JPH1154025A - Cold electron emitting element and its manufacture - Google Patents
Cold electron emitting element and its manufactureInfo
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- JPH1154025A JPH1154025A JP21369297A JP21369297A JPH1154025A JP H1154025 A JPH1154025 A JP H1154025A JP 21369297 A JP21369297 A JP 21369297A JP 21369297 A JP21369297 A JP 21369297A JP H1154025 A JPH1154025 A JP H1154025A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強電界によって冷
電子を放出する電界放射型の冷電子放出素子及びその製
造方法に関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微
鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃とし
て、あるいは照明ランプの超小型照明源として、特に、
平面ディスプレイを構成するアレイ状のFEA(Field E
mitter Array)の電子発生源として有用な冷電子放出素
子及びその製造方法に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a field emission type cold electron emitting device that emits cold electrons by a strong electric field and a method of manufacturing the same. More specifically, as an electron source or electron gun such as an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure device, or as a micro illumination source of an illumination lamp,
Array-like FEA (Field E
The present invention relates to a cold electron emission element useful as an electron source of a mitter array and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、電子ディスプレイデバイスと
して陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電
子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギ
ー消費量が大きく、また、構造的に大きな容積を必要と
するなどの問題があった。2. Description of the Related Art Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy to emit thermoelectrons from a cathode of an electron gun, and is structurally large. There were problems such as requiring a volume.
【0003】このため、熱電子ではなく冷電子を利用で
きるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減さ
せ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディス
プレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型
ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現すること
も強く求められている。[0003] For this reason, there has been a demand for a flat display in which cold electrons can be used instead of thermoelectrons, thereby reducing the energy consumption as a whole and further reducing the size of the device itself. There is also a strong demand for such a flat display to realize high-speed response and high resolution.
【0004】このような冷電子を利用する平面型ディス
プレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な
冷電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されて
いる。そして、そのために使用する冷電子放出素子とし
て、電界放射現象を利用した電界放射型の冷電子放出素
子が注目されている。この電界放射型の冷電子放出素子
は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に
応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、
電界強度が107V/cm以上の強電界となると、物質中
の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破
できるようになり、そのため物質から電子が放出される
という現象を利用している。この場合、電場がポアッソ
ンの方程式に従うために、電子を放出する部材(エミッ
タ)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引
き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができ
る。As a structure of such a flat display utilizing cold electrons, a structure in which minute cold electron-emitting devices are arranged in an array in a flat plate cell in a high vacuum is considered to be promising. As a cold electron-emitting device used therefor, a field-emission cold electron-emitting device utilizing a field emission phenomenon has been receiving attention. In this field emission type cold electron-emitting device, when the intensity of an electric field applied to a substance is increased, the width of an energy barrier on the surface of the substance is gradually reduced according to the intensity,
When the electric field intensity becomes a strong electric field of 10 7 V / cm or more, electrons in a substance can break through the energy barrier by a tunnel effect, and the phenomenon that electrons are emitted from the substance is used. In this case, since the electric field complies with Poisson's equation, if a portion where the electric field is concentrated is formed on a member (emitter) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.
【0005】このような電界放射型の冷電子放出素子の
一般的なものとしては、図5に示すように、先端が尖っ
た円錐形の冷電子放出素子を例示することができる。こ
の素子においては、絶縁性基板51上に導電層52、絶
縁層53及びゲート電極54が順次積層されており、そ
の絶縁層53及びゲート電極54には、導電層52に達
する開口部Aが形成されている。そして、その開口部A
内の導電層52上には、少なくともゲート電極54に接
触しないように、点状突起Poを有する円錐形状のエミ
ッタ55が形成されている。As a general example of such a field emission type cold electron emitting device, a conical cold electron emitting device having a sharp tip as shown in FIG. 5 can be exemplified. In this device, a conductive layer 52, an insulating layer 53, and a gate electrode 54 are sequentially laminated on an insulating substrate 51, and an opening A reaching the conductive layer 52 is formed in the insulating layer 53 and the gate electrode 54. Have been. And the opening A
A conical emitter 55 having a point-like projection Po is formed on the conductive layer 52 in such a manner as not to contact at least the gate electrode 54.
【0006】このような円錐形エミッタでは、スピント
型エミッタが広く知られている。Among such conical emitters, Spindt-type emitters are widely known.
【0007】スピント型エミッタを備えた冷電子放出素
子の製造例を、図6(a)〜(d)を参照しながら説明
する。An example of manufacturing a cold electron emitting device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (d).
【0008】まず、図6(a)に示すように、予め導電
層62が形成された絶縁性基板61上に、絶縁層63及
びゲート電極64をスパッタ法又は真空蒸着法等により
順次成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法と反応
性イオンエッチング法(RIE)とを利用して絶縁層6
3及びゲート電極64の一部を、導電層62が露出する
まで円形の孔(ゲート孔)が開口するようにエッチング
する。First, as shown in FIG. 6A, an insulating layer 63 and a gate electrode 64 are sequentially formed on an insulating substrate 61 on which a conductive layer 62 has been formed by sputtering or vacuum evaporation. . Subsequently, the insulating layer 6 is formed using photolithography and reactive ion etching (RIE).
3 and a part of the gate electrode 64 are etched such that a circular hole (gate hole) is opened until the conductive layer 62 is exposed.
【0009】次に、図6(b)に示すように、斜方蒸着
によりリフトオフ材65をゲート電極64上面と側面に
のみ形成する。リフトオフ材65の材料としては、A
l、MgO等が多く使用されている。Next, as shown in FIG. 6B, a lift-off material 65 is formed only on the upper surface and side surfaces of the gate electrode 64 by oblique evaporation. The material of the lift-off material 65 is A
1, MgO and the like are often used.
【0010】続いて、図6(c)に示すように、導電層
62上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着によ
り、エミッタ66用の金属材料を蒸着する。このとき、
蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると同時
に導電層62上に円錐形のエミッタ66が自己整合的に
形成される。蒸着は、最終的にゲート孔が閉じるまで行
なう。エミッタの材料としては、Mo、Ni等を使用し
ている。Subsequently, as shown in FIG. 6C, a metal material for the emitter 66 is deposited on the conductive layer 62 by a normal anisotropic deposition from a perpendicular direction. At this time,
As the deposition proceeds, the conical emitter 66 is formed on the conductive layer 62 in a self-aligned manner at the same time as the opening diameter of the gate hole is reduced. The vapor deposition is performed until the gate hole is finally closed. As a material of the emitter, Mo, Ni, or the like is used.
【0011】最後に、図6(d)に示すように、リフト
オフ材65をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲ
ート電極64をパターニングする。これによりスピント
型エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。Finally, as shown in FIG. 6D, the lift-off material 65 is peeled off by etching, and the gate electrode 64 is patterned if necessary. Thus, a cold electron emitting device having a Spindt-type emitter is obtained.
【0012】このようなスピント型エミッタを備えた冷
電子放出素子では、異方性蒸着法により自己整合的に円
錐形状のエミッタが簡便に形成でき、さらにエミッタの
材料が広範囲に選定できるという利点を有している。The cold electron emission device having such a Spindt-type emitter has the advantages that a conical emitter can be easily formed in a self-aligned manner by anisotropic vapor deposition, and that the material of the emitter can be selected over a wide range. Have.
【0013】スピント型エミッタに代表される、微細加
工技術を利用した冷電子放出素子を特に平面ディスプレ
イ等に適用する場合、エミッタからのエミッション電流
の変動が小さいことが、高品位の画質を得るには必要不
可欠である。When a cold electron emitting device utilizing a fine processing technique represented by a Spindt-type emitter is applied to a flat display or the like in particular, a small fluctuation of the emission current from the emitter is required to obtain a high quality image. Is essential.
【0014】エミッション電流の変動は、エミッタを集
積化することで、ある程度低減することが可能である。
これは、集積化により個々のエミッタにおけるエミッシ
ョン特性のばらつきの影響が低減されるためである。し
かしながら、この方法では各エミッタからのエミッショ
ン電流を見かけ上平均化するにすぎないため、局所的に
現れる異常に大きなエミッション電流を抑制することは
不可能である。The fluctuation of the emission current can be reduced to some extent by integrating the emitter.
This is because the effect of variations in emission characteristics of individual emitters is reduced by integration. However, in this method, the emission current from each emitter is merely averaged, so that it is impossible to suppress an abnormally large emission current that appears locally.
【0015】このようなエミッション電流の変動を低減
する手段として、米国特許3789471では、スピント型エ
ミッタにおいて、導電層とエミッタの間に抵抗層を設け
る技術が示されている。As a means for reducing such a variation in emission current, US Pat. No. 3,787,471 discloses a technique in which a resistive layer is provided between a conductive layer and an emitter in a Spindt-type emitter.
