(57)【要約】【課題】本発明は、外光反射に影響されにくい素子構造にすることにより画質の優れた薄膜型電子放出表示素子を得ることを課題とする。【解決手段】本発明の薄膜型電子放出表示素子において、電子源および関連材料をすべて可視光を透過し得るものとし、同時に蛍光体による外光反射を防止するために、蛍光体が塗布された基板に対向する電子源を配置した基板から表示光を取出すことにより上記課題を解決する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光を透過する第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板上に形成された可視光を透過する第１の導電性薄膜と、前記第１の導電性薄膜上に形成された可視光を透過する電子源とを有し、前記電子源から真空空間を隔てて前記電子源に対向する第２の誘電体基板上に設けられた導電性薄膜陽極と、前記導電性薄膜陽極上に形成された蛍光体層とを有し、前記電子源と前記導電性薄膜陽極との間に電圧を印加することにより、前記電子源から電子を放出させ、放出された電子により蛍光体を励起発光させ、放出された光を第１の誘電体基板側から取出し表示に供することを特徴とする薄膜型電子放出表示素子。
【請求項２】
前記導電性薄膜陽極が、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉから成る群から選択された１種を用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項３】
前記電子源が、前記第１の導電性薄膜上に形成された可視光を透過するｎ型半導体薄膜と、前記ｎ型半導体薄膜上に形成された可視光を透過する誘電体薄膜と、前記誘電体膜上に形成された可視光を透過する第２の導電性薄膜とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項４】
前記可視光を透過する第１の導電性薄膜および第２の導電性薄膜が、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、及びＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３にＳｎをドープしたもの）から成る群から選択された１種を用いて形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項５】
前記可視光を透過するｎ型半導体薄膜が、ｎ型ＺｎＯ、及びｎ型ＡｇＩｎＯ２から成る群から選択された１種を用いて形成されたことを特徴とする請求項３に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項６】
前記電子源が、前記可視光を透過する第１の導電性薄膜上に前記可視光を透過するｎ型半導体と、前記ｎ型半導体上に島状の可視光を透過するＣｕＡｌＯ２、ＣｕＧａＯ２、及びＣｕ２ＳｒＯ２から成る群から選択された１種を用いて形成されたｐ型半導体薄膜とが堆積・接合された電子放出部、および前記ｎ型半導体と前記ｐ型半導体薄膜の接合体から微小の真空空間を介して、前記可視光を透過する第１の導電性薄膜上に形成された前記可視光を透過する誘電体薄膜と、前記第２の導電性薄膜とを形成したゲート電極から構成されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項７】
前記可視光を透過する誘電体薄膜が、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、及びＹ２Ｏ３から成る群から選択された１種以上を用いて形成されたことを特徴とする請求項３または請求項６に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【請求項８】
前記蛍光体層が、真空にそのまま露出しているか、あるいは前記可視光を透過する第１および第２の導電性薄膜として用いられる群から選択された１種で被覆され、且つ前記導電性陽極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の薄膜型電子放出表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子線励起のレーザー、平面型の表示素子、及び超高速動作の微小真空素子等への応用が期待される冷陰極電子源に関わり、特に、集積化及び低電圧化が可能な薄膜電界放出型電子源の表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷陰極電子放出素子には、外部電界に基づき固体内の自由電子をトンネル効果によって真空中に放出させるもので、電界電子放出型（以下ＦＥ型と称す）、ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｍｅｔａｌ）型、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型等が知られているが、これらの電子源は可視光に対して不透明な材料で構成されているため、これらの電子源を配設した冷陰極電子放出素子は、電子源の放出電子によって励起された蛍光体の光を電子の進行方向、即ち電子源が配設された基板と真空を介して対向した蛍光体塗布基板面から放出することにより表示に供していた。
