JP3236109B2 - 電子ビーム発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、電気発光（Ｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）素子（以下
にＥＬ素子という）と組み合わされてディスプレイを構
成するのに適した電子ビーム発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ワードプロセッサ、ノート型パー
ソナルコンピュータ、携帯型ゲームの旺盛な需要に支え
られて、固体画像表示素子の生産、販売が急激に伸びて
いる。このような用途にディスプレイとして使用される
固体画像表示素子の代表的なものとして、液晶を利用し
たものが、消費電力で低いので知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような液
晶ディスプレイにおいては、これは自己発光型ではない
ために、バックライトＥＬやバックライト蛍光管等のバ
ックライトが別個に必要とであり、このために、装置全
体が大型となり、またバックライトの寿命や消費電力の
問題もある。さらに、視野角が約３０°と非常に狭く、
また時間応答性も悪いという問題もある。そして、特に
アクティブマトリックスタイプのものでは、製造工程が
複雑で製造コストが高いという問題がある。

【０００４】従って、本発明の目的は、小消費電力であ
りながら、バックライト等のような補助的光源を必要と
せず、視野角が広くかつ時間応答性に優れ、かつ製造コ
ストの低減が可能で、しかも画像分解能なディスプレイ
を構成することの可能な電子ビーム発生装置を提供する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電子ビーム発生装置は下部電極と、この上
に形成された強誘電体薄膜と、この上に形成され開口を
有する上部電極と、上部電極の開口部により露出した強
誘電体膜の少なくとも一部を覆う半導体層とを具備し、
強誘電体膜から半導体層を介して電子ビームが射出され
ることを特徴とする。

【０００６】

【作用】上部電極と下部電極との間に印加されている電
圧の極性を反転すると約２倍のキヤリア、即ち電子、が
強誘電体薄膜中に誘起されて上部電極の開口の所から半
導体層を通って電子が効率良く射出される。

【０００７】

【実施例】以下にこの発明の第１の実施例に関わる電気
発光面光源素子を、図１を参照して説明する。

【０００８】図１で（ａ）は全体の斜視図、そして
（ｂ）は断面図である。図中、符号１０はディスプレイ
の基板を示し、この基板上には多数の電子ビーム発生装
置２０がマトリックス状に配置されている（図では代表
的に１個のみを示す）この基板１０は絶縁体で形成され
ているか、上面に絶縁膜が形成され、隣合う電気発光面
光源素子相互が電気的に分離されている。この電子ビー
ム発生装置２０は、基板１０上に直接形成された下部電
極１１と、この下部電極１１上に形成された強誘電体薄
膜１２と、この上に形成された半導体層１４と、上部電
極１３とから構成されている。この強誘電体薄膜１２
は、非常に薄く、好ましくは５０ｎｍ〜２μｍの範囲内
が望ましい。また、前記上部電極１３には、その中心に
円形の開口１３ａが形成されており、この開口の所で前
記半導体層１４の上面の一部が露呈している。この開口
１３ａは、この実施例では円形に形成したが、この形状
に限定されるものではなく、例えば三角形、矩形、六角
形等でも良い。

【０００９】次に、上記のような構成の電子ビーム発生
装置の電子ビーム射出メカニズムを図２を参照して説明
する。

【００１０】図２（ａ）は上記装置の下部電極１１、強
誘電体薄膜１２並びに半導体層１４を簡略的に図示した
ものである。

【００１１】図２（ｂ）に示すように、強誘電体薄膜１
２内で自発分極Ｐが半導体層１４方向に向いているとき
には、下部電極並びに上部電極には、これを打ち消すよ
うに半導体層１４の内部にチャージが表れる。これは、
もしチャージが表れないと、電束密度Ｄの発散によりエ
ネルギーが高くなって安定とならないためである。この
結果、半導体層１４内にスペースチャージとしてキヤリ
ア（電子）が発生する。即ち、半導体層１４がないと分
極反転層が安定に存在しないので、電荷の発生が小さ
い。ここで、電極に逆方向の電圧を印加して自発分極Ｐ
を反転させると、（ｃ）に示すように、この表面の負の
チャージは瞬時に正のチャージとなる。このとき、半導
体層１４の電子、正孔の移動度が極めて小さいので（１
ｃｍ／ｓ程度）、これらが再結合する時間がない。即
ち、電荷間の強い反発が生じる。この結果、電子が半導
体層１４から効率良く射出されることになる。

