JP2008288139A - 発光型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命と階調制御性が優れたＭＩＭ電子源を用いた表示装置
【解決手段】ＭＩＭ絶縁層の膜厚が９．６ｎｍの素子では、電圧と共にダイオード電流Ｉｄは４．８Ｖ付近から指数関数的に立ち上がり、エミッション電流Ｉｅは４．７Ｖから指数関数的に立ち上がる。すなわち、ＶｔｈＩｅ＜ＶｔｈＩｄ又はＶｔｈＩｅとＶｔｈＩｄが概ね同じ電圧である。詳細に測定するとＶｔｈＩｅとＶｔｈＩｄとの差が０．３Ｖ以内にあった。
【選択図】図１０

Description

本発明は、平面電子源を用いた発光型表示装置であって、特に、電子源としてトンネル電流により電子を放射する方式の電子源を用いたものに関する。

平面電子源を用いた発光型表示装置は、基板上に種々の電子源を多数マトリクス状に配列したカソード基板と、蛍光体からなる蛍光面とアノード電極を形成したアノード基板とを向かい合わせ、真空間隙を保つように配置されている。

電子源には、電界放射型、トンネル電流放出型の大きく２種類の方式がある。電界放射型には、主に、スピント型、カーボンナノチューブ型が有り、これは、棒状や針状の放射電極と、アノード基板に印加した電界による電界放出効果により放射電極の先端から電子を放出する方式である。また、トンネル電流放出型は、１００ｎｍ以下で多くは２０ｎｍ以下の絶縁体薄膜もしくは間隙間に電圧を印加することにより、ファウラーノルトハイムトンネル電流が流れ、少なくともその一部分が電子電流としてアノードに放射される。このデバイス構造としては、絶縁層を用いたＭＩＭ（Metal Insulator Metal）、真空間隙を用いたＳＥＤ（Surface-conduction Electron-emitter Display）、ＢＳＤ（Ballistic electron Surface-emitting Display）、ＨＥＥＤ（High-efficiency Electron Emission Device）などがある。

特に、ＭＩＭは、絶縁層を下部電極と上部電極で挟持し、上部電極に極薄膜を用いることにより、良好なエミッション効率を得られ、また、駆動電圧も低い特徴がある。このような、トンネル電流放出型の電子源として、ＭＩＭのプロセス、基本特性の詳細は、下記特許文献１に記載されている。また、絶縁層の膜厚の改良については、下記特許文献２に記載されているように、効率を高め、かつ、負性抵抗領域がないように、１０ｎｍ以上に設定することが述べられているが、詳細な表示パネルの状態での膜厚の評価方法については、定められていなかった。また、実際の破壊寿命が評価されていなかった。
特許第３６４３５０３号公報 特許第３６６０８３１号公報

従来技術では、絶縁層の膜厚についての十分な開示がなされていなかった。特に、ＭＩＭ電子源からの放出電流のダイオード電圧依存性について、連続した滑らかなγ特性を示す表示装置については、十分な検討がなされていなかった。

また、従来技術のＭＩＭ素子は、陽極化成プロセスを用いて膜厚を制御して、緻密な絶縁層を形成する。絶縁層の膜厚は、素子の電流―電圧特性（以下「ＩＶ特性」という。）を決定する重要な因子である。ＭＩＭ素子は、絶縁層に通電することにより経時変化して劣化する。主な劣化のモードは、エミッション電流量の低下と、ＭＩＭ素子の絶縁劣化による絶縁破壊である。特に、絶縁破壊は、信頼性の面において深刻であり、発生しないことが必要である。マトリクス表示装置で、画素部のＭＩＭが絶縁破壊すると、ＭＩＭで互いに交差する走査線と信号線が短絡し、交点画素のみならず、同一配線上の画素電圧が低下するために、線状の黒線欠陥を生じる。こうした絶縁層の破壊寿命についての十分な検討はなされていなかった。

本発明は、絶縁層の膜厚を、所望の範囲に設定することにより、長寿命と滑らかな階調性を両立して、良好な表示を長期間に亘り行うことができる。

また、ダイオード電流のしきい値電圧とエミッションのしきい値電圧をほぼ同じとする、すなわち、ダイオード電流のしきい値電圧よりもエミッションのしきい値電圧が低くなるようにすることで、ダイオード電圧に対するエミッション電流依存性が滑らかなり、アナログ階調駆動の際に、滑らかな階調表示を得ることができる。

本発明の発光型表示装置は、数万時間以上の絶縁層破壊寿命があり、かつ、線欠陥の発生を防止し、アナログ階調駆動により滑らかな階調表示を得ることが出来て、ＰＣモニタ、テレビなどの表示装置に応用できる性能が得られるという利点がある。

