(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンまたはモリブデンからなる電極層、第２の層、電子放出層が順次積層されてなる陰極体の製造方法において、
前記電極層上に、スパッタ成膜してRuまたはYを構成材料とする第２の層を前記電子放出層よりも小さい抵抗率を有し厚さ1nmから200nmの間の膜厚を有する導電性の層として形成し、
次いで、前記第２の層上に、前記電子放出層を、リアクティブスパッタ成膜して前記電極層の金属よりも小さな仕事関数を有し仕事関数が3.6eV以下の希土類の材料からなる層として１原子層から10nmの間の膜厚に形成することを特徴とする陰極体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極体、及びそれを用いた面発光型蛍光発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の陰極体を含む面発光型蛍光発光装置には、特許文献１に示されたような面発光型有機ＥＬ装置や、特許文献２及び３に示されたような電界放出形表示装置（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ（ＦＥＤ））等があり、これらの装置を自発光型テレビ等に適用することが検討されている。
【０００３】
これら面発光型蛍光発光装置のうち、特許文献２及び３に示されたＦＥＤでは、陰極体表面に外部より強い内向きの電界を印加すること、即ち、電界放出により、トンネリングにより電子を放出させ、陰極体表面から放出された電子を種々の蛍光体に衝突させることで、RGB発光させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５２０８９号公報
【特許文献２】特開２０００−２１３４０号公報
【特許文献３】特表２００６−５２４８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２では、絶縁性の陰極基板と絶縁性及び透光性を備えた陽極基板を備え、陰極基板の内面側に電界放出素子を形成すると共に、陽極基板の内面側に金属導体を配置した電界放出形表示装置が開示されている。陰極基板の内面側に形成される電界放出素子は陰極電極、陰極電極上の空孔内に形成されたコーン状のエミッタ、エミッタを囲むように設けられたゲート電極によって構成されている。
【０００６】
特許文献２は、陽極基板上に形成される陽極電極として、金属陽極電極を使用することにより、陰極基板と陽極基板との間の真空度を改善できることを明らかにしている。
【０００７】
また、特許文献３は、コーン状の電界放出先端構造体、当該構造体を覆う導電性薄膜、及び、導電性薄膜の先端を覆うキャップによって構成した電界放出素子を開示し、電界放出素子は陰極電極と電気的に接続されている。特許文献３では、ゲート電極、導電性薄膜、及びキャップ等を高融点金属であるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）で形成している。
【０００８】
しかしながら、特許文献３で指摘されたように、高融点金属によってエミッタを含む陰極体を構成しただけでは、十分な電流密度が得られないことが本発明者等の研究によって判明した。
【０００９】
本発明者等の実験によれば、陰極体表面にトンネリングを生じさせるためには、陰極体表面におけるポテンシャル障壁の厚さを1nm程度まで薄くする必要がある。また、電界放出による電流密度は、表面材質の仕事関数をφとすると、-αφ1.5/Eに対して指数関数的な依存性を示す。ここで、αは比例定数、Eは電界の強さである。このため、仕事関数の低い材料を用いることで電子放出が増大し、より少ない電界で所望の電子放出量が得られ、低消費電力化も可能となるものと、推定される。
【００１０】
本発明者等は、仕事関数の低い材料として希土類の酸化物に着目した。例えば、La2O3（仕事関数2.8eV）、Y2O3（2.0eV）、ThO2（1.66eV）等である。また、それ以外にもZrO2（3.12eV）、MgO（3.55eV）等が挙げられる。これら酸化物は、例えば、電子放出電極に使われるタングステン（仕事関数は4.6eV）よりも仕事関数が十分小さく、より電子放出効率を向上することが期待される。
【００１１】
しかしながら、上記した酸化物は、電気抵抗が非常に高い絶縁体であり、電子放出膜として使用するには、例えば、タングステンやモリブデン等の導電性の電極部材の上に、数原子層程度の極めて薄い薄膜にしなくてはならない。厚くすると、電気抵抗が大きく効いてしまい、電流が流れづらくなり、放出効率が極端に低下するからである。
【００１２】
また、これらの酸化物を薄く堆積させるには、プラズマスパッタ等が有効であるが、良質な酸化物を形成するには、希ガスに酸素を混ぜた混合ガスによるリアクティブスパッタが有効である。タングステンやモリブデンに直接リアクティブスパッタを行うと、これら金属の表面が酸化されてしまい、絶縁層になり電流が流れづらくなり、放出効率が極端に低下してしまう。
【００１３】
