JP2001332167A

JP2001332167A - 電子放出陰極及びその製造方法並びにその電子放出陰極を用いた電界放出型ディスプレイ

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Publication number: JP2001332167A
Application number: JP2000147915A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kakinuma; 伸明柿沼; Shigeru Nishikawa; 滋西川; Keiichi Betsui; 圭一別井; Kazunori Inoue; 和則井上; Tadashi Nakatani; 忠司中谷
Original assignee: Fujitsu Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Fujitsu Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイヤモンド粒子とカソード電極との電気的
接触を改善することにより、低電圧かつ高電流の電子を
放出し、またダイヤモンド粒子のカソード電極からの離
脱を防止する。【解決手段】カソード電極１２上に多数のダイヤモン
ド粒子１３が付着され、ダイヤモンド粒子１３の頂部を
露出させた状態でＩＴＯ又はＡＴＯからなる電気伝導層
１７がカソード電極１２上に形成される。これらのダイ
ヤモンド粒子１３の表面は水素終端化されることが好ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多数のダイヤモン
ド粒子を有する電子放出陰極及びその製造方法と、上記
電子放出陰極を用いた極薄型のディスプレイ装置である
電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Dis
play）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、カソード電極（シリコン基板）上
に開口部を有するＳｉＯ₂膜が形成され、このＳｉＯ₂膜
上に引出し電極が形成され、更に開口部内のカソード電
極表面に半導体ダイヤモンドからなるエミッタが形成さ
れた冷陰極エミッタ素子が開示されている（特開平５−
１５２６４０号）。このように構成された冷陰極エミッ
タ素子を製造するには、先ずカソード電極上にボロン
（Ｂ）をドーピングした半導体ダイヤモンド粒子を選択
的に成長させてエミッタを形成し、フォトリソグラフィ
技術を用いてエミッタ形成領域を除くカソード電極上に
ＳｉＯ₂膜を形成する。次にＳｉＯ₂膜上に引出し電極と
してタングステン薄膜を形成する。このように製造され
た冷陰極エミッタ素子では、エミッタが半導体ダイヤモ
ンドからなるため、エミッタの耐熱性及び耐電圧が高
く、使用に伴う電子放射特性の劣化が少なく、更に大電
流でも使用できるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開平５−１５２６４０号公報に示された冷陰極エミッタ
素子では、カソード電極上で直接ダイヤモンド粒子を成
長させるために、カソード電極とダイヤモンド粒子との
界面でカソード電極の炭化物（例えばＳｉＣ）などの不
純物が生成され、この不純物が絶縁層として作用し、ダ
イヤモンド粒子からの電子放出に悪影響を及ぼすおそれ
があった。また、上記従来の冷陰極エミッタでは、ダイ
ヤモンド粒子がカソード電極上に接した状態で接着され
ており、その接触面積が比較的小さいため、高抵抗のダ
イヤモンド粒子内部に電気を流す必要があり、ダイヤモ
ンド粒子から低電圧かつ高電流の電子放出を行うことが
難しい問題点もあった。

【０００４】本発明の目的は、ダイヤモンド粒子とカソ
ード電極との電気的接触を改善することにより、低電圧
かつ高電流の電子放出を行うことができ、またダイヤモ
ンド粒子のカソード電極からの脱落を防止できる、電子
放出陰極及びその製造方法並びにその電子放出陰極を用
いた電界放出型ディスプレイを提供することにある。本
発明の別の目的は、保護膜にて電気伝導層を被覆するこ
とにより、電気伝導層の飛散を防止できる、電子放出陰
極及びその製造方法並びにその電子放出陰極を用いた電
界放出型ディスプレイを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、カソード電極１２上に付着された多
数のダイヤモンド粒子１３と、これらのダイヤモンド粒
子１３の頂部を露出させた状態でカソード電極１２上に
形成されＩＴＯ又はＡＴＯからなる電気伝導層１７とを
備えた電子放出陰極である。この請求項１に記載された
電子放出陰極では、カソード電極１２上に良導体である
電気伝導層１７が積層され、かつダイヤモンド粒子１３
の大部分が上記電気伝導層１７により被覆されており、
電気伝導層１７とダイヤモンド粒子１３との接触面積が
大きく電気的接触が良好となる。この結果、ダイヤモン
ド粒子１３から低電圧かつ高電流の電子放出が可能とな
る。またダイヤモンド粒子１３が電気伝導層１７に埋設
されているため、ダイヤモンド粒子１３のカソード電極
１２への付着力が向上し、ダイヤモンド粒子１３が脱落
し難くなる。

