JP2000306497A - 電界放出素子 - Google Patents

電界放出素子

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JP2000306497A
JP2000306497A JP11115984A JP11598499A JP2000306497A JP 2000306497 A JP2000306497 A JP 2000306497A JP 11115984 A JP11115984 A JP 11115984A JP 11598499 A JP11598499 A JP 11598499A JP 2000306497 A JP2000306497 A JP 2000306497A
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JP
Japan
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field emission
layer
voltage
apd
mis
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JP11115984A
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Takao Miyazaki
隆雄 宮崎
Yasunobu Matsuoka
康信 松岡
Shigehisa Tanaka
滋久 田中
Shinji Tsuji
伸二 辻
Tsunao Ono
綱男 小野
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Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Japan Display Inc
Original Assignee
Hitachi Device Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光照射による電流の増幅作用を利用した高感度
光変調機能を有する強電界放出装置と、それをもちいた
2次元画像表示素子を提供する。 【解決手段】MIS構造の半導体領域にアバランシェホ
トダイオード構造を用いることにより、MISの高電界
領域で効率的に光吸収とそれによるキャリヤの増倍が行
えるようになった。APD−MISのエミッタ構造から
なる電界放出装置により、光増幅、変調機能を有する電
子装置を提供できるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電界(電子)放出素
子またはその応用装置に係り、特に光による増幅変調を
可能とした電界放出素子または装置に関する。
【0002】
【従来の技術】映像装置の大型化と高画質化に伴い、大
面積用の平面表示素子の開発が進展している。平面表示
素子としては、液晶(LCD)、プラズマディスプレイ
(PDP)、エレクトロルミネッセンス(EL)が従来
の代表的なもので、すでに実用に供されているものも多
い。
【0003】しかしこれらは表示素子に要求される基本
的な特性である輝度、階調、視野角や高精細性などの点
で、ブラウン管(CRT)に比して及ばない点が多々あ
る。
【0004】また、CRTでは陰極から放出される電子
ビームを走査して蛍光面上に画像を表示するため、消費
電力や低電圧動作などの点で技術的課題が残されてお
り、これに代わる代替の表示素子の実現が望まれてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】CRTは、大面積表示
素子として上述したように表示面の厚さ、重量、大型化
および消費電力の点から、その他の方式に比して不利で
あり、輝度や視野角、信頼性ですぐれていても適用範囲
が制限される。LCDは輝度、色度、応答性や大型化に
難点がある。PDPは消費電力や高精細性に改善の余地
が多い。EL方式は色度、輝度、階調と消費電力などの
点で問題が多い。これらの問題点を考慮すると、CRT
並みの色度、輝度、階調などの画質を保持しながら、大
面積で薄く、軽量性にすぐれ、低消費電力特性を有する
平面表示素子の実現が不可欠になる。
【0006】平面素子の中で比較的新しく提案された構
造の素子として、電界(電子)放射ディスプレイ(FE
D)がある。このFEDの一般的な構造は、たとえば平
板なガラス基板などの上に形成されたマトリックス状の
多数の電界放射陰極アレイ(FEA)と、これと数10
0μmの間隔を隔てて対向する赤、緑、青の蛍光体とで
構成されている。画像の表示は、画素毎に配置されたF
EAの行と列を選択して、カソード電圧およびグリッド
(ゲート)電圧を印加するマトリックス駆動によって行
われる。
【0007】上記FEDは、電子ビームを偏向したり走
査する必要がないことから、薄型化が可能となるばかり
でなく、画素毎に電子源を有することから、駆動法によ
っては高輝度が期待できる。また、使用するFEAの寸
法がμm オーダの微小なエミッタおよびその集合体であ
るため、高精度ディスプレイ用素子として適したポテン
シャルを保持している。色度、階調や視野角等は本質的
にCRTと同等の性能が期待できる。
【0008】このようなFEA用エミッタとして、実用
段階に達している例に半導体の微細加工技術を適用した
ミクロンサイズのSiチップエミッタがある。これらは
上述のFEAの特質を備えているものの、図1に示すよ
うに、アノードAとエミッタ半導体Sの間に真空Vを介
して、数100V以上のアノード電圧(Va)を印加す
る必要があり、低消費電力性にとって不利である。Si
やMo薄膜を用いてチップの先端を尖鋭化し、電界強度
を高める工夫もなされているが、大幅な改善は望みにく
い。
【0009】そこで考案されたのが、図2に示したM
(金属)−I(絶縁体)−M(金属)型、および図3の
M(金属)−I(絶縁体)−S(半導体)トンネル型ダ
イオードエミッタである。絶縁体層Iをトンネル効果で
透過した電子の中で、上部電極の仕事関数エネルギより
も大きなエネルギを有する電子で真空中への電界放射が
生じる。従って、アノードと電極間の印加電圧は10V
前後にまで低電圧化できるので、低消費電力が可能とな
る。
【0010】ここで、上記両ダイオード構造とも平面表
示素子として適した前述の諸特性を兼ね備えてはいるも
のの、一方のMIMダイオードでは安定した特性の薄い
絶縁膜の形成が困難であるため、信頼性や寿命に問題が
残され、実用化に至っていない。すなわち均一な厚さ
で、電気的、機械的な強度が安定した50オングストロ
ーム程度の薄い絶縁膜の開発が不可欠である。
【0011】他方、Siを用いたMIS構造では、上記
の問題点に対応できる絶縁膜の形成は可能である。しか
