JPH11111159A - 電子放出素子及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出効率の高い電子放出素子を提供す
る。 【解決手段】 金属又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及び絶縁体層上に形成
された金属薄膜電極からなり、電子供給層及び金属薄膜
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、絶縁体層の膜厚が５０ｎｍ以上であり、電子供給
層はシリコンウエハーからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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Ａｌ ₂
Ｏ₃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Ａｌ₂Ｏ₃絶
縁体層の膜厚を数ｎｍ程度薄膜化したり、極薄膜のＡｌ
₂Ｏ₃絶縁体層の膜質及びＡｌ₂Ｏ₃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／cm²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−Ｓ
ｉ）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１０²⁰／cm³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（Ba
ke 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金属又は半導体から
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、前記電子供給層はシリ
コンウエハーからなることを特徴とする。

【０００８】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
成された金属又は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、前記電子供給層はシリコンウエハ
ー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、シリコンウエハー素子基板１２の背面上に例
えばタングステン（Ｗ）などからなるオーミック電極１
１を形成し、その対応表面上にＳｉからなる電子供給層
１２を形成し、その上にＳｉＯ₂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、
シリコンウエハーを用いる。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１２，１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。シリコンウエハー１２は他の素子基板、例え
ば、ガラス、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ等のセラミック
ス基板上に形成してもよい。

【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９
０Ｖ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、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。本実施例によれば、電子放出素子の電子供給層１２
の材料としてはアモルファスＳｉの代わりに単結晶状態
であるＳｉウエハーを電子供給層に用いる。Ｓｉウエハ
ーはアモルファスＳｉに比較してダングリングボンド数
が格段に小さく、熱安定性が高い。Ｓｉウエハーはドー
パントを含んでも、含まなくてもよい。

【００１３】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，Ｃ
ｓＯ_x，ＢｅＯ_x，ＭｇＯ_x，ＭｇＮ_x，ＣａＯ_x，Ｃａ
Ｎ_x，ＳｒＯ_x，ＢａＯ_x，ＳｃＯ_x，ＹＯ_x，ＹＮ_x，Ｌａ
Ｏ _x，ＬａＮ_x，ＣｅＯ_x，ＰｒＯ_x，ＮｄＯ_x，ＳｍＯ_x，
ＥｕＯ_x，ＧｄＯ_x，ＴｂＯ _x，ＤｙＯ_x，ＨｏＯ_x，Ｅｒ
Ｏ_x，ＴｍＯ_x，ＹｂＯ_x，ＬｕＯ_x，ＴｂＯ_x，ＤｙＯ _x，
ＨｏＯ_x，ＥｒＯ_x，ＴｍＯ_x，ＹｂＯ_x，ＬｕＯ_x，Ｔｉ
Ｏ_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，Ｏｓ
Ｏ_x，ＣｏＯ_x，ＲｈＯ_x，ＩｒＯ_x，ＮｉＯ_x，ＰｄＯ_x，
ＰｔＯ_x，ＣｕＯ_x，ＣｕＮ_x，ＡｇＯ_x，ＡｕＯ_x，Ｚｎ
Ｏ_x，ＣｄＯ_x，ＨｇＯ_x，ＢＯ_x，ＢＮ_x，ＡｌＯ_x，Ａｌ
Ｎ_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。

