JPH01279542A - 電子放出素子及びその製造方法 - 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、電子放出源として用いられる電子放出素子に
関するもので、冷陰極素子の一つである表面伝導形放出
素子に関する。

［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる電子放出素子
として、例えば、エム・アイ・エリンソン（Ｍ、　１．
　Ｅｌｉｎｓｏｎ）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・フィジイッス（Ｒａｄｉ。

Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　Ｐｈ７ｇ、）第１θ巻
、　ｘ２９ｏ＝　１２９８頁。

！９６５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
より発表された５ｎ０２（Ｓｂ）薄膜を用いたものの他
、　Ａｕ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：°゛丁
ｈｉｎＳｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ”）、９巻、３１７頁、
　（１９７２年）　］　、　ＩＴＯ薄膜によるもの［エ
ム・ハートウェル・アンド・シー・ジー・フォンスタッ
ト：　“アイ・イー・イー・イー・トランス・イー・デ
イ−・コンク”（Ｍ、　）ｌａｒｔｗｅｌｌ　ａｎｄ　
Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、
　ＥＤ　Ｃａｎｔ、”　）５１９頁、（’１９７５年）
］、カーボンＦ１膜によるもの［荒木久他：“真空”。

第２６巻、第１号、２２頁、　　（１９８３年）］等が
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７
図に示す０図中、１および２は電気重接＆ａを得るため
の’ｌｌｔ極、３′は電子放出材料で形成された導電性
の薄膜、４は電子放出部、５は基板を示す。

上述した表面伝導形放出素子は、いずれも、導電性の薄
膜３′を設けた基板５上に電極１．２を設けて、電Ｊ４
ｉ１，２間に電圧を印加し、フォーミングと呼ばれる通
電加熱処理で電子放出部４を形成したものとなっている
。即ち、電極１，２間への電圧の印加によって薄膜３′
に通電し、これにより発生するジュール熱で薄膜３′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４を形成することにより、電
子放出機能を付与しているものである。

上記電気的な高抵抗状態とは、薄Ｉｇ！３’の一部に０
．５ＩＬｍ〜５ル■の亀裂を有し、かつ亀裂内が、いわ
ゆる島構造を有する不連続状態膜となっていることをい
う、島構造を有する不連続状態膜とは、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５上にあ
り、植機粒子は空間的に不連続でかつ電気的に連続な膜
を形成していることを言う。

［発明が解決しようとする課８］ しかしながら、従来の表面伝導形放出素子の製造に不可
欠な通電加熱によるフォーミング処理は、本質的には通
電のジュール熱による膜の部分的な破壊又は変質そのも
のなので、次のような問題がある。

１）電子放出部となる島構造の設計が不可能な為、特性
の制御が難しく、素子間のバラツキも生じやすい。

２）島構造の寿命が短かく且つ安定性が悪く、また外界
の電磁波ノイズにより素子破壊も生じやすい。

３）島の材料が金、銀、　５ｎ０２　、　ＩＴＯ等に限
定され、仕事関数の小さい材料が使えないため、大電流
を得ることができない。

以上のような問題点があるため１表面伝導形放出素子は
、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い。

本発明は、上記従来の表面伝導形放出素子の問題点に鑑
みてなされたもので、従来の表面伝導形放出素子と同等
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表面伝導形放出素子を提供する
ものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために本発明において講じられた手
段を、本発明の一実施例に対応する第１図で説明すると
１本発明では、一対の電極１．２間に、微粒子を含む薄
膜導電体３が設けられており、この薄膜導電体３の少な
くとも一部が、通電加熱によって電子放出部４を形成し
ており、かつ素子電圧と素子電流の間に電圧制御型負性
抵抗（ＶＧＮＲ：　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌ
ｅｄ　ＮｅｇａｔｉｖｅＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）特性を
示す表面伝導形放出素子とするという手段を講じている
ものである。

本発明における電極１．２と、微粒子を含む薄膜導電体
３は、従来のものと同様に、基板５上に設けられる。こ
の基板５の材料としては１例えばガラス、石英等の絶縁
材料が用いられる。

電極１．２は、相対向して設けられるもので、例えば真
空成膜プロセスとフォトリソプロセス等の通常よく用い
られる方法で形成することができる。この電極１，２の
材料は、一般的な導電材料で、例えばＮｉ、　ＡＲ，Ｃ
ｕ、　Ａｕ、　Ｐｔ、　Ａｇ等の金属や。