【０００６】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１に示すように、ダイヤモンド粒子
１３の表面が水素終端化されたことを特徴とする。この
請求項２に記載された電子放出陰極では、ダイヤモンド
粒子１３の表面を水素終端化することにより、ダイヤモ
ンド粒子１３の表面に低抵抗層を設け、水素終端化した
ダイヤモンド粒子１３の表面と電気伝導層１７とが直接
接することにより、高抵抗なダイヤモンド粒子１３の内
部を通ることなく電流を電子放出部位に到達させること
が可能となる。またダイヤモンド粒子１３の表面を水素
終端化することにより仕事関数が低くなるので、効率良
く低電圧かつ高電流の電子放出を行うことができる。

【０００７】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図３に示すように、電気伝導層
１７上に絶縁体からなる保護層４２が形成されたことを
特徴とする。この請求項３に記載された電子放出陰極で
は、電気伝導層１７が保護膜４２により被覆されている
ので、粉末状のＩＴＯ又はＡＴＯからなる電気伝導層１
７が飛散するのを防止することができる。

【０００８】請求項４に係る発明は、図１に示すよう
に、多数のダイヤモンド粒子１３をカソード電極１２上
に付着する工程と、ダイヤモンド粒子１３の頂部を露出
させた状態でカソード電極１２上にスピンコート法によ
りＩＴＯ又はＡＴＯからなる電気伝導層１７を形成する
工程とを含む電子放出陰極の製造方法である。この請求
項４に記載された方法で電子放出陰極１１を製造する
と、上記請求項１に記載された電子放出陰極１１が得ら
れ、ダイヤモンド粒子１３から低電圧かつ高電流の電子
放出を行うことができる。

【０００９】請求項５に係る発明は、請求項４に係る発
明であって、更に図１に示すように、多数のダイヤモン
ド粒子１３をカソード電極１２上に付着した後であっ
て、カソード電極１２上に電気伝導層１７を形成する前
に、多数のダイヤモンド粒子１３の表面を水素プラズマ
処理して水素終端化する工程を更に含むことを特徴とす
る。この請求項５に記載された方法で電子放出陰極１１
を製造すると、上記請求項２に記載された電子放出陰極
１１が得られ、ダイヤモンド粒子１３から効率良く低電
圧かつ高電流の電子放出を行うことができる。

【００１０】請求項６に係る発明は、請求項４又は５に
係る発明であって、更に図３に示すように、電気伝導層
１７上にスピンコート法により絶縁体からなる保護層４
２を形成する工程を更に含むことを特徴とする。この請
求項６に記載された方法により電子放出陰極４１を製造
すると、上記請求項３に記載された電子放出陰極４１が
得られ、電気伝導層１７の飛散を防止できる。

