(57)【要約】【課題】本発明は、電界放出現象を利用しつつ簡便なプロセスで作製できるモジュールを提供し、発光デバイスとしてディスプレイのみならず広範囲な分野において活用を図ることを目的とするものである。特に、高効率電子放出特性を有し、長寿命を持つエミッタ材料を提供し、また、低温で再現性に優れたエミッタ加工プロセスも提供する。【解決手段】透明導電ガラス及び有機蛍光体薄膜からなるアノード基板と、半導体基板及び電界電子放出材料薄膜からなるカソード基板と、アノード基板とカソード基板とを対向して配設させ、基板間の空隙を高真空雰囲気に保持させるスペーサと、アノード基板とカソード基板と間に電界を印加させる電圧印加回路とを有し、基板間の空隙を真空チャネル領域として、基板間に電界を印加することにより電界電子放出材料薄膜からの電子を有機蛍光体薄膜に注入させて発光させることを特徴とする電界放出発光デバイス。【選択図】図２
2006351510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明導電ガラス及び有機蛍光体薄膜からなるアノード基板と、半導体基板及び電界電子放出材料薄膜からなるカソード基板と、前記アノード基板と前記カソード基板とを対向して配設させ、基板間の空隙を高真空雰囲気に保持させるスペーサと、前記アノード基板と前記カソード基板の間に電界を印加させる電圧回路とを少なくとも有し、前記アノード基板と前記カソード基板の間の空隙を真空チャネル領域として、基板間に電界を印加することにより前記電界電子放出材料薄膜からの電子を前記有機蛍光体薄膜に注入させて発光させることを特徴とする電界放出発光デバイス。
【請求項２】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置の真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去しながらスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする電界放出発光デバイス。
【請求項３】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置の真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去しながらスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出発光デバイス。
【請求項４】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置の真空槽内部の残留ガス中の水成分を１０−６ｔｏｒｒ以下にしてスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする電界放出発光デバイス。
【請求項５】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置の真空槽内部の残留ガス中の水成分を１０−６ｔｏｒｒ以下にしてスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出発光デバイス。
【請求項６】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置に液体窒素トラップ若しくはクライオポンプを配設して真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去しながらスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする電界放出発光デバイス。
【請求項７】
電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置に液体窒素トラップ若しくはクライオポンプを配設して真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去しながらスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出発光デバイス。
【請求項８】
前記電界電子放出材料薄膜がＳｉドープ窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電界放出発光デバイス。
【請求項９】
前記電界電子放出材料薄膜が、窒素雰囲気下でアルミニウム（Ａｌ）とＳｉをスパッタリングすることで、ｎドープＳｉ基板上に成長させ、作製されたＳｉドープ窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電界放出発光デバイス。
【請求項１０】
前記ｎドープＳｉ基板が２５０〜４００度の低温に保持された状態で、前記Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜を成長させることを特徴とする請求項８又は９に記載の電界放出発光デバイス
【請求項１１】
前記Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜の膜厚が１５０〜５００ｎｍである請求項８又は９に記載の電界放出発光デバイス
【請求項１２】
前記Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜のＳｉドープ密度が１．０×１０２０ｃｍ−３以上である請求項８又は９に記載の電界放出発光デバイス
【請求項１３】
前記有機蛍光体薄膜と前記電界電子放出材料薄膜との間にゲート電極を配設し、前記ゲート電極の電位を制御することで、前記電界電子放出材料薄膜からの電子を前記有機蛍光体薄膜に注入させるアドレスを制御することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の電界放出発光デバイス