また、ＭＩＭを形成する際に、表示パネル完成時の膜厚を８〜１２ｎｍの範囲、特に、９〜１１ｎｍの範囲に設定することにより最良の効果を得ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、発光型表示装置における画素部の平面構造図である。図１において、走査配線１と信号配線２とが交差するように配置され、隣接する走査配線１間の信号配線２上に画素５を形成する。図示していないが、画素が配置された領域全面には、薄膜の上部電極が形成されている。また、走査配線１の両端は、その片側は給電辺３、反対側は分離辺４を構成しており、走査配線１から給電辺３を介して上部電極に給電されており、分離辺４は上部電極が途切れており、絶縁されている。このように、各画素５には、給電辺３を介して、走査配線１から給電されており、走査配線毎に異なるタイミングで、走査配線１に選択パルスを印加する。

図２は、図１に示すａ−ａ’線に沿った画素部の断面構造図である。図２において、カソード基板６の上に信号配線２を形成し、この信号配線２の上に層間絶縁層８と保護絶縁層８’を形成し、この層間絶縁層８と保護絶縁層８’の一部に開口部を設けて画素５の絶縁層７を形成し、全面に上部電極９を形成する。また、層間絶縁層８と保護絶縁層８’の上に、多層の積層構造からなる走査配線１を形成し、この走査配線１下層部の分離層１０を加工することによりオーバハング状の非導通辺４を形成する。また上部電極９と走査配線１とを導通させる順テーパ構造の給電辺３を形成する。

図３は、発光型表示装置の断面構造図である。図３において、カソード基板６とアノード基板１２とは対向して配置され、このカソード基板６とアノード基板１２は、走査配線１上の上部電極９の上に塗布したスペーサ固定フリット１６にて固定した板状のスペーサ１１を介して挟持されている。アノード基板１２上には酸化クロムなどの黒色薄膜からなる黒色層１５が形成され、この黒色層１５には、画素５の直上に開口部が設けられ、この開口部に蛍光体１３が塗布されている。蛍光体１３を塗布した後に、電子が透過する程度の薄いＡｌ薄膜のアノード電極１４を形成する。

次に、発光型表示装置における電子源の作成方法について、図２を用いて説明する。先ず、ソーダガラス等の絶縁性の基板６を用意し、この基板上に信号配線２用の金属膜を形成する。信号配線２として、Ａｌ−Ｎｄ（ネオジム）合金を、スパッタリング法を用いて膜厚を３００ｎｍに成膜した。その後、エッチングによりストライプ形状の信号配線２を形成する。

次に、信号配線２上の電子放出部となる部分をレジスト膜でマスクして、陽極化成液中で信号配線２を陽極として、電子放出部となる部分以外の部分を選択的に厚く陽極酸化し、層間絶縁層８を形成する。このとき、化成電圧を１００Ｖとして、厚さ約１３６ｎｍの層間絶縁層８を形成した。

次に、レジスト膜を除去し、陽極化成液中で再度信号配線２を陽極として、陽極酸化を行い、信号配線２上にトンネル絶縁層７を形成する。例えば、化成電圧を６Ｖとすれば、信号配線２上の下部電極に厚さ約１０ｎｍのトンネル絶縁層７が形成される。本発明に至る検証試作に際しては陽極化成電圧を２，４，５，６Ｖに変えて製作した。

次に、保護絶縁層８’としてＳｉＮ膜をスパッタリング法で３００ｎｍ形成し、分離層１０としてＳｉ膜を１００ｎｍ形成した。次に、上部電極９への給電線となる走査配線１としてスパッタリング法でＡｌ−Ｎｄ合金６００ｎｍを形成した。

次に、走査配線１をエッチングして、次に、分離層１０をエッチングにより加工する。給電辺３は、電子放出部となる上部電極９との電気的接触をとるため、走査配線１の端部よりも外側に延存するように形成する。また、走査配線１間の絶縁が必要な非導通辺４は、走査配線１端面よりも内側に後退するように加工する。

次に、層間絶縁層８’のＳｉＮ膜を開口加工し、画素５の絶縁層７を露出させる。次に、全面にアルカリ金属化合物層を形成した。材料としてセシウムの炭酸塩を用い、水溶液に溶解し塗布し乾燥した。

最後に、上部電極９の金属膜をスパッタ法で形成する。上部電極９としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の積層膜を用い、膜厚は数ｎｍ（本実施の形態では３ｎｍ）である。この場合に、上部電極９は、電子放出領域側では走査配線１と電気的接触を有する。一方、走査配線１間では、数ｎｍと非常に薄い上部電極９は、分離層１０の段差部である非導通片４で断線し、上部電極９として加工される。

