JPH09251836A - 電界電子放出素子とその製造方法及びこの電界電子放出素子を用いる表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子放出電極の実装密度を高めた電界電子放出
素子を提供する。 【解決手段】電極１３は、絶縁層１２を介してガラス基
板１１上に積層されている。溝１５が、電極１３及び絶
縁層１２を貫通してガラス基板１１に到達するまでエッ
チングによって形成されている。尖端部１４は電極１３
の端面から平面方向に突出しており、溝１５を介して隣
接する電極１３の尖端部１４は互いに対向するように形
成されている。ここで、対向する尖端部１４間に強い電
界を印加すると、一方の尖端部１４から電子が放出され
る。隣接する電極１３に交流電圧を印加することによっ
て、電子を放出する電極を切り替えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射により電
子を放射する電界電子放出素子とその製造方法、及びこ
の電界電子放出素子を用いる表示装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電極間に強い電界を加えて電
子を放出させる電界電子放出素子としては、図１４
（ａ）（ｂ）に示すように、ガラス基板１１上に形成さ
れたベース電極２２と、シリコン等の高抵抗電導物質か
らなる支持層２６を介してベース電極２２上に形成さ
れ、平面方向に突出する尖端部１４が設けられた電子放
出電極１３ａと、絶縁層１２を介してベース電極２２上
に形成され、尖端部１４と対向する凹所２５が設けられ
た電子引出し電極１３ｂとから構成されたものがある
〔Techinical 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，１９９２年，３月，p.35〜39な
ど参照〕。

【０００３】ところで、真空中で金属等の表面に１０⁸
Ｖ／ｍ程度の強電界を発生させると、電子が真空中に引
き出されることが知られている。したがって、電界電子
放出素子１の電子放出電極１３ａと電子引出し電極１３
ｂとの間隔を１μｍ程度にすれば、両電極間に１００Ｖ
程度の電圧を印加することによって、電子を放出させる
ことが可能である。また、電子放出電極１３ａの先端を
尖らせることにより、電界が集中して、低電圧で高電流
密度の放電が可能となる。尚、この電界電子放出素子１
の電子放出電極１３ａの大きさは、１０〜２０μｍで、
高さは１μｍ程度である。

【０００４】ここで、ベース電極２２と電子放出電極１
３ａとは支持層２６を介して電気的に接続されており、
ガラス基板１１の端部から引き出されたベース電極２２
が電子放出電極１３ａの端子として用いられている。こ
の端子に数十〜百数十Ｖの電圧を印加することにより、
電子放出電極１３ａと電子引出し電極１３ｂとの間に強
電界を発生させて、電子放出電極１３ａから電子が放出
される。ここで、電子放出電極１３ａを支える支持層２
６は、シリコン等の高抵抗電導物質から形成されてお
り、電子放出電極１３ａに安定した電流を流す役割を果
たしている。

【０００５】さて、この電界電子放出素子１の製造方法
を図１５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１５
（ａ）に示すように、ガラス基板１１の上面に、例え
ば、クロムから成るベース電極２２を２００ｎｍ程度、
シリコンから成る支持層２６を１０００ｎｍ程度、タン
グステンから成る電子放出電極１３ａを３００ｎｍ程
度、アルミニウムから成るリフトオフ層２３を４００〜
１０００ｎｍ程度、スパッタ蒸着などの方法で形成す
る。さらに、リフトオフ層２３の上面にレジスト１９を
塗布して、電子放出電極１３ａの形状、例えば星型を露
光、現像してマスクを形成する。次に、図１５（ｂ）に
示すように、例えば、ＫＯＨ等を用いた化学エッチング
によって、レジスト１９の形状をリフトオフ層２３に転
写する。さらに、図１５（ｃ）に示すように、反応性イ
オンエッチングによって、リフトオフ層２３をマスクと
して、支持層２６及び電子放出電極１３ａをエッチング
する。この時、エッチングによってレジスト１９は消滅
するが、エッチングの前にレジスト１９を予め除去して
もよい。このエッチングの際に、電子放出電極１３ａの
エッチングレートよりも支持層２６のエッチングレート
の方が早くなるように、支持層２６及び電子放出電極１
３ａの材質とエッチング条件が選定される。さらに、等
方性エッチングの条件に近づけることによって、図１５
（ｃ）に示すような最終エッチング形状が形成される。
図１５（ｄ）に示すように、絶縁層１２及び電子引出し
電極１３ｂを蒸着させた後、リフトオフ層２３を溶解さ
せることによって、リフトオフ層２３の上面に堆積され
た絶縁層１２及び電子引出し電極１３ｂを除去し、図１
４（ｂ）に示すような、最終形状を得ることが出来る。

【０００６】ところで、従来の熱陰極形蛍光表示装置・
プラズマディスプレー・液晶表示装置等の平板形表示装
置に代わって、近年、電界電子放出素子を用いた平板形
表示装置が採用されつつある。この電界電子放出素子を
用いた平板形表示装置は、熱陰極形蛍光表示装置のよう
に電極を加熱する必要がなく、高効率であり、蛍光体層
を発光させているので視野角が広く、色調が良好であ
る。また、単位面積当たりの出力を大きく取れるので高
輝度の表示装置を実現することができる。

