JP2638315B2 - 微小電界放出陰極アレイ - Google Patents

微小電界放出陰極アレイ

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JP2638315B2
JP2638315B2 JP1178691A JP1178691A JP2638315B2 JP 2638315 B2 JP2638315 B2 JP 2638315B2 JP 1178691 A JP1178691 A JP 1178691A JP 1178691 A JP1178691 A JP 1178691A JP 2638315 B2 JP2638315 B2 JP 2638315B2
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emission cathode
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cathode array
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は微小電界放出陰極アレイ
に関する。詳しくは、ゲート電極開口部の大きさが異な
るようにして動作マージンを広くした微小電界放出陰極
アレイに関する。
【0002】
【従来の技術】微小電界放出陰極は極微小のマイクロ波
真空管や微小な表示素子など,いわゆる、真空マイクロ
デバイス用の放射電極として欠くことのできない構成要
素である。
【0003】真空マイクロデバイスは通常の半導体素子
と異なり、微小な真空空間を電子が移動するのを利用す
るので、電子の移動度が大きく、高速・高温動作が可能
で,しかも、放射線損傷を受けにくいなどの特徴があ
り、今後マイクロ波素子,超高速演算素子,耐放射線用
デバイス,耐高温環境用デバイス,微小表示素子などへ
の応用が期待されている。
【0004】図は微小電界放出陰極の構造例を示す図
(その1)で、同図(イ)は斜視図,同図(ロ)は断面
図である。たとえば、半導体からなる基板1にエミッタ
となるコーン2を形成し、その先端20を取り囲むように
ゲート電極30を形成する。基板1とゲート電極30は図示
してないゲート絶縁膜で分離されており、また, コーン
の先端20の周囲はゲート電極開口部3が開いている構造
である。
【0005】微小電界放出陰極の動作特性を決める主な
パラメータは第1のゲート電極開口部3の大きさ(Rg ),
コーン2の高さ(Ht ),ゲート絶縁膜の厚さ(Hg ) などで
ある。図は微小電界放出陰極の動作特性例を示す図
で、縦軸に放出電流 Ie を, 横軸にゲート電圧 Vg をと
ってある。
【0006】図中の曲線は典型的な例で、いま, コー
ン2をマイナスにしゲート電極30をプラスにして電圧を
上げていくと、ある閾値電圧で急激にコーンの先端20か
ら電子が放出される。動作点, たとえば、動作ゲート電
圧 Vg0で動作放出電流 Ie0が得られる。
【0007】以上の例はエミッタコーンが1つの場合の
例であるが、用途によってはこのようなコーン20を一枚
の基板に複数個配列してアレイとしてのデバイスを構成
する場合がある。
【0008】図7は従来の微小電界放出陰極アレイのゲ
ート電極開口部の例を示す図(その1)で、コーンの先
端20と第1のゲート電極開口部3bの配置の記載だけで微
小電界放出陰極アレイ50'aを表してある。その他の個々
の構成については図5のものに準ているので省略する。
【0009】図は微小電界放出陰極の製造方法の例を
示す図で、シリコン基板の等方性エッチングによりシリ
コンの冷陰極コーンを形成する方法である(Mat.Res.So
c.Symp.,vol.76,p25,1987 参照)。
【0010】たとえば、シリコンからなる基板1の上
に、一様な厚さのSiO2膜500を公知熱酸化法で形成した
あと(1) 、前記SiO2膜500 を、公知のホトリソグラフィ
法所定の形状,寸法にエッチングしてSiO2膜マスクパタ
ーン500'を形成する(2) 。
【0011】次に、前記処理済み基板を, たとえば、HF
とHNO3の混合液の中でシリコンのを等方性エッチングを
行って、SiO2膜マスクパターン500'の下にエミッタとな
コーン2を形成する(3) 。
【0012】次いで、前記処理済み基板の上方からSiO2
を蒸着あるいはスパッタして、前コーン2の周囲に空間
が生じるようにSiO2膜510 を形成したあと(4) 、上方か
ゲート電極膜310,たとえば、Mo膜を公知の方法で一様に
被着する(5) 。この時、iO2膜マスクパターン500'の側
面の少なくとも一部が露出しているようにする。
【0013】最後に、前記SiO2膜マスクパターン500'の