このようにして、カソード基板６が形成される。このカソード基板６と対向して配置されるアノード基板１２の全体構成図を図４に示す。図４において、表示領域２０の外側に、ガラス枠をフリットガラスで張り合わせたシール部１７を介して、カソード基板６とアノード基板１２を向かい合わせ、封着して貼り合わせてシール部１７の内部を１×１０^-8Ｐａ以下の高真空に排気後封止した。

その後、走査配線１の端部に走査配線駆動回路２１と、信号配線２の端部に信号配線駆動回路２２とを接続し、これらの配線を駆動する。なお、走査配線駆動回路２１と信号配線駆動回路２２には、各々同期信号が入力され、信号配線駆動回路２２は、階調駆動電源を用いて、画像信号２３に対応したアナログ階調電圧を信号線２に印加して、画素５を駆動する。また、アノード電極１４には、アノード電源２４から正極性の５ｋＶから２０ｋＶの直流の高圧が印加され、エミッション電流を加速して蛍光体に当てて発光させる。

このような表示パネルの電気特性として、ＩＶ特性を測定する。測定には、パルス電圧源を用いて、走査配線１と信号配線２との間に接続し、特定の画素５（電子源）にのみ選択通電して、パルス電圧をダイオード電圧として印加し、このダイオード電流を測定する。また、アノード電極１４に、高圧の電源を接続して、電子源に印加するパルス電圧に同期して流れるエミッション電流を測定した。

また、電子源の絶縁層７の膜厚は、表示パネル形成後にカソード基板６を分離して、画素部を集束イオンビーム法（ＦＩＢ法）により断面を切り出し、マイクロサンプリング加工により断面サンプルを形成し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、絶縁層７の膜厚を直接観察した。正確を期するため、絶縁層７下部の信号配線を構成するＡｌ合金の格子像を観察して、これをＡｌの格子定数である４０４．９４×１０−１２ｍとみなして絶縁層の膜厚を測定した。

陽極化成電圧と膜厚の測定結果は、下記表１のとおりである。プロセス上ではパネル組立工程により、また、アルカリ化合物層を形成することにより、膜厚は陽極化成とは異なっていた。後に述べるように、膜厚と破壊寿命特性は、密接に関係しており、本発明での詳細膜厚評価法に沿った精密な膜厚と特性の比較により明確な相関を見出すことができた。

図５は、絶縁層の膜厚を変化させて製作したＭＩＭ素子の破壊寿命特性図である。横軸に時間、縦軸に累積故障率をとった。試作したＭＩＭ素子は１パネルあたり４６画素である。駆動条件は、ＭＩＭ素子の単位面積あたりの電流密度が８Ａ／ｃｍ²になるように電圧を設定し、パルス幅を４０μｓ、繰り返し周波数６０Ｈｚに設定し、定電圧のパルス条件で駆動し、通電開始から各画素がショート故障するまでの時間を寿命として、各画素の寿命を測定した結果である。絶縁層の膜厚が１３．６ｎｍの素子と、絶縁層の膜厚が９．６ｎｍの素子を比較している。

膜厚９．６ｎｍの素子では１個目の故障は約１５００時間であり次第に故障して２０００時間で全数が故障した。一方、１３．６ｎｍ素子では同一駆動電流であるにもかかわらず５時間に故障が始まり１０時間で全画素が故障し累積故障率１００％に至った。

本実施例では、従来の膜厚が１３．６ｎｍであった膜厚を９．６ｎｍと薄くすることにより、最初の故障までの時間が５時間から１５００時間まで３００倍も長くなっている。

次に、図６では、膜厚１３．６ｎｍのＭＩＭ素子の破壊寿命特性を、ＭＩＭ電流をパラメータとして比較した。電流値Ｊｄを電流密度で、２，４，８Ａ／ｃｍ²とした場合を比べると、電流密度が２倍増大すると、グラフは次第に左にシフトして１０倍ずつ短寿命化する傾向が明らかである。

この傾向を基に、図５に示す９．６ｎｍの素子のＭＩＭ電流密度を８Ａ／ｃｍ²の寿命を基にして、フルハイビジョン画素数のパネルにおいて１画素目の故障が発生するまでの時間を計算した。グラフの累積故障率１．６×１０^-5％の破線は、画素構成が縦１０８０画素×横１９２０画素で１画素がＲＧＢの３ドットから構成される、いわゆる、フルハイビジョンクラスのパネルにおいて、１画素の故障に相当する確率である。９．６ｎｍの素子の累積欠陥率グラフを左下に延長し、次に、測定した電流密度とテレビに必要な電流密度比を求め、電流比２倍で１／１０となる寿命の電流の加速係数を求め、グラフを右にシフトする。そして、欠陥率の目標である１．６×１０^-5％欠陥率の交点の横軸座標値の時間が、求めるフルハイビジョンパネルの破壊故障寿命時間である。

