JPWO2002097843A1 - 電極、電子放出素子及びそれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

従来のスピント型冷陰極やカーボンナノチューブやカーボンナノファイバの電子放出特性の更なる改善を図り、低電圧で高輝度の電子放出が可能な高性能電子放出装置を作製し、フラットパネルディスプレー、撮像装置、電子ビーム装置、マイクロ波進行波管のキーデバイスとして提供する。 スピント型冷陰極やカーボンナノチューブやカーボンナノファイバおよび凹凸を有する金属や半導体基板に厚さ５０ｎｍ以下の電子親和力４．０ｅＶ以下の半導体膜を設けて電子放出装置を作製する。前記半導体薄膜として窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウムホウ素、窒化アルミニウムガリウム、窒化ホウ素ガリウムなどのＩＩＩ族原子と窒素原子の化合物、窒化ホウ素炭素、ダイヤモンドのいずれを用いる。

Description

技術分野
本発明は半導体からの電子放出を利用する電極、電子放出素子に関するものである。
背景技術
冷陰極はフィールドエミッションディスプレー、電子ビーム露光機、マイクロ波進行波管、撮像素子等に応用できる。また、電子ビームを用いたオージェ電子分光装置等の材料評価装置の電子源としても用いることができ、様々な用途に対応できる。
従来、冷陰極としては金属やシリコンを用いて尖塔形状を作製したスピント型と呼ばれている電子放出素子が研究開発されてきたが、上記の応用に対して更に低電圧動作、高電流動作および素子の信頼性が要求され、スピント型冷陰極の特性改善や新しい冷陰極用材料の研究開発がすすめられている。ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ホウ素は負性電子親和力を有する材料として注目され、また、近年、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバといった電界集中因子を大きくできる材料の合成がすすみ、低電圧での電子放出が観測され、フィールドエミッションディスプレイ等への応用が期待されている。しかしこれらのカーボンナノチューブやカーボンナノファイバからの電子放出特性における空間安定性について問題があった。今後更なる低電圧動作、高電流動作も望まれている。
このような状況でスピント型冷陰極の特性改善については表面への異なった材料のコーティングが検討されてきている。また、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバからの電子放出時の空間安定性を向上させるためにもコーティング技術が注目される。これまでにいくつかの試みが為されているが、更に優れた電子放出特性の実現が望まれている。
本発明は上記の状況を鑑みてなされたもので、従来に優る電子放出特性をもった冷陰極を提供することを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するための本発明の電極は、厚さ５０ｎｍ以下の電子親和力４ｅＶ以下の膜を表面に有することを特徴とする。なお、膜の厚さは薄いほど好ましいが、下限としては製造コストを考慮して３ｎｍが好ましい。また、電子親和力としては３．５ｅＶ以下が好ましい。電子親和力は小さいほど好ましくマイナスの値をとれば更に好ましい。
また、前記の膜がＩＩＩ族原子と窒素原子の化合物、窒化ホウ素炭素、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする。ＩＩＩ族原子と窒素原子の化合物としては、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素アルミニウム（ＡｌＢＮ）、窒化ホウ素ガリウム（ＢＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ホウ素炭素（ＢＣＮ）、ダイヤモンドがあげられる。
また、前記の膜にシリコン、イオウ、酸素、リン原子のいずれかを含有することを特徴とする。かかる原子を含有する場合は、フェルミ準位の上昇という効果を奏する。含有量としては、原子％で、０．００１％〜１％が好ましく、０．０１％〜０．１％がより好ましい。
また、前記の膜の表面に水素が存在することを特徴とする。表面に水素が存在する場合には、電子親和力の低下という効果が達成される。なお、表面に水素を存在させるためには、膜の堆積後、水素プラズマ処理を行えばよい。
また、前記の膜が凹凸を有するまたは尖塔形状を有する基板上に存在することを特徴とする。膜が凹凸又は尖塔形状を有する場合には、凹凸又は尖塔形状部の膜内及び膜表面で電界強度を上昇させるという効果が達成される。凹凸は１０〜５０ｎｍとすることが好ましい。
また、前記の膜がカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ上に存在することを特徴とする。この場合には、更に膜内及び表面の電界強度が上昇するという効果を達成する。
また、本発明の電子放出装置は、前記電極を陰極として備えたことを特徴とする。
さらに、本発明のプラズマディスプレイは前記電極を放電セルの電極として用いたことを特徴とする。
