JP4371976B2 - Field electron emission device - Google Patents

Field electron emission device Download PDF

Info

Publication number
JP4371976B2
JP4371976B2 JP2004293251A JP2004293251A JP4371976B2 JP 4371976 B2 JP4371976 B2 JP 4371976B2 JP 2004293251 A JP2004293251 A JP 2004293251A JP 2004293251 A JP2004293251 A JP 2004293251A JP 4371976 B2 JP4371976 B2 JP 4371976B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
electron emission
hole
gate electrode
field electron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004293251A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006107932A (en
Inventor
政良 多留谷
幹雄 山向
伸吾 友久
浩 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2004293251A priority Critical patent/JP4371976B2/en
Publication of JP2006107932A publication Critical patent/JP2006107932A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4371976B2 publication Critical patent/JP4371976B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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。 The present invention relates to field electron emission equipment, more particularly, it relates to a field emission equipment used like a field emission display.

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。   Substances such as carbon nanotubes have been actively studied as electron emission sources for field electron emission devices. In the field electron emission device, the carbon nanotube is formed so as to stand inside a hole (cavity) having a diameter of about 10 μm, which is the basic structure of the electron source. As a method of forming such a carbon nanotube, for example, there is a technique of growing directly in a cavity using a chemical vapor deposition (CVD) method. These carbon nanotubes have a very thin shape with a length of several μm and a diameter of about 10 nm. Therefore, when placed in a space with an electric field, electric field concentration occurs at the tip of the carbon nanotube, and electron emission occurs even at a low voltage. It becomes possible.

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。   In a conventional field electron emission device, an insulating film is formed on a cathode electrode formed in a stripe shape on a substrate, and a gate electrode is formed on the insulating film. A hole reaching the cathode electrode is opened in the gate electrode and the insulating film, and carbon nanotubes are formed on the cathode electrode at the bottom of the hole. Then, by applying a voltage between the gate electrode and the cathode electrode, an electric field concentration occurs at the tip of the carbon nanotube formed on the cathode electrode, and electrons are emitted from the tip. In addition, the structure of the conventional field electron emission apparatus is disclosed by patent documents 1-3, for example.

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。   Carbon nanotubes can be grown while being adjusted to a desired length by the CVD method. However, since the diameter is as thin as about 10 nm, the carbon nanotubes do not always grow straight. When carbon nanotubes are formed in the holes as in the field electron emission device, the carbon nanotubes grow in a state where the positions of the tips of the carbon nanotubes spread outward to some extent. For this reason, when a carbon nanotube having a length exceeding the upper surface of the insulating film is grown, the carbon nanotube comes into contact with the gate electrode, and the cathode electrode and the gate electrode are short-circuited. That is, the conventional field electron emission device has a problem that the withstand voltage between the cathode and the anode is low. The problem of low withstand voltage between the cathode and anode is a problem that can occur in common even when substances other than carbon nanotubes, such as carbon nanowires, silicon wires, titanium wires, and gold wires, are used as electron emission sources. It was.

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 As a method for solving this problem, a first method is conceivable in which the insulating film under the gate electrode is thickened so that the tip of the carbon nanotube is positioned lower than the upper surface of the insulating film. Further, a second method of increasing the opening diameter of the hole so that the inner peripheral surface of the hole of the gate electrode is separated from the carbon nanotube can be considered. Furthermore, a third method is conceivable in which the length of the carbon nanotube is shortened so that the tip is positioned lower than the upper surface of the insulating film below the gate electrode. As a third method, for example, Non-Patent Document 1 discloses a technique for etching carbon nanotubes by using hydrogen gas plasma and shaping them significantly.
JP 2002-270085 A JP 2003-7197 A JP 2003-234062 A 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。   In order to obtain a field electron emission device with good characteristics, it is desirable that the voltage required for electron emission is low. For that purpose, it is necessary to devise the distance between the carbon nanotube and the gate electrode as close as possible. The distance between the carbon nanotube and the gate electrode is preferably about 100 nm, for example. However, in any of the first to third methods, the distance between the carbon nanotube and the gate electrode is increased. Specifically, the distance between the carbon nanotube and the gate electrode is about several μm. As described above, when the distance between the carbon nanotube and the gate electrode is increased, the gate voltage necessary for the operation is increased from 40 V to 100 V, for example, and the electron emission efficiency is lowered. In particular, in the third method, since the length of the carbon nanotube is shortened, there is a problem that the effect of electric field concentration on the tip of the carbon nanotube is reduced and the electron emission characteristic is deteriorated.

