JP3447797B2 - 電子放出素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡、電子ビー
ム露光装置、フラトパネル、各種電子ビーム装置の電子
ビーム発生源として利用することができる電子放出素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、微細加工技術の進展に伴い、微小
な電子放出素子、いわゆる冷陰極に関する研究開発が活
発になってきており、幾つかあるタイプの中で、電界放
出型の電子放出素子が種々の長所を有することが注目さ
れている。電界放出型の電子放出素子においては、電子
を放出させるために、エミッタの先端の曲率を数百ｎｍ
（ナノメートル）以下となるように針状に加工し、この
エミッタ先端に１０Ｖ／ｃｍ（ボルト／センチメート
ル）程度の強電界を集中させることにより、電子放出を
行なわせるようになっている。この電界放出型の電子放
出素子は、例えば、（１）電流密度が高い、とか或い
は、（２）陰極を加熱する必要がないので、電力消費が
非常に少ないなどの特徴を有する。

【０００３】上記電界放出型の電子放出素子として、例
えば、Ｊournal of Ａpplied Ｐhysics, Ｖol. 39, Ｎ
o. 7, Ｐ3504, 1968 （ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス、３９巻、７号、３５０４ページ、１９
６８年）に記載されている構成が知られている。図１０
（ａ）は、上記従来の電子放出素子の製造完成状態を示
す断面図である。この図に示すように、先ず電気絶縁基
板１０１上に導電性膜１０２、絶縁層１０３および導電
性膜１０４を適当なマスクを用いて順次蒸着し、複数の
アレイ状に配列した空洞１０５を作製する。次いで、こ
の空洞１０５の開口部を適当な物質１０６の回転斜め蒸
着によって漸次閉じさせつつ、この開口部真上より陰極
材料１０７を正蒸着することにより、空洞１０５内にお
いて導電正膜１０２上に先端側が次第に細くなる陰極エ
ミッタ１０８を形成する。最後に、物質１０６を除去す
ることにより、図１０（ｂ）に示すように電子放出素子
を作製することができる。次に、その動作について説明
する。上記構成の電子放出素子において、導電性膜１０
４が正、導電性膜１０２が負となるように電源１０９を
接続し、陰極エミッタ１０８の陰極材料１０７で定まる
所定の電圧以上の電圧を印加することにより、陰極エミ
ッタ１０８の先端１００に電界が集中し、そこより電子
放出が生じる。

【０００４】また、従来の電子放出素子の他の例とし
て、特開平１−１５４４２６号公報に記載された構成の
ものが知られており、その断面図を図１１に示す。図１
１において、９０は電気絶縁性基板、９１は導電性膜、
９２は抵抗層、９３は絶縁層、９４は導電性膜、９５は
エミッタ、９６は電源、９７および９８は電子の流れ、
および９９は先端を示す。上記構成の電子放出素子にお
いて、導電性膜９４が正、導電性膜９１が負となるよう
に電源９６を接続し、陰極エミッタ先端９９に電界が集
中し、そこより電子放出が生じる。なお、電子は、電源
９６から抵抗の低い導電性膜９１中を電子の流れ９７の
ように陰極エミッタ９５下部まで流れ、その後抵抗層９
２を横切って電子の流れ９８のように陰極エミッタ９５
に流れ込み、さらに陰極エミッタ９５を通ってエミッタ
先端９９より真空中に出て行く。ここで、陰極エミッタ
９５下部に挿入された抵抗層９２は、エミッション電流
が急激に増加した場合、エミッション電流の大きさに応
じて電圧降下を起こし、実効的にエミッタ先端にかかる
電圧を下げ、エミッション電流を減少させる。すなわ
ち、抵抗層はエミッション電流の変動を抑制する働きを
持つ。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の電子放出素子のうち、前者のものは、エミッ
ション電流の変動に対してなんら抑制機能を持たず、ま
た、後者の構成のものは、エミッションに関与する電子
が抵抗層の膜厚方向に流れるため、エミッション電流の
変動に対して必要な充分なる抵抗値が得られず、電流変
動を充分に抑えることができないという問題があった。

