JPH1167060A - Field emission cold cathode - Google Patents

Field emission cold cathode

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JPH1167060A
JPH1167060A JP22482297A JP22482297A JPH1167060A JP H1167060 A JPH1167060 A JP H1167060A JP 22482297 A JP22482297 A JP 22482297A JP 22482297 A JP22482297 A JP 22482297A JP H1167060 A JPH1167060 A JP H1167060A
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cold cathode
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field emission cold cathode in which a high density electron current can be obtained, and of which manufacture is easy. SOLUTION: Plural micro-field emission cathodes are disposed as concentric circles on a substrate, and rings of deflection electrodes 8, 9, 10... are provided to enclose the respective concentric circles. The rings of the delection electrodes 8-10 are connected to each other through resistances 11, the deflection electrode 8 as the innermost circle is connected to a gate electrode 5 of the micro-field emission cathode, and the ring of the deflection electrode 10 as the outermost circle is connected to a negative voltage source. For the rings of the deflection electrodes 8-10, therefore, a lower voltage is applied to one than that applied on one on the inner circumferential side of it, and a negative potential gradient is generated from a center part toward the outer circumferential part, thereby electrons field-emitted from a cone emitter 6 of the micro-field emission cathode are converged to a center part.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出を利用し
た電界放射冷陰極に関し、特に、複数の微小電界放射カ
ソードが配列された電界放射冷陰極に関する。
The present invention relates to a field emission cold cathode using field emission, and more particularly to a field emission cold cathode in which a plurality of minute field emission cathodes are arranged.

【0002】[0002]

【従来の技術】金属または半導体表面の印加電界を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。
これを電界放出(Field Emission )と云い、このよう
な原理で電子を放出するカソードを電界放射カソード
(FEC)と呼んでいる。近年、半導体加工技術を駆使
して、ミクロンサイズの電界放射カソード(微小電界放
射カソード)をアレイ状に集積して電界放射冷陰極を製
造することが可能となっている。
2. Description of the Related Art An electric field applied to a metal or semiconductor surface is 10
When the voltage is set to about 9 [V / m], electrons pass through the barrier due to the tunnel effect, and are emitted in a vacuum even at room temperature.
This is called field emission, and a cathode that emits electrons based on such a principle is called a field emission cathode (FEC). In recent years, it has been possible to manufacture a field emission cold cathode by integrating micron-sized field emission cathodes (micro field emission cathodes) in an array using semiconductor processing technology.

【0003】電界放射カソードとしては種々の構成のも
のが知られているが、その一例として、スピント(Spin
dt)型と呼ばれるFECが用いられた電界放射冷陰極の
構成を図6の(a)に示す。なお、電界放射冷陰極は真
空雰囲気中で動作するものであるが、以下の図および説
明においては真空雰囲気とする構成は省略する。図6の
(a)において、シリコンあるいはガラス等の基板10
1上にモリブデンやニオブ等の金属で形成されたカソー
ド電極102が形成され、その上に不純物がドープされ
たアモルファスシリコン等からなる抵抗層103が形成
されている。この抵抗層103の上には、モリブデン等
の金属からなるコーン状のエミッタ106が複数個配列
されており、また、抵抗層103上の前記エミッタ10
6が形成されていない部分には二酸化シリコン(SiO
2 ) 等からなる絶縁層104が形成され、この絶縁層1
04の上にゲート電極105が形成されている。すなわ
ち、ゲート電極105および絶縁層104に設けられた
開口部107の中に上記コーン状のエミッタ106が位
置し、その先端部分が開口部107から臨む構成とされ
ている。
[0003] Various types of field emission cathodes are known. One example of such a field emission cathode is Spindt.
FIG. 6A shows a configuration of a field emission cold cathode using an FEC called a dt) type. Although the field emission cold cathode operates in a vacuum atmosphere, the configuration in the vacuum atmosphere is omitted in the following drawings and description. In FIG. 6A, a substrate 10 such as silicon or glass is used.
1, a cathode electrode 102 made of a metal such as molybdenum or niobium is formed, and a resistance layer 103 made of amorphous silicon doped with impurities is formed thereon. A plurality of cone-shaped emitters 106 made of metal such as molybdenum are arranged on the resistance layer 103.
Silicon dioxide (SiO 2)
2 ) is formed, and the insulating layer 1 is formed.
The gate electrode 105 is formed on the gate electrode 04. That is, the cone-shaped emitter 106 is located in the opening 107 provided in the gate electrode 105 and the insulating layer 104, and the tip portion faces the opening 107.

