JPH0831305A

JPH0831305A - 電子放出素子

Info

Publication number: JPH0831305A
Application number: JP16397394A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sugimoto; 勝杉本; Yukihiro Kondo; 行広近藤; Hideyoshi Kimura; 秀吉木村; Yosuke Mizuyama; 洋右水山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1996-02-02
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JP3232195B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多数設けたエミッタの１つが蒸発しても他のエ
ミッタの電子放出を継続させる。【構成】ベース電極１とゲート電極３との間にアルミナ
よりなる非良導体層８と絶縁層５を介装する。ゲート電
極３と絶縁層５とからなるゲート層４には、非良導体層
８の表面に至る多数の凹所６を形成し、凹所６の底面に
はエミッタ７を設ける。ベース電極１とゲート電極３と
の間に電圧を印加してエミッタ７から電界放射によって
電子を放出させる。エミッタ７が蒸発した場合でも、ベ
ース電極１とゲート電極３との間には非良導体層８が介
在するから、ベース電極１とゲート電極３とが蒸発物質
によって短絡することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板形表示装置などに
おいて電子源として用いられる電子放出素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、平板形表示装置などの電子源
として電界放射型の電子放出素子が採用されている。平
板形表示装置では面積の比較的大きい発光面に対して電
子線を均一に照射することが要求されるから、この種の
用途に用いる電子放出素子では、多数の電界放射型の陰
極をアレイ状に配列することで冷陰極アレイとして形成
することが考えられている（Technical Digest of IVMC
91, Nagahama 1991, p.50、（社）日本電子工業振興協
会，真空マイクロエレクトロニクス調査報告書Ｉ，1992
年 3月，p.37等参照）。

【０００３】すなわち、図７（ｂ）に示すように、ベー
ス電極１を備えるベース層２とゲート電極３とを絶縁層
５を介して積層し、ゲート電極３と絶縁層５とでなるゲ
ート層４にベース層２に達するように形成した凹所６内
にエミッタ７を形成した構造を有している。エミッタ７
は図７（ａ）のようにゲート層４の全面に分布して多数
形成される。また、エミッタ７は凹所６内でベース層２
におけるゲート層４側の一面に突設され、エミッタ７の
先端部は１０μｍ以下の曲率半径に形成され、小空隙
（１μｍ以下）を介してゲート電極３に対向する。ここ
に、ベース電極１およびゲート電極３はクロムにより形
成され、エミッタ７の先端部はタングステンやモリブデ
ンのような高融点材料により形成され、エミッタ７にお
けるベース層２側の基部はシリコンにより形成されてい
る。また、上述した説明より明らかなように、冷陰極ア
レイを形成するすべてのエミッタ７はベース電極１およ
びゲート電極３を共通に用いて並列的に接続されてい
る。

