JP2010182585A - 電子放出素子及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents
電子放出素子及びこれを用いた画像表示装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】簡易な構成で電子放出効率が高く、安定して動作する電子放出素子および画像表示装置を提供する。
【解決手段】電子放出素子が、側面を有する絶縁層と、前記絶縁層の前記側面に形成された凹部と、前記凹部の上方に配置されたゲート電極と、前記凹部の下側のへりに配置され、前記凹部側の第1斜面と前記凹部とは反対側の第2斜面を有するくさび形のエミッタと、を備える。前記エミッタの前記第1斜面の下端は前記凹部内に入り込んでおり、前記エミッタの第1斜面と前記第2斜面はともに前記凹部の外側に傾いている。
【選択図】図3
【解決手段】電子放出素子が、側面を有する絶縁層と、前記絶縁層の前記側面に形成された凹部と、前記凹部の上方に配置されたゲート電極と、前記凹部の下側のへりに配置され、前記凹部側の第1斜面と前記凹部とは反対側の第2斜面を有するくさび形のエミッタと、を備える。前記エミッタの前記第1斜面の下端は前記凹部内に入り込んでおり、前記エミッタの第1斜面と前記第2斜面はともに前記凹部の外側に傾いている。
【選択図】図3
Description
本発明は、電子放出素子及びこれを用いた画像表示装置に関する。
電界放出型の電子放出素子は、カソード電極とゲート電極との間に電圧を印加することでカソード電極側から電子を電界放出させる素子である。特許文献1には、基板上に設けられた絶縁層の側面に沿ってカソードが設けられており、絶縁層の一部に窪んだ部分(以下リセス部と呼ぶ)を備える電子放出素子が開示されている。
電子放出素子には、更なる高効率化が要求されている。ここで、電子放出効率(η)とは、電子放出素子に駆動電圧を印加したときにカソード電極とゲート電極間に流れる電流(If)と、真空中に取り出される電流(Ie)を用いて、効率η=Ie/(If+Ie)で与えられる。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、簡易な構成で電子放出効率が高く、安定して動作する電子放出素子および画像表示装置を提供することにある。
本発明の第1態様は、
側面を有する絶縁層と、
前記絶縁層の前記側面に形成された凹部と、
前記凹部の上方に配置されたゲート電極と、
前記凹部の下側のへりに配置され、前記凹部側の第1斜面と前記凹部とは反対側の第2斜面を有するくさび形のエミッタと、を備え、
前記エミッタの前記第1斜面の下端は前記凹部内に入り込んでおり、
前記エミッタの第1斜面と前記第2斜面はともに前記凹部の外側に傾いている
ことを特徴とする電子放出素子である。
側面を有する絶縁層と、
前記絶縁層の前記側面に形成された凹部と、
前記凹部の上方に配置されたゲート電極と、
前記凹部の下側のへりに配置され、前記凹部側の第1斜面と前記凹部とは反対側の第2斜面を有するくさび形のエミッタと、を備え、
前記エミッタの前記第1斜面の下端は前記凹部内に入り込んでおり、
前記エミッタの第1斜面と前記第2斜面はともに前記凹部の外側に傾いている
ことを特徴とする電子放出素子である。
本発明の第2態様は、
複数の電子放出素子と、前記複数の電子放出素子から放出された電子により発光する発光部材と、を備える画像表示装置であって、
前記複数の電子放出素子のそれぞれが、上記第1態様の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置である。
複数の電子放出素子と、前記複数の電子放出素子から放出された電子により発光する発光部材と、を備える画像表示装置であって、
前記複数の電子放出素子のそれぞれが、上記第1態様の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置である。
本発明によれば、簡易な構成で電子放出効率が高く、安定して動作する電子放出素子および画像表示装置を提供することができる。
以下に図面を参照して、本実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
(電子放出素子の構成)
最初に、安定な電子放出を可能とした本実施形態に係る電子放出素子の構成について述べる。
最初に、安定な電子放出を可能とした本実施形態に係る電子放出素子の構成について述べる。
図1Aは電子放出素子の平面的模式図であり、図1Bは図1AにおけるA−A線(図1CのA−A線)での断面図である。図1Cは図1Bにおける矢印の方向から電子放出素子を眺めたときの側面図である。
基板1上には、第1絶縁層3と第2絶縁層4から構成された絶縁層10と、カソード電極2とが、並設されている。第2絶縁層4の側面が第1絶縁層3の側面よりも凹んで段差を形成することで、絶縁層10のカソード電極2側の側面(斜面)に凹部(リセス部)7が形成されている。この絶縁層10は、段差形成部材とよぶこともできる。第2絶縁層4の上にゲート電極5が設けられ、ゲート電極5のカソード電極側の端部は凹部7の上方に張り出している。つまり、ゲート電極5は凹部7の上方に配置されており、ゲート電極5の下面と第1絶縁層3の上面とは所定距離(第2絶縁層4の厚みにほぼ等しい)だけ離れている。ゲート電極5上には導電性膜6Bが設けられている。そのため部材5と部材6Bとを一纏めにしてゲート電極と呼ぶこともできる。
導電性膜6Aが、第1絶縁層3の側面(斜面)上に、該側面に沿って、配置されている。導電性膜6Aは、第1絶縁層3の側面と角部32と上面を覆っている。つまり、導電性膜6Aは、カソード電極2から、凹部(リセス部)7の内部まで延在している。導電性膜6Aの一方の端部は、カソード電極2に接続しており、導電性膜6Aの他方の端部は、凹部7内(凹部7内に位置する第1絶縁層3の上面)から第1絶縁層3の側面(または角部32)に跨る突起部100を形成している。この突起部100は、第1絶縁層3の角部32(第1絶縁層3の上面と側面とが接続する部分)、つまり凹部7の下側のへり(縁)に配置されている。突起部100の先端は、第1絶縁層3の上面よりも基板1の表面から離れており、且つ、尖っている。
尚、ゲート電極5の配置位置は、図1Bに示す形態に限られるものではない。即ち、突起部100に電界放出可能な電界を印加することができるように、突起部100と所定の間隔を置いて、配置されればよい。その場合には、第2絶縁層4は必要としない形態も有り得る。尚、ここではゲート電極5上に導電性膜6Bを設けているが、導電性膜6Bは省略することもできる。
カソード電極2よりもゲート電極5の電位が高くなるようにして、駆動電圧をカソード電極2とゲート電極5の間に印加することで、突起部100から電子が電界放出される。すなわち、導電性膜6Aの突起部100はエミッタ(カソード)に相当する。尚、図2に示すように、基板1の上方(ゲート電極5よりも更に上方)には、ゲート電極5よりも高電位に規定されたアノード電極20が配置される。
