JPH11238449A

JPH11238449A - 電子放出素子

Info

Publication number: JPH11238449A
Application number: JP4150298A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kondo; 行広近藤; Hideyoshi Kimura; 秀吉木村; Akira Kaneko; 彰金子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】構造を複雑化することなく、放出電子の軌道制
御をより効果的に行える電子放出素子を提供するにあ
る。【解決手段】絶縁性の基板６上にライン状の導電性ベー
ス電極４の層、絶縁層３及び電子引き出し電極であるゲ
ート電極２の層を順次形成し、ゲート電極２及び絶縁層
３にベース電極４まで達する穴９を設け、細いベース電
極４のラインとゲート電極２のラインが交差する部分の
穴９に水平型のエミッタ１を形成するとともに、電子が
放出される方向の正面に放出電子制御用の制御電極１２
を配置してある。制御電極１２…は下端及び引き出しラ
イン部分がベース電極４と同じ高さに形成され、またカ
ソード先端にもっとも近い部分は厚く形成され、その上
端をベース電極より高くしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射型の電子
放出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、電子源として薄膜構造の電界放射
型電子放出素子が採用されてきている。この電界放射型
の電子放出素子の一例を図４，図５に示す。この図４，
図５に示す電子放出素子は、絶縁性基板６上に導電性の
ベース電極４の層、絶縁層３及び電子引き出し電極（以
下ゲート電極と称す）２の層を順次形成し、ゲート電極
２及び絶縁層３にベース電極４まで達する穴９を設け、
該穴９にベース電極４と電気的に抵抗層５を介して接続
されたエミッタ１を突設する。ここで、エミッタ１の先
端部はゲート電極２の穴９の端部から約１μｍ以下の微
小空隙Ａを隔てた位置となるよう設定されている。

【０００３】エミッタ１の形状には、図４，図５で示し
ているようにエミッタ１の先端部がゲート電極２に対し
て水平な方向を向いた「水平型」と、図６，図７で示し
ているようにエミッタ１がコーン状を為し、先端部がゲ
ート電極２の面に対して垂直方向を向いている「垂直
型」とが存在する。またエミッタ１は一つのベース電極
４上に複数個が配置され、アレイ状をなす場合もある。

【０００４】電界放射型電子放出素子である当該カソー
ドを駆動する場合は、図５に示すようにカソードに対向
してアノード電極７を設置し、ベース電極４に対して数
１０〜数１００Ｖ程度の正の電圧をゲート電極２に印加
してやると、ベース電極４と電気的に接続されたエミッ
タ１とゲート電極２の間に１０⁸Ｖ／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１の先端から電
子が放出される。ここで、ベース電極４に対して正の電
圧をアノード電極７に印加することで、放出された電子
の大部分はアノード電極７側に引き出すことができる。
図４，図５中矢印８は放出された電子の軌跡を示す。

【０００５】尚エミッタ１とベース電極４との間に抵抗
層５を設ければ、抵抗層５によってエミッション電流の
変動を抑制し、エミッション電流を安定化させることが
できる。しかしながら、エミッタ１先端に対してゲート
電極２がほぼ同じ高さに配置しているために、エミッタ
１先端から放出された電子は、アノード電極７に対して
水平成分を含んでいる。従って、エミッタ１から放出さ
れた電子はある程度の広がりを持ってアノード電極７に
到達することになる。電子の水平成分は図４，図５に示
す水平型のエミッタ１の方が図６，図７に示す垂直型の
エミッタよりも大きい。

【０００６】さらに水平型のエミッタ１の場合、図４，
図５で示しているように突部の方向に電子が放出される
ため、電子ビームが突部の方向に広がってしまう問題が
ある。例えば電界放射型電子放出素子からなるカソード
をディスプレイに応用する場合を考えたとき、カソード
をマトリックス状に配置し、対向するアノード電極７に
蛍光面を形成し、カソードから放出される電子を蛍光面
に照射して発光させることになる。このときエミッタ１
から放出される電子が広がっていると、希望するマトリ
ックスの周囲の部分までも発光してしまうというクロス
トークの問題が生じる。

【０００７】また他の従来例として、図８に示す「垂直
型」のエミッタ１から放出する電子の軌道の広がりを抑
制する目的で、ゲート電極２の上側に、絶縁層３’を介
して電子線収束用の制御電極１２’を配置する方法が提
案されている。（特開平７−２９４８４号公報、特開平
７−１２２１７９号公報）これらの方法は、ゲート電極２に対して負の電圧を制御
電極１２’に対して印加することによって、エミッタ１
の先端から放出された電子の軌道を収束させるものであ
る。

