JP2005056667A - 電界電子放出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッジエミッタ型ＦＥＤの放出電子の集束性の改善
【解決手段】 エッジエミッタ型ＦＥＤは、基板上に積層されたゲート電極と、このゲート電極上に層間絶縁層を介して積層されたエミッタ電極と対面する基板に設けられたアノード電極との三極構造とされ、アノード電極と蛍光体で形成されるアノード画素と、エミッタ電極と層間絶縁層とで形成される細長形の開口孔から形成されるウエルとを備え、ウエルの長手方向がアノード画素の長方形状のサブピクセルの長手方向と直交するように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電界電子放出素子に関し、特にエッジエミッタ型電界電子放出素子に関する。

近年、ディスプレイ装置は、ディスプレイを薄型化、省エネルギー型化とする方向に研究開発が進められ、例えば液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、電界電子放出型ディスプレイがあげられる。
いわゆる電界電子放出型ディスプレイ装置（以下、ＦＥＤ（Field Emission Display）と略称する。）は、カソード電極、ゲート電極とアノード電極の配置により、スピント型と一般に称される縦型構造のものと、ラテラル型、側面型や平面型と称される横型構造のエッジエミッタ型のものがある。

スピント型ＦＥＤは、基板電極と、その上に形成された円錐形状の電子放出部であるカソード電極（エミッタ電極）と、カソード電極の周辺の基板上に絶縁層（二酸化シリコンＳｉＯ２ ）を挟んで引き出し電極であるゲート電極が積層されている構造とされ、真空中で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により、その間に高電界を発生させ、電界放出の原理によってカソード電極の先端より電子が放出されるものである。

しかし、スピント型ＦＥＤの構造において、エミッタ電極とゲート電極との距離は、レジストパターンに設けられた穴の大きさにより決定されるため、多数の電子放出素子であるエミッタ電極を再現性良く、均一に形成するには、リソグラフィ工程、エッチング工程の精度を上げる必要がある。しかし、これらの技術は装置性能に大きく左右される上に、その制御は容易ではない。即ち、微細化に伴うエミッタ電極の形状やゲート電極間距離のばらつきによる素子毎の電子放出特性のばらつきは製造上避けることができないという問題点がある。特に、大画面のＦＥＤを製造する場合には、大きな基板上にエミッタ電極を均一に形成することが困難であるため、エミッタ電極の配列が均一に形成されていない場合には、画面の位置により電界電子放出特性が均一でなくなり、画像を良好に表示することが困難な場合も生じやすかった。

これに対して、エッジエミッタ型のＦＥＤは、略平板状に形成されたエッジエミッタ電極が絶縁層を介して形成されたゲート電極を介してアノード電極に電界電子放出が行われるような構成とされ、ゲート電極とエッジエミッタ電極との間に発生する電界により、エッジエミッタ電極から電子が放出される。

このように構成されたエッジエミッタ型の電子放出装置では、エッジエミッタ電極から発生した電子が、スピント型の電子放出装置と同様に、加速されて蛍光体と衝突する。これにより、エッジエミッタ型の電子放出装置を用いたＦＥＤでは、蛍光体が励起して発光し、画像を表示することができる。

このエッジエミッタ型のＦＥＤでは、電子を放出するエッジエミッタ電極を略平板状に形成することができるため、ゲート電極とエミッタ電極との間に発生する電界により、エミッタ電極から電子が放出されるため、上述したスピント型のＦＥＤと比較すると、製造工程が容易であることが特徴である。

このような特徴を有しているエッジエミッタ型ＦＥＤは、平面型多極真空管の分野にも応用されているが、平面上に多数配列すれば平面ディスプレイとすることができ、液晶ディスプレイ装置と比較すると、応答性、輝度、耐環境性など多くの点で優れている。このため、平面ディスプレイとして主流を占める可能性があり、大型の平面型表示装置の開発が進められている。

特許文献１には、スピント型ＦＥＤがもつ問題点を解決するために、発光型表示装置等に利用される横型構造のエミッタを薄膜化したエッジエミッタ型の電界放出素子が、図８に示すように開示されている。

図８（ａ）は特許文献１に記載されている従来の電界放出素子の断面図を示し、（ｂ）にその製造方法を示している。
電界放出素子１００は、絶縁性の平面基板１０１、平面基板の表面に形成された二酸化シリコン薄膜よりなる台座１０２、１０２’、その表面に形成されたその先端が鋭角形状（鋸歯状に形成され、この突起部分から電子が放出される。）の電子放出突起部１０４を持つ導電性薄膜であるカソード電極１０３と、平面基板表面にカソード基板に対向して形成されたアノード電極１０５と、平面基板表面に電子放出突起部１０４においてカソード電極に自己整合的に形成されたゲート電極１０６から構成されている。

製造方法は、図８（ｂ）において、次の（１）から（５）の工程からなる。
（１）絶縁性の二酸化シリコン等からなる平面基板１０１の表面に絶縁性薄膜１０７を形成する工程。
（２）絶縁性薄膜１０７の表面に台座形状のレジストパターン１０８を形成する工程。 （３）レジストパターン１０８をマスクとして、絶縁性薄膜１０７を逆テーパ状にエッチング加工し台座１０２、１０２’を形成する工程。
（４）レジストを除去した後アルミニウム薄膜１０９を平面基板の全面に方向性粒子ビーム法によりアルミニウム薄膜１０９を形成する工程。
（５）と、最後に、フォトプロセスによって導電性薄膜１０９をカソード電極１０３、ゲート電極１０６及びアノード電極１０５の形状にエッチング加工する工程。

