JP2001118488A

JP2001118488A - 冷陰極装置

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Publication number: JP2001118488A
Application number: JP29238299A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Takemura; 久武村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-04-27
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP3546945B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷陰極装置における放出電子の広がりを抑制
してエミッション電流の集束性の向上を図る。【解決手段】絶縁層４０上にゲート電極５０を積層
し、その絶縁層４０の開口部４１底面に電子放出層３０
を形成し、平面パターンで、絶縁層開口４１周辺のゲー
ト電極５０と、電子放出層３０の露出部とを離間帯によ
って離間し、この離間帯に、絶縁層４０の一部からなり
電子放出層３０の表面を被覆する表面遮蔽層７０を形成
する。これにより、電子放出層表面３２の離間帯から放
出され該表面３２の垂直方向に対して外側に向かって進
行する電子の放出を抑制するとともに、電子放出層表面
３２の中央部から放出され該表面３２に対して垂直方向
に進行する電子を放出させることで、集束性の高いエミ
ッション電流を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型冷陰極
装置に関し、特に、絶縁層及びゲート電極に設けられた
開口の底部に電子放出層が形成された冷陰極装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】冷陰極装置は、カソード・ゲート間に電
圧を印加することにより、カソード側に設けられた電子
放出層から真空中に（又はアノード方向に）電子が放出
される装置である。このように電子ビームの発射に要す
る原理及び構造が簡易なことから、冷陰極装置は、ヒー
タを用いてエミッション電流を制御する熱カソード装置
に代わる電子銃として、近年、ディスプレーなどに利用
されている。

【０００３】この冷陰極装置の従来例の構成について図
１１を参照して説明する。同図に示すように、従来の冷
陰極装置は、基板１００上に選択的に形成されたカソー
ド電極２００と、このカソード電極２００上に成膜され
た電子放出層３００ａと、基板１００及び電子放出層３
００ａ上に堆積され、該電子放出層３００ａ上に開口が
設けられた絶縁層４００と、この絶縁層４００上に積層
されたゲート電極５００と、このゲート電極５００に離
間した位置に設けられたアノード電極６００とにより構
成されている。

【０００４】ここで、電子放出層３００ａは、仕事関数
が低く、少量の印加電圧で平面からの電子放出が可能な
材料、例えばダイヤモンドにより形成されている。この
電子放出層３００ａ上の電子放出面３１０は、従来にお
いて、先鋭な円錐形状に形成したものもあったが、上記
材料を使用することで平面に形成可能となった。したが
って、加工が容易となることから、製造コストの削減を
図ることができる。

【０００５】なお、電子放出面３１０における平面と
は、その電子放出面３１０上の微小な突起部周辺の電界
集中により発生する電子が、該電子放出層３００ａへの
電圧の印加により発生する電子ビーム（エミッション電
流）の集束を妨げない範囲で、該突起部が存在する面を
いう。具体的には、電子放出面３１０にナノメートルオ
ーダの凹凸が存在し、この凸部に局所的に起こる電界集
中により、微量の電子が誘発されたとしても、該電子放
出層３００ａから発生したエミッション電流が、最低限
の品質を確保しているものであれば、該電子放出面３１
０は平面であるとする。

【０００６】このような構成によれば、ゲート・カソー
ド間及びアノード・カソード間に電圧を印加して電界を
発生させることにより、電子放出面３１０から電子を放
出させることができる。なお、放出された電子は、等電
位線に垂直な方向に加速されて集束し、エミッション電
流としてアノード電極６００に到達する。この電子放出
時における、電界強度は、図１１中に等電位線（点線で
表示）で示したような分布となる。また、放出された電
子は、同図中に矢印（一点鎖線で表示）で示したような
軌跡となる。

【０００７】ここで、等電位線は、ゲート・カソード間
では密に、アノード・カソード間では粗になる。つま
り、等電位線は、カソード電極２００からアノード電極
６００方向に膨らむように凸状に分布する。さらに、等
電位線は、電子放出層３００ａの中央付近上において
は、この電子放出層３００ａの上面に対してほぼ平行に
並ぶが、この電子放出層３００ａのゲート電極５００近
傍上では、電子放出層３００ａ上面に対して傾きをもっ
た分布となる。

