JPH05182582A - 多極電界電子放出装置及びその製造方法 - Google Patents
多極電界電子放出装置及びその製造方法Info
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- JPH05182582A JPH05182582A JP8038092A JP8038092A JPH05182582A JP H05182582 A JPH05182582 A JP H05182582A JP 8038092 A JP8038092 A JP 8038092A JP 8038092 A JP8038092 A JP 8038092A JP H05182582 A JPH05182582 A JP H05182582A
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- H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
- H01J21/105—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode with microengineered cathode and control electrodes, e.g. Spindt-type
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- H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
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- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
- H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 入力抵抗が大きく、伝達特性が線形であり、
相互コンダクタンスの大きな電力増幅器等の応用に適
し、かつゲート無効電流が少ない多極電界電子放出装置
及びその製造方法を提供する。 【構成】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶縁層上
に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複数の放
出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板の表面
に形成された放出電子を収集せしめるアノード電極、該
カソード電極と該アノード電極の間に設けられたコント
ロール電極を少なくとも有する多極電界電子放出装置で
ある。過剰エッチング法、方向性粒子堆積法等の方法に
よって製造される。
相互コンダクタンスの大きな電力増幅器等の応用に適
し、かつゲート無効電流が少ない多極電界電子放出装置
及びその製造方法を提供する。 【構成】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶縁層上
に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複数の放
出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板の表面
に形成された放出電子を収集せしめるアノード電極、該
カソード電極と該アノード電極の間に設けられたコント
ロール電極を少なくとも有する多極電界電子放出装置で
ある。過剰エッチング法、方向性粒子堆積法等の方法に
よって製造される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷陰極より電界放出され
た電子を制御し得る多極電界電子放出装置に関するもの
であって、さらに詳しくは、入力信号電圧とアノード電
流が線形な関係を有し、電力増幅器やリニア増幅器ある
いはスイッチング回路などに利用され得る多極電界電子
放出装置及びその製造方法に関するものである。
た電子を制御し得る多極電界電子放出装置に関するもの
であって、さらに詳しくは、入力信号電圧とアノード電
流が線形な関係を有し、電力増幅器やリニア増幅器ある
いはスイッチング回路などに利用され得る多極電界電子
放出装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の多極電界電子放出装置には、伊藤
順司が応用物理、第５９巻、第２号、ｐｐ．１６４〜１
６９（１９９０）に報告したものなどがある。図３３は
従来の多極電界電子放出装置の概略平面図である。これ
は平面型三極管素子と呼ばれ、石英基板１０１の表面に
楔型のエミッター電極（カソード電極）１０２と、柱を
有するゲート電極１０３と、アノード電極１０４を順に
横に並べて形成した構造である。これら三つの電極は厚
さ１μｍのタングステン薄膜をフォトエッチング技術で
加工し形成したものである。エミッター電極１０２は１
０μｍピッチで１７０個並べられている。エミッター電
極１０２とゲート電極１０３との距離は１５μｍ、ゲー
ト電極１０３とアノード電極１０４との距離は１０μｍ
である。この平面型三極管素子の電気特性を５×１０-6
Ｐａの真空度で測定したところ、エミッター放出電流は
フォウラー・ノルデハイム（Ｆ・Ｎ）トンネル電流であ
り、ゲート電圧が２２０Ｖ、アノード電圧が３１８Ｖの
とき、約１．２μＡのアノード電流が得られる。これは
エミッター電極１個につき約７ｎＡのアノード電流とな
る。相互コンダクタンスは約０．１μＳである。
順司が応用物理、第５９巻、第２号、ｐｐ．１６４〜１
６９（１９９０）に報告したものなどがある。図３３は
従来の多極電界電子放出装置の概略平面図である。これ
は平面型三極管素子と呼ばれ、石英基板１０１の表面に
楔型のエミッター電極（カソード電極）１０２と、柱を
有するゲート電極１０３と、アノード電極１０４を順に
横に並べて形成した構造である。これら三つの電極は厚
さ１μｍのタングステン薄膜をフォトエッチング技術で
加工し形成したものである。エミッター電極１０２は１
０μｍピッチで１７０個並べられている。エミッター電
極１０２とゲート電極１０３との距離は１５μｍ、ゲー
ト電極１０３とアノード電極１０４との距離は１０μｍ
である。この平面型三極管素子の電気特性を５×１０-6
Ｐａの真空度で測定したところ、エミッター放出電流は
フォウラー・ノルデハイム（Ｆ・Ｎ）トンネル電流であ
り、ゲート電圧が２２０Ｖ、アノード電圧が３１８Ｖの
とき、約１．２μＡのアノード電流が得られる。これは
エミッター電極１個につき約７ｎＡのアノード電流とな
る。相互コンダクタンスは約０．１μＳである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の平
面型三極管素子は以下に述べるようないくつかの問題点
があった。すなわち、エミッター電極１０２より放出さ
れた電子はアノード電極１０４に向かって進行するが、
その途中において正電位に印加されたゲート電極１０３
が存在するため、放出された電子の一部はこれに流入す
る。このゲート電流はアノード電流と同等以上に大きい
ため、ゲート入力抵抗は非常に小さくなる。すなわち、
アノード電極１０４に流入する電子の収率（アノード電
流／全放出電流）が低下し、電力効率や相互コンダクタ
ンスが低いといった電気特性の低下を招き、従来技術で
は収率が６０％程度であった。ゲート入力抵抗が小さな
三極管素子でアノード電流を制御する場合には、ゲート
電極１０３に入力信号を導入するための前段回路に大き
な電流や電力の扱えるものが必要となる。このような制
約から従来の三極管素子は電流増幅器や電力スイッチン
グ装置としての利用が困難であった。
面型三極管素子は以下に述べるようないくつかの問題点
があった。すなわち、エミッター電極１０２より放出さ
れた電子はアノード電極１０４に向かって進行するが、
その途中において正電位に印加されたゲート電極１０３
が存在するため、放出された電子の一部はこれに流入す
る。このゲート電流はアノード電流と同等以上に大きい
ため、ゲート入力抵抗は非常に小さくなる。すなわち、
アノード電極１０４に流入する電子の収率（アノード電
流／全放出電流）が低下し、電力効率や相互コンダクタ
ンスが低いといった電気特性の低下を招き、従来技術で
は収率が６０％程度であった。ゲート入力抵抗が小さな
三極管素子でアノード電流を制御する場合には、ゲート
電極１０３に入力信号を導入するための前段回路に大き
な電流や電力の扱えるものが必要となる。このような制
約から従来の三極管素子は電流増幅器や電力スイッチン
グ装置としての利用が困難であった。
【０００４】また、エミッター放出電流はＦ・Ｎトンネ
ル電流であり、ゲート電圧に対して指数関数的に増減す
る。このためゲート入力信号に対しアノード出力電流は
指数関数的に変化する。このような非線形な入出力関係
を有する三極管素子はリニア増幅器などへの応用には適
さないという問題点があった。
ル電流であり、ゲート電圧に対して指数関数的に増減す
る。このためゲート入力信号に対しアノード出力電流は
指数関数的に変化する。このような非線形な入出力関係
を有する三極管素子はリニア増幅器などへの応用には適
さないという問題点があった。
【０００５】さらに、三極管素子の相互コンダクタンス
を大きくして性能を高めるためには、ゲート電極１０３
の構造を工夫してエミッター電極１０２の放出面積を大
きくする必要があるが、放出面積を大きくするとゲート
電極１０３へ流入する電子も増大するため、従来技術に
おいては性能の高い電力増幅器が得られにくいといった
問題点があった。
を大きくして性能を高めるためには、ゲート電極１０３
の構造を工夫してエミッター電極１０２の放出面積を大
きくする必要があるが、放出面積を大きくするとゲート
電極１０３へ流入する電子も増大するため、従来技術に
おいては性能の高い電力増幅器が得られにくいといった
問題点があった。
【０００６】また、カソード電極１０２とゲート電極１
０３は同一のフォトエッチング工程で形成される。これ
らの電極間距離はレジスト露光時の解像度で決定され、
実用化レベルでは０．８μｍが限界である。しかも微細
になるほどばらつきが大きい。電界電子放出装置の電子
放出の閾値電圧やその均一性はカソード電極１０２とゲ
ート電極１０３の距離に大きく依存する。したがって従
来の平面型三極管素子は閾値電圧の低減化が難しく、低
減できても均一性が悪いという問題点があった。
０３は同一のフォトエッチング工程で形成される。これ
らの電極間距離はレジスト露光時の解像度で決定され、
実用化レベルでは０．８μｍが限界である。しかも微細
になるほどばらつきが大きい。電界電子放出装置の電子
放出の閾値電圧やその均一性はカソード電極１０２とゲ
ート電極１０３の距離に大きく依存する。したがって従
来の平面型三極管素子は閾値電圧の低減化が難しく、低
減できても均一性が悪いという問題点があった。
【０００７】さらに、電界電子放出装置の閾値電圧はカ
ソード電極１０２の先端曲率半径にも大きく依存する。
すなわち先端曲率半径が小さいほど閾値電圧は低くな
り、実用的な閾値電圧を得るためには先端曲率半径は１
０００オングストローム以下であることが望ましい。し
かし従来技術においてはフォトレジストのだれによって
２０００オングストロームが限界であり、実用的な先端
曲率半径の製造は困難であった。
ソード電極１０２の先端曲率半径にも大きく依存する。
すなわち先端曲率半径が小さいほど閾値電圧は低くな
り、実用的な閾値電圧を得るためには先端曲率半径は１
０００オングストローム以下であることが望ましい。し
かし従来技術においてはフォトレジストのだれによって
２０００オングストロームが限界であり、実用的な先端
曲率半径の製造は困難であった。
【０００８】そこで本発明は、このような従来技術の問
題点を克服するためのもので、その目的とするところ
は、大きなゲート入力抵抗と、線形な入出力関係を有
し、しかも相互コンダクタンスが大きい高性能な多極電
界電子放出装置及びその製造方法を提供するところにあ
る。
題点を克服するためのもので、その目的とするところ
は、大きなゲート入力抵抗と、線形な入出力関係を有
し、しかも相互コンダクタンスが大きい高性能な多極電
界電子放出装置及びその製造方法を提供するところにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の多極電界電子放
出装置は、電界効果にて電子を放出せしめるカソード電
極と、前記カソード電極に電界を印加せしめるゲート電
極と、放出電子を収集せしめるアノード電極と、前記カ
ソード電極と前記アノード電極の中間に設けられたコン
トロール電極であって前記放出電子を制御せしめるコン
トロール電極とを少なくも具備することを特徴とする。
又本発明は、絶縁性平面基板の表面に設けられた島状絶
縁層と、前記島状絶縁層の表面に設けられたカソード電
極であって前記島状絶縁層よりオーバーハングした放出
突起を具備するカソード電極と、前記平面基板の表面に
設けられたゲート電極であって前記放出突起の概ね垂直
近傍に設けられたゲート電極と、前記平面基板の表面に
設けられたアノード電極であって前記ゲート電極を挟ん
で前記カソード電極の反対側に設けられたアノード電極
と、前記平面基板の表面に設けられたコントロール電極
であって前記ゲート電極と前記アノード電極の中間に設
けられたコントロール電極とを少なくも具備することを
特徴とする。
出装置は、電界効果にて電子を放出せしめるカソード電
極と、前記カソード電極に電界を印加せしめるゲート電
極と、放出電子を収集せしめるアノード電極と、前記カ
ソード電極と前記アノード電極の中間に設けられたコン
トロール電極であって前記放出電子を制御せしめるコン
トロール電極とを少なくも具備することを特徴とする。
又本発明は、絶縁性平面基板の表面に設けられた島状絶
縁層と、前記島状絶縁層の表面に設けられたカソード電
極であって前記島状絶縁層よりオーバーハングした放出
突起を具備するカソード電極と、前記平面基板の表面に
設けられたゲート電極であって前記放出突起の概ね垂直
近傍に設けられたゲート電極と、前記平面基板の表面に
設けられたアノード電極であって前記ゲート電極を挟ん
で前記カソード電極の反対側に設けられたアノード電極
と、前記平面基板の表面に設けられたコントロール電極
であって前記ゲート電極と前記アノード電極の中間に設
けられたコントロール電極とを少なくも具備することを
特徴とする。
【００１０】さらに、本発明の多極電界電子放出装置
は、前記コントロール電極と前記アノード電極の中間に
設けられ、前記コントロール電極と前記アノード電極と
を静電遮蔽せしめるスクリーン電極と、前記スクリーン
電極と前記アノード電極の中間に設けられ、前記アノー
ド電極の二次電子を抑制せしめるサプレッサ電極とを具
備する多極電界電子放出装置であることを特徴とする。
は、前記コントロール電極と前記アノード電極の中間に
設けられ、前記コントロール電極と前記アノード電極と
を静電遮蔽せしめるスクリーン電極と、前記スクリーン
電極と前記アノード電極の中間に設けられ、前記アノー
ド電極の二次電子を抑制せしめるサプレッサ電極とを具
備する多極電界電子放出装置であることを特徴とする。
【００１１】本発明の電界電子放出装置の製造方法は、
平面基板の表面に概ね平行に突出する放出突起を有する
カソード電極を具備する電界電子放出装置の製造方法に
おいて、前記平面基板の表面にエッチングマスク層、前
記エッチングマスク層の表面にカソード電極層、前記カ
ソード電極層の表面にエッチング保護層を積層して形成
する工程と、前記エッチングマスク層を加工し放出突起
形状を有するエッチングマスクを形成する工程と、前記
エッチングマスクの平面形状に前記カソード電極層を加
工し放出突起を具備するカソード電極を形成する工程と
を、少なくも含むことを特徴とする。
平面基板の表面に概ね平行に突出する放出突起を有する
カソード電極を具備する電界電子放出装置の製造方法に
おいて、前記平面基板の表面にエッチングマスク層、前
記エッチングマスク層の表面にカソード電極層、前記カ
ソード電極層の表面にエッチング保護層を積層して形成
する工程と、前記エッチングマスク層を加工し放出突起
形状を有するエッチングマスクを形成する工程と、前記
エッチングマスクの平面形状に前記カソード電極層を加
工し放出突起を具備するカソード電極を形成する工程と
を、少なくも含むことを特徴とする。
【００１２】また、本発明の電界電子放出装置の製造方
法は、平面基板の表面にエッチングマスク層を形成する
工程と、前記エッチングマスク層の表面にカソード電極
層を形成する工程と、前記カソード電極層の表面にレジ
スト層を形成する工程と、前記カソード電極層を前記レ
ジスト層の平面形状に加工する工程と、前記エッチング
マスク層を過剰エッチング法にて加工しエッチングマス
クを形成する工程と、前記カソード電極層を前記エッチ
ングマスクの形状に加工しカソード電極を形成する工程
と、前記カソード電極の周囲下部の前記エッチングマス
クを除去し前記カソード電極を庇形状に形成する工程
と、方向性粒子堆積法にてゲート電極層を形成する工程
と、前記ゲート電極層を加工しゲート電極を形成する工
程とを、少なくも含むことを特徴とする。
法は、平面基板の表面にエッチングマスク層を形成する
工程と、前記エッチングマスク層の表面にカソード電極
層を形成する工程と、前記カソード電極層の表面にレジ
スト層を形成する工程と、前記カソード電極層を前記レ
ジスト層の平面形状に加工する工程と、前記エッチング
マスク層を過剰エッチング法にて加工しエッチングマス
クを形成する工程と、前記カソード電極層を前記エッチ
ングマスクの形状に加工しカソード電極を形成する工程
と、前記カソード電極の周囲下部の前記エッチングマス
クを除去し前記カソード電極を庇形状に形成する工程
と、方向性粒子堆積法にてゲート電極層を形成する工程
と、前記ゲート電極層を加工しゲート電極を形成する工
程とを、少なくも含むことを特徴とする。
【００１３】本発明は絶縁性平面基板の表面に設けられ
た絶縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングし
た複数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面
基板の表面に形成された放出電子を収集せしめるアノー
ド電極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けら
れかつ該放出突起に対応する少なくとも１つの位置に開
口部を有するゲート電極、該ゲート電極と該アノード電
極の間に設けられたコントロール電極を有する多極電界
電子放出装置である。本発明の多極電界電子放出装置
は、電界効果にて電子を放出せしめるカソード電極と、
前記カソード電極に電界を印加せしめるゲート電極と、
放出電子を収集せしめるアノード電極と、前記カソード
電極と前記アノード電極の中間に設けられ、前記放出電
子を制御せしめるコントロール電極とを少なくも具備す
る。又、前記のカソード電極、ゲート電極、コントロー
ル電極、アノード電極に加え、前記コントロール電極と
前記アノード電極の中間に設けられ前記コントロール電
極と前記アノード電極とを静電遮蔽せしめるスクリーン
電極と、前記スクリーン電極と前記アノード電極の中間
に設けられ前記アノード電極の二次電子を抑制せしめる
