專利名稱：場致發(fā)射裝置及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及可有效地使電場集中放出電子從而采用低驅(qū)動電壓實現(xiàn)高發(fā) 射電流密度的場致發(fā)射裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，巳提出多種利用碳納米管的電子裝置。這種技術(shù)已在后述 的文獻中公開。
專利文獻1中，公開了一種技術(shù)，其是在基板上設置帶開孔的膜片，然 后供給催化劑物質(zhì)使其負載于基板上，由此生長而形成碳納米管。
因此，可以考慮，把帶空孔的導體作為柵極層、導體基板作為陰極層、 碳納米管作為發(fā)射極利用，從而能夠形成場致發(fā)射裝置。
現(xiàn)有技術(shù)中，在利用碳納米管的場致發(fā)射裝置中，為了支撐碳納米管本 身，通常使其直徑變粗。
專利文獻1 JP特開2006—035379號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，當用粗的碳納米管作為發(fā)射極時，電場集中的程度變低，驅(qū)動電 壓變高，另外，作為發(fā)射極的碳納米管的安裝密度低，每根碳納米管的電流 量增加，因此，碳納米管本身被破壞的可能性增高，從而必需更加增粗碳納 米管，也就陷入了惡性循環(huán)。
另一方面，采用專利文獻1中公開的技術(shù)，由于能夠形成細的碳納米管， 因而可以有效引起電場集中，但是，從發(fā)射極放出的電子量往往較少。
因此，強烈尋求利用細碳納米管有效引起電場集中并且也盡可能多地放 出電子量。
本發(fā)明是為了解決上述課題而作出的發(fā)明，其目的是提供一種可有效使 電場集中放出電子從而采用低驅(qū)動電壓實現(xiàn)高發(fā)射電流密度的場致發(fā)射裝置 及其制造方法。作為本發(fā)明的一個方面的場致發(fā)射裝置，其包括由導電體構(gòu)成的陰極層、 在陰極層上配置的絕緣層、絕緣層上配置的設置了狹縫的導電體構(gòu)成的柵極 層、發(fā)射極，并以如下述方式構(gòu)成。
艮口，絕緣層設置有從該狹縫至陰極層中與該狹縫相對的對向區(qū)域的空隙。 另一方面，發(fā)射極由該對向區(qū)域上配置的多根碳納米管絡合而成的結(jié)構(gòu) 體所構(gòu)成。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可構(gòu)成為，該多根碳納米管的一部分或 全部，從該對向區(qū)域向該狹縫延伸，該結(jié)構(gòu)體的大致形狀為山脈狀、刷子狀、 樹列狀、或帶形草坪狀。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可構(gòu)成為，該碳納米管為單層碳納米管、
2層碳納米管或3層碳納米管。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可構(gòu)成為，該狹縫的寬度為0.1 um 3 u m，該狹縫的長度為10 u m 500 P m，該絕緣層的厚度為0.03 u m 10 u m， 該碳納米管的直徑為0.4nm 10nm，該碳納米管在該對向區(qū)域上的數(shù)量密度 為每1^1112是102根 105根。
另外，在本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可構(gòu)成為，該狹縫平行設置有多個， 該多個狹縫的間隔為lum 1000um。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可構(gòu)成為，在發(fā)射極與陰極層之間，還 具有促進該碳納米管生長的催化劑層，為了抑制該催化劑層與該陰極層的合 金化，還具有負載該催化劑層的催化劑載體層。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置，可以如下述方式構(gòu)成。
艮口，陰極層，由Mo、 W、 Ta、 MoW、 MoTa、 Cr、其他金屬或合金、TaSix、 MoSix、 WSix、 CrSix、其他金屬硅化物、TiN、 TaN、其他金屬氮化物、n型 或p型的摻雜多晶硅形成的單層結(jié)構(gòu)形成?；蛘?，由這些單層結(jié)構(gòu)與Al或 Cu的層壓結(jié)構(gòu)形成或由這些單層結(jié)構(gòu)與Al或Cu的包層結(jié)構(gòu)形成。
