JPH087772A - 電界放出型素子およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 経年変化による動作不良の発生を抑え、常に
安定した動作を可能にする。 【構成】 第１の基板１上に配線層２を形成し、その上
に、層間絶縁層４ａ、電界制御電極層８、層間絶縁層４
ｂ、電子引出電極層５なる４層構造を形成し、この４層
部分に円柱状の開口部Ｈを形成する。開口部Ｈ内には、
円錐状のエミッタ３を形成する。上方の第２の基板６の
下面には、電子捕集電極層７を形成する。配線層２に対
して、電界制御電極層８、電子引出電極層５、電子捕集
電極層７に所定の電圧を印加し、電界を発生させる。電
子引出電極層５によりエミッタ３の上端から電子を引き
出し、電子捕集電極層７まで放出させる。電界制御電極
層８に与える電位により、エミッタ３の周囲の電界分布
を制御し、最適な電子放出条件を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界放出型素子およびそ
の駆動方法、特に、引出電極を用いてエミッタから電子
を放出させる電界放出型素子およびその駆動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の普及に伴い、真空管の技術
は忘れ去られた存在となっていたが、ここ数年になって
この真空管の技術が再び注目を集めている。いわゆる電
界放出型素子、あるいは真空マイクロ素子、と呼ばれて
いる微細な素子の開発である。この電界放出型素子は、
長年にわたる半導体素子の研究で培われた半導体の微細
加工技術を利用して、同一基板上に微細な真空管を集積
したものである。すなわち、この素子は、電子を放出す
るエミッタ（陰極）と、このエミッタから電子を引き出
すための電子引出電極と、エミッタから放出された電子
を捕集する電子捕集電極（陽極）と、を有し、電子引出
電極に印加する電圧を制御することにより、エミッタか
ら放出される電子の量を制御することができる。

【０００３】半導体素子では、固体中を電子が移動する
ため、動作速度はその固体中の電子の移動度によって支
配される。これに対し、電界放出型素子では、真空中を
電子が移動するため、半導体素子に比べて非常に高速な
動作が可能であり、真空の利点を生かした電荷輸送媒体
として注目を集めている。また、エミッタをより微細化
する研究も行われており、平面ディスプレイなどへの応
用も期待されている。

【０００４】たとえば、「Journal of the Applied Phy
sics, Vol.47, No.12, PP5248-5263」には、C. A. Spin
dtらによって、このような電界放出型素子の効率的な作
成方法が開示されている。この方法によれば、μｍオー
ダのピンホール内に、モリブデンなどの金属の真空蒸着
により、円錐状のエミッタが形成される。また、特願平
５−２５９０４４号明細書や特願平５−２５９０４５号
明細書にも、微細な錐状エミッタを有する電界放出型素
子の作成方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電界放出型素子を実用
化する上での最大の懸念は、経年変化による動作不良で
ある。一般に、エミッタからの電子放出は、エミッタと
電子引出電極との間に、数１０〜数１００Ｖの電圧を与
えたときに起こる。通常のエミッタは、その上端に尖鋭
な突起状の電子放出部が形成されており、このような条
件下では、この電子放出部に１０^７Ｖ／ｃｍ以上の高電
場が集中することになる。この高電場により、エミッタ
材料のフェルミ準位付近のエネルギーを有する電子が、
量子力学的トンネル効果によって真空中に放出されるの
である。

【０００６】このように、電界放出型素子の動作中は、
電子放出部に常に高電場が集中した状態になり、ここか
らの電子放出が継続的に行われることになる。そのた
め、長時間の動作により、エミッタ材料の損傷が起こり
やすく、また、エミッタと電子引出電極との間で短絡事
故が発生する可能性も高くなる。長時間の動作により、
このようなエミッタの損傷や短絡事故が発生すると、電
界放出型素子の動作は不安定になり、実用上、深刻な問
題が発生することになる。

【０００７】そこで、常に安定した動作を確保するため
の対策がいくつか検討されている。たとえば、素子自体
の駆動電圧を低下させ、素子構成材料を破壊から守るた
めの手法として、素子自体の寸法を更に小さくする方
法、あるいは、電子引出電極とエミッタの電子放出部と
の間隔をより小さくする方法、などが提案されている。
しかしこのような手法を実現するためには、１μｍ以下
の精度を実現できる微細な加工技術が必要になり、素子
の製造プロセスが極めて高度になる。また、エミッタと
電子引出電極との間での短絡事故に対しては、平面上に
多数配列されたエミッタを、いくつかのグループごとに
分け、短絡事故が発生したグループに対しては、電圧供
給などを遮断することにより、他のグループの動作を確
保する手法も提案されているが、少なくとも短絡事故が
発生したグループに関する有効な解決策にはならない。

