電極）４４との間に開口を有する絶縁層が配置されてお
り、さらに、該絶縁層の開口が、前記第２の電極側にお
ける開口面積よりも大きい開口面積を前記第１の電極層
側に有するテーパー形状となっており、そして前記絶縁
層と前記第２の電極層との間に、前記電子放出膜の外周
（あるいは前記電子放出膜の外周を取り巻く第３電極）
が挟まれている構成を持っていれば良い。

【００８１】そして、絶縁層を複数の絶縁層から構成す
るか否かは、用いる製造プロセスにより適宜選択すれば
よい。

【００８２】また、前述したように電子ビームの集束効
果を向上する目的で、第２の絶縁層４６の材料に、第１
の絶縁層４３の材料の誘電率よりも高い材料を用いる場
合などにおいては、作成プロセスの都合上、絶縁層を第
１の絶縁層と第２の絶縁層に分けることが好ましい。こ
の場合においては、構造上に明確な第１の絶縁層と第２
の絶縁層との境界領域が形成される場合が多い。

【００８３】次に、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について、特に図５を参照して更
に詳細に説明する。図５は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示す工程図である。な
お、本発明はこの製造方法に限定されないことは言うま
でも無い。特に、構造の違いによる堆積順序，エッチン
グ方法に関しては実施例においても別途説明する。

【００８４】まず予め、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、シリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉ
Ｏ₂を積層した積層体、アルミナ等セラミックスの絶縁
性基板のうち、いずれか一つを基板１として用い、基板
１上に第２の電極層４４を積層する。

【００８５】第２の電極層４４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に
より形成される。第２の電極層４４の材料は、例えば、
Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等
の金属または合金材料、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，Ｔａ
Ｃ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＨｆＢ₂，ＺｒＢ₂，Ｌａ
Ｂ₆，ＣｅＢ₆，ＹＢ₄，ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＮ，Ｚ
ｒＮ，ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、有機
高分子材料、アモルファスカーボン，グラファイト，ダ
イヤモンドライクカーボン，ダイヤモンドを分散した炭
素及び炭素化合物等から適宜選択される。第２の電極層
４４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。

【００８６】ついで図５（ａ）に示すように第２の電極
層４４に続いて第２の電極層４４上に第３の電極層４５
と電子放出層１７を同材料として堆積する。

【００８７】これら第３の電極層４５及び電子放出層１
７は、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。

【００８８】第３の電極層４５及び電子放出層１７の材
料は、例えば、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化
合物、アモルファスカーボン，グラファイト，ダイヤモ
ンドライクカーボン等から適宜選択される。好ましくは
仕事関数の低いダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライク
カーボン等が良い。

【００８９】第３の電極層４５及び電子放出層１７の膜
厚としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好
ましくは数ｎｍから数十ｎｍの範囲で選択される。

【００９０】なお、電子放出層１７と第２の電極層４４
とを積層した後に、まとめてフォトリソグラフィー，エ
ッチング工程を行ってもよい（図５（ｂ））し、それぞ
れ別々にこの工程を行っても良い。

【００９１】また、第３の電極層４５及び電子放出層１
７を同時に作成せずに、まず、電子放出層１７を堆積せ
ずに第３の電極層４５のみを作成し、開口部を形成した
後に第２の電極層４４上に、電子放出層１７として、ダ
イヤモンド薄膜、またはダイヤモンドライクカーボン等
を選択的に堆積するようにしても良い。

【００９２】ついで、絶縁層４３を堆積する。絶縁層４
３は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、
真空蒸着法で形成され、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。望ましい材料としてはＳｉ
Ｏ₂，ＳｉＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＦ，アンドープダイヤモ
ンドなどの高電界に絶えられる耐圧の高い材料が望まし
い。

【００９３】更に、絶縁層４３に続き第１の電極層４２
を堆積する。第１の電極層４２は、第２の電極層４４と
同様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。

【００９４】第１の電極層４２の材料は、例えば、Ｂ
ｅ，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，
ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＨｆＢ₂，ＺｒＢ₂，Ｌａ
Ｂ₆，ＣｅＢ₆，ＹＢ₄，ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＮ，Ｚ
ｒＮ，ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、有機
高分子材料等から適宜選択される。第１の電極層４２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ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。