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。   Further, in the conventional field electron emission device, since the distance between each of the plurality of electron emission sources and the gate electrode is not uniform, there is a problem that the electron emission characteristics for each cavity are not uniform and the light emission uniformity is low. .

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。 Accordingly, an object of the present invention has a high dielectric breakdown voltage between the cathode and the anode, and is that the electron emission efficiency is high and provides a high light-emitting uniformity field emission equipment.

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。 The field electron emission device of the present invention includes a cathode electrode, a first insulating film formed on the cathode electrode and having a first hole, a second insulating film formed on the first insulating film and communicating with the first hole. A gate electrode having a plurality of holes, an electron emission source formed at the bottom of the first hole and electrically connected to the cathode electrode, and a second insulating film formed along the inner wall surface of the second hole And. The electron emission source is a carbon nanotube, and the second insulating film is made of particles having an average particle diameter of 10 nm to 100 nm.

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。 Note that in this specification, the term “insulating film” means that the current density is 10 −14 A / cm 2 or more when electrodes are attached to the front and back surfaces of the film and an electric field of 10 MV / cm is applied to the film. -4 means a film of A / cm 2 or less.

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。 According to field emission equipment of the present invention, made in the case the electron emission source is a carbon nanotube, since the gate electrode and the electron emission source by the second insulating film is electrically insulating, difficult both short . Thereby, the withstand voltage between the cathode and the anode can be increased. In addition, since the distance between the electron emission source and the gate electrode can be reduced, electrons can be emitted with a low gate voltage. Thereby, the electron emission efficiency can be increased. Furthermore, since the distance between the electron emission source and the gate electrode is as large as the film thickness of the second insulating film, the distance between the electron emission source and the gate electrode becomes uniform, and the electron emission characteristics for each cavity can be made uniform. it can. Thereby, the light emission uniformity can be improved. Furthermore, if the above-described second insulating film is made of a non-dense structure composed of fine flaky particles having an average particle diameter of 10 nm or more and 100 nm or less, leakage current is less likely to occur in the second insulating film. For this reason, the characteristics of the field electron emission device can be improved.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（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。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a field electron emission device according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, each of a plurality of cathode electrodes 11 a to 11 d is formed on a substrate 10. A plurality of gate electrodes 3 a and 3 b are formed on the substrate 10 with an insulating film 2 interposed therebetween. Each of the plurality of gate electrodes 3a and 3b extends in the column direction (vertical direction in FIG. 1), and each of the plurality of cathode electrodes 11a to 11d extends in the row direction (lateral direction in FIG. 1). Each of the plurality of gate electrodes 3a and 3b and each of the plurality of cathode electrodes 11a to 11d are arranged to intersect each other. Dots are formed in the vicinity of the intersections between each of the plurality of gate electrodes 3a and 3b and each of the plurality of cathode electrodes 11a to 11d. In the present embodiment, one dot is formed by three gate holes (holes) 6. Each of the three holes 6 is aligned in the row direction. By applying a voltage to one of the gate electrodes 3a and 3b extending in the column direction and applying a voltage to any one of the cathode electrodes 11a to 11d extending in the row direction, the electrodes to which the voltage is applied are The dots formed at the intersecting positions can be selected. Although FIG. 1 shows the case where one dot is formed by three gate holes, the present invention is not limited to such a case, and one dot is usually 3 to about 5000. It is formed with a gate hole. The inventors of the present application particularly assume a case where one dot is formed by about 200 gate holes.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, the field electron emission device 1 of the present embodiment includes a cathode electrode 11b, an insulating film 2 as a first insulating film, a gate electrode 3a, a carbon nanotube 7 as an electron emission source, An insulating film 8 as a second insulating film and a catalyst layer 5 are provided. A cathode electrode 11b is formed on the substrate 10, an insulating film 2 is formed on the substrate 10 so as to cover the cathode electrode 11b, and a gate electrode 3a is formed on the insulating film 2. The insulating film 2 has a hole 6a as a first hole, and the gate electrode 3a has a hole 6b as a second hole. The hole 6a reaches the cathode electrode 11b, and the hole 6b communicates with the hole 6a. The hole 6 is constituted by the hole 6a and the hole 6b. A catalyst layer 5 is formed on the cathode electrode 11 b at the bottom of the hole 6, and carbon nanotubes 7 are formed in a forest with the catalyst layer 5 interposed therebetween. The carbon nanotubes 7 are electrically connected to the cathode electrode 11b through the catalyst layer 5. Further, an insulating film 8 is formed along the inner wall surface of the hole 6b. The insulating film 8 is formed so as to extend to the upper surface of the gate electrode 3a.

