JPH1167066A - 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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- JPH1167066A JPH1167066A JP21513897A JP21513897A JPH1167066A JP H1167066 A JPH1167066 A JP H1167066A JP 21513897 A JP21513897 A JP 21513897A JP 21513897 A JP21513897 A JP 21513897A JP H1167066 A JPH1167066 A JP H1167066A
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 電子放出効率の高い電子放出素子を提供す
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
された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、８以下の誘電率を有する誘電体から
なり５０ｎｍ以上の膜厚を有する。
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
された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、８以下の誘電率を有する誘電体から
なり５０ｎｍ以上の膜厚を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子及び
これを用いた電子放出表示装置に関する。
これを用いた電子放出表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から電界電子放出表示装置のＦＥＤ
（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形冷陰
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。
（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形冷陰
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。
【０００３】しかしながら、この電界放出源は、微細な
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−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造の電子
放出素子がある。このＭＩＭ構造の電子放出素子は、基
板上に陰極としてのＡｌ層、膜厚１０ｎｍ程度のＡ１ 2
Ｏ3絶縁体層、膜厚１０ｎｍ程度の陽極としてのＡｕ層
を順に形成した構造を有するものがある。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、ＭＩＭ構造の電子放出素子を用い
てもまだ放出電子の量は十分とはいえない。
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−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造の電子
放出素子がある。このＭＩＭ構造の電子放出素子は、基
板上に陰極としてのＡｌ層、膜厚１０ｎｍ程度のＡ１ 2
Ｏ3絶縁体層、膜厚１０ｎｍ程度の陽極としてのＡｕ層
を順に形成した構造を有するものがある。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、ＭＩＭ構造の電子放出素子を用い
てもまだ放出電子の量は十分とはいえない。
【０００４】これを改善するために、従来のＡｌ2Ｏ3絶
縁体層の膜厚を数ｎｍ程度薄膜化したり、極薄膜のＡｌ
2Ｏ3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。例えば、特開平７−６５７１０号に記載の発明
のように、絶縁体層のさらなる薄膜化及び均一化のため
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。
縁体層の膜厚を数ｎｍ程度薄膜化したり、極薄膜のＡｌ
2Ｏ3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。例えば、特開平７−６５７１０号に記載の発明
のように、絶縁体層のさらなる薄膜化及び均一化のため
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。
【０００５】しかしながら、このような方法で製造され
たＭＩＭ構造の電子放出素子でも、まだ放出電流は１×
１０-5Ａ／cm2程度で、放出電流比は１×１０-3程度に
すぎない。
たＭＩＭ構造の電子放出素子でも、まだ放出電流は１×
１０-5Ａ／cm2程度で、放出電流比は１×１０-3程度に
すぎない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の事情
に鑑みてなされたものであり、低い電圧で安定して電子
放出することのできる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。
に鑑みてなされたものであり、低い電圧で安定して電子
放出することのできる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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の電子放出素子
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
れた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、８以下の誘電率を有する
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。
