JPH10308166A - 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 - Google Patents
電子放出素子及びこれを用いた表示装置Info
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Abstract
る。 【解決手段】 金属又は半導体からなる電子供給層、電
子供給層上に形成された絶縁体層及び絶縁体層上に形成
され真空空間に面する金属薄膜電極からなり、電子供給
層及び金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放出する電
子放出素子であって、絶縁体層は平均の粒径が5〜100n
mのアモルファス相を主成分とし多結晶相を含むアモル
ファス誘電体からなり、50nm以上の膜厚を有する。
Description
これを用いた電子放出表示装置に関する。
(field emission display)が、陰極の加熱を必要としな
い冷陰極の電子放出源のアレイを備えた平面形発光ディ
スプレイとして知られている。例えば、spindt型冷陰極
を用いたFEDの発光原理は、冷陰極アレイが異なるも
ののCRT(cathode ray tube)と同様に、陰極から離間
したゲート電極により電子を真空中に引出し、透明陽極
に塗布された蛍光体に衝突させて、発光させるものであ
る。
spindt型冷陰極の製造工程が複雑で、その工程数が多い
ので、製造歩留まりが低いといった問題がある。また、
面電子源として金属-絶縁-金属(MIM)構造の電子放
出素子もある。MIM構造の電子放出素子には、基板上
に下部Al層、膜厚10nm程度のAl2O3絶縁体層、膜厚1
0nm程度の上部Au層を順に形成した構造のものがある。
これを真空中で対向電極の下に配置して下部Al層と上部
Au層の間に電圧を印加するとともに対向電極に加速電圧
を印加すると、電子の一部が上部Au層を飛び出し対向電
極に達する。しかしながら、この素子を表示装置として
使用するにはまだ放出電子量が不足している。これを改
善するために、従来のAl2O3絶縁体層のさらなる数nm程
度膜厚への薄膜化や、極薄膜のAl2O3絶縁体層の膜質及
びAl2O3絶縁体層と上部Au層の界面を、より均一化する
ことが必要であると考えられている。
一化のために陽極酸化法を用いて、化成電流を制御する
ことにより電子放出特性を向上させる試みがなされてい
る(特開平7-65710号公報)。しかしながら、M
IM構造の電子放出素子でも、まだ放出電流は1x10
-6A/cm2程度で、放出電流比は1x10-3程度である。
に鑑みてなされたものであり、電子放出効率の高い電子
放出素子及びこれを用いた電子放出表示装置を提供する
ことを目的とする。
は、金属又は半導体からなる電子供給層、前記電子供給
層上に形成された絶縁体層及び前記絶縁体層上に形成さ
れ真空空間に面する金属薄膜電極からなり、前記電子供
給層及び前記金属薄膜電極間に電界を印加し電子を放出
する電子放出素子であって、前記絶縁体層は平均の粒径
が5〜100nmのアモルファス相を主成分とし多結晶相を
含むアモルファス誘電体からなり、50nm以上の膜厚を
有することを特徴とする。
膜厚を有するので、スルーホールが発生しにくく製造歩
留まりが向上する。素子の放出電流は1x10-6A/cm2
を越え1x10-3A/cm2程度であり、放出電流比は1x
10-1が得られるので、表示素子とした場合、高輝度が
得られ、駆動電流の消費及び発熱を抑制でき、さらに駆
動回路への負担を低減できる。さらに、本発明の電子放
出素子は、画素バルブの発光源、電子顕微鏡の電子放出
源、真空マイクロエレクトロニクス素子などの高速素子
に応用でき、さらに面状又は点状の電子放出ダイオード
として、赤外線又は可視光又は紫外線の電磁波を放出す
