专利名称：电子发射元件、电子源以及图像形成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过施加电压进行电子发射的电子发射元件、电子源以及图像形成装置。
作为FE型的例子，已知有在以下文献中公开的情况，即，W.P.Dyke & W.W.Dolan，”Field Emission”，Advance in ElectronPhysics，8，89(1956)或者C.A.Spindt，”PHYSICAL Properties ofthin-film field emission cathodes with molybde nium cones”，J.Appl.Phys.，47，5248(1976)等。
作为MIM型的例子已知有在以下文献中公开的情况，即，C.A.Mead，”Operation of Tunnel-Emission Devices”，J.Apply.Phys.，32，646(1961)等。
此外，在最近的例子中，研究了以下方法，即，Toshiaki，Kusunoki，“Fluctuation-free electron emission from non-formedmetal-insulator-metal(MIM)cathodes fabricated by low currentAnodic oxidation”，Jpn.J.Appl.Phys.vol.32(1993)pp.L1695，Mutsumi Suzuki等，“An MIM-Cathode Array forCathodeluminescent Displays”，IDW96，(1996)pp.529。
作为表面传导型的例子，有在艾林松的报告(M.I.Elinson，RadioEng.Electron Phys.，10(1965))中记载的方法等，该表面传导型电子发射元件，是利用在形成于衬底上的小面积的薄膜上，使电流与膜面平行流过，产生电子放射的现象的元件。在表面传导型元件中，有报告说使用了在上述的艾林松的报告中的SnO2薄膜的元件、使用了Au薄膜的元件、(G.Dittmer，Thin Solid Films，9，317(1972))、采用In2O3/SnO2的元件(M.Hartwelland和C.G.Fonstad，IEEE Trans，EDConf.，519(1983))等。
可是，在图像显示装置中，通过向与电子发射元件相对设置的荧光体(阴极电极)，轰击从电子发射元件发射出的电子，使其发光，从而使荧光体发光，但在高精细度的图像形成装置中，需要电子轨道的聚束、电子发射元件尺寸的小型化，驱动电压的低电压以及可靠性高的电子发射元件的制造方法。
在FE型电子发射元件中，如图20所示，已公知有Spindt型，因为电子发射部分的前端形成尖锐的构造，所以电束的聚束困难，难以实现高精细度的图像形成装置。
此外，还提出过，在Spindt型电子发射元件中，设置用于使电子束聚束的聚束电极的元件构造，但存在元件构造和制造方法复杂等的问题。
与此相反，在例如日本专利特开平8-96704中所述的电子发射元件中，如图21所示，提出了在栅电极以及绝缘层的开口部分内形成大致平坦的电子发射层，抑制电子束的扩散的构成，但从电子发射层的端部发射出的电子沿着用栅电极和阴极电极形成电场大范围扩散。
此外，在特开平8-115654号中公开的例子中，以电子束的聚束为目的，提出了把阴极电极的一部分挖成凹槽状，在该被开挖的区域中设置电子发射层的构造，但在这种构成的情况下，例如，如图23所示，当在开挖的侧壁，和未开挖部分的区域上附着有电子发射层的情况下等下，不能得到电子束的聚束效果，在元件的制造时，需要高精度的定位技术，存在元件的一致性的问题。
此外，优选地，上述阴极电极和上述栅电极夹着绝缘层层叠。
此外，优选地，上述绝缘层以及上述栅电极层具有连通的开口部分，上述电子发射层，在上述开口部分内被设置在上述阴极电极层上，上述电子发射层具有，和上述阴极电极直接连接的区域、上述阴极电极、和夹着由绝缘体或者半导体组成的电子屏蔽层连接的区域。
此外，优选地，上述电子发射层和上述阴极电极连接的区域，与上述电子发射层和上述电子屏蔽层连接的区域相比，更靠近上述电子发射层的区域内的中央部分。
优选地，如果把上述电子发射层和上述电子屏蔽层连接的区域中的、上述阴极电极和上述电子屏蔽层的传导带之间的能量差设置为E1，把上述电子发射层和上述阴极电极连接的区域中的、该阴极电极和电子发射层的传导带之间的能量差设置为E2，则上述E1和E2，存在E1＞E2的关系。
此外，优选地，和上述电子发射层连接的上述阴极电极上端面，与和上述电子屏蔽层连接的上述阴极电极上端面相比更靠近上述衬底一侧。
此外，优选地，上述电子发射层，以碳为主要成分。
此外，优选地，上述电子发射层具有正的数值的带隙。
此外，优选地，上述电子发射层，是类金刚石碳膜或者非晶形碳膜。
此外，优选地，上述电子发射层，夹着上述阴极电极以及上述电子屏蔽和催化剂性导电层连接，上述电子发射层以碳为主要成分，并且，其前端形成圆锥形状或者角锥形状。
此外，优选地，上述电子屏蔽层是绝缘层。
