JP3156903B2 - 電界放出型電子源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型電子源に関
し、より詳細には、電界放出の原理に基づいて動作する
電界放出型電子源に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路、または薄膜の分
野等で用いられている微細加工技術によって、高電界の
影響下で電子を放出する電界放出型電子源の製造技術の
進歩はめざましく、特に極めて小型の構造を有する電子
源が研究及び製造されている。この種の電子源は、三極
管型の超小型電子管や蛍光体の発光による薄型表示装
置、超小型発振管等を形成する上で最も重要で、かつ基
本的な電子放出デバイスとなる。

【０００３】電界放出型電子源は、例えば、薄型表示装
置や微小三極管の構成要素として提案されたもので、そ
の動作及び製造方法は、特に、シー．エー．スピント
（Ｃ.Ａ.Ｓpindt）らによってスタンフォード リサーチ
インスティチュート（Ｓtanford Ｒesearch Ｉnstitut
e）で行われ、ジャーナル オブ アプライド フィジック
ス（Ｊournal of Ａpplied Ｐhysics）第４７巻，１２
号，5248〜5263頁（1976年12月）を含む様々な雑誌等に
発表された研究によって公知である。また、エイチ．エ
フ．グレイ（Ｈ.Ｆ.Ｇray）らの米国特許第４３０７５
０７号明細書、及び米国特許第４５１３３０８号明細書
等にも記載されている。

【０００４】図９は、従来の電界放出型電子源で、図１
０は、図９におけるＤ−Ｄ′断面拡大図である。図中、
４１はエミッタ電極、４２は絶縁基板、４３はエミッタ
部、４３ａはエミッタ先端部、４４はゲート電極、４５
は段差、４６は電気抵抗部である。

【０００５】絶縁基板４２とほぼ平行な面上に形成され
たエミッタ電極４１とゲート電極４４からなり、基板面
方向に電子放出が行われるエミッタを複数、アレイ状に
配置した櫛型電子源である。エミッタ電極４１は、絶縁
基板４２上に金属膜を加工した矩形のエミッタ部４３が
平面的に連続するように形成されている。また、ゲート
電極４４は、同一の絶縁基板４２上で、エミッタ電極４
１に比べ、深さ方向に段差４５を設けた位置に直線的に
形成される。なお、矩形のエミッタ部４３を楔型のエミ
ッタ部で置き換え、のこぎり型の電子源もほぼ同様に構
成され得る。

【０００６】ここで、絶縁基板４２には石英基板が、電
極材料にはタングステンやモリブデン等の高融点金属材
料がそれぞれ用いられる。このような構成において、エ
ミッタ電極４１に対し、ゲート電極４４に５０Ｖ〜２０
０Ｖ程度の電圧を印加すると、矩形のエミッタ先端部４
３ａに１０⁷Ｖ／cm程度の高電界が発生し、電界放出の
原理に基づいてエミッタ先端部４３ａから電子が放出さ
れる。電子が放出される空間は、１０^-5Ｐａ以下の真空
に保たれている。放出された電子は、200〜1000Ｖ程度
の電圧が印加されたアノード電極に達する。

【０００７】図１１は、絶縁基板に対して垂直方向に電
子放出が行われる電界放出型電子源であるコーン型電子
源の概略斜視図で、図中、５１はガラス基板、５２はエ
ミッタ電極層、５３は電気抵抗層、５４はエミッタコー
ン、５４ａはエミッタコーン先端部、５５は絶縁層、５
６はゲート電極、５７は穴である。

【０００８】円錐形状のエミッタコーン５４を多数、ア
レイ状に配置したこの種の電子源は、蛍光体を塗布した
透明電極基板と対向配置することにより、薄型のディス
プレイ等が構成される。ガラス基板５１上にエミッタ電
極層５２及び電気抵抗層５３がそれぞれ形成されてお
り、さらにその上に、多数の円錐形状のエミッタコーン
５４が形成されている。また、電気抵抗層５３上には、
絶縁層５５を挟んでゲート電極５６が形成されており、
さらに、エミッタコーン５４を囲うように円筒状の穴５
７が形成されている。なお、電気抵抗層５３は、後述す
る電子放出特性上の目的により形成しているが、コーン
型電子源としては電気抵抗層を含まない構成が一般的で
ある。

【０００９】このような構成において、エミッタ電極層
５２に対し、ゲート電極５６に３０Ｖ〜１５０Ｖ程度の
電圧を印加すると、エミッタコーン先端部５４ａに１０
⁷Ｖ／cm程度の高電界が発生し、電界放出の原理に基づ
いてエミッタコーン先端部５４ａから電子が放出され
る。電子が放出される空間は、１０^-5Ｐａ以下の真空に
保たれている。放出された電子は、200〜1000Ｖ程度の
電圧が印加されたアノード電極に達する。