【００１２】次に、上記構成の電子ビーム発生装置２０
をトランジスタ１６と組合わせ、マトリックス状には配
設して画素とした場合のディスプレイを図３を参照して
説明する。尚、図３（ａ）は一部の断面図で（ｂ）は電
子ビーム発生装置と駆動素子であるトランジスタとの配
線関係を示す図である。

【００１３】図中、符号３０はＰ導電型のシリコン基板
を示し、この上にはマトリックス状に配列された多数の
電子ビーム発生装置２０と、各装置に対応するように配
設されたｎ−ＭＯＳトランジスタ１６と、電子ビーム発
生装置２０とが形成されている。このシリコン基板３０
の上面はトランジスタ１６が形成されている部分を除い
てフイールド酸化膜３２並びにパシベーション膜３２ａ
で覆われており、この酸化膜３２とパシベーション膜３
２ａとシリコン基板３０とで前記基板１０を構成してい
る。この酸化膜３２の上に前記下部電極１１が形成され
ているとともに、隣り合う下部電極１１相互を電気的に
絶縁するようにして絶縁膜３３が形成されている。

【００１４】一方、前記シリコン基板３０の露出した上
面にはＮ導電型のソース領域３４並びにドレイン領域３
５が形成されている。そして、これら領域間のチヤンネ
ル上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極３６が形成さ
れている。また、ドレイン領域３５と上部電極１３とは
ドレイン電極３７により電気的に接続されている。

【００１５】そして、前記基板３０の上方には、トラン
ジスタ１６並びに電子ビーム発生装置２０と少し離間す
るようにしてペディスタルスペーサ４０を介して、発光
部２２が設けられている。この発光部２２は、電子ビー
ム発生装置２０からの電子が入射して発光するように、
例えば不純物がドープされたＺｎＳで形成された蛍光膜
２５と、この蛍光膜２５上に積層され、蛍光膜２５から
の光を外部に射出可能な、例えばＩＴＯで形成された透
明電極２６とにより構成されている。

【００１６】上記構成のデイプレイにおいては上述した
ようなメカニズムにより選定された電子ビーム発生装置
２０から電子ビームが蛍光膜２５に向けて射出される。
このときに、電子ビーム発生装置２０と透明電極２６と
の間に加速電圧を印加しておくことにより、電子ビーム
は電子ビーム発生装置２０と蛍光膜２５との間の空間で
加速されて蛍光膜２５に入射する。なお、このときに、
夫々の電子ビーム発生装置２０から蛍光膜２５に入射す
る電子ビームの強度を一定にするためには、電子ビーム
発生装置２０と蛍光膜２５との間の距離を一定にするの
が、望ましく、このために実施例ではペディスタルスペ
ーサ４０を使用している。

【００１７】前記下部電極１１，上部電極１３は、特に
限定されるものではないが、Ｐｔ，Ｐｔとバッファー層
との組合わせ、例えばＰｔ／Ｔｉ，Ｐｔ／Ｔａ，Ｐｔ／
ＴｉＮ，Ｐｔ／ＴｉＷ，貴金属、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｐ
ｄ、Ｎｉ合金、高融点金属、例えばＮｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃ
ｒ，ＴｉＮ，もしくはＴｉＷ等で形成され得る。

【００１８】また、強誘電体薄膜１２は、ペロブスカイ
ト系、チタン酸塩系、例えばＢａＴｉＯ₃ 、（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＴｉＯ₃ 、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｉＯ₃ （ＰＴ）、
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ （ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）
（ＺｒＴｉ）Ｏ₃ 、ニオブ酸塩系、例えばＰｂ（Ｍｇ
_1/3 ，Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ ，ＬｉＮｂＯ₃ ，ＬｉＴａＯ₃ ，
ＫＮｂＯ₃ ，Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ₃ ，タングステン・ブ
ロンズ系、例えば（Ｓｖ，Ｂａ）Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｓｖ，
Ｂａ）_0.8 ＲｘＮａ_0.4 Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｐｂ，ＢＡ）Ｎ
ｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｋ，Ｓｒ）Ｎｂ₂ Ｏ₆ ，（Ｐｂ，Ｋ）Ｎｂ
₂ Ｏ₆ ，Ｂａ₂ ＮａＮｂ₅ Ｏ₁₅ＰＢＮ，ＫＳＮ，ＰＫ
Ｎ，ＢＮＮ，もしくはＢｉ系レイヤードプロブスカイト
系で形成され得る。

