(57)【要約】【課題】電流密度の高い電界放出型電子源素子を提供する。【解決手段】電界放出型電子源素子１００は、基板５から突出するように形成された導電性のエミッタ１と、エミッタ１から電子が放出されるようにエミッタ１へ電圧を印加するためにエミッタ１を囲むように形成されたゲート電極３と、ゲート電極３に対してエミッタ１の反対側に形成されたＧ２電極４と、Ｇ２電極４との間の電位差に基づいてゲート電極３から電子を放出させるために形成されたテーパ部２とを具備する。【選択図】  図１
2005005221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板から突出するように形成された導電性のエミッタと、
前記エミッタから電子が放出されるように前記エミッタへ電圧を印加するために前記エミッタを囲むように形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極に対して前記エミッタの反対側に形成されたＧ２電極と、
前記ゲート電極と前記Ｇ２電極との間の電位差に基づいて前記ゲート電極から電子を放出させるために形成されたゲート電極電子放出手段とを具備することを特徴とする電界放出型電子源素子。
【請求項２】
前記ゲート電極電子放出手段は、前記エミッタを囲むように前記ゲート電極に形成されたテーパ部を含んでいる、請求項１記載の電界放出型電子源素子。
【請求項３】
前記ゲート電極電子放出手段は、前記ゲート電極の上に形成された微小突起物を含んでいる、請求項１記載の電界放出型電子源素子。
【請求項４】
前記微小突起物は、カーボンナノチューブによって構成されている、請求項３記載の電界放出型電子源素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子を放出するエミッタを備えた電界放出型電子源素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１９は、従来の電界放出型電子源素子９０の構成を示す断面図である。電界放出型電子源素子９０は、基板５から突出するように形成された導電性の複数のエミッタ１を備えている。基板５の上には、各エミッタ１を囲むように絶縁層６が形成されている。絶縁層６の上には、エミッタ１から電子が放出されるようにエミッタ１へ電圧を印加するためにエミッタ１を囲むようにゲート電極３が形成されている。ゲート電極３に対して基板５の反対側には、Ｇ２電極４が設けられている。
【０００３】
このように構成された電界放出型電子源素子９０においては、ゲート電極３からエミッタ１へ電圧が印加されると、エミッタ１は図１９に示す矢印の方向に向かって電子を放出する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３０２２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１９を参照して前述した従来技術の構成では、熱陰極カソードによっては実現することができない１０アンペア（Ａ）／ｃｍ２の大電流密度を冷陰極素子を用いることによって実現しているが、さらに電流密度を向上させる要求が高まっているという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、電流密度の高い電界放出型電子源素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電界放出型電子源素子は、基板から突出するように形成された導電性のエミッタと、前記エミッタから電子が放出されるように前記エミッタへ電圧を印加するために前記エミッタを囲むように形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対して前記エミッタの反対側に形成されたＧ２電極と、前記ゲート電極と前記Ｇ２電極との間の電位差に基づいて前記ゲート電極から電子を放出させるために形成されたゲート電極電子放出手段とを具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る電子銃は、本発明に係る電界放出型電子源素子を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るブラウン管は、本発明に係る電子銃を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係る電界放出型電子源素子においては、ゲート電極電子放出手段が、前記ゲート電極とＧ２電極との間の電位差に基づいてゲート電極から電子を放出させる。このため、エミッタに加えてゲート電極も電子を放出する。その結果、電界放出型電子源素子から放出される電子の電流密度を向上させることができる。
【００１１】
この実施の形態では、前記ゲート電極電子放出手段は、前記エミッタを囲むように前記ゲート電極に形成されたテーパ部を含んでいることが好ましい。
【００１２】
前記ゲート電極電子放出手段は、前記ゲート電極の上に形成された微小突起物を含んでいることが好ましい。
【００１３】
前記微小突起物は、カーボンナノチューブによって構成されていることが好ましい。
