JP3632317B2 - 薄膜型電子源およびこれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−絶縁体−金属の三層構造を有し、真空中に電子を放出する薄膜型電子源およびこれを用いた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜型電子源とは、上部電極−絶縁層−下部電極の三層薄膜構造の上部電極−下部電極の間に電圧を印加して、上部電極の表面から真空中に電子を放出させるものである。この薄膜型電子源については、例えば特開平７−６５７１０号公報に述べられている。
【０００３】
薄膜型電子源の動作原理を図２に示した。上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧３０を印加して、絶縁層１２内の電界を１〜１０ＭＶ／ｃｍ以上にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、絶縁層１２，上部電極１３の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなる。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極１３の仕事関数φ以上のエネルギーを有するものは、真空１６中に放出される。
【０００４】
これまで、Ａｕ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ａｌ構造のＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造や、Ａｌ−ＳｉＯ_２−ｎ型ＳｉのＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造などから電子放出が観測されている。特に下部電極１１にＡｌを用い、絶縁層１２として下部電極１１を陽極酸化して形成したＡｌ_２Ｏ_３を用いたＡｕ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ａｌ構造は、電子放出効率が比較的高く、安定な電子放出が得られることが知られており、報告例も多い。しかしながら同じＭＩＭ構造でも、Ｔａ，Ｚｒなどを陽極酸化して作製したＡｕ−Ｔａ_２Ｏ_５−Ｔａ構造やＡｕ−ＺｒＯ_２ −Ｚｒ構造などからは安定した電子放出が得られていない（シン ソリッド フィルムズ ９巻（１９７２）４３１〜４４６ページ：Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ９（１９７２）ｐｐ．４３１−４４６）。この理由はＴａ_２Ｏ_５やＺｒＯ_２などは絶縁耐圧が低くリーク電流が多いため電子放出効率が低いことである。表１に陽極酸化で作製可能な各種の酸化膜の絶縁耐圧を測定したものを示す。Ｔａ_２Ｏ_５やＺｒＯ_２などはＡｌ_２Ｏ_３より絶縁耐圧が低い。そのため従来は、必然的にＡｌが下部電極１１の材料に用いられることが多かった。
【０００５】
【表１】

【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
下部電極１１にＡｌを用いる場合、そのＡｌ膜の信頼性が低いことが課題である。Ａｌ膜の電極は、高密度の電流を流すとエレクトロマイグレーションにより、ヒロックやウィスカー等を生じ易い。ＭＩＭ電子源では絶縁層１２として、下部電極１１のＡｌ表面を陽極酸化した３〜１０ｎｍ程度の極薄のＡｌ_２Ｏ_３膜を用いており、ヒロック等の生成は絶縁層１２にとって致命的な問題である。
【０００７】
また、ＭＩＭ電子源を用いた表示装置を作成する場合、ガラス基板と面板を封じるために４００℃程度の加熱に耐える必要がある。しかしながら、Ａｌ膜をこのような温度に加熱するとストレスマイグレーション等により、やはりＡｌ膜にヒロック等が生成する。このように、ＭＩＭ電子源では、陽極酸化で形成する絶縁層１２としてはＡｌ_２Ｏ_３膜が最も好ましいが、下部電極１１にＡｌを用いるのは課題が多い。
【０００８】
本発明の目的は、絶縁層１２として陽極酸化Ａｌ_２Ｏ_３を用い、かつ下部電極１１の信頼性を確保することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下部電極１１の材料として、Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒなど陽極酸化可能で，かつＡｌより融点が高い高融点材料膜を用い、絶縁層１２として高融点材料上に形成したＡｌ薄膜をすべて、または一部陽極酸化して形成することにより実現される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
