JP5024885B2 - 陰極体 - Google Patents

Description

本発明は、陰極体、及びそれを用いた面発光型蛍光発光装置に関する。

一般に、この種の陰極体を含む面発光型蛍光発光装置には、特許文献１に示されたような面発光型有機ＥＬ装置や、特許文献２及び３に示されたような電界放出形表示装置（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ（ＦＥＤ））等があり、これらの装置を自発光型テレビ等に適用することが検討されている。

これら面発光型蛍光発光装置のうち、特許文献２及び３に示されたＦＥＤでは、陰極体表面に外部より強い内向きの電界を印加すること、即ち、電界放出により、トンネリングにより電子を放出させ、陰極体表面から放出された電子を種々の蛍光体に衝突させることで、RGB発光させている。

特開２００２−２５２０８９号公報 特開２０００−２１３４０号公報 特表２００６−５２４８９５号公報

特許文献２では、絶縁性の陰極基板と絶縁性及び透光性を備えた陽極基板を備え、陰極基板の内面側に電界放出素子を形成すると共に、陽極基板の内面側に金属導体を配置した電界放出形表示装置が開示されている。陰極基板の内面側に形成される電界放出素子は陰極電極、陰極電極上の空孔内に形成されたコーン状のエミッタ、エミッタを囲むように設けられたゲート電極によって構成されている。

特許文献２は、陽極基板上に形成される陽極電極として、金属陽極電極を使用することにより、陰極基板と陽極基板との間の真空度を改善できることを明らかにしている。

また、特許文献３は、コーン状の電界放出先端構造体、当該構造体を覆う導電性薄膜、及び、導電性薄膜の先端を覆うキャップによって構成した電界放出素子を開示し、電界放出素子は陰極電極と電気的に接続されている。特許文献３では、ゲート電極、導電性薄膜、及びキャップ等を高融点金属であるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）で形成している。

しかしながら、特許文献３で指摘されたように、高融点金属によってエミッタを含む陰極体を構成しただけでは、十分な電流密度が得られないことが本発明者等の研究によって判明した。

本発明者等の実験によれば、陰極体表面にトンネリングを生じさせるためには、陰極体表面におけるポテンシャル障壁の厚さを1nm程度まで薄くする必要がある。また、電界放出による電流密度は、表面材質の仕事関数をφとすると、-αφ^1.5/Eに対して指数関数的な依存性を示す。ここで、αは比例定数、Eは電界の強さである。このため、仕事関数の低い材料を用いることで電子放出が増大し、より少ない電界で所望の電子放出量が得られ、低消費電力化も可能となるものと、推定される。

本発明者等は、仕事関数の低い材料として希土類の酸化物に着目した。例えば、La₂O₃（仕事関数2.8eV）、Y₂O₃（2.0eV）、ThO₂（1.66eV）等である。また、それ以外にもZrO₂（3.12eV）、MgO（3.55eV）等が挙げられる。これら酸化物は、例えば、電子放出電極に使われるタングステン（仕事関数は4.6eV）よりも仕事関数が十分小さく、より電子放出効率を向上することが期待される。

しかしながら、上記した酸化物は、電気抵抗が非常に高い絶縁体であり、電子放出膜として使用するには、例えば、タングステンやモリブデン等の導電性の電極部材の上に、数原子層程度の極めて薄い薄膜にしなくてはならない。厚くすると、電気抵抗が大きく効いてしまい、電流が流れづらくなり、放出効率が極端に低下するからである。

また、これらの酸化物を薄く堆積させるには、プラズマスパッタ等が有効であるが、良質な酸化物を形成するには、希ガスに酸素を混ぜた混合ガスによるリアクティブスパッタが有効である。タングステンやモリブデンに直接リアクティブスパッタを行うと、これら金属の表面が酸化されてしまい、絶縁層になり電流が流れづらくなり、放出効率が極端に低下してしまう。