【０００８】そこで本発明は、経年変化による動作不良
の発生を抑え、常に安定した動作が可能な電界放出型素
子およびその駆動方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、電界放出型素子におい
て、所定間隔をおいて対向して配置された第１の基板お
よび第２の基板と、この第１の基板の上面に形成された
配線層と、この配線層の上面の一部に形成され、この配
線層から供給される電子を、上端の電子放出部から第２
の基板に向かって放出するエミッタと、第２の基板の下
面に形成され、エミッタから放出された電子を捕集する
電子捕集電極層と、第１の基板の基板面に対してほぼ平
行な層状をなし、配線層に対して所定間隔を保って配置
され、電子放出部の周囲を取り囲む開口部が形成され、
電子放出部から電子を引き出す作用を果たす電子引出電
極層と、第１の基板の基板面に対してほぼ平行な層状を
なし、配線層と電子引出電極層との間の位置に、これら
各層に対して所定間隔を保って配置され、エミッタの周
囲を取り囲む開口部が形成された電界制御電極層と、配
線層と電界制御電極層との間、および電界制御電極層と
電子引出電極層との間に形成された層間絶縁層と、を設
けたものである。

【００１０】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る電界放出型素子において、配線層と電子引
出電極層との間の位置に、互いにほぼ平行な層状をなし
た複数の電界制御電極層を形成し、配線層と一番下の電
界制御電極層との間、各電界制御電極層相互の間、一番
上の電界制御電極層と電子引出電極層との間、のそれぞ
れに層間絶縁層を形成したものである。

【００１１】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電界放出型素子において、製造
プロセスにおいて発生する寸法誤差を考慮してエミッタ
の最上端の位置の分布範囲を予測し、この分布範囲が、
電子引出電極層と電界制御電極層との間に収まるように
設定したものである。

【００１２】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電界放出型素子を駆動する方法
において、複数の層間絶縁層のうち、上部の層間絶縁層
ほど、単位厚み方向に関して発生する電界が大きくなる
ように、配線層、電界制御電極層、電子引出電極層、の
各層に所定の電圧を印加するようにしたものである。

【００１３】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電界放出型素子を駆動する方法
において、配線層と電界制御電極層との間の印加電圧
と、配線層と電子引出電極層との間の印加電圧と、をほ
ぼ等しくするようにしたものである。

【００１４】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第３
の態様に係る電界放出型素子を駆動する方法において、
複数の層間絶縁層のうち、最上部の層間絶縁層について
の単位厚み方向に関して発生する電界が、他の層間絶縁
層についての単位厚み方向に関して発生する電界よりも
小さくなるように、配線層、電界制御電極層、電子引出
電極層、の各層に所定の電圧を印加するようにしたもの
である。

【００１５】

【作 用】従来の電界放出型素子では、配線層と電子引
出電極層との間に所定の電圧を印加することにより、エ
ミッタ上端の電子放出部から電子を引き出していた。本
発明に係る電界放出型素子では、更に、配線層と電子引
出電極層との間に、１枚または複数枚の電界制御電極層
が形成される。この電界制御電極層に与える電圧を適宜
設定することにより、配線層と電子引出電極層との間に
発生する電界の強度分布を、線形分布以外の所定の分布
に制御することが可能になり、その電界放出型素子に適
した電界を発生させることが可能になる。

【００１６】すなわち、エミッタ上端の電子放出部に電
界を集中させるのが好ましい一般的な電界放出型素子で
は、上部ほど電界強度が大きくなるような駆動を行うこ
とにより安定した動作が可能になる。また、配線層と電
界制御電極層との間の印加電圧と、配線層と電子引出電
極層との間の印加電圧と、をほぼ等しくするようにすれ
ば、電界制御電極層が電子引出電極層と同じ機能を果た
すことになり、いわば複数の電子引出電極層を備えた冗
長性の高い素子が実現できる。このような冗長性によ
り、短絡事故に対処する機能をもった電界放出型素子が
実現できる。更に、製造プロセスにおいてエミッタの高
さに寸法誤差が生じるような素子の場合には、寸法誤差
が大きく影響する電子放出部付近の電界強度を逆に弱く
設定するような駆動を行うことにより、寸法誤差の影響
を小さくし、安定した動作を確保することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。