【０００７】この電界電子放出素子を用いた表示装置で
は、面積の比較的大きい発光面に対して電子を均一に放
射することが要求されるので、多数の電界電子放出素子
を配列して、フィールドエミッタアレイと呼ばれる構造
が形成されている。この表示装置３は、図１６に示すよ
うに、電子放出電極及び電子引出し電極からなる電極１
３が多数、高密度に実装されたガラス基板１１と、蛍光
体層３１及び透明導電膜３２が設けられた透明基板たる
前面ガラス３３から成るアノード３６とをスペーサ３４
を介して一定の間隔に保ち、ガラス基板１１とアノード
３６及びスペーサ３４とによって囲まれる空間３５を真
空とした構造に形成されている。ここで、アノード３６
には比較的高電圧が印加されており、電子放出電極から
放出された電子はアノード３６に引き寄せられ、蛍光体
層３１に衝突して、蛍光体層３１を励起し、その脱励起
によって発光が生じる。

【０００８】ところで、発光面として面積の比較的大き
な平面が必要なことや、前面ガラス３３内の散乱によっ
て隣接する画素が混合するのを避ける為に薄い前面ガラ
ス３３を用いることから、アノード３６を支持するスペ
ーサー３４が必要となり、このスペーサー３４として、
例えば、アノード３６上の画素と画素との間にガラスの
リッジをスクリーン印刷技術によって形成したり、ガラ
スの微小球を挟むなどの方法がとられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の電界電子放
出素子１の電子放出特性は、電子放出電極１３ａと電子
引出し電極１３ｂの間隔に指数関数的に依存しており、
両電極の間隔が極力小さいことが望ましいが、両電極の
間隔は、図１５（ｄ）に示すように、絶縁層１２を蒸着
する際の絶縁層１２の結晶成長の方向の傾き加減によっ
て決定されるので、一定値より小さくならないという問
題点があった。

【００１０】さらに、電界電子放出素子１では、用途の
如何を問わず一般に、単位面積当たりの電子放出量が大
きいことが望まれる。また、電界電子放出素子１を用い
る表示装置３では、高輝度が望まれる反面、コントラス
トを上げるため、発光部分と同程度の黒色部分を設けな
くてはならないので、単位面積当たりの電子放出量が大
きいことが望まれる。従って、単位面積当たりの電子放
出電極１３ａの数を増やす必要があるが、電子放出電極
１３ａの構造は２次元的であり、電子放出電極１３ａの
２次元的な大きさが決まると、実装密度が決まってしま
うという問題点もあった。さらに、表示装置３では、ス
ペーサー３４をアノード３６に予め別途設ける必要があ
り、製造工程が増加するとともに、スペーサー３４の位
置合わせに精度を要するという問題点があった。また、
製作工程上、余り小さなスペーサー３４を作ることが出
来ないので、スペーサー３４の部分がデッドスペースに
なるという問題点もあった。

【００１１】また、従来の製造方法は、電子放出電極１
３ａを形成した後に再び、絶縁層１２を形成しなくては
ならず、製作工程が複雑であるという問題点があった。
また、電子放出電極１３ａと電子引出し電極１３ｂとの
間隔を小さくできないという問題点もあった。本発明は
上記問題点に鑑みて為されたものであり、請求項１乃至
４の発明の目的は、電子放出電極の実装密度を高めた電
界電子放出素子を提供することにある。

【００１２】請求項５及び６の発明の目的は、電子放出
電極の実装密度を高めることができる電界電子放出素子
の製造方法を提供することにある。請求項７の発明の目
的は、高輝度の表示装置を提供することにある。請求項
８の発明の目的は、製造工程を簡素化した表示装置を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明では、複数の材質が積層されるとと
もに、下層及び上層を貫通する電子放出空間としての溝
と、溝によって分割された上層の端面に設けられた平面
方向に突出する尖端部とを備え、溝の下層部分を上層部
分よりも幅広とし、溝を介して隣接する上層の尖端部を
対向させて、一方の尖端部を電子放出電極、他方の尖端
部を電子引出し電極として用いているので、対向する尖
端部の間隔を小さくすることができる。また、交流駆動
することによって、尖端部を電子放出電極と電子引出し
電極とに切り替えて用いることができる。

【００１４】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、尖端部を平面内の４方向に突出させ、電極用の配
線を上層の下部に形成しているので、単位面積当たりの
電子放出電極の数を増やすことができる。請求項３の発
明では、請求項１の発明において、尖端部を平面内の２
方向に突出させ、電極を１列に繋げているので、１列に
繋がった電極に１ヵ所から給電することができる。

【００１５】請求項４の発明では、請求項１の発明にお
いて、下層及び上層が上下に複数段積層されているの
で、電極を立体的に配置することにより、単位面積当た
りの電子放出電極の数をさらに増やすことができる。請
求項５の発明では、請求項２又は３の電界電子放出素子
を製造するにあたって、複数の材質からなる層を積層
し、層上にフォトリソグラフィー等の印刷技術によって
複数の丸孔が開口したマスクパターンを形成し、反応性
イオンエッチングを行って層上の隣接する丸孔間の最近
接部を細くして、丸孔間が僅かに離れた状態を形成して
いるので、電極の間隔を小さくすることができる。

