JP4228256B2

JP4228256B2 - ELECTRON EMITTING SOURCE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND DISPLAY DEVICE USING ELECTRON EMITTING SOURCE

Info

Publication number: JP4228256B2
Application number: JP16004499A
Authority: JP
Inventors: 英輔根岸; 諭中田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2019-06-07
Also published as: JP2000348602A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば極薄型のディスプレイ装置に使用して好適な電子放出源、およびその製造方法、ならびに同電子放出源を用いたディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えば極薄型のディスプレイ装置としては、画面の内側の箇所にパネル状の電子放出源を設け、その画素領域内に電子放出材料から成る多数のマイクロチップを形成し、所定の電気信号に応じて対応する画素領域のマイクロチップを励起することでスクリーンの蛍光面を光らせるものが提案されている。
この電子放出源では、帯状に形成された複数本のカソード電極ラインと、このカソード電極ラインの上部においてカソード電極ラインと交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ラインとが設けられ、上記カソード電極ラインの上記ゲート電極ラインとの各交差領域がそれぞれディスプレイ装置における画素に対応し、これらの領域に上記マイクロチップが配設されている。
【０００３】
次に、図７及び図８により従来の電子放出源とディスプレイ装置について説明する。
従来の電子放出源１９は、図７に示したように、例えば、ガラス材料より成る下部基板２１の表面上に帯状の複数本のカソード電極ライン２２が形成されている。これらのカソード電極ライン２２上には絶縁層２３が成膜され、その上に各カソード電極ライン２２と交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ライン２４が形成され、このゲート電極ライン２４とカソード電極ライン２２でマトリクス構造を構成している。各カソード電極ライン２２のおよび各ゲート電極ライン２４は制御手段２５にそれぞれ接続されている。
【０００４】
各カソード電極ライン２２と各ゲート電極ライン２４との各交差領域には、ゲート電極ライン２４と上記絶縁層２３とを貫通してカソード電極ライン２２の表面に至る多数の微細孔２６が形成され、この各微細孔２６の底部となるカソード電極ライン２２の表面にマイクロチップ２７が設けられている。このマイクロチップ２７が冷陰極を構成する。
これらのマイクロチップ２７は、例えばモリブデンなどの電子放出材料より成り、ほぼ円錐体に形成されている。そして、各マイクロチップ２７の円錐体の先端部は、ゲート電極ライン２４に形成されている電子通過用のゲート部２４ａの高さにほぼ位置している。このように、各カソード電極ライン２２の各ゲート電極ライン２４との各交差領域には多数のマイクロチップ２７が設けられて画素領域が形成され、個々の画素領域がディスプレイ装置の１つの画素（ピクセル）に対応している。
【０００５】
このような電子放出源においては、上記制御手段２５により所定のカソード電極ライン２２およびゲート電極ライン２４を選択し、これらの間に所定の電圧をかけることで、カソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４との交差領域、すなわち画素領域内の全てのマイクロチップ２７とゲート部２４ａとの間に上記所定の電界が生じ、各マイクロチップ２７の先端からトンネル効果によって電子が放出される。
なお、このときの印加電圧は、各マイクロチップ２７がモリブデンの場合、各マイクロチップ２７の円錐体の先端部付近の電界の強さがおおむね１０⁸ないし１０¹⁰Ｖ／ｍ程度となる値にする。
【０００６】
上述した構成の電子放出源を用いたディスプレイ装置の例を図８に示す。
この図８において、ディスプレイ装置２０は、電子放出源１９を画面が構成されるように多数配列した部材３０と、この部材３０の電子放出方向に所定の間隔を持って配置された上部基板２８を備える。
上部基板２８の電子放出源１９と対向する下面には、蛍光体を塗布することで形成される帯状の蛍光ストライブ２９が部材３０の各カソード電極ライン２４毎に平行に形成されている。また、部材３０と上部基板２８との間は真空に保持される構成になっている。
【０００７】
次に、ディスプレイ装置２０の動作について説明する。
画素を構成する所定の画素領域の電子放出源１９を、その電子放出源１９と一致する交差領域を有するカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４を制御手段２５により選択し、所定の電圧をかける。これにより、電子放出源１９は励起され、その電子放出源１９のマイクロチップ２７から放出された電子は、制御手段１０９によりカソード電極ライン２２とアノードである上部基板２８間に印加された電圧によって加速され、ゲート電極ライン２４と上部基板２８間の真空領域を通って蛍光ストライプ２９に衝突する。これにより、蛍光ストライプ２９から可視光が放出され、この可視光を上部基板２８を通して見ることにより画像として観察することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記電子放出源には次のような問題点がある。
第１に、各マイクロチップ２７、特にその円錐尖端を均一に製造することが困難である。この部分の形状が不均一であると、各マイクロチップ２７から放出され上部基板上に形成される光輝点が不均質となって、画像品質が劣化する。
【０００９】
第２に、部材３０と上部基板２８との間の高真空領域に残存するガスがイオン化し、マイクロチップ２７をスパッタリングすることにより、マイクロチップ２７の先端形状が経時的に劣化し易く、放出電子量が減少するという問題ある。
【００１０】
第３に、マイクロチップ２７から放出される電子の飛翔方向は、カソード（上部基板２８）面に垂直な方向に対して±３０度程度の範囲に広がっているため、蛍光ストライプ面の発光領域も拡大する。これはディスプレイの高精細化において不利である。
【００１１】
第４は製造工程上の問題である。マイクロチップ２７は、通常、ゲート電極ライン２４上にリフトオフ層を成膜し、モリブデンなどの高融点金属を真空蒸着することで形成される。その後、リフトオフ層に堆積したモリブデンなどの高融点金属をリフトオフで除去する。しかし、このとき剥離した金属片が微細孔２６内に入り込み、マイクロチップ２７とゲート電極ライン２４とを短絡し、ひいてはカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４とが短絡されてしまうことがあり、その結果、製造歩留まりが低下する。
【００１２】
これらの問題を回避すべく、特開平８−１５５５６４号公報には、電子放出面を用いた電子放出源が開示されている。
図９は、この従来技術における電子放出源の要部の断面図を示している。この図９において、図７と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、下部基板２１上にはダイヤモンド等の低仕事関数物質層３２と金属等の導電接触層３３が順に積層して形成され、さらに、導電接触層３３上には二酸化珪素等の絶縁層２３及びゲート電極層２４が順に形成され、そして、低仕事関数物質層３２とゲート電極層２４との交差領域には、ゲート電極層２４と絶縁層２３及び導電接触層３３を貫通して低仕事関数物質層３２に達する孔２６が形成されている。
導電接触層３３は、低仕事関数物質層３２から二酸化珪素等の絶縁層２３に電子が注入されることによる絶縁破壊を防止する機能を有し、必要に応じて形成される。この機能を備えることにより、孔２６の底部における平面状の低仕事関数物質層３２の表面から電子が効率的に放出されるようになっている。
【００１３】
また、平面状の電子放出面を用いた従来の電子放出源としては、特開平８−１１５６４号公報に開示されている。
図１０は、この従来技術における電子放出源の要部の断面図を示している。この図１０において、図７に示す場合と同様に下部基板２１上には、カソード電極層２２、絶縁層２３及びゲート電極層２４が順に積層して形成され、そして、カソード電極層２２とゲート電極層２４との交差領域には、ゲート電極層２４と絶縁層２３を貫通してカソード電極層２２の表面内部まで達する孔２６が形成されている。また、孔２６の底部に相当するカソード電極層２２の凹部２２１には、ダイヤモンド等の低仕事関数物質層３２が形成され、この低仕事関数物質層３２が平面状の電子放出面を構成する。
このように孔２６の底部に相当するカソード電極層２２の凹部２２１にプラズマ等のダメージに曝されずに形成された低仕事関数物質層３２の表面から電子を効率的に放出することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、上記図９に示す構造の電子放出源では、低仕事関数物質層３２が形成された後に、その上部構造である二酸化珪素等の絶縁層２３などを形成しなければならないという工程上の問題がある。すなわち、低仕事関数物質層３２上にスパッタリングやプラズマＣＶＤ法により二酸化珪素等の絶縁層２３等を形成すると、低仕事関数物質層３２の表面がプラズマに曝されるため、ダメージを受けてしまう。また、孔２６を形成する際にも、低仕事関数物質層３２の表面がＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるプラズマに曝されるため、ダメージを受けてしまう。
このため、低仕事関数物質層３２が持つ本来の電子放出能力を充分に発揮することができない。また、高輝度のために必要とされる放出電子密度が得られたとしても、ゲート電極ライン２４と低仕事関数物質層３２との間に印加される電圧が比較的高くなり、絶縁破壊が懸念されるなどの新たな問題が発生する。
【００１５】
また、上記図１０に示す構造の電子放出源では、低仕事関数物質層３２が凹部２２１の底部に形成された場合、凹部２２１のエッジ部２２１Ａにも低仕事関数物質が付着し、かつ低仕事関数物質表面の中でその表面に最大強度の電界が印加される可能性がある。この場合、電界放出電流は、微細孔２６の中央付近より、凹部２２１のエッジ部２２１Ａで最大となり、主として、この位置で電子放出が生じる。そして、凹部２２１のエッジ部２２１Ａからの電界放出した電子は微細孔２６の中央付近から放出される電子と比較して、ゲート電極ライン２４に、より到達し易い。換言すれば、凹部２２１のエッジ部２２１Ａに低仕事関数物質が付着すると、ゲート電極ライン２４に到達する電子量に対して、アノードに到達する電子量の比が小さくなり、電子の効率が悪くなる。
また、低仕事関数物質層３２を形成した時に、孔２６の絶縁層２３の内壁に生成される低仕事関数物質によりゲート電極ライン２４とカソード電極ライン２２とが高抵抗で短絡されるという問題がある。
【００１６】
本発明は、このような従来技術の課題を解決しようとするものであり、その目的とするところは、低い電圧で駆動でき、電子ビームの広がりが小さく、しかも長寿命で効率がよく、さらに電極間の短絡のおそれの少ない、製造歩留まりの高い電子放出源を提供し、かつ同電子放出源の製造方法、ならびに同電子放出源を用いたディスプレイ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜とを有する、電子放出源に係るものである。
【００１８】
また、本発明は、基板上に、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極とをこの順に形成し、前記ゲート電極の上面に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記カソード電極の上面に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さに延在させて、前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成する第１の工程と、前記凹部の底面に電子放出薄膜を形成する第２の工程とを有する、電子放出源の製造方法に係るものである。
【００１９】
また、本発明は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極と、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔と、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜とを有する電子放出源と、前記電子放出源に対し間隔を置いて対向して配設されたアノード電極および蛍光面とを有し、前記カソード電極及び前記ゲート電極の間に電圧を印加して前記電子放出源より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させる、ディスプレイ装置に係るものである。
【００２０】
このように、本発明の電子放出源およびその製造方法ならびに電子放出源を用いたディスプレイ装置においては、微細孔に臨むカソード電極の上面に、この上面からカソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成し、この凹部の底面に電子放出薄膜を形成する構成にすることにより、微細孔の底面周辺部より、中央部付近の電子放出薄膜の表面に最大強度の電界が印加されることになり、電界放出電流は微細孔の底面周辺部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔を通してアノード電極に到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できる。
【００２１】
また、凹部を、微細孔の開口面積より大きくなるように微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、電子放出薄膜によってカソード電極とゲート電極とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上でき、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置の製造コストも低減できる。
また、電子放出薄膜にカーボン膜を用いることにより、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜から取り出すことができる。これにより、カソード電極およびゲート電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となるとともに、電子放出源により構成したディスプレイ装置も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になり、かつこの電子放出源により構成されるディスプレイ装置の長寿命化も可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態例］
まず、本発明の第１の実施の形態例について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図、図２は本発明の第１の実施の形態例における電子放出源の平面図、図３は本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
図３において、ディスプレイ装置の一例を示す斜視図であり、このディスプレイ装置１００は、図１及び図２に示した本実施の形態例の電子放出源１０と、高真空領域１０１を介して電子放出源１０の上部に配設された上部基板１０２（特許請求の範囲のガラス基板に相当）とを含んで構成されている。上部基板１０２は透明なガラス基板から構成される。
【００２３】
電子放出源１０は、図１〜図３に示したように、例えばガラス材よりなる下部基板１を含み、その表面上には帯状の複数本のカソード電極ライン２（特許請求の範囲のカソード電極に相当）が所定の間隔離して平行に形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面には、カソード電極ライン２と交差する帯状の複数本のゲート電極ライン４（特許請求の範囲のゲート電極に相当）が所定の間隔離して平行に形成されている。そして、各カソード電極ライン２の端部および各ゲート電極ライン４の端部は制御手段１２にそれぞれ接続されている。
【００２４】
カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との各交差箇所には、図１及び図２に示すように、多数の微細孔５が形成され、ディスプレイ装置１００における１つの画素に対応する領域を構成している。
各微細孔５は、図１に示したように、上記ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の上面に到達しており、さらに、微細孔５に臨むカソード電極ライン２の上面には、その上面からカソード電極ライン２の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積の凹部６が形成されている。
そして、凹部６の底面には、カーボン等の低電界で電子が放出される材料からなる円形状の電子放出薄膜７が形成されている。この円形電子放出薄膜７の上面面積は、凹部６の開口面積より小さく（微細孔５の開口面積と略同一）、かつその厚さは凹部６の深さ寸法より小さく設定されている。
【００２５】
また、図３に示したディスプレイ装置１００では、上部基板１０２は、高真空領域１０１を介して電子放出源１０と対向して配置されている。上部基板１０２の下面部には、ゲート電極ライン４に対してそれぞれ平行な帯状の複数のアノード電極ライン１０３（特許請求の範囲のアノード電極に相当）が延設され、各アノード電極ライン１０３の表面にはそれぞれ蛍光ストライプがアノード電極ライン１０３とともに延在している。
【００２６】
上述のように構成された電子放出源１０において、上記制御手段１２により所要のカソード電極ライン２およびゲート電極ライン４を選択して、これらの電極間に所定の電圧をかけると、カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との交差領域、すなわち画素領域内の電子放出薄膜７に所定の電界がかかり、電子放出薄膜７からトンネル効果によって電子が放出される。
【００２７】
