JP2003197089A

JP2003197089A - 電界放射型電子源

Info

Publication number: JP2003197089A
Application number: JP2001392226A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Yoshiaki Honda; 由明本多
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】強電界ドリフト層の局所的な劣化の進行や表面
電極から局所的に過剰な電子が放出されることを抑制で
きる電界放射型電子源を提供する。【解決手段】絶縁性基板１１上に列設された複数本の下
部電極１２と、下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成
された複数の多結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層
３にそれぞれ重なる形で形成された酸化した多孔質多結
晶シリコン層よりなる複数の強電界ドリフト層６と、隣
り合う強電界ドリフト層６間を埋める多結晶シリコン層
よりなる分離層１６と、強電界ドリフト層６および分離
層１６の上で強電界ドリフト層６および分離層１６に跨
って下部電極１２に交差する方向に列設された複数本の
表面電極７とを備える。下部電極１２と強電界ドリフト
層６との間において下部電極１２上に形成され表面電極
７に対応する部位が開口された絶縁層１３を備える。絶
縁層１３が電子注入領域限定手段を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射により電
子線を放射するようにした電界放射型電子源に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、下部電極と、下部電極に対向
する導電性薄膜よりなる表面電極と、下部電極と表面電
極との間に介在する酸化した多孔質多結晶シリコン層よ
りなる強電界ドリフト層とを備えた電界放射型電子源が
提案されているこの種の電界放射型電子源は、例えば、
図９に示すように導電性基板としてのｎ形シリコン基板
１の主表面（一表面）側に酸化した多孔質多結晶シリコ
ン層よりなる強電界ドリフト層６が形成され、強電界ド
リフト層６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表
面電極７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１
の裏面にはオーミック電極２が形成されており、ｎ形シ
リコン基板１とオーミック電極２とで下部電極１２を構
成している。なお、図９に示す例では、ｎ形シリコン基
板１と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶
シリコン層３を介在させてあるが、多結晶シリコン層３
を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面上に強電界
ドリフト層６を形成した構成も提案されている。

【０００３】図９に示す構成の電界放射型電子源１０’
から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置され
たコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極
２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部電極
１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電
極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレ
クタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となるよう
にコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃ
を印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれ
ば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフト
層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図９
中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-
の流れを示す）。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５
ｎｍ程度に設定されている。

【０００４】上述の強電界ドリフト層６は、下部電極１
２上にノンドープの多結晶シリコン層を形成した後に、
該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化し、多
孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化法によって例えば９
００℃の温度で急速熱酸化することにより形成されてお
り、図１０に示すように、少なくとも、ｎ形シリコン基
板１の主表面側（つまり、下部電極１２における表面電
極７側）に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン
５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン
酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメ
ータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶
６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒
径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化
膜６４とから構成されると考えられる。要するに、強電
界ドリフト層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表
面が多孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されている。なお、各グレイン５１は、下部電極１２
の厚み方向に延びている。

【０００５】したがって、上述の電界放射型電子源１
０’では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に
表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖpsを印加すると
ともに、コレクタ電極２１と表面電極７との間にコレク
タ電極２１を高電位側として直流電圧Ｖｃを印加するこ
とにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達する
と、下部電極１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起に
より電子ｅ^-が注入される。一方、強電界ドリフト層６
に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかか
るから、注入された電子ｅ^-はシリコン酸化膜６４にか
かっている強電界により加速され、強電界ドリフト層６
におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１
０中の矢印の向き（図１０における上向き）へドリフト
し、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。しか
して、強電界ドリフト層６では下部電極１２から注入さ
れた電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されるこ
となくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速さ
れてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型
電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグ
レイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッ
ピング現象が発生せず、安定して電子を放出することが
できる。なお、強電界ドリフト層６の表面に到達した電
子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７
を容易にトンネルし真空中に放出される。

【０００６】ところで、上述の電界放射型電子源１０’
では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電極２とで下部
電極１２を構成しているが、図１１に示すように、例え
ばガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に金属
材料よりなる下部電極１２を形成した電界放射型電子源
１０”も提案されている。ここに、上述の図９に示した
電界放射型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符
号を付して説明を省略する。

【０００７】図１１に示す構成の電界放射型電子源１
０”から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置
されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ
電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が下部
電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下
部電極１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、
コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となる
ようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧
Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定す
れば、下部電極１２から注入された電子が強電界ドリフ
ト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図
１１中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子
ｅ^-の流れを示す）。なお、強電界ドリフト層６の表面
に到達した電子はホットエレクトロンであると考えら
れ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出され
る。

