電子放出素子および該電子放出素子を用いた表示パネル
【課題】 安定して動作する電子放出素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 導電性部材である構造体３と、構造体３の上に設けられた硼化ランタン層５と、を少なくとも備える電子放出素子１０であって、構造体３と硼化ランタン層５との間に、酸化物層４が設けられている。
【解決手段】 導電性部材である構造体３と、構造体３の上に設けられた硼化ランタン層５と、を少なくとも備える電子放出素子１０であって、構造体３と硼化ランタン層５との間に、酸化物層４が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硼化ランタン層を用いた電子放出素子および表示パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型電子放出素子では、一般的には、電子放出体と、ゲート電極との間に電圧を印加することにより、電子放出体の先端の表面に強電界が生じ、電子放出体の表面から電子が真空中に放出される。
【０００３】
このような電界放出型電子放出素子においては、用いる電子放出体の表面の仕事関数やその先端形状などによって、電子放出に要する電界が大きく左右される。理論的には、表面の仕事関数がより小さい電子放出体の方が、より弱い電界で電子を放出することができると考えられている。
【０００４】
特許文献１および２には、タングステンやモリブデンからなるエミッタの上に、仕事関数の低い材料であるＬａＢ６（六硼化ランタン）を表面層として形成した電子放出素子が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、微小電界放出陰極装置が開示されている。
【０００６】
電界放出型電子放出素子を基板（背面板）上に多数配列することで電子源が構成できる。そして、ＣＲＴ等の様に、電子線の照射によって発光する蛍光体などの発光体を設けた基板（前面板）と、上記した背面板とを対向させ、両基板の周囲を封着すれば、表示パネルを構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０１−２３５１２４号公報
【特許文献２】米国特許第４００８４１２号
【特許文献３】特開平０７−０７８５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の電子放出素子では、上述した封着時や駆動時（電子放出時）の熱などにより、ＬａＢ６層中のＬａが、その下に設けられた導電性部材である構造体に拡散したり、構造体を構成する金属がＬａＢ６層中に拡散したりする場合があった。その結果、ＬａＢ６層の低仕事関数材料としての機能が十分に発現せず、電子放出特性が変化する場合があった。
【０００９】
この課題は、ＬａＢ６層が単結晶層であるよりも、多結晶層である場合に顕著になる。これは、上記構造体を構成する金属のＬａＢ６層中への拡散や、ＬａＢ６層中のＬａの構造体中への拡散、が多結晶層中に存在する結晶粒界を介して生じることが影響している可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明は、導電性部材である構造体を構成する金属の硼化ランタン層中への拡散や、ＬａＢ６に代表される硼化ランタン層中のＬａの構造体への拡散を抑制し、安定して動作する電子放出素子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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、導電性部材と、前記導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に、酸化物層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低い電圧で動作可能で且つ長期に渡って安定な電子放出を実現できる電子放出素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の電子放出素子の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の電子放出素子の他の一例を示す断面模式図である。
【図３】電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図４】硼化ランタンの多結晶層の断面模式図である。
【図５】本発明の電子放出素子の別の一例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の電子放出素子の別の一例を説明する図である。
【図７】電子源の平面模式図である。
【図８】本発明の表示パネルの一例を示す断面模式図である。
【図９】情報表示装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、本実施形態について説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１５】
なお、酸化物について、「金属の酸化物」または「酸化金属」と呼ぶときは、金属の酸化数は特定されない。つまり、金属元素をＭとすれば、「金属の酸化物」または「酸化金属」は、正の値Ｘを用いて「ＭＯＸ」で表される。酸化数を特定する時は、「二酸化金属」または「ＭＯ２」のように、酸化数が特定できるように記載する。例えば「タングステンの酸化物」あるいは「酸化タングステン」は、「三酸化タングステン」と「二酸化タングステン」の両方を含む。金属以外（例えば半導体）についても同様であり、酸化物以外（例えば硼化物）についても同様である。
【００１６】
図１は本実施の形態に係る電子放出素子１０の一例の断面模式図である。図１に示す様に、基板１上にカソード電極２が設けられており、導電性を有する部材（導電性部材）である構造体３がカソード電極２と電気的に接続されている。構造体３を構成する材料としては導電性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、金属または半導体を用いることができる。そして、構造体３の上に、酸化物層４が設けられており、酸化物層４の上に硼化ランタン層５が設けられている。言い換えれば、構造体３と硼化ランタン層５の間に酸化物層４が設けられていることになる。硼化ランタン層５は、ランタンの硼化物（ＬａＢＸ）で構成される。構造体３と酸化物層４と硼化ランタン層５とを一纏めにして電子放出体９と呼ぶことができる。そのため、電子放出体９がカソード電極２と電気的に接続されていると言える。電子放出体はカソードとも呼ばれる。
【００１７】
なお、導電性部材である構造体３は、図１や図２に示した形態では、円錐形状である。しかし、構造体３は、電子放出体９の表面、具体的には硼化ランタン層５の表面や後述する酸化ランタン層６の表面、に生じる電界を増大することのできる幾何学形状で、導電性部材であればよい。
【００１８】
一方、ゲート電極８は、カソード電極２と絶縁するための絶縁層７の上に設けられている。構造体３は、絶縁層７とゲート電極８とを貫通する円形状の開口７１内に設けられている。したがって、電子放出体９は開口７１内に設けられているとも言える。開口７１の形状は特に限定されず、円形状や多角形状とすることができる。
【００１９】
このような電子放出素子１０は、カソード電極２とゲート電極８との間に、カソード電極２の電位がゲート電極８の電位よりも低くなるように所定の電圧を印加することによって駆動される。印加する電圧は、電子放出体９とゲート電極８との間隔、および電子放出体９の形状（典型的には、構造体３の形状）などによるが、２０Ｖから１００Ｖである。典型的には電子放出体９の表面を形成する硼化ランタン層５から、電子が電界放出される。このようにカソード電極とゲート電極との間に電圧を印加することで、電子放出体とゲート電極との間に強電界が生じ、電子放出体の表面から電子が電界放出される電子放出素子が、電界放出型電子放出素子である。
【００２０】
構造体３と硼化ランタン層５との間に設けられた酸化物層４は、拡散防止層として機能する。酸化物層４によって、構造体３中の金属や半導体の、硼化ランタン層５への拡散や、硼化ランタン層５中のＬａの、構造体３への拡散を抑制することができる。その結果、電子放出素子の動作を安定させることができる。
【００２１】
酸化物層４は、金属の酸化物または半導体の酸化物である。酸化物層４を構成する金属成分または半導体成分は、構造体３を構成する金属または半導体と同じ成分であることが好ましい。このようにすることで、酸化物層４と構造体３との接合が強固になり、電子放出素子の動作をより安定にすることができる。酸化物層４は、動作電圧を大きくしないために、または、構造体３から硼化ランタン層５に電子を供給するために、導電性を有することが好ましい。
【００２２】
例えば構造体３をモリブデンで構成する場合には、酸化物層４はモリブデンの酸化物で構成することが好ましい。二酸化モリブデン（ＭｏＯ２）は、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）に比べて抵抗率（比抵抗）がかなり低く、導電性を有する酸化物であるので、二酸化モリブデンで酸化物層４を構成することがより好ましい。
【００２３】
また、構造体３をタングステンで構成する場合には、酸化物層４はタングステンの酸化物で構成することが好ましい。二酸化タングステン（ＷＯ２）は、三酸化タングステン（ＷＯ３）に比べて抵抗率がかなり低く、導電性を有する酸化物であるので、二酸化タングステンで酸化物層４を構成することがより好ましい。
【００２４】
酸化物層４の厚さは、その抵抗率にもよるが、実用的には３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。３ｎｍよりも薄いと、拡散防止層としての機能が実用的に得られない。一方、２０ｎｍよりも厚いと抵抗成分として無視できなくなり動作電圧が上昇してしまったり、構造体３から硼化ランタン層５へ、酸化物層４を介して、電子を供給することができなくなったりする。
【００２５】
酸化物層４の形成方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法等の一般的成膜技術や、制御された酸素雰囲気中で構造体３を高温で加熱することで形成する方法や、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ）照射による方法などを用いることができる。例えば、ＭｏＯ２の酸化物層を形成する場合には、Ｍｏをスパッタ法等で形成し、Ｍｏ層にＥＵＶ（例えばエキシマＵＶ）を照射することでＭｏＯ２からなる酸化物層４を形成することができる。
【００２６】
ところで、酸化物層４を構成する酸化物は導電性を有することが好ましいが、一般的な酸化物の中には絶縁性を有するものもある。そこで、酸化物層４はＬａを含むことが好ましい。なお、ここでいう「Ｌａ」はランタン元素の意味である。Ｌａを含まない酸化物が絶縁体であっても、Ｌａを含むことで、抵抗率を下げることができ、導電性を有する酸化物層４が得られる。
【００２７】
例えば、Ｌａと、酸化物層４を構成する酸化物の酸素とが結合してより安定な酸化ランタンを形成することができる。ランタンの酸化物である三酸化二ランタン（Ｌａ２Ｏ３）の抵抗率は一般的な金属酸化物にしては低く、また、安定な酸化物である。その結果、構造体３から硼化ランタン層５に安定に電子を供給することができ、より安定な電子放出特性を得ることができる。
【００２８】
また、Ｌａを含まない酸化物がＬａを含むと、酸化物の組成比が変化して導電性が高くなる場合もある。
【００２９】
例えば、構造体３をモリブデンで構成すると、モリブデンの酸化物には絶縁性を有するＭｏＯ３もある。ＭｏＯ３から構成される酸化物層と比較して、Ｌａを含むモリブデンの酸化物層４は、Ｌａの酸化物であるＬａ２Ｏ３と、ＭｏＯ２を含むことになり、その結果、導電性が高くなると考えられる。
【００３０】
また、構造体３をタングステンで構成すると、タングステンの酸化物には絶縁性を有するＷＯ３もある。ＷＯ３から構成される酸化物層と比較して、Ｌａを含むタングステンの酸化物層４は、Ｌａの酸化物であるＬａ２Ｏ３と、ＷＯ２を含むことになり、その結果、導電性が高くなると考えられる。
【００３１】
酸化物層４中におけるＬａの含有量は、求められる電子放出特性に応じて適宜設定することができるが、実用的な範囲としては原子濃度で５％以上３０％以下である。なお、酸化物層４の主成分はＬａではなく、主成分は母材となる酸化物である。したがって、モリブデンと酸素、あるいはタングステンと酸素の合計の原子濃度は７０％以上９５％以下となる。
【００３２】
Ｌａを含む酸化物層４を形成する方法としては、Ｌａを含まない酸化物層にＬａをドーピングする方法や、酸化物を構成する材料とＬａとを含むターゲットを用いたスパッタ法などによってＬａを含む酸化物層４を形成する方法などを採用できる。
【００３３】
本実施形態に用いる硼化ランタン層５は低仕事関数層として機能する。また、硼化ランタン層５は導電性を有する。ランタンの硼化物としては、六硼化ランタン（ＬａＢ６）が好ましい。六硼化ランタンは、化学量論的組成としてＬａとＢの比が１：６で表される構造であり、単純立方格子を有するものである。ただし、本実施形態の六硼化ランタンは、非化学量論的組成のものも含み、格子定数の変化したものも含む。
【００３４】
硼化ランタン層５は、硼化ランタンの単結晶層であるよりも、硼化ランタンの多結晶層であることが好ましい。硼化ランタンの多結晶層は金属的な伝導を示し、導電性を有する。単結晶層に比べて多結晶層は、成膜が容易である。また、多結晶層は、構造体３のような複雑で微細な凹凸形状の表面に沿って設けることができ、電子放出体９の内部応力も低くすることができるので好ましい。なお、仕事関数は多結晶層よりも単結晶層の方が低いが、厚さや結晶子サイズを制御することで、多結晶層でも単結晶層に近い３．０ｅＶよりも低い仕事関数を得ることができる。
【００３５】
また、図２のように、硼化ランタン層５の上に、酸化ランタン層６を設けることが好ましい。酸化ランタン層６は、ランタンの酸化物（ＬａＯＸ）から構成される。ランタンの酸化物は、ランタンの硼化物よりも雰囲気に対して安定である。酸化ランタン層６は、典型的には、三酸化二ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から構成される。酸化ランタン層６として典型的なＬａ２Ｏ３層は、硼化ランタン層５として典型的なＬａＢ６層よりも雰囲気、特に酸素を含む雰囲気に対して安定である。また、Ｌａ２Ｏ３はＬａＢ６の仕事関数（２．５ｅＶ程度）に近い低仕事関数（２．６ｅＶ程度）を有する材料である。そのため、硼化ランタン層５の上に酸化ランタン層６を設けることで、さらに安定な電子放出特性を実現できる効果がある。また、硼化ランタンと酸化ランタンとは安定に接合する。
【００３６】
酸化ランタン層６の厚さは、実用上、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍよりも薄いと酸化ランタン層の効果がほとんど発現せず、また、１０ｎｍ以上となると電子放出量が低下し始める。
【００３７】
硼化ランタン層５の表面に酸化ランタン層６を形成する方法は特に限定されない。例えば、硼化ランタン層５を、制御された酸素雰囲気中で加熱して表面に酸化ランタン層を形成してもよいし、蒸着法、スパッタ法等の一般的成膜技術を用いてもよい。
【００３８】
なお、図２で示した構成の電子放出素子の場合、硼化ランタン層５と酸化ランタン層６の一方、又は両方から電子が放出される。図２に示した構造の場合には、構造体３と酸化物層４と硼化ランタン層５と酸化ランタン層６とを一纏めにして電子放出体９と呼ぶことができる。なお、図２では、酸化ランタン層６は硼化ランタン層５の表面全体を覆っているように示したが、全体を覆うことに限定されない。即ち、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の表面の一部を覆う場合には、硼化ランタン層５の一部の表面と酸化ランタン層６の表面とで、電子放出体９の表面が構成されることになる。
【００３９】
以上述べた本発明の実施の形態に係る電子放出素子について、更に詳細に説明する。
【００４０】
カソード電極２は、図１、図２に示した形態では、構造体３と基板１との間に設けてあるが、構造体３に電子を供給することができればその配置位置は特に限定されない。例えば、構造体３の横にカソード電極２を並設しても良い。カソード電極２を構成する材料は、導電性の材料であれば良い。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属材料またはこれらの合金材料が用いることができる。また、これらの炭化物、硼化物、または、窒化物でもよい。Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体等も用いることができる。
【００４１】
構造体３は、前述したように、硼化ランタン層５または酸化ランタン層６の表面に生じる電界を増大することのできる幾何学形状を備えた、導電性部材であればよい。したがって、構造体３は、例えば、四角錐形状や三角錐形状などでも良いし、カーボンファイバーのような棒状であったり、針状、リッジ状（板状）であったりすることもできる。つまり、構造体３は、典型的には、基板１から離れる方向に突出した突起部あるいは凸部を備える形状の、導電性部材であればよい。そして、導電性部材の突起部あるいは凸部の、少なくとも先端に、酸化物層４を間に挟んで硼化ランタン層５を備えていれば良い。図１に示した形態では、酸化物層４は構造体３の全体を覆っており、硼化ランタン層５は酸化物層４の全体を覆っているように記載したが、全体を覆うことに限定されない。図２においても、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の全体を覆うことに限定されず、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の表面の一部を覆っていてもよい。
【００４２】