【００１８】§１． 従来の電界放出型素子の構造 はじめに、参考のために、従来の電界放出型素子の構造
を説明しておく。図１は、従来から提案されている一般
的な電界放出型素子の構造を示す断面図である。第１の
基板１上に、金属などの導電性材料からなる配線層２が
形成されており、この配線層２の上面の所定箇所に円錐
状のエミッタ３が形成されている。同じく配線層２の上
面には、絶縁材料からなる層間絶縁層４および金属など
の導電性材料からなる電子引出電極層５が形成されてい
るが、これらの各層には、円柱状の開口部Ｈが形成され
ており、円錐状のエミッタ３は、この開口部Ｈの内側に
位置していることになる。別言すれば、円柱状の開口部
Ｈが、円錐状のエミッタ３の周囲を取り囲むような構造
となっている。一方、第１の基板の上方には、これに対
向して第２の基板６が配置されている。この第２の基板
の下面には、金属などの導電性材料からなる電子捕集電
極層７が形成されている。

【００１９】この図１では、２組のエミッタ３が配置さ
れた構造が示されているが、実際には、第１の基板１上
にはアレイ状に多数のエミッタ３が配列されており、こ
れら多数のエミッタ３をそれぞれ独立して動作させるた
めに、配線層２や電子引出電極層５は、いくつかのグル
ープごとに電気的に分離した構造を採る。ただ、ここで
は便宜上、図に示すように、配線層２が２組のエミッタ
３についての共通の配線層となり、電子引出電極層５も
２組のエミッタ３についての共通の電子引出電極層とな
っている単純なモデルについて、以下の説明を行うこと
にする。

【００２０】さて、このような素子では、第１の基板１
の上に、配線層２、層間絶縁層４、電子引出電極層５と
いう３層からなる層構造が形成されていることになる。
ここで、配線層２に対して電子引出電極層５が正のポテ
ンシャルをもつように、両層間に電圧を印加すると、層
間絶縁層４には線形電界が形成されることになる。一
方、配線層２に対して電子捕集電極層７が正のポテンシ
ャルをもつように、両層間に電圧を印加すると、第１の
基板１と第２の基板６との間に形成された空間（真空状
態に保たれている）にも線形電界が形成されることにな
る。通常は、配線層２と電子引出電極層５との間に数１
０〜数１００Ｖ、配線層２と電子捕集電極層７との間に
数１００Ｖの電圧を印加することにより、エミッタ３の
上端の尖鋭な部分（以下、電子放出部と呼ぶ）から電子
を引き出し、これを電子捕集電極層７に向かって放出さ
せ、電子捕集電極層７によってこの電子を捕集すること
ができる。電子引出電極層５に与える電圧を制御するこ
とにより、この電子放出現象を制御することができるた
め、三極真空管と同様の素子として機能することにな
る。

【００２１】§２． 本発明に係る電界放出型素子の構
造 続いて、本発明の一実施例に係る電界放出型素子の構造
断面図を図２に示す。この電界放出型素子の基本的な構
造は、図１に示した従来の電界放出型素子の構造とほぼ
同じである。ただ、配線層２と電子引出電極層５との間
に、もう１層、電界制御電極層８が形成されている点が
異なる。この電界制御電極層８を形成したため、層間絶
縁層４は４ａと４ｂとに分離しており、結局、第１の基
板１上には、配線層２、層間絶縁層４ａ、電界制御電極
層８、層間絶縁層４ｂ、電子引出電極層５、なる５層構
造が形成され、これら５層のうちの上部４層を通して形
成された円柱状の開口部Ｈの内部に、円錐状のエミッタ
３が形成されていることになる。

【００２２】電界制御電極層８は、電子引出電極層５と
同様に、金属などの導電性材料から構成されており、電
子引出電極層５と同様に、エミッタ３から電子を放出さ
せるための機能を果たす。したがって、「第２の電子引
出電極層」とも呼べる電極層であるが、本明細書では、
従来素子における一般的な電子引出電極層と区別するた
めに、「電界制御電極層」と呼ぶことにする。

