JPH11162324A - 電界電子放出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電界放出によって電子を放出する電子放出素子
において、電子引き出しのための高電圧が印加される電
極間が短絡しても、電子放出素子の全体が機能停止に陥
ることを防止する。 【解決手段】エミッタ４を微小空隙を介してゲート電極
３に近接配置してゲート電極３との間に電圧を印加する
ことにより、ゲート電極３とエミッタ４との間に形成さ
れる強電界によりそれぞれのエミッタ４から電子を放出
させるようにした電子放出素子において、ゲート電極３
に膜厚の薄い部分を作り込むことで、易溶断部８を形成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出によって電
子を放出する電界電子放出素子の構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、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きている。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した冷陰極アレイとして形成するこ
とが考えられている（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓ
ｔ ｏｆ ＩＶＭＣ ９１，Ｎａｇａｈａｍａ １９９
１，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】電界放射型の電子放出素子の一例を図１１
〜図１３に示す。図１１は電子放出素子のカソード側の
構成を示す平面図であり、図１２はその部分拡大図であ
る。また、図１３は図１２の断面構造を示している。こ
の電子放出素子は、図１３に示すように、カソード基板
７上に導電性のべース電極２、絶縁体層５および電子引
き出し電極３（以下ゲート電極３と称す）が積層された
ものに、ゲート電極３および絶縁体層５が部分的に積層
されずベース電極２まで達する穴が形成されており、こ
の穴にベース電極２と抵抗層６を介して電気的に接続さ
れたエミッタ４を配置してある。エミッタ４は図１２に
示すように星型に形成されている。このエミッタ４の先
端部はゲート電極３の穴の端部から約１μｍ以下の微小
空隙を隔てた位置となるよう配置されている。前述した
ように、エミッタ４は一つのべース電極２上に複数個が
配置され、図１１に示すように、アレイ状をなしてい
る。

【０００４】上記構造の電界電子放出素子において、ベ
ース電極２に対して数１０Ｖ〜数１００Ｖ程度の正の電
圧をゲート電極３に印加すると、ベース電極２と電気的
に接続されたエミッタ４とゲート電極３の間に１０⁸ Ｖ
／ｍ以上の高電界がかかり、電界電子放出によってエミ
ッタ４の先端から電子が放出される。このとき電界電子
放出素子に対向して、アノード電極（図示せず）を設置
し、アノード電極にべース電極２に対して正の電圧を印
加しておくことで、エミッタ４の先端から放出された電
子をアノード電極側に引き出すことができる。

【０００５】上記構造の電界電子放出素子の作成方法の
一例を図１４〜図１７をもとに説明する。まず、図１４
に示すように、ガラス等の絶縁性基板７の上にクロムな
どの金属層を形成し、パターニングすることでベース電
極２を形成する。続いて、ベース電極２を形成した上か
ら、抵抗層６、エミッタ４、剥離層９を形成し、これら
剥離層９、エミッタ４、抵抗層６をエミッタ形状にパタ
ーニングして図１５の構造とする。続いて、図１６に示
すように、絶縁体層５、ゲート電極３を上から形成し、
図１７に示すように、剥離層９を除去することで、エミ
ッタ４を露出させ、電界放出素子を作製する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電界電子放出素
子においては、一組のゲート電極３とベース電極２に複
数のエミッタ４を配置しており、すべてのエミッタ４が
ベース電極２と電気的にも接続している。もし、エミッ
タ４の一つでもゲート電極３と短絡を起こした場合、ベ
ース電極２とゲート電極３の間に電圧を印加できなくな
り、すべてのエミッタ４からの電子放出が停止してしま
う。ここで、エミッタ４とゲート電極３の短絡の原因と
しては、次のようなものがある。

【０００７】一つのエミッタ４が著しい電子放出を起
こして、ジュール加熱によってエミッタ物質が蒸発し、
飛散した物質がゲート電極３とエミッタ４の残部に電気
的なブリッジを形成する。 電界電子放出素子を設置している空間の真空の劣化に
よって、エミッタ４とゲート電極３の間で放電が生じ、
エミッタ４の一部やゲート電極３の一部が蒸発し、飛散
した物質が電気的なブリッジを形成する。 何らかの粉体が表面に付着し、エミッタ４とゲート電
極３の間にブリッジを形成する。

