JP3537624B2 - 電子放出素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、特
に、多孔質半導体電子放出素子に関する。
に、多孔質半導体電子放出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から電界電子放出表示装置のＦＥＤ
(field emission display)が、陰極の加熱を必要としな
い冷陰極の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。面電子放出源として金属
層-絶縁層-金属層（ＭＩＭ）構造の電子放出素子や、多
孔度の均一な多孔質シリコンＳｉの多孔質半導体を用い
た電子放出素子も注目されている。
(field emission display)が、陰極の加熱を必要としな
い冷陰極の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。面電子放出源として金属
層-絶縁層-金属層（ＭＩＭ）構造の電子放出素子や、多
孔度の均一な多孔質シリコンＳｉの多孔質半導体を用い
た電子放出素子も注目されている。
【０００３】多孔質半導体の電子放出素子は、図１に示
すように、裏面にオーミック電極１１を設けたシリコン
層１２に多孔質シリコン層１３を設け、その上に金属薄
膜電極１５を形成したものである。多孔質半導体電子放
出素子は、表面の薄膜電極を正電位Ｖpsにし裏面オーミ
ック電極を接地電位としたダイオードである。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１３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る。電子は、金属薄
膜電極１５側に向けて多孔質半導体層１３内を移動す
る。金属薄膜電極付近に達した電子は、そこで強電界に
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（放出電流ＩEM）は、透明基板１上
の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
る。コレクタ電極に蛍光体が塗布されていれば対応する
可視光を発光させる。
すように、裏面にオーミック電極１１を設けたシリコン
層１２に多孔質シリコン層１３を設け、その上に金属薄
膜電極１５を形成したものである。多孔質半導体電子放
出素子は、表面の薄膜電極を正電位Ｖpsにし裏面オーミ
ック電極を接地電位としたダイオードである。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１３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る。電子は、金属薄
膜電極１５側に向けて多孔質半導体層１３内を移動す
る。金属薄膜電極付近に達した電子は、そこで強電界に
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（放出電流ＩEM）は、透明基板１上
の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
る。コレクタ電極に蛍光体が塗布されていれば対応する
可視光を発光させる。
【０００４】このように、表示装置としては、多孔質シ
リコン層１２と金属薄膜電極１５の間に電圧を印加し、
電子の一部を金属薄膜電極１５をトンネルさせ、蛍光体
３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ付きの対向電極２に当て、発光させ
る。しかしながら、多孔質半導体構造の電子放出素子で
も、以下ような問題点がある。
リコン層１２と金属薄膜電極１５の間に電圧を印加し、
電子の一部を金属薄膜電極１５をトンネルさせ、蛍光体
３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ付きの対向電極２に当て、発光させ
る。しかしながら、多孔質半導体構造の電子放出素子で
も、以下ような問題点がある。
【０００５】（１） ダイオード電流Ｉpsが流れすぎ、
電子放出効率η（η＝放出電流ＩEM／ダイオード電流Ｉ
ps）が低くなる。 （２） 多孔質化した表面はかなり荒れており、後で設
ける表面金属薄膜電極との接触が悪くなり、電子放出が
不安定になる。 （３） 多孔質Ｓｉは元のＳｉに比べ熱伝導率が悪くな
っているため、素子の熱破壊が起きやすい。
電子放出効率η（η＝放出電流ＩEM／ダイオード電流Ｉ
ps）が低くなる。 （２） 多孔質化した表面はかなり荒れており、後で設
ける表面金属薄膜電極との接触が悪くなり、電子放出が
不安定になる。 （３） 多孔質Ｓｉは元のＳｉに比べ熱伝導率が悪くな