【０００８】上述の各電界放射型電子源１０’，１０”
では、表面電極７と下部電極１２との間に流れる電流を
ダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１と表面電
極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子
電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図９および図１１参
照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉ
ｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率
（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。な
お、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、表面
電極７と下部電極１２との間に印加する直流電圧Ｖpsを
１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させるこ
とができ、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流
Ｉeが大きくなる。

【０００９】また、図１１に示した電界放射型電子源１
０”をディスプレイの電子源とし応用する場合には、例
えば図１２に示す構成を採用すればよい。

【００１０】図１２に示すディスプレイは、電界放射型
電子源１０に対向して平板状のガラス基板よりなるフェ
ースプレート３０が配置され、フェースプレート３０に
おける電界放射型電子源１０との対向面には透明な導電
膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極（以下、
アノード電極と称す）２１が形成されている。また、ア
ノード電極２１における電界放射型電子源１０との対向
面には、画素ごとに形成された蛍光物質と蛍光物質間に
形成された黒色材料からなるブラックストライプとが設
けられている。ここに、蛍光物質はアノード電極２１に
おける電界放射型電子源１０との対向面に塗布されてお
り、電界放射型電子源１０から放射される電子線によっ
て可視光を発光する。なお、蛍光物質には電界放射型電
子源１０から放射されアノード電極２１に印加された電
圧によって加速された高エネルギの電子が衝突するよう
になっており、蛍光物質としてはＲ（赤色），Ｇ（緑
色），Ｂ（青色）の各発光色のものを用いている。ま
た、フェースプレート３０は図示しない矩形枠状のフレ
ームによって電界放射型電子源１０と離間させてあり、
フェースプレート３０と電界放射型電子源１０との間に
形成される気密空間を真空にしてある。

【００１１】図１２に示した電界放射型電子源１０は、
ガラス基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１
の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、下部電
極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数の多結晶シ
リコン層３と、多結晶シリコン層３にそれぞれ重なる形
で形成された酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる
複数の強電界ドリフト層６と、隣り合う強電界ドリフト
層６間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離層１６
と、強電界ドリフト層６および分離層１６の上で強電界
ドリフト層６および分離層１６に跨って下部電極１２に
交差する方向に列設された複数の表面電極７とを備えて
いる。

【００１２】この電界放射型電子源１０では、絶縁性基
板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、
下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電
極７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層６の一
部が挟まれているから、表面電極７と下部電極１２との
組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することに
より、強電界ドリフト層６において選択された表面電極
７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作
用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極７の
群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格
子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の多
結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ド
リフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とか
らなる電子源素子１０ａを配置したことに相当し、電圧
を印加する表面電極７と下部電極１２との組を選択する
ことによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出さ
せることが可能になる。なお、上述の記載から分かるよ
うに、電子源素子１０ａは画素ごとに設けられることに
なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２に示
した電界放射型電子源１０のように下部電極１２、多結
晶シリコン層３、強電界ドリフト層６、および表面電極
７がパターニングされたものでは、上述のように電圧を
印加する表面電極７と下部電極１２との組を選択するこ
とによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出させ
ることが可能になる。

【００１４】しかしながら、上述の電界放射型電子源１
０では、図１２および図１３に示すように、下部電極１
２、多結晶シリコン層３、および強電界ドリフト層６が
表面電極７と交差しており、選択した表面電極７と下部
電極１２との間に表面電極７を高電位側として電圧を印
加することにより強電界ドリフト層６にかかる電界によ
って、強電界ドリフト層６には選択した下部電極１２の
うち表面電極７に重なる領域よりも広い領域から電子が
注入され、選択した下部電極１２のうち表面電極７に重
なる領域の外側の領域から注入された電子が表面電極７
の幅方向（図１３における左右方向）の両端部に集中し
てしまう。このため、強電界ドリフト層６は表面電極７
の幅方向の両端部近傍を流れる電流の電流密度が表面電
極７の幅方向の中央部近傍を流れる電流の電流密度に比
べて大きくなり、強電界ドリフト層６の劣化が局所的に
進行してしまうという不具合があった。

【００１５】また、表面電極７においても幅方向の両端
部での電流密度が中央部に比べて大きくなるので、両端
部から放出される放出電子量が中央部に比べて多くな
り、画素の輝度も表面電極７の幅方向の両端部に対応す
る部位が大きくなってしまい、画素内で輝度むらを生じ
てしまうという不具合があった。

