JP3320363B2 - 電子放出素子、電子源、画像形成装置、及び電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子とそ
れを用いた電子源および画像形成装置、さらには電子放
出素子の製造方法に関する。

【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型と略す）、金属／絶縁層／金属
型（以下ＭＩＭ型と略す）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.Dola
n,“Field emission",Advance in Electron Physics,8,
89(1956) あるいは C.A.Spindt,“Physical Properties
of thin-film field emission cathodes with molybde
nium cones",J.Appl.Phys.,47,5248(1976)等が知られて
いる。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、C.A.Mead、“Oper
ation of Tunnel-Emission Devices",J.Apply.Phys.32,
646(1961)等が知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、M.
I.Elinson、Radio Eng.Electron Phys.、10,1290,(196
5)等がある。

【０００６】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、膜面に並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。この
表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等に
よるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの
［G.Ditmmer,Thin Solid Films,9,317(1972)］、Ｉｎ₂
Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［M.Hartwell and C.G.F
onsted,IEEE Trans.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、２
２頁(1983)］等が報告されている。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な素子構成として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を
図１９に示す。同図において、１は絶縁性基板である。
４は導電性薄膜で、Ｈ型形状のパターンに、スパッタで
形成された金属酸化物薄膜等からなり、後述のフォーミ
ングと呼ばれる通電処理により電子放出部５が形成され
る。尚、図中の素子電極間隔Ｌは０．５〜１ｍｍ、Ｗ′
は０．１ｍｍで設定されている。

【０００８】従来、これらの表面伝導型電子放出素子に
おいては、電子放出を行う前に導電性薄膜４を予めフォ
ーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出部５を形
成するのが一般的であった。即ち、フォーミングとは前
記導電性薄膜４両端に直流電圧あるいは非常にゆっくり
とした昇電圧例えば１Ｖ／分程度を印加通電し、導電性
薄膜を局所的に破壊、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を形成することであ
る。尚、電子放出部５は導電性薄膜４の一部に亀裂が発
生しその亀裂付近から電子放出が行われる。前記フォー
ミング処理をした表面伝導型電子放出素子は、上述した
導電性薄膜４に電圧を印加し、素子に電流を流すことに
より、上述の電子放出部５より電子を放出せしめるもの
である。

【０００９】一方、たとえば特開平7-235255号公報に開
示されているような別の表面伝導型電子放出素子におい
ては、フォーミングを終えた素子に対して活性化処理と
呼ばれる処理を施す場合がある。活性化処理工程とは、
この工程により、素子電流Ｉf、放出電流Ｉeが、著しく
変化する工程である。

【００１０】活性化工程は、有機物質を含有する雰囲気
下で、フォーミング処理同様、素子にパルス電圧の印加
を繰り返すことで行うことができる。この処理により、
雰囲気中に存在する有機物質から、炭素あるいは炭素化
合物が素子の少なくとも電子放出部に堆積し、素子電流
Ｉf、放出電流Ｉeが、著しく変化し、より良好な電子放
出特性を得ることができる。

【００１１】以上のような電子放出素子を複数個形成し
た電子源基板を用い、蛍光体などからなる画像形成部材
と組み合わせることで画像形成装置を構成できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
情報の高度化に伴うマルチメディア化の急激な進展によ
り、ディスプレイ等の画像形成装置に対して、更に高い
性能が求められてきている。すなわち、表示装置の大画
面化、省電力化、高精細化、高画質化、省スペース化等
である。

【００１３】したがって、前述の電子放出素子において
は、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示
画像を安定して提供できるよう、より一層高い効率で安
定した電子放出特性を更に長時間保持し続けられる技術
が望まれている。

【００１４】ここで効率とは、表面伝導型電子放出素子
の一対の対向する素子電極に電圧を印加したとき、流れ
る電流（以下、素子電流Ｉfと呼ぶ）に対する真空中に
放出される電流（以下、放出電流Ｉeと呼ぶ）との電流
比をさす。

【００１５】つまり、素子電流Ｉfはできるだけ小さ
く、放出電流Ｉeはできるだけ大きいことが望ましい。

【００１６】高効率な電子放出特性を長時間にわたり安
定的に制御することができれば、例えば蛍光体を画像形
成部材とする画像形成装置においては、低電力で明るい
高品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現で
きる。

【００１７】しかしながら、上述のＭ．ハートウエルの
電子放出素子にあっては、安定な電子放出特性及び電子
放出効率について、必ずしも満足のゆくものが得られて
おらず、これを用いて高輝度で動作安定性に優れた画像
形成装置を提供するのは極めて難しいというのが実状で
ある。

【００１８】すなわち、このような応用に用いるために
は、実用的な電圧（たとえば１０Ｖ〜２０Ｖ）で十分な
放出電流Ｉeが得られること、放出電流Ｉeおよび素子電
流Ｉfが駆動中に大きく変動しないこと、長時間にわた
り放出電流Ｉe及び素子電流Ｉfが劣化しないこと、が求
められるが、従来のＭ．ハートウェルの表面伝導型電子
放出素子には以下のような問題点があった。

【００１９】図１９に示したように、Ｍ．ハートウェル
の表面伝導型電子放出素子は、電圧印加方向にほぼ直行
して電子放出部５を有している。

【００２０】本発明の目的は、良好な電子放出特性を有
する電子放出素子とそれを用いた電子源を提供するこ
と、及び、該電子放出素子を用いた高輝度の画像形成装
置を提供することにある。

【００２１】また本発明の別の目的は、電子放出特性の
変化が極力少ない電子放出素子とそれを用いた電子源を
提供すること、及び、該電子放出素子を用いた高輝度を
より長時間にわたって持続し得る画像形成装置を提供す
ることにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の電子放出素子の
特徴は、基体上に、一対の電極と、該一対の電極に接続
され、その一部に間隙を有する導電性膜と、該間隙部に
該導電性膜と接続されて設けられた、炭素を主成分とす
る部材と、該炭素を主成分とする部材と該基体との間及
び前記導電性膜と前記基体との間に、ニッケル、鉄、コ
バルトのうち少なくとも一種類の元素を含む金属酸化物
と、を有することにある。

【００２３】上記金属酸化物は、酸化ニッケル、酸化
鉄、酸化コバルトのうち少なくとも一種類の酸化物であ
ることが好ましく、上記金属酸化物は、例えば、該基体
上に被膜として設けられ、該被膜は微粒子膜あるいは島
状膜をも包含する。また、上記被膜は、酸化ニッケル、
酸化鉄、酸化コバルトのうち少なくとも一種類の金属酸
化物を、シリカ等を主成分とする母材に含有させた被膜
であってもよい。

【００２４】

【００２５】さらに、上記電子放出素子が表面伝導型電
子放出素子であることを含む。

【００２６】また、本発明の電子放出素子の製造方法の
特徴は、基体上の、一対の電極間に設けられている、ニ
ッケル、鉄、コバルトのうち少なくとも一種類の元素を
含む金属酸化物を含有する被膜上に、導電性膜を形成す
る工程と、該導電性膜の一部に間隙を形成する工程と、
該間隙部に、該導電性膜と接続された、炭素を主成分と
する部材を形成する工程と、を有することにある。

【００２７】ここで、前記導電性膜に間隙を形成する工
程は、好ましくは、該導電性膜へ電圧を印加することに
より行われ、また、前記間隙部に、炭素を主成分とする
部材を形成する工程は、好ましくは、炭素化合物の存在
する雰囲気中で、該導電性膜に電圧を印加することによ
り行われる。

【００２８】また、上記金属酸化物を含有する被膜は、
該基体上への該一対の電極の形成前に形成されても良い
し、あるいは、該基体上に該一対の電極を形成した後、
該一対の電極間に形成されてもよい。

【００２９】また、上記金属酸化物を含有する被膜の形
成は、好ましくは、ニッケル、鉄、コバルトのうち少な
くとも一種類の元素を含む有機金属化合物の溶液を塗布
して有機金属化合物膜を形成する工程と、該有機金属化
合物膜を加熱焼成する工程とにより行われ、上記有機金
属化合物膜を形成する工程としては、スピンコート法、
エアロコート法、ディッピング法、印刷法、インクジェ
ット法等を用いることができる。また、上記金属酸化物
を含有する被膜の形成は、ニッケル、鉄、コバルトのう
ち少なくとも一種類の金属を含む被膜を形成する工程
と、該被膜を酸化する工程とにより行なってもよい。

【００３０】更に本発明は、電子源、表示装置等の画像
形成装置を包含する。

【００３１】本発明の電子源は、入力信号に応じて電子
を放出する電子源であって、上記の電子放出素子を、基
板上に複数個配置したもので、好ましくは、個々の素子
の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複数もち、
更に、変調手段を有することを特徴とする。更に好まし
くは、基板に、互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向
配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対の
電極とを接続した電子放出素子を複数個配列したことを
特徴とするものである。

【００３２】本発明の画像形成装置は、入力信号にもと
づいて、画像を形成する装置であって、少なくとも、画
像形成部材と上記の電子源より構成されたことを特徴と
するものである。

【００３３】本発明によれば、安定した電子放出特性を
長時間にわたって保持し得る電子放出素子を実現でき
る。

【００３４】更に、本発明によれば、長時間にわたり安
定で良好な画像を形成できる。

【００３５】なお、本発明の電子放出素子において、電
子放出部は、導電性膜の間隙部近傍である。ここで、間
隙部とは、導電性膜を二分するように形成されたもので
あるが、一部導電性膜がつながっている場合も含む。

【００３６】以下に、本発明の好ましい実施態様につい
て述べる。

【００３７】まず、本発明にかかわる表面伝導型電子放
出素子の基本的な構成について説明する。

【００３８】図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明
にかかわる基本的な平面型の表面伝導型電子放出素子の
構成を示す平面図および断面図である。図２（ａ）、
（ｂ）は、それぞれ、本発明にかかわる表面伝導型電子
放出素子の電子放出部近傍の構造を拡大して模式的に示
す平面図および断面図である。図１、図２を用いて、本
発明に係る素子の基本的な構成を説明する。

