JPH01320725A - 電子放出素子の製造方法 - 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〕 本発明は電子放出素子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、
例えば、エム　アイ　エリンソンＣＭ。

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　フイジイツス（Ｒａｄｉ。

Ｅｎｇ、　　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｐｈｙｓ、）第１０
巻、１２９０〜１２９６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ＳｎＯ２（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、　Ｄｉ　ｔ　ｔｍｅｒ　：　“Ｔ
ｈ１ｎ　　ＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ”）、９巻、３１７頁
、（１９７２年）］、■ＴＯ薄膜によるもの［エム　バ
ー　トウエル　アンド　シー　ジー　フオンスタツド“
アイ　イー　イー　トランス′°イー　デイ−コンファ
レンス（Ｍ、Ｈａｒｔｗｅｌｌ　　ａｎｄＣ，Ｇ、ＦＯ
ｎＳｔａｄ＋　　“ＩＥＥＥ　　　Ｔｒａｎｓ、ＥＤ　
　Ｃｏｎｆ、”）５１９頁、（１９７５年）コ、カーボ
ン薄膜によるもの［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７
図に示す。同第７図において、１１および１２は電気的
接続を得る為の電極、１３は電子放出材料で形成される
薄膜、１５は基板、１４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通電加
熱処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記電極
１１と電極１２の間に電圧を印加する事により、薄膜１
３に通電し、これにより発生するジュール熱で薄膜、１
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１４を形成することによ
り電子放出機能を得ている。フォーミングによる素子で
は、フォーミングによって膜の一部が高抵抗化し、この
部分では膜内に１μ以下の狭い亀裂ができ、更に、亀裂
の間に小さな島状構造を有する膜となっている。

〔発明が解決しようとしている問題点〕しかしながら、
上記の様な従来の通電加熱処理によるフォーミングには
下記の様な問題があった。

■　通電加熱の際、基板と薄膜の熱膨張係数の違いから
、薄膜が剥離する場合がある。このため、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
ある。

■　通電加熱の際、基板も局所的に加熱されるため、致
命的な割れを生ずる場合がある。

■　通電加熱による膜の変化、例えば、局所的な破壊、
変形もしくは変質等の程度が同一基板内に形成される複
数の素子間にばらつきがちで、また、変化の生じる場所
も一定しない傾向がある。

このため、電子放出素子として機能させた時、電流量や
効率、電子の放出場所、放出される電子ビームの形状な
どが素子毎にばらついていた。

■　フォーミングが完了するまでには、比較的大電力を
必要とする。このため、同一基板上に多数の素子を形成
し、同時にフォーミングを行う場合、大容量の電源を必
要とする。

■　通電加熱から冷却に至るまでの従来のフォーミング
工程は、比較的長い時間を必要とする。

このため、多数の素子をフォーミングするためには多大
の時間を必要とする。

以上のような問題点があるため、表面伝導形電子放出素
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かっ
た。

本発明は、上記の様な従来例の欠点を除去するためにな
されたものであり、前記の如き従来のフォーミングと呼
ばれる処理を施すことなく、フォーミング処理により得
られる電子放出素子と同等以上の品質を有し、特性のバ
ラツキの少ない新規な構造を有する電子放出素子を提供
することを目的とするものである。

つまり、本発明は先ず、第１にフォーミングという手段
によらないで、上記亀裂の形状、及び巾を一定に制御し
て、且つ容易に製造する手段を提供し、特性のそろった
電子放出素子を提供することを目的としている。

第２に、上記亀裂の中の島状構造に相当するものの構造
及び大きさを一定にする手段を提供し、且つ、それによ
って特性のそろった電子放出素子を提供することを目的
としている。

〔問題点を解決するための手段（及び作用）〕即ち、本
発明は対向する一対の電極間の絶縁層に電子放出材料が
含有され、かつ、絶縁層の側壁部表面にも電子放出材料
を配設してなり、電極間に電圧を印加することにより、
電子を放出することを特徴とする電子放出素子である。

本発明の電子放出素子では、電極間隔の位置、形状、寸
法及び電子放出材料の配置状態や寸法等の構造を任意に
設定することができ、さらには、材料の選択範囲も大幅
に広げることができる。

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の電子放出素子の第１の実施態様を示す
模式図である。同図において、１および２は電気的接続
を得るための電極、３ａは電子放出層、３ｂは電子放出
体、４は基板、５は絶縁層である。