全てとSiO2膜510 の一部が除去るように、HFを用いて選
択エッチングを行い前記コーン2を空間に露出させて、
シリコンからなる基板1上に微小電界放出陰極を形成し
ている(6) 。
【0014】なお、以上の説明は一つの陰極だけについ
て例を示したが、アレイ状に構成する場合には複数の素
子が形成されるようなマスクを適宜用いて、公知のホト
リソグラフィ技術により基板上に一括形成していけばよ
いことは言うまでもない。
【0015】図9は微小電界放出陰極の構造例を示す図
(その2)で、前記図12ではエミッタが円錐状のコーン
であったが、この例はエミッタとして横に長いエッジ4
で構成されており電子はその刃先40からラインとなって
放出されるように構成されている。したがって、第2の
ゲート電極開口部5も巾2 Rg の細長い溝状をなしてい
る。
【0016】この例はラインビームを放出する必要があ
る応用に適していることは言うまでもない。図10は従来
の微小電界放出陰極アレイのゲート電極開口部の例を示
す図( その2)である。図7の場合と同様にエッジの刃
先40と第2のゲート電極開口部5の配置の記載だけで微
小電界放出陰極アレイ50'bを表してある。その他の個々
の構成については図9のものに準じているので省略す
る。やはり広い面積で電子ビーム放射を必要とする用途
に適した構成のものである。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】微小電界放出陰極は,
たとえば、図8に示したように膜形成や露光・エッチン
グといったプロセスを経て形成される。通常、コーン2
の高さ(Ht ) や第1のゲート電極開口部3の大きさ( 2R
g ) は数μm以下であり、数が少ない時は余り問題がな
いが大面積に多素子を形成する場合や、長い線状にエッ
ジ形成する場合には膜形成たとえば、蒸着の均一性
や露光・エッチングの均一性が問題となる。ゲート電極
開口部には最適の大きさがあり、それより大きくても小
さくともエミッション電流は小さくなる。すなわち、ゲ
ート電極開口部の半径が最適値からはずれてしまうと十
分なエミッション電流を得ることができない。したがっ
て、所要特性の微小電界放出陰極アレイとしては高歩留
りが得られないという大きな問題がある。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、基板1上
に先端が尖った複数のコーン2が形成され、前記コーン
2のそれぞれの先端20を取り囲んで第1のゲート電極開
口部3が設けられ、前記コーン2の先端20から電界放出
により電子ビームが取り出されてなる微小電界放出陰極
アレイにおいて、前記第1のゲート電子開口部3の大き
さが異なり、かつ、入り混じって配置された微小電界放
出陰極アレイによって解決することができる。また、基
板1上に先端が尖った複数のエッジ4が形成され、前記
エッジ4のそれぞれを取り囲んで溝状の第2のゲート電
極開口部5が設けられ、前記エッジ4の刃先40から電界
放出により電子ビームが取り出されてなる微小電界放出
陰極アレイにおいて、前記第2のゲート電子開口部5の
溝巾がエッジ4に沿って異なるように形成されている
小電界放出陰極アレイによって解決できる。
【0019】
【作用】本発明によれば、電子ビーム放出特性に最も影
響の大きい第1のゲート電極開口部3あるいは第2のゲ
ート電極開口部5の大きさ( 2Rg ) を,たとえば、大,
中,小の3種類に分け、しかも,入り混じるように形成
してあるので、その大きさに若干の製造バラツキがあっ
ても、最適開口半径 RG となったコーン2あるいはエッ
ジ4が自己選択的に電子ビーム放出を行うことができ、
広い面積あるいは長いラインにわたって安定な動作が可
能となる。
【0020】
【実施例】図1は本発明の第1実施例を示す図で、コー
ンの先端20と第1のゲート電極開口部3の配置の記載だ
けで微小電界放出陰極アレイ50aを表してある。この実
施例では第1のゲート電極開口部3を大きさが大, 中,
小の3種類,すなわち、3a,3b,3cを一定の周期で前後左
右に繰り返し形成している。
【0021】なお、その形成方法は, たとえば、図
詳しく説明したものに準じて行えばよい。また、その大
きさや間隔は所定の設計値になるように選択すればよ
い。図2は本発明第1実施例の動作特性を示す図で、縦
軸に放出電流 Ie を, 横軸にゲート電圧 Vg をとってあ
る。
【0022】図中の曲線は,たとえば、中くらいの大
きさの第1のゲート電極開口部3bを有する電界放出陰極
の特性を, 曲線は小さい方の第1のゲート電極開口部
3cを有する電界放出陰極の特性を, 曲線は大きい方の
第1のゲート電極開口部3aを有する電界放出陰極の特性
をそれぞれ示す。