【００１０】図１２（ａ）〜（ｆ）は、エミッタコーン
の製作工程を示す図で、図中、５８はエッチング除去
層、５９は不要部で、その他、図１１と同じ作用をする
部分は同一の符号を付してある。フォトリソ，エッチン
グ工程によりゲート電極５６及びその下の絶縁層５５に
形成した円筒状の穴５７に対し（図（ａ）〜図
（ｃ））、ガラス基板５１を回転させながら斜めからの
真空蒸着法による製膜を行うことにより、エッチング除
去層５８を形成した後（図（ｄ））、さらに電気抵抗層
５３上にエミッタ金属材料を真空蒸着法によりコーン形
状に堆積させてエミッタコーン５４を作成し（図
（ｅ））、その後、エッチング除去層５８ごと不要部５
９を除去することで作製する（図（ｆ））。これらは、
先述のシー・エー・スピント（Ｃ.Ａ.Ｓpindt）らの発
表により公知の方法である。基板には、ガラス基板の他
に単結晶シリコン基板等が用いられる。エミッタコーン
には、主としてモリブデンやタングステン等の高融点金
属材料が用いられ、絶縁層には二酸化シリコン等が用い
られる。

【００１１】次に、従来の電界放出型電子源の電子放出
特性について説明する。図１３は、従来の電界放出型電
子源のエミッタ電極−ゲート電極間への印加電圧と電界
放出される電子によって流れる電流の関係を表したもの
で、複数のエミッタからなるアレイ構造ではなく、１つ
のエミッタの放出特性である。なお、図中、曲線ａが通
常の電気抵抗層を含まない構造のエミッタの場合、図
中、曲線ｂ及び曲線ｃが電気抵抗層を含む構造のエミッ
タの場合である。

【００１２】エミッタ電極に対して、ゲート電極に正の
電圧を印加すると、エミッタ先端部近傍に、その形状に
起因する電界集中の効果により、電界放出に必要な高電
界が発生する。そのため、電界放出に必要な高電界を発
生させるのに十分な電圧を印加すると、エミッタ先端部
からの電子放出を開始し、さらに印加電圧を増加させる
と急激に放出電流量が増加し、その後、放出電流量が限
界に達すると、エミッタの破壊が起こる。微小なエミッ
タ部分に過電流が流れることによる急激な温度上昇が主
な破壊の原因となる。

【００１３】図１１に示した従来のコーン型電子源は、
電子放出部がエミッタコーン先端部の非常に小さい範囲
であるため、１つのエミッタからの放出電流量の限界が
小さい。図９に示した従来の櫛形電子源は、コーン型電
子源に比較して電子放出部の範囲が大きいが、その構造
上、過電流による温度上昇は、熱膨張によりエミッタ・
ゲート電極間の距離を接近させ、さらに過電流を助長さ
せるため、破壊に対して不利に働く。

【００１４】また、エミッタが破壊することから１つの
エミッタで得られる電流量には限界があり、電界放出型
電子源で十分な電流量を得るためには、複数のエミッタ
をアレイ状に配列して並列に駆動する必要がある。しか
しながら、電界放出型電子源は、製造時に発生するエミ
ッタ・ゲート電極間の距離のばらつき、エミッタ先端部
の形状のばらつき等の微細加工上のばらつきを持ち、こ
のばらつきが電子放出特性に非常に大きな影響を及ぼ
す。現状技術の範囲内では、各エミッタ間での電子放出
特性のばらつきを避けることは困難であり、複数のエミ
ッタをアレイ状に配列して並列に駆動した場合には、電
子放出開始電圧がエミッタにより異なるため、過電流に
より破壊するエミッタ，電子を放出するエミッタ，及び
電子放出まで至らないエミッタが混在することになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述のような問題点の
対策として、従来の技術では、前記図１１に示したよう
に、電気抵抗層５３をエミッタ電極層５２とエミッタコ
ーン５４の間に形成するという方法を用いる。このよう
な構成では、エミッタコーン５４からの電子放出で流れ
る電流により、電気抵抗層５３において電圧降下が生
じ、結果としてエミッタコーン先端部５４ａとゲート電
極５６間にかかる電圧が相対的に減少し、印加電圧に対
する放出電流量の変化が緩やかになる。このときのエミ
ッタの放出電子特性を表したのが、図１３の曲線ｂ及び
曲線ｃのであり、曲線ｃは、電気抵抗層の抵抗率が曲線
ｂに比較して大きい場合である。このように、各エミッ
タの印加電圧に対する放出電流量の変化が緩やかになる
ため、電子放出開始電圧の異なる複数のエミッタをアレ
イ状に形成した場合においても、適切な印加電圧を選ぶ
ことで、電子放出状態にあるエミッタの数を増大させる
ことができる。