【００３９】図１において、１は基板、２と３は素子電
極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は金属酸化物
被膜である。

【００４０】図２において、１は基板、４は導電性薄
膜、５は電子放出部、６は金属酸化物被膜、１０は導電
性薄膜に形成された間隙、２１は炭素を主成分とする堆
積物、２２は堆積物２１の一部に形成された、より幅の
狭い間隙である。

【００４１】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂ を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。

【００４２】対向する素子電極２，３の材料としては導
電性を有するものであればどのようなものであっても構
わないが、例えばＮｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，
Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ，Ａ
ｇ，Ａｕ，ＲｕＯ₂ ，Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は金属酸化
物とガラス等から構成される印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −Ｓ
ｎＯ₂ 等の透明導電体及びポリシリコン等の半導体導体
材料等が挙げられる。

【００４３】素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性
薄膜４の形状等は、この素子の応用形態等によって適宜
設計され、例えば、後述するテレビジョン等の表示装置
では、画面サイズに対応した画素サイズが設計され、と
りわけ、高品位テレビでは画素サイズが小さく高精細さ
が要求される。そのため、電子放出素子のサイズが限定
されたなかで十分な輝度を得るためには、十分な放出電
流が得られるように設計される。

【００４４】素子電極間隔Ｌは、数十ｎｍより数百μｍ
あり、素子電極の製造方法の基本となるフォトリソグラ
フィー技術、即ち、露光機の性能とエッチング方法等、
及び、素子電極間に印加する電圧により設定されるが、
好ましくは、数μｍより数十μｍである。

【００４５】素子電極長さＷ、及び、素子電極２，３の
膜厚ｄは、電極の抵抗値、前述したＸ、Ｙ配線との結
線、多数配置された電子源の配置上の問題より適宜設計
され、通常は、素子電極の長さＷは、数μｍから数百μ
ｍであり、素子電極２，３の膜厚ｄは、数ｎｍより数μ
ｍである。

【００４６】尚、図１に示した構成だけでなく、基板１
上に、金属酸化物被膜６、導電性薄膜４、対向する素子
電極２，３の順や、基板１上に、対向する素子電極２，
３、金属酸化物被膜６、導電性薄膜４の順に積層した構
成とすることもできる。

【００４７】導電性薄膜４には、良好な電子放出特性を
得るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが
好ましい。その膜厚は、素子電極２，３へのステップカ
バレージ、素子電極２，３間の抵抗値及び後述するフォ
ーミング条件等を考慮して適宜設定される。

【００４８】一般に、導電性薄膜４の熱的安定性は電子
放出特性の寿命を支配する場合があり、導電性薄膜４の
材料としてより高融点な材料を用いるのが望ましい。し
かしながら、通常、導電性薄膜４の融点が高いほど後述
する通電フォーミングが困難となり、電子放出部形成の
ためにより大きな電力が求められる。

【００４９】さらに、その結果得られる電子放出部の形
態によって、電子放出し得る印加電圧（しきい値電圧）
が上昇する等、電子放出特性に問題が生じる場合があ
る。

【００５０】本発明においては、導電性薄膜４の材料と
して特に高融点のものを必要とはせず、比較的低いフォ
ーミング電力で良好な電子放出部が形成可能な材料・形
態のものを選ぶことができる。

【００５１】上記条件を満たす材料の例として、Ｎｉ，
Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，Ｐｔ等の導電材料をＲｓ（シート
抵抗）が１０² から１０⁷ Ω／□の抵抗値を示す膜厚で
形成したものが好ましく用いられる。なおＲｓは、厚さ
がｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の長さ方向に測定した抵
抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とおいたときに現われる値
で、抵抗率をρとすれば、Ｒｓ＝ρ／ｔである。上記抵
抗値を示す膜厚はおよそ５ｎｍから５０ｎｍの範囲にあ
り、この膜厚範囲において、それぞれの材料の薄膜は微
粒子膜の形態を有している。

【００５２】ここで述べる微粒子膜とは、複数の微粒子
が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個々に
分散配置した状態あるいは微粒子が互いに隣接、あるい
は重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、全体
として島状構造を形成している場合も含む）をとってい
る。

【００５３】微粒子の粒径は、数百ｐｍから数百ｎｍの
範囲、好ましくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。

【００５４】さて、前に例示した材料のなかでも、Ｐｄ
Ｏは、有機Ｐｄ化合物の大気中焼成により容易に薄膜形
成できること、半導体であるため比較的電気伝導度が低
く上記範囲の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマ
ージンが広いこと、電子放出部形成後などに、容易に還
元して金属Ｐｄとすることができるので膜抵抗を低減し
得ること、等から好適な材料である。しかしながら、本
発明の効果はＰｄＯに限られることなく、また、上記例
示した材料に限られるものではない。

【００５５】電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形
成された間隙部１０を含む高抵抗部であるが、後述する
活性化工程を経ることにより、図２に示すように、炭素
を主成分とした堆積物２１で構成される。また堆積物２
１は導電性薄膜に形成された間隙部１０よりもさらに幅
の狭い間隙部２２を有する。この間隙部２２もまた、一
部つながっている場合もある。

【００５６】なお、炭素を主成分とした堆積物２１は、
主にグラファイト状の炭素から成るが、導電性薄膜４な
らびに金属酸化物被膜６を構成する元素の一部あるいは
全てを含有することがある。

【００５７】電子放出部５を構成する炭素を主成分とし
た堆積物２１は、導電性薄膜４の間隙１０の内部におい
て基板１の表面に形成された金属酸化物被膜６に接して
いる。本発明では、詳しくは後述するが、活性化工程に
おける有機物質からの炭素堆積過程中に、金属酸化物被
膜６に含まれるニッケル、コバルト、鉄の元素が触媒作
用を及ぼすため、金属酸化物被膜６に対して層状に配向
した結晶性の良いグラファイト状炭素が容易に堆積す
る。

【００５８】金属酸化物被膜６は、酸化ニッケル、酸化
コバルト、酸化鉄から選ばれた単一金属元素の酸化物に
限らず、これらの酸化物の混合物、あるいはこれらのう
ち複数の金属元素を含む複合酸化物であってもよい。

【００５９】本発明では、前述のように、炭素の堆積に
かかわる触媒作用を有するニッケル、コバルト、鉄の元
素を、電子放出部５が基板と接する界面に配置すること
を目的にしているので、金属酸化物被膜６として、いろ
いろな形態を用いることができる。

【００６０】図４は、本発明で好ましく用いることがで
きる金属酸化物被膜６の形態の例を示したものである。
図４（ａ）は、金属酸化物被膜６として連続膜を用いた
もの、図４（ｂ）は微粒子膜あるいは島状膜を用いたも
のである。

【００６１】金属酸化物被膜６は、真空中で炭素と接触
した状態で熱が加わると金属に還元される場合がある。

【００６２】図４（ａ）に示した連続膜を用いた場合、
酸化物の還元により生成した金属が電子放出部５の直下
で導電路を形成してしまう場合がある。このような場
合、素子電極間に電圧を印加すると、素子電流Ｉfとし
てリーク電流が余分に流れてしまい、電子放出効率が著
しく低下するので好ましくない。

【００６３】還元して生成した金属の蒸気圧が高けれ
ば、その金属原子は真空中に脱離するため（結果として
図３の（ｃ），（ｄ）に示されるように金属酸化物被膜
６に溝７が形成される）導電路は形成されず問題にはな
らないが、生成した金属の蒸気圧が低い場合は、金属酸
化物被膜６として、上記金属の酸化物をシリカ等の絶縁
体の母材に混合した混合酸化物を好ましく用いることが
できる。

【００６４】一方、図４（ｂ）に示したように、金属酸
化物被膜６として、離散的に分散した微粒子膜あるいは
島状膜を用いれば、還元が生じた場合でも上述のリーク
電流を回避することができる。一般に、離散的に分散し
た微粒子膜あるいは島状膜では、微粒子間あるいは島間
には空間が存在するためその電気抵抗は連続膜に比べて
大きい。特に、微粒子膜の被覆度、すなわち、「膜中で
微粒子の占める面積／（膜中で微粒子の占める面積＋微
粒子間の空間の面積）」が５０％程度以下にまで小さく
なると膜の抵抗は指数関数的に増大するので、仮に微粒
子膜を構成する微粒子が導電性であったとしても、この
ような微粒子膜は事実上絶縁膜となる。したがって本発
明においては、膜厚はほぼ微粒子の粒径程度と考えてよ
いが、数百pmより数十nmであり、基板面を覆う微粒子膜
の被覆度を５０％程度以下に設定すればよい。

【００６５】上述のように、金属酸化物被膜６は、連続
膜、微粒子膜あるいは島状膜いずれの形態でも好ましく
用いることができ、また、他の酸化物との混合膜や複合
酸化物として用いることができる。

【００６６】また、これらの酸化物はスパッタ等の物理
的蒸着手法を用いて基板１上に形成する手法が一般的で
あるが、さらに簡便な方法として、有機金属化合物の溶
液をスピンコート、エアロコート、ディッピング、印刷
等の手法で塗布し、乾燥／焼成により酸化膜をつくる化
学的方法を用いることができる。

【００６７】なお、あらかじめニッケル、コバルト、鉄
の金属を上記手法で成膜し、その後酸素を含む雰囲気下
で加熱焼成して酸化物とすることもできる。

【００６８】以上述べたように、本発明では、電子放出
部５を構成する導電性薄膜の間隙部内の堆積物を配向性
および結晶性のよいグラファイト状炭素で構成するた
め、導電性、安定性に優れ、長時間にわたり安定な電子
放出特性を得ることができる。