【０００８】このような短絡による機能停止の問題を解
決する方法の一つとして、特開平５−２９９０１０号に
提案された方法がある。これは、図１８に示すように、
ゲート電極３を幹線と分割部にパターニングすることに
よって、ゲート電極３を分割し、個々の分割部にはエミ
ッタ４を一つずつ配置している。個々のゲート電極３の
分割部は、細い溶断部８を介してゲート電極３の幹線に
接続し、すべてのゲート電極３の分割部は電気的に接続
された状態となっている。ゲート電極３をこのような構
造とすることで、仮にエミッタ４の一つが何らかの原因
でゲート電極３と短絡を起こした場合、短絡電流は溶断
部８を経由して流れるため、ジュール加熱によって細く
なっている溶断部８の温度が上昇し、溶融し切断され
る。溶断部８が切断されると、エミッタ４と短絡を起こ
した部分のゲート電極３（分割部）が全体のゲート電極
３（幹線）から分離されるため、残りのゲート電極３は
短絡状態から解放され、全体的な機能停止を免れること
ができる。

【０００９】しかしながら、ゲート電極３をパターニン
グにより平面的な細線部分を作製して溶断部８とする方
法では、十分な感度を有した溶断部を形成するために、
非常に細い線幅部分を形成しなければならず、作製が困
難である。もし、十分に細い線幅が形成できなかった場
合は、溶断部の感度が低くなり、ある程度の抵抗値を有
した短絡が発生した場合には、溶断部が切断されずに、
電界電子放出素子全体が動作を停止してしまうおそれが
ある。

【００１０】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、電界放出によっ
て電子を放出する電子放出素子において、電子引き出し
のための高電圧が印加される電極間が短絡しても、電子
放出素子の全体が機能停止に陥ることを防止することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
課題を解決するために、図１及び図２に示すように、絶
縁性基板７上に形成したベース電極２上に絶縁体層５を
介して電子引き出しのためのゲート電極３を積層し、該
ゲート電極３と絶縁体層５に、前記ベース電極２まで至
る複数の凹所を設けるとともに、該凹所内のそれぞれに
エミッタ４を突設し、該エミッタ４を微小空隙を介して
前記ゲート電極３に近接配置して前記ベース電極２と前
記ゲート電極３との間に電圧を印加することにより、ゲ
ート電極３とエミッタ４との間に形成される強電界によ
りそれぞれのエミッタ４から電子を放出させるようにし
た電子放出素子において、ゲート電極３に膜厚の薄い部
分を作り込むことで、易溶断部８を形成したことを特徴
とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の基本的な実施の形態を図
１及び図２に示す。ゲート電極３のパターニングによ
り、図１に示すように、ゲート電極３を幹線と分割部と
に分割し、溶断部８を介してすべてのゲート電極３を接
続するが、図２に示すように、ゲート電極３の膜厚を薄
くすることによって溶断部８を形成するものである。も
ちろん、溶断部８は膜厚を薄くするだけではなく、図１
に示すように、パターニングによって平面的にも細くす
る構造を兼ね備えていても構わない。ゲート電極３の分
割部分一つに対して配置されるエミッタ４の個数も一つ
に限定するものではなく、複数個を配置しても構わな
い。溶断部８の膜厚を薄くする方法は、特に制限するも
のではない。例えば、イオンビームミリングなどによっ
て表面から削り取り、膜厚を薄くする方法も一例として
挙げることができる。また、溶断部の膜厚を薄くする別
の方法として、図３〜図１０の実施例のように、ゲート
電極３の層よりも下側に段差部分を設けて、その段差部
分の形状をゲート電極３の層に反映することで、ゲート
電極３に段差部分を作製し、段差によって膜厚を薄くす
るという方法も有効である。