また、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００では、所定の画素領域の電子放出源１０を励起することで各微細孔５内の電子放出薄膜７から放出された電子は、ゲート電極ライン２４上部基板１０２のアノード電極ライン１０３との間に印加された電圧によって加速され、ゲート電極ライン４と上部基板２との間の高真空領域３を通って上記蛍光ストライプに到達する。そして、電子が入射することで蛍光ストライプから可視光が発せられ、この可視光は、透明なアノード電極ライン１０３や上部基板１０２を通して見ることにより画像として観察することができる。
【００２８】
このような本実施の形態例の電子放出源１０によれば、微細孔５の底部において、電子放出薄膜７が形成されるカソード電極ライン２の凹部６は、所定の深さで、かつ微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積に形成され、しかも、円形電子放出薄膜７の上面面積は、凹部６の開口面積より小さく、かつその厚さは凹部６の深さ寸法より小さく設定されているため、電子放出薄膜７の外周面は凹部６の内周面から離間され、かつ凹部６の内周面は絶縁層３に形成された微細孔５の内周面より外周方向へ引っ込んだ状態におかれる。このため、凹部６の内周部の電界強度は中央付近の電界強度を比較して充分に小さい。その結果、電子は放出されないか、放出されたとしても非常に低い電子密度であり、実用上の影響は無視できる程度である。
【００２９】
したがって、微細孔５の底面内周部より、中央部付近の電子放出薄膜７の表面に最大強度の電界が印加されることになり、その結果、電界放出電流は微細孔５の底面内周部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔５を通してアノード電極ラインに到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できるとともに、アノード電極ラインへの電子ビームの広がりを小さくできる。
また、凹部６を、微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、絶縁層３の下端部３Ａが凹部６の開口側へ張り出された構造になっているため、凹部６の底面に電子放出薄膜７を形成する時、絶縁層３の内壁面にカーボンの層が形成されても、このカーボンの層は絶縁層３の下端部３Ａに形成されることがない。このため、カソード電極ライン２とゲート電極ライン３とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上できる。その結果、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置１００の製造コストも低減できる。
【００３０】
また、本実施の形態例によれば、電子放出薄膜７にカーボン膜を用いることにより、５０Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜７から取り出すことができる。すなわち、絶縁層３の厚さを１μｍ程度に設定すれば、カソード電極ライン２およびゲート電極ライン４の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となる。したがって、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜７は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜７に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜７の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になる。そのため、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００も長寿命となる。
【００３１】
なお、本実施の形態例における電子放出源の微細孔５の形状は、図２に示したように円形である場合について説明したが、この形状は円形に限らず多角形や楕円形などであってもかまわない。
【００３２】
次に、電子放出源１０の製造方法について、図１を参照して説明する。
まず、図１に示したように、ガラスなどから成る下部基板１１上にニオビウム、モリブデンまたはクロムなどを厚さ約２００ｎｍ程度に成膜して導体膜を形成する。その後、写真製版法および反応性イオンエッチング法によりこの導体膜をライン形状に形成してカソード電極ライン２とする。
【００３３】
次に、例えば二酸化珪素をスパッタリングあるいは化学蒸着法により、上記下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上に成膜して絶縁層３を形成し、さらに絶縁層１４上に、例えばニオビウムまたはモリブデンのゲート電極用導電膜を成膜する。その後、写真製版法および反応性イオンエッチング法により、この導体膜をカソード電極ライン２と交差するようなライン形状にしてゲート電極ライン４を形成する。
【００３４】
次に、ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の表面から厚さ方向へ所定の深さに達する平面視円形の微細孔５を写真製版法およびプラズマエッチング法等により形成する。
次いで、ゲート電極ライン４及び絶縁層３はそのまま残した状態で、微細孔５の底部に相当するカソード電極ライン２の凹部６を、微細孔５の開口面積より大きくなるように外周方向へ拡大された開口面積にエッチングにより形成する。
この微細孔５のエッチング工程及び凹部６の拡径エッチング工程は、請求項９の第１の工程を構成する。
【００３５】
次に、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光を照射して成膜するレーザアブレーション法またはスパッタリング法により、凹部６内の中央箇所にカーボン膜を成膜して、冷陰極の電子放出薄膜７を形成する。この電子放出薄膜７の形成工程が請求項９の第２の工程を構成している。
また、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との間の短絡をなくすために、電子放出薄膜７の形成後に、絶縁層３の微細孔５の内壁面を必要に応じてウェットエッチングによりエッチングする。
【００３６】
上記のような製造方法により構成された電子放出源においても、上記第１の実施の形態例に示した電子放出源と同様な作用効果が得られることは勿論である。
【００３７】
［第２の実施の形態例］
図４及び図５により本発明の第２の実施の形態例について説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図、図２は本発明の第２の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
この図４及び図５において、図１及び図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、電子放出源１０は、ガラス材等からなる下部基板１を含み、その表面上には帯状の複数本のカソード電極ライン２が所定の間隔離して平行に形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面には、カソード電極ライン２と交差する帯状の複数本のゲート電極ライン４が所定の間隔離して平行に形成されている。そして、各カソード電極ライン２の端部および各ゲート電極ライン４の端部は制御手段１２にそれぞれ接続されている。
【００３８】
カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との各交差箇所には、図４及び図５に示すように、一方向に延在する多数のスリット状の微細孔５Ａが形成され、ディスプレイ装置１００における１つの画素に対応する領域を構成している。
各スリット状の微細孔５Ａは、図４に示したように、上記ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の上面に到達しており、さらに、スリット状の微細孔５Ａに臨むカソード電極ライン２の上面には、その上面からカソード電極ライン２の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔５Ａの開口面積より大きくなるように微細孔５Ａの外周方向へ拡大された開口面積の凹部６Ａが形成されている。
そして、凹部６Ａの底面には、カーボン等の低電界で電子が放出される材料からなるスリット状の微細孔５Ａに対応する長方形状の電子放出薄膜７Ａが形成されている。この電子放出薄膜７Ａの上面面積は、凹部６Ａの開口面積より小さく（微細孔５Ａの開口面積と略同一）、かつその厚さは凹部６Ａの深さ寸法より小さく設定されている。
【００３９】
このような第２の実施の形態例においても、上記第１の実施の形態例と同様な作用効果が得られるほか、微細孔５Ａをスリット状にしたことにより、円形の微細孔５に比較してエミッション領域を大きくできるので、同一の電圧で駆動しても、より大きな電流密度を得ることができる。
そして、このようなスリット状の微細孔５Ａを有する冷陰極は、低い電圧の印加で、より大きな放出電流を獲得することができる。
【００４０】
［第３の実施の形態例］
図６により本発明の第３の実施に形態例について説明する。
図６は本発明の第３の実施に形態例における電子放出源の単位素子を拡大して示す要部の縦断側面図である。
この図６において、図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、電子放出源１０の単位素子は、ガラス材等からなる下部基板１を含み、その表面上には、二層構造のカソード電極ライン２が形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面にはゲート電極ライン４が形成されている。
【００４１】
上記二層構造のカソード電極ライン２は、上層カソード電極ライン２０１と下層カソード電極ライン２０２から構成されている。そして、上層カソード電極ライン２０１の厚さは２００ｎｍであり、下層カソード電極ライン２０１の厚さは２００ｎｍである。
また、二層構造のカソード電極ライン２とゲート電極ライン４との交差箇所には、図６に示すように、図１に示した場合と同様な円形の微細孔５（または、図５に示したスリット状の微細孔５Ａ）が、ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通して上層カソード電極ライン２０１の上面に到達して形成され、さらに、上層カソード電極ライン２０１には、微細孔５（または、図５に示したスリット状の微細孔５Ａ）の開口面積より大きい面積の開口２０３が上層カソード電極ライン２０１の厚さ方向に貫通して形成され、この開口２０３と該開口２０３の下端を塞ぐ下層カソード電極ライン２０２の上面で凹部６Ｂが形成されている。
そして、凹部６Ｂ内の下層カソード電極ライン２０２上にはカーボン等の低電界で電子が放出される材料からなる円形の微細孔５（またはスリット状の微細孔５Ａ）に対応する形状の電子放出薄膜７が形成されている。
【００４２】
上記二層カソード電極ライン２の材料の組み合わせとしては、エッチング特性の異なる組み合わせが好ましい。
すなわち、異種の金属材料としては、例えばニオビウムとクロムとの組み合わせや、金属材料とその化合物の組み合わせ、例えばタングステンと珪素タングステン等がある。
また、二層カソード電極ライン２の膜質の異なる材料の組み合わせとしては、多結晶膜と非結晶膜の組み合わせ等が可能である。
【００４３】
このような第３の実施の形態例に示す構造の電子放出源においては、凹部６Ｂを形成するために上層カソード電極ライン２０１へ開口２０３を形成する時、下層カソード電極ライン２０２に対して、選択比の良いエッチングを施すことが可能になる。これに伴い、上層カソード電極ライン２０１の表面と電子放出薄膜７の表面との段差を、広い電子放出源の全面にわたり均一にすることができる。
この第３の実施の形態例に示す電子放出源においても、第１の実施の形態例に示した場合と同様な作用効果が得られることは勿論である。
【００４４】
なお、本発明においては、カソード電極ライン２は二層構造のものに限定されず、三層以上の積層膜で形成するよにしてもよい。
また、第３の実施の形態例においても、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との間の短絡をなくすために、電子放出薄膜７の形成後に、絶縁層３の微細孔５の内壁面を必要に応じてウェットエッチングによりエッチングしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子放出源は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部が形成され、前記凹部の底面に電子放出薄膜が形成されていることを特徴とする。
【００４６】
また、本発明の電子放出源の製造方法は、基板上に、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極とをこの順に形成し、前記ゲート電極の上面に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記カソード電極の上面に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さに延在させて、前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成する第１の工程と、前記凹部の底面に電子放出薄膜を形成する第２の工程とを有することを特徴とする。
【００４７】
また、本発明のディスプレイ装置は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成され、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部が形成され、前記凹部の底面に電子放出薄膜が形成されている電子放出源と、前記電子放出源に対し間隔を置いて対向して配設されたアノード電極および蛍光面とを有し、前記カソード電極及び前記ゲート電極の間に電圧を印加して前記電子放出源より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させることを特徴とする。
【００４８】
このように、本発明の電子放出源およびその製造方法ならびに電子放出源を用いたディスプレイ装置によれば、微細孔に臨むカソード電極の上面に、この上面からカソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔の開口面積より大きい開口面積の凹部を形成し、この凹部の底面に電子放出薄膜を形成する構成にすることにより、微細孔の底面周辺部より、中央部付近の電子放出薄膜の表面に最大強度の電界が印加されることになり、電界放出電流は微細孔の底面周辺部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔を通してアノード電極に到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できる。
【００４９】
また、凹部を、微細孔の開口面積より大きくなるように微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、カソード電極とゲート電極とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上でき、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置の製造コストも低減できる。
また、電子放出薄膜にカーボン膜を用いることにより、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜から取り出すことができる。これにより、カソード電極およびゲート電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となるとともに、電子放出源により構成したディスプレイ装置も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になり、かつこの電子放出源により構成されるディスプレイ装置の長寿命化も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
【図３】本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態例における電子放出源の単位素子を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図７】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【図８】従来におけるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
【図９】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【図１０】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【符号の説明】
１……下部基板、２……カソード電極ライン、３……絶縁層、４……ゲート電極ライン、５、５Ａ……微細孔、６、６Ａ……凹部、７……電子放出薄膜、１０……電子放出源、１２……制御手段、１００……ディスプレイ装置、１０１……高真空領域、１０２……上部基板、１０３……アノード電極ライン、２０１……上層カソード電極ライン、２０２……下層カソード電極ライン。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron emission source suitable for use in, for example, an ultra-thin display device, a manufacturing method thereof, and a display device using the electron emission source.
[0002]
[Prior art]
In general, for example, as an ultra-thin display device, a panel-shaped electron emission source is provided at a position inside the screen, and a large number of microchips made of an electron emission material are formed in the pixel region, and in response to a predetermined electric signal. In order to excite the microchip in the corresponding pixel region, the fluorescent screen of the screen is made to shine.
