JP3601275B2

JP3601275B2 - 電界電子放出素子

Info

Publication number: JP3601275B2
Application number: JP32353297A
Authority: JP
Inventors: 秀吉木村; 行広近藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH11162325A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界放出によって電子を放出する電界電子放出素子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、平板形表示装置などの電子源として電界放射型の電子放出素子が採用されてきている。平板形表示装置では面積の比較的大きい発光面に対して電子線を均一に照射することが要求されるから、この種の用途に用いる電子放出素子では、多数の電界放射型の陰極をアレイ状に配列した冷陰極アレイとして形成することが考えられている（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＩＶＭＣ９１，Ｎａｇａｈａｍａ１９９１，ｐ．５０、（社）日本電子工業振興協会、真空マイクロエレクトロニクス調査報告書Ｉ，１９９２年３月、ｐ．３７等参照）。
【０００３】
電界放射型の電子放出素子の一例を図５と図６に示す。図５は電子放出素子のカソード側の構成を示す平面図であり、図６はその断面構造を示している。この電子放出素子は、図６に示すように、カソード基板６上に導電性のべース電極４、絶縁層３および電子引き出し電極２（以下ゲート電極２と称す）が積層されたものに、ゲート電極２および絶縁層３が部分的に積層されずベース電極４まで達する穴が形成されており、この穴にベース電極４と抵抗層５を介して電気的に接続されたエミッタ１を配置してある。エミッタ１は図５に示すように星形に形成されている。このエミッタ１の先端部はゲート電極２の穴の端部から約１μｍ以下の微小空隙を隔てた位置となるよう配置されている。前述したように、エミッタ１は一つのべース電極４上に複数個が配置され、アレイ状をなしている。
【０００４】
上記構造の電界電子放出素子において、ベース電極４に対して数１０Ｖ〜数１００Ｖ程度の正の電圧をゲート電極２に印加すると、ベース電極４と電気的に接続されたエミッタ１とゲート電極２の間に１０^８Ｖ／ｍ以上の高電界がかかり、電界電子放出によってエミッタ１の先端から電子が放出される。このとき電界電子放出素子に対向して、アノード電極７を設置し、アノード電極７にべース電極４に対して正の電圧を印加しておくことで、エミッタ１の先端から放出された電子の大部分はアノード電極７側に引き出すことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エミッタ１の先端に対してゲート電極２がほぼ同じ高さに配置しているために、エミッタ１の先端から放出された電子の軌跡８は、図６に示すようにアノード電極７に対して、水平成分をかなり含んでいる。したがって、エミッタ１から放出された電子はある程度の広がりを持ってアノード電極７に到達することになる。
【０００６】
さらに図５で示したような平面的に突部を持つ構造の場合、電子の軌跡８は突部の方向に広がってしまうことになる。この放出される電子の広がりによる弊害の一例を説明する。例えば、電界電子放出型カソードをマトリックス状に配置し、対向するアノード電極のカソード側の面に蛍光面を作製して、カソードから放出される電子を蛍光面に照射して発光させるという応用を考えたとき、エミッタから放出される電子が広がっていると、希望するマトリックスの周囲の部分が発光してしまうというクロストークの問題が生じる。
【０００７】
そこで、従来、図７に示すように、エミッタ１から放出する電子の軌道の広がりを抑制する目的で、ゲート電極２の上側に、絶縁層３を介して電子線収束用の制御電極９を配置する方法が提案されている（特開平７−２９４８４号、特開平７−１２２１７９号）。これは、ゲート電極２に対して負の電圧を制御電極９に印加することによって、エミッタ１の先端から放出された電子の軌道を収束させるものである。
【０００８】
しかしながらこの方法では、制御電極９がゲート電極２の上側（アノード側）に配置してあるために、電子軌道の収束のために制御電極９に印加する負の電圧を強めて行くと、制御電極９で生じる電界が強くなり、電子を下側に押し戻すように作用してしまう。結果的にアノード電極側に取り出せるエミッション電流が低下するという問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電界放出によって電子を放出する電子放出素子において、放出される電子の軌道を制御するための制御電極に印加する電圧を強めた場合でも、制御電極で生じる電界によってエミッション電流が低下しないように改善することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にあっては、上記の課題を解決するために、電子軌道を制御するための電極９をゲート電極２よりもカソード側に配置することによって、制御電極９に印加する電圧を強めた場合でも、制御電極９で生じる電界によってエミッションされた電子がエミッタ１側もしくはゲート電極２側に押し戻されることを防ぐものである。