(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された対向する一対の素子電極と、該素子電極間に形成された電子放出部を含む導電性薄膜とからなる電子放出素子の前記素子電極間に電圧Ｖf1を印加することで前記素子電極間に電流Ｉf1を流す工程を行った後に、前記電流Ｉf1に対して、電流Ｉf2がＩf2≦０．７Ｉf1となる電圧Ｖf2を前記素子電極間に印加することで駆動する電子放出素子の駆動方法であって、
前記素子電極間に前記電流Ｉf1を流す工程は、｜Ｖf11｜≦｜Ｖf1｜である電圧Ｖf11および該電圧Ｖf11よりも電圧の絶対値が小さい電圧Ｖf12を前記素子電極間に印加することにより、前記電圧Ｖf11および前記電圧Ｖf12の各々に対応して前記素子電極間に流れる電流Ｉf11およびＩf12から、
【数１】
0003647299.tif 000009
を求め、上記Ｓの値の変化率が５％以下になるまで、前記電圧Ｖf1を前記素子電極間に印加する工程であることを特徴とする電子放出素子の駆動方法。
【請求項２】
前記電圧Ｖf1が前記電圧Ｖf11を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の駆動方法。
【請求項３】
基板上に形成された対向する一対の素子電極と、該素子電極間に形成された電子放出部を含む導電性薄膜とからなり、前記素子電極間に電圧Ｖf2を印加して前記素子電極間に電流Ｉf2を流すことで駆動される電子放出素子の製造方法であって、
前記電子放出部を形成した後に、前記電圧Ｖf2より高い電圧Ｖf1を前記素子電極間に印加する電圧印加工程を有しており、
該電圧印加工程は、｜Ｖf11｜≦｜Ｖf1｜である電圧Ｖf11および該電圧Ｖf11よりも電圧の絶対値が小さい電圧Ｖf12を前記素子電極間に印加することにより、前記電圧Ｖf11および前記Ｖf12の各々に対応して前記素子電極間に流れる電流Ｉf11およびＩf12から、
【数２】
0003647299.tif 000010
を求め、上記Ｓの値の変化率が５％以下になるまで、前記電圧Ｖｆ１を前記素子電極間に印加する工程であり、
前記電圧印加工程終了直前において前記素子電極間に流れる電流Ｉf1と前記電流Ｉf2との関係がＩf2≦０．７Ｉf1となるように、前記電圧印加工程における前記電圧Ｖf1を設定することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記電圧Ｖf1が前記電圧Ｖf11を兼ね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の製造方法。
【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の駆動方法及び製造方法に関するものである。
【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, "Physical Properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones", J. Appl. Phys., 47, 5248(1976) 等に開示されたものが知られている。
ＭＩＭ型の例としては C. A. Mead, "Operation of Tunnel-Emission Devices", J. Apply. Phys., 32, 646(1961) 等に開示されたものが知られている。
表面伝導型電子放出素子の例としては、 M. I. Elinson, Radio Eng. Electron Phys., 10, 1290,(1965)等に開示されたものがある。
【０００４】
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. Dittmer, Thin Solid Films, 9, 317(1972)] 、Ｉｎ2 Ｏ3 ／ＳｎＯ2 薄膜によるもの [M. Hartwell and C. G. Fonstad, 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１号、22頁（1983）］等が報告されている。
【０００５】
本出願人は、新規な構成を有する表面伝導型電子放出素子とその応用に関し、多数の提案を行っている。その基本的な構成、製造方法などは、例えば特開平７−２３５２５５号公報、特開平７−２３５２７５号公報などに開示されている。以下ではその要点を簡単に説明する。
【０００６】
上記の表面伝導型電子放出素子は、図３の上面図（ａ）および断面図（ｂ）に模式的に示すように、基板１上に対向する一対の素子電極２、３と、該素子電極に接続されその一部に電子放出部５を有する導電性薄膜４とを有してなることを特徴とする素子である。電子放出部５は、導電性薄膜４の一部が、破壊、変形ないし変質され、高抵抗となった部分である。また、電子放出部５及びその周辺には、炭素あるいは炭素化合物を主成分とする堆積膜が形成されているいる場合がある。
上記電子放出素子は、素子電極２、３間に電圧を印加することにより、電子放出部５より電子を放出させることができる。
【０００７】
