JP4611228B2

JP4611228B2 - Field electron emission device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4611228B2
Application number: JP2006080641A
Authority: JP
Inventors: 政良多留谷; 伸吾友久
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007257994A

Description

本発明は、電界電子放出装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a field electron emission device and a manufacturing method thereof.

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。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層の上に絶縁層が形成されており、絶縁層上にゲート電極層が形成されている。ゲート電極層および絶縁層には、カソード電極層に達する直径１０μｍ程度の貫通孔（キャビティ）が形成されており、貫通孔の底面を構成するカソード電極層から多数のカーボンナノチューブが起立するように形成されている。なお、従来の電界電子放出装置の構成は、たとえば、後述する特許文献１〜３に開示されている。 Substances such as carbon nanotubes have been actively studied as electron emission sources for field electron emission devices. In a conventional field electron emission device, an insulating layer is formed on a cathode electrode layer formed in a stripe shape on a substrate, and a gate electrode layer is formed on the insulating layer. A through hole (cavity) having a diameter of about 10 μm reaching the cathode electrode layer is formed in the gate electrode layer and the insulating layer, and a large number of carbon nanotubes are erected from the cathode electrode layer constituting the bottom surface of the through hole. Has been. In addition, the structure of the conventional field electron emission apparatus is disclosed by the patent documents 1-3 mentioned later, for example.

前述のようなカーボンナノチューブからなる電子放出源の製造方法としては、たとえば、化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いて直接貫通孔内においてカーボンナノチューブを成長させる方法、および、カーボンナノチューブが混入されたペーストをカソード電極層上に付着させて焼成し、その後、カーボンナノチューブを起立させる方法がある。このカーボンナノチューブは、長さが数μｍであり、直径が１０ｎｍ程度と非常に細い形状を有している。そのため、カーボンナノチューブが電場に置かれると、その先端に電界集中が発生し、ゲート電極に印加される電圧が低くても、電子が放出される。 Examples of a method for manufacturing an electron emission source composed of carbon nanotubes as described above include a method of growing carbon nanotubes directly in through holes using a chemical vapor deposition (CVD) method, and carbon. There is a method in which a paste in which nanotubes are mixed is deposited on the cathode electrode layer and fired, and then the carbon nanotubes are erected. This carbon nanotube has a very thin shape with a length of several μm and a diameter of about 10 nm. Therefore, when the carbon nanotube is placed in an electric field, electric field concentration occurs at the tip thereof, and electrons are emitted even if the voltage applied to the gate electrode is low.

カーボンナノチューブは、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法を用いて、触媒層上に所望の長さに成長させることが可能である。ただし、直径が１０ｎｍ前後と非常に細いため、必ずしも触媒層から真っ直ぐには成長しない。貫通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広がるように成長する。このため、先端が絶縁層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の先端がゲート電極に接触し、カソード電極層とゲート電極層とがショートする。すなわち、従来の電界電子放出装置には、カソード電極層とアノード電極層との間の絶縁耐圧が低いという問題がある。 Carbon nanotubes can be grown to a desired length on the catalyst layer using, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. However, since the diameter is as thin as about 10 nm, it does not necessarily grow straight from the catalyst layer. When carbon nanotubes are formed in the through holes, the carbon nanotubes grow so that the positions of their tips are spread outward to some extent. For this reason, when a carbon nanotube having a length exceeding the upper surface of the insulating layer is grown, the tip of the carbon nanotube comes into contact with the gate electrode, and the cathode electrode layer and the gate electrode layer are short-circuited. That is, the conventional field electron emission device has a problem that the withstand voltage between the cathode electrode layer and the anode electrode layer is low.

この問題は、電子放出源としてカーボンナノチューブ以外の電子放出源、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、および金ワイヤなどを用いた場合にも共通して生じ得る問題である。 This problem can also occur in common when an electron emission source other than carbon nanotubes is used as the electron emission source, such as carbon nanowires, silicon wires, titanium wires, and gold wires.

この問題を解決する方法として、ゲート電極層の下に位置する絶縁層の膜厚を大きくして、先端がこの絶縁層の上面より低く位置付けられるようにカーボンナノチューブを成長させる第１の方法が考えられる。また、ゲート電極層の貫通孔の内周面がカーボンナノチューブの先端から離れて位置付けられるように、貫通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、先端がゲート電極層の下に位置する絶縁層の上面より低く位置付けられるようにする第３の方法が考えられる。なお、第３の方法として、たとえば、水素ガスプラズマを利用してカーボンナノチューブをエッチングして大幅に短く整形する技術が次の非特許文献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 considered in which the thickness of the insulating layer located under the gate electrode layer is increased and the carbon nanotubes are grown so that the tip is positioned lower than the upper surface of the insulating layer. It is done. A second method for enlarging the opening diameter of the through hole is conceivable so that the inner peripheral surface of the through hole of the gate electrode layer is positioned away from the tip of the carbon nanotube. Further, 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 layer located under the gate electrode layer. As a third method, for example, a technique for etching carbon nanotubes by using hydrogen gas plasma and shaping the carbon nanotubes to be significantly shorter is disclosed in Non-Patent Document 1 below.
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、電子の放出のために必要とされ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の先端とゲート電極層の側面との間の距離を極力小さくすることが必要である。カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面との間の距離は、たとえば、１００ｎｍ程度であることが好ましい。 In order to obtain a field electron emission device having good characteristics, it is desirable that a voltage required for electron emission is low. For this purpose, it is necessary to minimize the distance between the tip of the carbon nanotube and the side surface of the gate electrode layer. The distance between the tip of the carbon nanotube and the side surface of the gate electrode layer is preferably about 100 nm, for example.

しかしながら、上記第１の方法〜第３の方法のいずれによっても、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面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の先端とゲート電極層の側面との間の距離は数μｍ程度である。このように、カーボンナノチューブの先端とゲート電極層の側面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高くなり（たとえば、４０Ｖから１００Ｖへ）、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の方法によれば、カーボンナノチューブの長さを短くするため、カーボンナノチューブの先端での電界集中の効果が低減され、電子放出特性の低下を招くという問題もある。 However, in any of the first to third methods, the distance between the tip of the carbon nanotube and the side surface of the gate electrode layer is increased. Specifically, the distance between the tip of the carbon nanotube and the side surface of the gate electrode layer is about several μm. As described above, when the distance between the tip of the carbon nanotube and the side surface of the gate electrode layer is increased, the gate voltage necessary for the operation is increased (for example, from 40 V to 100 V), and the electron emission efficiency is lowered. Arise. In particular, according to the third method, since the length of the carbon nanotube is shortened, there is a problem that the effect of electric field concentration at 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によれば、複数の電子放出源の各々と対応するゲート電極層の側面との間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均一にならない。そのため、明るい画素と暗い画素とが混在してしまう。その結果、従来の電界電子放出装置は、複数の画素の発光の均一性が低いという問題を有している。 In addition, according to the conventional field electron emission device, the distance between each of the plurality of electron emission sources and the side surface of the corresponding gate electrode layer is not uniform, so that the electron emission characteristics for each cavity are not uniform. Therefore, bright pixels and dark pixels are mixed. As a result, the conventional field electron emission device has a problem that the uniformity of light emission of a plurality of pixels is low.

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、カソード電極層とアノード電極層との間でのショートが防止され、電子放出効率が高く、かつ複数の画素の発光の均一性が高い電界電子放出装置およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to prevent a short circuit between the cathode electrode layer and the anode electrode layer, to have high electron emission efficiency, and to uniformly emit light from a plurality of pixels. It is to provide a field electron emission device having high performance and a method for manufacturing the same.

本発明の一の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。また、ゲート電極層、絶縁層および触媒層には、カソード電極層に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の内側面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。 A field electron emission device according to one aspect of the present invention includes a cathode electrode layer, a conductive catalyst layer formed on the cathode electrode layer, an insulating layer formed on the catalyst layer, and an insulating layer. And a gate electrode layer. The gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer are provided with through holes that reach the cathode electrode layer. The through-hole gradually increases in width or diameter toward the cathode electrode layer in at least a portion that penetrates the insulating layer. In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the inner surface of the catalyst layer along the side surface of the through hole. The tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

上記の構成によれば、複数の電子放出源の先端のうちのいくつかは絶縁層上に形成されたゲート電極の側面の近傍に位置する。したがって、電子放出特性が良好な電界電子放出装置が得られる。 According to said structure, some of the front-end | tips of a several electron emission source are located in the vicinity of the side surface of the gate electrode formed on the insulating layer. Therefore, a field electron emission device having good electron emission characteristics can be obtained.

