JPH02304836A - 電子ビーム発生装置並びにこれを用いた陰極線管及び表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、中で電子が発生される少なくとも１つの開口
部とこの開口部の少なくとも大部分に沿って設けられた
ゲート電極とを有する絶縁層をそなえた主表面を有する
電子ビーム発生装置に関するものである。

本発明はまたこのような装置に対する支持体およびこの
ような装置を有する陰極線管ならびに表示装置に関する
ものである。

前記のタイプの装置は、陰極線管（表示管、措像管）の
ほかに、エレクトロリソグラフィや電子顕微鏡技術にも
適用されることができる。

（従来の技術） 出願公開され且つ本願発明に参考となるオランダ国特許
出願第７９０５４７０号には、半導体装置所謂“冷陰極
”をそなえた陰極線管が示されている。

この冷陰極の動作は、電荷キャリヤのなだれ増倍が存す
るようにｐｎ接合が逆バイアスされた半導体よりの電子
の放出に基づいている。この場合電子の成るものは電子
仕事関数を越えるのに必要なだけの運動エネルギを得る
ことができる。これ等の電子はこの場合半導体の主表面
より放出され、かくして電子流を与える。

前記の装置における電子の放出は、半導体装置に、主表
面上に位置する絶縁層の上に所謂加速電極或はゲート電
極を設け、これ等の電極が絶縁層内に開口部（スリット
状、環状、円状、方形状）を残すようにすることによっ
て簡単にされる。電子の放出を更に簡単にするために、
所望に応して、半導体表面に例えばセシウムのような仕
事関数を減少する材料が設けられる。

前記の“冷陰極”は、多数の電子ビームが、並置された
半導体陰極の行内で発生されるようにしたオランダ国特
許出願第８７００４８６号に記載された薄い、平らな装
置内に有利に用いられることができる。この装置では、
関係の電子ビームの行は、偏向、加速および別の電子光
学操作の後けい光スクリーンに入射し、与えられた情報
に応じて画素の行を発光させる。通常の７５０μｍの画
素ピッチと、例えば放出面の略々３０倍の電子光学シス
テムの倍率とに対しては、陰極の位置決め裕度は１０μ
ｍより小さい、というのは、さもなければ画素が互に重
なるおそれがあるからである（すべての放出面が同一の
平面内にあるものとして）。このような裕度は、組立に
非常に厳しい要求を課す。

前記のオランダ国特許出願第８７００４８６号の装置で
は、陰極の主表面は電子ビームが運動する面に略々平行
に延在する。高エネルギの正イオンは極く一部しか半導
体陰極の表面に達することができず、したがってその効
率はイオン衝撃による急速な低下を防がれる。これは、
電子ビームを、特に電子ミラーを有する電子光学システ
ムによって９０゜曲げることによって達成される。

電子ビームは、前記の電子ミラーの十分な動作のために
実質的に平行でなければならない。ゲート電極は加速電
極として機能するのが普通なので、この電極は、発生さ
れた電子のビームに負レンズ作用を有する。したがって
、ビームを実質的に平行にするために電子ビームを実質
的に平行にする正レンズ作用を有する第１電極を陰極か
らできる限り短かい距離に配設するのが好ましい。この
ような電極を取付けることのできる最小距離は（とりわ
け、陰極と接触するボンディングワイヤのために）略々
３００　ｕ　ｍである。

このことは組立技術の見地から大きな問題を生じる。そ
の上、この距離のために、ミラー電極と陰極の間に正の
イオンも発生されてこのため陰極の効率がイオン衝撃に
よって影響を受けるおそれのあるような高い電圧を第１
電極とミラー電極の夫々レンズ作用とミラー作用に対し
て用いることが必要である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、とりわけ、半導体陰極の位置決め裕度が著し
く厳密でな（ですむ装置を供することを目的とする。

本発明の別の目的は、ミラー電極が、陰極と該ミラー電
極の間に正イオンが実質的に発生されないような低い電
圧で作動されることのできる装置を得ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、云わば、電子ビームを発生する装置内の電子
光学システムの一部を集積することによってこれを達成
することができるという認識に基いたものである。