【００１６】また、前記図９に示したように、従来の電
子源である絶縁基板４２とほぼ平行な面上に形成された
エミッタ電極４１及びゲート電極４４からなり、基板面
方向に電子放出が行われるエミッタ部を複数、アレイ状
に配置した櫛型電子源においても、同様の対策を施すこ
とにより、類似の効果が期待できることは容易に類推で
きる。すなわち、エミッタ電極４１とエミッタ部４３の
間に電気抵抗部４６を形成することにより、印加電圧に
対する放出電流量の変化を緩やかにし、エミッタアレイ
において電子放出状態にあるエミッタ部の数を増大させ
る方法が考えられる。

【００１７】しかしながら、電気抵抗層による電圧降下
を利用して印加電圧に対する放出電流量の変化を緩やか
にする方法には、以下のような問題点がある。まず、電
気抵抗層による電圧降下に相当するエネルギーが無駄に
なり、電子放出効率が低下するとともに、それによる発
熱は、過電流によるエミッタ破壊に対しても悪影響を及
ぼす。すなわち、図１３に示した曲線ａと曲線ｂ、ある
いは曲線ａと曲線ｃの差が電気抵抗層での発熱に費やさ
れることになる。複数のエミッタで構成されたエミッタ
アレイにおいて、電子放出状態にあるエミッタ部の数を
増やすために、電気抵抗層の抵抗率を大きくするほど発
熱量が増大し、少ない放出電流でエミッタ部が破壊する
という問題点がある。このことは、図１３の曲線ｂと曲
線ｃの最大放出電流Ｉmaxの違いに相当する。

【００１８】また、同一の印加電圧下の比較では、電気
抵抗層の抵抗率を大きくするほど、エミッタあたりの電
子放出量が低下する。このことは、種々のばらつきによ
り電子放出開始電圧が異なる複数のエミッタ部で構成さ
れたエミッタアレイにおいて、電子放出状態にあるエミ
ッタ部の数を増やすために電気抵抗層の抵抗率を大きく
しても、エミッタ部あたりの電子放出量が低下するた
め、アレイ全体での電子放出量の増大が得られにくいと
いう問題点がある。

【００１９】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、製造上のばらつきを有するエミッタで構成さ
れたエミッタアレイにおいても、それぞれのエミッタ間
の動作状態を均一化し、放出電流量を増加させるととも
に、破壊に対するエミッタの耐久性を向上させる電界放
出型電子源を提供することを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）絶縁基板上に形成されたエミッタ
電極と、該エミッタ電極と電気的に接続された電子放出
部であるエミッタコーンと、該エミッタコーンの先端部
を囲むような開口部を有するゲート電極とからなる電界
放出型電子源であって、前記エミッタコーンが片持梁の
エミッタコーン支持電極上に形成されており、該エミッ
タコーン支持電極の前記絶縁基板側に、該エミッタコー
ン支持電極の熱膨張率と異なる熱膨張率の薄膜層が形成
されていることを特徴としたものである。

【００２１】

【００２２】また、本発明の電界放出型電子源は、基板
上に形成されたエミッタ電極と、エミッタ電極と電気的
に接続された電子放出部であるエミッタコーンと、エミ
ッタコーン先端部を囲むような開口部を持つゲート電極
とからなり、前記エミッタコーンが熱膨張率の異なる少
なくとも２層の構造からなるエミッタコーン支持電極上
に形成されているため、エミッタ電極・ゲート電極間に
電界放出に必要な高電界を発生させるのに十分な電圧を
印加すると、エミッタコーン先端部からの電子放出を開
始し、さらに、印加電圧を増加させると、急激に放出電
流量が増加し、その後、エミッタコーンからの電子放出
による過電流でエミッタコーン支持電極部の温度が上昇
すると、熱膨張によりエミッタコーン支持電極部が微小
量変形し、エミッタコーン先端部とゲート電極との距離
を増加させる。これにより、エミッタコーン先端部の電
界が減少し、エミッタコーンからの電子放出量が減少
し、過電流によるエミッタコーンの破壊が防止されて耐
久性が向上する。

