JPH01302634A - 電子放出素子とその製造方法 - 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、表面伝導形放出素子を二次元に配列した二次
元配列放出素子に関し、特に電子放出部の不要部を非放
出部化した二次元配列放出素子に関する。

［開示の概要］ 本明細書及び図面は、表面伝導形放出素子を二次元に配
列した二次元配列放出素子において、各素子の電子放出
部の少なくとも一部を非放出部化することにより、素子
の信頼性を高度に保ちつつ、同一基板上に複数の素子を
二次元に配列する技術を開示するものである。

［従来の技術］ ゛電子放出素子において従来実用化されたきた電子放出
源は、熱瞼極からの熱電子放出や電界効果型（ＦＥダ０
電子放出源であった。熱陰極を利用した゛電子放出源は
高融点材料、例えばタングステン等を用いたフィラメン
トに大電流を流し、そのときに生じる熱によって電子に
真空準位以上のエネルギーをケえることで゛電子放出を
得ている。これは広く応用されている電子放出源である
が、ｌ放出源につき１本の？Ｉｔ　Ｔ−線を発生するも
ので、二次元配列化はなされていない。また、熱電子源
の一応用形態として直線状の熱フィラメントを用いて、
線状電子源が一部利用されているが、温度上９１による
フィラメントの膨張等から長尺物は実用化されていない
。一方、加熱によらない電界効果型の゛電子放出源は、
先端を鋭く尖らせた陰極チップに外部から強電界を印加
することで電子放出を得るもので、電子放出特性は、先
端形状に強く依存する。そのため、同一特性の電子放出
源が得にくいため、複数化されるには至っていない。

従来、筒中な構造で電子放出を得られる素子として、た
とえば、エリンンン（Ｅｌ　１ｎｓｏｎ）等によって発
表された［ラジオ・エンジニアリング・１１／クトロン
’７４ジツクス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ、Ｐｈｙｓ）　Ｊ　１９６５年刊第１０！！ｊ１２
９０頁に記載の冷陰極素子が知られている。

これは、基板」−に形成された小面積のＱ膜に膜面にモ
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（表面伝導形放出素子という呼称は、薄膜ハンドブ
ックの記・戒に準じた）。

表面伝導形放出素子としては、５ｎＯ２（Ｓｂ）薄膜を
用いた前記Ｅｌｉｎｓｏｎ等の例以外にも、Ａｕ薄膜に
よるものや（Ｇ、Ｄｉｔｔ＋ｓａｒ　：　Ｔｈ１ｎ　５
ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ　９，３１７（１９７２））、Ｉ
ＴＯ薄膜によるも（７）　（Ｍ、Ｈａｒｔｗｅｌｌ　ａ
ｎｄＣ，Ｇ、Ｆｏｎｓｔａｄ：　ＩＥＥＥ　　丁ｒａｎ
ｓ、　　ＥＤ　　Ｃｏｎｆ、　　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。

これら表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第６図
に示す、７及び８は電気的接続を得る為の電極、９は電
子放出材料で形成される薄膜、１０は基板、１１は電子
放出部を示す。

従来、これらの表面伝導形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７と−し極８の間に電
圧を印加する事により、薄膜９に通電し、これにより発
生するジュール熱でＭｉ薄膜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１１を得るものである。

一ト述電気的な高抵抗状態とは、薄膜９の一部に０．５
ｇｍ　−５ｇｒａ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
数トオングストロームから数ミクロン径の微粒子が基板
１０−ｈにあり、植機粒子は空間的に不ａｂ１．で電気
的に連続な膜を云う。

従来表面伝導形放出素子は上述高抵抗不！！！統膜に成
極７，８により′電圧を印加し、素子表面に゛電流を流
すことにより、１−述微粒子より電子放出せしめるもの
である。

［発［ＪＪが解決しようとする課題］ しかしながら、Ｊ−記の熱電子放出では加熱によるエネ
ルギーロスが大きく、電子放出とともに大量の熱を放出
するという問題があり、同一・基体りに複数の熱電子放
出素子を並べることはノ［常に困難である。また、電界
効果型（ＦＥ型）′重子放出素子は、陰極チップの先端
を、半径数百オングストローム程度に極めて鋭く尖らす
必要があり、通常電界研磨を行った後にリモルディング
を行う等多くの工程を要し、かつ経験的要素が強いため
に、製造上バラツキを生じやすいという課題を有してい
る。従って、同一特性を有する電界効果型（ＦＥ）型電
子放出素子を同一基体上に複数個均一に並べることは極
めて困難である。　−１−記の理由により、同一基体−
Ｌに複数の電子放出部を有するようなものは、実用に至
っていない。

一方、従来の表面伝導形放出Ｊ−７は製造Ｌフォーミン
グ１程が必要であり、そのため次のような欠点があった
。

（１）　Ａ型加熱によるフォーミングでは′１４ｔｆ放
出部となる島４１１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。

