JPH10312741A

JPH10312741A - 電子放出素子及びこれを用いた表示装置

Info

Publication number: JPH10312741A
Application number: JP17100397A
Authority: JP
Inventors: Nobuyasu Negishi; 伸安根岸; Takamasa Yoshikawa; 高正吉川; Hiroshi Ito; 寛伊藤
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1998-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出特性の向上した電子放出素子を提
供する。【解決手段】金属又は半導体素子からなる電子供給層
と、電子供給層上に形成された絶縁体層と、絶縁体層上
に形成された金属薄膜電極と有し、電子供給層と金属薄
膜電極との間に電圧を印加し金属薄膜電極の表面から真
空中に電子を放出させる電子放出素子であって、金属薄
膜電極と接する絶縁体層の表面層を平坦化したものであ
る。また、絶縁体層は、絶縁体層の表面層が絶縁体層の
表面層以外の部分に比してガス圧又は成膜レ−トを低く
した条件のスパッタリングで成膜された５０ｎｍ以上の
膜厚を有する誘電体層からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＩＭ／ＭＩＳ電
子源のように、基板上の任意のパターン領域から電子放
出を可能にする電子放出素子及びこれを用いた表示装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＩＭ電子源は、金属−絶縁体−金属
（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）とい
う３層構造から構成される電子源であり、また、ＭＩＳ
電子源は、金属−絶縁体−半導体（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓ
ｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）という３
層構造から構成される電子源である。これらの電子源の
動作原理は、量子力学上のトンネル効果を利用したもの
である。すなわち、フェルミレベルの異なる２種類の金
属同士または金属と半導体とを絶縁層を挟んで接合しこ
の絶縁層をトンネルして通り抜けた電子を外部に放出さ
せるものである。

【０００３】現在、提案されているＭＩＭ／ＭＩＳ電子
源の構造は、基板上に金属−絶縁体金属という３層のＭ
ＩＭ構造のものが主流である。このＭＩＭ構造の電子源
として、例えば基板上に、アルミニウム−酸化アルミニ
ウム−金を順に積層させて形成した構造の素子が提案さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源は、放出電流が１×１０^-5Ａ／ｃ
ｍ²程度、放出電流効率（放出電流／ダイオード電流）
が１×１０^-3程度というように、電子放出特性が不十分
であり、また、製造プロセスが非常にむずかしいという
問題があり、実用化には至っていない。このようなＭＩ
Ｍ／ＭＩＳ電子源の素子としての性能に大きく影響を与
える要因のひとつは、絶縁層の品質及び膜厚である。絶
縁層は、トンネル効果が生じる程度の薄膜にする必要が
あり、通常は、数ｎｍ程度の厚みしかもたない。このた
め、ピンホールなどが発生しやすく、高品質の絶縁膜を
形成するのが困難である。また、絶縁層と金属層との界
面状態も、ＭＩＭ／ＭＩＳ電子源の素子としての性能に
大きく影響を与える要因のひとつであり、絶縁体層の表
面が荒れていると金属電極との接触が悪くなり、電子放
出が不安定になる。本発明は、上記の問題に鑑みてなさ
れたものであり、電子放出特性の向上した電子放出素子
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
金属又は半導体素子からなる電子供給層と、電子供給層
上に形成された絶縁体層と、絶縁体層上に形成された金
属薄膜電極と有し、電子供給層と金属薄膜電極との間に
電圧を印加し金属薄膜電極の表面から真空中に電子を放
出させる電子放出素子であって、金属薄膜電極と接する
絶縁体層の表面層を平坦化したものである。

【０００６】本発明の第２の態様は、上記第１の態様に
おいて、絶縁体層を、絶縁体層の表面層が絶縁体層の表
面層以外の部分に比してガス圧又は成膜レ−トを低くし
た条件のスパッタリングで成膜された５０ｎｍ以上の膜
厚を有する誘電体層としたものである。

