JPH01279538A - 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］ 本発明は電子放出素子、特に表面伝導形電子放出素子の
構造に関するものである。

［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子として１
例えば、エム　アイ　エリンソン（Ｎ、　ＩＥｌｉｎｓ
ｏｎ）等によって発表された冷陰極素子が知られている
。［ラジオ　エンジニアリング　エレクトロン　フィシ
４−／ス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。

Ｐｈ７ｇ、）第１θ″＠　、　１２９０〜１２Ｈ頁、　
１９６５年］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、一般には表面伝導形放出素
子と呼ばれている。

この表面伝導形放出素子としては、前記エリンソン等に
より開発された５ｎａ２（Ｓｂ）薄膜を用いたもの、Ａ
ｕ薄膜によるもの［ジー・ディトマー“スインソリド　
フィルムス”（Ｇ、　Ｄｉｔｔｍｅｒ：“Ｔｈ１ｎＳｏ
ｌｉｄ　Ｆ目ｍｓ″）、９巻、３１７頁、　　（１９７
２年月、１丁Ｏ８膜によるもの［エム　ハートウェル　
アンド　シー　ジー　フォンスタッド“アイ　イーイー
　イー　トランス”イー　デイ−コンファＬ／７ス（Ｍ
、　Ｈａｒｔｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓｔ
ａｄ：　　″ＩＥＥ！！丁ｒａｎｓ、　ＥＤ　Ｃａｎｔ
、　”）５１９頁、　　（１９７５年）］、カーボンｇ
薄膜によるもの［荒木久他：“真空”。

第２６巻、第１号、２２頁、　（１９８３年）］などが
報告されている。

これらの表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第４
図の断面図及び第５図の斜視図に示す。

４は電気的接続を得る為の電極、２は電子放出材料で形
成される薄膜、ｌは基板である。

従来、これらの表面伝導形放出素子に於ては、電子放出
を行なう前にあらかじめフォーミングと呼ばれる通電加
熱処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記２つ
の電極４の間に電圧を印加する事により、薄膜２に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜２を局所的に
破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗部５を
得るものである。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例では基板と薄膜が直接界面を
形成して接触しており、フォーミング処理の通電加熱や
電子放出駆動の際、基板上の小面積の薄膜部へ局所的な
発熱が生じ、基板内応力による歪が大きく発生し、次の
様な欠点があった。

（１）通電加熱の際、基板が割れ、薄膜が切断されるた
め、電子放出素子として機能しなくなる。

（２）通電加熱の際、基板から薄膜が剥離することがあ
り、？ｆｆｆｆ用素子として安定性、再現性、寿命が著
しく低下する。

（３）電子放出時における薄膜を流れる電流によっても
薄膜の高抵抗部が局所的に発熱し基板が割れ、　ｆｌｉ
Ｍが切断されることもある。

（４）　（１）、（２）、（３）の問題点のため、加熱
温度の上　−限や基板材料、薄膜材料の選択の組み合わ
せに制限があった。

以上の様な欠点を解決するために従来は、基板内応力の
発生を小さくするべく、熱膨張係数が小さく、かつ比較
的熱伝導率が高く、さらに、基板材としての取扱いが良
好な、絶縁性基板として、唯一石英基板を用いていた。

即ち、小面積のａｍ部や薄膜の高抵抗部での局所的な発
熱を均一に短時間で基板内へ拡散させ、かつ大きな熱勾
配が発生しても基板の、！８膨張係数が小さいために発
生する応力が小さく基板内の歪を極力おさえて、ノ＾板
割れや薄膜の剥離を防止していた。このため、５ｎＯｚ
（Ｐｂ）９膜の様な高融点材料でも通電処理によるフォ
ーミングを可能としていた。

しかし、一般に石英基板は、通常のガラス材等の基板に
比べ非常に高価であり、また３０ｃｍ２以上の大きさで
表面、面精度の良好な基板を安定して得ることは難しい
材料である。

従って、大面積で安価な基板を用いて、表面伝導層電子
放出素子を作製するには、基板材料の限定から前述の欠
点（１）、（２）、（３）から生ずる欠点（４）、即ち
加熱温度の上限や基板材料、Ｑ膜材料の組み合わせに制
限があり、所望の特性の表面伝導層電子放出素子を得る
ことができなかった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、基板上に少なくともｆｌ膜と電極が設けられ
、該？Ｊ膜に高抵抗部の形成された表面伝導層電子放出
素子において、基板と薄膜との間に中間層を設けたこと
を特徴とする電子放出素子である。

