JPH10255696A

JPH10255696A - 発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10255696A
Application number: JP5125197A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Hori; 義和堀; Keisuke Koga; 賀啓介古; Akira Kaneko; 子彰金
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】低電力駆動および高精細表示の可能な表示素
子を提供する。【解決手段】基板１の表面に陰極となる電極２と０．
１ミクン以下の粒径を有する微粒子３を付着して電子源
を形成する。一方ガラス基板４の表面には陽極となる透
明電極５と半導体の発光層６が形成されている。基板１
または４のどちらかには、微小間隔または微小孔形状に
形成されて数ミクロン以下の一定の厚さを有するスペー
サ７が形成され、これを介して基板１と４が互いに対向
して配置されている。スペーサ７で囲まれた空間は真空
層８を形成している。陽極５に陰極２に対して正の電圧
を印加すると電子が真空層８に放出される。真空中に放
出された電子は高いポテンシャルエネルギーを有するた
めに、半導体発光層６の伝導帯に効率よく注入され、陽
極５から半導体発光層８の充満帯に注入された正孔と再
結合することにより光１０を発する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面型の発光素子
に係わるものである。特に、従来の電界放射型電子源を
用いた表示素子（ＦＥＤ）や電界発光素子（ＥＬＤ）で
は実現が困難であった低電力・高精細の自発光型表示素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高度情報化マルチメディア社会の発展に
伴い、低消費電力・高画質の平板型表示素子の開発が活
発化している。非発光型の液晶表示素子は、低消費電力
を特長としてその位置を確立し、携帯情報端末等への応
用とさらなる高性能化が進んでいる。一方、自発光型の
表示素子は、外光に影響されないことから、従来のＣＲ
Ｔの代替えとして大きな需要があり、さらにはＣＲＴで
は実現困難な大画面表示や超高精細表示を目論んで、電
界放射型ディスプレイ（ＦＥＤ）、電場発光型ディスプ
レイ（ＥＬＤ）等、新たな自発光型の平板表示素子の開
発が活発化している。

【０００３】スピントらは、半導体の微細加工技術を用
いた電界放射型の電子源アレイを提案し（参考文献１：
C.A.Spindt, J.Appl. Phys. Vol.39, p.3504(1986)
）、この電子源アレイから放出される電子を加速し、
蛍光体粒子を励起発光するタイプの三極管型のＦＥＤが
試作されるに至っている。また、クマーらは、ダイヤモ
ンド状炭素薄膜を用いた平面型冷陰極形成技術を提案
し、この平面型冷陰極と放出され、加速される電子で蛍
光体を励起発光するタイプの二極管型のＦＥＤも試作れ
ている。一方、タンらは、有機蛍光物質を一対の電極で
挟み電子を注入することにより、低電圧で発光する有機
ＥＬを提案し、文字表示素子等これを用いたＥＬＤが試
作されるに至っている。

【０００４】まず、スピントの提案した電界放射陰極の
構造および作成方法を第１の従来例として図１０に示
す。まず基板１０１の表面に、電極１０２、絶縁膜１０
３、ゲート電極１０４を成膜する（ａ）。次にゲート電
極１０４、絶縁膜１０３に小孔１０５を通常のフォトリ
ソプロセスで形成する（ｂ）。次にアルミナ層の犠牲層
１０６を基板１０１に対して浅い角度で蒸着する
（ｃ）。この工程によりゲート口径は縮小するとともに
ゲート電極１０４は犠牲層１０６に覆われる。その後、
モリブデン等のエミッタとなる金属膜１０７を基板１０
１に対して垂直に蒸着する（ｄ）。この蒸着とともにゲ
ート口径が小さくなるので、小孔の内部に円錐形のエミ
ッタ（陰極）１０８が形成される。そして、犠牲層のエ
ッチングによるリフトオフ法により不要の金属膜１０７
を除去する（ｅ）。このようにして形成された素子は、
エミッタ１０８の先端からゲート電極１０４によって電
子を真空中に引き出し、別途エミッタ１０８に対向して
設置されたアノード電極（陽極）で受けることで動作す
る。

【０００５】次に、これを用いたＦＥＤの概略を図１１
に示す。１１１はガラス基板、１１２は行電極としての
電極、１１３は電子源としてのエミッタ、１１４は列電
極としてのゲート電極である。また１１５はガラス基
板、１１６は陽極としての透明電極、１１７は蛍光体で
ある。１１８は高さ約２００ミクロンのスペーサであ
る。ゲート電極１１４に電圧を印加することにより、エ
ミッタ１１３から電子１１９が放出され、透明電極１１
６に印加されたさらに高い電圧により加速され、蛍光体
１１７を励起し、光１２０が生じる。