【0016】このような抵抗層を具備した冷電子放出素
子の構成例を、図7を参照しながら説明する。An example of the configuration of a cold electron emission device having such a resistance layer will be described with reference to FIG.
【0017】絶縁性基板71上に導電層72、抵抗層7
3、絶縁層74及びゲート電極75が順次積層されてお
り、その絶縁層74及びゲート電極75には、抵抗層7
3に達する開口部Aが形成されている。そして、その開
口部A内の抵抗層73上には、少なくともゲート電極7
5に接触しないように、円錐形状のエミッタ76が形成
されている。A conductive layer 72 and a resistance layer 7 are formed on an insulating substrate 71.
3, an insulating layer 74 and a gate electrode 75 are sequentially laminated, and the insulating layer 74 and the gate electrode 75
An opening A reaching 3 is formed. Then, at least the gate electrode 7 is provided on the resistance layer 73 in the opening A.
A conical emitter 76 is formed so as not to come into contact with 5.
【0018】この場合、抵抗層73は導電層72とエミ
ッタ76との間に電気的に直列に挿入されている。この
抵抗層73により、素子間の電流を均一化する作用が得
られ、さらに素子破壊につながる大電流を低減するとと
もに、エミッション電流の変動も抵抗層73の抵抗値に
比例して減少させることが可能となる。抵抗層73の比
抵抗は102から106Ω・cmが適当とされている。In this case, the resistance layer 73 is electrically inserted between the conductive layer 72 and the emitter 76 in series. The resistance layer 73 provides an effect of equalizing the current between the elements, and further reduces a large current that may lead to element destruction, and also reduces a variation in emission current in proportion to the resistance value of the resistance layer 73. It becomes possible. It is appropriate that the specific resistance of the resistance layer 73 is 10 2 to 10 6 Ω · cm.
【0019】一方、半導体集積回路製造技術を応用した
シリコンエミッタもまた広く知られている(Tech.Dig.IV
MC.,(1991) p26)。On the other hand, a silicon emitter to which a semiconductor integrated circuit manufacturing technology is applied is also widely known (Tech. Dig. IV).
MC., (1991) p26).
【0020】シリコンエミッタを備えた冷電子放出素子
の製造例を、図8(a)〜(e)を参照しながら説明す
る。An example of manufacturing a cold electron-emitting device having a silicon emitter will be described with reference to FIGS.
【0021】まず、図8(a)に示すように、単結晶シ
リコン基板81を熱酸化して表面に酸化シリコン層を形
成し、その酸化シリコン層をフォトリソグラフィー法を
利用して円形にパターニングすることにより、円形のエ
ッチングマスク用酸化シリコン層82を形成する。この
酸化シリコン層82は後述するようにリフトオフ材とし
ても機能する。なお、酸化シリコン層82の径はほぼゲ
ート径に相当する。First, as shown in FIG. 8A, a single crystal silicon substrate 81 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer on the surface, and the silicon oxide layer is patterned into a circular shape by using photolithography. Thus, a circular silicon oxide layer 82 for an etching mask is formed. This silicon oxide layer 82 also functions as a lift-off material as described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 82 substantially corresponds to the gate diameter.
【0022】次に、図8(b)に示すように、サイドエ
ッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法(R
IE)によりシリコン基板81をエッチングし、エミッ
タ83を形成する。Next, as shown in FIG. 8B, the reactive ion etching method (R
The emitter 83 is formed by etching the silicon substrate 81 by IE).
【0023】続いて、図8(c)に示すように、熱酸化
によりシリコン基板81及びエミッタ83の表面にエミ
ッタ先端先鋭化用酸化シリコン層84を形成する。この
酸化シリコン層84の形成時に発生する応力により、酸
化シリコン層84の内側のエミッタ83の先端が容易に
尖鋭化される。Subsequently, as shown in FIG. 8C, a silicon oxide layer 84 for sharpening the tip of the emitter is formed on the surfaces of the silicon substrate 81 and the emitter 83 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 84 is formed, the tip of the emitter 83 inside the silicon oxide layer 84 is easily sharpened.
【0024】そして、図8(d)に示すように、異方性
蒸着法により絶縁層85、ゲート電極86を積層する。Then, as shown in FIG. 8D, an insulating layer 85 and a gate electrode 86 are laminated by anisotropic vapor deposition.
【0025】最後に、図8(e)に示すように、リフト
オフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコ
ン層82をエッチングによりリフトオフし、更に、エミ
ッタ83の表面の酸化シリコン層84をエッチング除去
する。そして必要に応じてゲート電極86をパターニン
グする。これによりシリコンエミッタを備えた冷電子放
出素子が得られる。Finally, as shown in FIG. 8E, the silicon oxide layer 82 for the etching mask, which also functions as a lift-off material, is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 84 on the surface of the emitter 83 is removed by etching. . Then, the gate electrode 86 is patterned as necessary. Thereby, a cold electron emission device having a silicon emitter is obtained.
【0026】さらに最近、シリコンエミッタにおいて、
シリコンの半導体としての性質を利用して高度な電流制
御が可能であることが示されている(Jpn.J.Appl.Phys.v
ol.35 (1996) p6637)。このような電流制御機能を搭載
したシリコンエミッタはMOSFET構造エミッタと称
される。このMOSFET構造エミッタを備えた冷電子
放出素子の構成を図9を参照しながら説明する。More recently, in silicon emitters,
It has been shown that advanced current control is possible using the properties of silicon as a semiconductor (Jpn.J. Appl.Phys.v.
ol. 35 (1996) p6637). A silicon emitter equipped with such a current control function is called a MOSFET structure emitter. The configuration of the cold electron-emitting device having the MOSFET structure emitter will be described with reference to FIG.
【0027】p型シリコン基板91の同一平面上に、n
型シリコンからなる円錐形のエミッタ92とn型シリコ
ン層93を介してエミッタ配線層94が設けられ、エミ
ッタ92とエミッタ配線層94の間に絶縁層95を介し
てゲート電極96が設置されている。即ち、このエミッ
タではMOSFET(metal-oxide-semiconductor field
-effect-transistor)構造を冷電子放出素子に内蔵した
構造をもち、冷電子放出素子のエミッタ配線層94がM
OSFETのソース、エミッタ92がドレイン、ゲート
電極96がゲート、絶縁層95がゲート絶縁膜としてそ
れぞれ機能する。On the same plane of the p-type silicon substrate 91, n
An emitter wiring layer 94 is provided via a conical emitter 92 of n-type silicon and an n-type silicon layer 93, and a gate electrode 96 is provided between the emitter 92 and the emitter wiring layer 94 via an insulating layer 95. . That is, in this emitter, a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field
-effect-transistor) structure in the cold electron-emitting device.
The source and emitter 92 of the OSFET function as a drain, the gate electrode 96 functions as a gate, and the insulating layer 95 functions as a gate insulating film.
【0028】MOSFET構造エミッタを備えた冷電子
放出素子の製造例を、図10(a)〜(g)を参照しな
がら説明する。An example of manufacturing a cold electron emitting device having a MOSFET structure emitter will be described with reference to FIGS.
【0029】まず、図10(a)に示すように、単結晶
のp型シリコン基板101を熱酸化して表面に酸化シリ
コン層(図示せず)を形成し、その酸化シリコン層をフ
ォトリソグラフィー法を利用して円形にパターニングす
ることにより、円形のエッチングマスク用酸化シリコン
層102を形成する。この酸化シリコン層102は後述
するようにリフトオフ材としても機能する。なお、酸化
シリコン層102の径はほぼゲート径に相当する。First, as shown in FIG. 10A, a single-crystal p-type silicon substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer (not shown) on the surface, and the silicon oxide layer is formed by photolithography. The silicon oxide layer 102 for a circular etching mask is formed by performing circular patterning using This silicon oxide layer 102 also functions as a lift-off material as described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 102 substantially corresponds to the gate diameter.
【0030】次に、図10(b)に示すように、サイド
エッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法
(RIE)によりp型シリコン基板101をエッチング
し、エミッタ103を形成する。Next, as shown in FIG. 10B, the p-type silicon substrate 101 is etched by reactive ion etching (RIE) under a condition of a high side etch rate to form an emitter 103.
【0031】続いて、図10(c)に示すように、熱酸
化によりp型シリコン基板101及びエミッタ103の
表面にエミッタ先端先鋭化用ならびに絶縁層用酸化シリ
コン層104を形成する。この酸化シリコン層104の
形成時に発生する応力により、酸化シリコン層104の
内側のエミッタ103の先端が容易に尖鋭化される。Subsequently, as shown in FIG. 10C, a silicon oxide layer 104 for sharpening the tip of the emitter and for the insulating layer is formed on the surfaces of the p-type silicon substrate 101 and the emitter 103 by thermal oxidation. The tip of the emitter 103 inside the silicon oxide layer 104 is easily sharpened by the stress generated when the silicon oxide layer 104 is formed.
