JP3535871B2 - 電子放出素子、電子源、画像表示装置及び電子放出素子の製造方法 - Google Patents
電子放出素子、電子源、画像表示装置及び電子放出素子の製造方法Info
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Description
た電子放出素子、該電子放出素子を多数配置してなる電
子源、該電子源を用いて構成した画像表示装置に関す
る。
光体を用いた画像表示装置に適用する場合には、蛍光体
を十分な輝度で発光させるのに十分な放出電流を実現す
ることが電子放出素子には求められる。また、画像表示
装置(ディスプレイ)の高精細化のためには蛍光体に照
射される電子ビームの径が小さい事が要求される。さら
には、装置自体が製造し易いという事が重要である。
は、電界放出型(以下、「FE型」と称する)や、表面
伝導型電子放出素子等がある。
待されている。しかしながら、スピントタイプの電子放
出素子は製造工程が複雑な上、電子ビームが発散しやす
い。そのため、電子ビームの広がりを防ぐために、電子
放出部上方に収束電極を配置する必要がある。
がらない電子放出素子の例として、たとえば、特許文献
1、特許文献2、特許文献3などに開示されたものがあ
る。これらの電子放出素子は、孔内に配置した平坦な薄
膜(電子放出膜)から電子放出を行なわせるものであ
る。そのため、電子放出膜上に比較的平坦な等電位面が
形成され電子ビームの広がりが小さくなると共に、比較
的に簡易に製造できる。また、電子放出膜を構成する物
質として低仕事関数の材料を使用することで、電子放出
に必要な駆動電圧の低減を図ることができる。さらに、
電子放出が面状で行われる(スピント型は点状で行われ
る)ために、電界の集中を緩和することができる。その
ため、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。こ
のような平坦な電子放出膜として炭素系電子放出膜が提
案されている。カーボン膜を用いた電子放出素子は、例
えば、非特許文献1などに開示されている。また各種金
属をカーボン膜に入れた例が非特許文献2や、非特許文
献3や、非特許文献4や、非特許文献5や、特許文献4
や、特許文献5などに開示されている。
用いた電子放出膜はいろいろと検討されており、例え
ば、非特許文献6や、非特許文献7や、特許文献6など
に開示されている。さらには、特許文献7のように導電
性材料を絶縁性材料の細孔中に入れるものや、特許文献
8のように、セラミックスと金属とのサーメットにおい
て、金属から絶縁層に電子を注入させ電子放出させると
いうような報告がある。
ron field emission as a f
unction of film thickness
from amorphous carbon fil
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示装置として応用した例を図19に示す。ゲート電極層
1002のラインとカソード電極層1004のラインが
マトリクス状に基板1001上に配列され、両ラインの
交差部に電子放出素子1014が配置され、情報信号に
応じて、選択された交差部にある電子放出素子1014
から電子が放出され、アノード1012の電圧により加
速されて蛍光体1013に入射する。このような装置
は、いわゆる3極デバイスである。尚、1003は絶縁
層である。
出素子で考えた場合には、(1)電子ビーム径が小さい
こと、(2)電子放出面積が大きいこと、(3)電子放
出点密度(ESD(Emission site de
nsity))が多く電流密度が大きいこと、(4)低
電圧で高効率な電子放出が可能であること、(5)製造
プロセスが容易であること、の各要件を同時に満たすこ
とが求められる。
を用いた素子では、必ずしも上記各要件を同時に満足の
できる状態で実現できていない。
解決するためになされたもので、その目的とするところ
は、電子ビーム径が小さく、電子放出面積が大きく、低
電圧で高効率な電子放出が可能で、製造プロセスが容易
な電界放出型の電子放出素子、電子源、及び画像表示装
置を提供することにある。
に成された本発明の構成は、以下の通りである。
ード電極上に配置された層とを有しており、前記層内に
は、隣り合う少なくとも2つの粒子で構成された粒子群
が離散的に複数配置されており、前記粒子は、前記層を
構成する材料の抵抗率よりも抵抗率の低い材料を主体と
しており、前記隣り合う少なくとも2つの粒子におい
て、一方の粒子が他方の粒子に比べて前記カソード電極
側に配置されており、かつ、前記隣り合う2つの粒子
が、5nm以下の距離に配置されていることを特徴とす
る電子放出素子を提供する。上記本発明の電子放出素子
においては、前記層は、カーボンを主体とすることが好
ましい。また、前記層は水素を含むことが好ましい。
ド電極に電気的に接続されたカーボンを主体とする層
と、該カーボンを主体とする層中に配置された導電性の
複数の粒子とを有しており、前記カーボンを主体とする
層が、該層中に含まれる炭素に対して0.1atm%以
上20atm%以下の水素を含むことを特徴とする電子
放出素子を提供する。上記本発明の電子放出素子におい
ては、前記カーボンを主体とする層が、炭素に対して1
atm%以上20atm%以下の水素を含むことが好ま
しい。また、前記複数の粒子は、前記層内において複数
の粒子群を形成するように配置されており、各々の前記
粒子群は、前記複数の粒子のうちの隣り合う少なくとも
2つの粒子で構成されており、前記隣り合う少なくとも
2つの粒子において、一方の粒子が他方の粒子よりも前
記カソード電極側に位置していることが好ましい。
の主体の抵抗率が、前記粒子の主体の抵抗率の100倍
以上であることが好ましい。また、前記粒子は、金属を
主体とすることが好ましい。また、前記金属は、Co、
Ni、Feの中から選択された金属であることが好まし
い。また、前記粒子は、単結晶の金属を主体とすること
が好ましい。また、前記カーボンを主体とする層は、s
p 3 結合を有することが好ましい。また、前記隣り合う
2つの粒子の間に、グラフェンが存在することが好まし
い。また、前記粒子は、その平均粒径が、1nm以上1
0nm以下であることが好ましい。また、前記複数の粒
子群は、互いに、前記層の平均膜厚以上離れて配置され
ることが好ましい。また、前記層の平均膜厚が100n
m以下であることが好ましい。また、前記層中における
前記粒子の密度が、1×1014個/cm3以上5×10
18個/cm3以下であることが好ましく、1×1015個
/cm3以上5×1017個/cm3以下であることが特に
好ましい。また、前記層を構成する主元素に対する前記
粒子を構成する主元素の濃度が、0.001atm%以
上1.5atm%以下であることが好ましく、0.05
atm%以上1atm%以下であることが特に好まし
い。また、前記層の表面粗さが、rmsで前記層の膜厚
の1/10より小さいことが好ましい。また、前記層の
表面が水素で終端されてなることが好ましい。
前記層上に配置された第1の開口を有する絶縁膜と、該
絶縁膜上に配置された第2の開口を有するゲート電極と
を有しており、前記第1の開口と前記第2の開口が連通
しており、前記層が前記第1の開口内に露出しているこ
とが好ましい。
数配列したことを特徴とする電子源を提供する。
照射されることで発光する発光部材とを有することを特
徴とする画像表示装置を提供する。
あって、金属を含み、該金属よりも抵抗率の高い材料を
主体とする層を形成する工程と、水素を含む雰囲気中に
て、前記層を加熱して前記金属を粒子化する工程と、を
有することを特徴とする電子放出素子の製造方法を提供
する。
は、前記水素を含む雰囲気は、さらに、炭化水素を含む
ことが好ましい。また、前記炭化水素がアセチレンであ
ることが好ましい。また、前記金属がVIII族元素で
あることが好ましい。また、前記金属がCo、Ni、F
eのいずれかであることが好ましい。また、前記加熱す
る工程における熱処理温度が450℃以上であることが
好ましい。また、前記金属よりも抵抗率の高い材料を主
体とする層が、カーボンを主体とする層であることが好
ましい。また、前記金属は、炭素に対して0.001a
tm%以上5atm%以下の割合で、前記加熱する工程
の前の前記カーボンを主体とする層内に含まれることが
好ましく、0.001atm%以上1.5atm%以下
が特に好ましい。また、前記加熱する工程の前の前記炭
素を主体とする層は、sp3結合を有することが好まし
い。
が高く、且つ安定であり、低電界での電子放出を得るこ
とができると共に、高精細な電子ビームをも得ることが
できる。さらには、そのような電子放出素子を簡易に実
現することもできる。そのため、上記本発明の電子放出
素子を応用した電子源及び画像表示装置においては、高
性能な電子源、画像表示装置を得ることができる。
の好適な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、この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。
