JPH11204022A - Cold cathode and element using same - Google Patents

Cold cathode and element using same

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JPH11204022A
JPH11204022A JP168098A JP168098A JPH11204022A JP H11204022 A JPH11204022 A JP H11204022A JP 168098 A JP168098 A JP 168098A JP 168098 A JP168098 A JP 168098A JP H11204022 A JPH11204022 A JP H11204022A
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JP
Japan
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cold
substrate
cold electron
carbon
electron emission
Prior art date
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Application number
JP168098A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yamamoto
浩 山本
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Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
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Publication date
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  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow an application to a display or the like by forming a cold electron emission part without using a micro machining technology for reducing the production cost, sufficiently increasing the density and homogeneity of a cold electron emission point for improving quality, preventing deterioration due to impurities, eliminating tip evaporation of a material and increasing a heat releasing function for improving durability, and lowering operating voltage and power consumption. SOLUTION: A film (first layer 1 and second layer 2) made of carbon material such as carbon, graphite, amorphous carbon, DLC(diamond-like carbon) or diamond is formed on a substrate 3, thereby forming a projected cold electron emission part 2. In this case, cold electrons 4 are emitted from the tip 2c of the projected cold electron emission part 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に対して凸状
に冷電子放出部を形成し、この凸状の冷電子放出部より
冷電子を放出するようにした冷陰極およびこの冷陰極を
用いたデバイス、センサなどの素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode in which a cold electron emitting portion is formed in a convex shape with respect to a substrate and cold electrons are emitted from the convex cold electron emitting portion. It relates to elements such as used devices and sensors.

【0002】[0002]

【従来の技術】陰極を加熱することで電子を放出する熱
陰極に対して、加熱しないで(冷)電子を放出する冷陰
極と呼ばれる陰極が存在する。
2. Description of the Related Art In contrast to a hot cathode which emits electrons by heating a cathode, there is a cathode called a cold cathode which emits (cold) electrons without heating.

【0003】冷陰極の電子放出原理を、図6に示すエネ
ルギー準位Eを用いて概略説明すると、材料中から冷電
子を真空中に放出させるために、ポテンシャルの山をト
ンネル効果により超えることができるように、陽極、冷
陰極間に電圧を加える必要がある。
The principle of electron emission of a cold cathode will be briefly described with reference to an energy level E shown in FIG. 6. In order to emit cold electrons from a material into a vacuum, the potential peak is likely to be exceeded by a tunnel effect. It is necessary to apply a voltage between the anode and the cold cathode to be able to do so.

【0004】冷陰極を製造する上で、重要なことは、冷
電子を放出させ易くするために、冷電子の放出部が電界
集中が起こりやすい形状にすることである。
In manufacturing a cold cathode, it is important that a cold electron emitting portion has a shape in which an electric field concentration easily occurs in order to easily emit cold electrons.

【0005】そこで、従来技術にあっては、特開平1−
300558号公報にみられるように、単結晶シリコン
を異方性エッチングにより微細加工することで、基板上
に、先端が鋭利なコーン形状の冷電子放出部を形成する
ようにしている。
In the prior art, Japanese Patent Laid-Open No.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 300558, single-crystal silicon is finely processed by anisotropic etching to form a cone-shaped cold electron emission portion with a sharp tip on a substrate.

【0006】また、微細加工技術を用いて作成した微小
穴中に、Mo、Si、Ga、As等を蒸着することで、先端
が鋭利なコーン形状の冷電子放出部を形成するようにし
ている。
Further, Mo, Si, Ga, As or the like is vapor-deposited in a fine hole formed by using a fine processing technique to form a cone-shaped cold electron emission portion having a sharp tip. .

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術によれば、エッチングなどの微細加工技術を用
いて冷電子放出部を形成するようにしているため、冷陰
極を作成するのに非常に繁雑な工程を必要とし、製造コ
ストがかかるという問題がある。
However, according to the above-mentioned prior art, since the cold electron emission portion is formed by using a fine processing technique such as etching, it is very difficult to form a cold cathode. There is a problem that a complicated process is required and a manufacturing cost is required.

【0008】しかも、基板の単位面積当たりの冷電子放
出点(冷電子放出部)の数(冷電子放出点密度)は、大
きい程、電流を多く流すことができて望ましいが、この
冷電子放出点密度は、微細加工技術のレベル如何によっ
て左右されるため、一定レベル以上には、この冷電子放
出点密度を上げることができなかった。
In addition, the larger the number of cold electron emission points (cold electron emission portions) per unit area of the substrate (cold electron emission point density), the more current can flow. Since the point density depends on the level of the fine processing technology, the cold electron emission point density cannot be increased to a certain level or more.

【0009】また、基板上に、冷電子放出点を均一に形
成することが望ましいが、やはり現状の微細加工技術の
レベルでは、必ずしも均一に冷電子放出点を形成するこ
とができなかった。
Although it is desirable to form cold electron emission points uniformly on a substrate, it is not always possible to form cold electron emission points uniformly at the current level of microfabrication technology.