【００１３】このように膜厚を薄くした部分を形成し、
溶断部８とすることによって、一つのエミッタ４とゲー
ト電極３が短絡した場合も、溶断部８で短絡したゲート
電極３の部分を切り離すことができるから、全体的な電
界電子放出素子の動作停止を防ぐことができるようにな
る。また、単に平面的に細い部分を設けることで溶断部
８を作製する場合よりも、平面的にも細くかつ膜厚的に
も薄い溶断部８を作製した場合の方が、溶断部８の感度
が高くなり、素子全体の動作停止を免れる可能性が高く
なる。さらに、以下に述べる各実施例のように、ゲート
電極３よりも下側に段差部分を設け、その段差形状をゲ
ート電極３に反映させることによって膜厚の薄い部分を
作成する方法は、簡便であるという特長を有する。

【００１４】

【実施例】（実施例１）本発明の実施例１を図３及び図
４をもとに説明する。図３は電界電子放出素子のゲート
電極３の一つの分割部およびエミッタ４について、平面
構造を示したものであり、そのＢ−Ｂ線における断面構
造を図４に示す。図３のゲート電極３の幹線には、他に
もゲート電極３の分割部が溶断部８を介して接続されて
いる。この実施例１の特徴は、図４に示すように、ベー
ス電極２の端部の上にゲート電極３の溶断部８が配置さ
れる構造で、電界電子放出素子を作製したことにある。

【００１５】先に図１４〜図１７で説明したように、ベ
ース電極２と抵抗層６とエミッタ４を作製した上から、
絶縁層５とゲート電極３を形成する作製方法を採った場
合、ゲート電極３は下側の凹凸形状を反映した形状とな
る。このため、ゲート電極３は溶断部８の部分でベース
電極２の端部形状を反映した段差を有することになる。
仮にベース電極２の膜厚を２００ｎｍとし、ゲート電極
３の膜厚を３００ｎｍとした場合、段差部分には膜厚１
００ｎｍの最薄部が形成されることになる。もし、エミ
ッタ４の一つがゲート電極３と短絡を起こした場合、短
絡電流のジュール加熱によって最薄部から溶断部８が容
易に切断され、短絡部を全体から切り離すことができ、
全体的な動作停止を免れることができる。これは、平面
的に細線部を形成して溶断部８とする場合よりも、単純
に考えて１／３の短絡電流で溶断が可能となっている。
また、この構造の利点は単にベース電極２の端部とゲー
ト電極３のパターンの配置を組み合わせるだけで、溶断
部８の薄膜部を形成できるという簡便性にある。

【００１６】（実施例２）本発明の実施例２を図５及び
図６をもとに説明する。本実施例は、ベース電極２と同
じ層に段差を生じさせる段差作製部９を作製し、その上
に絶縁体層５とゲート電極３を作製したものである。ゲ
ート電極３の溶断部８は、この段差を生じさせる段差作
製部９の上に来るように配置している。段差作製部９の
端部は垂直な断面構造となっているが、ベース電極２の
端部はなだらかな断面構造としている。このためゲート
電極３の断面形状は、ベース電極２の端面部ではなだら
かであり、さほど膜厚が薄くなっている部分はないが、
段差作製部９の上では段差を生じ、最薄部が形成され
る。

【００１７】また、この段差作製部９はベース電極２と
は電気的に接続されていない。ベース電極の端部断面が
垂直となっている場合、絶縁体層５にも最薄部が生じ
る。ベース電極２とゲート電極３の間には数１０〜数１
００Ｖの電圧が印加されるために、電界電子放出素子を
駆動する際に、この絶縁体層５の最薄部の電界が強くな
り、絶縁破壊を引き起こすおそれがある。しかしなが
ら、本実施例のようにベース電極２の端部断面構造をな
だらかとし、別途に段差作製部９を設けることによっ
て、絶縁体層５の最薄部を無くすことができ、絶縁破壊
の発生を抑えることができる。

【００１８】（実施例３）本発明の実施例３を図７及び
図８をもとに説明する。本実施例は、段差作製部９を、
ベース電極２と同層ではなく、絶縁体層５の途中に配置
したものである。ゲート電極３と段差作製部９の間の絶
縁体層５の厚さが薄いほど、ゲート電極３の断面形状
は、段差作製部９の形状をより忠実に反映したものとな
る。したがって、段差作製部９を絶縁体層５の途中に配
置することで、ゲート電極３の段差をより鋭くし、最薄
部をより精度よく作製することができる。