【０００８】このことから、電子放出層３００ａの中央
付近から放出された電子は、ほぼ平行に並ぶ等電位線に
対し垂直方向に進行するため、集束性の良好なエミッシ
ョン電流となる。一方、電子放出層３００ａのゲート電
極５００近傍から放出された電子は、傾きをもった等電
位線の垂直方向に加速されるため、上記エミッション電
流に対して外側に広がる方向に進行する。

【０００９】また、電子放出層３００ａ表面における電
界強度分布は図１２のようになる。同図に示すように、
その電界強度は、ゲート電極５００近傍において最大
（Ｅｇｍａｘ）となる。また、該表面の中央付近におい
てはゲート電極５００から離れるために、Ｅｇｍａｘに
比べて低い値となる。

【００１０】こうした従来例と同様に、平面を有する電
子放出層を設けた冷陰極装置の従来技術の一例が、特開
平１０−９２２９８号公報に「電子放出源およびその製
造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装
置」として開示されている。

【００１１】この公報に開示の「電子放出源およびその
製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ
装置」は、基板上に、カソード電極、薄膜（電子放出
層）、絶縁層、ゲート電極が積層され、ほぼ円筒形状の
穴が、ゲート電極及び絶縁層を貫通して薄膜に達する深
さで多数形成された構造としてある。このような構造に
よれば、カソード電極とゲート電極の間に電圧を印加す
ることで、薄膜から電子を放出させることができる。

【００１２】また、冷陰極装置の他の従来技術の一例
が、特開平８−１１５６５４号公報に「粒子放出装置、
電界放出型装置及びこれらの製造方法」として開示され
ている。この公報に開示の「粒子放出装置、電界放出型
装置及びこれらの製造方法」によれば、カソード電極と
絶縁層とゲート電極とを積層し、ゲート電極と絶縁層と
を貫通してカソード電極に達する微小な穴を設け、この
微小な穴の底面に電子放出物質からなる薄膜を形成する
構成としてある。このような構成によれば、カソード・
ゲート間に電圧を印加することにより、冷陰極である薄
膜から電子を放出させることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示した従来例については、電子放出層３００ａのゲー
ト電極５００近傍周辺における等電位線が高密度となる
とともに、電子放出層３００ａ表面に対して傾きがある
ため、該ゲート電極５００近傍から放出された電子が、
電子放出面３１０に対して垂直ではなく、傾きのある等
電位線に対し垂直方向に進行する。このためエミッショ
ン電流の集束性が悪化していた。さらに、傾きのある等
電位線に対し垂直方向に進行した電子が、ゲート電極５
００に入射しやすくなるために、ゲートリーク電流が発
生・増大することもあった。

【００１４】また、特開平１０−９２２９８号公報に開
示の「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子
放出源を用いたディスプレイ装置」、及び、特開平８−
１１５６５４号公報に開示の「粒子放出装置、電界放出
型装置及びこれらの製造方法」の従来技術においても、
上記従来例と同様に、傾きのある等電位線に対し垂直方
向に進行する電子放出を阻止することはできなかった。

【００１５】ここで、上記課題であるエミッション電流
の集束性の悪化を抑制する手段として、図１３に示すよ
うに、露出面積の小さい電子放出層３００ｂを、カソー
ド電極２００の中央付近に形成する手段が考えられる。
すなわち、図１１において、等電位線が電子放出面３１
０に対して平行に並ぶ領域に限定して、電子放出層３０
０ｂを形成するようにする。このような形成によれば、
電子放出面３１０から放出された電子を、該面３１０に
対して垂直な方向に飛翔させることができる。

【００１６】しかし、上記のように電子放出層３００ｂ
が形成されると、この側面３２０及び角部３３０が露出
することになる。このため、該角部３３０において電界
集中が起こり等電位線を歪曲する。したがって、該側面
３２０から放出された電子はその歪曲した等電位線にし
たがって進行することになり、結局はエミッション電流
の集束性の悪化を抑制することができなかった。

【００１７】本発明は、上記の問題を解決すべくなされ
たものであり、絶縁層開口の底面に電子放出層を有する
電界放出型冷陰極装置において、放出電子の広がりを抑
制してエミッション電流の集束性の向上を可能とする冷
陰極装置の提供を目的とする。