此外，优选地，上述电子发射层，其电阻在10Ω·cm以上。
此外，优选地，从配置在上述电子屏蔽层上的上述电子发射层发射出的电子的发射量，是在从上述电子发射层的和上述阴极电极连接的区域发射出的电子的发射量的10％以下。
此外，优选地，上述电子发射层，在配置在上述电子屏蔽层上的区域和配置在上述阴极电极上的区域的连接部分处的电阻值，为102Ω·cm以上。
此外，本发明是以配置多个上述电子发射元件构成为特征的电子源。
此外，优选地，上述多个电子发射元件以矩阵形配线。
此外，本发明是以具有通过照射从该电子源发射出的电子而发光的发光部件为特征的图像形成装置。
图2是展示本发明的电子发射元件的驱动的一例的图。
图3是展示本发明的电子发射元件的制造方法的一例的图。
图4是展示本发明的电子发射元件在电子发射中的机构的示意图。
图5是展示本发明的电子发射元件的电子轨道的图。
图6是展示本发明的电子束的图。
图7是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图8是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图9是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图10是展示图9所示的元件构造的电子轨道的图。
图11是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图12是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图13是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图14是把本发明的电子发射元件配置成矩阵形状的示意图。
图15是使用本发明的电子发射元件形成图像形成装置的示意图。
图16是展示在图像形成装置中使用的荧光体的一例的示意图。
图17是使用本发明的电子发射元件，形成图像形成装置的示意图。
图18是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图19是展示本发明的电子发射元件的一例的图。
图20是展示以往的电子发射元件的示意图。
图21是展示以往的电子发射元件的示意图。
图22是展示以往的电子发射元件的电子轨道的示意图。
图23是展示以往的电子发射元件的示意图。
图1至图4是展示采用本发明的电子发射元件的构造以及制造方法的一例，和说明本发明的电子发射元件的原理的示意图。
首先，具体参照图1至图3说明涉及本发明的实施方案的电子发射元件的整体构成以及制造方法。图1是涉及本发明的实施方案的电子发射元件的示意图((a)是示意图的断面图，(b)是示意图的平面图)，图2是配线成可以施加电压的状态下的电子发射元件的示意图。此外，图3是本发明的实施方案的电子发射元件的制造工序。
本实施方案的电子发射元件，大致由被配置在衬底1上的阴极电极2、绝缘层4、栅电极5、被配置在阴极电极上的电子发射层(包含电子发射材料的层)7、被配置在阴极电极和电子发射层之间的一部分上的电子屏蔽层3、与它们相对配置的阳极电极9构成。
如果说明本发明的电子发射元件的制造方法的一例，则在在预先表面被充分洗净的石英玻璃、减少了Na等的不纯物含量的玻璃、青板玻璃以及硅衬底等上用阴极溅镀法等积层了SiO2的积层体、氧化铝等的绝缘性的衬底1上，形成阴极电极2。
上述阴极电极2一般具有导电性，由蒸镀法、阴极溅镀法等一般的真空成膜技术、光刻法技术形成。阴极电极2的材质，从以下材料中适当地选择。例如，Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Pd等金属或者合金材料，TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、WC等的碳化物，HfB2、ZrB2、Lba6、CeB6、YB4、GdB4等的硼化物，TiN、ZrN、HfN等的氮化物、Si、Ge等的半导体，碳等。
作为上述阴极电极2的厚度，被设定在从数十nm至数百μm的范围中，优选地在数百nm至数μm中选择。
然后，在上述阴极电极2上继续堆积电子屏蔽层3。该电子屏蔽层3，用阴极溅镀法等的一般的真空成膜法、热氧化法、阴极氧化法等形成，作为其厚度，被设定在数nm至数μm范围内，优选地在数十nm至数百nm的范围中选择。
进而，在上述电子屏蔽层3上，堆积绝缘层4。该绝缘层4，用阴极溅镀法等一般的真空成膜法、热氧化法、阴极氧化法等形成，作为其厚度，被设定在数nm至μm范围内，优选地在数十nm至数百nm范围内选择。
然后，在上述绝缘层4上堆积栅电极5。这样形成的积层体(1，2，3，4，5)展示于图3(a)。该栅电极5，具有和上述阴极电极2同样的导电性，由蒸镀法、阴极溅镀法等一般的真空成膜技术、光刻技术形成。上述栅电极5的材料，从以下材料中适当地选择。例如，Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Pd等的金属或者合金材料，TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、WC等的碳化物，HfB2、ZrB2、LaB6、CeB6、YB4、GdB4等的硼化物，TiN、ZrN、HfN等的氮化物、Si、Ge等的半导体，碳等。
