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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Elektronenemissionseinrichtung und ein Elektronenemissionsdisplay,
das die Einrichtung verwendet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Unter Feldelektronenemissionsdisplayvorrichtungen
ist das FED (Feldemissionsdisplay) als ein planares Emissionsdisplay
bekannt, das mit einem Feld von Kaltkathodenelektronenemissionsquellen
ausgerüstet
ist, das keine Kathodenheizung erfordert.
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Das Emissionsprinzip, zum Beispiel
eines FEDs, das eine Kaltkathode vom Spindt-Typ verwendet, ist wie
folgt. Obwohl dieses FED ein Kathodenfeld aufweist, das von dem
eines CRT verschieden ist, besteht sein Emissionsprinzip, wie das
eines CRTs, darin, dass Elektronen mittels einer zu der Kathode
beabstandeten Gateelektrode in einen Vakuumraum hineingezogen werden
und dass die Elektronen dazu gebracht werden, auf die fluoreszierende
Substanz aufzutreffen, die auf eine transparente Anode aufgebracht
ist, wodurch Lichtemission verursacht wird.
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Diese Feldemissionsquelle sieht sich
jedoch einem Problem geringer Herstellungsausbeute gegenüber, da
die Herstellung der sehr kleinen Spindtartigen Kaltkathode komplex
ist und viele Schritte beinhaltet.
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Es gibt auch eine Elektronenemissionseinrichtung
mit einer Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM-Struktur)
als Planare Elektronenquelle. Diese Elektronenemissionseinrichtung
mit MIM-Struktur weist eine Al-Schicht
als Kathode, eine Al2O3-Isolatorschicht
mit einer Schichtdicke von etwa 10 nm und eine Au-Schicht als Anode
mit einer Schichtdicke von etwa 10 nm auf, die in dieser Reihenfolge
auf dem Substrat ausgebildet sind. Wird diese Einrichtung unter
der gegenüberliegenden
Elektrode in Vakuum angeordnet, so springen, wenn eine Spannung
zwischen der darunterliegenden Al-Schicht und der darüberliegenden
Au-Schicht angelegt wird und eine Beschleunigungsspannung an die
gegenüberliegende Elektrode
angelegt wird, einige der Elektronen aus der darüberliegenden Au-Schicht und
erreichen die gegenüberliegende
Elektrode. Selbst die Elektronenemissionseinrichtung mit einer MIM-Struktur
schafft noch keine ausreichende Menge an emittierten Elektronen.
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Um diese Eigenschaft zu verbessern,
nimmt man an, dass die Al2O3-Isolatorschicht um
etwa mehrere Nanometer dünner
gemacht werden muss und dass die Qualität der membranartigen Al2O3-Isolatorschicht
und die Grenzfläche
zwischen der Al2O3-Isolatorschicht
und der darüberliegenden
Au-Schicht gleichmäßiger ausgebildet
sein sollte.
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Um eine dünnere und gleichmäßigere Isolatorschicht
zu schaffen, wurde zum Beispiel ein Versuch unternommen, durch die
Verwendung von Anodisierung den Ausbildungsstrom zu steuern, um
dadurch die Elektronenemissionscharakteristik wie bei der Erfindung,
die im japanischen Patent Kokai No. Hei7-65710 beschrieben ist,
zu verbessern.
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Selbst eine Elektronenemissionseinrichtung mit
einer MIM-Struktur, die mittels dieses Verfahrens hergestellt wurde,
stellt jedoch einen Emissionsstrom von etwa 1 × 10–5 A/cm2 und eine Elektronenemissionseffizienz von
etwa 1 × 10–3 sicher.
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Das Journal of Vacuum Science & Technology B,
11 (1993) 514 offenbart eine Elektronenemissionseinrichtung mit
einer Elektronenversorgungsschicht, einer Isolatorschicht und einer
Dünnschicht-Metallelektrode,
wobei die Isolatorschicht ein Dielektrikum mit einer Dicke von größer oder
gleich 50 nm ist.