本発明の他の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極層および絶縁層には、触媒層の上面に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分において触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の上面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。 A field electron emission device according to another aspect of the present invention is formed on a cathode electrode layer, a conductive catalyst layer formed on the cathode electrode layer, an insulating layer formed on the catalyst layer, and an insulating layer. And a gate electrode layer. The gate electrode layer and the insulating layer are provided with through holes that reach the upper surface of the catalyst layer. The through-hole gradually increases in width or diameter toward the catalyst layer at least in a portion penetrating the insulating layer. In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the upper surface of the catalyst layer along the side surface of the through hole. The tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

上記の構成によっても、一の局面の電界電子放出装置と同様の理由により、電子放出特性が良好な電界電子放出装置が得られる。 Also with the above configuration, a field electron emission device with good electron emission characteristics can be obtained for the same reason as the field electron emission device of one aspect.

本発明のさらに他の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、触媒層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極層、絶縁層および触媒層には、カソード電極層に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延びている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が触媒層の内側面から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。 A field electron emission device according to still another aspect of the present invention includes a cathode electrode layer, a conductive catalyst layer formed on the cathode electrode layer, an insulating layer formed on the catalyst layer, and an insulating layer. Gate electrode layer. The gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer are provided with through holes that reach the cathode electrode layer. The through hole extends in an oblique direction toward the main surface of the cathode electrode layer at least in a portion that penetrates the insulating layer. In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the inner surface of the catalyst layer along the side surface of the through hole. The tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

本発明の別の局面の電界電子放出装置は、カソード電極層と、カソード電極層上に形成された電子放出層と、電子放出層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備えている。ゲート電極および絶縁層には、電子放出層の上面に至る貫通孔が設けられている。貫通孔は、少なくとも絶縁層を貫通する部分において電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなっている。貫通孔内においては、複数の電子放出源が電子放出層から貫通孔の側面に沿って延びている。複数の電子放出源の先端がゲート電極層の側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられている。 A field electron emission device according to another aspect of the present invention includes a cathode electrode layer, an electron emission layer formed on the cathode electrode layer, an insulating layer formed on the electron emission layer, and an insulating layer. And a gate electrode layer. The gate electrode and the insulating layer are provided with a through hole reaching the upper surface of the electron emission layer. The through-hole gradually increases in width or diameter toward the electron emission layer at least in a portion penetrating the insulating layer. In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the electron emission layer along the side surface of the through hole. The tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the side surface of the gate electrode layer.

本発明の一の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層、絶縁層および触媒層を貫通してカソード電極層に至る貫通孔が形成される。その後、触媒層の内側面から延びる複数の電子放出源が形成される。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。 In the method for manufacturing a field electron emission device according to one aspect of the present invention, first, a conductive catalyst layer is formed on the cathode electrode layer. Next, an insulating layer is formed so as to cover the cathode electrode layer and the catalyst layer. Thereafter, a gate electrode layer is formed on the insulating layer. Next, at least in the portion that penetrates the insulating layer, the width or diameter gradually increases toward the cathode electrode layer, and a through hole that penetrates through the gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer to the cathode electrode layer is formed. Is done. Thereafter, a plurality of electron emission sources extending from the inner surface of the catalyst layer are formed. Next, the tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode.

上記の製法によれば、上記一の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
本発明の他の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分において触媒層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層および絶縁層を貫通して触媒層の上面に至る貫通孔が形成される。その後、触媒層の上面から延びる複数の電子放出源が形成される。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。 According to said manufacturing method, the field electron emission apparatus of said one situation can be manufactured.
In the method for manufacturing a field electron emission device according to another aspect of the present invention, a conductive catalyst layer is formed on the cathode electrode layer. Next, an insulating layer is formed so as to cover the cathode electrode layer and the catalyst layer. Thereafter, a gate electrode layer is formed on the insulating layer. Next, at least in a portion that penetrates the insulating layer, a width or a diameter gradually increases toward the catalyst layer, and a through hole that penetrates the gate electrode layer and the insulating layer to reach the upper surface of the catalyst layer is formed. Thereafter, a plurality of electron emission sources extending from the upper surface of the catalyst layer are formed. Next, the tips of the plurality of electron emission sources are trimmed along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

上記の製法によれば、上記他の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
本発明のさらに他の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に導電性の触媒層が形成される。次に、カソード電極層および触媒層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分においてカソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延び、かつ、ゲート電極層、絶縁層および触媒層を貫通してカソード電極層に至る貫通孔が形成される。次に、触媒層の内側面から延びるように複数の電子放出源が形成される。その後、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。 According to said manufacturing method, the field electron emission apparatus of said other situation can be manufactured.
In the method for manufacturing a field electron emission device according to still another aspect of the present invention, first, a conductive catalyst layer is formed on the cathode electrode layer. Next, an insulating layer is formed so as to cover the cathode electrode layer and the catalyst layer. Thereafter, a gate electrode layer is formed on the insulating layer. Next, a through hole is formed that extends obliquely toward the main surface of the cathode electrode layer at least in a portion that penetrates the insulating layer, and penetrates the gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer to reach the cathode electrode layer. The Next, a plurality of electron emission sources are formed to extend from the inner surface of the catalyst layer. Thereafter, the tips of the plurality of electron emission sources are trimmed along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

上記の製法によれば、上記さらに他の局面の電界電子放出装置を製造することができる。 According to said manufacturing method, the field electron emission apparatus of the said further another situation can be manufactured.

本発明の別の局面の電界電子放出装置の製造方法においては、まず、カソード電極層上に複数の電子放出源を含む電子放出層が形成される。次に、カソード電極層および電子放出層を覆うように絶縁層が形成される。その後、絶縁層上にゲート電極層が形成される。次に、少なくとも絶縁層を貫通する部分において電子放出層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、ゲート電極層および絶縁層を貫通して電子放出層の上面に至る貫通孔が形成される。その後、貫通孔内において複数の電子放出源が起立させられる。次に、複数の電子放出源の先端がゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられる。 In the method for manufacturing a field electron emission device according to another aspect of the present invention, first, an electron emission layer including a plurality of electron emission sources is formed on the cathode electrode layer. Next, an insulating layer is formed so as to cover the cathode electrode layer and the electron emission layer. Thereafter, a gate electrode layer is formed on the insulating layer. Next, at least in a portion that penetrates the insulating layer, a width or a diameter gradually increases toward the electron emission layer, and a through hole that penetrates the gate electrode layer and the insulating layer and reaches the upper surface of the electron emission layer is formed. The Thereafter, a plurality of electron emission sources are erected in the through hole. Next, the tips of the plurality of electron emission sources are trimmed along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

上記の製法によれば、上記別の局面の電界電子放出装置を製造することができる。
なお、本明細書において「絶縁層」とは、表面および裏面のそれぞれに電極が設けられ、その電極同士の間に１０ＭＶ／ｃｍの電界が与えられ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。 According to said manufacturing method, the field electron emission apparatus of said another situation can be manufactured.
In this specification, the term “insulating layer” means that an electrode is provided on each of the front and back surfaces, and the density of current that leaks when an electric field of 10 MV / cm is applied between the electrodes is 10 ⁻¹⁴ A. It means a film that is not less than / cm ^{2 and not} more than 10 ⁻⁴ A / cm ² .

本発明によれば、カソード電極層とアノード電極層との間でのショートが防止され、電子放出効率が高く、かつ複数の画素の発光の均一性が高い電界電子放出装置およびその製造方法が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a field electron emission device and a method for manufacturing the same, in which a short circuit between the cathode electrode layer and the anode electrode layer is prevented, electron emission efficiency is high, and light emission uniformity of a plurality of pixels is high. It is done.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。 Hereinafter, a field electron emission device and a manufacturing method thereof according to an embodiment 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。本実施の形態の電界電子放出装置においては、図１に示すように、基板１０上には複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されている。また、基板１０上には絶縁層２を介して複数のゲート電極層３ａ，３ｂが形成されている。複数のゲート電極層３ａ，３ｂのそれぞれは、列方向（図１において縦方向）に延びており、複数のカソード電極層１１ａ〜１１ｄのそれぞれは行方向（図１において横方向）に延びている。複数のゲート電極層３ａ，３ｂと複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとは、平面的に見て、直交するように配置されている。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a field electron emission device according to Embodiment 1 of the present invention. In the field electron emission device of the present embodiment, a plurality of cathode electrode layers 11a, 11b, 11c, and 11d are formed on a substrate 10 as shown in FIG. A plurality of gate electrode layers 3 a and 3 b are formed on the substrate 10 with the insulating layer 2 interposed therebetween. Each of the plurality of gate electrode layers 3a and 3b extends in the column direction (vertical direction in FIG. 1), and each of the plurality of cathode electrode layers 11a to 11d extends in the row direction (lateral direction in FIG. 1). . The plurality of gate electrode layers 3a, 3b and the plurality of cathode electrode layers 11a, 11b, 11c, 11d are arranged so as to be orthogonal to each other when seen in a plan view.

