WO2007114103A1

WO2007114103A1 - 電子放出素子、電子放出素子を用いた表示装置及び電子放出素子の製造方法

Info

Publication number: WO2007114103A1
Application number: PCT/JP2007/056214
Authority: WO
Inventors: Ryota Tanaka; Nobuyasu Negishi; Kazuto Sakemura; Yoshiyuki Okuda; Tomonari Nakada; Atsushi Watanabe; Takamasa Yoshikawa; Kiyohide Ogasawara
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: JP5171988B2; EP2006875A2; EP2006875B1; JPWO2007114103A1; JP2011151044A; JP4959680B2; EP2006875A9; US20090284129A1; EP2006875A4; US7994698B2

Description

明細書

電子放出素子、電子放出素子を用いた表示装置及び電子放出素子の製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、電子放出素子、電子放出素子を用いた表示装置及び電子放出素子の製造方法に関する。

背景技術

[0002] 電子放出素子を用いたフラットパネルディスプレイなどの表示装置では、電子放出源から真空中に電子を放出し蛍光体に衝突させて発光させることで、明るくてコントラストの高い画面を実現する。

[0003] 従来のスピント型の電子放出素子では、基板上に円錐形状の電子銃と、この電子銃の先端に対応する位置が開口したゲート電極とを形成し、この電子銃の先端部からコレクタ電極に向けて電子を放出するが、電子銃が立体的な構造となるため製造工程が複雑になり、素子の微細化が難しい。

[0004] また、面放出型の電子放出素子は、下部電極上に半導体層、絶縁体層、上部電極を積層して、電極間に電圧を印加することで上部電極の表面から電子を放出する。このような面放出型の素子は、積層構造であるため微細構造を作製しやすくなるが、低電圧で高出力とするために絶縁体層を薄膜化するとピンホールなどの欠陥が発生すること力ある。

[0005] そこで、特許文献 1では、金属絶縁体一半導体の MIS (Metal Insulator Semicon ductor)構造の素子において、半導体層に非結晶質の材料を用い、絶縁体層の膜厚が漸次減少する島領域を設け、この島領域の上部、下部又は内部に炭素層を形成し、島領域の膜厚が最小になる領域又はその近傍の電子供給層に結晶領域を設けている。このような構造によれば、島領域がェミッションサイトとして働き、島領域から放出される電子の量が増加する。また、島領域以外では絶縁体層をある程度の厚みとしても電子放出量を維持することができるため、絶縁体層のピンホールなどの欠陥を防止する。特許文献 1 :特表 2005— 512280号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力ながら、ェミッションサイトの広範囲において、炭素層と電子供給層が接触すると、通電時に電子放出に寄与しないリーク電流が増大し効率が低下することがある。また、通電時に炭素層が発熱するため多量の熱量が失われることがある。さらに、炭素層の発熱によって電子供給層が広い範囲で結晶化され、この結晶化による体積変化によって素子が損傷又は破壊されることがある。特許文献 1の構成では、島状領域全体に炭素層が設けられているため、炭素層と電子供給層の接触面積の調整が難しい。

[0007] 本発明が解決しょうとする課題としては、上述した問題が一例として挙げられる。そこで、本発明の目的としては、電子放出の効率を向上させるとともに素子の損傷を防止する電子放出素子、電子放出素子を用いた表示装置及び電子放出素子の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の電子放出素子は、請求項 1に記載のとおり、非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、前記電子供給層と前記電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子であって、前記電極と前記絶縁体層が切り欠かれ前記電子供給層が露出した凹部と、前記電極と前記凹部上を前記電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い前記電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層とを有することを特徴とする。

[0009] 本発明の電子放出素子を用いた表示装置は、請求項 8に記載のとおり、電子放出素子と、前記電子放出素子から放出される電子が衝突することで発光する発光体とを有し、前記電子放出素子が上記した電子放出素子であることを特徴とする。

[0010] 本発明の電子放出素子の製造方法は、請求項 9に記載のとおり、非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、前記電子供給層と前記電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子の製造方法であって、前記電極と前記絶縁体層が切り欠かれ前記電子供給層が露出した凹部を形成する工程と、前記電極と前記凹部上に前記電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い前記電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層を形成する工程とを有することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の実施の形態の電子放出素子の概略断面図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態の電子放出素子の動作を説明するための図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態の電子放出素子の変形例の概略断面図である。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態の電子放出素子の変形例の概略断面図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 6]図 6は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 8]図 8は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 10]図 10は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法を説明するための図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施の形態の電子放出素子の製造方法の変形例を説明するための図である。

[図 13]図 13は、本発明の実施例（a)及び比較例 (b)の電子放出素子の I V特性の測定結果を示すグラフである。符号の説明

[0012] 1 基板

2 下部電極

3 バリア層

4 電子供給層

5 絶縁体層

6 上部電極

7 凹部

8 炭素層

9 前 1≤基板

10 コレクタ電極

11 蛍光体

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における例示が本発明を限定することはない。

[0014] 本実施の形態の電子放出素子の断面模式図を図 1に示す。

[0015] 図 1に示す電子放出素子は、金属一絶縁体一半導体の MIS構造であり、 Si (シリコン)基板などの基板 1と、基板 1上に形成される A1 (アルミニウム）などの下部電極 2と、下部電極 2上に形成され TiN (窒化チタン)などからなるバリア層 3と、バリア層 3上に形成され Siに B (ホウ素）がドープされた半導体からなる非結晶質の電子供給層 4と、電子供給層 4上に形成される SiO (x=0.：!〜 2. 0)などからなる絶縁体層 5と、絶縁体層 5上に形成される W (タングステン)などの上部電極（電極） 6とを有する。バリァ層 3は下部電極 2の A1が電子供給層 4の Siへ拡散することを防止するために設けられている。

