JPH09330649A

JPH09330649A - 電子放出素子、電子源、及び画像形成装置

Info

Publication number: JPH09330649A
Application number: JP17072496A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kishi; 博義岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高品位画像形成装置を実現し得る電子ビーム
源としての電子放出素子を提供する。【解決手段】基板１上の素子電極２，３間に、電子放
出部５を有する導電性膜４を備える電子放出素子におい
て、導電性膜４がＮｉとＮｉ酸化物からなり、該Ｎｉ酸
化物中のＮｉが、導電性膜４中の全Ｎｉの５ａｔｏｍｉ
ｃ％以上９０ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とす
る。【効果】低電力で形状の揃った電子放出部を形成で
き、素子毎の特性のバラツキを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、該
電子放出素子を多数個配置してなる電子源、及び該電子
源を用いて構成した表示装置や露光装置等の画像形成装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子には大別して熱電子
放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類が知られてい
る。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「ＦＥ
型」と称す。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩ
Ｍ型」と称す。）や表面伝導型電子放出素子等が有る。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ
ａｎｄＷ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“ＦｉｅｌｄＥｍｉｓ
ｓｉｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍ
ｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂ
ｄｅｎｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの
が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，“ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉ
ｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたものが
知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ，ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０，１２９０（１９６５）等
に開示されたものがある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、絶縁性基板上
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あ
る。この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリン
ソン等によるＳｎＯ_２薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によ
るもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：“ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ”，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ_２Ｏ_３
／ＳｎＯ_２薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａ
ｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥＴｒａｎ
ｓ．ＥＤＣｏｎｆ．”，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、２２頁（１９８３）］等が報告されている。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として、前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１
６に模式的に示す。同図において１は基板である。４は
導電性膜で、Ｈ型形状のパターンに形成された金属酸化
物薄膜等からなり、後述の通電フォーミングと呼ばれる
通電処理により電子放出部５が形成される。

【０００８】これらの表面伝導型電子放出素子において
は、電子放出を行う前に導電性膜４を予め通電フォーミ
ングと呼ばれる通電処理によって電子放出部５を形成す
るのが一般的である。即ち、通電フォーミングとは、前
記導電性膜４の両端に電圧を印加通電し、導電性膜４を
局所的に破壊、変形もしくは変質させて構造を変化さ
せ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部５を形成する処
理である。尚、電子放出部５では導電性膜４の一部に亀
裂が発生しており、その亀裂付近から電子放出が行われ
る。

【０００９】上述の表面伝導型電子放出素子は、構造が
単純であることから、大面積に亙って多数素子を配列形
成できる利点がある。そこで、この特徴を活かすための
種々の応用が研究されている。例えば、荷電ビーム源、
表示装置等の画像形成装置への利用が挙げられる。

【００１０】従来、多数の表面伝導型電子放出素子を配
列形成した例としては、並列に表面伝導型電子放出素子
を配列し、個々の表面伝導型電子放出素子の両端（両素
子電極）を配線（共通配線とも呼ぶ）にて夫々結線した
行を多数行配列（梯子型配置とも呼ぶ）した電子源が挙
げられる（例えば、特開昭６４−３１３３２号公報、特
開平１−２８３７４９号公報、同２−２５７５５２号公
報）。

【００１１】また、特に表示装置においては、液晶を用
いた表示装置と同様の平板型表示装置とすることが可能
で、しかもバックライトが不要な自発光型の表示装置と
して、表面伝導型電子放出素子を多数配置した電子源
と、この電子源からの電子線の照射により可視光を発光
する蛍光体とを組み合わせた表示装置が提案されている
（アメリカ特許第５０６６８８３号明細書）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
様な従来の表面伝導型電子放出素子には、次のような問
題点があった。（１）フォーミングにより形成される電子放出部（亀
裂）の形状を制御しにくく、亀裂が蛇行することがあ
る。このため、各素子間の電子放出特性にバラツキが生
じやすく、画像形成装置の電子源として、はなはだ不都
合である。（２）フォーミングに要する電力は一般に高く、多数の
素子を同時にフォーミングする場合には、特に不都合で
あった。

【００１３】本発明は、上記問題を鑑み、電子放出部が
より均一な電子放出素子、電子放出素子を複数備え各素
子の電子放出部が均一な電子源、かかる電子源を備えよ
り高品位な画像を形成し得る画像形成装置の提供を目的
とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべく
成された本発明の構成は、以下の通りである。

【００１５】即ち、本発明の第一は、対向する一対の電
極間に、電子放出部を有する導電性膜を備える電子放出
素子において、前記導電性膜がＮｉとＮｉ酸化物からな
り、該Ｎｉ酸化物中のＮｉが、該導電性膜中の全Ｎｉの
５ａｔｏｍｉｃ％以上９０ａｔｏｍｉｃ％以下であるこ
とを特徴とする電子放出素子にある。

【００１６】上記本発明第一の電子放出素子は、さらに
その特徴として、「前記電子放出部の近傍に炭素質被膜
を有する」こと、「前記電子放出素子が、表面伝導型電
子放出素子である」こと、をも含む。

【００１７】また、本発明の第二は、入力信号に応じて
電子を放出する電子源であって、上記本発明第一の電子
放出素子を、基体上に複数個配置したことを特徴とする
電子源にある。

【００１８】上記本発明第二の電子源は、さらにその特
徴として、「前記電子放出素子の複数が梯子状に配置さ
れており、個々の電子放出素子の両素子電極が並列に二
本の行配線に接続されており、更に変調手段を有する」
こと、「前記複数の電子放出素子がマトリクス状に配置
されており、個々の電子放出素子の一方の素子電極を行
配線に接続し、個々の電子放出素子の他方の素子電極を
前記行配線と直交する列配線に接続した」こと、をも含
む。

【００１９】さらに、本発明の第三は、入力信号に基づ
いて画像を形成する装置であって、少なくとも、上記本
発明第二の電子源と、画像形成部材とによって構成され
たことを特徴とする画像形成装置にある。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明者は鋭意研究を重ねた結
果、特定の導電性膜材料によって前述の問題点を解消し
得ることを見いだし本発明に至ったものであり、以下本
発明の好ましい実施態様を示す。

【００２１】本発明の電子放出素子は、先述したような
冷陰極型の電子放出素子に分類されるもので、それらの
中でも電子放出特性等の観点から特に表面伝導型の電子
放出素子が好適である。このため、以下では表面伝導型
電子放出素子を例に挙げて説明する。