【００１６】請求項６の発明では、請求項４の電界電子
放出素子を製造するにあたって、複数の材質からなる層
を所望の段数だけ繰り返し積層し、層上にフォトリソグ
ラフィー等の印刷技術によって複数の丸孔が開口したマ
スクパターンを形成し、反応性イオンエッチングを行っ
て層上の隣接する丸孔間の最近接部を細くして、丸孔間
が僅かに離れた状態を形成しているので、各層に形成さ
れた電極の間隔を小さくすることができる。

【００１７】請求項７の発明は、請求項１の電界電子放
出素子を用いる表示装置であって、電界電子放出素子
と、電界電子放出素子に対向して配置される蛍光体層と
透明導電膜とガラス等の透明基板とからなるアノードと
を備え、電界電子放出素子とアノードによって挟まれた
空間を真空に保持しており、単位面積当たりの電子放出
電極の数を増やすことができるので、表示装置の単位面
積当たりの放電電流を高めることができる。

【００１８】請求項８の発明では、請求項７の発明にお
いて、複数段積層された電界電子放出素子がアノードと
接するとともに、アノードを支持しているので、複数段
積層された電界電子放出素子をスペーサーに兼用するこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。 （実施形態１）本実施形態の電界電子放出素子は、図１
（ａ）（ｂ）に示すように、ガラス基板１１と、下層た
る絶縁層１２を介してガラス基板１１上に形成された上
層たる電極１３と、絶縁層１２及び電極１３を貫通して
設けられた溝１５と、溝１５によって分割された電極１
３の端面に平面方向に突出して設けられた尖端部１４と
を備えている。溝１５を介して隣接する電極１３の尖端
部１４は、互いに対向するように形成されている。溝１
５の絶縁層１２を分割する部分の幅は、電極１３を分割
する部分の幅よりも広くなっているので、尖端部１４は
平面方向に於いて突出するように形成されている。ま
た、図１（ａ）に示すように、溝１５は平面内の１方向
のみに形成されているので、尖端部１４は平面内の２方
向に突出し、尖端部１４即ち電子放出電極又は電子引出
し電極が１列に繋がった構造となっている。したがっ
て、電極１３に１ヵ所から給電することによって、各尖
端部１４に電力を印加することができるので、外部から
の給電が容易に行える。

【００２０】電極１３は、例えば、厚さ２００ｎｍ程度
のタングステン薄膜で形成されているが、電極１３の材
質はモリブデン等の融点が高く、仕事関数が低い金属で
も良い。また、絶縁層１２は、ＳｉＯ₂ などから形成さ
れ、約１μｍの高さに形成されている。隣接する電極１
３は、一方が電子放出電極、他方が電子引出し電極とし
て用いられている。電子放出電極及び電子引出し電極の
構造は等しく、電子放出電極及び電子引出し電極が交互
に配置された構造となっている。

【００２１】ここで、溝１５を介して対向する尖端部１
４の間隔は約１μｍ以下になるように形成されており、
隣接する電極１３間に所定の電圧を印加することによっ
て、電極１３間で電子が放出される。なお、尖端部１４
の先端の曲率半径は１００ｎｍ以下となっている。この
電界電子放出素子１に所定電圧の交流電圧を印加する
と、隣接する電極１３間で交互に電子が放出され、例え
ば、図１（ａ）のＢ側の電極１３の電位が、Ａ側の電極
１３の電位よりも高くなると、Ａ側の尖端部１４の先端
に電界が集中して、Ｂ側の電極１３に電子が放出され
る。一方、Ａ側の電極１３の電位が、Ｂ側の電極１３の
電位よりも高くなると、逆の現象が発生して、Ｂ側の先
端部１４からＡ側の電極１３に電子が放出される。電界
電子放出素子１を交流駆動した場合、直流駆動した場合
に比べて、尖端部１４を電子放出電極として用いる時間
が半分になる。したがって、素子の長寿命化を図ること
ができるとともに、信頼性を高めることができる。 （実施形態２）本実施形態の電界電子放出素子は、図２
（ａ）（ｂ）に示すように、ガラス基板１１と、下層た
る支持層２６を介してガラス基板１１上に形成された上
層たる電子放出電極１３ａ及び電子引出し電極１３ｂ
と、絶縁層１２と電子放出電極１３ａ又は電子引出し電
極１３ｂとを貫通して設けられた溝１５と、溝１５によ
って分割された電子放出電極１３ａ及び電子引出し電極
１３ｂの端面に平面方向に突出して設けられた尖端部１
４とを備えており、本実施形態では溝１５が平面内に於
いて格子状に形成されているので、４個の尖端部１４を
有する電子放出電極１３ａ及び電子引出し電極１３ｂは
互いに独立した構造となっている。尚、電子放出電極１
３ａ及び電子引出し電極１３ｂにそれぞれ設けられた尖
端部１４の数は４個に限定する趣旨のものではなく、４
個以外のものも製作可能である。