断面模式図を示す。図1において、1は基板、2は複数
の粒子3を含む層、3は粒子、5はカソード電極であ
る。カソード電極5と層2との間には、必要に応じて、
抵抗層を配置することが好ましい。
置(画像表示装置も含む)においては、例えば図17に
示すように、一般にはトライオード構造を採用する。ト
ライオード構造においては、一般に、電子放出素子(カ
ソード電極5および電子放出膜2)が配置された基板1
の表面と実質的に平行になるようにアノード電極12を
配置し、さらに、アノード電極12と電子放出素子を構
成する電子放出層2との間にゲート電極(電子引出し電
極)8を配置して駆動される。駆動時にはゲート電極8
にカソード電極5よりも高い電位を印加することで、層
2から、電子が基板1の表面に対して、実質的に垂直方
向に向かって放出される。尚、ここでは3極構造(トラ
イオード構造)の電子放出素子の例を説明したが、図1
7におけるゲート電極8を省いて、アノード電極12
に、層2から電子を引き出すための電位を与えること
で、アノード電極12を電子引出し電極とすることもで
きる。このような構造は、所謂「ダイオード構造」と呼
ばれる。
は、粒子3の抵抗率よりも高く設定される。そのため、
基本的には、層2の主体は誘電体で構成され、粒子3の
主体は導電体で構成される。粒子3の主体の抵抗率の1
00倍以上に層2の主体の抵抗率を設定することで、よ
り低電界で電子放出を行うことができる。
る材料は、詳しくは後述する電界集中だけを考えると誘
電率が小さい材料ほど好ましい。しかし、電子放出材料
として考えると、好ましくは、炭素が用いられる。ま
た、炭素を用いる場合には、層2中にはsp2結合とs
p3結合の双方を有することが好ましい。特にグラファ
イトのミクロな構造(グラフェン)と、sp3結合を含
有するバンド構造とを持つカーボン膜であれば、もとも
と電界集中が少なくても電子放出特性は良好である。そ
のため、上記カーボン膜を層2の主体として用い、さら
に、その層2の中に粒子3を後述する構成に配置するこ
とで、さらなる電界集中の効果を付加することができ、
特に好ましい電子放出特性を実現できる。ただし、前述
したように、層2の抵抗は高く、実質的に絶縁体として
機能することは重要である。そのため、上記カーボン膜
の主体が、例えばダイアモンドライクカーボン(DL
C)等のアモルファスカーボンであると、1×10〜1
×1014Ωcm程度の抵抗率を得ることができ、誘電体
として機能することができるので好ましい。
とが好ましく、具体的には、VIII族元素が好まし
い。さらには層2の主体が炭素である場合には、Ni、
Fe、Coの中から選択された金属であることが好まし
く、特には、Coが好ましい。Ni、Fe、Coと炭素
ではバンド障壁が少ないため、電子注入における障害が
少ない。また、粒子3は、上記金属の単結晶を主体とす
ることがより大きな放出電流密度を実現する上で好まし
い。また、さらにグラファイトのミクロな構造であるグ
ラフェンが粒子3の周り(特には隣り合う粒子の間)に
配置されることで一層の低電界での安定な電子放出が可
能になり、さらに電子放出特性は好ましくなる。また、
上記した粒子の主体としてNi、Fe、Coを用い、層
2の主体として炭素を用いると、後述する「凝集」を使
って本発明の電子放出素子を作成する場合には、層2を
構成する元素である炭素のグラファイト化が低温の熱処
理で成長させやすいため、伝導経路の形成及び前述した
グラファイトのミクロな構造を容易に形成できるので好
ましい。
中に必ずしも均一に分散しているわけではない。図1に
模式的に示したように、複数の粒子3は、ある程度の集
合体(粒子群)10になっており、そして、その集合体
(粒子群)10が層2中において離散的に配置されてい
る。各集合体(粒子群)10間の間隔は、層2の平均膜
厚以上離れていることが好ましい。尚、層2の平均膜厚
は、カソード電極5の表面もしくは基板1の表面を基準
として定義される。離れる間隔(各集合体(粒子群)1
0間の間隔)としては、具体的には、層2の平均膜厚の
1倍以上であり、好ましくは1.5倍以上1000倍以
下である。これ以上の範囲になると、層2中の電子放出
点密度(ESD)が、画像表示装置に要求される電子放
出素子の特性を満たすことが難しくなる。
分に離れることにより、電子放出のための閾値を下げる
ことができる。これは、集合体(粒子群)10同士が離
れることで、各々の集合体(粒子群)10への電界集中
を増大させる効果があるためである。尚、本発明におい
ては、各集合体(粒子群)10間に、集合体10を形成
していない、粒子3が存在する場合もある。
成する複数の粒子は、層2の膜厚方向(カソード電極5
側から層2の表面側に向かう方向)に、実質的に並ぶよ
うに配置されている。このような構成により、各集合体
10に電界を集中させることができる。
粒子3の数に制限はなく、少なくとも2個以上であれば
よい。例えば、層2の膜厚方向に2つの粒子が並んでい
れば、この隣り合う2つの粒子の一方が他方よりもカソ
ード電極5の表面(あるいは層2の表面)に近い位置に
配置されていれば良い。しかし、電子放出のための閾値
をより低くする上で、好ましくは、一方の粒子の中心位
置よりもカソード電極5の表面(あるいは層2の表面)
に近い位置に他方の粒子が配置され、さらには、一方の
粒子と、カソード電極5の表面(あるいは層2の表面)
との間の領域に他方の粒子が配置されることが好まし
い。本発明においては、粒子3は、カソード電極5の表
面(層2の表面)に対して垂直に並んでいることが好ま
しいが、必ずしもそのような配列に限定はされない。
子は、5nm以下の範囲内に配置されることが好まし
い。この範囲を超えると、電子放出のための閾値が極端
に上がり始め、十分な放出電流を得ることも難しくな
る。また、各集合体(粒子群)において、隣り合う粒子
3同士は接触していても良い。粒子3の平均粒径を超え
て間隔があくと電界集中は起こりにくくなるため好まし
くない。また、本発明のように、層2中に含まれる導電
体は粒子状であるため、例え隣り合う粒子同士が接触し
たとしても、隣り合う粒子間の抵抗は高くなる。そのた
め、層2内に存在する、1つ1つの電子放出点におけ
る、放出電流の極端な上昇を抑制することができ、電子
放出を安定に行えると推測される。
に層2中に完全に埋め込まれていることが好ましいが、
一部層2の表面から露出していても良い。そのため、層
2の表面凹凸は、rmsで、層2の平均膜厚の1/10
以下であることが好ましい。この構成であれば層2の表
面粗さに起因する電子ビームの発散を極力抑えることが
できる。また、上記構成によれば、粒子3の表面が真空
中に存在するガスの影響を受けづらいので、安定な電子
放出にも寄与していると推測される。
れば、誘電体の層2中に、導電体の粒子3による伝導経
路が部分的(離散的)に形成されていると推測される。
そのため、表面が平坦なカーボン膜に対して従来必要で
あったコンディショニングのような前処理が不要とな
り、部分的破壊やダメージを受けることなく良好な電子
放出を実現することができる。ただし、単なる伝導経
路、すなわち層2の全体に渡って均一に粒子が分散され
ると、電子放出のための閾値が高くなってしまう。ま
た、各集合体(粒子群)10の間隔が開き過ぎるとディ
スプレイに用いる電子放出素子として必要な電子放出電
流ならびにその電子放出電流を安定に行うために必要な
電子放出点密度を得ることができない。結果、安定な電
子放出および安定な表示画像を得ることができなくなっ
てしまう。このため、層2中の粒子3の密度は、1×1
014個/cm3以上5×1018個/cm3以下であること
が好ましく、さらには、1×1015個/cm3以上5×
1017個/cm3以下であるとより低い電界での電子放
出を実現することができる。また、同様の理由で、前記
層を構成する主元素に対する前記粒子を構成する主元素
の濃度が、0.001atm%以上1.5atm%以下
の範囲が実用範囲であるが、さらには0.05atm%
以上1atm%以下であるとより低い電界での電子放出
を実現することができる。上記範囲を超えると、上述し
たように、電子放出のための閾値が高くなってしまう。
また、印加する駆動電圧が高くなり、結果、放電破壊を
引き起こす場合も生じてしまったり、あるいは十分な電
子放出点密度が得られなくなる。そのため、画像表示装
置に必要な放出電流密度を確保できなくなってしまう。
集合体(粒子群)10が層2中に存在する数を、粒子の
密度の関数として図3に示す。尚、Xは1つの集合体
(粒子群)を構成する粒子数である。
2の膜厚をh、粒子の平均半径をrとすると、膜厚方向
に粒子3が接続する領域(集合体10)の個数Eは2r
P(8r3P)(h/2r-1)/cm2である。図3(A)はr
=2nmの時のグラフであり、図3(B)はr=5nm
の時のグラフである。尚、ここで、rは粒子3の平均粒
径の半分の値を示しており、詳しくは後述するが、粒子
