(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷散逸型電界放射デバイス４００であって：
主表面を有する支持基板４１０；
前記支持基板４１０の主表面上に位置づけられる陰極４１５；
前記支持基板４１０の主表面上に位置づけられる電荷散逸層４９０であって、前記陰極４１５に隣接して形成され、かつ、集電荷表面４４９を有する電荷散逸層４９０；
前記陰極４１５上に位置づけられる誘電体層４４０であって、
当該誘電体層４４０はエミッタウェル４６０を区画し、
当該誘電体層４４０および前記電荷散逸層４９０の前記集電荷表面４４９は電荷散逸ウェル４５２を区画する、
ところの誘電体層４４０；
前記エミッタウェル４６０内に位置づけられる電子エミッタ４７０；および
前記誘電体層４４０から離間する陽極４８０であって、前記誘電体層４４０と当該陽極４８０との間に内部空間領域４６５を形成し、前記電荷散逸ウェル４５２は前記内部空間領域４６５に通じている、ところの陽極４８０；
を備えることを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電荷散逸型電界放射デバイス４００であって：
前記電子エミッタ４７０から効果的に電子を放射するために、該電子エミッタ４７０および前記陰極４１５の近傍に設けられ、かつ前記電子エミッタ４７０および前記陰極４１５から電気的に絶縁しているゲート抽出電極４５０；
を更に備えることを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の電荷散逸型電界放射デバイス４００であって、前記電荷散逸層４９０は前記陰極４１５から電気的に絶縁される、ことを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項４】
請求項２に記載の電荷散逸型電界放射デバイス４００であって、前記電荷散逸層４９０は前記陰極と結合される、ことを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の電荷散逸型電界放射テバイス４００であって、前記電荷散逸層４９０はアモルファスシリコンから成る、ことを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項６】
請求項４に記載の電荷散逸型電界放射デバイス４００であって、前記電荷散逸層４９０は１０9〜１０12Ohms/squareの範囲内のシート抵抗値を有する、ことを特徴とする電荷散逸型電界放射デバイス。
【請求項７】
電界放射デバイス４００内の帯電を軽減させる方法であって：
主表面を有する支持基板４１０を準備する段階；
前記支持基板４１０の主表面上に陰極４１５を形成する段階；
前記支持基板４１０の前記主表面上に、前記陰極４１５に隣接し、かつ、集電荷表面４４９を有する電荷散逸層４９０を形成する段階；
前記陰極４１５上に、誘電体層４４０を形成する段階；
前記誘電体層４４０に、エミッタウェル４６０を形成する段階；
前記誘電体層４４０内に電荷散逸ウェル４５２を、前記陰極４１５の前記集電荷表面４４８の位置に形成する段階；
前記エミッタウェル４６０内に電子エミッタ４７０を形成する段階；および
前記誘電体層４４０から離間する陽極４８０を形成する段階であって、それによって、前記誘電体層４４０と当該陽極４８０との間に内部空間領域４６５を形成し、前記電荷散逸ウェル４５２が前記内部空間領域４６５に通ずるようにする、ところの段階；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記電荷散逸ウェル４５２が前記陰極４１５の一部を露出するように形成され、別の前記電荷散逸ウェル４５２が前記電荷散逸層４９０の一部を露出するように形成されている、方法。
【発明の詳細な説明】
産業上の利用可能性
本発明は電界放射デバイスに関し、特に電界放射デバイスの陰極構造に関する。
背景技術
