JPH01311534A - 電子放出素子及びそれを用いた発光素子 - 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、表面伝導形放出素子を利用してライン状の電
子放出を行わせる電子放出装置に関するものであり、特
に微粒子の配置場所によって放出方向の調整を行った装
置に関する。

［従来の技術］ 従来、１１１単な構造で電子の放出が得られる素子とし
て、例えば、エム・アイ・エリンソン（Ｍ、　Ｉ。

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
゛フィシ４−／クス（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ。

Ｐｈｙｓ、）第１０巻、　１２９０〜１２９Ｂ頁、　１
１３８５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・
ソリッド・フィルムス″（Ｇ、　Ｄｉｔｔｍｅｒ：“Ｔ
ｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ”）、９巻、３１７頁
、　（１９７２年）１、ＩＴＯ薄膜によるもの［エム・
ハートウェル・アンド・シー・ジー・フォンスタッド：
“アイ・イー・イー・イー・トランス・イー・デイ−・
コンク″（Ｍ、　Ｈａｒｔｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、
　ＦａｎＳｔａｄ：“ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ＥＤ　
Ｃａｎｆ、”　）　５１９頁、（１９７５年月、カーボ
ン薄膜によるもの［荒木久他：“真空”。

第２Ｂ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は基板、３および４は電気的接続を
得る為の電極、５は電子放出部、６は電子放出材料で形
成される薄膜を示す。

上述した表面伝導形放出素子は、いずれも、薄膜６を設
けた基板ｌ上に電極３．４を設けて、電極３，４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５を形成することによって製造されている。即
ち、電極３．４間への電圧の印加によって薄膜６に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜６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５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、薄膜６の一部に０．５＃
Ｌｍ〜５ＩＬ層の亀裂を有し、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１上にあり、
抜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。

さらに、従来の表面伝導形素子では、電子放出の放射特
性、即ち素子から放出された電子の広がりを第８図に示
すように電極４をプラス電位、電極３をアース電位、蛍
光体基板７をｔｏｏｏｖ程度として蛍光体の発光形状を
観察すると、同図の８に示すように三日月形の広がり特
性を示す、さらに上記の輝点は実際の電子放出部の沿直
上よりもプラス電極４偏にずれており１表面伝導形素子
から放出される電子はアース電極３側から見て斜め前方
に向って放出されていることを示している。

また、特願昭８１−２１０５８８等ですでに技術開示し
たように、微小間隔を有する一対の対向電極の微小間隔
部に金属、あるいは酸化物等から成る微粒子を分散配置
することで従来必要とされてきたフォーミング工程を経
ずに同等以上の電子放出機能を・得ることが可能となる
電子放出素子においても、微小間隔部全体に微粒子を分
散配置した場合には、放出される電子線の広がりは電極
幅よりも大きくなり、フォーミング素子同様三日月形の
広がり特性を示していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例では表面伝導形素子から放出
される電子ビームは三日月状の広がり特性を持っている
ため次のような欠点を有していた。

（１）表面伝導形素子から放出された電子ビームを任意
の形状、大きさに集束させるためには、非常に複雑な電
子光学系を必要とする。

（２）表面伝導形素子から放出される電子ビームは大き
な広がりを持っているため、同一基板上に高密度配列さ
せることが困難である。

以上のような問題点があるため、従来の表面伝導形素子
は素子構造が簡単であり発熱も少ないという優れた利点
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０本発明は上記従来例の欠点を除去するこ
とを目的としてなされたものである。

［課題を解決するための手段及び作用］上記三日月状の
電子線の広がりを解決するために、本発明では特願昭６
１−２１０５８８等ですでに技術開示した素子構成を用
いて、微粒子の局所配置化により上記問題点を解決した
。

即ち１本発明は、一対の電極と該電極間に電子放出部を
有する表面伝導形放出素子において、電子放出部が微粒
子から形成され、この微粒子が前記電極間の局所部分に
のみ血けられていることを特徴とする表面伝導形放出素
子である。

本発明において講じられた手段を本発明の説明図である
第１図により説明すると、本発明ではまずガラス、石英
などの基板１上に相対向する２つの電極３．４を設けた
後、電極３．４間の微小間隔（以下電極ギャップと記す
）の一部分に、所望の電子放出材料から成る微粒子２を
所望の密度で分散配置することで素子を作製する。

