JPH0721904A

JPH0721904A - 冷陰極装置

Info

Publication number: JPH0721904A
Application number: JP16445893A
Authority: JP
Inventors: Masumi Nakamichi; 眞澄中道
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】電場電子を放出するための印加電圧の低減化を
図り、かつ多数のエレメントを構成したときにも配線本
数を大幅に低減できる冷陰極装置を提供する。【構成】エミッタ電極２とゲート電極４との間に強い電
界を与えて電場放出電子を取り出す冷陰極デバイスにお
いて、エミッタ電極２のコーン部３に、その材料の有す
る仕事関数よりも低い光エネルギーを照射する赤外線発
光素子（光照射部）７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、駆動電圧の低減化、及
び配線本数の低減化を図った冷陰極装置に関し、特に、
新規高精細カラーディスプレイ、及び高信頼マイクロ真
空管に対して極めて有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】冷陰極デバイスの従来の技術は、Ｃ．
Ａ．ＳＰＩＮＤＴにより、１９６８年に提案されてい
る。この提案以降種々の改良がなされ、駆動電圧の低減
化が研究されてきた。

【０００３】この冷陰極デバイスは、空間電場電子放出
による効果を利用しているため、材料本来の持つ物性値
及び空間電場を有効に高くする必要がある。そのため、
従来より微細化、高精度化といった製作加工上の観点か
らアプローチがなされてきた。その結果、従来は数百ボ
ルト程度必要であった駆動電圧が、現在では数十ボルト
程度にまで低減されている。

【０００４】しかしながら、近時では、電子回路のさら
なる低消費化、小型化が要望されており、駆動電圧のさ
らなる低電圧化が急務となっている。

【０００５】図９は、従来方式に基づく冷陰極デバイス
の断面形状を示している。

【０００６】同図において、符号８１はサファイア等で
形成された基板で、この基板８１上に、コーン部８２を
含むエミッタ電極８３が、モリブデン等で形成されてい
る。そして、コーン部８２を除くエミッタ電極８３上
に、絶縁層８４を介して、同じモリブデン等で形成され
たゲート電極８５が形成されている。

【０００７】このように形成された電場電子放出型冷陰
極部を１０^-6ＴＯＲＲオーダの真空容器に入れ、ゲート
電極８５と対向させてアノード電極８６を配置する。そ
して、エミッタ電極８３に対してＶ_Gの電圧をゲート電
極８５に印加する。

【０００８】エミッタ電極８３に接続されているコーン
部８２は、三角錐又は三角柱の形に形成されており、か
つゲート電極８５と極めて接近して配置されている。

【０００９】図１１は、このような構成の冷陰極デバイ
スにおける電子の挙動についてのエネルギーダイヤグラ
ムを示している。

【００１０】同図において、エミッタ電極８３とゲート
電極８５とが同じ金属で形成されているとした場合、双
方とも同じ仕事関数Φ_Mを持つため、狭い真空層δを介
して配置した構成となる。ただし、各電極のフェルミレ
ベルをそれぞれＥ_FMe、Ｅ_FM _gとして考える。

【００１１】また図１２は、ゲート電極８５にバイアス
電圧Ｖ_Bを印加した場合のエネルギーダイアグラムを示
しており、バイアス電圧Ｖ_Bを作用させることで、真空
層の厚みが無バイアス時にδであったものに対してδ_B
となり、真空層の厚みが薄くなっていることが分る。真
空層の厚みが薄くなれば、エミッタ電極８３側からゲー
ト電極８５側への電子のトンネル確率が高くなることが
予測できる。つまり、真空電場電子放出が容易に起こる
ことになる。

【００１２】この場合、図９に戻って、エミッタ電極８
３のコーン部８２より出射される電子は、全部ゲート電
極８５に流れ込む。このとき、この冷陰極に対向するア
ノード電極８６に電圧Ｖ_Aを印加すれば、ゲート電極８
５に流れていた電子流の一部をアノード電極８６側に引
き寄せることができる。当然のことながら、エミッタ電
圧Ｖ_Gとアノード電圧Ｖ_Aの適度な設定により、アノー
ド電極８６に到達する電子の割合を調整することができ
る。

