JP3570864B2 - 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

【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形冷陰極を用いた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−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造の電子放出素子がある。このＭＩＭ構造の電子放出素子は、基板上に陰極としてのＡｌ層、膜厚１０ｎｍ程度のＡ１_２Ｏ_３絶縁体層、膜厚１０ｎｍ程度の陽極としてのＡｕ層を順に形成した構造を有するものがある。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、ＭＩＭ構造の電子放出素子を用いてもまだ放出電子の量は十分とはいえない。
【０００４】
これを改善するために、従来のＡｌ_２Ｏ_３絶縁体層の膜厚を数ｎｍ程度薄膜化したり、極薄膜のＡｌ_２Ｏ_３絶縁体層の膜質及びＡｌ_２Ｏ_３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。
例えば、特開平７−６５７１０号に記載の発明のように、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。
【０００５】
しかしながら、このような方法で製造されたＭＩＭ構造の電子放出素子でも、まだ放出電流は１×１０^−５Ａ／ｃｍ^２程度で、放出電流比は１×１０^−３程度にすぎない。
【０００６】
【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、低い電圧で安定して電子放出することのできる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。さらに、電子放出素子の広範囲な応用を考える時、電子放出素子の電子供給層にシリコン（Ｓｉ）を用いることは素子の安定性向上の為に有効であり、スパッタリング法で成膜したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は生産性も高く、非常に有効である。しかしながらこのａ−Ｓｉには１０^２０／ｃｍ^３ものシリコン（Ｓｉ）のダングリングボンドがあり、その為に熱処理により特性が劣化し易く、素子の真空封止の為に必要な熱処理（Ｂａｋｅ Ｏｕｔ）工程において、この欠点は実用化に向けての大きな問題点である。そこで、高い温度における高い信頼性の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も目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子放出素子は、オーミック電極上に形成された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た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、前記絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、前記電子供給層は水素化アモルファスシリコンからなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電子放出素子においては、前記水素化アモルファスシリコンは、水素化アモルファスシリコンカーバイド又は水素化アモルファスシリコンナイトライドを含むことを特徴とする。
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基板に設けられた複数の電子放出素子と、
前記第２基板内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、オーミック電極上に形成された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た金属薄膜電極からなり、前記絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、前記電子供給層は水素化アモルファスシリコンからなることを特徴とする。
【０００９】
以上の構成により、本発明では、電子供給層のダングリングボンドが減少し高温度での高い信頼性の電子放出素子が得られ、絶縁体層が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。