特許文献１に記載のものは、カーソード電極１０３とゲート電極１０６の距離が薄膜の膜厚で制御されるため、大面積にわたって電気特性を均一にでき、両電極間の距離を短くできること、及び電子放出突起部１０４の先端を鋭角にできるため、ゲート閾値電圧の低電圧化が可能であることが記載され、カソード電極（エッジエミッタ電極）をより尖鋭化すること、カソード電極とゲート電極とのギャップを小さくして、駆動電圧を小さくすること等の改良が行われてきた。

特許文献２には、コレクタ電極（アノード電極）をエッジエミッタ電極（カソード電極）と同一基板上に形成した、特許文献１に記載のものと同形式の電界放出素子が記載され、透光性アノード電極をエッジエミッタ電極の直上部のもう一枚の基板上に形成し、そのアノード電極上に形成した蛍光体を励起発光させる構造の表示装置用電子源とする表示装置について示唆されている。

特許文献３には、特許文献１、２に記載されているエッジエミッタ電極とゲート電極を同一平面上に形成したものと違った、図９に示されているような、平面型（エッジエミッタ型）ＦＥＤが記載されている。
三極管である電子放出素子３４１は、積層構造のエミッタ３１４とゲート３１６、及び、透明な基板３４２上に積層された導電性薄膜からなるアノード３４３とを備えている。アノード３４３には低加速電子線用の蛍光体３４４が積層され、透明な基板３４２は、他方の基板３１２に対して適当な間隔で離間している。この基板３１２にはエミッタ３１４とゲート３１６とが積層されている。そして、透明な基板３４２の蛍光体３４４がゲート３１６に対向している。

この電子放出素子３４１においては、エミッタ３１４−ゲート３１６間に電圧が加えられて電子が引き出され、この後、エミッタ３１４−アノード３４３間に更に高い電圧が加えられ、エミッタ３１４−ゲート３１６間に引き出された電子が、図９中に矢印Ａ、Ａで示すようにアノード３４３の側に引き寄せられる。この電子はアノード３４３に到達する直前に蛍光体３４４に衝突して蛍光を発生させるように構成されているため、
エッジエミッタ電極とゲート電極とを絶縁体を介して積層できるから、エッジエミッタ電極の縁部とゲート電極の縁部とを近接させることができ、上記エッジエミッタ電極の縁部に電界を効率良く印加することができる。また、エッジエミッタ電極の縁部を尖鋭化することで、その尖鋭化された先端部にエッジエミッタ電極からの電界を効率良く集中させることができると記載されている。

このような電子放出素子３４１を各画素として多数個を配列すれば平面ディスプレイ装置が得られる。この種の平面ディスプレイ装置においては、各画素を構成する電子放出素子３４１を近接させても、電子放出素子３４１間の距離がエミッタ３１４−ゲート３１６間の距離よりもわずかでも大きければ隣あう他の電子放出素子には何ら影響を及ぼすものではなく、画素同士の間隔を小さくして画素を緻密に配設し、透明な基板３４２側、及び、他方の基板３１２側にそれぞれ直交する複数の配線を形成してもクロストークなどの問題は生じないため、駆動方式に単純マトリクス方式を採用することが可能であることが記載されている。

さらに、特許文献４には、従来の平面型ＦＥＤではエッジエミッタ電極から放出される電子を所望の方向に偏向させることが難しく、実用的にＦＥＤに用いることが困難であり、そのために開発された４層型（絶縁層を介してエミッタを一対のゲートで包むように配置し、底面に補助電極を備えた）ＦＥＤでは、補助電極から発生する電界がエミッタ電極にかかるため、一対のゲート電極からエミッタ電極にかけられる電界が相対的に低くなってしまうという課題を解決し、エミッタ電極から放出された電子を所定の方向に偏向させることができるとともに、小さな駆動電圧でも良好に電子を放出することのできる、図１０、図１１に示されるような電子放出素子が記載されている。

図１０、図１１において、ＦＥＤ４０１は、支持体４０２と、この支持体４０２と対向して配設され、アノード電極４０３がストライプ状に形成されたフェイスプレート４０４とを備え、フェイスプレート４０４には、所定のアノード電極４０３上に発光する赤色蛍光体４０５Ｒ、緑色蛍光体４０５Ｇ、青色蛍光体４０５Ｂの三色の長方形状の蛍光体から形成され、この３色の蛍光体により、一つの画素（ピクセルともいう。）が形成され、画素は略正方形になっている。（以下、各蛍光体をサブピクセルといい、この三色の蛍光体を集合した領域を画素又はピクセルという。）
電子放出装置４０１は、絶縁性基板４０６上に形成されてマトリックス状に配設され、所定の層構造を有してなるとともに、積層方向に穿設され、略矩形状に形成されている開口孔４０７（ウエル）を有し、この開口孔４０７から電子を放出する。

この電子放出装置４０１は、図１１に示すように、４層型の電子放出素子であって、ガラス等の絶縁性基板４０６と、この絶縁性基板４０６上に形成された補助電極４１１と、この補助電極４１１上に第１の絶縁層４１２を介して積層された第１のゲート電極４１３と、この第１のゲート電極４１３上に第２の絶縁層４１４を介して積層されたエッジエミッタ電極４１５と、このエッジエミッタ電極４１５上に第３の絶縁層４１６を介して積層された第２のゲート電極４１７とを有している。
この電子放出装置４０１において、開口孔４０７は、第１の絶縁層４１２、第１のゲート電極４１３、第２の絶縁層４１４、エッジエミッタ電極４１５、第３の絶縁層４１６及び第２のゲート電極４１７を貫通するとともに底面に補助電極４１１が露出するように穿設されることにより形成される。さらに、この電子放出装置４０１では、第１のゲート電極４１３がエッジエミッタ電極４１５の開口縁より内方へ突出するように形成されている。

