CN1148774C - 场致发射型电子源及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种场致发射型电子源及其制造方法。场致发射型电子源(10)具有导电性基板(1)、在导电性基板(1)的一个表面上形成的至少一部分进行多孔化处理的半导体层(6)、以及在半导体层上形成的导电性薄膜(7)。通过加上导电性薄膜(7)相对于导电性基板(1)为正的电压，注入导电性基板(1)的电子通过半导体层从导电性薄膜(7)发射。半导体层包含柱状结构部分(21)和平均尺寸在2μm以下的多孔结构部分(25)混合存在的多孔半导体层(6)。
Description
技术领域
本发明涉及用于平面发光装置(plane light-emitting apparatus)、显示器(display)及固体真空器件(solid vacuum device)等的场致发射型电子源及其制造方法，所述场致发射型电子源是采用半导体材料、利用场致发射而发射电子束的。
背景技术
作为场致发射型电子源，至今已知有例如美国专利3665241号等所揭示的斯平特型电极(Spindt-type electrode)。该斯平特型电极具有配置大量三角锥状发射极尖端的基板、及具有使发射极尖端的端部露出的发射孔且与发射极尖端绝缘配置的控制极层。该斯平特型电极在真空中通过在发射极尖端与控制极层之间加上发射极尖端相对于控制极层为负的高电压，就能够从发射极尖端的端部通过发射孔发射电子束。
但是，斯平特型电极存在下述的问题。即电极的制造工艺复杂，而且很难高精度构成大量三角锥状的发射极尖端。因此，将它用于平面发光装置或显示器等情况下，很难增大其电子发射面的面积。
另外，斯平特型电极还存在下述的问题，即在斯平特型电极中，电场集中于发射极尖端的端部。因此，当发射极尖端的端部周围真空度较低而存在残留气体时，由于发射的电子束的作用而使部分残留气体电离，形成正离子。由于该正离子与发射极尖端的端部碰撞，因此使发射极尖端的端部受到损伤(例如由于离子碰撞而导致损伤)。所以，发射电子的电流密度及效率就不稳定，另外发射极尖端的寿命缩短。
为了解决前述的问题，要求斯平特型电极在高真空(约10-5Pa～10-6Pa)状态下使用。因此要将其在高真空下封装且维持高真空，但这样产生的问题是将使成本提高。
为了改善前述的问题，提出了MIM(Metal Insulator Metal)型成MOS(Metal Oxide Semiconductor)型场致发射型电子源的方案。前者是具有金属—绝缘膜—金属层叠构造的平面型场致发射型电子源。后者是具有金属—绝缘膜—半导体层叠构造的平面型场致发射型电子源。在这种类型的场致发射型电子源中，为了提高电子发射效率(即为了发射更多的电子)，必须使绝缘膜及氧化膜做得很薄。但是，若使绝缘膜或氧气膜过薄，则在层叠构造的上下电极间加上电压时，有可能引起绝缘破坏。这样就限制了不能将绝缘膜或氧化膜做得很薄，因此产生的问题是不能够得到那么高的电子发射效率(逸出效率)。
另外，如日本专利特开平8-250766号公报所揭示的那样，近年提出一种在硅基板等单晶半导体基板表面通过阳极氧化而形成多孔半导体层(多孔硅层)、再在该多孔半导体层上形成金属薄膜的场致发射型电子源(半导体冷电子发射元件)的方案。在该场致发射型电子源中，通过在半导体基板与金属薄膜间加上电压而发射电子。
但是，对于日本专利特开平8-250766号公报所述的场致发射型电子源，由于其结构中必有单晶半导体基板，因此很难增大其电子发射面的面积。所以不适合用于平面显示装置那样的需要大面积电子发射面的电子源的装置。另外，在日本专利特开平9-259795号公报中还揭示了一种以日本专利特开平8-250766号公报中揭示的发明为基础而实现平面型显示型的结构。
在这些场致发射型电子源中，是利用在多孔半导体层两面加上电压而产生的电场使电子发射的。在该方式中，与前述MIM或MOS不同，多孔半导体层由大量的微细孔及残留硅构成。这里，多孔度为10～80％，各微细孔内径为2～数nm。在前述公报中记载有，由于残留硅原子数为数十～数百，因此希望有由于量子尺寸效应(quantum size effect)而引起的电子发射现象。另外，在日本专利特开平9-259795号公报中记载有，由于在非常靠近多孔半导体层表面附近产生电子发射，因此其厚度还是薄的好，能够实用化的范围为0.1～50μm。
但是，在日本专利特开平8-250766号公报或特开平9-259795号公报所述的场致发射型电子源中，容易发生电子爆发现象，而且面内发射电子量容易产生不均匀。因此该电子源用于平面发光元件或显示器时，出现画面亮度不均匀或闪烁较大等问题。另外，将该电子源用于平面发光元件或显示器时，发射电子量必须较多。这里，若想要通过减薄多孔半导体层而增加发射电子量，则前述的问题变得更严重。
发明内容
为解决上述以往的问题，本发明的目的在于提供一种基本没有发射电子爆发现象及面内不均匀现象、而且发射电子量及电子发射效率较高的场致发射型电子源及其制造方法。