複数のゲート電極層３ａ，３ｂと複数のカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとが交差する位置のそれぞれにドットが形成されている。本実施の形態においては、１つのドットが３個のゲートホール（貫通孔）６で形成されている。３個の貫通孔６は行方向に並んでいる。列方向に延びたゲート電極層３ａ，３ｂのうちいずれかに電圧を印加するとともに、行方向に延びたカソード電極層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのうちいずれかに電圧を印加することにより、電圧が印加された電極同士が交差する位置に形成されたドットにおいて電界放出が生じる。 Dots are formed at positions where the plurality of gate electrode layers 3a, 3b and the plurality of cathode electrode layers 11a, 11b, 11c, 11d intersect. In the present embodiment, one dot is formed by three gate holes (through holes) 6. The three through holes 6 are arranged in the row direction. A voltage is applied to any one of the gate electrode layers 3a and 3b extending in the column direction and a voltage is applied to any one of the cathode electrode layers 11a, 11b, 11c, and 11d extending in the row direction. Field emission occurs in the dots formed at the positions where the electrodes to which is applied intersect.

なお、図１においては、１つのドットが３個のゲートホールで形成されている電界電子放出装置が示されているが、本発明の電界電子放出装置は、図１に示すものに限定されない。たとえば、本発明の電界電子放出装置の１つのドットは、１個〜約５０００個のゲートホールで形成されていてもよい。本実施の形態においては、１つのドットが約１００個のゲートホールで形成されている電界電子放出装置が製造されるものとする。 Although FIG. 1 shows a field electron emission device in which one dot is formed by three gate holes, the field electron emission device of the present invention is not limited to the one shown in FIG. For example, one dot of the field electron emission device of the present invention may be formed by 1 to about 5000 gate holes. In the present embodiment, it is assumed that a field electron emission device in which one dot is formed by about 100 gate holes is manufactured.

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、カソード電極層１１ｂと、絶縁層２と、ゲート電極層３ａと、電子放出源としてのカーボンナノチューブ７と、導電性の触媒層５とを備えている。基板１０上にはカソード電極層１１ｂが形成されている。また、カソード電極層１１ｂおよび基板１０を覆うように絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２上にはゲート電極層３ａが形成されている。 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 layer 11b, an insulating layer 2, a gate electrode layer 3a, a carbon nanotube 7 as an electron emission source, and a conductive catalyst. Layer 5. A cathode electrode layer 11 b is formed on the substrate 10. Insulating layer 2 is formed to cover cathode electrode layer 11b and substrate 10. A gate electrode layer 3 a is formed on the insulating layer 2.

また、絶縁層２は貫通孔６ａを有しており、ゲート電極層３ａは貫通孔６ｂを有している。貫通孔６ａはカソード電極層１１ｂにまで達しており、貫通孔６ｂは貫通孔６ａに連通している。貫通孔６ａと貫通孔６ｂとにより貫通孔６が構成されている。 The insulating layer 2 has a through hole 6a, and the gate electrode layer 3a has a through hole 6b. The through hole 6a reaches the cathode electrode layer 11b, and the through hole 6b communicates with the through hole 6a. The through hole 6 is constituted by the through hole 6a and the through hole 6b.

また、貫通孔６ａは、上方にいくにしたがって開口径が除々小さくなる逆テーパー形状を有している。より具体的には、絶縁層２の下側部分２ａの孔径（あるいは幅）ｄ１と絶縁層上側部分（２ｂ）の孔径（あるいは幅）ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２という関係を有しており、貫通孔６ａは、その断面において、内側に傾斜する内壁面６ｃを有している。 Moreover, the through-hole 6a has a reverse taper shape in which the opening diameter gradually decreases as it goes upward. More specifically, the hole diameter (or width) d1 of the lower portion 2a of the insulating layer 2 and the hole diameter (or width) d2 of the upper portion (2b) of the insulating layer have a relationship of d1> d2. The through hole 6a has an inner wall surface 6c inclined inward in the cross section.

カソード電極層１１ｂ上には触媒層５が形成されている。触媒層５の露出面（側面５ａ）から貫通孔６ａの側面に沿って複数のカーボンナノチューブ７が延びている。カーボンナノチューブ７は導電性の触媒層５を介してカソード電極層１１ｂと電気的に接続されている。 A catalyst layer 5 is formed on the cathode electrode layer 11b. A plurality of carbon nanotubes 7 extend from the exposed surface (side surface 5a) of the catalyst layer 5 along the side surface of the through hole 6a. The carbon nanotubes 7 are electrically connected to the cathode electrode layer 11b through the conductive catalyst layer 5.

また、本実施の形態においては、貫通孔６内においては触媒がエッチングによって除去されている。したがって、複数のカーボンナノチューブ７は、貫通孔６内に露出している触媒層５の側面５ａから延びている。複数のカーボンナノチューブ７は、貫通孔６ａの内壁面６ｃに沿って上方に向かうカーボンナノチューブ７ａ、および、横方向に延びるカーボンナノチューブ７ｂなど、様々なカーボンナノチューブからなるが、貫通孔６から上方へはみ出すような長さを有するカーボンナノチューブは、エッチングによって除去されている。つまり、複数のカーボンナノチューブ７の先端は、絶縁層２の上面の貫通孔６ｂの端面の近傍の位置、すなわち、ゲート電極層３ａの側面の直下の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられている。なお、ラインＬが延びる方向は、図示された方向に限定されず、製造工程によって、多少変化する。 Further, in the present embodiment, the catalyst is removed by etching in the through hole 6. Therefore, the plurality of carbon nanotubes 7 extend from the side surface 5 a of the catalyst layer 5 exposed in the through hole 6. The plurality of carbon nanotubes 7 are composed of various carbon nanotubes such as a carbon nanotube 7a that extends upward along the inner wall surface 6c of the through hole 6a and a carbon nanotube 7b that extends in the lateral direction, but protrudes upward from the through hole 6. The carbon nanotube having such a length is removed by etching. That is, the ends of the plurality of carbon nanotubes 7 are lines L extending downward or obliquely downward from positions near the end face of the through hole 6b on the upper surface of the insulating layer 2, that is, positions immediately below the side surface of the gate electrode layer 3a. It is trimmed along. The direction in which the line L extends is not limited to the illustrated direction, and varies slightly depending on the manufacturing process.

電界電子放出装置１においては、カソード電極層１１ｂとゲート電極層３ａとの間に大きな正電圧が印加される（ゲート電極層３ａ側に正の電位を与える）と、複数のカーボンナノチューブ７の表面に強い電界が与えられ、トンネル効果によって複数の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 layer 11b and the gate electrode layer 3a (a positive potential is applied to the gate electrode layer 3a side), the surfaces of the plurality of carbon nanotubes 7 A strong electric field is applied, and electrons are emitted from the tips of the plurality of carbon nanotubes 7 by the tunnel effect.

また、基板１０は、たとえば、４０インチ角型であり、厚さ２．８ｍｍの白板ガラス基板からなっている。なお、基板１０は、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、またはセラミクスなど、絶縁性を有していれば、いかなる材料からなっていてもよい。 Further, 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 glass substrate, the substrate 10 may be made of any material as long as it has insulating properties such as high strain point glass, quartz, silicon, alumina, or ceramics.

カソード電極層１１ｂはアルミニウムからなっている。なお、カソード電極層１１ｂは、アルミニウムの他に、たとえば、モリブデン、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、またはアルミ基合金等の導電性材料からなっていてもよい。さらに、カソード電極層１１ｂは、導電性のシリコンまたは酸化物透明電極であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなっていてもよい。 The cathode electrode layer 11b is made of aluminum. In addition to aluminum, the cathode electrode layer 11b may be made of a conductive material such as molybdenum, chromium, titanium, tungsten, titanium silicide, titanium nitride, gold, silver, or an aluminum-based alloy. Further, the cathode electrode layer 11b may be made of conductive silicon or indium tin oxide (ITO) which is an oxide transparent electrode.

