JP5425753B2 - 放出ディスプレイの陰極構造 - Google Patents

Description

本発明は、平面電界放出ディスプレイで使用され得る陰極構造に関する。

電界放出によって励起されるカソードルミネセンスによる表示装置は、陰極又は電子放出構造と、それに面し、ルミネセンス層によって被覆される陽極とを含む。陽極及び陰極は、真空が形成された空間によって分離される。

陰極は、マイクロティップをベースにしたソースであるか、低い閾値電界を有する放出層をベースとしたソースである。放出層は、炭素ナノチューブ層、又は炭素若しくは他の材料に基づく他の構造、又は多層（ＡｌＮ、ＢＮ）であっても良い。

陰極構造は、二極管型又は三極管型であっても良い。仏国特許出願公開第２５９３９５３号文献（米国特許第４８５７１６１号明細書に対応）は、電界放出によって励起されるカソードルミネセンス表示装置の製造方法を開示する。陰極構造は、三極管型である。電子放出材料は、電子抽出グリッドを支持する絶縁層に形成される穴の底部で、露出した導電層上に堆積される。

図１は、電界放出によって励起されるカソードルミネセンス表示装置の、公知技術による三極管型陰極構造の断面図を概略的に示す。この図では、単一の放出装置が示されている。電気絶縁材料で形成された層１は、丸穴２で穿孔される。電子放出材料で形成された層４を支持する導電層３は、穴２の底部に堆積される。絶縁層１の上面は、抽出グリッドを形成し、かつ穴２を囲む金属層５を支持する。この構造において、放出層４は、グリッド５及び導電層又は陰極３の間に短絡を引き起こす傾向がある。この傾向は、放出層が炭素ナノチューブからなる場合に特に生じる。電界は、穴の縁部で最大であり、放出層において（電界の垂直成分ＥＸに匹敵する）（陰極の平面に平行な）大きな横方向成分ＥＬを含む。この横方向成分ＥＬは、電子ビームを拡散させ、かつディスプレイ上で解像度の不具合を引き起こす。このことは、陽極‐陰極の距離が増大する時に重大な不都合であり、かつ電子ビームの焦点を合わせるために必要な他のグリッドを加えることによって表示部をより複雑にし得る。

放出層によって放出される電子が、弱い横方向電界を受け、グリッド及び陰極の間の短絡の危険性を最小限に抑え、かつ放出層によって放出される電子ビームの拡散を抑える、三極管型の、放出層を有する陰極構造をここで提案する。

従って、本発明の目的は、重ね合わされた、陰極を形成する電極及び層形状の電子放出材料で形成された支持手段と、電気絶縁層及びグリッド電極と、前記グリッド電極及び前記電気絶縁層に形成され、前記電子放出材料で形成された手段を露出する開口部と、前記グリッド電極の開口部の中心部に位置する前記電子放出材料で形成された手段とを備え、前記開口部がスリット形状であり、前記スリットによって露出された前記電子放出材料で形成された手段は、前記スリットの縦軸に沿って一列に並べられた少なくとも２つの素子からなることを特徴とする陰極構造である。

１つの好適な実施態様によれば、前記グリッド電極及び前記電気絶縁層に形成された前記開口部は実質的に長方形であり、前記電子放出材料で形成された素子も、ほぼ長方形である。

