JP4206858B2 - 電界電子放出素子 - Google Patents
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Description
いわゆる電界電子放出型ディスプレイ装置(以下、FED(Field Emission Display)と略称する。)は、カソード電極、ゲート電極とアノード電極の配置により、スピント型と一般に称される縦型構造のものと、ラテラル型、側面型や平面型と称される横型構造のエッジエミッタ型のものがある。
電界放出素子100は、絶縁性の平面基板101、平面基板の表面に形成された二酸化シリコン薄膜よりなる台座102、102’、その表面に形成されたその先端が鋭角形状(鋸歯状に形成され、この突起部分から電子が放出される。)の電子放出突起部104を持つ導電性薄膜であるカソード電極103と、平面基板表面にカソード基板に対向して形成されたアノード電極105と、平面基板表面に電子放出突起部104においてカソード電極に自己整合的に形成されたゲート電極106から構成されている。
(1)絶縁性の二酸化シリコン等からなる平面基板101の表面に絶縁性薄膜107を形成する工程。
(2)絶縁性薄膜107の表面に台座形状のレジストパターン108を形成する工程。 (3)レジストパターン108をマスクとして、絶縁性薄膜107を逆テーパ状にエッチング加工し台座102、102’を形成する工程。
(4)レジストを除去した後アルミニウム薄膜109を平面基板の全面に方向性粒子ビーム法によりアルミニウム薄膜109を形成する工程。
(5)と、最後に、フォトプロセスによって導電性薄膜109をカソード電極103、ゲート電極106及びアノード電極105の形状にエッチング加工する工程。
三極管である電子放出素子341は、積層構造のエミッタ314とゲート316、及び、透明な基板342上に積層された導電性薄膜からなるアノード343とを備えている。アノード343には低加速電子線用の蛍光体344が積層され、透明な基板342は、他方の基板312に対して適当な間隔で離間している。この基板312にはエミッタ314とゲート316とが積層されている。そして、透明な基板342の蛍光体344がゲート316に対向している。
エッジエミッタ電極とゲート電極とを絶縁体を介して積層できるから、エッジエミッタ電極の縁部とゲート電極の縁部とを近接させることができ、上記エッジエミッタ電極の縁部に電界を効率良く印加することができる。また、エッジエミッタ電極の縁部を尖鋭化することで、その尖鋭化された先端部にエッジエミッタ電極からの電界を効率良く集中させることができると記載されている。
電子放出装置401は、絶縁性基板406上に形成されてマトリックス状に配設され、所定の層構造を有してなるとともに、積層方向に穿設され、略矩形状に形成されている開口孔407(ウエル)を有し、この開口孔407から電子を放出する。
この電子放出装置401において、開口孔407は、第1の絶縁層412、第1のゲート電極413、第2の絶縁層414、エッジエミッタ電極415、第3の絶縁層416及び第2のゲート電極417を貫通するとともに底面に補助電極411が露出するように穿設されることにより形成される。さらに、この電子放出装置401では、第1のゲート電極413がエッジエミッタ電極415の開口縁より内方へ突出するように形成されている。
特許文献3記載の構造では、電子放出がエミッタ先端のみから行われるので、発光がポイント状となり所定の画素全面を均一に発光させることが困難であった。また、特許文献4記載の構造では、集束性の向上は図れるものの構造が複雑化し、中型表示素子の商品化の障害となっていた。
そこで、構造が複雑でないエミッタFEDの構造として、以下に説明するような構造のものが検討されていた。
電子放出素子50は、図示されていない基板の上に、ゲート電極52、絶縁層53、カソード電極54(以下、「エッジエミッタ電極」という。)、と図示しない絶縁性パッシベーションとが積層され、その上部には、蛍光体56とアノード電極が配置されている。
そして、ゲート電極52とエッジエミッタ電極54との間に発生する電界により、エッジエミッタ電極54から電子が放出され、放出された電子はカソード電極とアノード電極との間の電界により加速されて、アノード電極に形成された蛍光体56R、56G、56Bに衝突し、蛍光体を励起し、発光する。なお、エッジエミッタ電極54の上面の絶縁性パッシベーション55は、アノード電極57との絶縁を保つためのものである。
このような電子放出素子50を図12に示す赤色蛍光体56R、緑色蛍光体56G、青色蛍光体56Bの各々に配置して、1つの蛍光体56単位毎に1つの画素60とされ、各画素60を多数個を配列すれば平面ディスプレイ装置が得られる。
