WO2001091155A1

WO2001091155A1 - Micro-canon a electrons de type a effet de taille quantique, affichage mince l'utilisant, et son procede de fabrication

Info

Publication number: WO2001091155A1
Application number: PCT/JP2001/004221
Authority: WO
Inventors: Shunri Oda; Xinwei Zhao; Katsuhiko Nishiguchi
Original assignee: Japan Science And Technology Corporation
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2001-11-29
Also published as: EP1302962A1; JP3806751B2; JP2001332168A; US20040055530A1; US6887725B2; EP1302962A4; US20030109091A1; US6661021B2

Description

明細書量子サイズ効果型微小電子銃及び

この電子銃を使用した平面型ディスプレイ装置並びにその製造方法技術分野

本発明は、微小電子銃及び微小電子銃をアレイ配列した平面型ディスプレイ装置に並びにその製造方法に関する。技称滑景

従来、テレビジョン受像機或いはパーソナルコンピュータ等の画像表示装置にはブラウン管或いは液晶ディスプレイ装置等が使用されている。

ブラウン管は、電子銃と、この電子銃から出射する電子線を掃引するための偏向装置と、電子線の衝突によって発光する蛍光面等から成っている。電子銃は、例えば、タングステン線等の抵抗体で形成したフィラメントと、このフイラメン卜から放出する熱電子をするための収束コイルとから形成されている。この種の電子銃は、フィラメントに電流を流しフィラメントを加熱して熱電子を放出させるものであるから、電気エネルギーの一部は ¾¾ぴ発熱に費やされ、従って必な電子線を取り出すためのエネルギー効率力く悪い。そして、高電圧、高熱の電子銃を有するため安定性に欠けている。

先端を尖らせた金属または半導体に高電圧を印加し、この尖つた先端の電界集中効果を利用して電子流を引き出す TO放射型の電子銃もあるが、高電圧を必とするのでエネルギー効率が悪 L、。

また、偏向装置は、電子線の進行方向を電磁力によって偏向するものであるから、蛍光面すなわち画面が大きくなると大きな偏向角を必要とし、このためには偏向装置を大きくするか、あるいは大きな電力を印加しなければならない。このように、ブラゥン管方式はエネルギー効率が 0 . 0 1 %程度（量子効率で 0 . 1 %程度）と悪く、省電力機器には向かない。また動作原理上、装置を薄くできないので壁掛けテレビ等の平面型にすることは不可含である。

\ このようなブラゥン管方式の課題を解決するため、液晶ディスプレイ装置が広く普及している力液晶ディスプレイ装置には以下に示す課題がある。

すなわち、液晶ディスプレイ装置は、光源であるバックライトパネルと、この光源からの光を、画素ごとに透過または遮蔽制御する m@を有する基板に挟まれた液晶及び偏向子と、カラ一フィルタ一と、画素ごとの電極に電圧を印加して透過または遮蔽を制御する駆動回路部等から成っている。

この種の液晶ディスプレイ装置で、明るい輝度を得るには、ノ、ックライト光源の輝度を上げること力必要であるが、ノックライト光源の輝度を上げることは、輝度を上げること力必要でない画素の輝度も上げることになり、従つてエネルギ

—効率が悪い。また、ノックライト光源は、蛍光管、 L E D配列パネルまたは E Lパネル等で構成されており、このようなデバイスで、ブラゥン管方式と同等の輝度を得ることは動作原 a_h、難しい。

また、近年、液晶ディスプレイ装置と同等に薄型にでき、かつブラウン管方式と同等の輝度を有する画像表示装置として、画素ごとに電子銃を設ける方式力提案されている。この電子銃は、例えば、半導体表面を加工してこの表面上に画素ごとに尖端部分を形成し、この尖端部分をそれぞれ電界放射型電子銃とするものである。しカヽしな力ら、このような方式では、画素ごとに尖端部分を形成する加工技術力難しく、かつ電界集中効果を利用していても半導体から電子を引き出すためにはかなりの高を必要とすると言った課題があり、未だ実用化されていない。

上述したように、 «の画像表示装置においてはエネルギー効率が悪い、薄型にできない、あるいは輝度が低、と言つた解決すべき麵がぁる。

本発明は上記課題にかんがみ、量子サイズ効果を利用して半導体から電子を容易に引き出すことが可能で、かつ画素ごとに設けることが可能な量子サイズ効果型微小電子銃を提供することを目的としている。

