JPH01149335A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は冷陰極型の電子放出素子に係り、特に素子表面
に電流を流すことにより電子を放出する電子放出素子に
関する。

〔従来の技術〕

従来、簡単な構造で電子放出を得られる素子として、例
えば、Ｅｌｉｎｓｏｎ等によって発表された（Ｒａｄｉ
ｏ　　Ｅｎｇ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。

Ｒｈｙｓ、１０．１２９０．１９６５）冷陰極素子が知
られている。

これは、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、一般には表面伝導型放出素子と呼ばれてい
る（表面伝導型放出素子という呼称は、薄膜ハンドブッ
クの記載に準じた）。

表面伝導型放出素子としてはＳｎＯ，（Ｓｂ）薄膜を用
いた前記Ｅｌｉｎｓｏｎ等の側辺外にも、Ａｕ薄膜によ
るものや（Ｇ、Ｄｉｔｔｍａｒ：Ｔｈ１ｎ　　５ｏｌｉ
ｄ　　Ｆｉ１ｍｓ９．３１７（１９７２））　、Ｉ　Ｔ
ｏ薄膜によるもの（Ｍ、Ｈａｒｔｗｅｌｌ　　ａｎｄ　
　Ｃ，Ｇ、Ｆｏｎｓｔａｄ：ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、
ＥＤＣｏｎｆ、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、Ｐ−
２２（１９８３））などが報告されている。

これら表面伝導型放出素子の典型的な素子構成を第８図
に示す。２１および２２は電気的接続を得る為の電極、
２３は電子放出材料で形成される薄膜、２４は基板、２
５は電子放出部を示す。

従来、これらの表面伝導型放出素子に於いては、電子放
出を行う前に、あらかじめフォーミングと呼ばれる処理
が行われている。即ち、前記電極２１と電極２２の間に
電圧を印加する事により、薄膜２３に通電し、これによ
り発生するジュール熱で薄膜２３を局所的に破壊もしく
は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２５を得るものである。

上述電気的な高抵抗状態とは、薄膜２３の一部に０．５
μｍ〜５μｍの亀裂を有し、且つ亀裂内がいわゆる島構
造を有する不連続状態膜を云う。

島構造とは一般に数十オングストロームから数ミクロン
径の微粒子が基板２４上にあり、植機粒子は空間的に不
連続で電気的に連続な膜を云う。

従来、表面伝導型電子放出素子は上述高抵抗不連続膜に
電極２１．２２により電圧を印加し、素子表面に電流を
流すことにより、上述微粒子より電子放出せしめるもの
である。

〔発明が解決しようとしている問題点〕上述の如く、従
来表面伝導型電子放出素子は製造上フォーミング工程が
必要であり、そのため次のような欠点があった。

（１）通電加熱によるフォーミングでは電子放出部とな
る島構造の設計が不可能なため、素子の改良が難しく素
子間のバラツキを生じやすい。

（２）島構造の寿命が短くかつ不安定である。また、外
界の電磁波ノイズにより素子破壊を生じやすい。

（３）フォーミング工程による島形成を行うため、島構
成材料の選択に対する自由度が小さい。

（４）フォーミング工程では局所的な熱の集中を必要と
するため素子形状が限定される。

（５）局所的な熱の集中によって基板破壊を生じやすい
。

以上のような問題点があるため、表面伝導型電子放出素
子は、素子構造が簡単であるという利点があるにもかか
わらず、産業上積極的に利用されるには至っていなかっ
た。

〔発明の目的〕

以上のような問題点があるため、表面伝導型放出素子は
、素子構造が簡単であるという利点があるにもかかわら
ず、産業上積極的に応用されるには至っていなかった。

本発明は、上記の様な従来例の欠点を除去するためにな
されたものであり、前記の如き従来のフォーミングと呼
ばれる処理を施すことなく、フォーミング処理により得
られる電子放出素子と同等以上の品質を有し、特性のば
らつきが少なく、しかも特性の制御が可能であり、かつ
電子放出部の位置も制御できる新規な構造を有する電子
放出素子を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段（及び作用）〕本発明の
電子放出素子は、相対向する電極間に多結晶材料からな
る微粒子を各々、設定した位置に配置することを特徴と
している。