【００１３】仮に、アノード電極８６の電子ビームの照
射領域に蛍光体を配置すれば、ブラウン管と同様に発光
することはもちろんである。また、エミッタ電圧Ｖ_Gに
外部より信号電圧を重畳すると、アノード電極８６に流
れる電子流を変調させることも可能である。

【００１４】現状では、この様に構成された冷陰極の多
数個を一つのブロックとし、このブロックを多数配置し
たコールドカソードとして提案され、試作検討されてい
る。

【００１５】この様子を示すのが図１０であり、基板８
８上に多数の冷陰極が一つのブロック８７をなして構成
されている。

【００１６】図１３は、四極構造の冷陰極の例を示して
おり、その原理は図９に示す三極構造のものと同様であ
る。

【００１７】すなわち、基板９１上に、絶縁体９２を介
してエミッタ電極９３、ゲート電極９４、及びアノード
電極９５が、それぞれ設計された間隔で配置されてい
る。これを上部より見たのが図１４である。図１４にお
いて、エミッタ電極９３の先端は細く鋭利な形状に形成
されており、強い電界強度をゲート電極９４との間に発
生できる形状となっている。そして、バイアスプレート
９６への印加電圧を制御することで、電子ビームのゲー
ト電極９４又はアノード電極９５に達する比率を変える
ことができる。

【００１８】このように、ゲート電圧Ｖ_G、アノード電
圧Ｖ_Aを変えることにより、エミッタ電流とアノード電
流の比率を変えることができ、従来の真空管動作も可能
となる。本動作は、電子の空間移動速度に基づくため、
高速信号応答を持つと想像できる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の冷陰極デバイスにおいては、いづれにしてもエミッタ
電極より、電場により電子を取り出すため、エミッタ電
極とゲート電極との間には強い電界を必要としていた。
つまり、冷陰極型電子放出コーンの材料、形状設計、加
工作製上の精度上の限界等から来る物理的空隙に打ち勝
つため、強い印加電圧が必要であった。そのため、エミ
ッタ電極とゲート電極との間でアーク放電が起こり、コ
ーン部分の破損を引き起こしたり、エミッタ電流の変動
を来たして、実用的価値が低下するといった問題があっ
た。

【００２０】また、このような電子放出用冷陰極エレメ
ントは微小間隙で多数個配列され、使用されるのが普通
である。当然のことながら、各々のエレメントに対して
電気配線が施され、必要に応じて、電圧を印加して使用
されているのが実状である。つまり、各冷陰極に対して
は個別の配線（電源ライン及び、信号ライン等）が必要
であり、莫大な配線数となり、ディスプレー装置として
の展開を疎外する一因となっていた。例えば、図１０に
示すような各ブロックを一つのエレメントとして取り扱
った場合には、数百本〜数千本の配線が必要となり、こ
れらを基板上に構成しようとすると極めて大きなスペー
スを必要とすることはもちろん、電気配線的にも複雑化
を極めていた。

【００２１】以上に述べたように、冷陰極デバイスを実
用化するためには、絶縁破壊の防止策と多数配線の低減
化が最大の課題であった。

【００２２】本発明はかかる実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、電場電子を放出するための印加電圧の
低減化を図るとともに、多数のエレメントを構成した時
にも配線本数を大幅に低減することのできる冷陰極装置
を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】導体又は半導体表面に１
０⁷Ｖ/ cm程度以上の強い電界を作用させると、導体又
は半導体表面より電子が薄いポテンシャル障壁をトンネ
ル効果で透過し、放出されることが電場放出効果として
広く知られている。

