JP3652160B2 - 電子放出素子及び電子源及び画像形成装置及び電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子及び電子源及び画像形成装置及び電子放出素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子として熱電子源と冷陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源には電界放出型（以下ＦＥ型と略す）、金属／絶縁層／金属型（以下ＭＩＭ型と略す）や表面伝導型電子放出素子等がある。
【０００３】
ＦＥ型の例としてはＷ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ"，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅｎｉｕｍ ｃｏｎｅｓ"，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等が知られている。
【０００４】
ＭＩＭ型の例としてはＣ．Ａ．Ｍｅａｄ、“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ"，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．３２，６４６（１９６１）等が知られている。
【０００５】
表面伝導型電子放出素子の例としては、Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ、ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．、１０，１２９０，（１９６５）等がある。
【０００６】
表面伝導型電子放出素子は基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に並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ＳｎＯ2 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの〔Ｇ．Ｄｉｔｍｍｅｒ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２）〕、ｌｎ2 Ｏ3 ／ＳｎＯ2 薄膜によるもの〔Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＥＤ Ｃｏｎｆ．，５１９（１９７５）〕、カーボン薄膜によるもの〔荒木久他：真空、第２６巻、第一号、２２頁（１９８３）〕等が報告されている。
【０００７】
これらの表面伝導型素子放出素子の典型的な構成として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１７に示す。同図において１は絶縁性基板である。４は導電性薄膜で、Ｈ型形状のパターンに、スパッタで形成された金属酸化物薄膜等からなり、後述のフォーミングと呼ばれる通電処理により線状の電子放出部５が形成される。尚、図中の素子電極間隔Ｌは０．５〜１ｍｍ、Ｗは０．１ｍｍで設定されている。
【０００８】
従来、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薄膜４を予め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った。即ち、フォーミングとは前記導電性薄膜４両端に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧例えば１Ｖ／分程度に印加通電し、導電性薄膜を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態にした電子放出部５を形成することである。尚、電子放出部５は導電性薄膜４の一部に亀裂が発生しその亀裂付近から電子放出が行われる。前記フォーミング処理をした表面伝導型電子放出素子は、上述導電性薄膜４に電圧を印加し、素子に電流を流すことにより、上述電子放出部５より電子を放出せしめるものである。
【０００９】
一方、たとえば特開平７−２３５２５５号公報に開示されているように、フォーミングを終えた素子に対して活性化処理と呼ばれる処理を施す場合がある。活性化処理工程とは、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。
【００１０】
活性化工程は、有機物質を含有する雰囲気下で、フォーミング処理同様、素子に電圧を印加することで行うことができる。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の電子放出部およびその近傍に堆積し、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化し、より良好な電子放出特性を得ることができる。
【００１１】
図１８は、特開平７−２３５２５５号公報に開示された電子放出素子の断面形状を示したものである。同図において１、４、５は図１７と同様であり、それぞれ、絶縁性基板、導電性薄膜、電子放出部である。２、３は導電性薄膜４に電圧を印加する為の素子電極であり、２を低電位側電極、３を高電位側電極として電圧を印加している。電子放出部５には、上記活性化工程を行うことで、炭素あるいは炭素化合物６が堆積している構造が示され、良好な電子放出特性を実現している。
【００１２】
以上のような電子放出素子を複数個形成した電子源基板を用い、蛍光体等からなる画像形成部材と組み合わせることで画像形成装置を構成できる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の情報の高度化に伴うマルチメディア化の急激な進展により、ディスプレイ等の画像形成装置に対して、更に高い性能が求められてきている。すなわち、表示装置の大画面化、省電力化、高精細化、高画質化、省スペース化等である。
【００１４】
したがって、前述の電子放出素子においては、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示画像を安定して提供できるよう、より高い効率で安定した電子放出特性を更に長時間保持し続けられる技術が望まれている。
【００１５】
ここで効率とは、表面伝導型電子放出素子の一対の対向する素子電極間に電圧を印加したとき、流れる電流（以下、素子電流Ｉｆと呼ぶ）に対する真空中に放出される電流（以下、放出電流Ｉｅと呼ぶ）との電流比をさす。
【００１６】
つまり、素子電流Ｉｆはできるだけ小さく、放出電流Ｉｅはできるだけ大きいことが望ましい。
【００１７】
高効率な電子放出特性を長時間にわたり安定的に制御することができれば、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成装置においては、低電力で明るい高品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現できる。
【００１８】
しかしながら、上述のＭ．ハートウエルの電子放出素子にあっては、安定な電子放出特性及び電子放出効率について、必ずしも満足のゆくものが得られておらず、これを用いて高輝度で動作安定性に優れた画像形成装置を提供するのは極めて難しいというのが実状である。
【００１９】
すなわち、このような応用に用いるためには、実用的な電圧（たとえば１０Ｖないし２０Ｖ）で十分な放出電流Ｉｅが得られること、放出電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆが駆動中に大きく変動しないこと、長時間にわたり放出電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆが劣化しないこと、が必要であるが、従来の表面伝導型電子放出素子には以下のような問題点があった。
【００２０】
図１７に示したように、表面伝導型電子放出素子は、電圧印加方向にほぼ直行する線状の電子放出部５を有している。
【００２１】
電子放出部５は前述のようにフォーミングにより導電性薄膜に形成される間隙部により構成されるが、必ずしも図１７に示したような全域にわたって間隙部が一様な幅、形状で形成されるとは限らない。この様な不均一な電子放出部形態の場合、十分な放出電流Ｉｅが得られなかったり、駆動中の特性の変動や劣化が著しくなる場合がある。
【００２２】
一方、前述の活性化工程によれば、炭素あるいは炭素化合物等からなる炭素を有する膜が導電性薄膜に形成された間隙部内の基板上およびその近傍の導電性薄膜上に堆積してより狭い間隙部が形成される（図１８）。この活性化工程により、放出電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆが増大するが、電子放出効率、寿命等の素子特性は、活性化工程によって堆積した炭素あるいは炭素化合物からなる炭素を有する膜の形状、構造、安定性等によって左右される。
【００２３】
特に、堆積物に形成された前述の狭い間隙部には高電界が印加されるため、この間隙部をはさんだ堆積物間での電子が放出される際の挙動や、放電と見られる現象を抑制する事が安定性にとって重要である。本発明は、上記した課題を解決するものであり、その主たる目的としては、電子放出素子の電子放出効率を高めること、また電子放出特性を安定させることにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは上記問題点を鑑みて検討した結果、次の構成を得た。基体表面上に配した一対の電極と、第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、前記第一の間隙部を含む前記基体表面に対して垂直な断面において、前記基体表面における前記一対の炭素を有する膜の間隔よりも、前記基体表面から離れた位置における前記一対の炭素を有する膜の間隔の方が狭いことを特徴とする電子放出素子。基体表面上に配した一対の電極と、第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、前記基体表面は、前記第一の間隙部内に凹部を有し、前記凹部に炭素を有することを特徴とする電子放出素子。このような構成により電子放出効率が高く、電子放出特性が長時間安定な電子放出素子を提供するものである。
【００２５】
また、上記本発明は、さらにその特徴として、前記一対の炭素を有する膜の各々は、前記一対の電極間に配置された導電性薄膜を介して前記電極に電気的に接続されることが好適であり、前記導電性薄膜は前記一対の電極間に第二の間隙部を有し、前記第二の間隙部内に前記第一の間隙部が配置されることが好適であり、前記電子放出素子は前記一対の電極の一方の電極の電位が他方の電極の電位よりも高くなるように前記一対の電極間に電圧を印加することで電子を放出させる電子放出素子であって、前記第一の間隙部の最も狭い部分を形成する前記一対の炭素を有する膜の一方の端部と前記一対の炭素を有する膜の他方の端部とを結んだ線の延長線上に存在する、前記一対の炭素を有する膜のうちの前記一方の電極に接続する炭素を有する膜の厚みが、１００ｎｍ以下であることが好適であり、前記一対の炭素を有する膜中の炭素が、グラファイト状炭素であることが好適であり、
前記導電性薄膜が、Ｐｄ微粒子膜からなることが好適である。
【００２６】
また、本発明は、さらにその特徴として、上記記載の電子放出素子を基体上に複数配列形成し、入力信号に応じて前記電子放出素子の少なくとも１つより電子を放出することを特徴とする電子源であり、
さらには、この電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材と、を有することを特徴とする画像形成装置である。
【００２７】
また、電子放出素子の製造方法にあっては、有機物質を含有する雰囲気下で間隙部を有する一対の導電性薄膜の間に電圧を印加し雰囲気中に存在する有機物質から炭素を有する膜を前記間隙部の周囲に形成させて該間隙部の活性化処理を行う電子放出素子の製造方法において前記間隙部を極部的に加熱しながら前記活性化処理を行うことを特徴とする。
【００２８】
前記間隙部の極部的な加熱は、炭素を有する膜の形成初期段階では行われず、炭素を有する膜の形成途中から後にかけて行われることが好適であり、 前記間隙部の極部的な加熱は、レーザ光の照射により行うことが好適である。