【０００６】次に、クマーの提案した平面型電界放射陰
極およびこれを用いた二極管型の表示素子の構造を第２
の従来例として図１２に示す。第１のガラス基板１２１
の表面に陰極となる電極層１２２が形成され、さらにそ
の表面に電子を放出するダイヤモンド状炭素薄膜１２３
が形成されている。また、第２のガラス基板１２４に
は、陽極となる透明電極１２５および蛍光体１２６が形
成されている。両基板１２１と１２４は、数ミリ〜数セ
ンチ毎に配置された高さ数百ミクロンのスペーサ１２７
により分離して配置されている。このような構造におい
て、数１００Ｖの電圧を陰極１２２と陽極１２５との間
に印加することにより、炭素膜１２３表面から電子１２
８が放出されると同時に、加速されて蛍光体１２６を励
起し、光１２９が生じる。

【０００７】次に、タンが提案した有機ＥＬ素子の概要
を第３の従来例として図１３を用いて説明する。ガラス
基板１３１の上に陽極となる酸化インジウム層からなる
透明電極１３２を形成し、次にその表面に有機薄膜層１
３３を形成して発光層とし、さらにその表面に陰極とな
る金属電極１３４を形成する。陽極１３２から正孔が注
入され、また陰極１３４から電子が注入され、発光層で
ある有機薄膜１３３中でこれらが再結合することにより
光１３５生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来例においては、蛍光体を発光させるために、ゲ
ート電極から引き出された電子を数１００Ｖの電圧で加
速して蛍光体に照射する必要があり、低電力で表示させ
ることは困難であった。また、電子源から放射した電子
は約３０度の半値幅を有する角度で広がって放射される
ため、画素の最低寸法はギャップとほぼ同程度であり、
超高精細のディスプレイを作製することは困難であっ
た。高精細化のためにはギャップを小さくすることによ
り原理的には高精細化は可能となるが、微小ギャップ間
に高い電圧を印加することになるので、放電等、素子自
体を破壊する現象が発生するため、実質的にギャップを
小さくすることは困難であった。陽極を細かく分離して
特定の陽極に選択的に電圧を印加することも考えられる
が、この場合には高い電圧をスイッチングする必要があ
るので消費電力が大きいという問題があった。そこで、
別途収束電極等を形成することも考えられるが、構造が
さらに複雑になるという問題が生じていた。また、蛍光
体粒子を高い運動エネルギーの電子を照射する事になる
ので、蛍光体粒子の破壊等により生じる放出ガスが陰極
の表面状態を変化させ、均一な表示を行うことが困難で
あった。

【０００９】また、上記第２の従来例においては、第１
の従来例と比較して簡単な構造を有するが、陰極から電
子を引出しさらに加速するために数１００Ｖという高い
電圧を印加し、さらにスイッチングを行う必要があり低
電力で動作させることは困難であった。また、第１の従
来例に比較すれば電子ビームの広がりを緩和することが
できるが、蛍光体粒子自体の寸法が数１０〜数１００ミ
クロンあるため、これ以上の高精細を均一に実現するこ
とは困難であった。さらに、陽極と陰極のギャップが大
きく、電界放射させるのに高い電圧を印加する必要があ
り、低電力で動作させることは不可能であった。また高
いアスペクト比のスペーサを均一に形成することは製造
上困難であり、またギャップがパネルの周辺部または局
部的に形成されたのスペーサで保持されるために、真空
ギャップを一定に保持することが困難であり、その結
果、画面上の場所により印加される電圧が異なり、発光
輝度のむらが生じるという問題が生じていた。

【００１０】また、上記第３の従来例においては、金属
陰極の仕事関数が有機発光層の仕事関数よりも大きいた
め、効率良く電子を注入することが不可能であった。ま
た有機薄膜は比較的化学に不安定であるため、表示用の
金属電極を形成するためにフォトリソ工程を用いること
ができず、金属電極を形成するためにはマスク蒸着を用
いざるを得なかった。そのために解像度は１ミリ程度弱
と大きく、超高解像度の表示素子を実現することは不可
能に近かった。またＴＦＴ等を陽極基板に形成するとい
う方式も考えれれているが、解像度がＴＦＴの解像度で
決定され、高解像度ＴＦＴを形成するには製造コストが
高くなるという問題があった。さらに、電子が陰極から
ドンネル現象で直接有機薄膜に注入されるため、表面の
凹凸や界面の不純物の影響を受けやすく、均一な表示を
行うことが困難であった。

