JP3638264B2

JP3638264B2 - Cold cathode device manufacturing method, cold cathode device, and display device using the same

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Publication number: JP3638264B2
Application number: JP2001373996A
Authority: JP
Inventors: 史郎佐藤; 昌彦関; 敏裕山本; 智志上田; 達哉武井; 啓萩原
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003178669A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極装置及び冷陰極装置の作製方法に関し、特に、六方晶系に属する板状結晶であるグラファイト（黒鉛）を主成分材料とする炭素系材料を冷陰極（電界放出冷陰極）とする冷陰極装置に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の典型的な冷陰極は、先端が尖鋭なコーン形状をもつ陰極と、それを取り囲むゲート電極との間に電圧を印加して、電界で陰極先端から電子を放出させるスピント型と称される構造が一般的であった。スピント型の冷陰極装置の電子放出効率は、陰極表面に形成される電界集中と、陰極材料の仕事関数φや表面物性などの諸特性とによって大きく左右されていた。
【０００３】
スピント型の冷陰極装置の電界集中は、陰極の尖鋭度、陰極／ゲート電極間距離で決まるので、効率の大幅な改善はリソグラフィーを中心とする微細加工技術の精度の向上およびさらなる微細化技術の進展に依存していた。
【０００４】
こうした微細加工を必要としない冷陰極としては、ＭＩＭ型（Ｍｅｔａｌ／ｌｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）、ＭＩＳ型（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの面放出型があった。面放出型の冷陰極装置では、材料の組み合わせや、電子放出効率の改善が課題となっていた。
【０００５】
一方、冷陰極材料には主としてモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属や、シリコンなどの半導体が用いられてきたが、これらの材料では仕事関数φ＝４〜５ｅＶ程度であるので、さらに低仕事関数の材料が求められてきた。これに対して、ダイアモンドやダイアモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）あるいは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ボロン（ＢＮ）は、負性電子親和力（ＮＥＡ：ＮｅｇａｔｉｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎＡｆｆｉｎｉｔｙ）特性をもつとも言われており、その高硬度性能、化学的安定性と合わせて、冷陰極材料として有望であると考えられている。
【０００６】
これらに対して、近年、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーが良好な電子放出特性を示すと言われている。しかし、これらの材料を用いた冷陰極について、明瞭なＮＥＡ特性あるいは高効率電子放出特性はまだ見い出されておらず、実用化が阻まれている。
【０００７】
電子放出特性改善技術として、材料表面に不純物原子を吸着させる方法が知られている。たとえば、タングステン単結晶表面に、Ｃｓ（セシウム），Ｂａ（バリウム），Ｕ（ウラン），Ｉ_２（ヨウ素），Ｂｒ_２（臭素），Ｃｌ_２（塩素）などを吸着させると仕事関数φを大幅に低減できることがわかっている。これは、吸着種とＷ単結晶基板との間での電子の移動によるものである。しかしながら、この方法では、表面に吸着した不純物が不安定で、ディスプレイや撮像素子のような真空デバイスに用いるのは困難と考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
冷陰極材料として最もその性能が期待されるダイアモンド結晶は、通常、ＣＨ_４（メタン）、Ｃ_２Ｈ_２（アセチレン）などの水素炭化物や一酸化炭素ＣＯなどを原料として、化学気相法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などで作製される。しかしながら、この方法では、基板をおよそ８００℃以上の高温に保持して、上記原料を分解し、基板上にダイアモンドの結晶成長を行うので、大面積での処理は困難であった。特に、ダイアモンドでは、原子の拡散係数が非常に小さく、一般に成長速度が０．１μｍ／時間のオーダーで小さいという問題があった。
【０００９】
これに対して、ダイアモンド状炭素は、非晶質炭素でありながら、ダイアモンドに類似した特性を示すので、大面積の処理に有利であった。堆積したＤＬＣ膜をそのまま薄膜の冷陰極としても良いが、あらかじめＭｏ（モリブデン）やシリコンなどで尖鋭な先端を有する陰極と、絶縁物を介して、その陰極を取り囲むゲート電極とから成る冷陰極コーンを作製しておき、その陰極の上方から、上記のＣＶＤ法などでＤＬＣ膜（あるいは多結晶ダイアモンド膜）を陰極先端に堆積してその表面をコーティングする方法が試みられている。また、シリコンなどの基板に、あらかじめピラミッド型の凹みを作製しておいて、これにＣＶＤ法でＤＬＣや多結晶ダイアモンドを堆積し、その後に基板を除去する方法も試みられている。しかしながら、このようなコーティング法を用いた場合であっても、上述するように、基板冷陰極を８００℃以上の高温に保持する必要があると共に、表面層は多量の欠陥を含んだ状態か、非晶質層になっているという問題があった。すなわち、冷陰極の特性は表面層の状態に大きく左右されるので、このような表面層の構造は不安定で好ましくないものである。
【００１０】
一方、これらの材料の低温作製法として、グラファイトターゲットに強力なレーザー光を照射して、炭素原子や分子、イオン、クラスターなどを蒸発させ基板に堆積させるレーザーアブレーション法も試みられている。照射するレーザー光にはＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ），ＫｒＦ（波長：２５６ｎｍ）などのエキシマレーザーのパルス光が用いられる。しかしながら、この方法で作製できるダイアモンド結晶のサイズは非常に小さく、ＤＬＣになっているとの報告もある。このようなＤＬＣ膜は、ｓｐ^２結合とｓｐ^３結合とから成っている。ＤＬＣが冷陰極としてまだ十分な性能を発揮していないのは、それら結合の比やその他の材料の構造や性質と電子放出特性との関係がまだはっきりわかっていないことによるものである。最近の研究では、ＤＬＣの電子放出特性にｓｐ^２結合が重要な役割を担っていることが明らかになった。従って、このｓｐ^２結合相（領域）の制御技術が求められるが、ダイアモンドやＤＬＣともに、低温で高効率な電子放出効率を実現する方法はまだ見い出されていない。しかしながら、これら炭素系材料は電子放出環境に対して安定であり、安定動作のために高真空度を必要としないメリットがあるので、炭素系材料の冷陰極を低温で形成可能であると共に、高効率の電子放出効率を達成することが可能な技術の開発が要望されている。
【００１１】
また、Ｃｓ，Ｂａ，Ｕ，Ｉ_２，Ｂｒ_２，Ｃｌ_２などを金属冷陰極表面に堆積して電子放出特性を改善する方法においても、前述のように、不安定でデバイス化が困難であるばかりでなく、仕事関数φの低減効果の最大をもたらす最適濃度があり、それ以上に金属冷陰極表面層にこれら元素を堆積しても効果の向上は望めず、仕事関数低減効果に限界がある。
【００１２】
本発明の目的は、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、その電子放出効率を改善することが可能な冷陰極装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１４】
（１）基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置の作製方法において、前記基板上に前記陰極母線を形成する工程と、前記グラファイトを主成分材料とし前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、前記グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を前記炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とを備える。
【００１５】