第１のゲート電極４１３及び第２のゲート電極４１７に所定の電圧を印加することにより、第１のゲート電極４１３及び第２のゲート電極４１７とエッジエミッタ電極４１５との間に電界を発生させ、エッジエミッタ電極４１５の先端部からは、いわゆる電界電子放出により、補助電極４１１の面内とほぼ垂直方向、アノード電極４０５方向に電子が放出され、エッジエミッタ電極４１５から放出された電子がアノード電極４０３の方向に偏向されることになる。

したがって、この電子放出装置４０１は、エッジエミッタ電極４１５から放出された電子を効率よくアノード電極４０３上に形成された蛍光体４０５に衝突させることができる。このように、この電子放出装置４０１は、蛍光体４０５を効率よく発光させることができるため、ＦＥＤの輝度を大幅に向上させることができることが記載されている。

特開平３−２９５１３１号公報 特許第２６１３６９７号 特許第２６３５８７９号 特開平１１−２３２９９７号公報

しかしながら、特許文献１記載の構造では、同一基板上にカソード電極とアノード電極を形成するものなのでカソード電極の部分は表示部とすることができず、高密度の表示が困難である。
特許文献３記載の構造では、電子放出がエミッタ先端のみから行われるので、発光がポイント状となり所定の画素全面を均一に発光させることが困難であった。また、特許文献４記載の構造では、集束性の向上は図れるものの構造が複雑化し、中型表示素子の商品化の障害となっていた。
そこで、構造が複雑でないエミッタＦＥＤの構造として、以下に説明するような構造のものが検討されていた。

エッジエミッタ型ＦＥＤは、０．６〜１．０mm程度のトリオピッチの家庭用テレビジョン受像機用、又はパーソナルコンピュータの表示装置用の中型表示素子用途に特許文献３、４にも記載されているように、開発が進められている。

中型表示素子用途に用いられる、エッジエミッタ型ＦＥＤは、図１０のような支持体４０２とフェイスプレート４０４が対面した構造を前提とし、ＲＧＢ各サブピクセルの長手方向とエッジエミッタ電極により構成される電子放出部５９の長手方向を平行に配置するように構成されている。

図１２は、中型表示素子用途に開発された一例を示す従来の電子放出素子５０の蛍光体５６とカソード電極６２、ゲート電極６１、ウエル５９の位置関係を示す平面図であって、（ａ）はウエルを３個配置したもの、（ｂ）はウエルを１個配置したものを示し、図１３は、図１２（ａ）に示す電子放出素子５０の一部断面図を示す。
電子放出素子５０は、図示されていない基板の上に、ゲート電極５２、絶縁層５３、カソード電極５４（以下、「エッジエミッタ電極」という。）、と図示しない絶縁性パッシベーションとが積層され、その上部には、蛍光体５６とアノード電極が配置されている。

略平板状に形成されたエッジエミッタ電極５４、特にエッジエミッタ電極５４の先端部である電子を放出するエッジ５８は、絶縁層５３を介して下側のゲート電極５２と対面する構成とされる。エッジエミッタ電極５４は閉じた長方形状をなし、エッジエミッタ電極５４により囲まれた空間部及びエッジ５８直下の絶縁層５３が除去された部分（エッジエミッタ電極５４のエッジ５８の下側部分が絶縁層５３から突出して、ゲート電極５２と対面するようにエッチングされている。）から電子放出用のウエル５９が形成されている。

ゲート電極５２はゲート給電部６１から、エッジエミッタ電極５４はカソード給電部６２からそれぞれ給電される。ゲート電極５２とエッジエミッタ電極５４は、それぞれ直交する方向に配置され、ウエル５９を構成するエッジエミッタ電極５４は、例えば図においては、３本が一組となって一つのサブピクセル５６と対応するように形成され、各画素６０は、赤色蛍光体５６Ｒ、緑色蛍光体５６Ｇ、青色蛍光体５６Ｂのサブピクセルが一組となって構成され、この略正方形の画素６０がマトリックス状に形成されることによって、フルカラー表示のディスプレイが構成される。

電子放出素子５０は、ゲート給電部６１、カソード給電部６２より、ゲート電極５２にスキャン信号、カソード電極５４にデータ信号が入力され所定の画素が選択されて、駆動され、発光して表示素子として機能する。
そして、ゲート電極５２とエッジエミッタ電極５４との間に発生する電界により、エッジエミッタ電極５４から電子が放出され、放出された電子はカソード電極とアノード電極との間の電界により加速されて、アノード電極に形成された蛍光体５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂに衝突し、蛍光体を励起し、発光する。なお、エッジエミッタ電極５４の上面の絶縁性パッシベーション５５は、アノード電極５７との絶縁を保つためのものである。

このような構成の電子放出素子５０においては、エッジエミッタ電極５４−ゲート５２電極間に電圧が印可されて電子が引き出される。そして、エッジエミッタ電極５４−アノード電極間に更に高い電圧が加えられ、エッジエミッタ電極５４−ゲート電極５２間に引き出された電子が、図１３中に矢印で示すようにアノードの側に引き寄せられる。この電子はアノードに到達する直前に蛍光体５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂに衝突して蛍光を発生させる。
このような電子放出素子５０を図１２に示す赤色蛍光体５６Ｒ、緑色蛍光体５６Ｇ、青色蛍光体５６Ｂの各々に配置して、１つの蛍光体５６単位毎に１つの画素６０とされ、各画素６０を多数個を配列すれば平面ディスプレイ装置が得られる。