また、本発明の他の目的は、この電子銃を利用した、量子効率が高く、高輝度かつ薄型の画像表示装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、上記量子サイズ効果型微小電子銃およびこの電子銃を利用した画像表示装置の製造方法を提供することにある。発明の開示

上言己課題を解決するために、請求項 1記載の量子サイズ効果型微小電子统は、半導体基板と «@の間に量子サイズ効果を有する微粒子を複数積層し、半導体基板と電極の間を伝導する電子の平均自由を大きくしたことを特徵とする。これによつて電子を電界によつて電極物質のワークファンクション以上のエネルギ一に加速することができ、したがって、電子を真空中に取り出すことができる。請求項 2に記載の発明は、請求項 1記載の量子サイズ効果型微小電子銃において、量子サイズ効果微粒子の粒径を、半基板側から側に向かって徐々に大きくして積層することにより、さらに低い印加電圧でも動作可能にしたことを特徴としている。

上記量子サイズ効果を有する衡立子は、好ましくは、ナノメータ一 'オーダ一の粒径を有する単結晶半微粒子と、この結晶を覆うナノメータ一 ·オーダ一の絶縁層からなる。これによつて、量子サイズ効果である電子の離散的エネルギ —準位を実現できるとともに、電子の卜ンネリングか、実現できる。

また、好ましくは、単結晶半導体微粒子は S i単結晶微粒子であり、その表面を覆う絶縁層は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である。

さらに、本発明の他の態様によれば、量子サイズ効果型微小電子銃をアレイ状に平面配列して平面型電子銃ァレイを形成し、この上に蛍光板を配置する構成により、平面型ディスプレイ装置カ構成される。

この平面型ディスプレイ装置に使用する量子サイズ効果型微小電子銃は、半導体基板と電極の間に量子サイズ効果を有する微粒子を積層して、この半導体基板とこの «@の間を伝導する電子の平均自由行程を大きくした量子サイズ効果型微小電子銃である。

さらに、平面型ディスプレイ装置に使用する量子サイズ効果型微小電子銃は、量子サイズ効果微粒子の粒径を、半側から電極側に向かつて徐々に大きくして積層した量子サイズ効果型微小電子銃であるのが好ましい。

この平面型電子銃ァレイと蛍光板を配置させることにより構成する平面型ディスプレイ装置は、ストライプ状の半導体から成る複数の下部電極と、下部 «®± に量子サイズ効果微粒子を積層した量子サイズ効果微粒子層と、量子サイズ効果微粒子層上に下部電極と直交して配設したストライプ状の上部職とを設け、下部 ¾@と上部籠の交叉領域と、交叉領域内の量子サイズ効果微粒子層を画素の電子銃とし、下部電極と上部の特定の一組を選択して駆動電圧を印加することにより、特定の画素をさせることを特徴としている。

本発明のさらに他の態様によれば、量子サイズ効果微粒子を得るにあたり、ァルゴンの VH F帯プラズマ中にシランを導入して S i単結晶微粒子を生成するェ程と、この生成した S i単結晶微粒子を基板上に積層する工程と、この積層した S i単結晶微粒子の表面を雰囲気ガスによつて絶縁層に変化させる工程とから成ることを特徵としている。

ここで、 S i単結晶微粒子は、好ましくは、アルゴンの VH F帯プラズマ中で、 S i H ₂ ラジカル、 S i H ₃ ラジカル及び S i Hn ⁺ (n = 0— 3 ) イオンが生成し、 S i H ₂ ラジカルから S i単結晶微粒子の核が生成し、この核に上記 S i H ₃ ラジカル及び S i H_n ⁺ (η = 0〜3 ) イオンが結合して結晶成長し、これによって S i単結晶微粒子が得られる。

また、 S i単結晶微粒子は、 S i単結晶微粒子がこの S i単結晶街立子の濃度勾配に基づ L、た拡散によつて上に到達して積層する過程を有する。

S i単結晶微粒子の表面の絶縁層は、好ましくは、 0₂ または N ₂ ガス雰囲気に晒すこと、または 0₂ または N₂ ガスプラズマに晒すことによって形成する。まだ、量子サイズ効果微粒子層は、量子サイズ効果微粒子の製造方法を繰り返すことによって形成する。