本発明に係る表示装置を薄型テレビに応用する場合を想定すると、２０，０００時間から６０，０００時間以上の寿命を保証することが望ましい。要求されるＭＩＭ電流密度は、ＭＩＭ電流に対するエミッション電流の比であるエミッション効率を２％、エミッション電流とアノード電圧の積であるアノード入力電力と発光輝度比である発光効率が８ｌｍ／Ｗから１０ｌｍ／Ｗの発光効率の蛍光体を用いて構成した白色表示輝度５００ｃｄ／ｍ²の表示輝度に相当し、テレビ用途に十分な輝度を得ることができる駆動条件として、０．５Ａ／ｃｍ²から２Ａ／ｃｍ²程度が必要であり、測定した電流密度との比がそれぞれ１６倍、４倍であるから、測定した電流密度８Ａ／ｃｍ²からの寿命時間比は２⁴、２²なので８Ａ／ｃｍ²に対する寿命は１０⁴、１０²倍だけ長寿命と計算できる。こうして寿命を計算した結果、換算寿命は２Ａ／ｃｍ²では６０，０００時間、０．５Ａ／ｃｍ²では６，０００，０００時間に相当し、十分な破壊寿命が得られることが判った。

絶縁破壊は、信頼性の面において深刻であり、発生しないことが必要である。マトリクス表示装置で画素部のＭＩＭが絶縁破壊すると、画素のＭＩＭで互いに交差する走査配線と信号配線が短絡し、交点画素のみならず、同一配線上の画素電圧が低下するため線状の黒線欠陥を生じて、パネル表示品質から見て致命的な故障である。このように、本発明によれば、絶縁層の膜厚を、従来の１３．６ｎｍから９．６ｎｍと、１０ｎｍよりも薄くすることにより、大幅に素子破壊寿命が長寿命化することが明らかである。

図７において、横軸に陽極化成電圧、縦軸に８Ａ加速評価での破壊寿命時間の関係を示す。陽極化成電圧が６Ｖよりも低い領域で破壊寿命は大幅に改善される。したがって、陽極化成電圧を５Ｖ以下、特に、４Ｖ以下でとすることにより寿命は著しい改善を示すことが明らかとなった。

次に、これらの素子の絶縁層の膜厚と寿命の関係を図８に示す。膜厚では１１．５ｎｍ以下の膜厚で、寿命が著しく長寿命化を示す。特に、９．６ｎｍ以下の膜厚領域では、きわめて長い寿命を示すことが明確になった。

このように、膜厚を薄くすることにより、破壊寿命が長寿命化することは、次のように考えられる。絶縁破壊は、膜中の不純物準位があると電子トラップとして作用する。トラップがあるとトラップされた電子により局所的に電界分布が変化し、膜厚方向の一部分に高い電界がかかる。高電界は、電子なだれなどの電流の急増現象が発生しやすく、破壊が起こりやすくなる。このように、膜厚が厚いと膜中の不純物準位の総数が増えて、破壊が起こりやすくなるが、膜厚を薄くして膜中の不純物準位の総数を減らすことにより、電子なだれなどが起きにくくなり電界分布を安定化させ、破壊までの寿命時間が長くなると考えらる。

次に、膜厚が異なるＭＩＭ素子のＭＩＭ電流とエミッション電流の特性を調べた。図９は、陽極化成電圧２Ｖで、ＭＩＭ絶縁層の膜厚が６．２ｎｍの素子のダイオード電流Ｉｄ及びエミッション電流Ｉｅとダイオード電圧Ｖｄの関係図である。ダイオード電圧Ｖｄが３．２Ｖ付近からダイオード電流Ｉｄが指数関数的に立ち上がるのに対し、エミッション電流Ｉｅは、Ｖｄ＝４Ｖから急激に立ち上がった後、５Ｖ以上では傾きが緩やかになり、指数関数で立ち上がることが判明した。すなわち、ダイオード電流Ｉｄのしきい値電圧ＶｔｈＩｄと、エミッション電流Ｉｅのしきい値電圧ＶｔｈＩｅが、ＶｔｈＩｅ＞ＶｔｈＩｄの関係にある。