絶縁層２は、シリコン酸化膜からなっている。なお、絶縁層２は、シリコン酸化膜の他に、たとえば、シリコン窒化膜または耐熱性絶縁樹脂からなっていてもよい。 The insulating layer 2 is made of a silicon oxide film. In addition to the silicon oxide film, the insulating layer 2 may be made of, for example, a silicon nitride film or a heat-resistant insulating resin.

ゲート電極層３ａはアルミニウムからなっている。なお、ゲート電極層３ａは、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、またはアルミ基合金等の導電性材料からなっていてもよい。 The gate electrode layer 3a is made of aluminum. In addition to aluminum, gate electrode layer 3a may be made of a conductive material such as chromium, titanium, molybdenum, tungsten, titanium silicide, titanium nitride, or an aluminum-based alloy.

触媒層５は、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなっている。なお、触媒層５としては、少なくともＦｅ、Ｎｉ、およびＣｏのいずれかを含む金属またはそれらの合金等からなる導電性材料が用いられることが好ましい。 The catalyst layer 5 is made of an Fe—Ni alloy. The catalyst layer 5 is preferably made of a conductive material made of a metal containing at least one of Fe, Ni, and Co or an alloy thereof.

絶縁層５の厚さが、たとえば２μｍである場合には、複数のカーボンナノチューブ７のうち、カーボンナノチューブ７ａのように、貫通孔６ａの内壁面６ｃに沿って上方に向かって延びるカーボンナノチューブは、カソード電極層１１ｂからの高さが２μｍ以下になるように調整される。 When the thickness of the insulating layer 5 is 2 μm, for example, among the plurality of carbon nanotubes 7, like the carbon nanotubes 7a, the carbon nanotubes extending upward along the inner wall surface 6c of the through holes 6a are: The height from the cathode electrode layer 11b is adjusted to be 2 μm or less.

また、複数の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。複数のカーボンナノチューブ７の長さの平均が０．３μｍ以上であれば、高い電子放出特性を得ることができる。複数のまた、カーボンナノチューブ７の長さの平均が１０μｍ以下であれば、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。 The average length of the plurality of carbon nanotubes 7 is preferably 0.3 μm or more and 10 μm or less. When the average length of the plurality of carbon nanotubes 7 is 0.3 μm or more, high electron emission characteristics can be obtained. If the average length of the plurality of carbon nanotubes 7 is 10 μm or less, the carbon nanotubes can be grown in a relatively short time.

なお、複数のカーボンナノチューブ７は、ＣＶＤ法によって成長する場合には、全体として極度に密集するように形成されることはなく、ある程度離散的に配置されており、かつ、ある程度貫通孔６が延びる方向に沿って延びるように成長する傾向を有している。この観点からも、絶縁層２の膜厚は、０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。 When the plurality of carbon nanotubes 7 are grown by the CVD method, the carbon nanotubes 7 are not formed so as to be extremely dense as a whole, are arranged discretely to some extent, and the through holes 6 extend to some extent. It tends to grow so as to extend along the direction. Also from this viewpoint, the thickness of the insulating layer 2 is preferably 0.3 μm or more and 10 μm or less.

次に、図３〜図９を用いて、本実施の形態における電界電子放出装置の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the field electron emission device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、基板１０が、洗浄された後、スパッタリング装置内が配置される。次に、スパッタリング法を用いて、カソード電極層となる膜が基板１０上に形成される。その後、カソード電極層上の所定の領域に触媒層５となる膜が形成される。具体的には、カソード電極層が形成される領域と同じ領域に、たとえば、蒸着法を用いて、厚さ数ｎｍの触媒層となる膜が形成される。 First, after the substrate 10 is cleaned, the inside of the sputtering apparatus is arranged. Next, a film that becomes a cathode electrode layer is formed on the substrate 10 by sputtering. Thereafter, a film that becomes the catalyst layer 5 is formed in a predetermined region on the cathode electrode layer. Specifically, a film to be a catalyst layer having a thickness of several nm is formed in the same region as the region where the cathode electrode layer is formed, for example, by vapor deposition.

次に、フォトリソグラフィなどの方法を用いて、カソード電極層となる膜および触媒層となる膜がパターニングされ、たとえば、数１００μｍ幅のライン状のカソード電極層１１ｂおよび触媒層５が形成される。その構造が図３に示されている。 Next, using a method such as photolithography, the film serving as the cathode electrode layer and the film serving as the catalyst layer are patterned to form, for example, a line-shaped cathode electrode layer 11b and a catalyst layer 5 having a width of several hundred μm. Its structure is shown in FIG.

カソード電極層１１ｂの厚さは、たとえば１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１００ｎｍ〜４００ｎｍである。なお、カソード電極層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されてもよい。 The thickness of the cathode electrode layer 11b is, for example, 10 nm to 1 μm, and preferably 100 nm to 400 nm. Note that the film to be the cathode electrode layer 11b may be formed 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.

なお、前述のフォトリソグラフィとは、半導体製造技術において、光または電子線等を利用してレジスト膜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、その具体的な説明は省略される。 Note that the above-mentioned photolithography means photoengraving in which a pattern is transferred to a resist film using light, electron beam or the like in 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 not be described in detail.

次に、図４に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、カソード電極層１１ｂを覆うように基板１０上に絶縁層２が形成される。絶縁層２の厚さは、本実施の形態においては、０．３μｍ〜１０μｍであるが、耐熱性、構造安定性、および絶縁耐性などを考慮すると、０．５μｍ〜６μｍであることが好ましい。 Next, as shown in FIG. 4, the insulating layer 2 is formed on the substrate 10 so as to cover the cathode electrode layer 11b by plasma CVD. The thickness of the insulating layer 2 is 0.3 μm to 10 μm in the present embodiment, but is preferably 0.5 μm to 6 μm in consideration of heat resistance, structural stability, insulation resistance, and the like.

なお、図示されていないが、絶縁層２と基板１０との密着性を向上させる目的で、絶縁層２を形成する前に、チタンまたはシリコンを含んだ密着促進剤が、カソード電極層１１ｂおよび触媒層５の露出面に塗付されたり、スパッタ蒸着されたりしてもよい。 Although not shown, for the purpose of improving the adhesion between the insulating layer 2 and the substrate 10, an adhesion promoter containing titanium or silicon is used to form the cathode electrode layer 11b and the catalyst before forming the insulating layer 2. It may be applied to the exposed surface of layer 5 or may be sputter deposited.

次に、図５に示すように、スパッタリング法を用いて、ゲート電極層となる膜３が絶縁層２上に形成される。なお、ゲート電極層となる膜３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されてもよい。 Next, as shown in FIG. 5, a film 3 to be a gate electrode layer is formed on the insulating layer 2 by using a sputtering method. Note that the film 3 to be the gate electrode layer may be formed by using, for example, a CVD method, a vacuum deposition method, a plating method, a printing method, or the like in addition to the sputtering method.

次に、膜３上にレジスト膜５０が形成される。その後、図６に示すように、フォトリソグラフィなどの方法を用いて、レジスト膜５０をマスクとして、膜３がエッチングされる。それにより、貫通孔６ｂを有する、数１００μｍ幅のライン状のゲート電極層３ａが形成される。ゲート電極層３ａの厚さは、本実施の形態においては、１０ｎｍ〜１μｍであるが、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。 Next, a resist film 50 is formed on the film 3. Thereafter, as shown in FIG. 6, the film 3 is etched by using a method such as photolithography using the resist film 50 as a mask. As a result, a line-shaped gate electrode layer 3a having a through hole 6b and having a width of several hundred μm is formed. The thickness of the gate electrode layer 3a is 10 nm to 1 μm in the present embodiment, but is preferably 100 nm to 500 nm.

その後、ゲート電極層３ａをマスクとして、絶縁層２がエッチングされる。それにより、図７に示すように、絶縁層２に貫通孔６ａが形成される。貫通孔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５μｍ〜３０μｍの円形または多角形の平断面形状を有している。 Thereafter, the insulating layer 2 is etched using the gate electrode layer 3a as a mask. Thereby, as shown in FIG. 7, a through hole 6 a is formed in the insulating layer 2. The through holes 6a and 6b have, for example, a three-dimensional shape such as a cylinder or a prism, and have a circular or polygonal flat cross-sectional shape with a diameter of 5 to 30 μm.