【0010】このため、冷陰極をディスプレイに使用し
た場合、冷電子放出点の密度、均一度が十分ではないた
め、画像の品質が損なわれることになっていた。
For this reason, when a cold cathode is used for a display, the density and uniformity of cold electron emission points are not sufficient, so that the quality of an image has been impaired.

【0011】また、冷陰極(の冷電子放出部)の材料と
して、Si、Mo、Ga、Asなどの材料を使用している
が、これらの材料は作動環境である真空中で不純物とな
るH2、O2などによって劣化してしまうことがある。
In addition, materials such as Si, Mo, Ga, and As are used as a material of the cold cathode (cold electron emission portion), and these materials become impurities such as H2 which becomes impurities in a vacuum which is an operating environment. , O2 and the like.

【0012】また、これらのSi、Mo、Ga、Asなどの
材料は、冷陰極の材料として使用した場合には必ずしも
高融点材料とは言い難い。
Further, these materials such as Si, Mo, Ga and As are not necessarily high melting point materials when used as a material for a cold cathode.

【0013】すなわち、冷陰極では鋭利なコーン状の冷
電子放出部の先端に電流が集中して発熱するため、たと
えば融点が1200°C程度のSi(シリコン)などで
は、蒸発してしまい、冷陰極として作動しなくなること
もある。また、熱伝導率が低く、放熱性が良くないた
め、耐久性の点でも問題があった。
That is, in the cold cathode, the current is concentrated and heat is generated at the tip of the sharp cone-shaped cold electron emitting portion. For example, Si (silicon) having a melting point of about 1200 ° C. evaporates, and the cold cathode evaporates. It may not work as a cathode. In addition, the heat conductivity is low and the heat dissipation is not good, so that there is also a problem in durability.

【0014】また、Si、Mo、Ga、Asなどの材料で
は、材料中から冷電子を真空中に放出させるために、高
い電界強度、高電圧を必要とする。
Further, materials such as Si, Mo, Ga, and As require high electric field strength and high voltage in order to emit cold electrons from the material into a vacuum.

【0015】このため、冷陰極をディスプレイなどの素
子として使用した場合に、動作電圧が高く、これに伴い
消費電力が高くなるため、LCD、プラズマディスプレ
イ、ELなどの各種ディスプレイなどに使用する上での
障害となっていた。
For this reason, when the cold cathode is used as an element of a display or the like, the operating voltage is high, and the power consumption is accordingly high, so that the cold cathode is used for various displays such as LCD, plasma display, and EL. Was an obstacle.

【0016】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、微細加工技術を用いることなく冷電子放出
部を形成できるようにして、製造コストを低減させると
ともに、冷電子放出点の密度、均一度を十分に高め、品
質を向上させ、さらに、不純物による劣化を防止できる
ようにし、さらにまた、材料の蒸発をなくし、放熱性を
高めることで耐久性を向上させ、さらに動作電圧、消費
電力を低くすることで、ディスプレイなどへの実用化を
図ることを解決課題とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and allows a cold electron emitting portion to be formed without using a fine processing technique, thereby reducing manufacturing costs and reducing the density of cold electron emitting points. Enhance uniformity sufficiently, improve quality, prevent deterioration due to impurities, eliminate evaporation of materials, improve heat dissipation, improve durability, operating voltage, power consumption It is an object of the present invention to achieve practical use for a display or the like by lowering.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段及び作用効果】そこで、本
発明の第1発明では、基板に対して凸状に冷電子放出部
を形成し、この凸状の冷電子放出部より冷電子を放出す
るようにした冷陰極において、基板上に、炭素系材料を
成膜することにより、前記凸状の冷電子放出部を形成す
るようにしている。
Therefore, according to a first aspect of the present invention, a cold electron emitting portion is formed in a convex shape with respect to a substrate, and the cold electron emitting portion emits cold electrons from the convex cold electron emitting portion. In such a cold cathode, a carbon-based material is formed on a substrate to form the convex cold electron emitting portion.

【0018】第1発明によれば、図1に示すように、基
板3上に、カーボン、グラファイト、アモルファスカー
ボン、DLC(ダイヤモンドライクドカーボン:ダイヤ
モンド状カーボン)、ダイヤモンドなどの炭素系材料を
成膜(第1層1、第2層2)することにより、凸状の冷
電子放出部2が形成される。そして、この凸状の冷電子
放出部2の先端2cより冷電子4が放出される。
According to the first invention, as shown in FIG. 1, a carbon-based material such as carbon, graphite, amorphous carbon, DLC (diamond-like carbon: diamond-like carbon), or diamond is formed on a substrate 3. By forming the first layer 1 and the second layer 2, a cold electron emission portion 2 having a convex shape is formed. Then, the cold electrons 4 are emitted from the tip 2c of the convex cold electron emitting portion 2.

【0019】このように基板3上に炭素系材料を成膜さ
せる処理を行うだけで、炭素系材料は基板に対して凸状
に成長していき、凸状の冷電子放出部2が、高い密度
で、均一に形成される。これは炭素系材料のもつ特異な
立体微細構造によるものである。
As described above, only by performing the process of forming a film of the carbon-based material on the substrate 3, the carbon-based material grows in a convex shape with respect to the substrate. Uniformly formed with density. This is due to the unique three-dimensional microstructure of the carbon-based material.

