JP3848341B2 - 電子放出素子、電子源、画像表示装置、および映像受信表示装置、並びに電子放出素子の製造方法 - Google Patents

電子放出素子、電子源、画像表示装置、および映像受信表示装置、並びに電子放出素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明はテレビ受像機、コンピュータの表示装置、電子線描画装置等に用いる電子源、画像表示装置、および映像受信表示装置に関するものである。また、本発明は電子放出素子の製造方法に関するものである。
従来、電子放出素子としては、電界放出型電子放出素子や表面伝導型電子放出素子等がある。
これらの電界放出型や表面伝導型の電子放出素子の中には、基板表面上において、互いに導電性膜が対向して配置された、一対の導電性膜を備える横型の電子放出素子がある。
横型の電子放出素子においては、選択時(駆動時)だけでなく非選択時に印加される電圧に応じて一対の導電性膜間に素子電流(リーク電流)が流れる場合があった。該リーク電流には、一対の導電性膜間の基板表面を流れる電流成分や、一対の導電性膜間の基板内部を流れる電流成分や、一対の導電性膜が微小な部分でつながっていることに起因した電流成分等がある。
このため、該リーク電流を低減することを目的として、一対の導電性膜間の基板表面に凹部を形成する方法が特許文献1に記載されている。また、一対の導電性膜間が微小部分でつながることを抑制するために一対の導電性膜を堆積する前の基板表面に予めフッ素を吸着する方法が特許文献2に記載されている。
特登録03147267号公報 特開2000−21300号公報
しかしながら、特許文献1に開示される基板表面に凹部を形成する方法では、一対の導電性膜をマスクとして一対の導電性膜間に位置する基板表面をエッチングするため、導電性膜にダメージを与えてしまう場合があった。
また、特許文献2に開示される、基板表面にフッ素を吸着させる方法では、一対の導電性膜間が一部でつながることを抑制し、その結果リーク電流を低減することができるが、基板を流れるリーク電流の低減効果は低い。したがって、より一層のリーク電流の低減が必要であった。
さらに、詳細な理由は不明だが、横型の電子放出素子を連続して駆動すると、導電性膜間のリーク電流が増加することもあった。
本発明は前述の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、導電性膜間に流れるリーク電流をより一層低減し、また連続して駆動した時のリーク電流の増加を抑制することにある。また、本発明の別の目的は、それにより消費電力の低減および駆動回路のコストを低減できる電子放出素子、電子源、画像表示装置、ならびに映像受信表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明は、絶縁体と、該絶縁体上に互いに対向するように配置され、いずれか一方から電子が放出される一対の導電性膜と、を有する電子放出素子であって、前記絶縁体が酸化シリコンであり、該酸化シリコン層中にハロゲンを含有することを特徴とする電子放出素子である。
また、電子放出素子の製造方法において、ハロゲンをその層の中に含有した酸化シリコン層上に一対の導電性膜を形成する工程と、炭素含有ガスを含む雰囲気中で、前記一対の導電性膜間に電圧を印加して、前記導電性膜の一部に炭素を含む堆積物を堆積させる工程と、を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法である。
本発明によれば、横型の電子放出素子を駆動する際に問題となるリーク電流、および連続して駆動した時のリーク電流の増加を低減することができる。そのため、本発明の電子放出素子を応用した電子源において、消費電力を低減することができる。また、駆動回路に流れる電流を抑えられるため、安価な駆動回路を使用することができる。さらに、本発明の電子放出素子を応用することにより、低消費電力、低コストの画像表示装置、および映像受信表示装置を提供することが可能となる。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
本発明の電子放出素子の基本的な実施形態を、模式的に図1(a)および図1(b)に示す。図1(a)は本発明の電子放出素子の平面図を、図1(b)は断面図を示している。図中の、1は基体としての絶縁体、2は第一の導電性膜、3は第二の導電性膜、6は第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔に形成されている間隙、9は絶縁体1の表面に形成された凹部を示す。
この電子放出素子は、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間に電圧を印加して、第一の導電性膜2または第二の導電性膜3のいずれか一方から電子が放出される電界を生成することで電子を放出する。第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間に印加する電圧としては、10Vから100Vの範囲が好ましく、10Vから30Vの範囲がより好ましい。
絶縁体1は、少なくともその表面がハロゲンを含有する酸化シリコンから構成されており、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間の基板を流れるリーク電流を低減することができる。また、電子放出素子を連続して駆動した時のリーク電流の増加を抑制することができる。
リーク電流およびその増加を抑制できる理由は明確ではないが、酸化シリコン中に含有されたハロゲンが、シリコンの未結合手に結合することや、Si−H結合の水素と置き換わり、未結合手を生成し難くしていることなどが原因と考えられる。これらの原因により、基板を流れるリーク電流の電流パスが生成されにくくなると推測している。本発明に用いられるハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素であるが、特にフッ素を用いた場合に効果が高い。