【００１１】本発明は、このような従来の自発光型表示
素子の問題点を解決し、低電力・高精細・高均一な平板
型の発光素子およびその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、基板表面に導電性の陰極層とさらにその
表面に電界効果により真空中に電子を放出する複数の電
子源がアレイ状に形成された陰極基板と、基板表面に導
電性の陽極層とさらにその表面に発光層を含む薄膜層が
形成された陽極基板と、陰極基板の陰極層側の表面また
は陽極基板の発光層側の表面に微小間隔または微小孔形
状に形成された数ミクロン以下の一定の厚さを有するス
ペーサとを備え、このスペーサを介して陰極基板と陽極
基板とを互いに対向して配置することにより、電子源と
発光層の間に一定の厚さの真空層を形成したことを特徴
とするものであり、陽極と陰極の間に電圧を印加するこ
とにより、電子源から電子が真空中に放出され、さらに
真空層を経て発光層に到達して、この注入された電子と
陽極から注入された正孔が発光層内部で再結合すること
により光を発するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基板表面に導電性の陰極層とさらにその表面に電界
効果により真空中に電子を放出する複数の電子源がアレ
イ状に形成された陰極基板と、基板表面に導電性の陽極
層とさらにその表面に発光層を含む薄膜層が形成された
陽極基板と、前記陰極基板の陰極層側の表面または前記
陽極基板の発光層側の表面に微小間隔または微小孔形状
に形成された数ミクロン以下の一定の厚さを有するスペ
ーサとを備え、前記スペーサを介して陰極基板と陽極基
板とを互いに対向して配置することにより、前記電子源
と発光層の間に一定の厚さの真空層を形成したことを特
徴とする発光素子であり、低電力・高精細・高均一な平
板型の発光素子を実現することができるという作用を有
する。

【００１４】本発明の請求項２から請求項２３までに記
載の発明は、上記発光素子の構造を具体化したものであ
り、低電力・高精細・高均一な平板型の発光素子を実現
することができるという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項２４に記載の発明は、第１
の基板上に陽極電極と一定の厚さおよび特定の形状を有
するスペーサと発光層を形成して陽極基板を形成する工
程と、第２の基板上に陰極電極および電子源を形成して
陰極基板を形成する工程と、前記陽極基板と前記陰極基
板を真空中でそれぞれ陽極と陰極が数ミクロン以下の間
隔を隔てて対向するように配置して平面型真空素子を形
成する工程とを含む発光素子の製造方法であり、低電力
・高精細・高均一な平板型の発光素子を実現することが
できるという作用を有する。

【００１６】本発明の請求項２５に記載の発明は、第１
の基板上に陽極電極および発光層を形成して陽極基板を
形成する工程と、第２の基板に陰極電極と電子源と一定
の厚さおよび特定の形状を有するスペーサを形成して陰
極基板を形成する工程と、前記陽極基板と前記陰極基板
を真空中でそれぞれ陽極と陰極が数ミクロン以下の間隔
を隔てて対向するように配置して平面型真空素子を形成
する工程とを含む発光素子の製造方法であり、低電力・
高精細・高均一な平板型の発光素子を実現することがで
きるという作用を有する。

【００１７】（実施の形態１）以下、本発明の第１の実
施形態における発光素子の構造について図１を参照しな
がら説明する。図１において、１は基板であり、その表
面に陰極となる導電性の電極２と、さらにその表面に
０．１ミクロン以下の粒径を有する微粒子３が付着さ
れ、電界効果によりその表面から真空中に電子を放出す
る複数の電子源が形成されている。また、４は基板１に
対向して配置されたガラス基板であり、その表面に陽極
となる導電性の透明電極５と、さらにその表面に発光層
６が形成されている。そしてこれらの基板１と４が、陰
極側基板１の電極２側の表面または陽極側基板４の発光
層６側の表面の一部に微小間隔または微小孔を有する形
状に形成された数ミクロン以下の一定の厚さを有するス
ペーサ７を介して互いに対向して配置されている。スペ
ーサ７で囲まれた空間８には、真空層８が形成されてい
る。

【００１８】このような構造において、陽極側透明電極
５に陰極側電極２に対して正の電圧を印加することによ
り、電子源である微粒子３表面に高い電界が集中し、そ
の結果、電子が真空層８に放出される。真空層８に放出
された電子は、高いポテンシャルエネルギーを有するた
めに、発光層６の伝導帯に効率よく注入され、そして陽
極側透明電極５から発光層６の充満帯に注入された正孔
と再結合することにより光１０を発する。発した光１０
は、透明電極５を通過するので観測することが可能であ
る。