【0004】このコーン状のエミッタ106間のピッチ
は10μm以下とすることができ、数万から数10万個
のエミッタ106を1枚の基板上に設けることができ
る。さらに、ゲート電極105とエミッタ106のコー
ンの先端との距離をサブミクロン単位とすることができ
るため、ゲート電極105とエミッタ106との間にわ
ずか数10ボルトのゲート−エミッタ間電圧Vgeを印加
することにより、電子をエミッタ106から電界放出す
ることができる。ゲート電極105上に離隔して正の電
圧Va が印加されたアノード電極108を対向して設け
ておくと、エミッタ106から電界放出された電子をこ
のアノード電極108により捕集することができる。
The pitch between the cone-shaped emitters 106 can be set to 10 μm or less, and tens of thousands to hundreds of thousands of emitters 106 can be provided on one substrate. Further, since the distance between the gate electrode 105 and the tip of the cone of the emitter 106 can be set in submicron units, a gate-emitter voltage Vge of only several tens of volts is applied between the gate electrode 105 and the emitter 106. This allows electrons to be field-emitted from the emitter 106. If the anode electrode 108 to which the positive voltage Va is applied is provided opposite to the gate electrode 105, electrons emitted from the emitter 106 can be collected by the anode electrode 108.

【0005】なお、上述のように、コーン状のエミッタ
106の先端とゲート電極105との距離がサブミクロ
ン単位という極めて短い距離とされているとともに、非
常に多数のエミッタ106が一枚の基板101上に設け
られているため、製造過程において塵埃などによりゲー
ト105とエミッタ106とが短絡する恐れがあり、そ
の一つでも短絡すると全てのゲート−エミッタ間に電圧
が印加されなくなり動作不能となってしまうことや、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る。そこで、上述した抵抗層
103を設け、あるエミッタ106に流れる電流の増加
に応じて該エミッタ106の電子放出を抑制する方向に
電圧降下を生じさせ、特定のエミッタ106への電流の
集中を防止し、電界放射冷陰極の製造上の歩留まりの向
上や安定な動作を図るようにしている。
As described above, the distance between the tip of the cone-shaped emitter 106 and the gate electrode 105 is extremely short, on the order of submicron, and a very large number of emitters 106 are formed on one substrate 101. Since the gate 105 and the emitter 106 may be short-circuited due to dust or the like during the manufacturing process, if any one of them is short-circuited, no voltage is applied between all the gates and the emitter, and the operation becomes impossible. In some cases, local degassing occurs during the initial operation, and this gas may cause a discharge between the emitter and the gate or the anode, causing a large current to flow to the cathode and destroying the cathode. is there. Therefore, the above-described resistance layer 103 is provided, and a voltage drop is generated in a direction in which electron emission of the emitter 106 is suppressed in accordance with an increase in the current flowing through the certain emitter 106, thereby preventing the current from being concentrated on a specific emitter 106. Therefore, the production yield of the field emission cold cathode is improved and stable operation is achieved.

【0006】ここで、このような電界放射冷陰極は、通
常、以下のような工程で製造される。まず、基板101
上に、カソード電極102、抵抗層103、絶縁層10
4、ゲート電極105を順次成膜して積層基板を形成す
る。次に、該積層基板の最上面、すなわちゲート電極1
05上にフォトレジスト層を塗布した後、該フォトレジ
スト層に開口部107に対応する開口パターンを形成す
る。次に、エッチングにより、前記ゲート電極105お
よび前記絶縁層104に前記開口パターンに対応する開
口を形成する。次に、前記ゲート電極105の表面に剥
離層を形成し、モリブデン等の高融点金属材料を蒸着す
ることによりコーン状のエミッタ106を形成し、前記
剥離層を除去する。このようにして、基板101上に多
数の微小電界放射カソードを同時に製造している。
Here, such a field emission cold cathode is usually manufactured by the following steps. First, the substrate 101
The cathode electrode 102, the resistive layer 103, the insulating layer 10
4. A gate electrode 105 is sequentially formed to form a laminated substrate. Next, the uppermost surface of the laminated substrate, that is, the gate electrode 1
After applying a photoresist layer on the photoresist layer 05, an opening pattern corresponding to the opening 107 is formed in the photoresist layer. Next, an opening corresponding to the opening pattern is formed in the gate electrode 105 and the insulating layer 104 by etching. Next, a release layer is formed on the surface of the gate electrode 105, and a high melting point metal material such as molybdenum is deposited to form a cone-shaped emitter 106, and the release layer is removed. In this way, a large number of minute field emission cathodes are simultaneously manufactured on the substrate 101.

【0007】さて、一般に、前記微小電界放射カソード
のコーン状エミッタ106からは、電子が所定の拡がり
角をもって放出されることが知られている。そこで、こ
のようなコーン状のエミッタから放出される電子の軌道
を集束させるようにした電界放射カソードが提案されて
いる。この電界放射カソードは、前述したゲート電極に
加えてエミッタ106から放出された電子を集束させる
ための電極(以下、集束電極と呼ぶ)を前記ゲート電極
の上方に設けることにより、前記コーン状のエミッタ1
06から放出された電子の拡がりを防止している。
[0007] It is generally known that electrons are emitted from the cone-shaped emitter 106 of the small field emission cathode at a predetermined spread angle. Therefore, a field emission cathode has been proposed in which the trajectories of electrons emitted from such a cone-shaped emitter are focused. The field emission cathode is provided with an electrode (hereinafter, referred to as a focusing electrode) for focusing electrons emitted from the emitter 106 above the gate electrode in addition to the gate electrode described above. 1
The spread of the electrons emitted from 06 is prevented.

【0008】この電界放射冷陰極における微小電界放射
カソードの構成例を図6の(b)に示す。この図におい
て、前記図6(a)と同一の構成要素には同一の番号を
付して、説明の重複を省くこととする。図示するよう
に、この微小電界放射カソードにおいては、ゲート電極
105の上部にも絶縁層109を設け、その上に集束電
極110が設けられており、この集束電極110にはカ
ソード電極102、エミッタ106に対して負の電圧が
印加するようにしている。このようにゲート電極105
の上方に集束電極110を設け、該集束電極110に負
の電圧Vgsを印加することにより、エミッタ106から
放出された電子の軌道は、該集束電極110により集束
されて、アノード電極108に到達することとなる。こ
のように、集束電極110により微小電界放射カソード
のエミッタ106から放出される電子の軌道を集束させ
ることが可能となる。
FIG. 6B shows an example of the configuration of a minute field emission cathode in this field emission cold cathode. In this figure, the same components as those in FIG. 6A are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. As shown in the figure, in this minute field emission cathode, an insulating layer 109 is also provided above a gate electrode 105, and a focusing electrode 110 is provided thereon. The focusing electrode 110 has a cathode electrode 102, an emitter 106 , A negative voltage is applied. Thus, the gate electrode 105
Of the electron emitted from the emitter 106 is focused by the focusing electrode 110 to reach the anode electrode 108 by applying a negative voltage Vgs to the focusing electrode 110. It will be. As described above, the focusing electrode 110 can focus the trajectory of the electrons emitted from the emitter 106 of the micro field emission cathode.

【0009】このような電界放射冷陰極は、熱陰極と比
較して高い電流密度を得ることができる、放出電子の速
度分散が小さい、熱発生がなく低消費電力である等の利
点を有しており、フラットパネルディスプレイや各種セ
ンサ等における電子源としての利用が提案されている。
また、上述したような特性を利用して、電界放射冷陰極
をマイクロ波管等の電子銃として用いることが提案され
ている(特開平8−255558号公報)。
Such a field emission cold cathode has advantages that a higher current density can be obtained as compared with a hot cathode, the speed dispersion of emitted electrons is small, heat is not generated, and power consumption is low. The use as an electron source in flat panel displays, various sensors, and the like has been proposed.
Further, it has been proposed to use a field emission cold cathode as an electron gun such as a microwave tube by utilizing the above-described characteristics (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-255558).

【0010】図7に、この提案されている電界放射冷陰
極を用いた電子銃の構成を示す。この図において、11
1は基板であり、112に示すように球面状に構成され
ている。113は該球面状に形成された基板111上に
形成された絶縁層、114は該絶縁層113の上に形成
されたゲート電極層である。これら、基板111、球面
112、絶縁層113およびゲート電極層114によ
り、電界放射冷陰極115が構成されている。また、1
16は前記基板111を加工して形成された円錐状のエ
ミッタ、117は空洞部、118は開口部であり、これ
らにより微小電界放射カソード119が形成されてい
る。また、121はウエーネルト電極、122は陽極で
あり、このウエーネルト電極121には基板111ある
いは電極層114と同電位かあるいは負の電位が印加さ
れ、陽極122には基板111に対して1kV〜数kV
の電圧が印加される。このように構成された電子銃にお
いて、各微小電界放出カソード119は球面112上に
形成されており、各エミッタ116から放出された電子
は、ウエーネルト電極121により集束され、高密度の
電子ビーム123が得られる。
FIG. 7 shows a configuration of an electron gun using the proposed field emission cold cathode. In this figure, 11
Reference numeral 1 denotes a substrate, which is formed in a spherical shape as indicated by reference numeral 112. Reference numeral 113 denotes an insulating layer formed on the spherical substrate 111, and reference numeral 114 denotes a gate electrode layer formed on the insulating layer 113. The substrate 111, the spherical surface 112, the insulating layer 113 and the gate electrode layer 114 constitute a field emission cold cathode 115. Also, 1
Reference numeral 16 denotes a conical emitter formed by processing the substrate 111, 117 denotes a cavity, and 118 denotes an opening. These form a minute field emission cathode 119. Reference numeral 121 denotes a Wehnelt electrode; 122, an anode; the same potential or a negative potential as that of the substrate 111 or the electrode layer 114 is applied to the Wehnelt electrode 121;
Is applied. In the electron gun configured as described above, each minute field emission cathode 119 is formed on a spherical surface 112, and electrons emitted from each emitter 116 are focused by a Wehnelt electrode 121, and a high-density electron beam 123 is formed. can get.

【0011】この電界放射冷陰極は、集束イオンビーム
(FIB)による加工法を用いて製造される。まず、基
板111の表面に機械的方法によって球面112が形成
され、その上に、絶縁層113、電極層114が積層さ
れる。次に、イオンビーム発生装置を用いて、集束イオ
ンビームを電子放出領域となる球面112の部分に照射
し、基板111の位置と方向を制御して直径1μm 以下
の円を描くようにイオンビームを制御して、その部分の
電極層114、絶縁層113および基板111の一部分
を除去して、開口部118、空洞部117およびエミッ
タ116を同時に形成する。
The field emission cold cathode is manufactured by a processing method using a focused ion beam (FIB). First, a spherical surface 112 is formed on the surface of a substrate 111 by a mechanical method, and an insulating layer 113 and an electrode layer 114 are stacked thereon. Next, using a ion beam generator, a focused ion beam is applied to the portion of the spherical surface 112 serving as an electron emission region, and the position and direction of the substrate 111 are controlled so that the ion beam is drawn so as to draw a circle having a diameter of 1 μm or less. By controlling, the electrode layer 114, the insulating layer 113, and a part of the substrate 111 are removed to form the opening 118, the cavity 117, and the emitter 116 at the same time.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】図7に示した電界放射
冷陰極を用いた電子銃によれば、球面状に形成された基
板111上に各微小電界放射カソードが配列されている
ために、各微小電界放射カソードから放出された電子の
集束比を大きくすることができ、電流密度が高く、安定
な電子ビーム123を形成することが可能となる。しか
しながら、集束イオンビーム(FIB)による加工方法
を用いて球面状に電界放射冷陰極を形成しているため、
開口部117、コーン状のエミッタ116等を順次形成
することが必要となり、製造工程が複雑かつ各エミッタ
レベルでの均一性、再現性が困難という問題点がある。
According to the electron gun using the field emission cold cathode shown in FIG. 7, the minute field emission cathodes are arranged on the substrate 111 having a spherical shape. The convergence ratio of the electrons emitted from each minute field emission cathode can be increased, and the current density is high and a stable electron beam 123 can be formed. However, since the field emission cold cathode is formed in a spherical shape using a processing method using a focused ion beam (FIB),
It is necessary to sequentially form the opening 117, the cone-shaped emitter 116, and the like, so that the manufacturing process is complicated and uniformity and reproducibility at each emitter level are difficult.

【0013】そこで、本発明は、容易に製造することが
でき、放出された電子の軌道を集束して高密度の電子流
を得ることのできる電界放射冷陰極を提供することを目
的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a field emission cold cathode which can be easily manufactured and can obtain a high-density electron flow by focusing the trajectories of emitted electrons.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放射冷陰極は、同心円状に配列された
複数の微小電界放射カソードと、前記微小電界放射カソ
ードの配列における各同心円を取り囲むように形成され
た複数のリング状の偏向電極とを備えている。また、前
記複数のリング状の偏向電極において、外周側に位置す
るリング状の偏向電極はその内周側に位置するリング状
の偏向電極よりも低い電圧が印加されるようになされて
いる。さらに、前記複数のリング状の偏向電極は抵抗領
域を介して接続されている。
In order to achieve the above object, a field emission cold cathode according to the present invention comprises a plurality of concentrically arranged minute field emission cathodes, and each concentric circle in the arrangement of the minute field emission cathodes. And a plurality of ring-shaped deflection electrodes formed so as to surround. Further, in the plurality of ring-shaped deflection electrodes, a lower voltage is applied to the ring-shaped deflection electrode located on the outer periphery side than to the ring-shaped deflection electrode located on the inner periphery side. Further, the plurality of ring-shaped deflection electrodes are connected via a resistance region.

【0015】リング状の偏向電極により、中心から外周
に向かって負の電位勾配が形成されるため、各微小電界
放射カソードから放出された電子が、中心部に向かって
偏向される。したがって、製造が容易な平面状の基板に
形成された場合であっても高電流密度の電子ビームを生
成することができる。
Since a negative potential gradient is formed from the center toward the outer periphery by the ring-shaped deflection electrode, electrons emitted from each minute field emission cathode are deflected toward the center. Therefore, an electron beam with a high current density can be generated even when the electron beam is formed on a flat substrate that is easy to manufacture.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は本発明の電界放射冷陰極の
概略構成を示す図であり、(a)は本発明の電界放射冷
陰極の平面図、(b)はその断面図である。図1におい
て、1はガラス等からなる絶縁性基板、2は該基板上に
アルミニウム等の金属でストライプ状に形成されたカソ
ード電極、3は前記基板1およびカソード電極2上に設
けられたアモルファスシリコン等からなる抵抗層であ
る。6は前記抵抗層3上にモリブデン等の金属で形成さ
れたコーン状のエミッタ、4は前記抵抗層3上のエミッ
タ6が形成されていない領域に形成された絶縁層、5は
該絶縁層4上に形成されたゲート電極(引き出しゲート
電極)、7は開口部である。前記エミッタ6、ゲート電
極5により前述のように微小電界放射カソードが形成さ
れており、図1の(a)に示すように、各微小電界放射
カソードは同心円状に配列されている。なお、前記微小
電界放射カソードの同心円状の配列を、以下アレイリン
グとよぶこととする。また、この図においてはアレイリ
ングの数を3個のみ記載しているが、この数は電流密度
等に応じて、任意の数とすることができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a view showing a schematic structure of a field emission cold cathode of the present invention, wherein (a) is a plan view of the field emission cold cathode of the present invention, and (b) is a cross-sectional view thereof. . In FIG. 1, 1 is an insulating substrate made of glass or the like, 2 is a cathode electrode formed of a metal such as aluminum on the substrate in a stripe shape, and 3 is amorphous silicon provided on the substrate 1 and the cathode electrode 2. And the like. Reference numeral 6 denotes a cone-shaped emitter made of a metal such as molybdenum on the resistance layer 3, 4 denotes an insulating layer formed in a region of the resistance layer 3 where the emitter 6 is not formed, and 5 denotes an insulating layer. A gate electrode (pull-out gate electrode) 7 formed above is an opening. The emitter 6 and the gate electrode 5 form a minute field emission cathode as described above. As shown in FIG. 1A, the minute field emission cathodes are arranged concentrically. The concentric arrangement of the minute field emission cathodes is hereinafter referred to as an array ring. Although only three array rings are shown in this figure, the number can be any number depending on the current density and the like.