【００２２】本発明の表面伝導型電子放出素子には平面
型と垂直型がある。まず、平面型の表面伝導型電子放出
素子の基本的な構成について説明する。

【００２３】図１は、本発明の平面型表面伝導型電子放
出素子の一構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は平
面図、図１（ｂ）は縦断面図である。図１において、１
は基板、２と３は素子電極、４は導電性膜、５は電子放
出部である。

【００２４】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青板ガラ
スにスパッタ法等によりＳｉＯ₂ を積層した積層体、ア
ルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることが
できる。

【００２５】対向する素子電極２，３の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができ、例えばＮｉ、Ｃ
ｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等
の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂ 、Ｐｄ
−Ａｇ等の金属或は金属酸化物とガラス等から構成され
る印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透明導電体及び
ポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選択され
る。

【００２６】素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性
膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計さ
れる。素子電極間隔Ｌは、好ましくは、数百ｎｍから数
百μｍの範囲とすることができ、より好ましくは、素子
電極間に印加する電圧等を考慮して数μｍから数十μｍ
の範囲とすることができる。

【００２７】素子電極長さＷは、電極の抵抗値、電子放
出特性を考慮して、数μｍから数百μｍの範囲とするこ
とができる。素子電極２，３の膜厚ｄは、数十ｎｍから
数μｍの範囲とすることができる。

【００２８】尚、図１に示した構成だけでなく、基板１
上に、導電性膜４、対向する素子電極２，３の順に積層
した構成とすることもできる。

【００２９】導電性膜４は、ＮｉとＮｉ酸化物からな
る。Ｎｉ酸化物は、ＮｉＯ、Ｎｉ₂ Ｏ₃ 等からなり、金
属Ｎｉと上記Ｎｉ酸化物との混合物、あるいは、金属Ｎ
ｉとその表面酸化層、Ｎｉ酸化物とその表面還元Ｎｉ層
等により構成される。

【００３０】導電性膜４には、良好な電子放出特性を得
るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好
ましい。これにより後述のフォーミング工程において、
低電力でのフォーミングが可能となり、比較的均一な電
子放出特性が得られる。

【００３１】しかし、Ｎｉ酸化物の組成比が大きくなる
と、膜の抵抗が非常に高くなり、フォーミングによる電
子放出部の形成が困難になる。そのため、Ｎｉ酸化物中
のＮｉは、導電性膜中の全Ｎｉの９０ａｔｏｍｉｃ％以
下とすべきである。

【００３２】また、Ｎｉ酸化物の比率が小さすぎると、
フォーミングに要する電力が大きくなり、電子放出特性
を均一にすることが難しくなる。このため、Ｎｉ酸化物
中のＮｉは、導電性膜中の全Ｎｉの５ａｔｏｍｉｃ％以
上が望ましい。

【００３３】ここで述べる微粒子膜とは、複数の微粒子
が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個々に
分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あ
るいは重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、
全体として島状構造を形成している場合も含む）をとっ
ている。

【００３４】導電性膜４の膜厚は、素子電極２，３への
ステップカバレージ、素子電極２，３間の抵抗値及び後
述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定される。

【００３５】なお、本明細書では頻繁に「微粒子」とい
う言葉を用いるので、その意味について説明する。

【００３６】小さな粒子を「微粒子」と呼び、これより
も小さなものを「超微粒子」と呼ぶ。「超微粒子」より
もさらに小さく、原子の数が数百個程度以下のものを
「クラスター」と呼ぶことは広く行われている。

【００３７】しかしながら、それぞれの境は厳密なもの
ではなく、どの様な性質に注目して分類するかにより変
化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微
粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに
沿ったものである。

【００３８】例えば、「実験物理学講座１４表面・微
粒子」（木下是雄編、共立出版１９８６年９月１日発
行）では、「本稿で微粒子と言うときにはその直径がだ
いたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特に
超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３ｎ
ｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単に
微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではな
く、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が
２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼
ぶ。」（１９５ページ２２〜２６行目）と記述されて
いる。

【００３９】付言すると、新技術開発事業団の“林・超
微粒子プロジェクト”での「超微粒子」の定義は、粒径
の下限はさらに小さく、次のようなものであった。

【００４０】「創造科学技術推進制度の“超微粒子プロ
ジェクト”（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ
（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを“超微粒
子”（ｕｌｔｒａｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼
ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜
１０⁸ 個くらいの原子の集合体という事になる。原子の
尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」（「超
微粒子−創造科学技術」林主税、上田良二、田崎明
編；三田出版１９８８年２ページ１〜４行目）／
「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が数個
〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラスター
と呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）。

【００４１】上記のような一般的な呼び方をふまえて、
本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集
合体で、粒径の下限は数Å〜１ｎｍ程度、上限は数μｍ
程度のものを指すこととする。

【００４２】電子放出部５は、導電性膜４の一部に形成
された高抵抗の亀裂により構成され、導電性膜４の膜
厚、膜質及び後述する通電フォーミングの手法等に依存
したものとなる。電子放出部５の内部には、数Åから数
十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子が存在する場合もあ
る。この導電性微粒子は、導電性膜４を構成する材料の
元素の一部、あるいは全ての元素を含有するものとな
る。電子放出部５及びその近傍の導電性膜４には、後述
する活性化工程を経た場合、その活性化工程を行った気
相中に含まれる一部あるいは全ての元素からなる単体物
質及び化合物を有する場合もある。この単体物質及び化
合物の役割については、導電性膜４の一部として機能
し、また、電子放出部５を構成する物質として電子放出
特性を支配することが分かっているが、詳細は明らかで
はない。

【００４３】次に、垂直型の表面伝導型電子放出素子に
ついて説明する。

【００４４】図２は、本発明の垂直型の表面伝導型電子
放出素子の一構成例を示す模式図であり、図１に示した
部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付
している。２１は段さ形成部である。基板１、素子電極
２及び３、導電性膜４、電子放出部５は、前述した平面
型表面伝導型電子放出素子の場合と同様の材料で構成す
ることができる。段さ形成部２１は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂ 等の絶縁性材料
で構成することができる。段さ形成部２１の膜厚は、先
に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子電極間隔
Ｌに対応し、数百ｎｍから数十μｍの範囲とすることが
できる。この膜厚は、段さ形成部の製法、及び、素子電
極間に印加する電圧を考慮して設定されるが、数十ｎｍ
から数μｍの範囲が好ましい。

【００４５】導電性膜４は、素子電極２及び３と段さ形
成部２１作製後に、該素子電極２，３の上に積層され
る。

【００４６】本発明の表面伝導型電子放出素子の製造方
法としては様々な方法があるが、その一例を図３に基づ
いて説明する。尚、図３においても図１に示した部位と
同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付してい
る。

