JPH08111166A

JPH08111166A - 電子パルス放出装置および表示装置

Info

Publication number: JPH08111166A
Application number: JP24600494A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shimada; 恭博嶋田; Toru Nasu; 徹那須; Atsuo Inoue; 敦雄井上; Koji Arita; 浩二有田; Akihiro Matsuda; 明浩松田
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: JP3214256B2

Abstract

(57)【要約】【目的】空間電荷制限効果のない高い電子放出電流密
度を低い動作電圧によってパルス的に得ることができ、
かつ特性変動や劣化の少ない平面陰極構造を有する電子
パルス放出装置および表示装置を提供する。【構成】支持基板１と、支持基板１の上に形成された
第１の電極２と、第１の電極２の上に形成された強誘電
体膜３と、強誘電体膜３の上に第１の電極２と接触する
ことなく形成された第２の電極４と、第２の電極４と空
間を介して対向する第３の電極５とからなる電子パルス
放出装置。また透明基板上に透明導電膜を形成して第３
の電極５とし、その上に蛍光体膜を塗布した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体膜または高い
誘電率を有する誘電体膜を容量絶縁膜とする容量装置の
一電極面を冷陰極電子放出面として用いた電子パルス放
出装置およびその電子パルス放出装置を用いた表示装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体素子中の電子の移動速度はたかだか
光速の１／１０００程度であり、固体素子の動作速度に
は限界がある。また、これらの固体素子の特性は、放射
線や温度変化に影響されやすいという欠点を持ってい
る。近年、固体素子の持つこれらの欠点を克服するため
に、微細加工技術を用いて微小な真空管を固体中に作り
こむ試みが活発になされている。

【０００３】これらの微小真空管にはさまざまな形状の
冷陰極が使用されているが、そのなかでも針状電極は１
０００Ａ／ｃｍ²以上の高い放出電子密度を容易に得る
ことができるので、広く研究されている。また、半導体
中のなだれ降伏や、絶縁膜またはショットキー障壁での
トンネル効果を利用した平面陰極構造も研究されてい
る。

【０００４】以下、従来の平面陰極構造を有する電子パ
ルス放出装置の一例について説明する。図６は従来の電
子パルス放出装置の要部断面図である。

【０００５】図６に示すように、従来の電子パルス放出
装置は、強誘電体膜３を第１の電極２と第２の電極４と
で挟み、第２の電極４には強誘電体膜３の表面を露出さ
せるための開口４ａを設けている。このような構成にお
いて、交流パルス電源７からのパルス電圧で強誘電体膜
３の分極を急激に反転させることにより、強誘電体膜３
の表面の分極電荷によって拘束された電子をパルス的に
放出させる方法が試みられており、１Ａ／ｃｍ²以上の
電流密度を得ている（例：H. Gundl他 Appl. Phys. Let
t., Vol.54, pp.2071, 1989）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の針状電極構造では、陰極の尖端部に電流が集中する
ため尖端部が蒸発し経時的に放出電流特性が変化するほ
か、尖端部へのガスの吸脱着により放出電流特性が不安
定になるなどの課題を有していた。

【０００７】一方、なだれ降伏やトンネル効果を利用し
た平面陰極構造では、電子放出に高電界を要するので動
作電圧が高くなるという課題を有していた。さらに、こ
れらの冷陰極を用いた微小真空管の多くは直流的に動作
するので、空間電荷制限効果によって放出電子電流が飽
和するという課題を有していた。

【０００８】この空間電荷制限効果は、瞬時電流値だけ
を問題にするのであれば、空間に電子をパルス的に放出
させることによって回避できる。たとえば、強誘電体の
分極反転を利用した強誘電体表面からの電子放出はその
一例である（例：H. Gundl他Appl. Phys. Lett., Vol.5
4, pp.2071, 1989および特開平５−３２５７７７号公
報）が、ここで放出される電子の量は高々強誘電体膜の
分極電荷と結合した電荷量のみであるので、高い放出電
子電流密度は望めない。また、電子放出面が強誘電体表
面であるため、ガスの吸脱着による電子放出特性が不安
定になるという課題があった。

