JP5170620B2 - 電界放出素子、この電界放出素子を備えた電子デバイス、及び、電界放出素子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、ハロゲン化銀を用いて形成したエミッタを有する電界放出素子、この電界放出素子を備えた表示素子や撮像素子などの電子デバイス、及び、この電界放出素子の製造方法に関する。

近年、多数の電界放出素子を利用したフィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）などの電子デバイスの開発が進められている。このような電界放出素子の構造は、例えば特許文献１及び２などに記載されている。すなわち、電界放出素子は、基板上に電子放出物質層または表面修飾層を含むエミッタを配置した基本構造を有しており、ゲート電極により選択されたエミッタが印加電圧に応じた電子を放出するように構成されている。
特開２００４−２０７２３９号公報 特開２００５−０６３６９４号公報

しかしながら、従来の電界放出素子においては、エミッタの製造プロセスが極めて煩雑であるといった課題がある。例えば、特許文献１によれば、エミッタを構成する抵抗物質層及び電子放出物質層を成膜した後に、エッチング液を利用して犠牲層を除去するリフトオフを実施することによってエミッタを形成している。また、特許文献２によれば、エミッタを構成する電極及び表面修飾層を蒸着法によって成膜することによってエミッタを形成している。このように、従来のエミッタの製造プロセスには、特許文献１及び２に代表されるように、エッチングプロセスや蒸着プロセスが必要であり、工程数が多い、あるいは、製造に要する時間が長いといった課題がある。

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、製造コストを低減することができ、しかも、電子デバイスに適用可能な十分な電子放出特性を有する電界放出素子を提供することにある。また、この発明の目的は、製造プロセスを簡素化することが可能な電界放出素子の製造方法を提供することにある。さらに、この発明の目的は、製造コストを低減することができ、しかも、品質良好な電子デバイスを提供することにある。

この発明の第１態様による電界放出素子は、
基板と、前記基板上に配置され銀フィラメントからなるエミッタと、前記エミッタに対向するように配置されたアノードと、を備えたことを特徴とする。

この発明の第２態様による電子デバイスは、
基板と、前記基板上に配置され複数のエミッタと一体的に形成され銀フィラメントの集合体からなる配線と、前記配線に対向するように配置され前記配線に含まれる前記エミッタからの電子放出を制御するゲート電極と、前記エミッタに対向するように配置されたアノードと、を備えたことを特徴とする。

この発明の第３態様による電界放出素子の製造方法は、
基板と、前記基板上に配置され銀フィラメントからなるエミッタと、前記エミッタに対向するように配置されたアノードと、を備えた電界放出素子の製造方法であって、前記エミッタは、基板上にハロゲン化銀を含む乳剤を塗布し、前記ハロゲン化銀結晶中に潜像核を形成し、前記潜像核を成長させて銀フィラメントを形成する工程を経て形成されたことを特徴とする。

この発明によれば、製造コストを低減することができ、しかも、電子デバイスに適用可能な十分な電子放出特性を有する電界放出素子を提供することができる。また、この発明によれば、製造プロセスを簡素化することが可能な電界放出素子の製造方法を提供することができる。さらに、この発明によれば、製造コストを低減することができ、しかも、品質良好な電子デバイスを提供することができる。

まず、この発明の一実施の形態に係る電界放出素子について図面を参照して説明する。

図１に示すように、電界放出素子１は、絶縁基板１１、カソード１２、エミッタ１３、アノード１４などを備えて構成されている。絶縁基板１１は、ガラス基板や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどのフレキシブル基板などからなる。カソード１２は、絶縁基板１１上に配置されている。エミッタ１３は、カソード１２上に配置されている。アノード１４は、電子放出空間１５内において、エミッタ１３から所定間隔をおいて離間し且つエミッタ１３に対向するように配置されている。このアノード１４は、一般に、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成されている。

特に、この実施の形態に係る電界放出素子１については、エミッタ１３は、少なくとも１本の銀フィラメント１３Ａによって形成されている。このような銀フィラメント１３Ａは、ハロゲン化銀の感光プロセスを利用して形成されたものである。このようにして形成された銀フィラメント１３Ａは、ナノオーダの直径を有する、いわゆるナノワイヤと称されるものである。このような形状の銀フィラメント１３Ａは、従前の蒸着法やフォトリソグラフィプロセスなどの手法によって形成することは困難であり、また、ナノオーダの微小径を有する銀フィラメントを機械的に加工する技術も確立されていない。すなわち、この実施の形態におけるエミッタ１３は、ハロゲン化銀を用いた感光プロセスにより形成したが故に特有の形状を有しており、微小径のワイヤ形状の銀フィラメント１３Ａによって形成されている。銀フィラメント１３Ａの形状としては、例えば、直線状であったり、曲線状であったり、不規則な方向に曲がった形状であったりする。このような形状の銀フィラメント１３Ａによれば、主にその先端部などから電子放出が可能であり、電界放出素子１のエミッタ１３として利用可能である。