【0020】このため、エッチングなどの微細加工技術
を用いて冷電子放出部を形成する必要はないので、工程
を簡易なものにすることができ、製造コストを低減させ
ることができる。
For this reason, since it is not necessary to form the cold electron emitting portion by using a fine processing technique such as etching, the process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.

【0021】また、微細加工技術のレベルに関係なく、
冷電子放出点の密度、均一度を十分に高めることができ
るので、冷陰極としての品質を向上させることができ
る。
Also, regardless of the level of the fine processing technology,
Since the density and uniformity of the cold electron emission points can be sufficiently increased, the quality as a cold cathode can be improved.

【0022】また、炭素系材料は、Si、Mo、Ga、As
などの材料と比較して、作動環境である真空中で不純物
となるH2、O2などによって劣化されてしまう度合いは
極端に小さい。このため不純物による劣化に対する耐久
性を飛躍的に高めることができる。
The carbon-based material is Si, Mo, Ga, As.
Compared with such materials, the degree of deterioration by H2, O2, etc., which are impurities in a vacuum as an operating environment, is extremely small. For this reason, the durability against deterioration due to impurities can be dramatically increased.

【0023】また、炭素系材料は、従来のSi、Mo、G
a、Asなどの材料に比較して、融点が高い。たとえば、
Si(シリコン)の1200°Cの融点に対して、炭素
系材料では3000°C〜4000°C程度の融点とな
る(特にダイヤモンドは高融点である)。
Further, carbon-based materials include conventional Si, Mo, G
It has a higher melting point than materials such as a and As. For example,
The melting point of Si (silicon) is 1200 ° C., whereas the melting point of a carbon-based material is about 3000 ° C. to 4000 ° C. (particularly, diamond has a high melting point).

【0024】このため、冷電子放出部2の先端2cに電
流が集中して発熱したとしても、融点が3000°C〜
4000°C程度と高いので、蒸発するようなことはな
く、冷陰極として作動しなくなるという事態を防止する
ことができる。また、熱伝導率が高く、放熱性が良いの
で、熱に対する耐久性を高めることができ、上記不純物
による劣化に対する耐久性とあいまって、総合的な耐久
性を飛躍的に高めることができる。
For this reason, even if the current is concentrated on the tip 2c of the cold electron emitting portion 2 and heat is generated, the melting point is 3000 ° C. or more.
Since the temperature is as high as about 4000 ° C., it does not evaporate, and it is possible to prevent a situation in which it does not operate as a cold cathode. In addition, since the thermal conductivity is high and the heat radiation property is good, the durability against heat can be enhanced, and the overall durability can be drastically improved in combination with the durability against the deterioration due to the impurities.

【0025】また、Si、Mo、Ga、Asなどの材料と比
較して、炭素系材料では、材料中から冷電子を真空中に
放出させるために、それ程高い電界強度、電圧を必要と
しない。
Also, compared to materials such as Si, Mo, Ga, and As, carbon-based materials do not require so high electric field strength and voltage to discharge cold electrons from the material into a vacuum.

【0026】このため、冷陰極をディスプレイなどの素
子として使用した場合に、動作電圧を低くでき、これに
伴い消費電力を低くすることができる。このため、LC
D、プラズマディスプレイ、ELなどの各種ディスプレ
イなどの実用化を図ることができる。
For this reason, when the cold cathode is used as an element of a display or the like, the operating voltage can be reduced, and the power consumption can be reduced accordingly. Therefore, LC
Various displays such as D, plasma display, and EL can be put to practical use.

【0027】また、第2発明では、第1発明において、
凸状の冷電子放出部2aを、基板3の上面からみて、連
続して形成するようにしている。
According to a second aspect, in the first aspect,
The convex cold electron emitting portions 2 a are formed continuously as viewed from the upper surface of the substrate 3.

【0028】第2発明によれば、連続して冷電子放出部
2aを形成することで、冷電子の放出点の密度をさらに
高めることができ、さらに電流を多く流すことができ
る。
According to the second aspect of the present invention, by forming the cold electron emitting portions 2a continuously, it is possible to further increase the density of cold electron emission points and to allow a larger current to flow.

【0029】また、第3発明では、第1発明において、
凸状の冷電子放出部2aは、基板3の上面からみて、離
散して形成するようにしている。
According to a third aspect, in the first aspect,
The convex cold electron emitting portions 2a are formed discretely when viewed from the upper surface of the substrate 3.

【0030】第3発明によれば、離散して冷電子放出部
2aを形成することで、冷電子の放出部2aに電界をさ
らに集中させ易くなる。このため、作動電圧をさらに低
くでき、これに伴い消費電力をさらに低くすることがで
きる。
According to the third aspect of the present invention, since the cold electron emitting portions 2a are discretely formed, the electric field can be more easily concentrated on the cold electron emitting portions 2a. For this reason, the operating voltage can be further reduced, and accordingly, the power consumption can be further reduced.