もう１つの好適な態様によれば、前記陰極を形成する電極と前記電子放出材料で形成された素子との間に抵抗層が挿入される。

好ましくは、前記電子放出材料で形成された素子は、電子放出材料が形成される物体の大きさより大きな距離だけ前記グリッド電極から分離される。

前記電子放出材料は、炭素ナノチューブからなっても良い。

好適には、前記電子放出材料で形成された素子は、電界の平行成分が、この電界の垂直成分より少なくとも１０倍弱くなるような距離だけ前記グリッド電極から分離される。

本発明のもうひとつの目的は、以上に定義したような幾つかの陰極構造を有する平面電界放出ディスプレイである。

添付図面と共に、非限定的な例として示す、次の記述を読んだ後に、本発明は、より良く理解され、かつ他の利点及び特殊な特徴は、より明瞭になるであろう。

公知技術による三極管型陰極構造の断面図である。 本発明による三極管型陰極構造の断面図である。 本発明による三極管型陰極構造の部分の平面図である。 本発明によるもう一つの三極管型陰極構造の断面図である。 本発明による三極管型陰極構造の電界の空間的分布を示す線図である。 本発明による三極管型陰極構造に対して守るべき寸法を説明する図である。 本発明による三極管型陰極構造を製造する第１の方法を図解する。 本発明による三極管型陰極構造を製造する第２の方法を図解する。 本発明による三極管型陰極構造のより完全な平面図を示す。

図２は、本発明による三極管型陰極構造の概略の断面図である。この陰極構造は、重ねあわされた、電気絶縁材料で形成された層１１を支持する導電層又は陰極１３と、電子抽出グリッドを形成する金属層１５とを有する。絶縁層１１及び金属層１５は、幅Ｌで陰極１３を露出するスリット１２によって穿孔される。電子放出材料で形成された素子１４は、層の形状で、スリットの縦軸に沿ってスリット１２の中心部に配置される（図は１つの素子のみを示す）。放出素子１４の幅ｄは、スリット１２の幅Ｌと比較して小さい。放出素子１４から金属層１５を分離する距離をＳとする。スリット１２は、長方形でも良い。

図３は、スリット１２が長方形である場合の図２に示す陰極構造の部分平面図である。スリット１２は、その場合、幅Ｌを有し、かつＺ軸に沿った寸法が表示画素の寸法と同じの溝である。

このスリットの形状は、円形状よりも良い。対称性により、Ｚ軸に沿った電界の横方向成分はなく、従って条件ＥＬ＜＜ＥＸを満たす放出表面は、円筒形状よりもこの形状で重要である。円筒形状では、放出領域及び穴領域の間の比は、（ｄ／Ｌ）２に等しい。長方形形状では、この比は、ｄ／Ｌに等しい。ｄ／Ｌは、１未満なので、従って比ｄ／Ｌは常に（ｄ／Ｌ）２より大きく、このことにより、結果として遥かに明るい画面になる。

もう一つの好適な態様は、抵抗層が放出層及び陰極の間に加えられる態様である。この場合に、抵抗層は、グリッド及び陰極を短絡から保護する。更に、この抵抗層は、文献欧州特許出願公開第０３１６２１４号明細書（米国特許第４９４０９１６号明細書に対応）に記載されたスクリーンの操作に非常に好都合である。

図４は、抵抗保護層を有する本発明による三極管型陰極構造の概略の断面図を示す。この陰極構造は、重ね合わされた抵抗層２６を支持する陰極２３と、絶縁層２１と、及び電子抽出グリッドを形成する金属層２５とを含む。スリット２２は、抵抗層２６を露出する。このスリット２２の中心部に、かつスリットの縦軸に沿った放出材料で形成された素子２４は、抵抗層２６上に支持される。図は１つの素子のみを示す。

放出領域が、スリット又は溝の中心で狭い幅にわたって位置することは、電子の指向性放出を可能にし、かつ解像度の問題を解決する。これは、放出素子が位置する領域の電界の平行成分の非常に低い値（ＥＬ／ＥＸ＜０．１）による。

図５の線図は、本発明による陰極構造の電界の空間的分布を示す。線図は、Ｙ軸に沿って描かれ、放出素子２４及び抵抗層２６が、線図に示される。電界の空間的分布Ｅは、１４μｍに等しい穴の幅Ｌに対して計算される。中心領域の幅ｄは６μｍであり、横方向成分ＥＹ３１は、法線成分３２の最小値の１０倍未満である。放出領域外側で、横方向電界基準３３及び３４の強度は、法線電界に匹敵する。計算は、グリッド上の６０Ｖの電圧に対してなされる。

