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

電子ビーム発生装置

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JP3236109B2 JP6889493A JP6889493A JP3236109B2 JP 3236109 B2 JP3236109 B2 JP 3236109B2 JP 6889493 A JP6889493 A JP 6889493A JP 6889493 A JP6889493 A JP 6889493A JP 3236109 B2 JP3236109 B2 JP 3236109B2
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30Cold cathodes
    • H01J2201/306Ferroelectric cathodes

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  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

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 ,Nb2/3 )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 6 ,(Sv,
Ba)0.8 RxNa0.4 Nb2 6 ,(Pb,BA)N
2 6 ,(K,Sr)Nb2 6 ,(Pb,K)Nb
2 6 ,Ba2 NaNb5 15PBN,KSN,PK
N,BNN,もしくはi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
2 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
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 7 やLaAl
3 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。
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