一方、図１０に示すように、陽極化成電圧４ＶでＭＩＭ絶縁層の膜厚が９．６ｎｍのＭＩＭ素子では、ダイオード電圧Ｖｄと共にダイオード電流Ｉｄは４．８Ｖ付近から指数関数的に立ち上がり、エミッション電流Ｉｅは４．７Ｖから指数関数的に立ち上がる。すなわち、ＶｔｈＩｅ＜ＶｔｈＩｄ又はＶｔｈＩｅとＶｔｈＩｄが概ね同じ電圧である。詳細に測定するとＶｔｈＩｅとＶｔｈＩｄとの差が０．３Ｖ以内にあった。

特に、ＶｔｈＩｅはエミッション電流の測定ノイズの影響を受けやすいので、むしろ、蛍光体からの発光のＶｄしきい値ＶｔｈＢがより明確になる。ＶｔｈＢがＶｔｈＩｄと概ね同じ条件にあることが必要であり、図９の素子ではＢＶｔｈ＞ＶｔｈＩｄとなり適さない。なお、Ｉｄを精度良く測定する場合は、１０個から１００個程度の画素を纏めて通電して、Ｉｄ、Ｉｅを測定してもよい。

図９と図１０の場合では、エミッション電流Ｉｅのしきい特性が顕著に異なる。すなわち、図９に示す膜厚６．２ｎｍ素子では、Ｉｅの傾きが立ちあがり付近で急激であるため、極僅かの電圧の変化で大幅にＩｅが変化する。

これはＩｅ／Ｉｄ比のＶｄ依存性を比較すると明確である。Ｉｅ／ＩｄのＶｄ依存性を図１１に示す。縦軸の規格化Ｉｅ／Ｉｄ比は、図９と図１０におけるＩｄが１００μＡのときのＶｄに対応するＩｅをＩｄで除して１となるように規格化した。６．２ｎｍ素子はＩｅが４Ｖ付近で急激に立ち上がり、４Ｖ以下ではＩｅがほとんど流れず、規格化Ｉｅ／Ｉｄ比がほぼ０になっている。このため、階調をアナログの電圧又はＩｄの電流階調駆動法で制御する際には、図９に依れば、Ｉｅが１０ｎＡ以下の階調が低い領域では、極僅かの電流又は電圧の変化でも大幅にＩｅが変化するため、精度良く階調を制御できない。具体的には、Ｉｅが２ｎＡから０．２μＡで１００倍程度のＩｅ領域しか精度良く制御できない。

これに対し、図１１に示すように、ＭＩＭ絶縁層の膜厚９．６ｎｍでは、Ｖｄ４．７Ｖから６．５Ｖまでの範囲で低階調でも規格化Ｉｅ／Ｉｄの傾きの変化が一定であり、図１０に依れば、Ｉｅが０．１ｎＡから１０μＡの領域での階調制御が可能である。この領域で、Ｉｅは１０の５乗もの広い領域でのアナログ階調表示が可能である。

こうした違いを、蛍光体の発光輝度である表示輝度のダイオード電圧依存性でも同様に比較することができ、結果を図１２に示す。縦軸は輝度を任意単位で示す。膜厚９．６ｎｍの素子では、発光輝度は０．０００１から１０近くまで輝度比で１０の５乗の輝度領域で、滑らかな階調表示ができるのに対し、膜厚６．２ｎｍの素子では０．０１から３程度でしか、滑らかな階調表示ができない。例えば、輝度０．００１以上ではＶｄが２Ｖの変化で輝度は０．０１から３程度に変化するのに対し、輝度０．０１以下では０．２Ｖ程度のＶｄの変化でほとんど消えてしまう約２桁の輝度変化があり、急激に発光が消えてしまうため、輝度領域では０．０１以上で輝度比３００倍程度間でしか、滑らかに表示できない。この輝度比は暗室コントラスト比であり１０００以上は必要であり、両者が表示装置として必須の階調制御性において顕著に異なることが明白である。

こうしたＩｅのしきい特性の相違は、ＭＩＭ素子駆動モデルを用いて次のように考えることができる。図１３は、膜厚９．６ｎｍの素子の場合の駆動モデルをファウラーノルトハイムのトンネル現象のバンド図を用いて示している。左から下部電極、絶縁層、上部電極が配置されているＭＩＭ素子の膜厚方向、縦軸には電子のエネルギーを示している。下部電極に負極性、上部電極に正極性の電圧を印加すると、図１３に示すように、絶縁層に電界が印加されて絶縁層部分に勾配ができる。絶縁層中はトンネル効果により下部電極の電子が絶縁層中の導電帯に流れ、電界により加速されつつ上部電極に到達する。上部電極に到達した際の電子エネルギー分布を図１３に示す。このときのエネルギー分布で、上部電極の仕事関数よりも高いエネルギーを有する電子が上部電極から真空中にエミッション電流Ｉｅとして放射される。

