JPH01298623A - Ｍｉｍ形電子放出素子 - 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、詳しくはＭＩＭ形の電子放出素
子に関する。

［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子として、
金属Ｍｌの表面に絶縁体薄膜中１を付け、その表面に金
属Ｍ２を薄く付けたいわゆるＭＩＭ形電子電子放出素子
る。

従来のＭＩＭ形電子電子放出素子動回路の概略的構成図
を第１図に示す。１は基板、２は金属Ｍｌ、３は絶縁体
薄膜、４は金属Ｍ２．５は金属Ｍ１と金属Ｍ２に電圧を
印加する為の電源、６は金属Ｍ２の表面から放出される
電子である。

ＸＩＭ形電子電子素子は、金属Ｍｚ側が正極になるよう
に素子に電圧を印加し、金属Ｍｌから絶縁体薄膜中に電
子を注入し、注入した電子を絶縁体中で加速し、金属Ｍ
２を通して電子放出せしめるものである。

一般に、このような素子において、金属Ｍ２の厚さは、
電子放出電流を得る為に、数十〜数百Ａにする必要があ
る。また絶縁体薄膜３の厚さは数十Ａ〜３００Ａの薄い
ものと、数百へ〜数ミクロンの厚いものがある。

絶縁体薄膜３の厚さが薄い旧Ｘ形電子放出素子の絶縁体
薄膜の製造法は、金属Ｎ！の材料としてＡｉ）材料を用
い、このＡｉ）金属の表面を熱酸化または陽極酸化を施
することによりＡＩｈＣｈの絶縁体薄膜を設けていた。

この絶縁体薄膜の厚さはひじように薄く、欠陥のない−
様な膜質が要求される為、実用的には上述した方法に限
定されている。

絶縁体薄膜３の厚いＭＩＸ形電子電子放出素子に第１図
に示すような素子を製造しても電子放出は得られず、上
部金属Ｍ２が正極になるように金属Ｍ１と金属Ｍ２間に
電圧を印加するフォーミング処理を必要とする。このフ
ォーミング処理は、絶縁破壊とは異なり、電極物質の絶
縁体薄膜中への拡散、絶縁体中での結晶化、絶縁体組成
の化学量論的なズレ等の説があるがいまだ解明されてい
ない。このように非可逆的なフォーミング処理を行う為
には、絶縁体薄膜の材料としてＡｇ２Ｏ３、ＭｎＯ２、
ＳｉＯ等の酸化物、ＬｉＦ、　ＫＦ、　ＭｇＦ２．　Ｎ
ａＢｒ等のハロゲン化物、ＺｎＳ、　ＣｄＳ等の硫化物
、特定の有機化合物に限定され、金属Ｍ２の材料、とし
てＡｕ、　Ｃｕ、　Ａｇ、　Ａｊ）等に限定される。

一般にＭＩＸ形電子電子放出素子電極Ｍｌ、Ｍ２に印加
する電圧に対し指数関数的に電子放出電流が得られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のようなＭＩＭ形電子電子放出素子
子構造が簡単であるという利点があるにもかかわらず次
のような欠点がある為産業上積極的に応用されるには至
っていなかった。

先ず絶縁体膜が薄いＭＩＸ形電子電子放出素子題点とし
て絶縁体膜が薄い為絶縁破壊が生じ易い、素子に印加す
る電圧が低い為充分な放出電流が得られない、素子の製
造上金属Ｍ１と絶縁体薄膜の材料がそれぞれＡｊ）どＡ
Ｉ！２０３に限定され素子設計上の融通性がない、とい
った点が挙げられる。次に絶縁体膜が厚いＭＩＸ形電子
電子放出素子題点としてはフォーミング処理の制御性が
悪い為素子を再現性良く製造することが難しくバラツキ
も生じ易い、フォーミング処理のできる絶縁体膜と金属
Ｍ２の材料が上述したように限定される、といった点で
ある。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は、比
較的厚い絶縁体膜中に微粒子を分散させることにより上
述問題点を解決するものである。つまり、数百Ａから数
ルの厚い絶縁体膜中に微粒子を分散せしめた構造の旧Ｎ
形電子放出素子に比較的高電圧を印加することにより上
述問題点を解決するものである。

