JP2007012633A - 薄膜型電子源、それを用いた表示装置及び応用機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】薄膜型電子源の上部電極の材料として、Siよりも大きな禁制帯幅を有し、かつ導電性を有する材料を用いる。特に、SnO2やITO膜などの導電性酸化物、GaNやSiCなどの広禁制帯幅半導体を用いる。ホットエレクトロンが通過する上部電極(11)中での電子のエネルギー損失が低減し、電子放出効率が向上する。従来並のダイオード電流の場合、高い放出電流が得られる。一方、従来並の放出電流密度の場合、低駆動電流で済む為、給電線および駆動回路を簡易化できる。
【選択図】 図1
Description
E1+E2=E3+E4>0
となる。すなわち,エネルギーE1のホットエレクトロンは,0〜−E1の範囲の価電子としか相互作用できず,また散乱後は0〜E1の範囲の状態しか取り得ない。したがって,ホットエレクトロンの散乱確率は,この範囲の状態密度D(E)の個数にほぼ比例する。
その他の導電性酸化物として,ドープしない酸化インジウム,Fをドープした酸化インジウム,CdO,TiO2,Cdln2O4,Cd2SnO2,Zn2SnO4,AlやGa,Inなどをドープした酸化亜鉛などが上げられる。
その他の最適材料としては,GaN,SiCなどのいわゆるワイド バンドギャップ(wide−bandgap)半導体がある。これらは,禁制帯幅が3eV以上と十分であり,不純物のドーピングにより導電性を上げられるので,薄膜型電子源の上部電極に適している。
上記以外の透明導電膜として,導電性ホウ化物および導電性窒化物がある。具体的には,導電性ホウ化物としてはLaB6があり,導電性窒化物としてはTiN,ZrN,HfNなどがある。導電性ホウ化物,導電性窒化物では,フェルミ順位の直下3eV程度の範囲の状態密度関数(Density of States,DOS)がきわめて小さくなっている。このエネルギー範囲のDOSがゼロではないので,ワイドバンドギャップ材料とは必ずしも言われないが,DOSがきわめて小さいため,上述の原理によりホットエレクトロンの散乱は起こりにくく,薄膜型電子源の上部電極に適している。さらにこれらの化合物は,表面の仕事関数が2.6〜4eV程度と小さいため,表面からの電子放出が起こりやすいという利点もある。
また、用途によって、さらに抵抗率を下げたい場合には、上述のような禁制帯幅がSiの禁制帯幅よりも広い材料の上に、AuやPtなどフェルミ準位近傍の状態密度が小さい金属を積層しても良い。この場合、電子放出効率は、金属膜がない場合より当然低下する。しかし、従来、長寿命化のために用いられていたIr−Au積層膜と比較すると放出効率は向上する。これも禁制帯幅が広い材料を用いるという本発明の範疇に含まれる。AuやPtなどはフェルミ準位近傍の状態密度が小さいため、ホットエレクトロンの散乱が少ないが、一方、昇華エンタルピーが小さいので、絶縁層内に金属原子が拡散しやすく、薄膜型電子源の寿命が短くなる。本発明の構成では、絶縁層に接するのは、禁制帯幅がSiの禁制帯幅よりも広い材料であって、AuやPtは接しないので、この問題も発生しない。
例えば、薄膜型電子源応用表示装置は、薄膜型電子源を2次元配列してなる薄膜型電子源基板と、これに間隙を介して、蛍光体を塗布した面板とを張り合わせ、真空に封じることにより構成できる。
本発明の薄膜型電子源,薄膜型電子源応用表示装置および薄膜型電子源応用機器は、以下の構成により上記課題を解決する。
(2)前記材料は、GaNまたはSiCである前記(1)記載の薄膜型電子源。
(3)前記材料の前記禁制帯幅は3eV以上である前記(1)記載の薄膜型電子源。
(4)前記材料の抵抗率は10−3Ωcm以下である前記(3)記載の薄膜型電子源。
(5)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性酸化物を構成材として有している薄膜型電子源。
(6)前記導電性酸化物は、酸化錫,酸化インジウムおよび酸化亜鉛からなる群の中から選ばれた少なくとも一つを主成分として構成されており、前記上部電極は、前記導電性酸化物の単層膜またはそれらの積層膜を有している前記(5)記載の薄膜型電子源。
(7)前記酸化錫の少なくとも一部にアンチモンが、前記酸化インジウムの少なくとも一部にスズが、前記酸化亜鉛の少なくとも一部にアルミニウムがドープされている前記(6)記載の薄膜型電子源。
(8)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性ホウ化物を構成材として有している薄膜型電子源。
(9)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性窒化物を構成材として有している薄膜型電子源。
(10)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、真空中において前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、Siよりも広い禁制帯幅を有しかつ導電性を有する材料の膜と金属膜との積層膜を有している薄膜型電子源。
(11)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性酸化物膜と金属膜の積層膜を有している薄膜型電子源。
(12)下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極として、導電性酸化物膜,導電性ホウ化物膜,導電性窒化物膜および金属膜からなる群の中から選ばれた複数の膜の積層膜を有している薄膜型電子源。
