JP2007258082A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子放出のために消費する電力がより小さい電子放出素子を提供すること
【解決手段】 電子放出素子１０は、下部電極１２と、誘電体からなるエミッタ部１３と、エミッタ部１３を挟んで下部電極１２に対向するようにエミッタ部１３の上部に形成された上部電極１４と、を備える。上部電極１４には、微細貫通孔１４ｃが複数形成されている。上部電極１４は、微細貫通孔１４ｃの近傍領域における上部電極１４の下面とエミッタ部１３の上面との距離（ギャップ距離）ｔ１が、微細貫通孔１４ｃに依らず略一定となるようにエミッタ部１３の上部に配置・構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘電体からなるエミッタ部と下部電極と微細貫通孔を有する上部電極とを備え、エミッタ部の上面に蓄積した電子を微細貫通孔を通して外部に放出させる電子放出素子に関する。

従来から知られる電子放出素子の一つは、図１５に示したように、エミッタ部１０１と、下部電極１０２と、上部電極１０３と、を備えている。エミッタ部１０１は誘電体からなっている。エミッタ部１０１の上部は、結晶粒界による凹凸が形成されている。下部電極１０２は、エミッタ部１０１の下部に形成されている。上部電極１０３は、エミッタ部１０１を挟んで下部電極１０２に対向するようにエミッタ部１０１の上部に形成されている。この上部電極１０３には、微細貫通孔１０３ａが複数形成されている。エミッタ部１０１の上部には凹凸が存在するから、上部電極１０３の下面であって微細貫通孔１０３ａの近傍は、エミッタ部１０１の上面から離間している。この上部電極１０３とエミッタ部１０１とがなす構造は「庇構造」と呼ばれる（特許文献１を参照。）。
特開２００５−１４２１３４号公報。

この電子放出素子の作動について、下部電極１０２の電位を基準とした下部電極１０２と上部電極１０３の実際の電位差Ｖka（即ち、素子端電圧Ｖka）が正の所定電圧Ｖｐに維持され（即ち、上下電極間に電圧Ｖｐが印加され）、且つ、電子がエミッタ部１０１の上面に蓄積されていない状態から説明を開始する。このとき、エミッタ部１０１の双極子の負極はエミッタ部１０１の上面（Ｚ軸正方向、即ち、上部電極１０３側）に向いた状態となっている。この状態は、図１６に示したグラフ上の点ｐ１の状態である。図１６のグラフは、電子放出素子の分極−素子端電圧特性（Ｑ−Ｖ特性）を表している。

この状態において、上下電極間に負の所定電圧Ｖｍが印加されると、素子端電圧Ｖkaは図１６の点ｐ２を経由して点ｐ３に向けて減少する。そして、素子端電圧Ｖkaが図１６に示した負の抗電界電圧Ｖａの近傍の電圧になると、エミッタ部１０１の双極子の負極が下部電極１０２側に向くように双極子が反転し始める。即ち、図１７に示したように、分極反転（負側分極反転）が開始する。この分極反転により、エミッタ部１０１の上面と、上部電極１０３と、これらの周囲の媒質（この場合、真空）と、の接触箇所（トリプルジャンクション）及びトリプルジャンクションの近傍における電界が大きくなり、上部電極１０３からエミッタ部１０１に向けて電子が供給され始める。

この供給された電子は、主としてエミッタ部１０１の上面であって上部電極１０３の微細貫通孔１０３ａから露呈している部分の近傍及び微細貫通孔１０３ａを形成している上部電極１０３の端部近傍に蓄積される。その後、所定の時間が経過して負側分極反転が完了すると、素子端電圧Ｖkaは負の所定電圧Ｖｍに向けて急激に変化し、負の所定電圧Ｖｍに到達する。この結果、電子の蓄積が完了する（電子の蓄積飽和状態に至る）。この状態が、図１６の点ｐ４の状態である。

次に、上下電極間に正の所定電圧Ｖｐが印加されると、素子端電圧Ｖkaは増大し始める。このとき、素子端電圧Ｖkaが図１６の点ｐ５により示される正の抗電界電圧Ｖｄを超えると、図１８に示したように、双極子の負極がエミッタ部１０１の上面側（上部電極１０３側）に向き始める。即ち、正側分極反転が開始する。そして、正側分極反転した双極子の数が増大すると、エミッタ部１０１の上面に蓄積されていた電子は双極子からクーロンの反発力を受け、微細貫通孔１０３ａを通って上方に放出される。その後、正側分極反転が完了すると、素子端電圧Ｖkaは急激に増大を開始し、素子端電圧Ｖkaは正の所定電圧Ｖｐに到達する。この結果、エミッタ部１０１の状態は図１５に示した当初の状態（図１６の点ｐ１の状態）に復帰する。

このように、エミッタ部１０１の上面に蓄積されていた電子は、エミッタ部１０１の上部近傍において正側分極反転した双極子から、ある大きさ以上のクーロンの反発力を受けたときに放出される。換言すると、蓄積されていた電子は、エミッタ部１０１の上部近傍において正側分極反転した双極子の密度が所定値以上にならなれければ放出されない。一方、エミッタ部１０１の上部近傍において正側分極反転する双極子の数は、下部電極１０２の電位を基準電位としたときのエミッタ部１０１の上面の電位（エミッタ部電圧）Ｖferが高いほど多くなる。従って、エミッタ部１０１の上面の電位Ｖferが所定電位Ｖｔｈ以上にならないと電子は放出されない。