另外，柵極層，由Mo、 W、 Ta、 MoW、 MoTa、 Cr、其他金屬或合金、 TaSix、 MoSix、 WSix、 CrSix、其他金屬硅化物、TiN、 TaN、其他金屬氮化物 形成的單層結(jié)構(gòu)形成?；蛘撸蓪型或p型的摻雜多晶硅的一部分進行硅 化而成的積層結(jié)構(gòu)形成。
另夕卜，催化劑載體層由含Si、 Al、 Mg、 O、 N、 C中的任何一種以上的元素的物質(zhì)形成。
另外，催化劑層由鈷、鐵、鎳、鉬、或含這些的混合物形成。
另外，絕緣層由SiO,、 SiOxNy、 SiK的單層結(jié)構(gòu)或這些的積層結(jié)構(gòu)形成。
本發(fā)明的另一方面的場致發(fā)射裝置的制造方法，具有陰極層成膜工序、 絕緣層成膜工序、柵極層成膜工序、狹縫工序、空隙工序、發(fā)射極形成工序，
如下述方式構(gòu)成。
艮口，在陰極層成膜工序，在基板上形成由導電體構(gòu)成的陰極層的膜。 另外，在絕緣層成膜工序，在成膜的陰極層上形成由絕緣體構(gòu)成的絕緣
層的膜。
另外，在柵極層成膜工序，在成膜的絕緣層上形成由導電體構(gòu)成的柵極
層的膜。
另外，在狹縫工序，在成膜的柵極層上設置狹縫。
另外，在空隙工序，通過設置的狹縫除去絕緣層而設置空隙，以使陰極 層的與該狹縫相對向的對向區(qū)域露出。
另外，在發(fā)射極形成工序，在該對向區(qū)域上，形成由多根碳納米管絡合 而成的結(jié)構(gòu)體所構(gòu)成的發(fā)射極。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，可構(gòu)成為，在發(fā)射極形成工 序，該多根碳納米管的一部分或全部，從該對向區(qū)域向該狹縫延伸，該結(jié)構(gòu) 體的大致形狀為山脈狀、刷子狀、樹列狀、或帶形草坪狀。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，可構(gòu)成為，該碳納米管由供 給碳的化學氣相生長法形成，設定該碳源的供給濃度及供給時間使該碳納米
管為單層碳納米管、2層碳納米管或3層碳納米管。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，可構(gòu)成為，該狹縫的寬度為 0.1pm 3um，該狹縫的長度為10um 500um，該絕緣層的厚度為0.03 um 10um，該碳納米管的直徑為0.4nm 10nm，該碳納米管在該對向區(qū)域 上的數(shù)量密度為每1 u 1112是102根 105根。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，可構(gòu)成為，該狹縫平行設置 有多個，該多個狹縫的間隔為lum 1000um。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置制造方法，可構(gòu)成為，該狹縫，是通過在 該柵極層上形成保護膜層，通過平板印刷(lithography)、壓型(stamp)、
8刻痕(scratch)或形成龜裂，在該保護膜層上形成圖案，通過該圖案，蝕刻 該柵極層而形成。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，還具有催化劑載體層工序、 催化劑層工序，如下述方式構(gòu)成。
艮P，在催化劑載體層工序中，在該對向區(qū)域露出后，通過該狹縫，在該 對向區(qū)域上形成催化劑載體層。
另外，在催化劑層工序，通過該狹縫，在該催化劑載體層上形成促進該 碳納米管生長的催化劑層，使負載在該催化劑載體層上。
由此，催化劑載體層抑制該催化劑層與該陰極層的合金化。
另外，本發(fā)明的場致發(fā)射裝置的制造方法，可構(gòu)成為，陰極層與柵極層 采用供給鉬的濺射法形成，催化劑載體層采用供給氧化鋁的濺射法形成，催 化劑層采用供給鈷的濺射法形成，絕緣層采用供給氧化硅的化學氣相生長法 形成。
按照本發(fā)明，能夠提供一種可有效地使電場集中放出電子從而采用低驅(qū) 動電壓實現(xiàn)高發(fā)射電流密度的場致發(fā)射裝置及其制造方法。


