JP4371976B2 - 電界電子放出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界電子放出装置に関し、より特定的には、フィールドエミッションディスプレイなどに用いられる電界電子放出装置に関する。

電界電子放出装置の電子放出源としてカーボンナノチューブなどの物質が盛んに研究されている。電界電子放出装置において、カーボンナノチューブは、電子源の基本構造である直径１０μｍ程度の孔（キャビティ）の内部に林立するように形成されている。このようなカーボンナノチューブを形成する方法としては、たとえば、化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いて直接キャビティ内に成長する技術がある。このカーボンナノチューブは、長さが数μｍで直径が１０ｎｍ程度と非常に細い形状を有しているので、電場のある空間に置かれるとその先端に電界集中が発生し、低い電圧でも電子放出が可能となる。

従来の電界電子放出装置においては、基板上にストライプ状に形成されたカソード電極の上に絶縁膜が形成されており、絶縁膜上にゲート電極が形成されている。ゲート電極および絶縁膜には、カソード電極に達する孔が開口されており、孔の底部のカソード電極上にカーボンナノチューブが林立するように形成されている。そして、ゲート電極とカソード電極との間に電圧を印加することにより、カソード電極上に形成されているカーボンナノチューブの先端に電界集中が発生し、その先端から電子が放出される。なお、従来の電界電子放出装置の構成は、たとえば特許文献１〜３に開示されている。

カーボンナノチューブは、ＣＶＤ法で所望の長さに調整しながら成長可能であるが、直径が１０ｎｍ前後と非常に細いため、必ずしも真っ直ぐには成長しない。電界電子放出装置のように孔内にカーボンナノチューブを形成する場合には、カーボンナノチューブは、その先端の位置がある程度外側に拡がった状態で成長する。このため、先端が絶縁膜の上面を超える長さのカーボンナノチューブを成長させると、カーボンナノチューブがゲート電極に接触し、カソード電極とゲート電極との間がショートする。すなわち、従来の電界電子放出装置には、カソード・アノード間の絶縁耐圧が低いという問題があった。カソード・アノード間の絶縁耐圧が低いという問題は、電子放出源としてカーボンナノチューブ以外の物質、たとえばカーボンナノワイヤ、シリコンワイヤ、チタンワイヤ、金ワイヤなどを用いた場合にも共通して起こり得る問題であった。

この問題を解決する方法として、ゲート電極の下の絶縁膜を厚くして、カーボンナノチューブの先端がこの絶縁膜の上面より低い位置にあるようにする第１の方法が考えられる。また、ゲート電極の孔の内周面がカーボンナノチューブから離れるように、孔の開口径を大きくする第２の方法が考えられる。さらに、カーボンナノチューブの長さを短くし、先端がゲート電極の下の絶縁膜の上面より低い位置にあるようにする第３の方法が考えられる。なお、第３の方法として、水素ガスプラズマを利用してカーボンナノチューブを蝕刻して大幅に短く整形する技術がたとえば非特許文献１に開示されている。
特開２００２−２７００８５号公報 特開２００３−７１９７号公報 特開２００３−２３４０６２号公報 S.Kang et al., "Low Temperature Carbon Nanotubes for Triode-Type Field-Emitter Array", Society for Information Display 03 Digest, No.18.3, pp. 802-805

特性の良好な電界電子放出装置を得るためには、電子の放出に必要となる電圧が低いことが望ましい。そのためには、カーボンナノチューブとゲート電極との距離を極力近づけるように工夫することが必要である。カーボンナノチューブとゲート電極との距離は、たとえば１００ｎｍ程度にすることが好ましい。しかしながら、上記第１の方法〜第３の方法では、いずれもカーボンナノチューブとゲート電極との間の距離が大きくなる。具体的には、カーボンナノチューブとゲート電極との間の距離は数μｍ程度となる。このように、カーボンナノチューブとゲート電極との間の距離が大きくなると、動作に必要なゲート電圧がたとえば４０Ｖから１００Ｖへと高くなり、電子放出効率が低下するという問題が生じる。また、特に第３の方法では、カーボンナノチューブの長さを短くしているので、カーボンナノチューブの先端への電界集中の効果が小さくなり、電子放出特性の低下を招くという問題もあった。