さらに、量子サイズ効果微粒子の粒径は、シランをアルゴンの VH F帯プラズマ中に導入する導入時間によって制御されることができる。

ここで、半導体結晶に電圧を印加すると、結晶中の伝導電子は電界によって加速されエネルギーが増加する。したカズって、結晶から電子を真空中に取り出すには、電界によって電子を加速し、ワークファンクション以上のエネルギーを与えてやればよい。しかしながら、結晶中の伝導電子は、不純物原子、格子欠陥及びフオノンによってを受けるため、不純物原子、格子欠陥及びフオノンによる散乱を受けずに進行できる距離、すなわち、平均自由 iff呈以上にわたって加速することができない。平均自由行程は、結晶中の不純物原子、格子欠陥を少なくすることによって長くすることができるが、フオノンによる散乱は、結晶の構造自体に基づくものであるため、フオノンに基づく平均自由行程は長くすることができない。

因みに、結晶中の不純物原子、格子欠陥が無視できる S i単結晶において、この平均自由行程は約 5 0 n mである。この平均自由行程 5 0 n mの加鄉巨離で、例えば金のワークフアンクションである 5 e Vのエネルギーを得ようとすれば、必要な電界強度は、 1 0 ⁸ VZmであり、 S iのアバランシェブレークダウン電圧である 3 X I 0 ⁷ VZmを越えてしまう。従って、 S i単結晶から電子を真空中に取り出すことができない。 S i半導体に限らず、従来の半導体結晶では同様に、電子を真空中に取り出すことができない。

ところで、伝導電子のフオノンによる散乱現象は、エネルギーと運動量が保存される衝突過程である。すなわち、伝導体の一つのエネルギー準位にある電子と約 K T (K：ボノレツマン定数、 T：絶対温度）のエネルギーを持つ量子化された格子振動であるフオノン力衝突し、電子はフオノンを吸収し、または、フオノンを放出し、衝突前の電子のエネルギーとフオノンのエネルギーを加えた大きさの伝導帯のエネルギー準位、または衝突前の電子のエネルギーからフオノンのエネルギーを引いた大きさの伝導帯のエネルギー準位に遷移する。また、運動量も保存されるから、衝向に依存して、電子の進行方向が変化する。

このように、この衝突過程が生ずるためには、衝突後の伝導電子のエネルギーに対応する空のエネルギー準位が存在することカ必要である。フオノンエネルギ一は約 K Tであるから、衝突前の伝導電子のエネルギー準位の上下幅約 K T近辺に伝導電子の空のエネルギー準位が存在することカ必要である。

通常の大きさの結晶においては、伝導帯のエネルギー準位はほぼ:^して分布し、準位密度も大きいので、衝突後の伝導電子の空のエネルギー準位が存在するために、伝導電子とフオノンの衝突過程が生ずる。すなわち、伝導電子はフオノンによって散乱される。

ところで、良く知られているように、ポテンシャノレ井戸に閉じ込められた電子の離散的エネルギ一準位は、ポテンシャル井戸の幅 Dを狭くすることによって、高くなり、したがつてまた、エネルギー準位差も大きくなる。本発明では、この効果を量子サイズ効果と呼ぶ。

このように、ポテンシャノレ井戸の幅 Dを狭くすることによって、量子サイズ効果を利用し、エネルギー準位幅を K Tよりも大きくすることができる。この場合には、上記した理由によりフオノンによる散乱が生じず平均自由呈を長くすることができる。

本発明では、この効果を用いて平均自由行程を長くし、半導体内の電子を電界によって加速し、ワークファンクション以上のエネルギーを与え、真空中に電子を取り出している。図面の簡単な説明

本発明は、以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定又は限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけに言己載されたものである。

図中、

図 1は、本発明による量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態を示す構造模式図である。

図 2は、量子サイズ効果微粒子の断面模式図である。

図 3は、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態の動作を説明するための電子のエネルギーバンド図である。

図 4は、外部量子効率を測定方法を示す図である。

図 5は、本実施例の量子サイズ効果型微小電子銃の外部量子効率の測定結果を示すグラフである。

図 6は、本発明による量子サイズ効果型微小電子銃の第 2の実施形態を示す構造模式図である。

図 7は、本発明による量子サイズ効果型微小電子銃の第 2の実施形態の動作を説明するための、エネルギーバンド図である。

図 8は、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃を用いた平面型ディスプレイの構造模式図である。図 9は、量子サイズ効果微粒子の製^ ¾置の構成を示す図である。

図 1 0は、 A r、 S i 及び 0₂ ガスの流入タイミングチャートである。図 1 1は、 S i H ₄ の流入時間パルス幅による量子サイズ効果微粒子の粒径の変化を示す図である。

