JP3546945B2 - 冷陰極装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型冷陰極装置に関し、特に、絶縁層及びゲート電極に設けられた開口の底部に電子放出層が形成された冷陰極装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷陰極装置は、カソード・ゲート間に電圧を印加することにより、カソード側に設けられた電子放出層から真空中に（又はアノード方向に）電子が放出される装置である。
このように電子ビームの発射に要する原理及び構造が簡易なことから、冷陰極装置は、ヒータを用いてエミッション電流を制御する熱カソード装置に代わる電子銃として、近年、ディスプレーなどに利用されている。
【０００３】
この冷陰極装置の従来例の構成について図１１を参照して説明する。
同図に示すように、従来の冷陰極装置は、基板１００上に選択的に形成されたカソード電極２００と、このカソード電極２００上に成膜された電子放出層３００ａと、基板１００及び電子放出層３００ａ上に堆積され、該電子放出層３００ａ上に開口が設けられた絶縁層４００と、この絶縁層４００上に積層されたゲート電極５００と、このゲート電極５００に離間した位置に設けられたアノード電極６００とにより構成されている。
【０００４】
ここで、電子放出層３００ａは、仕事関数が低く、少量の印加電圧で平面からの電子放出が可能な材料、例えばダイヤモンドにより形成されている。
この電子放出層３００ａ上の電子放出面３１０は、従来において、先鋭な円錐形状に形成したものもあったが、上記材料を使用することで平面に形成可能となった。したがって、加工が容易となることから、製造コストの削減を図ることができる。
【０００５】
なお、電子放出面３１０における平面とは、その電子放出面３１０上の微小な突起部周辺の電界集中により発生する電子が、該電子放出層３００ａへの電圧の印加により発生する電子ビーム（エミッション電流）の集束を妨げない範囲で、該突起部が存在する面をいう。
具体的には、電子放出面３１０にナノメートルオーダの凹凸が存在し、この凸部に局所的に起こる電界集中により、微量の電子が誘発されたとしても、該電子放出層３００ａから発生したエミッション電流が、最低限の品質を確保しているものであれば、該電子放出面３１０は平面であるとする。
【０００６】
このような構成によれば、ゲート・カソード間及びアノード・カソード間に電圧を印加して電界を発生させることにより、電子放出面３１０から電子を放出させることができる。なお、放出された電子は、等電位線に垂直な方向に加速されて集束し、エミッション電流としてアノード電極６００に到達する。
この電子放出時における、電界強度は、図１１中に等電位線（点線で表示）で示したような分布となる。また、放出された電子は、同図中に矢印（一点鎖線で表示）で示したような軌跡となる。
【０００７】
ここで、等電位線は、ゲート・カソード間では密に、アノード・カソード間では粗になる。つまり、等電位線は、カソード電極２００からアノード電極６００方向に膨らむように凸状に分布する。
さらに、等電位線は、電子放出層３００ａの中央付近上においては、この電子放出層３００ａの上面に対してほぼ平行に並ぶが、この電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍上では、電子放出層３００ａ上面に対して傾きをもった分布となる。
【０００８】
このことから、電子放出層３００ａの中央付近から放出された電子は、ほぼ平行に並ぶ等電位線に対し垂直方向に進行するため、集束性の良好なエミッション電流となる。
一方、電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍から放出された電子は、傾きをもった等電位線の垂直方向に加速されるため、上記エミッション電流に対して外側に広がる方向に進行する。
【０００９】
また、電子放出層３００ａ表面における電界強度分布は図１２のようになる。同図に示すように、その電界強度は、ゲート電極５００近傍において最大（Ｅｇｍａｘ）となる。また、該表面の中央付近においてはゲート電極５００から離れるために、Ｅｇｍａｘに比べて低い値となる。
【００１０】
こうした従来例と同様に、平面を有する電子放出層を設けた冷陰極装置の従来技術の一例が、特開平１０−９２２９８号公報に「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」として開示されている。
【００１１】
この公報に開示の「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」は、基板上に、カソード電極、薄膜（電子放出層）、絶縁層、ゲート電極が積層され、ほぼ円筒形状の穴が、ゲート電極及び絶縁層を貫通して薄膜に達する深さで多数形成された構造としてある。
このような構造によれば、カソード電極とゲート電極の間に電圧を印加することで、薄膜から電子を放出させることができる。
【００１２】
また、冷陰極装置の他の従来技術の一例が、特開平８−１１５６５４号公報に「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」として開示されている。
この公報に開示の「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」によれば、カソード電極と絶縁層とゲート電極とを積層し、ゲート電極と絶縁層とを貫通してカソード電極に達する微小な穴を設け、この微小な穴の底面に電子放出物質からなる薄膜を形成する構成としてある。
このような構成によれば、カソード・ゲート間に電圧を印加することにより、冷陰極である薄膜から電子を放出させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した従来例については、電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍周辺における等電位線が高密度となるとともに、電子放出層３００ａ表面に対して傾きがあるため、該ゲート電極５００近傍から放出された電子が、電子放出面３１０に対して垂直ではなく、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行する。このためエミッション電流の集束性が悪化していた。
さらに、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行した電子が、ゲート電極５００に入射しやすくなるために、ゲートリーク電流が発生・増大することもあった。
【００１４】
また、特開平１０−９２２９８号公報に開示の「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」、及び、特開平８−１１５６５４号公報に開示の「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」の従来技術においても、上記従来例と同様に、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行する電子放出を阻止することはできなかった。
【００１５】
ここで、上記課題であるエミッション電流の集束性の悪化を抑制する手段として、図１３に示すように、露出面積の小さい電子放出層３００ｂを、カソード電極２００の中央付近に形成する手段が考えられる。すなわち、図１１において、等電位線が電子放出面３１０に対して平行に並ぶ領域に限定して、電子放出層３００ｂを形成するようにする。
このような形成によれば、電子放出面３１０から放出された電子を、該面３１０に対して垂直な方向に飛翔させることができる。
【００１６】
しかし、上記のように電子放出層３００ｂが形成されると、この側面３２０及び角部３３０が露出することになる。
このため、該角部３３０において電界集中が起こり等電位線を歪曲する。したがって、該側面３２０から放出された電子はその歪曲した等電位線にしたがって進行することになり、結局はエミッション電流の集束性の悪化を抑制することができなかった。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、絶縁層開口の底面に電子放出層を有する電界放出型冷陰極装置において、放出電子の広がりを抑制してエミッション電流の集束性の向上を可能とする冷陰極装置の提供を目的とする。
【００１８】
なお、特開平１０−１２５２１５号公報に開示されている「電界放射薄膜冷陰極及びこれを用いた表示装置」は、電子放出層を、基板上面に設けられた球状の凹曲面上に形成することで電子を集束させることとしている。