【請求項１４】
前記有機蛍光体薄膜が、赤色発光分子にα−ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、緑色発光分子にＡｌｑ３，青色発光分子にｐ−ｓｅｘｉｐｈｅｎｙｌを用いたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の電界放出発光デバイス
【請求項１５】
前記有機蛍光体薄膜が前記透明導電ガラス上に、１００〜５００ｎｍの膜厚で形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の電界放出発光デバイス
【請求項１６】
前記透明伝導ガラスが、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）ガラスである請求項１乃至１５のいずれかに記載の電界放出発光デバイス
【請求項１７】
前記Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜が所定の間隔でコーン状に素子分離されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の電界放出発光デバイス
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄型パネルのディスプレイ，有機レーザデバイス，照明などに用いられる有機フィールドエミッションデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高度情報社会においては、ＴＶ・インターネット・携帯電話等情報の受信及び発信のためのディスプレイは人間と情報とのインターフェイスとしてその重要性を一段と高めている。このようにディスプレイが多様に用いられるにつれ、要求される特性も薄型、大画面、自然色、高発光効率、低電力等多様化している。このような要求に応えるものとしてフィールド・エミッション・ディスプレイが注目されている。フィールド・エミッション・ディスプレイ（電界放出ディスプレイともいう）は、固体表面に強い電場をかけると、固体表面に閉じ込められていた電子が表面のポテンシャル障壁が低くなるために、トンネル効果で真空中に飛び出しやすくなる現象（電界放出）を利用したものである。すなわち電界放出現象を利用して、ＣＲＴに１つしかない電子銃を、超小型化してピクセル毎に無数に配置したものといえる。
【０００３】
フィールド・エミッション・ディスプレイは原理的には電子銃を用いたＣＲＴと共通点が多いため、広視野角を有し、発色性・応答性が良いという特徴を持つ。その一方で、熱放射により電子を放出させるＣＲＴと異なり電界放射により電子を放出させるので、ＣＲＴに比べ省電力でありかつ薄型化も容易に実現可能である。
【０００４】
図１に、フィールド・エミッション・ディスプレイの構造模式図を示す。図１に示すように、一般的なフィールド・エミッション・ディスプレイの構造は、微小な電子エミッタを形成した陰極と蛍光体を塗った陽極とを、スペーサを挟んで張り合わせ、内部を真空にしたものである。 
フィールド・エミッション・ディスプレイはエミッタの構成によりいくつかの方式が開発されており、Spindt型の金属チップ、異方性エッチングしたＳｉチップ、ＭＩＭ，ＭＩＳトンネルジャンクションを利用したもの、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたもの、陰極、陽極を平行に配置した表面電子伝導型（Surface conduction type）などがある。
【０００５】
ここで、エミッタ材料としてＧａＮやＡｌＮという窒化物半導体を採用することも提案されている（例えば、特許文献１を参照）。しかし、いずれの提案もエミッタ材料を作製するのに、高温環境のプロセスを必要とするため、高温プロセスに起因する材料劣化の問題や高価な基板材料を用いなければならないといった問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２７３３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電界放出現象を利用しつつ簡便なプロセスで作製できるデバイス構造を提供し、発光デバイスとしてディスプレイのみならず広範囲な分野において活用を図ることを目的とするものである。
特に、高効率電子放出特性を有し、長寿命を持つエミッタ材料を提供し、また、低温で再現性に優れたエミッタの作製プロセスも提供するものである。
そして、低温プロセスで作製されたエミッタと低駆動電圧で発光する高効率の有機蛍光体とを用いて、有機電界放出型発光素子（フィールドエミッションデバイス；Field Emission Device(ＦＥＤ)）を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点からは、透明導電ガラス及び有機蛍光体薄膜からなるアノード基板と、半導体基板及び電界電子放出材料薄膜からなるカソード基板と、前記アノード基板と前記カソード基板とを対向して配設させ、基板間の空隙を高真空雰囲気に保持させるスペーサと、アノード基板とカソード基板と間に電界を印加させる電圧回路とを少なくとも有し、基板間の空隙を真空チャネル領域として、基板間に電界を印加することにより前記電界電子放出材料薄膜からの電子を前記有機蛍光体薄膜に注入させて発光させることを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。
カソード基板を構成する電界電子放出材料に電圧が印加されると、電界放出により電子が発生し真空中に放たれる。この電子がアノード基板に引き寄せられて進み、アノード基板を構成する有機蛍光体薄膜に衝突する。電子が衝突することにより有機蛍光体は電子のエネルギーを光に変換して発光することとなる。