従来、表面伝導型電子放出素子においては、電極間に設
けられた薄膜をフォーミング処理によって島状構造化す
ることで電子放出が得られるとされている。

しかしながら、本発明者らはフォーミング処理とその構
造及び電子放出特性について鋭意検討した結果、多結晶
材料の微粒子を微少間隔を有する電極間に位置的に選択
して配置せしめることによって、フォーミング処理を施
すことな（従来の表面伝導型素子と同等あるいはそれ以
上の電子放出機能が得られることを見出した。

具体的には、結晶成長により得られた多結晶微粒子を電
極間に有する電子放出素子を特徴とするものである。

つまり、電極間上に堆積面材料の種類による堆積材料の
核形成密度の差を利用して、多結晶材料の微粒子を選択
的に形成するものである。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による電子放出素子の一実施例形態を
示す模式図である。同図において、ガラス等の絶縁体５
上に対向する電極１及び２を設け、その間に多結晶材料
から成る微粒子３が分散配置されたことによって電子放
出部４が形成されている。また不図示であるが、電子放
出部の上面に間隔を取って、放出された電子を引き出す
ための電極を設けである。本素子を真空容器中で電極１
．２間に電圧を印加する（この電圧をＶｆとする）こと
により、電極間に電流が流れ（Ｉｆとする）、引き出し
電極を＋側として電圧を印加すると、電子は素子構成基
板１に対してほぼ垂直に放出される（この電子放出の電
流をＩｅとする）。

同図において、電極１及び２の間隔は数１００人〜数１
０μｍが適当である。本発明で用いられる微粒子の材料
は非常に広範囲におよび、通常の金属、半金属、半導体
といった導電性材料の多結晶であればほとんど全て使用
可能である。なかでも、低仕事関数で高融点かつ低蒸気
圧という性質をもつ通常の陰極材料や従来のフォーミン
グ処理によって電子放出素子を形成する材料や２次電子
放出効率の高い材料の多結晶が好適である。

具体的には、Ｌ　ａ　Ｂ　ｓ　＋　Ｃｅ　Ｂ　ａ　、Ｙ
　Ｂ　ａ　。

ＧｄＢ、などの硼化物。Ｔ　ｉ　Ｃ，Ｚ　ｒ　Ｃ，Ｈｆ
　Ｃ、ＴａＣ，Ｓ　ｉＣ，ＷＣなどの炭化物。ＴｉＮ。

ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物。Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ。

Ｈｆ、　　Ｔａ、　　Ｗ、　　Ｒｅ＋　　Ｉｒ、　　Ｐ
ｔ、　　Ｔｉ、　　Ａｕ、　　Ａｇ＋　　Ｃｕ、　　Ｃ
ｒ、　　ＡＩ、　　Ｃｏ、　　Ｎｉ、　　Ｆｅ。

Ｐｂ、Ｐｄ、Ｃｓなどの金属６１　ｎ　２０　ｓ　＋５
ｎ０２　、Ｓｂ２０３などの金属酸化物。Ｓｉ。

Ｇｅなどの半導体、カーボンＡｇＭｇなどの多結晶を一
例として挙げることができる。

なお、本発明は上記材料に限定されるものではない。

さらに、又、本発明では上述の材料のうち異なる物質を
選び、目的に応じて２種以上の異なる物質の多結晶微粒
子を形成させてもよい。

基板上に位置制御性良く多結晶微粒子を形成する方法と
して素子構成基板上での所望材料の核形成密度差を利用
した結晶成長法がある。この方法によれば、所望の材料
に対して核形成密度の高い領域を予め基板上に設けた後
に結晶成長を行うことで、所望の位置に所望の粒径の多
結晶微粒子を形成することができる。これによって、島
構造を自由にしかもいっそう精密に制御して作成できる
ので、電子放出特性のばらつきを抑え制御することがで
きる。