っているため、素子の熱破壊が起きやすい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の事情
に鑑みてなされたものであり、電子放出効率の高い電子
放出素子を提供することを目的とする。
に鑑みてなされたものであり、電子放出効率の高い電子
放出素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の電子放出素子
は、電子を供給する半導体層、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り、前記半
導体層及び前記金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放
出する電子放出素子であって、前記多孔質半導体層はそ
の膜厚方向において互いに異なる多孔度を有する少なく
とも２以上の多孔質層を有することを特徴とする。
は、電子を供給する半導体層、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り、前記半
導体層及び前記金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放
出する電子放出素子であって、前記多孔質半導体層はそ
の膜厚方向において互いに異なる多孔度を有する少なく
とも２以上の多孔質層を有することを特徴とする。
【０００８】本発明の電子放出素子は電子放出効率が高
くなるので、表示素子とした場合、高輝度が得られ、駆
動電流の消費及び発熱を抑制でき、さらに駆動回路への
負担を低減できる。本発明の電子放出素子においては、
前記多孔質半導体層は、その膜厚方向において高い多孔
度の多孔質層と低い多孔度の多孔質層とが交互に積層さ
れたことを特徴とする。
くなるので、表示素子とした場合、高輝度が得られ、駆
動電流の消費及び発熱を抑制でき、さらに駆動回路への
負担を低減できる。本発明の電子放出素子においては、
前記多孔質半導体層は、その膜厚方向において高い多孔
度の多孔質層と低い多孔度の多孔質層とが交互に積層さ
れたことを特徴とする。
【０００９】本発明の電子放出素子においては、前記多
孔質層はその膜厚方向において漸次上昇又は下降した多
孔度を有することを特徴とする。本発明の電子放出素子
においては、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。本発明の電子放出素子においては、前記多孔
質半導体層は前記陽極酸化処理の化成電流密度を変化さ
せた処理時間で前記半導体層の表面から陽極酸化された
ことを特徴とする。
孔質層はその膜厚方向において漸次上昇又は下降した多
孔度を有することを特徴とする。本発明の電子放出素子
においては、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。本発明の電子放出素子においては、前記多孔
質半導体層は前記陽極酸化処理の化成電流密度を変化さ
せた処理時間で前記半導体層の表面から陽極酸化された
ことを特徴とする。
【００１０】本発明の電子放出素子においては、前記多
孔質半導体層は前記陽極酸化処理の化成電流密度を低く
した処理時間と高くした処理時間とを交互に繰り返し前
記半導体層の表面から陽極酸化されたことを特徴とす
る。本発明の電子放出素子は、面状又は点状の電子放出
ダイオードであり、赤外線又は可視光又は紫外線の電磁
波を放出する発光ダイオード又はレーザダイオードとし
て動作可能である。
孔質半導体層は前記陽極酸化処理の化成電流密度を低く
した処理時間と高くした処理時間とを交互に繰り返し前
記半導体層の表面から陽極酸化されたことを特徴とす
る。本発明の電子放出素子は、面状又は点状の電子放出
ダイオードであり、赤外線又は可視光又は紫外線の電磁
波を放出する発光ダイオード又はレーザダイオードとし
て動作可能である。
【００１１】本発明の電子放出素子によれば、さらに、
多孔質半導体層の多孔質化した表面が平坦になり、表面
の金属薄膜電極との接触面積が多くなるので、電子放出
が安定する。さらに、多孔度の低い緻密な層が多孔質半
導体層内部に存在するため、熱伝導率が上がり、放熱効
果により熱破壊が起き難くなる。
多孔質半導体層の多孔質化した表面が平坦になり、表面
の金属薄膜電極との接触面積が多くなるので、電子放出
が安定する。さらに、多孔度の低い緻密な層が多孔質半
導体層内部に存在するため、熱伝導率が上がり、放熱効
果により熱破壊が起き難くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しつつ説明する。図２に示すように、実施例の電子放
出素子は、オーミック電極１１を備えた例えばＳｉ基板
の電子を供給する半導体層１２と、このＳｉ半導体層を
陽極酸化により多孔質化したＳｉの多孔質半導体層１３
と、真空空間に面する金属薄膜電極１５と、からなり、