また、従来の電界電子放出装置では、複数の電子放出源の各々とゲート電極との距離が均一でないため、キャビティ毎の電子放出特性が揃っておらず、発光均一性が低いという問題があった。

したがって、本発明の目的は、カソード・アノード間の絶縁耐圧が高く、かつ電子放出効率が高く、かつ発光均一性の高い電界電子放出装置を提供することである。

本発明の電界電子放出装置は、カソード電極と、カソード電極上に形成され、第１の孔を有する第１絶縁膜と、第１絶縁膜上に形成され、第１の孔に連通する第２の孔を有するゲート電極と、第１の孔の底部に形成され、かつカソード電極と電気的に接続された電子放出源と、第２の孔の内壁面に沿って形成された第２絶縁膜とを備えている。上記電子放出源はカーボンナノチューブであり、上記第２絶縁膜は平均粒径１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子よりなる。

なお、本明細書において「絶縁膜」とは、膜の表面と裏面とに電極を付け、１０ＭＶ／ｃｍの電界を膜に加えたときに漏れる電流の密度が１０^-14Ａ／ｃｍ²以上１０^-4Ａ／ｃｍ²以下である膜を意味している。

本発明の電界電子放出装置によれば、電子放出源がカーボンナノチューブである場合において、第２絶縁膜によってゲート電極と電子放出源とが電気的に絶縁されるので、両者がショートしにくくなる。これにより、カソード・アノード間の絶縁耐圧を高くすることができる。また、電子放出源とゲート電極との間の距離を小さくすることができるので、低いゲート電圧で電子を放出させることができる。これにより、電子放出効率を高くすることができる。さらに、電子放出源とゲート電極との距離が第２絶縁膜の膜厚程度の大きさとなるので、電子放出源とゲート電極との距離が均一になり、キャビティ毎の電子放出特性を揃えることができる。これにより、発光均一性を向上することができる。さらに、上述した第２絶縁膜を平均粒径１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細な薄片状の粒子からなる緻密でない組織からなるものとすれば、第２絶縁膜内に漏れ電流が生じにくくなる。このため、電界電子放出装置の特性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の構成を示す斜視図である。図１に示すように、基板１０上には複数のカソード電極１１ａ〜１１ｄの各々が形成されている。また、基板１０上には絶縁膜２を介して複数のゲート電極３ａ，３ｂの各々が形成されている。複数のゲート電極３ａ，３ｂの各々は列方向（図１中縦方向）に延びており、複数のカソード電極１１ａ〜１１ｄの各々は行方向（図１中横方向）に延びている。複数のゲート電極３ａ，３ｂの各々と複数のカソード電極１１ａ〜１１ｄの各々とは交差するように配置されている。複数のゲート電極３ａ，３ｂの各々と複数のカソード電極１１ａ〜１１ｄの各々との各交差部近傍にドットが形成されている。本実施の形態では、１つのドットが３個のゲートホール（孔）６で形成されている。３個の孔６の各々は行方向に並んでいる。列方向に延びたゲート電極３ａ，３ｂのうちいずれかに電圧を印加して、行方向に延びたカソード電極１１ａ〜１１ｄのうちいずれかに電圧を印加することにより、電圧を印加した電極同士が交差する位置に形成されたドットを選択することができる。なお、図１では１つのドットが３個のゲートホールで形成されている場合について示したが、このような場合に限定されるものではなく、１つのドットは、通常３個〜約５０００個のゲートホールで形成されている。本願発明者らは１つのドットが約２００個のゲートホールで形成されている場合を特に想定している。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置１は、カソード電極１１ｂと、第１絶縁膜としての絶縁膜２と、ゲート電極３ａと、電子放出源としてのカーボンナノチューブ７と、第２絶縁膜としての絶縁膜８と、触媒層５とを備えている。基板１０上にはカソード電極１１ｂが形成されており、カソード電極１１ｂを覆うように基板１０上には絶縁膜２が形成されており、絶縁膜２上にはゲート電極３ａが形成されている。絶縁膜２は第１の孔としての孔６ａを有しており、ゲート電極３ａは第２の孔としての孔６ｂを有している。孔６ａはカソード電極１１ｂにまで達しており、孔６ｂは孔６ａに連通している。孔６ａと孔６ｂとにより孔６が構成されている。孔６の底部におけるカソード電極１１ｂ上には触媒層５が形成されており、触媒層５を挟んでカーボンナノチューブ７が林立して形成されている。カーボンナノチューブ７は触媒層５を介してカソード電極１１ｂと電気的に接続されている。さらに、孔６ｂの内壁面に沿って絶縁膜８が形成されている。絶縁膜８はゲート電極３ａの上面にまで延びるように形成されている。