いま、上下電極間に電圧Ｖinが印加されていると仮定する。このとき、図１９に示したエミッタ部１０１の上面の点Ｑ１及び点Ｑ２の電位について考察する。点Ｑ１は上部電極１０３の下面からの距離（ギャップ距離）が比較的小さい距離ｄ１である点、点Ｑ２は上部電極１０３の下面からの距離（ギャップ距離）が距離ｄ１より大きい距離ｄ２の点である。

図１９に示したように、点Ｑ１に着目すると、下部電極１０２と点Ｑ１との間の強誘電体であるエミッタ部１０１にはコンデンサＣｆ１（容量値＝Ｃｆ１）が形成され、点Ｑ１におけるエミッタ部１０１の上面と上部電極１０３の下面との間の空間にはコンデンサＣｇ１（容量値＝Ｃｇ１）が形成される。従って、点Ｑ１の位置において、上下電極間は、これらのコンデンサＣｆ１及びＣｇ１が直列に接続された線路により接続されていると等価的にみなすことができる。同様に、点Ｑ２に着目すると、下部電極１０２と点Ｑ２との間の強誘電体であるエミッタ部１０１にはコンデンサＣｆ２（容量値＝Ｃｆ２）が形成され、点Ｑ２におけるエミッタ部１０１の上面と上部電極１０３の下面との間の空間にはコンデンサＣｇ２（容量値＝Ｃｇ２）が形成される。従って、点Ｑ２の位置において、上下電極間は、これらのコンデンサＣｆ２及びＣｇ２が直列に接続された線路により接続されていると等価的にみなすことができる。

このとき、コンデンサＣｇ１の電極間電圧及びコンデンサＣｆ１の電極間電圧を、それぞれＶgap1及びＶfer1と表すと下記の（１）式が成立し、コンデンサＣｇ２の電極間電圧及びコンデンサＣｆ２の電極間電圧をそれぞれＶgap2及びＶfer2と表すと下記の（２）式が成立する。
Ｖin＝Ｖgap1＋Ｖfer1 …（１）
Ｖin＝Ｖgap2＋Ｖfer2 …（２）

いま、ｄ１＜ｄ２であるから、コンデンサの静電容量を表す式（Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ、εは誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離）に基づけば、Ｃｇ１＞Ｃｇ２である。従って、Ｃｆ１とＣｆ２とが殆ど同じ容量値であることを踏まえて考えると、電圧Ｖinのうち、コンデンサＣｇ１に印加される分圧Ｖgap1とコンデンサＣｇ２に印加される分圧Ｖgap2との間にはＶgap1＜Ｖgap2の関係が成立する。この結果、上記（１）式及び（２）式から、Ｖfer1＞Ｖfer2が得られる。

以上から明らかなように、上下電極間の電圧Ｖinを次第に上昇させたとき、点Ｑ１の電位Ｖfer1の方が点Ｑ２の電位Ｖfer2よりも先に所定電位Ｖｔｈに到達するから、点Ｑ１の近傍に蓄積されている電子が点Ｑ２の近傍に蓄積されている電子よりも先に放出され始める。即ち、図１６に示したように、上下電極間の電圧Ｖinが第１電圧Ｖ１に到達したとき点Ｑ１の近傍に蓄積されている電子が放出され、上下電極間の電圧Ｖinが第１電圧Ｖ１より大きい第２電圧Ｖ２に到達したときに点Ｑ２の近傍に蓄積されている電子が放出される。

このように、従来の電子放出素子においては、エミッタ部１０１の上面と上部電極１０３の下面との距離（ギャップ距離）が一定ではないので、エミッタ部１０１の上面に蓄積されている電子を総て放出するためには、ギャップ距離の最大値に応じた高い電圧が上下電極間に印加されなければならない。その結果、電子放出素子の消費電力（図１６に示したＱ−Ｖ線により囲まれる面積）が大きいという問題がある。

本発明は、上記課題に対処するためになされたものであって、その目的の一つは、電子放出のために消費する電力がより小さい電子放出素子を提供することにある。

この目的を達成するための本発明による電子放出素子は、
誘電体からなるエミッタ部と、同エミッタ部の下部に形成された下部電極と、同エミッタ部を挟んで同下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成されるとともに微細貫通孔が複数形成され且つ同微細貫通孔の近傍領域であって同エミッタ部と対向する面が同エミッタ部から所定のギャップ距離だけ離間しているように形成されてなる上部電極と、を有し、同上部電極の電位が同下部電極の電位よりも低い場合に同エミッタ部の双極子の負極が同下部電極側に向くように同双極子が反転するのに伴って同エミッタ部の上面に電子を蓄積し、同上部電極の電位が同下部電極の電位よりも高い場合に同エミッタ部の双極子の負極が同上部電極側に向くように同双極子が反転するのに伴って同エミッタ部の上面に蓄積されている電子を前記微細貫通孔を通して外部に放出する電子放出素子であって、
前記上部電極は、前記所定のギャップ距離が前記何れの微細貫通孔に対しても略同一の距離となるように形成された電子放出素子である。