【０００４】このような構成の電子放射素子は、ベース
電極１とゲート電極３との間に５０〜２００Ｖの電圧を
印加する（ゲート電極３を正極にする）ことで、ゲート
電極３とエミッタ７との間に１００ＭＶ／ｍ程度の強電
界を形成し、電界放射によってエミッタ７の表面から電
子を放出させるのである。１個のエミッタ７から放出さ
れる電子流は１０〜１００ｎＡ程度になるが、適当な分
布密度でアレイ状に形成することによって、１ｍｍ²当
たり２０〜１００μＡ程度の電子流を得ることが可能に
なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成の
電子放出素子において、何らかの原因でゲート電極３と
エミッタ７との間に過電流が流れると、エミッタ７の先
端部が蒸発して絶縁層５に付着することがある。上述し
た構成のベース層２およびゲート層４では、ベース電極
１およびゲート電極３が露出しているものであるから、
エミッタ７が蒸発して絶縁層５に付着すると、付着した
金属被膜を介してベース電極１とゲート電極３とが短絡
し、エミッタ７から電子が放出されなくなるという問題
が生じる。しかも上記構成ではベース電極１およびゲー
ト電極３は、各エミッタ７で共通に用いられているか
ら、１つのエミッタ７の蒸発でベース電極１とゲート電
極３とが短絡すると、すべてのエミッタ７についてゲー
ト電極３との間に電界を形成することができなくなり、
蒸発していないエミッタ７についても電子を放出するこ
とができなくなるという問題がある。すなわち、一般に
アレイ状に形成すれば、１箇所で異常が生じても他箇所
の機能を維持することができるが、上記構成の場合には
１箇所でも異常が生じると他箇所が正常であっても使用
できなくなるという問題が生じるのである。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、１つのエミッタが蒸発しても他のエミッタに
ついては電子を放出する機能を維持することができるよ
うにした電子放出素子を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ベー
ス電極を有するベース層に絶縁層を介してゲート電極を
積層し、ゲート電極と絶縁層とでなるゲート層に多数形
成した各凹所内でベース層におけるゲート層側の一面に
先端部がゲート電極と小さい空隙を介して対向するエミ
ッタをそれぞれ突設し、ベース電極とゲート電極との間
に電圧を印加することにより、ゲート電極とエミッタと
の間に形成される強電界によりエミッタから電子を電界
放出させるようにした電子放出素子であって、ベース層
におけるゲート層側の一面を非良導体で形成したことを
特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、上記非良導体がベース
電極を形成する金属の酸化物であることを特徴とする。
請求項３の発明は、ベース電極を有するベース層に絶縁
層を介してゲート電極を積層し、ゲート電極と絶縁層と
でなるゲート層に多数形成した各凹所内でベース層にお
けるゲート層側の一面に先端部がゲート電極と小さい空
隙を介して対向するエミッタをそれぞれ突設し、ベース
電極とゲート電極との間に電圧を印加することにより、
ゲート電極とエミッタとの間に形成される強電界により
エミッタから電子を電界放出させるようにした電子放出
素子であって、ベース層におけるゲート電極側の一面と
エミッタにおけるベース層側の端部とを同一材料である
非良導体で連続一体に形成したことを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、ベース電極を有するベ
ース層に絶縁層を介してゲート電極を積層し、ゲート電
極と絶縁層とでなるゲート層に多数形成した各凹所内で
ベース層におけるゲート層側の一面に先端部がゲート電
極と小さい空隙を介して対向するエミッタをそれぞれ突
設し、ベース電極とゲート電極との間に電圧を印加する
ことにより、ゲート電極とエミッタとの間に形成される
強電界によりエミッタから電子を電界放出させるように
した電子放出素子であって、ゲート電極を高抵抗材料に
より形成したことを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明は、ベース電極を有するベ
ース層に絶縁層を介してゲート電極を積層し、ゲート電
極と絶縁層とでなるゲート層に多数形成した各凹所内で
ベース層におけるゲート層側の一面に先端部がゲート電
極と小さい空隙を介して対向するエミッタをそれぞれ突
設し、ベース電極とゲート電極との間に電圧を印加する
ことにより、ゲート電極とエミッタとの間に形成される
強電界によりエミッタから電子を電界放出させるように
した電子放出素子であって、ゲート層はゲート電極の少
なくともエミッタとの対向部位が非良導体の被覆で覆わ
れたことを特徴とする。

【００１１】請求項６の発明は、上記非良導体がゲート
電極を形成する金属の酸化物であることを特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１の発明の構成によれば、ベース層にお
けるゲート電極側の一面を非良導体で形成していること
によって、エミッタが蒸発し絶縁層にエミッタの蒸発物
質が付着してもベース電極とゲート電極との間に必ず非
良導体が介在することになり、ベース電極とゲート電極
との間の電位差を保つことができる。すなわち、多数の
エミッタのうちの１つが蒸発しても他のエミッタが正常
であれば、ゲート電極とエミッタとの間に強電界を形成
することができ、電子の放出を継続することができるの
である。

