JPH1012127A - 電界電子放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出分布軸方向を制御でき、しかもカソ
ード電極から放出された電子が近接するゲート電極へ異
常飛ぴ込みすることを抑制できる電界電子放出装置の提
供。 【解決手段】 ゲート電極と、このゲート電極に形成さ
れた孔内に配設されるカソード電極１を備える電界電子
放出装置において、前記ゲート電極が、孔近傍ゲート電
極７と、該孔近傍ゲート電極７から離れて設けられ、前
記装置外部からゲート電圧が与えられるゲート幹線８
と、前記孔近傍ゲート電極７とゲート幹線８とを電気的
に接続するゲート支線９から構成され、これら孔近傍ゲ
ート電極７とゲート幹線８との間にゲート電極スリット
１０が形成されている電界電子放出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出分布軸方
向を制御でき、しかもカソード電極から放出された電子
が近接するゲート電極へ異常飛ぴ込みすることを抑制で
きる電界電子放出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界電子放出装置としては、スピ
ント（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）らが「Ｊ．Ａ．Ｐ．４７
巻５２４８〜５２６３頁（１９７６年）」に報告したも
のや、グレイ（Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ）らが「ＩＥＤＭ８６
の７７６〜７７９頁（１９８６年）に報告したものなど
があった。図７に、この種の従来の電界電子放出装置の
例の概略斜視図を示す。従来の電界電子放出装置は、基
板３１上に絶縁膜３２を介してゲート電極３３が設けら
れ、このゲート電極３３に形成されたゲート孔３４内に
円錐状のカソード電極３５が配設されてなるものであ
る。この電界電子放出装置は、前記円錐状のカソード電
極３５に対してゲート電極３３に正の電圧を印加すると
前記円錐状のカソード電極３５の先端近傍から電子が放
出されるようになっている。電界電子放出装置から電子
が放出される条件は、カソード電極３５の形状や、ゲー
ト電極３３とカソード電極３５との距離に依存してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで図７に示した
ようなゲート電極３３とカソード電極３５で構成される
電界電子放出装置では、カソード電極３５の先端付近の
電界強度分布や、カソード電極３５の先端付近の表面状
態（仕事関数や電子分布密度）や、表面形状（微小突
起）によって、カソード電極３５の先端近傍から放出さ
れる電子（放出電子）の飛び出し方向が決まる特徴があ
る。カソード電極３５が精密に円錐形状で表面状態、表
面形状や、ゲート孔３４端までの距離関係が回転対称で
あれば、放出電子の広がり分布は前記回転対称の対称軸
方向を中心に広がることになり、広がり角は半角で２０
゜程度と認識されている。

【０００４】しかしながら上記表面状態等のいずれかの
対称性が崩れた場合には、上記軸方向からそれた方向に
放出電子分布中心が変化してしまうことになる。上記放
出電子を電子レンズで絞る際には、軸ずれによる収差が
発生してしまうという問題があった。あるいは電子レン
ズを備えていない場合にも、予定していた電子放出方向
と実際の放出方向が異なる場合には問題となることが多
かった。さらに、放出電子分布が前記軸方向がからずれ
ている場合には、放出電子のゲート電極３３への飛び込
み現象という問題も生じていた。カソード電極３５から
放出した電子がゲート電極３３へ飛び込んでしまうと飛
び込み電子による電流分余分に電力が消費されることに
なり、この電力消費によりゲート電極３３の周辺が加熱
されてガス放出による前記電界電子放出素子の放電破壊
が生じてしまう場合があった。前記飛び込み電子の一部
は、ゲート電極３３下の絶縁膜３２に飛び込んでしま
い、この絶縁膜３２への放出電子の飛び込みによる素子
絶縁特性の劣化も実用上課題であった。

