JP2001023506A - 電子放出源およびその製造方法ならびにディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧駆動、電流量の均一化、電子ビームの
広がり回避、長寿命化を実現し、さらに製造時の電極間
の短絡を防止する。 【解決手段】 下部基板１１上には帯状の複数本のカソ
ード電極ライン１３が形成されている。カソード電極ラ
イン１３上には、絶縁層１４が形成され、その上にカソ
ード電極ライン１３と交差する帯状の複数本のゲート電
極ライン１５が形成されている。カソード電極ライン１
３とゲート電極ライン１５との各交差箇所には多数の微
細孔１７が形成され、この領域がディスプレイの１つの
画素に対応している。各微細孔１７は、上記絶縁層１４
とゲート電極ライン１５とを貫通してカソード電極ライ
ン１３に到達し、微細孔１７内には金属製の断面が台形
状の凸構造が突設され、その頂部に炭素膜による電子放
出部が形成されている。上記絶縁層１４は、微細孔１７
の短径の１／２の厚さに形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば極薄型のデ
ィスプレイ装置に使用して好適な電子放出源、およびそ
の製造方法、ならびに同電子放出源を用いたディスプレ
イ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えば極薄型のディスプレイ装
置としては、画面の内側の箇所にパネル状の電子放出源
を設け、その画素領域内に電子放出材料から成る多数の
マイクロチップを形成し、所定の電気信号に応じて対応
する画素領域のマイクロチップを励起することでスクリ
ーンの蛍光面を光らせるものが提案されている。この電
子放出源では、帯状に形成された複数本のカソード電極
ライン（第１の電極）と、このカソード電極ラインの上
部においてカソード電極ラインと交差して帯状に形成さ
れた複数本のゲート電極ライン（第２の電極）とが設け
られ、上記カソード電極ラインの上記ゲート電極ライン
との各交差領域がそれぞれディスプレイ装置における画
素に対応し、これらの領域に上記マイクロチップが配設
されている。

【０００３】具体的に説明すると、従来の電子放出源
は、図１５に示したように、例えばガラス材料より成る
下部基板１０１の表面上に帯状の複数本のカソード電極
ライン１０３が形成されている。これらのカソード電極
ライン１０３上には各接続端部１０３ａを除いて絶縁層
１０４が成膜され、その上に各カソード電極ライン１０
３と交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ライ
ン１０５が形成されている。各カソード電極ライン１０
３の接続端部１０３ａおよび各ゲート電極ライン１０５
の接続部端部１０５ａが制御手段１０９にそれぞれ接続
されている。

【０００４】各カソード電極ライン１０３の各ゲート電
極ライン１０５との各交差領域には、ゲート電極ライン
１０５と上記絶縁層１０４とを貫通してカソード電極ラ
イン１０３の表面に至る多数の微細孔１７が形成され、
微細孔１７内にマイクロチップ１０６が突設されてい
る。これらのマイクロチップ１０６は、例えばモリブデ
ンなどの電子放出材料より成り、ほぼ円錐体に形成さ
れ、それぞれカソード電極ライン１０３上に配されてい
る。そして、各マイクロチップ１０６の円錐体の先端部
は、ゲート電極ライン１０５の膜面の高さにほぼ位置し
ている。このように、各カソード電極ライン１０３の各
ゲート電極ライン１０５との各交差領域には多数のマイ
クロチップ１０６が設けられて画素領域が形成され、個
々の画素領域がディスプレイ装置の１つの画素（ピクセ
ル）に対応している。

【０００５】この電子放出源１００においては、上記制
御手段１０９により所定のカソード電極ライン１０３お
よびゲート電極ライン１０５を選択してこれらの間に所
定の電圧をかけることで、対応する画素領域内の各マイ
クロチップ１０６に上記所定電圧が印加され、各マイク
ロチップ１０６の先端からトンネル効果によって電子が
放出される。なお、この所定電圧は各マイクロチップ１
０６がモリブデンの場合、各マイクロチップ１０６の円
錐体の先端部付近の電界の強さがおおむね１０ ^-8〜１０
^-10Ｖ／ｍとなる程度の値である。

【０００６】図１５の電子放出源１００をディスプレイ
装置に用いる場合には、ゲート電極ライン１０５との間
に間隔をおいて設けた透明な上部基板（図示せず）を電
子放出源１００に対して組み合わせる。上部基板の下面
には帯状のアノード電極ラインと、アノード電極ライン
上の蛍光ストライプとが形成されている。アノード電極
ラインは、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄ
ｅ）などの透明導電材料から成り、その接続端部におい
て制御手段１０９に接続されている。上部基板と下部基
板１０１との間の空間は高真空領域となっている。

【０００７】このようなディスプレイ装置において、所
要の画素領域を励起することで各マイクロチップ１０６
から放出された電子が、制御手段１０９によりカソード
電極ライン１０３と上記アノード電極ライン間に印加さ
れた電圧によって加速され、ゲート電極ライン１０５と
アノード電極ライン間の真空領域を通って上記蛍光スト
ライプに到達する。そして、電子の入射箇所において蛍
光ストライプから可視光が発せられ、この可視光が、透
明なアノード電極ラインや上部基板を通して観察される
ことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記電子放出
源には次のような問題点がある。第１に、マイクロチッ
プ１０６は、特にその先端部をマイクロチップ１０６間
で均一に製造することが困難である。マイクロチップ１
０６の形状がマイクロチップ１０６ごとに異なると、各
マイクロチップ１０６から放出される電子の量、すなわ
ち電流量が画素ごとに変化してしまい、ディスプレイ装
置の上部基板上に形成される光輝点が不均質となって、
画像品質が劣化する。