電界電子放出装置１では、カソード電極１１ｂとゲート電極３ａとの間に大きな正電圧が印加される（ゲート電極３ａ側に正の電位を与える）と、カーボンナノチューブ７の表面に強い電場がかかり、トンネル効果によりカーボンナノチューブ７の先端から電子が放出される。

基板１０は、たとえば４０インチ角型であり、厚さ２．８ｍｍの白板ガラス基板よりなっている。また、白板ガラス基板の他に、高歪点ガラス、石英、シリコン、アルミナ、セラミクスなどよりなっていてもよい。

カソード電極１１ｂはモリブデンよりなっている。また、モリブデンの他に、たとえばアルミニウム、クロム、チタン、タングステン、チタンシリサイド、チタンナイトライド、金、銀、およびアルミ基合金などよりなっていてもよい。さらに、導電性のシリコンや酸化物透明電極であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などよりなっていてもよい。

絶縁膜２は、たとえばシリコン酸化膜よりなっている。また、シリコン酸化膜の他に、たとえばシリコン窒化膜、耐熱性絶縁樹脂などよりなっていてもよい。

ゲート電極３ａはアルミニウムよりなっている。また、アルミニウムの他に、たとえばクロム、チタン、モリブデン、タングステン、チタンシリサイド、チタンナイトライド、およびアルミ基合金などよりなっていてもよい。

絶縁膜８はアルミニウムの酸化物よりなっており、具体的にはベーマイト（含水アルミ酸化物、ＡｌＯ（ＯＨ））よりなっている。また、ベーマイトの他に、たとえばカソード電極１１ｂまたはゲート電極３ａを構成する材料の酸化物あるいは含水酸化物などよりなっていてもよい。

触媒層５は、たとえばＦｅ−Ｎｉ合金よりなっており、少なくともＦｅ、Ｎｉ、およびＣｏなどを含む合金が触媒層５として好適である。

電子放出源として形成されたカーボンナノチューブ７は、その長さの平均がたとえば２μｍになるように調整されている。カーボンナノチューブ７の長さの平均は、０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。カーボンナノチューブ７の長さの平均を０．３μｍ以上とすることにより、高い電子放出特性を得ることができる。また、カーボンナノチューブ７の長さの平均を１０μｍ以下とすることにより、比較的短時間でカーボンナノチューブを成長させることができる。なお、カーボンナノチューブ７がＣＶＤ法で成長される場合には、全体として極度な密集状態ではなく、ある程度離散的になっており、かつ垂直方向に起立する傾向をもって成長される。

次に、本実施の形態における電界電子放出装置の製造方法を、図３〜図６を用いて説明する。

始めに、図３を参照して、基板１０を洗浄し、スパッタリング装置内に配置する。そして、スパッタリング法を用いてカソード電極１１ｂとなる膜を基板１０上に形成する。次に、フォトリソグラフィなどの方法を用いてこの膜をパターニングし、たとえば数１００μｍ幅のライン状のカソード電極１１ｂを形成する。カソード電極１１ｂの厚さはたとえば１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１００〜４００ｎｍである。なお、カソード電極１１ｂとなる膜は、スパッタリング法の他に、たとえばＣＶＤ法、真空蒸着法、メッキ法、または印刷法などの方法を用いて形成してもよい。

なお、ここで挙げたフォトリソグラフィとは、半導体製造技術において、光や電子線等を利用して平面基板にパターンを転写する写真製版のことを意味する。この工程では、レジストの塗布、露光、エッチングおよびレジストの除去等の様々な工程を含んでいるが、一般的な工程であるため、ここでは一つの工程に含めて説明する。

