JP2000188058A

JP2000188058A - 電子放出素子及びその製造方法

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Publication number: JP2000188058A
Application number: JP32234898A
Authority: JP
Inventors: Masato Yamanobe; 正人山野辺; Takeo Tsukamoto; 健夫塚本; Shinichi Kawate; 信一河手
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2000-07-04
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: JP3631015B2; US6472814B1; EP0923104A2; US20020153828A1; EP0923104A3

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出効率が高く、高精細化が可能で、駆動
電圧が低く、安定で、バラツキが少ない電子放出特性を
有する電子放出素子を提供する。【解決手段】基板1上に、下部電極2、細孔５を有する絶
縁層３、上部電極４をこの順に積層した電子放出素子に
おいて、絶縁層3は、陽極酸化層であり、細孔５の中に
炭素堆積物を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子及び
その製造法法に関し、特に、基板上に、下部電極と、細
孔を有する絶縁層と、上部電極とをこの順に積層した電
子放出素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子は、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。そして、冷陰極電子放出素子には、電界放出型（Ｆ
Ｅ型）、金属／絶縁層／金属型（ＭＩＭ型）や、表面伝
導型電子放出素子等がある。

【０００３】ＦＥ型は、たとえば、W.P.Dyke&W.W.Dola
n,“Field emission",Advance in Electron Physics,
8,8,9(1956)又はC.A.Spindt,“PHYSICAL Properties of
thin-film field emission cathodes with molybdeniu
m cones",J.Apply.Phys.，４７，５２４８（１９７６）
に開示されている。

【０００４】電界放出型電子放出素子の電子放出体の先
端は、３次元的に鋭くとがった形状をしているコーンと
も呼ばれるものであり、コーン上に設置された開口部を
もつゲート電極と電子放出部間に強い電界を印加するこ
とによって、コーン先端から電子ビームが引き出され
る。

【０００５】又、前記電界放出素子の製造方法での問題
点、すなわち、電子放出形成用の凹部形成に複雑な工程
が必要なことや高価や装置が必要なことに対応して、ゲ
ート電極の開口部をアルミニウムの陽極酸化膜の孔を用
い、陽極酸化膜の孔内に電子放出部を形成した例として
特開平５−１９８２５２号公報や特開平５−２１１０２
９号公報があげられる。この従来例を、図３２、３３を
用いて説明する。

【０００６】図32は、特開平５−１９８２５２号公報に
おける電子放出素子の断面図である。又、図3３は、特
開平５−２１１０２９号公報における電子放出素子の断
面図である。図32において、１６１は、絶縁基板、１６
２は、導電層、１６３は、絶縁膜、１６４は、貫通孔、
１６５は、ゲート電極、１６６は、カソードである。絶
縁膜１６３は、アルミニウム陽極酸化膜を用い、カソー
ド１６６の先端は、電界放出素子の電子放出体同様、コ
ーン形状である。又、図3３において、１７１は、金属
層、１７２は、Ａｌ陽極酸化膜、１７２ａは、微細孔、
１７３は円柱状電極である。図3３において、円柱状電
極１７３とゲート電極との距離、又は、針状電極とアノ
ード電極との距離を一定にすることができ、電子放出効
率を一定化することができる、と記載されている。

【０００７】ＭＩＭ型は、たとえば、C.A.Mead,“Opera
ion of Tunnel-Emission Devices",J.Apply.Phys．，３
２，６４６（１９６１）に開示されている。

【０００８】又、MIM型においては、最近、Toshiaki. K
usunoki,“Fluctuation-free electron emission from
non-formed metal-insulator-metal(MIM)cathodes Fabr
icated by low current Anodic oxidation",Jpn.J.App
l.Phys.vol.32(1993)pp.L1695,Mutsumi Suzuki et al
“An MIM（ｃ）athode Array for Cathode luminescen
t Displays",IDW’９６，（１９９６）Ｐ５２９等の研
究がなされている。

【０００９】上記のKusunoki、Suzuki等によるMIM型の
電子放出素子を、図3４を用いて説明する。図3４は、MI
M型の電子放出素子の断面模式図であり、同図におい
て、１は基板、２は下部電極、３は絶縁層、４は上部電
極である。又、その製造方法は、まず、Ｓｉ基板にスパ
ッタリングでＳｉＯ₂ を形成し、下部電極としてＡｌ
を、さらに、エチレングリコール（ethylene glyco
l），酒石酸（tartaric acid）の溶液を用いて、酸化速
度を抑制し、高品質の陽極酸化膜を５．５ｎｍの膜厚で
形成した後、上部電極のＡｕを９ｎｍの膜厚で形成す
る。このようにして形成した上部電極を陽極、下部電極
を陰極として、電圧を印加することで、良好な電子放出
特性を得たとしている。すなわち、Kusunoki等によれ
ば、素子に印加する電圧に対して、流れる素子電流に負
性抵抗が現われない。ここで負性抵抗とは、素子電圧の
増加にともない、素子電流が減少する現象である。又、
放出電流にゆらぎが発生しない。ここで、ゆらぎとは、
放出電流の時間的変化である。又、絶縁層の厚みに依存
して、放出電流の素子電圧への依存性が変化し、絶縁層
が厚い程、素子電圧を高く印加する必要があることも示
している。さらに、酸化速度を高速にした陽極酸化膜に
おいては、電子放出特性に、負性抵抗が現われ、ゆらぎ
が大きいことが、示されている。

【００１０】又、表面伝導型電子放出素子の電子放出特
性を改善した例としては、特開平９−８２２１４号公報
があげられる。これを、図35を用いて説明する。同図に
おいて、１９１は、基板、１９２は、電子放出部、１９
３は、導電性膜、１９４は、陰極側素子電極、１９５
は、陽極側素子電極、１９６は、亀裂、１９７は、電界
補正電極である。本例では、表面伝導型電子放出素子に
おいては、放出された電子が、陰極と陽極で作れる電場
内を運動し、陽極素子電極上の電場の特異点によって、
アノード電極に到達する電子の割合、すなわち、電子放
出効率が左右される。前記電子放出効率を改善するため
に、素子電極の外側に電界補正電極を設置した例であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のFE型の
電子放出素子では、Ｓｐｉｎｄｔ等の検討によれば、電
子ビームが広がり、高精細化を行う上で問題であった。
又、陽極酸化膜の孔をゲート電極の開口部に応用した例
では、電子放出部のコーンの形成の再現性の問題が残
り、問題であった。一方、柱状に電子放出部を形成した
ものでも、電子放出特性の再現性や駆動電圧が高いとい
う問題であった。又、前記補正電極を配設した表面伝導
型電子放出素子においては、電子放出効率は、向上する
ものの、補正電極電位が高く、駆動上問題があった。

【００１２】又、従来のＭＩＭ型電子放出素子では、第
１に、絶縁層の厚みが、数ｎｍと薄く、かつ、その厚み
が、電子放出特性に大きな影響を与え、多数素子を配置
した電子源においては、絶縁層の厚みのばらつきが、放
出電流のばらつきに直結し、ばらつきの抑制が困難であ
る。又、該電子源を用いて撮像装置や画像形成装置を構
成した場合においては、画像品位の低下の問題を発生す
る。又、第２に、絶縁層の質が、電子放出特性のみなら
ず、素子電流に影響を及ぼし、多数素子を配置した電子
源においては、絶縁層の質のばらつきが、放出電流のば
らつきに直結し、特に、大面積の場合は、ばらつきの抑
制が困難である。又、該電子源を用いた撮像装置や画像
形成装置においては、画像品位の低下の問題を発生す
る。第３に、素子電流の負性抵抗の発生と揺らぎの発生
が、再現性に乏しく、その抑制が困難である。

【００１３】又、前記補正電極を配設した従来の表面伝
導型電子放出素子では、電子放出効率は、向上するもの
の、補正電極電位が高く、駆動上問題があった。

【００１４】そこで、本発明は、電子放出効率が高く、
高精細化が可能で、駆動電圧が低く、安定で、ばらつき
の少ない電子放出特性の電子放出素子を提供することを
課題としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明は、基板上に、下部電極と、細孔を有する絶
縁層と、上部電極とをこの順に積層した電子放出素子で
あって、前記細孔中に、炭素堆積物を有している。

【００１６】又、本発明は、基板上に、下部電極と、細
孔を有する絶縁層と、上部電極とをこの順に積層した電
子放出素子であって、前記細孔中に電子放出部を有し、
前記電子放出部は、前記下部電極と上部電極間の微小間
隙よりなり、前記微小間隙は、前記細孔内壁に沿って形
成された周縁状導電性体と上部電極によるものである。
又、本発明は、基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層した電子放出素子
であって、前記細孔中に、電子放出体を有し、前記上部
電極の厚みｔ、前記細孔の長さＬ、前記上部電極の電子
透過の平均自由行程（ミーンフリーパス）をλとしたと
き、０．５×Ｌ ≦ ｔ＜２λを満足するようにし
ている。

【００１７】又、本発明は、基板上に、下部電極と、細
孔を有する絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前
記細孔中に電子放出部を有する電子放出素子において、
前記電子放出部が前記下部電極と上部電極間の微小間隙
よりなり、かつ微小間隙から上部電極の上面までの距離
が２００ｎｍ以下としている。

【００１８】又、本発明は、基板上に、下部電極と、細
孔を有する絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前
記細孔中に、炭素堆積物を有する電子放出素子の製造方
法であって、前記基板上に金属又は半導体の前記下部電
極を形成する工程と、前記下部電極表面に陽極酸化層を
形成する工程と、有機材料の存在下で、電圧を印加して
前記陽極酸化層の細孔内に前記炭素堆積物を生成する工
程と、上部電極を形成する工程とを含んでいる。

【００１９】又、本発明は、基板上に、下部電極と、細
孔を有する絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前
記細孔中に、炭素堆積物を有する電子放出素子の製造方
法であって、前記基板上に金属又は半導体の前記下部電
極を形成する工程と、前記下部電極表面に陽極酸化層を
形成する工程と、前記陽極酸化した前記下部電極上に、
前記上部電極を形成する工程と、有機材料の存在下で、
前記上部電極及び前記下部電極に電圧を印加して前記陽
極酸化層の前記細孔内に炭素堆積物を生成する工程とを
含んでいる。

【００２０】すなわち、本発明の電子放出素子において
は、陽極酸化された酸化膜などの絶縁層に多孔質の孔が
形成されており、該多孔質の孔には、少なくとも、電子
放出体である炭素堆積物が形成されており、下部電極と
上部電極間に、間隙を有するので、上部電極が高電位に
なるように、下部電極、上部電極間に電圧を印加する
と、下部電極上に形成された炭素と上部電極間の間隙
を、下部電極から注入された電子は、真空中にトンネリ
ングし、電子が放出される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。

【００２２】[第1実施形態]図１（ａ）は、本発明の電
子放出素子の１例を示す模式的な断面図である。図１
（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部の部分拡大模式図である。
図１（ａ）において、１は基板、２は下部電極、３は陽
極酸化層、４は上部電極である。図１（ｂ）において、
５は多孔質の細孔、６は下部電極と電気的に接続された
炭素である。

【００２３】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂ を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板、Ｓ
ｉＯ₂ を積層したＳｉ基板等を用いることができる。特
に、基板１を半導体基板とした場合には、電子放出素子
の駆動用のドライバー等を同時に設置することもでき
る。

【００２４】下部電極２としては、陽極酸化可能である
Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ等の金属、
半導体が用いられる。下部電極２の膜厚は、陽極酸化層
の膜厚、下部電極としての電気抵抗等によって適宜設定
される。

【００２５】陽極酸化層３は、下部電極の一部を陽極酸
化し、形成される。陽極酸化層３には、規則的、又は、
不規則的な細孔５が存在する。これを、本明細書では、
多孔質と呼ぶ場合もある。規則的、不規則的な細孔５の
形成は、下部電極２の材料に応じて、陽極酸化浴の組
成、浴温、電圧、時間等の陽極酸化条件を選択すること
で得られる。好ましくは、規則的細孔が、選択される。
細孔の径は、数十ｎｍから数百ｎｍであり、その深さ
は、数十ｎｍから数百ｎｍである。細孔の密度は、１０
⁶〜１０⁷個／ｃｍ²であり、電子放出点の密度に対応
する。ここで、電子放出点とは、電子放出が行われる微
小な面積を指すこととする。細孔５には、下部電極２と
電気的に接続された電子放出体である炭素６が、その孔
壁に堆積されるか、細孔の一部を埋めた支柱状に形成さ
れる。又、上部電極４側から、同様に炭素が形成されて
いても構わない。

【００２６】下部電極２上に形成された炭素と上部電極
との間、又は、上部電極４側からも炭素が形成されてい
る場合には、この上部電極４側からの炭素と下部電極２
上に形成された炭素との間には、間隙が形成されてお
り、該間隙は、好ましくは数ｎｍ〜数十ｎｍであり、後
述の有機材料の存在下で行なわれる、該上部電極および
下部電極に電圧を印加する工程の時間、印加する電圧等
によって、適宜設定される。

【００２７】上部電極は、陽極酸化層上に形成され、電
子透過特性に優れた金属が好ましく、例えば、Ａｌ等が
用いられる。

【００２８】上記本発明の電子放出素子の構造例を図２
の模式的断面図を用いて説明する。図２において、図１
と同じ部位には、同じ符号を付けた。図２には４種類の
構造を示したが、これに限るわけでなく、他の構造でも
良い。又、以下において、上部電極及び下部電極として
金属を用いて説明しているが、半導体でも良い。図２
（a）の構造は、金属（下部電極）２／金属酸化層３／
電子放出体６を有する細孔／真空／金属（上部電極）４
のようになっている。又、図２（ｂ）の構造は、金属
（下部電極）２／電子放出体６を有する細孔／真空／金
属（上部電極）４のようになっている。又、図２（ｃ）
の構造は、金属（下部電極）２／金属酸化層３／電子放
出体６を有する細孔／真空／細孔上を除いて形成された
金属（上部電極）４のようになっている。又、図２
（d）の構造は、金属（下部電極）２／電子放出体６を
有する細孔／真空／細孔上を除いて形成された金属（上
部電極）４のようになっている。

【００２９】図2（ａ）、図２（ｃ）の構造における金
属酸化層３は、下部電極を陽極酸化した際に得られる
が、陽極酸化条件によって、この金属酸化層３に、細孔
を持たない緻密な膜構造領域と、細孔を有する膜構造領
域の両構造領域を得ることができる。図2（ａ）、図2
（ｃ）のように、下部電極２と細孔内の電子放出体６と
の間に、上記金属酸化層の緻密な膜構造領域が形成され
ていることは、金属／絶縁体／電子放出体（炭素）の非
線形素子を形成するため、電流制限の働きを付与するこ
とができ、本発明の電子放出素子を駆動した際、放電等
での電流変動を防ぎ、電子放出素子の損傷を防ぐことが
できる。上記金属酸化層の具体的な製造方法は後述する
が、たとえば、多孔質の金属酸化物形成条件下で、金属
酸化層を形成後、細孔のワイドニング工程で、緻密な間
句構造領域の厚みが調整される。

【００３０】又、図２（ｂ）、図2（ｄ）の構造は、細
孔を持たない金属酸化層がなく、直接下部電極と細孔内
の電子放出体（炭素）が電気的に接続された場合を示し
ている。このような構造は、下部電極を陽極酸化した
後、後述する細孔のワイドニング工程を充分に行い、更
に、この細孔内に、電子放出体（炭素）を形成すること
で、下部電極と電子放出体とが電気的に接続された状態
となる。又は、後述する陽極酸化層の細孔内に電子放出
体（炭素）を形成する工程において印加されるパルス電
圧によって、下部電極と細孔を有する金属酸化層との間
に存在する細孔を持たない金属酸化層が、電気的に破壊
され、その結果、下部電極と電子放出体とが電気的に接
続された状態となる。図2（ｂ）、図2（ｄ）の場合にお
いても、電子放出体／真空間のトンネリングによる非線
形特性を有する電子放出素子とすることができる。上記
真空とは、電子放出素子を形成した基板の設置された真
空雰囲気と同等のものである。

【００３１】又、上部電極４が、図2（ａ），図2（ｂ）
に示される様に、細孔上にある場合には、細孔中に形成
された電子放出体は、上部電極を介して、真空に接して
いる。一方、図2（ｃ），図2（ｄ）に示される様に、上
部電極4が細孔上にない場合には、細孔中に形成された
電子放出体は、直接真空に接している。

【００３２】又、本発明の電子放出素子の耐熱性、電子
放出特性の安定性、再現性の向上等の点を考慮すると、
電子放出体を構成する炭素堆積物は、グラファイト、ア
モルファスカーボン、ダイアモンドライクカーボンのう
ちの一つ以上であることが好ましい。

【００３３】上述の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の工程図に模式的に
示す。以下、図２（c）、図2(d)の構造を作成する第1製
造方法について説明する。

【００３４】第1工程は、基板上に、金属又は半導体の
下部電極を形成する工程である。基板１を洗剤、純水お
よび有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、ス
パッタ法等により下部電極材料を堆積後、例えばフォト
リソグラフィー技術を用いて基板上に下部電極２を形成
する。尚、下部電極をメッキにより形成しても良い。

【００３５】第2工程は、下部電極を陽極酸化する工程
である。ここで、陽極酸化装置の概念図を、図４を用い
て説明する。図４において、１は基板、３１は陽極酸化
槽、３２は陽極酸化電解液、３３は電極、３４は電源、
３５はＯリングである。陽極酸化電解液３２は、Ａｌ等
の金属では、硫酸、スルファミン酸、リン酸等の無機
酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸等の有機酸、の水溶
液であるが、さらに、溶媒として加えられる物質として
は、エチレングリコール、グリセリン、デキストリン等
の多価アルコールがある。一方、Ｓｉの場合は、ＨＦ水
溶液が、用いられる。又、熱酸化等の酸化プロセスが更
に追加されてもよい。電極３３は、Ｐｔ等の金属を用い
る。下部電極の陽極酸化は、電極３３を陰極、基板１を
陽極にして、電源３４より通電を行うことでなされる。
陽極酸化層の幾何学構造は、作成条件で制御できる。即
ち、細孔間の間隔は、陽極酸化電圧により、又細孔の深
さは、陽極酸化時間により、又孔径は、電解液組成、電
圧、電流等の条件で制御できる。又、規則的細孔、不規
則細孔の制御もこれらの条件の制御で行なう。次に、陽
極酸化層を形成した基板を、ワイドニング工程と呼ばれ
る、陽極酸化電解液に浸漬し、細孔の径及び緻密な金属
酸化膜の厚みを調整する工程を経た後、十分に水洗し、
真空中で、乾燥を行う。

