(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であって、
前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、
前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜と
を有する、電子放出源。
【請求項２】
前記電子放出薄膜は、低電界で電子が放出されるカーボン膜その他の薄膜である、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項３】
前記電子放出薄膜の面積は前記凹部の開口面積より小さく、かつ前記電子放出薄膜の厚さは前記凹部の深さより小さい、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項４】
前記微細孔の開口の形状は平面視略円形、楕円形、角形、スリットのいずれかである、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項５】
前記凹部の形状は平面視略円形、楕円形、角形、スリットのいずれかである、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項６】
前記カソード電極は、上層と下層のカソード電極からなり、前記上層カソード電極には前記微細孔の開口面積より大きい面積の開口が前記上層カソード電極の厚さ方向に貫通して形成され、この開口と該開口の下端を塞ぐ前記下層カソード電極の上面とで前記凹部が形成される、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項７】
前記上層と下層のカソード電極は、エッチング特性の異なる材料からなる、請求項６に記載の電子放出源。
【請求項８】
前記カソード電極は、３層以上の積層膜からなる、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項９】
基板上に、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極とをこの順に形成し、前記ゲート電極の上面に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記カソード電極の上面に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子放出源の製造方法であって、
前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さに延在させて、前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成する第１の工程と、
前記凹部の底面に電子放出薄膜を形成する第２の工程と
を有する、電子放出源の製造方法。
【請求項１０】
前記ゲート電極と絶縁層とを貫通してカソード電極の表面から厚さ方向へ所定の深さに達する微細孔を形成し、次いで、前記ゲート電極及び絶縁層はそのまま残した状態で、前記微細孔の底部に相当するカソード電極の前記凹部を前記微細孔の開口面積より大きくなるように外周方向へ拡大された開口面積に形成する、請求項９に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１１】
前記電子放出薄膜の形成後に、前記絶縁層の微細孔の内壁面をウェットエッチングによりエッチングする、請求項９に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１２】
基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極と、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔と、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜とを有する電子放出源と、
前記電子放出源に対し間隔を置いて対向して配設されたアノード電極および蛍光面と
を有し、前記カソード電極及び前記ゲート電極の間に電圧を印加して前記電子放出源より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させる、ディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記基板上に、複数の帯状の前記カソード電極が幅方向に間隔を置いてほぼ同一方向に配設され、複数の帯状の前記ゲート電極が幅方向に間隔を置いて前記カソード電極に交差して配設され、前記カソード電極及びゲート電極が交差する箇所に前記微細孔が形成され、複数の帯状の前記アノード電極が各ゲート電極にそれぞれ対向して配設されている、請求項１２に記載のディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記電子放出源との間に間隔を置いてガラス基板が設けられ、前記アノード電極は前記ガラス基板の前記電子放出源に対向する面に形成され、前記蛍光面は前記アノード電極の前記電子放出源に対向する面に形成されている、請求項１２に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば極薄型のディスプレイ装置に使用して好適な電子放出源、およびその製造方法、ならびに同電子放出源を用いたディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えば極薄型のディスプレイ装置としては、画面の内側の箇所にパネル状の電子放出源を設け、その画素領域内に電子放出材料から成る多数のマイクロチップを形成し、所定の電気信号に応じて対応する画素領域のマイクロチップを励起することでスクリーンの蛍光面を光らせるものが提案されている。