【００２９】
このように構成された本発明の電子放出素子によれば、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなることから、電子放出部付近の電位分布変化が少なくなる。このためその間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流（Ｉｆ）の一部となる電子の量が減少する一方で、アノード電極へ到達する電子の量（放出電流Ｉｅ）が増える。
【００３０】
さらに、第一の間隙部内に露出した基板が凹部を有する場合には、その凹部の深さに依存して、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間の沿面距離が増える。これにより、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間（間隙部）にかかる強電界に起因するとみられる放電現象や、素子電流Ｉｆが抑制される。
【００３１】
さらには、上記間隙部間に露出した基板表面（絶縁性）は、放出された電子の照射を受けると推測されるが、前記凹部に炭素を有することで、この電子が照射されることに起因する帯電現象が抑えられ、その結果、帯電現象によると見られる素子特性の変動や劣化も抑制され、上記した放電現象がいっそう抑制される。
【００３２】
また、電子放出素子の製造方法により、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなる電子放出素子を得ることが可能となり、高効率で安定性の高い電子放出素子が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施形態様について述べる。
【００３４】
まず、本発明にかかわる電子放出素子の基本的な構成について説明する。
【００３５】
図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明にかかわる基本的な平面型の電子放出素子の構成を示す平面図および断面図である。図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子の電子放出部近傍の構造を拡大して模式的に示す平面図、断面図および炭素を有する膜の導電率分布を示す模式図である。図１、図２を用いて、本発明に係る素子の基本的な構成を説明する。
【００３６】
図１において１は基体としての基板、２と３は一対の電極としての素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部である。
【００３７】
図２（ａ）、（ｂ）において、１は基板、４は導電性薄膜、５は電子放出部、２１、２２は導電性薄膜に形成された間隙部（第二の間隙部）内の基板１上及び導電性薄膜４上に堆積した炭素を有する堆積物（膜：一対の炭素を有する膜）であり、２３は炭素原子を有する基板変質部（凹部）である。なお、堆積物は間隙部８（第一の間隙部）を境にして、基板表面に対して横方向（基板表面に平行）に対向し、左右の堆積物２１、２２に分割されて模式的に示されているが、一部でつながっている場合もある。堆積物２１は素子電極２の側の導電性薄膜４上にも堆積しており、又、堆積物２２は素子電極３の側の導電性薄膜上にも堆積している。
図２（ｃ）は、図２（ａ）中の間隙部を横切る方向（Ｆ−Ｆ'で示した部分）の炭素を有する膜の導電率分布を模式的に示しており、導電率が間隙部８に向って高くなっていることが本発明の特徴として挙げられる。
【００３８】
以上の構成により、堆積物（２１、２２）は素子電極（２、３）と電気的に接続される。尚、図面上は、炭素を有する膜である堆積物（２１、２２）は、導電性薄膜を介して素子電極（２、３）と接続されているが、堆積物（２１、２２）がそれぞれ、素子電極（２、３）上まで堆積し、直接電気的に接続される場合もある。
【００３９】
基板１としては、石英ガラス、青板ガラス、青板ガラス等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およびアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。これら基板には、ＳｉＯ2 を含んだ材料が望ましく、後述する活性化工程でより本発明に適した基板変質部２３を持った、電子放出部５を形成することが可能となる。
【００４０】
対向する素子電極２、３の材料としては導電性を有するものであればどのようなものであっても構わないが、例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属或は合金および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の印刷導体、ｌｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 等の透明導電体およびポリシリコン等の半導体導体材料等が挙げられる。
【００４１】
素子電極間隔Ｌ、素子電極の長さＷ、およびその形状は、電子放出素子の応用形態等によって適宜設計され、例えば、後述するテレビジョン等の表示装置では、画面サイズに対応した画素サイズが設計され、とりわけ、高品位テレビでは画素サイズが小さく高精細さが要求される。そのため、電子放出素子のサイズが限定されたなかで十分な輝度を得るためには、十分な放出電流が得られるように設計される。
【００４２】
素子電極間隔Ｌは、数十ｎｍより数百μｍあり、素子電極の製法の基本となるフォトリソグラフィー技術、即ち、露光機の性能とエッチング方法等、および、素子電極間に印加する電圧により設定されるが、好ましくは、数μｍより数十μｍである。
【００４３】
素子電極の長さＷ、および、素子電極２、３の膜厚ｄは、電極の抵抗値、前述したＸ、Ｙ配線との結線、多数配置された電子源の配置上の問題より適宜設計され、通常は、素子電極の長さＷは、数μｍから数百μｍであり、素子電極２、３の膜厚ｄは、数ｎｍより数μｍである。
【００４４】
尚、図１に示した構成だけでなく、基板１上に、導電性薄膜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。
【００４５】
導電性薄膜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。その膜厚は、素子電極２、３へのステップカバレージ、素子電極２、３間の抵抗値およ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。
【００４６】
また、素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅの大きさは、導電性薄膜４の幅Ｗに依存するので、上記素子電極の形状と同様に、電子放出素子のサイズが限定されたなかで十分な放出電流が得られるように設計される。
【００４７】
一般に、導電性薄膜４の熱的安定性は電子放出特性の寿命を支配する場合があり、導電性薄膜４の材料としてより高融点な材料を用いるのが望ましい。しかしながら、通常、導電性薄膜４の融点が高いほど後述する通電フォーミングのためにより大きな電力が必要となる。
【００４８】
さらに、その結果得られる電子放出部の形態によって、電子放出し得る印加電圧（しきい値電圧）が上昇する等、電子放出特性に問題が生じる場合がある。
【００４９】
本発明においては、導電性薄膜４の材料として特に高融点のものを必要とはせず、比較的低いフォーミング電力で良好な電子放出部が形成可能な材料・形態のものを選ぶことができる。
【００５０】
上記条件を満たす材料の例として、Ｎｉ、Ａｕ、ＰｄＯ、Ｐｄ、Ｐｔ等の導電材料をＲｓ（シート抵抗）が１０２から１０７Ω／□の抵抗値を示す膜厚で形成したものが好ましく用いられる。なおＲｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の長さ方向に測定した抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とおいたときに現われる値で、抵抗率をρとすれば、Ｒｓ＝ρ／ｔである。上記抵抗値を示す膜厚はおよそ５ｎｍから５０ｎｍの範囲にあり、この膜厚範囲において、それぞれの材料の薄膜は微粒子膜の形態を有している。
【００５１】
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あるいは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。
【００５２】
微粒子の粒径は、数百ｐｍから数百ｎｍの範囲、好ましくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。
【００５３】
さて、前に例示した材料のなかでも、ＰｄＯは、有機Ｐｄ化合物の大気中焼成により容易に薄膜形成できること、半導体であるため比較的電気伝導度が低く上記範囲の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマージンが広いこと、導電性薄膜に間隙部を形成した後等に、容易に還元して金属Ｐｄとすることができるので膜抵抗を低減し得ること、等から好適な材料である。しかしながら、本発明の効果はＰｄＯに限られることなく、また、上記例示した材料に限られるものではない。
【００５４】
電子放出部５は、導電性薄膜４の幅Ｗ′によってほぼその長さが決まる。
【００５５】
電子放出部５は、後述する活性化工程を経ることにより、図２に示すように導電性薄膜に形成された第二の間隙部よりも狭い第一の間隙部８を境に対向した炭素を有する膜２１、２２、炭素原子を有する基板凹部２３で構成される。
【００５６】
なお、炭素を有する膜２１、２２は、主にグラファイト状の炭素から成るが、導電性薄膜４を構成する元素を含有することがある。
本発明における炭素を主成分とした堆積物２１、２２の形状は、図２に示すように、それぞれの導電性薄膜４表面からの高さＨ１と、駆動時により高い電圧が印加される高電位側の堆積物２２の厚さＤ１によって特徴付けられる、また、堆積物の間隙部８は基板表面および導電性薄膜表面よりも上方により狭い部位を持つ事によっても特徴付けられる。
【００５７】
厳密には、高さＨ１は、堆積物２１と２２の間に堆積物２２が側が高電位となるように電位差を与えた時に、最も電界が強くなる箇所（点Ａと点Ｂ）の導電性薄膜４表面からの高さで定義し、Ｄ１は、点Ａと点Ｂを結ぶ延長線で堆積物２２を切った際に、そこに存在する堆積物の厚み（長さ）で定義する。なお、広義には、上記最も電界が強くなる位置（点Ａと点Ｂ）は、堆積物２１と２２が最も接近した（間隙部８の最も狭い）位置となる。
【００５８】
本発明の電子放出素子を詳しく説明するために、始めに、図３をもちいて、測定評価装置について説明する。
【００５９】
図３は、図１で示した構成を有する素子の電子放出特性を測定するための測定評価装置の概略構成図である。図３において、１は基体、２および３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部である。また、３１は素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、３０は素子電極２、３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計、３４は素子の電子放出部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、３３はアノード電極３４に電圧を印加するための高圧電源、３２は素子の電子放出部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。
【００６０】
電流放出素子の上記素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅの測定にあたっては、素子電極２、３に電源３１と電流計３０とを接続し、該電子放出素子の上方に電源３３と電流計３２とを接続したアノード電極３４を配置している。また、電子放出素子およびアノード電極３４は真空装置内に設置されている。
【００６１】