る発光ダイオード又はレーザダイオードとして動作可能
である。
空間を挾み対向する一対の第1及び第2基板と、前記第
1基板内面に設けられた複数の電子放出素子と、前記第
2基板内面に設けられたコレクタ電極と、前記コレクタ
電極上に形成された蛍光体層と、からなる電子放出表示
装置であって、前記電子放出素子の各々は、前記第1基
板側に形成された金属又は半導体からなる電子供給層、
前記電子供給層上に形成された絶縁体層及び前記絶縁体
層上に形成され前記真空空間に面する金属薄膜電極から
なり、前記絶縁体層は、50nm以上の膜厚を有しかつ平
均の粒径が5〜100nmのアモルファス相を主成分とし多
結晶相を含むアモルファス誘電体からなることを特徴と
する。
は、真空空間を挾み対向する一対の素子基板及び透明基
板と、前記素子基板に設けられそれぞれ平行に伸長する
複数のオーミック電極と、各々が前記オーミック電極上
に形成された金属又は半導体からなる電子供給層、前記
電子供給層上に形成されたアモルファス相を主成分とし
結晶粒径が5〜100nmの多結晶を含むアモルファス誘電
体からなる絶縁体層及び前記絶縁体層上に形成され前記
真空空間に面する金属薄膜電極からなる複数の電子放出
素子と、隣接する前記金属薄膜電極を電気的に接続しそ
の一部上に、前記オーミック電極に垂直に伸長して架設
され、それぞれが平行に伸長する複数のバス電極と、前
記透明基板に設けられそれぞれ平行に伸長しかつ前記金
属薄膜電極からの放出電子を捕獲する複数のコレクタ電
極と、前記コレクタ電極上に形成された蛍光体層からな
ることを特徴とする。
照しつつ説明する。図1に示すように、電子放出素子
は、オーミック電極11を備えた基板10上に順に形成
された、金属又は半導体からなる電子供給層12、絶縁
体層13及び真空空間に面する金属薄膜電極15からな
り、電子供給層及び金属薄膜電極間に電界を印加し電子
を放出する電子放出素子である。絶縁体層13は誘電体
からなり50nm以上の極めて厚い膜厚を有するものであ
る。電子放出素子は、表面の薄膜電極を正電位Vdにし
裏面オーミック電極を接地電位としたダイオードであ
る。オーミック電極11と薄膜電極15との間に電圧V
dを印加し電子供給層12に電子を注入すると、ダイオ
ード電流Idが流れ、絶縁体層13は高抵抗であるの
で、印加電界の大部分は絶縁体層にかかる。電子は、金
属薄膜電極15側に向けて絶縁体層13内を移動する。
金属薄膜電極付近に達した電子は、そこで強電界により
一部は金属薄膜電極をトンネルし、外部の真空中に放出
される。このトンネル効果によって薄膜電極15から放
出された電子e(放出電流Ie)は、対向したコレクタ
電極(透明電極)2に印加された高電圧Vcによって加
速され、コレクタ電極に集められる。コレクタ電極に蛍
光体が塗布されていれば対応する可視光を発光させる。
Siが特に有効であるが、ゲルマニウム(Ge)、炭化シリ
コン(SiC)、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化インジウム(In
P)、セレン化カドミウム(CdSe)など、IV族、III−V
族、II−VI族などの単体半導体及び化合物半導体が、用
いられ得る。又は、電子供給層の材料としてAl, Au, A
g, Cuなどの金属でも有効であるが、Sc, Ti, V, Cr, M
n, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh,
Pd, Cd, Ln, Sn, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Tl, Pb, La,
Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Y
b, Luも用いられ得る。
iOx(xは原子比を示す)が特に有効であるが、 Li