【0032】そして、図10(d)に示すように、ゲー
ト電極105を成膜し、そのゲート電極105をフォト
リソグラフィー法を利用して、エミッタ配線用の円形孔
パターンを形成する。Then, as shown in FIG. 10D, a gate electrode 105 is formed, and a circular hole pattern for the emitter wiring is formed on the gate electrode 105 by using photolithography.
【0033】次に、図10(e)に示すように、リフト
オフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコ
ン層102をエッチングによりリフトオフし、更に、エ
ミッタ103の表面の酸化シリコン層104をエッチン
グ除去するとともにエミッタ配線孔を形成する。Next, as shown in FIG. 10E, the silicon oxide layer 102 for an etching mask, which also functions as a lift-off material, is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 104 on the surface of the emitter 103 is removed by etching. At the same time, an emitter wiring hole is formed.
【0034】続いて、図10(f)に示すように、リン
をイオン注入した後拡散アニールを施し、エミッタ10
3をn型化するとともに、エミッタ配線孔表面にn型シ
リコン層106を生成する。Subsequently, as shown in FIG. 10F, diffusion annealing is performed after phosphorus is ion-implanted, and
3 is made n-type, and an n-type silicon layer 106 is formed on the surface of the emitter wiring hole.
【0035】最後に、図10(g)に示すように、エミ
ッタ配線用及びゲート配線用電極材料としてアルミニウ
ム等の金属薄膜107を成膜した後、必要に応じてゲー
ト電極105をパターニングする。これによりMOSF
ET構造エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。Finally, as shown in FIG. 10 (g), after a metal thin film 107 such as aluminum is formed as an electrode material for the emitter wiring and the gate wiring, the gate electrode 105 is patterned as necessary. This allows MOSF
A cold electron emission device having an ET structure emitter is obtained.
【0036】このようなMOSFET構造を有したシリ
コンエミッタからなる冷電子放出素子では、従来のシリ
コンエミッタとほぼ同様の作製工程で容易に作製できる
にも関わらず、MOSトランジスタを素子に内蔵するこ
とにより、トランジスタ制御された非常に安定したエミ
ッション電流が得られ、かつ局所的な大電流の発生をな
くすることができるため素子破壊も原理的に起こり得な
いという、大きな特徴を有する。In a cold electron emission device comprising a silicon emitter having such a MOSFET structure, although a MOS transistor can be easily manufactured in substantially the same manufacturing process as a conventional silicon emitter, a MOS transistor is built in the device. An extremely stable emission current controlled by a transistor can be obtained, and the generation of a local large current can be eliminated.
【0037】[0037]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電流安
定化のために抵抗層を施した冷電子放出素子において
は、局所的な大電流に対して十分な電流低減特性を得る
ためには、より大きな抵抗を与える必要が生じるととも
に、電流変動も個々の素子の特性に対して相対的に低減
できるに止まること、さらには原理的に動作電圧の上昇
が避けられないという問題があった。However, in a cold electron emitting device provided with a resistance layer for stabilizing a current, a larger current reducing characteristic is required to obtain a sufficient current reduction characteristic with respect to a local large current. In addition to the necessity of providing a resistance, there has been a problem that the current fluctuation can be reduced only relative to the characteristics of the individual elements, and further, an increase in the operating voltage cannot be avoided in principle.
【0038】一方、電流制御機能を搭載したMOSFE
T構造を有したシリコンエミッタでは、トランジスタ制
御による非常に高いレベルでの安定な電流が得られる
が、単結晶シリコン基板が必要とすることから、低コス
ト化及び大面積化が困難であるという問題があった。On the other hand, a MOSFE equipped with a current control function
In a silicon emitter having a T structure, a stable current at a very high level can be obtained by transistor control. However, since a single crystal silicon substrate is required, it is difficult to reduce the cost and increase the area. was there.
【0039】本発明は、以上の従来技術の課題を解決し
ようとするものであり、半導体薄膜を用いて素子自体に
電流制御機能を搭載することで、動作電圧を上昇させる
ことなく局所的な大電流を抑えるとともに電流変動を最
小限に低減でき、かつ、ガラス基板等を用いることで低
コスト化及び大面積化を容易とした、電界放射型の冷電
子放出素子を提供することを目的とする。The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the prior art. By mounting a current control function on a device itself using a semiconductor thin film, a local large scale operation can be performed without increasing the operating voltage. It is an object of the present invention to provide a field emission type cold electron emitting element that can suppress current and reduce current fluctuation to a minimum, and can easily reduce cost and increase area by using a glass substrate or the like. .
【0040】[0040]
【課題を解決するための手段】本発明者は、絶縁性基板
上に半導体薄膜層を設け、その半導体薄膜層の同一平面
上に、第1の導電層(エミッタ配線層)と非単結晶シリ
コンからなるエミッタとを互いに直接接触することなく
形成することにより、ソース(第1の導電層)、ドレイ
ン(エミッタ)及びチャネル(半導体薄膜層)を含む薄
膜トランジスタ(TFT)構造を、単結晶シリコン基板
を使用することなく容易に電子放出素子中に作り込むこ
とができることを見出し、本発明を完成させるに至っ
た。The inventor of the present invention has provided a semiconductor thin film layer on an insulating substrate, and a first conductive layer (emitter wiring layer) and non-single-crystal silicon on the same plane of the semiconductor thin film layer. Are formed without directly contacting each other, thereby forming a thin film transistor (TFT) structure including a source (first conductive layer), a drain (emitter) and a channel (semiconductor thin film layer) on a single crystal silicon substrate. They have found that they can be easily incorporated into an electron-emitting device without using them, and have completed the present invention.
【0041】即ち、本発明は、絶縁性基板上に、絶縁層
及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層
とには開口部が設けられ、その開口部内にエミッタが該
ゲート電極に接触しないように形成されてなる電界放射
型の冷電子放出素子において、エミッタの材料は非単結
晶シリコンであり、第1の導電層が該開口部以外の絶縁
性基板上に形成されており、絶縁性基板とエミッタとの
間及び絶縁性基板と第1の導電層との間に半導体薄膜層
が形成され、且つエミッタと第1の導電層とが半導体薄
膜層の同一平面上に互いに直接接触することなく形成さ
れていることを特徴とする冷電子放出素子を提供する。That is, according to the present invention, an insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, an opening is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is provided in the opening in the gate electrode. In a field emission type cold electron emission element formed so as not to contact, the material of the emitter is non-single-crystal silicon, and the first conductive layer is formed on an insulating substrate other than the opening, A semiconductor thin film layer is formed between the insulating substrate and the emitter and between the insulating substrate and the first conductive layer, and the emitter and the first conductive layer are in direct contact with each other on the same plane of the semiconductor thin film layer. Provided is a cold electron emission element characterized by being formed without performing.
【0042】特に、上述の冷電子放出素子の複数個を集
積化してマトリックスアレイ化する場合には、エミッタ
と半導体薄膜層との間に金属薄膜からなる第2の導電層
を設けて各エミッタ同士を互いに接続することが好まし
い。In particular, when a plurality of the cold electron emitting elements described above are integrated to form a matrix array, a second conductive layer made of a metal thin film is provided between the emitter and the semiconductor thin film layer, and each emitter is connected to each other. Are preferably connected to each other.
【0043】また、本発明は、上記の冷電子放出素子の
製造方法において: (a) 絶縁性基板上に半導体薄膜層、金属薄膜層を成
膜した後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法によ
りパターニングして第1の導電層を形成し、続いて、エ
ミッタ材料層、エッチングマスク材料層を順次成膜する
工程; (b) エッチングマスク材料層をフォトリソグラフィ
ー法によりゲートの開口径を具備する円形または多角形
パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりエミ
ッタ材料層を第1の導電層を残しながら半導体薄膜層が
露出するまでエッチングし、エミッタを形成する工程; (c) 絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法に
より、半導体薄膜層上に絶縁層材料及びゲート電極材料
を成膜し、自己整合的に絶縁層及びゲート電極を形成す
る工程;及び (d) エッチングマスク層を剥離すると同時に、ゲー
ト電極上の絶縁層材料及びゲート電極材料を剥落させる
工程を含んでなることを特徴とする製造方法を提供す
る。The present invention also relates to a method for manufacturing a cold electron emitting device as described above: (a) After forming a semiconductor thin film layer and a metal thin film layer on an insulating substrate, the metal thin film layer is formed by photolithography. Patterning to form a first conductive layer, and then successively forming an emitter material layer and an etching mask material layer; (b) forming the etching mask material layer in a circular shape having a gate opening diameter by photolithography. Or forming a polygonal pattern and etching the emitter material layer by reactive ion etching until the semiconductor thin film layer is exposed while leaving the first conductive layer, thereby forming an emitter; An insulating layer material and a gate electrode material are formed on the semiconductor thin film layer by a vertical anisotropic vapor deposition method, and the insulating layer and the gate electrode are self-aligned. A step of forming; and (d) at the same time peeling off the etching mask layer, to provide a manufacturing method characterized by comprising the step of flaking the insulating layer material and the gate electrode material on the gate electrode.
