(57)【要約】【課題】陽極酸化工程を用いて電界放出素子の大面積上でも一定の大きさと配列とを有するナノメートルサイズのゲート孔を形成して、電界放出チップと電極との間隔を縮めることで、低い電圧でも駆動可能になる３極構造の電界放出素子を提供する。【解決手段】３極構造を有する電界放出素子は、陽極酸化工程を用いて製造される。電界放出素子は支持層と、素子の陰極として用いられる下部電極層と、複数の第１サブマイクロ孔を有するゲート絶縁層と、第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を有するゲート電極層と、第２サブマイクロ孔の対応するものにそれぞれ連結されている複数の第３サブマイクロ孔を有する陽極絶縁層と、素子の陽極として用いられ、真空状態で素子を密閉する上部電極層と、第１サブマイクロ孔に形成される複数のエミッタとを含む。エミッタは素子の電極にできる限り接近するように形成され、素子の駆動電圧が減少する。
2005535075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子であって、
支持層と、
前記支持層上に形成され、前記素子の陰極として用いられる下部電極層と、
前記下部電極層上に形成され、前記素子のゲート孔として用いられる複数の第１サブマイクロ孔を有するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に形成され、前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を有するゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に形成され、前記第２サブマイクロ孔の対応するものにそれぞれ連結されている複数の第３サブマイクロ孔を有するアルミナ層と、
前記アルミナ層上に形成され、前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層と、
前記第１サブマイクロ孔の対応するものの中にそれぞれ形成され、高い電界で電子を放出する複数のエミッタとを含むことを特徴とする電界放出素子。
【請求項２】
前記エミッタは金属、半導体または炭素物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
【請求項３】
前記炭素物質は炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、炭素ナノ粒子及び非結晶質炭素物質から構成されているグループから選択されることを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子。
【請求項４】
前記下部電極層及び前記ゲート絶縁層との間に形成されている抵抗層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
【請求項５】
前記抵抗層は、ＳｉＯ２または金属酸化物を含むことを特徴とする請求項４に記載の電界放出素子。
【請求項６】
陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子であって、
支持層と、
前記支持層上に形成され、前記素子の陰極として用いられる下部電極層と、
前記下部電極層上に形成され、前記素子のゲート孔として用いられる複数の第１サブマイクロ孔を有するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に形成され、前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を有するゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に形成され、前記第２サブマイクロ孔の対応するものにそれぞれ連結されている複数の第３サブマイクロ孔を有する陽極絶縁層と、
前記陽極絶縁層上に形成され、前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層と、
前記第１サブマイクロ孔の対応するものの中にそれぞれ形成され、高い電界で電子を放出する複数のエミッタとを含むことを特徴とする電界放出素子。
【請求項７】
前記エミッタは金属、半導体または炭素物質を含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子。
【請求項８】
前記炭素物質は炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ、炭素ナノ粒子及び非結晶質炭素物質から構成されているグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の電界放出素子。
【請求項９】
前記下部電極層及び前記ゲート絶縁層との間に形成されている抵抗層を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子。
【請求項１０】
前記抵抗層は、ＳｉＯ２または金属酸化物を含むことを特徴とする請求項９に記載の電界放出素子。
【請求項１１】
陽極酸化工程を用いて３極構造を有する電界放出素子を製造する方法であって、
(ａ)支持層上に前記素子の陰極として用いられる下部電極層を形成する段階と、
(ｂ)前記下部電極層上にゲート絶縁層、ゲート電極層及びアルミニウム層を順次形成する段階と、
(ｃ)前記アルミニウム層に陽極酸化工程を行って前記アルミニウム層をアルミナ層に変換し、前記アルミナ層に複数の第１サブマイクロ孔を形成する段階と、
(ｄ)前記ゲート電極層及び前記アルミナ層のバリア層をエッチングして前記ゲート絶縁層の表面を前記第１サブマイクロ孔を通して露出させるようにする段階と、
(ｅ)前記ゲート絶縁層に前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を形成する段階と、
(ｆ)前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに高い電界で電子を放出するエミッタを形成する段階と、