3の平均粒径は1nm以上10nm以下が好ましい。
で、かつ、Eを多く設定するのが好ましい。電界集中の
ために粒子3が2個以上重なり、かつその個数Eが1×
102個/cm2以上好ましくは1×104個/cm2以上
となるには、r=2nmの場合、P=1×1014個/c
m3を満たせば良い。また、Eが1×104個/cm以上
となるには、r=5nmの場合、最低でもP=1×10
14個/cm3を満たせば良い。一方で、Pが5×1018
個/cm3を超えると、粒子3が多すぎて、層2が単な
る導電体となったり、集合体10への電界集中が起こり
にくくなる。そのため、ESDが少なくなり電流密度も
減少し、電子放出特性には好ましくない。
粒子3の大きさを数nmで制御し、層2の膜厚を数十n
mとすると、おおむねPの範囲としては、1×1014個
/cm3≦P≦5×1018個/cm3が好ましい。粒子3
の平均粒径(2r)が1〜10nmであり、粒子3がC
oを主体する場合、上記条件を満たす層2中のCo濃度
は0.001〜1.5atm%となる。
m3≦P≦5×1017個/cm3が好ましい。例えば図3
の例では、各集合体10が粒子が2個以上重なることで
形成される場合、集合体10の個数Eは、1×104個
/cm3以上1×1010個/cm3以下である。
明する。伝導経路の高さをh、電子放出部の半径をrと
すると(2+h/r)倍となる電界集中が生じ、更にそ
の先のミクロな形状により、同様な電界集中因子βの電
界集中が生じ、総合的にはその掛け算(2+h/r)β
なる電界集中がおきる。従って、上述した形態を採用す
ることにより、本発明の電子放出素子においては、より
電子放出のしやすい電子放出膜を構成することができる
と考えられる。
膜厚、粒子3の大きさや形状、電界等の設計にもよる
が、層2の膜厚が100nm以下の薄い膜厚の場合、非
発散ビームを形成する上において重要である。さらに構
造的なストレスも少なく、薄膜プロセスに適している。
粒子3の大きさを大きくして同じ割合で膜厚が厚くなる
と、粒子群10のお互いの距離も遠くなり、単位面積あ
たりの電子放出点の数が少なくなってしまう。100n
m以下の薄い膜厚に対する、粒子3の大きさは数nm
(1nm以上10nm以下)が理想であり、カソード電
極側から前記電子放出膜の表面に向けて数個の粒子が配
列する形態が好ましい。
混入させて、その応力を緩和するのがよい。例えばダイ
アモンドライクカーボン(DLC)のような炭素を主体
とした層2は硬度が硬く、応力も強い。従って,熱処理
を含むプロセス適合性は必ずしも良くない。電子放出膜
としては良質でも電子放出素子としてさらには電子源と
してはプロセス的に不安定な場合には使用できないとい
う課題も有り、水素による応力緩和によりプロセス製造
上で安定な膜が形成できる事も重要である。このため、
層2の主体が炭素である場合には、炭素元素に対して、
0.1atm%以上の水素元素を含ませることで応力緩
和を起こすことができ、特に1atm%以上含ませた際
にはこの緩和が強く、硬度およびヤング率を小さくする
ことができる。但し、炭素元素に対する水素元素の比率
が20atm%を超えると電子放出特性が悪くなり始め
るので、実質的な上限は20atm%である。
スを説明する。ただしこの構造自体は一例であり、特に
限定されないことは言うまでもない。
る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。本発明は
この製造方法に限定されないことは言うまでも無い。特
に、構造の違いによる堆積順序,エッチング方法に関し
ては限定されず、実施例においても別途説明する。
浄した、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、シリコン基板等にスパッタ法等
によりSiO2を積層した積層体、アルミナ等セラミッ
クスの絶縁性基板のうち、いずれか一つを基板1として
用い、基板1上にカソード電極5を積層する。
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。カソード電極5の材料は、例えば、B
e,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、TiC,ZrC,HfC,TaC,
SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,La
B6,CeB6、YB4,GdB4等の硼化物、TiN,Z
rN,HfN等の窒化物、Si,Ge等の半導体、アモ
ルファスカーボン,グラファイト,ダイヤモンドライク
カーボン,ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物
等から適宜選択される。カソード電極5の厚さとして
は、数十nmから数mm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。
カソード電極5上に層2を堆積する。層2は蒸着法、ス
パッタ法、HFCVD(Hot Filament C
VD)法等の一般的真空成膜技術で形成されるが限定さ
れない。層(電子放出膜)2の膜厚としては、数nmか
ら百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。また、本工程は、後述する工
程6の後(開口を有する絶縁層7および開口を有するゲ
ート電極8を形成した後)に、開口9の中に露出したカ
ソード電極5上に、層2を選択的に堆積する場合もあ
る。
ばArを用いるが、例えばAr/H 2を用いると、層2
中に水素を取り入れることができる。rfパワーやガス
圧等のパラメーターは適宜定めればよい。
い、層2の主体として炭素を用いる場合には、例えば、
グラファイトターゲット及びコバルトターゲットを用い
るマルチターゲットを用いる方法や、グラファイトとコ
バルトを混合した1つのターゲットを用いてコバルト含
有量を制御する方法等を適宜選択することができる。
存在するコバルトなどの粒子3の原料を凝集させる工程
を入れることで、前述した粒子3を形成する。ただし、
上記凝集させる工程は、後ほどの工程で行っても良く、
所望の工程で凝集させる工程を行う。熱処理は例えばラ
ンプ加熱により450℃以上で行う。熱処理における雰
囲気は水素を含む雰囲気中で行われるが、水素と炭化水
素ガスとを含む雰囲気中で行われることがプロセスを短
縮する観点においても好ましい。また、炭化水素ガスと
してはアセチレンガスやエチレンガス等が好ましい。水
素とアセチレンガスの混合ガス中での熱処理において
は、層2の表面の平坦性を保ったまま金属(Co)の凝
集反応を加速的に促進することができる。N2雰囲気中
での熱処理では層2の表面の凹凸が大きくなってしま
う。
絶縁層7は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、CV
D法、真空蒸着法で形成され、その厚さとしては、数n
mから数μmの範囲で設定され、好ましくは数十nmか
ら数百nmの範囲から選択される。望ましい材料として
はSiO2,SiN,Al2O3,CaF,アンドープダ
イヤモンドなどの高電界に絶えられる耐圧の高い材料が
望ましい。
極8を堆積する(図4(b))。ゲート電極8は、カソ
ード電極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
技術により形成される。ゲート電極8の材料は、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、TiC,ZrC,HfC,T
aC,SiC,WC等の炭化物、HfB2,ZrB2,L
aB 6,CeB6、YB4,GdB4等の硼化物、TiN,
ZrN,HfN等の窒化物、Si,Ge等の半導体等か
ら適宜選択される。ゲート電極8の厚さとしては、数n
mから数μmの範囲で設定され、好ましくは数nmから
数百nmの範囲で選択される。なお、電極8,5は、同
一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも
異種方法でも良い。
に、フォトリソグラフィー技術により開口パターンのマ
スクを形成し、エッチング処理を行い図4(d)に示す
形態の電子放出素子を形成することができる。ゲート電
極及び絶縁層7のエッチング工程は平滑かつ垂直なエッ
チング面が望ましく、それぞれの材料に応じて、エッチ
ング方法を選択すれば良い。ドライでもウエットでも構
わない。通常、開口9の径W1は素子を構成する材料や
抵抗値、電子放出素子の材料の仕事関数と駆動電圧、必
要とする電子放出ビームの形状により適宜設定される。
通常、W1は数百nmから数十μmの範囲から選択され
る。
7などに示した、基板上に配置した層2の上方に、電子
を引き出すための電極(ゲート電極8など)を配置する
形態に限られるものではない。本発明の電子放出素子
は、図25(D)および図26に示すように、基板1の
表面に電子放出層である層2と、層2から電子を引き出
すための電極(ゲート電極8)とを間隙(空隙)を挟ん
