JP3281533B2 - 冷電子放出表示装置及び半導体冷電子放出素子 - Google Patents
冷電子放出表示装置及び半導体冷電子放出素子Info
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Description
放出素子からなる冷電子放出表示装置に関する。
y)が、陰極の加熱を必要としない冷電子放出源のアレイ
を備えた平面形発光ディスプレイとして知られている。
FEDの発光原理は、陰極の冷電子放出源アレイが異な
るもののCRT(cathode ray tube)と同様に、陰極から
離間したゲート電極により電子を真空中に引出し、透明
陽極に塗布された蛍光体に衝突させて、発光させる。
出源アレイは、微細な個々の冷陰極の製造工程が複雑
で、その工程数が多い。よって製造歩留まりが低いとい
った問題がある。本発明は、以上の事情に鑑みてなされ
たものであり、真空中に突出する微細な冷陰極を必要と
しない、発光効率の高い冷電子放出素子及びこれを用い
た冷電子放出表示装置を提供することを目的とする。
装置は、真空空間を挾み対向する一対の素子基板及び透
明基板と、前記素子基板に設けられそれぞれ平行に伸長
する複数のオーミック電極と、前記オーミック電極上に
形成された半導体層、前記半導体層上に形成された多孔
質半導体層及び前記多孔質半導体層上に形成され前記真
空空間に面する金属薄膜電極からなる半導体冷電子放出
素子の複数と、隣接する前記金属薄膜電極を電気的に接
続しその一部上に、前記オーミック電極に垂直に伸長し
て架設され、それぞれが平行に伸長する複数のバス電極
と、前記透明基板に設けられそれぞれ平行に伸長しかつ
前記金属薄膜電極からの放出電子を捕獲する複数のコレ
クタ電極と、前記コレクタ電極上に形成された蛍光体層
からなることを特徴とする。また、本発明の半導体冷電
子放出素子は、素子基板と、前記素子基板上に形成され
たオーミック電極と、前記オーミック電極上に形成され
た半導体層と、前記半導体層上に形成された多孔質半導
体層と、前記多孔質半導体層上に形成された金属薄膜電
極からなることを特徴とする。
照しつつ説明する。図1に実施例の冷電子放出表示装置
を示す。実施例は、一対の透明基板1及び素子基板10
からなり、基板は真空空間4を挾み互いに対向してい
る。図示する冷電子放出表示装置おいて、表示面である
透明な前面板1すなわち透明基板の内面(背面板10と
対向する面)には、例えばインジウム錫酸化物(いわゆ
るITO)、酸化錫(SnO)などからなる透明なコレ
クタ電極2の複数が互いに平行に形成されている。ま
た、コレクタ電極2は一体的に形成されていてもよい。
放出電子を捕獲する透明コレクタ電極群は、カラーディ
スプレイパネルとするために赤、緑、青のR,G,B色
信号に応じて3本1組となっており、それぞれに電圧が
印加される。よって、3本のコレクタ電極2の上には、
R,G,Bに対応する蛍光体からなる蛍光体層3R,3
G,3Bが真空空間4に面するように、それぞれ形成さ
れている。
ガラスなどからなる背面板10すなわち素子基板内面
(前面板1と対向する面)には、それぞれ平行に伸長す
る複数のオーミック電極11と、その上に形成された複
数の半導体冷電子放出素子Sと、隣接する金属薄膜電極
を電気的に接続しその一部上に、オーミック電極に垂直
に伸長して架設され、それぞれが平行に伸長する複数の
バス電極16と、が設けられている。半導体冷電子放出
素子Sはオーミック電極上に順に形成された半導体層1
2、多孔質半導体層14及び金属薄膜電極15からな
る。金属薄膜電極15は真空空間4に面する。
2O3,Si3N4、BN等のセラミックスでも良い。オー
ミック電極11の材料としては、Au、Pt、Al等の
一般にICの配線に用いられる材料で、各素子にほぼ同
電流を供給する均一な厚さである。半導体層12の材質
は、シリコン(Si)が挙げられるが、本発明の半導体
層はシリコンに限られたものではなく、陽極酸化法を適
用できる半導体は全て利用することができ、ゲルマニウ
ム(Ge)、炭化シリコン(SiC)、ヒ化ガリウム
(GaAs)、リン化インジウム(InP)、セレン化
カドミウム(CdSe)など、IV族、III−V族、II−V
I族などの単体及び化合物半導体が、用いられ得る。
