(57)【要約】【課題】  電子放出特性の変動が小さく安定な電子放出素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  基体と、各々が前記基体の表面に対して実質的に垂直に配向した、複数の柱状の第１領域と、前記複数の第１領域の各々の間に設けられた、前記第１領域よりも高抵抗な第２領域と、前記複数の柱状の第１領域と前記第２領域とを覆う電子放出膜と、を備える。【選択図】  図１
2007294126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層と該導電層上に配置された電子放出膜とを備える電子放出素子であって、
前記導電層が、（Ａ）複数の第１領域と、（Ｂ）複数の第１領域の各々の間に設けられた、前記第１領域よりも高抵抗な第２領域とを、少なくとも有する表面を備えており、
前記電子放出膜が、前記導電層の前記表面を覆っている、ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記電子放出素子は基体の表面上に配置されており、前記複数の第１領域は前記基体の表面と前記電子放出膜との間に配置され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。
【請求項３】
前記複数の第１領域の各々は柱状の領域であり、前記柱状の領域は、前記基体の表面に対して実質的に垂直に配向している、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。
【請求項４】
（Ａ）基体と、（Ｂ）各々が前記基体の表面に対して実質的に垂直に配向した、複数の柱状の第１領域と、（Ｃ）前記複数の第１領域の各々の間に設けられた、前記第１領域よりも高抵抗な第２領域と、（Ｄ）前記複数の柱状の第１領域と前記第２領域とを覆う電子放出膜と、を備えることを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
前記電子放出膜の膜厚が、前記柱状領域の平均直径以下であ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。
【請求項６】
前記電子放出膜の主体の抵抗率が、前記第１領域の抵抗率よりも高く、前記第２領域の抵抗率よりも低い、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記電子放出膜の主成分が炭素であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記電子放出膜の主体が、１×１０８Ω・ｃｍ以上１×１０１４Ω・ｃｍ以下の抵抗率を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記電子放出膜が金属を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記電子放出膜の主体の抵抗率が、前記金属の抵抗率の１００倍以上であることを特徴とする請求項９に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記電子放出膜の膜厚をｄ’とした時に、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【数１】
2007294126.tif 000004
【請求項１２】
前記第１領域が、金属を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記第１領域が、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮのいずれかから選択された材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１４】
前記第２領域が、酸化物を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
前記酸化物が、前記第１領域を構成する材料の酸化物であることを特徴とする請求項１４に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
複数の電子放出素子を備える電子源と、該電子源から放出された電子が照射されることで発光する発光部材と、を具備する画像表示装置であって、前記複数の電子放出素子の各々が請求項１乃至１５のいずれか１項の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１７】
画像表示装置と、受信した信号を前記画像表示装置に送る、該画像表示装置に接続された受信回路とを、備える情報表示再生装置であって、前記画像表示装置が請求項１６に記載の画像表示装置であることを特徴とする情報表示再生装置。
【請求項１８】
導電層と該導電層上に配置された電子放出膜とを備える電子放出素子の製造方法であって、
（ｉ）（ａ）導電性の複数の柱状領域を具備する導電層と、（ｂ）該導電層上に配置された、金属を含有する層と、を備える構造体を用意する工程、
（ｉｉ）前記構造体を加熱する工程、とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ｉｉ）の前に、前記複数の柱状領域間に酸化物を設ける工程を有することを特徴とする請求項１８に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電子放出素子、該電子放出素子を複数配置してなる電子源、該電子源を用いて構成した画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出素子には、電界放出型（以下、「ＦＥ型」と称する）の電子放出素子や、表面伝導型の電子放出素子がある。
【０００３】
ＦＥ型の電子放出素子には、電子ビームの広がりが少ない電子放出素子の例として、特許文献１〜３のように、平坦な電子放出膜上に、開口（いわゆる「ゲートホール」）を備える、ゲート電極を備えた電子放出素子がある。このような平坦な電子放出膜を有する電子放出素子では、電子放出膜表面に比較的平坦な等電位面が形成されるため、電子ビームの広がりを小さくすることができる。
【０００４】
一方で電子放出素子を用いた画像表示装置では、輝度均一性などの信頼性を確保するために安定した電子放出を行わなければならない。具体的には、電子放出素子が駆動中に過電流などによって破壊されるのを防止しなければならない。さらに電子放出量が経時的に変動することを防ぐ、つまり電子放出量のをゆらぎを小さくしなければならない。この対策として特許文献４では、電極を複数に分割した電子放出素子が開示されている。また、特許文献５では、多孔質アルミナの微小空間に抵抗材料を充填し、さらに、微粒子などの電子放出材料を固着材料を用いて充填した電子放出素子が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−０７１５３６号公報
【特許文献２】特開平８−０５５５６４号公報
【特許文献３】特開２００５−２６２０９号公報
【特許文献４】特開２００２−３５２６９９号公報
【特許文献５】特開２００１−２５０４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した平坦な電子放出膜を有する電子放出素子（ＦＥ型の電子放出素子）を作製する場合、電子放出膜上に、連通する開口を有する絶縁層及びゲート電極を設ける必要がある。そして、このような電子放出素子は基体上に配置される。
【０００６】
しかし、電子放出素子を構成する部材のそれぞれの材料、厚さによっては、高い応力が発生する場合があり、さらには、基体から電子放出素子が剥離したり、電子放出膜が剥離してしまう場合もある。この傾向は、特に、電子放出特性の良好な、ダイヤモンドライクカーボンを主体とする膜やアモルファスカーボンを主体とする膜に代表される炭素を主成分とする膜を電子放出膜に用いた場合に顕著である。
【０００７】
また、平坦な電子放出膜を有する電子放出素子では、電子放出量のゆらぎを小さくするために電流制限用の抵抗層を積層すると、上記したような理由から電子放出膜が基体から剥離してしまう場合がある。
【０００８】
また、特許文献１に開示されたような金属を含む電子放出膜では、その電子放出膜中の金属量を制御することが重要である。しかし、電子放出膜中の金属が、電子放出膜に接する電極（例えば）カソード電極などに移動してしまうと、電子放出膜中の金属量などが変化し、電子放出特性が変化する場合がある。従って、電子放出膜中の金属が、電子放出膜に接するカソード電極などの部材に移動するのを防止するための層を設ける必要がある。そして、一方で、前述した様に電子放出膜が剥離しないようにする必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、電子放出量のゆらぎが小さく、かつ電子放出膜が基体や電子放出膜が接する部材（例えばカソード電極）から剥離することが抑制され、そして、電子放出特性の変動の小さい電子放出素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために成された本発明は、以下の通りである。