[0016] 電子放出素子には、上部電極 6と絶縁体層 5が電子供給層 4まで切り欠かれた凹部 7が設けられ、電子供給層 4が凹部 7の底面（図中 4a部分）で露出している。上部電極 6と凹部 7上には、電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bを除いて覆レ、、露出面 4aの縁部分 4cに接触する炭素層 8が形成されている。そして、炭素層 8と接触する領域の電子供給層 4が結晶相 Aとなっている。

[0017] 図 2に示すように、電子放出素子の上部電極 6側に真空を介して前面基板 9上に形成されたコレクタ電極 10が配置され、下部電極 2と上部電極 6間に電圧 Vdを印加することで、上部電極 6側から電子が放出され、コレクタ電極 10に集められる。また、コレクタ電極 10上に発光体としての蛍光体層 11が形成されており、電子放出素子からコレクタ電極 10へ放出された電子が蛍光体層 11に衝突することで、蛍光体層 11が発光する。

[0018] 凹部 7は、上部電極 6と絶縁体層 5が切り欠かれて電子供給層 4が露出した部分であり、円形の底面側から開口部にかけて直径が広がったコーン形状である。凹部 7の形状は、これに限定されず、円形、方形、ライン形状などの底面とすることができる。

[0019] また、凹部 7の側面は、絶縁体層 5の側壁が電子供給層 4面となす角 Θが 0 < Θく 135° となるようにするとよレ、。 Θは 0よりも大きければ凹部 7を形成することができる力 Θ力 ^135° 以上となると、炭素層 8を凹部 7上に形成するときに凹部 8の側壁が陰となって炭素層 8が凹部 7の側壁及び底面の外周縁部分に回り込みにくくなり、連続した炭素層 8を形成することができない場合がある。なお、素子が微細であるため、スパッタリング法などを用いることで、 Θ力 135° より小さければ、連続した炭素層 8を形成することができ、素子を適正に駆動することができる。

[0020] 凹部 7がェミッションサイトとして用いられ、通電時にはこの部分に電子が集中して放出される。これによつて、電子放出量を維持しながら、凹部 7以外の領域の絶縁体層 5を厚くし、絶縁体層 5のピンホールなどの欠陥を防止することができる。

[0021] 炭素層 8は、上部電極 6と凹部 7上に電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bを除いて形成されており、上部電極 6上から、凹部 7の側壁の斜面を覆い、電子供給層 4 の露出面 4aの縁部分 4cに接触する。すなわち、炭素層 8は電子供給層 4の露出面 4 aのうち縁部分 4cのみに接触する。

[0022] 電子供給層 4の露出面 4aにおいて、電子供給層 4と炭素層 8の接触部分は、露出面 4aの直径に対し外周縁から 30%未満の幅、より好ましくは 25%未満の幅とするとよい。この範囲で通電時の電流を局所的に集中させるとともに、電子放出量を良好に維持すること力 Sできる。 [0023] 炭素層 8は、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに接し、内側部分 4bには接していないことで、通電時の電流を露出面 4aの縁部分 4cに集中させ、内側部分 4bへの電流の流れを抑制し、電子放出の効率を上げる。また、通電による炭素層 8の発熱もまた露出面 4aの縁部分 4cに限定されるため、熱量を抑えることができる。また、炭素層 8の発熱が露出面 4aの縁部分 4cに集中されるため、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cを結晶化し、内側部分 4bの結晶化を抑制する。これによつて、結晶相 Aの領域を狭め、電子供給層 4の体積変化を抑えて、素子の損傷又は破壊を防止することができる。

[0024] 炭素層 8の材料としては、無定形炭素、グラフアイト、カルビン、フラーレン (C )、ダ

2n ィャモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノプレート、ダイヤモンドなどの形態の炭素、又は、 ZrC、 SiC、 WC、 MoC、 HfCなどの炭素化合物などが挙げられる。

[0025] 炭素層 8の厚さとしては、 0. 1〜： 100nm、より好ましくは 0.：!〜 60nmが好ましい。

炭素層 8が薄いと均質な層を形成しにくくなり、炭素層 8が厚過ぎると無効電流が大きくなり素子の効率が低下することがある。

[0026] 炭素層 8の変形例を図 3に示す。

[0027] 図 3の炭素層 8は、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに接し、内側部分 4bでは隆起して盛り上がりドーム形状 8aとなっている。

[0028] このような炭素層 8の形状においても、電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bには炭素層 8が接しないで、縁部分 4cのみに接するため、図 1の素子と同様の効果を発揮する。また、通電時の炭素層 8の発熱によって、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cのみが結晶化され、その内側部分 4bの結晶化を抑制する。

[0029] また、素子は真空空間で使用されるため、この炭素層 8のドーム形状 8aの内部 8b は真空状態となる。ドーム形状 8aの内部 8bが真空絶縁状態であることで、エミッションサイト近傍の絶縁性が良好に保たれ、無効電流が低減される。

[0030] 結晶相 Aは、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cで、電子供給層 4が炭素層 8と接触する領域に形成される。好ましくは、結晶相 Aは、電子供給層 4が炭素層 8と接触する部分、すなわち電子供給層 4の縁部分 4cを中心として断面形状が略半円であり、円形の縁部分 4cに沿ってリング状に形成される。結晶相 Aの断面半円形状の半径としては特に限定されないが、電子供給層 4と炭素層 8の接触部分を中心として、電子供給層 4の露出面 4aの中心部分を超えない程度とすることで、結晶相 Aをリング状とすることができる。なお、結晶相 Aの形状は断面半円形状に限定されず、電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bを除いて絶縁体層 5側の表面近傍全面に結晶相 A が形成されてもよい。

