JP2009245672A - Field emission device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法に関する。 The present invention relates to a field emission device suitable for efficiently emitting an electron by concentrating an electric field and realizing a high emission current density with a low driving voltage, and a manufacturing method thereof.
従来から、カーボンナノチューブを利用した電子装置が各種提案されている。このような技術は、たとえば、下記の文献に開示されている。
ここで、[特許文献1]には、基板上に穴の開いたマスクを設置し、触媒物質を供給して基板上に担持し、そこからカーボンナノチューブを成長させる形成する技術が開示されている。 Here, [Patent Document 1] discloses a technique in which a mask having a hole is placed on a substrate, a catalytic substance is supplied and supported on the substrate, and carbon nanotubes are grown therefrom. .
ここで、穴の空いた導体をゲート層とし、導体である基板をカソード層とし、カーボンナノチューブをエミッタとして利用すれば、フィールドエミッション装置が形成できると考えられる。 Here, it is considered that a field emission device can be formed by using a conductor with a hole as a gate layer, a substrate as a conductor as a cathode layer, and a carbon nanotube as an emitter.
従来、カーボンナノチューブを利用したフィールドエミッション装置では、カーボンナノチューブ自身を支えるため、その直径を太くするのが一般的であった。 Conventionally, in a field emission device using carbon nanotubes, in order to support the carbon nanotubes themselves, it has been common to increase the diameter.
しかし、太いカーボンナノチューブをエミッタとして利用すると、電界集中の度合が低くなり、駆動電圧が高くなるほか、エミッタとなるカーボンナノチューブの実装密度が低く、カーボンナノチューブ1本あたりの電流量が増加するために、カーボンナノチューブ自体が破壊される可能性が高くなり、ますますカーボンナノチューブを太くしなければならない、という悪循環に陥ってしまう。 However, when thick carbon nanotubes are used as emitters, the degree of electric field concentration is reduced, driving voltage is increased, the mounting density of carbon nanotubes as emitters is low, and the amount of current per carbon nanotube increases. The possibility that the carbon nanotube itself will be destroyed becomes high, and it will fall into the vicious circle that the carbon nanotube must be made thicker.
一方、[特許文献1]に開示される技術では、細いカーボンナノチューブを形成できるため、電界集中を効率的に起こすことはできるものの、エミッタから放出される電子の量が少ないことが多い。 On the other hand, in the technique disclosed in [Patent Document 1], since thin carbon nanotubes can be formed, electric field concentration can be caused efficiently, but the amount of electrons emitted from the emitter is often small.
そこで、細いカーボンナノチューブを利用して電界集中を効率良く起こす一方で、放出される電子の量もできるだけ多くしたい、という要望は強い。 Thus, there is a strong demand for using as many carbon nanotubes as possible to efficiently concentrate the electric field while at the same time increasing the amount of electrons emitted.
本発明は、上記のような課題を解決するもので、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems as described above, and efficiently discharges electrons by concentrating the electric field, and is suitable for realizing a high emission current density with a low driving voltage, and a field emission device, It aims at providing the manufacturing method.
本発明の第1の観点に係るフィールドエミッション装置は、導電体からなるカソード層と、カソード層上に配置される絶縁層と、絶縁層上に配置され、スリットを設けた導電体からなるゲート層と、エミッタと、を備え、以下のように構成する。 A field emission device according to a first aspect of the present invention includes a cathode layer made of a conductor, an insulating layer arranged on the cathode layer, and a gate layer made of a conductor arranged on the insulating layer and provided with a slit. And an emitter, which are configured as follows.
すなわち、絶縁層は、当該スリットから、カソード層において当該スリットに対向する対向領域に至る空隙が設けられる。 That is, the insulating layer is provided with a gap from the slit to a facing region facing the slit in the cathode layer.
一方、エミッタは、当該対向領域上に配置された複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなる。 On the other hand, the emitter is composed of a structure in which a plurality of carbon nanotubes arranged on the facing region are intertwined.
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部は、当該対向領域から当該スリットに向かって伸び、当該構造体の概形は、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状であるように構成することができる。 In the field emission device of the present invention, some or all of the plurality of carbon nanotubes extend from the facing region toward the slit, and the general shape of the structure is a mountain range, a brush shape, a tree shape Alternatively, it can be configured to have a grass belt shape.
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、2層カーボンナノチューブ、もしくは、3層カーボンナノチューブであるように構成することができる。 In the field emission device of the present invention, the carbon nanotube can be configured to be a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, or a three-walled carbon nanotube.
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該スリットの幅は、0.1μm乃至3μmであり、当該スリットの長さは、10μm乃至500μmであり、当該絶縁層の厚さは、0.03μm乃至10μmであり、当該カーボンナノチューブの直径は、0.4nm乃至10nmであり、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、1μm2あたり102本乃至105本であるように構成することができる。 In the field emission device of the present invention, the slit has a width of 0.1 μm to 3 μm, the slit has a length of 10 μm to 500 μm, and the insulating layer has a thickness of 0.03 μm to 10 μm. The diameter of the carbon nanotubes is 0.4 nm to 10 nm, and the number density of the carbon nanotubes on the facing region is 10 2 to 10 5 per 1 μm 2. it can.
また、本発明のフィールドエミッション装置において、当該スリットは、平行に複数設けられ、当該複数のスリットの間隔は、1μm乃至1000μmであるように構成することができる。 In the field emission device of the present invention, a plurality of the slits may be provided in parallel, and the interval between the plurality of slits may be 1 μm to 1000 μm.