【０００９】
本発明の第２の観点からは、電界電子放出材料薄膜が、基板とターゲット材料との間で放電を行ってターゲット材料から放出された原子を基板に付着させて薄膜の形成を行う方法（スパッタリング）を用いて作製され、かつ、スパッタリング装置の真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去しながらスパッタリングを行い作製されたものであることを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。
真空槽内部の残留ガス中の水成分は作製する電界電子放出材料薄膜のエミッション特性に大きく影響し、特に飽和電流密度に関して２桁以上の特性の向上を図ることができるのである。
【００１０】
真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去は、具体的には残留ガス中の水成分を１０−６ｔｏｒｒ以下に抑えることがよい。また、スパッタリング装置に液体窒素トラップ若しくはクライオポンプを配設することで、簡便に、真空槽内部の残留ガス中の水成分を除去することができる。ここで、液体窒素トラップは、例えば、コールドフィンガーを用いて、スパッタリング装置の排気回路部に設けるか、或るいは、ターゲット基板の近傍に設けることが好ましい。
【００１１】
本発明の第３の観点からは、電界電子放出材料薄膜がＳｉドープ窒化アルミニウム薄膜である電界放出発光デバイスが提供される。
自発光デバイス、薄型パネル、広視野角、高速応答、高発光効率、低消費電力等の特徴を有するフィールド・エミッション・ディスプレイにおけるエミッタ材料として光電子放出効率、高電流密度、長寿命等の観点から窒化物が注目されている。
Ｓｉをドープした窒化アルミニウム薄膜をエミッタ材料として用いることで、非常に大きな電流密度を獲得することができる。
【００１２】
本発明の第４の観点からは、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜が、窒素雰囲気下でアルミニウム（Ａｌ）とＳｉをスパッタリングすることで、ｎドープＳｉ基板上に成長させ、作製されたものである電界放出発光デバイスが提供される。大面積ディスプレイの実績のあるスパッタリング法を採用しＡｌとＳｉを同時にスパッタすることにより、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜を作製することができる。
【００１３】
本発明の第５の観点からは、ｎドープＳｉ基板が２５０〜４００度の低温に保持された状態で、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜を成長させることを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。後述するように、他の方法よりも低温のプロセスによりエミッタを作製することができる。
【００１４】
本発明の第６の観点からは、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜の膜厚が１５０〜５００ｎｍである電界放出発光デバイスが提供される。後で詳述するが、膜厚を制御することによりエミッタの特性である閾値電界を低下させることができるのである。
【００１５】
本発明の第７の観点からは、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜のＳｉドープ密度が１．０×１０２０／ｃｍ３以上である電界放出発光デバイスが提供される。ここでは、窒化アルミニウム上のＳｉチップの数量を調整することによりＳｉドープ密度を制御することができる。Ｓｉドープ密度を制御することにより、ＡｌＮ薄膜表面の突起の曲率半径を小さくすることができる。すなわち、突起先端部に電界が集中することにより極めて高効率の発光が可能となり、ひいては低消費電力による発光が実現できるのである。
【００１６】
本発明の第８の観点からは、有機蛍光体薄膜と電界電子放出材料薄膜との間にゲート電極を配設し、ゲート電極の電位を制御することで、電界電子放出材料薄膜からの電子を有機蛍光体薄膜に注入させるアドレスを制御することを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。
【００１７】
本発明の第９の観点からは、有機蛍光体薄膜が、赤色発光分子にａ−ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、緑色発光分子にＡｌｑ３，青色発光分子にｐ−ｓｅｘｉｐｈｅｎｙｌを用いたことを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。
【００１８】
本発明の第１０の観点からは、有機蛍光体薄膜が透明導電ガラス基板上に、１００〜５００ｎｍの膜厚で形成されていることを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。室温に保ったＩＴＯガラス基板上で蒸着する膜厚を制御することにより発光特性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の第１１の観点からは、前記透明伝導ガラスが、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）ガラスである電界放出発光デバイスが提供される。
【００２０】
