JP3855659B2 - 薄膜型電子源およびそれを用いた表示装置 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、金属・絶縁体・金属の３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それを用いた表示装置に関する。
背景技術
薄膜型電子源とは、上部電極・絶縁層・下部電極の３層薄膜構造をもち、上部電極と下部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加して、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。薄膜型電子源の動作原理を第２図に示した。上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧２０を印加して、絶縁層１２内の電界を１０ＭＶ／ｃｍ程度にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はファウラー・ノルドハイムの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。トンネル現象を利用するため，絶縁層の膜厚は３〜１５ｎｍ程度と非常に薄い。
この薄膜電子源は複数本の上部電極と、複数本の下部電極を直交させてマトリクスを形成すると、任意の場所から電子線を発生させることができるので、表示装置の電子源などに用いることができる。
これまで、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３−Ａｕ構造のＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造などから電子放出が観測されている。特に下部電極にＡｌ，絶縁層にその陽極酸化膜を用いた薄膜型電子源は，陽極酸化により高耐圧で，均一な膜厚のＡｌ２Ｏ３絶縁層が形成できるため，良質の電子放出が得られている。
発明の開示
薄膜型電子源を用いた表示装置の解決すべき課題は、寿命が不十分なことである。電界の３層構造端部での集中，上部電極材料の絶縁層中への拡散，絶縁層と上部電極の界面等への電荷蓄積による絶縁層の劣化がその主な原因である。端部での電界集中は、端部への厚い保護絶縁層の導入により解決されている。絶縁層中への上部電極材料の拡散は，上部電極材料に昇華エンタルピーの高い材料を用いることにより解決されている。一方，絶縁層の劣化は，駆動電圧の極性を交互に反転させて、蓄積した電荷を交互に開放する方法により抑制され寿命特性も改善されているが，さらに改善することが望まれる。
その為に対策すべき点として，絶縁層の電流−電圧特性に大きな非対称性が存在することがある。即ち，電子放出を起こす、上部電極が正電圧になる極性（順方向）の電圧を印加した際には，絶縁層に電流が流れやすいのに対し，下部電極が正電圧になる極性（逆方向）の電圧を印加した際には，絶縁層に電流を流れ難い。
これは、逆方向の電圧印加の際、上部電極−絶縁層界面近傍の絶縁層に電界が十分印加されないためである。このため，逆方向電圧を印加しても絶縁層の上部電極との界面近傍に蓄積した電荷を十分に開放することができない。したがって、駆動を続けるに従い、蓄積電荷と開放電荷の差分が上部電極界面近傍の絶縁層に蓄積されていき、絶縁層が劣化してしまう。
絶縁層の電流−電圧特性の非対称性の１つの原因は、陽極酸化膜の膜厚方向の組成の不均一性にある。第３図に陽極酸化膜の形成過程を模式的に示す。陽極酸化は電解液２１中で下部電極１１を陽極とし、Ｐｔなどのシート電極２２を陰極として化成電圧２３を印加することにより、酸化が進行する。陽極酸化中の下部電極１３のＡｌと絶縁層１２のＡｌ２Ｏ３界面２４では、電解液２１から供給される酸素イオンＯ２−とＡｌが反応することにより酸化が進行する。また絶縁層１２のＡｌ２Ｏ３と電解液２１の界面２５では、Ａｌ電極から供給されるアルミニウムイオンＡｌ３＋が酸化されることによりＡｌ２Ｏ３が成長する。このように絶縁層１２となるＡｌ２Ｏ３膜の成長は２つの界面で起こるが、下部電極と絶縁層の界面２４ではＡｌとＯ以外不純物のない環境で成長するので純粋なＡｌ２Ｏ３が成長するのに対し、絶縁層と電解液の界面２５では、電解液２１中の電解質のアニオン２６が界面に引き寄せられＡｌ２Ｏ３中に取り込まれるため、アニオン２６を不純物として含む絶縁層１７が成長する。
このアニオン２６を不純物として含む絶縁層１７の存在のため、逆方向の電圧印加の際、上部電極−絶縁層界面近傍の電界が緩和されてしまりい、逆方向で電流が流れ難い原因となる。
もう１つの原因は、下部電極−絶縁層の界面と、上部電極−絶縁層の界面の界面構造の違いに起因する。下部電極−絶縁層界面は陽極酸化によって形成されるため、ＡｌとＡｌ２Ｏ３が連続的に遷移する構造となる。一方、上部電極−絶縁層界面は、絶縁層上への上部電極材料の真空成膜により形成されるため、組成が急峻に遷移する。このような場合、電流―電圧特性に非対称性が生じることが報告されている（ジャーナル オブ ヴアキューム サイエンス アンド テクノロジーＡ、１０巻、１９９２年、２９９１ページ：Ｊａｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｇｙ Ａ，１０（１９９２）ｐ２９９１）。
以上を、第４図の、従来の薄膜型電子源に順方向電圧を印加した際のバンド図と、その後逆方向電圧を印加した際のバンド図にまとめて示す。順方向電圧を印加した際、トンネル現象により下部電極１１から絶縁層１２、１７に注入された電子は、一部真空中に放出され（ｅ−）、残りは上部電極１３に流れ込む電子１と、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１７に蓄積される蓄積電子２となる。この蓄積電子２が絶縁層劣化の原因となる。そこで逆方向電圧を印加することにより、蓄積電子２を開放したいのであるが、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１７はアニオン２６を含んでいるため、蓄積電子２を開放するのに十分な電界を印加できず、蓄積電子２は絶縁層１７中に残留してしまう。
本発明の目的は、絶縁層の電流―電圧特性の非対称性の対称化を進め、薄膜型電子源の長寿命化が実現することにある。またこの薄膜型電子源を用いた表示装置を提供することにある。
上記目的は、下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、下部電極と上部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加したとき、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、下部電極が陽極酸化の可能な金属をＡｌに添加したＡｌ合金からなり，絶縁層が下部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、下部電極と上部電極の間に、電子放出が起きる順方向の１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する、逆方向の１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの逆方向ダイオード電流の比を、絶縁層の下部電極に対する障壁高さと絶縁層の上部電極に対する障壁高さが等しい場合に換算したときの値が、０．１２より大きい薄膜型電子源により達成できる。換算値が０．５以上の場合より効果がある。ここで、換算値は絶縁層の電流―電圧特性の非対称性の程度を表しており、１が完全に対称であることを表す。また、この値が１を超えても良い。この場合、逆方向電圧を印加による、絶縁層の上部電極との界面近傍の蓄積電荷を開放する能力が大きくなる。