【０００５】前記放電破壊の１つの現象として短絡欠陥
があり、この短絡欠陥はカソード電極３５とゲート電極
３３が電気的に短絡する現象である。このような短絡欠
陥に対する対策としては、特開平４−２８４３２４号の
公開特許公報の電界電子放出装置が知られている。この
特開平４−２８４３２４号では、図面の図１及び明細書
に記載された図１の関連記事において、複数個のカソー
ド電極を含むゲート電極を複数個のゲート電極要素に分
割してそれぞれのゲート電極要素とゲート幹線の間に可
溶性抵抗体よりなるゲート支線を挿入してなる電界電子
放出装置が提案されている。しかしながら、このような
構造の電界電子放出装置においては、放出電子分布の軸
ずれについては解決できなかった。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、電子放出分布軸方向を制御でき、しかもカソード電
極から放出された電子が近接するゲート電極へ異常飛ぴ
込みすることを抑制できる電界電子放出装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ゲート電極と、このゲート電極に形成された孔内に配設
されるカソード電極を備える電界電子放出装置におい
て、前記ゲート電極が、孔近傍ゲート電極と、該孔近傍
ゲート電極から離れて設けられ、前記装置外部からゲー
ト電圧が与えられるゲート幹線と、前記孔近傍ゲート電
極とゲート幹線とを電気的に接続するゲート支線から構
成され、これら孔近傍ゲート電極とゲート幹線との間に
ゲート電極スリットが形成されていることを特徴とする
電界電子放出装置を前記課題の解決手段とした。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の電界電子放出装置において、前記孔近傍ゲート電極
と対向するゲート幹線の周縁に電界制御スリットが設け
られていることを特徴とする電界電子放出装置を前記課
題の解決手段とした。また、請求項３記載の発明は、請
求項１記載の電界電子放出装置において、前記ゲート支
線とカソード電極を結ぶ線上に位置する孔近傍ゲート電
極の内周縁とカソード電極との距離が、前記ゲート支線
とカソード電極を結ぶ線上以外に位置する孔近傍ゲート
電極の内周縁とカソード電極との距離よりも大きいこと
を特徴とする電界電子放出装置を前記課題の解決手段と
した。

【０００９】

【発明の実施の形態】まず、本発明の請求項１記載の電
界電子放出装置の一実施形態について説明する。図１
は、本発明の請求項１に係わる電界電子放出装置の一実
施形態（以下、第一の実施形態の電界電子放出装置とい
う。）のカソード電極側から見た平面図にゲート電極等
価回路を重ねて示した図である。この第一の実施形態の
電界電子放出装置は、ゲート電極と、ゲート電極に形成
された孔内に配設されるカソード電極１を備えるもので
あり、この第一の実施形態でのゲート電極は、孔近傍ゲ
ート電極７と、該孔近傍ゲート電極７から離れて設けら
れた該ゲート幹線８と、前記孔近傍ゲート電極７とゲー
ト幹線８とを電気的に接続するゲート支線９から構成さ
れている。前記ゲート支線９の近傍の前記ゲート幹線８
と孔近傍ゲート電極７との間には、ゲート電極スリット
１０が形成されている。このゲート電極スリット１０が
形成されている部分は、導電性のゲート電極が欠けてい
る部分である。図１中、ゲート等価回路１１として描い
た回路がゲート電極等価回路である。

【００１０】前記孔近傍ゲート電極７は、この例では円
板状のものであり、その中央には径０．２μｍ〜１μｍ
程度の範囲の孔７ａが一つ形成されている。この孔近傍
ゲート電極７の外径は前記孔７ａのよりも大きく、前記
ゲート支線９における抵抗値よりもゲート支線９間を結
ぶ孔近傍ゲート電極７の抵抗値が大きくなるのに十分に
小さい外径とすることが好ましい。この孔近傍ゲート電
極７で囲まれた孔７ａ内には、カソード電極１が配設さ
れている。前記ゲート幹線８は、この電界電子放出装置
外部からゲート電圧が与えられるものである。

【００１１】次に、前述のような構造の第一の実施形態
の電界電子放出装置を動作させる場合について説明す
る。この構造の電界電子放出装置では、ゲート飛び込み
電流が生じた位置での前記孔近傍ゲート電極７の電位低
下が起こるので、ゲート飛び込み電流が生じる方向での
電界電子放出がその段階で制御されることとなる。すな
わち、電子放出方向の軸ずれが起きると修正する作用が
ある。