本発明の目的は、仕事関数の低い酸化物を用い電子放出効率の高い陰極体を提供することにある。

本発明の他の目的は、電気抵抗が小さく、電子放出効率の高い陰極体を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、第１の金属によって形成され、電極を構成する第１の層と、当該第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、前記第２の層上に形成され、前記第１の金属よりも小さな仕事関数を有し、且つ、電子放出層を構成する第３の層とを備え、第２の層を形成する材料は前記第３の層よりも小さい抵抗率を有していることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記第２の層は、厚さ1nmから200nmの間の膜厚を有する金属または合金の薄膜であり、前記第２の層を形成する金属または合金は、その酸化物も導電性を有する性質をもつ材質であり、前記第３の層は、１原子層から10nmの間の膜厚を有し、仕事関数が3.6eV以下の酸化物によって形成されていることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、前記第２の層は、前記第３の層に接する側の一部、または前記第２の層全部が酸化されていることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第４の態様によれば、第１の態様において、前記第１の層上に形成される第２の層は、厚さ1nmから200nmの間の膜厚の、金属または合金によって形成されており、且つ、前記第２の層を形成する金属または合金は、その酸化物の仕事関数が3.6eV以下であり、且つ、前記第３の層は、前記第２の層の金属または合金の酸化物であり、１原子層から10nmの間の厚さを有することを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第５の態様によれば、第１〜４の態様のいずれかにおいて、前記第１の金属はタングステン又はモリブデンからなることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第６の態様によれば、第１〜４の態様のいずれかにおいて、前記第１の金属はタングステン又はモリブデンを主成分とし、La₂O₃、ThO₂、及びY₂O₃からなる群から選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第７の態様によれば、第１〜３、第５〜６の態様のいずれかにおいて、前記第２の層はRu又はIrよりなることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第８の態様によれば、第１〜７の態様のいずれかにおいて、前記第３の薄膜は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂よりなることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第９の態様によれば、第４〜６の態様のいずれかにおいて、前記第２の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrよりなることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１０の態様によれば、第１〜９の態様のいずれかにおいて、前記第３の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrをターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１１の態様によれば、第１〜９の態様のいずれかにおいて、前記第３の層は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂をターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１２の態様によれば、第１０または１１の態様において、前記第２の層の前記一部または全部は、その少なくとも一部が前記リアクティブスパッタリングの際に形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１３の態様によれば、第４乃至６の態様一つまたは第８乃至１０の態様の一つにおいて、前記第２の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrをターゲットとして不活性雰囲気中でスパッタするより非リアクティブスパッタリングによって形成されたものであり、前記第３の層は前記第２の層を酸化することによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１４の態様によれば、電極金属体の表面に、直接又は他の材料層を介して、電子放出層を有する陰極体において、前記電子放出層は仕事関数が3.6eV以下の金属酸化物を含み、かつトンネル電流によって電子放出が可能な膜厚を有することを特徴とする陰極体が得られる。

本発明の第１５の態様によれば、前記他の材料層は、前記金属酸化物を構成する金属、その酸化物も導電性を有する性質をもつ金属または合金、およびその酸化物も導電性を有する性質をもつ金属または合金の当該酸化物からなる群から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４の態様に記載の陰極体が得られる。

本発明の第１６の態様によれば、前記電子放出層の膜厚は１原子層から10nmの間であることを特徴とする第１４または１５の態様に記載の陰極体が得られる。

本発明の第１７の態様によれば、前記他の材料層は厚さが1nm乃至200nmであることを特徴とする第１４乃至１６の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第１８の態様によれば、前記電極金属体の材料は、タングステン、モリブデン、またはタングステンもしくはモリブデンを主成分とし、La₂O₃、ThO₂、及びY₂O₃からなる群から選択された少なくとも一つを含む材料を含むことを特徴とする第１４乃至１７の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第１９の態様によれば、前記電子放出層は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、およびZrO₂の少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４乃至１８の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第２０の態様によれば、前記電子放出層は、La、Y、Mg、Th、Ce、Zr、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂をターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする第１４乃至１９の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第２１の態様によれば、前記電子放出層は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂をターゲットとして不活性雰囲気中でスパッタするより非リアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする第１４乃至１９の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第２３の態様によれば、前記他の材料層はLa、Y、Mg、Th、Ce、Zr、Ru、Ir、Ruの酸化物、およびIrの酸化物の少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４乃至２１の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第２３の態様によれば、前記他の材料層はRuの酸化物およびIrの酸化物の少なくとも一つを含み、かつ該酸化物は前記電子放出層をリアクティブスパッタリングで成膜する際に形成されたものであることを特徴とする第１４乃至２１の態様の一つに記載の陰極体が得られる。