【0031】第4発明では、図7に示すように、たとえ
ば、超音速ノズル7を用いて、炭素系材料のガスプラズ
マ(CH4)を音速よりも大きい流速になるように加速
させて、基板3上に導き、凸状の薄膜を生成することに
よって、凸状の冷電子放出部2が形成される。
In the fourth invention, as shown in FIG. 7, for example, the supersonic nozzle 7 is used to accelerate a gas plasma (CH 4) of a carbon-based material to a flow velocity larger than the sonic velocity, and The convex cold electron emission part 2 is formed by guiding upward and forming a convex thin film.

【0032】また、第5発明では、図8に示すように、
第1発明の冷陰極20が、陽極21を備えた素子に用い
られる。
In the fifth invention, as shown in FIG.
The cold cathode 20 of the first invention is used for an element having an anode 21.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0034】本実施形態では、基板3上に形成される薄
膜として、グラファイトの薄膜を想定している。
In the present embodiment, a graphite thin film is assumed as the thin film formed on the substrate 3.

【0035】図7は、冷陰極20を製造する実施形態の
製造装置の構成を示している。
FIG. 7 shows a configuration of a manufacturing apparatus of the embodiment for manufacturing the cold cathode 20.

【0036】同図7に示すように、本実施形態装置は、
大きくは、基板3が配設されているチャンバ8と、グラ
ファイトを構成する元素である炭素が含まれた化合物ガ
ス(メタンガスCH4)と、これに水素ガス(H2)を加
えたものをプラズマ状態にして、これを基板3の表面3
aに向けて供給するラバルノズル(超音速ノズル)7と
から成っている。基板3は、グラファイト(C)とは異
なる材料、たとえばn型のシリコン単結晶(Si)から
構成されている。
As shown in FIG. 7, the apparatus of this embodiment is
Generally, a chamber 8 in which the substrate 3 is disposed, a compound gas containing methane (CH4), which is an element constituting graphite, and a gas obtained by adding hydrogen gas (H2) to the chamber 8 are turned into a plasma state. And this is the surface 3 of the substrate 3
and a Laval nozzle (supersonic nozzle) 7 to be supplied toward a. Substrate 3 is made of a material different from graphite (C), for example, n-type silicon single crystal (Si).

【0037】さらに詳しく説明すれば、反応室であるチ
ャンバ8内には、基板3が載置される台15と、台15
上に載置された基板3の温度を高めるべく台15に内蔵
されたヒータ9とが配設されている。
More specifically, in the chamber 8, which is a reaction chamber, a table 15 on which the substrate 3 is mounted and a table 15
In order to increase the temperature of the substrate 3 mounted thereon, a heater 9 built in a table 15 is provided.

【0038】真空ポンプ10は、チャンバ3内を、低圧
(たとえば0.1torr)まで真空引きするものである。
The vacuum pump 10 evacuates the chamber 3 to a low pressure (for example, 0.1 torr).

【0039】基板3は、膜の成長率を高めるべく、ヒー
タ9により、例えば800°C一定に保持されるように
制御される。
The substrate 3 is controlled by the heater 9 so as to be kept at, for example, 800 ° C. in order to increase the growth rate of the film.

【0040】すなわち、熱電対などの温度センサ14に
よって、基板3の温度が検出され、これがフィードバッ
ク信号として温度制御部13に入力される。
That is, the temperature of the substrate 3 is detected by the temperature sensor 14 such as a thermocouple, and the detected temperature is input to the temperature controller 13 as a feedback signal.

【0041】温度制御部13では、フィードバックされ
た現在の温度と目標温度(800°C)との偏差が零に
なるように、電力調整部12に対して電力調整信号を出
力する。電力調整部12では直流電源11を介してヒー
タ9に流れる電流を、可変抵抗値を変化させることで調
整し、基板3の温度を目標温度(800°C)に保持す
る。
The temperature control unit 13 outputs a power adjustment signal to the power adjustment unit 12 so that the difference between the fed-back current temperature and the target temperature (800 ° C.) becomes zero. The power adjusting unit 12 adjusts the current flowing through the heater 9 via the DC power supply 11 by changing the variable resistance value, and maintains the temperature of the substrate 3 at the target temperature (800 ° C.).

【0042】ノズル7には、たとえば流量500(sc
c/min)の水素ガスが供給されるとともに、たとえ
ば流量50(scc/min)のメタンガスが供給され
る。
The nozzle 7 has, for example, a flow rate of 500 (sc)
c / min) of hydrogen gas and, for example, a flow rate of 50 (scc / min) of methane gas.

【0043】ここで、グラファイト膜を生成すべくメタ
ンガスを使用しているが、炭素Cを含む化合物であれば
他の化合物ガスを使用してもよい。また、アルコールな
どの炭素を含む液体を使用してもよい。
Here, methane gas is used to form a graphite film, but other compound gases may be used as long as they are compounds containing carbon C. Further, a liquid containing carbon such as alcohol may be used.