（２）基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置において、前記陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成する。
【００１６】
（３）電界放出冷陰極が複数形成された冷陰極装置と、蛍光体陽極とが対向配置され、前記電界放出冷陰極と前記蛍光体陽極との間に印加する電圧を制御して、画像信号に応じた画像表示を行う表示装置において、前記冷陰極装置は、基板上に形成された陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が複数形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成する。
【００１７】
前述した（１）の手段によれば、基板上に陰極母線を形成する工程と、グラファイトを主成分材料とし陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とによって、下記の原理の項に示すように、炭素系材料層を形成するグラファイトの仕事関数（〜５ｅＶ程度）を、このグラファイトの仕事関数よりも小さい不純物原子もしくは分子の仕事関数に近づけることができるので、炭素系材料層を電界放出冷陰極として用いることが可能となる。
【００１８】
このとき、不純物原子もしくは分子をグラファイトに導入（インターカレーション）する構成となっているので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができる。
【００１９】
（原理）
本発明による冷陰極装置の構造を図１に従って説明する。ただし、図１において、１０１は炭素原子、１０２はインターカレーション原子、１０３は放出電子を示す。
【００２０】
図１に示すように、本発明の冷陰極装置の冷陰極は、同一平面内で環状に結合した炭素原子１０１が連なってつくる層状構造の結晶（以下、「グラファイト層状結晶」と記す）を形成し、それぞれの炭素原子１０１の間に、不純物となる原子や分子が導入（インターカレーション）される構成となっている。すなわち、本願発明の冷陰極装置の冷陰極は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物原子や分子を導入（インターカレーション）することにより、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得る構造となっている。
【００２１】
一般的に、グラファイトの仕事関数は〜５ｅＶ程度であるので、冷陰極材料としては、用いられていない。一方、炭素がＣｓ，Ｂａなどと化合物を形成すると、その化合物はむしろＣｓ，Ｂａの仕事関数に近い仕事関数を示す。従って、これらのアルカリ金属を表面に吸着させるのではなく、本願発明では、複数個の炭素原子１０１が形成するグラファイト層状結晶の層間に、インターカレーション原子１０２として不純物原子あるいは分子を導入することにより、グラファイト層状結晶から放出電子１０３を電子放出させる際の炭素表面の化学的安定性と、インターカレーションによる仕事関数低減とを両立させた冷陰極を形成するものである。
【００２２】
すなわち、図１に示す左右方向に隣接する炭素原子１０１の間隔に比較して非常に大きい間隔（周期間隔）を有する炭素原子１０１の上下方向の積み重なりを有するグラファイトの層構造に、異なる原子（分子層でもよい）として低抵抗化をもたらすＣｓあるいはＢａを挿入することによって、インターカレーションを電子放出の高効率化、面内の選択的電子放出領域形成に応用し、放出電子１０３を電子放出させる際の炭素表面の化学的安定性と、インターカレーションによる仕事関数低減とを両立させた冷陰極を形成するものである。ただし、インターカレーションの次数は、炭素原子１０１からなる炭素原子層何枚毎に１枚のインターカレーション層１０２が形成されているかという、いわば炭素原子層とインターカレーション層との層数比であり、この次数の制御により抵抗等の特性を制御できることが知られている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、発明の実施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
（実施の形態１）
図２は本発明による実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図２に基づいて、実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図２の（ａ）〜（ｃ）は実施の形態１の冷陰極装置の断面図を示すものである。
【００２５】
まず、図２の（ａ）に示すように、基板となるガラス基板２０１に例えば陰極母線２０２となる感光性ペーストを堆積した後に、リソグラフィー法などにより列方向（図２の紙面鉛直方向）のラインに加工する。この陰極母線２０２は、図２（ａ）に示すように、ガラス基板２０１の上面に形成され、５本の陰極母線２０２がそれぞれ独立されている。
【００２６】
次に、周知のリフロー技術によって数ミクロン以下の厚さのフォト埋め込み用ガラスペーストとしてＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓｓ）等を堆積し、このフォト埋め込み用ガラスペーストの層を形成する。この後に、図２の（ａ）に示すように、前述までの工程によって作製した基板に対して、リソグラフィー法などにより、セル領域２１０を上面側から陰極母線２０２及びガラス基板２０１が露出する深さまで形成する。このようにして、まず、ガラス基板２０１の上面側に障壁２０３で分離されたセル構造を形成する。なお、ガラス基板２０１の上面側に陰極母線２０２とセル構造とを形成する工程は従来と同様である。
【００２７】
この後に、陰極母線２０２とセル構造とを形成したガラス基板２０１に対して、低温でＣＨ_４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａＩＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、ダイアモンド状炭素２０５（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）を堆積し、ＤＬＣ層２０４を形成する。
【００２８】
次に、図２の（ｂ）に示すように、堆積されたＤＬＣ層２０４の上面側からレーザービーム２０６を走査して照射することにより、ＤＬＣ層２０４をアニールしてＤＬＣのグラファイト化を行い、炭素系材料層であるグラファイト層２０７を形成する。ただし、上記原料を用いて化学気相法によって作製するＤＬＣ相２０４は、通常６００℃程度の温度で１０分程度加熱することによりグラファイト化するので、レーザー照射では、このような加熱効果をもたらすように、波長、ビームパワー、照射時間を選択することによってグラファイト層２０７を形成する。また、グラファイト層（グラファイト膜）２０７の形成については、周知のアーク放電やレーザーアブレーション法など他の方法を用いることによって、セル領域２１０に直接堆積しても良い。
【００２９】
次に、図２の（ｃ）に示すように、グラファイト層（グラファイト膜）２０７に対して、インターカレーション原子２０８となるＣｓ，Ｂａなどの不純物を周知のイオン注入や熱拡散法などで添加しインターカレーションを行う。このインターカレーションによって、前述する図１に示すように、複数個の炭素原子１０１からなるグラファイト層状結晶の層間に、不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）されたインターカレーション層２０９が形成される。すなわち、実施の形態１の冷陰極装置では、グラファイト層状結晶の層間にグラファイトよりも仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。
【００３０】
また、前述する方法では、１）ＤＬＣが室温〜３００℃程度の温度で堆積できる、２）レーザーアニールは表面のみの加熱である、３）Ｃｓ，Ｂａなどのインターカレーションが低温でできる、等の全プロセスが低温でできるという効果を得ることができる。その結果、ガラス基板２０１に耐熱性に優れる高価なクリスタルガラス等を用いることなく、安価なガラスやプラスチック基板を使用することが可能となると共に、後述するように、実施の形態１の冷陰極装置を表示デバイスとして用いた場合に、軽量化することができる。
【００３１】