本発明の第２４の態様によれば、第１から２３の態様のいずれかに記載の陰極体を電子エミッタとして有することを特徴とする面発光型蛍光発光装置が得られる。

本発明によれば、陰極体表面が非常に仕事関数の低い材料で覆われ、さらに表面と電極部材との間に電極部材よりも低抵抗の層を設けることにより、極めて高効率な電子放出源を得ることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

(実施例１)
図１を参照して、本発明の実施例１に係る陰極体を説明する。図１では、平面状の陰極体を示しているが、実際に、面発光型蛍光発想装置に実装される場合には、コーン状に成形される。図示された陰極体は、スパッタで成膜したタングステン薄膜（膜厚300nm）１、スパッタで成膜したRu薄膜（50nm）２、及びスパッタで成膜したLa₂O₃薄膜（2nm）３によって構成されている。即ち、図示された陰極体は、陰極電極を形成する導電性の第１の薄膜１（ここでは、タングステン（Ｗ）薄膜）、導電性を有すると共にその酸化物も導電性を示す第２の薄膜（ここでは、Ru薄膜）2、及び、絶縁性で且つ電子放出効率の高い極めて薄い第３の薄膜（ここでは、La₂O₃薄膜）3によって構成されている。この実施例で使用されたRu薄膜の抵抗率は6.71μΩ・cm、Ｗ薄膜の抵抗率は5μΩ・cmであり、更に、La₂O₃薄膜の仕事関数は2.8〜4.2eVである。

このように、電子放出層を形成する第３の薄膜３と、電極を形成する第１の薄膜１との間に、電子放出層よりも抵抗率の低い第２の薄膜２を介在させることにより、電子放出効率の高い陰極体を構成することができる。

ここで、図１に示された陰極体を製造する工程を説明する。タングステン薄膜（第１の薄膜）１をスパッタで成膜した後に、Ru薄膜によって形成される第２の薄膜をスパッタで形成する。その後に、La₂O_３膜によって形成される第３の薄膜３をスパッタ成膜する。

La₂O₃薄膜をスパッタ成膜する際は、La₂O₃ターゲットを用いた。プラズマを励起するガスとして、Krを1000cc/分、O₂を30cc/分の流量でスパッタチャンバに導入した。

次に、RF電力（周波数13.56MHz）をターゲットに印加することによりプラズマを励起してスパッタ成膜した。成膜の際、例えばArガスのみを流してArプラズマを励起することで、La₂O₃薄膜を形成しても良いが、この場合、形成される薄膜に、プラズマダメージによる欠陥、具体的には酸素欠損等が生じてしまい、良質なLa_２O₃薄膜が形成されず、電子放出効率が劣化してしまう。よって、本実施例において、Kr/O₂プラズマを励起することで、いわゆるリアクティブスパッタを行うことで酸素ラジカルを大量に発生させ、このような欠陥を生じることなくLa₂O₃薄膜が形成可能となった。

前述したようなリアクティブスパッタを行うと、下地のRu薄膜も一部酸化する。この場合、Ru薄膜２には、図１に破線で示す領域２−１のように、膜厚2nm程度のRuO₂膜が形成されるが、RuO₂膜は50μΩ・cm程度の抵抗率を示す導電性であるため、RuO₂膜を介在させることにより電子放出効率が劣化することは無い。なお、La₂O₃を成膜する前に、Ru薄膜２の表面を積極的に酸化し、Ru薄膜を全てRuO₂薄膜としても良い。

図２は、電子放出電極を様々な材料として、熱電子放出を行った際の、電圧−電流特性である。同じ電流量であれば、電圧が低い方が、効率が良い。本結果は電界放出では無く、熱電子放出での結果であるが、電界放出においても同様の結果であることが判明している。図からも明らかな通り、La₂O₃電極が一番優れた効率を示しているが、製造コスト等を考え、タングステン（Ｗ）の仕事関数4.6eV以下の仕事関数を有するLa₂O₃以外のY₂O₃、CeO₂、ThO₂、ZrO₂等を適宜材料として使用しても良い。具体的には、MgOの仕事関数（3.55eV）程度、即ち、3.6eV以下の仕事関数を備えた材料を使用することが好ましい。