[0031] また、結晶相 Aの粒径としては特に限定されなレ、が、 0. lnmから上述した結晶相 A の領域に相当する大きさまでとするとよい。 0. lnmより小さい粒径では測定装置の解像度の限界を超えるため粒径の調整が難しくなる。

[0032] 電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに結晶相 Aが形成されることで、通電時に結晶相 Aに電流を集中させることができ、低い電圧で電子放出量を増加させることができる。また、結晶相 Aが電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cの領域に局所的に形成され、内側部分 4bでの形成が抑制されるため、電子供給層 4の体積変化が抑制され素子の破壊を防止することができる。

[0033] また、結晶相 Aの断面形状が略半円となることは、通電時に電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに電流を集中させジュール熱を発生させた結果であり、すなわち通電時に無効な電流が低減されている状態である。そして、このように効率的に結晶相 A を形成することで、電子供給層 4の体積変化を抑えて、素子の変形や破壊を防止すること力 Sできる。

[0034] また、図 4に示すように、結晶相 Aの周りに結晶相 Aよりも結晶粒径が小さい小粒径の結晶相 Bをさらに有してもよい。この結晶相 Bは、熱源である炭素層 8と電子供給層 4の接触界面から離れた位置にあるため、結晶相 Aよりも小さな熱量を受けて小さな結晶粒径で形成される。このように、結晶相 Aの周囲の電子供給層 4が非結晶相ではなく結晶相 Bであっても、電子放出量を維持することができる。また、結晶相 Bの粒径が小さいため電子供給層 4の体積変化を抑えて、素子の変形や破壊を防止することができる。

[0035] この結晶相 Bが電子供給層 4の露出面 4aの中心部を中心として断面形状が略半円となっている構成は、通電時に炭素層 8と電子供給層 4の接触部分に電流を集中させジュール熱を発生させ、効率的に結晶相 Bを形成した結果であり、このような構成によれば、電子供給層 4の体積変化を抑え、素子の変形及び破壊を防止することができる。なお、図 4の結晶相 Bの断面形状は模式的に示されているため横長の半楕円となっているが、結晶相 Bの大きさに合わせて電子供給層 4を厚くすることで中心力等しい距離で弧を描く略半円とすることも可能である。

[0036] 結晶相 Bの結晶粒径は、結晶相 Aの結晶粒径よりも小さければよぐ好ましくは 0. 1 nm程度と微小なものである。なお、結晶相 Bの結晶粒径を結晶相 Aの結晶粒径よりも若干小さい程度と大きくしてもよい。結晶相 Bは結晶粒が小さいため、体積膨張も少なぐ安定している。

[0037] このような電子放出素子では、上部電極 6と下部電極 2間に電圧を印加すると、上部電極 6側より電子供給層 4へ電流が流れ、電子は電子供給層 4を拡散しながら上部電極 6へ流れるように構成される。そして、通電時には、電子供給層 4の露出面 4a の縁部分 4c、すなわち炭素層 8と電子供給層 4の接触部分に電流が集中し電流密度が大きくなる。したがって、この部分に電子が集中して電子放出量が増加する。

[0038] また、炭素層 8と電子供給層 4の接触部分に電流が集中すると高いジュール熱が発生するため、このジュール熱によって、電子供給層 4が露出面 4aの縁部分 4cに沿つて結晶相 Aとなる。この結晶相 Aは温度を下げてもその形態を保つ。結晶相 Aが形成されると、以降の通電では、炭素層 8と電子供給層 4の接触部分に電流が集中する際に、非結晶質の領域から結晶相 Aへ電流の流れが促進されるため、この部分にさらに電流を集中させることができる。

[0039] これらの工程を経て、注入電流の一部が絶縁体層 5をトンネリングすることにより凹部 7から電子が放出される素子となる。すなわち、絶縁体層 5には様々な準位にトラップが存在する。電子供給層 4から熱励起により注入された電子はホッピング伝導により絶縁体層 5の Si〇中を流れる力一部は電子供給層 4側のトラップに捕獲される。捕獲された電子は固定化されたチャージとして働くため、真空側の絶縁体層 5に大きなバンドベンディングを生じ、強電界が生じる。この強電界により電子は高いエネルギ一を持つホットエレクトロンとなり、真空中へ放出されると考えられる。

[0040] このような電子放出素子によれば、炭素層と電子供給層の接触部分が限定されているため、この接触部分に電流を集中させ、電子放出の効率を向上することができる。また、この接触部分に通電時の炭素層のジュール熱が集中されるため、電子供給層の結晶相を露出面の縁部分に局所的に形成し、電子放出の効率を維持しながら、結晶化による体積変化を抑えて素子の損傷を防止することができる。

[0041] 次に、本実施の形態の電子放出素子の製造方法について説明する。

[0042] 電子放出素子の製造方法では、基板上に順に下部電極、バリア層、電子供給層、絶縁体層、及び上部電極を形成し、絶縁体層と上部電極を切り欠いて凹部を形成し、この上に炭素層を形成する。そして、凹部底面の内側部分から炭素層を剥離する。または、凹部底面の内側部分上の炭素層を電子供給層面から遠ざかる方向に隆起させてドーム形状とする。