半導体層及び金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放出
する電子放出素子である。
照しつつ説明する。図２に示すように、実施例の電子放
出素子は、オーミック電極１１を備えた例えばＳｉ基板
の電子を供給する半導体層１２と、このＳｉ半導体層を
陽極酸化により多孔質化したＳｉの多孔質半導体層１３
と、真空空間に面する金属薄膜電極１５と、からなり、
半導体層及び金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放出
する電子放出素子である。
【００１３】多孔質半導体層１３は、その膜厚方向にお
いて互いに異なる多孔度を有する少なくとも２以上の多
孔質層１３a,１３bからなる。多孔質半導体層１３は全
体は１〜５０μmの膜厚を有する。多孔質半導体層１３
は、図２に示すように、その膜厚方向において高い多孔
度の多孔質層１３aと低い多孔度の多孔質層１３bとが交
互に積層されている。
いて互いに異なる多孔度を有する少なくとも２以上の多
孔質層１３a,１３bからなる。多孔質半導体層１３は全
体は１〜５０μmの膜厚を有する。多孔質半導体層１３
は、図２に示すように、その膜厚方向において高い多孔
度の多孔質層１３aと低い多孔度の多孔質層１３bとが交
互に積層されている。
【００１４】また、多孔質層１３a及び又は１３bはその
膜厚方向において漸次上昇又は下降した多孔度を有する
ように形成してもよい。このように、多孔質半導体層１
３中において、多孔度に変化を持たせるようにする。少
なくとも最上表面には高電気抵抗で平坦かつ緻密な低多
孔度層１３bを設け、ダイオード電流Ｉpsの流れすぎを
防ぎ、表面の金属薄膜電極１５との接触を改善する。ま
た、低多孔度多孔質層１３bが交互に積層されているの
で、素子の放熱が促進されることになる。
膜厚方向において漸次上昇又は下降した多孔度を有する
ように形成してもよい。このように、多孔質半導体層１
３中において、多孔度に変化を持たせるようにする。少
なくとも最上表面には高電気抵抗で平坦かつ緻密な低多
孔度層１３bを設け、ダイオード電流Ｉpsの流れすぎを
防ぎ、表面の金属薄膜電極１５との接触を改善する。ま
た、低多孔度多孔質層１３bが交互に積層されているの
で、素子の放熱が促進されることになる。
【００１５】この高多孔度多孔質層１３aと低多孔度多
孔質層１３bと組合わせは１組でも上記の効果が得られ
るが、何回か繰り返すことでダイオード電流Ｉpsの流れ
すぎ抑制と、放熱効果がさらに高まることになる。さら
に、かかる電子放出素子は半導体層を多孔質化した多孔
質半導体層にＰｔ等の薄膜電極を設けただけで電子放出
を達成するが、半導体層の多孔質化後の多孔質半導体層
を、下記の条件で、酸化もしくは窒化を行い、その後、
Ｐｔ等の薄膜電極を設けるとさらに安定性と耐久性がよ
り向上する。
孔質層１３bと組合わせは１組でも上記の効果が得られ
るが、何回か繰り返すことでダイオード電流Ｉpsの流れ
すぎ抑制と、放熱効果がさらに高まることになる。さら
に、かかる電子放出素子は半導体層を多孔質化した多孔
質半導体層にＰｔ等の薄膜電極を設けただけで電子放出
を達成するが、半導体層の多孔質化後の多孔質半導体層
を、下記の条件で、酸化もしくは窒化を行い、その後、
Ｐｔ等の薄膜電極を設けるとさらに安定性と耐久性がよ
り向上する。
【００１６】酸化条件では酸素ガス中で、７００〜１２
００℃、１〜１２０分間、又は酸素プラズマ中で、２０
０〜９００℃、１〜１２０分間である。さらに窒化条件
では窒素ガス中で、７００〜１２００℃、１〜１２０分
間、又は窒素プラズマ中で、２００〜９００℃、１〜１
２０分間である。また、多孔質化するＳｉ層は、Ｎ型、
Ｐ型、単結晶、多結晶もしくはアモルファスのＳｉウエ
ハー自体を基板としてもよく、或いはオーミック電極を
予め形成した基板上に形成されたＳｉ薄膜でも良い。複
数素子を形成して表示素子とするためには都合がよい。
またこれら機能層の成膜法としては、スパッタリング法
が特に有効であるが、真空蒸着法、ＣＶＤ（chemical v
apor deposition）法、レーザアブレイション法、ＭＢ
Ｅ（molecular beam epitaxy）法、イオンビームスパッ
タリング法でも有効である。
００℃、１〜１２０分間、又は酸素プラズマ中で、２０
０〜９００℃、１〜１２０分間である。さらに窒化条件
では窒素ガス中で、７００〜１２００℃、１〜１２０分
間、又は窒素プラズマ中で、２００〜９００℃、１〜１
２０分間である。また、多孔質化するＳｉ層は、Ｎ型、
Ｐ型、単結晶、多結晶もしくはアモルファスのＳｉウエ
ハー自体を基板としてもよく、或いはオーミック電極を
予め形成した基板上に形成されたＳｉ薄膜でも良い。複
数素子を形成して表示素子とするためには都合がよい。
またこれら機能層の成膜法としては、スパッタリング法
が特に有効であるが、真空蒸着法、ＣＶＤ（chemical v
