JPH11111156A

JPH11111156A - 電界放出素子

Info

Publication number: JPH11111156A
Application number: JP26974197A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Tomita; 正晴冨田; Shigeo Ito; 茂生伊藤; Kazuhiko Tsuburaya; 和彦円谷; Kazuyuki Yano; 和行矢野
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-23
Also published as: KR100329438B1; FR2769405A1; US6218778B1; FR2769405B1; TW385468B; KR19990036870A

Abstract

(57)【要約】【課題】引出電極の周囲に集束電極などを制約なしに
設けることができる電界放出素子を提供する。【解決手段】カソード基板側の絶縁層１２の上層に引
出電極６が形成され、絶縁層１２および引出電極６に開
口部６ａが形成され、この開口部６ａの内にコーン状エ
ミッタ１１が形成されている。絶縁層１２の上層には引
出電極６の周囲に集束電極１が形成され、ゲート電極ラ
イン２も形成されている。絶縁層１２の下層には結線
７、抵抗層３、カソード電極ライン４が形成されてい
る。引出電極６は、コンタクトホール５ａを介して結線
７と電気的に接続され、ゲート電極ライン２はコンタク
トホール５ｂを介して結線７と電気的に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出ディスプ
レイ（ＦＥＤ）などに用いられる電界放出型素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）におい
ては、カソード基板側とアノード基板側とが所定間隔の
ギャップを隔てて封着され内部を真空状態とされる。そ
の電界放出カソード（ＦＥＣ）としてスピント型の冷陰
極を用いるものでは、引出電極に引出電圧を印加する
と、この引出電極の開口部内に設けられたコーン状エミ
ッタから電界放出により電子が放出され、正電圧が印加
されたアノード電極の蛍光体が発光して表示動作が行わ
れる。

【０００３】高電圧型のＦＥＤは、高電圧用の蛍光体の
発光効率が高いため、低電圧の電界放出ディスプレイに
比べて高輝度を得ることができる。しかし、高電圧型の
ＦＥＤにおいては、アノード，ゲート間に数ｋＶの電圧
を印加するためにアノード，ゲート間のギャップを広く
取っている。そのため、放出された電子ビームを集束す
る必要がある。通常、ＦＥＤの電界放出カソード（ＦＥ
Ｃ）には２段ゲート型が用いられる。しかし、この２段
ゲート型のＦＥＣは、引出電極とは別の層に集束電極を
設けて２段重ねにしたものであるため、層構成が増えて
作成プロセスが困難である。そこで、作成プロセスを平
易にするため、集束電極と引出電極とを同じ層に形成す
る平面集束型のＦＥＣの構成が考えられている。

【０００４】図５は、平面集束型ＦＥＣの平面図であ
る。図中、３１は集束電極、３２は引出電極、３２ａは
開口部である。図６は、平面集束型ＦＥＣの断面図であ
る。図中、１１はコーン状エミッタ、１２は絶縁層、１
３はカソード基板、３３は抵抗層、３４はカソード電極
ラインである。平面集束型ＦＥＣにおいては、引出電極
３２を集束電極３１で完全に囲うことができない。した
がって、図５に示すように、集束電極３１と引出電極３
２とはいずれも櫛歯型であり、互いにかみ合う形状で絶
縁層の上の同一平面上に形成されている。引出電極３２
には複数の開口部３２ａが縦に１ドットずつ１列に配列
されている。

【０００５】図６に示すように、カソード基板１３上に
カソード電極ライン３４が形成されその上に抵抗層３３
が形成され、さらにその上に絶縁層１２が形成さてい
る。そして、絶縁層１２の上には上述した集束電極３１
および引出電極３２が形成されている。引出電極３２と
その下の絶縁層１２に開口部３２ａが設けられ、この中
の抵抗層３３の上にコーン状エミッタ１１が形成されて
いる。引出電極３２および集束電極３１には、それぞれ
引出電極電圧、集束電極電圧が印加される。