[0043] なお、変形例として、凹部を形成した後に、凹部底面の内側部分に対応するマスクを用いたマスキングによって、炭素層を上部電極上と凹部底面の縁部分上に形成することも可能である。また、電子供給層を形成した後に、マスキングによって、絶縁体層と上部電極を形成して、凹部を作製することも可能である。

[0044] 成膜方法としては、物理堆積法又は化学堆積法を用いることができる。物理堆積法は PVD (Physical vapor d印 osition)法として知られ、これには真空蒸着法、分子線ェピタキシ一法、スパッタリング法、イオンィ匕蒸着法、レーザーアブレーシヨン法などがある。化学堆積法は CVD (Chemical vapor deposition)法として知られ、これには熱 C VD法、プラズマ CVD法、 OMCVD (Organic-metal chemical vapor deposition)法などがある。これらの中でも、物理堆積法のスパッタリング法が特に好ましい。

[0045] 電子放出素子の製造方法の一例を図 5から図 12に示す。

[0046] まず、図 5に示すように、熱酸化膜を形成した Si基板 1上に A1下部電極 2と TiNバリァ層 3をスパッタリング法により成膜する。バリア層 3上に、図 6に示すように、 B濃度を 1. 1 %の割合でドーピングした Si + Bからなる非結晶質の電子供給層 4をスパッタリング法により成膜する。電子供給層 4上に、図 7に示すように、 SiO絶縁体層 5を TE OS (Tetra ethoxysilane)を原料ガスに用いたプラズマ CVD法により成膜する。なお、絶縁体層 5はスパッタリング法によっても形成してもよレ、。絶縁体層 5上に、図 8に示すように、 W上部電極 6をスパッタリング法により成膜する。 [0047] そして、図 9に示すように、フォトエッチング工程により上部電極 6と絶縁体層 5を電子供給層 4まで取り除き凹部 7をパターニング形成する。凹部 7形成後、図 10に示すように、上部電極 6と凹部 7上に炭素層 8をスパッタリング法により成膜する。

[0048] 次に、図 11に示すように、上部電極 6と下部電極 2間に電圧を印加することで、炭素層 8と電子供給層 4が接触している領域で、炭素層 8が通電によってジュール熱を発し、このジュール熱によって電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bの炭素層 8が焼失して剥離される。このとき、炭素層 8が露出面 4a上に接触したままで電流が流れ、露出面 4aに接触する炭素層 8全体にジュール熱が発生したことで、露出面 4aの内側部分 4bの炭素層 8が焼失し剥離されたと考えられる。

[0049] また、図 12に示すように、このジュール熱を露出面 4aの縁部分 4cに集中させるように制御することで、電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bの炭素層 8が熱膨張によつて隆起してドーム形状 8aとなる。例えば、露出面 4aの縁部分 4cにくぼみを形成しその部分に電流を集中しやすくすることで図 12に示すドーム形状 8aとすることができる。なお、凹部 7の外周縁部分にくぼみを設けなければ図 11に示す剥離状態とすること力 Sできる。また、電子供給層へのドーピング量を局所的に変化させることでも炭素層 8の剥離状態とドーム形状とを制御することができる。

[0050] このように炭素層 8を隆起させてドーム形状 8aとすることで、電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bから取り除いた炭素層 8がドーム形状 8aとなり素子上に固定されるため、取り除いた炭素層 8を洗浄などで除去する必要がなくなる。

[0051] また、図 9において、凹部 7を形成した後に、炭素層 8を形成する前の段階で、前処理として RFプラズマエッチングなどのプラズマ処理、洗浄処理又はべ一キングなどの熱処理をしておくことで、その後炭素層 8を形成し、炭素層 8を電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bから剥離するときに、炭素層 8の剥離を促進することができる。洗浄処理としては、加熱 H SO洗浄、薄い HF液洗浄、純水洗浄、アセトン洗浄、アル

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コール洗浄などが挙げられる。なお、これらの前処理ではそれ以前に成膜した層、特に最表面の層に対してダメージを与えてしまう可能性があるが、それも踏まえた範囲で制御すればよい。

[0052] 炭素層の剥離又は隆起と同時に、通電時に発生する炭素層 8のジュール熱が、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに伝熱されて、縁部分 4cを中心とした領域が加熱されて結晶化し、結晶相 Aが形成される。このときの電圧は、低電圧から高電圧に力 4ナて徐々に増加するように掃引して印加し、ダイオード電流が減少し又はダイォード電流に変曲点が発生してェミッション電流が流れるまで行う。

[0053] また、結晶相 Aの断面形状を炭素層 8との接触部分を中心とした略半円とするためには、炭素層 8と電子供給層 4の接触部分、すなわち電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cにジュール熱を集中させて、この縁部分 4cから放射状に熱を伝達する。

[0054] 具体的には、結晶相 Aの大きさは、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cで発生する熱量を制御することで調整することができる。熱量の制御は印加電圧や電圧の掃引速度によって行うことができる。また、通常、基板 1上には複数の凹部 7を設けて素子を構成するが、凹部 7の数 (密度）や配列方法によって熱量を制御することができる

[0055] また、通電時における電圧の掃引速度を制御することで、結晶相 Aの大きさを調整すること力 Sできる。掃引速度を遅くすると凹部 7以外の領域まで熱が伝わり、凹部 7の温度が上昇しやすくなり、より低電圧で電子供給層 4を結晶化させることができる。掃引速度が速すぎると大電流によって素子が破壊することがある。これより、掃引速度を 0· 001〜5V/secとすることで、過度に発生するジュール熱を抑制して結晶相 A の大きさを調整することができる。なお、これより早い掃出速度でも可能である。その場合、印加電圧をある幅を持ったノルス状とするとよい。

