JP4036410B2 - 電子放出素子とその製造方法と電子源及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極型等の電子放出素子とその製造方法及び、該電子放出素子を用いた電子源、該電子源を用いた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電子放出素子としては大別して熱陰極電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用いた２種類のものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「ＦＥ型」という。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩＭ型」という。）や、表面伝導型電子放出素子等がある。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,“"Physical Properties of thin-film field emission cathodes with molybdenium cones",J.Appl.Phys.,47,5248(1976)等に開示されたものが知られている。
【０００３】
ＭＩＭ型の例としてはC.A.Mead,“Operation of Tunnel-Emission Devices",J.Apply.Phys.,32,646(1961)等に開示されたものが知られている。
【０００４】
また、表面伝導型電子放出素子型の例としては、M.I.Elinson,Radio Eng.Electron Phys.,10,1290,(1965)等に開示されたものがある。
【０００５】
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、膜面に平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等によるＳｎＯ2 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの[G.Ditmmer,Thin Solid Films,9,317(1972)]、Ｉｎ2 Ｏ3 ／ＳｎＯ2 薄膜によるもの[M.Hartwell and C.G.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１号、２２頁（１９８３）］等が報告されている。
【０００６】
これらの表面伝導型電子放出素子の典型的な例として、前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１３に模式的に示す。同図において、１は絶縁性基板である。また、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、後述の通電フォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部５が形成される。尚、図中の素子電極間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗは、０．１ｍｍで設定されている。
【０００７】
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を予め通電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、通電フォーミングとは前記導電性薄膜４の両端に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧例えば１Ｖ／分程度を印加通電し、導電性薄膜４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。前記通電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、電子放出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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電子放出素子については、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、更に安定な電子放出特性及び電子放出の効率向上が要望されている。ここでの効率は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極に電圧を印加した際に、両電極間を流れる電流（以下、「素子電流」という。）と、真空中に放出される電流（以下、「電子放出電流」という。）との比で評価されるものであり、効率のよくするために、素子電流が小さく、放出電流が大きい電子放出素子が望まれている。
【０００９】
ここで、安定的に制御し得る電子放出特性と効率の向上がなされれば、例えば蛍光体を形成した画像形成部材とする画像形成装置においては、低電流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。また、低電流化にともない、画像形成装置を構成する駆動回路等のローコスト化も図れる。
【００１０】
しかしながら、上述のＭ．ハートウェ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。
【００１１】
従って、上記のような応用に用いられる電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子は、実用的な印加電圧に対して良好な電子放出特性を有し、長時間にわたって、その特性を保持し続けられることが必要である。
【００１２】
本出願人等は、詳細な検討の結果、電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子の素子電流の最大到達値は、電子放出部が形成される領域と絶縁性基板とが接触する領域の材料によって変化し、例えばアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）のように酸化物１モルあたりの生成自由エネルギーの大きな酸化物材料を含む割合が多い硝子材料（基板材料）が、電子放出部の下地にある場合は、表面伝導型電子放出素子の素子電流の最大到達値が低く、その結果電子放出量が小さいために輝度が低下することがわかった。
【００１３】
本発明は、上記問題を鑑み、良好な電子放出特性と電子放出電流の増加による高輝度を実現する電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子の構成とそれを用いた電子源及び画像形成装置を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために鋭意検討を行って成されたものであり、下述する構成のものである。
【００１５】
即ち、本発明の電子放出素子の製造方法は、絶縁性基板上に形成された対向する一対の素子電極と、前記一対の素子電極間に形成された電子放出部を有する導電性薄膜とを備えた表面伝導型電子放出素子の製造方法であって、
絶縁性基板上に、炭素により還元される金属酸化物とＳｉＯ 2 とを含む層を形成する工程と、
前記層上に導電性薄膜を形成する工程と、
前記導電性薄膜に通電処理を行い、前記導電性薄膜に電子放出部を形成する工程と、
前記電子放出部が形成された前記導電性薄膜上に炭素又は炭素化合物を堆積させる工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の電子放出素子の製造方法において、前記金属酸化物は、その１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値が同一温度のＳｉＯ 2 の１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値よりもその絶対値が小さいことが望ましい。
【００１９】
上記本発明の電子放出素子の製造方法において、前記金属酸化物は、Ｃｓ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｃｕ2Ｏ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＰｂＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＷＯ2、ＭｎＯ2 から選ばれる酸化物であることが望ましい。
【００２２】
本発明の電子源の製造方法は、入力信号に応じて電子を放出する電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面伝導型電子放出素子の製造方法により表面伝導型電子放出素子を複数個配置したことを特徴とする。
【００２４】
上記本発明の電子源の製造方法において、前記絶縁性基板に配置した互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、前記表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極とを接続した前記表面伝導型電子放出素子を複数個配列することが望ましい。
【００２５】
本発明の画像形成装置の製造方法は、入力信号に基いて画像を形成する画像形成装置の製造方法であって、少なくとも、前記絶縁性基板に対向する蛍光膜を備えた画像形成部材と、上記本発明の電子源の製造方法により形成された電子源とを対向配置することを特徴とする。
【００２８】
本発明の表面伝導型電子放出素子によれば、安定した電子放出特性を長時間にわたって保持し得る電子放出素子を実現できる。
【００２９】
更に、本発明の画像形成装置によれば、長時間にわたり安定で良好で画像を形成できる。
【００３０】
以下、本発明を説明する。
【００３１】
本出願人が各種酸化物を下地基板に用いた検討によると、素子電流Ｉｆ及び電子放出電流Ｉｅを増加させる下地基板としてはＣｓ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｕ2 Ｏ，ＢａＯ，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｒＯ，ＰｂＯ，ＮｉＯ，ＳｎＯ，ＣｏＯ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＷＯ2 ，ＭｎＯ2 の単一酸化物あるいはシリカ（ＳｉＯ2 ）との複合酸化物であった。
【００３２】
これらの材料は以下の式に示すように、金属酸化物（Ｍx Ｏy ）カーボン（Ｃ）によって容易に還元が進行する材料であることが分かった。
【００３３】
Ｍx Ｏy ＋ｙＣ≧ｘＭ＋ｙＣＯ
さらに本出願人による詳細な検討によると、これらの材料はある特定の温度で比較すると、上記反応における反応の標準生成自由エネルギー変化が、シリカ（ＳｉＯ2 ）の反応の標準生成自由エネルギー変化より小さく、その変化量の絶対値が小さい材料ほど素子電流が大きいことがわかった。これは素子電流を得るための処理（活性化と呼ぶ）において上記酸化物の還元のされやすさが関与していることを示している。
【００３４】
特に後述する活性化行程は炭素あるいは炭素化合物の堆積であることが確認されているが、この時に上記反応式に示されるような基板の酸化物と炭素との還元反応が同時に進行していることが考えられる。この炭素あるいは炭素化合物の堆積と、還元反応によって形成される炭素あるいは炭素化合物の形態が還元されやすい酸化物材料を用いることで従来より素子電流を増大させる構成をとりうることが予想される。
【００３５】
またこれらの材料は、単一組成の酸化物で用いてもよいが、むしろシリカ（ＳｉＯ2 ）との複合酸化物を用いた方が輝度、寿命、安定性に優れる場合もあった。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施形態を示す。
【００３７】
本発明を適用し得る表面伝導型電子放出素子の基本的構成には大別して、平面型及び垂直型の２つがある。
【００３８】
（平面型表面伝導型電子放出素子）
まず、平面型表面伝導型電子放出素子について説明する。
【００３９】
図１は、本発明を適用可能な平面型表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
【００４０】
図１において、１は絶縁性基板、２と３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。
【００４１】
絶縁性基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラスにスパッタ法等により形成したＳｉＯ2 を積層したガラス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることができる。
【００４２】
対向する素子電極２，３の材料としては、一般的な導体材料を用いることができる。これは例えばＮｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属或は合金、及び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印刷導体、Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 等の透明導電体、及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選択することができる。
【００４３】
素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性薄膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計される。素子電極間隔Ｌは、好ましくは、数千オングストロームから数百マイクロメートルの範囲とすることができ、より好ましくは、素子電極間に印加する電圧等を考慮して、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲とすることができる。
【００４４】
素子電極長さＷは、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して、数マイクロメートルから数百マクロメートルの範囲とすることができる。素子電極２，３の膜厚ｄは、数百オングストロームから数マイクロメートルの範囲とすることができる。
【００４５】
尚、図１に示した構成順の絶縁性基板１上に、酸化物被膜６、対向する素子電極２，３、導電性薄膜４の順であるだけでなく、絶縁性基板１上に、導電性薄膜４、対向する素子電極２，３、酸化物被膜６の順や、絶縁性基板１上に、導電性薄膜４、酸化物被膜６、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。
【００４６】
導電性薄膜４には、良好な電子放出特性を得るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好ましい。その膜厚は、素子電極２，３へのステップカバレージ、素子電極２，３間の抵抗値及び後述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定される。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重要なパラメータであり、導電性薄膜４の材料としてより高融点な材料を用いるのが望ましい。しかしながら、通常、導電性薄膜４の融点が高いほど後述する通電フォーミングが困難となり、電子放出部形成のためにより大きな電力が必要となる。さらに、その結果得られる電子放出部は、電子放出し得る印加電圧（しきい値電圧）が上昇するという問題が生じる場合がある。
【００４７】
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。
【００４８】
上記条件を満たす材料の例として、Ｎｉ，Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，Ｐｔ等の導電材料をＲｓ（シート抵抗）が１０2 から１０7 Ω／□の抵抗値を示す膜厚で形成したものが好ましく用いられる。なおシート抵抗Ｒｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の抵抗Ｒを、Ｒ＝（Ｒｓ（ｌ／ｗ））とおいたときの値である。上記抵抗値を示す膜厚はおよそ５ナノメートルから５０ナノメートルの範囲にあり、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。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。微粒子の粒径は、０．数ｎｍから数百ｎｍの範囲、好ましくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。
【００４９】
なお、本明細書では頻繁に「微粒子」という言葉を用いるので、その意味について説明する。
【００５０】
小さな粒子を「微粒子」と呼び、これよりも小さなものを「超微粒子」と呼ぶ場合がある。「超微粒子」よりもさらに小さく原子の数が数百個程度以下のものを「クラスター」と呼ぶことは広く行われている。
【００５１】
しかしながら、それぞれの境界は厳密なものではなく、どのような性質に注目して分類するかにより変化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに沿ったものである。
【００５２】
例えば、「実験物理学講座１４ 表面・微粒子」（木下是雄 編、共立出版 １９８６年９月１日発行）では次のように記述されている。
【００５３】
「本稿で微粒子と言うときにはその直径がだいたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特に超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３ｎｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単に微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではなく、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼ぶ。」（１９５ページ ２２〜２６行目）