【００９５】なお、第１の電極層４２と第２の電極層４
４は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成
方法でも異種方法でも良い。

【００９６】次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術により開口部パターン１６を形成す
る。

【００９７】そして、図５（ｄ）に示すように、第２の
絶縁層を積層させたのちにエッチバック法により、開口
部の周辺にテーパー形状を有する第２の絶縁層４６を形
成して、素子が完成する。

【００９８】エッチング工程は平滑かつ垂直なエッチン
グ面が望ましく、それぞれの各層の材料に応じて、エッ
チング方法を選択すれば良い。ここで、テーパー形状は
カソード側の第２の電極層４６に近い側で特に重要であ
る、そのため、ゲート電極である第１の電極層４２に近
い側で、第２の絶縁層４６が逆テーパー形状や垂直形状
であったり、もしくはゲートである第１の電極層４２に
近い側で第２の絶縁層４６が無い場合であっても、本発
明の効果を損なわずに有効である。

【００９９】電子放出層１７のエッチバックの際に、第
２の電極層４４と比べてオーバーエッチングし、電子放
出層１７の上面を第２の電極層４４の上面すなわち第２
の絶縁層４６の下面よりも低くすることによって、さら
に等電位面を凹型にすることが可能となり、より好まし
い形態となる。

【０１００】上述のように、最後に、第２の電極層４４
に電子放出層１７を選択堆積する製法もある。このとき
は第３の電極層４５は第２の絶縁層４６の下にあらかじ
め形成しておく必要がある。

【０１０１】第２の電極層４４（電子放出層１７も含
む）の幅Ｗ１は、素子を構成する材料や抵抗値、第２の
電極層４４の材料の仕事関数と駆動電圧、必要とする電
子放出ビームの形状により適宜設定される。通常、Ｗ１
は数百ｎｍから数百μｍの範囲から選択される。

【０１０２】第１の電極層４２の幅Ｗ２は、素子を構成
する材料や抵抗値、電子放出素子の配置により適宜設定
される。通常、Ｗ２は数百ｎｍから数百μｍの範囲から
選択される。

【０１０３】また、図６に示すように上記開口部を複数
個並べて１画素を形成することもできる。

【０１０４】開口部の大きさＷ３は、素子を構成する材
料や抵抗値、電子放出素子の材料の仕事関数と駆動電
圧、必要とする電子放出ビームの形状により適宜設定さ
れる。通常、Ｗ３は数百ｎｍから数十μｍの範囲から選
択される。本発明の実施の形態では、ビーム径をより小
さくすることに大きな効果があり、Ｗ１−Ｗ３が小さく
なるほどその効果が大きくなる。

【０１０５】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子を適用した応用例について説明する。本発明の実施
の形態に係る電子放出素子の複数個を基体上に配列し、
例えば電子源、あるいは画像形成装置を構成できる。

【０１０６】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用される。一例として、電子放出素子をＸ方向及
びＹ方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数
の電子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に
接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の
他方を、Ｙ方向の配線に共通に接続した単純マトリクス
配置がある。以下単純マトリクス配置について詳述す
る。

【０１０７】以下、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子を複数配して得られる電子源について、図７を用い
て説明する。

【０１０８】図７において、９１は電子源基体であり、
９２はＸ方向配線であり、９３はＹ方向配線であり、９
４は本発明の実施の形態に係る電子放出素子であり、９
５は結線である。

【０１０９】ｍ本のＸ方向配線９２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，…Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ
法等を用いて形成された導電性金属等で構成することが
できる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設計される。Ｙ
方向配線９３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎのｎ本の配
線よりなり、Ｘ方向配線９２と同様に形成される。これ
らｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ方向配線９３との間
には、不図示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）。

【０１１０】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線９２を形成した基体９１の
全面或いは一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向
配線９２とＹ方向配線９３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。Ｘ方向配
線９２とＹ方向配線９３は、それぞれ外部端子として引
き出されている。

【０１１１】電子放出素子９４を構成する一対の電極
（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ方向配
線９３と導電性金属等からなる結線９５によって電気的
に接続されている。

