(57)【要約】【課題】リーク電流の発生を抑えつつ、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる電子源アレイを提供する。【解決手段】電子源１０は、エミッタ電極１１、第１絶縁膜１２、第１ゲート電極１３、第２絶縁膜１４、第２ゲート電極１５、第３絶縁膜１６、集束電極１７を備え、第２絶縁膜１４及び集束電極１７にそれぞれ形成された開口部１４ａ及び１７ａは、第１ゲート電極１３及び第２ゲート電極１５に形成された各開口部よりも大きい開口面積を有し、第３絶縁膜１６に形成された開口部１６ａは、集束電極１７に形成された開口部１７ａの開口面積以上の開口面積を有し、エミッタ電極１１と第１ゲート電極１３との間の電位差が、エミッタ電極１１と集束電極１７との間の電位差よりも大きく、エミッタ電極１１と第２ゲート電極１５との間の電位差よりも小さい構成を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順次形成されたカソード電極膜、第１絶縁膜、第１ゲート電極、第２絶縁膜、第２ゲート電極、第３絶縁膜及び集束電極と、前記集束電極の表面から前記カソード電極膜に至る開口部と、該開口部によって露出されたカソード電極膜上に形成され電子を放出する電子放出部と、を備え、
前記第３絶縁膜に形成された開口部は、前記第２ゲート電極に形成された開口部よりも大きく、
前記集束電極に形成された開口部は、前記第３絶縁膜に形成された開口部の面積と同じか小さい、
ことを特徴とする電子源アレイ。
【請求項２】
前記電子放出部先端を基準として、前記第３絶縁膜の開口部側上端の開口角と前記第２ゲート電極の開口角の比が、０．９以上１．６以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子源アレイ。
【請求項３】
前記第２絶縁膜に形成された開口部は、前記第２ゲート電極に形成された開口部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子源アレイ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電子源アレイと、透光性を有する基板と、該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、前記電子源アレイ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。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電子源アレイと、透光性を有する基板と、該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、前記電子源アレイ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界を加えることにより電子を放出する電子源アレイ並びにそれを備えた撮像装置及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電子源アレイは、例えばＦＥＤ（Field Emission Display）のような平面型の表示装置の電子放出源として用いられ、電界放出された電子を集束する電極を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１記載の電子源アレイは、カソード電極膜の上面に、順次、絶縁膜、第１ゲート電極、絶縁膜、第２ゲート電極が形成され、第２ゲート電極側からカソード電極膜を露出させるホールと、露出したカソード電極膜上に形成されたエミッタ電極と、を備えている。エミッタ電極と第１ゲート電極との間にはゲート電圧Ｖｇが印加され、エミッタ電極と第２ゲート電極との間にはゲート電圧Ｖｇよりも低い集束電圧Ｖｆが印加されるようになっている。
【０００４】
この構成により、特許文献１記載の電子源アレイは、ゲート電圧Ｖｇの印加によって、エミッタ電極から電子を放出させて電子ビームを発生し、第１ゲート電極と第２ゲート電極との間の電位差によって、電子ビームを集束させる電界（静電レンズ）が形成され、電子ビームの発散を抑えることができるようになっている。ここで、静電レンズによる電子ビームの集束効果を向上させるには、集束電圧Ｖｆを低下させることにより、第１ゲート電極と第２ゲート電極との間の電位差を大きくする手法が採られる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の電子源アレイでは、電子ビームの集束効果を高めようとする場合、第１ゲート電極と第２ゲート電極との間の電位差が大きくなるに従って、第１ゲート電極と第２ゲート電極との間の等電位面がホール内でエミッタ電極側に凸状となって第１ゲート電極側に張り出す現象があった。その結果、特許文献１記載の電子源アレイでは、等電位面の張り出しによって、エミッタ電極の先端の電界集中が弱められ、集束電極Ｖｆの値によってはエミッタ電極からの放射電子ビーム量が減少してしまうという場合があった。したがって、特許文献１記載の電子源アレイでは、電子ビームの集束効果の向上と、十分な電子ビーム量の確保のさらなる両立が目標となった。
【０００６】