【０００９】また、マイクロチップ１０６は後述のよう
に真空蒸着法の特性であるステップカバレッジ悪さを利
用してセルフアラインで形成するので、マイクロチップ
１０６の高さは、微細孔１７の径によって変化する。し
たがって微細孔１７の径のばらつきが大きいと、マイク
ロチップ１０６の高さも大きく変化してしまう。その結
果、微細孔１７の開口縁部のゲート電極１０５とマイク
ロチップ１０６の先端部との位置関係にばらつきが生
じ、各マイクロチップ１０６から放出される電子の量が
画素内でも画素間でも変化し、ディスプレイ装置の上部
基板に形成される光輝点の明るさが場所により異なった
ものとなり、画像品質が劣化する。

【００１０】第２に、下部基板１０１と上部基板との間
の高真空領域に残存するガスがイオン化し、マイクロチ
ップ１０６をスパッタリングすることにより、マイクロ
チップ１０６の先端形状が経時的に劣化し易く、電流量
が減少するという問題ある。

【００１１】第３に、マイクロチップ１０６から放出さ
れる電子の飛翔方向は、カソード面に垂直な方向に対し
て±３０度程度の範囲に広がっているため、蛍光ストラ
イプ面の発光領域も拡大する。これはディスプレイの高
精細化において不利である。

【００１２】第４は製造工程上の問題である。マイクロ
チップ１０６は通常、ゲート電極ライン１０５上にリフ
トオフスペーサを残して、モリブデンなどの高融点金属
を真空蒸着することで形成される。真空蒸着法の特性で
あるステップカバレッジの悪さを逆に利用することによ
り、円錐形のマイクロチップ１０６がセルフアラインで
形成される。その後、リフトオフスペーサ上にも堆積し
たモリブデンなどの高融点金属をリフトオフで除去す
る。しかし、このとき剥離した金属片が微細孔内に入り
込み、マイクロチップ１０６とゲート電極ライン１０５
とが短絡され、したがって、カソード電極ライン１０３
とゲート電極ライン１０５とが短絡してしまうことがあ
り、その結果、製造歩留まりが低下する。

【００１３】また、低電圧でマイクロチップ１０６から
電子を放出させるには、微細孔１７の径をたとえば０．
５μｍ以下にまで小さくしなければならず、そのような
微細なパターンを形成するには縮小露光装置（ステッパ
の一種）を使用する必要がある。したがって、この点で
も製造歩留まりが低下しがちである。

【００１４】これらの問題を回避すべく、特開平８−５
５５６４号公報には、電子放出面を用いた電子放出源が
開示されている。この従来技術では、マイクロチップ１
０６の代わりに電子放出面を用いているため、マイクロ
チップ１０６に係わる上記問題は回避することができ
る。しかし、この技術ではカソード電極ライン１０３と
ゲート電極ライン１０５との間の距離が、マイクロチッ
プ１０６を用いた場合より長くなり、したがって、ディ
スプレイ装置において高輝度を得るために充分な電流量
を確保しようとすると、上記電極間に高い電圧を印加す
る必要があり、絶縁破壊が懸念されるなどの新たな問題
が発生する。

【００１５】本発明は、このような従来技術の課題を解
決しようとするものであり、その目的とするところは、
低い電圧で駆動でき、電流量が均一であるとともに電子
ビームの広がりが少なく、しかも長寿命であり、さらに
電極間の短絡の虞の少ない電子放出源を提供し、かつ同
電子放出源の製造方法、ならびに同電子放出源を用いた
ディスプレイ装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、基板上に延在する第１の電極と、前記第１
の電極の上に絶縁層を介して延在する第２の電極とを有
し、前記第２の電極上に開口し前記絶縁層を貫通して前
記第１の電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成され
た電子放出源であって、前記微細孔内の前記第１の電極
上に突設された、断面が台形状の金属製の凸構造を備
え、前記凸構造の頂部に電子放出物質から成る電子放出
部が形成され、前記絶縁層の厚さは、前記微細孔の短径
の１／２以下であることを特徴とする。

【００１７】また、本発明は、基板上に第１の電極と、
絶縁層と、第２の電極とをこの順番で形成し、前記第２
の電極上に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記
第１の電極に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工
程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔内
の前記第１の電極上に、断面が台形状の金属製の凸構造
を突設し、前記凸構造の頂部に電子放出物質から成る電
子放出部を形成し、前記絶縁層は、前記微細孔の短径の
１／２以下の厚さに形成することを特徴とする。

【００１８】また、本発明は、基板上に延在する第１の
電極と、前記第１の電極の上に絶縁層を介して延在する
第２の電極とを有し、前記第２の電極上に開口し前記絶
縁層を貫通して前記第１の電極に至る１つまたは複数の
微細孔が形成され、前記微細孔内の前記第１の電極上に
突設された、断面が台形状の金属製の凸構造を備え、前
記凸構造の頂部に炭素から成る膜状の電子放出部が形成
され、前記絶縁層の厚さは、前記微細孔の短径の１／２
以下である電子放出源と、前記電子放出源との間に間隔
をおき前記電子放出源に対向して配設されたアノード電
極および前記アノード電極上に形成された蛍光面を含む
基板とを有し、前記第１および第２の電極の間に電圧を
印加して前記電子放出部より電子を放出させ、前記電子
を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させること
を特徴とする。

【００１９】このように、本発明の電子放出源では、第
１の電極上に凸構造が突設され、その上に電子放出部が
形成されているので、電子放出面を用いた上記従来の電
子放出源に比べ、電子放出部と第２の電極との間の距離
は大幅に短縮し、したがって第１および第２の電極間に
印加する電圧を低くしても充分な電流量を確保すること
ができる。電子放出物質として例えば炭素を用いた場
合、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度を電
子放出部に印加すれば、ディスプレイ装置として必要な
電流量を確保することができ、そのため、第１および第
２の電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電
圧駆動が可能となる。