为达到上述目的，本发明的场致发射型电子源具有(i)导电性基板，(ii)在导电性基板的一个表面上形成的一部分进行多孔化处理的半导体层，以及(iii)在半导体层上形成的导电性薄膜。(iv)通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体从导电性薄膜发射。该场致发射型电子源，其特征在于，(v)半导体层包含各自表面用绝缘层覆盖的柱状结构部分及以纳米为单元的半导体微晶构成的多孔结构部分混合存在的多孔半导体层，而且(vi)沿半导体层厚度方向来看，多孔结构部分平均尺寸在2μm以下。
该场致发射型电子源，由于多孔结构部分的厚度在2μm以下，因此发射电子量非常稳定，而且发射电子量增大。所以，不会产生电子发射量时间性的大变化即爆发现象。而且还能够减少发射电子量的面内不均匀。
对于该场致发射型电子源的各种应用场合，都需要增大发射电子量。本发明者根据场致发射型电子源发射电子量的观点发现，多孔结构部分的厚度最好在2μm以下。
另外，本发明的导电性基板包括通过在半导体基板中掺入杂质而形成导电性区域的基板和在玻璃基板那样的绝缘性基板表面形成金属薄膜(下部电极)的基板等。
在上述场致发射型电子源中，沿半导体层厚度方向来看，最好柱状结构部分在导电性薄膜侧的端部与多孔结构部分在导电性薄膜侧的端部配置于相同位置(即柱状结构部分的高度与多孔结构部分的高度在导电性薄膜侧相等)。这种情况下，由于在多孔半导体层表面未形成较大的凹凸，因此在多孔半导体层表面形成的非常薄的导电性薄膜以电气相连的状态覆盖多孔半导体层的比例非常高。由于这样，多孔半导体层部分的覆盖率高，因此有效地将必须的电场加在多孔结构部分。所以，能够充分提高电子发射量及电子发射效率特性。
在上述场致发射型电子源中，多孔半导体层最好由利用阴极氧化形成的多孔多晶硅构成。这种情况下，通过将多晶硅进行阳极氧化，能够用1道工序形成柱状结构部分及多孔结构部分。因而能够简化制造工艺。另外，多晶硅层的形成及阳极氧化有利于增大电子发射面的面积。特别是存在以柱状生长的晶粒(柱状结构部分)的情况下，将沿晶粒进行多孔化处理。这种情况下，多孔结构部分深度方向相对于导电性基板的角度近似垂直。其结果是，多孔结构部分的电场相对于基板近似垂直。由于电子发射是取决于多孔结构部分的电场，因此在该情况下，电子相对基板近似垂直发射。所以电子发射角度的离散性减小，用于显示器等情况下，能实现高晰度的显示。
在上述场致发射型电子源中，沿半导体层厚度方向来看，多孔结构部分的最大尺寸与最小尺寸之差最好在0.5μm以下(即多孔结构部分的厚度误差在0.5μm以下)。若多孔结构部分的厚度误差小，就使多孔结构部分所加的电场均匀，能够抑制发射电子量的面内分布。特别是在为了防止发生爆发现象等而设置柱状结构部分及多孔结构部分，而且使多孔结构部分厚度在2μm以下时，若使多孔结构部分厚度误差在0.5μm以下，就不会产生电场强度严重的不均匀。所以，面内发射电子量就比较均匀。
在上述场致发射型电子源中，多孔半导体层厚度最好与导电性薄膜和导电性基板之间配置的半导体层厚度近似相等。这种情况下，在未进行多孔化处理的部分不会产生电压损失。因此，加上同样的电压而发射电子量多，发射电子效率提高，所以，若将该场致发射型电子源用于显示器等，就能够降低显示器的消耗功率。
在上述场致发射型电子源中，在导电性基板的半导体层一侧表面最好设置对于半导体层进行多孔化处理用的阳极氧化处理用电解液具有耐腐蚀性的耐腐蚀导电体层。这种情况下，导电性基板(基板本身及下部电极)不会被电解液腐蚀。因此，有效地将电场加在多孔结构部分，电子发射量不会减少。另外，能够防止因下部电极断线而导致元件损坏。
在上述场致发射型电子源中，沿半导体层厚度方向来看，最好在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置电阻比其它部分低的规定厚度的低电阻层。这种情况下，在多孔半导体层表面部分设置的低电阻层，其作用相当于虚拟电极。因而，即使在多孔半导体层与导电性薄膜之间它们有不接触的部分，多孔半导体层表面部分在面内也近似有相同电位。这种情况下，由于在多孔半导体层内部加上面内均匀的电场，因此，减少了面内发射电子量的不均匀。所以，该场致发射型电子源用于显示器时，画面亮度的不均匀将减少。
在上述场致发射型电子源中，低电阻层的厚度最好小于形成该低电阻层的半导体中电子的平均自由程。这种情况下，能够抑制因设置低电阻层而导致电子发射效率的下降。
在上述场致发射型电子源中，低电阻层最好由多孔度小于多孔半导体层其它部分的低多孔度层构成。这种情况下，由于多孔半导体层表面的凹凸较少，因此抑制了电场集中于多孔半导体层表面凸起的端部及凹下的底部的情况。所以，当显示器等采用该场致发射型电子源时，能够防止仅仅画面特定的点显得明亮的情况。另外，画面亮度及面内的不均匀也减少。