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
れた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、８以下の誘電率を有する
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。
【０００８】本発明の電子放出表示装置は、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
に設けられた複数の電子放出素子と、前記第２基板内に
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、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た金属薄膜電極からな
り、前記絶縁体層は、８以下の誘電率を有する誘電体か
らなり５０ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴とする。
挾み対向する一対の第１及び第２基板と、前記第１基板
に設けられた複数の電子放出素子と、前記第２基板内に
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、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た金属薄膜電極からな
り、前記絶縁体層は、８以下の誘電率を有する誘電体か
らなり５０ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴とする。
【０００９】以上の構成により、本発明の電子放出素子
は、低い電圧でも安定して電子を放出することができる
ので、例えば表示素子に本発明の電子放出素子を用いた
場合、安定して高輝度が得られ、駆動電流の消費及び素
子の発熱を抑制でき、さらに駆動回路への負担を低減で
きる。本発明の電子放出素子では、絶縁体層は厚い膜厚
を有するのでスルーホールが発生しにくいので製造歩留
まりが向上する。
は、低い電圧でも安定して電子を放出することができる
ので、例えば表示素子に本発明の電子放出素子を用いた
場合、安定して高輝度が得られ、駆動電流の消費及び素
子の発熱を抑制でき、さらに駆動回路への負担を低減で
きる。本発明の電子放出素子では、絶縁体層は厚い膜厚
を有するのでスルーホールが発生しにくいので製造歩留
まりが向上する。
【００１０】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、ミリ波又
はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子
として動作可能である。
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、ミリ波又
はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子
として動作可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しつつ説明する。図１に示すように、本発明の電子放
出素子は、素子基板１０上に例えばＡｌなどからなるオ
ーミック電極１１を形成し、さらに金属又はＳｉなどの
半導体からなる電子供給層１２、ＳｉＯ2などのＳｉＯx
からなる絶縁体層１３及び真空空間に面するＡｕなどの
金属薄膜電極１５から構成される。この電子放出素子の
対向する一対の第１及び第２基板１０，１は真空空間を
挾んで保持される。第２基板１の内面にはコレクタ電極
２と蛍光体層３R,G,B とが設けられる。
照しつつ説明する。図１に示すように、本発明の電子放
出素子は、素子基板１０上に例えばＡｌなどからなるオ
ーミック電極１１を形成し、さらに金属又はＳｉなどの
半導体からなる電子供給層１２、ＳｉＯ2などのＳｉＯx
からなる絶縁体層１３及び真空空間に面するＡｕなどの
金属薄膜電極１５から構成される。この電子放出素子の
対向する一対の第１及び第２基板１０，１は真空空間を
挾んで保持される。第２基板１の内面にはコレクタ電極
２と蛍光体層３R,G,B とが設けられる。
【００１２】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、表面の金属薄膜電極１５を正電位Ｖｄとし裏面オー
ミック電極１１を接地電位としたダイオードである。オ
ーミック電極１１と金属薄膜電極１５との間に電圧Ｖｄ
例えば９０Ｖ程度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１３にか
かる。電子は、金属薄膜電極１５側に向けて絶縁体層１
３内を移動する。金属薄膜電極１５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１５をトン
ネルし、外部の真空中に放出される。
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、表面の金属薄膜電極１５を正電位Ｖｄとし裏面オー
ミック電極１１を接地電位としたダイオードである。オ
ーミック電極１１と金属薄膜電極１５との間に電圧Ｖｄ
例えば９０Ｖ程度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１３にか
かる。電子は、金属薄膜電極１５側に向けて絶縁体層１
３内を移動する。金属薄膜電極１５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１５をトン
ネルし、外部の真空中に放出される。
【００１３】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に印加された高い加速電圧Ｖｃ
例えば５ｋＶ程度によって加速され、コレクタ電極２に
集められる。コレクタ電極に蛍光体３が塗布されていれ
ば対応する可視光を発光させる。電子放出素子の電子供