【００１８】なお、特開平１０−１２５２１５号公報に
開示されている「電界放射薄膜冷陰極及びこれを用いた
表示装置」は、電子放出層を、基板上面に設けられた球
状の凹曲面上に形成することで電子を集束させることと
している。しかし、この公報に記載の従来技術において
も、電子放出層上のゲート電極近傍における放出電子の
広がりが抑制されないことから、本発明の目的を達成す
ることはできない。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、本発明の請求項１記載の冷陰極装置によれば、絶縁
層上にゲート電極を設け、絶縁層の開口部底面に電子放
出層を設けた冷陰極装置であって、平面パターンで、電
子放出層の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間
させる離間帯を有し、かつ、電子放出層の側面が絶縁層
と接した構成としてある。

【００２０】このように、平面パターンで、電子放出層
の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間させる離
間帯を有することとすれば、電子放出層から放出された
電子が、その離間帯において発生する傾きのある等電位
線から影響を受けずに進行することができる。

【００２１】したがって、放出電子の広がりが抑制さ
れ、集束性の良好なエミッション電流を得ることができ
る。さらに、電子放出層の側面が絶縁層と接して露出し
ないようにすることにより、該電子放出層の角部が露出
しないため、この角部に起こる電界集中による電界強度
分布の歪曲を防止することができる。よってエミッショ
ン電流の直線性を維持することができる。

【００２２】また、請求項２によれば、離間帯に、電子
放出層上の離間帯から放出される電子を遮蔽する表面遮
蔽層を設けた構成としてある。このような構成によれ
ば、電子放出層上の周辺部において、該電子放出層表面
に対して傾きのある等電位線により放出される電子を、
表面遮蔽膜により遮断することができる。したがって、
放出電子の広がりの抑制により、エミッション電流の集
束性を高めることができる。

【００２３】また、請求項３によれば、表面遮蔽層を、
電子放出層よりも仕事関数が高くなるようにした構成と
してある。このような構成によれば、表面遮蔽層におい
て、電子放出層上の周辺部から入射した電子が、高い仕
事関数により放出されにくくなるため、該電子によるエ
ミッション電流の品質の悪化を阻止することができる。

【００２４】また、請求項４によれば、表面遮蔽層を、
絶縁層の一部として形成した構成としてある。このよう
な構成によれば、該冷陰極装置の製造過程において、絶
縁層をエッチング加工することが同時に表面遮蔽層を形
成することととなるため、製造工程の効率化を図ること
ができる。さらに、絶縁層と表面遮蔽層とで異なる材料
を用意する必要がないため、材料コストを削減すること
ができる。

【００２５】また、請求項５によれば、表面遮蔽層を、
絶縁層厚よりも薄く形成した構成としてある。このよう
な構成によれば、表面遮蔽層において、電子放出層から
放出された電子の入射する面積が狭くなるため、帯電を
抑えることができるとともに、この帯電による電界強度
分布への影響を減少させることができる。

【００２６】また、請求項６によれば、表面遮蔽層を、
断面において、開口部周囲から電子放出層の中央に向か
うにしたがって、厚さが薄くなるように形成した構成と
してある。このような構成によれば、表面遮蔽層の表面
積が狭くなるため、この表面から入射する電子量が少な
くなる。よって、この表面遮蔽層が帯電しにくくなり、
沿電効果又は電界強度分布への影響を抑制することがで
きる。

【００２７】また、請求項７によれば、離間帯に酸素終
端を形成した構成としてある。このような構成によれ
ば、電子放出層の露出部上の周辺部から電子を放出しに
くくすることができる。すなわち、電子放出層表面に対
して垂直方向よりも外側に傾いた方向に進行する電子の
放出を抑制できるため、エミッション電流の品質を保持
することができる。

【００２８】また、請求項８によれば、絶縁層上にゲー
ト電極を設け、絶縁層の開口部底面にカソード電極を設
けた冷陰極装置であって、カソード電極の露出面の中央
部に凹部を形成し、この凹部に電子放出層を埋設した構
成としてある。このような構成によれば、カソード電極
の表面上の等電位線が、該凹部に合わせた凹状になるた
め、電子放出層から放出される電子を、電子放出層の中
央付近上に集束させることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。［第一実施形態］まず、本発明の冷陰極装置の第一実施
形態について、図１を参照して説明する。同図は、第一
実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面図である。