(13)前記下部電極と前記絶縁層の間に半導体層が形成されている前記(1)乃至(12)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源。
(14)前記(1)乃至(13)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源を複数個配列してなる薄膜型電子源配列基板を電子源として有している薄膜型電子源応用機器。
(15)前記(1)乃至(13)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板を電子源として有している薄膜型電子源応用機器。
(16)前記(1)乃至(13)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板と、該基板に対向配置された、蛍光体を塗布した面板と、駆動回路を有している表示装置。
(17)前記上部電極に電流を給電する給電線を有しており、該給電線は前記上部電極の前記下部電極とは反対側に形成されている前記(16)記載の表示装置。
(18)前記給電線は前記上部電極を種膜とするメッキ膜である前記(17)記載の表示装置。
(19)前記(1)乃至(13)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源と、該電子源からの電子ビームに作用する電子レンズを有している電子線描画装置。
(20)前記(1)乃至(13)のいずれか一つに記載の薄膜型電子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板と、該電子源からの電子ビームに作用する電子レンズを有している電子線描画装置。
第1図は、本発明による薄膜型電子源の実施例として、MIM型電子源の例を示すものである。第1図(b)はその平面図で,第1図(a)は第1図(b)中のA−B線に沿う断面図である。絶縁性の基板14上に下部電極13としてAlを例えば100nmの膜厚で形成する。Alの形成には、例えば、RFマグネトロンスパッタリング法を用いる。このAlの表面を陽極酸化し、膜厚5.5nm程度の絶縁層12を形成する。陽極酸化の化成電流を小さな値に制限することにより、絶縁層12の膜質を向上させることができる。つぎにSiO2やAl2O3などの絶縁体をRFマグネトロンスパッタリング法などで50nm程度形成し、保護層15とする。続いてRFマグネトロンスパッタリング法などによりITO膜を10nm程度成膜し上部電極11とする。最後にAuなどで上部電極バスライン32を成膜した。
上記第1の実施例では、上部電極11としてITO膜を用いた場合について述べたが、上部電極11としてSnO2,ZnO,Cd2SnO4などを用いても良い。ZnOを用いる場合には,AlやIn,Siなどをドープしたものを用いても良い。また,これらの材料は,透明導電膜とも呼ばれるものであるが,本発明では,広い禁制帯を有すれば良く、光学的透過率が高い必要はない。
第7図は、本発明による薄膜型電子源の実施例として、MIS型電子源の例を示すものである。n型Si基板を下部電極13とし、その表面を熱酸化などの方法で酸化し、絶縁層12を作成する。つぎにCVD法やスパッタ法などによりSiO2膜を50nmの膜厚で蒸着し、保護層15とする。そのうえに、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によりGaNを10nm程度形成して上部電極11とする。最後にAuなどで上部電極バスライン32を作成する。このように作成した金属−絶縁体−半導体(MIS)型電子源についても本発明は有効である。また,GaNの代わりに,CVD法によりSiCを上部電極11に用いても良い。
第8図は,本発明による薄膜型電子源の実施例を示すものである。ガラスなどの絶縁性基板14上に下部電極13としてAlをスパッタなどで形成する。その上にSiを5μm程度成膜して半導体層41を形成し,さらにSiOxを400nm程度成膜して絶縁層12とする。その後にAuなどでバスライン32を形成し,最後にスパッタなどの方法で,ITO膜を10nm程度成膜して,上部電極11とする。このように形成した薄膜電子源の下部電極13に、上部電極11に対して−100V程度の電圧を印加すると,絶縁層12内でホットエレクトロンが生成され、上部電極11を通過して電子が放出される。
次に、本発明による薄膜型電子源を用いた応用機器の実施例を説明する。
第9図,第10図,第11図,第12図を用いて本発明による表示装置の実施例を説明する。第10図は表示装置の表示パネルをその面板側から見た平面図,第11図は表示パネルから面板を取り除き、表示パネルの面板側から基板14を見た平面図である。第9図(a)は第10図,第11図中のA−B線に沿う断面図、第9図(b)は第10図,第11図中のC−D線に沿う断面の内の左半分のみの断面図である(但し、第10図、第11図においては、基板14の図示を省略している)。
レジストパターン501をアセトンなどの有機溶媒で剥離した後,レジストで被覆されていた下部電極13表面を陽極酸化して絶縁層12を形成する。本実施例では化成電圧を4Vに設定し,絶縁層膜厚を5.5nmとした。これが,第12図(d)の状態である。
次に,上部電極バスラインに用いる材料を成膜し,レジストをパターニングしてエッチングを行い,上部電極バスライン32を形成する。これが第12図(e)の状態である。本実施例では,上部電極バスライン32は膜厚300nm程度のAl合金と膜厚20nm程度のW膜との積層膜で形成し,Al合金とW膜とを2段階のエッチングで加工した。バスライン32の材料にはAuなどを用いても良い。また上部電極バスライン32をエッチングする際は端部がテーパー形状になるようにエッチングする。