以下、本発明を第１図〜第３図に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一例を示す素子断面図である。ｌは基
板、２は中間層３上に形成された薄膜、４は薄膜に電圧
を印加する電極、５は通電加熱によってフォーミング処
理された高抵抗部である０本素子を真空中で電極４より
電圧印加すると高抵抗部５付近より電子が放出される。

通電加熱及び電子放出時における高抵抗部５で発生する
局所的な発熱は、低熱膨張率で高熱伝導率の材料から成
る中間層３へ伝導し、中間層３内で素早く拡散し、中間
層３と基板ｌの広い範囲の界面で伝導し、基板１内に拡
散されていく、従って、基板１自体が比較的熱伝導率が
低く、また熱膨張係数が大きい材料でも、基板の局所的
な加熱を押さえ、基板内の歪が大きくならない、ざらに
薄膜の発熱部は、中間層と接しているために発生する内
部応力も小さい。このため、基板割れや、ＦＩ膜の剥離
が発生しない表面伝導層電子放出素子が得られる。

第２図は本発明の一例を示す素子の斜視図であり、第３
図は本発明の一例を示す素子の製造工程図である。製造
方法としては、まず、ガラス基板等から成る基板ｌ上に
低熱膨張率で高熱伝導率材料から成る中間層３を堆積す
る。堆積方法は、中間層材料により異なるが、液体コー
ティング法や、真空堆積法、印刷法等の膜形成法によっ
て堆積できる。中でも、セラミックコーティング剤を基
板上に、塗布、焼成することによって得る液体コーティ
ング法が、大面蹟化の可能性範囲、安価である点、大量
処理の可能性、供給安定性や熱可塑性の大きな材料を制
御して形成できる点等から最も優れている（ｉ３図■参
照）。

次に中間層３上に、Ｑ膜２を堆積形成する。薄膜材料に
より異なるが、堆積法としては、真空堆積法、印刷法、
液体コーティング法等による。形成法としてはフォトリ
ソエツチング法、マスク蒸着法、印刷法等が用いられる
６本工程で第２図の素子外観図で示す薄膜２の形状に形
成する（第３図■参照）。

さらに、素子基板上に電極４をマスク蒸着法による真空
堆積等によって、第２図の電極４の形状に堆積形成する
（第３図■参照）。

なお、図中、ρは０．０１〜２０１１腸、Ｗは０．１〜
２０層露の範囲で十分な電子放出を得ることができる。

その後、本素子を真空中に置き、電極４に電圧を印加し
て薄Ｊｌｉ２の一部へ通電加熱によるフォーミング処理
をほどこして高抵抗部５を形成する（第３図■及び第２
図参照）。

以上の製造方法によって本発明の表面伝導層電子放出素
子を得ることができる。

本発明において基板材は、電子放出素子及び中間層を支
持できるものであれば良く、一般的で安価なガラス基板
１例えば青板ガラス、白板ガラス、硼ケイ酸ガラス等の
基板材が用いられる。

これらの材料は、比較的熱伝導率が低く、かつ熱膨張係
数が大きくても、一般的なガラス材であれば、中間層を
設けることにより従来例の様な問題は発生しない。

中間層には、基板材料との比較において低熱膨張率で高
熱伝導率のものを用いる０通常は熱膨張率５　Ｘ　１Ｇ
−７〜ＩＯＸ　１０−７／　”０、熱伝導率０．００３
ｃａｉ’／ｃｓ−ｓ−ｄｅｇ以上程度のものがよい。

具体的な材料としては、その形成方法や材料の供給安定
性、取扱い、電気的絶縁性能１表面伝導形電子放出素子
に対する基板材中に含まれるナトリウムの様な不純物の
混入防止、安価である点等から、ＳｉＯ２系膜が最も適
しており、５ｉ（ｈを主成分としたＡＲｚ０３．　Ｚｒ
Ｏ２，ＴｉＯ２，ＭｇＯ等との混合材でもよい、また中
間層の構成として５４０２単一材料や混合材の単層構造
の他に多層構造で中間層を構成しても使用回部である。

中間層の厚みとしては電子放出材ｓｇの材料にもよるが
、通常５００Ａ程度以上が好ましい、高融点材料の一つ
である５ｎ０２（Ｐｂ）材を薄膜とした場合でも中間層
の厚みが１００ＯＡ程度あれば、充分な効果を得ること
ができる。

薄膜の材料としては、５ｎ０２．　Ｉｎ０ｚ、　ＰｂＯ
等の金属酸化物、Ａｕ、　Ａｇ、　Ｐｔ　　等の金属、
カーボン、その他各種半導体等、高融点材料を含め、表
面伝導層電子放出素子に用いられているものであればよ
い、またＳ膜の厚みは５００　Ａ　”　１　＃Ｌｍ程度
が良い。