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AUFGABE UND
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Elektronenemissionseinrichtung mit einer hohen Elektronenemissionseffizienz
und eine Elektronenemissionsdisplayvorrichtung, welche die Elektronenemissionseinrichtung
verwendet, zu schaffen.
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Eine Elektronenemissionseinrichtung,
die durch ein Verfahren gemäß dieser
Erfindung hergestellt wurde, umfasst: eine Elektronenversorgungsschicht
aus Metall oder Halbleiter; eine auf der Elektronenversorgungsschicht
ausgebildete Isolatorschicht; und eine auf der Isolatorschicht ausgebildete Dünnschicht-Metallelektrode,
wobei die Elektronenemissionseinrichtung Elektronen emittiert, wenn
ein elektrisches Feld zwischen de Elektronenversorgungsschicht und
der Dünnschicht-Metallelektrode angelegt
wird, wobei die Isolatorschicht eine dielektrische Schicht mit einer
Dicke von 50 Nanometern oder mehr ist und die Isolatorschicht durch
einen Vakuumverdampfungsprozess mit einer Schichtbildungsrate von
0,5 bis 100 Nanometern/Minute gebildet ist.
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Gemäß der durch ein Verfahren dieser
Erfindung hergestellten Elektronenemissionseinrichtung mit der voranstehenden
Struktur ist es wegen der großen
Dicke der Isolatorschicht nicht sehr wahrscheinlich, dass Durchgangslöcher in
der Isolatorschicht erzeugt werden, und die Produktionsausbeute
ist folglich erhöht.
Der Emissionsstrom der Elektronenemissionseinrichtung beträgt ungefähr 1 × 10–3 A/cm2, und man erhält das Elektronenemissionsstromverhältnis von
1 × 10–1.
Wenn diese Elektronenemissionseinrichtung in einem Display verwendet wird,
kann sie eine starke Leuchtkraft schaffen, den Verbrauch des Antriebsstroms
und die Wärmeerzeugung
von der Einrichtung unterdrücken
und eine Last an der Antriebsschaltung reduzieren.
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Die durch ein Verfahren dieser Erfindung hergestellte
Elektronenemissionseinrichtung ist eine Planare oder punktförmige Elektronenemissionsdiode
und kann als eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode dienen,
welche elektromagnetische Wellen infraroter Strahlung, sichtbaren
Lichts oder ultravioletter Strahlung emittiert.
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Ein durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestelltes Elektronenemissionsdisplay umfasst: ein
erstes und ein zweites Substrat, die sich gegenüber stehen und einen Vakuumraum
zwischen sich aufweisen; mehrere auf dem ersten Substrat vorgesehene
Elektronenemissionseinrichtungen; eine in dem zweiten Substrat vorgesehene
Kollektorelektrode; und eine auf der Kollektorelektrode ausgebildete
fluoreszierende Schicht, wobei jede der Elektronenemissionseinrichtungen
eine auf dem ersten Substrat ausgebildete Elektronenversorgungsschicht
aus Metall oder Halbleiter, eine auf der Elektronenversorgungsschicht
ausgebildete Isolatorschicht und eine auf der Isolatorschicht ausgebildete Dünnschicht-Metallelektrode
aufweist, wobei die Isolatorschicht eine dielektrische Schicht mit
einer Dicke von 50 Nanometern oder mehr ist und die Isolatorschicht
durch einen Vakuumverdampfungsprozess mit einer Schichtbildungsrate
von 0,5 bis 100 Nanometern/Minute gebildet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenemissionseinrichtung;
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2 ist
ein Graph, welcher die Abhängigkeit
des Elektronenemissionsstroms von der Schichtdicke einer SiO2-Schicht
in der die Erfindung verkörpernden
Elektronenemissionseinrichtung zeigt;
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3 ist
ein Graph, welcher die Abhängigkeit
der Elektronenemissionseffizienz von der Schichtdicke der SiO2-Schicht
in der die Erfindung verkörpernden
Elektronenemissionseinrichtung zeigt;
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4 ist
ein Diagramm, welches eine Bandcharakteristik der Elektronenemissionseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 ist
ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Elektronenemissionsstrom
der erfindungsgemäßen Elektronenemissionseinrichtung
und der Schichtbildungsrate darstellt;
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6 ist
ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Elektronenemissionseffizienz
der erfindungsgemäßen Elektronenemissionseinrichtung
und der Schichtbildungsrate darstellt; und
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7 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, welche ein Elektronenemissionsdisplay
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt
ist, weist eine die Erfindung verkörpernde Elektronenemissionseinrichtung ein
Substrat 10 mit einer Ohmschen Elektrode 11 darauf
und ferner eine Elektronenversorgungsschicht 12 aus einem
Halbleiter, eine Isolatorschicht 13 und eine einem Vakuumraum
zugewandte Dünnschicht-Metallelektrode 15 auf,
die in der beschriebenen Reihenfolge auf dem Substrat 10 ausgebildet sind.