【００１４】また、ＬｉＡｌＯ₂，Ｌｉ₂ＳｉＯ₃，Ｌｉ₂
ＴｉＯ₃，Ｎａ₂Ａｌ₂₂Ｏ₃₄，ＮａＦｅＯ₂，Ｎａ₄ＳｉＯ
₄，Ｋ₂ＳｉＯ₃，Ｋ₂ＴｉＯ₃，Ｋ₂ＷＯ₄，Ｒｂ₂Ｃｒ
Ｏ₄，ＣＳ₂ＣｒＯ₄，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＭｇＦｅ₂Ｏ₄，Ｍ
ｇＴｉＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，ＣａＷＯ₄，ＣａＺｒＯ₃，Ｓ
ｒＦｅ₁₂Ｏ₁₉，ＳｒＴｉＯ₃，ＳｒＺｒＯ₃，ＢａＡｌ₂
Ｏ₄，ＢａＦｅ₁₂Ｏ₁₉，ＢａＴｉＯ₃，Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂，Ｙ
₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＬａＦｅＯ₃，Ｌａ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，Ｌａ₂Ｔｉ
₂Ｏ₇，ＣｅＳｎＯ₄，ＣｅＴｉＯ₄，Ｓｍ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，Ｅ
ｕＦｅＯ₃，Ｅｕ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＧｄＦｅＯ₃，Ｇｄ₃Ｆｅ₅
Ｏ₁₂，ＤｙＦｅＯ₃，Ｄｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＨｏＦｅＯ₃，Ｈ
ｏ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＥｒＦｅＯ₃，Ｅｒ₃Ｆｅ₅Ｏ ₁₂，Ｔｍ₃Ｆ
ｅ₅Ｏ₁₂，ＬｕＦｅＯ₃，Ｌｕ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，ＮｉＴｉ
Ｏ₃，Ａｌ₂ＴｉＯ₃，ＦｅＴｉＯ₃，ＢａＺｒＯ₃，Ｌｉ
ＺｒＯ₃，ＭｇＺｒＯ₃，ＨｆＴｉＯ₄，ＮＨ₄ＶＯ₃，Ａ
ｇＶＯ₃，ＬｉＶＯ₃，ＢａＮｂ₂Ｏ₆，ＮａＮｂＯ₃，Ｓ
ｒＮｂ₂Ｏ₆，ＫＴａＯ₃，ＮａＴａＯ₃，ＳｒＴａ₂Ｏ₆，
ＣｕＣｒ₂Ｏ₄，Ａｇ₂ＣｒＯ₄，ＢａＣｒＯ₄，Ｋ₂ＭｏＯ
₄，Ｎａ₂ＭｏＯ₄，ＮｉＭｏＯ₄，ＢａＷＯ₄，Ｎａ₂ＷＯ
₄，ＳｒＷＯ₄，ＭｎＣｒ₂Ｏ₄，ＭｎＦｅ₂Ｏ₄，ＭｎＴｉ
Ｏ₃，ＭｎＷＯ₄，ＣｏＦｅ₂Ｏ₄，ＮｎＦｅ₂Ｏ₄，ＦｅＷ
Ｏ₄，ＣｏＭｏＯ₄，ＣｏＴｉＯ₃，ＣｏＷＯ₄，ＮｉＦｅ
₂Ｏ₄，ＮｉＷＯ₄，ＣｕＦｅ₂Ｏ₄，ＣｕＭｏＯ₄，ＣｕＴ
ｉＯ₃，ＣｕＷＯ₄，Ａｇ₂ＭｏＯ₄，Ａｇ₂ＷＯ₄，ＺｎＡ
ｌ₂Ｏ₄，ＺｎＭｏＯ₄，ＺｎＷＯ₄，ＣｄＳｎＯ₃，Ｃｄ
ＴｉＯ₃，ＣｄＭｏＯ₄，ＣｄＷＯ₄，ＮａＡｌＯ₂，Ｍｇ
Ａｌ₂Ｏ₄，ＳｒＡｌ₂Ｏ₄，Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂，ＩｎＦｅＯ
₃，ＭｇＩｎ₂Ｏ₄，Ａｌ₂ＴｉＯ₅，ＦｅＴｉＯ₃，ＭｇＴ
ｉＯ₃，Ｎａ₂ＳｉＯ₃，ＣａＳｉＯ₃，ＺｒＳｉＯ₄，Ｋ₂
ＧｅＯ₃，Ｌｉ₂ＧｅＯ₃，Ｎａ₂ＧｅＯ₃，Ｂｉ₂Ｓｎ
₃Ｏ₉，ＭｇＳｎＯ₃，ＳｒＳｎＯ₃，ＰｂＳｉＯ₃，Ｐｂ
ＭｏＯ₄，ＰｂＴｉＯ₃，ＳｎＯ₂−Ｓｂ₂Ｏ₃，ＣｕＳｅ
Ｏ₄，Ｎａ₂ＳｅＯ₃，ＺｎＳｅＯ₃，Ｋ₂ＴｅＯ₃，Ｋ₂Ｔ
ｅＯ₄，Ｎａ₂ＴｅＯ₃，Ｎａ₂ＴｅＯ₄などの金属複合酸
化物、ＦｅＳ，Ａｌ₂Ｓ₃，ＭｇＳ，ＺｎＳなどの硫化
物、ＬｉＦ，ＭｇＦ₂，ＳｍＦ₃などのフッ化物、ＨｇＣ
ｌ，ＦｅＣｌ₂，ＣｒＣｌ₃などの塩化物、ＡｇＢｒ，Ｃ
ｕＢｒ，ＭｎＢｒ₂などの臭化物、ＰｂＩ₂，ＣｕＩ，Ｆ
ｅＩ₂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。