【００３６】第３工程は、陽極酸化した金属又は半導体
の上に上部電極を形成する工程である。上部電極を数ｎ
ｍ〜数十ｎｍの膜厚で、上記陽極酸化層上に、上述の下
部電極と同様にして形成する。

【００３７】第4工程は、陽極酸化層の細孔内に電子放
出体を形成する工程である。本工程は、気体状の有機材
料の存在下で、該上部電極および下部電極に電圧を印加
することによって、前記陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程である。本工程で形成される炭素には、グラ
ファイトがある。ここに、グラファイトには、いわゆる
ＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣがある。ＨＯＰＧはほぼ完全なグ
ラファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２００オングス
トローム程度で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶
粒が２０オングストローム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。又、非結晶カーボンが
ある。ここに、非結晶カーボン二は、アモルファスカー
ボン及び、アモルファスカーボンとグラファイトの微結
晶の混合物藻含まれる。

【００３８】ここで、図５を参照して、第4工程で用い
る真空処理装置について説明する。図５において、図
１、２に示した部位と同じ部位には同一の符号を付して
いる。図５において、５５は真空容器であり、５６は排
気ポンプであり、５７は、本発明の電子放出素子の陽極
酸化層の細孔内において、炭素を形成する際に用いられ
る有機ガスの供給源である。真空容器５５内には本発明
の電子放出素子が配されている。即ち、１は基板、２は
下部電極、３は陽極酸化層、４は上部電極である。又、
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は下部電極２、上部電極４を流れる素子電流Ｉ
ｆを測定するための電流計、５４は素子より放出される
放出電流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極である。５
３はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源、５２は電子放出素子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
極の電圧を０〜１０ｋＶの範囲として、アノード電極と
電子放出素子との距離Ｈを１００μｍ〜８ｍｍの範囲と
して測定を行うことができる。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。排気ポンプ５６は、ターボポン
プ、ロータリーポンプからなる通常の高真空装置系と、
更に、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。ここに示した真空処理装置の全体は、
不図示のヒーターにより３５０℃まで加熱できる。

【００３９】真空容器に基板１を設置し、排気して真空
雰囲気にした後、有機ガスの供給源５７より有機ガスを
真空容器５５に導入し、有機物質のガスを含有する雰囲
気下で、該上部電極および下部電極に電圧を印加する。
電圧波形は、パルス波形で繰り返し印加される。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６（a）に示した方法やパルス波高値を増加させな
がら、電圧パルスを印加する図６（ｂ）に示した方法が
ある。

【００４０】又、パルス電圧の印加方向を、上部電極又
は下部電極の一方を高電位、他の一方を低電位に固定し
印加する方法（図６（a））では、上部電極を下部電極
に比べ、低電位にした場合、主に、炭素は、高電位側で
ある下部電極側に形成される。又、上部電極と下部電極
に交互に高電位を印加する方法（図６（ｂ））では、上
部電極、下部電極双方に炭素が形成される。

【００４１】図６（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る。通常Ｔ１は１マイク
ロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２は、１０マイクロ秒〜１００ミ
リ秒の範囲で設定される。三角波の波高値は、電子放出
素子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、数分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、矩形波など所
望の波形を採用することができる。又、図６（ｂ）にお
けるＴ１及びＴ２は、図６（a）に示したものと同様と
することができる。三角波の波高値は、例えば０．１Ｖ
ステップ程度づつ、増加させることができる。

【００４２】上記炭素を形成する際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。又、
有機ガスは、陽極酸化層に形成され細孔の径に応じて
も、選択される。すなわち、有機ガスの吸着は、細孔の
径にも、依存するからである。

【００４３】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素が陽極酸化層内の細孔に堆積し、素子電
流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するようになる。

【００４４】第4工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと放
出電流Ｉｅを測定しながら行う。尚、図２のｃ、ｄに示
される、細孔上の、上部電極４の開口部は、本工程にお
ける上述の電圧パルスの印加初期において形成される。

【００４５】第5工程は、安定化工程である。すなわ
ち、第4工程までで作成された電子放出素子の特性の安
定化を行なう工程である。第5工程は、陽極酸化層の細
孔内の炭素において、有機材料の中間生成物および基板
等に吸着された有機ガス、水、酸素等を除去すること
で、素子電流、放出電流が、素子への印加電圧に対し
て、あるしきい値以上では、単調増加する特性を付与す
ることができる。本工程は、真空容器内の有機物質を排
気する工程であり、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。

【００４６】真空排気装置内の有機成分の分圧は、新た
に炭素及び炭素化合物がほぼ堆積しない分圧で１×１０
^-8Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらには１×１０^-10 Ｔｏ
ｒｒ以下が特に好ましい。さらに真空装置内を排気する
ときには、真空装置全体を加熱して、真空装置内壁や、
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、１５０〜３０
０℃で数時間以上が望ましいが、特にこの条件に限るも
のではない。

【００４７】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、真空度自体は多少低下しても十分な特性
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、新たな炭素物の堆積を抑制でき、結果
として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。

【００４８】次に、第2製造方法、すなわち、液体中
で、炭素又は、ダイアモンドライクカーボンを形成する
場合を図３の工程図を参照しながら説明する。以下、図
２（ａ），図2(ｂ）を作成する場合について説明する。

【００４９】第１工程は、基板上に、金属又は半導体の
下部電極を形成する工程であり、第1製造方法の第1工程
で述べた方法と同様に行なう。

【００５０】第2工程は、下部電極を陽極酸化する工程
であり、第1製造方法の第2工程で述べた方法と同様であ
るが、陽極酸化、ワイドニング後、陽極酸化層を形成し
た基板を水洗し、工程３の電解槽に供する。

【００５１】第3工程は、液体有機材料の存在下で、陽
極酸化層の細孔内に電子放出体を形成する工程である。
本工程は、液体状の有機材料の存在下で、図４の電極３
３および下部電極に電圧を印加することによって、前記
陽極酸化層の細孔内に電子放出体を形成する工程であ
る。図４と同様の装置で、電解液をアルコールにして、
下部電極側を陽極として、図４の３３を陰極として電解
し、ダイヤモンドライクカーボンを陽極酸化した細孔中
に下部電極側から析出することができる。ダイヤモンド
ライクカーボンは、電解時間にともない、細孔内に柱状
に成長堆積する。

【００５２】第4工程は、陽極酸化した金属又は半導体
の上に、上部電極を形成する工程であり、上部電極を数
ｎｍ〜数十ｎｍの膜厚で、上記陽極酸化層上に、上述の
下部電極と同様にして、形成する。

【００５３】第5工程は、安定化工程であり、第1製造方
法の第５工程で述べた安定化工程と同様に行なう。

【００５４】［第1実施形態の実施例１］図７（a）は、
本発明の電子放出素子を５個配置した基板の平面図であ
り、図７（ｂ）は、図７（a）のＡA′の模式的断面図で
ある。

【００５５】図７において、１は基板、７３は陽極酸化
層、７１は下部電極の引き出し配線、７２は上部電極の
引き出し配線、７４は下部電極の引き出し配線７１と上
部電極の引き出し配線７２の交差部であり、本発明の電
子放出素子が配設されている。

【００５６】本実施例では、図２（a），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）の４種類の構成の電子放出素子を各々５
個ずつ形成したそれぞれの基板を、基板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
と呼ぶこととする。

【００５７】本実施例の製造方法を、具体的に説明す
る。

【００５８】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成する工程）石英ガラスの基板１を洗剤、純水および有
機溶剤等を用いて十分に洗浄し、スパッタ法によりＡｌ
下部電極材料を２００ｎｍの厚みで堆積後、フォトリソ
グラフィー技術を用いて基板１上に下部電極配線７１を
ストライプ状に形成した。又、下部引き出し配線７１の
一部を端子とするため、公知の鍍金用マスク樹脂で覆っ
た。

【００５９】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
図４に示した陽極酸化装置を用いて、工程１で作成した
Ａｌ製の下部電極を陽極酸化した。基板Ｂ，Ｄについて
は、陽極酸化電解液（図４の３２）は、シュウ酸３０ｇ
／ｌの水溶液とした。電極（図４の３３）は、Ｐｔ電極
を用いた。陽極酸化は、電極（図４の３３）を陰極、基
板１に設けられた下部配線（図７の７１）を陽極にし
て、電源（図４の３４）より定電圧で４５Ｖで行った。
この際、初期の電流密度は、４００mＡ／ｃｍ² であっ
たが、陽極酸化の進行にともない減少した。次に、陽極
酸化層を形成した基板を、リン酸水溶液に浸漬し、更
に、十分に水洗した後、真空中で、乾燥を行った。な
お、前記陽極酸化層には、以上の陽極酸化工程により細
孔が形成される。又、基板Ａ，Ｃについては、基板Ｂ，
Ｄと同様の陽極酸化条件で細孔を有する陽極酸化層を形
成した後、更に、リン酸水溶液中に、基板B,Dよりも短
時間して、緻密な金属酸化層の膜厚を制御した。

【００６０】（工程３：該陽極酸化した金属又は半導体
上に、上部電極を形成する工程）基板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの
それぞれの上記陽極酸化層上に、上部電極７２を１０ｎ
ｍの膜厚で、上述の下部電極と同様にして、形成した。

【００６１】（工程４：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下））測定装置を兼ね
る真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-1Ｐａアセト
ンのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極および下部
電極に電圧を印加する。電圧波形は、図６（a）のパル
ス波形でパルス幅Ｔ１を１ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０
ｍｓの矩形波を３０分間印加した。又、同時に素子の電
流をモニターした。電圧は、基板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおい
て、１０Ｖとした。尚、本工程における上記電圧パルス
の印加により、細孔上の上部電極に開口部が形成され
る。

【００６２】（工程５：安定化工程）次に、アセトンガ
スを十分に排気した後、２５０℃で加熱しながら、１０
時間排気した。

【００６３】（工程６：再度上部電極を形成する工程）
基板Ａ，Ｂにおいては、再度、上記と同様にして、上部
電極を形成して、図２に示す構造ａ，ｂとした。

【００６４】［比較例］基板Ｂの作成条件で、（工程
１）〜（工程４）を行い、（工程５：安定化工程）を行
わない基板を別途作成した。これを基板Ｅと呼ぶことと
する。

【００６５】［結果］次に基板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを図
５の真空処理装置に設置し、超高真空下で各素子の下部
電極、上部電極、及びアノード電極に電圧を印加して、
電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特性を測定し
た。図８に電流／電圧特性を示す。同時に、素子電圧を
ゆっくり掃引し、電圧負性抵抗（ＶＣＮＲ特性）が発生
するかどうか確認した。又、電子ビームをアノードに設
置した蛍光体の発光により観察した。次に、測定後、こ
うして形成したサンプルを電子顕微鏡、平面ＴＥＭ等で
観察した。

【００６６】図８の電流／電圧特性に示される様に、基
板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの素子電流、放出電流とも、しきい値
以上では、単調増加特性を示す。しきい値（Ｖｔｈと呼
ぶ）以下では、無視できる電流であった。これらより素
子電流、放出電流とも非線形特性を示す非線形素子であ
ることがわかった。一方、比較例の基板Ｅにおいては、
放出電流は、電圧負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）でない
が、素子電流は、電圧負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）を
示すことがわかる。

【００６７】又、基板Ａ，Ｃでは、下部電極上に、緻密
な陽極酸化層／細孔を有する陽極酸化層が形成され、こ
れにより、基板Ｂ，Ｄに比べ、素子電圧が高い方向にＶ
ｔｈがシフトしているのがわかる。又、アノード電極で
観察された電子ビーム径は、上部電極と下部電極の重な
り部分とほぼ等しかった。

【００６８】電子顕微鏡で、観察すると、陽極酸化層に
おいて、いずれも図１（ｂ）に示された様な規則的な細
孔が観察された。細孔の径は２００ｎｍ、細孔密度は、
３×１０⁸ 個／ｃｍ² であった。

【００６９】又、上部電極は、基板Ａ，Ｂにおいては、
細孔の上に存在するが、基板Ｃ，Ｄにおいては、細孔の
周辺に存在するが、孔の上部には存在しない。これは、
基板Ｃ，Ｄでは、電子放出体形成工程でのパルス電圧を
かけた際に、細孔上の上部電極が除かれる。

【００７０】更に、平面ＴＥＭサンプルを作成し観察す
ると、いずれも細孔の中に、グラファイト質の炭素の存
在が確認された。又、基板Ｅにおいては、細孔の中に炭
素が多く堆積している様だった。又、グラファイト以外
の有機物も含有していた。

【００７１】本実施例により実証されることは、第１
に、金属を陽極酸化し、その細孔中にグラファイト質の
炭素が形成できるということである。又、第2に、電子
放出素子として、機能できる。又、第3に、安定化工程
によって、電圧負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）が発生せ
ず、素子電流、放出電流とも、単調増加特性を示す。
又、第4に、陽極酸化層として、絶縁層として機能する
緻密な陽極酸化層及び細孔を有する陽極酸化層がある場
合は、電流、電圧特性は、素子電圧が高電圧側にシフト
する。又、第5に、アノード電極で観察された電子ビー
ム径は、上部電極と下部電極の重なり部分とほぼ等し
く、ビームの発散は少ない。

【００７２】［第1実施形態の実施例２］本実施例は、
液体中で、絶縁層の細孔内に、ダイアモンドライクカー
ボンを形成する場合である。本実施例の製造方法を、再
び図３を参照して、具体的に説明する。

【００７３】（工程１：下部電極を形成する工程）基板
として、Ｐ型Ｓｉウエファーを用いた。ここでは、Ｐ型
ウエファー基板が下部電極の役割を果たす。

【００７４】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
図４の装置で、ＨＦ水溶液中でＰ型Ｓｉウエファーを陽
極、Ｐｔを陰極（図４の３３）として陽極酸化処理を行
った後、水洗を行い、工程３の電解槽に供した。

【００７５】（工程３：陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（液体状有機材料存在下））本工程
は、液体状の有機材料の存在下で、電圧を印加すること
によって、前記陽極酸化層の細孔内に炭素を形成する工
程である。図４と同様の装置で、電解液をエチルアルコ
ールにして、素子の下部電極側を陽極として、陰極Ｐｔ
（図４の電極３３）との間に電圧を印加して１時間電解
した。尚、電解中は、液温度は、不図示のヒーターで加
熱し６０℃とした。次に、陽極酸化層を形成した基板
を、十分に水洗した後、真空中で、乾燥を行う。

【００７６】（工程４：上部電極を形成する工程）上部
電極を１０ｎｍの膜厚で、Ｐｔ膜をスパッタリングで成
膜した。

【００７７】（工程５：安定化工程）上記実施例１と同
様に安定化工程を行った。

【００７８】最後に、実施例１と同様に図５の真空処理
装置に上記サンプルを設置し、下部電極、上部電極、及
びアノード電極に電圧を印加して、電流（素子電流、放
出電流）、素子電圧特性を測定した。同時に素子電圧を
ゆっくり掃引し、電圧負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）が
発生するかどうか確認した。又、測定後、こうして形成
したサンプルを電子顕微鏡、平面ＴＥＭ等で観察した。

【００７９】電流／電圧特性は、実施例１と同様に素子
電流、放出電流とも、しきい値以上では、単調増加特性
を示し、しきい値以下では、無視できる電流であった。
これらより素子電流、放出電流とも非線形特性を示す非
線形素子であることがわかった。又、放出電流は、実施
例１の素子と比べ、５倍であった。これは、細孔内の炭
素の仕事関数の低下又は、形状の影響と考えられる。

【００８０】電子顕微鏡で、観察すると、多孔質性の孔
が観察された。更に、ラマン及び平面ＴＥＭサンプルを
作成し観察すると、孔の中に、ダイアモンドライクカー
ボンの存在が確認された。

【００８１】［第1実施形態の実施例３］本実施例は、
実施例１と同様の方法で作成した複数の電子放出素子を
２次元状に基板に配置し、撮像装置に用いた例である。
図９に本発明の撮像装置の模式図を示す。図９（a）
は、本発明の撮像管の断面図、図９（ｂ）は、電子放出
素子を配置した基板の平面図である。図９（a），９
（ｂ）において、９１は電子放出素子基板（電子源基
板）、９２は下部電極（配線）、９３は陽極酸化層、９
４は上部電極（配線）、９５は光導電部材、９６は透明
電極、９７は光導電部材基板、９８は素子電圧印加電
源、９９は光導電部材印加電源である。尚、図９（a）
において、電子放出素子基板、光導電部材基板は、不図
示の支持枠によって、接着され、気密容器が構成され、
その内部は高真空に維持される。又図９（a）におい
て、上部電極の一部が、素子電圧印加電源と接続されて
いるが、全ての上部電極が、素子電圧印加電源と接続さ
れている。

【００８２】次に、本実施例の撮像装置の原理を説明す
る。本実施例の撮像装置は、その動作は、従来の撮像管
と同様であるが、２次元状に配置された電子放出素子か
らの電子ビームで読み出しを行うことと、電子ビームの
収束系を有していないことが、従来と異なる。光導電部
材９５に光が入力されると、光導電部材９７において
は、入射光によって生成されたホールが、光導電部材９
５に印加された電界によって、電子放出素子基板９１方
向に加速され、アバランシェ増倍される。一方、電子放
出素子基板９１から発生した電子ビームは、光導電部材
９５に蓄積されたホールに対応した分の電子注入が起こ
り、それ以上の電子ビームは、電子放出素子基板９１方
向にもどり、上部配線９４に流れる。こうして、入射光
に対応して発生したホールに対応した信号電流が、信号
電流増幅器より出力される。

【００８３】次に、本実施例の撮像装置の構成を説明す
る。電子放出素子基板９１は、下部電極配線９２上の配
線の引き出し部を除いて、陽極酸化層９３が形成されて
おり、下部電極配線９２と直交する上部配線９４が形成
されている。下部電極配線９２と上部配線９４の交点部
分が、図１と同様の電子放出部を構成する。電子放出素
子の大きさは、５０μｍ□である。又、光導電部材９５
は、Ｓｅを用い、その厚さは、４μｍである。電子放出
素子基板９１と光導電部材９５基板の間隔は１ｍｍとし
た。