(ｇ)前記アルミナ層上に前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層を形成する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記(ｃ)段階において、前記陽極酸化工程を、シュウ酸、硫酸、リン酸及びクロム酸から構成されているグループから選択された電解物質を用いて行うことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記(ｄ)段階において、前記ゲート電極層及び前記アルミナ層のバリア層をイオンミリング、ドライエッチング及びウェットエッチング方法の何れか１つによりエッチングすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記(ｅ)段階において、前記ゲート絶縁層をイオンミリング、ドライエッチング、ウェットエッチング及び陽極酸化工程の何れか１つによりエッチングすることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記(ｆ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底から金属を成長させて形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属を、金属硫化物、金属窒化物または金属塩化物の溶液に直流または交流電圧(または電流)、または電圧(または電流)パルスを印加して成長させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属を、前記底の表面を化学的に活性化させた後に、金属硫化物、金属窒化物または金属塩化物の溶液を用いて成長させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記(ｆ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底に金属を付着させて形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記(ｆ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底に炭素ナノ構造を形成して形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記炭素ナノ構造は、熱蒸着により形成される炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、非結晶質炭素及び炭素ナノ粒子の何れか１つであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱蒸着を、２００〜８００℃で炭化水素、一酸化炭素及び水素の混合ガスを熱的に蒸着して行うことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記炭素ナノ構造は、プラズマ蒸着を用いて形成される炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノ粒子及び非結晶質炭素物質の何れか１つであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記(ｆ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、予め合成されている炭素ナノチューブをチオール化し、Ａｕ-Ｓ化学蒸着工程を行って形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２４】
前記(ｆ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、予め合成されている炭素ナノ構造に電気泳動の逆過程の工程を行って形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２５】
前記(ｆ)段階において、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに１つ以上のエミッタを形成することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２６】
陽極酸化工程を用いて３極構造を有する電界放出素子を製造する方法であって、
(ａ)支持層上に前記素子の陰極として用いられる下部電極層を形成する段階と、
(ｂ)前記下部電極層上にゲート絶縁層、ゲート電極層、陽極絶縁層及びアルミニウム層を順次形成する段階と、
(ｃ)前記アルミニウム層に陽極酸化工程を行って前記アルミニウム層をアルミナ層に変換し、前記アルミナ層に複数の第１サブマイクロ孔を形成する段階と、
(ｄ)前記ゲート電極層、前記陽極絶縁層及び前記アルミナ層のバリア層をエッチングして前記ゲート絶縁層の表面を前記第１サブマイクロ孔を通して露出させるようにする段階と、
(ｅ)前記ゲート絶縁層に前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を形成する段階と、
(ｆ)前記アルミナ層を除去する段階と、
(ｇ)前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに高い電界で電子を放出するエミッタを形成する段階と、