サプレッサ電極とを具備したものであってもよい。また
本発明のカソード電極は、絶縁性平面基板の表面に設け
られた絶縁層の表面上に設けられており、前記絶縁層よ
りオーバーハングした放出突起を具備する。絶縁層は放
出突起の形状に応じて島状の形状に形成されていてもよ
い。ゲート電極上の開口部はカソード電極の放出突起か
ら放出された電子を効率的にアノード電極に収集せしめ
るためのもので、例えばリング状に形成して開口部を設
けることにより、ゲート電極へ流入する電子が著しく低
減し、ゲート入力抵抗が非常に高くなる。即ち上記リン
グ状の開口部の内を放出電流が通過することによってゲ
ート電流やコントロール電流が小さくなり、無効電流が
低減することになる。
た絶縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングし
た複数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面
基板の表面に形成された放出電子を収集せしめるアノー
ド電極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けら
れかつ該放出突起に対応する少なくとも１つの位置に開
口部を有するゲート電極、該ゲート電極と該アノード電
極の間に設けられたコントロール電極を有する多極電界
電子放出装置である。本発明の多極電界電子放出装置
は、電界効果にて電子を放出せしめるカソード電極と、
前記カソード電極に電界を印加せしめるゲート電極と、
放出電子を収集せしめるアノード電極と、前記カソード
電極と前記アノード電極の中間に設けられ、前記放出電
子を制御せしめるコントロール電極とを少なくも具備す
る。又、前記のカソード電極、ゲート電極、コントロー
ル電極、アノード電極に加え、前記コントロール電極と
前記アノード電極の中間に設けられ前記コントロール電
極と前記アノード電極とを静電遮蔽せしめるスクリーン
電極と、前記スクリーン電極と前記アノード電極の中間
に設けられ前記アノード電極の二次電子を抑制せしめる
サプレッサ電極とを具備したものであってもよい。また
本発明のカソード電極は、絶縁性平面基板の表面に設け
られた絶縁層の表面上に設けられており、前記絶縁層よ
りオーバーハングした放出突起を具備する。絶縁層は放
出突起の形状に応じて島状の形状に形成されていてもよ
い。ゲート電極上の開口部はカソード電極の放出突起か
ら放出された電子を効率的にアノード電極に収集せしめ
るためのもので、例えばリング状に形成して開口部を設
けることにより、ゲート電極へ流入する電子が著しく低
減し、ゲート入力抵抗が非常に高くなる。即ち上記リン
グ状の開口部の内を放出電流が通過することによってゲ
ート電流やコントロール電流が小さくなり、無効電流が
低減することになる。
【００１４】
【実施例】本発明を実施例に基づき説明する。図１は新
規な四極電界電子放出装置の部分斜視図である。本装置
は石英よりなる平面基板１の表面に、厚さ１０００オン
グストロームのモリブデン（Ｍｏ）薄膜よりなるゲート
電極５とコントロール電極６を有し、ゲート電極５とコ
ントロール電極６にそれぞれ隣接して厚さ５０００オン
グストロームの二酸化シリコン薄膜よりなる島状絶縁層
２を有する。ゲート電極５に隣接した島状絶縁層２の表
面にはオーバーハングした放出突起４をもつ厚さ２００
０オングストロームのカソード電極３を有し、コントロ
ール電極６に隣接した島状絶縁層２の表面には厚さ２０
００オングストロームのアノード電極７を有する。
規な四極電界電子放出装置の部分斜視図である。本装置
は石英よりなる平面基板１の表面に、厚さ１０００オン
グストロームのモリブデン（Ｍｏ）薄膜よりなるゲート
電極５とコントロール電極６を有し、ゲート電極５とコ
ントロール電極６にそれぞれ隣接して厚さ５０００オン
グストロームの二酸化シリコン薄膜よりなる島状絶縁層
２を有する。ゲート電極５に隣接した島状絶縁層２の表
面にはオーバーハングした放出突起４をもつ厚さ２００
０オングストロームのカソード電極３を有し、コントロ
ール電極６に隣接した島状絶縁層２の表面には厚さ２０
００オングストロームのアノード電極７を有する。
【００１５】カソード電極３は膜厚が１０００オングス
トロームのタングステン（Ｗ）薄膜よりなる第一カソー
ド電極３ａと膜厚が１０００オングストロームのモリブ
デン（Ｍｏ）薄膜よりなる第二カソード電極３ｂが積層
された構造である。アノード電極７はカソード電極３と
同様の薄膜よりなる第一アノード電極７ａと第二アノー
ド電極７ｂが積層された構造である。四個の電極、すな
わちカソード電極３、ゲート電極５、コントロール電極
６およびアノード電極７は平面基板１の表面にこの順序
で配置されている。カソード電極３は５μｍピッチで一
列に配置された放出突起４を有する。放出突起４は平面
基板１の表面に平行にゲート電極５の方向に突出した構
造で、その先端近傍には島状絶縁層２が存在しない。放
出突起４の平面方向の先端曲率半径は約４００オングス
トロームである。
トロームのタングステン（Ｗ）薄膜よりなる第一カソー
ド電極３ａと膜厚が１０００オングストロームのモリブ
デン（Ｍｏ）薄膜よりなる第二カソード電極３ｂが積層
された構造である。アノード電極７はカソード電極３と
同様の薄膜よりなる第一アノード電極７ａと第二アノー
ド電極７ｂが積層された構造である。四個の電極、すな
わちカソード電極３、ゲート電極５、コントロール電極
６およびアノード電極７は平面基板１の表面にこの順序
で配置されている。カソード電極３は５μｍピッチで一
列に配置された放出突起４を有する。放出突起４は平面
基板１の表面に平行にゲート電極５の方向に突出した構
造で、その先端近傍には島状絶縁層２が存在しない。放
出突起４の平面方向の先端曲率半径は約４００オングス
トロームである。
【００１６】ゲート電極５はカソード電極３に自己整合
的に形成されており、放出突起４の垂直下部において放
出突起４に概ね同形状の欠落部分を有する。ゲート電極
５と放出突起４の距離（Ｌgk）は島状絶縁層２とゲート
電極５の膜厚で決まり、それは島状絶縁層２の膜厚から
ゲート電極５の膜厚を引いた値（Ｌgk＝４０００オング
ストローム）である。最近の薄膜の製造方法によれば膜
厚の制御性は非常に良好であり、したがって本装置のＬ
gkは制御性、再現性、均一性に優れているという特長を
有するものである。
的に形成されており、放出突起４の垂直下部において放
出突起４に概ね同形状の欠落部分を有する。ゲート電極
５と放出突起４の距離（Ｌgk）は島状絶縁層２とゲート
電極５の膜厚で決まり、それは島状絶縁層２の膜厚から
ゲート電極５の膜厚を引いた値（Ｌgk＝４０００オング
ストローム）である。最近の薄膜の製造方法によれば膜
厚の制御性は非常に良好であり、したがって本装置のＬ
gkは制御性、再現性、均一性に優れているという特長を
有するものである。
【００１７】放出突起４の先端近傍におけるゲート電極
５の幅は約２μｍ、ゲート電極５とコントロール電極６
の距離（スペース）は４μｍ、コントロール電極６の幅
は８μｍ、コントロール電極６とアノード電極７の距離
（スペース）は約１０μｍ、アノード電極７の幅は１０
０μｍである。ゲート電極５の幅が小さいほどゲート電
流は少なく電力効率がよい。またアノード電極７は幅が
大きく面積が大きいほど電子の収率がよい。コントロー
ル電極６の幅は大きいほど相互コンダクタンスが大きく
なりアノード電極の制御性が良好となるが、コントロー
ル電極６に流入する電子量（コントロール電流）も多く
なるためこれらの兼ね合いで決定される。コントロール
電極６の幅はゲート電極５の幅より大きく、アノード電
極７の幅より小さい範囲であることが望ましい。増幅率
（μ＝ＣCG／ＣAG：ＣCGはゲート電極５・コントロール
電極６間容量、ＣAGはゲート電極５・アノード電極７間
容量）を大きくするにはコントロール電極６の幅を狭く
し、コントロール電極６とアノード電極７のスペースを
大きくすればよい。
５の幅は約２μｍ、ゲート電極５とコントロール電極６
の距離（スペース）は４μｍ、コントロール電極６の幅
は８μｍ、コントロール電極６とアノード電極７の距離
（スペース）は約１０μｍ、アノード電極７の幅は１０
０μｍである。ゲート電極５の幅が小さいほどゲート電
流は少なく電力効率がよい。またアノード電極７は幅が
大きく面積が大きいほど電子の収率がよい。コントロー
ル電極６の幅は大きいほど相互コンダクタンスが大きく
なりアノード電極の制御性が良好となるが、コントロー
ル電極６に流入する電子量（コントロール電流）も多く
なるためこれらの兼ね合いで決定される。コントロール
電極６の幅はゲート電極５の幅より大きく、アノード電
極７の幅より小さい範囲であることが望ましい。増幅率
（μ＝ＣCG／ＣAG：ＣCGはゲート電極５・コントロール
電極６間容量、ＣAGはゲート電極５・アノード電極７間
容量）を大きくするにはコントロール電極６の幅を狭く
し、コントロール電極６とアノード電極７のスペースを
大きくすればよい。
【００１８】図２は本実施例の図１に示す４極電界電子
放出装置の製造方法を説明するためのもので、主要な製
造工程が終了した後の概略縦断面図である。図２（Ａ）
は平面基板１の表面に絶縁層８、カソード電極層９、エ
ッチング保護層１０を順次積層して形成し、さらに、フ
ォトレジスト１１を形成した後の断面図である。平面基
板１は絶縁性の石英基板である。絶縁層８、カソード電
極層９およびエッチング保護層１０はスパッタ法で連続
的に堆積したもので、それぞれ、５０００オングストロ
ームの二酸化シリコン薄膜、１０００オングストローム
のＷ薄膜および２０００オングストロームの二酸化シリ
コン薄膜である。フォトレジスト１１はカソード電極３
およびアノード電極７の形状にパターン化してある。
放出装置の製造方法を説明するためのもので、主要な製
造工程が終了した後の概略縦断面図である。図２（Ａ）
は平面基板１の表面に絶縁層８、カソード電極層９、エ
ッチング保護層１０を順次積層して形成し、さらに、フ
ォトレジスト１１を形成した後の断面図である。平面基
板１は絶縁性の石英基板である。絶縁層８、カソード電
極層９およびエッチング保護層１０はスパッタ法で連続
的に堆積したもので、それぞれ、５０００オングストロ
ームの二酸化シリコン薄膜、１０００オングストローム
のＷ薄膜および２０００オングストロームの二酸化シリ
コン薄膜である。フォトレジスト１１はカソード電極３
およびアノード電極７の形状にパターン化してある。
【００１９】図２（Ｂ）はエッチング保護層１０を過剰
エッチング法によって加工しエッチングマスク１２を形
成した後の断面図である。過剰エッチング法はＨＦ系エ
ッチング液などを用いたエッチング保護層１０を選択的
にエッチングする手段により、フォトレジスト１１の形
状で規定される領域よりもさらに多くエッチング保護層
１０をエッチング除去することである。フォトレジスト
１１の放出突起４に対応する部分の曲率半径よりも大き
くフォトレジスト１１の外周より内側へエッチング保護
層１０を過剰エッチングすることにより、曲率半径の小
さな放出突起４の形状を有するエッチングマスク１２を
得ることができる。本実施例ではフォトレジスト１１の
曲率半径が３０００オングストロームであるため、５０
００オングストロームの過剰エッチングを行い３００オ
ングストロームの曲率半径を有するエッチングマスク１
２を得た。
エッチング法によって加工しエッチングマスク１２を形
成した後の断面図である。過剰エッチング法はＨＦ系エ
ッチング液などを用いたエッチング保護層１０を選択的
にエッチングする手段により、フォトレジスト１１の形
状で規定される領域よりもさらに多くエッチング保護層
１０をエッチング除去することである。フォトレジスト
１１の放出突起４に対応する部分の曲率半径よりも大き
くフォトレジスト１１の外周より内側へエッチング保護
層１０を過剰エッチングすることにより、曲率半径の小
さな放出突起４の形状を有するエッチングマスク１２を
得ることができる。本実施例ではフォトレジスト１１の
曲率半径が３０００オングストロームであるため、５０
００オングストロームの過剰エッチングを行い３００オ
ングストロームの曲率半径を有するエッチングマスク１
２を得た。
【００２０】図２は（Ｃ）はカソード電極層９をエッチ
ング加工し第一カソード電極３ａと第一アノード電極７
ａを形成した後の断面図である。フォトレジスト１１を
除去した後、鋭い放出突起形状を有するエッチングマス
ク１２を利用してカソード電極層９の加工を行った。カ
ソード電極層９の加工にはドライエッチング法を利用
し、ガス流量比ＣＦ4 ／Ｏ2 ＝６０／２００、ＲＦパワ
ー７００Ｗにて５分間行った。このときカソード電極層
９は過剰エッチングされ、先端の曲率半径が３００オン
グストロームの鋭い放出突起形状を有する第一カソード
電極３ａが得られた。
ング加工し第一カソード電極３ａと第一アノード電極７
ａを形成した後の断面図である。フォトレジスト１１を
除去した後、鋭い放出突起形状を有するエッチングマス
ク１２を利用してカソード電極層９の加工を行った。カ
ソード電極層９の加工にはドライエッチング法を利用
し、ガス流量比ＣＦ4 ／Ｏ2 ＝６０／２００、ＲＦパワ
ー７００Ｗにて５分間行った。このときカソード電極層
９は過剰エッチングされ、先端の曲率半径が３００オン
グストロームの鋭い放出突起形状を有する第一カソード
電極３ａが得られた。
【００２１】図２（Ｄ）は絶縁層８を部分的にエッチン
グ除去し島状絶縁層２を形成して、放出突起４を露出さ
せた後の断面図である。第一カソード電極３ａと第一ア
ノード電極７ａをエッチング用のマスクとして利用し、
ＨＦ系エッチング液によって不要な部分の絶縁層８を除
去し島状絶縁層２を形成した。このとき放出突起４は島
状絶縁層２よりオーバーハングして露出した。また、エ
ッチングマスク１２は除去され、平面基板１は石英であ
ってほとんどエッチングされなかった。
グ除去し島状絶縁層２を形成して、放出突起４を露出さ
せた後の断面図である。第一カソード電極３ａと第一ア
ノード電極７ａをエッチング用のマスクとして利用し、
ＨＦ系エッチング液によって不要な部分の絶縁層８を除
去し島状絶縁層２を形成した。このとき放出突起４は島
状絶縁層２よりオーバーハングして露出した。また、エ
ッチングマスク１２は除去され、平面基板１は石英であ
ってほとんどエッチングされなかった。
【００２２】図２（Ｅ）は方向性粒子堆積法でゲート電
極層１３を形成した後の断面図である。方向性粒子堆積
法としてスパッタ法を利用し、厚さ１０００オングスト
ロームのＭｏ薄膜を堆積しゲート電極層１３を形成し
た。方向性粒子堆積法は粒子源より平面基板１の表面に
概ね垂直に粒子を飛ばし堆積させる方法である。この方
法を用いると、放出突起４のようなオーバーハングした
部分が陰となり、第一カソード電極３ａの上に堆積した
Ｍｏ薄膜１３１や第一アノード電極７ａの表面に堆積し
たＭｏ薄膜１３２と平面基板１の表面に堆積したゲート
電極層１３は電気的に分断され、また、放出突起４と同
形状の欠落部分が放出突起４の垂直下部に自己整合的
（一方の電極の位置がずれても他方の電極の位置がそれ
に対応して修正された位置に形成される。）に形成され
るのである。このような方向性粒子堆積法として、蒸着
法、スパッタ法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌ
ｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ堆積法、ク
ラスターイオンビーム法などが適用できる。
極層１３を形成した後の断面図である。方向性粒子堆積
法としてスパッタ法を利用し、厚さ１０００オングスト
ロームのＭｏ薄膜を堆積しゲート電極層１３を形成し
た。方向性粒子堆積法は粒子源より平面基板１の表面に
概ね垂直に粒子を飛ばし堆積させる方法である。この方
法を用いると、放出突起４のようなオーバーハングした
部分が陰となり、第一カソード電極３ａの上に堆積した
Ｍｏ薄膜１３１や第一アノード電極７ａの表面に堆積し
たＭｏ薄膜１３２と平面基板１の表面に堆積したゲート
電極層１３は電気的に分断され、また、放出突起４と同
形状の欠落部分が放出突起４の垂直下部に自己整合的
（一方の電極の位置がずれても他方の電極の位置がそれ
に対応して修正された位置に形成される。）に形成され
るのである。このような方向性粒子堆積法として、蒸着
法、スパッタ法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌ
ｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ堆積法、ク
ラスターイオンビーム法などが適用できる。
【００２３】図２（Ｆ）はゲート電極層１３及びＭｏ薄
膜１３１、１３２をエッチング加工し第二カソード電極
３ｂ、ゲート電極５、コントロール電極６および第二ア
ノード電極７ｂを形成した後の断面図である。フォトエ
ッチング技術を利用し、放出突起４とゲート電極５の欠
落部分をレジストで覆った後、ドライエッチングでＭｏ
薄膜をエッチング加工した。
膜１３１、１３２をエッチング加工し第二カソード電極
３ｂ、ゲート電極５、コントロール電極６および第二ア
ノード電極７ｂを形成した後の断面図である。フォトエ
ッチング技術を利用し、放出突起４とゲート電極５の欠
落部分をレジストで覆った後、ドライエッチングでＭｏ
薄膜をエッチング加工した。
【００２４】完成した多極電界電子放出装置のカソード
電極３の放出突起４の先端曲率半径は４００オングスト
ロームであった。これは第二カソード電極３ｂの積層に
よって、第一カソード電極３ａのものより丸みを帯びた
ことによる。しかし、この丸みによって、放出突起４の
電界集中を受ける面積が広がり、放出量が大きく安定し
た電子放出を得ることが可能となった。なお、第一カソ
ード電極３ａと第二カソード電極３ｂの材料が異なる場
合などは、おもに放出突起４の部分の第一カソード電極
３ａもしくは第二カソード電極３ｂのどちらかをエッチ
ング除去すると、放出突起４が薄くなり膜厚方向の先端
曲率半径が小さくなって、より低閾値な多極電界電子放
出装置が実現できた。
電極３の放出突起４の先端曲率半径は４００オングスト
ロームであった。これは第二カソード電極３ｂの積層に
よって、第一カソード電極３ａのものより丸みを帯びた
ことによる。しかし、この丸みによって、放出突起４の
電界集中を受ける面積が広がり、放出量が大きく安定し
た電子放出を得ることが可能となった。なお、第一カソ
ード電極３ａと第二カソード電極３ｂの材料が異なる場
合などは、おもに放出突起４の部分の第一カソード電極
３ａもしくは第二カソード電極３ｂのどちらかをエッチ
ング除去すると、放出突起４が薄くなり膜厚方向の先端
曲率半径が小さくなって、より低閾値な多極電界電子放
出装置が実現できた。
【００２５】カソード電極とゲート電極の距離を均一性
よく短くし、しかも放出突起の先端曲率半径を小さくす
れば閾値電圧を低減化できる。以下その製造方法を三極
電界電子放出装置を例にして説明する。
よく短くし、しかも放出突起の先端曲率半径を小さくす
れば閾値電圧を低減化できる。以下その製造方法を三極
電界電子放出装置を例にして説明する。
【００２６】図３はその製造方法により製造された三極
電界電子放出装置の概略斜視図である。本装置は平面基
板１と、その表面に形成されたシリコン酸化膜よりなる
島状絶縁層２０２と、その表面にオーバーハングして形
成された放出突起４を具備するカソード電極２０３と、