下部電極に添加された陽極酸化の可能な金属として，Ｎｄ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｔｉ，ＮｂおよびＨｆからなる群の中から選ばれた少なくとも１種を用いることができる。
上部電極として、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｔｉ、Ｃｒ、および導電性のＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩｒＯ２およびＰｄＯからなる群の中から選ばれた少なくとも１種を用いることができる。
また、以上のいずれかの薄膜型電子源と、この薄膜型電子源を駆動する駆動回路と、薄膜型電子源から放出された電子で励起されて発光する蛍光面等で表示装置を構成することにより上記目的を達成することができる。駆動回路として、下部電極と上部電極の間に、正負のパルス電圧を印加するものを用いると有効である。薄膜電子源が設られた基板と蛍光面が設けられた基板の貼り合わせにフリットガラスを用いると有効である。
さらに、上記目的は、薄膜型電子源と、この薄膜型電子源を駆動する駆動回路と、薄膜型電子源から放出された電子で励起されて発光する蛍光面を有する表示装置において、薄膜型電子源が下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、下部電極と上部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加したとき、上部電極の表面から真空中に電子を放出し、下部電極が陽極酸化の可能な金属をＡｌに添加したＡｌ合金からなり，絶縁層が下部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、薄膜電子源が設られた基板と蛍光面が設けられた基板がフリットガラスで貼り合わされており、この貼り合わせが上記２つの基板を酸素を含む雰囲気中で３５０℃以上４５０℃以下の温度に加熱することによりなされた表示装置により達成できる。
発明を実施するための最良の形態
実施例１
本発明の実施例１の薄膜型電子源を第５図〜第１１図および第１図を用いて説明する。本発明に適用できるＡｌ合金は陽極酸化によって酸化される金属を添加物として含むものである。添加物としては、たとえば、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂなどが適用可能である。またこれらの材料を複数種類添加したＡｌ合金も有効である。例えばＡｌ−Ｔｉ−Ｔａ合金などが挙げられる。これらの合金の添加量は０．１％〜１０％程度が適当である。ここではＮｄを２％としたＡｌ−Ｎｄ合金を用いた。
まず絶縁性の基板１０上にＡｌ−Ｎｄ合金膜を形成する。成膜には例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は３００ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、薄膜電子源の下部電極１１の形状に加工する（第５図）。つぎにこの下部電極１１の表面を陽極酸化する。化成電圧を４Ｖとすれば、厚さ５．５ｎｍの絶縁層１２が形成される（第６図）。次に、レジスト膜などをマスクに用い下部電極１１の側面のみを選択的に厚く（１００ｎｍ）陽極酸化し，保護絶縁層１４とする。これにより下部電極端部での電界集中を防止するとともに、放出に寄与しない側面からのリーク電流を低減できる（第７図）。
Ａｌ合金の表面を陽極酸化して形成する絶縁層１２中には、合金材料の添加物が含まれることになるが、本実施例で用いたＮｄや、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂなどは、陽極酸化によりＡｌと同時に酸化され、絶縁体となるので絶縁特性の劣化はない。そのため、下部電極１１にＡｌを用いた場合同様、リーク電流は少ない。
その後、スパッタリング法により上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３は耐酸化性が高いＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの３層膜とし、もっとも高昇華エンタルピー材料のＩｒが絶縁層に接するようにし、それぞれ膜厚を１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍとした（第８図）。
このようにして作製した直後の薄膜型電子源では、電流−電圧特性の非対称性が大きい。第９図は、この薄膜型電子源の電流−電圧特性を測定したものである。十分な電子放出が得られる１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．００６４である。この例では、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっているので、これらが等しい場合に換算すると０．１２となり、対称性は低い。この原因は、先に述べたように、主として化成液に接する陽極酸化膜中に電解液中に存在したアニオンが含有されることと、界面の構造が違うためである。
アニオンに起因する非対称性をなくすには、アニオンを酸化して除去するか、不動態化することが効果的である。
アニオンの種類は使用する電解液によるが、Ａｌの陽極酸化によく使用される酒石酸やクエン酸の場合、有機アニオンが含有されることにことになる。このような場合、酸素を含む雰囲気中で３５０℃〜４５０℃で加熱すれば、アニオンはＣＯ２やＨ２Ｏとなって除去される。またモリブデン酸等の金属酸アニオンを含む電解液の場合、金属酸アニオンを酸素を含む雰囲気中で酸化することにより不動態化させればよい。
一方、界面構造の改善には、加熱により上部電極−絶縁層界面で原子を相互拡散させ、下部電極−絶縁層界面と同様の連続的に遷移する界面を形成すればよい。したがって、上記のアニオン除去の加熱により同時に改善することが可能である。
この方法を用いる場合、陽極酸化膜以外の薄膜型電子源の構成部分が、酸素中の加熱によって劣化しないことが重要である。従来の構造では下部電極のＡｌが加熱による熱応力をうけ、絶縁層を突き破るヒロックを形成するため、下部電極と上部電極間がショートする不良が生じた。
本実施例では下部電極１１として陽極酸化可能な金属を添加物として含むＡｌ合金を用いているのでストレスマイグレーション耐性が高く、ヒロックが成長し難い。特に表面が陽極酸化膜で覆われている場合、熱応力の開放が抑制され、ヒロックができにくいので耐熱性が向上する。さらに酸素を含む雰囲気中の加熱では、酸化の効果によりヒロック形成がさらに抑制され、一層耐熱性が向上する。そのため３５０〜４５０℃の高温の熱処理を行っても、３〜１５ｎｍと薄い絶縁層がヒロックに突き破られることはない。
液晶ディスプレイ用のＴＦＴの配線でもヒロック防止のためＡｌ合金を用いているが、陽極酸化膜は１５０ｎｍ程度と厚い。これはＡｌ合金を、アモルファスＳｉのＣＶＤ成膜のために真空中で加熱するため、よりヒロックができやすいためである。本発明では、酸素を含む雰囲気で加熱することにより３〜１５ｎｍとはるかに薄い陽極酸化膜でも、ヒロックの発生を抑制できている。