第一の導電性膜2および第二の導電性膜3に用いられる導電性の材料としては、Pd、Pt、Ru、Ag、Au、Ti、In、Cu、Cr、Fe、Zn、Sn、Ta、W、Pb等の金属、PdO、SnO、In、PbO、Sb等の酸化物、HfB、ZrB、LaB、CeB、YB、GdB等の硼化物、TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、WC等の炭化物、TiN、ZrN、HfN等の窒化物、Si、Ge、の半導体、炭素等があげられる。
第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔としては、1nmから100μmの範囲とすることができる。好ましくは1nmから1μmの範囲であり、より好ましくは1nmから10nmの範囲であり、最も好ましくは3nmから10nmの範囲である。また、第一の導電性膜2および第二の導電性膜3の膜厚としては、1nmから10μmの範囲で適用することができる。
絶縁体1に含有されるハロゲンの濃度としては、好ましくは5.0x1018atoms/cm以上、5.0x1021atoms/cm以下の範囲であり、より好ましくは1.0x1019atoms/cm以上、1.0x1021atoms/cm以下の範囲である。ハロゲンの濃度が1.0x1019atoms/cm未満では、リーク電流の低減の効果が小さくなる。また、ハロゲンの濃度が1.0x1021atoms/cmよりも高いと、逆にリーク電流が増加する場合がある。また、ハロゲンの濃度が高すぎると、後述する活性化工程において、活性化の進行が阻害されるために好ましくない。
また、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔に形成されている間隙6における絶縁体1の表面には、図1(b)に示すように凹部9を形成することが望ましい。第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間における基板表面の距離が広がることにより、リーク電流を更に低減することができる。
更に、本発明の実施形態による電子放出素子においては、図2(a)および図2(b)に示す様に、図1を用いて前述した第一の導電性膜2および第二の導電性膜3の各々に電圧を供給するための電極として、第三の導電性膜4、第四の導電性膜5、第五の導電性膜7および第六の導電性膜8を設けることができる。ここで示す例においては、第一の導電性膜2に接続される電極が第三の導電性膜4と第五の導電性膜7から構成され、第二の導電性膜3に接続される電極が第四の導電性膜5と第六の導電性膜8から構成される。しかしながら、第一の導電性膜2および第二の導電性膜3の各々に接続する電極は、夫々が1つの導電性膜から構成することもできるし、上記の例のように2つ以上の導電性膜から構成することもできる。図2(a)は本発明の電子放出素子の平面図を、図2(b)は断面図を示している。図中の、10は第三の導電性膜4と第四の導電性膜5との間隔を規定する第一の間隙、6は第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔を規定する第二の間隙を示す。尚、第二の間隙6内の絶縁体1には前述した凹部9を形成することが望ましい。
また、図2に示した構造の電子放出素子を、後述する活性化工程を用いて形成する場合には、図3に模式的に示す様に、絶縁体1の表面上に、絶縁体1よりハロゲンの濃度の低い別の絶縁体11を介して、第一の導電性膜2および第二の導電性膜3を配置することが好ましい。また、この場合は、第二の間隙6に位置する別の絶縁体11の表面に凹部9を形成することが好適である。
活性化工程を用いる場合には、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間における絶縁体内のハロゲンの濃度が高すぎると、活性化の進行が阻害されるため、絶縁体1よりもハロゲン濃度が低い別の絶縁体11を絶縁体1上に配置することが好ましい。また、上記別の絶縁体11を用いた場合には、第二の間隙6内の別の絶縁体11に、絶縁体1にまで達する凹部9を形成することにより、基板を流れるリーク電流を低減することが可能である。
次に、図2に示した実施形態による電子放出素子の製造方法の一例を図4を用いて説明する。この電子放出素子は、例えば以下の(工程a)〜(工程e)により作成することができる。
(工程a)
ハロゲンを含む酸化シリコンからなる絶縁体1を用意する(図4(a))。
(工程b)
絶縁体1の表面上に第五の導電性膜7および第六の導電性膜8を形成する(図4(b))。
(工程c)
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間を接続するように導電性膜12を形成した後に、導電性膜12の一部に第一の間隙10を形成し、第三の導電性膜4と第四の導電性膜5を形成する(図4(c)、図4(d))。
(工程d)
第一の間隙10内およびその近傍の第三の導電性膜4、第四の導電性膜5上に第一の導電性膜2、第二の導電性膜3を形成し、第二の間隙6内の絶縁体1表面に凹部9を形成する(図4(e))。
以下、更に詳細に上記各工程について説明する。
(工程a)
工程aでは、ハロゲンを含む酸化シリコン層からなる絶縁体1を用意する。例えば、予め用意した酸化シリコンに、ハロゲンをイオン注入法などにより酸化シリコンに添加することで、絶縁体1を得ることができる。
また、絶縁体1は、下地となるSi、石英ガラス、青板ガラス、セラミックス等を主成分とする基板の上に配置された絶縁層であってもよい。この場合には、下地表面上にスパッタリング法、化学的気相堆積法(CVD法)、塗布法、ゾルゲル法等により酸化シリコン層を成膜し、ハロゲンをイオン注入法などにより酸化シリコンに添加することで、基板上に絶縁体1を形成することができる。なお、ハロゲンをイオン注入法により酸化シリコンに添加した場合には、必要に応じて加熱処理を行い、酸化シリコン中に含有させる。
酸化シリコン中にハロゲンを含有させる方法としては、その他に例えば、CVD法において、酸化シリコンの原料ガスと同時に所望のハロゲンを含む原料ガスを用いる方法や、酸化シリコンをスパッタリング法で成膜する際に、スパッタリングガスまたは反応ガスとしてハロゲン含有ガスを導入する方法などを用いることもできる。
