JP2003229045A

JP2003229045A - 電子源装置およびその製造方法

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Publication number: JP2003229045A
Application number: JP2002024046A
Authority: JP
Inventors: Takeo Ito; 武夫伊藤; Shuzo Matsuda; 秀三松田; Hajime Tanaka; 肇田中; Yoshihiro Sakashita; 嘉宏坂下; Taichi Hasegawa; 太一長谷川; Kazuo Sakai; 和夫坂井
Original assignee: NIHON ANODIZING CO Ltd; Toshiba Corp; Fuji Pigment Co Ltd
Current assignee: NIHON ANODIZING CO Ltd; Toshiba Corp; Fuji Pigment Co Ltd
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出能力が高く、安価で寿命の長い電子
源装置と、そのような電子源装置の製造方法を提供す
る。【解決手段】この電子源装置では、Ａｌ基板の片面
に、陽極酸化により形成された多孔質アルミナ層が設け
られ、そのナノホール内にＮｉなどの埋め込み層が形成
されている。そして、多孔質アルミナ層の表面に、Ｎｉ
埋め込み層と接触するようにＡｕなどの薄膜が形成さ
れ、さらにナノホールの底端部とＡｌ基板とは、アルミ
ナから成るバリア層により隔てられた構造になってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子源装置、およ
び電子源装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、アルミニウム（Ａｌ）の陽極酸化
により得られる、直径が数ｎｍ〜数１００ｎｍの極めて
微細な細孔（ナノホール）に、カーボンナノチューブ
（ＣＮ）を形成して電子放出源とした構造が提案されて
いる（Displays21(2000)P99-104参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の電子放出源においては、ＣＮが高価格である
ばかりでなく、管内の真空度が低いと管内ガスがＣＮを
汚染するため寿命が短くなるなど、実用化面で多くの問
題があった。

【０００４】本発明は、これらの問題を解決するために
なされたもので、その目的は、電子放出能力が高く、安
価で低真空度でも長寿命の電子源装置と、そのような電
子源装置の製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子源装置
は、導電性基板と、前記導電性基板の一方の主面に配設
された多数の微細孔を有する絶縁体層と、前記絶縁体層
の微細孔内に形成された導体または半導体の埋め込み層
と、前記絶縁体層の表面に、前記導体または半導体埋込
み層と接触して形成された導電性金属薄膜とを備え、前
記微細孔の底端部と前記導電性基板とが、前記絶縁体か
ら成るバリア層により隔てられ、かつ前記導電性基板と
前記導電性金属薄膜との間に印加された電圧により、電
子が放出されることを特徴とする。

【０００６】本発明の電子源装置においては、前記微細
孔を有する絶縁体層を、多孔質アルミナ層とすることが
できる。そして、この多孔質アルミナ層としては、アル
ミニウムを主成分とする基板の陽極酸化により得られた
酸化アルミニウム層が好適に用いられる。また、本発明
の電子源装置においては、前記導電性金属薄膜を間に挟
んで前記導電性基板と反対側に、第３の電極を設けるこ
とができる。

【０００７】本発明に係る電子源装置の製造方法は、ア
ルミニウムを主成分とする導電性基板を陽極酸化するこ
とにより、一方の主面に微細孔を有する酸化アルミニウ
ム層を形成する陽極酸化工程と、前記酸化アルミニウム
層の微細孔内に導体または半導体の埋め込み層を形成す
る工程と、前記酸化アルミニウム層の表面に、前記導体
または半導体埋め込み層と接触する導電性金属の薄膜を
形成する工程とを備え、前記陽極酸化工程において、前
記微細孔の底端部と前記導電性基板との間に、前記酸化
アルミニウムから成るバリア層を形成することを特徴と
する。

【０００８】本発明によれば、多孔質絶縁体層の有する
微細孔（ナノホール）の内部に、導体または半導体埋め
込み層が形成されるとともに、この微細孔の底端部と導
電性基板との間に、前記絶縁体によるバリア層が設けら
れており、バリア層がトンネル障壁層となる。そして、
埋め込み層と接触するように形成された金属薄膜と導電
性基板との間に電圧を印加することにより、バリア層に
電界が集中して電子が放出されるので、均一で電子の放
出能力が高い電子源装置が得られる。また、電子放出部
と雰囲気ガスとの直接接触が回避されているので、電子
放出部の汚染による劣化がほとんど生じず、長寿命が達
成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、アルミニウム（Ａ
ｌ）の陽極酸化により形成された多孔質アルミナ（酸化
アルミニウム）膜に着目し、電子を放出する電子源（エ
ミッタ）としての使用の可能性について、鋭意実験・研
究を重ねた。本発明は、そのような実験の結果得られた
ものである。

