JP2000003663A

JP2000003663A - 微小電界放出冷陰極装置

Info

Publication number: JP2000003663A
Application number: JP18559598A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsukada; 浩司塚田; Tokuo Fujitsuka; 徳夫藤塚; Hirobumi Funabashi; 博文船橋; Takahiro Ozawa; 隆弘小澤; Motofumi Suzuki; 基史鈴木; Yasunori Taga; 康訓多賀
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】微小電界放出冷陰極装置において、高周波特性
を向上させること。【解決手段】ゲート電極１６を単数を含む複数の棒状ゲ
ート電極１３により構成し、同じく単数を含む複数の支
持棒１４でそのゲート電極１６を支え、そのゲート電極
の一部がエミッタ電極１２の先端周囲に位置するよう配
置する。このゲート電極１６の構成によると、基板１１
と対向する面積が小さくなるため、静電容量Ｃが低減す
る。また、ゲート電極１６直下は略空隙となるので、そ
の誘電率は約１となり、静電容量Ｃが低減する。その結
果、静電容量Ｃに逆比例する遷移周波数が高くなり高周
波特性が向上する。また、エミッタ電極１２が複数形成
される場合には、ゲート電極１６を形成するその棒状ゲ
ート電極１３を互いに連結させる。これにより、１つの
制御信号で大電流を流すことができる。従って、高周波
特性の向上に加え大電流化も実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エミッタ電極・ゲ
ート電極・アノード電極がマイクロマシニング技術によ
って作成される微小電界放出冷陰極装置に関する。特
に、ゲート電極を棒状あるいは格子状にして静電容量を
低減し、高周波特性を向上させた微小電界放出冷陰極装
置に関する。本発明は、例えば高周波用トランジスタあ
るいは先の尖ったエミッタ電極をマトリクス状に配列
し、アノード電極を蛍光板とした平面ディスプレイに適
用できる。

【０００２】

【従来の技術】微小電界放出冷陰極装置は、３極真空管
の原理を微小固体素子に応用したものである。簡単に説
明すると、図７に示すように、導電性基板５１上に先の
尖ったエミッタ電極５２と、その先端周囲にゲート電極
５３を形成し、さらにアノード電極５５を図示しない絶
縁膜を挟んでエミッタ電極５２およびゲート電極５３に
対向するように形成したものである。

【０００３】ゲート電極５３に制御電圧がかけられる
と、エミッタ電極５２から電子が真空中に放出される。
放出された電子は、エミッタ電極・アノード電極間に掛
けられた強電界に沿って飛行しアノード電極に取り込ま
れる。その放出量すなわちアノード電流をゲ−ト電圧に
よって制御しようとする素子である。尚、上記ゲート電
圧は約５０Ｖ、アノード電圧は約５００Ｖである。この
ゲート電極に高周波制御信号を印加することで、高周波
増幅器、高速応答素子等が得られる。この微小電界放出
冷陰極装置は、トランジスタやアノード電極側に蛍光塗
料が塗布された平面ディスプレイ等への応用が期待さ
れ、その高周波動作が要求されている。

【０００４】従来例として、例えば特開平６ー３４９４
０２号公報あるいはC.A.Spint らによる論文（JVSTB,vo
l11(2),p468(1993) ）に記載の微小電界放出冷陰極装置
が知られている。これは、エッチング技術、成膜技術等
のＬＳＩ製造技術によって作成される所謂スピント型と
言われ、基板軸に対する斜め方向からの蒸着と基板の回
転を利用して、円錐形状にエミッタ電極が形成されるも
のである。具体的には、図６に示すように先ず基板上に
抵抗層、絶縁膜および開口を有したゲ−ト電極が順次形
成される。その後、開口よりエミッタ電極の形成予定部
分の絶縁膜をエッチングして凹部が形成され、その凹部
内にモリブデン等を斜め蒸着させることにより円錐形状
のエミッタ電極が形成される。このようにして、微小電
界放出冷陰極装置は形成されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造をとる微小電界放出冷陰極装置は高周波動作に
限界があった。なぜなら、ゲート電極にかけられる高周
波制御電流がゲート電極と基板間の静電容量Ｃにより直
接基板側にリークし、十分な電界がエミッタ電極先端に
発生しないからである。換言すれば、トランジスタにお
いてゲート電極と基板間の静電容量Ｃと限界動作周波数
である遷移周波数（遮断周波数）ｆ_Tは、ｆ_T＝ｇｍ／
２π・Ｃの逆比例の関係にあるからである。ここで、ｇ
ｍは相互コンダクタンスと呼ばれ、エミッタ電極の物
性、先端形状等による制御電圧に対する放出電子量の比
例係数である。つまり、遷移周波数ｆ_Tは上式によって
規定されている。