In this electron emission source, a plurality of cathode electrode lines formed in a band shape and a plurality of gate electrode lines formed in a band shape intersecting the cathode electrode line at the upper portion of the cathode electrode line are provided. Each intersection region of the cathode electrode line with the gate electrode line corresponds to a pixel in the display device, and the microchip is disposed in these regions.
[0003]
Next, a conventional electron emission source and display device will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 7, the conventional electron emission source 19 has a plurality of strip-like cathode electrode lines 22 formed on the surface of a lower substrate 21 made of, for example, a glass material. An insulating layer 23 is formed on the cathode electrode lines 22, and a plurality of gate electrode lines 24 formed in a strip shape are formed on the insulating layer 23 so as to intersect with the cathode electrode lines 22. The cathode electrode line 22 forms a matrix structure. Each cathode electrode line 22 and each gate electrode line 24 are connected to control means 25, respectively.
[0004]
In each crossing region of each cathode electrode line 22 and each gate electrode line 24, a large number of fine holes 26 that penetrate the gate electrode line 24 and the insulating layer 23 and reach the surface of the cathode electrode line 22 are formed. A microchip 27 is provided on the surface of the cathode electrode line 22 which is the bottom of each of the fine holes 26. The microchip 27 constitutes a cold cathode.
These microchips 27 are made of, for example, an electron emission material such as molybdenum, and are formed in a substantially conical shape. The tip of the conical body of each microchip 27 is positioned substantially at the height of the electron passage gate portion 24 a formed in the gate electrode line 24. As described above, a plurality of microchips 27 are provided in each intersection region of each cathode electrode line 22 with each gate electrode line 24 to form a pixel region, and each pixel region is one pixel (pixel) of the display device. ).
[0005]
In such an electron emission source, a predetermined cathode electrode line 22 and a gate electrode line 24 are selected by the control means 25 and a predetermined voltage is applied between them, whereby the cathode electrode line 22 and the gate electrode line 24 are selected. The predetermined electric field is generated between all the microchips 27 in the pixel region, that is, all the microchips 27 in the pixel region and the gate portion 24a, and electrons are emitted from the tip of each microchip 27 by the tunnel effect.
The applied voltage at this time is approximately 10 when the strength of the electric field near the tip of the cone of each microchip 27 is 10 when each microchip 27 is molybdenum. ⁸ 10 ^Ten The value is about V / m.
[0006]
An example of a display device using the electron emission source having the above-described configuration is shown in FIG.
In FIG. 8, the display device 20 includes a member 30 in which a large number of electron emission sources 19 are arranged so as to form a screen, and an upper substrate 28 arranged at a predetermined interval in the electron emission direction of the member 30. Prepare.
On the lower surface of the upper substrate 28 facing the electron emission source 19, a strip-like fluorescent stripe 29 formed by applying a phosphor is formed in parallel for each cathode electrode line 24 of the member 30. The member 30 and the upper substrate 28 are configured to be held in a vacuum.
[0007]
Next, the operation of the display device 20 will be described.
The control means 25 selects the cathode electrode line 22 and the gate electrode line 24 which have the crossing area | region which corresponds to the electron emission source 19 for the electron emission source 19 of the predetermined pixel area which comprises a pixel, and applies a predetermined voltage. As a result, the electron emission source 19 is excited, and electrons emitted from the microchip 27 of the electron emission source 19 are accelerated by the voltage applied between the cathode electrode line 22 and the upper substrate 28 serving as the anode by the control means 109. Then, it strikes the fluorescent stripe 29 through the vacuum region between the gate electrode line 24 and the upper substrate 28. As a result, visible light is emitted from the fluorescent stripes 29 and can be observed as an image by viewing the visible light through the upper substrate 28.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the electron emission source has the following problems.
First, it is difficult to uniformly manufacture each microchip 27, particularly its conical tip. If the shape of this portion is non-uniform, the bright spots emitted from each microchip 27 and formed on the upper substrate become non-uniform, and the image quality deteriorates.
[0009]
Second, the gas remaining in the high vacuum region between the member 30 and the upper substrate 28 is ionized and the microchip 27 is sputtered, so that the tip shape of the microchip 27 is likely to deteriorate with time, and the emitted electrons There is a problem that the amount decreases.
[0010]
Third, since the flight direction of electrons emitted from the microchip 27 extends in a range of about ± 30 degrees with respect to the direction perpendicular to the surface of the cathode (upper substrate 28), the emission region of the fluorescent stripe surface is also Expanding. This is disadvantageous in increasing the definition of the display.
[0011]
The fourth is a problem in the manufacturing process. The microchip 27 is usually formed by forming a lift-off layer on the gate electrode line 24 and vacuum depositing a refractory metal such as molybdenum. Thereafter, a refractory metal such as molybdenum deposited on the lift-off layer is removed by lift-off. However, the metal piece peeled off at this time enters the micro hole 26, and the microchip 27 and the gate electrode line 24 are short-circuited. As a result, the cathode electrode line 22 and the gate electrode line 24 may be short-circuited. As a result, the manufacturing yield decreases.
[0012]
In order to avoid these problems, JP-A-8-155564 discloses an electron emission source using an electron emission surface.
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the main part of the electron emission source in this prior art. 9, the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and a low work function material layer 32 such as diamond and a conductive contact layer 33 such as metal are sequentially laminated on the lower substrate 21. Furthermore, an insulating layer 23 such as silicon dioxide and a gate electrode layer 24 are sequentially formed on the conductive contact layer 33, and an intersection region between the low work function material layer 32 and the gate electrode layer 24 includes A hole 26 that penetrates the gate electrode layer 24, the insulating layer 23, and the conductive contact layer 33 and reaches the low work function material layer 32 is formed.
The conductive contact layer 33 has a function of preventing dielectric breakdown caused by electrons injected from the low work function material layer 32 into the insulating layer 23 such as silicon dioxide, and is formed as necessary. By providing this function, electrons are efficiently emitted from the surface of the planar low work function material layer 32 at the bottom of the hole 26.
[0013]
A conventional electron emission source using a flat electron emission surface is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-11564.
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the main part of the electron emission source in this prior art. 10, in the same manner as shown in FIG. 7, a cathode electrode layer 22, an insulating layer 23, and a gate electrode layer 24 are sequentially laminated on the lower substrate 21, and the cathode electrode layer 22 and the gate electrode are formed. In the region intersecting with the layer 24, a hole 26 is formed that penetrates the gate electrode layer 24 and the insulating layer 23 and reaches the inside of the surface of the cathode electrode layer 22. Further, a low work function material layer 32 such as diamond is formed in the recess 221 of the cathode electrode layer 22 corresponding to the bottom of the hole 26, and this low work function material layer 32 constitutes a planar electron emission surface.
