JP2000268703A - 電界放出デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界放出デバイスのエミッション低下を防止
する。 【解決手段】 電界放出カソードが形成されているカソ
ード側基板１２と、電子放出方向に所定間隔をおいて配
置されアノード側基板１１を備えている電界放出デバイ
スにおいて、電界放出素子が抵抗層１３の上方に成膜さ
れた絶縁層１４のホール内に形成したエミッタ１６と、
このエミッタ１６の先端部分の周辺部に配置されている
ゲート電極層１７と、さらにこのゲート電極層の周辺部
に配置されているゲッタ作用を有する導電性の金属層１
８によって構成される。上記金属層１８はエミッタ１６
の電位、またはその電位以下となるようにバイアスされ
ることによって、真空容器内で発生する２次電子を効率
的に吸収し、また、電子の衝突によって叩き出される不
純物やイオン粒子を金属層１８によって吸着することに
より、エミッタ部分を保護すると共に、チップレスの真
空容器内を高い真空度に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子源とその電子
源から放出された電子を捕捉する電極が封入されている
電界放出デバイスに関わり、特に電子源としての電界放
出素子（電界放出カソード）と、蛍光体が塗布されてい
るアノード電極によって構成されている表示用の電界放
出デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス等の真空容器に微少な電界
放出素子を多数個内蔵し、ミクロンサイズの真空微細構
造を集積した電界放出電子機器が真空マイクロエレクト
ロニクスとして実用化されようとしている。このような
真空マイクロエレクトロニクス技術の応用として、薄型
のフラットパネル構造の電界放出表示装置、撮像管、お
よびリソグラフィー用電子ビーム装置などが応用電界放
出デバイスとして研究開発がなされている。

【０００３】電界放出素子を使用した薄型フラットパネ
ル表示装置は、１つの画素に複数の微小冷陰極（エミッ
タ）を対応させたものである。この微小冷陰極としては
先端が鋭角に形成されている電界放出素子、ＭＩＭ型電
子放出素子、表面伝導型電子放出素子、ＰＮ接合型電子
放出素子などを用いた各種のものが提案されている。こ
れらのうち、よく知られているものは、日経エレクトロ
ニクス，Ｎｏ．６５４（１９９６．１．２９）ｐ．８９
−９８等に記載されているような、電界放出カソードを
用いたＦＥＤであり、その一例として、スピント（Ｓｐ
ｉｎｄｔ）型と呼ばれる電界放出素子（ＦＥＣ）が開発
されている。

【０００４】このスピント型の電界放出素子は図３に示
すように基板Ｓ上のカソード電極Ｋ上にエミッタ電極Ｅ
が多数個設けられ、その上に絶縁層Ｉ（ＳｉＯ₂）が一
面に形成されている。絶縁層Ｉの上にゲート電極ＧＴが
蒸着等によって成膜され、エミッタ電極Ｅの先端部で開
放するホールを形成して電子を引き出すようにしてい
る。

【０００５】カソード電極Ｋとゲート電極ＧＴ間に電圧
Ｖｇｋとして約５０〜８０Ｖを加えることにより、エミ
ッタ電極Ｅの先端部から電子が放出される。そして、そ
の電子がカソード電極Ｋと真空空間で対向する位置に配
置されるアノード電極Ａに印加されているアノード電圧
Ｖａによって捕捉される。このような電界放出素子をグ
ループとして、ストライプ状に形成されているゲート電
極を順次走査しつつ、カソード電極の各ストライプ状電
極にそれぞれ画像信号を供給することにより、アノード
電極に設けられた蛍光体が発光し表示器としての動作が
行なわれる。

【０００６】図４（ａ）（ｂ）は、このような表示装置
の外周器の斜視図と側面の断面を示したものである。図
中、１はアノード側のガラス基板（以下、アノード側基
板ともいう）、２はカソード側のガラス基板（以下、カ
ソード側基板ともいう）を示し、これらの基板の対向す
る空間には前記したミクロンサイズの電界放出素子と、
アノード電極がそれぞれの基板の内側に対向して形成さ
れている。３はゲッター基板でその底面に内部を真空に
引くための排気孔３ａが設けられている。４はゲッタ部
材を示し、通常は蒸発型のゲッター材料を真空に引いた
後に高温でフラッシュすることにより真空状態を高度に
保つことができるようになされている。