【００１０】本発明者らの行った実験の詳細を以下に示
す。

【００１１】実験例実験例１〜５として、対角寸法２インチのアルミニウム
（Ａｌ）を主成分とする基板（以下、Ａｌ基板と示
す。）を用意し、図１に示す構造を有する電子放出素子
を多数有する電子源を作製した。

【００１２】また、実験例４と同様の構造を有する電子
源において、図２に示すように、Ｎｉ埋め込み層の厚さ
（高さ）を変えて電子源を作製した（実験例６，７）。
また、実験例７と同様の構造を有する電子源において、
図３に示すように、微細孔（ナノホール）の深さ、すな
わちナノホールが形成された部分のアルミナ層の厚さを
変えて電子源を作製し（実験例８〜１０）、さらに図４
に示すように、ナノホールの深さを変え、かつナノホー
ルの上端開口部からＮｉ埋め込み層が飛び出すような構
造にして、電子源を作製した（実験例１１〜１３）。さ
らに、実験例７と同様の構造を有する電子源において、
図５に示すように、バリア層の厚さを変えて電子源を作
製した（実験例１４）。これらの電子源における各層の
厚さ、孔径などの仕様の詳細を、表１に示す。

【００１３】これらの実験例において、Ａｌ基板の陽極
酸化、ナノホール内へのＮｉ埋め込み層の形成、バリア
層の破壊、Ａｕ薄膜の形成、および封孔処理は、それぞ
れ以下に示すようにして行った。

【００１４】Ａｌ基板の陽極酸化は、電解浴として硫酸
浴を用い、浴温２１℃にコントロールされた遊離硫酸濃
度１５０ｇ／ｌの水溶液中で行い、電流密度１３０A／
ｄｍ ^２の条件で定電流直流電解を３０分間行った。

【００１５】そして、このような陽極酸化時の電流密度
を高くすることで、ナノホールの深さを浅くし、バリア
層を厚く調整した。また、陽極酸化処理後、同じ電解浴
中にて１５V以下の電圧で低電圧電解を行い、バリア層
を薄くした。

【００１６】ナノホール内へのＮｉ埋め込み層の形成
は、電解析出法により行った。すなわち、陽極酸化処理
を施した被処理物を、Ｎｉ塩の水溶液中で交流または直
流電解を行い、ナノホール内にＮｉを析出させることに
より、Ｎｉ埋め込み層を形成した。

【００１７】また、こうしてナノホール内にＮｉを電解
析出した後、同じ金属塩水溶液中で直流高電圧（２０V
以上）を印加することにより、バリア層の破壊を行っ
た。

【００１８】Ａｕ薄膜の形成は、表１に示す蒸着条件
（蒸着角度）でＡｕを蒸着することにより行った。さら
に、封孔処理は、沸騰水や水蒸気中で処理する通常の方
法で行った。

【００１９】次いで、図６に示すように、これらの電子
源１を、内面に蛍光体スクリーン（蛍光面）２が形成さ
れた対角寸法３インチの基板と３ｍｍの間隔をおいて対
向配置し、真空雰囲気に保持した。そして、アースと蛍
光面２との間の電圧（Ｖａ）を一定（５〜６ｋＶ）と
し、アースされたＡｌ基板４とＡｕ薄膜３との間に印加
する電圧（Ｖｄ）を変え、蛍光面２の発光状態を観察す
ることにより、エミッション（電子放出）の発生を調べ
た。なお、図６中、符号５はＮｉ埋め込み層、６はバリ
ア層をそれぞれ示している。また、放出される電子を矢
印で示している。

【００２０】そして、Ａｌ基板４とＡｕ薄膜３との間の
抵抗値を測定するとともに、発光開始電圧および放電電
圧を測定した。また、ピーク輝点数を調べた。そして、
これらの測定結果を、実験例４の電子源を基準として比
較し評価した。測定結果および評価結果を、表２および
表３に示す。

