JPH09219141A

JPH09219141A - 電界放出素子

Info

Publication number: JPH09219141A
Application number: JP4841596A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Tanaka; 満田中; Kazuyuki Yano; 和行矢野
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】ゲート−カソード間の絶縁抵抗を十分に大き
くして、安定した駆動特性を実現する。【解決手段】絶縁基板（１）上にカソード電極
（２）、抵抗層（３）、絶縁層（４）、抵抗層（５）、
ゲート電極（６）を順次形成し、絶縁層（４）に設けら
れている複数のホール内のエミッタコーン（７）を形成
するようにした。これにより、エミッタコーン（７）を
高密度に配置した場合でも、カソード電極（２）とゲー
ト電極（６）との間の絶縁抵抗を大きく保つことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコールドカソードと
して知られている電界放出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属または半導体表面の印加電圧を１０
⁹ ［Ｖ／ｍ］程度にすると、トンネル効果により電子が
障壁を通過して、常温でも真空中に電子放出が行われる
ようになる。これを電界放出（Field Emission）と呼
び、このような原理で電子を放出するカソードを電界放
出カソード（Field Emission Cathode）、あるいは電界
放出素子と呼んでいる。

【０００３】近年、半導体微細加工技術を駆使して、ミ
クロンサイズの電界放出カソードからなる面放出型の電
界放出カソードを作製することが可能となっており、電
界放出カソードを基板上に多数個形成したものは、その
各エミッタから放出された電子を蛍光面に照射すること
によって平面型の表示装置や各種の電子装置を構成する
電子供給手段として期待されている。

【０００４】このような電界放出カソードの一例とし
て、スピント（Spindt）型と呼ばれる電界放出カソード
（以下、「ＦＥＣ」と記す）の断面図を図５に示す。こ
の図において、絶縁基板１００上にカソード電極１０１
が形成されており、このカソード電極１０１上に抵抗層
１０２、絶縁層１０３及びゲート電極１０４が順次成膜
されている。そして絶縁層１０３に形成されたホール１
１４内にエミッタコーン１１５が形成され、このエミッ
タコーン１１５の先端部分がゲート電極１０４の開口部
から臨んでいる。

【０００５】このＦＥＣにおいては、微細加工技術を用
いることによりエミッタコーン１１５とゲート電極１０
４との距離をサブミクロンとすることができるため、エ
ミッタコーン１１５とゲート電極１０４との間に僅か数
十ボルトの電圧を印加することにより、エミッタコーン
１１５から電子を放出させることができる。

【０００６】したがって、ＦＥＣがアレイ状に多数個形
成されている絶縁基板１００上に所定間隔をもって透明
ガラス等からなるアノード基板を対向配置すると共に、
このアノード基板上に蛍光材料が塗布されているアノー
ド電極を形成して、アノード電圧を印加すると、エミッ
タコーン１１５から放出された電子がアノード電極で捕
集され、アノード電極に塗布されている蛍光材を発光さ
せることができるようになる。

【０００７】ところで、上記したようなＦＥＣにおい
て、エミッタコーンとカソード間に抵抗層が設けられて
いるのは、次のような理由によるものである。一般的な
ＦＥＣにおいては、エミッタコーンの先端とゲートとの
距離がサブミクロンという極めて短い距離とされている
と共に、数万ないし数十万個のエミッタコーンが一枚の
基板上に設けられるため、製造の過程において塵埃等に
よりエミッタコーンとゲートとが短絡してしまうことが
ある。このようにゲートとエミッタコーン間の一つでも
短絡していると、カソードとゲートとが短絡したことに
なるため、すべてのエミッタコーンに電圧が印加されな
くなり動作不能のＦＥＣとなってしまう。

【０００８】また、ＦＥＣの初期の動作時に局部的な脱
ガスが生じ、このガスによりエミッタコーンとゲートあ
るいはアノード間が放電を起こすことがあり、このため
大電流がカソードに流れてカソードが破壊されるという
ことがあった。さらに、多数のエミッタコーンのうちの
電子が放出しやすいエミッタコーンに電子の放出が集中
されるため、そのエミッタコーンに電流が集中し、画面
上に異常に明るいスポットが発生することがあった。

