JP6227401B2 - 電子放出素子および電子放出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧を印加することによって表面電極から電子を放出させることのできる電子放出素子およびそれを用いた電子放出装置に関する。

従来の電子放出素子として、スピント（Spint）型電極、カーボンナノチューブ（CNT）型電極等で構成された電子放出素子が一般的に知られている。これらの電子放出素子は尖鋭突起部に高電圧を印可して約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により電子を放出することができる。

しかしながら、これら両タイプの電子放出素子は、電子放出部の表面近傍において強電界を発生させるため、放出電子は電界により大きなエネルギーを得たものとなる。そして、大きなエネルギーを得た放出電子は、気体分子を容易に電離させる。気体分子の電離により生じた陽イオンは、強電界によって素子表面に向かって加速衝突し、スパッタリングによる素子破壊が生じる問題がある。

また、酸素の解離エネルギーは電離エネルギーよりも低く、大気中で電子を放出させるとこれらの強電界により容易にオゾンが発生する。オゾンは人体に有害である上、その強力な酸化力により多種多様なものを酸化させる。そのため、電子放出素子の周辺部材にダメージが与えられるという問題が存在し、これを避けるために周辺部材には耐オゾン性の高い材料を用いなければならないという制限が生じている。

このような背景から、上記のものとは異なるタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ(Metal-Insulator-Metal)型、ＭＩＳ(Metal-Insulator-Semiconductor)型、あるいはＢＳＤ(Ballistic electron Surface-emitting Device)型等の電子放出素子が開発されている。これらは、素子内部の量子サイズ効果および強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面（表面電極）から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらの電子放出素子は、素子内部の電子加速層で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。したがって、気体分子の電離によるスパッタリングで破壊されるという問題、およびオゾンが発生するという問題を克服できる。さらに、特許文献１には、上記の問題を克服し、かつ大気中で安定的に電子を放出可能な素子が開示されている。

図１０は、特許文献１に示された電子放出素子の構成を示す模式図である。電子放出素子７０は、下部電極となる基板７１と、上部電極である表面電極７２と、その間に挟まれて存在する電子加速層７３とからなる。基板７１と表面電極７２とは電源７４に繋がっており、電源７４は互いに対向して配置された基板７１と表面電極７２との間に電圧を印加する。電子加速層７３には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子７３１と、導電微粒子７３１より大きい絶縁体物質７３２とが含まれている。導電微粒子７３１として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生しがたいため、大気圧中でも安定して動作させることができる。

上記表面電極を有する電子放出素子は、フォーミングと呼ばれる半絶縁破壊過程を経験することで、電子放出特性が出現する。これらの電子放出素子は、以下に示す２つの共通の特徴をもつ。

１つ目の特徴は、表面電極が非常に薄いことである。これは、素子内で加速した電子が表面電極を通過し真空障壁を突破することで放出可能となるための条件である。すなわち、電子の散乱・捕獲原因となる表面電極は薄いことが要求される。

２つ目の特徴は、駆動電流の大部分が外部に放出されず、表面電極に回収され素子内に留まることである。ゆえに、必要放出量を満足するには、素子内に大きな電流を流す必要があり、そのためフォーミング後の素子抵抗もある程度低いことが求められる。

特開２００９−１４６８９１号公報

従来の電子放出素子では、電子の放出効率を向上させるため、表面電極は全面的に薄く形成することが一般的であった。また、必要放出量を満たすには放出効率から換算される一定の素子内部の電流量が必要となり、要求される中間層の抵抗は低い。この結果、薄膜である表面電極の抵抗が無視できない大きさとなり、表面電極における電圧降下が生じていた。このような電圧降下は、上記電子放出素子に対して面内に一様な電圧を与えられず、面内一様な電子放出量を得ることができないという課題を生ずる。

一方、上記電子放出素子は、電子放出に伴って表面電極に破壊が生じる。このような破壊は表面電極が薄膜であるほど、または表面電極と中間層の密着性が弱いものほど発生し易く、破壊進行により寿命が決定されるため寿命低下の原因となる大きな課題となっていた。

上記の電圧降下は、素子サイズの小さい従来の電子放出素子では問題となりにくい。しかしながら、素子サイズが大きくなると上記電圧降下は顕著となる。また素子サイズを問わず、初期的には面内一様な電圧を印加できていた素子も、長時間駆動によって表面電極が網目模様に細線化されると電圧降下は格段に強まり課題となる。また、細線化された表面電極が更なる破壊進行によって断線が生じると、表面電極において給電できない領域が発生し、その領域は電子放出素子として機能しなくなる。