【０００６】本発明は上記従来の問題点に鑑みなされた
もので、その目的は、エミッタから放出されるエミッシ
ョン電流の変動に対して充分な抑制効果を有する電子放
出素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、基板と、基板の上に設けられたベース電極
と、ベース電極の上に設けられ電子を放出するエミッタ
部と、エミッタ部と一定の間隔をおいて設けられこのエ
ミッタ部に対向して配置されたゲート電極とから成る電
子放出素子の、エミッタ部を、最上部の電子放出層およ
び、第１のエミッタ構成材とこれとは異なる第２のエミ
ッタ構成材とが交互に複数層形成された積層部分から構
成したことを要旨とする。

【０００８】また、本発明の別の態様では、前記エミッ
タ部を、最上部に電子放出材からなる電子放出層とな
し、またその下に第１のエミッタ構成材と第２のエミッ
タ構成材とを積層するとともに、第１のエミッタ構成材
の横断面積を第２のエミッタ構成材の横断面積よりも小
さく設定したことを要旨とする。さらに、本発明の他の
態様では、エミッタ部を、第１のベース構成材とこれと
は異なる第２のベース構成材とが交互に複数層形成され
たベース層部分から構成したこと、またこれに加えて、
前記２種のベース構成材のうちの少なくともいずれか一
方の所定部分に、上下に層となっている他のベース構成
材同士を電気的に接続する接続部を形成したことを要旨
とする。

【０００９】

【作用】本発明、エミッタ部について、前記のように複
数のエミッタ構成材の交互積層構造や、複数のベース構
成材の交互積層構造、或いはエミッタ構成材間における
横断面積の変更などといった種々の構成をとったため、
所望の抵抗値が容易に得られ、エミッション電流の変動
に対して充分な抑制効果を持つことができる。

【００１０】

【実施例】以下本発明の第１の実施例について、図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例に
おける電子放出素子の断面図である。この図において、
符号１０はエミッタ部、１１はエミッタ部１０の先端位
置に配置され先端が尖った形状を有することにより電子
を放出する電子放出層、１２は電子放出層１１の下面に
接して設けられた第１のエミッタ構成材、１３は第１の
エミッタ構成材１２と積層し、且つこの第１のエミッタ
構成材１２とは異なる材質からなる第２のエミッタ構成
材である。第１のエミッタ構成材１２と第２のエミッタ
構成材１３とは複数層が交互に積み重なり、エミッタ部
１０の積層部分を構成している。より具体的には、前記
積層部分は、一番上が第１のエミッタ構成材１２、その
次（１段下）が第２のエミッタ構成材１３、さらにその
次ぎが第１のエミッタ構成材１２………、というように
各５層づつ交互に積層し、一番下が第２のエミッタ構成
材１３で終わっている。エミッタ部１０の下側にはベー
ス電極１４が設けられ、さらにこのベース電極１４の下
側には基板１５が設けられている。基板１５としては絶
縁性の基板を用いてもよいし導電性の基板を用いてもよ
い。さらに、エミッタ部１０の先端部すなわち電子放出
層１１と一定の間隔をおいた位置には、このエミッタ部
１０に対向してゲート電極１６が近接して配置されてい
る。そして、前記ベース電極１４とゲート電極１６とは
電源１７を介して接続されている。

【００１１】次に、前記第１の実施例に係る電子放出素
子の作製方法或いは手順について説明する。図２はこの
電子放出素子の作製手順を説明する図である。この手順
では、先ず、ガラス、セラミックス等から成る絶縁性の
基板１５の上に例えばＭｏ，Ｔa ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ａｌ
等の膜厚２００〜３００ｎｍ（ナノメートル）の導電性
薄膜からなるベース電極１４を形成する。その上に例え
ばＳｉＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μ
ｍ（マイクロメートル）の絶縁層１８を形成し、さらに
この絶縁層１８の上に、例えばＭｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃ
ｒ，Ｎｂなどでできた膜厚２００〜３００ｎｍ の、ゲ
ート電極１６となる導電性薄膜を順次積層形 成する。
そして、半導体の微細加工技術を用いて、図２（ａ）に
示すように導電性薄膜の側（図２（ａ）中上側から）直
径１〜２μｍの空洞２１を形成する。その後、基板１５
を回転させながら、Ａｌ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの
リフトオフ物質１９を斜め蒸着して空洞２１の開口部を
漸次閉じさせ、同時に開口部の真上より正蒸着によって
第１及び第２のエミッタ構成材１２、１３となるエミッ
タ物質２０を蒸着することにより、空洞２１内にエミッ
タ部１０を形成する。なお、エミッタ物質２０として、
例えば絶縁体材料ＳｉＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ａｌ ₂ Ｏ₃ ，
Ｃｒ₂ Ｏ₃ などを第２のエミッタ構成材１３用物質とし
て用い、また第１のエミッタ構成材１２用物質として、
例えば、Ｍｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ａｕ等の導電
体材料、あるいは例えばＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＣ，ニクロ
ム、マンガン、コンスタンタンなどの半導電体材料を用
い、これらの物質を所定の回数交互に蒸着し（図２
（ｂ））、最後に開口部が閉じる直前に、例えば、Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＳｉＣ，ＬａＢ
₆ 等の電子放出材料を蒸着して、電子放出層１１を形成
する（図２（ｃ））。そして、最後に混合物質２２を除
去することにより、図２（ｄ）に示すこの実施例の電子
放出素子を作製することができる。