【００２３】図１に示す従来素子では、配線層２と電子
引出電極層５との間に所定の電圧を印加することによ
り、層間絶縁層４に線形電界を形成することができた。
これに対し、図２に示す本発明に係る素子では、配線層
２と電界制御電極層８との間に所定の電圧を印加するこ
とにより層間絶縁層４ａに線形電界を形成することがで
き、また、電界制御電極層８と電子引出電極層５との間
に所定の電圧を印加することにより層間絶縁層４ｂに線
形電界を形成することができる。しかしながら、層間絶
縁層４ａに形成される電界と層間絶縁層４ｂに形成され
る電界との線形性は、必ずしも同じにはならない。別言
すれば、層間絶縁層４ａあるいは４ｂという部分的な区
間では線形電界が形成されるが、配線層２から電子引出
電極層５までの全体区間の電界分布は、各電極層に与え
る電圧により自由に設定が可能になる。これが、本発明
に係る電界放出型素子の大きな特徴である。

【００２４】図２に示す実施例では、１枚の電界制御電
極層８のみが形成されているが、配線層２と電子引出電
極層５との間に、複数枚の電界制御電極層８を互いに所
定間隔をあけて配置し、これら各層の間、および配線層
２あるいは電子引出電極層５との間に、それぞれ層間絶
縁層を形成した積層構造を採ることも可能である。この
ように電界制御電極層８の枚数を増やせば、異なる電界
をもった区間がそれだけ増えることになり、電界分布を
設定する自由度がより増えることになる。

【００２５】§３． 電界放出型素子における電界分布 上述した電界放出型素子におけるエミッタ３からの電子
放出は、電子放出部付近に、１０^７Ｖ／ｃｍ以上の高電
界が集中すると起こることが知られており、一般に「電
界放出現象」と呼ばれている。この「電界放出現象」
は、エミッタ材料のフェルミ準位付近のエネルギーを有
する電子が量子力学的トンネル効果によって真空中に放
出される現象と考えられており、そのときの電子放出電
流Ｉは、 Ｉ＝Ｓｅ^３／８πｈ・Ｅ^２／φｔ^２（ｙ） ・ｅｘｐ（−８π（２ｍ）^１／２／３ｈｅ・φ^３／２／Ｅ・ν（ｙ）） なるFowler-Nordheim の式で与えられることが知られて
いる（Electron Emission in Intense Electric Field
s: Proceedings of Royal Society, A119, pp173-181,
1928 ）。ここで、Ｅ：電界強度、φ：エミッタ材料の
仕事関数、Ｓ：エミッション面積、ｅ：電気素量、ｈ：
プランク定数、ｍ：電子の静止質量であり、ｔ^２（ｙ）
およびν（ｙ）は補正係数（いずれも値はほぼ１）であ
る。この式から明らかなように、「電界放出現象」にお
いて、電界強度Ｅは大きなパラメータになる。

【００２６】いま、図３に示すように、配線層２上に尖
鋭な先端をもった円錐状のエミッタ３が形成されてお
り、その上方に電子捕集電極層７が配置されている場合
に、配線層２と電子捕集電極層７との間に所定の電圧Ｖ
を印加した場合を考える。このとき、エミッタ３の付近
の電界Ｅは、所定の比例定数βを用いて、 Ｅ＝βＶ の関係で求まる。ここで、エミッタ３の先端が半径ｒの
球面であり、エミッタ３の上端から電子捕集電極層７ま
での距離がｄであるとすると、比例定数βは、 β＝２／（ｒ・ｌｎ（２ｄ／ｒ）） で表わされる（P.J.Birdseye and D.A.Smith, Surface
Science, 23, pp198, 1970）。

【００２７】図４は、図３に示す構造に、更に層間絶縁
層４および電子引出電極層５を付加した従来の一般的な
電界放出型素子の構造を示すものである。この図４に示
す構造において、配線層２と電子捕集電極層７との間に
電圧Ｖを印加するとともに、配線層２と電子引出電極層
５との間に電圧Ｖｇを印加することにより、この素子を
動作させることができることは既に述べたとおりであ
る。通常は、Ｖ＝数１００Ｖ、Ｖｇ＝数１０〜数１００
Ｖの電圧が与えられる。電圧Ｖｇは、エミッタ３先端の
電子放出部における電界集中に寄与する電圧であり、電
圧Ｖは、この電子放出部から放出された電子の加速電圧
として寄与する電圧である。前述したように、電圧Ｖｇ
の印加により、層間絶縁層４には線形電界が形成され
る。このときの電界強度Ｅは、層間絶縁層４の厚みをｘ
とすれば、 Ｅ＝Ｖｇ／ｘ なる式で表わされ、どの位置においても均一になる。た
とえば、Ｖｇ＝１００Ｖ、ｘ＝１μｍとすれば、Ｅ＝１
０^６Ｖ／ｃｍとなる。