このような電子放出素子は、その構成が単純であり、しかもその製造が容易であるため、大面積にわたり多数の電子放出素子を配列形成できる。そこで基板上に複数の電子放出素子を形成し、各電子放出間を配線で電気的に接続することにより、大面積の電子源を形成することができる。また、上記電子源と画像形成部材とを組み合わせることにより、画像形成装置を形成することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の電子放出素子を用いて形成した画像形成装置においては、長時間にわたり画像表示に好適な明るさやコントラストを維持することが求められる。これを実現するためには、電子放出素子から放出される電子量の減少を抑え、期待される期間において一定量以上の電子放出を行うことが、電子放出素子に求められる。
【０００９】
しかしながら、上述の電子放出素子は、同一の駆動電圧で長時間駆動すると放出電流量が徐々に低下するという問題があった。これは、電子放出素子を駆動している時に電子放出部に流れる素子電流により、電子放出部の温度が上昇し、電子放出部の熱による劣化が生じるためと考えられる。
【００１０】
本発明の目的は、前述の問題点を解決することにある。すなわち、放出電子量の経時的な減少を抑え、長時間にわたって一定の放出電子量を維持するための、電子放出素子の安定な駆動方法、及び長時間にわたって一定の放出電子量を維持できる電子放出素子の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の駆動方法は、基板上に形成された対向する一対の素子電極と、該素子電極間に形成された電子放出部を含む導電性薄膜とからなる電子放出素子の前記素子電極間に電圧Ｖf1を印加（以下予備駆動という）することで前記素子電極間に電流Ｉf1を流す工程を行った後に、前記電流Ｉf1に対して、電流Ｉf2がＩf2≦０．７Ｉf1となる電圧Ｖf2を前記素子電極間に印加することで駆動する電子放出素子の駆動方法であって、前記素子電極間に前記電流Ｉf1を流す工程は、｜Ｖf11｜≦｜Ｖf1｜である電圧Ｖf11および該電圧Ｖf11よりも絶対値が小さい電圧Ｖf12を前記素子電極間に印加することにより、前記電圧Ｖf11および前記電圧Ｖf12の各々に対応して前記素子電極間に流れる電流Ｉf11およびＩf12から、
Ｓ＝{log(Ｉf12／Ｖf12２)−log(Ｉf11／Ｖf11２)}／（１／Ｖf12−１／Ｖf11）
を求め、上記Ｓの値の変化率が５％以下になるまで、前記電圧Ｖf1を前記素子電極間に印加する工程であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、基板上に形成された対向する一対の素子電極と、該素子電極間に形成された電子放出部を含む導電性薄膜とからなり、前記素子電極間に電圧Ｖf2を印加して前記素子電極間に電流Ｉf2を流すことで駆動される電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出部を形成した後に、前記電圧Ｖf2より高い電圧Ｖf1を前記素子電極間に印加する電圧印加工程を有しており、該電圧印加工程は、｜Ｖf11｜≦｜Ｖf1｜である電圧Ｖf11および該電圧Ｖf11よりも絶対値が小さい電圧Ｖf12を前記素子電極間に印加することにより、前記電圧Ｖf11および前記Ｖf12の各々に対応して前記素子電極間に流れる電流Ｉf11およびＩf12から、
【００１４】
【数３】
0003647299.tif 000002
を求め、上記Ｓの値の変化率が５％以下になるまで、前記電圧Ｖf1を前記素子電極間に印加する工程であり、前記電圧印加工程終了直前において前記素子電極間に流れる電流Ｉf1と前記電流Ｉf2との関係がＩf2≦０．７Ｉf1となるように、前記電圧印加工程における前記電圧Ｖf1を設定することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態及び作用】
以下に、本発明の好ましい実施の形態および本発明の作用について述べる。
本発明を適用し得る表面伝導型電子放出素子の基本的構成には大別して、平面型及び垂直型の２つがある。
先ず、平面型表面伝導型電子放出素子について説明する。
図３は、本発明を適用可能な平面型表面伝導型電子放出素子の構成を示す模式図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は断面図である。図３において１は基板、２と３は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部である。
【００１６】
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、アルミナ等のセラミックス、及びＳｉ基板等を用いることができる。
対向する素子電極２、３の材料としては、一般的な導体材料を用いることができる。これは例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属または合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ2 、Ｐｄ−Ａｇ等の金属または金属酸化物とガラス等から構成される印刷導体、Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 等の透明導電体、及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選択することができる。
【００１７】
素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性薄膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して設計される。素子電極間隔Ｌは、好ましくは数百ｎｍから数百μｍの範囲とすることができ、より好ましくは、数μｍから数十μｍの範囲とすることができる。