本発明の実施の形態を図３ないし図５，図１を用いて説明する。まず絶縁性の基板１０上に陽極酸化可能な高融点材料膜、ここではＴａ膜２１と、Ａｌ膜２２の積層膜を形成する。成膜には例えば、ＲＦマグネトロンスパッタリングを用い、真空を破らず連続的に成膜する。Ｔａ膜２１の膜厚は下部電極に求められる配線抵抗の要求使用に合わせ、任意に設定可能であるが、Ａｌ膜２２の膜厚はこれから作成する絶縁層の膜厚程度とする。ここではＴａ膜２１の膜厚を３００ｎｍ，Ａｌ膜２２の膜厚は４ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、ＭＩＭ電子源の下部電極の形状に加工する（図３）。
【００１１】
次にこのＴａ膜２１とＡｌ膜２２の積層膜表面を陽極酸化する。上面ではＡｌ膜２２が、側面ではＡｌ膜２２とＴａ膜２１の側面が陽極酸化される。化成電圧を４．４Ｖ とすれば、上面のＡｌ膜２２が全て酸化されたところで陽極酸化が止まり、その下のＴａ膜２１は酸化されない。これによりＴａ膜２１上に、Ａｌ_２Ｏ_３膜２３の絶縁層を形成することができる。膜厚は陽極酸化により体積が増える為、約６ｎｍである。側面ではＡｌ_２Ｏ_３膜２３とＴａ_２Ｏ_５膜２４が形成される（図４）。
【００１２】
ところでこのままでは、側面のＴａ_２Ｏ_５膜２４の部分の絶縁耐圧が低く、リーク電流が多い。そこで側面以外をレジストでマスクし、側面をさらに陽極酸化して保護絶縁層を形成する。膜厚はＴａ_２Ｏ_５膜２４の絶縁耐圧がＡｌ_２Ｏ_３膜２３より数分の１と低いことを考慮し、上面の絶縁層の１０倍程度と設定し，化成電圧を４４Ｖとした（図５）。
【００１３】
本実施例では絶縁層形成後に保護絶縁層を形成したが、逆に保護絶縁層を形成してから絶縁層を形成してもよい。また本実施例ではＡｌ膜２２のみを陽極酸化しているが、化成電圧を５Ｖ程度としてＴａ膜２１を一部陽極酸化してもよい。
【００１４】
最後に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法などにより上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３はＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの三層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした（図１）。
【００１５】
このように本発明の薄膜型電子源は、下部電極に高融点材料であるＴａを用いており、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が高い。またＴａが露出する側面も、Ｔａが陽極酸化できることを利用し、Ｔａ_２Ｏ_５の膜厚を厚くすることでリーク電流が抑えられる。したがって下部電極にＡｌを用いた場合と同様の高効率の電子放出が実現できる。尚、本実施例では下部電極の高融点材料としてＴａを例に取ったが、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒなどを用いても同様な効果が得られる。
【００１６】
〈実施例２〉
本発明の別の実施の形態を図６ないし図９を用いて説明する。まず絶縁性の基板１０上にＴａ膜２１とＡｌ膜２２の積層膜を形成する。成膜には例えば、ＲＦマグネトロンスパッタリングを用い、真空を破らず連続的に成膜する。Ｔａ膜２１の膜厚を３００ｎｍ，Ａｌ膜２２の膜厚は１００ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、ＭＩＭ電子源の下部電極の形状に加工する（図６）。次にこのＴａ膜２１とＡｌ膜２２の積層膜表面を陽極酸化する。上面ではＡｌ膜２２が、側面ではＡｌ膜２２とＴａ膜２１の側面が陽極酸化される。化成電圧を４．４Ｖ とすれば、上面のＡｌ膜２２が４ｎｍ酸化されたところで陽極酸化が止まり、その下のＡｌ膜２２およびＴａ膜２１は酸化されない。Ａｌ_２Ｏ_３膜２３の膜厚は約６ｎｍである。側面ではＡｌ_２Ｏ_３膜２３とＴａ_２Ｏ_５膜２４が形成される（図７）。
【００１７】
続いて側面のみ陽極酸化し、保護絶縁層を形成する。ここでは化成電圧を４４Ｖとした（図８）。
【００１８】
最後に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法などにより上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３はＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの三層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした（図９）。