放出突起４に自己整合して形成されたゲート電極２０５
と、平面基板１の表面に設けられたアノード電極７とが
主な構成要素である。また、島状絶縁層２０２の周囲、
特に、ゲート電極２０５付近の平面基板１には斜面２１
３が設けられている。この斜面２１３は放出突起４より
放出された電子がゲート電極５に流入する割合を低下さ
せ電界電子放出装置の電力効率を向上させる利点があ
る。
電界電子放出装置の概略斜視図である。本装置は平面基
板１と、その表面に形成されたシリコン酸化膜よりなる
島状絶縁層２０２と、その表面にオーバーハングして形
成された放出突起４を具備するカソード電極２０３と、
放出突起４に自己整合して形成されたゲート電極２０５
と、平面基板１の表面に設けられたアノード電極７とが
主な構成要素である。また、島状絶縁層２０２の周囲、
特に、ゲート電極２０５付近の平面基板１には斜面２１
３が設けられている。この斜面２１３は放出突起４より
放出された電子がゲート電極５に流入する割合を低下さ
せ電界電子放出装置の電力効率を向上させる利点があ
る。
【００２７】この電界電子放出装置は５μｍピッチで形
成された放出突起４を並列に１００個有し、放出突起４
の先端曲率半径は４００オングストロームである。カソ
ード電極２０３とゲート電極２０５の距離（ＬGK）は４
０００オングストローム、放出突起４の先端でのゲート
電極２０５の幅は２μｍ、カソード電極２０３とアノー
ド電極７の距離（ＬAK）は約１０μｍである。平面基板
１は＃７０５９ガラス基板（コーニング社製）、島状絶
縁層２０２は膜厚が５０００オングストロームのシリコ
ン酸化膜、第一カソード電極２０３ａは膜厚が１０００
オングストロームのモリブデン（Ｍｏ）薄膜、第二カソ
ード電極２０３ｂ、ゲート電極２０５およびアノード電
極７は膜厚が２０００オングストロームのタンタル（Ｔ
ａ）薄膜よりなる。また斜面２１３の角度は約１０度で
ある。
成された放出突起４を並列に１００個有し、放出突起４
の先端曲率半径は４００オングストロームである。カソ
ード電極２０３とゲート電極２０５の距離（ＬGK）は４
０００オングストローム、放出突起４の先端でのゲート
電極２０５の幅は２μｍ、カソード電極２０３とアノー
ド電極７の距離（ＬAK）は約１０μｍである。平面基板
１は＃７０５９ガラス基板（コーニング社製）、島状絶
縁層２０２は膜厚が５０００オングストロームのシリコ
ン酸化膜、第一カソード電極２０３ａは膜厚が１０００
オングストロームのモリブデン（Ｍｏ）薄膜、第二カソ
ード電極２０３ｂ、ゲート電極２０５およびアノード電
極７は膜厚が２０００オングストロームのタンタル（Ｔ
ａ）薄膜よりなる。また斜面２１３の角度は約１０度で
ある。
【００２８】図４（Ａ）乃至（Ｆ）は図３に示す電界電
子放出装置の製造方法に従う主要な製造工程の終了時に
おける平面基板１の概略縦断面図である。また、図５
（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ図４（Ｂ）、（Ｄ）および
（Ｅ）に対応した平面基板１の概略平面図である。以下
に、本実施例の電界電子放出装置の製造方法を説明す
る。まず、平面基板１の表面にエッチングマスク層とし
ての絶縁層８とカソード電極層９を積層して形成し、そ
の後、レジスト層１１を形成する（図４（Ａ））。平面
基板１は絶縁性の＃７０５９ガラス基板である。絶縁層
８は常圧ＣＶＤ法によって形成した膜厚が５０００オン
グストロームの二酸化シリコン薄膜で、カソード電極層
９はスパッタ法で堆積した膜厚が１０００オングストロ
ームのＭｏ薄膜である。レジスト層１１は概ねカソード
電極２０３の形状にフォトエッチング法によって形成し
た。
子放出装置の製造方法に従う主要な製造工程の終了時に
おける平面基板１の概略縦断面図である。また、図５
（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ図４（Ｂ）、（Ｄ）および
（Ｅ）に対応した平面基板１の概略平面図である。以下
に、本実施例の電界電子放出装置の製造方法を説明す
る。まず、平面基板１の表面にエッチングマスク層とし
ての絶縁層８とカソード電極層９を積層して形成し、そ
の後、レジスト層１１を形成する（図４（Ａ））。平面
基板１は絶縁性の＃７０５９ガラス基板である。絶縁層
８は常圧ＣＶＤ法によって形成した膜厚が５０００オン
グストロームの二酸化シリコン薄膜で、カソード電極層
９はスパッタ法で堆積した膜厚が１０００オングストロ
ームのＭｏ薄膜である。レジスト層１１は概ねカソード
電極２０３の形状にフォトエッチング法によって形成し
た。
【００２９】つぎに、カソード電極層９をレジスト層１
１の形状に加工し、仮カソード電極９１を形成する。
（図４（Ｂ）および図５（Ａ））。カソード電極層９の
Ｍｏ薄膜はＣＦ4 ガスを用いたドライエッチング法によ
ってエッチング加工した。レジスト先端１１ａはその先
端曲率半径が約７０００オングストロームであり、仮カ
ソード電極９１のそれも同様である。
１の形状に加工し、仮カソード電極９１を形成する。
（図４（Ｂ）および図５（Ａ））。カソード電極層９の
Ｍｏ薄膜はＣＦ4 ガスを用いたドライエッチング法によ
ってエッチング加工した。レジスト先端１１ａはその先
端曲率半径が約７０００オングストロームであり、仮カ
ソード電極９１のそれも同様である。
【００３０】つぎに、絶縁層８を過剰エッチング法によ
って加工しエッチングマスク８１を形成する（図４
（Ｃ））。過剰エッチング法とは等方的エッチング手段
を用いて仮カソード電極９１の形状で規定される領域の
内部深くまで絶縁層８をエッチング除去する方法であ
る。等方的エッチング手段によれば、仮カソード電極９
１の外周から内部方向にエッチングが等速度で進行する
ため、凸形状の部分においてはその形状が鋭くなる。従
って、過剰エッチング法は凸形状の部分において先端曲
率半径が小さくできるという特徴がある。ここでは等方
的エッチング手段としてＨＦ系エッチング液を用い、絶
縁層８の二酸化シリコン薄膜の過剰エッチングを行っ
た。仮カソード電極９１の外周より約１．５μｍ内側ま
で過剰エッチングしたところ、逆テーパ形状のエッチン
グマスク８１が形成され、その突起部分の先端曲率半径
は約３００オングストロームであった。仮カソード電極
９１の先端曲率半径が７０００オングストロームである
のと比較すると約２０倍のシャープ化が達成できた。こ
の工程において平面基板１の表面もエッチングされ、エ
ッチングマスク８１の周辺に斜面２１３が形成された。
絶縁層８のエッチング速度は平面基板１に比べ約５倍大
きく、このため、放出突起４の下部に形成された斜面２
１３の勾配は約１０度であった。
って加工しエッチングマスク８１を形成する（図４
（Ｃ））。過剰エッチング法とは等方的エッチング手段
を用いて仮カソード電極９１の形状で規定される領域の
内部深くまで絶縁層８をエッチング除去する方法であ
る。等方的エッチング手段によれば、仮カソード電極９
１の外周から内部方向にエッチングが等速度で進行する
ため、凸形状の部分においてはその形状が鋭くなる。従
って、過剰エッチング法は凸形状の部分において先端曲
率半径が小さくできるという特徴がある。ここでは等方
的エッチング手段としてＨＦ系エッチング液を用い、絶
縁層８の二酸化シリコン薄膜の過剰エッチングを行っ
た。仮カソード電極９１の外周より約１．５μｍ内側ま
で過剰エッチングしたところ、逆テーパ形状のエッチン
グマスク８１が形成され、その突起部分の先端曲率半径
は約３００オングストロームであった。仮カソード電極
９１の先端曲率半径が７０００オングストロームである
のと比較すると約２０倍のシャープ化が達成できた。こ
の工程において平面基板１の表面もエッチングされ、エ
ッチングマスク８１の周辺に斜面２１３が形成された。
絶縁層８のエッチング速度は平面基板１に比べ約５倍大
きく、このため、放出突起４の下部に形成された斜面２
１３の勾配は約１０度であった。
【００３１】つぎに、仮カソード電極９１をエッチング
マスク８１の形状にエッチング加工し、第一カソード電
極２０３ａを形成する（図４（Ｄ）および図５
（Ｂ））。仮カソード電極９１の表面を保護のためのレ
ジスト層１１で覆ったまま、裏面よりそれをドライエッ
チングすると、エッチングマスク８１と同等の平面形状
を有する第一カソード電極２０３ａが形成された。第一
カソード電極２０３ａの放出突起４の先端曲率半径は約
３００オングストロームであった。
マスク８１の形状にエッチング加工し、第一カソード電
極２０３ａを形成する（図４（Ｄ）および図５
（Ｂ））。仮カソード電極９１の表面を保護のためのレ
ジスト層１１で覆ったまま、裏面よりそれをドライエッ
チングすると、エッチングマスク８１と同等の平面形状
を有する第一カソード電極２０３ａが形成された。第一
カソード電極２０３ａの放出突起４の先端曲率半径は約
３００オングストロームであった。
【００３２】つぎに、エッチングマスク８１の側面をエ
ッチング除去して島状絶縁層２０２を形成し、レジスト
層１１を除去する（図４（Ｅ）および図５（Ｃ））。エ
ッチングマスク８１の側面を０．７μｍほど除去して第
一カソード電極２０３ａを庇形状に形成し、放出突起４
をオーバーハング状に露出させた。
ッチング除去して島状絶縁層２０２を形成し、レジスト
層１１を除去する（図４（Ｅ）および図５（Ｃ））。エ
ッチングマスク８１の側面を０．７μｍほど除去して第
一カソード電極２０３ａを庇形状に形成し、放出突起４
をオーバーハング状に露出させた。
【００３３】最後に、方向性粒子堆積法によってＴａ薄
膜の電極層をさらに形成した後、それをエッチング加工
して第二カソード電極２０３ｂ、ゲート電極２０５およ
びアノード電極７を形成する（図４（Ｆ））。方向性粒
子堆積法にスパッタ法を利用し厚さ２０００オングスト
ロームのＴａ薄膜よりなるゲート電極２０５を形成し
た。方向性粒子堆積法を用いると放出突起４のようなオ
ーバーハングした部分が陰となり、第一カソード電極２
０３ａの表面に堆積した第二カソード電極２０３ｂと平
面基板１の表面い堆積したゲート電極２０５の層は電気
的に分断され、また、放出突起４と同形状の欠落部分が
放出突起４の垂直下部に自己整合的に形成される。この
ような方向性粒子堆積法としてスパッタ法、蒸着法、Ｅ
ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ）プラズマ堆積法、クラスタイオンビーム
法などが適用できる。Ｔａ薄膜の電極層はドライエッチ
ング法で加工し、ゲート電極２０５およびアノード電極
７を形成した。このとき欠落部分が侵食されないように
フォトレジストで覆うことが重要である。カソード電極
２０３は第一カソード電極２０３ａと第二カソード電極
２０３ｂの積層構造であって、その先端曲率半径は約４
００オングストロームであった。なお、第一カソード電
極２０３ａと第二カソード電極２０３ｂの材料が異なる
場合などは、放出突起４の部分でどちらかの電極を除去
し、残りを電子放出の電極として利用してもよい。この
ように放出突起４を薄くすると膜厚方向の先端曲率半径
が小さくなり、より低閾値化が達成できる。
膜の電極層をさらに形成した後、それをエッチング加工
して第二カソード電極２０３ｂ、ゲート電極２０５およ
びアノード電極７を形成する（図４（Ｆ））。方向性粒
子堆積法にスパッタ法を利用し厚さ２０００オングスト
ロームのＴａ薄膜よりなるゲート電極２０５を形成し
た。方向性粒子堆積法を用いると放出突起４のようなオ
ーバーハングした部分が陰となり、第一カソード電極２
０３ａの表面に堆積した第二カソード電極２０３ｂと平
面基板１の表面い堆積したゲート電極２０５の層は電気
的に分断され、また、放出突起４と同形状の欠落部分が
放出突起４の垂直下部に自己整合的に形成される。この
ような方向性粒子堆積法としてスパッタ法、蒸着法、Ｅ
ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓ
ｏｎａｎｃｅ）プラズマ堆積法、クラスタイオンビーム
法などが適用できる。Ｔａ薄膜の電極層はドライエッチ
ング法で加工し、ゲート電極２０５およびアノード電極
７を形成した。このとき欠落部分が侵食されないように
フォトレジストで覆うことが重要である。カソード電極
２０３は第一カソード電極２０３ａと第二カソード電極
２０３ｂの積層構造であって、その先端曲率半径は約４
００オングストロームであった。なお、第一カソード電
極２０３ａと第二カソード電極２０３ｂの材料が異なる
場合などは、放出突起４の部分でどちらかの電極を除去
し、残りを電子放出の電極として利用してもよい。この
ように放出突起４を薄くすると膜厚方向の先端曲率半径
が小さくなり、より低閾値化が達成できる。
【００３４】このように製造された電界電子放出装置の
電気特性を高真空中で測定した。カソード電極２０５を
接地してアノードカソード電圧Ｖak＝２００Ｖと一定と
したとき、ゲートカソード電圧Ｖgk＝６０Ｖでカソード
電流Ｉk ＝４×１０-8Ａ、１００Ｖで６×１０-5Ａが得
られた。また、カソード電極２０３とゲート電極２０５
の間の寄生容量は１０ｆＦ程度であった。
電気特性を高真空中で測定した。カソード電極２０５を
接地してアノードカソード電圧Ｖak＝２００Ｖと一定と
したとき、ゲートカソード電圧Ｖgk＝６０Ｖでカソード
電流Ｉk ＝４×１０-8Ａ、１００Ｖで６×１０-5Ａが得
られた。また、カソード電極２０３とゲート電極２０５
の間の寄生容量は１０ｆＦ程度であった。
【００３５】本実施例ではカソード電極２０３などの電
極材料にＭｏ薄膜とＴａ薄膜を利用したが、本発明はこ
れに限るものでなく、この他にタングステン、シリコ
ン、クロム、アルミニウムなどの金属やこれらを成分に
含む合金などが利用できる。また、平面基板１としてシ
リコン基板などの導電性基板の表面に絶縁体を設けた絶
縁性基板や、アルミナ基板など熱伝導性の良好なセラミ
ック基板などを利用してもよい。さらに、絶縁層８もし
くはエッチングマクス８１は二酸化シリコン薄膜に限る
ものでなく、窒化シリコン薄膜やアルミナ薄膜なども利
用できる。
極材料にＭｏ薄膜とＴａ薄膜を利用したが、本発明はこ
れに限るものでなく、この他にタングステン、シリコ
ン、クロム、アルミニウムなどの金属やこれらを成分に
含む合金などが利用できる。また、平面基板１としてシ
リコン基板などの導電性基板の表面に絶縁体を設けた絶
縁性基板や、アルミナ基板など熱伝導性の良好なセラミ
ック基板などを利用してもよい。さらに、絶縁層８もし
くはエッチングマクス８１は二酸化シリコン薄膜に限る
ものでなく、窒化シリコン薄膜やアルミナ薄膜なども利
用できる。
【００３６】電子放出の閾値電圧を低減するために放出
突起４にバリウム、トリウム、セシウムなどの仕事関数
の小さな材料をコーティングしてもよく、またこのよう
な材料でカソード電極２０３を形成してもよい。電子放
出の雑音を低減するために、放出突起４の数を充分に多
く設け、これらを同時に駆動して一斉に電子放出を行う
ことでＳ／Ｎ比を大きくすることができる。なお、電子
放出は放出突起４の先端の一点のみでなく、先端の脇に
作製された複数の補助突起から発生しても同じ効果であ
る。また、セルフバイアス抵抗や非線形抵抗をカソード
電極に直列接続すると、過電流を防止したり、雑音を低
減できる。また、アノード電極７の表面に蛍光体を形成
して発光型ディスプレイを構成することや、銅薄膜など
Ｘ線を発生する材料を形成して、電子線でこれを励起す
ることにより微細Ｘ線源を構成することができる。上記
製造方法は当然のことながら図１に示す四極電界電子放
出装置においても同様に利用できるものである。
突起４にバリウム、トリウム、セシウムなどの仕事関数
の小さな材料をコーティングしてもよく、またこのよう
な材料でカソード電極２０３を形成してもよい。電子放
出の雑音を低減するために、放出突起４の数を充分に多
く設け、これらを同時に駆動して一斉に電子放出を行う
ことでＳ／Ｎ比を大きくすることができる。なお、電子
放出は放出突起４の先端の一点のみでなく、先端の脇に
作製された複数の補助突起から発生しても同じ効果であ
る。また、セルフバイアス抵抗や非線形抵抗をカソード
電極に直列接続すると、過電流を防止したり、雑音を低
減できる。また、アノード電極７の表面に蛍光体を形成
して発光型ディスプレイを構成することや、銅薄膜など
Ｘ線を発生する材料を形成して、電子線でこれを励起す
ることにより微細Ｘ線源を構成することができる。上記
製造方法は当然のことながら図１に示す四極電界電子放
出装置においても同様に利用できるものである。
【００３７】以上説明したように本発明の電界電子装置
の製造方法は下記に列記するような格別なる効果を奏す
る。 （１）カソード電極層もしくはカソード電極層の表面に
形成したエッチングマスク層を過剰エッチングしカソー
ド電極を製造する方法に比べ、先端曲率半径のより小さ
な放出突起が製造できる。これは平面基板１の表面に形
成したエッチングマスクのエッチング特性が非常に等方
的で、しかも湿式エッチング法などのエッチング速度の
大きなエッチング手段を利用できるためである。Ｍｏな
どは湿式エッチングが難しいため、そのものの過剰エッ
チング法による放出突起４の形成は困難である。 （２）Ｌgkは島状絶縁層とゲート電極の膜厚によって概
ね決定される。膜厚の制御性はＬＳＩ技術の発展によっ
て優れており、均一性がよく電子放出の閾値電圧の低い
電界電子放出装置が実現される。従来の技術ではＬgkは
０．８μｍが限界であったが、本発明により０．１μｍ
以下のものが作製できる。 （３）過剰エッチング法によって放出突起４の先端曲率
半径を小さくし低閾値化が達成できた。従来技術では先
端曲率半径は２０００オングストローム程度が限界であ
ったが、本発明により４００オングストローム以下が可
能となった。 （４）過剰エッチング法は放出突起４のような凸部は曲
率半径のより小さな鋭い凸部となり、反対に凹部はより
なめらかな凹部になるという特長がある。このような性
質を利用してカソード電極の凸部と凹部を使い分け、不
慮の電子放出や電極間の短絡を防止できる。 （５）カソード電極に対してゲート電極を自己整合的に
形成することができ、電極間の寄生容量が小さくなり高
速動作が可能となる。特に比抵抗の小さな第一カソード
電極を設けて配線抵抗を小さくし、配線遅延のより小さ
な高速デバイスの製造に適している。
の製造方法は下記に列記するような格別なる効果を奏す
る。 （１）カソード電極層もしくはカソード電極層の表面に
形成したエッチングマスク層を過剰エッチングしカソー
ド電極を製造する方法に比べ、先端曲率半径のより小さ
な放出突起が製造できる。これは平面基板１の表面に形
成したエッチングマスクのエッチング特性が非常に等方
的で、しかも湿式エッチング法などのエッチング速度の
大きなエッチング手段を利用できるためである。Ｍｏな
どは湿式エッチングが難しいため、そのものの過剰エッ
チング法による放出突起４の形成は困難である。 （２）Ｌgkは島状絶縁層とゲート電極の膜厚によって概
ね決定される。膜厚の制御性はＬＳＩ技術の発展によっ
て優れており、均一性がよく電子放出の閾値電圧の低い
電界電子放出装置が実現される。従来の技術ではＬgkは
０．８μｍが限界であったが、本発明により０．１μｍ
以下のものが作製できる。 （３）過剰エッチング法によって放出突起４の先端曲率
半径を小さくし低閾値化が達成できた。従来技術では先
端曲率半径は２０００オングストローム程度が限界であ
ったが、本発明により４００オングストローム以下が可