【００１９】本実施の形態では、陽極側に透明電極５と
透明基板４を用いたが、陰極側に透明電極と透明基板を
用いた場合は、発光する光を陰極側から観測することが
できる。また両方に透明電極と透明基板と用いることに
より、発光する光を両側から観測できるディスプレイを
実現することが可能である。

【００２０】また、本実施の形態における発光層６は、
半導体薄膜や有機薄膜等、電子の励起状態と非励起状態
を有する媒体であり、電子とホールが再結合することに
より発光を示す媒体であればよい。

【００２１】次に、本実施の形態１における発光の原理
を図２に示すエネルギーダイヤグラムを用いて説明す
る。まず初めに、発光層６にＰ型の半導体を用いた場合
について説明する。陰極２１から真空層２２に放出され
た電子２５がＰ型半導体２３の伝導帯に注入される。ま
た陽極２４からＰ型半導体２３に正孔２６が注入され
る。そして半導体２３内部には電子正孔対２７が形成さ
れ、互いに結合することにより光２８を発する。この発
光メカニズムは、電場発光素子の発光メカニズムに類似
しているが、電子の注入方法が全く異なる。この例で
は、陰極２１の電子が一旦真空層２２に放出されるた
め、陰極２１との界面での接合障壁や再結合が生じるこ
となく、効率よく電子を注入することが可能である。

【００２２】次に、ＰＮ接合を用いた場合の発光の原理
を図３に示すエネルギーダイヤグラムを用いて説明す
る。陰極３１から真空層３２に放出された電子３７がＮ
型の半導体３３の伝導帯に注入され、注入された電子は
接合部３４に向かって移動する。また陽極３６からＰ型
半導体３５に注入された正孔３８は、接合部３４に向か
って逆方向に移動する。そして接合部３４には電子正孔
対３９が形成され、互いに結合することにより光４０を
発する。この構造における発光メカニズムは、発光ダイ
オードのそれに類似しているが、電子の注入方法が異な
る。この例では、陰極３１の電子が一旦真空層３２に放
出されるために、発光ダイオードのように陰極３１との
界面での接合障壁や再結合が生じることなく、低電圧で
も効率よく電子を注入することが可能である。

【００２３】図３ではＰＮ接合を用いているが、ヘテロ
接合構造を形成し、電子と正孔の結合がさらに生じやす
い構造にすることも可能である。また、図２および図３
においては、発光層６っとして半導体を用いたが、必ず
しも半導体である必要はなく、電子の励起状態と非励起
状態を有する有機分子膜でもよい。

【００２４】また、半導体においてＰＮ接合を形成する
のと同様に、電子導電性有機媒体と正孔輸送性有機媒体
を接合させてもよい。この場合は電子伝導性媒体に真空
を介して電子が注入され、また正孔輸送性媒体には陽極
から正孔が注入され、互いに注入された電子と正孔が接
合部近傍で再結合し発光することになる。また、色素分
子が添加された有機色素薄膜を用いて積層構造にするこ
とにより、さらに効率の良い構造を形成することも可能
である。

【００２５】また、本実施の形態１においては、電子源
として微粒子３を用いたが、必ずしも微粒子である必要
はなく、先端部が急峻な構造を有するコーン形状または
針状の構造であってもよい。また、ディスクエッジ型の
電子源であり、ディスクの周辺部から電子が放出される
構造の電子源であってもよい。

【００２６】（実施の形態２）次に、本発明の第２の実
施の形態として、陰極がコーン型の電子源である場合の
発光素子の例を示す。図４は蒸着法により形成したスピ
ント型の電子源を備えた発光素子の概略構造を示す。図
４において、４１はガラス基板であり、その表面に陰極
となる導電性の電極４２と、さらにその表面にコーン構
造の電子源４３が形成され、電界効果によりコーン構造
の先端部近傍から真空中に電子が放出される。また、個
々の電子源４３の周辺部には、前記従来例で示したよう
に、コーン構造の高さ以上の一定の厚さを有するスペー
サ４４が形成されている。４５はガラス基板４１に対向
するガラス基板であり、その表面に陽極となる導電性の
透明電極４６と、さらにその表面に発光層４７が形成さ
れている。そしてこれらの基板４１と４４が、互いにス
ペーサ４４を介して対向して配置されている。スペーサ
４４で囲まれた空間部は、一定の厚さの真空層４８を形
成しており、陰極４２と陽極４６とは数ミクロン以下の
間隔を隔てて配置されている。

【００２７】このような構造において、陽極４６に陰極
４２に対して正の電圧を印加することにより、コーン構
造の電子源４３の先端部表面に高い電界が印加され、そ
の結果、電子が真空層４８に放出される。真空層４８に
放出された電子は、高いポテンシャルエネルギーを有す
るため、半導体発光層４７の伝導帯に効率よく注入さ
れ、そして陽極４６から充満帯に注入された正孔と再結
合することにより光４９を発する。