第２図は、本発明による電子放出素子の第１実施形態を
示す概略的模式図である。

同図において、７はガラス等の絶縁基板、８は電圧印加
用の電極Ｍ、、９は微粒子１１を含む絶縁体膜、１０は
電圧印加用の電極Ｍ２である。

第３図は素子を上から見た概略的模式図である。

同図において、１２は電子放出部である。絶縁体膜９は
電子放出部１２より広い面積に設けた。又電子放出部１
２は電極８と電極ｌＯの重なり部分で形成する。

絶縁体ｖ９中に分散されている微粒子１１の粒径は数十
Ａ〜数ｐｍ、望ましくは１００ＯＡ以下で、さらに微粒
子の間隔は数１０Ａ〜数１００ＯＡの範囲で形成される
とよい。又絶縁体膜９の厚さは通常数１０Ａ〜数終ｍ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い範囲にお
よび通常の金属、半金属、半導体といった導電性材料の
ほとんど全てを使用可能である。

こうした材料から必要とする目的に応じて適宜材料を選
んで微粒子として用いることにより、所望の電子放出素
子を形成することができる。

具体的にはＮｂ、　Ｍｏ、　Ｒｈ、　Ｈｆ、　Ｔａ、　
Ｗ　、　Ｒｅ、　Ｉｒ。

Ｐｔ、　Ｔｉ、　Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃｕ、　Ｃｒ、　Ａ
Ｉ！、　Ｇｏ、旧、　Ｆｅ、　Ｐｂ。

Ｐｄ、　Ｃｓ、　Ｂａなどの金属、ＬａＢｂ　、　Ｃｅ
Ｂｂ　、　ＹＢ４　、　ＧｄＢａなどの硼化物、ＴｉＣ
，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，Ｓｉｎ、　Ｗｅなどの炭化
物、ＴｉＮ、　ＺｒＮ、　ＨｆＮなどの窒化物、Ｉｎ２
０３　、５ｕ０２　、５ｂ２０３などの金属酸化物、Ｓ
ｉ、　Ｇｅなどの半導体、カーボン、ＡｇＭｇなどを一
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。

微粒子を分散して形成するには、所望材料の微粒子の分
散液を回転塗布、ディッピング等の手法で基板等に塗布
し、加熱処理で溶剤、バインダー等を除去する方法が最
も簡便である。この場合に微粒子の粒径、含量、塗布条
件等を調整することにより、その分散の分布状態を容易
に制御することができる。

［実施例］ 実施例１ 実施例により塗布による微粒子の分散の具体的な製造方
法を以下に示す。

まず、清浄なガラス、セラミックス等の絶縁基板７の上
に、電圧印加用の電極８を形成する０通常の真空堆積法
とフォトリソグラフィーの手法又は印刷法等で行うこと
ができる。

電極材としては一般的な導電性材料、Ａｕ、　Ｐｔ。

Ａｇ等の金属の他、Ｓｒ＋０２．　ＩＴＯ等の酸化物導
電性材料でも使用できる。電極７の厚みは数１００Ａか
ら数μｍ程度が適当であるが、この数値に限るものでは
ない６本発明ではＡｕにより形成した。また、電極の幅
はある数値範囲に限定されるものではないが本実施例で
は１．５ｍｍで形成した。

絶縁体の材料は特に限定されるものではないが、絶縁耐
圧の高い材料が望ましく、１０６ポルト／Ｃ１１の電界
強度で絶縁破壊しないものが好適である。こうした材料
として、５ｉ０２．　Ａβ２Ｑ３　、５ｉ０２を主成分
とする絶縁体、Ａｉ’２０ａを主成分とする絶縁体など
が用いることができる。