[0056] また、通電において素子に流れる電流量を制御、すなわち電流制限を掛けることで電子供給層 4の結晶相 Aの領域を制御し素子の破壊を防止することができる。この方法では、同様に炭素層 8の剥離又は隆起時の変形量を制御することもできる。例えば、トランジスタなどの駆動回路を用いることで電流制限を掛けることができる。

[0057] また、凹部 7の角度（ Θ )と絶縁層 5の厚みとを調整することでも、結晶相 Aの形状や大きさを制卸すること力 Sできる。

[0058] 結晶相 Αの周囲に結晶相 Αよりも結晶粒径が小さい結晶相 Βを形成するためには、結晶相 Aと同様に電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cの熱量を調整するとよい。また、結晶相 Bの断面形状を電子供給層 4の露出面 4aの中心部を中心とした略半円とするためには、結晶相 Aと同様に調整するとよい。

[0059] 電子放出素子の製造方法において、炭素層 8が剥離し結晶相 Aが形成されるまでの工程は、セルフコントロールと総称するメカニズムによって説明される。

[0060] セルフコントロールによれば、通電によって発生したジュール熱によって炭素層 8が自動的に浮き上がり、炭素層 8と電子供給層 4との接触面積が減ることで、ジュール熱のうち過剰な熱を抑制する。図 11に示す炭素層 8の剥離は、セルフコントロールが過剰に発生したジュール熱に対応できなレ、場合に起こると考えられ、ジュール熱によつて凹部 7の内側部分の炭素層 8が焼失する。図 12に示す炭素層 8の隆起は、セルフコントロールで過剰の熱を抑制したときに起こる。この場合、凹部 7の内側部分では炭素層 8がドーム形状 8aとなり空洞の領域 8bが発生する。セルフコントロールの結果として、炭素層 8と電子供給層 4との接触部に電流が集中し、その直下の電子供給層 4が結晶化し、結晶相 Aが形成される。

[0061] セルフコントロールによれば、素子の破壊を大幅に低減でき、電子放出素子をより安定的に製造することができるようになる。

[0062] 炭素層 8を電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bから剥離するためには、炭素層 8と内側部分 4bとの付着強度の制御が重要となる。

[0063] 上述したように、炭素層 8を形成する前の下地表面に、前処理としてエッチング処理、洗浄処理又は熱処理を行うことで、炭素層 8の付着強度を制御することができる。また、炭素層 8の成膜条件を制御させたり、炭素層 8の材料そのものを変えることで、炭素層 8と電子供給層 4の付着強度を調整することも可能である。さらに、炭素層 8の付着強度は、炭素層 8と上部電極 6又は電子供給層 4との接地面積や形状を変化させるといった構造面からも制御することができる。例えば、凹部 7の底面を多段階段構又はディンプノレ構造にすることによって付着強度を制御することができる。また、凹部 7の形状を円形、楕円、長円形、多角形又は閉曲線などにすることでも制御することができる。

[0064] 炭素層 8の付着強度を制御することにより、凹部 7以外の炭素層 8が剥離又は隆起することを防止することができ、凹部 7底面の内側部分のみで炭素層 8の剥離又は隆起を起こすこと力 Sできる。 [0065] 電子放出素子の破壊を防止するために、電子供給層 4の結晶相 Aの面積は小さくすることが望ましい。

[0066] 上述したように、炭素層 8と電子供給層 4の接触面積を限定することで、結晶相 Aが形成される領域を接触部分の周辺に抑えることができる。このような構成では、注入電流を低くしても、接触面積が小さいため、接触部分に電流が集中し、高いジユーノレ熱を得ることができる。すなわち、炭素層 8が電子供給層 4に接する部分の面積が小さいという構造によって、少ない注入電流を用いて、電子供給層 4全体の結晶化を防止しながら、この接触部分に電流を集中させ、高いジュール熱を得て、局所的に結晶相 Aを形成することができる。

[0067] 電子供給層 4の結晶相 Aを狭い方向へ抑制することができるため、電子放出素子の微細化を考えた場合に有利である。結晶化領域の抑制は、低電流動作する素子の作製につながる。すなわち消費電力を低減することができる。また、電子放出素子は通常、真空中に封止した形で電子を放出させるので、素子の破壊を抑制できることでガス放出が低減し、装置全体として長寿命化することができる。

[0068] 電子供給層の材料としては、上述したスパッタ法ゃ CVD法により成膜した Illb族或いは Vb族の元素をドープしたアモルファスシリコン (a-Si)が特に有効である力 a-Si のダンブリングボンドを水素で終端させた水素化アモルファスシリコン、更に Siの一部を炭素で置換した水素化アモルファスシリコンカーバイトや、 Siの一部を窒素で置換した水素化アモルファスシリコンナイトライド、又は Siの代わりにゲルマニウム、 Ge-Si 、炭化シリコン、砒素ガリウム、リン化インジウム、セレン化カドミウム又は CuInTe2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なども用いられ、ホウ素、ガリウム、リン、インジウム、砒素又はアンチモンをドープしたシリコンなども用レ、られる。又は Al、 Au、 Ag、 Cuなどの金属でも有効であるが、 Sc、 Ti、 Cr、 Mn、 Fe 、 Co、 Ni、 Zn、 Ga、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Cd、 Ln、 Sn、 Ta、 W、 Re 、 Os、 Ir、 Pt、 Tl、 Pb、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 T m、 Yb、 Luなども用いられる。

[0069] この電子供給層の厚みは、 0. lnm〜： !O z mとするとよレ、。 0. lnm未満であると均質な層を形成しにくく結晶相 Aを適正に形成することができないことがあり、 10 x mより厚いと成膜時間が長くなるという問題がある。