【００１９】
この実施例では６ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜２３の下に下部電極として、９６ｎｍのＡｌ膜２２と３００ｎｍのＴａ膜２１の積層膜が形成される。高融点材料膜上のＡｌ膜は純Ａｌ膜に比較し耐エレクトロマイグレーション，耐ストレスマイグレーション特性が優れており、実施例１と同様の効果が得られる。
【００２０】
〈実施例３〉
本発明を用いた表示素子の実施例を図１０，図１１を用いて説明する。ガラスなど絶縁性の基板１０上に、ＲＦスパッタリング法などによりＴａとＡｌの積層膜からなる下部電極１１を形成する。膜厚はＴａが３００ｎｍ、Ａｌが４ｎｍとした。この膜をフォトリソグラフィーとエッチングにより，図１１に示したようにストライプにパターン化する。続いて、陽極酸化により絶縁層１２を形成する。ここでは絶縁層１２の膜厚は６ｎｍとした。続いて保護絶縁層１４を形成する。膜厚は絶縁層１２の１０倍の６０ｎｍとした。
【００２１】
次にＲＦスパッタリング法などにより上部電極１３を下部電極１１とは直交する方向にストライプに形成する。上部電極１３はＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの三層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした。最後に上部電極１３への給電線としてＭｏとＡｕの積層膜からなる上部電極バスライン１５を形成した。以上で薄膜型電子源マトリクスを形成する基板１０が完成する。
【００２２】
一方、表示パネルとなる面板１００にはガラスなど透光性のものを用い、表面に透光性の加速電極１０１としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を面板全面に形成する。加速電極１０１の上に蛍光体１０２を塗布する。蛍光体１０２としては、例えばＺｎＯ：Ｚｎを用いる。このようにして加速電極１０１と蛍光体１０２を形成した面板１００を、薄膜型電子源を形成した基板１０と２００μｍ程度の間隔を保った配置で封着する。封着にはフリットガラスを用い、４００℃の封着温度を用いた。最後に基板１０と面板１００とで挟まれた空間を真空に排気して、表示装置が完成する。
【００２３】
図１２はこのようにして製作した表示装置の駆動回路への結線図である。下部電極１１は下部電極駆動回路６１へ結線し，上部電極バスライン１５は上部電極駆動回路６２に結線する。ｎ番目の下部電極１１ Ｋｎと、ｍ番目の上部電極バスライン１５ Ｃｍの交点を（ｎ，ｍ）で表すことにする。加速電極１０１には４００Ｖ程度の加速電圧６３を常時印加する。
【００２４】
図１３は各駆動回路の発生電圧の波形を示す。時刻ｔ０ではいずれの電極も電圧ゼロであるので電子は放出されず、したがって、蛍光体１０２は発光しない。時刻ｔ１において、下部電極１１ Ｋ１には−Ｖ１なる電圧を、上部電極バスライン１５ Ｃ１，Ｃ２には＋Ｖ２なる電圧を印加する。交点（１，１），（１，２）の下部電極１１−上部電極１３間には（Ｖ１＋Ｖ２）なる電圧が印加されるので、（Ｖ１＋Ｖ２）を電子放出開始電圧以上に設定しておけば，この２つの交点の薄膜型電子源からは電子が真空中に放出される。放出された電子は加速電極１０１に印加された加速電圧６３により加速された後、蛍光体１０２にぶつかり、蛍光体１０２を発光させる。時刻ｔ２で、下部電極１１のＫ２に−Ｖ１なる電圧を印加し、上部電極バスライン１５ Ｃ１にＶ２なる電圧を印加すると、同様に交点（２，１）が点灯する。このようにして、上部電極バスライン１５に印加する信号を変えることにより所望の画像または情報を表示することができる。また、上部電極バスライン１５への印加電圧Ｖ１の大きさを適宜変えることにより、階調のある画像を表示することができる。
【００２５】
本発明の薄膜型電子源は下部電極１１に高融点材料を用いている為、面板１００と基板１０を封じる際の加熱に十分耐え、歩留りよく表示装置を作成できる。またエレクトロマイグレーション耐性も強い為、高電流密度の動作が可能であり、電子放出量も多くとることが可能である。したがって高輝度の表示装置を実現できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の薄膜型電子源は、絶縁層にＡｌ_２Ｏ_３を用いながら、下部電極には高融点材料を用いることを実現しており、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が高い。またＡｌ_２Ｏ_３以外が露出する側面も、本発明が用いる高融点材料が陽極酸化できることを利用し、膜厚を厚くすることでリーク電流が抑えられる。したがって下部電極にＡｌを用いた場合と同様の高効率の電子放出が実現できる。さらに表示パネルを作成する際の、面板と基板を封じる加熱に十分耐え、歩留りを向上できる。さらに高電流密度の動作が可能な為、電子放出量も多くとることができ、高輝度の表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の薄膜型電子源の構造を示す断面図。