構造体３は、カソード電極２から硼化ランタン層５、または、硼化ランタン５および酸化ランタン層６に電子を供給できるように、導電性を有している。構造体３の材料としては導電性の材料であれば特に限定されないが、例えば、材料としては金属または半導体を用いることができる。そのため、構造体３は金属または半導体を含むことになる。構造体３の材料としては、高融点の材料を選択できる事、電子を安定に硼化ランタン層５に供給できる事、酸化物として導電性を有するものがある事、などの理由から、金属が好ましく用いられる。上記金属としては、モリブデンまたはタングステンが特に好ましい。なお、電子放出素子に放出電流を制限する抵抗を設ける場合には、構造体３とカソード電極２との間に抵抗体を設ける、或いは、カソード電極２の一部に抵抗体を設けることができる。カソード電極２自体が抵抗体として機能してもよい。
【００４３】
図１や図２では、理解を容易にするために、カソード電極２と構造体３とを異なる部材として示しているが、カソード電極２と構造体３を同じ材料で構成し、連続した一つの部材とすることもできる。このような場合にも、カソード電極２と構造体３の材料は、モリブデンやタングステンなど、高融点の金属が好ましく用いられる。
【００４４】
本実施形態に係る、多結晶層である硼化ランタン層５は、図４に示す様に、多数の結晶子５０よりなる、いわゆる多結晶体としての特質を有する。各々の結晶子５０は硼化ランタンからなる。結晶子とは、単結晶としてみなせる最大の集まりを意味するものである。また、本発明における多結晶層５は、結晶子５０同士が接合（当接）する、または複数の結晶子の塊（集合体）同士が接合（当接）することで導電性を示す、金属的な層である。結晶子５０同士の間または複数の結晶子の塊同士の間には、空隙を有する場合や、非晶質な部分を有する場合がある。なお、図４は硼化ランタン層５が多結晶層であることを説明する模式図であって、酸化物層４や構造体３の膜質は特に限定されるものではない。
【００４５】
したがって、本発明における多結晶層は、微粒子（例えば非晶質の微粒子）の集合体からなる、いわゆる微粒子層とは異なるものである。なお、「グレイン」という用語は、複数の結晶子より構成されるものを指していたり、アモルファスな粒状のものを指していたり、見た目が粒状のものを指していたり、用語としての使い方が統一されていない場合が多い。
【００４６】
本実施形態における硼化ランタンの多結晶層５を構成する結晶子５０のサイズは２．５ｎｍ以上である。そして、多結晶層５の厚さは１００ｎｍ以下である。そのため、多結晶層５を構成する結晶子５０のサイズの上限は必然的に１００ｎｍとなる。また、多結晶層５の膜厚の下限は必然的に２．５ｎｍとなる。２．５ｎｍ以上の結晶子サイズの多結晶層は、２．５ｎｍ未満の結晶子サイズの多結晶層に比べて放出電流が安定する（揺らぎが低減する）。また、結晶子サイズが１００ｎｍを超えると、多結晶層の厚さが１００ｎｍを超え、結果、層はがれが顕著に生じ、電子放出素子に用いると不安定な特性となる。結晶子サイズが２．５ｎｍよりも小さいと、仕事関数が３．０ｅＶよりも大きくなってしまう。これは、ＬａとＢの組成比が６．０よりも大きくずれてしまい、結晶性を維持できなくなるような不安定な状態になっているものと考えられる。また、特に厚さを２０ｎｍ以下とすると電子放出特性のバラツキが小さいので好ましい。
【００４７】
結晶子サイズは、典型的にはＸ線回折測定から求めることが可能である。回折線のプロファイルから、Ｓｃｈｅｒｒｅｒ法と呼ばれる方法によって算出することができる。Ｘ線回折測定は、結晶子サイズの算出のみならず、多結晶層５が化学量論的な六硼化ランタンの多結晶体により構成されていることや、配向性について調べることが可能である。なお、断面ＴＥＭによる観察を行うと、結晶子に対応する領域に、実質的に平行に並んで見える複数の格子縞が確認される。そこで、この複数の格子縞の中から互いに最も離れた２つの格子縞を選択し、一方の格子縞の端と他方の格子縞の端を結ぶ線分のうち最も長い線分の長さを結晶子サイズ（結晶子径）と認定することができる。そして、断面ＴＥＭで観察した領域内に複数の結晶子が確認されるのであれば、それらの結晶子サイズの平均値を、硼化ランタンの多結晶層の結晶子サイズとすることができる。
【００４８】
また、硼化ランタン層の仕事関数の測定は、真空ＵＰＳなどの光電子分光法やケルビン法、真空中での電界放出電流を計測して電界と電流の関係より導く方法などがあり、これらを組み合わせて求めることも可能である。
【００４９】
具体的には、鋭利な先端を有する導電性の針（例えば、タングステンの針）の先端（突起部）の表面に、仕事関数が既知の材料の２０ｎｍ程度の膜（例えば、モリブデン膜）を形成する。そして、真空中で電界を印加して電子放出特性を測定する。そして電子放出特性から、針の先端である突起部の形状による電界増倍係数をあらかじめ求めておき、しかる後に硼化ランタン膜を形成して、仕事関数を算出して求めることが可能である。
【００５０】
次に、図１や図２に示した円錐状の構造体を用いた電子放出素子とは異なる形態の電界放出型電子放出素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、電子放出素子をＺ方向から見た平面模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面（Ｚ−Ｘ面）模式図である。図５（ｃ）は図５（ｂ）のＸ方向から見た場合の模式図である。
【００５１】
この電子放出素子１０では、基板１上に絶縁層７介してゲート電極８が設けられている。図５に示した例では、絶縁層７は第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂとで構成されている。また、基板１上にはカソード電極２が設けられており、カソード電極２に接続された導電性部材である構造体３が、絶縁層７の側面（図５の形態では第１絶縁層７ａの側面）に沿って且つ基板１から離れる方向に向かって伸びている。そして、構造体３の上に酸化物層４が設けられ、酸化物層４の上に硼化ランタン層５が設けられている。言い換えれば、構造体３と硼化ランタン層５の間に酸化物層４が設けられていることになる。構造体３と、酸化物層４と、硼化ランタン層５とで、電子放出体９を構成している。図５（ｂ）から明らかな様に、構造体３は、基板１から＋Ｚ方向に突出して設けられた部材である。即ち、構造体３は、突起部を備えている。電子放出体９は、構造体３の突起部の形状を反映した形状をしているので、電子放出体９は突起部を備えていると言うことができる。したがって、電子放出体９は、その表面に生じる電界を増大することのできる幾何学形状を有する突起部を備えた構造になっている。ゲート電極８は、電子放出体９の突起部と間隙をおいて、電子放出体９から離れて設けられている。
【００５２】
この例では、構造体３は、酸化物層４を間に介して、硼化ランタン層５で覆われているが、少なくとも構造体３の突起部に、酸化物層４を間に介して、硼化ランタン層５が設けられていればよい。硼化ランタン層５は、図４等を用いて既に説明した、硼化ランタンの多結晶層であることが好ましい。電子放出体９は、さらに、酸化物層４がランタン元素を含むことが好ましい。また、図２を用いて説明した様に、硼化ランタン層５の表面に酸化ランタン層（不図示）を備えることも好ましい。なお、図５で示した電子放出素子でも、酸化ランタン層が硼化ランタン層５の表面全体を覆うことに限定されない。即ち、酸化ランタン層が硼化ランタン層５の表面の一部を覆う場合には、硼化ランタン層５の一部の表面と酸化ランタン層の表面とで、電子放出体９の表面が構成されることになる。
【００５３】
また、図５では、ゲート電極８は、第１導電層８ａと第２導電層８ｂとで構成され、第１導電層８ａの一部分が構造体３と同じ導電性材料の第２導電層８ｂで覆われている例を示している。この第２導電層８ｂは省略することもできるが、安定な電界を形成するためには、設けておくことが好ましい。ゲート電極８（８ａ、８ｂ）の上にも硼化ランタン層が設けられていてもよい。また、図５（ａ）、（ｃ）では、電子放出体９がＹ方向に連続してリッジ状（板状）に設けられているが、Ｙ方向に所定の間隔を置いて複数設けた構成とすることもできる。
【００５４】
以下、この電子放出素子について好ましい形態を図６を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、構造体３の突起部の近傍の断面拡大図である。なお、説明を簡略にするために、図６（ａ）では、構造体３、酸化物層４、硼化ランタン層５の記載を省略し、これらを一括して電子放出体９として記載している。
【００５５】
第２絶縁層７ｂはＸ方向において、第１絶縁層７ａより幅が小さくなっており、第２絶縁層７ｂの側面１７３は第１絶縁層７ａの側面１７１よりも後退している。そして、第１絶縁層７ａの上面１７２の一部が露出している。第１絶縁層７ａの上面１７２は、第１絶縁層７ａの側面１７１のゲート電極８に近い方の縁である角部Ｋを介して、第１絶縁層７ａの側面１７１と連続している。この結果、絶縁層７は、第１絶縁層７ａの上面１７２と、第２絶縁層７ｂの側面１７３とで構成される凹部７ｃを備えている。典型的に、第１絶縁層７ａの上面１７２は、基板１の表面に対して、実質的に平行である。なお、第１絶縁層７ａの側面１７１は、図５（ｂ）では基板１からほぼ垂直になっているが、基板１に対して斜面を成すように第１絶縁層７ａを設けることもできる。つまり、第１絶縁層７ａの側面１７１は基板１の表面に対して傾斜してもよい。特に、側面１７１が基板１の表面に対して、鋭角をなすように傾斜していることが好ましい。側面１７１が斜面の場合、第１絶縁層７ａの角部Ｋの角度（第１絶縁層７ａ側の角度）は、鈍角のようになり得る。なお、直角、鈍角といっても、実際にはある程度の曲率を有している。第１絶縁層７ａの上面１７２と第２絶縁層７ｂの側面１７３は、凹部７ｃ内の面であるから、絶縁層７の内表面と表現することもできる。これに対して、第１絶縁層７ａの側面１７１は、凹部７ｃ外の面であるから、絶縁層７の外表面と表現することもできる。
【００５６】
図６（ａ）において、距離ｈ（ｈ＞０）は、電子放出体９の突起部が第１絶縁層７ａの上面１７２から高さｈだけ突出していることを示している。高さｈとなる部分が、突起部の先端である。そして、電子放出体９の一部（突起部）が、凹部７ｃ内に位置する第１絶縁層７ａの上面上と、第１絶縁層７ａの側面上とに渡って設けられている。図５（ｂ）に示すように、少なくとも構造体３の一部（突起部）が凹部７ｃ内に位置している。つまり、電子放出体９は、その一部（突起部）が、凹部７ｃ内に位置している。これにより、電子放出体９の突起部の一部が凹部７ｃ内に位置して、第１絶縁層７ａの上面１７２と接触する。なお、電子放出体９の一部とは、少なくとも構造体３の一部を含む。距離ｘ（ｘ＞０）は、電子放出体９の突起部と第１絶縁層７ａの上面１７２との界面の、凹部７ｃの深さ方向の幅である。換言すると、距離ｘは、凹部７ｃを構成する絶縁層７の表面と接する突起部の端部（点Ｊ）から、凹部７ｃの縁、即ち第１絶縁層７ａの屈曲部（点Ｋ）までの距離である。距離ｘは、凹部７ｃの深さにもよるが、実用的には、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲内である。
【００５７】
また、ゲート電極８ａは凹部７ｃの近傍に位置し、電子放出体９の突起部と間隙をおいて、電子放出体９から離れて設けられている。詳細には、ゲート電極８は、第１絶縁層７ａの上面１７２と対向し、上面１７２から距離Ｔ２だけ離れて設けられている。距離Ｔ２は第２絶縁層７ｂの厚みに対応する。第２絶縁層７ｂは第１絶縁層７ａの上面１７２とゲート電極８との間の間隔を規定するための層でもある。
【００５８】
図６（ａ）にゲート電極８と電子放出体９の突起部の先端との間の距離ｄを示す。ここでは、距離ｄはゲート電極８と電子放出体９との間の最短距離でもある。また、図６（ａ）突起部の先端近傍の形状は曲率半径ｒで表すことができる。ゲート電極８と電子放出体９との電位差を一定とした場合、先端部の近傍に形成される電界の強度は、この曲率半径ｒと距離ｄに応じて異なる。ｒが小さいほど、先端部の近傍に強い電界を形成することが可能となる。また、ｄが小さいほど、先端部の近傍に強い電界を形成することが可能となる。
【００５９】
突起部の先端の近傍の電界を一定とした場合、距離ｄが相対的に小さければ、曲率半径ｒを相対的に大きくできる。逆に、曲率半径ｒが相対的に小さければ、距離ｄを相対的に大きくできる。距離ｄの違いは放出された電子のゲート電極８による散乱回数の違いに影響するため、ｒが小さく、ｄが大きいほど効率が高い電子放出素子とすることが可能となる。ここで、効率（η）とは素子に電圧を印加したときに検出される電流（Ｉｆ）と真空中に取り出される電流（Ｉｅ）を用いて、効率η＝Ｉｅ／（Ｉｆ＋Ｉｅ）で与えられる。
【００６０】
構造体３の一部が凹部７ｃ内に位置することで、次のようなメリットがある。（１）構造体３と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、機械的な密着性（密着強度）が向上する。これにより、電子放出素子の製造プロセスを経ても、電子放出体９の剥離などの発生を抑制することができる。（２）構造体３と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、電子放出部で発生する熱を効率よく逃がすことができる。（３）凹部７ｃ内の絶縁体−真空−導電体界面で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を抑制することができる。
【００６１】
（２）について詳細に説明する。
【００６２】
図６（ｂ）は凹部７ｃ内での距離ｘを変えた場合の、Ｉｅの時間変動量を示したものである。尚、ここでＩｅとは、放出電子量を意味し、アノードに到達する電子の量である。初期値として、電子放出素子の駆動を開始して最初の１０秒間の間に検出された平均的な電子放出量Ｉｅを求めた。そして、この初期値を基準として規格化し、電子放出量の変化を時間の常用対数としてプロットしたものである。図６（ｂ）から理解されるように、距離ｘが短くなるにつれて、電子放出量の初期値からの低下量が大きくなる傾向があった。
【００６３】
図６（ｃ）はいくつかの素子において、図６（ｂ）と同様の計測を行ったものである。図６（ｃ）では、距離ｘに対して、電子放出量の初期値を基準として規格化を行い、電子放出素子の駆動を開始して所定時間経過した時の電子放出量をプロットしたものである。この図から明らかなように、距離ｘが短いほど初期値からの低下量が大きかった。そして、距離ｘが２０ｎｍを越えてくると、距離ｘに対する依存性が小さくなる傾向が見られた。このように、距離ｘは２０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００６４】
これらの結果から推察すると、距離ｘが長くなることにより、突起部と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、熱抵抗を低減できるためと思われる。また、電子放出体９の突起部の体積増加による熱容量が増大するためと思われる。すなわち、電子放出体９の温度上昇が軽減されるために、初期変動が小さくなったのではないかと思われる。
【００６５】
一方、距離ｘを極端に長くすると、凹部の内表面、すなわち、第１絶縁層７ａの上面及び第２絶縁層７ｂの側面を介して、電子放出体９とゲート電極８との間のリーク電流が大きくなる。少なくとも、距離ｘは、凹部７ｃの深さよりも小さくことが好ましい。
【００６６】
（３）について詳細に説明する。
【００６７】
一般に真空、絶縁体、導電体の様に誘電率が異なる三種類の材料が同時に一つの場所に接する場所は三重点と呼ばれる。条件にもよるが、三重点の電界が周囲よりも極端に高くなることで放電等の要因になる場合がある。本形態においても図６（ａ）に示した点Ｊは真空（領域Ｖ）、絶縁体（領域Ｉ）、導電体（領域Ｃ）の三重点となっている。電子放出体９の突起部と第１絶縁層７ａが接する角度θが９０°以上であれば周囲の電界と大きく変わらない。電子放出体９の突起部が上記角度θとなることで、絶縁体―真空−導電体で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。
【００６８】
また、上面に位置する電子放出体９の表面（特に、電子放出体９の端部（点Ｊ）近傍の表面）と第１絶縁層７ａの上面１７２との角度θは、９０°より大きいことが好ましい。また、角度θは１８０°より小さいことが好ましい。なお、角度θは、電子放出体９の表面と第１絶縁層７ａの上面１７２とが成す角度のうち、真空側の角度である。上面１７２が平面であるとみなせば、電子放出体９と上面と１７２の接触角は１８０°−θで表される。実用的には絶縁層７ａの上面１７２は平面であるとみなせるので、換言すれば、上面１７２と電子放出体９との接触角が０°より大きく、９０°より小さいことが好ましいと言える。さらには、凹部７ｃ内において、電子放出体９の表面が第１絶縁層７ａの上面１７２に対して、緩やかに傾斜していることが好ましい。つまり、電子放出体９の、凹部７ｃ内に位置する任意の部分の表面の接線と、第１絶縁層７ａの上面１７２と、の角度が９０°より小さいことが好ましい。
【００６９】
図５で示した電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００７０】
基板１としては、石英ガラス，Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、ソーダライムガラス及び、シリコン基板を用いることができる。基板に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があり、ディスプレイパネルのような一体ものとして用いる場合は成膜材料や他の積層部材と熱膨張差が小さいものが望ましい。また熱処理に伴いガラス内部からのアルカリ元素等が拡散しづらい材料が望ましい。
【００７１】
最初に、基板上に段差を形成するために第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂを順次形成する。第２絶縁層７ｂの上にゲート電極８（第１導電層８ａ）を積層する。
【００７２】
第１絶縁層７ａは、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえば窒化シリコンや酸化シリコンであり、その形成方法は一般的な真空成膜法、例えば、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法等で形成される。またその厚さとしては、数ｎｍから数十μｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００７３】