第１図において、本発明の電子放出素子は、端部が対向
する一対の電極１，２間に絶縁層５を挟持してなる積層
体において、電極１，２の互いに対向する対向部に形成
された絶縁層５の側壁面に電子放出層３ａの側壁面が配
置されるように電子放出層３ａが絶縁層５中に含有され
ており、さらに該側壁表面に電子放出体３ｂを配置して
なり、電極１，２間に電圧を印加することにより、電子
を放出するものである。

第１図において、基板４はカラスやセラミック等で形成
される。電極１，２は厚さ約１００人〜数μ、好ましく
は１００人〜２μｍ、さらに好ましくは２００人〜２０
００人であり、電極の材質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、
Ｃｒ、Ｎｉ、ＡＡ。

Ｔａ、Ｐｄ、Ｗ等や、それらの合金もしくはカーボン等
である。

５（５ａおよび５ｂも含む）は絶縁層であり、Ｓ　ｉＯ
２、Ｍ　ｇ　Ｏ、Ｔ　ｉＯ２，Ｔ　ａ　２０５゜ＡＡ２
０．等及びこれらの積層物、もしくはこれらの混合物で
も良い。あるいは、電極がＡｌやＴａ等の金属である時
、絶縁層５はその電気分解による陽極酸化膜であっても
良い。厚みは数人〜数μ、例えば１０人〜１０μｍであ
る。

電子放出層３ａ、電子放出体３ｂを形成する材料は、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、
且つ耐熱性、耐腐蝕性に強い物質、例えば、仕事関数が
低（、耐熱性の高いＷ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ
、ＡＡ、Ｐｔ等の金属や、ＳｎＯ２，Ｉｒｚ　Ｏｓ　、
Ｂａｄ。

ＭｇＯ等の酸化物、もしくはカーボン或いは以上の混合
物等が使用できる。

そして、蒸着法や塗布法、浸漬法等を用いて形成させ、
電子放出部を形成する。電極１と２の間に、数Ｖ〜数１
００■の電圧を印加すると、電子放出部３の付近から電
子が放出される。

また、電極の配置は、第１図で示すように電極１．２を
重なるようにしてもよいし、第３図で示すように、重な
りをもたないようにしてもよい。

次に、第１図の製造方法の概略を説明する。

基板４の上に電極１を通常の蒸着法、印刷法、塗布法、
その他の方法で、所望の形状、例えばストライプ状等に
パターニングした後、絶縁層５ａを蒸着、印刷法もしく
は塗布等の方法で形成する。

絶縁層５ａを形成した後、電子放出層３ａを絶縁層５ａ
の上に蒸着、印刷法もしくは塗布等の方法で形成する。

その後、絶縁層５ｂを絶縁層５ａと同様に電子放出層３
ａ上に形成する。

さらに、電極２を電極１と同様に絶縁層５ｂ上に形成し
てから、電極１のパターンに沿わせて電極２と絶縁層５
ａ、５ｂ及び、電子放出層３ａを同一パターンで、一部
電極１と重なるようにパターニングする。

その後、電子放出体３ｂを絶縁層の側壁部表面に配設す
る。配設方法としては、配設する電子放出材料の微粒粉
の分散溶液や有機金属の溶解液を作り、素子基板上にコ
ーティングする方法や、電子放出材料を直接薄く真空堆
積し不連続な膜とする等の方法がある。

本発明による電子放出素子では、まず、従来例の狭い亀
裂に相当するものが、絶縁層５の膜厚によって制御され
る。

この膜厚は、蒸着法、塗布法、その他によって数人から
数μの範囲まで制御できるために電極間隔を非常に狭く
しても安定な構造を有するものであり、大面積で容易に
制御して均一に形成できる。

この狭電極間隔により電子放出材に与える電界強度を増
大させることができ、駆動電圧を減少させた電子放出素
子の作製が可能となる。

第３図（ｄ）は本発明の他の電子放出素子の実施態様を
示す模式図である。同図において、１および２は電気的
接続を得るための電極、９は電子放出材、４は基板、５
は絶縁層、８は段差部、１０は電極間隔である。この電
子放出素子は、端部が対向し、かつ、重なりを持たない
一対の電極１，２の間隔部の側壁面に、電子放出材９を
含有しており、さらに、側壁表面に電子放出体３ｂを配
設してなり、電極１，２間に電圧を印加することにより
電子を放出するものである。

本実施態様では電子放出材９が絶縁層５中に含有分散さ
れる構造となっている。

第１図と第３図における電極間隔１０は多少異なるが、
おおよそ、どちらも数１０人〜数μｍで形成されるとよ
く、好ましくは数１０人〜２μｍ１より好ましくは１０
人比重μｍで形成される。