【０００７】カソード側基板２とアノード側基板１とが
微少間隔、約２００μｍ〜５００μｍ離隔した状態でフ
リットガラス５によって封着されており、両基板は一般
的には相互にずらして対向させて配置させている。その
結果、両方の基板の対向していない部分に前記した電界
放出素子のカソード電極引き出しリード部、及びゲート
電極引き出しリード部を配置することができる。また、
カラー表示を行う場合はアノード側基板１にも突出した
部分が形成されるように切り出すことにより、図示され
ていないがこの部分にもアノード電極引き出し部を配置
することができる。

【０００８】このように、カソード側基板２とアノード
側基板１とは、ゲッター基板３の部分を除き、周辺部分
をフリットガラス５などによって封着されており、この
ゲッター基板３には、図示されていない排気管が結合さ
れ、真空ポンプで内部の気体を排気するようになされて
いる。

【０００９】このような蛍光表示装置はアノードに印加
される電圧を高くすればするほど高輝度の表示画像をえ
ることができるが、アノード電極Ａとカソード電極Ｋ間
の距離は数１００μｍ程度であり、高い電圧を印加する
と内部放電や自己放電を引き起こすという問題が生じ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
フラット型の表示装置の場合は、真空外周器として極め
て狭い空間（ｔ）を有しているため、上記したゲッタ室
を省略することができず、 この部分がデバイスのフラ
ット化、及び小型を困難にするという問題がある。ま
た、真空外周器の真空空間に存在する電界放出素子等を
形成している材料の比率が高いため、作動中にこの材料
の内部、及び表面に付着している残留ガス（特に水分）
が、電界放出デバイスの作動中に浸潤し、エミッタ先端
部を汚染することにより電子の放出効率を劣化するとい
う問題が生じる。

【００１１】さらに、電界放出デバイスを表示装置とし
て使用するときは、画像表示フレーム期間を除いた再生
フレーム期間を設定し、この再生フレーム期間にアノー
ド電位を０電位にすると共に、ゲートとカソード間に所
定の電圧を加えることによって画像表示期間に発生する
アノード電極からの２次電子やイオンを一掃し、表示画
質を向上すると共に、アノードに印加する電圧を高くす
ることができるリフレッシュ動作が提案されている（特
開平９−２２２７０号公報）が、このリフレッシュ期間
に多量の電子がゲート電極に流れることによってゲート
電極から２次電子、または、イオンが発生し、これらが
電子を放出するエミッタ表面を損傷することによって、
デバイスの寿命を短縮するという問題が生じている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電界放出デバイ
ス上記した問題点を解消するために、第１の基板に形成
されている電界放出素子と、前記第１の基板に対向する
ように配置されている第２の基板に形成されている電子
捕捉用の陽極基板を所定の間隔で保持し、内部を真空状
態とした電界放出デバイスにおいて、電界放出素子を絶
縁層のホール内に蒸着堆積されたコーン状のエミッタ
と、該コーン状のエミッタの先端を囲むように形成され
ているゲート電極層によって構成し、かつ、該ゲート電
極層の周辺にゲッタ作用を有する導電性の金属層を配置
し、該金属層が上記エミッタの電位、またはそれ以下の
電位となるように構成としたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１（ａ）（ｂ）は本発明の電界
放出デバイスの断面図とゲート電極層の表面を模式的示
しものである。この図で１１の部分は表示面となる第１
のガラス基板、１２の部分は電界放出カソードの部分が
形成される第２のガラス基板である。第２のガラス基板
上１２にはストライプ状に複数本のカソード電極１３が
パターニングされておりその一部分が示されているが、
このカソード電極１３上にはは、その上に成膜された抵
抗層１４を介して複数個のエミッタ１６が蒸着堆積され
ている。

【００１４】各エミッタ１６．１６は絶縁層（ＳｉＯ
2）１５に形成されているホール内に位置しており、こ
のホールの上方の周辺部には電子をエミッタから引き出
すためにゲート電極層１７が設けられている。このよう
な電界放出カソードはすでに多くの文献によってその製
造方法が示されているので詳細な説明を省略するが、通
常の場合は絶縁層１５の表面はカソード電極と交差する
方向にストライプ状に引き出されたゲート電極によって
覆われており、このゲート電極にスキャン電圧（５０〜
８０Ｖ）を印加すると、カソード電極とゲート電極の交
差している点のエミッタ１６から電子が真空中に放出さ
れ、その上面に配置されている第１の基板１１のアノー
ド電極２２に捕捉される。

