JP2007257994A

JP2007257994A - 電界電子放出装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007257994A
Application number: JP2006080641A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Taruya; 政良多留谷; Shingo Tomohisa; 伸吾友久
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP4611228B2

Abstract

【課題】カソード電極層とアノード電極層との間でのショートが防止され、電子放出効率が高く、かつ複数の画素の発光の均一性が高い電界電子放出装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】貫通孔６は、少なくとも絶縁層２を貫通する部分においてカソード電極層１１ｂに向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔６内においては、複数のカーボンナノチューブ７が触媒層５の内側面から貫通孔２の側面に沿って延びている。複数のカーボンナノチューブ７の先端がゲート電極層３ａの内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界電子放出装置およびその製造方法に関するものである。

電界電子放出装置の電子放出源としてカーボンナノチューブなどの物質が盛んに研究されている。従来の電界電子放出装置においては、基板上にストライプ状に形成されたカソード電極層の上に絶縁層が形成されており、絶縁層上にゲート電極層が形成されている。ゲート電極層および絶縁層には、カソード電極層に達する直径１０μｍ程度の貫通孔（キャビティ）が形成されており、貫通孔の底面を構成するカソード電極層から多数のカーボンナノチューブが起立するように形成されている。なお、従来の電界電子放出装置の構成は、たとえば、後述する特許文献１〜３に開示されている。

前述のようなカーボンナノチューブからなる電子放出源の製造方法としては、たとえば、化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いて直接貫通孔内においてカーボンナノチューブを成長させる方法、および、カーボンナノチューブが混入されたペーストをカソード電極層上に付着させて焼成し、その後、カーボンナノチューブを起立させる方法がある。このカーボンナノチューブは、長さが数μｍであり、直径が１０ｎｍ程度と非常に細い形状を有している。そのため、カーボンナノチューブが電場に置かれると、その先端に電界集中が発生し、ゲート電極に印加される電圧が低くても、電子が放出される。

カーボンナノチューブは、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法を用いて、触媒層上に所望の長さに成長させることが可能である。ただし、直径が１０ｎｍ前後と非常に細いため、必ずしも触媒層から真っ直ぐには成長しない。貫通孔内にカーボンナノチューブを形成する場合には、カーボンナノチューブは、その先端の位置がある程度外側に広がるように成長する。このため、先端が絶縁層の上面を超える長さのカーボンナノチューブを成長させると、カーボンナノチューブの先端がゲート電極に接触し、カソード電極層とゲート電極層とがショートする。すなわち、従来の電界電子放出装置には、カソード電極層とアノード電極層との間の絶縁耐圧が低いという問題がある。

この問題は、電子放出源としてカーボンナノチューブ以外の電子放出源、たとえば、カーボンナノワイヤ、シリコンワイヤ、チタンワイヤ、および金ワイヤなどを用いた場合にも共通して生じ得る問題である。

この問題を解決する方法として、ゲート電極層の下に位置する絶縁層の膜厚を大きくして、先端がこの絶縁層の上面より低く位置付けられるようにカーボンナノチューブを成長させる第１の方法が考えられる。また、ゲート電極層の貫通孔の内周面がカーボンナノチューブの先端から離れて位置付けられるように、貫通孔の開口径を大きくする第２の方法が考えられる。さらに、カーボンナノチューブの長さを短くし、先端がゲート電極層の下に位置する絶縁層の上面より低く位置付けられるようにする第３の方法が考えられる。なお、第３の方法として、たとえば、水素ガスプラズマを利用してカーボンナノチューブをエッチングして大幅に短く整形する技術が次の非特許文献１に開示されている。
特開２００２−２７００８５号公報特開２００３−７１９７号公報特開２００３−２３４０６２号公報 S.Kang et al., "Low Temperature Carbon Nanotubes for Triode-Type Field-Emitter Array", Society for Information Display 03 Digest, No.18.3, pp. 802-805

特性の良好な電界電子放出装置を得るためには、電子の放出のために必要とされる電圧が低いことが望ましい。そのためには、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離を極力小さくすることが必要である。カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離は、たとえば、１００ｎｍ程度であることが好ましい。