【００１２】次に、この実施例の電子放出素子の動作を
説明する。図１において、ゲート電極１６が正、ベース
電極１４が負となるように電源１７を接続し、エミッタ
部１０に電圧を印加して電子放出層１１の先端に電界を
集中させる。そして、電子放出が可能な電界強度が得ら
れる所定の電圧以上の電圧を印加することにより、真空
中へ電子放出を起こさせる。ここで、第２のエミッタ構
成材１３の膜厚は、トンネル現象で電子が透過してしま
う膜厚より厚く、且つ完全に電子が透過できなくなり絶
縁体状態になる膜厚より薄い範囲にすることにより、抵
抗値を所定の値に制御することができる。その抵抗値の
範囲は、膜厚１ｎｍ〜１μｍの範囲で数Ωから１０¹⁵Ω
の範囲にすることができる。 また、 第２のエミッタ構成
材１３のそれぞれの膜厚方向に電子が流れ、膜厚方向に
抵抗を持たせるが、第２のエミッタ構成材１３の膜厚と
積層数を制御することにより、ベース電極１４と電子放
出層１１とで挟まれた第１のエミッタ構成材１２と第２
のエミッタ構成材１３の積層全体で広範囲にその抵抗値
を制御することができる。その結果、エミッション電流
の急激な電流増加に対し、その大きさに応じた電圧降下
が起き、実効的にエミッタ部１０の先端にかかる電圧が
下がってエミッション電流を減少させる。実際、３０Ｍ
Ωの抵抗値を持たせた素子においては、エミッション電
流の変動を１％以下に抑えることができた。すなわち、
この実施例の電子放出素子では、エミッション電流の変
動に対してその変動を抑制する機能を有するため、エミ
ッション電流を安定化する効果がある。

【００１３】（実施例２）図３は本発明の第２の実施例
における電子放出素子の断面図を示す。その構成は、絶
縁性の基板３１（導電性基板を用いてもよい）の上にベ
ース電極３２が形成され、さらにその上に第２のベース
構成材３４および第１のベース構成材３３が下側からこ
の順に、交互に複数層積層されてベース層３５を形成し
ている。図３の例では第１のベース構成材３３および第
２のベース構成材３４はそれぞれ４層づつ積層されてい
る。このようにして形成されたベース層３５の上にはエ
ミッタ３６が形成されるとともに、エミッタ３６の先端
部すなわち電子放出部と一定の間隔をおいた位置には、
このエミッタ３６に対向してゲート電極３７が近接して
配置されている。そして、前記ベース電極３２とゲート
電極３７とは電源３８を介して接続されている。

【００１４】次に、前記第２の実施例に係る電子放出素
子の作製方法について説明する。先ず、ガラス、セラミ
ックス等から成る絶縁性の基板３１の上に例えばＭｏ，
Ｔa，Ｎｂ，Ｃｒ，Ａｌ等を真空蒸着法或いはスパッタ
法によって２００〜３００ｎｍの膜厚の導電性薄膜から
なるベース電極１４を形成する。次に、チャンバーに酸
素を導入し、その表面を所定の厚さに酸化して第２のベ
ース構成材３４を形成する。その後、酸素の導入を止
め、再びたとえばＭｏ，Ｔa ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ａｌ等を真
空蒸着法或いはスパッタ法によって２００〜３００ｎｍ
の膜厚で蒸着を行ない、第１のベース構成材３３を形成
する。この工程を所定の回数繰り返すことによりベース
層３５を形成する。その後、このベース層３５の上に、
第１の実施例の場合と同様に、たとえばＳｉＯ₂ ，Ｔａ
₂ Ｏ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μｍの絶縁層（図示
せず）を形成し、さらにこの絶縁層の上に、例えばＭ
ｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｂなどでできた膜厚２００〜
３００ｎｍの、ゲート電極３７となる導電性薄膜を順次
積層形成する。次に、半導体の微細加工技術を用いて、
直径１〜２μｍの空洞（図示せず）を形成した後、基板
３１を回転させながら、Ａｌ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ な
どのリフトオフ物質を斜め蒸着して空洞の開口部を漸次
閉じさせつつ、同時に開口部の真上より例えばＭｏ，
Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＳｉＣ，ＬａＢ₆ 等
の電子放出材料を正蒸着して、空洞内にエミッタ３６を
形成する。そして最後にリフトオフ物質を除去すること
により、図３に示すこの第２の実施例の電子放出素子を
作製することができる。