【０００６】例えば、従来の微小電界放出冷陰極装置の
遷移周波数ｆ_Tは、ｇｍを数十μ（（Ｓ）、静電容量Ｃ
を１×１０^-15（Ｆ）とすると、その遷移周波数ｆ_Tは
数ＧＨｚ程度であった。また、クオーツ基板上に作成し
たSpint らの報告（J.Ｖac.Sci.Technol.B，11(2) ，p4
68-473(1993)) によっても、ｇｍが１×１０^-3（Ｓ），
Ｃが１×１０^-13（Ｆ）程度でその遷移周波数ｆ_Tは１
ＧＨｚ程度である。そのため、さらなる高周波化のため
にはこのゲート電極と基板間の静電容量を下げる必要が
あり、様々な静電容量Ｃの低減化が試みられている。

【０００７】例えば、特開平６ー３４９４０２号公報で
は、ゲート電極と基板間にさらに第２絶縁層を設け静電
容量の低減化を図っている。それは、ゲート電極と基板
間の絶縁層に新たに０．５μｍ厚の窒化シリコンを付加
するものである。しかしながら、窒化シリコンの比誘電
率を考え合わせても、その効果は高々数分の１程度しか
なく、飛躍的に静電容量Ｃを低減させるものではなかっ
た。また、上記ゲート電極上に微小孔をあけ上記窒化シ
リコン層をエッチングにより取り除き空隙にする提案が
ある。これは、空隙にすることにより比誘電率を１と
し、上記静電容量を低減させようとするものである。し
かしながら、この場合は第２絶縁層を設ける工程に加
え、さらにその第２絶縁層に微孔を開け空隙にする複雑
な工程が加わるので、コスト高になるという問題があっ
た。また、性能も安定するものではなかった。

【０００８】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、上記静電容量は比誘電率と絶縁膜厚
およびゲート電極と基板の面積に依存することに着目
し、ゲート電極の形状を棒状とし、かつゲート電極下に
空隙を持たせることにより静電容量を低減させ微小電界
放出冷陰極装置の高周波特性を高めることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段・作用・効果】この目的を
達成するために本発明の請求項１記載の微小電界放出冷
陰極装置は、基板上に形成された先の尖ったエミッタ電
極とこのエミッタ電極先端部の周囲に形成され真空中の
電子放出を制御するゲート電極とエミッタ電極の先端部
と対向するアノード電極とを有する微小電界放出冷陰極
装置であって、ゲート電極は単数を含む複数の棒状ゲー
ト電極からなり、基板上に立設された単数を含む複数の
絶縁体からなる支持棒によってそのゲート電極の一部が
エミッタ電極の先端周囲に保持されている。ここで、エ
ミッタ電極が平面上に格子状に複数形成される場合に
は、そのゲート電極は互いに連結され格子状に形成され
るのが望ましい。