このように本実施例では,面板110−基板14間の距離は1〜3mm程度と大きいので,メタルバック122に印加する加速電圧を3〜6KVと高電圧に出来る。したがって,上述のように,蛍光体114には陰極線管(CRT)用の蛍光体を使用できる。
時刻t0ではいずれの電極も電圧ゼロであるので電子は放出されず、したがって、蛍光体114は発光しない。
第10図,第11図,第15図,第16図を用いて本発明による表示装置の別の実施例を説明する。第10図は表示装置の表示パネルをその面板側から見た平面図,第11図は表示パネルから面板を取り除き、表示パネルの面板側から基板14を見た平面図である。第15図(a)は第10図,第11図中のA−B線に沿う断面図、第15図(b)は第10図,第11図中のC−D線に沿う断面の内の左半分のみの断面図である(但し、第10図、第11図においては、基板14の図示を省略している)。
まず,基板上に形成する薄膜電子源の作製方法を述べる。第16図は基板14上に薄膜型電子源を作製するプロセスを示したものである。第16図には、第10図、第11図において上部電極11の一つと下部電極13の一つとが対向して形成する一つの電子源エレメントのみを取り出して描いている。第16図の右の列には、第10図、第11図における一つの電子源エレメントの平面図をその垂線の周りに90度回転したものが示されている。第16図の左の列には、第10図、第11図における一つの電子源エレメントのA−B線に沿う断面図を示す。第16図には1個の一つの電子源エレメントしか描かれていないが,実際には,第11図,第15図のように複数の電子源エレメントがマトリクス状に配置されている。
レジストパターン501をアセトンなどの有機溶媒で剥離した後,レジストで被覆されていた下部電極13表面を陽極酸化して絶縁層12を形成する。本実施例では化成電圧を6Vに設定し,絶縁層膜厚を8nmとした。これが,第16図(d)の状態である。
次に,Snをドープした酸化インジウム,すなわちITO(Indium Tin Oxide)膜をスパッタリングで形成する。ITO膜の膜厚は10nm程度とした。レジストとエッチングによるパターン化によりITO膜をパターン化し,上部電極11とする。これが第16図(e)の状態である。
メッキによりバスライン32を形成した後,レジスト502を剥離することにより第16図(g)の構造を得る。これは第15図に示した最終構造である。この構造の特色は,膜厚の薄い上部電極11が膜厚の厚いバスライン32の下側にあることである。第9図のようにバスライン32の上に膜厚の薄い上部電極11を形成すると,バスライン32の段差で上部電極11が断線しやすいという欠点があるが,第15図,第16図の構造だと上部電極11が形成されている表面の段差が大幅に減少するので,10nm程度以下の薄膜でも信頼性良く膜形成できる。
面板110上の蛍光体114などの構成方法,基板14,面板110,スペーサ60を組み合わせたパネル作成方法,および,駆動回路への接続と駆動方法などは先に述べた実施例と同様である。
本発明を用いた電子線描画装置の実施例を第18図を用いて説明する。電子線描画装置の場合、電子源は少なくとも1つあればよいが、本実施例では薄膜型電子源を格子状に2次元配列して作製したマルチ電子線源200を搭載した電子線描画装置について説明する。
マルチ電子線源200には表示素子の実施例で記載したのと同じ駆動法を適用し、描画しようとする集積回路パターンの形状の電子ビームを放出させる。この電子ビームは、ブランカ(blanker)210を通った後、電子レンズ220により1/100程度に縮小され、偏向器230により偏向されるので、集積回路パターンがウェハ240上に転写される。この電子線描画装置はパターンが一括転写できるのに加え、本発明で放出効率を向上させた分,放出電流密度が高いため、レジストの感光時間が短い。したがって従来の電子線描画装置に比べ、スループットを大幅に改善することが可能となる。
Claims (20)
- 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記
下部電極と前記上部電極の間に、前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧に
なる極性の電圧を印加した際に、真空中において前記上部電極の表面から電子を
放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、Siよりも広い禁制帯幅を有
し、かつ導電性を有する材料を構成材として有していることを特徴とする薄膜型
電子源。 - 前記材料は、GaNまたはSiCであることを特徴とする請求の範
囲第1項記載の薄膜型電子源。 - 前記材料の前記禁制帯幅は3eV以上であることを特徴とする請求
の範囲第1項記載の薄膜型電子源。 - 前記材料の抵抗率は10−3Ωcm以下であることを特徴とする請
求の範囲第3項記載の薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記
下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部
電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を
放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性酸化物を構成材として