給層１２の材料としては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（ＩｎＰ）、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。
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に印加された高い加速電圧Ｖｃ
例えば５ｋＶ程度によって加速され、コレクタ電極２に
集められる。コレクタ電極に蛍光体３が塗布されていれ
ば対応する可視光を発光させる。電子放出素子の電子供
給層１２の材料としては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（ＩｎＰ）、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。
【００１４】又は、電子供給材料としてＡｌ，Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｃｕなどの金属でも有効であるが、Ｓｃ，Ｔｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｌｎ，Ｓ
ｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔｌ，Ｐｂ，
Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕなども
用いられ得る。
ｇ，Ｃｕなどの金属でも有効であるが、Ｓｃ，Ｔｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｌｎ，Ｓ
ｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔｌ，Ｐｂ，
Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇ
ｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕなども
用いられ得る。
【００１５】電子放出側の金属薄膜電極１５の材料とし
てはＰｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｒｕ，Ｉｒなどの金属が有効であ
るが、Ａｌ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｔｃ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｌｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｒ
ｅ，Ｏｓ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐ
ｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔ
ｍ，Ｙｂ，Ｌｕなども用いられ得る。
てはＰｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｒｕ，Ｉｒなどの金属が有効であ
るが、Ａｌ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｔｃ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｌｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｒ
ｅ，Ｏｓ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐ
ｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔ
ｍ，Ｙｂ，Ｌｕなども用いられ得る。
【００１６】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。また
これらの成膜法としては、スパッタリング法が特に有効
であるが、真空蒸着法、ＣＶＤ（chemical vapor depos
ition ）法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ（molecu
lar beam epitaxy）法、イオンビームスパッタリング法
でも有効である。
2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ等のセラミックスでも良い。また
これらの成膜法としては、スパッタリング法が特に有効
であるが、真空蒸着法、ＣＶＤ（chemical vapor depos
ition ）法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ（molecu
lar beam epitaxy）法、イオンビームスパッタリング法
でも有効である。
【００１７】絶縁体層１３の誘電体材料としては、酸化
珪素ＳｉＯx（ｘは原子比を示す）が特に有効である
が、金属酸化物又は金属窒化物でもよい。また、金属複
合酸化物、硫化物、ハロゲン化物、又は、金属酸化窒化
物でも絶縁体層の誘電体材料として用い得る。さらに、
絶縁体層の誘電体材料としてダイヤモンド，フラーレン
(C2n) などの炭素、或いは、その金属炭化物も用い得る
であろう。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〜Ｃ96 0など
がある。絶縁体層の厚さは、５０ｎｍ以上、好ましくは
100〜1000ｎｍ程度である。
珪素ＳｉＯx（ｘは原子比を示す）が特に有効である
が、金属酸化物又は金属窒化物でもよい。また、金属複
合酸化物、硫化物、ハロゲン化物、又は、金属酸化窒化
物でも絶縁体層の誘電体材料として用い得る。さらに、
絶縁体層の誘電体材料としてダイヤモンド，フラーレン
(C2n) などの炭素、或いは、その金属炭化物も用い得る
であろう。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〜Ｃ96 0など
がある。絶縁体層の厚さは、５０ｎｍ以上、好ましくは