【００２１】なお、表２中ピーク輝点数の表示では、蛍
光面全体で数百点発光したものをＡ、百数十点発光した
ものをＢ、数十点発光したものをＣ、十数点発光したも
のをＤ、数点発光したものをＥと表わし、全く発光しな
かったものをブランクとした。また、発光開始電圧、放
電電圧、ピーク輝点数の評価において、実験例４と同程
度のものを○とし、それより優れたものを◎、劣るもの
△、極めて劣るものを×として表わした。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】これらの表に示す実験結果から、種々の要
因が、電子放出（エミッション）発生現象を左右してい
ることが推察される。また、実験結果は、放電の発生が
エミッション発生効率の向上の障害になることも示唆し
ている。

【００２６】実験結果から引き出された考察を、以下に
示す。実験例１〜５のうちで実験例４でのみ、エミッシ
ョンが発生した。実験例４の構造において、電界集中に
より、酸化アルミニウム（アルミナ）から成るバリア層
の分極による逆スピンドルダイオードが生成し、電子放
出がなされるものと考えられる。封孔処理がなされたも
のでは、エミッションが発生しにくい

【００２７】微細孔（ナノホール）の深さを一定とし、
Ｎｉ埋め込み層の厚さを変えた実験例４，６，７の測定
結果からは、Ｎｉ埋め込み層の厚さに最適範囲があるこ
とがわかる。Ｎｉ埋め込み層の厚さを小さくすると、発
光開始電圧が上昇しエミッション発生が悪くなる。

【００２８】また、ナノホールの深さとＮｉ埋め込み層
の厚さを等しくして、Ｎｉ埋め込み層の厚さを変えた実
験例７〜１０の測定結果から、Ｎｉ埋め込み層の厚さを
小さくするほど、発光開始電圧が低下し、エミッション
発生が安定して良くなることがわかる。さらに、Ａｕ薄
膜とＮｉ埋め込み層との導通がとりやすくなるほど、発
光開始電圧が低下し、エミッション発生が良くなる。

【００２９】しかし、ナノホールの深さおよびＮｉ埋め
込み層の厚さが小さくなるほど、放電電圧（絶縁破壊電
圧）が低下し、耐電圧性が低下する。

【００３０】さらに、ナノホールの深さ（酸化アルミニ
ウム層のナノホール形成部の厚さ）よりＮｉ埋め込み層
の厚さを大きくし、かつこれらの値を変えた実験例１１
〜１３の測定結果から、これらの値を小さくするほど、
発光開始電圧が上昇し、エミッション発生が悪くなるこ
とがわかる。そして、ナノホールの深さ並びにＮｉ埋め
込み層の厚さが大きいほど、放電電圧が高くなり、耐電
圧性が向上する。

【００３１】さらに、バリア層の厚さを厚くした実験例
１４の測定結果から、バリア層を厚くすると、発光開始
電圧が上昇し、エミッション発生が不安定で悪くなる
が、放電電圧が上昇し耐電性が向上することがわかる。

【００３２】これらの考察をまとめると、以下に示すよ
うな結論が得られる。発光開始電圧の観点からはナノホールを有するアルミ
ナ層表面からＮｉ埋め込み層の上端部までの距離が短い
ほど、発光開始電圧が低くなり、良好なエミッション発
生が得られる。また、バリア層の厚さが薄いほど、発光
開始電圧が低くなるので、エミッション発生の観点から
好ましい。

【００３３】耐電圧性の観点からはバリア層の厚さが
厚いほど、放電電圧が高くなり耐電圧性が向上する。ま
た、ナノホールが形成された部分のアルミナ層の厚さが
厚いほど、放電電圧が高くなり、耐電圧性が向上する。

【００３４】発光のピーク輝点数の観点からは、ナノ
ホールが形成された部分のアルミナ層の厚さが薄く、か
つこのナノホール内に形成されたＮｉ埋め込み層の厚さ
が小さいほど、発光輝点数が多くなり好ましい。また、
アルミナ層の表面からＮｉ埋め込み層が飛び出していな
い方が、発光輝点数が多くなり好ましい。

【００３５】次に、本発明の実施の形態を、図面に基づ
いて説明する。本発明の第１の実施形態である電子源装
置は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、導電性基板１
１を有し、この基板の片面には、直径が数ｎｍ〜数１０
０ｎｍのサイズで表面に対してほぼ垂直方向に延びた多
数の微細孔（ナノホール）１２を有する絶縁体層１３が
形成されている。