【０００９】この課題を解決するために、発明者らは、
強誘電体表面を金属電極で覆い、この金属電極と絶縁膜
を介して隔てられたトリガ板との間に印加した電界によ
って金属電極から電子を引き出し、電子放出特性の安定
化を図った（特開平６−２５９３０４号公報参照）。し
かし、この構造では、電子放出特性が従来の構造に比べ
て改善されたものの、金属電極とトリガ板の間の絶縁膜
の絶縁耐圧が高くなければならないのに加え、この装置
を駆動するための回路が複雑になるというあらたな課題
が生じた。

【００１０】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、空間電荷制限効果がなく、高い電子放出電流密度を
低い動作電圧によってパルス的に得ることができ、かつ
特性変動や特性劣化の少ない平面陰極構造を有する電子
パルス放出装置および表示装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の電子パルス放出装置は、支持基板と、支持基
板の上に形成された第１の電極と、第１の電極の上に形
成された強誘電体膜と、強誘電体膜の上に第１の電極と
接触することなく形成された第２の電極と、第２の電極
と空間を介して対向する第３の電極とからなる構成を有
している。

【００１２】また、本発明の表示装置は、一主面上に複
数の第１の電極と、第１の電極の上に形成された強誘電
体膜と、強誘電体膜の上に第１の電極と接触することな
く形成された複数の第２の電極と、第１の電極と第２の
電極の交点に開口を有する絶縁層とを備えた支持基板
と、透明導電層と蛍光体層が順に形成された透明基板と
が空間を介して対向して保持され、かつ周辺部で封止さ
れてなる構成を有している。

【００１３】

【作用】以上の構成により、電子パルス放出装置として
は、第２の電極に容量結合として蓄積された電子に加
え、第２の電極と強誘電体膜の界面準位に拘束された電
子、強誘電体膜内の欠陥準位に拘束された電子を放出電
子として利用できるので、放出電流密度を高くできる。

【００１４】なお支持基板をｎ型半導体基板とし、第１
の電極をｐ型拡散層で構成することによりｐｎ接合部か
ら拡散注入された電子までも放出電子に供することがで
きるので、さらに放出電流密度が高くなる。

【００１５】また、強誘電体膜の膜厚を２００ｎｍ程度
にすると、±５Ｖ程度の低電圧で分極を反転させること
が可能となり、低電圧での電子放出が可能となる。さら
に、電子放出面は第２の電極で覆われた平面構造である
ので、放出電流の集中がなく、またガスの吸脱着の影響
も受けにくい電子パルス放出装置を実現できる。さら
に、その動作は第１の電極と第２の電極との間に交流パ
ルス電圧を印加すればよいので、動作に必要な回路構成
も簡素化される。

【００１６】また上記の電子パルス放出装置の第３の電
極として透明導電層を形成し、その上に蛍光体層を積層
した透明基板を用いることにより、低電圧動作可能な薄
型の表示装置を実現できる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例における電子パルス放
出装置について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例における電子
パルス放出装置の断面図である。図１において、１はシ
リコン基板またはガラス基板等の支持基板、２は白金膜
からなる第１の電極、３はチタン酸鉛ジルコニウムから
なる厚さ２００ｎｍの強誘電体膜、４は白金膜からなる
厚さ１０ｎｍの第２の電極、５はアルミニウムからなる
第３の電極であり、第２の電極４と第３の電極５は１ｍ
ｍ程度隔てられている。６は直流バイアス電源、７は交
流パルス電源であり、それぞれ電子パルス放出装置を動
作させるための駆動回路の一部を構成している。