【００２４】図１５乃至図１８には、このメカニズムの
説明がなされており、図１５に示す冷陰極部分の断面図
のＡ切断面での詳細を示しているのが、図１６である。

【００２５】エミッタ電極８３のコーン部８２とゲート
電極８５との間には、間隔に逆比例した強い電界が働
く。図１６中には等電位面を実線で記入している。

【００２６】図１７は、エミッタ電極８３のコーン部８
２とゲート電極８５との間に電圧を印加した時の狭い真
空層に作用するポテンシャル障壁の状況を示している。

【００２７】エミッタ電極８３のコーン部８２より自由
電子が真空層に取り出されるためには、エミッタ電極８
３の金属材料のもつ仕事関数Φ以上のエネルギーを必要
とするが、障壁が数１００Å以下と薄い場合、トンネル
効果により、仕事関数より低いエネルギーしか持たない
電子でも、ある確率（Ｔｔ）でこの障壁を透過すること
が知られている。

【００２８】

【数１】

【００２９】

【数２】

【００３０】ただし、ｍ＊：金属中電子の有効質量、
ｈ：プランク定数、Ｅ：電子の持つ運動エネルギーであ
る。

【００３１】上記各式によれば、伝導電子が金属側から
ポテンシャル障壁内を通り抜ける確率Ｔｔは、ポテンシ
ャル障壁の厚み（すなわち、図１７中のＺ₀〜Ｚ₁の
幅）と、電子の持つエネルギーの大きさ〔ｅＦ（Ｚ）−
Ｅ〕とが大きく作用していることが分かる。高いトンネ
ル確率を得るためには、強い電界をかけて（すなわち、
図１７中の電界強度Ｆ_Zを大きくして）、ポテンシャル
の壁厚（Ｚ₀〜Ｚ₁）を小さくすることが有効と言え
る。

【００３２】これを冷陰極デバイス構造に反映するに
は、エミッタ電極８３のコーン部８２とゲート電極８５
とを極めて接近させて構成する必要がある。しかしなが
ら、現在の加工技術では、１μｍ前後のエアーギャップ
で構成するのが限度である。

【００３３】そこで、この電子放出用エミッタ部分に、
仕事関数Φよりも小さい光エネルギーＥを有する光線
（一般には、赤色から近赤外線）を照射することで、エ
ミッタ金属中の自由電子の持つ運動エネルギーを、実質
的に持つ運動エネルギーに光エネルギーｈνを加えたエ
ネルギーとして考えることができる（コンプトン効果に
よる）。従って、図１８に示すように、Ψ_E（Ｚ）で示
される電子は、ポテンシャル壁の厚み（Ｚ₀′〜
Ｚ₁′）を透過すれば良く、図１７で示されたポテンシ
ャル壁の厚み（Ｚ₀〜Ｚ₁）に比べて非常に薄い障壁と
なっている。

【００３４】本発明は、上記のような観点より、以下の
ような構成とする。すなわち、本発明の冷陰極装置は、
エミッタ電極とゲート電極との間に強い電界を与えて電
場放出電子を取り出す冷陰極デバイスにおいて、エミッ
タ電極部にその材料の有する仕事関数よりも低い光エネ
ルギーを照射する光照射部を設けたものである。

【００３５】また、本発明の冷陰極装置は、エミッタ電
極とゲート電極との間に、光照射部より照射される光エ
ネルギーを案内する光導波路層を設けたものである。

【００３６】また、本発明の冷陰極装置は、光学的に透
明な基材上にエミッタ電極を形成するとともに、この透
明基材中に、光照射部から照射された光エネルギーをエ
ミッタ電極に向けて反射する反射部を設けたものであ
る。

【００３７】また、本発明の冷陰極装置は、光学的に透
明な基材上に金属／絶縁体／金属構造のエミッタ電極及
びカソード電極を形成するとともに、この透明基材中
に、光照射部から照射された光エネルギーをエミッタ電
極に向けて反射する反射部を設けたものである。