作为上述栅电极5的厚度，被设置在数十nm至数μm范围内，优选地在数十nm至数百nm的范围中选择。
以下，如图3(b)所示，采用光刻技术，把上述电子屏蔽层3、绝缘层4、栅电极5的一部分从上述衬底1上通过蚀刻工序除去，形成上述阴极电极2露出那样的开口部分6。本蚀刻工序，可以在上述阴极电极2上停止，也可以在蚀刻上述阴极电极2的一部分后停止。
本工序中形成的开口部分6，可以列举空穴型、狭缝型等，可以用所需要的电子束形状和驱动电压等选择适当的形状。开口区域的尺寸，用需要的电子束尺寸、驱动电压等从最佳区域选择，其尺寸可以从数nm至数十μm范围内选择。
以下，如图3(c)所示，进行进一步除去上述绝缘层4的侧壁的蚀刻工序。本工序，例如可以列举使用氟酸溶液等的溶液的蚀刻工序等，但除此以外，还可以选择使用等离子体进行各向同性蚀刻的条件。此外，在开口上述栅电极的工序中，通过设定最佳的蚀刻条件，也可以在上述栅电极的开口工序中，省略绝缘层的侧壁蚀刻工序。
最后，如图3(d)所示，在上述开口区域6内，堆积电子发射层7。此时，形成上述电子发射层7的材料，可以只存在于上述开口区域6内，也可以如图12所示，还覆盖在上述栅电极5上。
此外，本发明不只具有上述那样的开口区域的形态，如图13所示，还可以很好地适用于把阴极电极2夹着绝缘层4配置在栅电极5上的构造。
在此，当实现高精细度的电子发射元件的情况下，需要可以通过控制电子束聚束的元件构造，但在以往技术的电子发射元件中，如果在元件上施加电压驱动从电子发射元件发射电子，则由于在电子发射部分附近形成的电场，使一部分电子由该电场推进，电子束的聚束困难。
本发明就是解决上述课题，实现高精细电子发射元件的发明。以下，对于本发明的电子发射元件，用图4以及图5详细说明电子发射的机构。
图4是展示实际驱动本发明的电子发射元件时的电子输送状态，图5是展示电子被发射到真空中的状态。
图4(a)展示在本发明的电子发射元件的上述电子发射层7中，发射电子的区域和不发射电子的区域的断面图。此外，图4(b)是用能量带图展示从阴极电极2向上述电子发射层的电子输送过程的示意图，相当于在图4(a)中的A-A’断面以及B-B’断面。
在本发明的电子发射元件中，如图4(b)所示，在电子发射的区域中，从上述阴极电极2向电子发射层注入电子，该电子被发射到真空中。
另一方面，在插入有不发射电子的上述电子屏蔽层3的区域中，在从上述阴极电极2向上述电子发射层7输送电子前，与电子发射层7相比存在很大的能量壁垒，阻止从阴极电极向电子发射层的电子注入，其结果可以形成不发生电子发射的区域。
而后，为了进一步有效地不使电子从被配置在电子屏蔽层上的电子发射层发射，在本发明的电子发射膜上，在室温下，要求在电子发射层的传导带上不存在自由电子(除了从阴极电极注入的电子以外不存在)。即，本发明的电子发射膜，至少由非金属材料构成。因此，本发明的电子发射膜，希望费米顺位和传导带间的能隙在0.3eV以上。这是因为在该值以下时，在室温(300K)中注意到自由电子存在于传导带中的缘故。通过使用这种构成的电子发射膜，可以有效地抑制从位于电子屏蔽层上的电子发射膜发射电子。
在本发明的电子发射元件中，通过上述的电子发射机构，上述电子发射层可以从具有正的能带隙的材料中选择。因此，如果列举电子发射膜的具体的材料，则例如有Si和SiC等，但最好使用已知是低电场电子发射材料的金刚石和类金刚石碳、非晶形碳等。
此外，在本发明的电子发射膜中，不只是上述的构造，只要是从和阴极电极直接连接的区域注入到电子发射层的电子，不移动到电子屏蔽层上的电子发射膜，或者即使移动到其上也可以确实不从电子屏蔽层上的电子发射膜发射的构造即可。如果是这样构成，并不限于上述的材料，可以使用其他的材料。具体地说，只要控制来自被配置在电子屏蔽层上的电子发射膜的发射电子量，在来自直接与阴极电极连接的区域的发射电子量的10％以下即可。因此，具体地说，只要把电子发射膜的电阻设置在10Ω·cm以上即可。或者，只要直接和阴极电极连接的电子发射膜的一部分区域，和存在于电子屏蔽层上的电子发射膜的区域的边界部分是有效的高电阻即可。具体地说，只要边界部分的电阻在102Ω·cm以上即可。
通过使用上述那样的电子发射膜，如图5所示，如果实际驱动本发明的电子发射元件，则可以防止形成有电子屏蔽层的区域的电子发射，可以实现电子束的聚束。特别是，形成有上述电子屏蔽层的区域附近，在因该元素构造引起电场变化大的区域中，电子发射的防止在电子束的聚束中有效。
此外，本发明的电子发射元件的电子屏蔽层，是为了防止从阴极电极2向电子发射层7的电子注入的层，从被形成在阴极电极和电子屏蔽层界面上的能量壁垒，比被形成在阴极电极和电子发射层界面上的能量壁垒还大的材料中选择，例如从SiO2和SiNx等的绝缘材料和半导体材料中选择。
其结果，本发明的电子发射元件，如图6所示与以往的不存在电子屏蔽层的电子发射元件相比，可以实现电子束的聚束。