【００６９】次に、本発明に係る別な構成の表面伝導型
電子放出素子である垂直型表面伝導型電子放出素子につ
いて説明する。

【００７０】図５は、基本的な垂直型表面伝導型電子放
出素子の構成を示す模式的図面である。

【００７１】図５において、図１と同一の符号のもの
は、同一である。４１は段さ形成部である。基板１、素
子電極２及び３、導電性薄膜４、電子放出部５、金属酸
化物被膜６は、前述した平面型表面伝導型電子放出素子
と同様の材料で構成されたものであり、段さ形成部４１
は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳ
ｉＯ₂ 等の絶縁性材料で構成され、段さ形成部４１の膜
厚が、先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子
電極間隔Ｌに対応し、数十ｎｍより数十μｍであり、段
さ形成部の製造方法、及び、素子電極間に印加する電圧
と電子放出し得る電界強度により設定されるが、好まし
くは、数十ｎｍより数μｍの範囲である。

【００７２】また、段さ形成部４１を金属酸化物被膜６
と同様の酸化物、すなわち、酸化ニッケル、酸化コバル
ト、酸化鉄から選ばれた単一金属元素の酸化物、あるい
は、これらのうち複数の金属元素を含む複合酸化物、さ
らには、シリカ等の絶縁体との混合酸化物で形成するこ
ともできる。この場合、段さ形成部４１自体が金属酸化
被膜６であるとみなすことができるので、あらためて金
属酸化物被膜６を形成しなくても、本発明による効果が
得られることは言うまでもない。

【００７３】導電性薄膜４は、段さ形成部４１、金属酸
化物被膜６、素子電極２及び３作製後に形成されるた
め、素子電極２，３の上に積層される。なお、電子放出
部５は、図５において、段差形成部４１に直線状に示さ
れているが、作製条件、通電フォーミング条件等に依存
し、形状、位置ともこれに限るものでない。

【００７４】電子放出部５を有する電子放出素子の製造
方法としては様々な方法が考えられるが、その一例を図
６に示す。

【００７５】以下、順をおって製造方法の説明を図１、
図２及び図６に基づいて説明する。

【００７６】１） 基板１を洗剤、純水および有機溶剤
により十分に洗浄後、スパッタ法等により金属酸化物被
膜６を形成する（図６（ａ））。なお、金属酸化物被膜
６の形成法は、スパッタ法に限るものではなく、他の真
空蒸着法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法等、有機金属系
塗布材によって形成される場合もある。また、予め金属
の被膜を形成した後に酸化させて金属酸化物被膜６を形
成することもできる。

【００７７】２） つづいて、金属酸化物被膜６を形成
した基板１に、素子電極材料を、真空蒸着法、スパッタ
法等により堆積後、フォトリソグラフィー技術により素
子電極２，３を形成する（図６（ｂ））。

【００７８】３） 金属酸化物被膜６を形成した絶縁性
基板１上に設けられた素子電極２と素子電極３との間
に、有機金属溶液を塗布して乾燥することにより、有機
金属膜を形成する。なお、有機金属溶液とは、前記Ｐ
ｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属を主元素とする有機金属
化合物の溶液である。この後、有機金属膜を加熱焼成処
理し、リフトオフ、エッチング等によりパターニング
し、導電性薄膜４を形成する（図６（ｃ））。なお、こ
こでは、有機金属溶液の塗布法により説明したが、これ
に限るものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ
法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法、イン
クジェット法等によって形成される場合もある。

【００７９】４） つづいて、フォーミングと呼ばれる
通電処理を、素子電極２，３間に電圧を不図示の電源に
よりパルス状電圧あるいは、昇電圧の印加により行う
と、導電性薄膜４の部位に構造の変化した間隙部が形成
される（図６（ｄ））。この通電処理により導電性薄膜
４を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、構造の変
化した部位（高抵抗部位）を間隙１０と呼ぶ。なお、こ
の部位において、金属酸化物被膜６が一部露出する。

【００８０】フォーミング処理以降の電気的処理は、図
７に示す測定評価装置内で行う。以下に測定評価装置を
説明する。

【００８１】図７は、図１で示した構成を有する素子の
電子放出特性を測定するための測定評価装置の概略構成
図である。図７において、１は基体、２及び３は素子電
極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は金属酸化物
被膜を示す。また、６１は素子に素子電圧Ｖfを印加す
るための電源、６０は素子電源２，３間の導電性薄膜４
を流れる素子電流Ｉfを測定するための電流計、６４は
素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉeを捕捉す
るためのアノード電極、６３はアノード電極６４に電圧
を印加するための高圧電源、６２は素子の電子放出部５
より放出される放出電流Ｉeを測定するための電流計で
ある。

【００８２】電子放出素子の上記素子電流Ｉf、放出電
流Ｉeの測定にあたっては、素子電流２，３に電源６１
と電流計６０とを接続し、該電子放出素子の上方に電源
６３と電流計６２とを接続したアノード電極６４を配置
している。また、電子放出素子及びアノード電極６４は
真空装置内に設置され、その真空装置には不図示の排気
ポンプ及び真空計等の真空装置に必要な機器が具備され
ており、所望の真空下で素子の測定評価を行えるように
なっている。なお、排気ポンプは、ターボポンプ、ロー
タリーポンプからなる通常の高真空装置系あるいは、オ
イルを使用しない、磁気浮上ターボポンプ、ドライポン
プ等の高真空装置系と更に、イオンポンプからなる超高
真空装置系からなる。また、真空装置全体、及び電子放
出素子は、不図示のヒーターにより加熱できる。

【００８３】なお、アノード電極の電圧を１ｋＶ〜１０
ｋＶ、アノード電極と電子放出素子との距離Ｈは２ｍｍ
〜８ｍｍの範囲で測定した。

【００８４】フォーミング処理は、パルス波高値が定電
圧のパルスを印加する場合とパルス波高値を増加させな
がら、電圧パルスを印加する場合とがある。まず、パル
ス波高値が定電圧のパルスを印加の場合の電圧波形を図
８（ａ）に示す。

【００８５】図８（ａ）中、Ｔ1及びＴ2は電圧波形のパ
ルス幅とパルス間隔であり、Ｔ1を１μｓｅｃ〜１０ｍ
ｓｅｃ、Ｔ2を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとし、三
角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は適宜選
択する。

【００８６】次に、パルス波高値を増加させながら、電
圧パルスを印加する場合の電圧波形を、図８（ｂ）に示
す。

【００８７】図８（ｂ）中、Ｔ1及びＴ2は電圧波形のパ
ルス幅とパルス間隔であり、Ｔ1を１μｓｅｃ〜１０ｍ
ｓｅｃ、Ｔ2を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとし、三
角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は、例え
ば０．１Ｖステップ程度づつ、増加させる。

【００８８】なお、フォーミング処理の終了は、フォー
ミング用パルスの間に、導電性薄膜２を局所的に破壊、
変形しない程度の電圧例えば０．１Ｖ程度のパルス電圧
を挿入して素子電流を測定し、抵抗値を求め、例えば、
１ＭΩ以上の抵抗を示した時、フォーミングを終了とし
た。

【００８９】以上説明した間隙部を形成する際に、素子
の電極間に三角波パルスを印加してフォーミング処理を
行っているが、素子の電極間に印加する波形は三角波に
限定することはなく、矩形波など所望の波形を用いても
よく、その波高値及びパルス幅、パルス間隔等について
も上述の値に限ることなく、電子放出部が良好に形成さ
れるように、電子放出素子の抵抗値等にあわせて、適当
な値を選択する。

【００９０】５） 次に、フォーミングが終了した素子
に活性化処理を施す。活性化処理の工程は、有機物質を
含有する雰囲気下で行うが、この雰囲気は、例えば油拡
散ポンプやロータリーポンプなどを用いて真空容器内を
排気した場合に雰囲気内に残留する有機物質を利用して
形成することができる他、イオンポンプなどにより一旦
十分に排気した真空中に適当な有機物質を導入すること
によっても得られる。このときの好ましい有機物質の圧
力は、前述の応用の形態、真空容器の形状や、有機物質
の種類などにより異なるため場合に応じ適宜設定され
る。

【００９１】適当な有機物質としては、アルカン、アル
ケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素
類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン
類、ニトリル類、フェノール、カルボン、スルホン酸等
の有機酸類等を挙げることが出来、具体的には、メタ
ン、エタン、プロパンなどＣ_nＨ_2n+2で表される飽和炭
化水素、エチレン、プロピレンなどＣ_nＨ_2n等の組成式
で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、メタ
ノール、エタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデ
ヒド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルアミン、
エチルアミン、フェノール、ベンゾニトリル、アセトニ
トリル、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等が使用できる。

【００９２】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素が素子上に堆積し、素子電流Ｉf、放出
電流Ｉeが、著しく変化するようになる。

【００９３】本発明においては、フォーミング処理によ
って導電性薄膜４が局所的に破壊、変形した部位（すな
わち間隙部１０）において金属酸化物被膜６が一部露出
しているため、有機物質から炭素が堆積する過程で、金
属酸化物被膜６に含まれる金属元素、すなわち、鉄、コ
バルト、ニッケルによる触媒作用を受けることになる。

【００９４】従って、炭素の堆積レート、すなわち活性
化に要する時間は、他の触媒作用の無い酸化物表面（た
とえばシリカ）に比べて速くなり、かつ間隙部内に堆積
する炭素は配向性、結晶性が優れたグラファイト状とな
る。

【００９５】なお、堆積した炭素の配向は、金属酸化物
被膜６の表面形状にほぼ平行な層状の配向となるが、金
属酸化物被膜６の表面形状が基板表面に平行な場合（図
４（ａ）参照）、炭素の配向は基板表面にほぼ平行な配
向となり、より好ましい。

【００９６】なお、活性化工程の終了判定は、素子電流
Ｉfおよび／または放出電流Ｉeを測定しながら、適宜行
う。パルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設
定することができる。