【００１１】
即ち、本発明は、導電層と該導電層上に配置された電子放出膜とを備える電子放出素子であって、前記導電層が、複数の第１領域と、複数の第１領域の各々の間に設けられた、前記第１領域よりも高抵抗な第２領域とを、少なくとも有する表面を備えており、前記電子放出膜が、前記導電層の前記表面を覆っている、ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、（Ａ）基体と、（Ｂ）各々が前記基体の表面に対して実質的に垂直に配向した、複数の柱状の第１領域と、（Ｃ）前記複数の第１領域の各々の間に設けられた、前記第１領域よりも高抵抗な第２領域と、（Ｄ）前記複数の柱状の第１領域と前記第２領域とを覆う電子放出膜と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、導電層と該導電層上に配置された電子放出膜とを備える電子放出素子の製造方法であって、（ｉ）（ａ）導電性の複数の柱状領域を具備する導電層と、（ｂ）該導電層上に配置された、金属を含有する層と、を備える構造体を用意する工程、（ｉｉ）前記構造体を加熱する工程、とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電子放出素子の基体からの剥離を防止し、カソード電極とは別に電流を制限するための抵抗層を設ける必要なく、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、下記の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に記載のない限りは、この発明の範囲をそれらに限定する趣旨のものではない。
【００１６】
図１は本発明の電子放出素子の一例の断面模式図である。本発明の電子放出素子は、基体１の表面上に配置されており、導電層２と、導電層２上に位置する電子放出膜５と、を少なくとも備える。尚、導電層２を、「カソード電極」あるいは「電極」と呼ぶ場合もある。
【００１７】
また、導電層２は、導電性の複数の第１領域３と、隣り合う第１領域３の間に設けられ、第１領域３よりも低い導電性を備えた領域４と、を少なくとも含む。導電層２はその表面に、上記複数の第１領域３の端部および第２領域４の端部を備えている。そして、導電層２の表面上に電子放出膜５が載置されているので、上記複数の第１領域３の端部と電子放出膜５とが電気的に接続された形態であると言う事ができる。尚、導電層２と電子放出膜５との間に何らかの層が配置された形態であっても、本発明の効果を奏する範囲内であれば、そのような形態も本発明の範囲内である。つまり、導電層２の表面に例えば薄い酸化膜が形成されていても、第１領域３の各々から電子放出膜５に電子が供給される状態であれば本発明の効果を奏する範囲内と言うことが出来る。また、複数の第１の領域３の各々は、領域４によって実質的に互いに電気的に分離された、「導電性のセル」または「導電性のチャネル」または「電流経路」と言い換える事も出来る。
【００１８】
図１では、各第１の領域３から電子放出膜５への電流供給をより効率良く行うために、導電層２が更に、第３の領域１０１を備えた形態の電子放出素子を示した。この形態では、第１の領域３の導電率以上の導電率を備える材料で第３の領域１０１が構成される（第３の領域１０１が第１の領域３以上に低抵抗である）ことが好ましい。そして、この形態では、第３の領域１０１上に、複数の第１の領域３が載置されることになる。従って、第１の領域３の各々は、第３の領域１０１を介して電気的に共通に接続された形態と言う事が出来る。そして、この様な形態では、第３の領域１０１は膜状に形成されることが好ましいため、第３の領域は、導電性膜と言い換えることもできる。この様な形態の場合は、第１の領域３と第２の領域４とが、電子放出膜５と第３の領域１０１とに挟まれた形態と言う事ができる。尚、第３の領域１０１は典型的には金属膜で構成することができる。
【００１９】
また、本発明の電子放出素子は、図１で示した第３の領域１０１と第１の領域３との間に、さらに、抵抗体を加えた形態であっても良い。この形態では、第３の領域１０１と各第１の領域３との間に、抵抗体としての第４の領域（不図示）が配置される。この第４の領域は、第３の領域と同様、膜状に形成されることが好ましい。そのため、第４の領域は、抵抗膜と呼ぶこともできる。そして、各第１の領域３は、第４の領域を介して共通に接続された形態となる。この様な形態の場合は、複数の第１の領域３と第２の領域４とが、電子放出膜５と第４の領域とに挟まれた形態ということができる。また、抵抗層としての第４の領域を用いる場合には、その抵抗値にもよるが、上述した第３の領域１０１を必要としない場合もある。
【００２０】
このように、第１の領域３と基体１との間に第３の領域１０１が配置される場合には、電子放出素子を駆動するための電源は、第３の領域１０１に接続される。尚、第４の領域が第３の領域１０１と共に用いられる場合においては、電子放出素子を駆動するための電源は、第３の領域１０１に接続される。しかしながら、第３の領域１０１を用いずに、第１の領域３と基体１との間に第４の領域が配置される場合には、電子放出素子を駆動するための電源は、第４の領域１０１に接続されることが好ましい。
【００２１】
尚、本発明の電子放出素子は、図１０に示す様に、上述した第３の領域１０１（及び／または第４の領域）を備えない形態であっても良い。この様な形態の場合は、複数の第１の領域３と第２の領域４とが、電子放出膜５と基体１とに挟まれた形態と言う事ができる。
【００２２】
ここでは、第１の領域３を柱状の領域で構成した形態を示したが、第１の領域３は柱状に限られるものではなく、例えば球状など別の形状であっても良い。しかしながら、電子放出点数を高密度に設け、電子放出量のゆらぎを低減するため、並びに、電子放出膜５と導電層２との密着性を確保するためには、第１の領域３は柱状であることが好ましい。
【００２３】
第１の領域３が柱状の場合は、導電層２は、複数の柱状の第１の領域３と、領域３よりも低い導電性を備えた領域４と、を少なくとも含む。そのため、このような複数の柱状の第１の領域３と、第１の領域３よりも低い導電性を備えた第２の領域４と、を有する構造体１００を、「柱状構造」または「柱状結晶」と呼ぶこともできる。
【００２４】
ここで、図１に示した複数の柱状領域３の各々は、基体１が備える表面（平面）に対して垂直な方向に配向している。本発明における柱状領域３は、図１に示した様に基体１の表面（第３の領域１０１の表面）に対して垂直に、その長手方向が揃えられた形態だけでなく、図１０に示す様に、その長手方向が基体１の表面に対して実質的に垂直な方向に設定された形態であっても良い。その場合、柱状領域３の輪郭線（あるいは柱状領域３の中心線）と、基体表面に対する垂線とのなす角θは、０°に近いほど好ましいが、電子放出特性の均一性の観点から、実用的な範囲としては、０°以上３０°以下の範囲に設定すればよい。
【００２５】
また、図１に記載の電子放出素子の形態は、多数の柱状領域３の各々の長手方向が、実質的に一方向に揃っており（上記実用的な範囲内であり）、多数の柱状領域３の各々の長手方向における一方の端部を電子放出膜５が覆っている形態と言うこともできる。あるいはまた、多数の柱状領域３の各々は、その長手方向において２つの対向する端部を備えており、その長手方向が基体１の表面に対して実質的に垂直な方向に配置されている形態と言うこともできる。尚、上記長手方向は、柱状領域３の輪郭線あるいは柱状領域３の中心線が延在する方向と言い換えることもできる。
【００２６】
尚、第１の領域３が柱状であり、さらに上述した第３の領域を備える形態では、電子放出膜５と第３の領域１０１とが対向する方向と、各柱状領域３の長手方向とが、実質的に平行であると言う事ができる。また、特に、第３の領域１０１が導電性膜であれば、各柱状領域３が、電子放出膜５および第３の領域１０１である導電性膜に対して実質的に垂直に配向された形態と言うことが出来る。
【００２７】
柱状領域３は、図１中に示す、高さ（厚み）ｄと、柱状領域３の直径（基体１の表面に平行な方向における「長さ」または「幅」）Ｗにより規定することができる。各々の柱状領域３を基体１の表面に平行な面で切った時の断面形状（平面形状）は、電子放出領域の密度を高くする観点から、円形であることが好ましいが、三角形や四角形や五角形などの多角形状であっても良い。
【００２８】
長さＷ’は、領域３（第１の領域３）が周期的に配列した場合では、１周期長（ピッチ）に相当する。Ｗ’−Ｗは、第２の領域４の長さと言う事もできる。あるいは、Ｗ’−Ｗは、２つの隣合う第１領域３間の最短距離と言い換えることができる。
【００２９】