これによれば、微細貫通孔の近傍領域における上部電極の下面とエミッタ部の上面との距離（ギャップ距離）が略一定であるから、下部電極の電位に対する上部電極の電位を正の電位にする電圧（電子放出電圧）が印加されたとき、微細貫通孔の近傍領域におけるエミッタ部上面の電位が略一定となる。従って、電子放出電圧が所定の大きさになると、エミッタ部の双極子は一斉に反転し、電子は一斉に放出される。その結果、ギャップ距離を小さくすれば、電子放出電圧が小さくてもエミッタ部上面に蓄積されている電子が確実に放出させられる。即ち、電子放出に係る電力消費が小さい電子放出素子を提供することができる。

この場合、
前記上部電極は、
前記微細貫通孔が形成された膜状の微細貫通孔形成部と、
前記微細貫通孔形成部の下面が前記エミッタ部の上面と略平行になるように同微細貫通孔形成部を同エミッタ部に対して支持する支持部と、
を備えることが好適である。

これによれば、簡素な構造で消費電力が小さい電子放出素子が提供される。なお、微細貫通孔形成部の厚みは略一定であることが望ましい。

更に、前記微細貫通孔形成部は、
前記エミッタ部の上面に向けて突出した突起部を備えることが好適である。

これによれば、下部電極の電位に対する上部電極の電位を負の電位にする電圧（電子蓄積電圧）が印加されたとき、突起部近傍の電界が大きくなる。その結果、より大きさの小さい電子蓄積電圧により上部電極からエミッタ部上面に電子を供給することができる。即ち、電子電子放出に係る消費電力がより一層小さい電子放出素子を提供することができる。

一方、上部電極に形成される微細貫通孔の孔径は０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好適である。

なお、微細貫通孔の平面視における形状は特に限定されない。即ち、その形状は、円形、多角形、長円形及び楕円形等であってもよい。このとき、電子放出素子が効率良く電子を放出するためには、微細貫通孔の孔径は０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。この理由は次の通りである。
微細貫通孔の直径が０．１μｍより小さい場合、エミッタ部から放出された電子が上部電極に捕獲されてしまう割合が多くなる。
微細貫通孔の直径が０．５μｍより大きい場合、微細貫通孔の直下に位置するエミッタ部の部分において分極反転が発生し難くなり、同部分において電子の蓄積及び放出が発生し難くなる。

更に、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧を駆動電圧Ｖin、同駆動電圧Ｖinの分圧であって同下部電極と前記エミッタ部の上面との間の同エミッタ部に印加される電圧をエミッタ部電圧Ｖfer、同駆動電圧Ｖinの分圧であって同エミッタ部の上面と同上部電極の下面との間の空間に印加される電圧を空間電圧Ｖgapとすると、同駆動電圧Ｖinは同エミッタ部電圧Ｖferと同空間電圧Ｖgapの和であり、同エミッタ部電圧Ｖferの大きさが同駆動電圧Ｖinの大きさの５０％以上となるように前記ギャップ距離が定められていることが好適である。

このようにギャップ距離が設定されると、電子放出のための駆動電圧（電子放出電圧）Ｖinがそれほど大きくなくとも、エミッタ部電圧Ｖferは電子を放出するための電圧Ｖｔｈに到達する。従って、電子放出のための駆動電圧Ｖinを小さくできるので、電子放出素子の消費電力を小さくすることができる。

以下、本発明による電子放出素子の各実施形態について図面を参照しながら説明する。この電子放出素子は、蛍光体を用いた光源（例えば、液晶ディスプレイのバックライト）、ディスプレイ、電子部品製造装置及び電子照射線装置等の放出される電子を利用する種々の装置に適用することができる。

＜第１実施形態＞
（構造）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子放出素子１０の部分縦断面図である。電子放出素子１０は、基板１１、下部電極（下部電極層）１２、エミッタ部１３及び上部電極（上部電極層）１４を備えている。

基板１１は、互いに直交するＸ軸及びＹ軸により形成される平面（Ｘ−Ｙ平面）に平行な上面及び下面を有し、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれに直交するＺ軸方向に厚み方向を有する薄板体である。基板１１は、酸化ジルコニウムを主成分とした材料（例えば、ガラス又はセラミックス）からなっている。
下部電極１２は、導電性物質（例えば、白金）からなる薄膜であり、基板１１の上面の上に形成されている。

エミッタ部１３は、基板１１と同様な薄板体である。エミッタ部１３は、比誘電率が大きい誘電体（例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）及びジルコン酸鉛（ＰＺ）の３成分系材料ＰＭＮ−ＰＴ−ＰＺ）又は強誘電体（本明細書において「誘電体」は「強誘電体」を含む語として使用する。）からなり、下部電極１２の上面の上に形成されている。エミッタ部１３の材料にはできるだけ粒径の小さい材料が選択される。これにより、エミッタ部１３の上面は、実質的に平坦であって、Ｘ−Ｙ平面と平行な面内に存在している。

上部電極１４は、導電性物質からなっている。上部電極１４は、エミッタ部１３の上面の上方に形成されている。上部電極１４は、平面部１４ａと支持部１４ｂとからなっている。