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。   In the field electron emission device 1, when a large positive voltage is applied between the cathode electrode 11b and the gate electrode 3a (a positive potential is applied to the gate electrode 3a side), a strong electric field is applied to the surface of the carbon nanotube 7, Electrons are emitted from the tip of the carbon nanotube 7 by the tunnel effect.

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。   The substrate 10 is, for example, a 40-inch square type, and is formed of a white glass substrate having a thickness of 2.8 mm. In addition to the white plate glass substrate, it may be made of high strain point glass, quartz, silicon, alumina, ceramics, or the like.

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。   The cathode electrode 11b is made of molybdenum. In addition to molybdenum, it may be made of, for example, aluminum, chromium, titanium, tungsten, titanium silicide, titanium nitride, gold, silver, and an aluminum-based alloy. Furthermore, it may be made of conductive silicon, indium tin oxide (ITO) which is an oxide transparent electrode, or the like.

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。   The insulating film 2 is made of, for example, a silicon oxide film. In addition to the silicon oxide film, it may be made of, for example, a silicon nitride film, a heat-resistant insulating resin, or the like.

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。   The gate electrode 3a is made of aluminum. In addition to aluminum, it may be made of, for example, chromium, titanium, molybdenum, tungsten, titanium silicide, titanium nitride, and an aluminum-based alloy.

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。   The insulating film 8 is made of an oxide of aluminum, specifically, boehmite (hydrated aluminum oxide, AlO (OH)). In addition to boehmite, for example, it may be made of an oxide or hydrated oxide of the material constituting the cathode electrode 11b or the gate electrode 3a.

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。   The catalyst layer 5 is made of, for example, an Fe—Ni alloy, and an alloy containing at least Fe, Ni, Co, and the like is suitable as the catalyst layer 5.

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。   The carbon nanotubes 7 formed as the electron emission source are adjusted so that the average length is 2 μm, for example. The average length of the carbon nanotubes 7 is preferably 0.3 μm or more and 10 μm or less. By setting the average length of the carbon nanotubes 7 to 0.3 μm or more, high electron emission characteristics can be obtained. Further, by setting the average length of the carbon nanotubes 7 to 10 μm or less, the carbon nanotubes can be grown in a relatively short time. When the carbon nanotubes 7 are grown by the CVD method, the carbon nanotubes 7 are not extremely dense as a whole, are grown to a certain extent and tend to stand up in the vertical direction.

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。   Next, a method for manufacturing the field electron emission device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

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。   First, referring to FIG. 3, the substrate 10 is cleaned and placed in a sputtering apparatus. And the film | membrane used as the cathode electrode 11b is formed on the board | substrate 10 using sputtering method. Next, this film is patterned by using a method such as photolithography to form a line-like cathode electrode 11b having a width of, for example, several 100 μm. The thickness of the cathode electrode 11b is, for example, 10 nm to 1 μm, and preferably 100 to 400 nm. Note that the film to be the cathode electrode 11b may be formed by using, for example, a CVD method, a vacuum deposition method, a plating method, or a printing method in addition to the sputtering method.

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。   Note that the photolithography mentioned here means photoengraving in which a pattern is transferred to a flat substrate using light, electron beam or the like in the semiconductor manufacturing technology. Although this process includes various processes such as resist application, exposure, etching, and resist removal, it is a general process and will be described as a single process here.

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。   Next, the insulating film 2 is formed on the substrate 10 so as to cover the cathode electrode 11b by using, for example, a plasma CVD method. The thickness of the insulating film 2 is, for example, 50 nm to 10 μm, and is preferably 300 nm to 2 μm from the viewpoint of heat resistance, structural stability, insulation resistance, and the like. Although not shown, an adhesion promoter containing titanium or silicon is added to the cathode electrode 11b before forming the insulating film 2 for the purpose of improving the adhesion between the cathode electrode 11b and the insulating film 2. It may be applied to the upper surface or sputter-deposited.

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。   Subsequently, a film to be the gate electrode 3a is formed on the insulating film 2 by using, for example, a sputtering method. Then, this film is patterned using a method such as photolithography to form a line-shaped gate electrode 3a having a width of, for example, several hundred μm. The thickness of the gate electrode 3a is, for example, 10 nm to 1 μm, preferably 100 to 500 nm. The film to be the gate electrode 3a may be formed by using a method such as a CVD method, a vacuum evaporation method, a plating method, or a printing method in addition to the sputtering method.

