JP2632365B2 - 電子放出素子とその製造方法 - Google Patents

電子放出素子とその製造方法

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • 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

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

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、特に複数の電子放出部を有
する表面伝導形放出素子及びその製造方法に関する。
[従来の技術] 電子放出素子において従来実用化されてきた電子放出
源は、熱陰極からの熱電子放出や電界効果型(FF型)電
子放出源であった。熱陰極を利用した電子放出源は高融
点材料、例えばタングステン等を用いたフィラメントに
大電流を流し、そのときに生じる熱によって電子に真空
準位以上のエネルギーを与えることで電子放出を得てい
る。これは広く応用されている電子放出源であるが、1
放出源につき1本の電子線を発生するもので、二次元配
列化はなされていない。また、熱電子源の一応用形態と
して直線状の熱フィラメントを用いて、線状電子源が一
部利用されているが、温度上昇によるフィラメントの膨
張等から長尺物は実用化されていない。一方、加熱によ
らない電界効果型の電子放出源は、先端を鋭く尖らせた
陰極チップに外部から強電界を印加することで電子放出
を得るもので、電子放出特性は、先端形状に強く依存す
る。そのため、同一特性の電子放出源が得にくいため、
複数化されるには至っていない。
従来、簡単な構造で電子放出を得られる素子として、
たとえば、エリンソン(Elinson)等によって発表され
た「ラジオ・エンジニアリング・エレクトロン・フィジ
ックス(Radio Eng.Electron.Phys)」1065年刊第10巻1
290頁に記載の冷陰極素子が知られている。
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(表面伝導形放出素子という呼称は、薄膜ハンドブ
ックの記載に準じた)。
表面伝導形放出素子としては、SnO2(Sb)薄膜を用い
た前記Elinson等の例以外にも、Au薄膜によるものや
(G.Dittmar:Thin Solid Films 9,317(1972))、ITO
薄膜によるもの(M.Hartwell and C.G.Fonstad:IEEE Tr
ans.ED Conf.519(1975))、カーボン薄膜によるもの
(荒木久他:真空,第26巻,第1号,P−22(1983))な
どが報告されている。
これら表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第6
図に示す。7及び8は電気的接続を得る為の電極、9は
電子放出材料で形成される薄膜、10は基板、11は電子放
出部を示す。
従来、これらの表面伝導形放出素子に於いては、電子
放出を行う前に、あらかじめフォーミングと呼ばれる処
理が行われている。即ち、前記電極7と電極8の間に電
圧を印加する事により、薄膜9に通電し、これにより発
生するジュール熱で薄膜9を局所的に破壊もしくは変形
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11を得るものである。
上述電気的な高抵抗状態とは、薄膜9の一部に0.5μ
m〜5μmの亀裂を有し、且つ亀裂内がいわゆる島構造
を有していて、空間的に不連続で電気的に連続な状態を
云う。
従来表面伝導形放出素子は上述他抵抗不連続膜に電極
7,8により電圧を印加し、素子表面に電流を流すことに
より、電子放出せしめるものである。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記の熱電子放出では加熱によるエネ
ルギーロスが大きく、電子放出とともに大量の熱を放出
するという問題があり、同一基体上に複数の熱電子放出
素子を並べることは非常に困難である。また、電界効果
型(FE型)電子放出素子は、陰極チップの先端を、半径
数百オングストローム程度に極めて鋭く尖らす必要があ
り、通常電界研磨を行った後にリモルディングを行う等
多くの工程を要し、かつ経験的要素が強いために、製造
上バラツキを生じやすいという課題を有している。従っ
て、同一特性を有する電界効果型(FE)型電子放出素子
を同一基体上に複数個均一に並べることは極めて困難で
ある。上記の理由により、同一基体上に複数の電子放出
部を有するようなものは、実用に至っていない。
一方、従来の表面伝導形放出素子は製造上フォーミン
グ工程が必要であり、そのため次のような欠点があっ
た。
(1)素子の電子放出特性は、電子放出部となる島の表
面状態や形状の影響を受けやすいが、通電によるフォー
ミングでは島構造の設計が不可能であるため、複数の素
子を線状あるいは面状に配置した場合に、各素子の電子
放出部における電子放出特性にバラツキを生じやすい。
(2)島構造の寿命が短くかつ不安定である。また、外
界の電磁波ノイズにより素子破壊を生じやすい。
(3)フォーミング工程による島形成を行うため、島構
成材料の選択に対する自由度が小さい。
(4)フォーミング工程では局所的な熱の集中を必要と
するため素子形状が限定される。
(5)局所的な熱の集中によって基板破壊を生じやす