本発明の装置は、該装置が、少なくとも平面図でみて、
ゲート電極の表面を実質的に完全に越えて延在する少な
くとも１つの特別な電極を有することを特徴とする。

ゲート電極が正の電圧を有する一方前記の特別な電極に
放出面に対して負の電圧を与えることにより、装置全体
は主表面から非常に短かい距離（５０μｍのオーダー）
で電子ビームを発生する正の電子レンズとして働き、前
記の電子ビームは、前記の表面に対して実質的に直角に
向けられ、ビーム直径の変化を全くまたは殆んど受けな
い。前述した３０の倍率はかくして電子放出体に部分的
に実現される。これによって、前述した応用における冷
陰極の前述の位置決め裕度は略々５０／７＋１１に増加
され、この裕度は、製造技術の見地から容易に制御可能
である。他の応用では、本発明の装置を用いることによ
って、より簡単な電子光学システムでも足りることがで
き名。

ゲート電極と加速電極は１つのマスキング工程でつくる
ことができるので、異なる陰極の放出挙動は僅かしか変
らず、一方電子光学システムの大部分は共通に用いられ
る。このため、特に１つの半導体に多数の陰極を用いる
場合、画素１列毎のビーム挙動は実質的に同じになる。

電子ビームは実質的に平行なビームとして陰極を出るの
で、第１加速グリツドは省略されることができる。電子
光学システムの最初の部分（例えば電子ミラー）は略々
６０μｍの通常の距離に配設することができ、この距離
は、技術的な製造上の問題を生じない。その上、電子ミ
ラーは低い電圧を与えられることができるので、この電
子ミラーと陰極の間に正イオンは全（または殆んど発生
されない。

陰極は、珪素、ガリウム砒素またはその他の■−Ｖ族化
合物のような半導体材料内に形成されるのが好ましい。

放出機構は必ずしもなだれ増倍に基く必要はなく、電界
放出、ＮＢＡ陰極等もまた実行可能である。

（実施例） 以下に本発明を添付の図面を参照して実施例で更に詳し
く説明する。

図面は略図的なもので寸法比は無視しである。

対応する構成要素は同じ符号で示しである。断面図では
、同じ導電形の半導体領域は同じ方向の斜影で示されて
いる。

第１図は本発明の装置、この場合には半導体陰極２の平
面図で、第２図は断面図である。この装置はこの実施例
では珪素よりつくられた半導体本体３を有する。この半
導体本体は、その主表面４に、Ｐ形領域６および７とｐ
ｎ接合８を形成するｎ形表面領域５を有する。このｐｎ
接合８の両側に十分高い電圧を逆方向に加えることによ
り、半導体本体より放出されることのできる電子がなだ
れ像倍によって発生される。半導体装置には更に接続電
極（図示せず）が設けられ、この電極によってｎ形表面
領域５が被覆される。Ｐ形領域はこの実施例では下側に
おいて金属層９によって接触される。この接触は、高濃
度にドープされたｐ形接点領域１０を経て確立されるの
が好ましい。この実施例では、表面のｎ形領域５のドナ
ー濃度は例えば５　・１０１０ｌ９ａｔｏ／ｃｓ！１で
、一方ｐ形領域６のアクセプタ濃度は例えば１０”　ａ
ｔｏｍｓ／ｃＭである。ｐｎ接合８のブレークダウン電
圧を局部的に減少するために、半導体装置には、ｎ形領
域５とｐｎ接合を形成する一層高濃度にドープされたｐ
形領域７が設けられる。このｐｆＦ３領域７は第１の絶
縁層１２の開口部１１内に位置し、絶縁層Ｉ２の上には
多結晶珪素（ポリシリコン）のゲート電極１４が前記の
開口部１１のまわりに配設されている。必要に応じて、
開口部１１内の半導体表面を、仕事関数を減少する材料
例えばバリウムまたはセシウムを含む材料の層で被覆す
ることによって電子の放出を増すことができる。