【００１９】（実施例４）本発明の実施例４を図９及び
図１０をもとに説明する。本実施例は、段差作製部９
を、ベース電極２と同層ではなく、ベース電極２のさら
に下側に配置した例である。この実施例においても、実
施例２と同様の効果を得ることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、電界放出によって電子を放出
する電子放出素子において、電子引き出し層に膜厚の薄
い部分を作り込むことで、易溶断部を形成したものであ
るから、短絡を生じた場合も、短絡部分を易溶断部で切
り離すことで、全体的な電界電子放出素子の機能停止を
防ぐことができる。また、膜厚の薄い部分を作り込むこ
とにより、単に平面的なパターニングによって易溶断部
を形成するよりも、易溶断部の感度を高くすることがで
きる。さらに、電子引き出し層よりも下側の形状を反映
させることで、電子引き出し層に段差部分を形成し、最
薄部を設けることによって、簡便に薄膜溶断部を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な実施の形態を示す平面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線についての断面図である。

【図３】本発明の第１実施例を示す平面図である。

【図４】図３のＢ−Ｂ線についての断面図である。

【図５】本発明の第２実施例を示す平面図である。

【図６】図５のＣ−Ｃ線についての断面図である。

【図７】本発明の第３実施例を示す平面図である。

【図８】図７のＤ−Ｄ線についての断面図である。

【図９】本発明の第４実施例を示す平面図である。

【図１０】図９のＥ−Ｅ線についての断面図である。

【図１１】従来の電界電子放出素子を示す平面図であ
る。

【図１２】図１１の一部分を拡大して示した平面図であ
る。

【図１３】従来の電界電子放出素子の断面図である。

【図１４】従来の電界電子放出素子の第１の製造工程を
示す斜視図である。

【図１５】従来の電界電子放出素子の第２の製造工程を
示す斜視図である。

【図１６】従来の電界電子放出素子の第３の製造工程を
示す斜視図である。

【図１７】従来の電界電子放出素子の第４の製造工程を
示す斜視図である。

【図１８】従来の電界電子放出素子の部分的な短絡によ
る全体の機能停止を防止するための構造を示す平面図で
ある。

【符号の説明】

２ ベース電極 ３ ゲート電極 ４ エミッタ ５ 絶縁体層 ６ 抵抗層 ７ 基板 ８ 溶断部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電界放出によって電子を放出する電子
   放出素子において、電子引き出し層に膜厚の薄い部分を
   作り込むことで、易溶断部を形成したことを特徴とする
   電界電子放出素子。
2. 【請求項２】 絶縁性基板上に形成したベース層上に
   絶縁層を介して電子引き出し層を積層し、該電子引き出
   し層と絶縁層に、前記ベース層まで至る複数の凹所を設
   けるとともに、該凹所内のそれぞれにエミッタ部を突設
   し、該エミッタ部を微小空隙を介して前記電子引き出し
   層に近接配置して前記ベース層と前記電子引き出し層と
   の間に電圧を印加することにより、電子引き出し層とエ
   ミッタ部との間に形成される強電界によりそれぞれのエ
   ミッタ部から電子を放出させるようにした電子放出素子
   において、ベース層の端部によって生じる段差を利用し
   て電子引き出し層に膜厚の薄い部分を作り込むことで易
   溶断部を形成したことを特徴とする電界電子放出素子。
3. 【請求項３】 絶縁性基板上に形成したベース層上に
   絶縁層を介して電子引き出し層を積層し、該電子引き出
   し層と絶縁層に、前記ベース層まで至る複数の凹所を設
   けるとともに、該凹所内のそれぞれにエミッタ部を突設
   し、該エミッタ部を微小空隙を介して前記電子引き出し
   層に配置して前記ベース層と前記電子引き出し層との間
   に電圧を印加することにより、電子引き出し層とエミッ
   タ部との間に形成される強電界によりそれぞれのエミッ
   タ部から電子を放出させるようにした電子放出素子にお
   いて、電子引き出し層よりも下部に段差を生じさせる部
   位を設置し、その部位によって電子引き出し層に段差を
   生じさせ、電子引き出し層の易溶断部を形成したことを
   特徴とする電界電子放出素子。