【００２３】さらに、熱膨張によるエミッタ部の変形あ
るいはエミッタコーン支持電極部の変形が起こるのは、
過電流でエミッタ部あるいはエミッタコーン支持電極部
の温度が上昇したときであるため、温度上昇が発生する
までの印加電圧範囲は、通常のエミッタ部とほぼ同様の
特性を持ち、さらに、それ以上の広い印加電圧範囲で
は、限界放出電流に近い電流の電子放出が得られる。そ
のため、製造上のばらつきにより、電子放出開始電圧が
異なる複数のエミッタ部をアレイ状に配置して並列に駆
動した場合においても、エミッタ部の動作状態が均一化
され、アレイを構成する多くのエミッタ部から最大放出
電流量に近い電子放出を得ることができ、エミッタアレ
イ全体での電子放出量の増大が可能となる。

【００２４】

【実施例】図１は、電界放出型電子源の一例を説明する
ための斜視図で、図２（ａ）,（ｂ）は、図１における
Ａ−Ａ′断面拡大図である。図中、１はエミッタ電極、
２は絶縁基板、３はエミッタ部、３ａはエミッタ先端
部、４はゲート電極、５は段差、６はエミッタ下層、７
はエミッタ上層である。

【００２５】エミッタ電極１は、絶縁基板２上に矩形の
エミッタ部３が平面的に連続するように形成される。ま
た、ゲート電極４は、同一の絶縁基板上でエミッタ電極
１に比べ深さ方向に段差５を設けた位置に直線的に形成
される。エミッタ電極１は、エミッタ下層６とエミッタ
上層７の２層構造となっており、エミッタ上層７は、エ
ミッタ下層６に比較して熱膨張率の小さい薄膜で形成さ
れる。ここで、エミッタ上層７にはタングステンを用
い、エミッタ下層６にはニッケルをそれぞれ用いた。エ
ミッタ上層７にモリブデン、エミッタ下層６に金等をそ
れぞれ組み合わせてもよい。なお、エミッタ下層６は、
電子放出する電極であるため、導電性が高く、また、仕
事関数の小さい材料で形成するとよい。

【００２６】一方、エミッタ上層７は、導電性である必
要はなく、例えば、二酸化シリコンや窒化シリコン等で
構成してもよく、電子放出させるエミッタ下層６に対し
ての付着性や熱膨張率の差等を考慮して選定すればよ
い。各層を構成する材料の熱膨張率の差は大きい方がよ
く（２倍以上）、エミッタ部の温度変化に対して各層の
付着力の点で剥離が発生しないように膜厚，製膜方法と
ともに選定する。上記電界放出型電子源では、ニッケル
やタングステンの組み合わせで電子ビーム真空蒸着法を
用い、膜厚を０.１μｍ〜０.５μｍ程度とした。また、
各層の製膜時には、製膜による温度変化により内部応力
が発生する場合があるが、製膜時の基板加熱等で熱によ
る内部応力を調整するとよい。

【００２７】なお、エミッタ部は、各層の内部応力の違
いにより、ある程度変形していても目的の効果を得る上
で差し支えない。上記電界放出型電子源において、基板
に絶縁基板を用いたが、これに限るものではなく、低抵
抗シリコン基板や金属基板等の導電性の基板に絶縁層を
形成した基板を用いた構成としてもよい。シリコン基板
を用いることで、他の半導体素子とのモノリシック化も
可能となる。

【００２８】上記電界放出型電子源では、エミッタ電極
をエミッタ下層とエミッタ上層の２層構造としたが、こ
れに限るものではなく、３層以上の構造としてもよい。
各エミッタ層間にバッファ層等を形成し、各層間の付着
力やエミッタの機械的強度等を向上させることができ
る。また、上記電界放出型電子源において、エミッタ下
層及びエミッタ上層は、エミッタ部において同一形状と
したが、これに限るものではなく、電子放出する電極層
であるエミッタ下層を、エミッタ上層に比較して突出さ
せた構造としてもよい。電子放出部となるエミッタ下層
外縁部の電界集中に対して、エミッタ上層の製造上のば
らつき等が影響を与えることが防止され、さらに特性の
向上が期待できる。

【００２９】図３は、電界放出型電子源の電子放出特性
を示した図であり、エミッタ電極・ゲート電極間への印
加電圧と電界放出される電子によって流れる電流の関係
を表したもので、複数のエミッタからなるアレイ構造で
はなく、１つのエミッタの放出特性である。比較のため
に、曲線ａに従来の電子源の電子放出特性を示し、曲線
ｂに上述の電子源の電子放出特性を示している。図１の
構成において、エミッタ電極に対してゲート電極に５０
〜６０Ｖ程度の電圧を印加すると、電子放出を開始し、
さらに印加電圧を増加させると、急激に放出電流量が増
加する。