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。   Next, referring to FIG. 4, gate electrode 3 a and insulating film 2 are etched using a method such as photolithography to form hole 6 b in gate electrode 3 a and hole 6 a in insulating film 2. . The holes 6a and 6b have, for example, a three-dimensional shape such as a cylinder or a prism, and have a circular or polygonal planar shape with a diameter of 5 to 10 μm.

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。   Next, referring to FIG. 5, catalyst layer 5 is formed in a predetermined region on cathode electrode 11 b exposed at the bottom of hole 6. Specifically, the cathode electrode 11b other than the region for growing the carbon nanotubes is coated with a resist, and a film to be the catalyst layer 5 having a thickness of several nm is formed on the entire bottom surface of the hole 6 by using, for example, vapor deposition. Remove the resist. Thereby, the film | membrane used as the excess catalyst layer 5 is lifted off, and the catalyst layer 5 is formed only in the area | region which grows a carbon nanotube. Alternatively, the resist used for forming the holes 6a and 6b may be used as it is.

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。   Next, referring to FIG. 6, insulating film 8 is formed to extend along the inner wall surface of hole 6b and to the upper surface of gate electrode 3a. In the present embodiment, for example, the gate electrode 3a is oxidized by immersing the substrate 10 in pure water at a temperature of 75 ° C. or higher and 85 ° C. or lower for a period of 2 minutes or longer and 10 minutes or shorter. Thereby, the insulating film 8 made of boehmite grows so as to extend from the gate electrode 3a to the upper surface of the gate electrode 3a along the inner wall surface of the hole 6b. By setting the temperature of pure water to 75 ° C. or higher, the growth of boehmite can be promoted, and by setting the temperature of pure water to 85 ° C. or lower, aluminum can be uniformly oxidized. The thickness d of the insulating film 8 is preferably 10 nm to 1 μm, and more preferably 20 to 500 nm. The thickness d of the insulating film 8 can be appropriately adjusted according to the temperature of the aqueous solution to be immersed, the water quality (acidity), and the processing time. In the present embodiment, since the cathode electrode 11b is made of molybdenum, no chemical reaction occurs in the cathode electrode 11b even when immersed in pure water.

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（Ｃ４Ｈ８Ｏ：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。 Next, referring to FIG. 2, carbon nanotubes 7 are formed on the catalyst layer 5 by using, for example, a CVD method. The carbon nanotubes 7 grow selectively in the region where the catalyst layer 5 is formed. As a raw material for CVD when forming the carbon nanotube, a hydrocarbon gas such as acetylene, ethylene, or methane, or an organic compound such as ethanol, methanol, or tetrahydrofuran (C 4 H 8 O: THF) is used. The carbon nanotubes 7 are formed using a CVD method under the conditions of the substrate 10 at a temperature of 350 ° C. to 700 ° C. and a pressure of 10 to 100,000 Pa. Preferably, the substrate 10 is formed using a CVD method under conditions of a temperature of 400 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 100 Pa to 10000 Pa. Through the above steps, the field electron emission device 1 of the present embodiment is completed.

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。   The field electron emission device 1 of the present embodiment includes a cathode electrode 11b, an insulating film 2 formed on the cathode electrode 11b and having a hole 6a, and a hole 6b formed on the insulating film 2 and communicating with the hole 6a. And a carbon nanotube 7 formed at the bottom of the hole 6 and electrically connected to the cathode electrode 11b, and an insulating film 8 formed along the inner wall surface of the hole 6b.

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。   The manufacturing method of the field electron emission device 1 according to the present embodiment includes a step of forming the cathode electrode 11b, a step of forming the insulating film 2 on the cathode electrode 11b, and a step of forming the gate electrode 3a on the insulating film 2. A step of forming a hole 6a in the insulating film 2 and a hole 6b in the gate electrode 3a; a step of forming an insulating film 8 along the inner wall surface of the hole 6b; and a cathode electrode 11b. And forming a carbon nanotube 7 on the bottom of the hole 6.

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。   According to the field electron emission device 1 and the manufacturing method thereof of the present embodiment, since the gate electrode 3a and the carbon nanotube 7 are electrically insulated by the insulating film 8, it is difficult for both to short-circuit. Thereby, the withstand voltage between the cathode and the anode can be increased. In addition, since the distance between the carbon nanotube 7 and the gate electrode 3a can be reduced, electrons can be emitted with a low gate voltage. Thereby, the electron emission efficiency can be increased.