平面部１４ａは、難エッチング性の金属（エッチング液に溶解し難い金属）であるＣｒ又はＡｇからなっている。平面部１４ａは薄膜である。平面部１４ａの厚みは０．０１μｍ以上且つ１０μｍ以下である。平面部１４ａの上面及び下面は、エミッタ部１３の上面と平行になっている。即ち、平面部１４ａの上面及び下面は、Ｘ−Ｙ平面と平行な面内に存在している。平面部１４ａの下面とエミッタ部１３の上面との距離ｔ１は、約０．５μｍである。平面部１４ａには図１及び平面図である図２に示したように、複数の微細貫通孔１４ｃが形成されている。微細貫通孔１４ｃの平面視における形状は略円形である。平面視において、微細貫通孔１４ｃのそれぞれの中心は正方格子の格子点上に位置している。平面部１４ａの一部であって微細貫通孔１４ｃが形成されている部分は、微細貫通孔形成部Ｈａとも称呼される。

なお、微細貫通孔１４ｃの平面視における形状は、円形に限定されず、多角形、長円形及び楕円形等であってもよい。更に、微細貫通孔１４ｃの平面視における形状が略円形であるとみなしたとき、効率良く電子を放出するためには、微細貫通孔１４ｃの直径（孔径）は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。この理由は次の通りである。
微細貫通孔１４ｃの直径が０．１μｍより小さい場合、エミッタ部１３から放出された電子が上部電極１４に捕獲されてしまう割合が多くなる。
微細貫通孔１４ｃの直径が０．５μｍより大きい場合、微細貫通孔１４ｃの直下に位置するエミッタ部１３の部分において分極反転が発生し難くなり、同部分において電子の蓄積及び放出が発生し難くなる。

支持部１４ｂは、易エッチング性の金属（エッチング液に容易に溶解し、除去される性質を備える金属）であるＭｏ又はＡｌからなっている。支持部１４ｂは、頂面が下方側（エミッタ部１３側、即ち、Ｚ軸負方向側）に位置し、底面が上方側（Ｚ軸正方向側）に位置する逆円錐台形状を有している。以下、下方に位置する頂面を下面、上方に位置する底面を上面と言う。

支持部１４ｂの下面はエミッタ部１３の上面に接している。支持部１４ｂの上面は平面部１４ａの下面と接合している。これにより、支持部１４ｂは、平面部１４ａの下面（微細貫通孔１４ｃの近傍領域であってエミッタ部１３と対向する上部電極１４の下面、即ち、微細貫通孔形成部Ｈａの下面）がエミッタ部１３の上面と平行となるように、平面部１４ａを支持している。

＜製造方法＞
次に、上記電子放出素子１０の製造方法の一例について説明する。

（下部電極１２）
下部電極には、導電性を有する物質（例えば、白金、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム等の金属導体）が使用される。以下、下部電極に好適な物質を列挙する。

（１）高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体（例えば、金属単体又は合金）
例）白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点金属
例）銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするもの
（２）高温酸化雰囲気に対して耐性を有する絶縁性セラミックスと金属単体との混合物
例）白金とセラミック材料とのサーメット材料
（３）高温酸化雰囲気に対して耐性を有する絶縁性セラミックスと合金との混合物
（４）カーボン系、又は、グラファイト系の材料

下部電極１２は、各種の膜形成法により形成され得る。例えば、下部電極１２は、スクリーン印刷、スプレー及びディッピング塗布等の厚膜形成手法、又は、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ及びめっき等の薄膜形成手法のうちの適宜の方法により形成される。

（エミッタ部１３）
エミッタ部１３を構成する誘電体としては、上述したように比誘電率が比較的高い（例えば、比誘電率が１０００以上）の誘電体又は強誘電体を採用することができる。以下、エミッタ部１３に好適な物質を列挙する。なお、前述したように、エミッタ部１３を構成する物質は、その結晶粒径が出来るだけ小さいものから選択される。

（１）チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等
（２）上記（１）に記載の物質のうちの任意の物質を組み合わせたものを含有するセラミックス

（３）上記（２）に記載のセラミックスに、更に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル及びマンガン等の酸化物を添加したもの、上記（２）に記載のセラミックスにこれらの酸化物の任意の物質を組み合わせたものを添加したもの、又は、更に他の化合物を適切に添加したもの
（４）主成分が上記（１）に記載の物質を５０％以上有する物質

例えば、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．３７５：０．３７５：０．２５とすると比誘電率は５５００、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．５：０．３７５：０．１２５とすると比誘電率は４５００となり、このような組成のＰＭＮ−ＰＴ−ＰＺはエミッタ部の材料として特に好ましい。

エミッタ部１３は、以下のステップを経て製造される。
ステップ１：基板１１及び下部電極１２の上に上述した材料をスクリーン印刷法によって所定の厚さを有する層状（薄板状）に形成する。なお、スクリーン印刷法の他、ディッピング法、塗布法、電気泳動法、沈降法及びエアロゾルデポジション法等の各種厚膜形成法を用いてもよい。更に、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）及びめっき等の各種薄膜形成法を用いても良い。
ステップ２：層状に印刷された上述の材料を、電気炉を用いて所定の焼成温度にて加熱し、焼成する。これによりエミッタ部１３が製造される。なお、エミッタ部１３の上面をできるだけ平坦化するために、通常よりも若干低い焼成温度にてエミッタ部１３を焼成してもよい。