一方、実施の形態１の冷陰極装置を真空気密容器内に配置すると共に、この真空気密容器内で冷陰極装置と対向する位置に陽極となる電極を配置した２極構造とし、この陽極の冷陰極装置側に周知の蛍光体を配置することによって、文字やグラフィックス等を表示する蛍光発光型の表示装置を形成することができる。従って、陰極母線２０２及び陽極間に所定電圧の駆動信号を供給することによって、冷陰極装置のインターカレーション層２０９から放出された電子により蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じた文字やグラフィックス等の発光表示あるいは発光素子としての発光表示を行うことができる。このとき、実施の形態１の冷陰極装置では、インターカレーション層２０９からの電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができるので、大面積の表示装置であっても表示むらを大幅に低減した高効率及び高品位の発光表示を得ることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図３は本発明である実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図３に基づいて、実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図３に示す実施の形態２の冷陰極装置は、高密度な冷陰極アレイとするため、セル構造あるいはセル障壁をもたないガラス基板上での作製例である。
【００３３】
まず、図３の（ａ）に示すように、ガラス基板３０１に高融点金属などから成る陰極母線３０２を形成する。このとき、後述するように、この陰極母線３０２の上面にＤＬＣを堆積し、さらにこのＤＬＣを加熱してグラファイト化するので、陰極母線３０２の材料には、これらの熱処理に対して安定な、例えばタンタル、モリブデン、あるいはタングステン等の高融点金属が望ましい。
【００３４】
次に、図３の（ｂ）に示すように、陰極母線３０２を形成したガラス基板３０１の上面側、すなわちガラス基板３０１の陰極母線３０２を形成した側にＤＬＣ層３０３を形成する。ただし、このＤＬＣ層３０３は、例えば、実施の形態１と同様に、陰極母線３０２を形成したガラス基板３０１に対して、低温でＣＨ_４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法などにより、ダイアモンド状炭素３０４（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）を堆積することによって形成される。
【００３５】
次に、図３の（ｃ）に示すように、レーザー光３０５などのエネルギービームを絞り、陰極母線３０２上の電子放出領域とする領域に対してのみレーザー光３０５を照射することによって、照射領域３０８内をアニールする。このアニール処理によって、レーザー光３０５の照射領域３０８内のＤＬＣ層３０３のみを局所的にグラファイト化して、グラファイト領域すなわちグラファイト層３０６を形成する。このとき、電子放出領域となるグラファイト層３０６は、照射するレーザー光３０５のビーム径でほぼ決まる。従って、レーザー光３０５の照射領域３０８の移動と照射とを繰り返すことによって、電子放出領域となるグラファイト層３０６のアレイを容易に形成することが可能となる。
【００３６】
次に、図３の（ｄ）に示すように、レーザー光３０５の照射領域（グラファイト層３０６）に対して、前述した実施の形態１と同様に、インターカレーション原子３０７としてＣｓやＢａなどの不純物をイオン注入や熱拡散法などで添加し、インターカレーションを行うことによって、インターカレーション層３０９が形成される。ただし、インターカレーション原子のＣａやＢａはグラファイトの層間に侵入してインターカレーション層を形成するのに対して、ほぼ非晶質状態にあるＤＬＣ層３０３ではインターカレーション層は形成されないので、グラファイト化領域のみ、選択的にインターカレーション層を形成できる。
【００３７】
すなわち、実施の形態２の冷陰極装置は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。このとき、インターカレーション層３０９は、レーザー光３０５の照射制御とＣｓやＢａなどの不純物の添加の制御とによって形成することができるので、高密度な冷陰極アレイ構造を形成することができる。その結果、表示装置として、実施の形態２の冷陰極装置を用いた場合には、表示解像度が高く、高精細な表示装置を作製することができる。
【００３８】
ただし、実施の形態２の冷陰極装置を表示装置として用いる場合には、実施の形態１と同様に、実施の形態２の冷陰極装置と対向して陽極を配置した２極構造で電子放出を行う。
【００３９】
（実施の形態３）
図４は本発明である実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図４に基づいて、実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図４の（ａ）及び図４の（ｃ）は実施の形態３の冷陰極装置の平面図であり、図４の（ｂ）は図４の（ａ）に示すＡ−Ａ’線での断面図であり、図４の（ｄ）は図４の（ｃ）に示すＣ−Ｃ’線での断面図である
まず、ガラス基板４０１の上面側にＤＬＣ層４０２を一様に形成する。ただし、このＤＬＣ層４０２は、例えば、実施の形態２と同様に、ガラス基板４０１に対して、低温でＣＨ_４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法などにより、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）を堆積することによって形成する。
【００４０】
次に、図４の（ａ）に示すように、レーザー光などのエネルギービームを絞り、このレーザー光をガラス基板４０１の横方向に移動させることによって、所定の幅でＤＬＣ層４０２をアニールする。このとき、アニール処理を行う領域を順次下方（上方）に移動させて複数回行うことによって、図４の（ａ）に示すように、アニール処理により形成されるグラファイト層４０３とアニール処理を行っていない領域であるＤＬＣ層４０２とを交互に筋状（線状）に配列させる。ただし、図４の（ｂ）に示すように、ＤＬＣ層４０２の下面側すなわちＤＬＣ層４０２とガラス基板４０１とが接する側にまで、アニール処理が達するように加熱することによって、ガラス基板４０１の上面側にグラファイト層４０３を形成する。また、実施の形態３の冷陰極装置では、グラファイト層４０３が陰極母線に対応する領域となる。
【００４１】
次に、このグラファイト層４０３にＣｓやＢａなどの不純物をイオン注入や熱拡散法などで添加し、インターカレーションを行うことによって、グラファイト層４０３の一部もしくは全部に図示しないインターカレーション層を形成する。このインターカレーション層は、本来、低抵抗特性を有するので、そのまま陰極母線として使用することができる。
【００４２】
次に、図４の（ｃ），（ｄ）に示すように、グラファイト層４０３及びインターカレーション層の上面側に、絶縁膜４０５として、例えば、周知のリフロー技術によって数ミクロン以下の厚さのフォト埋め込み用ガラスペーストとしてＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓｓ）等を堆積し、このフォト埋め込み用ガラスペーストを絶縁層（絶縁膜）４０５とする。
【００４３】
次に、図４の（ｃ）に示すように、この絶縁膜の上面側に、ＤＬＣ層４０２やグラファイト層４０３と並行しない方向（例えば、直交方向）に延在するゲート電極母線４０４を形成する。ただし、実施の形態３のゲート電極母線４０４は、ＤＬＣ層４０２やグラファイト層４０３と直交する方向が延在方向となる５ライン分となる。このとき、インターカレーション層と各ゲート電極母線４０４とは、数ミクロン以下の厚さすなわち厚膜の絶縁膜により離間された構造となる。
【００４４】
この後に、図４の（ｃ），（ｄ）に示すように、前述までの工程によって作製した基板に対して、リソグラフィー法などにより、電子放出領域としての電子放出孔４０６をゲート電極母線４０４の側からインターカレーション層が露出する深さまで形成する。このときの電子放出孔４０６は、例えば、図４の（ｄ）に示すように、絶縁膜４０５を介してインターカレーション層とゲート電極母線４０４とが交差する領域のそれぞれに１個ずつが形成される構造となっているが、この交差領域の電子放出孔４０６の数は、２個以上でもよいことはいうまでもない。
【００４５】
このように形成された実施の形態３の冷陰極装置では、ゲート電極母線４０４とインターカレーション層との間に電界を印加して電子を放出させることとなる。
【００４６】
この場合であっても、実施の形態３の冷陰極装置は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。
【００４７】