無論、表面電極において上記断線が生じる前であっても、電圧降下が強まって電圧を十分に印加できない領域（主に給電点から最も遠い素子中心部）が生じれば、その領域は電子放出機能が著しく低下する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、表面電極における電圧降下を防止でき、表面電極に対して均一な面内電位を与えることができる電子放出素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の電子放出素子は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極および第２電極の間に設けられた中間層とを備え、前記第１電極および第２電極の間に電圧を印加することによって前記第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、前記第２電極は、電子の放出に適した層厚を有する放出領域と、前記放出領域よりも層厚の大きい給電領域とに区分されており、前記給電領域は、前記第１電極および第２電極の間に電圧を印加した場合に前記第２電極の面内電圧を均一化できるような所定形状にパターニングされていることを特徴としている。

上記の構成によれば、第２電極は、前記放出領域よりも層厚の大きい給電領域を有しており、この給電領域を介して前記放出領域に電圧を印加できる。このため、電圧降下の低減を防止することができ、第２電極への印加電圧を面内で均一化することができる。

電圧降下の低減を防止することにより、主に以下の効果が得られる。第１の効果は、電子放出量の面内均一化が図れる点にある。第２の効果は、破壊耐性の強固なバスラインが得られる点にある。すなわち、予め適切に設計された給電領域を設けたことによって、給電領域は破壊が進行しにくく、遠方部（素子中心部）までの給電経路は長時間保持され電圧降下が抑制される。このため、本発明の電子放出素子では、素子の長時間駆動後も電子放出量の低下を防止することができ、素子の長寿命化を図ることができる。

また、上記電子放出素子では、前記給電領域は、外部電源端子との接触箇所となる給電部と、前記給電部と途切れることなく繋がっているパターン形状部とからなる構成とすることができる。

上記の構成によれば、給電部から印加される電圧を、パターン形状部を介して第２電極全体へ給電することができ、第２電極への印加電圧を面内で均一化することができる。

また、上記電子放出素子では、前記パターン形状部は、前記給電部から延びる幹部と、前記幹部から分岐して延びる枝部とからなるツリー状に形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、給電領域の面積増大を回避しつつ、放出領域を電圧降下の抑制に有効な幅狭な領域として形成することができる。また、ツリー状のパターン形状部は、給電部から離れた位置に対してほぼ最短の経路で給電できる。

また、上記電子放出素子では、前記パターン形状部は、前記給電部から離れるにつれてその線幅が狭小化されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、給電部から離れた箇所でパターン形状部が必要以上に太い線幅で形成されて放出領域の面積比率が低下することを回避できる。

また、上記電子放出素子では、前記パターン形状部の狭小化が連続的である構成とすることができる。

上記の構成によれば、放出領域の面積比率が低下することを、より効果的に回避できる。

また、上記電子放出素子では、前記給電部は、前記中間層において電流が生じない電子非放出部に設けられる構成とすることができる。

上記の構成によれば、外部電源端子の配置箇所で中間層を流れる電流が集中する不具合を防止できる。

また、上記電子放出素子では、前記第２電極は、その全体が同一の金属にて形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、第２電極成膜時の金属の交換が不要となり、製造工程が簡略化できるといった利点がある。さらには、第２電極１４内部の構造欠陥が減るといった利点がある。

また、上記電子放出素子では、前記第２電極は、該第２電極の全面に均一な厚さで形成されるベタ膜と、前記ベタ膜の下層に形成され、給電領域を厚膜化するためにパターニング形成されるパターニング膜とからなり、前記ベタ膜と前記パターニング膜とは異なる金属材料から形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、例えば、ベタ膜を酸化などの化学反応を起こさないＡｕとし、パターニング膜をそれ以外の金属（例えばＴｉ）で形成する場合、Ａｕの使用量を増加させることが無く、コストの上昇を抑制することができる。また、パターニング膜がベタ膜に覆われることになり、パターニング膜の酸化が抑制される。

さらに、本発明の電子放出装置は、上記の課題を解決するために、上記に記載のいずれかの電子放出素子と、前記電子放出素子における前記第１電極および第２電極の間に電圧を印加する電源とを備えたことを特徴としている。

本発明の電子放出素子および電子放出装置は、第２電極において放出領域よりも層厚の大きい給電領域を形成し、この給電領域を介して放出領域に電圧を印加できる。このため、第２電極への印加電圧を面内で均一化することができ、面内の電子放出量を均一化できるといった効果を奏する。さらに、給電領域は破壊が進行しにくく、電圧降下による素子寿命の低減を抑制できるといった効果を奏する。

