(57)【特許請求の範囲】
【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、前記電子供給層を構成する元素を含み３００ｎｍ乃至４００ｎｍの膜厚を有するアモルファス層であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記電子供給層が珪素であり、前記絶縁体層が酸化珪素又は窒化珪素であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】
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、前記電子供給層を構成する元素を含み３００ｎｍ乃至４００ｎｍの膜厚を有するアモルファス層であることを特徴とする電子放出表示装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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１０nm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。
【０００４】
例えば、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（特開平７-６５７１０号公報）。
しかしながら、ＭＩＭ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。
【０００５】
【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、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。
【０００６】
【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、前記電子供給層を構成する元素を含み３００ｎｍ乃至４００ｎｍの膜厚を有するアモルファス層であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の電子放出素子においては、前記電子供給層が珪素であり、前記絶縁体層が酸化珪素又は窒化珪素であることを特徴とする。
本発明の電子放出素子は、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。素子の放出電流は１ｘ１０-6A/cm2をこえ１ｘ１０-3A/cm2程度であり、放出電流比は１ｘ１０-1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。
【０００８】
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、真空ミ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。
また、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、前記絶縁体層は前記電子供給層を構成する元素を含み３００ｎｍ乃至４００ｎｍの膜厚を有するアモルファス層であることを特徴とする。
【０００９】
【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、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、電子供給層１２を構成する元素を含み５０nm以上の極めて厚い膜厚を有するものである。
【００１０】
この電子放出素子は、表面の薄膜電極を駆動電位Ｖｄにし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との間に駆動電圧Ｖｄ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に印加された高い加速電圧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。
【００１１】
各層の成膜法としては、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 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。スパッタリング法は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所定材料と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、電子供給層及び絶縁体層のアモルファス相、粒径、原子比は制御され得る。
【００１２】
実施例のＳｉＯ2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Ｉａが観測された。このことから絶縁体層のＳｉＯ2はアモルファス相であると推定できる。
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。
【００１３】
又は、電子供給層の材料としてAl, Au, Ag, Cuなどの金属でも有効であるが、Sc, Ti, V, Cr, Mn, 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, Yb, LuあるいはＣも用いられ得る。
絶縁体層及び電子供給層が同種の元素を有する材料の組み合せ例は、電子供給層−絶縁体層，・・・と示すと以下のようなものがある。
【００１４】
Li−LiOx，LiAlO2，Li2SiO3，Li2TiO3，LiNx
Na−NaOx，Na2Al22O34，NaFeO2，Na4SiO4
K−KOx，K2SiO3，K2TiO3，K2WO4
Rb−RbOx，Rb2CrO4
Cs−CsOx，Cs2CrO4
Be−BeOx
Mg−MgOx，MgAl2O4，MgFe2O4，MgTiO3，MgNx
Ca−CaOx，CaTiO3，CaWO4，CaZrO3，CaNx，CaC2
Sr−SrOx，SrFe12O19，SrTiO3，SrZrO3
Ba−BaOx，BaAl2O4，BaFe12O19，BaTiO3，Ba4C
Sc−ScOx
Y−YOx，Y3Al5O12，Y3Fe5O12，YNx
La−LaOx，LaFeO3，La3Fe5O12，La2Ti2O7，LaNx
Ce−CeOx，CeSnO4，CeTiO4
Pr−PrOx
Nd−NdOx
Sm−SmOx，Sm3Fe5O12
Eu−EuOx，EuFeO3，Eu3Fe5O12
Gd−GdOx，GdFeO3，Gd3Fe5O12
Tb−TbOx，
Dy−DyOx，DyFeO3，Dy3Fe5O12
Ho−HoOx，HoFeO3，Ho3Fe5O12
Er−ErOx，ErFeO3，Er3Fe5O12
Tm−TmOx，Tm3Fe5O12
Yb−YbOx
Lu−LuOx，LuFeO3，Lu3Fe5O12
Ti−TiOx，NiTiO3，Al2TiO3，FeTiO3，TiNx，TiC
Zr−ZrOx，BaZrO3，LiZrO3，MgZrO3，ZrNx，ZrC
Hf−HfOx，HfTiO4，HfNx，HfC
Th−ThOx，ThC
V−VOx，NH4VO3，AgVO3，LiVO3，VNx，VC
Nb−NbOx，BaNb2O6，NaNbO3，SrNb2O6，NbNx，NbC
Ta−TaOx，KTaO3，NaTaO3，SrTa2O6，TaNx，TaC
Cr−CrOx，CuCr2O4，Ag2CrO4，Ag2CrO4，CrNx，Cr3C2
Mo−MoOx，k2MoO4，Na2MoO4，NiMoO4，MoNx，Mo2C，MoC
W−WOx，BaWO4，Na2WO4，SrWO4，WNx，W2C，WC
Mn−MnOx，MnCr2O4，MnFe2O4，MnTiO3，MnWO4
Re−ReOx
Fe−FeOx，CoFe2O4，ZnFe2O4，FeWO4，FeNx
Ru−RuOx
Os−OsOx
Co−CoOx，CoMoO4，CoTiO3，CoWO4
Rh−RhOx
Ir−IrOx
Ni−NiOx，NiFe2O4，NiWO4
Pd−PdOx
Pt−PtOx
Cu−CuOx，CuFe2O4，CuMoO4，CuTiO3，CuWO4，CuNx