第２絶縁層７ｂは、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえば窒化シリコンや酸化シリコンであり、その形成方法は一般的な真空成膜法、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法あるいはスパッタ法で形成される。またその厚さＴ２としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎｍから数十ｎｍの範囲で選択される。
【００７４】
詳細は後述するが、凹部７ｃを精度良く形成するために、第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂと異なる材料とすることが好ましい。第１絶縁層７ａとして窒化シリコンを用い、第２絶縁層７ｂは例えば酸化シリコン、あるいはリン濃度の高いＰＳＧ、ホウ素濃度の高いＢＳＧ等で構成する事ができる。
【００７５】
第１導電層８ａは導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成することができる。ゲート電極８の厚さＴ１としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００７６】
第１導電層８ａの材料は、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が望ましい。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料が使用できる。また、窒化物、酸化物、炭化物等の化合物や、半導体、炭素、炭素化合物等も適宜使用可能である。
【００７７】
第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂ、第１導電層８ａのパターンニングは、フォトリソグラフィ技術とエッチング加工を用いて行うことができる。エッチング加工としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００７８】
次に、第２絶縁層７ｂを選択的にエッチングすることにより、第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂからなる絶縁層７に凹部７ｃを形成する。第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂとの間の、エッチング量の比は、１０以上が好ましく、５０以上がより好ましい。
【００７９】
選択的なエッチングとしては、例えば第２絶縁層７ｂが酸化シリコンであればバッファーフッ酸（ＢＨＦ）と呼ばれるフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液を用い、第２絶縁層７ｂが窒化シリコンであれば熱リン酸系エッチング液を使用することが可能である。
【００８０】
凹部７ｃの深さ（選択的なエッチングにより露出する第１絶縁層７ａの上面１７２の幅）は、素子形成後のリーク電流に深く関わり、凹部７ｃを深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。しかし、あまり深く形成するとゲート電極８が変形してしまう課題が発生する。このため、凹部７ｃの深さは３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
【００８１】
なお、材料による選択的なエッチングを行わずに、絶縁層の側面の一部をマスクして、絶縁層の一部を除去することにより、凹部７ｃを形成することもできる。その場合には、第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂを別々の材料で形成する必要はなく、１層の絶縁層として形成すればよい。また、絶縁層を３層として、２層目に対して選択的エッチングを行っても良い。その場合には、ゲート電極８の凹部７ｃに面する部分は、３層目の絶縁層で覆われることになる。
【００８２】
次に、構造体３の材料を第１絶縁層７ａの上面及び側面に付着させる。構造体３の材料としては、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が好ましい。また、仕事関数が５ｅＶ以下の材料を用いることが好ましい。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料が使用できる。また、窒化物、酸化物、炭化物等の化合物や、半導体、炭素、炭素化合物等も適宜使用可能である。特にＭｏ又はＷを好ましく用いることができる。
【００８３】
構造体３は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成することが可能である。前述したように、本実施形態においては電子放出体９の突起部の形状を制御するように、構造体３の材料の入射角度と成膜時間、形成時の温度および形成時の真空度を制御して形成する必要がある。導電性材料の入射角度はゲート電極８の厚みＴ１、第１絶縁層７ａの上面とゲート電極８との距離Ｔ２等を考慮して決定することができる。
【００８４】
次に、円錐形状の電子放出体と同様に、構造体３の表面に酸化物層４、硼化ランタン層５を形成する。さらに、硼化ランタン層５の上には酸化ランタン層６を形成することが好ましい。
【００８５】
カソード電極２は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術を用いて形成することができる。或いは導電性材料を含む前駆体を焼成することによって形成することもできる。パターン形成方法としては、フォトリソグラフィ技術や、印刷技術を用いることができる。
【００８６】
カソード電極２の材料は、導電性を有する材料であればよく、ゲート電極８と同様の材料を用いることができる。カソード電極２の厚さとしては、数１０ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数１０ｎｍから数１００ｎｍの範囲で選択される。なお、図５に示した形態では、カソード電極２は、構造体３を形成する前に設けてもよいし、構造体３を形成したあとでもよい。電子放出体９を形成した後に設けてもよい。
【００８７】
以上述べたように、本実施形態で説明した電子放出素子は、第１の電極（カソード電極）と、第１の電極と離れて設けられた第２の電極（ゲート電極）との間に電圧を印加して、第１の電極側から電子を電界放出する電子放出素子である。なお、電子放出素子から放出された電子をゲート電極以外の部材（例えばアノード電極）に照射させる場合には、照射させる部材であるアノード電極を図１や図２や図５に示した基板１から離して設ける。つまり、電子放出体９の突起部およびその先端が、アノード電極に向けて配置される。アノード電極と基板１の間隔は、カソード電極２とゲート電極８の間隔よりも十分に大きく、典型的には５００μｍから２ｍｍに設定される。そして、ゲート電極８に印加する電位よりも十分に高い電位をアノード電極に印加する。このようにすることで、ゲート電極８によって引き出された電子（電界放出された電子）がアノード電極に照射される。このような電子放出装置（電子線装置）は、３端子（カソード電極、ゲート電極、アノード電極）構造となる。なお、ゲート電極を省略してカソード電極とアノード電極の２端子構造としてもよいし、アノード電極を省略してゲート電極をアノード電極として用いた２端子構造としてもよい。
【００８８】
電子放出素子から放出される放出電流の揺らぎは、放出電流の時間的な変動の大きさを示すものである。放出電流は、たとえば矩形波形のパルス電圧を周期的に印加することに観測される。揺らぎは、単位時間あたりの放出電流の変動の大きさの偏差を、放出電流の平均値で割って算出することができる。
【００８９】
具体的には、パルス幅が６ｍ秒で周期が２４ｍ秒の矩形波形のパルス電圧を連続して印加する。そして連続した３２回分の矩形波形のパルス電圧に応じた放出電流値の平均を計測するシーケンスを２秒間隔で実施して、３０分間あたりの偏差ならびに平均値を求める。なお、複数の電子放出素子間で揺らぎの大きさを比較するにあたっては、上述の電流の平均値が概ね等しくなるように印加電圧の波高値を設定する。
【００９０】
次に、図７を用いて、基板１上に、上記した円錐形状の電子放出体９を備える電子放出素子１０を多数配列して構成した、電子源３２の一例を説明する。図７は、電子源３２の平面模式図である。
【００９１】
ここで説明する電子源３２は、基板１と基板１上に設けられた複数の電子放出素子１０とで構成されている。基板１は絶縁性基板で構成することができ、例えばガラス基板が好ましく適用できる。図７は、基板１上に、図１を用いて説明した電子放出素子１０を行列状に多数配列して構成したものである。当然、電子放出素子１０として図２や図５を用いて説明した電子放出素子１０を用いることもできる。
【００９２】
同じ列の電子放出素子１０同士はゲート電極８が共通に接続され、同じ行の電子放出素子１０同士はカソード電極２が共通に接続される。そして、複数のカソード電極２の中から所定数を選択し、複数のゲート電極８の中から所定数を選択し、その選択された電極間に電圧を印加することで、所定の電子放出素子１０から電子を放出させることができる。
【００９３】
ここでは、１つのカソード電極２と１つのゲート電極８との交差部に設けられる電子放出素子１０は１つであるが、複数の電子放出素子１０を設けることが好ましい。例えば、図１や図２で示した形態の電子放出素子を用いる場合には、カソード電極２とゲート電極８との各々の交差部には、複数の開口７１が設けられ、そして、各々の開口７１内に電子放出体９が設けられる。
【００９４】
図７では、簡易的に、カソード電極２とゲート電極８との各々の交差部に１つの開口７１を設けた例を示している。しかしながら、放出電流の揺らぎを低減する観点からは、各交差部に設けられる電子放出素子の数が多いほど好ましい。電子放出素子の数が多いと、放出電流の揺らぎが平均化されるためである。一方で、あまりに多くの電子放出素子を各交差部に設けることは、生産性などの観点から、望ましくない。本発明の電子放出素子を用いることによって、電流揺らぎを低減することができるから、電子放出素子の数を多くせずとも、電流揺らぎを低減することができる。
【００９５】
次に、上述した電子源３２を用いて表示パネル１００を構成した一例を図８を用いて説明する。なお、ここで示す例では、各交差部に設けられる電子放出素子を複数とした。
【００９６】
なお、表示パネル１００は、内部が大気圧よりも低い圧力（真空）となるように気密に保持されるので、気密容器と言い換えることができる。
【００９７】
図８は、表示パネル１００の断面模式図である。表示パネル１００は、図７における電子源３２を背面板として用い、背面板３２と前面板３１とが対向して配置されている。
【００９８】
そして、背面板３２と前面板３１との間隔が所定の距離となるように、背面板３２と前面板３１との間に閉環状（矩形状）の支持枠２７が設けられている。背面板３２と前面板３１との間隔は、典型的には５００μｍから２ｍｍ（実用的には１ｍｍ程度）に設定される。そして、支持枠２７と前面板３１の間、および、支持枠２７と背面板３２の間は、インジウムやフリットガラスなどのシール機能を備える接合部材２８によって気密に接合されている。支持枠２７は、表示パネル１００の内部空間を気密に封止するための役割も担っている。表示パネル１００の面積が大きい場合には、前面板３１と背面板３２との距離が維持できるように、表示パネル１００の内部に、前面板３１と背面板３２の間にスペーサ３４を複数配置することが好ましい。
【００９９】
前面板３１は、電子放出素子１０から放出された電子が照射されることで発光する発光体２３を備える発光層２５と、発光層２５上に設けられたアノード電極２１と、透明基板２２とで構成されている。
【０１００】
透明基板２２は、発光層２５から放出された光が透過する必要があるため、例えばガラスからなる。
【０１０１】
発光体２３としては、一般に蛍光体を用いることができる。発光層２５を、赤色を発光する発光体と、緑色を発光する発光体と、青色を発光する発光体とを用いて構成することで、フルカラー表示の表示パネル１００を構成することができる。図８に示す形態では、発光層２５は、発光体同士の間に設けられた黒色部材２４を備えている。黒色部材２４は一般にブラックマトリクスと言われる、表示画像のコントラストを向上させるための部材である。
【０１０２】
各発光体２３に電子を照射する電子放出素子１０が、発光体２３に対向するように設けられている。即ち各々の電子放出素子１０は１つの発光体２３に対応づけられている。
【０１０３】
アノード電極２１は、一般に、メタルバックと呼ばれ、典型的には、アルミニウム膜で構成することができる。また、アノード電極２１は、発光層２５と透明基板２２との間に設けることもできる。その場合には、アノード電極２１は、ＩＴＯ膜などの光学的に透明な導電性膜で構成される。
【０１０４】
前面板３１と背面板３２とを気密に接合するための工程（接合工程または封着工程）では、気密容器である表示パネル１００を構成する部材を加熱した状況下で行われる。
【０１０５】
接合工程（封着工程）では、典型的には、前面板３１と背面板３２との間に、フリットガラス等の接合部材を設けた支持枠２７を配置する。そして加圧しながら、前面板３１と背面板３２と支持枠２７とを例えば１００℃から４００℃の範囲で加熱し、その後室温まで冷却することで実施される。また、接合工程に先立って、背面板３２は加熱による脱ガス処理などを施す場合も多い。
【０１０６】
このような加熱や冷却を伴う工程を経ても、本実施形態で示した硼化ランタンの多結晶層５は電子放出体９から剥離することはない。
【０１０７】
次に、図９に示すように、前述した表示パネル１００に、表示パネルを駆動するための駆動回路１１０を接続することで、画像表示装置２００とすることができる。さらに、テレビジョン放送信号や情報記録装置に記録されている信号などの情報信号を画像信号として出力する画像信号出力装置４００を更に接続することで情報表示装置５００を構成することができる。言い換えれば、画像表示装置２００は、画像信号出力装置４００を備えることができる。
【０１０８】
画像表示装置２００は、表示パネル１００、駆動回路１１０を少なくとも備え、さらに制御回路１２０を備えることが好ましい。制御回路１２０は、入力された画像信号に表示パネルに適した補正処理等の信号処理を施すともに、駆動回路１１０に画像信号および各種制御信号を出力する。駆動回路１１０は、入力された画像信号に基づいて、表示パネル１００の各配線（図７のカソード電極２、ゲート電極８参照）に駆動信号を出力する。駆動回路は画像信号を駆動信号に変換するための変調回路や、配線を選択するための走査回路を有する。駆動回路１１０から出力される駆動信号によって表示パネル１００内の各画素の電子放出素子に印加される電圧が制御される。これにより、画像信号に応じた輝度で各画素が発光し、スクリーンに画像が表示される。「スクリーン」は、図８で示した表示パネル１００においては、発光層２５に相当すると言うことができる。
【０１０９】
図９は、情報表示装置の一例を示すブロック図である。情報表示装置５００は画像信号出力装置４００と画像表示装置２００からなる。画像信号出力装置４００は、情報処理回路３００を備え、画像処理回路３２０をさらに備えることが好ましい。画像信号出力装置４００は、画像表示装置２００とは別の筐体に収められていてもよいし、画像信号出力装置４００の少なくとも一部が、画像表示装置２００と同一の筐体に収められていてもよい。ここで述べる情報表示装置の構成は、一例であり、種々の変形が可能である。
【０１１０】
情報処理回路３００には、衛星放送や地上波等のテレビジョン放送信号や、無線回線網、電話回線網、デジタル回線網、アナログ回線網、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルで結ばれたインターネット等の電気通信回線を介したデータ放送信号等の情報信号が入力される。半導体メモリ、光ディスク、磁気記憶装置等の記憶装置を接続して、これらに記録された情報信号を表示パネル１００に表示できる構成にすることもできる。また、ビデオカメラやスチルカメラ、スキャナ等の映像入力装置を接続して、これらから得られる画像を表示パネル１００に表示できる構成にすることもできる。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ように構成構成することもできる。
【０１１１】
さらに、表示パネル１００に表示させる画像を、必要に応じて加工し、プリンタで出力できる構成にしたり、記憶装置に記録したりするように構成することもできる。
【０１１２】
情報信号に含まれる情報としては、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。情報処理回路３００には、放送信号から必要な情報を選局するチューナーや、情報信号がエンコードされている場合にはこれを復号化するデコーダを備えた受信回路３１０を設けることができる。
【０１１３】
情報処理回路３００によって得られた画像信号を画像処理回路３２０に出力する。画像処理回路３２０は、画像信号に様々な処理を施すための回路を含むことができる。例えば、ガンマ補正回路や、解像度変換回路、インターフェース回路などである。そして、画像表示装置２００の信号フォーマットに変換された画像信号を画像表示装置２００に出力する。
【０１１４】
映像情報または文字情報を表示パネル１００に出力してスクリーンに表示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、情報処理回路３００に入力された情報信号のうちの映像情報や文字情報から、表示パネル１００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、画像表示装置２００の制御回路１２０に入力する。そして、駆動回路１１０に入力された画像信号に基づいて、駆動回路１１０から表示パネル１００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。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（不図示）に出力して、表示パネル１００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。
【０１１５】
本発明によれば、電子放出素子から安定した放出電流が得られるので、画像表示装置の表示画像の品質を向上することができる。
【実施例】
【０１１６】
以下、上記実施の形態に基づいた、より具体的な実施例について説明する。
【０１１７】
（実施例１）