【００２０】そして、断面が台形状の凸構造の上に形成
した電子放出部はマイクロチップのような先鋭な形状で
はないため、均一に製造することが容易であり、したが
って、画素によって電流量がばらつくという問題を解決
できる。また、電子放出部がマイクロチップのような先
鋭な形状でないことから、電子放出部から放出される電
子はあまり広がることなく飛翔する。さらに、同様の理
由で、真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出
部に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出
部の形状変化は起こらず、したがって、時間の経過とと
もに電流量が減少するといったことがなく、長寿命であ
る。そして、マイクロチップの場合より、第２の電極と
電子放出部との間の距離を長くとることができるので、
電極間の短絡は生じ難く、その結果、製造歩留まりが向
上する。また、絶縁層の厚さ、すなわち微細孔の深さが
微細孔の短径の１／２以下であるため、凸構造を形成す
る際に成膜膜厚を小さく抑えることができ、材料費の削
減や製造時間の短縮を実現できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。 ［第１の実施の形態例］まず、第１の実施の形態例につ
いて説明する。図１は実施の形態例の電子放出源を拡大
して示す部分断面側面図、図５は実施の形態例の電子放
出源をさらに拡大して示す部分断面側面図、図３は実施
の形態例の電子放出源を示す部分平面図である。図２は
本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜視図であ
り、このディスプレイ装置２００は、図１などに示した
本実施の形態例の電子放出源２０２と、高真空領域３を
介して電子放出源２０２の上部に配設された上部基板２
とを含んで構成されている。

【００２２】電子放出源２０２は、図１などに示したよ
うに、例えばガラス材よりなる下部基板１１を含み、そ
の表面上には帯状の複数本のカソード電極ライン１３が
形成されている。カソード電極ライン１３上には、絶縁
層１４が形成され、絶縁層１４の上には、カソード電極
ライン１３と交差する帯状の複数本のゲート電極ライン
１５が形成されている。各カソード電極ライン１３の端
部および各ゲート電極ライン１５の端部は不図示の制御
手段にそれぞれ接続されている。

【００２３】図３に示したように、カソード電極ライン
１３とゲート電極ライン１５との各交差箇所には多数の
微細孔１７が形成され、ディスプレイ装置２００におけ
る１つの画素に対応する領域を構成している。各微細孔
１７は、図１および図５に示したように、上記絶縁層１
４とゲート電極ライン１５とを貫通してカソード電極ラ
イン１３に到達しており、微細孔１７の底部のカソード
電極ライン１３上には金属製の断面が台形状の凸構造１
６１が突設され、その頂部に電子放出部１６が形成され
ている。この電子放出部１６は炭素薄膜から成る。そし
て、本実施の形態例では、絶縁層１４の厚さは微細孔１
７の短径の１／２以下に形成され、微細孔の短径は２μ
ｍ以上となっている。また、凸構造１６１は、本実施の
形態例では、絶縁層１４の厚さの１／２以上の高さに形
成されている。

【００２４】図２に示したディスプレイ装置２００で
は、上部基板２は、高真空領域３を介して電子放出源２
０２と対向して配置されている。上部基板２の下面部に
は、ゲート電極ライン１５に対してそれぞれ平行な帯状
の複数のアノード電極ライン２１が延設され、各アノー
ド電極ライン２１の表面にはそれぞれ蛍光ストライプが
アノード電極ライン２１とともに延在している。

【００２５】上述のように構成された電子放出源２０２
において、上記制御手段により所要のカソード電極ライ
ン１３およびゲート電極ライン１５を選択してこれらの
電極間に所定の電圧をかけると、対応する画素領域内の
電子放出部１６に所定電界がかかり、電子放出部１６か
らトンネル効果によって電子が放出される。

【００２６】このとき、電子放出源２０２により構成し
たディスプレイ装置２００では、所定の画素領域を励起
することで各微細孔１７内の電子放出部１６から放出さ
れた電子が、上記制御手段によりカソード電極ライン１
３と上部基板２のアノード電極ライン２１との間に印加
された電圧によって加速され、ゲート電極ライン１５と
上部基板２との間の高真空領域３を通って上記蛍光スト
ライプに到達する。そして、電子が入射するこで蛍光ス
トライプから可視光が発せられ、この可視光は、透明な
アノード電極ライン２１や上部基板２を通して観察され
ることになる。

【００２７】このように、本実施の形態例の電子放出源
２０２では、微細孔１７内部の金属製の凸構造１６１の
断面が台形状になっており、その上端はカソード電極ラ
イン１３の表面よりゲート電極ライン１５に近づいてい
るため、電界が有効に凸構造１６１上端の電子放出部１
６の表面に印加される。したがって、より低い電圧でフ
ィールドエミッション電流を得ることができる。例えば
数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度を電子放
出部１６に印加すれば、ディスプレイ装置として必要な
電流量を確保することができ、そのため、カソード電極
ライン１３およびゲート電極ライン１５の間に印加する
電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となる。し
たがって、電子放出源２０２により構成したディスプレ
イ装置２００も低電圧で駆動することができる。特に、
本実施の形態例では、凸構造１６１は絶縁層１４の１／
２以上の高さに形成されているので、その上部はゲート
電極１５に充分に近く、確実に低電圧駆動を実現でき
る。しかも、電子放出部から放出された電子が、ゲート
電極１５に流れ込むことなく微細孔１７の開口部から飛
び出してアノード電極に入射するす割合が増加するの
で、効率よく蛍光面を発光させることができ、ディスプ
レイ装置２００の消費電力を抑える上で有効である。

【００２８】そして、断面が台形状の凸構造１６１の上
に形成した電子放出部１６はマイクロチップ１０６（図
１５）のような先鋭な形状ではないため、均一に製造す
ることが容易であり、したがって、画素によって電流量
がばらつくという問題を解決できる。これにより、ディ
スプレイ装置２００の上部基板２に形成される光輝点も
均一となり、画質が向上する。すなわち、断面が台形状
の凸構造１６１は、微細孔内に形成するものの、マイク
ロチップの場合と異なり平坦部（頂部）が主であるか
ら、形成される高さは微細孔径の影響を受け難い。した
がって微細孔の径がばらついたとしても、電子放出部の
高さは安定しており、電子放出部１６とゲート電極１５
との位置関係が変化しないことから、電子放出部１６か
らの電子放出量はほぼ一定となる。また、電子放出部１
６がマイクロチップ１０６のような先鋭な形状でないこ
とから、電子放出部１６から放出される電子はあまり広
がることなく飛翔する。これにより、ディスプレイ装置
２００の上部基板２に形成される光輝点のサイズが小さ
くなり、画像が鮮明となって画質が向上する。