尚、第1絶縁層3の角部32(凹部7の下側のへり)は、第1絶縁層3の上面と側面とが接続している部分(あるいは繋がっている部分)である。また、角部32は、第1絶縁層3の上面(側面)から側面(上面)に繋がる部分と言うこともできる。尚、角部32は、曲率を持たない形態(即ち上面の縁と側面の縁を突き当てた形態)とすることもできるし、曲率を持つ形態とすることもできる。すなわち、第1絶縁層3の上面と側面とが、所定の曲率半径を有する部分(角部32)を介して繋がっている形態とすることができる。角部32が曲率を持つ形態であれば、導電性膜6Aを安定に形成することができ、電子放出素子の電子放出特性の観点から有利である。
(突起部(エミッタ)の構成)
次に、導電性膜6Aの突起部100について、その特徴とその望ましい形態を図3Aおよび図3Bを用いて以下に述べる。
次に、導電性膜6Aの突起部100について、その特徴とその望ましい形態を図3Aおよび図3Bを用いて以下に述べる。
図3A及び図3Bを参照して、突起部100の形状について詳しく説明する。図3Aは図1Bを拡大した図であり、図3Bは図3Aの円状の点線で囲まれた領域(導電性膜6Aの突起部100)の拡大図である。
突起部100は、凹部側の第1斜面100Aと凹部7とは反対側の第2斜面100Bとを有するくさび形の形状をもつ。第1斜面100Aの下端(裾部)は凹部内に入り込んでおり、第2斜面100Bの下端(裾部)は第1絶縁層3の側面33上の導電性膜6Aに接続している。第1斜面100Aの上端と第2斜面100Bの上端が接続して、突起部100の先端が形成される。図3Bに示すように、第1斜面100Aと第2斜面100Bはともに凹部7の外側に傾いている。つまり、突起部100は、凹部7の下側のへり(角部32)から凹部7の外側に向かって斜めに伸びているということができる。あるいは、突起部100が、凹部7とは反対の側に伸びている(倒れている)ということもできる。そして、突起部100の先端は、ゲート電極5の側端よりも水平方向外側(図3Aの右方向)に突き出している。この突起部100の先端とゲート電極5の側端との間の水平距離をオフセット量Dxとよぶ。符号dは、突起部100の先端とゲート電極5の間の最短距離を示し、符号hは、突起部100の高さ(第1絶縁層3の上面から突起部100の先端までの高さ)を示す。
突起部100の先端を拡大すると、その先端には曲率半径rで代表される部分が存在する(図3Bの点線で囲まれた円を参照)。この曲率半径rの値により突起部100の先端の電界強度が異なる。rが小さいほど電気力線の集中が生じるため突起先端に高い電界を形成することが可能となる。
一方、後述するように、突起部100の先端をゲート電極5から離す(距離dを大きくする)ことで、ゲート電極5の裏面52における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。また、オフセット量Dxが大きくなるほど、ゲート電極5に衝突しない電子軌道(このような電子軌道を高効率軌道とよぶ)をもつ電子が増加し、電子放出効率が向上する。更に、突起部100の第1斜面100A(ゲート電極5と対向する面)に傾斜をもたせることで、突起部100の先端から放出された電子が凹部7の外側へと飛び出しやすい電位分布が形成され、高効率軌道をもつ電子が更に増加する。突起部100の高さhは、凹部7の高さ(第2絶縁層4の厚さT2)より小さくてもよいし(
図3A参照)、凹部7の高さと同じかそれより大きくてもよい(図3B参照)。
図3A参照)、凹部7の高さと同じかそれより大きくてもよい(図3B参照)。
しかしながら、オフセット量Dxを大きくし、かつ、第1斜面100Aを傾斜させて凹部7内へ入り込ませると、突起部100の先端とゲート電極5の距離dよりも、第1斜面100Aの最近接部とゲート電極5の間の距離d0のほうが小さくなる。d>d0になると、突起部100の先端の電界強度よりも第1斜面100Aの最近接部の電界強度のほうが大きくなる可能性がある。その場合、第1斜面100Aからの電子放出が生じるため、ゲート電極5で散乱する電子が増加し、電子放出効率の低下を招く。
このような第1斜面100Aからの電子放出を防ぐためには、突起部100の先端の電界強度Eが第1斜面100Aの最近接部の電界強度E0よりも大きくなるようにすればよい。突起部100の先端の電界強度Eは(βr×1/d)Vgで決定され、第1斜面100Aの最近接部の電界強度E0は(β0×1/d0)Vgで決定される。ここでβrは突起部100の先端の形状による電界増倍係数であり、β0は第1斜面100Aの最近接部の形状による電界増倍係数である。電界増倍係数は、平面形状では1となり、尖った形状ほど大きい値となる係数である。Vgはゲート電極5とカソード電極2の間に印加される電圧である。E>E0の関係を得るには、(βr×1/d)Vg>(β0×1/d0)Vg、すなわち、(βr/β0)>(d/d0)を満足するように、エミッタ形状を設計すればよい。具体的には、突起部100の先端の電荷増倍係数βrを大きくするため、突起部100の先端の曲率半径rをできるだけ小さくするとよい。なお、第1斜面100Aの最近接部を平面とみなせる場合は、βr>(d/d0)を満足するように、曲率半径rを設定すればよい。
突起部100の第1斜面100Aの下端は凹部7内に入り込ませる必要があるため、第1斜面100A自体の傾斜角を変えることは好ましくない。そこで、本実施形態では、突起部100のカソード電極側の側面をえぐることで、第2斜面100Bを第1斜面100Aと同じ方向に傾斜させる。つまり、図3Bに示す、第2斜面100Bと第1絶縁層3の上面(基板1の表面)とのなす角θ2が90度より小さくなるように、第2斜面100Bを形成する。これにより、第1斜面100Aと第2斜面100Bのなす角が小さくなり、結果として、突起部100の先端の曲率半径rを小さくすることができる。
上記のようなエミッタ形状を採用することにより、突起部100の先端からの電子放出が支配的となり、高い電子放出効率を実現できる。
突起部100は、図3Bで示されるように、凹部7内に、角部32から距離xだけ入り込んでいる。これにより以下の3つのメリットがある。
(1)電子放出部となる突起部100が第1絶縁層3と広い面積を持って接触し、機械的な密着力があがる(密着強度の上昇)。
(2)電子放出部となる突起部100と第1絶縁層3との熱的な接触面積が広がり、電子放出部で発生する熱を効率よく第1絶縁層3に逃がすことが可能となる(熱抵抗の低減)。
(3)第1絶縁層3の上面に対して傾斜を備えることで、絶縁層―真空−金属界面で生じる三重点(図3BのTG)での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。
(1)電子放出部となる突起部100が第1絶縁層3と広い面積を持って接触し、機械的な密着力があがる(密着強度の上昇)。
(2)電子放出部となる突起部100と第1絶縁層3との熱的な接触面積が広がり、電子放出部で発生する熱を効率よく第1絶縁層3に逃がすことが可能となる(熱抵抗の低減)。