ここでは、第１の領域３を柱状の領域で構成した形態を示したが、第１の領域３は柱状ではなく球状など別の形状であっても良い。いずれにしても、本発明において、複数の第１の領域３の各々は、領域４によって実質的に互いに電気的に分離された、「導電性のセル」または「電流経路」と考えることができる。
【００３０】
本発明の電子放出素子は、図２（ａ）、（ｂ）に模式的に示す形態であっても良い。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。即ち、図１に示した電子放出膜５の上に、開口を備えた絶縁層７と開口を備えた第２の電極８とを備える形態である。絶縁層５と第２の電極８には連通する（貫通する）開口２１が設けられている。この形態の電子放出素子では、導電層２の電位よりも高い電位を第２の電極８に印加することで、電子放出膜５から電子を放出する。従って、第２の電極８が、電子放出膜５から電子を電界放出させるために必要な電界を生成する。そのため、第２の電極８が、いわゆる「引出し電極」または「ゲート電極」に相当する。開口２１は、ここでは円形の例を示したが、矩形や多角形状であっても構わない。
【００３１】
また、本発明の電子放出素子は、図７（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す形態であっても良い。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。また、図７（ｃ）は、図７（ａ）のｂ−ｂ’における断面における変形例である。
【００３２】
図２で示した形態では、１つの電子放出素子に、１つの開口２１を備えた形態を示した。しかしながら、本発明の電子放出素子では、図７（ａ）に示す様に、１つの電子放出素子に、複数の開口２１を備える形態であっても良い。そして、図７（ｃ）は、電子放出膜５が開口２１内のみに配置された形態である。尚、図７と図２では、同じ部材には同じ符号を用いている。
【００３３】
本発明の電子放出素子を用いた電子放出装置（画像表示装置も含む）では、例えば図９に示すように、一般にはトライオード構造（導電層２、第２の電極８、アノード９）を採用する。勿論、電極８を用いずに、図１に示した電子放出素子に対向する様に、アノード９を配置してダイオード構造の電子放出装置を構成する事も可能である。
【００３４】
図９では、図２に示した形態の本発明の電子放出素子が配置された基体１の表面と実質的に平行になるように、第３電極であるところのアノード電極９を配置している。アノード電極９には、電子放出膜５と第２の電極８の電位よりも高い電位が印加される。駆動時には、第２の電極８に、電子放出膜５の電位よりも高い電位を印加することで、電子放出膜５から電子が放出される。典型的には、第２の電極８に第３の領域１０１の電位よりも高い電位が印加され、そして、第２の電極８の電位よりも十分に高い電位がアノード９に印加される。放出された電子は、開口２１を通り抜けた後、アノード電極９の電位によってアノード９に引き寄せられ、アノード電極９に衝突する。
【００３５】
導電層２が図１のような柱状構造を採用した場合、導電層２全体の応力を好ましく緩和することができ、基体１から電子放出膜５が剥離し難くすることができる。
【００３６】
導電層２を、基体１表面の上方から見た様子の一例を、図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。図１１（ａ）〜（ｃ）では領域３の平面（断面）形状が円形の場合を示し、図１１（ｄ）では、領域３の平面（断面）形状が多角形の一例である三角形の場合を示している。また、複数の領域３の各々の平面（断面）形状は、同じものあるいは実質的に同じものが並んでいてもよいし、様々な形態のものが混在していても構わない。
【００３７】
また、複数の領域３の配列形態は様々な形態を採用することができる。例えば、図１１（ｂ）に示すように、領域３の密度が高くなるように、多数の領域３が蜂の巣状に並んだ形態であっても良いし、図１１（ａ）に示す様に、行列状に配置された形態であっても良い。あるいは、図１１（ａ）や図１１（ｂ）の形態に比べて秩序性が低い（ランダムな）、図１１（ｃ）や（ｄ）に示すような形態であっても良い。
【００３８】
また、本発明では、全ての領域３が完全に領域４によって分離されている形態が好ましい。しかしながら、本発明の効果を奏する限り、わずかな数の領域３同士が、領域４を実効的に間に挟まずに、互いに接しているような形態であっても構わない。
【００３９】
領域３の直径Ｗは、領域３を上方から見た際の（領域３の平面形状における）、最小外接円の直径で定義することができる。換言すると、各々の領域３の直径Ｗは、導電層２の表面に存在する（露出する）領域３の最小外接円の直径で定義することができる。
【００４０】
第１の領域３を構成する材料は、導電性材料であればよく、金属や導電性の金属化合物が好ましい。例えば、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属、またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。特に好ましくは、耐熱性が良好な材料である、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮが用いられる。
【００４１】
領域３の高さ（厚み）ｄは、実用的には、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲で選択され、好ましくは１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲で選択される。領域３の直径Ｗは、実用的には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で選択され、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲で選択される。上述した領域３の高さｄは、領域３が柱状である場合は、柱状領域３の長手方向における長さと言い換えることもできる。あるいは、柱状領域３の長手方向における２つの端部の間の距離と言い換えることもできる。尚、ここで言う２つの端部は、一方が電子放出膜５に接する端部であり、もう一方が基体１（あるいは第３の領域１０１）に接する端部である。
【００４２】
隣り合う２つの領域３の間に配置される領域４は、領域３よりも低い導電性を備えている。
【００４３】
また、本発明の効果をより大きくする上では、第２の領域４の比抵抗（抵抗率）ρ４と第１の領域３の比抵抗（抵抗率）ρ３との比（ρ４／ρ３）は大きいほど好ましい。ρ４／ρ３の実用的な範囲としては、少なくとも１０４以上、好ましくは１０６以上、更に好ましくは１０８以上である。
【００４４】
そして、電流制限効果を得るために、実用的には、領域４の比抵抗ρ４は１０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、実用的には１０８Ω・ｃｍ以上１０１２Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。一方、領域３の抵抗率ρ３は１０‐６Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、実用的には１０‐６Ω・ｃｍ以上１０４Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。本発明において、１０８Ω・ｃｍ以上である領域４は絶縁体と言い換えることもできる。
【００４５】
領域４を構成する材料としては、酸化物、窒化物、酸窒化物（酸化物と窒化物の混合物も含む）を用いることができる。より具体的には、酸化チタン、酸化チタンと窒化チタンの混合物、酸化シリコン（典型的にはシリカ）、窒化シリコン、アルミナなどの絶縁体であればよい。また、酸化物であることがより好ましい。酸化物としては、金属の酸化物または半導体の酸化物を好ましく用いることができる。そして、特には、領域３を構成する材料の酸化物であることが、特に簡易で好ましい。さらに好ましくは、領域３の表面を酸化することで、領域４を構成する。
【００４６】
尚、領域３を窒化チタンで構成し、その表面を酸化することで領域４を形成した場合は、領域４は、少なくとも酸化チタンを含んでおり、場合によってはさらに窒化チタンを含む。後述する例えば実施例１に記載の製造方法を用いれば、簡易に、柱状の領域３を形成できる。但し、電子放出素子の駆動時における熱的な安定性などを考慮すると、領域４は、酸化チタンと窒化チタンの混合物で構成されていることが好ましい。
【００４７】
領域４を、隣合う領域３同士の間に配置することで、導電層２は、実質的に、領域３の数に分割される（領域３の直径サイズに分割される）。そのため、導電層２の膜厚方向（導電層２と電子放出膜３とが積層される方向）への導電経路が、領域３のサイズＷに制限することができる。つまり、カソード導電層２を通り電子放出膜５に到達する電流量を制限することができるので、別途、電流を制限するための抵抗層を設けなくとも、電子放出膜５からの電子放出量のゆらぎを小さくすることができる。