【００１９】以上のように構成された電子パルス放出装
置について、以下その動作について説明する。まず第１
の電極２と第２の電極４との間に第１の電極２に対して
正のパルスを印加し、第１の電極２と、強誘電体膜３
と、第２の電極４とで構成されるキャパシタを充電す
る。このとき、第２の電極４には電子が蓄積される。次
に第１の電極２と第２の電極４との間に第１の電極に対
して負のパルスを印加すると強誘電体膜３の分極が反転
し、直流バイアス６によって第２の電極４から第３の電
極５に向けて電子が放出される。

【００２０】上記の動作について、さらに電子エネルギ
ー帯図を用いて説明する。図２（ａ）は、第１の電極に
対して正であるパルス電圧を第２の電極に印加したとき
の電子エネルギー帯図、図２（ｂ）は、第１の電極に対
して負であるパルス電圧を第２の電極に印加したときの
電子エネルギー帯図である。これらの図において、２１
は第１の電極２の電子エネルギー帯、２２は強誘電体膜
３の電子エネルギー帯、２３は第２の電極４の電子エネ
ルギー帯、２４は真空準位、２５はフェルミ準位、２６
は第２の電極４に容量結合した電子、２７は第２の電極
４と強誘電体膜３との界面の界面準位に拘束された電
子、２８は強誘電体膜３の欠陥準位に拘束された電子で
ある。以下電荷の単体として電子のみに着目して説明す
る。

【００２１】図２（ａ）に示すように、第１の電極２と
第２の電極４との間に第１の電極に対して正のパルスを
印加した場合、第２の電極４には容量結合した電子２６
が、第２の電極４と強誘電体膜３との界面には界面準位
に拘束された電子２７が、強誘電体膜３内には欠陥準位
に拘束された電子２８がそれぞれ蓄積される。次に図２
（ｂ）に示すように、第１の電極２と第２の電極４との
間に第１の電極２に対して負のパルスを印加すると強誘
電体膜３の分極が反転し、界面準位に拘束された電子２
７が反転した分極電荷による電界によって真空準位２４
に飛び出す。さらに強誘電体膜３の欠陥準位に拘束され
た電子２８が、強誘電体膜３にかかる電界に加速され、
欠陥準位間をホッピングしながら真空準位２４へ飛び出
す。

【００２２】次に、本発明の第２の実施例における電子
パルス放出装置について、図面を参照しながら説明す
る。

【００２３】図３は同電子パルス放出装置の断面図であ
る。図３において、３１はｎ型シリコン基板、３２はｐ
型拡散層からなる第１の電極、３３はチタン酸鉛ジルコ
ニウムからなる厚さ２００ｎｍの強誘電体膜、３４は白
金膜からなる厚さ１０ｎｍの第２の電極、３５はアルミ
ニウムからなる第３の電極であり、第２の電極３４と第
３の電極３５は１ｍｍ程度隔てられており、３６は直流
バイアス電源、３７は交流パルス電源である。第１の電
極３２はｎ型シリコン基板３１との間にｐｎ接合を形成
している。第１の電極３２には交流パルス電源３７が電
気的に接続されており、第１の電極３２と第２の電極３
４との間にかかる電圧と、第１の電極３２とｎ型シリコ
ン基板３１との間にかかる電圧とは極性が逆になってい
る。

【００２４】以上のように構成された第２の実施例につ
いて、以下その動作について説明する。

【００２５】図４（ａ）は、直流バイアス電源および交
流パルス電源が接続されていないときの電子エネルギー
帯図であり、図４（ｂ）は、直流バイアス電源および交
流パルス電源３７を接続し、第１の電極３２に正のパル
ス電圧を印加したときの電子エネルギー帯図、図４
（ｃ）は、第１の電極３２に負のパルス電圧を印加した
ときの電子エネルギー帯図である。これらの図におい
て、４１はｐｎ接合の電子エネルギー帯、４２は強誘電
体膜の電子エネルギー帯、４３は第２の電極３４の電子
エネルギー帯、４４は真空準位、４５はフェルミ準位、
４６は第２の電極３４に容量結合した電子、４７は第２
の電極３４と強誘電体膜３３との界面の界面準位に拘束
された電子、４８は強誘電体膜３３内の欠陥準位に拘束
された電子、４９はｎ型シリコン基板３１から第１の電
極３２に注入された電子である。