しかしながら、上記第１の方法〜第３の方法のいずれによっても、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離が大きくなる。具体的には、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離は数μｍ程度である。このように、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離が大きくなると、動作に必要なゲート電圧が高くなり（たとえば、４０Ｖから１００Ｖへ）、電子放出効率が低下するという問題が生じる。また、特に、第３の方法によれば、カーボンナノチューブの長さを短くするため、カーボンナノチューブの先端での電界集中の効果が低減され、電子放出特性の低下を招くという問題もある。

また、従来の電界電子放出装置によれば、複数の電子放出源の各々と対応するゲート電極層の側面との間の距離が均一でないため、キャビティ毎の電子放出特性が均一にならない。そのため、明るい画素と暗い画素とが混在してしまう。その結果、従来の電界電子放出装置は、複数の画素の発光の均一性が低いという問題を有している。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、カソード電極層とアノード電極層との間でのショートが防止され、電子放出効率が高く、かつ複数の画素の発光の均一性が高い電界電子放出装置およびその製造方法を提供することである。

本発明の一の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。また、ゲート電極層、絶縁層および触媒層には、カソード電極層に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の内側面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。

上記の構成によれば、複数の電子放出源の先端のうちのいくつかは絶縁層上に形成されたゲート電極の側面の近傍に位置する。したがって、電子放出特性が良好な電界電子放出装置が得られる。

本発明の他の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極層および絶縁層には、触媒層の上面に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分において触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の上面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。

上記の構成によっても、一の局面の電界電子放出装置と同様の理由により、電子放出特性が良好な電界電子放出装置が得られる。

本発明のさらに他の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極層、絶縁層および触媒層には、カソード電極層に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延びている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の内側面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。

本発明の別の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された電子放出層と、電子放出層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極および絶縁層には、電子放出層の上面に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分において電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が電子放出層から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。

本発明の一の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層、絶縁層および触媒層を貫通してカソード電極層に至る貫通孔が形成される。その後、触媒層の内側面から延びる複数の電子放出源が形成される。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。

上記の製法によれば、上記一の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
本発明の他の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分において触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層および絶縁層を貫通して触媒層の上面に至る貫通孔が形成される。その後、触媒層の上面から延びる複数の電子放出源が形成される。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。

上記の製法によれば、上記他の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
本発明のさらに他の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延び、かつ、ゲート電極層、絶縁層および触媒層を貫通してカソード電極層に至る貫通孔が形成される。次に、触媒層の内側面から延びるように複数の電子放出源が形成される。その後、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。

上記の製法によれば、上記さらに他の局面の電界電子放出装置を製造することができる。

本発明の別の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に複数の電子放出源を含む電子放出層が形成される。次に、カソード電極層および電子放出層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分において電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層および絶縁層を貫通して電子放出層の上面に至る貫通孔が形成される。その後、貫通孔内において複数の電子放出源が起立させられる。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。

上記の製法によれば、上記別の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
なお、本明細書において「絶縁層」とは、表面および裏面のそれぞれに電極が設けられ、その電極同士の間に１０ＭＶ／ｃｍの電界が与えられたときに漏れる電流の密度が１０^-14Ａ／ｃｍ²以上１０^-4Ａ／ｃｍ²以下である膜を意味している。

本発明によれば、カソード電極層とアノード電極層との間でのショートが防止され、電子放出効率が高く、かつ複数の画素の発光の均一性が高い電界電子放出装置およびその製造方法が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の構成を示す斜視図である。本実施の形態の電界電子放出装置においては、図１に示すように、基板１０上には複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、基板１０上には絶縁層２を介して複数のゲート電極層３ａ，３ｂが形成されている。複数のゲート電極層３ａ，３ｂのそれぞれは、列方向（図１において縦方向）に延びており、複数のカソード電極層１１ａ〜１１ｄのそれぞれは行方向（図１において横方向）に延びている。複数のゲート電極層３ａ，３ｂと複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとは、平面的に見て、直交するように配置されている。