【００９７】本発明におけるグラファイト状の炭素と
は、完全なグラファイトの結晶構造を有するもの（いわ
ゆるＨＯＰＧ）、結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がや
や乱れたもの（ＰＧ）、結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶
構造の乱れがさらに大きくなったもの（ＧＣ）を包含す
るが、グラファイト層間隔として、０．３５ｎｍ以下
（完全なグラファイトでは０．３３５ｎｍ）の炭素が含
まれているものが好ましい。すなわち、グラファイト粒
子間の粒界などの層の乱れが存在していても好ましく用
いることができる。

【００９８】本発明に係る表面伝導型電子放出素子にお
ける炭素の堆積機構は必ずしも明らかとはなっていない
が、該堆積過程において上記金属元素による触媒作用の
結果、金属酸化物被膜６に平行な層構造をもって配向し
た、結晶性の良いグラファイト状炭素が形成される。配
向性及び結晶性の良い炭素は、電気伝導性、熱的安定性
に優れた材料であるため、本発明による電子放出素子
は、長時間にわたり安定な電子放出特性を示すことがで
きると考えられる。

【００９９】なお、上記グラファイト状炭素の膜厚は、
５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下
の範囲とすることがより好ましい。

【０１００】６） こうして作製した電子放出素子に、
好ましくは、安定化工程を行う。この工程は、真空容器
内の有機物質を排気する工程である。真空容器内の圧力
は、１〜３×１０^-7Torr以下が好ましく、さらに１×１
０^-8Torr以下が特に好ましい。真空容器を排気する真空
排気装置は、装置から発生するオイルが素子の特性に影
響を与えないように、オイルを使用しないものを用いる
のが好ましい。具体的には、ソープションポンプ、イオ
ンポンプ等の真空排気装置を挙げることができる。さら
に真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱
して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物
質分子を排気しやすくするのが好ましい。このときの加
熱条件は、８０〜３５０℃、好ましくは２００℃以上で
できるだけ長時間行なうのが望ましいが、特にこの条件
に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放
出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれる条件によ
り行う。

【０１０１】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去
されていれば、圧力自体は多少上昇しても十分安定な特
性を維持することができる。

【０１０２】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、
結果として素子電流Ｉf、放出電流Ｉeが安定する。

【０１０３】上述のような製造方法によって作製された
本発明を適用可能な電子放出素子の基本特性について図
７、図９を用いて説明する。

【０１０４】図７に示した測定評価装置により測定され
た放出電流Ｉe及び素子電流Ｉfと素子電圧Ｖfの典型的
な例を図９に示す。なお、図９は、放出電流Ｉeは素子
電流Ｉfに比べて著しく小さいので、任意単位で示され
ており、いずれもリニアスケールである。図９からも明
らかなように、本電子放出素子は放出電流Ｉeに対する
三つの性質を有する。

【０１０５】まず第１に、本素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ、図９中のＶth）以上の素子電圧を印加する
と急激に放出電流Ｉeが増加し、一方しきい値電圧Ｖth
より小さい素子電圧では放出電流Ｉeがほとんど検出さ
れない。すなわち、放出電流Ｉeに対する明確なしきい
値電圧Ｖthを持った非線形素子である。

【０１０６】第２に、放出電流Ｉeが素子電圧Ｖfに依存
するため、放出電流Ｉeは素子電圧Ｖfで制御できる。

【０１０７】第３に、アノード電極６４に捕捉される放
出電荷は、素子電圧Ｖfを印加する時間に依存する。つ
まり、アノード電極６４に捕捉される電荷量は、素子電
圧Ｖfを印加する時間により制御できる。

【０１０８】図９においては、素子電流Ｉfが素子電圧
Ｖfに対して単調増加する（ＭＩ特性と呼ぶ）例を実線
に示した。素子電流Ｉfが素子電圧Ｖfに対して電圧制御
型負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性と呼ぶ）を示す場合もあ
る（不図示）。これら特性は、前述の工程を制御するこ
とで制御できる。

【０１０９】以上のような表面伝導型電子放出素子の特
性を用いると、入力信号に応じて電子放出特性を容易に
制御できることになる。さらに、本発明にかかわる電子
放出素子は、長時間にわたって安定かつ高輝度な電子放
出特性を有するため、多方面への応用が期待できる。

【０１１０】本発明を適用可能な電子放出素子の応用例
について以下に述べる。

【０１１１】本発明による表面伝導型電子放出素子の複
数個を基板上に配列し、例えば電子源あるいは、画像形
成装置を構成できる。

【０１１２】基板上の素子の配列については、例えば、
多数の電子放出素子を並列に配置し、個々の素子の両端
を配線にて結線した、電子放出素子の行を多数個配列し
（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向に（列方向
と呼ぶ）、該電子源の上方の空間に設置された制御電極
（グリッドと呼ぶ）により電子を制御駆動する配列形態
（はしご型という）、及び次に述べるｍ本のＸ方向配線
の上にｎ本のＹ方向配線を、層間絶縁層を介して設置
し、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極にそれぞ
れ、Ｘ方向配線、Ｙ方向配線を接続した配列形態が挙げ
られる。以降これを単純マトリクス配置と呼ぶ。

【０１１３】まず、この単純マトリクス配置について詳
述する。

【０１１４】本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子
の前述した３つの基本的特性の特徴によれば、表面伝導
型電子放出素子からの放出素子は、しきい値電圧以上で
は、対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の波高
値と巾で制御できる。一方、しきい値電圧より小さい
と、殆ど放出されない。この特性によれば、多数の電子
放出素子を配置した場合でも、個々の素子に、上記パル
ス状電圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝
導型電子放出素子を選択し、その電子放出量が制御でき
ることとなる。

【０１１５】以下この原理に基づき構成した電子源基板
の構成について、図１０を用いて説明する。

【０１１６】ｍ本のＸ方向配線９２は、ＤX1、ＤX2、・・
・、ＤXmからなり、基板１上に、真空蒸着法、印刷法、
スパッタ法等で形成し、所望のパターンとした導電性金
属等からなり、多数の表面伝導型電子放出素子にほぼ均
等な電圧が供給されるように、材料、膜厚、配線幅等が
設計される。これらｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ方
向配線９３間には、不図示の層間絶縁層が設置され、電
気的に分離されて、マトリクス配線を構成する（この
ｍ，ｎは、共に正の整数）。

【０１１７】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂ 等であり、Ｘ方
向配線９２を形成した基板９１の全面域は一部に所望の
形状で形成され、特に、Ｘ方向配線９２とＹ方向配線９
３の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製
造方法が、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。

【０１１８】なお、表面伝導型電子放出素子９４の直下
に、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄から選ばれた
単一金属元素の酸化物、あるいは、これらのうち複数の
金属元素を含む複合酸化物の被膜が存在するように、上
記絶縁性基板１ないし上記層間絶縁層上に形成されてい
る（不図示）。

【０１１９】さらに、前述と同様にして、表面伝導型電
子放出素子９４の対向する電極（不図示）が、ｍ本のＸ
方向配線９２（ＤX1、ＤX2、・・・、ＤXm）とｎ本のＹ方
向配線９３（ＤY1、ＤY2、・・・、ＤYn）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もの
である。

【０１２０】ここで、ｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ
方向配線９３と結線９５と対向する素子電極の導電性金
属は、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
ば前述の素子電極の材料より適宜選択される。

【０１２１】また、詳しくは後述するが、前記Ｘ方向配
線９２には、Ｘ方向に配列する表面伝導型電子放出素子
９４の行を、入力信号に応じて、走査するための走査信
号を印加するための不図示の走査信号印加手段と電気的
に接続され、一方、Ｙ方向配線９３には、Ｙ方向に配列
する表面伝導型電子放出素子９４の各列を入力信号に応
じて、変調するための変調信号を印加するための不図示
の変調信号発生手段と電気的に接続される。

【０１２２】更に、表面伝導型電子放出素子の各素子に
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ものである。

【０１２３】次に、以上のようにして作製した電子源基
板を用いた電子源、及び、表示等に用いる画像形成装置
について、図１１と図１２を用いて説明する。図１１
は、画像形成装置の基本構成図であり、図１２は蛍光膜
である。

【０１２４】図１１において、９１は電子放出素子を複
数配した電子源基板、１０１は電子源基板９１を固定し
たリアプレート、１０６はガラス基板１０３の内面に蛍
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。１０２は、支持枠であり、リアプレ
ート１０１、支持枠１０２及びフェースプレート１０６
をフリットガラスを塗布し、大気中あるいは、窒素中
で、４００〜５００℃で１０分以上焼成することで、封
着して、外囲器１０８を構成する。

【０１２５】図１１において、９４は、図１あるいは図
２に示された表面伝導型電子放出部に相当する。９２、
９３は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極と接
続されたＸ方向配線及びＹ方向配線である。また、これ
ら素子電極への配線は、素子電極と配線材料が同一であ
る場合は、素子電極と呼ぶ場合もある。

【０１２６】外囲器１０８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
成したが、リアプレート１０１は主に基板９１の強度を
補強する目的で設けられるため、基板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は不要であ
り、基板９１に直接支持枠１０２を封着し、フェースプ
レート１０６、支持枠１０２、基板９１で外囲器１０８
を構成しても良い。

【０１２７】一方、フェースプレート１０６、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１０８を構成することもできる。

【０１２８】図１２は、蛍光膜である。蛍光膜１０４
は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、カラ
ーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配列によりブラックスト
ライプあるいは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とで構成される。ブラック
ストライプ、ブラックマトリクスが設けられる目的は、
カラー表示の場合に求められる３原色蛍光体の、各蛍光
体１１２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、通常良く用いられている黒
鉛を主成分とする材料だけでなく、導電性があり、光の
透過及び反射が少ない材料であればこれに限るものでは
ない。

