JPS605575A - 陰極線管デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は半導体ターゲット、該ターゲットのアドレスを
指定するための走査電子ビーム源から成る陰極線管デバ
イスに係る。

従来技術のデバイスにおいて、陰極線管（ＣＲＴ）のタ
ーゲットは半導体で、それは電子ビームによシ走査され
、それにより可干渉性ビームが生じ、それは電子が吸収
された半導体の領域から放出される。光ビームの位置は
電子ビームを走査することによシ変えられる。

しかし、電子ビーム（ｅ−ビーム）吸収により直接生じ
た）′Ｃ（電子および正孔の放射再結合）は、ｐ−ｎ接
合を越える電流注入に−よるのとほぼ同程度の効率であ
る。しかし、局在した電流注入には精密に規定された電
極および複雑な駆動用エレクトロニクスが必要である。

従って、表示に必要な二次元高分解能空間パターン中に
必要な１０’−１０６の点のアドレスを指定するために
、そのような方法を用いるのは手に負えない仕事となる
。

発明の概要 本発明はｅ−ビームの所望のアドレス指定特性と電流注
入の高効率発光特性を組み合せたものである。表示デバ
イスの一実施例において、ターゲットはｐ−１１接合お
よび少なくとも１個の電流阻止層を含む広面積多層半導
体から成る。電流阻止層でないならばｐ−１１接合が順
方向にバイアスされないように、ターゲット間に電圧が
印加される。しかし、印加電圧の本質的に全部が阻止層
間に現れ、Ｃ−ビームが存在しない場合１．この層はｐ
　−Ｉ＋接合間の電荷の流れを妨げる（または著しく減
小させる）。従って、本質的に光は発生せず、ターゲッ
トは暗い。しかし、ターゲットの一方の側にｅ−ビーム
が入射したとき、それは電流阻止層中に吸収され、それ
は局部的に高導電領域を導入する。すると電荷がその領
域を越えてｐ　−１１接合を通って流れる。従って、高
導電領域において位置の指定された半導体の部分中で、
電子と正孔が放射１生再結合することにょシ、ブＬのス
ポットが発生ずる。

この光のスポットは半導体の他の側から放出され、スポ
ットの位置はＣ−ビームを走査することによシ走査でき
る。

与えられたＣ−ビーム電流密度に対し、この型のターゲ
ットは従来のリンターゲットよシはるかに高い平均スポ
ット輝度を生じ、荷に電流阻止層が比較的長寿命電子ト
ラップを含むように作られたときそのようになる。これ
らのトラップは後に述べるように、１０１１程度の電荷
利得および１０６　程度のフォトンを生じることができ
る。

本発明の別の実施例において、電流阻止層は通常遮断状
態にある広面積トランジスタのベースである。ベースの
局在領域中に電子を堆積させることによシ、Ｃ−ビーム
はトランジスタを局部的にオンにする。トランジスタの
利得により、ｅ−ビーム下の活性層の局在部分中に高注
入電流が生じる。

本発明は添付図面と関連した以下の、より詳細な説明か
ら、その各種の特徴および利点が容易に理解できよう。

詳細な説明 牙１図を参照すると、ＣＲＴ表示デバイス中で使用する
だめの多層半導体ターゲット（１０）の一実施例が示さ
れている。一般的には、ターゲット（１０）はｐ−ｎ接
合（１６）およびｐ−ｎ接合（１６）とｅ−ビーム（６
０）のソース間に配置された少なくとも１個の電流阻止
層（１８）を含む。一対の電極（２０）および（２２）
がデバイスの相対する側に形成され、ｐ　−’−ｎ接合
（１６）が順方向バイアスされるように、電極間にＤＣ
パワー源（２５ンが接続されている。外部パワー源（２
５）はターゲット間の一定電圧で、任意の数のターゲッ
ト点（または画先）を駆動するのに必要な電流を供給す
る必要がある。