次に、図８に示すように、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって、複数のカーボンナノチューブ７が触媒層５の露出面から成長する。複数のカーボンナノチューブ７は、触媒層５の露出面上において選択的に成長する。本実施の形態においては、複数のカーボンナノチューブ７を成長させるための原料としては、アセチレン、エチレン、またはメタンなどの炭化水素ガスが用いられる。ただし、原材料として、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てもよい。 Next, as shown in FIG. 8, a plurality of carbon nanotubes 7 grow from the exposed surface of the catalyst layer 5 by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition). The plurality of carbon nanotubes 7 grow selectively on the exposed surface of the catalyst layer 5. In the present embodiment, a hydrocarbon gas such as acetylene, ethylene, or methane is used as a raw material for growing the plurality of carbon nanotubes 7. However, an organic compound such as ethanol, methanol, or tetrahydrofuran (C ₄ H ₈ O: THF) may be used as a raw material.

また、カーボンナノチューブ７は、基板１０の温度３５０℃〜７００℃、かつ、圧力１０Ｐａ〜１０００００Ｐａの条件のＣＶＤ法によって形成される。その条件は、好ましくは、基板１０の温度４００℃〜６００℃かつ圧力１００Ｐａ〜１００００Ｐａである。 The carbon nanotubes 7 are formed by a CVD method under the conditions of the substrate 10 at a temperature of 350 ° C. to 700 ° C. and a pressure of 10 Pa to 100,000 Pa. The conditions are preferably a temperature of the substrate 10 of 400 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 100 Pa to 10000 Pa.

なお、図８に示すように、複数のカーボンナノチューブ７の長さは、ＣＶＤによって成長した直後においては、ある程度ばらついている。たとえば、複数のカーボンナノチューブ７のうちには、ゲート電極層３ａに接触するカーボンナノチューブが含まれている。 As shown in FIG. 8, the length of the plurality of carbon nanotubes 7 varies to some extent immediately after growing by CVD. For example, among the plurality of carbon nanotubes 7, carbon nanotubes that are in contact with the gate electrode layer 3a are included.

次に、図９に示すように、たとえばイオンビームエッチング法などによって、ゲート電極層３ａより上側に突出した過剰な長さを有するカーボンナノチューブ７を取り除く処理が行なわれる。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, as shown in FIG. 9, for example, a process of removing carbon nanotubes 7 having an excessive length protruding above gate electrode layer 3a is performed by an ion beam etching method or the like. Through the above steps, the field electron emission device 1 of the present embodiment is completed.

なお、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔６の側面６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔６の側面６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブのみが残存する。 The ion beam is irradiated in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10. Therefore, the carbon nanotubes near the side surface 6 c of the through hole 6 are protected from the ion beam by the insulating layer 2. As a result, only the carbon nanotubes extending along the side surface 6c of the through hole 6 remain.

また、本実施の形態の電界電子放出装置１の製造方法によれば、カーボンナノチューブ７の成長が終わった直後においては、複数のカーボンナノチューブ７には、貫通孔６ａの逆テーパー状の側面６ｃに沿って上方に向かうカーボンナノチューブ７ａおよび横方向に延びるカーボンナノチューブ７ｂなど、様々なものが含まれている。しかしながら、複数のカーボンナノチューブ７のうち貫通孔６から外方へはみ出るような超過の長さを有するものは、エッチングによって除去される。つまり、複数のカーボンナノチューブ７は、絶縁層２の上面の貫通孔６ｂの端面の近傍の位置、すなわち、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って先端が切り揃えられている。したがって、複数のカーボンナノチューブ７の中には、カーボンナノチューブ７ａのように、ゲート電極層３ａの側面の近傍にその先端が位置付けられているものがある。 Further, according to the method of manufacturing the field electron emission device 1 of the present embodiment, immediately after the growth of the carbon nanotubes 7 is finished, the plurality of carbon nanotubes 7 have the reverse tapered side surface 6c of the through hole 6a. Various things are included, such as carbon nanotubes 7a extending upward along the side and carbon nanotubes 7b extending in the lateral direction. However, of the plurality of carbon nanotubes 7, those having an excessive length that protrudes outward from the through hole 6 are removed by etching. That is, the plurality of carbon nanotubes 7 are along a line L extending downward or obliquely downward from a position in the vicinity of the end face of the through hole 6b on the upper surface of the insulating layer 2, that is, a position in the vicinity of the side surface of the gate electrode layer 3a. The tip is trimmed. Accordingly, among the plurality of carbon nanotubes 7, there is a carbon nanotube 7a whose tip is positioned in the vicinity of the side surface of the gate electrode layer 3a, like the carbon nanotube 7a.

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、ゲート電極層３ａと複数のカーボンナノチューブ７との間の絶縁が確保されているため、両者がショートすることはない。さらに、複数のカーボンナノチューブ７の先端とゲート電極層３ａの側面との間の距離を小さくすることができるため、低いゲート電圧で複数のカーボンナノチューブ７から電子を放出させることができる。したがって、電子放出効率を向上させることができる。 According to the field electron emission device 1 and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, since the insulation between the gate electrode layer 3a and the plurality of carbon nanotubes 7 is ensured, the both do not short-circuit. Furthermore, since the distance between the tips of the plurality of carbon nanotubes 7 and the side surfaces of the gate electrode layer 3a can be reduced, electrons can be emitted from the plurality of carbon nanotubes 7 with a low gate voltage. Therefore, the electron emission efficiency can be improved.

さらに、カーボンナノチューブ７が形成時には長さがばらついていても、複数のカーボンナノチューブ７の先端とゲート電極層３ａの側面との間の距離は、画素同士の比較において均一でありかつ過剰にならないように調整される。これは、貫通孔６ａが逆テーパー状の形状を有するためである。したがって、複数の画素の電子放出特性の均一化を図ることができる。その結果、電界電子放出装置１の複数の画素の発光の均一性を向上させることができる。 Furthermore, even if the length of the carbon nanotubes 7 varies, the distance between the tips of the plurality of carbon nanotubes 7 and the side surfaces of the gate electrode layer 3a is uniform and does not become excessive in comparison between pixels. Adjusted to This is because the through-hole 6a has a reverse tapered shape. Therefore, the electron emission characteristics of a plurality of pixels can be made uniform. As a result, the uniformity of light emission of the plurality of pixels of the field electron emission device 1 can be improved.

また、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。一般に、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ため、カーボンナノチューブの先端に強い電界集中が発生し易い。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. In general, the aspect ratio of the carbon nanotube is very large and the tip of the carbon nanotube is sharp, so that strong electric field concentration tends to occur at the tip of the carbon nanotube. For this reason, the carbon nanotube is suitable as an electron emission source.

なお、図１０に示すような比較的長い複数のカーボンナノチューブ７が形成される場合においても、上記の方法によれば、図１１に示すように、複数のカーボンナノチューブ７の先端を切断して、所望の形態に形成することができる。 Even in the case where a plurality of relatively long carbon nanotubes 7 as shown in FIG. 10 is formed, according to the above method, as shown in FIG. It can be formed in a desired form.

また、本実施の形態においては、複数のカーボンナノチューブ７の先端の切断のために、イオンビームエッチングが用いられている。しかしながら、他の方法が用いられてもよい。たとえば、酸素雰囲気中におけるプラズマ酸化もしくはラジカル酸化などの方法が用いられてもよい。また、５０〜４００℃程度の温度でオゾンもしくは亜酸化窒素などの酸化剤雰囲気にカーボンナノチューブを晒す熱酸化法が用いられてもよい。すなわち、複数のカーボンナノチューブ７の先端をゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えるために、いかなる方法が用いられてもよい。なお、ラインＬが延びる方向は、図に表わされた方向に限定されず、製造工程に起因して変更され得るものである。要するに、複数のカーボンナノチューブ７が、貫通孔６の内側に向かって傾斜する絶縁層２の側面６ｃによって保護され、側面６ｃに沿って延びるように残存する方法でれば、いかなる方法が用いられてもよい。 In the present embodiment, ion beam etching is used for cutting the tips of the plurality of carbon nanotubes 7. However, other methods may be used. For example, a method such as plasma oxidation or radical oxidation in an oxygen atmosphere may be used. Alternatively, a thermal oxidation method in which the carbon nanotubes are exposed to an oxidizing agent atmosphere such as ozone or nitrous oxide at a temperature of about 50 to 400 ° C. may be used. In other words, any method may be used to trim the tips of the plurality of carbon nanotubes 7 along a line L extending downward or obliquely downward from a position near the side surface of the gate electrode layer 3a. The direction in which the line L extends is not limited to the direction shown in the figure, and can be changed due to the manufacturing process. In short, any method can be used as long as the plurality of carbon nanotubes 7 are protected by the side surface 6c of the insulating layer 2 inclined toward the inside of the through hole 6 and remain so as to extend along the side surface 6c. Also good.