電界放射デバイスおよび電界放射デバイスのアドレス可能マトリックスが、従来から知られている。電界放射デバイスの選択的アドレス可能なマトリックスは、例えば、電界放射ディスプレイ内に使用されている。図１に示されているのは、トライオード構成を有する従来型電界放射デバイス（FED）１００である。FED１００は、誘電体層１４０によって陰極１１５から離間される複数のゲート抽出電極１５０を含む。陰極１１５は、モリブデンのような導電性材料の層を含み、その導電性材料の層は、支持基板１１０上にデポジションされる。シリコン酸化物のような誘電体材料から成る誘電体層１４０は、陰極１１５からゲート抽出電極１５０を電気的に絶縁する。導電性材料から成る陽極１８０が、ゲート電極１５０から離間せられ、それによって、内部空間領域１６５を決定する。典型的に、内部空間領域１６５は、１０-6Torr以下の圧力に真空排気する。誘電体層１４０は、エミッタウェル１６０を決定する垂直表面１４５を有する。複数の電子エミッタ１７０が、エミッタウェル１６０内に１個ずつ位置づけられる。その電子エミッタ１７０はスピントチップを含み得る。また、誘電体層１４０は、被覆部分１４７および露出部分１４９を有する主表面を含む。ゲート抽出電極１５０は、被覆部分１４７上に位置づけられる。誘電体層１４０の主表面の露出部分１４９は、内部空間領域１６５に露出せられる。
FED１００の動作の間、および一般的なトライオードの典型的な動作の間に、適切な電圧が、ゲート抽出電極１５０、陰極１１５および陽極１８０に印可され、それによって、電子エミッタ１７０から選択的に電子を抽出し、陽極１８０へ方向づけるようにする。典型的な電圧構成としては、100〜10,000ボルトの範囲内の陽極電圧；10〜100ボルトの範囲内のゲート抽出電圧；約10ボルト未満（典型的には電気的接地）の陰極電位；を含む。放射された電子は陽極１８０に衝突し、その陽極１８０からガス状種が開放される。電子エミッタ１７０から陽極１８０への放射電子の飛しょう経路に沿って放射された電子は、ガス状種にも衝突する。そのガス状種のいくらかは、陽極１８０から発生し、内部空間領域１６５内に存在する。このようにして、陽イオン種が、図１において”○”に”＋”を施した記号で示されるように、内部空間領域１６５内に生成される。
FED１００が電界放射ディスプレイ内に組み込まれる場合、陽極１８０の上に、陰極ルミネッセンス材料（cathodoluminescent material）がデポジションされる。電子を受け取る際に、陰極ルミネッセンス材料は光を放射する。励起する際に、通常の陰極ルミネッセンス材料は、大量のガス状種を放射する傾向があり、また、電子による衝撃にもろく、陽イオンも形成しやすい。内部空間領域１６５内の陽イオン種は、図１の対の矢印１７７によって示されるように、高い正電位の陽極１８０から反発し、それによって、ゲート抽出電極１５０に、および誘電体層１４０の主表面の露出部分１４９に衝突する。ゲート抽出電極１５０に衝突する陽イオン種は、ゲート電流として流れ；誘電体層１４０の主表面の露出部分１４９に衝突する陽イオン種は、そこに保持される。その結果、図１に”＋”の記号で示されるように、正電荷が蓄積される。
露出部分１４９の正電位のこの蓄積は、誘電体層１４０がブレークダウンするか、または正電位が誘電体層１４０の主表面に向かって電子が偏向するのに十分な程にまで高くなるか、まで続行し、それにより、電子が露出部分１４９により受け取られ、さらにそれにより、その表面帯電が中性化される。前者の例において、誘電体層１４０のブレークダウンは、誘電体材料の耐圧を越えた蓄積のために起こる。その耐圧は、典型的には、300〜1000ボルトの範囲内である。誘電体層１４０のブレークダウンは、頻繁に、結果として陽極１８０からのアークおよび陰極１１５と露出部分１４０との間の破壊電流（図１における矢印１７８によって示される）になり、誘電体層１４０および陰極１１５を破壊し、それによって、FED１００を動作不能にしてしまう。後者の例として、電荷の蓄積／中性化のサイクルは、続いて繰り返され、エミッタ１７０から放射された電子の集束ずれ（deforcus）の状態へと導いてしまう。
電界放射デバイスの形成において、電極間キャパシタンスのため、より低電力が必要とされるので、ゲート抽出電極１５０と陰極１１５との間の重畳領域の大きさを最小にすることが望ましい。ゲート抽出電極１５０の領域の削減は、同時に誘電体層１４０の主表面の露出部分１４９の領域が増加することにもなる。このことは、誘電体の帯電問題を悪化させ、前に詳述したように付随的に制御不能またはデバイスの欠陥を結果的にもたらす。
テレビに使用される陰極線管のような従来の電子管は、酸化スズのような導電性材料の薄膜で、他の露出された誘電体表面をコーティングすることにより、誘電体表面の帯電のためのアーキング問題を解決した。この技術は、FED１００における類似した帯電問題を解決するのには効果的ではない。なぜなら、酸化スズのような材料で誘電体層１４０の露出部分１４９をコーティングすることは、ゲート抽出電極１５０間を短縮することになり、電子エミッタ１７０のアドレス可能度を事実上損ねてしまうからである。このアドレス可能度は、電界放射ディスプレイのようなアプリケーションにFED１００を使用する場合には重要である。