絶縁体1の厚みは、現実的に用いる範囲として、0.02μmから2μmの範囲が適当である。
また、絶縁体1の表面に垂直の方向に、ハロゲンの濃度勾配が形成されていてもよく、この場合は、絶縁体1の表面に近いほどハロゲンの濃度が徐々に高くなることが好ましい。
また、図3に示す形態の電子放出素子を形成する場合には、この段階で絶縁体1上に、絶縁体1よりもハロゲンの含有量の少ない酸化シリコンから構成される別の絶縁体11を形成することが好ましい。
別の絶縁体11を構成する酸化シリコンの成膜方法は、前述の絶縁体1を基板上に形成する方法と同様の手法を用いることができる。後述する活性化工程において活性化の進行の阻害を抑えるために、別の絶縁体11に含有されるハロゲンの濃度は1019atoms/cm以下が好ましい。
別の絶縁体11の厚みは、後述の活性化工程において別の絶縁体11の表面に形成することのできる凹部9の深さ以下であることが好ましい。活性化工程後に基板を流れるリーク電流を低減するために第二の間隙6内で第二の絶縁体11に凹部9を形成することが好ましい。このような凹部9の深さは活性化条件等により異なるが実用的には、20nmから100nmの範囲であることが好適である。別の絶縁体11の厚みとしては、10nmから100nmの範囲であることが好ましく、凹部9の深さよりも薄いことが好ましい。
(工程b)
工程bにおいては、絶縁体1の表面上に第五の導電性膜7および第六の導電性膜8を形成する。第五の導電性膜7および第六の導電性膜8の形成は、真空蒸着法やスパッタリング法とフォトリソグラフィー技術との組み合わせ、または印刷法等により行うことができる。
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8に用いられる導電性の材料としては、Ni、Cr、Au、Mo、W、Pt、Ti、Al、Cu、Pd等の金属あるいはこれらの合金等が好適であり、金属酸化物とガラス等から構成される印刷導体やITOなどの透明導電体も用いることができる。
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の間隔、導電性膜の膜厚等は、応用される形態等を考慮して設計される。第五の導電性膜7、第六の導電性膜8の間隔は、好ましくは、1μmから100μmの範囲とすることができる。第五の導電性膜7、第六の導電性膜8の膜厚は、10nmから10μmの範囲とすることができる。
(工程c)
工程cにおいては、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間を接続するように導電性膜12を形成した後、導電性膜12の一部に、第一の間隙10を形成し、第三の導電性膜4と第四の導電性膜5を形成する。
導電性膜12の形成は、導電性膜12を構成する材料を、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法等により成膜する方法や、導電性膜12を構成する材料を含む化合物溶液をディッピング法、スピンコート法、スリットコート法や、インクジェット方法などを用いて塗布する方法等により行うことができる。
導電性膜12の膜厚は、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8へのステップカバレージ、および導電性膜12を形成後、後述するフォーミング工程を行う場合には、フォーミング工程の処理条件等を考慮して適宜選択される。導電性膜12の膜厚の範囲としては、好ましくは0.1nmから100nmであり、より好ましくは1nmから50nmである。
導電性膜12に用いられる導電性の材料としては、Pd、Pt、Ru、Ag、Au、Ti、In、Cu、Cr、Fe、Zn、Sn、Ta、W、Pb等の金属、PdO、SnO、In、PbO、Sb等の酸化物、HfB、ZrB、LaB、CeB、YB、GdB等の硼化物、TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、WC等の炭化物、TiN、ZrN、HfN等の窒化物、Si、Ge等の半導体等があげられる。
また、導電性膜12の形成後、後述するフォーミング工程を行う場合には、導電性膜12のシート抵抗値が、第一の間隙10の形状を決める要因となる。したがって、良好な第一の間隙10を形成するには、シート抵抗値が10Ω/□以上、10Ω/□以下であることが好ましい。
一方、第一の間隙10を形成した後は、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8に印加される電圧が十分に第一の間隙10に印加されることが好ましく、導電性膜12の抵抗値はより低いほうが好ましい。
このため、シート抵抗値が10Ω/□以上10Ω/□以下の金属酸化物半導体膜を導電性膜12として形成し、後述するフォーミング工程後に金属酸化物を還元して、より低抵抗な金属膜として用いるのが好ましい。
形成した導電性膜12の一部に、第一の間隙10を形成し、第三の導電性膜4と第四の導電性膜5を形成するために、例えば、フォーミング工程を用いることができる。フォーミング工程は、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間に電流を流すことによって生じるジュール熱を用いることにより行うことができる。これにより導電性膜12の一部に、第一の間隙部10を形成し、第三の導電性膜4、および第四の導電性膜5を形成することができる。
フォーミング工程において、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間に電流を流すために印加する電圧はパルス電圧が好ましい。この時、パルス波高値を一定とする場合と、パルス波高値を増加させながら印加する場合とがある。パルス電圧の印加方法および印加するパルス電圧の電圧値、パルス幅、パルス周期は、導電性膜12の材料や膜厚、抵抗値等に応じて適宜選択される。また、フォーミング工程は真空中、もしくは水素などの還元性気体を含む気体中で行うのが好ましい。
形成した導電性膜12の一部に、第一の間隙10を形成する方法としては、上記のフォーミング工程以外にも、エッチングや、集束イオンビーム加工等も用いることができる。