動作中、十分な電圧が層（１８）間で降下し、それによ
ｐｅ−ビーム（３ｏ）が無い場合、ｐ　−ｎ接合は十分
順方向バイアスされず、電極（２０）および（２２ン間
には本質的に電流は流れない。通常のＬ　Ｅ　Ｄのよう
に、低電流においてＬ・Ｉ％性は非線形で、低電流では
本質的に光は発生ぜず、従ってターゲットは暗い。しか
し、ｅ−ビームが電極（２０）上に入射したとき、電子
は電極を貫いて電υｆｆｉ阻止層（１８）中に浸透し、
そこでそれらは層（１８）の＠接した領域（１８，１）
よシ高い導電率を有する領域（２４）を局部的に導入す
る。従って、電荷Ｑは領域（２４）を貫いて、電極（２
０）および（２２）間で流れることができる。この電荷
の流れにより直下で本質的に領域（２４）と位置のあっ
た半導体の部分（２６）中で、電子と正孔の放射再結分
が生じる。部分（２６）中のソーススポットは２πステ
ラジアンで光を放射する。

光（４０）はデバイスの他の側から出る。放出される光
はｅ−ビーム（６０）を走査することによシ走亘できる
。この目的のためには底部電極（２２）およびｐｎ接合
（１６）と電極（２２）間の半導体材料は、生じる光の
波長λにおいて透明である必要がある。

本発明の一実施例の重要な点は、電荷利得を作ることで
、それは与えられたｅ−ビームに対し、電流阻止層（１
８）中に長寿命キャリヤトラップを形成することによシ
、電流の明るさを増すことである。すなわち、トラップ
寿命τはキャリヤが層（１８）を横切る走行時間Ｔに比
べれば長く、しかしビデオ表示に用いられるフレーム時
間（典型的な場合、はとんどのＣＲＴ系で約１５−２０
　ｍ５ｅｃ）に比べては短くする。これらの条件下で、
τ−１０ｍ　ｓｅｃおよびＴ　＝　Ｉ　Ｉｔ　ｓｅｃに
より、１０４程度の電荷利得Ｇ　−τ／Ｔが実現される
。

従って、阻止層（１８）はｅ−ビームがスポットのアド
レスを指定する時間よシはるかに長い間、任意のスポッ
ト（２６）で、電流まだは電荷の流れを作ることができ
る。イ」随して生じた光もまた対応する長い時間続く。

電荷利得を生じるだめの阻止層中のトラップの働きは、
以下のように理解できる。励起がない（′−１だは非常
に低励起）場合の阻止層中では、厚さｄの層を貫く電流
密度Ｊば、移動度μ０が層間の電界に依存しない限り、
電圧Ｖに対し二乗の変化をする。

オ（１）式において、εは層の導電率である。

オ（１）式は層を貫く一方向の電流にあてはまリ、オ（
１）式を負にしたものが相対する方向にりてはまること
に注意すべきでりる。

それに対し、比戦的高励起（光まだはｅ−ビーム）下で
ば、電流ぞ度は窒間電荷慴贋に比べ、非常に犬さくでき
、電圧に比例して変化する。すなわち、 ■ Ｊ−一θ０μ０−Ｃ２） ここで汐。は時間ではなく、空間における定数で、阻止
層中の励起てれた電荷トラップの密度であり、しばしば
励起パワーの平方根に比例する。汐。はトラップ寿命τ
に依存するから、電流および直線的なＪ−Ｖ特性は、廟
起されたトラップが続く限シ続く。θ０が時間と共に減
少するにつれ、オ（１）式で規定されるＪＯＯＶ２特性
が再蓄積される。

θ０が時間とともに、ｅ　／、で変化し、刃・（２）式
を時…」で積分すると、励起ビームによシ規定される領
域Ａ中の層間を流れる全電荷Ｑを与えることを思い、−
出すと、以下のようになる τ Ｑ−θｏｄＡ　−（３） 汐。ｄＡは励起により生じた最初の電荷があるから、電
荷利得Ｇｇは Ｇｇ−／Ｔ　（４） たとえば、Ｃｒ　ドープＧ　ａ　Ａ　ｓのような典型的
な低移動度半導体は移動度μ。−１０−２Ｃｄ／秒−ボ
ルトを有し、その場合ｄ二１μｍ〕〕及び■＝１ボルト
において、走行時間τ−１０−６秒となる。τ””　１
０　ｍ　ｓｅｃのトラップ寿命およびＴ−１ｓｅｃの場
合、電荷利得は１０″　である。