し、電界放射に有効なキャリヤの密度が低いため、放射
電流密度が低くなるという問題点が残されている。
【0012】本発明の目的は、上記課題を解決し、MI
S構造エミッタに対して、放射電流密度に直接関与する
半導体内のキャリヤ濃度を著しく増大させうる電界放出
素子の構造を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決のため、
MIS構造のS層にアバランシェホトダイオードを組み
込んだAPD−MISエミッタを発明した。これにより
電界放射動作時に光照射で励起したアバランシェ動作に
より、放出電流密度が104倍以上にも増大することが
わかった。本発明の構成によれば、単に表示装置として
のみならず、光照射変調による放射電流の変調効果も顕
著であり、高感度特性を有する光検出素子、あるいはそ
れを利用した暗視装置などとしても活用できる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の光変調感度特性を有する
FEDは、図4に示した構成になっている。すなわち、
入射光Lの波長に相当する光吸収係数の逆数に対応する
厚さの半導体、たとえばSiを用いて、pn接合からな
るアバランシェホトダイオードを形成する。p+/p-
+接合構造で、n+層はキャリヤの拡散長以下の薄い値
に設定する。Siではほぼ10nmである。このn+層の
表面に通常の高温加熱酸化法により10nm以下の薄い絶
縁性酸化膜を形成する。その後、酸化膜の表面に、たと
えば直径10μm程度のドット状の金属電極をホトエッ
チング法などを用いて形成する。金属電極の厚さは、金
属中のホットキャリヤの減衰距離より薄い値になるよう
にする。この値は金属膜の種類によって異なるが、たと
えばPtでは10nm以下となる。
【0015】この素子を用いてFEDを構成した原理図
を図5に示した。図においてMは金属薄膜、Vは真空領
域、Aはアノード金属、Iは絶縁膜、NはN型導電半導
体、Πはπ型高抵抗半導体、PはP型導電半導体、Lは
入射光、eは電子、hは正孔、Vaはアノード電圧、V
dはダイオード電圧、Iaはアノード電流を示す。
【0016】APD‐MISダイオードに電圧Vdを印
加する。電圧の極性はp-/n+ダイオードがアバランシ
ェ動作領域に達し、かつI層に強電界が印加されてトン
ネル効果が生じるように設定する。SiのAPD層のp
-層の厚さが1μmで、SiO2からなるI層が10nmの
場合には約11Vとなる。アノードAの表面にはR、
G、Bの薄膜蛍光体(図示略)が塗布される。
【0017】アノード電圧Vaはエミッタが飽和領域動
作に対応するように設定されるが、通常のFEDの数k
Vという高電圧は不要で、高々100V程度でよい。そ
のため消費電力の低減、危険性の排除による用途の拡大
などの新しい分野への途が開かれた。
【0018】本発明の素子ではこの状態でも充分な電子
放射現象が生じているが、前述したように半導体中のキ
ャリヤ電子濃度が低いことによる放射電流密度の低さが
問題として残る。
【0019】本発明の素子においてAPD−FEDの裏
面から透明電極(図示略)を通して図に示すように光を
入射すると、p-層のアバランシェ領域で光励起による
生成キャリヤの増倍現象が生じ、キャリヤ濃度を著しく
増大させることができる。
【0020】この増大キャリヤは、I層を通して流れる
トンネル効果によるトンネル電流の供給関数として作用
するため、APD−MISのM層への注入電流の増加に
つながる。M層の厚さがいわゆるホットキャリヤの減衰
距離より薄くなっていれば(1eVのホット電子ではP
t金属の場合には約100nm)、注入電子はエネルギの
大幅な損失をうけずに真空中へと放出され、エミッショ
ン電流となる。このFEDはGHz領域の高速応答性に
すぐれており、光の消光比も104倍にも達するので、
高速、高感度の光検出機能を有している。
【0021】図6に本装置による電界放射電流特性の一
例を示した。光を照射しない場合との比較からあきらか
なように、本発明の素子では光照射による電流増感効果
が極めて顕著である。
【0022】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれば
高い光感度特性を有し、高速応答性にすぐれた特性のF
EDが得られる。これは従来のCRTとFEAのすぐれ
た長所を併せ持った特性を有する上に、これらにはなか
った光検出機能をも兼ね備えている。また、上記の実施
例では半導体としてSiを用いたAPDをとりあげた
が、入射光の波長によってはGe、GaAs、InPな
どの半導体材料のほか、超格子構造などの人工的構造を
用いることもできる。これらによれば、さらに波長依存
性や光感度特性の制御範囲を拡大できる。
【0023】また、本発明の素子は、半導体基板を用い
ることにより、制御回路、駆動回路や電源回路などをモ
ノリシックに内蔵したインテリジェント化が容易であ
り、小型、軽量で多機能性に富んだ電子装置が実現可能
になる。一例としてあげれば、夜間などの暗部状態にお
ける暗視装置などとしても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体電界放出装置の構成と動作を示す
モデル図。
【図2】MIM構造の電界放出装置の構成と動作を示す
モデル図。
【図3】MIS構造の電界放出装置の構成と動作を示す
モデル図。
【図4】本発明の一実施例のAPD−MIS構造のエミ
ッタの断面図。
【図5】図4の電界放出装置の構成と動作を示すモデル
図。
【図6】本発明の光照射時と未照射時のエミッタ出力特
性の測定図。
【符号の説明】 M…金属薄膜、S…半導体、V…真空領域、A…アノー
ド金属、I…絶縁膜、N…N型導電半導体、Π…π型高
抵抗半導体、P…P型導電半導体、L…入射光強度、e
…電子、h…正孔、Va…アノード電圧、Vd…ダイオ
ード電圧、Ia…アノード電流。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松岡 康信 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 田中 滋久 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 辻 伸二 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 小野 綱男 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 Fターム(参考) 5C031 DD17 DD20 5C035 CC10 5C036 EE03 EE04 EE19 EF01 EF06 EF08 EG02 EG12 EG47 EG48 EH05 5C037 GG06 GH11 GH13