このような半導体装置のそれ以上の詳細については前記
のオランダ国特許出願が参考になる。

ｐｎ接合８のブレークダウン電圧を局部的に減少するこ
とによって電子の放出は実質的に略々３μｍの直径を有
する円形領域１５（第１図）内でだけ行われる。

本発明によれば、装置は更に、この実施例ではゲート電
極１４を完全に取囲む特別な電極１６を有する。電極１
４．１６は、例えば多結晶珪素が局部的に酸化されるこ
とにより、低路交差（ｃｒｏｓｓ−ｕｎｄｅｒ）１７の
場所で互に絶縁される。

前記の２つの電極は、代りに、これ等を例えば金属より
形成し、低路交差が設けられ（例えば多結晶珪素内に）
且つ絶縁中間層と接点孔が夫々設けられた後に設けるこ
とによって一回のマスキング工程で設けることもできる
。この電極１４．１６は接点１８．１９を経て外部で接
続される。

第３図は、ゲート電極１４を２０Ｖの電圧および特別な
電極１６を−３，２ｖの電圧で使用した時の第２図の装
置における等電位線２１と電子通路２０とを線図で示し
たものである。ｎ形表面領域の電圧はＯｖである。絶縁
層の開口部１１はこの実施例では１０μｍの直径を有し
、放出面１５は３μｍの直径を有する。

ゲート電極１４の内形は開口部１１の縁と実質的に一致
し、外径は２２μｍであり、一方特別な電極１６の内径
は２６μｍでその外径は２００μｍである。

第３図は次のことを示す、すなわち、このような陰極内
では、前記の電圧において、関係の電子通路２０は、半
導体本体の主表面４の上方略々５０μｍの距離から、該
主表面（および放出面）に直角な方向に互に実質的に平
行に延在する。この図面は更に、全ビームが略々７５μ
ｍの直径を有することも示す。

特別な電極１６に負の電圧を与えることによって、ビー
ムを、陰極から云わば短かい距離（５０から１００μｍ
以内）において、実質的に平行な電子通路２０を有し且
つ放出面に直角な方向に略々一定な直径を有する電子ビ
ームに収束させること（正レンズ作用）が可能であるこ
とが見出された。このようなレンズの関連した倍率は略
々６であることが見出された。その利点を第４，５図を
参照して更に説明する。

第４図は、前記のオランダ国特許出願第８７００４８６
号に記載されたような平らな薄い表示装置２３を示した
もので、この装置は、壁２４で取囲まれ且つ電子ビーム
を発生する半導体陰極２′を収容した真空スペースを有
する。この陰極で発生された電子は先づグリッド２５．
２６によって加速され、電極２７で反射された後、表示
装置２３の後壁２４′と前面壁２４″に平行に動く電子
ビーム２２を形成する。このビーム２２は、略図で示し
た電子光学システム３２によって加速され、若し必要な
らば集束され、次いで偏向電極（図示せず）によってけ
い光スクリーン２９に向けて偏向される（矢印２８によ
って略図的に示す）。このような装置の動作は、参考と
して挙げた前記のオランダ国特許出願第８７００４８６
号に更に説明されている。

ミラー電極２７での反射によって後壁に平行なビーム２
２を得るために、電子はこの電極に４５°の角度で入射
せねばならず、この場合ビームは電子放出面に直角な通
路に沿って動く。

ゲート電極１４は（この電極が正の電圧の場合には）半
導体本体より放出された電子に、放出面に直角な特別な
加速を与えるが、放出された電子の一部は成る所定の角
度で陰極を出る。すべての電子に実質的に表面に直角な
通路を与えるために、陰極に近いグリッドは一般に高い
電圧（略々４０Ｖ）にあることが必要とされ、一方、や
はり高い電圧の第２グリツド２６はビームの最終的な整
形のために必要とされる。