実施の形態１に係る電子放出装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態１に係る電子放出素子を電子放出面側から見た平面図である。 実施の形態１に係る電子放出装置の他の構成を示す模式図である。 実施例に係る電子放出素子の製造工程を示す模式図である。 実施例に係る電子放出素子の製造工程を示す模式図である。 実施例に係る電子放出素子の製造工程を示す模式図である。 実施例に係る電子放出素子における放出電子の回収実験に使用した実験システムの模式図である。 実施の形態１に係る他の電子放出素子を電子放出面側から見た平面図である。 実施の形態２に係る電子放出装置の概略構成を示す模式図である。 従来の電子放出装置の概略構成を示す模式図である。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係る電子放出装置の概略構成を示す模式図である。図２は、本実施の形態１に係る電子放出素子を電子放出面側から見た平面図である。

電子放出装置１は、電子放出素子１０および電源２０を備えて構成される。すなわち、電子放出装置１では、電子放出素子１０に電源２０により所望の電圧が印加されることによって電子が放出される。このような電子放出装置１は、例えば、電子写真方式の画像形成装置において、感光体ドラム表面を帯電させる帯電装置として好適に使用することができる。それ以外にも、電子線硬化装置、発光体と組み合わせることによる画像表示装置、あるいは、放出された電子が発生させるイオン風を利用するイオン風発生装置等に適用することができる。

電子放出素子１０は、基板電極となる第１電極１１、絶縁層１２、中間層１３、および表面電極となる第２電極１４とからなり、図１に示すような積層構造を有している。電源２の負極は第１電極１１に接続され、電源２の正極は第２電極１４に接続される。このため、電子放出装置１を流れる電子は、中間層１３において第１電極１１から第２電極１４に向けて加速され、一部の電子が弾道電子として第２電極１４から放出される。

第１電極１１は、金属板などの電気伝導性を備えた支持体からなる。第１電極１１は、十分な電気伝導性を備えておれば良く、具体例としては、Ａｌ板，Ｃｕ板，ＳＵＳ板などの金属板、Ｂ，Ａｌ，Ｎ，Ｐなどの不純物がハイドープされた半導体基板、および金属又は導電性材料が成膜されたガラス板，アクリル板，セラミック板などの絶縁性基板を使用できる。第１電極１１の板厚は特に限定されないが、素子としての剛性、および素子発熱による発熱の緩和が十分となる厚さに設定される。

第１電極１１における中間層１３側の表面粗さは、中間層１３の層厚と比べて十分に小さく、第１電極１１と第２電極１４との間で短絡が生じなければ良い。例えば、Ｒａが０．１μｍであれば適宜調整可能である。また、中間層１３および第２電極１４が耐えられるものであれば、第１電極１１は柔軟性を持つ基板を使用しても良い。

中間層１３は、絶縁性樹脂、導電性樹脂、絶縁性微粒子のうちの１つ以上を含んだものよりなる。また、この構成に金属微粒子を添加したものがより好ましい。本実施の形態では、図１に示すように、絶縁性樹脂１３１および金属微粒子１３２を混合したものを中間層１３として用いている。中間層１３の層厚は０．３〜５．０μｍとすることが好ましい。

絶縁性樹脂１３１は、絶縁性を有する材料であれば特に限定は無く、殆どの樹脂が使用可能である。例えば、シリコーン樹脂を使用でき、その硬化タイプも特に限定されない。

金属微粒子１３２は、その材料が限定されることは無く、何れの金属であっても使用できるが、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇなどの酸化に強い金属を用いればより好ましい。また、金属微粒子１３２の粒径は、中間層１３に絶縁性微粒子を含める場合には該絶縁性微粒子の粒径よりも小さい必要がある。金属微粒子１３２は、平均粒径が３〜２０ｎｍであることが好ましい。

第２電極１４は、導電性材料の薄膜からなる。その材料は、高い電気伝導性を備えていれば良く、金属材料であることが好ましい。具体例としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇなどを含む金属が挙げられる。中でも、大気中で駆動することを想定した場合、酸化などの化学反応を起こさないＡｕが最も好ましい。

第２電極１４の層厚が小さすぎると、その面内抵抗が増大し、電子放出素子１０の全体で無視できない大きさの抵抗を持つようになる。この場合、第１電極１１と第２電極１４との間に一定の電圧がかからず、面内均一性が悪化する。また、破壊耐性が低下し、第２電極１４の寿命が低下する。反対に、第２電極１４の層厚が大きすぎると、第２電極１４の破壊が抑制され、欠損領域が低減することで電子放出量が低減する。