有していることを特徴とする薄膜型電子源。 - 前記導電性酸化物は、酸化錫,酸化インジウムおよび酸化亜鉛から
なる群の中から選ばれた少なくとも一つを主成分として構成されており、前記上
部電極は、前記導電性酸化物の単層膜またはそれらの積層膜を有していることを
特徴とする請求の範囲第5項記載の薄膜型電子源。 - 前記酸化錫の少なくとも一部にアンチモンが、前記酸化インジウム
の少なくとも一部にスズが、前記酸化亜鉛の少なくとも一部にアルミニウムがド
ープされていることを特徴とする請求の範囲第6項記載の薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記
下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部
電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を
放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性ホウ化物を構成材とし
て有していることを特徴とする薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前記
下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上部
電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子を
放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性窒化物を構成材として
有していることを特徴とする薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前
記下部電極と前記上部電極の間に、前記下部電極に対して前記上部電極が正電圧
になる極性の電圧を印加した際に、真空中において前記上部電極の表面から電子
を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、Siよりも広い禁制帯幅を
有しかつ導電性を有する材料の膜と金属膜との積層膜を有していることを特徴と
する薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前
記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上
部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子
を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極は、導電性酸化物膜と金属膜の
積層膜を有していることを特徴とする薄膜型電子源。 - 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、前
記下部電極と前記上部電極の間に、真空中において前記下部電極に対して前記上
部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、前記上部電極の表面から電子
を放出する薄膜型電子源において、前記上部電極として、導電性酸化物膜,導電
性ホウ化物膜,導電性窒化物膜および金属膜からなる群の中から選ばれた複数の
膜の積層膜を有していることを特徴とする薄膜型電子源。 - 前記下部電極と前記絶縁層の間に半導体層が形成されていること
を特徴とする請求の範囲第1項乃至第12項のいずれか一項に記載の薄膜型電子
源。 - 請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか一項に記載の薄膜型電
子源を複数個配列してなる薄膜型電子源配列基板を電子源として有していること
を特徴とする薄膜型電子源応用機器。 - 請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか一項に記載の薄膜型電
子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板を電子源として有していること
を特徴とする薄膜型電子源応用機器。 - 請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか一項に記載の薄膜型電
子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板と、該基板に対向配置された、
蛍光体を塗布した面板と、駆動回路を有していることを特徴とする表示装置。 - 前記上部電極に電流を給電する給電線を有しており、該給電線は
前記上部電極の前記下部電極とは反対側に形成されていることを特徴とする請求
の範囲第16項記載の表示装置。 - 前記給電線は前記上部電極を種膜とするメッキ膜であることを特
徴とする請求の範囲第17項記載の表示装置。 - 請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか一項に記載の薄膜型電
子源と、該電子源からの電子ビームに作用する電子レンズを有していることを特
徴とする電子線描画装置。 - 請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか一項に記載の薄膜型電
子源を2次元配列してなる薄膜型電子源配列基板と、該電子源からの電子ビーム
に作用する電子レンズを有していることを特徴とする電子線描画装置。
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