Ox, LiNx, NaOx, KOx, RbOx, CsOx, BeOx, Mg
Ox, MgNx, CaOx, CaNx, SrOx, BaOx, ScOx, Y
Ox, YNx, LaOx, LaNx, CeOx,PrOx, NdOx, Sm
Ox, EuOx, GdOx, TbOx, DyOx, HoOx, ErOx, TmO
x, YbOx, LuOx, TiOx, TiNx, ZrOx, ZrNx, Hf
Ox, HfNx, ThOx, VOx, VNx, NbOx, TaOx, Ta
Nx, CrOx, CrNx, MoOx, MoNx, WOx, WNx, Mn
Ox, ReOx, FeOx, FeNx, RuOx, OsOx, CoOx, RhO
x, IrOx, NiOx, PdOx, PtO x, CuOx, CuNx, Ag
Ox, AuOx, ZnOx, CdOx, HgOx, BOx, BNx, Al
Ox,AlNx, GaOx, GaNx, InOx, TiOx, TiNx, Si
Nx, GeOx, SnOx, PbOx, PO x, PNx, AsOx, Sb
Ox, SeOx, TeOxなどの金属酸化物又は金属窒化物で
も、LiAlO2, Li2SiO3, Li2TiO3, Na2Al22O34, NaFeO2,
Na4SiO4, K2SiO3, K2TiO3,K2WO4, Rb2CrO4, Cs2CrO4, M
gAl2O4, MgFe2O4, MgTiO3, CaTiO3, CaWO4, CaZrO3, Sr
Fe12O19, SrTiO3, SrZrO3, BaAl2O4, BaFe12O19, Ba
TiO3, Y3Al5O12, Y 3Fe5O12, LaFeO3, La3Fe5O12, L
a2Ti2O7, CeSnO4, CeTiO4, Sm3Fe5O12, EuFeO3, Eu
3Fe5O12, GdFeO3, Gd3Fe5O12, DyFeO3, Dy3Fe
5O12, HoFeO3, Ho3Fe5O12, ErFeO3, Er3Fe5O12, T
m3Fe5O12, LuFeO3, Lu3Fe5O12, NiTiO3, Al2TiO3,
FeTiO3, BaZrO3, LiZrO3, MgZrO3, HfTiO4, NH4V
O3, AgVO3,LiVO3, BaNb2O6, NaNbO3, SrNb2O6, K
TaO3, NaTaO3, SrTa2O6, CuCr2O4, Ag2CrO4, BaCr
O4, K2MoO4, Na2MoO4, NiMoO4, BaWO4, Na2WO4,
SrWO4, MnCr2O4, MnFe2O4, MnTiO3, MnWO4, CoFe2O
4, ZnFe2O4,FeWO4, CoMoO4, CoTiO3, CoWO4, NiF
e2O4, NiWO4, CuFe2O4, CuMoO4, CuTiO3, CuWO4,
Ag2MoO4, Ag2WO4, ZnAl2O4, ZnMoO4, ZnWO4, CdS
nO3, CdTiO3, CdMoO 4, CdWO4, NaAlO2, MgAl2O4,
SrAl2O4, Gd3Ga5O12, InFeO3, MgIn2O4, Al2TiO5,
FeTiO3, MgTiO3, NaSiO3, CaSiO3,ZrSiO4, K2GeO
3,Li2GeO3, Na2GeO3, Bi2Sn3O9, MgSnO3, SrSn
O3, PbSiO3, PbMoO4, PbTiO3, SnO2-Sb 2O3, CuSeO
4, Na2SeO3, ZnSeO3, K2TeO3, K2TeO4, Na2TeO3,
Na2TeO4などの金属複合酸化物でも、FeS, Al2S3, MgS,
ZnSなどの硫化物、LiF, MgF2, SmF3などのフッ化物、H
gCl, FeCl2, CrCl3などの塩化物、AgBr, CuBr, MnBr2な