【００１５】次に、この第２の実施例の電子放出素子の
動作を説明する。図３において、ゲート電極３７が正、
ベース電極３２が負となるように電源３８を接続し、エ
ミッタ３６に電圧を印加してエミッタ３６の先端に電界
を集中させる。そして、電子放出が可能な電界強度が得
られる所定の電圧以上の電圧を印加することにより、真
空中へ電子放出を起こさせる。ここで、第２のベース構
成材３４の膜厚は、トンネル現象で電子が透過してしま
う膜厚より厚く、且つ完全に電子が透過できなくなり絶
縁体状態になる膜厚より薄い範囲にすることにより、抵
抗値を所定の値に制御することができる。その抵抗値の
範囲は、膜厚１ｎｍ〜１μｍの範囲で数Ωから１０¹⁵Ω
の範囲にすることができる。 また、第２のベース構成材
３４のそれぞれの膜厚方向に電子が流れ、膜厚方向に抵
抗を持たせることができるため、ベース電極３２とエミ
ッタ３６とで挟まれたベース層３５全体で、第２のベー
ス構成材３４の膜厚と積層数を制御することにより、広
範囲にその抵抗値を制御することができる。その結果、
エミッション電流の急激な電流増加に対しては、その大
きさに応じた電圧降下が起き、実効的にエミッタ３６の
先端にかかる電圧が下がってエミッション電流を減少さ
せる。逆に、電流変動の減少に対してはベース層３５全
体での電圧降下が減り、実効的にエミッタ３６の先端に
かかる電圧が上がってエミッション電流が増加する。す
なわち、この実施例の電子放出素子ではエミッション電
流の変動に対してネガティブフィードバックがかかり、
変動を抑制する効果があり、電流変動に対してエミッシ
ョン電流を安定化する効果がある。

【００１６】（実施例３）図４および図５は本発明の第
３の実施例における電子放出素子の平面図および断面図
をそれぞれ示す。その構成は、絶縁性の基板４１（導電
性基板を用いてもよい）の上にベース電極４２が形成さ
れ、さらにその上に第２のベース構成材４４および第１
のベース構成材４３が下側からこの順に、交互に複数層
積層されてベース層４６を形成している。図４の例で
は、第１のベース構成材４３は下から４３ａ、４３ｂ、
４３ｃの順、また、第２のベース構成材４４は下から４
４ａ、４４ｂ、４４ｃの順にそれぞれ３層づつ積層され
ている。

【００１７】そして、第２のベース構成材４４の所定の
部分には、上下に層となっている他のベース構成材（す
なわち第１のベース構成材４３）同士を電気的に接続す
る接続部４５が形成されている。接続部４５は、図５に
示すように、ベース層４６の下の方から、第２のベース
構成材４４ａに形成された接続部４５ａ、第２のベース
構成材４４ｂに形成された接続部４５ｂ、第２のベース
構成材４４ｃに形成された接続部４５ｃ、というように
それぞれ第２のベース構成材４４に設けられている。ま
た、これらの接続部４５ａ〜４５ｃのうち、接続部４５
ａおよび４５ｃは図５に示された電子放出素子のベース
層４６の右寄りの位置に設けられる一方、接続部４５ｂ
は、後出のエミッタ４７に対して反対側、すなわちベー
ス層４６の左寄りの位置に設けられるというように、交
互に互い違いの位置関係になるよう配置されている。