【0044】なそ、水素ガス(H2)を同時に供給して
いるのは、反応に伴い発生する「すす」を取り除くため
である。
The reason why hydrogen gas (H 2) is supplied at the same time is to remove “soot” generated during the reaction.

【0045】また、プラズマ化を容易に行うためにAr
ガスなどの希ガスを、同時に供給してもよい。
Further, in order to easily perform plasma conversion, Ar is used.
A rare gas such as a gas may be supplied at the same time.

【0046】チャンバ8内の基板3に供給されるこれら
ガスは、誘導加熱によりプラズマ化される。
These gases supplied to the substrate 3 in the chamber 8 are turned into plasma by induction heating.

【0047】すなわち、たとえば13.56MHzの高
周波(RF)電源6によって、ラバルノズル7のスロー
ト部に巻かれた高周波コイル5に高周波の電流が流さ
れ、チャンバ8内の基板3に供給されるメタンガス等が
加熱され、プラズマ状態にされる。この場合、投入され
る高周波電力は、たとえば1kWである。
That is, for example, a high-frequency (RF) power supply 6 of 13.56 MHz causes a high-frequency current to flow through the high-frequency coil 5 wound around the throat portion of the Laval nozzle 7 to supply methane gas or the like to the substrate 3 in the chamber 8. Is heated to a plasma state. In this case, the supplied high frequency power is, for example, 1 kW.

【0048】こうしてラバルノズル7を介して、プラズ
マ化されたメタンガス等がチャンバ8内の基板3の表面
3aに供給され、基板3上にグラファイト構造の膜が形
成されることになる。成膜は、たとえば1時間だけ行わ
れる。
The methane gas or the like, which has been turned into plasma, is supplied to the surface 3 a of the substrate 3 in the chamber 8 through the Laval nozzle 7, and a film having a graphite structure is formed on the substrate 3. The film formation is performed, for example, for one hour.

【0049】なお、プラズマ化が可能であれば、ノズル
7としてラバルノズル以外のノズルを使用してもよい。
It should be noted that a nozzle other than a Laval nozzle may be used as the nozzle 7 as long as it can be turned into plasma.

【0050】図1は、図7の製造装置を用いて、製造さ
れる冷陰極20の構造を概念的に示すものである。
FIG. 1 conceptually shows the structure of a cold cathode 20 manufactured using the manufacturing apparatus of FIG.

【0051】すなわち、同図1に示すように、基板3上
には、まずグラファイト構造の緻密な連続膜である第1
層1が成膜される。さらに、この第1層1の面に対して
略垂直に起立するように、側壁2bと頭頂部であるエッ
ジ2aを備えた凸状の(薄片状の)冷電子放出部2が形
成されることで、グラファイト構造の第2層2が形成さ
れる。なお、第1層1の高さは、0.3〜0.4μm程
度であり、第2層2の高さは、0.3μm程度である。
That is, as shown in FIG. 1, a first continuous film having a dense graphite structure is formed on a substrate 3.
Layer 1 is deposited. Further, a convex (flake-shaped) cold electron emitting portion 2 having a side wall 2b and an edge 2a which is a top portion is formed so as to stand substantially perpendicularly to the surface of the first layer 1. Thus, the second layer 2 having a graphite structure is formed. Note that the height of the first layer 1 is about 0.3 to 0.4 μm, and the height of the second layer 2 is about 0.3 μm.

【0052】こうして基板3と第1層1と第2層2とか
らなる冷陰極20が形成される。そして、この冷陰極2
0に所要の電圧を印加すれば、冷電子放出部2の先端2
cで電界集中が起こり、冷電子放出部2の先端2cから
は冷電子4が放出されることになる。
Thus, the cold cathode 20 including the substrate 3, the first layer 1, and the second layer 2 is formed. And this cold cathode 2
0, a required voltage is applied to the tip 2 of the cold electron emission portion 2.
Electric field concentration occurs at c, and the cold electrons 4 are emitted from the tip 2c of the cold electron emitting portion 2.

【0053】このように、超音速ノズル7を用いて炭素
系材料のガスプラズマ(CH4)が音速よりも大きい流
速になるように加速されて、基板3上に導きかれること
で、凸状の薄膜が生成され、凸状の冷電子放出部2が形
成される。
As described above, the gas plasma (CH 4) of the carbon-based material is accelerated using the supersonic nozzle 7 so as to have a flow velocity larger than the sonic velocity, and is guided onto the substrate 3, whereby the convex thin film is formed. Is generated, and the cold electron emission portion 2 having a convex shape is formed.

【0054】なお、第1層1、第2層2をグラファイト
構造としているが、必ずしもグラファイト構造でなくて
もよい。
Although the first layer 1 and the second layer 2 have a graphite structure, they do not necessarily have to have a graphite structure.

【0055】本実施形態では、グラファイト膜を想定し
ているが、これ以外にも、カーボン、ダイヤモンド、ア
モルファスカーボン、DLC(ダイヤモンドライクドカ
ーボン:ダイヤモンド状カーボン)などの炭素系材料を
成膜することで、凸状の第2層2を形成させることがで
きる。
In this embodiment, a graphite film is assumed, but other than this, a carbon-based material such as carbon, diamond, amorphous carbon, DLC (diamond-like carbon: diamond-like carbon), etc. may be formed. Thus, the convex second layer 2 can be formed.