【００２８】本実施の形態２においては、スピント型の
電子源４３を用いたが、この電子源４３は、必ずしも蒸
着法で形成されていなくてもよく、例えばシリコンの異
方性エッチングを応用した先端部の急峻な形状の電子源
であればよい。

【００２９】（実施の形態３）次に、本発明の第３の実
施の形態として、陰極がＳＯＩ(Silicon on Insurator)
基板上に形成された電子源である場合の発光素子の例を
図５に示す。ＳＯＩ基板にとしては、シリコン基板の表
面に熱酸化膜を介して薄い（１００）結晶が張り付けら
れてなる基板を用いた。図５において、５１はシリコン
基板であり、その表面に酸化層５２、陰極となる導電性
のシリコン電極層５３と、さらにその表面にコーン構造
のシリコン電子源５４が形成され、電界効果によりシリ
コンのコーン構造の先端部近傍から真空中に電子が放出
される。また、複数のシリコン電子源５４の周辺部に
は、コーン構造の高さ以上に厚い一定の厚さを有するシ
リコンのスペーサ５５が形成されている。５６はシリコ
ン基板５１に対向するガラス基板であり、その表面に陽
極となる導電性の透明電極５７と、さらにその表面に半
導体の発光層５８が形成されている。そしてこれらの基
板５１と５６が、互いにスペーサ５５を介して対向して
配置されている。スペーサ５５で囲まれた空間部は、一
定の厚さの真空層５９を形成している。

【００３０】このような構造において、陰極シリコン電
極５２に数ミクロン以下の距離を介して対向する陽極透
明電極５７に対して、数ボルト〜数１０ボルトの正の電
圧を印加することにより、コーン構造のシリコン電子源
５４の先端部表面には高い電界が誘発され、その結果、
陰極５３表面から電子が真空層５９に放出される。真空
層５９に放出された電子は、高いポテンシャルエネルギ
ーを有するため、半導体発光層５８の伝導帯に効率よく
注入され、そして陽極５７から充満帯に注入された正孔
と再結合することにより光６０を発する。

【００３１】（実施の形態４）次に、本発明の第４の実
施の形態について説明する。図４および図５において
は、先端部の急峻な電子源構造を用いたが、必ずしもこ
れに限定されず平面型の構造であってもかまわない。特
に負の仕事関数を有する媒体で電子源の表面を形成した
場合には、極めて低い電圧で電子を真空中に放出し、か
つ発光層に注入することが可能である。図６はこのよう
な負の仕事関数を有する平面型の電子源構造の発光素子
の例を示す。

【００３２】図６において、６１はガラス基板であり、
その表面に少なくとも、陰極となる導電性の陰極層６２
と、アモルファスシリコン層６３と、数原子層またはそ
れ以下の原子層からなるセシウム層６４とが順に積層さ
れている。本実施の形態では、仕事関数が非常に小さい
材料を電子放出層として用いているため、微小電圧を印
加するだけでセシウム層６４の表面から電子を真空中に
放出させることができる。６５はガラス基板６１に対向
するガラス基板であり、その表面に陽極となる導電性の
透明電極６６と、さらにその表面に半導体の発光層６７
が形成されている。そしてこれらの基板６１と６５が、
互いに陰極側基板６１のセシウム層６４側の表面または
陽極側基板６５の発光層６７側の表面の一部に付着形成
された数ミクロン以下の一定の厚さを有するスペーサ６
８を介して対向して配置されている。スペーサ６８で囲
まれた空間部は、一定の厚さの真空層６９を形成してい
る。

【００３３】このような構造において、陽極６６に陰極
６２に対して正の電圧を印加することにより、陰極６２
の表面に高い電界が印加され、その結果、電子が真空層
６９に放出される。真空層６９に放出された電子は、高
いポテンシャルエネルギーを有するため、半導体発光層
６７の伝導体に効率よく注入され、そして陽極６６から
充満体に注入された正孔と再結合することにより光７０
を発する。

【００３４】以上の各実施の形態においては、本発明を
発光素子について記述したが、さらに電極をＸ方向とＹ
方向に分割することにより、ディスプレイを実現するこ
とが可能である。本発明による発光素子においては、画
素の大きさはスペーサおよび微小真空セルのサイズにま
で縮小することができるので、ＸおよびＹ方向の電極を
微細に形成することにより、超高精細のディスプレイを
実現することが可能である。