【００１６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、強電界ドリフト層の局所的な劣化の
進行や表面電極から局所的に過剰な電子が放出されるこ
とを抑制できる電界放射型電子源を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、下部電極と、下部電極の一表面
側に形成された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層
上に形成された表面電極とを備え、表面電極と下部電極
との間に表面電極を高電位側として電圧を印加すること
により下部電極から注入された電子が強電界ドリフト層
をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型電
子源であって、強電界ドリフト層において電子の注入さ
れる電子注入領域を表面電極に対応するように限定する
電子注入領域限定手段が設けられてなることを特徴とす
るものであり、電子注入領域限定手段によって、強電界
ドリフト層において電子の注入される電子注入領域が表
面電極に対応するように限定されるので、下部電極にお
いて表面電極に重ならない領域から強電界ドリフト層へ
電子が注入されるのを防止することができるから、強電
界ドリフト層において表面電極に対応する部位での電流
密度の均一性を高めることができ、強電界ドリフト層の
局所的な劣化の進行や表面電極から局所的に過剰な電子
が放出されることを抑制できる。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極と前記
強電界ドリフト層との間において前記下部電極の前記一
表面上に形成され前記表面電極に対応する部位が開口さ
れた絶縁層からなるので、前記下部電極のパターンを変
更することなく前記下部電極において前記表面電極に重
ならない領域から前記強電界ドリフト層へ電子が注入さ
れるのを防止することができる。

【００１９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極の前記
一表面上であって前記表面電極に対応する部位を除いた
部位に形成された絶縁層からなるので、前記下部電極の
パターンを変更することなく前記下部電極において前記
表面電極に重ならない領域から前記強電界ドリフト層へ
電子が注入されるのを防止することができる。

【００２０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記強電界ドリフト層は、前記表面電極に対応する
部位を除いた領域に前記下部電極を露出させる切欠部が
形成され、前記電子注入領域限定手段は、前記切欠部よ
りなるので、前記下部電極のパターンを変更することな
く前記下部電極において前記表面電極に重ならない領域
から前記強電界ドリフト層へ電子が注入されるのを防止
することができる。

【００２１】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記切欠部の内面を
被覆する絶縁層を備えるので、リーク電流を低減するこ
とができる。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極に電気
的に接続された配線を備え、前記下部電極を前記表面電
極に対応する形状に形成してなるので、前記下部電極上
に電子注入領域を限定するための構造を設ける必要がな
い。

【００２３】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記配線の厚さ寸法を前記下部電極の厚さ寸法に比
べて大きく設定してなるので、前記配線の抵抗を小さく
することができ、前記配線での電圧降下を少なくできる
から、低消費電力化を図れる。また、１つの配線に複数
の下部電極が接続されているような場合に、当該配線に
接続された複数の下部電極それぞれに対応した複数の表
面電極について放出電子量のばらつきを少なくすること
ができる。

【００２４】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、前記強電界ドリフト層は、酸化若し
くは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よ
りなり、少なくとも、前記下部電極の厚み方向に延びた
柱状の複数本のグレインと、グレイン間に介在するナノ
メータオーダの多数のシリコン微結晶と、各シリコン微
結晶それぞれの表面に形成されたシリコン体微結晶の結
晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とを有するので、前記
強電界ドリフト層に印加された電界の大部分が絶縁膜に
集中的にかかり、前記下部電極から前記強電界ドリフト
層に注入された電子が絶縁膜にかかっている強電界によ
り加速され前記表面電極へ向かってドリフトするから、
電子放出効率を向上させることができ、しかも、前記電
子源素子で発生した熱がグレインを通して放熱されるか
ら、電子放出時にポッピング現象が発生せず電子を安定
して放出することができる。また、前記表面電極を通し
て放出される電子線の放出方向が前記表面電極の法線方
向に揃いやすいから、例えばディスプレイの電子源とし
て応用する場合に、複雑なシャドウマスクや電子収束レ
ンズを設ける必要がなく、ディスプレイの薄型化を図れ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態の電界
放射型電子源１０の基本構成は図１２および図１３に示
した従来構成と略同じであって、図１および図２に示す
ように、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基
板、絶縁性を有するセラミック基板など）１１の一表面
上に列設された複数本の下部電極１２と、各下部電極１
２にそれぞれ重なる形で形成された複数の多結晶シリコ
ン層３と、各多結晶シリコン層３にそれぞれ重なる形で
形成された酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる複
数の強電界ドリフト層６と、隣り合う強電界ドリフト層
６間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離層１６と、
強電界ドリフト層６および分離層１６の上で強電界ドリ
フト層６および分離層１６に跨って下部電極１２に交差
（直交）する方向に列設された複数本の表面電極７とを
備えている。また、本実施形態の電界放射型電子源１０
は、下部電極１２と強電界ドリフト層６との間において
下部電極１２の一表面上に形成され表面電極７に対応す
る部位が開口された絶縁層１３を備えている。