このように、デバイス内に露出した誘電体主表面での電荷の蓄積により欠陥を生じないような電界放射デバイスの必要性がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来技術による電界放射デバイスの断面図である。
図２は、本発明に従った電荷散逸型電界放射デバイスの一実施例の断面図である。
図３は、本発明に従った電荷散逸型電界放射デバイスの他の実施例の断面図である。
図４は、本発明に従った電荷散逸型電界放射デバイスの他の実施例を概略的に表現した平面図。
図５は、図４の構造の切断線５−５に沿った断面図。
図６は、図４の構造の切断線６−６に沿った断面図。
発明を実施するための最良の形態
図２を参照すると、本発明に従った電荷散逸型電界放射デバイス（charge dissipation field emission device）の断面図が示されている。電荷散逸型電界放射デバイス２００は支持基板２１０を含み、その支持基板２１０はほうけいガラスまたはシリコンのようなガラスから成る。支持基板２１０上には、陰極２１５が形成される。この実施例において、陰極２１５は、モリブデンまたはアルミニウムのような導電性材料の層を含む。さらに電荷散逸型電界放射デバイス２００は、陰極２１５上に形成される誘電体層２４０を含む。陰極２１５がパターニングされると、誘電体層２４０の部分も、支持基板２１０の上、あるいはその支持基板上に形成される任意の付加的な層の上に位置づけられる。誘電体層２４０は、複数のエミッタウェル２６０を決定する複数の表面２４５を有する。電子エミッタ２７０が、各エミッタウェル２６０内に形成され、陰極２１５に結合され、動作できるようにする。図示した実施例においては、電子エミッタ２７０は、陰極２１５上に形成され、スピントチップ電界エミッタを含む。
本発明の他の実施例においては、アモルファスシリコンのような抵抗材料から成る安定抵抗器が、陰極２１５から電子エミッタ２７０へとのび（extend）、それによってその陰極２１５と電子エミッタ２７０との間に電気的接続をもたらす。さらに、誘電体層２４０は、複数の表面２４６を含む。陰極２１５は、複数の集電荷表面（charge-collecting surface）２４８において露出される。誘電体層２４０の表面２４６および陰極２１５の集電荷表面２４８は、複数の電荷散逸ウェル２５２を決定する。陰極２１５上に誘電体材料の層をデポジションし、次に、その誘電体材料を選択エッチングすることによりその下地の（underlying）陰極２１５の一部分を露出することによって、電荷散逸ウェル２５２が形成される。一般に、電荷散逸型電界放射デバイス２００内のガス状帯電種を受け取り、流すのに適切な下地の材料を露出することが望ましい。また、電荷散逸型電界放射デバイス２００内に存在する誘電体材料の量を減少させ、それによって、動作中に帯電する誘電体表面の領域を減らすことも望ましい。
帯電種の除去および帯電誘電体表面の領域の削減が、結果的に重要であり、有利である。これらの利点は、電子エミッタ２７０のような動作構造の完全性を維持すること、電子放射の制御を改善することも含む。電荷散逸ウェル２５２は、電子エミッタ２７０のアレイによって決定される電荷散逸型電界放射デバイス２００の能動領域内に位置づけてもよい。また、電荷散逸ウェル２５２は、電荷散逸型電界放射デバイス２００の周囲（能動領域の外側）に位置づけてもよい。複数のゲート抽出電極２５０が、電子エミッタ２７０および陰極２１５から離間するように、誘電体層２４０上に形成される。
ゲート抽出電極２５０、電子エミッタ２７０および陰極２１５の構成は、陰極２１５およびゲート抽出電極２５０での所定電位の適用上、電子エミッタ２７０から電子放射がなされるように設計される。誘電体層２４０は、十分な誘電体材料をもたらすことによって、エミッタウェル２６０を決定し、陰極２１５から電気的に分離するようにゲート抽出電極２５０を支持するようにする。さらに、電荷散逸型電界放射デバイス２００は、ゲート抽出電極２５０から離間せられる陽極２８０を含み、それによって、そのゲート抽出電極２５０と陽極２８０との間の内部空間領域２６５を決定する。さらに電荷散逸型電界放射デバイス２００は、電子を受け取るための導電材料も含む。