複数のゲート電極層３ａ，３ｂと複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとが交差する位置のそれぞれにドットが形成されている。本実施の形態においては、１つのドットが３個のゲートホール（貫通孔）６で形成されている。３個の貫通孔６は行方向に並んでいる。列方向に延びたゲート電極層３ａ，３ｂのうちいずれかに電圧を印加するとともに、行方向に延びたカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのうちいずれかに電圧を印加することにより、電圧が印加された電極同士が交差する位置に形成されたドットにおいて電界放出が生じる。

なお、図１においては、１つのドットが３個のゲートホールで形成されている電界電子放出装置が示されているが、本発明の電界電子放出装置は、図１に示すものに限定されない。たとえば、本発明の電界電子放出装置の１つのドットは、１個〜約５０００個のゲートホールで形成されていてもよい。本実施の形態においては、１つのドットが約１００個のゲートホールで形成されている電界電子放出装置が製造されるものとする。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置１は、カソード電極層１１ｂと、絶縁層２と、ゲート電極層３ａと、電子放出源としてのカーボンナノチューブ７と、導電性の触媒層５とを備えている。基板１０上にはカソード電極層１１ｂが形成されている。また、カソード電極層１１ｂおよび基板１０を覆うように絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２上にはゲート電極層３ａが形成されている。

また、絶縁層２は貫通孔６ａを有しており、ゲート電極層３ａは貫通孔６ｂを有している。貫通孔６ａはカソード電極層１１ｂにまで達しており、貫通孔６ｂは貫通孔６ａに連通している。貫通孔６ａと貫通孔６ｂとにより貫通孔６が構成されている。

また、貫通孔６ａは、上方にいくにしたがって開口径が除々小さくなる逆テーパー形状を有している。より具体的には、絶縁層２の下側部分２ａの孔径（あるいは幅）ｄ１と絶縁層上側部分（２ｂ）の孔径（あるいは幅）ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２という関係を有しており、貫通孔６ａは、その断面において、内側に傾斜する内壁面６ｃを有している。

カソード電極層１１ｂ上には触媒層５が形成されている。触媒層５の露出面（側面５ａ）から貫通孔６ａの側面に沿って複数のカーボンナノチューブ７が延びている。カーボンナノチューブ７は導電性の触媒層５を介してカソード電極層１１ｂと電気的に接続されている。

また、本実施の形態においては、貫通孔６内においては触媒がエッチングによって除去されている。したがって、複数のカーボンナノチューブ７は、貫通孔６内に露出している触媒層５の側面５ａから延びている。複数のカーボンナノチューブ７は、貫通孔６ａの内壁面６ｃに沿って上方に向かうカーボンナノチューブ７ａ、および、横方向に延びるカーボンナノチューブ７ｂなど、様々なカーボンナノチューブからなるが、貫通孔６から上方へはみ出すような長さを有するカーボンナノチューブは、エッチングによって除去されている。つまり、複数のカーボンナノチューブ７の先端は、絶縁層２の上面の貫通孔６ｂの端面の近傍の位置、すなわち、ゲート電極層３ａの側面の直下の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられている。なお、ラインＬが延びる方向は、図示された方向に限定されず、製造工程によって、多少変化する。

電界電子放出装置１においては、カソード電極層１１ｂとゲート電極層３ａとの間に大きな正電圧が印加される（ゲート電極層３ａ側に正の電位を与える）と、複数のカーボンナノチューブ７の表面に強い電界が与えられ、トンネル効果によって複数のカーボンナノチューブ７の先端から電子が放出される。

また、基板１０は、たとえば、４０インチ角型であり、厚さ２．８ｍｍの白板ガラス基板からなっている。なお、基板１０は、白板ガラス基板の他に、高歪点ガラス、石英、シリコン、アルミナ、またはセラミクスなど、絶縁性を有していれば、いかなる材料からなっていてもよい。

カソード電極層１１ｂはアルミニウムからなっている。なお、カソード電極層１１ｂは、アルミニウムの他に、たとえば、モリブデン、クロム、チタン、タングステン、チタンシリサイド、チタンナイトライド、金、銀、またはアルミ基合金等の導電性材料からなっていてもよい。さらに、カソード電極層１１ｂは、導電性のシリコンまたは酸化物透明電極であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなっていてもよい。