とりわけゲート電極１４を（例えば制御ＩＣ３０の信号
のため）接続する接続ワイヤ３１のために、陰極２′と
グリッド２５間の最小距離は略々３０μｍである。けれ
ども、グリッドの低い電圧のために望ましいこのような
小さな距離での取付けは大きな問題を呈する。これと別
に、これ等の電圧すなわち電極２６．２７の電圧はこの
距離では非常に高くえらばねばならないので陰極と電極
２５．２６．２７の間には残留ガス粒子のイオン化のた
めに正イオンが発生される。これ等の正イオンは電界に
よって陰極に向って加速され、陰極がこのイオン衝撃に
よって損傷される。その上、多数の電子が第１グリツド
２５の開口部を通過しないので、多くの電子が失ねれる
。

ミラー電極２７により９０°偏向された後、電子ビーム
は加速されて第２の電子光学システム３２（破線で略図
的に示す）を通過する。

放出領域１５は、グリッド２５．２６、ミラー電極２７
および電子光学システム３２を経て、偏向後（矢印２８
）けい光スクリーン２９上に写像され、関係のビームが
陰極の調節に応じてこのスクリーンを発光させる。スク
リーン２９に衝突するビームは、放出領域１５の直径の
略々３０倍の直径を有する。第６図に略図的に示したよ
うに多数の並置された陰極を有する前記のオランダ国特
許出願第８７００４８６号に記載された原理による表示
システムでは（簡単のためこの図面には陰極２、ミラー
電極２７および電子ビーム２２だけを略図で示しである
）、その正常の位置に対する陰極２０１０μｍのアライ
メント誤差はこれによりけい光スクリーン上に駆動され
る画素の略々３００μｍのずれを引き起し、画素の混交
（ｂｌｅｎｄｉｎｇ）を生ずることがある。

第５図に示した本発明の表示装置２３は、特別の電極１
６をそなえた半導体陰極２を有する。第１図から３図に
関して説明したように、電子ビーム２２は、略々５０μ
ｍの距離から、放出面に直角で実質的に平行に延在する
通路２０をたどる。その上、ビームの直径の大きさは放
出面１５の直径の略々６倍である。

ビーム２２はこの場合主表面４に略々直角に延在するの
で、グリッド２５およびおそらくはグリッド２６も無し
ですませることができる。グリッド２６を用いた場合に
は、このグリッドは略々６００μｍの距離に配設される
。組立技術の見地からこの距離は問題が少なく、一方グ
リッド２６とミラー電極２７の電圧は、電極２７と表面
４間のイオン発生を阻止するのに十分な低さにできる。

この改良された装置は、放出面１５の直径の略々６倍の
直径で表面に直角な平行ビームを直ちに発生するので、
陰極２の配置に大きな自由度が得られる。３０の全倍率
を得るためには他の電子光学システム（グリッド２６、
ミラー電極２７、電子光学システム３２）の倍率は略々
６であり、このことは、スクリーン２９上の画素のずれ
が最大で１５０μｍに制限されるとすれば陰極２の位置
決め裕度は２５μｍでよいことを意味する。

第７図は第１，２図の装置の変形の略平面図で、この場
合電極１４．１６は１つの金属化層内に設けられる。特
別の電極１６は加速電極１４との接続を断たれている。

半導体装置の領域における起り得る非対称は、接続トラ
ック４６と共に例えばｎ＝４であるｎ−ディジット対称
を有する１つまたはそれ以上の特別な突起４５をゲート
電極に設けることによって補償することができる。けれ
ども、この実施例のようにｎ＝２でも十分である。同様
な考えは半導体領域にあり有る接続トラックに適用する
ことができる。

第８図は、電子が電界放出により発生されるようにした
本発明による別の装置の断面図である。

この目的で、電界エミツタ３３が絶縁Ｊｉ１２の開口部
１１内にある。（環状）のゲート電極１４が（例えば円
形の）開口部１１の縁に沿って存し、このゲート電極は
今度は特別な電極１６の中に位置する。その下側で金属
化［３４と接する電界エミフタ３３は、例えば、唯一つ
の陰極を有する電子管に使用するために鋭い金属尖端と
して具現することができるが、オランダ国特許出願第８
４００２９７号に記載されたような半導体陰極として用
いることもできる。

