JP5210281B2

JP5210281B2 - 電子放出素子、それを備えた表示装置及び撮像装置

Info

Publication number: JP5210281B2
Application number: JP2009237394A
Authority: JP
Inventors: 正英後藤; 啓萩原; 俊克堺
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: JP2011086454A

Description

本発明は、電子放出素子、特に電子ビーム集束にエレクトレットを用いた電子放出素子、それを備えた表示装置及び撮像装置に関する。

従来、発光装置や表示装置、撮像装置、電子顕微鏡等において、電子銃を含む電子放出素子やそのアレーが利用されている。一般に電子放出素子は、電子を放出するカソード電極と、その近傍に配置され電子をカソード電極から引き出すためのゲート電極と、カソード電極から放出された電子を集束するためのフォーカス電極とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

他の構成としては、発光装置のようにフォーカス電極を必要としない構成や、電子顕微鏡のように熱電子を取り除くためのサプレッサ電極と電子を加速するための加速電極とを含む構成もある。さらには、特殊な用途ではゲート電極やカソード電極以外の多数の電極を含む構成もあるが、簡単に説明するため、カソード電極、ゲート電極及びフォーカス電極を備えた電子放出素子を例に挙げる。

カソード電極には、主に加熱によりエネルギー障壁を下げて電子放出を得る熱陰極やそれに電界を加えることにより電子放出を得るショットキー陰極、先端の曲率半径を小さくする、あるいは薄い絶縁体中に高い電界を与えることにより、トンネル現象を利用して電子放出を得る冷陰極がある。熱陰極ではタングステンなどの高融点金属を利用したフィラメントや多孔質金属に酸化バリウムなどを含浸させた含浸型があり、ショットキー陰極では酸化ジルコニウムなどを針状タングステンに付着させたものがある。冷陰極では、金属を円錐状等に加工したスピント型やカーボンナノチューブなどの炭素系冷陰極、ポーラスシリコンを用いた弾道電子放出型などがある。

ゲート電極やフォーカス電極には、一般に金属部品や金属薄膜が用いられる。その導体の配置とそれらに与える電位により作り出される電子放出素子近傍の電場は、カソード電極から放出した電子の量、方向、速度に影響を与える。その際、カソード電極、ゲート電極、フォーカス電極の間には、絶縁物を挿入し、互いの電極が短絡しないようにすることで各々、独立の電位を設定することを可能にしている。絶縁物には、ガラスやセラミクス、ベークライト、テフロン（登録商標）などの部品や薄膜が用いられる。カソード電極を接地電位とし、ゲート電極には正の電位を設定することにより、カソード電極とゲート電極との間に作り出された電界によってカソード電極から放出された電子が引っ張られる。そしてフォーカス電極に負の電位を設定することにより、ゲート電極を通過した電子がフォーカス電極の電位によって静電集束され、所望の径を有する電子ビームが得られる。

特開２００６−０１２６６５号公報（［０００６］〜［００１０］、図１）

しかしながら、従来技術においては、各電極間に設けられた絶縁物の形成不良により電極間で短絡が起こることが多かった。特に、カソード電極に冷陰極を用いた電子放出素子において、電子放出素子をアレー状の形態に加工したものでは、ゲート電極とフォーカス電極とが短絡することが多かった。その理由は、比較的平滑な基板上に形成されるカソード電極とゲート電極との間の絶縁薄膜に比べて、ゲート電極とフォーカス電極との間の絶縁薄膜は、その形成時にゲート電極の平面度の影響を受けやすいので、形成不良が起こりやすいからである。他方、電子放出素子がアレー状でなくとも、熱陰極やショットキー陰極などを用いたものでも、こうした絶縁物の形成不良による電極間の短絡が生じることがあった。

ゲート電極とフォーカス電極とが短絡した場合、フォーカス電極がゲート電極と同電位になるため、フォーカス電極に対して、電子を集束させるために必要な電位を与えることができず、電子ビーム径を十分に絞れなくなる。その結果、表示装置においては色再現範囲の減少やコントラストの低下などの原因となり、撮像素子や電子顕微鏡においては解像度の劣化の原因となる。