本発明では電極ギャップの一部分に局所的に微粒子２を
形成することを特徴としており、電極ギャップ長及びそ
の幅、形状１等は所望のものを利用できる０通常は、電
極ギャップ長（図中、文）は数百オングストローム−数
十ミクロン程度が好ましく、電極幅（図中、Ｗ）は数十
ミクロン以上が好ましい。

また電極ギャップ間に設ける微粒子２は電極作製とは全
く独立しているため所望の位置に設けることができる上
、さらに電子放出に係る領域の大きさが微粒子を設ける
領域の面積で調整できるため、予め必要な電子ビームの
広がりに応じた電子放出部の形成が容易である。

さらに、実際の電子放出部の幅が電極幅よりも狭くなっ
ているため放出される電子ビームの広がりは従来のフォ
ーミング素子と比較して小さくなり、より高霜度の集積
化、マルチ化が可能となる０通常は、電子放出部の幅は
電極幅の１／１０〜１７２程度であることが好ましい。

電子放出に係る微粒子は、例えば電子を電界放出し易い
物質や、二次電子放出し易い物質、或いは電子の衝撃に
よって電子を放出しやすく、且つ＃熱性、耐ｆｌｆ蝕性
に強い物質であれば良く、例えば、仕事関数が低く、耐
熱性の高いＷ、Ｔｉ。

Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃｕ、　Ｃｒ、　Ａｊ’、　Ｐｔ、　
Ｐｄ等の金属や、Ｓｎ０２　。

Ｉｎ２Ｏ３，Ｂａｄ、　ＭｇＯ等の酸化物、もしくはカ
ーボン或いは以上の混合物等であるが、この限りではな
い、また、その寸法は通常直径が数十へから数千Ａ程度
が好ましい。

さらに電極部材としては、特に限定することなく通常使
用される広範囲な電極材が使用できる。

［実施例］ 実施例１ 以下に述べるようにして、第２図に示されるような表面
伝導形放出素子を作製した。同図は電子放出特性近の部
分的上面図である。

まず、十分脱脂、洗浄を行った１インチ×１．５インチ
角の石英基板ｌ上に通常のフォトリングラフィ技術を用
いてリフトオフにより、マイナス側電極３とプラス側電
極４を形成した。ここで、同図に示したように電極３は
上面から見た形状は長方形であるが、電極４は電極３に
対して頂点を向けた三角形をした電極となっている。ま
た図中の見は２終謬、Ｗは１■層である。電極材料はニ
ッケルを用い、膜厚はおよそ１００ＯＡ、真空蒸着によ
り成膜を行った。

次に、上記電極上の図中２の部分以外にレジストを形成
した後、基板ｌ全体に有機パラジウム化合物を含む有機
溶媒（実費製薬工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。

その後、２５０℃−１θ分間の焼成を行いパラジウム微
粒子から成る島構造を有する不連続状態膜２を設け、最
後にレジストを除去して氷表面伝導形放出素子を完成し
た０本素子では同図中の５が電子放出部となり、他の部
分には、パラジウム微粒子が存在しないため、電気的に
は電子放出部５に電流が集中する形状となっている。

こうして得られた素子の電子放出特性を調べるため、素
子を真空容器中に入れ電極３をアース電位、電極４を＋
１４Ｖとし、さらに素子から５蹟層沿直上に１ｋＶの電
圧を印加した蛍光体基板を設置して放出電流の測定を行
った。

その結果、上記条件のもとでの放出電流Ｉｅはおよそ５
００ｎＡ　、このときの素子中を流れる電流Ｉｆは２ｍ
Ａであった。また素子に印加する電圧を逆向きにして同
様の実験を行ったが、Ｉｅ、　Ｉｆともに順方向に電圧
を印加した場合とほぼ同等であった。

次に、本素子から放出された電子の広がりを上記と同様
の実験装置を用いて観察した。その結果を第３図に示す
、同図において７は蛍光体基板、８は蛍光体の発光パタ
ーンであるが、本素子で特徴的なことは発光パターンが
三日月状からほぼ長楕円形になっていることである。従
来２隔層２幅３００μ層程度の平行なギャップを持つ対
向電極を用いて素子を作製した場合、幅が２〜２．５■
程度の三日月状であったが、今回作製した素子は発光の
形状、大きさともに平行電極に比べより集束されたもの
となっている。