【0017】また、8、9および10は前記絶縁層4上
に前記アレイリングを取り囲むように形成されたリング
状の偏向電極であり、最内周のリング状の偏向電極を
8、以下、外周に向かって9、10とする。なお、この
図には、3つのリング状偏向電極だけが図示されている
が、このリング状偏向電極の数は、前記アレイリングの
数に対応して任意のものとすることができる。さらに、
11は抵抗、12は負の電圧が印加される端子であり、
図示するように抵抗11はゲート電極5と前記端子12
との間の電圧を分圧して、前記リング状偏向電極8、
9、10に対して、外周になるほど低い偏向電圧を印加
することにより高い偏向電界を得るようになされてい
る。これにより、この電界放射冷陰極の近傍には、その
中心部から外周側に向かって負の電位勾配が形成される
こととなり、エミッタ6から電界放射された電子が中心
に向かって偏向させられることとなる。なお、前記抵抗
11は、実際には、各偏向電極間、あるいは偏向電極と
前記ゲート電極間を細い抵抗領域で接続することにより
実現することができる。また、図1には、前記基板1は
ガラス等の絶縁基板の場合を示したが、p型高抵抗Si
基板上に電気的に絶縁されたカソードライン2をイオン
注入等で作りつけてもよい。
Reference numerals 8, 9 and 10 denote ring-shaped deflecting electrodes formed on the insulating layer 4 so as to surround the array ring. 9 and 10 toward. Although only three ring-shaped deflection electrodes are shown in this figure, the number of ring-shaped deflection electrodes can be any number corresponding to the number of array rings. further,
11 is a resistor, 12 is a terminal to which a negative voltage is applied,
As shown, the resistor 11 is connected to the gate electrode 5 and the terminal 12.
Is divided into the ring-shaped deflection electrodes 8,
A higher deflection electric field is obtained by applying a lower deflection voltage to the outer circumferences of 9, 9 and 10. As a result, a negative potential gradient is formed in the vicinity of the field emission cold cathode from the center toward the outer periphery, and electrons emitted from the emitter 6 are deflected toward the center. Becomes Note that the resistor 11 can be actually realized by connecting between the deflection electrodes or between the deflection electrode and the gate electrode with a thin resistance region. FIG. 1 shows a case where the substrate 1 is an insulating substrate made of glass or the like.
The cathode line 2 electrically insulated from the substrate may be formed by ion implantation or the like.

【0018】図2に、このように構成された本発明の電
界放射冷陰極における各エミッタ5から放出される電子
軌道のシミュレーション結果の一例を示す。図2におい
て、(a)は左側に設けられた微小電界放射カソードの
エミッタ6から放出される電子の軌道を示す図であり、
(b)は、中心部分に設けられたエミッタ6から放出さ
れる電子の軌道を示す図である。また、8〜10は前記
リング状偏向電極を示しており、この図に示したシミュ
レーションにおいては、前記最内周のリング状偏向電極
8にはVg1=0V、リング状偏向電極9にはVg2=−1
00V、リング状偏向電極10にはVg3=−200Vの
偏向電圧がそれぞれ印加されているものとしてある。ま
た、電流密度の相対強度を各グラフ直上の棒グラフの大
きさで示してある。
FIG. 2 shows an example of a simulation result of the electron orbit emitted from each emitter 5 in the field emission cold cathode of the present invention thus configured. 2A is a diagram showing the trajectory of electrons emitted from the emitter 6 of the small field emission cathode provided on the left side, and FIG.
(B) is a diagram showing the trajectory of electrons emitted from the emitter 6 provided at the center. Reference numerals 8 to 10 denote the ring-shaped deflection electrodes. In the simulation shown in this figure, Vg1 = 0 V is applied to the innermost ring-shaped deflection electrode 8, and Vg2 = Vg2 is applied to the ring-shaped deflection electrode 9. -1
It is assumed that a deflection voltage of Vg3 = −200 V is applied to the ring-shaped deflection electrode 10 at 00 V, respectively. The relative intensity of the current density is indicated by the size of a bar graph immediately above each graph.