また、本発明のフィールドエミッション装置は、エミッタと、カソード層と、の間に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層をさらに備え、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制するために、当該触媒層を担持する触媒担体層をさらに備えるように構成することができる。 The field emission device of the present invention further includes a catalyst layer that promotes the growth of the carbon nanotubes between the emitter and the cathode layer, in order to suppress alloying of the catalyst layer and the cathode layer. The catalyst carrier layer that supports the catalyst layer can be further provided.
また、本発明のフィールドエミッション装置は、以下のように構成することができる。 The field emission device of the present invention can be configured as follows.
すなわち、カソード層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物、n型もしくはp型のドープ多結晶シリコンによる単層構造、もしくは、これらとAlまたはCuの積層構造、もしくは、AlまたはCuのクラッド構造により形成される。 That is, the cathode layer is made of Mo, W, Ta, MoW, MoTa, Cr, other metals or alloys, TaSi x , MoSi x , WSi x , CrSi x , other metal silicides, TiN, TaN, other metal nitrides , N-type or p-type doped polycrystalline silicon, or a laminated structure of these and Al or Cu, or a cladding structure of Al or Cu.
一方、ゲート層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物による単層構造、n型もしくはp型のドープ多結晶シリコンの一部をシリサイド化した積層構造により形成される。 On the other hand, the gate layer is made of Mo, W, Ta, MoW, MoTa, Cr, other metals or alloys, TaSi x , MoSi x , WSi x , CrSi x , other metal silicides, TiN, TaN, other metal nitrides It is formed by a single layer structure, or a laminated structure in which a part of n-type or p-type doped polycrystalline silicon is silicided.
さらに、触媒担体層は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか1つ以上の元素を含む物質により形成される。 Further, the catalyst carrier layer is formed of a substance containing one or more elements of Si, Al, Mg, O, N, and C.
そして、触媒層は、コバルト、鉄、ニッケル、モリブデン、もしくは、これらを含む混合物により形成される。 The catalyst layer is formed of cobalt, iron, nickel, molybdenum, or a mixture containing these.
一方、絶縁層は、SiOx、SiOxNy、SiNxの単層構造、もしくは、これらの積層構造により形成される。 On the other hand, the insulating layer is formed by a single layer structure of SiO x , SiO x N y , or SiN x or a laminated structure thereof.
本発明のその他の観点に係るフィールドエミッション装置の製造方法は、カソード層成膜工程、絶縁層成膜工程、ゲート層成膜工程、スリット工程、空隙工程、エミッタ形成工程を備え、以下のように構成する。 A field emission device manufacturing method according to another aspect of the present invention includes a cathode layer film forming step, an insulating layer film forming step, a gate layer film forming step, a slit step, a gap step, and an emitter forming step as follows. Constitute.
すなわち、カソード層成膜工程では、基板上に、導電体からなるカソード層を成膜する。 That is, in the cathode layer film forming step, a cathode layer made of a conductor is formed on the substrate.
一方、絶縁層成膜工程では、成膜されたカソード層上に、絶縁体からなる絶縁層を成膜する。 On the other hand, in the insulating layer film forming step, an insulating layer made of an insulator is formed on the formed cathode layer.
さらに、ゲート層成膜工程では、成膜された絶縁層上に、導電体からなるゲート層を成膜する。 Further, in the gate layer forming step, a gate layer made of a conductor is formed on the formed insulating layer.
そして、スリット工程では、成膜されたゲート層に、スリットを設ける。 In the slit process, a slit is provided in the formed gate layer.
一方、空隙工程では、設けられたスリットを介して、カソード層の当該スリットに対向する対向領域が露出するように、絶縁層を除去して空隙を設ける。 On the other hand, in the gap step, the gap is provided by removing the insulating layer so that the facing region of the cathode layer facing the slit is exposed through the provided slit.
さらに、エミッタ形成工程では、当該対向領域上に、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタを形成する。 Further, in the emitter forming step, an emitter made of a structure in which a plurality of carbon nanotubes are entangled is formed on the facing region.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、エミッタ形成工程では、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部を、当該対向領域から当該スリットに向かって伸ばし、当該構造体の概形を、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状とするように構成することができる。 In the field emission device manufacturing method of the present invention, in the emitter forming step, part or all of the plurality of carbon nanotubes are extended from the facing region toward the slit, and the outline of the structure is , Brush shape, tree line shape, or lawn belt shape.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該カーボンナノチューブは、炭素を供給する化学気相成長法により形成され、当該カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、2層カーボンナノチューブ、もしくは、3層カーボンナノチューブとなるように、当該炭素源の供給濃度ならびに供給時間を設定するように構成することができる。 In the field emission device manufacturing method of the present invention, the carbon nanotube is formed by a chemical vapor deposition method for supplying carbon, and the carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, or a three-layered carbon nanotube. It can be configured to set the supply concentration and supply time of the carbon source so as to be a carbon nanotube.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットの幅は、0.1μm乃至3μmであり、当該スリットの長さは、10μm乃至500μmであり、当該絶縁層の厚さは、0.03μm乃至10μmであり、当該カーボンナノチューブの直径は、0.4nm乃至10nmであり、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、1μm2あたり102本乃至105本であるように構成することができる。 In the method for manufacturing a field emission device of the present invention, the width of the slit is 0.1 μm to 3 μm, the length of the slit is 10 μm to 500 μm, and the thickness of the insulating layer is 0.1 μm. The diameter of the carbon nanotube is 0.4 nm to 10 nm, and the number density of the carbon nanotube on the facing region is 10 2 to 10 5 per 1 μm 2. can do.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットは、平行に複数設けられ、当該複数のスリットの間隔は、1μm乃至1000μmであるように構成することができる。 In the field emission device manufacturing method of the present invention, a plurality of the slits may be provided in parallel, and the interval between the plurality of slits may be 1 μm to 1000 μm.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、当該スリットは、当該ゲート層上にレジスト層を形成し、リソグラフィ、スタンプ、スクラッチ、もしくは、亀裂形成によって、当該レジスト層にスリットを形成し、当該スリットを介して、当該ゲート層をエッチングすることにより形成されるように構成することができる。 In the field emission device manufacturing method of the present invention, the slit is formed by forming a resist layer on the gate layer, and forming a slit in the resist layer by lithography, stamping, scratching, or crack formation, The gate layer can be formed by etching through the slit.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法は、触媒担体層工程、触媒層工程をさらに備え、以下のように構成することができる。 Moreover, the manufacturing method of the field emission apparatus of this invention is further equipped with the catalyst support layer process and the catalyst layer process, and can be comprised as follows.