また、従来技術のものでは、カソード電極、ゲート電極及びフォーカス電極にそれぞれ別の電位を与える構成となっているので、各電位を各電極に与えるために別々の電源回路の構成が必要であった。その結果、従来技術のものは、回路構成が煩雑になって回路構成に要するコストが増大するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、ゲート電極とフォーカス電極とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避するとともに、回路構成を簡素化することができる電子放出素子、それを備えた表示装置及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の電子放出素子は、基板上に順次形成されたカソード電極、絶縁層、ゲート電極及びフォーカス電極と、前記フォーカス電極の表面から前記カソード電極に至る開口部と、該開口部によって露出されたカソード電極上に形成され電子を放出する電子放出部とを備えた電子放出素子であって、前記フォーカス電極は、電荷が注入されエレクトレットとして機能する誘電体で形成されたものである構成を有している。

この構成により、本発明の電子放出素子は、エレクトレットとして機能する誘電体で形成されたフォーカス電極を備えるので、ゲート電極とフォーカス電極とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避することができる。

また、この構成により、本発明の電子放出素子は、フォーカス電極に電源を供給する必要がないので、回路構成を簡素化することができる。

また、この構成により、本発明の電子放出素子は、電子ビームをより強く集束することができる。

本発明の表示装置は、電子放出素子と、透光性を有する透光性基板と、該透光性基板の一方の面上に順次形成された透明電極及び蛍光体とを備え、前記電子放出素子が前記蛍光体に対向配置された構成を有している。

この構成により、本発明の表示装置は、エレクトレットとして機能する誘電体で形成されたフォーカス電極を有する電子放出素子を備えるので、ゲート電極とフォーカス電極とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避するとともに、回路構成を簡素化することができる。

本発明の撮像装置は、電子放出素子と、透光性を有する透光性基板と、該透光性基板の一方の面上に順次形成された透明電極及び光電変換膜とを備え、前記電子放出素子が前記光電変換膜に対向配置された構成を有している。

この構成により、本発明の撮像装置は、エレクトレットとして機能する誘電体で形成されたフォーカス電極を有する電子放出素子を備えるので、ゲート電極とフォーカス電極とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避するとともに、回路構成を簡素化することができる。

本発明は、ゲート電極とフォーカス電極とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避するとともに、回路構成を簡素化することができるという効果を有する電子放出素子、それを備えた表示装置及び撮像装置を提供することができるものである。

本発明の一実施形態において、計算機シミュレーションの対象とした表示装置のモデルを示す図エレクトレットを設けていないときの、計算機シミュレーションによって求めた等電位線を示す図エレクトレットに２０Ｖの電位を与え、４５度傾斜させたときの、計算機シミュレーションによって求めた等電位線を示す図エレクトレットに０Ｖの電位を与え、４５度傾斜させたときの、計算機シミュレーションによって求めた等電位線を示す図エレクトレットに−２０Ｖの電位を与え、４５度傾斜させたときの、計算機シミュレーションによって求めた等電位線を示す図エレクトレットに２０Ｖの電位を与え、傾斜させないときの、計算機シミュレーションによって求めた等電位線を示す図本発明の一実施形態における表示装置の構成を示す概念図本発明の一実施形態において、冷陰極基板の作製後にフォーカス電極への電荷注入工程を行う場合の表示装置の作製工程図本発明の一実施形態において、図８に示した電荷注入工程を放射線によって行う場合の説明図本発明の一実施形態において、冷陰極基板とアノード基板との接合後にフォーカス電極への電荷注入工程を行う場合の表示装置の作製工程図本発明の一実施形態において、図１０に示した電荷注入工程を放射線によって行う場合の説明図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の電子放出素子を表示装置に適用した例を挙げて説明する。

まず、具体的な実施形態を説明する前に、静電場における電子の軌道を調べる計算機シミュレーションを行った結果について説明する。図１は、計算機シミュレーションの対象とした表示装置１のモデルを示している。