実施の形態２．
次に、図１２〜図１５を用いて、本発明の実施の形態２の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。 Embodiment 2. FIG.
Next, a field electron emission device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、まず、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法の図３〜図６を用いて説明した工程が実行される。ただし、本実施の形態においては、図１２に示すように、ゲート電極層３ａを貫通する貫通孔１６ｂと絶縁層２を貫通する貫通孔１６ａとからなる貫通孔１６を備えている構造が形成される。 In the method of manufacturing the field electron emission device of the present embodiment, first, the steps described with reference to FIGS. 3 to 6 of the method of manufacturing the field electron emission device of Embodiment 1 are executed. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 12, a structure including a through hole 16 including a through hole 16 b that penetrates the gate electrode layer 3 a and a through hole 16 a that penetrates the insulating layer 2 is formed. The

この構造においては、貫通孔１６が上方へ向かうにしたがって径または幅が小さくなる逆テーパー形状を有していることは、実施の形態１の電界電子放出装置と同様であるが、貫通孔１６が触媒層５に到っていないこと、すなわち、貫通孔１６の底面に触媒層５の上面が露出していることが実施の形態１の電界電子放出装置と異なる。 In this structure, the through hole 16 has an inverse tapered shape in which the diameter or width decreases as it goes upward, as in the field electron emission device of the first embodiment. It differs from the field electron emission device of the first embodiment in that it does not reach the catalyst layer 5, that is, the upper surface of the catalyst layer 5 is exposed at the bottom surface of the through hole 16.

次に、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、図１３に示すように、貫通孔１６内に多数のカーボンナノチューブ１７が触媒層５の上表面から貫通孔１６ａの側面１６ｃに沿って延びるように形成される。その後、複数のカーボンナノチューブ１７の先端が、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って、エッチングによって切り揃えられる。その結果、ゲート電極層３ａの側面と複数のカーボンナノチューブ７の先端との間の距離が極めて小さくなる。その構造が、図１４に示されている。ただし、エッチングがさらに行なわれれば、図１５に示す構造が形成され得る。図１４に示す構造および図１５に示す構造のいずれによっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。 Next, in the method of manufacturing the field electron emission device according to the present embodiment, as shown in FIG. 13, a large number of carbon nanotubes 17 are formed in the through holes 16 from the upper surface of the catalyst layer 5 to the side surfaces 16c of the through holes 16a. It is formed to extend along. Thereafter, the tips of the plurality of carbon nanotubes 17 are aligned by etching along a line L extending downward or obliquely downward from a position near the side surface of the gate electrode layer 3a. As a result, the distance between the side surface of the gate electrode layer 3a and the tips of the plurality of carbon nanotubes 7 becomes extremely small. Its structure is shown in FIG. However, if etching is further performed, the structure shown in FIG. 15 can be formed. Both the structure shown in FIG. 14 and the structure shown in FIG. 15 can obtain good electron emission characteristics for the same reason as in the field electron emission device of the first embodiment.

なお、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においても、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法と同様に、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔１６の側面１６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔１６の側面１６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存し、貫通孔１６の中央部の底面には短いカーボンナノチューブがわずかに残存する。なお、複数のカーボンナノチューブの先端を切断する方法としては、実施の形態１と同様にいかなる方法が用いられてもよい。 In the method for manufacturing the field electron emission device of the present embodiment, the ion beam is irradiated in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10 as in the method for manufacturing the field electron emission device of Embodiment 1. . Therefore, the carbon nanotubes near the side surface 16 c of the through hole 16 are protected from the ion beam by the insulating layer 2. As a result, many carbon nanotubes that extend along the side surface 16 c of the through hole 16 remain, and a few short carbon nanotubes remain on the bottom surface of the central portion of the through hole 16. As a method for cutting the tips of the plurality of carbon nanotubes, any method may be used as in the first embodiment.

実施の形態３．
次に、図１６〜図１８を用いて、本発明の実施の形態３の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。 Embodiment 3 FIG.
Next, a field electron emission device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、まず、実施の形態１の電界電子放出装置の製造方法の図３〜図６を用いて説明した工程が実行される。ただし、図１６に示すように、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、ゲート電極層３を貫通する貫通孔２６ｂと絶縁層２を貫通する貫通孔２６ａとからなる貫通孔２６を備える構造が形成される。 In the method of manufacturing the field electron emission device of the present embodiment, first, the steps described with reference to FIGS. 3 to 6 of the method of manufacturing the field electron emission device of Embodiment 1 are executed. However, as shown in FIG. 16, in the method of manufacturing the field electron emission device of the present embodiment, the through hole 26 including a through hole 26 b that penetrates the gate electrode layer 3 and a through hole 26 a that penetrates the insulating layer 2. Is formed.

この構造においては、貫通孔２６は一方の側面２６ｃがテーパー状となっており、他方の側面２６ｄが逆テーパー状になっている。より具体的には、断面図において、一方の側面２６ｃおよび他方の側面２６ｄのいずれもが基板１０の主表面に垂直な方向に対してほぼ同じ交差角を有するように傾いて延びている。つまり、一方の側面２６ｃおよび他方の側面２６ｄは、互いに平行に基板１０の主表面に対して斜め方向に延びている。言い換えれば、貫通孔２６は、基板１０の主表面に対して垂直な方向に対して所定の角度だけ傾いて延びている。 In this structure, the through hole 26 has one side surface 26c tapered, and the other side surface 26d has a reverse taper shape. More specifically, in the cross-sectional view, both the one side surface 26 c and the other side surface 26 d are inclined and extend so as to have substantially the same crossing angle with respect to the direction perpendicular to the main surface of the substrate 10. That is, one side surface 26 c and the other side surface 26 d extend in an oblique direction with respect to the main surface of the substrate 10 in parallel with each other. In other words, the through hole 26 extends at a predetermined angle with respect to a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10.

前述の貫通孔２６は、たとえば、基板１０に対して垂直方向ではなく、斜め方向からイオンを照射するイオンビームエッチング等によって形成され得る。 The above-described through hole 26 can be formed by, for example, ion beam etching that irradiates ions from an oblique direction rather than a direction perpendicular to the substrate 10.

また、図１６に示す構造においては、貫通孔２６の底面にはカソード電極層１１ｂが露出しているとともに、貫通孔２６の底面の近傍の貫通孔２６の側面には、触媒層５の側面が露出している。 In the structure shown in FIG. 16, the cathode electrode layer 11b is exposed on the bottom surface of the through hole 26, and the side surface of the catalyst layer 5 is on the side surface of the through hole 26 near the bottom surface of the through hole 26. Exposed.

次に、貫通孔２６内にカーボンナノチューブ２７を形成すると、図１７に示す構造が得られる。その後、カーボンナノチューブ２７をイオンビームエッチングによってエッチングする。このとき、イオンビームは、一方の側面２６ｃに向かって照射されるように、基板１０の主表面に対して垂直な方向と所定の交差角を有する方向に照射される。それにより、図１８に示すように、一方の側面２６ｃの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ｂは、他方の側面２６ｄの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ａよりも短くなる。また、他方の側面２６ｄの最下位置において露出する触媒層５の側面から延びるカーボンナノチューブ２７ａの先端は、ゲート電極層３ａの側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられる。したがって、貫通孔６の底面において露出する触媒層５が上方から見える状態が形成される。 Next, when the carbon nanotube 27 is formed in the through hole 26, the structure shown in FIG. 17 is obtained. Thereafter, the carbon nanotubes 27 are etched by ion beam etching. At this time, the ion beam is irradiated in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10 and a predetermined crossing angle so as to be irradiated toward the one side surface 26c. Thereby, as shown in FIG. 18, the carbon nanotubes 27b extending from the side surface of the catalyst layer 5 exposed at the lowermost position of the one side surface 26c are exposed from the side surface of the catalyst layer 5 exposed at the lowermost position of the other side surface 26d. It becomes shorter than the extending carbon nanotube 27a. The tip of the carbon nanotube 27a extending from the side surface of the catalyst layer 5 exposed at the lowermost position of the other side surface 26d is along a line L extending downward or obliquely downward from a position near the side surface of the gate electrode layer 3a. Are trimmed. Therefore, a state in which the catalyst layer 5 exposed at the bottom surface of the through hole 6 is seen from above is formed.