【００１０】ゲート電極と基板間には静電容量が発生す
る。この静電容量は、比誘電率とゲート電極の面積に比
例し基板との離間距離に反比例する。上述の様にゲート
電極は、単数を含む複数の棒状ゲート電極から構成され
ているため、従来の板状ゲート電極よりその面積が小さ
い。これは上記静電容量を低減させる効果がある。ま
た、ゲート電極は単数を含む複数の絶縁体からなる支持
棒によって保持されている。そのため、ゲート電極・基
板間はほとんど空隙である。従って、上記誘電率は略真
空の誘電率であり、従来の絶縁膜の誘電率より小さい。
これも、上記静電容量を低減させる効果がある。この両
効果により、請求項１の微小電界放出冷陰極装置の静電
容量は従来より大きく低減せられる。トランジスタ等の
本素子の動作限界周波数を示す遷移周波数はこの静電容
量に反比例する。従って、従来より遷移周波数が高くな
り高周波特性が向上する。

【００１１】また、エミッタ電極を平面上に格子状に複
数形成される場合には、ゲート電極は互いに連結されて
いる。よって、１つの制御信号で多数のエミッタから電
子を放出させることができる。従って、従来に比べて高
周波特性の改善と大電流化の両方を実現する優れた微小
電界放出冷陰極装置となる。

【００１２】請求項２記載の微小電界放出冷陰極装置
は、基板上に形成された先の尖ったエミッタ電極とこの
エミッタ電極先端部の周囲に形成され、電子放出を制御
するゲート電極とエミッタ電極の先端部と対向するアノ
ード電極とを有する微小電界放出冷陰極装置であって、
基板に立設された楔形エミッタ電極と、その楔形エミッ
タ電極に隣接して立設された単数を含む複数の絶縁部材
と、その絶縁部材で支持され、楔形エミッタ電極先端部
に沿って形成された棒状ゲート電極を備えている。な
お、前記絶縁部材は板状に立設されても、棒状に立設さ
れていも良い。絶縁部材が板状の場合には、板の上部に
棒状ゲート電極が配設され、絶縁部材が棒状の場合に
は、棒状ゲート電極は請求項１と同様にＴ字状に支持さ
れることになる。前記棒状ゲート電極は前記エミッタ電
極を挟んで両側に立設されるのが望ましい。

【００１３】上述のように、先の尖ったエミッタ電極に
代えて楔形エミッタ電極が形成されているので、従来よ
り多くの電子を放出することができる。よって、従来に
比べてさらに大電流を得ることができる。また、絶縁部
材が楔形エミッタ電極に隣接して立設され、その絶縁部
材上部に棒状ゲート電極が形成されている。棒状ゲート
電極と基板間の静電容量は、その絶縁部材の高さによっ
て決められる。従って、これを調整することにより、高
周波特性を高めることができる。又、絶縁部材を棒状と
することで、棒状ゲート電極の下部を真空とすることが
できる。よって、大電流化とともに高周波特性を高めた
優れた微小電界放出冷陰極装置となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。尚、本発明は下記実施例に限定され
るものではない。（第１実施例）図１に本発明の微小電界放出冷陰極装置
の構成図を示す。本発明による微小電界放出冷陰極装置
１０は、基板１１、その基板１１上に形成された先の尖
ったエミッタ電極１２、エミッタ電極１２の先端を取り
囲む複数の棒状ゲート電極１３からなる格子状のゲート
電極１６、格子状のゲート電極１６と基板１１の離間距
離を規定する絶縁体からなる複数の支持棒１４およびそ
れらに対向して設けられたアノード電極１５から構成さ
れる。尚、基板１１は導電性を有する基板である。