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。   Further, the carbon nanotubes 7 having a long length include those that are gently bent so that the tip or middle part thereof contacts the inner wall surface of the hole 6b. Such a carbon nanotube 7a is shown in FIG. Even if there is such a carbon nanotube 7 a, since there is the insulating film 8, the distance between the carbon nanotube 7 and the gate electrode 3 a is always about the thickness d of the insulating film 8. Therefore, the distance between the carbon nanotube 7 and the gate electrode 3a becomes uniform, and the electron emission characteristics for each cavity can be made uniform. Thereby, the light emission uniformity can be improved.

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。   In the field electron emission device 1 of the present embodiment, the insulating film 8 extends to the upper surface of the gate electrode 3a.

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。   Among the carbon nanotubes 7 having a long length, those having a tip protruding from the inside of the hole 6 and contacting the upper surface of the gate electrode 3a are included. FIG. 2 shows such a carbon nanotube 7b. Even if there is such a carbon nanotube 7b, insulation between the carbon nanotube 7 and the gate electrode 3a can be maintained.

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。   In the field electron emission device 1 of the present embodiment, the insulating film 8 is an oxide or a hydrated oxide of a material constituting the gate electrode 3a.

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。   In the method for manufacturing the field electron emission device 1 of the present embodiment, the step of forming the insulating film 8 includes the step of oxidizing the gate electrode 3a.

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。   Thereby, since the insulating film 8 can be formed by oxidizing the gate electrode 3a, the insulating film 8 can be easily formed.

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。   In the field electron emission device 1 of the present embodiment, the gate electrode 3a contains aluminum, and the insulating film 8 contains boehmite.

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。   In the method of manufacturing the field electron emission device 1 of the present embodiment, the gate electrode 3a contains aluminum, and the step of forming the insulating film 8 includes the step of applying an aqueous solution to the gate electrode 3a.

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。   Thereby, since the insulating film 8 can be formed by apply | coating aqueous solution to the gate electrode 3a, the insulating film 8 can be formed easily.

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。   In the field electron emission device 1 of the present embodiment, the carbon nanotubes 7 are formed on the cathode electrode 11b with the catalyst layer 5 interposed therebetween.

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。   In the method of manufacturing the field electron emission device 1 according to the present embodiment, the step of forming the carbon nanotubes 7 includes the step of forming the catalyst layer 5 on the cathode electrode 11b and the step of forming the carbon nanotube 7 on the catalyst layer 5. Including.

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。   Thereby, when the electron emission source is the carbon nanotube 7, the generation of the carbon nanotube 7 can be promoted. In addition, for example, when the insulating film is formed by oxidizing the cathode electrode, the cathode electrode in the portion where the catalyst layer is formed is not oxidized, so that the electrical connection between the cathode electrode and the electron emission source is made. Can be secured.

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。   In the field electron emission device 1 and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the electron emission source is a carbon nanotube. Since the aspect ratio of the carbon nanotube is very large and the tip of the carbon nanotube is sharp, it is easy to concentrate a strong electric field on the surface of the carbon nanotube. For this reason, the carbon nanotube is suitable as an electron emission source.

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。   In the present embodiment, the case where the insulating film 8 is formed by oxidizing the gate electrode 3a has been described. However, in addition to such a forming method, for example, plasma oxidation in a oxygen atmosphere, radical oxidation, etc. Even if the insulating film 8 is formed by an oxidation method using plasma, a thermal oxidation method by exposure to an oxidant atmosphere such as ozone or nitrous oxide at a temperature of about 50 to 400 ° C., or a steam oxidation method by exposure to water vapor. Good. Further, in the boehmite treatment in warm water, a chemical conversion treatment in which sulfuric acid, ammonium borate or the like is mixed in addition to pure water may be used. Furthermore, an insulating film may be formed along at least the inner wall surface of the hole 6b.

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。   In the present embodiment, the hole 6a and the hole 6b are formed using the same mask. However, the hole 6a and the hole 6b may be formed using different masks. That is, the diameter of the hole 6a and the diameter of the hole 6b may be different from each other. Even when the hole 6a and the hole 6b are formed with the same mask, the diameter of the hole 6a and the diameter of the hole 6b are different from each other if the etching rate difference between the hole 6a and the hole 6b is large. Usually, since the etching rate of the insulating film 2 is faster than the etching rate of the gate electrode 3a, the diameter of the hole 6a tends to be larger than the diameter of the hole 6b.