具体的には、図３および図４に示すように、絶縁性基板上に形成したベース層上に絶縁層を介して電子引き出し層を積層し、該電子引き出し層と絶縁層に、前記ベース層まで至る複数の凹所を設けるとともに、該凹所内のそれぞれにエミッタ部を突設し、該エミッタ部を微小空隙を介して前記電子引き出し層に近接配置させ、前記ベース層と前記電子引き出し層との間に電圧を印加することにより電子引き出し層とエミッタ部との間に形成される強電界によりそれぞれのエミッタ部から電子を放出させるようにした電子放出素子において、前記ベース層と同じ層に、放出される電子の軌道を制御するための制御電極を設けたことを特徴とするものである。また、制御電極９も単に収束を目的とした円形孔の形状には限定せず、制御電極９自体を複数部分に分割し、それぞれの制御電極９に独立して電圧を印加できる構造とすることで、電子軌道の収束だけでなく、任意の方向への電子軌道制御を可能としてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の前提となる構成例を図１及び図２をもとに説明する。この前提となる構成例では、電子線制御用の電極９をベース電極４よりも下側（カソード側）に配置し、ベース電極４は電子線制御用の電極９が作り出す制御電界を遮らないように、できるかぎり細いラインで構成した。また、同じ理由によりゲート電極２もエミッタ１の周辺部を取り囲むのみとした。すなわち、星形のエミッタ１の周辺部に、その輪郭線を僅かに拡大したような細いゲート電極２を形成しており、ベース電極４と反対方向にゲート電極２の引き出し線を設けてある。
【００１２】
この例で用いた平面星形エミッタ１の場合、電子はエミッタ１の平面突部（星の先端）から主として放出され、放出された電子の軌道も平面突部の延長方向（図１の星の十字方向）が主である。従って、電子線制御用の電極９は電子軌道の主たる方向に４つに分割して配置した。
【００１３】
対向するアノード電極（図示せず）に蛍光面を設け、この構造のカソードをエミッションさせているときに、４つの電子線制御用電極９のすべてにべース電極４に対して負の電圧を印加してみた。制御電極９に印加する電圧を変化させたときのアノード電極の蛍光面の発光形状の変化を観察した結果、負の電圧を強くして行くと、発光部分が徐々に収束して行き、制御電極９による収束の効果を確認することができた。また、収束をさせた場合もアノード電極に到達するエミッション電流の低下は認められず、制御電極９の電界によってエミッションされた電子がエミッタ１やゲート電極２に押し戻されるという現象は生じなかった。
【００１４】
また、４つに分割して配置した制御電極９の個々にベース電極４に対して負の電圧を印加した場合、電圧を印加した制御電極９とは反対側の発光の広がりが強くなる現象が観察され、制御電極９が電子線の収束以外にも制御効果があることが確認できた。
【００１５】
本発明の実施例１を図３及び図４をもとに説明する。本実施例では、電子線制御用電極９をベース電極４と同層に配置したものである。ベース電極４とゲート電極２の形状は図１と同様である。本実施例においては制御用電極９は分割せず、ベース電極４の部分のみ切り欠いた円形の形状とした。この構造においても、電子線の収束効果を確認することができた。ベース電極４による切り欠き部分で制御用の電界形状が同心円ではなくなるが、本形状のエミッタ１の場合では、主としてエミッションされる方向（図３の星の十字方向）を避けて切り欠き部が形成されているために、大きな影響はない。
【００１６】
本構造のように、制御電極９をベース電極４と同層に配置した構造の場合、制御電極９を形成する工程は、ベース電極４のパターニングと同時に行えるため、簡便であるという利点がある。なお、上記２つの実施例では示さなかったが、制御電極９をベース電極４とゲート電極２の間の位置に配置する構造も、同様の電子線制御効果を期待できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、電子線制御用の電極をゲート電極よりもカソード側に配置することによって、たとえば電子線の軌道を収束する制御を行う場合に、制御用電極の電界によってアノード電極に引き出される電子を減少させることなく、電子軌道の制御が可能となる。また、ベース層と同じ層に、放出される電子の軌道を制御するための制御電極を設けたことで、制御電極を形成する工程が簡便となる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる構成例の平面図である。
【図２】本発明の前提となる構成例の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の平面図である。
【図４】本発明の実施例１の断面図である。
【図５】従来例１の平面図である。
【図６】従来例１の断面図である。
【図７】従来例２の断面図である。
【符号の説明】
１エミッタ
２ゲート電極
３絶縁層
４ベース電極
５抵抗層
６基板
７アノード電極
８エミッションされた電子の軌跡
９制御電極

Claims

絶縁性基板上に形成したベース層上に絶縁層を介して電子引き出し層を積層し、該電子引き出し層と絶縁層に、前記ベース層まで至る複数の凹所を設けるとともに、該凹所内のそれぞれにエミッタ部を突設し、該エミッタ部を微小空隙を介して前記電子引き出し層に近接配置させ、前記ベース層と前記電子引き出し層との間に電圧を印加することにより電子引き出し層とエミッタ部との間に形成される強電界によりそれぞれのエミッタ部から電子を放出させるようにした電子放出素子において、前記ベース層と同じ層に、放出される電子の軌道を制御するための制御電極を設けたことを特徴とする電界電子放出素子。
電子の軌道を制御するための制御電極は、電子引き出し層を囲むように複数個分割して設けたことを特徴とする請求項１記載の電界電子放出素子。