【００１９】次に、第２の実施例に係わる電子ビーム発
生装置を、その製造方法の一例とともに図４を参照して
説明する。

【００２０】まず、（ａ）に示すように、基板１０の上
に、下部電極１１，強誘電体薄膜１２，半導体層１４
ａ，上部電極１３を連続して、形成する。強誘電体薄膜
１２は、例えば、ゾル・ゲル法やＭＯＤ法等のスピンコ
ーティング法、スパッターリング法、ＭＯ−ＣＶＤ法、
ＩＣＢ法により成膜され得る。また、半導体層１４ａは
Ｏ₂ 中、または他の適当な雰囲気中で強誘電体薄膜１２
をアニールするときに、強誘電体薄膜１２内の構成元素
が抜けて表面が半導体になることを利用して自然発生的
に形成されている。

【００２１】そして、（ｂ）に示すように、強誘電体薄
膜１２，半導体層１４ａ，上部電極１３相互を、島状と
なるようにエッチングにより分離する。

【００２２】さらに、（ｃ）に示すように、上部電極１
３の上面から開口１３ａを選択エッチングにより形成す
る。このエッチングは、イオン・ミーリング法、反応エ
ッチング、ウエット・エッチング法等の既知の方法によ
り行われ得る。このときのエッチングは、薄い半導体層
１４ａをエッチングしないで上部電極１３のみをエッチ
ングするのはかなり難しいので、実際には図示するよう
に、半導体層１４ａもエッチングされてしまう。

【００２３】このため（ｄ）に示すように、再度Ｏ₂ も
しくはＮ₂ 雰囲気中、または空気中で熱処理をすること
により、エッチングにより露出した強誘電体薄膜１２の
表面に半導体層１４ｂを形成する。尚、この熱処理の温
度は、強誘電体薄膜１２の材質により異なる。例えば、
ＰＺＴやＰＴＯの場合は５００〜８００℃、Ｂｉ系レイ
ヤードプロブスカイト系の場合には６００〜９００℃が
好ましい。

【００２４】図５に示す第３の実施例に係わる電子ビー
ム発生装置は、第２の実施例で自然発生的に形成した半
導体層１４ａを積極的に形成しないようにしている以外
は、第２の実施例と同じである。なぜなら、この半導体
層１４ａは抗電圧Ｖｃを大きくし、分極量Ｐを小さくす
るので、電子ビームの強度が低下するためである。

【００２５】次に、図６を参照して第４の実施例に係わ
る電子ビーム発生装置を、その製造方法と共に説明す
る。

【００２６】まず、（ａ）に示すように、基板１０の上
に、下部電極１１，強誘電体薄膜１２，半導体層１４を
連続して、形成し、エッチングにより強誘電体薄膜１
２，半導体層１４を互いに分離して島状にする。

【００２７】次に、（ｂ）に示すように、半導体層１４
の上面周辺部並びに中心部にレジスト膜５０を形成し、
半導体層１４の上面が円環状に露出するようする。

【００２８】この後、（ｃ）に示すように、レジスト膜
５０をマスクとして、半導体層１４の露出部に金属を沈
着して内部に開口１３ａを有する上部電極１３を形成し
た後に、レジスト膜５０を除去して電子ビーム発生装置
を完成させる。尚、図６（ｃ）に示す構造は、図４
（ｂ）に示す工程で、上部電極１３をウエット・エッチ
ングや反応エッチングによりパターン化することによっ
ても得られる。また下部電極１１並びに上部電極１３
は、Ｐｔ，Ａｇ，Ｔａ，ＴｉＮ，Ｎｉ合金，Ｔａ合金，
Ｐｔ合金によって形成され得る。また、下部電極１１の
材質として基板１０に対して接着性の低い材質を選定す
る場合には、これらの間にＴｉ，ＴｉＮ，Ｃｒ，Ｍｏ，
Ｍｎ等の接着層を形成することが好ましい。