図１２、図１３に示すエッジエミッタ型ＦＥＤは、エッジエッジエミッタ電極５４の稜線状のカソード先端部の電子放出部５８（エッジ）から電子を放出するが、一般に電界電子放出量はエッジ５８の仕事関数、電界強度、電子放出面積により決定される。ここで仕事関数はエミッタ材料で決定され、実用上はＭｏ、Ｗ、Ｃ等に限定されその値は、ほぼ固定される。
電界強度は、カソード・ゲート間の耐電圧、ドライバーの駆動耐電圧等により実用上の制限がある。従ってエッジエミッタ電極５４の電子放出能力は、実用上その稜線状のエッジ長（ウエル５９の周囲長）に依存することになる。

しかしながら、図１２、図１３に示されているような従来のエッジエミッタ電極５４の構成では、例えば、図１２において、各サブピクセルに対応するウエル５９を中央の１本のみとしたのでは、各画素６０の蛍光体（５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂ）の面積に対し、各電子放出素子５０のエッジエミッタ電極５４のエッジ５８のエッジ長が短く、グラフイックディスプレイにおいて用いられるＤｕ＝１／２４０程度のパルス幅であっても充分な電子放出量が得ることが難しく、また、アノード電圧を２ｋＶ〜５ｋＶとしても充分な発光輝度が得られなかった。

一方、図１２（ａ）に示すように、ウエル５９を長手方向を平行に複数本配置（図１２においては、各蛍光体５６に３本のウエル５９を配置している。）して電子放出エリアを多くすることも行われてきた。
エッジ５８は、その長軸に平行な長辺部の方がエッジ長が長く電子放出量が多いため長軸に垂直な短辺部より周囲に与える影響は多大である。
さらに長辺部からの電子は蛍光体５６の長軸に垂直な方向に放出され、短辺部からの電子は蛍光体５６の長軸に平行な方向に放出されることとなる。
ここで、エッジエミッタ電極５４から照射される電子は、図１３の電位関係に示すようにエッジエミッタ電極５４（−）の上下にゲート電極５２（＋）とアノード電極（＋）が配置されており、エッジエミッタ電極５４から放出される電子はこれら二つのプラス電位の複合作用により水平方向にも加速される。そのため電子の大部分は図１３に示すようにカソード平面に対し例えば６０度程度の角度で広がりを持って放出されてしまう。
ここで、図１３の蛍光体５６Ｒに対応するエッジエミッタ電極５４の右側のウエル５９のエッジ５８から右側の蛍光体５６Ｇまでの距離は短いため、ウエル５９から広がって放出される電子は、隣接する蛍光体５６Ｇにも照射されてしまい、選択色以外の色も発光させてしまう場合も生じ、フルカラー表示素子にとって致命的な問題である混色を生じていた。

また、図１２（ｂ）に示されるような、カソード電極に一個のウエル５９のみを配置して、電子放出部７０を小さくした場合、ウエルの左側のエッジと隣接する蛍光体５６Ｇの間の距離がウエルを３個配置した場合よりも長くなるため、混色を防ぐことはできるものの、電子放出源が減り、電子放出量が少なくなり、したがって、高輝度を得ることができなかった。

つまり、集束電極を持たず、アノード選択も行わない、簡易な構成であるエッジエミッタ型ＦＥＤにおいて、電子軌道を考慮した電界電子放出素子の開発は、なされていなかった。

本発明は、従来困難とされていた、発光輝度と色純度の両者を満足するエッジエミッタ型ＦＥＤを提供することを目的とする。

本発明の電界電子放出素子は、基板上に積層されたゲート電極と、このゲート電極上に層間絶縁層を介して積層されたエミッタ電極と対面する基板に設けられたアノード電極との三極構造のエッジエミッタ型の電界電子放出素子において、アノード電極と長方形状の蛍光体で形成されるアノード画素と、前記エミッタ電極と前記層間絶縁層とに細長形の開口孔から形成されるウエルとを備え、前記ウエルの長手方向が前記アノード画素の前記蛍光体の長手方向と直交するように形成されている。

さらに、アノード電極と長方形状の蛍光体で形成されるアノード画素と、前記エミッタ電極と前記層間絶縁層とで形成される細長形の開口孔から形成されるウエルとを備え、前記エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域が狭く、同色方向の重なり合わない領域が色選択方向の重なり合わない領域より広く形成されている。

また、前記エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域の幅と前記ウエルの長辺側の幅との和が放出電子の広がり幅であり、同色方向の重なり合わない領域の幅が放出電子の広がり幅であるように形成されている。

本発明は、基板上に積層されたゲート電極と、このゲート電極上に層間絶縁層を介して積層された電界が印加されることにより電子を放出するエミッタ電極との三極構造のエッジエミッタ型電界電子放出素子において、アノード電極と蛍光体で形成されるアノード画素と、前記エミッタ電極と層間絶縁層とにより形成される細長形の開口孔からなるウエルとを備え、該ウエルの長軸の長手方向がアノード電極と蛍光体で形成されるアノードサブピクセルの長手方向と直交するように構成されているため、集束電極を持たず、アノード選択を不要とし、隣接画素間の混色（もれ発光）を防止しつつエミッタからの電子放出量を増加させることができるという効果を奏するものである。
さらに、エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域が狭く、同色方向の重なり合わない領域が広く形成されているため、蛍光対面に均一に電子放射を行うことができ、発光輝度を高くすることができるものである。
そして、実用上充分な輝度を有する構造が簡単で製造が容易な電界電子放出素子を実現でき、トリオピッチ０．６〜１mm程度の中型表示素子（２０型〜３０型）を用いたテレビジョン受像機やパソコン用ディスプレイを高品質で安価に提供できるものである。
さらに、本発明のＦＥＤは、スピント型のＦＥＤのよりも、フォトリソグラフィー、成膜成形、エッチング等の技術に関して、より容易に製造されるものである。