すなわち、触媒担体層工程では、当該対向領域が露出した後に、当該スリットを介して、当該対向領域上に、触媒担体層を形成する。 That is, in the catalyst carrier layer step, after the facing region is exposed, a catalyst carrier layer is formed on the facing region through the slit.
一方、触媒層工程では、当該スリットを介して、当該触媒担体層の上に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層を形成して、当該触媒担体層に担持させる。 On the other hand, in the catalyst layer step, a catalyst layer that promotes the growth of the carbon nanotubes is formed on the catalyst carrier layer through the slit, and is supported on the catalyst carrier layer.
このようにして、触媒担体層に、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制させる。 In this way, the catalyst carrier layer is prevented from alloying with the catalyst layer and the cathode layer.
また、本発明のフィールドエミッション装置の製造方法において、カソード層と、ゲート層と、は、モリブデンを供給するスパッタ法により形成され、触媒担体層は、酸化アルミニウムを供給するスパッタ法により形成され、触媒層は、コバルトを供給するスパッタ法により形成され、絶縁層は、酸化ケイ素を供給する化学気相成長法により形成されるように構成することができる。 In the method for manufacturing a field emission device of the present invention, the cathode layer and the gate layer are formed by a sputtering method for supplying molybdenum, and the catalyst carrier layer is formed by a sputtering method for supplying aluminum oxide. The layer can be formed by a sputtering method for supplying cobalt, and the insulating layer can be formed by a chemical vapor deposition method for supplying silicon oxide.
本発明によれば、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a field emission device and a method for manufacturing the field emission device that are suitable for efficiently concentrating an electric field to emit electrons and realizing a high emission current density with a low driving voltage. .
以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。 Embodiments of the present invention will be described below. The embodiments described below are for explanation, and do not limit the scope of the present invention. Therefore, those skilled in the art can employ embodiments in which each or all of these elements are replaced with equivalent ones, and these embodiments are also included in the scope of the present invention.
図1は、本発明の実施形態の1つに係るフィールドエミッション装置の様子を示す斜視図であり、図2は、当該フィールドエミッション装置の断面図である。以下、これらの図を参照して説明する。 FIG. 1 is a perspective view showing a state of a field emission device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the field emission device. Hereinafter, description will be given with reference to these drawings.
これらの図に示すように、フィールドエミッション装置101は、カソード層102、絶縁層103、ゲート層104、エミッタ105を備える。
As shown in these drawings, the
カソード層102およびゲート層104は、モリブデンなどの導電体からなる薄膜平板状の形状を有し、この両者に酸化ケイ素などの絶縁体からなる絶縁層103が挟まれている。
The
なお、カソード層102としてモリブデン等を利用する場合には、酸化膜付きシリコン基板やガラス板などの基板121の上に導電体の薄膜を形成するのが一般的であるが、カソード層102として導電性を有するドープシリコン基板そのものを利用することも可能である。
When molybdenum or the like is used as the
そして、ゲート層104には、スリット106が設けられており、このスリット106からカソード層102に至るまでの間、絶縁層103には空隙107が設けられる。
A
一般に、空隙107の形状は、本図では、理解を容易にするため、斜面状に描いているが(以下同様)、スリット106を中心とするような半円柱、蒲鉾状、直方体状などの形状をなすように構成することも可能である。これらの形状は、エッチングに採用する手法やその条件によって、適宜選択が可能である。
In general, the shape of the
エミッタ105は、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなり、当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、2層カーボンナノチューブ、もしくは、3層カーボンナノチューブ等、細い構造である。
The
当該エミッタ105が配置されるのは、カソード層102のうち、空隙107に対して露出しており、スリット106に対向している対向領域108上である。その概形は、細いカーボンナノチューブが互いに支え合うとともに、その突端の一部が棘のように外部に突き出ている。
The
典型的には、カソード層102表面を平野と考えた場合の山脈のような形状、カソード層102表面を平地と考えた場合の樹列状もしくは帯状に芝生が生えているような形状、あるいは、ブラシの毛の部分が平面上に帯状に生えているような形状である。以下、これらの形状、構造を「棘状構造」と呼ぶ。本図においては、この棘状構造の概形が山脈状のものを図示している。
Typically, a shape like a mountain range when the
本図においては、スリット106は1個だけ示しているが、フィールドエミッション装置101をフィールドエミッションディスプレイ(Field Emission Display)用の素子として利用する場合には、同じ幅(たとえば、0.1μm乃至3μm)、同じ長さ(たとえば、10μm乃至500μm)のスリット106を複数、平行に等間隔(たとえば、1μm乃至1000μm間隔。)配置して、そのそれぞれに対向する対向領域108から、棘状構造のカーボンナノチューブによるエミッタ105が、スリット106の方向へ伸びている。