【０００７】本発明の第３の態様は、上記第１の態様に
おいて、絶縁体層を、絶縁体層の表面層以外の部分が、
希ガスを主成分とする混合ガスを用いてガス圧２〜１０
０ｍＴｏｒｒ, 成膜レート０．１〜１００ｎｍ／ｍｉｎ
の条件でスパッタリングして成膜され、絶縁体層の前記
表面層が、希ガスを主成分とする混合ガスを用いてガス
圧０．１〜１ｍＴｏｒｒ, 成膜レ−ト０．１〜１００ｎ
ｍ／ｍｉｎの条件でスパッタリングして成膜された５０
ｎｍ以上の膜厚を有する誘電体層としたものである。

【０００８】本発明の第４の態様は、上記第１の態様に
おいて、絶縁体層を、絶縁体層の表面層以外の部分が、
希ガスを主成分とする混合ガスを用いてガス圧０．１〜
１００ｍＴｏｒｒ, 成膜レート２０〜１００ｎｍ／ｍｉ
ｎの条件でスパッタリングして成膜され、絶縁体層の前
記表面層が、希ガスを主成分とする混合ガスを用いてガ
ス圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒ, 成膜レート０．１〜１
０ｎｍ／ｍｉｎの条件でスパッタリングして成膜された
５０ｎｍ以上の膜厚を有する誘電体層としたものであ
る。本発明の第５の態様は、上記第３〜第４の態様にお
いて、希ガスはキセノン又はクリプトンを含むものであ
る。

【０００９】本発明の第６の態様は、上記第１〜第５の
態様において、金属薄膜電極と接する絶縁体層の表面層
の電気抵抗率を、絶縁体層の表面層以外の部分の電気抵
抗率に比して高くしたものである。本発明の第７の態様
は、上記第１〜第６の態様において、金属薄膜電極と接
する絶縁体層の表面層がスパッタエッチングにより平坦
化されているものである。本発明の第８の態様は、上記
第１〜第７の態様において、電子供給層はケイ素からな
り、絶縁体層は酸化ケイ素からなるものである。

【００１０】本発明の第９の態様は、真空空間を挟み対
抗する一対の第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、第２基板内面に設け
られたコレクタ電極と、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、電子放
出素子の各々は、金属又は半導体素子からなる電子供給
層と、電子供給層上に形成された絶縁体層と、前記絶縁
体層上に形成された金属薄膜電極と、金属薄膜電極と接
する絶縁体層の表面層が平坦化されているものである。

【００１１】

【作用】本発明は、金属又は半導体−絶縁体−金属の３
層構造の電子放出素子において、電子放出側の金属薄膜
電極と接する絶縁体層の表面層を平坦化することによ
り、絶縁体層と金属薄膜電極間の電気的接触が良好とな
り、絶縁体層にかかる電界が均一となるため電子放出特
性が安定することとなる。上記絶縁体層の表面層の平坦
化は、例えば、絶縁体層の表面層を絶縁体層の表面層以
外の部分に比してガス圧又は成膜レートを低くした条件
のスパッタリングで成膜することにより、達成される。

【００１２】

【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は、本発明の実施形態の電子放
出素子の構造を示す断面図である。図に示すように電子
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１
２、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１２と金属薄膜電極１５間に
電界（電圧）を印加し電子を金属薄膜電極１５の表面か
ら真空中に放出する素子である。ここで、金属薄膜電極
１５と接する絶縁体層１３の５ｎｍ程度の膜厚の表面層
１４は、平坦化処理されている。具体的には、後述する
ように絶縁体層１３の表面層１４を絶縁体層１３の表面
層１４以外の部分に比してガス圧又は成膜レートを低く
した条件のスパッタリングで成膜することにより、達成
される。この平坦化された表面層１４は、絶縁体層１３
の表面層１４以外の部分に比して電気抵抗率が高く（高
電気抵抗で）かつ緻密な層となっている。

【００１３】この電子放出素子は、表面の金属薄膜電極
１５を正電位Ｖｄにし裏面のオーミック電極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を印加し電子供給層１
２に電子を注入すると、ダイオ−ド電流Ｉｄが流れる。
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。すると、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、そこで強電界により一部
は金属薄膜電極１５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金属薄膜電極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に印加された高電圧Ｖｃによっ
て加速され、コレクタ電極（透明電極）２に集められ
る。コレクタ電極２には蛍光体３が塗布されており、蛍
光体は対応する可視光を発光する。