しかし、この公報に記載の従来技術においても、電子放出層上のゲート電極近傍における放出電子の広がりが抑制されないことから、本発明の目的を達成することはできない。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この目的の達成を図るため、本発明の請求項１記載の冷陰極装置によれば、絶縁層上にゲート電極を設けるとともに、これら絶縁層とゲート電極とを貫通する開口部の底面全体に平面状に形成された電子放出層を設け、かつ、ゲート電極に離間した位置にアノード電極を設けた冷陰極装置であって、電子放出層とゲート電極との間における等電位線の密度が、電子放出層とアノード電極との間における等電位線の密度よりも密であり、電子放出層の上面が、電子放出層に対して傾きのある等電位線により非集束となる電子を遮蔽されない限り放出する電子放出領域を有し、電子放出層の上面のうち等電位線が傾きを有する領域上に表面遮蔽層を設け、平面パターンで、電子放出層の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間させる部分を離間帯とし、電子放出層の側面が絶縁層と接した構成としてある。
【００２０】
このように、平面パターンで、電子放出層の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間させる離間帯を有することとすれば、電子放出層から放出された電子が、その離間帯において発生する傾きのある等電位線から影響を受けずに進行することができる。
すなわち、非集束電子放出領域から放出された電子は、離間帯に設けられた表面遮蔽層によりその進行が遮蔽されるのに対し、集束電子放出領域から放出された電子は、電子放出層の表面に対して平行に並ぶ等電位線により集束性を維持しながらアノード電極へ到達する。
【００２１】
したがって、放出電子の広がりが抑制され、集束性の良好なエミッション電流を得ることができる。
さらに、電子放出層の側面が絶縁層と接して露出しないようにすることにより、該電子放出層の角部が露出しないため、この角部に起こる電界集中による電界強度分布の歪曲を防止することができる。よってエミッション電流の直線性を維持することができる。
【００２３】
また、請求項２によれば、表面遮蔽層を、電子放出層よりも仕事関数が高くなるようにした構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層において、電子放出層上の周辺部から入射した電子が、高い仕事関数により放出されにくくなるため、該電子によるエミッション電流の品質の悪化を阻止することができる。
【００２４】
また、請求項３によれば、表面遮蔽層を、絶縁層の一部として形成した構成としてある。
このような構成によれば、該冷陰極装置の製造過程において、絶縁層をエッチング加工することが同時に表面遮蔽層を形成することとなるため、製造工程の効率化を図ることができる。
さらに、絶縁層と表面遮蔽層とで異なる材料を用意する必要がないため、材料コストを削減することができる。
【００２５】
また、請求項４によれば、表面遮蔽層を、絶縁層厚よりも薄く形成した構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層において、電子放出層から放出された電子の入射する面積が狭くなるため、帯電を抑えることができるとともに、この帯電による電界強度分布への影響を減少させることができる。
【００２６】
また、請求項５によれば、表面遮蔽層を、断面において、開口部周囲から電子放出層の中央に向かうにしたがって、厚さが薄くなるように形成した構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層の表面積が狭くなるため、この表面から入射する電子量が少なくなる。よって、この表面遮蔽層が帯電しにくくなり、沿電効果又は電界強度分布への影響を抑制することができる。
【００２７】
また、請求項６によれば、電子放出層上に酸素終端して前記離間帯を形成した構成としてある。
このような構成によれば、電子放出層の露出部上の周辺部から電子を放出しにくくすることができる。すなわち、電子放出層表面に対して垂直方向よりも外側に傾いた方向に進行する電子の放出を抑制できるため、エミッション電流の品質を保持することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
まず、本発明の冷陰極装置の第一実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面図である。
【００３０】
同図に示すように、本実施形態の冷陰極装置は、基板１０上に選択的に形成された導電性膜よりなるカソード電極２０と、このカソード電極２０上に成膜された電子放出層３０と、基板１０上及び電子放出層３０上の一部に堆積され、電子放出層３０上に開口４１を設けた絶縁層４０と、この絶縁層４０上に積層されたゲート電極５０とを備えている。
【００３１】
ここで、カソード電極２０は、電子放出層３０とともに陰極を形成する。そして、ゲート電極５０との間に電圧の印加にともなう電界を発生させることによって、電子放出層３０に電子を放出させる。
【００３２】
電子放出層３０は、仕事関数が低く、平面上からの電子放出が可能な材料、例えばダイヤモンドにより形成される。これにより、該電子放出層３０の製造において、電界集中させるための突起部を形成する工程が必要でなくなることから、製造コストの削減を図ることができる。
【００３３】
また、電子放出層３０は、この側面３１が、絶縁層開口４１に露出しないように形成されている。
仮に、電子放出層側面３１が露出しているとすると、この側面３１と上面３２とに挟まれた角部３３が露出する。この露出した角部３３の周囲には電界が集中することから、電界強度分布を歪曲させ、エミッション電流の集束に悪影響を与える。したがって、電子放出層側面３１を露出しないように形成することにより、電界強度分布の歪曲をなくすとともに、良好なエミッション電流を得ることができる。
【００３４】
ゲート電極５０は、絶縁層開口４１上に開口（ゲート開口）５１を有するとともに、後述するが平面パターンにおいて、この開口５１の開口縁（ゲート開口縁）５２が、電子放出層３０の露出部３４と離間して形成される。
【００３５】
次に、本実施形態の冷陰極装置の作用について図２、図３を参照して説明する。
なお、図２においてはゲート電極５０上の離間した位置にアノード電極６０を形成してある。
【００３６】
まず、図３に示す冷陰極装置の各電極間の距離を、カソード電極２０とアノード電極６０との間を２ｍｍ、カソード電極２０とゲート電極５０との間を１μｍと定める。なお、電子放出層３０の厚さを１００ｎｍとする。
次いで、各電極間の印加電圧を、カソード・アノード間を２ｋＶ、カソード・ゲート間を５Ｖと設定する。なお、カソード電極２０は接地する。
【００３７】
そして、これらの設定にしたがって電圧を印加すると、各電極間に電界が発生する。このときの電界強度は、カソード・アノード間が１Ｖ／μｍ、カソード・ゲート間が５Ｖ／μｍである。
このように電界が発生すると、電子放出層３０上の電界強度の最大値Ｅｇｍａｘがカソード・ゲート間の電界強度とほぼ等しい５Ｖ／μｍ程度となる。
【００３８】
一方、電子放出層３０のエミッション閾値電界強度Ｅｔｈを３Ｖ／μｍとすると、電子放出層３０上のＥｇｍａｘがＥｔｈより高くなる。このため、電子放出層表面３２上の電界に誘引されて該表面３２から電子が放出される。そして、この電子は、等電位線に垂直な方向に加速されながら集束し、エミッション電流としてアノード電極６０に到達する。
【００３９】
このような構成における等電位線７０及び電子の軌跡８０は図２に示すようになる。
ここで、等電位線７０は、カソード・アノード間では粗に、カソード・ゲート間では密となる。つまり、等電位線は、カソード電極２０からアノード電極６０に膨らむように凸状に分布する。
【００４０】
さらに、等電位線７０は、電子放出層３０の中央付近上においては、電子放出層表面３２に対してほぼ平行に並ぶが、該表面３２のゲート電極５０近傍上では、該表面に対して傾きのある分布となる。
このことから、該中央付近から放出された電子は、ほぼ平行に並ぶ等電位線に垂直に進行するため、集束性の良好なエミッション電流となる。
なお、このようにエミッション電流として集束可能な電子が放出される電子放出層表面３２の中央付近を集束電子放出領域３４とする。
【００４１】
一方、電子放出層表面３２のゲート電極５０近傍から放出された電子は、傾きのある等電位線にしたがうため、上記エミッション電流より広がる方向に進行する。