(3)第1絶縁層3の上面に対して傾斜を備えることで、絶縁層―真空−金属界面で生じる三重点(図3BのTG)での電界強度を弱め、異常な電界発生による放電現象を防止することが可能となる。
(電子放出効率の説明)
図2は、電子放出素子の電子放出特性を測定するときの電源及び電位の関係を示す図である。ここでVfはカソードとゲートとの間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaはカソードとアノード電極20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。ここで、電子放出効率(η)は、素子に電圧(Vf)を印加したときに検出される
電流(If)と真空中に取り出される電流(Ie)を用いて、効率η=Ie/(If+Ie)で与えられる。
図2は、電子放出素子の電子放出特性を測定するときの電源及び電位の関係を示す図である。ここでVfはカソードとゲートとの間に印加される電圧、Ifはこの時流れる素子電流、Vaはカソードとアノード電極20の間に印加される電圧、Ieは電子放出電流である。ここで、電子放出効率(η)は、素子に電圧(Vf)を印加したときに検出される
電流(If)と真空中に取り出される電流(Ie)を用いて、効率η=Ie/(If+Ie)で与えられる。
(電子放出における散乱の説明)
図2において、突起部100からゲート電極5に向かって放出された電子は、ゲート電極5に衝突するものと、ゲート電極5に衝突しないものとがある。電子のゲート電極5への衝突箇所は、ゲート電極5の側面51とゲート電極5の下面52(凹部7内に露出する面)とに大別されるが、多くの電子は側面51に衝突する。衝突箇所が側面51と下面52のいずれの場合であっても、ゲート電極5に衝突した電子は等方的に散乱する。しかし電子がどの面で散乱するかは効率に大きく影響する。突起部100の先端を可能な限りゲート電極5から離すこと、つまりオフセット量Dxと距離dを大きくすることで、ゲート電極5の下面52における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。
図2において、突起部100からゲート電極5に向かって放出された電子は、ゲート電極5に衝突するものと、ゲート電極5に衝突しないものとがある。電子のゲート電極5への衝突箇所は、ゲート電極5の側面51とゲート電極5の下面52(凹部7内に露出する面)とに大別されるが、多くの電子は側面51に衝突する。衝突箇所が側面51と下面52のいずれの場合であっても、ゲート電極5に衝突した電子は等方的に散乱する。しかし電子がどの面で散乱するかは効率に大きく影響する。突起部100の先端を可能な限りゲート電極5から離すこと、つまりオフセット量Dxと距離dを大きくすることで、ゲート電極5の下面52における電子の散乱を減らし、結果、電子放出効率を向上させることができる。
ゲート電極5で散乱された電子の多くは、ゲート電極5で弾性散乱を繰り返す(多重散乱)。ゲート電極5の上部では電子が散乱できずに陽極側に飛び出す。効率の向上は、電子のゲート電極5での散乱回数(落下の回数)を減少させることによって実現される。
散乱回数、距離について図2を用いて説明する。この電子放出素子の電位領域は、間隙8をはさんで、ゲート電極5に印加される電圧で決まる高電位領域と、カソード電極2及び導電性膜6Aに印加される電圧で決まる低電位領域とを有する。図2中の符号S1、S2、S3は、ゲート及びカソードの電位から決定される各々の領域長であり、単なる電極厚さ、絶縁層厚さなどとは異なるものである。
電子放出素子のゲートとカソード間に電圧Vfを印加すると、低電位領域の先端から高電位領域に電子が放出され、電子が高電位領域の先端部で等方的に散乱する。高電位領域の先端部で散乱した電子の多くは、高電位領域で弾性散乱を1回から数回にわたって繰り返す。
本構成において、散乱の挙動の詳細な検討を行った結果、以下のことが判明した。つまり、高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)に用いた材料の仕事関数φwkと駆動電圧Vfの関数として、さらに、S1、S3の距離の関数すなわち、放出部近傍の形状の効果により、効率向上が可能となる領域が存在する。
解析的な検討の結果、S1max(ゲート電極5と導電性膜6Bの合計の厚み)に関しての以下の式が導かれる。
S1max=A×exp[B×(Vf−φwk)/(Vf)]・・・(3)
A=−0.78+0.87×log(S3)
B=8.7
ここで、S1、S3は距離(単位はnm)、φwkは高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)の仕事関数の値(単位はeV)、Vfは駆動電圧(単位はV)、AはS3の関数、Bは定数である。
A=−0.78+0.87×log(S3)
B=8.7
ここで、S1、S3は距離(単位はnm)、φwkは高電位領域を形成するゲート電極(またはこれと接続する同電位の部材)の仕事関数の値(単位はeV)、Vfは駆動電圧(単位はV)、AはS3の関数、Bは定数である。
電子放出効率には、散乱に関わるパラメータとしてS1が重要であり、S1を(3)式を満足するように設定すれば、著しく効率向上の効果が得られる。
また、前述の図3Bのようなエミッタ形状によって電子放出効率を向上できるので、要求される効率が一定条件であれば、前述の式(3)のS1を大きく設定できることになる。つまり、本実施形態のエミッタ形状を用いることで、従来よりもゲート電極5を厚くす
ることができる。これによりゲート構造を強固なものとしえるので、長時間の駆動に耐えうる安定した素子を提供できる。
ることができる。これによりゲート構造を強固なものとしえるので、長時間の駆動に耐えうる安定した素子を提供できる。
(電子放出素子の製造方法)
図4A〜図4Gを参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図4A〜図4Gは、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。また電子放出部の詳細形状の説明については図3A、図3Bを用いる。
図4A〜図4Gを参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。図4A〜図4Gは、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造工程を順に示した模式図である。また電子放出部の詳細形状の説明については図3A、図3Bを用いる。
(工程1)
基板1は電子放出素子を支持するための基板である。石英ガラス,Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラスなどを用いることができる。基板1に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があることが挙げられる。また、画像表示装置に用いる場合は、加熱工程などを経るので、積層する部材と熱膨張率差が小さいものが望ましい。また熱処理を考慮すると、ガラス内部からのアルカリ元素等が電子放出素子に拡散しづらい材料が望ましい。