In the figure, only one
絶縁層103の厚さは、典型的には0.03μm乃至10μmであり、エミッタ105を構成するカーボンナノチューブは単層乃至3層であるから、その直径は、典型的には、0.4nm乃至10nmである。また、当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、1μm2あたり102本乃至105本である。
The thickness of the insulating
なお、エミッタ105を構成するカーボンナノチューブを上記のような数密度で成長させるため、エミッタ105と、カソード層102と、の間には、モリブデン、コバルト、鉄もしくはニッケル等の遷移金属からなる触媒層112が配置されている。触媒層112に用いる触媒としては、コバルト−モリブデン、もしくは、鉄−モリブデンの2元系が、特に有効と考えられるが、これには限られず、上記の遷移金属を含む混合物を利用することができる。
In order to grow the carbon nanotubes constituting the
また、触媒層112とカソード層102との合金化を抑制するため、ならびに、当該触媒層112を担持するため、触媒担体層111が配置されている。
Further, a
触媒担体層111は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか1つ以上の元素を含む物質により形成され、たとえば、AlOxやアルミノシリケート(AlOxとSiOxの複合酸化物)などにより形成される。
The
従来のフィールドエミッション装置では、ゲート層に丸い穴を形成し、この穴に向かって数本のカーボンナノチューブを自立させてエミッタとしていた。このため、カーボンナノチューブの直径は太くなり、電界集中の効率が悪くなるため駆動電圧が高くなり、このためさらにカーボンナノチューブの直径が太くしなければならず、という悪循環が生じていた。 In a conventional field emission device, a round hole is formed in the gate layer, and several carbon nanotubes are self-supported toward the hole to serve as an emitter. For this reason, the diameter of the carbon nanotube becomes thicker, the efficiency of electric field concentration becomes worse, and the driving voltage becomes higher. For this reason, a vicious circle has arisen in which the diameter of the carbon nanotube has to be further increased.
本実施形態では、細いカーボンナノチューブが互いに絡み合い、支え合って棘状構造となってスリット106に向かうため、エミッタ105の各先端は細いままとすることができ、極めて先鋭になる。したがって、効率的に電界集中を図ることができ、たとえばFEDとして使用する場合には、駆動電圧を低減することができる。
In the present embodiment, the thin carbon nanotubes are entangled with each other and support each other to form a spine structure toward the
また、エミッタ105を形成するカーボンナノチューブは、触媒層112を適切な密度で分布させることで、短時間(典型的には、数秒程度である。)で自己組織的に並んで成長するため、製造が容易である。
The carbon nanotubes forming the
また、従来のフィールドエミッション装置においてゲート層に丸い穴を空けるには、リソグラフィー等の高価なパターン形成技術を使わざるをえなかったが、本実施形態では、スリット106の形成にあたっては、リソグラフィーはもちろん、スタンプやスクラッチ、亀裂形成など、機械的なパターン形成技術を利用することもでき、製造コストを低減することができる。 Further, in order to open a round hole in the gate layer in the conventional field emission device, an expensive pattern forming technique such as lithography has to be used. Further, mechanical pattern forming techniques such as stamping, scratching, and crack formation can be used, and the manufacturing cost can be reduced.
従来提案されていたゲート層に穴を形成しその下にエミッタを点状に配置する手法比べると、本実施形態ではゲート層104にスリット106を形成しその下にエミッタ105を直線状に配置することで、エミッタ105の実装密度を大きく向上することができる。このため、結果としてエミッション電流を大きく向上できる。なお、エミッタ105の実装密度は、少なくとも2桁程度向上させることができることが、実験により判明している。
Compared to the conventionally proposed method in which holes are formed in the gate layer and the emitters are arranged in a dot shape below the holes, in this embodiment, the
なお、本実施形態においてエミッタ105を直線状に配置できるのは、電界集中が効果的に起きる細いカーボンナノチューブでエミッタ105を構成しているからである。従来の太いカーボンナノチューブでは電界集中が不十分なために直線状の配置は不適である。
In the present embodiment, the reason why the
以下、本実施形態に係るフィールドエミッション装置101の製造方法の一例について、詳細に説明する。なお、以下に示す数値諸元は、用途に応じて適宜変更、調整が可能である。
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the
図3(a)〜(d)、図4(e)〜(f)、図5(g)〜(h)、図6(i)〜(j)、図7(k)〜(l)は、フィールドエミッション装置101を製造する過程を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。
3 (a) to (d), FIG. 4 (e) to (f), FIG. 5 (g) to (h), FIG. 6 (i) to (j), and FIG. 7 (k) to (l) FIG. 11 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing the
まず、フィールドエミッション装置101が形成されるべき基板121として、ガラス板もしくは酸化膜付きのシリコン基板を用意し(図3(a))、当該基板121上にモリブデンをスパッタ法で約100nm厚に成膜して、カソード層102を形成する(図3(b))。
First, a glass substrate or a silicon substrate with an oxide film is prepared as a
さらに、酸化ケイ素をCVD法で1μm厚に成膜して、絶縁層103を形成する(図3(c))。 Further, silicon oxide is formed to a thickness of 1 μm by a CVD method to form the insulating layer 103 (FIG. 3C).
