JP2613669B2 - 電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents

電界放出素子及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界放出型の電界放出素子とその製造方法に
関するものである。本発明の電界放出素子は、各種表示
素子、光源、増幅素子、高速スイッチング素子、センサ
ー等における電子源として有用である。
〔従来の技術〕 第11図は、特開昭64−33833号で開示された電界放出
型電子放出素子の構造例である。
絶縁基板200上には、中央に突端部201を備えたエミッ
タ202が設けられている。このエミッタ202に隣接して、
前記突端部201に対応する開口部203を備えたゲート204
が設けられている。そして、このゲート204を間にして
前記エミッタ202と反対側の絶縁基板200上には、コレク
タとしての２次電子放出電極205がゲート204と並行に設
けられている。
ここで、エミッタ202とゲート204の間、及びゲート20
4と２次電子放出電極205との間にそれぞれ所定の電位差
を付与すると、エミッタ202の突端部201から放出された
電子がゲート204の開口部203を経て２次電子放出電極20
5に射突し、この２次電子放出電極205からは２次電子が
放出される。
〔発明が解決しようとする課題〕
前述した従来の電界放出素子は、エミッタ202、ゲー
ト204及び２次電子放出電極205を絶縁基板200の上面に
並設した構成になっている。そしてこれらの各電極は、
各電極ごとに用意されるマスクパターンを用いて形成さ
れていた。このため、電極どうしの間隔は、ホトリソグ
ラフィ工程の露光解像度、エッチング精度、前記マスク
パターンの精度及びマスクパターン相互の位置合わせ精
度等によって決まっていた。
ここで、前記電界放出素子の駆動電圧を下げるために
は、電極どうしの間隔を小さくすればよいが、前記電界
放出素子によれば、電極どうしの間隔を決める前記ホト
リソグラフィ工程の精度に限界があった。このような製
造技術上の制約により、従来の電界放出素子では再現性
良く均一に電極間隔を狭くして駆動電圧を必要なだけ下
げることが難しいという問題があった。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の電界放出素子は、絶縁性の基板に形成された
凹部の内部にゲートが設けられ、前記ゲートに近接して
前記基板上にエミッタとコレクタが設けられた電界放出
素子において、前記エミッタの前記ゲートに近い方の縁
辺部が、前記基板の上面に直交する方向から見て複数の
矩形の先端を有する櫛歯状に形成されていることを特徴
としている。
また、本発明の電界放出素子の製造方法は、基板上に
第１の導電性材料を堆積する工程と、該誘電性材料か
ら、エミッタの概略の形状またはエミッタの概略の形状
とコレクタを加工する工程と、該エミッタまたはエミッ
タとコレクタをマスクとして、前記基板を深さ方向及び
面内方向にエッチングする工程と、上記エミッタまたは
エミッタ及びコレクタをマスクとして、第２の導電性材
料を上記基板のエッチング深さよりも小さい膜厚で形成
してゲートを形成する工程と、前記第１の導電性材料か
ら概略の形状に加工されたエミッタの前記ゲートに近い
方の縁辺部を、前記基板の上面に直交する方向から見て
複雑の矩形の先端を有する櫛歯状に加工する工程とを有
している。
〔作用〕
基板上に形成されたエミッタ又はコレクタと、これら
電極に沿って基板に形成された凹部内に設けられるゲー
トとの間隔は、凹部の深さ方向についてゲートの厚さを
調整することで微妙に制御することができる。また、エ
ミッタのゲートに近い縁辺部は矩形の先端を有する櫛歯
状に形成されているので、平板状のエミッタよりも電界
強度が大きくなり、鋭角部を有するエミッタに比べて再
現性、安定性が良く、寿命も長くなる。
〔実施例〕
第１図又は第10図に示すように、本実施例の電界放出
素子は、ガラスや石英等からなる絶縁性の基板23の上
に、所定間隔をおいてエミッタ20とコレクタ21が配設さ
れている。エミッタ20とコレクタ21の間の基板23には凹