【0056】なお、炭素系材料中に、B、P等をドーピ
ングすることによって、電気伝導度を高めるようにして
もよい。
The electric conductivity may be increased by doping B, P or the like into the carbon-based material.

【0057】このように、本実施形態の製造装置を用い
て、基板3上に炭素系材料を成膜させる処理を行うと、
炭素系材料は基板3に対して凸状に成長していき、凸状
の冷電子放出部2が、緻密に形成される。これは炭素系
材料のもつ特異な立体微細構造によるものである。凸状
の冷電子放出部2、つまり冷電子の放出点は、高い密度
で、しかも均一に形成されることになる。
As described above, when a process of forming a carbon-based material on the substrate 3 using the manufacturing apparatus of the present embodiment is performed,
The carbon-based material grows in a convex shape with respect to the substrate 3, and the cold electron emitting portions 2 having a convex shape are formed densely. This is due to the unique three-dimensional microstructure of the carbon-based material. The projecting cold electron emitting portions 2, that is, the cold electron emitting points, are formed with high density and uniformity.

【0058】このため、従来技術のように、エッチング
などの微細加工技術を用いて冷電子放出部を形成する必
要はないので、工程を簡易なものにすることができ、製
造コストを低減させることができる。
Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to form the cold electron emission portion using a fine processing technique such as etching, so that the process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Can be.

【0059】また、微細加工技術のレベルに関係なく、
冷電子放出点の密度、均一度を十分に高めることができ
るので、冷陰極としての品質を向上させることができ
る。
Further, regardless of the level of the fine processing technology,
Since the density and uniformity of the cold electron emission points can be sufficiently increased, the quality as a cold cathode can be improved.

【0060】本実施形態の場合には、冷電子の放出点
(電子発生源)の密度は、2.0×109(個/cm2)
であると計測された。これに対して、シリコンの凸部を
エッチングにより形成する従来技術の場合には、1.3
×107個/cm2程度にしか密度を高めることができな
い。
In the case of the present embodiment, the density of cold electron emission points (electron generation sources) is 2.0 × 10 9 (pieces / cm 2).
Was measured. On the other hand, in the case of the prior art in which the convex portion of silicon is formed by etching, 1.3 is used.
The density can be increased only to about × 10 7 pieces / cm 2.

【0061】このように本実施形態によれば、電子源密
度が飛躍的に高くなり、電流を飛躍的に多く流すことが
できるのがわかる。
As described above, according to the present embodiment, it can be seen that the electron source density is dramatically increased, and that a much larger amount of current can flow.

【0062】また、炭素系材料は、Si、Mo、Ga、As
などの材料と比較して、作動環境である真空中で不純物
となるH2、O2などによって劣化されてしまう度合いは
極端に小さい。このため不純物による劣化に対する耐久
性を飛躍的に高めることができる。
The carbon-based materials include Si, Mo, Ga, and As.
Compared with such materials, the degree of deterioration by H2, O2, etc., which are impurities in a vacuum as an operating environment, is extremely small. For this reason, the durability against deterioration due to impurities can be dramatically increased.

【0063】また、炭素系材料は、従来のSi、Mo、G
a、Asなどの材料に比較して、融点が高い。たとえば、
Si(シリコン)の1200°Cの融点に対して、炭素
系材料では3000°C〜4000°C程度の融点とな
る。
The carbon-based materials include conventional Si, Mo, G
It has a higher melting point than materials such as a and As. For example,
The melting point of Si (silicon) at 1200 ° C. is about 3000 ° C. to 4000 ° C. for the carbon-based material.

【0064】このため、冷電子放出部2の先端2cに電
流が集中して発熱したとしても、融点が3000°C〜
4000°C程度と高いので、蒸発してしまうようなこ
とはなく、冷陰極として作動しなくなるという事態を防
止することができる。また、熱伝導率が高く、放熱性が
良いので、熱に対する耐久性を高めることができ、上記
不純物による劣化に対する耐久性とあいまって、総合的
な耐久性を飛躍的に高めることができる。
Therefore, even if the current is concentrated on the tip 2c of the cold electron emitting portion 2 to generate heat, the melting point is 3000 ° C.
Since the temperature is as high as about 4000 ° C., it does not evaporate, and it is possible to prevent a situation where the cathode does not operate as a cold cathode. In addition, since the thermal conductivity is high and the heat radiation property is good, the durability against heat can be enhanced, and the overall durability can be drastically improved in combination with the durability against the deterioration due to the impurities.

【0065】また、Si、Mo、Ga、Asなどの材料と比
較して、炭素系材料では、材料中から冷電子を真空中に
放出させるために、それ程高い電界強度、電圧を必要と
しない。
Further, compared with materials such as Si, Mo, Ga, and As, carbon-based materials do not require so high electric field strength and voltage to emit cold electrons from the material into vacuum.

