JP3752808B2

JP3752808B2 - 電界電子放出素子

Info

Publication number: JP3752808B2
Application number: JP32353197A
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: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH11162324A

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１１〜図１３に示す。図１１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１２はその部分拡大図である。また、図１３は図１２の断面構造を示している。この電子放出素子は、図１３に示すように、カソード基板７上に導電性のべース電極２、絶縁体層５および電子引き出し電極３（以下ゲート電極３と称す）が積層されたものに、ゲート電極３および絶縁体層５が部分的に積層されずベース電極２まで達する穴が形成されており、この穴にベース電極２と抵抗層６を介して電気的に接続されたエミッタ４を配置してある。エミッタ４は図１２に示すように星型に形成されている。このエミッタ４の先端部はゲート電極３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４は一つのべース電極２上に複数個が配置され、図１１に示すように、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２に対して数１０Ｖ〜数１００Ｖ程度の正の電圧をゲート電極３に印加すると、ベース電極２と電気的に接続されたエミッタ４とゲート電極３の間に１０⁸Ｖ／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４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（図示せず）を設置し、アノード電極にべース電極２に対して正の電圧を印加しておくことで、エミッタ４の先端から放出された電子をアノード電極側に引き出すことができる。
【０００５】
上記構造の電界電子放出素子の作成方法の一例を図１４〜図１７をもとに説明する。まず、図１４に示すように、ガラス等の絶縁性基板７の上にクロムなどの金属層を形成し、パターニングすることでベース電極２を形成する。続いて、ベース電極２を形成した上から、抵抗層６、エミッタ４、剥離層９を形成し、これら剥離層９、エミッタ４、抵抗層６をエミッタ形状にパターニングして図１５の構造とする。続いて、図１６に示すように、絶縁体層５、ゲート電極３を上から形成し、図１７に示すように、剥離層９を除去することで、エミッタ４を露出させ、電界放出素子を作製する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電界電子放出素子においては、一組のゲート電極３とベース電極２に複数のエミッタ４を配置しており、すべてのエミッタ４がベース電極２と電気的にも接続している。もし、エミッタ４の一つでもゲート電極３と短絡を起こした場合、ベース電極２とゲート電極３の間に電圧を印加できなくなり、すべてのエミッタ４からの電子放出が停止してしまう。ここで、エミッタ４とゲート電極３の短絡の原因としては、次のようなものがある。
【０００７】
▲１▼一つのエミッタ４が著しい電子放出を起こして、ジュール加熱によってエミッタ物質が蒸発し、飛散した物質がゲート電極３とエミッタ４の残部に電気的なブリッジを形成する。
▲２▼電界電子放出素子を設置している空間の真空の劣化によって、エミッタ４とゲート電極３の間で放電が生じ、エミッタ４の一部やゲート電極３の一部が蒸発し、飛散した物質が電気的なブリッジを形成する。
▲３▼何らかの粉体が表面に付着し、エミッタ４とゲート電極３の間にブリッジを形成する。
【０００８】
このような短絡による機能停止の問題を解決する方法の一つとして、特開平５−２９９０１０号に提案された方法がある。これは、図１８に示すように、ゲート電極３を幹線と分割部にパターニングすることによって、ゲート電極３を分割し、個々の分割部にはエミッタ４を一つずつ配置している。個々のゲート電極３の分割部は、細い溶断部８を介してゲート電極３の幹線に接続し、すべてのゲート電極３の分割部は電気的に接続された状態となっている。ゲート電極３をこのような構造とすることで、仮にエミッタ４の一つが何らかの原因でゲート電極３と短絡を起こした場合、短絡電流は溶断部８を経由して流れるため、ジュール加熱によって細くなっている溶断部８の温度が上昇し、溶融し切断される。溶断部８が切断されると、エミッタ４と短絡を起こした部分のゲート電極３（分割部）が全体のゲート電極３（幹線）から分離されるため、残りのゲート電極３は短絡状態から解放され、全体的な機能停止を免れることができる。
【０００９】
しかしながら、ゲート電極３をパターニングにより平面的な細線部分を作製して溶断部８とする方法では、十分な感度を有した溶断部を形成するために、非常に細い線幅部分を形成しなければならず、作製が困難である。もし、十分に細い線幅が形成できなかった場合は、溶断部の感度が低くなり、ある程度の抵抗値を有した短絡が発生した場合には、溶断部が切断されずに、電界電子放出素子全体が動作を停止してしまうおそれがある。
【００１０】