【００２６】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
上記従来構成と同様に、絶縁性基板１１の一表面上に列
設された複数本の下部電極１２と、下部電極１２に交差
する方向に列設された複数本の表面電極７との交点に相
当する部位に強電界ドリフト層６の一部が挟まれている
から、表面電極７と下部電極１２との組を適宜選択して
選択した組間に電圧を印加することにより、強電界ドリ
フト層６において選択された表面電極７と下部電極１２
との交点に相当する部位に強電界が作用して電子が放出
される。つまり、複数本の表面電極７の群と複数本の下
部電極１２の群とからなるマトリクス（格子）の格子点
に、下部電極１２と、下部電極１２上の多結晶シリコン
層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ドリフト層６
と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とからなる電子
源素子１０ａを配置したことに相当し、電圧を印加する
表面電極７と下部電極１２との組を選択することによっ
て所望の電子源素子１０ａから電子を放出させることが
可能になる。ここにおいて、各下部電極１２は、短冊状
に形成され、長手方向の両端部上にそれぞれパッド２８
が形成されている。また、各表面電極７も、短冊状に形
成され、長手方向の両端部から延長された部位上にそれ
ぞれパッド２７が形成されている。なお、上述の記載か
ら分かるように、電子源素子１０ａは画素ごとに設けら
れることになる。

【００２７】下部電極２は、例えば、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，
Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｏなどの金属あるいはこれ
らの合金や、不純物をドーピングした多結晶シリコンな
どにより形成すればよい。

【００２８】また、表面電極７は、例えば、Ａｕ，Ｐ
ｔ，Ｃｒなどの仕事関数が小さく耐酸化性が高くて化学
的に安定な金属からなる金属膜あるいはこれらの金属膜
の積層膜により形成すればよい。

【００２９】また、強電界ドリフト層６は、下部電極１
２および絶縁層１３が形成された絶縁性基板１１の上記
一表面側の全面にノンドープの多結晶シリコン層を堆積
させた後に、当該多結晶シリコン層のうち強電界ドリフ
ト層６に対応した部位を陽極酸化処理にて多孔質化し
（以下、この多孔質化された部分を多孔質多結晶シリコ
ン層と称す）、多孔質多結晶シリコン層を例えば急速加
熱法或いは電気化学的な方法によって酸化することによ
り形成されている。なお、本実施形態では、下部電極１
２の厚さ寸法を２００ｎｍ、多結晶シリコン層３の厚さ
寸法を０．５μｍ、強電界ドリフト層６の厚さ寸法を
１．０μｍ、表面電極７の厚さ寸法を１５ｎｍにそれぞ
れ設定してあるが、これらの数値はそれぞれ一例であっ
て特に限定するものではない。

【００３０】本実施形態では、強電界ドリフト層６の形
成にあたって、上述のノンドープの多結晶シリコン層を
表面から深さ方向に多孔質化し下部電極１２および絶縁
層１３に達しないように途中で陽極酸化処理を停止して
いるので、強電界ドリフト層６と下部電極１２との間に
多結晶シリコン層３が介在しているが、上述のノンドー
プの多結晶シリコン層を表面から深さ方向において下部
電極１２に達するまで多孔質化することで多結晶シリコ
ン層３を介在させずに下部電極１２上および絶縁層１３
上に跨って強電界ドリフト層６を形成してもよい。

【００３１】本実施形態の電界放射型電子源１０の動作
は図１２に示した従来構成の動作と略同じであって、表
面電極７を真空中に配置するとともに対向配置されるフ
ェースプレート３０にアノード電極２１を設け、選択し
た表面電極７を下部電極１２に対して正極として直流電
圧Ｖpsを印加するとともに、アノード電極２１を表面電
極７に対して正極として直流電圧Ｖcを印加することに
よって、強電界ドリフト層６に作用する電界により下部
電極１２から強電界ドリフト層６へ注入された電子が強
電界ドリフト層６をドリフトし表面電極７を通して放出
される。なお、強電界ドリフト層６は、上述の図１０と
同様の構成を有していると考えられる。すなわち、強電
界ドリフト層６は、少なくとも、絶縁性基板１１の一表
面側（つまり、下部電極１２における表面電極７側）に
列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グ
レイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２
と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダ
のシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面
に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小
さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜６４とか
ら構成されると考えられる。要するに、強電界ドリフト
層６は、多結晶シリコン層の各グレインの表面が多孔質
化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持されてい
る。なお、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向
に延びている。

【００３２】したがって、本実施形態の電界放射型電子
源１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考
えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間
に表面電極７を高電位側として直流電圧Ｖpsを印加する
とともに、アノード電極２１（図１２参照）と表面電極
７との間にアノード電極２１を高電位側として直流電圧
Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨
界値）に達すると、下部電極１２から強電界ドリフト層
６へ熱的励起により電子ｅ^-が注入される。一方、強電
界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸
化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ^-はシリコン
酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電
界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面
に向かって図１０中の矢印の向き（図１０における上向
き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし真空中に放
出される。しかして、強電界ドリフト層６では下部電極
１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとん
ど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかってい
る電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放
出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で
発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電
子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を
放出することができる。強電界ドリフト層６の表面に到
達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表
面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。ま
た、表面電極７を通して放出される電子線の放出方向が
表面電極７の法線方向に揃いやすいので、複雑なシャド
ウマスクや電子収束レンズを設ける必要がなく、ディス
プレイの薄型化を図れるという利点がある。