い。
以上のような課題があるため、表面伝導形放出素子
は、素子構造が簡単であるという利点があるにもかかわ
らず、産業上積極的に利用されるには至っていなかっ
た。
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもの
で、電子放出特性のバラツキの少ない複数の電子放出部
を線状あるいは面状に配列し得る電子放出素子、更には
より安定性,信頼性に富んだ電子放出素子、特に表面伝
導形放出素子を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成する本発明の構成は以下の通りであ
る。
すなわち、本発明の第一は、電極及び電極間に形成さ
れた電子放出部を同一基板上に有する電子放出素子にお
いて、該電子放出部は、該電極間に設けられた電子放出
部の表面を部分的に被覆する非放出部材にて複数に分割
されていることを特徴とする電子放出素子である。
上記本発明の第一は、さらにその特徴として、 前記電子放出部が、微粒子にて形成されていること、 前記非放出部材が、絶縁体又は半導体であることをも
含むものである。
また、本発明の第二は、電極及び電極間に形成された
電子放出部を同一基板上に有する電子放出素子の製造方
法において、電極間に電子放出部を形成した後、該電子
放出部の表面を非放出部材にて部分的に被覆することで
該電子放出部を複数に分割することを特徴とする電子放
出素子の製造方法である。
上記本発明の第二は、さらにその特徴として、 前記電子放出部を微粒子にて形成すること、 前記非放出部が、前記微粒子を被覆する薄膜部材であ
ること、 前記非放出部材が、絶縁体又は半導体であることをを
含むものである。
[実施例] 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。
第1図は、本発明による電子放出素子の一実施形態を
示す上面図である。同図において、ガラス等の絶縁性基
板1上に、微小間隔をおいて電極2,3が設けられ、その
微小間隔中に所望の材料から成る微粒子5が分散配置さ
れている。従って、この状態の素子において、電極2,3
間に適当な電圧を印加すると、線状電子放出部から一様
に電子が紙面垂直方向に放出され、線状電子放出素子が
可能となる。
次に、この線状放出部の一部に非放出部材であるとこ
ろの薄膜材4を付着させると、薄膜材4の付着した部分
は電子放出機能を失い、単なる導体あるいは絶縁体とな
る。従って、放出部の所望の位置に所望の面積で、薄膜
材4を付着させることで放出部を所望の大きさの点状あ
るいは線状の放出部に分割することが可能である。
本発明は、電子放出部が島状構造を有する表面伝導形
放出素子に広く応用可能であるが特に、電極2,3間に形
成される微粒子5が素子方面に露出したものに特に有効
である。
また、付加する薄膜材料4は、絶縁体又は半導体が用
いられるが、素子形状及び材料によって最適条件は異な
るため、個々に適する材料を選択する必要がある。
ただし、付加材料に絶縁体を用いると、付加された部
分は非常に高抵抗となり、非放出部化したい部分には電
流が流れなくなるため、効率向上がめざましく実用的で
ある。
また付加される薄膜材料4の厚さは、放出部を形成す
る微粒子5の大きさに依存するが、少なくとも微粒子5
を完全におおい更に微粒子5間を埋めつくせる程度の膜
厚が必要である。
第2図は、本発明による別な一実施例を示す概略平面
図である。同図に示すように、十分脱脂、洗浄を行った
5cm角の石英基板1上に、通常のフォトリソグラフィ技
術を用いて幅1mmのプラス電極2とマイナス電極3を形
成した。電極材料にはNiを用い、両電極の間隔(以下電
極ギャップ)は2μmであり、くし形電極とした。電極
膜厚はほぼ1000Åである。
次に、電極2,3の形成された基板1上に、SiO2液体コ
ーティング剤(東京応化工業製−OCD)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)を混合し、SiO2:Pdのモル比を、約10:1に調製
した溶液をスピンコータにより回転塗布した。その後、
400℃−1時間の焼成を行い、膜厚約1000ÅのPd微粒子
を含むSiO2電子放出部を形成した。この状態では、電子
放出部は、電極ギャップによって規定された線状電子放
出部となっている。
次にこの線状電子源にマスク蒸着によってMgOを約100
Å蒸着した。
このとき、使用したマスクは、250μmピッチのグレ
ーティング状であり電極パターンとマスクのパターンが
直交する形とした。従って、基板1上の線状電子放出部
は250μm幅のストライプ状MgOの薄膜材料4で分断さ
れ、2μm×250μmの微小電子放出部が40×100個マト
リクス状に形成された。MgOの比抵抗はおよそ106Ω・cm
である。こうして得られた素子を5×10-6Torr程度の圧
力に保たれた真空容器中に入れ、電極2,3間に直流電圧1
4Vを印加して電子放出実験を行った。電子放出の確認に
は、蛍光体を用いて引き出し電圧を1KVとした。蛍光体
の輝点観察では、電子放出部形状とほぼ同様の輝点が点
状に配列していることが確認された。また、基板1上に
配列した全微小放出部からの総放出電流量Ie(total)
はおよそ320μA、1ヶ所当りの電流量はおよそ100nA、
また、MgOの効果を確認するため従来のフォーミングに
よって形成した表面伝導形電子放出素子の電子放出部に
MgOの真空蒸着を行ったところ、電子放出部全体に蒸着