次に、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いて、カソード電極１１ｂを覆うように基板１０上に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２の厚さは、たとえば５０ｎｍ〜１０μｍであり、耐熱性、構造安定性、および絶縁耐性などの観点から３００ｎｍ〜２μｍであることが好ましい。なお、図示していないが、カソード電極１１ｂと絶縁膜２との密着性を向上するなどの目的で、絶縁膜２を形成する前に、チタンやシリコンを含んだ密着促進剤をカソード電極１１ｂの上面に塗付したり、スパッタ蒸着したりしてもよい。

続いて、たとえばスパッタリング法を用いて、ゲート電極３ａとなる膜を絶縁膜２上に形成する。そして、フォトリソグラフィなどの方法を用いてこの膜をパターニングし、たとえば数１００μｍ幅のライン状のゲート電極３ａを形成する。ゲート電極３ａの厚さはたとえば１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１００〜５００ｎｍである。なお、ゲート電極３ａとなる膜は、スパッタリング法の他に、たとえばＣＶＤ法、真空蒸着法、メッキ法、または印刷法などの方法を用いて形成してもよい。

次に、図４を参照して、フォトリソグラフィなどの方法を用いてゲート電極３ａおよび絶縁膜２をエッチングすることにより、ゲート電極３ａに孔６ｂを形成し、絶縁膜２に孔６ａを形成する。孔６ａ，６ｂは、たとえば円柱または角柱の立体形状を有しており、直径５〜１０μｍの円や多角形の平面形状を有している。

次に、図５を参照して、孔６の底部に露出しているカソード電極１１ｂ上の所定の領域に触媒層５を形成する。具体的には、カーボンナノチューブを成長させる領域以外のカソード電極１１ｂをレジストで被覆し、たとえば蒸着法を用いて厚さ数ｎｍの触媒層５となる膜を孔６の底部全面に形成し、その後レジストを除去する。これにより、余分な触媒層５となる膜がリフトオフされ、カーボンナノチューブを成長させる領域にのみ触媒層５が形成される。あるいは、孔６ａ，６ｂを形成する際に用いたレジストをそのまま流用してもよい。

次に、図６を参照して、孔６ｂの内壁面に沿って、かつゲート電極３ａの上面に延びるように、絶縁膜８を形成する。本実施の形態では、たとえば７５℃以上８５℃以下の温度の純水に基板１０を２分以上１０分以下の時間浸漬することで、ゲート電極３ａを酸化する。これによって、ベーマイトよりなる絶縁膜８がゲート電極３ａを起点として孔６ｂの内壁面に沿ってゲート電極３ａの上面へ延びるように成長する。純水の温度を７５℃以上とすることにより、ベーマイトの成長を促進することができ、純水の温度を８５℃以下とすることでアルミニウムを均一に酸化することができる。絶縁膜８の厚さｄは、１０ｎｍ〜１μｍであることが好ましく、より好ましくは２０〜５００ｎｍである。絶縁膜８の厚さｄは、浸漬する水溶液の温度、水質（酸性度）、および処理時間によって適度に調整することが可能である。なお、本実施の形態において、カソード電極１１ｂはモリブデンよりなっているので、純水中に浸漬してもカソード電極１１ｂに化学反応は起こらない。

次に、図２を参照して、たとえばＣＶＤ法を用いて、カーボンナノチューブ７を触媒層５上に形成する。カーボンナノチューブ７は、触媒層５が形成された領域に選択的に成長する。カーボンナノチューブを形成する際のＣＶＤの原料としては、アセチレン、エチレン、またはメタンなどの炭化水素ガスや、エタノール、メタノール、またはテトラヒドロフラン（Ｃ_４Ｈ_８Ｏ：ＴＨＦ）などの有機化合物が用いられる。また、カーボンナノチューブ７は、基板１０の温度３５０℃〜７００℃、圧力１０〜１０００００Ｐａの条件でＣＶＤ法を用いて形成される。好ましくは、基板１０の温度４００℃〜６００℃、圧力１００Ｐａ〜１００００Ｐａの条件でＣＶＤ法を用いて形成される。以上の工程により、本実施の形態の電界電子放出装置１が完成する。