【００３３】なお、本実施形態では、強電界ドリフト層
６を酸化した多孔質多結晶シリコン層により構成してい
るが、強電界ドリフト層６を窒化若しくは酸窒化した多
孔質多結晶シリコン層により構成してもよいし、また、
その他の酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半
導体層により構成してもよい。ここに、強電界ドリフト
層６を窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には
図１０にて説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいず
れもシリコン窒化膜となり、強電界ドリフト層６を酸窒
化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には各シリコ
ン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜とな
る。

【００３４】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０においては、上述のように、下部電極１２と強電界
ドリフト層６との間において下部電極１２の一表面上に
形成され表面電極７に対応する部位が開口された絶縁層
１３を備えている点に特徴がある。つまり、本実施形態
では、下部電極１２において表面電極７と重ならない部
位上にシリコン酸化膜よりなる絶縁層１３が設けられて
いる点に特徴がある。ここにおいて、絶縁層１３は、下
部電極１２において表面電極７に重ならない領域（つま
り、下部電極７において表面電極７に重なる領域の外側
の領域）から強電界ドリフト層６へ電子が注入されるの
を抑制するために設けてある。言い換えれば、絶縁層１
３は、強電界ドリフト層６において電子が注入される電
子注入領域を表面電極７の幅方向（図２の左右方向）の
寸法に合わせて限定する機能を有するようにパターニン
グされている。

【００３５】なお、本実施形態では、絶縁層１３をシリ
コン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限
らず、例えばシリコン窒化膜により構成してもよい。ま
た、本実施形態では、絶縁層１３が、強電界ドリフト層
６において電子の注入される電子注入領域を表面電極７
に対応するように限定する電子注入領域限定手段を構成
している。ここに、絶縁層１３の厚さ寸法は、表面電極
７と下部電極２との間に電圧が印加された時に電子がト
ンネルしない程度の寸法に設定すればよく、多結晶シリ
コン層３の厚さ寸法と強電界ドリフト層６の厚さ寸法と
を合計した寸法に比べて比較的小さく設定することがで
き、絶縁層１３の厚さ寸法を小さくする程、多結晶シリ
コン層３、強電界ドリフト層６、表面電極７の平坦性を
向上させることができ、表面電極７の断線をより確実に
防止することができる。

【００３６】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト層６において電子の注入され
る電子注入領域を表面電極７に対応するように限定する
電子注入領域限定手段たる絶縁層１３が設けられている
ので、絶縁層１３によって、強電界ドリフト層６におい
て電子の注入される電子注入領域が表面電極７に対応す
るように限定されることになり、下部電極１２において
表面電極７に重ならない領域から強電界ドリフト層６へ
電子が注入されるのを防止することができるから、強電
界ドリフト層６において表面電極７に対応する部位での
電流密度の均一性を高めることができ、強電界ドリフト
層６の局所的な劣化の進行や表面電極７から局所的に過
剰な電子が放出されることを抑制できる。ここにおい
て、本実施形態では、上述のように下部電極１２と強電
界ドリフト層６との間において下部電極１２の一表面上
に形成され表面電極７に対応する部位が開口された絶縁
層１３が電子注入領域限定手段を構成しているので、下
部電極１２のパターンを変更することなく下部電極１２
において表面電極７に重ならない領域から強電界ドリフ
ト層６へ電子が注入されるのを防止することができる。

【００３７】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は図１および図２に示した実施形態
１と略同じであって、図３に示すように、下部電極１２
において表面電極７に対応する部位を除いた部位上にシ
リコン酸化膜よりなる絶縁層１４が形成している点に特
徴がある。すなわち、本実施形態では、下部電極１２の
長手方向において絶縁層１４と強電界ドリフト層６およ
び多結晶シリコン層３とが交互に形成され、下部電極１
２に交差する表面電極７は絶縁層１４上に跨らないよう
に強電界ドリフト層６上に形成されている。本実施形態
では、絶縁層１４が、強電界ドリフト層６において電子
の注入される電子注入領域を表面電極７に対応するよう
に限定する電子注入領域限定手段を構成している。な
お、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００３８】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト層６において電子の注入され
る電子注入領域を表面電極７に対応するように限定する
電子注入領域限定手段たる絶縁層１４が設けられている
ので、絶縁層１４によって、強電界ドリフト層６におい
て電子の注入される電子注入領域が表面電極７に対応す
るように限定されることになり、下部電極１２において
表面電極７に重ならない領域から強電界ドリフト層６へ
電子が注入されるのを防止することができるから、強電
界ドリフト層６において表面電極７に対応する部位での
電流密度の均一性を高めることができ、強電界ドリフト
層６の局所的な劣化の進行や表面電極７から局所的に過
剰な電子が放出されることを抑制できる。ここにおい
て、本実施形態では、上述のように下部電極１２におい
て表面電極７に対応する部位を除いた部位上に形成され
た絶縁層１４が電子注入領域限定手段を構成しているの
で、下部電極１２のパターンを変更することなく下部電
極１２において表面電極７に重ならない領域から強電界
ドリフト層６へ電子が注入されるのを防止することがで
きる。