【００２９】さらに、同様の理由で、真空領域に残存す
るガスがイオン化して電子放出部１６に対するスパッタ
リングが生じたとしても、電子放出部１６の形状変化は
起こらず、したがって、時間の経過とともに電流量が減
少するといったことがなく、長寿命である。そのため、
電子放出源２０２により構成したディスプレイ装置２０
０も長寿命となる。そして、マイクロチップ１０６の場
合より、第２の電極と電子放出部１６との間の距離を長
くとることができるので、電極間の短絡は生じ難く、そ
の結果、製造歩留まりが向上する。これによりディスプ
レイ装置２００の製造コストが低下する。さらに、微細
孔の短径が２μｍ以上であり、リソグラフィーにおける
パターンルールを大きくできるため、縮小露光装置など
は不要であり、製造歩留まりを高める上で有利である。
同時に、縮小露光装置や関連するプロセス装置を用いる
必要がないことから、製造設備を安価に抑えることがで
き、製造コストを削減できる。また、絶縁層の厚さ、す
なわち微細孔の深さが微細孔の短径の１／２以下である
ため、凸構造を形成する際に成膜膜厚を小さく抑えるこ
とができ、材料費の削減や製造時間の短縮を実現でき
る。

【００３０】なお、本実施の形態例では、電子放出源と
なる微細孔１７の形状は、図３に示したように円形であ
るとしたが、この形状は円形に限らず多角形や楕円形で
あってもかまわず、さらに図３に相当する図４の部分平
面図に示した微細孔１８のように１方向に延在する溝状
であってもよい。また、電子放出部１６は炭素の薄膜に
より構成する以外にもＤＬＣ（ダイアモンドライクカー
ボン）膜や、アモルファスダイアモンド膜により構成す
ることも可能である。さらに、電子放出部１６を成す炭
素の薄膜に窒素を含有させて抵抗率を低下させることも
有効であり、その結果、いっそう低い電圧によって電子
放出源２０２を駆動することが可能となる。

【００３１】また、本実施の形態例のディスプレイ装置
２００では、図２に示したように、前記電子放出源との
間に間隔をおいて上部基板２（特許請求の範囲のガラス
基板に相当）を設け、アルミニウムなどの金属を上部基
板２の電子放出源２０２に対向する下面部（電子放出源
２０２に対向する面）に蒸着することでアノード電極ラ
イン２１（特許請求の範囲のアノード電極に相当）を形
成し、蛍光面を前記アノード電極ライン２１の表面（特
許請求の範囲の電子放出源に対向する面に相当）に形成
した。しかしながら、ディスプレイ装置におけるアノー
ド電極と蛍光面との位置関係は上記と逆であってもよ
い。すなわち、電子放出源２０２との間に間隔をおいて
前記上部基板２を設け、蛍光面を前記上部基板２の電子
放出源２０２に対向する面に形成し、アルミニウムなど
の金属を前記蛍光面の前記電子放出源２０２に対向する
面に蒸着することでアノード電極ライン２１を形成する
ようにしてもよい。

【００３２】次に、電子放出源２０２の製造方法につい
て説明する。図６ないし図９は電子放出源２０２の製造
工程の各段階を示す部分断面側面図である。まず、図６
に示したように、ガラスなどから成る下部基板１１上に
ニオビウム、モリブデンまたはクロムなどを材料として
厚さ約２０００オングストローム程度の導体膜を形成す
る。その後、写真製版法および反応性イオンエッチング
法によりこの導体膜をライン形状に整形してカソード電
極ライン１３とする。

【００３３】次に絶縁層１４を、例えば二酸化珪素をス
パッタリングあるいは化学蒸着法（ＤＶＤ）により上記
カソード電極ライン１３上に成膜し、さらに絶縁層１４
上にゲート電極材料として例えばニオビウムまたはモリ
ブデンを用いて成膜する。その後、写真製版法および反
応性イオンエッチング法によりこの導体膜をカソード電
極ライン１３と交差するようなライン形状にしてゲート
電極ライン１５とする。次に、犠牲層であるアルミニウ
ム膜４０を蒸着またはスパッタリングによって形成す
る。そして、図７に示したように、ゲート電極ライン１
５と絶縁層１４とを貫通してカソード電極ライン１３の
表面に到達する平面視円形の微細孔１７を写真製版法お
よび反応性イオンエッチング法により形成する。

【００３４】つづいて、図８の部分断面側面図に示した
ように、断面が台形状の凸構造１６１をタングステン、
タンタル、モリブデン、ニオビウム、ニッケルなどの金
属を蒸着することにより微細孔１７内部に形成する。こ
のとき、図８に示したように、金属膜は微細孔底部と犠
牲層の上部に成長するが、成長とともに犠牲層の上部に
成長する金属膜４４は微細孔１７の開口の縁からせり出
すように成長し、微細孔１７の口径を狭めていく。それ
に伴って、微細孔底部に成長する金属膜４６は上部が除
々に狭まって成長していく。そのためその断面形状は台
形状となる。金属膜４６が一定の高さまで成長したら蒸
着を完了する。これにより微細孔１７内に形成された金
属膜４６が凸構造１６１となる。

【００３５】そして、図９に示したように、電子放出部
１６である炭素の膜をアーク放電法またはレーザ蒸着法
によって凸構造１６１の頂部に形成する。最後に、塩酸
などの酸溶液もしくは水酸化ナトリウムなどのアルカリ
溶液によって犠牲層であるアルミニウム膜４０をエッチ
ングするとともにその上部の金属膜４４と、電子放出部
形成時に被着した炭素の膜とを除去し、図１０に示した
電子放出源２０２を完成させる。