（上部電極１４）
上部電極１４は、次に述べるステップを経て製造する。
ステップ１：図３に示したように、エミッタ部１３の上に所定の厚みｔ１を有する易エッチング性の金属（ここではＭｏ）からなる膜１４１をスパッタリングによって形成する。この膜はＡｌ等により形成することもできる。
ステップ２：図４に示したように、フォトリソグラフィによって所定のパターンを有するレジスト１４２を易エッチング性金属膜１４１の上に形成する。レジストの高さｔ２は厚さｔ１と同程度（例えば、０．５μｍ）とする。

ステップ３：図５に示したように、ステップ２にて形成したレジスト１４２の上に難エッチング性金属の薄膜（ここでは、Ｃｒの薄膜）１４３を形成する。この膜はＡｇ等により形成することもできる。
ステップ４：ステップ２にて形成したレジスト１４２を除去する。その結果、図６に示したように、ステップ３にて形成した難エッチング性金属の薄膜１４３のうち易エッチング性金属膜１４１の上面に接触している部分が残される。この段階における難エッチング製金属膜１４３の平面視におけるパターンは、図２に示したパターンと一致している。換言すると、ステップ２において、レジスト１４２は図２に示したパターンが得られるようなパターンに形成される。

ステップ５：エッチング液により易エッチング性金属膜１４１をエッチングする。この結果、図７に示したように、大きな面積を有していた難エッチング性金属膜１４３の部分Ｌｓの直下にある易エッチング性金属膜１４１が逆円錐台状に残存する。この部分が、上述した支持部１４ｂとなる。一方、その他の部分に存在していた易エッチング性金属膜１４１はエッチングにより除去される。この結果、難エッチング性金属膜１４３により上述した平面部１４ａが形成される。

（作動）
次に、上記のように構成された電子放出素子１０の作動について図８乃至図１０を参照しながら説明する。先ず、上下電極間に正の所定電圧Ｖｐ１が印加されていて且つエミッタ部１３の上面に電子が蓄積されていない状態にあるとする。この状態は、図８に示したグラフ上の点ｐ１の状態である。図８のグラフは、横軸に素子端電圧Ｖkaをとり、縦軸にエミッタ部１３上面の電荷Ｑをとったグラフである。このグラフは、電子放出素子の分極−素子端電圧特性（Ｑ−Ｖ特性）を表している。

この状態において、上下電極間に負の所定電圧Ｖｍ（電子蓄積電圧Ｖｍ）が印加されると、素子端電圧Ｖkaは次第に低下する。即ち、電子放出素子１０の状態は、図８の点ｐ１から点ｐ２を経由して点ｐ３に向けて変化する。そして、素子端電圧Ｖkaが図８に示した負の抗電界電圧Ｖａの近傍の電圧になると、エミッタ部１３の双極子は、その負極が下部電極１２側に向くように反転し始める。この負側分極反転により、図９に示したように、エミッタ部１３の上面と、上部電極１４（支持部１４ｂ）と、これらの周囲の媒質（この場合、真空）と、の接触箇所であるトリプルジャンクションＴＪにおける電界が大きくなる。この結果、上部電極１４からエミッタ部１３の上面に電子が供給される。

その後、所定の時間が経過して負側分極反転が完了すると、素子端電圧Ｖkaは負の所定電圧Ｖｍに向けて急激に変化し、負の所定電圧Ｖｍに到達する。この結果、電子の蓄積が完了する。この状態が、図８の点ｐ４の状態である。

次に、上下電極間に正の所定電圧Ｖｐ１（電子放出電圧Ｖｐ１）が印加されると、素子端電圧Ｖkaは増大し始める。このとき、素子端電圧Ｖkaが図８の点ｐ５により示される正の抗電界電圧Ｖｄ１を超えると、図１０に示したように、双極子は、その負極が上部電極１４側に向き始める。即ち、正側分極反転が開始する。そして、素子端電圧Ｖkaが図８の点ｐ６により示される正の閾値電圧Ｖｔｈに至ると、正側分極反転した双極子の数が所定数以上となり、正側分極反転した双極子の密度が所定値以上となる。その結果、図１０に示したように、エミッタ部１３の上面に蓄積されていた電子はエミッタ部１３の双極子からクーロンの反発力を受け、微細貫通孔１４ｃを通って一斉に上方に放出される。その後、正側分極反転が完了すると、素子端電圧Ｖkaは急激に増大を開始し、素子端電圧Ｖkaは正の所定電圧Ｖｐ１に復帰する。

このように、第１実施形態に係る電子放出素子１０においては、エミッタ部１３の上面と上部電極１４の下面（微細貫通孔１４ｃが形成されている領域Ｈａ内にある平面部１４ａの下面、即ち、微細貫通孔形成部Ｈａの下面）との距離（ギャップ距離）ｔ１が一定であり、且つ、微小な距離である。従って、電子放出素子１０は、素子端電圧Ｖkaが正の抗電界以上の比較的小さい電圧Ｖｔｈに到達したときに、一斉に電子を放出することができる。

ここで、上記距離（ギャップ距離）ｔ１について述べる。下部電極１２と上部電極１４との間に駆動電圧Ｖinを印加した場合において、その駆動電圧Ｖinの分圧であって下部電極１２とエミッタ部１３の上面との間のエミッタ部１３に印加される電圧をエミッタ部電圧Ｖfer、駆動電圧Ｖinの分圧であってエミッタ部１３の上面と上部電極１４の下面との間の空間に印加される電圧を空間電圧Ｖgapとすると、下記（３）式が成立する。
Ｖin＝Ｖfer＋Ｖgap …（３）
即ち、駆動電圧Ｖinはエミッタ部電圧Ｖferと空間電圧Ｖgapの和である。