どの臭化物、PbI2, CuI, FeI2などのヨウ化物、又は、S
iAlONなどの金属酸化窒化物でも有効である。
ヤモンド,フラーレン(C2n)などの炭素、或いは、Al
4C3,B4C,CaC2,Cr3C2,Mo2C,MoC,NbC,SiC,TaC,T
iC,VC,W2C,WC,ZrCなどの金属炭化物も有効である。
なお、フラーレン(C2n)は炭素原子だけからなりC60に
代表される球面篭状分子でC32〜C960などがあり、ま
た、上式中、Ox,Nxのxは原子比を表す。以下、同じ。
電子放出側の金属薄膜電極材料としてはPt, Au, W, Ru,
Irなどの金属が有効であるが、Al, Sc, Ti, V, Cr, M
n, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Rh, P
d, Ag, Cd, Ln, Sn, Ta, Re, Os, Tl, Pb, La, Ce, Pr,
Nd, Pm, Sm,Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Luも用
いられ得る。素子基板10の材質はガラスの他に、Al
2O3,Si3N4、BN等のセラミックスでも良い。
グ法が特に有効であるが、真空蒸着法、CVD(chemic
al vapor deposition)法、レーザアブレイション法、
MBE(molecular beam epitaxy)法、イオンビームス
パッタリング法でも有効である。 (実施例)具体的に、電子放出素子を作製し特性を調べ
た。
より膜厚300nmで形成したガラス基板の電極表面
に、シリコン(Si)の電子供給層をスパッタリング法
により膜厚5000nmで形成した。かかるSi基板を
多数用意した。次に、スパッタリング法により、かかる
Si基板の電子供給層上に膜厚を0〜500nmに変化
させてSiO2の絶縁体層を成膜し、かかるSiO2絶縁
体基板を多数用意した。SiO2絶縁体層は、スパッタ
リング法をとおして、Ar,Kr,Xeあるいはそれら
の混合ガス、又はこれらの希ガスを主成分としO2,
N2,H2などを混入した混合ガスを用いてガス圧0.1
〜100mTorr好ましくは0.1〜20mTorr、成膜レー
ト0.1〜1000nm/min好ましくは0.5〜100nm
/minのスパッタ条件で成膜されている。スパッタリング
装置のターゲットやスパッタ条件を適宜変えることによ
り、絶縁体層の単層又は多層、アモルファス又は結晶
相、粒径、原子比は制御され得る。
回折法で分析したところ結晶部分の回折強度Icとアモ
ルファス相によるハロー強度Iaの比Ic/Iaはおよ
そ5/95であった。このことから絶縁体層のSiO2
はその5%が分散した結晶部からなり、95%がアモル
ファス相であると推定できる。最後に、各基板のアモル
ファスSiO2層の表面上にPt薄膜電極を膜厚10n
mでスパッタ成膜し、素子基板を多数作成した。
クタ電極が形成されたものや、各コレクタ電極上に、
R,G,Bに対応する蛍光体からなる蛍光体層を常法に
より形成した透明基板を作成した。これら素子基板及び
透明基板を、薄膜電極及びコレクタ電極が向かい合うよ
うに平行に10mm離間してスペーサにより保持し、間
隙を10-7Torr又は10-5Paの真空になし、電子放出素
子を組立て、作製した。
iO2層膜厚に対応したダイオード電流Id及び放出電
流Ieを測定した。図2並びに図3は、作製した電子放
出素子にVdを0〜200Vで印加したときのSiO2
層膜厚に対する、放出電流Ieの関係並びに電子放出効
率(Ie/Id)の関係を示す。図2並びに図3から明
らかなように、膜厚50nmから飽和するが、SiO2
層膜厚300〜400nmの素子で最大放出電流1x1
0-3A/cm2、最大電子放出効率1x10-1程度が得られ
た。
ることにより、1x10-6A/cm2以上の放出電流、1x