【００８４】次に本実施例の撮像装置の製造方法につい
て説明する。電子放出素子基板９１においては、実施例
と同様に作成した。又、光導電部材９７は、Ｓｅを抵抗
加熱蒸着法によって、堆積した。こうして作成された電
子放出素子基板、光導電部材基板は、不図示の支持枠に
よって、接着し、不図示の排気管より排気した後、気密
容器を構成した。次に、こうして作成した撮像装置を先
に説明した動作原理に基づき動作させたところ、電子放
出素子の大きさに１：１に対応した信号電流が得られ動
作が確認された。

【００８５】［第1実施形態の実施例４］本実施例は、
実施例２と同様の方法で作成した複数の電子放出素子を
２次元状に基板に配置し、表示装置を構成した例であ
る。図１０に本発明の表示装置の模式図を示す。図１０
（a）は、本発明の表示装置の断面模式図、図１０
（ｂ）は、電子放出素子を配置した基板の平面図であ
る。図１０（a），１０（ｂ）において、１００はリア
プレート、１０１は電子放出素子基板（電子源基板）、
１０２は下部電極（配線）、１０３は陽極酸化層、１０
４は上部電極（配線）、１０５はメタルバック、１０６
は蛍光体、１０７はフェイスプレート、１０８は素子電
圧印加電源、１０９はアノード用の高圧電源である。
尚、図１０（a）において、電子放出素子基板、フェイ
スプレートは、不図示の支持枠によって接着され、気密
容器が構成され、その内部は高真空に維持される。又図
１０（a）において、上部電極の一部が、素子電圧印加
電源と接続されているが、全ての上部電極が、素子電圧
印加電源と接続されている。又、蛍光体１０６は、不図
示のＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の蛍光体が、ブラックス
トライプで区切られ、ストライプ状に形成されている。

【００８６】次に、本実施例の表示装置の原理を説明す
る。本実施例の表示装置は、２次元状に配置された電子
放出素子列が外部からの走査信号により選択され、外部
からの変調信号により選択された電子放出素子列の素子
によって変調され、電子ビームが発生する。発生した電
子ビームは、本発明の電子放出素子においては、発散し
ないので、電子ビームの収束系を用いずとも、加速さ
れ、メタルバック／蛍光体に入射し、発光する。こうし
て、画像が表示される。

【００８７】次に、本実施例の表示装置の構成を説明す
る。電子放出素子基板１０１は、下部電極配線１０２上
に配線の引き出し部を除いて、陽極酸化層１０３が形成
されており、下部電極配線１０２と直交する上部配線１
０４が形成されている。下部電極配線１０２と上部配線
１０４の交点部分が、図１と同様の電子放出素子を構成
する。２００×（１６０×３（注．Ｒ，Ｇ，Ｂ））の電
子放出素子で構成した。尚、図１０は、その一部を示す
ものである。電子放出素子の大きさは、４０μｍ□であ
る。又、蛍光体１０６は、ＣＲＴ用の高加速蛍光体Ｐ２
２を用いた。電子放出素子基板１０１とフェイスプレー
ト１０７の間隔は２ｍｍとした。メタルバック１０５に
は、５ｋＶ印加した。

【００８８】次に本実施例の表示装置の製造方法を説明
する。

【００８９】（工程１：基板１０１上に、金属又は半導
体の下部電極を形成する工程）基板として、ｎ型Ｓｉウ
エハーを用いた。ここでは、ｎ型ＳｉウエハーにＰ型の
部分をストライプ状に複数本作成した。ストライプ状の
Ｐ型部分が、下部電極の役割を果たす。

【００９０】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
図４の装置で、ＨＦ水溶液中でＳｉウエハーのＰ型部を
陽極、Ｐｔを陰極としての陽極酸化処理を行なった後、
水洗を行ない、工程３の電解槽に供した。尚、陽極酸化
層は、ストライプ状のＰ型部分に選択的に形成された。

【００９１】（工程３：陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（液体状有機材料存在下））本工程
は、液体状の有機材料の存在下で、該上部電極および下
部電極に電圧を印加することによって、前記陽極酸化層
の細孔内に電子放出体を形成する工程である。図４と同
様の装置で、電解液をエチルアルコールにして、下部電
極側を陰極として、陽極間で１時間電解した。尚、電解
中は、液温度は、不図示のヒーターで加熱し６０℃とし
た。次に、陽極酸化層を形成した基板を、十分に水洗し
た後、真空中で、乾燥を行う。

【００９２】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極を１０ｎ
ｍの膜厚で、Ｐｔをスパッタで形成した。

【００９３】（工程５：安定化工程）上記実施例１と同
様に安定化工程を行なった。

【００９４】又、フェイスプレート１０７は、Ｒ，Ｇ，
Ｂの蛍光体をストライプ上に形成し、フィルミング後、
メタルバック１０５を蒸着によって堆積した。こうして
作成された電子放出素子基板１０１をリアプレート１０
０に設置し、フェイスプレート１０７は、不図示の支持
枠によって、接着し、不図示の排気管より排気した後、
気密容器を構成した。

【００９５】次に、こうして作成した表示装置を先に説
明した動作原理に基づき動作させたところ、高精細で明
るい画像が表示された。

【００９６】[第2実施形態]図１１（ａ）は、第2実施形
態の断面図である。又、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）
の断面図のＡの部分拡大の模式図である。絶縁層に陽極
酸化層を用いた場合である。図１１（ａ）において、
符号は、図1と同様に付してある。

【００９７】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板、Ｓ
ｉＯ₂を積層したＳｉ基板等を用いることができる。特
に、基板１を半導体基板とした場合には、電子放出素子
の駆動用のドライバー等を同時に設置することもでき
る。

【００９８】下部電極２としては、陽極酸化可能である
Ａｌ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ等の金属、
半導体が用いられる。下部電極２の膜厚は、陽極酸化層
の膜厚、下部電極としての電気抵抗等によって適宜設定
される。尚、下部電極材料は、陽極酸化可能な金属のみ
ならず、陽極酸化ができない金属と陽極酸化できる金属
との積層形態でも良い。

【００９９】陽極酸化層３は、下部電極の一部を陽極酸
化し、形成される。陽極酸化層３には、規則的、又は、
不規則な細孔５が存在する。これを、本明細書では、多
孔質層と呼ぶ場合もある。規則的、不規則的な細孔５の
形成は、下部電極２の材料に応じて、陽極酸化浴の組
成、浴温、電圧、時間等の陽極酸化条件を選択すること
で得られる。好ましくは、規則的細孔が、選択される。
細孔の径は、数十ｎｍから数百ｎｍであり、その深さ
は、数十ｎｍから数千ｎｍである。細孔の密度は、１０
⁸ 〜１０¹²個／ｃｍ²である。尚、細孔の形状は、円に
限らず、楕円、四角等でも本発明の電子放出素子におい
ては、適用できる。種々の形状の場合は、フォーカスイ
オンビーム等を用いて形成することもできる。従って、
本発明においては、細孔の径に対応して細孔の長さとい
う表現を用いる場合もある。各細孔５には、下部電極２
と電気的に接続された炭素６が、細孔の内壁に沿って周
縁状に形成される。尚、電子の放出は、前記各細孔内の
内壁の周縁部から行われ、前記細孔に対応して、各細孔
より線状の電子放出が行われる。

【０１００】又、上部電極４側より、同様に炭素が形成
されていても構わない。

【０１０１】下部電極２上に形成された炭素と、上部電
極との間、又は、上部電極４側から炭素が形成された場
合には、この上部電極４側からの炭素と下部電極２上に
形成された炭素の間には、間隙が形成されており、該間
隙は、好ましくは、数ｎｍから数十ｎｍであり、後述の
有機材料の存在下で行われる、該上部電極及び下部電極
に電圧を印加する工程の時間、印加する電圧等によっ
て、適宜設定される。

【０１０２】上部電極は、陽極酸化層上に形成され、好
ましくは、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ等高融点の材料が用い
られる。

【０１０３】上記本発明の電子放出素子の構造例を図１
２の模式的断面図を用いて説明する。図１２において、
図１１と同じ部位には、同じ符号をつけた。図中７は、
金属等の導電性体、８は上部電極と電子放出体間の微小
間隙である。図１２には、（ａ）〜（ｄ）の４種類の構
造を示したが、これに限るわけでなく、他の構造でも良
い。又、以下において、上部電極及び下部電極として金
属を用いて説明しているが、半導体でもよい。

【０１０４】図１2（ａ）の構造は、金属（下部電極）
／金属酸化層／細孔内壁に沿った周縁状電子放出体６を
有する細孔／真空／細孔上を除いて形成された金属（上
部電極）４となっている。又、図１2（ｂ）の構造は、
金属（下部電極）／細孔内壁に沿った周縁状電子放出体
６を有する細孔／真空／細孔上を除いて形成された金属
（上部電極）４となっている。図１2（ｃ）の構造は、
金属（下部電極）／金属酸化層／支柱状導電性体と細孔
内壁に沿った周縁状電子放出体６を有する細孔／真空／
細孔上を除いて形成された金属（上部電極）４となって
いる。又、図１２（ｄ）の構造は、金属（下部電極）／
支柱状導電性体と細孔内壁に沿った周縁状電子放出体６
を有する細孔／真空／細孔上を除いて形成された金属
（上部電極）４となっている。

【０１０５】図１２（ａ）（ｃ）の構造における金属酸
化層３は、下部電極を陽極酸化した際にえられるが、陽
極酸化条件によって、この金属酸化層３に、細孔をもた
ない緻密な膜構造領域と細孔を有する膜構造領域の両構
造領域を得ることができる。図12（ａ）（ｃ）の様に、
下部電極２と細孔内の電子放出体６との間に、上記金属
酸化層の緻密な膜構造領域が形成されていることは、金
属／絶縁層／周縁状電子放出体の非線形素子を形成する
ため、電流制限の働きを付与することができ、本発明の
電子放出素子を駆動した際、放電等での電流変動を防
ぎ、電子放出素子の損傷を防ぐことができる。上記金属
酸化層の具体的な製造方法は後述するが、例えばまず多
孔質の金属酸化物形成条件で形成後、後述する細孔のワ
イドニング工程で、緻密な膜構造領域の厚みが調整され
る。

【０１０６】又、図１２（ｂ）（ｄ）の構造は、細孔を
もたない金属酸化層がなく、直接下部電極と細孔内の電
子放出体（炭素）が電気的に接続された場合を示してい
る。このような構造は、下部電極を陽極酸化した後、後
述する細孔のワイドニング工程を十分に行い、更に、細
孔内に電子放出体（炭素）を形成することで、下部電極
と電子放出体が電気的に接続された状態となる。この
際、後述する陽極酸化層の細孔内に炭素を形成する工程
において印加されるパルス電圧によって、下部電極と細
孔を有する金属酸化層との間に存在する細孔を持たない
金属酸化層が、電気的に破壊され、その結果、下部電極
と電子放出体が電気的に接続された状態となる場合もあ
る。

【０１０７】以上、図１２（ｂ）（ｄ）の場合において
も、電子放出体／真空間のトンネリングによる非線形特
性を有する電子放出素子である。又、（ｃ），（ｄ）に
おいては、細孔内に支柱状の導電性体及び細孔内壁に沿
った周縁状の電子放出体がある場合である。これらの場
合は、導電性体があるために、下部電極から電子放出体
までの抵抗値が低減できるために、絶縁層の厚みが大き
くとれ、下部電極及び上部電極間の容量の低下ができる
ために、駆動上有利である。

【０１０８】又、従来から良く知られた陽極酸化膜の発
色法で、陽極酸化膜細孔中に金属を析出させる際に、交
流で行うことで緻密な陽極酸化膜中に細孔内析出金属が
マイグレーションし下部電極と電気的接続を行うことも
できる。上記真空とは、電子放出素子を形成した基板の
設置された真空雰囲気と同等のものである。

【０１０９】又、以上述べた本発明の電子放出素子にお
いては、前述した通り、特に耐熱性や、電子放出特性の
安定、再現性の向上という点で、電子放出体を構成する
炭素は、グラファイト、アモルファスカーボン、ダイア
モンドライクカーボンのうちひとつ以上であることが好
ましい。

【０１１０】次に、図１２の構造例における本発明の電
子放出素子の電子放出機構について説明する。前述した
従来技術であげた表面伝導型電子放出素子においては、
特開平９−８２２１４号公報によれば、表面伝導型電子
放出素子の亀裂部において、亀裂部の陽極側（高電位側
ともいう）のある位置から一旦、陽極の外部の真空中に
電子が放出される。又、一旦放出された電子は、陰極
（低電位側ともいう）と陽極で作られる電場内を運動
し、陽極側素子電極（又は陽極側の導電性膜）上を、電
場の特異点（以降よどみ点と呼ぶ）よりも遠くに飛来し
た電子はアノード板に印加した電圧による電界によっ
て、アノード板に引き寄せられる。又、電場の特異点に
到達しない電子は陽極に落下し、一部の電子はここで散
乱されて向きを変えられ、再び真空中へ放出される。こ
の散乱を繰り返して電場の特異点を越えた電子はアノー
ド板に到達する。

【０１１１】ここで、電子放出効率を大幅に上げるため
には、上記の電子放出の機構において、一旦放出された
電子の大部分が陽極に落下する事無く、アノード板に引
き寄せられるような電場条件に設定すればよいことが判
る、と記載されており、前記従来技術においては、電界
補正電極を素子電極の外側に配設し、素子に電子放出を
行うために印加する電圧に対して、充分な高電圧を印加
することで、電子放出効率をあげることが可能であるこ
とが示されている。

【０１１２】一方、本発明の電子放出素子においては、
上部電極に高電位、下部電極に上部電極に比べ低電位が
印加されると、上部電極４と電子放出体６間の微小間隙
８に、その電位差が印加され、電子放出体から真空中に
電子が放出され、真空に放出された電子は、前記従来技
術の亀裂に相当する微小間隙に大きな電界が印加されて
いるために先に従来技術であげた表面伝導型電子放出素
子と同様に、電子放出体６から放出した電子は、上部電
極４に衝突散乱する。しかしながら、本発明の電子放出
素子によれば、散乱を繰り返さずにも電場の特異点を越
え、電子は、アノード板に到達すると推定される。

【０１１３】図１3は、本発明の電子放出素子の原理図
である。図１３は、図１２の模式的断面図である。図１
３において、図１２と同一の符号のものは、同一のもの
である。又、図上、ｈは、電子放出素子とアノード電極
間の距離、ｄは、細孔の長さ、Ｖａは、アノード電極の
電位である。

【０１１４】一方の電子放出体６から放出した電子に注
目して説明する。微小間隙に印加された電界によって、
電子放出体６から真空に放出した電子は、上部電極４に
衝突してまず等方に散乱する。等方に散乱した電子は、
非常に近い距離に存在する上部電極３４からの強い電界
によって、前述したよどみ点が、従来の表面伝導型電子
放出素子に比べ著しく縮小されている。繰り返し散乱が
起こらず、主に、１回の散乱のみで、アノード板に電子
が到達する。一方、上部電極４の膜厚が薄い場合も、繰
り返し散乱が起こらず、主に、１回の散乱のみで、アノ
ード板に電子が到達する。以上の様な理由で、電子放出
効率が増加すると考えられる。

【０１１５】上部電極４に対向する上部電極の電界の効
果は、開口部の径が重要となり、微小間隙に電子放出の
ためには、導電性の電子放出体の仕事関数を４〜５．５
ｅＶとすると１０⁷ Ｖ／ｃｍ以上であるので、前記従
来技術で定義された電場の特異点であるよどみ点を従来
技術の電子放出素子及び本発明に適用すると、３４がな
い場合のよどみ点の距離Ｘｓは、Ｘｓ＝ｈ・Ｖｆ／（π・Ｖａ）であらわされ、一方、３４がある場合のよどみ点Ｘｓ′
は、Ｘｓ′＝ｈ・Ｖｆ／｛π・Ｖａ＋ｈ・Ｖｆ／（π・
ｄ）｝で表されるために、開口部の径が小さければ小さい程、
よどみ点が縮小する。特に、上部電極電圧が数十Ｖにお
いても、よどみ点の縮小効果が期待されるために、開口
部の径は、０．５μｍ以下が好ましく、更に、開口部の
径が、０．２μｍ以下なら好ましい。更に、細孔内壁に
沿って、導電性の電子放出体が存在するために、細孔内
の壁が、同一の電位となり、前記よどみ点が更に縮小す
るため、電子放出効率が増加する。

【０１１６】周縁状の電子放出体を形成することで、同
電位を示す細孔の深さは、細孔径に対して、略同等まで
は、電子放出効率に対して、効果が期待される。

【０１１７】又、上部電極の厚みは、繰り返し散乱を抑
制するうえで、薄いことが好ましく、実施例からは、
０．２μｍ以下が、効率の観点から好ましい。尚、上部
電極の厚みで規定できる場合は、電子の放出に寄与する
微小間隙が、上部電極の際にある場合であり、繰り返し
散乱の抑制の観点から考えれば、微小間隙と上部電極の
上面までの距離に対応する。

【０１１８】又、駆動電圧は、微小間隙であるので、低
駆動電圧であり、又、電子を引き出す電圧方向が、アノ
ード板と一致しているために、比較的、等方散乱したに
もかかわらず、電子ビームの広がりは抑制される。

【０１１９】上述の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１４の工程図を参照し
て、説明する。

【０１２０】（工程１）基板上に、金属又は半導体の下
部電極の形成工程基板１を洗剤、純水およ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下部電極材料を
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上に下部電極２を形成する。尚、下部電極を電析によ
り形成しても良い。

【０１２１】（工程２）下部電極を陽極酸化する工程陽極酸化装置の概念図を図５を用いて、まず説明する。
５１は、陽極酸化槽、５２は、陽極酸化電解液、５３は
電極、５４は、陽極酸化電源、５５は、陽極酸化電解液
５２の温度調節を行うための温調機、５６は、温調機を
循環する水用の容器、５７は、温調用の循環水である。