Bei dieser Elektronenemissionseinrichtung werden durch das Anlegen
eines elektrischen Feldes zwischen der Elektronenversorgungsschicht 12 und der
Dünnschicht-Metallelektrode 15 Elektronen
emittiert.
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Die Isolatorschicht 13 ist
aus einer dielektrischen Substanz gebildet und weist eine sehr große Schichtdicke
von 50 nm oder größer auf.
Die Elektronenemissionseinrichtung kann als eine Diode angesehen
werden, deren Dünnschicht-Metallelektrode 15 an
ihrer Oberfläche
mit einem positiven Potential Vd und der Rückseite verbunden ist, und
die Ohmsche Elektrode 11 ist mit einem Massepotential verbunden.
Wenn die Spannung Vd zwischen der Ohmschen Elektrode 11 und
der Dünnschicht-Metallelektrode 15 zur
Zufuhr von Elektronen in die Elektronenversorgungsschicht 12 angelegt
wird, fließt
ein Diodenstrom Id. Da die Isolatorschicht 13 einen hohen Widerstand
aufweist, ist das angelegte elektrische Feld größtenteils an die Isolatorschicht 13 angelegt. Die
Elektronen bewegen sich innerhalb der Isolatorschicht 13 in
Richtung der Dünnschicht-Metallelektrode 15.
Einige der Elektronen, die nahe an die Dünnschicht-Metallelektrode 15 herankommen,
tunneln aufgrund des starken Feldes durch die Dünnschicht-Metallelektrode 15 hindurch,
um in den Vakuumraum hinein entladen zu werden.
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Die durch den Tunneleffekt aus der
Dünnschicht-Metallelektrode 15 entladenen
Elektronen e (Emissionsstrom Ie) werden durch eine hohe Spannung
Vc, die an eine gegenüberliegende
Kollektorelektrode (transparente Elektrode) 2 angelegt
wird, beschleunigt und an der Kollektorelektrode 2 eingesammelt.
Wenn die Kollektorelektrode 2 mit einer fluoreszierenden
Substanz beschichtet ist, wird entsprechend sichtbares Licht emittiert.
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Während
Si als Material für
die Elektronenversorgungsschicht der Elektronenemissionseinrichtung
besonders wirkungsvoll ist, kann auch ein einfacher Halbleiter oder
ein Verbindungshalbleiter eines Elements einer Gruppe IV, einer
Gruppe III–VI,
einer Gruppe II–VI
oder ähnliches
verwendet werden, wie zum Beispiel ein Germanium (Ge), Silicumcarbid (SiC),
Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder Cadmiumselenid
(CdSe).
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Während
Metalle wie Al, Au, Ag und Cu als das Material der Elektronenversorgungsschicht
wirkungsvoll sind, können
auch Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru,
Rh, Pd, Cd, Ln, Sn, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Tl, Pb, La, Ce, Pr, Nd,
Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu oder ähnliche verwendet werden.