【００４８】
尚、領域３の抵抗率ρ３及び領域４の抵抗率ρ４を実測する手法は特に限定されるものではなく様々な手法を用いることができる。例えば、まず、金属膜上に、本発明の導電層２を配置する。そして、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブで領域３（領域４）を走査しながら金属膜とプローブとの間に電圧を印加する。これにより領域３（領域４）を流れる電流を測定し、ρ３（ρ４）を測る方法を用いる事が出来る。
【００４９】
本発明の電子放出膜５は、電子放出特性の良好性および安定性から、炭素を主体（母材または主成分）として構成されることが好ましい。特には、好ましくは、電子放出膜５の主体は、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、アモルファスカーボンから選択される。ただし、電子放出膜５の主体の抵抗率は高く、実質的に、絶縁体として機能することが好ましい。そのため、電子放出膜３の主体としては、ダイヤモンドライクカーボンやアモルファスカーボンを用いることが好ましい。実用的には、電子放出膜５の主体は、１×１０８以上１×１０１４Ω・ｃｍ以下の抵抗率を備えることが好ましい。また、詳しくは後述するが、本発明の電子放出膜５は金属を含む形態であってもよい。尚、電子放出膜３全体の抵抗率については１００Ω・ｃｍ以上１０１０Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
そして、電子放出膜５は、金属膜などのような良導体の膜ではないことが求められる。この理由は、電子放出膜５が良導体の場合、各導電経路（各領域３）内に移動範囲が制限された電子が、電子放出膜５中で広がってしまい、放出電流のゆらぎが多くなってしまう為である。
【００５１】
一方で、電子放出膜５の比抵抗（実質的に電子放出膜５の主体の比抵抗と言い換えることができる）ρ５が大きい場合には、電子放出膜５の膜厚（柱状領域３の長手方向における厚み）ｄ’を考慮する必要がある。これは、高抵抗な電子放出膜５の膜厚ｄ’が大きいと、電子放出膜５の表面または表面近傍に存在すると想定される電子放出部から十分な量の電子を低い駆動電圧で放出させることが困難になるためである。
【００５２】
本発明では、各々の第１の領域３から流れ込んだ電子の電子放出膜５中での広がりが、隣の第１の領域３から流れ込んだ電子の電子放出膜５中での広がりと、実効的に、重ならない様に制御される事が好ましい。このように設定することで、実質的に、各領域３の直上から、電子を安定に放出させることができる。例えば、領域３が図１のような柱状である場合、複数の導電パス（柱状領域３）を流れる電流（電子）は、その移動範囲が、柱状領域３の幅Ｗに制限される。その結果、電子の流れる方向が制限された電流（電子）を、そのまま各柱状領域３の直上に位置する電子放出膜５中の電子放出点まで到達させることができ、電子放出量のゆらぎを小さくすることにつながる。
【００５３】
導電層２から電子放出膜５に流れ込んだ電子の、電子放出膜５中における進行方向は、電子放出膜５中の電気力線の向きに影響を受ける。導電層２と電子放出膜５とは基本的に異なる材料で構成されるので、導電層２と電子放出膜５との境界でそれぞれの材料の誘電率（すなわち抵抗率）に起因した電気力線の曲がりが起こる。電気力線が曲がると、電子は、電子放出膜５中で、導電層２と電子放出膜５とが積層される方向（「導電層２の電子放出膜５との界面に垂直な方向」あるいは「電子放出膜５の膜厚方向」）から逸れながら（広がりながら）電子放出膜５の表面に向かうと推測される。
【００５４】
従って、複数ある領域３の内のある領域３から電子放出膜５に流れ込んだ電子の一部と、その隣の領域３から電子放出膜５に流れ込んだ電子の一部とが同じ電子放出点から放出される事を抑制する事が、放出電流の安定化（揺らぎの抑制）にとって重要である。換言すると、複数の領域３から供給された電子が一つの電子放出点から放出されることを抑制することが、放出電流の安定化（揺らぎの抑制）にとって重要である。
【００５５】
領域３の抵抗率ρ３、領域４の抵抗率ρ４、電子放出膜５の抵抗率ρ５、電子放出膜５の膜厚ｄ’を用いて、領域３から電子放出膜５に流れ込んだ電子の電子放出膜５中での広がりを求めることができる。
【００５６】
電子放出膜５中での電子の広がりが（ｗ’−ｗ）／２よりも大きくなった時、ある領域３から流れ込んだ電子の広がる範囲と、隣りに位置する領域３から流れ込んだ電子の広がる範囲とが重なってしまう。そのため、電子放出量のゆらぎを小さくする効果を奏するように、ｗ’−ｗを設計することが肝要である。電子の広がりが（ｗ’−ｗ）／２よりも大きくなった時、ある領域３からの電子の広がる範囲とその隣の領域３からの電子の広がる範囲とが重なってしまい、電子放出量のゆらぎを小さくする効果が減少してしまう。従って、電子放出量のゆらぎの抑制効果が得られるように、電子放出膜５の膜厚ｄ’、電子放出膜５の抵抗率ρ５、領域３の抵抗率ρ３、領域４の抵抗率ρ４、距離（ｗ’−ｗ）、の組合せを制御する必要がある。
【００５７】
すなわち、本発明では、膜厚ｄ’は、領域３から電子放出膜５に流れ込む電子の電子放出膜５中での広がる範囲と、その隣の領域３から電子放出膜５に流れ込む電子の電子放出膜５中での広がる範囲とが重なることを抑制する様に選択される事が好ましい。
【００５８】
そこで、電子放出膜５の膜厚ｄ’は、下記式（１）を満たすように選択される事が好ましい。
【００５９】
【数１】
2007294126.tif 000003
【００６０】
尚、ｋは、ある領域３から電子放出膜５に流れ込んだ電子が電子放出膜５中で広がる範囲と、その隣に位置する領域３から電子放出膜５に流れ込んだ電子が電子放出膜５中で広がる範囲との重なりをどの程度許容するか、に応じて定義される定数である。
【００６１】
ここで、領域３と領域４の界面の直上の電子放出膜５を、領域３と領域４の界面に沿って、電子放出膜５の厚み方向に流れる電流の密度（電流密度）をＩ０とする。この場合、定数ｋは、領域３と領域４との界面から（Ｗ’−Ｗ）／２離れた領域４上の点の直上に位置する電子放出膜５を、その厚み方向に流れる電流の密度を、Ｉ０の何％まで許容するかによって変化する。具体的には、例えば、領域３と領域４との界面から（Ｗ’−Ｗ）／２離れた領域４の、直上の電子放出膜５を厚み方向に流れる電流の密度をＩ０の５０％まで許容する場合、ｋ＝１．０となる。許容する電流の密度が低ければｋの値はさらに大きくなる。
【００６２】
実用的な範囲としては、Ｉ０の５０％まで許容することができるので、ｋの値は、１．０以上であればよい。
【００６３】
尚、電子放出膜５の膜厚ｄ’は、具体的には、実用上、１ｎｍ以上１μｍ以下の範囲から選択され、好ましくは１ｎｍから１００ｎｍ以下、特に好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲から選択される。そのため、式（１）の左辺は、実質的に、１ｎｍ以上１μｍ以下の値から選択され、この値に合わせて、右辺のρ３、ρ５、ρ４の値が選択される。
【００６４】
本発明では、電子放出膜５は、複数の領域３を跨るように配置されている（図１参照）。そして、図２や図７で示す形態では、１つの開口２１内に１つの電子放出膜５が配置されており、１つの開口２１内に位置する複数の領域３を電子放出膜５が覆っている。この形態が、電子放出量の変動や電子ビームの強度のバラツキを低減する上で好ましい。
【００６５】
１つの開口内に、電子放出膜５が互いに分離された、複数の電子放出膜が配置される場合には、各々の電子放出膜の端部に電界が集中し易くなる。そのため、電子を電子放出膜のより広い領域から均一性高く放出させることが困難になってしまう。そのため、本発明の電子放出素子では、１つの電子放出素子を構成する電子放出膜５は、分離されておらず、単一の膜であることが好ましい。即ち、電子放出素子を構成する複数の領域３を跨ぐように、電子放出膜５を設けることが好ましい。
【００６６】
尚、１つの開口２１内に１つの電子放出膜が配置されるが、電子放出膜５は、必ずしも１つの開口２１内に位置する全ての領域３を覆う必要はない。即ち、開口２１内の一部に電子放出膜５が配置され、残る部分に複数の領域３の一部が露出している形態であっても良い。しかしながら、理想的には、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、開口２１内に位置する全ての領域３が電子放出膜５によって覆われている形態であることが好ましい。換言すると、開口２１内には導電層２は露出していない形態であることが好ましい。
【００６７】