【０００６】上述したように、平面集束型ＦＥＣにおい
ては、引出電極３２を集束電極３１で完全に囲うことが
できない。その結果、コーン状エミッタ１１から放出さ
れた電子ビームは、集束電極３１の開口側、図示の例で
は、下方から漏れ、所望のビームスポット径を得られな
いという問題があった。

【０００７】上述した問題は、引出電極とこの引出電極
電圧を供給するラインとの間に、引出電極を囲むような
電極や構造物を設けることができないことに起因する。
したがって、集束電極に限った問題ではない。また、集
束電極あるいは構造物が引出電極を完全に囲まない場合
であっても、引出電極に引出電極電圧を供給するライン
とこれら集束電極や構造物との配置関係が制約されてし
まうという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を解決するためになされたもので、引出電極の周囲
に電極や構造物などを制約なしに設けることができる電
界放出素子を提供することを目的とするものである。特
に、引出電極の周囲に集束電極を形成することによっ
て、平易な作成プロセスで電子ビームのスポット径を十
分小さくすることができる電界放出素子を提供すること
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
おいては、絶縁層、該絶縁層の上層に形成された引出電
極、前記絶縁層および前記引出電極に形成された開口
部、該開口部内に形成されたエミッタ、ゲート電極ライ
ン、および、カソード電極ラインを有する電界放出素子
において、前記絶縁層の上層に前記ゲート電極ラインが
形成され、前記絶縁層の下層に結線が形成され、前記引
出電極は第１の層間接続部を介して前記結線と電気的に
接続され、前記ゲート電極ラインは第２の層間接続部を
介して前記結線と電気的に接続されたものである。した
がって、電気的に相互に接続されるべき引出電極とゲー
ト電極ラインとを同じ絶縁層の上層に分離して形成する
ことができるため、引出電極の周囲に電極や構造物など
を制約なしに設けることができる。

【００１０】請求項２に記載の発明においては、絶縁
層、該絶縁層の上層に形成された引出電極、前記絶縁層
および前記引出電極に形成された開口部、該開口部内に
形成されたエミッタ、ゲート電極ライン、および、カソ
ード電極ラインを有する電界放出素子において、前記絶
縁層の上層に前記カソード電極ラインが形成され、前記
絶縁層の下層に前記ゲート電極ラインが形成され、前記
引出電極は第１の層間接続部を介して前記ゲート電極ラ
インと電気的に接続され、前記エミッタは第２の層間接
続部を介して前記カソード電極ラインと電気的に接続さ
れたものである。したがって、電気的に相互に接続され
るべき引出電極とゲート電極ラインとを絶縁層の上層と
下層に分離して形成することができるとともに、ゲート
電極ラインとカソード電極ラインとを絶縁層の下層と上
層に分離して形成することができる。その結果、引出電
極の周囲に電極や構造物などを制約なしに設けることが
できるとともに、ゲート電極ラインとカソード電極ライ
ンとを互いの制約なしに配線することができる。

【００１１】請求項３に記載の発明においては、請求項
１または２に記載の電界放出素子において、前記絶縁層
の上層であって前記引出電極の周囲に集束電極が形成さ
れたものである。したがって、引出電極の周囲に形成さ
れた集束電極によって電子ビームの漏れがなくなり、プ
ロセスが平易で所望のビームスポット径を得ることがで
きる。特に、カソード側とアノード側のギャップを広く
とった高電圧型の電界放出素子に好適である。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態の電界放出素子におけるＦＥＣの第１の説明図であ
る。１は集束電極、２はゲート電極ライン、３は抵抗
層、４はカソード電極ライン、５ａ，５ｂはコンタクト
ホール、６は引出電極、６ａは開口部、７は結線であ
る。アノード側から見たカソード基板側の積層構造の平
面図であるが、層構造がよくわかるように、絶縁層を通
して内部の層が見えるものとして図示している。引出電
極６の１ユニット分を模式的に示している。図２は、本
発明の第１の実施の形態の電界放出素子におけるＦＥＣ
の第２の説明図である。図１における矢示Ａ，Ａの切断
線に沿った電界放出カソードの部分的な断面図である。
図中、図５，図６，図１と同様な部分には同じ符号を付
して説明を省略する。