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Siliciumoxid SiOx (wobei
x ein atomares Verhältnis
darstellt) ist als das dielektrische Material der Isolatorschicht
wirkungsvoll. Des Weiteren ist auch ein Metalloxid oder ein Metallnitrid
wirkungsvoll, wie zum Beispiel LiOx, LiNx, Na0x, KOx, RbOx, CsOx, BeOx, MgOx, MgNx, CaOx, CaNx, SrOx, BaOx, ScOx, YOx, YNx, LaOx, CeOx, PrOx, NdOx, SmOx, EuOx, GdOx, TbOx, DyOx, HoOx, ErOx, TmOx, YbOx, LuOx, TiOx, TiNx, ZrOx, ZrNx, HfOx, HfNx, ThOx, VOx, VNx, NbOx, NbNx, TaOx, TaNx, CrOx, CrNx, MoOx, WoNx, WOx, WNx, MnOx, ReOx, FeOx, FeNx, RuOx, OsOx, CoOx, RhOx, IrOx, NiOx, PdOx, PtOx, CuOx, CuNx, AgOx, AuOx, ZnOx, CdOx, HgOx, BOx, BNx, AlOx, AlNx, GaOx, GaNx, InOx, TiOx, TiNx, SiNx, GeOx, SnOx, PbOx, POx, PNx, AsOx, SbOx, SeOx, TeOx, ein komplexes
Metalloxid, wie zum Beispiel LiAlO2, Li2SiO3, LiaTiO3, NaAl22O34, NaFeO2, Na4SiO4, K2SiO3, K2TiO3,
K2WO4, Rb2CrO4, CsCrO4, MgAl2O4, McFe2O4, MgTiO3, CaTiO3, CaWO4, CaZrO3, SrFe12O19, SrTiO3, SrZrO3, BaAl2O4, BaFe12O19, BaTiO3, Y3Al5O12Y3, Fe5O12, LaFeO3, La3Fe5O12, La2Ti2O7, CeSnO4, CeTiO4, Sm3Fe5O12,
EuFeO3, Eu3Fe5O2, GdFeO3, Gd3Fe5O12, DyFeO3, Dy3Fe5O12,
HoFeO3, Ho3Fe5O12, ErFeO3, Er3Fe5O12, Tm3Fe5O12, LuFeO3, Lu3Fe5O12, NiTiO3, Al2TiO3, FeTiO3, BaZrO3, LiZrO3, MgZrO3, HfTiO4, NH4VO3,
AgVO3, LiVO3, BaNb2O6, NaNbO3, SrNb2O6, KTaO3, NaTaO3, SrTa2O6, CuCr2O4, Ag2CrO4, BaCrO4, K2MoO4, Na2MoO4, NiMoO4, BaWO4, Na2WO4, SrWO4, MnCr2O4, MnFe2O4, MnTiO3, MnWO4, CoFe2O4, ZnFe2O4, FeWO4, CoMoO4, CoTiO3, CoWO4, NiFe2O4, NiWO4, CuFe2O4, CuMoO4, CuTiO3, CuWO4, Ag2MoO4, Ag2WO4, ZnAl2O4, ZnMoO4, ZnWO4, CdSnO3, CdTiO3, CdMoO4, CdWO4, NaAlO2, MgAl2O4, SrAl2Oa, Gd3Ca5O12,
InFeO3, MgIn2O4, Al2TiO5, FeTiO3, MgTiO3, Na2SiO3, CaSiO3, ZrSiO4, K2GeO3,
Li2GeO3, Na2GeO3, Bi2Sn3O9,
MgSnO3, SrSnO3,
PbSiO3, PbMoO4,
PbTiO3, SnO2, Sb2O3, CuSeO4, Na2SeO3, ZnSeO3, K2TeO3, K2TeO4, Na2TeO3, Na2TeO4, ein Sulfid, wie zum Beispiel FeS, Al2S3, MgS, ZnS, ein
Fluorid, wie zum Beispiel LiF, MgF2, SmF3, Chloride, wie zum Beispiel HgCl, FeCl2, CrCl3, ein Bromid,
wie zum Beispiel AgBr, CuBr, MnBr2, ein
Jodid, wie zum Beispiel PbI2, CuI, FeI2, oder ein Metalloxidnitrid, wie zum Beispiel
SiAlON.