このとき、上記距離（ギャップ距離）ｔ１は、エミッタ部電圧Ｖferの大きさが駆動電圧Ｖinの大きさの５０％以上となるように定められている。換言すると、エミッタ部電圧Ｖferの大きさが駆動電圧Ｖinの大きさの５０％となるギャップ距離をｔ５０％とすれば、ギャップ距離ｔ１は下記の（４）式を満たすように定められる。
ｔ１≦ｔ５０％ …（４）

このようにギャップ距離ｔ１が設定されている結果、電子放出のための駆動電圧（電子放出電圧）Ｖinがそれほど大きくなくとも、エミッタ部電圧Ｖferは電子を放出するための電圧Ｖｔｈに到達する。従って、駆動電圧Ｖinを小さくできるので、電子放出素子１０の消費電力を小さくすることができる。

以上のように構成された電子放出素子１０のＱ−Ｖ特性は、図８の実線に示したように（点ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ５，ｐ６，ｐ１を通るように）変化する。これに対し、従来の電子放出素子は、図８の破線及び実線に示した点ｐ８，ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ７，ｐ８を通るように変化する。このＱ−Ｖ特性における閉曲線で囲まれた部分は電子放出素子の消費電力を表す。従って、図８から、本実施形態に係る電子放出素子１０は従来の電子放出素子に比べ、電子の蓄積及び放出に係る電力がより小さいことが理解される。

＜第２実施形態＞
図１１に示したように、本発明の第２実施形態に係る電子放出素子２０は、第１実施形態に係る電子放出素子１０の上部電極１４を上部電極２１に置換した点のみにおいて電子放出素子１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心に説明する。

上部電極２１は、平面部２１ａと支持部２１ｂとを備えている。支持部２１ｂは第１実施形態の支持部１４ｂと実質的に同一である。支持部２１ｂは、平面部２１ａに形成されている微細貫通孔２１ｃの一つを取り囲むように形成されている。平面部２１ａの下面であって微細貫通孔２１ｃが形成されている部分及びその近傍領域（微細貫通孔形成部の下面）は、エミッタ部１３の上面と平行となっている。即ち、平面部２１ａの下面であって微細貫通孔２１ｃの周囲の領域とエミッタ部１３の上面との距離（ギャップ距離）は、どの箇所においても所定の距離ｔ１である。

この電子放出素子２０は、電子放出素子１０と実質的に同様に機能する。従って、電子放出素子２０は、従来の電子放出素子よりも少ない消費電力で電子を放出することができる。更に、電子放出素子２０は、微細貫通孔２１ｃ一つに対する支持部２１ｂの数が電子放出素子１０よりも多いので、平面部２１ａを長期に渡り確実に支持することができる。加えて、支持部２１ｂとエミッタ部１３の上面とこれらの周囲の媒質との接触箇所であるトリプルジャンクションＴＪを多く形成することができる。従って、より小さな消費電力でエミッタ部１３の上面に電子を多く蓄積することができる。

＜第３実施形態＞
図１２に示したように、本発明の第３実施形態に係る電子放出素子３０は、第１実施形態に係る電子放出素子１０の上部電極１４を上部電極３１に置換した点のみにおいて電子放出素子１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心に説明する。

上部電極３１は、平面部３１ａと支持部３１ｂとを備えている。

平面部３１ａは、第１実施形態の平面部１４ａと同様、複数の微細貫通孔３１ｃを備えている。平面部３１ａの下面であって隣接する微細貫通孔３１ｃの間には、平面部３１ａからエミッタ部１３に向けて突出する突起部３１ｄが形成されている。突起部３１ｄは、逆円錐形状を有している。即ち、突起部３１ｄの底面は平面部３１ａに連続していて、突起部３１ｄの先端はエミッタ部１３の上面に接近している。平面部３１ａの下面であって微細貫通孔３１ｃが形成されている部分及びその近傍領域（微細貫通孔形成部Ｈａの下面）は、エミッタ部１３の上面と平行となっている。即ち、平面部３１ａの下面であって微細貫通孔３１ｃの周囲の領域とエミッタ部１３の上面との距離（ギャップ距離）は、どの箇所においても所定の距離ｔ１である。

支持部３１ｂは逆円錐台形状を有している。支持部３１ｂの下面はエミッタ部１３の上面に接している。支持部３１ｂの上面は平面部３１ａの下面と接合している。これにより、支持部３１ｂは、平面部３１ａの下面であって微細貫通孔３１ｃが形成されている部分及びその近傍領域（微細貫通孔形成部Ｈａの下面）がエミッタ部１３の上面と平行となるように、平面部３１ａを支持している。

この電子放出素子３０は、電子放出素子１０と実質的に同様に機能する。但し、上下電極間に電子蓄積電圧が印加されることにより、素子端電圧Ｖkaが負の抗電界電圧Ｖａの近傍の電圧になってエミッタ部１３の双極子が負側分極反転したとき、突起部３１ｄの先端近傍において大きな電界が発生する。これにより、電子は突起部３１ｄの先端からエミッタ部１３の上面に供給される。この結果、電子放出素子３０は、突起部３１ｄを備えているので、従来の電子放出素子よりも少ない消費電力で電子をエミッタ部１３の上面に蓄積することができる。更に、電子放出素子３０は、電子放出素子１０及び２０と同様に、従来の電子放出素子よりも少ない消費電力で電子を放出することができる。