【０００３】
ＦＥ型の例としては、Ｃ．Ａ．ＳＰＩＮＤＴらによる”Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ　ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃａｔｈｏｄｅ　ｗｉｔｈ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｃｏｎｅｓ”，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．　４７　Ｎｏ．　１２　（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９７６）　ｐｐ．５２４８−５２６３、および特開２００１−１４３６０５号等で開示されている。放出原理は、Ｍｏ，Ｎｉ，またはＳｉ等の電子放出材料、あるいは導電性ｎ型半導体薄膜上に島状に形成された導電性ｐ型半導体薄膜からなる電子放出材料表面に強い内向きの電界を印加したとき、外部電界と鏡像力によって作られるポテンシャル障壁の厚さが１０Åのオーダになり、量子力学的トンネル効果によって材料内の自由電子が真空中に放出されることを利用したものである。このようにＦＥ型電子源では、コーン型の電子源及びグリッド電極は、可視光に対して不透明な材料が用いられた。
【０００４】
ＭＩＭ型の例ととしては、Ｍ．　ＳＵＺＵＫＩらによる”Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂｅａｍ−ＤｉｖｅｒｇｅｎｃｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ａｎ　ＭＩＭ−Ｃａｔｈｏｄｅ　Ａｒｒａｙ　ｆｏｒ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，　ＳＩＤ　’９７　Ｄｉｇｅｓｔ　ｐｐ．　１２３−１２６（１９９７）等に開示されたものが知られている。例えば、Ｉｒ−Ｐｔ−Ａｕ金属超薄膜（上部電極）／Ａｌ２Ｏ３絶縁層／Ａｌ金属薄膜（下部電極）の３層で構成された素子の絶縁層に高電界が印加されたとき、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍのトンネル機構に基づき、下部電極中の電子が絶縁層中に注入され、ホットエレクトロンになる。ホットエレクトロンは、絶縁層および上部電極中で散乱によりエネルギーを失うが、素子最表面の仕事関数を超えるエネルギーをもった電子は真空中に放出されることを利用したものである。ＭＩＭ型は、このような原理を利用したものである。ここで示したように、ＭＩＭ型の電子源でも、可視光に対して不透明な金属電極が用いられた。
【０００５】
ＭＯＳ型の例としては、Ｋ．　ＹＯＫＯＯらの”Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｃａｔｈｏｄｅ”，　Ｊ．　Ｖａｃ．　Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｂ　Ｖｏｌ．　１１　Ｎｏ．２　Ｍａｒ／Ａｐｒ　（１９９３）　ｐｐ．４２９−４３２等に開示されたものが知られている。ＭＯＳ構造として、Ａｌゲート金属超薄膜（上部電極）／ＳｉＯ２ゲート酸化超薄膜／ｎ型Ｓｉ（半導体）／Ａｌ薄膜（下部電極）／Ｓｉ基板で構成された素子を例に電子放出原理について説明する。下部電極（負極）と上部電極（正極）の間に電圧が印加された時、ｎ型Ｓｉ半導体（以下ｎ−Ｓｉと称す）の伝導帯電子は酸化膜中のポテンシャル障壁をＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（以下ＦＮと称す）トンネルし、酸化膜中の電界で加速される。これらの電子はゲート酸化膜およびゲート金属膜内で散乱されるが、ゲート金属の仕事関数を超えるエネルギーをもってゲート金属膜を透過した電子は真空中に放出されることを利用したものである。
【０００６】
ＭＯＳ型の場合でも、電子源の半導体層（ｎ−Ｓｉ）及び下部電極として可視光に対して不透明な材料が用いられた。これらＭＯＳ型冷陰極電子放出素子の典型的な例として、前述のＫ．　ＹＯＫＯＯ等の報告に基づいてさらに詳細に説明する。
【０００７】