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、真空マイ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、ミリ波又はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子として動作可能である。
【００１０】
【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、本発明の電子放出素子は、ガラス素子基板１０上に例えばタングステンＷなどからなるオーミック電極１１を形成し、その上にＳｉからなる電子供給層１２を形成し、その上にＳｉＯ_２などからなる絶縁体層１３及び真空空間に面するＡｕなどの金属薄膜電極１５を積層して構成される。とくに、電子供給層１２には、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）などを用いる。絶縁体層１３は誘電体からなり５０ｎｍ以上の極めて厚い膜厚を有するものである。この電子放出素子の対向する一対の第１及び第２基板１０，１は真空空間を挾んで保持される。第２基板１の内面にはコレクタ電極２と蛍光体層３Ｒ，Ｇ，Ｂ とが設けられる。素子基板１０の材質はガラスの他に、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ等のセラミックスでも良い。
【００１１】
電子放出素子は、図１に示すように、表面の金属薄膜電極１５を正電位Ｖｄとし裏面オーミック電極１１を接地電位としたダイオードである。オーミック電極１１と金属薄膜電極１５との間に電圧Ｖｄ例えば９０Ｖ程度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１３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１５付近に達した電子は、そこで強電界によって一部は金属薄膜電極１５から外部の真空中に放出される。
【００１２】
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例えば５ｋＶ程度によって加速され、コレクタ電極２に集められる。コレクタ電極に蛍光体３が塗布されていれば対応する可視光を発光させる。
電子放出素子の電子供給層１２の材料としてはａ−Ｓｉのダンリングボンドを水素（Ｈ）で終結させた水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、さらにＳｉの一部を炭素（Ｃ）で置換した水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）が有効であるが、Ｓｉの一部を窒素（Ｎ）で置換した水素化アモルファスシリコンナイトライド（ａ−ＳｉＮ：Ｈ）などの化合物半導体も用いられ得る。例えば、ＳｉとＨの原子比を８５：１５とした水素化アモルファスシリコンは、ダングリングボンドを１０^１５／ｃｍ^３まで減らしたものであった。水素化アモルファスシリコンにおけるＨの原子比は、ダングリングボンドの減少が顕著に表れる１０％以上である。さらに、具体例としてはスパッタリング法によりＳｂドープのＳｉターゲットを用い、スパッタガスとしてアルゴンと水素の分圧比Ａｒ：Ｈ＝６：２としてトータルの圧力を８ｍＴｏｒｒにして５０ｎｍ／ｍｉｎのレートで成膜して、Ｓｉが８５％でＨが１５％の組成比を示す電子供給層の薄膜になり、この時のタングリングボンドはＥＳＲでの分析により２×１０^１５／ｃｍ^３であった。
【００１３】
さらに、例えば、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−Ｓｉ_０．７ Ｃ_０．３ ：Ｈ）はダングリングボンドは１０^１８／ｃｍ^３とａ−Ｓｉ：Ｈよりも多いが、５００℃でもＨが離脱しないので、熱処理での劣化がほとんどなく非常に有効である。さらに、水素化アモルファスシリコンナイトライド（ａ−Ｓｉ_０．６８Ｎ_０．３２：Ｈ）でも同様の効果がある。
【００１４】
ａ−Ｓｉ：Ｈは ３００℃以上でＨの離脱が始まるので、 ３００℃以上では劣化が激しいが、 ３００℃では実用範囲の１×１０^−６Ａ／ｃｍ^２ 以上の放出電流があり ３００℃以下でのベークすなわち熱処理には充分有効である。水素化アモルファスシリコンカーバイドにおけるＣの原子比は、ダングリングボンドの減少が期待できる５０％以下が好ましい。
【００１５】
ａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−Ｓｉ_ｘ Ｎ_１−ｘ：Ｈ、及びａ−Ｓｉ_ｘ Ｃ_１−ｘ：Ｈの成膜方法としてはＣＶＤ、蒸着、スパッタリングの方法がある。ここでｘは原子比を示す、以下、同じ。