この電子放出源では、帯状に形成された複数本のカソード電極ラインと、このカソード電極ラインの上部においてカソード電極ラインと交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ラインとが設けられ、上記カソード電極ラインの上記ゲート電極ラインとの各交差領域がそれぞれディスプレイ装置における画素に対応し、これらの領域に上記マイクロチップが配設されている。
【０００３】
次に、図７及び図８により従来の電子放出源とディスプレイ装置について説明する。
従来の電子放出源１９は、図７に示したように、例えば、ガラス材料より成る下部基板２１の表面上に帯状の複数本のカソード電極ライン２２が形成されている。これらのカソード電極ライン２２上には絶縁層２３が成膜され、その上に各カソード電極ライン２２と交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ライン２４が形成され、このゲート電極ライン２４とカソード電極ライン２２でマトリクス構造を構成している。各カソード電極ライン２２のおよび各ゲート電極ライン２４は制御手段２５にそれぞれ接続されている。
【０００４】
各カソード電極ライン２２と各ゲート電極ライン２４との各交差領域には、ゲート電極ライン２４と上記絶縁層２３とを貫通してカソード電極ライン２２の表面に至る多数の微細孔２６が形成され、この各微細孔２６の底部となるカソード電極ライン２２の表面にマイクロチップ２７が設けられている。このマイクロチップ２７が冷陰極を構成する。
これらのマイクロチップ２７は、例えばモリブデンなどの電子放出材料より成り、ほぼ円錐体に形成されている。そして、各マイクロチップ２７の円錐体の先端部は、ゲート電極ライン２４に形成されている電子通過用のゲート部２４ａの高さにほぼ位置している。このように、各カソード電極ライン２２の各ゲート電極ライン２４との各交差領域には多数のマイクロチップ２７が設けられて画素領域が形成され、個々の画素領域がディスプレイ装置の１つの画素（ピクセル）に対応している。
【０００５】
このような電子放出源においては、上記制御手段２５により所定のカソード電極ライン２２およびゲート電極ライン２４を選択し、これらの間に所定の電圧をかけることで、カソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４との交差領域、すなわち画素領域内の全てのマイクロチップ２７とゲート部２４ａとの間に上記所定の電界が生じ、各マイクロチップ２７の先端からトンネル効果によって電子が放出される。
なお、このときの印加電圧は、各マイクロチップ２７がモリブデンの場合、各マイクロチップ２７の円錐体の先端部付近の電界の強さがおおむね１０8ないし１０10Ｖ／ｍ程度となる値にする。
【０００６】
上述した構成の電子放出源を用いたディスプレイ装置の例を図８に示す。
この図８において、ディスプレイ装置２０は、電子放出源１９を画面が構成されるように多数配列した部材３０と、この部材３０の電子放出方向に所定の間隔を持って配置された上部基板２８を備える。
上部基板２８の電子放出源１９と対向する下面には、蛍光体を塗布することで形成される帯状の蛍光ストライブ２９が部材３０の各カソード電極ライン２４毎に平行に形成されている。また、部材３０と上部基板２８との間は真空に保持される構成になっている。
【０００７】
次に、ディスプレイ装置２０の動作について説明する。
画素を構成する所定の画素領域の電子放出源１９を、その電子放出源１９と一致する交差領域を有するカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４を制御手段２５により選択し、所定の電圧をかける。これにより、電子放出源１９は励起され、その電子放出源１９のマイクロチップ２７から放出された電子は、制御手段１０９によりカソード電極ライン２２とアノードである上部基板２８間に印加された電圧によって加速され、ゲート電極ライン２４と上部基板２８間の真空領域を通って蛍光ストライプ２９に衝突する。これにより、蛍光ストライプ２９から可視光が放出され、この可視光を上部基板２８を通して見ることにより画像として観察することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記電子放出源には次のような問題点がある。
第１に、各マイクロチップ２７、特にその円錐尖端を均一に製造することが困難である。この部分の形状が不均一であると、各マイクロチップ２７から放出され上部基板上に形成される光輝点が不均質となって、画像品質が劣化する。
【０００９】