【０１２９】ガラス基板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
が用いられる。

【０１３０】また、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。メタルバックの目的は、
蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート１
０６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
るダメージからの蛍光体の保護等である。メタルバック
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。

【０１３１】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。

【０１３２】前述の封着を行う際、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なくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行なう。

【０１３３】外囲器１０８は、不図示の排気管を通じ、
１×１０^-7Torr程度の真空度にした後、封止がおこなわ
れる。また、外囲器１０８の封止後の真空度を維持する
ために、ゲッター処理を行なう場合もある。これは、外
囲器１０８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の加熱法により、外囲器１０８
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。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、たとえ
ば１×１０^-5ないしは１×１０^-7Torrの真空度を維持す
るものである。

【０１３４】以上により完成した本発明の画像表示装置
において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄox1ない
しＤoxmないしＤoynを通じ、電圧を印加することによ
り、電子放出させ、高圧端子１０７を通じ、メタルバッ
ク１０５あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上の高
圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜１０４に衝突
させ、励起・発光させることで画像を表示するものであ
る。

【０１３５】次に図２０及び図２１に示したような、並
列に配置した多数の電子放出素子の個々を両端で接続
し、電子放出素子の行を多数個配し（行方向と呼ぶ）、
この配線と直交する方向（列方向と呼ぶ）で、該電子放
出素子の上方に配した制御電極（グリッドとも呼ぶ）に
より、電子放出素子からの電子を制御駆動するはしご状
配置のものについて説明する。

【０１３６】以下、はしご型配置の電子源及び画像形成
装置について図２０及び図２１を用いて説明する。

【０１３７】図２０は、はしご型配置の電子源の一例を
示す模式図である。図２０において、２１０は電子源基
板、２１１は電子放出素子である。２１２、Ｄx1〜Ｄxm
は、電子放出素子２１１を接続するための共通配線であ
る。電子放出素子２１１は、基板２１０上に、Ｘ方向に
並列に複数個配されている（これを素子行と呼ぶ）。こ
の素子行が複数個配されて、電子源を構成している。各
素子行の共通配線間に駆動電圧を印加することで、各素
子行を独立に駆動させることができる。即ち、電子ビー
ムを放出させたい素子行には、電子放出しきい値以上の
電圧を、電子ビームを放出しない素子行には、電子放出
しきい値以下の電圧を印加する。各素子行間の共通配線
Ｄx2〜Ｄx9は、例えばＤx2，Ｄx3を同一配線とすること
もできる。

【０１３８】図２１は、はしご型配置の電子源を備えた
画像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図で
ある。２２０はグリッド電極、２２１は電子が通過する
ため空孔、２２２はＤox1，Ｄox2，・・・，Ｄoxmよりなる
容器外端子である。２２３は、グリッド電極２２０と接
続されたＧ１，Ｇ２，・・・，Ｇｎからなる容器外端子、
２２４は各素子行間の共通配線を同一配線とした電子源
基板である。ここに示した画像形成装置と、図１１に示
した単純マトリクス配置の画像形成装置との大きな違い
は、電子源基板２１０とフェースプレート１８６の間に
グリッド電極２２０を備えているか否かである。

【０１３９】図２１においては、基板２１０とフェース
プレート１８６の間には、グリッド電極２２０が設けら
れている。グリッド電極２２０は、表面伝導型電子放出
素子から放出された電子ビームを変調するためのもので
あり、はしご型配置の素子行と直交して設けられたスト
ライプ状の電極に電子ビームを通過させるため、各素子
に対応して１個ずつ円形の開口２２１が設けられてい
る。グリッドの形状や設置位置は図１６に示したものに
限定されるものではない。例えば、開口としてメッシュ
状に多数の通過口を設けることもでき、グリッドを表面
伝導型電子放出素子の周囲や近傍に設けることもでき
る。

【０１４０】容器外端子２２２およびグリッド容器外端
子２２３は、不図示の制御回路と電気的に接続されてい
る。

【０１４１】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）していくのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示することができる。

【０１４２】なお、以上述べた構成は、表示等に用いら
れる好適な画像形成装置を作製する上で求められる概略
構成であり、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述
内容に限られるものではなく、画像装置の用途に適する
よう適宜選択する。

【０１４３】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１３を用いて説明する。

【０１４４】図１３は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応
じて表示を行なうための駆動回路の一例を示すブロック
図であり、図１３中、１２１は表示パネル、１２２は走
査信号発生回路、１２３はタイミング制御回路、１２４
はシフトレジスタである。１２５はラインメモリ、１２
６は同期信号分離回路、１２７は変調信号発生回路、Ｖ
ｘおよびＶａは直流電圧源である。

【０１４５】表示パネル１２１は、端子Ｄox1乃至Ｄox
m、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表面伝導型電子放
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。端子Ｄox1乃至Ｄoynには、前記走査信
号により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の各
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
１０ｋＶの直流電圧が供給されるが、これは表面伝導型
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。

【０１４６】走査信号発生回路１２２は、内部にｍ個の
スイッチング素子を備えたものである（図中、Ｓ１ない
しＳｍで模式的に示している）。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０Ｖ（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Ｄox1ないしＤoxmと電気的に接続される。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わせること
により構成することができる。

【０１４７】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型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。

【０１４８】タイミング制御回路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なわれるよう
に各部の動作を整合させる機能を有する。タイミング制
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。

【０１４９】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。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。

【０１５０】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、前記タ
イミング制御回路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。）。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。

【０１５１】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、タイミング制御回路１２３より送られる制御信号Ｔ
mry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。

【０１５２】変調信号発生器１２７は、画像データＩ′
d1乃至Ｉ′dnの各々に応じて表面伝導型電子放出素子の
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１２１
内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１５３】前述したように、本発明を適用可能な電子
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。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖth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。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
変化させること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、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
ることが可能である。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。

【０１５４】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。

【０１５５】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。

【０１５６】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なわれれば良いからである。

【０１５７】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
することが求められるが、これには同期信号分離回路１
２６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。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表
面伝導型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。

【０１５８】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、必要に応じて表面伝導型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。

【０１５９】このような構成をとり得る本発明を適用可
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Ｄoxm、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。高圧端子Ｈｖ
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。

【０１６０】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。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。

【０１６１】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。

【０１６２】

【実施例】以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳述
する。

【０１６３】〔実施例１〕本実施例にかかわる基本的な
表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ）、（ｂ）
の平面図及び断面図、及び図２（ａ）、（ｂ）の拡大し
た平面図及び断面図と同様である。

【０１６４】本実施例にかかわる表面伝導型電子放出素
子の製造方法は、基本的には図６と同様である。以下、
図１、図２、図６を用いて、本実施例に関わる素子の基
本的な構成及び製造方法を説明する。

【０１６５】以下、順をおって製造方法の説明を図１、
図２及び図６に基づいて説明する。

【０１６６】（工程−ａ）最初に、清浄化した石英基板
１上に電子ビーム蒸着法により、ニッケルを蒸着した。
このとき、水晶振動子を用いて膜厚をモニターし、１ｎ
ｍの膜厚となる条件で成膜した。この膜を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、粒子径２ｎｍ程度の微粒子が被
覆率４０〜５０％程度で分散した、図４（ｂ）に示した
ような島状膜であることがわかった。なお、この膜のシ
ート抵抗Ｒｓを１ＭΩ／□まで計測可能な装置で測定を
試みたが測定不能であり、少なくとも１ＭΩ／□以上の
シート抵抗を有することがわかった。

【０１６７】次に、上記ニッケル微粒子膜を形成した基
板１を大気中、５００℃で３０分間焼成して酸化し、走
査型電子顕微鏡で観察したところ、焼成前の膜とほぼ同
じ微粒子膜の形態を有していた。念のため、この膜のシ
ート抵抗Ｒｓを測定したがやはり測定不能であり、少な
くとも１ＭΩ／□以上のシート抵抗を有することがわか
った。

【０１６８】このようにして、基板１上に微粒子膜状の
金属酸化物被膜６を形成した（図６の（ａ））。

【０１６９】一方、本発明の効果を明確にするため、上
記金属酸化物被膜６の形成を行なわない石英基板上に、
以後、本実施例と同じ工程を経て表面伝導型電子放出素
子を製造し、参考例とした。

【０１７０】（工程−ｂ）金属酸化物被膜６を形成した
基板１上に、素子電極２，３と所望の素子電極間ギャッ
プＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２００
０Ｎ 日立化成社製）で形成し、電子ビーム蒸着法によ
り、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉを順次堆
積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎ
ｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌは３μ
ｍとし、素子電極の幅Ｗが３００μｍを有する素子電極
２，３を形成した（図６の（ｂ））。

【０１７１】（工程−ｃ）膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真
空蒸着により堆積し、後述の導電性薄膜の形状に対応す
る開口を有するようにパターニングし、その上に有機パ
ラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４２３０奥野製薬（株）社
製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１２分間
の加熱焼成処理をした。また、こうして形成された酸化
パラジウム微粒子を主体とする導電性薄膜４の膜厚は１
０ｎｍ、シート抵抗Ｒｓは２×１０ ⁴ Ω／□であった。
なおここで述べる微粒子膜とは、前述したように、複数
の微粒子が集合した膜である。

【０１７２】（工程−ｄ）Ｃｒ膜および焼成後の導電性
薄膜４を酸エッチャントによりエッチングして所望のパ
ターンの導電性薄膜４を形成した（図６の（ｃ））。

【０１７３】以上の工程により基板１上に、金属酸化物
被膜６、素子電極２，３、導電性薄膜４を形成した。

【０１７４】（工程−ｅ）次に、図７の測定評価装置に
設置し、真空ポンプにて排気し、１×１０^-8Torrの真空
度に達した後、素子に素子電圧Ｖfを印加するための電
源６１より、素子の素子電極２，３間に電圧を印加し、
フォーミング処理を行なった。フォーミング処理の電圧
波形は図８（ｂ）に示したものである。