apor deposition）法、レーザアブレイション法、ＭＢ
Ｅ（molecular beam epitaxy）法、イオンビームスパッ
タリング法でも有効である。
【００１７】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−VI族などの単体及び化合
物半導体が、用いられ得る。Ｓｉ層１２では単結晶、ア
モルファス、多結晶、ｎ型、ｐ型の何れでも良いが、単
結晶の場合、(100)方向が面に垂直に配向している方
が、多孔質Ｓｉ層の電子放出効率ηの点で好ましい。(1
00)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層を陽極酸化形成する場
合、残留Ｓｉもアモルファスとなる。
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−VI族などの単体及び化合
物半導体が、用いられ得る。Ｓｉ層１２では単結晶、ア
モルファス、多結晶、ｎ型、ｐ型の何れでも良いが、単
結晶の場合、(100)方向が面に垂直に配向している方
が、多孔質Ｓｉ層の電子放出効率ηの点で好ましい。(1
00)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層を陽極酸化形成する場
合、残留Ｓｉもアモルファスとなる。
【００１８】多孔質半導体層１３は半導体層１２を陽極
酸化処理を行って得られる。例えば、半導体層にｎ型Ｓ
ｉウエハを用い陽極酸化処理を行う場合、Ｓｉ層のウエ
ハ１２を用意し、その表面に多孔質半導体層用開口を有
する絶縁層を積層形成する。開口を有するＳｉ層のウエ
ハを陽極、Ｐｔ線を陰極として、弗化水素酸ＨＦ溶液内
にて両者を対向させ、低い電流密度で陽極化成して、Ｓ
ｉ層１２内に多孔質Ｓｉ層１３を形成する。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層はｐ型Ｓ
ｉ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層が形成される。
酸化処理を行って得られる。例えば、半導体層にｎ型Ｓ
ｉウエハを用い陽極酸化処理を行う場合、Ｓｉ層のウエ
ハ１２を用意し、その表面に多孔質半導体層用開口を有
する絶縁層を積層形成する。開口を有するＳｉ層のウエ
ハを陽極、Ｐｔ線を陰極として、弗化水素酸ＨＦ溶液内
にて両者を対向させ、低い電流密度で陽極化成して、Ｓ
ｉ層１２内に多孔質Ｓｉ層１３を形成する。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層はｐ型Ｓ
ｉ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層が形成される。
【００１９】多孔質Ｓｉ層は多数の微細孔と残留Ｓｉと
からなる。微細孔径が１〜数百ｎｍ内径で残留Ｓｉが原
子数十〜数百の大きさにした多孔質Ｓｉ層により、量子
サイズ効果による放出現象が得られる。これらの値はＨ
Ｆ濃度、化成電流密度、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。本発明においては、半導体
層の陽極酸化における化成電流密度及び処理時間を制御
することによって、多孔質半導体層１３の膜圧方向にお
いて、多孔度を１０〜８０％で変化させた多孔質層１３
a,１３bを交互に形成している。すなわち、多孔質Ｓｉ
層の表面ほど微細孔径が小さく（多孔質層１３b）、深
くなって微細孔径が大きく（多孔質層１３b）、また深
くなって微細孔径が小さくなる（多孔質層１３a）よう
に、例えば、低い電流密度で短い処理時間の組と、高い
電流密度で長い処理時間の組と、を交互に繰り返すこと
によって、多孔質層１３a,１３bを交互に形成してい
る。この場合、陽極酸化における電流密度及び処理時間
の関係を示す図６(a)及び（b）のグラフに示すように、
所定高低電流密度を所定処理時間の間隔で交互に行う。
からなる。微細孔径が１〜数百ｎｍ内径で残留Ｓｉが原
子数十〜数百の大きさにした多孔質Ｓｉ層により、量子
サイズ効果による放出現象が得られる。これらの値はＨ
Ｆ濃度、化成電流密度、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。本発明においては、半導体
層の陽極酸化における化成電流密度及び処理時間を制御
することによって、多孔質半導体層１３の膜圧方向にお
いて、多孔度を１０〜８０％で変化させた多孔質層１３
a,１３bを交互に形成している。すなわち、多孔質Ｓｉ
層の表面ほど微細孔径が小さく（多孔質層１３b）、深
くなって微細孔径が大きく（多孔質層１３b）、また深
くなって微細孔径が小さくなる（多孔質層１３a）よう
に、例えば、低い電流密度で短い処理時間の組と、高い
電流密度で長い処理時間の組と、を交互に繰り返すこと
によって、多孔質層１３a,１３bを交互に形成してい