で対向するように配置した形態であってもよい。図25
(D)は、断面模式図であり、図26は、平面模式図で
ある。図25(D)に示した形態の電子放出素子の場合
においても、アノード電極を設ける場合には、図17に
示すように、アノード電極を基板1の上方に配置するこ
とで3端子構造とすることができる。尚、図25、26
においては、ゲート電極8上に層2が残る形態を説明し
たが、ゲート電極8上には、層2が残っている必要は必
ずしもない。
においては、層2の表面が水素で終端される。水素で終
端することで、電子の放出をさらに容易にすることがで
きる。
例について以下に述べる。本発明の電子放出素子の複数
個を基体上に配列し、例えば電子源、あるいは画像表示
装置が構成できる。
のが採用される。一例として、電子放出素子をX方向及
びY方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数
の電子放出素子の電極の一方を、X方向の配線に共通に
接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の
他方を、Y方向の配線に共通に接続した単純マトリクス
配置がある。
複数配して得られる単純マトリクス配置の電子源につい
て、図5を用いて説明する。図5において、91は電子
源基体、92はX方向配線、93はY方向配線である。
94は本発明の電子放出素子である。
2,…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導電性金属等で構成することが
できる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設計される。Y
方向配線93は、Dy1,Dy2,…Dynのn本の配
線よりなり、X方向配線92と同様に形成される。これ
らm本のX方向配線92とn本のY方向配線93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)。
法、スパッタ法等を用いて形成されたSiO2等で構成
される。例えば、X方向配線92を形成した基体91の
全面或いは一部に所望の形状で形成され、特に、X方向
配線92とY方向配線93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92とY方向配線93は、それぞれ外部端子として引
き出されている。
極(即ち、前述の電極5,8)は、m本のX方向配線9
2とn本のY方向配線93と導電性金属等からなる結線
によって電気的に接続されている。
る材料、結線を構成する材料及び一対の素子電極を構成
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。これら材料
は、例えば前述の素子電極(電極5,8)の材料より適
宜選択される。素子電極を構成する材料と配線材料が同
一である場合には、素子電極に接続した配線は素子電極
ということもできる。
子放出素子94の行を、選択するための走査信号を印加
する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93には、Y方向に配列した電子放出素子94
の各列を入力信号に応じて、変調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。
線を用いて、個別の素子を選択し、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6を用い
て説明する。図6は、画像表示装置の表示パネルの一例
を示す模式図である。
配した電子源基体、101は電子源基体91を固定した
リアプレート、106はガラス基体103の内面に画像
形成部材である蛍光体としての蛍光膜104とメタルバ
ック105等が形成されたフェースプレートである。1
02は支持枠であり、支持枠102には、リアプレート
101、フェースプレート106がフリットガラス等を
用いて接続されている。107は外囲器であり、例えば
大気中あるいは、窒素中で、400〜500℃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。
94は、本発明における電子放出素子に相当する。9
2,93は、電子放出素子の一対の電極8,5と接続さ
れたX方向配線及びY方向配線である。
レート106、支持枠102、リアプレート101で構
成される。リアプレート101は主に基体91の強度を
補強する目的で設けられるため、基体91自体で十分な
強度を持つ場合は別体のリアプレート101は不要とす
ることができる。即ち、基体91に直接支持枠102を
封着し、フェースプレート106、支持枠102及び基
体91で外囲器107を構成しても良い。一方、フェー
スプレート106、リアプレート101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外囲器107を構成する
こともできる。
表示装置では、放出した電子軌道を考慮して電子放出素
子94上部に蛍光体(蛍光膜104)をアライメントし
て配置する。本発明においては、電子放出素子94の直
上に電子ビームが到達するため、電子放出素子94の直
上に蛍光膜104が配置されるように、位置あわせされ
て構成される。
を封止する真空封止工程について説明する。
を加熱して、80〜250℃に保持しながら、イオンポ
ンプ、ソープションポンプなどの排気装置により排気管
(不図示)を通じて排気し、有機物質の十分少ない雰囲
気にした後、排気管をバーナーで熱して溶解させて封じ
きる。外囲器107の封止後の圧力を維持するために、
ゲッター処理を行なうこともできる。これは、外囲器1
07の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱ある
いは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器107内
の所定の位置(不図示)に配置されたゲッターを加熱
し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ba
等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、外囲器
107内の雰囲気を維持するものである。
クス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置は、各
電子放出素子に、容器外端子Dox1〜Doxm、Do
y1〜Doynを介して電圧を印加することにより、電
子放出が生ずる。また、高圧端子113を介してメタル
バック105、あるいは透明電極(不図示)に高圧Va
を印加し、電子ビームを加速する。加速された電子は、
蛍光膜104に衝突し、発光が生じて画像が形成され
る。
て構成した表示パネルに、NTSC方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図7を用いて説明する。図7において、12
1は画像表示パネル、122は走査回路、123は制御
回路、124はシフトレジスタである。125はライン
メモリ、126は同期信号分離回路、127は変調信号
発生器、VxおよびVaは直流電圧源である。
oxm、端子Doy1乃至Doyn、及び高圧端子Hv
を介して外部の電気回路と接続している。端子Dox1
乃至Doxmには、表示パネル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。
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より、例えば10k
[V]の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子
から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分
なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
は、内部にM個のスイッチング素子を備えたもので(図
中,S1ないしSmで模式的に示している)ある。各ス
イッチング素子は、直流電圧源Vxの出力電圧もしくは
0[V](グランドレベル)のいずれか一方を選択し、
表示パネル121の端子Dox1ないしDoxmと電気
的に接続される。S1乃至Smの各スイッチング素子
は、制御回路123が出力する制御信号Tscanに基
づいて動作するものであり、例えばFETのようなスイ
ッチング素子を組み合わせることにより構成することが
できる。
素子の特性(電子放出しきい値電圧)に基づき走査され
ていない素子に印加される駆動電圧が電子放出しきい値
電圧以下となるような一定電圧を出力するよう設定され
ている。
信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動
作を整合させる機能を有する。制御回路123は、同期
信号分離回路126より送られる同期信号Tsyncに