【００１２】次に、本発明の請求項２記載の電界電子放
出装置の一実施形態について説明する。図２は、本発明
の請求項２に係わる電界電子放出装置の一実施形態（以
下、第二の実施形態の電界電子放出装置という。）のカ
ソード電極側から見た平面図である。図３は、図２の電
界電子放出装置のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この
第二の実施形態の電界電子放出装置は、基板４上に絶縁
膜５が堆積され、さらにこの絶縁膜５上にカソード電極
１を囲む孔近傍ゲート電極７と、該孔近傍ゲート電極７
から離れて設けられ、該装置外部からゲート電圧が与え
られるゲート幹線８と、ゲート幹線８とを電気的に接続
するゲート支線９と、前記ゲート幹線８と孔近傍ゲート
電極７との間の電界制御スリット２０から構成されてい
る。前記絶縁膜５には、孔近傍ゲート電極７の孔７ａに
連通する孔５ａが形成されている。この電界制御スリッ
ト２０は、前記ゲート支線９の両側で、前記孔近傍ゲー
ト電極７と対向するゲート幹線８の内周縁２１に設けら
れている。

【００１３】前記カソード電極１は、モリブデンなどの
金属からなる略円錐形状の電極である。このカソード電
極１は、孔５ａ底に配置されていて、前記基板４と電気
的に接続されている。前記ゲート幹線８は、低抵抗金属
であるタングステンなどからなる金属薄膜であり。ゲー
ト支線９と孔近傍ゲート電極７は、高抵抗のポリシリコ
ン電極である。この第二の実施形態でのゲート支線９の
幅は、１μm程度以下で、ゲート支線９の長さは、前記
幅に対して１倍程度以上であることが好ましい。

【００１４】電界制御スリット２０は、前記ゲート金属
電極（ポリシリコン電極も含む）を取り除いて下地の絶
縁膜５をむき出しにした領域であり、この絶縁膜５のさ
らに下地にはカソードと同電位を有する基板４が存在す
る。この電界制御スリット２０は、前記ゲート支線９付
近では、前記孔近傍ゲート電極７の外周から離れた位置
まで広く開口しており、それ以外の位置では開口が狭
く、すなわち、ゲート支線９間は狭くなっていることに
特徴がある。電界制御スリット２０の幅は、前記ゲート
支線９の幅と同じ幅か、あるいはそれ以上の幅であるこ
とが好ましい。なお、この第二の実施形態の電界電子放
出装置の各構成部材で、図１の第一の実施形態の電界電
子放出装置と同一の構成部材のものは、図１の装置の構
成部材の寸法と略同様である。

【００１５】この第二の実施形態の電界電子放出装置に
おいては、前記電界制御スリット２０による絶縁膜電位
露出の影響が図３の電界電子放出装置の上面に描かれて
いる等電位面２５のように発生している。電界制御スリ
ット２０が、大きくあいている場合には、開口部による
カソード電位露出の影響で前記カソード電極１に実際に
印加される電界強度が弱まる傾向がある。

【００１６】次に、図２および図３に示した前記電界制
御スリット２０の効果を図４を用いて説明する。図４
は、図２に示したような構造を有する電界電子放出装置
の電界強度２次元分布図である。図４中符号２６は、電
界強度分布である。図４では、カソード電極１の位置を
中心にハッチングを施したパターンを３重に重ねて描か
れており、このハッチングパターンの濃さは電界強度の
強さを模式的に表わしているものである。

【００１７】図４のＡ−Ａ線の方向（電界制御スリット
２０の開口が狭い方向に沿った方向）は、前記ハッチン
グパターンが薄く大きなパターンから中心付近の濃く小
さなパターンに至るまで大きく広がっており、この方向
の電界強度が強いことを表わしている。カソード電極１
の表面状態や形状が中心に対して軸対称ならば電界強度
が強い方向により多くの電子が放出されるため、図４に
おけるＡ−Ａ線の方向および同様の電界強度分布を有す
るもう一方の対角方向（ａ−ａ線方向）により多くの電
子が放出される。