【００２６】ここで、直流バイアス電圧を印加し、第１
の電極３２に正のパルス電圧を印加すると、図２（ａ）
に示すように、第２の電極３４には容量結合した電子４
６が、第２の電極３４と強誘電体膜３３との界面には界
面準位に拘束された電子４７が、強誘電体膜３３内には
欠陥準位に拘束された電子４８がそれぞれ蓄積されるほ
か、ｐｎ接合部は順方向バイアスとなっているので、第
１の電極３２にはｎ型シリコン基板３１から電子４９が
拡散注入され、これらの一部は強誘電体膜３３と第１の
電極３２との界面の界面準位に拘束された電子４７とな
る。

【００２７】次に第１の電極３２に負のパルスを印加す
ると、図４（ｃ）に示すように強誘電体膜３３の分極が
反転し、界面準位に拘束された電子４７が反転した分極
電荷による電界によって真空準位４４に飛び出す。さら
に強誘電体膜３３の欠陥準位に拘束された電子４８が、
強誘電体膜３３にかかる電界に加速され、欠陥準位間を
ホッピングしながら真空準位４４へ飛び出す。これに加
えて第１の電極３２と強誘電体膜３３との間の界面準位
に拘束された電子４７も電界に加速されて真空準位４４
へ放出されることとなる。

【００２８】なお本実施例において基板としてｎ型シリ
コン基板を使用し、第１の電極としてｐ型拡散層を用
い、ｐｎ接合を利用した場合について説明したが、ｐ型
シリコン基板にｎ型ウエルを形成し、そのｎ型ウエルに
ｐ型拡散層を形成して第１の電極として用いても同様の
電子放出装置を構成することができる。またｐｎ接合を
利用するのでなければ、ｐ型シリコン基板にｎ型拡散層
を形成し、このｎ型拡散層を第１の電極として用いても
よい。

【００２９】次に本発明の一実施例における表示装置に
ついて、図面を参照しながら説明する。図５は同表示装
置の立体断面図である。図５において、５１はｎ型シリ
コン基板、５２はｐ型拡散層からなる第１の電極、５３
はＰＺＴなどの強誘電体膜、５４は第１の電極５２に直
交するようにして形成された白金膜などからなる第２の
電極、５５はシリコン酸化膜などからなる絶縁層、５６
は絶縁層５５に設けた開口、５７は蛍光体層、５８は透
明導電層からなる第３の電極、５９は透明基板、６０は
直流バイアス電源、６１は交流パルス電源である。なお
第１の電極５２および第２の電極５４は、図面では省略
したが、それぞれスイッチを介して交流パルス電源６１
に接続されているものとする。このように本実施例は、
ｎ型シリコン基板５１の上に電子放出部を多数設け、こ
のｎ型シリコン基板５１に対向して蛍光体層５７、透明
導電層５８を形成した透明基板５９を設置し、それぞれ
の基板の周辺で真空封止しておくことにより表示装置を
構成したものである。

【００３０】すなわち、ｎ型シリコン基板５１の上に平
行に配置された多数の第１の電極５２と、強誘電体膜５
３を介して平行に配置された多数の第２の電極５４とが
互いに直角に配置されている。多数の第２の電極５４
は、電子を真空中に放出するための開口５６を備えたシ
リコン酸化膜からなる絶縁層５５で互いに電気的に絶縁
されている。第１の電極５２と第２の電極５４の終端
は、それぞれスイッチ（図示せず）を介して交流パルス
電源６１に接続されている。一方、交流パルス電源６１
に対して直流バイアス電源６０によってバイアスされた
放出電子を捕獲する第３の電極５８は、開口５６より空
間を隔てて電子放出面と対向する透明基板５９の上に形
成された透明導電層であり、たとえば酸化インジウムス
ズ（ＩＴＯ）などが使用される。さらに、本実施例で
は、電子の到達面である透明導電層５８の面上に蛍光体
５７が塗布されている。なお、シリコン基板５１と透明
基板５９とは絶縁層５５の上にスペーサを設けて重ね合
わせることによって、両者の間隔を均一に保持すること
ができる。