第３図の製造方法の概略を以下に説明する。

基板４の上に電子放出材９を分散含有する絶縁層５を成
膜し、パターニングにより段差部８を形成する。その後
電極１，２を成膜し、段差部の電極によるステップカバ
ーがされないようにし、電極間隔１０を形成する。した
がって、電極間隔１０は段差形成材つまり絶縁層の膜厚
で設定され１ま た段差部へ成膜する電極膜厚によって決定される。この
電極の成膜は通常真空成膜法等が用いられ高精度な膜厚
制御が可能である。従って、電極間隔１０は数１０人の
狭間隔が容易に精度良く得ることができる。

その後、電子放出体３ｂを絶縁層５の側壁部表面に配設
する。

さらに本発明では、第６図で、示すように、３つ以上の
形成方法で得た電子放出部を有する素子でもよい。

尚、本発明に係わる電子放出素子から電子が放出される
メカニズムについては定説はないが、はぼ以下の如くで
あろうと考えられている。

即ち、狭い絶縁層間に電圧がかかることによる電界放出
や、電子放出材から放出された電子が、島状構造の膜や
電極によって回折されたり、散乱されたり、或いは衝突
による二次電子放出や、熱電子、ホッピング電子、オー
ジェ電子等が考えられている。

〔実施例〕

次に、具体的な実施例について述べる。

実施例１ 第２図（ａ）、（ｂ）は本発明の電子放出素子の製造方
法の一例を示す工程図である。

ガラス基板４上に厚さ５．００人のＮｉ電極１を蒸着法
で形成した。電極１上に５ｉｎ２の絶縁層５ａを膜厚１
０００人でスパッタ法で蒸着し形成した。次にＡｖの電
子放出材を蒸着法で５００人形成しく３ａ層）、その後
絶縁層５　ｂ　（Ｓ　ｉｏ　２）を、膜厚１０００人で
スパッタ法により形成した。

絶縁層５ａ、電子放出層３ａ、絶縁層５ｂの各層を積層
させた後、１の電極パターンに沿わせて、第２図（ａ）
に示す如く、電極１の上に一部積層させてパターニング
する。次に、電極２を積層する。電極２はＮｉとした。

膜厚は必要な配線抵抗を得るたｌめ、５０００人とした
。

電極２を蒸着法で積層してから、第２図（ｂ）に示す如
く、電極１及び絶縁層５ａ、電子放出層３ａ、絶縁層５
ｂのパターンに沿って、電極２を例えば通常のホトリソ
工程によってパターニングする。さらに電子放出体３ｂ
としてＰｄ有機金属溶液（奥野製薬社製ギヤタペースト
ＣＣＰ４２３０）をスピンコードし、２５０°Ｃで１０
分焼成することにより絶縁層側壁表面に配設した。電極
２ａ、２ｂ間に電圧を１４Ｖ印加し不図示の引き出し電
極を素子基板上に設け、５００■の引き出し電圧をかけ
た場合、１．７μＡの電子ビーム７の放出が得られた。

実施例２ 第３図（ｄ）に該実施例で得られた電子放出素子の断面
図を示す（製造工程は第３図（ａ）〜（ｄ）を参照）。

清浄な厚み約１ｍｍの石英ガラス基板上４にＳｉＯ２流
体コーティング剤（東京応化工業製０ＣＤ）に有機パラ
ジウム化合物の溶解液（奥野製薬工業製ギヤタペース）
ＣＣＰ）を混合し、ＳｉＯ２：Ｐｃｔのモル比を約１０
：１に調製した溶液を作り、スピンナーにより回転塗布
した。その後約４００℃で１時間焼成し、膜厚約３５０
０人の電子放出材９（Ｐｄ微粒子）を含有したＳｉ○２
絶縁層５を形成した（第３図（ａ））。

次に絶縁層５をフォトリソエツチング法によりフッ酸水
溶液でエツチングし基板４の中央部に厚さ約３５００人
の段差部８を形成した（第３図（ｂ））。この後、段差
部８が完全に覆われない様にして膜厚約５００人のＮｉ
電極１，２を第３図（ｃ）に示す形状にＥＢ蒸着により
堆積形成した。

さらに電子放出体３ｂを絶縁層の側壁部表面に実施例１
と同様にして配設した（第３図（ｄ））。

以上の工程で得られた電子放出素子の電子放出特性を測
定した結果放出電流Ｉｅ＝４μＡ、放出効率α−２Ｘ１
０−”（素子印加電圧Ｖ、＝１４Ｖ、引き出し電圧Ｖ、
＝ＩＫＶ）程度の電子放出が得られた。

実施例３ 実施例２の電子放出体３ｂを形成した有機金属化合物溶
液を粒径が１００人程度のＳ　ｎ　Ｏ２微粒子を分散さ
せた５ｉｎ２液体コーティング剤に換えた他は実施例２
と同様の電子放出素子を形成した。実施例２とほぼ同様
の結果が得られた。