【００１１】請求項７に係る発明は、図１及び図３に示
すように、請求項１ないし３いずれか記載の電子放出陰
極１１を用いた電界放出型ディスプレイである。この請
求項７に記載された電界放出型ディスプレイでは、低電
圧かつ高電流の電子放出が可能で、ダイヤモンド粒子１
３のカソード電極１２からの脱落を防止でき、更に電気
伝導層１７の飛散を防止することができる電界放出型デ
ィスプレイ１０を得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すように、
電界放出型ディスプレイパネル１０（以下、ＦＥＤとい
う）の電子放出陰極１１はシリコンウェーハ等からなる
カソード電極１２と、カソード電極１２上に付着された
ダイヤモンド粒子１３（エミッタ）と、カソード電極１
２上に絶縁層１４を介して積層されたゲート電極１６と
を備える。ゲート電極１６及び絶縁層１４にはカソード
電極１２を臨む多数の微小孔１４ａ，１６ａが形成され
る。これらの微小孔１４ａ，１６ａの内底部に相当する
カソード電極１２上には多数のダイヤモンド粒子１３が
付着され、これらのダイヤモンド粒子１３の表面は水素
終端化される。この水素終端化によりダイヤモンド粒子
１３の表面はｐ型の電気伝導を示す。

【００１３】またダイヤモンド粒子１３には予めＮ（窒
素）又はＢ（ボロン）をドープしておくと、ダイヤモン
ド粒子１３の電気抵抗率を低下することができるので好
ましい。更にダイヤモンド粒子１３の粒径は１００ｎｍ
〜５０００ｎｍ、好ましくは５００ｎｍ〜２０００ｎｍ
の範囲に形成される。ダイヤモンド粒子１３の粒径を上
記範囲に限定したのは、１００ｎｍ未満ではダイヤモン
ド粒子１３全体が後述する電気伝導層１７に埋設される
おそれがあり、５０００ｎｍを越えると１画素当りに必
要な数のダイヤモンド粒子を配置できなくなるからであ
る。

【００１４】一方、カソード電極１２上にはダイヤモン
ド粒子１３の頂部を露出させた状態でＩＴＯ（Indium T
in Oxide：Ｉｎ及びＳｎの複合酸化物）からなる電気伝
導層１７が形成される。電気伝導層１７の厚さＴは少な
くともダイヤモンド粒子１３の頂部が露出するように形
成され、ダイヤモンド粒子１３の粒径をＤとするとき、
Ｄ／５≦Ｔ≦４Ｄ／５であることが好ましい。電気伝導
層１７の厚さを上記範囲に限定したのは、Ｄ／５未満で
はダイヤモンド粒子１７がカソード電極１２から脱落す
るおそれがあり、４Ｄ／５を越えると電子がダイヤモン
ド粒子１３の頂部から飛び出し難くなるためである。な
お、図１の符号１８はＳｉＣ等の電気絶縁性を有する不
純物である。

【００１５】またカソード電極１２から所定の間隔をあ
けた上方にはアノード電極２１が設けられ、アノード電
極２１の下面（カソード電極１２に対向する面）には蛍
光体膜２２が形成される。カソード電極１２，ダイヤモ
ンド粒子１３，絶縁層１４，ゲート電極１６，アノード
電極２１及び蛍光体膜２２はダイヤモンド粒子１３から
電子が飛び出し易いように超高真空状態に維持される。
そのため上記カソード電極１２等は図示しないが厚い特
殊な構造のガラスカバーの中に収容される。

【００１６】このように構成された電子放出陰極１１の
製造方法を説明する。先ずシリコンやタングステン等か
らなるカソード電極１２上に多数の種ダイヤモンドを付
着させる。この種ダイヤモンドはプラズマＣＶＤ法や熱
フィラメント法を用いて粒径が１００ｎｍ〜５０００ｎ
ｍ程度になるまで成長させる。このときカソード電極１
２とダイヤモンド粒子１３との界面にＳｉＣ等の電気絶
縁性を有する不純物１８が発生する場合がある。なお、
上記ダイヤモンド粒子１３はカソード電極１２上で成長
させずに、予め所定の粒径に形成された高圧合成ダイヤ
モンド等の人工ダイヤモンド粒子を、スクリーン印刷
法，粉末散布被膜法，スプレーコート法，スピンコート
法等により、カソード電極上に分布させてもよい。この
場合、上記不純物は上記界面に発生することはない。