図３において、素子電極２、３間に、素子電極３が高電位になるように電圧を印加すると、導電性薄膜４を通じて、図２に示した堆積物２１と堆積物２２との間に印加された電圧に応じて電位差が生じる。このとき、堆積物２１上の点Ａと堆積物２２上の点Ｂを中心に強い電界が発生する。この電界が、堆積物２１から堆積物２２への電子のトンネリングが十分可能な程大きい場合、堆積物２１上の点Ａの近傍から堆積物２２上の点Ｂの近傍に向かって電子がトンネルすると考えられる。
【００６２】
ここで点Ａの近傍からトンネリングした電子は、堆積物２２の点Ｂの近傍で一部散乱され、残りの部分は堆積物２２中に進入すると考えられる。ここで、堆積物２２の点Ｂの近傍で一部散乱された電子には、再度堆積物２２ないし導電性薄膜４に進入して素子電流Ｉｆの一部になるものと、真空中を飛行してアノード電極３４に捕捉され、放出電流Ｉｅとして観測されるものとがあると推測される。従って、本発明の電子放出素子では、最も電界が強くなる位置と考えられる、間隙部８が最も狭くなった位置が、素子電極３につながる導電性薄膜４表面より高い位置にあるため、散乱された後導電性薄膜４に進入して素子電流Ｉｆの一部になる電子の割合が減少すると考えられ、その結果、放出電流Ｉｅの割合が増加し、電子放出効率が向上する。
また本発明では、炭素を有する膜の導電率が間隙部に向って高いことも特徴としており、このため近傍の電位分布の変化が小さい。すなわち素子電極３に向っての電位上昇が緩やかなため散乱後の電子が基板側の方向へ受ける力が低減し、このことによっても更に、散乱された後導電性薄膜４に進入して素子電流Ｉｆの一部になる電子の割合が減少すると考えられ、その結果、放出電流Ｉｅの割合が増加し、電子放出効率が向上する。
【００６３】
一方、堆積物２２に進入した電子はそのまま導電性薄膜４を通じて素子電極３へと流れて行き、電流計３０によって素子電流Ｉｆとして観測されるが、本発明においては、堆積物２２の厚さＤ１が薄く形成されているために、進入した電子の一部が堆積物２２を透過して真空中に放出されると考えられる。
【００６４】
従って、本発明の電子放出素子の放出電流Ｉｅは、堆積物２２で散乱された電子による放出電流と堆積物２２を透過した電子による放出電流からなると考えられる。
【００６５】
堆積物２２を透過する電子の透過率Ｔｅは、以下の式で表わすことができる。
【００６６】
Ｔｅ＝ｅｘｐ（−Ｄ１／Ｌａ） （１）
ここで、Ｌａは堆積物２２中における電子の減衰長である。
【００６７】
１０ｅＶから２０ｅＶのエネルギーの電子の物質（金属）中の減衰長は、およそ３〜１０原子層であることが知られている。従って、例えば、堆積物２２を構成する炭素のｄ００２面間隔が０．３８ｎｍで、電子の入射方向と炭素のｃ軸が一致する場合、電子の減衰長は１〜４ｎｍ程度となる。
【００６８】
堆積物２２を透過する電子の透過率Ｔｅが例えば０．１％となるのに必要な堆積物２２の厚さＤ１は、式（１）に、Ｌａ＝４ｎｍ、Ｔｅ＝０．００１を代入して、
Ｄ１＝２８ｎｍ
となる。通常、堆積物２２で散乱された電子による電流は、素子電流Ｉｆの０．１％程度であるため、上記Ｄ１の値に設定することで全体の放出電流Ｉｅはほぼ２倍に達すると考えられる。
【００６９】
本発明において、上記Ｄ１の値程度以下に設定されるのがより好ましいが、物質中の自由電子の密度が小さい（半導体や絶縁体）場合、電子の減衰長が長くなることが知られており、上記Ｄ１は、堆積物２２を構成するグラファイト状炭素の配向や面間隔、キャリア濃度等によって異なるため、厳密にこの値に限られるものではなく、好ましくは、１００ｎｍ以下である。
【００７０】
一方、堆積物２２を透過した電子も、散乱電子と同様に再度堆積物２２ないし導電性薄膜４に進入して素子電流Ｉｆの一部になるものと、真空中を飛行してアノード電極３４に捕捉され、放出電流Ｉｅとして観測されるものとがあると考えられる。
【００７１】
本発明では、炭素を有する膜である堆積物２１、２２の形状を、以上述べたように構成したため、効率の良い、電子放出特性を得ることができる。
【００７２】
上記電子放出素子の製造方法としては様々な方法が考えられるが、その一例を図４に示す。
【００７３】
以下、順をおって製造方法の説明を図１、図２および図４に基づいて説明する。
【００７４】
１）基板１を洗剤、純水および有機溶剤により十分に洗浄後、素子電極材料を、真空蒸着法、スパッタ法等により堆積後、フォトリソグラフィー技術により素子電極２、３を形成する（図４（ａ））。
【００７５】
２）基板１上に設けられた素子電極２と素子電極３との間に、有機金属溶液を塗布して乾燥することにより、有機金属膜を形成する。なお、有機金属溶液とは、前記Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液である。この後、有機金属膜を加熱焼成処理し、リフトオフ、エッチング等によりパターニングし、導電性薄膜４を形成する（図４（ｂ））。なお、ここでは、有機金属溶液の塗布法により説明したが、これに限るものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法、インクジェット法等によって形成される場合もある。
【００７６】
３）つづいて、フォーミングと呼ばれる通電処理を、素子電極２、３間に電圧を不図示の電源によりパルス状電圧あるいは、昇電圧の印加により行うと、導電性薄膜４の一部に間隙部７が形成され間隙部７を挟んで、基板表面に体して横方向に、導電性薄膜が対向配置される（図４（ｃ））。尚、間隙部７はその一部でつながっている場合もある。
【００７７】
フォーミング処理以降の電気的処理は、前述した図３に示す測定評価装置内で行う。
【００７８】
なお、図３に示した測定評価装置は真空装置であるが、該真空装置には不図示の排気ポンプ及び真空計等の真空装置に必要な機器が具備されており、所望の真空下で素子の測定評価を行えるようになっている。なお、排気ポンプは、オイルを使用しない、磁気浮上ターボポンプ、ドライポンプ等の高真空装置系と更に、イオンポンプからなる超高真空装置系からなる。また、本測定装置には、不図示のガス導入装置が付設してあり、所望の有機物質の蒸気を所望の圧力で真空装置内に導入することができる。また、真空装置全体、及び電子放出素子は、不図示のヒーターにより加熱できる。
【００７９】
フォーミング処理は、パルス波高値が定電圧のパルスを印加する場合と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とがある。まず、パルス波高値が定電圧のパルスを印加の場合の電圧波形を図５の（ａ）に示す。
【００８０】
図５の（ａ）中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、Ｔ１を１μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ、Ｔ２を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとし、三角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は適宜選択する。
【００８１】
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の電圧波形を、図５の（ｂ）に示す。
【００８２】
図５の（ｂ）中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、Ｔ１を１μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ、Ｔ２を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとし、三角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１Ｖステップ程度ずつ、増加させる。
【００８３】
なお、フォーミング処理の終了は、フォーミング用パルスの間に、導電性薄膜４を局所的に破壊、変形しない程度の電圧例えば０．１Ｖ程度のパルス電圧を挿入して素子電流を測定し、抵抗値を求め、例えば、１ＭΩ以上の抵抗を示した時、フォーミングを終了とした。
【００８４】
以上説明した間隙部７を形成する際に、素子の電極間に三角波パルスを印加してフォーミング処理を行っているが、素子の電極間に印加する波形は三角波に限定することはなく、矩形波など所望の波形を用いてもよく、その波高値及びパルス幅、パルス間隔等についても上述の値に限ることなく、間隙部７が良好に形成されるように、電子放出素子の抵抗値等にあわせて、適当な値を選択する。
【００８５】
４）次に、フォーミングが終了した素子に活性化処理を施す。活性化処理は、図３に示した真空装置内に有機物質のガスを導入し、有機物質を含有する雰囲気下で、素子の電極間に電圧を印加することで行い、この処理により、基板の変質を伴って、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素を有する膜が素子上に堆積し、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するようになる。
【００８６】
本発明においては、活性化処理によって堆積する、炭素を有する膜の形状を図２に示した形状に、制御良く形成する必要がある。堆積物である炭素を有する膜の形状は、素子に印加する電圧波形、導入する有機物質の圧力、素子表面における拡散移動度、素子表面での平均滞在時間等によって左右される。また、真空装置への導入のし易さ、活性化後の排気のし易さ等の取り扱いの容易性も重要である。以上の観点から、種々の有機物質を検討した結果、ニトリル化合物が有効であり、特にトルニトリル（シアン化トルエン）、あるいはアクリロニトリルを用いた場合、良好な制御性を有することがわかった。これらの有機物質が好ましく用いられる理由は厳密には理解できていないが、ニトリル基（−Ｃ≡Ｎ）を介した素子表面への吸着状態が、上記の条件に適合しているためと思われる。
【００８７】
以下に、本発明の活性化処理における、炭素を有する膜である堆積物の形成過程を、図６、図７を用いて説明する。図６において、１は基板、２、３は素子電極、４は導電性薄膜、７は導電性薄膜に形成された第二の間隙部、２１、２２は炭素を有する膜である堆積物、２３は基板変質部（凹部）である。図７には本発明に用いられる、活性化中の素子電極に対する電圧印加の一例を示した。印加する最大電圧値（図７の一定電圧値）は、１０〜２０Ｖの範囲で適宜選択する。尚、前記一定電圧を活性化の最初から加えると放電を起こす可能性があるため、図７に示す様に低電圧から一定電圧まで昇圧する過程を持つ事が好ましい。更には、活性化の最初の電圧値は、前記フォーミングで印加した最大電圧値より大きい事が好ましい。
【００８８】
図６（ａ）は、活性化処理前の電子放出素子の電子放出部近傍を模式的に示したものである。なお、素子は、一度１０-6Ｐａ台の圧力に減圧し、その後、有機物質のガスを導入した真空装置内に配置されている（図３）。ここでは有機物質としてトルニトリルを用いた場合を例に説明する。導入するトルニトリルの好適な圧力は、真空装置の形状や真空装置に使用している部材等によって若干影響されるが、１×１０-5Ｐａ〜１×１０-3Ｐａ程度である。１×１０-5Ｐａ以下の圧力では、活性化の進行が著しく遅くなり、残留している他のガスの組成、分圧によっては活性化が十分に進行しない場合もある。一方、１×１０-3Ｐａ以上の圧力では、活性化の進行が著しく速くなり、所望の堆積物の形状を再現良く形成することが難しくなる。好適な導入分圧の範囲はその温度における有機物質の飽和蒸気圧によって異なり、アクリロニトリルの場合は、１×１０-1Ｐａ〜１×１０-3Ｐａ程度である。
【００８９】
活性化工程（炭素を有する膜を堆積させる工程）において、図７に示した電圧を、素子電極２、３間（間隙部７）に印加する。これにより雰囲気中の有機物質が間隙部７内及びその近傍の導電性薄膜４上に堆積し始める（図６（ｂ））。この過程において、堆積物２１、２２は、紙面と垂直方向にも同時に堆積する。
【００９０】
さらに、活性化処理を続けると、基板の変質（後述する掘れ）を伴って、堆積物の堆積が増加していき導電性薄膜表面より上方に成長していく（図６（ｃ））。そして最終的に図６（ｄ）に示された形態になった時点で活性化処理を終了する。
【００９１】
上記活性化工程中に素子電極２，３間を流れる電流（素子電流Ｉｆ）の様子を現したのが、図１９である。
【００９２】