100〜1000ｎｍ程度である。
【００１８】電子放出素子において、金属半導体接合界
面はショットキーダイオードに類似している。ここで絶
縁体層１３の誘電率に注目して電子供給層１２、絶縁体
層１３及び金属薄膜電極１５のＭＩＭ構造の電子供給層
１２及び絶縁体層１３の界面のポテンシャル障壁を考え
る。金属／半導体（絶縁体）界面にはフェルミ準位が一
致するようにキャリアが移動してポテンシャル障壁を生
ずる。図２にそのエネルギー帯図を示す。
面はショットキーダイオードに類似している。ここで絶
縁体層１３の誘電率に注目して電子供給層１２、絶縁体
層１３及び金属薄膜電極１５のＭＩＭ構造の電子供給層
１２及び絶縁体層１３の界面のポテンシャル障壁を考え
る。金属／半導体（絶縁体）界面にはフェルミ準位が一
致するようにキャリアが移動してポテンシャル障壁を生
ずる。図２にそのエネルギー帯図を示す。
【００１９】接合面におけるフェルミ準位から伝導帯ま
での高さをショットキー障壁φBといい、金属／半導体
（絶縁体）界面で金属の電子供給層側から界面を経て電
荷ｑが絶縁体へ移動するとき、電荷ｑには鏡像ポテンシ
ャル効果（図の破線A ）、さらに、表面の電界効果（図
の破線B ）により、ショットキー障壁φBは、ΔφB分低
下する（図の実線Ｃ）。金属／半導体界面において、高
電界がかかるとき、次式で与えられる仕事関数の低下Δ
φBが期待される。
での高さをショットキー障壁φBといい、金属／半導体
（絶縁体）界面で金属の電子供給層側から界面を経て電
荷ｑが絶縁体へ移動するとき、電荷ｑには鏡像ポテンシ
ャル効果（図の破線A ）、さらに、表面の電界効果（図
の破線B ）により、ショットキー障壁φBは、ΔφB分低
下する（図の実線Ｃ）。金属／半導体界面において、高
電界がかかるとき、次式で与えられる仕事関数の低下Δ
φBが期待される。
【００２０】
【数１】ΔφB＝（ｑＥ／４πε0εS）1/2 Ｅ：電界強度 ｑ：電荷 εS：絶縁体の比誘電率 ε0；真空の誘電率 言い換えれば、金属／半導体界面において、電界は高
く、絶縁体の比誘電率が小さい程、障害高さが低く（Δ
φBは大きく）なり、金属から半導体への電子の注入
（トンネル）が容易になると考えられる。電子放出素子
のＭＩＭ構造において、絶縁体の誘電率が低い程、金属
／半導体（絶縁体）の界面の障壁高さを低くできる。種
々の材料の比誘電率εS及び抵抗値について表１に示
す。
く、絶縁体の比誘電率が小さい程、障害高さが低く（Δ
φBは大きく）なり、金属から半導体への電子の注入
（トンネル）が容易になると考えられる。電子放出素子
のＭＩＭ構造において、絶縁体の誘電率が低い程、金属
／半導体（絶縁体）の界面の障壁高さを低くできる。種
々の材料の比誘電率εS及び抵抗値について表１に示
す。
【００２１】
【表１】 具体的に、ＳｉＯ2、ＳｉＯ、Ａｌ2０3、ＳｉＣ、Ｔａ2
Ｏ3を絶縁体層に用いて、本発明の電子放出素子を作製
し、それらの特性を調べた。なお、ＳｉＯ2として各種
の誘電体材料、例えば、アモルファスや融合シリカ（コ
ーニング社製7940：εS＝３．７８) 、パイレックス
（コーニング社製7740：εS＝４．６）を用いた。融合
シリカは石英と同じ誘電率を有している。
Ｏ3を絶縁体層に用いて、本発明の電子放出素子を作製
し、それらの特性を調べた。なお、ＳｉＯ2として各種
の誘電体材料、例えば、アモルファスや融合シリカ（コ
ーニング社製7940：εS＝３．７８) 、パイレックス
（コーニング社製7740：εS＝４．６）を用いた。融合
シリカは石英と同じ誘電率を有している。
【００２２】まず、Ｗ電極をスパッタリング法により膜
厚 300ｎｍで形成したガラス基板である素子基板１０の
電極表面に、シリコン（Ｓｉ）の電子供給層１２をスパ
ッタリング法により膜厚５μｍ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１２上に膜厚５０ｎｍから
１０００ｎｍのＳｉＯxなどの各種の絶縁体層１３を成
膜した。このようにして、かかるＳｉＯx絶縁体層基板
を多数用意した。絶縁体層１３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１３の単層又は多層、アモ
ルファス相、粒径、原子比、誘電率は制御され得る。
厚 300ｎｍで形成したガラス基板である素子基板１０の
電極表面に、シリコン（Ｓｉ）の電子供給層１２をスパ
ッタリング法により膜厚５μｍ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１２上に膜厚５０ｎｍから
１０００ｎｍのＳｉＯxなどの各種の絶縁体層１３を成
膜した。このようにして、かかるＳｉＯx絶縁体層基板
を多数用意した。絶縁体層１３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１３の単層又は多層、アモ
ルファス相、粒径、原子比、誘電率は制御され得る。
【００２３】実施例の絶縁体層１３について、Ｘ線回折
法で分析したところアモルファス相によるハロー強度Ｉ
ａが観測された。このことから絶縁体層のＳｉＯxはア
モルファス相であると推定できる。最後に、各基板の絶
縁体層の表面上にＰｔの金属薄膜電極１５を膜厚１０ｎ
ｍでスパッタリング法により成膜し、素子基板を多数作
成した。
法で分析したところアモルファス相によるハロー強度Ｉ
ａが観測された。このことから絶縁体層のＳｉＯxはア
モルファス相であると推定できる。最後に、各基板の絶
縁体層の表面上にＰｔの金属薄膜電極１５を膜厚１０ｎ
ｍでスパッタリング法により成膜し、素子基板を多数作
成した。
【００２４】一方、透明ガラス基板１の内面にＩＴＯコ
レクタ電極２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３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、金属薄膜電極１５及びコレクタ電極
２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。