(工程d)
工程dにおいては、第一の間隙10内およびその近傍の第三の導電性膜4、第四の導電性膜5上に第一の導電性膜2、第二の導電性膜3を形成し、第二の間隙6内の絶縁体1表面に凹部9を形成する。この工程は、例えば、活性化工程によって行うことができる。活性化工程は、例えば、炭素を含む雰囲気中で、第三の導電性膜4と第四の導電性膜5との間(第五の導電性膜7と第六の導電性膜8との間)に電圧を印加することにより行う。このような雰囲気は、例えば真空容器内をオイルフリーポンプで十分に排気した後、有機物質ガスのような炭素含有ガスを導入することにより得られる。
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8に用いられる導電性の材料としては、Pd、Pt、Ru、Ag、Au、Ti、In、Cu、Cr、Fe、Zn、Sn、Ta、W、Pb等の金属、PdO、SnO、In、PbO、Sb等の酸化物、HfB、ZrB、LaB、CeB、YB、GdB等の硼化物、TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、WC等の炭化物、TiN、ZrN、HfN等の窒化物、Si、Ge等の半導体等があげられる。また、活性化工程を行う場合には、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8の材料として、炭素および/または炭素化合物を適用することが可能である。
ここで、炭素および/または炭素化合物とは、例えばグラファイト(いわゆるHOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite),PG(Pyrolytic Graphite),GC(Glass−like Carbon)を包含するものであり、HOPGはほぼ完全なグラファイトの結晶構造、PGは結晶粒が20nm程度で結晶構造がやや乱れたもの、GCは結晶粒が2nm程度になり結晶構造の乱れがさらに大きくなったものを指す。)、および非晶質カーボン(アモルファスカーボンおよび、アモルファスカーボンと前記グラファイトの微結晶の混合物を指す)を含む。
また活性化工程を十分長く行うことで、絶縁体1の表面に凹部9を形成することができる。凹部9は酸化シリコンの密度がきわめて小さく、ほぼ空隙のような状態になっている領域である。このような凹部が形成される理由としては、活性化工程において、導入する炭素と絶縁体を構成する酸化シリコンとの間で反応が生じているものと考えている。
活性化工程を用いない場合にも、エッチング、集束イオンビーム加工等で、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隙6及び/または絶縁体1の表面の凹部9を形成することができる。
活性化工程に用いられる有機物質としては、アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン類、フェノール、カルボン、スルホン酸等の有機酸類等を用いることができる。具体的には、メタン、エタン、プロパンなどC2n+2で表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどC2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等あるいはこれらの混合物を使用することができる。
このときの好ましい有機物質の分圧は、真空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるため、場合に応じて適宜設定される。
以上の工程により本発明の電子放出素子を形成することができるが、工程dの後に更に、安定化工程を行うことが好ましい。この工程は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。ここで、真空容器を排気する真空排気装置については、装置から発生するオイルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げることが出来る。
真空容器内の有機成分の分圧は、上記の炭素あるいは炭素化合物が新たに堆積することを抑制できる範囲であることが好ましい。このような真空容器内の有機成分の分圧としては、10−6Pa以下が好ましく、さらには10−8Pa以下が特に好ましい。
このように、真空容器内の有機成分の分圧を低くすることにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、また真空容器や基板などに吸着したHO,Oなども除去できる。その結果として素子電流Ifおよび放出電流Ieが安定する。
次に、このような電子放出素子を複数個用いて構成した電子源および画像表示装置の一例について、図5および図6を用いて説明する。
図5において、51は電子放出素子を複数配した電子源基板、52、53は、電子放出素子の一対の電極と接続された行方向配線および列方向配線である。図6において、61は支持枠、62はガラス基板、63は蛍光膜、64はメタルバック、65は高圧端子であり、メタルバックに接続される。支持枠61には、電子源基板51と、ガラス基板62の内面に蛍光膜63とメタルバック64が形成されたフェースプレートとが、低融点のフリットガラスなどを用いて、接合される。
外囲器66は、フェースプレート,支持枠61,電子源基板51で構成される。
また、フェースプレートと電子源基板51との間に、スペーサとよばれる不図示の支持体を少なくとも1つ設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器66を構成することもできる。
以上のように画像表示装置は、電子源基板51上に配置された電子放出素子、行方向配線52、列方向配線53、及び外囲器66で構成される。
以下に上記画像表示装置を用いた映像受信表示装置の形態の一例を示す。
