JPH0963460A

JPH0963460A - 電界放出冷陰極および冷陰極の製作方法

Info

Publication number: JPH0963460A
Application number: JP21577595A
Authority: JP
Inventors: Shiro Sato; 史郎佐藤; Katsuyuki Goto; 克幸後藤; Norifumi Egami; 典文江上; Yoshiyuki Hirano; 喜之平野
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】電界放出冷陰極は陰極に被覆処理を施さない
と電子放出動作が不安定で、一方、被覆した場合には、
被覆する材料および被覆の方法によって、高温の熱処理
が必要となり冷陰極自体を損なうか、または、被覆によ
り陰極先端部の尖鋭形状を劣化させていた。【解決手段】電界放出冷陰極を構成する陰極１の表面
または先端部がダイヤモンド状カーボン２で被覆される
ようにし、陰極表面を被覆するにあたっては、その被覆
を電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法によって行う
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小で尖鋭な先端
形状を有する陰極と、その陰極の先端部を取り囲むよう
に配置されたゲート電極とで構成され、両者の間に電圧
を印加して陰極に電界集中を形成し電子を放出させる電
界放出冷陰極の動作を安定にしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電界放出冷陰極は、その電子放出
動作が不安定で放出電流が時間とともに変動するという
欠点があった。この動作不安定の原因は、明確にはされ
ていないが、電界放出冷陰極の動作中に酸素などの不純
物原子や分子が陰極の電子放出領域に付着して局所的に
仕事関数を低下させたり、陰極の構成原子自体が蒸発や
電子励起表面拡散（エレクトロマイグレーション）で移
動し、ミクロな電界集中係数が変動することがその原因
の一つであると考えられている。また陰極、ゲート電極
間の空間に存在するイオンも電界で加速されて陰極を衝
撃し、陰極表面の仕事関数や化学特性を劣化したり、電
界放出の安定性を損なう恐れがある。さらに陰極材料の
結晶粒界などの欠陥も動作不安定の原因となりうる。

【０００３】この動作不安定に対する対策として、従
来、安定な材料である白金や金などの不活性金属を陰極
表面に蒸着したり、単原子層のグラファイト（これも化
学的に安定）で陰極表面を被覆すると、陰極からの放出
電流の変動が減少し、その安定な期間が増えただけ寿命
も長くなることもわかっている。また、グラファイトの
場合、ｓｐ２混成軌道がσ結合を作り、残ったｐｚ軌道
が層間でπ結合を作っている。そのため、このグラファ
イトによる陰極の被覆を金属カーバイド系の陰極に施す
と、グラファイトの反結合π軌道が下地（金属カーバイ
ド系の陰極）の軌道と相互作用をして単体のグラファイ
トよりも小さい仕事関数となる効果をもたらすことも報
告されている。

【０００４】また、陰極材料としてシリコンを用いる場
合、炭素をイオン注入して陰極の表面層をシリコンカー
バイドとすることにより安定化を図ろうとする試みも報
告されている。他方、動作不安定の問題を回路的に解決
しようとして、電界放出冷陰極とトランジスタを並列に
配置して一対とし、放出電流が一定となるようゲート電
圧や陰極電圧を調節するようフィードバックする機構を
取り付ける方法も考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の電界放出冷陰極
の動作安定化方法には、次のような各問題点がある。す
なわち、白金や金などの不活性金属を陰極表面に蒸着す
る方法はタングステン、モリブデンなどの通常の陰極材
料そのものに比べれば、耐酸化性は強いが、原子の移動
については必ずしも安定と言えない。また、単原子層の
グラファイトで陰極表面を被覆する方法も、これまで陰
極をエチレンガス（Ｃ₂Ｈ₄)中で１０００〜１１００℃
の温度で熱処理することにより行われているが、このよ
うな高温熱処理は、冷陰極素子基板として低融点のガラ
スを用いることができないという制約があることや、素
子をマトリックス駆動する場合に、絶縁膜や配線に劣化
をもたらすので好ましくないという問題もある。

【０００６】また、シリコン製の陰極表面に炭素をイオ
ン注入して表面層をシリコンカーバイドとする場合も９
００℃以上の高温熱処理が必要である。さらに、トラン
ジスタと組み合わせて放出電流を一定にし、過電流を防
止する方法は、冷陰極のアレイ（配列）を高集積化する
場合にその実現が困難であるだけでなく、この方法では
本質的な解決方法とはならない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電界放出冷陰
極の陰極表面または先端部をダイヤモンド状カーボンで
覆うと、ダイヤモンド状カーボンの表面の化学的安定性
により酸素などの不純物原子や分子の付着が抑制され、
もし、それら不純物原子や分子の付着があった場合に生
ずる電界放出のランダムノイズが低減され、また、ダイ
ヤモンド状カーボンはそれ自体高硬度であるために、電
子の電界放出にともなうイオン衝撃に強くスパイク状の
ノイズも抑えられるということから、電界放出冷陰極の
電子放出動作が安定化され、従って、冷陰極の寿命も長
寿命化されるという着眼に基づいてなされたものであ
る。