能となった。 （４）過剰エッチング法は放出突起４のような凸部は曲
率半径のより小さな鋭い凸部となり、反対に凹部はより
なめらかな凹部になるという特長がある。このような性
質を利用してカソード電極の凸部と凹部を使い分け、不
慮の電子放出や電極間の短絡を防止できる。 （５）カソード電極に対してゲート電極を自己整合的に
形成することができ、電極間の寄生容量が小さくなり高
速動作が可能となる。特に比抵抗の小さな第一カソード
電極を設けて配線抵抗を小さくし、配線遅延のより小さ
な高速デバイスの製造に適している。
【００３８】図６（Ａ）は上記の新規な四極電界電子放
出装置を利用した平面型四極真空管の概略平面図、同図
（Ｂ）はそのＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。平面
型四極真空管は前述した四極電界電子放出装置を有する
平面基板１と対向基板１４を概ね平行に配置し、その周
辺に狭持体１７を設け、平面基板１、対向基板１４およ
び狭持体１７で囲まれた真空層２３の内部に四極電界電
子放出装置を封入した構造である。対向基板１４は石英
基板よりなり、真空層２３に面した表面に帯電防止のた
めの導電性薄膜１５をもち、また真空層２３を真空排気
して封止した封止口１６をもつ。封止口１６はＣｒ／Ａ
ｕ薄膜が形成された開口内部にＡｕ・Ｓｎ合金を溶かし
て穴埋めしたものである。ゲッタ材料１８は対向基板１
４の表面に予め形成されたＡｌ・Ｂａ合金薄膜よりな
り、真空層２３の完成後にレーザで加熱され真空層２３
の壁面に蒸着されてゲッタ効果が蘇生されている。狭持
体１７は低溶融ガラス粉末に直径１００μｍのグラスフ
ァイバを混合して焼成したもので、それぞれの基板と気
密性よく接着され、真空層２３のギャップを１００μｍ
に維持している。
出装置を利用した平面型四極真空管の概略平面図、同図
（Ｂ）はそのＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。平面
型四極真空管は前述した四極電界電子放出装置を有する
平面基板１と対向基板１４を概ね平行に配置し、その周
辺に狭持体１７を設け、平面基板１、対向基板１４およ
び狭持体１７で囲まれた真空層２３の内部に四極電界電
子放出装置を封入した構造である。対向基板１４は石英
基板よりなり、真空層２３に面した表面に帯電防止のた
めの導電性薄膜１５をもち、また真空層２３を真空排気
して封止した封止口１６をもつ。封止口１６はＣｒ／Ａ
ｕ薄膜が形成された開口内部にＡｕ・Ｓｎ合金を溶かし
て穴埋めしたものである。ゲッタ材料１８は対向基板１
４の表面に予め形成されたＡｌ・Ｂａ合金薄膜よりな
り、真空層２３の完成後にレーザで加熱され真空層２３
の壁面に蒸着されてゲッタ効果が蘇生されている。狭持
体１７は低溶融ガラス粉末に直径１００μｍのグラスフ
ァイバを混合して焼成したもので、それぞれの基板と気
密性よく接着され、真空層２３のギャップを１００μｍ
に維持している。
【００３９】四極電界電子放出装置の各電極の外部取り
出し端子、すなわち、カソード端子１９、ゲート端子２
０、コントロール端子２１およびアノード端子２２は狭
持体１７と平面基板１の間より金属薄膜によって真空層
２３の外部に導出されている。この平面型四極真空管の
大きさは横７ｍｍ、縦４ｍｍ、厚さ２．２ｍｍであっ
て、従来の熱電子放出型の真空管に比べて体積で１／１
０００以下と非常に小さい。真空層２３の真空度は１×
１０-7Ｔｏｒｒ以下である。なお、アノード電極７は平
面基板１の表面に形成されているが、本発明はこれに限
るものでなく、例えば対向基板の表面に形成されていて
もよい。また、このときコントロール電極６は放出突起
４とアノード電極７の中間に位置するように真空層２３
の内部に配置されていてもよい。
出し端子、すなわち、カソード端子１９、ゲート端子２
０、コントロール端子２１およびアノード端子２２は狭
持体１７と平面基板１の間より金属薄膜によって真空層
２３の外部に導出されている。この平面型四極真空管の
大きさは横７ｍｍ、縦４ｍｍ、厚さ２．２ｍｍであっ
て、従来の熱電子放出型の真空管に比べて体積で１／１
０００以下と非常に小さい。真空層２３の真空度は１×
１０-7Ｔｏｒｒ以下である。なお、アノード電極７は平
面基板１の表面に形成されているが、本発明はこれに限
るものでなく、例えば対向基板の表面に形成されていて
もよい。また、このときコントロール電極６は放出突起
４とアノード電極７の中間に位置するように真空層２３
の内部に配置されていてもよい。
【００４０】上記四極電界電子放出装置の電気放出特性
を図７〜図９に示す。図７は四極電界電子放出装置をも
ちいたカソード電極接地型の電圧増幅器の電気接続図で
ある。前述した四極真空管を図７の中央に示すシンボル
マーク３０で表現することとする。これはカソード電極
３、ゲート電極５、コントロール電極６およびアノード
電極７を真空層２３の内部に封入したことを意味する。
を図７〜図９に示す。図７は四極電界電子放出装置をも
ちいたカソード電極接地型の電圧増幅器の電気接続図で
ある。前述した四極真空管を図７の中央に示すシンボル
マーク３０で表現することとする。これはカソード電極
３、ゲート電極５、コントロール電極６およびアノード
電極７を真空層２３の内部に封入したことを意味する。
【００４１】四極電界電子放出装置を利用した電圧増幅
器の駆動方法はつぎの通りである。すなわち、カソード
電極３を接地して、ゲート電極５に正電位のゲート電圧
２６（ＶGK）を印加し、アノード電極７に負荷抵抗２８
（ＲL ）を通して正電位のアノード電圧２７（ＶAK）を
印加し、コントロール電極６にコントロールバイアス電
圧２５（ＶCK）とこれに直列接続された入力信号電圧２
４（Ｖin）を印加すると、アノード電極７と負荷抵抗２
８の接続部分より入力信号電圧２４に比例した出力信号
電圧２９（Ｖout ）が得られる。図８は前述の四極電界
電子放出装置の電子放出特性を示すグラフである。これ
は図７の電気接続図において入力信号電圧２４とコント
ロールバイアス電圧２５を０Ｖ、アノード電極２７をＶ
AK＝４００Ｖとして四極電界電子放出装置のゲート電圧
２６に対するゲート電流３２（ＩG ）およびアノード電
流３１（ＩA ）の依存性を測定した結果である。ゲート
電圧２６に対してゲート電流３２およびアノード電流３
１は指数関数的に増加し、放出電流がＦ・Ｎトンネル電
流であることを示している。アノード電流３１はゲート
電流３２に対して約２桁小さい。ゲート電圧２６でアノ
ード電流３１を制御する従来の駆動方法では、ＩG ＞Ｉ
A であるために電力変換効率が悪く、また伝達特性も指
数関数になるためにリニア増幅器などには利用しにく
い。そこで、アノード電流３１をコントロール電極６に
印加する電圧で制御するに至った。
器の駆動方法はつぎの通りである。すなわち、カソード
電極３を接地して、ゲート電極５に正電位のゲート電圧
２６（ＶGK）を印加し、アノード電極７に負荷抵抗２８
（ＲL ）を通して正電位のアノード電圧２７（ＶAK）を
印加し、コントロール電極６にコントロールバイアス電
圧２５（ＶCK）とこれに直列接続された入力信号電圧２
４（Ｖin）を印加すると、アノード電極７と負荷抵抗２
８の接続部分より入力信号電圧２４に比例した出力信号
電圧２９（Ｖout ）が得られる。図８は前述の四極電界
電子放出装置の電子放出特性を示すグラフである。これ
は図７の電気接続図において入力信号電圧２４とコント
ロールバイアス電圧２５を０Ｖ、アノード電極２７をＶ
AK＝４００Ｖとして四極電界電子放出装置のゲート電圧
２６に対するゲート電流３２（ＩG ）およびアノード電
流３１（ＩA ）の依存性を測定した結果である。ゲート
電圧２６に対してゲート電流３２およびアノード電流３
１は指数関数的に増加し、放出電流がＦ・Ｎトンネル電
流であることを示している。アノード電流３１はゲート
電流３２に対して約２桁小さい。ゲート電圧２６でアノ
ード電流３１を制御する従来の駆動方法では、ＩG ＞Ｉ
A であるために電力変換効率が悪く、また伝達特性も指
数関数になるためにリニア増幅器などには利用しにく
い。そこで、アノード電流３１をコントロール電極６に
印加する電圧で制御するに至った。
【００４２】図９は前述の四極電界電子放出装置の入出
力静特性を示すグラフである。これは図７の電気接続図
においてゲート電圧２６をＶGK＝１４０Ｖ、入力信号電
圧２４を０Ｖ、アノード電極２７をＶAK＝４００Ｖとし
て四極電界電子放出装置のコントロールバイアス電圧２
５に対するコントロール電流３３（ＩC ）とアノード電
流３４の依存性を測定した結果である。ＶCK＜０Ｖの範
囲でアノード電流３４は指数関数的（非線形）に変化す
るものの、ＶCK＞０Ｖの範囲ではアノード電流３４は直
線的（線形）に変化する。すなわち、ＶCK＞０Ｖの範囲
でコントロール電極６に印加する電圧にアノード電流３
４は比例するため、リニア増幅器として利用できる。こ
のときコントロール電流３３はアノード電流３４に比べ
１％以下であって、入出力の電力変換効率が良好な電界
効果型の電圧増幅器となる。このようなコントロール電
極６の電界効果によるアノード電流３４の制御機構は従
来の熱電子放出型真空管のグリッド電極のそれに類似し
ている。すなわち、コントロール電極６の電位によって
コントロール電極６とカソード電極３の中間に形成され
る電界（電位勾配）によりアノード電流３４が制御され
る機構である。コントロール電極６に負の電圧が印加さ
れ放出突起４の近傍に負の電界が形成されると、アノー
ド電極７に向かう放出電子に斥力が印加され、アノード
電極７に到達できる電子量は制限される。
力静特性を示すグラフである。これは図７の電気接続図
においてゲート電圧２６をＶGK＝１４０Ｖ、入力信号電
圧２４を０Ｖ、アノード電極２７をＶAK＝４００Ｖとし
て四極電界電子放出装置のコントロールバイアス電圧２
５に対するコントロール電流３３（ＩC ）とアノード電
流３４の依存性を測定した結果である。ＶCK＜０Ｖの範
囲でアノード電流３４は指数関数的（非線形）に変化す
るものの、ＶCK＞０Ｖの範囲ではアノード電流３４は直
線的（線形）に変化する。すなわち、ＶCK＞０Ｖの範囲
でコントロール電極６に印加する電圧にアノード電流３
４は比例するため、リニア増幅器として利用できる。こ
のときコントロール電流３３はアノード電流３４に比べ
１％以下であって、入出力の電力変換効率が良好な電界
効果型の電圧増幅器となる。このようなコントロール電
極６の電界効果によるアノード電流３４の制御機構は従
来の熱電子放出型真空管のグリッド電極のそれに類似し
ている。すなわち、コントロール電極６の電位によって
コントロール電極６とカソード電極３の中間に形成され
る電界（電位勾配）によりアノード電流３４が制御され
る機構である。コントロール電極６に負の電圧が印加さ
れ放出突起４の近傍に負の電界が形成されると、アノー
ド電極７に向かう放出電子に斥力が印加され、アノード
電極７に到達できる電子量は制限される。
【００４３】カソード電極から飛び出した電子は、初速
度を持っているためアノード電極方向へとんでいくが、
途中に負電位のコントロール電極が存在すると、この負
電位の電位勾配によって減速され、一部の電子はカソー
ド電極方向に戻る。こうして電子がカソード電極とコン
トロール電極との間に滞在し電子雲（空間電荷制限領
域）を形成する。アノード電極へ流れることができる電
子は統計的にコントロール電位よりエネルギーの高いも
のに限られる。このような空間電荷制限領域における電
子の伝導は、雑音電流が非常に小さくなることが知られ
ている。空間電荷のゆらぎは、カソード電極からの放出
電流のゆらぎ（雑音電流）に比べて小さく、特にエネル
ギーの小さな電子のゆらぎはほとんど無視でき、エネル
ギーの大きな電子の一部のみがアノード電流の雑音の原
因となるのみであるからである。従来の三極電界電子放
出装置は、上記の空間電荷制限領域を有せず、カソード
電極から放出された電子はほとんどアノード電極に到達
する（放射制限領域での電子の伝導）ので放出電流の雑
音がそのままアノード電流の雑音となってあらわれる。
度を持っているためアノード電極方向へとんでいくが、
途中に負電位のコントロール電極が存在すると、この負
電位の電位勾配によって減速され、一部の電子はカソー
ド電極方向に戻る。こうして電子がカソード電極とコン
トロール電極との間に滞在し電子雲（空間電荷制限領
域）を形成する。アノード電極へ流れることができる電
子は統計的にコントロール電位よりエネルギーの高いも
のに限られる。このような空間電荷制限領域における電
子の伝導は、雑音電流が非常に小さくなることが知られ
ている。空間電荷のゆらぎは、カソード電極からの放出
電流のゆらぎ（雑音電流）に比べて小さく、特にエネル
ギーの小さな電子のゆらぎはほとんど無視でき、エネル
ギーの大きな電子の一部のみがアノード電流の雑音の原
因となるのみであるからである。従来の三極電界電子放
出装置は、上記の空間電荷制限領域を有せず、カソード
電極から放出された電子はほとんどアノード電極に到達
する（放射制限領域での電子の伝導）ので放出電流の雑
音がそのままアノード電流の雑音となってあらわれる。
【００４４】一方、コントロール電極６に正の電圧を印
加していくと、放出電子への斥力は弱まりアノード電流
３４が増加する。ところで、正電位のゲート電極５は従
来の五極真空管の空間電荷グリッド電極と同様の役割を
果たし、カソード電極３の付近に空間電荷が滞留するの
を防止している。なお、本発明においてはアノード電極
７の二次電子の影響を防止するために後記のとおりアノ
ード電極７とコントロール電極６との中間に抑制電極を
追加して形成してもよい。
加していくと、放出電子への斥力は弱まりアノード電流
３４が増加する。ところで、正電位のゲート電極５は従
来の五極真空管の空間電荷グリッド電極と同様の役割を
果たし、カソード電極３の付近に空間電荷が滞留するの
を防止している。なお、本発明においてはアノード電極
７の二次電子の影響を防止するために後記のとおりアノ
ード電極７とコントロール電極６との中間に抑制電極を
追加して形成してもよい。
【００４５】コントロールバイアス電圧２５の設定によ
り線形領域と非線形領域の使い分けができる。線形領域
の動作は電圧増幅器などのリニア増幅機能として都合が
よく、非線形領域の動作はスイッチング機能などに都合
がよい。またゲート電圧２６を小さくすると、直線領域
と非線形領域の境界を与えるコントロールバイアス電圧
２５が低電圧側にシフトするため、ゲート電圧２６を任
意に設定することでコントロールバイアス電圧２５の設
定電圧を自由に選択できるなどの特長がある。しかし、
前述の四極電界電子放出装置においては、図８に示すよ
うに、ゲート電流がアノード電流より著しく多く、ゲー
ト電極に流れる無効電流の存在は非効率的である。
り線形領域と非線形領域の使い分けができる。線形領域
の動作は電圧増幅器などのリニア増幅機能として都合が
よく、非線形領域の動作はスイッチング機能などに都合
がよい。またゲート電圧２６を小さくすると、直線領域
と非線形領域の境界を与えるコントロールバイアス電圧
２５が低電圧側にシフトするため、ゲート電圧２６を任
意に設定することでコントロールバイアス電圧２５の設
定電圧を自由に選択できるなどの特長がある。しかし、
前述の四極電界電子放出装置においては、図８に示すよ
うに、ゲート電流がアノード電流より著しく多く、ゲー
ト電極に流れる無効電流の存在は非効率的である。
【００４６】図１０は本実施例の多極電界電子放出装置
のアノード静特性を示すグラフである。図７の電気接続
図におけるゲート電圧２６をＶGK＝１４０Ｖとし、入力
信号２４を０Ｖとして、コントロールバイアス電圧２５
をＶCK＝２０、４０、６０、８０Ｖと変化させたときの
ＶAK−ＩAK静特性を測定した結果である。図１０よりわ
かるように本実施例の多極電界電子放出装置は、ＶAK＞
１５０Ｖの範囲でＩAKはほぼ一定になり、またＩAKはＶ
GKに比例して増加するという、従来の熱電子放出型の五
極真空管に類似したアノード静特性を有する。この特性
はアノード抵抗が非常に大きく、しかも入出力が比例関
係にあるため、リニア増幅器などへの応用に最適なもの
である。
のアノード静特性を示すグラフである。図７の電気接続
図におけるゲート電圧２６をＶGK＝１４０Ｖとし、入力
信号２４を０Ｖとして、コントロールバイアス電圧２５
をＶCK＝２０、４０、６０、８０Ｖと変化させたときの
ＶAK−ＩAK静特性を測定した結果である。図１０よりわ
かるように本実施例の多極電界電子放出装置は、ＶAK＞
１５０Ｖの範囲でＩAKはほぼ一定になり、またＩAKはＶ
GKに比例して増加するという、従来の熱電子放出型の五
極真空管に類似したアノード静特性を有する。この特性
はアノード抵抗が非常に大きく、しかも入出力が比例関
係にあるため、リニア増幅器などへの応用に最適なもの
である。
【００４７】図７における負荷抵抗２８をＲL ＝５ＧΩ
とすると、図１０のアノード電極静特性のグラフに負荷
直線３６が引ける。このような回路によって増幅器とし
ての基本機能を確認した。すなわち、コントロールバイ
アス電圧２５をＶAK＝４０Ｖとし、２０Ｖの正弦波（ｖ
in＝２０ｓｉｎ（ωｔ）Ｖ）を入力信号２４として印加
したところ、出力信号２９として５０Ｖの正弦波（ｖ
out ＝−５０ｓｉｎ（ωｔ）Ｖ）が得られ、電圧増幅率
が２．５倍という増幅機能を確認した。周波数ωを大き
くしていき、増幅器としての周波数特性を測定したとこ
ろ、カットオフ周波数ωc は１００ＭＨｚ以上であっ
た。
とすると、図１０のアノード電極静特性のグラフに負荷
直線３６が引ける。このような回路によって増幅器とし
ての基本機能を確認した。すなわち、コントロールバイ
アス電圧２５をＶAK＝４０Ｖとし、２０Ｖの正弦波（ｖ
in＝２０ｓｉｎ（ωｔ）Ｖ）を入力信号２４として印加
したところ、出力信号２９として５０Ｖの正弦波（ｖ
out ＝−５０ｓｉｎ（ωｔ）Ｖ）が得られ、電圧増幅率
が２．５倍という増幅機能を確認した。周波数ωを大き
くしていき、増幅器としての周波数特性を測定したとこ
ろ、カットオフ周波数ωc は１００ＭＨｚ以上であっ
た。
【００４８】図１１はコントロール電圧２５（ＶCK）に
対するゲート電極ＩG 、アノード電流ＩA およびコント
ロール電流ＩC の関係を示す。ゲート電流ＩG はほぼ一
定である。コントロール電流ＩC はＶCK＜ＶGKのときＩ
C ＜０である。負電流の原因として真空中のイオン電流
と基板の表面リーク電流が考えられるが、電流が安定で
あることからゲート電極との間の表面リーク電流であろ
う。アノード電流ＩA はコントロール電圧ＶCKに対して
単調増加する。特にコントロール電圧が大きいとき、ア
ノード電流はこれにほぼ比例して増加する。すなわち伝
達特性に線形領域が認められた。なお、ＶCKに対して放
射電流はほぼ一定であり放射電流がゲート電圧で定まり
他の電極電位に影響されないことがわかった。
対するゲート電極ＩG 、アノード電流ＩA およびコント
ロール電流ＩC の関係を示す。ゲート電流ＩG はほぼ一
定である。コントロール電流ＩC はＶCK＜ＶGKのときＩ
C ＜０である。負電流の原因として真空中のイオン電流
と基板の表面リーク電流が考えられるが、電流が安定で
あることからゲート電極との間の表面リーク電流であろ
う。アノード電流ＩA はコントロール電圧ＶCKに対して
単調増加する。特にコントロール電圧が大きいとき、ア
ノード電流はこれにほぼ比例して増加する。すなわち伝