本発明の電子放出素子をディスプレイに用いた場合、低電圧動作、明瞭な画像を実現できる。
本発明の電子放出素子を電子ビーム露光装置に用いた場合、高解像度の電子ビーム露光装置が実現できる。
本発明の電子放出素子をマイクロ波進行波管に用いた場合、高出力マイクロ波出力を得られることができる。
本発明の電子放出素子を撮像素子に用いた場合、明瞭な画像が実現できる。
本発明の電子放出素子を電子ビームを用いた材料評価装置に用いた場合、評価精度の向上が実現できる。
また、本発明の電極を発光素子の電極に用いることを特徴とする。本発明の電極を発光素子に用いた場合、高輝度で鮮明な発光が得られ、高品質な照明および表示が実現できる。
また、本発明の電極を用いた発光素子を液晶ディスプレイのバックライトに用いた場合、高輝度で消費電力の少ない液晶ディスプレイが実現できる。
更に、本発明の有機発光装置は前記電極を備えたことを特徴とする。本発明の電極を有機発光装置に用いた場合、高輝度で鮮明な発光が得られ、公品質な表示装置が実現できる。
発明を実施するための最良の形態
次に本発明の実施の形態について説明する。
本発明による電子放出装置は３．５ｅＶ以下の電子親和力をもつ半導体膜を従来のシリコンやモリブデンで作製されるスピント型冷陰極、他の金属や半導体基板表面に凹凸を設けて作製される冷陰極、金属基板上にカーボンナノチューブやカーボンナノファイバを作製した冷陰極、および金属や半導体平坦基板に５０ｎｍ以下の厚さに設ける。
前記の従来の冷陰極やカーボンナノチューブやカーボンナノファイバおよび陰極基板として用いられているほとんどの材料は仕事関数が４ｅＶ以上であるため、本発明の薄膜を設けることにより、従来の冷陰極の電子放出特性の改善および信頼性の向上に効果を発揮すると共に、作製の容易な平板型電子放出装置の提供が可能となる。
（実施例）
以下に各々の基板上に作製する本発明の電子放出装置の実施例について、具体的に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第１実施例に係る電子放出装置の断面概略図を示す。実施例１の電子放出装置は基板１、窒化ホウ素薄膜２、ＳｉＯ_ｘ膜３、引き出し電極４、アノード電極５、電源６、７、カソード電極８で構成されている。
基板１としてここではシリコンを用いた。その上に三塩化ホウ素と窒素ガスを用いたプラズマアシスト化学気相合成（ＣＶＤ）法によって窒化ホウ素薄膜２を２５ｎｍ碓積した。窒化ホウ素薄膜２にはイオウ原子を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した。
次に、窒化ホウ素薄膜２上にＳｉＯ_ｘ薄膜３を８００ｎｍ、および引き出し電極４用金属としてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着法で形成する。また、シリコン基板１の裏面にカソード電極８としてＡｌ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着した。その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極４用金属およびＳｉＯ_ｘ薄膜３をエッチングにより除去し、直径５μｍの窓を形成する。
窓の中に露出した窒化ホウ素薄膜２表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極５となる金属板を窒化ホウ素薄膜２に対向させ、その間隔を１２５μｍとした。
引き出し電極４を接地し、カソード電極８とアノード電極５に各々バイアスを加えて、８×１０^−７Ｔｏｒｒ以下の真空度で放出電流を測定した。アノード電圧を５００Ｖと一定にし、カソード電圧を変化させた。カソード電極８に４０Ｖ印加することにより０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
シリコン基板上に窒化ホウ素薄膜を上記の方法で堆積させ、厚さの異なる試料において引き出し電極４を作製しないで、窒化ホウ素薄膜とアノード電極５間を１２５μｍと一定にして電子放出電流が１×１０^−１１Ａ得られる時の平均しきい値電界を調べると図２の結果が得られる。このことから更に薄膜化を行うことによりしきい値電界の低下が期待できる。
本発明による電子放出特性の改善は本発明の半導体膜を設けることにより、それを設けない場合の冷陰極に比べ、実効的な仕事関数が低減できることによっている。ここでは窒化ホウ素膜を用いたが、窒化ホウ素以外に図３に示すような低い電子親和力を有する材料を用いることができる。ＩＩＩ族原子と窒素原子からなる化合物は有機金属化学気相合成（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エビタキシャル（ＭＢＥ）法によって薄膜合成ができ、電子放出装置の作製に用いられる。
また、本実施例では窒化ホウ素の合成にプラズマＣＶＤ法を用いたが、窒化ホウ素炭素膜の合成に対しても同様のプラズマＣＶＤ法を用い、メタンガス等を用いて炭素を供給することにより薄膜の堆積ができる。ダイヤモンドについてはプラズマＣＶＤ法やホットフィラメントＣＶＤ法によって合成できる。