第９図は本発明による異なる装置を示す。例えばポリイ
ミド、ガラスまたはその他の絶縁材料の支持体３５が、
１つまたはそれ以上の半導体陰極２の開口部１１に対向
して位置する１つまたはそれ以上の開口部４３を有する
。この開口部４３は、ゲート電極１４および特別な電極
１６と完全に離れている。

支持体３５は、例えばはんだボール（フェースダウンボ
ンディング或はフリップ−チップ技法による）を介して
、電極１４．１６と半導体装Ｍｉ５．１０に電気的に接
続するためにその下側３６に導体トランク３７を有する
。電極１４．１６に対する接続は図の平面の外側すなわ
ち開口部４３の外側にある。ｐ形領域ＩＯとの接続のた
めに、装置は例えば深いｐ゛表面領域を有する。開口部
１１内に発生された電子はこの場合支持体３５の開口部
４３を通る通路をたどる。若し所望ならば、電子光学シ
ステムの部分を形成する金属電極４１を支持体３５の上
側に配設することができる。

本発明は勿論以上述べた実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者に
より考えられ得る変形も可能である。

例えば、若し所望されるならば、電子ビーム（したがっ
て鍾点の形）を変えるようにゲート電極を部分に分ける
ことが可能である。必要に応じて、特別な電極も２つま
たはそれ以上の部分に分けることができる。

電子光学システムをできるだけ向上するために、第１．
２図に破線４２で示した電極を特別な電極のまわりに配
設することができる。

代りに他の放出機構も可能である。例えば、ＮＢＡ陰極
を用いることができるが、例えば米国特許第４．５１６
．１４６号や同第４，５０６，２８４号に記載されたよ
うな陰極を用いることもできる。珪素の代りに、ガリウ
ム砒素または他のＩ［ｒＡ−ＶＢ族化合物を用いること
もできる。

開口部１１の形は必ずしも円形でなくてもよく、代りに
楕円または線状であってもよい。

すべての実施例はｐ形半導体本体に基いているが、代り
に、（特に１つの半導体本体内に複数の陰極を得る場合
）陰極が、ｐ゛接触拡散を経て接触されたｐ形埋込層の
領域に形成されたｎ形半導体を用いることもできる。