部としての溝26が形成されており、この溝26の底部に
は、溝26の深さよりもやや小さい厚さでゲート22が形成
されている。エミッタ20及びコレクタ21が基板23の上面
にあり、ゲート22は溝26の底部に形成されているので、
エミッタ20とゲート22の間隔、又はコレクタ21とゲート
22の間隔は、前記ゲート22の厚さをサブミクロンオーダ
ーで調整することで微妙に設定でき、従来の単なるホト
リソグラフィ手法を用いるより小さくすることができ
る。
ここで、エミッタ20は、上から見て矩形の先端31を有
する櫛歯状に形成されている。このため、矩形の先端に
電界が集中するので、平板状のエミッタに比べて電界強
度が大きくなる。また、先端は線状であって、三角状の
尖端部を有するエミッタよりも寿命が長くなる。このエ
ミッタの材料としては、Mo,W等の金属以外に、Ti,Al等
の金属をベースとしてその上にLaB6等の化合物半導体膜
を形成したものを使用することができる。
次に、前述のような矩形の櫛歯状のエミッタ20を形成
する製法の一例を第２図から第10図によって説明する。
第２図に示すように、絶縁性の基板23上に第１の導電
性材料である金属層24を形成する。
第３図（ａ）に示すように、所定パターンのレジスト
25を形成して前記金属層24をエッチングし、同図（ｂ）
に示すようにエミッタ20とコレクタ21を形成する。
第４図に示すように、前記エミッタ20とコレクタ21を
マスクとして、前記基板23を深さ方向及び面内方向にエ
ッチングして凹部26を形成する。
第５図に示すように、前記エミッタ20とコレクタ21を
マスクとして、第２の導電性材料としてのゲート金属層
27を前記基板23のエッチング深さよりも小さい膜厚で真
空蒸着する。
第６図に示すように、レジスト25及びレジスト25上の
不要なゲート金属層27を除去する。
第７図（ａ），（ｂ）に示すように、全面にレジスト
28をコートした後、エミッタ20のコレクタ21側の縁辺部
に相当する位置に、複数個の矩形の窓状の穴29を露光エ
ッチングによって加工する。
第８図（ａ），（ｂ）に示すように、前記レジスト28
に加工した矩形の穴29を用い、エミッタ20のコレクタ21
側の縁辺部のみを選択的にエッチングし、矩形の先端31
を有する櫛歯状に加工する。
第９図（ａ），（ｂ）に示すように、再びレジスト30
のコートし、エミッタ20のコレクタ21側の縁辺部に一部
かぶさった状態でゲートパターンを形成する。ここで、
ゲートパターンをエミッタ20に少しかぶせるのは、ゲー
ト22のエミッタ20側の縁辺部がエッチングされるのを確
実に防止するためである。
第10図（ａ），（ｂ）に示すように、前工程で形成し
たゲートパターンのレジスト30でエッチングを行い、所
望パターンのゲート22を形成する。そしてレジスト30を
除去する。
以上説明した製造方法の一例では、エミッタ20及びコ
レクタ21を形成する第１の導電性材料としての金属層24
は一層であったが、必要に応じて複数種類の材料を用い
た２層以上の構造でもよい。また、ゲート22を形成する
第２の導電性材料としてのゲート金属層27についても、
複数種類の材料を用いた多層構造とすることができる。
尚、実施例として、三極管構造を示したが、更に第４、
第５の電極を設けた多極管構造として、その特性を向上
させることもできる。
前記実施例は３極構造の電界放出素子に関するもので
あったが、前記実施例においてコレクタ21上に蛍光体を
設ければ、コレクタ21に射突する電子が蛍光体を励起発
光させるので表示装置になる。この場合、コレクタの形
状又は蛍光体の被着パターンを適宜に設定すれば、所望
の文字・図形等を発光表示させることができる。
また、基板上に２つのエミッタを設け、両エミッタの
間に溝を形成して該溝内にゲートを設け、基板の上方に
コレクタとしてのアノード及び蛍光体を設けて表示装置
を構成することもできる。
〔発明の効果〕
本発明の電界放出素子とその製造方法によれば、基板
上の電極に近接して形成された凹部内にゲートを有する
電界放出素子において、アノードのゲート側の縁辺部を
矩形の櫛歯状に形成したので、次のような効果が得られ
た。