達特性に線形領域が認められた。なお、ＶCKに対して放
射電流はほぼ一定であり放射電流がゲート電圧で定まり
他の電極電位に影響されないことがわかった。
【００４９】図１２はコントロール電圧ＶCKをパラメー
タとしたアノード特性である。アノード電流ＩA はアノ
ード電圧ＶAKとコントロール電圧ＶCKの双方に依存して
増加し、次式に従う。 ＩA ＝Ｋ（ＶCK＋ａＶAK）n ここでＫ、ａおよびｎは定数である。この特性は空間電
荷制限領域における熱電子放射型三極真空管の特性と同
様である。増幅率μ（＝１／ａ）および相互コンダクタ
ンスｇm （＝ｄＩA ／ｄＩCK）を同図より見積もるとＶ
AK＝３００Ｖ、ＶCK＝１５０Ｖのときそれぞれ１および
２．６Ｅ−１０Ｓである。またｎ値は約１．３であっ
た。ＶCK＞ＶGKのときアノード電流の一部がコントロー
ル電流に流入する傾向がある。図１２の特性においては
ｇm およびμが非常に小さい。実用的には１ｍＳ以上お
よび１００以上がそれぞれ要求される。それぞれについ
て改善方法はいくつかあるが、特にｇm については放射
電流を増やすことが効果的である。
タとしたアノード特性である。アノード電流ＩA はアノ
ード電圧ＶAKとコントロール電圧ＶCKの双方に依存して
増加し、次式に従う。 ＩA ＝Ｋ（ＶCK＋ａＶAK）n ここでＫ、ａおよびｎは定数である。この特性は空間電
荷制限領域における熱電子放射型三極真空管の特性と同
様である。増幅率μ（＝１／ａ）および相互コンダクタ
ンスｇm （＝ｄＩA ／ｄＩCK）を同図より見積もるとＶ
AK＝３００Ｖ、ＶCK＝１５０Ｖのときそれぞれ１および
２．６Ｅ−１０Ｓである。またｎ値は約１．３であっ
た。ＶCK＞ＶGKのときアノード電流の一部がコントロー
ル電流に流入する傾向がある。図１２の特性においては
ｇm およびμが非常に小さい。実用的には１ｍＳ以上お
よび１００以上がそれぞれ要求される。それぞれについ
て改善方法はいくつかあるが、特にｇm については放射
電流を増やすことが効果的である。
【００５０】なお、電圧増幅率、相互コンダクタンスお
よび周波数特性をより高めるためにはカソード電極３の
放出突起４の数を増やし放出電流を大きくするか、もし
くはゲート電極３の構造を工夫し無効なゲート電極を減
らしてアノード電流を増加させることが必要である。本
実施例では放出突起４は６個であるが、これを例えば１
万倍にして放出電流を１万倍とすると、電圧増幅率、相
互コンダクタンスは約１万倍になり、周波数特性は約１
００倍に改善できた。無効なゲート電流を減らすために
は、ゲート電極５の幅をより小さくした構造や、放出突
起４の突出方向に開き角をもった斜面にゲート電極５を
形成した構造として、放出電子がゲート電極５に衝突す
る確率を小さくすればよい。
よび周波数特性をより高めるためにはカソード電極３の
放出突起４の数を増やし放出電流を大きくするか、もし
くはゲート電極３の構造を工夫し無効なゲート電極を減
らしてアノード電流を増加させることが必要である。本
実施例では放出突起４は６個であるが、これを例えば１
万倍にして放出電流を１万倍とすると、電圧増幅率、相
互コンダクタンスは約１万倍になり、周波数特性は約１
００倍に改善できた。無効なゲート電流を減らすために
は、ゲート電極５の幅をより小さくした構造や、放出突
起４の突出方向に開き角をもった斜面にゲート電極５を
形成した構造として、放出電子がゲート電極５に衝突す
る確率を小さくすればよい。
【００５１】本実施例では電気接続法としてカソード電
極３を接地したが、本発明はこれに限るものではなく、
例えばゲート電極５を接地した電気接続法であってもか
まわない。図１３は本実施例の多極電界電子放出装置を
ゲート電極接地型の電圧増幅器に利用した電気接続図で
ある。ゲート電極５を接地して、カソード電極３に負電
圧のカソード電圧３７を印加したものである。この電気
接続法によれば、図７に示したものと違い、放出電流の
値によって直線領域と非線形領域の境界が変動しないた
め使いやすい増幅器である。
極３を接地したが、本発明はこれに限るものではなく、
例えばゲート電極５を接地した電気接続法であってもか
まわない。図１３は本実施例の多極電界電子放出装置を
ゲート電極接地型の電圧増幅器に利用した電気接続図で
ある。ゲート電極５を接地して、カソード電極３に負電
圧のカソード電圧３７を印加したものである。この電気
接続法によれば、図７に示したものと違い、放出電流の
値によって直線領域と非線形領域の境界が変動しないた
め使いやすい増幅器である。
【００５２】放射電流が大きい場合、雑音の少ない放出
電流を得るため、図１４に示すようにカソード電極とア
ノード電極間にセルフバイアス抵抗ＲSBを入れる駆動方
法が考えられる。図１５はこのアノード特性である。放
出電流の安定化のため２ＭΩのセルフバイアス抵抗ＲSB
をカソード電極に直列に挿入した。ＶKG＝−２７０Ｖの
とき放射電流は約１０μＡであった。このグラフよりｇ
m ＝１０ｎＳ、μ＝１．５が得られた。表１に特性をま
とめた。四極デバイスのうちＡは図１２に対応し、Ｂは
図１５に対応するものである。 図１６は上記四極電界電子放出装置にスクリーン電極Ｓ
を加えた五極電界電子放出装置の回路図であり、図１７
はそのアノード特性を示す図である。カソード電極の突
起数は１００００個、ＶKG＝−１４０Ｖ、カソード電極
電流Ｉk ＝２０ｍＡ、ＶSG＝１００Ｖ、ＲL ＝１ＫΩの
条件にて測定したものである。図１７においてＲL ＝８
０ＫΩの負荷を挿入すれば（破線で示す。）、増幅率は
４倍である。このときの動作点はＶi ＝−４０Ｖとな
る。この五極を有する装置は、アノード電圧が変動して
もスクリーン電極の存在によりコントロール電極近傍の
電界が変動しないため、アノード電流は不変となる特性
を有する。すなわちアノード抵抗γａ γａ＝ΔＶA ／ΔＩA が増大する。次の実施例では平面型の六極電界電子放出
装置の構造と製造方法について述べる。図１８（Ａ）、
（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ平面型の六極電界電子放
出装置の概略平面図、Ｂ−Ｂ線に沿った概略縦断面図お
よびＣ−Ｃ線に沿った概略縦断面図である。本装置は四
極電界電子放出装置のコントロール電極６とアノード電
極７の中間にスクリーン電極５０とサプレッサ電極５３
を設けた構造である。また、コントロール電極６および
スクリーン電極５０はそれぞれの電極上に形成された柱
状コントロール電極６４および柱状スクリーン電極６５
をそれぞれ具備する。それらの柱状電極はカソード電極
３の表面で規定される平面を串刺しするように形成され
ており、その高さは少なくも島状絶縁層２の膜厚より大
きい。
電流を得るため、図１４に示すようにカソード電極とア
ノード電極間にセルフバイアス抵抗ＲSBを入れる駆動方
法が考えられる。図１５はこのアノード特性である。放
出電流の安定化のため２ＭΩのセルフバイアス抵抗ＲSB
をカソード電極に直列に挿入した。ＶKG＝−２７０Ｖの
とき放射電流は約１０μＡであった。このグラフよりｇ
m ＝１０ｎＳ、μ＝１．５が得られた。表１に特性をま
とめた。四極デバイスのうちＡは図１２に対応し、Ｂは
図１５に対応するものである。 図１６は上記四極電界電子放出装置にスクリーン電極Ｓ
を加えた五極電界電子放出装置の回路図であり、図１７
はそのアノード特性を示す図である。カソード電極の突
起数は１００００個、ＶKG＝−１４０Ｖ、カソード電極
電流Ｉk ＝２０ｍＡ、ＶSG＝１００Ｖ、ＲL ＝１ＫΩの
条件にて測定したものである。図１７においてＲL ＝８
０ＫΩの負荷を挿入すれば（破線で示す。）、増幅率は
４倍である。このときの動作点はＶi ＝−４０Ｖとな
る。この五極を有する装置は、アノード電圧が変動して
もスクリーン電極の存在によりコントロール電極近傍の
電界が変動しないため、アノード電流は不変となる特性
を有する。すなわちアノード抵抗γａ γａ＝ΔＶA ／ΔＩA が増大する。次の実施例では平面型の六極電界電子放出
装置の構造と製造方法について述べる。図１８（Ａ）、
（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ平面型の六極電界電子放
出装置の概略平面図、Ｂ−Ｂ線に沿った概略縦断面図お
よびＣ−Ｃ線に沿った概略縦断面図である。本装置は四
極電界電子放出装置のコントロール電極６とアノード電
極７の中間にスクリーン電極５０とサプレッサ電極５３
を設けた構造である。また、コントロール電極６および
スクリーン電極５０はそれぞれの電極上に形成された柱
状コントロール電極６４および柱状スクリーン電極６５
をそれぞれ具備する。それらの柱状電極はカソード電極
３の表面で規定される平面を串刺しするように形成され
ており、その高さは少なくも島状絶縁層２の膜厚より大
きい。
【００５３】柱状コントロール電極６４は直径３μｍ、
高さ５μｍの円柱形状で、放出突起４から約１０μｍ離
れた位置において二つの放出突起４の中間に配置される
ように１０μｍピッチで設けられている。柱状スクリー
ン電極６５は幅５μｍ、厚さ３μｍ、高さ５μｍの平板
形状で、個々の柱状コントロール電極６４にそれぞれ１
０μｍの距離をおいて一つずつ設けられている。サプレ
ッサ電極５３は５μｍの幅でアノード電極７とスクリー
ン電極５０の中間に設けられ、スクリーン電極５０との
距離は約２０μｍ、アノード電極７との距離は約５０μ
ｍである。
高さ５μｍの円柱形状で、放出突起４から約１０μｍ離
れた位置において二つの放出突起４の中間に配置される
ように１０μｍピッチで設けられている。柱状スクリー
ン電極６５は幅５μｍ、厚さ３μｍ、高さ５μｍの平板
形状で、個々の柱状コントロール電極６４にそれぞれ１
０μｍの距離をおいて一つずつ設けられている。サプレ
ッサ電極５３は５μｍの幅でアノード電極７とスクリー
ン電極５０の中間に設けられ、スクリーン電極５０との
距離は約２０μｍ、アノード電極７との距離は約５０μ
ｍである。
【００５４】カソード電極３は５μｍピッチで形成され
た８個の放出突起４を有する。島状絶縁層２の厚さは５
０００オングストロームである。ゲート電極５はカソー
ド電極３に自己整合的に形成されており、放出突起４と
のきょりは３０００オングストロームであり、その先端
近傍における幅は約２μｍである。また、コントロール
電極６との距離は４μｍである。
た８個の放出突起４を有する。島状絶縁層２の厚さは５
０００オングストロームである。ゲート電極５はカソー
ド電極３に自己整合的に形成されており、放出突起４と
のきょりは３０００オングストロームであり、その先端
近傍における幅は約２μｍである。また、コントロール
電極６との距離は４μｍである。
【００５５】ゲート電極５の電界によってカソード電極
３より放出された電子はコントロール電極６の電界によ
って制御され、アノード電極７に到達できる電子量が制
限される。スクリーン電極５０は一定電位に保持され、
アノード電極７の電界によるコントロール電極６の電界
のゆらぎを防止する。サプレッサ電極５３はアノード電
極７より発生する二次電子がコントロール電極６の方向
へ戻るのを防止する。図１９は本実施例の六極電界電子
放出装置の製造方法を説明するためのもので、主要な製
造工程が終了した後の概略縦断面図である。以下に製造
方法を説明する。
３より放出された電子はコントロール電極６の電界によ
って制御され、アノード電極７に到達できる電子量が制
限される。スクリーン電極５０は一定電位に保持され、
アノード電極７の電界によるコントロール電極６の電界
のゆらぎを防止する。サプレッサ電極５３はアノード電
極７より発生する二次電子がコントロール電極６の方向
へ戻るのを防止する。図１９は本実施例の六極電界電子
放出装置の製造方法を説明するためのもので、主要な製
造工程が終了した後の概略縦断面図である。以下に製造
方法を説明する。
【００５６】まず、平面基板１の表面に絶縁層８、カソ
ード電極層９を順次積層して形成し、さらに、フォトレ
ジスト１１を形成する（図１９（Ａ））。平面基板１は
アルミナ基板よりなる。アルミナ基板のようなセラミッ
ク基板は絶縁性で、しかも熱伝導率が大きいため、大電
力を扱う電界電子放出装置用の基板として優れている。
このほかに半絶縁性ＧａＡｓ基板、ダイアモンド基板の
ような結晶性基板を用いてもよい。絶縁層８は膜厚５０
００オングストロームの二酸化シリコン薄膜、カソード
電極層９は膜厚１０００オングストロームのタンタル
（Ｔａ）薄膜よりなる。フォトレジスト１１はカソード
電極３の形成のために用いる。
ード電極層９を順次積層して形成し、さらに、フォトレ
ジスト１１を形成する（図１９（Ａ））。平面基板１は
アルミナ基板よりなる。アルミナ基板のようなセラミッ
ク基板は絶縁性で、しかも熱伝導率が大きいため、大電
力を扱う電界電子放出装置用の基板として優れている。
このほかに半絶縁性ＧａＡｓ基板、ダイアモンド基板の
ような結晶性基板を用いてもよい。絶縁層８は膜厚５０
００オングストロームの二酸化シリコン薄膜、カソード
電極層９は膜厚１０００オングストロームのタンタル
（Ｔａ）薄膜よりなる。フォトレジスト１１はカソード
電極３の形成のために用いる。
【００５７】つぎに、カソード電極層９を過剰エッチン
グ法で加工し、第一カソード電極３ａを形成する（図１
９（Ｂ））。過剰エッチング法としてドライエッチング
法を利用した。ＣＦ4 ／Ｏ2 ガス＝１２０／１００、Ｒ
Ｆパワー７００Ｗにて２５分間のエッチング法を行った
ところ、カソード電極層９は１μｍほど過剰エッチング
され、先端曲率半径が３００オングストロームの放出突
起４が形成された。
グ法で加工し、第一カソード電極３ａを形成する（図１
９（Ｂ））。過剰エッチング法としてドライエッチング
法を利用した。ＣＦ4 ／Ｏ2 ガス＝１２０／１００、Ｒ
Ｆパワー７００Ｗにて２５分間のエッチング法を行った
ところ、カソード電極層９は１μｍほど過剰エッチング
され、先端曲率半径が３００オングストロームの放出突
起４が形成された。
【００５８】つぎに、絶縁層８を部分的にエッチング除
去して島状絶縁層２を形成し、またフォトレジスト１１
を除去する（図１９（Ｃ））。島状絶縁層２の形成方法
は前記の実施例で述べた方法と同様である。
去して島状絶縁層２を形成し、またフォトレジスト１１
を除去する（図１９（Ｃ））。島状絶縁層２の形成方法
は前記の実施例で述べた方法と同様である。
【００５９】つぎに、柱形成層５６を形成する（図１７
（Ｄ））。柱形成層５６は塗布法によって形成した膜厚
５μｍの感光性ポリイミド樹脂よりなる。感光性ポリイ
ミド樹脂は、例えば、ネガタイプのＰＩ−４１０（宇部
興産（株）製造）などが利用できる。なお、柱形成層５
６の材料としてこのような有機材料のほかに無機材料も
利用できることは明白である。
（Ｄ））。柱形成層５６は塗布法によって形成した膜厚
５μｍの感光性ポリイミド樹脂よりなる。感光性ポリイ
ミド樹脂は、例えば、ネガタイプのＰＩ−４１０（宇部
興産（株）製造）などが利用できる。なお、柱形成層５
６の材料としてこのような有機材料のほかに無機材料も
利用できることは明白である。
【００６０】つぎに、柱形成層５６をフォトエッチング
加工し、コントロール電極柱６４とスクリーン電極柱６
５を形成する（図１９（Ｅ））。柱形成層５６が感光性
材料のときはフォトエッチング法で加工でき、これ以外
の有機材料や無機材料のときはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖ
ｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などの異方性エッチン
グ法が適する。
加工し、コントロール電極柱６４とスクリーン電極柱６
５を形成する（図１９（Ｅ））。柱形成層５６が感光性
材料のときはフォトエッチング法で加工でき、これ以外
の有機材料や無機材料のときはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖ
ｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などの異方性エッチン
グ法が適する。
【００６１】つぎに、方向性粒子堆積法でゲート電極層
１３３を形成する（図１９（Ｆ））。方向性粒子堆積法
としてスパッタ法を利用し、膜厚が２０００オングスト
ロームのＴａ薄膜よりなるゲート電極層１３３を形成し
た。ゲート電極層１３３はコントロール電極柱６４とス
クリーン電極柱６５を被覆するようにそれらの側面部分
にも堆積した。
１３３を形成する（図１９（Ｆ））。方向性粒子堆積法
としてスパッタ法を利用し、膜厚が２０００オングスト
ロームのＴａ薄膜よりなるゲート電極層１３３を形成し
た。ゲート電極層１３３はコントロール電極柱６４とス
クリーン電極柱６５を被覆するようにそれらの側面部分
にも堆積した。
【００６２】最後に、ゲート電極層１３３をエッチング
加工し第二カソード電極３ｂ、ゲート電極５、コントロ
ール電極６、柱状コントロール電極６４、スクリーン電
極５０、柱状スクリーン電極６５、サプレッサ電極５３
およびアノード電極７を形成する（図１９（Ｇ））。な
おコントロール電極柱６４とスクリーン電極柱６５が有
機材料の場合には、これらを除去してしまうと高真空状
態が維持できる。これらの除去方法を説明する。まず、
平面基板１の表面にレジストを塗布する。このとき、柱
状コントロール電極６４と柱状スクリーン電極６５の先
端部においてレジストの膜厚が他より薄くなる。つぎ
に、ドライエッチング法によってレジストを灰化してい
くと柱状電極の先端部のゲート電極層１３３が現れる。
このゲート電極層１３３もエッチング除去すると、その
開口部よりそれぞれの電極柱の先端部が現れる。最後
に、これらの電極柱を溶剤などで除去する。このように
して製造された柱状電極はその内部に脱ガス源となる有
機材料がなく空洞であるため、加熱排気などによって高
真空状態が生成、維持できる。
加工し第二カソード電極３ｂ、ゲート電極５、コントロ
ール電極６、柱状コントロール電極６４、スクリーン電
極５０、柱状スクリーン電極６５、サプレッサ電極５３
およびアノード電極７を形成する（図１９（Ｇ））。な
おコントロール電極柱６４とスクリーン電極柱６５が有
機材料の場合には、これらを除去してしまうと高真空状
態が維持できる。これらの除去方法を説明する。まず、
平面基板１の表面にレジストを塗布する。このとき、柱
状コントロール電極６４と柱状スクリーン電極６５の先
端部においてレジストの膜厚が他より薄くなる。つぎ
に、ドライエッチング法によってレジストを灰化してい
くと柱状電極の先端部のゲート電極層１３３が現れる。
このゲート電極層１３３もエッチング除去すると、その
開口部よりそれぞれの電極柱の先端部が現れる。最後
に、これらの電極柱を溶剤などで除去する。このように
して製造された柱状電極はその内部に脱ガス源となる有
機材料がなく空洞であるため、加熱排気などによって高
真空状態が生成、維持できる。
【００６３】図２０は本実施例の六極電界電子放出装置
を利用した六極真空管の概略斜視図である。これは六極
電界電子放出装置をメタル缶で真空パッケージしたもの
である。すなわち、六極電界電子放出装置の形成された
平面基板１１１をハーメチックシール１６０に固定し、
それぞれの電極とハーメチック端子１６１をワイヤ１６
２で接続し、真空中でハーメチックシール１６０とキャ
ップ１６３を封着して真空層１６４を形成したものであ
る。高真空の維持のためにキャップ１６３の内部壁面な
どにゲッタ材料１６５を形成し蘇生してある。