【００３８】また、本発明の冷陰極装置は、光学的に透
明な基材上にショットキー型電極を形成するとともに、
この透明基材中に、光照射部から照射された光エネルギ
ーを電極に向けて反射する反射部を設けたものである。

【００３９】

【作用】従来技術で構成した冷陰極デバイスの最大の問
題点は、高い駆動電圧を必要とすることである。そこ
で、エミッタ電極部の構成材料のもつ仕事関数より低い
エネルギーを有する光を、エミッタ電極部に照射するこ
とで、真空障壁層の壁を実効的に薄くすることができる
ため、電子のトンネル確率を高めることが可能となる。
このような手法により、低い印加電圧のもとで高い電場
電子放出を得ることを実現した。

【００４０】これは、一定直流電圧をエミッタ電極とゲ
ート電極との間に印加しておき、光照射によりエミッシ
ョン電流を制御することも可能となることを意味してい
る。

【００４１】つまり、一定の光を照射しておけば、低い
印加電圧でエミッション電流を制御することができる。
このように、従来の冷陰極に対し、光を併用することに
より、エミッタ電極の電圧の低減化が可能となるため、
絶縁体破壊やエミッション電流の変動も低減でき、冷陰
極線デバイスの品質の向上と長寿命化が図れる。さら
に、この冷陰極の多数アレイを考えた場合、単に共通で
エミッタ、ゲート間に直流電圧を印加しておき、目的と
する箇所に目的とする時間だけ光ビームを照射すること
でエミッション電流を得ることが可能となる。つまり、
光ビーム走査型の冷陰極線アレイを得ることが可能とな
ったため、配線本数を大幅に低減することができるもの
である。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００４３】図１は、本発明の冷陰極装置の基本的な構
造を示しており、請求項１，２に対応している。

【００４４】すなわち、絶縁性基板１上に、モリブデン
等の高融点導電材料でエミッタ電極２を形成する。そし
て、そのエミッタ電極２上に、Ｓ_i０₂やＡ1 ₂０₃等
の透光性でかつ電気絶縁性の高い誘電体材料（絶縁層）
６を形成し、この誘電体材料６の上に、エミッタ電極２
と同様な材料でゲート電極４を形成する。さらに、アノ
ード電極５をエミッタ電極２のコーン部３の直上に配置
する。

【００４５】そして、エミッタ電極２に対し、ゲート電
極４とアノード電極５とにそれぞれ電圧Ｖ_GL、Ｖ_ALを印
加し、これら全体を１０^-6ＴＯＲＲ前後の真空雰囲気中
に設置する。これにより、エミッタ電極２のコーン部３
より電子放出が可能となる。このとき、Ｖ_GLとＶ_ALとを
変調することで、放出電子流の大きさを変えることがで
きる。

【００４６】ここで、絶縁層６の側面に赤外線発光素子
７等を配置し、この赤外線発光素子７の光線を、絶縁層
６の内部を伝播させてエミッタ電極２のコーン部３に照
射させることで、上記したコンプトン効果が電界効果に
重畳され、電子流の放出効率が大幅に改善されることに
なる。その結果、Ｖ_GLを低減することができるととも
に、赤外線発光素子７に流す電流を直接変調することに
より、放出電子流を制御することも可能となる。

【００４７】上記の構成によれば、エミッタ電極材料と
ゲート電極材料が同じ材質の金属で形成され、かつ空隙
間隔δで接近配置されるため、図１１に示すものと同様
となり、エミッタ電極２とゲート電極４の各フェルミレ
ベルＥ_FMe，Ｅ_FMgは一致している。なお、このときの
仕事関数をΦ_Mとする。