【００１３】請求項２の発明の構成によれば、ベース電
極を形成する金属の酸化物によってベース層の表面を非
良導体としているから、製造時においてベース電極の表
面を酸化させる処理を行なうだけでベース層の表面を非
良導体とすることができ、非良導体の層を別に形成する
場合に比較すると製造工程が簡単になる。請求項３の発
明の構成によれば、ベース層におけるゲート電極側の一
面とエミッタにおけるベース層側の端部とを同一材料で
ある非良導体で連続一体に形成していることによって、
ベース層のエミッタ側の一面が非良導体で覆われること
になるから、エミッタの導電部分が蒸発して絶縁層に付
着しても、ベース電極とゲート電極との間の電位差を保
つことができる。しかも、ベース層とエミッタとの一部
を連続一体に形成していることにより、ベース層の製造
工程とエミッタの製造工程との一部を共通にすることが
でき、結果的に製造工程が簡単になる。

【００１４】請求項４の発明の構成によれば、ゲート電
極を高抵抗材料により形成していることにより、エミッ
タの蒸発物質が絶縁層に付着してもベース電極とゲート
電極との間にはわずかな電流しか流れず、結果的にベー
ス電極とゲート電極との間の電位差を保つことができ
る。すなわち、エミッタが蒸発していない箇所ではエミ
ッタとゲート電極との間の強電界を維持することがで
き、多数のエミッタのうちの一部が破損しても他の正常
なエミッタから電子を放出させ続けることができるので
ある。

【００１５】請求項５の発明の構成によれば、ゲート層
はゲート電極の少なくとも一部が非良導体の被覆で覆わ
れているから、エミッタが蒸発してベース層とゲート層
との間に蒸発物質が付着しても、ベース電極とゲート電
極との間に非良導体が介在していることによってベース
電極とゲート電極との間の電位差を保つことができ、蒸
発していない正常なエミッタからは電子を放出し続ける
ことができるのである。

【００１６】請求項６の発明の構成によれば、ゲート層
に形成する非良導体をゲート電極を形成する金属の酸化
物としているから、ゲート電極を形成して表面を酸化さ
せればゲート層の表面に非良導体を形成することができ
るのであって、非良導体の層を別に形成する場合に比較
すれば製造工程が簡単になり、また被覆を均一に形成す
ることが可能になる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）本実施例は、図１に示すように、ベース層
２が、クロムよりなるベース電極１と、非良導体として
のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の非良導体層８との積層体で
ある点を除くと、図７に示した従来構成と同様である。
すなわち、ベース電極１には非良導体層８を介して酸化
シリコンよりなる絶縁層５が積層され、さらに絶縁層５
の表面にはクロムよりなるゲート電極３が積層される。
ここで、ゲート層４はゲート電極３と絶縁層５とで形成
されている。ゲート層４には、底面がベース層２に達す
る凹所６が形成され、凹所６の底面からエミッタ７が突
設される。エミッタ７は先端部がタングステンやモリブ
デンにより形成され、ベース層２側の基部７ａはシリコ
ンにより形成されている。すなわち、このような構造の
電子放出素子を形成するには、ベース電極１の上にアル
ミナ被膜と酸化シリコンとを順に積層した後に、酸化シ
リコンにエッチングを施してエミッタ７の基部７ａや凹
所６を形成し、さらにゲート電極３やエミッタ７の先端
部を被着すればよいのである。ここで、エミッタ７ａの
基部７ａは還元処理によってシリコンになる。また、寸
法関係については従来例で説明したものと同様である。

【００１８】非良導体層８は１０ｎｍ程度の厚みになる
ように高周波スパッタリングなどの技術を用いて形成さ
れており、エミッタ７の金属部分が蒸発してベース層２
とゲート層４との間に１０ｎｍ程度の厚みで蒸発物質が
付着したとしても、ベース電極１とゲート電極３との間
で非良導体層８内で電流が流れる断面積は非常に小さく
ベース電極１とゲート電極３との間の抵抗は１００ＭΩ
以上になる。すなわち、ベース電極１とゲート電極３と
の間は非良導体層８によって実質的に絶縁されたことに
なる。一方、ベース電極１とエミッタ７との間の抵抗は
１０〜１００ＭΩであって、真空中の放電路の抵抗に比
較して十分に小さいからベース電極１からエミッタ７へ
の通電には支障がなく、この構成でのベース電極１から
エミッタ７への通常の通電電流は最大で１０ｎＡ程度で
あるから、非良導体層８での電圧降下はほとんど無視で
きる程度（最大で１Ｖ程度）になる。