図 1 2は、本発明の平面型ディスプレイの製造方法の一例を示す主要工程図でめる

図 1 3は、量子サイズ効果微粒子の透過電子線回折像である。発明を実施するための最良の形態

本発明にかかる量子サイズ効果型微小電子銃及びこの電子銃を使用した平面型ディスプレイ装置並びにその製造方法について、幾つかの実施の形態を、以下、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の図面において実質的に同一または対応する部材については同一符号を使用する。

最初に、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態の構成及び動作を説明する。

図 1は本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態の構造模式図である。図 1において、量子サイズ効果型微小電子銃 1は、 n型半導体基板 2の表面に量子サイズ効果微粒子 3を層状に堆積し、この堆積した層 4 (厚さし）の表面に *@ 5を形成して構成される。

図 2は上記量子サイズ効果微粒子 3の断面模式図である。図 2において、量子サイズ効果微粒子 3は、ナノメータ一 'オーダーの粒径 Dを有する単結晶微粒子 6と、この微粒子 6を覆うナノメーター 'オーダ一の厚さ Fを有する絶縁膜 7とで構成される。

本実施の形態では、 n型半導体基板 2は低抵抗の n型 S i、量子サイズ効果微粒子 3の堆積した層 4の厚さ Lは 1 ^ m、 «S 5の材料は金であり、単結晶半導体微粒子 6は、粒径 Dが 5 n mの S i単結晶（ナノ S i結晶と呼ぶ）であり、絶縁膜 7は、厚さ Fが 1 n mであるシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。図 1 3に本実施の形態の量子サイズ効果微粒子 3の透過電子線回折像を示す。図に見られる円形の像は上記量子サイズ効果微粒子 3の断面像である。この中心部に単結晶微粒子 6による電子線回折パターン力見られ、この単結晶微粒子 6が単結晶であること力判る。また、その周辺を覆うアモルファス像は絶縁膜 7であるシリコン酸化膜である。なお、上記量子サイズ効果微粒子 3を支えているァモルファス状の像は、透過電子線回折を行うために必要な試料保持用物質である。図 3は本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態の動作を説明するための電子のエネルギーバンド図であり、 1次元モデルに基づいたエネルギ —バンドを示し、また、 n型半導体基板 2と電極 5の間にダイオード «ffiV dを印加した状態を示している。

図 3において、 8は半導体基板 2のフェルミエネルギー準位を示し、 9はこの半導体基板 2の表面上に積層した量子サイズ効果微粒子 3の表面を覆う絶縁物 7 によって形成されるポテンシャル障壁を示し、ポテンシャル障壁 9の幅 Fは、絶縁膜 7の厚さ Fであり、この厚さ Fは電子がトンネリングできる厚さである。

1 0は量子サイズ効果微粒子 3の中心部分である単結晶微粒子 6とこの単結晶微粒子 6の表面に存在する絶縁膜 7によつて形成されるポテンシャル井戸を示し、このポテンシャル井戸 1 0の幅 Dは単結晶微粒子 6の粒径 Dであり、この幅 D は、ポテンシャル井戸 1 0における電子のエネルギー準位 1 1がフオノン散乱を起こさな L、程度離散する厚さである。

ポテンシャル障壁 9にはダイォ一ド電 E V dに基づくポテンシャル降下 Δが生じるので、隣り合うポテンシャル障壁 9， 9、及び隣り合うポテンシャル井戸 1 0， 1 0は、ポテンシャル降下厶をともなつて連なり、 g巨離 Lにおいて電極 5に接続る。

n型半導体基板 2のフェルミ準位 8と電極 5のフエノレミ準位 1 2のポテンシャル差は、ダイオード電圧 V dに電子の電荷 Qを乗じたエネルギー Q · V d (エレクトロンポ、ノレト）に等しい。

このバンド構造において、 n型半導体基板 2の伝導電子 1 3はポテンシャル障壁 9をトンネリングし、ポテンシャル井戸 1 0でフオノン散乱を受けることなく電界によつてカロ速され電極 5に至る。したがって、電極 5に至つた伝導電子 1 3 は電極 5のフェルミ準位 1 2よりも Q · V dだけ大きなエネルギーを持つ。すなわち、印加する電圧 V dを電極のワークフアンクションエネルギーに対応させれば（例えば ¾ϋが金の場合は、金のワークファンクションエネルギー 5ェレクトロンポルトに対応して 5ボルトを印加）、伝導電子 1 3を真空中に取り出すことができる。