付言すると、新技術開発事業団の“林・超微粒子プロジェクト”での「超微粒子」の定義は、粒径の下限はさらに小さく、次のようなものであった。
【００５４】
「創造科学技術推進制度の“超微粒子プロジェクト”」（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを“超微粒子”（ultra fine particle）と呼ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜１０８個くらいの原子の集合体ということになる。原子の尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」（「超微粒子−創造科学技術−」林主税、上田良二、田崎明 編；三田出版 １９８８年 ２ページ１〜４行目）「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が数個〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラスターと呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）
上記のような一般的な呼び方をふまえて、本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集合体で、粒径の下限は０．数ｎｍ〜１ｎｍ程度、上限は数μｍ程度のものを指すこととする。
【００５５】
さて、前に例示した導電性薄膜４の材料のなかでも、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、上記範囲のシート抵抗の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマージンが広いこと、電子放出部形成後、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、耐熱性も上昇すること、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。
【００５６】
つぎに、電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等の手法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部には、０．数ｎｍから数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄膜４を構成する材料の元素の一部、あるいは全ての元素を含有するものとなる。電子放出部５及びその近傍の導電性薄膜４には、後述する活性化工程を経た場合、炭素及び炭素化合物を有する。この炭素及び炭素化合物の役割については、導電性薄膜４の一部として機能し、また、電子放出部５を構成する物質として電子放出特性を支配することが分かっているが、詳細は明らかではない。
【００５７】
前述したとおり、酸化物被膜６は、単一金属元素の酸化物に限らず、複数の金属元素を含む複合酸化物であってもよい。
【００５８】
例えば、Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｓ2 Ｏは、絶対温度７００Ｋ〜２０００Ｋの範囲で標準生成自由エネルギーの値が、シリカの生成自由エネルギーの絶対値より小さいため、電子放出部を形成する材料としては標準生成自由エネルギーの値が、用いる酸化物より大きな材料、例えばＣ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒで容易に還元することが可能である。特にＣ（カーボン）は反応に伴う酸化生成物がＣＯガスであるため、反応界面において固体の酸化物をつくらない。このため界面反応を持続させることができるだけでなく、カーボンが金属、酸化物を固溶しづらいため、すぐに還元生成物をその表面上に析出するので、電子放出部形成材料としてきわめて理想的な材料として特記しておく。
【００５９】
また、酸化物被膜６に用いる前述のＫ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｓ2 Ｏなどの標準生成自由エネルギーの値が、シリカの生成自由エネルギーの絶対値より小さい材料の多くは、大気中の水分と反応し、潮解性を持つものが多く、単一組成で使用するには困難なものが多い。このためこれらの材料を用いる場合は、混合酸化膜（母材＋金属酸化物）の構成で用いる方がより望ましい。この時の望ましい母材としては、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の材料があげられる。
【００６０】
一方、例えばＴｉＯ，ＺｒＯ，Ａｌ2 Ｏ3 等の標準生成自由エネルギーがきわめて大きい材料を、単一組成の酸化物として用いる場合は、前記Ｃ，Ｓｉ，Ａｌ等では容易に還元できない。例えばＡｌ2 Ｏ3 は、炭素Ｃで還元するには絶対温度約２０００Ｋ必要であり、実際にこの温度に反応界面の温度を上げることは実用的ではない。
【００６１】
本目的である電子源の素子電流向上の目的では、アルカリ金属（１Ａ族）、アルカリ土類金属（２Ａ族）、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族及びＳｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐの単一組成酸化物あるいは前記酸化物が望ましい。
【００６２】
これらの酸化物は、スパッタ等の真空蒸着手法を用いて、基板１上に形成する手法が一般的であるが、さらに簡便な方法として、アルコキシド系の化合物やスピンコート材料を用いて焼成により酸化物をつくる方法がある。
【００６３】
（垂直型表面伝導型電子放出素子）
次に、垂直型表面伝導型電子放出素子について説明する。
【００６４】
図２は、本発明の表面伝導型電子放出素子を適用できる垂直型表面伝導型電子放出素子の一例を示す模式図である。
【００６５】
図２においては、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図において、２１は絶縁材の段さ形成部である。また、基板１、素子電極２及び３、導電性薄膜４、電子放出部５、酸化物被膜６は、前述した平面型表面伝導型電子放出素子の場合と同様の材料で構成することができる。段さ形成部２１は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ2 等の絶縁性材料で構成することができる。段さ形成部２１の膜厚は、先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子電極間隔Ｌに対応し、数１００ｎｍから数十μｍの範囲とすることができる。この段さ形成部２１の膜厚は、段さ形成部２１の製法、及び、素子電極間に印加する電圧を考慮して設定されるが、数１０ｎｍから数μｍの範囲が好ましい。
【００６６】
また、導電性薄膜４は、素子電極２及び３と段さ形成部２１の作成後に、該素子電極２，３の上に積層される。電子放出部５は、図２においては、段さ形成部２１に形成されているが、作成条件、フォーミング条件等に依存し、形状、位置ともこれに限られるものでない。
【００６７】
上述の表面伝導型電子放出素子の製造方法としては様々な方法があるが、その一例を図３に模式的に示す。
【００６８】
以下、図１及び図３を参照しながら製造方法の一例について説明する。図３においても、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し、重複する説明を省略している。
【００６９】
（１）絶縁性基板１を、洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、基板１に、スパッタ蒸着法により酸化物被膜６を形成する（図３（ａ））。なお、形成された酸化物被膜６は金属酸化物を主成分とし、一部炭酸塩や水酸化物を含むこともある。しかしながら、一般に炭酸塩や水酸化物は加熱された場合、酸化物に変化し、最終的な融点（ないし昇華点）は酸化物の状態で決まるため、特に問題になることはない。また、酸化物薄膜６の形成法は、スパッタ蒸着法に限るものではなく、他の真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法等、アルコキシド系塗布材によって形成される場合もある。
【００７０】
（２）ホトリソグラフィ技術によって、適当にパターニングを行い、素子電極２，３を蒸着法にて形成し、この基板１に、有機金属溶液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液には、前述の導電性膜４の材料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液を用いることができる。有機金属薄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３（ｂ））。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電性薄膜４の形成法はこれに限られるものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用いることもできる。
【００７１】
（３）続いて、フォーミング工程を施す。このフォーミング工程の方法の一例として、通電フォーミング処理による方法を説明する。素子電極２，３間に、不図示の電源を用いて、通電を行うと、導電性薄膜４の部位に、構造の変化した電子放出部５が形成される（図３（ｃ））。通電フォーミングによれば導電性薄膜４に局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成される。該部位が電子放出部５を構成する。また、通電フォーミング前に酸化物被膜６を形成した場合は、同時に酸化物被膜６も局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化を起こす場合がある。
【００７２】
通電フォーミングの際の素子電極２，３への印加電圧波形の例を図４に示す。
【００７３】
電圧波形は、パルス波形が、好ましい。これにはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印加する図４（ａ）に示した波形電圧を印加する手法と、パルス波高値を増加させながら、電圧パルスを印加する図４（ｂ）に示した波形電圧を印加する手法がある。
【００７４】
図４（ａ）におけるＴ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔である。通常Ｔ１は１マイクロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２は、１０マイクロ秒〜１００ミリ秒の範囲で設定される。三角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子形態に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例えば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は三角波に限定されるものではなく、矩形波など所望の波形を採用することができる。
【００７５】
図４（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図４（ａ）に示したのと同様とすることができる。三角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。
【００７６】
通電フォーミング処理の終了は、パルス間隔Ｔ２中に、導電性薄膜２を局所的に破壊、変形しない程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することができる。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる素子電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した時、通電フォーミングを終了させる。
【００７７】
（４）フォーミング処理を終えた素子には、活性化工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程とは、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。
【００７８】
活性化工程は、例えば、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パルスの印加を繰り返すことで行うことができる。この雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプなどを用いて真空容器内を排気した場合に、雰囲気内に残留する有機ガスを利用して形成することができる他、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に、適当な有機物質のガスを導入することによっても得られる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形態、真空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるため、場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質としては、アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン類、ニトリル類、フェノール、カルボン、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることができ、具体的には、メタン、エタン、プロパンなどＣn Ｈ2n+2で表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣn Ｈ2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、ベンゾニトリル、アセトニトリル、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等が使用できる。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。
【００７９】
活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行う。なおパルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設定される。
【００８０】
炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含する、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が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を指す）、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）であり、その膜厚は、５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下の範囲とすることがより好ましい。
【００８１】
（５）このような工程を経て得られた電子放出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この安定化工程は、真空容器内の有機物質排気する工程である。真空容器内の圧力は、１〜３×１０-7Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらに１×１０-8Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。真空容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げることができる。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気しやすくするのが好ましい。この時の加熱条件は、８０〜２００℃で５時間以上が望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条件により、適宜選ばれる条件により行う。
【００８２】
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、真空度自体は多少低下しても、十分安定な特性を維持することができる。
【００８３】
このような真空雰囲気を採用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、結果として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。
【００８４】
上述した工程を経て得ら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５、図６を参照しながら説明する。
【００８５】
図５は、真空処理装置の一例を示す模式図であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能をも兼ね備えている。図５においても、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付している。図５において、５５は真空容器であり、５６は排気ポンプである。
【００８６】
また、真空容器５５内には電子放出素子が配されている。即ち、１は電子放出素子を構成する基板であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。また、５１は、電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、５０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、５４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である。また、５３はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源、５２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。一例として、アノード電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができる。