された素子は、電極間電流Ifが流れず、電子放出も得ら
れなかった。
第3図は本発明による別な一実施例を示す概略平面図
である。同図に示すように、石英基板1上に、くし形状
のプラス電極2とマイナス電極3(図中、くしの歯は単
線で示している。)を形成した。
次に、電極2,3の形成された基板1上に、前記と同様
にして微粒子を含む電子放出部を形成した。この状態で
は、電子放出部は電極ギャップによって規定された多数
の線状放出部となっている。
次に、前記と同様にして、線状電子放出部と直交する
形にストライプ状の薄膜材料4を形成した。これによ
り、各線状電子放出部は薄膜材料4により分断され、マ
トリクス状に配列した複数の電子放出部が得られた。
第4図は本発明による縦型構造放出素子の概略部分断
面図であり、第5図は該素子を上方より眺めた平面図で
ある。両図において、1は石英ガラスの基板、2,3はNi
の電極、5はパラジウムの微粒子、4は放出部マスク用
のHfO2の薄膜材料である。
まず、十分に脱脂、洗浄を行った石英基板1上にCVD
法により全面に段差形成用のSiO2の絶縁層6を1500Å形
成した。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用い
て、前記SiO2の絶縁層6の一部をエッチング除去し、段
差形状とした。こうして得られた段差を有する基板上
に、真空蒸着により、全体にNiを用いて電極2及び3を
設けた。電極2,3の膜厚はおよそ1000Åであり、段差形
状の側面にはNiが付着しないように斜めに基板1を傾け
て蒸着を行った。
次に、電子放出部を形成するための有機パラジウム化
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後、250℃、
10分間の焼成を行い、電極2,3間のSiO2層側面にパラジ
ウムの微粒子5を形成した。こうして得られた素子は電
極2,3,SiO2の絶縁層6及びパラジウムの微粒子5から成
る線状の電子放出部を有する。
次に、この線状電子放出部を点状にパターニングする
ためにグレーティング状マスクを用いてHfO2をEB蒸着に
よっておよそ100Å形成し、一部を非放出部化した。
こうして得られた素子は、同一基板1上に100個の点
状電子放出部が並べられ、真空容器中で前述のようにし
て電子放出実験を行った結果、100個からの総放出電流I
e(total)=100μAが得られた。
このように、本発明は、電子放出部に薄膜材料4を付
着される等の手法を用いて電子放出機能を失わせ、点状
あるいは線状の電子放出部を得る製造方法であり、下記
の効果がある。
1)マスク蒸着等による極めて薄い膜でパターニングで
きるため、容易に再現できる。
2)膜薄材料4の付着部は電流が流れないため、高効率
化が容易である。
[発明の効果] 以上、説明したとおり、本発明によれば、素子の信頼
性が高く、かつ同一基板1上に電子放出特性のバラツキ
の少ない複数の電子放出部を線状あるいは面状等に配列
することの可能な表面伝導形放出素子を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図及び第3図は本発明の一実施例の平面
図、第4図及び第5図はさらに別の実施例の電子放出部
の縦断面図及び平面図、第6図は従来技術の説明図であ
る。 1……絶縁性基板、2,3……電極 4……薄膜材料、5……微粒子 6……絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 実開 昭53−30869(JP,U)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電極及び電極間に形成された電子放出部を
    同一基板上に有する電子放出素子において、該電子放出
    部は、該電極間に設けられた電子放出部の表面を部分的
    に被覆する非放出部材にて複数に分割されていることを
    特徴とする電子放出素子。
  2. 【請求項2】前記電子放出部は、微粒子にて形成されて
    い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】前記非放出部材は、絶縁体又は半導体であ
    ることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出素
    子。
  4. 【請求項4】電極及び電極間に形成された電子放出部を
    同一基板上に有する電子放出素子の製造方法において、
    電極間に電子放出部を形成した後、該電子放出部の表面
    を非放出部材にて部分的に被覆することで該電子放出部
    を複数に分割することを特徴とする電子放出素子の製造
    方法。
  5. 【請求項5】前記電子放出部を微粒子にて形成すること
    を特徴とする請求項4に記載の電子放出素子の製造方
    法。
  6. 【請求項6】前記非放出部は、前記微粒子を被覆する薄
    膜部材であることを特徴とする請求項5に記載の電子放
    出素子の製造方法。
  7. 【請求項7】前記非放出部材は、絶縁体又は半導体であ
    ることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の電
    子放出素子の製造方法。
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