図１３（１）は、ＭＩＭ印加電圧ＶｄがＩｄのしきい値電圧ＶｔｈＩｄよりも高い場合であり、放射できるエネルギーを有する電子があり、Ｉｄの一部が放射されている様子を示している。この条件では、Ｖｄを高くすると電界が高まり、トンネル確率が高まるためＩｄが増大し、電子のエネルギー分布が高エネルギーに変化するためＩｅも増大する。

図１３（２）は、Ｖｄを０Ｖから次第に高め、Ｉｄが流れ始める場合を示している。Ｉｄが流れ始める条件はトンネル電流のしきい値Ｖｔｈ近傍の電界が絶縁層に印加されており、Ｉｄが流れ始める条件で絶縁層領域の導電帯の電子は十分に加速され、上部電極に到達し、上部電極の仕事関数を超えているのでエミッション電流は流れる。

このように、Ｉｄのしきい値電圧ＶｔｈＩｄよりもエミッション電流が流れ始める条件であるところの、上部電極に到達した際の電子エネルギー分布の上限が、仕事関数よりも高くなっている。言い換えると、エミッション電流が流れるＶｄのしきい値電圧ＶｔｈＩｅよりもＭＩＭ電流が流れ始めるしきい値電圧ＶｔｈＩｄが高い場合である。この場合では、図１０に示すように、Ｖｄを次第に高め、Ｉｄが流れ始める電圧ではＩｅも流れ始めるため、Ｉｅのしきい値電圧は、ほぼＩｄのしきい値電圧に近く、Ｉｅのしきい特性はＩｄのしきい特性に追随して滑らかな階調特性を示す。

図１４は、膜厚６．２ｎｍの特性のモデルである。膜厚が図１３にしめすものよりも薄くなっている点が図１３と異なる。図１４（１）は、ＶｄがＶｔｈＩｅよりも十分高い場合であり、Ｉｄが流れ、上部電極領域では仕事関数を超えるエネルギーを有する電子がありＩｅが放射される。図１４（２）は、Ｖｄのしきい値電圧ＶｔｈＩｄ近傍である。この場合、Ｉｄは流れ始めるが、上部電極端の伝導帯の電子のエネルギー分布の上端部でも仕事関数を超える成分がなくて、Ｉｅが流れない。図１３との相違は絶縁層膜厚が薄いことである。同じ電圧を印加しても絶縁層が薄いために内部電界が高くなり、ダイオード電流が流れ始めるＶｔｈＩｄは厚膜の場合よりも低くなる。上部電極端に到達する際の電子エネルギーは、電界でなく両端の電位差に比例するため、膜厚が薄くてＶｔｈＩｄが低い場合は、同じだけのＩｄが流れていても電子エネルギーが低いが、上部電極の仕事関数は物質によるので同じ電極材料を用いていると、膜厚に依らず同じしきい値となる、言い換えると、エミッション電流のＶｄに対するしきい値ＶｔｈＩｅは膜厚に依らず一定である。このため、膜厚を薄くすると次第にＶｔｈＩｄ印加時の伝導体電子のエネルギー分布の上限が低下し、やがて仕事関数よりも低くなる。ＶｔｈＩｄを超えてさらにＶｄを高め、電子エネルギーが高まり、仕事関数を超える電圧条件に達すると、図１４（３）に示すように、電子が放射されはじめ、急峻なしきい特性となることが明らかになった。

特に、このメカニズムでは、上部電極の仕事関数が重要なパラメータであり、本実施例においては、製造プロセスで、アルカリ金属化合物溶液を塗布することにより、仕事関数が低いアルカリ金属イオンを、上部電極近傍に塗布することにより仕事関数がＩｒ，Ａｕ，Ｐｔの積層混合膜よりも下げることができており、ＶｔｈＩｅを下げる効果があり、ＶｔｈＩｄ＞ＶｔｈＩｅとなる膜厚を、より薄い膜厚領域まで下げることができた。この塗布工程がない場合には、絶縁層が９．６ｎｍでも電流−電圧特性は、ＶｔｈＩｅ＞ＶｔｈＩｄとなってしまうことが確かめられている。