第１．２図のデバイスは全く異なる電圧で作動されるこ
ともできる。ゲート電極１４にｎ形領域６に対して負の
バイアスを与え、特別な電極１６に正のバイアスを与え
ることにより強い単一エネルギ電子ビームを装置に発生
することができるが、これは電子顕微鏡に用いる時に特
に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の略平面図、 第２図は第１図のＩＩ−ＩＩにおける断面図、第３図は
第１．２図に示した本発明の装置における電子通路の変
化を示す線図、 第４図は特別は電極を有しない表示装置の略図解図、 第５図は特別な電極を有する表示装置の略図解図、 第６図は第５図の装置における多数の陰極を示す斜視図
、 第７図は第１図の変形実施例の略平面図、第８図は本発
明の装置の変形の断面図、第９図は別の変形の断面図で
ある。 ２．２′・・・半導体陰極　３・・・半導体本体４・・
・主表面　　　　　　５・・・ｎ形表面領域６．７・・
・ｐ形領域　　　８・・・ｐｎ接合１１、４３・・・開
口部　　　　１２・・・絶縁層１４・・・ゲート電極　
　　　１５・・・放出領域１６・・・特別な電極　　　
　２５．２６・・・グリッド２７・・・ミラー電極 ３２・・・第２の電子光学システム ３５・・・支持体　　　　　　３７・・・導体トランク
３８・・・はんだボール 特許出願人　　工ヌ　ヘー　フィリップスフルーイラン
ペンファブリケン 代理人　弁理士　　杉　　村　　暁　　鍔間　　　弁理
士　　杉　　村　　興　　作問　　　弁理士　　佐　　
胚　　安　　捻回　　　弁理士　　冨　　１）　　　　
具間　　　　弁理士　　梅　　　木　　　政　　　人間
　　　弁理士　　仁　　平　　　　　　孝−１８′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中で電子が発生される少なくとも１つの開口部とこ
   の開口部の少なくとも大部分に沿って設けられたゲート
   電極とを有する絶縁層をそなえた主表面を有する電子ビ
   ーム発生装置において、装置は、少なくとも平面図でみ
   て、ゲート電極を実質的に完全に越えて延在する少なく
   とも１つの特別な電極を有することを特徴とする電子ビ
   ーム発生装置。 ２、装置は、主表面上に絶縁材料の層を有する半導体本
   体をそなえた半導体陰極を有し、前記の絶縁材料の層は
   、その中で電子ビームが発生される少なくとも１つの開
   口部を有する請求項１記載の電子ビーム発生装置。 ３、半導体本体は、主表面に隣接するｎ形領域との間に
   少なくとも１つのｐｎ接合を有し、半導体本体より放出
   される電子は、このｐｎ接合に逆方向電圧を加えること
   によりなだれ増倍によって発生され、主表面は、少なく
   とも１つの開口部を有する絶縁層をそなえ、前記のｐｎ
   接合は、少なくとも開口部内で主表面と実質的に平行に
   延在し、該ｐｎ接合の他の部分よりも低いブレークダウ
   ン電圧を局部的に有し、この低いブレークダウン電圧を
   有する部分は、ｐｎ接合の空乏層がブレークダウン電圧
   において主表面迄は延在せずに発生電子を通すのに十分
   に薄い表面層によって主表面より分離されるような厚さ
   とドーピングを有するｎ形導電層によって、主表面から
   分離されたことを特徴とする請求項２記載の電子発生装
   置。 ４、半導体主体は、珪素またはＡIII−ＢＶ族化合物を
   有する請求項２または３の何れか１項記載の電子発生装
   置。 ５、絶縁層の開口部内に電界エミッタを有する請求項１
   記載の電子発生装置。 ６、絶縁層の開口部は楕円形または円形である請求項１
   乃至５の何れか１項記載の電子発生装置。 ７、絶縁層の開口部は実質的に線形である請求項１乃至
   ５の何れか１項記載の電子発生装置。 ８、ゲート電極または特別な電極はサブ電極に分けられ
   た請求項１乃至７の何れか１項記載の電子発生装置。 ９、絶縁支持体の一方の側に面する装置の主表面は該支
   持体に固定され、この支持体は、絶縁層の開口部の領域
   に開口部をそなえたことを特徴とする請求項１乃至８の
   何れか１項記載の電子発生装置に対する支持体。 １０、支持体の他方の側には、少なくとも開口部のまわ
   りに導電材料が設けられた請求項９記載の支持体。 １１、請求項１乃至１０の何れか１項の電子発生装置ま
   たは支持体をそなえた陰極線管。 １２、実質的に平行な前面壁と後壁を有する排気された
   容器と、前面壁の内面に沿ったけい光体層と、前面壁と
   後壁に実質的に平行な面平内を動く多数の電子ビームを
   発生する手段とを有し、この電子ビームは、各ビームが
   けい光体装置の少なくとも一部を操作するように、偏向
   ユニット内の偏向手段を経てけい光体層に向って選択的
   に偏向されることができる表示装置において、電子ビー
   ムを発生する手段は、個々に駆動することのできる１つ
   またはそれ以上の電子発生領域を有する請求項１乃至１
   ０の何れか１項記載の電子発生装置を有し、この電子発
   生装置は、画素の夫々の垂直な列に対して少なくとも１
   つの電子発生領域を有することを特徴とする表示装置。 １３、電子ビームを発生する装置の主表面は、電子ビー
   ムが事実上動く平面と実質的に平行に延在する請求項１
   １記載の表示装置。 １４、電子ビームは少なくとも１回実質的に９０°の角
   度で延在する請求項１１または１２記載の表示装置。