ついで、モリブデンをスパッタ法で約100nm厚に成膜して、ゲート層104を形成する(図3(d))。 Next, molybdenum is deposited to a thickness of about 100 nm by sputtering to form the gate layer 104 (FIG. 3D).
さらに、パターン成形のためのレジストを塗布してレジスト層301を形成し(図4(e))、電子ビームリソグラフィやフォトリソグラフィ等により、レジスト層301にパターン302を形成する(図4(f))。一般には、スリット106が複数あるのに合わせてパターン302の数も複数となり、パターン302のスリット幅は、本実施形態では、0.1μm〜0.5μmとし、パターン302同士の間隔は、5μm間隔としているが、本図では、パターン302が1個の状態を図示している。
Further, a resist for pattern formation is applied to form a resist layer 301 (FIG. 4E), and a
そして、リン酸、酢酸、硝酸の混合液により、ゲート層104のエッチングを行ってスリット106を形成する(図5(g))。
Then, the
なお、スリット106の形成には、レジスト層301の塗布からエッチングに至るまでの処理を実行する他、上記のように、スタンプやスクラッチ等の機械的なパターニング手法を採用することもできる。
The
さらに、フッ酸水溶液により、絶縁層103のエッチングを行って空隙107を形成する(図5(h))。
Further, the insulating
次に、酸化アルミニウムをスパッタ法により10nm厚で成膜して、カソード層102が空隙107に対して露出している対向領域108上に、触媒担体層111を形成する(図6(i))。なお、この際には、レジスト層301上にも、同程度の厚さの酸化アルミニウム層303が形成される。
Next, aluminum oxide is deposited to a thickness of 10 nm by sputtering to form the
この後、レジスト層301およびレジスト層301上の酸化アルミニウム層303を剥離液により剥離する(図6(j))。
Thereafter, the resist
そして、スリット106を介してコバルトをスパッタ法により供給し、触媒担体層111の表面に1nmの厚さで成膜することにより、触媒層112を形成する(図7(k))。
Then, cobalt is supplied through the
触媒担体層111は、触媒層112とカソード層102とが合金化するのを防止するとともに、触媒層112の上にカーボンナノチューブが成長する際に、その成長をさらに促す役割を果たす。
The
なお、ゲート層104上にも触媒層が形成されるが、触媒担体層が間に存在しないために、この触媒層はゲート層104と合金化してしまう。したがって、ゲート層104上に触媒層が形成されたとしても、その作用をなくすことができる。
Although a catalyst layer is also formed on the
なお、レジスト層301および酸化アルミニウム層303の剥離と、触媒層112の形成との順序は入れ換えても良い。
Note that the order of separation of the resist
この後、アルコール等の炭素源を供給するCVD処理により、触媒層112からカーボンナノチューブを成長させて、エミッタ105を形成する(図7(l))。CVD装置を駆動する条件の例としては、触媒還元時には、水素とアルゴンの混合体を、気圧20トリチェリ(約2670Pa)、気温800℃で最大10分間供給することができ、カーボンナノチューブ成長時には、エタノールとアルゴンの混合体を、気圧30トリチェリ(約4000Pa)、気温800℃で最大1分間供給することができる。
Thereafter, carbon nanotubes are grown from the
このようにして、フィールドエミッション装置101が製造される。なお、上記の製造条件は、変更が可能であり、種々の変形例についても、本発明の範囲に含まれる。
In this way, the
たとえば、各部材の材料については、以下のような態様を考えることができる。 For example, the following aspects can be considered about the material of each member.
まず、カソード層102やゲート層104としては、Mo,W,Ta,MoW,MoTa,Cr等の金属ないし合金、n型もしくはp型のドープ多結晶シリコン、TaSix,MoSix,WSix,CrSixなどの金属シリサイド、TiN,TaNなどの金属窒化物を採用することができ、両層で異なる材料を採用しても良い。
First, as the
次に、カソード層102としては、上記材料の単層構造を採用するのが典型的であるが、パネルの大型化で抵抗が問題になる場合には、低温プロセスによってフィールドエミッション装置101を製造することも可能である。この場合、カソード層102としては、上記共通材料とAlないしCuの積層構造、もしくは、上記共通材料とAlないしCuのクラッド構造とすることもできる。ここで、「クラッド構造」とは、AlないしCuの表面を上記材料で覆い、耐薬品性等を付与したものである。
Next, the
さらに、ゲート層104としては、多結晶シリコンの一部をシリサイド化したものとしても良い。これは、触媒層112を形成するためにCo,Ni,Mo,Feなどを撒くと、ゲートのシリコンの一部がCoSix,NiSix,MoSix,FeSixとなり抵抗が下がるためである。
Further, as the
ゲート層104をポリシリコンにした場合は、触媒層112の形成時にセルフアラインが生じるため、ゲート層104は、必然的にシリサイドとの積層構造になる。この場合は、低抵抗化を図ることができるというメリットがあるが、パネルサイズによっては、ゲート層104を全体で一枚の層状とするのではなく、部材と配線とを組み合わせることで構成しても良い。
When the
このほか、絶縁層103としては、上記のようなSiOxだけでなく、SiOxNy、SiNx、あるいは、これらの積層構造といった、Si,C,O,Nのいずれか1以上の元素を含む絶縁体を採用することも可能である。
In addition, as the insulating
(実験例)
以下では、種々の製造条件にて製造したフィールドエミッション装置101の性能を、実験により確かめた結果について説明する。実験は、A〜Eの5種類のフィールドエミッション装置101を製造することにより行った。
(Experimental example)
Below, the result of having confirmed the performance of the
フィールドエミッション装置101のゲート層104には、幅0.5μm、間隔5μm、長さ約0.5mmのスリット106を、2mm×2mmの区画に配置した。
In the
酸化ケイ素による絶縁層103の厚さは1μmとし、モリブデンによるゲート層104の厚さは120nmとし、酸化アルミニウムによる触媒担体層111の厚さは10nmとし、触媒層112にはコバルトを使用した。
The insulating
また、A〜Eの5種類のそれぞれの諸元は以下の通りである。 Each of the five types of A to E is as follows.