イオウ不純物を添加した窒化ホウ素薄膜２を用いたが、ドナー不純物となるリチウム、酸素、シリコン等の原子を添加した窒化ホウ素薄膜３を用いることもできる。上記の窒化ホウ素以外のＩＩＩ族原子と窒素原子からなる化合物に対しても同様の不純物を用いることができる。また、ダイヤモンドについてはイオウ、リン、ホウ素、窒素を不純物として用いることができる。
ここでは基板材料としてシリコンを用いたが、それ以外の金属、ガリウムヒ素、インジウムリン、炭化ケイ素、窒化ガリウム等、様々な導体および半導体を用いても作製できる。また、引き出し電極４用金属としてＴｉ／Ａｕを用いたが、Ｔｉの代わりにＣｒ、Ａｕの代わりには様々な金属を用いることができる。
半導体基板を用いる場合にはオーミック電極形成可能な材料であればどのような金属でもカソード電極８用金属として用いる事ができ、導体基板を用いる場合には基板自身をカソード電極として用いることができる。
（実施例２）
図４は本発明の第２実施例に係る電子放出装置の断面概略図を示す。シリコン基板１上にスピント型尖塔形状が形成され、本発明の窒化ホウ素炭素膜が設けられた電子放出装置であり、基板２１、窒化ホウ素炭素薄膜２２、ＳｉＯ_ｘ膜２３、引き出し電極２４、アノード電極２５、電源２６、２７、カソード電極２８、尖塔形状２９で構成されている。
取り出し電極２４を持つ尖塔形状２９が作製されたｎ型シリコン基板１（１１１）を用い、尖塔形状部２９に本発明の窒化ホウ素炭素薄膜２２を形成する。プラズマアシスト化学気相合成法により三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスを用いて窒化ホウ素炭素薄膜２２（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を２５ｎｍ堆積した。窒化ホウ素炭素薄膜２２にはイオウ原子を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した。シリコン基板１の裏面にカソード電極２８としてＡｌ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着した。窒化ホウ素炭素薄膜２２表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極２５となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜２２を有する尖塔形状部２９に対向させ、その間隔を１２５μｍとした。引き出し電極２４を接地し、カソード電極２８とアノード電極２５に各々バイアスを加えて、８×１０^−７Ｔｏｒｒ以下の真空度で放出電流を測定した。アノード電圧を５００Ｖと一定にし、カソード電圧を変化させた。カソード電極２８に３０Ｖ印加することにより０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
ここでは窒化ホウ素炭素薄膜を用いたが、窒化ホウ素をはじめ前記の他の材料も用いることができる。
（実施例３）
図５は本発明の第３実施例に係る電子放出装置の断面概略図を示す。実施例３の電子放出装置はｎ型窒化ガリウム層３０が形成されたシリコン基板３１、窒化ホウ素炭素薄膜３２、ＳｉＯ_ｘ膜３３、引き出し電極３４、アノード電極３５、電源３６、３７、カソード電極３８で構成されている。
有機金属化学気相合成法によってｎ型シリコン基板３１（１１１）面上にシリコン添加ｎ型窒化ガリウム層３０を１μｍ成長させたウェハーを基板として用いる。マイクロ波により水素プラズマを生成し、窒化ガリウム層３０の表面を処理する。マイクロ波出力３００Ｗ、水素流量を５０ｓｃｃｍ、ガス圧力４０Ｔｏｒｒに設定し、５分間処理を行う。水素プラズマ処理によって平坦な窒化ガリウム層３０表面は１０〜５０ｎｍの凹凸を有する表面に変化する。その上に三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスを用いたプラズマアシスト化学気相合成法によって窒化ホウ素炭素薄膜３２（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を２５ｎｍ堆積した。
窒化ホウ素炭素薄膜３２にはイオウ原子を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した。
次に、窒化ホウ素炭素薄膜３２上にＳｉＯ_ｘ薄膜３３を８００ｎｍ、および引き出し電極３４用金属としてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着法で形成する。また、シリコン基板３１の裏面にカソード電極３８としてＡｌ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着した。その後、フォトリソグラフィー工程を用いて、引き出し電極３４用金属およびＳｉＯ_ｘ薄膜３３をエッチングにより除去し、直径５μｍの窓を形成する。窓の中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜３２表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極３５となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜３２に対向させ、その間隔を１２５μｍとした。引き出し電極３４を接地し、カソード電極３８とアノード電極３５に各々バイアスを加えて、８×１０^−７Ｔｏｒｒ以下の真空度で放出電流を測定した。アノード電圧を５００Ｖと一定にし、カソード電圧を変化させた。カソード電極３８に４０Ｖ印加することにより０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