在本发明的电子发射元件中，是把电子屏蔽层插入在阴极电极和电子发射层之间，为了聚束电子束，例如，可以是如图7所示用绝缘层形成阴极电极的一部分表面的构造等。
此外，如图8所示，也可以是不除去开口区域6内的绝缘层侧壁的构造。
此外，如图9所示，是把开口区域6内的阴极电极的表面设置成沟状的挖入构造，如图10所示，可以控制开口区域6内的电场分布，更可以设置成聚束电子束的元件构造。
进而，如图11所示，在绝缘层被倾斜状地除去的情况下，通过设置成电子发射层跨过该绝缘层的一部分的构造，就可以把该绝缘层作为电子屏蔽层使用。
在前面说明的电子发射层元件的构造例子中，如图12所示可以是用和电子发射层同样的材料被覆栅电极之上的构造。这种情况下，可以作为栅电极的保护层等使用。
此外，如图18所示，可以是有选择地只氧化上述开口区域6内的露出的阴极电极表面，在除去该氧化层的一部分后，配置电子发射层7的构造。
进而，在本发明中，可以把前端尖锐的材料，即碳纤维作为电子发射层使用。作为碳纤维，理想的有碳纳米管(分别具有在纤维轴周围的圆筒的纤维(单层碳纳米管))、多层碳纳米管(分别具有在纤维轴周围的多个圆筒的纤维)，或者石墨纳米纤维(具有与纤维轴非平行地堆积的圆筒的纤维)。理由是可以得到大的发射电流，在这些碳纤维中，石墨纳米纤维特别适用。此外，在上述的碳纤维中，还有碳纤维具有盘管形状的碳纳米盘管。
这种情况下，在阴极电极2上，首先，堆积催化剂性的粒子。以下，从催化剂性的粒子开始通过CVD法使其长出上述的碳纤维。这样，如图19所示，配置包含碳纤维100的发射电子层7。
以下，说明用于图像形成装置的例子。
图14是展示把本发明的电子发射元件配置成矩阵形状的状态的此外，有关配置多个本发明可以适用的电子发射元件得到的图像形成装置，用图15说明。在图15中，1111是电子源基体，1112是X方向配线，1113是Y方向配线。1114是本发明的电子发射元件，1115是连线。
在图15中，m根的X方向配线1112，由DX1、DX2……DXm组成，用在蒸镀法中形成的厚度约1μm，宽度300μm铝系列配线材料构成。适当地设计配线的材料、膜厚度、宽度。Y方向配线1113由厚度0.5μm、宽度100μm、DY1、DY2、DYn的n条配线组成，和X方向配线1112一样地形成。在这些m条的X方向配线1112和m条的Y方向配线1113之间，设置未图示的厚度约1μm的层间绝缘层，把两者电气性分开(m、n，都是正整数)。
未图示的层间绝缘层，是使用阴极溅镀法形成的绝缘层。例如，形成有X方向配线1112的基体1111的全面或者一部分被形成需要的形状，特别要适当地设定膜厚度、材料、制造方法，使得可以耐受X方向配线1112和Y方向配线1113的交叉部分的电位差。X方向配线1112和Y方向配线1113，分别作为外部端子被引出。
构成本发明的发射元件1114的各电极(未图示)，通过由m条的X方向配线1112和n条的Y方向配线1113和导电性金属等构成的连线(未图示)，各自电气连接。
在X方向配线1112上，连接未图示的扫描信号施加装置，它施加用于选择排列在X方向上的本发明的电子发射元件1114的行的扫描信号。另一方面，在Y方向配线1113上，连接未图示的调制信号发生装置，它用于根据输入信号调制排列在Y方向上的本发明的电子发射元件1114的各列。被施加在各电子发射元件上的驱动电压，作为施加在该元件上的扫描信号和调制信号的差电压提供。在本发明中，Y方向配线被连接在高电位、X方向配线被连接在低电位。通过这样的连接，可以得到电子束的聚束效果。
如果采用上述构成，则使用单纯的矩阵排列，选择各自的元件，可以独立地驱动。
可以形成使用这种单纯的矩阵配置的电子源构成的图像形成装置的显示板。
进而，在使用了本发明的电子发射元件的图像形成装置中，考虑发射出的电子轨迹，把荧光体对准元件上部配置。
图16是展示用于本实施例的显示板上的荧光膜的示意图。
在是彩色荧光膜的情况下，通过荧光体的排列，由图16(a)所示的被称为黑条或者图16(b)所示的被称为黑底等的黑色导电材料141和荧光体142构成。
设置黑条、黑底的目的是，在彩色显示的情况下，通过把必要的三原色荧光体的各荧光体142之间的颜色分界部分涂成黑色，使混色等不显著，抑制在荧光膜142中由外光反射引起的对比度低下。
作为黑条的材料，在本实施例中使用把通常使用的石墨作为主要成分的材料。
在图15中在荧光膜1124的内侧面上，通常设置金属衬垫1125。
金属衬垫是制作是，在荧光膜制作后，进行荧光膜的内面侧表面的平滑处理(通常，被称为“镀膜”)，其后用真空蒸镀等堆积A1。
在荧光屏1126上，因为进一步提高荧光膜1124的导电性，所以在荧光膜1124的外面一侧设置透明电极(未图示)。
在进行显示板的密封时，当是彩色的情况下，需要使各颜色荧光体和电子发射元件对应，充分的对位是不可缺的。
在本实施方案中配置与电子源的正上对应的荧光体。
说明图17所示的扫描电路。同样的电路，在内部具备M个开关元件(图中，用S1至Sm示意性地展示)。各开关元件，选择直流电压源Vx的输出电压或者0[V](接地电位)之一，和显示板1301的端子Dx1至Dxm电气连接。S1至Sm的各开关元件，根据控制电路1303输出的控制信号Tscan动作，例如可以通过组合FET那样的开关元件构成。