【００４８】また、図１２には、エミッタ電極２とゲー
ト電極４とに電圧Ｖ_Bを印加した状態を示しているが、
空隙部に電圧Ｖ_Bを印加することにより、大きな電界が
作用している。この図から分かるように、エミッタ電極
のフェルミレベルＥ_FMeより空隙部を見た場合、この隙
間はδ_Bとなり、図１１での無バイアス時に較べてより
狭くなっていることが分かる。さらに本発明では、図１
に示すようにエネルギーｈνを有する光を照射するた
め、エミッタ側の自由電子の持つエネルギーは、Ｅ_FMe
＋ｈνと高くなる。このときの空隙幅は、δ_BPと極めて
狭くなる。

【００４９】そのため、前述したように、電子のトンネ
ル確率は空隙幅に依存するため、光照射により、電子放
出の度合を制御することが可能となる。

【００５０】図２は、本発明による冷陰極装置を用いた
表示装置の利用例を示しており、請求項３に対応してい
る。

【００５１】すなわち、反射ミラー１１を備えた光ガイ
ド基板１２上に、エミッタ電極１３及び電子放出部（コ
ーン部）１４を形成している。このエミッタ電極１３に
は、下部の光ガイド基板１２から照射される光を通すた
めの窓１５が開けられている。そして、この窓１５の直
上に、コーン部１４を取り囲む形で、赤外光に対し透明
なＳ_i０₂やＡ１₂０₃等の電気絶縁部１６が形成さ
れ、この電気絶縁部１６の上に、ゲート電極１７が形成
されている。

【００５２】さらに、コーン部１４の直上に、ある特定
の間隔を離して、光の三原色に相当する蛍光体１８と透
明導電膜１９とを備えた透明基板（アノード）２０が、
スクリーンとして配置されている。

【００５３】また、光ガイド基板１２には、その一側面
に光照射部２２が設けられている。この光照射部２２
は、ＬＥＤ２３と、ＬＥＤ２３より出射された光をコリ
メート化等するための光学レンズ２４と、光ガイド基板
１２の下部に分散配置された反射ミラー１１，１１・・
・に光を照射するための光偏向器２５とで構成されてい
る。そして、ＬＥＤ２３より出射された光は、光学レン
ズ２４を通ってコリメート化され、次の光偏向器２５を
経由して各反射ミラー１１，１１・・・に照射されるよ
うになっている。

【００５４】次に、上記構成の冷陰極装置の動作につい
て説明する。

【００５５】図示は省略しているが、エミッタ電極１３
を基準にして、ゲート電極１７とアノード電極２０とに
は電圧が印加される。このとき、エミッタ電極１３よ
り、上述の原理に基づいて電子放出が起こる。この電子
は、電圧が印加されているため、一部はアノード電極２
０に到達し、その残りはゲート電極１７に到達する。

【００５６】アノード電極２０に到達した電子は、その
前面に配置されている蛍光体１８に照射されることとな
り、現状のブラウン管同様に各蛍光体１８をその固有の
色相で発光させることができる。この発光色は、アノー
ド電極（スクリーン）２０の反対面より観察されること
になる。

【００５７】従来、このような動作は全て電気的な動作
であり、エミッタ電極とゲート電極との間、及びエミッ
タ電極とアノード電極との間に作用させる電圧は、通常
数１０ボルトから１００ボルトが必要となり、高電界の
働く部分で絶縁破壊が多発して、実用性を阻害してい
た。さらに、各エミッタ電極１３にそれぞれ電気配線が
必要となることから、ディスプレイを考えた場合、膨大
な数の配線を必要とした。

【００５８】本実施例によれば、従来の方式に加え、光
ガイド基板１２の内部を通して、エミッタ材料の有する
仕事関数より低いエネルギーを持つ光を走査・照射する
ことで、低電圧駆動と駆動配線数の大幅な低減を達成し
た。