電界強度は、カソード・ゲート間の耐電圧、ドライバーの駆動耐電圧等により実用上の制限がある。従ってエッジエミッタ電極54の電子放出能力は、実用上その稜線状のエッジ長(ウエル59の周囲長)に依存することになる。
エッジ58は、その長軸に平行な長辺部の方がエッジ長が長く電子放出量が多いため長軸に垂直な短辺部より周囲に与える影響は多大である。
さらに長辺部からの電子は蛍光体56の長軸に垂直な方向に放出され、短辺部からの電子は蛍光体56の長軸に平行な方向に放出されることとなる。
ここで、エッジエミッタ電極54から照射される電子は、図13の電位関係に示すようにエッジエミッタ電極54(−)の上下にゲート電極52(+)とアノード電極(+)が配置されており、エッジエミッタ電極54から放出される電子はこれら二つのプラス電位の複合作用により水平方向にも加速される。そのため電子の大部分は図13に示すようにカソード平面に対し例えば60度程度の角度で広がりを持って放出されてしまう。
ここで、図13の蛍光体56Rに対応するエッジエミッタ電極54の右側のウエル59のエッジ58から右側の蛍光体56Gまでの距離は短いため、ウエル59から広がって放出される電子は、隣接する蛍光体56Gにも照射されてしまい、選択色以外の色も発光させてしまう場合も生じ、フルカラー表示素子にとって致命的な問題である混色を生じていた。
さらに、エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域が狭く、同色方向の重なり合わない領域が広く形成されているため、蛍光対面に均一に電子放射を行うことができ、発光輝度を高くすることができるものである。
そして、実用上充分な輝度を有する構造が簡単で製造が容易な電界電子放出素子を実現でき、トリオピッチ0.6〜1mm程度の中型表示素子(20型〜30型)を用いたテレビジョン受像機やパソコン用ディスプレイを高品質で安価に提供できるものである。
さらに、本発明のFEDは、スピント型のFEDのよりも、フォトリソグラフィー、成膜成形、エッチング等の技術に関して、より容易に製造されるものである。
そして、ウエル9は、図1から明らかなように、長方形状の開口として形成され、その長手方向が、長方形状の各蛍光体6R、6G、6Bの長手方向と直交するように、カソード電極部20に多数形成されている。
エミッタ電極4の先端部であるエッジ8は、各電極に電圧が印可されると電子を放出するものである。
そして、ゲート電極2とエミッタ電極4との間に発生する電界により、エミッタ電極4から電子e− が図2に示されるようにエミッタ電極4の影響により、斜め方向に放出され、放出された電子e− は、アノード電極7に形成された蛍光体6R、6G、6Bを励起し、発光する。なお、エミッタ電極4の上面の絶縁性パッシベーション5は、アノード電極7との絶縁を保つためのものである。
個々の画素10においては、図2において、矢印で示した方向に、ある一定の広がりをもって斜め方向に電子e− が放出され、また、図4に示したように、エッジ8の長手方向の長辺側エッジ8aと短手方向の短辺側エッジ8bとで、矢印の数で示したように、電子放出量に大きな相違がある。
図2(b)で示される蛍光体6Rと対面する多数の電子放出部20において、エミッタ電極4は、長方形状の開口部の長軸に垂直方向の電極の断面を示し、ウエル9は、短手方向の溝の断面を示し、エッジ8は、長手方向の長辺側エッジ8a示されている。
このエッジ8から放出された電子の照射により発光する蛍光体領域の端部と、エッジ8との間の平面距離が、放出電子の広がり幅Eとする。
放出される電子e− の斜め方向への広がりは、特に、長方形状のウエル9の長手方向の長辺エッジ8aからは、エミッタ電極4のマイナスの電位の上下に配置されているゲート電極2とアノード電極7のプラスの電位の複合作用により水平方向にも加速されるため(図13参照)、エミッタ電極4の平面に対して、カソード電極の幅に比例して、一定の広がり角度で放出される。これは、長方形状のウエル9の短手方向の短辺エッジ8bから放出される電子も同様である。
放出される電子の放出量ついては、短辺側の電子放出面積は長辺側より小さいので、長辺側の電子放出量と比較して少となる。
そして、図2(b)において、長辺側エッジ8aから放出される矢印で示す電子e− は、電子放出量も多いが、放出された電子は常に長方形状の赤色蛍光体6Rを励起することとなるため、発光輝度を上げ、色純度は維持されることになる。
図1−図4において、ウエル9のエッジ8から放出される電子の広がり幅をE、ウエル9の長辺側エッジ8aの幅をW、短辺側エッジ8bの幅をHとすると、左側の短辺側エッジ8bから放出される電子e− が隣接する蛍光体6Gに漏れないようにするとともに、上側の長辺側エッジ8aから放出される電子e− が同色方向に隣接する図1において下方に位置する蛍光体6Rに漏れないで、且つ均一に発光するようにするためには、各値E、W、H、X、Yが