本実施の形態の電界電子放出装置によっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。 Also with the field electron emission device of the present embodiment, good electron emission characteristics can be obtained for the same reason as the field electron emission device of the first embodiment.

なお、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、イオンビームは、貫通孔２６の側面２６ｃに向かって照射される。そのため、貫通孔２６の側面２６ｃの近傍のカーボンナノチューブ２７ｂはエッチングによってかなり短くなるが、貫通孔２６の側面２６ｄの近傍のカーボンナノチューブ２７ａは、絶縁層２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔２６の側面２６ｄに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存する。 In the field electron emission device manufacturing method of the present embodiment, the ion beam is irradiated toward the side surface 26 c of the through hole 26. Therefore, the carbon nanotubes 27b in the vicinity of the side surface 26c of the through hole 26 are considerably shortened by etching, but the carbon nanotubes 27a in the vicinity of the side surface 26d of the through hole 26 are protected from the ion beam by the insulating layer 2. As a result, many carbon nanotubes extending along the side surface 26d of the through hole 26 remain.

実施の形態４．
次に、図１９〜図２８を用いて、本発明の実施の形態４の電界電子放出装置およびその製造方法を説明する。 Embodiment 4 FIG.
Next, a field electron emission device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法は、実施の形態１または２の電界電子放出装置の製造方法とほぼ同様である。ただし、本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法においては、触媒層５の代わりカーボンナノチューブペーストがカソード電極層１１ｂ上に形成されていることが実施の形態１または２の電界電子放出装置の製造方法と異なっている。カーボンナノチューブペーストは、ガラス粒子３９を含んでおり、たとえば、スクリーン印刷などの手法でカソード電極層１１ｂ上に塗布される。その後、カーボンナノチューブペーストは、安定な膜に改質されるように、２００℃から６００℃までの温度で焼成される。それにより、電子放出源を含む電子放出層としてカーボンナノチューブ層８が形成される。それにより得られた構造が図１９に示されている。なお、ガラス粒子３９は、加熱によって溶融した後、固化することによって、カーボンナノチューブ３７をカソード電極層１１ｂに付着している。 The method for manufacturing the field electron emission device of the present embodiment is substantially the same as the method for manufacturing the field electron emission device of the first or second embodiment. However, in the method of manufacturing the field electron emission device according to the present embodiment, the field electron emission device according to Embodiment 1 or 2 is that a carbon nanotube paste is formed on the cathode electrode layer 11b instead of the catalyst layer 5. It is different from the manufacturing method. The carbon nanotube paste includes glass particles 39 and is applied on the cathode electrode layer 11b by a technique such as screen printing. Thereafter, the carbon nanotube paste is baked at a temperature from 200 ° C. to 600 ° C. so as to be modified into a stable film. Thereby, the carbon nanotube layer 8 is formed as an electron emission layer including an electron emission source. The resulting structure is shown in FIG. The glass particles 39 are melted by heating and then solidified, thereby attaching the carbon nanotubes 37 to the cathode electrode layer 11b.

次に、カーボンナノチューブ層８および基板１０の主表面を覆うように絶縁層１２が形成される。それにより、図２０に示す構造が得られる。絶縁層１２の材料としては、感光性の絶縁ペーストが用いられてもよい。 Next, insulating layer 12 is formed to cover carbon nanotube layer 8 and the main surface of substrate 10. Thereby, the structure shown in FIG. 20 is obtained. As the material of the insulating layer 12, a photosensitive insulating paste may be used.

その後、図２１に示すように、遮光部５００を有するガラスマスク５１が準備される。ガラスマスク５１は、遮光部５００がカーボンナノチューブ層８の上方に位置するように絶縁層１２上に置かれる。次に、リソグラフィー法によって絶縁層１２に光が照射される。それにより、遮光部５００に覆われていない領域の絶縁層１２が変質する。その後、ガラスマスク５１が除去された状態で、現像が行なわれると、絶縁層１２のうち光が照射されずに変質していない部分がエッチングによって除去される。その結果、図２２に示すように、絶縁層１２に貫通孔３６ａが形成される。感光性ペーストが用いられれば、露光条件を変更することによって、貫通孔３６ａの断面形状をテーパー形状、長方形、および逆テーパー形状のいずれにも形成することができる。つまり、絶縁層１２の厚さ方向に延びる貫通孔３６ａは、カーボンナノチューブ層８に向かって除々に径または幅が大きくなっている。 Then, as shown in FIG. 21, the glass mask 51 which has the light-shielding part 500 is prepared. The glass mask 51 is placed on the insulating layer 12 so that the light shielding part 500 is located above the carbon nanotube layer 8. Next, the insulating layer 12 is irradiated with light by a lithography method. As a result, the insulating layer 12 in a region not covered with the light shielding portion 500 is altered. Thereafter, when development is performed in a state where the glass mask 51 is removed, a portion of the insulating layer 12 that is not irradiated with light and not deteriorated is removed by etching. As a result, as shown in FIG. 22, a through hole 36 a is formed in the insulating layer 12. If a photosensitive paste is used, the cross-sectional shape of the through hole 36a can be formed into any of a tapered shape, a rectangular shape, and a reverse tapered shape by changing the exposure conditions. That is, the diameter or width of the through hole 36 a extending in the thickness direction of the insulating layer 12 gradually increases toward the carbon nanotube layer 8.

その後、図２３に示すように、リソグラフィー技術を用いて、貫通孔３６内に埋め込まれるように、レジスト５２が形成される。次に、図２４に示すように、ゲート電極となる金属膜３３が、絶縁層１２の上面およびレジスト５２の上面を覆うように形成される。その後、有機溶剤またはレジスト剥離液などを用いて、図２４に示す構造が洗浄される。すなわち、リフトオフ工程が実行される。それにより、図２５に示すように、貫通孔３６ｂを有するゲート電極層３３ａが形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 23, a resist 52 is formed so as to be embedded in the through hole 36 by using a lithography technique. Next, as shown in FIG. 24, a metal film 33 to be a gate electrode is formed so as to cover the upper surface of the insulating layer 12 and the upper surface of the resist 52. Thereafter, the structure shown in FIG. 24 is cleaned using an organic solvent or a resist stripping solution. That is, a lift-off process is performed. Thereby, as shown in FIG. 25, a gate electrode layer 33a having a through hole 36b is formed.

次に、カーボンナノチューブの起毛処理が実行される。本実施の形態においては、図２６に示すように、起毛処理方法として粘着層を有する粘着テープ(樹脂テープ）１００を用いるピーリング法が実行される。図２６に示すように、図２５に示す構造を有するゲート電極層３３ａの上面および貫通孔３６の側面３６ｃに粘着層を有する柔らかい粘着テープ１００を密着させる。その後、粘着テープ１００を引き剥がす。それによって、カーボンナノチューブ層８の一部が剥ぎ取られる。その結果、図２７に示すように、カーボンナノチューブ３７が起毛する。 Next, the raising process of the carbon nanotube is performed. In the present embodiment, as shown in FIG. 26, a peeling method using an adhesive tape (resin tape) 100 having an adhesive layer is performed as a raising treatment method. As shown in FIG. 26, a soft adhesive tape 100 having an adhesive layer is adhered to the upper surface of the gate electrode layer 33a having the structure shown in FIG. Thereafter, the adhesive tape 100 is peeled off. Thereby, a part of the carbon nanotube layer 8 is peeled off. As a result, as shown in FIG. 27, the carbon nanotubes 37 are raised.

図２７に示す構造によれば、複数のカーボンナノチューブ３７とゲート電極層３３ａのとが接触するおそれがある。そのため、図２８に示すように、イオンビームエッチングによって、過剰な長さを有するカーボンナノチューブをエッチングし、所望の長さを有するカーボンナノチューブ３７ａを形成する。カーボンナノチューブ３７ａは、貫通孔３６ａの側面３６ｃに沿ってカーボンナノチューブ層８から上方へ延びる。ただし、カーボンナノチューブ層８の中央部には、短いカーボンナノチューブ３７ｂが残存する。 According to the structure shown in FIG. 27, the plurality of carbon nanotubes 37 and the gate electrode layer 33a may be in contact with each other. Therefore, as shown in FIG. 28, the carbon nanotubes having an excessive length are etched by ion beam etching to form carbon nanotubes 37a having a desired length. The carbon nanotube 37a extends upward from the carbon nanotube layer 8 along the side surface 36c of the through hole 36a. However, short carbon nanotubes 37 b remain in the center of the carbon nanotube layer 8.