電荷散逸型電界放射デバイス２００の動作は、電荷散逸型電界放射デバイス２００の外部にある接地電圧源（図示せず）を介して、陰極２１５、ゲート抽出電極２５０および陽極２８０へ適切な電位を印可し、それによって、電子エミッタ２７０から電子放射を発生させ、電子エミッタ２７０からの電子放射を適切な加速度にて陽極２８０へ向けて放射電子を方向づける。電荷散逸型電界放射デバイス２００の動作中、陽イオンガス状種が、内部空間領域２６５内に発生し、陰極２１５に向かって引き付けられる。その陰極２１５は陽極２８０よりも低電位に維持される。図２の矢印によって示されるように、正電流（cationic current）２７７が、これらの望ましくない帯電種を含む。正電流２７７の一部分は、陰極２１５の集電荷表面２４８によって受け取られ、接地電位源（図示せず）へ流出せられる。正電流２７７の他の部分は、ゲート抽出電極２５０によって受け取られ、接地電位源（図示せず）へ流出せられる。除かれた帯電種は、もはや、誘電体表面を帯電させたり、または電荷散逸型電界放射デバイス２００の動作要素（例えば、電子エミッタ２７０）に衝突し、ダメージを与える原因になったりすることはない。
電荷散逸型電界放射デバイス２００の製造は、誘電体材料がパターニングされて、電荷散逸ウェル２５２を形成するような、パターニング段階を含む。まず、スパッタリングまたはプラズマエンハンスト化学蒸着（PECVD）のような従来法により、モリブデンまたはアルミニウムのような導電材料を支持基板２１０上にデポジションすることによって、陰極２１５が形成される。その後、陰極２１５は、アドレス可能な列を形成するようにパターニングされ得る。
安定抵抗器が、陰極２１５に含まれ得る。その安定抵抗器は、陰極２１５の導電材料と電子エミッタ２７０との間の電気的接続をもたらす。その安定抵抗器は、アモルファスシリコンのような抵抗材料の層から成り、プラズマエンハンスト化学蒸着（PECVD）のような従来技術により支持基板２１０上にデポジションされる。その後、その抵抗材料の層はパターニングされ、それによって、その抵抗器は、陰極２１５の導電材料から電子エミッタ２７０へとのびる。
次に、二酸化シリコンのような誘電体が、既知のデポジション法により陰極２１５上にデポジションされる。ゲート抽出電極２５０は、モリブデンのような導電体から成り、簡便なデポジション技術によって誘電体層上に形成される。その誘電体層は選択的にエッチングされ、陰極２１５の部分に表示される電荷散逸ウェル２５２を形成し、それにより、集電荷表面２４８の上の誘電体材料が除去される。その後、電荷散逸ウェル２５２は、電子エミッタ２７０を構成する材料がその電荷散逸ウェル中にデポジションされるのを防止するように、フォトレジストのマスクでカバーされる。誘電体層は、再度パターニングされ、選択的にエッチングされ、それによって、エミッタウェル２６０を形成する。次に、電子エミッタ２７０が、当業界で既知の標準的なチップ製造技術によってエミッタウェル２６０内に形成される。その後、そのフォトレジストは、電荷散逸ウェル２５２から除去される。スピントチップとは異なるの電子エミッタが使用され、例えば、ダイアモンドに似た炭素層のような炭素をベースとした表面エミッタを含むことは、本発明の請求の範囲内である。さらに、本発明に従った電界放射デバイスは、ダイオードおよびテトロードのようなトライオードとは異なる電極構成をも含み得る。
図３を参照すると、本発明にしたがった電荷散逸型電界放射デバイス３００の断面図が示されている。電荷散逸型電界放射デバイス３００は、電荷散逸型電界放射デバイス２００の要素（図２）を含む。その要素は、”３”で始まる同様の参照番号が付されている。しかし、電荷散逸型電界放射デバイス３００は、ゲート抽出電極を含んでいない。電荷散逸型電界放射デバイス３００は、図２を参照しながら上述したのと同様の方法で製造され得る。しかし、ゲート抽出電極を形成する段階が省略される。
電荷散逸型電界放射デバイス３００の動作は、電荷散逸型電界放射デバイス３００の外部にある接地電圧源（図示せず）を介して、陰極３１５および陽極３８０へ適切な電位を印加し、それによって、複数の電子エミッタ３７０から電子放射を生ずるようにする。
図４〜６を参照すると、本発明にしたがった電荷散逸型電界放射デバイス４００の概要図が示されている。図４に概要的に示されているのは、電荷散逸型電界放射デバイス４００の平面図であり；図５、６に示されるのは、それぞれ図４における切断線５−５、６−６に沿った断面図である。電荷散逸型電界放射デバイス４００は、電荷散逸型電界放射デバイス２００の要素（図２）を含む。その要素は、”４”で始まる同様の参照番号が付されている。電荷散逸型電界放射デバイス４００は、支持基板４１０上に形成される複数の離間した陰極４１５を含む。陰極４１５は、モリブデンまたはアルミニウムのような導電材料から成る。一般に、陰極４１５は、金属または他の有用な導電材料から成り、複数の電子エミッタ４７０の選択的アドレス可能性をもたらすように、互いに電気的に絶縁される。電荷散逸層４９０が、隣在する陰極４１５間の支持基板４１０上に形成される。この実施例において、電荷散逸層４９０は、陰極４１５から電気的に絶縁されている。電荷散逸層４９０は、導電材料から成り、その電界放射デバイスの外部にある接地電気コンタクト（図示せず）に電気的に接続される。電荷散逸層４９０は、集電荷表面４４９を含み、電荷散逸型電界放射デバイス４００の動作中に帯電ガス状種を受け取る。その後、その電荷は、電荷散逸層４９０によって、接地電気コンタクトへ流出される。