【００１７】次いで多数のダイヤモンド粒子１３の表面
に水素プラズマを照射して各ダイヤモンド粒子１３の表
面を水素終端化した後に、カソード電極１２の露出面に
ＩＴＯの電気伝導層１７をスピンコート法により成膜す
る。これによりカソード電極１２と水素終端したダイヤ
モンド粒子１３の表面伝導層との間の電気抵抗率が低く
保たれる。なお、上記スピンコートに用いられるコート
液は、平均一次粒径が２０ｎｍ〜３０ｎｍ以下の粉末を
アルコール系有機溶媒に分散したものを用いることが好
ましい。更に電気伝導層１７の成膜後、真空中で５０〜
３００℃に１０分〜１時間保持する熱処理を行うことに
より、上記アルコール等の余分な有機溶媒を除去する。
このとき水素終端したダイヤモンド粒子１３の表面は３
００℃程度まで安定であるため、変質することはない。
但し、念のために上記熱処理後に、ダイヤモンド粒子１
３に水素プラズマを照射して、ダイヤモンド粒子１３の
表面の水素終端を安定化することが好ましい。

【００１８】更にダイヤモンド粒子１３を付けたカソー
ド電極１２上に絶縁層１４とゲート電極１６とを順次形
成し、これらゲート電極１６及び絶縁層１４に微小孔１
６ａ，１４ａをカソード電極１２を臨むように貫通して
形成する。絶縁層１４はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄等を真空蒸
着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等
により形成される。絶縁層１４の膜厚Ｕはダイヤモンド
粒子１３の粒径をＤとすると、３Ｄ／４≦Ｕ≦５Ｄ／４
の厚さに形成される。ゲート電極１６はクロム、タンタ
ル、モリブデン、タングステン、タングステンシリサイ
ド、アルミニウム等を真空蒸着法、スパッタリング法、
ＣＶＤ法等により厚さ１００ｎｍ〜５００ｎｍに形成さ
れる。微小孔１６ａ，１４ａは写真製版法及び反応性イ
オンエッチング法により形成される。

【００１９】このように製造された電子放出陰極１１で
は、カソード電極１２上とアノード電極２１の間に予め
高い電圧を印加しておき、このカソード電極１２とゲー
ト電極１６の間の電圧をに徐々に高くしていくと、ダイ
ヤモンド粒子１３（エミッタ）から電子が真空中に飛び
出し、蛍光体膜２２の表面に衝突する。蛍光体膜２２の
表面では発光に伴うエネルギ準位の変動が起きて、発光
現象を生じる。このときカソード電極１２上に良導体で
ある電気伝導層１７が積層され、かつダイヤモンド粒子
１３の大部分が上記電気伝導層１７により被覆されてい
る。このため、良導体である電気伝導層１７とダイヤモ
ンド粒子１３の接触面積は大きく、またカソード電極１
２とダイヤモンド粒子１３との界面に電気絶縁性を有す
る不純物１８（ＳｉＣ等）が形成されても、カソード電
極１２とダイヤモンド粒子１３との電気的接触は良好に
保たれているので、電流は電気抵抗率の高いダイヤモン
ド粒子１３の内部を通らずに、ダイヤモンド粒子１３の
表面伝導層のみを通って頂部に向って流れる。これらの
結果、ダイヤモンド粒子１３から低電圧かつ高電流の電
子放出が可能となる。またダイヤモンド粒子１３が電気
伝導層１７に埋設されているため、ダイヤモンド粒子１
３のカソード電極１２への付着力が向上し、ダイヤモン
ド粒子１３が脱落し難くなる。