る。この場合、陽極酸化における電流密度及び処理時間
の関係を示す図６(a)及び（b）のグラフに示すように、
所定高低電流密度を所定処理時間の間隔で交互に行う。
【００２０】また、図６(c)及び(ｄ)のグラフに示す方
法で、電流密度及び処理時間を制御して、多孔質半導体
層の中で、その膜厚方向において互いに異なる多孔度を
有する少なくとも２以上の多孔質層を形成することもで
きる。図６(c)及び(ｄ)のグラフに示す方法では、電流
密度及び処理時間の制御により、多孔質Ｓｉ層１３の表
面近傍の比抵抗が大きくＳｉ層１２に近いほど比抵抗が
小さくなるように、勾配を設けるようにしている。多孔
質Ｓｉ層中の厚さ方向の多孔度に勾配を持たせるために
は、陽極酸化中に電流密度を漸次変化させる。
法で、電流密度及び処理時間を制御して、多孔質半導体
層の中で、その膜厚方向において互いに異なる多孔度を
有する少なくとも２以上の多孔質層を形成することもで
きる。図６(c)及び(ｄ)のグラフに示す方法では、電流
密度及び処理時間の制御により、多孔質Ｓｉ層１３の表
面近傍の比抵抗が大きくＳｉ層１２に近いほど比抵抗が
小さくなるように、勾配を設けるようにしている。多孔
質Ｓｉ層中の厚さ方向の多孔度に勾配を持たせるために
は、陽極酸化中に電流密度を漸次変化させる。
【００２１】次に、電子放出側の金属薄膜電極材料１５
としてはPt, Au, W, Ru, Irなどの金属が有効である
が、Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga,
Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Ln, Sn, Ta, R
e, Os, Tl, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luも用いられ、更に、それらの
合金であっても良い。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、薄い程良いが、
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、Ｐｔ、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。ＡｕまたはＰｔ
薄膜電極膜厚が１〜５０nm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２〜２０nmが最も適当である。
としてはPt, Au, W, Ru, Irなどの金属が有効である
が、Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga,
Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Ln, Sn, Ta, R
e, Os, Tl, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luも用いられ、更に、それらの
合金であっても良い。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、薄い程良いが、
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、Ｐｔ、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。ＡｕまたはＰｔ
薄膜電極膜厚が１〜５０nm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２〜２０nmが最も適当である。
【００２２】電子供給側のオーミック電極１１の材料と
しては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗ等の一般にＩＣの配線に
用いられる材料である。半導体層１２を薄膜として成膜
するための素子基板（図示せず）の材質はガラスの他
に、Ａｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ等のセラミックスでも良
い。具体的に、１４mm×１４mmのＳｉウエハから電子放
出素子を作製し特性を調べた。
しては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗ等の一般にＩＣの配線に
用いられる材料である。半導体層１２を薄膜として成膜
するための素子基板（図示せず）の材質はガラスの他
に、Ａｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ等のセラミックスでも良
い。具体的に、１４mm×１４mmのＳｉウエハから電子放
出素子を作製し特性を調べた。
【００２３】Ｓｉウエハの陽極酸化法において、化成時