【００３６】ここで、導電性基板１１としては、例え
ば、Ａｌ基板が挙げられる。そして、このＡｌ基板を陽
極酸化することにより、微小間隔をおいて規則的に配列
されたナノホール１２を有する多孔質酸化アルミニウム
層を得ることができる。また、導電性基板１１としてチ
タン（Ｔｉ）基板を使用し、この基板を陽極酸化するこ
とにより、ナノホール１２を有する酸化チタン層を形成
することも可能である。さらに、多孔質酸化アルミニウ
ム層のようなナノホール１２を有する絶縁体層１３を、
陽極酸化以外の方法で形成することもできる。

【００３７】ナノホール１２の内部には、Ｎｉなどの金
属埋め込み層１４が形成されている。この金属埋め込み
層１４の先端部は、ナノホール１２の上端開口部とほぼ
等しい高さまで延出して形成されている。金属埋め込み
層１４の形成は、例えば電気化学的方法や、ＣＶＤ法あ
るいは蒸着法などにより行うことができる。

【００３８】また、Ｎｉ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ，Ｃ
ｏ，Ｆｅ，Ｃｒなどの他の金属を使用することができ
る。シリコンなどの半導体や化合物半導体も使用するこ
とができる。金属として埋め込み・形成されたものの一
部が酸化物の形態になっていても、ある程度の導通が得
られるものであれば、使用することができる。さらに、
これらの金属埋め込み層１４は、ナノホール１２内部に
隙間なく充填されている必要がなく、埋め込み層内部に
微小な空隙部が存在しても、導通が確保できれば良い。

【００３９】前記したナノホール１２を有する酸化アル
ミニウム層１３の表面には、金属埋め込み層１４と電気
的に接触するように、Ａｕなどの導電性金属の薄膜１５
が形成されている。Ａｕ以外に他の導電性金属の薄膜、
例えばＡｌ、Ａｇなどの薄膜が使用可能である。Ａｕ薄
膜の形成は、例えば蒸着、スパッタリングなどの方法に
より行うことができる。また、Ａｌ薄膜は蒸着法、Ａｇ
薄膜は電界析出法など、種々の方法により形成が可能で
ある。

【００４０】さらに、金属埋め込み層１４が形成された
ナノホール１２の底端部と導電性基板１１とは、ナノホ
ール１２を有する絶縁体１３と同じ酸化アルミニウムな
どの絶縁体から成るバリア層１６により隔てられてい
る。

【００４１】この電子源装置によれば、基準電極である
導電性基板１１に対してＡｕなどの金属薄膜１５に電圧
（Ｖｄ）を印加することにより、バリア層１６に電界が
集中され、その結果電子放出がなされる。そして、ナノ
ホール１２内の金属埋め込み層１４および金属薄膜１５
を突きぬけて、電子が放出される。

【００４２】このような構造を有する電子源装置におい
て、バリア層１６の厚さの最適値は、バリア層１６に加
えられる電界強度に依存すると考えられる。そして、電
界強度は、金属埋め込み層１４の抵抗値や、ナノホール
１２の深さなど種々の要因の影響を受けるものと考えら
れる。バリア層１６の厚さは、２ｎｍ〜５０ｎｍとする
ことが望ましい。

【００４３】バリア層１６の厚さが２ｎｍ未満では、電
子放出（エミッション）が生じにくい。また、バリア層
１６の厚さが５０ｎｍを超えても、安定した良好なエミ
ッションが生じにくくなる。

【００４４】ナノホール１２の深さは、１μｍ〜３０μ
ｍとし、孔径は２ｎｍ〜１００ｎｍとすることが望まし
い。ナノホール１２の深さは、浅いほうがエミッション
発生は良くなるが、耐電圧性はかえって悪化する傾向に
ある。また、孔径は、大きすぎると電界集中が少なくな
るため、エミッション発生電圧が大きくなり、逆に小さ
すぎると、孔の形成が難しくなり好ましくない。ナノホ
ール１２の深さ、孔径ともに、バリア層１６にかかる電
界強度に影響を及ぼす。

【００４５】金属埋め込み層１４の厚さは、１μｍ〜３
０μｍとすることが望ましい。金属埋め込み層１４の厚
さが１μｍ未満では、エミッション発生は良好である
が、耐電圧性が低下し好ましくない。反対に、金属埋め
込み層１４の厚さが３０μｍを超えると、安定した良好
なエミッションを得ることが難しい。また、ナノホール
１２の上端開口部から金属埋め込み層１４の上端部まで
の距離が短いほど、エミッション発生電圧が低くなり好
ましい。さらに、ナノホール１２の上端開口部から金属
埋め込み層１４が飛び出していないほうが好ましい。