（０フオ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
。

以上のような課題があるため、表面伝導層放出素子は、
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。

本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、
素子の信頼性を高度に保ちつつ同一基板ｔに複数の素子
を二次元に配列することの可能な二次元配列放出素子を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明において、上記の課題を解決するために講じられ
た手段は、１つの基板上に少なくとも１つ以上の表面伝
導層放出素子を設け、その放出部の少なくとも一部分を
非放出部化して２つ以上の電子放出部を形成するもので
ある。

［作　用］ 本発明では、予め形成された点状、線状あるいは面状の
電子放出部のうちの不要部分を非放出化することで同−
電子放出部を複数に分離する。

従来実用に供されてきた電子源は、前述の通り、熱の問
題、あるいは加工の問題からいずれも複数化、面状化は
不可能であった。また、その特異な構造上、発熱も極め
て少なく、特殊な加工を必要としない表面伝導層放出素
子は、点状あるいは線状の電子源として応用可能である
が、電子放出部が島状構造を有しているため、その電子
放出特性は、島状微粒子の表面状態や形状の影響を受け
やすい、従って、複数化などのためのパターン形成プロ
セスが難しく、実用上のネックになっていたが、本発明
者らが鋭意検討を行った結果、電子放出部に極めて薄い
材料を付着させる等の手法によって、電子放出を止める
ことができ、さらに、電極間を流れる電流をもゼロにで
きることを見出した。

［実施例］ 以下１図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明による電子放出素子の一実施形態を示
す上面図である。同図において、ガラス等の絶縁性基板
１上に、微小間隔をおいて電極２．３が設けられ、その
微小間隔中に所望の材料から成る微粒子５が分散配置さ
れている。従って、この状態の素子において、電極２，
３間に適当な電圧を印加すると、線状電子放出部から一
様に電子が紙面垂直方向に放出され、線状電子放出素子
が可能となる。

次に、この線状放出部の一部に付加薄膜材４を付着させ
ると、薄膜材４の付着した部分は電子放出機能を失い、
単なる導体あるいは絶縁体となる。従って、放出部の所
望の位置に所望の面積で、薄膜材４を付着させることで
放出部を所望の大きさの点状あるいは線状の放出部に分
割することが可能である。

本発明は、電子放出部が島状構造を有する表面伝導層放
出素子に広く応用可能であるが特に、電極２．３間に形
成される微粒子５が素子表面に露出したものに特に有効
である。一方、微粒子５が素子表面に露出せず、導体、
半導体、絶縁体等の薄膜でおおわれ、加電子放出機能を
有する素子に対しては効果的ではない。

また、付加する薄膜材料４は、導体、半導体。

絶縁体等全てが応用可能であるが、素子形状及び材料に
よって最適条件は異なるため、個々に適する材料を選択
する必要がある。

ただし、付加材料に絶縁体を用いると、付加された部分
は非常に高抵抗となり、非放出部化したい部分には電流
が流れなくなるため、効率向上がめざましく実用的であ
る。

また付加される薄膜材料４の厚さは、放出部を形成する
微粒子５の大きさに依存するが、少なくとも微粒子−５
を完全におおい更に微粒７−５間を埋めつ〈ゼる程度の
膜Ｐｌが心安である。

第２図は、本発明による別な一実施例を示す概略可ｌ面
図である。同図に示すように、十分脱脂、洗浄８：？１
つた５ｃａ＋角の石英基板Ｉ−上に、通常のフォトリン
グラフィ技術を用いて幅１ｍａ＋のプラス電８＋２とブ
イナス電極３を形成１７た。電極材料にはＮ】を用い、
画電極の間隔（以ド電極ギヤ、ブ）は２ｕ、ｍであり、
くし形′、１極とＮ７た。電極膜Ｊ１はほぼ１００ＯＡ
である。

次に、゛准極２．３の形成された基板１ヒに、５１０２
液体コーディング剤（東京応化に業ｉ　−０ＧＤ）に有
機パラジウム化合物を含む有機溶媒（奥野製薬工業製キ
ｔタペーストーｃＣｐ）を混合し、５ｉ０２：Ｐｄのモ
ル比を、約１〇二１に調製した溶液をスピンコータによ
り回転塗布した。その後、４００℃−１時間の焼成を行
い、膜厚的１０００ＡのＰｄ微粒子を含むＳｉＯ；＋電
子放出部を形成した。この状態では、′電子放出部は、
電極ギャフプによって規定された線状′屯「放山部とな
っている。

次にこの線状電子源にマスク蒸着によってＮ３０を約１
００　Ａ蒸着した。

このとき、使用したマスクは、２５０μｍピッチのグレ
ー・ティング状であり′Ｉｔ極パターンとマスクのパタ
ーンが直交する形とした。従って、基板１にの線状′電
子放出部は２５Ｏｐｍ幅のスｉ・ライブ状ｘｇ。