【００４７】１）基板１を洗剤、純水及び有機溶剤等を
用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により
素子電極材料を堆積後、例えばフォトリソグラフィー技
術を用いて基板１上に素子電極２，３を形成する（図３
（ａ））。

【００４８】２）素子電極２，３を設けた基板１上に、
金属ＮｉやＮｉ酸化物の蒸着法、ガスデポジション法
等、また、有機Ｎｉ化合物の水溶液や有機溶媒でのディ
ッピング法、スピンナー塗布法、イングジェット法等に
より、導電性膜４を形成する。そして、形成した導電性
膜は、酸化工程、還元工程、加熱工程等を適宜組み合わ
せることで、本発明に係るＮｉとＮｉ酸化物からなる導
電性膜４が得られる（図３（ｂ））。

【００４９】３）続いて、フォーミング工程を施す。素
子電極２，３間に、不図示の電源より通電すると、導電
性膜４に、局所的に破壊，変形もしくは変質等の構造の
変化した亀裂領域が形成される（図３（ｃ））。この亀
裂領域が電子放出部５を構成する。通電フォーミングの
電圧波形の例を図４に示す。

【００５０】電圧波形は、特にパルス波形が好ましい。
これにはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に
印加する図４（ａ）に示した手法と、パルス波高値を増
加させながらパルスを印加する図４（ｂ）に示した手法
がある。

【００５１】まず、パルス波高値を定電圧とした場合に
ついて図４（ａ）で説明する。図４（ａ）におけるＴ１
及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、例
えば、Ｔ１を１マイクロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２を１０マ
イクロ秒〜１００ミリ秒とし、波高値（通電フォーミン
グ時のピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子の形態
に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例え
ば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は、
三角波に限定されるものではなく、矩形波等の所望の波
形を採用することができる。

【００５２】次に、パルス波高値を増加させながら電圧
パルスを印加する場合について図４（ｂ）で説明する。
図４（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図４（ａ）に示し
たのと同様とすることができる。三角波の波高値（通電
フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１Ｖステ
ップ程度づつ、増加させることができる。

【００５３】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ２中に、導電性膜４を局所的に破壊，変形しない程
度の電圧を印加し、電流を測定して検知することができ
る。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる電流を
測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した
時、通電フォーミングを終了させる。

【００５４】本発明に係るＮｉとＮｉ酸化物からなる導
電性膜４自体のフォーミングは、概略５０ｍＷ以下の低
電力で達成されるが、素子電極込みでのフォーミング電
力は、素子電極の材質，長さ，幅，大きさ，厚み等によ
り変動する。

【００５５】４）フォーミングを終えた素子には活性化
工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程と
は、この工程により、素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが著
しく変化する工程である。

【００５６】活性化工程は、例えば、有機物質のガスを
含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、素子
にパルスの印加を繰り返すことで行うことができる。こ
の雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプな
どを用いて真空容器内を排気した場合に雰囲気内に残留
する有機ガスを利用して形成することができる他、イオ
ンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に適当な
有機物質のガスを導入することによっても得られる。こ
のときの好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形
態、真空容器の形状や、有機物質の種類などにより異な
るため、場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質と
しては、アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水
素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド
類、ケトン類、アミン類、フェノール、カルボン、スル
ホン酸等の有機酸類等を挙げることが出来、具体的に
は、メタン、エタン、プロパンなどＣ_n Ｈ_2n+2で表され
る飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣ_n Ｈ_2n等
の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエ
ン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、アセ
トアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン、メチル
アミン、エチルアミン、フェノール、蟻酸、酢酸、プロ
ピオン酸等が使用できる。この処理により、雰囲気中に
存在する有機物質から、炭素あるいは炭素化合物が素子
上に堆積し、素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが、著しく変
化するようになる。

【００５７】活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと
放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行うことができる。
なお、パルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜
設定される。

【００５８】炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファ
イト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含するもの
で、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイト結晶構造、ＰＧ
は結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの、
ＧＣは結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れがさら
に大きくなったものを指す。）、非晶質カーボン（アモ
ルファスカーボン及び、アモルファスカーボンと前記グ
ラファイトの微結晶の混合物を指す。）であり、その膜
厚は、５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎ
ｍ以下の範囲とすることがより好ましい。

【００５９】前述した本発明に係るＮｉとＮｉ酸化物か
らなる導電性膜４は、特により良質な炭素質被膜（例え
ば、グラファイト質）を、比較的低温で形成できる利点
もある。

【００６０】５）このような工程を経て得られた電子放
出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程
は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。真空
容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイ
ルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用
しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープ
ションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げる
ことが出来る。

【００６１】前記活性化の工程で、排気装置として油拡
散ポンプやロータリーポンプを用い、これから発生する
オイル成分に由来する有機ガスを用いた場合には、この
成分の分圧を極力低く抑える必要がある。真空容器内の
有機成分の分圧は、上記炭素及び炭素化合物がほぼ新た
に堆積しない分圧で１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が好まし
く、さらには１×１０^-10 Ｔｏｒｒ以下が特に好まし
い。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全
体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着し
た有機物質分子を排気しやすくするのが好ましい。この
ときの加熱条件は、８０〜２５０℃好ましくは１５０℃
以上で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、特
にこの条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形
状、電子放出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれ
る条件により行う。真空容器内の圧力は極力低くするこ
とが必要で、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さら
には１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。

【００６２】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去
されていれば、圧力自体は多少上昇しても十分安定な特
性を維持することが出来る。このような真空雰囲気を採
用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆
積を抑制でき、また真空容器や基板などに吸着したＨ₂
Ｏ，Ｏ₂ なども除去でき、結果として素子電流Ｉｆ，放
出電流Ｉｅが、安定する。

【００６３】上述した工程を経て得られた本発明の電子
放出素子の基本特性について、図５，図６を参照しなが
ら説明する。

【００６４】図５は、真空処理装置の一例を示す模式図
であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能
をも兼ね備えている。図５においても、図１に示した部
位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し
ている。

【００６５】図５において、５５は真空容器であり、５
６は排気ポンプである。真空容器５５内には電子放出素
子が配されている。また、５１は電子放出素子に素子電
圧Ｖｆを印加するための電源、５０は素子電極２，３間
の導電性膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電
流計、５４は素子の電子放出部５より放出される放出電
流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極、５３はアノード
電極５４に電圧を印加するための高圧電源、５２は電子
放出部５より放出される放出電流Ｉｅを測定するための
電流計である。一例として、アノード電極５４の電圧を
１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極５４と電子
放出素子との距離Ｈを２〜８ｍｍの範囲として測定を行
うことができる。