(Sample A)カソード層102はシリコン基板、触媒層112の厚さは1nm、CVD時間は15秒、CVD温度は700℃。
(Sample A) The
(Sample B)カソード層102はシリコン基板、触媒層112の厚さは1nm、CVD時間は5秒、CVD温度は800℃。
(Sample B) The
(Sample C)カソード層102はシリコン基板、触媒層112の厚さは1.2nm、CVD時間は5秒、CVD温度は800℃。
(Sample C) The
(Sample D)カソード層102はシリコン基板、触媒層112の厚さは1nm、CVD時間は15秒、CVD温度は800℃。
(Sample D) The
(Sample E)カソード層102は酸化膜付きシリコン基板の上にモリブデンを厚さ140nmで形成し、触媒層112の厚さは1nm、CVD時間は5秒、CVD温度は800℃。
(Sample E) The
図8、図9、図10、図11は、上記諸元で製造されたフィールドエミッション装置101の電子顕微鏡写真を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。図8には、Sample Aが、図9には、Sample Bが、図10には、Sample Cが、図11には、Sample Dが、それぞれ示されている。
8, 9, 10, and 11 are explanatory views showing electron micrographs of the
これらの写真に見られるように、カーボンナノチューブが絡み合って棘状構造をなしており、その外形がブラシ状、山脈状、芝生状、あるいは、樹列状の形状をなしていることがわかる。 As can be seen from these photographs, the carbon nanotubes are intertwined to form a spine-like structure, and the outer shape is a brush-like, mountain-like, lawn-like, or tree-like shape.
また、特に図10、図11を見れば明らかなように、空隙107の形状は、スリット106を中心軸とする半円柱状、あるいは、蒲鉾型であることがわかる。
Further, as is apparent from FIGS. 10 and 11, it can be seen that the shape of the
図12は、Sample A乃至Dにおけるゲート電圧とエミッタ(アノード)電流密度との関係を示すグラフである。以下、本図を参照して説明する。本図は、横軸がカソード層102とゲート層104の間に印加されるゲート電圧(Gate Voltage)を、縦軸がエミッタ105から電子が放出されることにより流れるアノード電流密度(Anode Current Density)を、それぞれ示す。
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the emitter (anode) current density in Samples A to D. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. In this figure, the horizontal axis indicates the gate voltage (Gate Voltage) applied between the
本図からは、Sample AおよびSample Bが、Sample CおよびSample Cに比べて、フィールドエミッション装置としての性能が高いことがわかる。 From this figure, it can be seen that Sample A and Sample B have higher performance as a field emission device than Sample C and Sample C.
また、Sample Bにおいては、ゲート電圧70Vに対してアノード電流密度1mA/cm2と、良好な値が得られていることがわかる。 In Sample B, it can be seen that a favorable value of 1 mA / cm 2 of anode current density was obtained for a gate voltage of 70V.
図13は、Sample A乃至Cを、フィールドエミッションディスプレーとして利用して発光させた様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 13 is an explanatory diagram showing a state in which Samples A to C are emitted using a field emission display. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
本図に示すように、Sample Aでは25Vを印加した時点で、Sample Bでは20Vを印加した時点で、一様に発光が開始され、特にSample Bにおいては、良好な発光現象が見られることがわかる。 As shown in the figure, when Sample A is applied with 25V and Sample B is applied with 20V, light emission is started uniformly, and in Sample B, a good light emission phenomenon can be seen. Recognize.
図14は、Sample B、Sample Eにおけるゲート電圧とエミッション(アノード)電流密度との関係を示すグラフである。以下、本図を参照して説明する。本図は、横軸がカソード層102とゲート層104の間に印加されるゲート電圧(Gate Voltage)と、縦軸がエミッタ105から電子が放出されることにより流れるアノード電流密度(Anode Current Density)との関係を示している。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the emission (anode) current density in Sample B and Sample E. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. In this figure, the horizontal axis indicates the gate voltage (Gate Voltage) applied between the
本実験では、ゲート層104とアノード電極との間隔は150μmとし、ゲート電圧は0V〜70Vの間で変化され、アノード電圧(カソード層102とアノード電極との間の電圧)は、300Vとし、真空度を1×10-5Paとした。
In this experiment, the distance between the
本図に示す例とSample Bとを比較すると、エミッション開始電圧が15Vに低下するとともに、同じゲート電圧でみたときのアノード電流密度が向上していることがわかる。 Comparing the example shown in this figure with Sample B, it can be seen that the emission start voltage is reduced to 15 V and the anode current density is improved when viewed at the same gate voltage.