【００１３】この実施の形態の電界放出素子において
は、図２に示すように、カソード基板側の絶縁層１２の
上層に引出電極６が形成され、絶縁層１２および引出電
極６に開口部６ａが形成され、この開口部６ａの内にコ
ーン状エミッタ１１が形成されている。絶縁層１２の上
層（ゲート層）には上述した引出電極６に加え、引出電
極６の周囲に集束電極１が形成され、また、図１に示す
ようにゲート電極ライン２も形成されている。絶縁層１
２の下層（カソード層）には結線７、抵抗層３、図１に
示すカソード電極ライン４が形成されている。引出電極
６は、第１の層間接続部であるコンタクトホール５ａを
介して結線７と電気的に接続され、図１に示すように、
ゲート電極ライン２は第２の層間接続部であるコンタク
トホール５ｂを介して結線７と電気的に接続される。こ
のような積層構造のカソード基板側はアノード基板側と
離隔され内部を真空にされた状態で封着されている。

【００１４】図１に示すように、カソード電極ライン４
の一部の領域では、抵抗層３がカソード電極ライン４の
上に形成され、その上に絶縁層１２が形成されている。
カソード電極ライン４は表示装置の外部に位置する表示
制御装置に接続される。絶縁層１２の上層において、引
出電極６は抵抗層３の上方の一部の領域に形成され、開
口部６ａの内の抵抗層３の上にコーン状エミッタ１１が
形成されている。コーン状エミッタ１１が設けられた抵
抗層３の下にはカソード電極ライン４は存在しない。

【００１５】絶縁層１２の上層の同一平面において、引
出電極６および集束電極１が形成されているが、集束電
極１は矩形状にくり抜かれた額縁状の部分を有し、引出
電極６の周囲を完全に取り囲んでいる。集束電極１は、
また、横方向に延びた電極ラインを有し、カソード基板
１３の縁部において他の行ラインの集束電極とともに１
本化され端子を介して外部の表示制御装置に接続され
る。絶縁層１２の上層には同じく横方向に延びたゲート
電極ライン２も形成され各行ライン毎に表示制御装置に
接続される。

【００１６】下層の結線７は逆Ｌ字状であり、一端部で
コンタクトホール５ａを介して引出電極６の長手方向中
央部に接続される。この接続部分の近傍では、抵抗層３
がくびれており、抵抗層３は全体として凹形状（コの字
型形状）であり、結線７と接触しないようにしている。
下層の結線７は、上層の集束電極１の下をくぐり、他端
部でコンタクトホール５ｂによって上層のゲート電極ラ
イン２に接続される。一方、開口部６ａ内に設けられた
複数のコーン状エミッタ１１は、抵抗層３を介してカソ
ード電極ライン２に電気的に接続される。

【００１７】抵抗層３は縦長で矩形状の引出電極６の下
部から縦方向に直線的に延びたカソード電極ライン４の
上までの間の領域にわたって形成されている。抵抗層３
は、カソード電極ライン４に流れる過電流を制限するた
めに設けられる。この抵抗層３がない場合に引出電極６
と１つのコーン状エミッタ１１の先端との間が何らかの
原因で放電または短絡したときに、ゲート電極ライン２
およびカソード電極ライン４に過電流が流れることを防
止する。また、多数のコーン状エミッタ１１の中で、電
子の放出されやすいものが存在すると、画面上に異常に
明るいスポットが発生することがある。抵抗層３を設け
ることにより、コーン状エミッタ１１中の１つが異常に
多い電流を放出し始めたときに、このコーン状エミッタ
１１への印加電圧が下がり、安定した電子放出を行うよ
うになる。

【００１８】このように、コンタクトホール５ａ，５ｂ
を用いた層間配線により、上層の引出電極６とゲート電
極ライン２を下層で結線している。上層では引出電極６
とゲート電極ライン２が分離されるため、集束電極１で
完全に引出電極６を囲うことができる。その結果、電子
ビームの漏れがなくなり、プロセスが平易で所望のビー
ムスポット径を得ることができる。