【００１５】上記構成要素は、リソグラフィによるパタ
ーンニング技術、エッチング技術、エピタキシャル成膜
技術を中心とした所謂プレ−ナ技術で形成される。製造
方法について、簡単に説明する。例えば、先ず表面が平
坦に研磨されたｎ伝導型単結晶シリコンからなる基板１
１上に、図示しない犠牲層を所定厚さに作成する。これ
は、ゲート電極１６と基板１１間に所定の離間距離を確
保するためである。次に、エッチング技術等で支持棒１
４が形成される箇所に微小孔を形成し、その後、成膜技
術等でその中に支持棒１４を形成する。次いで、成膜技
術等でその上に格子状のゲート電極１６を形成する。次
に、同じくエッチング技術等でエミッタ電極１２が形成
される箇所に微小孔を形成する。その後同様に成膜技術
等で、その微小孔中にエミッタ電極１２を形成する。最
後に犠牲層をエッチング技術等で取り除き、先の尖った
エミッタ電極１２，支持棒１４に支えられた格子状のゲ
ート電極１６が形成される。そして、最後にアノード電
極１５が図示しないスペーサによって支持され、その全
体がガラス容器等に真空封入されて完成される。

【００１６】このように、微小電界放出冷陰極装置は作
成されるが、本発明の微小電界放出冷陰極装置では、ゲ
ート電極１６が棒状ゲート電極１３によって構成されて
おり、かつ支持棒１４によって支えられているため、エ
ミッタ電極１２と導電基板間の静電容量Ｃが極めて小さ
く構成されるのが特徴である。

【００１７】一般に、ゲート電極と基板が対向する構造
を持つ微小電界放出冷陰極装置は、ゲート電極と基板間
に静電容量Ｃが発生する。そして、それにより高周波動
作が制限される。この静電容量Ｃは次式によって決定さ
れる。

【数１】Ｃ＝εε₀Ｓ／ｄ …（１）ここで、εは両電極間の比誘電率、ε₀は真空の誘電
率、Ｓは両電極の重なり合う面積（以下、対向面積とい
う）ｄは両電極の離間距離である。この静電容量Ｃが大
きくなると、高周波動作時には低インピーダンスとな
り、高周波制御電流がゲート電極から基板へリークす
る。その結果、高周波領域での増幅率が制限される。特
に、増幅率１の場合は上述のように遷移周波数は、関係
式ｆ_T＝ｇｍ／２π・Ｃで規定される。つまり、高周波
特性は相互コンダクタンスｇｍ、静電容量Ｃの両方で規
定される。特に静電容量Ｃを決定する比誘電率ε、対向
面積Ｓ、両電極の離間距離ｄを選択すれば、大きく高周
波特性を向上させる事ができる。

【００１８】例えば、１０ＧＨｚ以上の遷移周波数が必
要な場合は、相互コンダクタンスｇｍを２×１０
^-5（Ｓ）とした場合、図２の遷移周波数ｆ_Tとｇｍ、Ｃ
のグラフより静電容量Ｃは５×１０^-16（Ｆ）以下を選
択すれば良いことが分かる。そのため、本発明では、ゲ
ート電極１６を棒状ゲート電極１３により構成し、その
対向面積Ｓを従来の１／５に低減した。また、ゲート電
極１６と基板１１間を支持棒１４を除いて空隙とするこ
とにより誘電率を約１／２とした。さらに、エミッタ電
極１２、支持棒１４の高さをそれぞれ２倍とすることに
よって、合計、従来の１／２０とし上記静電容量Ｃを
０．５×１０^-14（Ｆ）とした。これにより、遷移周波
数ｆ_Tは、従来の１ＧＨｚに対して２０ＧＨｚとなり高
周波特性を向上させる事ができた。

【００１９】（第２実施例）図３に本発明による微小電
界放出冷陰極装置の第２実施例を示す。図は構成図であ
る。本発明による微小電界放出冷陰極装置２０は、導電
性を有するｎ型シリコン基板２１、そのｎ型シリコン基
板２１上に立設された楔形エミッタ電極２２、楔形エミ
ッタ電極２２を挟んで隣接され、同じくｎ型シリコン基
板２１上に立設された絶縁板（絶縁部材）２３、その絶
縁板２３上部に形成された棒状ゲート電極２５、楔形エ
ミッタ電極２２に対向して形成されたアノード電極２６
およびそのアノード電極２６を支える絶縁層２４から構
成される。図４に楔形エミッタ電極２２と絶縁板２３お
よび棒状ゲート電極２５の詳細正面図を示す。棒状ゲー
ト電極２５は、楔形エミッタ電極２２の先端より上方に
楔形エミッタ電極２２に沿って平行に配置されている。
エミッタ電極２２の上部には第１アノード電極２６ａと
第２アノード電極２６ｂとが形成されている。その２つ
のアノード電極２６ａ、２６ｂは両端が接合されてお
り、エミッタ電極２２の上部には楔型の真空内室２７が
形成されている。尚、上記構成要素も第１実施例と同
様、リソグラフィによるパターンニング技術、エッチン
グ技術、エピタキシャル成膜技術によって作成される。