(ｈ)前記陽極絶縁層上に前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層を形成する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記(ｃ)段階において、前記陽極酸化工程を、シュウ酸、硫酸、リン酸及びクロム酸から構成されているグループから選択された電解物質を用いて行うことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記(ｆ)段階において、前記アルミナ層を、リン酸溶液またはリン酸及びクロム酸の混合溶液に投入して除去することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記(ｇ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底から金属を成長させて形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記金属を、金属硫化物、金属窒化物または金属塩化物の溶液に直流または交流電圧(または電流)または電圧(または電流)パルスを印加して成長させることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記金属を、前記底の表面を化学的に活性化させた後に、金属硫化物、金属窒化物または金属塩化物の溶液を用いて成長させることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記(ｇ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底に金属を付着させて形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記(ｇ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれの底に炭素ナノ構造を形成して形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記炭素ナノ構造は、熱蒸着により形成される炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、非結晶質炭素及び炭素ナノ粒子の何れか１つであることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記熱蒸着を、２００〜８００℃で炭化水素、一酸化炭素及び水素の混合ガスを熱的に蒸着して行うことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記炭素ナノ構造は、プラズマ蒸着を用いて形成される炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノ粒子及び非結晶質炭素物質の何れか１つであることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記(ｇ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、予め合成されている炭素ナノチューブをチオール化し、Ａｕ-Ｓ化学蒸着工程を行って形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３８】
前記(ｇ)段階において、前記エミッタのそれぞれを、予め合成されている炭素ナノ構造に電気泳動の逆過程の工程を行って形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
前記(ｇ)段階において、前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに１つ以上のエミッタを形成することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、陽極酸化工程を用いた３極構造を有する電界放出素子及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、電界放出素子とは、金属または半導体表面に強い電界を印加して発生するトンネリング効果に従って金属または半導体表面から真空中に電子が放出されるようにした素子を意味する。このような電界放出素子は、高速スイッチング素子、超高周波発生器、増幅器またはディスプレイ装置に活用できる。この素子において、放出される電子は、真空状態において低いエネルギー損失で高い周波数での高い出力を誘導することができる。また、従来の固体素子よりも速い応答速度が可能で、単一シリコンチップ上に集積化できるといった様々な利点を有している。
【０００３】
図１は、従来の「スピント」型の電界放出素子を示す図で、この電界放出素子は電子線フォトリソグラフィ工程を用いて製造された３極構造を有する。
【０００４】
図１を参照すれば、電界放出素子は、次のように製造される。すなわち、ガラス基板またはシリコン基板１００上に、下部電極層１０２、抵抗層１０４、絶縁層１０６及びゲート電極１０８を形成した後、ゲート電極１０８上にフォトリソグラフィ工程を行ってマイクロメーター以下の直径を有する円形の感光膜パターンを形成する。次いで、反応性イオンエッチング方法により絶縁層１０６をエッチングして抵抗層１０４の表面を露出させるようにする。そして、電子ビーム蒸着法によりモリブデン(Ｍｏ)、タングステン(Ｗ)、クロム(Ｃｒ)などの物質を含む円錐状の金属電界放出チップ１１０を抵抗層１０４上に垂直方向に蒸着して形成させる。
【０００５】
前記したように、スピント型の電界放出素子は、従来の固体状態の素子よりも速い応答時間を有し、単一シリコンチップ上に集積できるという長所がある。しかし、図１に示す電界放出素子上の大面積に複数のマイクロ孔を一定に整列させることは容易ではない。また、電界放出チップと電極との間の間隔が、数百マイクロメーターに達するため、駆動電圧が増加するという問題点がある。