第２に、部材３０と上部基板２８との間の高真空領域に残存するガスがイオン化し、マイクロチップ２７をスパッタリングすることにより、マイクロチップ２７の先端形状が経時的に劣化し易く、放出電子量が減少するという問題ある。
【００１０】
第３に、マイクロチップ２７から放出される電子の飛翔方向は、カソード（上部基板２８）面に垂直な方向に対して±３０度程度の範囲に広がっているため、蛍光ストライプ面の発光領域も拡大する。これはディスプレイの高精細化において不利である。
【００１１】
第４は製造工程上の問題である。マイクロチップ２７は、通常、ゲート電極ライン２４上にリフトオフ層を成膜し、モリブデンなどの高融点金属を真空蒸着することで形成される。その後、リフトオフ層に堆積したモリブデンなどの高融点金属をリフトオフで除去する。しかし、このとき剥離した金属片が微細孔２６内に入り込み、マイクロチップ２７とゲート電極ライン２４とを短絡し、ひいてはカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４とが短絡されてしまうことがあり、その結果、製造歩留まりが低下する。
【００１２】
これらの問題を回避すべく、特開平８−１５５５６４号公報には、電子放出面を用いた電子放出源が開示されている。
図９は、この従来技術における電子放出源の要部の断面図を示している。この図９において、図７と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、下部基板２１上にはダイヤモンド等の低仕事関数物質層３２と金属等の導電接触層３３が順に積層して形成され、さらに、導電接触層３３上には二酸化珪素等の絶縁層２３及びゲート電極層２４が順に形成され、そして、低仕事関数物質層３２とゲート電極層２４との交差領域には、ゲート電極層２４と絶縁層２３及び導電接触層３３を貫通して低仕事関数物質層３２に達する孔２６が形成されている。
導電接触層３３は、低仕事関数物質層３２から二酸化珪素等の絶縁層２３に電子が注入されることによる絶縁破壊を防止する機能を有し、必要に応じて形成される。この機能を備えることにより、孔２６の底部における平面状の低仕事関数物質層３２の表面から電子が効率的に放出されるようになっている。
【００１３】
また、平面状の電子放出面を用いた従来の電子放出源としては、特開平８−１１５６４号公報に開示されている。
図１０は、この従来技術における電子放出源の要部の断面図を示している。この図１０において、図７に示す場合と同様に下部基板２１上には、カソード電極層２２、絶縁層２３及びゲート電極層２４が順に積層して形成され、そして、カソード電極層２２とゲート電極層２４との交差領域には、ゲート電極層２４と絶縁層２３を貫通してカソード電極層２２の表面内部まで達する孔２６が形成されている。また、孔２６の底部に相当するカソード電極層２２の凹部２２１には、ダイヤモンド等の低仕事関数物質層３２が形成され、この低仕事関数物質層３２が平面状の電子放出面を構成する。
このように孔２６の底部に相当するカソード電極層２２の凹部２２１にプラズマ等のダメージに曝されずに形成された低仕事関数物質層３２の表面から電子を効率的に放出することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、上記図９に示す構造の電子放出源では、低仕事関数物質層３２が形成された後に、その上部構造である二酸化珪素等の絶縁層２３などを形成しなければならないという工程上の問題がある。すなわち、低仕事関数物質層３２上にスパッタリングやプラズマＣＶＤ法により二酸化珪素等の絶縁層２３等を形成すると、低仕事関数物質層３２の表面がプラズマに曝されるため、ダメージを受けてしまう。また、孔２６を形成する際にも、低仕事関数物質層３２の表面がＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるプラズマに曝されるため、ダメージを受けてしまう。
このため、低仕事関数物質層３２が持つ本来の電子放出能力を充分に発揮することができない。また、高輝度のために必要とされる放出電子密度が得られたとしても、ゲート電極ライン２４と低仕事関数物質層３２との間に印加される電圧が比較的高くなり、絶縁破壊が懸念されるなどの新たな問題が発生する。
【００１５】
また、上記図１０に示す構造の電子放出源では、低仕事関数物質層３２が凹部２２１の底部に形成された場合、凹部２２１のエッジ部２２１Ａにも低仕事関数物質が付着し、かつ低仕事関数物質表面の中でその表面に最大強度の電界が印加される可能性がある。この場合、電界放出電流は、微細孔２６の中央付近より、凹部２２１のエッジ部２２１Ａで最大となり、主として、この位置で電子放出が生じる。そして、凹部２２１のエッジ部２２１Ａからの電界放出した電子は微細孔２６の中央付近から放出される電子と比較して、ゲート電極ライン２４に、より到達し易い。換言すれば、凹部２２１のエッジ部２２１Ａに低仕事関数物質が付着すると、ゲート電極ライン２４に到達する電子量に対して、アノードに到達する電子量の比が小さくなり、電子の効率が悪くなる。
また、低仕事関数物質層３２を形成した時に、孔２６の絶縁層２３の内壁に生成される低仕事関数物質によりゲート電極ライン２４とカソード電極ライン２２とが高抵抗で短絡されるという問題がある。
