JP3652160B2 - Electron emitting device, electron source, image forming apparatus, and method of manufacturing electron emitting device - Google Patents

Electron emitting device, electron source, image forming apparatus, and method of manufacturing electron emitting device Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子及び電子源及び画像形成装置及び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.Dolan,“Field emission",Advance in Electron Physics,8,89(1956)あるいはC.A.Spindt,“PhysicalProperties of thin−film field emission cathodes with molybdenium 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、“Operation 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、RadioEng.Electron Phys.、10,1290,(1965)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)〕、ln2 O3 /SnO2 薄膜によるもの〔M.Hartwell and C.G.Fonsted,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、第一号、22頁(1983)〕等が報告されている。
【0007】
これらの表面伝導型素子放出素子の典型的な構成として前述のM.ハートウェルの素子構成を図17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線状の電子放出部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/分程度に印加通電し、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に、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、素子に電圧を印加する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電子放出部およびその近傍に堆積し、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】
図18は、特開平7−235255号公報に開示された電子放出素子の断面形状を示したものである。同図において1、4、5は図17と同様であり、それぞれ、絶縁性基板、導電性薄膜、電子放出部である。2、3は導電性薄膜4に電圧を印加する為の素子電極であり、2を低電位側電極、3を高電位側電極として電圧を印加している。電子放出部5には、上記活性化工程を行うことで、炭素あるいは炭素化合物6が堆積している構造が示され、良好な電子放出特性を実現している。
【0012】
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、蛍光体等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。
【0013】
【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。
【0014】
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。
【0015】
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間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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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ないし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および素子電流Ifが劣化しないこと、が必要であるが、従来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。
【0020】
図17に示したように、表面伝導型電子放出素子は、電圧印加方向にほぼ直行する線状の電子放出部5を有している。
【0021】
電子放出部5は前述のようにフォーミングにより導電性薄膜に形成される間隙部により構成されるが、必ずしも図17に示したような全域にわたって間隙部が一様な幅、形状で形成されるとは限らない。この様な不均一な電子放出部形態の場合、十分な放出電流Ieが得られなかったり、駆動中の特性の変動や劣化が著しくなる場合がある。
【0022】
一方、前述の活性化工程によれば、炭素あるいは炭素化合物等からなる炭素を有する膜が導電性薄膜に形成された間隙部内の基板上およびその近傍の導電性薄膜上に堆積してより狭い間隙部が形成される(図18)。この活性化工程により、放出電流Ieおよび素子電流Ifが増大するが、電子放出効率、寿命等の素子特性は、活性化工程によって堆積した炭素あるいは炭素化合物からなる炭素を有する膜の形状、構造、安定性等によって左右される。
【0023】
特に、堆積物に形成された前述の狭い間隙部には高電界が印加されるため、この間隙部をはさんだ堆積物間での電子が放出される際の挙動や、放電と見られる現象を抑制する事が安定性にとって重要である。本発明は、上記した課題を解決するものであり、その主たる目的としては、電子放出素子の電子放出効率を高めること、また電子放出特性を安定させることにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは上記問題点を鑑みて検討した結果、次の構成を得た。基体表面上に配した一対の電極と、第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、前記第一の間隙部を含む前記基体表面に対して垂直な断面において、前記基体表面における前記一対の炭素を有する膜の間隔よりも、前記基体表面から離れた位置における前記一対の炭素を有する膜の間隔の方が狭いことを特徴とする電子放出素子。基体表面上に配した一対の電極と、第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、前記基体表面は、前記第一の間隙部内に凹部を有し、前記凹部に炭素を有することを特徴とする電子放出素子。このような構成により電子放出効率が高く、電子放出特性が長時間安定な電子放出素子を提供するものである。
【0025】
また、上記本発明は、さらにその特徴として、前記一対の炭素を有する膜の各々は、前記一対の電極間に配置された導電性薄膜を介して前記電極に電気的に接続されることが好適であり、前記導電性薄膜は前記一対の電極間に第二の間隙部を有、前記第二の間隙部内に前記第一の間隙部が配置されることが好適であり、前記電子放出素子は前記一対の電極の一方の電極の電位が他方の電極の電位よりも高くなるように前記一対の電極間に電圧を印加することで電子を放出させる電子放出素子であって、前記第一の間隙部の最も狭い部分を形成する前記一対の炭素を有する膜の一方の端部と前記一対の炭素を有する膜の他方の端部とを結んだ線の延長線上に存在する、前記一対の炭素を有する膜のうちの前記一方の電極に接続する炭素を有する膜の厚みが、100nm以下であることが好適であり、前記一対の炭素を有する膜中の炭素が、グラファイト状炭素であることが好適であり、
前記導電性薄膜が、Pd微粒子膜からなることが好適である。
【0026】
また、本発明は、さらにその特徴として、上記記載の電子放出素子を基体上に複数配列形成し、入力信号に応じて前記電子放出素子の少なくとも1つより電子を放出することを特徴とする電子源であり、
さらには、この電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材と、を有することを特徴とする画像形成装置である。
【0027】
また、電子放出素子の製造方法にあっては、有機物質を含有する雰囲気下で間隙部を有する一対の導電性薄膜の間に電圧を印加し雰囲気中に存在する有機物質から炭素を有する膜を前記間隙部の周囲に形成させて該間隙部の活性化処理を行う電子放出素子の製造方法において前記間隙部を極部的に加熱しながら前記活性化処理を行うことを特徴とする。
【0028】
前記間隙部の極部的な加熱は、炭素を有する膜の形成初期段階では行われず、炭素を有する膜の形成途中から後にかけて行われることが好適であり、 前記間隙部の極部的な加熱は、レーザ光の照射により行うことが好適である。
【0029】
このように構成された本発明の電子放出素子によれば、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなることから、電子放出部付近の電位分布変化が少なくなる。このためその間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流(If)の一部となる電子の量が減少する一方で、アノード電極へ到達する電子の量(放出電流Ie)が増える。
【0030】
さらに、第一の間隙部内に露出した基板が凹部を有する場合には、その凹部の深さに依存して、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間の沿面距離が増える。これにより、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間(間隙部)にかかる強電界に起因するとみられる放電現象や、素子電流Ifが抑制される。
【0031】
さらには、上記間隙部間に露出した基板表面(絶縁性)は、放出された電子の照射を受けると推測されるが、前記凹部に炭素を有することで、この電子が照射されることに起因する帯電現象が抑えられ、その結果、帯電現象によると見られる素子特性の変動や劣化も抑制され、上記した放電現象がいっそう抑制される。
【0032】
また、電子放出素子の製造方法により、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなる電子放出素子を得ることが可能となり、高効率で安定性の高い電子放出素子が得られる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施形態様について述べる。
【0034】
まず、本発明にかかわる電子放出素子の基本的な構成について説明する。
【0035】
図1の(a)、(b)は、それぞれ、本発明にかかわる基本的な平面型の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の(a)、(b)、(c)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、断面図および炭素を有する膜の導電率分布を示す模式図である。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。
【0036】
図1において1は基体としての基板、2と3は一対の電極としての素子電極、4は導電性薄膜、5は電子放出部である。
【0037】
図2(a)、(b)において、1は基板、4は導電性薄膜、5は電子放出部、21、22は導電性薄膜に形成された間隙部(第二の間隙部)内の基板1上及び導電性薄膜4上に堆積した炭素を有する堆積物(膜:一対の炭素を有する膜)であり、23は炭素原子を有する基板変質部(凹部)である。なお、堆積物は間隙部8(第一の間隙部)を境にして、基板表面に対して横方向(基板表面に平行)に対向し、左右の堆積物21、22に分割されて模式的に示されているが、一部でつながっている場合もある。堆積物21は素子電極2の側の導電性薄膜4上にも堆積しており、又、堆積物22は素子電極3の側の導電性薄膜上にも堆積している。
図2(c)は、図2(a)中の間隙部を横切る方向(F−F'で示した部分)の炭素を有する膜の導電率分布を模式的に示しており、導電率が間隙部8に向って高くなっていることが本発明の特徴として挙げられる。
【0038】
以上の構成により、堆積物(21、22)は素子電極(2、3)と電気的に接続される。尚、図面上は、炭素を有する膜である堆積物(21、22)は、導電性薄膜を介して素子電極(2、3)と接続されているが、堆積物(21、22)がそれぞれ、素子電極(2、3)上まで堆積し、直接電気的に接続される場合もある。
【0039】
基板1としては、石英ガラス、青板ガラス、青板ガラス等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およびアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。これら基板には、SiO2 を含んだ材料が望ましく、後述する活性化工程でより本発明に適した基板変質部23を持った、電子放出部5を形成することが可能となる。
【0040】
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等の金属或は合金およびPd、Ag、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の印刷導体、ln2 O3 −SnO2 等の透明導電体およびポリシリコン等の半導体導体材料等が挙げられる。
【0041】
素子電極間隔L、素子電極の長さW、およびその形状は、電子放出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。
【0042】
素子電極間隔Lは、数十nmより数百μmあり、素子電極の製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、および、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。
【0043】
素子電極の長さW、および、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μmであり、素子電極2、3の膜厚dは、数nmより数μmである。
【0044】
尚、図1に示した構成だけでなく、基板1上に、導電性薄膜4、対向する素子電極2、3の順に積層した構成とすることもできる。
【0045】
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間の抵抗値およ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。
【0046】
また、素子電流Ifおよび放出電流Ieの大きさは、導電性薄膜4の幅Wに依存するので、上記素子電極の形状と同様に、電子放出素子のサイズが限定されたなかで十分な放出電流が得られるように設計される。
【0047】
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のためにより大きな電力が必要となる。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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107Ω/□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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
さて、前に例示した材料のなかでも、PdO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、導電性薄膜に間隙部を形成した後等に、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。
【0054】
電子放出部5は、導電性薄膜4の幅W′によってほぼその長さが決まる。
【0055】
電子放出部5は、後述する活性化工程を経ることにより、図2に示すように導電性薄膜に形成された第二の間隙部よりも狭い第一の間隙部8を境に対向した炭素を有する膜21、22、炭素原子を有する基板凹部23で構成される。
【0056】
なお、炭素を有する膜21、22は、主にグラファイト状の炭素から成るが、導電性薄膜4を構成する元素を含有することがある。
本発明における炭素を主成分とした堆積物21、22の形状は、図2に示すように、それぞれの導電性薄膜4表面からの高さH1と、駆動時により高い電圧が印加される高電位側の堆積物22の厚さD1によって特徴付けられる、また、堆積物の間隙部8は基板表面および導電性薄膜表面よりも上方により狭い部位を持つ事によっても特徴付けられる。
【0057】
厳密には、高さH1は、堆積物21と22の間に堆積物22が側が高電位となるように電位差を与えた時に、最も電界が強くなる箇所(点Aと点B)の導電性薄膜4表面からの高さで定義し、D1は、点Aと点Bを結ぶ延長線で堆積物22を切った際に、そこに存在する堆積物の厚み(長さ)で定義する。なお、広義には、上記最も電界が強くなる位置(点Aと点B)は、堆積物21と22が最も接近した(間隙部8の最も狭い)位置となる。
【0058】
本発明の電子放出素子を詳しく説明するために、始めに、図3をもちいて、測定評価装置について説明する。
【0059】
図3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3において、1は基体、2および3は素子電極、4は導電性薄膜、5は電子放出部である。また、31は素子に素子電圧Vfを印加するための電源、30は素子電極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、34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、33はアノード電極34に電圧を印加するための高圧電源、32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。
【0060】
電流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、素子電極2、3に電源31と電流計30とを接続し、該電子放出素子の上方に電源33と電流計32とを接続したアノード電極34を配置している。また、電子放出素子およびアノード電極34は真空装置内に設置されている。
【0061】
図3において、素子電極2、3間に、素子電極3が高電位になるように電圧を印加すると、導電性薄膜4を通じて、図2に示した堆積物21と堆積物22との間に印加された電圧に応じて電位差が生じる。このとき、堆積物21上の点Aと堆積物22上の点Bを中心に強い電界が発生する。この電界が、堆積物21から堆積物22への電子のトンネリングが十分可能な程大きい場合、堆積物21上の点Aの近傍から堆積物22上の点Bの近傍に向かって電子がトンネルすると考えられる。
【0062】
ここで点Aの近傍からトンネリングした電子は、堆積物22の点Bの近傍で一部散乱され、残りの部分は堆積物22中に進入すると考えられる。ここで、堆積物22の点Bの近傍で一部散乱された電子には、再度堆積物22ないし導電性薄膜4に進入して素子電流Ifの一部になるものと、真空中を飛行してアノード電極34に捕捉され、放出電流Ieとして観測されるものとがあると推測される。従って、本発明の電子放出素子では、最も電界が強くなる位置と考えられる、間隙部8が最も狭くなった位置が、素子電極3につながる導電性薄膜4表面より高い位置にあるため、散乱された後導電性薄膜4に進入して素子電流Ifの一部になる電子の割合が減少すると考えられ、その結果、放出電流Ieの割合が増加し、電子放出効率が向上する。
また本発明では、炭素を有する膜の導電率が間隙部に向って高いことも特徴としており、このため近傍の電位分布の変化が小さい。すなわち素子電極3に向っての電位上昇が緩やかなため散乱後の電子が基板側の方向へ受ける力が低減し、このことによっても更に、散乱された後導電性薄膜4に進入して素子電流Ifの一部になる電子の割合が減少すると考えられ、その結果、放出電流Ieの割合が増加し、電子放出効率が向上する。
【0063】
一方、堆積物22に進入した電子はそのまま導電性薄膜4を通じて素子電極3へと流れて行き、電流計30によって素子電流Ifとして観測されるが、本発明においては、堆積物22の厚さD1が薄く形成されているために、進入した電子の一部が堆積物22を透過して真空中に放出されると考えられる。
【0064】
従って、本発明の電子放出素子の放出電流Ieは、堆積物22で散乱された電子による放出電流と堆積物22を透過した電子による放出電流からなると考えられる。
【0065】
堆積物22を透過する電子の透過率Teは、以下の式で表わすことができる。
【0066】
Te=exp(−D1/La) (1)
ここで、Laは堆積物22中における電子の減衰長である。
【0067】
10eVから20eVのエネルギーの電子の物質(金属)中の減衰長は、およそ3〜10原子層であることが知られている。従って、例えば、堆積物22を構成する炭素のd002面間隔が0.38nmで、電子の入射方向と炭素のc軸が一致する場合、電子の減衰長は1〜4nm程度となる。
【0068】
堆積物22を透過する電子の透過率Teが例えば0.1%となるのに必要な堆積物22の厚さD1は、式(1)に、La=4nm、Te=0.001を代入して、
D1=28nm
となる。通常、堆積物22で散乱された電子による電流は、素子電流Ifの0.1%程度であるため、上記D1の値に設定することで全体の放出電流Ieはほぼ2倍に達すると考えられる。
【0069】
本発明において、上記D1の値程度以下に設定されるのがより好ましいが、物質中の自由電子の密度が小さい(半導体や絶縁体)場合、電子の減衰長が長くなることが知られており、上記D1は、堆積物22を構成するグラファイト状炭素の配向や面間隔、キャリア濃度等によって異なるため、厳密にこの値に限られるものではなく、好ましくは、100nm以下である。
【0070】
一方、堆積物22を透過した電子も、散乱電子と同様に再度堆積物22ないし導電性薄膜4に進入して素子電流Ifの一部になるものと、真空中を飛行してアノード電極34に捕捉され、放出電流Ieとして観測されるものとがあると考えられる。
【0071】
本発明では、炭素を有する膜である堆積物21、22の形状を、以上述べたように構成したため、効率の良い、電子放出特性を得ることができる。
【0072】
上記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4に示す。
【0073】
以下、順をおって製造方法の説明を図1、図2および図4に基づいて説明する。
【0074】
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、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4(a))。
【0075】
2)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Pd、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4(b))。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。
【0076】
3)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の一部に間隙部7が形成され間隙部7を挟んで、基板表面に体して横方向に、導電性薄膜が対向配置される(図4(c))。尚、間隙部7はその一部でつながっている場合もある。
【0077】
フォーミング処理以降の電気的処理は、前述した図3に示す測定評価装置内で行う。
【0078】
なお、図3に示した測定評価装置は真空装置であるが、該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、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、本測定装置には、不図示のガス導入装置が付設してあり、所望の有機物質の蒸気を所望の圧力で真空装置内に導入することができる。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。
【0079】
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5の(a)に示す。
【0080】
図5の(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〜10msec、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。
【0081】
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5の(b)に示す。
【0082】
図5の(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〜10msec、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ステップ程度ずつ、増加させる。
【0083】
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4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。
【0084】
以上説明した間隙部7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、間隙部7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。
【0085】
4)次に、フォーミングが終了した素子に活性化処理を施す。活性化処理は、図3に示した真空装置内に有機物質のガスを導入し、有機物質を含有する雰囲気下で、素子の電極間に電圧を印加することで行い、この処理により、基板の変質を伴って、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素を有する膜が素子上に堆積し、素子電流If、放出電流Ieが、著しく変化するようになる。
【0086】
本発明においては、活性化処理によって堆積する、炭素を有する膜の形状を図2に示した形状に、制御良く形成する必要がある。堆積物である炭素を有する膜の形状は、素子に印加する電圧波形、導入する有機物質の圧力、素子表面における拡散移動度、素子表面での平均滞在時間等によって左右される。また、真空装置への導入のし易さ、活性化後の排気のし易さ等の取り扱いの容易性も重要である。以上の観点から、種々の有機物質を検討した結果、ニトリル化合物が有効であり、特にトルニトリル(シアン化トルエン)、あるいはアクリロニトリルを用いた場合、良好な制御性を有することがわかった。これらの有機物質が好ましく用いられる理由は厳密には理解できていないが、ニトリル基(−C≡N)を介した素子表面への吸着状態が、上記の条件に適合しているためと思われる。
【0087】
以下に、本発明の活性化処理における、炭素を有する膜である堆積物の形成過程を、図6、図7を用いて説明する。図6において、1は基板、2、3は素子電極、4は導電性薄膜、7は導電性薄膜に形成された第二の間隙部、21、22は炭素を有する膜である堆積物、23は基板変質部(凹部)である。図7には本発明に用いられる、活性化中の素子電極に対する電圧印加の一例を示した。印加する最大電圧値(図7の一定電圧値)は、10〜20Vの範囲で適宜選択する。尚、前記一定電圧を活性化の最初から加えると放電を起こす可能性があるため、図7に示す様に低電圧から一定電圧まで昇圧する過程を持つ事が好ましい。更には、活性化の最初の電圧値は、前記フォーミングで印加した最大電圧値より大きい事が好ましい。