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１に係る電界放出型電子源素子１００の構成を示す断面図である。電界放出型電子源素子１００は、基板５から突出するように形成された導電性の複数のエミッタ１を備えている。基板５の上には、各エミッタ１を囲むように絶縁層６が形成されている。絶縁層６の上には、エミッタ１から電子が放出されるようにエミッタ１へ電圧を印加するためにエミッタ１を囲むようにゲート電極３が形成されている。ゲート電極３は、ｐ−Ｓｉによって構成されている。ゲート電極３に対して基板５の反対側には、Ｇ２電極４が設けられている。Ｇ２電極４とエミッタ１との間の距離は、約０．５ミリメートル（ｍｍ）である。
【００１６】
ゲート電極３には、エミッタ１を囲むようにテーパ部２が、斜め上方へ向かって突出するように形成されている。このテーパ部２は、Ｇ２電極４とテーパ部２との間の電位差に基づいてテーパ部２から電子を放出させるために形成されている。
【００１７】
このように構成された電界放出型電子源素子１００の動作を説明する。図１（ｂ）は、電界放出型電子源素子１００の動作を説明するための波形図である。例えば、Ｇ２電極４の電位１３がグランド電位１４に対して正極性を有しており、ゲート電極３の電位１１がグランド電位１４に対して負極性を有しており、エミッタ１の電位１２がゲート電極３の電位１１よりも絶対値の大きい極性を有している期間Ｔ１において、ゲート電極３から電圧が印加されているエミッタ１が図１に示す矢印の方向に向かって電子を放出するとともに、Ｇ２電極４から電圧が印加されているゲート電極３に形成されたテーパ部２も図１に示す矢印の方向に向かって電子を放出する。
【００１８】
Ｇ２電極４の電位１３は１３００ボルト以上２５００ボルト以下の一定の値である。ゲート電極３の電位１１は−１００ボルトないし２００ボルトであり、エミッタ１の電位１２は−２００ボルトないし１００ボルトとなるように駆動する。そして、ゲート電極３の電位１１とエミッタ１の電位１２との間の差が２０ボルトないし１００ボルトになるように駆動する。
【００１９】
Ｇ２電極４の電位１３を２２００ボルトとし、ゲート電極３の電位１１を−５５ボルトとし、エミッタ１の電位１２を−１００ボルトとすると、少なくとも１００ｎＡの電流値を得ることができた。前述した従来の構成では、Ｇ２電極４の電位１３を２２００ボルトとし、ゲート電極３の電位１１を４５ボルトとし、エミッタ１の電位１２を０ボルトとしても、ゲート電極３からは電子が放出されないため、得られた電流値は１００ｎＡよりもはるかに小さい２０ｎＡ程度であった。
【００２０】
このように、エミッタ１に負極性の電位１２を与えることにより、ゲート電極３とＧ２電極４との間の電位差を大きくとることができるので、ゲート電極３に形成されたテーパ部２から電子を容易に放出させることができる。
【００２１】
このため、ゲート電極３に形成されたテーパ部２から放出された電子をエミッタ１から放出された電子と合わせると、電界放出型電子源素子の電流密度を向上させることができる。
【００２２】
このように構成された電界放出型電子源素子１００は、以下のようにして製造される。図２ないし図１１は、実施の形態１に係る電界放出型電子源素子１００の製造方法を説明するための断面図である。
【００２３】
図２を参照すると、まずシリコン基板５の上にＳｉＯ２膜８を形成する。そして図３を参照すると、フォトリソグラフィーによってＳｉＯ２膜８をドット９に形成する。次に図４および図５を参照すると、等方エッチングおよび異方エッチングによって基板５をそれぞれエッチングする。その後図６を参照すると、熱酸化膜１０を形成してエミッタ１を形成する。
【００２４】
そして図７を参照すると、熱酸化膜１０およびドット９を覆うように引出し電極１１を構成するＰ−Ｓｉ層を形成し、図８に示すようにＰ−Ｓｉ層を平坦化する。その後図９に示すようにＰ−Ｓｉ層をハーフエッチングする。次に図１０に示すようにＰ−Ｓｉ層をエッチバックし、図１１に示すように追加の等方エッチングを行うと、テーパ部２が形成されたゲート電極３が形成される。
【００２５】
以上のように実施の形態１によれば、ゲート電極３に形成されたテーパ部２が、Ｇ２電極４との間の電位差に基づいてゲート電極３から電子を放出させる。このため、エミッタ１に加えてゲート電極３も電子を放出する。その結果、電界放出型電子源素子から放出される電子の電流密度を向上させることができる。
【００２６】
実施の形態１では、電子を放出する面積が従来の構成の数倍ないし数十倍になる。実際には、従来の構成の２倍程度のエミッション電流を得ることができた。
【００２７】
（実施の形態２）
図１２は、実施の形態２に係る電界放出型電子源素子１００Ａの構成を示す断面図である。図１を参照して前述した実施の形態１に係る電界放出型電子源素子１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００２８】