【０００８】しかしながらこの方法では、ゲート電極２
の層の上にさらに絶縁層３’と制御電極１２’の層を形
成することになり、構造が複雑で作製に手間がかかる問
題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記のように従来例に
は、電子ビームの広がりの問題や、構造が複雑で作製に
手間がかかる問題があった。本発明は前記の問題点を鑑
みて為されたもので、構造を複雑化することなく、放出
電子の軌道制御をより効果的に行える電子放出素子を提
供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に請求項１の発明では、絶縁性基板上に形成した電極を
ベース層とし、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を突設し、このエミッタを微小間隙
を介して前記電子引き出し層に対置させ、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、夫々のエミッタ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、前記ベース層が放出電子を制御す
る抵抗体を含む制御電極と接続され、該制御電極の表面
を空間に露出させたものであって、抵抗体を含む制御電
極によって電界の効果を高めることができ、その結果放
出電子の軌道制御をより効果的に行え、またベース層と
制御電極とを接続するため、電子放出素子から引き出す
電極の数を減らすことができる。

【００１１】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、前記制御電極の上面が前記ベース層よりも上に位
置するものであって、放出電子の軌道制御の効果を更に
高めることができる。請求項３の発明では、請求項１の
発明において、前記制御電極の上面の電位分布を均一に
するものであって、制御電極の形状を変えることにより
所望の電界分布を得て放出電子の軌道を制御することが
可能となる。

【００１２】また請求項４の発明では、請求項１の発明
において、抵抗体部分の引き出し電極及びベース層との
接触面積を変化させることによって抵抗値を変化させる
とともに制御電極面上の電位分布を変化させるものであ
って、前記接触面積を変化させることより所望の電界分
布を得て放出電子の軌道を制御することができる。請求
項５の発明では、請求項２の発明において、また請求項
６の発明では、請求項３の発明において、更に請求項７
の発明では、請求項４の発明において、夫々前記制御電
極を複数個配置するので、抵抗体の抵抗値が一組の電極
では不足する場合に、抵抗値を増やすことができ、かつ
電子の制御効果も増やすことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施形態により説
明する。（実施形態１）本実施形態は図１に示すように絶縁性の
基板６上にライン状の導電性ベース電極４の層、絶縁層
３及び電子引き出し電極であるゲート電極２の層を順次
形成し、ゲート電極２及び絶縁層３にベース電極４まで
達する穴９を設け、ベース電極４とゲート電極２が交差
する部分の穴９の位置に水平型のエミッタ１を形成し、
更に電子が放出される方向の正面に放出電子制御用の制
御電極１２を４つ配置してある。

【００１４】制御電極１２…の下端及び引き出しライン
部分１３はベース電極４と同じ高さであるが、制御電極
１２…のカソード先端にもっとも近い部分は厚く形成さ
れており、その上端はベース電極４より高くなってい
る。ここでベース電極４とゲート電極２の間に電圧を印
加して、ゲート電極２の電位を高くすると、エミッタ１
の先端とゲート電極２の間に高電界がかかり、電界電子
放出によってエミッタ１の先端から電子が放出される。
このときカソードに対向してアノード電極７を配置し、
ベース電極４（すなわちエミッタ１の先端）よりもアノ
ード電極７の電位を高くしておくことによって、エミッ
タ１先端から放出された電子をアノード電極７へと導く
ことができる。

【００１５】しかしながら、放出された電子の運動には
カソード面に対して水平な速度成分が多く含まれてお
り、アノード電極７の面到達までに電子ビームがかなり
広がってしまう。そこで、制御電極１２の電位を均一に
下げてやると、制御電極１２によって作り出される電界
によって電子が反発され、電子がアノード電極７側に引
き上げられる。このため、電子ビームを収束する効果が
得られる。

【００１６】このとき、制御電極１２の接続方法を種々
変えることにより、ビームの収束状態を変化させること
ができる。例えば図１（ａ）の４個の制御電極１２を接
続し、各制御電極１２の電位分布を同一にすると４方向
に分散している電子ビームを収束させることが可能であ
る。また本実施形態では制御電極１２…とベース電極４
が同じ絶縁性基板６上にあるため、ベース電極４と制御
電極１２とを電気的に接続することが容易である。尚制
御電極１２とベース電極４を接続するだけで電子ビーム
の収束効果が得られるとともに、カソードから外へ引き
出す電極線の数を減らす効果がある。