図３を参照して、本実施例に係る電子放出素子の製造方法および電子放出素子について説明する。なお、ここでは、円錐形状の構造体３を用いた電子放出素子の製法について示している。
【０１１８】
まず、ガラスからなる基板１にニオブからなるカソード電極２と二酸化シリコンからなる絶縁性材料層７０（厚さ約１μｍ）およびニオブからなる導電性材料層８０を順次形成する（図３（ａ））。
【０１１９】
次に、導電性材料層８０にイオンエッチング法で直径１μｍ程度の円形状の開口８１を開けてゲート電極８を形成する（図３（ｂ））。
【０１２０】
その後、ゲート電極８をマスクとして絶縁性材料層７０をエッチングもしくはイオンエッチングすることで円形状の開口７１を有する絶縁層７を形成する（図３（ｃ））。
【０１２１】
次に、ゲート電極８上にニッケルからなる犠牲層８２を成膜する（図３（ｄ））。
【０１２２】
その後、開口７１内にモリブデンを円錐形状に堆積させ、モリブデンからなる構造体３を形成する（図３（ｅ））。
【０１２３】
犠牲層８２の上に堆積された不要なモリブデン層３０は、ニッケルからなる犠牲層８２を選択的に取り除くことによって同時に剥離され、図３（ｆ）に示す構造を得る。
【０１２４】
次に、図３（ｆ）に示す構造体３を設けた基板を真空チャンバー内に移設し、酸化モリブデンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化モリブデン層を厚さ４ｎｍ程度形成する（図３（ｇ））。
【０１２５】
次に、酸化物層４の上に、ＲＦスパッタリングによって、六硼化ランタンの多結晶層５を厚さ１０ｎｍ成膜し、本実施例の電子放出素子を形成した（図３（ｈ））。六硼化ランタンの多結晶層５の成膜条件としては、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を１．５Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ２５０Ｗとした。形成された多結晶層５の結晶子サイズは７ｎｍであり、仕事関数は２．８５ｅＶであった。
【０１２６】
スパッタ条件、特にＡｒ圧力とパワーを制御することで結晶子サイズを制御することができる。例えば、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を２．０Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ８００Ｗとして厚さを７ｎｍにすれば結晶子サイズは２．５ｎｍとすることができ、仕事関数は２．８５ｅＶが得られる。また、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を１．５Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ２５０Ｗとして厚さを２０ｎｍにすれば結晶子サイズは１０．７ｎｍとすることができ、仕事関数は２．８ｅＶが得られる。上記した厚さ７ｎｍの成膜条件では、Ｘ線回折の回折ピークの積分強度比Ｉ（１００）／Ｉ（１１０）が０．５４と、配向性が見られないときに観測される値（ＪＣＰＤＳ＃３４−０４２７）と良い一致を示した。このことから本実施例で作製した硼化ランタン層５は結晶方位がランダムな無配向な多結晶層であるといえる。厚さが厚いほど（１００）で表される回折ピークに対応した面方位の配向が進む。２０ｎｍを超える厚さ、典型的には３０ｎｍ以上の厚さでは、Ｉ（１００）／Ｉ（１１０）が２．８よりも大きくなっていた。２０ｎｍ以下では、（１００）と（１１０）以外の面方位の積分強度は、いずれも、（１００）および（１１０）の面方位の積分強度よりも低かった。また、結晶子のサイズは厚さが厚い場合の方が大きくなっている。なお、結晶子サイズが２．５ｎｍよりも小さくなると、結晶性を維持できなくなるためか、仕事関数が３．０ｅＶよりも大きくなってしまう。
【０１２７】
形成された電子放出素子を真空装置内に入れて、内部を１０−８Ｐａまで排気した。そしてカソード電極２とゲート電極８の間に、ゲート電極８の電位が高くなるようにして、パルス幅６ｍｓ、周波数２５Ｈｚの矩形波形のパルス電圧を繰り返し印加した。そして、ゲート電極８に流れるゲート電流をモニターした。同時に、基板１の上方５ｍｍの位置にアノード板を設置し、アノードに流れ込む電流（アノード電流）もモニターし、放出電流の変動を求めた。放出電流の変動（ゆらぎ）は、連続した３２回分の矩形波形のパルス電圧に応じた放出電流値（アノード電流値）の平均を計測するシーケンスを２秒間隔で実施して、３０分間あたりの偏差ならびに平均値を求めた。そして、得られたデータから、（標準偏差／平均値×１００（％））をゆらぎとして計算した。
【０１２８】
また、比較のため、構造体３と六硼化ランタンの多結晶層５の間に酸化モリブデンからなる酸化物層４を形成していない電子放出素子も試作し、上記と同じ測定を行った。
【０１２９】
上記した本実施例の電子放出素子と比較用の電子放出素子をそれぞれ複数個用意し上記測定を行った。その結果、酸化モリブデンからなる酸化物層４を設けた電子放出素子は、酸化物層を設けなかった比較用の電子放出素子に比べ、電流変動値の平均値が０．６倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、比較用の電子放出素子に比べ、素子間のばらつき（分散）が０．５倍となった。
このように酸化モリブデンからなる酸化物層４を設けることで、明らかに電流変動が少なく、かつ電子放出素子間の特性ばらつきの少ない、安定して動作する電子放出素子を得ることができる。
【０１３０】
（実施例２）
本実施例では構造体３をタングステンで形成した例を示す。
ゲート電極８上にニッケルからなる犠牲層８２を成膜するところまでの工程（図３（ｄ）までの工程）は、実施例１と同様である。
【０１３１】
その後、開口７１内にタングステンを円錐状に堆積させ、タングステンからなる構造体３を形成する（図３（ｅ））。犠牲層８２の上に堆積された不要なタングステン層３０は犠牲層８２を選択的に取り除くことによって同時に剥離され、図３（ｆ）に示す構造体を得る。
【０１３２】
次に、図３（ｆ）に示す構造体を真空チャンバー内に移設し、酸化タングステンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化タングステン層を厚さ４ｎｍ程度形成する（図３（ｇ））。
【０１３３】
次に、酸化物層４の上に、実施例１と同様にしてスパッタ法で六硼化ランタンの多結晶層５を厚さ１０ｎｍ成膜し、本実施例の電子放出素子が形成される（図３（ｈ））。
【０１３４】
形成された電子放出素子を真空装置内に入れて、実施例１と同様にしてアノード電流の変動を求めた。また、比較のため、構造体３とＬａＢ６多結晶層５の間に酸化物層４を形成していない電子放出素子も試作し、上記と同じ測定を行った。
【０１３５】
その結果、酸化タングステンからなる酸化物層４を設けた電子放出素子は、酸化物層４を設けなかった比較用の電子放出素子に比べ、電流変動値の平均値が０．７倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、素子間のばらつき（分散）が０．６倍となった。このように酸化タングステンからなる酸化物層４を設けることで、明らかに電流変動が少なく、かつ電子放出素子間の特性ばらつきが少ない、安定して動作する電子放出素子を得ることができる。
【０１３６】
（実施例３）
本実施例は、実施例１の電子放出素子の酸化物層４（酸化モリブデン層）中にＬａを含む例である。
【０１３７】
本実施例の電子放出素子は、実施例１の電子放出素子の作製工程中、図３（ｇ）に示す工程で、酸化モリブデンとランタンを含むターゲットを用意し、スパッタ法によって、酸化物層４を６ｎｍ形成した。それ以外の工程は実施例１と同様に作製する。作製した電子放出素子をＸＰＳで分析した結果、酸化物層４中のＬａの原子濃度は１０％であり、ランタンおよびランタンの酸化物が検出された。そして、酸化物層４にはＭｏＯ２が含まれていた。
【０１３８】
本実施例で作製した電子放出素子を実施例１と同様にして測定したところ、実施例１に比べ、電子放出を開始する電圧が下がった。
【０１３９】
また、平らな基板の上に形成したモリブデン層の上に、本実施例と同様の製造方法で、Ｌａを含む酸化モリブデン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルを別途作製した。比較のために、実施例１と同様の製造方法で、Ｌａを含まない酸化モリブデン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルも別途作製した。その結果、Ｌａを含む酸化モリブデン層を備えるサンプルの方が、厚さ方向の抵抗が１桁以上低かった。従って酸化モリブデン層４中にＬａを含むことにより、電子放出素子の抵抗が低くなり、電子放出開始電圧が下がったと考えられる。
【０１４０】
（実施例４）
本実施例は、実施例２の電子放出素子の酸化物層４（酸化タングステン層）中にＬａを含む例である。
【０１４１】
本実施例の電子放出素子は、実施例２の電子放出素子の作製工程中、図３（ｇ）に示す工程で、酸化タングステンとランタンを含むターゲットを用意し、スパッタ法によって、酸化物層４を６ｎｍ形成した。それ以外の工程は実施例２と同様に作製する。作製した電子放出素子をＸＰＳで分析した結果、酸化物層４中のＬａの原子濃度は１０％であり、酸化物層４中にランタンおよびランタンの酸化物が検出された。そして、酸化物層４にはＷＯ２が含まれていた。
【０１４２】
本実施例で作製した電子放出素子を実施例２と同様にして測定したところ、実施例２に比べ、電子放出を開始する電圧が下がった。
【０１４３】
また、平らな基板の上に形成したタングステン層の上に、本実施例と同様の製造方法で、Ｌａを含む酸化タングステン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルを別途作製した。比較のために、実施例２と同様の製造方法で、Ｌａを含まない酸化タングステン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルも別途作製した。その結果、Ｌａを含む酸化タングステン層を備えるサンプルの方が、厚さ方向の抵抗が１桁以上低かった。従って酸化物層４中にＬａを含むことにより、電子放出素子の抵抗が低くなり、電子放出開始電圧が下がったと考えられる。
【０１４４】
（実施例５）
本実施例では、実施例３の電子放出素子のＬａＢ６の多結晶層５上に酸化ランタン層６を形成した例を示す。
【０１４５】
ＬａＢ６多結晶層５を成膜するところまでの工程（図３（ｈ）までの工程）は、実施例３と同様である。次に、スパッタ法で、ＬａＢ６の多結晶層５上にＬａ２Ｏ３を厚さ３ｎｍ程度形成し、本実施例の電子放出素子を作製した。
【０１４６】
本実施例で作製した電子放出素子を、実施例３と同様と同様にして測定したところ、電流変動値の平均値が実施例３の０．７倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、素子間のばらつき（分散）が実施例３の０．７倍となった。
【０１４７】
このようにＬａＢ６多結晶層５上に酸化ランタン層６を設けることで、より電流変動が少なくかつ素子間のばらつきの少ない安定して動作する電子放出素子を作製することができる。また、本実施例と同様に、実施例１、２、４の電子放出素子のＬａＢ６多結晶層５上に酸化ランタン層６を成膜したところ、酸化ランタン層６を備えない電子放出素子に比べて本実施例と同様に優れた安定性を示すことが分かった。
【０１４８】
（実施例６）
本実施例では、図５に示すような電子放出素子を作製した例を示す。基板１上に絶縁層７ａ、７ｂの材料としてそれぞれ窒化シリコンと酸化シリコンを積層し、さらにその上にゲート電極８の材料であるタングステンを積層した。これをフォトリソグラフィとドライエッチングを併用して図５（ｂ）に示すような第１絶縁層７ａおよびゲート電極８の形状を形成した。このとき、第１絶縁層７ａの側面１７１は斜面を形成するようにした。続いて、上記酸化シリコンを選択的にウェットエッチングして、第２絶縁層７ｂおよび凹部７ｃを形成した。
【０１４９】
次に、モリブデンをスパッタ法によって第１絶縁層７ａの側面１７１上に成膜した。同時に凹部７ｃの入り口付近にモリブデンが入り込んで、凹部７ｃ内に位置する絶縁層７ａの上面１７２からゲート電極８ａの方向に向かって突出する突起を備えた構造体３を得た。また、ゲート電極８ａ上にはモリブデンからなるゲート電極８ｂも同時に形成された。
【０１５０】
その後、実施例１と同様に、酸化モリブデンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化モリブデン層を形成した。さらに、実施例１と同様の条件で酸化モリブデン層の上に硼化ランタンの多結晶層５を形成した。
【０１５１】
なお、本実施例では、基板上に図５（ｃ）のＹ方向において、短冊状の電子放出体９を３μｍ周期で形成することにより、２００個の電子放出体９を形成した。最後に、ニオブからなるカソード電極２をそれぞれの電子放出体９に対して共通に接続するように設けた。
【０１５２】
カソード電極２とゲート電極８の間に、ゲート電極８が高電位になるように電圧を印加したところ、良好な電子放出特性が得られた。また、実施例１に比べて、電子放出が確認された電圧は、本実施例の方が小さかった。
【０１５３】
また、実施例３と同様に、酸化モリブデン層を形成するときに、ランタンを含む酸化モリブデンのターゲットを用いたところ、ランタンを含まないターゲットを用いた場合に比べて、より低い電圧で電子放出が確認された。
【０１５４】
また、実施例５と同様に、硼化ランタンの多結晶層５の上に酸化ランタン層をスパッタ法で設けたところ、長期間に渡って安定した電子放出特性が得られた。
【０１５５】
（実施例７）
本実施例では、実施例３の電子放出素子を用いて図８に示す画像表示装置を作製した例を示す。画像表示装置は、画素が水平方向に１９２０個、垂直方向に１０８０個である、対角５０インチのフラットパネルディスプレイである。
【０１５６】
上述の実施例３の電子放出素子を図７に示す様に、電子放出素子をカソード基板上に多数、形成して電子源３２を得る。そして電子源３２を背面板として用意する。一方、多数の蛍光体が配列された発光層２５と発光層２５上のアノード電極２１とを有する前面板３１を用意する。そして前面板３１と背面板３２との間隔が２ｍｍとなるように支持枠２７を間に配置して、支持枠２７を前面板３１と背面板３２とに気密に接合する封着工程を行う。封着工程は真空中で行うことができる。この工程により内部が真空に維持された表示パネル１００を形成することができる（図８）。
【０１５７】
以上のようにして作製した表示パネルに図９に示す駆動回路１１０などを接続して画像表示装置が形成される。所望の電子放出素子を選択し、パルス電圧を印加することで画像を表示させたところ、輝度の変動が少ない明るい良好な画像を長時間に渡り表示することができた。
【０１５８】
なお、実施例３の電子放出素子に代えて実施例５の電子放出素子を用いると、本実施例の画像表示装置よりも長時間に渡って輝度の変動が少ない画像表示装置を得ることができた。
【０１５９】
また、実施例６の電子放出素子を用いた画像表示装置を作製したところ、良好な画像表示装置を得ることができた。
【符号の説明】
【０１６０】
１ 基板
２ カソード電極
３ 構造体
４ 酸化物層
５ 硼化ランタン層
６ 酸化ランタン層
【技術分野】
【０００１】
本発明は硼化ランタン層を用いた電子放出素子および表示パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型電子放出素子では、一般的には、電子放出体と、ゲート電極との間に電圧を印加することにより、電子放出体の先端の表面に強電界が生じ、電子放出体の表面から電子が真空中に放出される。
【０００３】
このような電界放出型電子放出素子においては、用いる電子放出体の表面の仕事関数やその先端形状などによって、電子放出に要する電界が大きく左右される。理論的には、表面の仕事関数がより小さい電子放出体の方が、より弱い電界で電子を放出することができると考えられている。
【０００４】
特許文献１および２には、タングステンやモリブデンからなるエミッタの上に、仕事関数の低い材料であるＬａＢ６（六硼化ランタン）を表面層として形成した電子放出素子が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、微小電界放出陰極装置が開示されている。
【０００６】
電界放出型電子放出素子を基板（背面板）上に多数配列することで電子源が構成できる。そして、ＣＲＴ等の様に、電子線の照射によって発光する蛍光体などの発光体を設けた基板（前面板）と、上記した背面板とを対向させ、両基板の周囲を封着すれば、表示パネルを構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０１−２３５１２４号公報
【特許文献２】米国特許第４００８４１２号
【特許文献３】特開平０７−０７８５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の電子放出素子では、上述した封着時や駆動時（電子放出時）の熱などにより、ＬａＢ６層中のＬａが、その下に設けられた導電性部材である構造体に拡散したり、構造体を構成する金属がＬａＢ６層中に拡散したりする場合があった。その結果、ＬａＢ６層の低仕事関数材料としての機能が十分に発現せず、電子放出特性が変化する場合があった。
【０００９】
この課題は、ＬａＢ６層が単結晶層であるよりも、多結晶層である場合に顕著になる。これは、上記構造体を構成する金属のＬａＢ６層中への拡散や、ＬａＢ６層中のＬａの構造体中への拡散、が多結晶層中に存在する結晶粒界を介して生じることが影響している可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明は、導電性部材である構造体を構成する金属の硼化ランタン層中への拡散や、ＬａＢ６に代表される硼化ランタン層中のＬａの構造体への拡散を抑制し、安定して動作する電子放出素子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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、導電性部材と、前記導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に、酸化物層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低い電圧で動作可能で且つ長期に渡って安定な電子放出を実現できる電子放出素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の電子放出素子の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の電子放出素子の他の一例を示す断面模式図である。