【００２２】支持層２６は、例えば、シリコンから形成
され、約１μｍの高さに形成されている。なお、支持層
２６の材質は、シリコン以外の半導体や金属などでも良
く、反応性イオンエッチングが可能な材質であれば代用
が可能である。この電極は、図２（ａ）に示すように、
電子放出電極１３ａと電子引出し電極１３ｂとが交互に
配置されている。また、支持層２６の下部のガラス基板
１１には、各電極を電気的に接続する配線１６ａ，１６
ｂが配設されており、電子放出電極１３ａは配線１６ａ
によって、電子引出し電極１３ｂは配線１６ｂによって
夫々接続されている。配線１６ａ，１６ｂは例えばクロ
ムから形成されているが、クロム以外の他の金属や半導
体でも良い。また、本実施形態では配線１６ａ，１６ｂ
をガラス基板１１内に埋設しているが、配線１６ａ，１
６ｂはガラス基板１１と支持層２６との間に配設されて
いれば、どのような状態で配設されても良い。ここで、
配線１６ａ，１６ｂ間に所定の電圧を印加すると、電子
放出電極１３ａの尖端部１４から電子引出し電極１３ｂ
に電子が放出される。

【００２３】ところで、１個の電子放出電極１３ａは、
４個の尖端部１４を夫々対向させた状態で、４個の電子
引出し電極１３ｂに取り囲まれているので、単位面積当
たりの電子放出電極の数を増やすことができ、電子放出
電極の実装密度を高めることができる。尚、電極１３以
外の電界電子放出素子の構成は実施形態１と同様である
ので、その説明は省略する。 （実施形態３）本実施形態では、実施形態１の電界電子
放出素子において、ＳｉＯ₂ などからなる絶縁層を形成
する代わりに、シリコン等からなる支持層２６を形成し
ている。

【００２４】この電界電子放出素子の製造方法を、図３
（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。まず、図３（ａ）に
示すように、ガラス基板１１上にシリコンからなる支持
層２６を１１μｍ、タングステンからなる電極１３を
０．２μｍ、アルミニウム１８を０．４μｍ夫々積層
し、さらに、アルミニウム１８上にフォトレジスト１９
を形成する。ここで、例えば、図３（ｄ）に示すような
多数の丸孔２０ａが開孔されたフォトマスク２０を用い
て露光、現像して、所望のレジストパターンを形成す
る。ここで、ポジ型のフォトレジスト１９を用いている
ので、フォトレジスト１９はフォトマスク２０の斜線部
分に対応する部分のみ露光されずに残される。尚、フォ
トマスク２０のパターンを反転させればネガ型のフォト
レジストを用いることも出来る。

【００２５】次に、図３（ｂ）に示すように、ＫＯＨ等
のエッチング液を用いてアルミニウム１８をエッチング
した後、図３（ｃ）に示すように、反応性イオンエッチ
ングによって電極１３及び支持層２６をエッチングし
て、電極１３及び支持層２６を貫通してガラス基板１１
に到達する溝１５を形成する。このとき、フォトレジス
ト１９は前もって除去しておいても、除去しなくてもど
ちらでもよい。反応性イオンエッチングの条件は、電極
１３のサイドエッチングが適度に進む条件とする。ま
た、支持層２６の深さ方向のエッチングが終了する時点
で、フォトマスク２０に設けられた隣接する丸孔２０ａ
がセイドエッチングによって拡大し、丸孔２０ａの最近
接部が繋がるような条件とする。ここで、フォトマスク
２０のパターンは、図３（ｄ）に示すように、間隔Ｂが
間隔Ａに比べて狭くなっており、深さ方向のエッチング
が終了した時点で、間隔Ｂ側の隣接する丸孔２０ａの最
近接部が繋がって、平面内に突出した尖端部１４が形成
され、図１（ａ）に示すような、平面形状を得ることが
できる。エッチング条件によって溝１５の幅が決まるの
で、エッチング条件の設定によって尖端部１４を所望の
間隔で形成することができる。また、電子放出電極又は
電子引出し電極として用いる尖端部１４を同時に形成す
ることができるので、従来の製造方法に比べて、製造工
程の簡素化が図れる。

【００２６】尚、外部から電極１３に電力を供給するた
めの配線を電極１３の下部に設ける場合は、支持層２６
とガラス基板１１との間に配線（図示せず）を予め形成
する必要がある。また、電極１３の材質はタングステン
を用いているが、タングステン以外にも融点が高く、仕
事関数が低い金属であれば用いることができる。尚、支
持層２６以外の電界電子放出素子の構成は、実施形態１
と同様であるので、その説明は省略する。 （実施形態４）本実施形態では、実施形態１の電界電子
放出素子において、図４に示すように、エッチングによ
り溝１５を形成する際に、電極１３が所望の形状に形成
できた時点でエッチングを終了しており、溝１５は電極
１３を貫通して絶縁層１２に到達するまで堀り込まれ、
ガラス基板１１には到達していない。このように、電極
１３が形成できた時点でエッチングを停止することによ
り、製造に要する時間を短縮することができる。

【００２７】尚、溝１５以外の電界電子放出素子の構成
は、実施形態１と同様であるので、その説明は省略す
る。 （実施形態５）本実施形態では、実施形態４の電界電子
放出素子において、図５（ａ）（ｂ）に示すように、電
子放出電極１３ａ及び電子引出し電極１３ｂをそれぞれ
貫通して絶縁層１２内に達する溝１５ａをエッチングに
より形成し、各電極の間に電気的に絶縁された制御用の
収束電極１７を設けている。なお、溝１５ａを形成する
際に、エッチングをさらに継続し、溝１５ａがガラス基
板１１に達するまでエッチングを行ってもよい。