一方、実施の形態３の冷陰極装置を真空気密容器内に配置すると共に、この真空気密容器内で冷陰極装置と対向する位置にアノードとなる電極を配置し、このアノード電極の冷陰極装置側に周知の蛍光体を配置することによって、文字やグラフィックス等を表示する蛍光発光型の表示装置を形成することができる。従って、陰極母線となるグラファイト層４０３及びゲート電極母線４０４並びにアノード電極間に所定電圧の駆動信号を供給することによって、冷陰極装置の図示しないインターカレーション層から放出された電子により蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じた文字やグラフィックス等の発光表示あるいは発光素子としての発光表示を行うことができる。このとき、実施の形態３の冷陰極装置では、インターカレーション層からの電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができるので、大面積の表示装置であっても表示むらを大幅に低減した高効率及び高品位の発光表示を得ることができる。
【００４８】
なお、実施の形態１〜３では、不純物としてＣｓやＢａを用いる場合について説明したが、これに限定されることはなく、Ｋ（カリウム），Ｒｂ（ルビジウム），Ｓｒ（ストロンチウム）等のグラファイトよりも仕事関数の小さいアルカリ金属を用いてもよいことはいうまでもない。さらには、Ｕ，Ｉ_２，Ｂｒ_２，Ｃｌ_２などの金属を用いてもよいことはいうまでもない。
【００４９】
また、実施の形態１〜３では、冷陰極装置の電界放出冷陰極をアレイ状に配列して表示装置を構成する場合について説明したが、この冷陰極装置と光電変換膜とを対向配置することによって、撮像装置を構成できることはいうまでもない。特に、実施の形態２では、高密度な冷陰極アレイ構造を形成することができるので、高精細な撮像装置を作製することができる。
【００５０】
また、実施の形態１〜３では、不純物の導入にあたりステージ（次数）については特に限定していないが、不純物の導入ステージを組合せることによって、電界放出冷陰極から放出される電子を制御する構成としてもよいことはいうまでもない。
【００５１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００５３】
（１）安定で高効率な冷陰極あるいはそのアレイを低温で作製することができる。
【００５４】
（２）レーザーなどのエネルギービームを絞ることにより、そのビームサイズに応じたサイズの電子放出領域およびそのアレイを形成することができるので、蛍光体と組み合わせた表示装置、あるいは光電変換膜と組み合わせた撮像素子の高精細化ができる。
【００５５】
（３）陰極母線も同じ母体材料で形成することもできるので、冷陰極アレイの構造と工程を簡素化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷陰極装置の構造の原理を説明するための図である。
【図２】本発明による実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図３】本発明である実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図４】本発明である実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１…炭素原子１０２…インターカレーション原子
１０３…放出電子
２０１…ガラス基板２０２…陰極母線
２０３…障壁２０４…ＤＬＣ層
２０５…ダイアモンド状炭素２０６…レーザービーム
２０７…グラファイト層２０８…インターカレーション原子
２０９…インターカレーション層２１０…セル領域
３０１…ガラス基板３０２…陰極母線
３０３…ＤＬＣ層３０４…ダイアモンド状炭素
３０５…レーザー光３０６…グラファイト層
３０７…インターカレーション原子３０８…レーザー光の照射領域
３０９…インターカレーション層
４０１…ガラス基板４０２…ＤＬＣ層
４０３…グラファイト層４０４…ゲート電極母線
４０５…絶縁膜４０６…電子放出孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cold cathode device and a method for manufacturing the cold cathode device, and in particular, a carbon-based material containing graphite (graphite), which is a plate-like crystal belonging to a hexagonal system, as a main material is a cold cathode (field emission cold cathode). The present invention relates to a technique effective when applied to a cold cathode device.
[0002]
[Prior art]
A conventional cold cathode is called a Spindt type in which a voltage is applied between a cathode having a cone shape with a sharp tip and a gate electrode surrounding the cathode to emit electrons from the cathode tip by an electric field. The structure was common. The electron emission efficiency of the Spindt-type cold cathode device is greatly influenced by the electric field concentration formed on the cathode surface and various characteristics such as work function φ and surface physical properties of the cathode material.
[0003]
The electric field concentration of the Spindt-type cold cathode device is determined by the sharpness of the cathode and the distance between the cathode and the gate electrode, so that a significant improvement in efficiency is achieved by improving the precision of microfabrication technology centered on lithography and further miniaturization technology. Relying on progress.
[0004]
As cold cathodes that do not require such fine processing, there are surface emission types such as MIM type (Metal / Insulator / Metal) and MIS type (Metal / Insulator / Semiconductor). In the surface emission type cold cathode device, there are problems in combination of materials and improvement in electron emission efficiency.
[0005]
On the other hand, refractory metals such as molybdenum (Mo) and nickel (Ni) and semiconductors such as silicon have been mainly used as cold cathode materials, but these materials have a work function φ of about 4 to 5 eV. In addition, materials having a lower work function have been demanded. On the other hand, diamond, diamond-like carbon (DLC), aluminum nitride (AlN), and boron nitride (BN) are also said to have negative electron affinity (NEA) characteristics. In combination with its high hardness performance and chemical stability, it is considered promising as a cold cathode material.