Thus, electrons can be efficiently emitted from the surface of the low work function material layer 32 formed in the recess 221 of the cathode electrode layer 22 corresponding to the bottom of the hole 26 without being exposed to damage such as plasma. Become.
[0014]
However, in the electron emission source having the structure shown in FIG. 9, after the low work function material layer 32 is formed, an insulating layer 23 such as silicon dioxide, which is an upper structure thereof, must be formed. There is. That is, if the insulating layer 23 such as silicon dioxide is formed on the low work function material layer 32 by sputtering or plasma CVD, the surface of the low work function material layer 32 is exposed to plasma, and thus is damaged. Further, when the hole 26 is formed, the surface of the low work function material layer 32 is exposed to plasma by RIE (Reactive Ion Etching), and thus is damaged.
For this reason, the original electron emission capability of the low work function material layer 32 cannot be fully exhibited. Further, even if the emission electron density required for high luminance is obtained, the voltage applied between the gate electrode line 24 and the low work function material layer 32 becomes relatively high, and there is a concern about dielectric breakdown. New problems occur.
[0015]
In the electron emission source having the structure shown in FIG. 10, when the low work function material layer 32 is formed at the bottom of the recess 221, the low work function material adheres to the edge portion 221A of the recess 221, and There is a possibility that an electric field having the maximum intensity is applied to the functional material surface. In this case, the field emission current becomes maximum at the edge portion 221A of the recess 221 from the vicinity of the center of the fine hole 26, and electron emission mainly occurs at this position. The electrons emitted from the edge portion 221A of the recess 221 are more likely to reach the gate electrode line 24 than the electrons emitted from the vicinity of the center of the fine hole 26. In other words, when a low work function substance adheres to the edge portion 221A of the concave portion 221, the ratio of the amount of electrons reaching the anode to the amount of electrons reaching the gate electrode line 24 becomes small, and the efficiency of electrons deteriorates. .
Further, when the low work function material layer 32 is formed, there is a problem that the gate electrode line 24 and the cathode electrode line 22 are short-circuited with high resistance due to the low work function material generated on the inner wall of the insulating layer 23 of the hole 26. is there.
[0016]
The present invention is intended to solve such a problem of the prior art. The object of the present invention is to drive at a low voltage, to reduce the spread of the electron beam, to have a long lifetime and to be efficient, and to provide an electrode. It is an object of the present invention to provide an electron emission source with a high manufacturing yield with less risk of short-circuiting, a method for manufacturing the electron emission source, and a display device using the electron emission source.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention , In order to achieve the above object, a cathode electrode formed on a substrate and a gate electrode formed on an upper surface of the cathode electrode with an insulating layer interposed therebetween, opening on the upper surface of the gate electrode and penetrating the insulating layer. An electron emission source in which one or a plurality of micropores reaching the cathode electrode are formed, and the upper surface of the cathode electrode facing the micropores is formed from the upper surface. Above It extends at a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and is larger than the opening area of the micropore. Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area Formed in Recess When On the bottom of the recess Been formed Electron emission thin film And have Do , Related to electron emission sources The
[0018]
In addition, the present invention provides a substrate , A cathode electrode, an insulating layer, and a gate electrode are formed in this order, and one or a plurality of fine holes that open to the upper surface of the gate electrode and penetrate the insulating layer to reach the upper surface of the cathode electrode are formed. A method of manufacturing an electron emission source including a step, wherein an upper surface of the cathode electrode facing the fine hole is formed from the upper surface. Above Extending to a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and larger than the opening area of the micropores Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area In 1st process of forming a recessed part, and 2nd process of forming an electron emission thin film in the bottom face of the said recessed part , Relating to a method of manufacturing an electron emission source The
[0019]
The present invention also provides a cathode electrode formed on a substrate, a gate electrode formed on an upper surface of the cathode electrode via an insulating layer, an opening formed on the upper surface of the gate electrode and penetrating through the insulating layer to form the cathode electrode One or more micropores leading to When From the upper surface to the upper surface of the cathode electrode facing the fine hole Above It extends at a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and is larger than the opening area of the micropore. Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area Formed in Recess When On the bottom of the recess Been formed Electron emission thin film And have Electron emission source and the electron emission source Against Interval Place Electron emission having an anode electrode and a phosphor screen arranged opposite to each other, and applying a voltage between the cathode electrode and the gate electrode source More electrons are emitted, and the electrons are incident on the phosphor screen to cause the phosphor screen to emit light. , Relating to display devices The
[0020]
As described above, in the electron emission source of the present invention, the manufacturing method thereof, and the display device using the electron emission source, a predetermined depth is formed on the upper surface of the cathode electrode facing the fine hole from the upper surface in the thickness direction of the cathode electrode. And is larger than the opening area of the micropore Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area In By forming a recess and forming an electron-emitting thin film on the bottom surface of the recess, Neighborhood The electric field with the maximum intensity is applied from the surface to the surface of the electron emission thin film near the center. Neighborhood The maximum is in the vicinity of the central part from the part, and electrons are mainly emitted at the position near the central part. Thereby, the amount of electrons reaching the anode electrode through the fine holes is increased, and the efficiency of emitted electrons can be improved.
[0021]
In addition, by forming the recess in the opening area expanded in the outer circumferential direction of the microhole so as to be larger than the opening area of the microhole, By electron emission thin film The cathode electrode and the gate electrode are not short-circuited, the throughput of manufacturing the electron emission source can be improved, the manufacturing yield can be improved, and the manufacturing cost of the display device can be reduced.
Further, by using a carbon film as the electron emission thin film, the electron density required for a display device with high luminance can be extracted from the electron emission thin film even with an electric field strength of about several tens of V / μm or less. As a result, the voltage applied between the cathode electrode and the gate electrode can be several tens of volts or less, and low voltage driving is possible, and a display device constituted by an electron emission source can also be driven at low voltage.