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Als das dielektrische Material der
Isolatorschicht 13 sind Carbon, wie zum Beispiel Diamant, Fulleren
(C2n), oder ein Metallcarbid wirkungsvoll, wie zum Beispiel Al4C3, B4C,
CaC2, Cr3C2, Mo2C, MoC, NbC,
SiC, TaC, TiC, VC, W2C, WC, ZrC. Fulleren
(C2n) weist ein korbförmiges
sphärisches
Molekül
auf, das durch C60 dargestellt und ausschließlich aus
Kohlenstoffatomen gebildet ist. Es existieren Molekülvariationen
von C32~C960. Bei
den voranstehend beschriebenen Formeln stellt x in Ox und Nx ein
atomares Verhältniss
dar. Das gleiche gilt auch für
die folgenden Formeln.
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Obwohl Metalle wie Pt, Au, W, Ru
und Ir als Material für
die Dünnschicht-Metallelektrode 15 auf der
Elektronenemissionsseite wirkungsvoll sind, kann auch Al, Sc, Ti,
V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag,
Cd, Ln, Sn, Ta, Re, Os, Tl, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,
Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu und ähnliches
verwendet werden.
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Das Material für das Substrat 10 der
Einrichtung kann eine Keramik, wie beispielweise Al2O3, Si3N4 oder
Bn, anstelle von Glas sein.
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Obwohl Vakuumverdampfung ein besonders wirkungsvolles
Verfahren zur Ausbildung dieser Schichten und des Substrats ist,
sind auch Sputtern, CVD (chemische Dampfabscheidung), Laserablenkungsverfahren
und MBE (molekulare Strahlepitaxie) wirkungsvoll.
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Die Elektronenemissionseinrichtung
dieser Erfindung wurde hergestellt und ihre Charakteristiken wurden
speziell untersucht.
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Die Elektronenversorgungsschicht 12 aus Silicium
(Si) wurde durch Sputtern 5000 nm dick auf der Elektronenoberfläche des
Einrichtungssubstrats 10 aus Glas ausgebildet, auf dem
eine Ohmsche Al-Elektrode durch Sputtern 300 nm dick ausgebildet war.
Es wurden mehrere Si-Substrate dieser Art vorbereitet.
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Dann wurde durch Vakuumabscheidung
die SiO2-Isolatorschicht 13 auf
den Elektronenversorgungsschichten 12 des Si-Substrats
ausgebildet, während
die Schichtdicke der Isolatorschicht 13 in einem Bereich
von 0 nm bis 500 nm verändert
wurde, um somit mehrere SiO2-Isolatorsubstrate
bereitzustellen. Die SiO2-Isolatorschicht 13 wurde
bei einem Druck von weniger als 0,0133 Pa (10–4 Torr)
und mit einer Ausbildungsrate von 0,5 bis 100 nm/min durch Vakuumabscheidung
ausgebildet. Durch eine entsprechende Variation der Bedingungen,
wie zum Beispiel der Auswahl des Verdampfungsquellenmaterials, des
Abstandes zwischen der Verdampfungsquelle und dem Substrat, der
Bedingung der Schichtbildung, der Heizbedingung des Substrats und
der zusätzlichen
Verwendung einer Sauerstoffionenstrahlunterstützung, der Steuerung der Auswahl
zwischen Einschicht- oder Mehrschicht-Struktur, der Auswahl zwischen
amorpher Phase oder Kristallphase, kann die Korngröße und das
atomare Verhältnis
der Isolatorschicht 13 beeinflusst werden.
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Die Analyse der SiO2-Isolatorschicht 13 bei dieser
Ausführungsform
durch Röntgenstrahlendiffraktion
zeigte Diffraktionsintensitäten
Ic bei Kristallabschnitten und eine Halointensität Ia durch die amorphe Phase.
Hieraus kann geschlossen werden, dass das SiO2 der
Isolatorschicht die amorphe Phase aufweist.
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Schließlich wurde die Dünnschicht-Metallelektrode 15 aus
Pt 10 nm dick auf der Oberfläche
der amorphen SiO2-Schicht eines jeden Substrats
ausgebildet, wodurch mehrere Einrichtungssubstrate geschaffen wurden.
