JPH03127428A - 表面伝導形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、冷陰極型電子放出素子及びその製造方法に関
し、特に電子放出部を導電性微粒子から成る複数の突起
体によって構成した表面伝導形電子放出素子及びその製
造方法に関する。

［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、
例えば、エム　アイ　エリンソン（Ｍ、　ＬＥｌｉｎｓ
ｏｎ）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（Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。

ｐｈｙｓ、　）第１０巻、１２９０〜１２９６頁、１９
６５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電子放出素子と呼ば
れている。

この表面伝導形電子放出素子としては、前記エリンソン
等により開発されたＳｎＯ□（Ｓｂ）薄膜を用いたもの
、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、　ＤＬｔｔｍｅｒ：“Ｔｈ１
ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉ１ｍｓ″）、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　フオンスタツド“ア
イイー　イー　イー　トランス”イー　デイ−コンフ（
Ｍ、　Ｈａｒｔｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｃ，Ｇ、　Ｆｏｎｓ
ｔａｄ：　　Ｉ　ＥＥＥＴｒａｎｓ、　　ＥＤ　Ｃｏｎ
ｆ、　　”　）　　５１９頁、　　（１９７５年）］、
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電子放出素子の典型的な素子構成を
第２図に示す。同第２図において、１及び２は電気的接
続を得る為の電極、３は電子放出材料で形成される薄膜
、４は絶縁性基板、５は電子放出部を示す。

従来、これらの表面伝導形電子放出素子においては、電
子放出を行う前に予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ｌ
と電極２の間に電圧を印加することにより、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５を形成することにより電子放出機
能を得ている。

上述、電気的に高抵抗状態とは、薄膜３の一部に０．５
ｇｍ〜５←ｍの亀裂を有し、且つ亀裂内が所謂島構造を
有する不連続状態膜を云う。島構造とは、一般に数十人
から数ｐｍ径の微粒子が基板４にあり、各微粒子は空間
的に不連続で電気的に連続な膜を云う。

従来、表面伝導形電子放出素子は上述高抵抗不連続膜に
電極１，２により電圧を印加し、素子表面に電流を流す
ことにより、上述微粒子より電子放出せしめるものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の様な従来の通電加熱によるフォー
ミング処理によって製造される電子放出素子は、電子放
出部となる島構造の意図的な形状設計が困難なために、
素子の改良が難しく、作製された素子毎の電子放出部の
位置や特性にもバラツキを生じ易く、不安定で再現性に
乏しいものとなっていた。

そこで、フォーミングを使用せず、上記島構造を作製す
る方法として、微粒子を分散形成する方法や熱処理によ
る局所的な析出現象を利用する方法、微粒子を直接吹き
付けて島構造に堆積する方法等が提案されている。

これらの手段によれば、素子劣化のない素子が作製でき
るものの、未だ素子特性としては満足のいくものではな
く、特に微粒子を堆積する方法等においてはかかる微粒
子の取扱い工程が煩雑であること等からその解決策が望
まれていた。

従って、かかる表面伝導形放出素子は、構造が簡単であ
るという利点を有するにもかかわらず、産業上積極的に
応用されるには至っていなかった。

すなわち、本発明の目的とするところは、輝度等の点か
ら放出電流の大きなもの、電子放出部。

基板等の劣化防止、寿命向上の点からも発熱量の軽減、
放出効率の大きな表面伝導形放出素子及びその製造方法
を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明の特徴と
するところは、電子放出部が、導電性微粒子から成る複
数の突起体を有する表面伝導形電子放出素子にあり、 また、電子放出部が、導電性微粒子から成る、複数の突
起体と薄膜から構成される表面伝導形電子放出素子とし
ている点にも特徴がある。

ここで、前記突起体は、−手段として、導電性微粒子が
溶融した後、樹木状に成長することで得ることができる
。

また、絶縁性基板上に設けた一対の電極間に導電性微粒
子を堆積させ、該堆積微粒子に高エネルギー光を照射し
て突起体を形成し電子放出部を形成する表面伝導形電子
放出素子の製造方法をも特徴とするものである。

これにより、従来のいわゆるフォーミング処理を施すこ
となく、簡単な工程で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、電子放出特性、
特に電子放出の効率を向上させ、特性のバラツキが少な
い電子放出素子な提供できる。