【０１２２】陽極酸化電解液５２は、Ａｌ等の金属で
は、硫酸、スルファミン酸、リン酸等の無機酸、シュウ
酸、マロン酸、コハク酸等の有機酸、の水溶液である
が、さらに、溶媒として加えられる物質としては、エチ
レングリコール、グリセリン、デキストリン等の多価ア
ルコールがある。一方、Ｓｉの場合は、ＨＦ水溶液が、
用いられる。又、熱酸化等の酸化プロセスが更に、追加
されても良い。

【０１２３】電極５３は、Ｐｔ等の金属が用いられる。
下部電極の陽極酸化は、電極５３を、陰極、下部電極等
を形成した基板１を陽極にして、電源５５より通電を行
うことでなされる。陽極酸化層の幾何学構造は、作成条
件で制御できる。細孔間の間隔は、陽極酸化電圧、細孔
の深さは、陽極酸化時間、孔径は、電解液組成、電圧、
電流等の条件で制御できる。又、規則的細孔、不規則細
孔の制御もこれらの条件の制御でおこなう。

【０１２４】次に、陽極酸化層を形成した基板を、陽極
酸化電解液等に浸漬し、細孔の径及び緻密な酸化膜の厚
みが調整される。（尚、この工程をワイドニングと呼
ぶ。）十分に水洗した後、真空中で、乾燥を行う。

【０１２５】（工程３）該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程上部電極を２００ｎ
ｍ以下の膜厚で、下部電極と同様にして、形成する。

【０１２６】（工程４）陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（気体状有機材料存在下）本工程は、気体状の有機材料の存在下で、該上部電極お
よび下部電極に電圧を印加することによって、前記陽極
酸化層の細孔内に炭素を形成する工程である。本工程で
形成される炭素とは、例えばグラファイト（いわゆるＨ
ＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含する。ＨＯＰＧはほぼ完全な
グラファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２００Å程度
で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が２０Å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）である。

【０１２７】［第2実施形態の実施例１］図７と同様の
構造の、電子放出素子を作成した。

【０１２８】本実施例の製造工程を図14を参照して具体
的に説明する。

【０１２９】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）青板ガラスにＳｉＯ₂を１μｍ堆積した基板１
を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、
スパッタ法によりＡｌ下部電極材料を５００ｎｍの厚み
で堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて基板１上
に下部電極配線７１をストライプ状に形成した。又、下
部引き出し配線７１の一部を端子とするため、公知の鍍
金用マスク樹脂で覆った。

【０１３０】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
陽極酸化は、図１５の装置を用いて、（工程１）で作成
したＡｌ製の下部電極の一部を陽極酸化した。陽極酸化
電解液５２は、シュウ酸３０ｇ／ｌの水溶液である。電
極５３は、Ｐｔ電極を用いた。陽極酸化は、電極５３
を、陰極、基板１に設けられた下部配線７１を陽極にし
て、電源５５より定電圧で４０Ｖ、５℃で５分間行っ
た。初期の電流密度は、３００ｍＡ／ｃｍ²であった
が、陽極酸化の進行にともない減少し、その後、一旦増
加し飽和した。次に、陽極酸化層を形成した基板を、燐
酸水溶液中に３０分間、浸漬し、緻密な陽極酸化層を除
去した後、十分に水洗した。

【０１３１】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属
を形成する工程）細孔内への柱状金属の形成は、図９を
用いておこなった。

【０１３２】図１６において、図５と同一の符号のもの
は、同様のものをさす。９１は、金属電解析出用の対向
電極で、カーボン、Ｐｔ等不活性電極や電析金属と同一
材料金属を用いた対向電極である。９２は、金属電解析
出液用の容器、９３は、電解析出用の電源、９４は、金
属を含む電解析出溶液である。

【０１３３】本工程では、対向電極９１にＰｔ電極、金
属を含む電解析出溶液９４に５％ＮｉＳＯ₄、４％Ｈ₃Ｂ
Ｏ₃を用いて、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で定電流でＮｉ
を電析した。柱状Ｎｉの電析量は、時間で制御し、各細
孔内に柱状Ｎｉを形成した。電析時間は、１００秒とし
た。

【０１３４】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極７２を１
０ｎｍの膜厚で、下部電極と同様にして、形成した。

【０１３５】（工程５：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下）測定装置をかねる
真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-4Ｐａベンゾニ
トリルのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極および
下部電極に電圧を印加する。工程５において、５素子の
うち３素子は、電圧波形は、図６(a)パルス波形で、パ
ルス幅Ｔ１を１ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形
波を２０分間、下部電極側を高電位にし、印加した。そ
の後、上部電極を高電位側にし、２０分間電圧を印加し
た。又、同時に素子の電流をモニターした。電圧は、１
７Ｖとした。５素子のうちの残りの２素子については、
図６(b)のパルス波形で同様に、電圧１７Ｖで２０分間
印加した。

【０１３６】（工程６：安定化工程）次に、ベンゾニト
リルガスを十分に排気した後、３００℃で加熱しなが
ら、２時間排気した。

【０１３７】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。次に、測定後、こうして形
成したサンプルを電子顕微鏡、ＴＥＭ等で観察した。

【０１３８】各素子の素子電流、放出電流とも、しきい
値以上では、単調増加特性を示す。しきい値（Ｖｔｈと
呼ぶ）以下では、無視できる電流であった。放出電流の
値は、図６（ａ）のパルスを印加した素子が、図６
（ｂ）のパルスを印加した素子と同等であり、従って、
放出効率も同等であった。

【０１３９】電子顕微鏡で、観察すると、陽極酸化層に
おいて、規則的な細孔が観察された。細孔密度は、１×
１０⁹ 個／ｃｍ²であった。

【０１４０】更に、断面サンプルを作成し細孔内を観察
すると、図１７に示すものであった。図１７において、
図１２と同一の符号は、同様のものを示す。図１７
（ａ）は、工程５において、図６（ａ）のパルスを印加
し、炭素を形成したものであり、図１７（ｂ）は、図６
（ｂ）のパルスを印加し炭素を形成したものである。１
１１は、上部電極側に形成された炭素である。

【０１４１】図１７（ａ）に示される様に、図６（ａ）
のパルスを印加し炭素を形成した場合は、Ａｌの下部電
極２よりＮｉ金属が、細孔内を柱状に１１０ｎｍ成長
し、更に、柱状のＮｉの上面で細孔内壁に沿って形成さ
れた周縁状アモルファスカーボンが形成されていた。
又、上部電極４側にも同様に、アモルファスカーボンが
形成されていた。又、上部電極４側と下部電極２側の炭
素間には、微小な間隙８が形成されており、又、上部電
極の際に、間隙は形成しており、数ｎｍの間隙であっ
た。尚、陽極酸化膜の厚さは、１５０ｎｍであった。

【０１４２】一方、図１７（ｂ）に示される様に、図６
（ｂ）のパルスを印加し炭素を形成した場合は、Ａｌの
下部電極２にＮｉ金属が、細孔内を柱状に成長し、更
に、柱状のＮｉの上面で細孔内壁に沿って形成された周
縁状アモルファスカーボンが形成されていた。又、上部
電極４側にも同様に、アモルファスカーボンが形成され
ていた。又、上部電極の下面より２０ｎｍの位置まで炭
素が形成されており、炭素間には、微小な間隙が形成さ
れており、数ｎｍの間隙であった。

【０１４３】以上より判明することは、第１に、金属を
陽極酸化し、細孔内に柱状の金属を形成した上面で、低
分圧下で堆積速度を抑制したので、前記細孔内壁に沿っ
て形成された周縁状炭素が形成されるということであ
る。第２に、上部電極側、下部電極側の炭素間には、数
ｎｍの微小な間隙が形成される。第３に、上部電極の下
面より、２０ｎｍの範囲での位置での微小な間隙が、配
設された場合は、放出電流、電子放出効率とも同等であ
ることが示された。上部電極側の厚みを含めても、両例
とも、間隙より、上部電極の上面までの距離が３０ｎｍ
であるために、下部電極側より放出された電子が、細孔
内でロスする確率が小さいことによると推定される。第
４に、安定化工程によって、電圧負性抵抗特性、すなわ
ち、ＶＣＮＲ特性が発生せず、素子電流、放出電流と
も、単調増加特性を示す。

【０１４４】［第2実施形態の実施例２］本実施例で
は、第2実施例の実施例１と同様の素子配置の基板を構
成した。上部電極の厚みを種々形成しその影響を検討し
た。実施例１と工程１より工程３、工程６は同様に行っ
た。工程１より工程３、工程６の説明は省略し、工程
４、５についてのみ詳細に説明する。

【０１４５】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）実施例１の工程２と同様に行った。

【０１４６】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
実施例１の工程２と同様に行った。

【０１４７】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属
を形成する工程）実施例１の工程３と同様に行った。

【０１４８】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極７２を
５、１０、１００、５００ｎｍの４種類の膜厚で、下部
電極と同様にして、４基板を形成した。

【０１４９】（工程５：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下）測定装置をかねる
真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-4Ｐａベンゾト
リルのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極および下
部電極に電圧を印加する。５素子のうち３素子は、電圧
波形は、図６（a）のパルス波形で、パルス幅Ｔ１を１
ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形波を１５分間、
下部電極側を高電位にし、印加した。その後、上部電極
を高電位側にし、５分間電圧を印加した。又、同時に素
子の電流をモニターした。電圧は、１５Ｖとした。

【０１５０】（工程６：安定化工程）実施例１の工程２
と同様に行った。

【０１５１】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。

【０１５２】図１８に、上部電極厚と放出電流の関係を
示す。図１８に示される様に、電子放出効率は、約２０
０ｎｍまで減少が少なく、２００ｎｍを越えると上部電
極の厚みの増加に伴い減少した。尚、電子放出効率と
は、放出電流と素子電流比である。又、ビームサイズも
減少した。

【０１５３】尚、上部電極の形態の観察をすると特に上
部電極の厚みを厚くしたものは、細孔の径に比べ大きい
膜厚の場合、細孔内部にも、一部被覆していた。又、断
面ＴＥＭによって、微小間隙を観察すると、いずれも、
実施例１と同様に、上部電極の下面際に形成されてい
た。

【０１５４】以上より、次の様なことが示された。第１
に、上部電極の厚みによらず、上部電極の際に微小な間
隙が、形成された。第２に、上部電極の厚みに依存し
て、放出電流、電子放出効率が低下する。下部電極側よ
り放出された電子が、細孔状の上部電極でロスする確率
が高いことによると推定される。

【０１５５】［第2実施形態の実施例３］本実施例で
は、第2実施形態の実施例１と同様の素子配置の基板を
構成した。本実施例では、実施例１のアルミニウムの陽
極酸化膜にかわり、絶縁層としてＳｉＯ₂を用いた。以
下、本実施例の製造工程を具体的に説明する。

【０１５６】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）青板ガラスにＳｉＯ₂を１μｍ堆積した基板１
を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、
スパッタ法によりＰｔを下部電極材料として、５００ｎ
ｍの厚みで堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて
基板１上に下部電極配線７１をストライプ状に形成し
た。

【０１５７】（工程２：絶縁層を形成する工程）次に、
ＳｉＯ₂をスパッタ法により、５０ｎｍ積層した。

【０１５８】（工程３：該絶縁層の上に、上部電極を形
成する工程）上部電極７２をＰｔ１０ｎｍの膜厚で、下
部電極と同様にして、形成した。

【０１５９】（工程４：絶縁層に細孔を形成する工程）
上述の下部電極／ＳｉＯ₂／上部電極の積層構造に、フ
ォーカスイオンビーム法を用いて、（細孔の径５０ｎ
ｍ、ピッチ１００ｎｍ）、（細孔の径２００ｎｍ、ピッ
チ４００ｎｍ）、（細孔の径５００ｎｍ、ピッチ１００
０ｎｍ）、（細孔の径１０００ｎｍ、ピッチ２０００ｎ
ｍ）の４種類を形成した。尚、ここで、ピッチとは、隣
接する細孔の中心間の距離である。

【０１６０】（工程５：絶縁層の細孔内に炭素を形成す
る工程（気体状有機材料存在下）測定装置をかねる真空チャンバーに基板１を設置し、１
０^-4Ｐａベンゾニトリルのガスを含有する雰囲気下で、
該上部電極および下部電極に電圧を印加する。電圧波形
は、図６（ａ）のパルス波形で、パルス幅Ｔ１を１ｍ
ｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形波を１５分間、下
部電極側を高電位にし、５分間印加した。

【０１６１】（工程６：安定化工程）次に、ベンゾニト
リルガスを十分に排気した後、３００℃で加熱しなが
ら、２時間排気した。

【０１６２】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。

【０１６３】電子放出効率は、図１９に示される様に、
細孔の径に依存しており、細孔の径が小さい程、電子放
出効率が増加した。

【０１６４】［第2実施形態の実施例４］本実施例は、
第2実施形態の実施例１と同様の方法で作成した複数の
電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明した
図９の撮像装置に用いた例である。本実施例の撮像装
置の製造方法は、第1実施形態と同様である。こうして
作成した撮像装置を先に説明した動作原理にもとづき動
作させたところ電子放出素子の大きさに１：１に対応し
た信号電流が得られ動作が確認された。

【０１６５】［第2実施形態の実施例５］本実施例は、
第2実施形態の実施例１と同様の方法により作成した複
数の電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明
した図１０の表示装置を構成した例である。本実施例の
表示装置の製造方法は、第1実施形態と同様である。こ
うして作成した表示装置を先に説明した動作原理にもと
づき動作させたところ、高精細で明るい画像が表示され
た。

【０１６６】[第3実施形態]図２０（ａ）は、本実施形
態の電子放出素子の断面図である。図２０（ｂ）は、図
２０（ａ）の断面図のＡの部分拡大の模式図である。絶
縁層に陽極酸化層を用いた場合である。図２１は、種々
の電子放出体を有する電子放出素子の説明をする。図２
２は、別な構造例である。

【０１６７】図２０、図２１において、１は、基板、２
は、下部電極、３は、陽極酸化層、４は、上部電極、５
は、多孔質の細孔、６は、電子放出体、２０７は微小間
隙、８は、柱状の導電性体である。

【０１６８】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等にセラミックス及びＳｉ基板、Ｓ
ｉＯ₂を積層したＳｉ基板等を用いることができる。特
に、基板１を半導体基板として場合には、電子放出素子
の駆動用のドライバー等を同時に設置することもでき
る。

【０１６９】下部電極２としては、陽極酸化可能である
Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ等の金属、
半導体が用いられる。下部電極２の膜厚は、陽極酸化層
の膜厚、下部電極としての電気抵抗等によって適宜設定
される。尚、下部電極材料は、陽極酸化可能な金属のみ
ならず、陽極酸化ができない金属と陽極酸化できる金属
との積層形態でも良い。

【０１７０】陽極酸化層３は、下部電極の一部を陽極酸
化し、形成される。陽極酸化層３には、規則的、又は、
不規則な細孔５が存在する。これを、本明細では、多孔
質層と呼ぶ場合もある。規則的、不規則的な細孔５の形
成は、下部電極２の材料に応じて、陽極酸化浴の組成、
浴温、電圧、時間等の陽極酸化条件を選択することで得
られる。好ましくは、規則的細孔が、選択される。細孔
の径は、数十ｎｍから数百ｎｍであり、その深さは、数
十ｎｍから数千ｎｍである。細孔の密度は、１０⁸ 〜
１０¹²個／ｃｍ²である。尚、細孔の形状は、円に限ら
ず、楕円、四角等でも本発明の電子放出素子において
は、適用できる。種々の形状の場合は、フォーカスイオ
ンビーム等を用いて形成することもできる。従って、本
発明においては、細孔の径に対応して細孔の長さという
表現を用いる場合もある。各細孔５には、下部電極２と
電気的に接続された電子放出体炭素６を有する。

【０１７１】電子放出体は種々の形態をとることができ
る。上部電極４を下部電極２に対して高電位にすること
によって、電子放出体に局部的高電界を発生させ電子放
出体より電子を真空にトンネリングさせる。尚、上記真
空とは、電子放出素子を形成した基板の設置された真空
雰囲気と同等のものである。

【０１７２】図２１（ａ）は、針状電極を細孔内に配設
した例である。針状電極は、前述したＳｐｉｎｄｔ型と
呼ばれるものと同等のものである。

【０１７３】図２１（ｂ）は、微粒子を細孔内に配設し
た例である。微粒子の粒が、図２−ａの針状電極の先端
に対応する。

【０１７４】図２１(a),(b)の電子放出体では、局部電
界が大きく、真空部分の厚みが大きくとれるために、下
述する図２１（ｃ），（ｄ）の構造に比べ、容量が低下
できる。

【０１７５】図２１（ｃ）は、前記細孔内壁に沿って形
成された周縁状導電性体と上部電極間の微小間隙２０７
に高電界を発生させ、電子を放出させるものであり、細
孔内壁にそった周縁状すなわち線状の電子放出体となる
ために、図２１（ａ）に比べ、電子を放出できうる面積
が大幅に増加できるために、電子放出電流が大きく得る
ことができる。

【０１７６】図２１（ｄ）は、前記細孔内に形成した柱
状導電性体を電子放出体６として、柱状導電性体６と上
部電極間の微小間隙２０７に高電界を発生させ、電子を
放出させるものであり、細孔内壁にそった周縁状すなわ
ち線状の電子放出体となるために、図２１（ａ）に比
べ、電子を放出できうる面積が大幅に増加できるため
に、電子放出電流が大きく得ることができる。

【０１７７】上部電極は、陽極酸化層上に形成され、細
孔上の電子透過部分は、電子透過特性、耐熱性に優れた
導電性材料が好ましく、特に好ましくは、炭素等が用い
られる。尚、ここで、炭素とは、グラファイト、アモル
ファスカーボン、ダイアモンドライクカーボンのいずれ
かひとつ以上を有する炭素材料である。

【０１７８】上部電極厚は、上部電極は、細孔の開口部
を覆うことができる様に、細孔の長さｌに対して、０．
５１以上とする。

【０１７９】又、上部電極厚は、効率良く透過するため
に、電子透過の平均自由行程（）ミーンフリーパス）を
λとすると、２λ以下である。一般に、電子透過率Ｔ
は、Ｔ＝Ａｅｘｐ（−ｔ／λ）で表される。Ａは、定数、ｔは、上部電極厚みである。
上式より、上部電極の厚みが２λ以下であれば、注入電
子の１０％以上の透過率が期待できる。又、上式より、
ミーンフリーパスλは、放出電流の上部電極膜厚依存性
から算出することができる。