【０００９】そこで、エミッタコーンとカソード間に抵
抗層を設けることにより、あるエミッタコーンからの放
出電子が多くなると、エミッタコーンに流れる電流の増
加に応じて抵抗層によりエミッタコーンの電子放出を抑
制する方向に電圧降下が生じ、エミッタコーンにおける
電子放出の暴走を食い止めることができる。このよう
に、カソードとエミッタコーンの間に抵抗層を設けるこ
とにより特定のエミッタコーンへの電流の集中を防止す
ることができ、ＦＥＣの製造上の歩留まりの向上や安定
な動作を図ることができるのである。

【００１０】前述した例においては、カソード電極１０
１は一様に形成されたいたが、これに限定されることな
くカソード電極が格子状に形成されたカソード配線とす
ることができる。このようなカソード配線が格子状にパ
ターニングされているＦＥＣの上面図を図６（ａ）に、
その断面図を同図（ｂ）に示す。なお、同図（ｂ）に示
す断面は同図（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断したものであ
る。

【００１１】この図（ａ）に示すようにカソード配線１
２２は格子状にパターニングされており、この格子状の
カソード配線１２２の上全面には同図（ｂ）に示すよう
に抵抗層１２３が形成されている。さらに、この抵抗層
１２３の上に絶縁層１２４及びゲート電極１２５が形成
されている。そして、この格子状の領域内のゲート電極
１２５と絶縁層１２４に、ホールが複数設けられてお
り、このホール内の抵抗層１２３上にそれぞれのエミッ
タコーン１２６が形成されている。このように構成され
るＦＥＣにおいては、カソード配線１２２とエミッタコ
ーン１２６間の距離を十分に確保することができるた
め、熱の影響等によりカソードの絶縁破壊を防ぐことが
できるという利点がある。

【００１２】しかしながら、このようなカソード配線が
格子状とされているＦＥＣにおいては、カソード配線１
２２と各エミッタコーン１２６との間の距離に応じて、
カソード配線１２２と各エミッタコーン１２６との間の
抵抗値が異なってしまうという欠点がある。すなわち、
カソード配線１２２に近い位置に形成されているエミッ
タコーンについては抵抗値が低くなり、エミッタコーン
群の中央部に形成されているカソード配線１２２から遠
いエミッタコーンについては高い抵抗値となる。このた
め、カソード配線１２２の近傍に位置する抵抗値の低い
エミッタコーンからの電子のエミッション量は多くなる
が、中央部に位置するエミッタコーンからのエミッショ
ン量は少なくなり、エミッション量が不均一となってし
まう。

【００１３】そこで、このような問題点を解決するため
に先に本出願人によって島状構造のカソードを有するＦ
ＥＣが特願平５−３２０９２３号で提案されている。図
７（ａ）にこの島状構造のカソードを有するＦＥＣの断
面図を示し、そのカソード電極部を同図（ｂ）に示す。

【００１４】このように構成されるＦＥＣのカソード配
線１３２の領域内には、同図（ｂ）に示すように導体の
ないくり抜き部１３８が設けられており、このくり抜き
部１３８の内部にはカソード配線１３２から分離されて
設けられた島状カソード電極１３７が配設されている。

【００１５】そして、同図（ａ）に示すようにカソード
配線１３２、くり抜き部１３８及び島状カソード電極１
３７の上に抵抗層１３３が形成されており、この抵抗層
１３３により島状カソード電極１３７とカソード配線１
３２とが電気的に接続されている。また、抵抗層１３３
の上には絶縁層１３４及びゲート電極１３５が形成され
ている。そして、島状カソード電極１３７に対応する絶
縁層１３４及びゲート電極１３５に、複数個のホールが
設けられており、このホール内の抵抗層１３２上にそれ
ぞれエミッタコーン１３６が形成されている。