【００２０】第１実施例と異なる所は、先の尖った円錐
形のエミッタ電極１２に代えて楔形エミッタ電極２２を
採用したことである。電子が放出される先端部が直線状
に伸びているので、放出面積が増加し、相互コンダクタ
ンスｇｍが２倍に向上している。実測によると、約２×
１０^-3（Ｓ）であった。従って、この形状は第１実施例
や、従来例に比べて、２倍の電流を流すことを可能にし
ている。また、相互コンダクタンスが２倍となるので、
その効果だけ考慮すると、上式（１）よりその遷移周波
数ｆ_Tを２倍に向上させることができる。よって、大電
流化と高周波動作を同時に可能とする優れた微小電界放
出冷陰極装置となる。次に、棒状ゲート電極２５を絶縁
板２３の上部に形成し、その高さを従来の５倍の５μｍ
とした。従来が約１μｍであるので、これは静電容量Ｃ
を１／５に低減させる効果がある。又、棒状ゲート電極
２５の幅Ｗを０．５μｍとした。この幅は、従来例のゲ
ート電極の幅が３μｍであるので、その幅Ｗは１／６と
なる。この棒状ゲート電極２５の幅と高さとにより、従
来例よりも、ゲート電極とエミッタ電極間の静電容量
は、１／３０となる。これに、相互コンダクタンスが２
倍になったことを考慮すると、遷移周波数についてはｆ
_Tを６０倍の６０ＧＨｚに向上させることができる。

【００２１】さらに、絶縁板２３の幅Ｗをより小さく、
すなわち棒状ゲート電極２５の幅をさらに小さくするこ
とによって対向面積を減少させ、静電容量Ｃをさらに低
減させることも可能である。その場合は、さらに遷移周
波数ｆ_Tを向上させることができる。従って、大電流化
と、さらなる高周波動作を同時に可能とする微小電界放
出冷陰極装置となる。

【００２２】尚、基板２１とエミッタ電極２２とをシリ
コンで形成し、エミッタ電極２２の高さを４μｍ以上、
エミッタ電極２２の幅Ｗ_eを０．５μｍ以下、アノード
電極２６が金メッキで構成し、厚さ、３μｍ以上、真空
内室２７の下部の幅Ｗ_rを２．５μｍ以下とすること
で、遷移周波数を拡大することができる。

【００２３】（変形例）以上、本発明を表わす１実施例
を示したが、他にさまざまな変形例が考えられる。例え
ば、第１実施例において直方体の棒状ゲート電極１３を
用いたが、これに限定するものではなく、断面形状が円
形，楕円形，三角形など自由に選択できる。また、第１
実施例においては、棒状ゲート電極１３はその端部がエ
ミッタ電極１２を取り囲むように対向して設けられてい
るが、図５の上視図に示すように棒状ゲート電極１３の
側面が対向するようにエミッタ電極１２の先端を取り囲
んでも良い。

【００２４】また、第１実施例においてエミッタ電極１
２が複数の場合、棒状ゲート電極１３連結し、四角形を
基本とする格子状のゲート電極１６を用いて説明した
が、この形状に特に限定する必要はなく、エミッタ電極
の配置に応じて三角形、六角形など様々な形状が取られ
る。また、第１実施例においてエミッタ電極１２の形状
を円錐形としたが、上部を円錐形とし下部を円柱形とし
ても差し支えない。