【００１８】一方、Ｂ−Ｂ線の方向（電界制御スリット
２０の開口が大きい方向に沿った方向）のハッチングパ
ターンは小さく、電界強度分布が小さくなっている。こ
れは電界制御スリット２０の開口が大きいために下地カ
ソード電位の影響を強く受けて電界が弱まったためであ
る。この方向（図４ではＢ−Ｂ線の方向と同様の電界強
度分布を示す方向が他に３方向ある。）の電子放出は少
なくなっている。また、Ｃ−Ｃ線の方向（ゲート支線９
の長さ方向に沿った方向）の電界強度分布はやや複雑な
分布となっており、大きく薄いハッチングパターンで表
されている電界強度は、前記Ａ−Ａの方向と同等の広が
りを示しているが、小さく濃いパターンにおいては前記
Ａ−Ａの方向よりも小さな分布となっている。このよう
な傾向の原因は、細いゲート支線パターンにある。境界
条件の整合性の観点から、前記Ｂ−Ｂの方向で形成され
た電界によって本来Ｃ−Ｃの方向に形成される電界が十
分に形成されない状態である。前記軸に近いカソード電
極１の近傍ほど電界強度分布が小さくなっており、この
方向の電子放出は少ない。他のゲート支線９方向も同様
である。

【００１９】図５は、第二の実施形態の電界電子放出装
置のカソード電極側から見た平面図にゲート電極等価回
路を重ねて示した図である。図１で示した第一の実施形
態の電界電子放出装置の等価回路と同様である。図５
中、ゲート等価回路２７として描いた回路がゲート電極
等価回路である。図４と図５を用いて第二の実施形態の
電界電子放出装置の動作を説明する。図４で示した電子
放出分布傾向を要約すると図５における対角方向に多く
の電子放出があるということになる。すなわち、ゲート
等価回路２７でのゲート支線９から離れた位置の方向に
多くの電子放出がある。製造行程でカソードの表面状態
や形状の対称性が損なわれた場合には、その非対称性に
依存した方向にも多くの電子が放出されることになる。
実際の電界電子放出装置では、前述した対角方向の放出
傾向と後述した非対称性による放出傾向の積として放出
分布が決まる。正常な電子放出以外のゲートへの飛び込
み電子の到達位置はこの実施形態の電界電子放出装置で
は対角方向に集中すると考えてよい。対角方向への電子
のケート飛び込みが生じた場合には、図５で示した等価
回路が自己抑制機能を十分に発揮できる。尚、ゲート支
線９と電界制御スリット２０の配置には軸に対する放出
電子分布の対称性を考慮してある。図２に示すように４
回対称に配置する場合もあるが、電界制御スリットの開
口形状で調整することで必ずしもゲート支線９を軸対称
に配置する必要はない。

【００２０】図６には本発明の請求項３に係わる電界電
子放出装置の一実施形態（以下、第三の実施形態の電界
電子放出装置という。）を示す。この第三の実施形態の
電界電子放出装置は、図６に示すように孔近傍ゲート電
極２８の形状が、ゲート支線９の近傍に位置する内側端
（孔近傍ゲート電極内周縁）２９がカソード電極１から
離れており、図１の第一の実施形態の電界電子放出装置
と同様の構造である。すなわち、この第三の実施形態の
電界電子放出装置、では、前記ゲート支線９とカソード
電極１を結ぶ線上に位置する孔近傍ゲート電極２８の内
周縁２９とカソード電極１との距離が、前記ゲート支線
９とカソード電極１を結ぶ線上以外に位置する孔近傍ゲ
ート電極２８の内周縁２９とカソード電極１との距離よ
りも大きくなっている。

【００２１】前述のようにカソード電極１とゲート電極
との距離が離れているとその方向の電子放出分布は減少
する。図６では、孔近傍ゲート電極２８の形状とゲート
支線９の配置関係から、ゲート支線９の方向の電子放出
が少ない。このような電子放出分布特性を有する電界電
子放出装置の効果は前述の通りである。