本発明を実施するための最良の形態の第１の実施例を図１〜図４に示している。図１は、電界電子放出型ディスプレイ装置（電界電子放出素子。以下、「ＦＥＤ」という）の蛍光体６とカソード電極４（カソード電極給電部１２）、ゲート電極２（ゲート電極給電部１１）及びウエル９の位置関係を示す平面図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線の断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線の断面図、図３（ａ）は、電子放出素子の電子放出部を単一の電極部のみを示した図１のＡ−Ａ線の断面に相当する部分の断面図、図３（ｂ）は、電子放出素子の電子放出部を単一の電極部のみを示した図１のＢ−Ｂ線の断面に相当する部分の斜視図を示し、図４は、カソード電極部と蛍光体（サブピクセル）とがしめる領域の位置関係を示す平面図である。

図１〜図４に基づき、本発明の電界電子放出素子を詳細に説明する。

ＦＥＤは、カソード側支持体１の上に、ゲート電極２、層間絶縁層３、カソード電極４（以下、「エミッタ電極」という。）、と絶縁性パッシベーション５とが積層され、エミッタ電極４のエッジ８によって閉じた開口部とされているウエル９が形成された電子放出部２０が多数配置され、その上部には、アノード側支持体１に蛍光体６（赤色蛍光体６Ｒ、緑色蛍光体６Ｇ、青色蛍光体６Ｂの３つの蛍光体によって、１組の発光体が構成される。）とアノード電極７が配置されている。赤色蛍光体６Ｒ、緑色蛍光体６Ｇ、青色蛍光体６Ｂをそれぞれサブピクセルともいい、この３つのサブピクセル６が一組となって、略正方形の１つの画素（ピクセルともいう。）１０となり、この画素１０が多数マトリックス状に配置されて、構成されている。

蛍光体６の素材としては、カラ−用としては例えばＹ２ ＳｉＯ５ ：Ｔｂ（緑）などがあり、Ｙ２ ＳｉＯ：Ｃｅ（青）やＹ２ Ｏ３ ：Ｅｕ（赤）などがある。

電子放出部２０には、エミッタ電極４のエッジ８を内縁とした閉じた長方形状のエミッタ電極４の開口部、その直下の層間絶縁層３をエッチングして形成されたゲート電極２上に形成された溝、エッジ８直下の絶縁層３が除去された部分（エミッタ電極４のエッジ８の下側部分が絶縁層３から突出して、ゲート電極２と対面するようにエッチングされている。）によって電子放出用のウエル９が形成されている。

ウエル９は、図３（ａ）から明らかなように、層間絶縁層３、エッジエミッタ電極４、絶縁性パッシベーション５を貫通するとともに底面にゲート電極２が露出するように穿設されることにより形成される。
そして、ウエル９は、図１から明らかなように、長方形状の開口として形成され、その長手方向が、長方形状の各蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂの長手方向と直交するように、カソード電極部２０に多数形成されている。

さらに、図４に示すように、各蛍光体６が形成するサブピクセル領域において、１個又は複数のウエル９が形成されている範囲を１つの領域としてとらえ、これをエミッタ電極４の形成範囲とし、エミッタ電極４の形成範囲と蛍光体６の形成範囲が重なり合わない領域を、色選択方向の重なり合わない領域幅Ｘを狭く、同色方向の重なり合わない領域幅Ｙを色選択方向の重なり合わない領域幅Ｘより広く形成する。

つまり、エミッタ電極４のウエル９の形成範囲と蛍光体６の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域の幅Ｘとウエル９の長辺側の幅Ｗとの和が放出電子の広がり幅Ｅであり、同色方向の重なり合わない領域Ｙが放出電子の広がり幅Ｅであるように形成されている。なお、放出電子の広がり幅Ｅは、エッジ８から放出された電子の照射により発光する蛍光体領域の端部と、エッジ８との間の平面距離をいう。なお、Ｈはウエル９の短辺側の幅をいう。

ゲート電極２はゲート給電部１１から、エミッタ電極４はカソード給電部１２からそれぞれ給電され、ゲート給電部１１と、カソード給電部１２とは、それぞれ直交する方向に配置されている。
エミッタ電極４の先端部であるエッジ８は、各電極に電圧が印可されると電子を放出するものである。

電子放出部２０は、ゲート給電部１１、カソード給電部１２より、ゲート電極２にスキャン信号、カソード電極４にデータ信号が入力され所定の画素が選択されて、駆動され、放出された電子ｅ− が蛍光体に衝突し、発光して表示素子として機能する。
そして、ゲート電極２とエミッタ電極４との間に発生する電界により、エミッタ電極４から電子ｅ− が図２に示されるようにエミッタ電極４の影響により、斜め方向に放出され、放出された電子ｅ− は、アノード電極７に形成された蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂを励起し、発光する。なお、エミッタ電極４の上面の絶縁性パッシベーション５は、アノード電極７との絶縁を保つためのものである。