【００２８】外部から各電極に電力を供給する場合、各
電極の表面に電力供給のための配線を接続しても良い
し、各電極の下部に電力供給用の配線を設けても良い。
なお、各電極の下部に配線を設ける場合、絶縁層１２の
代わりに導体又は半導体からなる支持層を設けて、電子
放出電極１３ａ又は電子引出し電極１３ｂと配線とを抵
抗層としての支持層を用いて電気的に夫々接続するとと
もに、電極間を絶縁するために、溝１５がガラス基板１
１に達するまでエッチングを行う必要がある。

【００２９】例えば、図５（ｂ）に示すように、電子放
出電極１３ａ及び収束電極１７に負の電圧が印加される
と、電子放出電極１３ａから電子引出し電極１３ｂに向
かって電子が引き出され、電界電子放出素子１の上方に
配置されたアノード（図示せず）によって電子が引き寄
せられる。この時、電子放出電極１３ａから放出された
電子は、収束電極１７の電界と反発して、上方のアノー
ドに向かって収束していく。この電界電子放出素子１を
表示装置などに用いる場合、収束電極１７を設けること
によってクロストークを防止することができる。

【００３０】尚、溝１５，１５ａ及び収束電極１７以外
の電界電子放出素子の構成は、実施形態１又は４と同様
であるので、その説明は省略する。 （実施形態６）本実施形態では、実施形態３の電界電子
放出素子において、図６に示すように、電子放出電極１
３ａ及び電子引出し電極１３ｂを夫々貫通してシリコン
からなる支持層２６に達する溝１５ｂをエッチングによ
って形成することにより、電子放出電極１３ａと電子引
出し電極１３ｂとの間に配線用電極２７を形成してい
る。すなわち、実施形態３で説明した製造工程が終了し
た後に、電界電子放出素子１にフォトレジストを再度コ
ーティングし、フォトリソグラフィーによって所望のエ
ッチングパターンを形成し、エッチングを行って、電子
放出電極１３ａ又は電子引出し電極１３ｂと配線用電極
２７とを夫々分離する溝１５ａを形成している。

【００３１】この電界電子放出素子１では、各電極の下
部にシリコンからなる支持層２６が形成されている。従
って、支持層２６を抵抗層として用い、配線用電極２７
に外部から電力を供給し、配線用電極２７から支持層２
６を介して電子放出電極１３ａに電力を供給して、電子
放出電極１３ａから電子を放出させている。ところで、
電界電子放出素子では、一般に、安定で均一な放電を得
るために、抵抗層を設けて突出した放電を抑制する必要
があるが、本実施形態では、支持層２６を抵抗層として
用いることにより放電の安定化を図っている。また、支
持層２６は従来より抵抗層として用いられていたが、層
の厚みがせいぜい１μｍ程度であり、より高抵抗のもの
が望まれていた。本実施形態では、電子放出電極１３ａ
と配線用電極２７とを分離する溝１５ｂの幅を数μｍと
ることが可能であり、抵抗層として従来のものよりも高
抵抗のものを得ることができる。 （実施形態７）本実施形態の電界電子放出素子では、図
７に示すように、ガラス基板１１上にシリコンなどから
なる支持層２６と、電子放出電極又は電子引出し電極に
切り替えて用いられる電極１３とを交互に３段積層し、
支持層２６と電極１３とを貫通してガラス基板１１に到
達する溝１５を形成している。

【００３２】この電界電子放出素子１では、同一面積内
に配設できる電子放出電極の数が、電極１３が１層のも
のに比べて３倍になるので、同じ電流密度を得るために
必要な１電極当たりの電流が１層のものに比べて１／３
に減少する。したがって、電界電子放出素子１の破損確
率が減少し、信頼性を向上させることができる。また、
同一面積内に配設できる電子放出電極の数が増加するの
で、電界電子放出素子１の電流密度を高くすることもで
きる。

【００３３】尚、本実施形態では、電極１３が３層形成
されたものについて説明したが、３層以外でも良く、多
層になるほど電子放出電極の数が増加し、１電極当たり
の電流を低く、或いは、電流密度を高くすることができ
る。また、本実施形態の平面構造は、実施形態１と同様
であり図１（ａ）に示すように、電極１３は尖端部１４
が１列に繋がった構造となっており、多層に積層された
電極１３の内、最上層の電極１３に外部から電力を供給
している。この時、支持層２６を抵抗層として、最上層
の電極１３から下層の電極１３に支持層２６を介して電
力が供給されている。

【００３４】ところで、多層に電極１３を積層した構造
では、製造上の理由により、図１１に示すように、上層
ほど電極１３及び支持層２６の幅が狭くなっているの
で、上層ほど対向する電極１３間の間隔が広くなってい
る。ここで、最上層の電極１３に電力を供給すると、下
層の電極１３は支持層２６を介して電力が供給されるの
で、各層間の電圧降下によって、下層の電極１３に印加
される電圧は、最上層の電極１３に印加される電圧より
も低くなる。一方、下層の電極１３の方が、上層に比べ
て、電極１３間の間隔が狭くなっており、放電に必要な
電圧が低くなっている。したがって、上層から下層へ行
くにつれて、電極１３に印加される電圧が低下するとと
もに、放電に必要な電圧も低下するので、電圧降下によ
って電極１３の印加電圧が低下しても問題ない。すなわ
ち、上層と下層との電極１３の間隔の違いが、電圧降下
による印加電圧の低下を相殺することができ、各層の電
極１３の放電特性を均一化することができる。