基板1は電子放出素子を支持するための基板である。石英ガラス,Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラスなどを用いることができる。基板1に必要な機能としては、機械的強度が高いだけでなく、ドライエッチング、ウェットエッチング、現像液等のアルカリや酸に対して耐性があることが挙げられる。また、画像表示装置に用いる場合は、加熱工程などを経るので、積層する部材と熱膨張率差が小さいものが望ましい。また熱処理を考慮すると、ガラス内部からのアルカリ元素等が電子放出素子に拡散しづらい材料が望ましい。
第1絶縁層3となる絶縁層30を基板1の表面に形成し、続いて、第2絶縁層4となる絶縁層40を絶縁層30の上面に積層する。そして、絶縁層40の上面にゲート電極5となる導電層50を積層する(図4A)。絶縁層40の材料は、絶縁層30の材料よりも、後述する工程3で用いるエッチング液(エッチャント)に対してエッチング量が多くなるように、絶縁層30の材料とは異なる材料が選択される。
絶縁層30(第1絶縁層3)は、加工性に優れる材料からなり、たとえば窒化シリコン(典型的にはSi3N4)や酸化シリコン(典型的にはSiO2)である。絶縁層30は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、CVD法、真空蒸着法で形成することができる。また絶縁層30の厚さは、数nmから数十μmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲に選択される。
絶縁層40(第2絶縁層4)は、加工性に優れる材料からなり、たとえば窒化シリコン(典型的にはSi3N4)や酸化シリコン(典型的にはSiO2)である。絶縁層40は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、CVD法、真空蒸着法で形成することができる。また絶縁層40の厚さは、絶縁層30よりも薄く、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数nmから数十nmの範囲で選択される。
尚、絶縁層30と絶縁層40を基板1上に積層した後に工程3にて凹部7を形成する必要がある。そのため、上記第2エッチング処理に対して、絶縁層30よりも絶縁層40の方がよりエッチング量が多い関係に設定する。望ましくは絶縁層30と絶縁層40との間のエッチング量の比は、10以上であることが好ましく、50以上であることが更に好ましい。
このようなエッチング量の比を得るためには、例えば、絶縁層30を窒化シリコン膜で形成し、絶縁層40を酸化シリコン膜やリン濃度の高いPSGやホウ素濃度の高いBSG膜等で構成すれば良い。尚、PSGはリンシリケートガラスであり、BSGはボロンシリケートガラスである。
導電層50(ゲート電極5)は導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成されるものである。
ゲート電極5となる導電層50の材料は、導電性に加えて高い熱伝導率があり、融点が高い材料が望ましい。例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料が使用できる。また、炭化物や硼化物や窒化物も使用でき、Si,Ge等の半導体も使用できる。
また、導電層50(ゲート電極5)の厚さは、数nmから数百nmの範囲で設定され、好ましくは数十nmから数百nmの範囲で選択される。ゲート電極5となる導電層50は、カソード電極2に比べてその膜厚が薄い範囲で設定される場合があるので、カソード電極2の材料よりも低抵抗な材料であることが望ましい。
(工程2)
次に、導電層50、絶縁層40、絶縁層30に対するエッチング処理(第1エッチング処理)を行う。
次に、導電層50、絶縁層40、絶縁層30に対するエッチング処理(第1エッチング処理)を行う。
第1エッチング処理は、具体的には、フォトリソグラフィー技術等により導電層50上にレジストパターンを形成したのち、導電層50、絶縁層40、絶縁層30をエッチングする処理である。工程2により、基本的には、図3Bなどに示した電子放出素子を構成する第1絶縁層3とゲート電極5が形成される(図4B)。尚、図4Bなどに示す様に、この工程で形成される第1絶縁層3の側面(斜面)22と基板1の表面とが成す角度(θ)が90°よりも小さい角度となるようにすることが好ましい。
上記第1エッチング処理では、エッチングガスをプラズマ化して材料に照射することで材料の精密なエッチング加工が可能な、RIE(Reactive Ion Etching)を用いることが好ましい。
RIEに用いるガスとしては、加工する対象部材がフッ化物を作る材料である場合には、CF4やCHF3やSF6などのフッ素系ガスが選ばれる。また加工する対象部材がSiやAlのような塩化物を形成する材料である場合には、Cl2、BCl3などの塩素系ガスが選ばれる。またレジストとの選択比を取るため、またエッチング面の平滑性の確保あるいはエッチングスピードを上げるため、水素、酸素、アルゴンガスの少なくともいずれかをエッチングガスに添加する。
(工程3)
続いて、絶縁層40に対するエッチング処理(第2エッチング処理)を行う(図4C)。これにより絶縁層の側面(斜面)に凹部7が形成される。
続いて、絶縁層40に対するエッチング処理(第2エッチング処理)を行う(図4C)。これにより絶縁層の側面(斜面)に凹部7が形成される。
上記第2エッチング処理は、例えば絶縁層40が酸化シリコンで形成され第1絶縁層3(絶縁層30)が窒化シリコンで形成されている場合、エッチング液は通称バッファードフッ酸(BHF)を用いればよい。バッファードフッ酸(BHF)はフッ化アンモニウムとフッ酸との混合溶液である。また、絶縁層40が窒化シリコンで形成され第1絶縁層3(絶縁層30)が酸化シリコンで形成されている場合は、エッチャントは熱リン酸系エッチング液を使用すればよい。
凹部7の深さ(奥行き方向の距離)は、電子放出素子のリーク電流に深く関わる。凹部7を深く形成するほどリーク電流の値が小さくなる。しかし、あまり凹部7を深くするとゲート電極5が変形する等の課題が発生する。このため、実用的には30nm以上200nm以下に設定される。
(工程4)
導電性膜(6A)を構成する材料からなる膜60Aを、基板1の表面から、第1絶縁層
3のカソード電極2側の側面となる斜面22を経て、第1絶縁層3の上面21に至るように、堆積する。また、同時に、導電性膜(6B)を構成する材料からなる膜60Bを、ゲート電極5の上に堆積する。このようにして、導電性膜60Aおよび60Bを形成する(図4D)。
導電性膜(6A)を構成する材料からなる膜60Aを、基板1の表面から、第1絶縁層