更に、ゲート電極層１０８上にサブマイクロの大きさを有するマイクロ孔を形成するためには、新たな工程が更に必要となるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、陽極酸化工程を用いて電界放出素子の大面積上でも一定の大きさと配列とを有するナノメートルサイズのゲート孔を形成して、電界放出チップと電極との間隔を縮めることで、低い電圧でも駆動可能になる３極構造の電界放出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一観点によれば、陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子は、支持層と、前記支持層上に形成され、前記素子の陰極として用いられる下部電極層と、前記下部電極層上に形成され、前記素子のゲート孔として用いられる複数の第１サブマイクロ孔を有するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成され、前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を有するゲート電極層と、前記ゲート電極層上に形成され、前記第２サブマイクロ孔の対応するものにそれぞれ連結されている複数の第３サブマイクロ孔を有するアルミナ層と、前記アルミナ層上に形成され、前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層と、前記第１サブマイクロ孔の対応するものの中にそれぞれ形成され、高い電界で電子を放出する複数のエミッタとを含む。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の他の観点によれば、陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子は、支持層と、前記支持層上に形成され、前記素子の陰極として用いられる下部電極層と、前記下部電極層上に形成され、前記素子のゲート孔として用いられる複数の第１サブマイクロ孔を有するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成され、前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を有するゲート電極層と、前記ゲート電極層上に形成され、前記第２サブマイクロ孔の対応するものにそれぞれ連結されている複数の第３サブマイクロ孔を有する陽極絶縁層と、前記陽極絶縁層上に形成され、前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層と、前記第１サブマイクロ孔の対応するものの中にそれぞれ形成され、高い電界で電子を放出する複数のエミッタとを含む。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明のもう１つの観点によれば、陽極酸化工程を用いて３極構造を有する電界放出素子を製造する方法は、(ａ)支持層上に前記素子の陰極として用いられる下部電極層を形成する段階と、(ｂ)前記下部電極層上にゲート絶縁層、ゲート電極層及びアルミニウム層を順次形成する段階と、(ｃ)前記アルミニウム層に陽極酸化工程を行って前記アルミニウム層をアルミナ層に変換し、前記アルミナ層に複数の第１サブマイクロ孔を形成する段階と、(ｄ)前記ゲート電極層及び前記アルミナ層のバリア層をエッチングして前記ゲート絶縁層の表面を前記第１サブマイクロ孔を通して露出させるようにする段階と、(ｅ)前記ゲート絶縁層に前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を形成する段階と、(ｆ)前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに高い電界で電子を放出するエミッタを形成する段階と、(ｇ)前記アルミナ層上に前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層を形成する段階とを含む。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明のもう１つの観点によれば、陽極酸化工程を用いて３極構造を有する電界放出素子を製造する方法は、(ａ)支持層上に前記素子の陰極として用いられる下部電極層を形成する段階と、(ｂ)前記下部電極層上にゲート絶縁層、ゲート電極層、陽極絶縁層及びアルミニウム層を順次形成する段階と、(ｃ)前記アルミニウム層に陽極酸化工程を行って前記アルミニウム層をアルミナ層に変換し、前記アルミナ層に複数の第１サブマイクロ孔を形成する段階と、(ｄ)前記ゲート電極層、前記陽極絶縁層及び前記アルミナ層のバリア層をエッチングして前記ゲート絶縁層の表面を前記第１サブマイクロ孔を通して露出させるようにする段階と、(ｅ)前記ゲート絶縁層に前記第１サブマイクロ孔のうちの対応するものにそれぞれ連結されている複数の第２サブマイクロ孔を形成する段階と、(ｆ)前記アルミナ層を除去する段階と、(ｇ)前記第２サブマイクロ孔のそれぞれに高い電界で電子を放出するエミッタを形成する段階と、(ｈ)前記陽極絶縁層上に前記素子の陽極として用いられ、真空状態で前記素子を密閉する上部電極層を形成する段階とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による３極構造の電界放出素子によれば、陽極酸化工程を用いて電界放出素子の大面積上でも一定の大きさと配列とを有するナノメートルサイズのゲート孔を形成して、電界放出チップと電極との間隔を縮めることで、低い電圧でも駆動可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１３】
図２Ａ乃至図２Ｆは、本発明の第１の実施形態による陽極酸化工程を用いた３極構造を有する電界放出素子の製造方法の各工程で製造される素子の断面図である。以下、本発明の第１の実施形態による方法を詳細に説明する。
【００１４】
先ず、図２Ａに示すように、ガラスのような非導電性の物質を含む支持層２００の上部にタングステン(Ｗ)、クロム(Ｃｒ)、ニオブ(Ｎｂ)、アルミニウム(Ａｌ)、チタン(Ｔｉ)または前記金属の合金を含む下部電極層２０２をスパッタリング方法または電子ビーム蒸着法により蒸着して形成する。下部電極層２０２は、前記金属の代りに、導電性ポリマー物質、金属酸化物、金属窒化物または金属硫化物を含むことができる。下部電極層２０２の厚さは、好ましくは、約２０００Åである。
【００１５】