本実施例では水素プラズマ処理によって凹凸表面を作製したが、表面に凹凸を形成するためのプラズマを生成するガスとして酸素、塩素、フッ素等を含むガスも使用できる。プラズマの生成にはマイクロ波だけではなくＲＦ電力を用いる事もでき、プラズマ処理において試料にバイアスをかけることは表面形状の制御に有効である。
（実施例４）
図６は本発明の第４実施例に係る電子放出装置の断面概略図を示す。金属基板４１上にカーボンナノファイバ４０が形成され、本発明の窒化ホウ素炭素膜が設けられた電子放出装置であり、基板４１、窒化ホウ素炭素薄膜４２、ＳｉＯ_ｘ膜４３、引き出し電極４４、アノード電極４５、電源４６、４７で構成されている。
金属基板４１上にカーボンナノファイバ４０を作製し、その上に本発明の窒化ホウ素炭素薄膜４２を形成する。プラズマアシスト化学気相合成法により三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスを用いて窒化ホウ素炭素薄膜４２（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を２５ｎｍ堆積した。窒化ホウ素炭素薄膜４２にはイオウ原子を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した。次に、窒化ホウ素炭素薄膜４２上にＳｉＯ_ｘ薄膜４３を８００ｎｍ、および引き出し電極４４用金属としてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）を電子ビーム蒸着法で形成する。その後、フォトリソグラフイー工程を用いて、引き出し電極４４用金属およびＳｉＯ_ｘ薄膜４３をエッチングにより除去し、直径５μｍの窓を形成する。窓の中に露出した窒化ホウ素炭素薄膜４２表面を水素プラズマで処理した後、真空チェンバー内でアノード電極４５となる金属板を窒化ホウ素炭素薄膜４２に対向させ、その間隔を１２５μｍとした。引き出し電極４４を接地し、金属基板４１をカソード電極とし、金属基板４１とアノード電極４５に各々バイアスを加えて、８×１０^−７Ｔｏｒｒ以下の真空度で放出電流を測定した。アノード電圧を５００Ｖと一定にし、カソード電圧を変化させた。金属基板４１に１０Ｖ印加することにより０．１ｍＡの高い放出電流が得られた。
実施例２〜４においても電子放出部の材料として実施例１で述べたように本発明に係るＩＩＩ族原子と窒素原子の化合物、窒化ホウ素炭素、ダイヤモンドのいずれの材料も用いることができる。また、実施例１〜４において２つ以上の電子放出部を同一基板上に作製し、アレーを実現することができる。
（実施例５）
図７は本発明の第５実施例に係る電子放出素子を用いた発光素子の断面概略図を示す。金属基板５１上にカーボンナノファイバ５０が形成され、本発明の窒化ホウ素炭素膜が設けられた発光素子（ランプ）であり、基板５１、窒化ホウ素炭素薄膜５２、引き出し電極５４、アノード電極５５、カソード電極５８、蛍光体５１０、ガラス管５１１で構成されている。
金属基板５１上にカーボンナノファイバ５０を作製し、その上に本発明の窒化ホウ素炭素薄膜５２を形成する。プラズマアシスト化学気相合成法により三塩化ホウ素とメタンと窒素ガスを用いて窒化ホウ素炭素薄膜５２（組成比、ホウ素０．４、炭素０．２、窒素０．４）を１０ｎｍ堆積した。窒化ホウ素炭素薄膜４２にはイオウ原子を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加した。メッシュ上の引き出し電極５４を付け、蛍光体５１０の上にアノード電極５５が形成されたガラス管５１１の中に入れ、真空封入する。カソード電極５８に対して引き出し電極５４に４００Ｖかけ、アノード電極５５に１０ｋＶ印可することにより５００μＡの電流が得られ光放射が観測された。
（実施例６）
図８は本発明の第６の実施例に係る電極を用いた有機発光素子の断面概略図を示す。ガラス基板６１上にＩＴＯ透明電極を用いて陽極６２を形成し、その上に有機薄膜を用いて正孔輸送層６３、発光層６４を形成し、陰極６５を本発明の窒化ホウ素薄膜６６と小さい仕事関数を持つ金属（リチウムやマグネシウム）６７で構成されている。本発明の陰極を用いることにより電子の注入効率を向上させることができ、発光特性が改善された有機発光素子が得られる。
（実施例７）
本発明の第４実施例の金属基板４１上に形成するカーボンナノファイバ４０のかわりに、ステンレス繊維または繊維片を用いて、第４実施例と同様に放出電流を測定したが第４実施例と同様の特性が得られた。
（実施例８）
本発明の第４実施例の金属基板４１上に形成するカーボンナノファイバ４０のかわりに、ホウ素と窒素によって形成された繊維又は繊維片を用いて、第４実施例と同様に放出電流を測定したが第４実施例よりも高い特性が得られた。
（実施例９）