(実施例２)
図３を参照して、本発明の実施例２に係る陰極体を説明する。図示された陰極体は、スパッタで成膜したタングステン薄膜（膜厚300nm）４、スパッタで成膜したY薄膜（50nm）５によって構成されている。

Y薄膜５は、非リアクティブスパッタリングによってスパッタ成膜した後に、マイクロ波励起高密度プラズマ装置により、Kr、O₂ガスをそれぞれ1000cc/分、30cc/分の割合で流し、圧力を133Paと設定し、マイクロ波により高密度プラズマを励起して、酸素ラジカルを大量に発生させることで、表面2nm程度を酸化させることにより、Ｙ薄膜表面に、Y₂O₃膜が形成されている。

したがって、この実施例においても、電極を形成するタングステン薄膜（膜厚300nm）４を第１の薄膜、非リアクティブスパッタリングで成膜したY薄膜（50nm）５を第２の薄膜、及び、電子放出層を形成するY₂O₃膜（５−１）を第３の薄膜と呼ぶことができる。

本工程によれば、陰極体の表面に、仕事関数が2eVと非常に低く、且つ、薄いY₂O₃膜が形成され、タングステン薄膜とY₂O₃薄膜の間に絶縁層の存在しない、非常に電子放出効率の高い陰極体を形成することができた。

ＦＰＤ等でよく使われているＩＴＯやＺｎＯの導電性は、100μΩcm乃至数100μΩcmであるが、本発明で用いるIrO₂やRuO₂の導電性は、50μΩcm程度であり、本発明ではこのように100μΩcm程度以下の導電性の金属、合金、酸化物を電子放出層と金属電極層との間に介在させることで、電子放出効率の優れた陰極体を提供することができる。

本発明に係る陰極体は、電子放出面発光型蛍光発光装置に適用でき、自発光型テレビ等に適用でき、他の面発光型蛍光発光装置にも適用できる。

本発明の実施例１に係る陰極体を示す概念図である。 陰極体を形成する電子発光層として、種々の材料を用いた場合の電圧−電流特性を示す図である。 本発明の実施例２に係る陰極体を示す概念図である。

符号の説明

１、４ 第１の薄膜
２、５ 第２の薄膜
３、５−１ 第３の薄膜

Claims (8)

1. タングステンまたはモリブデンからなる第１の金属によって形成され、電極を構成する第１の層と、
   当該第１の層上に形成され、RuまたはYによって形成された第２の層と、
   前記第２の層上に形成され、前記第１の金属よりも小さな仕事関数を有し、且つ、電子放出層を構成する第３の層とを備え、
   前記第２の層は、前記第３の層よりも小さい抵抗率を有し、厚さ1nmから200nmの間の膜厚を有する導電性の薄膜であり、
   前記第３の層は、１原子層から10nmの間の膜厚を有し、仕事関数が3.6eV以下の酸化物によって形成された薄膜であることを特徴とする陰極体。
2. 請求項１において、前記第２の層は、Ru、またはYを非リアクティブスパッタリングすることによって形成された薄膜であることを特徴する陰極体。
3. 請求項２において、前記第３の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrを酸化性雰囲気中でリアクティブスパッタリングすることによって形成された薄膜であることを特徴とする陰極体。
4. 請求項３において、前記第３の層は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂よりなることを特徴とする陰極体。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記第３の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrをターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体。
6. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記第３の層は、La₂O₃、Y₂O₃、MgO、ThO₂、CeO₂、またはZrO₂をターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記第２の層は、前記第３の層に接する側の一部、または前記第２の層全部が酸化されていることを特徴とする陰極体。
8. 請求項７において、前記第２の層の前記一部または全部は、その少なくとも一部が前記リアクティブスパッタリングの際に形成されたものであることを特徴とする陰極体。

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