JPH04284324A - 電界電子放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界効果にてカソード電
極より電子を放出する電界電子放出装置の構造に関し、
さらに詳しくはカソード電極とゲート電極の短絡欠陥を
救済できる電界電子放出装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界電子放出装置にはスピント（
Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）らがＪ．Ａ．Ｐ．４７、ｐｐ．
５２４８−５２６３（１９７６）に報告したものや、グ
レイ（Ｈ．Ｆ．Ｇｒａｙ）らがＩＥＤＭ８６、ｐｐ．７
７６−７７９（１９８６）に報告したものなどがあった
。図３は従来の電界電子放出装置の概略斜視図である。 本装置は導電性の単結晶シリコン基板よりなる平面基板
１の表面に絶縁層２とゲート電極１０を積層し、同一場
所において絶縁層２とゲート電極１０にそれぞれ開口４
を設け、開口４の内部の平面基板１の表面に突起形状の
カソード電極４を設けた構造である。複数個のカソード
電極５が平面基板１の表面に設けられ、これらは導電性
基板によって互いに電気的に接続されている。また、一
個のゲート電極１０には複数個のカソード電極５が設け
られ、複数個のカソード電極５からの放出電子量を一個
のゲート電極１０によって制御する構成である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の電
界電子放出装置は、一個のゲート電極１０に複数個のカ
ソード電極５が設けられているが故に、以下に記述する
ようないくつかの問題点があった。すなわち、構造欠陥
や過剰電流などによってカソード電極５のうちのひとつ
が破壊した場合、ゲート電極１０がカソード配線あるい
は導電性基板に電気的に導通した短絡欠陥が発生する。 このとき、複数個のカソード電極５のうち破壊したもの
以外のカソード電極５は正常であるにもかかわらず、短
絡欠陥のために正常なカソード電極５とゲート電極１０
との間には電子放出に必要な十分な電圧が印加できなく
なる。この結果、短絡欠陥が発生した電界電子放出装置
は正常動作が不可能となり、引いては電界電子放出装置
の信頼性や歩留まりを低下させるという問題点があった
。

【０００４】また、カソード電極５の存在しない部分に
おいて、ゲート電極１０と導電性の平面基板１は絶縁層
２を挟んで重なっているが、この部分における絶縁層２
の耐圧不良あるいは異物などによって生じるゲート電極
１０と平面基板１との短絡は上述したものと同様な問題
点を引き起こしていた。

【０００５】そこで本発明は、このような従来技術の問
題点を克服するためのもので、その目的とするところは
、カソード電極５とゲート電極１０との間で短絡欠陥が
発生したとき、その短絡欠陥が正常なカソード電極５の
動作に支障を及ぼすことがないように、欠陥救済ができ
る電界電子放出装置を提供するところにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の電界電子放出装
置は、平面基板と、前記平面基板の表面に設けられた突
起形状を有する複数個のカソード電極と、前記平面基板
の表面に設けられた絶縁層であって前記カソード電極の
近傍で開口された絶縁層と、前記絶縁層の表面に設けら
れたゲート電極であって前記カソード電極の近傍で開口
されたゲート電極とを少なくも具備する電界電子放出装
置において、前記ゲート電極に接続されるゲート配線は
少なくもその一部が可溶抵抗体であることを特徴とし、
また、ゲート電極は分割された複数個のゲート電極要素
を具備し、かつ、ゲート配線はそれぞれの前記ゲート電
極要素に接続される複数本のゲート支線と、それぞれの
前記ゲート支線に接続されるゲート幹線を少なくも具備
することを特徴とし、また、ゲート電極要素は一個のカ
ソード電極毎に分割され設けられたことを特徴とし、ま
た、ゲート支線は少なくもその一部が導電性薄膜よりな
る薄膜可溶抵抗体であることを特徴とし、また、薄膜可
溶抵抗体は橋形状を有することを特徴とする。

【０００７】

【実施例】（実施例１）図１は本発明の第一の実施例を
説明するためのもので、ゲート幹線、ゲート支線および
ゲート電極が同層の薄膜よりなる電界電子放出装置の部
分的な概略斜視図である。本装置は導電性のｎ型単結晶
シリコン基板よりなる平面基板１と、平面基板１の表面
に設けられた突起形状のカソード電極５と、平面基板１
の表面に設けられカソード電極５の近傍で開口されたシ
リコン酸化膜よりなる絶縁層２と、絶縁層２の表面に設
けられカソード電極５の近傍で開口された多結晶シリコ
ン薄膜よりなるゲート電極要素３と、ゲート電極要素３
に接続された多結晶シリコン薄膜よりなるゲート支線６
およびゲート幹線７がおもな構成要素である。ゲート電
極は四個のゲート電極要素３を具備する。