上部電極１３にはＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を用いているが、これらの金属はいずれも耐酸化性が高く、３５０〜４５０℃の加熱ではほとんど酸化されない。したがって、これらの金属は上部電極として適する材料である。貴金属としては他にＲｈ、Ｒｕも用いることができる。もともと酸化されている導電性酸化物も上部電極材料として好都合である。さらにＡｌやＡｌ合金等の表面が不動態化する金属も、酸化が表面だけで止まるので絶縁体にならず、電極として用いることが可能である。
第１０図は本実施例で作製した薄膜型電子源の電流―電圧特性を測定したものである。十分な電子放出が得られる１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．０３４である。また、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっているので、これらが等しい場合に換算すると０．６６となり、加熱することにより対称性が高くなっている。
また、第１１図は、上部電極１３の絶縁層１２に接する材料にもＡｌ−Ｎｄ合金を用い、この試料を大気雰囲気中で加熱した後、電流−電圧特性の非対称性を調べたものである。順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．５であり、加熱することにより対称性が高くなっている。なお、この場合は、下部電極１１と上部電極１３の材料が同じなので、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが等しく、先の第９図、第１０図の場合に行った、障壁高さが等しい場合への換算は不要である。
ここで、下部電極１１と上部電極１３の材料が異なる場合、すなわち絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっている場合において、測定した電流・電圧特性における順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比を、これらの障壁高さが等しい場合へ換算する方法を述べる。絶縁層１２のそれぞれの電極１１、１３の材料に対する障壁高さは、それぞれの電極材料の真空との仕事関数で見積もられる。下部電極１１の主たる材料であるＡｌの仕事関数は４．２ｅＶであり、本発明で用いる材料で最も仕事関数の大きいのはＩｒ，Ｐｔの５．３ｅＶである（金属データブック（丸善） １９８４年発行 １９５頁）。一方、最も仕事関数の小さいのはＴｉの３．９ｅＶである。Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３の界面の障壁高さは約２．６５ｅＶであることが知られているので、Ｉｒ−Ａｌ２Ｏ３、ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３界面の障壁高さは３．７５ｅＶ、Ｔｉ−Ａｌ２Ｏ３界面の障壁高さは２．３５ｅＶとなる。
絶縁層１２に印加されている電界を等しくして、それぞれの障壁高さで注入される電子の量をファウラーノルドハイムの式で求めると、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３界面から注入される電流量に対するＩｒ−Ａｌ２Ｏ３、Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３界面から注入される電流量の比は０．０５となる。この結果は第１０図の結果の０．０３４とほぼ一致している。
本実施例の結果、電流―電圧特性の非対称性の対称化が進んだ様子を、第４図と対比させた、第１図の薄膜型電子源のバンド構造で概念的に示す。順方向電圧を印加した際、トンネル現象によって絶縁層１２に注入された電子は、真空中に放出される電子ｅ−、上部電極１３に流れ込む電子１、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１２中に蓄積される電子２となる。この後、逆方向電圧を印加すると、非対称性が改善されているため、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１２中に蓄積電子２を開放するのに十分な電界が印加される。
このように、絶縁層１２を構成する陽極酸化膜の膜質が均質化し、すなわち非対称性が一定の幅に中に改善されると、絶縁層１２に印加される電界が均一になり（電界勾配一定）、駆動電圧の極性を交互に反転させ、蓄積電荷３を開放することが容易となる。
実施例２
本発明を用いた表示装置の実施例を第１２図〜第１８図を用いて説明する。まず薄膜型電子源マトリクスを形成した基板１０を以下のように作製した。はじめに、ガラスなど絶縁性の基板１０上に，スパッタリング法よりＡ−Ｎｄ合金膜を形成する。膜厚は３００ｎｍ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，ストライプにパターン化し、下部電極１１を形成した。続いて，下部電極表面の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。つづいて保護絶縁層１４を形成する。これは下部電極側面を選択的に厚く陽極酸化することにより形成した。ここではその膜厚を１００ｎｍとした（第１２図）。
つづいて、スパッタリング法により上部電極１３を下部電極１１と直交する方向にストライプ状に形成する。上部電極１３はＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの３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Ａｌ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基板が完成する（第１３図）。
つぎに表示側基板の作製法を示す（第１４図）。面板１１０には透光性のガラスなどを用いる。まず，表示装置のコントラストを上げる目的でブラックマトリクス１２０を形成する。ブラックマトリクス１２０は，ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と重クロム酸アンモニウムとを混合した溶液を面板１１０に塗布し，ブラックマトリクス１２０を形成したい部分以外に紫外線を照射して感光させた後，未感光部分を除去し、そこに黒鉛粉末を溶かした溶液を塗布し、ＰＶＡをリフトオフすることにより形成する。
次に赤色蛍光体１１１を形成する。蛍光体粒子にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と重クロム酸アンモニウムとを混合した水溶液を面板１１０上に塗布した後，蛍光体を形成する部分に紫外線を照射して感光させた後，未感光部分を流水で除去する。このようにして赤色蛍光体１１１をパターン化する。パターンは第１４図に示したようなストライプ状にパターン化する。このストライプパターンは一例であって，それ以外にも，ディスプレイの設計に応じて，たとえば，近接する４ドットで一画素を構成させた「ＲＧＢＧ」パターンでももちろん構わない。蛍光体膜厚は１．４〜２層程度になるようにする。同様にして，緑色蛍光体１１２と青色蛍光体１１３を形成する。蛍光体としては，例えば赤色にＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ（Ｐ２２−Ｒ），緑色にＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ，青色にＺｎＳ：Ａｇ（Ｐ２２−Ｂ）を用いればよい。