【０１８０】例えば、本発明で特に好ましい材料とした
炭素では、以上の要件から、好ましい範囲は、上部電極
の厚みと細孔の長さが同時に設定され、上部電極厚５０
ｎｍとして、細孔の長さは１００ｎｍ以下が設定され
る。

【０１８１】又、絶縁層上の上部電極厚みと細孔上の電
子透過がされる上部電極部分の厚みは相違しても良く、
製法上の問題等から適宜設定される。

【０１８２】上記本発明の電子放出素子の別な構造例を
図２２の模式的断面図を用いて説明する。電子放出体６
の構造は、図２１（ａ）を例としてとりあげるが、これ
に限るわけでなく、図２１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）等の
電子放出体を用いることができる。

【０１８３】図２２（ａ）は、細孔内に柱状の導電性体
８及び電子放出体６を配設した場合である。これらの場
合は、導電性体８があるために、下部電極から電子放出
体までの抵抗値が低減できるために、絶縁層の厚みが大
きくとれ、下部電極及び上部電極間の容量の低下ができ
るために、駆動上有利である。

【０１８４】図２２（ｂ）は、下部電極２と細孔内の電
子放出体６との間に、トンネリング可能な厚みの絶縁層
を配設することで、金属／絶縁層／炭素の非線形素子を
形成するため、電流制限の働きを付与することができ、
本発明の電子放出素子を駆動した際、放電等での電流変
動を防ぎ、電子放出素子の損傷が防ぐことができる。上
記トンネリング可能な厚みの絶縁金属酸化層の具体的な
製造方法は後述する。

【０１８５】上述の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２３の製造工程図に模
式的に示す。以下、図２３を参照して図２１（ｄ）の電
子放出素子製造方法の一例について説明する。

【０１８６】（工程１）基板上に、金属又は半導体の下
部電極を形成工程基板１を洗剤、純水およ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下部電極材料を
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上に下部電極２を形成する。尚、下部電極を電析によ
り形成しても良い。

【０１８７】（工程２）下部電極を陽極酸化する工程陽極酸化装置の概念図を図１５を用いて、まず説明す
る。５１は、陽極酸化漕、５２は、陽極酸化電解液、５
３は、電極、５４は、陽極酸化電源、５５は、陽極酸化
電解液５２の温度調節を行うための温調機、５６は、温
調機を循環する水用の容器、５７は、温調用の循環水で
ある。

【０１８８】陽極酸化電解液５２は、Ａｌ等の金属で
は、硫酸、スルファミン酸、リン酸等の無機酸、シュウ
酸、マロン酸、コハク酸等の有機酸、の水溶液である
が、さらに、溶媒として加えられる物質としては、エチ
レングリコール、グリセリン、デキストリン等の多価ア
ルコールがある。一方、Ｓｉの場合は、ＨＦ水溶液が、
用いられる。又、熱酸化等の酸化プロセスが更に、追加
されても良い。

【０１８９】電極５３は、Ｐｔ等の金属を用いられる。
下部電極の陽極酸化は、電極５３を、陰極、基板１を陽
極にして、電源５５より通電を行うことでなされる。陽
極酸化層の幾何学構造は、作成条件で制御できる。細孔
間の間隔は、陽極酸化電圧、細孔の深さは、陽極酸時
間、孔径は、電解液組成、電圧、電流等の条件で制御で
きる。又、規則的細孔、不規則細孔の制御もこれらの条
件の制御でおこなう。

【０１９０】次に、陽極酸化層を形成した基板を、陽極
酸化電解液等に浸漬し、細孔の径及び緻密な酸化膜の厚
みが調整される。（尚、この工程をワイドニング工程と
呼ぶ。）十分に水洗した後、真空中で、乾燥を行う。

【０１９１】（工程３）該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程上部電極を数ｎｍ〜数十ｎｍの膜厚で、下部電極と同様
にして、形成する。

【０１９２】（工程４）陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（気体状有機材料存在下）本工程は、気体状の有機材料の存在下で、該上部電極お
よび下部電極に電圧を印加することによって、前記陽極
酸化層の細孔内に炭素を形成する工程である。本工程で
形成される炭素とは、例えばグラファイト（いわゆるＨ
ＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含する、ＨＯＰＧはほぼ完全な
グラファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２００Å程度
で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が２０Å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）である。従って、前記、上部電極と同様の
炭素となる。

【０１９３】上記炭素を形成する際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。

【０１９４】又、有機ガスは、陽極酸化層に形成された
細孔の径に応じても、選択される。すなわち、有機ガス
の吸着は、細孔の径にも、依存するからである。

【０１９５】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素が陽極酸化層内の細孔に堆積し、素子電
流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するようになる。

【０１９６】本工程の終了判定は、素子電流Ｉｆ、放出
電流Ｉｅのいずれか一方又はその双方を測定しながら、
行う。

【０１９７】尚、細孔上の、上部電極４の開口部は、本
工程における上述の電圧パルスの印加初期においても形
成される。

【０１９８】（工程５）安定化工程こうして作成した電子放出素子の特性の安定化をおこな
う工程である。本工程は、特に電子放出体の形成が上述
の工程４）で行った場合必要である。上記工程で陽極酸
化層の細孔内の炭素において、有機材料の中間生成物お
よび基板等に吸着された有機ガス、水、酸素等を除去す
ることで、素子電流、放出電流が、素子への印加電圧に
対して、あるしきい値以上では、単調増加する特性を付
与することができる。本工程は、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。

【０１９９】真空排気装置内の有機成分の分圧は、上記
の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
^-10Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。さらに真空装置内を
排気するときには、真空装置全体を加熱して、真空装置
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、１５
０〜３００℃で数時間以上が望ましいが、特にこの条件
に限るものではない。

【０２００】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、真空度自体は多少低下しても十分安定な
特性を維持することが出来る。

【０２０１】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素物の堆積を抑制でき、結果として素子電
流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。

【０２０２】（工程６）上部電極４を形成する工程グラファイト、アモルファスカーボン等をターゲットに
して、スパッタ法等により、細孔上及び上部電極４のう
えに、グラファイト、アモルファスカーボン等を堆積す
る。

【０２０３】尚、更に、工程５の安定化工程を行うこと
で、上記工程５の目的が更に、達成される。

【０２０４】［第3実施形態の実施例１］図７と同様の
構造の電子放出素子を作成した。以下、本実施例の製造
工程を具体的に説明する。

【０２０５】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）青板ガラスにＳｉＯ₂を１μｍ堆積した基板１
を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、
スパッタ法によりＡｌ下部電極材料を５００ｎｍの厚み
で堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて基板１上
に下部電極配線８１をストライプ状に形成した。又、下
部引き出し配線８１の一部を端子とするため、公知の鍍
金用マスク樹脂で覆った。

【０２０６】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
陽極酸化は、図５を用いて、（工程１）で作成したＡｌ
製の下部電極の一部を陽極酸化した。

【０２０７】陽極酸化電解液５２は、シュウ酸３０ｇ／
ｌの水溶液である。電極５３は、Ｐｔ電極を用いた。陽
極酸化は、電極５３を、陰極、基板１に設けられた下部
配線８１を陽極にして、電源５５より定電圧で４０Ｖ、
５℃で５分間行った。陽極酸化膜の厚みはこの際、初期
の電流密度は、３００ｍＡ／ｃｍ²であったが、陽極酸
化の進行にともない減少し、その後、一旦増加し飽和し
た。次に、陽極酸化層を形成した基板を、燐酸水溶液中
に３０分間、浸漬し、緻密な陽極酸化層を除去した後、
十分に水洗した。

【０２０８】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属
を形成する工程）細孔内への柱状金属の形成は、図１６
の装置を用いておこなった。図１６において、図１５と
同一の符号のものは、同様のものをさす。９１は、金属
電解析出用の対向電極で、カーボン、Ｐｔ等不活性電極
や電析金属と同一材料金属を用いた対向電極である。９
２は、金属電解析出液用の容器、９３は、電解析出用の
電源、９４は、金属を含む電解析出溶液である。

【０２０９】本工程では、対向電極９１にＰｔ電極、金
属を含む電解析出溶液９４に５％ＮｉＳＯ４、４％Ｈ３
ＢＯ３を用いて、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で定電流で
Ｎｉを電析した。柱状Ｎｉの電析量は、時間で制御し、
各細孔内に柱状Ｎｉを形成した。電析時間は、１００秒
とした。

【０２１０】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極８２をＰ
ｔを用い、１０ｎｍの膜厚で、下部電極と同様にして、
形成した。

【０２１１】（工程５：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下））測定装置をかね
る真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-1Ｐａアセト
ンのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極および下部
電極に電圧を印加する。工程３において、電圧波形は、
図６（ａ）のパルス波形で、パルス幅Ｔ１を１ｍｓ、パ
ルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形波を２０分間、下部電極
側を高電位にし、印加した。その後、上部電極を高電位
側にし、２０分間電圧を印加した。その後、排気を行
い、基板を取り出した。

【０２１２】（工程６：安定化工程）次に、基板をスパ
ッタ装置の真空チャンバー内に設置し、十分に排気した
後、３００℃で加熱しながら、２時間排気した。

【０２１３】（工程７：上部電極の形成工程）次に、グ
ラファイトをターゲットにして、スパッタ法で、４５ｎ
ｍの炭素を堆積し、上部電極とした。

【０２１４】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。次に、測定後、こうして形
成したサンプルを電子顕微鏡、ＴＥＭ等で観察した。

【０２１５】[比較例]比較例として、ＭＩＭ型電子放出
素子を作成した。

【０２１６】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）（工
程４：該陽極酸化した金属又は、半導体の上に、上部電
極を形成する工程）を行った。工程１、４は実施例と同
様であるが、工程２の陽極酸化条件を変更した。陽極酸
化溶液として、酒石酸アンモン溶液で５００μＡ／ｃｍ
２で定電流陽極酸化を行い、絶縁層の厚さを６ｎｍと
した。

【０２１７】各素子とも、素子電流放出電流とも、しき
い値以上では、単調増加特性を示す。しきい値（Ｖthと
呼ぶ）以下では、無視できる電流であった。電子ビーム
を蛍光体の発光より観察すると、比較例のＭＩＭ電子放
出素子と同等であった。電子放出効率は、比較例が、
０．１％に対して、実施例は、平均５％であった。同時
に電子放出電流が、効率に対応して増加した。

【０２１８】電子顕微鏡で、断面を観察すると、陽極酸
化層において、規則的な細孔が観察された。細孔の径
は、８０ｎｍであった。又細孔内には、支柱状のＮｉ金
属及び炭素が積層され、上部電極とは、５〜１０ｎｍの
微小間隙を有していた。

【０２１９】以上の結果、電子ビームの広がりがＭＩＭ
電子放出素子と同等で、電子放出効率及び放出電流の高
い電子放出素子であった。又、安定化工程によって、電
圧負性抵抗特性、すなわち、ＶＣＮＲ特性が発生せず、
素子電流、放出電流とも、しきい値Ｖthを有する単調増
加特性を示した。

【０２２０】［第３実施形態の実施例２］本実施例で
は、第3実施形態の実施例１と同様の素子配置の基板を
構成した。本実施例では、実施例１のアルミニウムの陽
極酸化条件を変え、細孔の径を変え、その影響を検討し
た。

【０２２１】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）実施例１の工程１と同様に行った。

【０２２２】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
実施例１の工程１と同様に行った。

【０２２３】次に、陽極酸化層を形成した基板を、燐酸
水溶液中に浸漬する時間を変更し、細孔の径を変えた。
細孔の径は、２０、３０、４０、５０、８０ｎｍとし
た。

【０２２４】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属
を形成する工程）細孔内への柱状金属の形成は、図１６
を用いておこなった。本工程では、対向電極９１にＰｔ
電極、金属を含む電解析出溶液９４に５％ＮｉＳＯ
₄ 、４％Ｈ₃ＢＯ₃を用いて、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度
で交流６０ＨＺでＮｉを電析した。柱状Ｎｉの電析量
は、時間で制御し、各細孔内に柱状Ｎｉを形成した。
尚、陽極酸化の細孔底部の緻密な酸化層にもＮｉがマイ
グレーションし、下部電極と柱状のＮｉは、電気的に接
続された。

【０２２５】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）この工程は実施し
ない。

【０２２６】（工程５：陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程）スパッタ法によって、Ｗを７ｎｍ堆
積した後、水素ガス中で還元凝集し、微粒子を形成し
た。微粒子の粒径は、１０ｎｍであった。

【０２２７】（工程６：安定化工程）次に、基板をスパ
ッタ装置の真空チャンバー内に設置し、十分に排気し
た。

【０２２８】（工程７：上部電極の形成工程）次に、グ
ラファイトをターゲットにして、スパッタ法で、２０ｎ
ｍの炭素を堆積し、上部電極とした。

【０２２９】電子顕微鏡で観察すると細孔の径が４０ｎ
ｍまでは、細孔上も覆うことができ、５０ｎｍ以上の細
孔の径では、細孔上の炭素は、一部、又は、全個所覆い
切れなかった。これより、細孔の長さＬに対して、上部
電極厚みｔは、０．５×Ｌ ≦ ｔを満足する必要があることがわかった。

【０２３０】又、実施例と同様にして、細孔径４０ｎｍ
以下のものについては、ビーム広がりが、前記比較例と
同等な電子放出を確認した。

【０２３１】［第3実施形態の実施例３］本実施例で
は、第３実施形態の実施例１と同様の素子配置の基板を
構成した。図２1(b)の構造の素子で、上部電極の厚みを
種々形成し、その影響を検討した。実施例１と工程５、
７以外は、同様に行った。

【０２３２】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）実施例１の工程１と同様に行った。

【０２３３】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
実施例１の工程２と同様に行った。（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属を形成する工
程）実施例１の工程３と同様に行った。

【０２３４】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）実施例１の工程４
と同様に行った。

【０２３５】（工程５：陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程）スパッタ法によって、Ｗを７ｎｍ堆
積した後、水素ガス中で還元凝集し、微粒子を形成し
た。

【０２３６】（工程６：安定化工程）次に、基板をスパ
ッタ装置の真空チャンバー内に設置し、十分に排気した
後、３００℃で加熱しながら、２時間排気した。

【０２３７】（工程７：上部電極の形成工程）次に、グ
ラファイトをターゲットにして、スパッタ法で、１０、
３５、５０、６５、８０、２００ｎｍの炭素を堆積し、
上部電極とした。

【０２３８】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。

【０２３９】電子ビームは、１０ｎｍの厚みでは、比較
例と比べ広がっていた。３５、５０ｎｍ，６５、８０ｎ
ｍの厚みのものは、比較例と同等であった。２００ｎｍ
の厚みのものは、放出電流が小さく測定困難であった。

【０２４０】図２４に示すように、電子放出電流は、上
部電極厚１０ｎｍでは、非常に高く、３５、５０ｎｍ，
６５、８０ｎｍでは、指数関数的依存性を示した。２０
０ｎｍの厚みでは、ノイズレベルであった。これより、
炭素のミーンフリーパスが算出された。

【０２４１】尚、上部電極の形態の観察をすると、１
０、３５ｎｍの厚みのものは、細孔上を上部電極が覆い
きれず、上部電極に穴が見受けられた。５０、６５、８
０ｎｍの厚みのものは、細孔上に穴が見受けられなかっ
た。

【０２４２】以上の結果、細孔の径に対して、上部電極
の厚みの最適値が存在し、又、上部電極が、極端に薄い
と上部電極が、細孔を覆うことができず、電子ビーム
は、広がり、又最適範囲では、ビームの広がりは、低減
され、膜厚に依存して放出電流が減少することが分かっ
た。。又、前述の２λ以下の膜厚の上部電極であれば、
充分な放出電流が得られることがわかった。

【０２４３】［第３実施形態の実施例４］本実施例は、
第３実施形態の実施例１と同様の方法で作成した複数の
電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明した
図９の撮像装置に用いた例である。本実施例の撮像装置
の製造方法は、第1実施形態と同様である。こうして作
成した撮像装置を先に説明した動作原理にもとづき動作
させたところ電子放出素子の大きさに１：１に対応した
信号電流が得られ動作が確認された。

【０２４４】［第３実施形態の実施例５］本実施例は、
第3実施形態の実施例１と同様の方法により作成した複
数の電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明
した図１０の表示装置を構成した例である。本実施例の
表示装置の製造方法は、第1実施形態と同様である。こ
うして作成した表示装置を先に説明した動作原理にもと
づき動作させたところ、高精細で明るい画像が表示され
た。

【０２４５】[第4実施形態]図２５（ａ）は、第4実施形
態の電子放出素子の断面図である。図２５（ｂ）は、図
２５（ａ）の断面図のＡの部分拡大の模式図である。

【０２４６】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板、Ｓ
ｉＯ₂を積層したＳｉ基板等を用いることができる。特
に、基板１を半導体基板とした場合には、電子放出素子
の駆動用のドライバー等を同時に設置することもでき
る。

【０２４７】下部電極２としては、陽極酸化可能である
Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ等の金属、
半導体が用いられる。下部電極２の膜厚は、陽極酸化層
の膜厚、下部電極としての電気抵抗等によって適宜設定
される。尚、下部電極材料は、陽極酸化可能な金属のみ
ならず、陽極酸化ができない金属と陽極酸化できる金属
との積層形態でも良い。

【０２４８】陽極酸化層３は、下部電極の一部を陽極酸
化し、形成される。陽極酸化層３には、規則的、又は、
不規則な細孔５が存在する。これを、本明細では、多孔
質層と呼ぶ場合もある。規則的、不規則的な細孔５の形
成は、下部電極２の材料に応じて、陽極酸化浴の組成、
浴温、電圧、時間等の陽極酸化条件を選択することで得
られる。好ましくは、規則的細孔が、選択される。細孔
の径は、数十ｎｍから数百ｎｍであり、その深さは、数
十ｎｍから数千ｎｍである。細孔の密度は、１０⁸ 〜
１０¹²個／ｃｍ２である。尚、細孔の形状は、円に限ら
ず、楕円、四角等でも本発明の電子放出素子において
は、適用できる。種々の形状の場合は、フォーカスイオ
ンビーム等を用いて形成することもできる。従って、本
発明においては、細孔の径に対応して細孔の長さという
表現を用いる場合もある。各細孔５には、下部電極２と
電気的に接続された炭素６が、細孔の一部を埋めた支柱
状に形成される。尚、電子の放出は、前記各細孔内の支
柱の周縁部又は、前記支柱の上面の領域から行われ、支
柱の形状及び陽極酸化層上の上部電極の形状から設定さ
れる。従って、前記細孔に対応して、各細孔より線状又
は線状及び面状の電子放出が行われる。