【００８７】
真空容器５５内には、不図示の真空計等の真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになっている。排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータリーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、更にイオンポンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されている。ここに示した電子源基板を配した真空処理装置の全体は、不図示のヒーターにより、２００℃まで加熱できる。
【００８８】
図６は、図５に示した真空処理装置を用いて測定された放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係を模式的に示した図である。図６においては、放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので、任意単位で示している。なお、縦・横軸ともリニアスケールである。
【００８９】
図６からも明らかなように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して対する三つの特徴的性質を有する。
【００９０】
即ち、（i）本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ）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。つまり、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。
【００９１】
（ii）放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単調増加依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御できる。
【００９２】
（iii)アノード電極５４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５４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。
【００９３】
以上の説明より理解されるように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、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。この性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成した電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能となる。
【００９４】
図６においては、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」という。）例を実線に示した。素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して電圧制御型負性抵抗特性（以下、「ＶＣＮＲ特性」という。）を示す場合もある（不図示）。これらの特性は、前述の工程を制御することで制御できる。
【００９５】
図７は、素子電極間に印加する一定の素子電圧Ｖｆで、長時間駆動したときの放出電流Ｉｅの時間変化を示したものである。図中、実線で示したのは本発明による電子放出素子、破線で示したのは酸化物被膜６を形成しない比較用の素子のものである。製作当初の放出電流Ｉｅの半減時間を参考に提示している。
【００９６】
本発明によれば、基板１と電子放出部５の間に形成された酸化物被膜６によって、高い電子放出電流を取り出すことが可能な電子源を作成することが可能となり、その結果きわめて高輝度な電子放出素子を形成することが可能となった。
【００９７】
以上のように本発明に係わる電子放出素子は、長時間にわたって安定かつ高輝度な電子放出特性を有するため、多方面への応用が期待できる。
【００９８】
（電子放出素子の応用例）
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。本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源、あるいは画像形成装置が構成できる。
【００９９】
電子放出素子の配列については、種々のものが採用できる。
【０１００】
一例として、並列に配置した多数の電子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子からの電子を制御駆動するはしご状配置のものがある。これとは別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に共通に接続するものが挙げられる。このようなものは所謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配置について以下に詳述する。
【０１０１】
本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子については、前述したとおり（ｉ）乃至(iii）の特性がある。即ち、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においても、個々の素子に、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て電子放出量を制御できる。
【０１０２】
（電子源）
以下この原理に基づき、本発明を適用可能な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板について、図８を用いて説明する。図８において、８１は電子源基板、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。８４は表面伝導型電子放出素子、８５は結線である。尚、表面伝導型電子放出素子８４は、前述した平面型あるいは垂直型のどちらであってもよい。
【０１０３】
ｍ本のＸ方向配線８２は、ＤＸ1 ，ＤＸ2 ，．．ＤＸm からなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成することができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。Ｙ方向配線８３は、ＤＹ1 ，ＤＹ2 ，．．ＤＹn のｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【０１０４】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ2 等で構成される。例えば、Ｘ方向配線８２を形成した基板８１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８２とＹ方向配線８３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８２とＹ方向配線８３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【０１０５】
表面伝導型電子放出素子８４を構成する一対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的に接続されている。
【０１０６】
配線８２と配線８３を構成する材料、結線８５を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料は、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。素子電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電極に接続した配線は素子電極ということもできる。
【０１０７】
Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した表面伝導型電子放出素子８４の行を、選択するための走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線８３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型電子放出素子８４の各列を入力信号に応じて、変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。各電子放出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。
【０１０８】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。
【０１０９】
（画像形成装置）
このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置について、図９と図１０及び図１１を用いて説明する。図９は、画像形成装置の表示パネルの一例を示す模式図であり、図１０は、図９の画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１１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る。
【０１１０】
図９において、８１は電子放出素子を複数配した電子源基板、９１は電子源基板８１を固定したリアプレート、９６はガラス基板９３の内面に蛍光膜９４とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートである。９２は支持枠であり、該支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６が接着材としてのフリットガラス等を用いて接続されている。９８は外囲器であり、例えば大気中、あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。
【０１１１】
また、８４は、図１における電子放出部に相当する。８２，８３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。
【０１１２】
外囲器９８は、上述の如く、フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。リアプレート９１は主に基板８１の強度を補強する目的で設けられるため、基板８１自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート９１は不要とすることができる。即ち、基板８１に直接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び基板８１で外囲器９８を構成しても良い。一方、フェースプレート９６、リアプレート９１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９８を構成することもできる。
【０１１３】
図１０は、蛍光膜９４の一部を示す模式図である。蛍光膜９４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから構成することができる。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１０１と蛍光体１０２とから構成することができる。ブラックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体１０２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９４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、通常用いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。
【０１１４】
ガラス基板９３に蛍光体を塗布する方法は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバック９５が設けられる。メタルバック９５を設ける目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート９６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蛍光体を保護すること等である。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。
【０１１５】
フェースプレート９６には、更に蛍光膜９４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。この場合にはメタルバック９５はなくてもよい。
【０１１６】
前述の外囲器９８に封着を行う際には、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る必要があり、十分な位置合わせが不可欠となる。
【０１１７】
図９に示した画像形成装置は、例えば以下のようにして製造される。
【０１１８】
外囲器９８は、前述の安定化工程と同様に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポンプなどのオイルを使用しない排気装置により不図示の排気管を通じて排気し、１０-7Ｔｏｒｒ程度の真空度の有機物質の十分少ない雰囲気にした後、封止が成される。外囲器９８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こともできる。これは、外囲器９８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を用いた加熱により、外囲器９８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、例えば１×１０-5ないしは１×１０-7Ｔｏｒｒの真空度を維持するものである。ここで、表面伝導型電子放出素子のフォーミング処理以降の工程は、適宜設定できる。
【０１１９】
（表示パネルの駆動回路）
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ための駆動回路の構成例について、図１１を用いて説明する。図１１において、１１１は画像表示パネル、１１２は走査回路、１１３は制御回路、１１４はシフトレジスタである。１１５はラインメモリ、１１６は同期信号分離回路、１１７は変調信号発生器、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。
【０１２０】
表示パネル１１１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）ずつ順次駆動するための走査信号が印加される。
【０１２１】
端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、前記走査信号により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御するため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１０Ｋ［Ｖ］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ための加速電圧である。
【０１２２】
走査回路１１２について説明する。同回路は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図中、Ｓ１乃至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０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１１１の端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍ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１１３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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
制御回路１１３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。制御回路１１３は、同期信号分離回路１１６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ及びＴｓｆｔ及びＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１２５】
同期信号分離回路１１６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ための回路で、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１１６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１１４に入力される。
【０１２６】
シフトレジスタ１１４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、前記制御回路１１３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１１４のシフトクロックであるということもできる。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフトレジスタ１１４より出力される。
【０１２７】
ラインメモリ１１５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ための記憶装置であり、制御回路１１３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、Ｉ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎとして出力され、変調信号発生器１１７に入力される。