素子電極長さＷは、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して、数μｍから数百μｍの範囲とすることができる。素子電極２、３の膜厚ｄは、数十ｎｍから数μｍの範囲とすることができる。
尚、図３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。
【００１８】
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間の抵抗値及び後述するフォーミング条件等を考慮して適宜設定されるが、通常は、数百ｐｍから数百ｎｍの範囲とするのが好ましく、より好ましくは１ｎｍより５０ｎｍの範囲とするのが良い。その抵抗値は、Ｒｓが１０2 から１０7 Ω／□の値である。なおＲｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とおいたときに現れる量である。本明細書において、フォーミング処理については、通電処理を例に挙げて説明するが、フォーミング処理はこれに限られるものではなく、膜に亀裂を生じさせて高抵抗状態を形成する処理を包含するものである。
【００１９】
導電性薄膜４を構成する材料は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｄ等の金属、ＰｄＯ、ＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＰｂＯ、Ｓｂ2 Ｏ3 等の酸化物、ＨｆＢ2 、ＺｒＢ2 、ＬａＢ6 、ＣｅＢ6 、ＹＢ4 、ＧｄＢ4 等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｔａ、Ｃ、ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等の中から適宜選択される。
【００２０】
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。微粒子の粒径は、０．１ｎｍの数倍から数百ｎｍの範囲、好ましくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。
【００２１】
電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等の手法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部には、０．１ｎｍの数倍から数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄膜４を構成する材料の元素の一部、あるいは全ての元素を含有するものとなる。電子放出部５及びその近傍の導電性薄膜４には、炭素及び炭素化合物を有することもできる。
【００２２】
次に、垂直型表面伝導型電子放出素子について説明する。
図４は、本発明の表面伝導型電子放出素子を適用できる垂直型表面伝導型電子放出素子の一例を示す模式図である。
図４においては、図３（ａ）ならび（ｂ）に示した部位と同じ部位には図３（ａ）ならび（ｂ）に付した符号と同一の符号を付している。６は、段差形成部である。基板１、素子電極２及び３、導電性薄膜４、電子放出部５は、前述した平面型表面伝導型電子放出素子の場合と同様の材料で構成することができる。段差形成部６は、真空蒸着法、印刷法、スパッタリング法等で形成されたＳｉＯ2 等の絶縁性材料で構成することができる。段差形成部６の膜厚は、先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の素子電極間隔Ｌに対応し、数百ｎｍから数十μｍの範囲とすることができる。この膜厚は、段差形成部の製法、及び素子電極間に印加する電圧を考慮して設定されるが、数十ｎｍから数μｍの範囲が好ましい。
【００２３】
導電性薄膜４は、素子電極２及び３と段差形成部６作成後に、該素子電極２、３の上に積層される。電子放出部５は、図４においては、段差形成部６に形成されているが、作成条件、フォーミング条件等に依存し、形状、位置ともこれに限られるものでない。
【００２４】
上述の表面伝導型電子放出素子の製造方法としては様々な方法があるが、その一例を図５に模式的に示す。
以下、図５〜図８を参照しながら製造方法の一例について説明する。図５においても、図３に示した部位と同じ部位には同一の符号を付している。
１）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、スパッタリング法等により素子電極材料を堆積後、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて基板１上に素子電極２、３を形成する（図５（ａ））。
２）素子電極２、３を設けた基板１に、有機金属溶液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液には、前述の導電性膜４の材料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液を用いることができる。有機金属薄膜を加熱焼成処理し、例えば導電性薄膜形状に対応したマスクを用いてリフトオフを行う方法や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５（ｂ））。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電性薄膜４の形成法はこれに限られるものでなく、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用いることもでき、インクジェット法等により直接パターニングを行うことも出来る。