【００１６】
本発明は、このような従来技術の課題を解決しようとするものであり、その目的とするところは、低い電圧で駆動でき、電子ビームの広がりが小さく、しかも長寿命で効率がよく、さらに電極間の短絡のおそれの少ない、製造歩留まりの高い電子放出源を提供し、かつ同電子放出源の製造方法、ならびに同電子放出源を用いたディスプレイ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜とを有する、電子放出源に係るものである。
【００１８】
また、本発明は、基板上に、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極とをこの順に形成し、前記ゲート電極の上面に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記カソード電極の上面に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さに延在させて、前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成する第１の工程と、前記凹部の底面に電子放出薄膜を形成する第２の工程とを有する、電子放出源の製造方法に係るものである。
【００１９】
また、本発明は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極と、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔と、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成された電子放出薄膜とを有する電子放出源と、前記電子放出源に対し間隔を置いて対向して配設されたアノード電極および蛍光面とを有し、前記カソード電極及び前記ゲート電極の間に電圧を印加して前記電子放出源より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させる、ディスプレイ装置に係るものである。
【００２０】
このように、本発明の電子放出源およびその製造方法ならびに電子放出源を用いたディスプレイ装置においては、微細孔に臨むカソード電極の上面に、この上面からカソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成し、この凹部の底面に電子放出薄膜を形成する構成にすることにより、微細孔の底面周辺部より、中央部付近の電子放出薄膜の表面に最大強度の電界が印加されることになり、電界放出電流は微細孔の底面周辺部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔を通してアノード電極に到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できる。
【００２１】
また、凹部を、微細孔の開口面積より大きくなるように微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、電子放出薄膜によってカソード電極とゲート電極とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上でき、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置の製造コストも低減できる。
また、電子放出薄膜にカーボン膜を用いることにより、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜から取り出すことができる。これにより、カソード電極およびゲート電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となるとともに、電子放出源により構成したディスプレイ装置も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になり、かつこの電子放出源により構成されるディスプレイ装置の長寿命化も可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態例］
まず、本発明の第１の実施の形態例について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図、図２は本発明の第１の実施の形態例における電子放出源の平面図、図３は本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
図３において、ディスプレイ装置の一例を示す斜視図であり、このディスプレイ装置１００は、図１及び図２に示した本実施の形態例の電子放出源１０と、高真空領域１０１を介して電子放出源１０の上部に配設された上部基板１０２（特許請求の範囲のガラス基板に相当）とを含んで構成されている。上部基板１０２は透明なガラス基板から構成される。
【００２３】