【図３】電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図４】硼化ランタンの多結晶層の断面模式図である。
【図５】本発明の電子放出素子の別の一例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の電子放出素子の別の一例を説明する図である。
【図７】電子源の平面模式図である。
【図８】本発明の表示パネルの一例を示す断面模式図である。
【図９】情報表示装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、本実施形態について説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１５】
なお、酸化物について、「金属の酸化物」または「酸化金属」と呼ぶときは、金属の酸化数は特定されない。つまり、金属元素をＭとすれば、「金属の酸化物」または「酸化金属」は、正の値Ｘを用いて「ＭＯＸ」で表される。酸化数を特定する時は、「二酸化金属」または「ＭＯ２」のように、酸化数が特定できるように記載する。例えば「タングステンの酸化物」あるいは「酸化タングステン」は、「三酸化タングステン」と「二酸化タングステン」の両方を含む。金属以外（例えば半導体）についても同様であり、酸化物以外（例えば硼化物）についても同様である。
【００１６】
図１は本実施の形態に係る電子放出素子１０の一例の断面模式図である。図１に示す様に、基板１上にカソード電極２が設けられており、導電性を有する部材（導電性部材）である構造体３がカソード電極２と電気的に接続されている。構造体３を構成する材料としては導電性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、金属または半導体を用いることができる。そして、構造体３の上に、酸化物層４が設けられており、酸化物層４の上に硼化ランタン層５が設けられている。言い換えれば、構造体３と硼化ランタン層５の間に酸化物層４が設けられていることになる。硼化ランタン層５は、ランタンの硼化物（ＬａＢＸ）で構成される。構造体３と酸化物層４と硼化ランタン層５とを一纏めにして電子放出体９と呼ぶことができる。そのため、電子放出体９がカソード電極２と電気的に接続されていると言える。電子放出体はカソードとも呼ばれる。
【００１７】
なお、導電性部材である構造体３は、図１や図２に示した形態では、円錐形状である。しかし、構造体３は、電子放出体９の表面、具体的には硼化ランタン層５の表面や後述する酸化ランタン層６の表面、に生じる電界を増大することのできる幾何学形状で、導電性部材であればよい。
【００１８】
一方、ゲート電極８は、カソード電極２と絶縁するための絶縁層７の上に設けられている。構造体３は、絶縁層７とゲート電極８とを貫通する円形状の開口７１内に設けられている。したがって、電子放出体９は開口７１内に設けられているとも言える。開口７１の形状は特に限定されず、円形状や多角形状とすることができる。
【００１９】
このような電子放出素子１０は、カソード電極２とゲート電極８との間に、カソード電極２の電位がゲート電極８の電位よりも低くなるように所定の電圧を印加することによって駆動される。印加する電圧は、電子放出体９とゲート電極８との間隔、および電子放出体９の形状（典型的には、構造体３の形状）などによるが、２０Ｖから１００Ｖである。典型的には電子放出体９の表面を形成する硼化ランタン層５から、電子が電界放出される。このようにカソード電極とゲート電極との間に電圧を印加することで、電子放出体とゲート電極との間に強電界が生じ、電子放出体の表面から電子が電界放出される電子放出素子が、電界放出型電子放出素子である。
【００２０】
構造体３と硼化ランタン層５との間に設けられた酸化物層４は、拡散防止層として機能する。酸化物層４によって、構造体３中の金属や半導体の、硼化ランタン層５への拡散や、硼化ランタン層５中のＬａの、構造体３への拡散を抑制することができる。その結果、電子放出素子の動作を安定させることができる。
【００２１】
酸化物層４は、金属の酸化物または半導体の酸化物である。酸化物層４を構成する金属成分または半導体成分は、構造体３を構成する金属または半導体と同じ成分であることが好ましい。このようにすることで、酸化物層４と構造体３との接合が強固になり、電子放出素子の動作をより安定にすることができる。酸化物層４は、動作電圧を大きくしないために、または、構造体３から硼化ランタン層５に電子を供給するために、導電性を有することが好ましい。
【００２２】
例えば構造体３をモリブデンで構成する場合には、酸化物層４はモリブデンの酸化物で構成することが好ましい。二酸化モリブデン（ＭｏＯ２）は、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）に比べて抵抗率（比抵抗）がかなり低く、導電性を有する酸化物であるので、二酸化モリブデンで酸化物層４を構成することがより好ましい。
【００２３】
また、構造体３をタングステンで構成する場合には、酸化物層４はタングステンの酸化物で構成することが好ましい。二酸化タングステン（ＷＯ２）は、三酸化タングステン（ＷＯ３）に比べて抵抗率がかなり低く、導電性を有する酸化物であるので、二酸化タングステンで酸化物層４を構成することがより好ましい。
【００２４】
酸化物層４の厚さは、その抵抗率にもよるが、実用的には３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。３ｎｍよりも薄いと、拡散防止層としての機能が実用的に得られない。一方、２０ｎｍよりも厚いと抵抗成分として無視できなくなり動作電圧が上昇してしまったり、構造体３から硼化ランタン層５へ、酸化物層４を介して、電子を供給することができなくなったりする。
【００２５】
酸化物層４の形成方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法等の一般的成膜技術や、制御された酸素雰囲気中で構造体３を高温で加熱することで形成する方法や、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ）照射による方法などを用いることができる。例えば、ＭｏＯ２の酸化物層を形成する場合には、Ｍｏをスパッタ法等で形成し、Ｍｏ層にＥＵＶ（例えばエキシマＵＶ）を照射することでＭｏＯ２からなる酸化物層４を形成することができる。
【００２６】
ところで、酸化物層４を構成する酸化物は導電性を有することが好ましいが、一般的な酸化物の中には絶縁性を有するものもある。そこで、酸化物層４はＬａを含むことが好ましい。なお、ここでいう「Ｌａ」はランタン元素の意味である。Ｌａを含まない酸化物が絶縁体であっても、Ｌａを含むことで、抵抗率を下げることができ、導電性を有する酸化物層４が得られる。
【００２７】
例えば、Ｌａと、酸化物層４を構成する酸化物の酸素とが結合してより安定な酸化ランタンを形成することができる。ランタンの酸化物である三酸化二ランタン（Ｌａ２Ｏ３）の抵抗率は一般的な金属酸化物にしては低く、また、安定な酸化物である。その結果、構造体３から硼化ランタン層５に安定に電子を供給することができ、より安定な電子放出特性を得ることができる。
【００２８】
また、Ｌａを含まない酸化物がＬａを含むと、酸化物の組成比が変化して導電性が高くなる場合もある。
【００２９】
例えば、構造体３をモリブデンで構成すると、モリブデンの酸化物には絶縁性を有するＭｏＯ３もある。ＭｏＯ３から構成される酸化物層と比較して、Ｌａを含むモリブデンの酸化物層４は、Ｌａの酸化物であるＬａ２Ｏ３と、ＭｏＯ２を含むことになり、その結果、導電性が高くなると考えられる。
【００３０】
また、構造体３をタングステンで構成すると、タングステンの酸化物には絶縁性を有するＷＯ３もある。ＷＯ３から構成される酸化物層と比較して、Ｌａを含むタングステンの酸化物層４は、Ｌａの酸化物であるＬａ２Ｏ３と、ＷＯ２を含むことになり、その結果、導電性が高くなると考えられる。
【００３１】
酸化物層４中におけるＬａの含有量は、求められる電子放出特性に応じて適宜設定することができるが、実用的な範囲としては原子濃度で５％以上３０％以下である。なお、酸化物層４の主成分はＬａではなく、主成分は母材となる酸化物である。したがって、モリブデンと酸素、あるいはタングステンと酸素の合計の原子濃度は７０％以上９５％以下となる。
【００３２】
Ｌａを含む酸化物層４を形成する方法としては、Ｌａを含まない酸化物層にＬａをドーピングする方法や、酸化物を構成する材料とＬａとを含むターゲットを用いたスパッタ法などによってＬａを含む酸化物層４を形成する方法などを採用できる。
【００３３】
本実施形態に用いる硼化ランタン層５は低仕事関数層として機能する。また、硼化ランタン層５は導電性を有する。ランタンの硼化物としては、六硼化ランタン（ＬａＢ６）が好ましい。六硼化ランタンは、化学量論的組成としてＬａとＢの比が１：６で表される構造であり、単純立方格子を有するものである。ただし、本実施形態の六硼化ランタンは、非化学量論的組成のものも含み、格子定数の変化したものも含む。
【００３４】
硼化ランタン層５は、硼化ランタンの単結晶層であるよりも、硼化ランタンの多結晶層であることが好ましい。硼化ランタンの多結晶層は金属的な伝導を示し、導電性を有する。単結晶層に比べて多結晶層は、成膜が容易である。また、多結晶層は、構造体３のような複雑で微細な凹凸形状の表面に沿って設けることができ、電子放出体９の内部応力も低くすることができるので好ましい。なお、仕事関数は多結晶層よりも単結晶層の方が低いが、厚さや結晶子サイズを制御することで、多結晶層でも単結晶層に近い３．０ｅＶよりも低い仕事関数を得ることができる。
【００３５】
また、図２のように、硼化ランタン層５の上に、酸化ランタン層６を設けることが好ましい。酸化ランタン層６は、ランタンの酸化物（ＬａＯＸ）から構成される。ランタンの酸化物は、ランタンの硼化物よりも雰囲気に対して安定である。酸化ランタン層６は、典型的には、三酸化二ランタン（Ｌａ２Ｏ３）から構成される。酸化ランタン層６として典型的なＬａ２Ｏ３層は、硼化ランタン層５として典型的なＬａＢ６層よりも雰囲気、特に酸素を含む雰囲気に対して安定である。また、Ｌａ２Ｏ３はＬａＢ６の仕事関数（２．５ｅＶ程度）に近い低仕事関数（２．６ｅＶ程度）を有する材料である。そのため、硼化ランタン層５の上に酸化ランタン層６を設けることで、さらに安定な電子放出特性を実現できる効果がある。また、硼化ランタンと酸化ランタンとは安定に接合する。
【００３６】
酸化ランタン層６の厚さは、実用上、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍよりも薄いと酸化ランタン層の効果がほとんど発現せず、また、１０ｎｍ以上となると電子放出量が低下し始める。
【００３７】
硼化ランタン層５の表面に酸化ランタン層６を形成する方法は特に限定されない。例えば、硼化ランタン層５を、制御された酸素雰囲気中で加熱して表面に酸化ランタン層を形成してもよいし、蒸着法、スパッタ法等の一般的成膜技術を用いてもよい。
【００３８】
なお、図２で示した構成の電子放出素子の場合、硼化ランタン層５と酸化ランタン層６の一方、又は両方から電子が放出される。図２に示した構造の場合には、構造体３と酸化物層４と硼化ランタン層５と酸化ランタン層６とを一纏めにして電子放出体９と呼ぶことができる。なお、図２では、酸化ランタン層６は硼化ランタン層５の表面全体を覆っているように示したが、全体を覆うことに限定されない。即ち、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の表面の一部を覆う場合には、硼化ランタン層５の一部の表面と酸化ランタン層６の表面とで、電子放出体９の表面が構成されることになる。
【００３９】
以上述べた本発明の実施の形態に係る電子放出素子について、更に詳細に説明する。
【００４０】
カソード電極２は、図１、図２に示した形態では、構造体３と基板１との間に設けてあるが、構造体３に電子を供給することができればその配置位置は特に限定されない。例えば、構造体３の横にカソード電極２を並設しても良い。カソード電極２を構成する材料は、導電性の材料であれば良い。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属材料またはこれらの合金材料が用いることができる。また、これらの炭化物、硼化物、または、窒化物でもよい。Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体等も用いることができる。
【００４１】
構造体３は、前述したように、硼化ランタン層５または酸化ランタン層６の表面に生じる電界を増大することのできる幾何学形状を備えた、導電性部材であればよい。したがって、構造体３は、例えば、四角錐形状や三角錐形状などでも良いし、カーボンファイバーのような棒状であったり、針状、リッジ状（板状）であったりすることもできる。つまり、構造体３は、典型的には、基板１から離れる方向に突出した突起部あるいは凸部を備える形状の、導電性部材であればよい。そして、導電性部材の突起部あるいは凸部の、少なくとも先端に、酸化物層４を間に挟んで硼化ランタン層５を備えていれば良い。図１に示した形態では、酸化物層４は構造体３の全体を覆っており、硼化ランタン層５は酸化物層４の全体を覆っているように記載したが、全体を覆うことに限定されない。図２においても、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の全体を覆うことに限定されず、酸化ランタン層６が硼化ランタン層５の表面の一部を覆っていてもよい。
【００４２】
構造体３は、カソード電極２から硼化ランタン層５、または、硼化ランタン５および酸化ランタン層６に電子を供給できるように、導電性を有している。構造体３の材料としては導電性の材料であれば特に限定されないが、例えば、材料としては金属または半導体を用いることができる。そのため、構造体３は金属または半導体を含むことになる。構造体３の材料としては、高融点の材料を選択できる事、電子を安定に硼化ランタン層５に供給できる事、酸化物として導電性を有するものがある事、などの理由から、金属が好ましく用いられる。上記金属としては、モリブデンまたはタングステンが特に好ましい。なお、電子放出素子に放出電流を制限する抵抗を設ける場合には、構造体３とカソード電極２との間に抵抗体を設ける、或いは、カソード電極２の一部に抵抗体を設けることができる。カソード電極２自体が抵抗体として機能してもよい。
【００４３】
図１や図２では、理解を容易にするために、カソード電極２と構造体３とを異なる部材として示しているが、カソード電極２と構造体３を同じ材料で構成し、連続した一つの部材とすることもできる。このような場合にも、カソード電極２と構造体３の材料は、モリブデンやタングステンなど、高融点の金属が好ましく用いられる。
【００４４】
本実施形態に係る、多結晶層である硼化ランタン層５は、図４に示す様に、多数の結晶子５０よりなる、いわゆる多結晶体としての特質を有する。各々の結晶子５０は硼化ランタンからなる。結晶子とは、単結晶としてみなせる最大の集まりを意味するものである。また、本発明における多結晶層５は、結晶子５０同士が接合（当接）する、または複数の結晶子の塊（集合体）同士が接合（当接）することで導電性を示す、金属的な層である。結晶子５０同士の間または複数の結晶子の塊同士の間には、空隙を有する場合や、非晶質な部分を有する場合がある。なお、図４は硼化ランタン層５が多結晶層であることを説明する模式図であって、酸化物層４や構造体３の膜質は特に限定されるものではない。
【００４５】
したがって、本発明における多結晶層は、微粒子（例えば非晶質の微粒子）の集合体からなる、いわゆる微粒子層とは異なるものである。なお、「グレイン」という用語は、複数の結晶子より構成されるものを指していたり、アモルファスな粒状のものを指していたり、見た目が粒状のものを指していたり、用語としての使い方が統一されていない場合が多い。
【００４６】
本実施形態における硼化ランタンの多結晶層５を構成する結晶子５０のサイズは２．５ｎｍ以上である。そして、多結晶層５の厚さは１００ｎｍ以下である。そのため、多結晶層５を構成する結晶子５０のサイズの上限は必然的に１００ｎｍとなる。また、多結晶層５の膜厚の下限は必然的に２．５ｎｍとなる。２．５ｎｍ以上の結晶子サイズの多結晶層は、２．５ｎｍ未満の結晶子サイズの多結晶層に比べて放出電流が安定する（揺らぎが低減する）。また、結晶子サイズが１００ｎｍを超えると、多結晶層の厚さが１００ｎｍを超え、結果、層はがれが顕著に生じ、電子放出素子に用いると不安定な特性となる。結晶子サイズが２．５ｎｍよりも小さいと、仕事関数が３．０ｅＶよりも大きくなってしまう。これは、ＬａとＢの組成比が６．０よりも大きくずれてしまい、結晶性を維持できなくなるような不安定な状態になっているものと考えられる。また、特に厚さを２０ｎｍ以下とすると電子放出特性のバラツキが小さいので好ましい。
【００４７】
結晶子サイズは、典型的にはＸ線回折測定から求めることが可能である。回折線のプロファイルから、Ｓｃｈｅｒｒｅｒ法と呼ばれる方法によって算出することができる。Ｘ線回折測定は、結晶子サイズの算出のみならず、多結晶層５が化学量論的な六硼化ランタンの多結晶体により構成されていることや、配向性について調べることが可能である。なお、断面ＴＥＭによる観察を行うと、結晶子に対応する領域に、実質的に平行に並んで見える複数の格子縞が確認される。そこで、この複数の格子縞の中から互いに最も離れた２つの格子縞を選択し、一方の格子縞の端と他方の格子縞の端を結ぶ線分のうち最も長い線分の長さを結晶子サイズ（結晶子径）と認定することができる。そして、断面ＴＥＭで観察した領域内に複数の結晶子が確認されるのであれば、それらの結晶子サイズの平均値を、硼化ランタンの多結晶層の結晶子サイズとすることができる。
【００４８】
また、硼化ランタン層の仕事関数の測定は、真空ＵＰＳなどの光電子分光法やケルビン法、真空中での電界放出電流を計測して電界と電流の関係より導く方法などがあり、これらを組み合わせて求めることも可能である。