絶縁層２は、シリコン酸化膜からなっている。なお、絶縁層２は、シリコン酸化膜の他に、たとえば、シリコン窒化膜または耐熱性絶縁樹脂からなっていてもよい。

ゲート電極層３ａはアルミニウムからなっている。なお、ゲート電極層３ａは、アルミニウムの他に、たとえば、クロム、チタン、モリブデン、タングステン、チタンシリサイド、チタンナイトライド、またはアルミ基合金等の導電性材料からなっていてもよい。

触媒層５は、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなっている。なお、触媒層５としては、少なくともＦｅ、Ｎｉ、およびＣｏのいずれかを含む金属またはそれらの合金等からなる導電性材料が用いられることが好ましい。

絶縁層５の厚さが、たとえば２μｍである場合には、複数のカーボンナノチューブ７のうち、カーボンナノチューブ７ａのように、貫通孔６ａの内壁面６ｃに沿って上方に向かって延びるカーボンナノチューブは、カソード電極層１１ｂからの高さが２μｍ以下になるように調整される。

また、複数のカーボンナノチューブ７の長さの平均は、０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。複数のカーボンナノチューブ７の長さの平均が０．３μｍ以上であれば、高い電子放出特性を得ることができる。複数のまた、カーボンナノチューブ７の長さの平均が１０μｍ以下であれば、比較的短時間でカーボンナノチューブを成長させることができる。

なお、複数のカーボンナノチューブ７は、ＣＶＤ法によって成長する場合には、全体として極度に密集するように形成されることはなく、ある程度離散的に配置されており、かつ、ある程度貫通孔６が延びる方向に沿って延びるように成長する傾向を有している。この観点からも、絶縁層２の膜厚は、０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

次に、図３〜図９を用いて、本実施の形態における電界電子放出装置の製造方法を説明する。

まず、基板１０が、洗浄された後、スパッタリング装置内が配置される。次に、スパッタリング法を用いて、カソード電極層となる膜が基板１０上に形成される。その後、カソード電極層上の所定の領域に触媒層５となる膜が形成される。具体的には、カソード電極層が形成される領域と同じ領域に、たとえば、蒸着法を用いて、厚さ数ｎｍの触媒層となる膜が形成される。

次に、フォトリソグラフィなどの方法を用いて、カソード電極層となる膜および触媒層となる膜がパターニングされ、たとえば、数１００μｍ幅のライン状のカソード電極層１１ｂおよび触媒層５が形成される。その構造が図３に示されている。

カソード電極層１１ｂの厚さは、たとえば１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１００ｎｍ〜４００ｎｍである。なお、カソード電極層１１ｂとなる膜は、スパッタリング法の他に、たとえば、ＣＶＤ法、真空蒸着法、メッキ法、または印刷法などの方法を用いて形成されてもよい。

なお、前述のフォトリソグラフィとは、半導体製造技術において、光または電子線等を利用してレジスト膜にパターンを転写する写真製版のことを意味する。この工程は、レジストの塗布、露光、エッチングおよびレジストの除去等の様々な工程を含んでいるが、一般的な工程であるため、その具体的な説明は省略される。

次に、図４に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、カソード電極層１１ｂを覆うように基板１０上に絶縁層２が形成される。絶縁層２の厚さは、本実施の形態においては、０．３μｍ〜１０μｍであるが、耐熱性、構造安定性、および絶縁耐性などを考慮すると、０．５μｍ〜６μｍであることが好ましい。

なお、図示されていないが、絶縁層２と基板１０との密着性を向上させる目的で、絶縁層２を形成する前に、チタンまたはシリコンを含んだ密着促進剤が、カソード電極層１１ｂおよび触媒層５の露出面に塗付されたり、スパッタ蒸着されたりしてもよい。

次に、図５に示すように、スパッタリング法を用いて、ゲート電極層となる膜３が絶縁層２上に形成される。なお、ゲート電極層となる膜３は、スパッタリング法の他に、たとえば、ＣＶＤ法、真空蒸着法、メッキ法、または印刷法などの方法を用いて形成されてもよい。