図１９中、領域Ｉにおける炭素を有する膜の堆積の様子を示したのが、図６の（ａ）、（ｂ）である。また、領域ＩＩにおける炭素を有する膜の堆積の様子を示したのが、図６の（ｃ）、（ｄ）である。
【００９３】
素子電流の上昇が緩やかになる領域ＩＩに入ると基板の変質である基板の掘れと共に、堆積物である炭素を有する膜２１，２２の基板表面から上方に向かった堆積が進行する。従って、活性化工程の終了を素子電流を測定しながら決定する場合には、活性化時に素子電極に印加する電圧が一定電圧（図７のｃｏｎｓｔ電圧）の領域に入った後に、素子電流が上記領域ＩＩに入ったことを確認した上で、活性化工程を終了する。
【００９４】
また、図６に示した活性化工程中、図７に示した電圧を素子電極３が正になる様に、素子電極３にのみ印加した場合には、堆積物である炭素を有する膜２１，２２の基板表面からの高さが、２２の方が高くなる非対称の構造を作る事ができる。
【００９５】
このような非対称構造の素子の場合は、基板表面からの高さが高い方の炭素を有する膜が電気的に接続した電極の方に、駆動時に印加する電位が高い様にすることが好ましい。この様に駆動することで、より高い電子放出効率が得られる。
【００９６】
尚、図６（ｄ）に示した様に、堆積物である炭素を有する膜２１，２２の基板表面からの高さを揃えるには、一旦、図７に示した波形の電位を素子電極３の電位が正になるようにして印加した後に、素子電極３の電位が負になる様に電圧を印加することで形成することができる。
【００９７】
この様に、活性化工程中に極性を反転させた電位を印加する工程を行うことで、炭素を有する膜２１，２２を構成する炭素の質を同程度のものにすることができるので、電子放出素子の駆動時に、高温にさらされる炭素を有する膜２１，２２のどちらか一方の優先的な変質や消失を抑制でき、その結果電子放出特性をより安定にすることができる。
【００９８】
また、基板の変質（掘れ）については、次のように考えている。
【００９９】
炭素の近くにＳｉＯ2 （基板の材料）が存在する条件下で温度上昇するとＳｉが消費される。
【０１００】
ＳｉＯ2 ＋Ｃ→ＳｉＯ↑＋ＣＯ↑
この様な反応が起こることによって基板中のＳｉが消費され、基板がえぐれた（凹部）形状を有するのではないかと考える。電子放出部５は、基板がえぐれて、上方向にせり出した炭素堆積物を持つ形状を形作ることで電界が先端部に集中し、より安定した電子放出を可能にする。
【０１０１】
また、基板に形成された凹部２３は、堆積物に形成された第一の間隙部８を境いにして、堆積物２１、２２間の沿面距離を増加させている。沿面距離が増加する事で、堆積物２１、２２間に印加される高電界下においても、堆積物２１、２２間の放電現象が抑制されると考えられる。
【０１０２】
又、上記凹部には、その表面に炭素が存在するため、間隙部８内に露出した基板の帯電が抑制され、この結果、より安定な電子放出特性が得られると考えられる。
【０１０３】
次に、本発明における炭素を有する膜である堆積物２１、２２の炭素について説明する。
【０１０４】
本発明におけるグラファイト状炭素とは、完全なグラファイトの結晶構造を有するもの（いわゆるＨＯＰＧ）、結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの（ＰＧ）、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（ＧＣ）、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）を包含する。すなわち、グラファイト粒子間の粒界などの層の乱れが存在していても好ましく用いることができる。
【０１０５】
６）こうして作製した電子放出素子に、好ましくは、安定化工程を行う。この工程は、真空容器内の有機物質排気する工程である。真空容器内の有機物質は極力排除することが望ましいが、有機物質の分圧としては１〜３×１０-8Ｐａ以下が好ましい。また、他のガスをも含めた圧力は、１〜３×１０-6Ｐａ以下が好ましく、さらに１×１０-7Ｐａ以下が特に好ましい。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。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。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。このときの加熱条件は、１５０〜３５０℃、好ましくは２００℃以上でできるだけ長時間行うのが望ましいが、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、電子放出素子の配置などの諸条件により適宜選ばれる条件により行う。
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。
【０１０６】
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るので本発明の炭素を有する膜の形状が維持され、結果として素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが安定する。
【０１０７】
上述のような製造方法によって作製された本発明を適用可能な電子放出素子の基本特性について図３、図８を用いて説明する。
【０１０８】
図３に示した測定評価装置により測定された、安定化処理後の素子の放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの典型的な例を図８に示す。なお、図８は、放出電流Ｉｅは素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので、任意単位で示されており、いずれもリニアスケールである。図８からも明らかなように、本電子放出素子は放出電流Ｉｅに対する三つの性質を有する。
【０１０９】
まず第一に、本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ、図８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がほとんど検出されない。すなわち、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。
【０１１０】
第二に、放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御できる。
【０１１１】
第３に、アノード電極３４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３４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。
【０１１２】
以上のような電子放出素子の特性を用いると、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。さらに、本発明にかかわる電子放出素子は、安定かつ高輝度な電子放出特性を有するため、多方面への応用が期待できる。
【０１１３】
本発明を適用可能な電子放出素子の応用例について以下に述べる。
【０１１４】
本発明による電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源あるいは、画像形成装置を構成できる。
【０１１５】
基板上の素子の配列については、例えば、多数の電子放出素子を並列に配置し、個々の素子の両端を配線にて結線した、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に（列方向と呼ぶ）、該電子源の上方の空間に設置された制御電極（グリッドと呼ぶ）により電子を制御駆動する配列形態（はしご型という）、及び次に述べるｍ本のＸ方向配線の上にｎ本のＹ方向配線を、層間絶縁層を介して設置し、表面伝導電子放出素子の一対の素子電極にそれぞれ、Ｘ方向配線、Ｙ方向配線を接続した配列形態が挙げられる。以降これを単純マトリクス配置と呼ぶ。
【０１１６】
次に、この単純マトリクス配置について詳述する。
【０１１７】
本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子の前述した３つの基本的特性の特徴によれば、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巾で制御できる。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でも、個々の素子に、上記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、その電子放出量が制御できる事となる。
【０１１８】
以下この原理に基づき構成した電子源基板の構成について、図９を用いて説明する。
【０１１９】
ｍ本のＸ方向配線１０２は、ＤＸ１、ＤＸ２、…、ＤＸｍからなり、基板１上に、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成し、所望のパターンとした導電性金属等からなり、多数の表面伝導型電子放出素子にほぼ均等な電圧が供給されるように、材料、膜厚、配線幅等が設計される。これらｍ本のＸ方向配線１０２とｎ本のＹ方向配線１０３間には、不図示の層間絶縁層が設置され、電気的に分離されて、マトリックス配線を構成する（このｍ，ｎは、共に正の整数）。
【０１２０】
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ2 等であり、Ｘ方向配線１０２を形成した基板１０１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１０２とＹ方向配線１０３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１０２とＹ方向配線１０３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
さらに、前述と同様にして、表面伝導型放出素子１０４の対向する電極（不図示）が、ｍ本のＸ方向配線１０２（ＤＸ１、ＤＸ２、…、ＤＸｍ）とｎ本のＹ方向配線１０３（ＤＹ１、ＤＹ２、…、ＤＹｎ）と導電性金属等からなる結線１０５によって電気的に接続されているものである。
【０１２１】
ここで、ｍ本のＸ方向配線１０２とｎ本のＹ方向配線１０３と結線１０５と対向する素子電極の導電性金属は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、例えば前述の素子電極の材料より適宜選択される。
【０１２２】
また、詳しくは後述するが、前記Ｘ方向配線１０２には、Ｘ方向に配列する表面伝導型放出素子９４の行を、入力信号に応じて、走査するための走査信号を印加するための不図示の走査信号印加手段と電気的に接続され、一方、Ｙ方向配線１０３には、Ｙ方向に配列する表面伝導型放出素子１０４の各列を入力信号に応じて、変調するための変調信号を印加するための不図示の変調信号発生手段と電気的に接続される。
【０１２３】
更に、表面伝導型電子放出素子の各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ものである。
【０１２４】
次に、以上のようにして作製した電子源基板を用いた電子源、及び、表示等に用いる画像形成装置の一例について、図１０と図１１を用いて説明する。図１０は、画像形成装置の基本構成図であり、図１１は蛍光膜である。
【０１２５】
図１０において、１０１は電子放出素子を複数配した電子源基板、１１１は電子源基板１０１を固定したリアプレート、１１６はガラス基板１１３の内面に蛍光膜１１４とメタルバック１１５等が形成されたフェースプレートである。１１２は、支持枠であり、リアプレート１１１、支持枠１１２及びフェースプレート１１６をフリットガラスを塗布し、大気中あるいは、窒素中で、４００〜５００℃で、１０分以上焼成することで、封着して、外囲器１１８を構成する。
【０１２６】
図１０において、１０４は、図１あるいは図２に示された表面伝導型電子放出部に相当する。１０２、１０３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方向配線である。また、これら素子電極への配線は、素子電極と配線材料が同一である場合は、素子電極と呼ぶ場合もある。
【０１２７】