【００２５】
３）続いて、フォーミング工程を施す。
フォーミング工程以降の電気的処理は図６に示したような、測定系を備えた真空容器内で行うことができる。
図６において、６１は真空容器であり、６２は素子に素子電圧を印加するための電源、６３は素子電極２、３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉf を測定する電流計、６４は電子放出部５より放出される放出電流Ｉe を捕捉するためのアノード電極、６５はアノード電極に電圧を印加するための高圧電源、６６は放出電流Ｉe を測定するための電流計、６７は真空容器６１内を排気する排気装置、６８は活性化物質収容容器である。
【００２６】
基板１を真空容器６１内に設置し、真空容器内を排気した後、素子電極２、３間に、電圧を印加すると、導電性薄膜４の部位に、構造の変化した電子放出部５が形成される（図５（ｃ））。通電フォーミングによれば導電性薄膜４に局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成される。該部位が電子放出部５を構成する。通電フォーミングの電圧波形の例を図７に示す。
電圧波形は、パルス波形が好ましい。これには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７（ａ）に示した手法と、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７（ｂ）に示した手法がある。
【００２７】
図７（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１μsec 〜１０ｍsec 、Ｔ2 は１０μsec 〜１０ｍsec の範囲で設定される。パルスの波高値は、例えば０．１Ｖステップ程度ずつ増加させることができる。通電フォーミング処理の終了は、例えば導電性薄膜４が局所的に破壊、変形することによって生じる抵抗値の変化を読み取ることで判断することが出来、一例として、パルス間隔Ｔ2 中に、導電性薄膜４を局所的に破壊、変形しない程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することができる。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる素子電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した時、通電フォーミングを終了させる。パルス波形は矩形波に限定されるものではなく、三角波など所望の波形を採用することができる。
【００２８】
図７（ｂ）におけるＴ1 及びＴ2 は、図７（ａ）に示したのと同様とすることができる。パルスの波高値は、表面伝導型電子放出素形態に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例えば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は矩形波に限定されるものではなく、三角波など所望の波形を採用することができる。
【００２９】
４）フォーミングを終えた素子には活性化工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程とは、この工程により素子電流Ｉf 、放出電流Ｉe が、著しく変化する工程である。
活性化工程は、例えば、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パルス電圧の印加を繰り返すことで行うことができる。パルス電圧としては、図７に示した電圧パルスの他、図８に示した両極性の電圧パルスを用いることができる。
【００３０】
活性化雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプなどを用いて真空容器６１内を排気した場合に雰囲気内に残留する有機ガスを利用して形成することができる他、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中に、活性化物質収容容器６８より適当な有機物質のガスを導入することによっても得られる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形態、真空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるため場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質としては、アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン類、フェノール、カルボン、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることが出来、具体的には、メタン、エタン、プロパン等の飽和炭化水素、エチレン、プロピレン等の不飽和炭化水素、ブタジエン、ｎ−ヘキサン、ｌ−ヘキセン、ベンゼン、トルエン、Ｏ−キシレン、ベンゾニトリル、トルニトリル、クロロエチレン、トリクロロエチレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、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、ジエチルケトン、メチルアミン、エチルアミン、酢酸、プロピオン酸等あるいはこれらの混合物が使用できる。この処理により、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素あるいは炭素化合物が素子上に堆積し、素子電流Ｉf 及び放出電流Ｉe が著しく変化するようになる。