3のカソード電極2側の側面となる斜面22を経て、第1絶縁層3の上面21に至るように、堆積する。また、同時に、導電性膜(6B)を構成する材料からなる膜60Bを、ゲート電極5の上に堆積する。このようにして、導電性膜60Aおよび60Bを形成する(図4D)。
導電性膜(60A、60B)の材料は、導電性があり、電界放出する材料であればよく、好ましくは、2000℃以上の高融点の材料から選択される。また、導電性膜60Aの材料は、5eV以下の低仕事関数材料であり、その酸化物が簡易にエッチング可能な材料で形成されることが好ましい。このような材料として例えば、Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料、或いは炭化物、硼化物、窒化物も使用可能である。工程5において、金属と金属酸化物のエッチング特性の差を利用した、表面酸化膜のエッチング処理を行う場合があるので、導電性膜(60A、60B)の材料は、MoまたはWを用いることが好ましい。
導電性膜(60A、60B)は、蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術により形成される。
(工程5)
続いて、導電性膜(60A、60B)に対してエッチング処理(第3エッチング処理)を行う。第3エッチング処理は導電性膜(60A、60B)の膜厚方向におけるエッチング処理を主眼とした処理である。
続いて、導電性膜(60A、60B)に対してエッチング処理(第3エッチング処理)を行う。第3エッチング処理は導電性膜(60A、60B)の膜厚方向におけるエッチング処理を主眼とした処理である。
工程5により、工程4で接触していた導電性膜60Aと導電性膜60Bとの間に間隙8が形成される。また、導電性膜60Aの端部(突起部100)の先鋭化を行うことができる。また、凹部内に付着している余計な導電材料(導電性膜(60A、60B)を構成する材料)を除去することができる。これらの結果、導電性膜6Aと導電性膜6Bとが形成される(図4E、図4F)。
前述したように、本発明においては効率良く電子を取り出すため、突起部100が最適な形状(図3B参照)になるように、蒸着の角度と成膜時間、形成時の温度および形成時の真空度を制御する。具体的には、凹部7への突起部100の入り込み量xは、10nm〜60nm、更に好ましくは、20nm〜30nmとする。また、第1絶縁層3の上面と突起部100の第1斜面100Aとの間の角度(図3Bのθ1)は90度より大きく180度より小さくする。また、第1絶縁層3の上面(基板1の表面)と第2斜面100Bとの間の角度(図3Bのθ2)は90度より小さく、さらに好ましくは80度以下60度以上となるようにする。エミッタである突起部100の形状(入り込み量x、角度θ1、θ2)を上記の範囲に設定することで、機械的な強度を維持しつつ、突起部100の先端の曲率半径rを十分小さくでき、高い電子放出効率を実現することができる。
ここで突起部100をより好ましい形状とするために、上記第3エッチング処理に加えて、ドライエッチングを行うことが好ましい。
(工程6)
導電性膜6Aに電子を供給するためのカソード電極2を形成する(図4G)。この工程は、他の工程の前や後に変更することもできる。尚、カソード電極2を用いずに、カソード電極2の機能を導電性膜(カソード)6Aが兼ねることもできる。その場合には、工程6は省略できる。
導電性膜6Aに電子を供給するためのカソード電極2を形成する(図4G)。この工程は、他の工程の前や後に変更することもできる。尚、カソード電極2を用いずに、カソード電極2の機能を導電性膜(カソード)6Aが兼ねることもできる。その場合には、工程6は省略できる。
カソード電極2は、前記ゲート電極5と同様に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成することができる。カ
ソード電極2の材料は、ゲート電極5と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。カソード電極2の厚さとしては、数十nmから数μmの範囲で設定され、好ましくは数百nmから数μmの範囲で選択される。
ソード電極2の材料は、ゲート電極5と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。カソード電極2の厚さとしては、数十nmから数μmの範囲で設定され、好ましくは数百nmから数μmの範囲で選択される。
基本的には、以上の(工程1)〜(工程6)により、図3A、図3Bに示した電子放出素子を形成することができる。
尚、上記工程5における第3エッチング処理により、導電性膜6Aの第1絶縁層3の側面に位置する部分があまりに高抵抗になる場合や、そのほとんどが除去されてしまう場合などがある(図5A)。そこで、以下の工程7を更に行うことができる。
(工程7)
上記工程5又は工程6の後に、少なくとも第1絶縁層3の側面上(側面に導電性膜6Aが残っていればその上)に導電性材料を堆積させて、被膜9Aを形成する。被膜9Aを構成する材料は導電性膜6Aと同じ材料で形成しても良いし、別材料で形成しても良い(図5B)。この工程では、同時に、導電性膜6B上にも被膜9Bを設ける場合もある。
上記工程5又は工程6の後に、少なくとも第1絶縁層3の側面上(側面に導電性膜6Aが残っていればその上)に導電性材料を堆積させて、被膜9Aを形成する。被膜9Aを構成する材料は導電性膜6Aと同じ材料で形成しても良いし、別材料で形成しても良い(図5B)。この工程では、同時に、導電性膜6B上にも被膜9Bを設ける場合もある。
被膜9Aとして低仕事関数材料の膜を用いる場合には、上述したように、第1絶縁層3の斜面上に設けることに加え、少なくとも突起部100の先端を被膜9Aで覆う。低仕事関数材料の膜としては、導電性膜6Aよりも低仕事関数の材料からなる膜であれば良い。例えばn型ダイヤモンド膜や、窒素ドープしたテトラヘデラルアモルファスカーボン(ta−C)膜や、酸化イットリウム膜などを好適に用いることができる。
(画像表示装置の構成)
以下、上記電子放出素子を複数配して得られる電子源を備えた画像表示装置について、図9〜図10を用いて説明する。
以下、上記電子放出素子を複数配して得られる電子源を備えた画像表示装置について、図9〜図10を用いて説明する。
図9において、61は基板、62はX方向配線、63はY方向配線であり、また、64は上記した電子放出素子、65は結線である。尚、X方向配線62は、上述のカソード電極2を共通に接続する配線であり、Y方向配線63は上述のゲート電極5を共通に接続する配線である。
m本のX方向配線62は、DX1,DX2,…DXmからなり、真空蒸着法,印刷法,スパッタ法等を用いて形成された金属等の導電性材料で構成することができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。