基づいて、各部に対してTscanおよびTsftおよ
びTmryの各制御信号を発生する。
されるNTSC方式のテレビ信号から同期信号成分と輝
度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分
離(フィルター)回路等を用いて構成できる。同期信号
分離回路126により分離された同期信号は、垂直同期
信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上
Tsync信号として図示した。前記テレビ信号から分
離された画像の輝度信号成分は便宜上DATA信号と表
した。該DATA信号はシフトレジスタ124に入力さ
れる。
アルに入力される前記DATA信号を、画像の1ライン
毎にシリアル/パラレル変換するためのもので、前記制
御回路123より送られる制御信号Tsftに基づいて
動作する(即ち、制御信号Tsftは、シフトレジスタ
124のシフトクロックであるということもでき
る。)。シリアル/パラレル変換された画像1ライン分
(電子放出素子N素子分の駆動データに相当)のデータ
は、Id1乃至IdnのN個の並列信号として前記シフ
トレジスタ124より出力される。
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路123より送られる制御信号Tmryに従
って適宜Id1乃至Idnの内容を記憶する。記憶され
た内容は、I’d1乃至I’dnとして出力され、変調
信号発生器127に入力される。
d1乃至I’dnの各々に応じて電子放出素子の各々を
適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号
は、端子Doy1乃至Doynを通じて表示パネル12
1内の電子放出素子に印加される。
して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には
明確なしきい値電圧Vthがあり、Vth以上の電圧を
印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値
以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じ
て放出電流も変化する。このことから、本素子に電圧を
印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加し
ても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を
印加する場合には電子ビームが出力される。その際、印
加電圧Vfを変化させる事により出力電子ビームの強度
を制御することが可能である。また、本素子にパルス電
圧を印加する場合、パルスの高さPhを変化させる事に
より電子ビーム強度を、パルスの幅Pwを変化させるこ
とにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する
事が可能である。
を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調
方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器127として、一定長さの電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波
高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いること
ができる。
変調信号発生器127として、一定の波高値の電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルス
の幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いる
ことができる。
5は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のもの
をも採用できる。画像信号のシリアル/パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。
号分離回路126の出力信号DATAをデジタル信号化
する必要があるが、これには126の出力部にA/D変
換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ12
5の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かにより、
変調信号発生器127に用いられる回路が若干異なった
ものとなる。即ち、デジタル信号を用いた電圧変調方式
の場合、変調信号発生器127には、例えばD/A変換
回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パ
ルス幅変調方式の場合、変調信号発生器127には、例
えば高速の発振器および発振器の出力する波数を計数す
る計数器(カウンタ)及び計数器の出力値と前記メモリ
の出力値を比較する比較器(コンパレータ)を組み合せ
た回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパル
ス幅変調された変調信号を電子放出素子の駆動電圧にま
で電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
合、変調信号発生器127には、例えばオペアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式
の場合には、例えば、電圧制御型発振回路(VCO)を
採用でき、必要に応じて電子放出素子の駆動電圧まで電
圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Dox1乃至Doxm、Doy1乃至Doynを
介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。
高圧端子Hvを介してメタルバック105、あるいは透
明電極(不図示)に高圧を印加し、電子ビームを加速す
る。加速された電子は、蛍光膜に衝突し、発光が生じて
画像が形成される。
明を適用可能な画像表示装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついては、NTSC方式を挙げたが入力信号はこれに限
られるものではなく、PAL,SECAM方式など他、
これよりも、多数の走査線からなるTV信号(例えば、
MUSE方式をはじめとする高品位TV)方式をも採用
できる。
送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等
の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光
プリンターとしての画像表示装置等としても用いること
ができる。
放出素子の製造工程を図8を用いて詳細に説明する。
った後、スパッタ法によりカソード電極5として厚さ5
00nmのTaを成膜した(図8(a))。
02%の炭素膜2をカソード電極5上に12nm程度堆
積した(図8(b))。雰囲気ガスはArを用いた。条
件を以下に示す。 rf電源 :13.56MHz rfパワー:400W ガス圧 :267mPa 基板温度 :300℃ ターゲット:グラファイト及びニッケルの混合ターゲッ
ト
0分間ランプ加熱で熱処理を行った。すると図8(c)
に示すように、ニッケルが凝集しニッケルを中心とした
粒子3が多数形成された。金属粒子の集合体(粒子群)
10は図8(c)のように、炭素膜2の膜厚以上離れて
存在している。熱処理によって形成したニッケル粒の濃
度Pは、TEM観察によりP=1×1016個/cm3で
あった。
出特性を測定した。本実施例で作成した電子放出素子を
カソードにして1mm離して電子放出素子と平行なアノ
ード(面積は1mm2)に電圧を印加した。このときの
電圧電流特性を図10に示す。尚、横軸は電界強度、縦
軸は放出電流密度である。
な放電もなく、即ちコンディショニングのない良好な電
子放出特性が確認できた。
放出素子の製造工程を図9を用いて詳細に説明する。
った後、スパッタ法によりカソード電極5として厚さ5
00nmのTaを成膜した(図9(a))。
3%、水素濃度1%の炭素膜2をカソード電極5上に1
2nm程度堆積した(図9(b))。雰囲気ガスはAr
とH 2ガスを1:1の混合ガスを用いた。条件を以下に
示す。 rf電源 :13.56MHz グラファイトrfパワー:1kW コバルトrfパワー :10W ガス圧 :267mPa 基板温度 :300℃ ターゲット :グラファイト及びコバルト
中で基板を600℃60分間ランプ加熱で熱処理を行っ
た。実施例1で示した水素雰囲気の時よりも反応は速
く、コバルトが凝集し結晶構造のコバルト粒3が形成さ
れた(図9(c))。このとき凝集したコバルト粒3以
外のところではEDAX測定においてコバルトは検出限