を利用した六極真空管の概略斜視図である。これは六極
電界電子放出装置をメタル缶で真空パッケージしたもの
である。すなわち、六極電界電子放出装置の形成された
平面基板１１１をハーメチックシール１６０に固定し、
それぞれの電極とハーメチック端子１６１をワイヤ１６
２で接続し、真空中でハーメチックシール１６０とキャ
ップ１６３を封着して真空層１６４を形成したものであ
る。高真空の維持のためにキャップ１６３の内部壁面な
どにゲッタ材料１６５を形成し蘇生してある。
【００６４】図２１は上記の六極電界電子放出装置を用
いたカソード電極接地型の電圧増幅器の電気接続図であ
る。図１８に示した六極真空管を図２１の中央に示すシ
ンボルマーク６６で表現する。これはカソード電極３、
ゲート電極５、コントロール電極６、スクリーン電極５
０、サプレッサ電極５３およびアノード電極７を真空層
１６４の内部に封入したことを意味する。カソード電極
３とサプレッサ電極５３を接地し、ゲート電極５に正電
位のゲート電圧２６を印加し、コントロール電極６にコ
ントロールバイアス電圧２５とこれに直列接続された入
力信号電圧２４を印加し、アノード電極７に負荷抵抗２
８を介してアノード電圧２７を印加する。スクリーン電
極５０には任意の正電位を印加できるが、電源数、配線
数の簡略化のためにゲート電極５と同電位（ＶGK）とし
た。カソード電極５とサプレッサ電極５３、およびゲー
ト電極５とスクリーン電極５０の接続は平面基板１の表
面もしくは真空層１６４の内部で行うことも可能であ
る。以上の電気接続法により六極でありながらすでに記
述した四極真空管と端子数および電源数は同数となる。
つぎに六極電界電子放出装置の駆動方法について述べ
る。まずゲート電極５に一定のゲート電圧２６を印加す
ると、カソード電極３より一定量の電子が放出される。
この放出電子量はゲート電圧２６を変えない限り常に一
定である。この状態でアノード電圧２７を一定として、
コントロール電極６に直流バイアスされた入力信号電圧
２４を印加すると、アノード電流がこれに比例して制御
され、負荷抵抗２８で増幅された出力信号電圧２９が得
られる。コントロール電極６の電子に対する電界効果は
すでに開示の実施例で記述したものと同様の効果であ
る。スクリーン電極５０はアノード電極７の電圧変動に
よるコントロール電極６の近傍の電界変動を防止し、ア
ノード抵抗と周波数特性を向上させる役割を持つ。サプ
レッサ電極５３はアノード電極７より発生する二次電子
がコントロール電極５０の方向に流れるのを防止する。
いたカソード電極接地型の電圧増幅器の電気接続図であ
る。図１８に示した六極真空管を図２１の中央に示すシ
ンボルマーク６６で表現する。これはカソード電極３、
ゲート電極５、コントロール電極６、スクリーン電極５
０、サプレッサ電極５３およびアノード電極７を真空層
１６４の内部に封入したことを意味する。カソード電極
３とサプレッサ電極５３を接地し、ゲート電極５に正電
位のゲート電圧２６を印加し、コントロール電極６にコ
ントロールバイアス電圧２５とこれに直列接続された入
力信号電圧２４を印加し、アノード電極７に負荷抵抗２
８を介してアノード電圧２７を印加する。スクリーン電
極５０には任意の正電位を印加できるが、電源数、配線
数の簡略化のためにゲート電極５と同電位（ＶGK）とし
た。カソード電極５とサプレッサ電極５３、およびゲー
ト電極５とスクリーン電極５０の接続は平面基板１の表
面もしくは真空層１６４の内部で行うことも可能であ
る。以上の電気接続法により六極でありながらすでに記
述した四極真空管と端子数および電源数は同数となる。
つぎに六極電界電子放出装置の駆動方法について述べ
る。まずゲート電極５に一定のゲート電圧２６を印加す
ると、カソード電極３より一定量の電子が放出される。
この放出電子量はゲート電圧２６を変えない限り常に一
定である。この状態でアノード電圧２７を一定として、
コントロール電極６に直流バイアスされた入力信号電圧
２４を印加すると、アノード電流がこれに比例して制御
され、負荷抵抗２８で増幅された出力信号電圧２９が得
られる。コントロール電極６の電子に対する電界効果は
すでに開示の実施例で記述したものと同様の効果であ
る。スクリーン電極５０はアノード電極７の電圧変動に
よるコントロール電極６の近傍の電界変動を防止し、ア
ノード抵抗と周波数特性を向上させる役割を持つ。サプ
レッサ電極５３はアノード電極７より発生する二次電子
がコントロール電極５０の方向に流れるのを防止する。
【００６５】ＶAK＝３００Ｖ、ＶGK＝１６０Ｖ、ＶGK＝
６０Ｖ、ＲL ＝１ＧΩにて六極電界電子放出装置を駆動
したところ、電圧増幅率μ＝８が得られた。このとき相
互コンダクタンスｇm ＝２×１０-9Ｓであった。また、
周波数特性は前記の実施例に記述した四極電界電子放出
装置に比べ約２倍の改善がみられた。これはスクリーン
電極５０によるアノード電界の遮蔽効果によるものと考
えられる。
６０Ｖ、ＲL ＝１ＧΩにて六極電界電子放出装置を駆動
したところ、電圧増幅率μ＝８が得られた。このとき相
互コンダクタンスｇm ＝２×１０-9Ｓであった。また、
周波数特性は前記の実施例に記述した四極電界電子放出
装置に比べ約２倍の改善がみられた。これはスクリーン
電極５０によるアノード電界の遮蔽効果によるものと考
えられる。
【００６６】図２２は六極電界電子放出装置の他の電気
接続図を示すものであり、図２３はそのアノード特性を
示す図である。カソード電極の突起数は１００００個、
ＶKG＝−１４０Ｖ、カソード電極電流ＩK ＝２０ｍＡ、
ＶSG＝１００Ｖ、ＲL ＝１ＫΩの条件で測定したもので
ある。図２３を図１７と比較すれば明らかなようにサプ
レッサ電極の存在によりアノード抵抗がさらに増加し、
ＶAGが小さい領域でも飽和特性を示す。γa ＝８ＭΩと
なる。
接続図を示すものであり、図２３はそのアノード特性を
示す図である。カソード電極の突起数は１００００個、
ＶKG＝−１４０Ｖ、カソード電極電流ＩK ＝２０ｍＡ、
ＶSG＝１００Ｖ、ＲL ＝１ＫΩの条件で測定したもので
ある。図２３を図１７と比較すれば明らかなようにサプ
レッサ電極の存在によりアノード抵抗がさらに増加し、
ＶAGが小さい領域でも飽和特性を示す。γa ＝８ＭΩと
なる。
【００６７】本発明は上記のような平面型装置に適用さ
れるだけでなく、縦型装置にも適用されうる。本実施例
ではこの一例として、シリコン単結晶基板の表面に形成
された縦型の四極電界電子放出装置について説明する。
れるだけでなく、縦型装置にも適用されうる。本実施例
ではこの一例として、シリコン単結晶基板の表面に形成
された縦型の四極電界電子放出装置について説明する。
【００６８】図２４は本実施例の縦型の四極電界電子放
出装置の概略的な部分縦断面図である。この装置は（１
００）面を有するｎ型シリコン単結晶基板よりなる導電
性の平面基板４０と、平面基板４０の表面に設けられ、
その表面に垂直な方向に突出した錘形状を有するカソー
ド電極４１と、平面基板４０の表面に設けられ、カソー
ド電極４１の周囲で開口した第一絶縁層４２と、第一絶
縁層４２の表面に設けられ、カソード電極４１の周囲で
開口したゲート電極４３と、ゲート電極４３の表面に設
けられ、カソード電極４１の周囲で開口した第二絶縁層
４４と、第二絶縁層４４の表面に設けられ、カソード電
極４１の周囲で開口したコントロール電極４５と、コン
トロール電極４５に真空層４８を介して配置されたアノ
ード電極４７を有する対向基板４６が主な構成要素であ
る。
出装置の概略的な部分縦断面図である。この装置は（１
００）面を有するｎ型シリコン単結晶基板よりなる導電
性の平面基板４０と、平面基板４０の表面に設けられ、
その表面に垂直な方向に突出した錘形状を有するカソー
ド電極４１と、平面基板４０の表面に設けられ、カソー
ド電極４１の周囲で開口した第一絶縁層４２と、第一絶
縁層４２の表面に設けられ、カソード電極４１の周囲で
開口したゲート電極４３と、ゲート電極４３の表面に設
けられ、カソード電極４１の周囲で開口した第二絶縁層
４４と、第二絶縁層４４の表面に設けられ、カソード電
極４１の周囲で開口したコントロール電極４５と、コン
トロール電極４５に真空層４８を介して配置されたアノ
ード電極４７を有する対向基板４６が主な構成要素であ
る。
【００６９】カソード電極４１は平面基板４０の表面を
異方性エッチング法で加工して製造されたもので、概ね
円錐形状を有する。また、その錘軸は平面基板４０に垂
直であって、その高さは約１．２μｍ、断面頂角は約９
０度である。なお、本発明においてはこれ以外の製造方
法によって形成されたカソード電極を用いてもよく、例
えばスピント型のものであってもよい。第一絶縁層４２
および第二絶縁層４４は二酸化シリコン薄膜よりなり、
膜厚はそれぞれ６０００オングストロームおよび３μｍ
である。両絶縁層の開口径はほぼ同じで約３μｍであ
る。ゲート電極４３およびコントロール電極４５はＭｏ
薄膜よりなり、膜厚はそれぞれ２０００オングストロー
ムおよび３０００オングストロームである。両電極の開
口径はほぼ同じで約１．２μｍである。平面基板４０と
対向基板４６はこれらの周辺に形成された狭持体で接着
され、その中間に真空層４８を形成する。真空層４８の
厚さは約５０μｍである。アノード電極４７はアルミニ
ウム薄膜や透明導電膜が用いられる。
異方性エッチング法で加工して製造されたもので、概ね
円錐形状を有する。また、その錘軸は平面基板４０に垂
直であって、その高さは約１．２μｍ、断面頂角は約９
０度である。なお、本発明においてはこれ以外の製造方
法によって形成されたカソード電極を用いてもよく、例
えばスピント型のものであってもよい。第一絶縁層４２
および第二絶縁層４４は二酸化シリコン薄膜よりなり、
膜厚はそれぞれ６０００オングストロームおよび３μｍ
である。両絶縁層の開口径はほぼ同じで約３μｍであ
る。ゲート電極４３およびコントロール電極４５はＭｏ
薄膜よりなり、膜厚はそれぞれ２０００オングストロー
ムおよび３０００オングストロームである。両電極の開
口径はほぼ同じで約１．２μｍである。平面基板４０と
対向基板４６はこれらの周辺に形成された狭持体で接着
され、その中間に真空層４８を形成する。真空層４８の
厚さは約５０μｍである。アノード電極４７はアルミニ
ウム薄膜や透明導電膜が用いられる。
【００７０】この四極電界電子放出装置の動作機構を説
明する。カソード電極４１に対してゲート電極４３に正
の電位を印加すると、カソード電極４１の突起先端より
電子が電界放出する。この放出電子はゲート電極４３と
コントロール電極４５の開口を通過してアノード電極４
７に到達できる。しかし、アノード電極４７に到達でき
る電子量（アノード電流）はコントロール電極４５の電
圧によって制御される。コントロール電極４５の電界効
果によるアノード電流の制御は実施例１で述べた機構と
同様である。従って、コントロール電極４５の電圧とア
ノード電流が比例関係にある直線領域が存在する。すな
わち、コントロール電極４５の電圧が負に大きいときは
コントロール電極４５よりカソード電極４１の方向に負
の電位勾配が形成され、放出電子はゲート電極４３の方
向に跳ね返される。このようなときはアノード電流は小
さい。一方、コントロール電極４５の電圧が大きいとき
は正の電位勾配が形成され、多くの電子がこれを通過可
能で大きなアノード電流が得られる。
明する。カソード電極４１に対してゲート電極４３に正
の電位を印加すると、カソード電極４１の突起先端より
電子が電界放出する。この放出電子はゲート電極４３と
コントロール電極４５の開口を通過してアノード電極４
７に到達できる。しかし、アノード電極４７に到達でき
る電子量（アノード電流）はコントロール電極４５の電
圧によって制御される。コントロール電極４５の電界効
果によるアノード電流の制御は実施例１で述べた機構と
同様である。従って、コントロール電極４５の電圧とア
ノード電流が比例関係にある直線領域が存在する。すな
わち、コントロール電極４５の電圧が負に大きいときは
コントロール電極４５よりカソード電極４１の方向に負
の電位勾配が形成され、放出電子はゲート電極４３の方
向に跳ね返される。このようなときはアノード電流は小
さい。一方、コントロール電極４５の電圧が大きいとき
は正の電位勾配が形成され、多くの電子がこれを通過可
能で大きなアノード電流が得られる。
【００７１】１万個のカソード電極４１が形成された本
実施例の四極電界電子放出装置の電気特性を測定した。
カソード電極接地型回路において、ゲート電圧が１２０
Ｖのとき３ｍＡの放出電流が得られ、コントロール電極
４５の電圧に対するアノード電流の変化、すなわち相互
コンダクタンスはｇm ＝２０μＳであった。ゲート電極
４３に流れる無効電流は１％以下であって、良好な特性
が得られた。
実施例の四極電界電子放出装置の電気特性を測定した。
カソード電極接地型回路において、ゲート電圧が１２０
Ｖのとき３ｍＡの放出電流が得られ、コントロール電極
４５の電圧に対するアノード電流の変化、すなわち相互
コンダクタンスはｇm ＝２０μＳであった。ゲート電極
４３に流れる無効電流は１％以下であって、良好な特性
が得られた。
【００７２】なお本実施例の四極電界電子放出装置にス
クリーン電極、サプレッサ電極などを形成すれば、さら
に電気特性を向上できるのは明白である。また、本実施
例においてはアノード電極４７を対向基板４６に形成し
たが、平面基板４０の表面に形成してもよい。このとき
コントロール電極４５はアノード電極４７とゲート電極
４３の中間に配置されるよう工夫する。例えば、真空層
４８の内部に空中設置してもよい。また、電極間の重な
り容量を減少させ、周波数特性と耐圧の改善を図るには
カソード電極４１の下部の配線を薄膜化し、これの余分
な領域を除去して重なり部分を排除することが適切であ
る。この場合、絶縁性の平面基板４０を使用する。
クリーン電極、サプレッサ電極などを形成すれば、さら
に電気特性を向上できるのは明白である。また、本実施
例においてはアノード電極４７を対向基板４６に形成し
たが、平面基板４０の表面に形成してもよい。このとき
コントロール電極４５はアノード電極４７とゲート電極
４３の中間に配置されるよう工夫する。例えば、真空層
４８の内部に空中設置してもよい。また、電極間の重な
り容量を減少させ、周波数特性と耐圧の改善を図るには
カソード電極４１の下部の配線を薄膜化し、これの余分
な領域を除去して重なり部分を排除することが適切であ
る。この場合、絶縁性の平面基板４０を使用する。
【００７３】本実施例の四極電界電子放出装置のように
カソード電極４１からの電子の放出方向に対してゲート
電極４３が垂直に形成され、またはゲート電極４３の開
口が放出電子の流路を包囲するように形成された多極電
界電子放出装置はゲート電極４３に流入する無効電流が
小さく電力効率がよい。なぜなら、放出電子がゲート電
極４３を通過するとき、わずかにゲート電極４３の膜厚
程度の距離を横切るだけであり、しかも開口の中央付近
を通過していくために放出電子がゲート電極４３に衝突
する確率が小さくなるからである。横型の多極電界電子
放出装置にこのような構造を適用すれば非常に効果的で
ある。模型の多極管素子の相互コンダクタンスを大きく
して性能を高めるためには、例えば、図１に示す四極電
界電子放出装置におけるゲート電極５の構造を工夫して
カソード電極３の放出面積を大きくする必要があるが、
放出面積を大きくするとゲート電極５へ流入する電子も
増大するため、性能の高い電力増幅器が得られにくいと
いった問題点がある。
カソード電極４１からの電子の放出方向に対してゲート
電極４３が垂直に形成され、またはゲート電極４３の開
口が放出電子の流路を包囲するように形成された多極電
界電子放出装置はゲート電極４３に流入する無効電流が
小さく電力効率がよい。なぜなら、放出電子がゲート電
極４３を通過するとき、わずかにゲート電極４３の膜厚
程度の距離を横切るだけであり、しかも開口の中央付近
を通過していくために放出電子がゲート電極４３に衝突
する確率が小さくなるからである。横型の多極電界電子
放出装置にこのような構造を適用すれば非常に効果的で
ある。模型の多極管素子の相互コンダクタンスを大きく
して性能を高めるためには、例えば、図１に示す四極電
界電子放出装置におけるゲート電極５の構造を工夫して
カソード電極３の放出面積を大きくする必要があるが、
放出面積を大きくするとゲート電極５へ流入する電子も
増大するため、性能の高い電力増幅器が得られにくいと
いった問題点がある。
【００７４】図２５は、ゲート電極５１の構造をリング
状とした多極電界電子放出装置の部分拡大斜視図であ
る。カソード電極３は図１に示される構造と同じであ
る。ゲート電極５１の一部を、カソード電極３の放出突
起４に対応する位置に開口部５２を設け、放出突起４か
ら放出された電子を開口部５２を通過させることによっ
て、ゲート電流、コントロール電流が小さくなり、無効
電流を軽減し、入力抵抗を大きくすることができる。開
口部５２は図２５に示される形状に限られず、放出突起
４に対して周囲に同電位の開口状の電極が形成され、そ
の開口状の電極内を放出突起から放出される電子が通過
できる構造であればよい。従って、開口部５２は円状の
もの、角状のものであってもよい。又開口部５２は、放
出突起４のすべてに対応して形成されていなくとも、例
えば放出突起４に対応して１つおきに形成されていて
も、電子放出装置としては機能できる。ゲート電極５１
に開口部を設けることにより、図８に示すような、ＩG
≧ＩA の電力変換効率の悪さは著しく改善され、かつコ
ントロール電極の存在によって線形の入出力静特性を有
する電界電子放出装置を提供することができる。６１は
コントロール電極であり、７はアノード電極である。図
２５においては、コントロール電極６１の構造はゲート
電極５１と同様に放出電流を通過させるための第２の開
口部６２が設けられているが、コントロール電極６１は
必ずしもこのような構造にする必要はなく、図１に示さ
れる平板状の電極であってもさしつかえない。図２５に
示すようなゲート電極の構造を有する四極電界電子放出
装置は、図１に示す構造のもつ線形な入出力関係を有す
るとともに、ゲート電流が著しく減少し（ゲート電流は
アノード電流の１／１０以下）、ゲート無効電流が著し
く減少させることが可能である。図２６は、コントロー
ル電極６１につき、柱状コントロール電極６３を設けた
斜視図である。図において柱状コントロール電極６３は
隣接する開口部５２間の中間に設けられている。その形
状は円柱、角柱を問わない。
状とした多極電界電子放出装置の部分拡大斜視図であ
る。カソード電極３は図１に示される構造と同じであ
る。ゲート電極５１の一部を、カソード電極３の放出突
起４に対応する位置に開口部５２を設け、放出突起４か
ら放出された電子を開口部５２を通過させることによっ
て、ゲート電流、コントロール電流が小さくなり、無効
電流を軽減し、入力抵抗を大きくすることができる。開
口部５２は図２５に示される形状に限られず、放出突起
４に対して周囲に同電位の開口状の電極が形成され、そ
の開口状の電極内を放出突起から放出される電子が通過
できる構造であればよい。従って、開口部５２は円状の
もの、角状のものであってもよい。又開口部５２は、放
出突起４のすべてに対応して形成されていなくとも、例
えば放出突起４に対応して１つおきに形成されていて
も、電子放出装置としては機能できる。ゲート電極５１
に開口部を設けることにより、図８に示すような、ＩG
≧ＩA の電力変換効率の悪さは著しく改善され、かつコ