このようにして、先行技術による構造に固有の問題が、克服される。グリッド−陰極の短絡の問題は、中央の位置決め、及び溝又はスリットの寸法と比較した放出素子の小ささ、及びおそらく抵抗層の存在よって取り除かれる。グリッドによって誘導される電界は、均一であり、かつ電界の垂直成分と比較して非常に弱い横方向成分しか含まない。

放出素子から金属グリッド層を分離する距離Ｓの最小値は、実験的に見つけられ得る（図２を参照）。この距離は、放出層を構成する物体の大きさｈよりも大きい。このことは、図６に概略的に表され、この図において、参照符号４３は、陰極を示し、かつ参照符号４４は、放出層を示す。例えば、放出層４４は、炭素ナノチューブ４８からなる。この場合に、距離Ｓは、炭素ナノチューブの平均的な長さｈよりも大きい。ナノチューブの長さの広いばらつきを考慮すれば、この距離に約２又は３の係数を乗じることが好ましい。

長さ１〜２μｍのナノチューブに対して、距離Ｓは、約３〜４μｍであり得る。これらの値は、指針として与えられたものであり、これに限定されるものでない。電界の横方向成分は、これらの寸法に関して、法線成分と比較して非常に弱いことが確認され得る。

図７Ａ〜７Ｆは、本発明による三極管型陰極構造を作る第１の方法を図解し、この方法は、真空蒸着及びフォトリソグラフィ技術を使用する。

陰極導体は、導電材料、例えばモリブデン、ニオブ、銅、又はＩＴＯを支持体５０に堆積することにより得られる（図７Ａ参照）。導電材料の堆積物は、通常、幅１０μｍ、２５μｍピッチでストリップ状にエッチングされる。図７Ａは、陰極電極５３を形成するために組み合わされる２つのストリップを示す。

そして、幾つかの堆積物が、図７Ｂに示すように作られる。それは、アモルファスシリコンの厚さ１．５μｍの抵抗層５６、その後、シリカ又は窒化珪素で形成された厚さ１μｍの絶縁層５１、最後に、電子抽出グリッドを形成するニオブ又はモリブデンで形成された金属層５５である。

次に、金属層５５及び絶縁層５１は、抵抗層５６が露出するまで、幅１５μｍのスリット又はトレンチ５２に同時にエッチングされる。このことは、図７Ｃに示す。

図７Ｄは、樹脂で形成された犠牲層５７を堆積し、層５７に抵抗層５６を露出する幅６μｍ及び長さ１０〜１５μｍの開口部５８を形成した後に得られる構造を示す。開口部５８の幅は、形成される放出層の幅に対応する。

次に、鉄、コバルト又はニッケルの触媒堆積が、構造の上に形成される。触媒堆積物は、成長多層の堆積物によって代替可能である。この成長多層の堆積物は、例えばＴｉＮ又はＴａＮと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＰｔのような触媒材料とを有する積層である。図７Ｅに示すように、この触媒堆積物によって、犠牲層５７上、及び抵抗層５６の露出部分上に不連続成長層５９が形成される。

次に犠牲層は、この犠牲層上に位置する成長層の部分の除去を引き起こす「リフトオフ」技術を使用して取り除かれる。成長層の部分は、抵抗層５６の中心部に残る。このことは、放出層５４の成長を可能にする。図７Ｆは、１つの素子のみを示す。

図８Ａ〜８Ｆは、本発明による三極管型陰極構造を製造する第２の方法を示し、この方法は、真空蒸着及びフォトリソグラフィ技術を使用する。それは、自己整合方法である。

陰極導体は、導電材料、例えばモリブデン、ニオブ、銅、又はＩＴＯを支持体１５０に堆積することにより得られる（図８Ａ参照）。導電材料の堆積物は、通常、幅１０μｍ、２５μｍピッチでストリップ状にエッチングされる。図８Ａは、陰極電極１５３を形成するために組み合わされる２つのストリップを示す。