【００３１】
活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉf や放出電流Ｉe を測定しながら適宜行う。なお、パルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設定される。
【００３２】
５）このような工程を経て得られた電子放出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程は、電子放出素子の表面に吸着した有機物質、および電子放出素子を内包する真空容器内の有機物質を除去し、電子放出素子を駆動しても、新たに上述の炭素及び炭素化合物が堆積しないようにする工程である。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等の有機物質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、磁気浮上型ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、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。
【００３３】
真空容器内の有機成分の分圧は、上述の炭素及び炭素化合物がほぼ新たに堆積しない分圧で１×１０-6Ｐａ以下が好ましく、さらには１×１０-8Ｐａ以下が特に好ましい。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気しやすくするのが好ましい。このときの加熱条件は、８０〜２５０℃好ましくは１５０℃以上で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれる条件により行う。真空容器内の圧力は極力低くすることが必要で、１×１０-5Ｐａ以下が好ましく、さらに１×１０-6Ｐａ以下が特に好ましい。
【００３４】
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、真空容器の圧力は多少上昇してもある程度安定な特性を維持することが出来る。
このような真空雰囲気を採用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、また真空容器や基板などに吸着したＨ2ＯやＯ2 なども除去でき、結果として素子電流Ｉf 及び放出電流Ｉe が比較的安定するものである。
【００３５】
上述した工程を経て得られた電子放出素子の基本特性について説明する。
まず、電子放出素子の動作特性の典型例を図１に模式的に示す。
図１は、素子に印加する素子電圧Ｖf に対する、素子に流れる電流（素子電流）Ｉf と、電子放出部より放出される電流（放出電流）Ｉe の関係を模式的に示した図である。なお、Ｉe の値はＩf に比べて極めて小さいため、それぞれ任意目盛で示してある。但し、いずれの目盛もリニアスケールである。
【００３６】
素子電流Ｉf と放出電流Ｉe の測定には、図６に示した真空装置を用いることができ、例えば、アノード電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極６４と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができる。
【００３７】
図１からも明らかなように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉe に関して以下の三つの特徴的性質を有する。
即ち、
（ｉ）本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ、図１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。つまり、放出電流Ｉe に対する明確なしきい値電圧Ｖthを持った非線形素子である。
（ii）放出電流Ｉe が素子電圧Ｖf に単調増加依存するため、放出電流Ｉe は素子電圧Ｖf で制御できる。
（iii)アノード電極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。
【００３８】
図１では、Ｉf もＩe と同様に、Ｖf に対する閾値を持ち、閾値以上のＶthに対しＩf が単調増加する場合（ＭＩ特性）を示したが、製造工程や、測定条件によっては、Ｉf が電圧制御型負性抵抗を示す場合（ＶＣＮＲ特性）もある。ＶＣＮＲ特性を示す場合は、そのＩf −Ｖf 特性は安定ではなく、この場合にもＩe はＭＩ特性を示すが、やはり安定ではない。この場合も、安定化工程を施すことにより、安定なＭＩ特性を示す様にすることができる。
【００３９】
安定化工程を施した電子放出素子においては、素子電流Ｉf 、放出電流Ｉe は素子電圧Ｖf に対してＭＩ特性を有し、素子電圧Ｖf に対して素子電流Ｉf および放出電流Ｉe が一義的に決まる特性を有する。またこの時のＩf −Ｖf 特性、Ｉe −Ｖf 特性は、安定化工程後に印加された最大電圧Ｖmax に依存することを本発明者らは見出している。
【００４０】