【0044】特に、上述の冷電子放出素子の複数個を集
積化してマトリックスアレイ化する場合には、工程
(a)において、金属薄膜層をフォトリソグラフィー法
によりパターニングして第1の導電層を形成する際に、
同時にエミッタが形成されるべき絶縁性基板上に第2の
導電層を形成し、且つ工程(b)において、エッチング
マスク材料層をフォトリソグラフィー法によりゲートの
開口径を具備する円形または多角形パターンを形成し、
反応性イオンエッチングによりエミッタ材料層を、第1
の導電層と第2の導電層とを残しながら半導体薄膜層が
露出するまでエッチングしてエミッタを形成することが
好ましい。In particular, when a plurality of the cold electron-emitting devices described above are integrated to form a matrix array, the first conductive layer is formed by patterning the metal thin film layer by photolithography in the step (a). When doing
At the same time, a second conductive layer is formed on the insulating substrate on which the emitter is to be formed, and in the step (b), the etching mask material layer is formed by photolithography into a circular or polygonal pattern having a gate opening diameter. Forming
The emitter material layer is formed by reactive ion etching.
It is preferable to form the emitter by etching until the semiconductor thin film layer is exposed while leaving the conductive layer and the second conductive layer.
【0045】[0045]
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に従って詳細
に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【0046】図1(a)は、本発明の冷電子放出素子の
断面図である。同図に示すように、この冷電子放出素子
は、絶縁性基板1上に、半導体薄膜層2、絶縁層3及び
ゲート電極4が順次積層された構造を有する。そして、
ゲート電極4と絶縁層3とには半導体薄膜層2に達する
開口部A(エミッタ用孔)が設けられており、その開口
部A内の半導体薄膜層2上には、非単結晶シリコンから
なる円錐形または円錐台形のエミッタ5がゲート電極4
に接触しないように形成されている。また、第1の導電
層6が、開口部A外の半導体薄膜層2上に設けられてい
る。この場合、図1(a)に示すように、第1の導電層
6上に絶縁層3とゲート電極4とが積層されている態様
が素子の集積化の観点から好ましいが、図1(b)に示
すように、第1の導電層6上に絶縁層3とゲート電極4
とが積層されていなくてもよい。FIG. 1A is a cross-sectional view of the cold electron emitting device of the present invention. As shown in FIG. 1, the cold electron emission element has a structure in which a semiconductor thin film layer 2, an insulating layer 3, and a gate electrode 4 are sequentially stacked on an insulating substrate 1. And
An opening A (emitter hole) reaching the semiconductor thin film layer 2 is provided in the gate electrode 4 and the insulating layer 3, and the semiconductor thin film layer 2 in the opening A is made of non-single-crystal silicon. The conical or frustoconical emitter 5 is a gate electrode 4
It is formed so as not to contact with. Further, the first conductive layer 6 is provided on the semiconductor thin film layer 2 outside the opening A. In this case, as shown in FIG. 1A, a mode in which the insulating layer 3 and the gate electrode 4 are stacked on the first conductive layer 6 is preferable from the viewpoint of device integration. 3), the insulating layer 3 and the gate electrode 4 are formed on the first conductive layer 6.
May not be stacked.
【0047】本発明において絶縁性基板1は、冷電子放
出素子の支持絶縁性基板として用いられており、大面積
化が容易な絶縁性基板を好ましく使用することができ
る。このような絶縁性基板としては、ガラス基板、セラ
ミックス基板、石英基板などを使用することができる。
なお、単結晶シリコンの表面に絶縁膜が形成された基板
も使用することができる。In the present invention, the insulating substrate 1 is used as a supporting insulating substrate for a cold electron emitting device, and an insulating substrate that can be easily enlarged can be preferably used. As such an insulating substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or the like can be used.
Note that a substrate in which an insulating film is formed over the surface of single crystal silicon can also be used.
【0048】半導体薄膜層2は、TFTのチャネルとし
て機能する。このような半導体薄膜層2としては、液晶
ディスプレイのスイッチング素子として広く用いられて
いるTFTと同様の公知の材料から形成することができ
る。例えば、特に絶縁性基板1としてガラス基板を用い
る場合には、水素化アモルファスシリコン、レーザーア
ニールによるポリシリコンを用いることができる。The semiconductor thin film layer 2 functions as a TFT channel. Such a semiconductor thin film layer 2 can be formed from a known material similar to a TFT widely used as a switching element of a liquid crystal display. For example, particularly when a glass substrate is used as the insulating substrate 1, hydrogenated amorphous silicon or polysilicon obtained by laser annealing can be used.
【0049】半導体薄膜層2の厚みとしては、TFTの
チャネルとして動作しうる厚みとして、例えば、0.2
〜2μm、好ましくは0.3〜0.7μmとする。The thickness of the semiconductor thin film layer 2 is, for example, 0.2 μm so that it can operate as a TFT channel.
To 2 μm, preferably 0.3 to 0.7 μm.
【0050】絶縁層3は、エミッタ5及び第1の導電層
6とゲート電極4を電気的に絶縁するための層である。
さらに、半導体薄膜層2とゲート電極4とを電気的に絶
縁するためにも同時に使用される。すなわち、TFTの
ゲート絶縁膜としても機能する。このような絶縁層3と
しては、自己整合的に形成するために異方性蒸着が望ま
しく、オゾンと酸素の混合ガスを反応ガスとして用いる
反応性のチムニー式抵抗加熱蒸着法による酸化シリコン
が特に良好な絶縁性を得ることができる。The insulating layer 3 is a layer for electrically insulating the gate electrode 4 from the emitter 5 and the first conductive layer 6.
Further, they are used simultaneously to electrically insulate the semiconductor thin film layer 2 and the gate electrode 4. That is, it also functions as a TFT gate insulating film. Such an insulating layer 3 is desirably anisotropic vapor deposition in order to form it in a self-aligned manner, and is particularly preferably silicon oxide by a reactive chimney resistance heating vapor deposition method using a mixed gas of ozone and oxygen as a reaction gas. High insulation properties can be obtained.
【0051】絶縁層3の厚みとしては、エミッタ5、第
1の導電層6及び半導体薄膜層2とゲート電極4との間
に十分な絶縁性が保たれればよく、例えば、0.2〜2
μm、好ましくは0.3〜0.7μmとする。The thickness of the insulating layer 3 may be such that sufficient insulation between the emitter 5, the first conductive layer 6, and the semiconductor thin film layer 2 and the gate electrode 4 is maintained. 2
μm, preferably 0.3 to 0.7 μm.
【0052】ゲート電極4は、エミッタ5に強電界を集
中させるための電極であり、且つTFTのゲート電極と
して機能する。ゲート電極4の材料としては、耐電流性
の点から高融点金属であって、エミッタ5の形成時に使
用するエッチング液に耐性を有する材料を使用すること
ができ、好ましくはCr、W、Ta又はNbを挙げるこ
とができる。中でも、下地との密着性の面からNbを使
用することが好ましい。The gate electrode 4 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 5 and functions as a gate electrode of the TFT. As a material for the gate electrode 4, a material having a high melting point from the viewpoint of current resistance and having resistance to an etching solution used when forming the emitter 5 can be used, and preferably Cr, W, Ta, or Nb can be mentioned. Above all, it is preferable to use Nb from the viewpoint of adhesion to the base.
【0053】ゲート電極4の厚みは、必要に応じて適宜
決定することができるが、0.1〜0.5μmとする。The thickness of the gate electrode 4 can be appropriately determined as needed, and is set to 0.1 to 0.5 μm.
【0054】エミッタ5は、その表面から冷電子を直接
的に放出する部材であり、非単結晶シリコンから構成す
る。ここで、エミッタ5を非単結晶シリコン、例えばポ
リシリコンまたはアモルファスシリコンから構成した場
合、エミッタ5自体がある程度の抵抗をもつために、よ
り安定なエミッション特性を得ることができる。The emitter 5 is a member that emits cold electrons directly from its surface, and is made of non-single-crystal silicon. Here, when the emitter 5 is made of non-single-crystal silicon, for example, polysilicon or amorphous silicon, more stable emission characteristics can be obtained because the emitter 5 itself has a certain degree of resistance.
【0055】エミッタ5全体の厚み(高さ)は、必要に
応じて適宜決定することができるが、通常0.3〜2μ
mとすることが好ましい。The thickness (height) of the entire emitter 5 can be appropriately determined as required, and is usually 0.3 to 2 μm.
m is preferable.