【０００８】また、本発明電界放出冷陰極を製作するに
あたっては、例えば電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆
積（ＥＣＲ−ＣＶＤ）法を用いれば、すでに製作された
陰極の表面にダイヤモンド状カーボンの被覆を室温〜２
００℃程度の低い温度で行うことができるので、低融点
ガラス基板や、その他高温に耐えられない材料を損なう
ことなく、従って、製作された電界放出冷陰極の歩留り
が向上する。また、この電子サイクロトロン共鳴プラズ
マ堆積法によれば、表面凹凸振幅が数ｎｍ程度の平滑な
ダイヤモンド状カーボンが得られるので尖鋭な先端を有
する陰極に被覆してもその尖鋭度を損なうことがない。
さらに、後述するよう、同方法を用いれば、ダイヤモン
ド状カーボンに電気的に活性な不純物を添加して導電性
を高めることもでき、これによれば、電子放出の効率
を、動作の安定化を損なうことなく、高めることができ
る。

【０００９】すなわち、本発明電界放出冷陰極は、尖鋭
な先端形状を有する陰極と該陰極の先端部を取り囲むよ
うに配置されたゲート電極との間に電圧を印加し、該電
圧の印加により前記陰極に電界を集中させ電子を放出さ
せるようにした電界放出冷陰極において、前記陰極の表
面がダイヤモンド状カーボンで被覆されていることを特
徴とするものである。

【００１０】また、本発明電界放出冷陰極は、尖鋭な先
端形状を有する陰極と該陰極の先端部を取り囲むように
配置されたゲート電極との間に電圧を印加し、該電圧の
印加により前記陰極に電界を集中させ電子を放出させる
ようにした電界放出冷陰極において、前記陰極の先端部
がダイヤモンド状カーボンで被覆されていることを特徴
とするものである。

【００１１】また、本発明電界放出冷陰極は、前記ダイ
ヤモンド状カーボンがアニールされていることを特徴と
するものである。

【００１２】また、本発明電界放出冷陰極は、前記ダイ
ヤモンド状カーボンが、電気的に活性な不純物が添加さ
れていることを特徴とするものである。

【００１３】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、前記記載の電界放出冷陰極を製作するにあたり、電
子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法により、前記ダイ
ヤモンド状カーボンを前記陰極表面に堆積することによ
り前記陰極表面が前記ダイヤモンド状カーボンで被覆さ
れるようにしたことを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明電界放出冷陰極の製作方法
は、前記記載の電界放出冷陰極を製作するにあたり、電
子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法により、前記ダイ
ヤモンド状カーボンに電気的に活性な不純物を添加する
ようしたことを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照し、実施の
形態に基づいて本発明を詳細に説明する。本発明電界放
出冷陰極の第１および第２の実施形態を、それらの製作
過程ごとの断面図にてそれぞれ図１および図２に示して
いる。

【００１６】まず、第１の実施形態としてその最終形態
（完成品）を示す図１（ｃ）において、本発明電界放出
冷陰極は、シリコンからなる下地陰極１、その表面が被
覆されているダイヤモンド状カーボン層２、陰極（突起
部）１を取り囲んでなる絶縁膜層３および同じく陰極１
を取り囲んでなるゲート電極層４によって構成されてい
る。

【００１７】また、第２の実施形態としてその最終形態
（完成品）に至る一歩手前の形態を示す図２（ｃ）にお
いて、本発明電界放出冷陰極は、基板５、陰極６、その
陰極６の先端部が被覆されているダイヤモンド状カーボ
ン層７、陰極６を取り囲んでなる絶縁膜層８、同じく陰
極を取り囲んでなるゲート電極層９、犠牲層１０、陰極
材料層１１、およびその陰極材料層１１上に堆積された
ダイヤモンド状カーボン層７によって構成されている。

【００１８】以上において、本発明電界放出冷陰極の特
徴は、ダイヤモンド状カーボンによって陰極（図１
（ｃ）に符号１で示す）の突起部の表面が被覆され、ま
たは、陰極（図２（ｃ）に符号６で示す）の先端部が被
覆されていることである。ダイヤモンド状カーボンは化
学的に安定であるため、その表面に酸素などの不純物原
子や分子が付着しにくく、従って、陰極からの電子放出
動作を安定にするのに役立っている。

【００１９】次に、図１を参照して本発明電界放出冷陰
極の製作方法の第１の実施形態につき説明する。図１に
おいて、まず、先鋭な先端形状を有するシリコンの陰極
１を異方性エッチングなど通常の方法により製作する
（図１（ａ））。次に図１（ｂ）に示すように、この陰
極表面にダイヤモンド状カーボン層２を堆積する。堆積
の方法としては電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法
などを使用する。最後に、図１（ｃ）に示すよう、絶縁
膜層３の堆積、ゲート金属層４の堆積を行って本発明冷
陰極を完成させる。