【０１２８】
変調信号発生器１１７は、画像データＩ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎの各々に応じて表面伝導型電子放出素子の各々を適切に駆動変調するための信号源であり、その出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１１１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【０１２９】
前述したように、本発明を適用可能な電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出しきい値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出しきい値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させることにより出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御することが可能である。従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１１７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。
【０１３０】
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１１７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。
【０１３１】
シフトレジスタ１１４やラインメモリ１１５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われれば良いからである。
【０１３２】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１１６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１１６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１１５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１１７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１１７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１１７には、例えば高速の発振器及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）を組み合わせた回路を用いる。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。
【０１３３】
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１１７には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１３４】
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９５、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９４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【０１３５】
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方式などの他、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。
【０１３６】
本発明の画像形成装置は、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等としても用いることができる。
【０１３７】
【実施例】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置換や設計変更がなされたものをも包含する。
【０１３８】
［実施例１］
本発明に係わる基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の平面図及び断面図と同様である。
【０１３９】
本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的には図３と同様である。以下、図１、図３を用いて、本発明に係わる素子の基本的な構成及び製造法を説明する。
【０１４０】
図１において、１は基板、２と３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。
【０１４１】
以下、順をおって製造方法の説明を図１及び図３に基づいて説明する。
【０１４２】
（工程−ａ）
清浄化した青板ガラス上にＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の酸化セシウム塗布材料を用いて、引き上げ速度２００ｍｍ／ｍｉｎでディップコーティングを行った。この基板を１２０℃で３０分乾燥した後、４７０℃で３０分前焼成を行い、５５０℃で６０分本焼成を行い厚さ約８００Åの酸化物被膜６を形成した。
【０１４３】
（工程−ｂ）
厚さ０．５マイクロメートルのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した基板１上に、素子電極２，３と所望の素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で形成し、真空蒸着法により、厚さ５ナノメートルのＴｉ、厚さ１００ナノメートルのＮｉを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌは３マイクロメートルとし、素子電極の幅Ｗを３００マイクロメートル、を有する素子電極２，３を形成した。
【０１４４】
（工程−ｃ）
本工程に係わる電子放出素子の導電性薄膜４のマスクは、素子間電極ギャップＬ及びこの近傍に開口を有するマスクであり、このマスクにより不図示の膜厚１００ナノメートルのＣｒ膜を真空蒸着により堆積・パターニングし、そのうえに有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０ 奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回転塗布し、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、パラジウムＰｄよりなる微粒子からなる導電性薄膜４の膜厚は１０ナノメートル、シート抵抗値は２×１０4 Ω／□であった。なおここで述べる微粒子膜とは、上述したように、複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造として、微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あるいは、重なり合った状態（島状も含む）の膜をさし、その粒径とは、前記状態で粒子形状が認識可能な微粒子についての径をいう。
【０１４５】
（工程−ｄ）
Ｃｒ膜及び焼成後の導電性薄膜４を酸エッチャントによりエッチングして所望のパターンを形成した。
【０１４６】
以上の工程により基板１上に、酸化物層６、素子電極２，３、導電性薄膜４を形成した。
【０１４７】
（工程−ｅ）
次に、測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、２×１０-5Ｔｏｒｒの真空度に達した後、素子に素子電圧Ｖｆを印加するための不図示の電源より、素子の素子電極２，３間に電圧を印加し、通電フォーミングを行った。通電フォーミング処理の電圧波形は、図４（ｂ）に示したものである。
【０１４８】
図中、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１ミリ秒、Ｔ２を１０ミリ秒とし、矩形波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）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、Ｔ２間の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１Ｍオーム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。
【０１４９】
この後、素子を１．０×１０-9Ｔｏｒｒ超高真空中に保持した。
【０１５０】
（工程−ｆ）
続いて、トルニトリルをアンプルに封じたものをスローリークバルブを通して真空内に導入し、１．０×１０-6Ｔｏｒｒを維持した。次にフォーミング処理した素子に、図１２に示した波形で波高値±Ｖphを１４Ｖで、印加期間Ｔ１，周期Ｔ２として活性化処理をした。
【０１５１】
活性化処理とは、前述したように、（図５に示した装置）の測定評価装置内で、素子電極間に、パルス電圧をこの時、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅを測定しながら、印加した。効率η（Ｉｅ×１００／Ｉｆ）（％）が、約３０分で最大になったため、通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【０１５２】
（工程−ｇ）
こうして、電子放出部５を形成し電子放出素子を作製し、電子放出特性（図７）を評価した。なお、アノード電極と電子放出素子間の距離を４ｍｍ、アノード電極の電位を１０００Ｖ、電子放出特性測定時の真空装置内の真空度を１×１０-8Ｔｏｒｒとし、素子の電極２及び３の間に素子電圧を１４Ｖ印加した。本実施例の酸化物被膜６を形成した素子は、図７に示すように比較として用いた酸化物被膜６を形成しない素子に比べ、明らかに従来の電子放出電流Ｉｅよりいずれも初期値が大きく、高輝度な電子放出特性を示し、図７に示したように比較用素子の放出電流Ｉｅが半減する駆動時間においても、本実施例の素子の放出電流Ｉｅは従来より値が大きくまた劣化速度が小さかった。
【０１５３】
さらに、導電性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのスパッタ膜を用い、また酸化物薄膜６として上記Ｃｓ2 Ｏの他、Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏの酸化物をＣＶＤ法で形成した薄膜を用いた種々の組み合わせによっても、同様の効果が得られた。
【０１５４】
［実施例２］
本実施例では本発明に係わる基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の平面図及び断面図と同様である。不安定な酸化物被膜を酸化物被膜６として用いるために、次のような工夫を行った。
【０１５５】
（工程−ａ）
最初に、ＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の酸化バリウム塗布材料と酸化シリコン塗布材料を混合し、焼成後の酸化シリコンの成分比が５０％以上となるように組成を適当に調整した。清浄化した青板ガラス上に前述の溶液を用いて引き上げ速度２００ｍｍ／ｍｉｎでディップコーティングを行った。この基板を１２０℃で３０分乾燥した後、４７０℃で３０分前焼成を行い、５５０℃で６０分本焼成を行い厚さ約８０ｎｍの酸化物層６を形成した。
【０１５６】
（工程−ｂ）から（工程−ｇ）まで、実施例１と同様の工程を行った。
【０１５７】
さらに、導電性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのスパッタ膜を用い、また酸化物被膜６として上記ＢａＯの他、ＣａＯ，ＣｅＯ，ＭｇＯの酸化物をスパッタ蒸着ないしＣＶＤ法で形成した薄膜を用いた種々の組み合わせによっても、同様の効果が得られた。
【０１５８】
以上のように本実施例においても、長時間にわたり安定な電子放出特性が得られた。
【０１５９】
［実施例３］
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９に示した画像形成装置を図１１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。
【０１６０】
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は、大画面化が容易で、輝度が高く、視野角特性にも優れるため、本表示装置は臨場感にあふれ、迫力に富んだ画像を視認性良く、表示することが可能である。
【０１６１】
本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ長時間安定して表示することができた。
【０１６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面伝導型電子放出素子によれば、高い電子放出電流を取り出すことが可能な電子放出素子を提供できる。
【０１６３】
さらには、入力信号に応じて電子を放出する電子源においては、上記の電子放出素子を、基板上に複数個配置して電子源を構成することにより、また、個々の素子の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複数もち、更に、変調手段を有している配置法、あるいは、基板に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対の素子電極とを接続した電子放出素子を複数個配列した配置とする電子源とすることで、各電子放出素子が、良好な電子放出特性を長時間にわたり保持し得る電子源を提供できる。
【０１６４】
また、画像形成装置においては、画像形成部材と前記電子源より構成され、入力信号に基づいて画像を形成するため、電子放出特性の安定性と寿命の向上がなされ、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成装置においては、高品位な画像形成装置、例えばカラーフラットテレビが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に好適な基本的な表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式的平面図及び断面図である。
【図２】本発明に好適な基本的な垂直型表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図３】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の製造方法の一例である。
【図４】本発明に好適な通電フォーミングの電圧波形の例である。
【図５】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６】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型的な例である。
【図７】本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の駆動時間による放出電流Ｉｅの変化を示す典型的な例である。
【図８】本発明の電子放出素子を単純マトリクス状に配置した電子源である。
【図９】本発明の画像形成装置の表示パネルの概略構成図である。
【図１０】本発明の画像形成装置に用いる蛍光膜である。
【図１１】画像形成装置をＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行う例の駆動回路のブロック図である。
【図１２】本発明に好適な活性化パルスの形状である。
【図１３】従来の表面伝導型電子放出素子の平面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，３ 素子電極
４ 導電性薄膜
５ 電子放出部あるいは電子放出部形成材料
６ 酸化物薄膜
２１ 段さ形成部
５０ 素子電極２，３間の導電性薄膜を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計
５１ 電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源
５２ 素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉｅを測定するための電流計
５３ アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源
５４ アノード電極
５５ 真空装置
５６ 排気ポンプ
８１ 電子源基板
８２ Ｘ方向配線
８３ Ｙ方向配線
８４ 表面伝導型電子放出素子
８５ 結線
９１ リアプレート
９２ 支持枠
９３ ガラス基板
９４ 蛍光膜
９５ メタルバック
９６ フェースプレート
９７ 高圧端子
９８ 外囲器
１０１ 黒色導電材
１０２ 蛍光体
１１１ 表示パネル
１１２ 走査回路
１１３ 制御回路
１１４ シフトレジスタ
１１５ ラインメモリ
１１６ 同期信号分離回路
１１７ 変調信号発生器
Ｖｘ及びＶａ 直流電圧源
１５１ 層間絶縁層
１５２ コンタクトホール
１７１ Ｃｒ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極型等の電子放出素子とその製造方法及び、該電子放出素子を用いた電子源、該電子源を用いた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電子放出素子としては大別して熱陰極電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用いた２種類のものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「ＦＥ型」という。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩＭ型」という。）や、表面伝導型電子放出素子等がある。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,“"Physical Properties of thin-film field emission cathodes with molybdenium cones",J.Appl.Phys.,47,5248(1976)等に開示されたものが知られている。