このようにして、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第一の実施の形態は、僅か数ボルトの電圧印加によって、半結晶から電子を引き出すことができる。したがつてまた、図 3に示したように蛍光体を設けた対極電極 1 4と電極 5 との間に加速 msv aを印加して、 «® 5から引き出された電子を加速し、蛍光体に衝突させ、蛍光体を発光させれば、輝度の高いディスプレイ装置を実現することができる。

つぎに、本実施例の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態の外部量子効率を説明する。図 4は外部量子効率の測定方法を示す図である。図 4において、量子サイズ効果型微小電子銃 1の η型 S i基板 2と金 ¾@ 5との間にダイォ一ド電圧 V dを印加し、金電極 5と対極電極 1 4との間に加速電圧 V eを印加し、 n型 S i基板 2と金電極 5との間に流れるダイォード電流 I dと金 ¾g 5と対極 1 4の間に流れるエミッション電流 I eを測定する。ダイォ一ド電流 I d は金電極 5から引き出され、対極 ®ϋ 1 4に到達した電子流と、何らかの原因でワークファンクションエネルギー以上のエネルギーを獲得できなかった電子流との和であり、ェミッション電流 I eは金 ¾i 5から引き出されて対極 W l 4に到達した電子流である。エミッシヨン電流 I eをダイオード電流 I dで割ることによつて本実施例の量子サイズ効果型微小電子銃の外部量子効率 7を測定する。図 5は本実施例の量子サイズ効果型微小電子銃の外部量子効率の測定結果である。図 5において、ダイォード電圧 V dが 5. 2ボルトでェミツション電流 I e 力流れはじめ、約 2 5ボルトで外部量子効率ァが 1 %に達する。

従来のブラゥン管方式における電子銃の外部量子効率は 0 . 1 であるから、本実施例の量子サイズ効果型微小電子銃の外部量子効率ァは極めて高い。さらに、本実施例の量子サイズ効果微粒子 3の S i単結晶微粒子 6と絶縁膜 7 (シリコン酸ィ匕膜またはシリコン窒化膜）との界面の界面準位を減らすことにより、外部量子効率ァを 5 %鍵に改善すること力可能である。

次に、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 2の実施形態について説明する。図 6は本発明の第 2の実施形態の構造模式図である。図 1に示した本発明の第 1の実施形態と同様の構成であるが、量子サイズ効果微粒子 3の粒径 Dの大きさを徐々に変えて積層している。すなわち、半基板 2側にはもつとも粒径の小さい量子サイズ効果微粒子層 3― 1を積層し、次にそれよりも粒径の大きい量子サイズ効果微粒子層 3一を積層し、徐々に大きな粒径の量子サイズ効果微粒子層を積層し、電極 5側でもっとも粒径の大きな量子サイズ効果微粒子層 3一 n を積層して構成する。

図 7は、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 ²の実施形態の動作を説明するための、エネルギーバンド図である。

本発明のナノメ一タ ·オーダ一の量子サイズ劲果微粒子 3は、その中心に S i 単結晶微粒子 6を有している。このため、電子のエネルギー準位は、上記に説明したように離散的であると共に、 S i単結晶格子の周期ポテンシャル及び S i単結晶微粒子 6の幅 Dを反映して、バンド構造を形成している。すなわち、量子サィズ効果微粒子 3の粒径 Dが大きくなるに従つて、このバンドのバンドギヤップエネルギーは、小さくなり、また、バンドの底のエネルギー準位は下がる。図 7において、 1 1— 1， 1 1一 2、 1 1一 3は、量子サイズ効果微粒子層 3 一 1， 3— 2， 3 - 3における、電子の伝導帯の底のエネルギー準位を示している。このように、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 2の実施の形態においては、 n型半導体基板 2と «@ 5に電圧を印加しなくても、伝導帯の底のエネルギ一準位が _n型半導体基板 2から ¾ 5に向けて順次低下しているため、内部電界が発生し、 n型半導体基板 2から電極 5に伝導する電子はこの電界によって加速される。

したがつて、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 2の実施の形態によれば、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃の第 1の実施の形態に較べ、より低い印加電圧で、電子を真空中に取り出すことができる。