次いで，ニトロセルロースなどの膜でフイルミングした後，面板１１０全体にＡｌを，膜厚５０〜３００ｎｍ程度蒸着してメタルバック１１４とする。このメタルバック１１４が加速電極として働く。その後，面板１１０を大気中４００℃程度に加熱してフィルミング膜やＰＶＡなどの有機物を加熱分解する。このようにして，表示側基板が完成する。
このようにして作製した表示側基板と基板１０とをスペーサ３０を介し、周囲をフリットガラス１１５を用いて封着する（第１５図）。面板１１０−基板１０間の距離は１〜３ｍｍ程度になるようにスペーサ３０の厚さを設定する。
ここでは，Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）に発光するドット毎，すなわち上部電極３列づつにスペーサの支柱を設けているが，機械強度が耐える範囲で，支柱の数（密度）を減らしても構わない。スペーサ３０の製作は，厚さ１〜３ｍｍ程度のガラスやセラミックスなどの絶縁板に例えばサンドブラスト法などで所望の形状の穴を加工する。
フリットガラス１１５による封着は、フリットガラス１１５のペーストに含まれるバインダを酸化して除去するため、酸素を含む雰囲気中で行われる。その温度はフリットガラス１１５の種類により若干異なるが、３５０℃〜４５０℃の範囲内である。したがって、フリットガラスを用いた封着を行えば、絶縁層の電流―電圧特性の非対称性が同時に改善されて対称化が進み、生産性の上で効果的である。
封着したパネルは，１０−７Ｔｏｒｒ程度の真空に排気して封じきる。このようにして，薄膜電子源を用いた表示パネルが完成する。
このように本実施例では，面板１１０と基板１０間の距離が１〜３ｍｍ程度と長いので，メタルバック１１４に印加する加速電圧を３〜６ＫＶと高電圧に出来る。したがって，上述のように，蛍光体には陰極線管（ＣＲＴ）用の蛍光体を使用できる。
第１６図はこのようにして作製した表示パネルと駆動回路の結線図である。下部電極１１は下部電極駆動回路４０へ結線し，上部電極バスライン１５は上部電極駆動回路５０に結線する。ｎ番目の下部電極１１Ｋｎと，ｍ番目の上部電極バスライン１５Ｃｍの交点を（ｎ，ｍ）で表すことにする。メタルバツク１１４には３〜６ＫＶ程度の加速電圧６０を常時印加する。
第１７図に，駆動回路の発生電圧波形の一例を示す。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。放出された電子はメタルバック１１４に印加された加速電圧６０により加速された後，蛍光体に入射し，発光させる。時刻ｔ２において，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の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出来る。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出来る。反転電圧の印加は、ここでは下部電極の全てに−Ｖ１を印加した後、全下部電極にＶ３、全上部電極に−Ｖ３＋を印加することにより行った。Ｖ３＋Ｖ３＋がＶ１＋Ｖ２と同程度になるようにする。これにより、絶縁層１２の上部電極１３との界面近傍に蓄積した電荷が開放され、絶縁層の劣化が抑えられる。
第１８図は駆動回路の発生電圧波形の別の例である。ここでは、各下部電極１１に駆動電圧−Ｖ１を印加する前に反転電圧Ｖ４を印加している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の薄膜型電子源の動作状態のバンド構造図である。
第２図は薄膜型電子源の動作原理の説明図である。
第３図は陽極酸化の説明図である。
第４図は従来の薄膜型電子源の動作状態のバンド構造図である。
第５図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第６図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第７図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第８図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第９図は本発明の実施例１中の比較例で、絶縁層の対称化処理を施す前の薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１０図は本発明の実施例１の一薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１１図は本発明の実施例１の別の薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１２図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１３図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１４図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１５図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１６図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルと駆動回路の結線図である。
第１７図は本発明の実施例２の表示装置の駆動回路の発生電圧波形の一例である。
第１８図は本発明の実施例２の表示装置の駆動回路の発生電圧波形の別の例である。
本発明は、金属・絶縁体・金属の３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それを用いた表示装置に関する。
背景技術
薄膜型電子源とは、上部電極・絶縁層・下部電極の３層薄膜構造をもち、上部電極と下部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加して、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。薄膜型電子源の動作原理を第２図に示した。上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧２０を印加して、絶縁層１２内の電界を１０ＭＶ／ｃｍ程度にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はファウラー・ノルドハイムの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。トンネル現象を利用するため，絶縁層の膜厚は３〜１５ｎｍ程度と非常に薄い。
この薄膜電子源は複数本の上部電極と、複数本の下部電極を直交させてマトリクスを形成すると、任意の場所から電子線を発生させることができるので、表示装置の電子源などに用いることができる。
これまで、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３−Ａｕ構造のＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造などから電子放出が観測されている。特に下部電極にＡｌ，絶縁層にその陽極酸化膜を用いた薄膜型電子源は，陽極酸化により高耐圧で，均一な膜厚のＡｌ２Ｏ３絶縁層が形成できるため，良質の電子放出が得られている。