【００３５】一方、実施形態２のように、溝１５を格子
状に形成し、各電極１３に４個の尖端部１４を設けると
ともに、支持層２６とガラス基板１１との間に電極１３
に給電するための配線を設け、各電極１３に下部から給
電を行ってもよい。この場合、電極１個当たりの尖端部
１４の数を増やすことにより、単位面積当たりの電子放
出電極の密度を高めることができる。製造時、電極１３
に設けられた尖端部１４の形状や、対向する尖端部１４
間の距離を適性に保つのは必ずしも容易ではなく歩留り
が悪いが、尖端部１４の絶対数を多くすることによっ
て、歩留りが悪くても適性な形状の尖端部１４の数を多
くすることができ、電界電子放出素子１の品質を高める
ことができる。

【００３６】尚、支持層２６及び電極１３が多層に積層
されている以外は、実施形態１の電界電子放出素子の構
成と同様であるので、その説明は省略する。 （実施形態８）本実施形態では、実施形態７の多層構造
の電界電子放出素子１を、図１６に示すような、従来の
表示装置に用いている。

【００３７】この表示装置は、図８に示すように、電極
１３が３層に積層された電界電子放出素子１と、電界電
子放出素子１に電圧を印加する入力部４と、入力部４の
入力電圧を時間的に分割された３つの入力電圧に変換し
て各層の電極１３に印加する入力変換部５とを備えてい
る。ここで、電子放出電極と電子引出し電極との間に所
定の電圧を印加することによって、電子放出電極から電
子引出し電極へ電子を放出させる。

【００３８】入力変換部５は、入力部４の入力電圧を時
間的に３分割して各層の電極１３に順番に印加すること
により、各電極１３は入力部４から電圧が入力された期
間の１／３の期間のみ順番に放電して、残りの２／３の
期間は休止することができ、全体としては連続的に放電
することができる。したがって、各電極１３に２／３の
休止期間を夫々設けることができるので、休止期間中に
放電によって上昇した尖端部１４の温度を冷却すること
ができる。ここで、電界電子放出素子１を直流で連続的
に駆動した場合と、１／４程度のデューティ比で駆動し
た場合を比較すると、後者の場合の方が電界電子放出素
子１が破壊しにくいという結果があり、３〜４層構造の
電極を設けて各層の電極を交番駆動させれば、電界電子
放出素子１の破損を低減でき、表示装置の信頼性を向上
させることができる。

【００３９】また、図９に示すように、入力変換部５の
代わりに、入力部４の入力電圧を３つの入力電圧に分割
して各層の電極１３に印加するデコーダ６を設け、階調
表示を行うこともできる。ここで、デコーダ６から印加
された電圧によって、各層の電極１３の放電がオン／オ
フされて、全電極１３の放電が停止した状態も含めて４
階調の表示を行うことができる。さらに、デューティ制
御の階調表示と組み合わることにより、表示可能な階調
数を増加することができる。

【００４０】尚、電界電子放出素子１の構成は実施形態
１又は７と同様であるので、その説明は省略する。 （実施形態９）本実施形態の電界電子放出素子を用いる
表示装置は、図１０に示すように、電極１３及び支持層
２６が多層に積層された電界電子放出素子を表示装置の
スペーサーに兼用した構造となっている。ここで、電界
電子放出素子は、ガラス基板１１と、ガラス基板１１上
に交互に積層された支持層２６及び電極１３と、支持層
２６及び電極１３を貫通してガラス基板１１に到達する
溝１５とを備えている。表示装置３は、多層に積層され
た支持層２６及び電極１３をスペーサーと兼用して、支
持層２６の上面に蛍光体層３１と透明導電膜３２と前面
ガラス３３とからなるアノード３６を載置した構造とな
っている。多層に積層された支持層２６及び電極１３を
スペーサーに兼用することにより、別途スペーサーを設
ける必要がなく、スペーサーによる空間の無駄を無くす
ことができるとともに、製造工程の簡素化が図れる。ま
た、電極１３を多層に積層しているので、単位面積当た
りの電子放出電極の数が増加し、放電電流の電流密度を
高めることができるので、表示装置３の輝度を明るくす
ることができる。ここで、電子放出電極から放出された
電子は、比較的高電圧が印加されたアノード３６に引き
寄せられ、蛍光体層３１に衝突して、蛍光体層３１を励
起する。その脱励起によって、蛍光体層３１で発光が生
じる。

【００４１】尚、電界電子放出素子の構成は、実施形態
１又は７と同様であるので、その説明は省略する。 （実施形態１０）本実施形態の電界電子放出素子は、図
１１に示すように、ガラス基板１１と、ガラス基板１１
上に交互に２層ずつ積層されたシリコンからなる支持層
２６及びタングステンからなる電極１３と、電極１３の
端面に平面方向に突出して形成された尖端部１４とを備
えている。

【００４２】この電界電子放出素子１の製造方法は、実
施形態３で説明した製造方法と基本的に同じであり、ま
ず、ガラス基板１１に例えばシリコンからなる支持層２
６とタングステンからなる電極１３とを交互に２層ずつ
積層する。さらに、電極１３上にアルミニウム（図示せ
ず）を積層し、図３（ｄ）と同様のレジストパターンを
フォトリソグラフィーによって形成し、アルミニウムを
エッチングした後、反応性エッチングを行って、支持層
２６及び電極１３をエッチングする。このとき、平面方
向のエッチングを抑制するような条件でエッチングする
ことにより、図１１に示すような断面形状を得ることが
できる。また、ＣＦ₄ などを用いてエッチングを行うこ
とにより、電極１３よりも支持層２６のエッチングレー
トが速くなるので、電極１３の端面に形成された尖端部
１４を平面方向において突出させることができる。