レクタ電極２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３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、金属薄膜電極１５及びコレクタ電極
２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。
【００２５】その後、多数の得られた素子のそれぞれに
ついて駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して、各絶縁体
層（膜厚４００nm）の誘電率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。結果として、図３及
び図４に示すように、■の融合シリカ、□のアモルファ
スＳｉＯx、▲のパイレックス、△のＳｉＯ、◆のＴａ2
Ｏ3、◇のＡｌ2０3、◎のＳｉＣの各絶縁体層を有する
素子の放出電流Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化
は、誘電率が大きくなるほど、ダイオード電流Ｉｄ及び
放出電流Ｉｅが減少することが、わかる。また、誘電率
が８のＴａ2Ｏ3絶縁体層の素子やそれ以下誘電率の素子
では、１×１０-4以上の電子放出効率が得られることが
分かる。
ついて駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して、各絶縁体
層（膜厚４００nm）の誘電率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。結果として、図３及
び図４に示すように、■の融合シリカ、□のアモルファ
スＳｉＯx、▲のパイレックス、△のＳｉＯ、◆のＴａ2
Ｏ3、◇のＡｌ2０3、◎のＳｉＣの各絶縁体層を有する
素子の放出電流Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化
は、誘電率が大きくなるほど、ダイオード電流Ｉｄ及び
放出電流Ｉｅが減少することが、わかる。また、誘電率
が８のＴａ2Ｏ3絶縁体層の素子やそれ以下誘電率の素子
では、１×１０-4以上の電子放出効率が得られることが
分かる。
【００２６】さらに、各絶縁体層を有する素子について
駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して、絶縁体層膜厚に
対する放出電流Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化を
測定した。結果として、例えば、アモルファスＳｉＯx
絶縁体層を有する素子の場合、図５及び図６に示すよう
に、アモルファスＳｉＯx絶縁体層の全体厚が５０ｎｍ
〜１０００ｎｍのとき、絶縁体層膜厚に対する放出電流
Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化において、 200Ｖ
以下の電圧を加えることにより、絶縁体層の全体厚５０
ｎｍ以上の５０ｎｍ〜１０００ｎｍで、１×１０-6Ａ／
cm2以上の放出電流が得られることが分かる。
駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して、絶縁体層膜厚に
対する放出電流Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化を
測定した。結果として、例えば、アモルファスＳｉＯx
絶縁体層を有する素子の場合、図５及び図６に示すよう
に、アモルファスＳｉＯx絶縁体層の全体厚が５０ｎｍ
〜１０００ｎｍのとき、絶縁体層膜厚に対する放出電流
Ｉｅ及び電子放出効率(Ie/Id) の変化において、 200Ｖ
以下の電圧を加えることにより、絶縁体層の全体厚５０
ｎｍ以上の５０ｎｍ〜１０００ｎｍで、１×１０-6Ａ／
cm2以上の放出電流が得られることが分かる。
【００２７】よって、絶縁体層の誘電率が８以下でかつ
その膜厚５０ｎｍ以上好ましくは、１００ｎｍ以上の誘
電体層を有する素子から、良好な結果が得られることが
判明した。また、アモルファスＳｉＯx層の素子におい
て、蛍光体を塗布したコレクタ電極２及び金属薄膜電極
１５の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態では、絶縁体
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ＳｉＯx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、ミリ波又
はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子
として動作可能であることを示している。
その膜厚５０ｎｍ以上好ましくは、１００ｎｍ以上の誘
電体層を有する素子から、良好な結果が得られることが
判明した。また、アモルファスＳｉＯx層の素子におい
て、蛍光体を塗布したコレクタ電極２及び金属薄膜電極
１５の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態では、絶縁体
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ＳｉＯx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、ミリ波又
はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子
として動作可能であることを示している。
【００２８】スパッタリングで成膜した絶縁体層の表面
をＳＥＭで観察したところ、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、Ｓ
ｉＯxは本来絶縁体であるが、粒界あるいは、その近傍
に発生しやすい結晶欠陥や不純物などにより禁制帯中に
局在化した不純物準位が多数現れる。電子はこの不純物
準位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と推定される。