（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。 (Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the field electron emission device according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 7, in the field electron emission device 1a of the present embodiment, an insulating film 18 as a second insulating film is formed along the inner wall surface of the hole 6b opened in the gate electrode 3a. The insulating film 18 extends downward from the inner wall surface of the hole 6b to the inner wall surface of the hole 6a, and reaches the cathode electrode 11b. The insulating film 18 extends upward from the inner wall surface of the hole 6b and extends to the upper surface of the gate electrode 3a. A recess 12 is formed on the surface of the cathode electrode 11b in the vicinity of the insulating film 18. The cathode electrode 11b is made of an aluminum alloy made of aluminum and 1% by mass of SiCu. The gate electrode 3a is made of molybdenum.

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。   The other configuration of the field electron emission device 1a is substantially the same as the configuration of the field electron emission device 1 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, and the same members are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.

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。   Then, the manufacturing method of the field electron emission apparatus 1a of this Embodiment is demonstrated.

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。   The manufacturing method of the field electron emission device 1a of the present embodiment first undergoes the same manufacturing process as the manufacturing process of the first embodiment shown in FIGS. Next, referring to FIG. 8, insulating film 18 is formed so as to extend along the inner wall surfaces of hole 6b and hole 6a and to the upper surface of gate electrode 3a.

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。   In the present embodiment, for example, the cathode 10b is oxidized by immersing the substrate 10 in pure water at a temperature of 75 ° C. or higher and 85 ° C. or lower for 3 minutes. Thereby, the insulating film 18 made of boehmite grows so as to extend upward along the inner wall surface of the hole 6 starting from the cathode electrode 11b and reaches the upper surface of the gate electrode 3a. When the insulating film 18 is formed, the cathode electrode 11b is cut by the amount of aluminum used for boehmite generation, so that the recess 12 is formed on the upper surface of the cathode electrode 11b. In the present embodiment, since the gate electrode 3a is made of molybdenum, no chemical reaction occurs in the gate electrode 3a even when immersed in pure water.

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。   Here, when the cathode electrode 11b contains aluminum, an insulating film made of boehmite may be formed on the upper surface of the cathode electrode 11b. If an insulating film is formed on the upper surface of the cathode electrode 11b, it is difficult to ensure electrical connection between the carbon nanotubes 7 and the cathode electrode 11b. Therefore, if, for example, titanium silicide is formed on the cathode electrode 11b, an insulating film is not formed there. Further, when the catalyst layer 5 is formed, boehmite is not formed in that region. Therefore, the insulating film 18 can be selectively formed only in a region other than the region where the carbon nanotubes 7 are formed.

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。   Thereafter, carbon nanotubes 7 are formed on the catalyst layer 5 by the same method as in the first embodiment. Through the above steps, the field electron emission device 1a of the present embodiment is completed.

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。   In the field electron emission device 1a of the present embodiment, the insulating film 18 extends to the inner wall surface of the hole 6a. Thereby, the insulating film 18 can be formed so as to cover the entire inner wall surface of the hole 6.

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。   In the field electron emission device 1a of the present embodiment, the insulating film 18 is an oxide or a hydrous oxide of a material constituting the cathode electrode 11b.

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。   In the manufacturing method of the field electron emission device 1a of the present embodiment, the step of forming the insulating film 18 includes the step of oxidizing the cathode electrode 11b.

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。   Thereby, since the insulating film 18 can be formed by oxidizing the cathode electrode 11b, the insulating film 18 can be formed easily.

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。   In the field electron emission device 1a of the present embodiment, the cathode electrode 11b contains aluminum, and the insulating film 18 contains boehmite.

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。   In the method of manufacturing the field electron emission device 1a of the present embodiment, the cathode electrode 11b contains aluminum, and the step of forming the insulating film 18 includes the step of applying an aqueous solution to the cathode electrode 11b.

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。   Thereby, since the insulating film 18 can be formed by applying an aqueous solution to the cathode electrode 11b, the insulating film 18 can be easily formed.

（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。 (Embodiment 3)
Referring to FIG. 2, in the present embodiment, the formation method of insulating film 8 and the fine structure of the film are different from those in the first embodiment. In the present embodiment, the gate electrode 3a is oxidized by immersing the substrate 10 in pure water having a temperature of 75 ° C. or more and 85 ° C. or less for 5 seconds or more and 2 minutes or less. That is, the time for immersing the substrate 10 is shorter than in the first embodiment. As a result, the insulating film 8 made of petal-like boehmite whose structure is not dense is formed.

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。   FIG. 9 is a perspective view schematically showing the shape of the insulating film formed in the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, insulating film 8 is made of fine flaky particles having an average particle size of 10 nm or more and 100 nm or less, and these particles are folded.