Ag−AgOx，Ag2MoO4，Ag2WO4
Au−AuOx
Zn−ZnOx，ZnAl2O4，ZnMoO4，ZnWO4
Cd−CdOx，CdSnO3，CdTiO3，CdMoO4，CdWO4
Hg−HgOx
B−BOx，BNx
Al−AlOx，NaAlO2，MgAl2O4，SrAl2O4，AlNx，SiAlO4，Al4C3
Ga−GaOx，Gd3Ga5O12，GaNx
In−InOx，InFeO3，MgIn2O4，
Ti−TiOx，Al2TiO5，FeTiO3，MgTiO3，TiNx
C(ダイヤモンド，フラーレン(C2n))−Al4C3，B4C，CaC2，Cr3C2，Mo2C，MoC，NbC，SiC，TaC，TiC，VC，W2C，WC，ZrC
Si−SiOx，Na2SiO3，CaSiO3，ZrSiO4，SiNx，SiAlON，SiC
Ge−GeOx，K2GeO3，Li2GeO3，Na2GeO3，GeC
Sn−SnOx，Bi2Sn3O9，MgSnO3，SrSnO3
Pd−PbOx，PbSiO3，PbMoO4，PdTiO3
P−POx，PNx
As−AsOx
Sb−SbOx，SnO2-Sb2O3
Se−SeOx，CuSeO4，Na2SeO3，ZnSeO3
Te−TeOx，K2TeO3，K2TeO4，Na2TeO3，Na2TeO4
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、上記式中、Ox，Nxのｘは原子比を表す。以下、同じ。
【００１５】
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, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, 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、Ａｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ等のセラミックスや、表面酸化処理したＳｉウエハでも良い。
（実施例）
具体的に、電子放出素子を作製し特性を調べた。
【００１６】
Ａｌオーミック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の電極表面に、シリコン（Ｓｉ）の電子供給層及びＳｉＯx絶縁体層をスパッタリング法により膜厚５０００ｎｍ及び４００ｎｍで順に形成した。かかるＳｉ基板を多数用意した。
最後に、各基板のアモルファスＳｉＯx層の表面上にＰｔ薄膜電極を膜厚１０ｎｍでスパッタ成膜し、素子基板を多数作成した。
【００１７】
一方、透明ガラス基板の内面にＩＴＯコレ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。
【００１８】
その後、多数の得られた素子について各ＳｉＯx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及び図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ＳｉＯx層膜厚に対する、各膜厚における放出電流Ｉｅの関係並びに電子放出効率（Ｉｅ／Ｉｄ）の関係を示す。図２及び図３から明らかなように、膜厚５０ｎｍにおいても十分な放出電流並びに電子放出効率を得て、膜厚３００〜４００ｎｍの素子で最大放出電流１ｘ１０-3A/cm2、最大電子放出効率１ｘ１０-1程度が得られた。
【００１９】
この結果より、２００Ｖ以下の電界を加えることにより、１ｘ１０-6A/cm2以上の放出電流、１ｘ１０-3以上の電子放出効率が、膜厚５０ｎｍ以上好ましくは、１００〜４００ｎｍのＳｉＯx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の加速電圧を印加した状態では、ＳｉＯx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、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。
【００２０】
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、図７に示すように、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。
【００２１】
次に、比較例として、電子供給層及び絶縁体層で異種の元素Ｓｉ及びＡｌを含む以外は、上記実施例と同様になした電子放出素子を組立て、作製した。そして、加速電圧Ｖｃの２００Ｖの条件下で駆動電圧Ｖｄに対する放出電流Ｉｅ及びその効率の変化をそれぞれ測定した。
図４及び図５は、▲１▼絶縁体層材料，▲２▼電子供給層材料として、比較例の▲１▼ＳｉＯx，▲２▼Ａｌ及び実施例の▲１▼ＳｉＯx，▲２▼Ｓｉにおける放出電流Ｉｅ及び電子放出効率と駆動電圧Ｖｄとの関係を示したものである。図示のように、駆動電圧Ｖｄは約５０Ｖ程度の低い電圧で放出開始電流が発生するが、電子供給層及び絶縁体層で同種の元素Ｓｉを含む場合の方が異種の元素を含む場合よりも、放出電流値で４ケタ、電子放出効率で３ケタも向上することが判明した。
【００２２】
このことは、同種の元素Ｓｉを含む電子供給層及び絶縁体層の界面を電子が容易に通過できるので、多くの電子を安定して金属薄膜電極に到達させることができるからであると推察される。
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（ＳｎＯ）、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。
【００２３】
一方、真空空間４を挾み前面板に対向す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１０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、開口を有した絶縁保護層１７が成膜される。この絶縁保護層１７はバス電極１６を覆うことで不要な短絡を防止する。
【００２４】
オーミック電極１１の材料としては、Ａｕ、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。
【００２５】
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。
【００２６】
バス電極１６の材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、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。
【００２７】
なお、上記実施例においては、Ｓｉ及びＳｉＯxが絶縁体層中に分散しているものであるが、絶縁体層をＳｉの層及びＳｉＯxの層の交互に積層された多層から構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による電子放出素子の概略断面図である。
【図２】  本発明による電子放出表示素子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。
【図３】  本発明による電子放出表示素子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。
【図４】  本発明による電子放出素子における駆動電圧と電子放出電流の関係を示すグラフである。
【図５】  本発明による電子放出素子における駆動電圧と電子放出効率の関係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を示す概略斜視図である。
【図７】  本発明による電子放出素子の動作を説明する動作説明図である。
【符号の説明】
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  バス電極
１７  絶縁保護層
１８  インシュレータ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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