【００１５】そしてこの電子のエミッションによってア
ノード電極上に塗布されている蛍光物質２１が励起さ
れ、所望の画像を表示するようになされている。アノー
ド電極２２、またはその上に塗布されている蛍光物質２
１は、通常はカソード電極と１：１となるようにストラ
イプ状に形成され、スキャンされたゲート電極と重なっ
ているカソード電極のデータで駆動されたエミッタの位
置から放出された電子を受けて、蛍光物質が発光するこ
とにより任意のカラー画像や、階調画像の表示を行うこ
とができる。

【００１６】ところで本発明の場合は、上記絶縁層１５
の表面にゲッタ作用を有する導電性の金属層１８をパタ
ーニングによって成膜している。この金属層１８のパタ
ーンは、ゲート電極層１７の上面を示す図１の（ｂ）に
見られるように、エミッタ１６が覗いているホールの周
辺部で絶縁層１５の上にゲート電極層１７が積層され、
さらにゲート電極層１７と電気的に絶縁されてその周辺
部を囲むように金属層１８が積層される構成とされてい
る。そして、この金属層１８は例えば絶縁層１５を貫通
するスルーホール、または外部に導出された図示されて
いない引き出し線によって、ほぼエミッタ電位（接地電
位）となるようにバイアスされている。

【００１７】本発明の実施に形態を示す上記電界放出デ
バイスでは、抵抗層１４を介してエミッタに供給される
電位と、当該エミッタを選択しているスキャン電圧の電
位差に応じて、電子ｅがエミッタ１６の先端部から矢印
方向に放出され、この電子ｅがアノード電圧によって加
速され、蛍光物質２１が塗布されているにアノード電極
２２と衝突することによって所望の位置の蛍光体を発光
させる。

【００１８】ところで、電子が衝突するアノード電極部
や蛍光体はその衝突エネルギーによって２次電子の放出
や、イオンの放出を点線で示すように行うが、真空デバ
イスにとって有害なこれらの粒子は低い電位に設定され
ている金属層１８に捕捉され、例えば２次電子がエミッ
タ１６をチャージして絶縁破壊が生じ、比較的脆弱なエ
ミッタ１６を損傷しないようにすることができる。ま
た、電子の衝突によってアノードやゲート面から放出さ
れたガスや電子によって形成されたイオンが、エミッタ
先端部部に吸着して電子を放出する仕事関数を高くし、
エミッション効率を劣化することを防止する。

【００１９】特に、 本発明の電界放出デバイスは下記
のように電界放出素子をリフレッシュするフレーム期間
で効果を発揮する。すなわち、電界放出デバイスを画像
表示装置として使用する場合は画像表示期間以外に画像
を表示しないリフレッシュ期間を設け、この期間にアノ
ード電極の電位を零電位に落とし、ゲートを通常の電位
でスキャンする再生期間を設けることが好ましいとされ
ているが、この再生期間ではエミッタから放出された電
子の大部分（９９パーセント)が、その近傍に配置され
ているゲート電極に流れ込み、そのときに電界放出デバ
イスの製造過程でとり切れていなかった不純物やがその
表面からから叩き出され、真空空間を汚染する。

【００２０】そして、その不純物やイオンによって真空
度が低下すると共に、エミッタの表面が酸化することに
よって仕事関数が著しく高くなり、電子の放出能力が劣
化するが、本発明の場合は上記図１に見られるようにゲ
ッタ作用を有する導電性の金属層１８によってゲート表
面の大部分がおおわれているので、この再生期間でゲー
ト電極層１７に突入する電子流を制限すると共に、発生
した不純物を金属層１８によって吸着し、又、イオンを
吸引することによって真空容器内の汚染を防止すること
ができる。

【００２１】図２は本発明の他の実施例を示す電界放出
カソードの説明図であって図１の部分と同一部分は同一
の符号としている。この実施例の場合は、ゲート電極層
１７の表面に例えばＳｉＯ₂等からなる第２の絶縁層１
９を蒸着等によって成膜し、その表面にパターニングに
よってゲッタ作用を有する導電性の金属膜１８が成膜さ
れている。