以下、本発明を図に基いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の電子放出素子の一実施例を示す模式
断面図である。同図において、ガラス。

石英等の絶縁性基板４上に電圧印加用の低抵抗体からな
る電極ｌおよび２が微小間隔をおいて設けられ、その間
に微粒子又は微粒子を含む堆積構造体６からなる突起体
が形成されている。

また、不図示であるが、電子放出特性の測定のために、
電子放出部の上面に間隔を取って、放出された電子を引
き出す為の引き出し電極を設けて、高真空中で電極１．
２間に電圧を印加して電子放出部より引き出し電極の方
向、すなわち、はぼ図中基板に垂直上方向に電子を放出
するものである。

ここで、絶縁性基板４上の突起体を構成する微粒子６は
、粒径が数十Ａ〜１０００スの導電性微粒子であり、か
かる構造を得るには、導電性微粒子膜やこれら導電性微
粒子が分散されたカーボン薄膜をガスデポジション法や
分散塗布法等により電極間に形成し、その後、後述する
高エネルギー光を照射する方法で突起体が形成される。

本発明で用いられる微粒子の材料は非常に広い範囲に及
び、通常の金属、半金属、半導体といった導電性材料の
殆ど全てが使用可能である。なかでも低仕事関数で高融
点かつ低蒸気圧という性質をもつ通常の陰極材料や、ま
た従来のフォーミング処理で表面伝導形電子放出素子を
形成する薄膜材料や、２次電子放出係数の大きな材料等
が好適である。

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ＬａＢａ、　ＣｅＢａ、　ＹＢ４．　ＧｄＢ
４等の硼化物、Ｔｉｅ、　ＺｒＣ，ＨｆＣ，Ｔａｇ、　
ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、　ＺｒＮ、　ＨｆＮ
等の窒化物、Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｒｈ、　Ｈｆ。

Ｔａ、　Ｗ、　Ｒｅ、　Ｉｒ、　Ｐｔ、　Ｔｉ、　Ａｕ
、　Ａｇ、　Ｃｕ、　Ｃｒ、　Ｇｏ。

Ｎｉ、、　Ｆｅ、　Ｐｄ等の金属、Ｉｎ、Ｏ，ＳｎＯ，
５ｂｚＯｓ等の金属酸化物、Ｓｉ、　Ｇｅ等の半導体、
カーボン等を一例として挙げることができる。尚、本発
明は、上記材料に限定されるものではない。

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ＳｎＯ□、　ＩＴＯ等の酸化
物導電性材料で６使用できる。

次に、第１図において電極１．２の厚みは、数ｌＯＯλ
〜数Ｐｍ程度が適当であるが、この数値に限るものでは
ない。また電極間隔りの寸法は数１０００λ〜数１００
Ｈ、一般には０．５〜１０μｍが実用的である。対向す
る電極幅は数叩〜数開程度が適当である。

また、突起体は電極間に複数形成され、前述Ｕた材料の
微粒子又は微粒子を含む堆積構造体から成る。かかる微
粒子の大きさは、前述したように粒径が数十人〜数叩で
あるため、突起体自体は複数あるいは単独の微粒子で形
成される。かかる突起体は、電極間上に複数個形成され
、高さ２００Å以上の実状乃至樹木状の構造を成すもの
が好ましい。高さが２００人を下回わると、電子放出特
性の改善度が小さい。形成される突起体の密度、数は特
に問わないが、大きい方が電子放出特性は改善され易い
。

以上のような突起体の形成は、微粒子あるいは微粒子を
含む薄膜導電体の堆積膜（堆積構造体）に高エネルギー
光、例えば高効率、高出力が期待できるエキシマレーザ
−を照射する。エキシマレーザ−の種類、パワー、照射
時間等の条件は、照射される微粒子あるいは微粒子を含
む薄膜導電体の堆積膜の厚み９種類、密度等により異な
るが、その状況により適宜選ぶことができる。

かかる高エネルギー光の照射により、電子放出特性とし
て満足のいく突起体が形成されるが、照射条件等の選定
が不適当であった場合には、かかる照射処理後に、付加
的に通電処理を施すことで放出特性を左右する抵抗値の
制御あるいは素子の安定化を図ることができる。