電荷散逸型電界放射デバイス４００の製造は、支持基板４１０上に電荷散逸層４９０を形成する段階、電荷散逸層４９０の集電荷表面４４９を露出するように、誘電体層４４０に電荷散逸ウェル４５３を形成する段階を含む。図４、５に示されるように、電荷散逸ウェル４５２もまた、図２を参照して上述されたのと同様に、陰極４１５の集電荷表面４４８を露出するように誘電体層４４０に形成することができる。陰極４１５は支持基板４１０上にパターニングされる。電荷散逸層４９０を構成する導電材料のマスクを介してのデポジションのような、有用なデポジション技術により、電荷散逸層４９０は陰極４１５間に形成される。電荷散逸層４９０は、アルミニウムの様な導電体、またはアモルファスシリコンのような他のより抵抗性のある材料から成る。その後、二酸化シリコンのような誘電体を、既知のデポジション方法により、電荷散逸層４９０および陰極４１５上にデポジションする。ゲート抽出電極４５０が、誘電体層上に形成される。ゲート抽出電極４５０は、モリブデンのような導電体から成り、有用なデポジション方法によりデポジションされる。その後、その誘電体層は、選択的にエッチングされ、電荷散逸ウェル４５３を形成し、電荷散逸層４９０の集電荷表面４４９を露出する。その誘電体層は、また、選択的にエッチングされ、電荷散逸ウェル４５２を形成し、陰極４１５の集電荷表面４４８を露出する。電荷散逸ウェル４５２、４５３はフォトレジストマスクでカバーされ、それによって、電子エミッタ４７０を構成する材料が、そのウェル内にデポジションしてしまうことを防止する。
次に、誘電体層は、選択的にエッチングされ、それによって、複数エミッタウェル４６０が形成される。電子エミッタ４７０が、当業界において既知の標準的スピントチップ製造技術によって、各エミッタウェル４６０内に１つずつ形成される。最後に、フォトレジストが電荷散逸ウェル４５２、４５３から除去される。
本発明のさらなる実施例としては、電荷散逸層は、電気的に陰極に接続し、それによって、電荷散逸層によって受け取られた電荷がその陰極に流れ込み、放たれる。本実施例において、電荷散逸層によって接続される陰極間の短絡は、比較的高いシート抵抗値を電荷散逸層に与えることによって防止する。また、本実施例において、電荷散逸層は、109-1012ohms/squareの範囲内のシート抵抗値を有する。好適には、ドーピングされていないアモルファスシリコンから成る。上記範囲内のシート抵抗値を与え、適切な膜特性（film characteristics）を有する任意の材料を使用してもよい。適切な膜特性は、支持基板への十分な付着性を含む。そのシート抵抗値は、電荷散逸層４９０上に衝突する正に帯電した種の電流の導電を効果的にできるように、あらかじめ定められる。そのイオン電流は、ある割合の放射電子として、内部空間領域内で発生し、その割合は、約０．１％に等しいか、またはそれ以下と考えられている。例えば、電界放射ディスプレイにおいて、陽イオンが転換した電流は、約10pAと考えられる。正電流は非常に小さいので、その電荷散逸層のシート抵抗値は、陰極間の短絡および過剰な電力損失を防止するのに十分なほど高くすることができ、同時に、適切に衝突電荷を導電／流し出す。この実施例において、電荷散逸層の厚さは、100-5000オングストロームの範囲内である。
電荷散逸型電界放射デバイスがここに開示された。それはデバイス内の誘電体表面の量を減少させ、デバイスの起動中に発生する好ましくない正電荷の導電のための構造を提供する。これらの特徴は、誘電体のブレークダウンの可能性を減少させ、電子の飛しょう経路を制御可能にする。
【図１】
0003999276.tif 000002
【図２】
0003999276.tif 000003
【図３】
0003999276.tif 000004
【図４】
0003999276.tif 000005
【図５】
0003999276.tif 000006
【図６】
0003999276.tif 000007