【０００３】
ＭＩＭ型の例としてはC.A.Mead,“Operation of Tunnel-Emission Devices",J.Apply.Phys.,32,646(1961)等に開示されたものが知られている。
【０００４】
また、表面伝導型電子放出素子型の例としては、M.I.Elinson,Radio Eng.Electron Phys.,10,1290,(1965)等に開示されたものがある。
【０００５】
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、膜面に平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等によるＳｎＯ2 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの[G.Ditmmer,Thin Solid Films,9,317(1972)]、Ｉｎ2 Ｏ3 ／ＳｎＯ2 薄膜によるもの[M.Hartwell and C.G.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１号、２２頁（１９８３）］等が報告されている。
【０００６】
これらの表面伝導型電子放出素子の典型的な例として、前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１３に模式的に示す。同図において、１は絶縁性基板である。また、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、後述の通電フォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部５が形成される。尚、図中の素子電極間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗは、０．１ｍｍで設定されている。
【０００７】
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を予め通電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、通電フォーミングとは前記導電性薄膜４の両端に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧例えば１Ｖ／分程度を印加通電し、導電性薄膜４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。前記通電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、電子放出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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電子放出素子については、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、更に安定な電子放出特性及び電子放出の効率向上が要望されている。ここでの効率は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極に電圧を印加した際に、両電極間を流れる電流（以下、「素子電流」という。）と、真空中に放出される電流（以下、「電子放出電流」という。）との比で評価されるものであり、効率のよくするために、素子電流が小さく、放出電流が大きい電子放出素子が望まれている。
【０００９】
ここで、安定的に制御し得る電子放出特性と効率の向上がなされれば、例えば蛍光体を形成した画像形成部材とする画像形成装置においては、低電流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。また、低電流化にともない、画像形成装置を構成する駆動回路等のローコスト化も図れる。
【００１０】
しかしながら、上述のＭ．ハートウェ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。
【００１１】
従って、上記のような応用に用いられる電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子は、実用的な印加電圧に対して良好な電子放出特性を有し、長時間にわたって、その特性を保持し続けられることが必要である。
【００１２】
本出願人等は、詳細な検討の結果、電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子の素子電流の最大到達値は、電子放出部が形成される領域と絶縁性基板とが接触する領域の材料によって変化し、例えばアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）のように酸化物１モルあたりの生成自由エネルギーの大きな酸化物材料を含む割合が多い硝子材料（基板材料）が、電子放出部の下地にある場合は、表面伝導型電子放出素子の素子電流の最大到達値が低く、その結果電子放出量が小さいために輝度が低下することがわかった。
【００１３】
本発明は、上記問題を鑑み、良好な電子放出特性と電子放出電流の増加による高輝度を実現する電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子の構成とそれを用いた電子源及び画像形成装置を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために鋭意検討を行って成されたものであり、下述する構成のものである。
【００１５】
即ち、本発明の電子放出素子の製造方法は、絶縁性基板上に形成された対向する一対の素子電極と、前記一対の素子電極間に形成された電子放出部を有する導電性薄膜とを備えた表面伝導型電子放出素子の製造方法であって、
絶縁性基板上に、炭素により還元される金属酸化物とＳｉＯ 2 とを含む層を形成する工程と、
前記層上に導電性薄膜を形成する工程と、
前記導電性薄膜に通電処理を行い、前記導電性薄膜に電子放出部を形成する工程と、
前記電子放出部が形成された前記導電性薄膜上に炭素又は炭素化合物を堆積させる工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の電子放出素子の製造方法において、前記金属酸化物は、その１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値が同一温度のＳｉＯ 2 の１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値よりもその絶対値が小さいことが望ましい。
【００１９】
上記本発明の電子放出素子の製造方法において、前記金属酸化物は、Ｃｓ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｃｕ2Ｏ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＰｂＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＷＯ2、ＭｎＯ2 から選ばれる酸化物であることが望ましい。
【００２２】
本発明の電子源の製造方法は、入力信号に応じて電子を放出する電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面伝導型電子放出素子の製造方法により表面伝導型電子放出素子を複数個配置したことを特徴とする。
【００２４】
上記本発明の電子源の製造方法において、前記絶縁性基板に配置した互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、前記表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極とを接続した前記表面伝導型電子放出素子を複数個配列することが望ましい。
【００２５】
本発明の画像形成装置の製造方法は、入力信号に基いて画像を形成する画像形成装置の製造方法であって、少なくとも、前記絶縁性基板に対向する蛍光膜を備えた画像形成部材と、上記本発明の電子源の製造方法により形成された電子源とを対向配置することを特徴とする。
【００２８】
本発明の表面伝導型電子放出素子によれば、安定した電子放出特性を長時間にわたって保持し得る電子放出素子を実現できる。
【００２９】
更に、本発明の画像形成装置によれば、長時間にわたり安定で良好で画像を形成できる。
【００３０】
以下、本発明を説明する。
【００３１】
本出願人が各種酸化物を下地基板に用いた検討によると、素子電流Ｉｆ及び電子放出電流Ｉｅを増加させる下地基板としてはＣｓ2 Ｏ，Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｕ2 Ｏ，ＢａＯ，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｒＯ，ＰｂＯ，ＮｉＯ，ＳｎＯ，ＣｏＯ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＷＯ2 ，ＭｎＯ2 の単一酸化物あるいはシリカ（ＳｉＯ2 ）との複合酸化物であった。
【００３２】
これらの材料は以下の式に示すように、金属酸化物（Ｍx Ｏy ）カーボン（Ｃ）によって容易に還元が進行する材料であることが分かった。
【００３３】
Ｍx Ｏy ＋ｙＣ≧ｘＭ＋ｙＣＯ
さらに本出願人による詳細な検討によると、これらの材料はある特定の温度で比較すると、上記反応における反応の標準生成自由エネルギー変化が、シリカ（ＳｉＯ2 ）の反応の標準生成自由エネルギー変化より小さく、その変化量の絶対値が小さい材料ほど素子電流が大きいことがわかった。これは素子電流を得るための処理（活性化と呼ぶ）において上記酸化物の還元のされやすさが関与していることを示している。
【００３４】
特に後述する活性化行程は炭素あるいは炭素化合物の堆積であることが確認されているが、この時に上記反応式に示されるような基板の酸化物と炭素との還元反応が同時に進行していることが考えられる。この炭素あるいは炭素化合物の堆積と、還元反応によって形成される炭素あるいは炭素化合物の形態が還元されやすい酸化物材料を用いることで従来より素子電流を増大させる構成をとりうることが予想される。
【００３５】
またこれらの材料は、単一組成の酸化物で用いてもよいが、むしろシリカ（ＳｉＯ2 ）との複合酸化物を用いた方が輝度、寿命、安定性に優れる場合もあった。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施形態を示す。
【００３７】
本発明を適用し得る表面伝導型電子放出素子の基本的構成には大別して、平面型及び垂直型の２つがある。
【００３８】
（平面型表面伝導型電子放出素子）
まず、平面型表面伝導型電子放出素子について説明する。
【００３９】
図１は、本発明を適用可能な平面型表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
【００４０】
図１において、１は絶縁性基板、２と３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。
【００４１】
絶縁性基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラスにスパッタ法等により形成したＳｉＯ2 を積層したガラス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることができる。
【００４２】
対向する素子電極２，３の材料としては、一般的な導体材料を用いることができる。これは例えばＮｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属或は合金、及び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印刷導体、Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 等の透明導電体、及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選択することができる。
【００４３】
素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性薄膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計される。素子電極間隔Ｌは、好ましくは、数千オングストロームから数百マイクロメートルの範囲とすることができ、より好ましくは、素子電極間に印加する電圧等を考慮して、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲とすることができる。
【００４４】
素子電極長さＷは、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して、数マイクロメートルから数百マクロメートルの範囲とすることができる。素子電極２，３の膜厚ｄは、数百オングストロームから数マイクロメートルの範囲とすることができる。
【００４５】
尚、図１に示した構成順の絶縁性基板１上に、酸化物被膜６、対向する素子電極２，３、導電性薄膜４の順であるだけでなく、絶縁性基板１上に、導電性薄膜４、対向する素子電極２，３、酸化物被膜６の順や、絶縁性基板１上に、導電性薄膜４、酸化物被膜６、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。
【００４６】
導電性薄膜４には、良好な電子放出特性を得るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好ましい。その膜厚は、素子電極２，３へのステップカバレージ、素子電極２，３間の抵抗値及び後述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定される。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重要なパラメータであり、導電性薄膜４の材料としてより高融点な材料を用いるのが望ましい。しかしながら、通常、導電性薄膜４の融点が高いほど後述する通電フォーミングが困難となり、電子放出部形成のためにより大きな電力が必要となる。さらに、その結果得られる電子放出部は、電子放出し得る印加電圧（しきい値電圧）が上昇するという問題が生じる場合がある。
【００４７】
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。
【００４８】
上記条件を満たす材料の例として、Ｎｉ，Ａｕ，ＰｄＯ，Ｐｄ，Ｐｔ等の導電材料をＲｓ（シート抵抗）が１０2 から１０7 Ω／□の抵抗値を示す膜厚で形成したものが好ましく用いられる。なおシート抵抗Ｒｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の抵抗Ｒを、Ｒ＝（Ｒｓ（ｌ／ｗ））とおいたときの値である。上記抵抗値を示す膜厚はおよそ５ナノメートルから５０ナノメートルの範囲にあり、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。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。微粒子の粒径は、０．数ｎｍから数百ｎｍの範囲、好ましくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。
【００４９】
なお、本明細書では頻繁に「微粒子」という言葉を用いるので、その意味について説明する。
【００５０】
小さな粒子を「微粒子」と呼び、これよりも小さなものを「超微粒子」と呼ぶ場合がある。「超微粒子」よりもさらに小さく原子の数が数百個程度以下のものを「クラスター」と呼ぶことは広く行われている。
【００５１】
しかしながら、それぞれの境界は厳密なものではなく、どのような性質に注目して分類するかにより変化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに沿ったものである。
【００５２】
例えば、「実験物理学講座１４ 表面・微粒子」（木下是雄 編、共立出版 １９８６年９月１日発行）では次のように記述されている。
【００５３】
「本稿で微粒子と言うときにはその直径がだいたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特に超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３ｎｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単に微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではなく、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼ぶ。」（１９５ページ ２２〜２６行目）
付言すると、新技術開発事業団の“林・超微粒子プロジェクト”での「超微粒子」の定義は、粒径の下限はさらに小さく、次のようなものであった。
【００５４】
「創造科学技術推進制度の“超微粒子プロジェクト”」（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを“超微粒子”（ultra fine particle）と呼ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜１０８個くらいの原子の集合体ということになる。原子の尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」（「超微粒子−創造科学技術−」林主税、上田良二、田崎明 編；三田出版 １９８８年 ２ページ１〜４行目）「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が数個〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラスターと呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）