【００６６】真空容器５５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。

【００６７】排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータ
リーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、イオンポ
ンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されてい
る。ここに示した電子放出素子基板を配した真空処理装
置の全体は、不図示のヒーターにより２５０℃まで加熱
できる。従って、この真空処理装置を用いると、前述の
通電フォーミング以降の工程も行うことができる。

【００６８】図６は、図５に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと、素子電
圧Ｖｆとの関係を模式的に示した図である。図６におい
ては、放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さ
いので、任意単位で示している。尚、縦・横軸ともリニ
アスケールである。

【００６９】図６からも明らかなように、本発明の表面
伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して次の３つ
の特徴的性質を有する。

【００７０】即ち、第１に、本素子はある電圧（しきい
値電圧と呼ぶ；図６中のＶｔｈ）以上の素子電圧を印加
すると急激に放出電流Ｉｅが増加し、一方しきい値電圧
Ｖｔｈ以下では放出電流Ｉｅが殆ど検出されない。つま
り、放出電流Ｉｅに対する明確なしきい値電圧Ｖｔｈを
持った非線形素子である。

【００７１】第２に、放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単
調増加依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制
御できる。

【００７２】第３に、アノード電極５４（図５参照）に
捕捉される放出電荷は、素子電圧Ｖｆを印加する時間に
依存する。つまり、アノード電極５４に捕捉される電荷
量は、素子電圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。

【００７３】以上の説明より理解されるように、本発明
を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、入力信号に応
じて、電子放出特性を容易に制御できることになる。こ
の性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成し
た電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能とな
る。

【００７４】図６においては、素子電流Ｉｆが素子電圧
Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」とい
う。）例を示したが、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対
して電圧制御型負性抵抗特性（以下、「ＶＣＮＲ特性」
という。）を示す場合もある（不図示）。これらの特性
は、前述の工程を制御することで制御できる。

【００７５】次に、本発明の電子放出素子の応用例につ
いて以下に述べる。本発明の表面伝導型電子放出素子を
複数個基板上に配列し、例えば電子源や画像形成装置が
構成できる。

【００７６】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用できる。一例として、並列に配置した多数の電
子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を
多数個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向
（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制
御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子から
の電子を制御駆動する梯子状配置のものがある。これと
は別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複
数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極
の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配さ
れた複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線
に共通に接続するものが挙げられる。このようなものは
所謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配
置について以下に詳述する。

【００７７】本発明の表面伝導型電子放出素子について
は、前述した通り３つの特性がある。即ち、表面伝導型
電子放出素子からの放出電子は、しきい値電圧以上で
は、対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の波高
値と幅で制御できる。一方、しきい値電圧以下では、殆
ど放出されない。この特性によれば、多数の電子放出素
子を配置した場合においても、個々の素子にパルス状電
圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝導型電
子放出素子を選択して電子放出量を制御できる。

【００７８】以下この原理に基づき、本発明を適用可能
な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板につい
て、図７を用いて説明する。図７において、７１は電子
源基板、７２はＸ方向配線、７３はＹ方向配線である。
７４は表面伝導型電子放出素子、７５は結線である。

【００７９】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，……，Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパ
ッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成するこ
とができる。配線の材料、膜厚、幅は適宜設計される。
Ｙ方向配線７３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，……，Ｄｙｎのｎ
本の配線よりなり、Ｘ方向配線７２と同様に形成され
る。これらｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ方向配線７
３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、
両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整
数）。

【００８０】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線７２を形成した基板７１の
全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配
線７２とＹ方向配線７３の交差部の電位差に耐え得るよ
うに、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向配線
７２とＹ方向配線７３は、それぞれ外部端子として引き
出されている。

【００８１】表面伝導型電子放出素子７４を構成する一
対の素子電極（不図示）は、それぞれｍ本のＸ方向配線
７２とｎ本のＹ方向配線７３に、導電性金属等からなる
結線７５によって電気的に接続されている。

【００８２】配線７２と配線７３を構成する材料、結線
７５を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料
は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であって
も、また夫々異なってもよい。これらの材料は、例えば
前述の素子電極の材料より適宜選択される。素子電極を
構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電
極に接続した配線は素子電極ということもできる。

【００８３】Ｘ方向配線７２には、Ｘ方向に配列した表
面伝導型電子放出素子７４の行を選択するための走査信
号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。
一方、Ｙ方向配線７３には、Ｙ方向に配列した表面伝導
型電子放出素子７４の各列を入力信号に応じて変調する
ための、不図示の変調信号発生手段が接続される。各電
子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加さ
れる走査信号と変調信号の差電圧として供給される。

【００８４】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【００８５】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図８と図９及び
図１０を用いて説明する。図８は、画像形成装置の表示
パネルの一例を示す模式図であり、図９は、図８の画像
形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１０
は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行うため
の駆動回路の一例を示すブロック図である。

【００８６】図８において、７１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、８１は電子源基板７１を固定したリ
アプレート、８６はガラス基板８３の内面に蛍光膜８４
とメタルバック８５等が形成されたフェースプレートで
ある。８２は支持枠であり、該支持枠８２には、リアプ
レート８１、フェースプレート８６がフリットガラス等
を用いて接続されている。８８は外囲器であり、例えば
大気中あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範囲
で１０分間以上焼成することで、封着して構成される。

【００８７】７４は、図１に示したような電子放出素子
である。７２，７３は、表面伝導型電子放出素子の一対
の素子電極と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線あ
る。

【００８８】外囲器８８は、上述の如く、フェースプレ
ート８６、支持枠８２、リアプレート８１で構成され
る。リアプレート８１は主に基板７１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板７１自体で十分な強度を持
つ場合は別体のリアプレート８１は不要とすることがで
きる。即ち、基板７１に直接支持枠８２を封着し、フェ
ースプレート８６、支持枠８２及び基板７１で外囲器８
８を構成してもよい。一方、フェースプレート８６とリ
アプレート８１の間に、スぺーサーと呼ばれる不図示の
支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強
度をもつ外囲器８８を構成することもできる。

【００８９】図９は、蛍光膜を示す模式図である。蛍光
膜８４は、モノクロームの場合は蛍光体のみで構成する
ことができる。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配列
により、ブラックストライプ（図９（ａ））あるいはブ
ラックマトリクス（図９（ｂ））等と呼ばれる黒色導電
材９１と蛍光体９２とから構成することができる。ブラ
ックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は、
カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体
９２間の塗り分け部を黒くすることで混色等を目立たな
くすることと、蛍光膜８４における外光反射によるコン
トラストの低下を抑制することにある。黒色導電材９１
の材料としては、通常用いられている黒鉛を主成分とす
る材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない
材料を用いることができる。