【００３９】なお、本実施形態では、絶縁層１４をシリ
コン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限
らず、例えばシリコン窒化膜により構成してもよい。絶
縁層１４をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜により構成
する場合には、下部電極１２に沿って多結晶シリコン層
３および強電界ドリフト６を形成した後に、強電界ドリ
フト層６および多結晶シリコン層３において絶縁層１４
の形成部位に対応した部分を開孔してから、ＣＶＤ法な
どによって開孔部を埋め込むように絶縁層１４を形成す
ればよい。また、絶縁層１４は、下部電極１２に沿って
形成したノンドープの多結晶シリコン層において絶縁層
１４の形成予定部位に対応した部分の全部を陽極酸化処
理にて多孔質化した後に酸化することで形成してもよ
い。

【００４０】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は図１および図２に示した実施形態
１と略同じであって、図４に示すように、強電界ドリフ
ト層６において表面電極７に対応する部位（表面電極７
に重なる部位）を除いた領域に下部電極１２を露出させ
る切欠部１７が形成されている点が相違する。本実施形
態では、切欠部１７が、強電界ドリフト層６において電
子の注入される電子注入領域を表面電極７に対応するよ
うに限定する電子注入領域限定手段を構成している。な
お、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００４１】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト層６において電子の注入され
る電子注入領域を表面電極７に対応するように限定する
電子注入領域限定手段たる切欠部１７が形成されている
ので、強電界ドリフト層６において電子の注入される電
子注入領域が表面電極７に対応するように限定されるこ
とになり、下部電極１２において表面電極７に重ならな
い領域から強電界ドリフト層６へ電子が注入されるのを
防止することができるから、強電界ドリフト層６におい
て表面電極７に対応する部位での電流密度の均一性を高
めることができ、強電界ドリフト層６の局所的な劣化の
進行や表面電極７から局所的に過剰な電子が放出される
ことを抑制できる。ここにおいて、本実施形態では、上
述のように切欠部１７が電子注入領域限定手段を構成し
ているので、下部電極１２のパターンを変更することな
く下部電極１２において表面電極７に重ならない領域か
ら強電界ドリフト層６へ電子が注入されるのを防止する
ことができる。

【００４２】（実施形態４）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は実施形態３と略同じであって、図
５に示すように、切欠部１７の内面を被覆する絶縁層１
５を備えている点が相違する。すなわち、本実施形態で
は、強電界ドリフト層６において電子の注入される電子
注入領域を表面電極７に対応するように限定する電子注
入領域限定手段が切欠部１７と絶縁層１５とで構成され
る。ここに、絶縁層１５はシリコン酸化膜により構成さ
れているが、シリコン窒化膜により構成するようにして
もよい。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

【００４３】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、実施形態３と同様に、強電界ドリフト層６に
おいて電子の注入される電子注入領域を表面電極７に対
応するように限定する電子注入領域限定手段が形成され
ているので、強電界ドリフト層６において電子の注入さ
れる電子注入領域が表面電極７に対応するように限定さ
れることになり、下部電極１２において表面電極７に重
ならない領域から強電界ドリフト層６へ電子が注入され
るのを防止することができるから、強電界ドリフト層６
において表面電極７に対応する部位での電流密度の均一
性を高めることができ、強電界ドリフト層６の局所的な
劣化の進行や表面電極７から局所的に過剰な電子が放出
されることを抑制できる。ここにおいて、本実施形態で
は、上述のように切欠部１７と絶縁層１５とで電子注入
領域限定手段を構成しているので、下部電極１２のパタ
ーンを変更することなく下部電極１２において表面電極
７に重ならない領域から強電界ドリフト層６へ電子が注
入されるのを防止することができる。また、本実施形態
では、切欠部１７の内面が絶縁層１５で被覆されている
ので、電子放出効率の低下の原因となるリーク電流を低
減することができる。