外囲器１１８は、上述の如く、フェースプレート１１６、支持枠１１２、リアプレート１１１で構成したが、リアプレート１１１は主に基板１０１の強度を補強する目的で設けられるため、基板９１自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート１１１は不要であり、基板１０１に直接支持枠１１２を封着し、フェースプレート１１６、支持枠１１２、基板１０１で外囲器１１８を構成してもよい。
【０１２８】
一方、フェースプレート１１６、リアプレート１１１間に、スペーサーとよ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１１８を構成することもできる。
【０１２９】
図１１は、蛍光膜である。蛍光膜１１４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、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あるいはブラックマトリクスなどと呼ばれる黒色導電材１２１と蛍光体１２２とで構成される。ブラックストライプ、ブラックマトリクスが設けられる目的は、カラー表示の場合必要となる３原色蛍光体の各蛍光体１２２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１１４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。ブラックストライプの材料としては、通常良く用いられている黒鉛を主成分とする材料だけでなく、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料であればこれに限るものではない。
【０１３０】
ガラス基板１１３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、沈殿法、印刷法等が用いられる。
【０１３１】
また、蛍光膜１１４の内面側には通常メタルバック１１５が設けられる。メタルバックの目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート１１６側へ鏡面反射させ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の蛍光体の保護等である。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。
【０１３２】
フェースプレート１１６には、更に蛍光膜１１４の導電性を高めるため、蛍光膜１１４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。
【０１３３】
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対応させなくてはいけないため、十分な位置合わせを行う必要がある。
【０１３４】
外囲器１１８は、不図示の排気管を通じ、１×１０-7Ｔｏｒｒ程度の真空度にした後、封止がおこなわれる。また、外囲器１１８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場合もある。これは、外囲器１１８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の加熱法により、外囲器１１８内の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、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、たとえば１×１０-5ないしは１×１０-7Ｔｏｒｒの真空度を維持するものである。
【０１３５】
以上により完成した本発明の画像表示装置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍ、Ｄｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ、電圧を印加することにより、電子放出させ、高圧端子１１７を通じ、メタルバック１１５あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜１１４に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示するものである。
【０１３６】
なお、以上述べた構成は、表示等に用いられる好適な画像形成装置を作製する上で必要な概略構成であり、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述内容に限られるものではなく、画像形成装置の用途に適するよう適宜選択する。
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１２を用いて説明する。
【０１３７】
図１２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り、図１２中、１３１は表示パネル、１３２は走査信号発生回路、１３３はタイミング制御回路、１３４はシフトレジスタである。１３５はラインメモリ、１３６は同期信号分離回路、１３７は変調信号発生回路、ＶｘおよびＶａは直流電圧源である。
【０１３８】
表示パネル１３１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ、及び高圧端子Ｈｖを介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍには、表示パネル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一行（ｎ素子）ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎには、前記走査信号により選択された一行の表面伝導型電子放出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Ｈｖ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。
【０１３９】
走査信号発生回路１３２は、内部にｍ個のスイッチング素子を備えたもので（図中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは０Ｖ（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１３１の端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍと電気的に接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回路１３３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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
タイミング制御回路１３３は、外部より入力す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。タイミング制御回路１３３は、同期信号分離回路１３６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１４２】
同期信号分離回路１３６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為の回路で、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１３６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。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１３４に入力される。
【０１４３】
シフトレジスタ１３４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、前記タイミング制御回路１３３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１３４のシフトクロックであるということもできる）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータは、ｌｄ１乃至ｌｄｎのＮ個の並列信号として前記シフトレジスタ１３４より出力される。
【０１４４】
ラインメモリ１３５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、タイミング制御回路１３３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜ｌｄ１乃至ｌｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、ｌ′ｄ１乃至ｌ′ｄｎとして出力され、変調信号発生器１０７に入力される。
【０１４５】
変調信号発生器１３７は、画像データｌ′ｄ１乃至ｌ′ｄｎ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Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１３１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【０１４６】
前述したように、本発明を適用可能な電子放出素子は放出電流Ｉｅに対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、Ｖｔｈ以上の電圧を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。
【０１４７】
このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値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を変化させる事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Ｐｗ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事が可能である。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、パルス幅変調方式等が採用できる。
【０１４８】
電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１３７として、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パルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いることができる。
【０１４９】
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１３７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。
【０１５０】
シフトレジスタ１３４やラインメモリ１３５は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のものをも採用できる。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。
【０１５１】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１３６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１３６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１３５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１３７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１３７には、例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１３７には、例えば高速の発振器およ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。