そして、低圧化学蒸着法(ＬＰＣＶＤ)または反応性スパッタリング方法を用いて下部電極層２０２の上部に抵抗層２０４及びゲート絶縁層２０６を順次形成させる。ここで、抵抗層２０４及びゲート絶縁層２０６は、酸化珪素(ＳｉＯ２)または金属酸化物を含むことができる。また、抵抗層２０４は、好ましくは、約１０Å乃至数十Åの範囲の厚さを有する。
【００１６】
一方、抵抗層２０４は、ゲート絶縁層２０６及び下部電極層２０２との間に形成されると説明したが、抵抗層２０４の形成は省略することもできる。
【００１７】
次に、ゲート絶縁層２０６上に、スパッタリング方法を用いてＡｕ、Ｗ，Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉの何れか１つを含むゲート電極層２０８及びアルミニウム層２１０を順次形成する。前記した金属を用いる代わりに、ゲート電極層２０８は、導電性ポリマー物質、金属酸化物、金属窒化物及び金属硫化物を含むことができる。ゲート絶縁層２０６及びアルミニウム層２１０のそれぞれの厚さは、好ましくは、約５００ｎｍである。
【００１８】
次に、図２Ｂに示すように、アルミニウム層２１０を陽極酸化工程を用いて処理してナノメートルサイズの微細孔２１３を有するアルミナ層２１２を形成する。陽極酸化工程は、次のように行われる。すなわち、アルミニウム層２１０の表面を電解研磨法を用いて研磨する。そして、アルミニウム層２１０にリン酸、シュウ酸、クロム酸または硫酸溶液中で約１０〜２００Ｖの直流電圧を印加することによって、ナノメートルサイズの微細孔２１３を有するアルミナ層２１２を形成する。特に、ハニカム状の微細孔を形成するためには、アルミニウム層２１０に２５Ｖ、４０Ｖまたは１９５Ｖの直流電圧を印加することが好ましい。
【００１９】
次いで、図２Ｃに示すように、アルミナ層２１２のバリア層２１４とゲート電極層２０８とを、ＣＦ４とＯ２の混合ガスの雰囲気で反応性イオンエッチング方法によりドライエッチングして、ゲート絶縁層２０６の表面を露出させる。または、アルミナ層２１２のバリア層２１４及びゲート電極層２０８を、イオンミリングまたはウェットエッチング方法を用いてエッチングすることもできる。
【００２０】
その後、図２Ｄに示すように、ゲート絶縁層２０６もエッチングして、アルミナ層２１２の各微細孔と単一チャネルで連結される微細孔の構造を有するようにする。ゲート絶縁層２０６のエッチングには、イオンミリング、ドライエッチング、ウェットエッチング及び陽極酸化工程の何れか１つを用いることができる。このように形成された微細孔のそれぞれは、好ましくは、約５００ｎｍ乃至１μｍの範囲の深さを有する。
【００２１】
次に、図２Ｅに示すように、エミッタ２１８をゲート絶縁層２０６の孔に形成する。エミッタ２１８は、金属を微細孔の底部から成長させるか、金属を微細孔の底に付着させて形成することができる。この場合、エミッタ２１８を、ゲート電極層２０８にできる限り接近するように形成することが好ましい。これにより、本発明の電界放出素子の駆動電圧が減少する。
【００２２】
前記金属を微細孔に成長させるためには、図２Ｄに示す構造物(例えば、下部電極層２０２)に金属硫酸塩、金属硝酸塩または金属塩化物溶液中で直流または交流電圧(または電流)または電圧(または電流)パルスを印加する。このとき、成長する金属の高さは、電圧を印加する時間によって調節可能である。また、金属成長の工程を、微細孔の底の表面を化学的に活性化した後に行うことができる。ここで、エミッタ２１８の形成に用いられる金属は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｒｂまたはその合金を含むことができる。
【００２３】
一方、エミッタ２１８を、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノ粒子及び非結晶質炭素物質のような炭素ナノ構造を用いて形成することができる。特に、高い機械的強度、高い化学的安定性及び高い電界強化効果のような好ましい特性を有している炭素ナノチューブをエミッタ２１８として用いることが好ましい。
【００２４】
本発明の第１の実施形態において、エミッタ２１８として用いた前記炭素ナノチューブは、炭化水素、一酸化炭素、水素などの混合ガスを約２００〜８００℃で熱分解するか、プラズマ分解する方法を用いて形成することができる。
【００２５】
または、エミッタ２１８を、予め合成されている炭素ナノチューブをチオール化するか、金(Ａｕ)-硫黄(Ｓ)化学結合工程により各微細孔内に成長させることができる。すなわち、予め合成されている炭素ナノチューブを、酸性溶液に次いで硫黄(Ｓ)を含む溶液に投入して、硫黄を含む官能基を炭素ナノチューブに付着させる。その後、炭素ナノチューブに付着している硫黄を微細孔の底の表面に形成されている金に結合させる。
【００２６】
炭素ナノチューブを成長させる工程は、前記した金属成長工程を用いて微細孔の底の表面に触媒金属を形成してもよい。この場合、触媒金属は炭化水素ガスの分解に用いられる。または、エミッタを、予め合成されている炭素ナノ構造上に電気泳動の逆過程を行って形成することができる。
【００２７】
一方、本実施の形態では、ゲート絶縁層２０６の微細孔のそれぞれに１つのエミッタ２１８を形成することを例に説明したが、各微細孔には１つ以上のエミッタ２１８を形成することができる。そして、エミッタ２１８を、窒化ガリウム(ＧａＮ)、酸化チタン(ＴｉＯ２)及び硫化カドミウム(ＣｄＳ)などのような半導体物質を用いても形成できる。
【００２８】
最後に、前記図２Ｆに示すように、上部電極層２２０を図２Ｅに示す構造物上に形成する。上部電極２２０は電界放出素子の陽極として用いられ、図２Ｅに示す３極構造を密閉する。
【００２９】