【０１１２】Ｘ方向配線９２とＹ方向配線９３を構成す
る材料、結線９５を構成する材料及び一対の素子電極を
構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同
一であっても、またそれぞれ異なってもよい。これら材
料は、例えば前述の素子電極（第１の電極層４２，第２
の電極層４４）の材料より適宜選択される。素子電極を
構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電
極に接続した配線は素子電極ということもできる。

【０１１３】Ｘ方向配線９２には、Ｘ方向に配列した電
子放出素子９４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。一方、Ｙ
方向配線９３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子９４
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。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。

【０１１４】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。

【０１１５】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８を用
いて説明する。図８は、画像形成装置の表示パネルの一
例を示す模式図である。

【０１１６】図８において、９１は電子放出素子を複数
配した電子源基体、１０１は電子源基体９１を固定した
リアプレート、１０６はガラス基体１０３の内面に画像
形成部材である蛍光体としての蛍光膜１０４とメタルバ
ック１０５等が形成されたフェースプレートである。

【０１１７】１０２は支持枠であり、支持枠１０２に
は、リアプレート１０１，フェースプレート１０６がフ
リットガラス等を用いて接続されている。１０７は外囲
器であり、例えば、大気中あるいは窒素中で、４００〜
５００℃の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着
して構成される。

【０１１８】９４は、図１における電子放出素子に相当
する。９２，９３は、電子放出素子の一対の素子電極
（第１の電極層４２，第２の電極層４４）と接続された
Ｘ方向配線及びＹ方向配線である。

【０１１９】外囲器１０７は、上述の如く、フェースプ
レート１０６、支持枠１０２、リアプレート１０１で構
成される。ここで、リアプレート１０１は主に基体９１
の強度を補強する目的で設けられるため、基体９１自体
で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート１０１は
不要とすることができる。即ち、基体９１に直接支持枠
１０２を封着し、フェースプレート１０６、支持枠１０
２及び基体９１で外囲器１０７を構成しても良い。

【０１２０】一方、フェースプレート１０６とリアプレ
ート１０１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１０７を構成することもできる。

【０１２１】なお、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
慮して電子放出素子９４上部に蛍光体（蛍光膜１０４）
をアライメントして配置する。

【０１２２】図９は、本件のパネルに使用した蛍光膜１
０４を示す模式図である。カラーの蛍光膜の場合は、蛍
光体の配列により図９（ａ）に示すブラックストライプ
あるいは図９（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１１１と蛍光体１１２とから構成し
た。

【０１２３】ブラックストライプ、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８５間の塗り分け部を黒くすることで
混色等を目立たなくすることと、蛍光膜１０４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ことにあ
る。ブラックストライプの材料としては、通常用いられ
ている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光
の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。

【０１２４】ガラス基体１０３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等
が採用できる。

【０１２５】蛍光膜１０４の内面側には、通常、メタル
バック１０５が設けられる。メタルバックを設ける目的
は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレー
ト１０６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させ
ること、電子ビーム加速電圧を印加するための電極とし
て作用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突
によるダメージから蛍光膜１０４を保護すること等であ
る。

【０１２６】メタルバック１０５は、蛍光膜作製後、蛍
光膜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製できる。

【０１２７】フェースプレート１０６には、更に蛍光膜
１０４の導電性を高めるため、蛍光膜１０４の外面側に
透明電極（不図示）を設けてもよい。

【０１２８】本発明の実施の形態においては、電子放出
素子９４の直上に電子ビームが到達するため、電子放出
素子９４の直上に蛍光膜１０４が配置されるように、位
置合わせされて構成される。

【０１２９】次に、封着工程を施した外囲器（パネル）
を封止する真空封止工程について説明する。

【０１３０】真空封止工程は、外囲器（パネル）１０７
を加熱して、８０〜２５０℃に保持しながら、イオンポ
ンプやソープションポンプなどの排気装置によって、排
気管（不図示）を通じて排気し、有機物質の十分少ない
雰囲気にした後、排気管をバーナーで熱して溶解させて
封じきる。

【０１３１】外囲器１０７の封止後の圧力を維持するた
めに、ゲッター処理を行うこともできる。これは、外囲
器１０７の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱
あるいは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器１０
７内の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加
熱し、蒸着膜を形成する処理である。