界以下であった。熱処理によって形成したコバルト粒の
濃度は、TEM観察によりP=1×1017個/cm3で
あった。
出特性を測定した。本実施例で作成した電子放出素子を
カソードにして1mm離して電子放出素子と平行なアノ
ードに電圧を印加した。その結果、顕著な放電もなく、
即ちコンディショニングのない良好な電子放出特性が確
認できた。さらに実施例1と比べて硬度が小さい応力の
少ない電子放出膜が形成できた。
放出素子の製造工程を図11を用いて詳細に説明する。
にn+型Si基板を用い、スパッタ法によりカソード電
極5として厚さ500nmのTaを成膜した。ついでH
FCVD法により炭素膜2を30nm程度堆積した。H
FCVD法の装置図を図12に示す。
基板、23は基板ホルダー、24は熱電子及び原料ガス
を分解しイオンを発生させる熱源、25は基板に電圧を
印加する基板バイアス用電極、26は熱源24から熱電
子を引き出す電極、27は基板電圧と基板に流れる電流
を観測するモニター機構、28は基板に電圧を印加する
電源、29は基板電流をモニターする電流モニター機
構、30は熱電子引き出し用電極に電圧印加する電圧印
加機構、31は熱電子を引き出す電極に電圧を印加する
電源、32は機構27及び30を制御する成膜プロセス
制御機構、33はガス導入口、34は真空容器21を真
空に排気する排気ポンプを示している。
極25とは、セラミック板等で絶縁されている場合があ
る。また、熱源24には、不図示の電源により電圧が投
入され、所望の温度になるように過熱される。このとき
の電源としては、直流でも交流でもよい。さらに、成膜
プロセス制御機構32は、パソコン等で制御しても良い
し、手動で制御できる構造でも良い。
+型シリコン基板を基板バイアス電極25上に配置し、
排気ポンプ34を用いて、真空容器21内を1×10-5
Paで排気した。次に、ガス導入口33から水素ガスを
10sccm導入し、1×10-1Paに保持した。その
後、熱源24に14Vの交流電圧を印加し2100℃に
加熱した後、電圧印加機構27を用いて基板バイアス電
極25に150Vの直流電圧を印加し、電流モニター2
9で0.5mAの電流値が観測された。この状態を20
分間保持し、基板クリーニングを行った。
容器21内を1×10-5Paまで排気した後、メタンガ
スをガス導入口33から10sccm導入し、排気ポン
プ34を用いて真空容器21内を1×10-1Pa保持し
た。次に、基板加熱機構を用いて基板22を30℃に設
定した後、基板バイアス電極25に−150Vの直流電
圧を印加した。次に、熱源24に15Vの交流電圧を印
加し熱源24を2100℃に加熱した。次に、熱電子引
出し電極26に電圧を印加し、基板22にイオンを照射
した。この時、電流モニター機構29で観測される電流
量が5mAになるように、熱電子引出し電極26の電圧
値を90Vに設定し、この状態で10分間保持しSP3
結合の多いDLC(ダイアモンドライクカーボン)膜2
を成膜した。
V,ドーズ量3×1016個/cm2でDLC膜内に注入
した(図11(b))。
9.9%水素)で基板を550℃300分間ランプ加熱
で熱処理を行った。すると図11(c)に示すように、
表面層(層2)ではコバルトが凝集し結晶構造のコバル
ト粒子3が部分的に形成された。そしてコバルト粒子3
の集合体(粒子群)10が層2中に離散的に形成されて
いた。このとき凝集したコバルト粒以外のところの炭素
膜ではEDAX測定においてコバルトは検出限界以下で
あった。一方DLC膜とSi基板の界面に近い部分(層
2’)ではコバルト粒の密度が多く、殆んど導電体とし
て機能している。断面TEM像ではDLC膜内にコバル
ト粒が単結晶状態で存在しているのが見える。さらに拡
大するとCo粒の周辺にグラファイト層が成長している
ことが観察された。熱処理によって形成したコバルト粒
の濃度は、TEM観察によりP=5×1016個/cm3
であった。水素濃度は4%であった。
と、P−V値(最大値−最小値)として4.4nm、r
msとして0.28nmという値で、平坦性が確保され
ていることがわかった。
出特性を測定した。本実施例で作成した電子放出素子を
カソードにして1mm離して電子放出素子と平行なアノ
ード(面積は1mm2)に電圧を印加した。このときの
電圧電流特性を図13に示す。尚、横軸は電界強度、縦
軸は放出電流密度である。
な放電もなく、即ちコンディショニングのない良好な電
子放出特性が確認できた。電子放出点密度(ESD)は
1×106個/cm2以上で、放出電流密度も10mA/
cm2以上の大きい値が得られた。
放出素子の製造工程を図14を用いて詳細に説明する。
法によりカソード電極5として厚さ500nmのTaを
成膜した。ついでHFCVD法により実施例3と同様に
してDLC膜2を15nm程度堆積した(図14
(a))。膜厚は時間を短縮することで調整した。
その後イオン注入法でコバルトを25keV,ドーズ量
5×1016個/cm2でDLC膜内に注入した(図14
(b))。レジストが配置されていない領域のみ部分的
にコバルトが注入された。RPはシリコン基板内であ
り、実施例3のコバルトの低濃度層のみがカーボン膜内
に形成された。パターニングしてイオン注入しているた
め、金属を含む粒子が形成される場所は決まっており、
カソード電極側からDLC膜2の表面に向けて配列した
領域(粒子の集合体10)が、DLC膜2内において、
隣接して作成されることは無く、イオン注入濃度が多く
ても離散的に複数配置される。
9.9%水素)で基板を750℃60分間ランプ加熱で
熱処理を行った。すると図14(c)に示すように、コ
バルトが凝集し結晶構造のコバルト粒子3が高濃度に形
成された。さらに拡大するとCo粒の周辺にグラファイ
トのミクロな構造(グラフェン)4が形成されているこ
とが観察された。
出特性を測定した。本実施例で作成した電子放出素子を
カソードにして1mm離して電子放出素子と平行なアノ
ードに電圧を印加した。その結果、顕著な放電もなく、
即ちコンディショニングのない良好な電子放出特性が確
認できた。
放出素子の製造工程を図15を用いて詳細に説明する。
法によりカソード電極5として厚さ500nmのTaを
成膜した。ついでHFCVD法により実施例3と同様に
してDLC膜2を15nm程度堆積した(図15
(a))。
を25nm成膜した。その後イオン注入法でコバルトを
25keV,ドーズ量5×1015個/cm2でシリコン
酸化膜及びDLC膜内に注入した(図15(b))。R
Pはシリコン酸化膜内であり、DLC膜の表面が1%と
高濃度となる。
去した後に、アセチレン0.1%雰囲気中(99.9%
水素)で基板を550℃300分間ランプ加熱で熱処理
を行った。すると図15(c)に示すように、コバルト
が凝集し結晶構造のコバルト粒子3が表面で2×1017
個/cm3と高濃度に形成された。
特性を測定した。本実施例で作成した膜をカソードにし
て1mm離して電子放出膜と平行なアノードに電圧を印
加した。その結果、顕著な放電もなく、即ちコンディシ
ョニングのない良好な電子放出特性が確認できた。ま
た、実施例3と比べると電子放出のための閾値は高いが
放出点は多く、ESDは1×107個/cm2以上で10
mA/cm2以上の電流密度が得られた。
放出素子の製造工程を図16を用いて詳細に説明する。
った後、スパッタ法によりカソード電極5として厚さ5
00nmのTaを成膜した。
ド電極5上に12nm程度堆積した。雰囲気ガスはAr
/H2を用いた。条件を以下に示す。 rf電源 :13.56MHz rfパワー:400W ガス圧 :267mPa 基板温度 :300℃ ターゲット:グラファイト
トのマルチターゲットでコバルト濃度8%の炭素膜を炭
素膜6上に12nm程度堆積した。雰囲気ガスはAr/
H2を用いた。条件を以下に示す。 rf電源 :13.56MHz グラファイトrfパワー:600W コバルトrfパワー :10W ガス圧 :267mPa 基板温度 :300℃ ターゲット :グラファイト及びコバルト
側のパワーを上昇させコバルト比率を徐々に下げていっ
た。表面ではCo濃度は0.1%とした。
9.9%水素)で600℃300分の熱処理を行った。
すると図16に示すように、コバルトが凝集し結晶構造
のコバルト粒子3が形成された。Ta電極5から、アモ
ルファスカーボンからなる高抵抗層6、Co粒子3が高
濃度に配置された低抵抗Co−C層2’、Co粒子3が
低濃度に配置された層2という順番の積層構造が形成さ
れた。層2内には、カソード電極5側から層2の表面に
向けてコバルト粒子3が配列した領域(粒子の集合体)
10が離散して形成される。このような構成では最下層
の高抵抗層6は電子放出の際に電子が出過ぎないような
電流制限抵抗として働き、均一な電子放出に寄与する。
真ん中の低抵抗層2’ではコバルト粒の密度が高く高抵
抗層6を通った電子はコバルト粒子に入り、上方へ電界
で伝導する。この低抵抗層2’は誘電体というよりは導
電体として作用する。表面付近はコバルト粒子の密度が
少なく、電界集中をしやすい構造になり、真空に電子を
放出する。
出特性を測定した。本実施例で作成した電子放出素子を