本発明の第１２の観点からは、前記Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜が所定の間隔でコーン状に素子分離されていることを特徴とする電界放出発光デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る電界放出発光デバイスよれば、微小な電子エミッタを形成した陰極と有機蛍光体を塗った陽極を、スペーサを挟んで張り合わせ、内部を真空構造として電圧印加回路を設けたデバイスの提供より、薄型パネル、広視野角、高速応答、高発光効率、低消費電力という特徴を有した大画面ディスプレイが実現するのみならず、本デバイスの応用により、有機レーザデバイス、印刷製品、照明器具等広範囲な分野における発光デバイスとして活用を図ることができる。特に、有機レーザデバイスには、放出電子で励起するタイプのものに活用できる可能性が大きい。
【００２２】
また、高電子放出効率、高電流密度、長寿命という窒化物の特徴に加え、Ｓｉドープにより更に電流密度を大幅に向上させることができる。
【００２３】
また、実績のあるスパッタリング法を使用していることにより、安価に安定に高品質な膜形成が可能となる。スパッタリング法を用いた低温プロセスでのエミッタ作製により、部材の損傷防止、製造コスト低減等をもたらすことが可能となる。さらに、低温プロセスにより基板材料の選定においてもガラスに限定されず、プラスチックを基板として採用することが可能とるといった効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。
【実施例１】
【００２５】
図２に本発明に係る電界放出発光デバイスの構造模式図を示す。本発明に係る電界放出発光デバイスは、Ｓｉ基板１及び基板上に低温成長させたＳｉドープ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜２と、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）ガラス基板３及び有機蛍光体薄膜４とスペーサ５と電圧回路６とを少なくとも含む構成からなる。ここで、Ｓｉ基板上に低温成長させたＳｉドープ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜はエミッタを形成する。
Ｓｉ基板１とＳｉドープＡＩＮ薄膜２はカソード（陰極）１０を形成し、ＩＴＯガラス基板３と有機蛍光体薄膜４はアノード（陽極）１１を形成し、スペーサ５を挟んで対向する。カソードとアノード間の空隙は高真空雰囲気に保持されている。
尚、スペーサ５には厚み６０μｍのマイカ（雲母）を用いているが、カソードとアノード間の空隙は、狭い方がより好ましい。
また、カソード（陰極）とアノード（陽極）の間にグリッドを挿入して、放出電流を制御することも可能である。実際に実用化を考えた場合、カソード（陰極）とアノード（陽極）の間にグリッドを挿入する３極方式を採用することが好ましい。
【００２６】
（ＳｉドープＡｌＮ薄膜エミッタの作製方法）
ここで、Ｓｉをドープした窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜により形成されたエミッタの作製方法について説明する。図３は、Ｓｉドープ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜により形成されたエミッタの作製にもちいた反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の構造模式図を示している。
【００２７】
以下、図３を参照しながら説明していく。エミッタの作製に用いた反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置３０は、装置内のチャンバー上部にヒータ３２を有し、チャンバー下部に高周波電源３２（図示しない）を有し、チャンバー右部に反応ガス３３を導入できる流入口があり、チャンバー左部の流出口から真空ポンプ３９（図示しない）によって反応ガスを流出させる構造である。
【００２８】
本装置上部に基板としてｎドープＳｉ（１１１）ウェハからなるＳｉ基板３４を収め、Ｓｉ基板３４と対向して下部にＡｌ／Ｓｉターゲット３５を載置する。Ａｌ／Ｓｉターゲット３５は、図３の右下に示すように、Ａｌターゲット３６の上に１．５ｍｍ角のＳｉチップ３７を所定の個数載置したものである。
【００２９】
ヒータ３１を制御し、Ｓｉ基板３４の温度を３００℃に保持して、チャンバー内に４０ｍＴｏｒｒでＮ２とＡｒガスの反応ガス３３を流し、スパッタ電圧１．８ｋＶ，ＲＦパワー１５０Ｗでスパッタリングを行なっている。
【００３０】
Ｓｉドープ量はＡｌ上のＳｉチップ３７の個数を変えることにより制御することとしている。Ａｌ／Ｓｉターゲット３５の部分である陰極と高周波電源３２（図示しない）の間にはマッチングボックスが設けてあり、コンデンサとコイルからなる整合回路によってインピーダンスのマッチングをとり高周波電力が有効に装置内に注入されるようになっている。
【００３１】
また、Ａｌターゲット３６とＳｉ基板３４の間にシャッターを配設して、該シャッターの開閉によりＳｉドープＡｌＮ薄膜の膜圧を制御している。
【００３２】
反応ガス３３は真空ポンプ３９（図示しない）によって、入った方向の対角の方向に出て行くように設計されており、スパッタが起こるチャンバー中央部に供給されるようになっている。
【００３３】
また、マグネット４０近傍には水冷管４１が設けられており、スパッタによりターゲットが加熱され、溶解することを防止している。チャンバー本体にも水冷管４２を設けており、プラズマによるチャンバーの温度上昇によるプラズマ状態の変化を防いでいる。
【００３４】
（ＳｉドープＡｌＮ薄膜の特性）
次に、作成されたＳｉドープＡｌＮ薄膜の特性について説明する。図４（ａ）は、上述の作製方法により作製したＳｉドープＡｌＮエミッタ薄膜のＸ線解析スペクトル図である。図４に示すように、スペクトルは（０００２）回折線ピークが強く現れており、Ｓｉ基板面に垂直にＣ軸に配向していることがわかる。図４（ｂ）にＸ線極点図を示す。Ｘ線極点図は回折条件を固定して全方位スキャンして、その空間分布を調べたものである。図４（ｂ）の場合、Ｃ軸について極点図を取っており、Ｃ軸がどの方向に向いているかを示している。図４（ｂ）から理解できるように、非常にシャープなピークがＳｉ基板に垂直な方向に立っている。これは、Ｃ軸がＳｉ基板に垂直に配向していることを示すデータである。