（１）平板状のエミッタよりも電界強度を大きくでき
る。また、尖鋭な電子放出部を有するエミッタに比べて
寿命が長い。
（２）エミッタとゲートの間隔は、基板平面内における
露光エッチングの加工精度によって決まるのではなく、
電極の薄膜厚によって精密に制御できる。このため、サ
ブミクロンのオーダーで電極間隔を容易に制御でき、間
隔を小さく設定しで電界放出開始電圧を下げることがで
きる。
（３）三極間構造でエミッタとコレクタをほぼ対向して
配設する構造とした場合には、両者の間隔を小さく設定
できるので、相互コンダクタンスを高くして高周波特性
を改善することができる。
（４）エミッタ又はコレクタの位置が決まればゲートの
位置も精度良く設定される自己整合形の構造になってい
るため、製造時の加工精度が高く、大面積化が容易であ
り、品質を均一にすることができる。
（５）エミッタが円錐形で円孔のゲートを備えたSpindt
型構造の電界放出素子によれば、エミッタ先端形状の極
微な差異によって電界電子放出の不均一が生じてしまう
が、本発明にはそのような不都合がない。
（６）エミッタをストライプ形状とすれば、前記Spindt
型構造に比べて同一面積における電子放出領域の面積を
大きくすることができ、電流密度の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例に係る電界放出素子の平面図、第２図、
第３図（ａ），（ｂ），第４図、第５図、第６図、第７
図（ａ），（ｂ）、第８図（ａ），（ｂ）、第９図
（ａ），（ｂ）、第10図（ａ），（ｂ）は、それぞれ同
実施例の電界放出素子の製造工程図である。第11図は従
来の電界放出素子の一例を示す図である。 23……基板 20……エミッタ 21……コレクタ 22……ゲート 24……第１の導電性材料としての金属層 26……凹部としての溝 27……第２の導電性材料としてのゲート金属層 31……矩形の先端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 照男 千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株 式会社内 (72)発明者 中田 久士 千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株 式会社内 (72)発明者 西村 則雄 千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株 式会社内 審査官 田村 爾 (56)参考文献 特開 平３−225725（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−40332（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁性の基板に形成された凹部の内部にゲ
    ートが設けられ、前記ゲートに近接して前記基板上にエ
    ミッタとコレクタが設けられた電界放出素子において、
    前記エミッタの前記ゲートに近い方の縁辺部が、前記基
    板の上面に直交する方向から見て複数の矩形の先端を有
    する櫛歯状に形成されていることを特徴とする電界放出
    素子。
  2. 【請求項２】基板上に第１の導電性材料を堆積する工程
    と、 該導電性材料から、エミッタの概略の形状またはエミッ
    タの概略の形状とコレクタを加工する工程と、 該エミッタまたはエミッタとコレクタをマスクとして、
    前記基板を深さ方向及び面内方向にエッチングする工程
    と、 上記エミッタまたはエミッタ及びコレクタをマスクとし
    て、第２の導電性材料を上記基板のエッチング深さより
    も小さい膜厚で形成してゲートを形成する工程と、 前記第１の導電性材料から概略の形状に加工されたエミ
    ッタの前記ゲートに近い方の縁辺部を、前記基板の上面
    に直交する方向から見て複数の矩形の先端を有する櫛歯
    状に加工する工程と、 から成る電界放出素子の製造方法。
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