次に、膜３上にレジスト膜５０が形成される。その後、図６に示すように、フォトリソグラフィなどの方法を用いて、レジスト膜５０をマスクとして、膜３がエッチングされる。それにより、貫通孔６ｂを有する、数１００μｍ幅のライン状のゲート電極層３ａが形成される。ゲート電極層３ａの厚さは、本実施の形態においては、１０ｎｍ〜１μｍであるが、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。

その後、ゲート電極層３ａをマスクとして、絶縁層２がエッチングされる。それにより、図７に示すように、絶縁層２に貫通孔６ａが形成される。貫通孔６ａ，６ｂは、たとえば円柱または角柱の立体形状を有しており、直径５μｍ〜３０μｍの円形または多角形の平断面形状を有している。

次に、図８に示すように、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって、複数のカーボンナノチューブ７が触媒層５の露出面から成長する。複数のカーボンナノチューブ７は、触媒層５の露出面上において選択的に成長する。本実施の形態においては、複数のカーボンナノチューブ７を成長させるための原料としては、アセチレン、エチレン、またはメタンなどの炭化水素ガスが用いられる。ただし、原材料として、エタノール、メタノール、またはテトラヒドロフラン（Ｃ₄Ｈ₈Ｏ：ＴＨＦ）などの有機化合物が用いられてもよい。

また、カーボンナノチューブ７は、基板１０の温度３５０℃〜７００℃、かつ、圧力１０Ｐａ〜１０００００Ｐａの条件のＣＶＤ法によって形成される。その条件は、好ましくは、基板１０の温度４００℃〜６００℃かつ圧力１００Ｐａ〜１００００Ｐａである。

なお、図８に示すように、複数のカーボンナノチューブ７の長さは、ＣＶＤによって成長した直後においては、ある程度ばらついている。たとえば、複数のカーボンナノチューブ７のうちには、ゲート電極層３ａに接触するカーボンナノチューブが含まれている。

次に、図９に示すように、たとえばイオンビームエッチング法などによって、ゲート電極層３ａより上側に突出した過剰な長さを有するカーボンナノチューブ７を取り除く処理が行なわれる。以上の工程により、本実施の形態の電界電子放出装置１が完成する。

なお、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔６の側面６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔６の側面６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブのみが残存する。

また、本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法によれば、カーボンナノチューブ７の成長が終わった直後においては、複数のカーボンナノチューブ７には、貫通孔６ａの逆テーパー状の側面６ｃに沿って上方に向かうカーボンナノチューブ７ａおよび横方向に延びるカーボンナノチューブ７ｂなど、様々なものが含まれている。しかしながら、複数のカーボンナノチューブ７のうち貫通孔６から外方へはみ出るような超過の長さを有するものは、エッチングによって除去される。つまり、複数のカーボンナノチューブ７は、絶縁層２の上面の貫通孔６ｂの端面の近傍の位置、すなわち、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って先端が切り揃えられている。したがって、複数のカーボンナノチューブ７の中には、カーボンナノチューブ７ａのように、ゲート電極層３ａの側面の近傍にその先端が位置付けられているものがある。

本実施の形態の電界電子放出装置１およびその製造方法によれば、ゲート電極層３ａと複数のカーボンナノチューブ７との間の絶縁が確保されているため、両者がショートすることはない。さらに、複数のカーボンナノチューブ７の先端とゲート電極層３ａの側面との間の距離を小さくすることができるため、低いゲート電圧で複数のカーボンナノチューブ７から電子を放出させることができる。したがって、電子放出効率を向上させることができる。

さらに、カーボンナノチューブ７が形成時には長さがばらついていても、複数のカーボンナノチューブ７の先端とゲート電極層３ａの側面との間の距離は、画素同士の比較において均一でありかつ過剰にならないように調整される。これは、貫通孔６ａが逆テーパー状の形状を有するためである。したがって、複数の画素の電子放出特性の均一化を図ることができる。その結果、電界電子放出装置１の複数の画素の発光の均一性を向上させることができる。

また、本実施の形態の電界電子放出装置１およびその製造方法において、電子放出源はカーボンナノチューブである。一般に、カーボンナノチューブのアスペクト比は非常に大きく、カーボンナノチューブの先端は尖鋭であるため、カーボンナノチューブの先端に強い電界集中が発生し易い。このため、カーボンナノチューブは電子放出源として好適である。