電子放出源１０は、図１〜図３に示したように、例えばガラス材よりなる下部基板１を含み、その表面上には帯状の複数本のカソード電極ライン２（特許請求の範囲のカソード電極に相当）が所定の間隔離して平行に形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面には、カソード電極ライン２と交差する帯状の複数本のゲート電極ライン４（特許請求の範囲のゲート電極に相当）が所定の間隔離して平行に形成されている。そして、各カソード電極ライン２の端部および各ゲート電極ライン４の端部は制御手段１２にそれぞれ接続されている。
【００２４】
カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との各交差箇所には、図１及び図２に示すように、多数の微細孔５が形成され、ディスプレイ装置１００における１つの画素に対応する領域を構成している。
各微細孔５は、図１に示したように、上記ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の上面に到達しており、さらに、微細孔５に臨むカソード電極ライン２の上面には、その上面からカソード電極ライン２の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積の凹部６が形成されている。
そして、凹部６の底面には、カーボン等の低電界で電子が放出される材料からなる円形状の電子放出薄膜７が形成されている。この円形電子放出薄膜７の上面面積は、凹部６の開口面積より小さく（微細孔５の開口面積と略同一）、かつその厚さは凹部６の深さ寸法より小さく設定されている。
【００２５】
また、図３に示したディスプレイ装置１００では、上部基板１０２は、高真空領域１０１を介して電子放出源１０と対向して配置されている。上部基板１０２の下面部には、ゲート電極ライン４に対してそれぞれ平行な帯状の複数のアノード電極ライン１０３（特許請求の範囲のアノード電極に相当）が延設され、各アノード電極ライン１０３の表面にはそれぞれ蛍光ストライプがアノード電極ライン１０３とともに延在している。
【００２６】
上述のように構成された電子放出源１０において、上記制御手段１２により所要のカソード電極ライン２およびゲート電極ライン４を選択して、これらの電極間に所定の電圧をかけると、カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との交差領域、すなわち画素領域内の電子放出薄膜７に所定の電界がかかり、電子放出薄膜７からトンネル効果によって電子が放出される。
【００２７】
また、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００では、所定の画素領域の電子放出源１０を励起することで各微細孔５内の電子放出薄膜７から放出された電子は、ゲート電極ライン２４上部基板１０２のアノード電極ライン１０３との間に印加された電圧によって加速され、ゲート電極ライン４と上部基板２との間の高真空領域３を通って上記蛍光ストライプに到達する。そして、電子が入射することで蛍光ストライプから可視光が発せられ、この可視光は、透明なアノード電極ライン１０３や上部基板１０２を通して見ることにより画像として観察することができる。
【００２８】
このような本実施の形態例の電子放出源１０によれば、微細孔５の底部において、電子放出薄膜７が形成されるカソード電極ライン２の凹部６は、所定の深さで、かつ微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積に形成され、しかも、円形電子放出薄膜７の上面面積は、凹部６の開口面積より小さく、かつその厚さは凹部６の深さ寸法より小さく設定されているため、電子放出薄膜７の外周面は凹部６の内周面から離間され、かつ凹部６の内周面は絶縁層３に形成された微細孔５の内周面より外周方向へ引っ込んだ状態におかれる。このため、凹部６の内周部の電界強度は中央付近の電界強度を比較して充分に小さい。その結果、電子は放出されないか、放出されたとしても非常に低い電子密度であり、実用上の影響は無視できる程度である。
【００２９】
したがって、微細孔５の底面内周部より、中央部付近の電子放出薄膜７の表面に最大強度の電界が印加されることになり、その結果、電界放出電流は微細孔５の底面内周部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔５を通してアノード電極ラインに到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できるとともに、アノード電極ラインへの電子ビームの広がりを小さくできる。
また、凹部６を、微細孔５の開口面積より大きくなるように微細孔５の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、絶縁層３の下端部３Ａが凹部６の開口側へ張り出された構造になっているため、凹部６の底面に電子放出薄膜７を形成する時、絶縁層３の内壁面にカーボンの層が形成されても、このカーボンの層は絶縁層３の下端部３Ａに形成されることがない。このため、カソード電極ライン２とゲート電極ライン３とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上できる。その結果、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置１００の製造コストも低減できる。
【００３０】