【００１６】このようにカソードが構成されたＦＥＣに
よれば、カソード配線１３２と各エミッタコーン１３６
との間の抵抗値を均一にすることができ、各エミッタコ
ーン１３６からのエミッション量を均一なものとなるよ
うにすることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな従来のＦＥＣにおいては、ゲートとカソードとの間
の絶縁抵抗が、ホール内に形成されているエミッタコー
ンとゲートとの間のリーク抵抗、及びカソードとエミッ
タコーンとの間の抵抗層によって決定されることにな
る。すなわち、例えば図５に示したようなＦＥＣであれ
ば、ゲート電極１０４とカソード電極１０１との間の絶
縁抵抗は、ゲート電極１０４とエミッタコーン１１５間
のリーク抵抗Ｒ_leakと、抵抗層１０２の抵抗によって決
定されることになる。

【００１８】ところが、ＦＥＣ全体には多数のエミッタ
コーンが形成されているため、ＦＥＣ全体のリーク抵抗
は、各エミッタコーン１１５とゲート電極１０４間で発
生するリーク抵抗Ｒ_leakの並列抵抗となる。このため、
エミッタコーンの数が多いほど、つまりエミッタコーン
が高密度であるほどエミッタコーンとゲートとの間のリ
ーク抵抗が小さくなり、ＦＥＣ全体のゲートとカソード
との間の絶縁抵抗が小さくなるという欠点があった。

【００１９】また、このようなゲート−カソード間の絶
縁抵抗が小さくなったＦＥＣのゲートに駆動電圧を印加
した場合は、安定した駆動特性を実現することが困難に
なると共に、駆動用のゲートドライバーＩＣを低抵抗負
荷の時でも十分に駆動できるように大きな駆動能力を持
たせなければならなかった。さらに、ゲートドライバー
ＩＣに大きな駆動能力を持たせるには、ゲートドライバ
ーＩＣのチップ面積が増大して実装部の大型化や製造コ
ストが上昇してしまうという問題点があった。

【００２０】またさらに、絶縁抵抗は例えばカソード電
極１０１とエミッタコーン１１５間の抵抗層１０２の抵
抗率を大きくしたり、膜厚を厚くすることによって大き
くすることができるが、この抵抗層１０２はエミッタコ
ーン１１５とカソード電極１０１との間に直列に接続さ
れているため、駆動時に抵抗層１０２で生じる電圧降下
が大きくなり、やはりゲート電極１０４に印加する駆動
電圧が大きくなりゲートドライバーＩＣに大きな駆動能
力を持たせる必要があった。

【００２１】本発明は、このような問題点を鑑みてなさ
れたものであり、ゲート−カソード間の絶縁抵抗を十分
に大きくして、安定した駆動特性を実現することができ
る電界放出素子を提供することを目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、絶縁基板上に形成されるカソード領域と、このカソ
ード領域上に形成される第１の抵抗層と、この第１の抵
抗層上に形成される絶縁層と、この絶縁層に設けられて
いる複数のホール内の絶縁層上に形成されるエミッタ
と、この絶縁層上に形成される第２の抵抗層と、この第
２の抵抗層上に形成されるゲート領域によって構成する
ようにした。

【００２３】また、カソード領域は格子状のカソード配
線によって構成するようにした。また、カソード領域は
格子状のカソード配線と、このカソード配線の領域内に
カソードくり抜き部と、このカソードくり抜き部内にカ
ソード電極とを形成するようにした。また、ゲート領域
は格子状のゲート配線と、該ゲート配線の領域内にゲー
トくり抜き部と、該ゲートくり抜き部内にゲート電極と
を形成するようにした。

