JP2008084681A - Field emission type electron source element, and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マトリクス型の電界放出型電子源素子(電界放出冷陰極素子)、及びこれを用いた撮像装置に関する。 The present invention relates to a matrix-type field emission electron source element (field emission cold cathode element) and an imaging apparatus using the same.
従来、撮像装置として、光導電型撮像管が知られている。光導電型撮像管は、入射光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する光導電膜を備えている。光導電膜中で発生して蓄積された信号電荷を、電子ビームによって時系列的に外部回路に読み出して、入射光量の空間的分布に対応した電気信号を発生することができる。 Conventionally, a photoconductive imaging tube is known as an imaging device. The photoconductive imaging tube includes a photoconductive film that generates and accumulates signal charges according to the amount of incident light. Signal charges generated and accumulated in the photoconductive film can be read out to an external circuit in time series by an electron beam, and an electrical signal corresponding to the spatial distribution of the incident light quantity can be generated.
電子ビームを照射する手段として、従来の熱電子タイプに代えて、電界放出型電子源素子を使用した電子管が、例えば特許文献1に提案されている。電界放出型電子源素子は、熱陰極と比較して高い電流密度が得られ、また放出電子の速度分布が小さい等の利点がある。 As a means for irradiating an electron beam, an electron tube using a field emission type electron source element instead of the conventional thermoelectron type is proposed in Patent Document 1, for example. The field emission electron source device has advantages such as a higher current density than that of the hot cathode and a small velocity distribution of emitted electrons.
図3は、マトリクス型の電界放出型電子源素子の電極配置を示す平面図である。
横軸(X軸)方向に延びた帯状のカソード電極303と、横軸と直交する縦軸(Y軸)方向に延びた帯状のゲート電極304とがマトリクス状に配置されている。
FIG. 3 is a plan view showing an electrode arrangement of a matrix type field emission electron source element.
A strip-
カソード電極303はシリコン基板301の一部を用いて形成され、カソード電極303上に、エミッタ(電子放出源)の集合体であるエミッタ群302が形成されている。エミッタ群302は、円状に示している。一つのエミッタ群302には、およそ数百から数千のエミッタが作り込まれている。
The
ゲート電極304は、カソード電極303の上側にパターニングされて配置されている。このため、図3の例では、ゲート電極304の下面にカソード電極303のラインが隠れていることになる。
The
カソード電極303、ゲート電極304の両電極をマトリクス駆動することにより、両電極の交点のエミッタ群302から電子を放出させることができる。X方向、Y方向の各位置を選択して順次駆動することにより、光電子面上の蓄積電荷を読み出し、撮像素子として使用することができる。
By driving the
このマトリクス状に配置したゲート電極304、カソード電極303には、それぞれゲート電極パッド305、エミッタ電極パッド306から電位を供給することができる。両電極パッドは、エミッタの電子放出面と同じシリコン基板301の上面側に設けている。
A potential can be supplied to the
ゲート電極304とカソード電極303との交差部に対応したエミッタ群302が、1画素分に相当する。エミッタ群302は、時系列に画素単位で個別駆動ができるように分離されている。具体的には、左右に隣接するゲート電極のエミッタ群302同士は、電極を作製するときの電極パターニングにより分離され、上下に隣接するカソード電極のエミッタ群302同士は、シリコン基板上に作りこまれた絶縁膜で分離されている。
The
このような構成において、各画素を時系列的に選択しエミションさせる場合には、X方向Y方向のうちの一方の電極を時系列的に順次選択する。選択された一方の電極群のある一つの電極を選択している間の時間内に、他方の電極群をさらに時系列的に選択することにより、個別のエミッタ群からエミションを得ることができる。
しかしながら、従来の電界放出型電子源素子を搭載した撮像装置において、高解像度化を進めると、撮像管の点順次という駆動のために、NTSCの場合にはドットクロックが11MHzという高速駆動になってしまう。さらに高解像度のHDTVの仕様になると、60MHzを超えるドットクロックが必要になってくる。 However, in an imaging apparatus equipped with a conventional field emission electron source element, when the resolution is increased, the dot clock is driven at a high speed of 11 MHz in the case of NTSC due to the dot sequential driving of the imaging tube. End up. In the case of high-definition HDTV specifications, a dot clock exceeding 60 MHz is required.