をＳＥＭで観察したところ、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、Ｓ
ｉＯxは本来絶縁体であるが、粒界あるいは、その近傍
に発生しやすい結晶欠陥や不純物などにより禁制帯中に
局在化した不純物準位が多数現れる。電子はこの不純物
準位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と推定される。
【００２９】以上のように、誘電率が比較的小さい材料
が高電子放出効率の実現のために有効と考えられる。そ
のような材料として、ＳｉＯ2，ＳｉＯx（ｘ＝１〜２）
の膜、ＳｉＯ2とＭｇＯの混合膜、ＺｎＳ，ＣａＦ2，Ｓ
ｒＦ2，ＳｉＮなどの薄膜が有効と考えられる。また、
上記の素子に用いた融合シリカ（コーニング社製7940)
の熱処理温度に対する比誘電率εSの変化を測定した結
果を表２に示す。
が高電子放出効率の実現のために有効と考えられる。そ
のような材料として、ＳｉＯ2，ＳｉＯx（ｘ＝１〜２）
の膜、ＳｉＯ2とＭｇＯの混合膜、ＺｎＳ，ＣａＦ2，Ｓ
ｒＦ2，ＳｉＮなどの薄膜が有効と考えられる。また、
上記の素子に用いた融合シリカ（コーニング社製7940)
の熱処理温度に対する比誘電率εSの変化を測定した結
果を表２に示す。
【００３０】
【表２】 熱処理温度 比誘電率 ３０℃ ３．７ ３００℃ ３．８ ５００℃ ３．８５ ８００℃ ３．９ １０００℃ ３．９５ １２００℃ ３．９８ 融合シリカＳｉＯxでは３０℃１２００℃に亘って比誘
電率の変化が少なく熱安定性が高いことがわかる。
電率の変化が少なく熱安定性が高いことがわかる。
【００３１】なお、Ｓｉ、Ａｌの酸化物と比べて、Ｔａ
2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2の酸化物は負性抵抗が生じにく
く、導電性高く、破壊しやすいので、素子の絶縁体層と
して用い難いものであった。図７は、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
である透明ガラス基板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（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）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。
2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2の酸化物は負性抵抗が生じにく
く、導電性高く、破壊しやすいので、素子の絶縁体層と
して用い難いものであった。図７は、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
である透明ガラス基板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（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）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。
【００３２】一方、真空空間４を挾み透明ガラス基板１
に対向するガラス等からなる素子基板１０すなわち素子
基板内面（透明ガラス基板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。インシュレータ
層１８は、ＳｉＯx，ＳｉＮx，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどの
絶縁体からなり、素子基板１０から素子への悪影響（ア
ルカリ成分などに不純物の溶出や、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上記実施例の
電子放出素子Ｓの複数が形成され、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、８以
下の誘電率を有する誘電体からなる絶縁体層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１
６を覆うことで不要な短絡を防止する。
に対向するガラス等からなる素子基板１０すなわち素子
基板内面（透明ガラス基板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。インシュレータ
層１８は、ＳｉＯx，ＳｉＮx，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどの
絶縁体からなり、素子基板１０から素子への悪影響（ア
ルカリ成分などに不純物の溶出や、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上記実施例の
電子放出素子Ｓの複数が形成され、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、８以
下の誘電率を有する誘電体からなる絶縁体層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１
６を覆うことで不要な短絡を防止する。
【００３３】オーミック電極１１の材料としては、Ａ
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、単結晶のいずれでも良い。
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、単結晶のいずれでも良い。
【００３４】薄膜電極１５の材質は、電子放出の原理か
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Ｃｓ，Ｒｂ，Ｌｉ，
Ｓｒ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｃａ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。
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Ｃｓ，Ｒｂ，Ｌｉ，