上部電極２２０は、電子ビーム蒸着、熱蒸着、スパッタリング、ＬＰＣＶＤ(Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、ゾル-ゲル合成、電気メッキ及び無電解メッキの何れか１つを用いて真空状態で金属を蒸着して形成することができる。上部電極層２２０の形成に用いられる金属は、ゲッターとして用いられる、例えばチタン(Ｔｉ)、ニオブ(Ｎｂ)、モリブデン(Ｍｏ)またはタンタル(Ｔａ)などでよい。または、上部電極２２０は、Ａｌ、Ｂａ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｗ、導電性ポリマー物質、金属酸化物、金属窒化物及び金属硫化物の何れか１つを含むことができる。また、上部電極２２０は、好ましくは、約３００ｎｍ乃至１μｍの範囲の厚さを有する。
【００３０】
一方、図３Ａ乃至３Ｆは、本発明の第２の実施形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図を示す。
【００３１】
本発明の第２の実施形態は、アルミナ層２１２の代りに、陽極絶縁層２１１を形成することを除いては、図２Ａ乃至図２Ｆに示す本発明の第１の実施形態と同様の構成を有する。
【００３２】
以下では、本発明の第２の実施形態による電界放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【００３３】
先ず、図３Ａに示すように、支持層２００の上部に下部電極層２０２、抵抗層２０４及びゲート絶縁層２０６を順次形成する。抵抗層２０４は、ゲート絶縁層２０６及び下部電極層２０２との間に形成されると説明したが、抵抗層２０４の形成は省略することができる。次に、ゲート絶縁層２０６上に、ゲート電極層２０８、陽極絶縁層２１１及びアルミニウム層２１０を順次形成する。
【００３４】
ここで、前記した層とそれらの層に含まれている物質は、陽極絶縁層２１１に対するものを除いては、図２Ａを参照して説明したものと同様である。陽極絶縁層２１１は、電子ビーム蒸着、熱蒸着、スパッタリング、ＬＰＣＶＤ、ゾル-ゲル合成、電気メッキ及び非電気メッキ方式の何れか１つを用いて形成される。陽極絶縁層２１１は、ＳｉＯ２または金属酸化物を含むことができ、好ましくは、約５００ｎｍの厚さを有する。また、陽極絶縁層２１１をエッチングする場合には、イオンミリング、ドライエッチング、ウェットエッチング及び陽極酸化方法の何れか１つを用いることができる。
【００３５】
次に、図３Ｂに示すように、アルミニウム層２１０を陽極酸化工程を用いて処理してナノメートルサイズの微細孔２１３を有するアルミナ層２１２を形成する。
【００３６】
次いで、図３Ｃに示すように、アルミナ層２１２のバリア層２１４、陽極絶縁層２１１及びゲート電極層２０８をドライエッチングする。その後、図３Ｄに示すように、ゲート絶縁層２０６をエッチングして、アルミナ層２１２の各微細孔と単一チャネルで連結される微細孔構造を有するようにする。
【００３７】
次に、図３Ｅに示すように、アルミナ層２１２を除去し、エミッタ２１８をゲート絶縁層２０６の孔に形成する。アルミナ層２１２を除去する工程は、アルミナ層２１２をリン酸、またはリン酸及びクロム酸の混合溶液に投入することによって行うことができる。
【００３８】
最後に、図３Ｆに示すように、上部電極層２２０を図３Ｅに示す構造物の上に形成する。上部電極２２０は電界放出素子の陽極として用いられ、図３Ｅに示されている３極構造を密閉する。
【００３９】
図３Ａ乃至図３Ｆを参照して本発明の実施の形態を説明するにあたって、各層に含まれている物質、製造方法及び寸法については詳細な説明を省略したが、添付する全ての図面において、同じ参照番号は同じ部分を表し、したがって図２Ａ乃至図２Ｆを参照した説明は、また図３Ａ乃至図３Ｆに示される部分にも適用される。
【００４０】
本発明は、好ましい実施形態に関して図示し、説明しているが、本発明の分野に属する技術者は以下の請求範囲に定義される発明の範囲及び趣旨を逸脱することなしに、多様な変更及び修正が可能であるということを理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電子線フォトリソグラフィ工程を用いて製造された３極構造を有する従来の電界放出素子の断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図２Ｄ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図２Ｅ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図２Ｆ】本発明の第１実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ｃ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ｄ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ｅ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図３Ｆ】本発明の第２実施の形態による陽極酸化工程を用いて製造された３極構造を有する電界放出素子の断面図である。
【図１】
2005535075.tif 000003
【図２Ａ】
2005535075.tif 000004
【図２Ｂ】
2005535075.tif 000005
【図２Ｃ】
2005535075.tif 000006
【図２Ｄ】
2005535075.tif 000007
【図２Ｅ】
2005535075.tif 000008
【図２Ｆ】
2005535075.tif 000009
【図３Ａ】
2005535075.tif 000010
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
2005535075.tif 000012
【図３Ｄ】
2005535075.tif 000013
【図３Ｅ】
2005535075.tif 000014
【図３Ｆ】
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【国際調査報告】
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