これは撮像管が、入射光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する光導電膜を有し、光導電膜中で発生して蓄積された信号電荷を、電子ビームによって時系列的に外部回路に読み出して、入射光量の空間的分布に対応した電気信号を発生するという原理に基づいている。 This is because the image pickup tube has a photoconductive film that generates and accumulates signal charges according to the amount of incident light, and the signal charges generated and accumulated in the photoconductive film are time-sequentially transferred to an external circuit by an electron beam. This is based on the principle of reading out and generating an electrical signal corresponding to the spatial distribution of the incident light quantity.
絶縁膜により電極を分離されているカソード電極を高速駆動させる場合においては、選択画素においてカソード電極への印加電圧に遅延が発生していた。この遅延が発生すると、マトリクス駆動されているカソード電極が本来印加されるべき電位に到達する前に、次のカソード電極の動作を開始するタイミングになってしまう。この場合、カソード電極は本来印加されるべき電位にならず、結果として正規のエミッション量が出力されなくなってしまうという問題があった。 In the case where the cathode electrode separated by the insulating film is driven at high speed, a delay occurs in the voltage applied to the cathode electrode in the selected pixel. When this delay occurs, the timing of starting the operation of the next cathode electrode is reached before the matrix-driven cathode electrode reaches the potential to be applied. In this case, there is a problem that the cathode electrode does not have a potential to be originally applied, and as a result, a normal emission amount is not output.
このことは、元画像に対して誤った電気信号を送ることになり、結果的に元画像と違った輝度の像を形成してしまい画像品位が落ちることになってしまう。したがって、信号遅延なくゲート電極信号を伝送することが求められている。 This means that an erroneous electric signal is sent to the original image, and as a result, an image having a luminance different from that of the original image is formed and the image quality is deteriorated. Therefore, it is required to transmit the gate electrode signal without signal delay.
本発明は前記のような従来の問題を解決するものであり、撮像動作に必要とされる高速駆動においても安定して電子放出を行うことができ、かつ画像の品位の高い電界放出型電子源素子を提供することを目的とする。 The present invention solves the conventional problems as described above, and can stably emit electrons even at a high speed required for an imaging operation, and has a high image quality field emission electron source. An object is to provide an element.
前記目的を達成するために、本発明の電界放出型電子源素子は、基板から突出した導電性微小構造のエミッタを複数形成したカソード電極と、前記カソード電極と電気的に絶縁されたゲート電極とを備え、前記カソード電極と前記ゲート電極とがマトリクス状に配置されており、前記カソード電極と前記ゲート電極との交差部に対応した複数の前記エミッタにより、1画素分に対応するエミッタ群を形成しており、少なくとも隣接する前記カソード電極の前記エミッタ群同士は、低誘電率絶縁膜で分離していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a field emission electron source device according to the present invention comprises a cathode electrode having a plurality of conductive microstructure emitters protruding from a substrate, a gate electrode electrically insulated from the cathode electrode, The cathode electrode and the gate electrode are arranged in a matrix, and a plurality of emitters corresponding to intersections of the cathode electrode and the gate electrode form an emitter group corresponding to one pixel. The emitter groups of at least the adjacent cathode electrodes are separated by a low dielectric constant insulating film.
また、本発明の撮像装置は、前記電界放出型電子源素子を備えたことを特徴とする。 In addition, an imaging apparatus according to the present invention includes the field emission electron source element.
本発明によれば、高速駆動が安定し、高品位な画像を形成できる。 According to the present invention, high-speed driving is stable and high-quality images can be formed.
本発明によれば、高速駆動においても安定して電子放出を行うことができ、高品位な画像を形成することができる。 According to the present invention, it is possible to stably emit electrons even in high-speed driving, and a high-quality image can be formed.
前記本発明の電界放出型電子源素子においては、前記低誘電率絶縁膜は、多孔質酸化シリコンであることが好ましい。 In the field emission electron source device of the present invention, the low dielectric constant insulating film is preferably porous silicon oxide.
また、前記低誘電率絶縁膜は、フッ素添加シリコン酸化膜であることが好ましい。 The low dielectric constant insulating film is preferably a fluorine-added silicon oxide film.