【００３０】同図に示すように、本実施形態の冷陰極装
置は、基板１０上に選択的に形成された導電性膜よりな
るカソード電極２０と、このカソード電極２０上に成膜
された電子放出層３０と、基板１０上及び電子放出層３
０上の一部に堆積され、電子放出層３０上に開口４１を
設けた絶縁層４０と、この絶縁層４０上に積層されたゲ
ート電極５０とを備えている。

【００３１】ここで、カソード電極２０は、電子放出層
３０とともに陰極を形成する。そして、ゲート電極５０
との間に電圧の印加にともなう電界を発生させることに
よって、電子放出層３０に電子を放出させる。

【００３２】電子放出層３０は、仕事関数が低く、平面
上からの電子放出が可能な材料、例えばダイヤモンドに
より形成される。これにより、該電子放出層３０の製造
において、電界集中させるための突起部を形成する工程
が必要でなくなることから、製造コストの削減を図るこ
とができる。

【００３３】また、電子放出層３０は、この側面３１
が、絶縁層開口４１に露出しないように形成されてい
る。仮に、電子放出層側面３１が露出しているとする
と、この側面３１と上面３２とに挟まれた角部３３が露
出する。この露出した角部３３の周囲には電界が集中す
ることから、電界強度分布を歪曲させ、エミッション電
流の集束に悪影響を与える。したがって、電子放出層側
面３１を露出しないように形成することにより、電界強
度分布の歪曲をなくすとともに、良好なエミッション電
流を得ることができる。

【００３４】ゲート電極５０は、絶縁層開口４１上に開
口（ゲート開口）５１を有するとともに、後述するが平
面パターンにおいて、この開口５１の開口縁（ゲート開
口縁）５２が、電子放出層３０の露出部３４と離間して
形成される。

【００３５】次に、本実施形態の冷陰極装置の作用につ
いて図２、図３を参照して説明する。なお、図２におい
てはゲート電極５０上の離間した位置にアノード電極６
０を形成してある。

【００３６】まず、図３に示す冷陰極装置の各電極間の
距離を、カソード電極２０とアノード電極６０との間を
２ｍｍ、カソード電極２０とゲート電極５０との間を１
μｍと定める。なお、電子放出層３０の厚さを１００ｎ
ｍとする。次いで、各電極間の印加電圧を、カソード・
アノード間を２ｋＶ、カソード・ゲート間を５Ｖと設定
する。なお、カソード電極２０は接地する。

【００３７】そして、これらの設定にしたがって電圧を
印加すると、各電極間に電界が発生する。このときの電
界強度は、カソード・アノード間が１Ｖ／μｍ、カソー
ド・ゲート間が５Ｖ／μｍである。このように電界が発
生すると、電子放出層３０上の電界強度の最大値Ｅｇｍ
ａｘがカソード・ゲート間の電界強度とほぼ等しい５Ｖ
／μｍ程度となる。

【００３８】一方、電子放出層３０のエミッション閾値
電界強度Ｅｔｈを３Ｖ／μｍとすると、電子放出層３０
上のＥｇｍａｘがＥｔｈより高くなる。このため、電子
放出層表面３２上の電界に誘引されて該表面３２から電
子が放出される。そして、この電子は、等電位線に垂直
な方向に加速されながら集束し、エミッション電流とし
てアノード電極６０に到達する。

【００３９】このような構成における等電位線７０及び
電子の軌跡８０は図２に示すようになる。ここで、等電
位線７０は、カソード・アノード間では粗に、カソード
・ゲート間では密となる。つまり、等電位線は、カソー
ド電極２０からアノード電極６０に膨らむように凸状に
分布する。

【００４０】さらに、等電位線７０は、電子放出層３０
の中央付近上においては、電子放出層表面３２に対して
ほぼ平行に並ぶが、該表面３２のゲート電極５０近傍上
では、該表面に対して傾きのある分布となる。このこと
から、該中央付近から放出された電子は、ほぼ平行に並
ぶ等電位線に垂直に進行するため、集束性の良好なエミ
ッション電流となる。なお、このようにエミッション電
流として集束可能な電子が放出される電子放出層表面３
２の中央付近を集束電子放出領域３４とする。