【００２４】本発明によれば、絶縁層とゲート領域間に
第２の抵抗層を設けるようにしているため、エミッタコ
ーンを高密度に配置した場合でも、カソード領域とゲー
ト領域との間の絶縁抵抗の値を十分に大きくすることが
できる。また、絶縁層とゲート領域間に第２の抵抗層を
設けると共に、ゲート領域を島状構造にしている、ゲー
ト配線とゲート電極が第２の抵抗層によって分離され、
ゲート領域とカソード領域との間が短絡した場合でもゲ
ート配線のゲート電圧の低下を防止することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１の実施の形態
である電界放出素子の断面図を示す。この図に示す電界
放出素子（以下、「ＦＥＣ」という）は、ガラス等から
なる絶縁性の基板１上に、Ｎｂ（ニオブ）等からなるカ
ソード電極２が形成され、このカソード電極２上に、例
えば不純物をドープしたα−Ｓｉ（アモルファス・シリ
コン）等からなる抵抗層３が形成されている。さらに抵
抗層３上にはＳｉＯ₂（２酸化シリコン）からなる絶縁
層４が形成されていると共に、この絶縁層４にホールが
設けられており、このホール内にＭｏ（モリブデン）等
からなるエミッタコーン７が形成されている。またさら
に、絶縁層４上には、α−Ｓｉ等からなる抵抗層５が形
成されており、この抵抗層５の上にゲート電極６を形成
するようになされている。

【００２６】このように構成される本実施の形態におい
ては、絶縁層４とゲート電極６との間に抵抗層５が形成
されているため、ゲート電極６とエミッタコーン７間で
生じるリークは、ゲート電極６の下層に形成されている
抵抗層５とエミッタコーン７との間で生じることにな
り、ゲート電極６とエミッタコーン７間の絶縁抵抗は、
エミッタコーン７と抵抗層５間のリーク抵抗と抵抗層５
の合成抵抗となる。従って、カソード電極２とゲート電
極６との間の絶縁抵抗は、抵抗層３の抵抗、エミッタコ
ーン７と抵抗層５間のリーク抵抗、及び抵抗層５の抵抗
の合成抵抗となり、抵抗層５の抵抗分だけ大きくするこ
とができる。

【００２７】次に、図２に図１に示したＦＥＣの変形例
を示す。この図に示すＦＥＣは、ガラス等からなる絶縁
性の基板１１上に格子状のカソード配線１２がパターニ
ングされており、この格子状のカソード配線１２及び基
板１１上に抵抗層１３が形成されている。さらに抵抗層
１３上には、絶縁層１４が形成されると共に、この絶縁
層１４にホールが設けられており、このホール内にエミ
ッタコーン１７が形成されている。またさらに、絶縁層
１４上には抵抗層１５が形成され、この抵抗層１５上に
ゲート電極１６が形成されている。

【００２８】このように構成した場合も絶縁層１４とゲ
ート電極１６との間に抵抗層１５が形成されているた
め、図１に示したＦＥＣと同様にゲート電極１６とエミ
ッタコーン１７との間のリークは、ゲート電極１６の下
層に形成されている抵抗層１５とエミッタコーン１７と
の間で生じることになる。従って、カソード配線１２と
ゲート電極６との間の絶縁抵抗を抵抗層１５の抵抗分だ
け大きくすることができる。

【００２９】図３は図１に示したＦＥＣの第２の変形例
を示したものであり、この図に示すＦＥＣにおいては、
ガラス等からなる絶縁性の基板２１上にカソード配線２
２がパターニングされており、このようなカソード配線
２２の領域内には導体のないくり抜き部２９が設けられ
ている。そして、このくり抜き部２９の内部にはカソー
ド配線２２から分離されて設けられた島状カソード電極
２３が配設されている。

【００３０】カソード配線２２、くり抜き部２９および
島状カソード電極２３の上には抵抗層２４が設けられて
おり、この抵抗層２４により島状カソード電極２３とカ
ソード配線２２とが電気的に接続されている。また、島
状カソード電極２３に対応する抵抗層２４上には、複数
のホールが設けられると共に、このホール内にエミッタ
コーン２８が形成されている。さらに、エミッタコーン
２８が形成されていない領域の抵抗層２４上には絶縁層
２５が形成されている。この絶縁層２５上には抵抗層２
６が形成され、さらにこの抵抗層２６上にゲート電極２
７が形成されている。