なお、図１０に示すような比較的長い複数のカーボンナノチューブ７が形成される場合においても、上記の方法によれば、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ７の先端を切断して、所望の形態に形成することができる。

また、本実施の形態においては、複数のカーボンナノチューブ７の先端の切断のために、イオンビームエッチングが用いられている。しかしながら、他の方法が用いられてもよい。たとえば、酸素雰囲気中におけるプラズマ酸化もしくはラジカル酸化などの方法が用いられてもよい。また、５０〜４００℃程度の温度でオゾンもしくは亜酸化窒素などの酸化剤雰囲気にカーボンナノチューブを晒す熱酸化法が用いられてもよい。すなわち、複数のカーボンナノチューブ７の先端をゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えるために、いかなる方法が用いられてもよい。なお、ラインＬが延びる方向は、図に表わされた方向に限定されず、製造工程に起因して変更され得るものである。要するに、複数のカーボンナノチューブ７が、貫通孔６の内側に向かって傾斜する絶縁層２の側面６ｃによって保護され、側面６ｃに沿って延びるように残存する方法でれば、いかなる方法が用いられてもよい。

実施の形態２．
次に、図１２〜図１５を用いて、本発明の実施の形態２の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、まず、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法の図３〜図６を用いて説明した工程が実行される。ただし、本実施の形態においては、図１２に示すように、ゲート電極層３ａを貫通する貫通孔１６ｂと絶縁層２を貫通する貫通孔１６ａとからなる貫通孔１６を備えている構造が形成される。

この構造においては、貫通孔１６が上方へ向かうにしたがって径または幅が小さくなる逆テーパー形状を有していることは、実施の形態１の電界電子放出装置と同様であるが、貫通孔１６が触媒層５に到っていないこと、すなわち、貫通孔１６の底面に触媒層５の上面が露出していることが実施の形態１の電界電子放出装置と異なる。

次に、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、図１３に示すように、貫通孔１６内に多数のカーボンナノチューブ１７が触媒層５の上表面から貫通孔１６ａの側面１６ｃに沿って延びるように形成される。その後、複数のカーボンナノチューブ１７の先端が、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って、エッチングによって切り揃えられる。その結果、ゲート電極層３ａの側面と複数のカーボンナノチューブ７の先端との間の距離が極めて小さくなる。その構造が、図１４に示されている。ただし、エッチングがさらに行なわれれば、図１５に示す構造が形成され得る。図１４に示す構造および図１５に示す構造のいずれによっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。

なお、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においても、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法と同様に、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔１６の側面１６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔１６の側面１６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存し、貫通孔１６の中央部の底面には短いカーボンナノチューブがわずかに残存する。なお、複数のカーボンナノチューブの先端を切断する方法としては、実施の形態１と同様にいかなる方法が用いられてもよい。

実施の形態３．
次に、図１６〜図１８を用いて、本発明の実施の形態３の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、まず、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法の図３〜図６を用いて説明した工程が実行される。ただし、図１６に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、ゲート電極層３を貫通する貫通孔２６ｂと絶縁層２を貫通する貫通孔２６ａとからなる貫通孔２６を備える構造が形成される。

この構造においては、貫通孔２６は一方の側面２６ｃがテーパー状となっており、他方の側面２６ｄが逆テーパー状になっている。より具体的には、断面図において、一方の側面２６ｃおよび他方の側面２６ｄのいずれもが基板１０の主表面に垂直な方向に対してほぼ同じ交差角を有するように傾いて延びている。つまり、一方の側面２６ｃおよび他方の側面２６ｄは、互いに平行に基板１０の主表面に対して斜め方向に延びている。言い換えれば、貫通孔２６は、基板１０の主表面に対して垂直な方向に対して所定の角度だけ傾いて延びている。

前述の貫通孔２６は、たとえば、基板１０に対して垂直方向ではなく、斜め方向からイオンを照射するイオンビームエッチング等によって形成され得る。

また、図１６に示す構造においては、貫通孔２６の底面にはカソード電極層１１ｂが露出しているとともに、貫通孔２６の底面の近傍の貫通孔２６の側面には、触媒層５の側面が露出している。