【００３５】また、各実施の形態における発光層の外側
に、例えば窒化ガリウムによるフィルタや色変換素子ま
たは波長選択素子を形成することにより、カラーディス
プレイを容易に形成することが可能となる。これらのカ
ラー分離素子は、フォトリソ法により容易に実現できる
ので、超高精細のディスプレイの実現が可能になる。

【００３６】（実施の形態５）次に、本発明の第５の実
施の形態におけるカラーディスプレイの素子構造を図７
を用いて説明する。図７において、７１はガラス基板で
あり、その表面にＸ方向に分割された陰極となる導電性
の電極７２と、さらにその表面に複数の微粒子７２が形
成され、電界効果により微粒子の表面から真空中に電子
を放出する複数の電子源が形成されている。７４はガラ
ス基板７１に対向するガラス基板であり、その表面にそ
れぞれ赤、緑、青色を選択的に透過するカラーフィルタ
７５が形成され、またその表面にＹ方向に分割された陽
極となる導電性の透明電極７６と、さらにその表面に白
色発光する有機発光層７７が形成されている。これらの
基板７１と７４が、陰極側基板７１の電極７２側の表面
または陽極側基板７４の有機発光層７７側の表面の一部
に付着形成された数ミクロン以下の一定の厚さを有する
スペーサ７８を介して互いに対向して配置されている。
スペーサ７８で囲まれた空間部は、一定の厚さの真空層
７９を形成している。

【００３７】このような構造において、特定のＸおよび
Ｙ電極間に電圧を印加することにより、有機発光層７７
から白色の光が発せられ、さらにカラーフィルタ７５を
通過することにより、赤、緑、青の光を外部に取り出す
ことができる。

【００３８】本実施の形態５においては、電子源微粒子
７３から放出された電子が殆ど広がることがなく、画素
の最小寸法をスペーサ７８の厚さ程度の微小寸法に設定
することが可能であり、極めて高精細な表示素子を構成
することが可能である。また、有機発光層７７が有機薄
膜等、耐熱性・耐プロセス性に欠ける媒体であっても薄
膜形成後に微細加工を施す必要性がなく、発光材料が限
定されないという大きな特長を有する。さらに、注入さ
れる電子は高いポテンシャルエネルギーを有するため、
発光層の表面の影響は受けにくいので、均一でかつ高効
率の電子注入が可能である。従って、有機発光層７７の
表面に保護膜を形成することにより、一層信頼性の高い
表示素子を構成することも可能となる。

【００３９】（実施の形態６）以上の各実施の形態にお
いては、本発明における発光素子の構造を説明したが、
以下に本発明の発光素子の具体的な製造方法について図
８を用いて説明する。まずガラス基板８１の表面にパタ
ーニングされた陽極となる透明電極８２を形成する
（ａ）。次にその表面に蛍光を発する有機分子薄膜であ
る発光層８３をスピンコートして陽極基板を作製する
（ｂ）。次に、もう一方のガラス基板８４に透明電極８
５を形成し（ｃ）、その表面に数ミクロン以下の一定の
厚さの絶縁膜８６を形成する（ｄ）。次に、フォトリソ
とエッチングにより絶縁膜８６を特定の形状、例えば数
ミクロンの微小孔が約１ミクロン間隔を隔てて配置され
るように加工してスペーサ８８を形成し、各スペーサ８
８の上にレジスト８７を被覆した状態でシリコン微粒子
８９をレーザアブレーションにより蒸着形成することに
より、表面にシリコン微粒子を形成する（ｅ）。次に、
レジスト８７を除去することにより基板表面のスペーサ
８８で囲まれた領域の内部に電子源となる微粒子８９を
形成して陰極基板を形成する（ｆ）。そして、（ｂ）で
形成された陽極基板と（ｆ）で形成された陰極基板とを
真空中でそれぞれ対向させて配置することにより、陽極
と陰極が数ミクロン以下の真空層を隔てた平面型の真空
素子が形成され、目的とする発光素子が構成される
（ｇ）。

【００４０】この製造方法では、シリコン微粒子をレー
ザアブレーションにより形成しているが、必ずしもシリ
コンに限定される必要はなく、ダイヤモンド微粒子等、
比較的仕事関数が低く低電圧で電子を放出する材料であ
ればよい。また、レーザアブレーションを用いなくと
も、ダイヤモンド等の微粒子を分散させた媒体を表面に
被覆し、その後媒体を乾燥や溶解等の方法により選択的
に除去して、表面に微粒子を形成させることも可能であ
る。