なお、このようにエミッション電流に集束されない電子が放出される電子放出層３の上面のゲート電極５近傍を非集束電子放出領域３５とする。
【００４２】
また、本構成における電子放出層表面３２上の電界強度分布は図３に示すようになる。
同図によると、電界強度は、非集束電子放出領域３５において最大電界強度Ｅｇｍａｘ（５Ｖ／μｍ）となる。また、集束電子放出領域３４においてはゲート電極５０から離れているために、Ｅｇｍａｘに比べて低い値となるが、比較的安定した分布を示す。
【００４３】
また、本実施形態の冷陰極装置の構成の平面パターンを図４に示す。なお、同図中Ａ−Ａ断面が図１に示す冷陰極装置の断面構成図となる。
図４に示すように、ゲート開口５１内には、集束電子放出領域３４がゲート開口縁５２に離間して形成されており、その離間した部分（離間帯）が非集束電子放出領域３５となる。本実施形態の場合、この非集束電子放出領域３５上には、絶縁層４０が形成されている。
【００４４】
このような構成によれば、非集束電子放出領域３５からの電子の放出を絶縁層４０により抑制することができる。したがって、電子は集束電子放出領域３４のみから真空中に放出されるため、集束性の良好なエミッション電流を得ることができる。
さらに、ゲート電極５０への電子の入射が抑制されることから、ゲートリーク電流の発生を抑えることができる。
【００４５】
なお、同図において、ゲート電極５０上にはゲート開口５１が四つ設けられているが、四つに限るものではない。また、他の図面（図１、図３、図５〜図９）についても、冷陰極装置には複数のゲート開口５１が形成され、そのうちの一つについて示しているものとする。
【００４６】
次に、本実施形態の冷陰極装置の製造工程順を図５（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
まず、同図（ａ）において、基板１０上に、導電性の金属材料からなるカソード電極２０が、ＣＶＤ法（化学蒸着法）あるいはスパッタ法などの方法により積層形成される。
【００４７】
ここで基板１０には、ガラス基板、又は、絶縁層で覆われたシリコン基板などが用いられる。また、カソード電極２０を形成する金属材料には、例えばニッケル、白金、タングステン、クロム、シリコンが用いられる。
なお、カソード電極２０の厚さは２００ｎｍが望ましい。
【００４８】
続いて、そのカソード電極２０上に、ダイヤモンドなどで形成される電子放出層３０が、ＣＶＤ法などにより１００ｎｍから５μｍの膜厚に成膜される。
ここで、電子放出層３０の形成材料にダイヤモンドを用いる場合の成膜方法としては、熱フィラメントＣＶＤ法がある。この方法では、ＣＨ４／Ｈ２流量比を５％以下、ガス圧を１５〜２５Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を８００℃から９００℃の形成条件に設定して形成を行う。
すると、同図（ａ）のようにカソード電極２０上には連続膜であるダイヤモンドよりなる電子放出層３０が成膜される。
【００４９】
なお、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を成膜する場合は、ＣＶＤ成長時のＣＨ４／Ｈ２流量比を５０％〜７０％、ガス圧を５〜１０Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を４００℃〜６５０℃とすることで形成可能である。
また、カーボンナノチューブを塗布し電子放出層３０として用いてもよい。
こうして形成されたカソード電極２０および電子放出層３０は、同図（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ法により加工され配線が形成される。
【００５０】
次いで、シリコン酸化膜よりなる絶縁層４０をＣＶＤ法により約１μｍから５０μｍ厚に堆積する。
なお、絶縁層４０の材質はシリコン酸化膜に限るものではなく、絶縁性を有していれば他の材料でもよい。
【００５１】
そして、同図（ｃ）に示すように、例えばタングステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に積層し、所望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工してゲート電極５０を形成する。
このゲート電極５０は、同図（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ法を使用して、異方性エッチングにより除去して開口を形成する。
【００５２】
さらに同図（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりゲート電極５０の開口内に露出した絶縁層４０をゲート電極５０の開口より内側で選択的に開口を形成し、電子放出層３０を露出させる。以上により冷陰極装置が形成される。
【００５３】
このような製造工程によれば、電子放出層３０の非集束電子放出領域３５上に絶縁層４０を形成することができる。したがって、電子放出層３０の露出面が集束電子放出領域３４と同じ領域となるため、該露出面上には、傾きのない均一な電界強度があることから、良好なエミッション電流を得ることができる。
【００５４】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図６を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態の変更実施形態であり、同実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５上に形成された絶縁層４０の断面形状において相違する。
【００５５】
すなわち、該断面形状を、第一実施形態では、矩形で、かつ側面（図１の絶縁層開口側面４２）を有する形状としているのに対し、本実施形態においては、断面において、ゲート開口縁５２から電子放出層３０の中央部に向かうにしたがって厚さが薄くなる形状としている。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
上述したように本実施形態では、電子放出層３０上の非集束電子放出領域３５に形成された絶縁層４０の厚さが、断面において、電子放出層３０の中央に向かう方向に幅が狭くなる形状としてある。
このような形状とすれば、非集束電子放出領域３５上に堆積された絶縁層４０の表面積が小さくなるため、電子放出層３０から放射された電子が入射しにくくなる。
【００５７】
したがって、電子の入射による帯電が生じにくくなることから、沿面放電を抑制できるとともに、絶縁層４０周辺の電界強度分布及び電子軌道への影響を抑さえることができる。
なお、図７に示すように、非集束電子放出領域３５上の絶縁層４０を薄膜状に形成することにより、同様の効果を得ることもできる。
【００５８】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図８を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５上に形成されて電子の放出を遮蔽する構造が相違する。
【００５９】
すなわち、該構造を、第一実施形態では、絶縁層４０の一部としているのに対し、本実施形態においては、仕事関数の高い材料を用いた表面遮蔽層を形成する構造としている。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６０】
上述したように、本実施形態では、電子放出層３０上の非集束電子放出領域３５に、仕事関数の高い材料により形成された表面遮蔽層７０を積層してある。
この表面遮蔽層７０は、電子放出層３０から放出された電子を遮蔽するとともに、入射吸収した電子を放出しないように仕事関数の高い材料を用いることが望ましい。ただし、電子放出層３０を形成する材料（ダイヤモンドなど）の仕事関数は非常に低いため、大抵の材料が表面遮蔽層７０の材料となり得る。
【００６１】
このように表面遮蔽層７０を形成することとすれば、非集束電子放出領域３５からの電子放出を抑制することができるため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
また、表面遮蔽層７０を薄膜状に形成した場合は、電子放出層３０から放出された電子が入射することを防止することができる。したがって、帯電による電界強度分布への影響を抑制することができる。
【００６２】
さらに、厚膜の絶縁層４０を表面遮蔽層７０として使用した場合には、その絶縁層４０の誘電率により、非集束電子放出領域３５上の等電位線の形状がわずかに変化していたが、薄膜の表面遮蔽層７０を使用した第三実施形態では電子放出層３０縁近傍での等電位線の変化はほとんど発生しないため、広がりの小さい電子放出を得ることができる。