本発明の電子放出膜５は、主として半導体領域から、絶縁体領域の半導体側に限定される。具体的には、電子放出膜５の抵抗率ρ５が、１００Ω・ｃｍ以上１０１０Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、実用的には１０２Ω・ｃｍ以上１０５Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。従って、第１の領域３と第２の領域４と電子放出膜５は、好ましくは、ρ３＜ρ５＜ρ４の関係を満たす。
【００６８】
電子放出膜５の抵抗率ρ５を測定する手法は特に限定されないが、例えば、電子放出膜５の上下に導電体を配して、上下の導電体の間に１Ｖ以上１０Ｖ以下の電圧（駆動電圧より小さい電圧）を印加した時に流れる電流から算出することができる。
【００６９】
また、本発明の電子放出膜５は、前述したように、金属を含むことができる。そして、特には、電子放出膜５が、金属を含む粒子６を多数備える形態が、良好な電子放出特性を得る上で好ましい。金属を含む粒子６は、導電性であればその材料は特に限定されるものではない。例えば、粒子６は、金属粒子または導電性の合金粒子で構成することができる。
【００７０】
そして、電子放出膜５が金属を含む場合、電子放出膜５の主体（金属を除く）の抵抗率は、含まれる金属の抵抗率よりも高く設定される。含まれる金属（または粒子）の抵抗率の１００倍以上に電子放出膜５の主体の抵抗率を設定することで、より低電界で電子放出を行うことができる。そして、金属を含む電子放出膜５の主体は前述したように、炭素であることが好ましく、ダイアモンドライクカーボンまたはアモルファスカーボンであることが特に好ましい。
【００７１】
金属を含む粒子６の粒径（直径）は、電子放出膜５の膜厚ｄ’よりも小さく設定される。粒子６は、電子放出膜５の膜厚方向に、少なくとも２個以上並ぶように配置されることが、電界が粒子６に集中するためにも、好ましい。そのため、粒子６の粒径（直径）は、電子放出膜５の膜厚ｄ’の１／４以下であることが好ましく、下限としては、粒子６の粒径の制御性から１ｎｍ以上であることが好ましい。また、電子放出膜５の膜厚方向における、少なくとも２つの粒子６の並び方としては、電子の供給を良好にするためにも５ｎｍ以下に設定することが好ましい。また、電子放出膜５の膜厚方向に並ぶ少なくとも２つの粒子６は、互いに接触していても良い。粒子６同士が接触していても接触面積は小さく、また、５ｎｍ以下の範囲で離れていれば電子の受け渡しが可能であるので、電子放出電流の変動を抑制する効果を得ることができると考えられる。このような構造とすることで、電子放出膜５中に存在する導電性の粒子に電界が集中し、電子が電子放出膜５から放出されるものと推測される。
【００７２】
電子放出膜５は前述したように高抵抗である必要があるので、電子放出膜５全体に占める金属の割合は、１０ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下であることが実用上好ましい。
【００７３】
絶縁層７の望ましい材料としては、酸化シリコン（典型的にはシリカ）、窒化シリコン、アルミナ、ＣａＦ、アンドープダイヤモンドなどの高電界に耐えられる耐圧の高い材料が好ましい。絶縁層７の厚さとしては、実用的には、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲で設定され、好ましくは、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲から選択される。
【００７４】
第２の電極８は、導電性を有する材料から選択され、例えば、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属、またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。また、その厚さとしては、実用的には、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲で設定され、好ましくは１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲で選択される。第２の電極８の材料は、前述した第３の領域１０１の材料と同じものを用いることができる。
【００７５】
また、図１、図２、図９に示す様に、基体１と柱状構造体１００との間に、第３の領域１０１を設ける場合には、この材料は、第２の電極８と同様、高い導電性を備えていることが好ましい。また、この第３の領域１０１に用いる材料としては、上述した第２の電極８と同じ材料を用いることができる。
【００７６】
基体１は、基板や、基板の表面上に設けられた構造体である。そして、基体１は実質的な絶縁体であることが好ましい。基体１に用いる材料としては、石英ガラスや、Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラスや、青板ガラスを用いることができる。また、シリコン基体などにスパッタ法等により酸化シリコン（典型的にはシリカ）を積層した積層体や、アルミナ等セラミックスの絶縁性基体なども基体１に用いることができる。
【００７７】
開口２１の大きさは、１０ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲から選択され、好ましくは１００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲から選択される。また、開口２１の形状は円形でもよいし、四角形などの多角形状であってもよく、特に制限されるものではない。
【００７８】
次に上記した本発明の電子放出素子の製造プロセスの一例を説明する。ただし、この製造方法に、本発明が特に限定されるものではない。
【００７９】
図３を参照して、本発明の実施の形態に係る第１の導電層２と該第１の導電層２上に配置された電子放出膜５とを備える電子放出素子の製造方法を説明する。
【００８０】
（工程ａ）
予め、その表面を十分に洗浄した基体１上に、第３の領域１０１と多数の柱状領域３を設ける（図３（ａ））。
【００８１】
多数の柱状領域３の形成方法としては、例えば、後述する実施例に記載するように、ＴｉＮの成膜条件を制御する方法を採用することができる。
【００８２】
（工程ｂ）
次に、複数の柱状領域３の各々の間に、柱状領域３よりも低い導電性を備えた領域４を設ける（図３（ｂ）、図３（ｃ））。
【００８３】
領域４は、例えば、柱状領域３を酸素を含む雰囲気中で加熱することで、形成することができる。しかしながら、領域４の形成方法は、この方法に限定されるものではない。
【００８４】
上記手法で形成される領域４は、柱状領域３の酸化物を含む。そして、加熱時には、柱状領域３の表面（柱状領域３の長手方向における２つの端部のうちの基板１とは反対側の端部の表面）も酸化され、酸化層１２が形成される場合がある。加熱の方法は、焼成炉の中に基体１を配置し、ヒーターもしくはランプなどで基体全体を加熱してもよいし、またはレーザーなどで目的の場所のみを加熱するという方法でもよい。また加熱時の雰囲気も酸素を含む雰囲気以外にもオゾン雰囲気などでもよく、一般的に金属が酸化される雰囲気であればよい。酸化する程度としては、形成される酸化層１２の厚みが、実用的には、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で形成されれる程度であれば良い。加熱温度、加熱時間は、適宜選択される。
【００８５】
（工程ｃ）
そして、エッチングにより酸化層１２を除去し、柱状構造体１００と第３の領域１０１とから構成された第２の導電層２を形成する（図３（ｃ））。
【００８６】
この時、後の工程で形成する電子放出膜５と第２の導電層２とが基体１の表面に対して実質的に垂直な方向で電気的接続が十分取れていれば、酸化層１２はある程度残っていても構わない。エッチングの手法はドライエッチングでもウェットエッチングでも構わず、特に限定されない。またエッチングは、第２の導電層２の全面を露出するようにしてもよいし、フォトリソグラフィなどにより、第２の導電層２の一部が露出するようにしてもよい。また、この時、領域４が、隣り合う複数の柱状領域３の間に、残るようにする。
【００８７】
尚、ここでは、柱状構造体１００を形成する手順として、柱状領域３を形成してから領域４を形成するという順序を説明した。しかしながら、本発明の電子放出素子の製造方法では、この順序はどちらが先でも良いし、同時に形成しても良い。例えば、まず、第３の領域１０１上に公知のアルミナナノホール（上記領域４に相当する）を形成する。アルミナナノホールは、アルミの膜に陽極酸化を行うことで形成することができるものであって、ナノサイズの直径を備えた円柱状の開口を多数備えるアルミナの膜である。アルミナナノホールでは、多数の円柱状の開口を実質的に一方向に配向することができる。例えば、図１１（ａ）や図１１（ｂ）に示すように、ナノサイズの開口（図１１の符号３で示す領域に相当する）を行列状や蜂の巣状に容易に形成することができる。そして、前述した柱状領域３を構成する導電性材料を、例えばメッキ法などを用いて、各ナノホール内に埋め込むことで、図３（ｃ）などに示す柱状構造体を形成することができる。