【０１７５】図８（ｂ）中、Ｔ1及びＴ2は電圧波形のパ
ルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ1を１ｍｓ
ｅｃ、Ｔ2を１０ｍｓｅｃとし、矩形波の波高値は０．
１Ｖステップで昇圧し、フォーミング処理を行なった。
また、フォーミング処理中は、同時に、０．１Ｖの電圧
で、フォーミング用パルスの間に抵抗測定パルスを挿入
し、抵抗を測定した。尚フォーミング処理の終了は、抵
抗測定パルスでの測定値が、約１ＭΩ以上になった時と
し、同時に、素子への電圧の印加を終了した。

【０１７６】（工程−ｆ）続いて、活性化工程を行なう
ために、ベンゾニトリルをスローリークバルブを通して
真空装置内に導入し、１．０×１０^-6Torrを維持した。
次にフォーミング処理した素子に、図１４に示した波形
で波高値を１４Ｖで活性化処理をした。すなわち、測定
評価装置内で、素子電流Ｉfを測定しながら、素子電極
間にパルス電圧を印加した。約１５分でＩf値がほぼ飽
和したため、通電を停止し、スローリークバルブを閉
め、活性化処理を終了した。

【０１７７】なお、金属酸化物被膜６を形成しなかった
参考例の素子に同様の活性化工程を行ったところ、Ｉf
値がほぼ飽和に達するのに約３０分を要した。

【０１７８】このように、本実施例の素子は、参考例の
素子に比べて活性化時間を短縮することができた。

【０１７９】（工程−ｇ）続いて、安定化工程を行な
う。真空装置及び電子放出素子をヒーターにより加熱し
て約２５０℃に維持しながら真空装置内の排気を続け
た。２０時間後、ヒーターによる加熱をやめ、室温に戻
したところ真空装置内の圧力は５×１０^-10 Torr程度に
達した。

【０１８０】続いて、電子放出特性の測定を行なった。

【０１８１】アノード電極６４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源６３によりアノード電極６
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源６１を用
いて素子電極２，３の間に波高値１４Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計６０及び電流計６２により、本実
施例の素子及び参考例の素子の素子電流Ｉfおよび放出
電流Ｉeをそれぞれ測定した。

【０１８２】本実施例の素子は、素子電流Ｉf＝７．０
ｍＡ、放出電流Ｉe＝１７．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２５％であった。参考例の素子で
は、素子電流Ｉf＝４．０ｍＡ、放出電流Ｉe＝８μＡ、
電子放出効率η（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２０％であった。

【０１８３】この後さらに電子放出させ続け、一定時間
経過した時点で再度素子電流Ｉfおよび放出電流Ｉeを測
定したところ、本実施例の素子は、素子電流Ｉf＝７．
０ｍＡ、放出電流Ｉe＝１７．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２５％で、変化していなかったの
に対し、参考例の素子では素子電流Ｉf＝２．５ｍＡ、
放出電流Ｉe＝５μＡ、電子放出効率η（＝Ｉe／Ｉf）
＝０．２０％であった。

【０１８４】この結果から、本実施例の素子は、参考例
の素子と比較して、放出電流Ｉe、電子放出効率ηが優
れているだけでなく、安定性においても優れていること
がわかった。

【０１８５】また、上記工程で作製した本実施例の素
子、及び参考例の素子について、電子顕微鏡観察および
元素分析を行なった。

【０１８６】まず、走査型電子顕微鏡を用い、素子の電
子放出部５を含む平面の観察を行なった。本実施例の素
子の平面形状は、図２（ａ）に示した導電性薄膜の間隙
１０の内側及び間隙１０の近傍の導電性薄膜上に堆積物
が存在した形状と同様のものであった。すなわち、導電
性薄膜４に形成された間隙部１０の両側に堆積物が有
り、この堆積物は、導電性薄膜４に形成された間隙部近
傍、すなわち電子放出部５のほぼ全域で観測された。一
方、参考例の素子では、本実施例の素子と同様に導電性
薄膜４に形成された間隙部の両側に堆積物が有る領域が
観察されたが、ところどころ堆積物のない領域も見られ
た。更に導電性薄膜に形成された間隙部１０内の堆積物
２１には前記間隙部１０よりも幅の狭い間隙２２が本実
施例の素子に観察された。

【０１８７】次に、本実施例の素子及び参考例の素子の
導電性薄膜４の間隙近傍の堆積物を、電子プローブマイ
クロアナリシス（ＥＰＭＡ）及びＸ線光電子分光（ＸＰ
Ｓ）、さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、
該堆積物が炭素を主成分としてなることを確認した。

【０１８８】さらに、それぞれの素子の電子放出部５お
よび堆積物を含む断面の透過型電子顕微鏡観察を行なっ
た。なお、参考例の素子は、走査型電子顕微鏡による平
面形状観察で見られた堆積物のある領域を注意深く選ん
で観察した。

【０１８９】その結果、本実施例の素子の導電性薄膜４
の間隙内部には、図２（ｂ）に示した形状と同様に堆積
物があり、その堆積物には基板面に平行な層状の配向を
示す格子像が観察された。なお、この堆積物の電子線回
折を測定したところ、格子間隔として約３．４Åが得ら
れた。また、この堆積物と基板との界面近傍をエネルギ
ー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）によって元素分析した
ところ堆積物の接する基板表面にＮｉ元素が存在するこ
とが確認された。一方、参考例の素子の導電性薄膜４の
間隙内部にもやはり堆積物があったが、その配向は本実
施例の素子に比べて乱れていた。なお、この堆積物の電
子線回折を測定したところ、格子間隔として約３．８Å
が得られた。

【０１９０】グラファイトのｃ面の格子間隔は約３．３
５Åであり、本実施例の素子の堆積物で得られた値はこ
れに近く、堆積物が主に結晶性の良いグラファイト状の
炭素からなることを示すものと考えられる。他方、参考
例の素子の堆積物では、格子間隔が非常に大きくなって
おり、これは結晶性が低く構造が乱れていることを反映
していると思われる。

【０１９１】これらの観察結果から、本実施例の素子で
は、導電性薄膜４の間隙１０内部に堆積した炭素は配向
性及び結晶性が良く、電子放出特性の安定性に寄与して
いることが分かった。

【０１９２】さらに、金属酸化物被膜６として、上記酸
化ニッケルの他、酸化コバルト、酸化鉄をそれぞれ微粒
子状に形成した被膜を用いた場合にも、同様の効果が得
られた。

【０１９３】以上のように本実施例では、特性の良い安
定な電子放出が得られた。

【０１９４】〔実施例２〕本実施例においても、基本的
な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ）、
（ｂ）の平面図及び断面図、及び図２（ａ）、（ｂ）の
拡大した平面図及び断面図と同様である。

【０１９５】また、本実施例に係わる表面伝導型電子放
出素子の製造方法も、基本的には図６と同様である。以
下、図１、図２、図６を用いて、本実施例に関わる素子
の基本的な構成及び製造方法を説明する。

【０１９６】以下、順をおって製造方法の説明を図１、
図２及び図６に基づいて説明する。

【０１９７】（工程−ａ）最初に、ＳＹＭＥＴＲＩＸ社
製の酸化コバルト塗布材料と酸化シリコン塗布材料を混
合し、焼成後の酸化コバルトの成分比が５０ｍｏｌ％と
なるように組成をあらかじめ調整した。清浄化した青板
ガラス基板１上に前述の溶液を用いてスピンコーティン
グを行い、この基板を１２０℃で３０分乾燥した後、４
７０℃で３０分前焼成を行い、５５０℃で６０分本焼成
を行い厚さ約８０ｎｍの金属酸化物被膜６を形成した
（図６の（ａ））。この金属酸化物を含有する被膜６の
シート抵抗Ｒｓを１ＭΩ／□まで計測可能な装置で測定
を試みたが測定不能であり、少なくとも１ＭΩ／□以上
のシート抵抗を有することがわかった。

【０１９８】ここで、本発明の効果を明確にするため、
上記金属酸化物を含有する被膜６に相当する層を酸化シ
リコン１００％で形成した青板ガラス基板上に以後本実
施例と同じ工程を経て表面伝導型電子放出素子を製造
し、参考例とした。

【０１９９】（工程−ｂ）金属酸化物を含有する被膜６
を形成した基板１上に、素子電極２，３と所望の素子電
極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（Ｒ
Ｄ−２０００Ｎ日立化成社製）で形成し、電子ビーム蒸
着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉ
を順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶
解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔
Ｌは３μｍとし、素子電極の幅Ｗが３００μｍを有する
素子電極２，３を形成した（図６の（ｂ））。

【０２００】（工程−ｃ）膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真
空蒸着により堆積し、後述の導電性薄膜の形状に対応す
る開口を有するようにパターニングし、その上に有機パ
ラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４２３０奥野製薬（株）社
製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１２分間
の加熱焼成処理をした。また、こうして形成された酸化
パラジウム微粒子を主体とする導電性薄膜４の膜厚は１
０ｎｍ、シート抵抗値は２×１０⁴Ω／□であった。な
おここで述べる微粒子膜とは、上述したように、複数の
微粒子が集合した膜である。

【０２０１】（工程−ｄ）Ｃｒ膜および焼成後の導電性
薄膜４を酸エッチャントによりエッチングして所望のパ
ターンの導電性薄膜４を形成した（図６の（ｃ））。

【０２０２】以上の工程により基板１上に、金属酸化物
を含有する被膜６、素子電極２，３、導電性薄膜４を形
成した。

【０２０３】（工程−ｅ）次に、図７の測定評価装置に
設置し、真空ポンプにて排気し、１×１０^-8Torrの真空
度に達した後、素子に素子電圧Ｖfを印加するための電
源６１より、素子の素子電極２，３間に電圧を印加し、
フォーミング処理を行なった。フォーミング処理の電圧
波形は図８（ｂ）に示したものである。