本実施の形態の電界電子放出装置１は、カソード電極１１ｂと、カソード電極１１ｂ上に形成され、孔６ａを有する絶縁膜２と、絶縁膜２上に形成され、孔６ａに連通する孔６ｂを有するゲート電極３ａと、孔６の底部に形成され、かつカソード電極１１ｂと電気的に接続されたカーボンナノチューブ７と、孔６ｂの内壁面に沿って形成された絶縁膜８とを備えている。

本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法は、カソード電極１１ｂを形成する工程と、カソード電極１１ｂ上に絶縁膜２を形成する工程と、絶縁膜２上にゲート電極３ａを形成する工程と、絶縁膜２に孔６ａを形成し、ゲート電極３ａに孔６ｂを形成する工程と、孔６ｂの内壁面に沿って絶縁膜８を形成する工程と、カソード電極１１ｂと電気的に接続されたカーボンナノチューブ７を孔６の底部に形成する工程とを備えている。

本実施の形態の電界電子放出装置１およびその製造方法によれば、絶縁膜８によってゲート電極３ａとカーボンナノチューブ７とが電気的に絶縁されるので、両者がショートしにくくなる。これにより、カソード・アノード間の絶縁耐圧を高くすることができる。また、カーボンナノチューブ７とゲート電極３ａとの間の距離を小さくすることができるので、低いゲート電圧で電子を放出させることができる。これにより、電子放出効率を高くすることができる。

さらに、カーボンナノチューブ７のうち長さの長いものについては、緩やかに曲がっていたりして先端あるいは途中の部分が孔６ｂの内壁面に接触するようなものが含まれている。このようなものをカーボンナノチューブ７ａとして図２に示す。このようなカーボンナノチューブ７ａがあったとしても、絶縁膜８があるために、カーボンナノチューブ７とゲート電極３ａとの間の距離は、常に絶縁膜８の厚さｄ程度の大きさとなる。したがって、カーボンナノチューブ７とゲート電極３ａとの距離が均一になり、キャビティ毎の電子放出特性を揃えることができる。これにより、発光均一性を向上することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１において、絶縁膜８はゲート電極３ａの上面にまで延びている。

カーボンナノチューブ７のうち長さの長いものについては、その先端が孔６内から飛び出し、ゲート電極３ａの上面に接触するようなものが含まれている。このようなものをカーボンナノチューブ７ｂとして図２に示す。このようなカーボンナノチューブ７ｂがあったとしても、カーボンナノチューブ７とゲート電極３ａとの絶縁を保つことができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１において、絶縁膜８はゲート電極３ａを構成する材料の酸化物あるいは含水酸化物である。

本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法において、絶縁膜８を形成する工程は、ゲート電極３ａを酸化する工程を含んでいる。

これにより、ゲート電極３ａを酸化することで絶縁膜８を形成することができるので、絶縁膜８を容易に形成することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１において、ゲート電極３ａはアルミニウムを含んでおり、絶縁膜８はベーマイトを含んでいる。

本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法において、ゲート電極３ａはアルミニウムを含んでおり、絶縁膜８を形成する工程は、ゲート電極３ａに水溶液を塗布する工程を含んでいる。

これにより、ゲート電極３ａに水溶液を塗布することによって絶縁膜８を形成できるので、絶縁膜８を容易に形成することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１において、カーボンナノチューブ７は触媒層５を挟んでカソード電極１１ｂ上に形成されている。

本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法において、カーボンナノチューブ７を形成する工程は、カソード電極１１ｂ上に触媒層５を形成する工程と、触媒層５上にカーボンナノチューブ７を形成する工程とを含んでいる。

これにより、電子放出源がカーボンナノチューブ７である場合に、カーボンナノチューブ７の生成を促進することができる。また、たとえばカソード電極が酸化されることによって絶縁膜が形成される場合には、触媒層が形成されている部分のカソード電極は酸化されないので、カソード電極と電子放出源との電気的な接続を確保することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１およびその製造方法において、電子放出源はカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブのアスペクト比は非常に大きく、カーボンナノチューブの先端は尖鋭であるので、カーボンナノチューブの表面に強い電場を集中させ易い。このため、カーボンナノチューブは電子放出源として好適である。