かかる通電処理の方法には、形成された突起体すなわち
微粒子堆積体に通電処理を行って、その一部を高抵抗化
する方法、あるいは微粒子膜に通電処理を行ってその一
部を低抵抗化する方法があるが、いずれを用いても構わ
ない。

以上のように、紫外線レーザー等高エネルギー光の照射
あるいは付加的な通電処理によって、微粒子あるいは微
粒子を含む薄膜導電体の形状及び構造が変化し、従来に
比べ好特性の電子放出部が形成される。

［実施例］ 以下、実施例にて本発明を具体的に詳述する。

及血盟ユ 第１図の構成断面図に示すように、清浄な石英製の絶縁
基板４上にＮｉ電極（膜厚３０００人）を形成し、フォ
トリソグラフィーの手法を使って、電極１．２のパター
ンを形成する。図中の電極間隔りは３ｐｍ、電極幅（紙
面垂直方向）は４００μｍとした。

次に、有機パラジウムを電極１と２の間に分散塗布する
。有機パラジウムは奥野製薬■ＣＣＰ−４２３０を用い
た。

微粒子を分散したくないところにはテープ又はレジスト
膜を設け、その後ディッピング法又はスピナー法で有機
パラジウムを塗布する。次に３００℃で１時間焼成し有
機パラジウムを分解し、パラジウムと酸化パラジウムの
混合した微粒子膜を形成する。次にテープ又はレジスト
膜を剥離することにより所定の位置に微粒子膜を作製し
た。

かかる膜厚は、約０．２ｐｍであり、電極間でほぼ均一
であった。このとき、パラジウムと酸化パラジウムの微
粒子の径は共に６０入〜１５０人であった。なお、この
ときのシート抵抗は１０’〜１０８Ω／口程度である。

次に微粒子膜にＬＵＭＯＮＩＣ５社製エキシマレーザ−
ＨＥ−４４０により、ＫｒＦ希ガスハロゲンエキシマレ
ーザ−（２４８ｎｍ）を大気中にて照射した。その条件
は、パルス幅１５ｎｓ、照射領域φ５ｍｍ、パルス周波
数１０Ｈｚ、エネルギー密度８０ｍＪ／ｃｍ２、照射時
間１００ｓｅｃとした。その結果、突起高さ４００人〜
１５００人の樹木状突起体６が形成された。

上記により作製した素子に対して、真空度ｌ０−５Ｔｏ
ｒｒ下で、引き出し電極を素子基板面から、垂直方向３
ｍｍ離した位置に設定し、電極間に電圧を印加したとこ
ろ、安定な電子放出を観測した。具体的には、１５Ｖの
電圧印加で平均放出電流２．２　ＵＡが安定して得られ
、効率も１．２　Ｘｌ０−”であった。

Ｌ校■ユ 実施例１においてＫｒＦ希ガスハロゲンエキシマレーザ
−を照射しなかった以外は、実施例１と同様に試料を作
製して評価した。その結果、平均放出電流１．８ドＡ、
効率４　Ｘ　１０−’となった。

実施例１と本比較例から分かるように、電子放出特性、
特に電子放出効率が１ケタ近く改善されている。

夾１１糺ｌ 第１図に示すように、清浄な石英製の絶縁基板４上にＮ
ｉ電極（膜厚３０００Å）を形成し、フォトリソグラフ
ィーの手法を使って、電極１，２のパターンを形成する
。図中の電極間隔りは３叩、電極幅（紙面垂直方向）は
４００門とした。

次に第３図に示した真空装置内に上記基板を入れる。真
空装置は微粒子生成室７と微粒子堆積室８及びその２室
を継ぐ縮小拡大ノズル９から構成され、微粒子堆積室８
内の図中試料基板１０の位置にセットされる。排気系１
１で真空度をＩ　Ｘ　１Ｏ−８Ｔｏｒｒ以下になるまで
排気した後、Ａｒガス１２を微粒子生成室７に６０３Ｃ
ＣＭ流した。この時、微粒子生成室７の圧力は５　Ｘ　
１０−”Ｔｏｒｒ、微粒子堆積室８の圧力はＩ　Ｘ　１
０−’Ｔｏｒｒとなり、２ケタの真空度の差を生じた。