【０００８】カソード電極５はシリコン基板の異方性エ
ッチング法により平面基板１と一体化して形成したもの
で、高さが１μｍ、頂角が９０度の概ね円錐形をしてい
る。その先端の断面の曲率半径は約３００Åである。絶
縁層２は減圧ＣＶＤ法で形成した膜厚５０００Åのシリ
コン酸化膜よりなる。ゲート電極要素３は一個のカソー
ド電極５に一個ずつそれぞれ独立して形成されている。 ゲート支線６はそれぞれのゲート電極要素３に一本ずつ
形成され、ゲート電極要素３とゲート幹線７を接続する
。ゲート電極要素３、ゲート支線６およびゲート幹線７
は同層の多結晶シリコン薄膜よりなる。多結晶シリコン
薄膜は減圧ＣＶＤ法で形成したもので、膜厚３０００Å
、比抵抗４×１０−３Ω・ｃｍである。ゲート支線６は
幅２μｍ、長さ１０μｍであり、ゲート幹線７は幅４０
μｍ、長さ１５０μｍである。ゲート支線６の抵抗値は
ゲート幹線７のそれに比べ約１．３倍であり、ゲート支
線６の抵抗値を大きくしておくことが重要である。

【０００９】この電界電子放出装置を真空度が１×１０
−７Ｔｏｒｒ程度の真空中におき、カソード電極５に対
してゲート幹線７に１２０Ｖのゲート電圧（ＶＧＫ）を
印加したところ、カソード電極５から放出される全カソ
ード電流（ＩＫ）は８×１０−７Ａであった。また、そ
の放出電流はＦ−Ｎプロットよりトンネル電流であった
。これらの動作結果より、ゲート電圧はゲート幹線７お
よびゲート支線６を通してそれぞれのゲート電極要素３
に印加され、四個のカソード電極５すべてから電子放出
が得られ、電界電子放出装置の正常な動作を確認できた
。

【００１０】つぎにゲート電圧をＶＧＫ＝１５０Ｖまで
上昇させて全カソード電流を増やしていったところ、Ｖ
ＧＫ＝１４０ＶでＩＫ＝２×１０−５Ａから１．４×１
０−５Ａに低下する現象が認められたものの、ＶＧＫ＝
１５０ＶでＩＫ＝３×１０−５Ａが得られた。ＶＧＫ＝
１４０Ｖでの全カソード電流の変化の原因を調べるため
電界電子放出装置の顕微鏡観察を行ったところ、カソー
ド電極５とゲート電極要素３の短絡欠陥が発見された。

【００１１】図２は本実施例における短絡欠陥発生後の
電界電子放出装置の部分的な概略斜視図である。四個の
ゲート電極要素３のうち一個のゲート電極要素３’にお
いて、ゲート電極要素３’とカソード電極５’が融合し
てできた短絡接点８が存在し、両電極が電気的に接続し
た短絡欠陥が生じている。この短絡欠陥はカソード電極
５’からの過剰な放出電流による加熱、もしくはプラズ
マ化された気体分子の衝突エネルギーによって引き起こ
されたものと考えられる。

【００１２】そしてここで重要なのは、短絡欠陥の発生
したゲート電極要素３’につながるゲート支線に断線６
’が認められる点である。短絡欠陥の発生によってそれ
につながるゲート支線６に過剰の電流が流れ、薄膜可溶
抵抗体であるところのゲート支線６がジュール熱で高温
に加熱されてヒューズのように溶融し断線したものであ
る。この断線６’によってゲート電極要素３’はゲート
幹線７から瞬時に分離され、他の三個のゲート電極要素
３から分断される。したがって、残りの三個のカソード
電極５からは引続き正常な電子放出がなされる。前述の
動作結果において、ＶＧＫ＝１４０ＶでＩＫが約３／４
に減少したのは四個のカソード電極５のうちの一個が瞬
時に分離されたことの裏付けである。

【００１３】薄膜可溶抵抗体の役割をなす多結晶シリコ
ン薄膜のゲート支線６は１４２０℃以上の温度で溶ける
。この溶融に必要な電力は約１００ｍＷであり、ゲート
電圧が１４０Ｖのとき約１ｍＡの電流がゲート支線６に
瞬間的に流れていることになる。このとき、ゲート支線
６の抵抗値は約１４０ｋΩと大きい。これは高温におい
て多結晶シリコン薄膜の導電性が低下するためである。 なお、薄膜可溶抵抗体の溶融および切断に必要な電力は
抵抗体の材質、ディメンション、構造、周辺環境の熱伝
導率などによって異なる。本発明の電界電子放出装置に
適した薄膜可溶抵抗体の抵抗値は室温において１０Ω〜
１ＭΩであるが、さらに好ましくは５０Ω〜５０ｋΩで
ある。