本発明の目的は、仕事関数の低い酸化物を用い電子放出効率の高い陰極体を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、電気抵抗が小さく、電子放出効率の高い陰極体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、第１の金属によって形成され、電極を構成する第１の層と、当該第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、前記第２の層上に形成され、前記第１の金属よりも小さな仕事関数を有し、且つ、電子放出層を構成する第３の層とを備え、第２の層を形成する材料は前記第３の層よりも小さい抵抗率を有していることを特徴とする陰極体が得られる。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記第２の層は、厚さ1nmから200nmの間の膜厚を有する金属または合金の薄膜であり、前記第２の層を形成する金属または合金は、その酸化物も導電性を有する性質をもつ材質であり、前記第３の層は、１原子層から10nmの間の膜厚を有し、仕事関数が3.6eV以下の酸化物によって形成されていることを特徴とする陰極体が得られる。
【００１７】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、前記第２の層は、前記第３の層に接する側の一部、または前記第２の層全部が酸化されていることを特徴とする陰極体が得られる。
【００１８】
本発明の第４の態様によれば、第１の態様において、前記第１の層上に形成される第２の層は、厚さ1nmから200nmの間の膜厚の、金属または合金によって形成されており、且つ、前記第２の層を形成する金属または合金は、その酸化物の仕事関数が3.6eV以下であり、且つ、前記第３の層は、前記第２の層の金属または合金の酸化物であり、１原子層から10nmの間の厚さを有することを特徴とする陰極体が得られる。
【００１９】
本発明の第５の態様によれば、第１〜４の態様のいずれかにおいて、前記第１の金属はタングステン又はモリブデンからなることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２０】
本発明の第６の態様によれば、第１〜４の態様のいずれかにおいて、前記第１の金属はタングステン又はモリブデンを主成分とし、La2O3、ThO2、及びY2O3からなる群から選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする陰極体が得られる。
【００２１】
本発明の第７の態様によれば、第１〜３、第５〜６の態様のいずれかにおいて、前記第２の層はRu又はIrよりなることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２２】
本発明の第８の態様によれば、第１〜７の態様のいずれかにおいて、前記第３の薄膜は、La2O3、Y2O3、MgO、ThO2、CeO2、またはZrO2よりなることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２３】
本発明の第９の態様によれば、第４〜６の態様のいずれかにおいて、前記第２の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrよりなることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２４】
本発明の第１０の態様によれば、第１〜９の態様のいずれかにおいて、前記第３の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrをターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２５】
本発明の第１１の態様によれば、第１〜９の態様のいずれかにおいて、前記第３の層は、La2O3、Y2O3、MgO、ThO2、CeO2、またはZrO2をターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２６】
本発明の第１２の態様によれば、第１０または１１の態様において、前記第２の層の前記一部または全部は、その少なくとも一部が前記リアクティブスパッタリングの際に形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２７】
本発明の第１３の態様によれば、第４乃至６の態様一つまたは第８乃至１０の態様の一つにおいて、前記第２の層は、La、Y、Mg、Th、Ce、またはZrをターゲットとして不活性雰囲気中でスパッタするより非リアクティブスパッタリングによって形成されたものであり、前記第３の層は前記第２の層を酸化することによって形成されたものであることを特徴とする陰極体が得られる。
【００２８】
本発明の第１４の態様によれば、電極金属体の表面に、直接又は他の材料層を介して、電子放出層を有する陰極体において、前記電子放出層は仕事関数が3.6eV以下の金属酸化物を含み、かつトンネル電流によって電子放出が可能な膜厚を有することを特徴とする陰極体が得られる。