そこで、この課題を解決するため、本出願人は、先に特許文献２に開示したような電子源アレイを提案した。特許文献２記載の電子源アレイは、カソード電極膜の上面に、順次、絶縁膜、第１ゲート電極、絶縁膜、第２ゲート電極、絶縁膜、集束電極が形成され、集束電極側からカソード電極膜を露出させる開口部と、露出したカソード電極膜上に形成されたエミッタ電極と、を備えている。そして、特許文献２記載の電子源アレイは、第１ゲート電極の印加電圧Ｖｇ１、第２ゲート電極の印加電圧Ｖｇ２及び集束電極の印加電圧ＶｆがＶｆ＜Ｖｇ１＜Ｖｇ２の関係を満たすよう設定され、第１ゲート電極とエミッタ電極との間の電位差によりエミッタ電極から電子ビームを放出させるとともに、第２ゲート電極と集束電極との間の電位差により集束電極開口近傍の空間に静電レンズが形成される構成を有する。
【０００７】
この構成により、特許文献２記載の電子源アレイは、第２ゲート電極と集束電極との間の電位差により静電レンズが形成されるため、第１ゲート電極が静電レンズの形成に寄与しないこととなるので、集束電極に印加した電圧によるゲート電極側への等電位面の張り出しの影響を低減することができる。その結果、特許文献２記載の電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１９９４００号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３１９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２記載の電子源アレイでは、エミッタ電極から放射された電子のうち、静電レンズを通過しない電子が、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間に形成された絶縁膜に照射され、照射された電子が当該絶縁膜の表面近傍に滞留したり、当該絶縁膜が２次電子を放出したりすることにより、当該絶縁膜が帯電する場合があった。その結果、特許文献２記載の電子源アレイでは、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間でリーク電流が発生する可能性があり、そしてそのような現象は発生させないことが望ましい。
【００１０】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間におけるリーク電流の発生を抑えつつ、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる電子源アレイ並びにそれを備えた撮像装置及び表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の電子源アレイは、基板上に順次形成されたカソード電極膜、第１絶縁膜、第１ゲート電極、第２絶縁膜、第２ゲート電極、第３絶縁膜及び集束電極と、前記集束電極の表面から前記カソード電極膜に至る開口部と、該開口部によって露出されたカソード電極膜上に形成され電子を放出する電子放出部と、を備え、前記第３絶縁膜に形成された開口部は、前記第２ゲート電極に形成された開口部よりも大きく、前記集束電極に形成された開口部は、前記第３絶縁膜に形成された開口部の面積と同じか小さい構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の電子源アレイは、電子放出部が放出した電子の第３絶縁膜への照射量が低減され、第３絶縁膜の帯電を抑制することができる。
【００１３】
また、この構成により、本発明の電子源アレイは、第１ゲート電極と集束電極との間に形成された第２ゲート電極に第１ゲート電極よりも高い電圧を印加することにより、電子ビームを集束させる静電レンズを第２ゲート電極と集束電極との間の電位差で形成し、第１ゲート電極が電子レンズの形成に寄与しないこととなるので、集束電極に印加した電圧によるゲート電極側への等電位面の張り出しの影響を低減することができる。その結果、本発明の電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。
【００１４】
したがって、本発明の電子源アレイは、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間におけるリーク電流の発生を抑えつつ、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の電子源アレイは、前記電子放出部先端を基準として、前記第３絶縁膜の開口部側上端の開口角と前記第２ゲート電極の開口角の比が、０．９以上１．６以下であることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の電子源アレイは、前記第２絶縁膜に形成された開口部は、前記第２ゲート電極に形成された開口部の面積よりも大きいことが望ましい。
【００１７】
本発明の撮像装置は、電子源アレイと、透光性を有する基板と、該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、前記電子源アレイが前記光電変換膜に対向配置された構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の撮像装置は、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間におけるリーク電流の発生を抑えることができる電子源アレイを備えるので、リーク電流の発生による特性の劣化を防止することができる。
【００１９】