【００１４】このように本発明の電界電子放出装置は、
短絡欠陥の発生したゲート電極要素３’を薄膜可溶抵抗
体のヒューズ作用によってゲート幹線７から切り離なし
、正常なカソード電極５を継続して動作させるという自
己的欠陥救済の能力を有するものである。 （実施例２）図４は本発明の第二の実施例を説明するた
めのもので、薄膜可溶抵抗体としてのゲート支線の材質
がゲート幹線もしくはゲート電極の材質とは異なる電界
電子放出装置の部分的な概略斜視図である。平面基板１
、絶縁層２およびカソード電極５の構成は実施例１のも
のと同様である。ゲート電極要素３およびゲート幹線７
はスパッタ法で形成した膜厚が２０００Å、比抵抗が２
０μΩ・ｃｍのタンタル（Ｔａ）薄膜よりなる。ゲート
支線６はスパッタ法で形成した膜厚が５００Å、比抵抗
が１５０μΩ・ｃｍのクロムシリサイド（ＣｒＳｉ２）
薄膜よりなる。ゲート支線６はその幅が２μｍ、実効長
が１０μｍであり、ゲート電極要素３およびゲート幹線
７との重なりは約５μｍである。

【００１５】本実施例の電界電子放出装置の特長は低抵
抗を必要とするゲート幹線７と高抵抗を必要とするゲー
ト支線６を違った材質と工程で形成することにより実現
する点である。 （実施例３）図５は本発明の第三の実施例を説明するた
めのもので、橋形状を有するゲート支線を具備する電界
電子放出装置の部分的な概略斜視図である。本装置にお
いて、平面基板１、絶縁層２、ゲート電極要素３、カソ
ード電極５、ゲート幹線７およびゲート支線６の構成は
実施例１で述べた電界電子放出装置のものと同様である
。但し、絶縁層溝９がゲート支線６を横切って絶縁層２
の表面に形成されており、これによってゲート支線６は
空中を橋渡しした橋形状を有する。橋形状のゲート支線
６は可溶抵抗体としてより優れた性質を有する。すなわ
ち、橋形状のゲート支線６は絶縁層溝９の部分において
周辺をすべて熱伝導率の小さな真空に囲まれているため
、可溶抵抗体が放熱しにくく加熱されやすいという性質
をもつ。その結果、より小さなジュール熱で可溶抵抗体
が断線するという特長がある。このことはゲート支線６
をより低抵抗にできることと等価であり、この結果、比
抵抗の小さな材料をゲート配線に利用したり、ゲート幹
線７とゲート電極要素３との距離を小さくして高密度の
カソード電極５を形成できる。実際、実施例１のものと
比較して断線に必要なジュール熱は約３０％であって効
果が確認された。

【００１６】絶縁層２の膜厚が５０００Åに対して絶縁
層溝９の深さは２０００Åと小さい。これは平面基板１
をむき出しにしないことでゲート支線６と平面基板１と
の接触を防止している。もちろん、絶縁層２を開口して
平面基板１をむき出しにした絶縁層溝９を利用しても問
題ない。また、絶縁層２に溝を形成する代わりに、ゲー
ト支線６を上方に盛り上げた橋形状にして可溶抵抗体と
しても差し支えない。

【００１７】また、本実施例の電界電子放出装置におい
てはゲート電極要素３が四個のカソード電極５を含んで
いる。このような構造の電界電子放出装置はカソード電
極５の形成密度を大きくとることができ、小さな面積の
装置で全カソード電流を大きくすることが可能である。

【００１８】以上述べた三実施例の中で、可溶抵抗体と
して多結晶シリコン薄膜やクロムシリサイド薄膜よりな
る薄膜可溶抵抗体を取り上げたが、本発明ではこの範囲
にとらわれることなく、例えば鉛や錫を含む低融点合金
、半導体や酸化物導電体や金属間化合物などの高比抵抗
材料、あるいはｐｎ接合やショットキ接合などの非線形
接合構造よりなる薄膜可溶抵抗体や細線可溶抵抗体が利
用できる。