[0006]
In contrast, in recent years, carbon nanotubes or carbon nanofibers are said to exhibit good electron emission characteristics. However, clear NEA characteristics or high-efficiency electron emission characteristics have not yet been found for cold cathodes using these materials, which impedes practical application.
[0007]
As a technique for improving electron emission characteristics, a method of adsorbing impurity atoms on the material surface is known. For example, Cs (cesium), Ba (barium), U (uranium), I ₂ (Iodine), Br ₂ (Bromine), Cl ₂ It is known that the work function φ can be greatly reduced by adsorbing (chlorine) or the like. This is due to the movement of electrons between the adsorbed species and the W single crystal substrate. However, with this method, impurities adsorbed on the surface are unstable, and it is considered difficult to use in vacuum devices such as displays and image sensors.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of examining the prior art, the present inventor has found the following problems.
The diamond crystal that is expected to have the most performance as a cold cathode material is usually CH. ₄ (Methane), C ₂ H ₂ It is produced by chemical vapor deposition (CVD) using hydrogen carbide such as (acetylene) or carbon monoxide CO as a raw material. However, in this method, since the substrate is kept at a high temperature of about 800 ° C. or more, the raw material is decomposed, and diamond crystal growth is performed on the substrate, it is difficult to process a large area. In particular, diamond has a problem that the diffusion coefficient of atoms is very small and the growth rate is generally small on the order of 0.1 μm / hour.
[0009]
On the other hand, diamond-like carbon is an amorphous carbon, but exhibits characteristics similar to diamond, which is advantageous for processing a large area. Although the deposited DLC film may be used as a thin-film cold cathode as it is, a cold-cathode cone comprising a cathode having a sharp tip made of Mo (molybdenum) or silicon in advance and a gate electrode surrounding the cathode via an insulator. An attempt is made to deposit a DLC film (or polycrystalline diamond film) on the tip of the cathode from above the cathode by the above-mentioned CVD method or the like from above the cathode. In addition, a method has also been attempted in which a pyramid-shaped depression is formed in advance on a substrate such as silicon, DLC or polycrystalline diamond is deposited thereon by CVD, and then the substrate is removed. However, even when such a coating method is used, as described above, the substrate cold cathode needs to be maintained at a high temperature of 800 ° C. or higher, and the surface layer contains a large amount of defects. There was a problem of being an amorphous layer. That is, since the characteristics of the cold cathode are greatly affected by the state of the surface layer, the structure of such a surface layer is unstable and undesirable.
[0010]
On the other hand, as a low-temperature manufacturing method for these materials, a laser ablation method in which a graphite target is irradiated with powerful laser light to evaporate carbon atoms, molecules, ions, clusters and the like and deposit them on a substrate has been tried. Excimer laser pulse light such as ArF (wavelength: 193 nm), KrF (wavelength: 256 nm), or the like is used as the laser light to be irradiated. However, there is a report that the size of the diamond crystal that can be produced by this method is very small and is DLC. Such a DLC film is sp. ² Bond and sp ³ Consists of a bond. The reason why DLC has not yet exhibited sufficient performance as a cold cathode is that the relationship between the bonding ratio and the structure and properties of other materials and the electron emission characteristics are not yet clearly understood. Recent research has shown that the electron emission characteristics of DLC are sp ² It became clear that union plays an important role. Therefore, this sp ² Although a control technique for the binder phase (region) is required, a method for realizing high-efficiency electron emission efficiency at low temperatures has not yet been found for both diamond and DLC. However, since these carbon-based materials are stable to an electron emission environment and have a merit that a high degree of vacuum is not required for stable operation, it is possible to form a cold cathode of a carbon-based material at a low temperature and There is a need for the development of technology that can achieve efficient electron emission efficiency.
[0011]
Also, Cs, Ba, U, I ₂ , Br ₂ , Cl ₂ In the method of improving the electron emission characteristics by depositing, etc. on the surface of the metal cold cathode, as described above, not only is it unstable and difficult to make a device, but also the optimum concentration that maximizes the work function φ reduction effect. Further, even if these elements are deposited on the surface layer of the metal cold cathode, the effect cannot be improved and the work function reducing effect is limited.
[0012]
An object of the present invention is to provide a cold cathode device capable of improving the electron emission efficiency while taking advantage of the chemical stability of carbon in electron emission.
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0014]
(1) In a method of manufacturing a cold cathode device having a cathode bus formed on a substrate and a field emission cold cathode made of a carbon-based material electrically connected to the cathode bus, the cathode bus is formed on the substrate. A step of forming a carbon-based material layer having graphite as a main component material and electrically connected to the cathode bus, and an impurity atom or molecule having a work function smaller than that of the graphite. layer Between plate crystals And a step of forming a field emission cold cathode.
[0015]
(2) In a cold cathode device having a cathode bus formed on a substrate and a field emission cold cathode made of a carbon-based material electrically connected to the cathode bus, the cathode bus is electrically connected to the cathode bus. Thus, a carbon-based material layer made of a carbon-based material is formed, and regions where impurity atoms or molecules are introduced are formed between the plate-like crystals of the carbon-based material layer. A cathode is formed.
[0016]
(3) A cold cathode device in which a plurality of field emission cold cathodes are formed and a phosphor anode are arranged opposite to each other, and an image signal is controlled by controlling a voltage applied between the field emission cold cathode and the phosphor anode. In the display device that performs image display according to the above, the cold cathode device includes a carbon-based material layer formed of a carbon-based material so as to be electrically connected to a cathode bus formed on a substrate, and A plurality of regions into which impurity atoms or molecules are introduced are formed between the plate-like crystals of the carbon-based material layer, and the impurity-introduced region forms a field emission cold cathode.
[0017]
According to the means (1) described above, a step of forming a cathode bus on the substrate, a step of forming a carbon-based material layer electrically connected to the cathode bus using graphite as a main component material, and Impurity atoms or molecules with a low work function can be used as a carbon-based material layer. Between plate crystals As shown in the following principle section, the work function (about 5 eV) of the graphite forming the carbon-based material layer is smaller than the work function of this graphite. Since the work function of impurity atoms or molecules can be approximated, the carbon-based material layer can be used as a field emission cold cathode.
[0018]
At this time, since it is configured to introduce impurity atoms or molecules into the graphite (intercalation), it is possible to obtain highly efficient and selective electron emission characteristics while taking advantage of the chemical stability of carbon in electron emission. it can.
[0019]
(principle)
The structure of the cold cathode device according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 101 represents a carbon atom, 102 represents an intercalation atom, and 103 represents an emitted electron.