圖1是表示本發(fā)明一實施方式的場致發(fā)射裝置的形狀的立體圖。 圖2是該場致發(fā)射裝置的剖面圖。
圖3A是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(a)的剖面圖。 圖3B是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(b)的剖面圖。 圖3C是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(c)的剖面圖。 圖3D是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(d)的剖面圖。 圖3E是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(e)的剖面圖。 圖3F是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(f)的剖面圖。 圖3G是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(g)的剖面圖。 圖3H是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(h)的剖面圖。 圖3I是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(i)的剖面圖。 圖3J是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(j)的剖面圖。 圖3K是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(k)的剖面圖。圖3L是表示制造場致發(fā)射裝置過程中的步驟(1)的剖面圖。
圖4是表示場致發(fā)射裝置的樣品A的電子顯微鏡照片的說明圖。
圖5是表示場致發(fā)射裝置的樣品B的電子顯微鏡照片的說明圖。
圖6是表示場致發(fā)射裝置的樣品C的電子顯微鏡照片的說明圖。
圖7是表示場致發(fā)射裝置的樣品D的電子顯微鏡照片的說明圖。
圖8是表示場致發(fā)射裝置的樣品A D的柵極電壓與發(fā)射極(陽極)的
電流密度的關(guān)系的圖。
圖9是表示場致發(fā)射裝置的樣品A C用作場致發(fā)射顯示器的發(fā)光狀態(tài)
的說明圖。
圖10是表示場致發(fā)射裝置的樣品B、樣品E中的柵極電壓與發(fā)射極(陽 極)的電流密度的關(guān)系的圖。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的實施方式。下面說明的實施方式是用于說明本發(fā)明， 而不是限定本發(fā)明的范圍。因此，只要是本領域技術(shù)人員，就能夠采用對這 些各要素或全部要素進行了等同替代的實施方式，從而這些實施方式也包含 在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實施例1
圖1是表示本發(fā)明一實施方式的場致發(fā)射裝置的形狀的立體圖，圖2是 該場致發(fā)射裝置的剖面圖。下面參照這些圖進行說明。
如這些圖所示，場致發(fā)射裝置101具有陰極層102、絕緣層103、柵極層 104、發(fā)射極105。
陰極層102及柵極層104具有由鉬等導電體構(gòu)成的薄膜平板狀的形狀， 兩者間夾持由氧化硅等絕緣體構(gòu)成的絕緣層103。
當用鉬等作為陰極層102時，通常在帶氧化膜的硅基板或玻璃板等基板 121上形成導電體薄膜。但是，作為陰極層102也可使用具有導電性的摻雜
硅基板本身。
在柵極層104上設置狹縫106，從該狹縫106至陰極層102之間的絕緣 層103上設置空隙107?？障?07的形狀，為了容易理解，在該圖中描繪成了斜面狀(以下，與 此同樣)，但是，通常也可構(gòu)成為以狹縫106為中心形成半圓柱狀、半圓錐 狀(魚糕狀)、長方體狀等形狀。這些形狀，可通過蝕刻中采用的方法及其 條件加以適當選擇。
發(fā)射極105，由多根碳納米管絡合而成的結(jié)構(gòu)體所構(gòu)成，該碳納米管是 單層碳納米管、2層碳納米管或3層碳納米管等細的結(jié)構(gòu)。