【００４１】また、微粒子を付着形成した後にドライエ
ッチングを施す等の方法により、先端部に微粒子が付着
した針状構造の電子源、またはサイドエッチングを伴う
エッチング法にて針状構造を形成し、その後微粒子を除
去することにより、微粒子径よりもさらに先端半径の小
さな針状構造が形成できる。また、微粒子の側面部がエ
ッチングされていることによりさらに低電圧で動作させ
ることができる。また、本実施の形態では、スペーサ８
８を陰極側基板８４に形成しているが、陽極側基板８１
に形成してもよい。

【００４２】（実施の形態７）図８に示した実施の形態
６においては、陰極基板、陽極基板共にガラス基板を用
い、さらに平面形状に近い電子源を用いたが、必ずしも
これに限定されるものではない。図９は本発明の製造方
法の他の例として、陰極基板にＳＯＩ基板を用い、電子
源としてコーン型形状を用いた場合の例を示す。まずガ
ラス基板９１の表面にパターニングされた陽極となる透
明電極９２を形成する（ａ）。次にその表面に蛍光を発
する有機分子薄膜である発光層９３をスピンコートして
陽極基板を形成する（ｂ）。次に、シリコン基板９４１
の上に酸化膜からなる絶縁層９４２とシリコン層９４３
を順に積層してＳＯＩ基板９４を作成する（ｃ）。次に
ＳＯＩ基板９４に酸化膜９５を形成し（ｄ）、フォトリ
ソにより酸化膜９５を直径１ミクロン程度のドットマス
ク９６とスペーサを形成するためのスペーサマスク９７
を整形する（ｅ）。次にドライエッチングにより、ドッ
トマスク９６の下部のシリコン層９４３をコーン形状９
９に整形するとともに、スペーサマスク９７の下部をス
ペーサ９８に整形する（ｆ）。さらに、シリコンコーン
形状９９の側面に熱酸化を施し、フッ酸でマスク９６、
９７を構成する酸化膜を除去することにより、急峻な先
端を有するシリコン電子源１００を形成する（ｇ）。こ
れにより、シリコン層９４３の電子源１００およびシリ
コン電極１０１以外の部分が、電子源１００先端部より
も厚い構造でかつ一定の厚さを有するスペーサ９８を有
する陰極基板が形成される。次に、（ｂ）で形成された
陽極基板と（ｇ）で形成された陰極基板とを真空中でそ
れぞれ対向するように配置することにより、陽極と陰極
が数ミクロン以下の真空層を隔てて対向する平面型の真
空素子が形成され、目的とする発光素子が構成される
（ｈ）。

【００４３】この製造方法では、コーン型の電子源とし
てＳＯＩ基板９４を用いているが、シリコン基板を用い
ることも可能である。また、シリコン電子源に限らず、
スピント型の電子源を用いることも可能であることは自
明である。

【００４４】

【発明の効果】以上の各実施の形態で示したように、本
発明は従来の電界放射型表示素子（ＦＥＤ）および電界
発光型表示素子（ＥＬＤ）の限界を克服し、従来にはな
い低消費電力・高画質の自発光型の平板型表示素子を提
供することができ、産業上極めて大きな効果が期待でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における発光素子の
概略断面図