【００３６】本実施の形態例では、上述のように断面が
台形状の凸構造１６１を形成した後は金属膜４４のせり
出し分の距離だけ微細孔１７の口径が狭まっているた
め、電子放出部１６を形成する際に炭素薄膜によるゲー
ト、カソード間の電気的接触のトラブルが減少し信頼性
が向上する。

【００３７】なお、電子放出部１６の形成はより具体的
には次のようにして行うことができる。すなわち、炭素
固形物をアーク放電によってイオン化させて炭素イオン
および荷電炭素クラスタのいずれか一方または両方を生
成し、生成した炭素イオンおよび荷電炭素クラスタのい
ずれか一方または両方を、磁場によって屈曲した軌道に
沿って飛翔させて、下部基板１１に入射させ、微細孔１
７内の凸構造１６１の頂部に被着させて電子放出部１６
を形成する。

【００３８】また、別の方法として、レンズにより収束
させたレーザ光を真空中において炭素固形物のターゲッ
トの表面に入射させて炭素イオン、中性炭素原子、なら
びに炭素クラスタのいずれか１つまたは複数を生成し、
生成した炭素イオン、中性炭素原子、ならびに炭素クラ
スタのいずれか１つまたは複数をターゲットに対向配置
した下部基板１１に入射させ、微細孔１７内の凸構造１
６１の頂部に被着させるという方法を採ることも可能で
ある。

【００３９】［第２の実施の形態例］次に、本発明の第
２の実施の形態例について説明する。図１１は本発明の
第２の実施の形態例の電子放出源を拡大して示す部分断
面側面図である。第２の実施の形態例の電子放出源２０
３が上記電子放出源２０２と異なるのは電子放出部１６
の表面に無数の微細な突起構造、すなわちカーボンナノ
チューブ１６ｃが立設されている点である。

【００４０】表面にカーボンナノチューブ１６ｃが形成
された電子放出部１６は蒸着法または化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）によって凸構造１６１の頂部に形成することができ
る。具体的には、上述のように凸構造１６１を形成した
後、真空中にて炭素固形物に電子ビームを照射して炭素
を加熱蒸発させ、凸構造１６１の頂部に付着させて、表
面にカーボンナノチューブ１６ｃが立設された電子放出
部１６を形成する。あるいは、真空中にメタン、アセト
ン、アルコールのうちのいずれか１つまたは複数を導入
して加熱したフィラメントに接触させ、加熱分解して凸
構造１６１の頂部に付着させ、表面にカーボンナノチュ
ーブ１６ｃが立設された電子放出部１６を形成する。そ
の後、塩酸などの酸溶液もしくは水酸化ナトリウムなど
のアルカリ溶液によって犠牲層であるアルミニウム膜
（図９のアルミニウム膜４０に相当）をエッチングする
とともにその上部の金属膜と、電子放出部形成時に被着
した炭素の膜とを除去し、図１１に示した電子放出源２
０３を完成させる。

【００４１】この第２の実施の形態例の電子放出源２０
３では、電子放出源２０２と同様の効果が得られること
に加えて、電子放出部１６の表面にカーボンナノチュー
ブ１６ｃが無数に立設されているので、電界がカーボン
ナノチューブ１６ｃの先端部に集中して電子が電子放出
部１６から容易に放出され、その結果、いっそう低い電
圧で駆動することが可能である。またカーボンナノチュ
ーブ１６ｃは無数に形成されているので充分な電流量を
得ることができる。なお、この第２の実施の形態例で
も、微細孔１７の形状は、円形に限らず多角形や楕円形
であってもかまわず、さらに１方向に延在する溝状であ
ってもよい。

【００４２】［第３の実施の形態例］次に第３の実施の
形態例について説明する。図１２は第３の実施の形態例
の電子放出源を示す断面側面図、図１３は同部分平面図
である。図中、図１、図３などと同一の要素には同一の
符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここ
では省略する。

【００４３】第３の実施の形態例の電子放出源２０４は
上記第１の実施の形態例の電子放出源２０２とほぼ同様
の構成を有するが、図１３に示したように、カソード電
極ライン１３ａの１画素に対応する領域が複数箇所で切
り取られて網状となっており、さらに、図１２に示した
ように、カソード電極ライン１３ａの上に導体の薄膜１
８を形成した点で異なっている。すなわち、図１３に示
したように、カソード電極ライン１３ａは、その１画素
に対応する領域において、複数の矩形領域１３ｂで削除
した形状に形成されている。矩形領域１３ｂ（削除領
域）は本実施の形態例ではほぼ正方形であり、一例とし
て３×３のマトリクス状に配列されている。

【００４４】図１２に示したように、カソード電極ライ
ン１３ａの上に、矩形領域１３ｂの箇所も含めて全体
に、カソード電極ライン１３ａより高い抵抗値を有する
導体の薄膜１８が形成されている。この薄膜１８はカソ
ード電極ライン１３ａに接しているため、カソード電極
ライン１３ａと同電位となり、カソード電極として機能
する。そして、各矩形領域１３ｂ中央部のほぼ正方形の
領域に、多数の微細孔１７が形成され、各微細孔１７は
図１２に示したように、上記薄膜１８の表面に達する深
さに形成されている。各微細孔１７の内部には薄膜１８
上に凸構造１６１がそれぞれ突設されている。各凸構造
１６１の頂部には上記実施の形態例と同様、炭素膜によ
る電子放出部１６が形成されている。

【００４５】このような構成の電子放出源２０４では、
図１３に示したように、各矩形領域１３ｂにおいて、外
側の微細孔１７とカソード電極ライン１３ａの内縁４と
の間には一定の距離を確保でき、各矩形領域１３ｂ内の
各凸構造１６１と周囲のカソード電極ライン１３ａとの
間に、充分な距離をおいて薄膜１８を介在させることが
できる。したがって、本実施の形態例では、第１の実施
の形態例と同様の効果が得られ、さらに、製造時に金属
片などが微細孔１７内に入り込んでカソード電極ライン
１３ａとゲート電極ライン１５とが短絡したとしても、
薄膜１８の抵抗によって電子放出部１６を通じて流れる
電流が抑えられ、電子放出部１６の破壊を防止できると
いう効果が得られる。