本実施の形態に係る電子放出素子１０は、第２電極１４への印加電圧を面内で均一化するために第２電極１４の形状を工夫した点に特徴を有する。

第２電極１４は、図２に示すように、電子放出素子１０の電子放出面側から見て給電領域１４１と放出領域１４２とに区分される。給電領域１４１と放出領域１４２とは、互いに層厚が異なっている。すなわち、給電領域１４１は、主として面内の給電性能を向上させるための領域である。放出領域１４２は、主として電子放出性能を高めるために形成された領域である。このため、給電領域１４１は放出領域１４２に比べて層厚が大きくなっている。

給電領域１４１および放出領域１４２は、面内の給電性能と電子放出性能とを両立させるために適切な形状にパターニングされて形成される。図２には、パターニングの一例として、給電領域１４１をツリー状に形成した例を示している。すなわち、図２に示す給電領域１４１は、給電部１４１Ａ、幹部（パターン形状部）１４１Ｂ、および枝部（パターン形状部）１４１Ｃから構成されている。給電部１４１Ａは、放出領域１４２の一辺に沿って配置されている。幹部１４１Ｂは、給電部１４１Ａから直交して対辺まで伸びるように複数形成されている。枝部１４１Ｃは、幹部１４１Ｂから直交して伸びるように複数形成されている。また、隣り合う幹部１４１Ｂに形成される枝部１４１Ｃ同士は、互いに接することが無いように配置される。これにより、放出領域１４２は、その全周囲が給電領域１４１に囲まれるような島状の領域となることは無い。幹部１４１Ｂの線幅は給電部１４１Ａの線幅よりも小さくなるように形成され、枝部１４１Ｃの線幅は幹部１４１Ｂの線幅よりも小さくなるように形成されることが好ましい。

ここで、放出領域１４２を上述するツリー状の形状にすることには、電子放出効率の向上を図る意味がある。まず、放出領域１４２においては、電圧降下の発生をできるだけ抑制するため、放出領域１４２はできるだけ幅広な部分を持たない、幅狭な領域として形成されることが好ましい。また、給電領域１４１においては、その面積比率が大きくなることは好ましくない。これらの観点から、すなわち、給電領域１４１の面積増大を回避しつつ、放出領域１４２を幅狭な領域として形成するには、給電領域１４１を上述のようなツリー状に形成することは有意義である。また、上記ツリー状の給電領域１４１は、給電部１４１Ａから離れた位置に対して、ほぼ最短の経路で給電できるといった利点もある。

図２に示す給電領域１４１では、幹部１４１Ｂおよび枝部１４１Ｃは一定の線幅にて形成されており、枝部１４１Ｃの線幅は幹部１４１Ｂの線幅よりも小さくなるように形成されている。すなわち、給電領域１４１は、給電部１４１Ａから離れるにつれてその線幅は段階的に狭小化されている。

しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、給電領域１４１は、給電部１４１Ａから離れるにつれてその線幅が連続的に狭小化されるものであっても良い。線幅が連続的に狭小化されるとは、幹部１４１Ｂについては、給電部１４１Ａに接続される側で太く、給電部１４１Ａから離れるにつれて徐々に細くなる形状であることを意味する。また、枝部１４１Ｃについては、幹部１４１Ｂに接続される側で太く、幹部１４１Ｂから離れるにつれて徐々に細くなる形状であることを意味する。

給電領域１４１に沿った給電経路に流れる電流は、給電部１４１Ａに近いほど大きく、給電部１４１Ａから離れるにつれて減少する。ゆえに、Ｖ＝ＲＩの関係より、電圧降下は電流の大きい給電部１４１Ａの近くでより生じやすい。したがって、給電領域１４１は、給電部１４１Ａの近くでの電圧降下をより効果的に抑制できるように、給電部１４１Ａの近くでは太く、給電部１４１Ａから離れるにつれて細くなるように狭小化されることが好ましい。これにより、給電部１４１Ａから離れた箇所で給電領域１４１が必要以上に太い線幅で形成され、放出領域１４２の面積比率が低下することを回避できる。無論、この効果は、給電領域１４１の線幅が段階的に狭小化される場合よりも、連続的に狭小化される場合の方が高い。これはもちろん、第２電極１４の全ての位置で給電領域１４１の線幅を最適化できるためである。尚、給電領域１４１の線幅を段階的に狭小化する場合は、設計および設計値の管理が簡易になるといった利点がある。