酸化処理を行って得られる。例えば、半導体層にn型S
iを用い陽極酸化処理を行う場合、図2に示すように、
素子基板10上にオーミック電極11、Si層12及び
多孔質半導体層用開口を有する絶縁層13を積層した形
成したものを陽極として、これをPtからなる陰極に対
向させHF溶液内にて低い電流密度で陽極化成して、S
i層12内にp型多孔質Si体層14が形成される。こ
の場合、多孔質形成にはホールの消費が必要であるから
ホール供給のために光照射が必要である。多孔質Si体
層はp型Si半導体層にも形成できるが、この場合は、
暗状態でも多孔質Si体層が形成される。多孔質Si体
層は多数の微細孔と残留Siとからなり、多孔度は10
〜80%で、各微細孔は2〜100nm内径である。微
細孔径が2〜数nm内径で残留Siがは原子数十〜数百
の大きさにした量子サイズ効果による放出現象が期待さ
れる。これらの値はHF濃度、電流密度、処理時間、光
照射の陽極酸化処理条件によって制御される。また多孔
質Si体層はSi体層に比べて数桁以上大きい。
晶、n型、p型の何れでも良いが、単結晶の場合、(10
0)方向が面に垂直に配向している方が、多孔質Si体層
の電子放出効率ηの点で好ましい。(100)面Si層はナ
ノメータオーダ内径の孔及びSi結晶が表面に垂直に配
向するからであると推定される。アモルファスSi層か
ら多孔質Si体層を形成する場合、残留Siもアモルフ
ァスとなる。
が大きく深度が上がる度、微細孔径が小さくなり、多孔
質Si体層14は、その表面近傍の比抵抗が大きくSi
体層12に近いほど比抵抗が小さくなるようにすること
が好ましい。薄膜電極15の材質は、電子放出の原理か
ら仕事関数φが小さい材料で、薄い程良い。電子放出効
率ηを高くするために、薄膜電極15の材質は周期律表
のI族、II族の金属が良く、たとえばCs、Rb、L
i、Sr等が有効で、更に、それらの合金であっても良
い。また、薄膜電極15の材質は極薄化の面では、導電
性が高く化学的に安定な金属が良く、たとえばAu、P
t、Lu、Ag,Cuの単体又はこれらの合金等が望ま
しい。また、これらの金属に、上記仕事関数の小さい金
属をコート、あるいはドープしても有効である。
t、Al等の一般にICの配線に用いられる物で良く、
各素子にほぼ同電位を供給可能ならしめるに足る厚さ
で、0.1〜50μmが適当である。素子基板上の構造
は、次の手順で作成される。まず、オーミック電極11
がスパッタ法で素子基板10に成膜され、その複数上に
スパッタ法またはCVD法などでn型Si層12が一様
に成膜される。次に、複数の絶縁層13がSi層12の
一部、即ちにオーミック電極間のn型Si層12内に成
膜される。絶縁層13は、オーミック電極11に対応す
る上に独立した個々の電子放出領域の多孔質Si層14
を複数に区画し島状に作製するため成膜される。素子間
のクロストークを改善するためである。
i表面が適当な条件で陽極酸化処理がなされされ、島状
多孔質Si層14が形成される。ここで、処理中で微細
孔内壁のダングリングボンドは水素により終端される。
次に微細孔内壁の水素終端は空気中で酸素と結合して−
OH,H2Oとなり多孔質Si層14が劣化する原因と
なるので、多孔質Si層14を安定化するために真空加
熱で水素終端を除去し、酸素、窒素ガス中で加熱処理し
てO又はN終端を形成する。又は酸素、窒素ガス中でプ
ラズマ処理して同様にO又はN終端を形成する。
u,Ptなどからなる極薄な薄膜電極15をオーミック
電極に沿って帯状に多孔質Si層14上に成膜する。更
に、各素子間の電位を均一にするため低抵抗金属からな
る厚膜バス電極16をリード線として設ける。個別の島
状金属薄膜電極15はバス電極に電気的に連結される。
の電子放出領域に画定する開口を有した第2絶縁層17
が成膜される。この第2絶縁層17はバス電極16を覆
うことで不要な短絡を防止する。一方、上記実施例にお
いて、半導体層12はオーミック電極11上に共通して
形成されているが、図3に示すように半導体層をも個別
島状に形成して、半導体冷電子放出素子がオーミック電
極ごとに個別に形成された構造とすることもできる。
に、ガラス基板に代えて、素子基板を半導体ウエハ2
0、たとえば、n型Siウエハをそのままを用い、素子
基板自体を半導体層20として、その背面外面上にオー