縮小拡大ノズルの径は５φであり、ノズル−基板間距離
は１５０ｍｍとした。

次いでカーボン製ルツボの蒸発源１３よりＰｄを前述条
件下で蒸発させて生成したＰｄ微粒子を、ノズル９より
吹き出させ基板上に堆積させる。この時、微粒子生成室
７と微粒子堆積室８の圧力差のためにノズルからのＰｄ
微粒子を含むガスが高速ビームとなり基板上に衝突し、
ｐｂ微粒子が固定化されつつ堆積する。

このようにして、Ｐｄ微粒子をわずかに約１０００人相
当の電極間周辺に堆積させた。このときＰｄ微粒子は試
料全面に配置されるが、電子放出に際し電極間隔り部組
外のＰｄ微粒子は実質的に電圧が印加されないため何ら
の支障はない。この堆積物を高分解能ＦＥ−ＳＥＭで観
察したところ、約５０〜２００大の粒径をもち、中心粒
径がｉｏｏ人のＰｄ微粒子が島状に散在していた。

次に、かかる微粒子膜に、ＬＵＭＯＮＩＣ５社製エキシ
マレーザ−ＨＥ−４４０により、ＡｒＦ希ガスハロゲン
エキシマレーザ−（１９２ｎｍ）を大気中で、パルス幅
１４ｎｓ、照射領域φ５ｍｍ、パルス周波数１０Ｈｚ、
エネルギー密度０．　Ｇ６Ｊ／ｃｍ２の条件で２０ｓｅ
ｃ照射した。その結果、突起高さ２００人〜１０００人
の、先端がやや実状の突起体が形成されていた。

その後、上記微粒子膜に通電処理を行って電子放出部を
形成した。こうして作製された試料に対して、真空度１
０−’Ｔｏｒｒ下で引き出し電極を素子基板面から垂直
方向３ｍｍ離した位置に設定し、電極間に電圧を印加し
たところ、安定な電子放出を観測した。具体的には、１
５Ｖの電圧印加で平均放出電流２．５μｓＡが安定して
得られ、効率も９　Ｘ　１０−’となった。

比土量糺ｌ 実施例２においてＡｒＦ希ガスハロゲンエキシマレーザ
−を照射しなかった以外は、実施例２と同様に試料を作
製して評価した。その結果、平均放出電流１．３μＡ、
効率１．６　Ｘｌ０−’となった。

実施例２と本比較例から分かるように、電子放出特性、
特に電子放出効率が１ケタ近く改善されている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の電子放出素子及びその製
造方法によれば、導電性微粒子膜あるいは微粒子を含む
薄膜導電体に高エネルギー光を照射する、という簡単な
工程を付加するだけで電子放出部が作製できるばかりで
なく、素子の電子放出特性、特に電子放出効率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電子放出素子を示す模式的断面図を
示す。 第２図は、従来の表面伝導形電子放出素子の典型的な素
子構成を示す模式的平面図である。 第３図は、電極間に微粒子を堆積させる一実施例の真空
装置図である。 ２・・・電極 ・・・薄膜 ・・・絶縁基板 ・・・電子放出部 ｌＯ・・・試料基板 １１・・・排気系 １２・・・導入Ａｒガス １３・・・蒸発源 ７・・・微粒子生成室 ８・・・微粒子堆積室 ９・・・ノズル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子放出部が、導電性微粒子から成る複数の突起
   体を有することを特徴とする表面伝導形電子放出素子。
2. （２）電子放出部が、導電性微粒子から成る、複数の突
   起体と薄膜から構成されることを特徴とする表面伝導形
   電子放出素子。
3. （３）前記突起体が、導電性微粒子の溶融後樹木状に成
   長したものであることを特徴とする請求項１又は２記載
   の表面伝導形電子放出素子。
4. （４）絶縁性基板上に設けた一対の電極間に導電性微粒
   子を堆積させ、該堆積微粒子に高エネルギー光を照射し
   て突起体を形成し電子放出部を形成することを特徴とす
   る表面伝導形電子放出素子の製造方法。