JP2002260523A - ダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子 - Google Patents

ダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子

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JP2002260523A
JP2002260523A JP2001051766A JP2001051766A JP2002260523A JP 2002260523 A JP2002260523 A JP 2002260523A JP 2001051766 A JP2001051766 A JP 2001051766A JP 2001051766 A JP2001051766 A JP 2001051766A JP 2002260523 A JP2002260523 A JP 2002260523A
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JP
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diamond
film
emitter
carbon
multilayer structure
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Hajime Tomokage
肇 友景
Kumo Sai
雲 崔
Yoichi Iseri
陽一 井芹
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Japan Science and Technology Agency
Mitsumi Electric Co Ltd
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Mitsumi Electric Co Ltd
Japan Science and Technology Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッターをDLC多層膜とすることによ
り、DLC単層膜の場合の欠点での欠点を補い、安定し
た電界電子放出特性を有するダイヤモンド様炭素多層構
造を有する電界電子放出素子を提供する。 【解決手段】 ダイヤモンド様炭素多層構造を有する電
界電子放出素子において、基材1に性質が異なるダイヤ
モンド様炭素膜を多層構造で成膜したエミッター2を具
備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、DLC薄膜を用い
た電界電子放出素子の構造に係るものであり、特に、そ
の優れたエミッターの構造を有する電界電子放出特性を
得るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、DLCを用いた電界電子放出素子
のエミッターは単層で用いられることが多かった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、DLCを用い
た電界電子放出素子のエミッターが従来のように単層膜
の場合、成膜条件を変化させてSP3 リッチにすると、
電界電子放出は容易であるが、電流を大きくすることは
できない。そうかといって、SP2 リッチにすると電界
電子放出はしにくいが、電流は大きくすることができる
といった問題があった。
【0004】したがって、潜在的な能力はあるとして
も、その電界電子放出の安定性、再現性等の問題から実
用化されるには至っていないのが現状である。
【0005】本発明は、上記状況に鑑みて、エミッター
をDLC多層膜とすることにより、DLC単層膜の欠点
を補い、安定した電界電子放出特性を有するダイヤモン
ド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子を提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するために、 〔1〕ダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子放
出素子において、基材に性質が異なるダイヤモンド様炭
素膜を多層構造で成膜したエミッターを具備することを
特徴とする。
【0007】〔2〕ダイヤモンド様炭素多層構造を有す
る電界電子放出素子において、エミッターの基材に近い
ダイヤモンド様炭素膜にグラファイト成分の多い膜を成
膜して、電気伝導層並びに電子供給伝導チャネルとする
ことを特徴とする。
【0008】〔3〕ダイヤモンド様炭素多層構造を有す
る電界電子放出素子において、エミッターの基材より順
番にグラファイト成分が多い膜、ダイヤモンド成分が多
い膜の順に成膜した構造を有することを特徴とする。
【0009】〔4〕ダイヤモンド様炭素多層構造を有す
る電界電子放出素子において、ダイヤモンド成分が多い
ダイヤモンド様炭素膜をエミッターとなし、電界電子放
出初期におけるイグナイターとして用いることを特徴と
する。
【0010】〔5〕ダイヤモンド様炭素多層構造を有す
る電界電子放出素子において、エミッターの基材に近い
ダイヤモンド様炭素膜を高導電率を得るために窒素をド
ープしたダイヤモンド様炭素膜とすることを特徴とす
る。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に従って詳細
に説明する。
【0012】図1は本発明の第1実施例を示すダイヤモ
ンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子の断面
図、図2はその電界電子放出素子のエミッターの構造を