【００６３】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について図９を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５から放出される電子を遮蔽する手段が相違する。
【００６４】
すなわち、該手段について、第一実施形態は、非集束電子放出領域３５に絶縁層４０の一部を被覆しているのに対し、本実施形態においては、該領域３５を酸素終端させて仕事関数を高くしている。他は第一実施形態と同様な構成である。したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
上述したように、本実施形態の冷陰極装置は、非集束電子放出領域３５において、この領域３５上を酸化処理して酸素終端させた面３６を形成することにより、仕事関数を高め、該領域３５から電子を放出しにくくしてある。
このような構成とすれば、非集束電子放出領域３５からの電子放出を抑制することができるため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
【００６６】
なお、酸素終端は、特にダイヤモンドの表面において顕著な効果を奏する。
また、電子放出層表面３２の中央部を、負の電子親和力が期待でき電子放出が起こりやすくするために水素終端し、該表面３２の周辺部との仕事関数に差を生じさせることで、上記酸素終端の場合と同様の効果を得ることもできる。
さらに、電子放出層３０の表面に酸素終端させる面と水素終端させる面とを設けて電子放出を抑制・促進することもできる。
【００６７】
［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について図１０を参照して説明する。
同図は、同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、カソード電極及び電子放出層の構造が相違する。
【００６８】
すなわち、該構造について、第一実施形態では、カソード電極上に電子放出層を積層しているのに対し、本実施形態においては、カソード電極に形成された凹部に電子放出層を埋設している。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６９】
上述したように、本実施形態の冷陰極装置は、カソード電極２０に形成された凹部に電子放出層３０を埋設した構成としてある。
このため、電子放出層３０内部に電位勾配が形成されることから、カソード電極２０の中央付近の等電位線は、電子放出層３０内に入り込む凹型となる。なお、図１０においては、電位勾配及び等電位線は図示していない。
したがって、電子放出層３０上の周辺部から放出される電子であっても、電子放出層３０の中央付近上に集束することから、良好なエミッション電流が形成される。
【００７０】
また、このような構造では、電子放出層３０の側面が露出しないため、エミッション電流に影響を及ぼす電子が誘発するような電界集中は起こらない。
さらに、カソード電極２０の露出面が電子放出層３０の露出面の周囲を囲んでいる構造となっているため、電子放出層３０は、カソード電極２０とゲート電極５０との間に起こる密なる電界強度からは離間するとともに、電子放出層３０露出面上の均一な等電位線にのみ影響を受ける。
したがって、均一な等電位線に垂直方向に放出電子が進行するため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態にあっては、図４に示された冷陰極装置の平面パターンにおいて、ゲート開口縁５２と電子放出層３０の露出面との間に、カソード電極２０が形成される。
また、カソード電極２０の露出面と電子放出層３０の露出面が同一面上となっても、等電位線はカソード電極２０の中央付近において凹型となるため、上記と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の冷陰極装置によれば、電子放出層の露出面上の周辺部である非集束電子放出領域に絶縁層又は表面遮蔽層を積層することにより、この領域から放出してエミッション電流の集束性を悪化させていた電子を遮蔽することができる。
したがって、電子放出層の中央付近である集束電子放出領域から放出された電子によってのみエミッション電流が形成されるため、集束性の向上を図ることができる。
さらに、ディスプレーへの応用においては、より広がりの小さい高精細な電子ビームの照射を可能とする。
【００７３】
また、電子放出層の側面を露出しないように形成することにより、この側面と表面とに挟まれた角部を露出しないようにする。このことにより、該角部に集中した電界に誘引されて起こる電界強度分布の歪曲を抑制することができる。
【００７４】
また、電子放出層上の周辺部に形成される絶縁層又は表面遮蔽層の層厚を薄くして表面積を狭くすることにより、電子放出層から放出された電子の入射量を少なくして帯電を抑制することができる。加えて、帯電による、等電位線及び他の電子の飛翔軌跡への影響を防止することができ、エミッション電流の品質の安定化を図ることができる。
【００７５】
また、カソード電極に設けられた凹部に電子放出層を埋設することにより、そのカソード電極上の等電位線を凹型にする。これにより、電子放出層上の周辺部から放出される電子であっても、電子放出層中央付近上で収束されるため、エミッション電流の広がりを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図２】
図１の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構成を示す断面構成図である。
【図３】
図２における電子放出層表面上の電界強度の分布を示す電界強度分布図である。
【図４】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す平面図である。
【図５】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の製造工程を示す工程順断面図である。
【図６】
本発明の第二実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図７】
本発明の第二実施形態の冷陰極装置の他の構成を示す断面構成図である。
【図８】
本発明の第三実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図９】
本発明の第四実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図１０】
本発明の第五実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図１１】
従来の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構成を示す断面構成図である。
【図１２】
図１０における電子放出層表面の電界強度の分布を示す電界強度分布図である。
【図１３】
従来の他の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【符号の説明】
１０ 基板
２０ カソード電極
３０ 電子放出層
３１ 電子放出層側面
３２ 電子放出層表面
３３ 角部
３４ 集束電子放出領域
３５ 非集束電子放出領域
３６ 酸素終端面
４０ 絶縁層
４１ 絶縁層開口
４２ 絶縁層開口側面
５０ ゲート電極
５１ ゲート開口
５２ ゲート開口縁
６０ アノード電極
７０ 表面遮蔽層
８０ 等電位線
９０ 電子軌跡
１００ 基板
２００ カソード電極
３００ａ 電子放出層
３００ｂ 電子放出層
３１０ 電子放出面
３２０ 側面
３３０ 角部
４００ 絶縁層
５００ ゲート電極
６００ アノード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型冷陰極装置に関し、特に、絶縁層及びゲート電極に設けられた開口の底部に電子放出層が形成された冷陰極装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷陰極装置は、カソード・ゲート間に電圧を印加することにより、カソード側に設けられた電子放出層から真空中に（又はアノード方向に）電子が放出される装置である。
このように電子ビームの発射に要する原理及び構造が簡易なことから、冷陰極装置は、ヒータを用いてエミッション電流を制御する熱カソード装置に代わる電子銃として、近年、ディスプレーなどに利用されている。