また、この構成により、本発明の撮像装置は、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる電子源アレイを備えるので、隣接する画素間における電子ビームの干渉を防止でき、高画質化及び広ダイナミックレンジ化を図ることができる。
【００２０】
本発明の表示装置は、電子源アレイと、透光性を有する基板と、該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、前記電子源アレイが前記蛍光体に対向配置された構成を有している。
【００２１】
この構成により、本発明の表示装置は、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間におけるリーク電流の発生を抑えることができる電子源アレイを備えるので、リーク電流の発生による特性の劣化を防止することができる。
【００２２】
また、この構成により、本発明の表示装置は、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる電子源アレイを備えるので、隣接する画素間における電子ビームの干渉を防止でき、高画質化及び高輝度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、第１ゲート電極、第２ゲート電極及び集束電極の相互間に形成された絶縁膜に照射される電子ビーム量を抑えつつ、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができるという効果を有する電子源アレイ並びにそれを備えた撮像装置及び表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態における電子源を概念的に示す構成断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の第１のシミュレーションモデルである。
【図３】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の第１のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の、第１のシミュレーションモデルにおけるエミッタ電極の中心軸からの距離と第３絶縁膜に照射される電子量との関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態における電子源の電子軌道と従来の電子源の電子軌道とを模式的に示した図である。
【図６】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の第２のシミュレーションモデルである。
【図７】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の第２のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態における電子源を撮像装置に適用した場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるエミッタ電極の中心軸からの距離と第３絶縁膜に照射される電子量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
まず、本実施形態における電子源の構成について図１を用いて説明する。図１は、１つの電子源の断面図を模式的に示している。この電子源が複数形成されて本発明に係る電子源アレイが構成される。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態における電子源１０は、エミッタ電極１１、第１絶縁膜１２、第１ゲート電極１３、第２絶縁膜１４、第２ゲート電極１５、第３絶縁膜１６、集束電極１７を備える。
【００２８】
第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６には、それぞれ、円形状の開口部１２ａ、１４ａ及び１６ａが形成されている。また、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７には、それぞれ、円形状の開口部１３ａ、１５ａ及び１７ａが形成されている。本実施形態では、開口部１２ａ及び１３ａの開口径はφ１、開口部１５ａの開口径はφ２、開口部１４ａ、１６ａ及び１７ａの開口径はφ３で示しており、φ１＝φ２、φ１＜φ３である。なお、各開口部の形状は、円形状に限定されるものではなく、楕円や多角形の形状としてもよい。
【００２９】
エミッタ電極１１は、開口部１２ａ内に形成されている。このエミッタ電極１１は、例えば、円錐状の形状を有するスピント（Spindt）型の冷陰極で構成され、先端に高電界を生じさせて電子ビームを放射するようになっている。ここで、エミッタ電極１１は、本発明に係る電子放射部を構成する。このエミッタ電極１１は、例えばガラス基板やシリコン基板上に形成されたカソード電極膜に接続されて形成される。具体的には、エミッタ電極１１は、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)回路が形成された基板上の電極に設けられ、画素ごとに駆動されるようになっている。なお、帯状のカソード電極膜上にエミッタ電極１１を設け、パッシブマトリクス型の構成としてもよい。
【００３０】