In addition, the electron emission thin film composed of the carbon film is not easily affected by sputtering even when the gas remaining in the vacuum region is ionized during operation and the electron emission thin film is sputtered. Therefore, stable emission can be maintained for a long time, the lifetime can be extended, and the lifetime of the display device constituted by this electron emission source can be extended.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a longitudinal side view of an essential part showing an enlarged electron emission source in the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the electron emission source in the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view showing an example of a display device according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the display device. The display device 100 emits electrons through the electron emission source 10 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 and the high vacuum region 101. An upper substrate 102 (corresponding to a glass substrate in the claims) disposed on the upper portion of the source 10 is configured. The upper substrate 102 is made of a transparent glass substrate.
[0023]
The electron emission source 10 includes a lower substrate 1 made of, for example, a glass material, as shown in FIGS. 1 to 3, and a plurality of strip-like cathode electrode lines 2 (cathode electrodes in claims) on the surface thereof. Are formed in parallel with a predetermined interval. An insulating layer 3 is formed on the exposed surfaces of the lower substrate 1 and the cathode electrode line 2, and a plurality of strip-like gate electrode lines 4 intersecting the cathode electrode line 2 are formed on the upper surface of the insulating layer 3. (Corresponding to the gate electrodes in the range) are formed in parallel with a predetermined interval. The end of each cathode electrode line 2 and the end of each gate electrode line 4 are connected to the control means 12, respectively.
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 2, a large number of fine holes 5 are formed at each intersection of the cathode electrode line 2 and the gate electrode line 4 to form a region corresponding to one pixel in the display device 100. ing.
As shown in FIG. 1, each microhole 5 passes through the gate electrode line 4 and the insulating layer 3 and reaches the upper surface of the cathode electrode line 2, and further, the cathode electrode line facing the microhole 5. On the upper surface of 2, an opening extending from the upper surface in the thickness direction of the cathode electrode line 2 at a predetermined depth and expanded in the outer peripheral direction of the microhole 5 so as to be larger than the opening area of the microhole 5. A recess 6 having an area is formed.
A circular electron emission thin film 7 made of a material that emits electrons at a low electric field, such as carbon, is formed on the bottom surface of the recess 6. The area of the upper surface of the circular electron emission thin film 7 is set smaller than the opening area of the recess 6 (substantially the same as the opening area of the microhole 5), and the thickness thereof is set smaller than the depth dimension of the recess 6.
[0025]
Further, in the display device 100 shown in FIG. 3, the upper substrate 102 is disposed so as to face the electron emission source 10 through the high vacuum region 101. A plurality of strip-like anode electrode lines 103 (corresponding to the anode electrodes in the claims) extending parallel to the gate electrode lines 4 are extended on the lower surface portion of the upper substrate 102, and the surface of each anode electrode line 103 is extended. Each has a fluorescent stripe extending along with the anode electrode line 103.
[0026]
In the electron emission source 10 configured as described above, when the required cathode electrode line 2 and gate electrode line 4 are selected by the control means 12 and a predetermined voltage is applied between these electrodes, the cathode electrode line 2 A predetermined electric field is applied to the electron emission thin film 7 in the intersection region between the gate electrode line 4 and the pixel electrode region, that is, electrons are emitted from the electron emission thin film 7 by the tunnel effect.
[0027]
Further, in the display device 100 constituted by the electron emission source 10, electrons emitted from the electron emission thin film 7 in each microhole 5 by exciting the electron emission source 10 in a predetermined pixel region are located above the gate electrode line 24. It is accelerated by the voltage applied between the anode electrode line 103 of the substrate 102 and reaches the fluorescent stripe through the high vacuum region 3 between the gate electrode line 4 and the upper substrate 2. Visible light is emitted from the fluorescent stripe by the incidence of electrons, and this visible light can be observed as an image when viewed through the transparent anode electrode line 103 and the upper substrate 102.
[0028]
According to the electron emission source 10 of the present embodiment as described above, the concave portion 6 of the cathode electrode line 2 in which the electron emission thin film 7 is formed at the bottom of the microhole 5 has a predetermined depth and the microhole. 5 is formed so as to be larger than the opening area of the microhole 5, and the upper surface area of the circular electron emission thin film 7 is smaller than the opening area of the recess 6, and the thickness thereof is Since the depth is set to be smaller than the depth of the recess 6, the outer peripheral surface of the electron emission thin film 7 is separated from the inner peripheral surface of the recess 6, and the inner peripheral surface of the recess 6 is a microscopic hole 5 formed in the insulating layer 3. It is put in the state retracted from the inner peripheral surface to the outer peripheral direction. For this reason, the electric field strength at the inner periphery of the recess 6 is sufficiently small compared with the electric field strength near the center. As a result, electrons are not emitted, or even if emitted, the electron density is very low, and the practical effect is negligible.
[0029]
Therefore, an electric field having the maximum intensity is applied to the surface of the electron emission thin film 7 near the center from the inner peripheral portion of the bottom surface of the microhole 5, and as a result, the field emission current is generated from the inner peripheral portion of the bottom surface of the microhole 5. The maximum is near the center, and electrons are mainly emitted at positions near the center. As a result, the amount of electrons reaching the anode electrode line through the fine holes 5 increases, so that the efficiency of emitted electrons can be improved and the spread of the electron beam to the anode electrode line can be reduced.
In addition, by forming the recess 6 in an opening area that is enlarged in the outer peripheral direction of the microhole 5 so as to be larger than the opening area of the microhole 5, the lower end 3A of the insulating layer 3 is stretched toward the opening side of the recess 6. Since the structure is extended, even when a carbon layer is formed on the inner wall surface of the insulating layer 3 when the electron emission thin film 7 is formed on the bottom surface of the recess 6, this carbon layer is the lower end of the insulating layer 3. It is not formed in the part 3A. For this reason, the cathode electrode line 2 and the gate electrode line 3 are not short-circuited, and the throughput of manufacturing the electron emission source can be improved. As a result, the manufacturing yield is improved and the manufacturing cost of the display device 100 can be reduced.
[0030]
Further, according to the present embodiment, by using a carbon film as the electron emission thin film 7, even if the electric field intensity is about 50 V / μm or less, the electron density necessary for a high-brightness display device can be obtained. The release film 7 can be taken out. That is, if the thickness of the insulating layer 3 is set to about 1 μm, the voltage applied between the cathode electrode line 2 and the gate electrode line 4 can be several tens of volts or less, and low voltage driving is possible. Therefore, the display device 100 constituted by the electron emission source 10 can also be driven at a low voltage.