【００２８】図５は、図４に示す構造に、更に電界制御
電極層８を付加した本発明に係る電界放出型素子の構造
を示すものである。この図５に示す構造では、配線層２
と電子捕集電極層７との間に電圧Ｖを印加するととも
に、配線層２と電界制御電極層８との間に電圧Ｖｇ１、
電界制御電極層８と電子引出電極層５との間に電圧Ｖｇ
２、を印加して動作させることになる。ここで、層間絶
縁層４ａの厚みをｘ１、層間絶縁層４ｂの厚みをｘ２と
すれば、層間絶縁層４ａに形成される電界の強度Ｅ１
は、 Ｅ１＝Ｖｇ１／ｘ１ となり、同様に、層間絶縁層４ｂに形成される電界の強
度Ｅ２は、 Ｅ２＝Ｖｇ２／ｘ２ となる。したがって、層間絶縁層４ａあるいは層間絶縁
層４ｂという区間内では、それぞれ均一な電界強度が得
られるが、これらの区間相互間では、異なる電界強度を
設定することが可能になる。たとえば、ｘ１＝ｘ２＝
０．５μｍの場合に、Ｖｇ１＝２０Ｖ、Ｖｇ２＝８０Ｖ
とすれば、Ｅ１＝４×１０^５Ｖ／ｃｍ、Ｅ２＝１６×１
０^５Ｖ／ｃｍとなり、両区間での電界強度に差ができる
ことになる。すなわち、この例の場合、上部の層間絶縁
層４ａの電界強度が、下部の層間絶縁層４ｂの電界強度
よりも大きく設定されたことになる。逆に、Ｖｇ１＝８
０Ｖ、Ｖｇ２＝２０Ｖとすれば、Ｅ１＝１６×１０^５Ｖ
／ｃｍ、Ｅ２＝４×１０^５Ｖ／ｃｍとなり、上部の層間
絶縁層４ａの電界強度を、下部の層間絶縁層４ｂの電界
強度よりも小さく設定することができる。

【００２９】図６は、配線層２と電子引出電極層５との
間に、２枚の電界制御電極層８，９を形成した構造を示
すものである。２枚の電界制御電極層８，９を形成する
ことにより、３つの層間絶縁層４ａ，４ｂ，４ｃが形成
されている。この場合、各層間絶縁層４ａ，４ｂ，４ｃ
に生成される電界の強度Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、各層の厚
みｘ１，ｘ２，ｘ３と、各電極層間に印加する電圧Ｖｇ
１，Ｖｇ２，Ｖｇ３と、によって決定されるため、印加
電圧Ｖｇ１，Ｖｇ２，Ｖｇ３を適宜設定することによ
り、電界強度分布を自由に設定することができることに
なる。図５に示す例では、電界強度の設定区間が２つで
あったのに対し、図６に示す例では、この設定区間が３
つになるため、より自由度の高い電界強度分布設定が可
能になる。もちろん、電界制御電極層の数を更に増加さ
せることにより、設定区間を更に増やし、自由度を更に
高めることが可能である。

【００３０】§４． 本発明に係る電界放出型素子の駆
動方法（その１） さて、これまでの説明により、本発明に係る電界放出型
素子では、エミッタからの電子放出に関与する電界の強
度分布を、自由に設定できる利点が得られることが理解
できたであろう。ここでは、どのような電界強度分布設
定を行えば、経年変化による動作不良の発生を抑え、常
に安定した動作が可能な電界放出型素子を実現できるか
を考えてみる。