図４は、Ｋ．　ＹＯＫＯＯ等によるＭＯＳ型冷陰極電子放出素子の電子源の概略形状を示す断面図である。図５は、図４に示したＭＯＳ型冷陰極電子放出素子の概略形状を示す断面図である。ｎ−Ｓｉ基板１２を陽極酸化して、ＳｉＯ２誘電体膜（絶縁層）を形成する。電界の印加に基づくＦＮトンネル電子放出を可能とするために、ｎ−Ｓｉ基板１２が露出するまで電子放出部分をエッチングによって完全に除去した後（パターン形成）、熱酸化により６〜１８ｎｍのＳｉＯ２超薄膜を形成し、ＭＯＳ構造のＳｉＯ２誘電体薄膜１３を作製する。電子放出面とは反対側の面に形成された熱酸化によるＳｉＯ２超薄膜をエッチングにより除去した後、電子放出部分として形成されたＳｉＯ２超薄膜部分に蒸着により６〜１５ｎｍのＡｌ超薄膜を形成し、さらに低抵抗の配線パターンを形成させるためにＡｌ超薄膜に対して電子放出部を除く周辺部に数１０００ÅのＡｌ膜を蒸着することによってＡｌゲート電極１４を作製する。ｎ−Ｓｉ基板１２の底面にゲート電極１４の対極となるように数１０００ÅのＡｌ膜１１を蒸着する。このようにして作製されたＭＯＳ型冷陰極電子放出素子は、電極１１を接地し、ゲート電極１４に正電圧を印加するとき、Ａｌ（ゲート電極１４）の仕事関数（４．１４ｅＶ）を越える付近から真空中へ電子が放出される。このとき、図５に示したように、電子源に対し数ｍｍの真空を介して、ガラス基板８の内面上に蛍光体６およびＡｌ蒸着膜（陽極）５からなる基板が配置され、この陽極５と先述の接地電極１１との間に蛍光体を励起・発光させるに十分な数ｋＶ以上の加速電圧が印加されることにより、放出された電子を加速し、蛍光体を発光させて表示に利用することができる。なお、先述したゲート電極１４の材質は、仕事関数（電子を真空中に放出させるための閾値電圧）および駆動電圧を決定する上で重要な因子である。また、その膜厚の最適化も、閾値電圧近傍で電子の散乱損失を抑制し、電子を効率良く放出させる上で重要な因子である。電子放出に関わる誘電体層１３の厚さの最適化は、電子を十分加速し、ＦＮトンネルにより効率良く真空中へ放出させるための重要な因子である。
【０００８】
さて、ＭＯＳ型冷陰極電子放出素子は、電子放出素子材料が容易に入手可能であり、素子構造も単純であるため、大面積にわたり素子を配列形成できる利点がある。そこで、この特徴を生かした多くの応用が研究されている。例えば、先述のＫ．　ＹＯＫＯＯ等の文献では、ＭＯＳ型冷陰極電子放出素子をマトリックス状に多数配列した電子源と、この電子源の照射により可視光を発光する蛍光体とを組み合わせた表示装置が提案されている。この表示装置は、液晶表示装置と同様の薄型の平面表示を可能とするばかりでなく、自発光型であるためバックライトが不要であることなどに特徴がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第２のガラス基板８上に形成された白色の蛍光体膜６は、外光を反射しやすく、蛍光体膜６が発光しても外光が強いとき十分なコントラスト（蛍光体膜６による輝度を検知できる背景輝度との輝度差ΔＬとして定義される）を得ることができない。すなわち、この薄膜型電子放出表示素子の非動作時の背景輝度をＬ、蛍光体膜６が発光して得られる輝度をΔＬとすると、輝度コントラスト比は（Ｌ＋ΔＬ）／Ｌであり、輝度コントラスト比が所定の閾値以上でなければ、蛍光体膜６が発光しているかどうか検知されない。ところが、従来技術による薄膜型電子放出表示素子において、第２のガラス基板８付近に配設された白色の蛍光体膜６で反射される外光に起因して、背景輝度Ｌが大きくなったとき、輝度コントラスト比が小さくなり、薄膜型電子放出表示素子としての表示品位が著しい悪影響を受ける。とりわけ、こうした薄膜型電子放出表示素子を用いて、カラー表示させる場合、輝度コントラスト比の低下により、視感度にも悪影響を与え、画質が著しく劣化するという実用上の問題があった。
【００１０】
本発明は、冷陰極電子放出素子における上記問題点を解決するためになされたものであり、外光によって表示画面のコントラストが影響されにくい平面形冷陰極電子放出素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件発明に係る薄膜型電子放出表示素子は、可視光を透過する第１の誘電体基板と、第１の誘電体基板上に形成された可視光を透過する第１の導電性薄膜と、第１の導電性薄膜上に形成された可視光を透過する電子源とを有し、電子源から真空空間を隔てて電子源に対向する第２の誘電体基板上に設けられた導電性薄膜陽極と、導電性薄膜陽極上に形成された蛍光体層とを有し、電子源と導電性薄膜陽極との間に電圧を印加することにより、電子源から放出された電子を加速して蛍光体を励起・発光させる薄膜型電子放出表示素子であって、蛍光体により放射された光が電子源を実装した第１の誘電体基板側から取り出され表示に供することを特徴とする。さらに、蛍光体層は導電性薄膜陽極上に形成されているので、蛍光体膜から放出された光は、導電性薄膜陽極により遮蔽されることなく、より有効に第１の誘電体基板側から取り出すことができる。
【００１２】
第２の誘電体基板は、本発明の目的から直接表示に使用されないため、可視光を透過しない材料であってもよいが、コストおよび真空容器としての熱膨張係数の整合性を考慮して可視光を透過する第１の誘電体基板と同等の材料を使用することが好ましい。第２の誘電体基板に形成する導電性薄膜陽極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉから成る群から選択された１種を用いて形成されることが好ましい。これらの低抵抗の金属薄膜を陽極として用いることにより、表示面積が増大しても、抵抗の増加に伴う電圧降下を最小限に抑制することができ、電圧降下に基づく表示輝度の低下およびばらつきを抑えることが出来るため、画質の劣化を抑制することができる。また、第２の誘電体基板に形成する蛍光体と導電性薄膜陽極の積層順序に関し、電子源から放射された電子を第１の導電性薄膜と導電性薄膜陽極との間で加速して蛍光体を励起発光させた光を有効に表示に利用する観点から、第２の誘電体基板上に導電性薄膜陽極を形成し、その上に蛍光体を塗布することが好ましい。