【００２９】
本発明の第１５の態様によれば、前記他の材料層は、前記金属酸化物を構成する金属、その酸化物も導電性を有する性質をもつ金属または合金、およびその酸化物も導電性を有する性質をもつ金属または合金の当該酸化物からなる群から選ばれた少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４の態様に記載の陰極体が得られる。
【００３０】
本発明の第１６の態様によれば、前記電子放出層の膜厚は１原子層から10nmの間であることを特徴とする第１４または１５の態様に記載の陰極体が得られる。
【００３１】
本発明の第１７の態様によれば、前記他の材料層は厚さが1nm乃至200nmであることを特徴とする第１４乃至１６の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３２】
本発明の第１８の態様によれば、前記電極金属体の材料は、タングステン、モリブデン、またはタングステンもしくはモリブデンを主成分とし、La2O3、ThO2、及びY2O3からなる群から選択された少なくとも一つを含む材料を含むことを特徴とする第１４乃至１７の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３３】
本発明の第１９の態様によれば、前記電子放出層は、La2O3、Y2O3、MgO、ThO2、CeO2、およびZrO2の少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４乃至１８の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３４】
本発明の第２０の態様によれば、前記電子放出層は、La、Y、Mg、Th、Ce、Zr、La2O3、Y2O3、MgO、ThO2、CeO2、またはZrO2をターゲットとして酸化性雰囲気中でスパッタするリアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする第１４乃至１９の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３５】
本発明の第２１の態様によれば、前記電子放出層は、La2O3、Y2O3、MgO、ThO2、CeO2、またはZrO2をターゲットとして不活性雰囲気中でスパッタするより非リアクティブスパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする第１４乃至１９の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３６】
本発明の第２３の態様によれば、前記他の材料層はLa、Y、Mg、Th、Ce、Zr、Ru、Ir、Ruの酸化物、およびIrの酸化物の少なくとも一つを含むことを特徴とする第１４乃至２１の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３７】
本発明の第２３の態様によれば、前記他の材料層はRuの酸化物およびIrの酸化物の少なくとも一つを含み、かつ該酸化物は前記電子放出層をリアクティブスパッタリングで成膜する際に形成されたものであることを特徴とする第１４乃至２１の態様の一つに記載の陰極体が得られる。
【００３８】
本発明の第２４の態様によれば、第１から２３の態様のいずれかに記載の陰極体を電子エミッタとして有することを特徴とする面発光型蛍光発光装置が得られる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、陰極体表面が非常に仕事関数の低い材料で覆われ、さらに表面と電極部材との間に電極部材よりも低抵抗の層を設けることにより、極めて高効率な電子放出源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る陰極体を示す概念図である。
【図２】陰極体を形成する電子発光層として、種々の材料を用いた場合の電圧−電流特性を示す図である。
【図３】本発明の実施例２に係る陰極体を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００４２】
(実施例１)
図１を参照して、本発明の実施例１に係る陰極体を説明する。図１では、平面状の陰極体を示しているが、実際に、面発光型蛍光発想装置に実装される場合には、コーン状に成形される。図示された陰極体は、スパッタで成膜したタングステン薄膜（膜厚300nm）１、スパッタで成膜したRu薄膜（50nm）２、及びスパッタで成膜したLa2O3薄膜（2nm）３によって構成されている。即ち、図示された陰極体は、陰極電極を形成する導電性の第１の薄膜１（ここでは、タングステン（Ｗ）薄膜）、導電性を有すると共にその酸化物も導電性を示す第２の薄膜（ここでは、Ru薄膜）2、及び、絶縁性で且つ電子放出効率の高い極めて薄い第３の薄膜（ここでは、La2O3薄膜）3によって構成されている。この実施例で使用されたRu薄膜の抵抗率は6.71μΩ・cm、Ｗ薄膜の抵抗率は5μΩ・cmであり、更に、La2O3薄膜の仕事関数は2.8〜4.2eVである。