【0088】
図6(a)は、活性化処理前の電子放出素子の電子放出部近傍を模式的に示したものである。なお、素子は、一度10-6Pa台の圧力に減圧し、その後、有機物質のガスを導入した真空装置内に配置されている(図3)。ここでは有機物質としてトルニトリルを用いた場合を例に説明する。導入するトルニトリルの好適な圧力は、真空装置の形状や真空装置に使用している部材等によって若干影響されるが、1×10-5Pa〜1×10-3Pa程度である。1×10-5Pa以下の圧力では、活性化の進行が著しく遅くなり、残留している他のガスの組成、分圧によっては活性化が十分に進行しない場合もある。一方、1×10-3Pa以上の圧力では、活性化の進行が著しく速くなり、所望の堆積物の形状を再現良く形成することが難しくなる。好適な導入分圧の範囲はその温度における有機物質の飽和蒸気圧によって異なり、アクリロニトリルの場合は、1×10-1Pa〜1×10-3Pa程度である。
【0089】
活性化工程(炭素を有する膜を堆積させる工程)において、図7に示した電圧を、素子電極2、3間(間隙部7)に印加する。これにより雰囲気中の有機物質が間隙部7内及びその近傍の導電性薄膜4上に堆積し始める(図6(b))。この過程において、堆積物21、22は、紙面と垂直方向にも同時に堆積する。
【0090】
さらに、活性化処理を続けると、基板の変質(後述する掘れ)を伴って、堆積物の堆積が増加していき導電性薄膜表面より上方に成長していく(図6(c))。そして最終的に図6(d)に示された形態になった時点で活性化処理を終了する。
【0091】
上記活性化工程中に素子電極2,3間を流れる電流(素子電流If)の様子を現したのが、図19である。
【0092】
図19中、領域Iにおける炭素を有する膜の堆積の様子を示したのが、図6の(a)、(b)である。また、領域IIにおける炭素を有する膜の堆積の様子を示したのが、図6の(c)、(d)である。
【0093】
素子電流の上昇が緩やかになる領域IIに入ると基板の変質である基板の掘れと共に、堆積物である炭素を有する膜21,22の基板表面から上方に向かった堆積が進行する。従って、活性化工程の終了を素子電流を測定しながら決定する場合には、活性化時に素子電極に印加する電圧が一定電圧(図7のconst電圧)の領域に入った後に、素子電流が上記領域IIに入ったことを確認した上で、活性化工程を終了する。
【0094】
また、図6に示した活性化工程中、図7に示した電圧を素子電極3が正になる様に、素子電極3にのみ印加した場合には、堆積物である炭素を有する膜21,22の基板表面からの高さが、22の方が高くなる非対称の構造を作る事ができる。
【0095】
このような非対称構造の素子の場合は、基板表面からの高さが高い方の炭素を有する膜が電気的に接続した電極の方に、駆動時に印加する電位が高い様にすることが好ましい。この様に駆動することで、より高い電子放出効率が得られる。
【0096】
尚、図6(d)に示した様に、堆積物である炭素を有する膜21,22の基板表面からの高さを揃えるには、一旦、図7に示した波形の電位を素子電極3の電位が正になるようにして印加した後に、素子電極3の電位が負になる様に電圧を印加することで形成することができる。
【0097】
この様に、活性化工程中に極性を反転させた電位を印加する工程を行うことで、炭素を有する膜21,22を構成する炭素の質を同程度のものにすることができるので、電子放出素子の駆動時に、高温にさらされる炭素を有する膜21,22のどちらか一方の優先的な変質や消失を抑制でき、その結果電子放出特性をより安定にすることができる。
【0098】
また、基板の変質(掘れ)については、次のように考えている。
【0099】
炭素の近くにSiO2 (基板の材料)が存在する条件下で温度上昇するとSiが消費される。
【0100】
SiO2 +C→SiO↑+CO↑
この様な反応が起こることによって基板中のSiが消費され、基板がえぐれた(凹部)形状を有するのではないかと考える。電子放出部5は、基板がえぐれて、上方向にせり出した炭素堆積物を持つ形状を形作ることで電界が先端部に集中し、より安定した電子放出を可能にする。
【0101】
また、基板に形成された凹部23は、堆積物に形成された第一の間隙部8を境いにして、堆積物21、22間の沿面距離を増加させている。沿面距離が増加する事で、堆積物21、22間に印加される高電界下においても、堆積物21、22間の放電現象が抑制されると考えられる。
【0102】
又、上記凹部には、その表面に炭素が存在するため、間隙部8内に露出した基板の帯電が抑制され、この結果、より安定な電子放出特性が得られると考えられる。
【0103】
次に、本発明における炭素を有する膜である堆積物21、22の炭素について説明する。
【0104】
本発明におけるグラファイト状炭素とは、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)、非晶質カーボン(アモルファスカーボン及び、アモルファスカーボンと前記グラファイトの微結晶の混合物を指す)を包含する。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。
【0105】
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排気する工程である。真空容器内の有機物質は極力排除することが望ましいが、有機物質の分圧としては1〜3×10-8Pa以下が好ましい。また、他のガスをも含めた圧力は、1〜3×10-6Pa以下が好ましく、さらに1×10-7Pa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。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出来る。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。このときの加熱条件は、150〜350℃、好ましくは200℃以上でできるだけ長時間行うのが望ましいが、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、電子放出素子の配置などの諸条件により適宜選ばれる条件により行う。
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出来る。
【0106】
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るので本発明の炭素を有する膜の形状が維持され、結果として素子電流If,放出電流Ieが安定する。
【0107】
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3、図8を用いて説明する。
【0108】
図3に示した測定評価装置により測定された、安定化処理後の素子の放出電流Ie及び素子電流Ifと素子電圧Vfの典型的な例を図8に示す。なお、図8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8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。
【0109】
まず第一に、本素子はある電圧(しきい値電圧と呼ぶ、図8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以下では放出電流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。
【0110】
第二に、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。
【0111】
第3に、アノード電極34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34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。
【0112】
以上のような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、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。
【0113】
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。
【0114】
本発明による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。
【0115】
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。
【0116】
次に、この単純マトリクス配置について詳述する。
【0117】
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電子は、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、しきい値電圧以下では、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事となる。
【0118】
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9を用いて説明する。
【0119】
m本のX方向配線102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102とn本のY方向配線103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、マトリックス配線を構成する(このm,nは、共に正の整数)。
【0120】
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102を形成した基板101の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、X方向配線102とY方向配線103の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が、適宜設定される。X方向配線102とY方向配線103は、それぞれ外部端子として引き出されている。
さらに、前述と同様にして、表面伝導型放出素子104の対向する電極(不図示)が、m本のX方向配線102(DX1、DX2、…、DXm)とn本のY方向配線103(DY1、DY2、…、DYn)と導電性金属等からなる結線105によって電気的に接続されているものである。
【0121】
ここで、m本のX方向配線102とn本のY方向配線103と結線105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。
【0122】
また、詳しくは後述するが、前記X方向配線102には、X方向に配列する表面伝導型放出素子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103には、Y方向に配列する表面伝導型放出素子104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。
【0123】
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。
【0124】
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の一例について、図10と図11を用いて説明する。図10は、画像形成装置の基本構成図であり、図11は蛍光膜である。
【0125】
図10において、101は電子放出素子を複数配した電子源基板、111は電子源基板101を固定したリアプレート、116はガラス基板113の内面に蛍光膜114とメタルバック115等が形成されたフェースプレートである。112は、支持枠であり、リアプレート111、支持枠112及びフェースプレート116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118を構成する。
【0126】
図10において、104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。102、103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。
【0127】
外囲器118は、上述の如く、フェースプレート116、支持枠112、リアプレート111で構成したが、リアプレート111は主に基板101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111は不要であり、基板101に直接支持枠112を封着し、フェースプレート116、支持枠112、基板101で外囲器118を構成してもよい。
【0128】
一方、フェースプレート116、リアプレート111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118を構成することもできる。
【0129】
図11は、蛍光膜である。蛍光膜114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121と蛍光体122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、カラー表示の場合必要となる3原色蛍光体の各蛍光体122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114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。
【0130】
ガラス基板113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、沈殿法、印刷法等が用いられる。
【0131】
また、蛍光膜114の内面側には通常メタルバック115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116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。
【0132】
フェースプレート116には、更に蛍光膜114の導電性を高めるため、蛍光膜114の外面側に透明電極(不図示)を設けてもよい。
【0133】
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対応させなくてはいけないため、十分な位置合わせを行う必要がある。
【0134】
外囲器118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118の封止後の真空度を維持するために、ゲッター処理を行う場合もある。これは、外囲器118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118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。
【0135】
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、Doy1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117を通じ、メタルバック115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114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。
【0136】
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必要な概略構成であり、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、画像形成装置の用途に適するよう適宜選択する。
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12を用いて説明する。
【0137】
図12は、NTSC方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図であり、図12中、131は表示パネル、132は走査信号発生回路、133はタイミング制御回路、134はシフトレジスタである。135はラインメモリ、136は同期信号分離回路、137は変調信号発生回路、VxおよびVaは直流電圧源である。
【0138】
表示パネル131は、端子Dox1乃至Doxm、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Doy1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。
【0139】
走査信号発生回路132は、内部にm個のスイッチング素子を備えたもので(図中、S1ないしSmで模式的に示している)ある。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131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133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。
【0140】
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。
【0141】
タイミング制御回路133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133は、同期信号分離回路136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。
【0142】
同期信号分離回路136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136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134に入力される。
【0143】
シフトレジスタ134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133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134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、ld1乃至ldnのN個の並列信号として前記シフトレジスタ134より出力される。
【0144】
ラインメモリ135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133より送られる制御信号Tmryに従って適宜ld1乃至ldnの内容を記憶する。記憶された内容は、l′d1乃至l′dnとして出力され、変調信号発生器107に入力される。
【0145】
変調信号発生器137は、画像データl′d1乃至l′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131内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【0146】
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。
【0147】
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を変化させる事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事が可能である。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。
【0148】
電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器137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。
【0149】
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137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。
【0150】
シフトレジスタ134やラインメモリ135は、デジタル信号式のものをも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。
【0151】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路136の出力信号DATAをデジタル信号化する必要があるが、これには同期信号分離回路136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135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137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137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137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。
【0152】
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137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。
【0153】
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115、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114に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
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。
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。
【0154】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳述する。
【0155】
(実施例1)
本実施例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図1の(a)、(b)の平面図及び断面図、及び図2の(a)、(b)、(c)の拡大した平面図、断面図及び炭素を有する膜の導電率分布図と同様である。
【0156】
本実施例にかかわる表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的には図4、図6と同様である。以下、図1、図2、図4、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。
【0157】
以下、順をおって製造方法の説明を図1、図2及び図4、図6に基づいて説明する。
【0158】
工程−a
最初に、清浄化した石英基板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−2000N−41 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30nmのPt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、Pt/Ti堆積膜をリストオフ、素子電極間隔Lは3μmとし、素子電極の幅Wが500μmを有する素子電極2、3を形成した(図4(a))。
【0159】
工程−b
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、そのうえ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主元素としてPdよりなる微粒子からなる導電性薄膜4の膜厚は10nm、シート抵抗Rsは2×104 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。
【0160】
工程−c
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、導電性薄膜4の幅W′の幅が300μmとなるよう所望のパターンの導電性薄膜4を形成した(図4(b))。
【0161】
以上の工程により基板1上に、素子電極2、3、導電性薄膜4を形成した。
【0162】
なお、全く同じ工程により、比較例1、2の素子を作製した。
【0163】
工程−d
次に、図3の測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、1×10-6Pa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31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い、導電性薄膜に第一の間隙部7を形成した。フォーミング処理の電圧波形は図5の(b)に示したものである(図4(c)、図6(a))。
【0164】
図5の(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1msec、T2を16.7msec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。尚、フォーミングで印加した最大電圧値は約5Vであった。
【0165】
工程−e
続いて、活性化工程を行うために、トル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、1.3×10の-4Paを維持した。次にフォーミング処理した素子に、素子電極2、3を介して図7(b)に示した様な活性化電圧波形を繰り返し印加する。具体的には、素子電極2を0Vとし、素子電極3に、T3=1msecパルス幅の正の矩形波を印加後、同じパルス幅の負の矩形波を印加し、これをT4=10msecの周期で繰り返し印加する。またその時印加するパルスの波高値の絶対値を図7(a)で示したように6Vから15Vまで一定のレートで昇圧し、その後15Vで維持し、活性化処理をした。このとき、素子電極3に与える電圧を正としており、素子電流Ifは、素子電極3から2へ流れる方向が正である。約60分後に図19の領域IIに入ったのを確認した後通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【0166】
一方、本実施例の素子と同一のフォーミング工程を行った比較例1、2の素子に、下記の条件で活性化工程を施した。
【0167】
比較例1の素子:トルニトリルの導入分圧を1.3×10の-2Paとした以外は本実施例の素子と同様
比較例2の素子:トルニトリルの導入分圧を1.3×10の-6Paとした以外は本実施例の素子と同様
工程−f
続いて、安定化工程を行う。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1×10の-8Pa程度に達した。
【0168】
続いて、電子放出特性の測定を行った。
【0169】
アノード電極34と電子放出素子の間の距離Hを4mmとし、高圧電源33によりアノード電極34に1kVの電位を与えた。この状態で、電源31を用いて素子電極2、3の間に波高値15Vの矩形パルス電圧を印加して、電流計30及び電流計32により、本実施例の素子及び比較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。
本実施例の素子は、比較例1と素子電流Ifはほぼ同じであったが、放出電流Ieは比較例1に比べ大きい値を示し、効率が良い素子が得られた。また、比較例2の素子では素子電流Ifが極端に低くなり十分な放出電流Ieを得ることが出来なかった。
【0170】
この結果から、本実施例の素子は、比較例の素子と比較して、放出電流Ieが大きく、かつ電子放出効率ηが優れていることがわかった。
【0171】