放出領域１４２は、良好な電子放出性能が得られるように薄膜形成する必要があり、その層厚は２０〜１００ｎｍの範囲内とすることが好ましい。一方、給電領域１４１の層厚は少なくとも放出領域１４２の層厚よりも大きければ良く、給電領域１４１の層厚は特に限定されない。すなわち、給電領域１４１は、第２電極１４全体での均一な印加電圧を実現できる層厚でさえあればよい。

また、給電領域１４１は、放出領域１４２に比べて層厚が大きくなっている分、電子放出性能は放出領域１４２よりも低くなる。但し、給電領域１４１は、必ずしも電子放出面として機能しないわけではない。このため、給電領域１４１においても電子放出性能を向上させるためには、給電領域１４１の層厚はできるだけ小さいことが好ましい。また、第２電極１４全体をＡｕ層として形成する場合、給電領域１４１を必要以上の層厚とすることはコスト面でも不利となる。

尚、第２電極１４の全面積に対する給電領域１４１の面積比率については、電子放出装置１の用途や具体的仕様によって決定されるべきものであり、特に限定されない。但し、給電領域１４１を必要以上に広げると電子放出量が減少することは容易に予測できることである。現状の使用用途では、給電領域１４１の面積比率は、第２電極１４の面積に対して３０〜５０％程度である。

次に、電子放出素子１０への給電方法について説明する。電源２０は第１電極１１および第２電極１４に電気的に接続されるが、電子放出面として機能する第２電極１４は物理的接触に対して敏感である。例えば、第２電極１４における電子放出領域に給電端子を設けると、給電端子の接触箇所で中間層１３が凹み、その箇所で中間層１３を流れる電流が集中する不具合が生じる。このため、第２電極１４と給電端子の接触箇所は、電子放出領域に影響を与えないように電子非放出部に設ける必要がある。ここで、電子非放出部とは、電圧の印加時においても中間層１３において電流が生じず、第２電極１４からの電子放出が生じない領域を指す。

給電方法の具体例の一つとしては、図１に示すように、絶縁層１２を形成する方法がある。絶縁層１２の直上の中間層１３には電流が流れないため、この領域で給電端子との接触を取れば、上記不具合を回避できる。図２に示す例では、絶縁層１２の形成領域に給電領域１４１の給電部１４１Ａが形成されている。

給電方法の他の具体例としては、図３に示すように、基板として絶縁性基板の一部分に導電性材料が成膜されたものを用い、このとき第１電極１１と第２電極の一部となる金属膜１５を成膜する。金属膜１５の直上には中間層１３を設けず、表面電極１６を直接成膜することで第２電極１４が完成する。

上記の何れの方法でも、給電端子を電子放出面の外部領域に設けることで、電子放出特性を阻害することなく給電が可能となる。

＜実施例＞
本実施の形態１の実施例について説明する。本実施例では、第２電極１４における給電領域１４１を厚膜化することで、電子放出面の面内均一性が改善された具体例を示す。

まず、本実施例における電子放出素子１０の構成について説明する。第１電極１１は、厚さが０．５ｍｍ、表面粗さＲａが０．０１〜０．０２μｍのＡｌ板を使用した。中間層１３は絶縁性樹脂１３１および金属微粒子１３２からなり、絶縁性樹脂１３１として室温硬化型のシリコーン樹脂、金属微粒子１３２として平均粒径１０ｎｍのＡｇナノ粒子を用いた。第２電極１４にはＡｕを使用した。

また、放出領域１４２の層厚は５０ｎｍとし、これに対して、給電領域の層厚を７０ｎｍ，１００ｎｍ，２００ｎｍとした電子放出素子１０をそれぞれ作製した。以下では、これら３種類の電子放出素子を実施例サンプルＢ〜Ｄとする。また、比較例として、給電領域と放出領域との区別が無く、第２電極１４の層厚を全面で５０ｎｍとした比較例サンプルＡを作製した。すなわち、比較例サンプルＡは、第２電極１４の全体が電子放出性能を高めた放出領域１４２であるといえる。

続いて、本実施例に係る電子放出素子１０の製造手順について、図２および図４〜図６を参照して説明する。

先ずは、図４に示すように、第１電極１１上に絶縁層１２を形成する。第１電極１１はＡｌ板を使用し、絶縁層１２はアクリル樹脂を使用するものとする。絶縁層１２はフォトリソグラフィを用いてパターニング形成される。すなわち、絶縁層１２は、中間層１３に電流を流す領域（電子放出領域）に対応する開口１２Ａを有するように形成される。アクリル樹脂の破壊電界は室温から１００℃程度までの温度領域において１００〜５００Ｖ／μｍ程度である。このため、十分に絶縁性が取れるように絶縁層１２の層厚は２．５μｍとした。この場合、絶縁層１２の層厚が中間層１３の層厚よりも厚くなる。すなわち、図１に示す構成と異なり、開口１２Ａの領域で中間層１３が周囲の絶縁層１２よりも凹んだ形状となるが、このような構成であっても電子放出素子１０の性能に制限を受けない。