【図２】薄膜型電子源の動作原理を示す説明図。
【図３】本発明の一実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図４】本発明の第二実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図５】本発明の第三実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の第四実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図７】本発明の第五実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図８】本発明の第六実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図９】本発明の第七実施例の薄膜型電子源の製造工程を示す断面図。
【図１０】本発明の薄膜型電子源を用いた表示装置の実施例を示した断面図。
【図１１】図１０の表示装置での電極配置を示した平面図。
【図１２】図１０の表示装置での駆動回路への結線を示した説明図。
【図１３】図１０の表示装置での駆動電圧波形図。
【符号の説明】
１０…基板、１３…上部電極、２１…Ｔａ膜、２３…Ａｌ_２Ｏ_３膜、２４…Ｔａ_２Ｏ_５膜。

Claims (4)

1. 下部電極，絶縁層，上部電極を積層した構造を有し、および下部電極側面に厚い保護絶縁層を有し、上記下部電極と上記上部電極の間に、上記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、上記上部電極の表面から真空中に電子を放出する薄膜型電子源において、上記下部電極が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒなど陽極酸化可能でかつＡｌより融点が高い高融点材料膜からなり、上記絶縁層が上記高融点材料膜上に形成したＡｌ膜をすべて陽極酸化して形成した酸化膜からなり、上記保護絶縁層が上記高融点金属膜およびＡｌ膜の側面を上記絶縁層より厚く陽極酸化した酸化膜からなることを特徴とする薄膜型電子源。
2. 下部電極，絶縁層，上部電極を積層した構造を有し、および下部電極側面に厚い保護絶縁層を有し、上記下部電極と上記上部電極の間に、上記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、上記上部電極の表面から真空中に電子を放出する薄膜型電子源において、上記下部電極が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒなど陽極酸化可能でかつＡｌより融点が高い高融点材料膜からなり、上記絶縁層が上記高融点材料上に形成したＡｌ膜すべてと、上記高融点材料膜の一部を陽極酸化して形成した酸化膜からなり、上記保護絶縁層が上記高融点金属膜およびＡｌ膜の側面を上記絶縁層より厚く陽極酸化した酸化膜からなることを特徴とする薄膜型電子源。
3. 下部電極，絶縁層，上部電極を積層した構造を有し、および下部電極側面に厚い保護絶縁層を有し、上記下部電極と上記上部電極の間に、上記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、上記上部電極の表面から真空中に電子を放出する薄膜型電子源において、上記下部電極が、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒなど陽極酸化可能でかつＡｌより融点が高い高融点材料膜を下層とし、膜厚１００ nm 以下のＡｌ膜を上層とする積層膜からなり、上記絶縁層が上記Ａｌ膜表面を陽極酸化して形成した酸化膜からなり、上記保護絶縁層が上記高融点金属膜およびＡｌ膜の側面を上記絶縁層より厚く陽極酸化した酸化膜からなることを特徴とする薄膜型電子源。
4. 請求項１、２または３に記載の上記薄膜型電子源をマトリクス状に形成した基板と、蛍光体を塗布した面板を張り合わせ真空に封じた表示装置。

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