【００１９】図３は、本発明の第１の実施の形態の電界
放出素子におけるＦＥＣの作成プロセスの説明図であ
る。図３（ａ）〜図３（ｄ）は作成プロセスの順序を示
す。図中、図５，図６，図１と同様な部分には同じ符号
を付して説明を省略する。図３（ａ）に示すように、ガ
ラス等のカソード基板（背景部、図２の１３）上に、ス
パッタリング等によりカソード材料であるＮｂ（ニオ
ブ）等が成膜されて、カソード電極ライン４と結線７の
パターンとが形成される。

【００２０】図３（ｂ）に示すように、カソード電極ラ
イン４の一部を含み、結線７を避けた凹形状の部分に抵
抗層３のパターンが形成される。この抵抗層３は、不純
物をドープしたａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）等の
Ｓｉ系の材料が、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏ
ｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜されて形成さ
れる。これらのカソード電極ライン４、結線７、抵抗層
３が下層となり、この層の上に、図示を省略するが、Ｓ
ｉＯ₂がＣＶＤ法により成膜されて絶縁層１２（図２）
が形成される。この絶縁層１２にフォトレジストとフッ
酸液を用いたパターンエッチングによりコンタクトホー
ル５ａ，５ｂを形成するための穴を形成する。この穴
は、傾斜した側面を有し、開口側が広くなるように形成
される。

【００２１】図３（ｃ）に示すように、絶縁層１２上に
Ｎｂ等がスパッタリング蒸着等により成膜され引出電極
６、集束電極１、ゲート電極ライン２がパターン形成さ
れる。その際、上述したコンタクトホール用の穴の傾斜
した側面および底面にもスパッタリング蒸着されてコン
タクトホール５ａ，５ｂが形成される。引出電極６、集
束電極１、ゲート電極ライン２が上層となり、カソード
基板側の積層基板が形成される。なお、結線７およびカ
ソード電極ライン４の全長にわたって抵抗層３を残して
おいてもよい。その際、コンタクトホール５ａ，５ｂに
おいては、抵抗層３にも開口をあけてスパッタリング蒸
着させるようにする。

【００２２】その後は、従来のＦＥＣと同様であり、概
要のみを説明する。表層にフォトレジスト層を塗布して
開口パターンを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）にて異方性エッチングすることにより、図３（ｄ）
に示す開口部６ａを形成する。引出電極６の表面のみに
選択的に剥離層を斜め蒸着した上で、この中の底面の抵
抗層３（図２，図３（ｂ））の表面、あるいはこの抵抗
層３の上にバッファ層を成膜した後の表面に、Ｍｏ（モ
リブデン）等の高融点金属材料、あるいはこれらの材料
の１つを含む窒化物または酸化物を電子ビーム蒸着また
はイオンプレーティング法等によって蒸着して、コーン
状エミッタ１１（図２）を形成し、引出電極６の表面か
ら剥離層および剥離層上に積層されたエミッタ材料を同
時に除去する。

【００２３】上述した構成は、引出電極６の１ブロック
分を模式的に示したものである。３色のカラー表示をす
る場合には、各カラー別の３ブロックを隣接させて１つ
の発光単位となる。隣接する引出電極６をそれぞれ取り
囲む集束電極１は、横方向に延びた集束電極１の電極ラ
インで相互に接続される。あるいは、隣接する額縁部分
同士が一体化されて全体が横方向に延びる電極ラインと
し、その中に、引出電極６を囲む矩形状の開口が並んだ
形状にしてもよい。

【００２４】上述した電界放出素子の具体例を例示す
る。開口部６ａの径（ホール径）は約１μｍであり、カ
ソード基板上に数μｍ単位で連続して形成される。表示
装置として電子を放出するためには、例えば数十個の開
口部６ａおよびコーン状エミッタ１１を引出電極６に形
成して１ブロックとして駆動する。アノード基板側とカ
ソード基板側との間のギャップは、１〜２ｍｍとし、ア
ノードには、数ｋＶの電圧を印加する。高電圧型の場合
には、カソード電流をさほど必要としないのでコーン状
エミッタ１１の個数は少なくてよい。開口部６ａは、１
ドットずつ１列に設けられているが、２列以上にして設
けてもよい。