こうした理由により、図１４に示すように、ＶｔｈＩｄよりもＶｔｈＩｅが高くなると、ＩｅのＶｄ依存性は、図９に示すように、しきい値近傍で不連続になり、急峻なしきい特性となり、階調制御ができない。ＭＩＭの絶縁層の膜厚は、ＶｔｈＩｄとＶｔｈＩｅの関係に大きく影響する因子であり、６．２ｎｍ膜厚の素子は階調制御性が悪く、９．６ｎｍ、１３．６ｎｍの素子では共に階調性が良好であった。

以上の結果から、ＭＩＭ絶縁層の膜厚、陽極化成電圧、階調制御性、破壊寿命時間を整理すると、下記表２のようになる。なお、破壊寿命時間については、駆動電流密度８Ａ／ｃｍ²の実測値を基に実使用条件に相当する２Ａ／ｃｍ²の寿命を計算で求め記載した。

こうした比較の結果から、テレビなどの応用実用に適したＭＩＭ素子の膜厚条件が見出せる。最も望ましい条件は、階調制御性が良好であって、かつ、破壊寿命時間が著しく長い条件が両立する条件である。上記表２から明らかなように、階調制御性が良好な条件は、膜厚６．２ｎｍよりも高くすることにより、良好な表示ができる。さらには、９．６ｎｍ近傍以上とすることにより、より望ましい特性となる。なお、階調制御性については、Ｖｔｈの関係からも望ましい特性を選択することができる。すなわち、トンネル電流が流れ始めるしきい値電圧ＶｔｈＩｄよりも、エミッションが流れ始めるしきい値電圧ＶｔｈＩｅが低い場合であり、このとき、階調制御性がＩｄしきい値電圧ＶｔｈＩｄ以上の領域で一様にＩｅが増大するような素子とすることにより達成できる。

また、破壊寿命の観点では、膜厚１３．６ｎｍでは極端に短寿命であり実用に適さない。したがって、少なくとも１３．６ｎｍ未満の膜厚であれば寿命が長くなる。陽極化成電圧では６Ｖ未満に相当する。さらには、１１．５ｎｍ以下又は陽極化成電圧５Ｖ以下では著しく長寿命になる。

こうした傾向を勘案して、ＭＩＭ素子の条件は、絶縁層の膜厚が６．２ｎｍよりも厚く、１３．６ｎｍよりも薄い膜である。さらには、９．６ｎｍから１１．５ｎｍがさらに望ましい特性を示すことが明らかとなった。また、陽極化成電圧範囲としては、２Ｖ〜６Ｖ未満が望ましく、さらには、４Ｖから５Ｖがより適していることが明らかになった。

上記表２の結果から寿命時間のみに着目すると、陽極化成電圧を５Ｖ未満にすると、著しく破壊寿命が長くなるが、さらに電圧を低下させると階調制御性が低下してアナログ階調駆動に適さない領域となる。本実施例は、階調制御性が悪い、エミッション電流のしきい近傍で、ＭＩＭ印加電圧依存性が急激に低下する素子条件でも良好な階調表示を行うことができる表示装置を提供するため、階調駆動方式として２値駆動を用いた。

２値駆動における動作電圧条件、すなわち、動作点の設定は、発光状態のオン動作点と、非発光状態のオフ動作点の２状態であり、動作条件設定例を図１５に示す。ＬｏｇＩｅ−Ｖｄ特性上で、傾きが急峻になる領域の両側に、オン動作点とオフ動作点を設けている。こうすることにより、オン状態の輝度は、定電圧又は定電流駆動により安定輝度を表示し、非発光領域をオフ領域の電圧で駆動することによりＩｅの傾きが急峻で動作電流が安定しないで、傾きが急峻になる領域を避けて動作させることができ、広い階調にわたり、輝度変動がない安定表示が可能である。

階調制御方式は、一般的な２値駆動であるパルス幅可変のＰＷＭ駆動でも、サブフィールド方式の駆動でもよい。また、これらの駆動において、オン動作点を、ｌｏｇＩｅ−Ｖｄ特性上で傾きが急峻になる領域よりも高い電圧領域でのみ可変とした、ＰＷＭと電圧階調を組み合わせてもよい。こうすることで、ＰＷＭ階調よりも階調数を増やし、より階調数が多い表示ができる利点がある。この場合の動作点を図１６に示す。

以上、本発明はＭＩＭ素子について具体的に説明したが、実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることはもちろんである。特に、ＭＩＭ素子以外でもファウラーノルトハイムモデルで放出される構成の電子源に対しては本発明が適用可能である。