【００１９】また、電界電子放出装置の種類として実施
例で述べたもの以外に、スピント型やグレイ型などの縦
型電界電子放出装置あるいは横型電界電子放出装置など
に本発明は適用できる。 （実施例４）図６は本発明の第四の実施例を説明するた
めのもので、マトリクス型電界電子放出装置の部分的な
概略平面図である。マトリクス型電界電子放出装置は、
例えば、蛍光体を励起する発光型フラットディスプレイ
などに適用できるものである。この装置は縦型電界電子
放出装置であって、一個のカソード電極２を含むゲート
電極要素３がゲート支線６およびゲート幹線７を通して
ゲート配線１２に接続されている。それぞれのゲート幹
線７は六個のゲート電極要素３に接続され、この六個の
ゲート電極要素３およびカソード電極２で一個の画素１
３を形成している。複数個の画素１３がマトリクス状に
配列され、列に並んだそれぞれの画素１３を含んでカソ
ード配線１１がストライプ状に形成され、それぞれのカ
ソード電極２に接続されている。ゲート配線１２はカソ
ード配線１１に垂直になるように、行に並んだそれぞれ
の画素１３のゲート電極要素３に接続されてストライプ
状に形成されている。マトリクス型電界電子放出装置の
駆動方法はマルチプレックス方式を利用できる。

【００２０】このようなマトリクス型電界電子放出装置
の画素１３の構成によれば、短絡欠陥で一個のカソード
電極２が切断されても残りの五個のカソード電極２が正
常に動作するため、多少の電流減少があるものの画素１
３としての機能、役割を果たす。従来技術では一個の短
絡欠陥が発生すると画素もしくは縦横ラインがすべて機
能不良になっていた。このように、本発明は欠陥救済に
優れた性能を有するものである。

【００２１】

【発明の効果】本発明の電界電子放出装置は下記に述べ
るような発明の効果を有する。すなわち、まず、ゲート
電極とカソード電極が短絡欠陥となっても、短絡欠陥と
なった領域を電気的に切断して、正常な領域の電子放出
動作を可能とするため、歩留まりおよび信頼性のよい電
界電子放出装置である。また、短絡欠陥が生じた場合に
瞬時に自己的に切断するため、自己救済作用があり扱い
やすい電界電子放出装置である。さらに、製造プロセス
において発生した欠陥のように自己的に切断できない場
合においても、人為的にレーザリペア装置などによって
不良部分をゲート支線やゲート幹線から切り離すことが
でき、製造歩留まりを向上できる電界電子放出装置であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を説明するためのもので
、ゲート幹線、ゲート支線およびゲート電極が同層の薄
膜よりなる電界電子放出装置の部分的な概略斜視図であ
る。

【図２】本実施１における短絡欠陥発生後の電界電子放
出装置の部分的な概略斜視図である。

【図３】従来の電界電子放出装置の概略斜視図である。

【図４】本発明の第二の実施例を説明するためのもので
、薄膜可溶抵抗体としてのゲート支線の材質がゲート幹
線もしくはゲート電極の材質とは異なる電界電子放出装
置の部分的な概略斜視図である。

【図５】本発明の第三の実施例を説明するためのもので
、橋形状を有するゲート支線を具備する電界電子放出装
置の部分的な概略斜視図である。

【図６】本発明の第四の実施例を説明するためのもので
、マトリクス型電界電子放出装置の部分的な概略平面図
である。

【符号の説明】

１　　平面基板 ２　　絶縁層 ３　　ゲート電極要素 ３’　　ゲート電極要素 ４　　開口 ５　　カソード電極 ５’　　カソード電極 ６　　ゲート支線 ６’　　断線 ７　　ゲート幹線 ８　　短絡接点 ９　　絶縁層溝 １０　　ゲート電極 １１　　カソード配線 １２　　ゲート配線 １３　　画素

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面基板と、前記平面基板の表面に設けら
   れた突起形状を有する複数個のカソード電極と、前記平
   面基板の表面に設けられた絶縁層であって前記カソード
   電極の近傍で開口された絶縁層と、前記絶縁層の表面に
   設けられたゲート電極であって前記カソード電極の近傍
   で開口されたゲート電極とを少なくも具備する電界電子
   放出装置において、前記ゲート電極に接続されるゲート
   配線は少なくもその一部が可溶抵抗体であることを特徴
   とする電界電子放出装置。
2. 【請求項２】請求項１のゲート電極は分割された複数個
   のゲート電極要素を具備し、かつ、ゲート配線はそれぞ
   れの前記ゲート電極要素に接続される複数本のゲート支
   線と、それぞれの前記ゲート支線に接続されるゲート幹
   線を少なくも具備することを特徴とする電界電子放出装
   置。
3. 【請求項３】請求項２のゲート電極要素は一個のカソー
   ド電極毎に分割され設けられたことを特徴とする電界電
   子放出装置。
4. 【請求項４】請求項２のゲート支線は少なくもその一部
   が導電性薄膜よりなる薄膜可溶抵抗体であることを特徴
   とする電界電子放出装置。
5. 【請求項５】請求項４の薄膜可溶抵抗体は橋形状を有す
   ることを特徴とする電界電子放出装置。