次に、貫通孔２６内にカーボンナノチューブ２７を形成すると、図１７に示す構造が得られる。その後、カーボンナノチューブ２７をイオンビームエッチングによってエッチングする。このとき、イオンビームは、一方の側面２６ｃに向かって照射されるように、基板１０の主表面に対して垂直な方向と所定の交差角を有する方向に照射される。それにより、図１８に示すように、一方の側面２６ｃの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ｂは、他方の側面２６ｄの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ａよりも短くなる。また、他方の側面２６ｄの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ａの先端は、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられる。したがって、貫通孔６の底面において露出する触媒層５が上方から見える状態が形成される。

本実施の形態の電界電子放出装置によっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。

なお、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、イオンビームは、貫通孔２６の側面２６ｃに向かって照射される。そのため、貫通孔２６の側面２６ｃの近傍のカーボンナノチューブ２７ｂはエッチングによってかなり短くなるが、貫通孔２６の側面２６ｄの近傍のカーボンナノチューブ２７ａは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔２６の側面２６ｄに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存する。

実施の形態４．
次に、図１９〜図２８を用いて、本発明の実施の形態４の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、実施の形態１または２の電界電子放出装置の製造方法とほぼ同様である。ただし、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、触媒層５の代わりカーボンナノチューブペーストがカソード電極層１１ｂ上に形成されていることが実施の形態１または２の電界電子放出装置の製造方法と異なっている。カーボンナノチューブペーストは、ガラス粒子３９を含んでおり、たとえば、スクリーン印刷などの手法でカソード電極層１１ｂ上に塗布される。その後、カーボンナノチューブペーストは、安定な膜に改質されるように、２００℃から６００℃までの温度で焼成される。それにより、電子放出源を含む電子放出層としてカーボンナノチューブ層８が形成される。それにより得られた構造が図１９に示されている。なお、ガラス粒子３９は、加熱によって溶融した後、固化することによって、カーボンナノチューブ３７をカソード電極層１１ｂに付着している。

次に、カーボンナノチューブ層８および基板１０の主表面を覆うように絶縁層１２が形成される。それにより、図２０に示す構造が得られる。絶縁層１２の材料としては、感光性の絶縁ペーストが用いられてもよい。

その後、図２１に示すように、遮光部５００を有するガラスマスク５１が準備される。ガラスマスク５１は、遮光部５００がカーボンナノチューブ層８の上方に位置するように絶縁層１２上に置かれる。次に、リソグラフィー法によって絶縁層１２に光が照射される。それにより、遮光部５００に覆われていない領域の絶縁層１２が変質する。その後、ガラスマスク５１が除去された状態で、現像が行なわれると、絶縁層１２のうち光が照射されずに変質していない部分がエッチングによって除去される。その結果、図２２に示すように、絶縁層１２に貫通孔３６ａが形成される。感光性ペーストが用いられれば、露光条件を変更することによって、貫通孔３６ａの断面形状をテーパー形状、長方形、および逆テーパー形状のいずれにも形成することができる。つまり、絶縁層１２の厚さ方向に延びる貫通孔３６ａは、カーボンナノチューブ層８に向かって除々に径または幅が大きくなっている。

その後、図２３に示すように、リソグラフィー技術を用いて、貫通孔３６内に埋め込まれるように、レジスト５２が形成される。次に、図２４に示すように、ゲート電極となる金属膜３３が、絶縁層１２の上面およびレジスト５２の上面を覆うように形成される。その後、有機溶剤またはレジスト剥離液などを用いて、図２４に示す構造が洗浄される。すなわち、リフトオフ工程が実行される。それにより、図２５に示すように、貫通孔３６ｂを有するゲート電極層３３ａが形成される。

次に、カーボンナノチューブの起毛処理が実行される。本実施の形態においては、図２６に示すように、起毛処理方法として粘着層を有する粘着テープ(樹脂テープ）１００を用いるピーリング法が実行される。図２６に示すように、図２５に示す構造を有するゲート電極層３３ａの上面および貫通孔３６の側面３６ｃに粘着層を有する柔らかい粘着テープ１００を密着させる。その後、粘着テープ１００を引き剥がす。それによって、カーボンナノチューブ層８の一部が剥ぎ取られる。その結果、図２７に示すように、カーボンナノチューブ３７が起毛する。