【0023】前記のごとく第1のゲート電極開口部には
最適な大きさ Rg0があり、それより大きくても小さくて
もエミッション電流は小さくなる。すなわち、第1のゲ
ート電極開口部の半径が最適値からずれてしまうと十分
なエミッション電流が得られない。したがって、開口部
の大きさを予め分布させておくと、たとえば, 開口部に
作製上のバラツキがあって小さめにできてしまった領域
では大きなゲート開口のものが最適開口半径になり、一
方, 大きめにできてしまった場合には小さなゲート開口
のものが最適開口半径となって全体として作製マージン
が大きくなる。
【0024】図3は本発明の第2実施例を示す図で、同
じくエッジの刃先40と第2のゲート電極開口部5の配置
の記載だけで微小電界放出陰極アレイ50bを表してあ
る。その他の個々の構成については図10のものに準じて
いるので説明を省略する。この例では、一つ一つのエミ
ッタ部でエッジの刃先40に沿っての開口部巾が凹凸をな
して異なるように構成されていることが特徴で、その開
口部巾が最適の部分で自己選択的に電子ビーム放出を行
うことができる。これが全ての素子で行われるので、結
局, 広い面積で電子ビーム放出が安定に行われる。
【0025】図4は本発明の第3実施例を示す図で、こ
の例は上記第2実施例の変形例であり、エッジの刃先40
に沿っての開口部巾が一定の傾斜をなして異なるように
構成されている点だけが異なり、その開口部巾が最適の
部分で自己選択的に電子ビーム放出を行うことができる
ことは全く同様である。
【0026】なお、以上の2つの例はアレイについて図
示説明したが、一つだけをより長く形成して1本の長い
線状電界放出陰極を形成する場合にも本発明が適用でき
ることは言うまでもない。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
子ビーム放出特性に最も影響の大きい第1のゲート電極
開口部3あるいは第2のゲート電極開口部5の大きさ(
2Rg)を,たとえば、大,中,小の3種類に分け、しか
も,入り混じるように形成してあるので、その大きさに
若干の製造バラツキがあっても、ゲート開口半径 Rg0
なったコーン2あるいはエッジ4が自己選択的に電子ビ
ーム放出を行うことができ、広い面積あるいは長いライ
ンにわたって安定な動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図である。
【図2】本発明第1実施例の動作特性を示す図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す図である。
【図4】本発明の第3実施例を示す図である。
【図5】微小電界放出陰極の構造例を示す図(その1)
である。
【図6】微小電界放出陰極の動作特性例を示す図であ
る。
【図7】従来の微小電界放出陰極アレイのゲート電極開
口部の例を示す図(その1)である。
【図8】微小電界放出陰極の製造方法の例を示す図であ
る。
【図9】微小電界放出陰極の構造例を示す図(その2)
である。
【図10】従来の微小電界放出陰極アレイのゲート電極
開口部の例を示す図( その2)である。
【符号の説明】1 基板 2 コーン 3、3a、3b、3c 第1のゲート電極開口部 5 第2のゲート電極開口部 4 エッジ 20 コーンの先端 30 ゲート電極 40 エッジの刃先 50、50a、50b、50c 微小電界放出陰極アレ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に先端が尖った複数のコーンが形
    成され、前記コーンのそれぞれの先端を取り囲んで第1
    ゲート電極開口部が設けられ、前記コーンの先端から
    電界放出により電子ビームが取り出されてなる微小電界
    放出陰極アレイにおいて、 前記第1のゲート電子開口部の大きさが異なり、かつ、
    入り混じって配置されていることを特徴とした微小電界
    放出陰極アレイ。
  2. 【請求項2】 基板上に先端が尖った少なくとも一つの
    エッジが形成され、前記エッジのそれぞれを取り囲んで
    溝状の第2のゲート電極開口部が設けられ、前記エッジ
    の刃先から電界放出により電子ビームが取り出されてな
    る微小電界放出陰極アレイにおいて、 前記第2のゲート電子開口部の溝巾が前記エッジに沿っ
    て異なるように形成されていることを特徴とする微小電
    界放出陰極アレイ。
JP1178691A 1991-02-01 1991-02-01 微小電界放出陰極アレイ Expired - Lifetime JP2638315B2 (ja)

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