(57)【要約】【課題】十分な量の電子を安定的に電界放射することが可能で容易に製造可能な電界放射素子およびその製造方法を提供することである。【解決手段】絶縁基板１０の上面に一方向に延びる複数の壁部１１が所定間隔ごとに平行に形成されている。各壁部１１の一方の側面から絶縁基板１０の上面の一部に断面Ｌ字状のカソード層２１が形成されている。各壁部１１の他方の側面から絶縁基板１０の上面の一部に断面Ｌ字状のゲート層２２が形成されている。隣接する壁部１１に形成されたカソード層２１とゲート層２２との間は互いに分離され、電気的に絶縁されている。絶縁基板１０の上方に、所定間隔を隔てて透明基板５０が支持枠６０を介して配置されている。透明基板５０の下面には、壁部１１、カソード層２１およびゲート層２２に対向するように蛍光体層３０およびアノード層４０が絶縁基板１０側からこの順に設けられている。【選択図】図１
2008117668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように形成された絶縁性の複数の壁部と、
前記複数の壁部の一側面にそれぞれ形成されたカソード層と、
前記基板に対向するように前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と間隔を隔てて配置された
アノード電極とを備えたことを特徴とする電界放射素子。
【請求項２】
前記複数の壁部は、前記基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように形成され、
前記複数の壁部の他側面にそれぞれ形成されたゲート層をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の電界放射素子。
【請求項３】
前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と前記アノード電極との間に配置された蛍光体層をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電界放射素子。
【請求項４】
基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように絶縁性の複数の壁部を形成する工程と、
前記複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層を形成する工程と、
前記基板に対向するように前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極を配置する工程とを備えたことを特徴とする電界放射素子の製造方法。
【請求項５】
前記複数の壁部を形成する工程は、前記基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように前記複数の壁部を形成することを含み、
前記複数の壁部の他側面にそれぞれゲート層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の電界放射素子の製造方法。
【請求項６】
前記カソード層を形成する工程は、前記複数の壁部の一側面に対して斜め方向からカソード層の材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項４または５記載の電界放射素子の製造方法。
【請求項７】
前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と前記カソード層との間に配置される蛍光体層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電界放射素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放射素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電界放射を利用した電界放射素子（フィールドエミッションデバイス）として、電界放射ディスプレイ（フィールドエミッションディスプレイ：ＦＥＤ）、電界放射ランプ（フィールドエミッションランプ：ＦＥランプ）等が開発されている。
【０００３】
電界放射は、電子を固体内に閉じ込めている固体表面のポテンシャル障壁が、同表面近傍に強い電界を印加することにより、実効的に低くかつ薄くなるため、固体内電子がトンネル効果に基づき固体外(例えば真空中)に電界により放射される現象である。
【０００４】
この現象を生じさせるために、通常は、電界の集中が起きやすいようにカソード電極上に先端を鋭く尖らせたエミッタ（電子放射源)が設けられている。
【０００５】
例えば、従来のスピント型の電界放射素子では、カソード電極（陰極）、ゲート電極（グリッド電極)およびアノード電極（陽極）が所定間隔で配置され、アノード電極の表面に蛍光体層が設けられている。カソード電極上には、電界の集中が起きやすいように先端が鋭く尖った円錐状のエミッタが形成されている。ゲート電極にはエミッタと対向する部分にゲートホールが設けられている。
【０００６】
カソード電極上のエミッタの先端では電界集中が起こるため、カソード電極とゲート電極との電位差を所定値以上（平均電界強度から算出される電位差より格段に低い値）にすることにより、エミッタから電子が放射され、カソード電極とアノード電極との間の電圧により加速される。アノード電極の蛍光体層に加速された電子が衝突することにより、蛍光体層が所望の発光を呈する。