の電流密度及び処理時間を変化させ、一例として電流密
度を低下させた短時間の処理を間歇的に行い、従来のも
のに対して細孔の孔径１／20，孔数４００倍／cm2の薄
い多孔質層を多孔質半導体層の中に複数得た。 （陽極酸化条件） 電解液成分（温度） ＨＦ：エタノール＝１：１ （０℃） 電流密度と処理時間 （2.5mA/cm2を２秒間と５０mA／cm2を１０秒間との組）
×３回 合計 ３６秒 多孔質半導体層の膜厚 （多孔質層0.016μmと多孔質層1.67μmとの組）×３回 合計 5.058μm 比較例として、従来の一様の多孔度の多孔質Ｓｉ層を有
する以外は上記実施例と同一の電子放出素子を作製し
た。このときは以下の化成条件で行なった。 （陽極酸化条件） 電解液成分（温度） ＨＦ：エタノール＝１：１ （０℃） 電流密度 ５０mA／cm2の一定 処理時間 ３０秒間 多孔質半導体膜厚 ５μｍ 陽極酸化した各Ｓｉウエハの裏面にAlのオーミック電極
を設けた。
の電流密度及び処理時間を変化させ、一例として電流密
度を低下させた短時間の処理を間歇的に行い、従来のも
のに対して細孔の孔径１／20，孔数４００倍／cm2の薄
い多孔質層を多孔質半導体層の中に複数得た。 （陽極酸化条件） 電解液成分（温度） ＨＦ：エタノール＝１：１ （０℃） 電流密度と処理時間 （2.5mA/cm2を２秒間と５０mA／cm2を１０秒間との組）
×３回 合計 ３６秒 多孔質半導体層の膜厚 （多孔質層0.016μmと多孔質層1.67μmとの組）×３回 合計 5.058μm 比較例として、従来の一様の多孔度の多孔質Ｓｉ層を有
する以外は上記実施例と同一の電子放出素子を作製し
た。このときは以下の化成条件で行なった。 （陽極酸化条件） 電解液成分（温度） ＨＦ：エタノール＝１：１ （０℃） 電流密度 ５０mA／cm2の一定 処理時間 ３０秒間 多孔質半導体膜厚 ５μｍ 陽極酸化した各Ｓｉウエハの裏面にAlのオーミック電極
を設けた。
【００２４】最後に、各基板の多孔質半導体層の表面上
に直径６mmのＰｔの薄膜電極を膜厚６ｎｍでスパッタ成
膜し、素子基板を多数作成した。さらに、内面にＩＴＯ
コレクタ電極が形成された透明ガラス基板や、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た透明基板を作成した。
に直径６mmのＰｔの薄膜電極を膜厚６ｎｍでスパッタ成
膜し、素子基板を多数作成した。さらに、内面にＩＴＯ
コレクタ電極が形成された透明ガラス基板や、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た透明基板を作成した。
【００２５】これら素子基板及び透明基板を、薄膜電極
及びコレクタ電極が対向するように平行に１０ｍｍ離間
してスペーサにより保持し、間隙を１０-5Paの真空にし
て、電子放出素子を組立て、作製した。その後、多数の
得られた素子についてAlオーミック電極とＰｔ薄膜電極
１５との間に１０〜５０Ｖの電圧Ｖpsを印加してＳｉウ
エハ層に電子を注入し、ダイオード電流Ｉps及び放出電
流ＩEMを測定した。
及びコレクタ電極が対向するように平行に１０ｍｍ離間
してスペーサにより保持し、間隙を１０-5Paの真空にし
て、電子放出素子を組立て、作製した。その後、多数の
得られた素子についてAlオーミック電極とＰｔ薄膜電極
１５との間に１０〜５０Ｖの電圧Ｖpsを印加してＳｉウ
エハ層に電子を注入し、ダイオード電流Ｉps及び放出電
流ＩEMを測定した。
【００２６】この結果を図３に示す。図からあきらかな
ように、本発明の素子は、従来の素子に比べて、放出電
流ＩEM低下させずに、ダイオード電流Ｉpsだけが抑えら
れ、電子放出効率ηが１０-3から１０-2に２桁も向上し
た。また、両素子について２０Ｖの電圧Ｖpsを印加した
場合の放出電流ＩEMの経時変化を測定した。
ように、本発明の素子は、従来の素子に比べて、放出電
流ＩEM低下させずに、ダイオード電流Ｉpsだけが抑えら
れ、電子放出効率ηが１０-3から１０-2に２桁も向上し
た。また、両素子について２０Ｖの電圧Ｖpsを印加した
場合の放出電流ＩEMの経時変化を測定した。
【００２７】本発明及び従来の素子の結果を図４及び図
５に示す。両図からあきらかなように、本発明の素子
は、従来の素子に比べて、放出電子流の変動が少なくな
った。更に、本発明及び従来の素子では、同一電圧Ｖps
印加時の素子温度について、本発明のものが一様に低下
していた。また更に、蛍光体を塗布したコレクタ電極及
び薄膜電極の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態では、
各素子で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、その膜厚方向において互いに
異なる多孔度を有する少なくとも２以上の多孔質層を有
する多孔質半導体層からの電子放出が均一であり、直線