【0019】図2の(a)に示されているように、中心
から離れた位置のエミッタ6から放出された電子は、前
記リング状偏向電極8〜10に印加されている偏向電圧
に起因する電位勾配により、外周側のリングアレイから
放出された電子ほどその軌道が中心方向により多く偏向
されている。また、(b)に示されているように、中心
位置に設けられたエミッタ6から放出された電子はその
直上に向かって進行している。したがって、中心位置の
直上の位置には、前記各エミッタ6から放出された電子
が集中することとなり、高密度の電子ビームを得ること
ができる。
As shown in FIG. 2A, the electrons emitted from the emitter 6 at a position away from the center are caused by the deflection voltage applied to the ring-shaped deflection electrodes 8 to 10. Due to the potential gradient, the trajectory of the electrons emitted from the outer ring array is more deflected toward the center. Further, as shown in (b), the electrons emitted from the emitter 6 provided at the center position are proceeding directly above. Therefore, the electrons emitted from each of the emitters 6 are concentrated at a position immediately above the center position, and a high-density electron beam can be obtained.

【0020】このようにして、同心円上に微小電界放出
カソードのアレイリングを設け、各アレイリングを取り
囲むように複数のリング状偏向電極を設けて、該複数の
リング状偏向電極に対し内側のものから外側のものに対
して順に引き出し電圧よりより低い電圧を印加して、電
界放射冷陰極の中心からに外側に向かって負の電位勾配
を与えることにより、微小電界放射カソードから放出さ
れる電子を集中させることができる。なお、この電子の
集中の度合は前記電位勾配により制御することができ、
前記リング状偏向電極に印加する電圧、各リング状偏向
電極の幅や位置、あるいはアレイリングの位置等により
制御することができる。このように、本発明の電界放射
冷陰極によれば、同心円状に配置された微小電界放射カ
ソードアレイから放出された電子を効果的に集中させる
ことができる。また、前記微小電界放射カソードアレイ
は、平面とされた基板上に形成されているので、前述し
た簡単なプロセスを用いて容易に製造することができ
る。
In this manner, an array ring of minute field emission cathodes is provided on a concentric circle, and a plurality of ring-shaped deflection electrodes are provided so as to surround each array ring. From the center of the field emission cold cathode to give a negative potential gradient from the center of the field emission cold cathode to the outside, so that electrons emitted from the minute field emission cathode are You can focus. The degree of concentration of the electrons can be controlled by the potential gradient.
It can be controlled by the voltage applied to the ring-shaped deflection electrodes, the width and position of each ring-shaped deflection electrode, or the position of the array ring. As described above, according to the field emission cold cathode of the present invention, the electrons emitted from the small field emission cathode array arranged concentrically can be effectively concentrated. Further, since the micro field emission cathode array is formed on a flat substrate, it can be easily manufactured by using the above-described simple process.

【0021】図3は、前記リング状偏向電極8〜10に
印加する電圧を変化させたときの、電流密度分布、すな
わち電子の軌道の変化をシミュレーションした結果の一
例を示す図である。ここで、Vg1、Vg2およびVg3は、
それぞれ、リング状偏向電極8、9および10に印加さ
れる偏向電圧である。また、横軸は距離、縦軸は前記電
界放射冷陰極から所定間隔をもって設けられたアノード
電極の電流値相対分布、すなわちその位置に到達した電
子の量を示している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a result of simulating a current density distribution, that is, a change in the electron trajectory when the voltage applied to the ring-shaped deflection electrodes 8 to 10 is changed. Here, Vg1, Vg2 and Vg3 are:
These are deflection voltages applied to the ring-shaped deflection electrodes 8, 9 and 10, respectively. The horizontal axis represents the distance, and the vertical axis represents the current value relative distribution of the anode electrode provided at a predetermined interval from the field emission cold cathode, that is, the amount of electrons reaching the position.

【0022】図3の(a)〜(d)にそれぞれ示すよう
に、前記リング状偏向電極8〜10に異なる偏向電圧を
印加することにより、電子が到達する位置(到達スポッ
ト)が変化している。このシミュレーションにおいて
は、リング状偏向電極8〜10にそれぞれ電圧Vg1=−
50V、Vg2=−100V、Vg3=−200Vを印加し
た(d )の場合に、到達スポット径が60μm となり、
電子が最も集束されていることがわかる。
As shown in FIGS. 3A to 3D, by applying different deflection voltages to the ring-shaped deflection electrodes 8 to 10, the position where the electrons reach (the arrival spot) changes. I have. In this simulation, the voltages Vg1 = − are applied to the ring-shaped deflection electrodes 8 to 10, respectively.
In the case of (d) where 50 V, Vg2 = -100 V and Vg3 = -200 V were applied, the spot diameter reached was 60 μm,
It can be seen that the electrons are most focused.