【００４４】（実施形態５）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は図１および図２に示した実施形態
１と略同じであって、実施形態１における絶縁層１３を
設ける代わりに、図６〜図８に示すように、絶縁性基板
１１の一表面側において上述のマトリクスの格子点に対
応する部位のみに下部電極１２を形成し、表面電極７に
交差する方向に配列された複数の下部電極１２をバス電
極からなる配線２２によって電気的に共通接続している
点に特徴がある。すなわち、本実施形態では、表面電極
７に対応する形状に形成した下部電極１２と配線２２と
で、強電界ドリフト層６において電子の注入される電子
注入領域を表面電極７に対応するように限定する電子注
入領域限定手段を構成している。言い換えれば、電子注
入領域限定手段が、下部電極１２に電気的に接続された
配線２２を備え、下部電極１２を表面電極７に対応する
形状に形成してある。ここにおいて、配線２２の厚さ寸
法は配線２２による電圧降下を小さくするために下部電
極１２の厚さ寸法に比べて大きく設定してある。ここ
に、配線２２の材料としては低抵抗の材料を用いること
が望ましいのは勿論である。なお、実施形態１と同様の
構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００４５】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト層６において電子の注入され
る電子注入領域を表面電極７に対応するように限定する
電子注入領域限定手段が形成されているので、強電界ド
リフト層６において電子の注入される電子注入領域が表
面電極７に対応するように限定されることになり、下部
電極１２において表面電極７に重ならない領域から強電
界ドリフト層６へ電子が注入されるのを防止することが
できるから、強電界ドリフト層６において表面電極７に
対応する部位での電流密度の均一性を高めることがで
き、強電界ドリフト層６の局所的な劣化の進行や表面電
極７から局所的に過剰な電子が放出されることを抑制で
きる。また、本実施形態では、実施形態１のように下部
電極１２上に電子注入領域を限定するための構造を設け
る必要がないという利点がある。

【００４６】また、本実施形態では、配線２２の厚さ寸
法を下部電極１２の厚さ寸法に比べて大きく設定してあ
るので、配線２２の抵抗を小さくすることができ、配線
２２での電圧降下を少なくできるから、低消費電力化を
図れる。しかも、１つの配線２２に共通接続された複数
の下部電極１２それぞれに対応した複数の表面電極７に
ついて放出電子量のばらつきを少なくすることができ
る。

【００４７】

【発明の効果】請求項１の発明は、下部電極と、下部電
極の一表面側に形成された強電界ドリフト層と、強電界
ドリフト層上に形成された表面電極とを備え、表面電極
と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印
加することにより下部電極から注入された電子が強電界
ドリフト層をドリフトし表面電極を通して放出される電
界放射型電子源であって、強電界ドリフト層において電
子の注入される電子注入領域を表面電極に対応するよう
に限定する電子注入領域限定手段が設けられてなるもの
であり、電子注入領域限定手段によって、強電界ドリフ
ト層において電子の注入される電子注入領域が表面電極
に対応するように限定されるので、下部電極において表
面電極に重ならない領域から強電界ドリフト層へ電子が
注入されるのを防止することができるから、強電界ドリ
フト層において表面電極に対応する部位での電流密度の
均一性を高めることができ、強電界ドリフト層の局所的
な劣化の進行や表面電極から局所的に過剰な電子が放出
されることを抑制できるという効果がある。

【００４８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極と前記
強電界ドリフト層との間において前記下部電極の前記一
表面上に形成され前記表面電極に対応する部位が開口さ
れた絶縁層からなるので、前記下部電極のパターンを変
更することなく前記下部電極において前記表面電極に重
ならない領域から前記強電界ドリフト層へ電子が注入さ
れるのを防止することができるという効果がある。

【００４９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極の前記
一表面上であって前記表面電極に対応する部位を除いた
部位に形成された絶縁層からなるので、前記下部電極の
パターンを変更することなく前記下部電極において前記
表面電極に重ならない領域から前記強電界ドリフト層へ
電子が注入されるのを防止することができるという効果
がある。

【００５０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記強電界ドリフト層は、前記表面電極に対応する
部位を除いた領域に前記下部電極を露出させる切欠部が
形成され、前記電子注入領域限定手段は、前記切欠部よ
りなるので、前記下部電極のパターンを変更することな
く前記下部電極において前記表面電極に重ならない領域
から前記強電界ドリフト層へ電子が注入されるのを防止
することができるという効果がある。

【００５１】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記切欠部の内面を
被覆する絶縁層を備えるので、リーク電流を低減するこ
とができるという効果がある。

【００５２】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記電子注入領域限定手段は、前記下部電極に電気
的に接続された配線を備え、前記下部電極を前記表面電
極に対応する形状に形成してなるので、前記下部電極上
に電子注入領域を限定するための構造を設ける必要がな
いという効果がある。