また、上記工程で作製した本実施例の素子、及び比較例の素子について、走査型トンネル顕微鏡(STM)観測、原子間力顕微鏡(AFM)観察および透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行った。
【0172】
まず、走査型トンネル顕微鏡を用い、上述したように作成した素子に電子放出させる場合より低い電圧を印加しながら、電子放出部付近の炭素を有する膜の電位分布を観測した。その結果、炭素を有する膜の電位は、どの素子についても間隙部から離れるに従い高くなるが、本実施例の素子においては、間隙部近傍での電位上昇は少なく、間隙部から離れるに従ってその電位上昇率が上がっていることが判明した。すなわち本実施例の素子は、図2(c)で示したように、間隙部に向って、炭素を有する膜の導電率が高くなっていた。それゆえに、電子放出部近傍の電位分布変化、具体的には、電位上昇が抑制され、その結果その間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流(If)の一部となる電子の量が減少する一方で、アノード電極へ到達する電子の量(放出電流Ie)が増えていると、我々は考えている。
【0173】
次に、原子間力顕微鏡を用い、素子の電子放出部5を含む平面の形状観察を行った。本実施例の素子の形状は、図2(a)に示した平面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7の両側に堆積物21、22が観測された。また、原子間力顕微鏡より得られた高さ情報から、堆積物の最も高い部分での高さは導電性薄膜4の表面より約80nm高い位置にあり、その高さの堆積物は、幅500nm程度の帯状の形状を有していた。一方、比較例1の素子においても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観測されたが、堆積物の高さはほぼ一様であり、本実施例の素子のような帯状の形状は見られなかった。また、比較例2の素子を観察したところ、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場所と無い場所が点在していた。
【0174】
次に、それぞれの素子の堆積物を含む断面の透過型電子顕微鏡観察を行った。
【0175】
その結果、本実施例の素子の間隙部8の近傍の堆積物は、図2(b)に示した形状と同様であり、堆積物21、22に相当する部分の高さは約80nmであった。尚、堆積物21は、図1の素子電極2に導電性薄膜4を介して接続しており、堆積物22は、図1の素子電極3に導電性薄膜4を介して接続している。又、導電性膜4上にも炭素を有する膜が堆積しており、その高さは約20nmであった。さらに厚さD1に対応する部分の厚さを測定したところ約25nmであった。
【0176】
基板変質部(凹部)の深さは、約30nmであり、変質部にも炭素原子の存在を確認した。中心部には、空洞が観察された。
【0177】
一方、比較例1の素子の堆積物は、導電性薄膜に形成された間隙部全体を厚く堆積物が覆っており、図2(b)に示したような形状は観測されなかった。
【0178】
さらに、比較例2の素子では、堆積物の堆積量が少ないため、詳細な形状は分からなかった。
【0179】
最後に、本実施例の素子の導電性薄膜に形成された間隙部近傍の堆積物を、電子プローブマイクロアナリシス(EPMA)およびX線光電子分光(XPS)、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。
【0180】
これらの観察結果から、本実施例の素子では、堆積した堆積物21、22はグラファイト状の炭素を主成分とした炭素を有する膜であり、基板変質部23にも炭素が存在し、中心部は空洞があり、図2(b)に示した形状と同様の形状を有することから、放出電流Ieが大きく、放出効率ηの高い良好な電子放出が得られた。また、実施例1及び比較例1、2の素子を同一時間駆動したところ、本実施例の素子に比べ、比較例の素子は電子放出特性の劣化が早く見られ、比較例の一部の素子は放電によると見られる急激な素子特性の劣化が見られたが、本実施例の素子は、劣化も少なく、安定な特性が得られた。
【0181】
(実施例2)
本実施例では、工程−dまで、実施例の1と同様の工程を行った。基板1としては、コーニング製7059基板を用いた。
【0182】
工程−e
続いて、活性化工程を行うために、ベンゾニトリルをスローリークバブルを通して真空装置内に導入し、1.3×10の−4Paを維持した。次にフォーミング処理した素子に、実施例1と同様に図7(a),(b)に示した波形で6Vから15Vに昇圧し、波高値の絶対値が15Vになった時点で電圧値を維持して活性化処理した。このとき、間隙部を中心として近傍にレーザー光を照射しながら活性化処理を進め、また、素子電極3に与える電圧を正としており、素子電極2には0Vを印加した。素子電流Ifは、素子電極3から2へ流れる方向が正である。約50分後に印加電圧が15Vの一定電位であり、素子電流が図19に示した領域IIに入った事を確認した上で通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【0183】
一方、本実施例の素子と同一のフォーミング工程を行った比較例3、4の素子に、下記の条件で活性化工程を施した。
【0184】
比較例3の素子:ベンゾニトリルの導入分圧を1.3×10の−2Paとした以外は本実施例の素子と同様
比較例4の素子:ベンゾニトリルの導入分圧を1.3×10の−6Paとした以外は本実施例の素子と同様
工程−f
続いて、安定化工程を行う。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1×10の-8Pa程度に達した。
【0185】
続いて、電子放出特性の測定を行った。
【0186】
アノード電極34と電子放出素子の間で距離Hを4mmとし、高圧電源33によりアノード電極34に1kVの電位を与えた。この状態で、電源31を用いて素子電極2、3の間に波高値15Vの矩形パルス電圧を素子電極2を0V、素子電極3を15Vとして印加して、電流計30及び電流計32により、本実施例の素子及び比較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。
【0187】
本実施例の素子は、比較例1と素子電流Ifはほぼ同じであったが、放出電流Ieは比較例1に比べ大きい値を示し、効率が良い素子が得られた。また、比較例2の素子では素子電流Ifが極端に低くなり十分な放出電流Ieを得ることが出来なかった。
【0188】
この結果から、本実施例の素子は、比較例の素子と比較して、放出電流Ieが大きく、かつ電子放出効率ηが優れていることがわかった。
また、上記工程で作製した本実施例の素子について、実施例1と同様に、走査型顕微鏡(STM)観測、原子間力顕微鏡(AFM)観察および透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行ったところ、本実施例の素子における電子放出部付近の炭素を有する膜の導電率は図20(b)で示したように間隙部に向って高くなっており、また膜の形状は、図20(a)に示した形状と同様の堆積物21、22を有していた。本実施例の素子では、図2(b)における堆積物21・22に相当する部分の高さは約10nmであった。また、基板変質部の深さは、40nmで中央に空洞が観察された。次にTEM中でプローブを絞り、エネルギー分散型X線分光法(EDS:Energy Dispersive X−Ray Spectroscopy)で基板変質部23の元素分析を行った。基板変質部23と同等の深さの導電性膜4の下、基板部(未変質部)と比較したところ、基板中のBa、Alの比率は、変化していなかったが、Ba、Alそれぞれに対してSiが減少していることがわかった。また、基板変質部の空洞である凹部表面に炭素が検出された。
【0189】
最後に、本実施例の素子の間隙部8近傍の堆積物を、EDS及びX線光電子分光(XPS)、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炭素を有する膜であることを確認した。
【0190】
これらの観察結果から、本実施例の素子においても、堆積物21、22はグラファイト状の炭素を主成分としたものであり、図2(b)に示した形状と同様の形状を有する。また、基板変質部23は、炭素を含み、Siが消費された空洞構造を持つことがわかった。これらのことから、放出効率ηの高い良好な電子放出が得られた。また、本実施例の素子及び比較例3、4の素子を同一条件で同一時間駆動したところ、比較例の素子は、本実施例の素子に比べ、特性の劣化が早くまた、放電と見られる現象が観察されたが、本実施例の素子は特性が非常に安定であった。
【0191】
尚、工程−eにおいて、レーザー光の照射を堆積物21、22の形成の初期段階においては行わず、ある程度の大きさに堆積物21、22が成長した後に開始することや、成長に合わせて照射強度を変化させることにより、導電率の変化をより適宜なものに設定することが可能である。
【0192】
(実施例3)
本実施例は、多数の表面伝導電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源を用いた画像形成装置の例である。
【0193】
電子源の一部の平面図を図13に示す。また、図中のA−A′断面図を図14に示す。但し図13、図14で、同じ記号を示したものは、同じものを示す。ここで101は基板、102は図9のDXmに対応するX方向配線(下配線とも呼ぶ)、103は図9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、171は層間絶縁層、172は素子電極2と下配線102と電気的接続のためのコンタクトホールである。
【0194】
次に製造方法を図15、図16により工程順に従って具体的に説明する。
【0195】
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(AZ1370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102のレジストパターンを形成し、Au/Cr堆積膜をウエットエッチングして、所望の形状の下配線102を形成する(図15(a))。
【0196】
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171をRFスパッタ法により堆積する(図15の(b))。
【0197】
工程−c
工程−bで堆積した層間絶縁層171にコンタクトホール172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171をエッチングしてコンタクトホール172を形成する(図15の(c))。
【0198】
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(RD−2000N−41 日立化成社製)で形成し、スパッタ法により、厚さ5nmのTi、厚さ0.1mmのPt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、Pt/Ti堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔L=3mm、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15の(d))。
【0199】
工程−e
素子電極2,3の上に上配線103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103を形成した(図16の(a))。
【0200】
工程−f
膜厚0.1mmのCr膜191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16の(b))。また、こうして形成された主元素としてPdよりなる微粒子からなる導電性薄膜4の膜厚は10nm、シート抵抗値は2×104Ω/□であった。
【0201】
工程−g
Cr膜191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16の(c))。
【0202】
工程−h
コンタクトホール172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172を埋め込んだ(図16の(d))。
【0203】
以上の工程により絶縁性基板1上に下配線102、層間絶縁層171、上配線103、素子電極2,3、導電性薄膜4を形成した。
【0204】
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。
【0205】
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111上に固定した後、基板1の5mm上方に、フェースプレート116(ガラス基板113の内面に蛍光膜114とメタルバック115が形成されて構成される)を支持枠112を介し配置し、フェースプレート116、支持枠112、リアプレート111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111への基板1の固定もフリットガラスで行った。
【0206】
本実施例において図10の104は電子放出部形成前の電子放出素子(例えば、図4の(b)に相当する)であり、102,103はそれぞれX方向及びY方向の素子配線である。
【0207】
蛍光膜114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た。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114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113に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
【0208】
また、蛍光膜114の内面側には通常メタルバック115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。
【0209】
フェースプレート116には、更に蛍光膜114の導電性を高めるため、蛍光膜114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伝性が得られたので省略した。
【0210】
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。
【0211】
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DoxlないしDoxmとDoylないしDoynを通じ電子放出素子104の電極2,3間に電圧を印加し、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5の(b)と同様である。フォーミングで印加した最大電圧は約5Vであった。
【0212】
本実施例ではT1を1msec、T2を10msecとし、約1.3×10-3Paの真空雰囲気下で行った。
【0213】
次に、パネル内の圧力が10-6Pa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1.3×10-4Paとなるようにトルニトリルをパネル内に導入し、維持した。容器外端子DoxlないしDoxmとDoylないしDoynを通じ電子放出素子104の電極2,3間に、図7と同様の波形で、6Vから電圧を印加し始め、20Vまで昇圧し、その後20Vの一定電圧で保持した。尚、素子電極2を0Vとし、素子電極3に印加する電圧の最高値を20Vとして活性化処理を行った。
【0214】
このように、フォーミング、活性化処理を行い、電子放出素子104を作製した。又、活性化の終了は実施例1、2と同様に、印加電圧が一定(20V)であり、素子電流が図19における領域IIに相当する事を確認した上で行った。
【0215】
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10-7Pa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。
【0216】
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。
【0217】
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DoxlないしDoxm、Doylないし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117を通じ、メタルバック115、あるいは透明電極(不図示)に5kV以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜114に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示した。
【0218】
本実施例における画像表示装置は、高輝度で長時間にわたり安定で良好な画像を表示することができた。
【0219】
(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10に示した画像形成装置を図12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った。
【0220】
本表示装置においては、とりわけ表面伝導型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、表示伝導型放出素子を電子ビーム源とするディ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事が可能である。
【0221】
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、かつ安定して表示することができた。
【0222】
【発明の効果】
上記のように説明された本発明によると、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなることから、電子放出部付近の電位分布変化が少なくなり、このため第一の間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流の一部となる電子の量が減少する一方で、放出電流が増加し、電子放出効率が向上する。
【0223】
また、第一の間隙部内の基板に凹部を有するため、その凹部の深さに依存して、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間の沿面距離が増えたため、素子電流が抑制された高効率な素子が得られると同時に、前記した炭素を有する膜間にかかる強電界下でも、上記間隙部間の放電現象によると見られる特性の劣化が抑制された安定な素子が得られた。
【0224】
さらに、第一の間隙部間に露出した基体の表面は、放出された電子の照射にさらされると推測されるが、本発明の素子では、少なくとも、上記間隙部内に露出した基板の凹部表面に炭素を有しているため、この電子が照射されることに起因する基板凹部表面の帯電減少によるとみられる素子特性の変動や劣化が抑制され、長時間にわたり電子放出特性の安定な素子が得られた。
【0225】
さらには、本発明の効率の高く、特性が長時間に渡り安定な素子を用いた電子源あるいは画像形成装置においては、多数の電子放出素子を配列しても非常に安定であり、特に蛍光体を用いた画像表示装置では、輝度が高く、長時間安定で消費電力の低い画像表示装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子放出素子の模式図である。
【図2】本発明の電子放出部近傍の拡大模式図である。
【図3】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示す模式図である。
【図4】本発明の電子放出素子の製造工程の一部を示す模式図である。
【図5】本発明の電子放出素子の製造工程の一部であるフォーミング工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図6】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程を示す模式図である。
【図7】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図8】本発明の電子放出素子の放出電流Ie、素子電流Ifと素子電圧Vfとの関係を示す模式図である。
【図9】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図10】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した一例を示す模式図である。
【図11】蛍光膜の一例を示す模式図である。
【図12】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した際に、NTSC方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路のブロック図である。
【図13】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図14】図13の折れ線A−A′に沿った部分断面模式図である。
【図15】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための模式図である。
【図16】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための模式図である。
【図17】従来の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図18】従来の別の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図19】本発明の活性化工程中の素子電流の変化を示す模式図である。
【図20】本発明の電子放出部近傍の拡大模式図である。
【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 炭素あるいは炭素化合物
7 間隙部(第二の間隙部)
8 間隙部(第一の間隙部)
21,22 堆積物(炭素を有する膜)
23 凹部
30 電流計
31 電源
32 電流計
33 電圧電源
34 アノード電極
101 電子源基板
102 X方向配線
103 Y方向配線
104 電子放出素子
111 リアプレート
112 支持枠
113 ガラス基板
114 蛍光膜
115 メタルバック
116 フェースプレート
117 高圧端子
118 外囲器
121 黒色部材
122 蛍光体
131 表示パネル
132 走査回路
133 制御回路
134 シフトレジスタ
135 ラインメモリ
136 同期信号分離回路
137 変調信号発生器
Vx,Va 直流電源
171 層間絶縁層
172 コンタクトホール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron-emitting device, an electron source, an image forming apparatus, and an electron-emitting device manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, two types of electron-emitting devices are known: a thermionic source and a cold cathode electron source. Cold cathode electron sources include field emission type (hereinafter abbreviated as FE type), metal / insulating layer / metal type (hereinafter abbreviated as MIM type), surface conduction electron-emitting devices, and the like.
[0003]
As an example of the FE type, W.W. P. Dyke & W. W. Dolan, "Field emission", Advance in Electron Physics, 8, 89 (1956) or C.I. A. Spindt, “Physical Properties of Thin-Film Field Emission Catalysts with Mollybdenium Cones”, J. Am. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[0004]
Examples of the MIM type include C.I. A. Mead, “Operation of Tunnel-Emission Devices”, J. Am. Apply. Phys. 32,646 (1961) and the like are known.
[0005]
Examples of surface conduction electron-emitting devices include M.I. I. Elinson, RadioEng. Electron Phys. 10, 1290, (1965) and the like.
[0006]
A surface conduction electron-emitting device utilizes a phenomenon in which electron emission occurs when a current is applied in parallel to a film surface of a small-area thin film formed on a substrate. As the surface conduction electron-emitting devices, those using the SnO2 thin film by Erinson et al., Those using the Au thin film [G. Ditmmer, Thin Solid Films, 9, 317 (1972)], ln2 O3 / SnO2 thin film [M. Hartwell and C.H. G. Fonsted, IEEE Trans. ED Conf. 519 (1975)], and those using carbon thin films [Hisa Araki et al .: Vacuum, Vol. 26, No. 1, p. 22 (1983)] have been reported.
[0007]
As a typical configuration of these surface-conduction type device emitting devices, the above-described M.P. The element structure of Hartwell is shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes an insulating substrate. 4 is a conductive thin film made of a metal oxide thin film or the like formed by sputtering in an H-shaped pattern, and a linear electron emission portion 5 is formed by an energization process called forming described later. In the figure, the element electrode interval L is set to 0.5 to 1 mm, and W is set to 0.1 mm.