【０１５２】
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１３７には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてベルシフト回路など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。
【０１５３】
このような構成をとり得る本発明を適用可能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。高圧端子Ｈｖを介してメタルバック１１５、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１１４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な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、ＮＴＳＣ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方式など他、これよりも、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。
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。
【０１５４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳述する。
【０１５５】
（実施例１）
本実施例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図１の（ａ）、（ｂ）の平面図及び断面図、及び図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の拡大した平面図、断面図及び炭素を有する膜の導電率分布図と同様である。
【０１５６】
本実施例にかかわる表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的には図４、図６と同様である。以下、図１、図２、図４、図６を用いて、本実施例に関わる素子の基本的な構成及び製造方法を説明する。
【０１５７】
以下、順をおって製造方法の説明を図１、図２及び図４、図６に基づいて説明する。
【０１５８】
工程−ａ
最初に、清浄化した石英基板１上に、素子電極２、３と所望の素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で形成し、電子ビーム蒸着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ３０ｎｍのＰｔを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆積膜をリストオフ、素子電極間隔Ｌは３μｍとし、素子電極の幅Ｗが５００μｍを有する素子電極２、３を形成した（図４（ａ））。
【０１５９】
工程−ｂ
膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着により堆積し、後述の導電性薄膜の形状に対応する開口を有するようにパターニングし、そのうえに有機パラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４２３０ 奥野製薬（株）社製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１２分間の加熱焼成処理をした。また、こうして形成された主元素としてＰｄよりなる微粒子からなる導電性薄膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗Ｒｓは２×１０4 Ω／□であった。なおここで述べる微粒子膜とは、前述したように、複数の微粒子が集合した膜である。
【０１６０】
工程−ｃ
Ｃｒ膜および焼成後の導電性薄膜４を酸エッチャントによりエッチングして、導電性薄膜４の幅Ｗ′の幅が３００μｍとなるよう所望のパターンの導電性薄膜４を形成した（図４（ｂ））。
【０１６１】
以上の工程により基板１上に、素子電極２、３、導電性薄膜４を形成した。
【０１６２】
なお、全く同じ工程により、比較例１、２の素子を作製した。
【０１６３】
工程−ｄ
次に、図３の測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排気し、１×１０-6Ｐａの真空度に達した後、素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源３１より、素子の素子電極２、３間に電圧を印加し、フォーミング処理を行い、導電性薄膜に第一の間隙部７を形成した。フォーミング処理の電圧波形は図５の（ｂ）に示したものである（図４（ｃ）、図６（ａ））。
【０１６４】
図５の（ｂ）中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ１を１ｍｓｅｃ、Ｔ２を１６．７ｍｓｅｃとし、矩形波の波高値は０．１Ｖステップで昇圧し、フォーミング処理を行った。また、フォーミング処理中は、同時に、０．１Ｖの電圧で、フォーミング用パルスの間に抵抗測定パルスを挿入し、抵抗を測定した。尚フォーミング処理の終了は、抵抗測定パルスでの測定値が、約１ＭΩ以上になった時とし、同時に、素子への電圧の印加を終了した。尚、フォーミングで印加した最大電圧値は約５Ｖであった。
【０１６５】
工程−ｅ
続いて、活性化工程を行うために、トルニトリルをスローリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．３×１０の-4Ｐａを維持した。次にフォーミング処理した素子に、素子電極２、３を介して図７（ｂ）に示した様な活性化電圧波形を繰り返し印加する。具体的には、素子電極２を０Ｖとし、素子電極３に、Ｔ３＝１msecパルス幅の正の矩形波を印加後、同じパルス幅の負の矩形波を印加し、これをＴ４＝１０msecの周期で繰り返し印加する。またその時印加するパルスの波高値の絶対値を図７（ａ）で示したように６Ｖから１５Ｖまで一定のレートで昇圧し、その後１５Ｖで維持し、活性化処理をした。このとき、素子電極３に与える電圧を正としており、素子電流Ｉｆは、素子電極３から２へ流れる方向が正である。約６０分後に図１９の領域ＩＩに入ったのを確認した後通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【０１６６】
一方、本実施例の素子と同一のフォーミング工程を行った比較例１、２の素子に、下記の条件で活性化工程を施した。
【０１６７】
比較例１の素子：トルニトリルの導入分圧を１．３×１０の-2Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様
比較例２の素子：トルニトリルの導入分圧を１．３×１０の-6Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様
工程−ｆ
続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１×１０の-8Ｐａ程度に達した。
【０１６８】
続いて、電子放出特性の測定を行った。
【０１６９】
アノード電極３４と電子放出素子の間の距離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源３３によりアノード電極３４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源３１を用いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電圧を印加して、電流計３０及び電流計３２により、本実施例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅをそれぞれ測定した。
本実施例の素子は、比較例１と素子電流Ｉｆはほぼ同じであったが、放出電流Ｉｅは比較例１に比べ大きい値を示し、効率が良い素子が得られた。また、比較例２の素子では素子電流Ｉｆが極端に低くなり十分な放出電流Ｉｅを得ることが出来なかった。
【０１７０】
この結果から、本実施例の素子は、比較例の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放出効率ηが優れていることがわかった。
【０１７１】
また、上記工程で作製した本実施例の素子、及び比較例の素子について、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）観測、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行った。
【０１７２】
まず、走査型トンネル顕微鏡を用い、上述したように作成した素子に電子放出させる場合より低い電圧を印加しながら、電子放出部付近の炭素を有する膜の電位分布を観測した。その結果、炭素を有する膜の電位は、どの素子についても間隙部から離れるに従い高くなるが、本実施例の素子においては、間隙部近傍での電位上昇は少なく、間隙部から離れるに従ってその電位上昇率が上がっていることが判明した。すなわち本実施例の素子は、図２（ｃ）で示したように、間隙部に向って、炭素を有する膜の導電率が高くなっていた。それゆえに、電子放出部近傍の電位分布変化、具体的には、電位上昇が抑制され、その結果その間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流（Ｉｆ）の一部となる電子の量が減少する一方で、アノード電極へ到達する電子の量（放出電流Ｉｅ）が増えていると、我々は考えている。
【０１７３】
次に、原子間力顕微鏡を用い、素子の電子放出部５を含む平面の形状観察を行った。本実施例の素子の形状は、図２（ａ）に示した平面形状と同様のものであった。すなわち、導電性薄膜４に形成された間隙部７の両側に堆積物２１、２２が観測された。また、原子間力顕微鏡より得られた高さ情報から、堆積物の最も高い部分での高さは導電性薄膜４の表面より約８０ｎｍ高い位置にあり、その高さの堆積物は、幅５００ｎｍ程度の帯状の形状を有していた。一方、比較例１の素子においても本実施例の素子と同様に、導電性薄膜４に形成された間隙部の両側に堆積物が観測されたが、堆積物の高さはほぼ一様であり、本実施例の素子のような帯状の形状は見られなかった。また、比較例２の素子を観察したところ、導電性薄膜４に形成された間隙部の両側に堆積物が有る場所と無い場所が点在していた。
【０１７４】
次に、それぞれの素子の堆積物を含む断面の透過型電子顕微鏡観察を行った。
【０１７５】
その結果、本実施例の素子の間隙部８の近傍の堆積物は、図２（ｂ）に示した形状と同様であり、堆積物２１、２２に相当する部分の高さは約８０ｎｍであった。尚、堆積物２１は、図１の素子電極２に導電性薄膜４を介して接続しており、堆積物２２は、図１の素子電極３に導電性薄膜４を介して接続している。又、導電性膜４上にも炭素を有する膜が堆積しており、その高さは約２０ｎｍであった。さらに厚さＤ１に対応する部分の厚さを測定したところ約２５ｎｍであった。
【０１７６】
基板変質部（凹部）の深さは、約３０ｎｍであり、変質部にも炭素原子の存在を確認した。中心部には、空洞が観察された。
【０１７７】
一方、比較例１の素子の堆積物は、導電性薄膜に形成された間隙部全体を厚く堆積物が覆っており、図２（ｂ）に示したような形状は観測されなかった。
【０１７８】
さらに、比較例２の素子では、堆積物の堆積量が少ないため、詳細な形状は分からなかった。
【０１７９】
最後に、本実施例の素子の導電性薄膜に形成された間隙部近傍の堆積物を、電子プローブマイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）およびＸ線光電子分光（ＸＰＳ）、さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、該堆積物が炭素を主成分としてなることを確認した。
【０１８０】