【００２５】また、第２実施例ではｎ型シリコン基板２
１を用いたが、これに代えてガラス基板に金、アルミ等
を蒸着した導電性基板を用いてもよい。また、第２実施
例において、絶縁板２３に代えて、棒状の絶縁部材とし
ても良い。これにより、棒状ゲート電極２５の下を真空
とすることができ、静電容量をさらに低下させることが
できる。また、第２実施例では単数の楔形エミッタ電極
を用いたが、これを列設し、さらに大電流化を実現して
も良い。

【００２６】また、第１実施例および第２実施例におい
て、エミッタ電極をそれぞれモリブデン、シリコンとし
たがそれらに限定するものではなく、チタン等他の材料
でもよい。エミッタ電極を構成する材料の仕事関数が所
定の値であれば特に限定するものではない。

【００２７】また、第１実施例の円錐形状のエミッタ電
極および第２実施例の楔形エミッタ電極において、それ
ら先端部に負の電子親和力を有するダイヤモンド薄膜を
形成してもよい。ダイヤモンド薄膜は、上記相互コンダ
クタンスｇｍを向上させる効果がある。これにより、大
電流化と高周波特性の向上をさらに図ってもよい。

【００２８】その他様々な変形例が考えられるが、微小
電界放出冷陰極装置においてゲート電極と基板との静電
容量を低減するため、ゲート電極を対向面積の小さい棒
状ゲート電極によって構成するとともにそのゲート電極
を支持棒によって支え、その直下を略空隙とし、その結
果微小電界放出冷陰極装置の高周波特性を向上させる本
発明の主旨に沿うものであればその方式は問わない。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る微小電界放出冷陰極
装置の斜視図。

【図２】遷移周波数ｆ_Tと相互コンダクタンスｇｍと静
電容量Ｃの関係を表すグラフ。

【図３】本発明の第２実施例に係る微小電界放出冷陰極
装置の斜視図。

【図４】本発明の第２実施例にかかる楔形エミッタ電極
と絶縁板と棒状ゲート電極の関係を表す詳細正面図。

【図５】本発明の第１実施例に係るゲート電極とエミッ
タ電極の位置関係の変形例を示す上面図。

【図６】従来のスピント型による製造方法を示した工程
図。

【図７】従来の微小電界放出冷陰極装置の構成図。

【符号の説明】

１１基板１２エミッタ電極１３棒状ゲート電極１４支持棒１５アノード１６ゲート電極２１ｎ型シリコン基板２２楔形エミッタ電極２３絶縁板２４絶縁層２５棒状ゲート電極２６アノード

フロントページの続き (72)発明者船橋博文愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者小澤隆弘愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者鈴木基史愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者多賀康訓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された先の尖ったエミッタ電
極とこのエミッタ電極先端部の周囲に形成され真空中の
電子放出を制御するゲート電極とエミッタ電極の先端部
と対向するアノード電極とを有する微小電界放出冷陰極
装置において、前記ゲート電極は単数を含む複数の棒状ゲート電極から
なり、前記基板上に立設された単数を含む複数の絶縁体
からなる支持棒によって該ゲート電極の一部がエミッタ
電極の先端周囲に保持されたことを特徴とする微小電界
放出冷陰極装置。
【請求項２】基板上に形成された先の尖ったエミッタ電
極とこのエミッタ電極先端部の周囲に形成され電子放出
を制御するゲート電極とエミッタ電極の先端部と対向す
るアノード電極とを有する微小電界放出冷陰極装置であ
って、前記基板に立設された楔形エミッタ電極と、該楔形エミッタ電極に隣接して立設された単数を含む複
数の絶縁部材と、前記絶縁部材で支持され、前記楔形エミッタ電極先端部
に沿って形成された棒状ゲート電極とを備えたことを特
徴とする微小電界放出冷陰極装置。