前記核形成密度の高い領域の形成方法には、蒸着法やイ
オン注入法等が適用可能であり、所望材料に対して最適
な材料、方法が選択できる。

多結晶微粒子を形成した後、該微粒子が微小な間隔内に
入る位置に対向電極を形成し、素子を完成する。

本発明による電子放出素子は、表面に電流を流すため、
基板材料の影響は受けない。従って基板に用いる材料は
選択範囲が広い。

以下本発明の実施例を用いて詳細に説明する。

〔実施例１〕 第３図は、本発明の電子放出素子の一実施例を示す概略
的部分断面図である。

同図に示すように、洗浄及び化学エツチングを行った清
浄な＃７０５９ガラス基板（コーニング社製）５上に減
圧ＣＶＤ法によつて５ｉ３Ｎａ層を５００人堆積させた
。次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて５ｉｓ
Ｎａ層をパターニングし、直径的５μｍの円形５ｉｓＮ
４層６を５μｍ間隔に形成した。

続いてＳ　ｉＨａを原料とし、ＨＣｌ２とＨ２の混合ガ
スをキャリアガスとして、上記基板５上にＳｉを選択的
に成長させた。この時の基板温度は〜６００℃、圧力は
〜１００　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒである。

数１０分程度の成長時間でガラス基板上５に設けたＳｉ
、Ｎ４の微細な５とは異種の材料６を中心に多結晶のＳ
ｉの粒子３が成長した。多結晶Ｓｉ微粒子３の直径はほ
ぼ５μｍであった。

こうして得られた、多結晶Ｓｉ微粒子の成長したガラス
基板に、第４図に示すように前記微粒子がギャップ間に
入るようにフォトリソグラフィ及び真空蒸着によってＮ
ｉ電極１及び２を形成しく厚さは１０００人）、素子を
完成した。

こうして得られた電子放出素子の素子抵抗は、およそ１
Ｍオームと高抵抗であった。

次に、本発明による素子を〜１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒの真
空容器に入れ、Ｎｉ電極１，２間に直流電圧を印加し、
素子から５ｍｍ離れた所に設けた引き出し電極にＩＫＶ
を印加して、電子電流を測定した結果、電子放出が生じ
ていることが確認された。

また、放出電流は安定しており、素子印加電圧Ｖｆ＝２
０Ｖで、Ｉｆは０．１ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝２．５μＡ
が得られた。

電子放出前後での微粒子の形状及び配置に差異はみられ
なかった。また、各素子間の電子放出特性のばらつきは
、はぼ５％以内におさえられ、かつ同一プロセスを経て
得られた素子の再現性も従来フォーミングによる電子放
出素子に比べ良好であった。

〔実施例２〕 清浄なＳｉ基板上にＣＶＤ法を用いて、非晶質Ｓｉ０ｇ
層８を約１０００人形成した。次にＳｉＯ２層上に集束
イオンビーム装置を用いて、二価Ｓｉイオンを加速電圧
４０ＫＶで注入し、核形成密度の高い領域９を１０μｍ
間隔で形成した。このときのＳｉイオンビーム径はほぼ
０．　２μｍ１注入を行った範囲は５μｍ角の正方形領
域で、ＳｉＯ□表面での注入量は、ｌＸｌ０”（ｉｏｎ
ｓ／ｃｒｒｒ）である。こうして行われた基板上に、前
記実施例１と同様に、ＳｉＨ４゜ＨＣｌ、Ｈ２の混合ガ
スを用いて、ＣＶＤ法によって前記Ｓｉ注入領域に多結
晶シリコン微粒子の成長を行った。このときの成長時間
は６０分であり、微粒子の直径はほぼ１０μｍであった
。

さらに同一基板上に、第５図に示すように、再度イオン
注入を行い、核形成密度の高い領域１１を形成した後、
再度ＣＶＤ法によってＳｉの核成長を１０分間行った。

この結果、同一基板上に大きさの異なる２種類の多結晶
Ｓｉ微粒子が位置制御されて形成された。最後に、第６
図に示すように、大小２種類の微粒子を共にギャップ内
部に含むようにＮｉ電極１．２を蒸着によって形成して
（厚さ１０００人）素子を完成させた。