【0056】また、エミッタ5の形状としては、円錐形
または円柱形、或いは円錐台形または多角錐台であるこ
とが好ましい。The shape of the emitter 5 is preferably a cone or a cylinder, or a truncated cone or a truncated polygon.
【0057】第1の導電層6は、エミッタ配線層として
機能し且つTFTのソースとしても機能する。このよう
な第1の導電層6の材料としては、配線抵抗が低く、下
層の半導体薄膜層2と密着性が高くかつオーミック接触
する材料が適当である。このような材料として、特に好
ましくはCr又はAl、Cr積層膜を挙げることができ
る。ただし、製法によってはエミッタ5の材料と同じ材
料となるが、その場合には、エミッタ5と第1の導電層
6の両方の要求特性を満たした材料が用いられる。この
ような材料としては、エミッタ5の材料とAl、Cu及
びAuの積層膜等をあげることができる。The first conductive layer 6 functions as an emitter wiring layer and also functions as a source of the TFT. As a material of such a first conductive layer 6, a material having a low wiring resistance, a high adhesiveness to the underlying semiconductor thin film layer 2, and an ohmic contact is appropriate. Such a material is particularly preferably a Cr or Al, Cr laminated film. However, depending on the manufacturing method, the material may be the same as the material of the emitter 5, but in that case, a material that satisfies the required characteristics of both the emitter 5 and the first conductive layer 6 is used. Examples of such a material include a laminated film of the material of the emitter 5 and Al, Cu, and Au.
【0058】第1の導電層6の膜厚としては、十分な配
線抵抗と密着性が得られる限り特に制限はないが、通常
0.05〜2.0μm、好ましくは0.1〜1.0μm
とする。The thickness of the first conductive layer 6 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.05 to 2.0 μm, preferably 0.1 to 1.0 μm.
And
【0059】図2は、本発明の別の態様の冷電子放出素
子の断面図である。この冷電子放出素子は、図1に示し
た冷電子放出素子のエミッタ5と半導体薄膜層2との間
に金属薄膜からなる第2の導電層8(エミッタ接続層)
を設けた場合に相当する。このような第2の導電層8を
設けることにより、複数の電子放出素子を集積化してマ
トリックスアレイ構造とする際に、複数のエミッタ5を
互いに電気的に接続することができ、従って、複数個の
エミッタ5に対して同時に電流制御を行うことができ
る。FIG. 2 is a sectional view of a cold electron emitting device according to another embodiment of the present invention. This cold electron emitting device has a second conductive layer 8 (emitter connection layer) made of a metal thin film between the emitter 5 and the semiconductor thin film layer 2 of the cold electron emitting device shown in FIG.
Is equivalent to the case where. By providing such a second conductive layer 8, when a plurality of electron-emitting devices are integrated into a matrix array structure, a plurality of emitters 5 can be electrically connected to each other. Current control can be performed on the emitters 5 at the same time.
【0060】次に、図1(a)の態様の冷電子放出素子
の製造方法を、図3に従って説明する。Next, a method of manufacturing the cold electron-emitting device of the embodiment shown in FIG. 1A will be described with reference to FIG.
【0061】工程(a) まず、絶縁性基板1上に非単結晶シリコンなどからなる
半導体薄膜層2をCVD法等により成膜し、続いて第1
の導電層6用の金属薄膜を蒸着法等により成膜した後、
フォトリソグラフィー法により所望のTFTのチャネル
長を実現するようにパターニングして第1の導電層6を
形成する。ここで、半導体薄膜層2の材料である非単結
晶シリコンとしては、プラズマエンハンスト(PE)C
VD法で成膜された水素化アモルファスシリコン、また
は熱CVDもしくはPECVD法で成膜されたアモルフ
ァスシリコン膜を例えばレーザーアニール等でアニール
処理し生成したポリシリコンを好ましく用いることがで
きる。Step (a) First, a semiconductor thin film layer 2 made of non-single-crystal silicon or the like is formed on an insulating substrate 1 by a CVD method or the like.
After forming a metal thin film for the conductive layer 6 by vapor deposition or the like,
The first conductive layer 6 is formed by patterning by photolithography so as to realize a desired TFT channel length. Here, the non-single-crystal silicon as the material of the semiconductor thin film layer 2 is plasma enhanced (PE) C
Hydrogenated amorphous silicon formed by the VD method, or polysilicon formed by annealing an amorphous silicon film formed by the thermal CVD or PECVD method by, for example, laser annealing can be preferably used.
【0062】さらに、エミッタ材料層5´を成膜する。
ここで、エミッタ材料層5´の成膜法としては、シラン
またはジシランとホスフィンから成る混合ガスを反応ガ
スとして用いる、PECVD法で形成するn型の水素化
アモルファスシリコンを使用する。続いて、エッチング
マスク層7として酸化シリコン膜を蒸着法、スパッタ法
等の通常の成膜法を用いて成膜する。(図3(a)) 工程(b) 次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク
層7にゲートの開口径を具備する円形または多角形パタ
ーンを形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ
材料層5´を、第1の導電層6を残しながら半導体薄膜
層2が露出するまでエッチングし、エミッタ5を形成す
る。(図3(b)) 工程(c) 続いて、第1の導電層6上に、その垂直な方向から通常
の異方性蒸着により、絶縁層3及びゲート電極4を成膜
する。このとき、絶縁層3としては、自己整合的に形成
するために異方性蒸着により成膜したものが望ましく、
例えばオゾンと酸素の混合ガスを反応ガスとして用いる
反応性のチムニー式抵抗加熱蒸着法による酸化シリコン
膜を使用する。(図3(c)) 工程(d) 最後に、エッチングマスク層7をエッチングにより剥離
し、絶縁層3及びゲート電極4を形成する。必要に応じ
てゲート電極4をパターニングする。これにより図3
(d)、即ち図1(a)に示した冷電子放出素子が得ら
れる。Further, an emitter material layer 5 'is formed.
Here, as a method for forming the emitter material layer 5 ', n-type hydrogenated amorphous silicon formed by PECVD using a mixed gas of silane or disilane and phosphine as a reaction gas is used. Subsequently, a silicon oxide film is formed as the etching mask layer 7 using a normal film forming method such as an evaporation method or a sputtering method. (FIG. 3A) Step (b) Next, a circular or polygonal pattern having a gate opening diameter is formed in the etching mask layer 7 by photolithography, and the emitter material layer 5 'is formed by reactive ion etching. Then, etching is performed until the semiconductor thin film layer 2 is exposed while leaving the first conductive layer 6, thereby forming the emitter 5. (FIG. 3B) Step (c) Subsequently, the insulating layer 3 and the gate electrode 4 are formed on the first conductive layer 6 by normal anisotropic vapor deposition from the perpendicular direction. At this time, it is desirable that the insulating layer 3 is formed by anisotropic vapor deposition in order to form the insulating layer 3 in a self-aligned manner.
For example, a silicon oxide film formed by a reactive chimney resistance heating evaporation method using a mixed gas of ozone and oxygen as a reaction gas is used. (FIG. 3C) Step (d) Finally, the etching mask layer 7 is peeled off by etching to form the insulating layer 3 and the gate electrode 4. The gate electrode 4 is patterned as needed. As a result, FIG.
(D), that is, the cold electron-emitting device shown in FIG.
【0063】複数個のエミッタを備え、マトリクスアレ
イ構造を有する図2の冷電子放出素子の製造方法を、図
4に従って詳細に説明する。A method of manufacturing the cold electron-emitting device of FIG. 2 having a plurality of emitters and having a matrix array structure will be described in detail with reference to FIG.
【0064】工程(a) まず、絶縁性基板1上に非単結晶シリコンなどからなる
半導体薄膜層2をCVD法等により成膜し、続いて第1
の導電層6及び第2の導電層8を兼ねる金属薄膜を蒸着
法等により成膜した後、フォトリソグラフィー法により
第1の導電層6と第2の導電層8にTFTのチャネル長
に相当する間隙を設けてパターニングする。ここで、半
導体薄膜層2の材料である非単結晶シリコンとしては、
PECVD法で成膜された水素化アモルファスシリコ
ン、または熱CVDもしくはPECVD法で成膜された
アモルファスシリコン膜を例えばレーザーアニール等で
アニール処理し生成したポリシリコンを好ましく用いる
ことができる。Step (a) First, a semiconductor thin film layer 2 made of non-single-crystal silicon or the like is formed on an insulating substrate 1 by a CVD method or the like.