発明の開示
薄膜型電子源を用いた表示装置の解決すべき課題は、寿命が不十分なことである。電界の３層構造端部での集中，上部電極材料の絶縁層中への拡散，絶縁層と上部電極の界面等への電荷蓄積による絶縁層の劣化がその主な原因である。端部での電界集中は、端部への厚い保護絶縁層の導入により解決されている。絶縁層中への上部電極材料の拡散は，上部電極材料に昇華エンタルピーの高い材料を用いることにより解決されている。一方，絶縁層の劣化は，駆動電圧の極性を交互に反転させて、蓄積した電荷を交互に開放する方法により抑制され寿命特性も改善されているが，さらに改善することが望まれる。
その為に対策すべき点として，絶縁層の電流−電圧特性に大きな非対称性が存在することがある。即ち，電子放出を起こす、上部電極が正電圧になる極性（順方向）の電圧を印加した際には，絶縁層に電流が流れやすいのに対し，下部電極が正電圧になる極性（逆方向）の電圧を印加した際には，絶縁層に電流を流れ難い。
これは、逆方向の電圧印加の際、上部電極−絶縁層界面近傍の絶縁層に電界が十分印加されないためである。このため，逆方向電圧を印加しても絶縁層の上部電極との界面近傍に蓄積した電荷を十分に開放することができない。したがって、駆動を続けるに従い、蓄積電荷と開放電荷の差分が上部電極界面近傍の絶縁層に蓄積されていき、絶縁層が劣化してしまう。
絶縁層の電流−電圧特性の非対称性の１つの原因は、陽極酸化膜の膜厚方向の組成の不均一性にある。第３図に陽極酸化膜の形成過程を模式的に示す。陽極酸化は電解液２１中で下部電極１１を陽極とし、Ｐｔなどのシート電極２２を陰極として化成電圧２３を印加することにより、酸化が進行する。陽極酸化中の下部電極１３のＡｌと絶縁層１２のＡｌ２Ｏ３界面２４では、電解液２１から供給される酸素イオンＯ２−とＡｌが反応することにより酸化が進行する。また絶縁層１２のＡｌ２Ｏ３と電解液２１の界面２５では、Ａｌ電極から供給されるアルミニウムイオンＡｌ３＋が酸化されることによりＡｌ２Ｏ３が成長する。このように絶縁層１２となるＡｌ２Ｏ３膜の成長は２つの界面で起こるが、下部電極と絶縁層の界面２４ではＡｌとＯ以外不純物のない環境で成長するので純粋なＡｌ２Ｏ３が成長するのに対し、絶縁層と電解液の界面２５では、電解液２１中の電解質のアニオン２６が界面に引き寄せられＡｌ２Ｏ３中に取り込まれるため、アニオン２６を不純物として含む絶縁層１７が成長する。
このアニオン２６を不純物として含む絶縁層１７の存在のため、逆方向の電圧印加の際、上部電極−絶縁層界面近傍の電界が緩和されてしまりい、逆方向で電流が流れ難い原因となる。
もう１つの原因は、下部電極−絶縁層の界面と、上部電極−絶縁層の界面の界面構造の違いに起因する。下部電極−絶縁層界面は陽極酸化によって形成されるため、ＡｌとＡｌ２Ｏ３が連続的に遷移する構造となる。一方、上部電極−絶縁層界面は、絶縁層上への上部電極材料の真空成膜により形成されるため、組成が急峻に遷移する。このような場合、電流―電圧特性に非対称性が生じることが報告されている（ジャーナル オブ ヴアキューム サイエンス アンド テクノロジーＡ、１０巻、１９９２年、２９９１ページ：Ｊａｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｇｙ Ａ，１０（１９９２）ｐ２９９１）。
以上を、第４図の、従来の薄膜型電子源に順方向電圧を印加した際のバンド図と、その後逆方向電圧を印加した際のバンド図にまとめて示す。順方向電圧を印加した際、トンネル現象により下部電極１１から絶縁層１２、１７に注入された電子は、一部真空中に放出され（ｅ−）、残りは上部電極１３に流れ込む電子１と、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１７に蓄積される蓄積電子２となる。この蓄積電子２が絶縁層劣化の原因となる。そこで逆方向電圧を印加することにより、蓄積電子２を開放したいのであるが、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１７はアニオン２６を含んでいるため、蓄積電子２を開放するのに十分な電界を印加できず、蓄積電子２は絶縁層１７中に残留してしまう。
本発明の目的は、絶縁層の電流―電圧特性の非対称性の対称化を進め、薄膜型電子源の長寿命化が実現することにある。またこの薄膜型電子源を用いた表示装置を提供することにある。
上記目的は、下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、下部電極と上部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加したとき、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、下部電極が陽極酸化の可能な金属をＡｌに添加したＡｌ合金からなり，絶縁層が下部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、下部電極と上部電極の間に、電子放出が起きる順方向の１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する、逆方向の１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの逆方向ダイオード電流の比を、絶縁層の下部電極に対する障壁高さと絶縁層の上部電極に対する障壁高さが等しい場合に換算したときの値が、０．１２より大きい薄膜型電子源により達成できる。換算値が０．５以上の場合より効果がある。ここで、換算値は絶縁層の電流―電圧特性の非対称性の程度を表しており、１が完全に対称であることを表す。また、この値が１を超えても良い。この場合、逆方向電圧を印加による、絶縁層の上部電極との界面近傍の蓄積電荷を開放する能力が大きくなる。
下部電極に添加された陽極酸化の可能な金属として，Ｎｄ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｔｉ，ＮｂおよびＨｆからなる群の中から選ばれた少なくとも１種を用いることができる。
上部電極として、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｔｉ、Ｃｒ、および導電性のＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩｒＯ２およびＰｄＯからなる群の中から選ばれた少なくとも１種を用いることができる。
また、以上のいずれかの薄膜型電子源と、この薄膜型電子源を駆動する駆動回路と、薄膜型電子源から放出された電子で励起されて発光する蛍光面等で表示装置を構成することにより上記目的を達成することができる。駆動回路として、下部電極と上部電極の間に、正負のパルス電圧を印加するものを用いると有効である。薄膜電子源が設られた基板と蛍光面が設けられた基板の貼り合わせにフリットガラスを用いると有効である。