【００３１】なお、カソード構造を島状とするのは、上
述したがカソード配線２２と各エミッタコーン２８との
間の抵抗値を均一にして、各エミッタコーン２８からの
エミッション量を均一なものとするためである。

【００３２】このように構成した場合も絶縁層２５とゲ
ート電極２７との間に抵抗層２６が形成されているた
め、図１及び図２に示したＦＥＣと同様にゲート電極２
７とエミッタコーン２８との間のリークは、ゲート電極
２７の下層に形成されている抵抗層２６とエミッタコー
ン２８との間で生じることになる。従って、カソード配
線２２とゲート電極２７との間の絶縁抵抗を抵抗層２５
の抵抗分だけ大きくすることができる。

【００３３】このように本実施の第１の形態のＦＥＣは
絶縁層上に抵抗層を形成しこの抵抗層上にゲート電極を
形成するようにしているため、カソード領域とゲート領
域との間の絶縁抵抗を絶縁層とゲート領域の間に形成さ
れている抵抗層の抵抗だけ大きくすることができる。よ
って、ＦＥＣのエミッタコーンを高密度に配置した場合
でもカソード領域とゲート領域との間の絶縁抵抗が大き
く保たれることになり、安定した駆動特性を維持するこ
とができる。また、ゲート領域に印加する駆動電圧を高
くする必要がないため、駆動用のゲートドライバーＩＣ
の大型化やコストの上昇を防止することができる。

【００３４】さらに、絶縁層とゲート領域との間に抵抗
層を形成して絶縁抵抗を大きくすると、カソード領域と
エミッタコーンとの間に形成されている抵抗層の抵抗を
大きくする必要がないため、駆動時にカソード領域とエ
ミッタコーンとの間の抵抗層で生じる電圧降下を最小限
に抑えることができる。

【００３５】次に、図４は本発明の第２の実施の形態と
してゲート電極が島状構造とされる電界放出素子の斜視
図の一例を示したものである。この図に示しＦＥＣにお
いては、ガラス等からなる絶縁性の基板３１上にカソー
ド配線３２が設けられ、カソード配線３２の領域内には
導体のないくり抜き部４１が設けられ、さらに、このく
り抜き部４１の内部には島状カソード電極３３が配設さ
れている。このカソード配線３２、くり抜き部４１およ
び島状カソード電極３３の上には抵抗層３４が設けら
れ、この抵抗層３４により島状カソード電極３３とカソ
ード配線３２とが電気的に接続されている。また、島状
カソード電極３３に対応する抵抗層３４上には、複数の
ホールが設けられていると共に、このホール内にエミッ
タコーン３９が形成されている。また、エミッタコーン
３９が形成されていない領域の抵抗層３４上には絶縁層
３５が形成されており、この絶縁層３５の上には抵抗層
３６が形成されている。

【００３６】さらに、この抵抗層３６の上には、ストラ
イプ状のゲート配線３７が形成され、このゲート配線３
７の領域内には、導体のないくり抜き部４０が設けられ
ている。そして、このくり抜き部４０の内部にはゲート
配線３７から分離されて設けられた島状ゲート電極３８
が配設されている。

【００３７】このように本実施の第２の形態であるＦＥ
Ｃにおいては、絶縁層３５とゲート配線３７及び島状カ
ソード電極３９との間に抵抗層３６を形成しているた
め、ゲート配線３７とエミッタコーン３９との間の絶縁
抵抗をゲート配線３７と島状ゲート電極３９との間の抵
抗、及び島状ゲート電極３８と絶縁層３５との間の抵抗
分だけ大きくすることができるため、ゲート配線３７と
カソード配線間の絶縁抵抗をより大きくすることができ
る。