【００８８】
（工程ｄ）
次いで導電層２上に、電子放出膜５を形成する（図３（ｅ））。
【００８９】
電子放出膜５は、蒸着法、スパッタ法、ＨＦＣＶＤ法（Ｈｏｔ  Ｆｉｌａｍｅｎｔ  ＣＶＤ法）等の成膜技術を用いて形成することができるが、特にその製造方法が限定されるものではない。
【００９０】
電子放出膜５の主体としては、炭素を好ましく用いることができる。電子放出膜５として金属を含む電子放出膜を用いる場合は、例えば、グラファイトターゲットと金属ターゲットを用いるマルチターゲットを使って、Ｒｆスパッタ法で、金属を含んだ炭素の膜を形成する方法を採用することができる。また、グラファイトと金属を混合した１つのターゲットを用いて金属含有量を制御する方法等も適宜用いることができる。或いはまた、電子放出膜５の主体としてダイヤモンドライクカーボンを用いる場合、まず電子放出膜５の主体となるＤＬＣ膜をＨＦＣＶＤ法により形成する。その後、イオン注入法などで金属をダイヤモンドライクカーボン膜に含ませる方法を採用することもできる。即ち、電子放出膜５の主体となる膜と金属とをわけて、金属を含む電子放出膜５を形成してもよい。
【００９１】
尚、前述したように、本発明の電子放出膜５は、金属を含む導電性粒子６を含む場合もある。その場合の製造方法では、例えば以下の（工程ｅ）を加える。
【００９２】
（工程ｅ）
その中に金属を含む粒子６を有する電子放出膜５を形成する場合は、上記（工程ｄ）の後に熱処理を行い、電子放出膜５中に存在する金属を凝集させ、粒子６を複数形成する。
【００９３】
本工程は、この段階で行わずに、後ほどの工程で行ってもよい。加熱温度は、４００℃以上８００℃以下の範囲から適宜選択される。加熱温度と加熱温度までの昇温レート、加熱温度における保持時間、加熱後の冷却のための降温レートは、用いる金属と電子放出膜５の主体の材料との組合せにより適宜決定される。
【００９４】
（工程ｆ）
少なくとも上記工程（ａ）〜（ｄ）を行った後に、電子放出膜５上に絶縁層７を堆積する（図３（ｆ））。
【００９５】
絶縁層７は、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等の一般的真空技術を用いてもよいし、印刷法などで形成してもよく、特に限定されるものではない。
【００９６】
（工程ｇ）
絶縁層７上に、最終的に第２の電極（ゲート電極）となる導電層８を配置する。
【００９７】
導電層８は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成してもよいし、印刷法などで形成してもよく、特に限定されるものではない。
【００９８】
（工程ｈ）
導電層８上に、フォトリソグラフィー技術などにより上記導電層８と絶縁層７とを貫通する開口２１を形成するためのパターン（開口）を有するマスク（不図示）を形成する。
【００９９】
そして、上記マスクを用いて、導電層８と絶縁層７を貫通し、電子放出膜５上面にまでおよぶ開口２１を形成する、エッチング工程を行い、その後、マスクパターンを除去する（図３（ｈ））。
【０１００】
尚、エッチングの手法は限定されず、また開口２１の平面形状は、円形に限られるものではない。
【０１０１】
（工程ｉ）
上記工程（ａ）〜（ｈ）を終えた後に、さらに、本発明の電子放出素子の電子放出特性をさらに向上させるために、電子放出膜５の表面を水素で終端させる工程を設けることもできる。水素で電子放出膜５の表面を終端することで、電子の放出をさらに容易にすることができる。
【０１０２】
以上の工程により、本発明の電子放出素子を形成することができる。上記製造方法によれば、領域４を領域３の間に設けることで、電子放出膜５中に存在する金属が、複数の領域３の間を通って拡散することを抑制することができる。その結果、電子放出膜中の金属の含有量のプロセス途中における変動を抑制でき、再現性高く、所定の特性を備えた電子放出膜を形成することができる。即ち、金属を含んだ電子放出膜５を加熱する工程（例えば、上記した工程（ｅ）の加熱工程）が必要である場合に、電子放出膜中の金属の含有量が変化することを抑制することができる。特に、後述する実施例にあるように、窒化チタンの柱状領域３の間には電子放出膜５に含まれる金属が加熱によって移動し易いことがわかっている。そのため、柱状領域３同士の間に酸化チタン（窒素を含む場合もある）を配置した上で加熱工程を行えば、上記拡散を抑制できるので好ましい。また、多数の領域３で導電層２を構成することで、製造時の加熱工程や駆動時の発熱などによる、電子放出膜５（特に炭素を主成分とする膜）が導電層２から剥離してしまうという問題も低減することができる。
【０１０３】
次に、本発明の電子放出素子の応用例について以下に述べる。
【０１０４】
本発明の電子放出素子を同一の基体表面上を複数配列することによって、例えば、電子源や画像表示装置を構成することができる。
【０１０５】
図４を用いて、本発明の電子放出素子を複数配して得られる電子源について説明する。図４において、１は基体、４２はＸ方向配線、４３はＹ方向配線、４４は本発明の電子放出素子である。
【０１０６】
Ｘ方向配線４２は、Ｄｘ１、Ｄｘ２、…Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性材料（典型的には金属）で構成することができる。配線の材料、膜厚、幅は適宜設計される。Ｙ方向配線４３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２、…Ｄｙｎのｎ本の配線からなり、Ｘ方向配線４２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線４２とｎ本のＹ方向配線４３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している。ここで、ｍ及びｎは共に正の整数である。不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された酸化シリコン等で構成される。
【０１０７】
電子放出素子４４を構成する、第１の電極（カソ―ド電極）２はｍ本のＸ方向配線４２のうちの一つに接続され、第２の電極（ゲート電極）８はｎ本のＹ方向配線４３のうちの一つに電気的に接続される。
【０１０８】
Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３、及び第１の電極及び第２の電極を構成する材料は、その構成元素の一部或いは全部が同一であっても、またそれぞれ異なっていても良い。第１の電極及び第２の電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３は、それぞれ第１の電極或いは第２の電極ということもできる。
【０１０９】
Ｘ方向配線４２には、Ｘ方向に配列した電子放出素子４４の行を選択するための、走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線４３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子４４の各列に変調信号を印加するための、不図示の変調信号発生手段が接続される。各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として定義される。
【０１１０】
上記構成においては、個別の電子放出素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。このようなマトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置について、図５を用いて説明する。図５は、画像表示装置を構成する表示パネル５７の一例を示す模式図である。
【０１１１】
図５において、１は電子源を備える基体（「リアプレート」と呼ぶ場合もある）である。５６は、透明な基体５３と、その内面に配置された蛍光体などの電子線の照射によって発光する発光体からなる発光体膜５４と、アノード電極としての導電性膜（メタルバックと呼ぶ場合もある）５５とが設けられたフェースプレートである。５２は支持枠であり、支持枠５２には、リアプレート１、フェースプレート５６がフリットガラス等の接着剤を用いて接続（封着）されている。５７は外囲器（気密容器）であり、フェースプレートとリアプレートと支持枠とを封着することで構成されている。フェースプレート５６とリアプレート１との間に、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５７を構成することもできる。
【０１１２】
また、図５を用いて説明した本発明の外囲器（表示パネル）（５７）を用いて情報表示再生装置を構成することができる。
【０１１３】