【００３０】その後、放出電流量がある程度大きくなる
と、印加電圧に対しての放出電流量の変化が少なくな
り、広い印加電圧範囲において、エミッタの破壊が起き
る放出電流量である最大放出電流Ｉmaxに近い値を維持
し、２００〜３００Ｖ程度の印加電圧，１００〜２００
μＡ程度の放出電流量でエミッタの破壊が起こった。エ
ミッタからの放出電流量が大きくなり、エミッタの温度
が上昇すると、エミッタを形成しているエミッタ下層に
比較してエミッタ上層の熱膨張率が小さいことから、エ
ミッタは基板に対して上方向に変形する。

【００３１】この変形により、エミッタ先端部３ａとゲ
ート電極４の距離が増大し、エミッタ先端部近傍の電界
が小さくなるため、エミッタからの放出電流量を抑制す
る方向に働く。このような関係にあるため、エミッタの
変形を保つのに十分な電流に相当する放出電流量を広い
印加電圧範囲で得られるとともに、エミッタの破壊に対
する耐久性が向上する。このような特性をもつエミッタ
をアレイ状に構成した電界放出型電子源では、同一数の
エミッタで構成した従来構造のエミッタアレイに比較し
て５〜３０倍程度の電子放出量が得られた。

【００３２】図４は、電界放出型電子源の他の例を説明
するための斜視図で、図５（ａ）,（ｂ）は、図４にお
けるＢ−Ｂ′断面拡大図である。図中、１１はエミッタ
電極、１２は絶縁基板、１３はエミッタ部、１４はゲー
ト電極、１５は段差、１６はエミッタ下層、１７はエミ
ッタ上層である。

【００３３】絶縁基板１２上にエミッタ電極１１及びゲ
ート電極１４が形成されており、エミッタ電極１１に
は、矩形のエミッタ部１３が平面的に連続するように配
置されている。エミッタ部１３の下部の絶縁基板１２に
は段差１５が設けられている。エミッタ電極１１は、エ
ミッタ上層１７とエミッタ下層１６の２層構造となって
おり、エミッタ下層１６は、エミッタ上層１７に比較し
て熱膨張率の小さい薄膜で構成される。ここで、エミッ
タ下層１６にはタングステンを用い、エミッタ上層１７
にはニッケルをそれぞれ用いた。エミッタ下層１６にモ
リブデン、エミッタ上層１７に金等をそれぞれ組み合わ
せてもよい。なお、エミッタ上層１７は、電子放出する
電極であるため、導電性が高く、また仕事関数の小さい
材料で形成するとよい。

【００３４】一方、エミッタ下層１６は、導電性である
必要はなく、例えば、二酸化シリコンや窒化シリコン等
で構成してもよい。また、各層の製膜時には、製膜によ
る温度変化により内部応力が発生する場合があるが、製
膜時の基板加熱等で熱による内部応力を調整するとよ
い。なお、エミッタ部は、各層の内部応力の違いによ
り、ある程度変形していても目的の効果を得る上で差し
支えない。本例において基板に絶縁基板を用いたが、こ
れに限るものではなく、低抵抗シリコン基板や金属基板
等の導電性の基板に絶縁層を形成した基板を用いた構成
としてもよい。本例においても、前述の例と同一の目的
により、エミッタ電極層を３層以上の構造としてもよ
く、また、本例の構造で電子放出部となるエミッタ上層
を突出させた構造としてもよい。

【００３５】上述の構成において、エミッタ電極に対し
てゲート電極に電圧を印加すると電子放出を開始し、さ
らに印加電圧を増加させると、急激に放出電流量が増加
する。その後、放出電流量がある程度大きくなると、印
加電圧に対しての放出電流量の変化が少なくなり、広い
印加電圧範囲においてエミッタ部の破壊が起きる放出電
流量である最大放出電流Ｉｍａｘに近に値を維持する。
エミッタ部からの放出電流量が大きくなり、エミッタ部
の温度が上昇すると、エミッタ部を形成しているエミッ
タ上層に比較してエミッタ下層の熱膨張率が小さいこと
から、エミッタ部は基板に対して下方向に変形する。

【００３６】この変形により、エミッタ先端部１３ａと
ゲート電極１４の距離が増大し、エミッタ先端部近傍の
電界が小さくなるため、エミッタ先端部からの放出電流
量を抑制する方向に働く。このような関係にあるため、
エミッタ部の変形を保つのに十分な電流に相当する放出
電流量を広い印加電圧範囲で得られるとともに、エミッ
タ部の破壊に対する耐久性が向上する。