【００３１】一般的な電界放出型素子では、エミッタ先
端の電子放出部に電界を集中させるのが最も効果的であ
る。電子放出に直接的に作用するのは、この電子放出部
付近の電界と考えられ、この部分に高電界を集中させる
ことができれば、電子放出を効果的に誘発することがで
きる。そのためには、複数の層間絶縁層のうち、上部の
層間絶縁層ほど、電界強度が大きくなるように、各層に
印加する電圧値を設定するようにすればよい。たとえ
ば、図５に示す構造をもった電界放出型素子において、
ｘ１＝ｘ２＝０．５μｍの場合に、Ｖｇ１＝２０Ｖ、Ｖ
ｇ２＝８０Ｖとすれば、Ｅ１＝４×１０^５Ｖ／ｃｍ、Ｅ
２＝１６×１０^５Ｖ／ｃｍとなり、上部の層間絶縁層４
ａの電界強度を、下部の層間絶縁層４ｂの電界強度より
も大きく設定することが可能になる。したがって、図４
に示す構造をもった従来の電界放出型素子において、ｘ
＝１μｍ程度の場合に、Ｖｇ＝１００Ｖを与えた場合と
比較すると、電子引出電極層５には同じ１００Ｖが印加
されているのにもかかわらず、図５に示す構造の方がエ
ミッタ３先端の電子放出部付近の電界強度は大きくな
り、より効果的な電子放出が可能になる。

【００３２】結局、本発明に係る電界放出型素子は、従
来の素子に比べて、より低電圧で動作させることが可能
になる（図４の素子において電子引出電極層５に１００
Ｖの電圧を与えることにより生じた現象を、図５の素子
では１００Ｖ以下の電圧で実現できる）。このような低
電圧動作が実現できれば、長時間動作によりエミッタ３
が損傷を受けることを低減させることができ、経年変化
による動作不良の発生を抑え、常に安定した動作を確保
できるようになる。

【００３３】§５． 本発明に係る電界放出型素子の駆
動方法（その２） 次に、配線層２と電子引出電極層５との間での短絡事故
が発生しやすい電界放出型素子、あるいはそのような短
絡事故に対する十分な対策が必要な電界放出型素子に、
本発明を適用した例を示そう。このような電界放出型素
子については、配線層と電界制御電極層との間の印加電
圧と、配線層と電子引出電極層との間の印加電圧と、を
ほぼ等しく設定しておけばよい。たとえば、図５に示す
構造において、配線層２の電位を基準の０Ｖとしたと
き、電子引出電極層５に１００Ｖ、電界制御電極層８に
も同じ１００Ｖ、の電圧を供給するのである（この場
合、Ｖｇ１＝１００Ｖであるが、Ｖｇ２＝０Ｖとな
る）。

【００３４】このような電圧供給を行うと、電子引出電
極層５も電界制御電極層８も配線層２に対する電位は同
じになり、電界制御電極層８は電子引出電極層５と同等
の機能を果たすことになる。したがって、電界制御電極
層８と配線層２との間に短絡事故が起こった場合でも、
電子引出電極層５によって電子引出作用を行うことが可
能であり、また、電子引出電極層５と配線層２との間に
短絡事故が起こった場合でも（これは現実的にはあまり
起こりにくいが）、電界制御電極層８によって電子引出
作用を行うことが可能になる。すなわち、ある層間で短
絡事故が発生したとしても、別な層間には電界がかかる
のである。このような冗長性をもたせた構造は、短絡事
故に対する十分な対策が要求される用途に用いる電界放
出型素子にとっては有効であり、安定した動作を確保す
ることが可能になる。

【００３５】なお、電界制御電極層８によって効率的な
電子引出作用を行うためには、電界制御電極層８をエミ
ッタ３先端の電子放出部にできるだけ接近させた方がよ
いので、図５の構造において、ｘ２＜ｘ１とするのが好
ましい。また、このような駆動方法は、図６に示すよう
な複数の電界制御電極層を有する電界放出型素子につい
ても適用可能である。

【００３６】§６． 本発明に係る電界放出型素子の駆
動方法（その３） 同じ電界放出型素子と呼ばれる素子であっても、その用
途やコストなどの条件から、個々のエミッタのサイズ、
アレイの大きさ、各部の形状、製造プロセスなどは様々
である。たとえば、解像度の高い平面ディスプレイなど
に利用する電界放出型素子であれば、アレイの大きさは
かなり大きくなり、基板上に非常に多数のエミッタを配
列することになる。このように、同一の基板上に多数の
エミッタをアレイ状に配列してなる構造を、一般的な半
導体素子の製造プロセスなどで作成すると、各部に寸法
誤差が生じることは避けられず、個々のエミッタの寸法
には統計学的な分布をもったバラツキが生じてしまう。
非常に高精度な製造プロセスを行えば、このようなバラ
ツキの発生を抑制することはできるが、当然、コストは
高くなる。したがって、コストの制限から、ある程度の
寸法誤差を見込んで素子設計を行うことも実用上はよく
行われる。ここで述べる駆動方法は、そのような寸法誤
差が見込まれる素子に適した駆動方法である。