After forming a metal thin film which also serves as the conductive layer 6 and the second conductive layer 8 by a vapor deposition method or the like, the first conductive layer 6 and the second conductive layer 8 correspond to the channel length of the TFT by a photolithography method. Patterning is performed with a gap provided. Here, non-single-crystal silicon as a material of the semiconductor thin film layer 2 includes:
Hydrogenated amorphous silicon formed by PECVD, or polysilicon formed by annealing an amorphous silicon film formed by thermal CVD or PECVD, for example, by laser annealing can be preferably used.
【0065】さらに、エミッタ材料層5´を成膜する。
ここで、エミッタ材料層5´の成膜法としては、シラン
またはジシランとホスフィンから成る混合ガスを反応ガ
スとして用いる、PECVD法で形成するn型の水素化
アモルファスシリコンを使用する。続いて、エッチング
マスク層7として酸化シリコン膜を蒸着法、スパッタ法
等の通常の成膜法を用いて成膜する。(図4(a)) 工程(b) 次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク
層7にゲートの開口径を具備する円形または多角形パタ
ーンを形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ
材料層5´を第1の導電層6と第2の導電層8を残しな
がら半導体薄膜層2が露出するまでエッチングし、エミ
ッタ5を形成する。(図4(b)) 工程(c) 続いて、第2の導電層8上に、その垂直な方向から通常
の異方性蒸着により、絶縁層3及びゲート電極4を成膜
する。このとき、絶縁層3としては、自己整合的に形成
するために異方性蒸着により成膜したものが望ましく、
例えばオゾンと酸素の混合ガスを反応ガスとして用いる
反応性のチムニー式抵抗加熱蒸着法による酸化シリコン
膜を使用する。(図4(c)) 工程(d) 最後に、エッチングマスク層7をエッチングにより剥離
し、絶縁層3及びゲート電極4を形成する。必要に応じ
てゲート電極4をパターニングする。これにより図4
(d)、即ち図2の冷電子放出素子が得られる。Further, an emitter material layer 5 'is formed.
Here, as a method for forming the emitter material layer 5 ', n-type hydrogenated amorphous silicon formed by PECVD using a mixed gas of silane or disilane and phosphine as a reaction gas is used. Subsequently, a silicon oxide film is formed as the etching mask layer 7 using a normal film forming method such as an evaporation method or a sputtering method. (FIG. 4A) Step (b) Next, a circular or polygonal pattern having a gate opening diameter is formed in the etching mask layer 7 by photolithography, and the emitter material layer 5 'is formed by reactive ion etching. The emitter 5 is formed by etching until the semiconductor thin film layer 2 is exposed while leaving the first conductive layer 6 and the second conductive layer 8. (FIG. 4B) Step (c) Subsequently, the insulating layer 3 and the gate electrode 4 are formed on the second conductive layer 8 by normal anisotropic vapor deposition from the perpendicular direction. At this time, it is desirable that the insulating layer 3 is formed by anisotropic vapor deposition in order to form the insulating layer 3 in a self-aligned manner.
For example, a silicon oxide film formed by a reactive chimney resistance heating evaporation method using a mixed gas of ozone and oxygen as a reaction gas is used. (FIG. 4C) Step (d) Finally, the etching mask layer 7 is peeled off by etching to form the insulating layer 3 and the gate electrode 4. The gate electrode 4 is patterned as needed. As a result, FIG.
(D), that is, the cold electron-emitting device of FIG. 2 is obtained.
【0066】以上説明したように、本発明の冷電子放出
素子は、単結晶シリコン基板を使用することなく、TF
T構造を素子内に作り込まれたものとなっており、従っ
て、絶縁性基板上においてもトランジスタによって高度
に制御されたエミッション電流が得られ、且つマトリク
ス配線化を容易に実現することができる。As described above, the cold electron-emitting device according to the present invention does not use a single-crystal silicon
Since the T structure is formed in the element, an emission current highly controlled by the transistor can be obtained even on the insulating substrate, and matrix wiring can be easily realized.
【0067】[0067]
【実施例】本発明の冷電子放出素子の製造例を以下の実
施例で具体的に説明する。なお、実施例1は、図1
(a)に示す態様の冷電子放出素子の製造例であり、実
施例2は、図2に示す態様の冷電子放出素子の製造例で
ある。EXAMPLES The production examples of the cold electron-emitting device of the present invention will be specifically described in the following examples. Note that the first embodiment is different from the one shown in FIG.
(A) is a manufacturing example of the cold electron-emitting device of the embodiment shown in FIG. 2, and Example 2 is a manufacturing example of the cold electron-emitting device of the embodiment shown in FIG.
【0068】実施例1 工程(a) まず、絶縁性基板1上に半導体薄膜層2としてPECV
D法によって水素化アモルファスシリコン膜を0.5μ
mの膜厚で成膜した。反応ガスとしてシランガス、また
希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量300scc
m、ガス圧1Torr、基板温度250℃、RFパワー
60Wの条件で成膜した。Example 1 Step (a) First, a PECV was formed as a semiconductor thin film layer 2 on an insulating substrate 1.
0.5μ of hydrogenated amorphous silicon film by D method
The film was formed with a thickness of m. Using silane gas as a reaction gas and hydrogen as a diluting gas, a total gas flow rate of 300 scc
m, gas pressure of 1 Torr, substrate temperature of 250 ° C., and RF power of 60 W.
【0069】次に、第1の導電層6用のAlを蒸着法に
より0.1μm成膜した後、フォトリソグラフィー法に
てパターニングした。続いて、エミッタ材料層5´とし
て、PECVD法によってn型の水素化アモルファスシ
リコン膜を0.8μmの膜厚で成膜した。反応ガスとし
てシランガス及びホスフィンガス(ドープ濃度3000
ppm)、また希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流
量560sccm、ガス圧1Torr、基板温度350
℃、RFパワー60Wの条件で成膜した(図3
(a))。Next, Al for the first conductive layer 6 was formed to a thickness of 0.1 μm by vapor deposition, and then patterned by photolithography. Subsequently, an n-type hydrogenated amorphous silicon film having a thickness of 0.8 μm was formed as the emitter material layer 5 ′ by PECVD. Silane gas and phosphine gas (dope concentration 3000)
ppm), hydrogen as a diluent gas, a total gas flow rate of 560 sccm, a gas pressure of 1 Torr, and a substrate temperature of 350
The film was formed under the conditions of C. and RF power of 60 W (FIG. 3).
(A)).
【0070】工程(b) 次に、通常のフォトリソグラフィー法を用いてゲート開
口径として1.2μmの円形パターンを形成し、反応性
イオンエッチングによりエミッタ材料層5´である水素
化アモルファスシリコンを第1の導電層6を残しつつ、
半導体薄膜層2が露出するまでエッチングした。このと
きのエッチング条件は(導入ガス:SF6 60scc
m/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった(図
3(b))。Step (b) Next, a circular pattern having a gate opening diameter of 1.2 μm is formed by using ordinary photolithography, and hydrogenated amorphous silicon as the emitter material layer 5 ′ is formed by reactive ion etching. While leaving one conductive layer 6,
The etching was performed until the semiconductor thin film layer 2 was exposed. The etching conditions at this time were (introduced gas: SF6 60 scc)
m / power 100 W / gas pressure 4.5 Pa) (FIG. 3B).
【0071】工程(c) 次に、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法によ
り、絶縁層3として酸化シリコンを、ゲート電極4とし
てNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で
蒸着した(図3(c))。Step (c) Next, by anisotropic vapor deposition from the direction perpendicular to the substrate, silicon oxide as the insulating layer 3, Nb as the gate electrode 4, and a film of 0.6 μm and 0.2 μm, respectively. Thickness was deposited (FIG. 3 (c)).
【0072】工程(d) 次に、エッチングマスク層7の酸化シリコンを緩衝フッ
酸溶液を用いてウエットエッチングしてリフトオフする
ことにより図3(d)に示すような冷電子放出素子を得
た。Step (d) Next, the silicon oxide of the etching mask layer 7 was wet-etched using a buffered hydrofluoric acid solution and lifted off to obtain a cold electron-emitting device as shown in FIG.
【0073】上述の冷電子放出素子を試作し以下のよう
に試験し、評価した。即ち、各素子のエミッタ−ゲート
電極間の距離を約0.7μm、エミッタ高さ約0.8μ
m、TFTパラメータとしてチャネル長L/チャネル幅
W:10/1とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布し
た透明電極(アノード)を有するガラス板部材を距離3
0mmで対向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲー
ト電極側が正となる極性で引き出し電圧を印加したとこ
ろ、良好にかつ安定に冷電子を放出することができた。The cold electron emission device described above was fabricated as a prototype, and the following tests were performed and evaluated. That is, the distance between the emitter and the gate electrode of each element is about 0.7 μm, and the emitter height is about 0.8 μm.
m, a glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor was placed at a distance of 3 from an element having a structure in which channel length L / channel width W was 10/1 as a TFT parameter.