また、１個のエミッタ１３は、１本の銀フィラメント１３Ａで構成しても良いし、複数本の銀フィラメントの集合体１３Ａによって構成しても良いし、銀フィラメント集合体を複数個集めたアッセンブリーによって構成しても良い。

特に、複数本の銀フィラメント１３Ａの集合体を含むエミッタ１３によれば、電子を放出しやすい条件の銀フィラメント１３Ａから電子が放出される。そして、このような電子を放出しやすい条件の銀フィラメント１３Ａが損傷を受けるなどして、たとえ電子の放出が不可能となったとしても、同一エミッタ１３を構成する他の銀フィラメント１３Ａから電子放出が可能である。つまり、このような構成により、損傷の影響を受けにくい冗長性の高いエミッタ１３を提供することができ、長寿命化が可能となる。さらに、同一エミッタ１３内に種々の電子放出条件の銀フィラメント１３Ａが存在することから、電界放出特性が平均化され、電界放出特性のばらつきが少ない電界放出素子を提供することが可能となる。

次に、上述した電界放出素子１の製造方法について、図２を参照しながら説明する。

図２の（ａ）に示すように、まず、絶縁基板１１上に、ハロゲン化銀を含む乳剤を塗布する。ハロゲン化銀としては、臭化銀（ＡｇＢｒ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、沃化銀（ＡｇＩ）などが適用可能であり、また、典型的には立方体、八面体、板状などの結晶形状のものが適用可能であるが、これに限らない。また、ハロゲン化銀乳剤の分散媒としては、ゼラチンが適用可能であるが、これに限らない。この実施の形態においては、乳剤は、ハロゲン化銀として臭化銀結晶を含み、分散媒としてカーボンブラックを含有したゼラチンを用いて調製されている。

続いて、図２の（ｂ）に示すように、絶縁基板１１上に塗布された乳剤に含まれるハロゲン化銀結晶中に潜像核を形成する。この潜像核形成方法としては、ハロゲン化銀に光を照射する（つまり露光する）方法が一般的である。ハロゲン化銀として例えば臭化銀を例にとり、その結晶内部での光化学反応について説明する。すなわち、露光により、臭化銀結晶中で電子（ｅ⁻）とＢｒとが生じ、電子は結晶中を移動して感光核に引き寄せられる一方で、Ｂｒは実効的に結晶中を移動しながらその表面に拡散して外部に放出される。感光核は負に帯電するため、結晶格子間の銀イオン（Ａｇ^＋）を引き寄せて電荷を中和して銀原子（Ａｇ）となる。このような過程が繰り返されることにより、感光核には銀原子が複数個以上集まり、現像可能な状態すなわち潜像核が形成される。なお、潜像核形成方法は、上述したような露光に限らず、他の方法を適用しても良い。

続いて、図２の（ｃ１）及び（ｃ２）に示すように、ハロゲン化銀結晶中に形成された潜像核を成長させて銀フィラメントを形成する。この銀フィラメントの形成方法としては、潜像核を有するハロゲン化銀を化学現像処理もしくは物理現像処理する方法が一般的である。このような現像処理により、潜像核を中心にして還元作用が促進され、現像初期においては、（ｃ１）に示すように、潜像核を中心として銀原子が集中し、ハロゲン化銀結晶から直線的に突出した突起状の微小の銀フィラメントが形成される。このような状態で現像を停止させると、直線状の銀フィラメントが得られる。さらに現像が進行すると、（ｃ２）に示すように、ハロゲン化銀結晶が消失する一方で、銀フィラメントが成長し、ランダムな方向に伸びたり曲がったりしたワイヤ形状の銀フィラメントが形成される。上述した現像処理による、銀フィラメントの成長過程を示す電子顕微鏡写真を図３に示す。なお、銀フィラメントの形成方法は、上述したような方法に限らず、他の方法を適用しても良い。

上述したような工程を経て銀フィラメント１３Ａからなるエミッタ１３が絶縁基板１１上に形成される。さらに、別の基板上に形成したアノード１４を真空雰囲気または所定のガス雰囲気内でエミッタ１３に対向するように配置することにより、電界放出素子１が製造される。