[0070] また、 Si+Bの電子供給層では、 Bのドーピング濃度を 0· 1-20. 0%とするとよレヽ。 Bのドーピング濃度を低くした方が膜浮きが軽減され、素子の破壊抑制につながるが、 Bのドーピング濃度が少な過ぎても抵抗値が高くなるため、高い印加電圧が必要となる。

[0071] 絶縁体層の材料としては、上述した Si〇（Xは原子比を示す）が特に有効であるが、 LiO、 LiN、 Na〇、 KO、 Rb〇、 Cs〇、 BeO、 Mg〇、 MgN、 CaO、 CaN、 SrO、 Ba〇、 ScO、 Y〇、 YN、 LaO、 LaN、 CeO、 PrO、 NdO、 Sm〇、 Eu

O、 GdO、 Tb〇、 DyO、 Ho〇、 ErO、 TmO、 YbO、 LuO、 TiO、 ZrO、 Zr

N、 HfO、 HfN、 ThO、 VO、 VN、 NbO、 NbN、 TaO、 TaN、 CrO、 CrN

、 MoO、 MoN、 WO、 WN、 MnO、 ReO、 FeO、 FeN、 RuO、 OsO、 Co〇

、 RhO、 IrO、 NiO、 Pd〇、 PtO、 CuO、 CuN、 AgO、 AuO、 Zn〇、 CdO、

HgO、 BO、 BN、 AIO、 A1N、 Ga〇、 GaN、 In〇、 SiN、 GeO、 Sn〇、 Pb〇、 PO、 PN、 AsO、 SbO、 SeO、 TeOなどの金属酸化物又は金属窒化物を用いること力 Sできる。

[0072] また、 LiAlO、 Li SiO 、 Li TiO 、 Na Al 〇、 NaFeO 、 Na Si〇、 K Si〇、 K

2 2 3 2 3 2 22 34 2 4 4 2 3

TiO 、 K WO 、 Rb CrO 、 CS CrO 、 MgAl O 、 MgFe O 、 MgTiO、 CaTiO

2 3 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 3 3

、 CaWO 、 CaZrO 、 SrFe O 、 SrTiO 、 SrZrO 、 BaAl O 、 BaFe O 、 BaTi

4 3 12 19 3 3 2 4 12 19

O、 Y Al〇、 Y Fe O 、 LaFeO , La Fe O 、： La Ti O、 CeSnO、 CeTiO 、

3 3 5 12 3 5 12 3 3 5 12 2 2 7 4 4

Sm Fe〇、 EuFeO 、 Eu Fe O 、 GdFeO、 Gd Fe O 、 DyFeO 、 Dy Fe〇

3 5 12 3 3 5 12 3 3 5 12 3 3 5 1

、 HoFeO 、 Ho Fe〇、 ErFeO 、 Er Fe O 、 Tm Fe O 、 LuFeO、 Lu Fe O

2 3 3 5 12 3 3 5 12 3 5 12 3 3 5

、 NiTiO 、 Al TiO 、 FeTiO 、 BaZrO、 LiZrO 、 MgZrO、 HfTiO 、 NH VO

12 3 2 3 3 3 3 3 4 4 3

、 AgVO 、 LiVO 、 BaNb O 、 NaNbO 、 SrNb O 、 KTaO、 NaTaO 、 SrTa O

3 3 2 6 3 2 6 3 3 2 6

、 CuCr O 、 Ag CrO 、 BaCrO 、 K MoO 、 Na MoO 、 NiMoO 、 BaWO 、 Na

2 4 2 4 4 2 4 2 4 4 4 2

WO 、 SrWO 、 MnCr O、 MnFe O、 MnTiO、 MnWO 、 CoFe O 、 ZnFe〇

4 4 2 4 2 4 3 4 2 4 2 4

、 FeWO 、 CoMoO 、 CoTiO、 CoWO 、 NiFe O 、 NiWO 、 CuFe〇、 CuMo

4 4 3 4 2 4 4 2 4

O、 CuTiO、 CuWO 、 Ag MoO 、 Ag WO 、 ZnAl〇、 ZnMoO 、 ZnWO 、 Cd

4 3 4 2 4 2 4 2 4 4 4

SnO、 CdTiO 、 CdMoO 、 CdWO、 NaAlO、 MgAl〇、 SrAl〇、 Gd Ga O

3 3 4 4 2 2 4 2 4 3 5 12 、 InFeO 、 Mgln〇、 Al TiO、 FeTiO、 MgTiO 、 Na Si〇、 CaSiO、 ZrSiO 、