ントロール電極の存在によって線形の入出力静特性を有
する電界電子放出装置を提供することができる。６１は
コントロール電極であり、７はアノード電極である。図
２５においては、コントロール電極６１の構造はゲート
電極５１と同様に放出電流を通過させるための第２の開
口部６２が設けられているが、コントロール電極６１は
必ずしもこのような構造にする必要はなく、図１に示さ
れる平板状の電極であってもさしつかえない。図２５に
示すようなゲート電極の構造を有する四極電界電子放出
装置は、図１に示す構造のもつ線形な入出力関係を有す
るとともに、ゲート電流が著しく減少し（ゲート電流は
アノード電流の１／１０以下）、ゲート無効電流が著し
く減少させることが可能である。図２６は、コントロー
ル電極６１につき、柱状コントロール電極６３を設けた
斜視図である。図において柱状コントロール電極６３は
隣接する開口部５２間の中間に設けられている。その形
状は円柱、角柱を問わない。
【００７５】本発明の多極電界電子放出装置において
は、多極性の数は任意であり、もちろん例えば六極電界
電子放出装置であってもよい。図１８（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）に示される六極電界電子放出装置のゲート電極２
０を図２５に示されるゲート電極５１とおき換えた構造
のものが考えられる。
は、多極性の数は任意であり、もちろん例えば六極電界
電子放出装置であってもよい。図１８（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）に示される六極電界電子放出装置のゲート電極２
０を図２５に示されるゲート電極５１とおき換えた構造
のものが考えられる。
【００７６】それは図１８におけるゲート電極５を、図
２５に示すゲート電極５１の構造のものにおき替えた装
置となる。この場合、放出突起４より放出された電子
は、コントロール電極６の電界によって制御され、アノ
ード電極７に到達できる電子量は制限される。スクリー
ン電極５０は一定電位に保持され、アノード電極７の電
界によるコントロール電極６の電界のゆらぎを防止す
る。サプレッサ電極５３はアノード電極７より発生する
二次電子がコントロール電極６の方向へ戻るのを防止す
る。
２５に示すゲート電極５１の構造のものにおき替えた装
置となる。この場合、放出突起４より放出された電子
は、コントロール電極６の電界によって制御され、アノ
ード電極７に到達できる電子量は制限される。スクリー
ン電極５０は一定電位に保持され、アノード電極７の電
界によるコントロール電極６の電界のゆらぎを防止す
る。サプレッサ電極５３はアノード電極７より発生する
二次電子がコントロール電極６の方向へ戻るのを防止す
る。
【００７７】しかし上記の立体化したゲート電極の構造
は、薄膜製造技術上ギャップコントロールが難しいなど
の製造上の問題があり、又カソード電極とゲート電極間
の電界分布が均一ではなく、Ｉａ／Ｉｇ特性にも限界が
ある。さらにその製造工程は４つのフォトマスク工程が
必要となり、複雑な製造技術を要する。そこで、カソー
ド電極とゲート電極間の三次元的電界分布を対象、均一
にした構造のゲート電極を提供し、かつその製造いおい
ても自己整合的（一方の電極の位置がずれても他方の電
極の位置がそれに対応して修正された位置に形成され
る）な製造ができる構造が望ましい。
は、薄膜製造技術上ギャップコントロールが難しいなど
の製造上の問題があり、又カソード電極とゲート電極間
の電界分布が均一ではなく、Ｉａ／Ｉｇ特性にも限界が
ある。さらにその製造工程は４つのフォトマスク工程が
必要となり、複雑な製造技術を要する。そこで、カソー
ド電極とゲート電極間の三次元的電界分布を対象、均一
にした構造のゲート電極を提供し、かつその製造いおい
ても自己整合的（一方の電極の位置がずれても他方の電
極の位置がそれに対応して修正された位置に形成され
る）な製造ができる構造が望ましい。
【００７８】以下に開示するものは、その技術的課題を
解決した多極電界電子放出装置及びその製造方法であっ
て、極めて安定した電極を形成しＩa ／Ｉg 特性が著し
く改善されたものである。それは、絶縁性平面基板の表
面に設けられた絶縁層上に形成され、該絶縁層よりオー
バーハングした複数の放出突起を有するカソード電極、
該絶縁性平面基板の表面に形成された放出電子を収集せ
しめるアノード電極、該カソード電極と該アノード電極
の間に設けられた複数の柱状のゲート電極を含んで構成
され、該放出突起は隣接するゲート電極の中間に位置
し、該ゲート電極の形状はカソード電極側に該放出突起
に対応した突起状となっていることを特徴とする多極電
界電子放出装置である。そしてこの多極電界電子放出装
置は、絶縁性平面基板の表面に絶縁層、電極層を順次形
成し、ゲート電極の平面パターンを残してレジストを塗
布した後、電極層及び絶縁層を該平面パターンから浸入
したエッチング液によって該平面パターンを超えて過剰
エッチングすることにより放出突起を形成し、その後柱
状のゲート電極を該平面パターンの位置に形成し、該レ
ジストを除去することにより製造される。
解決した多極電界電子放出装置及びその製造方法であっ
て、極めて安定した電極を形成しＩa ／Ｉg 特性が著し
く改善されたものである。それは、絶縁性平面基板の表
面に設けられた絶縁層上に形成され、該絶縁層よりオー
バーハングした複数の放出突起を有するカソード電極、
該絶縁性平面基板の表面に形成された放出電子を収集せ
しめるアノード電極、該カソード電極と該アノード電極
の間に設けられた複数の柱状のゲート電極を含んで構成
され、該放出突起は隣接するゲート電極の中間に位置
し、該ゲート電極の形状はカソード電極側に該放出突起
に対応した突起状となっていることを特徴とする多極電
界電子放出装置である。そしてこの多極電界電子放出装
置は、絶縁性平面基板の表面に絶縁層、電極層を順次形
成し、ゲート電極の平面パターンを残してレジストを塗
布した後、電極層及び絶縁層を該平面パターンから浸入
したエッチング液によって該平面パターンを超えて過剰
エッチングすることにより放出突起を形成し、その後柱
状のゲート電極を該平面パターンの位置に形成し、該レ
ジストを除去することにより製造される。
【００７９】図２７（ａ）は新規な多極電界電子装置の
平面図であり、同図（ｂ）はそのａ−ａ線、同図（ｃ）
はそのｂ−ｂ線のそれぞれの縦断面図、同図（ｄ）は部
分斜視図である。本装置は石英よりなる平面基板１の表
面に、カソード電極３０３とゲート電極３０５とアノー
ド電極３０７を有する。カソード電極３０３はＳｉＯ2
の島状絶縁層３０２の表面にオーバーハングした放出突
起４をもつ薄膜（例えば厚さ約２０００ ）で形成され
る。カソード電極３０３は複数の薄膜を積層したもの
（例えばタングステン薄膜にモリブデン薄膜を積層した
もの）であってもよい。放出突起４は平面基板１の表面
に平行にゲート電極３０５の方向に突出した構造で、そ
の先端近傍には島状絶縁層３０２が存在しない。放出突
起４の平面方向の先端曲率半径は４００オングストロー
ム以下である。
平面図であり、同図（ｂ）はそのａ−ａ線、同図（ｃ）
はそのｂ−ｂ線のそれぞれの縦断面図、同図（ｄ）は部
分斜視図である。本装置は石英よりなる平面基板１の表
面に、カソード電極３０３とゲート電極３０５とアノー
ド電極３０７を有する。カソード電極３０３はＳｉＯ2
の島状絶縁層３０２の表面にオーバーハングした放出突
起４をもつ薄膜（例えば厚さ約２０００ ）で形成され
る。カソード電極３０３は複数の薄膜を積層したもの
（例えばタングステン薄膜にモリブデン薄膜を積層した
もの）であってもよい。放出突起４は平面基板１の表面
に平行にゲート電極３０５の方向に突出した構造で、そ
の先端近傍には島状絶縁層３０２が存在しない。放出突
起４の平面方向の先端曲率半径は４００オングストロー
ム以下である。
【００８０】ゲート電極３０５はカソード電極３０３に
自己整合的に形成されており、五角柱の形状のうちカソ
ード電極３０３の方向の一角θが例えば６０°〜９０°
の角度を有する。放出突起４は隣接するゲート電極３０
５の中間の位置に等距離に形成されている。従って、放
出突起４近傍の電界分布は左右対称となる。ゲート電極
３０５の五角柱の高さＧをカソード電極３０３より高く
形成すると、放出突起４近傍の電界分布は左右対称であ
るとともに上下方向においてもほぼ均一になる。従っ
て、カソード電極３０３とゲート電極３０５との間の電
界によって放出突起４から放出された電子は隣接するゲ
ート電極３０５間の間を通過しアノード電極３０７に効
率的に到達し、ゲート電流に流れ込む無効電流を著しく
軽減することができる。すなわちＩａ／Ｉｇ特性（電力
変換効率）が著しく改善される。
自己整合的に形成されており、五角柱の形状のうちカソ
ード電極３０３の方向の一角θが例えば６０°〜９０°
の角度を有する。放出突起４は隣接するゲート電極３０
５の中間の位置に等距離に形成されている。従って、放
出突起４近傍の電界分布は左右対称となる。ゲート電極
３０５の五角柱の高さＧをカソード電極３０３より高く
形成すると、放出突起４近傍の電界分布は左右対称であ
るとともに上下方向においてもほぼ均一になる。従っ
て、カソード電極３０３とゲート電極３０５との間の電
界によって放出突起４から放出された電子は隣接するゲ
ート電極３０５間の間を通過しアノード電極３０７に効
率的に到達し、ゲート電流に流れ込む無効電流を著しく
軽減することができる。すなわちＩａ／Ｉｇ特性（電力
変換効率）が著しく改善される。
【００８１】ゲート電極３０５の構造は五角柱に限られ
るものではなく、放出突起４の近傍の電界分布を対称に
形成させ、放出電子が効率的にアノード電極３０７に放
出される柱状のものであればよい（例えば三角柱、後部
が曲率を有する柱等）。本実施例は平面型三極電界電子
放出装置を開示したが、本発明は四極、五極の多極電界
電子放出装置においても実施できる。図２７において７
１はゲート電極配線である。各部の寸法を例示すると、
ゲート電極３０５間の距離Ａ３μｍ、ゲート電極３０５
の五角柱の辺Ｂ５μｍ、辺Ｃ７μｍ、ゲート電極３０５
とカソード電極３０５間のギャップＤ１．５μｍ、島状
絶縁層３０２の厚さＥ０．５μｍ、ゲート電極３０３の
厚さＦ０．１μｍである。
るものではなく、放出突起４の近傍の電界分布を対称に
形成させ、放出電子が効率的にアノード電極３０７に放
出される柱状のものであればよい（例えば三角柱、後部
が曲率を有する柱等）。本実施例は平面型三極電界電子
放出装置を開示したが、本発明は四極、五極の多極電界
電子放出装置においても実施できる。図２７において７
１はゲート電極配線である。各部の寸法を例示すると、
ゲート電極３０５間の距離Ａ３μｍ、ゲート電極３０５
の五角柱の辺Ｂ５μｍ、辺Ｃ７μｍ、ゲート電極３０５
とカソード電極３０５間のギャップＤ１．５μｍ、島状
絶縁層３０２の厚さＥ０．５μｍ、ゲート電極３０３の
厚さＦ０．１μｍである。
【００８２】次に、上記発明装置の製造方法の概略を説
明する。図２８、図２９、図３０はその製造工程の説明
図である。まず、図２８（ａ）の縦断面図に示すように
石英ガラス等の基板１の表面に熱ＣＶＤ等の方法でＳｉ
Ｏ2 膜３１１を、さらにその上にスパッタリング等の方
法でタングステン膜３１２を形成する。その膜の材料は
タングステンに限らず例えばタンタルなどであってもよ
い。その後、図２８（ｂ）の平面図に示すように、ゲー
ト電極の柱状の形状（平面図）をした、レジスト穴３１
３を残してレジスト膜３１４を形成する。図２８（ｃ）
は、図２８（ｂ）のｂ−ｂ線の縦断面図であり、符号は
図２８（ａ）、図２８（ｂ）と同じである。これをＣＦ
4 ガス等でエッチングすると、レジスト穴３１３に露出
しているタングステン膜３１５がエッチングされ、図２
８（ｃ）は図２９（ａ）の縦断面図に示すようにＳｉＯ
2 膜３１６が露出する。
明する。図２８、図２９、図３０はその製造工程の説明
図である。まず、図２８（ａ）の縦断面図に示すように
石英ガラス等の基板１の表面に熱ＣＶＤ等の方法でＳｉ
Ｏ2 膜３１１を、さらにその上にスパッタリング等の方
法でタングステン膜３１２を形成する。その膜の材料は
タングステンに限らず例えばタンタルなどであってもよ
い。その後、図２８（ｂ）の平面図に示すように、ゲー
ト電極の柱状の形状（平面図）をした、レジスト穴３１
３を残してレジスト膜３１４を形成する。図２８（ｃ）
は、図２８（ｂ）のｂ−ｂ線の縦断面図であり、符号は
図２８（ａ）、図２８（ｂ）と同じである。これをＣＦ
4 ガス等でエッチングすると、レジスト穴３１３に露出
しているタングステン膜３１５がエッチングされ、図２
８（ｃ）は図２９（ａ）の縦断面図に示すようにＳｉＯ
2 膜３１６が露出する。
【００８３】その後ＨＦ系のエッチャントでエッチング
すると、図２９（ａ）のＳｉＯ2 膜３１６がエッチング
され、それを過剰エッチングすると図２９（ｂ）のよう
にＳｉＯ2 膜３１１の縦断面は略逆テーパ状になる。次
にＣＨ4 系エッチャントでタングステン膜３１２をエッ
チングすると図２９（ｃ）平面図、及びそのｃ−ｃ線の
縦断面図である図２９（ｄ）に示すように、タングステ
ン膜３１２のエッチングは破線３１７、３１８まで進
み、カソードの放出突起３１９が形成される。この放出
突起３１９は逆テーパ状のＳｉＯ2 膜上に形成されてい
る。本発明の方法は、レジスト穴３１３から進入したエ
ッチング剤がレジスト穴３１３の形状にそってタングス
テン膜を隣接するレジスト穴３１３の双方から過剰エッ
チングするので形成されたカソード電極の放出突起３１
９の先端はシャープになるとともに、その先端の位置は
隣接するレジスト穴３１３と等距離になる。従って、製
造工程において、レジスト穴３１３の設定位置に誤差が
生じても形成された放出突起３１９は常に隣接するレジ
スト穴３１３の中間に位置することが可能となり、放出
突起３１９とゲート電極で形成される電界分布が常に左
右対称となる。すなわちカソード電極とゲート電極を自
己整合的に形成することが可能である。
すると、図２９（ａ）のＳｉＯ2 膜３１６がエッチング
され、それを過剰エッチングすると図２９（ｂ）のよう
にＳｉＯ2 膜３１１の縦断面は略逆テーパ状になる。次
にＣＨ4 系エッチャントでタングステン膜３１２をエッ
チングすると図２９（ｃ）平面図、及びそのｃ−ｃ線の
縦断面図である図２９（ｄ）に示すように、タングステ
ン膜３１２のエッチングは破線３１７、３１８まで進
み、カソードの放出突起３１９が形成される。この放出
突起３１９は逆テーパ状のＳｉＯ2 膜上に形成されてい
る。本発明の方法は、レジスト穴３１３から進入したエ
ッチング剤がレジスト穴３１３の形状にそってタングス
テン膜を隣接するレジスト穴３１３の双方から過剰エッ
チングするので形成されたカソード電極の放出突起３１
９の先端はシャープになるとともに、その先端の位置は
隣接するレジスト穴３１３と等距離になる。従って、製
造工程において、レジスト穴３１３の設定位置に誤差が
生じても形成された放出突起３１９は常に隣接するレジ
スト穴３１３の中間に位置することが可能となり、放出
突起３１９とゲート電極で形成される電界分布が常に左
右対称となる。すなわちカソード電極とゲート電極を自
己整合的に形成することが可能である。
【００８４】その後、モリブデン等のゲート電極を形成
する材料を蒸着又はスパッタリングによって膜形成する
と、断面図の図３０（ａ）に示すようにモリブデン膜３
２１、３２２が形成され、モリブデン膜３２１は平面形
状がレジスト穴３１３の形状をもったゲート電極とな
る。蒸着又はスパッタリングの製造条件によりモリブデ
ン膜３２１はタングステン膜３１２の高さより形成する
ことが可能である。次にレジスト膜３１４をリフトオフ
すれば図３０（ａ）は図３０（ｂ）のようになり、図２
７（ｃ）に示すようなカソード電極とゲート電極が形成
される。
する材料を蒸着又はスパッタリングによって膜形成する
と、断面図の図３０（ａ）に示すようにモリブデン膜３
２１、３２２が形成され、モリブデン膜３２１は平面形
状がレジスト穴３１３の形状をもったゲート電極とな
る。蒸着又はスパッタリングの製造条件によりモリブデ
ン膜３２１はタングステン膜３１２の高さより形成する
ことが可能である。次にレジスト膜３１４をリフトオフ
すれば図３０（ａ）は図３０（ｂ）のようになり、図２
７（ｃ）に示すようなカソード電極とゲート電極が形成
される。
【００８５】本発明において、アノード電極の形成は、
図２９（ｃ）の工程において過剰エッチングにより形成
された破線３１７をエッヂとするタングステン膜３２０
をアノード電極として用いてもよい。又、アノード電極
は別途形成してもよいが、その場合、タングステン膜３
２０は多極電界電子装置のコントロール電極として利用
してもよいし、不要ならば除去してもよい。
図２９（ｃ）の工程において過剰エッチングにより形成
された破線３１７をエッヂとするタングステン膜３２０
をアノード電極として用いてもよい。又、アノード電極
は別途形成してもよいが、その場合、タングステン膜３
２０は多極電界電子装置のコントロール電極として利用
してもよいし、不要ならば除去してもよい。
【００８６】なお、図２７のゲート電極配線７１はあら
かじめフォトマスクによってパターン化しておく。従っ
て、本製造方法は、ゲート電極配線のパターン化のフォ
トマスク工程と、図２８（ｂ）のレジスト膜形成のフォ
トマスク工程の二つのフォトマスク工程によって製造す
ることが可能である。
かじめフォトマスクによってパターン化しておく。従っ
て、本製造方法は、ゲート電極配線のパターン化のフォ
トマスク工程と、図２８（ｂ）のレジスト膜形成のフォ
トマスク工程の二つのフォトマスク工程によって製造す
ることが可能である。
【００８７】本発明の装置及び製造方法はカソード電極
の厚さを大きくしたものにも適用できる。従来の多極電
界電子放出装置のカソード電極の厚さは約０．１μｍで
あるが、放出突起形状を有したままこれを厚くした（例
えば１μｍ）場合（ウエッジ型）は、放出電流が多く大
電力用に適する。本発明の製造方法においては、タング
ステン膜３１２が厚い場合であっても、カソード電極の
放出突起はシャープに形成されるので同様に製造するこ
とができる。又、ゲート電極配線７１の位置は任意に形
成できるので、これをカソード電極側に近づけて形成す
ればカソード電極とゲート電極間の電界が高まり、電界
効率の良い装置を提供することができる。
の厚さを大きくしたものにも適用できる。従来の多極電
界電子放出装置のカソード電極の厚さは約０．１μｍで
あるが、放出突起形状を有したままこれを厚くした（例
えば１μｍ）場合（ウエッジ型）は、放出電流が多く大
電力用に適する。本発明の製造方法においては、タング
ステン膜３１２が厚い場合であっても、カソード電極の
放出突起はシャープに形成されるので同様に製造するこ
とができる。又、ゲート電極配線７１の位置は任意に形
成できるので、これをカソード電極側に近づけて形成す
ればカソード電極とゲート電極間の電界が高まり、電界
効率の良い装置を提供することができる。
【００８８】上記製造方法の図３０（ａ）の工程におい
て、モリブデン膜３２１を蒸着又はスパッタリング等で
形成する際、図３１に示すようなモリブデン膜３２１と
モリブデン膜３２２との間にモリブデンのブリッジ３２
３ができることがある。これはゲート電極の形成に不都
合であるので、かようなブリッジ３２３を形成せしめな
い製造方法を採用するとよい。以下、その製造方法を例
示する。図３２（ａ）は図２８（ｃ）と同じ工程を示す