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Unterdessen wurden ein transparentes
Substrat, bei dem die ITO-Kollektorelektrode 2 im
Inneren des transparenten Glassubstrats ausgebildet war, und ein
transparentes Substrat vorbereitet, bei dem eine fluoreszierende
Schicht 3 aus fluoreszierenden Substanzen, die R, G und B entsprechen, durch
das übliche
Schema auf jeder Kollektorelektrode ausgebildet war.
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Elektronenemissionseinrichtungen
wurden zusammengebaut, indem diese Einrichtungssubstrate und diese
transparenten Substrate parallel zueinander und durch einen Abstandhalter
um 10 nm zueinander beabstandet derart gehalten wurden, dass die
Dünnschicht-Metallelektrode 15 der
Kollektorelektrode 2 zugewandt war, wobei der Zwischenraum dazwischen
zu einem Vakuum von 1,33 × 10–5 Pa (10–7 Torr)
oder 10–5
Pa gemacht wurde.
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Dann wurden der der Dicke der SiO-Schicht einer
jeden erhaltenen Mehrfacheinrichtung entsprechende Diodenstrom Id
und Emissionsstrom Ie gemessen.
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Die 2 und 3 zeigen die Beziehung zwischen
der Schichtdicke jeder SiO2-Schicht und
des maximalen Emissionsstroms Ie und der maximalen Elektronenemissionseffizienz
(Ie/Id) für
jede Schichtdicke, wenn Vd von 0 bis 200 V an die vorbereiteten Elektronenemissionseinrichtungen
angelegt wurde. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, zeigten
diejenigen Einrichtungen, deren SiO2-Schichten
die Dicken von 300 bis 500 nm hatten, den maximalen Emissionsstrom
von etwa 1 × 10–3 A/cm2 und die maximale Elektronenemissionseffizienz
von etwa 1 × 10–1,
während
der Emissionsstrom und die Elektronenemissionseffizienz von der
Dicke von 50 nm gesättigt
waren.
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Man erkennt aus diesen Resultaten,
dass man durch Anlegen einer Spannung von 200 V oder niedriger den
Emissionsstrom von 1 × 10–6 A/cm2 oder größer und
die Elektronenemissionseffizienz von 1 × 10–3 oder
größer aus
einer Elektronenemissionseinrichtung erhalten kann, die eine die lektrische SiO2-Schicht mit einer Dicke von 50 nm oder
größer, vorzugsweise
mit einer Dicke von 100 bis 400 nm, aufweist.
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Bei einer zwischen der mit der fluoreszierenden
Substanz beschichteten Kollektorelektrode 2 und der Dünnschicht-Metallelektrode 15 angelegten Spannung
von etwa 4 kV wurde bei den Einrichtungen, deren SiO2- Schichten
die Dicke von 50 nm oder größer hatten,
ein der Form der Dünnschicht-Metallelektrode
entsprechendes gleichmäßiges fluoreszierendes
Muster beobachtet. Dies zeigt, dass die Elektronenemission aus der
amorphen SiO2-Schicht gleichmäßig ist
und eine hohe Linearität
aufweist, und dass diese Einrichtungen als eine Elektronenemissionsdiode
oder als eine lichtemittierende Diode oder Laserdiode dienen kann,
welche elektromagnetische Wellen infraroter Strahlung, sichtbaren
Lichts oder ultravioletter Strahlung emittiert.
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Der Diodenstrom Id und der Emissionsstrom Ie
wurden für
mehrere Elektronenemissionseinrichtungen gemessen, deren Isolatorschichten,
welche die Dicke von 400 nm aufwiesen, unter verschiedenen Bedingungen
durch das Vakuumverdampfungsverfahren gebildet wurden.
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5 und 6 zeigen eine Beziehung zwischen
dem Emissionsstrom Ie und der Schichtbildungsrate bzw. eine Beziehung
zwischen der Elektronenemissionseffizienz (Ie/Id) und der Schichtbildungsrate.