【特許文献１】特開２００６−１５６３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来のスピント型の電界放射素子では、電界の集中が起きやすいようにエミッタの先端が鋭く尖った円錐状に形成されているため、電界放射面積が小さく、単体のエミッタから放射される電子の量に限界がある。そのため、単体のエミッタでは十分な量の電子を放射することが困難である。
【０００８】
そこで、上記のエミッタを複数個作製する方法が考えられるが、先端が鋭く尖った円錐状の複数のエミッタを均一に作製することは容易ではない。そのため、製造歩留まりが低い。さらに、円錐状の複数のエミッタの先端部は、電子放射時には局所的に強電界が印加されるため、構造上経時劣化しやすく、長期間安定して電子を放射することが困難である。そのため、長期間安定した輝度を得ることが困難である。
【０００９】
本発明の目的は、十分な量の電子を安定的に電界放射することが可能で容易に製造可能な電界放射素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）第１の発明に係る電界放射素子は、基板と、基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように形成された絶縁性の複数の壁部と、複数の壁部の一側面にそれぞれ形成されたカソード層と、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔てて配置されたアノード電極とを備えたものである。
【００１１】
本発明に係る電界放射素子においては、基板上において絶縁性の複数の壁部が所定の方向に延びる側面を有するように形成され、複数の壁部の一側面にカソード層がそれぞれ形成されている。また、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極が配置されている。
【００１２】
アノード電極とカソード層との間に電圧が印加されると、カソード層の上端部においていわゆるエッジ効果によりその厚さに依存した電界集中が局所的に生じる。それにより、電子がカソード層の上端部で構成される線状領域から電界放射される。カソード層の上端部から電界放射された電子は、アノード電極に向かって進行する。
【００１３】
この場合、カソード層が基板上において所定の方向に延びるように形成されているので、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができる。
【００１４】
また、一般的な成膜技術により複数の壁部の側面に均一な厚さを有するカソード層を容易に形成することができる。それにより、所定の方向に延びるカソード層の上端部の厚さを容易に一定に形成することができる。この場合、カソード層は絶縁性の壁部と堅固に結合できる。そのため、スピント型電界放射素子のような点状のエミッタとは異なり、構造上カソード層の上端部はその厚さが薄くても経時劣化しにくく、長時間の使用においても安定して電子を電界放射することができる。
【００１５】
（２）複数の壁部は、基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように形成され、電界放射素子は、複数の壁部の他側面にそれぞれ形成されたゲート層をさらに備えてもよい。
【００１６】
この場合、ゲート層とカソード層との間に小さい電圧を印加することにより、カソード層からアノード電極への電子の量を効率良く容易に制御することができる。それより、小さな電圧変化によりカソード層から電界放射される電子の量を大きく変化させることができる。
【００１７】
（３）電界放射素子は、複数の壁部およびカソード層の上端部とアノード電極との間に配置された蛍光体層をさらに備えてもよい。
【００１８】
この場合、カソード層の上端部から電界放射された電子は、蛍光体層に向かって進行し、蛍光体層に衝突する。それにより、蛍光体層が発光する。すなわち、電界放射素子は、発光素子として機能する。このとき、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができるので、輝度を向上させることができる。
【００１９】
また、カソード層が経時劣化しにくいので、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。
【００２０】
（４）第２の発明に係る電界放射素子の製造方法は、基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように絶縁性の複数の壁部を形成する工程と、複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層を形成する工程と、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極を配置する工程とを備えたものである。
【００２１】
本発明に係る電界放射素子の製造方法においては、基板上において所定の方向に延びる側面を有するように絶縁性の複数の壁部が形成され、複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層が形成される。さらに、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極が配置される。