＜第４実施形態＞
図１３に示したように、本発明の第４実施形態に係る電子放出素子４０は、第１実施形態に係る電子放出素子１０のエミッタ部１３及び上部電極１４を、エミッタ部４１及び上部電極４２にそれぞれ置換した点のみにおいて電子放出素子１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心に説明する。

エミッタ部４１は、エミッタ部１３を形成する材料よりも粒径の大きい材料から形成されている。従って、エミッタ部４１の上面には、粒界による凹凸が形成されている。

上部電極４２は、導電性物質からなっている。上部電極４２は、エミッタ部４１の上面の上方に形成されている。上部電極４２は、曲面部４２ａと支持部４２ｂとからなっている。

曲面部４２ａは、難エッチング性の金属であるＣｒ又はＡｇからなっている。曲面部４２ａは一定の膜厚を有する薄膜である。曲面部４２ａの厚みは０．０１μｍ以上且つ１０μｍ以下である。曲面部４２ａの下面は、エミッタ部４１の上面と一定の距離（ギャップ距離）ｔ１（約０．５μｍ）を維持し得るように（エミッタ部４１の上面の形状に沿うように）、曲面状に形成されている。曲面部４２ａには微細貫通孔１４ｃと同様の微細貫通孔４２ｃが複数形成されている。

支持部４２ｂは、易エッチング性の金属であるＭｏ又はＡｌからなっている。支持部４２ｂは、支持部１４ｂと同様に逆円錐台形状を有している。以下、支持部４２ｂの下方に位置する頂面を下面、上方に位置する底面を上面と言う。

支持部４２ｂの下面はエミッタ部４１の上面に接している。支持部４２ｂの上面は曲面部４２ａの下面と接合している。これにより、支持部４２ｂは、曲面部４２ａの下面がエミッタ部４１の上面と平行となるように、曲面部４２ａを支持している。

この電子放出素子４０は、電子放出素子１０と実質的に同様に機能する。電子放出素子４０は、エミッタ部４１の上面に粒界による凹凸が存在していても、曲面部４２ａの下面であって微細貫通孔４２ｃが形成されている部分及びその近傍領域（微細貫通孔形成部の下面）を、エミッタ部４１の上面と平行に維持することができる。即ち、曲面部４２ａの下面であって微細貫通孔４２ｃの周囲の領域とエミッタ部４１の上面とのギャップ距離は、どの箇所においても所定の距離ｔ１である。従って、電子放出素子４０は、従来の電子放出素子よりも少ない消費電力で電子を放出することができる。

＜第５実施形態＞
図１４に示したように、本発明の第５実施形態に係る電子放出素子５０は、第４実施形態に係る電子放出素子４０の上部電極４２を、上部電極５２に置換した点のみにおいて電子放出素子４０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心に説明する。

上部電極５２は、導電性物質からなり、一定の膜厚を有する薄膜である。上部電極５２の厚みは０．０１μｍ以上且つ１０μｍ以下である。上部電極５２は、微細貫通孔形成部５２ａと支持部５２ｂとからなっている。

微細貫通孔形成部５２ａは、エミッタ部４１の上面の粒界による凹部の上方に位置している。微細貫通孔形成部５２ａは、一定の膜厚を有する薄膜である。微細貫通孔形成部５２ａの下面は、エミッタ部４１の上面と一定の距離ｔ１（約０．５μｍ）を維持し得るように（エミッタ部４１の上面の形状に沿うように）、曲面状に形成されている。微細貫通孔形成部５２ａには微細貫通孔１４ｃと同様の微細貫通孔５２ｃが複数形成されている。

支持部５２ｂは、略平板状に形成されている。支持部５２ｂは両端において微細貫通孔形成部５２ａと連接されている。支持部５２ｂは、下面においてエミッタ部４１の上面に存在する粒界の凸部と接している。これにより、支持部５２ｂは、微細貫通孔形成部５２ａの下面がエミッタ部４１の上面と平行となるように、微細貫通孔形成部５２ａを支持している。

この電子放出素子５０は、電子放出素子１０と実質的に同様に機能する。電子放出素子５０は、エミッタ部４１の上面に粒界による凹凸が存在していても、上部電極５２の下面であって微細貫通孔５２ｃの近傍領域（微細貫通孔形成部５２ａの下面）をエミッタ部４１の上面と平行に維持することができる。従って、電子放出素子４０は、従来の電子放出素子よりも少ない消費電力で電子を放出することができる。更に、電子放出素子５０の上部電極５２は、白金を主成分とするペースト状の有機金属化合物をエミッタ部４１の上にスクリーン印刷し、焼成することにより形成することが可能である。従って、前記エッチングを含む製造方法と比較して、より簡便に上部電極５２を形成することができる。

以上に説明したように、本発明の各実施形態に係る電子放出素子は、微細貫通孔が形成されている近傍領域における上部電極の下面（微細貫通孔形成部の下面）とエミッタ部の上面との距離が微小な一定距離となる構造を有する素子である。即ち、上部電極は、微細貫通孔の近傍領域であってエミッタ部と対向する下面と同エミッタ部との上面の距離が何れの微細貫通孔に対しても略同一の距離となるように形成されている。従って、上下電極間に所定の正の電圧（電子放出電圧）を印加したとき、微細貫通孔直下又は微細貫通孔直下近傍のエミッタ部上面の電位が同時期に電子放出に必要な電位に到達する。従って、エミッタ部の上面に蓄積されている電子を一斉に放出することができる。この結果、これらの電子放出素子は、従来の電子放出素子よりも消費電力の小さい素子となっている。