本発明はこのような問題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、電子引き出しのための高電圧が印加される電極間が短絡しても、電子放出素子の全体が機能停止に陥ることを防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、上記の課題を解決するために、図５及び図６に示すように、絶縁性基板７上に形成したベース電極２上に絶縁体層５を介して電子引き出しのためのゲート電極３を積層し、該ゲート電極３と絶縁体層５に、前記ベース電極２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４を突設し、該エミッタ４を微小空隙を介して前記ゲート電極３に近接配置して前記ベース電極２と前記ゲート電極３との間に電圧を印加することにより、ゲート電極３とエミッタ４との間に形成される強電界によりそれぞれのエミッタ４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、ベース電極２の端部断面構造をなだらかとし、ゲート電極３に段差を生じさせる段差作製部９をベース電極２と同じ層にベース電極２とは別に形成し、段差作製部９の端部は略垂直な断面構造とすることで、段差作製部９上のゲート電極３に膜厚の薄い部分を作り込むことで、易溶断部８を形成したことを特徴とするものである。また、請求項２の発明によれば、図７及び図８に示すように、ゲート電極３に段差を生じさせる段差作製部９をベース電極２上に形成した第１の絶縁層上に形成し、第１の絶縁層と段差作製部９の上に第２の絶縁層を介してゲート電極３を積層し、段差作製部９の上のゲート電極３に膜厚の薄い部分を作り込むことで易溶断部８を形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の前提となる基本構成を図１及び図２に示す。ゲート電極３のパターニングにより、図１に示すように、ゲート電極３を幹線と分割部とに分割し、溶断部８を介してすべてのゲート電極３を接続するが、図２に示すように、ゲート電極３の膜厚を薄くすることによって溶断部８を形成するものである。もちろん、溶断部８は膜厚を薄くするだけではなく、図１に示すように、パターニングによって平面的にも細くする構造を兼ね備えていても構わない。ゲート電極３の分割部分一つに対して配置されるエミッタ４の個数も一つに限定するものではなく、複数個を配置しても構わない。溶断部８の膜厚を薄くするために、本発明では、後述のようにゲート電極３の層よりも下側に段差部分を設けて、その段差部分の形状をゲート電極３の層に反映することで、ゲート電極３に段差部分を作製し、段差によって膜厚を薄くする。
【００１３】
このように膜厚を薄くした部分を形成し、溶断部８とすることによって、一つのエミッタ４とゲート電極３が短絡した場合も、溶断部８で短絡したゲート電極３の部分を切り離すことができるから、全体的な電界電子放出素子の動作停止を防ぐことができるようになる。また、単に平面的に細い部分を設けることで溶断部８を作製する場合よりも、平面的にも細くかつ膜厚的にも薄い溶断部８を作製した場合の方が、溶断部８の感度が高くなり、素子全体の動作停止を免れる可能性が高くなる。さらに、以下に述べる各実施例のように、ゲート電極３よりも下側に段差部分を設け、その段差形状をゲート電極３に反映させることによって膜厚の薄い部分を作成する方法は、簡便であるという特長を有する。
【００１４】
（比較例１）
本発明に対する比較例１を図３及び図４をもとに説明する。図３は電界電子放出素子のゲート電極３の一つの分割部およびエミッタ４について、平面構造を示したものであり、そのＢ−Ｂ線における断面構造を図４に示す。図３のゲート電極３の幹線には、他にもゲート電極３の分割部が溶断部８を介して接続されている。この比較例１の特徴は、図４に示すように、ベース電極２の端部の上にゲート電極３の溶断部８が配置される構造で、電界電子放出素子を作製したことにある。
【００１５】
先に図１４〜図１７で説明したように、ベース電極２と抵抗層６とエミッタ４を作製した上から、絶縁層５とゲート電極３を形成する作製方法を採った場合、ゲート電極３は下側の凹凸形状を反映した形状となる。このため、ゲート電極３は溶断部８の部分でベース電極２の端部形状を反映した段差を有することになる。仮にベース電極２の膜厚を２００ｎｍとし、ゲート電極３の膜厚を３００ｎｍとした場合、段差部分には膜厚１００ｎｍの最薄部が形成されることになる。もし、エミッタ４の一つがゲート電極３と短絡を起こした場合、短絡電流のジュール加熱によって最薄部から溶断部８が容易に切断され、短絡部を全体から切り離すことができ、全体的な動作停止を免れることができる。これは、平面的に細線部を形成して溶断部８とする場合よりも、単純に考えて１／３の短絡電流で溶断が可能となっている。また、この構造の利点は単にベース電極２の端部とゲート電極３のパターンの配置を組み合わせるだけで、溶断部８の薄膜部を形成できるという簡便性にある。
【００１６】
（実施例１）
本発明の実施例１を図５及び図６をもとに説明する。本実施例は、ベース電極２と同じ層に段差を生じさせる段差作製部９を作製し、その上に絶縁体層５とゲート電極３を作製したものである。ゲート電極３の溶断部８は、この段差を生じさせる段差作製部９の上に来るように配置している。段差作製部９の端部は垂直な断面構造となっているが、ベース電極２の端部はなだらかな断面構造としている。このためゲート電極３の断面形状は、ベース電極２の端面部ではなだらかであり、さほど膜厚が薄くなっている部分はないが、段差作製部９の上では段差を生じ、最薄部が形成される。