【００１９】また、ベース電極１からエミッタ７に過電
流が流れようとすると、非良導体層８で大きな電圧降下
が生じることによって、ゲート電極３とエミッタ７との
間で放電が生じないようにゲート電極３とエミッタ７と
の間の電位差の上昇を抑制することができ、結果的に過
電流が流れるのを防止することができるのである。この
ように、非良導体層８が存在することによってエミッタ
７が蒸発しても蒸発物質によるベース電極１とゲート電
極３との間の短絡を防止して電位差を保つことができる
のはもちろんのこと、エミッタ７の蒸発の原因となる過
電流を防止することができるのである。

【００２０】本実施例においては非良導体層８をアルミ
ナで形成しているが、酸化シリコンなどを用いても同様
の効果が得られる。（実施例２）実施例１では非良導体層８をベース電極１
とは別材料を被着することによって形成していたが、本
実施例では、ベース電極１の表面を酸化させることによ
って非良導体層８を形成している。すなわち、図２に示
すように、クロムよりなるベース電極１の表面を酸化さ
せて酸化クロムの層よりなる非良導体層８を形成した後
に絶縁層５やエミッタ７を形成しているのであって、ベ
ース電極１の表面の酸化という簡単な処理で非良導体層
８を形成することができるのである。このような工程
は、従来工程に比較すれば酸化工程が増加することにな
るが、実施例１のような別材料の被膜を形成する場合に
比較すると、工程の所要時間が短く、また非良導体層８
を均一に形成することができるものである。他の構成お
よび動作は実施例１と同様である。

【００２１】（実施例３）本実施例は、図３に示すよう
に、ベース層２に形成した非良導体層８とエミッタ７の
金属部分を除いたシリコン部分とを連続一体に形成した
ものであって、この非良導体層８は絶縁層５とも連続一
体に形成されている。すなわち、ベース電極１の上に比
較的厚みの大きいシリコンの非良導体層８（絶縁層５）
を積層し、エミッタ７および凹所６を形成する際のエッ
チング処理においてベース電極１に達しないように非良
導体層８に凹所６を形成する。このような作業によって
ベース層２の表面部分と絶縁層５とエミッタ７の一部と
を連続一体に形成することができるのである。また、こ
のような作業工程では従来のものと比較して絶縁層５を
形成するために積層するシリコンの厚みを大きくし、ま
たシリコンのエッチング深さを調節すればよいだけであ
って工程数が増加しないから、製造が容易になる。

【００２２】上記構成においてベース層２の非良導体層
８を形成するシリコンの厚みと、エミッタ７を形成する
シリコンの厚みとをそれぞれ１μｍ程度に設定すれば、
実施例１と同程度の仕様で動作させることができる。ま
た、本実施例においてもエミッタ７の金属部分が蒸発し
てもベース電極１とゲート電極３とが短絡されることが
なく、しかもエミッタ７への過電流を非良導体層８が抑
制する効果を奏するのである。他の構成および動作は実
施例１と同様である。

【００２３】（実施例４）本実施例は、図４に示すよう
に、図７に示した従来構成と構造的には同様の構成を有
しているが、ゲート電極３を従来はクロムにより形成し
ていたのに対して本実施例ではシリコンにより形成した
点が相違する。すなわち、ゲート電極３が高抵抗材料で
形成しているのである。

【００２４】このような構成を採用すれば、エミッタ７
の金属材料が蒸発しベース電極１およびゲート電極３が
蒸発物質により覆われた場合に、蒸発したエミッタ７に
対応する凹所６内ではベース電極１とゲート電極３との
間の電位差がなくなてエミッタ７からの電子放出が行な
われなくなるが、ゲート電極３が高抵抗であるから他の
凹所６については、ベース電極１とゲート電極３との間
の電位差を保つことができ、電子の放出を継続すること
ができるのである。他の構成および動作は実施例１と同
様である。