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。   According to the field electron emission device of the present embodiment, since the insulating film 8 has a non-dense structure, the contact area between the insulating film 8 and the carbon nanotubes 7 can be extremely reduced. This makes it difficult for current to flow from the carbon nanotubes 7 to the insulating film 8, and it is difficult for leakage current to occur in the insulating film 8 even if a short circuit occurs due to some defect. Further, even if heat treatment is performed at a high temperature of, for example, about 550 ° C. and thermal expansion occurs in the cathode electrode 11b and the gate electrode 3a, the thermal expansion can be absorbed by the gaps between the particles constituting the insulating film 8. it can. Therefore, defects such as cracks are less likely to occur during heat treatment. As described above, the characteristics of the field electron emission device can be improved.

（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。 (Embodiment 4)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a field electron emission device 1b according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in FIG. 10, in the field electron emission device 1b of the present embodiment, an insulating film 28 as a second insulating film is formed along the inner wall surface of the hole 6b opened in the gate electrode 3a. The insulating film 28 extends downward from the inner wall surface of the hole 6b to the inner wall surface of the hole 6a and reaches the cathode electrode 11b. The insulating film 28 protrudes upward from the gate electrode 3b. The carbon nanotubes 7 are formed in a region surrounded by the insulating film 28. Both the cathode electrode 11b and the gate electrode 3a are made of an aluminum alloy made of aluminum and 1% by mass of SiCu.

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。   The other configuration of the field electron emission device 1b is substantially the same as the configuration of the field electron emission device 1 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, and the same members are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.

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。   Then, the manufacturing method of the field electron emission apparatus 1b of this Embodiment is demonstrated using FIG. 11 and FIG.

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。   The manufacturing method of the field electron emission device 1b of the present embodiment first undergoes the same manufacturing process as the manufacturing process of the first embodiment shown in FIG. Next, referring to FIG. 11, a resist 15 having a predetermined shape is formed on gate electrode 3a. Then, the gate electrode 3 a and the insulating film 2 are etched using the resist 15 as a mask, thereby forming the hole 6 b in the gate electrode 3 a and forming the hole 6 a in the insulating film 2.

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。   Next, referring to FIG. 12, the catalyst layer 5 is formed on the cathode electrode 11b with the resist 15 left. Next, the cathode 10b and the gate electrode 3a are oxidized by immersing the substrate 10 in pure water. Thus, the insulating film 28 made of boehmite grows so as to extend upward along the inner wall surface of the hole 6a starting from the cathode electrode 11b. The insulating film 28 grows from the gate electrode 3a as a starting point so as to extend from the inner wall surface of the hole 6b upward to the inner wall surface of the hole 15a opened in the resist 15. The height h of the insulating film 28 is about 4 μm although it depends on the formation conditions of the insulating film 28.

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。   Next, referring to FIG. 10, the resist 15 is removed. Thereby, a cylindrical insulating film 28 protruding from the gate electrode 3a is formed. Thereafter, carbon nanotubes 7 are formed on the catalyst layer 5 by the same method as in the first embodiment. Through the above steps, the field electron emission device 1b of the present embodiment is completed.

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。   In the field electron emission device 1b of the present embodiment, the insulating film 28 protrudes upward from the gate electrode 3a.

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。   In the method of manufacturing the field electron emission device 1b of the present embodiment, the step of forming the hole 6a and the hole 6b includes the step of forming the resist 15 on the gate electrode 3a, the gate electrode 3a and the insulating film using the resist 15 as a mask. 2 is etched, and the insulating film 28 is formed in a state where the resist 15 is formed.

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。   According to the field electron emission device 1b and the manufacturing method thereof of the present embodiment, the tip of the carbon nanotube 7 is directed toward the inside of the hole 6 by the portion of the insulating film 28 protruding upward from the gate electrode 3a. The tip of the carbon nanotube 7 becomes difficult to jump out of the hole 6. Thereby, it can suppress that the carbon nanotube 7 contacts the upper surface of the gate electrode 3a.

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。   Carbon nanotubes are suitable as the electron emission source used in the present invention, but other than carbon nanotubes, for example, carbon nanowires, silicon wires, titanium wires, gold wires, and the like may be used as electron emission sources.

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。   The embodiment disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.