ＣＶＤ法では、主形成ガスのＳｉＨ_４だけ用いると、ａ−Ｓｉ：Ｈが形成される。ａ−Ｓｉ_ｘ Ｎ_１−ｘ：Ｈの成膜場合にはＳｉＨ_４の他にＮＨ_３を混合する。
ａ−Ｓｉ_ｘ Ｃ_１−ｘ：Ｈの成膜場合にはＳｉＨ_４の他にＣＨ_４を混合する。また抵抗値の調整にはＢ_２Ｈ_６やＰＨ_３などのドーピングガスを主形成ガスに混入させてドーパントを調整する。
【００１６】
蒸着法では、Ｓｉ，Ｓｉ_ｘＮ_１−ｘ，Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘを蒸着母材として使用し、雰囲気にＨ_２を入れて成膜する。
スパッタリング法の場合は、Ｓｉをターゲットとし、スパッタガスのＡｒ中にＨ_２を混合することで、ａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜が得られる。さらにａ−Ｓｉ_ｘ Ｎ _１−ｘ：Ｈの成膜場合は、Ｎ_２をスパッタガスに混合するか、あるいは始めからＳｉ_ｘＮ_１−ｘのターゲットを使用する。ａ−Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ：Ｈの成膜場合は、ＣＨ_３をスパッタガスに混合するか、あるいは始めからＳｉ_ｘＣ_１−ｘのターゲットを使用するか、あるいはＳｉとＣのターゲットによるコスパッタリング方法を用いる等がある。また、ドーパントとしてはＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のドーパント材をあらかじめＳｉターゲットにドープしておくことが必要である。
【００１７】
絶縁体層１３の誘電体材料としては、酸化珪素ＳｉＯ_ｘ（ｘは原子比を示す）が特に有効であるが、
ＬｉＯ_ｘ，ＬｉＮ_ｘ，ＮａＯ_ｘ，ＫＯ_ｘ，ＲｂＯ_ｘ，ＣｓＯ_ｘ，ＢｅＯ_ｘ，ＭｇＯ_ｘ，ＭｇＮ_ｘ，ＣａＯ_ｘ，ＣａＮ_ｘ，ＳｒＯ_ｘ，ＢａＯ_ｘ，ＳｃＯ_ｘ，ＹＯ_ｘ，ＹＮ_ｘ，ＬａＯ_ｘ，ＬａＮ_ｘ，ＣｅＯ_ｘ，ＰｒＯ_ｘ，ＮｄＯ_ｘ，ＳｍＯ_ｘ，ＥｕＯ_ｘ，ＧｄＯ_ｘ，ＴｂＯ_ｘ，ＤｙＯ_ｘ，ＨｏＯ_ｘ，ＥｒＯ_ｘ，ＴｍＯ_ｘ，ＹｂＯ_ｘ，ＬｕＯ_ｘ，ＴｂＯ_ｘ，ＤｙＯ_ｘ，ＨｏＯ_ｘ，ＥｒＯ_ｘ，ＴｍＯ_ｘ，ＹｂＯ_ｘ，ＬｕＯ_ｘ，ＴｉＯ_ｘ ，ＺｒＯ_ｘ，ＺｒＮ_ｘ，ＨｆＯ_ｘ，ＨｆＮ_ｘ，ＴｈＯ_ｘ，ＶＯ_ｘ，ＶＮ_ｘ，ＮｂＯ_ｘ，ＮｂＮ_ｘ，ＴａＯ_ｘ，ＴａＮ_ｘ，ＣｒＯ_ｘ，ＣｒＮ_ｘ，ＭｏＯ_ｘ，ＭｏＮ_ｘ，ＷＯ_ｘ，ＷＮ_ｘ，ＭｎＯ_ｘ，ＲｅＯ_ｘ，ＦｅＯ_ｘ，ＦｅＮ_ｘ，ＲｕＯ_ｘ，ＯｓＯ_ｘ，ＣｏＯ_ｘ，ＲｈＯ_ｘ，ＩｒＯ_ｘ，ＮｉＯ_ｘ，ＰｄＯ_ｘ，ＰｔＯ_ｘ，ＣｕＯ_ｘ，ＣｕＮ_ｘ，ＡｇＯ_ｘ，ＡｕＯ_ｘ，ＺｎＯ_ｘ，ＣｄＯ_ｘ，ＨｇＯ_ｘ，ＢＯ_ｘ，ＢＮ_ｘ，ＡｌＯ_ｘ，ＡｌＮ_ｘ，ＧａＯ_ｘ，ＧａＮ_ｘ，ＩｎＯ_ｘ ，ＳｉＮ_ｘ，ＧｅＯ_ｘ，ＳｎＯ_ｘ，ＰｂＯ_ｘ，ＰＯ_ｘ，ＰＮ_ｘ，ＡｓＯ_ｘ，ＳｂＯ_ｘ，ＳｅＯ_ｘ，ＴｅＯ_ｘなどの金属酸化物又は金属窒化物でもよい。
【００１８】
また、ＬｉＡｌＯ_２，Ｌｉ_２ＳｉＯ_３，Ｌｉ_２ＴｉＯ_３，Ｎａ_２Ａｌ_２２Ｏ_３４，ＮａＦｅＯ_２，Ｎａ_４ＳｉＯ_４，Ｋ_２ＳｉＯ_３，Ｋ_２ＴｉＯ_３，Ｋ_２ＷＯ_４，Ｒｂ_２ＣｒＯ_４，ＣＳ_２ＣｒＯ_４，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４，ＭｇＦｅ_２Ｏ_４，ＭｇＴｉＯ_３，ＣａＴｉＯ_３，ＣａＷＯ_４，ＣａＺｒＯ_３，ＳｒＦｅ_１２Ｏ_１９，ＳｒＴｉＯ_３，ＳｒＺｒＯ_３，ＢａＡｌ_２Ｏ_４，ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９，ＢａＴｉＯ_３，Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２，Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＬａＦｅＯ_３，Ｌａ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７，ＣｅＳｎＯ_４，ＣｅＴｉＯ_４，Ｓｍ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＥｕＦｅＯ_３，Ｅｕ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＧｄＦｅＯ_３，Ｇｄ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＤｙＦｅＯ_３，Ｄｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＨｏＦｅＯ_３，Ｈｏ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＥｒＦｅＯ_３，Ｅｒ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，Ｔｍ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＬｕＦｅＯ_３，Ｌｕ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２，ＮｉＴｉＯ_３，Ａｌ_２ＴｉＯ_３，ＦｅＴｉＯ_３，ＢａＺｒＯ_３，ＬｉＺｒＯ_３，ＭｇＺｒＯ_３，ＨｆＴｉＯ_４，ＮＨ_４ＶＯ_３，ＡｇＶＯ_３，ＬｉＶＯ_３，ＢａＮｂ_２Ｏ_６，ＮａＮｂＯ_３，ＳｒＮｂ_２Ｏ_６，ＫＴａＯ_３，ＮａＴａＯ_３，ＳｒＴａ_２Ｏ_６，ＣｕＣｒ_２Ｏ_４，Ａｇ_２ＣｒＯ_４，ＢａＣｒＯ_４，Ｋ_２ＭｏＯ_４，Ｎａ_２ＭｏＯ_４，ＮｉＭｏＯ_４，ＢａＷＯ_４，Ｎａ_２ＷＯ_４，ＳｒＷＯ_４，ＭｎＣｒ_２Ｏ_４，ＭｎＦｅ_２Ｏ_４，ＭｎＴｉＯ_３，ＭｎＷＯ_４，ＣｏＦｅ_２Ｏ_４，ＮｎＦｅ_２Ｏ_４，ＦｅＷＯ_４，ＣｏＭｏＯ_４，ＣｏＴｉＯ_３，ＣｏＷＯ_４，ＮｉＦｅ_２Ｏ_４，ＮｉＷＯ_４，ＣｕＦｅ_２Ｏ_４，ＣｕＭｏＯ_４，ＣｕＴｉＯ_３，ＣｕＷＯ_４，Ａｇ_２ＭｏＯ_４，Ａｇ_２ＷＯ_４，ＺｎＡｌ_２Ｏ_４，ＺｎＭｏＯ_４，ＺｎＷＯ_４，ＣｄＳｎＯ_３，ＣｄＴｉＯ_３，ＣｄＭｏＯ_４，ＣｄＷＯ_４，ＮａＡｌＯ_２，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４，ＳｒＡｌ_２Ｏ_４，Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２，ＩｎＦｅＯ_３，ＭｇＩｎ_２Ｏ_４，Ａｌ_２ＴｉＯ_５，ＦｅＴｉＯ_３，ＭｇＴｉＯ_３，Ｎａ_２ＳｉＯ_３，ＣａＳｉＯ_３，ＺｒＳｉＯ_４，Ｋ_２ＧｅＯ_３，Ｌｉ_２ＧｅＯ_３，Ｎａ_２ＧｅＯ_３，Ｂｉ_２Ｓｎ_３Ｏ_９，ＭｇＳｎＯ_３，ＳｒＳｎＯ_３，ＰｂＳｉＯ_３，ＰｂＭｏＯ_４，ＰｂＴｉＯ_３，ＳｎＯ_２−Ｓｂ_２Ｏ_３，ＣｕＳｅＯ_４，Ｎａ_２ＳｅＯ_３，ＺｎＳｅＯ_３，Ｋ_２ＴｅＯ_３，Ｋ_２ＴｅＯ_４，Ｎａ_２ＴｅＯ_３，Ｎａ_２ＴｅＯ_４などの金属複合酸化物、ＦｅＳ，Ａｌ_２Ｓ_３，ＭｇＳ，ＺｎＳなどの硫化物、
ＬｉＦ，ＭｇＦ_２，ＳｍＦ_３などのフッ化物、
ＨｇＣｌ，ＦｅＣｌ_２，ＣｒＣｌ_３などの塩化物、
ＡｇＢｒ，ＣｕＢｒ，ＭｎＢｒ_２などの臭化物、
ＰｂＩ_２，ＣｕＩ，ＦｅＩ_２などのヨウ化物、
又は、ＳｉＡｌＯＮなどの金属酸化窒化物でも絶縁体層１３の誘電体材料として有効である。
【００１９】
さらに、絶縁体層１３の誘電体材料としてダイヤモンド，フラーレン（Ｃ_２ｎ） などの炭素、或いは、Ａｌ_４Ｃ _３，Ｂ _４Ｃ ，ＣａＣ _２，Ｃｒ_３Ｃ _２，Ｍｏ_２Ｃ ，ＭｏＣ ，ＮｂＣ ，ＳｉＣ ，ＴａＣ ，ＴｉＣ ，ＶＣ，Ｗ _２Ｃ ，ＷＣ，ＺｒＣ などの金属炭化物も有効である。なお、フラーレン（Ｃ_２ｎ） は炭素原子だけからなりＣ_６０に代表される球面篭状分子でＣ_３２〜Ｃ_９６０などがあり、また、上式中、Ｏ _ｘ，Ｎ _ｘのｘは原子比を表す。以下、同じ。
【００２０】
絶縁体層の厚さは、５０ｎｍ以上、好ましくは １００〜１０００ｎｍ程度である。
電子放出側の金属薄膜電極１５の材料としては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なども用いられ得る。
【００２１】
またこれらの成膜法としては、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、レーザアブレーション法、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。
具体的に、ａ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、及びａ−Ｓｉ_０．７Ｃ_０．３：Ｈの薄膜の電子供給層１２を用い、本発明による電子放出素子を作製し、それらの特性を調べた。
【００２２】
まず、スパッタリング法によりＷ電極１１を膜厚３００ｎｍで形成したガラス基板１０を用意した。この電極表面に、スパッタリング法によりそれぞれａ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、及びａ−Ｓｉ_０．７Ｃ_０．３：Ｈの電子供給層１２を膜厚５．０μｍで形成したものを作製した。