このような構成の電子放出部２０においては、ゲート電極２に所定の電圧を印加することにより、ゲート電極２とエミッタ電極４との間に電界を発生させ、電子ｅ− が引き出される。そして、エミッタ電極４−アノード電極間に更に高い電圧が加えられ、エミッタ電極４−ゲート電極２間に引き出された電子ｅ− が、図２中に矢印で示すようにアノードの側に斜め方向に引き寄せられ、いわゆる電界電子放出により、アノード電極７方向に電子が放出されることになり、エミッタ電極４から放出された電子がアノード電極７の方向に偏向されることになる。この電子はアノードに到達する直前に蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂに衝突して蛍光を発生させる。

このような電子放出部２０を、図１に示す赤色蛍光体６Ｒ、緑色蛍光体６Ｇ、青色蛍光体６Ｂに対応して配置して１つの画素１０とし、各画素１０を多数個を配列すれば平面ディスプレイ装置が得られる。

本発明の第１の特有の構成である、ウエル９の長手方向とアノード電極７の長手方向が直交するように配列されることについて、詳述する。
個々の画素１０においては、図２において、矢印で示した方向に、ある一定の広がりをもって斜め方向に電子ｅ− が放出され、また、図４に示したように、エッジ８の長手方向の長辺側エッジ８ａと短手方向の短辺側エッジ８ｂとで、矢印の数で示したように、電子放出量に大きな相違がある。

図２（ａ）で示される蛍光体６Ｒと対面する電子放出部２０において、エミッタ電極４は、長方形状の開口部の長軸に平行な方向の電極の断面を示し、ウエル９は、長手方向の溝の断面を示し、エッジ８は、短手方向の短辺側エッジ８ｂが示されている。
図２（ｂ）で示される蛍光体６Ｒと対面する多数の電子放出部２０において、エミッタ電極４は、長方形状の開口部の長軸に垂直方向の電極の断面を示し、ウエル９は、短手方向の溝の断面を示し、エッジ８は、長手方向の長辺側エッジ８ａ示されている。

エミッタ電極４の４辺の長辺側エッジ８ａ、８ａ、短辺側エッジ８ｂ、８ｂから放出される電子ｅ− は、カソード側支持体１に対し所定の傾きを持って放出され、図２、図４に示されているように放出される。なお、図２に示す矢印の向きは、放出される電子ｅ− の広がりを示し、図４においては、矢印の多少は各辺の電子放出量の多少を意味する。
このエッジ８から放出された電子の照射により発光する蛍光体領域の端部と、エッジ８との間の平面距離が、放出電子の広がり幅Ｅとする。
放出される電子ｅ− の斜め方向への広がりは、特に、長方形状のウエル９の長手方向の長辺エッジ８ａからは、エミッタ電極４のマイナスの電位の上下に配置されているゲート電極２とアノード電極７のプラスの電位の複合作用により水平方向にも加速されるため（図１３参照）、エミッタ電極４の平面に対して、カソード電極の幅に比例して、一定の広がり角度で放出される。これは、長方形状のウエル８の短手方向の短辺エッジ８ｂから放出される電子も同様である。
放出される電子の放出量ついては、短辺側の電子放出面積は長辺側より小さいので、長辺側の電子放出量と比較して少となる。

図２（ａ）において、短辺側エッジ８ｂから放出される矢印で示す電子ｅ− の広がり角度が広いと、放出された電子が隣の蛍光体６Ｇに漏れてしまうことになり、隣接画素間の混色（漏れ発光）が発生し、発光輝度は低くなり、色純度は悪くなることになるが、本発明においては、図４で示すように短辺側エッジ８ｂから放出される電子の放出量は、少なく、放出された電子が隣の蛍光体６Ｇに漏れることもなく、混色（漏れ発光）防止され、発光輝度は高くなり、色純度は良好となる。
そして、図２（ｂ）において、長辺側エッジ８ａから放出される矢印で示す電子ｅ− は、電子放出量も多いが、放出された電子は常に長方形状の赤色蛍光体６Ｒを励起することとなるため、発光輝度を上げ、色純度は維持されることになる。

次に、本発明の第２の特有の構成である、エミッタ電極４のウエル８の形成範囲と蛍光体６の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域Ｘが狭く、同色方向の重なり合わない領域Ｙが色選択方向の重なり合わない領域Ｘより広く形成されていることについて、詳述する。

本発明において、放出される電子ｅ− が、エミッタ電極の電位の影響によって電極幅に比例して水平方向に加速されるため一定の広がり角度で斜め方向に放出される特性に基づいて、エミッタ電極内に配置するウエル形成領域を、漏れ発光の防止、色純度の維持が図れるように形成するものである。
図１−図４において、ウエル９のエッジ８から放出される電子の広がり幅をＥ、ウエル８の長辺側エッジ８ａの幅をＷ、短辺側エッジ８ｂの幅をＨとすると、左側の短辺側エッジ８ｂから放出される電子ｅ− が隣接する蛍光体６Ｇに漏れないようにするとともに、上側の長辺側エッジ８ａから放出される電子ｅ− が同色方向に隣接する図１において下方に位置する蛍光体６Ｒに漏れないで、且つ均一に発光するようにするためには、各値Ｅ、Ｗ、Ｈ、Ｘ、Ｙが
Ｅ＝Ｗ＋Ｘ 、Ｅ＝Ｙ 、Ｘ＜Ｙ（但し、Ｈ＜Ｗ） …………… 式（１）
の式を満たすように配置すればよいことになる。
図４に示されるように、画素１０を構成する蛍光体の形成範囲と対応するエミッタ電極のウエル９（長辺の幅＝Ｗ）の形成範囲とが重なり合わない領域を、エッジ８から放出される電子の広がり幅をＥに対して、色選択方向の重なり合わない領域幅Ｘを狭くし、同色方向の重なり合わない領域幅Ｙを色選択方向の重なり防止、色純度の維持、及び画質の向上を図り、対応する蛍光体面に均一に広がるようにし、発光輝度を向上させようとするものである。