そして、幾つかの堆積物が、図８Ｂに示すように作られる。それは、アモルファスシリコンで形成された厚さ１．５μｍの抵抗層１５６、その後、シリカ又は窒化珪素で形成された厚さ１μｍの絶縁層１５１、最後に、電子抽出グリッドを形成するニオブ又はモリブデンで形成された金属層１５５である。

犠牲層１５７の堆積後、金属層１５５及び絶縁層１５１は、次に形成される各放出素子に対して開口部１５８によって、形成される放出素子の寸法と等しい寸法で、かつ抵抗層１５６が露出されるまで同時にエッチングされる。各開口部１５８は、幅６μｍかつ長さ１５μｍでも良い。このことは、図８Ｃに示す。

そして、必要なスリット１５２を得るために、絶縁層１５１が、開口部１５８から横方向にエッチングされる。このことは、図８Ｄに示す。犠牲層１５７の部分は、スリット１５２の上に突き出す。次にスリット及びグリッドは、放出領域と自己整合する。

図８Ｅは、触媒材料層１５９を堆積した後に得られる構造を示す。堆積物は、犠牲層１５７上、及び抵抗層１５６の露出部分上に形成される。触媒は、鉄、コバルト又はニッケルでも良い。触媒堆積物は、成長多層の堆積部によって代替可能である。この成長多層の堆積物は、例えばＴｉＮ又はＴａＮと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＰｔのような触媒材料とを含む積層である。

次にリフトオフ操作が、犠牲層上で行われ、それは、犠牲層によって支持される触媒材料層の部分を取り除く。成長層の部分は、抵抗層１５６の中心部に残る。このことは、放出層１５４の成長を可能にする。図８Ｆは、１つの素子のみを示す。

図９は、本発明による三極管型陰極構造のより完全な平面図を示す。この構造は、第２の製造方法によって得られたものである。金属層１５５、放出素子１５４及び抵抗層１５６は、全て認識され得る。このように製造されるスリットは、完全に長方形でない。それらは僅かに装飾されるが、装置の動作を妨げるものではない。

Claims (3)

1. 支持体上に実現された堆積物によって形成された三極管型陰極構造であって、前記堆積物は、電子放出手段（２４）に抵抗層（２６）によって電気的に接続された陰極（２３）を形成する電極を備え、前記堆積物は、また、前記電子放出手段を露出させる開口部（２２）が設けられたグリッド電極（２５）を備え、前記グリッド電極は、電気絶縁層（２１）を介して前記支持体によって支持されており、
   前記グリッド電極の開口部はスリットであり、前記スリットによって露出された前記電子放出手段（２４）は、前記スリットの長手方向に沿って一列に並べられ相互に分離された少なくとも２つの炭素ナノチューブからなる放出層からなり、前記放出層（２４）は、前記スリットの壁から前記炭素ナノチューブの長さより大きな距離隔てて前記スリットの中心部に配置され、前記開口部（２２）はそれにより前記抵抗層（２６）も露出させ、陰極（２３）を形成する前記電極は、前記放出層（２４）が陰極を形成する前記電極上に配置されないが前記抵抗層（２６）上で支持されるように、前記放出層（２４）に対して前記堆積物内で位置決めされていることを特徴とする三極管型陰極構造。
2. 前記グリッド電極（２５）及び前記電気絶縁層（２１）に形成された前記開口部（２２）は実質的に長方形であり、炭素ナノチューブからなる前記放出層（２４）も、ほぼ長方形であることを特徴とする請求項１に記載の三極管型陰極構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の三極管型陰極構造を複数有することを特徴とする平面電界放出ディスプレイ。

Images