Als Ergebnis dieser Messungen stellt man fest, dass man bei der
Schichtbildungsrate von 1 1000 nm/min den Elektronenemissionsstrom
von 1 × 10–6 A/cm2 oder höher
und die Elektronenemissionseffizienz von 1 × 10–3 oder
höher erreichen
kann.
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Als Ergebnis der Beobachtung der
Oberfläche
der so gebildeten Isolatorschicht unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops
(REM) stellte man fest, dass die Isolatorschicht aus Partikelklumpen
mit einem Durchmesser von etwa 20 nm gebildet ist. Man nimmt an,
dass das eigenartige Phänomen,
dass ein Tunnelstrom fließt,
obwohl die Dicke der Schicht 50 nm oder mehr beträgt, seinen
Ursprung in diesem Merkmal großer
Partikel findet. 4 ist
ein Energiebanddiagramm, welches das voranstehend genannte Phänomen erklärt. Wie
in dieser Figur dargestellt ist, existieren aufgrund von Kristalldefekten
und Verunreinigungen, die tendenziell in den Partikelklumpen und
deren Nachbarschaft auftreten, mehrere Bänder mit niedrigen Potentialen,
obwohl SiO2 an sich ein Isolator ist. Das
Elektron tunnelt nacheinander durch diese Bänder niedriger Potentiale hindurch.
Im Ergebnis tunnelt es durch die gesamte Schicht hindurch, die eine
Dicke von 50 nm oder mehr aufweist.
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7 zeigt
die Ausführungsform
einer Elektronenemissionsdisplayeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Diese Ausführungsform der Displayeinrichtung
umfasst ein Paar bestehend aus dem transparenten Substrat 1 und
dem Einrichtungssubstrat 10, die einander mit einem Vakuumraum 4 dazwischen zugewandt
sind. Bei der dargestellten Elektronenemissionsdisplayvorrichtung
sind mehrere transparente Kollektorelektroden 2 aus, zum
Beispiel, einem Indiumzinnoxid (sogenanntes ITO), Zinnoxid (SnO), Zinkoxid
(ZnO) oder ähnlichem
parallel zueinander auf der inneren Oberfläche des transparenten Glassubstrats 1 oder
der Displayoberfläche
(die dem Rückseitensubstrat 10 zugewandt
ist) ausgebildet. Die transparenten Kollektorelektroden 2 können einstückig ausgebildet
sein. Die transparenten Kollektorelektroden, welche emittierte Elektronen
einfangen, sind in Verbindung mit Rot (R)-, Grün (G)-
und Blau (B)-Farbsignalen in Dreiergruppen angeordnet, um
eine Farbanzeigetafel zu schaffen, und Spannungen werden jeweils
an diese drei Kollektorelektroden angelegt. Deshalb werden jeweils
fluoreszierende Schichten 3R, 3G und 3B von
fluoreszierenden Substanzen, die R, G und B entsprechen,
auf den drei Kollektorelektroden 2 derart ausgebildet,
dass sie dem Vakuumraum 4 zugewandt sind.
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Mehrere Ohmsche Elektroden 11 sind
parallel zueinander auf der inneren Oberfläche des Einrichtungssubstrats 10 aus
Glas oder ähnlichem
angeordnet, welches dem transparenten Glassubstrat 1 über eine
Isolatorschicht 18 mit dem dazwischen liegenden Vakuumraum 4 zugewandt
ist (d. h. die innere Oberfläche
ist dem transparenten Glassubstrat 1 zugewandt). Die Isolatorschicht 18 umfasst
einen Isolator, wie zum Beispiel SiO2, SiNx, Al2O3 oder
AlN, und dient dazu, einen nachteiligen Einfluss des Einrichtungssubtrats 10 auf
die Einrichtung zu verhindern (wie zum Beispiel das Auswaschen einer
Verunreinigung, zum Beispiel einer alkalischen Komponente, oder
eine aufgerauhte Substratoberfläche).