E=W+X 、E=Y(+H) 、X<Y(但し、H<W) …………… 式(1)
の式を満たすように配置すればよいことになる。
図4に示されるように、画素10を構成する蛍光体の形成範囲と対応するエミッタ電極のウエル9(長辺の幅=W)の形成範囲とが重なり合わない領域を、エッジ8から放出される電子の広がり幅をEに対して、色選択方向の重なり合わない領域幅Xを狭くし、同色方向の重なり合わない領域幅Yを色選択方向の重なり防止、色純度の維持、及び画質の向上を図り、対応する蛍光体面に均一に広がるようにし、発光輝度を向上させようとするものである。
ここでは長辺側エッジ8a方向からの電子放出による発光領域を”ウエル長手側”、短辺側エッジ8b方向からの電子放出による発光領域をウエル短手側”としてカソード電極幅(ウエル幅)をパラメータとして示している。
短辺エッジ側8bからの電子は、蛍光体6Rの短辺側に放出され、この方向では隣の蛍光体6Gまでの距離が長く、E=W+Xの関係を満足するように形成されているため、放出された電子が隣の蛍光体6Gに漏れてしまうことがなく、隣接画素間の混色(漏れ発光)が防止され、発光輝度は高くなり、色純度は維持されることになる。
図5に示された実験結果から明らかなように、エミッタ電極4のウエル8の形成範囲と蛍光体6の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域Xが狭く、同色方向の重なり合わない領域Yが広く形成されていることで、蛍光体6の全面に均一に電子照射を行なわれることとなる。
図6には、従来構造(図12(a)、図13に示す構造)と本発明の構造の電子放出量の比較をゲート電圧Vg(V)に対するアノード電流密度Je(mA/cm2 )により示している。
例えば、Vg=140Vにおいて、従来構造の電流密度が約3mA/cm2 であるのに対し、本発明の構造の場合は、電流密度が17mA/cm2 と約6倍の電流が得られていることがわかる。ここでエッジエミッタのエッジの長さも約6倍となっている。
本発明の製造工程を工程別に示すと、以下のとおりとなる。
1 ゲート成膜 (Nb)
2 レジスト塗布、ゲートパターン露光、現像、エッチング
3 絶縁層成膜 (SiO2 )
4 カソード成膜 (Nb、Mo)
5 レジスト塗布、カソード配線パターン露光、現像、エッチング
6 レジスト塗布、ウエルパターン露光、現像、Nb・絶縁層エッチング
これを薄膜成形の技術という観点から見ると、薄膜で所望の構造を形成する場合、平面方向のパタン形成はフォトリソグラフィーにより、厚み(縦)方向は成膜膜厚で構成設計することが一般的である。
ここでフォトリソグラフィーと成膜膜厚を比較すると、前者は解像度がラフなほど成形は容易であり、逆に成膜・エッチングは薄い方が容易である。
フォトリソグラフィーの場合、大面積を1μmオーダーで形成することはかなり困難であり、逆に成膜・エッチングは膜厚1μm以上はかえって成形に困難さが伴うものである。
スピント型など縦型FEDのゲート−エミッタ間は、フォトリソグラフィーの解像度で決定され、エミッタは縦に形成するので厚く成膜若しくは深くエッチングしなければならないことになる。
要するに、縦型はその構造上、フォトリソグラフィも成膜・エッチングも難度の高い方向で処理しなければならない場合が多いことが明らかである。
しかしながら、平面型である本発明のエッジ型カソードは、スピント型とは逆に、ゲート−エミッタ間は層間絶縁層の膜厚で決定され、フォトの解像度は基本的な電子放出特性を左右しないものである。
そして、エミッタは、横型(平面)なので、薄い方が有利な成膜膜厚で成形されることとなる。
3 層間絶縁層 4 エミッタ電極
5 絶縁性パッシベーション 6 蛍光体(サブピクセル)
7 アノード電極 8 エミッタ電極のエッジ
9 ウエル 10 画素(ピクセル)
11 ゲート給電部 12 カソード給電部
20 電子放出部
Claims (1)
- 基板上に積層されたゲート電極と、このゲート電極上に層間絶縁層を介して積層されたエミッタ電極と対面する基板に設けられたアノード電極との三極構造のエッジエミッタ型の電界電子放出素子において、
アノード電極と長方形状の蛍光体で形成されるアノード画素と、
前記エミッタ電極と前記層間絶縁層とに細長形の開口孔から形成されるウエルとを備え、
前記ウエルの長手方向が前記アノード画素の前記蛍光体の長手方向と直交するように形成されているとともに、
前記エミッタ電極のウエルの形成範囲と前記蛍光体の形成範囲が重なり合わない領域が、色選択方向の重なり合わない領域が狭く、同色方向の重なり合わない領域が色選択方向の重なり合わない領域より広く形成されている
ことを特徴とする電界電子放出素子。
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