該發(fā)射極105，配置在陰極層102中相對空隙107露出的處于與狹縫106 相對向的對向區(qū)域108上。其大致形狀是，細碳納米管互相支撐并且其突端 的-部分象荊棘一樣向外部突出。
典型地說，是把陰極層102表面視為平原時的山脈狀，或是把陰極層102 表面視為平地時的生長出的樹列狀或帶形草坪狀，或是刷子的毛部分在平面 上帶狀生長的形狀。下面，把這些形狀、結(jié)構(gòu)稱作"荊棘狀結(jié)構(gòu)"。在本圖 中，表示出該荊棘狀結(jié)構(gòu)的大致形狀為山脈狀。
在該圖中，狹縫106僅示出1個，但是，當在場致發(fā)射裝置101用作場 致發(fā)射顯示器(Field Emission Display)用元件時，平行地等間隔(例如，1 um 1000Pm間隔)配置多個同樣寬度(例如，0.1um 3um)、同樣長 度(例如，10um 500um)的狹縫106，荊棘結(jié)構(gòu)的碳納米管形成的發(fā)射 極105從分別與該狹縫106對向的對向區(qū)域108向狹縫106的方向延伸。
絕緣層103的厚度，典型地為0.03um 10um，構(gòu)成發(fā)射極105的碳納 米管為單層 3層，其直徑典型地為0.4nm 10nm。另外，該碳納米管在該 對向區(qū)域上的數(shù)量密度為每1 un^是102根 105根。
為了使構(gòu)成發(fā)射極105的碳納米管以上述數(shù)量密度生長，在發(fā)射極105 與陰極層102之間配置由鉬、鈷、鐵或鎳等過渡金屬構(gòu)成的催化劑層112。 作為催化劑層112中使用的催化劑，鈷一鉬或鐵一鉬的二元體系是特別有效 的，但不限于此，還可以采用含上述過渡金屬的混合物。
另外，為了抑制催化劑層112與陰極層102的合金化，以及為了負載該 催化劑層112，配置催化劑載體層lll。
催化劑載體層111，由含有Si、 Al、 Mg、 O、 N、 C中的任何一種以上 元素的物質(zhì)形成，例如，由A1(X或鋁硅酸鹽(A10x及SiC^的復合氧化物) 等形成。
ii現(xiàn)有技術(shù)的場致發(fā)射裝置中，在柵極層上形成圓孔，使多根碳納米管向 著該孔豎立，制成發(fā)射極。由此，由于碳納米管直徑變粗，電場集中效率變 差，驅(qū)動電壓升高，為此必需更加增粗碳納米管直徑，從而陷入惡性循環(huán)。
在本實施方式中，由于細碳納米管互相絡合、支撐，向著狹縫106形成 荊棘狀結(jié)構(gòu)，因此，能夠使發(fā)射極105的各前端變細，形成極尖銳的尖端。 因此，可有效地謀求電場集中，例如，用作FED時，可降低驅(qū)動電壓。
另外，形成發(fā)射極105的碳納米管，通過使催化劑層112以適當?shù)拿芏?分布，在短時間(典型的為幾秒左右)內(nèi)自行進行有組織性地排列生長，因 此，制造容易。
另外，在現(xiàn)有技術(shù)的場致發(fā)射裝置中，為了于柵極層上設置圓孔，不得 不使用平版印刷(l池ogmphy)等昂貴的圖案形成技術(shù)，在本實施方式中， 在形成狹縫106時，當然可用平版印刷，但也可采用壓型(stamp)、刻痕 (scratch)或形成龜裂等機械圖案形成技術(shù)，可降低制造成本。與在現(xiàn)有技術(shù)中提出的在柵極層上形成孔并在其下以點狀配置發(fā)射極的 方法相比，本實施方式中，通過在柵極層104上形成狹縫106并在其下以直 線狀配置發(fā)射極105，可大大提高發(fā)射極105的安裝密度。因此，其結(jié)果是， 可大大提高發(fā)射電流。通過實驗可知，發(fā)射極105的安裝密度，至少能夠提 高2位數(shù)左右。
在本實施方式中，采用可有效引起電場集中的細碳納米管構(gòu)成發(fā)射極 105，因而能夠以直線狀配置發(fā)射極105?，F(xiàn)有技術(shù)中的粗碳納米管，由于電 場集中不充分，不適于直線狀配置。
下面，對一例本實施方式的場致發(fā)射裝置101的制造方法，進行詳細說 明。以下所示的各種數(shù)值規(guī)格，可根據(jù)用途加以適當變更、調(diào)整。
圖3A 圖3L是表示制造場致發(fā)射裝置101的過程中的步驟(a) (1) 的剖面圖。下面參照該圖進行說明。
首先，在步驟(a)，作為為了形成場致發(fā)射裝置IOI的基板121，準備 玻璃板或帶氧化膜的硅基板(圖3A)。