【００２９】図７に示す第５の実施例の装置は、図５に
示す実施例と類似しているが、半導体層１４を、別材料
を強誘電体薄膜１２並びに上部電極１３上面に沈着する
ことにより形成している。この場合の半導体層１４は前
記強誘電体薄膜１２を形成するような材料でも良いし、
Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等のＶＩ，III
−Ｖ，II−ＶI 族の半導体の単結晶もしくは多結晶でも
良い。強誘電体薄膜１２を形成するような材質の場合に
は、薄い層を沈着すれば、ほとんど自動的に半導体化す
るが、充分に半導体化しなくても、強誘電体薄膜１２と
半導体層１４との間に空間チャージ領域ができるので、
半導体の場合と同様の効果を得ることができる。また、
上記単結晶もしくは多結晶の半導体を使用すると、これ
らは移動度が小さいのでチャージ・トラップ領域として
充分に機能する。また、ＹＢａ₂Ｃｕ₃ Ｏ₇ やＬａＡｌ
Ｏ₃ 等の高温超電導特性を示すもので半導体層１４を構
成しても良いし、半導体化しやすいＢａＴｉＯ₃ やＳｒ
ＴｉＯ₃ を用いても良い。

【００３０】図８に示す第６の実施例の装置は、円環状
のチヤンネル１４ｃによって半導体層１４を円形の中心
部と、上部電極１３の下に位置する電荷放出部とに分離
している。このような構成のものは、半導体層１４を導
電性の比較的高い材料で形成する場合には有効である。
この装置においては、強誘電体薄膜１２内での分極の反
転の後、電子は強誘電体薄膜１２から放出されて半導体
層１４内に入りこの中で拡散される。そして、強誘電体
薄膜１２内での横方向に拡散して上部電極１３に達する
と、この電子は無効電流となってしまうので、これを防
止するために、電子の横方向の拡散をチヤンネル１４ｃ
により規制している。

【００３１】このチヤンネル１４ｃは、マスクを利用し
たホト・エッチングで形成しても、またチルトをかけた
反応エッチング、スパッタリング、イオン・ミーリング
で上部電極１３の周縁部のみをエッチングして形成して
も良い。

【００３２】図９に示す第７の実施例の装置では、上部
電極１３の開口１３ａの直下に位置する半導体層１４の
部分に上方に向いた突起部１４ｂを形成することによ
り、ここに電子を集中させて、電子ビームの射出をより
効率的に行なわせるようにしている。尚、図８に示す装
置で開口１３ａの径を小さくしても同様の効果がある。

【００３３】図１０に示す第８の実施例は、電子ビーム
発生装置２０の上に、誘電体層５０、及びこの上に補助
電極５１を形成し、これら誘電体層５０並びに補助電極
５１の前記開口１３ａと対向する箇所に電子ビームの通
過孔５２を形成したものである。そして、上部電極１３
と補助電極５１との間に直流電圧を印加することによ
り、通過孔５２内で電子ビームは加速されて外部に射出
される。尚、誘電体層５０は、ＰｉＱやポリイミドのよ
うな有機材料により形成しても良い。

【００３４】電子ビーム発生装置２０とトランジスタ１
６とを組合わせ、マトリックス状には配設して画素とし
た場合のディスプレイの他の例を第９の実施例として図
１１を参照して説明する。尚、図１１は、図３と同様の
図であり、（ａ）は一部の断面図で（ｂ）は電子ビーム
発生装置と駆動素子であるトランジスタとの配線関係を
示す図である。

【００３５】この実施例においては、電子ビーム発生装
置２０がＭＯＳトランジスタ１６ドレイン３５状まで延
びており、これの下部電極１３がドレイン３５とオーミ
ックコンタクトしている。この下部電極１３は上層１３
ａと下層１３ｂとの２層構造となっており、下層１３ｂ
は、上層１３ａとのバリアー性が良好で、かつドレイン
３５とのオーミックコンタクト性の良い材料により形成
されている。このような材料として、ＴｉＮ，Ｗ，Ｔｉ
Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｃｕ等、もしくはこれらを主成
分とする合金、及びＰｔＳｉ，ＰｂＳｉ，ＴｉＳｉ，Ｗ
Ｓｉ等のシリサイドと他の金属とを組み合わせたものが
使用され得る。

【００３６】次に、上記本発明の電子ビーム発生装置を
駆動する方式の例を図１２並びに図１３を参照して説明
する。

【００３７】図１２に示すように、各トランジスタ１６
のゲート電極はワード線ドライバーであるラインドアド
レス回路６０に、またソース電極はドライブ線ドライバ
ーであるドライブ回路６１に、夫々接続されている。そ
して、トランジスタ１６のドレイン電極は電子ビーム発
生装置２０の上部電極に接続され、これの下部電極は接
地されている。