【００９０】ガラス基板８３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法や印刷法等
が採用できる。蛍光膜８４の内面側には、通常メタルバ
ック８５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、
蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート８
６側へ鏡面反射することにより輝度を向上させること、
電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用さ
せること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダ
メージから蛍光体を保護すること等である。メタルバッ
クは、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理
（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その
後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製でき
る。

【００９１】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【００９２】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、十分
な位置合わせが不可欠となる。

【００９３】図８に示した画像形成装置は、例えば以下
のようにして製造される。

【００９４】外囲器８８内は、前述の安定化工程と同様
に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポ
ンプ等のオイルを使用しない排気装置により不図示の排
気管を通じて排気し、１０^-7Ｔｏｒｒ程度の真空度の有
機物質の十分に少ない雰囲気にした後、封止が成され
る。外囲器８８の封止後の真空度を維持するために、ゲ
ッター処理を行うこともできる。これは、外囲器８８の
封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高
周波加熱等を用いた加熱により、外囲器８８内の所定の
位置に配置されたゲッター（不図示）を加熱し、蒸着膜
を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分
であり、該蒸着膜の吸着作用により、例えば１×１０^-7
Ｔｏｒｒ以上の真空度を維持するものである。ここで、
表面伝導型電子放出素子のフォーミング処理以降の工程
は適宜設定できる。

【００９５】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１０を用いて説明する。図１０において、
１０１は画像表示パネル、１０２は走査回路、１０３は
制御回路、１０４はシフトレジスタ、１０５はラインメ
モリ、１０６は同期信号分離回路、１０７は変調信号発
生器、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。

【００９６】表示パネル１０１は、端子Ｄｘ１乃至Ｄｘ
ｍ、端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎ及び高圧端子８７を介して外
部の電気回路と接続している。端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍに
は、表示パネル１０１内に設けられている電子源、即
ち、ｍ行ｎ列の行列状にマトリクス配線された表面伝導
型電子放出素子群を１行（ｎ素子）づつ順次駆動する為
の走査信号が印加される。端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、
前記走査信号により選択された１行の表面伝導型電子放
出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信
号が印加される。高圧端子８７には、直流電圧源Ｖａよ
り、例えば１０ｋＶの直流電圧が供給されるが、これは
表面伝導型電子放出素子から放出される電子ビームに、
蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の
加速電圧である。

【００９７】走査回路１０２について説明する。同回路
は、内部にｍ個のスイッチング素子（図中、Ｓ１乃至Ｓ
ｍで模式的に示している）を備えたものである。各スイ
ッチング素子は、直流電圧電源Ｖｘの出力電圧もしくは
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１０１の端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍと電気的に接
続される。各スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓｍは、制御回
路１０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作
するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素
子を組み合わせることにより構成することができる。

【００９８】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基
づき、走査されていない素子に印加される駆動電圧が電
子放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力す
るよう設定されている。

【００９９】制御回路１０３は、外部より入力される画
像信号に基づいて適切な表示が行われるように、各部の
動作を整合させる機能を有する。制御回路１０３は、同
期信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃ
に基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ，Ｔｓｆｔ及びＴ
ｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１００】同期信号分離回路１０６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から、同期信号成分と
輝度信号成分とを分離するための回路で、一般的な周波
数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期
信号分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直
同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便
宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号か
ら分離された画像の輝度信号成分は、便宜上ＤＡＴＡ信
号と表した。このＤＡＴＡ信号は、シフトレジスタ１０
４に入力される。

【０１０１】シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて
動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ
１０４のシフトクロックであると言い換えてもよ
い。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
のデータ（電子放出素子ｎ素子分の駆動データに相当）
は、Ｉｄ１乃至Ｉｄｎのｎ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１０４より出力される。

【０１０２】ラインメモリ１０５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶され
た内容は、Ｉｄ’１乃至Ｉｄ’ｎとして出力され、変調
信号発生器１０７に入力される。

【０１０３】変調信号発生器１０７は、画像データＩ
ｄ’１乃至Ｉｄ’ｎの各々に応じて、表面伝導型電子放
出素子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、
その出力信号は、端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎを通じて表示パ
ネル１０１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１０４】前述したように、本発明の電子放出素子は
放出電流Ｉｅに関して以下の基本特性を有している。即
ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖ
ｔｈ以上の電圧が印加された時のみ電子放出が生じる。
電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加
電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことか
ら、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電
子放出しきい値電圧以下の電圧を印加しても電子放出は
生じないが、電子放出しきい値電圧以上の電圧を印加す
る場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの
波高値Ｖｍを変化させることにより、出力電子ビームの
強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐ
ｗを変化させることにより、出力される電子ビームの電
荷の総量を制御することが可能である。

【０１０５】従って、入力信号に応じて電子放出素子を
変調する方式としては、電圧変調方式とパルス幅変調方
式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１０７としては、一定長さの電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パル
スの波高値を変調できるような電圧変調方式の回路を用
いることができる。パルス幅変調方式を実施するに際し
ては、変調信号発生器１０７として、一定の波高値の電
圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧
パルスの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を
用いることができる。

【０１０６】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のもの
でも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１０７】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには同期信号分離回路１０６の
出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連して
ラインメモリ１０５の出力信号がデジタル信号かアナロ
グ信号かにより、変調信号発生器１０７に用いられる回
路が若干異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用
いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、
例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路等
を付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器
１０７には、例えば高速の発振器及び発振器の出力する
波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値
と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレー
タ）を組み合わせた回路を用いる。必要に応じて、比較
器の出力するパルス幅変調された変調信号を表面伝導型
電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅
器を付加することもできる。

【０１０８】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１０７には、例えばオペアンプ等を
用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト
回路等を付加することもできる。パルス幅変調方式の場
合には、例えば電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用で
き、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動電圧に
まで電圧増幅するための増幅器を付加することもでき
る。

【０１０９】このような構成をとり得る本発明の画像形
成装置においては、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ
１乃至Ｄｘｍ、Ｄｙ１乃至Ｄｙｎを介して電圧を印加す
ることにより、電子放出が生じる。高圧端子８７を介し
てメタルバック８５あるいは透明電極（不図示）に高圧
を印加し、電子ビームを加速する。加速された電子は、
蛍光膜８４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。