When opposing at 0 mm and applying an extraction voltage between the emitter electrode and the gate electrode with a polarity where the gate electrode side was positive, cold electrons could be emitted satisfactorily and stably.
【0074】また、低電界領域ではエミッタ自身の電流
電圧特性(E)を示し、高電界領域ではTFTによる電
流電圧特性(M)に従う特性を示した。即ち、エミッシ
ョン電流がTFTのドレイン電流値を超えた高電界領域
で電流のトランジスタ制御領域が得られ、本素子ではゲ
ート電圧70V以上で安定なエミッション電流(ME)
が得られた。In the low electric field region, the current-voltage characteristic (E) of the emitter itself was exhibited, and in the high electric field region, the characteristic followed the current-voltage characteristic (M) of the TFT. That is, a transistor control region of a current is obtained in a high electric field region where the emission current exceeds the drain current value of the TFT. In this device, a stable emission current (ME) is obtained at a gate voltage of 70 V or more.
was gotten.
【0075】実施例2 工程(a) まず、絶縁性基板1上に半導体薄膜層2としてPECV
D法によって水素化アモルファスシリコン膜を0.5μ
mの膜厚で成膜した。反応ガスとしてシランガス、また
希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量300scc
m、ガス圧1Torr、基板温度250℃、RFパワー
60Wの条件で成膜した。次に、第1の導電層6及び第
2の導電層8の材料としてAlを蒸着法により0.1μ
m成膜した後、フォトリソグラフィー法にてパターニン
グした。続いて、エミッタ材料層5´として、PECV
D法によってn型の水素化アモルファスシリコン膜を
0.8μmの膜厚で成膜した。反応ガスとしてシランガ
ス及びホスフィンガス(ドープ濃度3000ppm)、
また希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量560s
ccm、ガス圧1Torr、基板温度350℃、RFパ
ワー60Wの条件で成膜した(図4(a))。Example 2 Step (a) First, a PECV was formed as a semiconductor thin film layer 2 on an insulating substrate 1.
0.5μ of hydrogenated amorphous silicon film by D method
The film was formed with a thickness of m. Using silane gas as a reaction gas and hydrogen as a diluting gas, a total gas flow rate of 300 scc
m, gas pressure of 1 Torr, substrate temperature of 250 ° C., and RF power of 60 W. Next, Al as a material of the first conductive layer 6 and the second conductive layer 8 is 0.1 μm by vapor deposition.
After forming the m film, patterning was performed by a photolithography method. Subsequently, PECV is used as the emitter material layer 5 '.
An N-type hydrogenated amorphous silicon film having a thickness of 0.8 μm was formed by Method D. Silane gas and phosphine gas (dope concentration 3000 ppm) as reaction gas,
In addition, hydrogen is used as the diluent gas, and the total gas flow rate is 560s.
The film was formed under the conditions of ccm, gas pressure of 1 Torr, substrate temperature of 350 ° C., and RF power of 60 W (FIG. 4A).
【0076】工程(b) 次に、通常のフォトリソグラフィー法を用いてゲート開
口径として1.2μmの円形パターンを形成し、反応性
イオンエッチングによりエミッタ材料層5´である水素
化アモルファスシリコンを第2の導電層8が露出するま
でエッチングした。このときのエッチング条件は(導入
ガス:SF6 60sccm/パワー100W/ガス圧
4.5Pa)であった(図4(b))。Step (b) Next, a circular pattern having a gate opening diameter of 1.2 μm is formed by using ordinary photolithography, and hydrogenated amorphous silicon, which is the emitter material layer 5 ′, is formed by reactive ion etching. Etching was performed until the second conductive layer 8 was exposed. The etching conditions at this time were (introduced gas: SF6 60 sccm / power 100 W / gas pressure 4.5 Pa) (FIG. 4B).
【0077】工程(c) 次に、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法によ
り、絶縁層3として酸化シリコンを、ゲート電極4とし
てNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で
蒸着した(図4(c))。Step (c) Next, a silicon oxide film as the insulating layer 3, Nb as the gate electrode 4, and a film of 0.6 μm and 0.2 μm, respectively, by anisotropic vapor deposition from a direction perpendicular to the substrate. Thickness was deposited (FIG. 4C).
【0078】工程(d) 次に、エッチングマスク層7の酸化シリコンを緩衝フッ
酸溶液を用いてウエットエッチングしてリフトオフする
ことにより図4(d)に示すような冷電子放出素子を得
た。Step (d) Next, the silicon oxide of the etching mask layer 7 was wet-etched using a buffered hydrofluoric acid solution and lifted off to obtain a cold electron-emitting device as shown in FIG. 4D.
【0079】上述の冷電子放出素子を試作し以下のよう
に試験し、評価した。即ち、各素子のエミッタ−ゲート
電極間の距離を約0.7μm、エミッタ高さ約0.8μ
m、TFTパラメータとしてチャネル長L/チャネル幅
W:10/1とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布し
た透明電極(アノード)を有するガラス板部材を距離3
0mmで対向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲー
ト電極側が正となる極性で引き出し電圧を印加したとこ
ろ、良好にかつ安定に冷電子を放出することができた。The above-mentioned cold electron-emitting device was manufactured as a prototype and tested and evaluated as follows. That is, the distance between the emitter and the gate electrode of each element is about 0.7 μm, and the emitter height is about 0.8 μm.
m, a glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor was placed at a distance of 3 from an element having a structure in which channel length L / channel width W was 10/1 as a TFT parameter.
When opposing at 0 mm and applying an extraction voltage between the emitter electrode and the gate electrode with a polarity where the gate electrode side was positive, cold electrons could be emitted satisfactorily and stably.
【0080】得られた典型的なエミッション特性の模式
図を図11に示す。低電界領域ではエミッタ自身の電流
電圧特性(E)を示し、高電界領域ではTFTによる電
流電圧特性(M)に従がう特性を示した。即ち、エミッ
ション電流がTFTのドレイン電流値を越えた高電界領
域で電流のトランジスタ制御領域が得られ、本素子では
ゲート電圧70V以上で安定なエミッション電流(M
E)が得られた。FIG. 11 is a schematic diagram of the obtained typical emission characteristics. In the low electric field region, the current-voltage characteristic (E) of the emitter itself was exhibited, and in the high electric field region, the characteristic followed the current-voltage characteristic (M) of the TFT. That is, a transistor control region of current can be obtained in a high electric field region where the emission current exceeds the drain current value of the TFT. In this device, a stable emission current (M
E) was obtained.
【0081】[0081]
【発明の効果】本発明によれば、TFT構造を有する金
属または非単結晶シリコンでエミッタを構成することに
より、絶縁性基板上においてもトランジスタによって高
度に制御されたエミッション電流が得られ、且つマトリ
クス配線化を容易に実現する冷電子放出を得ることがで
きる。According to the present invention, by forming an emitter from a metal having a TFT structure or non-single-crystal silicon, an emission current highly controlled by a transistor can be obtained even on an insulating substrate, and a matrix can be obtained. Cold electron emission that easily realizes wiring can be obtained.
【0082】従って、低コストで大面積化が可能なガラ
ス基板上に、電流安定性が高くかつマトリクス化の容易
な冷電子放出素子を得ることができる。更に、フラット
パネルディスプレイに応用した場合にも、高速、高精細
度の画像が、低消費電力で得ることが可能となる。Therefore, a cold electron-emitting device having high current stability and easy matrix formation can be obtained on a glass substrate which can be formed at a low cost and can have a large area. Further, even when applied to a flat panel display, a high-speed, high-definition image can be obtained with low power consumption.
【図1】本発明の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a cold electron emission device of the present invention.
【図2】本発明の別の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of another cold electron-emitting device according to the present invention.
【図3】本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the cold electron emission device of the present invention.
【図4】本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the cold electron emitting device of the present invention.
【図5】従来の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional cold electron-emitting device.
【図6】従来の冷電子放出素子の製造工程図である。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of a conventional cold electron emission element.
【図7】従来の別の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of another conventional cold electron emission element.
【図8】従来の冷電子放出素子の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emission element.
【図9】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図であ
る。FIG. 9 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron-emitting device.
【図10】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図であ
る。FIG. 10 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron-emitting device.
【図11】本発明の冷電子放出素子の電気特性の一例の
模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of electrical characteristics of the cold electron emission element of the present invention.