【００４６】また、カソード電極ライン１３ａと電子放
出部１６との間に抵抗値の高い薄膜１８が介在するの
で、電子放出部１６からの電子の放出量のばらつきを抑
えることができる。すなわち、ある電子放出部からの電
流量が大きくなると抵抗値の高い近傍の薄膜１８を通じ
て大きい電流が流れ、その結果、電子放出部に印加され
る電圧が低下し、電子放出部から放出される電子の量が
低下する。したがって、電子放出部１６間および画素間
の電流量のばらつきが抑えられる。

【００４７】なお、本実施の形態例では、カソード電極
ライン１３ａの上に薄膜１８を形成するとしたが、薄膜
１８の上にカソード電極ライン１３ａを形成する構造と
してもよく、同様の効果が得られる。また、薄膜１８の
材料としては、動作時に電子放出部１６がカソード電極
ライン１３ａと実質的に同電位になる範囲で、カソード
電極ライン１３ａより抵抗値の大きい導体を用いればよ
い。したがって、半導体材料を用いることも無論可能で
ある。

【００４８】そして、本実施の形態例ではカソード電極
ライン１３ａの１画素に相当する領域においてカソード
電極ライン１３ａを複数の正方形の矩形領域１３ｂで削
除した形状に形成するとしたが、削除する領域の形状は
正方形に限らず、長方形としてもよく、さらに他の形状
とすることも可能である。また矩形領域１３ｂの数も、
本実施の形態例のように９とする以外にも、１あるいは
その他の数とすることができる。さらに、微細孔１７の
形状は円形だけでなく、多角形や楕円形、あるいは１方
向に伸びた溝状であってもよい。

【００４９】［第４の実施の形態例］次に、本発明の第
４の実施の形態例について説明する。図１４は第４の実
施の形態例の電子放出源を示す部分断面側面図である。
図１４に示した電子放出源２０５は、上記電子放出源２
０４と基本的に同様の構成を有しているが、各電子放出
部１６の表面に無数の微細突起構造、すなわちカーボン
ナノチューブ１６ｃが立設されている点で異なってい
る。表面にこのようなカーボンナノチューブ１６ｃが形
成された電子放出部１６は、第２の実施の形態例に関し
て説明したように、蒸着法または化学蒸着法（ＣＶＤ）
によって凸構造１６１の頂部に形成することができる。

【００５０】具体的には、凸構造１６１を形成した後、
たとえば、真空中にて炭素固形物に電子ビームを照射し
て炭素を加熱蒸発させ、凸構造１６１の頂部に付着させ
て、表面にカーボンナノチューブ１６ｃが立設された電
子放出部１６を形成する。そして、塩酸などの酸溶液も
しくは水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液によって犠
牲層であるアルミニウム膜をエッチングするとともにそ
の上部の金属膜と、電子放出部形成時に被着した炭素の
膜とを除去し、図１４に示した電子放出源２０５を完成
させる。この第４の実施の形態例の電子放出源２０５で
は、電子放出源２０４と同様の効果が得られることに加
えて、電子放出部１６の表面にカーボンナノチューブ１
６ｃが無数に立設されているので、電子放出源２０３と
同様の効果をも得ることが可能である。なお、この第４
の実施の形態例においても、微細孔１７の形状は、円形
に限らず多角形や楕円形であってもかまわず、さらに１
方向に延在する溝状であってもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板上に
延在する第１の電極と、前記第１の電極の上に絶縁層を
介して延在する第２の電極とを有し、前記第２の電極上
に開口し前記絶縁層を貫通して前記第１の電極に至る１
つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であっ
て、前記微細孔内の前記第１の電極上に突設された、断
面が台形状の金属製の凸構造を備え、前記凸構造の頂部
に電子放出物質から成る電子放出部が形成され、前記絶
縁層の厚さは、前記微細孔の短径の１／２以下であるこ
とを特徴とする。

【００５２】また、本発明は、基板上に第１の電極と、
絶縁層と、第２の電極とをこの順番で形成し、前記第２
の電極上に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記
第１の電極に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工
程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔内
の前記第１の電極上に、断面が台形状の金属製の凸構造
を突設し、前記凸構造の頂部に電子放出物質から成る電
子放出部を形成し、前記絶縁層は、前記微細孔の短径の
１／２以下の厚さに形成することを特徴とする。

【００５３】また、本発明は、基板上に延在する第１の
電極と、前記第１の電極の上に絶縁層を介して延在する
第２の電極とを有し、前記第２の電極上に開口し前記絶
縁層を貫通して前記第１の電極に至る１つまたは複数の
微細孔が形成され、前記微細孔内の前記第１の電極上に
突設された、断面が台形状の金属製の凸構造を備え、前
記凸構造の頂部に炭素から成る膜状の電子放出部が形成
され、前記絶縁層の厚さは、前記微細孔の短径の１／２
以下である電子放出源と、前記電子放出源との間に間隔
をおき前記電子放出源に対向して配設されたアノード電
極および前記アノード電極上に形成された蛍光面を含む
基板とを有し、前記第１および第２の電極の間に電圧を
印加して前記電子放出部より電子を放出させ、前記電子
を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させること
を特徴とする。

【００５４】このように、本発明の電子放出源および本
発明の電子放出源の製造方法により製造した電子放出源
では、第１の電極上に凸構造が突設され、その上に電子
放出部が形成されているので、電子放出面を用いた上記
従来の電子放出源に比べ、電子放出部と第２の電極との
間の距離は大幅に短縮し、したがって第１および第２の
電極間に印加する電圧を低くしても充分な電流量を確保
することができる。電子放出物質として例えば炭素を用
ちいた場合、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界
強度を電子放出部に印加すれば、ディスプレイ装置とし
て必要な電流量を確保することができ、そのため、第１
および第２の電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済
み、低電圧駆動が可能となる。