【００４６】Ａｕなどの導電性金属薄膜１５の厚さは、
５ｎｍ〜３００ｎｍとすることが望ましい。導電性金属
薄膜１５の厚さが５ｎｍ未満では、金属埋め込み層１４
との間に安定した良好な導通を確保することが難しい。
反対に、３００ｎｍを超えると、電子が突きぬけて放出
されることが難しくなる。

【００４７】さらに、本発明の電子源装置では、導電性
金属薄膜１５と導電性基板１１との間に印加された電圧
により、バリア層１６に電界を集中し電子を放出させる
ために、陽極である導電性金属薄膜１５と陰極である導
電性基板１１との間の抵抗値を、５Ω〜２ＭΩの範囲と
することが望ましい。

【００４８】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、電子放出（エミッション）能力が高く、長寿命で信
頼性の高い電子放出源を、非常に簡便でかつ安価に得る
ことができる。

【００４９】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能であ
る。例えば、使用する材料は上述した実施の形態に限定
されることなく、必要に応じて種々選択可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上の記載から明らかなように、本発明
によれば、電子放出（エミッション）能力が高く、長寿
命で信頼性の高い電子放出源を、非常に簡便でかつ安価
に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験例１〜５で実験を行った電子源の構造およ
び得られた特性を示す図。

【図２】実験例４，６，７で実験を行った電子源の構造
および得られた特性を示す図。

【図３】実験例７〜１０で実験を行った電子源の構造お
よび得られた特性を示す図。

【図４】実験例８および実験例１１〜１３で実験を行っ
た電子源の構造および得られた特性を示す図。

【図５】実験例７および実験例１４で実験を行った電子
源の構造および得られた特性を示す図。

【図６】実験例１〜１４の電子源において、エミッショ
ン発生を調べる方法を模式的に示す図。

【図７】本発明の第１の実施形態である電子源装置の構
造を模式的に示す図。

【符号の説明】

１１………導電性基板、１２………ナノホール、１３…
……絶縁体層、１４………金属埋め込み層、１５………
導電性金属薄膜、１６………バリア層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤武夫埼玉県深谷市幡羅町一丁目９番地２株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者松田秀三埼玉県深谷市幡羅町一丁目９番地２株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者田中肇埼玉県深谷市幡羅町一丁目９番地２株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者坂下嘉宏大阪府豊中市蛍池西町２丁目７番26号ＮＡＣＬビル２Ｆ株式会社日本電気化学工業所内 (72)発明者長谷川太一大阪府豊中市蛍池西町２丁目７番26号ＮＡＣＬビル２Ｆ株式会社日本電気化学工業所内 (72)発明者坂井和夫兵庫県川西市小花２丁目23−２冨士色素株式会社内Ｆターム(参考） 5C035 AA20 BB02 BB03 BB10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基板と、前記導電性基板の一方の
主面に配設された多数の微細孔を有する絶縁体層と、前記絶縁体層の微細孔内に形成された導体または半導体
の埋め込み層と、前記絶縁体層の表面に、前記導体または半導体埋込み層
と接触して形成された導電性金属薄膜とを備え、前記微細孔の底端部と前記導電性基板とが、前記絶縁体
から成るバリア層により隔てられ、かつ前記導電性基板
と前記導電性金属薄膜との間に印加された電圧により、
電子が放出されることを特徴とする電子源装置。
【請求項２】前記微細孔を有する絶縁体層が、多孔質
アルミナ層であることを特徴とする請求項１記載の電子
源装置。
【請求項３】前記多孔質アルミナ層が、アルミニウム
を主成分とする基板の陽極酸化により得られた酸化アル
ミニウム層であることを特徴とする請求項２記載の電子
源装置。
【請求項４】前記導電性金属薄膜を間に挟んで前記導
電性基板と反対側に、第３の電極が設けられていること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電子
源装置。
【請求項５】アルミニウムを主成分とする導電性基板
を陽極酸化することにより、一方の主面に微細孔を有す
る酸化アルミニウム層を形成する陽極酸化工程と、前記酸化アルミニウム層の微細孔内に導体または半導体
の埋め込み層を形成する工程と、前記酸化アルミニウム層の表面に、前記導体または半導
体埋め込み層と接触する導電性金属の薄膜を形成する工
程とを備え、前記陽極酸化工程において、前記微細孔の底端部と前記
導電性基板との間に、前記酸化アルミニウムから成るバ
リア層を形成することを特徴とする電子源装置の製造方
法。