【００１４】上記のオーミック電極１１としては、Ａ
ｌ、Ａｕ、Ｐｔなどの低抵抗の金属材料が用いられる。
電子供給層１２としては、ケイ素（Ｓｉ）、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る。

【００１５】又は、電子供給層の材料としてＡｌ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属でも有効であるが、Ｓｃ，Ｔ
ｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｌ
ｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔｌ，
Ｐｂ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ
なども用いられ得る。

【００１６】絶縁体層の誘電体材料としては酸化珪素Ｓ
ｉＯｘ、（ｘは原子比を示す）が特に有効であるが、Ｌ
ｉＯ_x，ＬｉＮ_x，ＮａＯ_x，ＫＯ_x，ＲｂＯ_x，Ｃｓ
Ｏ_x，ＢｅＯ_x，ＭｇＯ_x，ＭｇＮ_x，ＣａＯ_x，Ｃａ
Ｎ_x，ＳｒＯ_x，ＢａＯ_x，ＳｃＯ_x，ＹＯ_x，Ｙ
Ｎ_x，ＬａＯ_x，ＬａＮ_x，ＣｅＯ_x，ＰｒＯ_x，Ｎｄ
Ｏ_x，ＳｍＯ_x，ＥｕＯ_x，ＧｄＯ_x，ＴｂＯ_x，Ｄｙ
Ｏ_x，ＨｏＯ_x，ＥｒＯ_x，ＴｍＯ_x，ＹｂＯ_x，Ｌｕ
Ｏ_x，ＴｉＯ_x，ＴｉＮ_x，ＺｒＯ_x，ＺｒＮ_x，Ｈｆ
Ｏ_x，ＨｆＮ_x，ＴｈＯ_x，ＶＯ_x，ＶＮ_x，Ｎｂ
Ｏ_x，ＮｂＮ_x，ＴａＯ_x，ＴａＮ_x，ＣｒＯ_x，Ｃｒ
Ｎ_x，ＭｏＯ_x，ＭｏＮ_x，ＷＯ_x，ＷＮ_x，Ｍｎ
Ｏ_x，ＲｅＯ_x，ＦｅＯ_x，ＦｅＮ_x，ＲｕＯ_x，Ｏｓ
Ｏ_x，ＣｏＯ_x，ＲｈＯ_x，ＩｒＯ_x，ＮｉＯ_x，Ｐｄ
Ｏ_x，ＰｔＯ_x，ＣｕＯ_x，ＣｕＮ_x，ＡｇＯ_x，Ａｕ
Ｏ_x，ＺｎＯ_x，ＣｄＯ_x，ＨｇＯ_x，ＢＯ_x，Ｂ
Ｎ_x，ＡｌＯ_x，ＡｌＮ_x，ＧａＯ_x，ＧａＮ_x，Ｉｎ
Ｏ_x，ＴｉＯ_x，ＴｉＮ_x，ＳｉＮ_x，ＧｅＯ_x，Ｓｎ
Ｏ_x，ＰｂＯ_x，ＰＯ_x，ＰＮ_x，ＡｓＯ_x，Ｓｂ
Ｏ_x，ＳｅＯ_x，ＴｅＯ_xなどの金属酸化物又は金属窒
化物でもよい。

【００１７】また、ＬｉＡｌＯ₂，Ｌｉ₂ＳｉＯ₃，Ｌ
ｉ₂ＴｉＯ₃，Ｎａ₂Ａｌ₂₂Ｏ₃₄，ＮａＦｅＯ₂，Ｎａ
₄ＳｉＯ₄，Ｋ₂ＳｉＯ₃，Ｋ₂ＴｉＯ₃，Ｋ₂Ｗ
Ｏ₄，Ｒｂ₂ＣｒＯ₄，ＣＳ₂ＣｒＯ₄，ＭｇＡｌ₂Ｏ
₄，ＭｇＦｅ₂Ｏ₄，ＭｇＴｉＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，Ｃ
ａＷＯ₄，ＣａＺｒＯ₃，ＳｒＦｅ₁₂Ｏ₁₉，ＳｒＴｉＯ
₃，ＳｒＺｒＯ₃，ＢａＡｌ₂Ｏ₄，ＢａＦｅ₁₂Ｏ₁₉，
ＢａＴｉＯ₃，Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂，Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，Ｌａ
ＦｅＯ₃，Ｌａ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，Ｌａ₂Ｔｉ₂Ｏ₇，Ｃｅ
ＳｎＯ₄，ＣｅＴｉＯ₄，Ｓｍ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＥｕＦｅ
Ｏ₃，Ｅｕ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＧｄＦｅＯ₃，Ｇｄ₃Ｆｅ₅
Ｏ₁₂，ＤｙＦｅＯ₃，Ｄｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＨｏＦｅ
Ｏ₃，Ｈｏ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＥｒＦｅＯ₃，Ｅｒ₃Ｆｅ₅
Ｏ₁₂，Ｔｍ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＬｕＦｅＯ₃，Ｌｕ₃Ｆｅ₅
Ｏ₁₂，ＮｉＴｉＯ₃，Ａｌ₂ＴｉＯ₃，ＦｅＴｉＯ₃，
ＢａＺｒＯ₃，ＬｉＺｒＯ₃，ＭｇＺｒＯ₃，ＨｆＴｉ
Ｏ₄，ＮＨ₄ＶＯ₃，ＡｇＶＯ₃，ＬｉＶＯ₃，ＢａＮ
ｂ₂Ｏ₆，ＮａＮｂＯ₃，ＳｒＮｂ₂Ｏ₆，ＫＴａ
Ｏ₃，ＮａＴａＯ₃，ＳｒＴａ₂Ｏ₆，ＣｕＣｒ
₂Ｏ₄，Ａｇ₂ＣｒＯ₄，ＢａＣｒＯ₄，Ｋ₂Ｍｏ
Ｏ₄，Ｎａ₂ＭｏＯ₄，ＮｉＭｏＯ₄，ＢａＷＯ₄，Ｎ
ａ₂ＷＯ₄，ＳｒＷＯ₄，ＭｎＣｒ₂Ｏ₄，ＭｎＦｅ₂
Ｏ₄，ＭｎＴｉＯ₃，ＭｎＷＯ₄，ＣｏＦｅ₂Ｏ₄，Ｚ
ｎＦｅ₂Ｏ₄，ＦｅＷＯ₄，ＣｏＭｏＯ₄，ＣｏＴｉＯ
₃，ＣｏＷＯ₄，ＮｉＦｅ₂Ｏ₄，ＮｉＷＯ₄，ＣｕＦ
ｅ₂Ｏ₄，ＣｕＭｏＯ₄，ＣｕＴｉＯ₃，ＣｕＷＯ₄，
Ａｇ₂ＭｏＯ₄，Ａｇ₂ＷＯ₄，ＺｎＡｌ₂Ｏ₄，Ｚｎ
ＭｏＯ₄，ＺｎＷＯ₄，ＣｄＳｎＯ₃，ＣｄＴｉＯ₃，
ＣｄＭｏＯ₄，ＣｄＷＯ₄，ＮａＡｌＯ₂，ＭｇＡｌ₂
Ｏ₄，ＳｒＡｌ₂Ｏ₄，Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂，ＩｎＦｅＯ
₃，ＭｇＩｎ₂Ｏ₄，Ａｌ₂ＴｉＯ₅，ＦｅＴｉＯ₃，
ＭｇＴｉＯ₃，Ｎａ₂ＳｉＯ₃，ＣａＳｉＯ₃，ＺｒＳ
ｉＯ₄，Ｋ₂ＧｅＯ₃，Ｌｉ₂ＧｅＯ₃，Ｎａ₂ＧｅＯ
₃，Ｂｉ₂Ｓｎ₃Ｏ₉，ＭｇＳｎＯ₃，ＳｒＳｎＯ₃，
ＰｂＳｉＯ₃，ＰｂＭｏＯ₄，ＰｂＴｉＯ₃，ＳｎＯ₂
−Ｓｂ₂Ｏ₃，ＣｕＳｅＯ₄，Ｎａ₂ＳｅＯ₃，ＺｎＳ
ｅＯ₃，Ｋ₂ＴｅＯ₃，Ｋ₂ＴｅＯ₄，Ｎａ₂Ｔｅ
Ｏ₃，Ｎａ₂ＴｅＯ₄などの金属複合酸化物、ＦｅＳ，
Ａｌ₂Ｓ₃，ＭｇＳ，ＺｎＳなどの硫化物、ＬｉＦ，Ｍ
ｇＦ₂，ＳｍＦ₃などのフッ化物、ＨｇＣｌ，ＦｅＣｌ
₂，ＣｒＣｌ₃などの塩化物、ＡｇＢｒ，ＣｕＢｒ，Ｍ
ｎＢｒ₂などの臭化物、Ｐｂｌ₂，ＣｕＩ，ＦｅＩ₂な
どのヨウ化物、又は、ＳｉＡｌＯＮなどの金属酸化窒化
物でも有効である。さらに、絶縁体層の誘電体材料とし
てダイヤモンド、フラーレン（Ｃ2n）などの炭素、或い
は、Ａｌ₄Ｃ₃、Ｂ₄Ｃ、ＣａＣ₂、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ｍｏ
₂Ｃ、ＭｏＣ、ＮｂＣ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、Ｖ
Ｃ、Ｗ₂Ｃ、ＷＣ、ＺｒＣなどの金属炭化物も有効であ
る。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、上式中、Ｏｘ、Ｎｘのｘは原子比を表
す。以下、同様である。

【００１８】電子放出側の金属薄膜電極材料としてはＰ
ｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｒｕ，Ｉｒなどの金属が有効であるが、
Ａｌ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎ
ｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，
Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｌｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｒｅ，Ｏ
ｓ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙ
ｂ，Ｌｕなども用いられ得る。

【００１９】素子基板１０の材質はガラスの他に、Ａｌ
₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ等のセラミックスでも良い。
またこれらのオーミック電極、電子供給層、絶縁体層、
金属薄膜電極の製法としては、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 de
position ）法、レーザアブレイション法、ＭＢＥ（mol
ecular beam epitaxy ）法、イオンビームスパッタリ
ング法でも有効である。

【００２０】（実施例）具体的に電子放出素子を作製し
てその特性を調べた。ガラス基板上に、Ａｌをスパッタ
リングして膜厚３００ｎｍのオーミック電極を形成し、
次いでオーミック電極上にシリコン（Ｓｉ）をスパッタ
リングして膜厚５０００ｎｍの電子供給層を形成して、
多数のかかるシリコン基板を用意した。次に、各シリコ
ン基板の電子供給層上に２酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）をス
パッタリングし、０〜５００ｎｍの範囲で膜厚を変化さ
せた絶縁体層を成膜して、絶縁体層の膜厚の異なる基板
を多数用意した。

【００２１】この絶縁体層は、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、Ｏ₂、Ｎ₂、Ｈ₂などを混合した混合ガスを用い、
先ずガス圧２〜１００ｍＴｏｒｒ、成膜レート０．１〜
１００ｎｍ／ｍｉｎ好ましくは０．５〜１００ｎｍ／ｍ
ｉｎのスパッタ条件で成膜され、次いで、最後の５ｎｍ
程度の層（表面層）を成膜レートは同じでガス圧を０．
１〜１ｍＴｏｒｒに変えたスパッタ条件で成膜してい
る。このように成膜されたＳｉＯ₂絶縁体層の表面層を
ＳＥＭで観察したところ、平坦化されていることが確認
された。また、このように成膜されたＳｉＯ₂絶縁体層
の表面層とこの表面層以外のＳｉＯ₂絶縁体層の電気抵
抗率を各々測定したところ、前者は１×１０¹⁵Ω・ｃｍ
であるのに対し、後者は１×１０¹³Ω・ｃｍであった。
すなわち、ＳｉＯ₂絶縁体層の表面層の電気抵抗率は、
この表面層以外のＳｉＯ₂絶縁体層の電気抵抗率に比し
て高い値となっていることがわかる。

【００２２】尚、上記のようにガス圧を変化させる代わ
りに成膜レートを変化させても同様な作用、効果が得ら
れる。すなわち、絶縁体層を、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、Ｏ₂、Ｎ₂、Ｈ₂などを混合した混合ガスを用い、
先ずガス圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒ、成膜レート２０
〜１００ｎｍ／ｍｉｎのスパッタ条件で成膜し、次い
で、最後の５ｎｍ程度をガス圧は同じで成膜レートを
０．１〜１０ｎｍ／ｍｉｎに変えたスパッタ条件で成膜
してもよい。

【００２３】上記の絶縁体層の成膜において、スパッタ
ガスにＡｒを用いると一応ＳｉＯ₂絶縁体層の表面層が
平坦化されるが、スパッタガスの希ガスとしてＸｅ（キ
セノン）又はＫｒ（クリプトン）を一部又は全部用いる
ことにより、表面層をより一層平坦化できる。さらに、
上記のようにＳｉＯ₂絶縁体層を成膜後、ＳｉＯ₂絶縁
体層の表面をスパッタエッチング（逆スパッタ）処理す
ることにより、さらに平坦化することができる。このス
パッタエッチングは、Ａｒ又はＸｅ又はＫｒガスを用
い、ガス圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒ、５０〜１０００
Ｗのパワーで１〜６０分間行う。

【００２４】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、絶縁体層の単層又は多
層、アモルファス又は結晶相、粒径、原子比が制御され
る。上記のように成膜したＳｉＯ₂絶縁体層について、
Ｘ線回折法で分析したところ、結晶部分の回折強度Ｉｃ
とアモルファス相によるハロ−強度Ｉａとが観測され
た。このことから、絶縁体層のＳｉＯ₂は、多結晶相及
び／又はアモルファス相であると推定できる。最後に、
各基板の絶縁体層上にＰｔをスパッタリングして、膜厚
１０ｎｍの金属薄膜電極を形成して、多数の素子基板を
作製した。

【００２５】一方、ガラス基板上に透明導電膜からなる
コレクタ電極、蛍光体層を順に積層形成して透明基板を
作製した。これら素子基板及び透明基板を、金属薄膜電
極及びコレクタ電極が対向するように平行に１０ｎｍ程
度離間してスペーサにより保持し、間隙を１０^-7Ｔｏｒ
ｒ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各
ＳｉＯ₂層（絶縁体層）の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。

【００２６】図２並びに図３は、作製した電子放出素子
のオーミック電極を接地電位としてオーミック電極と金
属薄膜電極の間に電圧Ｖｄを０〜２００Ｖの範囲で印加
したときの各ＳｉＯ₂膜厚における、最大の放出電流Ｉ
ｅの関係並びに最大の電子放出効率（Ｉｅ／Ｉｄ）の関
係を示す。図２並びに図３から明らかなように、膜厚５
０ｎｍから飽和するが、ＳｉＯ₂層の膜厚３００〜５０
０ｎｍの素子で最大放出電流１×１０^-5Ａ／ｃｍ²、最
大電子放出効率１×１０^-1程度が得られた。この結果よ
り、２００Ｖ以下の電界を加えることにより、１×１０
^-6Ａ／ｃｍ²以上の放出電流、１×１０^-3以上の電子放
出効率が、膜厚５０ｎｍ以上好ましくは、２００〜５０
０ｎｍのＳｉＯ₂誘電体層を有する素子から得られるこ
とが判明した。

【００２７】また、蛍光体を塗布したコレクタ電極及び
金属薄膜電極の間に約４ｋＶの電圧を印加した状態で
は、ＳｉＯ₂層の膜厚５０ｎｍ以上の素子で金属薄膜電
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、多結晶又はアモルファスＳｉＯ₂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。

【００２８】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、ＣＶＤで成膜したものとは
異なり、２０ｎｍ程度の粒塊からなることを特徴として
いることが判明した。５０ｎｍ以上の膜厚を有しながら
トンネル電流が流れるという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、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（図４参
照）。