3 2 4 2 5 3 3 2 3 3 4

K Ge〇、 Li GeO、 Na GeO 、 Bi Sn〇、 MgSnO 、 SrSnO 、 PbSiO、 PbMo

2 3 2 3 2 3 2 3 9 3 3 3

O、 PbTiO、 SnO Sb〇、 CuSeO、 Na Se〇、 ZnSeO 、 K Te〇、 K Te〇

4 3 2 2 3 4 2 3 3 2 3 2 4

、 Na TeO 、 Na TeOなどの金属複合酸化物、 FeS、 Al S 、 MgS、 ZnSなどの硫

2 3 2 4 2 3

化物、 LiF、 MgF、 SmFなどのフッ化物、 HgCl、 FeCl、 CrClなどの塩化物、 Ag

2 3 2 3

Br、 CuBr、 MnBrなどの臭化物、 Pbl、 Cul、 Felなどのヨウ化物、 LaB、 CeBな

2 2 2 6 6 どのランタノイド硼化合物、 TiB 、 ZrB、 HfBなどの金属硼化物、又は、 SiAlONな

2 2 2

どの金属酸化窒化物としても絶縁体層の材料として有効である。

[0073] さらに、絶縁体層の材料としてダイヤモンド、フラーレン（C )などの炭素、或いは、

2n

Al C、 B C、 CaC、 Cr C、 Mo C、 MoC、 NbC、 SiC、 TaC、 TiC、 VC、 W C、 W

4 3 4 2 3 2 2 2

C、 ZrCなどの金属炭化物も有効である。なお、フラーレン (C )は炭素原子だけから

2n

なり C に代表される球面籠状分子で C 〜C などがあり、また、上式中、〇、 Nの

60 32 960

Xは原子比を表す。

[0074] この絶縁体層の凹部以外の厚みは 50nm以上、好ましくは 100nm〜l μ m程度とする。本実施の形態では、凹部がェミッションサイトとして機能するため、凹部以外の領域の絶縁体層を厚くしても、電子放出量を増加することができる。これによつて、絶縁体層の膜厚を増加してリーク電流を低減することで、その分必要なジュール熱に当てること力 S可能である。なお、絶縁体層の膜厚が厚過ぎるとそれ以降の層のカバレツジが悪くなり、また、放出電子量が減少することがある。 TEOSを用いたプラズマ CV Dによればリーク電流の原因となる欠陥を少なくすることができ絶縁体層を 50nmとすること力 Sできる。スパッタリング法では 100nm〜l μ ΐηとすることで欠陥を良好に防止すること力 Sできる。

[0075] また、下部電極 2の材料としては、上述した A1の他、 Au、 Pt、 Wなどの一般に ICの配線に用いられる材料や、クロム、ニッケル、クロムの 3層構造、 A1と Ndの合金、 A1と Moの合金、 Tiと Nの合金などを用いることができる。

[0076] また、上部電極 6の材料としては、上述した Wの他、 Pt、 Au、 Ru、 Irなどの金属が有効である力 Be、 C、 Al、 Si、 Sc、 Ti、 V、 Br、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Y 、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Ta、 Re、〇s、 Tl、 Pb、 La, Ce、 Pr 、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Luなどを用レヽること力 Sできる実施例

[0077] 次に、本発明の実施例について説明する。

[0078] 本実施例では、熱酸化膜を形成した Si基板 1上に A1下部電極 2と TiNバリア層 3をそれぞれスパッタリング法により膜厚 600nmと 150nmで成膜した。その上に、 B濃度を 1. 1 %の割合でドーピングした非結晶質の Siからなる電子供給層 4をスパッタリング法により膜厚 8. 4 /i mで成膜した。その上に、 SiO絶縁体層 5を TEOSを用いたプラズマ CVD法により膜厚 300nmで成膜した。その上に、 W上部電極 6をスパッタリング法により膜厚 60nmで成膜した。そして、上部電極 6と絶縁体層 5をフォトエツチング工程によって電子供給層 4まで除去して深さ 360nmの凹部 7を形成した。凹部 7において絶縁体層 5の側面と電子供給層 4のなす角 Θを 70〜100° の範囲で形成した。この凹部 7は基板 1上に 10 μ ΐη間隔で 4 X 4個のマトリクス状に 16個形成した。次に、炭素層 8形成前の前処理として真空中で 350°Cのべ一キング処理を 2時間行つた。その後、上部電極 6と凹部 7上に炭素層 8をスパッタリング法により膜厚 60nmで成膜した。

[0079] 比較例としては、炭素形成前に前処理としてべ一キング処理を行わな力た他は、上述した実施例と同様の工程で素子を作製した。

[0080] 次に、上述した実施例と比較例の素子を真空中に設置し、上部電極 6の上方にコレクタ電極 10を配置した。上部電極 6とコレクタ電極 10の距離を 2mmとした。上部電極 6とコレクタ電極 10間に lkVの電圧を印加した状態で、下部電極 2と上部電極 6間に 20Vまでの電圧を掃引速度 0. 33V/sで印加した。この通電処理後の断面形状を TEMによって観察し、表面形状を SEMによって観察した。また、このときのサイト 1 個あたりの I—V特性を測定し、結果を図 13に示す。図 13 (a)は本実施例の素子であり、図 13 (b)は比較例の素子である。なお、上記通電処理における掃引速度を含む電圧印加の条件は、一条件を提示するものであり、本発明はこれらに限定されるものでない。

[0081] TEM観察の結果、本実施例の炭素層 8は、電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4c に接し、内側部分 4bで隆起して盛り上がりドーム状 8aとなっていることがわ力た。これは、炭素層 8の形成前に熱処理によって前処理をしたことで、通電時にセルフコントロール処理が働き、炭素層 8が隆起したためと考えられる。また、炭素層 8が電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cに接している箇所を中心として、電子供給層 4が結晶相 Aとなっていることがわかった。結晶相 Aの断面形状は、略半円であり、電子供給層 4の上面から深さ 0. 4 z mまでであった。これは、炭素層 8が電子供給層 4の露出面 4aの縁部分 4cのみに接触するため、通電時のジュール熱を縁部分 4cに集中させ内側部分 4bの結晶化を抑制したためと考えられる。

[0082] これに対し、比較例の炭素層は、電子供給層の露出面の全面に接していた。そして、電子供給層の結晶相は、電子供給層の上面から 5. O x mまで深く広がり、本実施例よりも広い範囲で結晶化が進んでいた。これは、炭素層の形成前に前処理を行わなかったため、セルフコントロール処理が働かず、電子供給層と炭素層が接する面積が広くなり、通電時の炭素層からのジュール熱を過剰に受けて、電子供給層の結晶相が広がったと考えられる。