【図２】本発明の発光原理を示すエネルギーダイヤグラ
ム図

【図３】本発明の発光原理を示すエネルギーダイヤグラ
ム図

【図４】本発明の第２の実施の形態における発光素子の
概略断面図

【図５】本発明の第３の実施の形態における発光素子の
概略断面図

【図６】本発明の第４の実施の形態における発光素子の
概略断面図

【図７】本発明の第５の実施の形態における表示素子の
概略断面図

【図８】本発明の第６の実施の形態における発光素子の
各製造工程における概略断面図

【図９】本発明の第７の実施の形態における発光素子の
各製造工程における概略断面図

【図１０】第１の従来例におけるＦＥＤ用スピント型電
子源の各製造工程における概略断面図

【図１１】第１の従来例における三極管構造ＦＥＤの概
略断面図

【図１２】第２の従来例における二極管構造のＦＥＤの
概略断面図

【図１３】第３の従来例における有機ＥＬの概略断面図

【符号の説明】

１基板２電極（陰極）３微粒子４透明基板５透明電極（陽極）６発光層７スペーサ８真空層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面に導電性の陰極層とさらにその
表面に電界効果により真空中に電子を放出する複数の電
子源がアレイ状に形成された陰極基板と、基板表面に導
電性の陽極層とさらにその表面に発光層を含む薄膜層が
形成された陽極基板と、前記陰極基板の陰極層側の表面
または前記陽極基板の発光層側の表面に微小間隔または
微小孔を有する形状に形成された数ミクロン以下の一定
の厚さを有するスペーサとを備え、前記スペーサを介し
て陰極基板と陽極基板とを互いに対向して配置すること
により、前記電子源と発光層の間に一定の厚さの真空層
を形成したことを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記陰極基板または発光層を除く陽極基
板のうちの少なくとも一方が透明であることを特徴とす
る請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】前記スペーサが、絶縁性の媒体または絶
縁性媒体上に形成された導電性媒体からなり、陰極基板
または陽極基板上に周期的に形成されていることを特徴
とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】前記スペーサが、陰極基板上に形成され
た複数の電子源の個々の電子源の周辺部または一定数の
電子源の周辺部に電子源を包囲して形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】前記陰極基板が、ＳＯＩ基板であること
を特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】前記導電性の陰極層および陽極層が、そ
れぞれの基板状に一定の幅と周期を有する縞状の複数電
極に分割形成され、かつそれぞれの縞の方向が互いに直
交する構成を有し、任意の縞状陰極と任意の縞状陽極の
間に電圧を印加することにより、それぞれの電極が立体
的に交差する部分に形成される複数の画素のうちの任意
の画素が発光することを特徴とする請求項１に記載の発
光素子。
【請求項７】前記スペーサが、絶縁性の媒体または絶
縁性の媒体上に形成された導電性媒体からなり、かつ前
記電子源の周辺部に形成されていることを特徴とする請
求項５に記載の発光素子。
【請求項８】前記発光層が、白色を発する発光層であ
り、かつ陽極基板または陰極基板に、前記発光層から発
する白色のうちの特定の可視光を選択透過させるフィル
タ層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の
発光素子。
【請求項９】前記発光層が、青色またはそれ以下の短
波長色を発する発光層であり、かつ陽極基板または陰極
基板に、前記発光層から発する短波長を可視光に変換す
る色変換層が形成されていることを特徴とする請求項１
記載の発光素子。
【請求項１０】前記発光層が半導体の単結晶または多
結晶であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項１１】前記フィルタ層または色変換層が窒化
ガリウムであることを特徴とする請求項８または請求項
９に記載の発光素子
【請求項１２】前記発光層が有機薄膜であることを特
徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１３】前記陽極層が透明電極であり、前記発
光層の中間に正孔輸送層が配置されていることを特徴と
する請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１４】前記発光層の表面が０．１ミクロン以
下の絶縁膜で被覆されていることを特徴とする請求項１
に記載の発光素子。
【請求項１５】前記電子源がコーン形状または針状形
状であり、その先端部からで電子が放出されることを特
徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１６】前記電子源が円盤状またはテラス型の
形状であり、その円盤またはテラスの周辺部から電子が
放出されることを特徴とする請求項１に記載の発光素
子。
【請求項１７】前記電子源が０．１ミクロン以下の径
からなる微粒子で形成されることを特徴とする請求項１
に記載の発光素子。
【請求項１８】前記電子源が柱状構造であり、その先
端部に０．１ミクロン以下の径を有する微粒子が配置さ
れていることを特徴とする請求項１５に記載の発光素
子。
【請求項１９】前記微粒子が負の仕事関数を有する媒
体からなることを特徴とする請求項１５または１６に記
載の発光素子。
【請求項２０】前記微粒子がダイヤモンド微粒子であ
ることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子。
【請求項２１】前記電子源が平面上の構造であり、か
つその表面が負の仕事関数を有する媒体からなることを
特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項２２】前記電子源がその表面全体または一部
が数原子層以下のセシウムまたは酸化セシウムで被覆さ
れた半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の
発光素子。
【請求項２３】前記半導体層がアモルファスシリコン
であることを特徴とする請求項２２に記載の発光素子。
【請求項２４】第１の基板上に陽極電極と一定の厚さ
および特定の形状を有するスペーサと発光層を形成して
陽極基板を形成する工程と、第２の基板上に陰極電極お
よび電子源を形成して陰極基板を形成する工程と、前記
陽極基板と前記陰極基板を真空中でそれぞれ陽極と陰極
が数ミクロン以下の間隔を隔てて対向するように配置し
て平面型真空素子を形成する工程とを含む発光素子の製
造方法。
【請求項２５】第１の基板上に陽極電極および発光層
を形成して陽極基板を形成する工程と、第２の基板に陰
極電極と電子源と一定の厚さおよび特定の形状を有する
スペーサを形成して陰極基板を形成する工程と、前記陽
極基板と前記陰極基板を真空中でそれぞれ陽極と陰極が
数ミクロン以下の間隔を隔てて対向するように配置して
平面型真空素子を形成する工程とを含む発光素子の製造
方法。