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強電界効果を利用した電界放出素子におい
    て、電子の供給機構にアバランシェホトダイオードから
    なるMIS構造を用いるたとを特徴とする電界放出素
    子。
  2. 【請求項2】上記電界放出素子の動作時において、アバ
    ランシェホトダイオードへの光入射により放出電流を増
    幅することを特徴とする電子増幅装置。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の電界放出素子の、
    カソードとアノードとの間の真空領域をコレクタとして
    用いるホトトランジスタ構造となし、上記素子を2次元
    アレイ状に配列し、上記各素子の出力によって2次元画
    像表示を行わしめることを特徴とする画像表示用電子装
    置。
  4. 【請求項4】請求項1または2記載の電界放出素子のア
    バランシェホトダイオードを駆動し制御する電子回路
    を、上記電界放出素子と同一半導体基板上にモノリシッ
    ク集積化したことを特徴とする電界放出装置。
  5. 【請求項5】表示素子としての電界放出陰極アレイ(以
    下FEAと略称)部に、請求項1,2または4のいずれ
    か記載の電界放射素子を用いたことを特徴とする画像表
    示装置。
  6. 【請求項6】請求項1ないし5のいずれか記載の素子ま
    たは装置を用いたことを特徴とする暗視装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2879342A1 (fr) * 2004-12-15 2006-06-16 Thales Sa Cathode a emission de champ, a commande optique
JP2008098119A (ja) * 2006-10-16 2008-04-24 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology 電子源電極とそれを用いた液中電子放出装置および水素発生方法

Cited By (3)

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FR2879342A1 (fr) * 2004-12-15 2006-06-16 Thales Sa Cathode a emission de champ, a commande optique
WO2006063982A1 (fr) * 2004-12-15 2006-06-22 Thales Cathode a emission de champ, a commande optique
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