発光型表示装置における画素部の平面構造図 図１に示すａ−ａ’線に沿った画素部の断面構造図 発光型表示装置の断面構造図 発光型表示装置の全体構成図 ＭＩＭ素子の破壊寿命特性図 絶縁層の膜厚が１３．６ｎｍのＭＩＭ素子の破壊寿命特性図 陽極化成電圧と８Ａ加速評価での破壊寿命時間の関係図 絶縁層の膜厚と寿命の関係図 絶縁層の膜厚が６．２ｎｍのＭＩＭ素子のダイオード電流Ｉｄ及びエミッション電流Ｉｅとダイオード電圧Ｖｄの関係図 絶縁層の膜厚が９．６ｎｍのＭＩＭ素子のダイオード電流Ｉｄ及びエミッション電流Ｉｅとダイオード電圧Ｖｄの関係図 規格化Ｉｅ／Ｉｄ比の関係図 発光輝度とダイオード電圧Ｖｄの依存特性図 絶縁層の膜厚が９．６ｎｍのＭＩＭ素子の場合のファウラーノルトハイムのトンネル現象のバンド図 絶縁層の膜厚が６．２ｎｍのＭＩＭ素子の場合のファウラーノルトハイムのトンネル現象のバンド図 ２値駆動時の動作条件設定図 オン動作点可変範囲を示した動作条件設定図

符号の説明

１…走査配線、２…信号配線、３…給電辺、４…非導通辺、５…画素、６…カソード基板、７…絶縁層、８…層間絶縁層、８’…保護絶縁層、９…上部電極、１０…分離層、１１…スペーサ、１２…アノード基板、１３…蛍光体、１４…アノード電極、１５…黒色層、１６…スペーサ固定フリット、１７…シール部、２０…表示領域、２１…走査配線駆動回路、２２…信号配線駆動回路、２３…画像信号、２４…アノード電源

Claims (13)

1. 絶縁基板上に、複数の信号配線と前記信号配線と交差する複数の走査配線とを形成し、前記信号配線と走査配線に接続した電子源を配置したカソード基板と、前記カソード基板に対向して、蛍光体とアノード電極とを形成したアノード基板を配置し、前記カソード基板とアノード基板との間隙を真空で保持する発光型表示装置において、
   前記電子源は、金属表面に絶縁層と上部電極が順次積層形成され、前記金属と上部電極との間にダイオード電圧を印加し、トンネル電流によりダイオード電流が流れ、ダイオード電流の一部がエミッション電流として上部電極を介して電子を放出する電子源であって、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、１３．６ｎｍ未満の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
2. 請求項１に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、１１．５ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
3. 請求項１に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、９．６ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
4. 請求項１に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、９．６ｎｍ以上で、１１．５ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
5. 絶縁基板上に、複数の信号配線と前記信号配線と交差する複数の走査配線とを形成し、前記信号配線と走査配線に接続した電子源を配置したカソード基板と、前記カソード基板に対向して、蛍光体とアノード電極とを形成したアノード基板を配置し、前記カソード基板とアノード基板との間隙を真空で保持する発光型表示装置において、
   前記電子源は、金属表面に絶縁層と上部電極が順次積層形成され、前記金属と上部電極との間にダイオード電圧を印加し、トンネル電流によりダイオード電流が流れ、ダイオード電流の一部がエミッション電流として上部電極を介して電子を放出する電子源であって、
   前記電子源の電圧電流特性において、ダイオード電流のしきい値電圧ＶｔｈＩｄと、エミッション電流のしきい値電圧ＶｔｈＩｅが、ほぼ同じであることを特徴とする発光型表示装置
6. 請求項５に記載の発光型表示装置において、
   前記ダイオード電流のしきい値電圧ＶｔｈＩｄとエミッション電流のしきい値電圧ＶｔｈＩｅとの差が、０．３Ｖ以内であることを特徴とする発光型表示装置
7. 請求項５に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、１３．６ｎｍ未満の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
8. 請求項５に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、１１．５ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
9. 請求項５に記載の発光型表示装置において、
   前記絶縁層の膜厚が、６．２ｎｍよりも厚く、９．６ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
10. 請求項５に記載の発光型表示装置において、
    前記絶縁層の膜厚が、９．６ｎｍ以上で、１１．５ｎｍ以下の膜厚であることを特徴とする発光型表示装置
11. 請求項１又は５に記載の発光型表示装置において、
    前記電子源の駆動方式として、２値駆動方式を用いることを特徴とする発光型表示装置
12. 請求項１又は５に記載の発光型表示装置において、
    前記電子源の駆動方式として、電圧又は電流階調駆動方式を用いることを特徴とする発光型表示装置
13. 請求項１又は５に記載の発光型表示装置において、
    前記電子源の駆動方式として、パルス幅を変調する２値駆動方式を用いることを特徴とする発光型表示装置

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