【0023】次に、本発明の第2の実施の形態につい
て、図4を参照して説明する。この実施の形態は、前記
リング状偏向電極を前記ゲート電極5の上方に形成する
ようにしたものであり、図4の(a)はその平面図、
(b)はその断面図である。なお、図4において、前記
図1と同一の構成要素には同一の番号を付して、説明の
重複を避けることとする。図示するように、この実施の
形態においては、ゲート電極5の上部に第2の絶縁体層
13が形成され、該絶縁体層13の上部に前述したリン
グ状偏向電極8〜10が形成されている。また、図4の
(a)に示した14は、ゲート電極5とリング状偏向電
極8、リング状偏向電極8と9、リング状偏向電極9と
10、リング状偏向電極10とその外周にさらに設けら
れているリング状偏向電極あるいは端子のあいだを接続
する抵抗領域である。この抵抗領域14により、前記ゲ
ート電極5のゲート電圧と図示しない端子に印加されて
いる負の電圧とを分圧して、各リング状偏向電極に所定
の偏向電圧を印加している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the ring-shaped deflection electrode is formed above the gate electrode 5, and FIG. 4A is a plan view thereof.
(B) is a sectional view thereof. In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals to avoid duplication of description. As shown, in this embodiment, a second insulator layer 13 is formed above the gate electrode 5, and the above-described ring-shaped deflection electrodes 8 to 10 are formed above the insulator layer 13. I have. Further, reference numeral 14 shown in FIG. 4A indicates that the gate electrode 5 and the ring-shaped deflection electrode 8, the ring-shaped deflection electrodes 8 and 9, the ring-shaped deflection electrodes 9 and 10, the ring-shaped deflection electrode 10 and the outer periphery thereof are further provided. This is a resistance region for connecting between the provided ring-shaped deflection electrodes or terminals. The resistance region 14 divides a gate voltage of the gate electrode 5 and a negative voltage applied to a terminal (not shown) to apply a predetermined deflection voltage to each ring-shaped deflection electrode.

【0024】さて、以上に説明した実施の形態は、前述
した図6の(a)に示した微小電界放射カソード構造を
用いたものであるが、前記図6の(b)に示した集束電
極を有する微小電界放射カソードを用いる本発明のさら
に他の実施の形態について説明する。図5は、この本発
明のさらに他の実施の形態の構成の一例を示す図であ
り、(a)はその平面図、(b)はその断面を示す図で
ある。なお、この図において、前記図1および図2と同
一の構成要素には同一の番号を付して説明の重複を避け
ることとする。この図5には、前記抵抗領域14が絶縁
層1中に形成された場合を示す。
In the embodiment described above, the microfield emission cathode structure shown in FIG. 6A is used, but the focusing electrode shown in FIG. 6B is used. Still another embodiment of the present invention using a small field emission cathode having the following will be described. FIGS. 5A and 5B are views showing an example of the configuration of still another embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A is a plan view thereof, and FIG. In this figure, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals to avoid duplication of description. FIG. 5 shows a case where the resistance region 14 is formed in the insulating layer 1.

【0025】図示するように、この実施の形態において
は、第2の絶縁体層13の上部の前記開口部7の近傍に
前記図4の(b)に示したと同様に集束電極15が設け
られている。本発明においては、前述のように微小電界
放射カソードはリング状に形成されたアレイリングとさ
れているために、前記集束電極15もリング状に形成さ
れており、これを集束電極リングとよぶこととする。そ
して、このような集束電極リングのあいだには、前記リ
ング状偏向電極8〜10が外周に向かって配置されてい
る。すなわち、この実施の形態においては、前記第2の
絶縁体層13の上部に、リング状偏向電極と集束電極リ
ングが同心円状に交互に配置されている。そして、14
は前記リング状偏向電極間、および、最内周のリング状
偏向電極8と前記ゲート電極5との間を接続する抵抗領
域である。前記ゲート電極5は第1の絶縁体層4の上部
に形成されているので、前記最内周のリング状偏向電極
8とゲート電極5とを抵抗領域14を介して接続するた
めに、この実施の形態においては、図の(a)に示すよ
うに、1つの微小電界放射カソードの開口部7を使用し
てこの接続を行っている。また、前記集束電極15に同
一の負の電位を供給するために、図に示すように、各集
束電極リングは接続領域16により相互に接続されてい
る。
As shown, in this embodiment, a focusing electrode 15 is provided near the opening 7 above the second insulator layer 13 in the same manner as shown in FIG. 4B. ing. In the present invention, since the minute field emission cathode is an array ring formed in a ring shape as described above, the focusing electrode 15 is also formed in a ring shape, which is referred to as a focusing electrode ring. And The ring-shaped deflection electrodes 8 to 10 are arranged between the focusing electrode rings toward the outer periphery. That is, in this embodiment, ring-shaped deflection electrodes and focusing electrode rings are alternately arranged concentrically on the second insulator layer 13. And 14
Are resistance regions connecting between the ring-shaped deflection electrodes and between the innermost ring-shaped deflection electrode 8 and the gate electrode 5. Since the gate electrode 5 is formed on the first insulator layer 4, this connection is required to connect the innermost ring-shaped deflection electrode 8 and the gate electrode 5 via the resistance region 14. In this embodiment, as shown in FIG. 2A, this connection is made using an opening 7 of one small field emission cathode. Further, in order to supply the same negative potential to the focusing electrodes 15, the focusing electrode rings are connected to each other by a connection region 16 as shown in FIG.