【００１３】
電子源が、第１の導電性薄膜上に形成された可視光を透過するｎ型半導体薄膜と、ｎ型半導体薄膜上に形成された可視光を透過する誘電体薄膜と、誘電体膜上に形成された可視光を透過する第２の導電性薄膜とにより構成されることが好ましい。ｎ型半導体は、第１の導電性薄膜に対して第２の導電性薄膜が正電圧になるように電圧が印加されるとき、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを得たキャリア電子はｎ型半導体の価電子帯から伝導帯に遷移し、誘電体薄膜に注入される。注入された電子は、印加された電界によって誘電体薄膜の伝導帯へＦＮトンネルし、誘電体薄膜中の電界によって加速される。加速された電子は、誘電体薄膜中および第２の導電性薄膜中で散乱されて一部の電子はエネルギーを損失するが、第２の導電性薄膜の仕事関数を超えるエネルギーを持って第２の導電性薄膜（以後ゲート電極と称す）の最表面に到達した電子は真空中に放射される。
【００１４】
可視光を透過する第１の導電性薄膜およびゲート電極（第２の導電性薄膜）は、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、及びＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３にＳｎをドープしたもの）から成る群から選択された１種を用いて形成されることが好ましい。これらの金属酸化物は、金属相当の低抵抗性能を保有しているばかりでなく、本発明の目的である可視光を透過する電子源を構成する上で極めて有効に作用することは言うまでもないが、電子線や光の照射に対して十分信頼できる。
【００１５】
電子源が、可視光を透過する第１の導電性薄膜上に堆積された可視光を透過するｎ型半導体と、ｎ型半導体上に島状の可視光を透過するＣｕＡｌＯ２、ＣｕＧａＯ２、及びＣｕ２ＳｒＯ２から成る群から選択された１種を用いて形成されたｐ型半導体薄膜とが堆積・接合された電子放出部、およびｎ型半導体とｐ型半導体薄膜の接合体から微小の真空空間を介して、可視光を透過する第１の導電性薄膜上に形成された可視光を透過する誘電体薄膜と、第２の導電性薄膜とを形成したゲート電極から構成される構造であってもよい。このように、ｎ型半導体とｐ型半導体とを接合した場合、熱平衡状態では接合面近傍にｎ型半導体から電子が、ｐ型半導体からはホールが密度拡散および熱・光励起によって注入され、再結合によってキャリアが消滅する空乏層が形成される。空乏層の領域では内部電場ｅＶｉ（ここで、ｅは電子の電荷量、Ｖｉは空乏層領域の内部電位である）が発生するため、ｐ型半導体の伝導帯の下端はｎ型半導体の伝導帯の下端よりもｅＶｉだけエネルギー準位が高くなる。このため、ｐ型半導体において少数キャリアである電子を伝導帯に注入すれば、ｎ型半導体の伝導帯から電子を放出させるよりもエネルギー的に優位となる。さらに、ｐ型半導体の伝導帯にある電子（少数キャリア）がホール（多数キャリア）と再結合して消滅することを避ける（効率よく電子放出を行う）ためには、ｐ型半導体膜中を移動する電子の距離が電子の拡散長より短くする必要があり、ｐｎ接合においてはｐ型半導体の膜厚を薄くするか、あるいは微小な島状のｐ型半導体薄膜をｎ型半導体薄膜の上に堆積することにより目的を達成できる。
【００１６】
可視光を透過するｎ型半導体薄膜が、ｎ型ＺｎＯ、ｎ型ＡｇＩｎＯ２から成る群から選択された１種を用いて形成されることが好ましい。これらの半導体薄膜は、可視域（３８０〜７８０ｎｍ）の透過特性に優れ、且つ平坦であるため、カラー表示を目的とした蛍光体の発光波長に影響を与えることなく透過できる。また、４００℃以下の基板温度で成膜できるため、基板などの材料およびプロセスの選択の自由度を広げることができ、コスト低減にも貢献する。
【００１７】
可視光を透過する誘電体薄膜が、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３から成る群から選択された１種以上で構成されることが好ましい。これらの材料は、前述の半導体材料と同様、可視光に対する分光透過率に優れ、さらに絶縁耐圧が高く、薄膜の電気特性に対する信頼性も高い。
【００１８】
可視光を透過する誘電体薄膜は、電子放出領域の膜厚が３０Å以上１０００Å以下となるように構成されることが好ましい。誘電体薄膜の膜厚は、薄すぎると表示用ドライブ電圧が印加されたとき絶縁破壊を生じ、厚すぎるとＦＮトンネル電界が上昇するため表示用ドライバーの負荷およびコストの上昇するなどの実用上の観点から制約が生じる。
【００１９】
可視光を透過する誘電体薄膜の膜厚は、３０００Å以上５００００Å以下であることが好ましい。電子放出領域から外れた誘電体薄膜は、電子源を駆動するとき、各表示ドット（電子放出領域）間を隔絶するために純粋に絶縁層として機能する必要があり、そのためには駆動電圧に対する絶縁耐圧を確保しなければならない。誘電体薄膜の膜厚は、このような観点から信頼できる最も薄い膜厚、および成膜コストから最大の膜厚が定まる。
【００２０】
可視光を透過する第２の導電性薄膜（ゲート電極）は、膜厚が３０Å以上１０００Å以下であることが好ましい。ゲート電極は、第１の導電性薄膜との間に印加された電界により、ｎ型半導体から注入された電子を誘電体で加速し、仕事関数より大きなエネルギーを得たホットエレクトロンを効率よく真空準位に放出する役割を果たしている。そのため、ゲート電極内での散乱損失を最小にするためにできる限り薄い膜の方が好ましい。しかし、所定の電界を一様に印加し得る信頼性も確保する必要から、膜厚の下限が定められる。
【００２１】
蛍光体層が、真空にそのまま露出しているか、あるいは可視光を透過する第１および第２の導電性薄膜として用いられる群から選択された１種で被覆され、且つ導電性陽極に電気的に接続されていることが好ましい。電子源から放出された電子が、第１の導電性薄膜と導電性陽極の間に印加された数ｋＶ〜２０ｋＶ程度の高電圧によって加速され、蛍光体表面から数原子層に渡って衝突し、蛍光体を励起・発光させる。この過程で、放出電子の電流密度が高い場合、蛍光体表面に電荷（電子による）が蓄積して負電位を形成するため、後から蛍光体に飛来する電子を疎外するように作用する。その結果、蛍光体の励起効率が低下する。このような場合、電子の侵入に障害を与えない程度の導電性薄膜を被覆することによって電荷の蓄積を緩和し、蛍光体の励起効率を改善することができる。また、陽極薄膜は、電子の加速のみならず、外光を遮断して表示におけるコントラストを確保する働きもしている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る薄膜型電子放出表示素子の基本的な構造を説明する断面図である。図１に示すように可視光を透過する誘電体基板７の上に、可視光を透過する第１の導電性薄膜（接地電極）１が形成され、導電性薄膜１の上に可視光を透過するｎ型半導体２、ｎ型半導体２の上には絶縁及びｎ型半導体２から注入された電子のトンネル・加速を目的とした可視光を透過する誘電体薄膜３、３ａ（トンネル電子加速部）、および第１の可視光を透過する導電性薄膜１との間に電圧を印加して注入電子を加速し、真空中へ放出させる可視光を透過する第２の導電性薄膜（ゲート電極又は電子放出部と呼ぶ。）４ａが順次積層されている。４ａには、材料の抵抗により電圧降下を生じないように導電性陽極５と同様の低抵抗材料を用いたバス電極４が接続されている。そしてゲート電極４ａから数ｍｍの真空空間を隔てて対向するように、第２の誘電体基板８の上に、接地電極１との間で高電圧を印加する導電性陽極（アノード電極）５、および蛍光体塗膜が順次積層されて配置されている。このように構成された、薄膜型電子放出表示素子の基板７および８の側面は適当な側面によって囲まれており、これらの基板の間の空間は１０−７Ｐａ以下の高真空下に維持されている。
【００２３】
誘電体基板７は、可視光の透過性能に優れ、両面が平滑なソーダーライムガラス、アルミノ珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラスおよび石英ガラスなどを用いることができる。誘電体基板８は、可視光を透過しないアルミナなどのセラミックスであってもよいが、基板の側面を封着して表示素子の真空容器としての機能も果たすことから、材料の熱膨張係数などを一致させて力学的安定性を高める観点から同一材料を用いた方が好ましい。ソーダーライムガラスは、フロート法によって大量に、また容易に精度のよい平滑面が得られることから表示素子の基板に適している。しかし、ガラスの軟化点による制約から４５０℃以下で素子の製造プロセスを完結させる必要がある。
【００２４】
接地電極１およびゲート電極４ａは、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯなどの導電性金属酸化物を示す。ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯは、可視光を透過し、導電性に優れ、仕事関数も比較的低い金属酸化物である。
【００２５】
ｎ型半導体薄膜２は、ｎ型ＺｎＯおよびｎ型ＡｇＩｎＯ２などの金属酸化物半導体を示す。ｎ型ＺｎＯおよびｎ型ＡｇＩｎＯ２は、電子の供給源としての役割を果たすばかりでなく、加速電子によって励起・発光した蛍光体からの放射光を透過させ、表示に供する役割を果たす可視光の透過性に優れた材料である。
【００２６】
誘電体薄膜３および３ａは、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの金属酸化物からなる絶縁体を示す。ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３は、絶縁体として優れているばかりでなく、前述のｎ型半導体と同様の目的で可視光の透過性能においても優れた材料である。
【００２７】
バス電極４は、前述のゲート電極４ａと同等との材料であるか、または後述のアノード電極５と同等の材料を用いてもよい。バス電極４は、周囲をゲート電極４ａと接しており、少なくとも電源との距離が長くなったときに電圧降下を生じさせないような材料を用いる必要があり、可視光を透過しない材料であってもよい。
【００２８】
蛍光体６は、加速電子線によって励起・発光する材料であり、本発明においては、数ｋＶ以上の高電圧で加速された電子線によって効率良く励起・発光する材料であることが好ましい。
【００２９】
アノード電極５は、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇなどの導電性に優れた材料を用いて形成してもよい。
【００３０】
誘電体薄膜３の電子放出領域に相当するトンネル電子加速部３ａの膜厚は、ＦＮトンネルが容易に生じ、且つ誘電体中で十分に加速されたホットエレクトロンとなるように、３０Å以上１０００Å以下に設定される必要がある。誘電体薄膜の膜厚は、３０Å未満であると誘電体としての信頼性がなくなり、電圧を印加することによって熱的な破壊を生じやすくなる。また、膜厚が１０００Åを超えると誘電体内における電子の散乱損失が増大し、ホットエレクトロンの生成効率が悪くなるため好ましくない。誘電体薄膜３ａの膜厚の下限は、接地電極１とゲート電極４ａの間に電子放出に必要な電圧を印加したとき、誘電体薄膜３ａが絶縁破壊に耐え得る十分な厚さとして設定される。
【００３１】
ゲート電極４ａの膜厚も同様の理由により、ホットエレクトロンのゲート電極中における電子の散乱損失を最小に抑え、且つ導電性薄膜の物性を維持する目的で、３０Å以上１０００Å以下に設定されることが好ましい。ゲート電極４ａの膜厚の下限は、膜が導電性を維持し、ゲート電極４ａに一様な電界を印加し得る厚さとして設定される。
【００３２】
このように構成された電子源は、接地電極１及びゲート電極４ａの間にゲート電極４ａの材料固有の仕事関数以上の電圧が印加されるとき、真空への電子放出が生じる。図３は、接地電極１として膜厚２０００ÅのＡｌ、ｎ型半導体３として膜厚１００００Åのｎ型ＺｎＯ、誘電体薄膜３ａとして膜厚６０ÅのＡｌ２Ｏ３、ゲート電極４ａとして膜厚７０ÅのＩＴＯからなる電子源を用い、接地電極１とゲート電極４ａ間に仕事関数以上の電圧（ゲート電圧）を印加したときに、ゲート電圧とゲート電極４ａから放出される電子放出電流との関係を示したものである。図３において、ゲート電圧の増加に基づき電子放出電流が増加する、ゲート電圧依存性を示す。しかし、ゲート電圧の増加とともに散乱損失が増加し、電子放出電流が飽和する傾向を示している。
【００３３】
接地電極１に積層された電子源は、例えばガラス基板７の上に、第１の導電性薄膜１としてＩＴＯをスパッタ蒸着法により十分な導電性を確保できるように膜厚１μｍで成膜し、その上にｎ型半導体薄膜２としてｎ型ＺｎＯの膜厚が１μｍになるようにスパッタ蒸着し、さらにトンネル電子加速部の誘電体薄膜３ａとしてレーザーアブレーション法によりＡｌ２Ｏ３を膜厚が５０Åになるように成膜し、その上に第２の導電性薄膜（ゲート電極）４ａとしてＩＴＯをスパッタ蒸着法により膜厚が６０Åになるように成膜し、またゲート電極４ａの周囲に接するようにＡｌをスパッタ蒸着法により膜厚が０．３μｍになるようにバス電極４を成膜することにより作製することができる。これらの作製プロセスの間、薄膜中の内部応力に基づく膜の剥離を防ぐ観点から基板温度を３５０℃で一定に保持されることが望ましい。
【００３４】
一方、電子源に対向するように２ｍｍから３ｍｍ真空空間を隔てて、第２の誘電体基板８として、例えばソーダーライムガラスを用い、その上に導電性陽極５としてＡｌをスパッタ蒸着法により膜厚が０．３μｍになるように成膜し、さらにその上に蛍光体スラリーを塗布してホトリソグラフィーによって各色の表示ドット配置に対応させて蛍光体６を形成することができる。
【００３５】
なお、バス電極４に可視光を透過しにくい材料を用いる場合は、１素子当たりの開口率（１素子の表面積に対する光が透過し得る表面積の割合）を７０％以上確保できるようにバス電極４を細くし、且つ導電性を確保するために電極の膜厚を厚くしてパターン形成することが望ましい。
【００３６】
しかし、バス電極４に可視光を透過する材料を用いた場合でも、各ドット間に蛍光体の発光色の写り込みによる混色を防ぐためにドットの周囲を黒色で覆うブラックマトリックス処理を必要とするため、可視光を透過しない導電性に優れた材料でバス電極４を形成する方が作製プロセスの効率がよく好ましい。
【００３７】
このようにして作製された薄膜型電子放出表示素子の接地電極１とバス電極４に４Ｖから７Ｖの電圧を印加し、同時に接地電極１と導電性薄膜陽極（アノード電極）５に５ｋＶから１０ｋＶの電圧を印加することによって、従来の表示方式に対して、同一の入力条件で比べた場合、２０％以上のコントラスト（従来の輝度差ΔＬに対して０．８ΔＬで表示を検知できる）の改善が見られた。
【００３８】
上記実施の形態１では、誘電体基板７および８としてソーダーライムガラスを用いたが、ガラスに含有されるＮａ等の陽イオンが半導体に拡散しやすいため、ガラスに誘電体薄膜３と同様の材料を積層することによってイオンの拡散を防止する構造にすることが好ましい。
【００３９】
ｎ型半導体２の成膜は、スパッタ蒸着法により酸素を１５％から２０％含むアルゴンガスを用いて、５×１０−３〜２×１０−２Ｔｏｒｒの圧力、及び１〜４Ｗ／ｃｍ２の放電エネルギー密度で実現できる。
【００４０】
接地電極１及びゲート電極４ａの成膜は、スパッタ蒸着法によりＡｒ雰囲気中で、５×１０−３〜１×１０−２Ｔｏｒｒの圧力、及び１〜３Ｗ／ｃｍ２の放電エネルギー密度で実現できる。
【００４１】
誘電体薄膜３及び３ａの成膜は、直径約２ｃｍほどの大きさに加工したアルミナターゲットを用いて、レーザーアブレーション法により１×１０−２Ｔｏｒｒ程度のアルゴン雰囲気で、２０〜３０ｎｓのパルス幅を有するＡｒＦエキシマレーザーをターゲットに対して１〜３Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度で照射することにより実現できる。なお、成膜においては、基板温度を３５０〜４５０℃の範囲で一定に保ちながら実施した。
【００４２】
導電性薄膜陽極５及び金属からなるバス電極４の成膜は、スパッタ蒸着法によりＡｒ雰囲気中で、１×１０−３〜５×１０−３Ｔｏｒｒの圧力、及び１〜２Ｗ／ｃｍ２の放電エネルギー密度で実現できる。
【００４３】
上記の実施の形態１では、可視光を透過するｎ型半導体２及びゲート電極４ａを作製する方法としてスパッタ蒸着法を示したが、イオンプレーティング法などでも同等の可視光の透過性に優れた薄膜を実現できる。
【００４４】
また、上記実施の形態１では、誘電体薄膜３及び３ａを作製する方法としてレーザーアブレーション法を示したが、Ｓｉ及びＡｌなどをスパッタ蒸着した後、陽極酸化により誘電体薄膜を形成しても同等の可視光の透過性および絶縁性に優れた薄膜を実現する。
【００４５】
上述のように、このようにして作製された本発明の電子放出表示素子と、従来式の電子放出表示素子において、同一の測定条件で、蛍光体６の発光による輝度差ΔＬを測定し、表示が検知できる最低輝度差ΔＬｍｉｎを求めた。すると、従来式の電子放出表示素子における最低輝度差ΔＬｍｉｎに対し、同一の測定条件で、本発明の電子放出表示素子の最低輝度差は、約０．８倍のΔＬｍｉｎであった。すなわち、本発明の電子放出表示素子は、従来式の電子放出表示素子に比べて、蛍光体６の発光による輝度差ΔＬが２０％少ない場合であっても、表示に供することができる。さらに換言すると、同じ輝度コントラストを得るために、本発明の電子放出表示素子が消費する電力を、従来式の電子放出表示素子よりも実質的に低減することができ、本発明の電子放出表示素子を構成する蛍光体６などの耐久性および信頼性を相当に改善することができる。また、本発明の電子放出表示素子を従来のものと同じ駆動条件で動作させた場合、蛍光体６の発光による輝度差ΔＬを実質的に増大させ、コントラストを改善し、極めて優れた表示品位を有する電子放出表示素子を実現することができる。
【００４６】
実施の形態２．
実施の形態１では、誘電体基板８の上に、アノード電極５及び蛍光体６を順次積層したが、本実施の形態においては、蛍光体６の上にさらにゲート電極３ａと同じ可視光を透過する導電性薄膜を５００〜１０００Å形成するか、またはアノード電極と同じ材料を３０〜１００Åの範囲で形成することが好ましい。
【００４７】
その他の点は、実施の形態１と同様である。アノード電極５と接地電極１の間に高電圧が印加されると、電子源より放出された電子が加速されて蛍光体原子数層に浸透して、蛍光体６を励起・発光させるわけであるが、本発明で用いる蛍光体は導電性が低いため蛍光体に浸透した電子の一部が蛍光体表面に留まり帯電する。この結果、蛍光体表面に負電荷が形成されるために、蛍光体への加速電圧が実質的に低下し、蛍光体の励起・発光効率が低下する。本実施の形態２は、これらの欠点を補うために蛍光体表面に留まった電子を接地電極に逃がし、所定の電子線加速電圧を維持させようとするものである。
【００４８】
導電性薄膜の形成方法は、実施の形態１で行った成膜法に従うものとする。導電性の優れたアノード電極５に用いる材料を蛍光体６の上に積層する場合は、発光した蛍光体の放射光を効率良く表示に利用するために３０〜１００Å程度の超薄膜を用いる必要がある。また、ゲート電極１と同じ可視光を透過する導電性薄膜を蛍光体６の上に積層する場合は、ゲート電極材料より多少導電性に劣ること、及び透明であることから、５００〜１０００Å程度形成することが好ましい。
【００４９】
このようにして作製された薄膜型電子放出表示素子の接地電極１とバス電極４に４Ｖから７Ｖの電圧を印加し、同時に接地電極１とアノード電極５に５ｋＶから１０ｋＶの電圧を印加することによって、従来の表示方式に対して、同一の入力条件で比べた場合、２０％以上のコントラストの改善が見られた。
【００５０】
実施の形態３．
図２は、本発明の実施の形態３に係る薄膜型電子放出表示素子の基本的な構造を説明する断面図である。本実施の形態については、接地電極１の上にｎ型半導体２を堆積し、さらにｎ型半導体２の上に島状に分布したｐ型半導体２ａを接合し、それとは微小な真空空間を隔てて同一の接地電極１の面上に可視光を透過する誘電体３と、可視光を透過する材料で作られたゲート電極４ａ及びゲート電極４ａの周囲をバス電極４で接合するように電子源が構成される。その他の点は、実施の形態１および２と同様である。