Y方向配線63は、DY1,DY2,…DYnのn本の配線よりなり、X方向配線62と同様に形成される。これらm本のX方向配線62とn本のY方向配線63との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している(m,nは、共に正の整数)。
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法,印刷法,スパッタ法等を用いて形成される。例えば、X方向配線62を形成した基板61の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、X方向配線62とY方向配線63の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が、適宜設定される。X方向配線62とY方向配線63は、それぞれ外部端子として引き出されている。
配線62と配線63を構成する材料、結線65を構成する材料及びカソード、ゲートを構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。
X方向配線62には、X方向に配列した電子放出素子64の行を選択するための走査信号を印加するための不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Y方向配線63には、入力信号に応じて、角列の電子放出素子64に供給する変調信号を生成するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択して、独立に駆動可能とすることができる。
このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置について、図10を用いて説明する。図10は画像表示装置の画像表示パネル77の一例を示す模式図である。
図10において、61は電子放出素子を複数配した基板、71は基板61を固定したリアプレートである。また、76は、ガラス基板73の内面に、アノードであるメタルバック75と、発光体の膜74としての蛍光体膜等が形成されたフェースプレートである。
また、72は支持枠であり、この支持枠72には、リアプレート71、フェースプレート76がフリットガラス等の接合材を用いて封着(接合)されている。77は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素中で、400〜500度の温度範囲で10分以上焼成することで、封着して構成される。
また、64は、図1Aにおける電子放出素子に相当するものであり、62,63は、電子放出素子のカソード電極2、ゲート電極5とそれぞれ接続されたX方向配線及びY方向配線である。図10では電子放出素子64と配線62、63との位置関係は模式的に示されている。実際には、配線62と配線63との交差部の脇の基板上に電子放出素子64が配置されている。
画像表示パネル77は、上述の如く、フェースプレート76、支持枠72、リアプレート71で構成される。ここで、リアプレート71は主に基板61の強度を補強する目的で設けられるため、基板61自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート71は不要とすることができる。
即ち、基板61に直接支持枠72を封着するとともに、支持枠とフェースプレート76とを封着して外囲器77を構成しても良い。一方、フェースプレート76とリアプレート71との間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ画像表示パネル77を構成することもできる。
表示パネル77は、端子Dox1乃至Doxm、端子Doy1乃至Doyn、及び高圧端子Hvを介して外部の電気回路(不図示)と接続している。
端子Dox1乃至Doxmには、表示パネル77内に設けられている電子源、即ち、M行N列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を一行(N素子)ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。
一方、端子Doy1乃至Doynには、走査信号により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加される。
高圧端子Hvには、直流電圧源Va(不図示)より、例えば10[kV]の直流電圧が供給される。
上述のように走査信号、変調信号、及びアノードへの高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体へと照射することによって、画像表示を実現することができる。
<実施例>
以下、上記実施の形態に基づいた、より具体的な実施例について説明する。
以下、上記実施の形態に基づいた、より具体的な実施例について説明する。
(実施例1)
図4A〜図4Fを参照して、本実施例に係る電子放出素子の製造方法を説明する。
図4A〜図4Fを参照して、本実施例に係る電子放出素子の製造方法を説明する。
基板1は高歪点低ナトリウムガラス(旭硝子(株)製PD200)を用いている。
まず最初に、図4Aに示すように基板1上に絶縁層30、40と、導電層50を積層する。
絶縁層30は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜であり、窒化シリコン(Si3N4)膜をスパッタ法にて形成し、その厚さとしては、500nmとした。
絶縁層40は、加工性に優れる材料からなる絶縁性の膜である酸化シリコン(SiO2)であり、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
導電層50は窒化タンタル(TaN)膜で構成し、スパッタ法にて形成し、その厚さとしては、30nmとした。
次に、図4Bに示すように、フォトリソグラフィー技術により導電層50上にレジストパターンを形成したのち、ドライエッチング手法を用いて導電層50、絶縁層40、絶縁層30を順に加工する。この第1エッチング処理により、導電層50はパターニングされてゲート電極5となり、絶縁層30はパターニングされて第1絶縁層3となる。
この時の加工ガスとしては、絶縁層30、40及び導電層50にはCF4系のガスを用いた。このガスを用いてRIEを行った結果、絶縁層30,絶縁層40,及びゲート電極5のエッチング後の側面の角度は基板の表面(水平面)に対しておよそ80°の角度で形成されていた。
レジストを剥離した後、図4Cに示すようにBHF(ステラケミファ(株)製 高純度バッファードフッ酸LAL100)を用いて、凹部7の深さが約100nmになるように、絶縁層40をエッチングした。この第2エッチング処理により、絶縁層3,4からなる段差形成部材10に凹部7を形成した。
図4Dに示すようにモリブデン(Mo)を、第1絶縁層3の斜面上と上面(凹部の内表面)上、及びゲート電極5上に付着させ、導電性膜60Aと導電性膜60Bを同時に成膜した。この時、図4Dに示す様に、導電性膜60Aと導電性膜60Bとが接触するように成膜した。