これらの観察結果から、本実施例の素子では、堆積した堆積物２１、２２はグラファイト状の炭素を主成分とした炭素を有する膜であり、基板変質部２３にも炭素が存在し、中心部は空洞があり、図２（ｂ）に示した形状と同様の形状を有することから、放出電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの高い良好な電子放出が得られた。また、実施例１及び比較例１、２の素子を同一時間駆動したところ、本実施例の素子に比べ、比較例の素子は電子放出特性の劣化が早く見られ、比較例の一部の素子は放電によると見られる急激な素子特性の劣化が見られたが、本実施例の素子は、劣化も少なく、安定な特性が得られた。
【０１８１】
（実施例２）
本実施例では、工程−ｄまで、実施例の１と同様の工程を行った。基板１としては、コーニング製７０５９基板を用いた。
【０１８２】
工程−ｅ
続いて、活性化工程を行うために、ベンゾニトリルをスローリークバブルを通して真空装置内に導入し、１．３×１０の−４Ｐａを維持した。次にフォーミング処理した素子に、実施例１と同様に図７（ａ）,（ｂ）に示した波形で６Ｖから１５Ｖに昇圧し、波高値の絶対値が１５Ｖになった時点で電圧値を維持して活性化処理した。このとき、間隙部を中心として近傍にレーザー光を照射しながら活性化処理を進め、また、素子電極３に与える電圧を正としており、素子電極２には０Ｖを印加した。素子電流Ｉｆは、素子電極３から２へ流れる方向が正である。約５０分後に印加電圧が１５Ｖの一定電位であり、素子電流が図１９に示した領域ＩＩに入った事を確認した上で通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化処理を終了した。
【０１８３】
一方、本実施例の素子と同一のフォーミング工程を行った比較例３、４の素子に、下記の条件で活性化工程を施した。
【０１８４】
比較例３の素子：ベンゾニトリルの導入分圧を１．３×１０の−２Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様
比較例４の素子：ベンゾニトリルの導入分圧を１．３×１０の−６Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様
工程−ｆ
続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１×１０の-8Ｐａ程度に達した。
【０１８５】
続いて、電子放出特性の測定を行った。
【０１８６】
アノード電極３４と電子放出素子の間で距離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源３３によりアノード電極３４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源３１を用いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電圧を素子電極２を０Ｖ、素子電極３を１５Ｖとして印加して、電流計３０及び電流計３２により、本実施例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅをそれぞれ測定した。
【０１８７】
本実施例の素子は、比較例１と素子電流Ｉｆはほぼ同じであったが、放出電流Ｉｅは比較例１に比べ大きい値を示し、効率が良い素子が得られた。また、比較例２の素子では素子電流Ｉｆが極端に低くなり十分な放出電流Ｉｅを得ることが出来なかった。
【０１８８】
この結果から、本実施例の素子は、比較例の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放出効率ηが優れていることがわかった。
また、上記工程で作製した本実施例の素子について、実施例１と同様に、走査型顕微鏡（ＳＴＭ）観測、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、本実施例の素子における電子放出部付近の炭素を有する膜の導電率は図２０（ｂ）で示したように間隙部に向って高くなっており、また膜の形状は、図２０（ａ）に示した形状と同様の堆積物２１、２２を有していた。本実施例の素子では、図２（ｂ）における堆積物２１・２２に相当する部分の高さは約１０ｎｍであった。また、基板変質部の深さは、４０ｎｍで中央に空洞が観察された。次にＴＥＭ中でプローブを絞り、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で基板変質部２３の元素分析を行った。基板変質部２３と同等の深さの導電性膜４の下、基板部（未変質部）と比較したところ、基板中のＢａ、Ａｌの比率は、変化していなかったが、Ｂａ、Ａｌそれぞれに対してＳｉが減少していることがわかった。また、基板変質部の空洞である凹部表面に炭素が検出された。
【０１８９】
最後に、本実施例の素子の間隙部８近傍の堆積物を、ＥＤＳ及びＸ線光電子分光（ＸＰＳ）、さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、該堆積物が炭素を主成分としてなる炭素を有する膜であることを確認した。
【０１９０】
これらの観察結果から、本実施例の素子においても、堆積物２１、２２はグラファイト状の炭素を主成分としたものであり、図２（ｂ）に示した形状と同様の形状を有する。また、基板変質部２３は、炭素を含み、Ｓｉが消費された空洞構造を持つことがわかった。これらのことから、放出効率ηの高い良好な電子放出が得られた。また、本実施例の素子及び比較例３、４の素子を同一条件で同一時間駆動したところ、比較例の素子は、本実施例の素子に比べ、特性の劣化が早くまた、放電と見られる現象が観察されたが、本実施例の素子は特性が非常に安定であった。
【０１９１】
尚、工程−ｅにおいて、レーザー光の照射を堆積物２１、２２の形成の初期段階においては行わず、ある程度の大きさに堆積物２１、２２が成長した後に開始することや、成長に合わせて照射強度を変化させることにより、導電率の変化をより適宜なものに設定することが可能である。
【０１９２】
（実施例３）
本実施例は、多数の表面伝導電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源を用いた画像形成装置の例である。
【０１９３】
電子源の一部の平面図を図１３に示す。また、図中のＡ−Ａ′断面図を図１４に示す。但し図１３、図１４で、同じ記号を示したものは、同じものを示す。ここで１０１は基板、１０２は図９のＤＸｍに対応するＸ方向配線（下配線とも呼ぶ）、１０３は図９のＤＹｎに対応するＹ方向配線（上配線とも呼ぶ）、４は導電性薄膜、２、３は素子電極、１７１は層間絶縁層、１７２は素子電極２と下配線１０２と電気的接続のためのコンタクトホールである。
【０１９４】
次に製造方法を図１５、図１６により工程順に従って具体的に説明する。
【０１９５】
工程−ａ
清浄化した青板ガラス上に厚さ０．５ｍｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した基板１上に、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ０．６ｍｍのＡｕを順次積層した後、ホトレジスト（ＡＺ１３７０ヘキスト社製）をスピンナーにより回転塗布、ベークした後、ホトマスク像を露光、現像して、下配線１０２のレジストパターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積膜をウエットエッチングして、所望の形状の下配線１０２を形成する（図１５（ａ））。
【０１９６】
工程−ｂ
次に厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜からなる層間絶縁層１７１をＲＦスパッタ法により堆積する（図１５の（ｂ））。
【０１９７】
工程−ｃ
工程−ｂで堆積した層間絶縁層１７１にコンタクトホール１７２を形成するためのホトレジストパターンを作り、これをマスクとして層間絶縁層１７１をエッチングしてコンタクトホール１７２を形成する（図１５の（ｃ））。
【０１９８】
工程−ｄ
その後、素子電極２と素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で形成し、スパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．１ｍｍのＰｔを順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌ＝３ｍｍ、素子電極の幅Ｗ＝０．３ｍｍを有する素子電極２，３を形成した（図１５の（ｄ））。
【０１９９】
工程−ｅ
素子電極２，３の上に上配線１０３のホトレジストパターンを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．５ｍｍのＡｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不要の部分を除去して、所望の形状の上配線１０３を形成した（図１６の（ａ））。
【０２００】
工程−ｆ
膜厚０．１ｍｍのＣｒ膜１９１を真空蒸着により堆積・パターニングし、その上に有機パラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４２３０奥野製薬（株）社製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１０分間の加熱焼成処理をした（図１６の（ｂ））。また、こうして形成された主元素としてＰｄよりなる微粒子からなる導電性薄膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗値は２×１０４Ω／□であった。
【０２０１】
工程−ｇ
Ｃｒ膜１９１および焼成後の導電性薄膜４を酸エッチャントによりエッチングしてリフトオフすることで所望のパターンの導電性薄膜４を形成した（図１６の（ｃ））。
【０２０２】
工程−ｈ
コンタクトホール１７２部分以外にレジストを塗布するようなパターンを形成し、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．５ｍｍのＡｕを順次堆積した。リフトオフにより不要の部分を除去することにより、コンタクトホール１７２を埋め込んだ（図１６の（ｄ））。
【０２０３】
以上の工程により絶縁性基板１上に下配線１０２、層間絶縁層１７１、上配線１０３、素子電極２，３、導電性薄膜４を形成した。
【０２０４】
つぎに、以上のようにして作製した電子源基板を用いて、電子源及び表示装置を構成した例を、図１０と図１１を用いて説明する。
【０２０５】
以上のようにして素子を作製した基板１をリアプレート１１１上に固定した後、基板１の５ｍｍ上方に、フェースプレート１１６（ガラス基板１１３の内面に蛍光膜１１４とメタルバック１１５が形成されて構成される）を支持枠１１２を介し配置し、フェースプレート１１６、支持枠１１２、リアプレート１１１の接合部にフリットガラスを塗布し、大気中で４００℃で１０分焼成することで封着した。またリアプレート１１１への基板１の固定もフリットガラスで行った。
【０２０６】
本実施例において図１０の１０４は電子放出部形成前の電子放出素子（例えば、図４の（ｂ）に相当する）であり、１０２，１０３はそれぞれＸ方向及びＹ方向の素子配線である。
【０２０７】
蛍光膜１１４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、本実施例では蛍光体はストライプ形状を採用した。先にブラックストライプを形成し、その間隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜１１４を作製した。ブラックストライプの材料として通常良く用いられている黒鉛を主成分とする材料を用いた。ガラス基板１１３に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。
【０２０８】
また、蛍光膜１１４の内面側には通常メタルバック１１５が設けられる。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を真空蒸着することで作製した。
【０２０９】
フェースプレート１１６には、更に蛍光膜１１４の導電性を高めるため、蛍光膜１１４の外面側に透明電極（不図示）が設けられる場合もあるが、本実施例では、メタルバックのみで十分な導伝性が得られたので省略した。