図１に示すように、モデルとしての表示装置１は、カソード母線２、カソード母線２上に形成され電子を放出する略円錐状のエミッタ３、エミッタ３から電子を引き出すゲート電極４、電荷を半永久的に保持させた誘電体であるエレクトレット５、電子を捕捉するアノード電極６で構成されている。この図では電荷を保持させていない誘電体については図示を省略している。

図１において、エミッタ３は、底面の半径が０．８μｍ、高さが１μｍの略円錐状（図示は半断面図）としている。このエミッタ３は、先端が５ｎｍの円弧で、先端以外は、カソード母線２上のエミッタ中心から０．８μｍの点を原点とし、横方向をＸ、縦方向をＹとしたとき、Ｙ＝１．５Ｘ^２で表される曲線としている。ゲート電極４の厚さは０．２μｍである。エレクトレット５は、長さが２^１／２μｍで４５度に傾斜している。エミッタ３の中心からゲート電極４及びエレクトレット５の端面までの距離は０．７５μｍである。ゲート電極４の下面からカソード母線２までの距離は０．８μｍである。ゲート電極４の上面からエレクトレット５の下端までの距離は０．５μｍである。カソード母線２からアノード電極６までの距離は１ｍｍである。以上の構成において、カソード母線２の電位を０Ｖ、ゲート電極４の電位を６０Ｖ、アノード電極６の電位を１ｋＶとし、エレクトレット５の電位を可変して計算機シミュレーションを行った。それにより得られた等電位線のデータを図２〜図６に示す。

図２は、図１に示したモデルにおいて、エレクトレット５が無い場合の等電位線を示した図である。この場合、図示のように、エミッタ３付近の等電位線が、エミッタ３からアノード電極６（図１参照）に向かう方向（以下「上方向」、その逆を「下方向」という。）に凸の形状をしていることが分かる。すなわち、エレクトレット５が無い場合、エミッタ３から放出された電子は発散する軌道を進行することとなるため、電子がアノード電極６側に向かうに従って電子ビーム径が太くなることが分かる。

次に、図３〜図５は、それぞれ、エレクトレット５の電位を２０Ｖ、０Ｖ、−２０Ｖに設定した場合の等電位線を示している。図３〜図５において矢印で示した部分を見ると、等電位線が下方向に凸の形状をしていることが分かる。このため、エミッタ３からの電子ビームが集束されることとなる。また、図３〜図５に示すように、エレクトレット５の電位を低くするにつれて、矢印で示した部分の凸の形状が急峻になることから、電子ビームがより強く集束される。

次に、図６は、図１に示したモデルのエレクトレット５を傾斜させないでゲート電極４に平行に配置し、エレクトレット５の電位を２０Ｖとしたときの等電位線を示している。エレクトレット５に同じ電位を与えて４５度傾斜させた図３の結果と比べると、図６に示した矢印付近では等電位線の凸の形状が若干緩やかになっているが、下方向に凸の形状は維持されているので、エミッタ３からの電子ビームは集束されることとなる。また、エレクトレット５をゲート電極４に平行にした構成にすれば、エレクトレット５を傾斜させたものに比べて製造プロセスを簡略化することができる。

以上のように、計算機シミュレーションにより、エレクトレット５を用いても通常のフォーカス電極のように電子集束を行うことが可能であることが分かる（シミュレーションソフト：ＥＬＦＩＮ（エルフィン）、株式会社エルフ製）。

次に、本実施形態における表示装置について説明する。

図７に示すように、本実施形態における表示装置１０は、冷陰極基板２０と、アノード基板３０とを備えている。なお、図７においては、冷陰極基板２０とアノード基板３０との間に設けられ両者を保持するスペーサ、表示装置１０の内部を真空封止するための封止材等の図示は省略している。

冷陰極基板２０は、本発明に係る電子放出素子を複数備えたものであって、基板２１と、この基板２１上に順次形成されたカソード母線２２、絶縁層２３、ゲート電極２４及びフォーカス電極２５とを備えている。また、フォーカス電極２５の表面からカソード母線２２まで開口する開口部２６が設けてあり、開口部２６により露出したカソード母線２２上にはエミッタ２７が形成されている。