[0020]
As shown in FIG. 1, the cold cathode of the cold cathode device of the present invention forms a layered structure crystal (hereinafter referred to as a “graphite layered crystal”) formed by continuous carbon atoms 101 bonded in a ring in the same plane. In addition, impurities and atoms or molecules are introduced (intercalated) between the carbon atoms 101. That is, the cold cathode of the cold cathode device according to the present invention introduces (intercalates) impurity atoms or molecules having a small work function between the layers of the graphite layered crystal, while taking advantage of the chemical stability of carbon in electron emission. It has a structure that obtains selective electron emission characteristics with high efficiency.
[0021]
In general, the work function of graphite is about ˜5 eV, so it is not used as a cold cathode material. On the other hand, when carbon forms a compound with Cs, Ba, etc., the compound shows a work function that is rather close to the work function of Cs, Ba. Therefore, instead of adsorbing these alkali metals on the surface, in the present invention, impurity atoms or molecules are introduced as intercalation atoms 102 between the graphite layered crystals formed by a plurality of carbon atoms 101. Thus, a cold cathode having both the chemical stability of the carbon surface when the emitted electrons 103 are emitted from the graphite layered crystal and the reduction of the work function by intercalation is formed.
[0022]
That is, different atoms (molecules) are formed in the graphite layer structure in which the vertical stacking of the carbon atoms 101 having a very large interval (periodic interval) compared to the interval between the carbon atoms 101 adjacent in the left-right direction shown in FIG. Intercalation is applied to increase the efficiency of electron emission and to form an in-plane selective electron emission region by inserting Cs or Ba, which can reduce the resistance as a layer). In this case, a cold cathode having both the chemical stability of the carbon surface and the reduction of the work function by intercalation is formed. However, the order of the intercalation is the number ratio of the carbon atom layer to the intercalation layer, that is, how many carbon atom layers composed of the carbon atoms 101 each form one intercalation layer 102. It is known that characteristics such as resistance can be controlled by controlling the order.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings together with embodiments (examples) of the invention.
Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment of the invention, and the repetitive description thereof is omitted.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of the cold cathode device according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure and manufacturing method of the cold cathode device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. Will be explained. 2A to 2C are cross-sectional views of the cold cathode device according to the first embodiment.
[0025]
First, as shown in FIG. 2A, after depositing, for example, a photosensitive paste serving as a cathode bus 202 on a glass substrate 201 serving as a substrate, lines in the column direction (vertical direction in FIG. 2) are formed by lithography or the like. To process. As shown in FIG. 2A, the cathode bus 202 is formed on the upper surface of the glass substrate 201, and the five cathode buses 202 are independent from each other.
[0026]
Next, PSG (phosphosilicate glass) or the like is deposited as a glass paste for photo embedding having a thickness of several microns or less by a known reflow technique, and a layer of this photo embedding glass paste is formed. Thereafter, as shown in FIG. 2A, the cell region 210 is formed from the upper surface side to the depth at which the cathode bus 202 and the glass substrate 201 are exposed by lithography or the like on the substrate manufactured by the above-described steps. Form. In this way, first, a cell structure separated by the barrier 203 is formed on the upper surface side of the glass substrate 201. The process of forming the cathode bus 202 and the cell structure on the upper surface side of the glass substrate 201 is the same as the conventional process.
[0027]
Thereafter, the glass substrate 201 on which the cathode bus 202 and the cell structure are formed is subjected to CH at low temperature. ₄ A diamond-like carbon 205 (DLC: Diamond-Like Carbon) is deposited by a chemical vapor deposition method (CVD: Chemical I Vapor Deposition) or the like using a hydrocarbon system such as CO or a raw material, and the DLC layer 204 is formed.
[0028]
Next, as shown in FIG. 2 (b), the DLC layer 204 is annealed by scanning and irradiating a laser beam 206 from the upper surface side of the deposited DLC layer 204, and DLC is graphitized. A graphite layer 207 which is a carbon-based material layer is formed. However, since the DLC phase 204 produced by the chemical vapor deposition method using the above raw materials is usually graphitized by heating at a temperature of about 600 ° C. for about 10 minutes, the laser irradiation seems to bring about such a heating effect. In addition, the graphite layer 207 is formed by selecting the wavelength, beam power, and irradiation time. The graphite layer (graphite film) 207 may be formed directly on the cell region 210 by using other methods such as known arc discharge or laser ablation.
[0029]
Next, as shown in FIG. 2C, impurities such as Cs and Ba that become intercalation atoms 208 are added to the graphite layer (graphite film) 207 by a known ion implantation or thermal diffusion method. Intercalation. By this intercalation, as shown in FIG. 1 described above, an intercalation layer in which Cs, Ba, etc., which are impurities are introduced (intercalated) between the layers of the graphite layered crystal composed of a plurality of carbon atoms 101. 209 is formed. That is, the cold cathode device of the first embodiment has a structure in which Cs, Ba or the like, which is an impurity having a work function smaller than that of graphite, is introduced (intercalated) between the layers of the graphite layered crystal. Thus, it is possible to obtain a highly efficient and selective electron emission characteristic while making use of the chemical stability.
[0030]
In the above-described method, 1) DLC can be deposited at a temperature of room temperature to about 300 ° C., 2) Laser annealing is heating of the surface only, 3) Intercalation of Cs, Ba, etc. can be performed at a low temperature, etc. It is possible to obtain the effect that the whole process can be performed at a low temperature. As a result, it is possible to use an inexpensive glass or plastic substrate without using an expensive crystal glass or the like excellent in heat resistance for the glass substrate 201 and, as will be described later, the cold cathode device of the first embodiment When used as a display device, the weight can be reduced.
[0031]
On the other hand, the cold cathode device according to the first embodiment is arranged in a vacuum hermetic container, and an electrode serving as an anode is arranged in a position facing the cold cathode device in the vacuum hermetic container. By disposing a known phosphor on the cathode device side, a fluorescent light emitting display device that displays characters, graphics, and the like can be formed. Therefore, by supplying a drive signal of a predetermined voltage between the cathode bus 202 and the anode, the phosphor emits light by electrons emitted from the intercalation layer 209 of the cold cathode device, and the formation pattern and drive signal of each electrode are used. A light-emitting display as a light-emitting element or a light-emitting display of characters or graphics can be performed. At this time, in the cold cathode device of the first embodiment, it is possible to obtain highly efficient and selective electron emission characteristics while taking advantage of the chemical stability of carbon in electron emission from the intercalation layer 209. Even with a display device with an area, a highly efficient and high-quality light-emitting display with greatly reduced display unevenness can be obtained.
[0032]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of the cold cathode device according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure and manufacturing of the cold cathode device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The method will be described. However, the cold cathode device of the second embodiment shown in FIG. 3 is a manufacturing example on a glass substrate having no cell structure or cell barrier in order to obtain a high-density cold cathode array.