10-3以上の電子放出効率が、膜厚50nm以上好まし
くは、100〜400nmのSiO2誘電体層を有する
素子から得られることが判明した。また、蛍光体を塗布
したコレクタ電極及び薄膜電極の間に約4kVの電圧を
印加した状態では、SiO2層膜厚50nm以上の素子
で薄膜電極に対応する形の均一な蛍光パターンが観測さ
れた。このことは、アモルファスSiO2層からの電子
放出が均一であり、直線性の高いことを示し、電子放出
ダイオードとして、赤外線又は可視光又は紫外線の電磁
波を放出する発光ダイオード又はレーザダイオードとし
て動作可能であることを示している。
る多数の電子放出素子についてそのアモルファスSiO
2の粒径に対するダイオード電流Id及び放出電流Ie
を測定した。図4並びに図5はアモルファスSiO2の
粒径に対する、放出電流Ieの関係並びに電子放出効率
(Ie/Id)の関係を示し、スパッタ条件に応じてア
モルファスSiO2の粒径分布が生じていることがわか
る。かかる結果より、1x10-6A/cm2以上の放出電
流、1x10-3以上の電子放出効率が、平均の粒径5〜
100nmのアモルファスSiO2層を有する素子から
得られることが判明した。
をSEMで観察したところ、CVDで成膜したものと比
べ20nm程度の粒塊からなることを特徴としているこ
とが判った。50nm以上の膜厚を有しながらトンネル
電流が流れるといった特異な現象はこの特徴に起因する
と考えられる。すなわち、SiO2は本来絶縁体である
が、粒塊あるいは、その近傍に発生しやすい結晶欠陥や
不純物などによりポテンシャルの低いバンドが多数現れ
る。電子はこのポテンシャルの低いバンドを介し次々に
トンネリングし、結果として50nm以上の膜厚をもト
ンネルするのであると推定される。(図7参照) 図6に実施例の電子放出表示装置を示す。実施例は、一
対の透明基板1及び素子基板10からなり、基板は真空
空間4を挾み互いに対向している。図示する電子放出表
示装置において、表示面である透明な前面板1すなわち
透明基板の内面(背面板10と対向する面)には、例え
ばインジウム錫酸化物(いわゆるITO)、酸化錫(S
nO)、酸化亜鉛(ZnO)などからなる透明なコレク
タ電極2の複数が互いに平行に形成されている。また、
コレクタ電極2は一体的に形成されていてもよい。放出
電子を捕獲する透明コレクタ電極群は、カラーディスプ
レイパネルとするために赤、緑、青のR,G,B色信号
に応じて3本1組となっており、それぞれに電圧が印加
される。よって、3本のコレクタ電極2の上には、R,
G,Bに対応する蛍光体からなる蛍光体層3R,3G,
3Bが真空空間4に面するように、それぞれ形成されて
いる。
ガラスなどからなる背面板10すなわち素子基板内面
(前面板1と対向する面)には、インシュレータ層18
を介してそれぞれ平行に伸長する複数のオーミック電極
11が形成されている。このインシュレータ層18は、
SiO2, SiNx, Al2O3, AlNなどの絶縁体からなり、基板1
0から素子への悪影響(アルカリ成分などの不純物の溶
出や、基板面の凹凸など)を防ぐ働きをなす。オーミッ
ク電極の上に複数の電子放出素子Sが形成され、隣接す
る金属薄膜電極を電気的に接続しその一部上に、オーミ
ック電極に垂直に伸長して架設され、それぞれが平行に
伸長する複数のバス電極16と、が設けられている。電
子放出素子Sはオーミック電極上に順に形成された電子
供給層12、絶縁体層13及び金属薄膜電極15からな
る。金属薄膜電極15は真空空間4に面する。また、金
属薄膜電極15の表面を複数の電子放出領域に区画する
ため、開口を有した第2絶縁体層17が成膜される。こ
の第2絶縁体層17はバス電極16を覆うことで不要な
短絡を防止する。
u、Pt、Al、W等の一般にICの配線に用いられる
材料で、各素子にほぼ同電流を供給する均一な厚さであ