【００２２】
このようにして製造された電界放射素子において、アノード電極とカソード層との間に電圧が印加されると、カソード層の上端部においていわゆるエッジ効果によりその厚さに依存した電界集中が局所的に生じる。それにより、電子がカソード層の上端部で構成される線状領域から電界放射される。カソード層の上端部から電界放射された電子は、アノード電極に向かって進行する。
【００２３】
この場合、カソード層が基板上において所定の方向に延びるように形成されているので、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができる。
【００２４】
また、一般的な成膜技術により複数の壁部の側面に均一な厚さを有するカソード層を容易に形成することができる。それにより、所定の方向に延びるカソード層の上端部の厚さを容易に一定に形成することができる。この場合、カソード層は絶縁性の壁部と堅固に結合できる。そのため、スピント型のような点状のエミッタとは異なり、構造上カソード層の上端部はその厚さが薄くても経時劣化しにくく、長時間の使用においても安定して電子を電界放射することができる。
【００２５】
（５）複数の壁部を形成する工程は、基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように複数の壁部を形成することを含み、電界放射素子の製造方法は、複数の壁部の他側面にそれぞれゲート層を形成する工程をさらに備えてもよい。
【００２６】
この場合、ゲート層とカソード層との間に小さい電圧を印加することにより、カソード層からアノード電極への電子の量を効率良く容易に制御することができる。それにより、小さな電圧変化によりカソード層から電界放射される電子の量を大きく変化させることができる。
【００２７】
（６）カソード層を形成する工程は、複数の壁部の一側面に対して斜め方向からカソード層の材料を堆積させる工程を含んでもよい。
【００２８】
この場合、複数の壁部の一側面に薄いカソード層を均一な厚さで制御性良くかつ再現性良く形成することができる。それにより、広い領域にわたり空間的にばらつきが少なく電子を電界放射することができるとともに、電子を十分に安定的に電界放射することが可能となる。
【００２９】
（７）電界放射素子の製造方法は、複数の壁部およびカソード層の上端部とカソード層との間に配置される蛍光体層を形成する工程をさらに備えてもよい。
【００３０】
それにより、電界放射素子からなる発光素子が製造される。この場合、カソード層の上端部から電界放射された電子は、蛍光体層に向かって進行し、蛍光体層に衝突する。それにより、蛍光体層が発光する。このとき、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができるので、輝度を向上させることができる。
【００３１】
また、カソード層が経時劣化しにくいので、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、十分な量の電子を安定的に電界放射することが可能な電界放射素子を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態に係る電界放射素子およびその製造方法について説明する。
【００３４】
（１）第１の実施の形態
（１−１）電界放射素子の構成
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。また、図２は図１の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
【００３５】
本実施の形態では、電界放射素子を光源または表示装置に適用する場合について説明する。
【００３６】
図１および図２において、絶縁基板１０の上面に一方向に延びる複数の絶縁性の壁部１１が所定間隔ごとに平行に形成されている。絶縁基板１０の材料としては、例えば珪酸ガラス、石英ガラス、サファイア等の無機材料、またはアクリル、ポリエチレン等の有機材料を含め、種々の絶縁材料を用いることができる。壁部１１は、絶縁基板１０と同じ材料により一体的に形成されてもよく、絶縁基板１０と異なる材料により絶縁基板１０上に形成されてもよい。壁部１１の材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の種々の絶縁材料を用いることができる。
【００３７】
各壁部１１は、絶縁基板１０の上面に垂直な両側面および絶縁基板１０の上面に平行な上面を有する。壁部１１の幅Ｗは、特に限定されないが、例えば、１μｍ〜１００μｍであり、本実施の形態では、１０μｍ程度である。壁部１１の高さＨは、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ〜１００μｍであり、本実施の形態では、１．５ｎｍ程度である。
【００３８】
各壁部１１の一方の側面から絶縁基板１０の上面の一部に断面Ｌ字状のカソード層２１が形成されている。各壁部１１の一方の側面に断面バー状のカソード層２１が形成されてもよい。また、各壁部１１の他方の側面から絶縁基板１０の上面の一部に断面Ｌ字状のゲート層２２が形成されている。各壁部１１の他方の側面に断面バー状のゲート層２２が形成されてもよい。