直流电压源Vx，被设定为输出一定的电压，使得在本例子的情况下，被施加在根据本发明的电子发射元件的特性(电子发射阈值电压)不扫描的元件上的驱动电压在发射阈值电压以下。
控制电路1303，具有根据从外部输入的图像信号整合各部分的动作，以进行适当的显示的功能。控制电路1303，根据从同步信号分离电路1306送出的同步信号Tsync，对各部分发生Tscan以及Tsft以及Tmry的各控制信号。
同步信号分离电路1306，是用于从由外部输入的NTSC方式的电视信号中分离同步信号成分和亮度信号成分的电路，可以用一般的频率分离(滤波器)电路构成。由同步信号分离电路1306分离的同步信号，由垂直同步信号和水平同步信号组成，而在此为了便于说明作为Tsync信号图示。从上述电视信号分离出的图像的亮度信号成分为了方便表示为DATA信号。该DATA信号被输入移位寄存器1304。
移位寄存器1304，是用于把按时间序列串行输入的上述DATA信号，在图像的每一行进行串行/并行转换的寄存器，根据从上述控制电路1303送出的控制信号Tsft动作(即，控制信号Tsft，也可以说是移位寄存器1304的移位时钟脉冲。)。经串行/并行转换的图像1行(相当于电子发射元件N个元件的驱动数据)的数据，作为Id1至Idn的N个并行信号从上述移位寄存器1304输出。
行存储器1305，是用于只在必要的时间间隙存储图像1行的数据的存储装置，根据从控制电路1303发送的控制信号Tmry，适当地存储Id1至Idn的内容。被存储的内容，被作为I’d1至I’dn输出，被输入调制信号发生器1307。
调制信号发生器1307，是用于分别根据图像数据Id’1至Id’n适当地驱动本发明的各电子电子发射元件的信号源，该输出信号，通过端子Dox1、Doyn施加在显示板1301内的本发明的电子电子发射元件上。
如上所述，可以适用本发明的电子发射元件对于发射电流Ie具有以下基本特性。即，在电子发射中有明确的阈值电压Vth，只在施加Vth以上的电压时产生电子发射。对于电子发射阈值以上的电压，对应对元件的施加电压的变化，发射电流也变化。因此，当在本元件中施加脉冲式的电压的情况下，例如即使施加电子发射阈值以下的电压也不会发生电子发射，但当在施加电子发射阈值以上的电压的情况下，输出电子束。此时，通过改变脉冲的峰值Vm，可以控制输出电子束的强度。此外，通过改变脉冲的幅度Pw，可以控制输出的电子束的电荷的总量。
因而，作为根据输入信号调制电子发射元件的方式，可以采用电压调制方式、脉冲幅度调制方式等。在实施电压调制方式时，作为调制信号发生器1347，可以使用如发生一定长度的电压脉冲，根据被输入的数据适当地调制脉冲的峰值那样的电压调制方式的电路。
在实施脉冲宽度调制方式时，作为调制信号发生器1307，可以使用如发生一定的峰值的电压脉冲，根据被输入的数据适当地调制电压脉冲的幅度那样的脉冲幅度调制方式的电路。
移位寄存器和行存储器，可以采用数字信号方式或者模拟信号方式的存储器。这是因为只要可以以规定的速度进行图像信号的串行/并行变换和存储即可的缘故。
在使用数字信号式的情况下，需要把同步信号分离电路1306的输出信号DATA数字化，但这只需要在1306的输出部分上设置A/D转换器即可。与此相关，行存储器1305的输出信号根据数字信号或者模拟信号的不同，在调制信号发生器1307中使用的电路有些不同。即，在使用数字信号的电压调制方式的情况下，在调制信号发生器1307中，例如使用D/A转换电路，根据需要附加放大电路等。在脉冲幅度调制方式的情况下，在调制信号发生器1307中，例如使用组合了高速发振器以及计数发振器的输出的波数的计数器以及比较计数器的输出值和上述存储器的输出值的比较器的电路。根据需要，也可以附加用于把比较器输出的经脉冲调制的调制信号，电压放大至本发明的电子电子发射元件的驱动电压的放大器。
在使用模拟信号的电压调制方式的情况下，在调制信号发生器1307中，可以采用例如使用运算放大器等的放大电路，根据需要也可以附加电平移位电路等。在脉冲幅度调制方式的情况下，例如，可以采用电压控制型发振电路(VCO)，根据需要也可以附加用于电压放大至本发明的电子电子发射元件的驱动电压的放大器。
在此所述的图像形成装置的构成，是可以适用本发明的图像形成装置的一例，根据本发明的技术思想可以有各种各样的变形，有关输入信号，列举了NTSC方式，但输入信号并不限于此，除了PAL、SECAM方式等外，与其相比还可以采用由多扫描线组成的TV信号(例如，包含MUSE方式的高品质TV)方式。
此外，除了显示装置外，还可以作为用感光性磁鼓构成的光打印机的图像形成装置等使用。
以下，对本发明的实施例，进一步详细说明。
(实施例1)图1是展示用本实施例制作的电子发射元件的断面图，以及平面图的一例，图3是展示本发明的电子发射元件的制造方法的一例。以下，详细说明本实施例的电子发射元件的制造工序。
衬底1使用石英，在进行充分清洗后，在用阴极溅镀法作为阴极电极2堆积厚度300nm的Ti后，作为电子屏蔽层3使用CVD法堆积100nm的SiNx膜。