【００４９】
具体的には、鋭利な先端を有する導電性の針（例えば、タングステンの針）の先端（突起部）の表面に、仕事関数が既知の材料の２０ｎｍ程度の膜（例えば、モリブデン膜）を形成する。そして、真空中で電界を印加して電子放出特性を測定する。そして電子放出特性から、針の先端である突起部の形状による電界増倍係数をあらかじめ求めておき、しかる後に硼化ランタン膜を形成して、仕事関数を算出して求めることが可能である。
【００５０】
次に、図１や図２に示した円錐状の構造体を用いた電子放出素子とは異なる形態の電界放出型電子放出素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、電子放出素子をＺ方向から見た平面模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面（Ｚ−Ｘ面）模式図である。図５（ｃ）は図５（ｂ）のＸ方向から見た場合の模式図である。
【００５１】
この電子放出素子１０では、基板１上に絶縁層７介してゲート電極８が設けられている。図５に示した例では、絶縁層７は第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂとで構成されている。また、基板１上にはカソード電極２が設けられており、カソード電極２に接続された導電性部材である構造体３が、絶縁層７の側面（図５の形態では第１絶縁層７ａの側面）に沿って且つ基板１から離れる方向に向かって伸びている。そして、構造体３の上に酸化物層４が設けられ、酸化物層４の上に硼化ランタン層５が設けられている。言い換えれば、構造体３と硼化ランタン層５の間に酸化物層４が設けられていることになる。構造体３と、酸化物層４と、硼化ランタン層５とで、電子放出体９を構成している。図５（ｂ）から明らかな様に、構造体３は、基板１から＋Ｚ方向に突出して設けられた部材である。即ち、構造体３は、突起部を備えている。電子放出体９は、構造体３の突起部の形状を反映した形状をしているので、電子放出体９は突起部を備えていると言うことができる。したがって、電子放出体９は、その表面に生じる電界を増大することのできる幾何学形状を有する突起部を備えた構造になっている。ゲート電極８は、電子放出体９の突起部と間隙をおいて、電子放出体９から離れて設けられている。
【００５２】
この例では、構造体３は、酸化物層４を間に介して、硼化ランタン層５で覆われているが、少なくとも構造体３の突起部に、酸化物層４を間に介して、硼化ランタン層５が設けられていればよい。硼化ランタン層５は、図４等を用いて既に説明した、硼化ランタンの多結晶層であることが好ましい。電子放出体９は、さらに、酸化物層４がランタン元素を含むことが好ましい。また、図２を用いて説明した様に、硼化ランタン層５の表面に酸化ランタン層（不図示）を備えることも好ましい。なお、図５で示した電子放出素子でも、酸化ランタン層が硼化ランタン層５の表面全体を覆うことに限定されない。即ち、酸化ランタン層が硼化ランタン層５の表面の一部を覆う場合には、硼化ランタン層５の一部の表面と酸化ランタン層の表面とで、電子放出体９の表面が構成されることになる。
【００５３】
また、図５では、ゲート電極８は、第１導電層８ａと第２導電層８ｂとで構成され、第１導電層８ａの一部分が構造体３と同じ導電性材料の第２導電層８ｂで覆われている例を示している。この第２導電層８ｂは省略することもできるが、安定な電界を形成するためには、設けておくことが好ましい。ゲート電極８（８ａ、８ｂ）の上にも硼化ランタン層が設けられていてもよい。また、図５（ａ）、（ｃ）では、電子放出体９がＹ方向に連続してリッジ状（板状）に設けられているが、Ｙ方向に所定の間隔を置いて複数設けた構成とすることもできる。
【００５４】
以下、この電子放出素子について好ましい形態を図６を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、構造体３の突起部の近傍の断面拡大図である。なお、説明を簡略にするために、図６（ａ）では、構造体３、酸化物層４、硼化ランタン層５の記載を省略し、これらを一括して電子放出体９として記載している。
【００５５】
第２絶縁層７ｂはＸ方向において、第１絶縁層７ａより幅が小さくなっており、第２絶縁層７ｂの側面１７３は第１絶縁層７ａの側面１７１よりも後退している。そして、第１絶縁層７ａの上面１７２の一部が露出している。第１絶縁層７ａの上面１７２は、第１絶縁層７ａの側面１７１のゲート電極８に近い方の縁である角部Ｋを介して、第１絶縁層７ａの側面１７１と連続している。この結果、絶縁層７は、第１絶縁層７ａの上面１７２と、第２絶縁層７ｂの側面１７３とで構成される凹部７ｃを備えている。典型的に、第１絶縁層７ａの上面１７２は、基板１の表面に対して、実質的に平行である。なお、第１絶縁層７ａの側面１７１は、図５（ｂ）では基板１からほぼ垂直になっているが、基板１に対して斜面を成すように第１絶縁層７ａを設けることもできる。つまり、第１絶縁層７ａの側面１７１は基板１の表面に対して傾斜してもよい。特に、側面１７１が基板１の表面に対して、鋭角をなすように傾斜していることが好ましい。側面１７１が斜面の場合、第１絶縁層７ａの角部Ｋの角度（第１絶縁層７ａ側の角度）は、鈍角のようになり得る。なお、直角、鈍角といっても、実際にはある程度の曲率を有している。第１絶縁層７ａの上面１７２と第２絶縁層７ｂの側面１７３は、凹部７ｃ内の面であるから、絶縁層７の内表面と表現することもできる。これに対して、第１絶縁層７ａの側面１７１は、凹部７ｃ外の面であるから、絶縁層７の外表面と表現することもできる。
【００５６】
図６（ａ）において、距離ｈ（ｈ＞０）は、電子放出体９の突起部が第１絶縁層７ａの上面１７２から高さｈだけ突出していることを示している。高さｈとなる部分が、突起部の先端である。そして、電子放出体９の一部（突起部）が、凹部７ｃ内に位置する第１絶縁層７ａの上面上と、第１絶縁層７ａの側面上とに渡って設けられている。図５（ｂ）に示すように、少なくとも構造体３の一部（突起部）が凹部７ｃ内に位置している。つまり、電子放出体９は、その一部（突起部）が、凹部７ｃ内に位置している。これにより、電子放出体９の突起部の一部が凹部７ｃ内に位置して、第１絶縁層７ａの上面１７２と接触する。なお、電子放出体９の一部とは、少なくとも構造体３の一部を含む。距離ｘ（ｘ＞０）は、電子放出体９の突起部と第１絶縁層７ａの上面１７２との界面の、凹部７ｃの深さ方向の幅である。換言すると、距離ｘは、凹部７ｃを構成する絶縁層７の表面と接する突起部の端部（点Ｊ）から、凹部７ｃの縁、即ち第１絶縁層７ａの屈曲部（点Ｋ）までの距離である。距離ｘは、凹部７ｃの深さにもよるが、実用的には、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲内である。
【００５７】
また、ゲート電極８ａは凹部７ｃの近傍に位置し、電子放出体９の突起部と間隙をおいて、電子放出体９から離れて設けられている。詳細には、ゲート電極８は、第１絶縁層７ａの上面１７２と対向し、上面１７２から距離Ｔ２だけ離れて設けられている。距離Ｔ２は第２絶縁層７ｂの厚みに対応する。第２絶縁層７ｂは第１絶縁層７ａの上面１７２とゲート電極８との間の間隔を規定するための層でもある。
【００５８】
図６（ａ）にゲート電極８と電子放出体９の突起部の先端との間の距離ｄを示す。ここでは、距離ｄはゲート電極８と電子放出体９との間の最短距離でもある。また、図６（ａ）突起部の先端近傍の形状は曲率半径ｒで表すことができる。ゲート電極８と電子放出体９との電位差を一定とした場合、先端部の近傍に形成される電界の強度は、この曲率半径ｒと距離ｄに応じて異なる。ｒが小さいほど、先端部の近傍に強い電界を形成することが可能となる。また、ｄが小さいほど、先端部の近傍に強い電界を形成することが可能となる。
【００５９】
突起部の先端の近傍の電界を一定とした場合、距離ｄが相対的に小さければ、曲率半径ｒを相対的に大きくできる。逆に、曲率半径ｒが相対的に小さければ、距離ｄを相対的に大きくできる。距離ｄの違いは放出された電子のゲート電極８による散乱回数の違いに影響するため、ｒが小さく、ｄが大きいほど効率が高い電子放出素子とすることが可能となる。ここで、効率（η）とは素子に電圧を印加したときに検出される電流（Ｉｆ）と真空中に取り出される電流（Ｉｅ）を用いて、効率η＝Ｉｅ／（Ｉｆ＋Ｉｅ）で与えられる。
【００６０】
構造体３の一部が凹部７ｃ内に位置することで、次のようなメリットがある。（１）構造体３と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、機械的な密着性（密着強度）が向上する。これにより、電子放出素子の製造プロセスを経ても、電子放出体９の剥離などの発生を抑制することができる。（２）構造体３と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、電子放出部で発生する熱を効率よく逃がすことができる。（３）凹部７ｃ内の絶縁体−真空−導電体界面で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を抑制することができる。
【００６１】
（２）について詳細に説明する。
【００６２】
図６（ｂ）は凹部７ｃ内での距離ｘを変えた場合の、Ｉｅの時間変動量を示したものである。尚、ここでＩｅとは、放出電子量を意味し、アノードに到達する電子の量である。初期値として、電子放出素子の駆動を開始して最初の１０秒間の間に検出された平均的な電子放出量Ｉｅを求めた。そして、この初期値を基準として規格化し、電子放出量の変化を時間の常用対数としてプロットしたものである。図６（ｂ）から理解されるように、距離ｘが短くなるにつれて、電子放出量の初期値からの低下量が大きくなる傾向があった。
【００６３】
図６（ｃ）はいくつかの素子において、図６（ｂ）と同様の計測を行ったものである。図６（ｃ）では、距離ｘに対して、電子放出量の初期値を基準として規格化を行い、電子放出素子の駆動を開始して所定時間経過した時の電子放出量をプロットしたものである。この図から明らかなように、距離ｘが短いほど初期値からの低下量が大きかった。そして、距離ｘが２０ｎｍを越えてくると、距離ｘに対する依存性が小さくなる傾向が見られた。このように、距離ｘは２０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００６４】
これらの結果から推察すると、距離ｘが長くなることにより、突起部と第１絶縁層７ａとの接触面積が広くなり、熱抵抗を低減できるためと思われる。また、電子放出体９の突起部の体積増加による熱容量が増大するためと思われる。すなわち、電子放出体９の温度上昇が軽減されるために、初期変動が小さくなったのではないかと思われる。
【００６５】
一方、距離ｘを極端に長くすると、凹部の内表面、すなわち、第１絶縁層７ａの上面及び第２絶縁層７ｂの側面を介して、電子放出体９とゲート電極８との間のリーク電流が大きくなる。少なくとも、距離ｘは、凹部７ｃの深さよりも小さくことが好ましい。
【００６６】
（３）について詳細に説明する。
【００６７】
一般に真空、絶縁体、導電体の様に誘電率が異なる三種類の材料が同時に一つの場所に接する場所は三重点と呼ばれる。条件にもよるが、三重点の電界が周囲よりも極端に高くなることで放電等の要因になる場合がある。本形態においても図６（ａ）に示した点Ｊは真空（領域Ｖ）、絶縁体（領域Ｉ）、導電体（領域Ｃ）の三重点となっている。電子放出体９の突起部と第１絶縁層７ａが接する角度θが９０°以上であれば周囲の電界と大きく変わらない。電子放出体９の突起部が上記角度θとなることで、絶縁体―真空−導電体で生じる三重点での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。
【００６８】
また、上面に位置する電子放出体９の表面（特に、電子放出体９の端部（点Ｊ）近傍の表面）と第１絶縁層７ａの上面１７２との角度θは、９０°より大きいことが好ましい。また、角度θは１８０°より小さいことが好ましい。なお、角度θは、電子放出体９の表面と第１絶縁層７ａの上面１７２とが成す角度のうち、真空側の角度である。上面１７２が平面であるとみなせば、電子放出体９と上面と１７２の接触角は１８０°−θで表される。実用的には絶縁層７ａの上面１７２は平面であるとみなせるので、換言すれば、上面１７２と電子放出体９との接触角が０°より大きく、９０°より小さいことが好ましいと言える。さらには、凹部７ｃ内において、電子放出体９の表面が第１絶縁層７ａの上面１７２に対して、緩やかに傾斜していることが好ましい。つまり、電子放出体９の、凹部７ｃ内に位置する任意の部分の表面の接線と、第１絶縁層７ａの上面１７２と、の角度が９０°より小さいことが好ましい。
【００６９】
図５で示した電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００７０】
基板１としては、石英ガラス，Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、ソーダライムガラス及び、シリコン基板を用いることができる。基板に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があり、ディスプレイパネルのような一体ものとして用いる場合は成膜材料や他の積層部材と熱膨張差が小さいものが望ましい。また熱処理に伴いガラス内部からのアルカリ元素等が拡散しづらい材料が望ましい。
【００７１】
最初に、基板上に段差を形成するために第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂを順次形成する。第２絶縁層７ｂの上にゲート電極８（第１導電層８ａ）を積層する。
【００７２】
第１絶縁層７ａは、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえば窒化シリコンや酸化シリコンであり、その形成方法は一般的な真空成膜法、例えば、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法等で形成される。またその厚さとしては、数ｎｍから数十μｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００７３】
第２絶縁層７ｂは、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、たとえば窒化シリコンや酸化シリコンであり、その形成方法は一般的な真空成膜法、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法あるいはスパッタ法で形成される。またその厚さＴ２としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎｍから数十ｎｍの範囲で選択される。
【００７４】
詳細は後述するが、凹部７ｃを精度良く形成するために、第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂと異なる材料とすることが好ましい。第１絶縁層７ａとして窒化シリコンを用い、第２絶縁層７ｂは例えば酸化シリコン、あるいはリン濃度の高いＰＳＧ、ホウ素濃度の高いＢＳＧ等で構成する事ができる。
【００７５】
第１導電層８ａは導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成することができる。ゲート電極８の厚さＴ１としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００７６】
第１導電層８ａの材料は、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が望ましい。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料が使用できる。また、窒化物、酸化物、炭化物等の化合物や、半導体、炭素、炭素化合物等も適宜使用可能である。
【００７７】
第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂ、第１導電層８ａのパターンニングは、フォトリソグラフィ技術とエッチング加工を用いて行うことができる。エッチング加工としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることができる。
【００７８】
次に、第２絶縁層７ｂを選択的にエッチングすることにより、第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂからなる絶縁層７に凹部７ｃを形成する。第１絶縁層７ａと第２絶縁層７ｂとの間の、エッチング量の比は、１０以上が好ましく、５０以上がより好ましい。
【００７９】
選択的なエッチングとしては、例えば第２絶縁層７ｂが酸化シリコンであればバッファーフッ酸（ＢＨＦ）と呼ばれるフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液を用い、第２絶縁層７ｂが窒化シリコンであれば熱リン酸系エッチング液を使用することが可能である。
【００８０】
凹部７ｃの深さ（選択的なエッチングにより露出する第１絶縁層７ａの上面１７２の幅）は、素子形成後のリーク電流に深く関わり、凹部７ｃを深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。しかし、あまり深く形成するとゲート電極８が変形してしまう課題が発生する。このため、凹部７ｃの深さは３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
【００８１】
なお、材料による選択的なエッチングを行わずに、絶縁層の側面の一部をマスクして、絶縁層の一部を除去することにより、凹部７ｃを形成することもできる。その場合には、第１絶縁層７ａ、第２絶縁層７ｂを別々の材料で形成する必要はなく、１層の絶縁層として形成すればよい。また、絶縁層を３層として、２層目に対して選択的エッチングを行っても良い。その場合には、ゲート電極８の凹部７ｃに面する部分は、３層目の絶縁層で覆われることになる。
【００８２】
次に、構造体３の材料を第１絶縁層７ａの上面及び側面に付着させる。構造体３の材料としては、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が好ましい。また、仕事関数が５ｅＶ以下の材料を用いることが好ましい。例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料が使用できる。また、窒化物、酸化物、炭化物等の化合物や、半導体、炭素、炭素化合物等も適宜使用可能である。特にＭｏ又はＷを好ましく用いることができる。