基板２１は、例えばガラスや酸化膜付きのシリコンウェハなどで構成される。基板２１上に形成されるカソード母線２２は、例えばクロム、ニオブ、アルミニウムなどにより構成される。このカソード母線２２は、本発明に係るカソード電極を構成する。

絶縁層２３は、例えばシリコン酸化膜、アルミナなどで構成される。ゲート電極２４は、例えばニオブ、クロムなどで構成される。本実施形態では、カソード母線２２の厚さを０．３μｍ、絶縁層２３の厚さを０．８μｍ、ゲート電極２４の厚さを０．２μｍとしている。

フォーカス電極２５は、例えば、誘電体であるシリコン酸化膜と、このシリコン酸化膜の表面を被覆する防湿膜としてのシリコン窒化膜とで構成される。ここで、シリコン酸化膜は、電荷が注入されると、注入された電荷を半永久的に保持し、エレクトレットとして機能するようになっている。電荷の注入については後述する。

この構成により、ゲート電極２４と、フォーカス電極２５であるエレクトレットとが短絡しても、短絡部近傍の電子を除き、誘電体であるエレクトレット中のほとんどの電子はゲート電極２４に移動しないため、ゲート電極２４とフォーカス電極２５とは同電位にはならない。したがって、正又は負の極性の所望の電位をフォーカス電極２５に保持させることができるので、短絡により電子ビームの集束径が影響を受けることはない。

開口部２６は、カソード母線２２上に絶縁層２３、ゲート電極２４及びフォーカス電極２５を順次形成した後、例えばエッチングによりフォーカス電極２５側からカソード母線２２が露出するよう形成されたものである。露出したカソード母線２２上に形成されるスピント型のエミッタ２７は、例えばモリブデン、ニオブなどで構成される。エミッタ２７の高さは１μｍである。このエミッタ２７は、本発明に係る電子放出部を構成する。

本実施形態におけるフォーカス電極２５は、１．５μｍの厚さで形成され、開口部２６の開口側（アノード基板３０側）において１μｍ×１μｍの４５度テーパ形状を有している。換言すれば、開口部２６は、フォーカス電極２５においてエミッタ２７が放出した電子の進行方向に沿って開口長が長くなる形状に形成されている。フォーカス電極２５にテーパを付加したのは、図２及び図６を用いて説明したように、ゲート電極２４の上面から０．５μｍの位置において、フォーカス電極２５を水平とするよりも傾斜させた方が電子の集束をより強くできるためである。

本実施形態における表示装置１０では、従来技術のように金属部品や金属薄膜によってフォーカス電極２５を形成する場合に比べ、電位を与えるための配線の構成が不要となるため、例えばエッチングによりフォーカス電極２５に任意の角度のテーパを付加することが簡単に実現できる。テーパの角度は、前述の４５度に限定されず、ゲート電極２４に対して０度（水平）〜９０度（垂直）の間で自由に設定が可能である。また、図示した直線状のテーパに限定されず、角度が連続的又は段階的に変化するテーパ（例えば緩やかに丸められた形状）であってもよい。

アノード基板３０は、透光性を有する基板３１と、透光性を有するアノード電極３２と、蛍光体３３とを備えている。基板３１は、例えばガラスで構成される。アノード電極３２は、例えば厚さが０．２μｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極で構成される。蛍光体３３は、アノード電極３２上に例えばＲＧＢ（赤、緑、青）各色の蛍光材料が１μｍ程度の厚さで塗布されて形成される。なお、基板３１は本発明に係る透光性基板を構成し、アノード電極３２は本発明に係る透明電極を構成する。

次に、誘電体であるシリコン酸化膜を備えたフォーカス電極２５に電荷を注入して保持させる手法について説明する。

誘電体であるフォーカス電極２５に例えば電子による負電荷を保持させる際には、従来から用いられているコロナ放電法や、電子照射、イオン照射、放射線照射などが利用できる。この際、フォーカス電極２５に与える電位は利用する方法によって異なるが、照射時間やグリッド電位、加速電圧などによって制御することができる。