【００２９】また，上記のようにＳｉＯ₂誘電体層の表
面層を平坦化処理した電子放出素子とＳｉＯ₂誘電体層
の表面層を平坦化処理しなかった電子放出素子につい
て、放出電流Ｉｅを測定した。図５は、作製した電子放
出素子のオーミック電極を接地電位としてオーミック電
極と金属薄膜電極の間に電圧Ｖｄを０〜１００Ｖの範囲
で印加したときの放出電流Ｉｅの特性を示す。図中、Ａ
は、ＳｉＯ₂誘電体層の表面層を平坦化処理した電子放
出素子の放出電流特性を示し、Ｂは、ＳｉＯ₂誘電体層
の表面層を平坦化処理しなかった電子放出素子の放出電
流特性を示す。図から明らかなように平坦化した場合に
は印加電圧Ｖｄが５０Ｖを越える辺りから電子を放出し
始め７０Ｖ前後で放出電流Ｉｅが２×１０^-4Ａ／ｃｍ²
に達するのに対し、平坦化しなかった場合には電子を放
出し始めるのが７０Ｖを越えた辺りで、放出電流Ｉｅが
２×１０^-4Ａ／ｃｍ²に達するのが９０Ｖを越えた辺り
となる。このようにＳｉＯ₂誘電体層の表面層を平坦化
した場合には駆動電圧が低下する。

【００３０】また、上記のようにＳｉＯ₂誘電体層の表
面層を平坦化処理した電子放出素子とＳｉＯ₂誘電体層
の表面層を平坦化処理しなかった電子放出素子につい
て、放出電流Ｉｅの時間変動を測定した。図６（ａ）
は、ＳｉＯ₂誘電体層の表面層を平坦化処理した電子放
出素子の放出電流の時間変動特性を示し、図６（ｂ）
は、ＳｉＯ₂誘電体層の表面層を平坦化処理しなかった
電子放出素子の放出電流の時間変動特性を示す。図から
明らかなようにＳｉＯ₂誘電体層の表面層を平坦化処理
すると放電電流の時間変動が抑制され、放出電流値も安
定する。

【００３１】図７は、図１の電子放出素子を用いた電子
放出表示装置を示す。図において、透明基板（表示面側
となる全面板）１及び素子基板（背面板）１０からなる
一対の基板は、真空空間４を挟み互いに対向して配置さ
れている。透明基板１の内面（背面板と対向する面）に
は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化錫（Ｓ
ｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などからなる複数の帯状の
コレクタ電極（透明電極）２が互いに平行に隣接配置さ
れるように形成されている。コレクタ電極２上には、カ
ラーデイスプレイパネルとするために赤、緑、青の蛍光
体層３Ｒ、３Ｇ、３Ｂがそれぞれ形成されている。尚、
コレクタ電極２は、パターンニングせずにベタに形成さ
れていてもよい。

【００３２】一方、素子基板１０の内面（前面板と対向
する面）には、インシュレータ層１８を介して複数の帯
状のオーミック電極１１が互いに平行に隣接配置される
ように形成されている。このインシュレータ層１８は、
ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮなどの絶縁体
層からなり、基板１０からの素子への影響（アルカリ成
分などの不純物の溶出や、基板面の凹凸など）を防ぐ保
護層として作用する。オーミック電極１１上には、電子
供給層１２、絶縁体層１３、金属薄膜電極１５が順に積
層形成されて複数の電子放出素子Ｓが形成されている。
絶縁体層１３上には、オーミック電極１１の伸張する方
向と直交する方向に伸張する複数の帯状のバス電極１６
が互いに平行に形成されている。このバス電極１６は、
バス電極１６の伸張する方向に沿って隣接する各電子放
出素子の金属薄膜電極１５と電気的に接続されている。
金属薄膜電極１５、バス電極１６は、絶縁体層１７で被
覆されている。絶縁体層１７には、電子放出領域を区画
するように金属薄膜電極１５の表面を真空空間４に対し
て露出させるための複数の開口が設けられている。金属
薄膜電極１５と接する絶縁体層１３の表面層は、前述の
ように平坦化処理されている（図示せず）。

【００３３】オ−ミック電極１１の材料としては、Ａ
ｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗなどの一般に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１２は、シリコンに限
られたものではなく他の半導体または金属でもよく、ア
モルファス、多結晶、単結晶のいずれでもよい。