なお、本実施の形態においては、ゲート電極３ａを酸化することによって絶縁膜８を形成する場合について示したが、このような形成方法の他、たとえば酸素雰囲気でのプラズマ酸化、ラジカル酸化、などのプラズマを用いる酸化法や、５０〜４００℃程度の温度でオゾンや亜酸化窒素などの酸化剤雰囲気に晒すことによる熱酸化法や、水蒸気に晒す水蒸気酸化法などによって絶縁膜８を形成してもよい。また、温水中でのベーマイト処理において、純水以外に、硫酸や硼酸アンモニウムなどを混ぜる化成処理を用いてもよい。さらに、少なくとも孔６ｂの内壁面にそって絶縁膜が形成されればよい。

また、本実施の形態においては、孔６ａと孔６ｂとを同一マスクで形成する場合について示したが、孔６ａと孔６ｂとを別々のマスクで形成してもよい。つまり、孔６ａの径と孔６ｂの径とは互いに異なっていてもよい。また、孔６ａと孔６ｂとを同一マスクで形成する場合であっても、孔６ａと孔６ｂとのエッチング速度の差が大きければ、孔６ａの径と孔６ｂの径とは互いに異なる。通常は絶縁膜２のエッチング速度の方がゲート電極３ａのエッチング速度よりも速いので、孔６ａの径の方が孔６ｂの径よりも大きくなりやすい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における電界電子放出装置の構成を示す断面図である。図７に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置１ａにおいて、第２絶縁膜としての絶縁膜１８がゲート電極３ａに開口された孔６ｂの内壁面に沿って形成されている。絶縁膜１８は孔６ｂの内壁面から下方に向かって孔６ａの内壁面にまで延びており、カソード電極１１ｂに達している。また、絶縁膜１８は孔６ｂの内壁面から上方に向かって延びており、ゲート電極３ａの上面にまで延びている。絶縁膜１８付近のカソード電極１１ｂの表面には凹部１２が形成されている。カソード電極１１ｂはアルミニウムと、１質量％のＳｉＣｕとよりなるアルミニウム合金よりなっている。ゲート電極３ａはモリブデンよりなっている。

なお、これ以外の電界電子放出装置１ａの構成は、図１および図２に示す実施の形態１における電界電子放出装置１の構成とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

続いて、本実施の形態の電界電子放出装置１ａの製造方法について説明する。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａの製造方法は、まず図３〜図５に示す実施の形態１の製造工程と同様の製造工程を経る。次に、図８を参照して、孔６ｂおよび孔６ａの内壁面に沿って、かつゲート電極３ａの上面に延びるように、絶縁膜１８を形成する。

本実施の形態では、たとえば７５℃以上８５℃以下の温度の純水に基板１０を３分間浸漬することで、カソード電極１１ｂを酸化する。これによって、ベーマイトよりなる絶縁膜１８がカソード電極１１ｂを起点として孔６の内壁面に沿って上方へ延びるように成長し、ゲート電極３ａの上面にまで達する。なお、絶縁膜１８の形成の際、ベーマイトの生成に用いられたアルミニウムの分だけカソード電極１１ｂが削られるので、カソード電極１１ｂの上面に凹部１２が形成される。なお、本実施の形態において、ゲート電極３ａはモリブデンよりなっているので、純水中に浸漬してもゲート電極３ａに化学反応は起こらない。

ここで、カソード電極１１ｂがアルミニウムを含んでいる場合には、カソード電極１１ｂの上面にもベーマイトからなる絶縁膜が形成されるおそれがある。カソード電極１１ｂの上面に絶縁膜が形成されると、カーボンナノチューブ７とカソード電極１１ｂとの電気的接続を確保し難くなる。そこで、カソード電極１１ｂ上にたとえばチタンシリサイドなどを形成しておくと、その部分には絶縁膜が形成されない。また触媒層５を形成した場合、その領域にはベーマイトが形成されない。したがって、カーボンナノチューブ７を形成する領域以外の領域のみに選択的に絶縁膜１８の形成が可能である。