接下來，在步驟(b)，在該基板121上，用濺射法使鉬形成約100nm 厚的膜，形成陰極層102 (圖3B)。
接下來，在步驟(c)，用CVD法使氧化硅形成l"m厚的膜，形成絕緣層103 (圖3C)。
接下來，在步驟(d)，用濺射法使鉬形成約100nm厚的膜，形成柵極 層104 (圖3D)。
接下來，在步驟(e)，涂布用于形成圖案的保護膜，形成保護膜層301 (圖3E)，在步驟(f)，采用電子束蝕刻法或光刻法(photol池ography) 等，在保護膜層301上形成圖案302 (圖3F)。
通常，狹縫106為多個時，相應地圖案302也為多個。圖案302的狹縫 寬度，在本實施方式中為0.1um 0.5um，圖案302的彼此間隔為5 u m， 但在該圖中，僅顯示圖案302為l個的狀態(tài)。
接下來，在步驟(g)，采用磷酸、醋酸、硝酸的混合液，進行柵極層 104的蝕刻，形成狹縫106 (圖3G)。
在狹縫106的形成中，除實施從保護膜層301的涂布至蝕刻為止的處理 外，如上所述，還可以采用壓型或刻痕等機械的成圖方法。
接下來，在步驟(h)，采用氫氟酸水溶液，進行絕緣層103的蝕刻，形 成空隙107 (圖3H)。
接下來，在步驟(i)，用濺射法使氧化鋁形成約10nm厚的膜，在陰極 層102相對空隙107露出的對向區(qū)域108上，形成催化劑載體層lll(圖31)。 此時，在保護膜層301上，也形成相同厚度的氧化鋁層303。
然后，在步驟(j)，采用剝離液剝離保護膜層301及保護膜層301上的 氧化鋁層303 (圖3J)。
接下來，在步驟(k)，通過狹縫106，用濺射法供給鈷，在催化劑載體 層lll的表面形成厚度lnm的膜，形成催化劑層112 (圖3K)。
催化劑載體層111，能防止催化劑層112與陰極層102合金化，并且在 催化劑層112上生長碳納米管時具有進一步促進其生長的作用。
在柵極層104上也形成有催化劑層，由于在其間不存在催化劑載體層， 故該催化劑層與柵極層104發(fā)生合金化。因此，即使催化劑層在柵極層104 上進行了形成，也能喪失其作用。
其中，保護膜層301及氧化鋁層303的剝離以及催化劑層112的形成的 順序可以更換。
然后，在步驟(1)，采用供給乙醇等碳源的CVD處理，從催化劑層112使碳納米管生長，形成發(fā)射極105 (圖3L)。作為驅(qū)動CVD裝置的條件的 例子，可以舉出，在催化劑還原時，在氣壓20托里拆利(約2670Pa)、氣 溫800。C下最大供給10分鐘氫氣與氬氣的混合體；在碳納米管生長時，在氣 壓30托里拆利(約4000Pa)、氣溫800。C下最大供給1分鐘乙醇與氬氣的混合體。
由此，可以制造場致發(fā)射裝置101。上述制造條件，可以進行變更，其 各種變形例也包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
例如，各構(gòu)件的材料可考慮采用以下的方案。
首先，作為陰極層102或柵極層104，可以采用Mo、 W、 Ta、 MoW、 MoTa、 Cr等金屬或合金；n型或p型的摻雜多晶硅；TaSix、 MoSix、 WSix、 CrSix等金屬硅化物；TiN、 TaN等金屬氮化物。該兩層，也可采用不同的材料。
其次，作為陰極層102，典型的是采用上述材料的單層結(jié)構(gòu)，但當面板 (panel)大型化而電阻成為問題時，也可采用低溫工藝制造場致發(fā)射裝置 101。此時，作為陰極層102，也可采用上述相同的材料與Al或Cu的積層結(jié) 構(gòu)，或上述相同的材料與Al或Cu的包層結(jié)構(gòu)。所謂"包層結(jié)構(gòu)"，是指用 上述材料被覆Al或Cu的表面而賦予耐藥品性等的結(jié)構(gòu)。
另外，作為柵極層104，也可使用對多晶硅的一部分進行硅化而成的物 質(zhì)。這是由于在為了形成催化劑層112而散布Co、 Ni、 Mo、 Fe等時，柵 極的硅的一部分會變成CoSix、 NiSix、 MoSix、 FeSix，從而電阻降低。
由此，當采用多晶硅形成柵極層104時，在形成催化劑層112時產(chǎn)生自 對準(self align)，因此，柵極層104必然形成與硅化物的積層結(jié)構(gòu)。此時， 具有能夠謀求低電阻的優(yōu)點，根據(jù)面板尺寸，柵極層104也可不制成整體為 一張的層狀而通過組合構(gòu)件與配線來構(gòu)成。