【００３９】
カソード層２１およびゲート層２２は、金属、金属化合物または合金等の導電性材料からなる単層膜または積層膜からなる。ゲート層２２はカソード層２１と同一の材料により形成されてもよく、異なる材料により形成されてもよい。また、ゲート層２２はカソード層２１と同一の構造を有してもよく、異なる構造を有してもよい。
【００４０】
例えば、カソード層２１として、Ｔｉ（チタン）等の金属膜上に仕事関数の小さいチタン化合物等の金属化合物膜を形成した積層膜を用い、ゲート層２２として、炭素膜を用いることができる。また、カソード層２１として、壁部１１と密着性のある金属薄膜（例えば、Ｔｉ、Ｗ等）が壁部１１の表面上に形成され、仕事関数の小さい周期律表のＩ族またはII族の金属膜（例えばＲｂ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ等）またはそれらの合金膜（酸化物を含む）が最表面に形成された積層膜を用いてもよい。また、ゲート層２２として、化学的に安定な導電性材料である金属薄膜（例えばＡｕ、Ｐｔ等）を用いてもよく、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＩｎＯｘ（酸化インジウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の導電性酸化物膜を用いてもよい。本実施の形態では、作製工程を簡素化するために、カソード層２１およびゲート層２２は、同一材料で形成され、Ｔｉ膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜からなる積層膜である。ＴｉＮ膜の代わりにＴｉＣ（炭化チタン）膜を用いてもよい。
【００４１】
図２に示すように、カソード層２１は、壁部１１の一方の側面上の側面部２１ａおよび絶縁基板１０の上面上の底面部２１ｂからなる。同様に、ゲート層２２は、壁部１１の他方の側面上の側面部２２ａおよび絶縁基板１０の上面上の底面部２２ｂからなる。
【００４２】
カソード層２１の側面部２１ａの厚さｔＣは底面部２１ｂの厚さｄＣよりも薄く形成されている。ゲート層２２の側面部２２ａの厚さｔＧは底面部２２ｂの厚さｄＧよりも薄く形成されている。カソード層２１の側面部２１ａの厚さｔＣは、１ｎｍ〜５０ｎｍであり、ゲート層２２の側面部２２ａの厚さｔＧは、１ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施の形態では、厚さｔＣおよび厚さｔＧ  はともに１５ｎｍ程度である。カソード層２１の底面部２１ｂの厚さｄＣおよびゲート層２２の底面部２２ｂの厚さｄＧは、特段の制限はないが、１０ｎｍ〜５００ｎｍが好適であり、本実施の形態では、１５ｎｍ程度である。
【００４３】
１つの壁部１１の両側面に形成されるカソード層２１およびゲート層２２が１組の電子放射源となる。図１に示すように、隣接する壁部１１に形成されたカソード層２１とゲート層２２との間は互いに分離され、電気的に絶縁されている。
【００４４】
絶縁基板１０の上方に、所定間隔を隔てて透明基板５０が支持枠６０を介して配置されている。透明基板５０の下面には、壁部１１、カソード層２１およびゲート層２２に対向するように蛍光体層３０およびアノード層４０が絶縁基板１０側からこの順に設けられている。アノード層４０はアノード電極として機能する。
【００４５】
蛍光体層３０は、複数組の電子放射源に共通に連続する１つの蛍光体層３０が設けられてもよい。この場合、蛍光体層３０は、単一色用の蛍光体からなる。それにより、電界放射素子は、単一色の光源または表示装置として用いられる。
【００４６】
あるいは、１組または複数組の電子放射源ごとに分離された蛍光体層３０がそれぞれ設けられてもよい。この場合、蛍光体層３０は、赤色用の蛍光体、緑色用の蛍光体および青色用の蛍光体からなる。それにより、電界放射素子は、カラー光源またはカラー表示装置として用いられる。
【００４７】
アノード層４０は、ＩＴＯ等の透明導電材料からなる。また、透明基板５０は、珪酸ガラス、石英ガラス、サファイア等の種々の透明の絶縁基板からなる。
【００４８】
（１−２）電界放射素子の製造方法
図３は図１および図２の電界放射素子の主としてカソード層２１およびゲート層２２の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４９】
まず、図３（ａ）に示すように、絶縁基板１０を準備し、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板１０の上面に一定間隔でフォトレジスト５１をストライプ状に形成した後、エッチングにより絶縁基板１０の上面に複数の壁部１１を一定間隔で互いに平行に形成する。
【００５０】
次に、図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板１０の上面における隣接する壁部１１間の中央部にフォトレジスト５２をストライプ状に形成する。
【００５１】
その後、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト５１，５２上、壁部１１の両側面および絶縁基板１０の上面を覆うように、蒸着法により電極層２０を形成する。この場合、複数の壁部１１の一方の側面の斜め上方および他方の側面の斜め上方から蒸着を行う。それにより、各壁部１１の側面上に各壁部１１の上面上および絶縁基板１０の上面上に比べて薄い電極層２０が形成される。