実施例２ 次に、以下に述べるようにして第４図に示されるような
電子放出角度状の異なる表面伝導形放出素子を作製した
。第４図において、ｌは石英基板、２は放出部を形成す
る微粒子、３．４は電気的導通を得るための電極である
。

まず、実施例１と同様に十分脱脂洗浄を行った石英基板
１に通常のフォトリングラフィ技術を用いてフォトレジ
ストを形成した後、真空蒸着法によってニッケルを１０
０ＯＡ蒸着し、リフトオフにより同図に示した電極３，
４を作製した。このとき、電子放出部となる電極ギャッ
プ５の形状を半円形とし、電極ギャップは最小部分立を
全て２μ園とした。電極幅Ｗはｌａｍである。

次に、電極ギャップ中に第４図に示したように中央付近
、直径４０ＯＩ＆ｍ程度の円形債域にパラジウム微粒子
を形成した。パラジウム微粒子の形成には金属マスクを
用いたガス中蒸発法を利用した。

また使用したノズルは、微粒子の均一塗布と大面積化に
適した特殊な形状の物を用いた。

こうして得られた素子の放出部を電子顕微鏡観察したと
ころ、電極ギャップ中に存在したパラジウム微粒子の直
径は、３０〜５０オングストロ一ム程度と極めて微小で
あり、微粒子間がほぼ接する形で不連続膜となっていた
。

次に１本素子を実施例１と同様に真空容器中に入れ、電
極３をアース電位、電極４を＋１４Ｖとして放出電流の
測定及び蛍光体基板の発光の観察を行った。

その結果、１素子からの放出電流Ｉｓはほぼ１００ｎＡ
であった。また蛍光体基板上での輝点形状は第５図の８
に示したようにｅｏｏｐ層Ｘ　８００μ■程度の円形に
近い楕円形であり、従来表面伝導形素子の特徴であった
三日月形が補正された。

実施例３ 電極ギャップに５ｉ０２薄膜を応用したたて型構造の素
子を作製した。第６図において石英基板１上に段差形成
層９として５ｉ０２の液体コーティング剤（東京応化工
業社製０ＣＯ）を塗布、乾燥し、厚さ３０ＧＯＡのＳ　
ｉ０２層を形成した０次に）ＩＦエツチング液により５
ｉ０２層をエツチングし１段差部を設け、さらにこの段
差部上にマスク真空蒸着法により、旧を厚さ５００　Ａ
成膜して電極３，４を形成した。

この後、実施例１同様に本素子の電極ギャップ部５の一
部にパラジウム微粒子を形成し、素子を完成した。

本素子も前述実施例同様の実験を行ったところ、電子放
出角度が補正されていることが示され、他素子同様の効
果があった。

［発明の効果］ 以上説明したように１本発明は、一対の相対向する電極
と該電極間に設けられた微粒子から成る表面伝導形素子
において、微粒子を電極間の一部分に局所的に設けるこ
とで。

（１）従来フォーミング素子の持っていた放出電子の三
日月形の広がりを楕円形あるいは長楕円形に補正するこ
とができる、 （２）微粒子を設けた部分にのみ電流が集中するため、
効率向上が容易である、 （３）電極形状との組合せにより所望のビーム形状が得
られる 等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を示す説明図、第２図は実施例１
で作製した素子の概略図、第３図はその放出電子の広が
りを模式的に示した平面図、第４図は実施例２で作製し
た素子の平面図、第５図はその放出電子の広がりを模式
的に示した平面図、第６図は実施例３で作製した素子の
断面図、第７図は従来表面伝導形素子の平面図、第８図
は従来表面伝導形素子の電子放出パターンである。 ｌ二基板 ２：電子放出部を形成する微粒子 ３：マイナス側電極　　４ニブラス側電極５：電子放出
部 ６：電子放出部材で形成される薄膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の電極と該電極間に電子放出部を有する表面
   伝導形電子放出素子において、電子放出部が微粒子から
   形成され、この微粒子が前記電極間の局所部分にのみ設
   けられていることを特徴とする表面伝導形放出素子。
2. （２）前記微粒子が前記電極間の中央付近に局在するこ
   とを特徴とする請求項１記載の表面伝導形放出素子。