具体的には、受信装置と、受信した信号を選曲するチューナーと、選曲した信号に含まれる信号を、ディスプレイパネル（５７）に出力してディスプレイパネル５７のスクリーンに表示または再生させる。上記受信装置は、テレビジョン放送などの放送信号を受信することができる。また、上記選曲した信号に含まれる信号としては、映像情報、文字情報および音声情報の少なくとも１つを指す。尚、上記「スクリーン」は、図５で示したディスプレイパネル（５７）においては、発光体膜（５４）に相当すると言うことができる。この構成によりテレビジョンなどの情報表示再生装置を構成することができる。勿論、放送信号がエンコードされている場合には、本発明の情報表示再生装置はデコーダーも含むことができる。また、音声信号については、別途設けたスピーカーなどの音声再生手段に出力して、ディスプレイパネル（５７）に表示される映像情報や文字情報と同期させて再生する。
【０１１４】
また、映像情報または文字情報をディスプレイパネル（５７）に出力してスクリーンに表示および／あるいは再生させる方法としては、例えば以下のように行うことができる。まず、受信した映像情報や文字情報から、ディスプレイパネル（５７）の各画素に対応した画像信号を生成する。そして生成した画像信号を、ディスプレイパネル（Ｃ１１）の駆動回路（Ｃ１２）に入力する。そして、駆動回路に入力された画像信号に基づいて、駆動回路からディスプレイパネル（５７）内の各電子放出素子に印加する電圧を制御して、画像を表示する。
【０１１５】
図１２は、本発明の情報表示再生装置の一例であるテレビジョン装置のブロック図である。受信回路（Ｃ２０）は、チューナーやデコーダ等からなり、衛星放送や地上波等のテレビ信号、インターネットなどのネットワークを介したデータ放送等を受信し、復号化した映像データをＩ／Ｆ部（インターフェース部）（Ｃ３０）に出力する。Ｉ／Ｆ部（Ｃ３０）は、映像データを表示装置の表示フォーマットに変換して上記ディスプレイパネル（Ｃ１１）に画像データを出力する。画像表示装置（Ｃ１０）は、ディスプレイパネル（Ｃ１１）、駆動回路（Ｃ１２）及び制御回路（Ｃ１３）を含む。制御回路は、入力した画像データに表示パネルに適した補正処理等の画像処理を施すともに、駆動回路（Ｃ１２）に画像データ及び各種制御信号を出力する。駆動回路（Ｃ１２）は、入力された画像データに基づいて、ディスプレイパネル（Ｃ１１）の各配線（図５のＤｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎ参照）に駆動信号を出力し、テレビ映像が表示される。受信回路（Ｃ２０）とＩ／Ｆ部（Ｃ３０）は、セットトップボックス（ＳＴＢ）として画像表示装置（Ｃ１０）とは別の筐体に収められていてもよいし、また画像表示装置（Ｃ１０）と同一の筐体に収められていてもよい。
【０１１６】
また、インターフェースには、プリンター、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などの画像記録装置や画像出力装置に接続することができる構成とすることもできる。そして、このようにすれば、画像記録装置に記録された画像をディスプレイパネル（Ｃ１１）に表示させることもできる。また、ディスプレイパネル（Ｃ１１）に表示させた画像を、必要に応じて加工し、画像出力装置に出力させることもできる情報表示再生装置（またはテレビジョン）を構成することができる。
【０１１７】
ここで述べた情報表示再生装置の構成は、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。また、本発明の情報表示再生装置は、テレビ会議システムやコンピュータ等のシステムと接続することで、様々な情報表示再生装置を構成することができる。
【実施例】
【０１１８】
以下本発明の実施例を詳細に説明する。
【０１１９】
（実施例１）
図２に示した電子放出素子を図６に示した工程に従って作製した。
【０１２０】
（工程１）
基体１として石英基板を用い、これを十分に洗浄を行った後、基体１上に、多数の柱状領域３を形成するために、以下に示す（条件１）で、スパッタ法により、ＴｉＮ膜を１００ｎｍの厚さで成膜した。下記（条件１）における雰囲気ガスは、ＡｒガスとＮ２ガスとを９：１の割合で混合したガスを用いた。
【０１２１】
（条件１）
Ｒｆ電源      ：  １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力      ：  ８Ｗ／ｃｍ２
雰囲気ガス圧  ：  １．２Ｐａ
ターゲット    ：  Ｔｉ
成膜されたＴｉＮ膜は、図６（ａ）に示す様に、多数の柱状領域３から構成されており、柱状領域３の平均直径Ｗは、３０ｎｍであり、その抵抗率ρ３は１０−４Ω・ｃｍであった。平均直径Ｗは、走査型電子顕微鏡で、成膜したＴｉＮ膜の表面を２０万倍の倍率で撮影し、その写真で直径を測長し、平均化した数値である。
【０１２２】
尚、このように、成膜条件を制御することで、多数の柱状領域３を簡易に形成できる材料としては、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮが挙げられる。
【０１２３】
（工程２）
次に、大気雰囲気（酸素含有雰囲気）のオーブンの中に上記工程１を経た基体１を入れ、３５０℃で１時間の加熱を行った。すると、図６（ｂ）のように隣り合うＴｉＮの柱状領域３の間（柱状領域３の側面）にＴｉの酸化物を主体とした第２の領域４が形成された。また同時に、柱状領域３の表面にＴｉの酸化物層１２が形成された。
【０１２４】
ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察すると、隣合う２つの柱状領域３の間に領域４が存在することを観察することができた。領域４をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）で定性分析すると、Ｔｉと酸素とＮの存在が認められ、領域４が酸化物であることが確認できた。また、ＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光分析法）で測定したところＴｉの酸化物とＴｉの窒化物の存在が確認された。また層４の幅Ｗ‘−Ｗは、１４ｎｍであり、その抵抗率ρ４は１０９Ω・ｃｍであった。
【０１２５】
（工程３）
ドライエッチングにより、柱状領域３の表面の酸化層１２を除去し、導電層２の酸化されていない表面を露出させる（図６（ｃ）。つまり、領域３と領域４とを露出させる。この時、隣り合う複数のＴｉＮの柱状領域３の間の、酸化物層である領域４は除去せず、隣り合う柱状領域３の間を埋めたままとした。
【０１２６】
（工程４）
ついでスパッタ法によりコバルトを含んだ炭素膜５を導電層２上に１２ｎｍ堆積した（図６（ｄ））。
【０１２７】
炭素膜１５の主体としてはアモルファスカーボンを用いた。従って、この工程で形成した膜１５は、アモルファスカーボンを主成分とし、コバルトを含む膜と言い換えることができる。このコバルトを含む膜の比抵抗は、１０３Ω・ｃｍであった。
【０１２８】
（工程５）
炭素膜１５上に、プラズマＣＶＤ法により絶縁層７としてＳｉＯ２を１０００ｎｍ成膜した（図６（ｅ））。
【０１２９】
（工程６）
絶縁層７上に、ゲート電極８として、Ｐｔを１００ｎｍの厚さになるように成膜した（図６（ｆ））。
【０１３０】
（工程７）
次いで、ゲート電極８上に、ポジ型フォトレジストをスピンコートし、フォトマスクパターン（円形）を露光、現像し、不図示のマスクパターンを形成した。マスクパターンは、円形の開口を備えている。このときの開口径は、１．５μｍとした。尚、開口の数は、図７に示した様に複数個形成してもよく、特に限定されるものではない。
【０１３１】
（工程８）
ドライエッチングにより、炭素膜５の表面が露出するまで、前記マスクパターンの開口の直下に位置するゲート電極８および絶縁層７をエッチングし、開口２１を形成した（図６（ｇ））。
【０１３２】
（工程９）
残ったマスクパターン（不図示）を、剥離液にて除去し、水洗を行った。
【０１３３】
（工程１０）
次に、アセチレンと水素の混合ガス雰囲気中で、基体１を５５０℃で３００分間熱処理を行った。この熱処理でコバルトが凝集し、コバルト粒子６を内包する炭素膜５（即ち電子放出膜５）を形成した（図６（ｈ））。
【０１３４】
以上の工程で、実施例１の電子放出素子を完成させた。
【０１３５】
このように作製した電子放出素子の電子放出特性を測定した。測定に際しては、本実施例で作製した電子放出素子を図９に示すように、電子放出素子の上方に、離れて、アノード電極９を配置した。そして、アノード電極９、導電層２、ゲート電極８にそれぞれ電位を印加して、電子放出特性を測定した。
【０１３６】
印加電圧はＶａ＝１０ｋＶ、Ｖｂ＝２０Ｖとし、電子放出膜５とアノード電極９との距離Ｈを２ｍｍとした。その結果、柱状領域を備えていないＴｉＮ膜を用いた電子放出素子では、電子放出素子が、一部、基体１から剥離してしまった。一方、本実施例の電子放出素子では、基体１から電子放出膜５が剥離することもなく、安定した電子放出特性を示し、電子放出量のゆらぎも小さかった。