[0083] SEM観察の結果、本実施例の素子の表面状態には損傷が観察されなかったが、比較例では、円形凹部の縁部分を中心にして膨らみが観察され表面形状が損傷を受けているものがあった。これは、比較例では炭素層が凹部底面全面に接するためジュール熱が大きくなり、電子供給層が広い範囲で結晶化して体積変化が大きくなり盛り上がつたためと考えられる。

[0084] 本実施例の I—V特性は、図 13 (a)に示すように、ダイオード電流が印加電圧 15V 付近で減少し、ェミッション電流が発生している。これは、下部電極 2と上部電極 6間の印加電圧が一定値を超えると、凹部 7をェミッションサイトとして電子が放出されたためと考えられる。

[0085] 図 13 (b)に示す比較例では、印加電圧 15V付近でダイオード電流が減少し、エミッシヨン電流が発生している力 S、このェミッション電流は電圧値が高くなるにつれて減少し、図 13 (a)に示す本実施例のものより小さな値である。

[0086] このように、本実施例では、上述した TEM及び SEM観察からわかるようにセルフコントロール処理が働いたため、炭素層 8が電子供給層 4の露出面 4aの内側部分 4bから隆起し、通電時に電流が露出面 4aの縁部分 4cに集中して、電子放出が効率的に行われたと考えられる。

[0087] 以上説明したように、本発明の電子放出素子は、非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、電子供給層と電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子であって、電極と絶縁体層が切り欠かれ電子供給層が露出した凹部と、電極と凹部上を電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層とを有することで、電子放出の効率を向上させるとともに素子の損傷を防止すること力 Sできる。

[0088] 本発明の電子放出素子を用いた表示装置は、電子放出素子と、電子放出素子から放出される電子が衝突することで発光する発光体とを有し、電子放出素子が上記した電子放出素子であることで、電子放出の効率を向上させるとともに素子の損傷を防止することができ、省エネルギーで長寿命の表示装置を提供することができる。

[0089] 本発明の電子放出素子の製造方法は、非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、電子供給層と電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子の製造方法であって、電極と絶縁体層が切り欠かれ電子供給層が露出した凹部を形成する工程と、電極と凹部上に電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層を形成する工程とを有することで、電子放出の効率を向上させるとともに素子の損傷を防止することができる。

[0090] 以上、本発明の具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲を逸脱しない限り様々な変形が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって自明なことである。従って、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなぐ特許請求の範囲及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

Claims

請求の範囲

[1] 非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、前記電子供給層と前記電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子であって、

前記電極と前記絶縁体層が切り欠かれ前記電子供給層が露出した凹部と、前記電極と前記凹部上を前記電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い前記電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層とを有することを特徴とする電子放出素子

[2] 前記炭素層は、前記電子供給層の露出面の内側部分上でドーム形状となることを特徴とする請求項 1に記載された電子放出素子。

[3] 前記ドーム形状の内部は真空であることを特徴とする請求項 2に記載された電子放出素子。

[4] 前記炭素層と接触する領域の前記電子供給層が結晶相であることを特徴とする請求項 1から 3のいずれ力 1項に記載された電子放出素子。

[5] 前記結晶相の断面形状は略半円であることを特徴とする請求項 4に記載された電子放出素子。

[6] 前記結晶相の周囲が前記結晶相よりも結晶粒子が小さい小粒径の結晶相であることを特徴とする請求項 4又は 5に記載された電子放出素子。

[7] 前記小粒径の結晶相の断面形状は略半円であることを特徴とする請求項 6に記載された電子放出素子。

[8] 電子放出素子と、前記電子放出素子から放出される電子が衝突することで発光する発光体とを有し、前記電子放出素子が請求項 1から 7のいずれか 1項に記載された電子放出素子であることを特徴とする電子放出素子を用いた表示装置。

[9] 非結晶質の電子供給層と、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電極とを有し、前記電子供給層と前記電極間に電界が印加されたときに電子を放出する電子放出素子の製造方法であって、

前記電極と前記絶縁体層が切り欠かれ前記電子供給層が露出した凹部を形成する工程と、前記電極と前記凹部上に前記電子供給層の露出面の内側部分を除いて覆い前記電子供給層の露出面の縁部分に接触する炭素層を形成する工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。

[10] 前記炭素層を形成する工程では、前記電極と前記凹部上に前記炭素層を形成し、前記電子供給層と前記電極間に通電を行い、前記炭素層から発生するジュール熱によって、前記電子供給層の露出面の内側部分上から前記炭素層を剥離することを特徴とする請求項 9に記載された電子放出素子の製造方法。

[11] 前記炭素層を形成する工程では、前記電極と前記凹部上に前記炭素層を形成し、前記電子供給層と前記電極間に通電を行い、前記炭素層から発生するジュール熱によって、前記電子供給層の露出面の内側部分上の前記炭素層を隆起させドーム状とすることを特徴とする請求項 9に記載された電子放出素子の製造方法。

[12] 前記炭素層を形成する前の面にエッチング処理、洗浄処理又は熱処理を行うことを特徴とする請求項 9から 11のいずれ力 4項に記載された電子放出素子の製造方法

[13] 前記電子供給層と前記電極間に通電を行い、前記炭素層から発生するジュール熱によって、前記炭素層と接触する領域の前記電子供給層を結晶化する工程を有することを特徴とする請求項 9から 12のいずれか 1項に記載された電子放出素子の製造方法。