続いて、図５に示すように、絶縁層１２および開口１２Ａのほぼ全面を覆うように中間層１３が形成される。中間層１３の形成は、例えば、その材料をスピンコート法を用いて絶縁層１２が形成されたＡｌ基板上に塗布し、これを乾燥および硬化させることで行われる。中間層１３の材料は、アルコラート処理が施されたＡｇナノ粒子、およびイソプロピルアルコール溶媒中のシリコーン溶液を所望の分量だけ試薬瓶に量り取って混合し（場合によってはイソプロピルアルコールを用いてさらに希釈し）、超音波洗浄器に５分間ほどかけて分散混合したものを用いた。このとき、Ａｇナノ粒子とシリコーン固体分の質量比はおよそ１：５であった。溶液中のＡｇナノ粒子が十分に分散したことを確認後、スピンコート法（回転速度３０００ｒｐｍ）により絶縁層１２が形成されたＡｌ基板上に塗布した。

中間層１３の材料を塗布されたＡｌ基板は、塗布液が乾燥および硬化するまで１日以上室温大気中で保管される。硬化後の中間層１３の層厚は、断面走査型透過電子顕微鏡（断面ＳＴＥＭ）、表面粗さ計、およびレーザ顕微鏡等を用いて測定した結果、およそ１．５μｍであった。尚、この層厚は、電子放出領域（開口１２Ａ内の領域）での層厚を示している。

中間層１３の形成後（シリコーン樹脂の硬化後）は、第２電極１４の形成を行うためにＡｕの真空蒸着が行われる。本実施の形態に係る電子放出素子１０において、第２電極１４の形成には２回のＡｕ蒸着が必要となる。

１回目のＡｕ蒸着では、図６に示すように、第２電極１４の形成面の全面に均一な厚さのベタ膜１４’を成膜する。このため、中間層１３の表面を所望のメタルマスクにて覆ったＡｌ基板を真空蒸着装置のチャンバ内に導入し、１０^-5Ｐａ程度の高真空領域に達したところでＡｕの蒸着を開始した。このときの蒸着速度は０．３ｎｍ／ｓｅｃであり、この膜厚は水晶振動子を用いて測定した。Ａｕの蒸着では、チャンバ内の温度が上昇しやすいため、基板を保持するホルダ周辺を水冷方式などで冷却し温度を管理する。このときの基板の温度は８０℃以下と見積もられた。Ａｕを目的の膜厚まで成膜し終えると、大気開放せず高真空を保ったまま、基板および装置の冷却のため１０分間放置した。

次に、２回目のＡｕ蒸着では、給電領域１４１を厚膜化するために、パターニングされたＡｕ膜を成膜する。すなわち、メタルマスクを給電領域１４１のパターンが形成されたものに交換し、１回目のＡｕ蒸着と同様の手順でＡｕ蒸着が行われる。以上の手順により、本実施例に係る電子放出素子１０（図２参照）が完成する。

尚、上述の説明では、１回目のＡｕ蒸着で全面に均一な厚さのＡｕ膜を成膜し、２回目のＡｕ蒸着で給電領域１４１に対応するパターニングされたＡｕ膜を成膜しているが、この順序は逆であっても良い。すなわち、１回目のＡｕ蒸着で給電領域１４１に対応するパターニングされたＡｕ膜を成膜し、２回目のＡｕ蒸着で全面に均一な厚さのＡｕ膜を成膜しても良い。

また、第２電極１４は、その全体が同一の金属（例えばＡｕ）にて形成される場合、成膜時の金属の交換が不要となり、製造工程が簡略化できるといった利点がある。さらには、第２電極１４内部の構造欠陥が減るといった利点がある。

本実施例に係る電子放出素子１０について、電子放出効率を比較するために、放出電子の回収実験を行った。図７は上記回収実験に使用した実験システムの模式図である。

この実験システムでは、図１に示す電子放出装置１に、放出電子を回収測定するための周辺装置として電源３１および回収電極３２を追加している。本実施例では、電源２０は高周波電圧源および電流計を兼ね備え、電源３１は高圧電源および電流計を兼ね備えている。また、回収電極３２にはＡｌ板を使用した。