【００４１】一方、電子放出層表面３２のゲート電極５
０近傍から放出された電子は、傾きのある等電位線にし
たがうため、上記エミッション電流より広がる方向に進
行する。なお、このようにエミッション電流に集束され
ない電子が放出される電子放出層３の上面のゲート電極
５近傍を非集束電子放出領域３５とする。

【００４２】また、本構成における電子放出層表面３２
上の電界強度分布は図３に示すようになる。同図による
と、電界強度は、非集束電子放出領域３５において最大
電界強度Ｅｇｍａｘ（５Ｖ／μｍ）となる。また、集束
電子放出領域３４においてはゲート電極５０から離れて
いるために、Ｅｇｍａｘに比べて低い値となるが、比較
的安定した分布を示す。

【００４３】また、本実施形態の冷陰極装置の構成の平
面パターンを図４に示す。なお、同図中Ａ−Ａ断面が図
１に示す冷陰極装置の断面構成図となる。図４に示すよ
うに、ゲート開口５１内には、集束電子放出領域３４が
ゲート開口縁５２に離間して形成されており、その離間
した部分（離間帯）が非集束電子放出領域３５となる。
本実施形態の場合、この非集束電子放出領域３５上に
は、絶縁層４０が形成されている。

【００４４】このような構成によれば、非集束電子放出
領域３５からの電子の放出を絶縁層４０により抑制する
ことができる。したがって、電子は集束電子放出領域３
４のみから真空中に放出されるため、集束性の良好なエ
ミッション電流を得ることができる。さらに、ゲート電
極５０への電子の入射が抑制されることから、ゲートリ
ーク電流の発生を抑えることができる。

【００４５】なお、同図において、ゲート電極５０上に
はゲート開口５１が四つ設けられているが、四つに限る
ものではない。また、他の図面（図１、図３、図５〜図
９）についても、冷陰極装置には複数のゲート開口５１
が形成され、そのうちの一つについて示しているものと
する。

【００４６】次に、本実施形態の冷陰極装置の製造工程
順を図５（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。まず、同
図（ａ）において、基板１０上に、導電性の金属材料か
らなるカソード電極２０が、ＣＶＤ法（化学蒸着法）あ
るいはスパッタ法などの方法により積層形成される。

【００４７】ここで基板１０には、ガラス基板、又は、
絶縁層で覆われたシリコン基板などが用いられる。ま
た、カソード電極２０を形成する金属材料には、例えば
ニッケル、白金、タングステン、クロム、シリコンが用
いられる。なお、カソード電極２０の厚さは２００ｎｍ
が望ましい。

【００４８】続いて、そのカソード電極２０上に、ダイ
ヤモンドなどで形成される電子放出層３０が、ＣＶＤ法
などにより１００ｎｍから５μｍの膜厚に成膜される。
ここで、電子放出層３０の形成材料にダイヤモンドを用
いる場合の成膜方法としては、熱フィラメントＣＶＤ法
がある。この方法では、ＣＨ４／Ｈ２流量比を５％以
下、ガス圧を１５〜２５Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を
８００℃から９００℃の形成条件に設定して形成を行
う。すると、同図（ａ）のようにカソード電極２０上に
は連続膜であるダイヤモンドよりなる電子放出層３０が
成膜される。

【００４９】なお、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ）を成膜する場合は、ＣＶＤ成長時のＣＨ４／Ｈ２流
量比を５０％〜７０％、ガス圧を５〜１０Ｔｏｒｒ、成
長時の基板温度を４００℃〜６５０℃とすることで形成
可能である。また、カーボンナノチューブを塗布し電子
放出層３０として用いてもよい。こうして形成されたカ
ソード電極２０および電子放出層３０は、同図（ｂ）に
示すように、通常のフォトリソグラフィ法により加工さ
れ配線が形成される。

【００５０】次いで、シリコン酸化膜よりなる絶縁層４
０をＣＶＤ法により約１μｍから５０μｍ厚に堆積す
る。なお、絶縁層４０の材質はシリコン酸化膜に限るも
のではなく、絶縁性を有していれば他の材料でもよい。