【０１１０】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明の画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基
づいて種々の変形が可能である。入力信号についてはＮ
ＴＳＣ方式を挙げたが、入力信号はこれに限られるもの
ではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式等の他、これらより
も多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、ＭＵＳＥ方
式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用できる。

【０１１１】次に、前述の梯子型配置の電子源及び画像
形成装置について、図１１及び図１２を用いて説明す
る。

【０１１２】図１１は、梯子型配置の電子源の一例を示
す模式図である。図１１において、１１０は電子源基
板、１１１は電子放出素子である。１１２は、電子放出
素子１１１を接続するための共通配線Ｄ１〜Ｄ１０であ
り、これらは外部端子として引き出されている。電子放
出素子１１１は、基板１１０上に、Ｘ方向に並列に複数
個配置されている（これを素子行と呼ぶ）。この素子行
が複数個配置されて、電子源を構成している。各素子行
の共通配線間に駆動電圧を印加することで、各素子行を
独立に駆動させることができる。即ち、電子ビームを放
出させたい素子行には、電子放出しきい値以上の電圧を
印加し、電子ビームを放出させたくない素子行には、電
子放出しきい値以下の電圧を印加する。各素子行間に位
置する共通配線Ｄ２〜Ｄ９は、例えばＤ２とＤ３を一体
の同一配線とすることもできる。

【０１１３】図１２は、梯子型配置の電子源を備えた画
像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図であ
る。１２０はグリッド電極、１２１は電子が通過するた
めの開口、Ｄ１乃至Ｄｍは容器外端子、Ｇ１乃至Ｇｎは
グリッド電極１２０と接続された容器外端子である。１
１０は各素子行間の共通配線を同一配線とした電子源基
板である。図１２においては、図８、図１１に示した部
位と同じ部位には、これらの図に付したのと同一の符号
を付している。ここに示した画像形成装置と、図８に示
した単純マトリクス配置の画像形成装置との大きな違い
は、電子源基板１１０とフェースプレート８６の間にグ
リッド電極１２０を備えているか否かである。

【０１１４】図１２においては、基板１１０とフェース
プレート８６の間には、グリッド電極１２０が設けられ
ている。グリッド電極１２０は、表面伝導型電子放出素
子１１１から放出された電子ビームを変調するためのも
のであり、梯子型配置の素子行と直交して設けられたス
トライプ状の電極に電子ビームを通過させるため、各素
子に対応して１個ずつ円形の開口１２１が設けられてい
る。グリッド電極の形状や配置位置は、図１２に示した
ものに限定されるものではない。例えば、開口としてメ
ッシュ状に多数の通過口を設けることもでき、グリッド
電極を表面伝導型電子放出素子の周囲や近傍に設けるこ
ともできる。

【０１１５】容器外端子Ｄ１乃至Ｄｍ及びグリッド容器
外端子Ｇ１乃至Ｇｎは、不図示の制御回路と電気的に接
続されている。

【０１１６】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）して行くのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示することができる。

【０１１７】以上説明した本発明の画像形成装置は、テ
レビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコン
ピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて
構成された光プリンターとしての画像形成装置等として
も用いることができる。

【０１１８】

【実施例】以下に、具体的な実施例を挙げて本発明を説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものでは
なく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置
換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１１９】［実施例１］本実施例に係わる表面伝導型
電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の平面図及
び断面図と同様である。図１において、１は基板、２と
３は素子電極、４は導電性膜、５は電子放出部である。

【０１２０】以下、本実施例に係わる表面伝導型電子放
出素子の製造法を順を追って説明する。

【０１２１】工程Ａ絶縁性基板１として、石英ガラスを用い、これに、スパ
ッタ蒸着法により、Ｐｔ素子電極２，３を成膜した。素
子電極間隔Ｌは２０μｍ、素子電極長Ｗは３００μｍ、
Ｐｔ膜厚は４００Åである。

【０１２２】工程Ｂ次に、導電性膜を形成したくないところに、レジスト膜
を設け、蟻酸Ｎｉ水溶液をスピンナー法により塗布し、
乾燥した後、レジスト膜を剥離することにより、素子電
極２，３間の所定の位置に蟻酸Ｎｉ膜を形成した。

【０１２３】工程Ｃ次に、上記素子を、ロータリーポンプと油拡散ポンプを
組み合わせた排気ポンプ系を有する真空処理装置（図５
参照）内に設置し、水素（Ｈ₂ ）ガス圧５０Ｔｏｒｒ、
温度３２０℃で、３０分間加熱処理をすることにより、
還元Ｎｉ膜を形成した。

【０１２４】工程Ｄ次に、室温にて、Ｈ₂ の代わりに、酸素（Ｏ₂ ）ガスを
１０Ｔｏｒｒ導入し、表面酸化Ｎｉを形成した。この素
子が、ＮｉとＮｉ酸化物からなることは、同時に作成し
た複数の素子の１つを、ＸＰＳ法（Ｘ線光電子分光法）
により、Ｎｉ（２Ｐ_3/2 ）の結合エネルギー８５２ｅＶ
付近、及びＮｉ酸化物による８５４ｅＶ，８５６ｅＶ付
近のピークを検出することにより、確認した。そして、
この素子を、アルゴン（Ａｒ）ガスによりエッチングし
ながら、Ｎｉ及びＮｉ酸化物の各々のスペクトルピーク
面積を測定することで、膜厚方向のＮｉとＮｉ酸化物の
組成比を測定した。その結果、Ｎｉ酸化物中のＮｉの組
成比は、全Ｎｉの３５ａｔｏｍｉｃ％と見積もられた。

【０１２５】更に、電子顕微鏡による観察結果では、上
記素子のＮｉとＮｉ酸化物からなる導電性膜は、大部分
が、２００Å〜５００Åの微粒子が隣接、重なり合った
集合体であった。

【０１２６】工程Ｅ次に、上記の測定観察に用いなかった、残りの複数の素
子にフォーミングによる電子放出部５の形成を行った。
フォーミング電力は、２２〜３０ｍＷの間であった。

【０１２７】工程Ｆ次に、上記素子に１８Ｖのパルス電圧を印加し、電子放
出を行わせた。放出電流Ｉｅは０．９〜１．１μＡで、
電子放出効率ηはいずれも約０．１％程度であった。

【０１２８】［実施例２］実施例１において、工程Ａ〜
Ｅまでは同様な処理をした後、工程Ｆにおいて、１Ｔｏ
ｒｒのメタン（ＣＨ₄ ）ガスを真空処理装置内に導入し
て、素子電極２，３間に１８Ｖ印加した。