【０１３２】ゲッターは通常Ｂａ等が主成分であり、該
蒸着膜の吸着作用により、外囲器１０７内の雰囲気を維
持するものである。

【０１３３】以上の工程によって製造された単純マトリ
クス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置は、各
電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜
Ｄｙｎを介して電圧を印加することにより、電子放出が
生ずる。

【０１３４】すなわち、高圧端子１１３を介してメタル
バック１０５、あるいは透明電極（不図示）に高圧（Ｖ
ａ）を印加して、電子ビームを加速する。

【０１３５】加速された電子は、蛍光膜１０４に衝突
し、発光が生じて画像が形成される。

【０１３６】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１２を用いて説明する。

【０１３７】図１２において、１２１は画像表示パネ
ル、１２２は走査回路、１２３は制御回路、１２４はシ
フトレジスタである。また、１２５はラインメモリ、１
２６は同期信号分離回路、１２７は変調信号発生器、Ｖ
ｘおよびＶａは直流電圧源である。

【０１３８】表示パネル１２１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄ
ｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ、及び高圧端子Ｈｖ
を介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１
乃至Ｄｏｘｍには、表示パネル内に設けられている電子
源、即ち、Ｍ行Ｎ列の行列状にマトリクス配線された電
子放出素子群を一行（Ｎ素子）ずつ順次駆動する為の走
査信号が印加される。

【０１３９】端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、前記走査信号
により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電
子ビームを制御する為の変調信号が印加される。高圧端
子Ｈｖには、直流電圧源Ｖａより、例えば１０Ｋ［Ｖ］
の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子から放
出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネ
ルギーを付与する為の加速電圧である。

【０１４０】走査回路１２２について説明する。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１２１の端子Ｄｘ１ないしＤｘｍと電気的に
接続される。

【０１４１】Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制
御回路１２３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
グ素子を組み合すことにより構成することができる。

【０１４２】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には、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に設
定されている。

【０１４３】制御回路１２３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１２３は、同期信
号分離回路１２６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基
づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよび
Ｔｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１４４】同期信号分離回路１２６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。

【０１４５】同期信号分離回路１２６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。
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１２４に入力される。

【０１４６】シフトレジスタ１２４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１２３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
１２４のシフトクロックであるということもでき
る。）。

【０１４７】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１２４より出力される。

【０１４８】ラインメモリ１２５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１２３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１２７に入力される。

【０１４９】変調信号発生器１２７は、画像データＩ’
ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて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Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１２
１内の電子放出素子に印加される。

【０１５０】前述したように、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。

【０１５１】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。

【０１５２】このことから、本素子に電圧を印加する場
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、印加電圧Ｖｆ
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。また、本素子にパルス電圧を印加す
る場合、パルスの高さＰｈを変化させる事により電子ビ
ーム強度を、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。

【０１５３】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１２７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。

【０１５４】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１２７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。

【０１５５】シフトレジスタ１２４やラインメモリ１２
５は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のもの
をも採用できる。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われれば良いからである。

【０１５６】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１２６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１２６の出力部にＡ／Ｄ変
換器を設ければ良い。

【０１５７】これに関連してラインメモリ１２５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１２７に用いられる回路が若干異なったものとな
る。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１２７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。

【０１５８】パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器
１２７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）を組み合せた回路を用いる。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。

【０１５９】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１２７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。

【０１６０】このような構成をとり得る本発明の実施の
形態に係る電子放出素子を適用可能な画像表示装置にお
いては、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄ
ｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを介して電圧を印加する
ことにより、電子放出が生ずる。

【０１６１】高圧端子Ｈｖを介してメタルバック１０
５、あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加し、電子
ビームを加速する。加速された電子は、蛍光膜１０４に
衝突し、発光が生じて画像が形成される。

【０１６２】なお、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。

【０１６３】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。

【０１６４】また、本発明の画像形成装置は、テレビジ
ョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコンピュー
ター等の表示装置の他、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。

【０１６５】

【実施例】以下、上記実施の形態に基づくより具体的な
実施例を詳細に説明する。

【０１６６】（実施例１）本実施の形態における基本的
な構成及び製造方法については、上述の説明で引用した
図１，図２及び図５に示したものと同一である。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。