【００２０】図３及び図４は本発明の第２の実施の形態
を示す。図３及び図４において図１及び図２と同一符号
は同一部品を示す。この実施の形態では、電気伝導層１
７上に絶縁体（例えば、ＳｉＯ₂膜等）からなる保護層
４２が形成される。この保護層４２の厚さは１〜１００
ｎｍ、好ましくは３〜１０ｎｍの範囲に形成される。保
護層４２の厚さを上記範囲に限定したのは、１ｎｍ未満
では電気伝導層１７の飛散を防止できず、１００ｎｍを
越えるとダイヤモンド粒子１３の頂部が保護層４２に埋
設されるおそれがあるからである。上記以外は第１の実
施の形態と同一に構成される。

【００２１】このように構成されたされた電子放出陰極
の製造方法を説明する。第１の実施の形態と同様にして
カソード電極１２上に電気導電層１７を形成した後に、
ＳｉＯ₂ゾル液をアルコール系有機溶媒に薄めたコート
液を用いたスピンコート法により保護層４２を形成し、
この保護層４２の成膜後、真空中で５０〜３００℃に１
０分〜１時間保持する熱処理を行うことにより、上記ア
ルコール等の余分な有機溶媒を除去する。上記以外は第
１の実施の形態と同様にして製造される。

【００２２】このように構成された電子放出陰極４１で
は、電気伝導層１７が保護膜４２により被覆されている
ので、ＩＴＯ粉からなる電気伝導層１７が飛散するのを
防止することができる。なお、上記第１及び第２の実施
の形態では、カソード電極上にスピンコート法によりＩ
ＴＯからなる電気伝導層を形成したが、ＡＴＯ（Antimo
ny Tin Oxide：Ｓｂ及びＳｎの複合酸化物）からなる電
気伝導層を形成してもよい。

【００２３】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。＜実施例１＞図１及び図２に示すように、先ずシリコン
ウェーハからなるカソード電極１２上に多数の種ダイヤ
モンドを付着させて、この種ダイヤモンドをプラズマＣ
ＶＤ法にて粒径が１０００ｎｍ程度になるまで成長させ
た。次いで多数のダイヤモンド粒子１３の表面に水素プ
ラズマを照射して各ダイヤモンド粒子１３の表面を水素
終端化した後に、ＩＴＯの電気伝導層１７をスピンコー
ト法により成膜した。このときコート液は平均粒径が２
０ｎｍ〜３０ｎｍの粉末をアルコール系有機溶媒に分散
したものを用いた。次に電気伝導層１７の成膜後、２０
０℃に１０分間保持する熱処理を行うことにより、上記
アルコール等の余分な有機溶媒を除去した。なお、上記
電気伝導層１７の厚さは２００ｎｍであった。上記電気
伝導層１７上に、ＳｉＯ₂の真空蒸着により厚さ１２０
０ｎｍの絶縁層１４を形成し、絶縁層１４上に、クロム
の真空蒸着により厚さ１００ｎｍのゲート電極１６を形
成した。更に上記ゲート電極１６及び絶縁層１４上に写
真製版法及び反応性イオンエッチング法により微小孔１
６ａ，１４ａを形成した。この電子放出陰極１１を実施
例１とした。

【００２４】＜比較例１＞カソード電極上に電気伝導層
を形成しなかったことを除いて、実施例１と同様に電子
放出陰極を製造した。この電子放出陰極を比較例１とし
た。＜比較試験及び評価＞実施例１及び比較例１の電子放出
陰極を用いて電子放出を行った結果、比較例１ではアノ
ード電極及びカソード電極間に１ｋＶの電圧を印加した
際の電流密度が１ｍＡ／ｃｍ²であったのに対し、実施
例１では電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ²と高い値を示し
た。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、カ
ソード電極上に多数のダイヤモンド粒子を付着させ、ダ
イヤモンド粒子の頂部を露出させた状態でＩＴＯ又はＡ
ＴＯからなる電気伝導層をカソード電極上に形成したの
で、カソード電極とダイヤモンド粒子との電気的接触が
良好になり、ダイヤモンド粒子から低電圧かつ高電流の
電子放出が可能となる。またダイヤモンド粒子が電気伝
導層に埋設されているため、ダイヤモンド粒子がカソー
ド電極から脱落し難くなる。またダイヤモンド粒子の表
面を水素終端化すれば、ダイヤモンド表面はｐ型の電気
伝導性を示すとともに、仕事関数が低くなるので、効率
良く低電圧かつ高電流の電子放出を行うことができる。
また電気伝導層上に絶縁体からなる保護層を形成すれ
ば、粉末状のＩＴＯ又はＡＴＯからなる電気伝導層が飛
散するのを防止することができる。