第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６は、例えば二酸化シリコンで構成される。また、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７は、例えばクロムで構成され、各電極はそれぞれ図示しない電源に接続されている。ここで、前述のエミッタ電極１１がＴＦＴやＣＭＯＳ回路が形成された基板上に設けられた構成では、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７は、例えば、板状の電極（ベタ電極）として形成される。
【００３１】
エミッタ電極１１と第１ゲート電極１３との間には第１ゲート電圧Ｖｇ１が印加され、エミッタ電極１１と第２ゲート電極１５との間には第２ゲート電圧Ｖｇ２が印加されるようになっている。また、エミッタ電極１１と集束電極１７との間には集束電圧Ｖｆが印加されるようになっている。これらの電圧の関係は、第２ゲート電圧Ｖｇ２＞第１ゲート電圧Ｖｇ１である。また、集束電圧Ｖｆについては電子ビームの集束のため第１ゲート電圧Ｖｇ１よりも小さい値となる。
【００３２】
この構成により、本実施形態における電子源１０は、第２ゲート電極１５と集束電極１７との間で静電レンズを形成するとともに、一番高い電圧が印加される第２ゲート電極１５の電界によって、第１ゲート電極１３と集束電極１７との間が遮蔽されることとなるので、集束効果を高めるために集束電圧Ｖｆを低下させても、集束電圧Ｖｆによるゲート電極側への等電位面の張り出しが抑えられ、エミッタ電極１１と第１ゲート電極１３との間の電界集中が弱まることを防止することができる。したがって、本実施形態における電子源１０は、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。
【００３３】
次に、本実施形態における電子源１０が奏する効果について確認したシミュレーション結果について、図１を適宜参照しつつ、図２〜図８に基づき説明する。シミュレーションは、第２ゲート電極１５の開口を一定にして（第１ゲート電極１３の開口も同じ）、集束電極１７の開口を大きくしていったときの、集束電極１７の開口と同じ開口にした第３絶縁膜１６への電子照射量と１画素のビーム量の関係がどう変化するか計算したものである（第２絶縁膜１４、第３絶縁膜１６の厚さと開口を変えて２つの場合で計算）。以下に説明するシミュレーションモデルは電子源１０を撮像装置に適用したものであって、図２及び図６に示す２つを例に挙げる。
【００３４】
まず、図２に示したシミュレーションモデルは、電子源１０に対向させて光電変換膜２１を設け、電子源１０と光電変換膜２１との間にメッシュ電極２２が配置されている。
【００３５】
エミッタ電極１１の高さ、第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６の厚さは、それぞれ、０．７μｍである。第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７の厚さは、それぞれ、０．１μｍである。開口部１３ａ及び１５ａの開口径はφ１＝φ２＝０．９μｍである。集束電極１７の開口径φ３については、シミュレーションにおいてφ３＝０．９μｍ（＝φ１＝φ２）、１．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍと変化させる。集束電極１７とメッシュ電極２２との間は３５０μｍ、メッシュ電極２２と光電変換膜２１との間は３５０μｍである。
【００３６】
第１ゲート電極１３には第１ゲート電圧Ｖｇ１として６０Ｖ、第２ゲート電極１５には第２ゲート電圧Ｖｇ２として８０Ｖを印加する。メッシュ電極２２には５００Ｖを印加する。集束電極１７の印加電圧Ｖｆは、開口径φ３の値ごとに、光電変換膜２１において最小の電子ビーム径が得られる電圧とした。具体的には、集束電極１７の印加電圧Ｖｆは、開口径φ３＝０．９μｍでは１９Ｖ、開口径φ３＝１．５μｍでは１３Ｖ、開口径φ３＝２．０μｍでは１０Ｖ、開口径φ３＝３．０μｍでは６Ｖである。
【００３７】
また、エミッタ電極１１の先端を基準として、第２ゲート電極１５の開口部１５ａの開口角をＡ、集束電極１７の開口部１７ａの開口角をＢで表す。
【００３８】
上記の条件でシミュレーションを行った結果を図３〜図５に示す。まず、集束電極１７の開口部１７ａの開口径φ３を変化させたときの電子源１０の諸特性を図３に示す。
【００３９】
集束電極１７の開口径φ３を０．９μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍと変化させたとき、開口角Ａに対する開口角Ｂの比（＝Ｂ／Ａ）は、それぞれ、０．６、０．９、１．１、１．６となる。このとき、第３絶縁膜１６への電子照射量は、開口径φ３＝０．９μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝１．５μｍでは０．４、開口径φ３＝２μｍでは０．０００６、開口径φ３＝３μｍでは０．０となった。また、電子ビームの半値幅は、開口径φ３の大きさにかかわらず１画素の大きさの２０μｍ以下であった。ここで、電子ビームの半値幅とは、光電変換膜２１での電流密度分布においてピーク値の半分の電流密度が得られる電子ビームの幅をいう。
【００４０】