[0008]
Conventionally, in these surface conduction electron-emitting devices, it has been common to form the electron-emitting portion 5 in advance by conducting an energization process called forming before conducting the electron emission. In other words, forming means applying and applying a DC voltage or a very slow rising voltage, for example, about 1 V / min, to both ends of the conductive thin film 4 to locally break, deform or alter the conductive thin film, resulting in an electrically high voltage. It is to form the electron emission portion 5 in a resistance state. In the electron emitting portion 5, a crack is generated in a part of the conductive thin film 4, and the electron is emitted from the vicinity of the crack. The surface-conduction type electron-emitting device subjected to the forming process emits electrons from the electron-emitting portion 5 by applying a voltage to the conductive thin film 4 and causing a current to flow through the device.
[0009]
On the other hand, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-235255, a process called activation processing may be performed on an element that has finished forming. The activation treatment process is a process in which the device current If and the emission current Ie are remarkably changed by this process.
[0010]
The activation step can be performed by applying a voltage to the element in the same manner as the forming process in an atmosphere containing an organic substance. By this treatment, carbon or a carbon compound is deposited from an organic substance present in the atmosphere in and near the electron emission portion of the device, and the device current If and the emission current Ie are remarkably changed, so that better electron emission characteristics are obtained. Can be obtained.
[0011]
FIG. 18 shows a cross-sectional shape of an electron-emitting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-235255. In the figure, reference numerals 1, 4, and 5 are the same as those in FIG. 17, respectively, an insulating substrate, a conductive thin film, and an electron emission portion. 2 and 3 are element electrodes for applying a voltage to the conductive thin film 4, and the voltage is applied with 2 being a low potential side electrode and 3 being a high potential side electrode. By performing the above-described activation process, the electron emission portion 5 shows a structure in which carbon or a carbon compound 6 is deposited, and realizes good electron emission characteristics.
[0012]
An image forming apparatus can be configured by using an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices as described above are formed and combining with an image forming member made of a phosphor or the like.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, due to the rapid development of multimedia with the advancement of information in recent years, higher performance has been demanded for image forming apparatuses such as displays. That is, the display device has a large screen, power saving, high definition, high image quality, and space saving.
[0014]
Therefore, in the above-described electron-emitting device, there is a technology that can maintain a more efficient and stable electron-emitting characteristic for a longer time so that an image forming apparatus to which the electron-emitting device is applied can stably provide a bright display image. It is desired.
[0015]
Here, the efficiency refers to a current (hereinafter referred to as emission) released in a vacuum with respect to a flowing current (hereinafter referred to as element current If) when a voltage is applied between a pair of opposing element electrodes of the surface conduction electron-emitting device. Current ratio) and current Ie).
[0016]
That is, it is desirable that the element current If is as small as possible and the emission current Ie is as large as possible.
[0017]
If high-efficiency electron emission characteristics can be stably controlled over a long period of time, for example, in an image forming apparatus using a phosphor as an image forming member, a low-power and bright high-quality image forming apparatus such as a flat TV is realized. it can.
[0018]
However, the above-mentioned M.I. Hartwell's electron-emitting devices do not always have satisfactory electron-emitting characteristics and electron-emitting efficiency, and image forming apparatuses with high brightness and excellent operational stability using these elements The reality is that it is extremely difficult to provide.
[0019]
That is, for use in such an application, a sufficient emission current Ie can be obtained with a practical voltage (for example, 10 V to 20 V), the emission current Ie and the device current If do not vary greatly during driving, Although it is necessary that the emission current Ie and the device current If do not deteriorate over time, the conventional surface conduction electron-emitting device has the following problems.
[0020]
As shown in FIG. 17, the surface conduction electron-emitting device has a linear electron-emitting portion 5 that is substantially perpendicular to the voltage application direction.
[0021]
As described above, the electron emission portion 5 is constituted by the gap formed in the conductive thin film by forming. However, when the gap is formed with a uniform width and shape over the entire area as shown in FIG. Is not limited. In the case of such a non-uniform electron emission portion form, there may be a case where a sufficient emission current Ie cannot be obtained, or the characteristic fluctuation or deterioration during driving becomes significant.
[0022]
On the other hand, according to the above-described activation process, a carbon-containing film made of carbon, a carbon compound, or the like is deposited on the substrate in the gap formed in the conductive thin film and on the conductive thin film in the vicinity thereof to form a narrower gap. A part is formed (FIG. 18). The activation process increases the emission current Ie and the device current If. However, the device characteristics such as the electron emission efficiency and the lifetime depend on the shape, structure, and structure of the film having carbon deposited by the activation process or carbon composed of carbon compounds. It depends on stability etc.
[0023]
In particular, since a high electric field is applied to the above-mentioned narrow gap formed in the deposit, the behavior when electrons are emitted between the deposits across this gap and the phenomenon seen as discharge are observed. Suppressing is important for stability. The present invention solves the above-mentioned problems, and its main purpose is to increase the electron emission efficiency of the electron-emitting device and to stabilize the electron emission characteristics.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventors have studied in view of the above problems, The following configuration was obtained. A pair of electrodes disposed on the surface of the substrate; and a pair of carbon films separated by a first gap, wherein one of the pair of carbon films is electrically connected to one of the pair of electrodes. And the other of the pair of carbon-containing films is electrically connected to the other of the pair of electrodes, and the conductivity of each of the pair of carbon-containing films is The film having the pair of carbons on the substrate surface in a cross section that is higher from the pair of electrodes toward the first gap portion and is perpendicular to the substrate surface including the first gap portion. An electron-emitting device characterized in that the distance between the pair of carbon-containing films at a position away from the substrate surface is narrower than the distance. A pair of electrodes disposed on the surface of the substrate; and a pair of carbon films separated by a first gap, wherein one of the pair of carbon films is electrically connected to one of the pair of electrodes. And the other of the pair of carbon-containing films is electrically connected to the other of the pair of electrodes, and the conductivity of each of the pair of carbon-containing films is The electron-emitting device, wherein the electron-emitting device has a height from the pair of electrodes toward the first gap, and the substrate surface has a recess in the first gap and carbon in the recess. . Such a configuration Thus, an electron-emitting device having high electron emission efficiency and stable electron emission characteristics for a long time is provided.
[0025]
Further, the present invention is further characterized in that the film having the pair of carbons. Each of Is electrically connected to the electrodes through a conductive thin film disposed between the pair of electrodes Preferred to be The conductive thin film has a second gap between the pair of electrodes. Shi In the second gap Said It is preferred that the first gap is arranged The electron-emitting device is an electron-emitting device that emits electrons by applying a voltage between the pair of electrodes such that the potential of one electrode of the pair of electrodes is higher than the potential of the other electrode. And an extension of a line connecting one end of the pair of carbon-containing films forming the narrowest portion of the first gap and the other end of the pair of carbon-containing films. The thickness of the carbon-containing film connected to the one of the pair of carbon-containing films is 100 nm or less. It is preferable that the carbon in the film having the pair of carbons is graphitic carbon,
It is preferable that the conductive thin film is made of a Pd fine particle film.
[0026]
The present invention is further characterized in that a plurality of the electron-emitting devices described above are formed on a substrate and electrons are emitted from at least one of the electron-emitting devices according to an input signal. The source
The image forming apparatus further includes the electron source and an image forming member that forms an image by irradiating the electrons emitted from the electron source.
[0027]
In addition, in the method for manufacturing an electron-emitting device, a film having carbon from an organic substance present in the atmosphere is applied by applying a voltage between a pair of conductive thin films having a gap in an atmosphere containing the organic substance. In the manufacturing method of the electron-emitting device which is formed around the gap and activates the gap, the activation is performed while heating the gap extremely.
[0028]
It is preferable that the extreme heating of the gap is not performed in the initial stage of forming the carbon-containing film, but is performed from the middle to the later of the formation of the carbon-containing film. Is preferably performed by laser light irradiation.
[0029]
According to the electron-emitting device of the present invention configured as described above, the electric conductivity of the film containing carbon increases toward the first gap portion, so that the potential distribution change in the vicinity of the electron-emitting portion is reduced. For this reason, when the electron-emitting device is driven with the gap as a boundary, it falls into the carbon-containing film or conductive thin film or device electrode to which a higher voltage is applied and is absorbed and part of the device current (If) The amount of electrons that reach the anode electrode (the emission current Ie) increases while the amount of electrons that become the same decreases.
[0030]
Furthermore, when the substrate exposed in the first gap has a recess, the creepage distance between the carbon-containing films facing each other with the gap increases depending on the depth of the recess. As a result, the discharge phenomenon and the device current If which are considered to be caused by a strong electric field applied between the carbon-containing films (gap portions) opposed to each other with the gap portion interposed therebetween are suppressed.
[0031]
Furthermore, although it is estimated that the substrate surface (insulating property) exposed between the gaps is irradiated with emitted electrons, the carbon is formed in the recesses, and this electron is irradiated. As a result, fluctuations and deteriorations in element characteristics that are considered to be caused by the charging phenomenon are suppressed, and the above-described discharge phenomenon is further suppressed.
[0032]
In addition, the manufacturing method of the electron-emitting device makes it possible to obtain an electron-emitting device in which the conductivity of the carbon-containing film increases toward the first gap, and a highly efficient and highly stable electron-emitting device can be obtained. It is done.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0034]
First, the basic configuration of the electron-emitting device according to the present invention will be described.
[0035]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, showing the configuration of a basic planar electron-emitting device according to the present invention. 2A, 2B, and 2C are respectively a plan view, a cross-sectional view, and a carbon view schematically showing an enlarged structure in the vicinity of the electron emission portion of the surface conduction electron-emitting device according to the present invention. It is a schematic diagram which shows the electrical conductivity distribution of the film | membrane which has. The basic structure of the element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0036]
In FIG. 1, 1 is a substrate as a substrate, 2 and 3 are element electrodes as a pair of electrodes, 4 is a conductive thin film, and 5 is an electron emission portion.
[0037]
2A and 2B, 1 is a substrate, 4 is a conductive thin film, 5 is an electron emission portion, and 21 and 22 are substrates in a gap portion (second gap portion) formed in the conductive thin film. 1 is a deposit containing carbon deposited on 1 and the conductive thin film 4 (film: a film having a pair of carbons), and 23 is a substrate altered portion (recess) having carbon atoms. The deposit is opposed to the substrate surface in the lateral direction (parallel to the substrate surface) with the gap 8 (first gap) as a boundary, and is schematically divided into left and right deposits 21 and 22. In some cases, there are some connections. The deposit 21 is also deposited on the conductive thin film 4 on the element electrode 2 side, and the deposit 22 is also deposited on the conductive thin film on the element electrode 3 side.
FIG. 2C schematically shows the conductivity distribution of the carbon-containing film in the direction crossing the gap in FIG. 2A (portion indicated by FF ′). It is mentioned as a feature of the present invention that the height is higher toward the portion 8.
[0038]
With the above configuration, the deposits (21, 22) are electrically connected to the device electrodes (2, 3). In the drawing, the deposits (21, 22), which are films containing carbon, are connected to the device electrodes (2, 3) via conductive thin films. In some cases, they are deposited on the device electrodes (2, 3) and directly connected to each other.
[0039]
Examples of the substrate 1 include a glass substrate obtained by laminating SiO2 formed by sputtering or the like on quartz glass, blue plate glass, blue plate glass or the like, and ceramics such as alumina. These substrates are preferably made of a material containing SiO2, and the electron emission portion 5 having the substrate altered portion 23 more suitable for the present invention can be formed in the activation step described later.
[0040]
Any material may be used as the material of the opposing element electrodes 2 and 3 as long as it has conductivity. For example, Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu, Metal or alloy such as Pd, printed conductor composed of metal or metal oxide such as Pd, Ag, Au, RuO2, Pd-Ag and glass, transparent conductor such as ln2 O3-SnO2, and polysilicon And the like, and the like.
[0041]
The element electrode interval L, the element electrode length W, and the shape thereof are appropriately designed according to the application form of the electron-emitting device. For example, in a display device such as a television described later, the pixel size corresponding to the screen size is designed. In particular, a high-definition television requires a small pixel size and high definition. Therefore, in order to obtain a sufficient luminance with the size of the electron-emitting device being limited, the electron-emitting device is designed to obtain a sufficient emission current.
[0042]
The element electrode interval L is several tens of nanometers to several hundred μm, and is set by the photolithography technology that is the basis of the element electrode manufacturing method, that is, the performance of the exposure machine, the etching method, and the voltage applied between the element electrodes. However, it is preferably several μm to several tens μm.
[0043]
The length W of the element electrode and the film thickness d of the element electrodes 2 and 3 are appropriately designed based on the resistance value of the electrode, the connection with the X and Y wirings described above, and the problem of the arrangement of a large number of electron sources. Usually, the length W of the element electrode is several μm to several hundred μm, and the film thickness d of the element electrodes 2 and 3 is several μm from several nm.
[0044]
Not only the configuration shown in FIG. 1 but also a configuration in which the conductive thin film 4 and the opposing element electrodes 2 and 3 are laminated on the substrate 1 in this order may be employed.
[0045]
The conductive thin film 4 is preferably a fine particle film composed of fine particles in order to obtain good electron emission characteristics. The film thickness is appropriately set in consideration of the step coverage to the device electrodes 2 and 3, the resistance value between the device electrodes 2 and 3, forming conditions described later, and the like.
[0046]
In addition, since the magnitudes of the device current If and the emission current Ie depend on the width W of the conductive thin film 4, a sufficient emission current can be obtained while the size of the electron-emitting device is limited as in the shape of the device electrode. Designed to be obtained.
[0047]
In general, the thermal stability of the conductive thin film 4 may dominate the lifetime of the electron emission characteristics, and it is desirable to use a material having a higher melting point as the material of the conductive thin film 4. However, normally, the higher the melting point of the conductive thin film 4, the more electric power is required for energization forming described later.
[0048]
Further, depending on the form of the electron emission portion obtained as a result, there may be a problem in the electron emission characteristics, such as an increase in applied voltage (threshold voltage) at which electrons can be emitted.
[0049]
In the present invention, the material of the conductive thin film 4 is not particularly required to have a high melting point, and a material / form that can form a good electron emission portion with a relatively low forming power can be selected.
[0050]
As an example of a material that satisfies the above conditions, a material in which a conductive material such as Ni, Au, PdO, Pd, and Pt is formed with a film thickness that exhibits a resistance value of Rs (sheet resistance) of 102 to 107 Ω / □ is preferably used. Rs is a value that appears when the resistance R measured in the length direction of a thin film having a thickness of t, a width of w, and a length of l is expressed as R = Rs (l / w), and the resistivity is represented by ρ. Then, Rs = ρ / t. The film thickness showing the resistance value is in the range of approximately 5 nm to 50 nm, and in this film thickness range, the thin film of each material has the form of a fine particle film.
[0051]
The fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are aggregated, and the fine structure thereof is a state in which the fine particles are individually dispersed and arranged, or a state in which the fine particles are adjacent to each other or overlap each other (some fine particles are aggregated, Including the case where an island-like structure is formed as a whole).
[0052]
The particle diameter of the fine particles is in the range of several hundred pm to several hundred nm, preferably in the range of 1 nm to 20 nm.
[0053]
Among the materials exemplified above, PdO can be easily formed into a thin film by firing an organic Pd compound in the air, and since it is a semiconductor, it has a relatively low electrical conductivity and is a film for obtaining a resistance value Rs in the above range. It is a suitable material because it has a wide thickness process margin and can be easily reduced to metal Pd after forming a gap in the conductive thin film, thereby reducing the film resistance. However, the effects of the present invention are not limited to PdO, and are not limited to the materials exemplified above.
[0054]
The length of the electron emitting portion 5 is substantially determined by the width W ′ of the conductive thin film 4.
[0055]
The electron emission portion 5 is subjected to an activation process described later, so that carbon facing the first gap portion 8 which is narrower than the second gap portion formed in the conductive thin film as shown in FIG. It is comprised by the film | membrane 21 and 22 which have and the board | substrate recessed part 23 which has a carbon atom.
[0056]
The carbon-containing films 21 and 22 are mainly made of graphite-like carbon, but may contain elements constituting the conductive thin film 4.
As shown in FIG. 2, the shapes of the deposits 21 and 22 containing carbon as a main component in the present invention include a height H1 from the surface of each conductive thin film 4 and a high potential to which a higher voltage is applied during driving. It is characterized by the thickness D1 of the side deposit 22 and also by having a narrower portion of the deposit gap 8 above the substrate surface and the conductive thin film surface.