図7は、本発明の画像表示装置を用いた映像受信表示装置の概略構成を示す図である。図7において、71は映像情報受信装置、72は画像信号生成回路、73は駆動回路、74は本発明の製造方法で得られる画像表示装置を示す。まず、映像情報受信装置71で受信された映像情報を画像信号生成回路72に入力し、画像信号を生成する。映像情報受信装置71としては、例えば、無線放送、有線放送、インターネットを介した映像放送等を選局し受信できるチューナーのような受信機を挙げることが出来る。また、映像情報受信装置71に音響装置等を接続し、更に画像信号生成回路72、駆動回路73、および画像表示装置74を含めてテレビセットを構成することが出来る。画像信号生成回路72では、映像情報から画像表示装置74の各画素に対応した画像信号を生成し、駆動回路73に入力する。そして、入力された画像信号に基づいて駆動回路73で画像表示装置74に印加する電圧を制御し、画像表示装置74に画像を表示させる。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の目的を達成するものであれば各構成要素が代用物や均等物に置換されたものであってもよい。
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
(実施例1)
本実施例においては、図2に示す構成の電子放出素子として、絶縁体を構成する酸化シリコン層中におけるフッ素の濃度の異なる6個の試料を作成した。以下に、本実施例における電子放出素子の製造方法を説明する。
工程(a)
清浄化したガラス基板上に、CVD法により厚さ0.4μmの酸化シリコン層を形成した。その後、試料1を除く試料においては、更に全面に加速電圧50keVでフッ素をイオン注入し、450℃で30分間加熱処理をおこなって、絶縁体1を形成した(図4(a))。また、この時、試料ごとに注入するフッ素イオンのドーズ量を、2.0x1014ions/cm〜2.0x1017ions/cmの範囲で変えて、各試料における酸化シリコン層中のフッ素含有濃度が、表1に示す濃度となるようにした。酸化シリコン層中のフッ素含有濃度の測定は、二次イオン質量分析法(SIMS)により行った。フッ素の濃度がほぼ均一であることを確認し、絶縁体1の表面に垂直方向の酸化シリコン層中のフッ素濃度の平均値をフッ素含有濃度とした。なお、フッ素のイオン注入を行わない試料4において、酸化シリコン層中のフッ素濃度は、本実施例で用いたフッ素含有濃度の測定装置の検出限界値以下であった。
工程(b)
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8のリフトオフ用パターンをフォトレジストで形成し、真空蒸着法により、厚さ5nmのTi、厚さ50nmのPtを順次堆積した。
そして、フォトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Pt/Ti堆積膜をリフトオフし、第五の導電性膜7と第六の導電性膜8との間隔を20μm、第五の導電性膜7および第六の導電性膜8の幅を200μmとして第五の導電性膜7、第六の導電性膜8を形成した(図4(b))。
工程(c)
次に、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8の間に、バブルジェット(登録商標)方式の噴射装置を用い、パラジウム錯体溶液(酢酸パラジウムモノエタノールアミン錯体をIPAと水の混合溶液に溶解したもの)を滴下した。その後、300℃で15分間加熱焼成処理をして、酸化パラジウムからなる導電性膜12を形成した(図4(c))。また、こうして形成された導電性膜12の平均膜厚は6nmであった。
工程(d)
次に上記基板を真空容器内に設置し、容器内を真空ポンプにて排気した。容器内の圧力が2×10−3Paに到達したところで排気用のバルブを閉め、容器内に2%H混合Nガスを導入しながら、容器外端子を通じて第五の導電性膜7および第六の導電性膜8間にパルス電圧を印加し、フォーミング工程を行った。
フォーミング工程の電圧波形は図8(a)に示すようなパルス波形とし、電圧V1の波高値は14V、パルス幅T1は1msec、パルス周期T2は50msecとした。
フォーミング工程中は、同時に、パルス間に1Vの抵抗測定パルスを挿入して抵抗を測定し、測定値が約1MΩ以上になった時に電圧の印加を終了した。以上により、導電性膜12に第一の間隙10を形成し、第三の導電性膜4および第四の導電性膜5を形成した(図4(d))。
この後、容器内に2%H混合Nガスを容器内の圧力が2×10Paに到達するまで導入した後、30分間保持して、第三の導電性膜4および第四の導電性膜5を還元した。
工程(e)
続いて、真空容器内を真空ポンプにて排気し、容器内の圧力が2×10−5Paに到達したところで、スローリークバルブを通してトルニトリルを真空容器内に導入し、1×10−4Paを維持した。
次に、第五の導電性膜7および第六の導電性膜8間にパルス電圧を印加して活性化工程をおこない、炭素からなる第一の導電性膜2および第二の導電性膜3を堆積させ、同時に第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔を規定する第二の間隙6における絶縁体1表面に凹部9を形成した(図4(e))。
この時のパルス電圧としては、図8(b)に示した両極性のパルス電圧とし、電圧の波高値V1は20V、パルス幅T1は1msec、パルス半周期T3は20msecとした。パルス印加時間は60分とした。
第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔を規定する第二の間隙6における絶縁体1表面に形成した凹部9の深さは、0.06μmであった。
活性化終了時の素子電流Ifの値を表1に示す。
工程(f)
このようにして作成した試料を図9に示すような真空容器95内に設置し、真空容器95内を真空ポンプ94で排気しながら、電子放出素子を300℃、また真空容器を200℃で10時間加熱した。以上のようにして安定化工程をおこなった。
続いて、同真空容器95内で、本実施例で作成した試料の電気特性を評価した。
図9において、90は素子電流Ifを計測する電流計、92は放出電流Ieを計測する電流計、91は電源、93は高圧電源、94はアノード電極である。本実施例においては、第一の導電性膜2または第二の導電性膜3の表面とアノード電極表面との距離Hを2mmとし、アノード電極94に6kVを印加して測定を行った。