性の高いことを示し、電子放出ダイオードとして、赤外
線又は可視光又は紫外線の電磁波を放出する発光ダイオ
ード又はレーザダイオードとして動作可能であることを
示した。
５に示す。両図からあきらかなように、本発明の素子
は、従来の素子に比べて、放出電子流の変動が少なくな
った。更に、本発明及び従来の素子では、同一電圧Ｖps
印加時の素子温度について、本発明のものが一様に低下
していた。また更に、蛍光体を塗布したコレクタ電極及
び薄膜電極の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態では、
各素子で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、その膜厚方向において互いに
異なる多孔度を有する少なくとも２以上の多孔質層を有
する多孔質半導体層からの電子放出が均一であり、直線
性の高いことを示し、電子放出ダイオードとして、赤外
線又は可視光又は紫外線の電磁波を放出する発光ダイオ
ード又はレーザダイオードとして動作可能であることを
示した。
【図１】 電子放出素子の概略断面図である。
【図２】 本発明による実施例の電子放出素子の概略断
面図である。
面図である。
【図３】 本発明による電子放出素子のダイオード電流
及び放出電流対電圧特性を示すグラフである。
及び放出電流対電圧特性を示すグラフである。
【図４】 本発明による実施例の電子放出素子の放出電
流の経時変化を示すグラフである。
流の経時変化を示すグラフである。
【図５】 従来の電子放出素子の放出電流の経時変化を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図６】 本発明による実施例の電子放出素子作製中の
陽極酸化における電流密度及び処理化成時間の関係を示
すグラフである。
陽極酸化における電流密度及び処理化成時間の関係を示
すグラフである。
１ 透明基板
２ コレクタ電極
３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ 蛍光体層
４ 真空空間
１１ オーミック電極
１２ 半導体層
１３ 多孔質半導体層
１３a,１３b 多孔質層
１５ 金属薄膜電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 山口 政孝
埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パ
イオニア株式会社 総合研究所内
(72)発明者 岩崎 新吾
埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パ
イオニア株式会社 総合研究所内
(72)発明者 根岸 伸安
埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パ
イオニア株式会社 総合研究所内
(72)発明者 中馬 隆
埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パ
イオニア株式会社 総合研究所内
(56)参考文献 特開 平８−250766（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−257157（ＪＰ，Ａ)
特公 昭52−24829（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 1/312
H01J 9/02
H01J 29/04
H01J 31/12
H01L 33/00
Claims (6)
- 【請求項１】 電子を供給する半導体層、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
り、前記半導体層及び前記金属薄膜電極間に電界を印加
し電子を放出する電子放出素子であって、前記多孔質半
導体層はその膜厚方向において互いに異なる多孔度を有
する少なくとも２以上の多孔質層を有することを特徴と
する電子放出素子。 - 【請求項２】 前記多孔質半導体層は、その膜厚方向に
おいて高い多孔度の多孔質層と低い多孔度の多孔質層と
が交互に積層されたことを特徴とする請求項１記載の電
子放出素子。 - 【請求項３】 前記多孔質層はその膜厚方向において漸
次上昇又は下降した多孔度を有することを特徴とする請
求項１又は２記載の電子放出素子。 - 【請求項４】 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１〜３のいずれか１記載の電子放出素
子。 - 【請求項５】 前記多孔質半導体層は前記陽極酸化処理
の化成電流密度を変化させた処理時間で前記半導体層の
表面から陽極酸化されたことを特徴とする請求項４記載
の電子放出素子。 - 【請求項６】 前記多孔質半導体層は前記陽極酸化処理
の化成電流密度を低くした処理時間と高くした処理時間