[0057]
Strictly speaking, the height H1 is the conductivity of the portion (point A and point B) where the electric field is strongest when a potential difference is applied between the deposits 21 and 22 so that the deposit 22 has a high potential on the side. It is defined by the height from the surface of the thin film 4, and D1 is defined by the thickness (length) of the deposit existing there when the deposit 22 is cut by an extension line connecting the points A and B. In a broad sense, the position where the electric field is the strongest (point A and point B) is the position where the deposits 21 and 22 are closest (the narrowest gap 8).
[0058]
In order to describe the electron-emitting device of the present invention in detail, first, a measurement evaluation apparatus will be described with reference to FIG.
[0059]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a measurement evaluation apparatus for measuring the electron emission characteristics of the device having the configuration shown in FIG. In FIG. 3, 1 is a substrate, 2 and 3 are element electrodes, 4 is a conductive thin film, and 5 is an electron emission portion. In addition, 31 is a power source for applying the element voltage Vf to the element, 30 is an ammeter for measuring the element current If flowing through the conductive thin film 4 between the element electrodes 2 and 3, and 34 is from the electron emission portion of the element An anode electrode for capturing the emission current Ie to be emitted, 33 is a high voltage power source for applying a voltage to the anode electrode 34, and 32 is a current for measuring the emission current Ie emitted from the electron emission portion 5 of the device. It is a total.
[0060]
In measuring the device current If and the emission current Ie of the current emitting device, a power source 31 and an ammeter 30 are connected to the device electrodes 2 and 3, and a power source 33 and an ammeter 32 are connected above the electron emitting device. The anode electrode 34 is disposed. The electron-emitting device and the anode electrode 34 are installed in a vacuum device.
[0061]
In FIG. 3, when a voltage is applied between the device electrodes 2 and 3 so that the device electrode 3 is at a high potential, the voltage is applied between the deposit 21 and the deposit 22 shown in FIG. A potential difference is generated according to the applied voltage. At this time, a strong electric field is generated around a point A on the deposit 21 and a point B on the deposit 22. When this electric field is large enough to allow tunneling of electrons from the deposit 21 to the deposit 22, electrons tunnel from the vicinity of the point A on the deposit 21 to the vicinity of the point B on the deposit 22. Conceivable.
[0062]
Here, it is considered that the electrons tunneled from the vicinity of the point A are partially scattered near the point B of the deposit 22 and the remaining portion enters the deposit 22. Here, the electrons partially scattered in the vicinity of the point B of the deposit 22 re-enter the deposit 22 or the conductive thin film 4 and become part of the device current If, and fly in the vacuum. Thus, it is presumed that there are some that are captured by the anode electrode 34 and observed as the emission current Ie. Accordingly, in the electron-emitting device of the present invention, the position where the gap 8 is considered to be the position where the electric field is the strongest is higher than the surface of the conductive thin film 4 connected to the element electrode 3, so that it is scattered. After that, it is considered that the proportion of electrons that enter the conductive thin film 4 and become part of the device current If decreases, and as a result, the proportion of the emission current Ie increases and the electron emission efficiency improves.
The present invention is also characterized in that the conductivity of the film containing carbon is high toward the gap, and therefore the change in potential distribution in the vicinity is small. That is, since the potential rise toward the device electrode 3 is gradual, the force that the scattered electrons receive in the direction of the substrate is reduced. This also causes the device current to enter the conductive thin film 4 after being scattered. It is considered that the proportion of electrons that become a part of If decreases, and as a result, the proportion of the emission current Ie increases and the electron emission efficiency improves.
[0063]
On the other hand, the electrons that have entered the deposit 22 flow to the element electrode 3 through the conductive thin film 4 as they are, and are observed as an element current If by the ammeter 30. In the present invention, the thickness D1 of the deposit 22 is observed. Therefore, it is considered that some of the electrons that have entered through the deposit 22 are emitted into the vacuum through the deposit 22.
[0064]
Therefore, the emission current Ie of the electron-emitting device of the present invention is considered to be composed of an emission current due to electrons scattered by the deposit 22 and an emission current due to electrons transmitted through the deposit 22.
[0065]
The transmittance Te of electrons passing through the deposit 22 can be expressed by the following equation.
[0066]
Te = exp (−D1 / La) (1)
Here, La is the decay length of electrons in the deposit 22.
[0067]
It is known that the decay length in an electron substance (metal) having an energy of 10 eV to 20 eV is approximately 3 to 10 atomic layers. Therefore, for example, when the d002 plane spacing of the carbon constituting the deposit 22 is 0.38 nm and the electron incident direction matches the carbon c-axis, the electron attenuation length is about 1 to 4 nm.
[0068]
For the thickness D1 of the deposit 22 necessary for the transmittance Te of electrons passing through the deposit 22 to be 0.1%, for example, La = 4 nm and Te = 0.001 are substituted into the equation (1). And
D1 = 28nm
It becomes. Usually, the current due to the electrons scattered by the deposit 22 is about 0.1% of the device current If, and therefore the total emission current Ie is considered to be almost doubled by setting the value of D1. .
[0069]
In the present invention, it is more preferable to set the value to be less than or equal to the value of D1. However, it is known that when the density of free electrons in the substance is small (semiconductor or insulator), the electron attenuation length becomes long. The above D1 is not strictly limited to this value because it varies depending on the orientation, interplanar spacing, carrier concentration, etc. of the graphitic carbon constituting the deposit 22, and is preferably 100 nm or less.
[0070]
On the other hand, the electrons that have passed through the deposit 22 re-enter the deposit 22 or the conductive thin film 4 and become part of the device current If, similarly to the scattered electrons, and fly in the vacuum to the anode electrode 34. It is considered that there are some that are captured and observed as emission current Ie.
[0071]
In the present invention, since the shapes of the deposits 21 and 22 that are carbon-containing films are configured as described above, efficient electron emission characteristics can be obtained.
[0072]
Various methods are conceivable as a method for manufacturing the electron-emitting device, and an example is shown in FIG.
[0073]
Hereinafter, the manufacturing method will be described in order based on FIG. 1, FIG. 2, and FIG.
[0074]
1) After the substrate 1 is sufficiently washed with a detergent, pure water and an organic solvent, the device electrode material is deposited by a vacuum vapor deposition method, a sputtering method or the like, and then device electrodes 2 and 3 are formed by a photolithography technique (FIG. 4 ( a)).
[0075]
2) An organometallic film is formed by applying and drying an organometallic solution between the device electrode 2 and the device electrode 3 provided on the substrate 1. The organometallic solution is a solution of an organometallic compound containing a metal such as Pd, Ni, Au, or Pt as a main element. Thereafter, the organometallic film is heated and baked and patterned by lift-off, etching, etc. to form the conductive thin film 4 (FIG. 4B). Here, the application method of the organometallic solution has been described, but the present invention is not limited to this, and it is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, a dispersion coating method, a dipping method, a spinner method, an inkjet method, or the like. In some cases.
[0076]
3) Subsequently, when an energization process called forming is performed by applying a pulsed voltage or a boosted voltage between the device electrodes 2 and 3 with a power source (not shown), a gap 7 is formed in a part of the conductive thin film 4. The conductive thin film is disposed opposite to the substrate surface in the lateral direction across the gap 7 (FIG. 4C). The gap 7 may be connected at a part thereof.
[0077]
The electrical processing after the forming processing is performed in the measurement evaluation apparatus shown in FIG.
[0078]
The measurement evaluation apparatus shown in FIG. 3 is a vacuum apparatus, and the vacuum apparatus includes equipment necessary for a vacuum apparatus such as an exhaust pump and a vacuum gauge (not shown). Can be measured and evaluated. The exhaust pump includes a high vacuum apparatus system such as a magnetic levitation turbo pump and a dry pump that does not use oil, and an ultra high vacuum apparatus system that includes an ion pump. In addition, this measuring apparatus is provided with a gas introducing device (not shown), and vapor of a desired organic substance can be introduced into the vacuum device at a desired pressure. Further, the entire vacuum device and the electron-emitting device can be heated by a heater (not shown).
[0079]
The forming process includes a case where a pulse having a constant pulse peak value is applied and a case where a voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value. First, FIG. 5A shows a voltage waveform when a pulse having a constant peak value is applied.
[0080]
In FIG. 5A, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is set to 1 μsec to 10 msec, T2 is set to 10 μsec to 100 msec, and the peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is appropriately selected. To do.
[0081]
Next, FIG. 5B shows a voltage waveform when a voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value.
[0082]
In FIG. 5B, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is 1 μsec to 10 msec, T2 is 10 μsec to 100 msec, and the peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is, for example, Increase by about 0.1V step.
[0083]
The forming process is completed by inserting a voltage that does not cause local destruction or deformation of the conductive thin film 4 between the forming pulses, for example, a pulse voltage of about 0.1 V, and measuring the element current to determine the resistance value. For example, when a resistance of 1 MΩ or higher is indicated, the forming is terminated.
[0084]
When forming the gap portion 7 described above, a forming process is performed by applying a triangular wave pulse between the electrodes of the element, but the waveform applied between the electrodes of the element is not limited to a triangular wave, and a rectangular wave A desired waveform may be used, and the peak value, pulse width, pulse interval, and the like are not limited to the above values, and the resistance value of the electron-emitting device is set so that the gap portion 7 is favorably formed. In addition, select an appropriate value.
[0085]
4) Next, an activation process is performed on the element for which forming has been completed. The activation process is performed by introducing a gas of an organic substance into the vacuum apparatus shown in FIG. 3 and applying a voltage between the electrodes of the element in an atmosphere containing the organic substance. Along with the alteration, a film containing carbon is deposited on the element from an organic substance present in the atmosphere, and the element current If and the emission current Ie change remarkably.
[0086]
In the present invention, it is necessary to control the shape of the carbon-containing film deposited by the activation treatment to the shape shown in FIG. 2 with good control. The shape of the carbon-containing film as the deposit depends on the voltage waveform applied to the element, the pressure of the organic substance to be introduced, the diffusion mobility on the element surface, the average residence time on the element surface, and the like. Ease of handling such as ease of introduction into a vacuum apparatus and ease of exhaustion after activation is also important. From the above viewpoint, as a result of examining various organic substances, it was found that a nitrile compound is effective, and particularly when tolunitrile (toluene cyanide) or acrylonitrile is used, it has good controllability. Although the reason why these organic substances are preferably used is not exactly understood, it is considered that the adsorption state on the element surface via the nitrile group (—C≡N) is in conformity with the above conditions. .
[0087]
Below, the formation process of the deposit which is a film | membrane which has carbon in the activation process of this invention is demonstrated using FIG. 6, FIG. In FIG. 6, 1 is a substrate, 2 and 3 are element electrodes, 4 is a conductive thin film, 7 is a second gap formed in the conductive thin film, 21 and 22 are deposits which are films containing carbon, 23 Is a substrate altered portion (concave portion). FIG. 7 shows an example of voltage application to the active device electrode used in the present invention. The maximum voltage value to be applied (constant voltage value in FIG. 7) is appropriately selected within a range of 10 to 20V. In addition, since the discharge may occur when the constant voltage is applied from the beginning of activation, it is preferable to have a process of boosting from a low voltage to a constant voltage as shown in FIG. Furthermore, the initial voltage value of activation is preferably larger than the maximum voltage value applied in the forming.
[0088]
FIG. 6A schematically shows the vicinity of the electron-emitting portion of the electron-emitting device before the activation process. Note that the element is disposed in a vacuum apparatus once depressurized to a pressure of the order of 10 −6 Pa and then introduced with an organic substance gas (FIG. 3). Here, a case where tolunitrile is used as an organic substance will be described as an example. The suitable pressure of tolunitrile to be introduced is slightly affected by the shape of the vacuum apparatus, the members used in the vacuum apparatus, etc., but is about 1 × 10 −5 Pa to 1 × 10 −3 Pa. At a pressure of 1 × 10 −5 Pa or less, the progress of activation is remarkably slow, and the activation may not proceed sufficiently depending on the composition and partial pressure of other remaining gas. On the other hand, at a pressure of 1 × 10 −3 Pa or higher, the progress of activation becomes remarkably fast and it becomes difficult to form the desired deposit shape with good reproducibility. The range of the suitable partial pressure of introduction varies depending on the saturated vapor pressure of the organic substance at that temperature, and in the case of acrylonitrile, it is about 1 × 10 −1 Pa to 1 × 10 −3 Pa.
[0089]
In the activation step (step of depositing a film containing carbon), the voltage shown in FIG. 7 is applied between the device electrodes 2 and 3 (gap portion 7). As a result, the organic substance in the atmosphere begins to deposit on the conductive thin film 4 in and near the gap 7 (FIG. 6B). In this process, the deposits 21 and 22 are simultaneously deposited in the direction perpendicular to the paper surface.
[0090]
Further, when the activation process is continued, the deposition of the deposit increases and grows above the surface of the conductive thin film with the alteration of the substrate (digging described later) (FIG. 6C). Then, the activation process is ended when the final configuration shown in FIG.
[0091]
FIG. 19 shows the state of the current (element current If) flowing between the element electrodes 2 and 3 during the activation process.
[0092]
19A and 19B show the state of deposition of a film containing carbon in the region I in FIG. FIGS. 6C and 6D show the state of deposition of a film containing carbon in the region II.
[0093]
When entering the region II where the device current rises slowly, deposition of the films 21 and 22 having carbon as the deposits progresses upward along with the excavation of the substrate which is the alteration of the substrate. Therefore, when the end of the activation process is determined by measuring the device current, the device current is reduced after the voltage applied to the device electrode at the time of activation enters a constant voltage (const voltage in FIG. 7). After confirming that the region II has been entered, the activation process is terminated.
[0094]
When the voltage shown in FIG. 7 is applied only to the device electrode 3 so that the device electrode 3 becomes positive during the activation process shown in FIG. 6, the carbon-containing film 21, An asymmetric structure in which the height of 22 from the substrate surface is higher in 22 can be formed.
[0095]
In the case of an element having such an asymmetric structure, it is preferable that the potential applied at the time of driving is higher for the electrode electrically connected to the carbon-containing film having a higher height from the substrate surface. By driving in this way, higher electron emission efficiency can be obtained.
[0096]
As shown in FIG. 6D, in order to align the heights of the carbon-containing films 21 and 22 as deposits from the substrate surface, the potential of the waveform shown in FIG. Can be formed by applying a voltage so that the potential of the device electrode 3 becomes negative.
[0097]
In this way, by performing the step of applying a potential whose polarity has been reversed during the activation step, the quality of the carbon constituting the films 21 and 22 having carbon can be made comparable, When the emission element is driven, preferential alteration or disappearance of either one of the films 21 and 22 having carbon exposed to a high temperature can be suppressed, and as a result, the electron emission characteristics can be further stabilized.
[0098]
Further, the alteration (digging) of the substrate is considered as follows.
[0099]
When the temperature rises under the condition that SiO2 (substrate material) is present near carbon, Si is consumed.
[0100]
SiO2 + C → SiO ↑ + CO ↑
When such a reaction occurs, Si in the substrate is consumed, and it is considered that the substrate has a hollow (concave) shape. The electron emission part 5 forms a shape having a carbon deposit protruding upward and the electric field concentrates on the tip part, thereby enabling more stable electron emission.
[0101]
Further, the recess 23 formed in the substrate increases the creeping distance between the deposits 21 and 22 with the first gap portion 8 formed in the deposit as a boundary. By increasing the creepage distance, it is considered that the discharge phenomenon between the deposits 21 and 22 is suppressed even under a high electric field applied between the deposits 21 and 22.
[0102]
In addition, since carbon exists on the surface of the recess, charging of the substrate exposed in the gap 8 is suppressed, and as a result, more stable electron emission characteristics can be obtained.
[0103]
Next, the carbon of the deposits 21 and 22 which is a film having carbon in the present invention will be described.
[0104]
The graphite-like carbon in the present invention is one having a complete graphite crystal structure (so-called HOPG), one having crystal grains of about 20 nm and slightly disturbed crystal structure (PG), crystal grains having a crystal structure of about 2 nm. It includes those with further increased turbulence (GC) and amorphous carbon (which refers to amorphous carbon and a mixture of amorphous carbon and graphite microcrystals). That is, it can be preferably used even if there is a disorder of the layer such as a grain boundary between graphite particles.