また、フォーカス電極２５に電位を与えるための電荷注入工程は、冷陰極基板２０の作製後に行う場合、冷陰極基板２０とアノード基板３０との接合後に行う場合、真空封止後に行う場合が考えられる。

図８に、冷陰極基板２０の作製後に電荷注入工程を行う場合の、表示装置１０の作製工程を示す。まず、（１）冷陰極基板２０を作製し、（２）例えば放射線照射により、フォーカス電極２５に電荷注入を行う。次に、（３）冷陰極基板２０と、基板３１上にアノード電極３２及び蛍光体３３が形成されたアノード基板３０とを対向するよう配置して、両基板間をスペーサ４０で保持し接合する。最後に、（４）内部の空気を排気して真空にし、封止して完成する。

図８の（２）に示した電荷注入工程としては、放射線照射を用いる方法の他に、空気中でコロナ放電により発生したイオンによってフォーカス電極２５に電位を与える方法や、冷陰極基板２０を真空中に配置し、電子ビームによってフォーカス電極２５に電位を与える方法も用いることができる。

図９に、図８に示した工程においてフォーカス電極２５に電位を与えるための電荷注入として、放射線照射を用いた例を示す。グリッド電極４２と、ゲート電極２４との間に電界を発生させた状態で、Ｘ線４３が空気中に照射されると空気が電離し、両極性のイオン（正イオン、負イオン）が生成され、負イオンが電界の作用によりゲート電極２４側に引き寄せられることで、フォーカス電極２５に負電荷が注入されてエレクトレットとなる。例えば、Ｘ線４３のエネルギーを３ｋＶ〜９．５ｋＶ程度、Ｘ線源４１からフォーカス電極２５までの照射距離を１０ｍｍ、フォーカス電極２５とグリッド電極４２との間隔を３ｍｍとし、グリッド電極４２に−３０Ｖ、ゲート電極２４に０Ｖのバイアス電圧を与え、Ｘ線４３を３００秒程度照射すると、フォーカス電極２５に−２０Ｖの電位を与えることができる。

図１０に、冷陰極基板２０とアノード基板３０との接合後に電荷注入工程を行う場合の、表示装置１０の作製工程を示す。まず、（１）冷陰極基板２０を作製し、（２）冷陰極基板２０と、基板３１上にアノード電極３２及び蛍光体３３が形成されたアノード基板３０とを対向するよう配置して、両基板間をスペーサ４０で保持し接合する。次に、（３）放射線照射により、フォーカス電極２５に電荷注入を行う。最後に、（４）内部の空気を排気して真空にし、封止して完成する。

図１１に、図１０に示した工程においてフォーカス電極２５に電位を与えるための電荷注入として、放射線照射を用いた例を示す。アノード電極３２と、ゲート電極２４との間に電界を発生させた状態で、Ｘ線４３を照射すると、Ｘ線４３はアノード基板３０を透過する。透過したＸ線４３は、冷陰極基板２０とアノード基板３０との間の空気を電離し、両極性のイオン（正イオン、負イオン）が生成され、負イオンが電界の作用によりゲート電極２４側に引き寄せられることで、フォーカス電極２５に負電荷が注入されてエレクトレットとなる。

フォーカス電極２５に電位を与えるための電荷注入工程は、真空封止後にエミッタ２７から放出された電子により行うこともできる。この場合、エミッタ２７から放出される電子ビームの軌道が、フォーカス電極２５に戻るように、アノード電極３２とゲート電極２４の電位を適切に設定することで、エミッタ２７から放出された電子によりフォーカス電極２５に電荷を注入することができる。

また、各電極の配置や電位、所望の電子ビームの集束径に応じて、フォーカス電極２５の電位を最適値に設定することができる。例えば、図１に示した各要素の配置や電位を適用した場合、アノード電極３２において直径２８０μｍの電子ビーム径を得たい場合はフォーカス電極２５に＋２０Ｖの電位を与えるのが好ましい。同様に、１５０μｍの電子ビーム径を得たい場合はフォーカス電極２５に０Ｖ、２４μｍの電子ビーム径を得たい場合はフォーカス電極２５に−２０Ｖを与えるのが好ましい。