この電子放出素子のＩ−Ｖ特性について、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）はＩf とＶf の関係を示した図であり、図２（ｂ）はＩe とＶf との関係を示した図である。
図２（ａ）、（ｂ）において、実線で示されるのは、最大電圧Ｖmax ＝Ｖmax1で駆動した素子のＩ−Ｖ特性である。この素子をＶmax1以下の素子電圧で駆動する時には、この実線で示されるＩ−Ｖ特性と同じＩ−Ｖ特性を有する。しかし、Ｖmax1以上の電圧Ｖmax2で駆動すると、素子は図中破線で示されるように異なるＩ−Ｖ特性を示すようになり、この素子をＶmax2以下の素子電圧で駆動する時には、この破線で示されるＩ−Ｖ特性と同じＩ−Ｖ特性を有するようになる。これは、電子放出素子に印加される最大電圧Ｖmax によって、電子放出部の形状や電子放出面積等が変化するためと考えられる。
【００４１】
本発明の駆動方法では、安定化工程を終えた電子放出素子を駆動するのにあたり、まず素子電圧Ｖf1 なる電圧で素子を駆動する（以降この駆動を「予備駆動」と呼ぶ）。これにより、電子放出素子は図１に示すようにＶmax ＝Ｖf1 なる電圧によって一義的に決められるＩf −Ｖf 特性およびＩe −Ｖf 特性を有するようになる。
次に、予備駆動終了時の素子電圧Ｖf1における素子電流をＩf1とし、予備駆動により決められたＩf −Ｖf 特性より、Ｉf2≦０．７Ｉf1となるＶf2を選択し駆動電圧とする（図１中のＶf2）。
【００４２】
素子電圧Ｖf1で予備駆動を行った素子に、上述のようにＩf2≦０．７Ｉf1となる駆動電圧Ｖf2を印加しても、電子放出部の形状や放出面積の変化はほとんど生じないと考えられるため、駆動時においては、予備駆動時とほぼ同じ放出面積を有しながら、予備駆動時よりも低い素子電流Ｉf で駆動することになる。そのため、駆動時に電子放出部に流れる素子電流の電流密度を下げることができ、電子放出部の熱的な劣化を抑え、長時間安定に電子放出させることができるものと考えられる。
【００４３】
安定な放出電流が得られる時間は、予備駆動時と駆動時のＩf の差の割合（Ｉf1−Ｉf2）／Ｉf1に対してほぼ指数関数的に変化する傾向が見られる。上述の素子においては、素子の製造条件等にも依存するが、駆動Ｉf をＩf1に対して１０％小さくする毎に、安定な放出電流が得られる時間は５〜１０倍程度長くなる。従って、Ｉf2≦０．７Ｉf1となる電圧で駆動することにより、定電圧で駆動した場合に比べて、安定な放出電流が得られる時間を概ね２桁以上長くすることができ、安定性を大幅に向上させることができる。
【００４４】
上記予備駆動は、予備駆動後に予備駆動電圧よりも低い電圧で駆動する際に、電子放出素子のＩf −Ｖf 特性およびＩe −Ｖf 特性が変化しないために必要な時間行えばよく、パルス幅が数μsec 〜数十ｍsec 、好ましくは１０μsec 〜１０ｍsec のパルス電圧を数パルス〜数十パルス以上印加することにより、行うことができる。
【００４５】
また、例えば以下の方法により予備駆動に必要な時間を決めることができる。上述の工程により作成される電子放出素子のＩf −Ｖf 特性を、１／Ｖf に対してlog(Ｉf ／Ｖf2）をプロット(Fowler-Nordheim Plots) すると、図９に示すようにほぼ直線の関係が得られる。
【００４６】
従って上記予備駆動時に、｜Ｖf11｜≦｜Ｖf1｜である電圧Ｖf11と、Ｖf11よりも微少電圧ｄＶ絶対値の小さい電圧Ｖf12を連続して印加（例えばＶf11＝Ｖf1、Ｖf12＝Ｖf1−ｄＶ）し、それぞれの電圧を印加した時に流れる電流Ｉf11 、Ｉf12より、図９における傾きＳ
【００４７】
【数４】
0003647299.tif 000003
を求め、傾きＳの値の変化率をみることにより、電子放出素子のＩf −Ｖf 特性の変化をみることができる。本発明者らの実験によれば、上記傾きＳの値の変化率が５％以下になるまでの時間予備駆動を行えば、その後の駆動において、上記傾きＳの値はほぼ一定となり、予備駆動の効果がみられる。よって、上記傾きＳの値の変化率が５％以下になるまでの時間予備駆動を行えばよい。
【００４８】
予備駆動における電圧波形としては、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような電圧波形を用いることができる。図１０（ａ）は予備駆動電圧Ｖf1をＴ1 時間印加した直後に電圧Ｖf12までＴ12時間かけて電圧が変化する電圧波形である。図１０（ｂ）は、予備駆動電圧Ｖf1をＴ1 時間印加した直後に電圧Ｖf12をＴ12時間印加する電圧波形である。また、図１０（Ｃ）は、予備駆動電圧Ｖf1 をＴ1 時間印加した後にＶf12の電圧をＴ12時間印加する電圧波形である。それぞれの電圧（ここではＶf11＝Ｖf1）印加時に流れる素子電流Ｉf1（ここではＩf11＝Ｉf1）、Ｉf12 より上記傾きＳの変化率を求め、予備駆動に必要な時間を求めることができる。
【００４９】
なお、この予備駆動は、通常、製造工程の最終段階、例えば安定化工程の後または安定化工程の一環として行われるが、在庫後出荷前のリフレッシュ工程として、または電子放出素子の使用開始後的適宜のリフレッシュモードとして行うことも可能である。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳述する。
（実施例１）
本実施例は、図３に模式的に示したものと同様の構成を有する電子放出素子に対して、本発明の駆動方法を適用した例である。図５に基づき、本実施例で用いられる電子放出素子の製造方法を説明する。
【００５１】