その後、このそれぞれの電子供給層１２上に、ＳｉＯ_ｘ絶縁体層１３が２５ｎｍ〜１０００ｎｍとなるように各種成膜したものを作製した。これらの層は、スパッタリング法をとおして、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Ｏ_２，Ｎ_２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膜された。
【００２３】
最後に、各基板の絶縁体層の表面上にＰｔの金属薄膜電極１５を膜厚１０ｎｍでスパッタリング法により成膜し、素子基板を多数作成した。
一方、透明ガラス基板１の内面にＩＴＯコレクタ電極２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３を常法により形成した透明基板を作成した。
【００２４】
これら素子基板及び透明基板を、金属薄膜電極１５及びコレクタ電極２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。
その後、多数の得られた素子について、２５℃、２００℃、３５０℃、５００℃の温度で、１時間真空中の熱処理のベークをした。
【００２５】
その後、熱処理をした素子について、熱処理の温度（ｂａｋｅ ｔｅｍｐ．）に対応して、駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して素子の放出電流Ｉｅを測定した。結果を、図２に示す。図示のように、○の比較例のａ−Ｓｉ電子供給層を有する素子は温度上昇とともに急速に放出電流値が減少するが、□及び●の実施例のａ−Ｓｉ：Ｈ及びａ−Ｓｉ_０．７Ｃ_０．３：Ｈの電子供給層を有する素子では、３００℃の熱処理後においても実用範囲の１×１０^−６Ａ／ｃｍ^２ 以上の放出電流があり、さらにａ−Ｓｉ_０．７Ｃ_０．３：Ｈのものでは１×１０^−４Ａ／ｃｍ^２ と安定していることがわかる。
【００２６】
さらに、図３及び図４に示すように、実施例のａ−Ｓｉ：Ｈ及びａ−Ｓｉ_０．７Ｃ_０．３：Ｈの電子供給層を有する素子において、駆動電圧Ｖｄを０〜２００Ｖ印加して絶縁体層膜厚５０ｎｍ〜１０００ｎｍを有する素子ごとにダイオード電流Ｉｄ及び放出電流Ｉｅを測定した結果、絶縁体層膜厚５０ｎｍ〜１０００ｎｍを有するいずれの素子においても、電子供給層が水素化アモルファスシリコンからなることによって、１×１０^−６Ａ／ｃｍ^２ 以上の放出電流すなわちエミッション電流が得られることが分かる。
【００２７】
このように、本発明の電子放出素子は、金属または半導体からなる電子供給層、電子供給層上に形成された絶縁体層および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、絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、電子供給層及び金属薄膜電極間に電圧を印加し、電子を放出する素子であって、電子供給層は水素化アモルファスシリコンからなることが好ましいことがわかる。
【００２８】
図５は、膜厚３００ｎｍのＡｌ電極、膜厚５μｍ のａ−Ｓｉ：Ｈ電子供給層、膜厚４００ｎｍのＳｉＯｘ絶縁体層、膜厚１０ｎｍのＡｕ金属薄膜電極を有する電子放出素子のダイオード電流Ｉｄ（Ｄｉｏｄｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ） と駆動電圧Ｖｄ（Ｖ ｄｉｏｄｅ） との関係を放出電流Ｉｅ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の変化と共に示したものである。図５においてダイオード電流Ｉｄ及び放出電流Ｉｅの変化はヒステリシス特性を有することが分る。放出電流開始の駆動電圧から電圧降下が生じ、良好に放出電流が上昇することが分る。
【００２９】
またさらに、上記実施例素子において、蛍光体を塗布したコレクタ電極２及び金属薄膜電極１５の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態では、絶縁体層膜厚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ＳｉＯ_ｘ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、ミリ波又はサブミリ波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、さらには高速スイッチング素子として動作可能であることを示している。
【００３０】
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、ＳｉＯ_ｘ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。
【００３１】