以下本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、前記の図3に示した電極配置の構成は、以下の実施の形態においても同様である。このため、図3は、以下の実施の形態における電極配置図としても用いることにする。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the electrode arrangement shown in FIG. 3 is the same in the following embodiments. Therefore, FIG. 3 is also used as an electrode arrangement diagram in the following embodiment.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る電界放出型電子源素子(電界放出冷陰極素子)のの断面図を示している。本図は、図3のY方向における断面図に相当する。シリコン基板1には、導電性微小構造のエミッタ(電子放出電極)2が突出したカソード電極3を形成している。エミッタ2は、円錐、又は四角錐等の多角錐形状のタワー型(コーン型)である。シリコン基板1上に、絶縁層4(例えばSiO2絶縁層)を介してゲート電極5を配置している。各エミッタ2に、ゲート電極5の各開孔が一対に対応している。より具体的には、エミッタ2の先端部の周りに、ゲート電極5の開口が対応している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a field emission type electron source device (field emission cold cathode device) according to the first embodiment. This figure corresponds to a cross-sectional view in the Y direction of FIG. The silicon substrate 1 is formed with a
シリコン基板1の溝に、低誘電率絶縁膜6が形成されている。隣接する低誘電率絶縁膜6の間におけるエミッタ2が1画素分のエミッタ2、すなわち、図3のエミッタ群302に相当する。簡単のため、1画素分のエミッタ2の数は省略して図示している。本実施の形態では、低誘電率絶縁膜6は、多孔質酸化シリコンで形成した。
A low dielectric constant insulating film 6 is formed in the groove of the silicon substrate 1. The
図1の構成を図3の構成に対応させてみると、図3においてY方向に隣接するエミッタ群302は、低誘電率絶縁膜6により分離されていることになる。より具体的には、図3において、一本のカソード電極303に対応するエミッタ群302は、隣接する別の一本のカソード電極303に対応するエミッタ群302に対し、ゲート電極304に垂直な低誘電率絶縁膜6のラインで分離されていることになる。
When the configuration of FIG. 1 is made to correspond to the configuration of FIG. 3, the
ゲート電極5には、所定の電位が印加できるようになっている。ゲート電極5とエミッタ2との間に電位差が付与されることにより、エミッションを得ることができる。
A predetermined potential can be applied to the
図2は、図1の一部を拡大した図である。電界放出型電子源素子は、図2に示すように、シリコン基板1上に微小な円錐状のエミッタ2と、絶縁層3を介してエミッタ2を囲むようにゲート電極5がサブミクロンの程度の間隔で形成されている。このゲート電極5とシリコン基板1上のカソード電極3との間に電圧を印加すると、エミッタ2の先端に電界が集中し、真空中で電子が放出される。
FIG. 2 is an enlarged view of a part of FIG. As shown in FIG. 2, the field emission electron source element has a fine
電界放出型電子源素子は、通常の半導体工程にて作製される。図2のエミッタ2はシリコンエミッタであり、フォト工程を通し円形の熱酸化膜をマスクとして台形状に加工する。このときには、SF6+O2ガスを用いた反応性イオンエッチング、又はKOHによって異方性ウエットエッチングを行う。
The field emission type electron source element is manufactured by a normal semiconductor process. The
その後、フォト工程を経て、素子分離ラインのエッチングを行う。次に定法により多孔質シリコンの充填を行い、デポと熱酸化を繰り返して、絶縁膜及びゲート電極(シリコン、Nb)の形成を行う。次にBHFによるリフトオフを行い完成する。 Thereafter, an element isolation line is etched through a photo process. Next, porous silicon is filled by a conventional method, and deposition and thermal oxidation are repeated to form an insulating film and a gate electrode (silicon, Nb). Next, lift-off with BHF is completed.