【０２０４】図８（ｂ）中、Ｔ1及びＴ2は電圧波形のパ
ルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ1を１ｍｓ
ｅｃ、Ｔ2を１０ｍｓｅｃとし、矩形波の波高値は０．
１Ｖステップで昇圧し、フォーミング処理を行なった。
また、フォーミング処理中は、同時に、０．１Ｖの電圧
で、フォーミング用パルスの間に抵抗測定パルスを挿入
し、抵抗を測定した。尚フォーミング処理の終了は、抵
抗測定パルスでの測定値が、約１ＭΩ以上になった時と
し、同時に、素子への電圧の印加を終了した。

【０２０５】（工程−ｆ）続いて、活性化工程を行なう
ために、ベンゾニトリルをスローリークバルブを通して
真空装置内に導入し、１．０×１０^-6Torrを維持した。
次にフォーミング処理した素子に、図１４に示した波形
で波高値を１４Ｖで活性化処理をした。すなわち、測定
評価装置内で、素子電流Ｉfを測定しながら、素子電極
間にパルス電圧を印加した。約１５分でＩf値がほぼ飽
和したため、通電を停止し、スローリークバルブを閉
め、活性化処理を終了した。

【０２０６】なお、上記被膜６を酸化シリコンのみで作
製した参考例の素子に同様の活性化工程を行ったとこ
ろ、Ｉf値がほぼ飽和に達するのに約３０分を要した。

【０２０７】このように、本実施例の素子は、参考例の
素子に比べて活性化時間を短縮することができた。

【０２０８】（工程−ｇ）続いて、安定化工程を行な
う。真空装置及び電子放出素子をヒーターにより加熱し
て約２５０℃に維持しながら真空装置内の排気を続け
た。２０時間後、ヒーターによる加熱をやめ、室温に戻
したところ真空装置内の圧力は５×１０^-10 Torr程度に
達した。

【０２０９】続いて、実施例１と同様の方法にて電子放
出特性の測定を行なった。

【０２１０】本実施例の素子は、素子電流Ｉf＝５．０
ｍＡ、放出電流Ｉe＝１２．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２５％であった。参考例の素子で
は、素子電流Ｉf＝３．５ｍＡ、放出電流Ｉe＝７μＡ、
電子放出効率η（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２０％であった。

【０２１１】この後さらに電子放出させ続け、一定時間
経過した時点で再度素子電流Ｉfおよび放出電流Ｉeを測
定したところ、本実施例の素子は、素子電流Ｉf＝５．
０ｍＡ、放出電流Ｉe＝１２．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉe／Ｉf）＝０．２５％で、変化していなかったの
に対し、参考例の素子では素子電流Ｉf＝２．０ｍＡ、
放出電流Ｉe＝４μＡ、電子放出効率η（＝Ｉe／Ｉf）
＝０．２０％であった。

【０２１２】この結果から、本実施例の素子において
も、参考例の素子と比較して、放出電流Ｉe、電子放出
効率ηが優れているだけでなく、安定性においても優れ
ていることがわかった。

【０２１３】また、本実施例の素子、及び参考例の素子
について、実施例１と同様に電子顕微鏡観察を行なった
ところ、本実施例の素子において、電子放出部５直下の
金属酸化物を含有する被膜６の一部に図３の（ｃ），
（ｄ）に示されているような溝７が形成されていた。ま
た、実施例１と同様に導電性薄膜４の間隙１０内部の堆
積物を観察したところ、参考例の素子に比べて配向性及
び結晶性のよい炭素が堆積しており、電子放出特性の向
上及び安定性に寄与していることが分かった。

【０２１４】さらに、金属酸化物を含有する被膜層６と
して上記酸化コバルトの代わりに、酸化ニッケル、ある
いは酸化鉄を含有する被膜層を用いた場合にも、同様の
効果が得られた。

【０２１５】以上のように本実施例においても実施例１
同様、特性の良い安定な電子放出が得られた。

【０２１６】〔実施例３〕本実施例は、多数の表面伝導
型電子放出素子を単純マトリクス配置した画像形成装置
の例である。

【０２１７】電子源の一部の平面図を図１５に示す。ま
た、図中のＡ−Ａ′断面図を図１６に示す。但し図１
５、図１６で、同じ記号を示したものは、同じものを示
す。ここで９１は基板、９２は図１０のＤXmに対応する
Ｘ方向配線（下配線とも呼ぶ）、９３は図１０のＤYnに
対応するＹ方向配線（上配線とも呼ぶ）、４は導電性薄
膜、２，３は素子電極、６は金属酸化物被膜、１５１は
層間絶縁層、１５２は、素子電極２と下配線９２とを電
気的接続するためのコンタクトホールである。

【０２１８】次に製造方法を図１７、図１８により工程
順に従って具体的に説明する。

【０２１９】（工程−ａ）清浄化した青板ガラス上に厚
さ０．５ｍｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した
基板１上に、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ
０．６ｍｍのＡｕを順次積層した後、ホトレジスト（Ａ
Ｚ１３７０ヘキスト社製）をスピンナーにより回転塗
布、ベークした後、ホトマスク像を露光、現像して、下
配線９２のレジストパターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積
膜をウェットエッチングして、所望の形状の下配線９２
を形成する（図１７（ａ））。

【０２２０】（工程−ｂ）次に厚さ１．０μｍのシリコ
ン酸化膜からなる層間絶縁層１５１をＲＦスパッタ法に
より堆積する。さらに、層間絶縁層１５１上に酸化ニッ
ケルと酸化シリコンの成分比がほぼ５０ｍｏｌ％づつ構
成される厚さ約１００ｎｍの金属酸化物を含有する被膜
６を、二元同時スパッタ法により形成した（図１７
（ｂ））。なお、二元同時スパッタ法は、二種の異なる
ターゲット（この場合、ＳｉＯ₂とＮｉＯ）をつなぎあ
わせた複合ターゲットを用いる場合、あるいは、それぞ
れに個別のＲＦ電源もつターゲットを使用する場合等が
ある。ここでは前者の方法を用いたが、後者の方法でも
もちろん可能である。

【０２２１】（工程−ｃ）工程−ｂで堆積した層間絶縁
層１５１及び金属酸化物を含有する被膜６にコンタクト
ホール１５２を形成するためのホトレジストパターンを
作り、これをマスクとして層間絶縁層１５１及び金属酸
化物を含有する被膜６をエッチングしてコンタクトホー
ル１５２を形成する（図１７（ｃ））。

【０２２２】（工程−ｄ）その後、素子電極２と素子電
極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（Ｒ
Ｄ−２０００Ｎ 日立化成社製）で形成し、真空蒸着法
により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．１ｍｍのＮｉを順
次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解
し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌ
＝３μｍ、素子電極の幅Ｗ＝０．３ｍｍを有する素子電
極２，３を形成した。（図１７（ｄ））。

【０２２３】（工程−ｅ）素子電極２，３の上に上配線
９３のホトレジストパターンを形成した後、厚さ５ｎｍ
のＴｉ、厚さ０．５ｍｍのＡｕを順次真空蒸着により堆
積し、リフトオフにより不要の部分を除去して、所望の
形状の上配線９３を形成した（図１８（ａ））。

【０２２４】（工程−ｆ）膜厚０．１ｍｍのＣｒ膜１７
１を真空蒸着により堆積・パターニングし、その上に有
機パラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４２３０奥野製薬
（株）社製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で
１０分間の加熱焼成処理をした（図１８（ｂ））。ま
た、こうして形成された酸化パラジウム微粒子を主体と
する導電性薄膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗値は２
×１０⁴ Ω／□であった。

【０２２５】（工程−ｇ）Ｃｒ膜１７１および焼成後の
導電性薄膜４を酸エッチャントによりエッチングしてリ
フトオフすることで所望のパターンの導電性薄膜４を形
成した（図１８（ｃ））。

【０２２６】（工程−ｈ）コンタクトホール１５２部分
以外にレジストを塗布するようなパターンを形成し、真
空蒸着により厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．５ｍｍのＡｕ
を順次堆積した。リフトオフにより不要の部分を除去す
ることにより、コンタクトホール１５２を埋め込んだ
（図１８（ｄ））。

【０２２７】以上の工程により絶縁性基板１上に下配線
９２、層間絶縁層１５１、金属酸化物を含有する被膜
６、上配線９３、素子電極２，３、導電性薄膜４を形成
した。

【０２２８】つぎに、以上のようにして作製した電子源
基板を用いて、電子源及び表示装置を構成した例を、図
１０と図１１を用いて説明する。

【０２２９】以上のようにして素子を作製した基板１を
リアプレート１０１上に固定した後、基板１の５ｍｍ上
方に、フェースプレート１０６（ガラス基板１０３の内
面に蛍光膜１０４とメタルバック１０５が形成されて構
成される）を支持枠１０２を介し配置し、フェースプレ
ート１０６、支持枠１０２、リアプレート１０１の接合
部にフリットガラスを塗布し、大気中で４００℃で１０
分焼成することで封着した。またリアプレート１０１へ
の基板１の固定もフリットガラスで行った。

【０２３０】本実施例において図１１の９４は前述の導
電性薄膜４に、後述する方法にて電子放出部が形成され
た表面伝導型電子放出素子（例えば、図１（ａ），
（ｂ）に相当する）であり、９２、９３はそれぞれＸ方
向及びＹ方向の素子配線である。

【０２３１】蛍光膜１０４は、モノクロームの場合は蛍
光体のみから成るが、本実施例では蛍光体はストライプ
形状を採用し、先にブラックストライプを形成し、その
間隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜１０４を作製し
た。ブラックストライプの材料として通常良く用いられ
ている黒鉛を主成分とする材料を用いた。ガラス基板１
０３に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。

【０２３２】また、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を真空蒸着す
ることで作製した。

【０２３３】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）が設けられる場合もあるが、本実施
例では、メタルバックのみで十分な導電性が得られたの
で省略した。