【００５５】そして、断面が台形状の凸構造の上に形成
した電子放出部はマイクロチップのような先鋭な形状で
はないため、均一に製造することが容易であり、したが
って、画素によって電流量がばらつくという問題を解決
できる。また、電子放出部がマイクロチップのような先
鋭な形状でないことから、電子放出部から放出される電
子はあまり広がることなく飛翔する。さらに、同様の理
由で、真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出
部に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出
部の形状変化は起こらず、したがって、時間の経過とと
もに電流量が減少するといったことがなく、長寿命であ
る。そして、マイクロチップの場合より、第２の電極と
電子放出部との間の距離を長くとることができるので、
電極間の短絡は生じ難く、その結果、製造歩留まりが向
上する。特に大型のディスプレイ装置では、電子放出源
も大型化することからその製造歩留まりの影響が大き
く、電子放出源の歩留まり向上の効果は大きい。また、
絶縁層の厚さ、すなわち微細孔の深さが微細孔の短径の
１／２以下であるため、凸構造を形成する際に成膜膜厚
を小さく抑えることができ、材料費の削減や製造時間の
短縮を実現できる。

【００５６】そして、このような電子放出源により構成
した本発明のディスプレイ装置は、低電圧で駆動するこ
とができる。そして、電子放出源において画素ごとの電
流量がばらつくという問題がなく、かつ電子の広がりが
少ないので高画質である。さらに、電子放出源の電子放
出部の形状変化が起こらないので長寿命である。そし
て、電子放出源の製造歩留まりが良好であることから低
コストで製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態例の電子放出源を拡大して示す部分
断面側面図である。

【図２】本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜
視図である。

【図３】実施の形態例の電子放出源を示す部分平面図で
ある。

【図４】実施の形態例の電子放出源の他の例を示す部分
平面図である。

【図５】実施の形態例の電子放出源をさらに拡大して示
す部分断面側面図である。

【図６】電子放出源の製造工程の１段階を示す部分断面
側面図である。

【図７】電子放出源の製造工程の１段階を示す部分断面
側面図である。

【図８】電子放出源の製造工程の１段階を示す部分断面
側面図である。

【図９】電子放出源の製造工程の１段階を示す部分断面
側面図である。

【図１０】電子放出源の製造工程の最終段階を示す部分
断面側面図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態例の電子放出源を
拡大して示す部分断面側面図である。

【図１２】第３の実施の形態例の電子放出源を示す部分
断面側面図である。

【図１３】第３の実施の形態例の電子放出源を示す部分
平面図である。

【図１４】第４の実施の形態例の電子放出源を示す部分
平面図である。

【図１５】従来の電子放出源の一例を示す部分断面側面
図である。

【符号の説明】

２……上部基板、３……高真空領域、４……内縁、１１
……下部基板、１３……カソード電極ライン、１３ａ…
…カソード電極ライン、１３ｂ……矩形領域、１４……
絶縁層、１５……ゲート電極ライン、１６……電子放出
部、１６ａ……基部、１６ｂ……突起構造、１６ｃ……
カーボンナノチューブ、１７……微細孔、１８……薄
膜、２１……アノード電極ライン、４０……アルミニウ
ム膜、４４……金属膜、４６……金属膜、１０１……下
部基板、１０３……カソード電極ライン、１０３ａ……
接続端部、１０４……絶縁層、１０５……ゲート電極ラ
イン、１０５ａ……接続部端部、１０６……マイクロチ
ップ、１０９……制御手段、１６１……凸構造、２００
……ディスプレイ装置、２０２〜２０５……電子放出
源。