【００１７】
また、この段差作製部９はベース電極２とは電気的に接続されていない。ベース電極の端部断面が垂直となっている場合、絶縁体層５にも最薄部が生じる。ベース電極２とゲート電極３の間には数１０〜数１００Ｖの電圧が印加されるために、電界電子放出素子を駆動する際に、この絶縁体層５の最薄部の電界が強くなり、絶縁破壊を引き起こすおそれがある。しかしながら、本実施例のようにベース電極２の端部断面構造をなだらかとし、別途に段差作製部９を設けることによって、絶縁体層５の最薄部を無くすことができ、絶縁破壊の発生を抑えることができる。
【００１８】
（実施例２）
本発明の実施例２を図７及び図８をもとに説明する。本実施例は、段差作製部９を、ベース電極２と同層ではなく、絶縁体層５の途中に配置したものである。ゲート電極３と段差作製部９の間の絶縁体層５の厚さが薄いほど、ゲート電極３の断面形状は、段差作製部９の形状をより忠実に反映したものとなる。したがって、段差作製部９を絶縁体層５の途中に配置することで、ゲート電極３の段差をより鋭くし、最薄部をより精度よく作製することができる。
【００１９】
（比較例２）
本発明に対する比較例２を図９及び図１０をもとに説明する。本例は、段差作製部９を、ベース電極２と同層ではなく、ベース電極２のさらに下側に配置した例である。この比較例２においても、構造が簡単な実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、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、電子引き出し層に膜厚の薄い部分を作り込むことで、易溶断部を形成したものであるから、短絡を生じた場合も、短絡部分を易溶断部で切り離すことで、全体的な電界電子放出素子の機能停止を防ぐことができる。また、膜厚の薄い部分を作り込むことにより、単に平面的なパターニングによって易溶断部を形成するよりも、易溶断部の感度を高くすることができる。さらに、電子引き出し層よりも下側の形状を反映させることで、電子引き出し層に段差部分を形成し、最薄部を設けることによって、簡便に薄膜溶断部を形成することができる。特に、請求項１の発明のように、ベース層の端部断面構造をなだらかとし、別途に段差作製部を設けることによって、絶縁体層の最薄部を無くすことができ、絶縁破壊の発生を抑えることができる。また、請求項２の発明のように、段差作製部を絶縁体層の途中に配置することで、ゲート電極の段差をより鋭くし、最薄部をより精度よく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる基本構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線についての断面図である。
【図３】本発明に対する比較例１を示す平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線についての断面図である。
【図５】本発明の第１実施例を示す平面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線についての断面図である。
【図７】本発明の第２実施例を示す平面図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ線についての断面図である。
【図９】本発明に対する比較例２を示す平面図である。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線についての断面図である。
【図１１】従来の電界電子放出素子を示す平面図である。
【図１２】図１１の一部分を拡大して示した平面図である。
【図１３】従来の電界電子放出素子の断面図である。
【図１４】従来の電界電子放出素子の第１の製造工程を示す斜視図である。
【図１５】従来の電界電子放出素子の第２の製造工程を示す斜視図である。
【図１６】従来の電界電子放出素子の第３の製造工程を示す斜視図である。
【図１７】従来の電界電子放出素子の第４の製造工程を示す斜視図である。
【図１８】従来の電界電子放出素子の部分的な短絡による全体の機能停止を防止するための構造を示す平面図である。
【符号の説明】
２ベース電極
３ゲート電極
４エミッタ
５絶縁体層
６抵抗層
７基板
８溶断部

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して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、ベース層の端部断面構造をなだらかとし、電子引き出し層に段差を生じさせる段差作製部をベース層と同じ層にベース層とは別に形成し、段差作製部の端部は略垂直な断面構造とすることで、段差作製部上の電子引き出し層に膜厚の薄い部分を作り込むことで、易溶断部を形成したことを特徴とする電界電子放出素子。
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して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、電子引き出し層に段差を生じさせる段差作製部をベース層上に形成した第１の絶縁層上に形成し、第１の絶縁層と段差作製部の上に第２の絶縁層を介して電子引き出し層を積層し、段差作製部の上の電子引き出し層に膜厚の薄い部分を作り込むことで易溶断部を形成したことを特徴とする電界電子放出素子。