【００５１】そして、同図（ｃ）に示すように、例えば
タングステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に積層
し、所望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて
加工してゲート電極５０を形成する。このゲート電極５
０は、同図（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラ
フィ法を使用して、異方性エッチングにより除去して開
口を形成する。

【００５２】さらに同図（ｅ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ法によりゲート電極５０の開口内に露出した
絶縁層４０をゲート電極５０の開口より内側で選択的に
開口を形成し、電子放出層３０を露出させる。以上によ
り冷陰極装置が形成される。

【００５３】このような製造工程によれば、電子放出層
３０の非集束電子放出領域３５上に絶縁層４０を形成す
ることができる。したがって、電子放出層３０の露出面
が集束電子放出領域３４と同じ領域となるため、該露出
面上には、傾きのない均一な電界強度があることから、
良好なエミッション電流を得ることができる。

【００５４】［第二実施形態］次に、本発明の第二実施
形態について図６を参照して説明する。同図は同実施形
態の冷陰極装置の断面図である。本実施形態にかかる冷
陰極装置は、上述した第一実施形態の変更実施形態であ
り、同実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５上に
形成された絶縁層４０の断面形状において相違する。

【００５５】すなわち、該断面形状を、第一実施形態で
は、矩形で、かつ側面（図１の絶縁層開口側面４２）を
有する形状としているのに対し、本実施形態において
は、断面において、ゲート開口縁５２から電子放出層３
０の中央部に向かうにしたがって厚さが薄くなる形状と
している。他は第一実施形態と同様な構成である。した
がって、第一実施形態と同様の構成成分については、同
一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【００５６】上述したように本実施形態では、電子放出
層３０上の非集束電子放出領域３５に形成された絶縁層
４０の厚さが、断面において、電子放出層３０の中央に
向かう方向に幅が狭くなる形状としてある。このような
形状とすれば、非集束電子放出領域３５上に堆積された
絶縁層４０の表面積が小さくなるため、電子放出層３０
から放射された電子が入射しにくくなる。

【００５７】したがって、電子の入射による帯電が生じ
にくくなることから、沿面放電を抑制できるとともに、
絶縁層４０周辺の電界強度分布及び電子軌道への影響を
抑さえることができる。なお、図７に示すように、非集
束電子放出領域３５上の絶縁層４０を薄膜状に形成する
ことにより、同様の効果を得ることもできる。

【００５８】［第三実施形態］次に、本発明の第三実施
形態について図８を参照して説明する。同図は同実施形
態の冷陰極装置の断面図である。本実施形態にかかる冷
陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電
子放出領域３５上に形成されて電子の放出を遮蔽する構
造が相違する。

【００５９】すなわち、該構造を、第一実施形態では、
絶縁層４０の一部としているのに対し、本実施形態にお
いては、仕事関数の高い材料を用いた表面遮蔽層を形成
する構造としている。他は第一実施形態と同様な構成で
ある。したがって、第一実施形態と同様の構成成分につ
いては、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

【００６０】上述したように、本実施形態では、電子放
出層３０上の非集束電子放出領域３５に、仕事関数の高
い材料により形成された表面遮蔽層７０を積層してあ
る。この表面遮蔽層７０は、電子放出層３０から放出さ
れた電子を遮蔽するとともに、入射吸収した電子を放出
しないように仕事関数の高い材料を用いることが望まし
い。ただし、電子放出層３０を形成する材料（ダイヤモ
ンドなど）の仕事関数は非常に低いため、大抵の材料が
表面遮蔽層７０の材料となり得る。

【００６１】このように表面遮蔽層７０を形成すること
とすれば、非集束電子放出領域３５からの電子放出を抑
制することができるため、高品質のエミッション電流を
得ることができる。また、表面遮蔽層７０を薄膜状に形
成した場合は、電子放出層３０から放出された電子が入
射することを防止することができる。したがって、帯電
による電界強度分布への影響を抑制することができる。

【００６２】さらに、厚膜の絶縁層４０を表面遮蔽層７
０として使用した場合には、その絶縁層４０の誘電率に
より、非集束電子放出領域３５上の等電位線の形状がわ
ずかに変化していたが、薄膜の表面遮蔽層７０を使用し
た第三実施形態では電子放出層３０縁近傍での等電位線
の変化はほとんど発生しないため、広がりの小さい電子
放出を得ることができる。