【０１２９】本素子をラマン分光法や透過電子顕微鏡に
より観察したところ、電子放出部５付近のＮｉとＮｉ酸
化物の表面に、グラファイトを含む炭素質被膜（１５８
０ｃｍ^-1付近のグラファイト、１３６０ｃｍ^-1付近のア
モルファスカーボン）が形成されていることが確認され
た。そして、この素子は、２００時間の連続電子放出に
おいて、特に放出効率の安定と素子の耐久性が際立って
いた。

【０１３０】［実施例３〜７及び比較例１，２］実施例
１において、工程Ｃ及び工程Ｄの還元、酸化条件を変え
て、Ｎｉ酸化物中のＮｉが、全Ｎｉ中に占める組成比を
変えた電子放出素子を作成した。結果を表１に示す。

【０１３１】

【表１】

【０１３２】以上、実施例においては、放出電流Ｉｅの
素子毎のバラツキが比較的小さくなるのに対し、比較例
２では、Ｉｅの値が素子毎に大きく異なり、比較例１の
場合には、通電フォーミングによる電子放出部５の形成
が行えないことがわかった。

【０１３３】［実施例８〜１２］本実施例８〜１２で
は、図１３に示したような電子放出素子を作製した。以
下、その製造法を順を追って説明する。

【０１３４】工程Ａ絶縁性基板１として青板ガラスを用い、この上にスパッ
タ蒸着法により、Ｐｔ素子電極２，３を成膜した。素子
電極間隔Ｌは１０μｍ、素子電極長Ｗは３００μｍ、Ｐ
ｔ膜厚は３００Åである。

【０１３５】工程Ｂ次に、蟻酸Ｎｉ水溶液を、バルブジェット用ヘッドにて
吐出し、素子電極２，３間に約１００μｍφの蟻酸Ｎｉ
吐出膜を形成した。

【０１３６】工程Ｃ次に、上記素子を３５０℃で１５分間大気中で焼成し、
酸化Ｎｉ（ＮｉＯ）膜を形成した。

【０１３７】工程Ｄ次に、上記素子をイオンポンプを排気ポンプ系として有
する真空処理装置（図５参照）内に設置し、Ｈ₂ ガス圧
１０Ｔｏｒｒ、温度４２０℃で、加熱処理時間を１０分
を初めとして種々の条件で行い、Ｎｉ酸化物中のＮｉの
全Ｎｉに対する組成比の異なる、ＮｉとＮｉ酸化物から
なる導電性膜４を作成した。各実施例におけるＮｉ酸化
物中のＮｉの全Ｎｉに対する組成比を表２に示す。これ
らのＮｉとＮｉ酸化物からなる導電性膜４は、大部分が
３００Å〜７００Åの微粒子が隣接或は重なり合った集
合膜であった。

【０１３８】工程Ｅ次に、上記素子の電極２，３の間に電圧を印加して、通
電フォーミングを行い、亀裂を伴なう電子放出部５を形
成した。このときの各実施例におけるフォーミング電力
を表２に示す。亀裂は、各実施例においては素子電極
２，３間の中心付近、或は素子電極端際に沿って直線的
に形成されていた。

【０１３９】工程Ｆ次に、同じく真空処理装置内で、素子電極２，３間に１
６Ｖを印加しつつ、エチレン（Ｃ₂ Ｈ₄ ）ガスを０．５
Ｔｏｒｒ導入し、電子放出部５を含む導電性膜４の表面
に、グラファイトを含む炭素質被膜６を形成した。

【０１４０】工程Ｇ次に、素子電極２，３間に２０Ｖを印加して、素子電流
を測定した。その結果を表２に示す。

【０１４１】本実施例８〜１２で作成した電子放出素子
はいずれも、２００時間の連続電子放出において、放出
効率の安定と、素子の耐久性が際立っていた。

【０１４２】

【表２】

【０１４３】［実施例１３］本実施例は、実施例１，実
施例２，実施例１０の電子放出素子を、同一基板上に夫
々多数個単純マトリクス配置した電子源を用いて、画像
形成装置を作製した例である。

【０１４４】複数の導電性膜がマトリクス配線された電
子源基板の一部の平面図を図１４に示す。また、図中の
Ａ−Ａ’断面図を図１５に示す。但し、図１４、図１５
で同じ符号で示したものは、同じ部材を示す。ここで１
は基板、７２は図７のＤｘｍに対応するＸ方向配線（下
配線とも呼ぶ）、７３は図７のＤｙｎに対応するＹ方向
配線（上配線とも呼ぶ）、４は導電性膜、２と３は素子
電極、１７１は層間絶縁層、１７２は素子電極２と下配
線７２との電気的接続のためのコンタクトホールであ
る。

【０１４５】本実施例の各電子源は、夫々実施例１，実
施例２，実施例１０の電子放出素子の製法における、素
子電極及び導電性膜の成膜パターンを拡張するととも
に、各配線７２，７３及び層間絶縁層１７１等を適宜形
成することで作製することができるため、その詳細な説
明は省略する。

【０１４６】次に、複数の導電性膜４がマトリクス配線
された基板１（図１４）を用いて画像形成装置を作製す
る手順を、図８と図９を用いて説明する。

【０１４７】先ず、上記複数の導電性膜４がマトリクス
配線された基板１（図１４）をリアプレート８１上に固
定した後、基板１の５ｍｍ上方に、フェースプレート８
６（ガラス基板８３の内面に蛍光膜８４とメタルバック
８５が形成されて構成される）を支持枠８２を介して配
置し、フェースプレート８６、支持枠８２、リアプレー
ト８１の接合部にフリットガラスを塗布し、大気中で４
３０℃で１０分間以上焼成することで封着した（図
８）。なお、リアプレート８１への基板１の固定もフリ
ットガラスで行った。

【０１４８】蛍光膜８４は、カラーを実現するために、
ストライプ形状（図９（ａ）参照）の蛍光体とし、先に
ブラックストライプを形成し、その間隙部にスラリー法
により各色蛍光体９２を塗布して蛍光膜８４を作製し
た。ブラックストライプの材料としては、通常よく用い
られている黒鉛を主成分とする材料を用いた。

【０１４９】また、蛍光膜８４の内面側にはメタルバッ
ク８５を設けた。メタルバック８５は、蛍光膜８４の作
製後、蛍光膜８４の内面側表面の平滑化処理（通常、フ
ィルミングと呼ばれる）を行い、その後、Ａｌを真空蒸
着することで作製した。

【０１５０】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極を設ける場合もあるが、本実施例ではメタルバック８
５のみで十分な導電性が得られたので省略した。