[0105]
6) A stabilization process is preferably performed on the electron-emitting device thus manufactured. This step is a step of exhausting the organic substance in the vacuum vessel. Although it is desirable to eliminate the organic substance in the vacuum vessel as much as possible, the partial pressure of the organic substance is preferably 1 to 3 × 10 −8 Pa or less. The pressure including other gases is preferably 1 to 3 × 10 −6 Pa or less, more preferably 1 × 10 −7 Pa or less. A vacuum exhaust device that exhausts the vacuum vessel uses a device that does not use oil so that the oil generated from the device does not affect the characteristics of the element. Specifically, vacuum exhaust apparatuses such as a sorption pump and an ion pump can be used. Further, when the inside of the vacuum vessel is evacuated, the whole vacuum vessel is heated so that the organic substance molecules adsorbed on the inner wall of the vacuum vessel and the electron-emitting device are easily evacuated. The heating conditions at this time are preferably 150 to 350 ° C., preferably 200 ° C. or higher, for as long as possible. However, the heating conditions are not particularly limited to this, and the size and shape of the vacuum vessel, the arrangement of the electron-emitting devices, etc. It is performed under conditions appropriately selected according to various conditions.
The atmosphere at the time of driving after the stabilization process is preferably maintained at the end of the stabilization process, but is not limited to this, and the pressure itself is sufficient if the organic substance is sufficiently removed. Can maintain sufficiently stable characteristics even if it rises somewhat.
[0106]
By adopting such a vacuum atmosphere, the deposition of new carbon or carbon compounds can be suppressed, so that the shape of the film containing carbon of the present invention is maintained, and as a result, the device current If and the emission current Ie are stabilized.
[0107]
The basic characteristics of an electron-emitting device to which the present invention can be applied manufactured by the manufacturing method as described above will be described with reference to FIGS.
[0108]
FIG. 8 shows typical examples of the emission current Ie, the device current If, and the device voltage Vf of the device after stabilization measured by the measurement evaluation apparatus shown in FIG. In FIG. 8, since the emission current Ie is remarkably smaller than the device current If, it is shown in arbitrary units, and both are linear scales. As is apparent from FIG. 8, the electron-emitting device has three properties with respect to the emission current Ie.
[0109]
First of all, when an element voltage higher than a certain voltage (referred to as threshold voltage, Vth in FIG. 8) is applied to this element, the emission current Ie increases abruptly, while the emission current decreases below the threshold voltage Vth. Ie is hardly detected. That is, it is a non-linear element having a clear threshold voltage Vth with respect to the emission current Ie.
[0110]
Second, since the emission current Ie depends on the element voltage Vf, the emission current Ie can be controlled by the element voltage Vf.
[0111]
Thirdly, the emitted charge trapped by the anode electrode 34 depends on the time during which the device voltage Vf is applied. That is, the amount of charge trapped by the anode electrode 34 can be controlled by the time during which the element voltage Vf is applied.
[0112]
If the characteristics of the electron-emitting device as described above are used, the electron-emitting characteristics can be easily controlled according to the input signal. Furthermore, since the electron-emitting device according to the present invention has stable and high-luminance electron emission characteristics, it can be expected to be applied to various fields.
[0113]
Application examples of the electron-emitting device to which the present invention can be applied will be described below.
[0114]
A plurality of electron-emitting devices according to the present invention can be arranged on a substrate to constitute, for example, an electron source or an image forming apparatus.
[0115]
With respect to the arrangement of elements on the substrate, for example, a large number of electron-emitting devices are arranged in parallel, and a plurality of rows of electron-emitting devices in which both ends of each element are connected by wiring (referred to as a row direction) are arranged. An arrangement form (called a ladder type) in which electrons are controlled and driven by a control electrode (called a grid) installed in a space above the electron source in a direction perpendicular to the wiring (called a column direction), and then On the m X-direction wirings to be described, n Y-direction wirings are installed via an interlayer insulating layer, and the X-direction wirings and the Y-direction wirings are respectively connected to a pair of element electrodes of the surface conduction electron-emitting device. A sequence form is mentioned. This is hereinafter referred to as a simple matrix arrangement.
[0116]
Next, this simple matrix arrangement will be described in detail.
[0117]
According to the characteristics of the above-mentioned three basic characteristics of the surface conduction electron-emitting device according to the present invention, electrons emitted from the surface conduction electron-emitting device are applied between the device electrodes facing each other at a threshold voltage or higher. It can be controlled by the peak value and width of the pulse voltage. On the other hand, it is hardly emitted below the threshold voltage. According to this characteristic, even when a large number of electron-emitting devices are arranged, a surface conduction electron-emitting device can be selected according to an input signal by appropriately applying the pulse voltage to each device, and the electron The amount of release can be controlled.
[0118]
Hereinafter, the configuration of the electron source substrate configured based on this principle will be described with reference to FIG.
[0119]
The m X-directional wirings 102 are made of DX1, DX2,..., DXm, and are formed on the substrate 1 by a vacuum evaporation method, a printing method, a sputtering method, or the like, and made of a conductive metal or the like having a desired pattern. The material, film thickness, wiring width, etc. are designed so that a substantially uniform voltage is supplied to a large number of surface conduction electron-emitting devices. Between these m X-direction wirings 102 and n Y-direction wirings 103, an interlayer insulating layer (not shown) is installed and electrically separated to form a matrix wiring (both m and n are both Positive integer).
[0120]
An interlayer insulating layer (not shown) is SiO2 formed by a vacuum deposition method, a printing method, a sputtering method, etc., and is formed in a desired shape on the entire surface or a part of the substrate 101 on which the X direction wiring 102 is formed. In particular, the film thickness, material, and manufacturing method are appropriately set so as to withstand the potential difference at the intersection of the X-direction wiring 102 and the Y-direction wiring 103. The X-direction wiring 102 and the Y-direction wiring 103 are drawn out as external terminals, respectively.
Further, in the same manner as described above, opposing electrodes (not shown) of the surface conduction electron-emitting device 104 include m X-direction wirings 102 (DX1, DX2,..., DXm) and n Y-direction wirings 103 (DY1). , DY2,..., DYn) and a connection 105 made of a conductive metal or the like.
[0121]
Here, the conductive metals of the element electrodes facing the m X-directional wirings 102, the n Y-directional wirings 103, and the connection 105 are different from each other even if some or all of the constituent elements are the same. May be. These materials are appropriately selected from, for example, the above-described element electrode materials.
[0122]
Although not described in detail later, the X direction wiring 102 is not shown for applying a scanning signal for scanning the row of the surface conduction electron-emitting devices 94 arranged in the X direction according to the input signal. On the other hand, a modulation signal for modulating each column of surface conduction electron-emitting devices 104 arranged in the Y direction according to an input signal is applied to the Y direction wiring 103. Electrically connected to a modulation signal generating means (not shown).
[0123]
Further, the driving voltage applied to each element of the surface conduction electron-emitting device is supplied as a differential voltage between the scanning signal and the modulation signal applied to the element.
[0124]
Next, an example of an electron source using the electron source substrate manufactured as described above and an image forming apparatus used for display or the like will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a basic configuration diagram of the image forming apparatus, and FIG. 11 is a fluorescent film.
[0125]
In FIG. 10, 101 is an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices are arranged, 111 is a rear plate to which the electron source substrate 101 is fixed, 116 is a face on which a fluorescent film 114 and a metal back 115 are formed on the inner surface of a glass substrate 113. It is a plate. Reference numeral 112 denotes a support frame. The rear plate 111, the support frame 112, and the face plate 116 are coated with frit glass, and sealed in the air or in nitrogen at 400 to 500 ° C. for 10 minutes or more. Thus, the envelope 118 is configured.
[0126]
In FIG. 10, reference numeral 104 corresponds to the surface conduction electron-emitting portion shown in FIG. Reference numerals 102 and 103 denote an X-direction wiring and a Y-direction wiring connected to a pair of device electrodes of the surface conduction electron-emitting device. In addition, the wiring to these element electrodes may be referred to as element electrodes when the element electrodes and the wiring material are the same.
[0127]
As described above, the envelope 118 is configured by the face plate 116, the support frame 112, and the rear plate 111. However, since the rear plate 111 is provided mainly for the purpose of reinforcing the strength of the substrate 101, the substrate 91 itself is sufficient. When the strength is high, the separate rear plate 111 is not necessary, and the support frame 112 may be directly sealed to the substrate 101, and the envelope 118 may be configured by the face plate 116, the support frame 112, and the substrate 101. .
[0128]
On the other hand, by installing a support body (not shown) called a spacer between the face plate 116 and the rear plate 111, the envelope 118 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured.
[0129]
FIG. 11 shows a fluorescent film. In the case of a monochrome film, the fluorescent film 114 is made of only a fluorescent material. In the case of a color fluorescent film, the fluorescent film 114 is composed of a black conductive material 121 and a fluorescent material 122 called a black stripe or a black matrix depending on the arrangement of the fluorescent materials. . The purpose of providing the black stripe and the black matrix is to make the mixed colors and the like inconspicuous by making the coloration portions between the phosphors 122 of the three primary color phosphors necessary for color display, and in the phosphor film 114 The purpose is to suppress a decrease in contrast due to external light reflection. The material of the black stripe is not limited to the material which is not only a material mainly composed of graphite, which is usually used well, but also a material having conductivity and low light transmission and reflection.
[0130]
As a method of applying the phosphor on the glass substrate 113, a precipitation method, a printing method, or the like is used regardless of monochrome or color.
[0131]
A metal back 115 is usually provided on the inner surface side of the fluorescent film 114. The purpose of the metal back is to improve the brightness by specularly reflecting the light emitted from the phosphor toward the inner surface to the face plate 116 side, to act as an electrode for applying an electron beam acceleration voltage, For example, the phosphor is protected from damage caused by the collision of negative ions generated in the envelope. The metal back can be produced by performing a smoothing process (usually called filming) on the inner surface of the phosphor film after the phosphor film is produced, and then depositing Al using vacuum evaporation or the like.
[0132]
The face plate 116 may be provided with a transparent electrode (not shown) on the outer surface side of the fluorescent film 114 in order to further increase the conductivity of the fluorescent film 114.
[0133]
When performing the above-described sealing, in the case of a color, it is necessary to correspond to each color phosphor and the electron-emitting device, so that sufficient alignment is required.
[0134]
The envelope 118 is sealed after the degree of vacuum is about 1 × 10 −7 Torr through an exhaust pipe (not shown). In addition, a getter process may be performed in order to maintain the degree of vacuum after the envelope 118 is sealed. This is because the getter disposed at a predetermined position (not shown) in the envelope 118 is heated by a heating method such as resistance heating or high-frequency heating immediately before or after sealing the envelope 118. This is a process for forming a deposited film. The getter usually contains Ba or the like as a main component, and maintains a vacuum degree of, for example, 1 × 10 −5 or 1 × 10 −7 Torr by the adsorption action of the deposited film.
[0135]
In the image display device of the present invention completed as described above, each electron-emitting device is caused to emit electrons by applying a voltage through the container outer terminals Dox1 to Doxm, Doy1 to Doyn, and through the high voltage terminal 117 to the metal back 115. Alternatively, an image is displayed by applying a high voltage of several kV or more to a transparent electrode (not shown), accelerating the electron beam, colliding with the fluorescent film 114, and exciting and emitting light.
[0136]
The above-described configuration is a schematic configuration necessary for producing a suitable image forming apparatus used for display or the like. For example, detailed portions such as materials of each member are not limited to the above-described contents. It selects suitably so that it may be suitable for the use of an image forming apparatus.
Next, a configuration example of a driver circuit for performing television display based on an NTSC television signal on a display panel configured using an electron source having a simple matrix arrangement will be described with reference to FIG.
[0137]
FIG. 12 is a block diagram showing an example of a driving circuit for performing display in accordance with an NTSC television signal. In FIG. 12, 131 is a display panel, 132 is a scanning signal generation circuit, 133 is a timing control circuit, Reference numeral 134 denotes a shift register. Reference numeral 135 is a line memory, 136 is a synchronizing signal separation circuit, 137 is a modulation signal generating circuit, and Vx and Va are DC voltage sources.
[0138]
The display panel 131 is connected to an external electric circuit via terminals Dox1 to Doxm, terminals Doy1 to Doyn, and a high voltage terminal Hv. For the terminals Dox1 to Doxm, in order to sequentially drive one row (n elements) of an electron source provided in the display panel, that is, a group of surface conduction electron-emitting devices arranged in a matrix of m rows and n columns. The scanning signal is applied. Modulation signals for controlling the output electron beams of the surface conduction electron-emitting devices in one row selected by the scanning signal are applied to the terminals Doy1 to Doyn. The high-voltage terminal Hv is supplied with a DC voltage of, for example, 10 kV from the DC voltage source Va, which gives sufficient energy to excite the phosphor to the electron beam emitted from the surface conduction electron-emitting device. It is an acceleration voltage to do.
[0139]
The scanning signal generation circuit 132 includes m switching elements therein (schematically indicated by S1 to Sm in the drawing). Each switching element selects either the output voltage of the DC voltage source Vx or 0 V (ground level), and is electrically connected to the terminals Dox1 to Doxm of the display panel 131. Each of the switching elements S1 to Sm operates based on a control signal Tscan output from the control circuit 133, and can be configured by combining switching elements such as FETs.
[0140]
In the case of this example, the direct current voltage source Vx has a driving voltage applied to an element not scanned based on the characteristics (electron emission threshold voltage) of the surface conduction electron-emitting element. Is set to output a constant voltage.
[0141]
The timing control circuit 133 has a function of matching the operation of each unit so that appropriate display is performed based on an image signal input from the outside. The timing control circuit 133 generates Tscan, Tsft, and Tmry control signals for each unit based on the synchronization signal Tsync sent from the synchronization signal separation circuit 136.
[0142]
The synchronization signal separation circuit 136 is a circuit for separating a synchronization signal component and a luminance signal component from an NTSC television signal input from the outside, and can be configured using a general frequency separation (filter) circuit or the like. The synchronization signal separated by the synchronization signal separation circuit 136 includes a vertical synchronization signal and a horizontal synchronization signal, but is illustrated here as a Tsync signal for convenience of explanation. The luminance signal component of the image separated from the television signal is expressed as a DATA signal for convenience. The DATA signal is input to the shift register 134.
[0143]
The shift register 134 is for serial / parallel conversion of the DATA signal input serially in time series for each line of the image, and operates based on the control signal Tsft sent from the timing control circuit 133. (That is, the control signal Tsft can be said to be a shift clock of the shift register 134). Data for one line (corresponding to drive data for N electron-emitting devices) subjected to serial / parallel conversion is output from the shift register 134 as N parallel signals ld1 to ldn.
[0144]
The line memory 135 is a storage device for storing data for one line of an image for a necessary time, and appropriately stores the contents of ld1 to ldn according to a control signal Tmry sent from the timing control circuit 133. The stored contents are output as l′ d1 to l′ dn and input to the modulation signal generator 107.
[0145]
The modulation signal generator 137 is a signal source for appropriately driving and modulating each of the surface conduction electron-emitting devices according to each of the image data l′ d1 to l′ dn, and an output signal thereof is output from the terminals Doy1 to Doy1. The voltage is applied to the surface conduction electron-emitting device in the display panel 131 through Doyn.
[0146]
As described above, the electron-emitting device to which the present invention can be applied has the following basic characteristics with respect to the emission current Ie. That is, there is a clear threshold voltage Vth for electron emission, and electron emission occurs only when a voltage equal to or higher than Vth is applied. For voltages above the electron emission threshold, the emission current also changes with changes in the voltage applied to the device.
[0147]
For this reason, when a pulsed voltage is applied to the device, for example, electron emission does not occur even when a voltage lower than the electron emission threshold is applied, but when a voltage higher than the electron emission threshold is applied, the electron beam is not Is output. At that time, the intensity of the output electron beam can be controlled by changing the pulse peak value Vm. Further, it is possible to control the total amount of charges of the output electron beam by changing the pulse width Pw. Therefore, a voltage modulation method, a pulse width modulation method, or the like can be adopted as a method for modulating the electron-emitting device in accordance with the input signal.
[0148]
When implementing the voltage modulation method, a voltage modulation method circuit is used as the modulation signal generator 137, which generates a voltage pulse of a certain length and appropriately modulates the peak value of the pulse according to the input data. be able to.
[0149]
When implementing the pulse width modulation method, the modulation signal generator 137 generates a voltage pulse having a constant peak value and modulates the width of the voltage pulse as appropriate according to the input data. A circuit can be used.