以上のように、本実施形態における表示装置１０によれば、エレクトレットとして機能させることができるシリコン酸化膜を用いてフォーカス電極２５を構成したので、ゲート電極２４とフォーカス電極２５とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避することができる。

また、本実施形態における表示装置１０によれば、各電極の配置や電位、所望の電子ビームの集束径に応じて、フォーカス電極２５の電位を最適値に設定することにより、フォーカス電極２５に電圧供給するための回路構成が不要となるので、回路構成を簡素化することができる。

なお、前述の実施形態においては、電子放出部が冷陰極のエミッタ２７である場合において、フォーカス電極２５をエレクトレットで構成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子放出部が例えば熱陰極、ショットキー陰極等でも同様の効果が得られる。

また、前述の実施形態においては、本発明に係る電子放出素子を複数備えた冷陰極基板２０を表示装置１０に適用した例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明に係る電子放出素子を撮像装置や発光装置、電子顕微鏡等の電子源として適用することもできる。

例えば、本発明に係る電子放出素子を撮像装置に適用する場合は、電子放出素子を複数備えた冷陰極基板２０（図７参照）と、透明電極及び光電変換膜を順次形成した透明基板とを準備し、フォーカス電極２５を所定の電位のエレクトレットにした後、冷陰極基板２０が光電変換膜に対向するよう配置して両基板間をスペーサで保持し、内部を真空封止することにより撮像装置を構成することができる。あるいは、フォーカス電極２５に電荷を注入する工程は、スペーサでの接合後や、真空封止後にエミッタ２７から放出された電子により行うこともできる（表示装置の場合と同様）。

この撮像装置は、透明基板側から入射する入射光の入射光量に応じて、光電変換膜が生成し蓄積した正孔と、冷陰極基板２０から光電変換膜に向けて放出された電子の一部とが再結合することにより流れる電流を映像信号の出力として得る。

この構成による撮像装置は、前述の表示装置１０と同様に、ゲート電極２４とフォーカス電極２５とが同電位になって所望の電子ビーム径が得られなくなることを回避することができる。

また、この構成による撮像装置は、各電極の配置や電位、所望の電子ビームの集束径に応じて、フォーカス電極２５の電位を最適値に設定することにより、フォーカス電極２５に電圧供給するための回路構成が不要となるので、回路構成を簡素化することができる。

１、１０表示装置
２、２２カソード母線（カソード電極）
３、２７エミッタ（電子放出部）
４、２４ゲート電極
５エレクトレット
６、３２アノード電極（透明電極）
２０冷陰極基板
２１基板
２３絶縁層
２５フォーカス電極
２６開口部
３０アノード基板
３１基板（透光性基板）
３３蛍光体
４０スペーサ
４１Ｘ線源
４２グリッド電極
４３Ｘ線

Claims

基板上に順次形成されたカソード電極、絶縁層、ゲート電極及びフォーカス電極と、前記フォーカス電極の表面から前記カソード電極に至る開口部と、該開口部によって露出されたカソード電極上に形成され電子を放出する電子放出部とを備えた電子放出素子であって、
前記フォーカス電極は、電荷が注入されエレクトレットとして機能する誘電体であるシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜の表面を被覆するシリコン窒化膜とで形成されたものであり、
前記開口部は、前記フォーカス電極において前記電子の進行方向に沿って開口長が長くなるテーパ形状に形成されたものであることを特徴とする電子放出素子。
請求項１に記載の電子放出素子と、透光性を有する透光性基板と、該透光性基板の一方の面上に順次形成された透明電極及び蛍光体とを備え、前記電子放出素子が前記蛍光体に対向配置されたことを特徴とする表示装置。
請求項１に記載の電子放出素子と、透光性を有する透光性基板と、該透光性基板の一方の面上に順次形成された透明電極及び光電変換膜とを備え、前記電子放出素子が前記光電変換膜に対向配置されたことを特徴とする撮像装置。