【００２５】ゲート電極ライン２は発光させる水平方向
ラインを決めるためにスキャニングされ、０Ｖまたは１
００Ｖ程度の電圧が印加される。カソード電極ライン４
は階調表示のためにパルス幅変調駆動され、０Ｖまたは
６０Ｖ程度の電圧が印加される。集束電極１に印加する
電圧は集束の度合いに応じ、０〜−７０Ｖ程度の範囲内
で固定される。引出電極６と集束電極１との間のギャッ
プは、収束の度合いに影響し、約１０μｍとした。集束
電極１に印加する電圧は一定にしたが、発光ドットに関
与しない位置の集束電極１については電源に対してオー
プン状態となるようにスイッチングすることにより、集
束電極１と、カソード電極ライン４間に形成される静電
容量の損失によって消費される電力を低減させることが
できる。

【００２６】図４は、本発明の第２の実施の形態の電界
放出素子におけるＦＥＣの説明図である。図１と同様
に、アノード側から見たカソード基板側の積層構造の平
面図であるが、層構造がよくわかるように絶縁層を通し
て内部の層が見えるものとして図示している。図中、他
の図と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略す
る。２１は集束電極、２２はゲート電極ライン、２３は
カソード電極ライン、２４はコンタクトホールである。

【００２７】図１ないし図３を参照して説明した第１の
実施の形態のＦＥＣにおいては、ゲート電極ライン２を
絶縁層１２（図２）の上層に形成し、カソード電極ライ
ン４を絶縁層１２の下層に形成した。これに対し、この
実施の形態のＦＥＣにおいては、カソード電極ライン２
３を上層に、ゲート電極ライン２２を下層に形成し、カ
ソード電極ライン２３およびゲート電極ライン２２を形
成する層を逆にした。そのため、ゲート電極ライン２２
は、平面図上では図１に示した結線７とゲート電極ライ
ン２２を合わせたような形状であり、第１の層間接続部
であるコンタクトホール５ａによって引出電極６に接続
される。また、コーン状エミッタ１１は、抵抗層３およ
び第２の層間接続部であり比較的広い領域にわたるコン
タクトホール２４を介して上層に設けられたカソード電
極ライン２３に電気的に接続される。

【００２８】このように、引出電極６の周囲を完全に囲
む集束電極２１および縦方向に延びるカソード電極ライ
ン２３は、上層に設けられ、ゲート電極ライン２２は下
層に設けられる。したがって、ゲート電極ライン２２は
集束電極２１を回避してその引出電極６に結線すること
ができるとともに、カソード電極ライン２３と交差して
横方向に延びて配線されることができる。その結果、こ
の第２の実施の形態においても、電子ビームの漏れがな
くなり、プロセスが平易で所望のビームスポット径を得
ることができる。作成プロセスは、図３を参照して説明
した第１の実施の形態と比べ、ゲート電極ライン２の製
造とカソード電極ライン４の製造の順序を入れ替えた
り、コンタクトホールを変えるだけで、全体としてはほ
ぼ同様である。なお、抵抗層３をゲート電極ライン２２
の上にその全長にわたって残しておいてもよい。

【００２９】図４に示した構成は、図１と同様、引出電
極６の１ブロック分を模式的に示したもので、３色のカ
ラー表示をする場合には、各カラー別の３ブロックを横
方向に隣接させて１つの発光単位となる。隣接する引出
電極６をそれぞれ取り囲む集束電極１は、縦方向に延び
た集束電極１の電極ラインで相互に接続される。あるい
は、隣接する額縁部分の上下が一体化されて全体が縦方
向に延びる電極ラインとし、その中に、引出電極６を囲
む矩形状の開口が並んた形状にしてもよい。