【０１３７】
また、電子放出量のゆらぎを比較するために、上記工程４で形成する炭素膜５を２０ｎｍの厚みで形成した電子放出素子１と、炭素膜５を１００ｎｍの厚みで形成した電子放出素子２も用意した。これらの電子放出素子１及び２は、上記厚み以外は、実施例１の電子放出素子の製造方法と同様の方法で形成した。
【０１３８】
そして、実施例１の電子放出素子の電子放出量のゆらぎと、電子放出素子１及び２の電子放出量のゆらぎを比較すると、実施例１の電子放出素子と電子放出素子１との比較では実施例１の電子放出素子の方が若干優れていた。一方、電子放出素子１と電子放出素子２との比較では、電子放出素子１の方が電子放出量のゆらぎは非常に小さかった。
【０１３９】
この時のそれぞれのｋの値は、実施例１の電子放出素子は、５．０であり、電子放出素子１は３．５であり、電子放出素子２は０．７０であった。つまり、電子放出素子２は、電子放出点での電子の広がりと、それに隣接した電子放出点での電子の広がりとの重なりが、Ｉ０の６１％の地点で起こっており、電子放出ゆらぎは、特に大きかった。
【０１４０】
これは、電子放出素子２では、先述した式（１）を満たしておらず、領域３から流れ込む電子の広がりが、隣の領域３から流れ込む電子の広がりと実質的に重なってしまうためであると推察される。このように、電子放出膜５の膜厚が、（式１）を満たさないと、電子放出量のゆらぎが顕著に増大する傾向になる。
【０１４１】
また、上記工程１における条件を下記（条件２）に変更して、柱状領域３を備えない導電層２を形成し、続いて、上記工程２、３を行わずに、上記工程４〜１０を行って、比較用の電子放出素子３を作製した。尚、下記（条件２）における雰囲気ガスは、ＡｒとＮ２ガスを９：１の混合ガスであった。
【０１４２】
（条件２）
Ｒｆ電源    ：  １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力    ：  ８Ｗ／ｃｍ２
ガス圧      ：  ０．４Ｐａ
ターゲット  ：  Ｔｉ
上記条件２で成膜されたＴｉＮ膜は、柱状領域の見られないバルク状の膜であった。そして、比較用の電子放出素子３の電子放出量のゆらぎは、実施例１の電子放出素子に比べて非常に大きかった。また、同じ製造工程で作成した他のサンプルでは、電子放出膜が基体から剥離してしまった。また、別のサンプルでは、電子放出膜中の金属の含有量が実施例１で作成した電子放出膜に比べて大幅に減少していた。この傾向は、上記工程２および工程３を行わずに作成した電子放出膜にも同様に見られた。
【０１４３】
（実施例２）
本実施例では、図２に示した電子放出素子を図８に示した工程に従って作製した。尚、本実施例２の電子放出素子は、実施例１に対して、電子放出膜５を開口２１内部にのみ配置した構成の電子放出素子である。
【０１４４】
（工程１）
実施例１の工程１と同様に、基体１上に多数のＴｉＮからなる柱状領域３を形成した（図８（ａ））。柱状領域３の平均直径は、３０ｎｍであり、抵抗率ρ３は１０−４Ω・ｃｍであった。
【０１４５】
（工程２）
次に、オゾン雰囲気のアッシング装置の中に基体１を入れ、オゾンアッシングを行ったところ、隣り合う複数のＴｉＮの柱状領域３の間（柱状領域３の側面）にＴｉの酸化物を主体とした第２の領域４が形成された。また同時に、柱状領域３の表面にＴｉの酸化物層１２が形成された（図８（ｂ））。
【０１４６】
ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察すると、柱状構造体３と隣り合う柱状構造体３の間の領域４が観察された。領域４をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）で定性分析すると酸素の存在が認められ、領域４が酸化物であることが確認でき、また、領域４の幅は１４ｎｍであり、その比抵抗は１０９Ω・ｃｍであった。
【０１４７】
（工程３）
実施例１の工程３と同様に、ドライエッチングで、酸化層１２を除去し導電層２の酸化されていない表面を露出させる（図８（ｃ））。
【０１４８】
（工程４）
導電層２上に、プラズマＣＶＤ法により絶縁層７としてＳｉＯ２を１０００ｎｍ成膜した（図８（ｄ））。
【０１４９】
（工程５）
絶縁層７上に、ゲート電極８として、Ｐｔを１００ｎｍの厚さになるように成膜した（図８（ｅ））。
【０１５０】
（工程６）
次いで、ゲート電極８上に、実施例１の工程７と同様に不図示のマスクパターンを形成した。マスクパターンは、円形の開口を備えており、開口径は、１．５μｍとした。
【０１５１】
（工程７）
ドライエッチングにより、導電層２の表面が露出するまで、前記マスクパターンの開口の直下に位置するゲート電極８及び絶縁層７をエッチングし、開口２１を形成した（図８（ｆ））。
【０１５２】
（工程８）
ついでスパッタ法によりコバルトを含んだ炭素膜５を開口２１内に露出した導電層２上に１２ｎｍ堆積した（図８（ｇ））。このコバルトを含む膜５の比抵抗は、１０３Ω・ｃｍであった。
【０１５３】
（工程９）
残ったマスクパターン（不図示）を、剥離液にて除去し、水洗を行った。
【０１５４】
（工程１０）
次に、実施例１の工程１０と同様の手法で、コバルト粒子６を内包する炭素膜５（即ち電子放出膜５）を形成した（図８（ｈ））。
【０１５５】
以上の工程で、実施例２の電子放出素子を完成させた。
【０１５６】
また、実施例２で作製した電子放出素子の電子放出特性を実施例１と同様に図１０に示すようにアノード電極９を配置して測定した。印加電圧はＶａ＝１０ｋＶ、Ｖｂ＝２０Ｖで、電子放出膜３とアノード電極８との距離Ｈを２ｍｍとした。
【０１５７】
その結果、基体１から電子放出素子が剥離することもなく、安定した電子放出特性を示し、さらに実施例１と同様に電子放出量のゆらぎの小さい電子放出素子を形成することができた。
【０１５８】
（実施例３）
上記実施例２で作製した電子放出素子を用いて図５に示す画像表示装置５７を作製した。
【０１５９】
実施例２で示した電子放出素子を、Ｘ方向に１００個、Ｙ方向に１００個、マトリクス状に配置した。配線は図５に示したようにＸ方向配線４２（Ｄｘ１〜Ｄｘｍ）を導電層２に接続し、Ｙ方向配線４３（Ｄｙ１〜Ｄｙｎ）をゲート電極８に接続した。各電子放出素子４４の上方には蛍光体層５４とアノード電極であるメタルバック５５を配置した。図５では、１つの電子放出素子４４に開口２１が一つ形成されている例を示しているが、開口の数は一つに限定されるものではなく、複数の開口を備えていても構わない。
【０１６０】
外囲器５７を封着するために接着剤としてインジウムを用いてリアプレート１とフェースプレート５６とを支持枠５２を間に挟んで封着した。この結果、単純マトリクス駆動が可能で、高精細で、輝度ばらつきの少ない、画像表示装置が形成できた。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示した模式図である。
【図４】本発明の電子放出素子を用いた電子源の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の電子放出素子を用いた画像表示装置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方法の一例を示した模式図である。
【図７】本発明の電子放出素子を用いた電子放出装置の一例を示した模式図である。
【図８】本発明にかかる電子放出素子の製造方法の一例を示した模式図である。
【図９】本発明の電子放出素子を用いた電子放出装置の模式図である。
【図１０】本発明の電子放出素子の導電層の断面模式図である。
【図１１】本発明の電子放出素子の導電層の表面の平面模式図である。
【図１２】本発明の情報表示再生装置の一例のブロック図である。
【符号の説明】
【０１６２】
１  基体
２  導電層
３  第１の領域
４  第２の領域
５  電子放出膜
６  粒子
１００  柱状構造体
１０１  第３の領域
【図１】
2007294126.tif 000005
【図２】
2007294126.tif 000006
【図３】
2007294126.tif 000007
【図４】
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【図５】
2007294126.tif 000009
【図６】
2007294126.tif 000010
【図７】
2007294126.tif 000011
【図８】
2007294126.tif 000012
【図９】
2007294126.tif 000013
【図１０】
2007294126.tif 000014
【図１１】
2007294126.tif 000015
【図１２】
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