また、本実施の形態例によれば、電子放出薄膜７にカーボン膜を用いることにより、５０Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜７から取り出すことができる。すなわち、絶縁層３の厚さを１μｍ程度に設定すれば、カソード電極ライン２およびゲート電極ライン４の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となる。したがって、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜７は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜７に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜７の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になる。そのため、電子放出源１０により構成したディスプレイ装置１００も長寿命となる。
【００３１】
なお、本実施の形態例における電子放出源の微細孔５の形状は、図２に示したように円形である場合について説明したが、この形状は円形に限らず多角形や楕円形などであってもかまわない。
【００３２】
次に、電子放出源１０の製造方法について、図１を参照して説明する。
まず、図１に示したように、ガラスなどから成る下部基板１１上にニオビウム、モリブデンまたはクロムなどを厚さ約２００ｎｍ程度に成膜して導体膜を形成する。その後、写真製版法および反応性イオンエッチング法によりこの導体膜をライン形状に形成してカソード電極ライン２とする。
【００３３】
次に、例えば二酸化珪素をスパッタリングあるいは化学蒸着法により、上記下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上に成膜して絶縁層３を形成し、さらに絶縁層１４上に、例えばニオビウムまたはモリブデンのゲート電極用導電膜を成膜する。その後、写真製版法および反応性イオンエッチング法により、この導体膜をカソード電極ライン２と交差するようなライン形状にしてゲート電極ライン４を形成する。
【００３４】
次に、ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の表面から厚さ方向へ所定の深さに達する平面視円形の微細孔５を写真製版法およびプラズマエッチング法等により形成する。
次いで、ゲート電極ライン４及び絶縁層３はそのまま残した状態で、微細孔５の底部に相当するカソード電極ライン２の凹部６を、微細孔５の開口面積より大きくなるように外周方向へ拡大された開口面積にエッチングにより形成する。
この微細孔５のエッチング工程及び凹部６の拡径エッチング工程は、請求項９の第１の工程を構成する。
【００３５】
次に、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光を照射して成膜するレーザアブレーション法またはスパッタリング法により、凹部６内の中央箇所にカーボン膜を成膜して、冷陰極の電子放出薄膜７を形成する。この電子放出薄膜７の形成工程が請求項９の第２の工程を構成している。
また、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との間の短絡をなくすために、電子放出薄膜７の形成後に、絶縁層３の微細孔５の内壁面を必要に応じてウェットエッチングによりエッチングする。
【００３６】
上記のような製造方法により構成された電子放出源においても、上記第１の実施の形態例に示した電子放出源と同様な作用効果が得られることは勿論である。
【００３７】
［第２の実施の形態例］
図４及び図５により本発明の第２の実施の形態例について説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図、図２は本発明の第２の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
この図４及び図５において、図１及び図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、電子放出源１０は、ガラス材等からなる下部基板１を含み、その表面上には帯状の複数本のカソード電極ライン２が所定の間隔離して平行に形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面には、カソード電極ライン２と交差する帯状の複数本のゲート電極ライン４が所定の間隔離して平行に形成されている。そして、各カソード電極ライン２の端部および各ゲート電極ライン４の端部は制御手段１２にそれぞれ接続されている。
【００３８】
カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との各交差箇所には、図４及び図５に示すように、一方向に延在する多数のスリット状の微細孔５Ａが形成され、ディスプレイ装置１００における１つの画素に対応する領域を構成している。