【００４３】
このように、電子放出層を形成する第３の薄膜３と、電極を形成する第１の薄膜１との間に、電子放出層よりも抵抗率の低い第２の薄膜２を介在させることにより、電子放出効率の高い陰極体を構成することができる。
【００４４】
ここで、図１に示された陰極体を製造する工程を説明する。タングステン薄膜（第１の薄膜）１をスパッタで成膜した後に、Ru薄膜によって形成される第２の薄膜をスパッタで形成する。その後に、La2O３膜によって形成される第３の薄膜３をスパッタ成膜する。
【００４５】
La2O3薄膜をスパッタ成膜する際は、La2O3ターゲットを用いた。プラズマを励起するガスとして、Krを1000cc/分、O2を30cc/分の流量でスパッタチャンバに導入した。
【００４６】
次に、RF電力（周波数13.56MHz）をターゲットに印加することによりプラズマを励起してスパッタ成膜した。成膜の際、例えばArガスのみを流してArプラズマを励起することで、La2O3薄膜を形成しても良いが、この場合、形成される薄膜に、プラズマダメージによる欠陥、具体的には酸素欠損等が生じてしまい、良質なLa２O3薄膜が形成されず、電子放出効率が劣化してしまう。よって、本実施例において、Kr/O2プラズマを励起することで、いわゆるリアクティブスパッタを行うことで酸素ラジカルを大量に発生させ、このような欠陥を生じることなくLa2O3薄膜が形成可能となった。
【００４７】
前述したようなリアクティブスパッタを行うと、下地のRu薄膜も一部酸化する。この場合、Ru薄膜２には、図１に破線で示す領域２−１のように、膜厚2nm程度のRuO2膜が形成されるが、RuO2膜は50μΩ・cm程度の抵抗率を示す導電性であるため、RuO2膜を介在させることにより電子放出効率が劣化することは無い。なお、La2O3を成膜する前に、Ru薄膜２の表面を積極的に酸化し、Ru薄膜を全てRuO2薄膜としても良い。
【００４８】
図２は、電子放出電極を様々な材料として、熱電子放出を行った際の、電圧−電流特性である。同じ電流量であれば、電圧が低い方が、効率が良い。本結果は電界放出では無く、熱電子放出での結果であるが、電界放出においても同様の結果であることが判明している。図からも明らかな通り、La2O3電極が一番優れた効率を示しているが、製造コスト等を考え、タングステン（Ｗ）の仕事関数4.6eV以下の仕事関数を有するLa2O3以外のY2O3、CeO2、ThO2、ZrO2等を適宜材料として使用しても良い。具体的には、MgOの仕事関数（3.55eV）程度、即ち、3.6eV以下の仕事関数を備えた材料を使用することが好ましい。
【００４９】
(実施例２)
図３を参照して、本発明の実施例２に係る陰極体を説明する。図示された陰極体は、スパッタで成膜したタングステン薄膜（膜厚300nm）４、スパッタで成膜したY薄膜（50nm）５によって構成されている。
【００５０】
Y薄膜５は、非リアクティブスパッタリングによってスパッタ成膜した後に、マイクロ波励起高密度プラズマ装置により、Kr、O2ガスをそれぞれ1000cc/分、30cc/分の割合で流し、圧力を133Paと設定し、マイクロ波により高密度プラズマを励起して、酸素ラジカルを大量に発生させることで、表面2nm程度を酸化させることにより、Ｙ薄膜表面に、Y2O3膜が形成されている。
【００５１】
したがって、この実施例においても、電極を形成するタングステン薄膜（膜厚300nm）４を第１の薄膜、非理アクティブスパッタリングで成膜したY薄膜（50nm）５を第２の薄膜、及び、電子放出層を形成するY2O3膜（５−１）を第３の薄膜と呼ぶことができる。
【００５２】
本工程によれば、陰極体の表面に、仕事関数が2eVと非常に低く、且つ、薄いY2O3膜が形成され、タングステン薄膜とY2O3薄膜の間に絶縁層の存在しない、非常に電子放出効率の高い陰極体を形成することができた。
【００５３】
ＦＰＤ等でよく使われているＩＴＯやＺｎＯの導電性は、100μΩcm乃至数100μΩcmであるが、本発明で用いるIrO2やRuO2の導電性は、50μΩcm程度であり、本発明ではこのように100μΩcm程度以下の導電性の金属、合金、酸化物を電子放出層と金属電極層との間に介在させることで、電子放出効率の優れた陰極体を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る陰極体は、電子放出面発光型蛍光発光装置に適用でき、自発光型テレビ等に適用でき、他の面発光型蛍光発光装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１、４                      第１の薄膜
２、５                      第２の薄膜
３、５−１                  第３の薄膜                          
【図１】
0005177721.tif 000002
【図２】
0005177721.tif 000003
【図３】
0005177721.tif 000004