さらに、上記目的は、薄膜型電子源と、この薄膜型電子源を駆動する駆動回路と、薄膜型電子源から放出された電子で励起されて発光する蛍光面を有する表示装置において、薄膜型電子源が下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、下部電極と上部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加したとき、上部電極の表面から真空中に電子を放出し、下部電極が陽極酸化の可能な金属をＡｌに添加したＡｌ合金からなり，絶縁層が下部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、薄膜電子源が設られた基板と蛍光面が設けられた基板がフリットガラスで貼り合わされており、この貼り合わせが上記２つの基板を酸素を含む雰囲気中で３５０℃以上４５０℃以下の温度に加熱することによりなされた表示装置により達成できる。
発明を実施するための最良の形態
実施例１
本発明の実施例１の薄膜型電子源を第５図〜第１１図および第１図を用いて説明する。本発明に適用できるＡｌ合金は陽極酸化によって酸化される金属を添加物として含むものである。添加物としては、たとえば、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂなどが適用可能である。またこれらの材料を複数種類添加したＡｌ合金も有効である。例えばＡｌ−Ｔｉ−Ｔａ合金などが挙げられる。これらの合金の添加量は０．１％〜１０％程度が適当である。ここではＮｄを２％としたＡｌ−Ｎｄ合金を用いた。
まず絶縁性の基板１０上にＡｌ−Ｎｄ合金膜を形成する。成膜には例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は３００ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、薄膜電子源の下部電極１１の形状に加工する（第５図）。つぎにこの下部電極１１の表面を陽極酸化する。化成電圧を４Ｖとすれば、厚さ５．５ｎｍの絶縁層１２が形成される（第６図）。次に、レジスト膜などをマスクに用い下部電極１１の側面のみを選択的に厚く（１００ｎｍ）陽極酸化し，保護絶縁層１４とする。これにより下部電極端部での電界集中を防止するとともに、放出に寄与しない側面からのリーク電流を低減できる（第７図）。
Ａｌ合金の表面を陽極酸化して形成する絶縁層１２中には、合金材料の添加物が含まれることになるが、本実施例で用いたＮｄや、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂなどは、陽極酸化によりＡｌと同時に酸化され、絶縁体となるので絶縁特性の劣化はない。そのため、下部電極１１にＡｌを用いた場合同様、リーク電流は少ない。
その後、スパッタリング法により上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３は耐酸化性が高いＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの３層膜とし、もっとも高昇華エンタルピー材料のＩｒが絶縁層に接するようにし、それぞれ膜厚を１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍとした（第８図）。
このようにして作製した直後の薄膜型電子源では、電流−電圧特性の非対称性が大きい。第９図は、この薄膜型電子源の電流−電圧特性を測定したものである。十分な電子放出が得られる１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．００６４である。この例では、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっているので、これらが等しい場合に換算すると０．１２となり、対称性は低い。この原因は、先に述べたように、主として化成液に接する陽極酸化膜中に電解液中に存在したアニオンが含有されることと、界面の構造が違うためである。
アニオンに起因する非対称性をなくすには、アニオンを酸化して除去するか、不動態化することが効果的である。
アニオンの種類は使用する電解液によるが、Ａｌの陽極酸化によく使用される酒石酸やクエン酸の場合、有機アニオンが含有されることにことになる。このような場合、酸素を含む雰囲気中で３５０℃〜４５０℃で加熱すれば、アニオンはＣＯ２やＨ２Ｏとなって除去される。またモリブデン酸等の金属酸アニオンを含む電解液の場合、金属酸アニオンを酸素を含む雰囲気中で酸化することにより不動態化させればよい。
一方、界面構造の改善には、加熱により上部電極−絶縁層界面で原子を相互拡散させ、下部電極−絶縁層界面と同様の連続的に遷移する界面を形成すればよい。したがって、上記のアニオン除去の加熱により同時に改善することが可能である。
この方法を用いる場合、陽極酸化膜以外の薄膜型電子源の構成部分が、酸素中の加熱によって劣化しないことが重要である。従来の構造では下部電極のＡｌが加熱による熱応力をうけ、絶縁層を突き破るヒロックを形成するため、下部電極と上部電極間がショートする不良が生じた。
本実施例では下部電極１１として陽極酸化可能な金属を添加物として含むＡｌ合金を用いているのでストレスマイグレーション耐性が高く、ヒロックが成長し難い。特に表面が陽極酸化膜で覆われている場合、熱応力の開放が抑制され、ヒロックができにくいので耐熱性が向上する。さらに酸素を含む雰囲気中の加熱では、酸化の効果によりヒロック形成がさらに抑制され、一層耐熱性が向上する。そのため３５０〜４５０℃の高温の熱処理を行っても、３〜１５ｎｍと薄い絶縁層がヒロックに突き破られることはない。
液晶ディスプレイ用のＴＦＴの配線でもヒロック防止のためＡｌ合金を用いているが、陽極酸化膜は１５０ｎｍ程度と厚い。これはＡｌ合金を、アモルファスＳｉのＣＶＤ成膜のために真空中で加熱するため、よりヒロックができやすいためである。本発明では、酸素を含む雰囲気で加熱することにより３〜１５ｎｍとはるかに薄い陽極酸化膜でも、ヒロックの発生を抑制できている。
上部電極１３にはＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を用いているが、これらの金属はいずれも耐酸化性が高く、３５０〜４５０℃の加熱ではほとんど酸化されない。したがって、これらの金属は上部電極として適する材料である。貴金属としては他にＲｈ、Ｒｕも用いることができる。もともと酸化されている導電性酸化物も上部電極材料として好都合である。さらにＡｌやＡｌ合金等の表面が不動態化する金属も、酸化が表面だけで止まるので絶縁体にならず、電極として用いることが可能である。
第１０図は本実施例で作製した薄膜型電子源の電流―電圧特性を測定したものである。十分な電子放出が得られる１０ＭＶ／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．０３４である。また、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっているので、これらが等しい場合に換算すると０．６６となり、加熱することにより対称性が高くなっている。
また、第１１図は、上部電極１３の絶縁層１２に接する材料にもＡｌ−Ｎｄ合金を用い、この試料を大気雰囲気中で加熱した後、電流−電圧特性の非対称性を調べたものである。順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は０．５であり、加熱することにより対称性が高くなっている。なお、この場合は、下部電極１１と上部電極１３の材料が同じなので、絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが等しく、先の第９図、第１０図の場合に行った、障壁高さが等しい場合への換算は不要である。