まず、容器外端子を通じて電子放出素子の第五の導電性膜7および第六の導電性膜8の間にパルス幅1msec、パルス周期16.7msec、波高値19.5Vのパルス電圧を30秒間印加した後、素子電流Ifを測定した。
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧16V(選択時の電圧相当)における素子電流、および第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧6V(非選択時の電圧相当)における素子電流(リーク電流)を表1に示す。
なお、放出電流Ieの測定も同時に行ったが、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧16Vにおける素子電流Ifと放出電流Ieの比であるIe/Ifの値は、いずれの試料においてもほぼ一定であった。
また、その後、電子放出素子にパルス幅0.1msec、パルス周期16.7msec、波高値16Vのパルス電圧を所定時間連続して印加した後、素子電流Ifを測定した。第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧6Vにおける素子電流Ifを表1に示す。
本実施例においては、非選択電圧における素子電流(リーク電流)および、素子駆動時のリーク電流を低減することができた。更に、試料4乃至6に比べ試料1乃至3の方が、非選択電圧における素子電流(リーク電流)および、連続駆動後のリーク電流をより低減することができた。
Figure 0003848341
(実施例2)
本実施例においては、図3に示す構成の電子放出素子として、絶縁体を構成する酸化シリコン層中のフッ素の濃度、および別の絶縁体を構成する酸化シリコン層中におけるフッ素の濃度の異なる7個の試料を作成した。以下に、本実施例における電子放出素子の製造方法を説明する。
工程(a)
清浄化したガラス基板上に、CVD法により厚さ0.4μmの酸化シリコン層を形成した。その後、全面に加速電圧50keVでフッ素をイオン注入し、450℃で30分間加熱処理をおこなって、絶縁体1を形成した。この時試料ごとに注入するフッ素イオンのドーズ量を、4.0x1013ions/cm〜4.0x1016ions/cmの範囲で変えて、各試料における絶縁体1の酸化シリコン層中のフッ素含有濃度が、表2に示す濃度となるようにした。
次に、絶縁体1上にCVD法により厚さ0.05μmの酸化シリコン層を成膜して別の絶縁体11を形成した。続いて、試料10、試料11、及び試料13においては、更に全面に加速電圧10keVでフッ素をイオン注入し、450℃で30分間加熱処理をおこなった。この時試料ごとに注入するフッ素イオンのドーズ量を、2.5x1012ions/cm〜2.5x1014ions/cmの範囲で変えて、各試料における別の絶縁体11の酸化シリコン層中のフッ素含有濃度が、表2に示す濃度となるようにした。酸化シリコン層中のフッ素含有濃度の測定は、実施例1と同様の方法で行った。
工程(b)〜工程(f)
続いて、実施例1の工程(b)〜工程(f)と同様の方法により、電子放出素子を作成した。なお、第一の導電性膜2と第二の導電性膜3との間隔を規定する第二の間隙6における別の絶縁体11表面に形成した凹部9の深さは、0.06μmであった。本実施例における、活性化終了時の素子電流Ifの値を表2に示す。
続いて、実施例1と同様にして、本実施例の電子放出素子の電気特性を評価した。
実施例1と同様にパルス電圧を印加した後、素子電流Ifを測定した。
第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧電圧16V(選択時の電圧相当)における素子電流、および第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧6V(非選択時の電圧相当)における素子電流(リーク電流)を表2に示す。
なお、放出電流Ieの測定も同時に行ったが、第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧16Vにおける素子電流Ifと放出電流Ieの比であるIe/Ifの値は、いずれの試料においてもほぼ一定であった。
また、その後、電子放出素子にパルス幅0.1msec、パルス周期16.7msec、波高値16Vのパルス電圧を所定時間連続して印加した後、素子電流Ifを測定した。第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間の印加電圧6Vにおける素子電流を表2に示す。
本実施例においては、活性化を阻害することなく、非選択電圧における素子電流(リーク電流)および、素子駆動時のリーク電流を低減することができた。更に、試料12または試料13に比べ試料7乃至試料11の方が、活性化の阻害を抑えつつ、非選択電圧における素子電流(リーク電流)および、連続駆動後のリーク電流をより低減することができた。
Figure 0003848341
(実施例3)
本実施例においては、前記実施例2の試料8と同様の構成の電子放出素子を、基体上に複数配置し、さらにマトリクス状配線を配置して、図5に示すような電子源を作成した。以下に製造方法を説明する。
工程(a)
実施例2と同様の方法で、ガラス基板上に、CVD法により厚さ0.4μmの酸化シリコン層を形成した。その後、全面に加速電圧50keVでフッ素をイオン注入し、450℃で30分間加熱処理をおこなって、絶縁体1を形成した。
次に、絶縁体1上にCVD法により厚さ0.05μmの酸化シリコン層を成膜して別の絶縁体11を形成した。
次に、実施例2と同様にしてPt/Tiからなる第五の導電性膜7、第六の導電性膜8を形成した。
工程(b)
次いで、金属成分としてAgを含むペースト材料を用い、スクリーン印刷法により列方向配線53のパターンを作成した。ペーストを塗布後、110℃で20分乾燥し、次いで熱処理装置によりピーク温度480℃、ピーク保持時間8分間の条件で上記ペーストを焼成して列方向配線53を形成した。
工程(c)