各スリット状の微細孔５Ａは、図４に示したように、上記ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通してカソード電極ライン２の上面に到達しており、さらに、スリット状の微細孔５Ａに臨むカソード電極ライン２の上面には、その上面からカソード電極ライン２の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔５Ａの開口面積より大きくなるように微細孔５Ａの外周方向へ拡大された開口面積の凹部６Ａが形成されている。
そして、凹部６Ａの底面には、カーボン等の低電界で電子が放出される材料からなるスリット状の微細孔５Ａに対応する長方形状の電子放出薄膜７Ａが形成されている。この電子放出薄膜７Ａの上面面積は、凹部６Ａの開口面積より小さく（微細孔５Ａの開口面積と略同一）、かつその厚さは凹部６Ａの深さ寸法より小さく設定されている。
【００３９】
このような第２の実施の形態例においても、上記第１の実施の形態例と同様な作用効果が得られるほか、微細孔５Ａをスリット状にしたことにより、円形の微細孔５に比較してエミッション領域を大きくできるので、同一の電圧で駆動しても、より大きな電流密度を得ることができる。
そして、このようなスリット状の微細孔５Ａを有する冷陰極は、低い電圧の印加で、より大きな放出電流を獲得することができる。
【００４０】
［第３の実施の形態例］
図６により本発明の第３の実施に形態例について説明する。
図６は本発明の第３の実施に形態例における電子放出源の単位素子を拡大して示す要部の縦断側面図である。
この図６において、図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明すると、電子放出源１０の単位素子は、ガラス材等からなる下部基板１を含み、その表面上には、二層構造のカソード電極ライン２が形成されている。下部基板１とカソード電極ライン２の露出表面上には絶縁層３が形成され、この絶縁層３の上面にはゲート電極ライン４が形成されている。
【００４１】
上記二層構造のカソード電極ライン２は、上層カソード電極ライン２０１と下層カソード電極ライン２０２から構成されている。そして、上層カソード電極ライン２０１の厚さは２００ｎｍであり、下層カソード電極ライン２０１の厚さは２００ｎｍである。
また、二層構造のカソード電極ライン２とゲート電極ライン４との交差箇所には、図６に示すように、図１に示した場合と同様な円形の微細孔５（または、図５に示したスリット状の微細孔５Ａ）が、ゲート電極ライン４と絶縁層３とを貫通して上層カソード電極ライン２０１の上面に到達して形成され、さらに、上層カソード電極ライン２０１には、微細孔５（または、図５に示したスリット状の微細孔５Ａ）の開口面積より大きい面積の開口２０３が上層カソード電極ライン２０１の厚さ方向に貫通して形成され、この開口２０３と該開口２０３の下端を塞ぐ下層カソード電極ライン２０２の上面で凹部６Ｂが形成されている。
そして、凹部６Ｂ内の下層カソード電極ライン２０２上にはカーボン等の低電界で電子が放出される材料からなる円形の微細孔５（またはスリット状の微細孔５Ａ）に対応する形状の電子放出薄膜７が形成されている。
【００４２】
上記二層カソード電極ライン２の材料の組み合わせとしては、エッチング特性の異なる組み合わせが好ましい。
すなわち、異種の金属材料としては、例えばニオビウムとクロムとの組み合わせや、金属材料とその化合物の組み合わせ、例えばタングステンと珪素タングステン等がある。
また、二層カソード電極ライン２の膜質の異なる材料の組み合わせとしては、多結晶膜と非結晶膜の組み合わせ等が可能である。
【００４３】
このような第３の実施の形態例に示す構造の電子放出源においては、凹部６Ｂを形成するために上層カソード電極ライン２０１へ開口２０３を形成する時、下層カソード電極ライン２０２に対して、選択比の良いエッチングを施すことが可能になる。これに伴い、上層カソード電極ライン２０１の表面と電子放出薄膜７の表面との段差を、広い電子放出源の全面にわたり均一にすることができる。
この第３の実施の形態例に示す電子放出源においても、第１の実施の形態例に示した場合と同様な作用効果が得られることは勿論である。
【００４４】
なお、本発明においては、カソード電極ライン２は二層構造のものに限定されず、三層以上の積層膜で形成するよにしてもよい。
また、第３の実施の形態例においても、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との間の短絡をなくすために、電子放出薄膜７の形成後に、絶縁層３の微細孔５の内壁面を必要に応じてウェットエッチングによりエッチングしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子放出源は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成された電子放出源であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部が形成され、前記凹部の底面に電子放出薄膜が形成されていることを特徴とする。
【００４６】