【００５９】つまり、光偏向器２５を通して光ガイド基
板１２に入射された光は反射ミラー１１に当たって反射
され、エミッタパターンの窓１５を通ってゲート電極１
７の裏面で再度反射され、エミッタ電極１３のコーン部
１４に照射される。ここで、コンプトン効果、及びエミ
ッタ電極１３とゲート電極１７との間の高電界の相乗効
果により、上述のように高い効率で電子放出を達成でき
る。つまり、数ボルト程度で動作できる低電圧化が図れ
るとともに、エミッタ電極１３とゲート電極１７との間
の電圧を共通で一定電圧に印加し、照射光の走査・変調
を行うことにより、放出電子ビームの制御が可能とな
る。そのため、配線本数を大幅に低減することができ
る。

【００６０】なお、本実施例では、電子線を放出・加速
するために、当然のことながら冷陰極デバイス全体の系
を１０^-6ＴＯＲＲ前後の真空に保持する必要がある。

【００６１】また、これまで述べてきた実施例は、放出
電子を空間で加速させるため、１０ ^-6ＴＯＲＲ前後の真
空中にデバイス全体を維持する必要がある。そのため、
真空容器の気密性や電気的絶縁を考慮する必要があっ
た。

【００６２】そこで、以下の実施例では、真空を必要と
しない構造の冷陰極装置を提供するものである。

【００６３】図３は、このような真空を必要としない冷
陰極装置の構造の一例を示しており、請求項４に対応し
ている。

【００６４】すなわち、反射ミラー３１を備えた光ガイ
ド基板３２の上部に歯状の凹凸面を形成し、この凹凸面
上にエミッタ電極としての金属薄膜３３を形成する。そ
して、その凸部上に、数百オングストロームの薄い絶縁
膜３４を介して、アノード電極３５を金属薄膜で形成す
る。ここで、エミッタ電極３３とアノード電極３５とは
薄膜の絶縁層３４１を介して対峠するため、ＭＩＭ（金
属／絶縁体／金属）構造を構成する。

【００６５】図４に、このＭＩＭ構造部分の拡大図を示
す。

【００６６】アノード電極３５に直接接して蛍光体ドッ
ト３６が配置され、この蛍光体ドット３６の周辺全体が
絶縁膜３４で囲まれて、透明電極３７に接続されてい
る。そして、この透明電極３７の上に、薄いガラス基板
３８が配置された構成となっている。

【００６７】また、光ガイド基板３２には、その一側面
に光照射部３９が設けられている。この光照射部３９
は、ＬＥＤ４０と、ＬＥＤ４０より出射された光を光ガ
イド基板３２の下部に分散配置された反射ミラー３１，
３１・・・に照射するための光偏向器４１とで構成され
ている。そして、ＬＥＤ４０より出射された光は、光偏
向器４１を経由して各反射ミラー３１，３１・・・に照
射され、各反射ミラー３１，３１・・・で反射されて、
各ＭＩＭ型エミッタ部に照射されるようになっている。

【００６８】このとき、エミッタ電極３３は薄膜構成と
しているため、十分なコンプトン効果が期待される。そ
のため、エミッタ電極３３とアノード電極３５との間で
の電界効果が相乗され、極めて低電圧でエミッタ電極３
３から電子放出が行われる。

【００６９】一方、アノード電極３５は電子散乱として
も働くため、電子の平均自由行程程度の厚みに設定する
必要があり、約２００〜３００Å程度が良い。

【００７０】エミッタ電極３３からの放出電子は、アノ
ード電極３５を通過して蛍光体３６を励起し、発光させ
る。この発光は、透明電極３７及びガラス基板３８を透
過し、外部に放射される。

【００７１】ここで述べた、ＭＩＭ構造でのエネルギー
ダイヤグラムを図５に示す。

【００７２】同図（ａ）は、絶縁膜３４が極めて厚い場
合を示しており、エミッタ電極３３のフェルミレベルＥ
_Fe、仕事関数ΦＭ_e、アノード電極３５のフェルミレベ
ルＥ _Fe、仕事関数ΦＭ_aをそれぞれ示している。各電極
が同じ材料で構成されていれば、これらは同じ値を持つ
ことは当然である。