【０２４９】又、上部電極４側より、同様に炭素が形成
されていても構わない。

【０２５０】下部電極２上に形成された炭素と上部電極
又は、上部電極との間、又は、上部電極４側から炭素が
形成された場合には、この上部電極４側からの炭素と下
部電極２上に形成された炭素の間には、間隙が形成され
ており、該間隙は、好ましくは、数ｎｍから数十ｎｍで
あり、後述の有機材料の存在下で行われる、該上部電極
および下部電極に電圧を印加する工程の時間、印加する
電圧等によって、適宜設定される。

【０２５１】上部電極は、陽極酸化層上に形成され、好
ましくは、Ｐｔ，Ｗ，Ｍｏ，Ｈｆ等高融点の材料が用い
られる。

【０２５２】上記本発明の電子放出素子の構造例を図２
６の模式的断面図を用いて説明する。図２６おいて、７
は微少間隙であり、図２６と同じ部位には、同じ符号を
つけた。図２６には、（ａ）、（ｂ）の２種類の構造を
示したが、これに限るわけでなく、他の構造でも良い。
又、以下において、上部電極及び下部電極として金属を
用いて説明しているが、半導体でもよい。

【０２５３】図2６（ａ）の構造は、金属（下部電極）
／金属酸化層／炭素電子放出体６を有する細孔／真空／
細孔上を除いて形成された金属（上部電極）４、のよう
になっている。又、図２６（ｂ）の構造は、金属（下部
電極）／電子放出体６を有する細孔／真空／細孔上を除
いて形成された金属（上部電極）４、のようになってい
る。

【０２５４】図2６（ａ）の構造における金属酸化層３
は、下部電極を陽極酸化した際にえられるが、陽極酸化
条件によって、この金属酸化層３に、細孔をもたない緻
密な膜構造領域と細孔を有する膜構造領域の両構造領域
を得ることができる。図2６（ａ）の様に、下部電極２
と細孔内の電子放出体６との間に、上記金属酸化層の緻
密な膜構造領域が形成されていることは、金属／絶縁層
／炭素の非線形素子を形成するため、電流制限の働きを
付与することができ、本発明の電子放出素子を駆動した
際、放電等での電流変動を防ぎ、電子放出素子の損傷を
防ぐことができる。上記金属酸化層の具体的な製造方法
は後述するが、例えばまず多孔質の金属酸化物形成条件
で形成後、後述する細孔のワイドニング工程で、緻密な
膜構造領域の厚みが調整される。

【０２５５】図2６（ｂ）の構造は、細孔をもたない金
属酸化層がなく、直接下部電極と細孔内の電子放出体
（炭素）が電気的に接続された場合を示している。この
ような構造は、下部電極を陽極酸化した後、後述する細
孔のワイドニング工程を十分に行い、更に、細孔内に電
子放出体（炭素）を形成することで、下部電極と電子放
出体が電気的に接続された状態となる場合もある。この
際、後述する陽極酸化層の細孔内に炭素を形成する工程
において印加されるパルス電圧によって、下部電極と細
孔を有する金属酸化層との間に存在する細孔を持たない
金属酸化層が、電気的に破壊され、その結果、下部電極
と電子放出体が電気的に接続された状態となる。以上、
図2６（ｂ）の場合においても、電子放出体／真空間の
トンネリングによる非線形特性を有する電子放出素子で
ある。又、従来から良く知られた陽極酸化膜の発色法
で、陽極酸化膜細孔中に金属を析出させる際に、交流で
行うことで緻密な陽極酸化膜中に細孔内析出金属がマイ
グレーションし下部電極と電気的接続を行うこともでき
る。上記真空とは、電子放出素子を形成した基板の設置
された真空雰囲気と同等のものである。

【０２５６】又、以上述べた本発明の電子放出素子にお
いては、前述した通り、特に耐熱性や、電子放出特性の
安定、再現性の向上という点で、電子放出体を構成する
炭素は、グラファイト、アモルファスカーボン、ダイア
モンドドライカーボンのうちひとつ以上であることが好
ましい。

【０２５７】次に、図２６の構造例における本発明の電
子放出素子の電子放出機構について説明する。

【０２５８】前述した従来技術であげた表面伝導型電子
放出素子においては、特開平０９−０８２２１４号公報
によれば、表面伝導型電子放出素子の亀裂部において、
亀裂部の陽極側（高電位側ともいう）のある位置から一
旦、陽極の外部の真空中に電子が放出される。又、一旦
放出された電子は、陰極（低電位側）と陽極で作られる
電場内を運動し、陽極側素子電極（又は陽極側の導電性
膜）上を、電場の特異点（以降よどみ点と呼ぶ）よりも
遠くに飛来した電子は電子放出素子と真空を挟んで対向
して設置されたアノード板に印加した電圧による電界に
よって、アノード板に引き寄せられる。又、電場の特異
点に到達しない電子は陽極に落下し、一部の電子はここ
で散乱されて向きを変えられ、再び真空中へ放出され
る。この散乱を繰り返して電場の特異点を越えた電子は
アノード板に到達する。

【０２５９】ここで、電子放出効率を大幅に上げるため
には、上記の電子放出の機構において、一旦放出された
電子の大部分が陽極に落下する事無く、アノード板に引
き寄せられるような電場条件に設定すればよいことが判
る。と記載されており、前記従来技術においては、電界
補正電極を素子電極の外側に配設し、素子に電子放出を
行うために印加する電圧に対して、充分な高電圧を印加
することで、電子放出効率をあげることが可能であるこ
とが示されている。

【０２６０】一方、本発明の電子放出素子においては、
上部電極に高電位、下部電極に上部電極に比べ低電位が
印加されると、上部電極４と電子放出体６間の微小間隙
に、その電位差が印加され、電子放出体から真空中に電
子が放出され、真空に放出された電子は、前記従来技術
の亀裂に相当する微小間隙に大きな電界が印加されてい
るために先に従来技術であげた表面伝導型電子放出素子
と同様に、電子放出体６から放出した電子は、上部電極
４に衝突散乱する。しかしながら、本発明の電子放出素
子によれば、散乱を繰り返さずにも電場の特異点を越
え、電子は、アノード板に到達すると推定される。

【０２６１】そこで、本発明の電子放出素子の原理を図
２７を用いて説明する。図２７は、本発明の電子放出素
子の原理説明図である。図中、ｈは電子放出素子とアノ
ード電極間の距離、ｄは、細孔の長さ、Ｖａは、アノー
ド電極の電位である。

【０２６２】ここで、電子放出体６の上部電極４側から
放出した電子に注目して説明する。尚、電子は電子放出
体６より細孔の周縁に沿って放出されるので、上部電極
４に対向する上部電極からも放出される。微小間隙に印
加された電界によって、電子放出体６から真空に放出し
た電子は、上部電極４に衝突してまず等方に散乱する。
等方に散乱した電子は、非常に近い距離に存在する対向
上部電極からの強い電界によって、前述したよどみ点
が、従来の表面伝導型電子放出素子に比べ著しく縮小さ
れている。繰り返し散乱が起こらず、主に、１回の散乱
のみで、アノード板に電子が到達する。一方、上部電極
４の膜厚が薄い場合も、繰り返し散乱が起こらず、主
に、１回の散乱のみで、アノード板に電子が到達する。
以上の様な理由で、電子放出効率が増加すると考えられ
る。他方、細孔の周縁状に形成された電子放出部を有す
る電子放出体６について、同様なことがいえるために、
電子放出効率が増加すると考えられる。

【０２６３】対向上部電極の電界の効果は、開口部の径
が重要となり、微小間隙に電子放出のためには、電子放
出体の仕事関数を４〜５．５ｅＶとすると１０⁷Ｖ／ｃ
ｍ以上であるので、前記従来技術で定義された電場の特
異点であるよどみ点を従来技術の電子放出素子及び本発
明に適用すると、３４がない場合のよどみ点の距離Ｘｓ
は、Ｘｓ＝ｈ・Ｖｆ／（π・Ｖａ）であらわされ、一方、３４がある場合のよどみ点Ｘｓ′
は、Ｘｓ′＝ｈ・Ｖｆ／｛π・Ｖａ＋ｈ・Ｖｆ／（π・
ｄ）｝で表されるために、開口部の径が小さければ小さい程、
よどみ点が縮小する。特に、上部電極電圧が数十Ｖにお
いても、よどみ点の縮小効果が期待されるために、開口
部の径は、０．５μｍ以下が好ましく、更に、開口部の
径が、０．２μｍ以下なら好ましい。又、上部電極の厚
みは、繰り返し散乱を抑制するうえで、薄いことが好ま
しく、実施例からは、０．２μｍ以下が、効率の観点か
ら好ましい。尚、上部電極の厚みで規定できる場合は、
電子の放出に寄与する微小間隙が、上部電極の際にある
場合であり、繰り返し散乱の抑制の観点から考えれば、
微小間隙と上部電極の上面までの距離に対応する。

【０２６４】又、駆動電圧は、微小間隙であるので、低
駆動電圧であり、又、電子を引き出す電圧方向が、アノ
ード板と一致しているために、比較的、等方散乱したに
もかかわらず、電子ビームの広がりは抑制される。

【０２６５】上述の電子放出素子の製造方法としては様
々な方法があるが、第1製造方法を図２８の製造工程図
を参照して説明する。

【０２６６】（工程１）基板上に、金属又は半導体の下
部電極を形成工程基板１を洗剤、純水およ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下部電極材料を
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上に下部電極２を形成する。尚、下部電極を電析によ
り形成しても良い。

【０２６７】（工程２）下部電極を陽極酸化する工程陽極酸化装置の概念図は既に図１５を参照して説明して
ある。電極３は、Ｐｔ等の金属を用いられる。下部電極
の陽極酸化は、電極５を、陰極、下部電極等を形成した
基板１を陽極にして、電源５５より通電を行うことでな
される。陽極酸化層の幾何学構造は、作成条件で制御で
きる。細孔間の間隔は陽極酸化電圧、細孔の深さは陽極
酸化時間、孔径は電解液組成、電圧、電流等の条件で制
御できる。又、規則的細孔、不規則細孔の制御もこれら
の条件の制御でおこなう。

【０２６８】次に、陽極酸化層を形成した基板を、陽極
酸化電解液等に浸漬し、細孔の径及び緻密な酸化膜の厚
みが調整される。（尚、この工程をワイドニング工程と
呼ぶ。）十分に水洗した後、真空中で乾燥を行う。

【０２６９】（工程３）該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程上部電極を２００ｎ
ｍ以下の膜厚で、下部電極と同様にして、形成する。

【０２７０】（工程４）陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（気体状有機材料存在下）本工程は、気体状の有機材料の存在下で、該上部電極お
よび下部電極に電圧を印加する。よって、前記陽極酸化
層の細孔内に炭素を形成する工程である。本工程で形成
される炭素とは、例えばグラファイト（いわゆるＨＯＰ
Ｇ，ＰＧ，ＧＣを包含する、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラ
ファイトの結晶構造、ＰＧは結晶粒が２００Å程度で結
晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が２０Å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）である。本工程で用いる真空処理装置は既
に図６を参照して説明した。

【０２７１】特に、電子放出体である炭素を下部電極よ
り堆積し、上部電極と一定の間隙を形成する場合は、上
部電極を低電位、下部電極を高電位として、電圧を印加
することで形成できる。又、更に、上記上部電極を低電
位、下部電極を高電位として、電圧を印加した後、上部
電極を高電位、下部電極を低電位として、電圧印加する
ことで、電子放出体である炭素を下部電極より堆積し、
一定の間隙を形成した後、上部電極に炭素が堆積される
ので、上部電極より一定の間隙で形成される。尚、前記
間隙の位置は、前述した様に、電子放出特性に影響を与
えるために、この下部電極から堆積させ、上部電極より
一定の間隙を形成するのが好ましい。

【０２７２】上記炭素を形成する際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。又、有機ガスは、
陽極酸化層に形成された細孔の径に応じても、選択され
る。すなわち、有機ガスの吸着は、細孔の径にも、依存
するからである。

【０２７３】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素が陽極酸化層内の細孔に堆積し、素子電
流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するようになる。

【０２７４】本工程の終了判定は、素子電流Ｉｆ、放出
電流Ｉｅのいずれか一方又はその双方を測定しながら行
う。

【０２７５】尚、図２６に示される、細孔上の、上部電
極４の開口部は、本工程における上述の電圧パルスの印
加初期においても形成される。

【０２７６】（工程５）安定化工程こうして作成した電子放出素子の特性の安定化を行う工
程である。本工程は、上記工程で陽極酸化層の細孔内の
炭素において、有機材料の中間生成物および基板等に吸
着された有機ガス、水、酸素等を除去することで、素子
電流、放出電流が、素子への印加電圧に対して、あるし
きい値以上では、単調増加する特性を付与することがで
きる。本工程は、真空容器内の有機物質排気する工程で
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
置を挙げることができる。

【０２７７】真空排気装置内の有機成分の分圧は、上記
の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
^-10Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。さらに真空装置内を
排気するときには、真空装置全体を加熱して、真空装置
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、１５
０〜３００℃で数時間以上が望ましいが、特にこの条件
に限るものではない。

【０２７８】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、真空度自体は多少低下しても十分安定な
特性を維持することができる。

【０２７９】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素物の堆積を抑制でき、結果として素子電
流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。

【０２８０】次に、液体中で炭素又は、ダイアモンドラ
イクカーボンを形成する場合の第2製造方法を説明す
る。素子の構造としては、図２６（ａ），（ｂ）を作成
する場合について、説明する。

【０２８１】（工程１）基板上に、金属又は半導体の下
部電極を形成工程第1製造方法の工程１で述べた方法と同様に行う。

【０２８２】（工程２）下部電極を陽極酸化する工程第1造方法の工程１で述べた方法と同様上記方法である
が、陽極酸化、ワイドニング後、陽極酸化した基板を水
洗し、（工程３）の電解漕に供する。

【０２８３】（工程３）陽極酸化層の細孔内に電子放出
体を形成する工程（液体状有機材料存在下）本工程は、液体状の有機材料の存在下で、図１５の電極
５３及び下部電極に電圧を印加することによって、前記
陽極酸化層の細孔内に電子放出体を形成する工程であ
る。

【０２８４】図１５と同様の装置で、電解液をアルコー
ルにして、下部電極側を陰極として、陽極間で電解し、
ダイアモンドライクカーボンを陽極酸化した細孔中に下
部電極側から析出することができる。

【０２８５】ダイアモンドライクカーボンは、電解時間
にともない、細孔内に柱状に成長堆積する。

【０２８６】（工程４）陽極酸化した金属又は、半導体
の上に、上部電極を形成する工程上部電極を２０ｎｍ以下の膜厚で、下部電極と同様にし
て、形成する。

【０２８７】（工程５）安定化工程第1製造方法の工程５で述べた安定化工程と同様に行
う。

【０２８８】［第4実施形態の実施例１］図７と同様の
構造のの電子放出素子を作成した。以下、本実施例の製
造工程を具体的に説明する。

【０２８９】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）青板ガラスにＳｉＯ₂を１μｍ堆積した基板１
を洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、ス
パッタ法によりＡｌ下部電極材料を５００ｎｍ厚みで堆
積後、フォトリソグラフィー技術を用いて基板１上に下
部電極配線７１をストライプ状に形成した。又、下部引
き出し配線８１の一部を端子とするため、公知の鍍金用
マスク樹脂で覆った。

【０２９０】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
陽極酸化は、図１５の装置を用いて、（工程１）で作成
したＡｌ製の下部電極の一部を陽極酸化した。

【０２９１】陽極酸化電解液５２は、シュウ酸３０ｇ／
ｌの水溶液である。電極５３は、Ｐｔ電極を用いた。陽
極酸化は、電極５３を、陰極、基板１に設けられた下部
配線８１を陽極にして、電源５５より定電圧で４０Ｖ、
５℃で５分間行った。陽極酸化膜の厚みはこの際、初期
の電流密度は、３００ｍＡ／ｃｍ²であったが、陽極酸
化の進行にともない減少し、その後、一旦増加し飽和し
た。次に、陽極酸化層を形成した基板を、燐酸水溶液中
に３０分間、浸漬し、緻密な陽極酸化層を除去した後、
十分に水洗した。

【０２９２】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状金属
を形成する工程）細孔内への柱状金属の形成は、図１６
の装置を用いて行った。本工程では、対向電極９１にＰ
ｔ電極、金属を含む電解析出溶液９４に５％ＮｉＳ
Ｏ₄、４％Ｈ₃ＢＯ₃を用いて、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度
で定電流でＮｉを電析した。柱状Ｎｉの電析量は、時間
で制御し、各細孔内に柱状Ｎｉを形成した。電析時間
は、１００秒とした。

【０２９３】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極７２を１
０ｎｍの膜厚で、下部電極と同様にして、形成した。

【０２９４】（工程５：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下））測定装置をかね
る真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-1Ｐａアセト
ンのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極及び下部電
極に電圧を印加する。工程３において、５素子のうち３
素子は、電圧波形は、図6(a)のパルス波形で、パルス幅
Ｔ１を１ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形波を１
５分間、下部電極側を高電位にし、印加した。その後、
上部電極を高電位側にし、５分間電圧を印加した。又、
同時に素子の電流をモニターした。電圧は、１７Ｖとし
た。５素子のうちの残りの２素子については、図6(b)の
パルス波形で同様に、電圧１７Ｖで２０分間印加した。

【０２９５】（工程６：安定化工程）次に、アセトンガ
スを十分に排気した後、３００℃で加熱しながら、２時
間排気した。

【０２９６】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。次に、測定後、こうして形
成したサンプルを電子顕微鏡、ＴＥＭ等で観察した。