上記のような一般的な呼び方をふまえて、本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集合体で、粒径の下限は０．数ｎｍ〜１ｎｍ程度、上限は数μｍ程度のものを指すこととする。
【００５５】
さて、前に例示した導電性薄膜４の材料のなかでも、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、上記範囲のシート抵抗の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマージンが広いこと、電子放出部形成後、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、耐熱性も上昇すること、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。
【００５６】
つぎに、電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等の手法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部には、０．数ｎｍから数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄膜４を構成する材料の元素の一部、あるいは全ての元素を含有するものとなる。電子放出部５及びその近傍の導電性薄膜４には、後述する活性化工程を経た場合、炭素及び炭素化合物を有する。この炭素及び炭素化合物の役割については、導電性薄膜４の一部として機能し、また、電子放出部５を構成する物質として電子放出特性を支配することが分かっているが、詳細は明らかではない。
【００５７】
前述したとおり、酸化物被膜６は、単一金属元素の酸化物に限らず、複数の金属元素を含む複合酸化物であってもよい。
【００５８】
例えば、Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｓ2 Ｏは、絶対温度７００Ｋ〜２０００Ｋの範囲で標準生成自由エネルギーの値が、シリカの生成自由エネルギーの絶対値より小さいため、電子放出部を形成する材料としては標準生成自由エネルギーの値が、用いる酸化物より大きな材料、例えばＣ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒで容易に還元することが可能である。特にＣ（カーボン）は反応に伴う酸化生成物がＣＯガスであるため、反応界面において固体の酸化物をつくらない。このため界面反応を持続させることができるだけでなく、カーボンが金属、酸化物を固溶しづらいため、すぐに還元生成物をその表面上に析出するので、電子放出部形成材料としてきわめて理想的な材料として特記しておく。
【００５９】
また、酸化物被膜６に用いる前述のＫ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏ，Ｃｓ2 Ｏなどの標準生成自由エネルギーの値が、シリカの生成自由エネルギーの絶対値より小さい材料の多くは、大気中の水分と反応し、潮解性を持つものが多く、単一組成で使用するには困難なものが多い。このためこれらの材料を用いる場合は、混合酸化膜（母材＋金属酸化物）の構成で用いる方がより望ましい。この時の望ましい母材としては、シリカ（ＳｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の材料があげられる。
【００６０】
一方、例えばＴｉＯ，ＺｒＯ，Ａｌ2 Ｏ3 等の標準生成自由エネルギーがきわめて大きい材料を、単一組成の酸化物として用いる場合は、前記Ｃ，Ｓｉ，Ａｌ等では容易に還元できない。例えばＡｌ2 Ｏ3 は、炭素Ｃで還元するには絶対温度約２０００Ｋ必要であり、実際にこの温度に反応界面の温度を上げることは実用的ではない。
【００６１】
本目的である電子源の素子電流向上の目的では、アルカリ金属（１Ａ族）、アルカリ土類金属（２Ａ族）、６Ａ族、７Ａ族、８族、１Ｂ族、２Ｂ族及びＳｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｐの単一組成酸化物あるいは前記酸化物が望ましい。
【００６２】
これらの酸化物は、スパッタ等の真空蒸着手法を用いて、基板１上に形成する手法が一般的であるが、さらに簡便な方法として、アルコキシド系の化合物やスピンコート材料を用いて焼成により酸化物をつくる方法がある。
【００６３】
（垂直型表面伝導型電子放出素子）
次に、垂直型表面伝導型電子放出素子について説明する。
【００６４】
図２は、本発明の表面伝導型電子放出素子を適用できる垂直型表面伝導型電子放出素子の一例を示す模式図である。
【００６５】
図２においては、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図において、２１は絶縁材の段さ形成部である。また、基板１、素子電極２及び３、導電性薄膜４、電子放出部５、酸化物被膜６は、前述した平面型表面伝導型電子放出素子の場合と同様の材料で構成することができる。段さ形成部２１は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ2 等の絶縁性材料で構成することができる。段さ形成部２１の膜厚は、先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子電極間隔Ｌに対応し、数１００ｎｍから数十μｍの範囲とすることができる。この段さ形成部２１の膜厚は、段さ形成部２１の製法、及び、素子電極間に印加する電圧を考慮して設定されるが、数１０ｎｍから数μｍの範囲が好ましい。
【００６６】
また、導電性薄膜４は、素子電極２及び３と段さ形成部２１の作成後に、該素子電極２，３の上に積層される。電子放出部５は、図２においては、段さ形成部２１に形成されているが、作成条件、フォーミング条件等に依存し、形状、位置ともこれに限られるものでない。
【００６７】
上述の表面伝導型電子放出素子の製造方法としては様々な方法があるが、その一例を図３に模式的に示す。
【００６８】
以下、図１及び図３を参照しながら製造方法の一例について説明する。図３においても、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し、重複する説明を省略している。
【００６９】
（１）絶縁性基板１を、洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、基板１に、スパッタ蒸着法により酸化物被膜６を形成する（図３（ａ））。なお、形成された酸化物被膜６は金属酸化物を主成分とし、一部炭酸塩や水酸化物を含むこともある。しかしながら、一般に炭酸塩や水酸化物は加熱された場合、酸化物に変化し、最終的な融点（ないし昇華点）は酸化物の状態で決まるため、特に問題になることはない。また、酸化物薄膜６の形成法は、スパッタ蒸着法に限るものではなく、他の真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法等、アルコキシド系塗布材によって形成される場合もある。
【００７０】
（２）ホトリソグラフィ技術によって、適当にパターニングを行い、素子電極２，３を蒸着法にて形成し、この基板１に、有機金属溶液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液には、前述の導電性膜４の材料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液を用いることができる。有機金属薄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３（ｂ））。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電性薄膜４の形成法はこれに限られるものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用いることもできる。
【００７１】
（３）続いて、フォーミング工程を施す。このフォーミング工程の方法の一例として、通電フォーミング処理による方法を説明する。素子電極２，３間に、不図示の電源を用いて、通電を行うと、導電性薄膜４の部位に、構造の変化した電子放出部５が形成される（図３（ｃ））。通電フォーミングによれば導電性薄膜４に局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成される。該部位が電子放出部５を構成する。また、通電フォーミング前に酸化物被膜６を形成した場合は、同時に酸化物被膜６も局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化を起こす場合がある。
【００７２】
通電フォーミングの際の素子電極２，３への印加電圧波形の例を図４に示す。
【００７３】
電圧波形は、パルス波形が、好ましい。これにはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印加する図４（ａ）に示した波形電圧を印加する手法と、パルス波高値を増加させながら、電圧パルスを印加する図４（ｂ）に示した波形電圧を印加する手法がある。
【００７４】
図４（ａ）におけるＴ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔である。通常Ｔ１は１マイクロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２は、１０マイクロ秒〜１００ミリ秒の範囲で設定される。三角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子形態に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例えば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は三角波に限定されるものではなく、矩形波など所望の波形を採用することができる。
【００７５】
図４（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図４（ａ）に示したのと同様とすることができる。三角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。
【００７６】
通電フォーミング処理の終了は、パルス間隔Ｔ２中に、導電性薄膜２を局所的に破壊、変形しない程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することができる。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる素子電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した時、通電フォーミングを終了させる。
【００７７】
（４）フォーミング処理を終えた素子には、活性化工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程とは、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。
【００７８】
活性化工程は、例えば、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パルスの印加を繰り返すことで行うことができる。この雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプなどを用いて真空容器内を排気した場合に、雰囲気内に残留する有機ガスを利用して形成することができる他、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に、適当な有機物質のガスを導入することによっても得られる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形態、真空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるため、場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質としては、アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン類、ニトリル類、フェノール、カルボン、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることができ、具体的には、メタン、エタン、プロパンなどＣn Ｈ2n+2で表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣn Ｈ2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、ベンゾニトリル、アセトニトリル、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等が使用できる。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。
【００７９】
活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行う。なおパルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設定される。
【００８０】
炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含する、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が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を指す）、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）であり、その膜厚は、５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下の範囲とすることがより好ましい。
【００８１】
（５）このような工程を経て得られた電子放出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この安定化工程は、真空容器内の有機物質排気する工程である。真空容器内の圧力は、１〜３×１０-7Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらに１×１０-8Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。真空容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げることができる。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気しやすくするのが好ましい。この時の加熱条件は、８０〜２００℃で５時間以上が望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条件により、適宜選ばれる条件により行う。
【００８２】
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、真空度自体は多少低下しても、十分安定な特性を維持することができる。
【００８３】
このような真空雰囲気を採用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、結果として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。
【００８４】
上述した工程を経て得ら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５、図６を参照しながら説明する。
【００８５】
図５は、真空処理装置の一例を示す模式図であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能をも兼ね備えている。図５においても、図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付している。図５において、５５は真空容器であり、５６は排気ポンプである。
【００８６】
また、真空容器５５内には電子放出素子が配されている。即ち、１は電子放出素子を構成する基板であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。また、５１は、電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、５０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、５４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である。また、５３はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源、５２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。一例として、アノード電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができる。
【００８７】
真空容器５５内には、不図示の真空計等の真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになっている。排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータリーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、更にイオンポンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されている。ここに示した電子源基板を配した真空処理装置の全体は、不図示のヒーターにより、２００℃まで加熱できる。
【００８８】
図６は、図５に示した真空処理装置を用いて測定された放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係を模式的に示した図である。図６においては、放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので、任意単位で示している。なお、縦・横軸ともリニアスケールである。
【００８９】