まず、工程−ａ〜工程−ｅにより基板１上に素子Ａ〜Ｅの５個の電子放出素子を作成した。
工程−ａ（図５の（ａ））
石英基板からなる基板１を洗浄後、スパッタリング法により基板１上に５ｎｍのＴｉと５０ｎｍのＰｔを堆積した。その後、堆積膜上にフォトレジストを塗布し、素子電極対２並びに３に対応する形状のパターンを形成した後、エッチングにより不要な部分のＰｔとＴｉを除去し、その後レジストを除去することで基板１上に素子電極２、３を形成した。なお、素子電極２、３間の間隔Ｌは１０μｍ、素子電極の長さＷは３００μｍとした。
【００５２】
工程−ｂ（図５の（ｂ））
素子電極２、３を設けた基板１上に、真空蒸着により厚さ５０ｎｍのＣｒを堆積し、このＣｒ膜に対してフォトリソグラフィー技術を用いて導電性薄膜を形成する位置に対応した開口部を形成する。その後、有機Ｐｄ化合物の溶液（ｃｃｐ−４２３０：奥野製薬（株）製）を塗布し、大気中で３００℃の加熱処理を施した。次に、Ｃｒ膜をウエットエッチにより除去し、純水で洗浄後乾燥し、導電性薄膜４を形成した。
【００５３】
以降の工程は、製造工程中の電子放出素子を図６に示すような真空容器内に配置し、電気的接続を行った後実施した。図６に示すように、素子電極３はグランド電位に接続し、素子電極２は電流導入端子を通じて電流計６３並びに素子電圧電源６２に接続している。また、基板１の５ｍｍ上方にアノード電極を配置し、アノード電極６４は電流導入端子を通じて電流計６６並びに高圧電源６５に接続している。
【００５４】
工程−３ｃ
真空容器内を、スクロールポンプ並びにターボ分子ポンプを用いて、１×１０-3Ｐａ以下程度まで排気した後、素子電圧電源で発生させた電圧を素子電極２に印加し、フォーミング処理を施し電子放出部５を形成した。印加した電圧は図７（ａ）に示すようにパルス状の電圧であり、時間の経過とともに波高値の漸増するパルスである。パルス幅Ｔ1 は１ｍsec とし、パルス間隔Ｔ2 は１６．７ｍsec とした。フォーミング処理中、パルス波高値が６Ｖに達した時点で電流計を流れる電流値が激減した。その後、パルス波高値が６．５Ｖになるまでパルス電圧を印加した後、電圧の印加を停止し、素子電極２、３間の抵抗値を測定したところ、１ＭΩ以上の値を示したため、フォーミング処理を終了した。
【００５５】
工程−３ｄ
真空容器内の排気を更に継続し、容器内圧力が１０-5Ｐａ以下まで減少した後、真空容器内にベンゾニトリルガスを導入して活性化工程を行った。活性化工程は、活性化ガスを導入した真空容器内圧力が１．３×１０-4Ｐａになるように調節し、素子電圧電源で発生させた電圧を素子電極２に印加することで行った。印加した電圧は図８に示すように両極性のパルス電圧であり、波高値が一定のパルスである。パルス波高値は１６Ｖとし、パルス幅Ｔ1 は１ｍsec とし、パルス間隔Ｔ2 は２０ｍsec とした。活性化処理は１時間行い、その後電圧の印加を停止し、活性化ガスの導入を停止して真空容器内より活性化ガスを排気した。
【００５６】
工程−３ｅ
不図示のヒーターを用いて真空容器全体並びに電子放出素子を一旦２５０℃に１０時間加熱し更に排気を継続することで、その後の室温時における真空容器内圧力を１×１０-7Ｐａ程度まで低下させた。
【００５７】
以上のように、真空容器内圧力を調整した後、素子Ａ〜Ｄの４素子について、本発明の駆動方法の特徴である予備駆動を行った。
予備駆動は、アノード電圧を０Ｖとし、素子電極２に電圧を印加して行った。印加した電圧は図１０（ｂ）に示すようなパルス電圧であり、Ｖf1 ＝１５Ｖ、パルス幅Ｔ1 は１ｍsec 、Ｖf12＝１４．８Ｖ、パルス幅Ｔ12＝０．１ｍsec 、パルス間隔Ｔ2 は１６．７ｍsec として、
【００５８】
【数５】
0003647299.tif 000004
の値の変化率を見ながら行った。１分間予備駆動を行ったところ、上記Ｓの値の変化率が５％以内となったので、予備駆動を終了した。
【００５９】
次に、予備駆動を行ったそれぞれの電子放出素子について、Ｉf −Ｖf 特性を測定した。素子電極２に電圧を１５Ｖから１２Ｖまで０．１Ｖ刻みで印加し、その時素子に流れる素子電流Ｉf を測定した。
測定したＩf −Ｖf 特性より、素子電圧１５Ｖにおける素子電流Ｉf1に対して、素子電流Ｉf2が、それぞれ０．８Ｉf1、０．７Ｉf1、０．５Ｉf1及び０．３Ｉf1となる駆動電圧を求め、素子Ａ〜Ｄの駆動電圧をそれぞれ表１のように決めた。また、比較のために素子Ｅは予備駆動を行わずに１５Ｖの一定電圧で駆動を行った。
【００６０】
素子Ａ〜Ｅについて、それぞれの駆動電圧を印加し、アノード電極に１ｋＶの高圧を印加して放出電流を測定したところ、良好な放出電流が得られた。
また、素子Ａ〜Ｅについて、それぞれの駆動電圧を印加し、アノード電極に１ｋＶの高圧を印加して素子を長時間駆動した。駆動時の放出電流の経時変化は、予備駆動を行わなかった素子Ｅが最も大きく、次いで素子Ａの経時変化が大きかった。素子Ｂ、Ｃ、Ｄに関しては放出電流の減少と変動が少なく、長時間にわたって安定な電子放出特性が得られた。
【００６１】
【表１】
0003647299.tif 000005
【００６２】
（実施例２）
実施例１と同様にして複数個の電子放出素子を作成し、作成した電子放出素子について予備駆動を行った。
予備駆動は、アノード電圧を０Ｖとし、素子電極２に電圧を印加して行った。印加した電圧は図１０（ａ）に示すようなパルス電圧であり、パルス幅Ｔ1 は０．５ｍsec 、パルス幅Ｔ12＝０．１ｍsec 、パルス間隔Ｔ2 は１６．７ｍsec とした。電圧Ｖf1 は素子ごとに１４Ｖ〜１６Ｖの範囲で０．１Ｖ刻みに変えて行い、それぞれの場合において、電圧Ｖf12は０．９Ｖf1 とし、