【００３８】このような配線において、アドレス回路６
０とドライブ回路６１とからの画像情報にもとずく駆動
信号により選択的にトランジスタ１６をスイッチングさ
せて電子ビーム発生装置２０を駆動して所定の電子ビー
ムを射出することができる。

【００３９】図１３に、この装置の発光方式を示す。
尚、この図で（ａ）と（ｂ）とは、ドライブ回路からの
ドライブ信号が異なる場合を示す。この図から理解でき
るようにドライブ回路６１からドライブ線に正負の信号
を繰り返し電子ビーム発生装置２０に送る都度に、電子
ビームは電子ビーム発生装置２０から射出される。この
射出される電子ビームの電子放出量（ｎ）は、１回のス
イッチング毎に次式で表される。

【００４０】ｎ＝２η・Ｐｒ・Ａｆ・１／ｑ この式で、ηは効率、Ｐｒは分極量、Ａｆは発光面積、
ｑは単位電荷を、夫々示す。ここで、通常、発光面積Ａ
ｆが数十μｍ² 以上と、比較的大きければ問題が無い
が、発光面積がこれ以下であると、図１３（ｂ）に示す
ようにスイッチング回数を多くして電子ビーム射出回数
を多くしている。

【００４１】尚、ドライブ信号は図示するような波形の
ものに限定されることは無く、例えば、交流波、三角波
でも良い。

【００４２】

【発明の効果】本発明の電子ビーム発生装置において
は、強誘電体薄膜と、この強誘電体薄膜の少なくとも一
部を覆う半導体層とを設けたことにより、小消費電力で
効率の良い電子ビームを発生することの可能な電子ビー
ム発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる電子ビーム発生装置
を示し（ａ）は斜視図、そして（ｂ）は断面図である。

【図２】本発明の電気発光面光源素子の発光メカニズム
を説明するための図で、（ａ）は電子ビーム発生装置の
下部電極と強誘電体薄膜と半導体層とを図式的に示し、
（ｂ）はこれらの内部での分極状態を示し、そして
（ｃ）は逆電圧を印加した後の分極並びに電子ビームの
射出状態を示す。増倍層内で電子が増倍されて光が発光
される状態を示す図、また（ｂ）は印加電圧と電流との
関係を示す線図である。

【図３】図１に示す電子ビーム発生装置をＭＯＳトラン
ジスタと集積化して構成したディスプレイを示し、
（ａ）は一部の断面図、そして（ｂ）は電気的接続関係
を示す図ある。

【図４】（ａ）ないし（ｄ）は、本発明の第２の実施例
に係わる電子ビーム発生装置をその製造方法とともに説
明する図である。

【図５】本発明の第３の実施例に係わる電子ビーム発生
装置を示す断面図である。

【図６】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の第４の実施例
に係わる電子ビーム発生装置をその製造方法とともに説
明する図である。

【図７】本発明の第５の実施例に係わる電子ビーム発生
装置を示す断面図である。

【図８】本発明の第６の実施例に係わる電子ビーム発生
装置を示す断面図である。

【図９】本発明の第７の実施例に係わる電子ビーム発生
装置を示す断面図である。

【図１０】本発明の第８の実施例に係わる電子ビーム発
生装置を示す断面図である。

【図１１】本発明の第９の実施例に係わる電子ビーム発
生装置をＭＯＳトランジスタと集積化して構成したディ
スプレイを示し、（ａ）は一部の断面図、そして（ｂ）
は電気的接続関係を示す図ある。

【図１２】本発明の電子ビーム発生装置の駆動回路を示
す図である。

【図１３】図１２に示す駆動回路での入力信号と電子ビ
ーム発生との関係を（ａ）と（ｂ）とではドライブ信号
が異なる、ようにして示す図である。

【符号の説明】

１０…基板、１１…下部電極、１２…強誘電体薄膜、１
３…上部電極、１３ａ…開口、１４，１４ａ，１４ｂ…
半導体層、１６…ＭＯＳトランジスタ、２０…電子ビー
ム発生装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極と、この上に形成された強誘電
   体薄膜と、この上に形成され開口を有する上部電極と、
   上部電極の開口部により露出した強誘電体膜の少なくと
   も一部を覆う半導体層とを具備し、強誘電体膜から半導
   体層を介して電子ビームが射出される電子ビーム発生装
   置。