【００５３】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記配線の厚さ寸法を前記下部電極の厚さ寸法に比
べて大きく設定してなるので、前記配線の抵抗を小さく
することができ、前記配線での電圧降下を少なくできる
から、低消費電力化を図れる。また、１つの配線に複数
の下部電極が接続されているような場合に、当該配線に
接続された複数の下部電極それぞれに対応した複数の表
面電極について放出電子量のばらつきを少なくすること
ができるという効果がある。

【００５４】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、前記強電界ドリフト層は、酸化若し
くは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よ
りなり、少なくとも、前記下部電極の厚み方向に延びた
柱状の複数本のグレインと、グレイン間に介在するナノ
メータオーダの多数のシリコン微結晶と、各シリコン微
結晶それぞれの表面に形成されたシリコン体微結晶の結
晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とを有するので、前記
強電界ドリフト層に印加された電界の大部分が絶縁膜に
集中的にかかり、前記下部電極から前記強電界ドリフト
層に注入された電子が絶縁膜にかかっている強電界によ
り加速され前記表面電極へ向かってドリフトするから、
電子放出効率を向上させることができ、しかも、前記電
子源素子で発生した熱がグレインを通して放熱されるか
ら、電子放出時にポッピング現象が発生せず電子を安定
して放出することができるという効果がある。また、前
記表面電極を通して放出される電子線の放出方向が前記
表面電極の法線方向に揃いやすいから、例えばディスプ
レイの電子源として応用する場合に、複雑なシャドウマ
スクや電子収束レンズを設ける必要がなく、ディスプレ
イの薄型化を図れるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示し、一部破断した概略斜視図で
ある。

【図２】同上の要部断面図である。

【図３】実施形態２を示す要部断面図である。

【図４】実施形態３を示す要部断面図である。

【図５】実施形態４を示す要部断面図である。

【図６】実施形態５を示し、一部破断した概略斜視図で
ある。

【図７】同上の要部断面図である。

【図８】同上の要部平面図である。

【図９】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図で
ある。

【図１０】同上の動作説明図である。

【図１１】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説
明図である。

【図１２】同上を応用したディスプレイの概略構成図で
ある。

【図１３】同上に用いる電界放射型電子源の要部断面図
である。

【符号の説明】

３多結晶シリコン層６強電界ドリフト層７表面電極１０電界放射型電子源１１絶縁性基板１２下部電極１３絶縁層１６分離層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菰田卓哉大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者本多由明大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5C031 DD17 5C036 EE03 EE14 EF01 EF06 EF09 EG12 EH06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部電極と、下部電極の一表面側に形成
された強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成
された表面電極とを備え、表面電極と下部電極との間に
表面電極を高電位側として電圧を印加することにより下
部電極から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフ
トし表面電極を通して放出される電界放射型電子源であ
って、強電界ドリフト層において電子の注入される電子
注入領域を表面電極に対応するように限定する電子注入
領域限定手段が設けられてなることを特徴とする電界放
射型電子源。
【請求項２】前記電子注入領域限定手段は、前記下部
電極と前記強電界ドリフト層との間において前記下部電
極の前記一表面上に形成され前記表面電極に対応する部
位が開口された絶縁層からなることを特徴とする請求項
１記載の電界放射型電子源。
【請求項３】前記電子注入領域限定手段は、前記下部
電極の前記一表面上であって前記表面電極に対応する部
位を除いた部位に形成された絶縁層からなることを特徴
とする請求項１記載の電界放射型電子源。
【請求項４】前記強電界ドリフト層は、前記表面電極
に対応する部位を除いた領域に前記下部電極を露出させ
る切欠部が形成され、前記電子注入領域限定手段は、前
記切欠部よりなることを特徴とする請求項１記載の電界
放射型電子源。
【請求項５】前記電子注入領域限定手段は、前記切欠
部の内面を被覆する絶縁層を備えることを特徴とする請
求項４記載の電界放射型電子源。
【請求項６】前記電子注入領域限定手段は、前記下部
電極に電気的に接続された配線を備え、前記下部電極を
前記表面電極に対応する形状に形成してなることを特徴
とする請求項１記載の電界放射型電子源。
【請求項７】前記配線の厚さ寸法を前記下部電極の厚
さ寸法に比べて大きく設定してなることを特徴とする請
求項６記載の電界放射型電子源。
【請求項８】前記強電界ドリフト層は、酸化若しくは
窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりな
り、少なくとも、前記下部電極の厚み方向に延びた柱状
の複数本のグレインと、グレイン間に介在するナノメー
タオーダの多数のシリコン微結晶と、各シリコン微結晶
それぞれの表面に形成されたシリコン体微結晶の結晶粒
径よりも小さな膜厚の絶縁膜とを有することを特徴とす
る請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の電界放射
型電子源。