なお、このときの（０００２）Ｘ線ロッキングカーブの半値幅は３度であり、これは高純度多結晶窒化物のデータに相当している。
【００３５】
次に、厚さ４４０ｎｍの膜について入射角度５５度で測定した反射スペクトルを図５（ａ）に示す。半導体のバンド構造の情報が光吸収特性を調べることで得られ、また、反射スペクトルは光吸収特性を反映することから、上記作製方法で得られたＳｉドープＡｌＮ薄膜のバンドギャップを評価した。一般に、薄膜からの反射スペクトルは、多重反射を反映して干渉パターンを示すため、反射スペクトルを解析するのに際し、図５（ｂ）に示す多重反射モデルを想定し、スペクトル形状を理論的に予測しながら実際の測定データを比較している。図５（ｃ）は理論的に予測した反射スペクトルである。図５（ａ）の反射スペクトルの干渉の収束点から、バンドギャップが6.2ｅＶとした。このバンドギャップが6.2ｅＶの値は、バルクの良質なＡｌＮのものと同程度であり、半導体として十分なエネルギーバンド構造を有していると理解できるものである。また、バルクと同様大きなバンドギャップを持つことは、負性電子親和力を有することを示すことになる。
【００３６】
図６は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の観察イメージ画像である。Ｓｉのドープ量の制御は既述の通りＳｉチップの個数を変えることにより行なう。図６（ａ）はＳｉドープしない場合、図６（ｂ）はＳｉドープ密度５．１×１０１９ｃｍ−３、図６（ｃ）はＳｉドープ密度７．９×１０１９ｃｍ−３、図６（ｄ）はＳｉドープ密度１．１×１０２０ｃｍ−３の場合である。図６の(ａ)〜（ｄ）から、Ｓｉドープ量を増加させると共に突起が形成され、突起の曲率半径も小さくなっていくことが理解できる。ＳｉドープＡｌＮ薄膜表面の突起形状はその先端部で、電界の集中を引き起こし、平板に加えている電界よりもはるかに高い電界が突起先端部に加わっていることになる。これが、Ｓｉドープによる閾値電界の低下の要因であると言えよう。
【００３７】
次に、Ｓｉドープ量を変化させて作製したＡｌＮ薄膜のエミッタ特性について、特に、Ｓｉドープ量との関係について説明する。図７はＳｉドープ量を変化させて作製したＡｌＮ薄膜エミッタの特性についての閾値と電流密度の関係を示すグラフである。Ｓｉをドープしていない（ｕｎｄｏｐｅ）ＡｌＮ薄膜エミッタの場合、閾値電界は２６Ｖと高く、電流密度も低いことが理解できる。Ｓｉドープ量を１０１９ドープすると閾値電界は２０Ｖまで下がり、電流密度は２桁上昇していることが理解できる。さらにＳｉドープ量を１０２０ドープすると電流密度は１μＡ/ｃｍ２以上に上昇し、閾値電界は１０Ｖ程度に急激に低下していることが理解できる。これはＸ線回折測定からＳｉドープ量が１０２０ドープ密度では格子定数の低下が見られ、ＳｉがＡｌマトリックス内にドープされ均一な不純物準位を形成しているためと推定する。
【００３８】
以上から、Ｓｉドープ窒化アルミニウム薄膜のＳｉドープ密度が１．０×１０２０ｃｍ−３以上であるものは閾値電界が１０Ｖ程度を低く、省電力の電界放出発光デバイスとして好適なエミッタとなり得ることが言えよう。
【００３９】
尚、このＳｉドープ量は、上述したようにＡｌターゲットに搭載するＳｉチップの個数で制御しているが、２．４×１０２０ｃｍ−３までＳｉドープ量を増加させることができたのであるが、それ以上高濃度にＳｉをドーピングさせようとＳｉチップの個数を増加させても、Ｓｉドープ濃度は増加せず、かえって減少の傾向を示したことを補足しておく。
【００４０】
図８は、Ｓｉドープ密度を変えて得られたＡｌＮ薄膜エミッタの電子放出閾値電界と飽和電流密度を、上述の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の観察イメージ画像（図６）から求めたＡｌＮ薄膜表面の突起の平均曲率半径に対してプロットしたものである。このドープ密度範囲では、Ｓｉドープ濃度の増加により曲率半径が小さくなり、電圧集中効果により電子放出閾値電界が低下し、飽和電流密度が増加していることが理解できる。前述したように、Ｓｉドープ量の増加に伴いＡｌＮ薄膜表面の突起状の構造が顕著になり、突起形状はその先端部で電界の集中を引き起こし、平板に加えている電界よりも遥かに高い電界が突起先端部に加わっているといえる。このことが閾値電界の低下に大きく影響を与えているものと言えよう。
【００４１】
また、スパッタ膜の膜厚を変えても表面の曲率半径が変化してそれに伴って閾値電界が増減することから、ＡｌＮ薄膜のモルフォロジーの制御が閾値電界の低下にとって重要であると言えよう。
【００４２】
（膜厚変化によるエミッタ特性の変化）
Ｓｉドープ量を一定にして膜厚を変化させた場合のＳｉドープＡｌＮ薄膜エミッタの特性について更に説明する。図９は、Ｓｉドープ濃度を１．１×１０２０ｃｍ―３とし、膜厚を１００ｍ、２００ｎｍ、４５０ｎｍ、６６０ｎｍと変化させた場合のフィールド・エミッションの特性の変化を示したグラフである。膜厚が１００ｎｍの場合の閾値は４０Ｖを超えているのに対し、４５０ｎｍ、６６０ｎｍの場合には非常に低くなっている。
【００４３】
図１０のグラフは、図９のデータから、横軸を膜厚として、閾値電界および電流密度をプロットしたものである。図１０のグラフから、閾値電界は膜厚２００ｎｍ，４５０ｎｍの場合に非常に低くなっており、膜厚と曲率半径との関係に極めて密接に関連しているのに対し、電流密度は曲率半径とは関連が認められないことがわかる。このことから、電流密度は曲率半径には依存せず、Ｓｉドープ量に密接に関連していることが理解できる。すなわち、Ｓｉドープ量はエミッション電流を決める重要な要因のひとつと言えるであろう。もちろんＡｌＮ薄膜の結晶品質そのものも影響するであろうし、また、Ｓｉ基板とＡｌＮ薄膜の界面も影響するであろう。要は電子の移動のしやすさに影響する因子が電流密度に影響を及ぼすことになる。