また、１画素（２０μｍ×２０μｍ）の放射電子量は、開口径φ３＝０．９μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝１．５μｍでは１．３、開口径φ３＝２．０μｍでは１．３となった。開口径φ３＝３．０μｍでは０．７となったが、実用上問題のないレベルである。
【００４１】
前述の１画素の放射電子量が得られた条件として、１つのエミッタ電極１１からの放射電子量は、開口径φ３＝０．９μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝１．５μｍでは２．０、開口径φ３＝２．０μｍでは３．３、開口径φ３＝３．０μｍでは３．４であった。また、１画素当たりのエミッタ電極１１の個数は、開口径φ３＝０．９μｍでは１２１個、開口径φ３＝１．５μｍでは８１個、開口径φ３＝２．０μｍでは４９個、開口径φ３＝３．０μｍでは２５個であった。
【００４２】
以上の結果より、集束電極１７の開口径φ３＝０．９μｍのとき、すなわち開口径φ１＝φ２＝φ３＝０．９μｍのときに対して、開口径φ３＝１．５μｍ以上の範囲では第３絶縁膜１６への電子照射量を０．４以下に抑えることができ、リーク電流が発生しにくい実用的なレベルが得られることがわかった。すなわち、リーク電流が発生しにくく放射電子量も得られる範囲は、開口角Ａ及びＢを用いて表すと、０．９Ａ≦Ｂ≦１．６Ａとなる。
【００４３】
図４は、エミッタ電極１１の中心軸からの距離に対する第３絶縁膜１６への電子照射量を示すシミュレーション結果である。このグラフでは、エミッタ電極１１の中心軸からの距離が０．４５μｍ、すなわち開口径φ１＝φ２＝φ３＝０．９μｍ、かつ、第３絶縁膜１６の開口径が集束電極１７の開口径と同じ場合の第３絶縁膜１６への電子照射量を１とし、集束電極１７の開口径をそれぞれ０．９μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍで固定し、第３絶縁膜１６の開口径を集束電極１７の開口径よりも拡大していった場合の第３絶縁膜１６への電子照射量を計算している。図４に示すように、エミッタ電極１１の中心軸からの距離が０．７５μｍ（開口径φ３＝１．５μｍ）以上の領域では、第３絶縁膜１６への電子照射量が約０．４となっている。
【００４４】
図５は、エミッタ電極１１から放射された電子の軌道を、従来の形状のもの（図５（ａ））と、本実施形態における形状のもの（図５（ｂ））とについて模式的に示した図である。なお、図５において、各絶縁体の内部に描いた軌道は、各絶縁体が存在しない場合の軌道を模式的に示している。
【００４５】
図５（ａ）に示すように、従来のものは、第１絶縁膜１２、第１ゲート電極１３、第２絶縁膜４、第２ゲート電極１５、第３絶縁膜６及び集束電極７にそれぞれ形成された開口部の開口径はφ０．９μｍである。この場合、図示のように、エミッタ電極１１から放射された電子が、第２絶縁膜４及び第３絶縁膜６に照射されることがわかる。その結果、従来のものでは、第２絶縁膜４及び第３絶縁膜６に照射された電子が第２絶縁膜４及び第３絶縁膜６の表面近傍に滞留したり、第２絶縁膜４及び第３絶縁膜６が２次電子を放出したりすることにより、第２絶縁膜４及び第３絶縁膜６が帯電することとなる。
【００４６】
これに対し、本実施形態における形状のものは、図５（ｂ）に示すように、第１ゲート電極１３及び第２ゲート電極１５の開口部の開口径をφ０．９μｍ、第２絶縁膜１４、第３絶縁膜１６及び集束電極１７の各開口部の開口径をφ１．５μｍとすることにより、第２絶縁膜１４には電子が照射されず、かつ、第３絶縁膜１６に照射される電子の量を激減させることができる。その結果、本実施形態における形状のものは、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６の帯電を抑制することができる。
【００４７】
次に、図６に示したシミュレーションモデルに関するシミュレーション結果について説明する。なお、このシミュレーションモデルは、図２に示したシミュレーションモデルの一部を変更したものなので、重複する説明は省略する。
【００４８】
図６において、エミッタ電極１１の高さ、第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６の厚さは、それぞれ、０．４μｍである。開口部１３ａ及び１５ａの開口径はφ１＝φ２＝０．４５μｍである。開口径φ３については、シミュレーションにおいてφ３＝０．４５μｍ（＝φ１＝φ２）、０．９μｍ、１．４μｍと変化させる。第１ゲート電極１３には第１ゲート電圧Ｖｇ１として５０Ｖ、第２ゲート電極１５には第２ゲート電圧Ｖｇ２として６０Ｖを印加する。
【００４９】
上記の条件でシミュレーションを行った結果を図７及び図８に示す。まず、集束電極１７の開口径φ３を変化させたときの電子源１０の諸特性を図７に示す。
【００５０】
集束電極１７の開口径φ３＝０．４５μｍ、０．９μｍ、１．４μｍと変化させたとき、開口角Ａに対する開口角Ｂの比（＝Ｂ／Ａ）は、それぞれ、０．６、１．１、１．６となる。このとき、第３絶縁膜１６への電子照射量は、開口径φ３＝０．４５μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝０．９μｍでは０．０８、開口径φ３＝１．４μｍでは０．０となった。
【００５１】