【００６３】［第四実施形態］次に、本発明の第四実施
形態について図９を参照して説明する。同図は同実施形
態の冷陰極装置の断面図である。本実施形態にかかる冷
陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電
子放出領域３５から放出される電子を遮蔽する手段が相
違する。

【００６４】すなわち、該手段について、第一実施形態
は、非集束電子放出領域３５に絶縁層４０の一部を被覆
しているのに対し、本実施形態においては、該領域３５
を酸素終端させて仕事関数を高くしている。他は第一実
施形態と同様な構成である。したがって、第一実施形態
と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細
な説明は省略する。

【００６５】上述したように、本実施形態の冷陰極装置
は、非集束電子放出領域３５において、この領域３５上
を酸化処理して酸素終端させた面３６を形成することに
より、仕事関数を高め、該領域３５から電子を放出しに
くくしてある。このような構成とすれば、非集束電子放
出領域３５からの電子放出を抑制することができるた
め、高品質のエミッション電流を得ることができる。

【００６６】なお、酸素終端は、特にダイヤモンドの表
面において顕著な効果を奏する。また、電子放出層表面
３２の中央部を、負の電子親和力が期待でき電子放出が
起こりやすくするために水素終端し、該表面３２の周辺
部との仕事関数に差を生じさせることで、上記酸素終端
の場合と同様の効果を得ることもできる。さらに、電子
放出層３０の表面に酸素終端させる面と水素終端させる
面とを設けて電子放出を抑制・促進することもできる。

【００６７】［第五実施形態］次に、本発明の第五実施
形態について図１０を参照して説明する。同図は、同実
施形態の冷陰極装置の断面図である。本実施形態にかか
る冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、カソ
ード電極及び電子放出層の構造が相違する。

【００６８】すなわち、該構造について、第一実施形態
では、カソード電極上に電子放出層を積層しているのに
対し、本実施形態においては、カソード電極に形成され
た凹部に電子放出層を埋設している。他は第一実施形態
と同様な構成である。したがって、第一実施形態と同様
の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明
を省略する。

【００６９】上述したように、本実施形態の冷陰極装置
は、カソード電極２０に形成された凹部に電子放出層３
０を埋設した構成としてある。このため、電子放出層３
０内部に電位勾配が形成されることから、カソード電極
２０の中央付近の等電位線は、電子放出層３０内に入り
込む凹型となる。なお、図１０においては、電位勾配及
び等電位線は図示していない。したがって、電子放出層
３０上の周辺部から放出される電子であっても、電子放
出層３０の中央付近上に集束することから、良好なエミ
ッション電流が形成される。

【００７０】また、このような構造では、電子放出層３
０の側面が露出しないため、エミッション電流に影響を
及ぼす電子が誘発するような電界集中は起こらない。さ
らに、カソード電極２０の露出面が電子放出層３０の露
出面の周囲を囲んでいる構造となっているため、電子放
出層３０は、カソード電極２０とゲート電極５０との間
に起こる密なる電界強度からは離間するとともに、電子
放出層３０露出面上の均一な等電位線にのみ影響を受け
る。したがって、均一な等電位線に垂直方向に放出電子
が進行するため、高品質のエミッション電流を得ること
ができる。

【００７１】なお、本実施形態にあっては、図４に示さ
れた冷陰極装置の平面パターンにおいて、ゲート開口縁
５２と電子放出層３０の露出面との間に、カソード電極
２０が形成される。また、カソード電極２０の露出面と
電子放出層３０の露出面が同一面上となっても、等電位
線はカソード電極２０の中央付近において凹型となるた
め、上記と同様な効果を得ることができる。

【００７２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
冷陰極装置によれば、電子放出層の露出面上の周辺部で
ある非集束電子放出領域に絶縁層又は表面遮蔽層を積層
することにより、この領域から放出してエミッション電
流の集束性を悪化させていた電子を遮蔽することができ
る。したがって、電子放出層の中央付近である集束電子
放出領域から放出された電子によってのみエミッション
電流が形成されるため、集束性の向上を図ることができ
る。さらに、ディスプレーへの応用においては、より広
がりの小さい高精細な電子ビームの照射を可能とする。