【0066】とりわけ、ダイヤモンドは、図6の破線に
示すように、材料中のエネルギー準位は、真空中のエネ
ルギー準位よりも高い場合もあり、電界が相当低くても
冷電子4が放出される。
In particular, in diamond, as shown by the broken line in FIG. 6, the energy level in the material may be higher than that in vacuum, and the cold electrons 4 are emitted even when the electric field is considerably low. You.

【0067】このため、冷陰極をディスプレイなどの素
子として使用した場合に、動作電圧を低くでき、これに
伴い消費電力を低くすることができる。このため、LC
D、プラズマディスプレイ、ELなどの従来の各種平面
ディスプレイに置き換わるフラットパネルディスプレイ
の実用化を図ることができる。
For this reason, when the cold cathode is used as an element of a display or the like, the operating voltage can be reduced, and the power consumption can be reduced accordingly. Therefore, LC
A flat panel display that can replace conventional various flat displays such as D, plasma display, and EL can be put to practical use.

【0068】ところで、図4は、 ・基板:n型シリコン単結晶 ・H2流量:500(scc/min) ・CH4流量:50(scc/min) ・投入高周波電力:1kW ・基板温度:800°C ・成膜時間:1時間 という上述した成膜条件で、成膜を行ったときの成膜表
面の様子を示している。図4(a)は、電子顕微鏡を×
10kの倍率にして観察したときの成膜表面を示し、図
4(b)は、電子顕微鏡を×30kの倍率にして観察し
たときの成膜表面を示している。
Incidentally, FIG. 4 shows: • Substrate: n-type silicon single crystal • H2 flow rate: 500 (scc / min) • CH4 flow rate: 50 (scc / min) • Input high frequency power: 1 kW • Substrate temperature: 800 ° C. A state of a film formation surface when a film is formed under the above-described film formation condition of “film formation time: 1 hour” is shown. FIG. 4 (a) shows an electron microscope x
FIG. 4B shows the film formation surface when observed at a magnification of 10 k, and FIG. 4B shows the film formation surface when observed with an electron microscope at a magnification of × 30 k.

【0069】この図4の成膜表面の様子を、概念的に図
2に示す。
FIG. 2 conceptually shows the state of the film forming surface in FIG.

【0070】これら図2、図4からわかるように、凸状
の冷電子放出部2、つまりエッジ2aは、基板3の上面
からみて、連続するように網目状に形成されている。
As can be seen from FIGS. 2 and 4, the projecting cold electron emitting portions 2, that is, the edges 2 a are formed in a continuous mesh shape when viewed from the upper surface of the substrate 3.

【0071】このように連続した網目状に冷電子放出部
2(エッジ2a)が形成されているので、冷電子4の放
出点の密度が高められているのがわかる。
Since the cold electron emitting portions 2 (edges 2 a) are formed in a continuous mesh like this, it can be seen that the density of the cold electron 4 emitting points is increased.

【0072】つまり、連続した網目状に冷電子放出部2
(エッジ2a)を形成させることができれば、電流を多
く流すことができる。
That is, the cold electron emitting portions 2 are formed in a continuous mesh.
If the (edge 2a) can be formed, a large amount of current can flow.

【0073】一方、図5は、 ・基板:n型シリコン単結晶 ・H2流量:500(scc/min) ・CH4流量:25(scc/min) ・投入高周波電力:1kW ・基板温度:800°C ・成膜時間:1時間 という成膜条件で、成膜を行ったときの成膜表面の様子
を示している。図5(a)は、電子顕微鏡を×10kの
倍率にして観察したときの成膜表面を示し、図5(b)
は、電子顕微鏡を×30kの倍率にして観察したときの
成膜表面を示している。
On the other hand, FIG. 5 shows: • Substrate: n-type silicon single crystal • H2 flow rate: 500 (scc / min) • CH4 flow rate: 25 (scc / min) • Input high frequency power: 1 kW • Substrate temperature: 800 ° C. The film formation time is shown under the condition that the film formation time is 1 hour. FIG. 5A shows the surface of the film formed when the electron microscope was observed at a magnification of × 10 k, and FIG.
Shows the film-forming surface when observed with an electron microscope at a magnification of × 30 k.

【0074】この図5の成膜表面の様子を、概念的に図
3に示す。
FIG. 3 conceptually shows the state of the film formation surface in FIG.

【0075】これら図3、図5からわかるように、凸状
の冷電子放出部2、つまりエッジ2aは、基板3の上面
からみて、離散するように形成されている。
As can be seen from FIGS. 3 and 5, the cold electron emitting portions 2 having a convex shape, that is, the edges 2 a are formed so as to be discrete when viewed from the upper surface of the substrate 3.

【0076】このように、離散して冷電子放出部2(エ
ッジ2a)が形成されているので、冷電子4の放出点2
aに電界を集中させ易くなっているのがわかる。
As described above, since the cold electron emission portions 2 (edges 2a) are discretely formed, the emission points 2 of the cold electrons 4
It can be seen that the electric field is easily concentrated on a.