また、１画素の放射電子量は、開口径φ３＝０．４５μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝０．９μｍでは１．７５、開口径φ３＝１．４μｍでは１．４８であった。このとき、１つのエミッタ電極１１からの放射電子量は、開口径φ３＝０．４５μｍの場合を１とすると、開口径φ３＝０．９μｍでは４．２、開口径φ３＝１．４μｍでは５．３であった。また、１画素当たりのエミッタ電極１１の個数は、開口径φ３＝０．４５μｍでは２８９個、開口径φ３＝０．９μｍでは１２１個、開口径φ３＝１．４μｍでは８１個であった。
【００５２】
図８は、エミッタ電極１１の中心軸からの距離に対する第３絶縁膜１６への電子照射量を示すシミュレーション結果である。このグラフでは、エミッタ電極１１の中心軸からの距離が０．２２５μｍ、すなわち開口径φ１＝φ２＝φ３＝０．４５μｍのときの第３絶縁膜１６への電子照射量を１としている。図８に示すように、エミッタ電極１１の中心軸からの距離が０．４５μｍでは約０．４であり、図７に示したように集束電極１７の開口径を０．９μｍにしたときの第３絶縁膜１６への電子照射量の値が０．０８であるので、第３絶縁膜１６の開口径だけを大きくするだけでも第３絶縁膜１６への電子照射量を効果的に低減できるが、集束電極１７の開口径も同じだけ大きくすると第３絶縁膜１６への電子照射量をさらに劇的に低減できると言える。
【００５３】
次に、電子源１０の製造方法について説明する。電子源１０は公知の製造方法を用いて製造することができるので、以下、図１を参照しながら簡単に説明する。
【００５４】
まず、ガラス基板等の上面にカソード電極膜を形成する（図１には示さず）。このカソード電極膜の上面に順次、第１絶縁膜１２、第１ゲート電極１３、第２絶縁膜１４、第２ゲート電極１５、第３絶縁膜１６、集束電極１７を、例えば図１に示した厚さで形成する。これらの形成には、例えばスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等を用いることができる。
【００５５】
続いて、例えばドライエッチングにより、集束電極１７の表面からカソード電極膜を露出させる開口部（以下「当初開口部」という。）を形成する。この当初開口部の開口径は、例えばφ０．９μｍとする。
【００５６】
さらに、集束電極１７の上面にレジストを用いてパターニングを行い、集束電極１７のみをドライエッチング加工して集束電極１７に所望の開口径（例えばφ２μｍ）の開口部１７ａを形成する。
【００５７】
次いで、例えば、ウエットエッチングにより、第２絶縁膜１４及び第３絶縁膜１６のそれぞれに所望の開口径（例えばφ２μｍ）の開口部１４ａ及び１６ａを形成する。なお、この工程において、第１絶縁膜１２も同時にエッチング加工し、開口部１２ａの開口径を当初開口部の開口径より大きくしてもよいし、当初開口部の開口部１２ａに例えばレジストを充填して開口部１２ａをエッチング加工しないこととしてもよい。
【００５８】
最後に、例えば真空蒸着法により、エミッタ電極１１を第１絶縁膜１２の開口部１２ａ内のカソード電極膜上に形成する。なお、当初開口部の形成後にエミッタ電極１１を設ける工程としてもよい。
【００５９】
以上の結果、本実施形態における電子源１０によれば、第３絶縁膜１６に形成された開口部の面積が第２ゲート電極１５の開口面積（＝第１ゲート電極１３の開口面積）より大きければ、第３絶縁膜１６の開口部が第２ゲート電極１５の開口部と同じ面積と仮定したときの第３絶縁膜１６への電子放射量よりも低減することができ、これがある大きさ（第３絶縁膜１６の開口部側上端の開口角／第２ゲート電極１５の開口角＝０．９）以上になればその値を０．４以下にできる。さらに、これらの状態において集束電極１７の開口面積を第２ゲート電極１５の開口面積より大きくすれば一層第３絶縁膜１６への電子放射量を減らすことができる。なお、これら開口面積を変えた場合でも、集束電極電圧、エミッタ数を適切に設定して１画素の放射電子量を実用的な範囲内に留めている。
【００６０】
なお、製造上の要請から第１ゲート電極１３の開口径は第２ゲート電極１５の開口径と同じにしているが、若干差が生じてもよい。また、構造上、第２絶縁膜１４への電子放射量は第３絶縁膜１６より少ないので（図５参照）特に考慮していないが、第１ゲート電極１３の開口径は第２ゲート電極１５の開口径より大きいことが望ましい。
【００６１】
また、本実施形態における電子源１０によれば、エミッタ電極１１から電子ビームを引き出す第１ゲート電極１３と、引き出した電子ビームを集束する集束電極１７との間に第２ゲート電極１５を設け、第２ゲート電圧Ｖｇ２＞第１ゲート電圧Ｖｇ１＞集束電圧Ｖｆとなる電圧を印加する構成としたので、電子ビームを集束させる電子レンズ１９を第２ゲート電極１５と集束電極１７との間の電位差で形成し、第１ゲート電極１３が電子レンズ１９の形成に寄与しないこととなり、集束電極１７に印加した電圧によるゲート電極側への等電位面の張り出しの影響を低減することができる。その結果、本発明の電子源１０は、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。
【００６２】
したがって、本実施形態における電子源１０は、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７の相互間におけるリーク電流の発生を抑えつつ、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができる。よって、電子源１０を複数有する電子源アレイも前述の効果を奏する。