次に、PbOを主成分とするペースト材料を用い、スクリーン印刷法により層間絶縁体54のパターンを作成した。ペーストを塗布した後、110℃で20分乾燥し、次いで熱処理装置によりピーク温度480℃、ピーク保持時間8分間の条件で上記ペーストを焼成して、層間絶縁体54を形成した。
この層間絶縁体54は、少なくとも行方向配線52と列方向配線53の交差部を含む領域を覆うように、かつ一方の第5の導電性膜7と行方向配線52との電気的接続をとるためのコンタクトホール(不図示)を開けて形成した。
工程(d)
絶縁体44の上に、列方向配線53と同様の材料を用い、スクリーン印刷法により行方向配線52のパターンを作成した。ペーストを塗布した後、110℃で20分乾燥し、次いで熱処理装置によりピーク温度480℃、ピーク保持時間8分間の条件で上記ペーストを焼成して行方向配線52を形成した。
工程(e)
次に、各電子放出素子の第五の導電性膜7、第六の導電性膜8間に、バブルジェット(登録商標)方式の噴射装置を用い、パラジウム錯体溶液(酢酸パラジウムモノエタノールアミン錯体をIPAと水の混合溶液に溶解したもの)を滴下した。その後、300℃で15分間加熱焼成処理をして、酸化パラジウムからなる導電性膜12を形成した。また、こうして形成された導電性膜12の平均膜厚は6nmであった。
工程(f)
上述のようにして、電子放出素子、配線および層間絶縁体を形成した基板を、真空容器内に設置し、容器内を真空ポンプにて排気した。容器内の圧力が2×10−3Paに到達したところで排気用のバルブを閉め、容器内に2%H混合Nガスを導入しながら、容器外端子を通じて、行方向配線52および列方向配線53間に電圧を印加し、電子放出素子のフォーミングを行った。フォーミングの電圧波形は実施例1と同様の波形とした。またこの時、列方向配線53を共通化してグランドレベルに接続し、行方向配線52を順次選択しながら電圧の印加を行った。
フォーミング処理中は、同時に、パルス間に1Vの抵抗測定パルスを挿入して抵抗を測定し、一素子あたりの測定値が、1MΩ以上になった時に、電圧の印加を終了した。以上により、各電子放出素子の導電性膜12に第一の間隙10を形成し、第三の導電性膜4および第四の導電性膜5を形成した。
この後、容器内に2%H混合Nガスを容器内の圧力が2×10Paに到達するまで導入した後、30分間保持して、第三の導電性膜4および第四の導電性膜5を還元した。
工程(g)
続いて、真空容器内を真空ポンプにて排気し、容器内の圧力が2×10−5Paに到達したところで、トルニトリルをスローリークバルブを通して真空容器内に導入し、2×10−4Paを維持した。
次に、列方向配線53を共通化してグランドレベルに接続し、各行方向配線52に順次パルス電圧を印加して活性化処理をおこなった。活性化の電圧波形および電圧印加時間は実施例1と同様にした。
工程(h)
電子源基板を再び真空容器内に設置し、真空容器内を排気しながら、電子源基板を300℃、また真空容器を200℃で10時間加熱して安定化処理をおこなった。
以上のようにして作製した電子源について、同真空容器内で電気特性を評価した。
まず、列方向配線53の1つ(Dx1)を選択し、+6V、パルス幅1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加した。これと同期して、行方向配線52(Dy1〜Dym)に順次、−13.5V、パルス幅1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を30秒間印加した。続いて、別の列方向配線(Dx2〜Dxn)に関して同様の作業を繰り返すことにより、すべての電子放出素子に19.5Vのパルス電圧を印加した。この時非選択の配線はグランドレベルに接続した。
次に、同様に、列方向配線53の1つ(Dx1)を選択し、+6V、パルス幅0.1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加した。これと同期して、行方向配線52(Dy1〜Dym)に順次、−10V、パルス幅0.1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加した。続いて、別の列方向配線(Dx2〜Dxn)に関して同様の作業を繰り返すことにより、すべての電子放出素子に16Vのパルス電圧を印加して電子放出素子を駆動した。電子放出素子の駆動時における各電子放出素子に流れる素子電流を測定した。
次に、行方向配線52をすべてグランドレベルに接続し、列方向配線53の1つ(Dx1)を選択し、+6V、パルス幅0.1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加して、選択した列方向配線(Dx1)に接続した電子放出素子に流れる素子電流(リーク電流)を測定した。続いて、別の列方向配線(Dx2〜Dxn)に関して同様の作業を繰り返し、各列方向配線に流れるリーク電流の測定をおこなった。
次に、列方向配線53に順次、+6V、パルス幅0.1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加し、これと同期して、行方向配線52に順次、−10V、パルス幅0.1msec、パルス周期16.6msecのパルス電圧を印加して、すべての電子放出素子を所定時間連続駆動した。その後上記方法と同様にして、各列方向配線に流れるリーク電流の測定をおこなった。
以上のようにして求めた一素子あたりの駆動時の素子電流は1.5mA、リーク電流は0.02μA、連続駆動後のリーク電流は0.03μA(いずれも平均値)であり、実施例2の試料8と同等の特性が得られた。
(実施例4)
本実施例は本発明により作成される電子源を用いて、図6に示した画像表示装置を作成した例である。
実施例3と同様にして、活性化工程まで行った電子源基板51を作成した。
次に、電子源基板51の2mm上方にフェースプレートを、支持枠61を介して真空中で封着し外囲器66を形成した。また、電子源基板51とフェースプレートとの間には、スペーサ(不図示)を配置し、大気圧に耐えられる構造とした。また、外囲器66内には容器内を高真空に保つためのゲッター(不図示)を配置した。電子源基板51と支持枠61とフェースプレートの接合にはインジウムを用いた。