【0077】つまり、離散するように冷電子放出部2
(エッジ2a)を形成させることができれば、作動電圧
を低くでき、これに伴い消費電力を低くすることができ
る。
That is, the cold electron emission portions 2 are discretely
If the (edge 2a) can be formed, the operating voltage can be reduced, and accordingly, the power consumption can be reduced.

【0078】本実施形態の冷陰極20は、陽極を備えた
任意の素子に用いることができる。
The cold cathode 20 of this embodiment can be used for any device having an anode.

【0079】つまり、各種デバイス、センサなどに使用
することができる。
That is, it can be used for various devices and sensors.

【0080】図8は、LCD用バックライトの陰極に、
冷陰極20を用いた場合を例示している。陽極は21で
示される。
FIG. 8 shows the structure of a cathode of an LCD backlight.
The case where the cold cathode 20 is used is illustrated. The anode is shown at 21.

【0081】図9は、単純マトリックス駆動型の平面型
ディスプレイに、冷陰極20を用いた場合を例示してい
る。
FIG. 9 shows an example in which a cold cathode 20 is used in a simple matrix drive type flat display.

【0082】すなわち、カソード電極としての冷陰極2
0からアノード電極側の蛍光体21に向けて電子4が放
出される。
That is, the cold cathode 2 as the cathode electrode
Electrons 4 are emitted from 0 toward the phosphor 21 on the anode electrode side.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は本発明に係る冷陰極の構造を概念的に示
す構造図である。
FIG. 1 is a structural view conceptually showing the structure of a cold cathode according to the present invention.

【図2】図2は基板を上面からみたときの冷電子放出部
の形状を概念的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram conceptually showing a shape of a cold electron emission portion when the substrate is viewed from above.

【図3】図3は成膜条件を変えたときの図2に対応する
図である。
FIG. 3 is a diagram corresponding to FIG. 2 when film forming conditions are changed.

【図4】図4(a)、(b)は電子顕微鏡による成膜表
面の観察結果を示す図(写真)であり、図2に対応する
図(写真)である。
4 (a) and 4 (b) are diagrams (photographs) showing the results of observing the film-formed surface with an electron microscope, and correspond to FIG. 2 (photographs).

【図5】図5(a)、(b)は電子顕微鏡による成膜表
面の観察結果を示す図(写真)であり、図3に対応する
図(写真)である。
5 (a) and 5 (b) are diagrams (photographs) showing the results of observation of the film formation surface with an electron microscope, and are diagrams (photographs) corresponding to FIG.

【図6】図6は冷電子放出原理を説明するために用いた
図である。
FIG. 6 is a diagram used to explain the principle of cold electron emission.

【図7】図7は、冷陰極を製造するための成膜装置の構
成を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a film forming apparatus for manufacturing a cold cathode.

【図8】図8は実施形態の冷陰極をLCD用バックライ
トの陰極に用いた場合を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a case where the cold cathode of the embodiment is used as a cathode of an LCD backlight.

【図9】図9は実施形態の冷陰極を単純マトリックス駆
動型の平面ディスプレイの陰極に用いた場合を示す図で
ある。
FIG. 9 is a diagram showing a case where the cold cathode of the embodiment is used as a cathode of a simple matrix drive type flat display.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…第1層 2…第2層(冷電子放出部) 3…基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st layer 2 ... 2nd layer (cold electron emission part) 3 ... Substrate

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に対して凸状に冷電子放出部を
形成し、この凸状の冷電子放出部より冷電子を放出する
ようにした冷陰極において、 基板上に、炭素系材料を成膜することにより、前記凸状
の冷電子放出部を形成するようにした冷陰極。
1. A cold cathode in which a cold electron emitting portion is formed in a convex shape with respect to a substrate and a cold electron is emitted from the convex cold electron emitting portion. A cold cathode in which the convex cold electron emitting portions are formed by forming a film.
【請求項2】 前記凸状の冷電子放出部は、基板上
面からみて、連続して形成されている請求項1記載の冷
陰極。
2. The cold cathode according to claim 1, wherein the projecting cold electron emitting portions are formed continuously as viewed from the upper surface of the substrate.
【請求項3】 前記凸状の冷電子放出部は、基板上
面からみて、離散して形成されている請求項1記載の冷
陰極。
3. The cold cathode according to claim 1, wherein the projecting cold electron emitting portions are formed discretely when viewed from the upper surface of the substrate.
【請求項4】 基板に対して凸状に冷電子放出部を
形成し、この凸状の冷電子放出部より冷電子を放出する
ようにした冷陰極において、 炭素系材料のガスプラズマを音速よりも大きい流速にな
るように加速させて、基板上に導き、凸状の薄膜を生成
することによって、前記凸状の冷電子放出部を形成する
ようにした冷陰極。
4. A cold cathode in which a cold electron emitting portion is formed in a convex shape with respect to a substrate, and a cold electron is emitted from the convex cold electron emitting portion. A cold cathode in which the convex cold electron emission portion is formed by accelerating so as to have a large flow velocity and guiding it onto a substrate to form a convex thin film.
【請求項5】 請求項1記載の冷陰極と陽極とを備
えた素子。
5. An element comprising the cold cathode according to claim 1 and an anode.
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