特に、この実施の形態で適用される乳剤は、晶癖が揃った同一組成のハロゲン化銀を含むことが望ましい。つまり、複数種類のハロゲン化銀を含むものではなく、大きさの分布が単分散であり、しかも同一結晶形状のハロゲン化銀結晶を含む乳剤を適用することが望ましい。これにより、ハロゲン化銀結晶のそれぞれから得られる銀フィラメント１３Ａの形状や特性を揃えやすくなる。また、潜像核形成工程や銀フィラメント成長工程での条件をコントロールすることにより、銀フィラメント１３Ａの形状を揃えることも可能である。このように、適用される乳剤の調整、潜像核形成条件及び銀フィラメント成長条件の制御により、電界放出特性が揃ったエミッタを容易に形成可能となる。

次に、発明者が試作した電界放出素子の電子放出特性の測定結果の一例について説明する。

まず、発明者は、図４に示すように、基板及びカソードとして機能する銅板２１上に臭化銀乳剤を塗布し、露光し、現像することにより、銀フィラメント２２Ａからなるエミッタ２２を形成した。そして、このエミッタ２２上に、絶縁体からなるスペーサ２３を介してアノードとして機能する導体（ここでは銅合金）２４を配置した。スペーサ２３には貫通孔２３Ｈが形成されている。導体２４は、径大部２４Ｌ及び径小部２４Ｓを有しており、径小部２４Ｓが貫通孔２３Ｈに嵌め込まれている。径小部２４Ｓの長さＬ１は、貫通孔２３Ｈの長さＬ２よりも小さい。このため、エミッタ２２と導体２４の径小部２４Ｓとの間には、（Ｌ２−Ｌ１）の分に相当するギャップが形成される。この測定では、エミッタ２２と導体２４とのギャップは、１５μｍに設定した。

このような状況下において、真空中において、銅板２１と導体２４との間に電圧Ｖ（Ｖ）を印加し、電界放出電流Ｉ_ＯＵＴ（ｎＡ）を測定した。なお、真空度は、４×１０^−４Ｐａに設定した。図５は、この測定結果を示す図であり、（Ａ）は印加電圧−電界放出電流特性を示す図であり、（Ｂ）はこの測定結果をFowler-Nordheimプロットしたものである。この測定結果から明らかなように、上述したような構成の電界放出素子によれば、電子デバイスとして適用可能な十分に線形な電子放出特性が得られることが確認できた。

次に、上述した電界放出素子の応用例について説明する。ここでは、電界放出素子を適用した電子デバイスとして、ＦＥＤを例に説明する。

図６に示すように、電子デバイス１００は、複数の電界放出素子１０１を備えて構成されたものであり、真空または所定ガス雰囲気の電子放出空間内において所定間隔をおいて対向配置された背面基板１１０及び前面基板１２０を備えている。

背面基板１１０は、ガラスなどの絶縁基板１１１を用いて形成されている。この背面基板１１０は、絶縁基板１１１上に配置され複数のエミッタ１１３と一体的に形成された配線１１４、配線１１４に対向するように配置され配線１１４に含まれるエミッタ１１３からの電子放出を制御するゲート電極１１５などを備えて構成されている。

特に、この実施の形態においては、配線１１４は、銀フィラメント１１４Ａの集合体の連続的な結合からなる銀配線である。配線１１４は、絶縁基板１１１上において、例えば行方向に延在しており、また、列方向に複数本並んで配置されている。ゲート電極１１５は、配線１１４から離間し、且つ、配線１１４に直交するように列方向に延在しており、また、行方向に複数本並んで配置されている。このような構成により、配線１１４において、ゲート電極１１５との交差部がエミッタ１１３として機能する。これにより、エミッタ１１３は、絶縁基板１１１上においてマトリクス状に配置されている。

このような銀配線は、例えば以下のような工程を経て形成可能である。すなわち、絶縁基板１１１上にハロゲン化銀乳剤を塗布した後、配線に対応したパターンを有するフォトマスクを介してハロゲン化銀乳剤を露光し、現像することにより、銀フィラメントの集合体からなる所望のパターンの配線１１４が形成される。つまり、このような配線１１４は、銀フィラメントからなるエミッタ１１３と一体であり、一回の塗布−露光−現像といったフォトプロセスにより、電子放出が可能なエミッタ１１３と、このエミッタ１１３に電圧を印加するための配線１１４とを一括して形成することが可能である。