【００３０】上述した説明では、図１，図２において、
コーン状エミッタ１１は、抵抗層３を介してカソード電
極ライン４と電気的に接続した。しかし、コーン状エミ
ッタ１１をカソード電極ライン４と電気的に接続するた
めには、抵抗層３を介さずに両者を直接接続する構造に
したり、抵抗層３の他に金属層なども介して電気的に接
続するようにしてもよい。また、図４においても、コー
ン状エミッタをカソード電極ライン２４と電気的に接続
するために、抵抗層３を介さずにコンタクトホール２４
のみを介して両者を電気的に接続するようにしたり、抵
抗層３の他に金属層なども介して電気的に接続するよう
にしてもよい。

【００３１】上述した説明では、細幅の矩形形状の引出
電極としたが、必ずしもこれに限定されず、円形状に配
置されその周囲を集束電極で囲んだものとしてもよい。
集束電極は引出電極の周囲を完全に囲む必要は必ずしも
なく、一部分で囲みが途切れていても電子ビームが漏れ
ない程度に周囲を囲んでいればよい。上述した説明では
高電圧型の電界放出素子について例示したが、低電圧型
の電界放出素子においても適用可能であり、集束電極を
設けて、電子ビームの集束度を向上させたり集束電圧を
制御して集束度を制御することが可能である。上述した
説明では、集束電極を有する電界放出素子について説明
したが、引出電極の周囲に他の電極や構造物などを設け
るような場合にも本発明を適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、本発
明によれば、引出電極の周囲に電極や構造物などを制約
なしに設けることができるという効果がある。引出電極
の周囲に集束電極を形成することにより、電子ビームの
漏れがなくなり所望のビームスポット径を得ることが可
能となる。従来の２段ゲート型に比べて、層構成が少な
いため、作成プロセスが平易であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出素子にお
けるＦＥＣの第１の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の電界放出素子にお
けるＦＥＣの第２の説明図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の電界放出素子にお
けるＦＥＣの作成プロセスの説明図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の電界放出素子にお
けるＦＥＣの説明図である。

【図５】平面集束型ＦＥＣの平面図である。

【図６】平面集束型ＦＥＣの断面図である。

【符号の説明】

１，２１，３１集束電極、２，２２ゲート電極ライ
ン、３，３３抵抗層、４，２３，３４カソード電極
ライン、５ａ，５ｂ，２４コンタクトホール、６，３
２引出電極、６ａ，３２ａ開口部、７結線、１１
コーン状エミッタ、１２絶縁層、１３カソード基
板

フロントページの続き (72)発明者矢野和行千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁層、該絶縁層の上層に形成された引
出電極、前記絶縁層および前記引出電極に形成された開
口部、該開口部内に形成されたエミッタ、ゲート電極ラ
イン、および、カソード電極ラインを有する電界放出素
子において、前記絶縁層の上層に前記ゲート電極ライン
が形成され、前記絶縁層の下層に結線が形成され、前記
引出電極は第１の層間接続部を介して前記結線と電気的
に接続され、前記ゲート電極ラインは第２の層間接続部
を介して前記結線と電気的に接続されたことを特徴とす
る電界放出素子。
【請求項２】絶縁層、該絶縁層の上層に形成された引
出電極、前記絶縁層および前記引出電極に形成された開
口部、該開口部内に形成されたエミッタ、ゲート電極ラ
イン、および、カソード電極ラインを有する電界放出素
子において、前記絶縁層の上層に前記カソード電極ライ
ンが形成され、前記絶縁層の下層に前記ゲート電極ライ
ンが形成され、前記引出電極は第１の層間接続部を介し
て前記ゲート電極ラインと電気的に接続され、前記エミ
ッタは第２の層間接続部を介して前記カソード電極ライ
ンと電気的に接続されたことを特徴とする電界放出素
子。
【請求項３】前記絶縁層の上層であって前記引出電極
の周囲に集束電極が形成されたことを特徴とする請求項
１または２に記載の電界放出素子。