本実施例では成膜方法としてスパッタ法を用いた。基板1の表面の角度をスパッタターゲットに対して水平になるようにセットした。ここではスパッタ粒子が限られた角度(具体的には、スパッタ粒子の入射方向と基板1の表面の法線とのなす角度が、0±10°の
範囲)で基板1の表面に入射されるよう、基板1とターゲットの間に遮蔽板を設けた。更に、アルゴンプラズマをパワー3kW、真空度0.1Paで生成し、基板1とMoターゲットとの距離を60mm以下(0.1Paでの平均自由行程)になるように基板1を設置した。そして、絶縁層3の斜面上のMoの厚さが60nmになるように10nm/minの蒸着速度で形成した。
範囲)で基板1の表面に入射されるよう、基板1とターゲットの間に遮蔽板を設けた。更に、アルゴンプラズマをパワー3kW、真空度0.1Paで生成し、基板1とMoターゲットとの距離を60mm以下(0.1Paでの平均自由行程)になるように基板1を設置した。そして、絶縁層3の斜面上のMoの厚さが60nmになるように10nm/minの蒸着速度で形成した。
このとき、凹部7内への導電性膜の入り込み量(図3Bにおける距離x)が35nm、凹部7の内表面(絶縁層3の上面)と突起部との間の角度(図3Bにおけるθ1)が110°となるように導電性膜60Aを形成した。
TEM(透過電子顕微鏡)観察とEELS(電子エネルギー損失分光)分析を行った。その結果をもとに、Moの膜密度を算出したところ、膜密度の大きい部分(図6の6A1および6B1に相当)は10.0g/cm3、小さい部分(図6の6A2および6B2に相当)は7.8g/cm3であった。
次に、図7A〜図7Cに示す様に、Moからなる導電性膜60Aと導電性膜60Bを、複数に分割するパターニング処理を行った。
ここでは、導電性膜6A1〜6A4の幅W(図7C)が3μmのライン&スペース、またライン&スペースを合計した形成幅が100μmになるようにフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成した。その後、ドライエッチング手法を用いて短冊化された導電性膜6A1〜6A4及び導電性膜6B1〜6B4を形成した。この時の加工ガスとしては、モリブデンはフッ化物を作る材料であるので、CF4系のガスが用いられた。
但し、この段階では、図4Dに示す様に短冊化された導電性膜60A(導電性膜6A1〜6A4)と導電性膜60B(導電性膜6B1〜6B4)はそれぞれ接触している。
次に、電子放出部となる間隙を形成する為に、図4Eに示す様に、短冊化した導電性膜60A(導電性膜6A1〜6A4)と導電性膜60B(導電性膜6B1〜6B4)に対してエッチング処理(第3エッチング処理)を行った。
ここでのエッチング処理は、Moからなる導電性膜60A(導電性膜6A1〜6A4)と導電性膜60B(導電性膜6B1〜6B4)の表面を酸化する工程と、酸化した表面を除去する工程が含まれている。
具体的には、Moを酸化する方法としてはエキシマUV(波長:172nm、照度:18mw/cm2)露光装置を使用して、大気下で350mJ/cm2照射した。この条件で、膜密度の小さい斜面では3nm程度、膜密度の大きい部分では1〜2nm程度の膜厚で導電性膜60A(導電性膜6A1〜6A4)と導電性膜60B(導電性膜6B1〜6B4)の表面に酸化層が形成された。続いて温水(45℃)に5分間浸漬させて酸化モリブデン層を除去した。このエキシマUVによる酸化(350mJ/cm2照射)と温水(45℃、5分間浸漬)による酸化膜除去の工程を1サイクルとして、これを3サイクル行った。
この工程で、導電性膜60A(導電性膜6A1〜6A4)と導電性膜60B(導電性膜6B1〜6B4)が分割され、かつ図6で示したMoの膜密度の差によりエッチングレートが異なる事により、導電性膜60A(導電性膜6A〜6A4)の端部が突起状に形成された(図4E)。
続いて、ドライエッチングにより導電性膜60Aの突起部の先端形状を先鋭化する処理
を行なった。ここではCF4/40sccm、Ar/160sccmの混合ガスを用いて装置内の圧力を4Paとし、400wのパワーを導入し、90秒間処理する事により、突起部100を好ましい形状とした(図4F)。この処理により、突起部100の第2斜面100Bの角度(図3Bのθ2)を90度よりも小さくすることができる。上記処理時間、パワー、混合比を変化させることで、θ2を制御することができる。尚、ここではドライエッチングを用いて、θ2を90度よりも小さくしたが、非エッチング部分(エッチングせずに残す部分)にマスクを施した後にウエットエッチング処理を行うことでによってθ2を90度よりも小さくすることもできる。
を行なった。ここではCF4/40sccm、Ar/160sccmの混合ガスを用いて装置内の圧力を4Paとし、400wのパワーを導入し、90秒間処理する事により、突起部100を好ましい形状とした(図4F)。この処理により、突起部100の第2斜面100Bの角度(図3Bのθ2)を90度よりも小さくすることができる。上記処理時間、パワー、混合比を変化させることで、θ2を制御することができる。尚、ここではドライエッチングを用いて、θ2を90度よりも小さくしたが、非エッチング部分(エッチングせずに残す部分)にマスクを施した後にウエットエッチング処理を行うことでによってθ2を90度よりも小さくすることもできる。
断面TEMによる解析の結果、図4Fのように、電子放出部となる導電性膜6A(導電性膜6A1〜6A4)の各突起部100とゲート電極5との間の最短距離8が平均的に20nmとなっていた。また、各突起部100の第2斜面100Bの角度(図3Bのθ2)は、75度であった。
次に図4Gに示すように、電極2を形成した。電極2には銅(Cu)を用いた。その作成方法としてはスパッタ法を用い、その厚さは、500nmであった。
以上の方法で電子放出素子を形成した後、図2に示した構成で電子放出素子の特性を評価した。
ここで、特性の評価では、ゲート電極5(及び導電性膜6B1〜6B4)の電位を30Vとし、導電性膜6A1〜6A4の電位を電極2を介して0Vに規定した。これによって、ゲート電極5と導電性膜6A1〜6A4との間に30Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは6μAであり、平均18%の電子放出効率が得られる電子放出素子が得られた。
この電子放出素子を用いた画像表示装置では、電子ビームの成形性に優れた表示装置を提供できる。また、表示画像の良好な表示装置を実現できるとともに、効率向上に伴う、低消費電力な画像表示装置が提供できる。
(比較例)
比較の為に、実施例1の電子放出素子に対して、電子放出部である突起部の形状のみを変更する目的で、図8に示したθ2が約90度(90度よりも若干大きい角度)である電子放出素子を作成した。
比較の為に、実施例1の電子放出素子に対して、電子放出部である突起部の形状のみを変更する目的で、図8に示したθ2が約90度(90度よりも若干大きい角度)である電子放出素子を作成した。