εご２６・６　Ｘ　１０−”ファラッド／ｍがカえられ
るとして、オ（１）式に代入すると、背景（または漏れ
）の電流密度はわずか約３ｍＡ／ｄである。

それに対して、はるかに高い移動度材料で作られた阻止
層（たとえばμ。−１ｍ／秒−ポルト）ではＴ””　Ｉ
　Ｄ　ｎ　ｓｅｅ及びＪ＝３［］０ｍＡ　／　ａｄとな
シ、それは実際的な用途に対しては高すぎる。従って、
明らかにμｏ（（１ｉ／　ｓｅｃおよびＴ　＞＞１０　
ｎ　ｓｅｅが望ましい。

オ（１）および；４１２）式に対応すスＪ−Ｖ特性が実
験的に観測されたが、オ（１）−”のＪ″＝−■２依存
性は、もし低電流移動度が電界依存性ならば、Ｊｏｏ■
　に近くなる可能性がある。

すなわち、電子のドリフトがホッピングモードである場
合のように、μｐ　”　ｍ　ＥでＩｎが定数ならば、 よシ具体的には、実験は１μＩｎ厚のｎ＋　＋Ｇａ　Ａ
　ｓ層と１５−２０ミル厚のｎ十−ＧａＡｓ基板間には
さまれた４、５μｍ厚のＯｒ−ドープＧ　ａＡ　ｓ層を
光照射することによシ行った。

ｎ＋−ＧａＡｓ層および基板の両方は適当な金属部を有
した。試料間に正弦波（〜１ボルトビーク）を印加した
ところ、光を照射しないとき第２図の曲線１で示される
ようなＩ−Ｖ特性が観測された。この特性はオ（５）式
のＶ３依存性に近似される。しかし、比較的高い照射パ
ワー（顕微鏡照射器からの約１ワツト）下でＩ−Ｖ特性
は直線的な電圧依存性を示す曲線２になった。照射源を
遮断したとき、■−Ｖ特性は約１ｏ秒の時間に、曲線２
から曲線１へ非常にゅっくシ変化した。この結果によシ
、励起が停止された後でも電荷は流れ続けるという予測
が確認された。更に、光照射の場合と同じ結果がｅ−ビ
ーム励起にも期待されよう。

ｅ−ビーム励起時間よシ長一時間電荷が流れるというこ
の現象は、通常のリン光の状態と類似である。すなわち
、リン光は励起ビームが１スポツトから別のスポットへ
通過した孫、長時間光を発生し続ける。光の減衰時間が
フレーム時間よシ短い限シ、ビデオ表示用途に対しては
問題は生じない。本発明において、トラップ寿命が長け
れば長いほど与えられたビーム励起に対し、よシ長く光
は続き、システム全体としてのフォトン利得Ｇｐは、よ
シ大きくなる。ビーム電流は分解能またはスポットの大
きさで制限されるから、入射ビーム′電子当シ全体とし
て多くのフォトンを生成する能力が重要である。

通常のリン光の場合、Ｇｐ　は次式で与えられる。

ＥＢ Ｇｐ＝−ｘｒ（６） ｐ ここで、ＥＢ（ｄＣ−ビームエネルギー、Ｅｐはフォト
ンを励起するのに必要なエネルギー、ｆはフォトンの損
失係数である。全体としてのリン電気効率ηは次のよう
になる。

ｈν ここで、ｂνはフォトンエネルギーである。

牙（６）式からｆ　／　Ｅｐ＝　Ｇｐ／’　ＥＢをオ（
７）式に代入すると、 １１ν 典型的なリン光の場合η−０，２であり、１１ν”＝　
２　ｅＶ　ＥＢ　＝　３　［Ｉ　ＫｅＶであるから、フ
ォトン利得は典型的な場合Ｇｐ−（０，２）　ｘｇｏ、
ｏｏｏ／２　）　−３０００である。それに対し、本発
明に従うターゲットは次式で与えられるフォトン利得Ｇ
ｐ′を有する。

Ｇ”−η　Ｇｇ　（９） ｐ　ｅｘｔ　ｇ　ｔ ここで、ηｅｘｔはｐ−ｎ接合（１６）（すなわち接合
に付随したＬＥＤ）の外部量子効率、Ｇｇ　は電荷利得
、η、はトラップ励起効率である。ＬＥＤ内部量子効率
は１００％に近いが、光のトラップによシそれが著しく
減少し、ηｅｘｔ　”　５％がよい近似である。上で述
べたようにＧ　ご１０１′　である〇一方・　η１　は
トラツブを生成するのに必要なエネルギーＢ、（阻止層
の選択に依存して約１−５ｅＶ）に対するビーム電圧（
ｅＶ年単位の比である。保護のためＥ＝５ｅＶと選ぶと
、ＶＢ＝　３０　ＫｅＶの場合ηｔ＝６Ｘ１０’を得、
フォトン利得はＧ’己（０，，０５）Ｘ（１０１１）Ｘ
（６Ｘ　１Ｇ３）＝　６×１０６でちる。従って、フォ
トン利得は通常のリンターゲットよυ１０３大きく、与
えられたビーム電流に対し、輝度は著しく増大できる。

すなわち、与えられた分解能に対し非常に高い輝度が得
られる。

好ましい実施例において、ｐ−ｎ接合（１６）はダブル
へテロ構造ＬＥＤ（８０）中に組み込まれ、それはたと
えば相対する伝導形の広禁制帯層（１２）および（２８
）とそれらの間にはさまれた格子整合活性層（１４）を
含む。たとえば、活性層（１４）はＡＡｘＧａＡｓから
成シ、層（２８）はＡ　７ｙ　Ｇ　ａｉ−ｙ　Ａ　ｓか
ら成り、層（１２）はＡ４２Ｇａ、−７，Ａ　ｓから成
９、ｘ（ｙ、ｚ″′ｃある。当業者には周知のように、
Ｘは波長λを決め、Ｙ　＋　ｚは注入された少数牛ヤリ
ャを活性層（１４）に閉じ込めるのに十分大きく（たと
えば０．２４−０．４０）選ばれる。可視のλの場合、
ｘ　＞　ｏ、　３または後で述べる半導体が使用できる
。

上で述べた電荷利得を実現するために、電流阻止層（１
８）はそれに隣接した層と、オーム性電極を形成する必
要がある。層（１８）はＯｒ−ドープＧ　ａ　Ａ　ｓの
約１０６Ω−儒の抵抗率または約１０８Ω−凭の抵抗率
を有する０−ドープＡ７ＧａＡＳのような半絶縁性単結
晶材料から成ってもよい。これらの層の両方は当業者に
は周知であり、分子ビームエネルギ−によシ適当な厚さ
に成長させられる。

あるいは、電流阻止層はアモルファス材料（たとえば水
素化Ｓｉ　）でもよく、Ｉ、ＥＤ　（８０）は１．０’
−１，６μｎｌ範囲の光を発生するＩｎＰ　−ＩｎＧａ
ＡｓＰのような周知の他の格子整合材料で製作してもよ
い。

先にも述べたように、可視光は表示が直接見えるように
ＧａＡｓＰまたはＧａＰのような他の半導体から得るこ
とができる。しかし、光が見えない場合（たとえばＧ　
ａ　Ａ　ｓ　から生じた近工几放射）でも、本発明の原
理はなお適用できる。１几光は可視光を発生させるため
に、間接的に使用できる。たとえば、ＩＩＲ光およびそ
れに伴なう像は、可視像を生じる液晶セルまたはイメー
ジインテンシファイヤを制御するのに使用できる。この
場合、本発明のＣＲＴは他の表示デバイスを制御するた
めに間接的に使用できるであろう。走査ｅ−ビームによ
シ走査■几光スポットが生じ、それは単一セルデバイス
中の発生を制御するであろう。

可視光放射材料を励起するのにｅ−ビームを＠恢使用す
ることはよシ効率的であるが、ｅ−ビームからＩ　Ｒ元
スポット、可視光への変換によシ、デバイスは著るしく
簡単化され、適用範囲が拡大する。

本発明に従う工Ｒデバイスの別の応用は、紙への直接書
き込みである。ここで微小なＣＩｊＴターゲットからの
像は、適当に処理（感度をもたせた）シート上に焦点を
合わせる。

すると、Ｉ　Ｒ光ビームは熱的または電子的に紙に像を
書く。

電流利得の別の機構は、第３図に示された本発明の別の
実施例に従い、トランジスタ（５０）中に電流阻止層を
挿入することによシ得られる。特に、電流阻止層（５８
）は能動層（５４）とｅ−ビームソース間にはさまれた
広面積トランジスタ（５０）のベースである。トランジ
スタ（５０）はまだコレクタ層（５６）およびエミツタ
層（５２）を、必要に応じて作る電極補助層（５１）と
ともに含む。前のように、Ｌ　Ｅ　Ｄ　（８０）はタフ
ルへテロ構造が好ましく、それは相対する伝導形の広禁
制帯層（５７）および（５６）（後者はまだトランジス
タ（５ｏ）のコレクタとして働く）間にはさまれた活性
層（５４）を含む。層（５６）および（５８）間の通バ
イアス接合は、トランジスタ（５０）を遮断し、それに
よりｅ−ビームが存在しない場合にはｐ−’−ｎ接合（
５６）は順方向バイアスされない。しかし、ｅ−ビーム
が与えられたスポット上に入射しだとき、ｅ−ビーム（
６０）からの電子はベース（５８）の局在領域（６４）
中で吸収てれ、それによシトランリスタを曲部的にオン
にする。その結果、正孔がベースを横切って流れ、領域
（６４）の位置と一致し、ｐ−ｎ接合（５６）の一部が
順方向バイアスされる。電荷が流れだ結果、ｅ−ビーム
（６０）下の能動層（５４）の局在ソーススポット（６
６）中で、正孔および電子の放射性再結合が起る。この
ソーススポットは、光（４０）を放射し、それは前と同
様、ｅ−ビーム（６０）で走査できる。この実施例にお
いて、光はｅ−ビーム励起中のみ続く。

第６図の実施例において、トランジスタ（５０）中で電
流が横に拡がる効果は、たとえば当業者には周知の技術
を用いて、個々の画像セルを電気的に分離することによ
υ軽減することができる。セルは適当なマスクとセル間
の陽子照射またはセル間の材料をエツチング除去するこ
とによシ規定すればよい。いずれの場合も、電流阻止層
（５８）を貫く深さまで行なう。

上で述べた装置は本発明の原理の応用を示すために考案
できる多くの可能な実施例を単に示すだめだけのもので
あることを理解すべきである。本発明の精神および視野
を離れることなく、当業者にはこれらの原理に従い、多
くの他の変形が考案できる。特に、第６図のデバイスは
浮いたベースを用いるが、利得の改善はベース（５４）
に直接電極を加えることによシ行える。更に、第６図の
ｐ　−ＩＩ　−ｐ−ｎ構造は、適当な動作条件下でサイ
リスタのように双方向性を示す可能性がある。第２に、
第１および６図中の電流阻止層（１８）および（５８）
はたとえば電極（２０）下の異なる深さにあるが、ｅ−
ビーム（６０）は適当なｅ−ビームエネルギーまたは層
厚の一方または両方を選ぶことにより、そのピーク吸収
が阻止層中になるようにできる。オ６にター、ゲット中
で吸収されたパワー（たとえば５Ｗ）は、当業者には周
知の適当なヒートシンク構造によシ分散できる。第４に
、もし電流用止層中の光吸収により（たとえば光導電効
果を通して）その導電率が増し、従っていの電流阻止能
力が下がるならば、光吸収層を電流阻止層と再結合領域
（すなわちｐ−ｎ接合）間にはさんでもよい。最後に、
適当な共振器によシ、ＬＥＤはレーザとして動作させる
のに適したものにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に従うＣＲ１表示デバイスに
使用するだめの半導体ターゲットの概略図、 第２図は励起されていない場合（曲線１）および比較的
高励起キれている場合（曲線２）のＯｒ−ドープＧ　ａ
　Ａ　ｓ　の電流−電圧特性のグラフを示す図、 第３図は本発明の別の実施例に従い、電流利得を生じる
ように、トランジスタ構造に組込まれた別の半導体ター
ゲットの概略図である。 〔主要部分の符号の説明〕 電子ビーム　・・　６゜ ｐ　−ｎ接合　・　１６ 電−流用止層　１８ ノーマリ−オフ・トランジスタ　・　・　・　・　・　
・　５゜ノーマリ−オフ・１−ランリスタのベース　・
　・　・　５Ｂ出　願　人　：　アメリカン　テレフォ
ン　アンドテレグラフ　カムパニー 安　井　幸　−・塵妨 ＝二ノ 井　上　義　雄　し膨甲 加　藤　伸　兄　呵 手続補正：’、’＋：（方式） 昭和５９年　７月１６日 特許庁長官志賀　学　殿 １４旧′Ｉの表示昭和５９年　特許願第　／）１２７３
　号陰極線管デバイス 、′（補正をする者 １（ｉ’ｌ−、！：の関係　特許出願人１代理人 （〒ｏ＋ｏ）　ｆｌ−ｉす「　東京都千代１１ｔ１区丸
の内＋の２の：＋　・冨１．ビル２ｆ１９号・）。 ６　補正の対象　「図　面、、−１１，１、−゛　＼、 ７、補正の内容　別紙の通り・□・・３．７’、　’ｌ
・ミ）１２１１，７７、 ”’−，、、、、−／’