【０００３】
この冷陰極装置の従来例の構成について図１１を参照して説明する。
同図に示すように、従来の冷陰極装置は、基板１００上に選択的に形成されたカソード電極２００と、このカソード電極２００上に成膜された電子放出層３００ａと、基板１００及び電子放出層３００ａ上に堆積され、該電子放出層３００ａ上に開口が設けられた絶縁層４００と、この絶縁層４００上に積層されたゲート電極５００と、このゲート電極５００に離間した位置に設けられたアノード電極６００とにより構成されている。
【０００４】
ここで、電子放出層３００ａは、仕事関数が低く、少量の印加電圧で平面からの電子放出が可能な材料、例えばダイヤモンドにより形成されている。
この電子放出層３００ａ上の電子放出面３１０は、従来において、先鋭な円錐形状に形成したものもあったが、上記材料を使用することで平面に形成可能となった。したがって、加工が容易となることから、製造コストの削減を図ることができる。
【０００５】
なお、電子放出面３１０における平面とは、その電子放出面３１０上の微小な突起部周辺の電界集中により発生する電子が、該電子放出層３００ａへの電圧の印加により発生する電子ビーム（エミッション電流）の集束を妨げない範囲で、該突起部が存在する面をいう。
具体的には、電子放出面３１０にナノメートルオーダの凹凸が存在し、この凸部に局所的に起こる電界集中により、微量の電子が誘発されたとしても、該電子放出層３００ａから発生したエミッション電流が、最低限の品質を確保しているものであれば、該電子放出面３１０は平面であるとする。
【０００６】
このような構成によれば、ゲート・カソード間及びアノード・カソード間に電圧を印加して電界を発生させることにより、電子放出面３１０から電子を放出させることができる。なお、放出された電子は、等電位線に垂直な方向に加速されて集束し、エミッション電流としてアノード電極６００に到達する。
この電子放出時における、電界強度は、図１１中に等電位線（点線で表示）で示したような分布となる。また、放出された電子は、同図中に矢印（一点鎖線で表示）で示したような軌跡となる。
【０００７】
ここで、等電位線は、ゲート・カソード間では密に、アノード・カソード間では粗になる。つまり、等電位線は、カソード電極２００からアノード電極６００方向に膨らむように凸状に分布する。
さらに、等電位線は、電子放出層３００ａの中央付近上においては、この電子放出層３００ａの上面に対してほぼ平行に並ぶが、この電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍上では、電子放出層３００ａ上面に対して傾きをもった分布となる。
【０００８】
このことから、電子放出層３００ａの中央付近から放出された電子は、ほぼ平行に並ぶ等電位線に対し垂直方向に進行するため、集束性の良好なエミッション電流となる。
一方、電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍から放出された電子は、傾きをもった等電位線の垂直方向に加速されるため、上記エミッション電流に対して外側に広がる方向に進行する。
【０００９】
また、電子放出層３００ａ表面における電界強度分布は図１２のようになる。同図に示すように、その電界強度は、ゲート電極５００近傍において最大（Ｅｇｍａｘ）となる。また、該表面の中央付近においてはゲート電極５００から離れるために、Ｅｇｍａｘに比べて低い値となる。
【００１０】
こうした従来例と同様に、平面を有する電子放出層を設けた冷陰極装置の従来技術の一例が、特開平１０−９２２９８号公報に「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」として開示されている。
【００１１】
この公報に開示の「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」は、基板上に、カソード電極、薄膜（電子放出層）、絶縁層、ゲート電極が積層され、ほぼ円筒形状の穴が、ゲート電極及び絶縁層を貫通して薄膜に達する深さで多数形成された構造としてある。
このような構造によれば、カソード電極とゲート電極の間に電圧を印加することで、薄膜から電子を放出させることができる。
【００１２】
また、冷陰極装置の他の従来技術の一例が、特開平８−１１５６５４号公報に「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」として開示されている。
この公報に開示の「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」によれば、カソード電極と絶縁層とゲート電極とを積層し、ゲート電極と絶縁層とを貫通してカソード電極に達する微小な穴を設け、この微小な穴の底面に電子放出物質からなる薄膜を形成する構成としてある。
このような構成によれば、カソード・ゲート間に電圧を印加することにより、冷陰極である薄膜から電子を放出させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した従来例については、電子放出層３００ａのゲート電極５００近傍周辺における等電位線が高密度となるとともに、電子放出層３００ａ表面に対して傾きがあるため、該ゲート電極５００近傍から放出された電子が、電子放出面３１０に対して垂直ではなく、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行する。このためエミッション電流の集束性が悪化していた。
さらに、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行した電子が、ゲート電極５００に入射しやすくなるために、ゲートリーク電流が発生・増大することもあった。
【００１４】
また、特開平１０−９２２９８号公報に開示の「電子放出源およびその製造方法ならびにこの電子放出源を用いたディスプレイ装置」、及び、特開平８−１１５６５４号公報に開示の「粒子放出装置、電界放出型装置及びこれらの製造方法」の従来技術においても、上記従来例と同様に、傾きのある等電位線に対し垂直方向に進行する電子放出を阻止することはできなかった。
【００１５】
ここで、上記課題であるエミッション電流の集束性の悪化を抑制する手段として、図１３に示すように、露出面積の小さい電子放出層３００ｂを、カソード電極２００の中央付近に形成する手段が考えられる。すなわち、図１１において、等電位線が電子放出面３１０に対して平行に並ぶ領域に限定して、電子放出層３００ｂを形成するようにする。
このような形成によれば、電子放出面３１０から放出された電子を、該面３１０に対して垂直な方向に飛翔させることができる。
【００１６】
しかし、上記のように電子放出層３００ｂが形成されると、この側面３２０及び角部３３０が露出することになる。
このため、該角部３３０において電界集中が起こり等電位線を歪曲する。したがって、該側面３２０から放出された電子はその歪曲した等電位線にしたがって進行することになり、結局はエミッション電流の集束性の悪化を抑制することができなかった。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、絶縁層開口の底面に電子放出層を有する電界放出型冷陰極装置において、放出電子の広がりを抑制してエミッション電流の集束性の向上を可能とする冷陰極装置の提供を目的とする。
【００１８】
なお、特開平１０−１２５２１５号公報に開示されている「電界放射薄膜冷陰極及びこれを用いた表示装置」は、電子放出層を、基板上面に設けられた球状の凹曲面上に形成することで電子を集束させることとしている。
しかし、この公報に記載の従来技術においても、電子放出層上のゲート電極近傍における放出電子の広がりが抑制されないことから、本発明の目的を達成することはできない。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この目的の達成を図るため、本発明の請求項１記載の冷陰極装置によれば、絶縁層上にゲート電極を設けるとともに、これら絶縁層とゲート電極とを貫通する開口部の底面全体に平面状に形成された電子放出層を設け、かつ、ゲート電極に離間した位置にアノード電極を設けた冷陰極装置であって、電子放出層とゲート電極との間における等電位線の密度が、電子放出層とアノード電極との間における等電位線の密度よりも密であり、電子放出層の上面が、電子放出層に対して傾きのある等電位線により非集束となる電子を遮蔽されない限り放出する電子放出領域を有し、電子放出層の上面のうち等電位線が傾きを有する領域上に表面遮蔽層を設け、平面パターンで、電子放出層の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間させる部分を離間帯とし、電子放出層の側面が絶縁層と接した構成としてある。