【０１５１】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体９２と電子放出素子７４とを対応させなくてはい
けないため、十分な位置合わせを行った。

【０１５２】以上のようにして完成した外囲器８８内の
雰囲気を排気管（不図示）を通じ真空ポンプにて排気
し、十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄｘ１乃至Ｄ
ｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎを通じ素子電極２，３間に電圧
を印加し、通電フォーミングを行った。

【０１５３】フォーミング工程完了後、外囲器８８内を
十分に排気した後、不図示の排気管をガスバーナーで熱
することで溶着し外囲器８８の封止を行った。最後に、
封止後の真空度を維持するために、高周波加熱法でゲッ
ター処理を行った。ゲッターはＢａ等を主成分とした。

【０１５４】以上のようにして完成した各画像形成装置
において、容器外端子Ｄｘ１乃至ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄ
ｙｎを通じ、走査信号及び変調信号を不図示の信号発生
手段より夫々印加することにより電子放出させ、高圧端
子８７を通じてメタルバック８５に数ｋＶ以上の高圧を
印加して、電子ビームを加速し、蛍光膜８４に衝突さ
せ、励起・発光させることで画像を表示した。

【０１５５】本実施例における各電子源はいずれも、高
い電子放出が得られ、経時変化の少ない寿命の長い、か
つ、素子特性のバラツキの少ないものであった。また、
本実施例における各画像形成装置はいずれも、表示画像
の位置のバラツキ、輝度むらが極めて少なく、良好な画
像を均一かつ精度良く表示することができた。

【０１５６】なお、本実施例では、画像形成部材として
蛍光体を用いたが、他にレジスト材や薄膜金属のような
電子線が衝突することにより、変色、帯電、変質等の状
態が変化する全ての部材を用いることができる。

【０１５７】以上、本実施例では、画像形成装置につい
てのみ説明してきたが、電子線応用装置としては、記録
装置、記憶装置、電子線描画装置等のさまざまな装置が
有り、本発明は、電子放出素子が複数配置された面状電
子源を用いた装置であれば、同等の効果が得られること
は言うまでもない。

【０１５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子放出
素子は、（１）低電力でフォーミングが可能である、
（２）電子放出特性を均一にできる、（３）安定性に優
れる、（４）より安価である、等の特徴を有している。

【０１５９】そのため、本発明の電子放出素子を同一基
板上に多数配列形成した本発明の電子源は、高い電子放
出が得られ、経時変化の少ない寿命の長い、かつ、素子
特性のバラツキの少ない電子線発生装置となる。また、
本発明の電子源を用いた本発明の画像形成装置は、高品
位な画像を長期にわたって安定して表示することがで
き、高品位なカラーフラットテレビ等が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の一例である平面型表面
伝導型電子放出素子を模式的に示した平面図及び縦断面
図である。

【図２】本発明の電子放出素子の一例である垂直型表面
伝導型電子放出素子を模式的に示した図である。

【図３】図１の表面伝導型電子放出素子の製造方法の一
例を説明するための図である。

【図４】フォーミング処理に用いる電圧波形の例であ
る。

【図５】本発明の電子放出素子の製造に用いることので
きる真空処理装置（測定評価装置）の一例を示す概略構
成図である。

【図６】本発明の表面伝導型電子放出素子の放出電流Ｉ
ｅおよび素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型的な
例を示す図である。

【図７】単純マトリクス配置の電子源の概略構成図であ
る。

【図８】単純マトリクス配置の電子源を用いた画像形成
装置に用いる表示パネルの概略構成図である

【図９】図８の表示パネルにおける蛍光膜を示す図であ
る。

【図１０】図８の表示パネルを駆動する駆動回路の一例
を示す図である。

【図１１】梯子型配置の電子源の概略平面図である。

【図１２】梯子型配置の電子源を用いた画像形成装置に
用いる表示パネルの概略構成図である。

【図１３】本発明の実施例８〜１２に係る電子放出素子
を模式的に示した平面図及び縦断面図である。

【図１４】本発明の実施例１３に係る単純マトリクス配
置の電子源の部分平面図である。

【図１５】図１４の電子源の部分断面図である。

【図１６】従来例の表面伝導型電子放出素子の平面図で
ある。

【符号の説明】

１基板２，３素子電極４導電性膜５電子放出部６炭素質被膜２１段さ形成部５０導電性膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するため
の電流計５１電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源５２電子放出部５より放出される放出電流Ｉｅを測定
するための電流計５３アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源５４電子放出部５より放出される電子を捕捉するため
のアノード電極５５真空容器５６排気ポンプ７１電子源基板７２Ｘ方向配線７３Ｙ方向配線７４表面伝導型電子放出素子７５結線８１リアプレート８２支持枠８３ガラス基板８４蛍光膜８５メタルバック８６フェースプレート８７高圧端子８８外囲器９１黒色導電材９２蛍光体１０１表示パネル１０２走査回路１０３制御回路１０４シフトレジスタ１０５ラインメモリ１０６同期信号分離回路１０７変調信号発生器Ｖｘ，Ｖａ直流電圧源１１０電子源基板１１１電子放出素子１１２電子放出素子を配線するための共通配線１２０グリッド電極１２１電子が通過するための開口１７１層間絶縁層１７２コンタクトホール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する一対の電極間に、電子放出部を
有する導電性膜を備える電子放出素子において、前記導電性膜がＮｉとＮｉ酸化物からなり、該Ｎｉ酸化
物中のＮｉが、該導電性膜中の全Ｎｉの５ａｔｏｍｉｃ
％以上９０ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする
電子放出素子。
【請求項２】前記電子放出部の近傍に炭素質被膜を有
することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】前記電子放出素子が、表面伝導型電子放
出素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の
電子放出素子。
【請求項４】入力信号に応じて電子を放出する電子源
であって、請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素
子を、基体上に複数個配置したことを特徴とする電子
源。
【請求項５】前記電子放出素子の複数が梯子状に配置
されており、個々の電子放出素子の両素子電極が並列に
二本の行配線に接続されており、更に変調手段を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の電子源。
【請求項６】前記複数の電子放出素子がマトリクス状
に配置されており、個々の電子放出素子の一方の素子電
極を行配線に接続し、個々の電子放出素子の他方の素子
電極を前記行配線と直交する列配線に接続したことを特
徴とする請求項４に記載の電子源。
【請求項７】入力信号に基づいて画像を形成する装置
であって、少なくとも、請求項４〜６のいずれかに記載
の電子源と、画像形成部材とによって構成されたことを
特徴とする画像形成装置。