【００４４】
（有機蛍光体薄膜の作製方法）
次に、有機蛍光体薄膜の作製方法について説明する。赤色発光分子としてα−ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ（α−６Ｔ）、緑色発光分子としてＡｌｑ３，青色発光分子としてｐ−ｓｅｘｉｐｈｅｎｙｌ（ｐ-６Ｐ）を用いた。α−６Ｔの化学式を下記化１に、Ａｌｑ３の化学式を下記化２に、ｐ-６Ｐの化学式を下記化３に示す。
【００４５】
【化１】
2006351510.tif 000003
【００４６】
【化２】
2006351510.tif 000004
【００４７】
【化３】
2006351510.tif 000005
【００４８】
これらの分子を室温に保ったＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）ガラス基板上に５００ｎｍの膜厚で真空蒸着して有機蛍光体薄膜を作成する。
【００４９】
（電界放出発光デバイスの発光スペクトル評価）
次に、真空ポンプにより内部を５×１０−６ｔｏｒｒの真空に保ちつつ電圧を印加し、ＩＴＯガラスの背面から放射した発光のＣＣＤカメラ観察と発光スペクトルの測定を行なった。図１１に、発光スペクトルの測定装置の構成を示す。
【００５０】
測定には、３００℃の基板温度で成長させたＳｉドープＡｌＮ薄膜（膜厚４００ｎｍ）と、蛍光体として膜厚５００ｎｍのｐ−６ｐ蒸着膜を用いている。スペーサ厚みは６０μｍである。この場合の電界放出発光デバイス素子の電界強度と電流密度の関係を図１２に示す。１０Ｖ以下の閾値電界で電流が立ち上がり、電流が飽和すると共に発光し始める。ｐ−６ｐ薄膜の蛍光顕微鏡像では、膜は均一に蒸着されており全体が一様に光っているのを確認しているが、図１３に示すｐ−６ｐ薄膜の蛍光顕微鏡像による電界放出発光の写真によると、電界放出発光では点状の輝点として観察されている。これは、ＳｉドープＡｌＮ薄膜エミッタ表面に突起があることから、突起部分に電界集中が起こり、その部分が光っているものと推定する。
【００５１】
図１４は、同様にＡｌｑ３を用いて膜厚を１００ｎｍとして蒸着した膜を用いた素子の電界放出発光特性を示している。薄くすると電流電圧特性が一様になり、放電も減少して安定なＡｌｑ３の緑色の発光輝点が観察された。図１５に、Ａｌｑ３の電界放出発光の写真を示す。図１５に示される発光は、局所的な発光であるが、本発明に係る電界放出発光デバイスの構成で発光が確認されたことから、これをエミッタ表面から均一に電子放出をさせることにより、ディスプレイ等の応用が可能となるのである。
【実施例２】
【００５２】
実施例２では、排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製した電界電子放出材料薄膜により形成されたエミッタの特性について、特に、Ｓｉドープ量との関係について説明する。図１６は、実施例２のエミッタの作製にもちいた反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の構造模式図（排気回路に液体窒素トラップを配設したもの）を示している。
【００５３】
以下、図１６を参照しながら説明していく。実施例２におけるエミッタの作製に用いた反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置３０は、装置内の真空チャンバー上部にヒータ３２を有し、真空チャンバー下部に高周波電源３２（図示しない）を有し、真空チャンバー右部に反応ガス３３を導入できる流入口があり、真空チャンバー左部の流出口に液体窒素トラップ２０を備え、スパッタリング装置内の真空チャンバー内部の残留ガス中の水成分を積極的に除去し、真空ポンプ３９（図示しない）によって反応ガスを流出させる構造である。
【００５４】
実施例２では、真空チャンバー左部の流出口の排気回路部分に液体窒素トラップ２０を備えることで、残留ガス中の水成分が積極的に除去でき、水（Ｈ２０）の残留を１０−７ｔｏｒｒ台に抑えることが可能となるのである。後述する薄膜の特性のところで説明するが、水はエミッション特性に大きく影響し、特に飽和電流密度に関して、水の除去とともに約２桁の特性の向上を確認できている。
【００５５】
実施例２では、真空チャンバー左部の流出口の排気回路部分に液体窒素トラップを備えることとしているが、残留ガス中の水成分を積極的に除去するものとして、液体窒素ゲッター以外にクライオポンプという真空ポンプを用いても同様の効果が期待できる。
また、Ａｌターゲット近傍にコールドフィンガーを設置することも、残留ガス中の水成分を積極的に除去できる効果が期待できる。
【００５６】
本装置上部に基板としてｎドープＳｉ（１１１）ウェハからなるＳｉ基板３４を収め、Ｓｉ基板３４と対向して下部にＡｌ／Ｓｉターゲット３５を載置する。Ａｌ／Ｓｉターゲット３５は、図１６の右下に示すように、Ａｌターゲット３６の上に１．５ｍｍ角のＳｉチップ３７を所定の個数載置したものである。
ヒータ３１を制御し、Ｓｉ基板３４の温度を３００℃に保持して、チャンバー内に４０ｍＴｏｒｒでＮ２とＡｒガスの反応ガス３３を流し、スパッタ電圧１．８ｋＶ，ＲＦパワー１５０Ｗでスパッタリングを行なっている。
これらは、上述した実施例１における図３の説明と同様である。
【００５７】
Ｓｉドープ量はＡｌ上のＳｉチップ３７の個数を変えることにより制御することとしている。Ａｌ／Ｓｉターゲット３５の部分である陰極と高周波電源３２（図示しない）の間にはマッチングボックスが設けてあり、コンデンサとコイルからなる整合回路によってインピーダンスのマッチングをとり高周波電力が有効に装置内に注入されるようになっている。