図６からも明らかなように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して対する三つの特徴的性質を有する。
【００９０】
即ち、（i）本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ）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。つまり、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。
【００９１】
（ii）放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単調増加依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御できる。
【００９２】
（iii)アノード電極５４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５４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。
【００９３】
以上の説明より理解されるように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、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。この性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成した電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能となる。
【００９４】
図６においては、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」という。）例を実線に示した。素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して電圧制御型負性抵抗特性（以下、「ＶＣＮＲ特性」という。）を示す場合もある（不図示）。これらの特性は、前述の工程を制御することで制御できる。
【００９５】
図７は、素子電極間に印加する一定の素子電圧Ｖｆで、長時間駆動したときの放出電流Ｉｅの時間変化を示したものである。図中、実線で示したのは本発明による電子放出素子、破線で示したのは酸化物被膜６を形成しない比較用の素子のものである。製作当初の放出電流Ｉｅの半減時間を参考に提示している。
【００９６】
本発明によれば、基板１と電子放出部５の間に形成された酸化物被膜６によって、高い電子放出電流を取り出すことが可能な電子源を作成することが可能となり、その結果きわめて高輝度な電子放出素子を形成することが可能となった。
【００９７】
以上のように本発明に係わる電子放出素子は、長時間にわたって安定かつ高輝度な電子放出特性を有するため、多方面への応用が期待できる。
【００９８】
（電子放出素子の応用例）
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。本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源、あるいは画像形成装置が構成できる。
【００９９】
電子放出素子の配列については、種々のものが採用できる。
【０１００】
一例として、並列に配置した多数の電子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子からの電子を制御駆動するはしご状配置のものがある。これとは別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に共通に接続するものが挙げられる。このようなものは所謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配置について以下に詳述する。
【０１０１】
本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子については、前述したとおり（ｉ）乃至(iii）の特性がある。即ち、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においても、個々の素子に、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て電子放出量を制御できる。
【０１０２】
（電子源）
以下この原理に基づき、本発明を適用可能な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板について、図８を用いて説明する。図８において、８１は電子源基板、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。８４は表面伝導型電子放出素子、８５は結線である。尚、表面伝導型電子放出素子８４は、前述した平面型あるいは垂直型のどちらであってもよい。
【０１０３】
ｍ本のＸ方向配線８２は、ＤＸ1 ，ＤＸ2 ，．．ＤＸm からなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成することができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。Ｙ方向配線８３は、ＤＹ1 ，ＤＹ2 ，．．ＤＹn のｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【０１０４】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ2 等で構成される。例えば、Ｘ方向配線８２を形成した基板８１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８２とＹ方向配線８３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８２とＹ方向配線８３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【０１０５】
表面伝導型電子放出素子８４を構成する一対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的に接続されている。
【０１０６】
配線８２と配線８３を構成する材料、結線８５を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料は、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。素子電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電極に接続した配線は素子電極ということもできる。
【０１０７】
Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した表面伝導型電子放出素子８４の行を、選択するための走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線８３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型電子放出素子８４の各列を入力信号に応じて、変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。各電子放出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。
【０１０８】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。
【０１０９】
（画像形成装置）
このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置について、図９と図１０及び図１１を用いて説明する。図９は、画像形成装置の表示パネルの一例を示す模式図であり、図１０は、図９の画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１１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る。
【０１１０】
図９において、８１は電子放出素子を複数配した電子源基板、９１は電子源基板８１を固定したリアプレート、９６はガラス基板９３の内面に蛍光膜９４とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートである。９２は支持枠であり、該支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６が接着材としてのフリットガラス等を用いて接続されている。９８は外囲器であり、例えば大気中、あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。
【０１１１】
また、８４は、図１における電子放出部に相当する。８２，８３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。
【０１１２】
外囲器９８は、上述の如く、フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。リアプレート９１は主に基板８１の強度を補強する目的で設けられるため、基板８１自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート９１は不要とすることができる。即ち、基板８１に直接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び基板８１で外囲器９８を構成しても良い。一方、フェースプレート９６、リアプレート９１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９８を構成することもできる。
【０１１３】
図１０は、蛍光膜９４の一部を示す模式図である。蛍光膜９４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから構成することができる。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１０１と蛍光体１０２とから構成することができる。ブラックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体１０２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９４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、通常用いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。
【０１１４】
ガラス基板９３に蛍光体を塗布する方法は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバック９５が設けられる。メタルバック９５を設ける目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート９６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蛍光体を保護すること等である。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。
【０１１５】
フェースプレート９６には、更に蛍光膜９４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。この場合にはメタルバック９５はなくてもよい。
【０１１６】
前述の外囲器９８に封着を行う際には、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る必要があり、十分な位置合わせが不可欠となる。
【０１１７】
図９に示した画像形成装置は、例えば以下のようにして製造される。
【０１１８】
外囲器９８は、前述の安定化工程と同様に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポンプなどのオイルを使用しない排気装置により不図示の排気管を通じて排気し、１０-7Ｔｏｒｒ程度の真空度の有機物質の十分少ない雰囲気にした後、封止が成される。外囲器９８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こともできる。これは、外囲器９８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を用いた加熱により、外囲器９８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、例えば１×１０-5ないしは１×１０-7Ｔｏｒｒの真空度を維持するものである。ここで、表面伝導型電子放出素子のフォーミング処理以降の工程は、適宜設定できる。
【０１１９】
（表示パネルの駆動回路）
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ための駆動回路の構成例について、図１１を用いて説明する。図１１において、１１１は画像表示パネル、１１２は走査回路、１１３は制御回路、１１４はシフトレジスタである。１１５はラインメモリ、１１６は同期信号分離回路、１１７は変調信号発生器、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。
【０１２０】
表示パネル１１１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）ずつ順次駆動するための走査信号が印加される。
【０１２１】
端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、前記走査信号により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御するため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１０Ｋ［Ｖ］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ための加速電圧である。
【０１２２】
走査回路１１２について説明する。同回路は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図中、Ｓ１乃至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０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１１１の端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍ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１１３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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
制御回路１１３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。制御回路１１３は、同期信号分離回路１１６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ及びＴｓｆｔ及びＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１２５】
同期信号分離回路１１６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ための回路で、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１１６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１１４に入力される。
【０１２６】
シフトレジスタ１１４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、前記制御回路１１３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１１４のシフトクロックであるということもできる。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフトレジスタ１１４より出力される。
【０１２７】
ラインメモリ１１５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ための記憶装置であり、制御回路１１３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、Ｉ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎとして出力され、変調信号発生器１１７に入力される。
【０１２８】
変調信号発生器１１７は、画像データＩ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎの各々に応じて表面伝導型電子放出素子の各々を適切に駆動変調するための信号源であり、その出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１１１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【０１２９】
前述したように、本発明を適用可能な電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出しきい値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出しきい値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させることにより出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御することが可能である。従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１１７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。