示す図であり、図1のA部分を拡大して示したものであ
る。この実施例では平板状のエミッター構造を有する。
【0013】これらの図において、1は基材(シリコン
基板)、2はエミッター、3はエミッターの一部である
第1層膜、4はエミッターの一部である第2層膜、5は
絶縁層(SiO2 膜)、6はゲート電極である。
【0014】このように、基材1上にエミッター2の一
部である第1層膜2としてグラファイト成分が多いSP
2 リッチのDLC膜を成膜する。この第1層膜2は高導
電率特性をもっており、電気伝導層と電子伝導チャネル
を形成する。この第1層膜2の上にエミッター2の一部
である、第2層膜4としてダイヤモンド成分が多いSP
3 リッチのDLC膜を成膜する。これらの成膜は、CV
D、PD、アーク法、レーザアブレーション等を利用す
ることができる。
【0015】そして、第2層膜4は電界電子放出特性に
良い影響を与える低い電子親和力をもっており、電界電
子放出初期における特性を改善することができる。
【0016】また、第1層膜2としてのグラファイト成
分が多いSP2 リッチのDLC膜は電子供給伝導チャネ
ルを形成し、継続した電界電子放出を容易にし、安定し
た電界電子放出に寄与する。
【0017】電界電子放出特性に大きく影響を与える要
因として、エミッター材料の電子親和力が存在する。電
子親和力とは金属や半導体等のエネルギー図において表
現される、真空準位から伝導帯の底までのエネルギーの
差である。いいかえれば、物質から電子を引き離すのに
必要なエネルギーである。この値はSiでは4.0eV
程度である。すなわち、Si表面に4.0eV上のエネ
ルギーを与えると、Si表面より電子が放出される。ダ
イヤモンドにおいてはこの値が負であると言われてい
る。つまり、真空準位のエネルギーが伝導帯の底よりも
低くなっている。この条件を満たすためには、ダイヤモ
ンドの表面が水素によって終端される必要があることが
知られている。ダイヤモンドは絶縁体であるが、表面が
水素で終端されると導電性を示す。
【0018】本発明では、電子放出面〔第2層膜4〕に
ダイヤモンドの電気的特性に近いSP3 リッチのDLC
を用いている。このSP3 リッチのDLC膜の電子親和
力は1eV程度まで低下しており、この結果、電子放出
が容易になっている。さらに、表面に水素化処理を行
い、導電性の確保と電界電子放出を助けることができ
る。
【0019】第1層膜3の導電率は一般的に低い。その
結果、電界電子放出を継続し、大きな放出電流を得るた
めには、第1層膜3に電子を供給する導電チャネルが必
要となる。その役割を第1層膜3が担う。第1層膜3
は、高導電率を得るために窒素をドープしている。この
2つの層が存在する結果、継続的に大電流を電界電子放
出することができる。
【0020】図3は本発明の第2実施例を示すダイヤモ
ンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子の断面斜
視図、図4はその電界電子放出素子の製造工程断面図で
ある。この実施例では円錐状のエミッター構造を有す
る。
【0021】これらの図において、11は基材、12は
エミッターであり、円錐形のシリコンからなる基材層1
2A、グラファイト成分が多いSP2 リッチのDLC膜
からなる第1層膜12B、ダイヤモンド成分が多いSP
3 リッチのDLC膜からなる第2層膜12Cである。1
3は絶縁層(SiO2 膜)、14はゲート電極である。
【0022】以下、その電界電子放出素子の製造方法に
ついて説明する。
【0023】(1)まず、図4(a)に示すように、予
め導電性を有する基板11上に、絶縁層13及びゲート
電極14をスパッタ法又は真空蒸着法等により順次成膜
する。次いで、フォトリソグラフィー法と反応性イオン
エッチング法(RIE)とを利用して絶縁層13及びゲ
ート電極14の一部を、導電性を有する基板11が露出
するまで円形の孔(ゲート孔)が開口するようにエッチ
ングする。
【0024】(2)次に、図4(b)に示すように、斜
方蒸着により剥離層15をゲート電極14上面と側面に
のみ形成する。剥離層15の材料としては、Al、Mg
O等が多く使用されている。
【0025】(3)次に、図4(c)に示すように、導
電性を有する基板11上に、その垂直な方向から通常の
異方性蒸着により、エミッター12用のシリコン16を
蒸着する。このとき、蒸着の進行につれて、ゲート孔の
開口径が狭まると同時に導電性を有する基板11上にエ
ミッターの一部を構成するシリコンからなる円錐形の基
材層12Aが形成される。
【0026】(4)次に、図4(d)に示すように、剥
離層15をエッチングにより剥離する。
【0027】(5)次に、図4(e)に示すように、剥
離層15′を形成した後、基材層12A上に、その垂直
な方向から通常の異方性蒸着により、グラファイト成分
が多いSP2 リッチのDLC膜17を蒸着する。このと
き、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると
同時に基材層12A上にエミッタの一部を構成する第1
層膜12Bを形成する。
【0028】(6)次に、図4(f)に示すように、剥
離層15′をエッチングにより剥離する。
【0029】(7)次に、図4(g)に示すように、剥
離層15″を形成した後、第1層膜12B上に、その垂
直な方向から通常の異方性蒸着により、ダイヤモンド成
分が多いSP3 リッチのDLC膜18を蒸着する。この
とき、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まる
と同時に第1層膜12B上にエミッタの一部を構成する
第2層膜12Cを形成する。
【0030】(8)最後に、図4(h)に示すように、
剥離層15″エッチングにより剥離する。
【0031】上記第1層膜12Bは高導電率特性をもっ