【０２１０】
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なくてはいけないため、十分な位置合わせを行った。
【０２１１】
以上のようにして完成したガラス容器内の雰囲気を排気管（図示せず）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ＤｏｘｌないしＤｏｘｍとＤｏｙｌないしＤｏｙｎを通じ電子放出素子１０４の電極２，３間に電圧を印加し、導電性薄膜４をフォーミング処理した。フォーミング処理の電圧波形は、図５の（ｂ）と同様である。フォーミングで印加した最大電圧は約５Ｖであった。
【０２１２】
本実施例ではＴ１を１ｍｓｅｃ、Ｔ２を１０ｍｓｅｃとし、約１．３×１０-3Ｐａの真空雰囲気下で行った。
【０２１３】
次に、パネル内の圧力が１０-6Ｐａ台に達するまで排気を続けた後、パネルの排気管より、全圧が１．３×１０-4Ｐａとなるようにトルニトリルをパネル内に導入し、維持した。容器外端子ＤｏｘｌないしＤｏｘｍとＤｏｙｌないしＤｏｙｎを通じ電子放出素子１０４の電極２，３間に、図７と同様の波形で、６Ｖから電圧を印加し始め、２０Ｖまで昇圧し、その後２０Ｖの一定電圧で保持した。尚、素子電極２を０Ｖとし、素子電極３に印加する電圧の最高値を２０Ｖとして活性化処理を行った。
【０２１４】
このように、フォーミング、活性化処理を行い、電子放出素子１０４を作製した。又、活性化の終了は実施例１、２と同様に、印加電圧が一定（２０Ｖ）であり、素子電流が図１９における領域ＩＩに相当する事を確認した上で行った。
【０２１５】
次にパネル全体を２５０℃に加熱しながら排気し、室温まで降温して内部を１０-7Ｐａ程度の圧力とした後、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の封止を行った。
【０２１６】
最後に封止後の圧力を維持するために、高周波加熱法でゲッター処理を行った。
【０２１７】
以上のように完成した本発明の画像表示装置において、各電子放出素子には、容器外端子ＤｏｘｌないしＤｏｘｍ、ＤｏｙｌないしＤｏｙｎ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それぞれ、印加することにより、電子放出させ、高圧端子１１７を通じ、メタルバック１１５、あるいは透明電極（不図示）に５ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜１１４に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示した。
【０２１８】
本実施例における画像表示装置は、高輝度で長時間にわたり安定で良好な画像を表示することができた。
【０２１９】
（実施例４）
本実施例では、テレビジョン放送をはじめとする種々の画像情報源より提供される画像情報を表示できるように構成した表示装置の一例を示す。図１０に示した画像形成装置を図１２に示した駆動回路を用いて、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行った。
【０２２０】
本表示装置においては、とりわけ表面伝導型放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネルの薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくすることができる。それに加えて、表示伝導型放出素子を電子ビーム源とするディプレイパネルは大画面化が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本表示装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良く表示する事が可能である。
【０２２１】
本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ安定して表示することができた。
【０２２２】
【発明の効果】
上記のように説明された本発明によると、炭素を有する膜の導電率が第一の間隙部に向かって高くなることから、電子放出部付近の電位分布変化が少なくなり、このため第一の間隙部を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い電圧が印加される側の炭素を有する膜または導電性薄膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流の一部となる電子の量が減少する一方で、放出電流が増加し、電子放出効率が向上する。
【０２２３】
また、第一の間隙部内の基板に凹部を有するため、その凹部の深さに依存して、間隙部を挟んで対向した炭素を有する膜間の沿面距離が増えたため、素子電流が抑制された高効率な素子が得られると同時に、前記した炭素を有する膜間にかかる強電界下でも、上記間隙部間の放電現象によると見られる特性の劣化が抑制された安定な素子が得られた。
【０２２４】
さらに、第一の間隙部間に露出した基体の表面は、放出された電子の照射にさらされると推測されるが、本発明の素子では、少なくとも、上記間隙部内に露出した基板の凹部表面に炭素を有しているため、この電子が照射されることに起因する基板凹部表面の帯電減少によるとみられる素子特性の変動や劣化が抑制され、長時間にわたり電子放出特性の安定な素子が得られた。
【０２２５】
さらには、本発明の効率の高く、特性が長時間に渡り安定な素子を用いた電子源あるいは画像形成装置においては、多数の電子放出素子を配列しても非常に安定であり、特に蛍光体を用いた画像表示装置では、輝度が高く、長時間安定で消費電力の低い画像表示装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出素子の模式図である。
【図２】本発明の電子放出部近傍の拡大模式図である。
【図３】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の電子放出素子の製造工程の一部を示す模式図である。
【図５】本発明の電子放出素子の製造工程の一部であるフォーミング工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程を示す模式図である。
【図７】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である活性化工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の電子放出素子の放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆとの関係を示す模式図である。
【図９】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した一例を示す模式図である。
【図１１】蛍光膜の一例を示す模式図である。
【図１２】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用した際に、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ブロック図である。
【図１３】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す模式図である。
【図１４】図１３の折れ線Ａ−Ａ′に沿った部分断面模式図である。
【図１５】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための模式図である。
【図１６】本発明の実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための模式図である。
【図１７】従来の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１８】従来の別の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１９】本発明の活性化工程中の素子電流の変化を示す模式図である。
【図２０】本発明の電子放出部近傍の拡大模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，３ 素子電極
４ 導電性薄膜
５ 電子放出部
６ 炭素あるいは炭素化合物
７ 間隙部（第二の間隙部）
８ 間隙部（第一の間隙部）
２１，２２ 堆積物（炭素を有する膜）
２３ 凹部
３０ 電流計
３１ 電源
３２ 電流計
３３ 電圧電源
３４ アノード電極
１０１ 電子源基板
１０２ Ｘ方向配線
１０３ Ｙ方向配線
１０４ 電子放出素子
１１１ リアプレート
１１２ 支持枠
１１３ ガラス基板
１１４ 蛍光膜
１１５ メタルバック
１１６ フェースプレート
１１７ 高圧端子
１１８ 外囲器
１２１ 黒色部材
１２２ 蛍光体
１３１ 表示パネル
１３２ 走査回路
１３３ 制御回路
１３４ シフトレジスタ
１３５ ラインメモリ
１３６ 同期信号分離回路
１３７ 変調信号発生器
Ｖｘ，Ｖａ 直流電源
１７１ 層間絶縁層
１７２ コンタクトホール

Claims (9)

1. 基体表面上に配した一対の電極と、
   第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、
   前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、
   前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、
   前記第一の間隙部を含む前記基体表面に対して垂直な断面において、前記基体表面における前記一対の炭素を有する膜の間隔よりも、前記基体表面から離れた位置における前記一対の炭素を有する膜の間隔の方が狭いことを特徴とする電子放出素子。
2. 基体表面上に配した一対の電極と、
   第一の間隙部により隔てられた一対の炭素を有する膜とを有し、
   前記一対の炭素を有する膜の一方が前記一対の電極の一方と電気的に接続し、前記一対の炭素を有する膜の他方が前記一対の電極の他方と電気的に接続している、電子放出素子であって、
   前記一対の炭素を有する膜の各々の導電率が、前記一対の電極から前記第一の間隙部に向かって高くなっており、
   前記基体表面は、前記第一の間隙部内に凹部を有し、
   前記凹部に炭素を有することを特徴とする電子放出素子。
3. 前記一対の炭素を有する膜の各々は、前記一対の電極間に配置された導電性薄膜を介して前記電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
4. 前記導電性薄膜は前記一対の電極間に第二の間隙部を有し、前記第二の間隙部内に前記第一の間隙部が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電子放出素子。
5. 前記導電性薄膜が、Ｐｄ微粒子膜からなることを特徴とする請求項３または４に記載の
   電子放出素子。
6. 前記電子放出素子は前記一対の電極の一方の電極の電位が他方の電極の電位よりも高くなるように前記一対の電極間に電圧を印加することで電子を放出させる電子放出素子であって、前記第一の間隙部の最も狭い部分を形成する前記一対の炭素を有する膜の一方の端部と前記一対の炭素を有する膜の他方の端部とを結んだ線の延長線上に存在する、前記一対の炭素を有する膜のうちの前記一方の電極に接続する炭素を有する膜の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電子放出素子を基体上に複数配列形成し、入力信号に応じて前記電子放出素子の少なくとも１つより電子を放出することを特徴とする電子源。
8. 請求項７に記載の電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材と、を有することを特徴とする画像形成装置。
9. 画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置であって、前記画像形成装置が請求項８に記載の画像形成装置であることを特徴とするテレビジョン放送の表示装置。

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