[0033]
First, as shown in FIG. 3A, a cathode bus 302 made of a refractory metal or the like is formed on a glass substrate 301. At this time, as will be described later, DLC is deposited on the upper surface of the cathode bus 302, and the DLC is further heated to be graphitized. Therefore, the material of the cathode bus 302 is stable against these heat treatments, for example, A refractory metal such as tantalum, molybdenum, or tungsten is desirable.
[0034]
Next, as shown in FIG. 3B, the DLC layer 303 is formed on the upper surface side of the glass substrate 301 on which the cathode bus 302 is formed, that is, on the side of the glass substrate 301 on which the cathode bus 302 is formed. However, the DLC layer 303 is formed at a low temperature with respect to the glass substrate 301 on which the cathode bus 302 is formed, for example, as in the first embodiment. ₄ It is formed by depositing diamond-like carbon 304 (DLC: Diamond-Like Carbon) by using a hydrocarbon system such as CO or a raw material by a chemical vapor deposition method or the like.
[0035]
Next, as shown in FIG. 3 (c), an energy beam such as a laser beam 305 is narrowed down, and only the region to be an electron emission region on the cathode bus 302 is irradiated with the laser beam 305. The inside of 308 is annealed. By this annealing treatment, only the DLC layer 303 in the irradiation region 308 of the laser beam 305 is locally graphitized to form a graphite region, that is, a graphite layer 306. At this time, the graphite layer 306 serving as an electron emission region is substantially determined by the beam diameter of the laser beam 305 to be irradiated. Therefore, by repeatedly moving and irradiating the irradiation region 308 of the laser beam 305, it is possible to easily form an array of the graphite layer 306 serving as an electron emission region.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3D, the intercalation atoms 307 such as Cs and Ba are applied to the irradiation region (graphite layer 306) of the laser beam 305 as in the first embodiment. An intercalation layer 309 is formed by adding impurities by ion implantation or thermal diffusion and performing intercalation. However, since the intercalation atoms Ca and Ba penetrate between graphite layers to form an intercalation layer, the DLC layer 303 in an almost amorphous state does not form an intercalation layer. Only the graphitized region can selectively form an intercalation layer.
[0037]
That is, the cold cathode device of the second embodiment has a structure in which Cs, Ba, etc., which are impurities having a low work function, are introduced (intercalated) between the layers of the graphite layered crystal. A structure capable of obtaining highly efficient and selective electron emission characteristics while utilizing stability. At this time, since the intercalation layer 309 can be formed by controlling the irradiation with the laser beam 305 and controlling the addition of impurities such as Cs and Ba, a high-density cold cathode array structure can be formed. As a result, when the cold cathode device of Embodiment 2 is used as a display device, a display device with high display resolution and high definition can be manufactured.
[0038]
However, when the cold cathode device of the second embodiment is used as a display device, as in the first embodiment, electron emission is performed with a bipolar structure in which an anode is disposed opposite to the cold cathode device of the second embodiment. Do.
[0039]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of the cold cathode device according to the third embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure and manufacturing of the cold cathode device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. The method will be described. 4 (a) and 4 (c) are plan views of the cold cathode device of the third embodiment, and FIG. 4 (b) is an AA ′ line shown in FIG. 4 (a). 4D is a cross-sectional view taken along line CC ′ shown in FIG. 4C.
First, the DLC layer 402 is uniformly formed on the upper surface side of the glass substrate 401. However, the DLC layer 402 is formed at a low temperature with respect to the glass substrate 401, for example, as in the second embodiment. ₄ It is formed by depositing diamond-like carbon (DLC) by using a hydrocarbon system such as CO or a raw material by a chemical vapor deposition method or the like.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4A, the DLC layer 402 is annealed with a predetermined width by narrowing an energy beam such as laser light and moving the laser light in the lateral direction of the glass substrate 401. At this time, the annealing process is performed on the graphite layer 403 formed by the annealing process as shown in FIG. 4A by moving the annealing process region downward (upward) sequentially and performing a plurality of times. The DLC layer 402 which is a non-existing region is alternately arranged in a streak shape (linear shape). However, as shown in FIG. 4B, the upper surface of the glass substrate 401 is heated by heating so that the annealing process reaches the lower surface side of the DLC layer 402, that is, the side where the DLC layer 402 and the glass substrate 401 are in contact with each other. A graphite layer 403 is formed on the side. In the cold cathode device of the third embodiment, the graphite layer 403 is a region corresponding to the cathode bus.
[0041]
Next, an impurity such as Cs or Ba is added to the graphite layer 403 by ion implantation or thermal diffusion, and an intercalation layer (not shown) is formed on a part or all of the graphite layer 403 by intercalation. Form. Since this intercalation layer originally has low resistance characteristics, it can be used as it is as a cathode bus.
[0042]
Next, as shown in FIGS. 4C and 4D, an insulating film 405 is formed on the upper surface side of the graphite layer 403 and the intercalation layer, for example, with a thickness of several microns or less by a known reflow technique. PSG (phosphosilicate glass) or the like is deposited as a glass paste for photo embedding, and this glass paste for photo embedding is used as an insulating layer (insulating film) 405.
[0043]
Next, as shown in FIG. 4C, a gate electrode bus 404 extending in a direction not parallel to the DLC layer 402 or the graphite layer 403 (for example, an orthogonal direction) is formed on the upper surface side of the insulating film. . However, the gate electrode bus 404 of the third embodiment corresponds to five lines in which the direction orthogonal to the DLC layer 402 and the graphite layer 403 is the extending direction. At this time, the intercalation layer and each gate electrode bus 404 are separated by a thickness of several microns or less, that is, a thick insulating film.
[0044]
Thereafter, as shown in FIGS. 4C and 4D, an electron emission hole 406 serving as an electron emission region is formed in the gate electrode bus 404 by a lithography method or the like on the substrate manufactured by the steps described above. It is formed from the side to the depth where the intercalation layer is exposed. For example, as shown in FIG. 4D, one electron emission hole 406 is formed in each of the regions where the intercalation layer and the gate electrode bus 404 intersect with each other through the insulating film 405. Needless to say, the number of electron emission holes 406 in the intersecting region may be two or more.
[0045]
In the cold cathode device of the third embodiment formed as described above, an electric field is applied between the gate electrode bus 404 and the intercalation layer to emit electrons.
[0046]
Even in this case, the cold cathode device of the third embodiment has a structure in which Cs, Ba or the like, which is an impurity having a small work function, is introduced (intercalated) between the layers of the graphite layered crystal. It is possible to obtain a highly efficient and selective electron emission characteristic while taking advantage of the chemical stability of carbon.