【００８３】
構造体３は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成することが可能である。前述したように、本実施形態においては電子放出体９の突起部の形状を制御するように、構造体３の材料の入射角度と成膜時間、形成時の温度および形成時の真空度を制御して形成する必要がある。導電性材料の入射角度はゲート電極８の厚みＴ１、第１絶縁層７ａの上面とゲート電極８との距離Ｔ２等を考慮して決定することができる。
【００８４】
次に、円錐形状の電子放出体と同様に、構造体３の表面に酸化物層４、硼化ランタン層５を形成する。さらに、硼化ランタン層５の上には酸化ランタン層６を形成することが好ましい。
【００８５】
カソード電極２は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術を用いて形成することができる。或いは導電性材料を含む前駆体を焼成することによって形成することもできる。パターン形成方法としては、フォトリソグラフィ技術や、印刷技術を用いることができる。
【００８６】
カソード電極２の材料は、導電性を有する材料であればよく、ゲート電極８と同様の材料を用いることができる。カソード電極２の厚さとしては、数１０ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数１０ｎｍから数１００ｎｍの範囲で選択される。なお、図５に示した形態では、カソード電極２は、構造体３を形成する前に設けてもよいし、構造体３を形成したあとでもよい。電子放出体９を形成した後に設けてもよい。
【００８７】
以上述べたように、本実施形態で説明した電子放出素子は、第１の電極（カソード電極）と、第１の電極と離れて設けられた第２の電極（ゲート電極）との間に電圧を印加して、第１の電極側から電子を電界放出する電子放出素子である。なお、電子放出素子から放出された電子をゲート電極以外の部材（例えばアノード電極）に照射させる場合には、照射させる部材であるアノード電極を図１や図２や図５に示した基板１から離して設ける。つまり、電子放出体９の突起部およびその先端が、アノード電極に向けて配置される。アノード電極と基板１の間隔は、カソード電極２とゲート電極８の間隔よりも十分に大きく、典型的には５００μｍから２ｍｍに設定される。そして、ゲート電極８に印加する電位よりも十分に高い電位をアノード電極に印加する。このようにすることで、ゲート電極８によって引き出された電子（電界放出された電子）がアノード電極に照射される。このような電子放出装置（電子線装置）は、３端子（カソード電極、ゲート電極、アノード電極）構造となる。なお、ゲート電極を省略してカソード電極とアノード電極の２端子構造としてもよいし、アノード電極を省略してゲート電極をアノード電極として用いた２端子構造としてもよい。
【００８８】
電子放出素子から放出される放出電流の揺らぎは、放出電流の時間的な変動の大きさを示すものである。放出電流は、たとえば矩形波形のパルス電圧を周期的に印加することに観測される。揺らぎは、単位時間あたりの放出電流の変動の大きさの偏差を、放出電流の平均値で割って算出することができる。
【００８９】
具体的には、パルス幅が６ｍ秒で周期が２４ｍ秒の矩形波形のパルス電圧を連続して印加する。そして連続した３２回分の矩形波形のパルス電圧に応じた放出電流値の平均を計測するシーケンスを２秒間隔で実施して、３０分間あたりの偏差ならびに平均値を求める。なお、複数の電子放出素子間で揺らぎの大きさを比較するにあたっては、上述の電流の平均値が概ね等しくなるように印加電圧の波高値を設定する。
【００９０】
次に、図７を用いて、基板１上に、上記した円錐形状の電子放出体９を備える電子放出素子１０を多数配列して構成した、電子源３２の一例を説明する。図７は、電子源３２の平面模式図である。
【００９１】
ここで説明する電子源３２は、基板１と基板１上に設けられた複数の電子放出素子１０とで構成されている。基板１は絶縁性基板で構成することができ、例えばガラス基板が好ましく適用できる。図７は、基板１上に、図１を用いて説明した電子放出素子１０を行列状に多数配列して構成したものである。当然、電子放出素子１０として図２や図５を用いて説明した電子放出素子１０を用いることもできる。
【００９２】
同じ列の電子放出素子１０同士はゲート電極８が共通に接続され、同じ行の電子放出素子１０同士はカソード電極２が共通に接続される。そして、複数のカソード電極２の中から所定数を選択し、複数のゲート電極８の中から所定数を選択し、その選択された電極間に電圧を印加することで、所定の電子放出素子１０から電子を放出させることができる。
【００９３】
ここでは、１つのカソード電極２と１つのゲート電極８との交差部に設けられる電子放出素子１０は１つであるが、複数の電子放出素子１０を設けることが好ましい。例えば、図１や図２で示した形態の電子放出素子を用いる場合には、カソード電極２とゲート電極８との各々の交差部には、複数の開口７１が設けられ、そして、各々の開口７１内に電子放出体９が設けられる。
【００９４】
図７では、簡易的に、カソード電極２とゲート電極８との各々の交差部に１つの開口７１を設けた例を示している。しかしながら、放出電流の揺らぎを低減する観点からは、各交差部に設けられる電子放出素子の数が多いほど好ましい。電子放出素子の数が多いと、放出電流の揺らぎが平均化されるためである。一方で、あまりに多くの電子放出素子を各交差部に設けることは、生産性などの観点から、望ましくない。本発明の電子放出素子を用いることによって、電流揺らぎを低減することができるから、電子放出素子の数を多くせずとも、電流揺らぎを低減することができる。
【００９５】
次に、上述した電子源３２を用いて表示パネル１００を構成した一例を図８を用いて説明する。なお、ここで示す例では、各交差部に設けられる電子放出素子を複数とした。
【００９６】
なお、表示パネル１００は、内部が大気圧よりも低い圧力（真空）となるように気密に保持されるので、気密容器と言い換えることができる。
【００９７】
図８は、表示パネル１００の断面模式図である。表示パネル１００は、図７における電子源３２を背面板として用い、背面板３２と前面板３１とが対向して配置されている。
【００９８】
そして、背面板３２と前面板３１との間隔が所定の距離となるように、背面板３２と前面板３１との間に閉環状（矩形状）の支持枠２７が設けられている。背面板３２と前面板３１との間隔は、典型的には５００μｍから２ｍｍ（実用的には１ｍｍ程度）に設定される。そして、支持枠２７と前面板３１の間、および、支持枠２７と背面板３２の間は、インジウムやフリットガラスなどのシール機能を備える接合部材２８によって気密に接合されている。支持枠２７は、表示パネル１００の内部空間を気密に封止するための役割も担っている。表示パネル１００の面積が大きい場合には、前面板３１と背面板３２との距離が維持できるように、表示パネル１００の内部に、前面板３１と背面板３２の間にスペーサ３４を複数配置することが好ましい。
【００９９】
前面板３１は、電子放出素子１０から放出された電子が照射されることで発光する発光体２３を備える発光層２５と、発光層２５上に設けられたアノード電極２１と、透明基板２２とで構成されている。
【０１００】
透明基板２２は、発光層２５から放出された光が透過する必要があるため、例えばガラスからなる。
【０１０１】
発光体２３としては、一般に蛍光体を用いることができる。発光層２５を、赤色を発光する発光体と、緑色を発光する発光体と、青色を発光する発光体とを用いて構成することで、フルカラー表示の表示パネル１００を構成することができる。図８に示す形態では、発光層２５は、発光体同士の間に設けられた黒色部材２４を備えている。黒色部材２４は一般にブラックマトリクスと言われる、表示画像のコントラストを向上させるための部材である。
【０１０２】
各発光体２３に電子を照射する電子放出素子１０が、発光体２３に対向するように設けられている。即ち各々の電子放出素子１０は１つの発光体２３に対応づけられている。
【０１０３】
アノード電極２１は、一般に、メタルバックと呼ばれ、典型的には、アルミニウム膜で構成することができる。また、アノード電極２１は、発光層２５と透明基板２２との間に設けることもできる。その場合には、アノード電極２１は、ＩＴＯ膜などの光学的に透明な導電性膜で構成される。
【０１０４】
前面板３１と背面板３２とを気密に接合するための工程（接合工程または封着工程）では、気密容器である表示パネル１００を構成する部材を加熱した状況下で行われる。
【０１０５】
接合工程（封着工程）では、典型的には、前面板３１と背面板３２との間に、フリットガラス等の接合部材を設けた支持枠２７を配置する。そして加圧しながら、前面板３１と背面板３２と支持枠２７とを例えば１００℃から４００℃の範囲で加熱し、その後室温まで冷却することで実施される。また、接合工程に先立って、背面板３２は加熱による脱ガス処理などを施す場合も多い。
【０１０６】
このような加熱や冷却を伴う工程を経ても、本実施形態で示した硼化ランタンの多結晶層５は電子放出体９から剥離することはない。
【０１０７】
次に、図９に示すように、前述した表示パネル１００に、表示パネルを駆動するための駆動回路１１０を接続することで、画像表示装置２００とすることができる。さらに、テレビジョン放送信号や情報記録装置に記録されている信号などの情報信号を画像信号として出力する画像信号出力装置４００を更に接続することで情報表示装置５００を構成することができる。言い換えれば、画像表示装置２００は、画像信号出力装置４００を備えることができる。
【０１０８】
画像表示装置２００は、表示パネル１００、駆動回路１１０を少なくとも備え、さらに制御回路１２０を備えることが好ましい。制御回路１２０は、入力された画像信号に表示パネルに適した補正処理等の信号処理を施すともに、駆動回路１１０に画像信号および各種制御信号を出力する。駆動回路１１０は、入力された画像信号に基づいて、表示パネル１００の各配線（図７のカソード電極２、ゲート電極８参照）に駆動信号を出力する。駆動回路は画像信号を駆動信号に変換するための変調回路や、配線を選択するための走査回路を有する。駆動回路１１０から出力される駆動信号によって表示パネル１００内の各画素の電子放出素子に印加される電圧が制御される。これにより、画像信号に応じた輝度で各画素が発光し、スクリーンに画像が表示される。「スクリーン」は、図８で示した表示パネル１００においては、発光層２５に相当すると言うことができる。
【０１０９】
図９は、情報表示装置の一例を示すブロック図である。情報表示装置５００は画像信号出力装置４００と画像表示装置２００からなる。画像信号出力装置４００は、情報処理回路３００を備え、画像処理回路３２０をさらに備えることが好ましい。画像信号出力装置４００は、画像表示装置２００とは別の筐体に収められていてもよいし、画像信号出力装置４００の少なくとも一部が、画像表示装置２００と同一の筐体に収められていてもよい。ここで述べる情報表示装置の構成は、一例であり、種々の変形が可能である。
【０１１０】
情報処理回路３００には、衛星放送や地上波等のテレビジョン放送信号や、無線回線網、電話回線網、デジタル回線網、アナログ回線網、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルで結ばれたインターネット等の電気通信回線を介したデータ放送信号等の情報信号が入力される。半導体メモリ、光ディスク、磁気記憶装置等の記憶装置を接続して、これらに記録された情報信号を表示パネル１００に表示できる構成にすることもできる。また、ビデオカメラやスチルカメラ、スキャナ等の映像入力装置を接続して、これらから得られる画像を表示パネル１００に表示できる構成にすることもできる。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ように構成構成することもできる。
【０１１１】
さらに、表示パネル１００に表示させる画像を、必要に応じて加工し、プリンタで出力できる構成にしたり、記憶装置に記録したりするように構成することもできる。
【０１１２】
情報信号に含まれる情報としては、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。情報処理回路３００には、放送信号から必要な情報を選局するチューナーや、情報信号がエンコードされている場合にはこれを復号化するデコーダを備えた受信回路３１０を設けることができる。
【０１１３】
情報処理回路３００によって得られた画像信号を画像処理回路３２０に出力する。画像処理回路３２０は、画像信号に様々な処理を施すための回路を含むことができる。例えば、ガンマ補正回路や、解像度変換回路、インターフェース回路などである。そして、画像表示装置２００の信号フォーマットに変換された画像信号を画像表示装置２００に出力する。
【０１１４】
映像情報または文字情報を表示パネル１００に出力してスクリーンに表示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、情報処理回路３００に入力された情報信号のうちの映像情報や文字情報から、表示パネル１００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、画像表示装置２００の制御回路１２０に入力する。そして、駆動回路１１０に入力された画像信号に基づいて、駆動回路１１０から表示パネル１００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。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（不図示）に出力して、表示パネル１００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。
【０１１５】
本発明によれば、電子放出素子から安定した放出電流が得られるので、画像表示装置の表示画像の品質を向上することができる。
【実施例】
【０１１６】
以下、上記実施の形態に基づいた、より具体的な実施例について説明する。
【０１１７】
（実施例１）
図３を参照して、本実施例に係る電子放出素子の製造方法および電子放出素子について説明する。なお、ここでは、円錐形状の構造体３を用いた電子放出素子の製法について示している。
【０１１８】
まず、ガラスからなる基板１にニオブからなるカソード電極２と二酸化シリコンからなる絶縁性材料層７０（厚さ約１μｍ）およびニオブからなる導電性材料層８０を順次形成する（図３（ａ））。
【０１１９】
次に、導電性材料層８０にイオンエッチング法で直径１μｍ程度の円形状の開口８１を開けてゲート電極８を形成する（図３（ｂ））。
【０１２０】
その後、ゲート電極８をマスクとして絶縁性材料層７０をエッチングもしくはイオンエッチングすることで円形状の開口７１を有する絶縁層７を形成する（図３（ｃ））。
【０１２１】
次に、ゲート電極８上にニッケルからなる犠牲層８２を成膜する（図３（ｄ））。
【０１２２】
その後、開口７１内にモリブデンを円錐形状に堆積させ、モリブデンからなる構造体３を形成する（図３（ｅ））。
【０１２３】
犠牲層８２の上に堆積された不要なモリブデン層３０は、ニッケルからなる犠牲層８２を選択的に取り除くことによって同時に剥離され、図３（ｆ）に示す構造を得る。
【０１２４】
次に、図３（ｆ）に示す構造体３を設けた基板を真空チャンバー内に移設し、酸化モリブデンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化モリブデン層を厚さ４ｎｍ程度形成する（図３（ｇ））。
【０１２５】
次に、酸化物層４の上に、ＲＦスパッタリングによって、六硼化ランタンの多結晶層５を厚さ１０ｎｍ成膜し、本実施例の電子放出素子を形成した（図３（ｈ））。六硼化ランタンの多結晶層５の成膜条件としては、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を１．５Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ２５０Ｗとした。形成された多結晶層５の結晶子サイズは７ｎｍであり、仕事関数は２．８５ｅＶであった。
【０１２６】
スパッタ条件、特にＡｒ圧力とパワーを制御することで結晶子サイズを制御することができる。例えば、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を２．０Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ８００Ｗとして厚さを７ｎｍにすれば結晶子サイズは２．５ｎｍとすることができ、仕事関数は２．８５ｅＶが得られる。また、ＲＦスパッタリング時のＡｒ圧力を１．５Ｐａ、電源およびパワーをＲＦ２５０Ｗとして厚さを２０ｎｍにすれば結晶子サイズは１０．７ｎｍとすることができ、仕事関数は２．８ｅＶが得られる。上記した厚さ７ｎｍの成膜条件では、Ｘ線回折の回折ピークの積分強度比Ｉ（１００）／Ｉ（１１０）が０．５４と、配向性が見られないときに観測される値（ＪＣＰＤＳ＃３４−０４２７）と良い一致を示した。このことから本実施例で作製した硼化ランタン層５は結晶方位がランダムな無配向な多結晶層であるといえる。厚さが厚いほど（１００）で表される回折ピークに対応した面方位の配向が進む。２０ｎｍを超える厚さ、典型的には３０ｎｍ以上の厚さでは、Ｉ（１００）／Ｉ（１１０）が２．８よりも大きくなっていた。２０ｎｍ以下では、（１００）と（１１０）以外の面方位の積分強度は、いずれも、（１００）および（１１０）の面方位の積分強度よりも低かった。また、結晶子のサイズは厚さが厚い場合の方が大きくなっている。なお、結晶子サイズが２．５ｎｍよりも小さくなると、結晶性を維持できなくなるためか、仕事関数が３．０ｅＶよりも大きくなってしまう。
【０１２７】
形成された電子放出素子を真空装置内に入れて、内部を１０−８Ｐａまで排気した。そしてカソード電極２とゲート電極８の間に、ゲート電極８の電位が高くなるようにして、パルス幅６ｍｓ、周波数２５Ｈｚの矩形波形のパルス電圧を繰り返し印加した。そして、ゲート電極８に流れるゲート電流をモニターした。同時に、基板１の上方５ｍｍの位置にアノード板を設置し、アノードに流れ込む電流（アノード電流）もモニターし、放出電流の変動を求めた。放出電流の変動（ゆらぎ）は、連続した３２回分の矩形波形のパルス電圧に応じた放出電流値（アノード電流値）の平均を計測するシーケンスを２秒間隔で実施して、３０分間あたりの偏差ならびに平均値を求めた。そして、得られたデータから、（標準偏差／平均値×１００（％））をゆらぎとして計算した。