５ｎ０３．　ＩＴＯ等の酸化物を用いることができる。

電極１．２の厚みは、数百Ａから数１程度が好ましい、
また、電極１．２は相対向しているもので、この対向間
隔りは数百へ〜数千４ｍが好ましく、対向幅Ｗは数鉢１
〜数霞■程度が好ましい、但し、これらの範囲はおおよ
その目安であって、素子の使用条件等によってはこの範
囲外のものとしてもさしつかえない。

本発明における微粒子としては、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部４を形成する材料
や、二次電子放出効率の高い材料の微粒子が好適で、そ
の粒径は数十へ〜数終層が好ましい。

具体的には、例えば、　Ｌａｍｂ、　ＣｅＢｂ、　ＹＢ
４．　ＣｄＢｓ’Ｓの硼化物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ
，丁ａＣ，Ｓｉｎ、　Ｗｅ等のＷ化物、Ｔｉｅ、　Ｚｒ
Ｎ、　ＨｆＮ等の窒化物、Ｎｂ、　Ｎｏ。

Ｒｈ、　Ｈｆ、　Ｔａ、　Ｗ、　Ｒｅ、　Ｉｒ、　ＰＬ
、　Ｔｉ、　Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃｕ。

Ｃｒ、　ＡＲ，Ｃｏ、　Ｘｉ、　Ｆｅ、　Ｐｂ、　Ｐｄ
、　Ｃｓ等の金属、Ｉｎ２Ｏ３，５ｎ０２．５ｂ２０３
等の金属酸化物、Ｓｔ、　Ｇｅなどの半導体、カーボン
、Ａｇ、Ｍｇ等の微粒子を挙げることができ、これらを
一種又は二種以上が混合されたものでもよい。

上記微粒子を含む薄膜導電体３とは、上記微粒子が密に
分布する連続微粒子膜の構造を有し、かつ、電気抵抗が
数Ω／口（シート抵抗）程度のものをいう、また、この
連続微粒子膜中の一部に微粒子の不連続を有しても何ら
支障をきたさない。

微粒子を含む薄膜導電体３は、電極１．２の対向部間に
確実に付設することができれば、基板５に電極１，２を
付設した後に付設しても、電極１．２の付設に先立って
付設してもよい、第１図に示されるものは、電極１．２
の付設後にその上から６１１１Ｑ導電体３を付設したも
のとなっている。

上記薄膜導電体３の付設は、例えばガスデポジションや
真空蒸Ｅ（初期膜の状態）の他１次のようにしても行う
ことができる。

まず、有機分散媒に前記材質又は前記材質を含む化合物
の微粒子と必要に応じて添加剤を加え。

攪拌して、はぼ均一に微粒子が分散された微粒子分散液
を調整する０次いで、この微粒子分散液を、基板５（電
極１．２の付設前又は後）の表面に、例えばデツピング
やスピンコード等の方法で塗布し、分散媒を蒸発除去で
き、また化合物使用のときはこれを分解し得る温度と時
間、焼成を行う。

上述のようにすることによって、微粒子を含む薄膜導電
体３が、電極１．２の対向部間（第１図に示される間隔
りの箇所）に付設される。この薄膜導電体３は１例えば
電極１．２の付設後に設けた場合、第１図に示されるよ
うに、電極１．２の対向部間以外の電極１．２上にも付
設されがちとなるが、電極１．２の対向部間以外の薄膜
導電体３には実質的に電圧が印加されないので、何ら支
障をきたさない。

前記有機分散媒としては、微粒子を変質させることなく
分散させることができるものであればよく、例えば酢酸
ブチル、アルコール類、メチルエチルケトン、シクロヘ
キサン及びこれらの混合物等を用いることができ、微粒
子の種類に応じて選択すればよい。

前記添加剤は、微粒子の分散を促進するもので１例えば
通常良く知られている表面活性剤等の分散補助剤等を用
いることがでさる。

前記焼成温度と時間は、使用する有機分散媒の稚類、！
！ｉ＆布量等によっても相違するが、通常２００〜１０
００℃で０．１〜１時間程度である。

微粒子分散液の固形分濃度と塗布回数（塗布量）は、所
望の薄膜導電体３の特性、ひいては所望の電子放出部４
の特性に応じて調整する。即ち、前記数Ω／口（シート
抵抗）の以下電気抵抗の薄膜導電体３が得られる範囲で
微粒子分散液の固形分濃度と塗布量を定めればよい、固
形分濃度と塗布量が大き過ぎると薄膜導電体３の電気抵
抗が低くなり過ぎ、逆に固形分濃度と塗布量が小さ過ぎ
ると、Ｑ膜導電体３の電気抵抗が高くなり過ぎ、いずれ
の場合も良好な表面伝導形放出素子が得にくくなる。