【００１８】さらに、このようにして形成されたベース
層４６の上にはエミッタ４７が形成されるとともに、エ
ミッタ４７の先端部すなわち電子放出部と一定の間隔を
おいた位置には、このエミッタ４７に対向してゲート電
極４８が近接して配置されている。そして、前記ベース
電極４２とゲート電極４８とは、前記第２の実施例にお
けると同様、電源（図示せず）を介して接続されてい
る。

【００１９】次に、前記第３の実施例に係る電子放出素
子の作製方法について説明する。先ず、ガラス、セラミ
ックス等から成る絶縁性の基板４１の上に例えばＭｏ，
Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ａｌ 等を真空蒸着法或いはスパッ
タ法によって２００〜３００ｎｍの膜厚の導電性薄膜か
らなるベース電極４２およびたとえばＳｉＯ₂ ，Ｔａ ₂
Ｏ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｃｒ₂ Ｏ₃ などから成る第２のベー
ス構成材４４ａを形成する。その後、半導体微細加工技
術を用いて、前記第２のベース構成材４４ａの所定の部
分（図５中、右寄り位置）に接続部４５ａ用の開口部を
形成する。その後、その上に第１のベース構成材４３ａ
として例えばＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＣ，ニクロム、マンガ
ン、コンスタンタンなどを、さらにその上に第２のベー
ス構成材４４ｂとしてたとえばＳｉＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，
Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｃｒ₂ Ｏ₃ などを真空蒸着法或いはスパッ
タ法によって順次蒸着する。次に、半導体微細加工技術
を用いて、エミッタ４７に対して先に形成した接続部４
５ａとは反対側の第２のベース構成材４４ｂの所定の部
分（図５中、左寄り位置）に接続部４５ｂ用の開口部を
形成する。同様にして、所定の数だけ第１のベース構成
材４３、第２のベース構成材４４および接続部４５の形
成を繰り返してベース層４６を形成する。

【００２０】その後、このベース層３５の上に、先の第
１および第２の実施例の場合と同様に、たとえばＳｉＯ
₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などの膜厚約１μｍの絶縁
層（図示せず）を形成し、さらにこの絶縁層の上に、例
えばＭｏ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｂなどでできた膜厚２
００〜３００ｎｍ の、ゲート電極４８となる導電性薄
膜 を順次積層形成する。次に、半導体の微細加工技術
を用いて、直径１〜２μｍの空洞（図示せず）を形成し
た後、基板４１を回転させながら、Ａｌ，ＳｉＯ₂ ，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ などのリフトオフ物質を斜め蒸着して空洞の開
口部を漸次閉じさせつつ、同時に開口部の真上より例え
ばＭｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＳｉＣ，Ｌ
ａＢ₆ 等の電子放出材料を正蒸着して、空洞内にエミッ
タ４７を形成する。そして最後にリフトオフ物質を除去
することにより、図４および図５に示すこの第３の実施
例の電子放出素子を作製することができる。

【００２１】次に、この第３の実施例の電子放出素子の
動作を説明する。図４および図５において、ゲート電極
４８が正、ベース電極４２が負となるように電源を接続
し、エミッタ４７に電圧を印加してエミッタ４７の先端
に電界を集中させる。そして、電子放出が可能な電界強
度が得られる所定の電圧以上の電圧を印加することによ
り、真空中へ電子放出を起こさせる。ここで、第２のベ
ース構成材４４の膜厚は、トンネル現象で電子が透過し
ない、完全に絶縁体状態となる膜厚にする。エミッショ
ンが生じると、電子はベース電極４２から接続部４５ａ
を通り、電子の流れ４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、
４９ｅ、４９ｆと流れて、エミッタ４７に流れ込み、最
後にエミッタ４７の先端５０から真空中に放出される。
このとき、電子の流れる方向が第１のベース構成材４３
を構成する膜の横方向であり、また第１のベース構成材
４３を抵抗体材料で構成しているため、抵抗効果のある
部分を非常に長く取ることができ、得られる抵抗範囲を
充分に広く取ることができる。その結果、この第１のベ
ース構成材４３の部分でエミッション電流の急激な電流
増加に対しては、その大きさに応じた電圧降下が起き、
実効的にエミッタ４７の先端５０にかかる電圧が下がっ
てエミッション電流を減少させる。逆に、電流変動の減
少に対してはベース層４６全体での電圧降下が減り、実
効的にエミッタ４７の先端５０にかかる電圧が上がって
エミッション電流が増加する。すなわち、この実施例の
電子放出素子ではエミッション電流の変動に対してネガ
ティブフィードバックがかかり、変動を抑制する効果が
あり、電流変動に対してエミッション電流を安定化する
効果がある。