【０２９７】各素子とも、素子電流、放出電流とも、し
きい値以上では、単調増加特性を示す。しきい値（Ｖth
と呼ぶ）以下では、無視できる電流であった。放出電流
の値は、図６（ａ）のパルスを印加した素子が、図６
（ｂ）のパルスを印加した素子は同等であり、従って、
放出効率も同等であった。

【０２９８】電子顕微鏡で、観察すると、陽極酸化層に
おいて、いずれも規則的な細孔が観察されていた。細孔
密度は、１×１０⁹個／ｃｍ²であった。

【０２９９】更に、断面サンプルを作成し細孔内を観察
すると、図２９に示すものであった。図２９において、
図２６と同一の符号は、同様のものを示す。図２９
（ａ）は、工程５において、図６（ａ）のパルスを印加
し、炭素を形成したものであり、図２９（ｂ）は、図６
（ｂ）のパルスを印加し炭素を形成したものである。１
１１は柱状金属Ｎｉであり、１１２は細孔内の柱状に形
成された炭素であり、１１３は上部電極側に形成された
炭素であり、１１４は微小間隙である。

【０３００】図２９（ａ）に示される様に、図６（ａ）
のパルスを印加し炭素を形成した場合は、Ａｌの下部電
極２よりＮｉ金属が、細孔内を柱状に１１０ｎｍ成長
し、更に、柱状のＮｉの上面で細孔の中には、柱状にア
モルファスカーボンが形成されていた。又、上部電極４
側にも同様に、アモルファスカーボンが形成されてい
た。又、上部電極４側と下部電極２側の炭素間には、微
小な間隙が形成されており、又、上部電極の際に、間隙
は形成されており、数ｎｍの間隙であった。尚、陽極酸
化膜の厚さは、１５０ｎｍであった。

【０３０１】一方、図２９（ｂ）に示される様に、図６
（ｂ）のパルスを印加し炭素を形成した場合は、Ａｌの
下部電極２にＮｉ金属が、細孔内を柱状に成長し、更
に、柱状のＮｉの上面で細孔の中に、柱状アモルファス
カーボンが形成されていた。又、上部電極４側にも同様
に、アモルファスカーボンが形成されていた。又、上部
電極の下面より２０ｎｍの位置まで炭素が形成されてお
り、炭素間には、微小な間隙が形成されており、数ｎｍ
の間隙であった。

【０３０２】以上の結果をまとめると、第1に、金属を
陽極酸化し、細孔内に柱状の金属を形成した上面で、前
記細孔の内に、柱状炭素が形成される。第2に、上部電
極側、下部電極側の炭素間には、数ｎｍの微小な間隙が
形成される。第3に、上部電極の下面より、２０ｎｍの
範囲での位置での微小な間隙が、配設された場合は、放
出電流、電子放出効率とも同等であることが示された。
上部電極側の厚みを含めても、両例とも、間隙より、上
部電極の上面までの距離が３０ｎｍ以下であるために、
下部電極側より放出された電子が、細孔内でロスする確
率が小さいことによると推定される。第4に、安定化工
程によって、電圧負性抵抗特性、すなわち、ＶＣＮＲ特
性が発生せず、素子電流、放出電流とも、単調増加特性
を示す。

【０３０３】［第4実施形態の実施例２］本実施例で
は、第4実施形態の実施例１と同様の素子配置の基板を
構成した。上部電極の厚みを種々形成しその影響を検討
した。実施例１と工程１より工程３、工程６は同様に行
った。工程１より工程３、工程６の説明は省略し、工程
４，５についてのみ詳細に説明する。

【０３０４】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）実施例１の工程２と同様に行った。

【０３０５】（工程２：下部電極を陽極酸化する工程）
実施例１の工程２と同様に行った。

【０３０６】（工程３：陽極酸化層の細孔内に柱状態金
属を形成する工程）実施例１の工程３と同様に行った。

【０３０７】（工程４：該陽極酸化した金属又は、半導
体の上に、上部電極を形成する工程）上部電極７２を
５，１０，１００，５００ｎｍの４種類の膜厚で、下部
電極と同様にして、４基板を形成した。

【０３０８】（工程５：陽極酸化層の細孔内に炭素を形
成する工程（気体状有機材料存在下））測定装置をかね
る真空チャンバーに基板１を設置し、１０^-2Ｐａアセト
ンのガスを含有する雰囲気下で、該上部電極及び下部電
極に電圧を印加する。５素子のうち３素子は、電圧波形
は、図６（ａ）のパルス波形で、パルス幅Ｔ１を１ｍ
ｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩形波を１５分間、下
部電極側を高電位にし、印加した。その後、上部電極を
高電位側にし、５分間電圧を印加した。又、同時に素子
の電流をモニターした。電圧は、１７Ｖとした。

【０３０９】（工程６：安定化工程）実施例１の工程２
と同様に行った。

【０３１０】次に基板を図５の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。又、電子ビームをアノードに設置した蛍
光体の発光により観察した。

【０３１１】図３０に、上部電極厚と放出電流の関係を
示す。図３０に示される様に、電子放出効率は、約２０
０ｎｍまで減少が少なく、２００ｎｍを越えると上部電
極の厚みの増加に伴い減少した。尚、電子放出効率と
は、放出電流と素子電流比である。又、ビームサイズも
減少した。

【０３１２】尚、上部電極の形態の観察をすると特に上
部電極の厚みを厚くしたものは、細孔の径に比べ大きい
膜厚の場合、細孔内部にも、一部被覆していた。又、断
面ＴＥＭによって、微小間隙を観察すると、いずれも、
実施例１と同様に、上部電極の下面際に形成されてい
た。

【０３１３】以上の結果をまとめると、第1に、上部電
極の厚みによらず、上部電極の際に微小な間隙が、形成
された。第2に、上部電極の厚みに依存して、放出電
流、電子放出効率が低下する。下部電極側より放出され
た電子が、細孔状の上部電極でロスする確率が高いこと
によると推定される。

【０３１４】［第4実施形態の実施例３］本実施例で
は、第4実施形態の実施例１と同様の素子配置の基板を
構成した。本実施例では、実施例１のアルミニウムの陽
極酸化膜にかわり、絶縁層として、ＳｉＯ₂を用いた。
以下、本実施例の製造工程を具体的に説明する。

【０３１５】（工程１：基板上に、金属の下部電極を形
成工程）青板ガラスにＳｉＯ₂を１μｍ堆積した基板１
を洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、ス
パッタ法によりＰｔを下部電極材料として、５００ｎｍ
の厚みで堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて基
板１上に下部電極配線７１をストライプ状に形成した。

【０３１６】（工程２：絶縁層を形成する工程）次に、
ＳｉＯ₂をスパッタ法により、５０ｎｍ積層した。

【０３１７】（工程３：該絶縁層の上に、上部電極を形
成する工程）上部電極７２をＰｔ１０ｎｍの膜厚で、下
部電極と同様にして、形成した。

【０３１８】（工程４：絶縁層に細孔を形成する工程）
上述の下部電極／ＳｉＯ₂／上部電極の積層構造に、フ
ォーカスイオンビーム法を用いて、（細孔の径５０ｎ
ｍ，ピッチ１００ｎｍ）（細孔の径２００ｎｍ，ピッチ
４００ｎｍ）、（細孔の径５００ｎｍ，ピッチ１０００
ｎｍ）、（細孔の径１０００ｎｍ，ピッチ２０００ｎ
ｍ）の４種類を形成した。尚、ここで、ピッチとは、隣
接する細孔の中心間の距離である。

【０３１９】（工程５：絶縁層の細孔内に炭素を形成す
る工程（気体状有機材料存在下））測定装置をかねる真
空チャンバーに基板１を設置し、１０^-2Ｐａのアセトン
ガスを含有する雰囲気下で、該上部電極及び下部電極に
電圧を印加する。電圧波形は、図6(a)のパルス波形で、
パルス幅Ｔ１を１ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓの矩
形波を１５分間、下部電極側を高電位にし、５分間印加
した。

【０３２０】（工程６：安定化工程）次に、アセトンガ
スを十分に排気した後、３００℃で加熱しながら、２時
間排気した。

【０３２１】次に基板を図６の真空処理装置に設置し、
各素子の下部電極、上部電極、及びアノード電極に電圧
を印加して、電流（素子電流、放出電流）、素子電圧特
性を測定した。

【０３２２】電子放出効率は、図32に示される様に、細
孔の径に依存しており、細孔の径が小さい程、電子放出
効率が増加した。

【０３２３】［第４実施形態の実施例４］本実施例は、
第４実施形態の実施例１と同様の方法で作成した複数の
電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明した
図９の撮像装置に用いた例である。本実施例の撮像装置
の製造方法は、第1実施形態と同様である。こうして作
成した撮像装置を先に説明した動作原理にもとづき動作
させたところ電子放出素子の大きさに１：１に対応した
信号電流が得られ動作が確認された。

【０３２４】［第４実施形態の実施例５］本実施例は、
第4実施形態の実施例１と同様の方法により作成した複
数の電子放出素子を２次元状に基板に配置し、既に説明
した図１０の表示装置を構成した例である。本実施例の
表示装置の製造方法は、第1実施形態と同様である。こ
うして作成した表示装置を先に説明した動作原理にもと
づき動作させたところ、高精細で明るい画像が表示され
た。

【０３２５】

【発明の効果】以上説明した第1実施形態の本発明によ
れば、下部電極上に、陽極酸化などにより形成された細
孔を有する絶縁層を有し、更に、該細孔内には、少なく
とも、炭素が形成され、該炭素と上部電極間に、間隙を
有するので、上部電極が高電位になるように、下部電
極、上部電極間に電圧を印加すると、下部電極から注入
された電子は、真空中にトンネリングし、電子が放出さ
れる。又、下部電極より形成された炭素と上部電極との
間隙の距離は、略一定の間隙を有するため、従来のＭＩ
Ｍ型電子放出素子の様に、絶縁層の厚みに、駆動電圧が
依存したりすることなく、ばらつきが少ない電子放出素
子特性が、得られる。又、下部電極側から成長した電子
放出体が、グラファイト、アモルファスカーボン、ダイ
ヤモンドライクカーボンのいずれか一つ以上からなるこ
とは、耐熱性に優れ、安定な電子放出特性が、再現性良
く作成される。又、細孔は、高密度で更に規則的に形成
できるために、大きな放出電流で効率の良い電子放出素
子が得られる。又、本発明の電子放出素子によれば、電
子ビームの広がりは低減され、電子放出素子の形成領域
と同等の電子ビームが形成される。又、本発明の電子放
出素子を複数配置した電子源によれば、上記理由より、
ばらつきが少なく安定な電子源が、提供される。又、該
複数配置された電子放出素子は、上部電極と電気的に接
続された上部配線と下部電極と電気的に接続された下部
配線の交点部に配設され、かつ、該上部配線と該下部配
線は、略直交する様に形成した電子源によれば、上部配
線と下部配線に印加する電圧によって、複数の電子放出
素子より、特定の電子放出素子を選択し、変調できる。
又、上記電子源と、該電子源と対向して設けられた光導
電性部材を構成することで、ばらつきが少なく、高解像
度で均一性に優れた撮像素子が提供できる。又、上記本
発明の電子源と、該電子源と対向して設けられた画像形
成部材を構成することで、ばらつきが少なく、高精細で
均一性に優れた表示装置を提供できる。

【０３２６】又、第2実施形態の本発明によれば、基板
上に、下部電極、細孔を有する絶縁層、上部電極の順に
積層され、前記絶縁層に細孔を有し、前記細孔中に、電
子放出部を有する電子放出素子において、前記電子放出
部が前記下部電極と上部電極間の微小間隙よりなり、か
つ前記微小間隙が、前記細孔内壁に沿って形成された導
電性体と上部電極によるものであることを特徴とする電
子放出素子であるので、上部電極が高電位になるよう
に、下部電極、上部電極間に電圧を印加すると、下部電
極から電子は、上部電極間の間隙を、真空中にトンネリ
ングし、細孔内壁に沿って形成された導電性体の電位の
影響を受け、効率良く、電子が放出される。又、更に、
微小間隙から上部電極の上面までの距離が２００ｎｍ以
下であるので、上部電極に衝突散乱した電子は、くりか
えし散乱を起こさないために、電子放出効率が向上す
る。又、前記細孔の長さが、５００ｎｍ以下であるの
で、低電圧の上部電極の電位においても、電場の特異点
を縮小し、電子放出効率が向上する。又、下部電極上に
細孔内壁に沿って形成された導電性体と上部電極との間
隙の距離は、形成された炭素材料と印加した電圧によっ
て、決定され、略一定の間隙を有するため、従来のＭＩ
Ｍ型電子放出素子の様に、絶縁層の厚みに、駆動電圧が
依存したりすることなく、ばらつきが少ない電子放出素
子特性が、得られる。又、下部電極側から成長した導電
性体の電子放出体は、グラファイト、アモルファスカー
ボン、ダイアモンドライクカーボンのいずれかひとつ以
上であることは、耐熱性に優れ、安定な電子放出特性
が、再現性良く作成される。又、導電性体は、予め細孔
内に支柱状金属等の導電性体を形成し、更に、支柱状金
属上に、細孔内壁に沿って形成された周縁状炭素を積層
したもので構成しても良い。この場合は、前記絶縁層が
厚くても良いために、上部電極、下部電極間の絶縁層の
容量低下がなされ、電子放出素子の駆動上有利である。
又、細孔は、高密度で更に規則的に形成できるために、
大きな放出電流で効率の良い電子放出素子がえられる。
又、細孔中に形成された導電性の電子放出体からの電子
放出は、周縁状の線状の電子放出体から主に行われるた
めに、電子放出領域が、従来の電界放出素子がコーン先
端の微小領域であるのに対して、大幅に増加できる。
又、従来の表面伝導型電子放出素子が、１次元の線状で
あるのに対して、電子放出領域が、２次元に形成できる
ために、大幅に増加できる。従って、放出電流密度（放
出電流と電子放出面積の比）が低減されるために、電子
放出素子の特性劣化が抑制することができる。

【０３２７】又、従来の電界放出素子と比べて、電子ビ
ームの広がりは低減され、条件によっては、電子放出素
子の形成領域と同等の電子ビームが形成される。又、本
発明の電子放出素子を複数配置した電子源によれば、上
記理由より、ばらつきが少なく安定な電子源が、提供さ
れる。又、該複数配置された電子放出素子は、上部電極
と電気的に接続された上部配線と下部電極と電気的に接
続された下部配線の交点部に配設され、又は、交点部毎
に、交点近傍に、配設され、かつ、該上部配線と該下部
配線は、略直交する様に形成した電子源によれば、上部
配線と下部配線に印加する電圧によって、複数の電子放
出素子より、特定の電子放出素子を選択し、変調でき
る。又、電子放出素子を上部配線と下部配線の交点部で
なく、交点部の近傍に形成した場合、配線及び素子の設
計に対する自由度が増加する。すなわち、必要な放出電
子量に適合して、素子のサイズが選択できる。又、配線
の交点での容量を低減するためにも、素子の必要電子放
出量から設計される素子サイズから分離されるために、
設計自由度が増加する。上記電子源と、該電子源と対向
して設けられた光導電性部材を構成することで、ばらつ
きが少なく、高解像度で均一性に優れた撮像素子が提供
できる。上記本発明の電子源と、該電子源と対向して設
けられた画像形成部材を構成することで、ばらつきが少
なく、高精細で均一性に優れた画像形成装置を提供でき
る。

【０３２８】又、第３実施形態の本発明によれば、基板
上に、下部電極、細孔を有する絶縁層、上部電極の順に
積層され前記絶縁層に細孔を有し、前記細孔中に、電子
放出体を有する電子放出素子において、前記上部電極の
厚みｔ、前記細孔の長さＬ、前記上部電極の電子透過の
ミーンフリーパスλとしたとき、０．５×Ｌ＜＝ｔ＜
２λ を満足することを特徴とする電子放出素子である
ので、上部電極が高電位になるように、下部電極、上部
電極間に電圧を印加すると、下部電極から注入された電
子は、電子放出体より、真空中にトンネリングし、更
に、上部電極を透過し、アノード電極に向かう。上部電
極厚が、細孔の長さｌに対して、０．５１以上であるの
で、上部電極は、細孔の開口部を覆うことができる。
又、上部電極厚が、上部電極の電子透過のミーンフリー
パスλの２λ以下であるので、放出電子は上部電極を効
率良く透過し、アノード電極に到達することができる。
又、電子放出体と上部電極間は、誘電率の小さい真空で
あるので、絶縁層を配設するＭＩＭに比べ、絶縁層によ
る電子散乱がないために、放出電子のロスが低減され、
又、電気容量が大幅に低下するために、消費電力等電子
放出素子の駆動上有利である。前記上部電極の電子透過
部分が、電子透過のミーンフリーパスが大きく、電子透
過性に優れるグラファイト、アモルファスカーボン、ダ
イアモンドライクカーボンのいずれかひとつ以上を有す
る炭素材料であるので、放出電子は上部電極を効率良く
透過し、アノード電極に到達することができる。又、炭
素は、耐熱性が高い材料であるので、電子放出素子の駆
動中の劣化が少なく、安定性が向上する。又、炭素材料
は、共有結合であるので、金属電極と比べ、細孔上を覆
う上部電極の形状を実現しやすい。又、前記電子放出体
を、前記下部電極上に積層された針状電極、前記下部電
極上に積層された微粒子とした本発明の電子放出素子
は、局部電界が大きく、かつ、細孔であるので、駆動電
圧が低下され、消費電力が低下する。又、前記電子放出
体が、前記細孔内壁に沿って形成された周縁状導電性体
又は、前記細孔内に形成された柱状態導電性体からな
り、前記電子放出体と上部電極間の微小間隙を有する本
発明の電子放出素子は、微小間隙であるので、駆動電圧
が低く、又、真空であるので、容量が低下する。更に、
前記電子放出体と下部電極間に支柱状の導電性体を配設
すると、前記絶縁層厚が、電子放出電界と分離できるた
めに、絶縁層の厚みが大きくとれるために、上部電極と
下部電極間の容量が低下し、駆動上有利である。又、細
孔は、高密度で更に規則的に形成できるために、大きな
放出電流で効率の良い電子放出素子がえられる。実駆動
においては、低放出電流密度（放出電流と電子放出面積
の比）で駆動されるために、電子放出素子の特性劣化が
抑制することができる。又、本発明の電子放出素子によ
れば、細孔上の上部電極に開口部を有する従来の電界放
出素子と比べて、細孔上にも上部電極を有するために、
電子ビームの広がりは低減され、ＭＩＭ素子と同様の電
子ビームが形成される。又、本発明の電子放出素子を複
数配置した電子源によれば、上記理由より、高い精細度
で安定な電子源が、提供される。又、該複数配置された
電子放出素子は、上部電極と電気的に接続された上部配
線と下部電極と電気的に接続された下部配線の交点部に
配設され、又は、交点部毎に、交点近傍に、配設され、
かつ、該上部配線と該下部配線は、略直交する様に形成
した電子源によれば、上部配線と下部配線に印加する電
圧によって、複数の電子放出素子より、特定の電子放出
素子を選択し、変調できる。又、電子放出素子を上部配
線と下部配線の交点部でなく、交点部の近傍に形成した
場合、配線及び素子の設計に対する自由度が増加する。
すなわち、必要な放出電子量に適合して、素子のサイズ
が選択できる。又、配線の交点での容量を低減するため
にも、素子の必要電子放出量から設計される素子サイズ
から分離されるために、設計自由度が増加する。上記電
子源と、該電子源と対向して設けられた光導電性部材を
構成することで、ばらつきが少なく、高解像度で均一性
に優れた撮像装置が提供できる。