【００４３】尚、電極１３の材質はタングステンに限定
するものではなく、タングステン以外の例えばモリブデ
ン等の高融点金属を用いても良い。また、支持層２６の
材質もシリコン以外でもよく、エッチングレートが電極
１３より若干速いものであれば使用可能であり、例え
ば、タングステンとモリブデンといった金属の組み合わ
せでも良い。このように、支持層２６に半導体又は金属
を用いることにより、多層に積層された電極１３間が電
気的に接続されるので、各電極１３と外部とを電気的に
接続する取り出し部は１ヵ所のみで良い。 （実施形態１１）本実施形態の電界電子放出素子は、図
１２に示すように、ガラス基板１１と、ガラス基板１１
上に交互に２層ずつ積層されたＳｉＯ₂ からなる絶縁層
１２及びタングステンからなる電極１３と、電極１３の
端面に平面方向に突出して形成された尖端部１４とを備
えており、各電極１３，１３の一方の端面には外部から
の配線を接続するための配線取り出し部２１ａ，２１ｂ
が設けられている。

【００４４】この電界電子放出素子１の製造方法は、実
施形態３又は１０と略同様であり、絶縁層１２及び電極
１３をＣＦ₄ 及び水素ガスを用いてエッチングしてい
る。また、各電極１３に形成した配線取り出し部２１
ａ，２１ｂは、フォトリソグラフィーとエッチングを繰
り返すことによって製造している。ここで、配線取り出
し部２１ａ，２１ｂに外部から配線を接続することによ
り、各電極１３に所定の電圧を供給して、電子放出電極
から電子を放出させている。 （実施形態１２）本実施形態の電界電子放出素子は、図
１３に示すように、表面に予め凹凸が形成されガラス基
板１１と、ガラス基板１１上に形成された絶縁層１２
と、絶縁層１２上に形成された電子放出電極１３ａ及び
電子引出し電極１３ｂとを備えている。

【００４５】ここで、ガラス基板１１には凹凸が設けら
れているので、凸部に形成された電子放出電極１３ａの
方が、凹部に形成された電子引出し電極１３ｂよりも高
さが高くなっている。ところで、電子放出電極１３ａが
電子引出し電極１３ｂよりやや高い方が、電子放出電極
１３ａから放出された電子を表示装置の前面のアノード
に収束させやすいので、ガラス基板１１に凹凸を設け、
電子放出電極１３ａの高さを電子引出し電極１３ｂより
も高くすることによって、表示装置の表示を安定させて
いる。

【００４６】但し、本実施形態では、凸部に形成した電
極を電子放出電極１３ａ、凹部に形成した電極を電子引
出し電極１３ｂとして用いているので、電極の用途を切
り替えることができず、交流駆動することはできない。

【００４７】

【発明の効果】上述のように、請求項１の発明は、複数
の材質が積層されるとともに、下層及び上層を貫通する
電子放出空間としての溝と、溝によって分割された上層
の端面に設けられた平面方向に突出する尖端部とを備
え、溝の下層部分を上層部分よりも幅広とし、溝を介し
て隣接する上層の尖端部を対向させて、一方の尖端部を
電子放出電極、他方の尖端部を電子引出し電極として用
いているので、対向する尖端部の間隔を小さくすること
ができ、電子放出電極の実装密度を高めることができる
という効果がある。また、尖端部の間隔が狭いので、強
い電界集中が発生し、比較的低い印加電圧で大きな放電
電流を発生できるという効果もある。さらに、尖端部を
電子放出電極と電子引出し電極に切り替えて交流駆動す
ることによって、電子放出電極の使用期間を短縮するこ
とができ、電子放出電極の長寿命化、信頼性の向上が図
れるという効果がある。

【００４８】請求項２の発明は、尖端部を平面内の４方
向に突出させ、電極用の配線を上層の下部に形成してお
り、単位面積当たりの電子放出電極の数を増やすことが
できるので、電子放出電極の実装密度を高めることがで
きるという効果がある。請求項３の発明は、尖端部を平
面内の２方向に突出させ、電極を１列に繋げており、１
列に繋がった電極に１ヵ所から給電することができるの
で、外部からの給電が容易になるという効果がある。

【００４９】請求項４の発明は、下層及び上層が上下に
複数段積層されており、電極を立体的に配置することに
より、単位面積当たりの電子放出電極の数をさらに増や
すことができ、電子放出電極の実装密度をさらに高める
ことができるという効果がある。請求項５の発明は、複
数の材質からなる層を積層し、層上にフォトリソグラフ
ィー等の印刷技術によって複数の丸孔が開口したマスク
パターンを形成し、反応性イオンエッチングを行って層
上の隣接する丸孔間の最近接部を細くして、丸孔間が僅
かに離れた状態を形成することにより、電極の間隔を小
さくすることができので、実装密度を高めた電界電子放
出素子の製造方法を実現できるという効果がある。