Mehrere Elektronenemissionseinrichtungen S sind auf den Ohmschen
Elektroden 11 ausgebildet, angrenzende Dünnschicht-Metallelektroden 15 sind
elektrisch angeschlossen und mehrere Buselektroden 16 sind
auf Teilen der Dünnschicht-Metallelektroden 15 ausgebildet
und erstrecken sich parallel zueinander und rechtwinklig zu den
Ohmschen Elektroden 11. Jede Elektronenemissionseinrichtung
S umfasst die Elektronenversorgungsschicht 12, die Isolatorschicht 13 und
die Dünnschicht-Metallelektrode 15,
welche in dieser Reihenfolge auf der zugeordneten Ohmschen Elektrode 11 ausgebildet
sind. Die Dünnschicht-Metallelektroden 15 sind
dem Vakuumraum 4 zugewandt. Eine zweite Isolatorschicht 17 mit Öffnungen ist
ausgebildet, um die Oberflächen
der Dünnschicht-Metallelektroden 15 in
mehrere Elektronenemissionsbereiche aufzuteilen. Diese zweite Isolatorschicht 17 bedeckt
die Buselektroden 16, um unnötige Kurzschlüsse zu verhindern.
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Das Material für die Ohmschen Elektroden 11 ist
Au, Pt, Al, W oder ähnliches,
was üblicherweise für die Drähte eines
IC verwendet wird, und weist eine gleichmäßige Dicke zum Zuführen des
im Wesentlichen gleichen Stroms zu den einzelnen Einrichtungen auf.
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Während
Silicium (Si) ein Material für
die Elektronenversorgungsschicht 12 ist, ist es für die Elektronenversorgungsschicht
dieser Erfindung nicht beschränkend,
und auch andere Halbleiter oder Metalle einer beliebigen amorphen,
polykristallinen oder monokristallinen Art können verwendet werden.
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Aus dem Prinzip der Elektronenemission folgt,
dass es besser ist, dass das Material für die Dünnschicht-Metallelektrode 15 eine
kleinere Austrittsarbeit ϕ aufweist und dünner ist.
Um die Elektronenemissionseffizienz zu erhöhen sollte das Material für die Dünnschicht-Metallelektrode 15 ein
Metall der Gruppe I oder der Gruppe II des Periodensystems sein;
zum Beispiel sind Cs, Rb, Li, Sr, Mg, Ba, Ca und ähnliche
wirkungsvoll, und auch Legierungen dieser Elemente können verwendet
werden. Um die Dünnschicht-Metallelektrode 15 sehr
dünn auszubilden, sollte
das Material für
die Dünnschicht-Metallelektrode 15 ein
chemisch stabiles Metall mit einer hohen Leitfähigkeit sein; zum Beispiel
sind einzelne Substanzen von Au, Pt, Lu, Ag und Cu oder Legierungen davon
wünschenswert.
Es ist wirkungsvoll, diese Metalle mit einem Metall mit einer kleinen
Austrittsarbeit, wie voranstehend beschrieben, zu beschichten oder zu
dotieren.
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Das Material für die Buselektroden 16 kann Au,
Pt, Al oder ähnliches
sein, was üblicherweise
für die
Drähte
eines IC verwendet wird, und sollte eine Dicke aufweisen, die ausreichend
ist, um den einzelnen Einrichtungen im Wesentlichen das gleiche
Potential zuzuführen,
passenderweise 0,1 bis 50 μm.
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Ein einfaches Matrixsystem oder ein
aktives Matrixsystem kann als Antriebssystem für das Display dieser Erfindung
verwendet werden.
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Die Elektronenemissionseinrichtung
dieser Erfindung kann an eine lichtemittierende Quelle für eine Pixelleuchte,
an eine Elektronenemissionsquelle für ein Elektronenmikroskop und
an eine schnelle Einrichtung, wie zum Beispiel eine Einrichtung
der Vakuummikroelektronik, angepasst werden und kann als eine planare
oder punktförmige
Elektronenemissionsdiode, eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode
dienen, welche elektromagnetische Wellen infraroter Strahlung, sichtbaren
Lichts oder ultravioletter Strahlung emittiert.