【０１６７】（工程１）まず、図５（ａ）に示すよう
に、基板１に石英を用い、十分洗浄を行った後、スパッ
タ法により第２の電極層４４として厚さ５００ｎｍのＴ
ａ、ＣＶＤ法により低抵抗のダイヤモンド膜を含むダイ
ヤモンドライクカーボンの電子放出層１７（第３の電極
層４５でもある）を第２の電極層４４上に１００ｎｍ程
度堆積した。反応ガスはＣＨ₄とＨ₂の混合ガスを用い
た。

【０１６８】（工程２）次に、図５（ｂ）に示すよう
に、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト
（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティ
ング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、電子放
出層をＯ₂でドライエッチングした後にＴａ電極層をＣ
Ｆ₄系のガスでそれぞれドライエッチングした。

【０１６９】（工程３）絶縁層４３として厚さ５００ｎ
ｍのＳｉＯ₂、第１の電極層４２として厚さ１００ｎｍ
のＴａをこの順で堆積した。次いで工程２のフォトリソ
グラフィーと同様にパターニングし、開口部をドライエ
ッチングで形成した。このとき絶縁分離も同様に行うた
め２回のフォトリソグラフィー＆エッチング工程を通し
た。

【０１７０】（工程４）そして、図５（ｄ）に示すよう
に第２の絶縁層としてＳｉＯ₂をＰ−ＣＶＤ法により２
００ｎｍ堆積させた後にエッチバック法によりＡｒ／Ｃ
ＨＦ₃／ＣＦ₄系のガスで、６６．５Ｐａ、ＲＦパワー８
００Ｗでエッチングした。

【０１７１】以上のようにして作製した電子放出素子
を、図３に示すようにＶａを印加して駆動した。

【０１７２】駆動電圧は、Ｖｇ＝１０Ｖ、Ｖａ＝５ｋ
Ｖ、電子放出素子とアノード１２との距離Ｄ３を１ｍｍ
とした。ここで、アノード１２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、発光した蛍光体のピーク輝度
の１０％の領域までのサイズとした。その結果、ビーム
径２００μｍとなった。

【０１７３】ここでは、図２に示すように電子放出部を
ほぼ円形の開口部で記述しているが特に限定されず、例
えば図１０の平面図に示すように、ライン状に形成して
も構わない。

【０１７４】断面形状は開口部の場合と同様であり、第
２の絶縁層４６が周辺テーパー上に存在する。この時も
同様な効果が得られ、ビーム径は小さくできた。作成方
法はパターニング形状を変えるだけで、全く同様であ
る。ラインパターンを複数並べることも可能で放出面積
を大きくとることが可能となる。

【０１７５】（実施例２）実施例２として、第３の電極
層４５と電子放出層１７を異なる材料としたときの構成
及び作成方法について述べる。

【０１７６】図１１に本実施例に係わる電子放出素子の
製造方法の一例を示す。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。

【０１７７】（工程１）まず、図１１（ａ）に示すよう
に、基板１に石英を用い、十分洗浄を行った後、スパッ
タ法により第２の電極層４４として厚さ５００ｎｍのＴ
ｉ及び第３の電極層４５としてＴａを１００ｎｍ堆積さ
せた。

【０１７８】（工程２）次に、図１１（ｂ）に示すよう
に、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト
（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティ
ング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、Ｔａ電
極層とＴｉ電極層をＣＦ₄系のガスでそれぞれドライエ
ッチングした。

【０１７９】（工程３）次に、図１１（ｃ）に示すよう
に、絶縁層４３として厚さ５００ｎｍのＳｉＯ ₂、第１
の電極層４２として厚さ１００ｎｍのＴａをこの順で堆
積した。次いで工程２のフォトリソグラフィーと同様に
パターニングし、開口部をドライエッチングで形成し
た。このとき絶縁分離も同様に行うため２回のフォトリ
ソグラフィー＆エッチング工程を通した。

【０１８０】（工程４）次に、図１１（ｄ）に示すよう
に第２の絶縁層４６としてＳｉＯ₂をＰ−ＣＶＤ法によ
って２００ｎｍ堆積させた後に、エッチバック法により
Ａｒ／ＣＨＦ₃／ＣＦ₄系のガスで、６６．５Ｐａ、ＲＦ
パワー８００Ｗでエッチングした。さらに第３の電極層
４５であるＴｉ電極をエッチングして、下地Ｔａ層を開
口部の中央に露出させた。