ミック電極11が設けられた構造とすることもできる。
半導体冷電子放出素子及びこれを用いた冷電子放出表示
装置は、図5に示すように、オーミック電極11と薄膜
電極15との間に電圧VPSを印加し半導体層12に電子
を注入すると、ダイオード電流IPSが流れ、多孔質半導
体層14は高抵抗であるので、印加電界の大部分は多孔
質半導体層にかかっているが、図のエネルギーバンドに
示すように、電界強度は多孔質半導体層14表面ほど強
い。注入された電子は、金属薄膜電極15側に向けて多
孔質半導体層14内を移動する。金属薄膜電極付近に達
した電子は、そこでの強電界により一部は金属薄膜電極
をトンネルし、外部の真空中に放出される。このよう
に、トンネル効果によって薄膜電極15から放出された
電子e(エミッション電流IEM)は、対向したコレクタ
電極(透明電極)2に印加された高電圧Vcによって加
速され、コレクタ電極に集められ蛍光体3R、3G、3
Bを叩き、R、G、Bの可視光を発光させる。電子放出
効率η(η=IEM/IPS)を高めるために、電子放出面
には薄膜電極を、リード線としては厚膜電極を設けてあ
る。
合、薄膜電極15の厚さは、電子が飛び抜けるトンネル
効果による電子放出現象を利用しているので薄いほど良
いが、電位を与えるために必要な電気抵抗以下になる厚
さは確保しなければならない。たとえば、AuまたはP
t薄膜電極を有する装置の電子放出効率ηの薄膜電極膜
厚依存性を調べた場合、図6に示す特性が得られ、Au
またはPt薄膜電極膜厚が10〜500オングストロー
ムで実用化可能な効率が得られる。素子としての安定性
を考えるとAuまたはPt薄膜電極膜厚は20〜200
オングストロームが最も適当である。電子放出効率ηの
ピークが20オングストロームであり、10-4以上の電
子放出効率ηが得られるからである。
とダイオード電流IPS及び電子放出効率ηの関係を調べ
た場合、図7に示す特性が得られる。これら図6及び図
7より、電子の放出は多孔質Si層表面の極近傍で起こ
っていることが分かる。そのことから多孔質Si層は薄
い方が良いと言えるが、素子の均一性及び安定性を考慮
すると、ある程度の厚さが必要になる。Si層の材質及
び多孔質化の条件によって最適な厚さは異なるが、表示
パネルの駆動電圧(ほぼVPS)を30V以下とした場
合、0.1〜50μmが実用化可能範囲である。10-5
を越える電子放出効率ηが得られるからである。
表示装置を作製した。裏面にAuオーミック電極を形成
した面方位(111)のn型シリコン基板(n型シリコンウ
エハ)(比抵抗が0.0018Ωcm)表面に、20c
m離れた500Wのタングステンランプにより試料面を
光照射しつつ、50wt%HF水溶液とエタノールとの
混合液(混合比は1:1)中で定電流陽極酸化処理(電
流密度は100mA/cm2、時間は5分間)をなし、
それぞれ6x6mm多孔質シリコン層を形成した。多孔
質Si層の厚さは約40μmであった。
さ15nmで真空蒸着し、素子基板を作成した。各冷電
子放出素子は、表面Au薄膜電極を正電位VPSにし裏面
Auオーミック電極を接地電位としたダイオードであ
る。次に透明ガラス基板の内面にITOコレクタ電極が
形成されたものの各コレクタ電極上に、R,G,Bに対
応する蛍光体からなる蛍光体層を常法により形成し、透
明基板を作成した。素子基板及び透明基板を、表面Au
薄膜電極及びITOコレクタ電極が向かい合うように平
行に10mm離間してスペーサにより保持し、間隙を1
0-7Torr又は10-5Paの真空にした。
0Vでダイオード電流IPSを4mA/cm2供給したと
き、エミッション電流IEMが約0.24nA/cm2得
られ、電子放出効率ηが6x10-9であった。また、面
方位(100)のSi基板を用いた陽極酸化処理において、
電流密度は50mA/cm2、処理時間は5〜1分間
で、多孔質Si層膜厚が5〜10μmとして得られた。
このSi基板を用いた冷電子放出表示装置は、VPSを1
0〜20Vで電子放出効率ηが10-4となった。
極の間に約4kVの電圧を印加した状態では、薄膜電極
に対応する形の均一な蛍光パターンが観測された。この
ことは、多孔質Si層からの電子放出が均一であること
を示す。
よれば、複雑な形状の冷陰極を形成する工程は不要であ