このように、本実施例に係るフィールドエミッション装置101の性能が良好であることが、実験により示された。
As described above, it has been experimentally shown that the
本発明によれば、効率的に電界を集中させて電子を放出し、低い駆動電圧で高いエミッション電流密度を実現するのに好適な、フィールドエミッション装置、ならびに、その製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a field emission apparatus and a method for manufacturing the field emission apparatus that are suitable for efficiently concentrating an electric field to emit electrons and realizing a high emission current density with a low driving voltage. .
101 フィールドエミッション装置
102 カソード層
103 絶縁層
104 ゲート層
105 エミッタ
106 スリット
107 空隙
108 対向領域
111 触媒担体層
112 触媒層
121 基板
301 レジスト層
302 パターン
303 酸化アルミニウム層
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記カソード層上に配置される絶縁層と、
前記絶縁層上に配置され、スリットを設けた導電体からなるゲート層と、
を備え、
前記絶縁層は、当該スリットから、前記カソード層において当該スリットに対向する対向領域に至る空隙が設けられ、
当該対向領域上に配置された複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタと、
をさらに備えることを特徴とするフィールドエミッション装置。 A cathode layer made of a conductor;
An insulating layer disposed on the cathode layer;
A gate layer made of a conductor provided on the insulating layer and provided with a slit;
With
The insulating layer is provided with a gap from the slit to a facing region facing the slit in the cathode layer,
An emitter composed of a structure in which a plurality of carbon nanotubes arranged on the facing region are intertwined;
A field emission device further comprising:
当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部は、当該対向領域から当該スリットに向かって伸び、
当該構造体の概形は、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to claim 1,
Some or all of the plurality of carbon nanotubes extend from the facing region toward the slit,
A field emission device characterized in that the general shape of the structure is a mountain range, a brush shape, a tree line shape, or a lawn belt shape.
当該カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、2層カーボンナノチューブ、もしくは、3層カーボンナノチューブである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to claim 1 or 2,
The carbon nanotube is a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, or a triple-walled carbon nanotube.
当該スリットの幅は、0.1μm乃至3μmであり、
当該スリットの長さは、10μm乃至500μmであり、
当該絶縁層の厚さは、0.03μm乃至10μmであり、
当該カーボンナノチューブの直径は、0.4nm乃至10nmであり、
当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、1μm2あたり102本乃至105本である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to claim 3,
The slit has a width of 0.1 μm to 3 μm,
The length of the slit is 10 μm to 500 μm,
The insulating layer has a thickness of 0.03 μm to 10 μm,
The carbon nanotube has a diameter of 0.4 nm to 10 nm,
A number density of the carbon nanotubes on the facing region is 10 2 to 10 5 per 1 μm 2 .
当該スリットは、平行に複数設けられ、
当該複数のスリットの間隔は、1μm乃至1000μmである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to claim 4,
A plurality of the slits are provided in parallel,
The field emission device characterized in that the interval between the plurality of slits is 1 μm to 1000 μm.
前記エミッタと、前記カソード層と、の間に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層
をさらに備え、
当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制するために、当該触媒層を担持する触媒担体層
をさらに備えることを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to any one of claims 3 to 5,
A catalyst layer for promoting the growth of the carbon nanotubes between the emitter and the cathode layer;
In order to suppress alloying with the said catalyst layer and the said cathode layer, the catalyst carrier layer which carry | supports the said catalyst layer is further provided, The field emission apparatus characterized by the above-mentioned.
前記カソード層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物、n型もしくはp型のドープ多結晶シリコンによる単層構造、もしくは、これらとAlまたはCuの積層構造、もしくは、AlまたはCuのクラッド構造により形成され、
前記ゲート層は、Mo、W、Ta、MoW、MoTa、Cr、その他の金属または合金、TaSix、MoSix、WSix、CrSix、その他の金属シリサイド、TiN、TaN、その他の金属窒化物による単層構造、n型もしくはp型のドープ多結晶シリコンの一部をシリサイド化した積層構造により形成され、
前記触媒担体層は、Si、Al、Mg、O、N、Cの何れか1つ以上の元素を含む物質により形成され、
前記触媒層は、コバルト、鉄、ニッケル、モリブデン、もしくは、これらを含む混合物により形成され、
前記絶縁層は、SiOx、SiOxNy、SiNxの単層構造、もしくは、これらの積層構造により形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置。 The field emission device according to claim 6,
The cathode layer includes Mo, W, Ta, MoW, MoTa, Cr, other metals or alloys, TaSi x , MoSi x , WSi x , CrSi x , other metal silicides, TiN, TaN, other metal nitrides, It is formed by a single layer structure of n-type or p-type doped polycrystalline silicon, or a laminated structure of these and Al or Cu, or a cladding structure of Al or Cu,
The gate layer is made of Mo, W, Ta, MoW, MoTa, Cr, other metals or alloys, TaSi x , MoSi x , WSi x , CrSi x , other metal silicides, TiN, TaN, other metal nitrides A single layer structure is formed by a laminated structure in which a part of n-type or p-type doped polycrystalline silicon is silicided,
The catalyst carrier layer is formed of a substance containing one or more elements of Si, Al, Mg, O, N, and C;
The catalyst layer is formed of cobalt, iron, nickel, molybdenum, or a mixture containing these,
The insulating layer is formed of a single-layer structure of SiO x , SiO x N y , or SiN x or a stacked structure thereof.