その後、実施の形態１と同様の方法によって触媒層５上にカーボンナノチューブ７を形成する。以上の工程により、本実施の形態の電界電子放出装置１ａが完成する。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａにおいて、絶縁膜１８は孔６ａの内壁面にまで延びている。これにより、孔６の内壁面全体を覆うように絶縁膜１８を形成することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａにおいて、絶縁膜１８はカソード電極１１ｂを構成する材料の酸化物あるいは含水酸化物である。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａの製造方法において、絶縁膜１８を形成する工程は、カソード電極１１ｂを酸化する工程を含んでいる。

これにより、カソード電極１１ｂを酸化することで絶縁膜１８を形成することができるので、絶縁膜１８を容易に形成することができる。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａにおいて、カソード電極１１ｂはアルミニウムを含んでおり、絶縁膜１８はベーマイトを含んでいる。

本実施の形態の電界電子放出装置１ａの製造方法において、カソード電極１１ｂはアルミニウムを含んでおり、絶縁膜１８を形成する工程は、カソード電極１１ｂに水溶液を塗布する工程を含んでいる。

これにより、カソード電極１１ｂに水溶液を塗布することによって絶縁膜１８を形成できるので、絶縁膜１８を容易に形成することができる。

（実施の形態３）
図２を参照して、本実施の形態においては、絶縁膜８の形成方法および膜の微細構造が実施の形態１の場合と異なっている。本実施の形態では、温度７５℃以上８５℃以下の純水に基板１０を５秒以上２分以下浸漬することで、ゲート電極３ａを酸化する。つまり、実施の形態１の場合よりも基板１０を浸漬する時間が短い。その結果、組織が緻密ではない花弁状のベーマイトよりなる絶縁膜８が形成される。

図９は、本発明の実施の形態３において形成される絶縁膜の形状を模式的に示す斜視図である。図９を参照して、絶縁膜８は、平均粒径１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の微細な薄片状の粒子よりなっており、これらの粒子が折り重なっている。

本実施の形態の電界電子放出装置によれば、絶縁膜８が緻密でない組織よりなっていることから、絶縁膜８とカーボンナノチューブ７との接触面積を極めて小さくすることができる。これにより、カーボンナノチューブ７から絶縁膜８へ電流が流れにくくなり、何らかの不良によりショートが起こっても絶縁膜８内に漏れ電流が生じにくくなる。また、たとえば５５０℃程度の高温で熱処理が行なわれて、カソード電極１１ｂやゲート電極３ａに熱膨張が生じても、絶縁膜８を構成する粒子同士の隙間でこれらの熱膨張を吸収することができる。したがって、熱処理の際にクラックなどの不良が生じにくくなる。以上により、電界電子放出装置の特性を向上することができる。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における電界電子放出装置１ｂの構成を示す断面図である。図１０に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置１ｂにおいて、第２絶縁膜としての絶縁膜２８がゲート電極３ａに開口された孔６ｂの内壁面に沿って形成されている。絶縁膜２８は孔６ｂの内壁面から下方に向かって孔６ａの内壁面にまで延びており、カソード電極１１ｂに達している。また、絶縁膜２８はゲート電極３ｂよりも上方へ突出している。カーボンナノチューブ７は絶縁膜２８で囲まれた領域内に形成されている。カソード電極１１ｂおよびゲート電極３ａは、共にアルミニウムと、１質量％のＳｉＣｕとよりなるアルミニウム合金よりなっている。

なお、これ以外の電界電子放出装置１ｂの構成は、図１および図２に示す実施の形態１における電界電子放出装置１の構成とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

続いて、本実施の形態の電界電子放出装置１ｂの製造方法について、図１１および図１２を用いて説明する。

本実施の形態の電界電子放出装置１ｂの製造方法は、まず図３に示す実施の形態１の製造工程と同様の製造工程を経る。次に、図１１を参照して、ゲート電極３ａ上に所定形状のレジスト１５を形成する。そして、レジスト１５をマスクとしてゲート電極３ａおよび絶縁膜２をエッチングすることにより、ゲート電極３ａに孔６ｂを形成し、絶縁膜２に孔６ａを形成する。