り、半導体冷電子放出素子構造が単純である冷電子放出
表示装置を得ることができる。
示す概略斜視図である。
おける素子基板の陽極酸化処理方法を示すHF溶液槽の
概略断面図である。
置を示す概略斜視図である。
置を示す概略斜視図である。
子基板のエネルギーバンド図である。
子放出効率ηのAuまたはPt薄膜電極膜厚依存性を示
すグラフである。
孔質Si層の厚さに対する、VPSとダイオード電流IPS
及び電子放出効率ηの関係を示すグラフである。
Claims (15)
- 【請求項1】 真空空間を挾み対向する一対の素子基板
及び透明基板と、 前記素子基板に設けられそれぞれ平行に伸長する複数の
オーミック電極と、 前記オーミック電極上に形成された半導体層、前記半導
体層上に形成された多孔質半導体層及び前記多孔質半導
体層上に形成され前記真空空間に面する金属薄膜電極か
らなる半導体冷電子放出素子の複数と、 隣接する前記金属薄膜電極を電気的に接続しその一部上
に、前記オーミック電極に垂直に伸長して架設され、そ
れぞれが平行に伸長する複数のバス電極と、 前記透明基板に設けられそれぞれ平行に伸長しかつ前記
金属薄膜電極からの放出電子を捕獲する複数のコレクタ
電極と、前記コレクタ電極上に形成された蛍光体層から
なることを特徴とする冷電子放出表示装置。 - 【請求項2】 前記多孔質半導体層は前記半導体層の表
面を陽極酸化処理により多孔質化して形成されたことを
特徴とする請求項1記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項3】 前記多孔質半導体層を複数に区画する絶
縁体層を有することを特徴とする請求項1記載の冷電子
放出表示装置。 - 【請求項4】 前記金属薄膜電極の表面を複数の電子放
出領域に画定する第2絶縁層を有することを特徴とする
請求項1記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項5】 前記第2絶縁層は前記バス電極を覆うこ
とを特徴とする請求項4記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項6】 前記素子基板の内面上に前記オーミック
電極が設けられたことを特徴とする請求項1記載の冷電
子放出表示装置。 - 【請求項7】 前記素子基板が前記半導体層であり、そ
の外面上に前記オーミック電極が設けられたことを特徴
とする請求項1記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項8】 前記金属薄膜電極は前記バス電極に連結
された個別の島状電極であることを特徴とする請求項1
記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項9】 前記半導体層は前記オーミック電極上に
共通して形成されたことを特徴とする請求項1記載の冷
電子放出表示装置。 - 【請求項10】 前記半導体冷電子放出素子は前記オー
ミック電極ごとに個別に形成されたことを特徴とする請
求項1記載の冷電子放出表示装置。 - 【請求項11】 前記半導体層はシリコンからなり、前
記多孔質半導体層は多孔質シリコンからなり、前記金属
薄膜電極はAu,Pt,Ag,Cu又はこれらの合金か
らなることを特徴とする請求項1記載の冷電子放出表示
装置。 - 【請求項12】 素子基板と、前記素子基板上に形成さ
れたオーミック電極と、前記オーミック電極上に形成さ
れた半導体層と、前記半導体層上に形成された多孔質半
導体層と、前記多孔質半導体層上に形成された金属薄膜
電極からなることを特徴とする半導体冷電子放出素子。 - 【請求項13】 前記多孔質半導体層は前記半導体層の
表面を陽極酸化処理により多孔質化して形成されたこと
を特徴とする請求項12記載の半導体冷電子放出素子。 - 【請求項14】 前記半導体層は、単結晶、アモルファ
ス、多結晶、n型、又はp型の半導体からなることを特
徴とする請求項12又は13記載の半導体冷電子放出素
子。 - 【請求項15】 前記多孔質半導体層では、酸素又は窒
素終端が形成されていることを特徴とする請求項12〜
14のいずれか1記載の半導体冷電子放出素子。
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