【００１５】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、A
l₄C₃，B₄C，CaC₂，Cr₃C₂，Mo₂C，MoC，NbC，SiC，TaC，
TiC，VC，W₂C，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Ｃ₃₂〜Ｃ₉₆₀などがあ
り、また、上式中、O_x，N_xのｘは原子比を表す。

【００１６】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，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｙ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｌ
ｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕなども用いられ得
る。

【００１７】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（chem
ical 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、シリコ
ンウエハーを電子供給層１２に用い、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。

【００１８】まず、表面裏側にスパッタリング法により
Ｗ電極１１を膜厚３００ｎｍで形成した膜厚５．０μm
のシリコンウエハー基板１２（電子供給層）を用意し
た。比較例として、スパッタリング法によりＷ電極を膜
厚３００ｎｍで形成したガラス基板を用意し、スパッタ
リング法によりこの電極表面に、それぞれａ−Ｓｉの電
子供給層を膜厚５．０μｍで形成したものを作製した。

【００１９】それぞれの電子供給層上に、ＳｉＯ_x絶縁
体層１３が５０ｎｍ〜１０００ｎｍとなるように各種成
膜したものを作製した。それぞれの層は、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Ｏ₂，Ｎ₂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/mi
n好ましくは 0.5〜 100nm/minのスパッタ条件で成膜さ
れた。

【００２０】最後に、各基板の絶縁体層の表面上にＡｕ
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。

【００２１】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^-7
Ｔｏｒｒ又は１０^-5Ｐａの真空になし、電子放出素子
を、作製した。電子放出素子の放出電流の測定を、駆動
電圧Ｖｄの０〜１１０Ｖを印加し、加速電圧Ｖｃを２０
０Ｖにして行った。

【００２２】測定後、多数の得られた素子について、２
５℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃の温度
で、１時間真空中の熱処理をした。その後、熱処理をし
た素子について、室温になってから加速電圧２００Ｖの
放出電流値の測定をおこない、熱処理前後の放出電流値
を比較した。その結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】 放出電流値 熱処理前 熱処理後 熱処理後 (A/cm²) 300℃、1時間 500℃、1時間 比較例 2.3×10^-4 8.1×10^-9 3.9×10^-10 実施例 2.1×10^-4 2.0×10^-4 1.8×10^-4 さらに、熱処理の温度に対応して、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、■の実施例のシリコンウエハーの
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/cm²以上の放出電流があ
り、さらにおよそ２×１０^-4A/cm²と安定していること
がわかる。

【００２４】さらに、図３及び図４に示すように、実施
例のシリコンウエハー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、電子供給層がシリコンウエハーからなることに
よって、１×１０^-6A/cm²以上の放出電流すなわちエミ
ッション電流並びに１×１０^-1以上の電子放出効率が得
られることが分かる。

【００２５】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５
０ｎｍ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
はシリコンウエハーからなることが好ましいことがわか
る。

【００２６】図５は、膜厚３００nmのＷ電極、膜厚５μ
mのシリコンウエハー電子供給層、膜厚４００nmのＳｉ
Ｏ_x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(Emissi
on 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。