次に、上述した第 1の実施形態または第 2の実施形態の量子サイズ効果型微小電子銃を用いた本発明の平面型ディスプレイを、図 8に基づいて説明する。図 8 ( a ) はこの平面型ディスプレイの電子銃部分の構造を示す斜視図、図 8 ( b ) はその平面図、図 8 ( c ) はこの平面ディスプレイの動作を説明するための断面図である。

図 8 ( a ) において、基ネ肚に設けた例えばシリコン酸化膜である絶縁層 1 5 上に、半導体からなる例えばシリコンである下部電極 2をディスプレイの画素寸法に対応した間隔でストライプ状に形成し、図では表示しないが、この下部 ¾ 2の上に、上記第 1の実施の形態または第 2の実施の形態で説明した量子サイズ効果微粒子 3を積層する。この層の上面に、例えば金である上部 ¾® 5を下部電極 2と直交するように、ディスプレイの画素寸法に対応した間隔でストライプ状に形成する。

図 8 (b ) の平面図に示すように、上部 «g 5と下部 ¾g 2と力交差する部分がそれぞれの画素に対応した電子銃部分である。

図 8 ( c ) に示すように、例えば透明電極 1 6を有する透明基板 1 7上に蛍光体 1 8を配設し、上部 «® 5と透明 «® 1 6との間に加速 «liV eを印加する。特定の画素に対応する上部電極 5と下部電極 2を選択し、ダイォ一ド «|£V dを印加することにより、この画素からのみ電子力放出され、加速電圧 V eによって加速され、この選択された画素に対応する蛍光体を発光させる。

基; fe_hの画素の存在しない周辺、或いは裏面に画素選択駆動回路を設けることによって、画像信号にしたがって特定の画素に対応する上部電極 5と下部電極 2 を選択し、画像表示をすることができる。

このようにして、本発明の平面ディスプレイは、量子効率が高い本明の量子サィズ効果型微小電子銃を画素個々に対応して配設することができるから、量子効率が高く、輝度が高く、かつ、薄型にできる。

次に、本発明の第 1及び第 2の実施の形に説明した量子サイズ効果微粒子 3 の製造方法について説明する。

図 9は量子サイズ効果微粒子の製造装置の構成を示す。

本装置において製造できる量子サイズ効果微粒子は、 S i単結晶とその周囲を覆う S i 0₂ 膜とから成る量子サイズ効果微粒子である。

図 9において、 2 0は超高真空チャンバ一であり、 2 1はプラズマセルで、このプラズマセルは、 VH F電源 2 5 ( 1 4 4 MH z ) に接続されたステンレス製の夕一ゲット 2 4と、超高真空チャンバ一 2 0に接続した開口部 2 2を有するステンレス製の底面 23とで構成される。この底面 23はグランド電位に接続される。このプラズマセル 2 1には、 S i H₄ (シラン）及び A rを供給するための配管 26， 27が流量制御バルブ 28， 32を介して取り付けられている。超高真空チャンバ一 2 0には、開口部 22とほぼ対向して基板 29が設置され、 0₂ を供給するための配管 30力流量を制御するバルブ 31を介して接続される。なお、図示しないが、超高真空チャンバ一 20には、超高真空のためのボンプ、たとえばターボモレキュラーポンプ、シャッター及び基板ヒータ一等が取り付けられている。

図 9に示した、量子サイズ効果微粒子製置によって、量子サイズ効果微粒子を形成する方法について説明する。

図 10は、 A r、 S i H₄ 及び 0₂ ガスの導入タイミングチヤ一トである。図

10において、グラフの低い部分はガスを流さないことに対応し、高い部分はガスを流すことに対応し、横軸は時間を表す。

図 10のタイミングチャートに示すように、最初に Arガスをバルブ 32，配管 27を介して、プラズマセル 21に所定の流量及び所定の圧力で導入し、 VH

F電源 25 (144MHz) により VHF帯プラズマを励起しておく。次に、図

10に示すように、一定のパルス幅時間、 S i H₄ ガスをバルブ 28、配管 26 を介して VHF帯プラズマ中に導入する。 S i H₄ はプラズマ中で励起され、 S i H₂、 S i H₃ ラジカル及び S i H„ ⁺ (n= 0~3) イオンを生ずる。 S i H ₂ ラジカルは寿命が短く、互いに結合し、 S i単結晶微粒子 6の結晶核を生成する。この結晶核に S i H₃ ラジカル及び S i Hn ⁺ (n=0〜3) イオンが到達し、結晶成長して S i単結晶微粒子 6力生成する。この S i単結晶微粒子 6は拡散によって開口部 22を通過し、超高真空チャンバ一 20内の基板 29に到達し禾耀する。次に、図 10に示すように一定のパルス幅時間、 0₂ をバルブ 31 ，配管 30を介して超高真空チャンバ一 20内に導入することによって、基板 2

