JPH11204022A - 冷陰極およびこの冷陰極を用いた素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００６９】この図４の成膜表面の様子を、概念的に図
２に示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００７４】この図５の成膜表面の様子を、概念的に図
３に示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

１…第１層 ２…第２層（冷電子放出部） ３…基板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【請求項５】 請求項１記載の冷陰極と陽極とを備
   えた素子。