カソードにして1mm離して電子放出素子と平行なアノ
ードに電圧を印加した。その結果、顕著な放電もなく、
即ちコンディショニングのない良好で、かつ均一な発光
特性を示す電子放出特性が確認できた。
り作製した電子放出素子の断面模式図、及び図17
(b)に平面模式図を示す。
層、8はゲート電極、2は電子放出膜である。また、W
1はゲート電極8に設けられた孔の径である。Vgはゲ
ート電極8とカソード電極5の間に印加される電圧、V
aはゲート電極8とアノード12間に印加される電圧、
Ieは電子放出電流である。
すると、孔の中に強い電界が形成され、Vgや絶縁層7
の厚さ、形状、絶縁層の誘電率等により孔内部の等電位
面の形状が定められる。孔の外では主にアノード12と
の距離HにもよるがVaによりほぼ平行な等電位面とな
る。
えると電子放出膜から電子が放出される。孔から出た電
子は今度はアノード12に向かって加速され、アノード
12に設けられている蛍光体(不図示)に衝突し発光す
る。
程を図4を用いて詳細に説明する。
に、基板1に石英を用い、十分洗浄を行った後スパッタ
法によりカソード電極5として厚さ500nmのTaを
形成した。
膜2を30nm程度堆積した。このときはDLCが成長
する条件で形成した。成長条件を以下に示す。 ガス :CH4 基板バイアス :−50V ガス圧 :267mPa 基板温度 :室温 フィラメント :タングステン フィラメント温度:2100℃ 裏面バイアス :100V
を25keV,ドーズ量3×1016個/cm2でDLC
膜2内に注入した。
気中(99.9%水素)で基板を550℃60分間ラン
プ加熱で熱処理を行った。
に、絶縁層7として厚さ1μmのSiO2、ゲート電極
8として厚さ100nmのTaをこの順で堆積した。
に、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト
(AZ1500/クラリアント社製)のスピンコーティ
ング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、マスク
パターンを形成した。
クパターンをマスクとして、Taのゲート電極8をCF
4ガスを用いてドライエッチングし、ついでSiO2膜7
をバッファードフッ酸でエッチングして、開口9を形成
した。
し、本実施例の電子放出素子を完成させた。尚、膜応力
は少なく、膜はがれその他のプロセス上の問題は起きな
かった。
上方に、図17のようにアノード電極12を配置して、
電極5,8間に電圧を印加し駆動した。図18は上記形
成により作成した電子放出素子の電圧電流特性のグラフ
である。本発明により低電圧で電子を放出することがで
きた。実際の駆動電圧は、Vg=20V、Va=10k
V、電子放出素子とアノード12との距離Hを1mmと
して、電子源を形成することができた。
をほぼ円形の孔で記述しているが、この電子放出部の形
状は特に限定されず、例えばライン状に形成しても構わ
ない。作成方法はパターニング形状を変えるだけで全く
同様である。ラインパターンを複数並べることも可能で
放出面積は大きくとることが可能となる。
放出素子の製造工程を図20を用いて詳細に説明する。
った後、スパッタ法によりカソード電極5として厚さ5
00nmのTaを成膜した。ついで、スパッタ法によ
り、コバルト濃度1.0%のコバルト含有炭素ターゲッ
トとグラファイトのターゲットを用いて、カソード電極
5上に0.8%のコバルト含有炭素層211を堆積した
(図20(A))。
ターゲットのみを用いて、コバルトを含有しない炭素層
212を数十nm堆積した(図20(B))。
中で、基板を600℃、60分ランプ加熱で熱処理を行
い、層211中にCoを主体とする微粒子213を膜厚
方向に重なるように形成した(図20(C))。
11をコバルトを含有しない炭素層212で被覆するこ
とで、層211の表面への異物の成長を抑制しつつ、よ
り高濃度のコバルト含有炭素膜を作製することができ
る。本実施例で形成した層(211および212で示さ
れる領域)中のコバルト粒の濃度は、TEM観察により
P=3×1017個/cm3であった。また、本実施例で
作成した電子放出素子(カソード電極5と炭素膜(21
1および212))に対向するようにアノード電極を配
置した後に、カソード電極とアノード電極間に電圧を印
加して電子放出特性を測定したところ、電子放出サイト
密度を向上できた。
用いて、炭素膜(211、212)を形成した。ただ
し、本実施例では、コバルト含有炭素ターゲットのrf
パワーを時間とともに100Wから700Wへと変化さ
せ、基板1の界面付近で低コバルト濃度の領域を形成し
高抵抗膜を形成した。これにより、電子放出時の揺らぎ
を低減でき安定した電子放出特性が得られた。
ソード電極5上に炭素膜(211、212)を形成し、
アセチレンと水素の混合ガス雰囲気中でランプ加熱によ
り熱処理した。ただし本実施例では、より電子が真空中
に放出されやすくするために、熱処理後、コバルトを含
有しない炭素層を水素プラズマにより除去し、コバルト
粒子の一部を露出させた(図21参照)。これにより、
より低電界で電子放出可能な電子放出膜が形成できた。
例により作製した電子放出素子の模式図を示す。図22
は断面模式図であり、図23は平面模式図である。
電極、7は絶縁層、8はゲート電極、201は収束電極
である。収束電極201を設けることで、より高精細な
電子ビームを得ることができる。
法を図24(A)〜図24(D)を用いて説明する。
を500nm堆積し、カソード電極5とした。続いて、
熱フィラメントCVD法(HFCVD法)でダイアモン
ドライクカーボン膜(DLC膜)2を25nm成膜し、
続いてスパッタ法でAlを25nm堆積し収束電極20
1とした。続いてシリコン酸化膜7を500nm、さら
にゲート電極8としてTaを100nm堆積し、図24
(A)に示す積層構造を作製した。
μmの開口領域をTa膜8、シリコン酸化膜7に形成し
た(図24(B))。具体的には、シリコン酸化膜まで
エッチングにより除去した時点で停止した。
5keV,ドーズ量5×1015個/cm2で積層構造体
に注入した(図24(C))。本実施例では、Al層2
01が配置された状態でカーボン膜2にCoイオンを注
入したので、カーボン膜2の表面付近で、Co濃度がも
っとも高濃度になるように簡易に設定することができ
る。
ング除去した後に、アセチレンと水素の混合ガス雰囲気
中でランプ加熱により炭素膜2を熱処理した(図24
(D))。
真空容器内に設置し、カソード電極5から1mm離れた
位置に配置されたアノード電極(蛍光体を表面に有す
る)に3kVの電圧を印加するとともにゲート電極8に
炭素膜2から電子を引き出すための電位を印加すること
で、炭素膜2からアノード電極に向けて電子を放出させ
て駆動すると、蛍光体で発光像が観測された。この結果
を実施例7で作成した電子放出素子から放出された電子
ビームの発光像と比較すると、ビームサイズ(発光像)
が縮小され高精細化が達成された。本実施例により、収
束電極201をイオン注入用マスクと併用することで、
高精細化と製造工程の簡略化がなされ低コスト化が実現
できた。
おける炭素膜2の表面を、水素によって積極的に終端し
た。具体的には実施例2におけるアセチレンと水素の混
合ガス雰囲気中での熱処理を、全圧7kPa(メタンが
70%、水素が30%)である雰囲気中で600℃で6
0分間の熱処理に置き換えた。その他の製造プロセスは
実施例2と同様である。
子放出特性を、実施例2と同様に測定したところ、実施
例2の炭素膜に比べて、電子放出が開始される電圧が半
分になると共に、実施例2の炭素膜2に印加する電位と
同じ電位を印加した際に得られる電子放出量自体も増加
し、また、ESDも2桁増加した。
の水素終端処理として、上記した条件下での、炭化水素
と水素の混合雰囲気中での熱処理を挙げたが、水素終端
処理方法は、上記例に限定されるものではない。他の方
法により、水素終端処理を行っても良い。
作成した電子放出素子を用いて画像表示装置を作製し
た。
マトリクス状に配置した。配線は、図5のようにX側を
カソード電極5に、Y側をゲート電極8に接続した。素
子は、横300μm、縦300μmのピッチで配置し
た。素子上部には蛍光体を配置した。この結果、マトリ
クス駆動が可能で高輝度で高精細な画像表示装置が形成
できた。
より作製した電子放出素子の模式図を示す。図25は本
実施例で作成した電子放出素子の作成プロセスの断面模
式図であり、図26は、図25(A)〜(D)で得た電
子放出素子の平面模式図である。
法を図25(A)〜図25(D)を用いて説明する。
らなる導電性膜を100nm堆積した。続いて、熱フィ
ラメントCVD法(HFCVD法)でカーボン膜をTa
からなる導電性膜上に35nm成膜した後、カーボン膜
上にシリコン酸化膜からなる絶縁層を30nm堆積し
た。(図25(A))
が2μmの間隙(空隙)をシリコン酸化膜およびカーボ
ン膜および導電性膜に形成した(図25(B))。
法でコバルトイオンを25keV,ドーズ量1×1015