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　半心体ターゲット、および該ターゲットのアドレ
   ス指定をするための走査可能な電子ビームソースを含む
   陰極線管デバイスにおいて、 該ターゲットが、順方向バイアスされたとき、電荷の流
   れや放射再結合を生じるｐ　−１１接合、および 前記電子ビームが入射していないときに該接合間の電荷
   の流れを妨げる少なくとも一つの心子阻ｊＥ層を含み、 該電子ビームは該電流阻止層の局在領域中で吸収され、
   それを通して電荷の流れを可能にし、それにより該再結
   合から光スポットを発生さぜ、それは該ターゲットから
   放出され、該電子ビームで走査されることを特徴とする
   陰極線管デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 該層くとも−っの電流−阻止層は、該層を横切＝フて牛
   ヤリャが走行する時間よりはるかに長い寿命を有する電
   子トラップを含むことを特徴とする陰極線管デバイス。 ６、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 該層なくとも一つの准流−阻止層は、該接合と該ソース
   との間に置かれた半絶縁性半導体層から成ることを特徴
   とする陰極線管デバイス。 ４、　特許請求の範囲２・６項に記載されたデバイスに
   おいて、 該ターゲットはＡｌＧａＡｓ　がら成り、該層なくとも
   一つの電流−１狙［Ｌ層はＯｒをドープしたＧ　ａ　Ａ
   　ｓから成ることを特徴とする陰極線管デバイス。 ５、特許請求の範囲オ６項に記載されたデバイスにおい
   て、 該ターゲットはＡｌＧａＡｓ　から成り、該層なくとも
   一つの電流−阻止層は０をドープ−したＡＡＧａＡｓ　
   から成ることを特徴とする陰極線管デバイス。 ６、特許請求の範囲第１，２，３．４まだは５項に記載
   きれたデバイスにおいて、該ターゲットは能動領域を有
   するダブルへテロ構造を含み、能動領域中には該ｐ−ｎ
   接合が電荷を注入し、その能動領域中で該再結合が起る
   ことを特徴とする陰極線管デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 該ターゲットは該接合と該ソースとの間に配置されたノ
   ーマリ−オフ・トランジスタを含み、該層なくとも−っ
   の電流−阻止層は、該トランジスタのベースを含むこと
   を特徴とする陰極線管デバイス。 ８、・特許請求の範囲オフ環に記載されたデバイスにお
   いて、 該ターゲットは能動領域を有するダブルへテロ構造を含
   み、能動領域中には該ｐ−１１接合が電荷を注入し、そ
   の能動領域中で該再結合が起ることを特徴とする陰極線
   管デバイス。　′９　特許請求の範囲第１項に記載され
   たデバイスにおいて、該ｐ−ｎ接合と該電流−阻止層と
   の間にはさまれた元吸収層を更に含むことを特徴とする
   陰極線管デバイス。