【０１３０】
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１１７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。
【０１３１】
シフトレジスタ１１４やラインメモリ１１５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われれば良いからである。
【０１３２】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１１６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１１６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１１５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１１７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１１７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１１７には、例えば高速の発振器及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）を組み合わせた回路を用いる。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。
【０１３３】
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１１７には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１３４】
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９５、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９４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【０１３５】
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方式などの他、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。
【０１３６】
本発明の画像形成装置は、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等としても用いることができる。
【０１３７】
【実施例】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置換や設計変更がなされたものをも包含する。
【０１３８】
［実施例１］
本発明に係わる基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の平面図及び断面図と同様である。
【０１３９】
本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的には図３と同様である。以下、図１、図３を用いて、本発明に係わる素子の基本的な構成及び製造法を説明する。
【０１４０】
図１において、１は基板、２と３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部、６は酸化物被膜である。
【０１４１】
以下、順をおって製造方法の説明を図１及び図３に基づいて説明する。
【０１４２】
（工程−ａ）
清浄化した青板ガラス上にＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の酸化セシウム塗布材料を用いて、引き上げ速度２００ｍｍ／ｍｉｎでディップコーティングを行った。この基板を１２０℃で３０分乾燥した後、４７０℃で３０分前焼成を行い、５５０℃で６０分本焼成を行い厚さ約８００Åの酸化物被膜６を形成した。
【０１４３】
（工程−ｂ）
厚さ０．５マイクロメートルのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した基板１上に、素子電極２，３と所望の素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で形成し、真空蒸着法により、厚さ５ナノメートルのＴｉ、厚さ１００ナノメートルのＮｉを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌは３マイクロメートルとし、素子電極の幅Ｗを３００マイクロメートル、を有する素子電極２，３を形成した。
【０１４４】
（工程−ｃ）
本工程に係わる電子放出素子の導電性薄膜４のマスクは、素子間電極ギャップＬ及びこの近傍に開口を有するマスクであり、このマスクにより不図示の膜厚１００ナノメートルのＣｒ膜を真空蒸着により堆積・パターニングし、そのうえに有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０ 奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回転塗布し、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、パラジウムＰｄよりなる微粒子からなる導電性薄膜４の膜厚は１０ナノメートル、シート抵抗値は２×１０4 Ω／□であった。なおここで述べる微粒子膜とは、上述したように、複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造として、微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あるいは、重なり合った状態（島状も含む）の膜をさし、その粒径とは、前記状態で粒子形状が認識可能な微粒子についての径をいう。
【０１４５】
（工程−ｄ）
Ｃｒ膜及び焼成後の導電性薄膜４を酸エッチャントによりエッチングして所望のパターンを形成した。
【０１４６】
以上の工程により基板１上に、酸化物層６、素子電極２，３、導電性薄膜４を形成した。
【０１４７】
（工程−ｅ）
次に、測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、２×１０-5Ｔｏｒｒの真空度に達した後、素子に素子電圧Ｖｆを印加するための不図示の電源より、素子の素子電極２，３間に電圧を印加し、通電フォーミングを行った。通電フォーミング処理の電圧波形は、図４（ｂ）に示したものである。
【０１４８】
図中、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１ミリ秒、Ｔ２を１０ミリ秒とし、矩形波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）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、Ｔ２間の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１Ｍオーム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。
【０１４９】
この後、素子を１．０×１０-9Ｔｏｒｒ超高真空中に保持した。
【０１５０】
（工程−ｆ）
続いて、トルニトリルをアンプルに封じたものをスローリークバルブを通して真空内に導入し、１．０×１０-6Ｔｏｒｒを維持した。次にフォーミング処理した素子に、図１２に示した波形で波高値±Ｖphを１４Ｖで、印加期間Ｔ１，周期Ｔ２として活性化処理をした。
【０１５１】
活性化処理とは、前述したように、（図５に示した装置）の測定評価装置内で、素子電極間に、パルス電圧をこの時、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅを測定しながら、印加した。効率η（Ｉｅ×１００／Ｉｆ）（％）が、約３０分で最大になったため、通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【０１５２】
（工程−ｇ）
こうして、電子放出部５を形成し電子放出素子を作製し、電子放出特性（図７）を評価した。なお、アノード電極と電子放出素子間の距離を４ｍｍ、アノード電極の電位を１０００Ｖ、電子放出特性測定時の真空装置内の真空度を１×１０-8Ｔｏｒｒとし、素子の電極２及び３の間に素子電圧を１４Ｖ印加した。本実施例の酸化物被膜６を形成した素子は、図７に示すように比較として用いた酸化物被膜６を形成しない素子に比べ、明らかに従来の電子放出電流Ｉｅよりいずれも初期値が大きく、高輝度な電子放出特性を示し、図７に示したように比較用素子の放出電流Ｉｅが半減する駆動時間においても、本実施例の素子の放出電流Ｉｅは従来より値が大きくまた劣化速度が小さかった。
【０１５３】
さらに、導電性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのスパッタ膜を用い、また酸化物薄膜６として上記Ｃｓ2 Ｏの他、Ｋ2 Ｏ，Ｎａ2 Ｏの酸化物をＣＶＤ法で形成した薄膜を用いた種々の組み合わせによっても、同様の効果が得られた。
【０１５４】
［実施例２］
本実施例では本発明に係わる基本的な表面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の平面図及び断面図と同様である。不安定な酸化物被膜を酸化物被膜６として用いるために、次のような工夫を行った。
【０１５５】
（工程−ａ）
最初に、ＳＹＭＥＴＲＩＸ社製の酸化バリウム塗布材料と酸化シリコン塗布材料を混合し、焼成後の酸化シリコンの成分比が５０％以上となるように組成を適当に調整した。清浄化した青板ガラス上に前述の溶液を用いて引き上げ速度２００ｍｍ／ｍｉｎでディップコーティングを行った。この基板を１２０℃で３０分乾燥した後、４７０℃で３０分前焼成を行い、５５０℃で６０分本焼成を行い厚さ約８０ｎｍの酸化物層６を形成した。
【０１５６】
（工程−ｂ）から（工程−ｇ）まで、実施例１と同様の工程を行った。
【０１５７】
さらに、導電性薄膜４の材料として上記ＰｄＯの他、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのスパッタ膜を用い、また酸化物被膜６として上記ＢａＯの他、ＣａＯ，ＣｅＯ，ＭｇＯの酸化物をスパッタ蒸着ないしＣＶＤ法で形成した薄膜を用いた種々の組み合わせによっても、同様の効果が得られた。
【０１５８】
以上のように本実施例においても、長時間にわたり安定な電子放出特性が得られた。
【０１５９】
［実施例３］
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９に示した画像形成装置を図１１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。
【０１６０】
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は、大画面化が容易で、輝度が高く、視野角特性にも優れるため、本表示装置は臨場感にあふれ、迫力に富んだ画像を視認性良く、表示することが可能である。
【０１６１】
本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ長時間安定して表示することができた。
【０１６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面伝導型電子放出素子によれば、高い電子放出電流を取り出すことが可能な電子放出素子を提供できる。
【０１６３】
さらには、入力信号に応じて電子を放出する電子源においては、上記の電子放出素子を、基板上に複数個配置して電子源を構成することにより、また、個々の素子の両端を配線に接続した電子放出素子の行を複数もち、更に、変調手段を有している配置法、あるいは、基板に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素子の一対の素子電極とを接続した電子放出素子を複数個配列した配置とする電子源とすることで、各電子放出素子が、良好な電子放出特性を長時間にわたり保持し得る電子源を提供できる。
【０１６４】
また、画像形成装置においては、画像形成部材と前記電子源より構成され、入力信号に基づいて画像を形成するため、電子放出特性の安定性と寿命の向上がなされ、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成装置においては、高品位な画像形成装置、例えばカラーフラットテレビが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に好適な基本的な表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式的平面図及び断面図である。
【図２】本発明に好適な基本的な垂直型表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図３】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の製造方法の一例である。
【図４】本発明に好適な通電フォーミングの電圧波形の例である。
【図５】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６】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型的な例である。
【図７】本発明に係わる表面伝導型電子放出素子の駆動時間による放出電流Ｉｅの変化を示す典型的な例である。
【図８】本発明の電子放出素子を単純マトリクス状に配置した電子源である。
【図９】本発明の画像形成装置の表示パネルの概略構成図である。
【図１０】本発明の画像形成装置に用いる蛍光膜である。
【図１１】画像形成装置をＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行う例の駆動回路のブロック図である。
【図１２】本発明に好適な活性化パルスの形状である。
【図１３】従来の表面伝導型電子放出素子の平面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，３ 素子電極
４ 導電性薄膜
５ 電子放出部あるいは電子放出部形成材料
６ 酸化物薄膜
２１ 段さ形成部
５０ 素子電極２，３間の導電性薄膜を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計
５１ 電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源
５２ 素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉｅを測定するための電流計
５３ アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源
５４ アノード電極
５５ 真空装置
５６ 排気ポンプ
８１ 電子源基板
８２ Ｘ方向配線
８３ Ｙ方向配線
８４ 表面伝導型電子放出素子
８５ 結線
９１ リアプレート
９２ 支持枠
９３ ガラス基板
９４ 蛍光膜
９５ メタルバック
９６ フェースプレート
９７ 高圧端子
９８ 外囲器
１０１ 黒色導電材
１０２ 蛍光体
１１１ 表示パネル
１１２ 走査回路
１１３ 制御回路
１１４ シフトレジスタ
１１５ ラインメモリ
１１６ 同期信号分離回路
１１７ 変調信号発生器
Ｖｘ及びＶａ 直流電圧源
１５１ 層間絶縁層
１５２ コンタクトホール
１７１ Ｃｒ膜
Claims (6)
- 絶縁性基板上に形成された対向する一対の素子電極と、前記一対の素子電極間に形成された電子放出部を有する導電性薄膜とを備えた表面伝導型電子放出素子の製造方法であって、
絶縁性基板上に、炭素により還元される金属酸化物とＳｉＯ2とを含む層を形成する工程と、
前記層上に導電性薄膜を形成する工程と、
前記導電性薄膜に通電処理を行い、前記導電性薄膜に電子放出部を形成する工程と、
前記電子放出部が形成された前記導電性薄膜上に炭素又は炭素化合物を堆積させる工程と、を有することを特徴とする表面伝導型電子放出素子の製造方法。 - 前記金属酸化物は、その１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値が同一温度のＳｉＯ2の１モルあたりの標準生成自由エネルギーの値よりもその絶対値が小さいことを特徴とする請求項１に記載の表面伝導型電子放出素子の製造方法。
- 前記金属酸化物は、Ｃｓ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｃｕ2Ｏ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＰｂＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＷＯ2、ＭｎＯ2から選ばれる酸化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面伝導型電子放出素子の製造方法。
- 入力信号に応じて電子を放出する電子源の製造方法であって、前記絶縁性基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面伝導型電子放出素子の製造方法により表面伝導型電子放出素子を複数個配置したことを特徴とする電子源の製造方法。
- 請求項４に記載の電子源の製造方法において、前記絶縁性基板に配置した互いに電気的に絶縁されたｍ本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、前記表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極とを接続した前記表面伝導型電子放出素子を複数個配列したことを特徴とする電子源の製造方法。
- 入力信号に基いて画像を形成する画像形成装置の製造方法であって、少なくとも、前記絶縁性基板に対向する蛍光膜を備えた画像形成部材と、請求項４又は５に記載の電子源の製造方法により形成された電子源とを対向配置することを特徴とする画像形成装置の製造方法。
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