図２７に示す構造によれば、複数のカーボンナノチューブ３７とゲート電極層３３ａのとが接触するおそれがある。そのため、図２８に示すように、イオンビームエッチングによって、過剰な長さを有するカーボンナノチューブをエッチングし、所望の長さを有するカーボンナノチューブ３７ａを形成する。カーボンナノチューブ３７ａは、貫通孔３６ａの側面３６ｃに沿ってカーボンナノチューブ層８から上方へ延びる。ただし、カーボンナノチューブ層８の中央部には、短いカーボンナノチューブ３７ｂが残存する。

なお、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔３６の側面３６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層１２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔３６の側面３６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存する。

上記の本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法によっても、複数のカーボンナノチューブ３７の先端がゲート電極層３３ａの近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられる。そのため、本実施の形態の電界電子放出装置によっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。

上記各実施の形態においては、電子放出源として、カーボンナノチューブが用いられているが、電界効果を利用する電子放出源であれば、たとえば、カーボンナノワイヤ、シリコンワイヤ、チタンワイヤ、および金ワイヤなどの他の電子放出源が用いられてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の電界電子放出装置の斜視図である。実施の形態１の電界電子放出装置の断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の他の例の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態１の他の例の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態２の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態２の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態２の電界電子放出装置の断面図である。実施の形態２の他の例の電界電子放出装置の断面図である。実施の形態３の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態３の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態３の電界電子放出装置の断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。実施の形態４の電界電子放出装置の断面図である。

符号の説明

１電界電子放出装置、２，１２絶縁層、３，３３金属膜、３ａ，３ｂ，３３ａゲート電極層、５触媒層、６，６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂ，２６ａ，２６ｂ貫通孔、６ｃ，１６ｃ，２６ｃ，２６ｄ，３６ｃ側面、８カーボンナノチューブ層、７，７ａ，７ｂ，１７，１７ａ，１７ｂ，２７，２７ａ，２７ｂ，３７カーボンナノチューブ、１０基板、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄカソード電極層、３９ガラス粒子、５１ガラスマスク、５２レジスト、５００遮光部。

Claims

カソード電極層と、
カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、
前記触媒層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層には、前記カソード電極層に至る貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記触媒層の内側面から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。
カソード電極層と、
カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、
前記触媒層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極層および前記絶縁層には、前記触媒層の上面に至る貫通孔が設けられており、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなり、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記触媒層の上面から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。
カソード電極層と、
前記カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、
前記触媒層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層には、前記カソード電極層に至る貫通孔が設けられており、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延びており、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記触媒層の内側面から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。
カソード電極層と、
前記カソード電極層上に形成された電子放出層と、
前記電子放出層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極および前記絶縁層には、前記電子放出層の上面に至る貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなり、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記電子放出層から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。
前記複数の電子放出源はカーボンナノチューブである、請求項１〜４のいずれかに記載の電界電子放出装置。
カソード電極層上に導電性の触媒層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記触媒層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層を貫通して前記カソード電極層に至る貫通孔を形成するステップと、
前記触媒層の内側面から延びる複数の電子放出源を形成するステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。
カソード電極層上に導電性の触媒層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記触媒層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、前記ゲート電極層および前記絶縁層を貫通して前記触媒層の上面に至る貫通孔を形成するステップと、
前記触媒層の上面から延びる複数の電子放出源を形成するステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。
カソード電極層上に導電性の触媒層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記触媒層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延び、かつ、前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層を貫通して前記カソード電極層に至る貫通孔を形成するステップと、
前記触媒層の内側面から延びるように複数の電子放出源を形成するステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。
カソード電極層上に複数の電子放出源を含む電子放出層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記電子放出層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、前記ゲート電極層および前記絶縁層を貫通して前記電子放出層の上面に至る貫通孔を形成するステップと、
前記貫通孔内において前記複数の電子放出源を起立させるステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。
前記複数の電子放出源はカーボンナノチューブである、請求項６〜９のいずれかに記載の電界電子放出装置の製造方法。