然后，用CVD法在SiNx上堆积400nm的SiO2，接着作为栅电极，用阴极溅镀法堆积100nm的Ta。
在如上所述形成的积层衬底上，用光刻法和采用RIE的干蚀刻法，在栅电极上形成104个φ0.5μm的开口区域，接着，用RIE顺序蚀刻SiO2、SiNx，在阴极电极表面停止。这时，在SiO2和SiNx的蚀刻工序中，调节蚀刻条件以变为锥形形状。
以下，用缓冲氟酸，蚀刻SiO2，形成如图3(c)所示的凹槽构造。
然后，在如上述那样形成的积层衬底上，使用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。这时，把上述的蚀刻工序时的光刻胶用作去除层(lift-off layer)。
把上述那样制造的电子发射元件，配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加15V的脉冲电压，在电子发射元件上部，夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为38μm的电子束。
(实施例2)在和实施例1一样的积层衬底上，使用干蚀刻装置，形成104个φ0.5μm的开口区域。但是，该蚀刻工序，在把阴极电极挖入到50nm凹槽的时刻停止。
以下，和实施例1一样，作为电子发射层，堆积类金刚石碳膜，在真空容器内评价电子发射特性。
其结果，可以得到聚束为32μm的电子束。
(实施例3)衬底1使用石英，在充分洗净后，在用阴极溅镀法堆积厚度300nm的Pd作为阴极电极后，氧化该Pd电极表面70nm，形成PdO层。
然后，用CVD法堆积300nm的SiO2，接着用阴极溅镀法堆积100nm的Ta作为栅电极。
在上述那样形成的积层衬底上，用光刻和采用RIE的干蚀刻，在栅电极上形成104个φ0.3μm的开口区域，接着，用RIE蚀刻SiO2，在PdO表面停止。这时，在SiO2蚀刻工序中，调节蚀刻工序使得形成锥度形状。
然后，用缓冲氟酸，蚀刻SiO2，形成如图3(c)所示那样的凹槽构造。
然后，在氢的还原气氛中向开口区域上照射氢离子，只在和开口宽度同样的区域上还原PdO，使Pd电极露出。
然后，在如上述那样形成的积层衬底上，使用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极间施加15V脉冲电压，在电子发射元件上部，夹着2mm的距离施加10kV的电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为32μm的电子束。
(实施例4)衬底1使用石英，在充分洗净后，用阴极溅镀法堆积厚度300nm的Ti作为阴极电极2。
然后，用CVD法在Ti上堆积500nm的SiO2，接着作为栅电极，用阴极溅镀法堆积100nm的Ta作为栅电极。
在如上述那样形成的堆积衬底上，用光刻法和采用RIE的干蚀刻，在Ta栅电极上形成104个φ0.5μm的开口区域。
接着，用采用缓冲氟酸的湿蚀刻除去SiO2，在Ti电极表面停止。这时，形成如图11所示的凹槽形状。
然后，在如上述那样形成的积层衬底上，使用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。
把如上述那样制造的电子发射元件，配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加了15脉冲电压，在电子发射元件上部，夹着2mm施加了10kV的电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为38μm的电子束。
(实施例5)和实施例1一样，在积层衬底上形成类金刚石碳膜。这时，在实施例1中，使用光刻胶层作为去除层，但在本实施例中，在除去光刻胶层后，通过堆积类金刚石碳膜，用类金刚石碳膜被覆栅电极表面。
把如上述那样制造的电子发射元件，配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加了15V脉冲电压，在电子发射元件上部，夹着2mm距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为38μm的电子束。此外，即使在驱动中引起元件发射时，由于时序电极上的类金刚石碳膜成为保护膜，因而可以降低对元件的损伤。
(实施例6)在形成有和实施例1一样的开口区域的积层衬底上，作为电子发射层形成另一晶体金刚石膜。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加13V脉冲电压，在电子发射元件上部夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为38μm的电子束。
此外，即使使用非晶形碳膜作为发射电子层，也可以得到被聚束的电子束。
(实施例7)在对衬底1进行充分洗净后的N型Si上，用CVD法堆积100nm的SiNx。在本实施例中，N型Si兼用作衬底和阴极电极层。