なお、イオンビームは、基板１０の主表面に垂直な方向に照射される。そのため、貫通孔３６の側面３６ｃの近傍のカーボンナノチューブは、絶縁層１２によってイオンビームから保護される。その結果、貫通孔３６の側面３６ｃに沿って延びるカーボンナノチューブが多く残存する。 The ion beam is irradiated in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 10. Therefore, the carbon nanotubes near the side surface 36 c of the through hole 36 are protected from the ion beam by the insulating layer 12. As a result, many carbon nanotubes extending along the side surface 36c of the through hole 36 remain.

上記の本実施の形態の電界電子放出装置の製造方法によっても、複数のカーボンナノチューブ３７の先端がゲート電極層３３ａの近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインＬに沿って切り揃えられる。そのため、本実施の形態の電界電子放出装置によっても、実施の形態１の電界電子放出装置と同様の理由によって、良好な電子放出特性を得ることが可能である。 Also by the method of manufacturing the field electron emission device of the present embodiment, the tips of the plurality of carbon nanotubes 37 are aligned along the line L extending downward or obliquely downward from the position in the vicinity of the gate electrode layer 33a. . Therefore, even with the field electron emission device of the present embodiment, good electron emission characteristics can be obtained for the same reason as the field electron emission device of Embodiment 1.

上記各実施の形態においては、電子放出源として、カーボンナノチューブが用いられているが、電界効果を利用する電子放出源であれば、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、および金ワイヤなどの他の電子放出源が用いられてもよい。 In each of the above embodiments, carbon nanotubes are used as the electron emission source. However, if the electron emission source uses the field effect, for example, carbon nanowire, silicon wire, titanium wire, and gold wire are used. Other electron emission sources may be used.

今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

実施の形態１の電界電子放出装置の斜視図である。1 is a perspective view of a field electron emission device according to a first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a field electron emission device according to a first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing step for the field electron emission device of the first embodiment. 実施の形態１の他の例の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating a manufacturing step of the field electron emission device of another example of the first embodiment. 実施の形態１の他の例の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating a manufacturing step of the field electron emission device of another example of the first embodiment. 実施の形態２の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。11 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of the field electron emission device of the second embodiment. FIG. 実施の形態２の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。11 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of the field electron emission device of the second embodiment. FIG. 実施の形態２の電界電子放出装置の断面図である。It is sectional drawing of the field electron emission apparatus of Embodiment 2. 実施の形態２の他の例の電界電子放出装置の断面図である。12 is a cross-sectional view of a field electron emission device of another example of the second embodiment. FIG. 実施の形態３の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step for the field electron emission device of the third embodiment. 実施の形態３の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step for the field electron emission device of the third embodiment. 実施の形態３の電界電子放出装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a field electron emission device according to a third embodiment. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the field electron emission apparatus of Embodiment 4. FIG. 実施の形態４の電界電子放出装置の断面図である。It is sectional drawing of the field electron emission apparatus of Embodiment 4.

符号の説明Explanation of symbols

１電界電子放出装置、２，１２絶縁層、３，３３金属膜、３ａ，３ｂ，３３ａゲート電極層、５触媒層、６，６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂ，２６ａ，２６ｂ貫通孔、６ｃ，１６ｃ，２６ｃ，２６ｄ，３６ｃ側面、８カーボンナノチューブ層、７，７ａ，７ｂ，１７，１７ａ，１７ｂ，２７，２７ａ，２７ｂ，３７カーボンナノチューブ、１０基板、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄカソード電極層、３９ガラス粒子、５１ガラスマスク、５２レジスト、５００遮光部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Field electron emission device, 2,12 Insulating layer, 3,33 Metal film, 3a, 3b, 33a Gate electrode layer, 5 Catalyst layer, 6, 6a, 6b, 16a, 16b, 26a, 26b Through-hole, 6c, 16c , 26c, 26d, 36c side surface, 8 carbon nanotube layer, 7, 7a, 7b, 17, 17a, 17b, 27, 27a, 27b, 37 carbon nanotube, 10 substrate, 11a, 11b, 11c, 11d cathode electrode layer, 39 Glass particle, 51 glass mask, 52 resist, 500 light shielding part.

Claims

カソード電極層と、
カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、
前記触媒層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層には、前記カソード電極層に至る貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記触媒層の内側面から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。 A cathode electrode layer;
A conductive catalyst layer formed on the cathode electrode layer;
An insulating layer formed on the catalyst layer;
A gate electrode layer formed on the insulating layer,
The gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer are provided with through holes that reach the cathode electrode layer,
The through-hole gradually increases in width or diameter toward the cathode electrode layer at least in a portion penetrating the insulating layer,
In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the inner surface of the catalyst layer along the side surface of the through hole,
A field electron emission device in which tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

カソード電極層と、
前記カソード電極層上に形成された導電性の触媒層と、
前記触媒層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたゲート電極層とを備え、
前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層には、前記カソード電極層に至る貫通孔が設けられており、
前記貫通孔は、少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延びており、
前記貫通孔内においては、複数の電子放出源が前記触媒層の内側面から前記貫通孔の側面に沿って延びており、
前記複数の電子放出源の先端が前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えられた、電界電子放出装置。 A cathode electrode layer;
A conductive catalyst layer formed on the cathode electrode layer;
An insulating layer formed on the catalyst layer;
A gate electrode layer formed on the insulating layer,
The gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer are provided with through holes that reach the cathode electrode layer,
The through hole extends in an oblique direction toward the main surface of the cathode electrode layer at least in a portion penetrating the insulating layer,
In the through hole, a plurality of electron emission sources extend from the inner surface of the catalyst layer along the side surface of the through hole,
A field electron emission device in which tips of the plurality of electron emission sources are aligned along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

前記複数の電子放出源はカーボンナノチューブである、請求項１または２に記載の電界電子放出装置。 Wherein the plurality of electron emission sources are carbon nanotubes, field electron emission device according to claim 1 or 2.

カソード電極層上に導電性の触媒層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記触媒層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層に向かって除々に幅または径が大きくなり、かつ、前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層を貫通して前記カソード電極層に至る貫通孔を形成するステップと、
前記触媒層の内側面から延びる複数の電子放出源を形成するステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。 Forming a conductive catalyst layer on the cathode electrode layer;
Forming an insulating layer so as to cover the cathode electrode layer and the catalyst layer;
Forming a gate electrode layer on the insulating layer;
A width or diameter gradually increases toward the cathode electrode layer at least in a portion that penetrates the insulating layer, and penetrates through the gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer to reach the cathode electrode layer. Forming a hole;
Forming a plurality of electron emission sources extending from the inner surface of the catalyst layer;
And a step of trimming the tips of the plurality of electron emission sources along a line extending downward or obliquely downward from a position in the vicinity of the inner side surface of the gate electrode.

カソード電極層上に導電性の触媒層を形成するステップと、
前記カソード電極層および前記触媒層を覆うように絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップと、
少なくとも前記絶縁層を貫通する部分において前記カソード電極層の主表面に向かって斜め方向に延び、かつ、前記ゲート電極層、前記絶縁層および前記触媒層を貫通して前記カソード電極層に至る貫通孔を形成するステップと、
前記触媒層の内側面から延びるように複数の電子放出源を形成するステップと、
前記複数の電子放出源の先端を前記ゲート電極層の内側面の近傍の位置から下方または斜め下方に向かって延びるラインに沿って切り揃えるステップとを備えた、電界電子放出装置の製造方法。 Forming a conductive catalyst layer on the cathode electrode layer;
Forming an insulating layer so as to cover the cathode electrode layer and the catalyst layer;
Forming a gate electrode layer on the insulating layer;
A through hole extending obliquely toward the main surface of the cathode electrode layer at least in a portion penetrating the insulating layer and penetrating the gate electrode layer, the insulating layer, and the catalyst layer to reach the cathode electrode layer Forming a step;
Forming a plurality of electron emission sources so as to extend from the inner surface of the catalyst layer;
And a step of trimming the tips of the plurality of electron emission sources along a line extending downward or obliquely downward from a position near the inner surface of the gate electrode layer.

前記複数の電子放出源はカーボンナノチューブである、請求項４または５に記載の電界電子放出装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a field electron emission device according to claim 4 , wherein the plurality of electron emission sources are carbon nanotubes.