Further, the electron emission thin film 7 formed of the carbon film does not change the shape of the electron emission thin film 7 even when the gas remaining in the vacuum region during operation is ionized and the electron emission thin film 7 is sputtered. Because it is difficult to receive, stable emission can be maintained for a long time, and the service life can be extended. Therefore, the display device 100 constituted by the electron emission source 10 also has a long life.
[0031]
The shape of the fine hole 5 of the electron emission source in the present embodiment has been described as being circular as shown in FIG. 2, but this shape is not limited to a circle but may be a polygon or an ellipse. It doesn't matter.
[0032]
Next, a method for manufacturing the electron emission source 10 will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 1, a conductive film is formed by depositing niobium, molybdenum, chromium, or the like on the lower substrate 11 made of glass or the like to a thickness of about 200 nm. Thereafter, the conductor film is formed in a line shape by a photoengraving method and a reactive ion etching method to form a cathode electrode line 2.
[0033]
Next, for example, silicon dioxide is formed on the exposed surfaces of the lower substrate 1 and the cathode electrode line 2 by sputtering or chemical vapor deposition to form the insulating layer 3. Further, on the insulating layer 14, for example, niobium or molybdenum. A conductive film for a gate electrode is formed. Thereafter, the conductive film is formed into a line shape intersecting the cathode electrode line 2 by photolithography and reactive ion etching, thereby forming the gate electrode line 4.
[0034]
Next, a fine hole 5 having a circular shape in plan view that penetrates the gate electrode line 4 and the insulating layer 3 and reaches a predetermined depth in the thickness direction from the surface of the cathode electrode line 2 is formed by a photolithography method, a plasma etching method, or the like. Form.
Next, with the gate electrode line 4 and the insulating layer 3 left as they are, the concave portion 6 of the cathode electrode line 2 corresponding to the bottom of the fine hole 5 is expanded in the outer peripheral direction so as to be larger than the opening area of the fine hole 5. The opening area is formed by etching.
The etching process for the fine holes 5 and the diameter expansion etching process for the recesses 6 constitute the first process of claim 9.
[0035]
Next, a carbon film is formed at the central portion in the recess 6 by a laser ablation method or a sputtering method in which a target substrate mainly composed of carbon is irradiated with a laser beam to form an electron emission thin film 7 of a cold cathode. Form. The step of forming the electron emission thin film 7 constitutes the second step of claim 9.
Further, in order to eliminate a short circuit between the gate electrode line 4 and the cathode electrode line 2, the inner wall surface of the fine hole 5 of the insulating layer 3 is etched by wet etching as necessary after the formation of the electron emission thin film 7.
[0036]
Of course, the electron emission source configured by the manufacturing method as described above can obtain the same effects as those of the electron emission source shown in the first embodiment.
[0037]
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a longitudinal side view of an essential part showing an enlarged electron emission source in the second embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the electron emission source in the second embodiment of the present invention. is there.
4 and 5, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. The electron emission source 10 includes a lower substrate 1 made of a glass material or the like on the surface thereof. A plurality of strip-like cathode electrode lines 2 are formed in parallel with a predetermined interval. An insulating layer 3 is formed on the exposed surfaces of the lower substrate 1 and the cathode electrode line 2, and a plurality of strip-like gate electrode lines 4 intersecting the cathode electrode line 2 are formed on the upper surface of the insulating layer 3 at a predetermined interval. Separated and formed in parallel. The end of each cathode electrode line 2 and the end of each gate electrode line 4 are connected to the control means 12, respectively.
[0038]
As shown in FIGS. 4 and 5, a large number of slit-like micro holes 5 </ b> A extending in one direction are formed at each intersection of the cathode electrode line 2 and the gate electrode line 4. An area corresponding to one pixel is formed.
As shown in FIG. 4, each slit-shaped microhole 5 </ b> A penetrates the gate electrode line 4 and the insulating layer 3 and reaches the upper surface of the cathode electrode line 2. The upper surface of the cathode electrode line 2 facing 5A extends from the upper surface in the thickness direction of the cathode electrode line 2 with a predetermined depth and is larger than the opening area of the minute hole 5A. A recess 6A having an opening area expanded in the direction is formed.
A rectangular electron emission thin film 7A corresponding to the slit-shaped microhole 5A made of a material that emits electrons with a low electric field such as carbon is formed on the bottom surface of the recess 6A. The upper surface area of the electron emission thin film 7A is smaller than the opening area of the recess 6A (substantially the same as the opening area of the microhole 5A), and the thickness thereof is set smaller than the depth dimension of the recess 6A.
[0039]
In the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In addition, the microhole 5A is formed in a slit shape, so that it is compared with the circular microhole 5. Thus, the emission region can be increased, so that a larger current density can be obtained even when driven with the same voltage.
And the cold cathode which has such a slit-shaped minute hole 5A can acquire a larger emission current by applying a low voltage.
[0040]
[Third embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a longitudinal sectional side view of an essential part showing an enlarged unit element of the electron emission source in the third embodiment of the present invention.
In FIG. 6, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The unit element of the electron emission source 10 includes a lower substrate 1 made of a glass material or the like. A cathode electrode line 2 having a layer structure is formed. An insulating layer 3 is formed on the exposed surfaces of the lower substrate 1 and the cathode electrode line 2, and a gate electrode line 4 is formed on the upper surface of the insulating layer 3.
[0041]
The two-layer cathode electrode line 2 includes an upper cathode electrode line 201 and a lower cathode electrode line 202. The upper layer cathode electrode line 201 has a thickness of 200 nm, and the lower layer cathode electrode line 201 has a thickness of 200 nm.
Further, as shown in FIG. 6, a circular fine hole 5 similar to that shown in FIG. 1 (or shown in FIG. 5) is formed at the intersection between the cathode electrode line 2 and the gate electrode line 4 having a two-layer structure. The slit-shaped microhole 5A) is formed so as to penetrate the gate electrode line 4 and the insulating layer 3 and reach the upper surface of the upper cathode electrode line 201. Further, the upper cathode electrode line 201 has a microhole 5A. An opening 203 having an area larger than the opening area of the slit-shaped microhole 5A shown in FIG. 5 is formed so as to penetrate in the thickness direction of the upper cathode electrode line 201. The opening 203 and the lower end of the opening 203 A recess 6 </ b> B is formed on the upper surface of the lower cathode electrode line 202 that covers the gap.
Then, on the lower cathode electrode line 202 in the recess 6B, an electron emission thin film having a shape corresponding to the circular minute hole 5 (or slit-like minute hole 5A) made of a material that emits electrons at a low electric field such as carbon. 7 is formed.
[0042]
As a combination of the materials of the two-layer cathode electrode line 2, combinations having different etching characteristics are preferable.
That is, examples of the different metal material include a combination of niobium and chromium, a combination of a metal material and a compound thereof, such as tungsten and silicon tungsten.
Further, as a combination of materials having different film qualities of the two-layer cathode electrode line 2, a combination of a polycrystalline film and an amorphous film is possible.
[0043]
In the electron emission source having the structure shown in the third embodiment, when the opening 203 is formed in the upper cathode electrode line 201 in order to form the recess 6B, the lower cathode electrode line 202 is selected. It becomes possible to perform etching with a good ratio. Accordingly, the step between the surface of the upper cathode electrode line 201 and the surface of the electron emission thin film 7 can be made uniform over the entire surface of the wide electron emission source.
Of course, in the electron emission source shown in the third embodiment, the same operation and effect as in the case of the first embodiment can be obtained.
[0044]
In the present invention, the cathode electrode line 2 is not limited to a two-layer structure, and may be formed of a laminated film having three or more layers.
Also in the third embodiment, in order to eliminate a short circuit between the gate electrode line 4 and the cathode electrode line 2, the inner wall surface of the fine hole 5 of the insulating layer 3 is formed after the electron emission thin film 7 is formed. Etching may be performed by wet etching as necessary.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, the present invention Electron emission source Has a cathode electrode formed on the substrate and a gate electrode formed on the upper surface of the cathode electrode via an insulating layer, and opens to the upper surface of the gate electrode and penetrates the insulating layer to form the cathode electrode. An electron emission source in which one or a plurality of micropores are formed, the top surface of the cathode electrode facing the micropores being formed from the top surface Above It extends at a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and is larger than the opening area of the micropore. Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area In A recess is formed, and an electron emission thin film is formed on the bottom surface of the recess.
[0046]
In addition, the present invention Of manufacturing electron emission source On the board , A cathode electrode, an insulating layer, and a gate electrode are formed in this order, and one or a plurality of fine holes that open to the upper surface of the gate electrode and penetrate the insulating layer to reach the upper surface of the cathode electrode are formed. A method of manufacturing an electron emission source including a step, wherein an upper surface of the cathode electrode facing the fine hole is formed from the upper surface. Above Extending to a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and larger than the opening area of the micropores Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area In It has the 1st process of forming a recessed part, and the 2nd process of forming an electron emission thin film in the bottom face of the said recessed part, It is characterized by the above-mentioned.
[0047]
The display device of the present invention includes a cathode electrode formed on a substrate, and a gate electrode formed on an upper surface of the cathode electrode through an insulating layer, and opens to the upper surface of the gate electrode. One or a plurality of fine holes penetrating to the cathode electrode is formed, and the upper surface of the cathode electrode facing the fine hole is formed from the upper surface. Above It extends at a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode and is larger than the opening area of the micropore. Expanded to the outer periphery of the micropore Opening area In An electron emission source in which a recess is formed, and an electron emission thin film is formed on a bottom surface of the recess, and the electron emission source Against Interval Place Electron emission having an anode electrode and a phosphor screen arranged opposite to each other, and applying a voltage between the cathode electrode and the gate electrode source Electrons are further emitted, and the electrons are incident on the phosphor screen to cause the phosphor screen to emit light.
[0048]
As described above, according to the electron emission source of the present invention, the manufacturing method thereof, and the display device using the electron emission source, a predetermined depth is formed on the upper surface of the cathode electrode facing the fine hole from the upper surface in the thickness direction of the cathode electrode. By forming a recess having an opening area larger than the opening area of the micropore and forming an electron-emitting thin film on the bottom surface of the recess, Neighborhood The electric field with the maximum intensity is applied from the surface to the surface of the electron emission thin film near the center. Neighborhood The maximum is in the vicinity of the central part from the part, and electrons are mainly emitted at the position near the central part. Thereby, the amount of electrons reaching the anode electrode through the fine holes is increased, and the efficiency of emitted electrons can be improved.
[0049]
Further, by forming the recess in an opening area that is enlarged in the outer peripheral direction of the microhole so as to be larger than the opening area of the microhole, the cathode electrode and the gate electrode are not short-circuited, and the electron emission source Manufacturing throughput can be improved, manufacturing yield can be improved, and display device manufacturing costs can be reduced.
Further, by using a carbon film as the electron emission thin film, the electron density required for a display device with high luminance can be extracted from the electron emission thin film even with an electric field strength of about several tens of V / μm or less. As a result, the voltage applied between the cathode electrode and the gate electrode can be several tens of volts or less, and low voltage driving is possible, and a display device constituted by an electron emission source can also be driven at low voltage.
In addition, the electron emission thin film composed of the carbon film is not easily affected by sputtering even when the gas remaining in the vacuum region is ionized during operation and the electron emission thin film is sputtered. Therefore, stable emission can be maintained for a long time, the lifetime can be extended, and the lifetime of the display device constituted by this electron emission source can be extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal side view of an essential part showing an enlarged electron emission source according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of an electron emission source according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a display device according to the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal side view of an essential part showing an enlarged electron emission source in a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of an electron emission source according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a third embodiment of the present invention. of It is a vertical side view of the principal part which expands and shows the unit element of the electron emission source in a form example.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of a conventional electron emission source.
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional display device.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of a conventional electron emission source.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of a conventional electron emission source.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lower substrate, 2 ... Cathode electrode line, 3 ... Insulating layer, 4 ... Gate electrode line, 5, 5A ... Fine hole, 6, 6A ... Recess, 7 ... Electron emission thin film, 10 ... ... Electron emission source, 12 ... Control means, 100 ... Display device, 101 ... High vacuum region, 102 ... Upper substrate, 103 ... Anode electrode line, 201 ... Upper cathode electrode line, 202 ... Lower cathode Electrode line.