また、Ａｌターゲット３６とＳｉ基板３４の間にシャッターを配設して、該シャッターの開閉によりＳｉドープＡｌＮ薄膜の膜圧を制御している。
反応ガス３３は真空ポンプ３９（図示しない）によって、入った方向の対角の方向に出て行くように設計されており、スパッタが起こるチャンバー中央部に供給されるようになっている。
また、マグネット４０近傍には水冷管４１が設けられており、スパッタによりターゲットが加熱され、溶解することを防止している。チャンバー本体にも水冷管４２を設けており、プラズマによるチャンバーの温度上昇によるプラズマ状態の変化を防いでいる。
これらも、上述した実施例１における図３の説明と同様である。
【００５８】
実施例２における排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製したＳｉドープＡｌＮ薄膜の成長方法の条件を以下に列挙する。
・基板        ：    ｎ＋Ｓｉ（１１１）
・背圧        ：    １．０×１０−６ｔｏｒｒ以下
・基板温度    ：    ３００℃
・ガス圧      ：    ４０ｍｔｏｒｒ
・分圧比      ：    Ａｒ：Ｎ２＝１：１
・ＲＦパワー  ：    １５０Ｗ
【００５９】
（排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製したＳｉドープＡｌＮ薄膜の特性）
次に、排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製したＳｉドープＡｌＮ薄膜の特性（Ｓｉドープ量との関係）について説明する。図１７は、排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、電界電子放出材料薄膜を作製したＡｌＮ薄膜エミッタの特性についての閾値と電流密度の関係を示すグラフである。また、図１８は、ＡｌＮ薄膜エミッタの特性を測定するデバイスの構造模式図を示している。
【００６０】
図１７において、上述した図３と比較して、閾値電界が小さくなり、また、飽和電流密度の値が大きくなっていることが確認できる。例えば、図３においてＳｉドープ量が２．４×１０２０／ｃｍ３のものは飽和電流密度が１０−５Ａ／ｃｍ２であるのに対し、図１７においてＳｉドープ量が４．７１×１０２０／ｃｍ３のものは飽和電流密度が１０−３Ａ／ｃｍ２であり、排気回路に液体窒素トラップを配設したものは、そうでないものに対して作製されたＡｌＮ薄膜の飽和電流密度が２桁向上していることが確認できる。ここで、閾値電界が両者で大きな差異はないのは、閾値電界は膜表面形状に大きく影響をうけることが知られているが、両者の表面薄膜形状をＡＦＭで測定しても同様な表面形状の結果であったためと考える。
【００６１】
なお、図１７において、Ｓｉドープ量が４．７１×１０２０／ｃｍ３で電圧をさらに上げていくとまだまだ電流値は上がるのであるが、１０Ｖ以上ではオームの法則に従った単なる電流特性の増加であるので、非線形なエミッション特性とは区別するためグラフプロットは行っていない。電流は上がるに伴って、抵抗加熱による温度上昇も顕著になり、デバイスとしてはこのような領域でドライブすることは想定できないからである。
【００６２】
（エージング特性）
図１９は、排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、電界電子放出材料薄膜を作製したＡｌＮ薄膜エミッタのエージング測定結果のグラフを示している。
エージング測定条件は、Ｓｉドープ量が４．７１×１０２０／ｃｍ３のものを、図１８のデバイス構成で、１４Ｖ／μｍの電界を印加して、直流連続動作したものである。図１８より、３８時間にわたり１０−５〜１０−４Ａ／ｃｍ２のエミッション電流密度を持続していることが確認できた。
【００６３】
図１８のデバイス構成からわかるように、放熱などに対するデバイス構造等の最適化を行っていない。従って、図１９の測定結果は、あくまでも参考程度のデータであるが、連続で約４０時間の蛍光体の発光が確認できている。これは、ディスプレイ応用を想定して、例えばＸＧＡ（１０２４×７６９）を考えると、１秒間に１／７６８秒しか点灯しないことから、約４０時間Ｘ７６８で、実質的には３万時間を越える性能を持っていることが理解できるであろう。
更に、エミッションに用いる蛍光体の種類に依存するのであるが、効率の高い青の場合には、７００ｃｄ／ｍ２を超える性能を示している。
【００６４】
（エミッタ材料について他の報告例との対比）
本実施例に係る電界放出発光デバイスに用いたエミッタ材料について、他の報告例との対比を下記表１に示す。本実施例では、ＳｉＣよりも安価なＳｉ基板を用い、簡便なスパッタリング法で作製したＳｉドープＡｌＮ薄膜で低い閾値電界が得られることを示したが、さらに特徴的なことは、表１からわかるように、本実施例に係るスパッタリング法によるエミッタの作製方法は、他の作製方法が非常に高温を要するのに対して、３００℃の低温プロセスでエミッタを形成できることである。
【００６５】
また、本実施例に係るスパッタリング法を用いて、Ｓｉ基板ではなく、ガラス基板に３００℃でＳｉドープＡｌＮ薄膜を成長させた例がある。この成長させたＳｉドープＡｌＮ薄膜のＸ線回折特性もＳｉ基板で成長させた場合と同様に基板面に垂直にＣ軸に配向していることを確認している。ガラス基板の場合は絶縁体であり、そのまま３極のエミッションデバイスに用いることはできないものの、表面電子伝導型には非常に有効な素子として利用できる可能性がある。
【００６６】