【００３４】金属薄膜電極１５の材質は、電子放出の原
理から仕事関数の小さい材料で、薄い程よい。電子放出
効率を高めるためには、周期律表のＩ族、II族の金属、
例えば、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｌｉ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ及
びそれらの合金などが好ましい。また、極薄化するため
には、導電性が高く化学的に安定な金属、例えば、Ａ
ｕ、Ｐｔ、Ｌｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びそれらの合金などが望
ましい。さらに、これらの金属に、上記仕事関数の小さ
い金属を積層又はド−プ（拡散）させてもよい。バス電
極１６の材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｗなどの一
般にＩＣの配線に用いられる材料で、各素子にほぼ同電
位を供給するに足る厚さで、例えば０．１〜５０ｎｍ程
度が適当である。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イブマトリクス方式
が適当である。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、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。

【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素子における電子放出電
流のＳｉＯ₂層の膜厚依存性を示す図である。

【図３】本発明による電子放出素子における電子放出効
率のＳｉＯ₂層の膜厚依存性を示す図である。

【図４】本発明による電子放出素子のバンド構造を示す
図である。

【図５】本発明による電子放出素子における印加電圧と
放出電流の関係を示す図である。

【図６】本発明による電子放出素子における放出電流の
時間変動特性を示す図である。

【図７】本発明の実施例による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−ミック電極１２電子供給層１３絶縁体層１４表面層１５金属薄膜電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属又は半導体素子からなる電子供給層
と、前記電子供給層上に形成された絶縁体層と、前記絶
縁体層上に形成された金属薄膜電極と有し、前記電子供
給層と前記金属薄膜電極との間に電圧を印加し前記金属
薄膜電極の表面から真空中に電子を放出させる電子放出
素子であって、前記金属薄膜電極と接する前記絶縁体層の表面層を平坦
化したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記絶縁体層は、前記絶縁体層の表面層
が前記絶縁体層の表面層以外の部分に比してガス圧又は
成膜レ−トを低くした条件のスパッタリングで成膜され
た５０ｎｍ以上の膜厚を有する誘電体層であることを特
徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】前記絶縁体層は、前記絶縁体層の表面層
以外の部分が、希ガスを主成分とする混合ガスを用いて
ガス圧２〜１００ｍＴｏｒｒ, 成膜レート０．１〜１０
０ｎｍ／ｍｉｎの条件でスパッタリングして成膜され、
前記絶縁体層の前記表面層が、希ガスを主成分とする混
合ガスを用いてガス圧０．１〜１ｍＴｏｒｒ, 成膜レー
ト０．１〜１００ｎｍ／ｍｉｎの条件でスパッタリング
して成膜された５０ｎｍ以上の膜厚を有する誘電体層で
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４】前記絶縁体層は、前記絶縁体層の前記表
面層以外の部分が、希ガスを主成分とする混合ガスを用
いてガス圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒ, 成膜レート２０
〜１００ｎｍ／ｍｉｎの条件でスパッタリングして成膜
され、前記絶縁体層の前記表面層が、希ガスを主成分と
する混合ガスを用いてガス圧０．１〜１００ｍＴｏｒ
ｒ, 成膜レート０．１〜１０ｎｍ／ｍｉｎの条件でスパ
ッタリングして成膜された５０ｎｍ以上の膜厚を有する
誘電体層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５】前記希ガスはキセノン又はクリプトンを
含むことを特徴とする請求項３又は４記載の電子放出素
子。
【請求項６】前記金属薄膜電極と接する前記絶縁体層
の表面層の電気抵抗率を、前記絶縁体層の表面層以外の
部分の電気抵抗率に比して高くしたことを特徴とする請
求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】前記金属薄膜電極と接する前記絶縁体層
の表面層は、スパッタエッチングにより平坦化されてい
ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の
電子放出素子。
【請求項８】前記電子供給層はケイ素からなり、前記
絶縁体層は酸化ケイ素からな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子放出素子。
【請求項９】真空空間を挟み対抗する一対の第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、金属又は半導体素子からな
る電子供給層と、前記電子供給層上に形成された絶縁体
層と、前記絶縁体層上に形成された金属薄膜電極とから
なり、前記金属薄膜電極と接する前記絶縁体層の表面層
が平坦化されていることを特徴とする電子放出表示装
置。