【００２２】なお、以上の第３の実施例においては、図
４における第１のベース構成材４３の左右方向の抵抗成
分のみを考慮して説明し、同図における上下方向の抵抗
成分に関しては考慮していなかったが、上下方向に絶縁
体を挿入して第１のベース構成材４３の部分を制限する
構成を採ることにより、さらに抵抗値を上げることが可
能であることは勿論である。

【００２３】（実施例４）図６は本発明の第４の実施例
における電子放出素子の断面図を示す。その構成は、絶
縁性の基板５１（導電性基板を用いてもよい）の上にベ
ース電極５２が形成され、さらにその上にエミッタ部５
６が形成されて成る。エミッタ部５６は、最上部に設け
られた電子放出材料から成る電子放出層５５と、この電
子放出層５５の下側に設けられた抵抗材料から成る第１
のエミッタ構成材５４と、この第１のエミッタ構成材５
４の下側に設けられた導電性材料から成る第２のエミッ
タ構成材５３とから構成されている。さらに、エミッタ
部５６の先端部すなわち電子放出層５５と一定の間隔を
おいて近接した位置には、このエミッタ部５６に対向し
てゲート電極５７が近接して配置されている。そして、
前記ベース電極５２とゲート電極５７とは、先の各実施
例におけると同様、電源（図示せず）を介して接続され
ている。ここで、電子放出層５５は、膜厚３００ｎｍ以
下で、その周囲のエッジ部分から電子放出されるエッジ
型のものである。また、第１のエミッタ構成材５４は抵
抗材料で構成されており、且つその横断面積、すなわち
基板５１の表面と平行な断面積が、その下の第２のエミ
ッタ構成材５３の横断面積より小さくなっている。

【００２４】このため、第２のエミッタ構成材５３から
第１のエミッタ構成材５４へ移る境界部分で電子流の電
流断面積が小さくなり、電子放出層５５と第２のエミッ
タ構成材５３との間の第１のエミッタ構成材５４での抵
抗値を高くすることができる。その結果、充分なる抵抗
値が得られ、上述の実施例と同様に、エミッション電流
の変動に対して電流変動を抑制し、電子放出素子の安定
性を向上させることができる。

【００２５】（実施例５）図７は本発明の第５の実施例
における電子放出素子の断面図を示す。この実施例に係
る電子放出素子の構成は、上に説明した第４の実施例に
おけると同様、絶縁性の基板６１（導電性基板を用いて
もよい）の上にベース電極６２が形成され、さらにその
上にエミッタ部６６が形成されて成る。エミッタ部６６
は、最上部に設けられた電子放出材料から成る電子放出
層６５と、この電子放出層６５の下側に設けられた抵抗
材料から成る第１のエミッタ構成材６４と、この第１の
エミッタ構成材６４の下側に設けられた導電性材料から
成る第２のエミッタ構成材６３とから構成されている。
さらに、エミッタ部６６の先端部すなわち電子放出層６
５と一定の間隔をおいて近接した位置には、このエミッ
タ部６６に対向してゲート電極６７が近接して配置され
ている。そして、前記ベース電極６２とゲート電極６７
とは、先の各実施例におけると同様、電源（図示せず）
を介して接続されている。ここで、エミッタ部６６は、
全体構成がエミッタ部６６の基端から先端に向かって次
第に細くなったコーン形状、すなわち三角形状の断面構
造を有し、電子放出層６５は、その先端で矢じり構造に
形成されている。また、前記コーン形状のエミッタ部６
６のため、第１のエミッタ構成材６４は抵抗材料で構成
されており、且つその横断面積はその下の第２のエミッ
タ構成材６３の横断面積より小さくなっている。

【００２６】このため、電子放出層６５と第２のエミッ
タ構成材６３との中間に設けられた第１のエミッタ構成
材６４における抵抗値を高くすることができる。その結
果、充分なる抵抗値が得られ、上述の実施例と同様に、
エミッション電流の変動に対して電流変動を抑制し、電
子放出素子の安定性を向上させることができる。