【００２２】ゲート電極層１７はエミッタ１６のホール
周辺部で電極の一部が臨むように形成され、その上面に
形成されている第２の絶縁層１９と金属層１８によって
ゲート表面が覆われるようにパターニングされている。
そしてこの金属層１８の電位がエミッタ電極の電位とほ
ぼ等しくなるようにバイアスされるか、その電位以下と
なるように外部から電位を付加するようにしている。上
記ゲッタ作用を有する導電性の金属層１８の材料は、例
えば，Ｎｂ、Ｆｅ、Ｔｈ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｂ
ａ、Ｓｒ、Ｃａとすることができ、またこれらの材料を
一つ以上含む化合物によって構成することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電界放出
デバイスはエミッタの先端部の周辺にゲート電極層を配
置するような電界放出カソードに対して、ゲート電極の
周辺部を覆うように、ゲッタ作用を有する導電性の金属
層を成膜し、該金属層をエミッタ電位、またはそれ以下
となるようにバイアスをかけることにより、電気的にま
た化学的に真空容器内に散乱する２次電子や、２次電子
の衝突によって引き起こされるイオン粒子等を排除して
いるので、電界放出デバイスの長寿命化をはかることが
できるという特徴がある。

【００２４】また、チップレス用の蓋体で排気室を省略
し、ゲッタ室そのものをなくすることによって真空外周
器を小型に形成することを可能にするものである。特
に、フラットタイプの電界放出素子を使用した表示装置
の場合は、真空容器内の残留ガスの排除やエミッタの損
傷、内部放電等が、商品の寿命、及び品質に大きく影響
するが、本発明の電界放出デバイスでは、ゲッタ室を省
略してもこれらの粒子による悪影響を無くすることが可
能になり、フラットタイプの表示装置として長寿命化を
期待することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出デバイスの内部を説明する概
要図である。

【図２】本発明の実施の他の実施形態を示す概要図であ
る。

【図３】スピント型の電界放出素子の概要説明図であ
る。

【図４】電界放出デバイスとしての真空容器の斜視図と
側面断面図を示す。

【符号の説明】

１１ 第１のガラス基板（アノード側基板） １２ 第２のガラス基板（カソード側基板） １３ カソード電極 １４ 抵抗層 １５（第１の）絶縁層 １６ エミッタ １７ ゲート電極層 １８ 金属層 １９ 第２の絶縁層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の基板に形成されている電界放出素
   子と、前記第１の基板に対向するように配置されている
   第２の基板に形成されている陽極を所定の間隔で保持
   し、内部を真空状態とした電界放出デバイスにおいて、 上記電界放出素子は絶縁層のホール内に蒸着堆積された
   コーン状のエミッタと、該コーン状のエミッタの先端を
   囲むように上記絶縁層の表面に形成されているゲート電
   極層によって構成し、かつ、上記絶縁層の表面に上記ゲ
   ート電極層の周辺を囲むようにゲッタ作用を有する導電
   性の金属層を配置し、該金属層が上記エミッタの電位と
   なるようにバイアスされていることを特徴とする電界放
   出デバイス。
2. 【請求項２】 第１の基板に形成されている電界放出素
   子と、前記第１の基板に対向するように配置されている
   第２の基板に形成されている陽極を所定の間隔で保持
   し、内部を真空状態とした電界放出デバイスにおいて、 前記電界放出素子は第１の絶縁層のホール内に蒸着堆積
   されたコーン状のエミッタと、該コーン状のエミッタの
   先端を囲むように上記第１の絶縁層の表面に形成されて
   いるゲート電極層と、該ゲート電極層の上面に形成され
   ている第２の絶縁層と、該第２の絶縁層の上面にパター
   ニングされたゲッタ作用を有する導電性の金属層によっ
   て構成され、該金属層が上記エミッタの電位となるよう
   にバイアスされていることを特徴とする電界放出デバイ
   ス。
3. 【請求項３】 上記金属層はＮｂ、Ｆｅ、Ｔｈ、Ｔｉ、
   Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、または、これらの
   材料を少なくとも一つ含む化合物によって形成されてい
   ることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の電界放
   出デバイス。
4. 【請求項４】 上記金属層の電位が上記エミッタの電位
   以下となるようにバイアス電圧を加えたことを特徴とす
   る請求項１もしくは２に記載の電界放出デバイス。
5. 【請求項５】 上記エミッタは上記第１の基板上に成膜
   された抵抗層の上面に蒸着堆積されていることを特徴と
   する請求項１もしくは２に記載の電界放出デバイス。