実験時には、まず、電子放出素子１０の第１電極１１および第２電極１４を電源２０と接続し、第２電極１４に接続されている線を接地した。次に、電源２０により第２電極１４に５ｋＨｚ矩形波デューティー比３０％のマイナスパルス電圧を印加した。電子放出素子１０から放出される電子を測定するため、電子放出素子１０に対向して第２電極１４から０．５ｍｍ離れた位置に回収電極３２を配置し、電源３１の片側を回収電極３２に電気的に接続し、他方を接地した。次に、電源３１により回収電極３２に５００Ｖの電圧を印加した。電子放出素子１０から放出された電子は、電子放出素子１０と回収電極３２との間の空間電界（１ｋＶ／ｍｍ）により、その殆どが回収電極３２により回収される。これを電源３１の電流計で測定した。

電子放出素子１０に印加する電圧は、ＯＮ時の電圧が０Ｖから−２０Ｖまで、昇圧速度−０．１Ｖ／ｓｅｃで掃引し、−２０Ｖに達したところで電源２０を切断した。この駆動処理はフォーミング処理と呼ばれ、半絶縁破壊を伴っている。同様のフォーミング処理を繰り返すことで、電子放出素子の電子放出特性は次第に安定するため、この処理を３回繰り返した。

上記システムを用いた放出電子の回収実験を、実施例サンプルＢ〜Ｄと比較例サンプルＡとについて行ったところ、実施例サンプルＢ〜Ｄの電子放出特性が比較例サンプルＡよりも優れていることが確認された。

まず、素子寿命に関しては、実施例サンプルＢ〜Ｄにおける寿命は、比較例サンプルＡの寿命よりも長くなることが確認された。これは、給電領域１４１を設けたことにより、第２電極１４での不所望な断線が抑制されたためである。すなわち、放出領域１４２に表面電極の破壊進行による網目模様状の細線化は発生するものの、予め適切に設計された給電領域１４１を設けたことによって、給電領域１４１は破壊が進行しにくく、遠方部（素子中心部）までの給電経路は長時間保持され電圧降下が抑制される。このため、実施例サンプルＢ〜Ｄでは、素子の長時間駆動後も電子放出量の低下を防止することができ、素子の長寿命化を図ることができる。

また、実施例サンプルＢ〜Ｄにおける電子放出量（電子放出効率）は、比較例サンプルＡの電子放出量よりも多いことが確認された。ここで、比較例サンプルＡにおける第２電極１４は、その全体が電子放出性能を高めた放出領域１４２となっている。すなわち、放出領域１４２の面積は、実施例サンプルＢ〜Ｄよりも比較例サンプルＡの方が大きい。それにも関らず、比較例サンプルＡの電子放出量が低いのは、第２電極１４において電圧降下が生じ、給電点から離れた位置での印加電圧が低下して放出電子が減少したためと考えられる。

一方、実施例サンプルＢ〜Ｄでは、第２電極１４に給電領域１４１を設けたことにより、第２電極１４における電圧降下を低減し、面内での均一な印加電圧を達成したことで電子放出量が増加したと考えられる。すなわち、電子放出素子１０の特性として印加電圧が高まると放出効率も高まる。このため、印加電圧の増加による電子放出量の増加が、比較例サンプルＡに対する給電領域１４１の表面電極が厚膜化したことによる電子放出量の減少分を打ち消したと考えられる。

また、実施例サンプルＢ〜Ｄの比較では、電子放出量はほぼ一定であった。これは、給電領域１４１の層厚は、第２電極１４での均一な印加電圧を達成できる程度であればよく、それ以上に層厚を大きくしても電子放出量に殆ど影響を与えないことを意味している。

また、本発明の電子放出素子において、給電領域１４１のパターニング形状は、第２電極１４の全体に均一な電圧印加を行えるものであればよく、その形状は特に限定されない。例えば、図８に示すような、格子形状にパターニングされた給電領域１４１を用いてもよい。

図２に示したツリー状の給電領域１４１は、Ａｕ蒸着等による該領域の形成時に、一種類のメタルマスクを用いて１回の蒸着処理で形成することができる。このため、製造コストが抑制できるといった利点がある。一方、図８に示した格子形状の給電領域１４１は、その形成に２回の蒸着処理を必要とするが、給電領域１４１の一部の線で断線が生じても、他の線による給電が行われる。このため、素子の信頼性が向上するといった利点がある。