此外，作為絕緣層103，不僅可采用如上述的Si(X而且也可采用SiOxNy、 SiNx或這些的積層結(jié)構(gòu)等的含有Si、 C、 O、 N中的任何一種以上的元素的絕 緣體。
實驗例
下面，對通過實驗確定的采用各種制造條件制造的場致發(fā)射裝置101的性能的結(jié)果進行說明。實驗，通過制造A E5種場致發(fā)射裝置101來進行。
在場致發(fā)射裝置101的柵極層104上，在2mmX2mm區(qū)域上，配置寬 0.5 um、間隔5pm、長度約0.5mm的狹縫106。
用氧化硅形成的絕緣層103的厚度為1 y m，用鉬形成的柵極層104的厚 度為120nm，用氧化鋁形成的催化劑載體層111的厚度為10nm，催化劑層 U2使用鈷。
A E5種場致發(fā)射裝置的各規(guī)格如下所示。 (樣品A)陰極層102為硅基板，催化劑層112的厚度為lnm， CVD時 間15秒，CVD溫度700。C。
(樣品B)陰極層102為硅基板，催化劑層112的厚度為lnm， CVD時 間5秒，CVD溫度800 °C。
(樣品C)陰極層102為硅基板，催化劑層112的厚度為1.2nm， CVD 時間5秒，CVD溫度800°C 。
(樣品D)陰極層102為硅基板，催化劑層112的厚度為lnm， CVD時 間15秒，CVD溫度800。C。
(樣品E)陰極層102為帶氧化膜的硅基板上形成厚度140 nm的鉬膜， 催化劑層112的厚度為lnm， CVD時間5秒，CVD溫度800°C。
圖4、圖5、圖6、圖7是表示用上述各規(guī)格制造的場致發(fā)射裝置101的 電子顯微鏡照片的說明圖。下面，參照該圖進行說明。圖4、圖5、圖6、圖 7分別表示樣品A、 B、 C、 D。
如這些照片所示，碳納米管互相絡合形成荊棘狀結(jié)構(gòu)，其外形為刷子狀、 山脈狀、草坪狀或樹列狀等形狀。
另夕卜，特別是從圖6、圖7可知，空隙107的形狀為以狹縫106為中心 軸而形成的半圓柱狀或半圓錐狀(魚糕狀)。
圖8是表示樣品A D的柵極電壓與發(fā)射極(陽極)的電流密度之間的 關(guān)系的圖。下面參照該圖進行說明。該圖橫軸為陰極層102與柵極層104之 間施加的柵極電壓(Gate Voltage)，縱軸為從發(fā)射極105放出電子而流動的 陽極電流密度(Anode Current Density)。
從該圖可知，樣品A及樣品B與樣品C及樣品D相比，作為場致發(fā)射 裝置的性能高。另外，在樣品B中，相對于柵極電壓70V，可以得到陽極電流密度 lmA/cm1勺優(yōu)良數(shù)值。
圖9是表示樣品A C用作場致發(fā)射顯示器的發(fā)光狀態(tài)的說明圖。下面參 照該圖進行說明。
如該圖所示，對樣品A施加25V及對樣品B施加20V時，同樣地開始 發(fā)光，特別是樣品B可以見到良好的發(fā)光現(xiàn)象。
圖IO是表示樣品B、樣品E中的柵極電壓與發(fā)射極(陽極)的電流密度 之間的關(guān)系的圖。下面，參照該圖進行說明。該圖表示，陰極層102與柵極 層104之間施加的柵極電壓(Gate Voltage)(橫軸)與從發(fā)射極105放出電 子而流動的陽極電流密度(Anode Current Density)(縱軸)之間的關(guān)系。
在本實驗中，柵極層104與陽極電極之間的間隔為150^m、柵極電壓在 0V 70V之間變化，陽極電壓(陰極層102與陽極電極之間的電壓)為300V， 真空度為1X10—5Pa。
當比較本圖所示的例子與樣品B時，發(fā)射開始電壓降低至15V，并且相 同柵極電壓時的陽極電流密度提高。
因此，本實施例的場致發(fā)射裝置IOI的性能良好，可通過該實驗獲知。
另夕卜，本申請主張以2008年3月31日在日本國提出的發(fā)明專利申請JP 特愿2008—089078號為基礎的優(yōu)先權(quán)，在申請國法令允許的范圍內(nèi)，該基礎 申請的內(nèi)容全部包括在本申請內(nèi)。
工業(yè)實用性
按照本發(fā)明，能夠提供一種可有效使電場集中放出電子從而采用低驅(qū)動 電壓實現(xiàn)高發(fā)射電流密度的場致發(fā)射裝置及其制造方法。
權(quán)利要求