【００３７】電界放出型素子における寸法精度の中で、
素子動作に大きな影響を与える箇所は、エミッタ３先端
の電子放出部と、電子引出電極層５（あるいは電界制御
電極層）との距離である。錐状のエミッタを基板上に多
数形成した場合、その高さにバラツキが生じやすい。と
ころが、高さにバラツキが生じると、エミッタの最上端
の位置が所定範囲に分布することになり、電子引出電極
層５（あるいは電界制御電極層）との距離にもバラツキ
が生じることになる。たとえば、図６に示す構造におい
て、エミッタ３の最上端の位置が、分布範囲Δ内でバラ
ツキを生じていたとすると、最も高いエミッタでは、そ
の最上端は電子引出電極層５に近くなり、最も低いエミ
ッタでは、その最上端は電界制御電極層９に近くなる。

【００３８】このような場合、分布範囲Δが、電子引出
電極層５と電界制御電極層９との間に収まるように、電
子引出電極層５と電界制御電極層９の形成位置を設定し
ておき、最上部の層間絶縁層４ｃについての電界強度
が、他の層間絶縁層４ｂ，４ａについての電界強度より
も小さくなるように、各層への印加電圧を設定するとよ
い。本願発明者が確認した事実によると、電界制御電極
層の下面の位置よりも、エミッタの最上端の位置が上に
ある方が、電子の放出が誘発されやすく、また、電子引
出電極層の下面の位置よりも、エミッタの最上端の位置
が下にある方が、電子の放出が誘発されやすい。したが
って、分布範囲Δが、電子引出電極層５と電界制御電極
層９との間に収まるようにしておけば、基板上に形成さ
れたすべてのエミッタ３について、電子の放出を誘発し
やすい条件を確保することができる。

【００３９】また、最上部の層間絶縁層４ｃについての
電界強度が、他の層間絶縁層４ｂ，４ａについての電界
強度よりも小さくなるようにする理由は、バラツキの多
い区間である層間絶縁層４ｃの電界強度よりも、バラツ
キのない区間である層間絶縁層４ｂ，４ａの電界強度を
高めることにより、エミッタ３の高さに関するバラツキ
の影響が、電子放出になるべく及ばないようにするため
である。すなわち、図６において、もし層間絶縁層４ｃ
における電界強度を高くしてしまうと、この部分の電界
による電子引出効果が支配的になるため、エミッタ３の
高さにバラツキがあると、電子引出効果にこのバラツキ
が大きく影響してしまうのである。そこで、層間絶縁層
４ｃにおける電界強度を逆に低くし、層間絶縁層４ｂ，
４ａの電界による電子引出効果が支配的になるように設
定し、エミッタ３の高さのバラツキにかかわらず、多数
のエミッタのすべてについてほぼ平均的な電子引出効果
が得られるようにしているのである。

【００４０】なお、上述の駆動方法は、図６に示す構造
をもった電界放出型素子を例にとって述べたが、図５に
示す構造をもった電界放出型素子についても、あるい
は、より多数の電界制御電極層を有する構造をもった電
界放出型素子についても同様に適用可能である。

【００４１】以上、本発明を図示する実施例に基づいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。た
とえば、上述の実施例では、いずれも円錐状のエミッタ
を用いているが、エミッタの形状は角錐状でも、棒状で
も、電子放出に適した形状のものであれば、どのような
ものでもよい。