【００５２】
電極層２０は、金属、金属化合物または合金等の導電性材料からなる単層膜または積層膜からなる。例えば、電極層２０は、金属膜と金属化合物膜とからなる積層膜である。本実施の形態では、電極層２０は、チタン膜および窒化チタン膜からなる積層膜である。
【００５３】
次に、図３（ｅ）に示すように、フォトレジスト５１，５２をその上の電極層２０とともに除去する。それにより、リフトオフ法により各壁部１１の一方の側面および絶縁基板１０の上面の一部領域にカソード層２１が形成され、各壁部１１の他方の側面および絶縁基板１０の上面の一部領域にゲート層２２が形成される。
【００５４】
（１−３）電界放射素子の動作
次に、図１および図２の電界放射素子の動作について説明する。図４は図１および図２の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。
【００５５】
図４に示すように、カソード層２１およびアノード層４０に可変の直流電源Ｅ１の負極および正極をそれぞれ接続する。また、カソード層２１およびゲート層２２に可変の直流電源Ｅ２の負極および正極をそれぞれ接続する。この場合、直流電源Ｅ１の直流電圧は直流電源Ｅ２の直流電圧よりも大きく設定される。
【００５６】
可変の直流電源Ｅ１によりアノード層４０とカソード層２１との間に直流電圧を印加すると、カソード層２１の上端部近傍ではエッジ効果により電界の集中が起こり、カソード層２１の上端部から電子が電界放射される。この場合、カソード層２１の上端部は絶縁基板１０の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層２１の電界放射領域が線状となり、カソード層２１の上端部から多量の電子が電界放射される。
【００５７】
カソード層２１の上端部から電界放射された電子は、アノード層４０とカソード層２１との間の電界によりアノード層４０に向かって進行する。電界放射された電子は蛍光体層３０に衝突し、蛍光体層３０が発光する。
【００５８】
より具体的には、壁部１１が絶縁基板１０の表面に沿って十分長く、カソード層２１の上端部の断面（絶縁基板１００の表面に垂直な面）がｄを短軸長とする長円で近似できる場合には、カソード層２１の上端部で生じる最大の電界はｄに反比例することが導かれる。このような固体表面近傍における電界集中は、金属のように十分な自由電子が存在し、固体内部には電界が生じない場合に限って生じる。したがって、大きな電界集中が生じるためには、カソード層２１の上端部に十分な自由電子が存在する必要がある。このため、カソード層２１の厚さが極端に薄い場合は期待通りの電界集中が生じない可能性がある。また、極端に薄いカソード層２１は強度的にも問題が生じる。したがって、カソード層２１の上端部の厚さは薄いほど大きな電界集中が期待されるが、実用的には、カソード層２１の材料にも依存するが、通常１ｎｍ以上であることが望ましい。このような電界集中の効果により、カソード層２１への印加電圧は低くても、カソード層２１の上端部の線状領域における表面近傍の局所電界が十分強くなれば電子が電界放射される。
【００５９】
ここで、可変の直流電源Ｅ２によりゲート層２２とカソード層２１との間に直流電圧を印加すると、カソード層２１の上端部から電界放射された電子の一部がゲート層２２に向かって進行し、残りの電子がアノード層４０に向かって進行する。
【００６０】
一方、直流電源Ｅ１の電圧を０として、直流電源Ｅ２によりゲート層２２とカソード層２１との間に直流電圧を印加すると、同様なエッジ効果によりカソード層２１の上端部から電界放射された電子はゲート層２２に向かって進行する。ここで、直流電源Ｅ１によりカソード層２１とアノード層４０との間に直流電圧を印加すると、カソード層２１の上端部から電界放射された電子の一部または大部分をアノード層４０に向かわすことができる。
【００６１】
したがって、直流電源Ｅ１の直流電圧および直流電源Ｅ２の直流電圧のうち一方または両方を変化させることにより、蛍光体層３０に到達する電子の量を制御することができる。それにより、電界放射素子の輝度を制御することができる。
【００６２】
特に、直流電源Ｅ２の直流電圧を制御することにより小さな電圧変化により電界放射素子の輝度を大きく変化させることができる。
【００６３】
なお、可変の直流電源Ｅ２の代わりに可変の交流電源を用いてもよい。それにより、カソード層２１およびゲート層２２と絶縁性の壁部１１との界面近傍に蓄積される電荷がキャンセルされる。その結果、電界放射を高速にオンオフすることができる。この場合、カソード層２１とゲート層２２とは互いに鏡面対称な形状で同一な膜構造を有していることが望ましい。
【００６４】
（１−４）実施の形態の電界放射素子の効果
上記のように、本実施の形態の電界放射素子においては、カソード層２１の上端部が絶縁基板１０の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層２１の上端部である線状の電界放射領域から多量の電子を電界放射させることができる。それにより、電界放射素子の輝度を向上させることができる。したがって、高い輝度を得ることができるＦＥランプまたはＦＥＤが実現される。