1.一種場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于，具有由導電體構(gòu)成的陰極層(102)、在上述陰極層(102)上配置的絕緣層(103)、上述絕緣層(103)上配置的由設置有狹縫(106)的導電體構(gòu)成的柵極層(104)，其中，上述絕緣層(103)設置有從該狹縫(106)至上述陰極層(102)中與該狹縫(106)相對向的對向區(qū)域(108)的空隙(107)，并且，還具有由在該對向區(qū)域(108)上配置的多根碳納米管絡合而成的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的發(fā)射極(105)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于， 該多根碳納米管的一部分或全部，從該對向區(qū)域(108)向該狹縫(106)延伸，該結(jié)構(gòu)體的大致形狀為山脈狀、刷子狀、樹列狀或帶形草坪狀。
3. 按照權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于，該碳納 米管為單層碳納米管、2層碳納米管或3層碳納米管。
4. 按照權(quán)利要求3所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于， 該狹縫(106)的寬度為0.1um 3um，該狹縫(106)的長度為10um 500um， 該絕緣層(103)的厚度為0.03um 10um, 該碳納米管的直徑為0.4nm 10nm，該碳納米管在該對向區(qū)域(108)上的數(shù)量密度為每1 y r^是102根 105根。
5. 按照權(quán)利要求4所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于， 該狹縫(106)平行設置有多個，該多個狹縫(106)的間隔為lum 1000um。
6. 按照權(quán)利要求3所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于， 在上述發(fā)射極(105)與上述陰極層(102)之間，還具有促進該碳納米管生長的催化劑層(112)，還具有為抑制該催化劑層(112)與該陰極層(102)的合金化而負載該催化劑層(112)的催化劑載體層(111)。
7. 按照權(quán)利要求6所述的場致發(fā)射裝置(101)，其特征在于， 上述陰極層(102)，由Mo、 W、 Ta、 MoW、 MoTa、 Cr、其他金屬或合金、TaSix、 MoSix、 WSix、 CrSix、其他金屬硅化物、TiN、 TaN、其他金屬 氮化物、n型或p型的摻雜多晶硅形成的單層結(jié)構(gòu)形成，或者由這些與A1或 Cu的積層結(jié)構(gòu)形成，或者由這些與Al或Cu的包層結(jié)構(gòu)形成；上述柵極層(104)，由Mo、 W、 Ta、 MoW、 MoTa、 Cr、其他金屬或 合金、TaSix、 MoSix、 WSix、 CrSix、其他金屬硅化物、TiN、 TaN、其他金屬 氮化物形成的單層結(jié)構(gòu)形成，或者由對n型或p型的摻雜多晶硅的一部分進 行硅化而成的積層結(jié)構(gòu)形成；上述催化劑載體層(111)由含Si、 Al、 Mg、 O、 N、 C中的任何一種以 上的元素的物質(zhì)形成；上述催化劑層(112)由鈷、鐵、鎳、鉬、或含這些的混合物形成；上述絕緣層(103)由SiOx、 SiOxNy、 SiNx的單層結(jié)構(gòu)或這些的積層結(jié)構(gòu) 形成。
8. —種場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在于，具有 在基板上形成由導電體構(gòu)成的陰極層(102)的膜的陰極層成膜工序； 在上述成膜的陰極層(102)上形成由絕緣體構(gòu)成的絕緣層(103)的膜的絕緣層成膜工序；在上述成膜的絕緣層(103)上形成由導電體構(gòu)成的柵極層(104)的膜的柵極層成膜工序；在上述成膜的柵極層(104)上設置狹縫(106)的狹縫工序； 通過上述設置的狹縫(106)，除去上述絕緣層(103)而設置空隙(107)，以使上述陰極層(102)的與該狹縫(106)相對向的對向區(qū)域(108)露出的空隙工序；在該對向區(qū)域(108)上，形成由多根碳納米管絡合而成的結(jié)構(gòu)體形成的 發(fā)射極(105)的發(fā)射極形成工序。