実施例1と同様な製法で、導電性膜6Aおよび6Bの成膜時に、実施例1で用いていた遮蔽版を取り除いて、スパッタ粒子の入射角度に分布をもたせた(これにより図6で示したMoの各所の膜密度差が小さくなり、導電性膜6Aの突起形状を作成するエッチングの際に各所のエッチングレートに差が生じるのが抑制される)。また、実施例1で行った、エキシマUVによる酸化と温水による酸化膜除去の工程後のドライエッチングは本比較例では行わなかった。その他は実施例1と同様な工程により、電子放出素子を得た。
断面TEMによる解析の結果、図8の電子放出部となる導電性膜6A(導電性膜6A1〜6A4)の各突起部110とゲート電極5との間の最短距離8が実施例1の電子放出素子と同等で平均的に20nmであった。しかし、突起部110の第2斜面110Bの角度θ2は約90度であった。
図2に示した構成でこの電子放出素子の特性を評価した。ゲート電極5(及び導電性膜6B1〜6B4)の電位を30Vとし、導電性膜6A1〜6A4の電位をカソード電極2を介して0Vに規定した。これによって、ゲート電極5と導電性膜6A1〜6A4との間
に30Vの駆動電圧を印加したところ、電子放出電流Ieはほとんど観測されなかった。そこで、電圧を35Vとした結果、得られた電子放出電流は6μAであったが、電子放出効率は平均3%となった。
に30Vの駆動電圧を印加したところ、電子放出電流Ieはほとんど観測されなかった。そこで、電圧を35Vとした結果、得られた電子放出電流は6μAであったが、電子放出効率は平均3%となった。
実施例1の電子放出素子に比較し、図8のθ2の角度が大きくなった事で導電性膜6Aの突起部110の先端の電界集中度が減少し、先端以外の場所から電子放出が生じたと考えられる。おそらくは、突起部110の第1斜面110Aとゲート電極5の距離が最短となる箇所から電子放出が生じた結果、アノード電極に到達せずに、ゲート電極5に吸収される電子が増えてしまったことが原因と考えられる。
(実施例2)
本実施例で作成した電子放出素子の基本的な作成方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
本実施例で作成した電子放出素子の基本的な作成方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
本実施例では、導電性膜6Aと導電性膜6Bの分割処理を行わず、図1Aに示すように、1つの導電性膜6A、6Bを形成した。ここで導電性膜の幅は100μmとなるようにした。それ以外の工程は実施例1とまったく同様として電子放出素子を作成し、図2に示した構成で特性を評価した。ここで特性の評価は、ゲート電極5(及び導電性膜6B)の電位を33Vとし、導電性膜6Aの電位を電極2を介して0Vに規定した。これによって、ゲート電極5と導電性膜6Aとの間に33Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは12μAであり、平均17%の電子放出効率が得られる電子放出素子が得られた。
(実施例3)
本実施例で作成した電子放出素子の基本的な作製方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
本実施例で作成した電子放出素子の基本的な作製方法は実施例1と同様であるので、ここでは実施例1との違いだけ述べる。
実施例1と同様の製造方法で第3エッチング処理までを実施した。但し、本実施例では酸化工程と除去工程との繰り返しを、実施例1では3サイクルであったのを、6サイクルに変更した。この結果、導電性膜6A(導電性膜6A1〜6A4)の突起部の先鋭化は実施例1に比べて更に促進した。一方で、導電性膜6A1〜6A4と導電性膜6B1〜6B4との間の間隙は25nmまで拡がり、第1絶縁層3の斜面上のMoはほとんど除去されていた(図5A)。
次いで、図5Bに示した様に、導電性膜6A1〜6A4と導電性膜6B1〜6B4の上と、第1絶縁層3の斜面上に、導電性の被膜(9A、9B)を形成した。ここでは、被膜は、n型ダイヤモンド膜(9A、9B)をCVD法によって形成した。このとき、素子部のみが開口したメタルマスクを用いてn型ダイヤモンド膜(9A、9B)を堆積させた。尚、n型ダイヤモンド膜(9A、9B)の厚さは10nmになるように成膜した。尚、本実施例の形態の場合には、突起部上のn型ダイヤモンド膜(9A、9B)から電子が放出される。
断面TEMによる解析の結果、図5Bにおける電子放出部となる突起部上のn型ダイヤモンド膜9Aとゲート電極5との間の最短距離8が平均的に15nmとなっていた。
次いで、実施例1と同様に電極2としてCuを形成した。
以上の方法で電子放出素子を形成した後、図2に示した構成で電子放出素子の特性を評価した。
ここで、特性の評価では、ゲート電極5(及び導電性膜6B1〜6B4及びn型ダイヤモンド膜9B)の電位を26Vとし、n型ダイヤモンド膜9Aの電位を電極2を介して0Vに規定した。これによって、ゲート電極5とn型ダイヤモンド膜9Aの間に26Vの駆動電圧を印加した。その結果、平均の電子放出電流Ieは7μAであり、平均18%の効率が得られる電子放出素子が得られた。また、本実施例の電子放出素子は、実施例1の電子放出素子よりも安定な電子放出を長期に渡って維持することができた。
2 カソード電極
3 第1絶縁層
4 第2絶縁層
5 ゲート電極
6A 導電性膜
7 凹部
9A 被膜
20 アノード電極
100 突起部(エミッタ)
100A 第1斜面
100B 第2斜面
3 第1絶縁層
4 第2絶縁層
5 ゲート電極
6A 導電性膜
7 凹部
9A 被膜
20 アノード電極
100 突起部(エミッタ)
100A 第1斜面
100B 第2斜面
Claims (5)
- 側面を有する絶縁層と、
前記絶縁層の前記側面に形成された凹部と、
前記凹部の上方に配置されたゲート電極と、
前記凹部の下側のへりに配置され、前記凹部側の第1斜面と前記凹部とは反対側の第2斜面を有するくさび形のエミッタと、を備え、
前記エミッタの前記第1斜面の下端は前記凹部内に入り込んでおり、
前記エミッタの第1斜面と前記第2斜面はともに前記凹部の外側に傾いている
ことを特徴とする電子放出素子。 - 前記エミッタの先端が、前記ゲート電極の側端より水平方向外側に突き出していることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
- 前記エミッタが、前記エミッタの材料よりも低い仕事関数の膜で覆われていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子放出素子。
- 複数の前記エミッタを有することを特徴とする請求項1〜3のうちいずれかに記載の電子放出素子。
- 複数の電子放出素子と、前記複数の電子放出素子から放出された電子により発光する発光体と、を備える画像表示装置であって、
前記複数の電子放出素子のそれぞれが、請求項1〜4のうちいずれかに記載の電子放出素子であることを特徴とする画像表示装置。
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