然后，在SiNx上用CVD法堆积400nm的SiO2，接着作为栅电极用阴极溅镀法堆积100nm的Ta。
在如上述那样形成的积层衬底上，用光刻和采用RIE的干蚀刻，在栅电极上形成104个φ0.5μm的开口区域，接着，用RIE顺序蚀刻SiO2、SiNx，在阴极电极表面停止。这时，在SiO2和SiNx的蚀刻工序中，调节蚀刻条件以实现圆锥形状。
然后，用缓冲氟酸，蚀刻SiO2，形成图3(c)所示那样的凹槽构造。
然后，在如上述那样形成的积层衬底上，使用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。这时，把上述蚀刻工序时的光刻胶，作为去除层使用。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加14V脉冲电压，在电子发射元件上部夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为37μm的电子束。
(实施例8)在本实施例中，说明图13所示的构造。
衬底1使用石英，在进行充分洗净后，在用阴极溅镀法堆积厚度300nm的Ta作为栅电极5后，作为绝缘层4使用CVD法堆积400nm的SiO2膜。
然后，在SiO2上，在阴极电极上用阴极溅镀法堆积100nm的Ti后，接着用CVD法堆积100nm的SiNx。
然后，把SiNx的一部分，用光刻和RIE进行蚀刻，在阴极电极表面停止。
然后，在如上述那样形成的积层衬底上，使用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。
在如上述那样形成的积层衬底上，用光刻和采用RIE的干蚀刻，在栅电极上形成104个宽度0.5μm的凸起构造，在栅电极上停止。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加18V脉冲电压，在电子发射元件上部夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为32μm的电子束。
(实施例9)在本实施例中，说明图18所示的构造。
在对衬底1进行充分洗净后的N型Si上，用CVD法堆积500nm的SiNx。在本实施例中，N型Si兼用作衬底和阴极电极层。
然后，在SiNx上作为栅电极，用阴极溅镀法堆积100nm的Ta。
在如上述那样形成的积层衬底上，用光刻和采用RIE的干蚀刻，在栅电极上形成104个φ0.5μm的开口区域，在N型Si表面停止。
然后，用磷酸蚀刻SiNx，形成凹槽构造。
然后，把如上述那样形成的积层衬底，在900度氧气氛中热氧化，只选择N型Si在表面露出的区域形成SiO2。这时的SiO2层为80nm。
以下，把栅电极开口区域作为掩模，用RIE除去上述SiO2层的一部分。在本工序中，SiO2层的剩余区域成为电子屏蔽层。
以下，在如上述那样形成的积层衬底上，用CVD法堆积50nm的类金刚石碳膜作为电子发射层。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加14V脉冲电压，在电子发射元件上部夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为37μm的电子束。
(实施例10)在本实施例中，说明图19所示的元件构造。
衬底1使用石英，在进行充分洗净后，在用阴极溅镀法堆积厚度300nm的Ti作为栅电极2后，作为绝缘层3使用CVD法堆积100nm的SiNx膜。
以下，在SiNx上用CVD法堆积400nm的SiO2，接着作为栅电极，用阴极溅镀法堆积100nm的Ta。
在如上述那样形成的积层衬底上，用光刻和采用RIE的干蚀刻，在栅电极上形成104个φ0.5μm的开口区域，接着，用RIE法顺序蚀刻SiO2、SiNx，在阴极电极表面停止。这时，在SiO2和SiNx的蚀刻工序中，调节蚀刻条件以实现圆锥形状。
以下，用缓冲氟酸，蚀刻SiO2，形成如图3(c)所示的凹槽构造。
以下，在如上述那样加工过的衬底上，作为催化剂性导电层100堆积10nm的Pd，在该Pd层上用一般的CVD法有选择地生长碳纳米管层。
把上述那样制造的电子发射元件配置在真空容器内，配置在栅电极和阴极电极之间施加9V脉冲电压，在电子发射元件上部夹着2mm的距离施加10kV电压的荧光体。
其结果，可以得到聚束为34μm的电子束。
(实施例11)分别使用从实施例1至实施例10的元件，制造被配置成100×100的MTX状的图像形成装置。作为一例，说明使用实施例1的元件的例子。配线，如图14所示是把X配线连接在阴极电极2上，把Y配线连接在栅电极5上。电子发射元件，把104个开口区域作为1象素，以横向30μm、纵向100μm的间距配置。在荧光体上部施加10kV的电压。输入信号，用图17所示的电路驱动。其结果，可以形成高精细的图像形成装置。
如上所述，如果采用本发明，则具备配置在衬底上的阴极电极、栅电极，具有被配置在上述阴极电极上的电子发射层的一部分区域，夹着电子屏蔽层，与该阴极电极连接的构造，通过只有选择从上述电子发射层和阴极电极连接的区域中发射电子，可以使电子发射元件生成的电子束的聚束性提高。