【００５０】請求項６の発明は、複数の材質からなる層
を所望の段数だけ繰り返し積層し、層上にフォトリソグ
ラフィー等の印刷技術によって複数の丸孔が開口したマ
スクパターンを形成し、反応性イオンエッチングを行っ
て層上の隣接する丸孔間の最近接部を細くして、丸孔間
が僅かに離れた状態を形成することにより、各層に形成
された電極の間隔を小さくすることができるので、実装
密度をさらに高めた電界電子放出素子の製造方法を実現
できるという効果がある。

【００５１】請求項７の発明は、電界電子放出素子と、
電界電子放出素子に対向して配置される蛍光体層と透明
導電膜とガラス等の透明基板とからなるアノードとを備
え、電界電子放出素子とアノードによって挟まれた空間
を真空に保持しており、表示装置の単位面積当たりの放
電電流を高めることができるので、高輝度の表示装置を
実現できるという効果がある。請求項８の発明は、複数
段積層された電界電子放出素子がアノードと接するとと
もに、アノードを支持しており、複数段積層された電界
電子放出素子をスペーサーと兼用することができ、製造
工程を簡素化できるという効果がある。また、スペーサ
ーを別途設ける必要がないので、空間を有効し使用でき
るという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の電界電子放出素子を示し、（ａ）
は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図２】実施形態２の電界電子放出素子を示し、（ａ）
は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図３】実施形態３の電界電子放出素子を示し、（ａ）
〜（ｃ）は各製造工程を示す断面図、（ｄ）はマスクパ
ターンの平面図である。

【図４】実施形態４の電界電子放出素子を示す断面図で
ある。

【図５】実施形態５の電界電子放出素子を示し、（ａ）
は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図６】実施形態６の電界電子放出素子を示す断面図で
ある。

【図７】実施形態７の電界電子放出素子を示す断面図で
ある。

【図８】実施形態８の表示装置を示す説明図である。

【図９】同上の別の表示装置を示す説明図である。

【図１０】実施形態９の表示装置を示す断面図である。

【図１１】実施形態１０の電界電子放出素子を示す断面
図である。

【図１２】実施形態１１の電界電子放出素子を示す断面
図である。

【図１３】実施形態１２の電界電子放出素子を示す断面
図である。

【図１４】従来の電界電子放出素子を示し、（ａ）は平
面図、（ｂ）は断面図である。

【図１５】（ａ）〜（ｄ）は同上の各製造工程を示す断
面図である。

【図１６】同上の電界電子放出素子を用いる表示装置を
示す断面図である。

【符号の説明】

１１ ガラス基板 １２ 絶縁層 １３ 電極 １４ 尖端部 １５ 溝

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の材質が積層されるとともに、下層及
   び上層を貫通する電子放出空間としての溝と、前記溝に
   よって分割された前記上層の端面に設けられた平面方向
   に突出する尖端部とを備え、前記溝の前記下層部分を前
   記上層部分よりも幅広とし、前記溝を介して隣接する前
   記上層の前記尖端部を対向させて、一方の前記尖端部を
   電子放出電極、他方の前記尖端部を電子引出し電極とし
   て用いて成ることを特徴とする電界電子放出素子。
2. 【請求項２】前記尖端部を前記平面内の４方向に突出さ
   せ、前記電極用の配線を前記上層の下部に形成して成る
   ことを特徴とする請求項１記載の電界電子放出素子。
3. 【請求項３】前記尖端部を前記平面内の２方向に突出さ
   せ、前記電極を１列に繋げて成ることを特徴とする請求
   項１記載の電界電子放出素子。
4. 【請求項４】前記下層及び上層が上下に複数段積層され
   て成ることを特徴とする請求項１記載の電界電子放出素
   子。
5. 【請求項５】請求項２又は３記載の電界電子放出素子を
   製造するにあたり、複数の材質からなる層を積層し、前
   記層上にフォトリソグラフィー等の印刷技術によって複
   数の丸孔が開口したマスクパターンを形成し、反応性イ
   オンエッチングを行って前記層上の隣接する前記丸孔間
   の最近接部を細くして、前記丸孔間が僅かに離れた状態
   を形成することを特徴とする電界電子放出素子の製造方
   法。
6. 【請求項６】請求項４記載の電界電子放出素子を製造す
   るにあたり、複数の材質からなる層を所望の段数だけ繰
   り返し積層し、前記層上にフォトリソグラフィー等の印
   刷技術によって複数の丸孔が開口したマスクパターンを
   形成し、反応性イオンエッチングを行って前記層上の隣
   接する前記丸孔間の最近接部を細くして、前記丸孔間が
   僅かに離れた状態を形成することを特徴とする電界電子
   放出素子の製造方法。
7. 【請求項７】請求項１記載の電界電子放出素子を用いる
   表示装置であって、前記電界電子放出素子と、前記電界
   電子放出素子に対向して配置される蛍光体層と透明導電
   膜とガラス等の透明基板とからなるアノードとを備え、
   前記電界電子放出素子と前記アノードによって挟まれた
   空間を真空に保持して成ることを特徴とする電界電子放
   出素子を用いる表示装置。
8. 【請求項８】複数段積層された前記電界電子放出素子が
   前記アノードと接するとともに、前記アノードを支持し
   て成ることを特徴とする請求項７記載の電界電子放出素
   子を用いる表示装置。