【００４２】また、上述の§４で述べた駆動方法と、§
６で述べた駆動方法とは、基本原理が全く逆の方法であ
るが（前者では上方の電界強度を高くするのに対し、後
者では低くする）、これは、適用対象となる電界放出型
素子が異なるためであり、決して矛盾するものではな
い。エミッタの高さにバラツキが少ない高精度な電界放
出型素子については、§４で述べた駆動方法を適用する
ことができ、バラツキの多い電界放出型素子では、§６
で述べた駆動方法を適用することができるのである。本
発明の基本思想は、電界制御電極層を設けることによ
り、電界分布の自由度を確保することにあり、具体的に
どのような電界分布をもって駆動させるかは、個々の電
界放出型素子の要求に応じて適宜設定すべきものであ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る電界放出型素
子およびその駆動方法によれば、配線層と電子引出電極
層との間に電界制御電極層を設け、電界分布の自由度を
高めるようにしたため、各電界放出型素子に最適な電界
分布に基づく動作が可能になり、経年変化による動作不
良の発生を抑えた常に安定した動作が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来から提案されている一般的な電界放出型素
子の構造を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る電界放出型素子の構造
を示す断面図である。

【図３】エミッタと電子捕集電極層との間に電圧Ｖを印
加した単純なモデルにおいて発生する電界を示す図であ
る。

【図４】従来から提案されている一般的な電界放出型素
子において発生する電界を示す図である。

【図５】本発明の一実施例に係る電界放出型素子におい
て発生する電界を示す図である。

【図６】本発明の別な一実施例に係る電界放出型素子に
おいて発生する電界を示す図である。

【符号の説明】

１…第１の基板 ２…配線層 ３…エミッタ ４，４ａ，４ｂ，４ｃ…層間絶縁層 ５…電子引出電極層 ６…第２の基板 ７…電子捕集電極層 ８…電界制御電極層 ９…電界制御電極層 Ｈ…開口部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定間隔をおいて対向して配置された第
   １の基板および第２の基板と、 前記第１の基板の上面に形成された配線層と、 前記配線層の上面の一部に形成され、前記配線層から供
   給される電子を、上端の電子放出部から前記第２の基板
   に向かって放出するエミッタと、 前記第２の基板の下面に形成され、前記エミッタから放
   出された電子を捕集する電子捕集電極層と、 前記第１の基板の基板面に対してほぼ平行な層状をな
   し、前記配線層に対して所定間隔を保って配置され、前
   記電子放出部の周囲を取り囲む開口部が形成され、前記
   電子放出部から電子を引き出す作用を果たす電子引出電
   極層と、 前記第１の基板の基板面に対してほぼ平行な層状をな
   し、前記配線層と前記電子引出電極層との間の位置に、
   これら各層に対して所定間隔を保って配置され、前記エ
   ミッタの周囲を取り囲む開口部が形成された電界制御電
   極層と、 前記配線層と前記電界制御電極層との間、および前記電
   界制御電極層と前記電子引出電極層との間に形成された
   層間絶縁層と、 を備えることを特徴とする電界放出型素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電界放出型素子におい
   て、 配線層と電子引出電極層との間の位置に、互いにほぼ平
   行な層状をなした複数の電界制御電極層を形成し、前記
   配線層と一番下の電界制御電極層との間、各電界制御電
   極層相互の間、一番上の電界制御電極層と前記電子引出
   電極層との間、のそれぞれに層間絶縁層を形成したこと
   を特徴とする電界放出型素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の電界放出型素
   子において、 製造プロセスにおいて発生する寸法誤差を考慮してエミ
   ッタの最上端の位置の分布範囲を予測し、この分布範囲
   が、電子引出電極層と電界制御電極層との間に収まるよ
   うに設定したことを特徴とする電界放出型素子。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の電界放出型素
   子を駆動する方法であって、 複数の層間絶縁層のうち、上部の層間絶縁層ほど、単位
   厚み方向に関して発生する電界が大きくなるように、配
   線層、電界制御電極層、電子引出電極層、の各層に所定
   の電圧を印加することを特徴とする電界放出型素子の駆
   動方法。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載の電界放出型素
   子を駆動する方法であって、 配線層と電界制御電極層との間の印加電圧と、前記配線
   層と電子引出電極層との間の印加電圧と、をほぼ等しく
   することを特徴とする電界放出型素子の駆動方法。
6. 【請求項６】 請求項３に記載の電界放出型素子を駆動
   する方法であって、複数の層間絶縁層のうち、最上部の
   層間絶縁層についての単位厚み方向に関して発生する電
   界が、他の層間絶縁層についての単位厚み方向に関して
   発生する電界よりも小さくなるように、配線層、電界制
   御電極層、電子引出電極層、の各層に所定の電圧を印加
   することを特徴とする電界放出型素子の駆動方法。