ここで、下部電極１１と上部電極１３の材料が異なる場合、すなわち絶縁層１２の下部電極１１に対する障壁高さと、絶縁層１２の上部電極１３に対する障壁高さが異なっている場合において、測定した電流・電圧特性における順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比を、これらの障壁高さが等しい場合へ換算する方法を述べる。絶縁層１２のそれぞれの電極１１、１３の材料に対する障壁高さは、それぞれの電極材料の真空との仕事関数で見積もられる。下部電極１１の主たる材料であるＡｌの仕事関数は４．２ｅＶであり、本発明で用いる材料で最も仕事関数の大きいのはＩｒ，Ｐｔの５．３ｅＶである（金属データブック（丸善） １９８４年発行 １９５頁）。一方、最も仕事関数の小さいのはＴｉの３．９ｅＶである。Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３の界面の障壁高さは約２．６５ｅＶであることが知られているので、Ｉｒ−Ａｌ２Ｏ３、ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３界面の障壁高さは３．７５ｅＶ、Ｔｉ−Ａｌ２Ｏ３界面の障壁高さは２．３５ｅＶとなる。
絶縁層１２に印加されている電界を等しくして、それぞれの障壁高さで注入される電子の量をファウラーノルドハイムの式で求めると、Ａｌ−Ａｌ２Ｏ３界面から注入される電流量に対するＩｒ−Ａｌ２Ｏ３、Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３界面から注入される電流量の比は０．０５となる。この結果は第１０図の結果の０．０３４とほぼ一致している。
本実施例の結果、電流―電圧特性の非対称性の対称化が進んだ様子を、第４図と対比させた、第１図の薄膜型電子源のバンド構造で概念的に示す。順方向電圧を印加した際、トンネル現象によって絶縁層１２に注入された電子は、真空中に放出される電子ｅ−、上部電極１３に流れ込む電子１、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１２中に蓄積される電子２となる。この後、逆方向電圧を印加すると、非対称性が改善されているため、上部電極１３との界面近傍の絶縁層１２中に蓄積電子２を開放するのに十分な電界が印加される。
このように、絶縁層１２を構成する陽極酸化膜の膜質が均質化し、すなわち非対称性が一定の幅に中に改善されると、絶縁層１２に印加される電界が均一になり（電界勾配一定）、駆動電圧の極性を交互に反転させ、蓄積電荷３を開放することが容易となる。
実施例２
本発明を用いた表示装置の実施例を第１２図〜第１８図を用いて説明する。まず薄膜型電子源マトリクスを形成した基板１０を以下のように作製した。はじめに、ガラスなど絶縁性の基板１０上に，スパッタリング法よりＡ−Ｎｄ合金膜を形成する。膜厚は３００ｎｍ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，ストライプにパターン化し、下部電極１１を形成した。続いて，下部電極表面の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。つづいて保護絶縁層１４を形成する。これは下部電極側面を選択的に厚く陽極酸化することにより形成した。ここではその膜厚を１００ｎｍとした（第１２図）。
つづいて、スパッタリング法により上部電極１３を下部電極１１と直交する方向にストライプ状に形成する。上部電極１３はＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの３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Ａｌ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基板が完成する（第１３図）。
つぎに表示側基板の作製法を示す（第１４図）。面板１１０には透光性のガラスなどを用いる。まず，表示装置のコントラストを上げる目的でブラックマトリクス１２０を形成する。ブラックマトリクス１２０は，ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と重クロム酸アンモニウムとを混合した溶液を面板１１０に塗布し，ブラックマトリクス１２０を形成したい部分以外に紫外線を照射して感光させた後，未感光部分を除去し、そこに黒鉛粉末を溶かした溶液を塗布し、ＰＶＡをリフトオフすることにより形成する。
次に赤色蛍光体１１１を形成する。蛍光体粒子にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）と重クロム酸アンモニウムとを混合した水溶液を面板１１０上に塗布した後，蛍光体を形成する部分に紫外線を照射して感光させた後，未感光部分を流水で除去する。このようにして赤色蛍光体１１１をパターン化する。パターンは第１４図に示したようなストライプ状にパターン化する。このストライプパターンは一例であって，それ以外にも，ディスプレイの設計に応じて，たとえば，近接する４ドットで一画素を構成させた「ＲＧＢＧ」パターンでももちろん構わない。蛍光体膜厚は１．４〜２層程度になるようにする。同様にして，緑色蛍光体１１２と青色蛍光体１１３を形成する。蛍光体としては，例えば赤色にＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ（Ｐ２２−Ｒ），緑色にＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ，青色にＺｎＳ：Ａｇ（Ｐ２２−Ｂ）を用いればよい。
次いで，ニトロセルロースなどの膜でフイルミングした後，面板１１０全体にＡｌを，膜厚５０〜３００ｎｍ程度蒸着してメタルバック１１４とする。このメタルバック１１４が加速電極として働く。その後，面板１１０を大気中４００℃程度に加熱してフィルミング膜やＰＶＡなどの有機物を加熱分解する。このようにして，表示側基板が完成する。
このようにして作製した表示側基板と基板１０とをスペーサ３０を介し、周囲をフリットガラス１１５を用いて封着する（第１５図）。面板１１０−基板１０間の距離は１〜３ｍｍ程度になるようにスペーサ３０の厚さを設定する。
ここでは，Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）に発光するドット毎，すなわち上部電極３列づつにスペーサの支柱を設けているが，機械強度が耐える範囲で，支柱の数（密度）を減らしても構わない。スペーサ３０の製作は，厚さ１〜３ｍｍ程度のガラスやセラミックスなどの絶縁板に例えばサンドブラスト法などで所望の形状の穴を加工する。
フリットガラス１１５による封着は、フリットガラス１１５のペーストに含まれるバインダを酸化して除去するため、酸素を含む雰囲気中で行われる。その温度はフリットガラス１１５の種類により若干異なるが、３５０℃〜４５０℃の範囲内である。したがって、フリットガラスを用いた封着を行えば、絶縁層の電流―電圧特性の非対称性が同時に改善されて対称化が進み、生産性の上で効果的である。
封着したパネルは，１０−７Ｔｏｒｒ程度の真空に排気して封じきる。このようにして，薄膜電子源を用いた表示パネルが完成する。
このように本実施例では，面板１１０と基板１０間の距離が１〜３ｍｍ程度と長いので，メタルバック１１４に印加する加速電圧を３〜６ＫＶと高電圧に出来る。したがって，上述のように，蛍光体には陰極線管（ＣＲＴ）用の蛍光体を使用できる。