【００１７】また本実施形態では図１に示すように制御
電極１２は抵抗体１０と該抵抗体１０の上面に積層した
導電層１１とで構成され、導電層１１の形成により抵抗
体１０が空間に及ぼす電界の効果を均一にしている。制
御電極１２の抵抗値はエミッタ１からのベース電極４と
上面の導電層１１の間の抵抗体１０及び引き出し電極１
３と上面の導電層１１の間の抵抗体１０で決まる抵抗値
の合わせた値によって決定される。厳密な抵抗値はその
抵抗体１０内部の電流の経路に関係するが、概ねベース
電極４及び引き出し電極１３と抵抗体１０の接触面積が
大きく寄与する。従って必要抵抗値を抵抗体１０の比抵
抗値と膜厚、電極面積から算出することができる。具体
例として、スパッタ成膜によるノンドープシリコン膜に
おいて、比抵抗値として、２×１０⁴Ω・ｃｍを得、膜
厚１μｍにて電極面積５μｍ×５μｍで約２０ＭΩを得
た。ベース電極４−引き出し電極１３間の抵抗値は接触
面が２カ所あるので、総計４０ＭΩと推定される。この
時、ベース電極２と引き出し電極１３間の距離は抵抗体
１０の膜厚に対して、十分大きい事が必要である。

【００１８】また制御電極１２の上面部を形成する導電
層１１を除去しても良い。この場合の電界分布は抵抗体
１０表面の電圧降下に対応する電界分布となる。この時
の抵抗値は抵抗体１０の膜厚方向に生じるのでは無く抵
抗体１０を介して接続された引き出し電極１３との電極
間距離に依存した値となる。具体例としては前記シリコ
ン層において電極形状と面積が同一で、電極間距離が２
μｍの場合で４０ＭΩの値を得ている。

【００１９】尚図１（ｂ）中、イの部位は、抵抗体１０
の影響を及ぼすと考えられる領域である。計算上はベー
ス電極４の面積だけを考慮した。またベース電極４、引
き出し電極１３間の距離ロは膜厚に比べて十分に大きく
とっている。（実施形態２）本実施形態を図２を基に説明する。

【００２０】本実施形態は実施形態１と同様にベース電
極４とゲート電極２が交差する部分に水平型のエミッタ
１を形成したカソードを構成するものであって、主とし
て電子が放出される方向の正面に制御電極１２…を４つ
配置した。本実施形態では、制御電極１２…を構成する
抵抗体１０、ベース電極４、引き出し電極１３の面積を
大きく変化させてある。つまり抵抗値は抵抗体１０ａの
ベース電極４に対する接触面積と抵抗体１０ｂの引き出
し電極１３に対する接触面積とで決まる抵抗値との合計
で決まっており、ベース電極４と抵抗体１０ａとの接触
面積が、抵抗体１０ｂと引き出し電極１３との接触面積
に比べて小さく、そのため抵抗体１０ａの抵抗値は面積
に比例する分大きくなる．従って、エミッタ１から電子
放出が起きるとこれらの抵抗体１０ａ，１０ｂの領域に
おいて、両抵抗体１０ａ，１０ｂの夫々の両端に電位差
が生じる。そして抵抗体１０ａ，１０ｂの上面は導電層
１１で覆われているために上面の電位は同電位に保たれ
る。

【００２１】尚図３において、実施形態１の図１と同じ
働きを為す部位には同じ番号、同じ記号を付して説明は
省略する。（実施形態３）本実施形態は、実施形態１と同様な構造
の素子において制御電極１２を複数個配置したもので、
図３に示すように各制御電極１２の形状をエミッタ１の
先端から等距離に電界がかかるよう円弧を描く形状とし
た。また各制御電極１２をエミッタ１に対し一方向のみ
に配置した例である。このように配置することによって
制御電極１２を構成する抵抗体１０（図１参照）に流れ
る電流による電圧降下で徐々に電位を変化させる事が可
能となると共にベース電極４に接続される抵抗体１０の
全抵抗値は抵抗体１０のそれぞれの抵抗値の合算とな
る。つまり成膜の比抵抗や電極面積に制限がある場合に
有効な手段である。なお図ではエミッタに対して１組の
配置例を示したが同様に複数個配置してもかまわない。