【００６５】
また、蒸着法等の一般的な成膜技術により壁部１１の側面に均一な厚さを有するカソード層２１を容易に形成することができる。それにより、一方向に線状に延びるカソード層２１の上端部の厚さｔＣを一定に形成することができる。この場合、一定の厚さｔＣを有するカソード層２１の上端部は経時劣化しにくいため、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。
【００６６】
また、壁部１１、カソード層２１およびゲート層２２を、高温の熱処理を行うことなく、通常のフォトリソグラフィおよび蒸着法等により容易に形成することができる。そのため、壁部１１、カソード層２１およびゲート層２２の下部にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等の回路素子を含む種々の周辺回路を予め容易に形成することができる。したがって、アクティブマトリクス型のＦＥＤ等を容易に作製することができる。
【００６７】
（２）第２の実施の形態
図５は本発明の第２の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。また、図６は図５の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
【００６８】
本実施の形態においても、電界放射素子を光源または表示装置に適用する場合について説明する。
【００６９】
図５および図６において、絶縁基板１０の上面に一方向に延びる複数の絶縁性の壁部１１が所定間隔ごとに平行に形成されている。
【００７０】
各壁部１１の一方の側面から絶縁基板１０の上面の一部に断面Ｌ字状のカソード層２１が形成されている。各壁部１１の一方の側面に断面バー状のカソード層２１が形成されてもよい。
【００７１】
１つの壁部１１の一方の側面に形成されるカソード層２１が１組の電子放射源となる。隣接する壁部１１に形成されたカソード層２１間は互いに分離され、電気的に絶縁されている。
【００７２】
図５および図６の電界放射素子の他の部分の構成および各部の材料は図１および図２の電界放射素子と同様である。
【００７３】
図７は図５および図６の電界放射素子の主としてカソード層２１の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００７４】
まず、図７（ａ）に示すように、絶縁基板１０を準備し、図７（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板１０の上面に一定間隔でフォトレジスト５１をストライプ状に形成した後、エッチングにより絶縁基板１０の上面に複数の壁部１１を一定間隔で互いに平行に形成する。
【００７５】
次に、図７（ｃ）に示すように、フォトレジスト５１上、壁部１１の一方の側面および絶縁基板１０の上面を覆うように、蒸着法により電極層２０を形成する。この場合、複数の壁部１１の一方の側面の斜め上方から蒸着を行う。それにより、各壁部１１の一方の側面上に各壁部１１の上面上および絶縁基板１０の上面上に比べて薄い電極層２０が形成される。
【００７６】
次に、図７（ｄ）に示すように、フォトレジスト５１をその上の電極層２０とともに除去する。それにより、リフトオフ法により各壁部１１の一方の側面および絶縁基板１０の上面の一部領域にカソード層２１が形成される。
【００７７】
次に、図５および図６の電界放射素子の動作について説明する。図８は図５および図６の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。
【００７８】
図８に示すように、カソード層２１およびアノード層４０に可変の直流電源Ｅ１の負極および正極をそれぞれ接続する。
【００７９】
可変の直流電源Ｅ１によりアノード層４０とカソード層２１との間に直流電圧を印加すると、カソード層２１の上端部近傍ではエッジ効果により電界の集中が起こり、カソード層２１の上端部から電子が電界放射される。この場合、カソード層２１の上端部は絶縁基板１０の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層２１の電界放射領域が線状となり、多量の電子が電界放射される。
【００８０】
カソード層２１の上端部から電界放射された電子は、アノード層４０とカソード層２１との間の電界によりアノード層４０に向かって進行し、蛍光体層３０に衝突する。それにより、蛍光体層３０が発光する。
【００８１】
この場合、直流電源Ｅ１の直流電圧を変化させることにより蛍光体層３０に到達する電子の量を制御することができる。それにより、電界放射素子の輝度を制御することができる。
【００８２】
（３）カソード層からの電界放射の実験
ここで、本実施の形態の電界放射素子におけるカソード層２１による電界放射を実証するために以下の実験を行った。
【００８３】
図９は電界放射の実験に用いた測定回路を示す模式図である。
【００８４】
図９に示すように、石英ガラス基板１００の上面に間隔５０μｍを隔ててカソード層１１０およびゲート層１２０を形成した。カソード層１１０およびゲート層１２０は、厚さ１５ｎｍのＴｉＮ（窒化チタン）膜と厚さ１ｎｍのＴｉ（チタン）膜との積層膜である。
【００８５】