ており、電気伝導層と電子伝導チャネルを形成する。そ
して、第2層膜12Cは電界電子放出特性に良い影響を
与える低い電子親和力をもっており、電界電子放出初期
における特性を改善することができる。
【0032】これらの成膜は、CVD、PD、アーク
法、レーザアブレーション等を利用することができる。
【0033】このように構成したので、第1層膜2とし
てのグラファイト成分が多いSP2リッチのDLC膜は
電界電子放出初期に電界電子放出を容易にし、SP2
ッチ層は安定した電界電子放出に寄与する。
【0034】この実施例によれば、シリコンによる円錐
状の基材層12Aの表面に上記した多層膜を形成したの
で、電界電子放出を容易にすることができる。つまり、
電極は突起状になっていた方が、電界集中が起きて電界
放出を容易にすることができる。
【0035】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0036】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0037】(A)エミッターのDLC単層膜では実現
が困難であった電界電子放出特性において、電子放出サ
イトの高密度化、電子放出の安定化、電子放出の大電流
化が実現できた。
【0038】(B)実用化されているフィールドエミッ
ションディスプレイはシリコンを使用したスピント型エ
ミッターを使用しているが、コスト、製造方法が複雑
で、大型化が困難等の問題をかかえるが、本発明によれ
ば、低コスト、簡便な製造方法によるエミッターが製作
でき、フィールドエミッションディスプレイの低コスト
化、大型化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すダイヤモンド様炭素
多層構造を有する電界電子放出素子の断面図である。
【図2】本発明の第1実施例を示すダイヤモンド様炭素
多層構造を有するエミッターの構造を示す図である。
【図3】本発明の第2実施例を示すダイヤモンド様炭素
多層構造を有する電界電子放出素子の断面斜視図であ
る。
【図4】本発明の第2実施例を示すダイヤモンド様炭素
多層構造を有する電界電子放出素子の製造工程断面図で
ある。
【符号の説明】
1,11 基材(シリコン基板) 2 エミッター 3 エミッターを構成する第1層膜 4 エミッターを構成する第2層膜 5,13 絶縁層(SiO2 膜) 6,14 ゲート電極 12 エミッター 12A 円錐形のシリコンからなる基材層 12B グラファイト成分が多いSP2 リッチのDL
C膜からなる第1層膜 12C ダイヤモンド成分が多いSP3 リッチのDL
C膜からなる第2層膜 15,15′,15″ 剥離層 16 シリコン 17 グラファイト成分が多いSP2 リッチのDLC
膜 18 ダイヤモンド成分が多いSP3 リッチのDLC
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井芹 陽一 福岡県田川市大字川宮1424−1

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基材に性質が異なるダイヤモンド様炭素
    膜を多層構造で成膜したエミッターを具備することを特
    徴とするダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子
    放出素子。
  2. 【請求項2】 エミッターの基材に近いダイヤモンド様
    炭素膜にグラファイト成分の多い膜を成膜して、電気伝
    導層並びに電子供給伝導チャネルとすることを特徴とす
    るダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素
    子。
  3. 【請求項3】 エミッターの基材より順番にグラファイ
    ト成分が多い膜、ダイヤモンド成分が多い膜の順に成膜
    した構造を有することを特徴とするダイヤモンド様炭素
    多層構造を有する電界電子放出素子。
  4. 【請求項4】 ダイヤモンド成分が多いダイヤモンド様
    炭素膜をエミッターとなし、電界電子放出初期における
    イグナイターとして用いることを特徴とするダイヤモン
    ド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子。
  5. 【請求項5】 エミッターの基材に近いダイヤモンド様
    炭素膜を高導電率を得るために窒素をドープしたダイヤ
    モンド様炭素膜とすることを特徴とするダイヤモンド様
    炭素多層構造を有する電界電子放出素子。
JP2001051766A 2001-02-27 2001-02-27 ダイヤモンド様炭素多層構造を有する電界電子放出素子 Withdrawn JP2002260523A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006351410A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Toppan Printing Co Ltd 電子放出素子
KR100785658B1 (ko) 2006-06-19 2007-12-14 타퉁 컴퍼니 리미티드 전자 방출원 및 전계 방출 디스플레이 장치
US7528535B2 (en) 2004-03-31 2009-05-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Cold cathode, cold cathode discharge lamp, and method for producing the same

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