JPH06101297B2

JPH06101297B2 - 電子放出素子

Info

Publication number: JPH06101297B2
Application number: JP10248788A
Authority: JP
Inventors: 哲也金子; 一郎野村; 嘉和坂野; 俊彦武田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-04-27
Filing date: 1988-04-27
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPH01276528A

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フィジィッス（Radio
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像を利
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、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.Dittmer:“Thin Solid Films"）,9巻,317
頁，（1972年］、ITO薄膜によるもの［エムハートウ
ェルアンドシーフォンスタッド“アイイーイ
ーイートランス”イーディーコンファレンス
（M.Hartwell and C.G. Fonstad:“IEEE Trans.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放出素子の典型的な素子構成を第３
図に示す。同図において、９および10は電気的接続を得
る為の電極、12は電子放出材料で形成される薄膜、11は
基板、13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９
と電極10の間に電圧を印加する事により、薄膜12に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜12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13を形成することにより電子放出機能
を得ている。

［発明が解決しようとしている課題］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なう場合、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。

［課題を解決するための手段］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、従来例のフォーミングによる電子放
出素子とほぼ似ていると考えられる。即ち、従来のフォ
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。フォーミングによる素子では、この亀裂
の形状、巾、及び島の形、大きさがフォーミングの条件
を一定にしても複雑に変化し、一定にすることは極めて
困難であった。

本発明は、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
を提供するものである。

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ものであ
る。

即ち、本発明は微粒子を分散した面を挟持した絶縁層を
基板上に設け、絶縁層の端部と基板上面間に段差部を形
成し、該絶縁層上面と基板上面とに電極を設け、微粒子
を分散した面に接触しないように各電極の一端が段差部
の上端又は下端に位置し、かつ該電極端部間に電極間隔
が形成され、これら電極間に電圧を印加することにより
電子を放出する電子放出素子である。

本発明の電子放出素子では、段差部で対向する一対の電
極の間隔部は従来例のフォーミングによる素子における
亀裂部に相当し、微粒子は島に相当する構造となる。ま
た、これら電極間隔の位置、形状、大きさ及び微粒子の
粒径、分散状態等の構造を制御することができ、さらに
は材料の選択幅も大幅に広げることができる。また、絶
縁層で挟持することによって微粒子の分散される位置を
非常に狭く限定、制御できるため微粒子部は非常に大き
な電界を電極から与えることができ、電子放出の特性を
向上させることもできる。

以下、本発明を詳細に説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明例を示す製造工程断面図
であり、第２図は素子平面図である。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、３は基板、４
は基板３上の絶縁層、５は絶縁層４上の微粒子、６は微
粒子５を覆う絶縁層、７は絶縁層4,6及び微粒子５を形
成して成る段差部、８は電極1,2の電極間隔である。

第１図（ｄ）において本発明の電子放出素子は、端部が
段差部７で対向する電極1,2の電極間隔８に絶縁層4,6間
に挟持された微粒子５が配置してなり、電極1,2間に電
圧を印加することにより微粒子５より電子を放出するも
のである。

次に第１図（ａ）〜（ｄ）及び第２図により本発明の製
造方法の例を述べる。

まず、ガラスやセラミックス等から成る基板３上に絶縁
層４を、液体コーティング法や真空堆積法等により堆積
し、次に絶縁層４上に微粒子５を分散する（第１図
（ａ）参照）。

次いで絶縁層４及び微粒子５上に絶縁層６を、液体コー
ティング法や真空堆積法等により微粒子５を覆う様にし
て堆積する（第１図（ｂ）参照）。

さらに微粒子５を挟持した絶縁層４及び６を基板３のほ
ぼ中央部で段差部７を得るように、フォトリソエッチン
グ法により形成する（第１図（ｃ）参照）。

その後、絶縁層６及び基板３の上へ、段差部７の側壁の
少なくとも一部と微粒子５が隠れず、かつ、電気的に短
絡しないように電極1,2を堆積し、電極間隔８を形成す
る（第１図（ｃ）参照）。

以上の工程により本発明の電子放出素子を得ることがで
きる。本素子を真空容器中に入れ、電極1,2へ電圧を印
加し、引き出し電極板（図示せず）を素子上面に対向し
て配置させ高電圧をかけることによって、電極間隔８の
附近より電子が放出される。