9. 按照權(quán)利要求8所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在 于，在上述發(fā)射極形成工序中，使該多根碳納米管的一部分或全部從該對向 區(qū)域(108)向該狹縫(106)延伸，使該結(jié)構(gòu)體的大致形狀成為山脈狀、刷子狀、樹列狀或帶形草坪狀。
10. 按照權(quán)利要求9所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在于，該碳納米管由供給碳的化學氣相生長法形成，設定該碳源的供給濃度及供給時間，以使該碳納米管形成單層碳納米管、 2層碳納米管或3層碳納米管。
11. 按照權(quán)利要求9所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在于，該狹縫(106)的寬度為0.1um 3um， 該狹縫(106)的長度為10tim 500um， 該絕緣層(103)的厚度為0.03nm 10ym， 該碳納米管的直徑為0.4nm 10nm，該碳納米管在該對向區(qū)域(108)上的數(shù)量密度為每1 U 1112是102根 105根。
12. 按照權(quán)利要求11所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在于，該狹縫(106)平行設置有多個，該多個狹縫(106)的間隔為lum 1000ym。
13. 按照權(quán)利要求11所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征 在于，在該柵極層(104)上形成保護膜層，通過平板印刷、壓型、刻痕或形成 龜裂在該保護膜層上形成圖案(302)，然后，通過該圖案(302)蝕刻該柵 極層(104)，由此，在該柵極層(104)上形成該狹縫(106)。
14. 按照權(quán)利要求10所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征 在于，還具有在該對向區(qū)域(108)露出后，通過該狹縫(106)，在該對向區(qū)域(108) 上形成催化劑載體層(111)的催化劑載體層工序；通過該狹縫(106)，在該催化劑載體層(111)上形成促進該碳納米管 生長的催化劑層(112)，從而負載在該催化劑載體層(111)上的催化劑層 工序，其中，催化劑載體層(111)抑制該催化劑層(112)與該陰極層(102)的合金化。
15.按照權(quán)利要求14所述的場致發(fā)射裝置(101)的制造方法，其特征在于，上述陰極層(102)與上述柵極層(104)采用供給鉬的濺射法形成； 上述催化劑載體層(111)采用供給氧化鋁的濺射法形成； 上述催化劑層(112)采用供給鈷的濺射法形成； 上述絕緣層(103)采用供給氧化硅的化學氣相生長法形成。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種可有效使電場集中放出電子從而采用低驅(qū)動電壓實現(xiàn)高發(fā)射電流密度的場致發(fā)射裝置(101)，該裝置具有由導電體構(gòu)成的陰極層(102)、在陰極層上配置的絕緣層(103)、絕緣層(103)上配置的由設置有狹縫(106)的導電體構(gòu)成的柵極層(104)及發(fā)射極(105)，其中，絕緣層(103)設置有從該狹縫(106)至上述陰極層(102)中與該狹縫(106)相對向的對向區(qū)域(108)的空隙(107)，發(fā)射極(105)由在該對向區(qū)域(108)上配置的多根典型的單層～3層的細碳納米管絡合的具有荊棘狀尖端的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成。
文檔編號H01J1/304GK101552166SQ200910132528
公開日2009年10月7日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者古市考次, 杉目恒志, 白鳥洋介, 辻佳子, 野田優(yōu) 申請人:國立大學法人東京大學;大日本網(wǎng)屏制造株式會社