Ｓｒ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｃａ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。
【００３５】バス電極１６の材料としては、Ａｕ，Ｐ
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、本発明の表示
装置の駆動方式としては単純マトリクス方式またはアク
ティブマトリクス方式が適用できる。
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、本発明の表示
装置の駆動方式としては単純マトリクス方式またはアク
ティブマトリクス方式が適用できる。
【図１】 本発明による実施例の電子放出素子の概略断
面図である。
面図である。
【図２】 鏡像力効果及び界面印加電界によるショット
キー障壁の低下を示す金属半導体界面のエネルギ帯図で
ある。
キー障壁の低下を示す金属半導体界面のエネルギ帯図で
ある。
【図３】 電子放出表示装置における絶縁体層の誘電率
と電子放出電流の関係を示すグラフである。
と電子放出電流の関係を示すグラフである。
【図４】 電子放出表示装置における絶縁体層の誘電率
と電子放出電子放出効率の関係を示すグラフである。
と電子放出電子放出効率の関係を示すグラフである。
【図５】 本発明による実施例の電子放出表示装置にお
ける電子放出電流の絶縁体層膜厚依存性を示すグラフで
ある。
ける電子放出電流の絶縁体層膜厚依存性を示すグラフで
ある。
【図６】 本発明による実施例の電子放出表示装置にお
ける電子放出効率の絶縁体層膜厚依存性を示すグラフで
ある。
ける電子放出効率の絶縁体層膜厚依存性を示すグラフで
ある。
【図７】 本発明による実施例の電子放出表示装置を示
す概略斜視図である。
す概略斜視図である。
１ 透明基板 ２ コレクタ電極 ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ 蛍光体層 ４ 真空空間 １０ 素子基板 １１ オーミック電極 １２ 電子供給層 １３ 絶縁体層 １５ 金属薄膜電極 １６ パス電極 １７ 第２絶縁体層 １８ インシュレータ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中馬 隆 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 根岸 伸安 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 岩崎 新吾 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内
Claims (2)
- 【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
上に形成された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、８以下の誘電
率を有する誘電体からなり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基板に設けられた複数の電子放出素子と、 前記第２基板内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、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た金属薄膜電極からなり、前
記絶縁体層は、８以下の誘電率を有する誘電体からなり
５０ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴とする電子放出
表示装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21513897A JPH1167066A (ja) | 1997-08-08 | 1997-08-08 | 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 |
| US09/032,111 US6130503A (en) | 1997-03-04 | 1998-02-27 | Electron emission device and display using the same |
| EP98301594A EP0863533B1 (en) | 1997-03-04 | 1998-03-04 | Electron emission device and display device using the same |
| US09/520,213 US6166487A (en) | 1997-03-04 | 2000-03-07 | Electron emission device and display device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21513897A JPH1167066A (ja) | 1997-08-08 | 1997-08-08 | 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1167066A true JPH1167066A (ja) | 1999-03-09 |
Family
ID=16667336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21513897A Pending JPH1167066A (ja) | 1997-03-04 | 1997-08-08 | 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1167066A (ja) |
-
1997
- 1997-08-08 JP JP21513897A patent/JPH1167066A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040621 |