【００２５】（実施例５）本実施例は、図５に示すよう
に、図７に示した従来の電子放出素子について、ゲート
電極３の表面部分から絶縁層５に跨がる部位を酸化シリ
コン（ＳｉＯ₂）よりなる非良導体の被覆９で覆ったも
のである。この構成でも実施例１と同様に、エミッタ７
が蒸発したときに蒸発物質がベース層２とゲート層４と
の間に付着したとしても、ベース電極１とゲート電極３
との間に非良導体の被覆９が介在することによって絶縁
性が保たれるのであり、結果的に、他のエミッタ７では
電子放出を継続することができるのである。

【００２６】ベース電極１とゲート電極３との間に印加
する電圧は、従来例で説明したように５０〜２００Ｖで
あって、酸化シリコンの絶縁耐圧は１ＧＶ／ｍ程度であ
るから、２００Ｖの耐圧を得るには被覆９としては２０
０μｍ以上の膜厚を有していればよい。他の構成および
動作は実施例１と同様である。（実施例６）本実施例では、図６に示すように、実施例
４のようにゲート電極３をシリコンで形成するととも
に、ゲート電極３の表面を酸化させて酸化シリコンより
なる被覆９を形成したものである。すなわち、実施例４
の構成についてゲート電極３となる部位の表面のみを酸
化シリコンとするように熱酸化させた構成を有する。こ
のように、実施例４と同様にゲート電極３をシリコンで
形成していることだけでも、エミッタ７の蒸発によるベ
ース電極１とゲート電極３との短絡が生じないのであ
り、さらに、ゲート電極３の熱酸化により形成した被覆
９を有することによって、短絡をより確実に防止するこ
とができる。しかも、被覆９は熱酸化処理により形成さ
れるから、実施例５のように別材料を被着する場合に比
較して製造が容易になる。他の構成および動作は実施例
１と同様である。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明は、ベース層におけるゲ
ート電極側の一面を非良導体で形成しているので、エミ
ッタが蒸発し絶縁層にエミッタの蒸発物質が付着しても
ベース電極とゲート電極との間に必ず非良導体が介在す
ることになり、ベース電極とゲート電極との間の電位差
を保つことができるという利点がある。すなわち、多数
のエミッタのうちの１つが蒸発しても他のエミッタが正
常であれば、ゲート電極とエミッタとの間に強電界を形
成することができ、電子の放出を継続することができる
という効果を奏するのである。

【００２８】請求項２の発明は、ベース電極を形成する
金属の酸化物によってベース層の表面を非良導体として
いるから、製造時においてベース電極の表面を酸化させ
る処理を行なうだけでベース層の表面を非良導体とする
ことができ、非良導体の層を別に形成する場合に比較す
ると製造工程が簡単になるという利点がある。請求項３
の発明は、ベース層におけるゲート電極側の一面とエミ
ッタにおけるベース層側の端部とを同一材料である非良
導体で連続一体に形成しているので、ベース層のエミッ
タ側の一面が非良導体で覆われ、エミッタの導電部分が
蒸発して絶縁層に付着してもベース電極とゲート電極と
の間の電位差を保つことができ、結果的に電子の放出を
継続することができるという利点がある。しかも、ベー
ス層とエミッタとの一部を連続一体に形成していること
により、ベース層の製造工程とエミッタの製造工程との
一部を共通にすることができ、結果的に製造工程が簡単
になるという利点がある。

【００２９】請求項４の発明は、ゲート電極を高抵抗材
料により形成しているので、エミッタの蒸発物質が絶縁
層に付着してもベース電極とゲート電極との間にはわず
かな電流しか流れず、結果的にベース電極とゲート電極
との間の電位差を保つことができるのであって、エミッ
タが蒸発していない箇所ではエミッタとゲート電極との
間の強電界を維持することができ、多数のエミッタのう
ちの一部が破損しても他の正常なエミッタから電子を放
出させ続けることができるという利点を有する。