こうして得られた電子放出素子の電子放出特性は、フォ
ーミングを必要とする従来の素子に比べ非常に安定して
おり、電流の変動幅はほぼ５％以内であった。

また、微粒子の大きさ及び間隔を一定にした素子では、
緒特性の再現性は良好であった。

〔実施例３〕 積層構造を有する薄膜によって形成された電子放出素子
の上面図を第７図−ａに示す。同図において、５は素子
を構成する基板、１３．１３’　は絶縁層、１４は核形
成密度の高い変質領域、１５は１４から成長した多結晶
微粒子、１．２は素子駆動用の電極である。

また、第７図−ａのＡ−Ａ’に沿った断面図を第７図−
ｂに、Ｂ−Ｂ’に沿った断面図を第７図−Ｃに示す。

正常な＃７０５９ガラス基板（コーニング社製）５上に
通常の真空蒸着及びフォトリソグラフィ技術を用いて下
部くし形電極１を形成した。

次に、（し形電極１をフォトレジストで保護した上に、
Ｓ　ｉ　Ｏ２絶縁膜１３をＣＶＤ法を用いて１０００人
形成した後、第７図に示す様に（し形電極上にＣＶＤ法
により、５ｉｓＮｎ層１４をほぼ２００人形成し、化学
エツチングによって幅０．５μｍのストライプ形状とし
た。さらに、５ｉＯｚ絶縁膜１３′と同様に５ｉｆｔ層
１０００人を形成した後、上部（し形電極２を形成し、
前記レジストをリフトオフすることによって素子を完成
した。

こうして得られた素子は、３ｉ０ｚと５ｉｘＮ４及び上
下電極からなる層状構造となっており、第７図−Ｃに示
すように、各層の端面が露出している。従って、この端
面部分に実施例１と同様の方法を用いて、Ｓｉの選択核
成長を行い、Ｓ　ｉｓ　Ｎａ部分にのみ、Ｓｉ多結晶微
粒子を成長させた。

こうして得られた電子放出素子の電子放出特性を測定し
た結果、 実施例１及び実施例２と同様な良好な結果が得られた。

〔発明の効果〕 以上説明したように、相対向する２つの電極間に多結晶
材料の微粒子を選択的に形成した素子構造とすることで
、従来フォーミング処理を必要とした表面伝導型電子放
出素子と比べ次のような効果がある。

１、多結晶微粒子を基板上に固定できるため、安定した
電子放出が得られる。

２、素子構造の最適化が容易である。

３、素子特性の再現性が良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施形態を示す模式図、 第２図は第１図Ａ−Ｂ方向の模式的断面図、第３図は本
発明による一実施例を示す断面図、第４図は第３図の上
面図、 第５図は微粒子の大きさを制御したー実施形態を示す上
面図、 素子の模式図、 第８図は従来の電子放出素子の平面図である。 １　、２−−−−−−−−−−−−　Ｎ　ｉ電極３．１
０．１２−−−−一多結晶微粒子４　−−−−−−−−
−−−−−−−一電子放出部５　、　７−−−−−−−
−−−−−−素子構成基板６　−−−−−−−−−−−
−−−−−　Ｓ　ｉｓ　Ｎ４微小薄膜８．１３−−−−
−−−−−−一絶縁薄膜９、　１１−−−−−−−一−
−−Ｓ　ｉイオン注入層２１　、２２−−−−一−−−
−電極 ２３−−−−−−−−−−−−−一薄膜２４−−−−−
−−−−−−−−一基板２５−−−一−−−−−−−−
−−電子放出部特許出願人　　キャノン株式会社 第１図 乍邑２因 勇鴫３又 第４図 第７図−久 Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極間に各々の多結晶微粒子を位置的に選択して
   、配置していることを特徴とする電子放出素子。
2. （２）前記多結晶微粒子が結晶成長により得られる特許
   請求の範囲第１項記載の電子放出素子。
3. （３）前記多結晶微粒子成長部位が非成長部位に対して
   核形成密度が十分に大きい領域である特許請求の範囲第
   ２項記載の電子放出素子。