【００７３】また、電子放出層の側面を露出しないよう
に形成することにより、この側面と表面とに挟まれた角
部を露出しないようにする。このことにより、該角部に
集中した電界に誘引されて起こる電界強度分布の歪曲を
抑制することができる。

【００７４】また、電子放出層上の周辺部に形成される
絶縁層又は表面遮蔽層の層厚を薄くして表面積を狭くす
ることにより、電子放出層から放出された電子の入射量
を少なくして帯電を抑制することができる。加えて、帯
電による、等電位線及び他の電子の飛翔軌跡への影響を
防止することができ、エミッション電流の品質の安定化
を図ることができる。

【００７５】また、カソード電極に設けられた凹部に電
子放出層を埋設することにより、そのカソード電極上の
等電位線を凹型にする。これにより、電子放出層上の周
辺部から放出される電子であっても、電子放出層中央付
近上で収束されるため、エミッション電流の広がりを抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示
す断面構成図である。

【図２】図１の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構成
を示す断面構成図である。

【図３】図２における電子放出層表面上の電界強度の分
布を示す電界強度分布図である。

【図４】本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示
す平面図である。

【図５】本発明の第一実施形態の冷陰極装置の製造工程
を示す工程順断面図である。

【図６】本発明の第二実施形態の冷陰極装置の構成を示
す断面構成図である。

【図７】本発明の第二実施形態の冷陰極装置の他の構成
を示す断面構成図である。

【図８】本発明の第三実施形態の冷陰極装置の構成を示
す断面構成図である。

【図９】本発明の第四実施形態の冷陰極装置の構成を示
す断面構成図である。

【図１０】本発明の第五実施形態の冷陰極装置の構成を
示す断面構成図である。

【図１１】従来の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構
成を示す断面構成図である。

【図１２】図１０における電子放出層表面の電界強度の
分布を示す電界強度分布図である。

【図１３】従来の他の冷陰極装置の構成を示す断面構成
図である。

【符号の説明】

１０基板２０カソード電極３０電子放出層３１電子放出層側面３２電子放出層表面３３角部３４集束電子放出領域３５非集束電子放出領域３６酸素終端面４０絶縁層４１絶縁層開口４２絶縁層開口側面５０ゲート電極５１ゲート開口５２ゲート開口縁６０アノード電極７０表面遮蔽層８０等電位線９０電子軌跡１００基板２００カソード電極３００ａ電子放出層３００ｂ電子放出層３１０電子放出面３２０側面３３０角部４００絶縁層５００ゲート電極６００アノード電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁層上にゲート電極を設け、前記絶縁
層の開口部底面に電子放出層を設けた冷陰極装置であっ
て、平面パターンで、前記電子放出層の露出部と、前記開口
部周囲のゲート電極とを離間させる離間帯を有し、か
つ、前記電子放出層の側面が前記絶縁層と接したことを
特徴とする冷陰極装置。
【請求項２】前記離間帯に、前記電子放出層上の前記
離間帯から放出される電子を遮蔽する表面遮蔽層を設け
たことを特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。
【請求項３】前記表面遮蔽層を、前記電子放出層より
も仕事関数が高くなるようにしたことを特徴とする請求
項２記載の冷陰極装置。
【請求項４】前記表面遮蔽層を、前記絶縁層の一部と
して形成したことを特徴とする請求項２又は３記載の冷
陰極装置。
【請求項５】前記表面遮蔽層を、前記絶縁層厚よりも
薄く形成したことを特徴とする請求項２、３又は４記載
の冷陰極装置。
【請求項６】前記表面遮蔽層を、断面において、前記
開口部周囲から前記電子放出層の中央に向かうにしたが
って、厚さが薄くなるように形成したことを特徴とする
請求項２、３、４又は５記載の冷陰極装置。
【請求項７】前記離間帯に酸素終端を形成したことを
特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。
【請求項８】絶縁層上にゲート電極を設け、前記絶縁
層の開口部底面にカソード電極を設けた冷陰極装置であ
って、前記カソード電極の露出面の中央部に凹部を形成し、こ
の凹部に電子放出層を埋設したことを特徴とする冷陰極
装置。