とを交互に繰り返し前記半導体層の表面から陽極酸化さ
れたことを特徴とする請求項４記載の電子放出素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07186497A JP3537624B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 電子放出素子 |
| US09/044,819 US5990605A (en) | 1997-03-25 | 1998-03-20 | Electron emission device and display device using the same |
| EP98105240A EP0874384B1 (en) | 1997-03-25 | 1998-03-23 | Electron emission device |
| DE69811976T DE69811976T2 (de) | 1997-03-25 | 1998-03-23 | Elektronenemissionsvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07186497A JP3537624B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 電子放出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10269932A JPH10269932A (ja) | 1998-10-09 |
| JP3537624B2 true JP3537624B2 (ja) | 2004-06-14 |
Family
ID=13472822
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07186497A Expired - Fee Related JP3537624B2 (ja) | 1997-03-25 | 1997-03-25 | 電子放出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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| KR100338140B1 (ko) | 1998-09-25 | 2002-05-24 | 이마이 기요스케 | 전계 방사형 전자원 |
| TW436837B (en) * | 1998-11-16 | 2001-05-28 | Matsushita Electric Works Ltd | Field emission-type electron source and manufacturing method thereof and display using the electron source |
| TW472273B (en) * | 1999-04-23 | 2002-01-11 | Matsushita Electric Works Ltd | Field emission-type electron source and manufacturing method thereof |
| SG90182A1 (en) | 1999-10-18 | 2002-07-23 | Matsushita Electric Works Ltd | Field emission-type electron source and manufacturing method thereof |
| TW497278B (en) * | 2000-03-24 | 2002-08-01 | Japan Science & Tech Corp | Method for generating trajectory electron, trajectory electron solid state semiconductor element |
| JP3806751B2 (ja) * | 2000-05-23 | 2006-08-09 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 量子サイズ効果型微小電子銃の製造方法 |
| JP2006120410A (ja) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Canon Anelva Corp | 電子ビーム発生装置 |
-
1997
- 1997-03-25 JP JP07186497A patent/JP3537624B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH10269932A (ja) | 1998-10-09 |
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