【００２７】（実施例６）図８は本発明の第６の実施例
における電子放出素子の断面図を示す。この実施例に係
る電子放出素子の構成は、図３に示した第２の実施例の
電子放出素子におけると同様のベース層１３５の上に、
図１に示した第１の実施例の電子放出素子におけると同
様のエミッタ部１１０を形成して成る。したがって、こ
の実施例における電子放出素子の他の構成部分は、前記
第１および第２の実施例における各対応する構成部分と
同じ構成を有するから、各対応する符号を付することに
よって詳細な説明は省略する。また、この実施例に係る
電子放出素子の作製方法についても前記第１および第２
の実施例で説明したものと同様なため、詳細な説明は省
略する。

【００２８】電子放出素子をこのような構成にすること
により、素子の抵抗を制御できる部分がさらに増加し、
エミッション電流変動の抑制効果が向上し、電子放出素
子の安定性を一層向上させることができる。

【００２９】（実施例７）図９は本発明の第７の実施例
における電子放出素子の断面図を示す。この実施例に係
る電子放出素子の構成は、図４および図５に示した第３
の実施例の電子放出素子におけると同様のベース層１４
６の上に、図１に示した第１の実施例の電子放出素子に
おけると同様のエミッタ部１１０を形成して成る。した
がって、この実施例における電子放出素子の他の構成部
分は、前記第１および第３の実施例における各対応する
構成部分と同じ構成を有するから、各対応する符号を付
することによって詳細な説明は省略する。また、この実
施例に係る電子放出素子の作製方法についても前記第１
および第３の実施例で説明したものと同様なため、詳細
な説明は省略する。

【００３０】電子放出素子をこのような構成にすること
により、素子の抵抗を制御できる部分がさらに増加する
上、電子の流れる方向が抵抗体材料でできた第１のベー
ス構成材１４３を構成する膜の横方向であるため、抵抗
効果のある部分を非常に長くでき、得られる抵抗範囲を
充分に広く取ることができる。その結果、前記第６の実
施例の電子放出素子にも増してエミッション電流変動の
抑制効果が向上し、電子放出素子の安定性を一層向上さ
せることができる。

【００３１】なお、上記実施例では、第１のエミッタ構
成材と第２のエミッタ構成材、或いは第１のベース構成
材と第２のベース構成材の層数を同数としたが、互いに
異なった層数であっても、その効果を失うものではな
い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子放出素子のエミッタ部の第２のエミッタ構成材が絶
縁材料で構成され、且つその膜厚が電子の流れに対して
所定の抵抗を有するように厚さが制御され、さらに第１
のエミッタ構成材と第２のエミッタ構成材とが交互に複
数層積層されているため、所望の抵抗値が容易に得ら
れ、エミッション電流変動に対して充分抑制する効果を
有する。

【００３３】また、電子放出素子のエミッタ部の第１の
エミッタ構成材の横断面積が第２のエミッタ構成材の横
断面積より小さく構成されているため、抵抗体材料から
なる第１のエミッタ構成材での抵抗値を大きくでき、容
易に所望の抵抗値を得ることができ、エミッション電流
変動に対して充分抑制する効果を有する。

【００３４】また、電子放出素子のベース部の第２のベ
ース構成材が絶縁材料で構成され、且つその膜厚が電子
の流れに対して所定の抵抗を有するように厚さが制御さ
れ、さらに第１のベース構成材と第２のベース構成材と
が交互に複数層積層されているため、所望の抵抗値が容
易に得られる。その結果、ベース層の上に形成されたエ
ミッタから放出されるエミッション電流変動に対して充
分抑制する効果を有する。

【００３５】また、電子放出素子の抵抗体材料からなる
第１のベース構成材が絶縁材料で構成された第２のベー
ス構成材によって電気的に分離されて交互に複数層積層
され、且つその膜厚が電子の流れに対して所定の抵抗を
有するように厚さが制御され、且つ第２のベース構成材
の所定の位置に、上下に延びる第１のベース構成材を電
気的に接続する接続部を形成したため、電子が第１のベ
ース構成材の膜の横方向に流れ、実効的な抵抗部分が大
幅に長くなり、所望の抵抗値が容易に得られる。その結
果、ベース層の上に形成されたエミッタから放出される
エミッション電流変動に対して充分抑制する効果を有す
る等、種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電子放出素子の第１の実施例を示
す断面図