此外，通过适用由上述构成的电子发射元件，可以谋求电子源以及图像形成装置的高性能化。
权利要求
1.一种电子发射元件，其中在衬底上配置阴极电极和栅电极，从上述阴极电极向被配置在该阴极电极上的电子发射层输送电子，从该电子发射层向真空中发射电子，其特征在于上述电子发射层的一部分夹着电子屏蔽层和上述阴极电极连接。
2.权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于上述阴极电极和上述栅电极夹着绝缘层层叠。
3.权利要求2所述的电子发射元件，其特征在于上述绝缘层以及上述栅电极层具有连通的开口部分，上述电子发射层，在上述开口部分中被配置在上述阴极电极层上，上述电子发射层具有，和上述阴极电极直接连接的区域、上述阴极电极、和夹着由绝缘体或者半导体组成的电子屏蔽层连接的区域。
4.权利要求3所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层和上述阴极电极连接的区域，比上述电子发射层和上述电子屏蔽层连接的区域，更靠近上述电子发射层的区域内的中央部分。
5.权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于如果把上述电子发射层和上述电子屏蔽层连接的区域中的、上述阴极电极和上述电子屏蔽层的传导带之间的能量差设置为E1，把上述电子发射层和上述阴极电极连接的区域中的、该阴极电极和电子发射层的传导带之间的能量差设置为E2，则上述E1和E2存在以下关系E1＞E2。
6.权利要求3所述的电子发射元件，其特征在于和上述电子发射层连接的上述阴极电极上端面，与和上述电子屏蔽层连接的上述阴极电极上端面相比，更靠近上述衬底一侧。
7.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层，以碳为主要成分。
8.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层具有正的数值的带隙。
9.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层是类金刚石碳膜或者非晶形碳膜。
10.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层，夹着上述阴极电极以及上述电子屏蔽层和催化剂性导电层连接，上述电子发射层以碳为主要成分，并且，其前端形成圆锥形状或者棱锥形状。
11.权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于上述电子屏蔽层是绝缘层。
12.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层，电阻在10Ω·cm以上。
13.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于从配置在上述电子屏蔽层上的上述电子发射层发射出的电子发射量，为从和上述电子发射层的上述阴极电极连接的区域发射出的电子发射量的10％以下。
14.权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述电子发射层，在配置在上述电子屏蔽层上的区域和配置在阴极电极上的区域的连接部分中的电阻值，为102Ω·cm以上。
15.一种电子源，其特征在于配置有多个权利要求1至6中任一项所述的电子发射元件。
16.权利要求15所述的电子源，其特征在于上述多个电子发射元件被配线成矩阵形状。
17.一种图像形成装置，其特征在于具有权利要求15所述的电子元件，和通过照射从该电子源发射出的电子而发光的荧光部件。
18.一种电子发射元件，包含阴极电极；配置在上述阴极电极上的具有第1孔的电子屏蔽层；以及配置在上述电子屏蔽层和夹着上述第1孔露出的上述阴极电极的一部分上的电子发射层。
19.权利要求18所述的电子发射元件，还包含配置在上述电子屏蔽层上的具有第2孔的绝缘层，以及配置在上述绝缘层上的具有第3孔的栅电极。
20.权利要求18所述的电子发射元件，还具有栅电极和绝缘层，上述绝缘层配置在上述栅电极和阴极电极之间。
21.一种电子源，包含配置在衬底上的多个电子发射元件，和与上述电子发射元件连接的连线，其中上述电子发射元件是权利要求18所述的电子发射元件。
22.一种图像形成装置，包含权利要求21所述的电子源和荧光体。
全文摘要
一种电子发射元件，积层有阴极电极、绝缘层、栅电极，形成有除去栅电极的一部分使阴极电极露出的贯通孔，为了提高电子束的聚束性，在该电子发射元件中，只有阴极电极上的电子发射层的中心附近和阴极电极连接。由此，电子束只从和阴极电极连接的电子发射层的中心附近发生，可以实现电子束直径小的电子发射元件以及高精细的图像形成装置。
文档编号H01J1/304GK1396617SQ0214021
公开日2003年2月12日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年6月29日
发明者笹栗大助 申请人:佳能株式会社