1 絶縁性基板 2 半導体薄膜層 3 絶縁層 4 ゲート電極 5 エミッタ 6 第1の導電層 7 エッチングマスク層 8 第2の導電層 51 絶縁性基板 52 導電層 53 絶縁層 54 ゲート電極 55 エミッタ 61 絶縁性基板 62 導電層 63 絶縁層 64 ゲート電極 65 リフトオフ材 66 エミッタ 71 絶縁性基板 72 導電層 73 抵抗層 74 絶縁層 75 ゲート電極 76 エミッタ 81 シリコン基板 82 酸化シリコン層 83 エミッタ 84 酸化シリコン層 85 絶縁層 86 ゲート電極 91 p型シリコン基板 92 エミッタ 93 n型シリコン層 94 エミッタ配線層 95 絶縁層 96 ゲート電極 101 p型シリコン基板 102 酸化シリコン層 103 エミッタ 104 酸化シリコン層 105 ゲート電極 106 n型シリコン層 107 金属薄膜 A 開口部 REFERENCE SIGNS LIST 1 insulating substrate 2 semiconductor thin film layer 3 insulating layer 4 gate electrode 5 emitter 6 first conductive layer 7 etching mask layer 8 second conductive layer 51 insulating substrate 52 conductive layer 53 insulating layer 54 gate electrode 55 emitter 61 insulating Substrate 62 Conductive layer 63 Insulating layer 64 Gate electrode 65 Lift-off material 66 Emitter 71 Insulating substrate 72 Conductive layer 73 Resistive layer 74 Insulating layer 75 Gate electrode 76 Emitter 81 Silicon substrate 82 Silicon oxide layer 83 Emitter 84 Silicon oxide layer 85 Insulating layer 86 Gate electrode 91 p-type silicon substrate 92 emitter 93 n-type silicon layer 94 emitter wiring layer 95 insulating layer 96 gate electrode 101 p-type silicon substrate 102 silicon oxide layer 103 emitter 104 silicon oxide layer 105 gate electrode 106 n-type silicon layer 107 Genus film A opening
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金丸 正剛 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 伊藤 順司 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Masago Kanamaru 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Pref. Within the Institute of Electronics and Technology (72) Inventor Junji Ito 1-4-1, Umezono, Tsukuba, Ibaraki Inside the Electronic Technology Research Institute, Industrial Technology Institute
Claims (14)
が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには開口部が
設けられ、その開口部内にエミッタが該ゲート電極に接
触しないように形成されてなる電界放射型の冷電子放出
素子において、エミッタの材料は非単結晶シリコンであ
り、第1の導電層が該開口部以外の絶縁性基板上に形成
されており、絶縁性基板とエミッタとの間及び絶縁性基
板と第1の導電層との間に半導体薄膜層が形成され、且
つエミッタと第1の導電層とが半導体薄膜層の同一平面
上に互いに直接接触することなく形成されていることを
特徴とする冷電子放出素子。An insulating layer and a gate electrode are sequentially laminated on an insulating substrate, and an opening is provided in the gate electrode and the insulating layer so that an emitter does not contact the gate electrode in the opening. In the formed field emission type cold electron emission element, the material of the emitter is non-single-crystal silicon, and the first conductive layer is formed on the insulating substrate other than the opening, and A semiconductor thin film layer is formed between the emitter and between the insulating substrate and the first conductive layer, and the emitter and the first conductive layer are formed on the same plane of the semiconductor thin film layer without directly contacting each other. A cold electron-emitting device, comprising:
膜からなる第2の導電層が設けられている請求項1記載
の冷電子放出素子。2. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein a second conductive layer made of a metal thin film is provided between the emitter and the semiconductor thin film layer.
ルファスシリコン又はポリシリコンである請求項1記載
の冷電子放出素子。3. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the non-single-crystal silicon of the emitter material is amorphous silicon or polysilicon.
シリコンである請求項1記載の冷電子放出素子。4. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the emitter material is n-type hydrogenated amorphous silicon.
が積層されている請求項1記載の冷電子放出素子。5. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein an insulating layer and a gate electrode are laminated on the first conductive layer.
請求項1記載の冷電子放出素子。6. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor thin film layer is made of non-single-crystal silicon.
または多角錐台形である請求項1記載の冷電子放出素
子。7. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein the shape of the emitter is a cone, a truncated cone, or a truncated polygon.
請求項1記載の冷電子放出素子。8. The cold electron-emitting device according to claim 1, wherein a glass substrate is used as the insulating substrate.
方法において: (a) 絶縁性基板上に半導体薄膜層、金属薄膜層を成
膜した後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法によ
りパターニングして第1の導電層を形成し、続いて、エ
ミッタ材料層、エッチングマスク材料層を順次成膜する
工程; (b) エッチングマスク材料層をフォトリソグラフィ
ー法によりゲートの開口径を具備する円形または多角形
パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりエミ
ッタ材料層を第1の導電層を残しながら半導体薄膜層が
露出するまでエッチングし、エミッタを形成する工程; (c) 絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法に
より、半導体薄膜層上に絶縁層材料及びゲート電極材料
を成膜し、自己整合的に絶縁層及びゲート電極を形成す
る工程;及び (d) エッチングマスク層を剥離すると同時に、ゲー
ト電極上の絶縁層材料及びゲート電極材料を剥落させる
工程を含んでなることを特徴とする製造方法。9. The method for manufacturing a cold electron emitting device according to claim 1, wherein: (a) forming a semiconductor thin film layer and a metal thin film layer on an insulating substrate, and then forming the metal thin film layer by photolithography; Patterning to form a first conductive layer, and then sequentially forming an emitter material layer and an etching mask material layer; (b) the etching mask material layer is formed in a circular shape having a gate opening diameter by photolithography. Or forming a polygonal pattern and etching the emitter material layer by reactive ion etching until the semiconductor thin film layer is exposed while leaving the first conductive layer, thereby forming an emitter; (c) for the insulating substrate An insulating layer material and a gate electrode material are formed on the semiconductor thin film layer by a vertical anisotropic vapor deposition method, and the insulating layer and the gate electrode are formed in a self-aligned manner. And (d) peeling off the insulating layer material on the gate electrode and the gate electrode material at the same time as peeling off the etching mask layer.
ォトリソグラフィー法によりパターニングして第1の導
電層を形成する際に、同時にエミッタが形成されるべき
絶縁性基板上に第2の導電層を形成し、且つ工程(b)
において、エッチングマスク材料層をフォトリソグラフ
ィー法によりゲートの開口径を具備する円形または多角
形パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりエ
ミッタ材料層を、第1の導電層と第2の導電層とを残し
ながら半導体薄膜層が露出するまでエッチングしてエミ
ッタを形成する請求項9記載の冷電子放出素子の製造方
法。10. In the step (a), when forming a first conductive layer by patterning a metal thin film layer by photolithography, a second conductive layer is simultaneously formed on an insulating substrate on which an emitter is to be formed. And step (b)
Forming a circular or polygonal pattern having an opening diameter of a gate on the etching mask material layer by photolithography, and forming the emitter material layer on the first conductive layer and the second conductive layer by reactive ion etching. The method according to claim 9, wherein the emitter is formed by etching until the semiconductor thin film layer is exposed while leaving the emitter.
が、プラズマエンハンストCVD法で形成された水素化
アモルファスシリコンからなる請求項9又は10記載の
冷電子放出素子の製造方法。11. The method according to claim 9, wherein in the step (a), the emitter material layer is made of hydrogenated amorphous silicon formed by a plasma enhanced CVD method.
が、少なくともシラン及びホスフィンの混合ガスを反応
ガスとして用いるプラズマエンハンストCVD法で形成
されたn型の水素化アモルファスシリコンからなる請求
項9又は10記載の冷電子放出素子の製造方法。12. In the step (a), the emitter material layer is made of n-type hydrogenated amorphous silicon formed by a plasma enhanced CVD method using at least a mixed gas of silane and phosphine as a reaction gas. A method for manufacturing the cold electron emitting device according to the above.
が、プラズマエンハンストCVD法で形成された水素化
アモルファスシリコンからなる請求項9又は10記載の
冷電子放出素子の製造方法。13. The method according to claim 9, wherein in the step (a), the semiconductor thin film layer is made of hydrogenated amorphous silicon formed by a plasma enhanced CVD method.
が、熱CVD法又はプラズマエンハンストCVD法でア
モルファスシリコンを成膜した後、アニール処理を施す
ことにより形成されたポリシリコンからなる請求項9又
は10記載の冷電子放出素子の製造方法。14. The method according to claim 9, wherein in the step (a), the semiconductor thin film layer is made of polysilicon formed by forming an amorphous silicon film by a thermal CVD method or a plasma enhanced CVD method and then performing an annealing treatment. 11. The method for manufacturing a cold electron-emitting device according to item 10.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH11224595A (en) * | 1998-02-06 | 1999-08-17 | Toppan Printing Co Ltd | Cold electron emission element and its manufacture |
JP2004221073A (en) * | 2002-12-27 | 2004-08-05 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Field emission element and its manufacturing method |
CN115360142A (en) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 广州华星光电半导体显示技术有限公司 | Preparation method of array substrate and array substrate |
-
1997
- 1997-08-07 JP JP21369297A patent/JP3502883B2/en not_active Expired - Lifetime
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