【０２３４】前述の封着を行う際、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なくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行った。

【０２３５】以上のようにして完成したガラス容器内の
雰囲気を排気管（図示せず）を通じ真空ポンプにて排気
し、十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄox1〜Ｄoxm
とＤoy1〜Ｄoynを通じ前述の素子電極２，３間に電圧を
印加し、前述の導電性薄膜４をフォーミング処理した。
フォーミング処理の電圧波形は、図８（ｂ）と同様であ
る。

【０２３６】本実施例ではＴ1を１ｍｓｅｃ、Ｔ2を１０
ｍｓｅｃとし、約１×１０^-5Torrの真空雰囲気下で行っ
た。

【０２３７】次に、パネル内の圧力が１０^-8Torr台に達
するまで排気を続けた後、パネルの排気管より、全圧が
１×１０^-6Torrとなるようにベンゾニトリルをパネル内
に導入し、維持した。容器外端子Ｄox1〜ＤoxmとＤoy1
〜Ｄoynを通じ再び前述の素子電極２，３間に、図１４
に示した波形で波高値を１４Ｖとして活性化処理を行っ
た。

【０２３８】このように、フォーミング、活性化処理を
行ない、前述の導電性薄膜４に電子放出部５を形成し複
数の表面伝導型電子放出素子９４を作製した。

【０２３９】次にパネル全体を２５０℃に加熱しながら
排気し、室温まで降温して内部を１０^-9Torr程度の圧力
とした後、不図示の排気管をガスバーナーで熱すること
で溶着し外囲器の封止を行った。

【０２４０】最後に封止後の圧力を維持するために、高
周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０２４１】以上のように完成した本発明の画像表示装
置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄox1〜
Ｄoxm、Ｄoy1〜Ｄoynを通じ、走査信号及び変調信号を
不図示の信号発生手段よりそれぞれ、印加することによ
り、電子放出させ、高圧端子１０７を通じ、メタルバッ
ク１０５に５ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加
速し、蛍光膜１０４に衝突させ、励起・発光させること
で画像を表示した。

【０２４２】本実施例における画像表示装置は、テレビ
ジョンとして十分満足できる輝度（約１５０ｆＬ）で良
好な画像を長時間にわたって安定に表示することができ
た。

【０２４３】〔実施例４〕本実施例では、テレビジョン
放送をはじめとする種々の画像情報源より提供される画
像情報を表示できるように構成した表示装置の一例を示
す。図１１に示した画像形成装置を図１３に示した駆動
回路を用いて、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示
を行なった。

【０２４４】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型電子放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネ
ルの薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくす
ることができる。それに加えて、表面伝導型電子放出素
子を電子ビーム源とするディスプレイパネルは大画面化
が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本表示
装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良く表
示することが可能である。

【０２４５】本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方
式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ長時
間安定して表示することができた。

【０２４６】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、基
板表面に酸化ニッケル等の金属酸化物被膜を形成するこ
とで、炭素を主成分とした堆積物の配向性及び結晶性を
向上することができ、安定な電子放出電流を長時間にわ
たり取り出すことが可能な電子放出素子を提供できる。
また、上記炭素を主成分とする堆積物の形成工程の時間
が短縮され、結果として電子放出素子およびそれを用い
た電子源、さらには画像形成装置の製造コストを下げる
ことができる。

【０２４７】さらには、入力信号に応じて電子を放出す
る電子源においては、上記の電子放出素子を、基板上に
複数個配置して電子源を構成することにより、また、個
々の素子の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複
数もち、更に、変調手段を有している配置法、あるい
は、基板に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ本のＸ方
向配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対
の素子電極とを接続した電子放出素子を複数個配列した
配置とする電子源とすることで、各電子放出素子が、良
好な電子放出特性を長時間にわたり保持し得る電子源を
安価に提供できる。

【０２４８】また、画像形成装置においては、画像形成
部材と前記電子源より構成され、入力信号に基づいて画
像を形成するため、電子放出特性の安定性と寿命の向上
がなされ、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成
装置においては、高品位な画像形成装置例えば、カラー
フラットテレビが、実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る基本的な表面伝導型電子放出素子
の構成を示す図である。

【図２】本発明に係る基本的な表面伝導型電子放出素子
の構成を示す拡大図である。

【図３】本発明に係る基本的な表面伝導型電子放出素子
の構成を示す拡大図である。

【図４】本発明に係る基本的な表面伝導型電子放出素子
の構成を説明するための図である。

【図５】本発明に係る基本的な表面伝導型電子放出素子
の別の態様を示す図である。

【図６】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の基本的
な製造方法を説明するための図である。

【図７】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の特性評
価に用いる測定評価装置の図である。

【図８】本発明に係るフォーミング処理における電圧波
形の一例を示す図である。

【図９】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の放出電
流、素子電流、及び素子電圧の関係の典型例を示す図で
ある。

【図１０】本発明に係る電子源基板の構成を示す図であ
る。

【図１１】本発明に係る画像形成装置の基本構成を示す
図である。

【図１２】図１１の画像形成装置に用いられる蛍光膜を
示す図である。

【図１３】本発明に係る画像形成装置をＮＴＳＣ方式の
テレビ信号に応じて表示を行なう例の駆動回路のブロッ
ク図である。

【図１４】本発明に好適な活性化パルスの形状を示す図
である。

【図１５】本発明の実施例２の電子源の構成の一部を示
す図である。

【図１６】図１５のＡ−Ａ′断面図である。

【図１７】本発明の実施例２の電子源の製造工程を説明
するための断面図である。

【図１８】本発明の実施例２の電子源の製造工程を説明
するための断面図である。

【図１９】従来の表面伝導型電子放出素子の構成を示す
図である。

【図２０】はしご型配置の電子源の一例を示す模式図で
ある。

【図２１】はしご型配置の電子源を備えた画像形成装置
におけるパネル構造の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２，３ 素子電極 ４ 導電性薄膜 ５ 電子放出部 ６ 金属酸化物被膜 ２１ 炭素を主成分とした堆積物 ４１ 段さ形成部 ６０ 素子電極２，３間の導電性薄膜を流れる素子電流
Ｉfを測定するための電流計 ６１ 電子放出素子に素子電圧Ｖfを印加するための電
源 ６２ 素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉeを
測定するための電流計 ６３ アノード電極６４に電圧を印加するための高圧電
源 ６４ アノード電極 ９１ 電子源基板 ９２ Ｘ方向配線 ９３ Ｙ方向配線 ９４ 表面伝導型電子放出素子 ９５ 結線 １０１ リアプレート １０２ 支持枠 １０３ ガラス基板 １０４ 蛍光膜 １０５ メタルバック １０６ フェースプレート １０７ 高圧端子 １０８ 外囲器 １１１ 黒色導電材 １１２ 蛍光体 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 ＶｘおよびＶａ 直流電圧源 １５１ 層間絶縁層 １５２ コンタクトホール １７１ Ｃｒ膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/316 H01J 9/02

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に、一対の電極と、該一対の電極
   に接続され、その一部に間隙を有する導電性膜と、該間
   隙部に該導電性膜と接続されて設けられた、炭素を主成
   分とする部材と、該炭素を主成分とする部材と該基体と
   の間及び前記導電性膜と前記基体との間に、ニッケル、
   鉄、コバルトのうち少なくとも一種類の元素を含む金属
   酸化物と、を有することを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 前記金属酸化物は、酸化ニッケル、酸化
   鉄、酸化コバルトのうち少なくとも一種類の酸化物より
   な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】 前記金属酸化物は、シリカを主成分とす
   る母材に含有されて、前記炭素を主成分とする部材と前
   記基体との間に配置されている請求項１に記載の電子放
   出素子。
4. 【請求項４】 前記電子放出素子は、表面伝導型電子放
   出素子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。
5. 【請求項５】 入力信号に応じて電子を放出する電子源
   であって、請求項１〜４のいずれかの請求項に記載の電
   子放出素子を、基体上に複数個配置したことを特徴とす
   る電子源。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の電子源において、基体
   に複数の電子放出素子を複数個並列に配置し、個々の素
   子の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複数も
   ち、更に、変調手段を有することを特徴とする電子源。
7. 【請求項７】 請求項５に記載の電子源において、基体
   に、互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本
   のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対の電極とを接
   続した電子放出素子を複数個配列したことを特徴とする
   電子源。
8. 【請求項８】 入力信号にもとづいて、画像を形成する
   装置であって、少なくとも、画像形成部材と請求項５〜
   ７のいずれかの請求項に記載の電子源より構成されたこ
   とを特徴とする画像形成装置。
9. 【請求項９】 基体上の、一対の電極間に設けられてい
   る、ニッケル、鉄、コバルトのうち少なくとも一種類の
   元素を含む金属酸化物を含有する被膜上に、導電性膜を
   形成する工程と、該導電性膜の一部に間隙を形成する工
   程と、該間隙部に、該導電性膜と接続された、炭素を主
   成分とする部材を形成する工程と、を有することを特徴
   とする電子放出素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記導電性膜の一部に間隙を形成する
    工程は、前記導電性膜に電圧を印加する工程を有する請
    求項９に記載の電子放出素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記炭素を主成分とする部材を形成す
    る工程は、炭素化合物の存在する雰囲気中で、前記導電
    性膜に電圧を印加する工程を有する請求項９に記載の電
    子放出素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記一対の電極は、前記基体上に前記
    被膜を形成した後に形成される請求項９に記載の電子放
    出素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記金属酸化物は、酸化ニッケル、酸
    化鉄、酸化コバルトのうち少なくとも一種類の酸化物よ
    りなる請求項９に記載の電子放出素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記被膜は、金属酸化物がシリカを主
    成分とする母材に含有された被膜である請求項９に記載
    の電子放出素子の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記電子放出素子は、表面伝導型電子
    放出素子である請求項９に記載の電子放出素子の製造方
    法。