下表１は、ＦＥＤを研究している各社の最新のベストデータを示している。実施例２で得られたものが、各社のベストデータと相当若しくは値を凌駕していることがわかる。低温プロセスで、このような小さい閾値電解が得られているのが特徴である。なお、下記表１の中で２２０ｍＡ／ｃｍ２（飽和電流密度）の電流密度の求め方は、鉛筆のような電極への電子放出を計測し、単純に電極先端面積で割っていることから、他と比べて非常に大きな値となっている。
【００６７】
【表１】
2006351510.tif 000006
【００６８】
本明細書、または本明細書に開示している本発明の実施形態を読めば、当業者であれば、種々の用途および条件用に使用することができる他の実施形態を思いつくことができる。例えば、本発明に係る電界放出発光デバイスの構造内に他のゲート電極を追加することもできる。他の場合には、ＩＴＯガラスに替わり、適当なプラスチック、または柔軟および／または透明な他のポリマから本発明に係る電界放出発光デバイスを形成することができ、または、導電性フィルムを導電性ポリマから作ることができる。本明細書および実施形態は説明のためだけのものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る電界放出発光デバイスは、大画面ディスプレイ、有機レーザデバイス、印刷製品、照明器具等産業上において広範囲な利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】一般的なフィールド・エミッション・ディスプレイの構造模式図
【図２】本発明に係る電界発光デバイスの構造模式図
【図３】反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の構造模式図
【図４】（ａ）はＳｉドープＡｌＮエミッタ薄膜のＸ線解析スペクトル図である。（ｂ）はＸ線極点図である。
【図５】（ａ）は厚さ４４０ｎｍの膜について入射角度５５度で測定した反射スペクトルを示す。（ｂ）は多重反射モデルを示す。（ｃ）は理論的に予測した反射スペクトルを示す。
【図６】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の観察イメージ画像
【図７】Ｓｉドープ量を変化させて作製したＡｌＮ薄膜エミッタの特性についての閾値と電流密度の関係を示すグラフを示す。
【図８】Ｓｉドープ密度を変えて得られたＡｌＮ薄膜エミッタの電子放出閾値電界と飽和電流密度を示す。
【図９】膜厚変化によるエミッタ特性を示すグラフである。
【図１０】図９において、横軸を膜厚として閾値電界、電流密度をプロットしたものである。
【図１１】発光スペクトルの測定装置の構成図
【図１２】電界放出発光デバイス素子の電界強度と電流密度の関係を示すグラフ
【図１３】ｐ−６ｐ薄膜の蛍光顕微鏡像による電界放出発光の写真
【図１４】Ａｌｑ３を用いて膜厚を１００ｎｍとして蒸着した膜を用いた素子の電界放出発光特性
【図１５】Ａｌｑ３薄膜の蛍光顕微鏡像による電界放出発光の写真
【図１６】反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の構造模式図（排気回路に液体窒素トラップを配設したもの）
【図１７】排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、電界電子放出材料薄膜を作製したＡｌＮ薄膜エミッタの特性についての閾値と電流密度の関係を示すグラフを示す。
【図１８】ＡｌＮ薄膜エミッタの特性を測定するデバイスの構造模式図を示す。
【図１９】排気回路に液体窒素トラップを配設した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、電界電子放出材料薄膜を作製したＡｌＮ薄膜エミッタのエージング測定結果のグラフを示す。
【符号の説明】
【００７１】
１  Ｓｉ基板
２  Ｓｉドープ窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜
３  ＩＴＯガラス基板
４  有機蛍光体薄膜
５  スペーサ
６  電圧回路
１０  カソード（陰極）
１１  アノード（陽極）
２０  液体窒素トラップ
３０  反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング装置
３１  ヒータ
３２  高周波電源
３３  反応ガス（Ｎ２とＡｒガス）
３４  Ｓｉ基板
３５  Ａｌ／Ｓｉターゲット
３６  Ａｌターゲット
３７  Ｓｉチップ
３８  マッチングボックス
３９  真空ポンプ
４０  マグネット
４１  水冷管（マグネット近傍）
４２  水冷管（チャンバー本体）
５０  真空チャンバー
５１  導電性テープ
５２  グリッド
【図１】
2006351510.tif 000007
【図２】
2006351510.tif 000008
【図３】
2006351510.tif 000009
【図４】
2006351510.tif 000010
【図５】
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【図６】
2006351510.tif 000012
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006351510.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2006351510.tif 000019
【図１４】
2006351510.tif 000020
【図１５】
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【図１６】
2006351510.tif 000022
【図１７】
2006351510.tif 000023
【図１８】
2006351510.tif 000024
【図１９】
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