次に電極８上に微粒子を含む絶縁体膜を形成する方法を
説明する。

分散液は、５ｉ０２液体コーティング剤（東京応化工業
製ＯＣ：Ｄ）にＡｕ微粒子を混合し、５ｉ０２　：　Ａ
ｕのモル比を約１０：１に調整して製造した。Ａｕ微粒
子の粒径は５００Ａ以下のものを用いた。この分散液を
スピンコード法で電極８上に塗布した。その後約４００
℃で１時間焼成し、膜厚３０００ＡのＡｕ微粒子を分散
した絶縁体膜９を形成した。ここで実際には絶縁基板７
上にも絶縁体膜９が形成されるが、これは何ら素子特性
に影響を与えるものではない。

次に電極１０を絶縁体膜９上に通常の真空堆積法とフォ
トリソグラフィーの手法により形成した。電極材として
Ａｕ、　Ｐｔ、　Ａｇ、　Ａｉ’等の金属の他、５１１
０２．　ＩＴＯ電極等の酸化物導電材料でも使用できる
が本発明ではＡｕにより形成した。電極ｌＯの厚さは、
薄い方が望ましいが、あまり薄すぎると電極としての機
能を得ることができない。一般には数十Ａ〜１００ＯＡ
が望ましく、本発明では３００Ａで形成した。

本発明では電子放出部１２の面積を１ｍｍ角に形成した
。

以上の工程により作製された素子をＩ　Ｘ　１Ｏ−５Ｔ
ｏｒｒ以上の真空下に置き先に述べた電極８，１０に電
圧を印加し、電子放出の特性を検討した。

従来の素子においては、絶縁破壊が生じ易くまた数１０
％も特性がばらつく例が多かったが、本発明の素子は、
素子間のばらつきが小さく、１５Ｖの電圧を印加して放
出電流２．５．Ａが安定に得られた。また本素子に電圧
１８Ｖを印加しても絶縁破壊が生じない、きわめて絶縁
耐圧が高い素子であることがわかった。

本発明の素子は微粒子の材料や大きさ、微粒子密度、電
極材料、絶縁体薄膜の材料等を変化させるとそれぞれの
条件に応じて電子放出特性の異なる素子が再現性良く作
成できることがわかった。

本実施例において金の微粒子を用いたが、これに限定さ
れるものではなく、上述したように他の金属あるいは半
導体の微粒子においても同様な結果が期待できる。

実施例２ 次に本発明の第２の実施例を説明する。

絶縁体膜９の形成方法として、５ｉ０２等の液体コーテ
ィング剤に有機金属化合物の溶液を電極８上に塗布した
後、熱分解によって半導体の金属酸化物や金属の微粒子
を絶縁体膜中に形成する手法も用いた。−例としては、
カプリル酸スズ（Ｇ７Ｈ＋５Ｃ００）２Ｓｎ　、ジイソ
アシロキシエトキシアンチモンＣｚＨｓＯ（（５Ｈ＋１
０）２ｓｂの熱分解によってそれぞれ５ｎ０２　、　Ｓ
ｂ２０３の微粒子を形成したり、有機パラジウム化合物
からＰｄ微粒子を形成する例などを挙げることができる
。

具体的に示すと５ｉＣｈ液体コーティング剤に有機パラ
ジウム化合物とＰｄ金属換算比率で０．２％含む酢酸ブ
チル溶液（奥野製薬工業製キャタペースト（ＣＡＰ−４
２３０）を混合した。混合する割合はＳｉＯ２：　Ｐｄ
のモル比を約１０＝１にした。次に実施例１と同様この
混合分散液を電極８上に塗布、熱処理（２５０℃前後）
して約５００Ａ程度の微粒子を含む絶縁体膜９を形成し
た。

前記と同様に特性を測定したところ、１６ｖの印加電圧
で放出電流１．２１ＬＡが安定に得られた。また有機パ
ラジウム化合物の濃度や熱処理温度を変えると、放出電
流の値を再現よく変化させることができた。

実施例３ 本発明の第３の実施例である絶縁体膜９の形成方法を説
明する。絶縁体膜９の形成方法としてプラズマや熱ＣＶ
Ｄ法等による５ｉ０２等の真空堆積法がある。この時堆
積膜材料のガス種やガス量、比を適当に選ぶことによっ
て堆積中に電気的導体゛あるいは、半導体の微粒子が発
生し膜内に分散された絶縁体膜９が得られる。