【００３７】次に、製造方法について説明する。絶縁基
板１２上にエミッタ下層材料及びエミッタ上層材料を順
次スパッタリング法で製膜する。フォトリソ工程により
エミッタ電極形状及びゲート電極形状のパターニングを
行い、ＲＩＥ（Ｒeactive Ｉon Ｅtching）法を用いた
エッチング加工により、エミッタ電極１１及びゲート電
極１４を形成する。その後、ウエットエッチング法によ
り、絶縁基板１２をエミッタ電極１１とゲート電極１４
の隙間からエッチング加工し、絶縁基板１２の段差１５
を形成し、目的の電子源を得る。

【００３８】ここで、エミッタ下層材料及びエミッタ上
層材料の製膜にスパッタリング法を用いたが、使用する
材料にあわせて電子ビーム真空蒸着法やＣＶＤ法（Chem
icalVapor Deposition：化学蒸着法）等、他の製膜方法
を用いても差し支えない。また、エミッタ下層及びエミ
ッタ上層のエッチングにＲＩＥ法を用いたが、これに限
るものではなく、使用いる材料によってはウエットエッ
チング法を用いることにより、製造プロセスの簡便化が
図れる。

【００３９】図６は、本発明による電界放出型電子源の
実施例を説明するための斜視図で、図７（ａ）は、図６
の部分拡大上面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）における
Ｃ−Ｃ′断面拡大図である。図中、２１は絶縁基板、２
２はエミッタコーン支持電極下層、２３はエミッタコー
ン支持電極上層、２４はエミッタコーン、２４ａはエミ
ッタコーン先端部、２５は絶縁層、２６はゲート電極、
２７は穴、２８は隙間、２９は段差、３０は空間、３１
はエミッタコーン支持部である。

【００４０】絶縁基板２１上にエミッタコーン支持電極
下層２２及びエミッタコーン支持電極上層２３が形成さ
れており、さらに、その上に多数の円錐形状のエミッタ
コーン２４が形成されている。エミッタコーン支持電極
上層２３上には、絶縁層２５を挟んでゲート電極２６が
形成されており、さらにエミッタコーン２４を囲むよう
に円筒状の穴２７が形成されている。

【００４１】エミッタコーン支持電極下層２２及びエミ
ッタコーン支持電極上層２３は、その上に形成されてい
るエミッタコーン毎に隙間２８で分離されており、さら
にエミッタコーン支持電極下層２２の下部の絶縁基板２
１には段差２９が、エミッタコーン支持電極上層２３の
上部の絶縁層２５には空間３０がそれぞれ設けられてお
り、これにより、エミッタコーン支持部３１が形成され
る。エミッタコーン支持電極下層２２は、エミッタコー
ン支持電極上層２３に比較して熱膨張率の小さい薄膜で
構成される。エミッタコーン支持電極上層２３は、その
上部に電子放出させるエミッタコーンを形成する電極で
あるため、導電性の材料で形成し、エミッタコーンから
の電子放出にともなう過電流によりエミッタコーンが破
壊する以前にエミッタコーン支持部の温度が上昇し、変
形が起こるように構成する。

【００４２】本実施例では、前述の例と同様に、エミッ
タコーン支持電極上層２３及びエミッタコーン支持電極
下層２２をニッケル及びタングステンの組み合わせと
し、さらにエミッタコーン支持部の断面積をエミッタコ
ーン底面部に比較して１／３程度の大きさで構成した。
なお、エミッタコーン支持電極下層２２は、導電性であ
る必要はなく、例えば、エミッタコーン支持電極上層２
３をアルミニウム、エミッタコーン支持電極下層２２を
酸化アルミニウムで構成する等、エミッタコーン支持電
極上層２３あるいは絶縁基板２１に対しての付着性，熱
膨張率の差等を考慮して選定すればよい。

【００４３】本実施例において、基板に絶縁基板を用い
たが、これに限るものではなく、低抵抗シリコン基板や
金属基板等の導電性の基板を用いた構成としてもよい。
また、エミッタコーン支持部は、エミッタコーン支持電
極下層及びエミッタコーン支持電極上層の２層構造とな
っているが、３層以上の構造としてもよい。各電極層間
にバッファ層等を形成し、各層間の付着力やエミッタコ
ーン支持部の機械的強度の向上等が図れる。

【００４４】図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の電界放出
型電子源の作製方法を説明するための工程図で、図中、
２２ａはエミッタコーン支持電極下層材料、２３ａはエ
ミッタコーン支持電極上層材料、２５ａは絶縁層材料、
２６ａはゲート電極材料で、その他、図７と同じ作用を
する部分は同一の符号を付してある。