【０１８１】（工程５）次に、図１１（ｅ）に示すよう
にＣＶＤ法により低抵抗のダイヤモンド膜を含むダイヤ
モンドライクカーボンの電子放出層１７を第３の電極層
４５上に５０ｎｍ程度選択堆積した。反応ガスはＣＨ₄
とＨ₂の混合ガス及び酸素を用いた。

【０１８２】以上のようにして作製した電子放出素子
を、図３のように配置して、駆動した。駆動電圧は、Ｖ
ｇ＝１０Ｖ、Ｖａ＝５ｋＶ、第２の電極層４４及び第３
の電極層４５は０Ｖであり、電子放出層１７も０Ｖであ
る。なお、電子放出層１７とアノード１２との距離Ｄ３
を１ｍｍとした。

【０１８３】ここで、アノード１２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、発光した蛍光体のピーク
輝度の１０％の領域までのサイズとした。その結果、ビ
ーム径２００μｍとなった。

【０１８４】また、下地電極である第２の電極層４４及
び第３の電極層４５で低抵抗配線が実現できるため高速
駆動が可能となった。

【０１８５】（実施例３）実施例３として、第２の絶縁
層４６の部分の誘電率を、第１の絶縁層４３の部分の誘
電率よりも高くした例を示す。

【０１８６】本実施例では、第２の絶縁層４６をＳｉＮ
とすることによって、第１の絶縁層４３を形成している
ＳｉＯ₂の誘電率３．９と比べてＳｉＮは誘電率が７と
大きく、電子放出膜１７表面の等電位面をより凹型に形
成できた。なお、本実施例では実施例１と同様な作成方
法で、第２の絶縁層４６の形成にプラズマＣＶＤによる
ＳｉＮを用いた。

【０１８７】以上のようにして作製した電子放出素子
を、図３のように配置して、駆動した。

【０１８８】駆動電圧は、Ｖｇ＝１０Ｖ、Ｖａ＝５ｋ
Ｖ、電子放出層１７とアノード１２との距離Ｄ３を１ｍ
ｍとした。ここで、アノード１２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、発光した蛍光体のピーク輝
度の１０％の領域までのサイズとした。その結果、ビー
ム径１８０μｍとなり，さらにビーム径を小さくするこ
とができた。

【０１８９】（実施例４）実施例１〜３の電子放出素子
で画像形成装置を作製した。一例として、実施例１の素
子で作製した場合について示す。

【０１９０】実施例１の素子を１０×１０のＭＴＸ状に
配置した。配線は、図７に示すようにＸ側を第１の電極
層４２にＹ側を第２の電極層４４に接続した。素子は、
横３００μｍ、縦３００μｍのピッチで配置した。素子
上部には蛍光体を配置した。この結果、マトリクス駆動
が可能で高精細な画像形成装置が形成できた。

【０１９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、電子ビ
ーム径が小さく、電子放出面積が大きく、低電圧で高効
率な電子放出が可能で、製造プロセスが容易な電子放出
素子を提供できる。

【０１９２】また、このような電子放出素子を電子源や
画像形成装置に適用すると、性能に優れた電子源及び画
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
的断面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模式
的平面図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る電子放出素子を駆動
させた時の様子を示す等電位線を含む模式図である。

【図４】放出された電子の電子軌道を示す模式図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造
工程図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模式
的平面図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面
図である。

