JP2630990B2 - 電子放出素子及びそれを用いた発光素子 - Google Patents

電子放出素子及びそれを用いた発光素子

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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30Cold cathodes
    • H01J2201/316Cold cathodes having an electric field parallel to the surface thereof, e.g. thin film cathodes
    • H01J2201/3165Surface conduction emission type cathodes

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、電子放出素子及びそれを用いた発光素子に
関するもので、特に電子放出素子から放出される電子ビ
ームの方向制御及び発光形状制御を行い得る電子放出素
子及び発光素子に関する。
[従来の技術] 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子とし
て、例えば、エム・アイ・エリンソン(M.I.Elinson)
等によって発表された冷陰極素子が知られている[ラジ
オ・エンジニアリング・エレクトロン・フィジィックス
(Radio Eng.Electron.Phys.)第10巻,1290〜1296頁,19
65年]。
これは、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、一般には表面伝導形放出素子と呼ばれ
ている。
この表面伝導形放出素子としては、前記エリンソン等
により発表されたSnO2(Sb)薄膜を用いたものの他、Au
薄膜によるもの[ジー・ディトマー:“スイン・ソリッ
ド・フィルムス”(G.Dittmer:“Thin Solid Films"),
9巻,317頁,(1972年)]、ITO薄膜によるもの[エム・
ハートウェル・アンド・シー・ジー・フォンスタッド:
“アイ・イー・イー・イー・トランス・イー・ディー・
コンフ”(M.Hartwell and C.G.Fonstad:“IEEE Trans.
ED Conf.")519頁,(1975年)]、カーボン薄膜による
もの[荒木久他:“真空",第26巻,第1号,22頁,(198
3年)]等が報告されている。
これらの表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第
5図に示す。図中、1は基板、3および4は電気的接続
を得る為の電極、5は電子放出部、6は電子放出材料で
形成される薄膜を示す。
上述した表面伝導形放出素子は、いずれも、薄膜6を
設けた基板1上に電極3,4を設けて、電極3,4間に電圧を
印加し、フォーミングと呼ばれる通電処理で電子放出部
5を形成することによって製造されている。即ち、電極
3,4間への電圧の印加によって薄膜6に通電し、これに
より発生するジュール熱で薄膜6を局所的に破壊,変形
もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態にした電子
放出部5を形成することにより、電子放出機能を付与し
ているものである。
上記電気的な高抵抗状態とは、薄膜6の一部に0.5μ
m〜5μmの亀裂を有し、かつ亀裂内が、いわゆる島構
造を有する不連続状態膜となっていることをいう。島構
造を有する不連続状態膜とは、一般に数十オングストロ
ームから数ミクロン径の微粒子が基板1上にあり、核微
粒子は空間的に不連続でかつ電気的に連続な膜を形成し
ていることを言う。
さらに、従来の表面伝導形素子では、電子放出の放射
特性、即ち素子から放出された電子の広がりを第6図に
示すように電極4をプラス電位、電極3をアース電位、
発光体基板7を1000V程度として蛍光体の発光形状を観
察すると、同図の8に示すように三日月形の広がり特性
を示す。さらに上記の輝点は実際の電子放出部の鉛直上
よりもプラス電極4側にずれており、表面伝導形素子か
ら放出される電子はアース電極3側から見て斜め前方に
向って放出されていることを示している。
また、特願昭61−210588等ですでに技術開示したよう
に、微小間隔を有する一対の対向電極の微小間隔部に金
属、あるいは酸化物等から成る微粒子を分散配置するこ
とで従来必要とされてきたフォーミング工程を経ずに同
等以上の電子放出機能を得ることが可能となる電子放出
素子においても、微小間隔部全体に微粒子を分散配置し
た場合には、放出される電子線の広がりは電極幅よりも
大きくなり、フォーミング素子同様三日月形の広がり特
性を示していた。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来例では表面伝導形素子から放
出される電子ビームは三日月状の広がり特性を持ってい
るため次のような欠点を有していた。
(1)表面伝導形素子から放出された電子ビームを任意
の形状,大きさに集束させるためには、非常に複雑な電
子光学系を必要とする。
(2)表面伝導形素子から放出される電子ビームは大き
な広がりを持っているため、同一基板上に高密度配列さ
せることが困難である。
以上のような問題点があるため、従来の表面伝導形素