【００２６】また多数のダイヤモンド粒子をカソード電
極上に付着し、ダイヤモンド粒子の頂部を露出させた状
態でカソード電極上にスピンコート法によりＩＴＯ又は
ＡＴＯからなる電気伝導層を形成すれば、上記のダイヤ
モンド粒子から低電圧かつ高電流の電子放出を可能とす
る電子放出陰極が得られる。また多数のダイヤモンド粒
子の表面を水素プラズマ処理して水素終端化すれば、上
記仕事関数の低い電子放出陰極が得られ、効率の良い低
電圧かつ高電流の電子放出が可能な電子放出陰極が得ら
れる。また電気伝導層上にスピンコート法により絶縁体
からなる保護層を形成すれば、上記電気伝導層の飛散を
防止することができる。更に上記電子放出陰極を用いて
電界放出型ディスプレイを作製すれば、低電圧かつ高電
流の電子放出を可能とし、ダイヤモンド粒子のカソード
電極からの脱落を防止でき、電気伝導層の飛散を防止で
きる電界放出型ディスプレイを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施形態の電子放出陰極を示す図２
のＡ部拡大断面図。

【図２】その電子放出陰極を含むＦＥＤの要部断面図。

【図３】本発明第２実施形態の電子放出陰極を示す図４
のＢ部拡大断面図。

【図４】その電子放出陰極を含むＦＥＤの要部断面図。

【符号の説明】

１０電界放出型ディスプレイ１１，４１電子放出陰極１２カソード電極１３ダイヤモンド粒子１７電気伝導層４２保護層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西川滋埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者別井圭一神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者井上和則神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者中谷忠司神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 5C031 DD17 5C036 EF01 EF06 EF09 EG02 EG12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カソード電極(12)上に付着された多数の
ダイヤモンド粒子(13)と、前記ダイヤモンド粒子(13)の頂部を露出させた状態で前
記カソード電極(12)上に形成されＩＴＯ又はＡＴＯから
なる電気伝導層(17)とを備えた電子放出陰極。
【請求項２】ダイヤモンド粒子(13)の表面が水素終端
化された請求項１記載の電子放出陰極。
【請求項３】電気伝導層(17)上に絶縁体からなる保護
層(42)が形成された請求項１又は２記載の電子放出陰
極。
【請求項４】多数のダイヤモンド粒子(13)をカソード
電極(12)上に付着する工程と、前記ダイヤモンド粒子(13)の頂部を露出させた状態で前
記カソード電極(12)上にスピンコート法によりＩＴＯ又
はＡＴＯからなる電気伝導層(17)を形成する工程とを含
む電子放出陰極の製造方法。
【請求項５】多数のダイヤモンド粒子(13)をカソード
電極(12)上に付着した後であって、前記カソード電極(1
2)上に電気伝導層(17)を形成する前に、前記多数のダイ
ヤモンド粒子(13)の表面を水素プラズマ処理して水素終
端化する工程を更に含む請求項４記載の電子放出陰極の
製造方法。
【請求項６】電気伝導層(17)上にスピンコート法によ
り絶縁体からなる保護層(42)を形成する工程を更に含む
請求項４又は５記載の電子放出陰極の製造方法。
【請求項７】請求項１ないし３いずれか記載の電子放
出陰極(11,41)を用いた電界放出型ディスプレイ。