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。It is a perspective view which shows the structure of the field electron emission apparatus in Embodiment 1 of this invention. 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the II-II line of FIG. 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。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 1 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the field electron emission apparatus in Embodiment 2 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the field electron emission apparatus in Embodiment 2 of this invention. 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。It is a microscope picture of the insulating film formed in Embodiment 3 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the field electron emission apparatus 1b in Embodiment 4 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 4 of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the field electron emission apparatus in Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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。   1, 1a, 1b field electron emission device, 2, 8, 18, 28 insulating film, 3a, 3b gate electrode, 5 catalyst layer, 6, 6a, 6b, 15a hole, 7, 7a, 7b carbon nanotube, 10 substrate, 11a to 11d Cathode electrode, 12 recess, 15 resist.

Claims (7)

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。 A cathode electrode;
A first insulating film formed on the cathode electrode and having a first hole;
A gate electrode formed on the first insulating film and having a second hole communicating with the first hole;
An electron emission source formed at the bottom of the first hole and electrically connected to the cathode electrode;
A second insulating film formed along the inner wall surface of the second hole ,
The electron emission source is a carbon nanotube;
The field electron emission device, wherein the second insulating film is made of particles having an average particle diameter of 10 nm to 100 nm . 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。   The field electron emission device according to claim 1, wherein the second insulating film extends to an upper surface of the gate electrode. 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。   The field electron emission device according to claim 1, wherein the second insulating film extends to an inner wall surface of the first hole. 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。The field electron emission device according to claim 1, wherein the second insulating film protrudes upward from the gate electrode. 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。5. The field electron emission device according to claim 1, wherein the second insulating film is an oxide or a hydrous oxide of a material constituting at least one of the cathode electrode and the gate electrode. 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。6. The field electron emission device according to claim 5, wherein at least one of the cathode electrode and the gate electrode contains aluminum, and the second insulating film contains boehmite. 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。The field electron emission device according to claim 1, wherein the electron emission source is formed on the cathode electrode with a catalyst layer interposed therebetween.
JP2004293251A 2004-10-06 2004-10-06 Field electron emission device Expired - Fee Related JP4371976B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004293251A JP4371976B2 (en) 2004-10-06 2004-10-06 Field electron emission device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004293251A JP4371976B2 (en) 2004-10-06 2004-10-06 Field electron emission device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006107932A JP2006107932A (en) 2006-04-20
JP4371976B2 true JP4371976B2 (en) 2009-11-25

Family

ID=36377389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004293251A Expired - Fee Related JP4371976B2 (en) 2004-10-06 2004-10-06 Field electron emission device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4371976B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102635837B1 (en) * 2022-10-21 2024-02-14 어썸레이 주식회사 Field emission assembly and electromagnetic wave generator including the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006107932A (en) 2006-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4912600B2 (en) Carbon nanotube horizontal growth method and device including carbon nanotube
JP4648807B2 (en) Carbon nanotube emitter, method of manufacturing the same, field emission device using the same, and method of manufacturing the same
JP5247438B2 (en) Manufacturing method of nanostructure
CN101086940B (en) Making method of field radiation cathode device
JP2006224296A (en) Carbon nanotube structure and method of manufacturing the same, and field emission device using the carbon nanotube structure and method of manufacturing the device
JP4611228B2 (en) Field electron emission device and manufacturing method thereof
JP2006196364A (en) Field electron emission element and its manufacturing method
US7554255B2 (en) Electric field emission device having a triode structure fabricated by using an anodic oxidation process and method for fabricating same
JP4371976B2 (en) Field electron emission device
KR100362899B1 (en) Method for manufacturing field emission display device using carbon nanotube
US20070200478A1 (en) Field Emission Device
KR100762590B1 (en) FED using carbon nanotube and manufacturing method thereof
JP4476090B2 (en) Manufacturing method of electron emission device
RU2579777C1 (en) Device based on carbon-containing cold cathodes arranged on semiconductor substrate, and method of making same
KR100485128B1 (en) Field emission device and method of manufacturing a field emission device
JP4590631B2 (en) Field emitter array and manufacturing method thereof
KR101034885B1 (en) Fabrication Method of Field Emission Device and Field Emission Device thereby method
JP3539305B2 (en) Field emission type electron source and method of manufacturing the same
KR20070046629A (en) Electron emitter and electron emission device
JP5016272B2 (en) Method for producing carbon-based fine fibrous material
KR20020041664A (en) Field Emission Display Device and Method of Driving the sme
JP4093997B2 (en) Anodizing method for improving electron emission in electronic devices
JP2002134009A (en) Field emission type electron source and manufacturing method therefor
JP2003086076A (en) Electrode structure of field emission type electron source
KR20080082592A (en) Electron emission device, electron emission display apparatus having the same, and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061023

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090527

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090609

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090807

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090825

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090901

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120911

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130911

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees