(57)【要約】【課題】薄膜電子源からの電子放出のエミッション効率を向上して高輝度化を実現した画像表示装置を提供する。【解決手段】薄膜電子源として、絶縁基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金を好適とする金属で形成した下部電極１１と、この下部電極１１の上にトンネル絶縁層１２を有し、さらにこの上層にシリコンの上部電極２３を積層した構造とする。上部電極２３の膜厚を５〜１０ｎｍの範囲とする。電圧ＯＦＦの状態では伝導帯２４、価電子帯２５のエネルギー順位は（ａ）の状態にある。下部電極１１と上部電極２３の間に電圧を印加したときには、（ｂ）に示したように、上部電極２３に電子で占有されるエネルギー準位が生成し、電子はシリコンの上部電極２３にトンネルする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の薄膜電子源をアレイ状に配列した第１の絶縁基板と、前記薄膜電子源のそれぞれと対向する位置に配置された複数の蛍光体を形成した第２の絶縁基板とを有し、
前記薄膜電子源は、前記第１の絶縁基板上に形成した下部電極と、該下部電極の上層に形成したトンネル絶縁層と、該トンネル絶縁層の上層に形成した上部電極とを有し、
前記上部電極がシリコン薄膜であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記下部電極は金属であり、前記トンネル絶縁層は前記下部電極の酸化処理で形成されたものであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記下部電極の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記トンネル絶縁層は前記下部電極の陽極酸化で形成された絶縁層であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、
前記上部電極の膜厚が５〜１０ｎｍの範囲であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記トンネル絶縁層の周囲で電子放出領域を区画する保護絶縁層を有し、前記上部電極と前記下部電極の間に層間絶縁膜を有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置にかかり、特に複数の薄膜電子源をアレイ配列した自発光型のフラット・パネル・ディスプレイと称する画像表示装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
微少で集積可能な電子源を利用する画像表示装置（フィールド・エミッション・ディスプレイ:ＦＥＤ）が開発されている。この種の画像表示装置の電子源は、薄膜の積層構造で構成される。
【０００３】
この種の薄膜電子源として、ＭＩＭ(Metal-Insulator-Metal)型と称するものが知られている。図１３は、ＭＩＭ型の薄膜電子源の原理説明図である。この薄膜電子源は、上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧Ｖｄを印加して、トンネル絶縁層１２内の電界を１〜１０ＭＶ／ｃｍ程度にすることで、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子がトンネル現象により障壁を透過し、電子加速層である絶縁層１２の伝導帯へ注入されて上部電極１３の伝導帯へ流入する。これらの電子のうち、上部電極１３の仕事関数φ以上のエネルギーをもって上部電極１３表面に達したものが真空中に放出される。
【０００４】
図１４は、従来のＭＩＭ型の薄膜電子源の構造を説明する断面図である。画像表示装置では、この電子源を複数個アレイ状に配列して二次元の表示領域を構成する。薄膜電子源は、ガラス等の絶縁基板（電子源アレイ基板、以下単に基板とも称する）上に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金（アルミニウム−ネオジム合金等）を好適とする金属の下部電極１１、絶縁層（トンネル絶縁層）１２、貴金属を好適とする金属の上部電極１３の積層構造を有する。
【０００５】
トンネル絶縁層１２は、その周囲で電子放出領域を区画する保護絶縁層１４と共に下部電極１１を陽極酸化した膜であり、陽極酸化の条件を異ならせることによって保護絶縁層１４とトンネル絶縁層１２を作り分けている。上部電極１３は、層間絶縁膜１５で下部電極１１と絶縁されている。すなわち、薄いトンネル絶縁膜１２を金属の上部電極１３と金属の下部電極１１で挟んだ構造である。
【０００６】
上部電極１３と下部電極１１を共に金属としたことの理由は、電極の抵抗を下げ、電子放出時の電極での横方向の電圧降下を抑制し、トンネル絶縁膜に一様な電圧が印加されるようにするためである。
【０００７】
このような薄膜電子源における電極に金属以外の材料を用いることに関して、例えばリンＰを高濃度にドープして低抵抗化したシリコン半導体を上部電極に用いるものが特許文献１に開示されている。また、上部電極の材料にシリコンよりも大きな禁制帯を有し、かつ導電性をもつものを用いることについて特許文献２に開示されている。なお、非特許文献１はシリコン薄膜で直接遷移に起因する発光を開示する。
【特許文献１】特開平７−１３０２８２号公報
【特許文献２】特開平１１−１６２３２８号公報
【非特許文献１】Jpn．J. Appl. Phys., vol45,No. 27,pp L679-L682 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記した従来のＭＩＭ型の薄膜電子源を構成する上部電極に貴金属等の金属を用いたものでは、上部電極側に電子によって占有されていないエネルギー準位が存在し、下部電極からトンネルした電子が運動量とエネルギーを保存するプロセスによって上部電極に吸収される。このため、電子放出率（エミッション効率）が低下する。
【０００９】
図１５は、従来のＭＩＭ型の薄膜電子源における電子放出率低下のメカニズムを説明する図である。図１５の（ａ）は、下部電極と上部電極の間に電圧を印加しない（電圧ＯＦＦ）の状態で、図１５の（ｂ）は下部電極と上部電極の間に電圧を印加した（電圧ＯＮ）状態を示す。図１５の（ｂ）に示したように、下部電極と上部電極の間に電圧を印加したとき、金属の上部電極１３に電子によって占有されていないエネルギー準位が生成する。これが下部電極１１からトンネル絶縁層１２をトンネルした電子を、その運動量とエネルギーを保存するプロセスによって上部電極に吸収する。その結果、電子放出の効率（エミッション効率）が低下し、画像表示装置の輝度向上を妨げると共に、消費電力の低減を抑制する原因となっていた。
【００１０】
本発明の目的は、２つの電極間にトンネル絶縁層を挟んで構成される薄膜電子源からの電子放出のエミッション効率を向上して高輝度化を実現した画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、その薄膜電子源として、ガラス等の絶縁基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金を好適とする金属で形成した下部電極と、この下部電極の上にトンネル絶縁層を有し、さらにこの上層にシリコンの上部電極を積層した構造とする。そして、上部電極をシリコンで形成し、その膜厚を５〜１０ｎｍの範囲とする。
【００１２】
トンネル絶縁層は、その周囲で電子放出領域を区画する保護絶縁層と共に下部電極を陽極酸化した膜とし、陽極酸化の条件を異ならせることによって保護絶縁層とトンネル絶縁層を作り分けている。上部電極は、層間絶縁膜で下部電極と絶縁される。すなわち、薄膜電子源は、薄いトンネル絶縁膜を金属の薄い上部電極と金属の下部電極で挟んだ構造とされる。
【発明の効果】
【００１３】
薄膜電子源からの電子放出のエミッション効率が向上し、高輝度の画像表示装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の最良の実施形態につき、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の薄膜電子源における電子放出率向上のメカニズムを説明する図である。図１の（ａ）は、下部電極１１と上部電極２３の間に電圧を印加しない（電圧ＯＦＦ）の状態で、図１の（ｂ）は下部電極１１と上部電極２３の間に電圧を印加した（電圧ＯＮ）状態を示す。本発明の実施例では、図１の（ａ）に示したように、上部電極２３としてシリコンを用いる。電圧ＯＦＦの状態では伝導帯２４、価電子帯２５のエネルギー順位は図１の（ａ）の状態にある。
【００１６】
下部電極と上部電極の間に電圧を印加したときには、図１の（ｂ）に示したように、上部電極２３に電子で占有されるエネルギー準位が生成し、電子はシリコンの上部電極２３にトンネルする。
【００１７】
図２は、シリコンのエネルギー帯構造の説明図である。図２の横軸ｋは波動ベクトル、縦軸Ｅはエネルギー準位を示す。上部電極にシリコンを使用した場合も、伝導帯にトンネルするプロセスはエネルギー保存則を満たす。しかし、シリコンのエネルギー帯構造を考えると、伝導帯はΓ点に最小点を持たないため、運動量の保存の法則を満たしてシリコン電極に捕獲されることはない。したがって、シリコン電極への捕獲率が減り、エミッション効率が増大する。ただし、シリコンの伝導帯はΓ点が金属の下部電極より下がるほど電圧を印加すれば運動量も保存される。
【００１８】
したがって、絶縁膜の膜厚を薄くすることが望ましいが、シリコン電極の膜厚は直接遷移化するほど薄くしない方がよい。実際に、非特許文献１によると、シリコンの薄膜では直接遷移に起因した発光が観察され、発光効率は１．３ｎｍのシリコンに対して、４．０ｎｍでは数％、６．３ｎｍでは１％程度まで減少する。
【００１９】
一方で、上部電極のシリコンの膜厚を厚くし過ぎると、フォノン散乱により電子のエネルギーが低下し、エミッションの低下を来たす。このことから、最適なシリコンの膜厚は、５〜１０ｎｍの範囲である。
【００２０】
次に、本発明の画像表示装置と、その薄膜電子源の構造を説明する。薄膜電子源の構造は製造プロセスで説明する。図３は、本発明の画像表示装置を説明する模式平面図である。なお、図３では、ガラスを好適とする主として電子源を有する第１の絶縁基板（陰極基板）１０の平面を示すが、一部に蛍光体を形成した、同じくガラスを好適とする第２の絶縁基板（蛍光体基板、表示側基板）は、その内面に有するブラックマトリクス１２０と３色の蛍光体１１１，１１２，１１３のみを部分的に示してある。
【００２１】
第１の絶縁基板１０には、信号線駆動回路５０に接続する信号線（データ線）をも構成する下部電極１１、走査線駆動回路６０に接続して信号線と直交配置された走査線２１を構成する金属膜下層１６、金属膜中間層１７、金属膜上層１８、保護絶縁膜（フィールド絶縁膜）１４、その他の後述する機能膜等が形成されている。なお、薄膜電子源（陰極、電子放出部）は、図示しない上部バス電極に接続し、トンネル絶縁層１２を介して下部電極１１に積層する上部電極（図示せず）で形成され、当該トンネル絶縁層１２の部分（トンネル絶縁層１２の上層に積層されたシリコンの上部電極）から電子が放出される。
【００２２】
表示側基板である第２の絶縁基板の内面には、表示画像のコントラストを上げるための遮光層すなわちブラックマトリクス１２０、赤色蛍光体１１１、緑色蛍光体１１２と青色蛍光体１１３とからなる。蛍光体としては、例えば、赤色にＹ2Ｏ2Ｓ:Ｅｕ(ｐ２２−Ｒ)、緑色にＺｎＳ:Ｃｕ、Ａｌ(ｐ２２−ｇ)、青色にＺｎＳ:Ａｇ、Ｃｌ(ｐ２２−Ｂ)を用いることができる。第１の絶縁基板１０と第２の絶縁基板とはスペーサ３０で所定の間隔で保持され、薄膜電子源をアレイは位置した領域（表示領域）の外周に封止枠（図示せず）を介在させて内部が真空封止される。
【００２３】
スペーサ３０は、第１の絶縁基板１０の上部バス電極配線で構成する走査電極２１上に配置し、第２の絶縁基板のブラックマトリクス１２０の下に隠れるように配置する。下部電極１１は信号線駆動回路５０へ接続し、上部バス電極配線である走査電極２１は走査線駆動回路６０に接続する。
【００２４】
この薄膜電子源の構造では、耐熱性、耐酸化性があり低抵抗のＡｌまたはＡｌ合金の配線を耐熱性と耐酸化性のあるＣｒまたはＣｒ合金などにより挟んで積層構造としたことにより、封着工程を通しても劣化しない上部バス電極を作成することができ、表示装置の配線抵抗による電圧降下を抑制することができる。
【００２５】
図３に示した薄膜電子源は、第１の絶縁基板１０上にデータ電極となる下部電極１１、トンネル絶縁層１２、シリコン膜の上部電極が積層されて電子放出部を形成し、トンネル絶縁層１２以外の部分はフィールド絶縁膜１４、層間絶縁膜１５で走査電極と電気的に分離されている。後述するように、上部電極は、走査電極２１と配線の片側で接続されており、反対側で下層ＣｒまたはＣｒ合金１６のアンダーカットにより断切れされて各走査線毎に分離されている。これにより、各走査電極を電気的に分離する（走査方向の隣接画素の分離）ことが可能である。
【００２６】
次に、本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を図４〜図１２の製造プロセスを参照して説明する。先ず、図４に示したように、第１の絶縁基板１０上に下部電極１１用の金属膜を成膜する。下部電極１１の材料としてアルミニウムＡｌ又はその合金を用いる。Ａｌ又はその合金を用いるのは、陽極酸化により良質の絶縁膜を形成できるからである。ここでは、アルミニウムＡｌにネオジムＮｄを２原子量％ドープしたＡｌ−Ｎｄ合金を用いる。その成膜には、スパッタリング法を用いるが、他の同様の方法でもよい。膜厚は３００ｎｍとした。
【００２７】
成膜後はパターニング工程、エッチング工程によりストライプ形状の下部電極１１を形成する(図５)。下部電極１１の電極幅は画像表示装置のサイズや解像度により異なるが、そのカラー副画素（サブピクセル：赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体）のピッチ程度、大体１００〜２００ミクロン（μｍ）程度とする。エッチングは、例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液でのウェットエッチングを用いる。この電極は幅の広い簡易なストライプ構造のため、レジストのパターニングは安価なプロキシミティ露光や、印刷法などで行うことができる。
【００２８】
次に、薄膜電子源の電子放出部を制限し、下部電極１１のエッジへの電界集中を防止する保護絶縁層１４と、トンネル絶縁層１２を形成する。まず、図６に示した下部電極１１上の電子放出部となる部分をレジスト膜２５でマスクし、その他の部分を選択的に厚く陽極酸化して保護絶縁層１４とする。化成電圧を１００Ｖとすれば、厚さ約１３６ｎｍの保護絶縁層１４が形成される。その後、レジスト膜２５を除去して残りの下部電極１１の表面を陽極酸化する。例えば、化成電圧を６Ｖとすれば、下部電極１１上に厚さ約１０ｎｍのトンネル絶縁層１２が形成される（図７）。
【００２９】
次に、層間膜（層間絶縁膜）１５と、上部電極１３への給電線となる上部バス電極とスペーサ３０を配置するためのスペーサ電極となる金属膜を例えばスパッタリング法等で成膜する（図８）。層間膜１５としては、シリコン窒化膜を用い、膜厚は１００ｎｍとした。この層間膜１５は、陽極酸化で形成する保護絶縁層１４にピンホールがあった場合、その欠陥を埋め、下部電極１１と上部バス電極配線間の絶縁を保つ役割を果たす。金属膜は金属膜中間層１７としてＡｌをＣｒの金属膜下層１６、金属膜上層１８間に挟んだ３層膜とする。
【００３０】
ここでは、金属膜中間層１７に純Ａｌ、金属膜下層１６、金属膜上層１８にＣｒを用いた。純Ａｌの膜厚は配線抵抗を低減するため、できるだけ厚くしておく。また金属膜上層の膜厚を金属膜下層以上としておく。ここでは、金属膜下層１６を１００ｎｍ、金属膜中間層１７を４．５μｍ、金属膜上層１８を２００ｎｍの膜厚とした。
【００３１】
続いて、２段階のパターニングとエッチング工程により金属膜上層１８と、金属膜中間層１７を、下部電極１１とは直交するストライプ形状に加工する。金属膜上層１８のＣｒのエッチングは例えば硝酸アンモニウムセリウム水溶液でのウェットエッチング、金属膜中間層１７の純Ａｌのエッチングは例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液でのウェットエッチングを用いる（図９）。金属膜上層１８の電極幅は金属膜中間層の電極幅より狭くし、金属膜上層１８が庇状にならないようにする。
【００３２】
続いて、パターニングとエッチング工程により金属膜下層１６を、下部電極１１とは直交するストライプ形状に加工する（図１０）。エッチングは例えば硝酸アンモニウムセリウム水溶液でのウェットエッチングで行う。その際、金属膜下層１６の片側は金属膜中間層１７より張り出させて、後の工程で上部電極との接続を確保するコンタクト部とし、金属膜下層１６の反対側では金属膜上層１８と金属膜中間層１７の一部をマスクとしてアンダーカットを形成し、後の工程で上部電極１３を分離する庇を形成する。金属膜下層１６、金属膜中間層１７、金属膜上層１８で形成する走査電極２１の電極幅は画像表示装置のサイズや解像度により異なるが、低抵抗化のためできるだけ幅広とし、走査線ピッチの半分以上、大体３００〜４００ミクロン程度とする。
【００３３】
続いて、層間膜１５を加工し、電子放出部を開口する。電子放出部はサブピクセル内の１本の下部電極１１と、下部電極１１と直交する２本の上部バス電極に挟まれた空間の直交部の一部に形成する。エッチングは、例えばＣＦ4やＳＦ6を主成分とするエッチング剤を用いたドライエッチングによって行うことができる（図１１）。
【００３４】
最後に、上部電極２３の成膜を行う。この成膜法は、例えばＣＶＤ成膜を用いる。上部電極２３としてシリコンを用い、膜厚は５〜１０ｎｍとする。この時、上部電極２３は電子放出部を挟む２本の上部バス電極の一方（図１２の右側）で、金属膜中間層１７の庇構造により切断される。もう一方（図１２の左側）では、上部バス電極とは金属膜下層１６のコンタクト部により断線を起こさずに接続され給電される構造となる（図１２）。このように、上部電極２３を隣接する走査線とは自己整合的に分離できる。
【００３５】
このプロセスで製作した薄膜電子源の構造は、上部電極がシリコンであることを除いて図１４に示したものと同じものとなる。この薄膜電子源をアレイ配列した第１の絶縁基板を用いて画像表示装置を構成することで、エミッション効率が向上し高輝度表示を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の薄膜電子源における電子放出率向上のメカニズムを説明する図である。
【図２】シリコンのエネルギー帯構造の説明図である。
【図３】本発明の画像表示装置を説明する模式平面図である。
【図４】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための製造プロセス図である。
【図５】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図４に続く製造プロセス図である。
【図６】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図５に続く製造プロセス図である。
【図７】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図６に続く製造プロセス図である。
【図８】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図７に続く製造プロセス図である。
【図９】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図８に続く製造プロセス図である。
【図１０】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図９に続く製造プロセス図である。
【図１１】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図１０に続く製造プロセス図である。
【図１２】本発明の画像表示装置を構成する薄膜電子源の構造を説明するための図１１に続く製造プロセス図である。
【図１３】ＭＩＭ型の薄膜電子源の原理説明図である。
【図１４】従来のＭＩＭ型の薄膜電子源の構造を説明する断面図である。
【図１５】従来のＭＩＭ型の薄膜電子源における電子放出率低下のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・第１の絶縁基板、１１・・・下部電極、１２・・・トンネル絶縁層、１３・・・上部電極、１４・・・保護絶縁層、１５・・・層間絶縁膜、１６・・・金属膜下層、１７・・・金属膜中間層、１８・・・金属膜上層、２１・・・走査電極（上部バス電極配線）、２５・・・レジスト膜、３０・・・スペーサ、５０・・・信号線駆動回路、６０・・・走査線駆動回路、１１１・・・赤色蛍光体、１１２・・・緑色蛍光体、１１３・・・青色蛍光体、１２０・・・ブラックマトリクス。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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【図１５】
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