【0026】以上説明した本発明の電界放射冷陰極は、
マイクロ波管等の電子ビーム源としてだけではなく、た
とえば、ビーム加工機等の電子源としても使用すること
ができる。また、電界放出カソードとしてスピント型の
ものを例にとって説明したが、これに限られることはな
く、他のタイプのものであっても本発明を適用すること
ができる。
The field emission cold cathode of the present invention described above
It can be used not only as an electron beam source such as a microwave tube, but also as an electron source such as a beam processing machine. In addition, although the Spindt type field emission cathode has been described as an example, the invention is not limited thereto, and the present invention can be applied to other types.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように、本発明の電界放射冷陰極
によれば、リング状の偏向電極により、中心部から外周
に向かって負の電位勾配を発生させているために、各微
小電界放射カソードから放出された電子を集束させるこ
とができる。したがって、加工が容易な平面状の基板を
用いて高電流密度の電子銃を形成することができる。
As described above, according to the field emission cold cathode of the present invention, the ring-shaped deflection electrode generates a negative potential gradient from the center to the outer periphery. Electrons emitted from the emission cathode can be focused. Therefore, an electron gun having a high current density can be formed using a flat substrate that can be easily processed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電界放射冷陰極の第1の実施の形態の
概略構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a field emission cold cathode according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の電界放射冷陰極から放出される電子軌
道のシミュレーション結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a simulation result of electron orbits emitted from the field emission cold cathode of the present invention.

【図3】本発明におけるリング状の偏向電極に印加する
電圧を変化させたときの電流密度分布のシミュレーショ
ン結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of a current density distribution when a voltage applied to a ring-shaped deflection electrode in the present invention is changed.

【図4】本発明の電界放射冷陰極の他の実施の形態の概
略構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the field emission cold cathode of the present invention.

【図5】本発明の電界放射冷陰極のさらに他の実施の形
態の概略構成を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of still another embodiment of the field emission cold cathode of the present invention.

【図6】従来の電界放射冷陰極の構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional field emission cold cathode.

【図7】提案されている電界放射冷陰極の構成を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a proposed field emission cold cathode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、101、111 基板 2、102 カソード電極 3、103 抵抗層 4、13、104、109、113 絶縁層 5、105、114 ゲート電極 6、106、116 エミッタ 7、107、118 開口部 8、9、10 リング状偏向電極 11 抵抗 12 端子 14 抵抗領域 15、110 集束電極 16 接続部 107 空洞部 108 アノード 112 球面部 115 電界放射冷陰極 119 微小電界放射カソード 1, 101, 111 Substrate 2, 102 Cathode electrode 3, 103 Resistive layer 4, 13, 104, 109, 113 Insulating layer 5, 105, 114 Gate electrode 6, 106, 116 Emitter 7, 107, 118 Opening 8, 9 , 10 ring-shaped deflection electrode 11 resistor 12 terminal 14 resistance region 15, 110 focusing electrode 16 connection portion 107 cavity 108 anode 112 spherical portion 115 field emission cold cathode 119 minute field emission cathode

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同心円状に配列された複数の微小電界
放射カソードと、 前記微小電界放射カソードの配列における各同心円を取
り囲むように形成された複数のリング状の偏向電極とを
備えることを特徴とする電界放射冷陰極。
A plurality of minute field emission cathodes arranged concentrically; and a plurality of ring-shaped deflection electrodes formed so as to surround each concentric circle in the arrangement of the minute field emission cathodes. Field emission cold cathode.
【請求項2】 前記複数のリング状の偏向電極におい
て、外周側に位置するリング状の偏向電極はその内周側
に位置するリング状の偏向電極よりも低い電圧が印加さ
れるようになされていることを特徴とする前記請求項1
記載の電界放射冷陰極。
2. In the plurality of ring-shaped deflection electrodes, a lower voltage is applied to a ring-shaped deflection electrode located on an outer peripheral side than to a ring-shaped deflection electrode located on an inner peripheral side thereof. The said claim 1 characterized by the above-mentioned.
The field emission cold cathode as described.
【請求項3】 前記複数のリング状の偏向電極は抵抗
領域を介して接続されていることを特徴とする前記請求
項1あるいは2に記載の電界放射冷陰極。
3. The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the plurality of ring-shaped deflection electrodes are connected via a resistance region.
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