【０１２８】
また、比較のため、構造体３と六硼化ランタンの多結晶層５の間に酸化モリブデンからなる酸化物層４を形成していない電子放出素子も試作し、上記と同じ測定を行った。
【０１２９】
上記した本実施例の電子放出素子と比較用の電子放出素子をそれぞれ複数個用意し上記測定を行った。その結果、酸化モリブデンからなる酸化物層４を設けた電子放出素子は、酸化物層を設けなかった比較用の電子放出素子に比べ、電流変動値の平均値が０．６倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、比較用の電子放出素子に比べ、素子間のばらつき（分散）が０．５倍となった。
このように酸化モリブデンからなる酸化物層４を設けることで、明らかに電流変動が少なく、かつ電子放出素子間の特性ばらつきの少ない、安定して動作する電子放出素子を得ることができる。
【０１３０】
（実施例２）
本実施例では構造体３をタングステンで形成した例を示す。
ゲート電極８上にニッケルからなる犠牲層８２を成膜するところまでの工程（図３（ｄ）までの工程）は、実施例１と同様である。
【０１３１】
その後、開口７１内にタングステンを円錐状に堆積させ、タングステンからなる構造体３を形成する（図３（ｅ））。犠牲層８２の上に堆積された不要なタングステン層３０は犠牲層８２を選択的に取り除くことによって同時に剥離され、図３（ｆ）に示す構造体を得る。
【０１３２】
次に、図３（ｆ）に示す構造体を真空チャンバー内に移設し、酸化タングステンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化タングステン層を厚さ４ｎｍ程度形成する（図３（ｇ））。
【０１３３】
次に、酸化物層４の上に、実施例１と同様にしてスパッタ法で六硼化ランタンの多結晶層５を厚さ１０ｎｍ成膜し、本実施例の電子放出素子が形成される（図３（ｈ））。
【０１３４】
形成された電子放出素子を真空装置内に入れて、実施例１と同様にしてアノード電流の変動を求めた。また、比較のため、構造体３とＬａＢ６多結晶層５の間に酸化物層４を形成していない電子放出素子も試作し、上記と同じ測定を行った。
【０１３５】
その結果、酸化タングステンからなる酸化物層４を設けた電子放出素子は、酸化物層４を設けなかった比較用の電子放出素子に比べ、電流変動値の平均値が０．７倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、素子間のばらつき（分散）が０．６倍となった。このように酸化タングステンからなる酸化物層４を設けることで、明らかに電流変動が少なく、かつ電子放出素子間の特性ばらつきが少ない、安定して動作する電子放出素子を得ることができる。
【０１３６】
（実施例３）
本実施例は、実施例１の電子放出素子の酸化物層４（酸化モリブデン層）中にＬａを含む例である。
【０１３７】
本実施例の電子放出素子は、実施例１の電子放出素子の作製工程中、図３（ｇ）に示す工程で、酸化モリブデンとランタンを含むターゲットを用意し、スパッタ法によって、酸化物層４を６ｎｍ形成した。それ以外の工程は実施例１と同様に作製する。作製した電子放出素子をＸＰＳで分析した結果、酸化物層４中のＬａの原子濃度は１０％であり、ランタンおよびランタンの酸化物が検出された。そして、酸化物層４にはＭｏＯ２が含まれていた。
【０１３８】
本実施例で作製した電子放出素子を実施例１と同様にして測定したところ、実施例１に比べ、電子放出を開始する電圧が下がった。
【０１３９】
また、平らな基板の上に形成したモリブデン層の上に、本実施例と同様の製造方法で、Ｌａを含む酸化モリブデン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルを別途作製した。比較のために、実施例１と同様の製造方法で、Ｌａを含まない酸化モリブデン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルも別途作製した。その結果、Ｌａを含む酸化モリブデン層を備えるサンプルの方が、厚さ方向の抵抗が１桁以上低かった。従って酸化モリブデン層４中にＬａを含むことにより、電子放出素子の抵抗が低くなり、電子放出開始電圧が下がったと考えられる。
【０１４０】
（実施例４）
本実施例は、実施例２の電子放出素子の酸化物層４（酸化タングステン層）中にＬａを含む例である。
【０１４１】
本実施例の電子放出素子は、実施例２の電子放出素子の作製工程中、図３（ｇ）に示す工程で、酸化タングステンとランタンを含むターゲットを用意し、スパッタ法によって、酸化物層４を６ｎｍ形成した。それ以外の工程は実施例２と同様に作製する。作製した電子放出素子をＸＰＳで分析した結果、酸化物層４中のＬａの原子濃度は１０％であり、酸化物層４中にランタンおよびランタンの酸化物が検出された。そして、酸化物層４にはＷＯ２が含まれていた。
【０１４２】
本実施例で作製した電子放出素子を実施例２と同様にして測定したところ、実施例２に比べ、電子放出を開始する電圧が下がった。
【０１４３】
また、平らな基板の上に形成したタングステン層の上に、本実施例と同様の製造方法で、Ｌａを含む酸化タングステン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルを別途作製した。比較のために、実施例２と同様の製造方法で、Ｌａを含まない酸化タングステン層とＬａＢ６の多結晶層とを順次成膜したサンプルも別途作製した。その結果、Ｌａを含む酸化タングステン層を備えるサンプルの方が、厚さ方向の抵抗が１桁以上低かった。従って酸化物層４中にＬａを含むことにより、電子放出素子の抵抗が低くなり、電子放出開始電圧が下がったと考えられる。
【０１４４】
（実施例５）
本実施例では、実施例３の電子放出素子のＬａＢ６の多結晶層５上に酸化ランタン層６を形成した例を示す。
【０１４５】
ＬａＢ６多結晶層５を成膜するところまでの工程（図３（ｈ）までの工程）は、実施例３と同様である。次に、スパッタ法で、ＬａＢ６の多結晶層５上にＬａ２Ｏ３を厚さ３ｎｍ程度形成し、本実施例の電子放出素子を作製した。
【０１４６】
本実施例で作製した電子放出素子を、実施例３と同様と同様にして測定したところ、電流変動値の平均値が実施例３の０．７倍となった。また、複数の素子においてデータを取得したところ、素子間のばらつき（分散）が実施例３の０．７倍となった。
【０１４７】
このようにＬａＢ６多結晶層５上に酸化ランタン層６を設けることで、より電流変動が少なくかつ素子間のばらつきの少ない安定して動作する電子放出素子を作製することができる。また、本実施例と同様に、実施例１、２、４の電子放出素子のＬａＢ６多結晶層５上に酸化ランタン層６を成膜したところ、酸化ランタン層６を備えない電子放出素子に比べて本実施例と同様に優れた安定性を示すことが分かった。
【０１４８】
（実施例６）
本実施例では、図５に示すような電子放出素子を作製した例を示す。基板１上に絶縁層７ａ、７ｂの材料としてそれぞれ窒化シリコンと酸化シリコンを積層し、さらにその上にゲート電極８の材料であるタングステンを積層した。これをフォトリソグラフィとドライエッチングを併用して図５（ｂ）に示すような第１絶縁層７ａおよびゲート電極８の形状を形成した。このとき、第１絶縁層７ａの側面１７１は斜面を形成するようにした。続いて、上記酸化シリコンを選択的にウェットエッチングして、第２絶縁層７ｂおよび凹部７ｃを形成した。
【０１４９】
次に、モリブデンをスパッタ法によって第１絶縁層７ａの側面１７１上に成膜した。同時に凹部７ｃの入り口付近にモリブデンが入り込んで、凹部７ｃ内に位置する絶縁層７ａの上面１７２からゲート電極８ａの方向に向かって突出する突起を備えた構造体３を得た。また、ゲート電極８ａ上にはモリブデンからなるゲート電極８ｂも同時に形成された。
【０１５０】
その後、実施例１と同様に、酸化モリブデンをターゲットに用いたスパッタ法により、構造体３の表面に酸化物層４として、酸化モリブデン層を形成した。さらに、実施例１と同様の条件で酸化モリブデン層の上に硼化ランタンの多結晶層５を形成した。
【０１５１】
なお、本実施例では、基板上に図５（ｃ）のＹ方向において、短冊状の電子放出体９を３μｍ周期で形成することにより、２００個の電子放出体９を形成した。最後に、ニオブからなるカソード電極２をそれぞれの電子放出体９に対して共通に接続するように設けた。
【０１５２】
カソード電極２とゲート電極８の間に、ゲート電極８が高電位になるように電圧を印加したところ、良好な電子放出特性が得られた。また、実施例１に比べて、電子放出が確認された電圧は、本実施例の方が小さかった。
【０１５３】
また、実施例３と同様に、酸化モリブデン層を形成するときに、ランタンを含む酸化モリブデンのターゲットを用いたところ、ランタンを含まないターゲットを用いた場合に比べて、より低い電圧で電子放出が確認された。
【０１５４】
また、実施例５と同様に、硼化ランタンの多結晶層５の上に酸化ランタン層をスパッタ法で設けたところ、長期間に渡って安定した電子放出特性が得られた。
【０１５５】
（実施例７）
本実施例では、実施例３の電子放出素子を用いて図８に示す画像表示装置を作製した例を示す。画像表示装置は、画素が水平方向に１９２０個、垂直方向に１０８０個である、対角５０インチのフラットパネルディスプレイである。
【０１５６】
上述の実施例３の電子放出素子を図７に示す様に、電子放出素子をカソード基板上に多数、形成して電子源３２を得る。そして電子源３２を背面板として用意する。一方、多数の蛍光体が配列された発光層２５と発光層２５上のアノード電極２１とを有する前面板３１を用意する。そして前面板３１と背面板３２との間隔が２ｍｍとなるように支持枠２７を間に配置して、支持枠２７を前面板３１と背面板３２とに気密に接合する封着工程を行う。封着工程は真空中で行うことができる。この工程により内部が真空に維持された表示パネル１００を形成することができる（図８）。
【０１５７】
以上のようにして作製した表示パネルに図９に示す駆動回路１１０などを接続して画像表示装置が形成される。所望の電子放出素子を選択し、パルス電圧を印加することで画像を表示させたところ、輝度の変動が少ない明るい良好な画像を長時間に渡り表示することができた。
【０１５８】
なお、実施例３の電子放出素子に代えて実施例５の電子放出素子を用いると、本実施例の画像表示装置よりも長時間に渡って輝度の変動が少ない画像表示装置を得ることができた。
【０１５９】
また、実施例６の電子放出素子を用いた画像表示装置を作製したところ、良好な画像表示装置を得ることができた。
【符号の説明】
【０１６０】
１ 基板
２ カソード電極
３ 構造体
４ 酸化物層
５ 硼化ランタン層
６ 酸化ランタン層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出体を有し、該電子放出体の表面から電子を電界放出する電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられ、該酸化物層がランタン元素を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられ、前記硼化ランタン層の上に、酸化ランタン層が設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
前記酸化物層がランタン元素を含む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５】
前記硼化ランタン層の上に酸化ランタン層が設けられていることを特徴とする請求項１、２または４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記酸化ランタン層が、三酸化二ランタンから構成されることを特徴とする請求項３または５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記硼化ランタン層が、硼化ランタンの多結晶層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】
前記導電性部材はモリブデンまたはタングステンから構成され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】
前記導電性部材はモリブデンから構成され、前記酸化物層はモリブデンの酸化物とランタンの酸化物を含む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１０】
前記導電性部材はタングステンから構成され、前記酸化物層はタングステンの酸化物とランタンの酸化物を含む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１１】
上面および該上面に連続する側面とを有する絶縁層と、前記絶縁層の上に設けられたゲート電極と、をさらに備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電子放出素子であって、前記導電性部材が前記上面と前記側面とに渡って設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１２】
複数の電子放出素子と、該複数の電子放出素子の各々から放出された電子が照射されることで発光する発光体と、を備える表示パネルであって、前記複数の電子放出素子の各々が請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電子放出素子であることを特徴とする表示パネル。
【請求項１３】
表示パネルと、該表示パネルを駆動するための駆動回路と、を備える画像表示装置であって、前記表示パネルが請求項１２に記載の表示パネルであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
情報信号が入力される情報処理回路と、前記情報信号に含まれる情報を表示する表示パネルと、を備える情報表示装置であって、前記表示パネルが請求項１２に記載の表示パネルであることを特徴とする情報表示装置。
【請求項１】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出体を有し、該電子放出体の表面から電子を電界放出する電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられ、該酸化物層がランタン元素を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
導電性部材と、該導電性部材の上に設けられた硼化ランタン層と、を少なくとも備える電子放出素子であって、
前記導電性部材と前記硼化ランタン層との間に酸化物層が設けられ、前記硼化ランタン層の上に、酸化ランタン層が設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
前記酸化物層がランタン元素を含む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５】
前記硼化ランタン層の上に酸化ランタン層が設けられていることを特徴とする請求項１、２または４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記酸化ランタン層が、三酸化二ランタンから構成されることを特徴とする請求項３または５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記硼化ランタン層が、硼化ランタンの多結晶層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】
前記導電性部材はモリブデンまたはタングステンから構成され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】
前記導電性部材はモリブデンから構成され、前記酸化物層はモリブデンの酸化物とランタンの酸化物を含む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１０】
前記導電性部材はタングステンから構成され、前記酸化物層はタングステンの酸化物とランタンの酸化物を含む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１１】
上面および該上面に連続する側面とを有する絶縁層と、前記絶縁層の上に設けられたゲート電極と、をさらに備える請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電子放出素子であって、前記導電性部材が前記上面と前記側面とに渡って設けられていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１２】
複数の電子放出素子と、該複数の電子放出素子の各々から放出された電子が照射されることで発光する発光体と、を備える表示パネルであって、前記複数の電子放出素子の各々が請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電子放出素子であることを特徴とする表示パネル。
【請求項１３】
表示パネルと、該表示パネルを駆動するための駆動回路と、を備える画像表示装置であって、前記表示パネルが請求項１２に記載の表示パネルであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
情報信号が入力される情報処理回路と、前記情報信号に含まれる情報を表示する表示パネルと、を備える情報表示装置であって、前記表示パネルが請求項１２に記載の表示パネルであることを特徴とする情報表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１５７４９０（Ｐ２０１０−１５７４９０Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３３５０３（Ｐ２００９−２３３５０３）
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月７日（２００９．１０．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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