【００３８】またゲート配線３７は、抵抗層３６によっ
て島状ゲート電極３８と分離されているため、島状ゲー
ト電極３８のゲート電圧が短絡等によって低下した場合
でも電圧を維持されることになる。すなわち、例えばエ
ミッタコーン３９と島状ゲート電極３８が短絡し、島状
ゲート電極３８からカソード配線３２に通常よりはるか
に大きいショート電流が流れた場合、短絡した島状ゲー
ト電極３８のゲート電圧だけが低下することになり、抵
抗層３６によって分離されている島状ゲート電極３８の
ゲート電圧が維持されることになる。

【００３９】従って、島状ゲート電極３８に対向配置さ
れているエミッタコーン３９からのエミッションの放出
が停止されることになるが、他の正常な島状ゲート電極
に対向配置されているエミッタコーンからはエミッショ
ンの放出が行われるようにすることができる。

【００４０】なお、本発明の実施の形態では、絶縁層上
に形成されている抵抗層とゲート電極の形状を同一とし
ているが、抵抗層をゲート電極よりホールに突出するよ
うに形成してもよい。また、本発明の第２の実施の形態
ではカソード構造を島状にした場合について説明したが
これに限定されることなく、他のカソード構造にも適用
することが可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電界放出
素子によれば、絶縁層とゲート領域間に第２の抵抗層を
設けるようにしているため、カソード領域とゲート領域
との間の絶縁抵抗を大きくすることができる。よって、
エミッタを高密度に配置した場合でも、カソード領域と
ゲート領域間の絶縁抵抗の値が十分に大きく保たれるこ
とになり、ＦＥＣの製造上の歩留りの向上や安定した駆
動特性を実現することができる。また、ゲート領域に印
加する駆動電圧を高くする必要がないため、駆動用のゲ
ートドライバーＩＣの小型化、低コスト化を実現するこ
とができる。

【００４２】また、ゲート領域をゲート配線、及びゲー
ト電極から構成すると、絶縁不良等が発生した場合でも
不良個所のゲート電極だけが動作しないようになり、自
動的に不良個所を切り離す効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である電界放出素子
の断面図を示した図である。

【図２】第１の実施の形態である電界放出素子の変形例
を示した図である。

【図３】第１の実施の形態である電界放出素子の変形例
を示した図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態である電界放出素子
の断面図を示した図である。

【図５】従来の電界放出素子の一例を示した図である。

【図６】従来のメッシュ構造の電界放出素子の一例を示
した図である。

【図７】従来の島状構造の電界放出素子の一例を示した
図である。

【符号の説明】

１，１１，２１，３１基板２，１２カソード電極３，５，１３，１５，２４，３４，３６抵抗層４，１４，２５，２６，３５絶縁層６，１６，２７ゲート電極７，１７，２８，３９エミッタコーン１２，２２，３２カソード配線２３，３３島状カソード電極３７ゲート配線３８島状ゲート電極４０，４１くり抜き部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に形成されるカソード領域
と、該カソード領域上に形成される第１の抵抗層と、該第１の抵抗層上に形成される絶縁層と、該絶縁層に設
けられている複数のホール内の前記第１の抵抗層上に形
成されるエミッタと、前記絶縁層上に形成される第２の抵抗層と、該第２抵抗層の上に形成されるゲート領域とから構成さ
れることを特徴とする電界放出素子。
【請求項２】前記カソード領域は、格子状のカソード
配線によって形成されることを特徴とする請求項１に記
載の電界放出素子。
【請求項３】前記カソード領域は、カソード配線と、該カソード配線の領域内に形成されたカソードくり抜き
部と、該カソードくり抜き部内に設けられたカソード電極と、を備えて形成されることを特徴とする請求項１に記載の
電界放出素子。
【請求項４】前記ゲート領域は、ストライプ状のゲー
ト配線と、該ゲート配線の領域内に形成されたゲートくり抜き部
と、該ゲートくり抜き部内に設けられたゲート電極と、を備えて形成されることを特徴とする請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載の電界放出素子。