第１６図はこのようにして作製した表示パネルと駆動回路の結線図である。下部電極１１は下部電極駆動回路４０へ結線し，上部電極バスライン１５は上部電極駆動回路５０に結線する。ｎ番目の下部電極１１Ｋｎと，ｍ番目の上部電極バスライン１５Ｃｍの交点を（ｎ，ｍ）で表すことにする。メタルバツク１１４には３〜６ＫＶ程度の加速電圧６０を常時印加する。
第１７図に，駆動回路の発生電圧波形の一例を示す。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。放出された電子はメタルバック１１４に印加された加速電圧６０により加速された後，蛍光体に入射し，発光させる。時刻ｔ２において，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の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出来る。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出来る。反転電圧の印加は、ここでは下部電極の全てに−Ｖ１を印加した後、全下部電極にＶ３、全上部電極に−Ｖ３＋を印加することにより行った。Ｖ３＋Ｖ３＋がＶ１＋Ｖ２と同程度になるようにする。これにより、絶縁層１２の上部電極１３との界面近傍に蓄積した電荷が開放され、絶縁層の劣化が抑えられる。
第１８図は駆動回路の発生電圧波形の別の例である。ここでは、各下部電極１１に駆動電圧−Ｖ１を印加する前に反転電圧Ｖ４を印加している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の薄膜型電子源の動作状態のバンド構造図である。
第２図は薄膜型電子源の動作原理の説明図である。
第３図は陽極酸化の説明図である。
第４図は従来の薄膜型電子源の動作状態のバンド構造図である。
第５図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第６図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第７図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第８図は本発明の実施例１の薄膜型電子源の製造工程断面図である。
第９図は本発明の実施例１中の比較例で、絶縁層の対称化処理を施す前の薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１０図は本発明の実施例１の一薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１１図は本発明の実施例１の別の薄膜型電子源の電流−電圧特性図である。
第１２図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１３図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１４図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１５図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルの製造工程図である。
第１６図は本発明の実施例２の表示装置の表示パネルと駆動回路の結線図である。
第１７図は本発明の実施例２の表示装置の駆動回路の発生電圧波形の一例である。
第１８図は本発明の実施例２の表示装置の駆動回路の発生電圧波形の別の例である。
Claims (11)
- 下部電極、絶縁層、上部電極をこの順に積層した構造を有し、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とき、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、上記下部電極は陽極酸化の可能な金属をAlに添加したAl合金からなり、上記下部電極と上記上部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、上記下部電極と上記上部電極の間に、上記電子放出が起きる順方向の１０MV／ｃｍの電界を印加したときの順方向ダイオード電流に対する、逆方向の１０MV／ｃｍの電界を印加したときの逆方向ダイオード電流の比は、上記絶縁層の上記下部電極に対する障壁高さと上記絶縁層の上記上部電極に対する障壁高さが等しい場合に換算したとき、０．１２より大きいことを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第１項記載の薄膜型電子源において、上記下部電極に添加された陽極酸化の可能な金属は、Nd、Zr、Ta、Ti、NbおよびHfからなる群の中から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第１項記載の薄膜型電子源において、上記上部電極は、Ir、Pt、Au、Ru、Rh、Al、Al合金、Ti、Cr、および導電性のITO、ZnO、SnO2、IrO2およびPdOからなる群の中から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第1項記載の薄膜型電子源において、上記順方向ダイオード電流に対する逆方向ダイオード電流の比は、０．５以上であることを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第４項記載の薄膜型電子源において、上記下部電極に添加された陽極酸化の可能な金属は、Nd、Zr、Ta、Ti、NbおよびHfからなる群の中から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第４項記載の薄膜型電子源において、上記上部電極は、Ir、Pt、Au、Ru、Rh、Al、Al合金、Ti、Cr、および導電性のITO、ZnO、SnO2、IrO2およびPdOからなる群の中から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする薄膜型電子源。
- 請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか一項に記載の薄膜型電子源と、上記薄膜型電子源を駆動する駆動回路と、上記薄膜型電子源から放出された電子で励起されて発光する蛍光面を有することを特徴とする表示装置。
- 請求の範囲第７項記載の表示装置において、上記駆動回路は、上記下部電極と上記上部電極の間に、正負パルス電圧を印加するものであることを特徴とする表示装置。
- 請求の範囲第７項記載の表示装置において、上記薄膜型電子源が設けられた基板と上記蛍光面が設けられた基板はフリットガラスで貼り合わされていることを特徴とする表示装置。
- 請求の範囲第７項記載の表示装置において、上記薄膜型電子源の下部電極は陽極酸化の可能な金属をAlに０．１〜１０％添加したAl合金からなり、上記絶縁層は、上記下部電極の表面を陽極酸化した陽極酸化膜からなり、上記薄膜型電子源が設けられた基板は、酸素を含む雰囲気中で350℃以上450℃以下の温度で加熱処理されていることを特徴とする表示装置。
- 請求の範囲第１０項記載の表示装置において、上記駆動回路は、上記下部電極と上記上部電極の間に、正負のパルス電圧を印加するものであることを特徴とする表示装置。
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