工程を部分拡大したものであるが、あらかじめ基板１上
にゲート電極配線を形成する際、レジスト穴の形状に対
応した配線パターン３２５（材質は問わないが例えばア
ルミニウム）を形成しておく。この状態において、Ｓｉ
Ｏ2 膜３１１を過剰エッチングすると、同図（ｂ）に示
すように配線パターン３２５が露出するので、同図
（ｃ）に示すようにその配線パターン３２５の上に蒸着
又はスパッタリングによってアルミニウム膜層３２６を
薄く形成する。３２７はレジスト３１４の上に形成され
たアルミニウム膜層である。次にタングステン膜３１２
を過剰エッチングした後（同図（ｄ））、レジスト穴３
２８の周辺のレジスト膜３１４をＯ2 プラズマ等によっ
て除去し（同図（ｅ））、次にゲート電極の素材となる
ゲート電極金属３２９（アルミニウム又はモリブデンの
いずれであってもよい。）を蒸着又はスパッタリングに
よって形成し（同図（ｆ））、その後レジストオフすれ
ばよい。（同図（ｇ））。この製造工程によって、ゲー
ト電極を形成する際、レジスト１４の周辺が除去されて
いるので上記のようなブリッジが形成されにくい。
て、モリブデン膜３２１を蒸着又はスパッタリング等で
形成する際、図３１に示すようなモリブデン膜３２１と
モリブデン膜３２２との間にモリブデンのブリッジ３２
３ができることがある。これはゲート電極の形成に不都
合であるので、かようなブリッジ３２３を形成せしめな
い製造方法を採用するとよい。以下、その製造方法を例
示する。図３２（ａ）は図２８（ｃ）と同じ工程を示す
工程を部分拡大したものであるが、あらかじめ基板１上
にゲート電極配線を形成する際、レジスト穴の形状に対
応した配線パターン３２５（材質は問わないが例えばア
ルミニウム）を形成しておく。この状態において、Ｓｉ
Ｏ2 膜３１１を過剰エッチングすると、同図（ｂ）に示
すように配線パターン３２５が露出するので、同図
（ｃ）に示すようにその配線パターン３２５の上に蒸着
又はスパッタリングによってアルミニウム膜層３２６を
薄く形成する。３２７はレジスト３１４の上に形成され
たアルミニウム膜層である。次にタングステン膜３１２
を過剰エッチングした後（同図（ｄ））、レジスト穴３
２８の周辺のレジスト膜３１４をＯ2 プラズマ等によっ
て除去し（同図（ｅ））、次にゲート電極の素材となる
ゲート電極金属３２９（アルミニウム又はモリブデンの
いずれであってもよい。）を蒸着又はスパッタリングに
よって形成し（同図（ｆ））、その後レジストオフすれ
ばよい。（同図（ｇ））。この製造工程によって、ゲー
ト電極を形成する際、レジスト１４の周辺が除去されて
いるので上記のようなブリッジが形成されにくい。
【００８９】
【発明の効果】本発明は上記の構成を有するので、以下
の顕著な効果を有する。 （１）コントロール電極の電圧とアノード電流は線形関
係にあるため、入出力の伝達特性が線形である。しかも
陽極抵抗が非常に大きい。従って、従来技術では困難で
あった線形増幅器にも利用できる。 （２）ゲートに流れる無効電流が著しく軽減し、消費電
流の観点から効率的な線形増幅作用を有する多極電界電
子放出装置である。 （３）コントロール電極の入力抵抗が非常に大きいた
め、電界効果型の増幅器、スイッチングデバイスに利用
できる。 （４）従来の熱電子放出型真空管と比較して、扱える電
流、電圧、電力が同等以上であって、かつ、非常に小型
である。 （５）相互コンダクタンス、伝達特性の線形度合をゲー
ト電圧によって制御できるため、同一の装置によって特
性パラメータが異なる回路を簡単に構成できる。 （６）周波数特性の優れたもの、電力効率の優れたも
の、扱える電力の大小など、用途に応じた装置の構成に
対して自由度が大きい。
の顕著な効果を有する。 （１）コントロール電極の電圧とアノード電流は線形関
係にあるため、入出力の伝達特性が線形である。しかも
陽極抵抗が非常に大きい。従って、従来技術では困難で
あった線形増幅器にも利用できる。 （２）ゲートに流れる無効電流が著しく軽減し、消費電
流の観点から効率的な線形増幅作用を有する多極電界電
子放出装置である。 （３）コントロール電極の入力抵抗が非常に大きいた
め、電界効果型の増幅器、スイッチングデバイスに利用
できる。 （４）従来の熱電子放出型真空管と比較して、扱える電
流、電圧、電力が同等以上であって、かつ、非常に小型
である。 （５）相互コンダクタンス、伝達特性の線形度合をゲー
ト電圧によって制御できるため、同一の装置によって特
性パラメータが異なる回路を簡単に構成できる。 （６）周波数特性の優れたもの、電力効率の優れたも
の、扱える電力の大小など、用途に応じた装置の構成に
対して自由度が大きい。
【図１】新規な四極電界電子放出装置の部分斜視図。
【図２】図１に示す四極電界電子放出装置の製造方法の
製造方法の工程図。
製造方法の工程図。
【図３】本発明の実施例を示す新規な四極電界電子放出
装置の部分拡大斜視図。
装置の部分拡大斜視図。
【図４】図３に示す四極電界電子放出装置の製造方法の
工程図（縦断面図）。
工程図（縦断面図）。
【図５】図４に示す工程図の平面図。
【図６】図１に示す四極電界電子放出装置を用いた平面
型四極真空管の概略平面図及びそのＡ−Ａ線に沿った概
略縦断面図。
型四極真空管の概略平面図及びそのＡ−Ａ線に沿った概
略縦断面図。
【図７】四極電界電子放出装置を用いたカソード電極接
地型の電気接続図。
地型の電気接続図。
【図８】図７の電子放出特性を示すグラフ。
【図９】図７の入出力静特性を示すグラフ。
【図１０】図７のアノード静特性を示すグラフ。
【図１１】四極電界電子放出装置のコントロール電圧に
対するゲート電流、アノード電流、コントロール電流の
関係を示す図。
対するゲート電流、アノード電流、コントロール電流の
関係を示す図。
【図１２】四極電界電子放出装置のアノード特性図。
【図１３】四極電界電子放出装置の他の電気接続図。
【図１４】四極電界電子放出装置の他の電気接続図。
【図１５】図１４の電気接続図の場合のアノード特性。
【図１６】五極電界電子放出装置の電気接続図。
【図１７】図１６の電気接続図の場合のアノード特性。
【図１８】（Ａ）は六極電界電子放出装置の概略平面
図、（Ｂ）、（Ｃ）はその概略縦断面図。
図、（Ｂ）、（Ｃ）はその概略縦断面図。
【図１９】図１８に示す六極電界電子放出装置の製造工
程図。
程図。
【図２０】六極電界電子放出装置を利用した六極真空管
の概略斜視図。
の概略斜視図。
【図２１】六極電界電子放出装置の電気接続図。
【図２２】六極電界電子放出装置の他の電気接続図。
【図２３】図２２におけるアノード特性図。
【図２４】縦型の四極電界電子放出装置の概略縦断面
図。
図。
【図２５】ゲート電極及びコントロール電極に開口部を
設けた四極電界電子放出装置の概略斜視図。
設けた四極電界電子放出装置の概略斜視図。
【図２６】図２５のコントロール電極を柱状電極とした
実施例の概略斜視図。
実施例の概略斜視図。
【図２７】（ａ）は本発明の他の実施例を示す三極電界
電子放出装置の平面図。（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線の縦
断面図。（ｃ）は（ａ）のｂ−ｂ線の縦断面図。（ｄ）
は、部分斜視図。
電子放出装置の平面図。（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線の縦
断面図。（ｃ）は（ａ）のｂ−ｂ線の縦断面図。（ｄ）
は、部分斜視図。
【図２８】図２７の三極電界電子放出装置の製造方法を
説明する工程図。
説明する工程図。
【図２９】図２７の三極電界電子放出装置の製造方法を
説明する工程図。
説明する工程図。
【図３０】図２７の三極電界電子放出装置の製造方法を
説明する工程図。
説明する工程図。
【図３１】図２９〜３０の製造方法においてブリッジが
形成する場合の説明図。
形成する場合の説明図。
【図３２】図２９〜３０の製造方法においてブリッジを
形成させない場合の説明図。
形成させない場合の説明図。
【図３３】従来の三極電子電界放出装置の概略平面図。
１ 平面基板 ２ 島状絶縁層 ３ カソード電極 ３ａ 第一カソード電極 ３ｂ 第二カソード電極 ４ 放出突起 ５ ゲート電極 ６ コントロール電極 ７ アノード電極 ７ａ 第一アノード電極 ７ｂ 第二アノード電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−222088 (32)優先日 平３(1991)８月７日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平3−309757 (32)優先日 平３(1991)10月29日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ）
Claims (27)
- 【請求項１】 電界効果にて電子を放出せしめるカソー
ド電極と、前記カソード電極に電界を印加せしめるゲー
ト電極と、放出電子を収集せしめるアノード電極と、前
記カソード電極と前記アノード電極の間に設けられ、前
記放出電子を制御せしめるコントロール電極とを少なく
も具備することを特徴とする多極電界電子放出装置。 - 【請求項２】 コントロール電極とアノード電極とを静
電遮蔽せしめるスクリーン電極をコントロール電極とア
ノード電極の間に設けた請求項１記載の多極電界電子放
出装置。 - 【請求項３】 コントロール電極とアノード電極とを静
電遮蔽せしめるスクリーン電極をコントロール電極とア
ノード電極の間に設け、アノード電極の二次電子を抑制
せしめるサプレッサ電極を前記スクリーン電極とアノー
ド電極の間に設けた請求項１記載の多極電界電子放出装
置。 - 【請求項４】 絶縁性平面基板の表面に設けられた島状
絶縁層と、前記島状絶縁層の表面に設けられ前記島状絶
縁層よりオーバーハングした放出突起を具備するカソー
ド電極と、前記平面基板の表面に前記放出突起の概ね垂
直近傍に設けられたゲート電極と、前記平面基板の表面
に前記ゲート電極を挟んで前記カソード電極の反対側に
設けられたアノード電極と、前記平面基板の表面に前記
ゲート電極と前記アノード電極の間に設けられたコント
ロール電極とを少なくとも具備することを特徴とする多
極電界電子放出装置。 - 【請求項５】 平面基板の表面にコントロール電極とア
ノード電極の間にスクリーン電極が設けられた請求項４
記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項６】 平面基板の表面にコントロール電極とア
ノード電極の間にスクリーン電極が設けられ、平面基板
の表面に前記スクリーン電極とアノード電極の間にサプ
レッサ電極が設けられた請求項４記載の多極電界電子放
出装置。 - 【請求項７】 コントロール電極は、その一部が平面基
板に概ね垂直な柱状構造である請求項４記載の多極電界
電子放出装置。 - 【請求項８】 コントロール電極及びスクリーン電極
は、それぞれその一部が平面基板に概ね垂直な柱状構造
である請求項５記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項９】 コントロール電極及びスクリーン電極
は、それぞれその一部が平面基板に概ね垂直な柱状構造
である請求項６記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項１０】 導電性平面基板の表面に設けられ前記
平面基板の概ね垂直な錘軸を有する錘形状のカソード電
極と、前記平面基板の表面に設けられ前記カソード電極
の周囲で開口された第一絶縁層と、前記第一絶縁層の表
面に設けられ前記カソード電極の周囲で開口されたゲー
ト電極と、前記平面基板に真空層を介して配置された対
向基板の表面に設けられたアノード電極と、前記ゲート
電極と前記アノード電極の中間に設けられたコントロー
ル電極とを少なくも具備することを特徴とする多極電界
電子放出装置。 - 【請求項１１】 カソード電極を接地し、ゲート電極に
正電位のゲート電圧を印加し、アノード電極に概ねゲー
ト電圧より大きな正電位のアノード電圧を印加し、コン
トロール電極に入力信号電圧を印加してアノード電流を
制御することを特徴とする多極電界電子放出装置の駆動
方法。 - 【請求項１２】 ゲート電極を接地し、カソード電極に
負電位のカソード電圧を印加し、アノード電極に正電位
のアノード電圧を印加し、コントロール電極に入力信号
電圧を印加してアノード電流を制御することを特徴とす
る多極電界電子放出装置の駆動方法。 - 【請求項１３】 ゲート電極を接地し、カソード電極に
直列に設けた抵抗を介して負電位のカソード電圧を印加
し、アノード電極に正電位のアノード電圧を印加し、コ
ントロール電極に入力信号電圧を印加してアノード電流
を制御することを特徴とする多極電界電子放出装置の駆
動方法。 - 【請求項１４】 ゲート電極を接地し、カソード電極に
負電位のカソード電圧を印加し、スクリーン電極に正電
位のスクリーン電圧を印加し、アノード電極に正電位の
アノード電圧を印加し、コントロール電極に入力信号電
圧を印加してアノード電流を制御することを特徴とする
多極電界電子放出装置の駆動方法。 - 【請求項１５】 カソード電極およびサプレッサ電極を
接地し、ゲート電極およびスクリーン電極にゲート電圧
を印加し、アノード電極にアノード電圧を印加し、コン
トロール電極に入力信号電圧を印加してアノード電流を
制御することを特徴とする多極電界電子放出装置の駆動
方法。 - 【請求項１６】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶
縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複
数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板
の表面に形成され、放出電子を収集せしめるアノード電
極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けられか
つ該放出突起に対応する少なくとも１つの位置に開口部
を有するゲート電極、該ゲート電極と該アノード電極の
間に設けられたコントロール電極を有する多極電界電子
放出装置。 - 【請求項１７】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶
縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複
数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板
の表面に形成され、放出電子を収集せしめるアノード電
極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けられか
つ該放出突起に対応する少なくとも１つの位置に開口部
を有するゲート電極、該ゲート電極と該アノード電極の
間に設けられたコントロール電極、該コントロール電極
と該アノード電極の間に設けられたスクリーン電極を有
する多極電界電子放出装置。 - 【請求項１８】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶
縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複
数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板
の表面に形成され、放出電子を収集せしめるアノード電
極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けられか
つ該放出突起に対応する少なくとも１つの位置に開口部
を有するゲート電極、該ゲート電極と該アノード電極の
間に設けられたコントロール電極、該コントロール電極
と該アノード電極の間に設けられたスクリーン電極、該
スクリーン電極と該アノード電極の間に設けられたサプ
レッサ電極を有する多極電界電子放出装置。 - 【請求項１９】 開口部は複数の放出突起に対応するす
べての位置に設けられている請求項１６、１７又は１８
記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項２０】 コントロール電極上に該開口部に対応
して第２の開口部を設けた請求項１６、１７又は１８記
載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項２１】 平面基板の表面に概ね平行に突出する
放出突起を有するカソード電極を具備する電界電子放出
装置の製造方法において、前記平面基板の表面にエッチ
ングマスク層、前記エッチングマスク層の表面にカソー
ド電極層、前記カソード電極層の表面にエッチング保護
層を積層して形成する工程と、前記エッチングマスク層
を加工し放出突起形状を有するエッチングマスクを形成
する工程と、前記エッチングマスクの平面形状に前記カ
ソード電極層を加工し放出突起を具備するカソード電極
を形成する工程とを少なくも含むことを特徴とする電界
電子放出装置の製造方法。 - 【請求項２２】 平面基板の表面にエッチングマスク層
を形成する工程と、前記エッチングマスク層の表面にカ
ソード電極層を形成する工程と、前記カソード電極層の
表面にレジスト層を形成する工程と、前記カソード電極
層を前記レジスト層の平面形状に加工する工程と、前記
エッチングマスク層を過剰エッチング法にて加工しエッ
チングマスクを形成する工程と、前記カソード電極層を
前記エッチングマスクの形状に加工しカソード電極を形
成する工程と、前記カソード電極の周囲下部の前記エッ
チングマスクを除去し前記カソード電極を庇形状に形成
する工程と、方向性粒子堆積法にてゲート電極層を形成
する工程と、前記ゲート電極層を加工しゲート電極を形
成する工程とを少なくも含むことを特徴とする電界電子
放出装置の製造方法。 - 【請求項２３】 絶縁性平面基板の表面に設けられた絶
縁層上に形成され、該絶縁層よりオーバーハングした複
数の放出突起を有するカソード電極、該絶縁性平面基板
の表面に形成され、放出電子を収集せしめるアノード電
極、該カソード電極と該アノード電極の間に設けられた
複数の柱状のゲート電極を含んで構成され、該放出突起
は隣接するゲート電極の中間に位置し、該ゲート電極の
形状はカソード電極側に該放出突起に対応した突起状と
なっていることを特徴とする多極電界電子放出装置。 - 【請求項２４】 ゲート電極は五角柱の柱状電極である
請求項２３記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項２５】 ゲート電極の高さは該放出突起より高
く形成された請求項２３記載の多極電界電子放出装置。 - 【請求項２６】 絶縁性平面基板の表面に絶縁層、電極
層を順次形成し、ゲート電極の平面パターンを残してレ
ジストを塗布した後、電極層及び絶縁層を該パターンか
ら浸入したエッチング液によって該平面パターンを越え
て過剰エッチングすることにより放出突起を形成し、そ
の後柱状のゲート電極を該平面パターンの位置に形成
し、該レジストを除去する工程を含むことを特徴とする
請求項２３記載の多極電界電子放出装置の製造方法。 - 【請求項２７】 ゲート電極を該位置に形成する前に、
該平面パターンの周辺のレジストを除去する工程を含む
請求項２６記載の製造方法。
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