前記成膜されたカソード層上に、絶縁体からなる絶縁層を成膜する絶縁層成膜工程、
前記成膜された絶縁層上に、導電体からなるゲート層を成膜するゲート層成膜工程、
前記成膜されたゲート層に、スリットを設けるスリット工程、
前記設けられたスリットを介して、前記カソード層の当該スリットに対向する対向領域が露出するように、前記絶縁層を除去して空隙を設ける空隙工程、
当該対向領域上に、複数のカーボンナノチューブが絡み合った構造体からなるエミッタを形成するエミッタ形成工程
を備えることを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 A cathode layer forming step of forming a cathode layer made of a conductor on the substrate;
An insulating layer forming step of forming an insulating layer made of an insulator on the formed cathode layer;
A gate layer forming step of forming a gate layer made of a conductor on the formed insulating layer;
A slitting step for providing a slit in the deposited gate layer;
A gap step of removing the insulating layer and providing a gap so that a facing region of the cathode layer facing the slit is exposed through the provided slit,
A method of manufacturing a field emission device, comprising: forming an emitter having a structure in which a plurality of carbon nanotubes are entangled with each other on the facing region.
前記エミッタ形成工程では、当該複数のカーボンナノチューブの一部または全部を、当該対向領域から当該スリットに向かって伸ばし、当該構造体の概形を、山脈状、ブラシ状、樹列状、もしくは、芝生帯状とする
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to claim 8,
In the emitter forming step, some or all of the plurality of carbon nanotubes are extended from the facing region toward the slit, and the rough shape of the structure is a mountain range, a brush shape, a tree line shape, or a lawn. A method of manufacturing a field emission device, characterized in that it is in the form of a strip.
当該カーボンナノチューブは、炭素を供給する化学気相成長法により形成され、
当該カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、2層カーボンナノチューブ、もしくは、3層カーボンナノチューブとなるように、当該炭素源の供給濃度ならびに供給時間を設定する
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to claim 9,
The carbon nanotube is formed by a chemical vapor deposition method for supplying carbon,
A method for manufacturing a field emission device, characterized in that the supply concentration and supply time of the carbon source are set so that the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, or triple-walled carbon nanotubes.
当該スリットの幅は、0.1μm乃至3μmであり、
当該スリットの長さは、10μm乃至500μmであり、
当該絶縁層の厚さは、0.03μm乃至10μmであり、
当該カーボンナノチューブの直径は、0.4nm乃至10nmであり、
当該カーボンナノチューブの当該対向領域上での数密度は、1μm2あたり102本乃至105本である
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to claim 9 or 10,
The slit has a width of 0.1 μm to 3 μm,
The length of the slit is 10 μm to 500 μm,
The insulating layer has a thickness of 0.03 μm to 10 μm,
The carbon nanotube has a diameter of 0.4 nm to 10 nm,
The number density of the carbon nanotubes on the facing region is 10 2 to 10 5 per 1 μm 2 .
当該スリットは、平行に複数設けられ、
当該複数のスリットの間隔は、1μm乃至1000μmである
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to claim 11,
A plurality of the slits are provided in parallel,
The method of manufacturing a field emission device, wherein the interval between the plurality of slits is 1 μm to 1000 μm.
当該スリットは、当該ゲート層上にレジスト層を形成し、リソグラフィ、スタンプ、スクラッチ、もしくは、亀裂形成によって、当該レジスト層にスリットを形成し、当該スリットを介して、当該ゲート層をエッチングすることにより形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to claim 11 or 12,
The slit is formed by forming a resist layer on the gate layer, forming a slit in the resist layer by lithography, stamping, scratching, or crack formation, and etching the gate layer through the slit. A method of manufacturing a field emission device, comprising: forming a field emission device.
当該対向領域が露出した後に、当該スリットを介して、当該対向領域上に、触媒担体層を形成する触媒担体層工程、
当該スリットを介して、当該触媒担体層の上に、当該カーボンナノチューブの成長を促す触媒層を形成して、当該触媒担体層に担持させる触媒層工程
をさらに備え、
触媒担体層に、当該触媒層と当該カソード層との合金化を抑制させる
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the field emission device according to any one of claims 10 to 13,
A catalyst carrier layer step of forming a catalyst carrier layer on the opposing region through the slit after the opposing region is exposed;
A catalyst layer step of forming a catalyst layer for promoting the growth of the carbon nanotubes on the catalyst support layer through the slit and supporting the catalyst layer on the catalyst support layer;
A method of manufacturing a field emission device, comprising causing a catalyst carrier layer to suppress alloying of the catalyst layer and the cathode layer.
前記カソード層と、前記ゲート層と、は、モリブデンを供給するスパッタ法により形成され、
前記触媒担体層は、酸化アルミニウムを供給するスパッタ法により形成され、
前記触媒層は、コバルトを供給するスパッタ法により形成され、
前記絶縁層は、酸化ケイ素を供給する化学気相成長法により形成される
ことを特徴とするフィールドエミッション装置の製造方法。 A method of manufacturing a field emission device according to claim 14,
The cathode layer and the gate layer are formed by a sputtering method for supplying molybdenum,
The catalyst carrier layer is formed by a sputtering method for supplying aluminum oxide,
The catalyst layer is formed by a sputtering method for supplying cobalt,
The insulating layer is formed by a chemical vapor deposition method in which silicon oxide is supplied. A method for manufacturing a field emission device.
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