本発明における電子放出部４は、通電加熱処理、即ちフ
ォーミング処理によって、含有されている微粒子が島と
なって不連続状態膜化した、電極１．２間のｆｉＩＩｇ
導電体３部分で、電極１．２間の薄膜導電体３全体が電
子放出部４となっていても、その一部が電子放出部４と
なっていてもよい。

上記通電加熱処理は、大気中で行ってもよいが、素子損
傷防止のため、真空下又は不活性ガス下で行うことが好
ましい、また、通電加熱処理時に印加する電圧は、希望
する表面伝導形放出素子の特性に応じて調整することが
好ましい。

氷表面伝導形放出素子は、素子電圧と素子電流との間に
、電圧制御型負性抵抗（ＶＧＮＲ：　ＶｏｌｔａｇｅＣ
ｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｒｅ５ｉｓｔ
ａｎｃｅ）特性を示すものであることが必要である。こ
のＶＧＮＲ特性とは、素子電圧を上げると素子電流が低
下する特性をいう。

［作　用］ 本発明において、電子放出部４が、微粒子を含むＱ　Ｉ
）２導電体３の通電加熱処理によって形成されているこ
とは、得られる表面伝導層放出素子のＶＣＮＲ特性をＭ
制御可能にする働きをなす。

ところで、ＶＣ：ＮＲ特性は、従来の一部の表面伝導層
放出素子にも示されているが、その発生メカニズムは現
在解明されておらず、従ってＶＣＮＲ特性の制御はなさ
れていない。

本発明においても、どのようなメカニズムによってＶＣ
：ＮＲ特性がもたらされ、かつその制御が可能となるか
は不明であるが、微粒子を含む薄膜導電体３を用いてい
るところに起因すると考えられる。

［実施例］ 実施例１ 第１図に示されるような構成の表面伝導層放出素子を以
下のようにして作製した。素子形状は、Ｗを２００μ脂
、Ｌを２０μ■とした。

微粒子分散液としては、次の材料をガラスピーズと共に
ペイントシェーカーで２４時間攪拌したものを用いた。

微粒子５ｎＯ２（粒径１０００Ａ以下）　　　　　　１
．０ｇ有機分散媒ＮＥＫ　（メチルエチルケトン）ニジ
クロヘキサン＝　３　：　１　　　　Ｂｏｏｃｃまず、
十分脱脂、洗節した石英の基板５上に、真空成膜プロセ
スとフォトリソプロセスにより、旧の電極１．２を設け
た。

次に、前記微粒子分散液を、上記基板５上にスピンコー
ド法で塗布し、２５０℃で１０分間焼成することを繰り
返し、微粒子を含む、電気抵抗が１５０Ω以下の薄膜導
電体３を形成した。その後、真空度Ｉ　Ｘ　１Ｏ−５ｔ
ｏｒｒ下において、電圧の昇圧レートをＩＶ／１０秒（
１０秒間で１ｖ昇圧のことで、以下）ｉ１１ｉテア６）
　、　　Ｉ　Ｖ／１００秒、ＩＶ／１秒に変化させて各
々電極１．２に電圧を印加し、電極１゜２間の薄膜導電
体３に通電加熱処理を施して電子放出部４を形成した。

上述のようにして得られた表面伝導層放出素子の特性を
、第２図に示されるような装置によって測定した０図中
、６は氷表面伝導形放出素子に電圧を印加するための電
源、７は氷表面伝導形放出素子に流れる電流を測定する
ための電流計、８は氷表面伝導形放出素子より放出され
る電子−ｅを測定するための７ノード電極、９は７ノー
ド電極８に電圧を印加するための電源、ｌＯは放出電流
Ｉｅを測定するための電流計で、第１図と同じ符号は同
じ部材を示す。

’ｉｔｔ源６により、氷表面伝導形放出素子に電圧Ｖｆ
を印加して当該素子から電子を放出せしめ、電流計７に
より、氷表面伝導形放出素子に流れる電流Ｉｒを測定し
、電流計ｌＯにより、放出電流１ｅを測定した。