以上の工程によると従来例のフォーミング素子における
亀裂は、電極間隔８に相当する。本発明における電極間
隔８は段差部７の高さに対する基板３上へ堆積する電極
１の膜厚によって制御される。一般に堆積による膜厚制
御は比較的容易であり精度も高い。特に真空堆積法にお
いては数10Åの膜厚までも堆積膜厚の制御は容易であ
る。従って電極間隔８は電極１の堆積膜厚を精度良く制
御することによって数10Å程度の間隔寸法を得たり又、
間隔寸法を高精度にすることができる。また電極間隔部
の位置及び形状はフォトリソエッチング法によって得ら
れる段差部７の位置及び形状によって制御できる。

従来例のフォーミング素子における島構造は、微粒子５
の構造に相当し、微粒粉や有機金属化合物等を有機溶媒
等に分散または混合した溶液を絶縁層４上にスピンコー
ト又はディップコート等により塗布し、焼成するか、又
は、真空堆積法における、蒸着初期の不連続な島状構造
粒子を絶縁層４上に堆積する等の方法によって得られ
る。

従って、微粒子５の粒径、分散状態等は微粒粉の粒径や
有機金属化合物の種類、焼成条件、液体コーティング剤
との混合比、分散条件等や蒸着条件等によって制御する
ことが可能である。

以上の例で示した本発明において電極の材料としては、
従来例で通常、表面伝導形電子放出素子として使用され
ている広範囲のもの、例えばSnO₂，In₂O₃,PbO等の金属
酸化物、Au,Ag等の金属、カーボンその他各種の半導体
など、自らが電子放出材料として適当なものが使用でき
る。しかし本発明では電子放出にかかわる微粒子を別に
配置させるため、電極材料としては前記以外にむしろ電
極として適当な材料を使用することができる。例えば耐
電圧性、耐熱性、加工性、耐酸化性、寿命、取り出せる
電流量、比抵抗等を考慮して電極材料を選び使用でき
る。例えば、Cu,Al,Ni,Pd,Pt,W,Ta,Mo,Cr,Ti等であるが
この限りではない。

電極膜厚は、通常の表面伝導形電子放出素子に用いられ
る厚さが好ましい。その具体例を示すと、使用される材
料の種類により異なるが、通常0.01〜５μｍ、好ましく
は0.01〜２μｍ程度である。また、電子放出にかかわる
微粒子材料としては、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,Al,Pt,Pd等の金属やSnO₂，In₂O₃,B
aO,MgO等の酸化物、もしくはカーボン域いは以上の混合
物等であるが、この限りではない。

微粒子の寸法は通常直径が数十Åから数千Å程度が好ま
しい。この寸法は前記方法によって容易に得られる寸法
である。

絶縁層の材料としては、絶縁性材料が用いられる。例え
ばSnO₂，Si₃N₄,MgO,TiO₂，Ta₂O₅，Al₂O₃等あるいはこれ
らの積層物や、混合物でもよいが、材料としてこの限り
ではない。

絶縁層の膜厚は堆積する電極の膜厚によって異なる。こ
れは絶縁層膜厚による段差部７の高さに対する電極１の
膜厚によって電極間隔８が制御されるからである。ここ
で微粒子５は強電界を与えるため、電極1,2に接触して
はならない。従って絶縁層４の膜厚は電極１の膜厚より
厚いことが必要である。また、絶縁層６は、微粒子５を
完全に覆える膜厚が必要であり、電極２と微粒子５の絶
縁を保つ必要がある。単純に電極間隔寸法が絶縁層膜厚
から成る段差部７の高さより電極１の堆積膜厚を指し引
いた値となると考えれば、絶縁層4,6の膜厚は所望の電
極間隔寸法値と堆積電極膜厚より算出される。

電極間隔の寸法としては数10Åから数μｍでも良い。特
に電極間隔寸法が狭くなる程、電極間の微粒子にかかる
電界が大きくなり、結果として電子放出効率（電極間に
流れる電流に対する放出電子の電流量）は向上する傾向
にある。

微粒子は絶縁層に挟持、固定されている。よって電極か
らの高電界による電子放出状態においても移動、変形が
起きにくい構成となっているため、安定した電子放出が
得られる。

以上の説明から容易に理解される様に、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、絶縁層から成る段差部７での電極間隔８であり、
電極膜厚によって制御される。このため、この電極間隔
８は、数10Åから数μｍ程度まで容易に制御して均一に
形成できる。また電極間隔８部の位置及び形状は、フォ
トリソエッチング等で得られる段差部７の位置及び形状
で制御できる。