本発明においては、図２（ａ）に示すように、蛍光体６Ｒに対応するウエル９の左側短辺側エッジ８ｂから斜め方向に放出される電子ｅ− は、電子の広がる方向にある左側短辺側エッジ８ｂから隣接蛍光体６Ｇまでの距離が、従来構造、つまり、図１２（ｂ）に示す、カソード電極の中央に１個のウエルを配置した構造のＦＥＤのウエルの左側のエッジから隣接する蛍光体５６Ｇまでの距離と比較すると、長くすることができる構成であるため、隣の蛍光体６Ｇに漏れてしまうことがなく、隣接画素間の混色（漏れ発光）が防止され、色純度は維持されることになる。つまり、色選択方向の重なり合わない領域幅Ｘと、長辺側エッジ８ａの幅Ｗとの和が、放出される電子の広がり幅をＥとなるように形成される。（つまり、Ｅ＝Ｗ＋Ｘの関係を満足する。）。

さらに、本発明においては、図２（ｂ）に示すように、電子放出量の多い長辺側エッジ８ａは、高密度に配列できることと、重なり合わない領域幅Ｙと短辺側エッジ８ｂの幅との和が放出される電子の広がり幅となるように形成されているため（つまり、Ｅ＝Ｙ、Ｘ＜Ｙの関係を満足する。）、重なり合わない領域幅Ｙの部分に対応する蛍光体面に対して、均一に放出されることが相俟って、１画素あたりの電子放出量を増やすことができ、発光輝度を高くすることができ、画質のシャープさを良好にすることができることとなる。なお、電子の広がりは、画素間の蛍光体が形成されていない領域まで電子が照射されるように、ウエル９を配設してもよい。

図５は、単一のエッジ８（単一のウエル９）のカソード電極４の幅、つまりウエルの長辺側幅（Ｗ）及び短辺側の幅（Ｈ）と、発光領域の距離（μｍ）、つまり放出される放出電子の広がり幅Ｅの変化を示している。
ここでは長辺側エッジ８ａ方向からの電子放出による発光領域を”ウエル長手側”、短辺側エッジ８ｂ方向からの電子放出による発光領域をウエル短手側”としてカソード電極幅（ウエル幅）をパラメータとして示している。

ここでは、ウエル長手側の方がカソード電極に対する電子の広がりの変化がやや大きいが、広がり幅の絶対値は長手側、短手側で同じ値になることが示され、 図２（ａ）、（ｂ）、図４に示すように、長辺側エッジ８ａからの電子は、蛍光体６Ｒの長辺側に一定の広がりを持って放出されるが、短辺側エッジ８ｂのは場Ｈと重なり合わない領域の幅Ｙの和Ｈ＋Ｙが放出される電子の広がり幅Ｅとなるように形成されているため、放出された電子は常に蛍光体６Ｒを励起することとなり、電子の広がりは発光輝度を上げ、色純度は維持され、画質のシャープさが維持されることとなる。
短辺エッジ側８ｂからの電子は、蛍光体６Ｒの短辺側に放出され、この方向では隣の蛍光体６Ｇまでの距離が長く、Ｅ＝Ｗ＋Ｘの関係を満足するように形成されているため、放出された電子が隣の蛍光体６Ｇに漏れてしまうことがなく、隣接画素間の混色（漏れ発光）が防止され、発光輝度は高くなり、色純度は維持されることになる。
図５に示された実験結果から明らかなように、エミッタ電極４のウエル８の形成範囲と蛍光体６の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域Ｘが狭く、同色方向の重なり合わない領域Ｙが広く形成されていることで、蛍光体６の全面に均一に電子照射を行なわれることとなる。

以上の説明から明らかとなった本願発明の構成による効果は、図６に示す、実験結果からも明らかである。
図６には、従来構造（図１２（ａ）、図１３に示す構造）と本発明の構造の電子放出量の比較をゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）に対するアノード電流密度Ｊｅ（ｍＡ／ｃｍ２ ）により示している。
例えば、Ｖｇ＝１４０Ｖにおいて、従来構造の電流密度が約３ｍＡ／ｃｍ２ であるのに対し、本発明の構造の場合は、電流密度が１７ｍＡ／ｃｍ２ と約６倍の電流が得られていることがわかる。ここでエッジエミッタのエッジの長さも約６倍となっている。

上記実験結果によれば、従来構造においてはＶｇ＝１４０Ｖで発光が確認できるが、本発明の構造ではＶｇ＝１１０Ｖで発光が確認できる。これはエッジエミッタのエッジの長さの増加による電子放出量の増加の効果である。また発光の均一性を比較すると従来構造ではＶｇ＝１８０Ｖを印可した状態では、縦に２本のライン状の発光部が観察され、発光輝度の画素内均一性が極めて悪い結果となっているが、一方、本発明の構造ではＶｇ＝１６０Ｖかけた状態で画素全体が均一に発光しているのが観察される。また、隣接する画素のもれ発光も生じていないことが確かめられた。