実施例４ 実施例１の電子放出体３ｂを形成した有機金属化合物溶
液を粒径が１００人程度のＳｎ　Ｏ２微粒子を有機バイ
ンダーと共に分散溶解させたコーティング剤に換えても
同様の結果が得られた。

実施例５ 基板４上へＳ　ｉＯ２膜を真空蒸着し絶縁層５ａとし、
その上にＰｄを５００人真空蒸着（電子放出層３ａ）し
、さらに５１０２膜を真空蒸着した絶縁層５ｂを作る（
第４図（ａ））。

次に絶縁層５ａ、５ｂおよび電子放出層３ａをエツチン
グし段差部８を作る（第４図（ｂ））。

その後、Ｎｉを５００人厚みマスク蒸着し電極１．２を
作る（第４図（Ｃ））。

さらに、素子基板表面に有機パラジウム溶液を塗布、焼
成し電子放出体３ｂを段差側壁部に配設する（第４図（
ｄ））。

該電子放出素子は、電子放出層３ａが実施例１に比べ段
差部近傍にのみ電子放出材が存在する構造になっている
。結果は、実施例１と同様に良好なものとなった。

実施例６ 第５図に示すように、実施例５の電子放出層３ａのＰｄ
微粒子膜に換えて、Ｐｄ微粒子分散溶液を塗布して得ら
れた層とした他は、実施例５と同様の電子放出素子を得
た。

同様の電子放出が得られた。

実施例７ 第６図に示すように、電子放出材９をＰｄ微粒子として
含有する絶縁層５中に電子放出層３ａとしてＰｄ蒸着膜
を配置し、段差部を形成させ、更に電子放出体３ｂを段
差側壁部に有機パラジウム溶液の塗布焼成によって配設
した素子においても同様な電子放出が得られた。このよ
うに電子放出材を３種以上配設してもよい。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明に係わる電子放出素子およびそ
の製造方法によれば、従来例の様なフォーミング処理を
施すことなく、電子放出体を有する電極間隔を非常に狭
くしても安定な構造を有する電子放出素子を形成できる
。

従って、本発明による電子放出素子では、フォーミング
処理に伴う従来の不都合な点を全くなく、特性のバラツ
キの少ない素子を多数個容易に製造できるようになり、
産業上極めて有用である。

さらに電極間隔を絶縁層膜厚かあるいは電極膜厚及び段
差形成材膜厚によって制御するために数１０人から数μ
ｍ程度の寸法を容易に制御して作製できるため電子放出
素子の設計自由度が大幅にひろがった。また電子放出に
かかわる電子放出材と該電子放出材へ電圧を印加する電
極を別々に構成するため、各々適切な材料が選択でき電
子放出素子の性能を向上させる上で極めて有用である。

また、本発明により得られた電子放出素子は、平面状に
配列し、電圧を印加して放出された電子を加速して蛍光
体を刺激して発光させる、平面型表示装置に利用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子放出素子の１つの実施態様を示す
模式図、 第２図は実施例１の電子放出素子の製造方法を示す図、 第３図は本発明の電子放出素子の他の実施態様を示す模
式図、 第４図は実施例５の電子放出素子の製造方法を示す図、 第５図は実施例６の電子放出素子を示す断面図、 第６図は実施例７の電子放出素子を示す断面図、 第７図は従来の電子放出素子を示す図である。 １．２．２ａ、２ｂは電極 ３は電子放出部 ３ａは電子放出層 ３ｂは電子放出体 ４は基板 ５．５ａ、５ｂは絶縁層 ７は電子ビーム ８は段差部 ９は電子放出材 １０は電極間隔 １１．１２は電極 １３は薄膜 １４は電子放出部 １５は基板 ｃｓ　　　　　　　　　　　０ へ　　　　　　　＾ Ｕ　　　　　　　　　刀 惰午口 ヤｒ７圀

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する一対の電極間に絶縁層を挟持してなる積
   層体に対し、該絶縁層に電子放出材が含まれており、か
   つ、電極の対向部に形成された絶縁層の側壁部表面にも
   電子放出材を配設してなり、電極間に電圧を印加するこ
   とにより電子を放出することを特徴とする電子放出素子
   。
2. （２）電極支持体上に絶縁層で段差部を形成させ、該段
   差部上、下端に重なり部を持たない一対の電極の各端部
   が位置し、該電極が該段差部をはさんで対向して電極間
   隔を有していることを特徴とする請求項１記載の電子放
   出素子。