さらに島状構造に相当するものは、微粒子５であり、微
粒粉や有機金属化合物等の塗布焼成や、真空蒸着不連続
膜等により作製されるため、寸法や分散状態等、容易に
制御することができ、均一な構造を作ることができる。

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、ほぼ以下の如く
であろうと考えられる。即ち狭い絶縁層間に電圧がかか
ることにより電界放出や電極からの電子が島状構造の微
粒子又は対向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、オージェ電子等による電子放出が考えられる。

また、本発明のように、電子放出にかかわる微粒子が絶
縁層に挟持されることによって微粒子の位置が非常に狭
い領域に限定されるため、電極からの電界を集中的に該
微粒子へ高電界で印加することができる。従って該高電
界の効果によって、より多くの電子を放出することがで
き、電子放出効率の向上や、駆動電圧の低減等、電子放
出素子の特性を向上させることができる。

［実施例］前述の第１図（ａ）〜（ｄ）の製造工程に基づいて、第
２図に示す態様の電子放出素子を得た。

即ち、厚み約1mmの清浄な石英ガラス基板上にSiO₂液体
コーティング剤（東京応化工業製OCD）をスピンナーに
より回転塗布した。その後約400℃で１時間焼成し膜厚
約1000ÅのSiO₂から成る絶縁層４を得た。続いて、絶縁
層４上に有機パラジウム化合物を含む有機溶媒（奥野製
薬工業製キャタペーストCCP）をスピンナーにより回転
塗布した。その後約250℃10分間焼成し、Pdから成る微
粒子５を絶縁層４面上に分散した状態で得た（第１図
（ａ）参照）。

次に、微粒子５及び絶縁層４上に、絶縁層４と同様にし
て、SiO₂から成る絶縁層６を膜厚約500Åとなるよう塗
布、焼成した（第１図（ｂ）参照）。

その後、絶縁層4,6及び微粒子５をフォトリソエッチン
グ法によりフッ酸水溶液でエッチングし、基板３の中央
部に高さ約1500Åの段差部７を形成した（第１図（ｃ）
参照）。

さらに段差部７が完全に覆われない様にして膜厚約500
ÅのNi電極1,2を第２図に示す形状にマスクEB蒸着によ
り堆積し形成した。第２図中ｌ＝2mm,W＝0.3mmの大きさ
とした。この際電極1,2はある間隔を有し、微粒子５を
挟持した絶縁層4,6の段差部７の側壁を介して対向した
構造となる。この間隔部を電極間隔８とする（第１図
（ｄ）参照）。

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＝2.0μＡ、放出効率α＝８×1
0^-3程度の電子放出が得られた。

以上の実施例では、微粒子材として有機金属化合物の有
機溶媒を用いたが、一次粒径が100Å程度のSnO₂微粒子
と有機バインダーであるブチラールを有機溶媒に分散溶
解してコロイド溶液を調合し、これを絶縁層４上へ上記
実施例と同様に分散塗布、焼成した素子においても同様
な電子放出を得ることができた。

［発明の効果］以上説明したように、本発明は、微粒子を分散した面を
挟持した絶縁層の段差部に電極間隔を有する一対の対向
する電極を配置し、該電極間に電圧を印加することによ
り電子を放出する電子放出素子であるため、従来例の様
なフォーミング処理を施すことのない電子放出素子を提
供することができる。

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は全く無く、特性のバラツキ
の少ない素子を多数個容易に製造でき、産業上、極めて
有用である。

また電極間隔を電極膜厚によって制御するために、数10
0Åから数μｍ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る。

さらには、微粒子の位置を非常に狭い領域に限定し電極
からの電界を集中的に微粒子へ印加できるようにしたた
め、電子放出効率の向上や駆動電圧の低減等、電子放出
素子特性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子放出素子の製造工程の説明
図、第２図は本発明に係る電子放出素子の平面図、第３
図は従来の電子放出素子の平面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武田俊彦東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特公昭44−17050（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粒子を分散した面を挟持した絶縁層を基
板上に設け、絶縁層の端部と基板上面間に段差部を形成
し、該絶縁層上面と基板上面とに電極を設け、微粒子を
分散した面に接触しないように各電極の一端が段差部の
上端又は下端に位置し、かつ該電極端部間に電極間隔が
形成され、これら電極間に電圧を印加することにより電
子を放出する電子放出素子。