また、石英ガラス基板１００の上方に間隔１０ｍｍを隔ててＡｌ（アルミニウム）からなるコレクタ電極１３０を配置した。
【００８６】
ゲート層１２０とカソード層１１０との間に駆動電圧Ｖｄを印加し、コレクタ電極１３０とカソード層１１０との間にコレクタ電圧Ｖｃを印加した。駆動電圧Ｖｄは１００Ｖで一定とし、コレクタ電圧Ｖｃを０Ｖから２６０Ｖまで徐々に増加させ、カソード層１１０からコレクタ電極１３０への電子によるエミッション（電界放射）電流Ｉｅおよびカソード層１１０からゲート層１２０への電子による駆動電流Ｉｄを測定した。
【００８７】
図１０はエミッション電流Ｉｅおよび駆動電流Ｉｄの測定結果を示す図である。
【００８８】
図１０において、上向三角印“△”は駆動電流Ｉｄ［Ａ］を示し、下向き三角印“▽”はエミッション電流Ｉｅ［Ａ］を示し、四角印“◇”は駆動電流Ｉｄおよびエミッション電流Ｉｅの和［Ａ］を示す。
【００８９】
図１０の測定結果からコレクタ電圧Ｖｃが１００Ｖを超えると、コレクタ電圧Ｖｃの増加に伴ってカソード層１１０からコレクタ電極１３０への電界放射によるエミッション電流Ｉｅが増加し、電界放射されたほとんどの電子がコレクタ電極１３０に収集されることがわかる。
【００９０】
（４）他の実施の形態
上記実施の形態では、本発明に係る電界放射素子を表示装置または光源に適用する場合について説明したが、本発明に係る電界放射素子は、大気中で機能する電子源に適用することもできる。この場合、図１および図５に示した蛍光体層３０は不要である。カソード層２１から電界放射された電子は、アノード層４０に到達する。このような電子源は、例えば食品の殺菌、陰イオン発生器等に利用することができる。
【００９１】
また、上記実施の形態では、複数の壁部１１が絶縁基板１０の上面に一方向に延びるように平行に形成されているが、これに限定されない。例えば、複数の壁部１１の水平断面が四角形の平面形状を有し、４つの側面のうち１つまたは２つの側面にカソード層２１が形成され、残りの１つまたは２つの側面にゲート層２２が形成されてもよい。また、複数の壁部１１の水平断面が三角形の平面形状を有し、３つの側面のうち１つまたは２つの側面にカソード層２１が形成され、残りの側面にゲート層２２が形成されてもよい。また、複数の壁部１１の水平断面が他の多角形の平面形状を有してもよい。
【００９２】
さらに、複数の壁部１１の水平断面が円形または楕円形の平面形状を有し、側面の一部領域にカソード層２１が形成され、側面の残りの一部領域にゲート層２２が形成されてもよい。
【００９３】
また、上記実施の形態では、複数の壁部１１の側面が絶縁基板１０の上面に垂直に形成されているが、これに限定されず、複数の壁部１１の側面が絶縁基板１０の上面に対して傾斜するように形成されてもよい。すなわち、複数の壁部１１の垂直断面形状は矩形に限らず、台形であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、照明灯、液晶ディスプレスのバックライト等に用いられるＦＥランプ、フラットパネルディスプレイ等に用いられるＦＥＤに利用することができる。また、本発明は、大気中で機能する電子源として用いれば、食品の殺菌、陰イオン発生器等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。
【図２】図２は図１の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
【図３】図３は図１および図２の電界放射素子の主としてカソード層およびゲート層の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】図４は図１および図２の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。
【図５】図５は本発明の第２の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。
【図６】図６は図５の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
【図７】図７は図５および図６の電界放射素子の主としてカソード層の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図８】図８は図５および図６の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。
【図９】図９は電界放射の実験に用いた測定回路を示す模式図である。
【図１０】図１０はエミッション電流および駆動電流の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０  絶縁基板
１１  壁部
Ｈ  高さ
２１，１１０  カソード層
２２，１２０  ゲート層
２１ａ，２２ａ  側面部
２１ｂ，２２ｂ  底面部
ｔ，ｄ  厚さ
５０  透明基板
６０  支持枠
３０  蛍光体層
４０  アノード層
５１，５２  フォトレジスト
２０  電極層
Ｅ１，Ｅ２  直流電源
１００  石英ガラス基板
１３０  コレクタ電極
【図１】
2008117668.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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