【００２０】同様に、図２を参照して本発明電界放出冷
陰極の製作方法の第２の実施形態につき説明する。この
場合の冷陰極は、いわゆるスピント型と呼ばれるもの
で、蒸着法によって作成するものとする。図２におい
て、まず、図２（ａ）示すように、通常の蒸着法より基
板５上に絶縁膜層８、ゲート電極層９を堆積し、さらに
基板５上に円錐状の陰極を堆積するために、ゲート電極
層９上にその電極層９の開口より小さい開口を有する犠
牲層１０を堆積する。次に、図２（ｂ）に示すように、
この犠牲層１０の上から陰極６および陰極材料層１１を
蒸着法により堆積する。この陰極材料層の堆積は犠牲層
１０の開口が完全に塞がる前で止める。さらに、図２
（ｃ）に示すように、ダイヤモンド状カーボン層７を、
開口が完全に塞がるまで堆積する。これらの製作過程
（図２（ａ），（ｂ），（ｃ））を経た後、図示してい
ないが、順次に堆積されている犠牲層１０、陰極材料層
１１およびダイヤモンド状カーボン層７を除去して本発
明冷陰極を完成させる。

【００２１】また、本発明電界放出冷陰極の他の実施の
形態としては、本発明によって陰極の表面または先端部
を被覆するダイヤモンド状カーボンは、アニールされ、
または電気的に活性な不純物が添加され、またはそれら
の両者が施されていてもよい。特に、後者の不純物の添
加は電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法によって行
うことができる。上記アニールの目的は構造を安定化す
ることで、また、不純物添加の目的は導電性を向上させ
ることにある。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明電界放出冷
陰極は、冷陰極を構成する陰極の表面または先端部をダ
イヤンド状カーボンで被覆したことにより、電子放出の
動作を安定にすると同時に、その被覆材料の特徴を活か
した以下に列挙する効果が得られる。（１）表面が化学的に安定であるためにランダムノイズ
を低減することができる。（２）高硬度であるために対イオン衝撃性が高くスパイ
ク状のノイズが低減できる。（３）電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法によって
製作すれば低温でダイヤモンド状カーボンを堆積するこ
とができるので、ガラス基板上に製作した冷陰極にも応
用することができる。（４）電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法により、
ダイヤモンド状カーボンを堆積することにより、陰極先
端部の尖鋭度を損なうことなく堆積することができる。
そのため、特に、冷陰極を撮像板や平面ディスプレイに
応用する場合においては、撮像画像や表示画像を高解像
度に維持する必要があるため、被覆しても陰極先端の尖
鋭形状を劣化させない本発明は効力を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電界放出冷陰極の製作方法の第１の実施
形態を断面図にて示している。

【図２】本発明電界放出冷陰極の製作方法の第２の実施
形態を断面図にて示している。

【符号の説明】

１陰極（突起部および下地陰極）２ダイヤモンド状カーボン層３絶縁膜層４ゲート電極層５基板６陰極７ダイヤモンド状カーボン層８絶縁膜層９ゲート電極層１０犠牲層１１陰極材料層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平野喜之東京都世田谷区砧１丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】尖鋭な先端形状を有する陰極と該陰極の
先端部を取り囲むように配置されたゲート電極との間に
電圧を印加し、該電圧の印加により前記陰極に電界を集
中させ電子を放出させるようにした電界放出冷陰極にお
いて、前記陰極の表面がダイヤモンド状カーボンで被覆
されていることを特徴とする電界放出冷陰極。
【請求項２】尖鋭な先端形状を有する陰極と該陰極の
先端部を取り囲むように配置されたゲート電極との間に
電圧を印加し、該電圧の印加により前記陰極に電界を集
中させ電子を放出させるようにした電界放出冷陰極にお
いて、前記陰極の先端部がダイヤモンド状カーボンで被
覆されていることを特徴とする電界放出冷陰極。
【請求項３】請求項１または２記載の電界放出冷陰極
において、前記ダイヤモンド状カーボンはアニールされ
ていることを特徴とする電界放出冷陰極。
【請求項４】請求項１または２記載の電界放出冷陰極
において、前記ダイヤモンド状カーボンは、電気的に活
性な不純物が添加されていることを特徴とする電界放出
冷陰極。
【請求項５】請求項１記載の電界放出冷陰極を製作す
るにあたり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法に
より、前記ダイヤモンド状カーボンを前記陰極表面に堆
積することにより前記陰極表面が前記ダイヤモンド状カ
ーボンで被覆されるようにしたことを特徴とする電界放
出冷陰極の製作方法。
【請求項６】請求項４記載の電界放出冷陰極を製作す
るにあたり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ堆積法に
より、前記ダイヤモンド状カーボンに電気的に活性な不
純物を添加するようしたことを特徴とする電界放出冷陰
極の製作方法。