【００２０】
このように、平面パターンで、電子放出層の露出部と、開口部周囲のゲート電極とを離間させる離間帯を有することとすれば、電子放出層から放出された電子が、その離間帯において発生する傾きのある等電位線から影響を受けずに進行することができる。
すなわち、非集束電子放出領域から放出された電子は、離間帯に設けられた表面遮蔽層によりその進行が遮蔽されるのに対し、集束電子放出領域から放出された電子は、電子放出層の表面に対して平行に並ぶ等電位線により集束性を維持しながらアノード電極へ到達する。
【００２１】
したがって、放出電子の広がりが抑制され、集束性の良好なエミッション電流を得ることができる。
さらに、電子放出層の側面が絶縁層と接して露出しないようにすることにより、該電子放出層の角部が露出しないため、この角部に起こる電界集中による電界強度分布の歪曲を防止することができる。よってエミッション電流の直線性を維持することができる。
【００２３】
また、請求項２によれば、表面遮蔽層を、電子放出層よりも仕事関数が高くなるようにした構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層において、電子放出層上の周辺部から入射した電子が、高い仕事関数により放出されにくくなるため、該電子によるエミッション電流の品質の悪化を阻止することができる。
【００２４】
また、請求項３によれば、表面遮蔽層を、絶縁層の一部として形成した構成としてある。
このような構成によれば、該冷陰極装置の製造過程において、絶縁層をエッチング加工することが同時に表面遮蔽層を形成することとなるため、製造工程の効率化を図ることができる。
さらに、絶縁層と表面遮蔽層とで異なる材料を用意する必要がないため、材料コストを削減することができる。
【００２５】
また、請求項４によれば、表面遮蔽層を、絶縁層厚よりも薄く形成した構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層において、電子放出層から放出された電子の入射する面積が狭くなるため、帯電を抑えることができるとともに、この帯電による電界強度分布への影響を減少させることができる。
【００２６】
また、請求項５によれば、表面遮蔽層を、断面において、開口部周囲から電子放出層の中央に向かうにしたがって、厚さが薄くなるように形成した構成としてある。
このような構成によれば、表面遮蔽層の表面積が狭くなるため、この表面から入射する電子量が少なくなる。よって、この表面遮蔽層が帯電しにくくなり、沿電効果又は電界強度分布への影響を抑制することができる。
【００２７】
また、請求項６によれば、電子放出層上に酸素終端して前記離間帯を形成した構成としてある。
このような構成によれば、電子放出層の露出部上の周辺部から電子を放出しにくくすることができる。すなわち、電子放出層表面に対して垂直方向よりも外側に傾いた方向に進行する電子の放出を抑制できるため、エミッション電流の品質を保持することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
まず、本発明の冷陰極装置の第一実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面図である。
【００３０】
同図に示すように、本実施形態の冷陰極装置は、基板１０上に選択的に形成された導電性膜よりなるカソード電極２０と、このカソード電極２０上に成膜された電子放出層３０と、基板１０上及び電子放出層３０上の一部に堆積され、電子放出層３０上に開口４１を設けた絶縁層４０と、この絶縁層４０上に積層されたゲート電極５０とを備えている。
【００３１】
ここで、カソード電極２０は、電子放出層３０とともに陰極を形成する。そして、ゲート電極５０との間に電圧の印加にともなう電界を発生させることによって、電子放出層３０に電子を放出させる。
【００３２】
電子放出層３０は、仕事関数が低く、平面上からの電子放出が可能な材料、例えばダイヤモンドにより形成される。これにより、該電子放出層３０の製造において、電界集中させるための突起部を形成する工程が必要でなくなることから、製造コストの削減を図ることができる。
【００３３】
また、電子放出層３０は、この側面３１が、絶縁層開口４１に露出しないように形成されている。
仮に、電子放出層側面３１が露出しているとすると、この側面３１と上面３２とに挟まれた角部３３が露出する。この露出した角部３３の周囲には電界が集中することから、電界強度分布を歪曲させ、エミッション電流の集束に悪影響を与える。したがって、電子放出層側面３１を露出しないように形成することにより、電界強度分布の歪曲をなくすとともに、良好なエミッション電流を得ることができる。
【００３４】
ゲート電極５０は、絶縁層開口４１上に開口（ゲート開口）５１を有するとともに、後述するが平面パターンにおいて、この開口５１の開口縁（ゲート開口縁）５２が、電子放出層３０の露出部３４と離間して形成される。
【００３５】
次に、本実施形態の冷陰極装置の作用について図２、図３を参照して説明する。
なお、図２においてはゲート電極５０上の離間した位置にアノード電極６０を形成してある。
【００３６】
まず、図３に示す冷陰極装置の各電極間の距離を、カソード電極２０とアノード電極６０との間を２ｍｍ、カソード電極２０とゲート電極５０との間を１μｍと定める。なお、電子放出層３０の厚さを１００ｎｍとする。
次いで、各電極間の印加電圧を、カソード・アノード間を２ｋＶ、カソード・ゲート間を５Ｖと設定する。なお、カソード電極２０は接地する。
【００３７】
そして、これらの設定にしたがって電圧を印加すると、各電極間に電界が発生する。このときの電界強度は、カソード・アノード間が１Ｖ／μｍ、カソード・ゲート間が５Ｖ／μｍである。
このように電界が発生すると、電子放出層３０上の電界強度の最大値Ｅｇｍａｘがカソード・ゲート間の電界強度とほぼ等しい５Ｖ／μｍ程度となる。
【００３８】
一方、電子放出層３０のエミッション閾値電界強度Ｅｔｈを３Ｖ／μｍとすると、電子放出層３０上のＥｇｍａｘがＥｔｈより高くなる。このため、電子放出層表面３２上の電界に誘引されて該表面３２から電子が放出される。そして、この電子は、等電位線に垂直な方向に加速されながら集束し、エミッション電流としてアノード電極６０に到達する。
【００３９】
このような構成における等電位線７０及び電子の軌跡８０は図２に示すようになる。
ここで、等電位線７０は、カソード・アノード間では粗に、カソード・ゲート間では密となる。つまり、等電位線は、カソード電極２０からアノード電極６０に膨らむように凸状に分布する。
【００４０】
さらに、等電位線７０は、電子放出層３０の中央付近上においては、電子放出層表面３２に対してほぼ平行に並ぶが、該表面３２のゲート電極５０近傍上では、該表面に対して傾きのある分布となる。
このことから、該中央付近から放出された電子は、ほぼ平行に並ぶ等電位線に垂直に進行するため、集束性の良好なエミッション電流となる。
なお、このようにエミッション電流として集束可能な電子が放出される電子放出層表面３２の中央付近を集束電子放出領域３４とする。
【００４１】
一方、電子放出層表面３２のゲート電極５０近傍から放出された電子は、傾きのある等電位線にしたがうため、上記エミッション電流より広がる方向に進行する。
なお、このようにエミッション電流に集束されない電子が放出される電子放出層３の上面のゲート電極５近傍を非集束電子放出領域３５とする。
【００４２】
また、本構成における電子放出層表面３２上の電界強度分布は図３に示すようになる。
同図によると、電界強度は、非集束電子放出領域３５において最大電界強度Ｅｇｍａｘ（５Ｖ／μｍ）となる。また、集束電子放出領域３４においてはゲート電極５０から離れているために、Ｅｇｍａｘに比べて低い値となるが、比較的安定した分布を示す。
【００４３】
また、本実施形態の冷陰極装置の構成の平面パターンを図４に示す。なお、同図中Ａ−Ａ断面が図１に示す冷陰極装置の断面構成図となる。
図４に示すように、ゲート開口５１内には、集束電子放出領域３４がゲート開口縁５２に離間して形成されており、その離間した部分（離間帯）が非集束電子放出領域３５となる。本実施形態の場合、この非集束電子放出領域３５上には、絶縁層４０が形成されている。
【００４４】
このような構成によれば、非集束電子放出領域３５からの電子の放出を絶縁層４０により抑制することができる。したがって、電子は集束電子放出領域３４のみから真空中に放出されるため、集束性の良好なエミッション電流を得ることができる。