の薄膜材料４で分断され、２μ、ｍＸ　２５０４ｍの微
小電子放出部が４０Ｘ　１００個マトリクス状に形成さ
れた。　ＭｇＯの比抵抗はおよそ　＋１）６Ω・Ｃ】で
ある。こうして得られた素子を５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒ
ｒ程度の圧力に保たれた真空容器中に入れ、′電極２．
３間に直流電圧１４Ｖを印加して電子放出実験を行った
。゛電子放出の確認には、蛍光体を用いて弓１き出し電
圧をＩＫＶとした。蛍光体の輝点観察では、電子放出機
能状とほぼ同様の輝点が点状に配列していることが確認
された。また、基板ｌ上に配列した全微小放出部からの
総放出１′ｒｉ、流量１ｅ（ｔｏｔａｌ）はおよそ３２
０１１、Ａ、１ケ所当りの電流量はおよそ１００ｎＡ　
、また、　ＭｇＯの効果を確認するため従来のフォーミ
ングによって形成した表面伝導形電子放出素子の電子放
出部にＭｇＯの真空蒸着を行ったところ、電子放出郡全
体に蒸着されたＪｇ７−は、電極間電流１１が流れず、
電子放出もＩＰられなかった。

第４図は本発明による縦型構造放出素ｆ−の概略部分断
面図であり、第５図は該素子を−Ｌ力より眺めた４１而
図である。両図において、ｌは石英ガラスの基板、２，
３はＮｉの電極、５はパラジウムの微粒子、４は放出部
マスク用のｌ４ｆｏ、の薄膜材料である。

まず、上方に脱脂、洗浄を行った石英基板１１−にＣＶ
Ｄ法により全面に段差形成用の５ｉ０２の絶縁層６を１
５００Ａ形成した０次に、通常のフォトリソグラフィ技
術を用いて、］ｊ１１記５ｉ０２の絶縁層６の一部をエ
アチング除去し、段差形状とした。こうして得られた段
差を有する基板−Ｌに、真空蒸着により、全体にＮｉを
用いて電極２及び３を、没けた。′１１ｆ極２，３の膜
厚はおよそ１００ＯＡであり１段差形状の側面にはＮ１
が伺着しないように斜めに基板ｌを傾けて蒸７１′を行
った。

次に、電子放出部を形成するための有機パラジウＩ、化
合物を含む有機溶媒（奥野製薬１ニ業製キャタペースト
−ＣＣＰ）をスピンコータを用いて回転塗布した後、２
５０℃、１０分間の焼成を行い、電極２．３間のＳｉｔ
’）、＋層側面にパラジウムの微粒子５を形成した。こ
うして得られた素子は電極２，３゜５ｉ０２の絶縁層６
及びパラジウムの微粒子５から成る線状の電子放出部を
有する７ 次に、この線状電子放出部を点状にパターニングするた
めにグレーティング状マスクを用いてＨｆＯ２をＥＢ蒸
着によっておよそ１００　Ａ形成し、一部を非放出帰化
した。

こうして得られた素子は、同一基板ＩＬに１００個の点
状′電子放出部が並べられ、真空容器中で前述のように
して電子放出実験を行った結果、１００個からの総放出
道流Ｉｅ（ｔｏｔａｌ）　＝　１００ｇＡが（１１られ
た。

このように、本発明は、電子放出部に薄膜材料４を付着
させる等の手法を用いて電子放出機能を失わせ、点状あ
るいは線状の電子放出部を得る製造方法であり、下記の
効果がある。

１）マスク蒸着等による極めて薄いＨりでパターニング
できるため、容易に再現できる。

２）薄膜材料４の付着部は電流が流れないため、高効率
化が容易である。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、素子の信頼性
が高く、かつ同一基板１上に複数の素子を二次元配列す
ることの可能な表面伝導形放出素子の製造方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図は本発明の一実施例１・・・
絶縁性基板　　　　２．３・・・電極４・・・薄膜材料
　　　　　５・・・微粒子６・・・絶縁層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）微小間隔を有する相対向する２つの電極と、該間
   隔中に設けられた微粒子から成る表面伝導形放出素子に
   おいて、各素子の電子放出部の少なくとも一部を非放出
   部化することで複数の放出部を形成することを特徴とす
   る二次元配列電子放出素子。
2. （２）前記放出部を形成する微粒子が表面に露出してお
   り、かつ前記非放出部が付加物によつて正面に露出しな
   いことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子放
   出素子。
3. （３）前記非放出部が薄膜材料の付加によつて形成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の二次元
   配列電子放出素子。
4. （４）前記薄膜材料が電子放出部形成材と異なる材料か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の電
   子放出素子。
5. （５）前記非放出部の比抵抗が放出部の比抵抗の少なく
   とも１０倍となっていることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の電子放出素子。