子は素子構造が簡単であり発熱も少ないという優れた利
点があるにもかかわらず、産業上積極的に応用されるに
至っていない。本発明は上記従来例の欠点を除去するこ
とを目的としてなされたものである。
[課題を解決するための手段及び作用] 上記三日月状の電子線の広がりを解消するために、本
発明の第一では、相対向する一対の電極と、該電極間に
設けられた電子放出部を含む不連続膜とを有する電子放
出素子において、一方の電極が他方の電極に対して頂点
を向けた三角形をなし、この三角形の頂点付近である局
所部分にのみ前記不連続膜が設けられていることを特徴
とする電子放出素子としているものである。
また、本発明の第二では、相対向する一対の電極と、
該電極間に設けられた電子放出部を含む不連続膜とを有
する電子放出素子において、一方の電極が凸形、他方の
電極が凹形をなしていて、凹凸が相互に嵌め合わされた
状態で当該一対の電極が相対向されており、該凸形電極
の頂部と該凹形電極の底部とが相対向した部分の中央付
近である局所部分にのみ前記不連続膜が形成されている
ことを特徴とする電子放出素子としているものである。
本発明において、電子放出部を含む不連続膜は、特に
一対の電極間の中央付近に局在することが好ましい。ま
た、この不連続膜を前述したような微粒子で構成するこ
ともできる。
更に本発明を、本発明の一実施例を示す第1図で説明
すると、本発明ではまずガラス,石英などの基板1上に
相対向する2つの電極3,4を設けた後、電極3,4間の微小
間隔(以下電極ギャップと記す)の一部分に、所望の電
子放出材料から成る微粒子2を所望の密度で分散配置す
ることで不連続膜を作製する。
本発明では電極ギャップの一部分に局所的に微粒子2
を形成することを特徴としており、電極ギャップ長及び
その幅,形状,等は所望のものを利用できる。通常は、
電極ギャップ長(図中、l)は数百オングストローム〜
数十ミクロン程度が好ましく、電極幅(図中、w)は数
十ミクロン以上が好ましい。
また電極ギャップ間に設ける微粒子2は電極作製とは
全く独立しているため所望の位置に設けることができる
上、さらに電子放出に係る領域の大きさが微粒子を設け
る領域の面積で調整できるため、予め必要な電子ビーム
の広がりに応じた電子放出部の形成が容易である。
さらに、実際の電子放出部の幅が電極幅よりも狭くな
っているため放出される電子ビームの広がりは従来の表
面伝導形放出素子と比較して小さくなり、より高密度の
集積化、マルチ化が可能となる。通常は、電子放出部の
幅は電極幅の1/10〜1/2程度であることが好ましい。
電子放出に係る微粒子は、例えば電子を電界放出し易
い物質や、二次電子放出し易い物質、或いは電子の衝撃
によって電子を放出しやすく、且つ耐熱性、耐腐蝕性に
強い物質であれば良く、例えば、仕事関数が低く、耐熱
性の高いW,Ti,Au,Ag,Cu,Cr,Al,Pt,Pd等の金属や、SnO2,
In2O3,BaO,MgO等の酸化物、もしくはカーボン或いは以
上の混合物等であるが、この限りではない。また、その
寸法は通常直径が数十Åから数千Å程度が好ましい。
さらに電極部材としては、特に限定することなく通常
使用される広範囲な電極材が使用できる。
[実施例] 実施例1 以下に述べるようにして、第1図に示されるような電
子放出素子を作製した。同図は電子放出部付近の部分的
上面図である。
まず、十分脱脂、洗浄を行った1インチ×1.5インチ
角の石英基板1上に通常のフォトリソグラフィ技術を用
いてリフトオフにより、マイナス側電極3とプラス側電
極4を形成した。ここで、同図に示したように電極3は
上面から見た形状は長方形であるが、電極4は電極3に
対して頂点を向けた三角形をした電極となっている。ま
た図中のlは2μm、wは1mmである。電極材料はニッ
ケルを用い、膜厚はおよそ1000Å、真空蒸着により成膜
を行った。
次に、上記電極上の図中2の部分以外にレジストを形
成した後、基板1全体に有機パラジウム化合物を含む有
機溶媒(奥野製薬工業製キャタペーストCCP)をスピン
コータを用いて回転塗布した。その後、250℃−10分間
の焼成を行いパラジウム微粒子から成る島構造を有する
不連続状態膜2を設け、最後にレジストを除去して本電
子放出素子を完成した。本素子では同図中の5が電子放
出部となり、他の部分には、パラジウム微粒子が存在し
ないため、電気的には電子放出部5に電流が集中する形
状となっている。
こうして得られた素子の電子放出特性を調べるため、
素子を真空容器中に入れ電極3をアース電位、電極4を
+14Vとし、さらに素子から5mm沿直上に1kVの電圧を印
加した蛍光体基板を設置して放出電流の測定を行った。
その結果、上記条件のもとでの放出電流Ieはおよそ50
0nA、このときの素子中を流れる電流Ifは2mAであった。
また素子に印加する電圧を逆向きにして同様の実験を行
ったが、Ie,Ifともに順方向に電圧を印加した場合とほ
ぼ同等であった。
次に、本素子から放出された電子の広がりを上記と同
様の実験装置を用いて観察した。その結果を第2図に示
す。同図において7は蛍光体基板、8は蛍光体の発光パ
ターンであるが、本素子で特徴的なことは発光パターン
が三日月状からほぼ長楕円形になっていることである。
従来2μm,幅300μm程度の平行なギャップを持つ対向
電極を用いて素子を作製した場合、幅が2〜2.5mm程度
の三日月状であったが、今回作製した素子は発光の形