尚、電源９に印加する電圧Ｖａは適当な電圧でよいが、
本測定では１００ＯＶの固定電圧とした。また、本測定
はＩＸ　１０１ｔｏｒｒ以上の真空下で行った。

第３図、第４図及び第５図はそれぞれ昇圧レートカｌ■
／１０秒、ＩＶ／１００秒、ＩＶ／１秒で製造した氷表
面伝導形放出素子の電流電圧特性（１−Ｖ特性）である
。

１−Ｖ特性には、第３図に示すように、素子電圧Ｖｆを
上げると素子電流Ｉｆが上昇する単調増加領域ｒ（Ｖｒ
が６Ｖ−１３Ｖの領域）ト、素子電圧Ｖｆを上げると素
子電流Ｉｆが下がる電圧制御型負性抵抗領域■（Ｖｒが
１３Ｖ以降）という特徴がある。

つまり、第４図に示すＩ−Ｖ　’＃性には明確なＶＣ：
ＮＲ特性があり、第５図のそれには明確なＶＣＮＲ特性
がない。

また、第３図ないし第５図から明らかなように、ＶＣＮ
Ｒ特性を示す素子が、放出電流Ｉｅが高く、電子放出効
率ｒｅ／Ｉｔ　も高い。

このように、微粒子を含む薄膜導電体３に通電加熱を施
す際に、素子に印加する電圧の昇圧を変化させることに
より、　ＶＣＮＲ特性を制御することが可能である。

尚、　ＶＣ：ＮＲ特性の度合は、素子電流１ｒの最大値
から、電圧を３ｖ上げたときに、素子電流Ｉ「が低下す
る値（％表示）で評価した。

実施例２ 第６図は本実施例で測定したＩ−Ｖ特性を示すグラフで
ある。

本実施例の表面伝導形放出素子は、Ｗを２０Ｊｔｍ、Ｌ
を５０１Ａ１１とし、通電加熱工程時に印加する電圧の
昇圧レートをＩＶ／１０秒とした他は実施例１と同様に
して製造した。

第５図、第す図かられかるように、素子形状を変化させ
ることによっても、ＶＣＮＲ特性は制御でき、電極１．
２の間隔Ｗが小さい方がＶＧＮＲ特性の度合いが大きく
、その分、放出電流１ｅが大きく、電子放出効率ｒｅ／
Ｉｔ　も高かった。

実施例３ 実施例１で説明した方法で石英の基板５上に電極１．２
を形成した。Ｗは１０ｍｍ、　Ｌは５０ＩＬＩＩとした
。

次に超微粒子の製膜法として広く知られているガスデポ
ジション法（「粉体と工業Ｊ　Ｖｏｉ’、　１９゜Ｎｏ
、５．１９８７）により、０．１ｐｍ以下の銀微粒子で
薄膜導電体３を形成した。

ガスデポジション法は、粒径が０．１Ｈ以下のきわめて
小さな粒子による製膜が可能であり、材料としては、叙
景外に、金、銅、ニッケルなど様々な金属材料により製
膜できる。

薄膜導電体３の幅（電極間間隙と平行方向）は２履ｍに
形成した。

次に適当な通電加熱処理を施したところ、素子電流と電
子電圧の関係にＶＣＮＲ特性を示し、良好な電子放出が
得られた。尚１通電加熱処理後の電子放出部４は、銀粒
子を島とする不ｉ続膜で構成されていた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の表面伝導形放出素子は、
不連続膜の島材の選択が可能になり、かつバラツキの改
善、素子劣化の改善に効果があるばかりでなく、ＶＣＮ
Ｒの制御により、放出電流の向上に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る表面伝導形放出素子の
説明図、第２図は実施例で用いた特性測定装はの説明図
、第３図ないし第５図は実施例１の測定結果を示すグラ
フ、第６図は実施例２の測定結果を示すグラフ、第７図
は従来技術の説明図である。 ｌ、２：電極 ３：薄膜導電体 ４：電子放出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）一対の電極間に、微粒子を含む薄膜導電体が設けら
   れており、この薄膜導電体の少なくとも一部が、通電加
   熱によって電子放出部を形成しており、かつ素子電圧と
   素子電流の間に電圧制御型負性抵抗特性を示すことを特
   徴とする表面伝導形放出素子。