図６は、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、表示面である透明ガラス基板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。
【００３２】
一方、真空空間４を挾み透明ガラス基板１に対向するガラス等からなる素子基板１０すなわち素子基板内面（透明ガラス基板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。インシュレータ層１８は、ＳｉＯ_ｘ，ＳｉＮ_ｘ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮなどの絶縁体からなり、素子基板１０から素子への悪影響（アルカリ成分などに不純物の溶出や、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上記実施例の電子放出素子Ｓの複数が形成され、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ａ−Ｓｉ：Ｈ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、開口を有した第２絶縁体層１７が成膜される。この第２絶縁体層１７はバス電極１６を覆うことで不要な短絡を防止する。
【００３３】
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。
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Ｃｓ，Ｒｂ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｃａ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。
【００３４】
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、本発明の表示装置の駆動方式としては単純マトリクス方式またはアクティブマトリクス方式が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例の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装置における電子放出素子の熱処理温度と電子放出電流の関係を示すグラフである。
【図３】本発明による実施例の電子放出表示装置における電子放出素子の絶縁体層膜厚と放出電流の関係を示すグラフである。
【図４】本発明による実施例の電子放出表示装置における電子放出素子の絶縁体層膜厚と電子放出効率の関係を示すグラフである。
【図５】実施例の電子放出素子における印加駆動電圧Ｖｄとダイオード電流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。
【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 第２絶縁体層
１８ インシュレータ層

Claims (3)

1. 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た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、前記絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、前記電子供給層は水素化アモルファスシリコンからなることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記水素化アモルファスシリコンは、水素化アモルファスシリコンカーバイド又は水素化アモルファスシリコンナイトライドを含むことを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
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基板に設けられた複数の電子放出素子と、
   前記第２基板内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、オーミック電極上に形成された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た金属薄膜電極からなり、前記絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、前記電子供給層は水素化アモルファスシリコンからなることを特徴とする電子放出表示装置。

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