状,大きさともに平行電極に比べより集束されたものと
なっている。
実施例2 次に、以下に述べるようにして第3図に示されるよう
な電子放出部形状の異なる電子放出素子を作製した。第
3図において、1は石英基板、2は放出部を形成する微
粒子、3,4は電気的導通を得るための電極である。
まず、実施例1と同様に十分脱脂洗浄を行った石英基
板1に通常のフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレ
ジストを形成した後、真空蒸着法によってニッケルを10
00Å蒸着し、リフトオフにより同図に示した電極3,4を
作製した。このとき、電子放出部となる電極ギャップ5
の形状を半円形とし、電極ギャップは最小部分lを全て
2μmとした。電極幅wは1mmである。
次に、電極ギャップ中に第3図に示したように中央付
近、直径400μm程度の円形領域にパラジウム微粒子を
形成した。パラジウム微粒子の形成には金属マスクを用
いたガス中蒸発法を利用した。また使用したノズルは、
微粒子の均一塗布と大面積化に適した特殊な形状の物を
用いた。
こうして得られた素子の放出部を電子顕微鏡観察した
ところ、電極ギャップ中に存在したパラジウム微粒子の
直径は、30〜50オングストローム程度と極めて微小であ
り、微粒子間がほぼ接する形で不連続膜となっていた。
次に、本素子を実施例1と同様に真空容器中に入れ、
電極3をアース電位、電極4を+14Vとして放出電流の
測定及び蛍光体基板の発光の観察を行った。
その結果、1素子からの放出電流Ieはほぼ100nAであ
った。また蛍光体基板上での輝点形状は第4図の8に示
したように800μm×600μm程度の円形に近い楕円形で
あり、従来表面伝導形素子の特徴であった三日月形が補
正された。
[発明の効果] 本発明は、以上説明した通りのものであり、次の効果
を奏するものである。
(1)従来のフォーミング素子の持っている放出電子の
三日月形状の広がりを楕円形あるいは長楕円形に整形す
ることができる。
(2)不連続膜を設けた部分にのみ電流が集中するた
め、効率向上が容易である。
(3)電極形状との組み合わせにより所望のビーム形状
が得られる。
(4)本発明の電子放出素子と、それから放出される電
子ビームの照射により発光する蛍光体基板とを組み合わ
せることにより、任意の形状に制御して発光させること
ができる発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】 第1図は実施例1で作製した素子の概略図、第2図はそ
の放出電子の広がりを模式的に示した平面図、第3図は
実施例2で作製した素子の平面図、第4図はその放出電
子の広がりを模式的に示した平面図、第5図は従来の表
面伝導形電子放出素子の平面図、第6図は従来の表面伝
導形電子放出素子の電子放出パターンを示す図である。 1:基板 2:電子放出部を形成する微粒子 3:マイナス側電極、4:プラス側電極 5:電子放出部 6:電子放出部材で形成される薄膜 7:蛍光体基板、8:蛍光体の発光パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂野 嘉和 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 (72)発明者 金子 哲也 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 (72)発明者 鱸 英俊 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 (56)参考文献 特開 昭63−13247(JP,A) 特公 昭46−20949(JP,B1) 特公 昭44−27853(JP,B1)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】相対向する一対の電極と、該電極間に設け
    られた電子放出部を含む不連続膜とを有する電子放出素
    子において、一方の電極が他方の電極に対して頂点を向
    けた三角形をなし、この三角形の頂点付近である局所部
    分にのみ前記不連続膜が設けられていることを特徴とす
    る電子放出素子。
  2. 【請求項2】相対向する一対の電極と、該電極間に設け
    られた電子放出部を含む不連続膜とを有する電子放出素
    子において、一方の電極が凸形、他方の電極が凹形をな
    していて、凹凸が相互に嵌め合わされた状態で当該一対
    の電極が相対向されており、該凸形電極の頂部と該凹形
    電極の底部とが相対向した部分の中央付近である局所部
    分にのみ前記不連続膜が形成されていることを特徴とす
    る電子放出素子。
  3. 【請求項3】前記不連続膜が微粒子で構成されているこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の電子放出素子。
  4. 【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の電子放出
    素子と、該電子放出素子から放出された電子ビームの照
    射により発光する蛍光体基板とを組み合わせたことを特
    徴とする発光素子。
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