本発明の第４実施例の金属基板４１上に形成するカーボンナノファイバ４０のかわりに、ホウ素と窒素と炭素によって形成された繊維又は繊維片を用いて、第４実施例と同様に放出電流を測定したが第８実施例よりも高いの特性が得られた。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明による厚さ５０ｎｍ以下の窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素アルミニウム、窒化ホウ素ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ホウ素炭素、ダイヤモンドのいずれかの膜を有する電子放出装置において低電圧動作、高電流動作が可能になり、凹凸や尖塔形状を有する基板上、また、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバ上に本発明の膜を有することにより更にその効果は大きく、信頼性も向上する。これによって高性能電子放出装置が提供でき、表示装置、電子ビーム露光機、撮像装置、発光素子および電子ビームを用いた材料評価装置のキーデバイスとして効果的である。また、本発明の電極を用いて有機発光装置を作製することにより輝度の向上が実現し、表示装置として広範囲の実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の電子放出装置の実施例１を示す断面図
図２は、電子放出しきい値電界と膜厚の関係を示すグラフ
図３は、電子親和力と材料の関係を示すグラフ
図４は、本発明の電子放出装置の実施例２を示す断面図
図５は、本発明の電子放出装置の実施例３を示す断面図
図６は、本発明の電子放出装置の実施例４を示す断面図
図７は、本発明の発光素子の実施例５を示す断面図
図８は、本発明の有機発光素子の実施例６を示す断面図
（符号の説明）
１、２１、３１、４１・・基板
２、２２、３２、４２・・膜
３、２３、３３、４３・・ＳｉＯ_ｘ膜
４、２４、３４、４４・・引き出し電極
５、２５、３５、４５・・アノード電極
６、２６、３６、４６、７、２７、３７、４７・・電源
８、２８、３８・・カソード電極
２９・・尖塔部
３０・・窒化ガリウム層
４０・・カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバ

Claims (16)

1. 厚さ５０ｎｍ以下の電子親和力４．０ｅＶ以下の膜を表面に有することを特徴とする電極。
2. 前記膜がＩＩＩ族原子と窒素原子の化合物、窒化ホウ素炭素、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の電極。
3. 前記膜にシリコン、イオウ、酸素、リン原子、リチウム、ホウ素、窒素のいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２記載の電極。
4. 前記膜の表面に水素が存在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電極。
5. 前記膜が、凹凸を有するまたは尖塔形状を有する基板の表面に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電極。
6. 前記膜が、カーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバの表面に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電極。
7. 前記膜が、ステンレス繊維または繊維片の表面に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電極。
8. 前記膜が、ホウ素と窒素によって形成された繊維又は繊維片の表面に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電極。
9. 前記膜が、ホウ素と窒素と炭素によって形成された繊維又は繊維片の表面に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電極。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の電極を冷陰極として用いたことを特徴とする電子放出装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の電極を放電セルの電極として用いたことを特徴とするプラズマディスプレイ。
12. 請求項７ないし１０のいずれか１項記載の電子放出素子を用いたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ、電子ビーム露光装置、マイクロ波進行波管、撮像素子、電子ビームを用いた材料評価装置。
13. 請求項１０記載の電子放出装置を用いたことを特徴とする発光素子。
14. 請求項１３記載の発光素子を用いたことを特徴とする照明装置、液晶ディスプレイのバックライト、表示ランプ。
15. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の電極を用いたことを特徴とする有機発光装置。
16. 請求項１５記載の有機発光装置を用いたことを特徴とする表示装置。

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