さらに、ゲート電極５０への電子の入射が抑制されることから、ゲートリーク電流の発生を抑えることができる。
【００４５】
なお、同図において、ゲート電極５０上にはゲート開口５１が四つ設けられているが、四つに限るものではない。また、他の図面（図１、図３、図５〜図９）についても、冷陰極装置には複数のゲート開口５１が形成され、そのうちの一つについて示しているものとする。
【００４６】
次に、本実施形態の冷陰極装置の製造工程順を図５（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
まず、同図（ａ）において、基板１０上に、導電性の金属材料からなるカソード電極２０が、ＣＶＤ法（化学蒸着法）あるいはスパッタ法などの方法により積層形成される。
【００４７】
ここで基板１０には、ガラス基板、又は、絶縁層で覆われたシリコン基板などが用いられる。また、カソード電極２０を形成する金属材料には、例えばニッケル、白金、タングステン、クロム、シリコンが用いられる。
なお、カソード電極２０の厚さは２００ｎｍが望ましい。
【００４８】
続いて、そのカソード電極２０上に、ダイヤモンドなどで形成される電子放出層３０が、ＣＶＤ法などにより１００ｎｍから５μｍの膜厚に成膜される。
ここで、電子放出層３０の形成材料にダイヤモンドを用いる場合の成膜方法としては、熱フィラメントＣＶＤ法がある。この方法では、ＣＨ４／Ｈ２流量比を５％以下、ガス圧を１５〜２５Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を８００℃から９００℃の形成条件に設定して形成を行う。
すると、同図（ａ）のようにカソード電極２０上には連続膜であるダイヤモンドよりなる電子放出層３０が成膜される。
【００４９】
なお、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を成膜する場合は、ＣＶＤ成長時のＣＨ４／Ｈ２流量比を５０％〜７０％、ガス圧を５〜１０Ｔｏｒｒ、成長時の基板温度を４００℃〜６５０℃とすることで形成可能である。
また、カーボンナノチューブを塗布し電子放出層３０として用いてもよい。
こうして形成されたカソード電極２０および電子放出層３０は、同図（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ法により加工され配線が形成される。
【００５０】
次いで、シリコン酸化膜よりなる絶縁層４０をＣＶＤ法により約１μｍから５０μｍ厚に堆積する。
なお、絶縁層４０の材質はシリコン酸化膜に限るものではなく、絶縁性を有していれば他の材料でもよい。
【００５１】
そして、同図（ｃ）に示すように、例えばタングステンをスパッタ法により約２００ｎｍ厚に積層し、所望の配線形状にフォトリソグラフィ技術を用いて加工してゲート電極５０を形成する。
このゲート電極５０は、同図（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ法を使用して、異方性エッチングにより除去して開口を形成する。
【００５２】
さらに同図（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりゲート電極５０の開口内に露出した絶縁層４０をゲート電極５０の開口より内側で選択的に開口を形成し、電子放出層３０を露出させる。以上により冷陰極装置が形成される。
【００５３】
このような製造工程によれば、電子放出層３０の非集束電子放出領域３５上に絶縁層４０を形成することができる。したがって、電子放出層３０の露出面が集束電子放出領域３４と同じ領域となるため、該露出面上には、傾きのない均一な電界強度があることから、良好なエミッション電流を得ることができる。
【００５４】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図６を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態の変更実施形態であり、同実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５上に形成された絶縁層４０の断面形状において相違する。
【００５５】
すなわち、該断面形状を、第一実施形態では、矩形で、かつ側面（図１の絶縁層開口側面４２）を有する形状としているのに対し、本実施形態においては、断面において、ゲート開口縁５２から電子放出層３０の中央部に向かうにしたがって厚さが薄くなる形状としている。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
上述したように本実施形態では、電子放出層３０上の非集束電子放出領域３５に形成された絶縁層４０の厚さが、断面において、電子放出層３０の中央に向かう方向に幅が狭くなる形状としてある。
このような形状とすれば、非集束電子放出領域３５上に堆積された絶縁層４０の表面積が小さくなるため、電子放出層３０から放射された電子が入射しにくくなる。
【００５７】
したがって、電子の入射による帯電が生じにくくなることから、沿面放電を抑制できるとともに、絶縁層４０周辺の電界強度分布及び電子軌道への影響を抑さえることができる。
なお、図７に示すように、非集束電子放出領域３５上の絶縁層４０を薄膜状に形成することにより、同様の効果を得ることもできる。
【００５８】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図８を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５上に形成されて電子の放出を遮蔽する構造が相違する。
【００５９】
すなわち、該構造を、第一実施形態では、絶縁層４０の一部としているのに対し、本実施形態においては、仕事関数の高い材料を用いた表面遮蔽層を形成する構造としている。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６０】
上述したように、本実施形態では、電子放出層３０上の非集束電子放出領域３５に、仕事関数の高い材料により形成された表面遮蔽層７０を積層してある。
この表面遮蔽層７０は、電子放出層３０から放出された電子を遮蔽するとともに、入射吸収した電子を放出しないように仕事関数の高い材料を用いることが望ましい。ただし、電子放出層３０を形成する材料（ダイヤモンドなど）の仕事関数は非常に低いため、大抵の材料が表面遮蔽層７０の材料となり得る。
【００６１】
このように表面遮蔽層７０を形成することとすれば、非集束電子放出領域３５からの電子放出を抑制することができるため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
また、表面遮蔽層７０を薄膜状に形成した場合は、電子放出層３０から放出された電子が入射することを防止することができる。したがって、帯電による電界強度分布への影響を抑制することができる。
【００６２】
さらに、厚膜の絶縁層４０を表面遮蔽層７０として使用した場合には、その絶縁層４０の誘電率により、非集束電子放出領域３５上の等電位線の形状がわずかに変化していたが、薄膜の表面遮蔽層７０を使用した第三実施形態では電子放出層３０縁近傍での等電位線の変化はほとんど発生しないため、広がりの小さい電子放出を得ることができる。
【００６３】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について図９を参照して説明する。
同図は同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、非集束電子放出領域３５から放出される電子を遮蔽する手段が相違する。
【００６４】
すなわち、該手段について、第一実施形態は、非集束電子放出領域３５に絶縁層４０の一部を被覆しているのに対し、本実施形態においては、該領域３５を酸素終端させて仕事関数を高くしている。他は第一実施形態と同様な構成である。したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
上述したように、本実施形態の冷陰極装置は、非集束電子放出領域３５において、この領域３５上を酸化処理して酸素終端させた面３６を形成することにより、仕事関数を高め、該領域３５から電子を放出しにくくしてある。
このような構成とすれば、非集束電子放出領域３５からの電子放出を抑制することができるため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