【図２】前記第１の実施例に係る電子放出素子の作製手
順を各段階に分けて説明する工程図

【図３】本発明による電子放出素子の第２の実施例を示
す断面図

【図４】本発明による電子放出素子の第３の実施例を示
す平面図

【図５】本発明による電子放出素子の第３の実施例の構
造を示す図４中Ａ−Ａ線における断面図

【図６】本発明による電子放出素子の第４の実施例を示
す断面図

【図７】本発明による電子放出素子の第５の実施例を示
す断面図

【図８】本発明による電子放出素子の第６の実施例を示
す断面図

【図９】本発明による電子放出素子の第７の実施例を示
す断面図

【図１０】従来の電子放出素子の作製手順を各段階に分
けて説明する工程図

【図１１】従来の電子放出素子の一例の構成を示す断面
図

【符号の説明】

１０、５６、６６、１１０ エミッタ部 １１、５５、６５、１１１ 電子放出層 １２、５４、６４、１１２ 第１のエミッタ構成材 １３、５３、６３、１１３ 第２のエミッタ構成材 １４、３２、５２、６２、１３２、１４２ ベース電極 １５、３１、５１、６１、１３１、１４１ 基板 １６、３７、４８、５７、６７、１１６ ゲート電極 １７、３８、１１７ 電源 ３３、４３、１３３、１４３ 第１のベース構成材 ３４、４４、１３４、１４４ 第２のベース構成材 ３５、４６、１３５、１４６ ベース層 ３６、４７ エミッタ ４５ 接続部 ４９、１４９ 電子の流れ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−198253（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−342995（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/30 - 1/304

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基板の上に設けられたベース電
   極と、ベース電極の上に設けられ電子を放出するエミッ
   タ部と、エミッタ部と一定の間隔をおいて設けられこの
   エミッタ部に対向して配置されたゲート電極とから成
   り、前記エミッタ部が、最上部の電子放出層および、第
   １のエミッタ構成材とこれとは異なる第２のエミッタ構
   成材とが交互に複数層形成された積層部分から構成され
   ていることを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 第１のエミッタ構成材は導電体材料から
   構成されていることを特徴とする請求項１記載の電子放
   出素子。
3. 【請求項３】 第１のエミッタ構成材は、体積抵抗率１
   ０^-4〜１０⁷Ωｍの範囲の半導電体材料から構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
4. 【請求項４】 第２のエミッタ構成材は、体積抵抗率１
   ０⁹Ωｍ以上の絶縁体材料から構成されていることを特
   徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子放出素
   子。
5. 【請求項５】 第２のエミッタ構成材は、その厚さ方向
   の抵抗が半絶縁性となり、その値が数Ω〜１０¹⁵ Ωの範
   囲で得られるように膜厚が設定されていることを特徴と
   する請求項４記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 第２のエミッタ構成材の膜厚は１ナノメ
   ートル〜１ミクロンの範囲であることを特徴とする請求
   項４または５記載の電子放出素子。
7. 【請求項７】 基板と、基板の上に設けられたベース電
   極と、ベース電極の上に設けられたベース層と、ベース
   層の上に設けられ電子を放出するエミッタ部と、エミッ
   タ部と一定の間隔をおいて設けられこのエミッタ部に対
   向して配置されたゲート電極とから成り、前記ベース層
   は、第１のベース構成材とこれとは異なる第２のベース
   構成材とが交互に複数層積層して構成されていることを
   特徴とする電子放出素子。
8. 【請求項８】 第１のベース構成材は導電体材料から構
   成されていることを特徴とする請求項７記載の電子放出
   素子。
9. 【請求項９】 第１のベース構成材は、体積抵抗率１０
   ^-4〜１０⁷Ωｍの範囲の半導電体材料から構成されてい
   ることを特徴とする請求項７記載の電子放出素子。
10. 【請求項１０】 第２のベース構成材は、体積抵抗率１
    ０⁹Ωｍ以上の絶縁体材料から構成されていることを特
    徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の電子放出素
    子。
11. 【請求項１１】 第２のベース構成材は、その厚さ方向
    の抵抗が半絶縁性となり、その値が数Ω〜１０¹⁵ Ωの範
    囲で得られるように膜厚が設定されていることを特徴と
    する請求項１０記載の電子放出素子。
12. 【請求項１２】 第２のベース構成材の膜厚は１ナノメ
    ートル〜１ミクロンの範囲であることを特徴とする請求
    項１０または１１記載の電子放出素子。
13. 【請求項１３】 ベース層を構成する第２のベース構成
    材の所定の部分には、上下に層となっている第１のベー
    ス構成材同士を電気的に接続する接続部が形成されてい
    ることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載
    の電子放出素子。