【００７３】同図（ｂ）は、絶縁膜３４が１０００Å以
下と極めて薄い場合を示しており、特に、Ｅ_Fe＞Ｅ_Faが
達成され、ＭＩＭ構造が実現されている。この状態で、
エミッタ電極３３とアノード電極３５との間に電圧を印
加した状況を示すのが同図（ｃ）であり、絶縁膜３４に
強い電界が作用していることが分かる。

【００７４】エミッタ電極３３のフェルミレベルＥ
_Feで、この絶縁膜３４の厚みはδ_Bになっている。これ
は、無バイアス時の絶縁膜３４の厚みδよりずっと薄く
なっており、上述のように、電子のトンネル確率は向上
する。

【００７５】本実施例では、エミッタ電極３３に、仕事
関数Φ_Meより低いエネルギーｈνを持つ光を照射してい
るため、絶縁層３４の厚みはδ_BPとさらに薄くなり、電
子流の大きさを大幅に向上させることができるととも
に、この光（エネルギーｈν）の変調でエミッション電
流を操作することが可能となる。

【００７６】図６は、上記した図４に示すＭＩＭ構造に
対し、ショットキー接合による例を示しており、請求項
５に対応している。

【００７７】すなわち、反射ミラー５１を備えた光ガイ
ド基板５２の上部に、シリコン又はＧａＡｓからなる半
導体層５３が形成され、この半導体層５３の上に、ショ
ットキー接合を構成できる金属電極５４が形成されてい
る。そして、この金属電極５４の上に、蛍光体ドット５
５がＳｉ０₂やＡ１₂０₃などの誘電体材料５６で取り
囲まれた形で形成され、さらにその最上部に、光を透過
させることのできるガラス基板もしくは誘電体膜５８
が、透明電極５７を介して形成されている。

【００７８】また、光ガイド基板５２には、その一側面
に光照射部５９が設けられている。この光照射部５９
は、ＬＥＤ６０と、ＬＥＤ６０より出射された光を光ガ
イド基板５２の下部に分散配置された反射ミラー５１，
５１・・・に照射するための光偏向器６１とで構成され
ている。そして、ＬＥＤ６０より出射された光は、光偏
向器６１を経由して各反射ミラー５１，５１・・・に照
射され、各反射ミラー５１，５１・・・で反射されて、
半導体層５３に照射される。なお、図７は、図６に示す
電極部の拡大図を示している。

【００７９】また、図８は、ショットキー接合構造での
エネルギーダイヤグラムを示しており、同図（ａ）は、
金属電極５４と半導体層５３との界面で発生するショッ
トキー接合の概要を示している。

【００８０】すなわち、同図（ａ）には、フェルミレベ
ルＥ_FM、仕事関数Φ_Mを持つ金属と、フェルミレベルＥ
_FS、仕事関数Φ_Sなる化学親和力を持つ半導体との接合
を示しており、Ｅｃは伝導帯を示す。同図（ｂ）には、
この両者が接したときのエネルギー関係を示している。
当然のことながらフェルミレベルが一致するものの、真
空レベルの差よりショットキー障壁の発生がある。この
接合にバイアス電圧Ｖ _Rを作用させると、金属側を基準
にした場合、Ｅ_FSは−ｑＶ_Rだけ変動する。

【００８１】その結果、Ｅ_FM近辺の自由電子は、障壁幅
δ_Bをトンネル効果で透過することとなる。ところが、
本実施例では電極側からみた自由電子のエネルギーが、
ｈνだけ高くなっている。従って、ショットキー障壁の
高い箇所をトンネル効果で透過することとなり、当然障
壁幅もδ_BPと狭くなったところを透過するため、電子の
トンネル確率も高く、かつ強い電界により、大きな加速
度が得られる。

【００８２】ここで、上記説明に対応する形状として、
図７に示すように半導体層５３の下部面にメサエッチを
かけ、凹部を形成して光の照射部を作り、その反対面
（図面上では上部）に薄い金属層でショットキー電極を
形成している。