【００３０】請求項５の発明は、ゲート層はゲート電極
の少なくとも一部が非良導体の被覆で覆われているか
ら、エミッタが蒸発してベース層とゲート層との間に蒸
発物質が付着しても、ベース電極とゲート電極との間に
非良導体が介在していることによってベース電極とゲー
ト電極との間の電位差を保つことができ、蒸発していな
い正常なエミッタからは電子を放出し続けることができ
るという利点を有する。

【００３１】請求項６の発明は、ゲート層に形成する非
良導体をゲート電極を形成する金属の酸化物としている
から、ゲート電極を形成して表面を酸化させればゲート
層の表面に非良導体を形成することができるのであっ
て、非良導体の層を別に形成する場合に比較すれば製造
工程が簡単になるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の要部断面図である。

【図２】実施例２の要部断面図である。

【図３】実施例３の要部断面図である。

【図４】実施例４の要部断面図である。

【図５】実施例５の要部断面図である。

【図６】実施例６の要部断面図である。

【図７】従来例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図
（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１ベース電極２ベース層３ゲート電極４ゲート層５絶縁層６凹所７エミッタ８非良導体層９被覆

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水山洋右大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース電極を有するベース層に絶縁層を
介してゲート電極を積層し、ゲート電極と絶縁層とでな
るゲート層に多数形成した各凹所内でベース層における
ゲート層側の一面に先端部がゲート電極と小さい空隙を
介して対向するエミッタをそれぞれ突設し、ベース電極
とゲート電極との間に電圧を印加することにより、ゲー
ト電極とエミッタとの間に形成される強電界によりエミ
ッタから電子を電界放出させるようにした電子放出素子
であって、ベース層におけるゲート層側の一面を非良導
体で形成したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】上記非良導体はベース電極を形成する金
属の酸化物であることを特徴とする請求項１記載の電子
放出素子。
【請求項３】ベース電極を有するベース層に絶縁層を
介してゲート電極を積層し、ゲート電極と絶縁層とでな
るゲート層に多数形成した各凹所内でベース層における
ゲート層側の一面に先端部がゲート電極と小さい空隙を
介して対向するエミッタをそれぞれ突設し、ベース電極
とゲート電極との間に電圧を印加することにより、ゲー
ト電極とエミッタとの間に形成される強電界によりエミ
ッタから電子を電界放出させるようにした電子放出素子
であって、ベース層におけるゲート電極側の一面とエミ
ッタにおけるベース層側の端部とを同一材料である非良
導体で連続一体に形成したことを特徴とする電子放出素
子。
【請求項４】ベース電極を有するベース層に絶縁層を
介してゲート電極を積層し、ゲート電極と絶縁層とでな
るゲート層に多数形成した各凹所内でベース層における
ゲート層側の一面に先端部がゲート電極と小さい空隙を
介して対向するエミッタをそれぞれ突設し、ベース電極
とゲート電極との間に電圧を印加することにより、ゲー
ト電極とエミッタとの間に形成される強電界によりエミ
ッタから電子を電界放出させるようにした電子放出素子
であって、ゲート電極を高抵抗材料により形成したこと
を特徴とする電子放出素子。
【請求項５】ベース電極を有するベース層に絶縁層を
介してゲート電極を積層し、ゲート電極と絶縁層とでな
るゲート層に多数形成した各凹所内でベース層における
ゲート層側の一面に先端部がゲート電極と小さい空隙を
介して対向するエミッタをそれぞれ突設し、ベース電極
とゲート電極との間に電圧を印加することにより、ゲー
ト電極とエミッタとの間に形成される強電界によりエミ
ッタから電子を電界放出させるようにした電子放出素子
であって、ゲート層はゲート電極の少なくともエミッタ
との対向部位が非良導体の被覆で覆われたことを特徴と
する電子放出素子。
【請求項６】上記非良導体はゲート電極を形成する金
属の酸化物であることを特徴とする請求項５記載の電子
放出素子。