本発明の製造方法は、スピント型の製造手法と同様の薄膜加工工程である。
本発明の製造工程を工程別に示すと、以下のとおりとなる。
1 ゲート成膜 （Ｎｂ）
2 レジスト塗布、ゲートパターン露光、現像、エッチング
3 絶縁層成膜 （ＳｉＯ２ ）
4 カソード成膜 （Ｎｂ、Ｍｏ）
5 レジスト塗布、カソード配線パターン露光、現像、エッチング
6 レジスト塗布、ウエルパターン露光、現像、Ｎｂ・絶縁層エッチング

なお、本発明のＦＥＤの製造方法は上記のように工程においては、違いがないが、各製造工程の細部において、違いがあり、その点を以下に説明する。

スピント型（電界集中型）のカソード電極は、エミッタへの電界強度を上げるためエミッタの先鋭化とエミッタとゲートの距離を短くすること、つまり、「微小化」が重要な技術的課題となるものである。
これを薄膜成形の技術という観点から見ると、薄膜で所望の構造を形成する場合、平面方向のパタン形成はフォトリソグラフィーにより、厚み（縦）方向は成膜膜厚で構成設計することが一般的である。
ここでフォトリソグラフィーと成膜膜厚を比較すると、前者は解像度がラフなほど成形は容易であり、逆に成膜・エッチングは薄い方が容易である。
フォトリソグラフィーの場合、大面積を膜厚１μｍオーダーで形成することはかなり困難であり、逆に成膜・エッチングは膜厚１μｍ以上はかえって成形に困難さが伴うものである。

つまり、薄膜成形において、平面方向はラフなほうが成形容易で、縦方向は薄い方が成形容易なものである。
スピント型など縦型ＦＥＤのゲート−エミッタ間は、フォトリソグラフィーの解像度で決定され、エミッタは縦に形成するので厚く成膜若しくは深くエッチングしなければならないことになる。
要するに、縦型はその構造上、フォトリソグラフィも成膜・エッチングも難度の高い方向で処理しなければならない場合が多いことが明らかである。
しかしながら、平面型である本発明のエッジ型カソードは、スピント型とは逆に、ゲート−エミッタ間は層間絶縁層の膜厚で決定され、フォトの解像度は基本的な電子放出特性を左右しないものである。
そして、エミッタは、横型（平面）なので、薄い方が有利な成膜膜厚で成形されることとなる。

以上のことから明らかなように、本発明のＦＥＤは、構造・工法設計上、スピント型のＦＥＤの製造上の技術的課題よりも、フォトリソグラフィー、成膜成形、エッチング等の技術に関してより製造容易なものを指向して製造されるものといえるものである。

本発明のウエル９（カソード電極の開口部）の形状は、図１に示されるもののほか、図７（ａ）に示すような、楕円形状で形成することも可能である。また、電子放出部２０の主要部を本発明のような構成とし、その上下に従来構造のウエルを配置する構成（図７（ｂ））、本発明の構成と、従来構造の複合（図７（ｃ））とすることもできる。

本発明の、電界電子放出素子一部を示す平面図。 本発明の電界電子放出型ディスプレイ装置の断面図であって、（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１のＡ−Ａ線断面図。 本発明の電界電子放出素子の単一の電極部のみを示した断面図であって、（ａ）は電子放出部を単一の電極部のみを示した図１のＡ−Ａ線の断面に相当する部分の断面図、（ｂ）は、電子放出部を単一の電極部のみを示した図１のＢ−Ｂ線の断面に相当する部分の斜視図。 カソード電極部のウエルの形成範囲と蛍光体（サブピクセル）の形成範囲の重なり領域の位置関係を示す平面図。 本発明に基づく電界電子放出型ディスプレイ装置の電子放出量の分布を示す図。 従来構造と本発明に係る構造の電流放出特性の比較図。 本発明の他の実施例のウエルの形状を示す平面図。 特許文献１に示す横型ＦＥＤの製造過程を示す図。 特許文献３に示す従来例のＦＥＤ電極の断面斜視図。 特許文献４に示す従来例のＦＥＤ電極１画素を示す斜視図。 特許文献４に示す従来例のＦＥＤ電極の断面図。 従来のエッジエミッタ型ＦＥＤを示し、（ａ）はウエルを３個配置したものの平面図、（ｂ）はウエルを１個配置したものの平面図。 図１２（ａ）に示す、従来のエッジエミッタ型ＦＥＤの断面図。

符号の説明

１ 支持体 ２ ゲート電極
３ 層間絶縁層 ４ エミッタ電極
５ 絶縁性パッシベーション ６ 蛍光体（サブピクセル）
７ アノード電極 ８ エミッタ電極のエッジ
９ ウエル １０ 画素（ピクセル）
１１ ゲート給電部 １２ カソード給電部
２０ 電子放出部

Claims (3)

1. 基板上に積層されたゲート電極と、このゲート電極上に層間絶縁層を介して積層されたエミッタ電極と対面する基板に設けられたアノード電極との三極構造のエッジエミッタ型の電界電子放出素子において、
   アノード電極と長方形状の蛍光体で形成されるアノード画素と、
   前記エミッタ電極と前記層間絶縁層とに細長形の開口孔から形成されるウエルとを備え、
   前記ウエルの長手方向が前記アノード画素の前記蛍光体の長手方向と直交するように形成されていることを特徴とする電界電子放出素子。
2. 前記エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域が狭く、同色方向の重なり合わない領域が色選択方向の重なり合わない領域より広く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出素子。
3. 前記エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域の幅と前記ウエルの長辺側の幅との和が放出電子の広がり幅であり、同色方向の重なり合わない領域の幅が放出電子の広がり幅であるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出素子。
   

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