駆動は、図3の例では、X方向のゲート電極304を選択し、Y方向のエミッタ(カソード電極303)を1ラインづつ順次駆動するという点順次で行う。この点順次駆動ためにVGAの場合は、ドットクロックを11MHzの駆動周波数で行わなければならない。
In the example shown in FIG. 3, the driving is performed in a point-sequential manner in which the
本実施の形態では、低誘電率絶縁膜6を多孔質酸化シリコンで形成して通常の素子間分離ラインの誘電率を低下させている。この構成の電界放出型電子源素子を用いた撮像装置を作製したところ、エミッタ電圧を11MHzの駆動周波数で遅延なく安定的に動作させることができた。すなわち、11MHzの駆動周波数特性があるので信号遅延することなく、安定にエミッション動作させることができ、高品位な画像を形成することが可能となった。これは、素子間分離ラインの誘電率を低下させることにより、隣接するカソード電極間の寄生容量が低下したためと考えられる。 In the present embodiment, the low dielectric constant insulating film 6 is formed of porous silicon oxide to reduce the dielectric constant of a normal element isolation line. When an imaging apparatus using a field emission electron source element having this configuration was manufactured, the emitter voltage could be stably operated without delay at a drive frequency of 11 MHz. That is, since there is a drive frequency characteristic of 11 MHz, it is possible to perform a stable emission operation without delaying a signal, and it is possible to form a high-quality image. This is presumably because the parasitic capacitance between adjacent cathode electrodes was reduced by lowering the dielectric constant of the element isolation line.
(実施の形態2)
実施の形態1では、素子間絶縁膜に多孔質シリコンを用いたが、実施の形態2では、素子間絶縁膜をフッ素添加シリコン酸化膜で形成した電界放出型電子源素子を用いて撮像装置を作製した。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, porous silicon is used for the inter-element insulating film. However, in the second embodiment, an imaging apparatus is formed using a field emission electron source element in which the inter-element insulating film is formed of a fluorine-added silicon oxide film. Produced.
本実施の形態の構成においても、エミッタ電圧を11MHzの駆動周波数で遅延なく安定的に動作させることができた。11MHzの駆動周波数特性があるので信号遅延することなく、安定にエミッション動作させることが出来、高品位な画像を形成することが可能となった。 Even in the configuration of the present embodiment, the emitter voltage can be stably operated without delay at a drive frequency of 11 MHz. Since it has a drive frequency characteristic of 11 MHz, it is possible to perform a stable emission operation without delaying a signal, and it is possible to form a high-quality image.
なお、実施の形態1、2は、カソードを列方向にのみ分割し高速駆動する例で説明したが、本実施例の効果は、これに限るものではなく、素子を個別に分割する方法においても同様の効果が得られる。 Although the first and second embodiments have been described with the example in which the cathode is divided only in the column direction and driven at high speed, the effect of this example is not limited to this, and the method of dividing the elements individually is also possible. Similar effects can be obtained.
また、素子間絶縁膜の材料として、多孔質酸化シリコン又はフッ素添加シリコンの例で説明したが、これに限るものではなく、比誘電率が3.0以下の他の低誘電率絶縁膜を用いてもよい。 In addition, although the example of porous silicon oxide or fluorine-added silicon has been described as the material of the inter-element insulating film, it is not limited to this, and other low dielectric constant insulating films having a relative dielectric constant of 3.0 or less are used. May be.
以上のように、本発明に係る電界放出型電子源素子は、高速駆動が安定し、高品位な画像を形成できるので、撮像装置用の電界放出型電子源素子として有用である。 As described above, the field emission type electron source element according to the present invention is useful as a field emission type electron source element for an imaging apparatus because high-speed driving is stable and a high-quality image can be formed.
1 シリコン基板
2 エミッタ
3 カソード電極
4 絶縁層
5 ゲート電極
6 低誘電率絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記カソード電極と電気的に絶縁されたゲート電極とを備え、
前記カソード電極と前記ゲート電極とがマトリクス状に配置されており、
前記カソード電極と前記ゲート電極との交差部に対応した複数の前記エミッタにより、1画素分に対応するエミッタ群を形成しており、
少なくとも隣接するカソード電極の前記エミッタ群同士は、低誘電率絶縁膜で分離していることを特徴とする電界放出型電子源素子。 A cathode electrode formed with a plurality of conductive microstructure emitters protruding from the substrate;
A gate electrode electrically insulated from the cathode electrode,
The cathode electrode and the gate electrode are arranged in a matrix,
An emitter group corresponding to one pixel is formed by a plurality of the emitters corresponding to the intersections of the cathode electrode and the gate electrode,
A field emission electron source device, wherein at least the emitter groups of adjacent cathode electrodes are separated by a low dielectric constant insulating film.
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