【００６３】
【数６】
0003647299.tif 000006
の値の変化率を見ながら行い、それぞれ上記Ｓの値の変化率が５％以内となったところで予備駆動を終了した。
【００６４】
次に、予備駆動を行った各電子放出素子についてＩf −Ｖf 特性を測定した。素子電極２に電圧を１６Ｖから１２Ｖまで０．１Ｖ刻みで印加し、その時素子に流れる素子電流Ｉf を測定した。
測定したＩf −Ｖf 特性より、駆動電圧を１４Ｖとした時の素子電流Ｉf2が、予備駆動電圧における素子電流Ｉf1に対して、それぞれ０．８Ｉf1、０．７Ｉf1、０．５Ｉf1及び０．３Ｉf1となる予備駆動電圧を求め、素子Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの予備駆動電圧をそれぞれ表２のように決め、上記予備駆動と同様の方法で予備駆動を行った。また、比較のために素子Ｊは予備駆動を行わず、１４Ｖで駆動を行った。
【００６５】
素子Ｆ〜Ｊについて、１４Ｖの駆動電圧を印加し、アノード電極に１ｋＶの高圧を印加して放出電流を測定したところ、いずれの素子も良好な放出電流が得られた。
また、素子Ｆ〜Ｊについて、それぞれ１４Ｖの駆動電圧を印加し、アノード電極に１ｋＶの高圧を印加して素子を長時間駆動した。駆動時の放出電流の経時変化は、予備駆動を行わなかった素子Ｊが最も大きく、次いで素子Ｆの経時変化が大きかった。素子Ｇ、Ｈ、Ｉに関しては放出電流の減少と変動が少なく、長時間安定な電子放出特性が得られた。
【００６６】
【表２】
0003647299.tif 000007
【００６７】
（実施例３）
実施例１と同様にして複数個の電子放出素子（素子Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ）を作成し、作成した電子放出素子について、実施例１と同じ１５Ｖで予備駆動を行った。
予備駆動は、アノード電圧を０Ｖとし、素子電極２に電圧を印加して行った。印加した電圧は図１０（ｂ）に示すようなパルス電圧であり、Ｖf1 ＝１５Ｖ、パルス幅Ｔ1 は０．２ｍsec 、Ｖf12＝１４．８Ｖ、パルス幅Ｔ12＝０．１ｍsec
、パルス間隔Ｔ2 は１６．７ｍsec として、
【００６８】
【数７】
0003647299.tif 000008
の値の変化率を見ながら行った。
【００６９】
予備駆動は、素子Ｋについては上記Ｓの値の変化率が約１０％になるまで行い、素子Ｌについては上記Ｓの値の変化率が約７％になるまで行い、素子Ｍについては上記Ｓの値の変化率が約５％になるまで行い、素子Ｎについては上記Ｓの値の変化率が約３％になるまで行った。
【００７０】
次に、予備駆動を行った各電子放出素子について、１４．２Ｖの駆動電圧を印加し、アノード電極に１ｋＶの高圧を印加して素子を長時間駆動した。駆動時の放出電流の経時変化は、素子Ｋが最も大きく、次いで素子Ｌの経時変化が大きかった。素子Ｍ、Ｎに関しては放出電流の減少と変動が少なく、長時間にわたって安定な電子放出特性が得られた。
【００７１】
【発明の効果】
以上、本発明の駆動方法によれば、駆動時における電子放出部の熱的な劣化を抑え、長時間にわたって安定した放出電流を得ることができる。また、本発明の製造方法によれば、放出電流が長時間にわたって安定な、すなわち画像形成装置に用いて長時間にわたり画像表示に好適な明るさやコントラストを維持することが可能な電子放出素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関わる電子放出素子についての、放出電流Ｉe 及び素子電流Ｉf と素子電圧Ｖf の関係の一例を示すグラフである。
【図２】  本発明に関わる電子放出素子についての、放出電流Ｉe 及び素子電流Ｉf と素子電圧Ｖf の関係の一例を示すグラフである。
【図３】  本発明に関わる平面型電子放出素子の模式図である。
【図４】  本発明に関わる垂直型電子放出素子の模式図である。
【図５】  本発明の電子放出素子の製造方法を示す模式図である。
【図６】  本発明に適用可能な測定系を備えた真空装置を示す模式図である。
【図７】  本発明の電子源の製造方法において採用できる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図８】  本発明の電子源の製造方法において採用できる電圧波形の一例を示す模式図である。
【図９】  本発明に関わる電子放出素子についての、素子電流Ｉf と素子電圧Ｖf の関係の一例を示すグラフである。
【図１０】  本発明の電子源の製造方法において採用できる電圧波形の一例を示す模式図である。
【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：段差形成部、６１：真空容器、６２：電源、６３：素子電流Ｉf を測定する電流計、６４：アノード電極、６５：高圧電源、６６：放出電流Ｉe を測定するための電流計、６７：排気装置、６８：活性化物質収容容器。
【図１】
0003647299.tif 000011
【図２】
0003647299.tif 000012
【図３】
0003647299.tif 000013
【図４】
0003647299.tif 000014
【図５】
0003647299.tif 000015
【図６】
0003647299.tif 000016
【図７】
0003647299.tif 000017
【図８】
0003647299.tif 000018
【図９】
0003647299.tif 000019
【図１０】
0003647299.tif 000020