Claims

1 having a cathode electrode formed on a substrate and a gate electrode formed on an upper surface of the cathode electrode via an insulating layer, opening to the upper surface of the gate electrode and penetrating the insulating layer to reach the cathode electrode An electron emission source having one or more micropores formed therein,
Outer circumferential direction of the from the upper surface in the thickness direction of the cathode electrode on the upper surface of the cathode electrode extends in a predetermined depth, and the micropore size than the Kunar opening area of the micropores facing the micropores a recess formed in the opening area is enlarged to,
An electron emission thin film formed on the bottom surface of the recess ;
To have the electron emission source.

The electron emission film is a carbon film other thin electron in a low electric field is emitted, the electron emission source of claim 1.

The electron area of emission thin film is smaller than an opening area of the recess, and the thickness of the electron emission film is smaller than the depth of the recess, the electron emission source of claim 1.

The opening shape generally circular plan view of the micropores, oval, square, is either slit, the electron emission source of claim 1.

The shape of the recess planar view substantially circular, elliptical, square, is either slit, the electron emission source of claim 1.

The cathode electrode is made of the upper layer and the lower layer of the cathode electrode, wherein the upper layer to the cathode electrode is formed through the thickness direction of opening the upper cathode electrode of larger area than the opening area of the micropores, and the opening the recess in the upper surface of the lower cathode electrode for closing the lower end of the opening is formed, the electron emission source of claim 1.

The upper and lower cathode electrodes is made of a different material having etching characteristics, the electron emission source of claim 6.

The cathode electrode is composed of three or more layers of the multilayer film, the electron emission source of claim 1.

On the substrate, a cathode electrode, an insulating layer, and a gate electrode are formed in this order, and one or more fine electrodes that open to the upper surface of the gate electrode and penetrate the insulating layer to reach the upper surface of the cathode electrode A method of manufacturing an electron emission source including a step of forming holes,
Said from the upper surface to the upper surface of the cathode electrode facing the micropores extend to a predetermined depth in the thickness direction of the cathode electrode, the outer peripheral direction of the micropores from the size Kunar opening area of the micropores a first step of forming a recess in the enlarged open area to,
And a second step of forming the electron emitting thin film on the bottom surface of the recess, the manufacturing method of the electron emission source.

A fine hole penetrating the gate electrode and the insulating layer and reaching a predetermined depth in the thickness direction from the surface of the cathode electrode is formed , and then the fine hole is left in a state where the gate electrode and the insulating layer are left as they are. the method of manufacturing of forming the concave portion of the cathode electrode corresponding to the bottom opening area is enlarged toward the outer periphery so as to be larger than the opening area of the micropores, the electron emission source of claim 9.

Wherein after the formation of the electron emission film, the etched by wet etching the inner wall surface of the fine pores of the insulating layer, the manufacturing method of the electron emission source of claim 9.

A cathode electrode formed on the substrate; a gate electrode formed on an upper surface of the cathode electrode through an insulating layer; and one or a plurality of openings that open to the upper surface of the gate electrode and penetrate the insulating layer to reach the cathode electrode and micropores, wherein the upper surface to the upper surface of the cathode electrode facing the micropores in said thickness direction of the cathode electrode extends in a predetermined depth, and the size Kunar so than the opening area of the micropores a recess formed in the opening area is enlarged toward the outer periphery of the micropores, and the electron emission source that have a electron emission thin film formed on the bottom surface of the recess,
The electron emission source with respect to face and a disposed the anode electrode and the phosphor screen at intervals, releasing electrons from the electron emission source by applying a voltage between said cathode electrode and said gate electrode And causing the electrons to enter the phosphor screen and causing the phosphor screen to emit light.

On the substrate, a plurality of strip-shaped said cathode electrode are arranged substantially in the same direction have location apart in the width direction, and crossing the cathode electrodes a plurality of strip-like the gate electrode is spaced in the width direction is arranged, the cathode electrode and the gate electrode is the micropores formed at the intersection, a plurality of strip of the anode electrode are disposed opposite to each gate electrode, according to claim 12 Display device.

Glass substrate is provided have place the distance between the electron emission source, the anode electrode is formed on the surface facing the electron emission source of the glass substrate, the phosphor screen the electron emission source of the anode electrode It is formed on the surface facing the display apparatus according to claim 12.