本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、各電子放出素子は、上部電極の上方に白色蛍光体を備えていてもよい。これによれば、電子放出素子から放出された電子によって蛍光体が白色光を発生する。従って、このような装置は液晶のバックライト等の光源として利用することができる。また、上部電極の上方に、例えば、赤色、緑色及び青色をそれぞれ発光する蛍光体を配置し、カラーディスプレイを構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る電子放出素子の部分断面図である。 図１に示した電子放出素子の部分平面図である。 製造途中にある図１に示した電子放出素子の部分断面図である。 製造途中にある図１に示した電子放出素子の部分断面図である。 製造途中にある図１に示した電子放出素子の部分断面図である。 製造途中にある図１に示した電子放出素子の部分断面図である。 製造途中にある図１に示した電子放出素子の部分断面図である。 図１に示した電子放出素子の分極と素子端電圧との関係（Ｑ−Ｖ特性）を示したグラフである。 図１に示した電子放出素子の電子蓄積時の状態を示した図である。 図１に示した電子放出素子の電子放出時の状態を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る電子放出素子の部分断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電子放出素子の部分断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電子放出素子の部分断面図である。 本発明の第５実施形態に係る電子放出素子の部分断面図である。 従来の電子放出素子の一つの状態を示した図である。 図１５に示した電子放出素子の分極と素子端電圧との関係（Ｑ−Ｖ特性）を示したグラフである。 図１５に示した電子放出素子の他の状態を示した図である。 図１５に示した電子放出素子の他の状態を示した図である。 図１５に示した電子放出素子の電子放出に係る作動について説明するための図である。

符号の説明

１０…電子放出素子、１１…基板、１２…下部電極、１３…エミッタ部、１４…上部電極、１４ａ…平面部、１４ｂ…支持部、１４ｃ…微細貫通孔、２０…電子放出素子、２１…上部電極、２１ａ…平面部、２１ｂ…支持部、２１ｃ…微細貫通孔、３０…電子放出素子、３１…上部電極、３１ａ…平面部、３１ｂ…支持部、３１ｃ…微細貫通孔、３１ｄ…突起部、４０…電子放出素子、４１…エミッタ部、４２…上部電極、４２ａ…曲面部、４２ｂ…支持部、４２ｃ…微細貫通孔、５０…電子放出素子、５２…上部電極、５２ａ…微細貫通孔形成部、５２ｂ…支持部、５２ｃ…微細貫通孔、１０１…エミッタ部、１０２…下部電極、１０３…上部電極、１０３ａ…微細貫通孔、１４１…易エッチング性金属膜、１４２…レジスト、１４３…難エッチング性金属膜。

Claims (5)

1. 誘電体からなるエミッタ部と、同エミッタ部の下部に形成された下部電極と、同エミッタ部を挟んで同下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成されるとともに微細貫通孔が複数形成され且つ同微細貫通孔の近傍領域であって同エミッタ部と対向する面が同エミッタ部から所定のギャップ距離だけ離間しているように形成されてなる上部電極と、を有し、同上部電極の電位が同下部電極の電位よりも低い場合に同エミッタ部の双極子の負極が同下部電極側に向くように同双極子が反転するのに伴って同エミッタ部の上面に電子を蓄積し、同上部電極の電位が同下部電極の電位よりも高い場合に同エミッタ部の双極子の負極が同上部電極側に向くように同双極子が反転するのに伴って同エミッタ部の上面に蓄積されている電子を前記微細貫通孔を通して外部に放出する電子放出素子であって、
   前記上部電極は、前記所定のギャップ距離が前記何れの微細貫通孔に対しても略同一の距離となるように形成された電子放出素子。
2. 請求項１に記載の電子放出素子において、
   前記上部電極は、
   前記微細貫通孔が形成された膜状の微細貫通孔形成部と、
   前記微細貫通孔形成部の下面が前記エミッタ部の上面と略平行になるように同微細貫通孔形成部を同エミッタ部に対して支持する支持部と、
   を備えた電子放出素子。
3. 請求項２に記載の電子放出素子において、
   前記微細貫通孔形成部は、
   前記エミッタ部の上面に向けて突出した突起部を備えた電子放出素子。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の電子放出素子において、
   前記微細貫通孔の孔径が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする電子放出素子。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の電子放出素子において、
   前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧を駆動電圧Ｖin、同駆動電圧Ｖinの分圧であって同下部電極と前記エミッタ部の上面との間の同エミッタ部に印加される電圧をエミッタ部電圧Ｖfer、同駆動電圧Ｖinの分圧であって同エミッタ部の上面と同上部電極の下面との間の空間に印加される電圧を空間電圧Ｖgapとすると、同駆動電圧Ｖinは同エミッタ部電圧Ｖferと同空間電圧Ｖgapの和であり、同エミッタ部電圧Ｖferの大きさが同駆動電圧Ｖinの大きさの５０％以上となるように前記ギャップ距離が定められている電子放出素子。
   

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