前述した電界放出型電子源素子１００と異なる点は、ゲート電極３にテーパ部２が形成されている替わりに、ゲート電極３の上の一部又は全面に微小突起物７が形成されている点である。微小突起物７は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）によって構成されている。
【００２９】
このように構成された電界放出型電子源素子１００Ａの動作を説明する。図１（ｂ）を参照すると、例えば、Ｇ２電極４の電位１３がグランド電位１４に対して正極性を有しており、ゲート電極３の電位１１がグランド電位１４に対して負極性を有しており、エミッタ１の電位１２がゲート電極３の電位１１よりも絶対値の大きい極性を有している期間Ｔ１において、ゲート電極３から電圧が印加されているエミッタ１が図１に示す矢印の方向に向かって電子を放出するとともに、Ｇ２電極４から電圧が印加されているゲート電極３に形成された微小突起物７も図１２に示す矢印の方向に向かって電子を放出する。
【００３０】
このように、エミッタ１に負極性の電位１２を与えることにより、ゲート電極３とＧ２電極４との間の電位差を大きくとることができるので、ゲート電極３に塗布された微小突起物７から電子を容易に放出させることができる。
【００３１】
このため、ゲート電極３に塗布された微小突起物７から放出された電子をエミッタ１から放出された電子と合わせると、電界放出型電子源素子の電流密度を向上させることができる。
【００３２】
このように構成された電界放出型電子源素子１００Ａは、以下のようにして製造される。図１３ないし図１８は、実施の形態２に係る電界放出型電子源素子１００Ａの製造方法を説明するための断面図である。
【００３３】
まず図１３を参照すると、基板５にエミッタ１を形成する。そして、エミッタ１と基板５とを覆うようにＳｉＯ２膜８を形成し、ＳｉＯ２膜８の上にＰ−Ｓｉ膜によってゲート電極１２を形成し、ゲート電極１２の上に、触媒金属である、例えばニッケル（Ｎｉ）をスパッタして触媒金属膜１３を形成する。次に図１５を参照すると、触媒金属膜１３の上にレジスト１４を塗布する。その後図１６を参照すると、レジスト１４をエッチバックし、触媒金属膜１３をエッチングしてゲート電極１２をエッチングする。
【００３４】
そして図１７を参照すると、レジスト１４を除去し、ＳｉＯ２膜８をエッチングして絶縁膜６を形成する。次に図１８を参照すると、ゲート電極１２の触媒金属膜１３の上に、プラズマＣＶＤ法によって、カーボンナノチューブによって構成された微小突起物７を成長させる。エチレン、アセチレン等の原料ガスを４００℃ないし８００℃において加熱すると、熱分解反応によって直接Ｎｉ（ゲート電極１２の上面）上にカーボンナノチューブが成長する。ゲート電極１２は、触媒金属膜１３のみによって構成してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電流密度の高い電界放出型電子源素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の構成を示す断面図であり、（ｂ）は実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の動作を説明するための波形図である。
【図２】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】実施の形態１に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の構成を示す断面図である。
【図１３】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】実施の形態２に係る電界放出型電子源素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】従来の電界放出型電子源素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  エミッタ
２  テーパ部
３  ゲート電極
４  Ｇ２電極
５  基板
６  絶縁層
７  微小突起物
【図１】
2005005221.tif 000003
【図２】
2005005221.tif 000004
【図３】
2005005221.tif 000005
【図４】
2005005221.tif 000006
【図５】
2005005221.tif 000007
【図６】
2005005221.tif 000008
【図７】
2005005221.tif 000009
【図８】
2005005221.tif 000010
【図９】
2005005221.tif 000011
【図１０】
2005005221.tif 000012
【図１１】
2005005221.tif 000013
【図１２】
2005005221.tif 000014
【図１３】
2005005221.tif 000015
【図１４】
2005005221.tif 000016
【図１５】
2005005221.tif 000017
【図１６】
2005005221.tif 000018
【図１７】
2005005221.tif 000019
【図１８】
2005005221.tif 000020
【図１９】
2005005221.tif 000021