【００６６】
なお、酸素終端は、特にダイヤモンドの表面において顕著な効果を奏する。
また、電子放出層表面３２の中央部を、負の電子親和力が期待でき電子放出が起こりやすくするために水素終端し、該表面３２の周辺部との仕事関数に差を生じさせることで、上記酸素終端の場合と同様の効果を得ることもできる。
さらに、電子放出層３０の表面に酸素終端させる面と水素終端させる面とを設けて電子放出を抑制・促進することもできる。
【００６７】
［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について図１０を参照して説明する。
同図は、同実施形態の冷陰極装置の断面図である。
本実施形態にかかる冷陰極装置は、上述した第一実施形態と比べて、カソード電極及び電子放出層の構造が相違する。
【００６８】
すなわち、該構造について、第一実施形態では、カソード電極上に電子放出層を積層しているのに対し、本実施形態においては、カソード電極に形成された凹部に電子放出層を埋設している。他は第一実施形態と同様な構成である。
したがって、第一実施形態と同様の構成成分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６９】
上述したように、本実施形態の冷陰極装置は、カソード電極２０に形成された凹部に電子放出層３０を埋設した構成としてある。
このため、電子放出層３０内部に電位勾配が形成されることから、カソード電極２０の中央付近の等電位線は、電子放出層３０内に入り込む凹型となる。なお、図１０においては、電位勾配及び等電位線は図示していない。
したがって、電子放出層３０上の周辺部から放出される電子であっても、電子放出層３０の中央付近上に集束することから、良好なエミッション電流が形成される。
【００７０】
また、このような構造では、電子放出層３０の側面が露出しないため、エミッション電流に影響を及ぼす電子が誘発するような電界集中は起こらない。
さらに、カソード電極２０の露出面が電子放出層３０の露出面の周囲を囲んでいる構造となっているため、電子放出層３０は、カソード電極２０とゲート電極５０との間に起こる密なる電界強度からは離間するとともに、電子放出層３０露出面上の均一な等電位線にのみ影響を受ける。
したがって、均一な等電位線に垂直方向に放出電子が進行するため、高品質のエミッション電流を得ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態にあっては、図４に示された冷陰極装置の平面パターンにおいて、ゲート開口縁５２と電子放出層３０の露出面との間に、カソード電極２０が形成される。
また、カソード電極２０の露出面と電子放出層３０の露出面が同一面上となっても、等電位線はカソード電極２０の中央付近において凹型となるため、上記と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の冷陰極装置によれば、電子放出層の露出面上の周辺部である非集束電子放出領域に絶縁層又は表面遮蔽層を積層することにより、この領域から放出してエミッション電流の集束性を悪化させていた電子を遮蔽することができる。
したがって、電子放出層の中央付近である集束電子放出領域から放出された電子によってのみエミッション電流が形成されるため、集束性の向上を図ることができる。
さらに、ディスプレーへの応用においては、より広がりの小さい高精細な電子ビームの照射を可能とする。
【００７３】
また、電子放出層の側面を露出しないように形成することにより、この側面と表面とに挟まれた角部を露出しないようにする。このことにより、該角部に集中した電界に誘引されて起こる電界強度分布の歪曲を抑制することができる。
【００７４】
また、電子放出層上の周辺部に形成される絶縁層又は表面遮蔽層の層厚を薄くして表面積を狭くすることにより、電子放出層から放出された電子の入射量を少なくして帯電を抑制することができる。加えて、帯電による、等電位線及び他の電子の飛翔軌跡への影響を防止することができ、エミッション電流の品質の安定化を図ることができる。
【００７５】
また、カソード電極に設けられた凹部に電子放出層を埋設することにより、そのカソード電極上の等電位線を凹型にする。これにより、電子放出層上の周辺部から放出される電子であっても、電子放出層中央付近上で収束されるため、エミッション電流の広がりを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図２】
図１の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構成を示す断面構成図である。
【図３】
図２における電子放出層表面上の電界強度の分布を示す電界強度分布図である。
【図４】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の構成を示す平面図である。
【図５】
本発明の第一実施形態の冷陰極装置の製造工程を示す工程順断面図である。
【図６】
本発明の第二実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図７】
本発明の第二実施形態の冷陰極装置の他の構成を示す断面構成図である。
【図８】
本発明の第三実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図９】
本発明の第四実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図１０】
本発明の第五実施形態の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【図１１】
従来の冷陰極装置に電圧を印加した場合の構成を示す断面構成図である。
【図１２】
図１０における電子放出層表面の電界強度の分布を示す電界強度分布図である。
【図１３】
従来の他の冷陰極装置の構成を示す断面構成図である。
【符号の説明】
１０ 基板
２０ カソード電極
３０ 電子放出層
３１ 電子放出層側面
３２ 電子放出層表面
３３ 角部
３４ 集束電子放出領域
３５ 非集束電子放出領域
３６ 酸素終端面
４０ 絶縁層
４１ 絶縁層開口
４２ 絶縁層開口側面
５０ ゲート電極
５１ ゲート開口
５２ ゲート開口縁
６０ アノード電極
７０ 表面遮蔽層
８０ 等電位線
９０ 電子軌跡
１００ 基板
２００ カソード電極
３００ａ 電子放出層
３００ｂ 電子放出層
３１０ 電子放出面
３２０ 側面
３３０ 角部
４００ 絶縁層
５００ ゲート電極
６００ アノード電極
Claims (6)
- 絶縁層上にゲート電極を設けるとともに、これら絶縁層とゲート電極とを貫通する開口部の底面全体に平面状に形成された電子放出層を設け、かつ、前記ゲート電極に離間した位置にアノード電極を設けた冷陰極装置であって、
前記電子放出層と前記ゲート電極との間における等電位線の密度が、前記電子放出層と前記アノード電極との間における等電位線の密度よりも密であり、
前記電子放出層の上面が、前記電子放出層に対して傾きのある前記等電位線により非集束となる電子を遮蔽されない限り放出する電子放出領域を有し、
前記電子放出層の上面のうち前記等電位線が傾きを有する領域上に表面遮蔽層を設け、
平面パターンで、前記電子放出層の露出部と、前記開口部周囲のゲート電極とを離間させる部分を離間帯とし、
前記電子放出層の側面が前記絶縁層と接した
ことを特徴とする冷陰極装置。 - 前記表面遮蔽層を、前記電子放出層よりも仕事関数が高くなるようにした
ことを特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。 - 前記表面遮蔽層を、前記絶縁層の一部として形成した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の冷陰極装置。 - 前記表面遮蔽層を、前記絶縁層厚よりも薄く形成した
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷陰極装置。 - 前記表面遮蔽層を、断面において、前記開口部周囲から前記電子放出層の中央に向かうにしたがって、厚さが薄くなるように形成した
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷陰極装置。 - 前記電子放出層上に酸素終端して前記離間帯を形成した
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷陰極装置。
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