ここで絶縁体膜と電気的導体あるいは半導体の微粒子材
は特に限定されるものではなく、ＣＶＤ法等の真空堆積
法で形成されるものであれば同様な結果が得られる。

具体的に示すと、電極８上にＮ２０ガスとＳｉＨ４ガス
を流量比をＮ２０　：　５ｉＨａ＝　３　：　１から５
０＝１の範囲として約７００℃の加熱状態でプラズマＣ
ＶＤにより粒径が約１００Ａ以下のＳｉを１％から１５
％含むＳ　ｉ０２絶縁体膜９を形成した。膜厚は約３０
００Ａで形成した。

本実施例における電子放出素子においてその特性を検討
したところ、１３Ｖの印加電圧で放出電流が約０．１鉢
Ａ得られた。

また、本実施例において、５ｉ０２絶縁体膜９中のＳｉ
の量や、成膜時の温度によって電子放出特性を制御でき
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、ＨＩＭ形電子電子素子の絶縁体膜
中に微粒子を分散させた比較的厚い絶縁体■々を形成す
ることにより、次のような効果が得られた。

■　絶縁破壊が生じにくい為、歩留りや再現性が改善さ
れた。

■ＩＯＶ以上の電圧を素子に印加できる為高い放出電流
が得られた。

■電極材や絶縁体膜材および微粒子材の材質が限定され
ない為、素子設計の幅が広がった。

■フォーミング処理を必要としない為、電子放出特性の
制御や、材料の選択範囲で広がった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＭＩＸ形電子電子放出素子動回路を示す
概略的な構成図である。第２図は本発明によるＭＩＸ形
電子電子放出素子略的模式図である。 第３図は本発明によるＭＩＸ形電子電子放出素子から見
た概略的模式図である。 ｌ・・・基板　　　　　　２・・・金属Ｍ＋　（電極Ｍ
＋）３・・・絶縁体薄膜　　・　４・・・金属Ｍ２　（
電極Ｍ２）５・・・電源　　　　　　６・・・電子７・
・・微粒子を含む絶縁体膜 ８・・・微粒子　　　　　９・・・電子放出部用願人　
キャノン株式会社 代理人　　豊　　１）　善　　雄 ｔ　ｔ　ｔ　ｔ　ｔ、／’ 第１図 第２図 第３図 ｆ　　続　　補　　正　　書 昭和６３年８月１９　日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、用件の表示 特願昭６３−１２６９５７号 ２、発明の名称 ＨＩＭ形電子電子素子 ３、補正をする者 事件との関係・特許出願人 東京都大田区下丸子３丁目３０番２号 （１００）　′！Ｆ−ヤノン株式会社 代表者　賀　　来　　龍　三　部 ４、代　理　人 東京都千代田区有楽町１丁目４番１号 三信ビル２０４号室　電話５０１−２１３８自発補正 ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」及び図面の７、補正の内
容 ７−１　　明細書第８頁５行目「電極７」を「電極８」
と訂正する。 ７−２　図面の第２図及び第３図を別紙の通り訂正する
。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）相対向する２枚の電極間に微粒子を含む絶縁体を設
   けたことを特徴とするＭＩＭ形電子放出素子。 ２）微粒子が金属である請求項１記載のＭＩＭ形電子放
   出素子。 ３）微粒子が半導体である請求項１記載のＭＩＭ形電子
   放出素子。 ４）微粒子が平均粒径１０００Å以下の超微粒子である
   請求項１記載のＭＩＭ形電子放出素子。 ５）微粒子を含む絶縁体が塗布法によって形成されてい
   る請求項１〜４記載のＭＩＭ形電子放出素子。 ６）微粒子が有機化合物の熱分解により形成されている
   請求項１〜４記載のＭＩＭ形電子放出素子。 ７）微粒子を含む絶縁体が真空堆積法によって形成され
   ている請求項１〜４記載のＭＩＭ形電子放出素子。