〔実施の形態２〕
上述の実施の形態１では、第２電極１４を２回の成膜工程にて形成しており、両方の成膜工程において同一の金属材料（すなわちＡｕ）を用いている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれの成膜工程において異なる金属材料を用いても良い。すなわち、第２電極１４は、それぞれ異なる金属材料からなる２種類の膜から構成されていてもよい。本実施の形態２では、第２電極１４をそれぞれ異なる金属材料からなる２種類の膜から構成した場合について説明する。

図９は、本実施の形態２に係る電子放出装置２の概略構成を示す模式図である。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図９に示す電子放出装置２は、第２電極２４がそれぞれ異なる金属材料からなる２種類の膜から形成されている点に特徴を有する。具体的には、第２電極２４は、第２電極２４の全面に均一な厚さで形成されるベタ膜２４’と、給電領域２４１を厚膜化するためにパターニング形成されるパターニング膜２４”とからなる。

ベタ膜２４’は、実施の形態１における第２電極１４と同様に、高い電気伝導性を備えた金属材料であることが好ましい。具体例としては、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇなどを含む金属が挙げられる。中でも、酸化などの化学反応を起こさないＡｕが最も好ましい。また、パターニング膜２４”は、高い電気伝導性を備えた金属材料であればその材料は特に限定されないが、Ａｕとの接着性の観点等から例えばＴｉが好ましい。

また、ベタ膜２４’とパターニング膜２４”とでは、パターニング膜２４”が下層（中間層１３側）に、ベタ膜２４’が上層（表面側）に形成される。この構成により、パターニング膜２４”がベタ膜２４’に覆われることになり、パターニング膜２４”の酸化が抑制される。

本実施の形態に係る電子放出素子では、給電領域２４１を厚膜化するにあたって、Ａｕの使用量を増加させることが無く、コストの上昇を抑制することが可能となる。このようなコストメリットは、給電領域２４１を数百ｎｍと非常に厚く成膜する場合には特に顕著である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１，２ 電子放出装置
１０ 電子放出素子
１１ 第１電極
１２ 絶縁層
１３ 中間層
１３１ 絶縁性樹脂
１３２ 金属微粒子
１４，２４ 第２電極
１４’，２４’ ベタ膜
２４” パターニング膜
１４１，２４１ 給電領域
１４１Ａ 給電部
１４１Ｂ 幹部（パターン形状部）
１４１Ｃ 枝部（パターン形状部）
１４２，２４２ 放出領域
１５ 金属膜（第２電極）
１６ 表面電極（第２電極）
２０ 電源

Claims (8)

1. 第１電極と、第２電極と、前記第１電極および第２電極の間に設けられた中間層とを備え、前記第１電極および第２電極の間に電圧を印加することによって前記第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、
   前記第２電極は、電子の放出に適した層厚を有する放出領域と、前記放出領域よりも層厚の大きい給電領域とに区分されており、
   前記給電領域は、前記放出領域の一辺に沿って配置され、外部電源端子との接触箇所となる給電部と、前記給電部と途切れることなく繋がっているパターン形状部とからなり、
   前記パターン形状部は、前記給電部よりも線幅が小さく、前記給電部から直交して対辺まで伸びるように複数形成されている幹部と、前記幹部よりも線幅が小さく、前記幹部から分岐して直交して伸びるように複数形成されている枝部とからなるツリー状に形成されており、
   隣り合う前記幹部に形成される前記枝部同士は、互いに接することが無いように配置されることを特徴とする電子放出素子。
2. 請求項１に記載の電子放出素子であって、
   前記パターン形状部は、前記給電部から離れるにつれてその線幅が狭小化されていることを特徴とする電子放出素子。
3. 請求項２に記載の電子放出素子であって、
   前記パターン形状部の狭小化が連続的であることを特徴とする電子放出素子。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の電子放出素子であって、
   前記給電部は、前記中間層において電流が生じない電子非放出部に設けられることを特徴とする電子放出装置。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の電子放出素子であって、
   前記第２電極は、その全体が同一の金属にて形成されていることを特徴とする電子放出素子。
6. 請求項１から４の何れか一項に記載の電子放出素子であって、
   前記第２電極は、該第２電極の全面に均一な厚さで形成されるベタ膜と、前記ベタ膜の下層に形成され、給電領域を厚膜化するためにパターニング形成されるパターニング膜とからなり、
   前記ベタ膜と前記パターニング膜とは異なる金属材料から形成されていることを特徴とする電子放出素子。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載の電子放出素子であって、
   前記給電領域の面積比率は、前記第２電極の面積に対して３０％から５０％の範囲であることを特徴とする電子放出素子。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の電子放出素子と、
   前記電子放出素子における前記第１電極および第２電極の間に電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする電子放出装置。

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