る。電子供給層12の材質は、シリコン(Si)が挙げ
られるが、本発明の電子供給層はシリコンに限られたも
のではなく他の半導体又は金属であり、アモルファス、
多結晶、単結晶の何れでも良い。
ら仕事関数φが小さい材料で、薄い程良い。電子放出効
率を高くするために、薄膜電極15の材質は周期律表の
I族、II族の金属が良く、たとえばMg、Ba、Ca、
Cs、Rb、Li、Sr等が有効で、更に、それらの合
金であっても良い。また、薄膜電極15の材質は極薄化
の面では、導電性が高く化学的に安定な金属が良く、た
とえばAu、Pt、Lu、Ag,Cuの単体又はこれら
の合金等が望ましい。また、これらの金属に、上記仕事
関数の小さい金属をコート、あるいはドープしても有効
である。
t、Al等の一般にICの配線に用いられる物で良く、
各素子にほぼ同電位を供給可能ならしめるに足る厚さ
で、0.1〜50μmが適当である。また、この表示装
置の駆動方式としては単純マトリクス方式又はアクティ
ブマトリクス方式が適用できる。
る。
流のSiO2層膜厚依存性を示すグラフである。
率のSiO2層膜厚依存性を示すグラフである。
流のSiO2層粒径依存性を示すグラフである。
率のSiO2層粒径依存性を示すグラフである。
概略斜視図である。
図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 金属又は半導体からなる電子供給層、前
記電子供給層上に形成された絶縁体層及び前記絶縁体層
上に形成され真空空間に面する金属薄膜電極からなり、
前記電子供給層及び前記金属薄膜電極間に電界を印加し
電子を放出する電子放出素子であって、前記絶縁体層は
平均の粒径が5〜100nmのアモルファス相を主成分とし
多結晶相を含むアモルファス誘電体からなり、50nm以
上の膜厚を有することを特徴とする電子放出素子。 - 【請求項2】 真空空間を挾み対向する一対の第1及び
第2基板と、前記第1基板内面に設けられた複数の電子
放出素子と、前記第2基板内面に設けられたコレクタ電
極と、前記コレクタ電極上に形成された蛍光体層と、か
らなる電子放出表示装置であって、前記電子放出素子の
各々は、前記第1基板側に形成された金属又は半導体か
らなる電子供給層、前記電子供給層上に形成された絶縁
体層及び前記絶縁体層上に形成され前記真空空間に面す
る金属薄膜電極からなり、前記絶縁体層は、50nm以上
の膜厚を有しかつ平均の粒径が5〜100nmのアモルファ
ス相を主成分とし多結晶相を含むアモルファス誘電体か
らなることを特徴とする電子放出表示装置。 - 【請求項3】 真空空間を挾み対向する一対の素子基板
及び透明基板と、 前記素子基板に設けられそれぞれ平行に伸長する複数の
オーミック電極と、 各々が前記オーミック電極上に形成された金属又は半導
体からなる電子供給層、前記電子供給層上に形成された
平均の粒径が5〜100nmのアモルファス相を主成分とし
多結晶相を含むアモルファス誘電体からなる絶縁体層及
び前記絶縁体層上に形成され前記真空空間に面する金属
薄膜電極からなる複数の電子放出素子と、 隣接する前記金属薄膜電極を電気的に接続しその一部上
に、前記オーミック電極に垂直に伸長して架設され、そ
れぞれが平行に伸長する複数のバス電極と、 前記透明基板に設けられそれぞれ平行に伸長しかつ前記
金属薄膜電極からの放出電子を捕獲する複数のコレクタ
電極と、前記コレクタ電極上に形成された蛍光体層から
なることを特徴とする電子放出表示装置。 - 【請求項4】 前記金属薄膜電極の表面を複数の電子放
出領域に画定する第2絶縁体層を有することを特徴とす
る請求項3記載の電子放出表示装置。 - 【請求項5】 前記第2絶縁体層は前記バス電極を覆う
ことを特徴とする請求項4記載の電子放出表示装置。
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