9に積層した S i単結晶微粒子 6の表面を酸ィ匕する。上記工程により量子サイズ効果微粒子 3を形成することができる。

S iH₄ を導入するパルス時間を長くすると量子サイズ効果微粒子 3の粒径が大きくなる。本発明の第 2の実施の形態で説明した量子サイズ効果微粒子 3の粒径 D力徐々に変ィ匕する量子サイズ効果微粒子層 4を形成するには、図 1 0に示したように、 S i H₄ を流す時間パルス幅を徐々に長くし、 S i単結晶微粒子 6の粒径 Dを徐々に大きくして形成する。図 10の S i H₄ を流す時間のタイミングチャートのそれぞれのパルスに付した円は、パルス幅によって、量子サイズ効果微粒子の粒径が変化する様子を模式的に示している。

形成条件の一例を示す。

プラズマセルの体積： 230 cm³ 、プラズマ電力： 3 a ΐ t

A r流量： 3 0 s c cm、 S i H₄ 流量： s c cm

S i H₄ 分圧： 0. 42 t o r r、 0₂ パージ時間： 1秒

上言件で S i H ₄流入時間パルス幅を 0. 1〜 1秒まで変化させたときに形成される量子サイズ ¾1果微粒子の粒径を図 1 1に示す。

次に、本発明の第 1又は第 2の実施の形態の量子サイズ効果型微小電子銃を用いた本発明の平面型ディスプレイの製造方法について説明する。

図 12は本発明の平面型ディスプレイの製造方法の一例を示す主要工程図である。図 12 (a) に示すように、絶縁基板 1 5上に n型 S i単結晶膜を形成し、エッチングにより S iストライプ状の下部電極 2を形成する。次に図 12 (b) に示すように、下部電極 2間の間隙を埋めるため、この表面上に絶縁膜を形成し、平坦ィ匕エッチング等により絶縁媒体 33を埋め込む。続いて図 12 (c) に示すように、この表面上に、上記した量子サイズ効果微粒子製造装置及び量子サイズ効果微粒子を形成する方法により、量子サイズ効果纖子層 4を形成する。次に図 12 (d) に示すように、この表面上に ¾@用物質、たとえば金を形成し、ストライプ状にエッチングして上部電極 5を形成する。次に図 12 (e) に示すように、この表面上にスぺーサ 34を介して、透明電極 16とこの透明電極 1 6 上に設けた蛍光体 18を有する透明基板 17を配設して形成する。産 ¾!:の利用可能性

以上の説明から理解されるように、本発明の量子サイズ効果型微小電子銃は、半導体基板に量子サイズ効果微粒子層を形成し、電子の平均自由行程を長くしているので、電子を取り出し易く、量子効率が高く、かつ、微小化することができる。したがって、本発明は平面型ディスプレイ装置に極めて有効に適用可能である。

さらに、このようにして得られる本発明の平面型ディスプレイ装置は、この量子サイズ効果型微小電子銃を画素ごとに配置することが容易であるから製造しやすく、また、量子効率が高いから省電力タイプであり、また、輝度が高く、かつ薄型にできる。

さらに、本発明の製造方法を用いれば、量子サイズ効果微粒子層を形成することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 半導体基板と電極の間に量子サイズ効果を有する微粒子を積層して、この半導体基板とこの電極の間を伝導する電子の平均自由を大きくしたことを特徵とする量子サイズ効果型微 /J、電子銃。

2 . 前記半導体基板と前記電極の間に、前記量子サイズ効果微粒子の粒径を、半導体基板側から電極側に向かって徐々に大きくして積層したことを特徵とする、請求の範囲 1に記載の量子サイズ効果型微小電子銃。

3. 前 ΪΞ*子サイズ効果を有する微粒子は、ナノメーター 'オーダーの粒径を有する単結晶半導体微粒子と、この結晶を覆うナノメーター ·オーダーの厚さを有する絶縁層とからなる量子サィズ効果微粒子であることを特徴とする、請求の範囲 1又は 2に記載の量子サイズ効果型微小電子銃。

4 · 前記半導体基板が η型シリコンであり、前記単結晶半導体微粒子がシリコン単結晶微粒子であり、前記絶縁層がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徵とする、請求の範囲 1， 2又は 3に記載の量子サイズ効果型微小