【図８】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の模式
的（一部破断）斜視図である。

【図９】蛍光膜の一例を示す模式図である。

【図１０】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の模
式的平面図である。

【図１１】本発明の実施例２に係わる電子放出素子の製
造工程図である。

【図１２】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の駆
動回路図である。

【図１３】従来技術に係る電子放出素子の模式的断面図
である。

【図１４】従来技術に係る電子放出素子の製造工程図で
ある。

【図１５】従来技術に係る（収束電極を備えた）電子放
出素子の模式的断面図である。

【図１６】従来技術に係る電子放出素子の模式的断面図
である。

【図１７】従来技術に係る（ＭＩＭ型）電子放出素子の
模式的断面図である。

【図１８】従来技術に係る電子放出素子を画像形成装置
に応用する場合の説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ゲート電極層 ３ 絶縁層 ４ カソード電極層 ５ マイクロチップ ６ 等電位面 ７ 犠牲層 ８ マイクロチップ材料 ９ 収束電極 １１ ゲート電極層 １２ アノード １３ 蛍光体 １４ 電子放出素子 １６ 開口部パターン １７ 電子放出層 ４２ 第１の電極層 ４３ 第１の絶縁層 ４４ 第２の電極層 ４５ 第３の電極層 ４６ 第２の絶縁層 ８５ 蛍光体 ９１ 基体 ９２ Ｘ方向配線 ９３ Ｙ方向配線 ９４ 電子放出素子 ９５ 結線 １０１ リアプレート １０２ 支持枠 １０３ ガラス基体 １０４ 蛍光膜 １０５ メタルバック １０６ フェースプレート １０７ 外囲器 １１１ 黒色導電材 １１２ 蛍光体 １１３ 高圧端子 １２１ 表示パネル １２２ 走査回路 １２３ 制御回路 １２４ シフトレジスタ １２５ ラインメモリ １２６ 同期信号分離回路 １２７ 変調信号発生器

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１及び第２の電極層と、 前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に挟まれた第
   １の絶縁層と、 前記第１の電極層および第１の絶縁層を貫通するように
   設けられた開口部と、 該開口部内に配置され、前記第２の電極層に接続される
   電子放出材料とを有する電子放出素子であって、 前記開口部内に、前記第１の電極層側の開口面積が、前
   記第２の電極層側の開口面積よりも大きくなるようなテ
   ーパー形状の開口部を有する第２の絶縁層を備え、 該第２の絶縁層と前記第２の電極層との間には、開口部
   を有する第３の電極層が備えられ、該第３の電極層の開
   口部内に、前記電子放出材料が配置されていることを特
   徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】前記電子放出材料が導電体であることを特
   徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 【請求項３】前記第２の電極層と第３の電極層と電子放
   出材料とが、同電位で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。
4. 【請求項４】前記電子放出材料の露出表面は、前記第２
   の絶縁層と第３の電極層との境界面と同一面あるいは第
   ２の電極層側に位置することを特徴とする請求項１〜３
   のいずれか一つに記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】前記開口部の開口形状は略円形であること
   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。
6. 【請求項６】前記開口部の開口形状はライン状であるこ
   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。
7. 【請求項７】前記第１の絶縁層と第２の絶縁層は、異な
   る材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
   か一つに記載の電子放出素子。
8. 【請求項８】前記第２の絶縁層の誘電率が、第１の絶縁
   層の誘電率よりも大きいことを特徴とする請求項７に記
   載の電子放出素子。
9. 【請求項９】前記第３の電極層と電子放出材料が同一の
   材料で構成されることを特徴とする請求項１〜８のいず
   れか一つに記載の電子放出素子。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれか一つに記載の電
    子放出素子が複数個配置されることを特徴とする電子
    源。
11. 【請求項１１】前記複数個の電子放出素子がマトリクス
    配線されることを特徴とする請求項１０に記載の電子
    源。
12. 【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が衝突されることで画像を
    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。
13. 【請求項１３】前記画像形成部材は、電子の衝突によっ
    て発光する発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。
14. 【請求項１４】第１の電極層及び第２の電極層と、 前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に配置された
    絶縁層と、 前記第１の電極層に配置された第１の開口と、 前記絶縁層に配置され、前記第１の開口と連通する第２
    の開口と、 前記第２の開口内に配置され、前記第２の電極層に接続
    される電子放出膜と、を備えた電子放出素子であって、 前記第２の開口は、前記第１の電極層側における開口面
    積が、前記第２の電極層側における開口面積よりも大き
    くなるテーパー形状を有し、 前記絶縁層と前記第２の電極層との間に、前記電子放出
    膜の外周が挟まれていることを特徴とする電子放出素
    子。
15. 【請求項１５】請求項１４に記載の電子放出素子を複数
    配列した電子源。
16. 【請求項１６】請求項１５に記載の電子源と、蛍光体と
    を有する画像形成装置。