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に延在する第１の電極と、前記第
   １の電極の上に絶縁層を介して延在する第２の電極とを
   有し、前記第２の電極上に開口し前記絶縁層を貫通して
   前記第１の電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成さ
   れた電子放出源であって、 前記微細孔内の前記第１の電極上に突設された、断面が
   台形状の金属製の凸構造を備え、 前記凸構造の頂部に電子放出物質から成る電子放出部が
   形成され、 前記絶縁層の厚さは、前記微細孔の短径の１／２以下で
   あることを特徴とする電子放出源。
2. 【請求項２】 前記凸構造の高さは前記絶縁層の厚さの
   １／２以上であることを特徴とする請求項１記載の電子
   放出源。
3. 【請求項３】 前記微細孔の短径は２μｍ以上であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の電子放出源。
4. 【請求項４】 前記電子放出部は膜状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の電子放出源。
5. 【請求項５】 前記電子放出部は炭素薄膜から成ること
   を特徴とする請求項４記載の電子放出源。
6. 【請求項６】 前記電子放出部は窒素を含むことを特徴
   とする請求項５記載の電子放出源。
7. 【請求項７】 前記炭素薄膜の表面に多数の微細突起構
   造が形成されていることを特徴とする請求項５記載の電
   子放出源。
8. 【請求項８】 前記微細突起構造はカーボンナノチュー
   ブであることを特徴とする請求項７記載の電子放出源。
9. 【請求項９】 前記微細孔の開口の形状は平面視略円
   形、楕円形、矩形のいずれかであることを特徴とする請
   求項１記載の電子放出源。
10. 【請求項１０】 前記微細孔は溝状に形成されているこ
    とを特徴とする請求項１記載の電子放出源。
11. 【請求項１１】 前記第１の電極は、相対的に抵抗値の
    小さい電極本体と、前記電極本体に重ねて延設された、
    相対的に抵抗値の大きい導体とから成り、前記電極本体
    には、１箇所または複数箇所において部分的な削除領域
    が形成され、前記微細孔は前記削除領域内に、前記削除
    領域の縁部との間に間隔をおいて形成されていることを
    特徴とする請求項１記載の電子放出源。
12. 【請求項１２】 前記電極本体の前記削除領域は矩形に
    形成されていることを特徴とする請求項１１記載の電子
    放出源。
13. 【請求項１３】 前記電極本体に複数の前記削除領域が
    形成され、複数の前記削除領域はマトリクス状に配列さ
    れていることを特徴とする請求項１１記載の電子放出
    源。
14. 【請求項１４】 前記凸構造の材料は前記第１の電極の
    材料とは異なっていることを特徴とする請求項１記載の
    電子放出源。
15. 【請求項１５】 基板上に第１の電極と、絶縁層と、第
    ２の電極とをこの順番で形成し、前記第２の電極上に開
    口するとともに前記絶縁層を貫通して前記第１の電極に
    至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子
    放出源の製造方法であって、 前記微細孔内の前記第１の電極上に、断面が台形状の金
    属製の凸構造を突設し、 前記凸構造の頂部に電子放出物質から成る電子放出部を
    形成し、 前記絶縁層は、前記微細孔の短径の１／２以下の厚さに
    形成することを特徴とする前記電子放出源の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記凸構造は前記絶縁層の厚さの１／
    ２以上の高さに形成することを特徴とする請求項１５記
    載の電子放出源の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記微細孔は、その短径が２μｍ以上
    となるように形成することを特徴とする請求項１５記載
    の電子放出源の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記電子放出部は炭素薄膜により形成
    することを特徴とする請求項１５記載の電子放出源の製
    造方法。
19. 【請求項１９】 前記第２の電極を形成した後に前記第
    ２の電極上にアルミニウムその他の金属による犠牲層を
    蒸着またはスパッタリングにより形成し、 その後、前記犠牲層、前記第２の電極、前記絶縁層をエ
    ッチングして前記微細孔を形成し、 つづいて、前記微細孔内に前記凸構造を突設することを
    特徴とする請求項１８記載の電子放出源の製造方法。
20. 【請求項２０】 前記電子放出部を形成する工程では、
    炭素固形物をアーク放電によってイオン化させて炭素イ
    オンおよび荷電炭素クラスタのいずれか一方または両方
    を生成し、 生成した前記炭素イオンおよび前記荷電炭素クラスタの
    いずれか一方または両方を、磁場によって屈曲した軌道
    に沿って飛翔させて、基板に入射させ、前記微細孔内の
    前記凸構造の頂部に被着させて前記電子放出部を形成す
    ることを特徴とする請求項１８記載の電子放出源の製造
    方法。
21. 【請求項２１】 前記電子放出部を形成する工程では、
    レンズにより収束させたレーザ光を真空中において炭素
    固形物のターゲットの表面に入射させて炭素イオン、中
    性炭素原子、ならびに炭素クラスタのいずれか１つまた
    は複数を生成し、 生成した前記炭素イオン、中性炭素原子、ならびに炭素
    クラスタのいずれか１つまたは複数を前記ターゲットに
    対向配置した基板に入射させ、前記微細孔内の前記凸構
    造の頂部に被着させて前記電子放出部を形成することを
    特徴とする請求項１８記載の電子放出源の製造方法。
22. 【請求項２２】 前記電子放出部を形成する工程では、
    真空中にて炭素固形物に電子ビームを照射して炭素を加
    熱蒸発させ、発生した炭素原子、炭素イオン、ならびに
    炭素クラスターのいつれか１つまたは複数を前記凸構造
    の頂部に被着さて前記電子放出部を形成することを特徴
    とする請求項１８記載の電子放出源の製造方法。
23. 【請求項２３】 前記電子放出部を形成する工程では、
    真空中にメタン、アセトン、アルコールのうちのいずれ
    か１つまたは複数を導入して加熱したフィラメントに接
    触させ加熱分解して生成した炭素原子、炭素イオン、な
    らびに炭素クラスターのいつれか１つまたは複数を前記
    凸構造の頂部に被着させて前記電子放出部を形成するこ
    とを特徴とする請求項１８記載の電子放出源の製造方
    法。
24. 【請求項２４】 基板上に延在する第１の電極と、前記
    第１の電極の上に絶縁層を介して延在する第２の電極と
    を有し、前記第２の電極上に開口し前記絶縁層を貫通し
    て前記第１の電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成
    され、前記微細孔内の前記第１の電極上に突設された、
    断面が台形状の金属製の凸構造を備え、前記凸構造の頂
    部に炭素から成る膜状の電子放出部が形成され、前記絶
    縁層の厚さは、前記微細孔の短径の１／２以下である電
    子放出源と、 前記電子放出源との間に間隔をおき前記電子放出源に対
    向して配設されたアノード電極および前記アノード電極
    上に形成された蛍光面を含む基板とを有し、 前記第１および第２の電極の間に電圧を印加して前記電
    子放出部より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に
    入射させて前記蛍光面を発光させることを特徴とするデ
    ィスプレイ装置。
25. 【請求項２５】 前記凸構造の高さは前記絶縁層の厚さ
    の１／２以上であることを特徴とする請求項２４記載の
    ディスプレイ装置。
26. 【請求項２６】 前記微細孔の短径は２μｍ以上である
    ことを特徴とする請求項２４記載のディスプレイ装置。
27. 【請求項２７】 基板上に、複数の帯状の前記第１の電
    極が側方に間隔をおいてほぼ同一方向に延設され、複数
    の帯状の前記第２の電極が側方に間隔をおき前記第１の
    電極に交差して延設され、前記第１および第２の電極が
    交差する箇所に前記微細孔が形成され、複数の帯状の前
    記アノード電極が各第２の電極にそれぞれ対向して延設
    されていることを特徴とする請求項２４記載のディスプ
    レイ装置。
28. 【請求項２８】 基板上に、複数の帯状の前記第１の電
    極が側方に間隔をおいてほぼ同一方向に延設され、複数
    の帯状の前記第２の電極が側方に間隔をおき前記第１の
    電極に交差して延設され、前記第１および第２の電極が
    交差する箇所に前記微細孔が形成され、前記アノード電
    極はアルミニウム膜から成ることを特徴とする請求項２
    ４記載のディスプレイ装置。