【００６３】
なお、前述の実施形態において、スピント型の冷陰極でエミッタ電極１１を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、電界により電子を放出する冷陰極であれば同様の効果が得られる。
【００６４】
また、前述の実施形態において、第３絶縁膜１６の開口部１６ａと集束電極１７の開口部１７ａとを同じ開口径としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、開口部１６ａの開口径が集束電極１７の開口部１７ａの開口径より小さくてもよい。
【００６５】
また、前述の実施形態において、第２絶縁膜１４の開口部１４ａと第３絶縁膜１６の開口部１６ａとを同じ開口径としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、開口部１４ａの開口径が開口部１６ａの開口径と異なってもよい。
【００６６】
次に、本実施形態における電子源１０を複数有する電子源アレイの適用例について説明する。本実施形態における電子源アレイは、シミュレーションで示した撮像装置の他、ＦＥＤやＳＥＤ（Surface-conduction Electron-emitter Display）のような表示装置の電子源アレイとして好適に適用することができる。
【００６７】
まず、本実施形態における電子源アレイを撮像装置に適用する場合は、電子源アレイを形成した基板と、透明電極及び光電変換膜を順次形成した透明基板とを、電子源アレイ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。
【００６８】
この構成による撮像装置は、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、電子源アレイから光電変換膜に向けて放出された電子ビームの一部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。
【００６９】
前述のように、本実施形態における電子源アレイは、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７の相互間におけるリーク電流の発生を抑えることができるので、撮像装置において、リーク電流の発生による特性の劣化を防止することができる。
【００７０】
また、前述のように、本実施形態における電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができるので、撮像装置において、隣接する画素間で電子ビームの干渉を防止でき、高画質化及び広ダイナミックレンジ化を図ることができる。
【００７１】
また、本実施形態における電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上が図れるため、撮像装置において、画素間のピッチを従来のものよりも細かくすることができるので、従来のものよりも高精細化された画像を取得することができる。
【００７２】
他方、本実施形態における電子源アレイを表示装置に適用する場合は、電子源アレイを形成した基板と、透明電極及び蛍光体を順次形成した透明基板とを、電子源アレイが蛍光体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表示装置を構成することができる。
【００７３】
この構成による表示装置は、電子源アレイからの電子ビームが蛍光体を通過する際に蛍光体が発光することにより画像を透明基板上に表示する。
【００７４】
前述のように、本実施形態における電子源アレイは、第１ゲート電極１３、第２ゲート電極１５及び集束電極１７の相互間におけるリーク電流の発生を抑えることができるので、表示装置において、リーク電流の発生による特性の劣化を防止することができる。
【００７５】
また、前述のように、本実施形態における電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上及び電子ビーム量の増加を図ることができるので、表示装置において、隣接する画素間で電子ビームの干渉を防止でき、高画質化及び高輝度化を図ることができる。
【００７６】
また、本実施形態における電子源アレイは、電子ビームの集束効果の向上が図れるため、表示装置において、画素間のピッチを従来のものよりも細かくすることができるので、従来のものよりも高精細化された画像を表示することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０  電子源
１１  エミッタ電極（電子放出部）
１２  第１絶縁膜
１２ａ  第１絶縁膜の開口部
１３  第１ゲート電極
１３ａ  第１ゲート電極の開口部
１４  第２絶縁膜
１４ａ  第２絶縁膜の開口部
１５  第２ゲート電極
１５ａ  第２ゲート電極の開口部
１６  第３絶縁膜
１６ａ  第３絶縁膜の開口部
１７  集束電極
１７ａ  集束電極の開口部
２１  光電変換膜
２２  メッシュ電極
【図１】
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【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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