[0150]
The shift register 134 and the line memory 135 can adopt either a digital signal type or an analog signal type. This is because the serial / parallel conversion and storage of the image signal may be performed at a predetermined speed.
[0151]
When the digital signal system is used, it is necessary to convert the output signal DATA of the synchronization signal separation circuit 136 into a digital signal. For this purpose, an A / D converter may be provided at the output portion of the synchronization signal separation circuit 136. . In this connection, the circuit used in the modulation signal generator 137 is slightly different depending on whether the output signal of the line memory 135 is a digital signal or an analog signal. That is, in the case of a voltage modulation method using a digital signal, for example, a D / A conversion circuit is used as the modulation signal generator 137, and an amplifier circuit or the like is added as necessary. In the case of the pulse width modulation method, the modulation signal generator 137 includes, for example, a high-speed oscillator and a counter that counts the wave number output from the oscillator, and a comparator that compares the output value of the counter with the output value of the memory. A circuit combining (comparators) is used. If necessary, an amplifier for amplifying the pulse width modulated modulation signal output from the comparator to the driving voltage of the surface conduction electron-emitting device can be added.
[0152]
In the case of a voltage modulation method using an analog signal, for example, an amplifier circuit using an operational amplifier or the like can be adopted as the modulation signal generator 137, and a bell shift circuit or the like can be added if necessary. In the case of the pulse width modulation method, for example, a voltage controlled oscillation circuit (VCO) can be adopted, and an amplifier for amplifying the voltage up to the driving voltage of the surface conduction electron-emitting device can be added as necessary.
[0153]
In the image display apparatus to which the present invention that can take such a configuration can be applied, electron emission occurs by applying a voltage to each electron-emitting device via the external terminals Dox1 to Doxm and Doy1 to Doyn. A high voltage is applied to the metal back 115 or the transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal Hv to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the fluorescent film 114, light is emitted, and an image is formed.
The configuration of the image forming apparatus described here is an example of an image forming apparatus to which the present invention can be applied, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. As for the input signal, the NTSC system is mentioned, but the input signal is not limited to this, and other than this, the PAL, SECAM system, and the like, more than this, the TV signal (for example, the MUSE system is used). High-definition TV) can also be adopted.
The image forming apparatus of the present invention can be used as an image forming apparatus as an optical printer configured using a photosensitive drum or the like in addition to a display apparatus for a television broadcast, a video conference system, a computer, or the like. it can.
[0154]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0155]
(Example 1)
The basic configuration of the electron-emitting device according to the present embodiment is a plan view and a sectional view of FIGS. 1A and 1B and an enlarged view of FIGS. 2A, 2B, and 2C. It is the same as the plan view, the cross-sectional view, and the conductivity distribution diagram of the film containing carbon.
[0156]
The manufacturing method of the surface conduction electron-emitting device according to this example is basically the same as that shown in FIGS. Hereinafter, the basic configuration and manufacturing method of the element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, 4, and 6.
[0157]
Hereinafter, the manufacturing method will be described in order based on FIGS. 1, 2, 4, and 6.
[0158]
Step-a
First, on the cleaned quartz substrate 1, a pattern to be the gap L between the device electrodes 2 and 3 and a desired device electrode is formed with a photoresist (RD-2000N-41 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.), and an electron beam evaporation method is performed. Then, Ti having a thickness of 5 nm and Pt having a thickness of 30 nm were sequentially deposited. The photoresist pattern was dissolved in an organic solvent, the Pt / Ti deposited film was wrist-off, the device electrode interval L was 3 μm, and the device electrodes 2 and 3 having a device electrode width W of 500 μm were formed (FIG. 4A). .
[0159]
Step-b
A 100 nm thick Cr film is deposited by vacuum deposition and patterned to have an opening corresponding to the shape of the conductive thin film described later, and then an organic palladium compound solution (ccp4230, manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) is rotated by a spinner. Application and heat baking treatment at 300 ° C. for 12 minutes were performed. The conductive thin film 4 made of fine particles of Pd as the main element thus formed had a thickness of 10 nm and a sheet resistance Rs of 2 × 10 4 Ω / □. Note that the fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are aggregated as described above.
[0160]
Step-c
The Cr film and the fired conductive thin film 4 were etched with an acid etchant to form the conductive thin film 4 having a desired pattern so that the width W ′ of the conductive thin film 4 was 300 μm (FIG. 4B). ).
[0161]
Through the above steps, the device electrodes 2 and 3 and the conductive thin film 4 were formed on the substrate 1.
[0162]
Note that the devices of Comparative Examples 1 and 2 were fabricated through the exact same process.
[0163]
Step-d
Next, the device is installed in the measurement / evaluation apparatus shown in FIG. A voltage was applied between the electrodes 2 and 3 to perform a forming process, and the first gap 7 was formed in the conductive thin film. The voltage waveform of the forming process is as shown in FIG. 5B (FIGS. 4C and 6A).
[0164]
In FIG. 5B, T1 and T2 are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform. In this embodiment, T1 is 1 msec, T2 is 16.7 msec, and the peak value of the rectangular wave is boosted in 0.1 V steps. Then, a forming process was performed. During the forming process, a resistance measurement pulse was inserted between the forming pulses at a voltage of 0.1 V at the same time to measure the resistance. The forming process was terminated when the measured value with the resistance measurement pulse became about 1 MΩ or more, and at the same time, the voltage application to the element was terminated. The maximum voltage applied by forming was about 5V.
[0165]
Step-e
Subsequently, to perform the activation process, tolunitrile was introduced into the vacuum apparatus through a slow leak valve, and 1.3 × 10 −4 Pa was maintained. Next, an activation voltage waveform as shown in FIG. 7B is repeatedly applied to the element subjected to the forming process via the element electrodes 2 and 3. Specifically, the device electrode 2 is set to 0 V, a positive rectangular wave having a pulse width of T3 = 1 msec is applied to the device electrode 3, and then a negative rectangular wave having the same pulse width is applied, and this is a cycle of T4 = 10 msec. Apply repeatedly at. Further, the absolute value of the peak value of the pulse applied at that time was boosted at a constant rate from 6 V to 15 V as shown in FIG. 7A, and then maintained at 15 V for activation processing. At this time, the voltage applied to the device electrode 3 is positive, and the device current If flows in the direction from the device electrode 3 to 2 in the positive direction. After confirming that it entered the region II in FIG. 19 after about 60 minutes, the energization was stopped, the slow leak valve was closed, and the activation process was completed.
[0166]
On the other hand, the activation process was performed on the elements of Comparative Examples 1 and 2 in which the same forming process as that of the element of this example was performed under the following conditions.
[0167]
Element of Comparative Example 1: Same as the element of this example, except that the partial pressure of tolunitrile was changed to 1.3 × 10 −2 Pa
Element of Comparative Example 2: Same as the element of this Example except that the partial pressure of tolunitrile was 1.3 × 10 −6 Pa
Step-f
Subsequently, a stabilization process is performed. While the vacuum device and the electron-emitting device were heated by a heater and maintained at about 250 ° C., the vacuum device was continuously evacuated. After 20 hours, heating with the heater was stopped and the temperature was returned to room temperature, and the pressure in the vacuum apparatus reached about 1 × 10 −8 Pa.
[0168]
Subsequently, the electron emission characteristics were measured.
[0169]
The distance H between the anode electrode 34 and the electron-emitting device was 4 mm, and a potential of 1 kV was applied to the anode electrode 34 by the high voltage power source 33. In this state, a rectangular pulse voltage having a peak value of 15 V is applied between the device electrodes 2 and 3 using the power supply 31, and the device of the present embodiment and the device of the comparative example are applied by the ammeter 30 and the ammeter 32. The current If and the emission current Ie were measured.
In the device of this example, the device current If was substantially the same as that of Comparative Example 1, but the emission current Ie showed a larger value than that of Comparative Example 1, and an efficient device was obtained. Further, in the device of Comparative Example 2, the device current If was extremely low, and a sufficient emission current Ie could not be obtained.
[0170]
From this result, it was found that the device of this example had a large emission current Ie and an excellent electron emission efficiency η compared to the device of the comparative example.
[0171]
Moreover, the scanning tunneling microscope (STM) observation, atomic force microscope (AFM) observation, and transmission electron microscope (TEM) observation were performed about the element of the present Example produced by the said process, and the element of a comparative example.
[0172]
First, the potential distribution of the carbon-containing film in the vicinity of the electron emission portion was observed using a scanning tunneling microscope while applying a voltage lower than that in the case where electrons were emitted to the device prepared as described above. As a result, the potential of the carbon-containing film increases as the distance from the gap portion increases for any element. However, in the element of this example, the potential increase in the vicinity of the gap portion is small and increases as the distance from the gap portion increases. It turned out that the rate was rising. That is, in the device of this example, as shown in FIG. 2C, the conductivity of the film containing carbon increases toward the gap. Therefore, the potential distribution change in the vicinity of the electron emitting portion, specifically, the potential rise is suppressed, and as a result, the carbon on the side to which a higher voltage is applied when the electron emitting element is driven with the gap as a boundary. The amount of electrons falling to and absorbed by a film, a conductive thin film, or an element electrode and becoming part of the element current (If) decreases while the amount of electrons reaching the anode electrode (emission current Ie) increases. We think that.
[0173]
Next, the shape of the plane including the electron emission portion 5 of the device was observed using an atomic force microscope. The shape of the element of this example was the same as the planar shape shown in FIG. That is, deposits 21 and 22 were observed on both sides of the gap 7 formed in the conductive thin film 4. Further, from the height information obtained from the atomic force microscope, the height of the highest portion of the deposit is about 80 nm higher than the surface of the conductive thin film 4, and the deposit at that height has a width of 500 nm. It had a belt-like shape. On the other hand, in the element of Comparative Example 1, deposits were observed on both sides of the gap formed in the conductive thin film 4 as in the element of this example, but the height of the deposits was almost uniform. The band-like shape as in the device of this example was not observed. Moreover, when the element of Comparative Example 2 was observed, there were scattered places where there was a deposit and places where there was no deposit on both sides of the gap formed in the conductive thin film 4.
[0174]
Next, the transmission electron microscope observation of the cross section including the deposit of each element was performed.
[0175]
As a result, the deposit in the vicinity of the gap 8 of the element of the present example has the same shape as shown in FIG. 2B, and the height of the portion corresponding to the deposits 21 and 22 is about 80 nm. It was. The deposit 21 is connected to the element electrode 2 of FIG. 1 via the conductive thin film 4, and the deposit 22 is connected to the element electrode 3 of FIG. 1 via the conductive thin film 4. A film containing carbon was also deposited on the conductive film 4 and its height was about 20 nm. Furthermore, when the thickness of the part corresponding to thickness D1 was measured, it was about 25 nm.
[0176]
The depth of the substrate altered portion (recessed portion) was about 30 nm, and the presence of carbon atoms was also confirmed in the altered portion. A cavity was observed in the center.
[0177]
On the other hand, the deposit of the element of Comparative Example 1 was thickly covered with the entire gap formed in the conductive thin film, and the shape as shown in FIG. 2B was not observed.
[0178]
Furthermore, in the element of Comparative Example 2, the amount of deposits was small, so the detailed shape was not known.
[0179]
Finally, the deposit in the vicinity of the gap formed in the conductive thin film of the device of this example was subjected to elemental analysis by electron probe microanalysis (EPMA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and further Auger electron spectroscopy, It was confirmed that the deposit was mainly composed of carbon.
[0180]
From these observation results, in the element of this example, the deposited deposits 21 and 22 are films having carbon whose main component is graphite-like carbon, and carbon is also present in the substrate altered portion 23, and the central portion. Since there is a cavity and has the same shape as that shown in FIG. 2B, good emission of electrons with high emission current Ie and high emission efficiency η was obtained. In addition, when the devices of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were driven for the same time, the device of the comparative example showed earlier deterioration in electron emission characteristics than the device of this example, and some of the devices of the comparative example However, the device characteristics of this example were little deteriorated and stable characteristics were obtained.
[0181]
(Example 2)
In this example, the same processes as those in Example 1 were performed up to process-d. As the substrate 1, a Corning 7059 substrate was used.
[0182]
Step-e
Subsequently, in order to perform the activation process, benzonitrile was introduced into the vacuum apparatus through a slow leak bubble, and 1.3 × 10 −4 Pa was maintained. Next, the voltage was applied to the element subjected to the forming process from 6V to 15V with the waveforms shown in FIGS. 7A and 7B in the same manner as in Example 1, and the absolute value of the peak value became 15V. It was maintained and activated. At this time, the activation process was performed while irradiating the laser beam in the vicinity with the gap portion as the center, the voltage applied to the device electrode 3 was positive, and 0 V was applied to the device electrode 2. The element current If flows in the direction from the element electrode 3 to 2 in a positive direction. After about 50 minutes, it was confirmed that the applied voltage was a constant potential of 15 V and the device current entered the region II shown in FIG. 19, and then the energization was stopped, the slow leak valve was closed, and the activation process was completed. .
[0183]
On the other hand, the activation process was performed on the elements of Comparative Examples 3 and 4 in which the same forming process as that of the element of this example was performed under the following conditions.
[0184]
Device of Comparative Example 3: Same as the device of the present example except that the partial pressure of introduction of benzonitrile was 1.3 × 10 −2 Pa
Device of Comparative Example 4: Same as the device of this example except that the partial pressure of benzonitrile introduced was 1.3 × 10 −6 Pa
Step-f
Subsequently, a stabilization process is performed. While the vacuum device and the electron-emitting device were heated by a heater and maintained at about 250 ° C., the vacuum device was continuously evacuated. After 20 hours, heating with the heater was stopped and the temperature was returned to room temperature, and the pressure in the vacuum apparatus reached about 1 × 10 −8 Pa.
[0185]
Subsequently, the electron emission characteristics were measured.
[0186]
A distance H was set to 4 mm between the anode electrode 34 and the electron-emitting device, and a potential of 1 kV was applied to the anode electrode 34 by the high voltage power source 33. In this state, a rectangular pulse voltage having a peak value of 15 V is applied between the device electrodes 2 and 3 using the power source 31 with the device electrode 2 being 0 V and the device electrode 3 being 15 V, and the ammeter 30 and the ammeter 32 are used. The device current If and the emission current Ie of the device of this example and the device of the comparative example were measured, respectively.
[0187]
In the device of this example, the device current If was substantially the same as that of Comparative Example 1, but the emission current Ie showed a larger value than that of Comparative Example 1, and an efficient device was obtained. Further, in the device of Comparative Example 2, the device current If was extremely low, and a sufficient emission current Ie could not be obtained.
[0188]
From this result, it was found that the device of this example had a large emission current Ie and an excellent electron emission efficiency η compared to the device of the comparative example.
In addition, as in Example 1, the element of this example manufactured in the above process was observed with a scanning microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), and a transmission electron microscope (TEM). The conductivity of the carbon-containing film in the vicinity of the electron emission portion in the device of this example is higher toward the gap as shown in FIG. 20B, and the shape of the film is as shown in FIG. The deposits 21 and 22 have the same shape as that shown in FIG. In the device of this example, the height corresponding to the deposits 21 and 22 in FIG. 2B was about 10 nm. Further, the depth of the substrate altered portion was 40 nm, and a cavity was observed at the center. Next, the probe was narrowed down in TEM, and elemental analysis of the substrate altered portion 23 was performed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). When compared with the substrate portion (unmodified portion) under the conductive film 4 having the same depth as the substrate modified portion 23, the ratio of Ba and Al in the substrate was not changed. On the other hand, it was found that Si decreased. Further, carbon was detected on the surface of the concave portion, which is a cavity of the altered portion of the substrate.
[0189]
Finally, the deposit in the vicinity of the gap 8 of the element of this example is subjected to elemental analysis by EDS and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and further Auger electron spectroscopy, and the deposit contains carbon whose main component is carbon. It was confirmed that it was a film having.
[0190]
From these observation results, also in the element of this example, the deposits 21 and 22 are mainly composed of graphite-like carbon, and have the same shape as that shown in FIG. Moreover, it turned out that the board | substrate altered part 23 has a hollow structure containing carbon and consuming Si. From these, good electron emission with high emission efficiency η was obtained. In addition, when the device of this example and the devices of comparative examples 3 and 4 were driven for the same time under the same conditions, the device of the comparative example had a faster characteristic deterioration than that of the device of this example, and was seen as a discharge. Although the phenomenon was observed, the characteristics of the device of this example were very stable.