また、本発明の電子放出源の製造方法は、基板上に、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極とをこの順に形成し、前記ゲート電極の上面に開口するとともに前記絶縁層を貫通して前記カソード電極の上面に至る１つまたは複数の微細孔を形成する工程を含む電子放出源の製造方法であって、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さに延在させて、前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部を形成する第１の工程と、前記凹部の底面に電子放出薄膜を形成する第２の工程とを有することを特徴とする。
【００４７】
また、本発明のディスプレイ装置は、基板上に形成したカソード電極と、前記カソード電極の上面に絶縁層を介して形成したゲート電極とを有し、前記ゲート電極の上面に開口し前記絶縁層を貫通して前記カソード電極に至る１つまたは複数の微細孔が形成され、前記微細孔に臨む前記カソード電極の上面に該上面から前記カソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ前記微細孔の開口面積より大きくなるように前記微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に凹部が形成され、前記凹部の底面に電子放出薄膜が形成されている電子放出源と、前記電子放出源に対し間隔を置いて対向して配設されたアノード電極および蛍光面とを有し、前記カソード電極及び前記ゲート電極の間に電圧を印加して前記電子放出源より電子を放出させ、前記電子を前記蛍光面に入射させて前記蛍光面を発光させることを特徴とする。
【００４８】
このように、本発明の電子放出源およびその製造方法ならびに電子放出源を用いたディスプレイ装置によれば、微細孔に臨むカソード電極の上面に、この上面からカソード電極の厚さ方向に所定の深さで延在し、かつ微細孔の開口面積より大きい開口面積の凹部を形成し、この凹部の底面に電子放出薄膜を形成する構成にすることにより、微細孔の底面周辺部より、中央部付近の電子放出薄膜の表面に最大強度の電界が印加されることになり、電界放出電流は微細孔の底面周辺部より中央部付近で最大となり、主として、この中央部付近の位置で電子が放出される。これにより、微細孔を通してアノード電極に到達する電子量が多くなり、放出電子の効率を向上できる。
【００４９】
また、凹部を、微細孔の開口面積より大きくなるように微細孔の外周方向へ拡大された開口面積に形成することにより、カソード電極とゲート電極とが短絡されることがなく、電子放出源の製造のスループットを向上でき、製造歩留まりが向上し、ディスプレイ装置の製造コストも低減できる。
また、電子放出薄膜にカーボン膜を用いることにより、数十Ｖ／μｍ程度もしくはそれ以下の電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度を電子放出薄膜から取り出すことができる。これにより、カソード電極およびゲート電極の間に印加する電圧は数十Ｖ以下で済み、低電圧駆動が可能となるとともに、電子放出源により構成したディスプレイ装置も低電圧で駆動することができる。
また、カーボン膜で構成される電子放出薄膜は、稼動時に真空領域に残存するガスがイオン化して電子放出薄膜に対するスパッタリングが生じたとしても、電子放出薄膜の形状変化は起こらず、スパッタリングを受けにくいため、安定したエミッションが長い時間維持でき、長寿命化が可能になり、かつこの電子放出源により構成されるディスプレイ装置の長寿命化も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
【図３】本発明によるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態例における電子放出源を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態例における電子放出源の平面図である。
【図６】  本発明の第３の実施の形態例における電子放出源の単位素子を拡大して示す要部の縦断側面図である。
【図７】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【図８】従来におけるディスプレイ装置の一例を示す斜視図である。
【図９】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【図１０】従来における電子放出源の要部の断面図である。
【符号の説明】
１……下部基板、２……カソード電極ライン、３……絶縁層、４……ゲート電極ライン、５、５Ａ……微細孔、６、６Ａ……凹部、７……電子放出薄膜、１０……電子放出源、１２……制御手段、１００……ディスプレイ装置、１０１……高真空領域、１０２……上部基板、１０３……アノード電極ライン、２０１……上層カソード電極ライン、２０２……下層カソード電極ライン。
【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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【図９】
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【図１０】
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