【００５１】
ｐ型半導体２ａは、ＣｕＡｌＯ２、ＣｕＧａＯ２、Ｃｕ２ＳｒＯ２などの可視光を透過する金属酸化物半導体を示す。ｎ型半導体とｐ型半導体とを接合した場合、熱平衡状態では接合面近傍にｎ型半導体から電子が、ｐ型半導体からはホールが密度拡散及び熱・光励起によって注入され、再結合によってキャリアが消滅する空乏層が形成される。この結果、空乏層の領域では内部電場が発生するため、ｐ型半導体の伝導帯下端はｎ型半導体の伝導帯下端よりもエネルギー準位が高くなる。このため、ｐ型半導体において少数キャリアである電子を伝導帯に注入すれば、ｎ型半導体の伝導帯から電子を放出させるよりもエネルギー的に有利となる。ｐ型半導体をｎ型半導体の上に島状に島状に形成する理由として、ｐ型半導体中を移動する電子の拡散長を短くして、伝導帯にある電子がｐ型半導体では多数キャリアであるホールと再結合して消滅することを避けるためである。
【００５２】
この理由から、ｐ型半導体の膜厚も実施の形態１で説明した第２の導電性薄膜と同様、３０Å以上１０００Å以下であることが好ましい。ｐ型半導体２ａは、ｎ型半導体と同様にスパッタ蒸着法、レーザーアブレーション法、高周波イオンプレーティング法などによって形成することができる。
【００５３】
ｎ型半導体２の上にｐ型半導体２ａを島状に形成する場合は、例えばＣｕ２ＳｒＯ２をレーザーアブレーション法によって５０Å成膜した後、反応性イオンエッチングにより５０Å〜１００Åの島状のｐ型半導体２ａを形成する。
【００５４】
誘電体薄膜３は、ｐ−ｎ接合半導体層に対して１μｍ程度の間隙を隔てて、接地電極１の上に実施の形態１及び２と同様の方法で１μｍ程度の膜厚に形成する。
【００５５】
ゲート電極４ａは、誘電体薄膜３の上に表示ドットの開口部になるように配置され、実施の形態１及び２と同様の方法で、１μｍ以下の膜厚で形成される。
【００５６】
バス電極４は、実施の形態１と同様な方法で、誘電体薄膜３の上にゲート電極４ａの周囲と接合するように形成する。バス電極４に用いられる材料は、実施の形態１で説明したのと同様の考え方から、可視光を透過しない（隣接の表示セルに光の写り込みが生じない）ように導電性薄膜陽極５と同じ材料を用いた方が好ましい。
【００５７】
このようにして作製された薄膜型電子放出表示素子の接地電極１とバス電極４の間に５０Ｖ〜１００Ｖ程度の電圧を印加し、同時に接地電極１とアノード電極５の間に５ｋＶから１０ｋＶの加速電圧を印加することによって、従来の方式に対して、同一の入力条件で比べた場合、２０％以上のコントラストの改善が見られた。
【００５８】
本実施の形態では、ｎ型半導体の上にｐ型半導体を島状に形成する方法について説明したが、ｐ型半導体の膜厚を精度よく一様に堆積し、電子の散乱損失を抑制できれば、ｎ型半導体の上面全体にｐ型半導体薄膜を形成しても同等の効果が得られる。
【００５９】
【発明の効果】
本件の発明よれば、電子源を構成する基板側の材料全てに、可視光を透過するものを使用し、電子源を構成する基板から蛍光体により放射された表示光を取出す方式にしたため、外光による蛍光体表面からの反射光を激減させることができ、表示におけるコントラストを改善することが出来る。
【００６０】
また、本件の発明によりコントラストが改善されるため、最大輝度を下げることが出来、結果としては表示のために消費する電力を低減させること、及び電極の寿命の改善にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る薄膜型電子放出表示素子の１例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る薄膜型電子放出表示素子の１例を示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示す薄膜型電子放出素子の電子源のゲート電圧と電子放出電流の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、従来のＭＯＳ型冷陰極電子放出素子の電子源の概略形状を示す断面図である。
【図５】図５は、従来のＭＯＳ型冷陰極電子放出素子の概略形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１…可視光を透過する第１の導電性薄膜（接地電極）、２，１２…可視光を透過するｎ型半導体薄膜、２ａ…可視光を透過するｐ型半導体薄膜、３，１３…可視光を透過する誘電体薄膜、３ａ…可視光を透過する誘電体薄膜のトンネル電子加速部、４，１４…バス電極、４ａ…可視光を透過する第２の導電性薄膜（電子放出部あるいはゲート電極）、５…導電性薄膜陽極、６…蛍光体塗膜、７…可視光を透過する第１の誘電体基板、８…第２の誘電体基板、９…電源アース、１０…真空容器（表示セル）。
【図１】
2004006088.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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