【００８３】上記各実施例の冷陰極装置によれば、自己
発光型の平面ディスプレイ等への応用展開が期待でき
る。

【００８４】

【発明の効果】本発明の冷陰極装置は、冷陰極デバイス
に光照射を行う構成とすることにより、コンプトン効果
を併用することで駆動電圧を大幅に低減することがで
き、かつエミッタ部分の絶縁破壊を防止できる。また、
エミッタ電極とゲート電極とに共通の電圧を与えておい
て光照射を行うことで、所定の冷陰極部を駆動すること
が可能となる。そのため、光走査により所定の位置を選
択的に動作させることができるとともに、配線本数を大
幅に低減することができるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷陰極装置の基本的な構造の断面形状
を示す概略構成図である。

【図２】本発明による冷陰極装置を用いた表示装置の断
面形状を示す概略構成図である。

【図３】真空を必要としない冷陰極装置の構造の断面形
状の一例を示す概略構成図である。

【図４】ＭＩＭ構造の電極部を拡大した概略構成図であ
る。

【図５】ＭＩＭ構造でのエネルギーダイヤグラムを示す
図である。

【図６】ショットキー接合による冷陰極装置の構造の断
面形状の一例を示す概略構成図である。

【図７】ショットキー接合構造の電極部を拡大した概略
構成図である。

【図８】ショットキー接合構造でのエネルギーダイヤグ
ラムを示す図である。

【図９】従来方式に基づく冷陰極デバイスの断面形状を
示す概略構成図である。

【図１０】冷陰極の多数個を一つのブロックとして多数
配置した構成を示す概略図である。

【図１１】電子の挙動についてのエネルギーダイヤグラ
ムを示す図である。

【図１２】電子の挙動についてのエネルギーダイヤグラ
ムを示す図である。

【図１３】四極構造の冷陰極の断面形状の一例を示す概
略構成図である。

【図１４】図１３に示す冷陰極の平面図である。

【図１５】冷陰極装置の基本的な構造の断面形状を示す
概略構成図である。

【図１６】図１５に示す冷陰極装置のＡ部断面図であ
る。

【図１７】エミッタ電極とゲート電極との間に電圧を印
加したときの狭い真空層に作用するポテンシャル障壁の
状況を示す図である。

【図１８】エミッタ電極に光を照射したときの真空層に
作用するポテンシャル障壁の状況を示す図である。

【符号の説明】

１絶縁性基板２エミッタ電極４ゲート電極５アノード電極６誘電体材料（絶縁層）７赤外線発光素子１１，３１，５１反射ミラー１２，３２，５２光ガイド基板２２，３９，５９光照射部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エミッタ電極とゲート電極との間に強い
電界を与えて電場放出電子を取り出す冷陰極デバイスに
おいて、エミッタ電極部にその材料の有する仕事関数よ
りも低い光エネルギーを照射する光照射部が設けられた
ことを特徴とする冷陰極装置。
【請求項２】エミッタ電極とゲート電極との間に、前
記光照射部より照射される光エネルギーを案内する光導
波路層が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷
陰極装置。
【請求項３】光学的に透明な基材上にエミッタ電極が
形成されるとともに、この透明基材中に、前記光照射部
から照射された光エネルギーを前記エミッタ電極に向け
て反射する反射部が設けられたことを特徴とする請求項
１記載の冷陰極装置。
【請求項４】光学的に透明な基材上に金属／絶縁体／
金属構造のエミッタ電極及びカソード電極が形成される
とともに、この透明基材中に、前記光照射部から照射さ
れた光エネルギーを前記エミッタ電極に向けて反射する
反射部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷
陰極装置。
【請求項５】光学的に透明な基材上にショットキー型
電極が形成されるとともに、この透明基材中に、前記光
照射部から照射された光エネルギーを前記電極に向けて
反射する反射部が設けられたことを特徴とする請求項１
記載の冷陰極装置。