5 . 半導体基板と «@の間に量子サイズ効果を有する銜立子を積層して、この半導体基板とこの電極の間を伝導する電子の平均自由 ^呈を大きくした量子サイズ効果型微小電子銃をァレイ状に平 Sffi列し、このァレイ状平面配列電子銃と蛍光板とを組み合わせて構成したことを特徴とする平面型ディスプレイ装置。

6 . 前言 5*子サイズ効果型微小電子銃が、半導体基板と電極の間に量子サィズ効果微粒子の粒径を半導体基板側から電極側に向かつて徐々に大きくして積層して成ることを特徼とする、請求の範囲 5に記載の平面型ディスプレイ装置。

7. 前記量子サイズ効果を有する微粒子は、ナノメータ一 'オーダ一の粒径を有する単結晶半導体微粒子と、この結晶を覆うナノメーター ·オーダーの厚さを有する絶縁層とからなることを特徵とする、請求の範囲 5又は 6に記載の平面型ディスプレイ装置。

8 . 前記半導体基板が n型シリコンであり、前記単結晶半導体微粒子がシリコン単結晶微粒子であり、前記絶縁層がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徵とする、請求の範囲 5又は 6に記載の平面型ディスプレイ装置。

9. 前記平面型ディスプレイ装置は、ストライプ状の半導体から成る種の下部電極と、この下部電極上に前記量子サイズ効果微粒子を積層した量子サイズ効果微粒子層と、この量子サイズ効果微粒子層上に上記下部電極と直交して配設したストライプ状の上部電極とを有し、

上記下部電極と上言 5±部電極の交叉領域と、この交叉領域内の上記量子サイズ効果微粒子層を画素の電子銃とし、上記下部電極と上言 B_h部電極の特定の一組を選択して駆動 ¾ϊを印加することにより、この特定の画素を発光させることを特徼とする、請求の範囲 5に記載の平面型ディスプレイ装置。

1 0. アルゴンの VHF帯プラズマ中にシランを導入して S i単結晶微粒子を生成する工程と、この生成した S i単結晶微粒子を基に積層する工程と、この麵した S i単結晶微粒子の表面を絶縁層に変化させる工程とから成る、量子サイズ効果微粒子の製造方法。

1 1. 前記 S i単結晶微粒子が生成する工程は、前記アルゴンの VHF帯プラズマ中で、 S iH₂ ラジカル、 S i H₃ ラジカル及び S i H_n ⁺ (n=0〜 3) イオンが生成し、さらに上言己 S iH₂ ラジカルから MISS i単結晶微粒子の核が生成し、さらにこの核に上記 S i H₃ ラジカル及び S i H_n ⁺ (n = 0〜3 ) イオンが結合して上記 S i単結晶微粒子の核が結晶成長し S i単結晶微粒子が生成することから成ることを特徵とする、請求の範囲 10に記載の量子サイズ効果微粒子の製造方法。

12. 前記 S i単結晶微粒子力前記基板上に積層する工程は、上記 S i単結晶微粒子がこの S i単結晶微粒子の濃度勾配に基づこ拡散によつて上記基板上に到達し積層することからなることを特徵とする、請求の範囲 10に記載の量子サイズ効果微粒子の製造方法。

13. 前記 S i単結晶微粒子の表面を絶縁層に変化させる工程は、上記 S i単結晶微粒子を 0₂ または N₂ ガス雰囲気に晒し、この S i単結晶微粒子の表面を酸化または窒化することからなることを特徵とする、請求の範囲 10に記載の量子サイズ効果微粒子の製造方法。

14. 前記 S i単結晶微粒子の表面を絶縁層に変化させる工程が、上記 S i単結晶微粒子を 0₂ または N ₂ のガスプラズマに晒し、この S i単結晶微粒子の表面を酸化または窒ィ匕することからなること特徵とする、請求の範囲 1 0に記載の量子サイズ効果微粒子の製造方法。

1 5. 請求の範囲 1 0記載の量子サイズ効果微粒子の製造方法を繰り返して量子サイズ効果微粒子層を形成する量子サイズ効果微粒子層の製造方法。

1 6. 前記 S i単結晶微粒子の粒径は、前記アルゴンの VH F帯プラズマ中に導入するシランの導入時間によつて制御することを特徵とする、請求の範囲 1 0に記載の量子サイズ効果子の製造方法。