【００４５】絶縁基板２１上にエミッタコーン支持電極
下層材料２２ａ及びエミッタコーン支持電極上層材料２
３ａを順次スパッタリング法で製膜する。次に、フォト
リソ工程によりエミッタコーン支持部３１，隙間２８等
の形状のパターニングを行い、ＲＩＥ（Ｒeactive Ｉon
Ｅtching）法を用いたエミッタコーン支持電極上層２
３ａ及びエミッタコーン支持電極下層２２ａのエッチン
グ加工により、図８（ａ）に示す状態とする。その後、
絶縁層材料２５ａ及びゲート電極材料２６ａを順次製膜
する。次に、フォトリソ工程によりエミッタコーンを作
製する箇所に円形のパターニングを行った後、ゲート電
極材料２６ａ及び絶縁層材料２５ａのエッチングを行
い、円筒状の穴２７を形成することで、図８（ｂ）に示
す状態となる。円筒状の穴２７に対して前述のシー・エ
ー・スピント（Ｃ.Ａ.Ｓpindt）らの発表により、公知
の方法を用いてエミッタコーン２４を作製する。

【００４６】すなわち、基板を回転させながら斜めから
の真空蒸着法による製膜を行い、エッチング除去層を形
成した後、エミッタコーン支持電極上層２３上にエミッ
タコーン材料を基板と垂直方向からの真空蒸着法により
コーン形状に堆積させてエミッタコーン２４を作製し、
その後、エッチング除去層上に堆積した不要なエミッタ
コーン材料をエッチング除去層ごと除去することで、エ
ミッタコーンを作製する。以上により、図８（ｃ）に示
す状態となる。この後、ウエットエッチング法により、
絶縁層材料２５ａを円筒状の穴２７からエッチング加工
し、空間３０を形成するとともに、絶縁基板２１をエミ
ッタコーン支持電極上層２３及びエミッタコーン支持電
極下層２２に設けられた隙間２８からエッチング加工
し、絶縁基板の段差２９を形成し、図８（ｄ）に示した
目的の電子源構造を得る。

【００４７】ここで、エミッタコーン支持電極下層材料
及びエミッタコーン支持電極上層材料の製膜にスパッタ
リング法を用いたが、使用する材料にあわせて電子ビー
ム真空蒸着法やＣＶＤ法等、他の製膜方法を用いても差
し支えない。また、エミッタコーン支持電極下層及びエ
ミッタコーン支持電極上層のエッチングにＲＩＥ法を用
いたが、これに限るものではなく、使用する材料によっ
てはウエットエッチング法を用いることにより、製造プ
ロセスの簡便化が図れる。

【００４８】本発明の構成において、エミッタ電極に対
してゲート電極に電圧を印加すると、エミッタコーン先
端部２４ａより電子放出を開始し、さらに印加電圧を増
加させると、急激に放出電流量が増加する。その後、放
出電流量がある程度大きくなると、印加電圧に対しての
放出電流量の変化が少なくなり、広い印加電圧範囲にお
いて、エミッタコーンの破壊が起きる放出電流量である
最大放出電流Ｉmaxに近い値を維持する。エミッタコー
ンからの放出電流量が大きくなると、エミッタコーン支
持部を流れる電流量が大きくなり、エミッタコーン支持
部の温度が上昇する。エミッタコーン支持部を形成して
いるエミッタコーン支持電極上層に比較してエミッタコ
ーン支持電極下層の熱膨張率が小さいことから、エミッ
タコーン支持部は基板に対して下方向に変形する。

【００４９】この変形により、エミッタコーン先端部２
４ａとゲート電極２６の距離が増大し、エミッタコーン
先端部近傍の電界が小さくなるため、エミッタコーンか
らの放出電流量を抑制する方向に働く。このような関係
にあるため、広い印加電圧範囲でエミッタコーン支持部
の変形を保つのに十分な電流に相当する放出電流量が得
られるとともに、エミッタコーンの破壊に対する耐久性
が向上する。本実施例の電界放出型電子源の構造は、前
述の二つの実施例に比較して構造的に製造が複雑となる
が、基板に対して垂直方向への電子放出を必要とする場
合には、本実施例の構造が好ましい。

【００５０】本実施例の構造は、前述の二つの実施例の
構造と異なり、エミッタの変形を利用したものではな
く、電子放出部支持部材となるエミッタ支持部に流れる
電流によるエミッタ支持部の変形を利用したものである
ため、電子放出部の形状は基本的に限定されない。コー
ン型の電子放出部をもつ構成の他に、例えば、円柱の先
端に薄い円盤形状をもつエミッタディスクをエミッタコ
ーンの代わりに電子放出部に用いる等、種々の電子放出
部と組み合わせて構成することができる。