以上のようにして完成した画像表示装置において、実施例3と同様にして、パルス電圧を印加し、実施例3と同様にして、素子電流およびリーク電流を測定したところ、一素子あたりの駆動時の素子電流は1.5mA、リーク電流は0.02μA(いずれも平均値)であり、実施例3と同等の特性が得られた。
次に、列方向配線53に情報信号を印加し、行方向配線52に走査信号を印加しながら電子放出素子を駆動した。この時情報信号としては、+6Vのパルス電圧を用い、走査信号としては−10Vのパルス電圧を用いた。また、高圧端子65を通じてメタルバック64に6kVの電圧を印加して、放出電子を蛍光膜63に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示したところ、明るい画像を表示することができた。
また、実施例3と同様にして電子放出素子を連続駆動した後、リーク電流を測定したところ、駆動後の1素子あたりのリーク電流の平均値は0.03μAであり、実施例3と同等であった。
このように本実施例の画像表示装置においては、非選択素子に流れるリーク電流を低減することができた。また、これにより消費電力を低減することができた。
本発明に関わる電子放出素子の構成を示す模式図である。 本発明に関わる別の電子放出素子の構成を示す模式図である。 本発明に関わる更に別の電子放出素子の構成を示す模式図である。 本発明に関わる電子放出素子の製造方法を示す模式図である。 本発明に関わる電子源の構成を示す模式図である。 本発明に関わる画像表示装置の構成を示す模式図である。 本発明に関わる電子放出素子を用いた映像受信表示装置の概略構成を示す図である。 本発明に関わる電子放出素子を作成する工程において印加される電圧波形を示す図である。 本発明に関わる電子放出素子の電気特性を測定する装置の概略図である。
符号の説明
1 絶縁体
2 第一の導電性膜
3 第二の導電性膜
4 第三の導電性膜
5 第四の導電性膜
6 第二の間隙
7 第五の導電性膜
8 第六の導電性膜
9 凹部
10 第一の間隙
11 別の絶縁体
12 導電性膜
51 電子源基板
52 行方向配線
53 列方向配線
54 層間絶縁体
61 支持枠
62 ガラス基板
63 蛍光膜
64 メタルバック
65 高圧端子
66 外囲器
71 映像情報受信装置
72 画像信号変調回路
73 駆動回路
74 画像表示装置
90、91 電流計
92、93 電源
94 アノード電極

Claims (13)

  1. 絶縁体と、該絶縁体上に互いに対向するように配置され、いずれか一方から電子が放出される一対の導電性膜と、を有する電子放出素子であって、
    前記絶縁体が酸化シリコン層であり、該酸化シリコン層中にハロゲンを含有することを特徴とする電子放出素子。
  2. 前記酸化シリコン層は、前記一対の導電性膜間において凹部を有することを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  3. 前記ハロゲンがフッ素であることを特徴とする請求項1または2に記載の電子放出素子。
  4. 前記ハロゲンの濃度が、1.0x1019atoms/cm以上、1.0x1021atoms/cm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電子放出素子。
  5. 映像受信表示装置であって、
    請求項1乃至4のいずれかに記載の電子放出素子と発光体とを有する画像表示装置と、映像信号を選択して受信し、該映像信号を前記画像表示装置に送信する回路と、を有することを特徴とする映像受信表示装置。
  6. 電子放出素子であって、
    絶縁体と、該絶縁体とは異なる別の絶縁体と、前記絶縁体上に該別の絶縁体を介して互いに対向するように配置された一対の導電性膜と、を有しており、
    前記絶縁体および前記別の絶縁体が酸化シリコン層であり、
    該別の絶縁体の酸化シリコン層が前記一対の導電性膜間において凹部を有し、
    前記絶縁体の酸化シリコン層中のハロゲンの濃度が、前記別の絶縁体の酸化シリコン層中のハロゲンの濃度よりも高いことを特徴とする電子放出素子。
  7. 前記ハロゲンがフッ素であることを特徴とする請求項6に記載の電子放出素子。
  8. 前記絶縁体の酸化シリコン層中のハロゲンの濃度が、1.0x1019atoms/cm以上、1.0x1021atoms/cm以下であることを特徴とする請求項6または7に記載の電子放出素子。
  9. 前記別の絶縁体の酸化シリコン層中のハロゲンの濃度が、1.0x1019atoms/cm以下であることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の電子放出素子。
  10. 映像受信表示装置であって、請求項6乃至9のいずれかに記載の電子放出素子と発光体とを有する画像表示装置と、映像信号を選局して受信し、該映像信号を前記画像表示装置に送信する回路と、を有することを特徴とする映像受信表示装置。
  11. 電子放出素子の製造方法において、
    ハロゲンをその層の中に含有した酸化シリコン層上に一対の導電性膜を形成する工程と、
    炭素含有ガスを含む雰囲気中で、前記一対の導電性膜間に電圧を印加して、前記導電性膜の一部に炭素を含む堆積物を堆積させる工程と、
    有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  12. 前記酸化シリコン層上に一対の導電性膜を形成する工程は、前記酸化シリコン層上に、前記酸化シリコン層中のハロゲンの濃度よりも低いハロゲンの濃度を有する別の酸化シリコン層を形成し、更に前記別の酸化シリコン層の表面上に一対の導電性膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項11に記載の電子放出素子の製造方法。
  13. 前記酸化シリコン層を下地表面上に形成した後、前記一対の導電性膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項11または12に記載の電子放出素子の製造方法。
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