【００２７】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Ｓ
ｉＯ_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。

【００２８】スパッタリング法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。

【００２９】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１２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の内面には、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（Ｚｎ
Ｏ）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。

【００３０】一方、真空空間４を挾み透明ガラス基板１
に対向するウエハー素子基板１２背面には、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。その内面（透明ガラス基板１と対向する面）にはＳ
ｉＯ_x，ＳｉＮ_x，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮなどの絶縁体からな
るインシュレータ層１８が形成され、これを介して絶縁
体層１３は画素ごとに画定される。このようにしてオー
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は背面にオーミック電極が形
成されたシリコンウエハー基板を電子供給層１２とし
て、その表面上に順に積層された絶縁体層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１
７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。

【００３１】オーミック電極１１の材料としては、Ａ
ｕ，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。電子供給層１２の材質は、単結晶シリコン（Ｓｉ）
が挙げられるが、本発明の電子供給層は多結晶でも良
い。図７に更なる実施例の電子放出表示装置を示す。こ
の実施例は、透明基板１と、ガラス又はＡｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＢＮ等のセラミックスからなる素子基板１０との
一対からなり、真空空間４を挾み互いに対向している。
素子基板１０の内面には、ＳｉＯ_x，ＳｉＮ_x，Ａｌ
₂Ｏ₃，ＡｌＮなどの絶縁体からなる補助インシュレータ
層１８が形成されている。補助インシュレータ層１８
は、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。

【００３２】それぞれ平行に伸長する複数のオーミック
電極１１が素子基板１０の補助インシュレータ層１８上
に形成されている。オーミック電極の上に電子放出素子
Ｓの複数が形成されている。電子放出素子Ｓの各々はオ
ーミック電極１１上に形成された多結晶又は単結晶シリ
コンからなるＳｉウエハーの電子供給層１２を有してい
る。電子放出素子Ｓはさらに電子供給層１２上に順に形
成された絶縁体層１３及び金属薄膜電極１５を有してい
る。バス電極１６及び第２絶縁体層１７は上記実施例と
同様に形成されている。

【００３３】図７に示す電子放出表示装置は例えば以下
の製造方法でも形成できる。まず、オーミック電極用の
金属薄膜を、電子供給層用の所定膜厚の単結晶シリコン
ウエハーの一方面に形成する。次に、このシリコンウエ
ハーを金属薄膜側にて補助インシュレータ層１８付きの
素子基板１０へ接着する。その後、フォトリソグラフ
ィ、ウエットもしくはドライエッチング、又はレーザー
加工などの切削方法を用いて、素子基板１０上のシリコ
ンウエハー及び金属薄膜を互いに平行なオーミック電極
１１及び電子供給層１２のストライプに分割する。洗浄
後、電子供給層１２上に絶縁体層１３を形成する。そし
て画素のための所定間隔の島状の金属薄膜電極１５を、
電子供給層１２に沿うように、絶縁体層１３上に形成す
る。互いに平行でオーミック電極１１に垂直に伸長する
バス電極１６を、金属薄膜電極１５の一部上にかかるよ
うに絶縁体層１３上に形成し、隣接の金属薄膜電極１５
を接続する。開口付きの第２絶縁体層１７を、開口が金
属薄膜電極１５に対応するように、バス電極１６及び絶
縁体層１３上に形成する。

【００３４】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。

【００３５】バス電極１６の材料としては、Ａｕ，Ｐ
ｔ，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電子供給層膜厚と放出電流の関係を
示すグラフ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金属薄膜電極膜厚と電子放出効率の
関係を示すグラフ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。

【図７】 本発明によるさらな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

フロントページの続き (72)発明者 中馬 隆 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 根岸 伸安 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 岩崎 新吾 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 伊藤 寛 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 吉澤 淳志 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 柳沢 秀一 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 (72)発明者 酒村 一到 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属又は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、前記電子供給層はシリコンウエハーからな
   ることを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 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
   れた金属又は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５０
   ｎｍ以上であり、前記電子供給層はシリコンウエハーか
   らなることを特徴とする電子放出表示装置。