個/cm2でカーボン膜とシリコン酸化膜層との積層体
に注入した(図25(C))。本実施例では、シリコン
酸化膜層が配置された状態でカーボン膜にCoイオンを
注入したので、カーボン膜の表面付近で、Co濃度がも
っとも高濃度になるように簡易に設定することができ
る。
去した後に、アセチレンと水素の混合ガス雰囲気中でラ
ンプ加熱により炭素膜2を熱処理した(図25
(D))。この工程により、膜厚方向に複数のCo粒子
が並ぶ、層2を形成した。
真空容器内に設置し、基板1から1mm上方に離れた位
置に配置されたアノード電極(蛍光体を表面に有する)
に5kVの電圧を印加するとともに、カソード電極5と
ゲート電極8に駆動電圧を印加することで、層2から電
子を放出させて駆動すると、低い駆動電圧で蛍光体から
の発光像を観測することができた。
が残る形態を説明したが、ゲート電極8上には、層2が
残っている必要は必ずしもない。
ィショニングという工程がなく、低閾値で電子放出可能
な電子放出素子を提供できる。さらに、電子ビーム径が
小さい、低電圧で高効率な電子放出が可能で、製造プロ
セスが容易な電子放出素子を提供できる。
表示装置に適用すると、性能に優れた電子源及び画像表
示装置を実現できる。
式図である。
示した模式図である。
す構成図である。
いた画像表示装置を示す概略構成図である。
いた画像表示装置の駆動構成図である。
模式図である。
模式図である。
示す図である。
す模式図である。
示す図である。
す模式図である。
す模式図である。
す模式図である。
及び平面模式図である。
を示す図である。
画像表示装置の一例を模式的に示した図である。
図である。
模式図である。
模式図である。
模式図である。
図である。
図である。
模式図である。
Claims (34)
- 【請求項1】 カソード電極と、該カソード電極上に配
置された層とを有しており、 前記層内には、隣り合う少なくとも2つの粒子で構成さ
れた粒子群が離散的に複数配置されており、 前記粒子は、前記 層を構成する材料の抵抗率よりも抵抗
率の低い材料を主体としており、 前記隣り合う少なくとも2つの粒子において、一方の粒
子が他方の粒子に比べて前記カソード電極側に配置され
ており、かつ、前記隣り合う2つの粒子が、5nm以下
の距離に配置されている ことを特徴とする電子放出素
子。 - 【請求項2】 前記層は、カーボンを主体とすることを
特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。 - 【請求項3】 前記層は水素を含むことを特徴とする請
求項2に記載の電子放出素子。 - 【請求項4】カソード電極と、該カソード電極に電気的
に接続されたカーボンを主体とする層と、該カーボンを
主体とする層中に配置された導電性の複数の粒子とを有
しており、 前記カーボンを主体とする層が、該層中に含まれる炭素
に対して0.1atm%以上20atm%以下の水素を
含む ことを特徴とする電子放出素子。 - 【請求項5】 前記カーボンを主体とする層が、炭素に
対して1atm%以上20atm%以下の水素を含むこ
とを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。 - 【請求項6】 前記複数の粒子は、前記層内において複
数の粒子群を形成するように配置されており、 各々の前記粒子群は、前記複数の粒子のうちの隣り合う
少なくとも2つの粒子で構成されており、 前記隣り合う少なくとも2つの粒子において、一方の粒
子が他方の粒子よりも前記カソード電極側に位置してい
ることを特徴とする請求項4または5に記載の電子放出
素子。 - 【請求項7】 前記層の主体の抵抗率が、前記粒子の主
体の抵抗率の100倍以上であることを特徴とする請求
項1〜6のいずれかに記載の電子放出素子。 - 【請求項8】 前記粒子は、金属を主体とすることを特
徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電子放出素
子。 - 【請求項9】 前記金属は、Co、Ni、Feの中から
選択された金属であることを特徴とする請求項8に記載
の電子放出素子。 - 【請求項10】 前記粒子は、単結晶の金属を主体とす
ることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の電
子放出素子。 - 【請求項11】 前記カーボンを主体とする層は、sp
3結合を有することを特徴とする請求項2〜10のいず
れかに記載の電子放出素子。 - 【請求項12】 前記隣り合う2つの粒子の間に、グラ
フェンが存在することを特徴とする請求項2、3、6〜
11のいずれかに記載の電子放出素子。 - 【請求項13】 前記粒子は、その平均粒径が、1nm
以上10nm以下であることを特徴とする請求項1〜1
2のいずれかに記載の電子放出素子。 - 【請求項14】 前記複数の粒子群は、互いに、前記層
の平均膜厚以上離れて配置されることを特徴とする請求
項1、2、3、6〜13に記載の電子放出素子。 - 【請求項15】 前記層の平均膜厚が100nm以下で
あることを特徴とする請求項14に記載の電子放出素
子。 - 【請求項16】 前記層中における前記粒子の密度が、
1×1014個/cm3以上5×1018個/cm3以下であ
ることを特徴とする請求項14に記載の電子放出素子。 - 【請求項17】 前記層中における前記粒子の密度が、
1×1015個/cm3以上5×1017個/cm3以下であ
ることを特徴とする請求項14に記載の電子放出素子。 - 【請求項18】 前記層を構成する主元素に対する前記
粒子を構成する主元素の濃度が、0.001atm%以
上1.5atm%以下であることを特徴とする請求項1
4に記載の電子放出素子。 - 【請求項19】 前記層を構成する主元素に対する前記
粒子を構成する主元素の濃度が、0.05atm%以上
1atm%以下である請求項14に記載の電子放出素
子。 - 【請求項20】 前記層の表面粗さが、rmsで前記層
の膜厚の1/10より小さいことを特徴とする請求項1
〜19のいずれかに記載の電子放出素子。 - 【請求項21】 前記層の表面が水素で終端されてなる
ことを特徴とする請求項1〜20のいずれかに記載の電
子放出素子。 - 【請求項22】 前記電子放出素子は、さらに、前記層
上に配置された第1の開口を有する絶縁膜と、該絶縁膜
上に配置された第2の開口を有するゲート電極とを有し
ており、前記第1の開口と前記第2の開口が連通してお
り、前記層が前記第1の開口内に露出していることを特
徴とする請求項1〜21のいずれかに記載の電子放出素
子。 - 【請求項23】 請求項1〜22のいずれかに記載の電
子放出素子を多数配列したことを特徴とする電子源。 - 【請求項24】 請求項23に記載の電子源と電子が照
射されることで発光する発光部材とを有することを特徴
とする画像表示装置。 - 【請求項25】 電子放出素子の製造方法であって、 金属を含み、該金属よりも抵抗率の高い材料を主体とす
る層を形成する工程と、 水素を含む雰囲気中にて、前記層を加熱して前記金属を
粒子化する工程と、 を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。 - 【請求項26】 前記水素を含む雰囲気は、さらに、炭
化水素を含むことを特徴とする請求項25に記載の電子
放出素子の製造方法。 - 【請求項27】 前記炭化水素がアセチレンであること
を特徴とする請求項26に記載の電子放出素子の製造方
法。 - 【請求項28】 前記金属がVIII族元素である請求
項25〜27のいずれかに記載の電子放出素子の製造方
法。 - 【請求項29】 前記金属がCo、Ni、Feのいずれ
かであることを特徴とする請求項25〜28のいずれか
に記載の電子放出素子の製造方法。 - 【請求項30】 前記加熱する工程における熱処理温度
が450℃以上であることを特徴とする請求項25〜2
9のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法。 - 【請求項31】 前記金属よりも抵抗率の高い材料を主
体とする層が、カーボンを主体とする層であることを特
徴とする請求項25〜30のいずれかに記載の電子放出
素子の製造方法。 - 【請求項32】 前記金属は、炭素に対して0.001
atm%以上5atm%以下の割合で、前記加熱する工
程の前の前記カーボンを主体とする層内に含まれること
を特徴とする請求項31に記載の電子放出素子の製造方
法。 - 【請求項33】 前記金属は、炭素に対して0.001
atm%以上1.5atm%以下の割合で、前記加熱す
る工程の前の前記カーボンを主体とする層内に含まれる
ことを特徴とする請求項31に記載の電子放出素子の製
造方法。 - 【請求項34】 前記加熱する工程の前の前記カーボン
を主体とする層は、sp3結合を有することを特徴とす
る請求項31〜33のいずれかに記載の電子放出素子の
製造方法。
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