[0191]
In the step-e, the laser beam irradiation is not performed in the initial stage of the formation of the deposits 21 and 22 but starts after the deposits 21 and 22 grow to a certain size, or in accordance with the growth. By changing the irradiation intensity, it is possible to set the change in conductivity more appropriately.
[0192]
(Example 3)
This embodiment is an example of an image forming apparatus using an electron source in which a large number of surface conduction electron-emitting devices are arranged in a simple matrix.
[0193]
A plan view of a part of the electron source is shown in FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in the drawing. However, in FIG. 13 and FIG. 14, what showed the same symbol shows the same thing. Here, 101 is a substrate, 102 is an X direction wiring (also referred to as a lower wiring) corresponding to DXm in FIG. 9, 103 is a Y direction wiring (also referred to as an upper wiring) corresponding to DYn in FIG. 9, 4 is a conductive thin film, 2, 3 are element electrodes, 171 is an interlayer insulating layer, and 172 is a contact hole for electrical connection between the element electrode 2 and the lower wiring 102.
[0194]
Next, the manufacturing method will be specifically described according to the order of steps with reference to FIGS.
[0195]
Step-a
After sequentially depositing 5 nm thick Cr and 0.6 mm thick Au on the substrate 1 on which a 0.5 mm thick silicon oxide film is formed by sputtering on a cleaned blue plate glass, a photoresist is formed. (AZ1370 Hoechst Co., Ltd.) was spin-coated with a spinner and baked, and then the photomask image was exposed and developed to form a resist pattern for the lower wiring 102, and the Au / Cr deposited film was wet etched to obtain a desired shape. The lower wiring 102 is formed (FIG. 15A).
[0196]
Step-b
Next, an interlayer insulating layer 171 made of a silicon oxide film having a thickness of 1.0 μm is deposited by RF sputtering (FIG. 15B).
[0197]
Step-c
A photoresist pattern for forming the contact hole 172 is formed in the interlayer insulating layer 171 deposited in the step-b, and the interlayer insulating layer 171 is etched using this as a mask to form the contact hole 172 (FIG. 15C). .
[0198]
Step-d
Thereafter, a pattern to be the gap L between the device electrode 2 and the device electrode is formed with a photoresist (RD-2000N-41 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.), and by sputtering, Ti with a thickness of 5 nm and Pt with a thickness of 0.1 mm are formed. Deposited sequentially. The photoresist pattern was dissolved with an organic solvent, the Pt / Ti deposited film was lifted off, and element electrodes 2 and 3 having an element electrode interval L = 3 mm and an element electrode width W = 0.3 mm were formed (FIG. 15 (d )).
[0199]
Step-e
After forming the photoresist pattern of the upper wiring 103 on the device electrodes 2 and 3, Ti having a thickness of 5 nm and Au having a thickness of 0.5 mm are sequentially deposited by vacuum deposition, and unnecessary portions are removed by lift-off, An upper wiring 103 having a desired shape was formed (FIG. 16A).
[0200]
Step-f
A Cr film 191 having a thickness of 0.1 mm is deposited and patterned by vacuum deposition, and an organic palladium compound solution (ccp4230 manufactured by Okuno Seiyaku Co., Ltd.) is spin-coated with a spinner on the film, and is heated and baked at 300 ° C. for 10 minutes. ((B) of FIG. 16). The conductive thin film 4 made of fine particles of Pd as the main element thus formed had a thickness of 10 nm and a sheet resistance value of 2 × 10 4 Ω / □.
[0201]
Process-g
The Cr film 191 and the fired conductive thin film 4 were etched with an acid etchant and lifted off to form the conductive thin film 4 having a desired pattern (FIG. 16C).
[0202]
Step-h
A pattern for applying a resist was formed on portions other than the contact hole 172, and 5 nm thick Ti and 0.5 mm thick Au were sequentially deposited by vacuum evaporation. The contact hole 172 was filled by removing unnecessary portions by lift-off ((d) in FIG. 16).
[0203]
Through the above steps, the lower wiring 102, the interlayer insulating layer 171, the upper wiring 103, the device electrodes 2 and 3, and the conductive thin film 4 were formed on the insulating substrate 1.
[0204]
Next, an example in which an electron source and a display device are configured using the electron source substrate manufactured as described above will be described with reference to FIGS.
[0205]
After the substrate 1 on which the element was manufactured as described above was fixed on the rear plate 111, the face plate 116 (a fluorescent film 114 and a metal back 115 were formed on the inner surface of the glass substrate 113, 5 mm above the substrate 1). The frit glass was applied to the joint portion of the face plate 116, the support frame 112, and the rear plate 111, and sealed by baking at 400 ° C. for 10 minutes in the atmosphere. The substrate 1 was also fixed to the rear plate 111 with frit glass.
[0206]
In this embodiment, reference numeral 104 in FIG. 10 denotes an electron-emitting device (for example, corresponding to FIG. 4B) before forming an electron-emitting portion, and reference numerals 102 and 103 denote element wirings in the X direction and Y direction, respectively.
[0207]
In the case of monochrome, the phosphor film 114 is made of only a phosphor, but in this embodiment, the phosphor has a stripe shape. First, black stripes were formed, and phosphors of each color were applied to the gaps to produce the phosphor film 114. A material mainly composed of graphite, which is commonly used as a black stripe material, was used. A slurry method was used as a method of applying the phosphor on the glass substrate 113.
[0208]
A metal back 115 is usually provided on the inner surface side of the fluorescent film 114. The metal back was produced by performing a smoothing process (usually called filming) on the inner surface of the phosphor film after producing the phosphor film, and then vacuum-depositing Al.
[0209]
The face plate 116 may be provided with a transparent electrode (not shown) on the outer surface side of the fluorescent film 114 in order to further increase the conductivity of the fluorescent film 114. However, in this embodiment, the metal plate alone is sufficient for conducting. I omitted it because it was good.
[0210]
When performing the above-described sealing, in the case of a color, each color phosphor must correspond to the electron-emitting device, so that sufficient alignment was performed.
[0211]
The atmosphere in the glass container completed as described above is exhausted by a vacuum pump through an exhaust pipe (not shown), and after reaching a sufficient degree of vacuum, electrons are emitted through the external terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn. A voltage was applied between the electrodes 2 and 3 of the element 104 to form the conductive thin film 4. The voltage waveform of the forming process is the same as (b) of FIG. The maximum voltage applied during forming was about 5V.
[0212]
In this example, T1 was set to 1 msec, T2 was set to 10 msec, and the process was performed in a vacuum atmosphere of about 1.3 × 10 −3 Pa.
[0213]
Next, after exhausting until the pressure in the panel reaches the 10-6 Pa level, tolunitrile is introduced into the panel from the exhaust pipe of the panel so that the total pressure becomes 1.3 × 10 −4 Pa and maintained. did. A voltage similar to that of FIG. 7 is applied between the electrodes 2 and 3 of the electron-emitting device 104 through the container outer terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn, with a waveform similar to that in FIG. Retained. The activation process was performed with the device electrode 2 set to 0 V and the maximum voltage applied to the device electrode 3 set to 20 V.
[0214]
In this way, forming and activation processes were performed, and the electron-emitting device 104 was manufactured. Further, the activation was completed after confirming that the applied voltage was constant (20 V) and the device current corresponded to the region II in FIG.
[0215]
Next, the entire panel is evacuated while being heated to 250 ° C., the temperature is lowered to room temperature and the inside is set to a pressure of about 10 −7 Pa, and then the exhaust pipe (not shown) is welded by heating with a gas burner. Sealing was performed.
[0216]
Finally, in order to maintain the pressure after sealing, getter treatment was performed by a high-frequency heating method.
[0217]
In the image display device of the present invention completed as described above, a scanning signal and a modulation signal are applied to each electron-emitting device from the signal generation means (not shown) through the external terminals Doxl to Doxm and Doyl to Doyn, respectively. Thus, electrons are emitted, a high voltage of 5 kV or higher is applied to the metal back 115 or the transparent electrode (not shown) through the high-voltage terminal 117, the electron beam is accelerated, collides with the fluorescent film 114, and is excited and emitted. The image was displayed with.
[0218]
The image display apparatus in the present example was able to display a stable and good image with high brightness over a long period of time.
[0219]
(Example 4)
In this embodiment, an example of a display device configured to be able to display image information provided from various image information sources such as television broadcasting is shown. The image forming apparatus shown in FIG. 10 was displayed according to an NTSC television signal using the drive circuit shown in FIG.
[0220]
In this display device, the depth of the display device can be reduced because the display panel using the surface conduction electron-emitting device as an electron beam source can be easily thinned. In addition, a display panel using a display-conduction electron-emitting device as an electron beam source is easy to enlarge, has high brightness, and excellent viewing angle characteristics. It is possible to display with high visibility.
[0221]
The display device in this example was able to display a TV image according to the NTSC TV signal satisfactorily and stably.
[0222]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, since the conductivity of the film containing carbon increases toward the first gap portion, the potential distribution change near the electron emission portion is reduced, and thus the first When the electron-emitting device is driven across the gap, the amount of electrons that fall into the carbon-containing film, conductive thin film, or device electrode to which a higher voltage is applied and are absorbed and become part of the device current is reduced. While decreasing, the emission current increases and the electron emission efficiency improves.
[0223]
In addition, since the substrate in the first gap has a recess, depending on the depth of the recess, the creepage distance between the carbon films facing each other across the gap is increased, so that the device current is suppressed. A high-efficiency element was obtained, and at the same time, a stable element was obtained in which deterioration of characteristics, which appears to be caused by the discharge phenomenon between the gaps, was suppressed even under a strong electric field applied between the carbon-containing films.
[0224]
Further, although it is presumed that the surface of the base exposed between the first gaps is exposed to the emitted electrons, in the element of the present invention, at least the surface of the concave part of the substrate exposed in the gaps. Because it contains carbon, fluctuations and deterioration in device characteristics, which can be attributed to reduced charge on the concave surface of the substrate caused by this electron irradiation, are suppressed, and a device with stable electron emission characteristics can be obtained over a long period of time. It was.
[0225]
Furthermore, in an electron source or an image forming apparatus using an element having high efficiency and stable characteristics for a long time according to the present invention, it is very stable even when a large number of electron-emitting elements are arranged. In the image display device using, an image display device having high luminance, stable for a long time and low power consumption was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of an electron emission portion of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a vacuum processing apparatus having a measurement evaluation function.
FIG. 4 is a schematic view showing a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a voltage waveform that can be used in a forming process that is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing an activation process which is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a voltage waveform that can be used in an activation process which is a part of the manufacturing process of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the emission current Ie, device current If, and device voltage Vf of the electron-emitting device of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an electron source arranged in a simple matrix.
FIG. 10 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an image forming apparatus.
FIG. 11 is a schematic view showing an example of a fluorescent film.
FIG. 12 is a block diagram of a driving circuit for performing display in accordance with an NTSC television signal when the electron-emitting device of the present invention is applied to an image forming apparatus.
FIG. 13 is a schematic view showing an example in which the electron-emitting device of the present invention is applied to an electron source arranged in a simple matrix.
14 is a partial cross-sectional schematic view taken along a polygonal line AA ′ in FIG. 13;
FIG. 15 is a schematic view for explaining a part of the manufacturing process of the electron source according to the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a part of the manufacturing process of the electron source according to the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view showing a configuration of a conventional electron-emitting device.
FIG. 18 is a schematic view showing a configuration of another conventional electron-emitting device.
FIG. 19 is a schematic diagram showing changes in device current during the activation process of the present invention.
FIG. 20 is an enlarged schematic view of the vicinity of the electron emission portion of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2, 3 element electrodes
4 Conductive thin film
5 Electron emission part
6 Carbon or carbon compounds
7 Gap (second gap)
8 Gap (first gap)
21, 22 Deposit (carbon-containing film)
23 recess
30 Ammeter
31 Power supply
32 Ammeter
33 Voltage power supply
34 Anode electrode
101 Electron source substrate
102 X direction wiring
103 Y-direction wiring
104 Electron emitting device
111 Rear plate
112 Support frame
113 Glass substrate
114 phosphor film
115 metal back
116 face plate
117 High voltage terminal
118 Envelope
121 Black member
122 phosphor
131 Display panel
132 Scanning circuit
133 Control circuit
134 Shift register
135 line memory
136 Sync signal separation circuit
137 Modulation signal generator
Vx, Va DC power supply
171 Interlayer insulation layer
172 Contact hole

Claims (9)

基体表面上に配した一対の電極と、
第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、
前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、
前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、
前記第一の間隙部を含む前記基体表面に対して垂直な断面において、前記基体表面における前記一対の炭素を有する膜の間隔よりも、前記基体表面から離れた位置における前記一対の炭素を有する膜の間隔の方が狭いことを特徴とする電子放出素子。
A pair of electrodes disposed on the surface of the substrate;
A film having a pair of carbons separated by a first gap,
One of the pair of carbon-containing films is electrically connected to one of the pair of electrodes, and the other of the pair of carbon-containing films is electrically connected to the other of the pair of electrodes. An element,
The conductivity of each of the pair of carbon-containing films is increased from the pair of electrodes toward the first gap portion ,
In the cross section perpendicular to the substrate surface including the first gap portion, the pair of carbon-containing films at a position farther from the substrate surface than the distance between the pair of carbon-containing films on the substrate surface An electron-emitting device characterized in that the distance between is narrower .
基体表面上に配した一対の電極と、A pair of electrodes disposed on the surface of the substrate;
第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、A film having a pair of carbons separated by a first gap,
前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、One of the pair of carbon films is electrically connected to one of the pair of electrodes, and the other of the pair of carbon films is electrically connected to the other of the pair of electrodes. An element,
前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、The conductivity of each of the pair of carbon-containing films is increased from the pair of electrodes toward the first gap portion,
前記基体表面は、前記第一の間隙部内に凹部を有し、The base surface has a recess in the first gap,
前記凹部に炭素を有することを特徴とする電子放出素子。An electron-emitting device having carbon in the recess.
前記一対の炭素を有する膜の各々は、前記一対の電極間に配置された導電性薄膜を介して前記電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子放出素子。 3. The electron according to claim 1, wherein each of the pair of carbon-containing films is electrically connected to the electrode through a conductive thin film disposed between the pair of electrodes. Emitting element. 前記導電性薄膜は前記一対の電極間に第二の間隙部を有、前記第二の間隙部内に前記第一の間隙部が配置されていることを特徴とする請求項に記載の電子放出素子。The conductive thin film have a second gap between the pair of electrodes, electrons according to claim 3, wherein said first gap portion to the second in the gap portion is arranged Emitting element. 前記導電性薄膜が、Pd微粒子膜からなることを特徴とする請求項3または4に記載の
電子放出素子。
The electron-emitting device according to claim 3 or 4 , wherein the conductive thin film is made of a Pd fine particle film.
前記電子放出素子は前記一対の電極の一方の電極の電位が他方の電極の電位よりも高くなるように前記一対の電極間に電圧を印加することで電子を放出させる電子放出素子であって、前記第一の間隙部の最も狭い部分を形成する前記一対の炭素を有する膜の一方の端部と前記一対の炭素を有する膜の他方の端部とを結んだ線の延長線上に存在する、前記一対の炭素を有する膜のうちの前記一方の電極に接続する炭素を有する膜の厚みが、100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電子放出素子。The electron-emitting device is an electron-emitting device that emits electrons by applying a voltage between the pair of electrodes such that a potential of one electrode of the pair of electrodes is higher than a potential of the other electrode, Present on an extension of a line connecting one end of the pair of carbon-containing films forming the narrowest portion of the first gap and the other end of the pair of carbon-containing films, the pair of film thickness with a carbon connecting the one electrode of the membrane with a carbon electron-emitting device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that at 1 nm or less. 請求項1乃至のいずれかに記載の電子放出素子を基体上に複数配列形成し、入力信号に応じて前記電子放出素子の少なくとも1つより電子を放出することを特徴とする電子源。Electron source the electron emission device according to any one of claims 1 to 6 and arrayed formed on a substrate, characterized in that it releases at least than one electron of the electron emission device in accordance with an input signal. 請求項に記載の電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材と、を有することを特徴とする画像形成装置。8. An image forming apparatus comprising: the electron source according to claim 7 ; and an image forming member that forms an image by irradiating electrons emitted from the electron source. 画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置であって、前記画像形成装置が請求項に記載の画像形成装置であることを特徴とするテレビジョン放送の表示装置。9. A television broadcast display device comprising: an image forming device; and a circuit for displaying a television broadcast signal on the image forming device, wherein the image forming device is the image forming device according to claim 8. A display device for television broadcasting, characterized in that there is.
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