[0047]
On the other hand, the cold cathode device according to the third embodiment is disposed in a vacuum hermetic container, and an electrode serving as an anode is disposed in the vacuum hermetic container at a position facing the cold cathode device. By arranging a well-known phosphor, a fluorescent light-emitting display device that displays characters, graphics and the like can be formed. Accordingly, the phosphor emits light by electrons emitted from the intercalation layer (not shown) of the cold cathode device by supplying a drive signal of a predetermined voltage between the graphite layer 403 and the gate electrode bus 404 and the anode electrode which become the cathode bus. In addition, it is possible to perform light emission display such as characters and graphics or light emission display as a light emitting element according to the formation pattern of each electrode and the drive signal. At this time, in the cold cathode device of the third embodiment, a high-efficiency and selective electron emission characteristic can be obtained while utilizing the chemical stability of carbon in the electron emission from the intercalation layer. Even with this display device, it is possible to obtain a high-efficiency and high-quality light-emitting display with significantly reduced display unevenness.
[0048]
In the first to third embodiments, the case where Cs or Ba is used as the impurity has been described. However, the present invention is not limited to this, and graphite such as K (potassium), Rb (rubidium), and Sr (strontium) is used. Needless to say, an alkali metal having a small work function may be used. Furthermore, U, I ₂ , Br ₂ , Cl ₂ It goes without saying that metals such as these may be used.
[0049]
In the first to third embodiments, the case where the field emission cold cathodes of the cold cathode devices are arranged in an array to configure the display device has been described. However, the cold cathode devices and the photoelectric conversion films are disposed to face each other. Needless to say, the imaging apparatus can be configured as described above. In particular, in Embodiment 2, since a high-density cold cathode array structure can be formed, a high-definition imaging device can be manufactured.
[0050]
In the first to third embodiments, the stage (order) for introducing the impurity is not particularly limited. However, the structure in which electrons emitted from the field emission cold cathode are controlled by combining the impurity introduction stage. Needless to say.
[0051]
The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment of the invention, but the invention is not limited to the embodiment of the invention and does not depart from the gist of the invention. Of course, various changes can be made.
[0052]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0053]
(1) A stable and highly efficient cold cathode or an array thereof can be produced at a low temperature.
[0054]
(2) By narrowing the energy beam such as a laser, it is possible to form an electron emission region and an array corresponding to the beam size. High-definition imaging device can be achieved.
[0055]
(3) Since the cathode bus can be formed of the same base material, there is an effect that the structure and process of the cold cathode array can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the structure of a cold cathode device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of the cold cathode device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of a cold cathode device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining the structure and manufacturing method of a cold cathode device according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 ... carbon atom 102 ... intercalation atom
103 ... emitted electrons
201 ... Glass substrate 202 ... Cathode bus
203 ... Barrier 204 ... DLC layer
205 ... Diamond-like carbon 206 ... Laser beam
207 ... Graphite layer 208 ... Intercalation atom
209 ... Intercalation layer 210 ... Cell area
301 ... Glass substrate 302 ... Cathode bus
303 ... DLC layer 304 ... Diamond-like carbon
305 ... Laser light 306 ... Graphite layer
307 ... Intercalation atom 308 ... Irradiation area of laser beam
309 ... Intercalation layer
401 ... Glass substrate 402 ... DLC layer
403 ... Graphite layer 404 ... Gate electrode bus
405 ... Insulating film 406 ... Electron emission hole

Claims

基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置の作製方法において、前記基板上に前記陰極母線を形成する工程と、グラファイトを主成分材料とし前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、前記グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を前記炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とを備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。In a method for manufacturing a cold cathode device having a cathode bus formed on a substrate and a field emission cold cathode made of a carbon-based material electrically connected to the cathode bus, the cathode bus is formed on the substrate. A step of forming a carbon-based material layer having graphite as a main component material and electrically connected to the cathode bus, and an impurity atom or molecule having a work function smaller than that of the graphite is formed into a plate shape of the carbon-based material layer And a step of forming a field emission cold cathode by introducing between the crystals .

請求項１に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記不純物原子もしくは分子として、前記グラファイトよりも仕事関数の小さいアルカリ金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。2. The method for manufacturing a cold cathode device according to claim 1 , wherein an alkali metal having a work function smaller than that of the graphite is introduced as the impurity atom or molecule.

請求項２に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記アルカリ金属として、Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｂａ，Ｓｒの内の何れかの金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。 3. The method of manufacturing a cold cathode device according to claim 2 , wherein any one of K, Rb, Cs, Ba, and Sr is introduced as the alkali metal.

請求項１に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記不純物原子もしくは分子として、Ｕ，Ｉ_２，Ｂｒ_２，Ｃｌ_２の内の何れかの金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。2. The method of manufacturing a cold cathode device according to claim 1 , wherein any one of U, I ₂ , Br ₂ , and Cl ₂ is introduced as the impurity atom or molecule. Manufacturing method.

基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置において、前記陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成することを特徴とする冷陰極装置。 In a cold cathode device having a cathode bus formed on a substrate and a field emission cold cathode made of a carbon-based material electrically connected to the cathode bus, carbon is connected to the cathode bus so as to be electrically connected A carbon-based material layer made of a carbon-based material is formed, and a region where impurity atoms or molecules are introduced is formed between the plate-like crystals of the carbon-based material layer, and the impurity-doped region forms a field emission cold cathode A cold cathode device.

請求項５に記載の冷陰極装置において、前記電界放出領域が前記炭素系材料層の表面内に複数形成されていることを特徴とする冷陰極装置。6. The cold cathode device according to claim 5 , wherein a plurality of the field emission regions are formed in a surface of the carbon-based material layer.

電界放出冷陰極が複数形成された冷陰極装置と、蛍光体陽極とが対向配置され、前記電界放出冷陰極と前記蛍光体陽極との間に印加する電圧を制御して、画像信号に応じた画像表示を行う表示装置において、前記冷陰極装置は、基板上に形成された陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が複数形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成することを特徴とする表示装置。 A cold cathode device in which a plurality of field emission cold cathodes are formed and a phosphor anode are arranged opposite to each other, and a voltage applied between the field emission cold cathode and the phosphor anode is controlled in accordance with an image signal. In the display device for displaying an image, the cold cathode device includes a carbonaceous material layer formed of a carbonaceous material so as to be electrically connected to a cathode bus formed on a substrate, and the carbonaceous material A display device, wherein a plurality of regions into which impurity atoms or molecules are introduced are formed between the plate-like crystals of the layer, and the region into which the impurities are introduced forms a field emission cold cathode.