なお、この実施の形態では、エミッタ１１３と配線１１４とを銀フィラメントにより一体に形成したが、必ずしも配線１１４は銀フィラメントで形成する必要はない。例えば、配線１１４は、他の配線と同様に蒸着法などによって成膜した導電膜をパターニングする手法により形成しても良い。少なくともエミッタ１１３を銀フィラメントによって形成することが本発明の範疇に属する。

一方、前面基板１２０は、ガラスなどの光透過性を有する絶縁基板１２１を用いて形成されている。この前面基板１２０は、絶縁基板１２１上に配置されたアノード１２２、アノード１２２上に配置された蛍光体スクリーン１２３などを備えて構成されている。アノード１２２は、ＩＴＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。蛍光体スクリーン１２３は、例えば赤、緑、青にそれぞれ発光する蛍光体層を有しており、必要に応じてマトリクス状に配置されたブラックマトリクスを有していてもよい。

このようなＦＥＤでは、画像を表示する動作時においては、配線１１４−アノード１２２間にアノード電圧を印加する。そして、エミッタ１１３から放出された電子をアノード電圧により加速して蛍光体スクリーン１２３へ衝突させる。これにより、蛍光体スクリーン１２３の蛍光体層が励起され、それぞれ対応する色に発光する。このようにして、前面基板１２０側にカラー画像が表示される。

ここでは、特に電界放出素子を適用した電子デバイスとして、ＦＥＤを例に説明したが、他の電子デバイスとして撮像素子に適用することも可能である。すなわち、撮像素子の一つであるビジコンと同等に機能させるためには、従来の電子銃の代わりに、図６に示したようなマトリクス状に配置されたエミッタ１１３のアレイ構造を適用し、且つ、蛍光体スクリーン１２３を光導電面に置き換えれば良い。

以上説明したように、この実施の形態によれば、エッチングプロセスや蒸着プロセスといった煩雑な工程を必要とすることなく、ハロゲン化銀の感光プロセスを利用して形成した銀フィラメントによってエミッタを形成している。このため、電界放出素子及びこの電界放出素子を備えた電子デバイスの製造プロセスを簡素化することが可能となり、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、このような電界放出素子によれば、電子デバイスに適用可能な十分な電子放出特性が得られることも確認された。したがって、このような電界放出素子を備えたことにより、品質良好な電子デバイスを提供することが可能となる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明の一実施の形態に係る電界放出素子の構成を概略的に示す図。 電界放出素子の製造方法を説明するための図。 銀フィラメントの成長過程を示す電子顕微鏡写真。 電界放出素子の電子放出特性を測定するための構成を説明するための図。 図４に示した電界放出素子の測定結果の一例を示す図。 この発明の一実施の形態に係る電子デバイスの構成を概略的に示す図。

符号の説明

１…電界放出素子 １１…絶縁基板 １３…エミッタ １３Ａ…銀フィラメント １４…アノード １００…電子デバイス １０１…電界放出素子 １１０…背面基板 １１３…エミッタ １１４…配線 １１４Ａ…銀フィラメント １１５…ゲート電極 １２０…前面基板 １２２…アノード

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に配置され、銀フィラメントからなるエミッタと、
   前記エミッタに対向するように配置されたアノードと、
   を備えたことを特徴とする電界放出素子であって、
   前記エミッタは、基板上にハロゲン化銀を含む乳剤を塗布し、前記ハロゲン化銀結晶中に潜像核を形成し、前記潜像核を成長させて前記乳剤から突出した電子放出が可能な銀フィラメントを形成させる工程を経て形成されたものである電界放出素子。
2. 基板と、
   前記基板上に配置され、複数のエミッタと一体的に形成され銀フィラメントの集合体からなる配線と、
   前記配線に対向するように配置され、前記配線に含まれる前記エミッタからの電子放出を制御するゲート電極と、
   前記エミッタに対向するように配置されたアノードと、
   を備えたことを特徴とする電子デバイスであって、
   前記エミッタは、基板上にハロゲン化銀を含む乳剤を塗布し、前記ハロゲン化銀結晶中に潜像核を形成し、前記潜像核を成長させて前記乳剤から突出した電子放出が可能な銀フィラメントを形成させる工程を経て形成されたものである電子デバイス。
3. 基板上にハロゲン化銀を含む乳剤を塗布し、前記ハロゲン化銀結晶中に潜像核を形成し、前記潜像核を成長させて前記乳剤から突出した電子放出が可能な銀フィラメントを形成させる工程を経てエミッタを形成する工程と、
   前記エミッタにおける前記銀フィラメントを、真空又は所定ガス雰囲気の電子放出空間内においてアノードと対向配置させる工程と、を有する電界放出素子の製造方法。
   

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