電極の材料としては、　Ｘｉ、　Ｐｔ、　Ａｉ’、　Ｃ
ｕ、　Ａｕ、　Ｔａなど通常の金属やその他の導電性部
材等、表面伝導層電子放出素子に用いられているもので
あれば、使用することができる。電極の厚みは、５００
Ａ以上が好ましい。

［実施例］ 前述の第３図に示す工程図に基づいて、以下のように電
子放出素子を作製した。

■　洗浄された青板ガラスからなる基板上に、液体コー
テイング材（東京応化工業■社製ｏｃｎ　）を塗布し、
基板を焼成することによって、膜厚１０００Ａ程度のＳ
　ｉ０２からなる中間層を設けた。

■　次に、■で得た中間層上にフォトレジストを形成し
、更にセラミックコーティング剤を用いた塗布焼成によ
る液体コーティング法で膜厚１０００Ａ程度の５ｎＯｚ
（Ｐｂ）から成る導電膜を成膜した後。

フォトレジストを剥離し５ｎ０２（Ｐｂ）をリフトオフ
法によって形成して薄膜を得た。

この時、薄膜は第２図に示すような形状とし、第２図中
でｗ　＝　０．１ｍｍとした。

■　次いで、上記パターニングされた８１１！ｉｉの上
に、真空堆積法により膜厚１０００Ａ程度のニッケルか
らなる電極を設けた。

この時、マスク真空堆積法により電極を第２図に示した
ような形状にパターニングし、第２図中でｌ＝０．３層
層とした。

■　最後に、１（１’Ｔｏｒｒ程度の真空下にて、電極
に直流電圧を印加し通電処理を行ったところ、消費電力
ＩＷ程度で薄膜部分に高抵抗部が形成され、電子放出素
子を作製した。

この際、基板の割れや薄膜の基板からの剥離はなかった
。

上記のようにして得た素子を１０−’Ｔｏｒｒ代の真空
中に置き、電極の間に直流電圧Ｖｒ＝　２０Ｖを印加し
、上部電極板（図示せず）を高抵抗部のＬ部へ７ＩＩｍ
の間隔で平行に対面させ、電極のマイナス側との間に直
流電圧ｉｏｏ　ｖを印加した。すると上部電極へ１４Ａ
程度の電子放出電流を得ることができた。

更に、本素子を上記条件で４８時間連続して電子放出さ
せても、基板の割れやｆｌ［膜の剥離は発生しなかった
。

［発明の効果］ このように、基板と薄膜との間に中間層を設けることに
より、次のような効果が得られる。

（１）通電加熱の際、基板が割れて、薄膜が切断される
ことがなくなる。

（２）通電加熱の際、基板からＦＭ膜の剥離を防止し、
電子放出装置として安定性、再現性、寿命が向上する。

（３）　（１）、（２）より基板材料、Ｑ膜材料の選択
の組み合わせの自由度がひろがり、所望の特性を有する
薄膜材料を安価でかつ大面積な基板材の上に形成するこ
とができるようになる。

（４）電子放出中の発熱による基板の割れ及び薄膜の剥
離を防止できるという効果があり、電子放出装置の信頼
性を向上させることができる。

その他に、中間層をＳｉＯ２とすることによって、電気
的絶縁性能等が優れ、また基板中に含まれる不純物の電
子放出素子への混入を防止する基板を提供することがで
きる。

また中間層をセラミックコーティング剤を用いた塗布、
焼成による液体コーティング法によって形成することに
より、より大面積の基板上にも安価で精度良く、均一な
中間層を容易に得ることができる。

以上から、従来石英基板を用いていた電子放出素子に比
べ、性能の低下が無く、かつ、大面積の電子放出素子を
安価で容易に得られる基板材料から作製できるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子放出素子の断面図、第２図は
本発明に係る電子放出素子の斜視図、第３図は本発明に
係る電子放出素子の製造工程図、第４図及び第５図は従
来の電子放出素子の説明図である。 ｌ・・・基板、　　　　　　２・・・薄膜。 ３・・・中間層、　　　　　４・・・電極、５・・・高
抵抗部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に少なくとも薄膜と電極が設けられ、該薄
   膜に高抵抗部の形成された表面伝導形電子放出素子にお
   いて、基板と薄膜との間に中間層を設けたことを特徴と
   する電子放出素子。
2. （２）中間層が、低熱膨張率で高熱伝導率の材料からな
   ることを特徴とする請求項１項に記載の電子放出素子。
3. （３）中間層が、ＳｉＯ＿２又はＳｉＯ＿２を主成分と
   する膜からなることを特徴とする請求項１項又は２項に
   記載の電子放出素子。