次に、図１２を参照して、レジスト１５を残した状態で、カソード電極１１ｂ上に触媒層５を形成する。次に、基板１０を純水に浸漬することで、カソード電極１１ｂおよびゲート電極３ａを酸化する。これによって、ベーマイトよりなる絶縁膜２８がカソード電極１１ｂを起点として孔６ａの内壁面に沿って上方へ延びるように成長する。また、絶縁膜２８は、ゲート電極３ａを起点として孔６ｂの内壁面から上方に向かってレジスト１５に開口された孔１５ａの内壁面にまで延びるように成長する。絶縁膜２８の高さｈは、絶縁膜２８の形成条件にもよるが、約４μｍ程度である。

次に、図１０を参照して、レジスト１５を除去する。これにより、ゲート電極３ａから突出した円筒形状の絶縁膜２８が形成される。その後、実施の形態１と同様の方法で触媒層５上にカーボンナノチューブ７を形成する。以上の工程により、本実施の形態の電界電子放出装置１ｂが完成する。

本実施の形態の電界電子放出装置１ｂにおいて、絶縁膜２８はゲート電極３ａよりも上方へ突出している。

本実施の形態の電界電子放出装置１ｂの製造方法において、孔６ａおよび孔６ｂを形成する工程は、ゲート電極３ａ上にレジスト１５を形成する工程と、レジスト１５をマスクとしてゲート電極３ａおよび絶縁膜２をエッチングする工程とを含んでおり、レジスト１５が形成された状態で絶縁膜２８を形成する。

本実施の形態の電界電子放出装置１ｂおよびその製造方法によれば、ゲート電極３ａよりも上方へ突出した絶縁膜２８の部分によってカーボンナノチューブ７の先端が孔６の内側の方向に向けられるので、カーボンナノチューブ７の先端が孔６内から飛び出しにくくなる。これにより、カーボンナノチューブ７がゲート電極３ａの上面に接触することを抑止することができる。

本発明に用いられる電子放出源としてはカーボンナノチューブが好適であるが、カーボンナノチューブの他、たとえばカーボンナノワイヤ、シリコンワイヤ、チタンワイヤ、金ワイヤなどが電子放出源であってもよい。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における電界電子放出装置の製造方法の第４工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における電界電子放出装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における電界電子放出装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態３において形成される絶縁膜の顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態４における電界電子放出装置１ｂの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における電界電子放出装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における電界電子放出装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 電界電子放出装置、２，８，１８，２８ 絶縁膜、３ａ，３ｂ ゲート電極、５ 触媒層、６，６ａ，６ｂ，１５ａ 孔、７，７ａ，７ｂ カーボンナノチューブ、１０ 基板、１１ａ〜１１ｄ カソード電極、１２ 凹部，１５ レジスト。

Claims (7)

1. カソード電極と、
   前記カソード電極上に形成され、第１の孔を有する第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜上に形成され、前記第１の孔に連通する第２の孔を有するゲート電極と、
   前記第１の孔の底部に形成され、かつ前記カソード電極と電気的に接続された電子放出源と、
   前記第２の孔の内壁面に沿って形成された第２絶縁膜とを備えており、
   前記電子放出源はカーボンナノチューブであり、
   前記第２絶縁膜は平均粒径１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子よりなる、電界電子放出装置。
2. 前記第２絶縁膜は前記ゲート電極の上面にまで延びている、請求項１に記載の電界電子放出装置。
3. 前記第２絶縁膜は前記第１の孔の内壁面にまで延びている、請求項１または２に記載の電界電子放出装置。
4. 前記第２絶縁膜は前記ゲート電極よりも上方へ突出している、請求項１〜３のいずれかに記載の電界電子放出装置。
5. 前記第２絶縁膜は前記カソード電極または前記ゲート電極のうち少なくともいずれか一方を構成する材料の酸化物あるいは含水酸化物である、請求項１〜４のいずれかに記載の電界電子放出装置。
6. 前記カソード電極または前記ゲート電極のうち少なくともいずれか一方はアルミニウムを含み、前記第２絶縁膜はベーマイトを含む、請求項５に記載の電界電子放出装置。
7. 前記電子放出源は触媒層を挟んで前記カソード電極上に形成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の電界電子放出装置。

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