【００３１】以上のように構成された表示装置につい
て、以下その動作について説明する。まず、交流パルス
電源６１によって第１の電極５２、強誘電体膜５３、お
よび第２の電極５４からなるキャパシタへの充放電動作
は図３に示す電子パルス放出装置に同じであるが、電子
が放出される場所は、第１の電極５２と第２の電極５４
のおのおのに接続されているスイッチ（図示せず）の開
閉状態を組み合わせることによって選択される格子上の
点になる。このように、選択された任意の格子点の開口
５６から放出された電子は、直流バイアス電源６０によ
る電界で加速されて第３の電極５８に到達するが、本実
施例では蛍光体５７を第３の電極５８の面上に塗布して
あるので、加速された電子は蛍光体５７に衝突し、これ
を発光させる。すなわち、透明基板５９の内面の任意の
場所を選択して発光させることができるので、平面画像
表示装置として利用できる。

【００３２】上記実施例における表示装置では、第１の
電極５２としてｎ型シリコン基板５１に形成されたｐ型
拡散層を用いた例について説明したが、これはｐｎ接合
を利用して効率を上げた例であり、単に拡散層を配線と
して使用するのであれば、導電型にはこだわる必要はな
い。また基板として半導体基板を使用するのではなく、
絶縁性基板上に導電性材料で複数本の第１の電極を形成
し、この第１の電極を覆って強誘電体膜を形成し、この
強誘電体膜の上に第１の電極に直交するようにして第２
の電極を形成しても同様の表示装置を構成することがで
きる。

【００３３】また上記実施例における表示装置では、第
２の電極５４として白金膜を用いた例について説明した
が、白金膜以外にも仕事関数の低い金属を使用するか、
または低抵抗の金属の表面に酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）やセシウム（Ｃｓ）など電子放出効率の高い材料を
塗布することにより、さらに電子放出効率の高い電子パ
ルス放出装置を備えた表示装置を構成することができ
る。

【００３４】また表示装置をカラー化するに際しては、
第１の電極５２と第２の電極５４との交点に対応する透
明基板５９の上に異なる発色を示す蛍光体膜を形成して
もよいし、また蛍光体膜５７として白色発光のものを選
択し、透明基板５９にモザイク状のカラーフィルタを重
ねてもよい。このとき、第１の電極５２と第２の電極５
４との交点が行同士または列同士で互いに半ピッチずつ
ずれるようにしておけば、鮮やかな色表示を可能にす
る。

【００３５】なお、基板としてシリコン単結晶基板を用
いた場合、通常の半導体装置の製造方法を用いて電極形
成できるとともに、表示部の周辺に高性能の駆動回路を
形成でき、小型・高性能の表示装置を構成することがで
きる。

【００３６】また、基板として透明基板上に多結晶シリ
コン膜または非晶質シリコン膜を形成したものを用いた
場合、シリコン単結晶基板を用いた場合に比べて多少性
能は劣るものの、大画面の表示装置を構成することがで
きる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、支持基板上に形成された第１
の電極と、第１の電極の上に形成された強誘電体膜と、
強誘電体膜の上に第１の電極と接触することなく形成さ
れた第２の電極と、第２の電極と空間を介して対向する
第３の電極からなり、電極に容量結合として蓄積された
電子、電極と強誘電体膜の界面準位に拘束された電子、
および強誘電体膜内の欠陥準位に拘束された電子を放出
させることにより、低電圧で放出電流密度の高い電子パ
ルス放出装置を実現できるものである。たとえば強誘電
体膜を２００ｎｍ程度の厚さにすると、±５Ｖ程度の低
電圧で強誘電体の分極を反転させることが可能であり、
低電圧動作させることができる。

【００３８】また、基板としてｎ型シリコン基板を用
い、ｐ型拡散層を第１の電極としてその上に強誘電体
膜、第２の電極を順次形成し、これらの上に第３の電極
を設置することによりさらにｐｎ接合部から注入された
電子も放出電子として利用できるため、さらに放出電流
密度を高くすることができる。

【００３９】また、電子放出面は金属または酸化物の平
面構造であり、放出電流の集中がなく、ガスの吸脱着の
影響を受けにくい電子パルス放出装置を実現できる。

【００４０】さらに、上記の電子パルス放出装置を応用
し、第３の電極の上に蛍光体膜を塗布しておくことによ
り、放出された電子により蛍光体膜が励起されて発光す
るために、極めて薄型の表示装置を実現することができ
る。

【００４１】また、表示装置の基板として単結晶シリコ
ン基板を用い、表示部の周辺部に駆動回路を一体的に形
成することができ、表示装置の入力端子数および外付け
回路を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における電子パルス放出
装置の断面図

【図２】（ａ）は同電子パルス放出装置において、第１
の電極に対して正であるパルス電圧を第２の電極に印加
したときの電子エネルギー帯図（ｂ）は同電子パルス放出装置において、第１の電極に
対して負であるパルス電圧を第２の電極に印加したとき
の電子エネルギー帯図

【図３】本発明の第２の実施例における電子パルス放出
装置の断面図

【図４】（ａ）は、同電子パルス放出装置において、直
流バイアス電圧およびパルス電圧が印加されていないと
きの電子エネルギー帯図（ｂ）は、同電子パルス放出装置において、直流バイア
ス電圧を印加し、ｐ型拡散層に正のパルス電圧を印加し
たときの電子エネルギー帯図（ｃ）は、同電子パルス放出装置において、直流バイア
ス電圧を印加し、ｐ型拡散層に負のパルス電圧を印加し
たときの電子エネルギー帯図

【図５】本発明の一実施例における表示装置の立体断面
図

【図６】従来の電子パルス放出装置の要部断面図

【符号の説明】１支持基板２第１の電極３強誘電体膜４第２の電極５第３の電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有田浩二大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内 (72)発明者松田明浩大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板と、前記支持基板の上に形成さ
れた第１の電極と、前記第１の電極の上に形成された強
誘電体膜と、前記強誘電体膜の上に前記第１の電極と接
触することなく形成された第２の電極と、前記第２の電
極と空間を介して対向する第３の電極とからなる電子パ
ルス放出装置。
【請求項２】支持基板が一方導電型の半導体基板であ
り、第１の電極が前記半導体基板の上に形成された他方
導電型の拡散層である請求項１記載の電子パルス放出装
置。
【請求項３】一主面上に複数の第１の電極と、前記第
１の電極の上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電体
膜の上に前記第１の電極と接触することなく形成された
複数の第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極の交
点に開口を有する絶縁層とを備えた支持基板と、透明導
電層と蛍光体層が順に形成された透明基板とが空間を介
して対向して保持され、かつ周辺部で封止されてなる表
示装置。
【請求項４】支持基板が一方導電型の半導体基板であ
り、第１の電極が前記半導体基板の上に形成された他方
導電型の拡散層である請求項３記載の表示装置。
【請求項５】支持基板の上に、複数の第１の電極およ
び複数の第２の電極に電気信号を供給するための駆動回
路を設けた請求項４記載の表示装置。
【請求項６】複数の第１の電極と複数の第２の電極と
の交点が、行または列同士で半ピッチずれている請求項
３、４または５記載の表示装置。
【請求項７】複数の第１の電極と複数の第２の電極の
交点に対応して透明基板の上に２種類以上の蛍光体が独
立してマトリックス状に塗布されている請求項３、４、
５または６記載の表示装置。