【００２２】このように本実施形態では、抵抗体１０の
抵抗値を１組の電極では不足する場合に制御電極１２を
複数個配置することで抵抗値を増加させて、所望の効果
を発揮することができる。また制御電極１２の周囲の空
間の電界分布を所望のものにすることができる。複数個
化の方法は抵抗体の形成の単一方法のみならず、各々の
混合体でもかまわない。その形態を制限するものではな
い。更に抵抗体を直列接続しても、或いは並列接続して
も良く、更に直列と並列との混合でも良い。ところで、
本発明電子放出素子では、エミッタ１の一つに対して、
一組みの制御電極１２を設けることによって、個々のエ
ミッタ１から放出される電子の軌道を制御することが可
能であるが、場合によっては複数のエミッタ１をエミッ
タ群として配置し、そのエミッタ群に対して一組みの制
御電極１２を設けることによっても、エミッタ群から放
出される電子を電子束としてまとめて軌道制御すること
も可能である。１対１，１対多のいずれを用いるかは、
必要とされる制御精度、電子放出素子（カソード）作製
の手間、電子放出素子（カソード）から引き出すことの
できる電極の数、などといった条件で選択することにな
る。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の発明は、絶縁性基板上に形成
した電極をベース層とし、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を突設し、このエミ
ッタを微小間隙を介して前記電子引き出し層に対置さ
せ、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、夫々のエミッタから電子を放出さ
せるようにした電子放出素子において、前記ベース層が
放出電子を制御する抵抗体を含む制御電極と接続され、
該制御電極の表面を空間に露出させたので、エミッタか
ら放出された電子の電流制御機能（過剰放出を防止する
と共に複数個配列されたエミッタから均一良くエミッシ
ョンさせ寿命を延ばす効果）と、放出電子の収束、拡
散、偏向などの制御を同時に可能とし、そのため、制御
電極による電界の効果を高めることができ、その結果放
出電子の軌道制御をより効果的に行え、またベース層と
制御電極とを接続するため、電子放出素子から引き出す
電極の数を減らすことができるという効果がある。

【００２４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記制御電極の上面が前記ベース層よりも上に位置
するので、放出電子の軌道制御の効果を更に高めること
ができるという効果がある。請求項３の発明は、請求項
１の発明において、前記制御電極の上面の電位分布を均
一にするので、制御電極の形状を変えることにより所望
の電界分布を得て放出電子の軌道を制御することが可能
となるという効果がある。

【００２５】また請求項４の発明は、請求項１の発明に
おいて、抵抗体部分の引き出し電極及びベース層との接
触面積を変化させることによって抵抗値を変化させると
ともに制御電極面上の電位分布を変化させるので、前記
接触面積を変化させることにより所望の電界分布を得て
放出電子の軌道を制御することができるという効果があ
る。

【００２６】請求項５の発明は、請求項２の発明におい
て、前記制御電極を複数個配置するので、また請求項６
の発明は、請求項３の発明において、前記制御電極を複
数個配置するので、請求項７の発明は、請求項４の発明
において、前記制御電極を複数個配置するので、抵抗体
の抵抗値が一組の電極では不足する場合に、抵抗値を増
やすことができ、かつ電子の制御効果も増やすことがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施形態１の概略平面図であ
る。（ｂ）は同上の（ａ）のＹ−Ｙ’の断面図である。
（ｃ）は同上の（ａ）のＸ−Ｘ’の一部省略せる概略断
面図である。

【図２】（ａ）は本発明の実施形態２の概略平面図であ
る。（ｂ）は同上の（ａ）のＸ−Ｘ’の断面図である。

【図３】本発明の実施形態３の概略平面図である。

【図４】従来例の概略平面図である。

【図５】同上の動作説明用の概略断面図である。

【図６】別の従来例の一部省略せる概略斜視図である。

【図７】同上の一部省略せる概略断面図である。

【図８】他の従来例の一部省略せる概略断面図である。

【符号の説明】

１エミッタ２ゲート電極３絶縁層４ベース電極６基板７アノード９穴１０抵抗体１１導電層１２制御電極１３引き出し電極

フロントページの続き (72)発明者金子彰神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に形成した電極をベース層と
し、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
エミッタを突設し、このエミッタを微小間隙を介して前
記電子引き出し層に対置させ、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、夫々の
エミッタ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、前記ベース層が放出電子を制御する抵抗体を
含む制御電極と接続され、該制御電極の表面を空間に露
出させて成ることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記制御電極の上面が前記ベース層よりも
上に位置することを特徴とする請求項１記載の電子放出
素子。
【請求項３】前記制御電極の上面の電位分布を均一にす
ることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項４】抵抗体部分の引き出し電極及びベース層と
の接触面積を変化させることによって抵抗値を変化させ
るとともに制御電極面上の電位分布を変化させることを
特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項５】前記制御電極を複数個配置することを特徴
とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項６】前記制御電極を複数個配置することを特徴
とする請求項３記載の電子放出素子。
【請求項７】前記制御電極を複数個配置することを特徴
とする請求項４記載の電子放出素子。