【００２２】（本発明の作用）本発明の電界電子放出装
置にあっては、電子放出分布軸方向を制御できる構造と
してゲート電極を、孔近傍ゲート電極と、該孔近傍ゲー
ト電極から離れて設けられたゲート幹線と、前記孔近傍
ゲート電極とゲート幹線とを電気的に接続するゲート支
線から構成することにより、電子放出軸が偏って多く放
出された側でのゲート電流が多くなることで、前記多く
放出された側の電界が抑制されて電子放出が抑制される
ことで電子に対する軸矯正自己制御が機能する。さら
に、これら孔近傍ゲート電極とゲート幹線との間にゲー
ト電極スリットが形成されていることにより、ゲート支
線の方向への電子放出分布を、下地カソード電位の一部
露出によって減少させることでゲート支線方向での自己
制御の不足を解消することができる。カソード電位が露
出した方向では、ゲート電位による電子放出電界が弱め
られる効果を利用して特別な電極を付加することなく電
界分布の制御を行っている。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電界電子放
出装置にあっては、ゲート電極と、このゲート電極に形
成された孔内に配設されるカソード電極を備える電界電
子放出装置において、前記ゲート電極が、孔近傍ゲート
電極と、該孔近傍ゲート電極から離れて設けられ、前記
装置外部からゲート電圧が与えられるゲート幹線と、前
記孔近傍ゲート電極とゲート幹線とを電気的に接続する
ゲート支線から構成され、これら孔近傍ゲート電極とゲ
ート幹線との間にゲート電極スリットが形成されたこと
により、前記孔に垂直方向に電子放出分布軸方向を自己
制御できるという利点がある。さらに、前記孔近傍ゲー
ト電極と対向するゲート幹線の周縁に電界制御のための
電界制御スリットが設けられたことにより、ゲート支線
方向への電子放出分布を減少させることで自己制御の不
足を解消することができる。また、前記ゲート支線とカ
ソード電極を結ぶ線上に位置する孔近傍ゲート電極の内
周縁とカソード電極との距離を、前記ゲート支線とカソ
ード電極を結ぶ線上以外に位置する孔近傍ゲート電極の
内周縁とカソード電極との距離よりも大きくしたものに
あっては、ゲート支線の方向の電子放出が少なく、自己
制御の不足を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の請求項１に係わる電界電子放出装置
の一実施形態のカソード電極側から見た平面図にゲート
電極等価回路を重ねて示した図である。

【図２】 本発明の請求項２に係わる電界電子放出装置
の一実施形態のカソード電極側から見た平面図である。

【図３】 図２の電界電子放出装置のＡ−Ａ線に沿った
断面図である。

【図４】 図２の電界電子放出装置の電界強度２次元分
布図である。

【図５】 図２の電界電子放出装置のカソード電極側か
ら見た平面図にゲート電極等価回路を重ねて示した図で
ある。

【図６】 本発明の請求項３に係わる電界電子放出装置
の一実施形態のカソード電極側から見た平面図である。

【図７】 従来の電界電子放出装置の例を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１・・・カソード電極、４・・・基板、５・・・絶縁膜、５ａ・・・
孔、７・・・孔近傍ゲート電極、７ａ・・・孔、８・・・ゲート
幹線、９・・・ゲート支線、１０・・・ゲート等価回路、２０
・・・電界制御スリット、２１・・・ゲート幹線の内周縁、２
５・・・等電位面、２６・・・電界強度分布、２７・・・ゲート
等価回路、２８・・・孔近傍ゲート電極、２９・・・孔近傍ゲ
ート電極の内周縁（内側端）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゲート電極と、このゲート電極に形成さ
   れた孔内に配設されるカソード電極を備える電界電子放
   出装置において、前記ゲート電極が、孔近傍ゲート電極
   と、該孔近傍ゲート電極から離れて設けられ、前記装置
   外部からゲート電圧が与えられるゲート幹線と、前記孔
   近傍ゲート電極とゲート幹線とを電気的に接続するゲー
   ト支線から構成され、これら孔近傍ゲート電極とゲート
   幹線との間にゲート電極スリットが形成されていること
   を特徴とする電界電子放出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電界電子放出装置におい
   て、前記孔近傍ゲート電極と対向するゲート幹線の周縁
   に電界制御スリットが設けられていることを特徴とする
   電界電子放出装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電界電子放出装置におい
   て、前記ゲート支線とカソード電極を結ぶ線上に位置す
   る孔近傍ゲート電極の内周縁とカソード電極との距離
   が、前記ゲート支線とカソード電極を結ぶ線上以外に位
   置する孔近傍ゲート電極の内周縁とカソード電極との距
   離よりも大きいことを特徴とする電界電子放出装置。