【００５１】以上の実施例で用いられる材料の膨張率
（線膨張率）は、以下の表１のとおりである。なお、値
はすべてバルクの値である。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【００５４】

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下のような効果がある。（１）基 板上に形成されたエミッタ電極と、エミッタ電
極と電気的に接続された電子放出部であるエミッタコー
ンと、エミッタコーン先端部を囲むような開口部を持つ
ゲート電極とからなり、前記エミッタコーンが熱膨張率
の異なる少なくとも２層の構造からなる片持梁のエミッ
タコーン支持電極上に形成されているため、エミッタ電
極・ゲート電極間に電界放出に必要な高電界を発生させ
るのに十分な電圧を印加すると、エミッタコーン先端部
からの電子放出を開始し、さらに印加電圧を増加させる
と、急激に放出電流量が増加し、その後、エミッタコー
ンからの電子放出による過電流でエミッタコーン支持電
極部の温度が上昇すると、熱膨張によりエミッタコーン
支持電極部が変形し、エミッタコーン先端部とゲート電
極との距離を増加させる。これにより、エミッタコーン
先端部の電界が減少し、エミッタコーンからの電子放出
量が減少し、過電流によるエミッタコーンの破壊が防止
され、耐久性が向上する。 （２）さらに、熱膨張によるエミッタの変形あるいはエ
ミッタコーン支持電極部の変形が起こるのは、過電流で
エミッタ部あるいはエミッタコーン支持電極部の温度が
上昇したときであるため、温度上昇が発生するまでの印
加電圧範囲は通常のエミッタとほぼ同様の特性をもち、
さらに、それ以上の広い印加電圧範囲では限界放出電流
に近い電流の電子放出が得られる。そのため、製造上の
ばらつきにより、電子放出開始電圧が異なる複数のエミ
ッタ部をアレイ状に配置して並列に駆動した場合におい
ても、エミッタ部の動作状態が均一化させ、アレイを構
成する多くのエミッタ部から最大放出電流量に近い電子
放出を得ることができ、エミッタアレイ全体での電子放
出量の増大が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電界放出型電子源の一例を説明するための斜視
図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ′断面拡大図である。

【図３】図１に示した電界放出型電子源の動作を説明す
るための図である。

【図４】電界放出型電子源の他の例を説明するための斜
視図である。

【図５】図４におけるＢ−Ｂ′断面拡大図である。

【図６】本発明による電界放出型電子源の実施例を説明
するための斜視図である。

【図７】図６における部分拡大上面図及びＣ−Ｃ′断面
拡大図である。

【図８】本発明の電界放出型電子源の作製方法を説明す
るための工程図である。

【図９】従来の電界放出型電子源の概略を示す斜視図で
ある。

【図１０】図９におけるＤ−Ｄ′断面拡大図である。

【図１１】従来の他の電界放出型電子源の概略を示す斜
視図である。

【図１２】図１１における電界放出型電子源の作製方法
を説明するための工程図である。

【図１３】従来の他の電界放出型電子源の動作を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１…エミッタ電極、２…絶縁基板、３…エミッタ部、３
ａ…エミッタ先端部、４…ゲート電極、５…段差、６…
エミッタ下層、７…エミッタ上層、１１…エミッタ電
極、１２…絶縁基板、１３…エミッタ部、１３ａ…エミ
ッタ先端部、１４…ゲート電極、１５…段差、１６…エ
ミッタ下層、１７…エミッタ上層、２１…絶縁基板、２
２…エミッタコーン支持電極下層、２２ａ…エミッタコ
ーン支持電極下層材料、２３…エミッタコーン支持電極
上層、２３ａ…エミッタコーン支持電極上層材料、２４
…エミッタコーン、２４ａ…エミッタコーン先端部、２
５…絶縁層、２５ａ…絶縁層材料、２６…ゲート電極、
２６ａ…ゲート電極材料、２７…穴、２８…隙間、２９
…段差、３０…空間、３１…エミッタコーン支持部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に形成されたエミッタ電極
   と、該エミッタ電極と電気的に接続された電子放出部で
   あるエミッタコーンと、該エミッタコーンの先端部を囲
   むような開口部を有するゲート電極とからなる電界放出
   型電子源であって、前記エミッタコーンが片持梁のエミ
   ッタコーン支持電極上に形成されており、該エミッタコ
   ーン支持電極の前記絶縁基板側に、該エミッタコーン支
   持電極の熱膨張率と異なる熱膨張率の薄膜層が形成され
   ていることを特徴とする電界放出型電子源。