【０３２９】上記本発明の電子源と、該電子源と対向し
て設けられた画像形成部材を構成することで、ばらつき
が少なく、高精細で均一性に優れた画像形成装置を提供
できる。

【０３３０】又、第4実施形態の本発明によれば、基板
上に、下部電極、細孔を有する絶縁層、上部電極の順に
積層され、前記絶縁層に細孔を有し、前記細孔中に、電
子放出部を有する電子放出素子において、前記電子放出
部が前記下部電極と上部電極間の微小間隙よりなり、か
つ微小間隙から上部電極の上面までの距離が２００ｎｍ
以下であるので、上部電極が高電位になるように、下部
電極、上部電極間に電圧を印加すると、下部電極から注
入された電子は、上部電極間の間隙を、真空中にトンネ
リングし、電子が放出され、更に、上部電極に衝突散乱
した電子は、くりかえし散乱を起こさないために、電子
放出効率が向上する。又、前記細孔の長さが、５００ｎ
ｍ以下であるので、低電圧の上部電極の電位において
も、電場の特異点を縮小し、電子放出効率が向上する。
又、下部電極上に形成された導電性体と上部電極との間
隙の距離は、形成された炭素材料と印加した電圧によっ
て、決定され、略一定の間隙を有するため、従来のＭＩ
Ｍ型電子放出素子の様に、絶縁層の厚みに、駆動電圧が
依存したりすることなく、ばらつきが少ない電子放出素
子特性が得られる。又、下部電極から成長した支柱状の
導電性体の電子放出体は、グラファイト、アモルファス
カーボン、ダイアモンドライクカーボンのいずれかひと
つ以上であることは、耐熱性に優れ、安定な電子放出特
性が、再現性良く作成される。又、導電性体は、予め細
孔内に金属を形成し、更に、炭素を形成した支柱状金属
と炭素を積層したもので構成しても良い。この場合は、
絶縁層が厚くても良いために、上部電極、下部電極間の
絶縁層の容量低下がなされ、電子放出素子の駆動上有利
である。又、細孔は、高密度で更に規則的に形成できる
ために、大きな放出電流で効率の良い電子放出素子が得
られる。又、細孔中に形成された電子放出体からの電子
放出は、柱状の電子放出体の周縁から主に行われるため
に、電子放出領域が、従来の電界放出素子がコーン先端
の微小領域であるのに対して、大幅に増加できる。又、
従来の表面伝導型電子放出素子が、電子放出領域が、２
次元に形成できるために、大幅に増加できる。従って、
放出電流密度（放出電流と電子放出面積の比）が低減さ
れるために、電子放出素子の特性劣化が抑制することが
できる。又、本発明の電子放出素子によれば、従来の電
界放出素子と比べて、電子ビームの広がりは低減され
る。又、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源に
よれば、上記理由より、ばらつきが少なく安定な電子源
が提供される。又、該複数配置された電子放出素子は、
上部電極と電気的に接続された上部配線と下部電極と電
気的に接続された下部配線の交点部に配設され、又は、
交点部毎に、交点近傍に、配設され、かつ、該上部配線
と該下部配線は、略直交する様に形成した電子源によれ
ば、上部配線と下部配線に印加する電圧によって、複数
の電子放出素子より、特定の電子放出素子を選択し、変
調できる。又、電子放出素子を上部配線と下部配線の交
点部でなく、交点部の近傍に形成した場合、配線及び素
子の設計に対する自由度が増加する。すなわち、必要な
放出電子量に適合して、素子のサイズが選択できる。
又、配線の交点での容量を低減するためにも、素子の必
要電子放出量から設計される素子サイズから分離される
ために、設計自由度が増加する。上記電子源と、該電子
源と対向して設けられた光導電性部材を構成すること
で、ばらつきが少なく、高解像度で均一性に優れた撮像
装置が提供できる。上記本発明の電子源と、該電子源と
対向して設けられた画像形成部材を構成することで、ば
らつきが少なく、高精細で均一性に優れた画像形成装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第1実施形態の電子放出素子の断面図
及び斜視図

【図２】第1実施形態の電子放出素子の構造を説明する
ための断面図

【図３】第1実施形態の電子放出素子の製造行程のフロ
ーチャート

【図４】電子放出素子の製造に用いる陽極酸化装置の断
面図

【図５】電子放出素子の製造に用いる真空処理装置の断
面図

【図６】陽極酸化層の細孔内に炭素を形成する工程で印
加する電圧パルスの波形図

【図７】第1実施形態の実施例１の電子放出素子の平面
図及び断面図

【図８】第1実施形態の実施例１の電子放出素子の特性
を表わすグラフ

【図９】第1実施形態の実施例３の撮像装置の断面図及
び平面図

【図１０】第1実施形態の実施例４の表示装置の断面図
及び平面図

【図１１】本発明の第２実施形態の電子放出素子の断面
図及び斜視図

【図１２】第２実施形態の電子放出素子の構造を説明す
るための断面図

【図１３】第２実施形態の電子放出素子の動作原理を説
明するための断面図

【図１４】第２実施形態の電子放出素子の製造行程のフ
ローチャート

【図１５】電子放出素子の製造に用いる他の陽極酸化装
置の断面図

【図１６】電子放出素子の製造に用いる柱状金属形成装
置の断面図

【図１７】第２実施形態の電子放出素子の断面形状を説
明するための断面図

【図１８】第２実施形態の電子放出素子の電子放出効率
と上部電極圧の関係を示すグラフ

【図１９】第２実施形態の電子放出素子の電子放出効率
と開口部径の関係を示すグラフ

【図２０】本発明の第３実施形態の電子放出素子の断面
図及び斜視図

【図２１】第３実施形態の電子放出素子の構造を説明す
るための断面図

【図２２】第３実施形態の電子放出素子の他の構造を説
明するための断面図

【図２３】第３実施形態の電子放出素子の製造行程のフ
ローチャート

【図２４】第３実施形態の電子放出電流と上部電極圧の
関係を示すグラフ

【図２５】本発明の第４実施形態の電子放出素子の断面
図及び斜視図

【図２６】第４実施形態の電子放出素子の構造を説明す
るための断面図

【図２７】第４実施形態の電子放出素子の動作原理を説
明するための断面図

【図２８】第４実施形態の電子放出素子の製造行程のフ
ローチャート

【図２９】第４実施形態の電子放出素子の形状を説明す
るための断面図

【図３０】第４実施形態の電子放出素子の電子放出効率
と上部電極圧の関係を示すグラフ

【図３１】第４実施形態の電子放出素子の電子放出効率
と開口部径の関係を示すグラフ

【図３２】従来のFE型電子放出素子の断面図

【図３３】従来の他のFE型電子放出素子の断面図

【図３４】従来のMIM型電子放出素子の断面図

【図３５】従来の表面伝導型電子放出素子の平面図及び
断面図

【符号の説明】

１基板２下部電極３陽極酸化層４上部電極５細孔６細孔内壁に沿って形成された周縁状炭素７柱状導電性体８微小間隙５１陽極酸化槽５２陽極酸化電解液５３電極５４電源５５陽極酸化電解液５２の温度調節を行うための温
調機５６温調機を循環する水用の容器５７温調用の循環水６０素子への印加電源６１下部電極・上部電極関の素子電流Ｉｆを測定す
るための電流計６２放出電流Ｉｅを測定するための電流計６３高圧電源６４放出電源Ｉｅを捕捉するためのアノード電極６５真空容器６６排気ポンプ６７有機ガスの供給源８１下部電極の引き出し配線８２上部電極の引き出し配線８３本発明の電子放出素子９１金属電解析出用の対向電極９２金属電解析出液用の容器９３電解析出用の電源９４金属を含む電解析出溶液１１１上部電極側に形成炭素１４１電子放出素子基板１４２下部電極（配線）１４３陽極酸化層１４４上部電極（配線）１４５光導電部材１４６透明電極１４７光導電部材基板１４８素子電圧印加電源１４９光導電ターゲット印加電源１５０リアプレート１５１電子放出素子基板１５２下部電極（配線）１５３陽極酸化層１５４上部電極（配線）１５５メタルバック１５６蛍光体１５７フェイスプレート１５８素子電圧印加電源１５９アノード用の高圧電源２０７微少間隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 31/38 Ｈ０１Ｊ 31/38 Ｚ (31)優先権主張番号特願平10−295706 (32)優先日平成10年10月16日(1998．10．16) (33)優先権主張国日本（ＪＰ） (72)発明者河手信一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Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD17 DD19 5C036 EE01 EE14 EF01 EF06 EF09 EG12 EG15 EH01 EH04 EH06 EH08 EH11 EH17 5C037 AA01 AB23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、下部電極と、細孔を有する絶
縁層と、上部電極とをこの順に積層した電子放出素子で
あって、前記細孔中に、炭素堆積物を有することを特徴とする電
子放出素子。
【請求項２】前記絶縁層が、陽極酸化層であることを
特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】前記炭素堆積物は、導電性であり、前記
下部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請
求項１記載の電子放出素子。
【請求項４】前記炭素堆積物は、導電性であり、前記
下部電極と前記炭素堆積物との間には絶縁体が介在して
いることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項５】前記炭素堆積物は、支柱状であることを
特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項６】前記上部電極は、陽極酸化層の細孔の上
を除いて存在することを特徴とする請求項１記載の電子
放出素子。
【請求項７】前記炭素堆積物と前記上部電極との間に
間隙を設けることを特徴とする請求項１記載の電子放出
素子。
【請求項８】前記炭素堆積物は、導電性であり、前記
上部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請
求項１記載の電子放出素子。
【請求項９】前記下部電極上の炭素堆積物と前記上部
電極に接続された炭素堆積物との間に間隙を設けること
を特徴とする請求項８記載の電子放出素子。
【請求項１０】基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層した電子放出素子
であって、前記細孔中に電子放出部を有し、前記電子放出部は、前記下部電極と上部電極間の微小間
隙よりなり、前記微小間隙は、前記細孔内壁に沿って形成された周縁
状導電性体と上部電極によるものであることを特徴とす
る電子放出素子。
【請求項１１】前記絶縁層が、陽極酸化層であること
を特徴とする請求項１０記載の電子放出素子。
【請求項１２】前記細孔内壁に沿って形成された導電
性体が、前記細孔内に形成された支柱状の導電性体上に
形成されたものであることを特徴とする請求項１０記載
の電子放出素子。
【請求項１３】前記細孔内壁に沿って形成された導電
性体が、炭素堆積物であることを特徴とする請求項１０
記載の電子放出素子。
【請求項１４】前記支柱状の導電性体が、金属である
ことを特徴とする請求項１１記載の電子放出素子。
【請求項１５】前記微小間隙から上部電極の上面まで
の距離が２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項
１０記載の電子放出素子。
【請求項１６】前記細孔の長さが、５００ｎｍ以下で
あることを特徴とする請求項１０記載の電子放出素子。
【請求項１７】前記微小間隙が、２０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０記載の電子放出素子。
【請求項１８】基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層した電子放出素子
であって、前記細孔中に、電子放出体を有し、前記上部電極の厚みｔ、前記細孔の長さＬ、前記上部電
極の電子透過の平均自由行程（ミーンフリーパス）をλ
としたとき、０．５×Ｌ ≦ ｔ＜２λ を満足することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１９】前記上部電極が炭素堆積物を有するこ
とを特徴とする請求項１８記載の電子放出素子。
【請求項２０】前記電子放出体が前記下部電極上に積
層された針状電極であることを特徴とする請求項１８記
載の電子放出素子。
【請求項２１】前記電子放出体が前記下部電極上に積
層された微粒子であることを特徴とする請求項１８記載
の電子放出素子。
【請求項２２】前記電子放出体が、前記細孔内壁に沿
って形成された周縁状導電性体であり、前記細孔内壁に
沿って形成された周縁状導電性体と上部電極間の微小間
隙を有することを特徴とする請求項１８記載の電子放出
素子。
【請求項２３】前記電子放出体が、前記細孔内に形成
された柱状導電性体であり、前記細孔内に形成された柱
状導電性体と上部電極間の微小間隙を有することを特徴
とする請求項１８記載の電子放出素子。
【請求項２４】前記電子放出体が、前記細孔内に形成
された支柱状の導電性体上に形成されたものであること
を特徴とする請求項１８記載の電子放出素子。
【請求項２５】前記電子放出体が、炭素堆積物を有す
ることを特徴とする請求項１８記載の電子放出素子。
【請求項２６】前記支柱状の導電性体が、金属である
ことを特徴とする請求項２４に記載の電子放出素子。
【請求項２７】前記絶縁層が、陽極酸化層であること
を特徴とする請求項１８記載の電子放出素子。
【請求項２８】前記電子放出体が、下部電極上に形成
された絶縁層に介在していることを特徴とする請求項１
８記載の電子放出素子。
【請求項２９】基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前記細孔中に
電子放出部を有する電子放出素子において、前記電子放
出部が前記下部電極と上部電極間の微小間隙よりなり、
かつ微小間隙から上部電極の上面までの距離が２００ｎ
ｍ以下であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３０】前記細孔の長さが、５００ｎｍ以下で
あることを特徴とする請求項２９記載の電子放出素子。
【請求項３１】前記微小間隙が、２０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項２９に記載の電子放出素子。
【請求項３２】前記微小間隙が、前記細孔内に形成さ
れた支柱状の導電性体と上部電極によるものであること
を特徴とする請求項２９記載の電子放出素子。
【請求項３３】前記支柱状の導電性体が、炭素堆積物
であることを特徴とする請求項２９記載の電子放出素
子。
【請求項３４】前記支柱状の導電性体が、金属及び炭
素であることを特徴とする請求項２９記載の電子放出素
子。
【請求項３５】前記絶縁層が、陽極酸化層であること
を特徴とする請求項２９記載の電子放出素子。
【請求項３６】前記導電性体は、前記下部電極上に形
成された絶縁層に介在していることを特徴とする請求項
２９記載の電子放出素子。
【請求項３７】前記細孔は、電子放出方向に平行な側
面を有する筒状であることを特徴とする請求項１、１
０，１８，２９のいずれか一つに記載された電子放出素
子。
【請求項３８】前記炭素堆積物は、グラファイト又は
ダイアモンドライクカーボンであることを特徴とする請
求項１、１０，１８，２９のいずれか一つに記載された
電子放出素子。
【請求項３９】請求項１、１０、１８、２９のいずれ
か一つに記載された電子放出素子を複数配置したことを
特徴とする電子源。
【請求項４０】前記複数配置された電子放出素子は、
上部電極と電気的に接続された上部配線と下部電極と電
気的に接続された下部配線の交点部に配置され、前記上
部配線と前記下部配線は、直交していることを特徴とす
る請求項３９記載の電子源。
【請求項４１】請求項３９、４０のいずれか一つに記
載された電子源と、前記電子源と対向して設けられた光
導電部材を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項４２】請求項３９、４０のいずれか一つに記
載された電子源と、前記電子源と対向して設けられた画
像形成部材を有することを特徴とする表示装置。
【請求項４３】基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前記細孔中
に、炭素堆積物を有する電子放出素子の製造方法であっ
て、前記基板上に金属又は半導体の前記下部電極を形成する
工程と、前記下部電極表面に陽極酸化層を形成する工程と、有機材料の存在下で、電圧を印加して前記陽極酸化層の
細孔内に前記炭素堆積物を生成する工程と、上部電極を形成する工程とを含むことを特徴とする電子
放出素子の製造方法。
【請求項４４】前記有機材料は、液体であることを特
徴とする請求項４３記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４５】基板上に、下部電極と、細孔を有する
絶縁層と、上部電極とをこの順に積層し、前記細孔中
に、炭素堆積物を有する電子放出素子の製造方法であっ
て、前記基板上に金属又は半導体の前記下部電極を形成する
工程と、前記下部電極表面に陽極酸化層を形成する工程と、前記陽極酸化した前記下部電極上に、前記上部電極を形
成する工程と、有機材料の存在下で、前記上部電極及び前記下部電極に
電圧を印加して前記陽極酸化層の前記細孔内に炭素堆積
物を生成する工程とを含むことを特徴とする電子放出素
子の製造方法。
【請求項４６】前記有機材料は、気体であることを特
徴とする請求項４５記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４７】前記電圧は、パルス状電圧であること
を特徴とする請求項４３、４５のいずれか一つに記載さ
れた電子放出素子の製造方法。
【請求項４８】前記電圧を印加する際には、前記下部
電極を高電位として印加することを特徴とする請求項４
３，４５のいずれか一つに記載された電子放出素子の製
造方法。
【請求項４９】前記電圧を印加する際には、前記下部
電極に高電位と低電位とを交互に印加することを特徴と
する請求項４３，４５のいずれか一つに記載された電子
放出素子の製造方法。
【請求項５０】前記炭素堆積物は、グラファイト又は
ダイアモンドライクカーボンであることを特徴とする請
求項４３、４５のいずれか一つに記載された電子放出素
子の製造方法。