在上述场致发射型电子源中，低电阻层最好由多孔半导体层表面部分再结晶形成的再结晶层构成。这种情况下，由于多孔半导体层表面的凹凸较少，因此抑制了电场集中于多孔半导体层表面凸起的端部及凹下的底部的情况。所以，当显示器等采用该场致发射型电子源时，能够防止仅仅画面特定的点显得明亮的情况。另外，画面亮度及面内的不均匀也减少。
在上述场致发射型电子源中，低电阻层最好由从多孔半导体层表面将杂质通过离子注入法注入多孔半导体层内而形成的杂质注入层构成。这种情况下，容易控制低电阻层的杂质浓度及分布。
在上述场致发射型电子源中，低电阻层最好由从多孔半导体层表面将杂质扩散至多孔半导体层内而形成的杂质扩散层构成。这种情况下，与将杂质通过离子注入法注入的情况相比，容易增大电子发射面的面积。
在上述场致发射型电子源中，多孔结构部分的导电性薄膜一侧表面最好与导电性基板表面平行。这种情况下，多孔结构部分所加的电场相对于导电性基板是垂直的。因此，近似垂直于多孔结构部分表面发射的电子也近似垂直于导电性基板表面发射。其结果是，面内发射电子的角度分布更小。也就是，发射电子的方向同样都是垂直的。所以，当显示器等采用该场致发射型电子源时，能实现高清晰度的显示。
本发明的场致发射型电子源制造方法，其所制造的场致发射型电子源具有(i)导电性基板，(ii)在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层，所述多孔半导体层由各自表面用绝缘层覆盖的柱状结构部分及以纳米为单位的多孔结构部分混合而成，所述多孔结构部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半导体层上形成的导电性薄膜，(iv)通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射。该制造方法，其特征在于，(v)包含对半导体层利用阳极氧化进行多孔化处理而形成多孔半导体层的步骤，(vi)在该步骤中，用半导体层为正极期间的电荷量调整半导体层多孔化处理的深度，通过这样来控制多孔半导体层的厚度。根据该制造方法，利用阳极氧化时的电荷量，能够很容易将多孔半导体层厚度控制在规定的值。
在上述场致发射型电子源制造方法中，在其上形成多孔化半导体层的导电性基板与对极之间最好加上脉冲电流或电压，使得交替产生导电性基板为正极的期间与切断通电状态的期间，并通过改变导电性基板为正极期间的电荷量来控制多孔半导体层的厚度。这种情况下，能够很容易将多孔半导体层厚度控制在规定的值。特别在以大电流密度形成规定多孔度的多孔半导体层时，由于能够利用脉冲处理间歇地进行阳极氧化，因此能够使阳极氧化的进行速度比较慢。所以，与连续通过电的情况相比，能够很容易控制多孔半导体层的厚度。
在上述场致发射型电子源制造方法中，在其上形成多孔化半导体层的导电性基板与对极之间最好加上脉冲电流或电压，使得交替翻转产生导电性基板为正极的期间与导电性基板为负极的期间，并通过改变导电性基板为负极期间的每个脉冲的电荷量来控制多孔半导体层的厚度。这种情况下，在半导体层为正极时进行半导体层的多孔化处理，由于其表面形状及半导体层状态，多孔化状态会产生不均匀。然后，将极性反转，半导体层成为负极，则电场集中于多孔处理快速进行的部分，载流子集中。因此，在这部分，由于电解而产生大量的气体。而且，在气体产生的地方，隔断与电解质的接触，在接下来半导体层成为正极时，就不进行多孔化处理。重复这一过程，多孔结构部分的厚度在整个面内达到均匀。该均匀的程序能够用半导体层为负极期间的电荷量来控制。若多孔结构部分厚度均匀，则能够实现发射电子量面内分布极小的电子源。
本发明的另一种场致发射型电子源制造方法，其所制造的场致发射型电子源具有(i)导电性基板(ii)在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层，所述多孔半导体层由各自表面用绝缘层覆盖的柱状结构部分及以纳米为单位的多孔结构部分混合而成，所述多孔结构部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半导体层上形成的导电性薄膜，(iv)通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为止的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射。(v)沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的半导体薄膜一侧的端部设置多孔度比其它部分小、电阻比其它部分低的规定厚度的低电阻层，该制造方法，其特征在于，包含(vi)在导电性基板上形成半导体层后形成半导体层表面部分的多孔度小于其它部分多孔度的多孔半导体层的步骤，(vii)通过将多孔半导体层氧化或氮化形成具有低电阻层的多孔半导体层的步骤，以及(viii)在多孔半导体层上形成导电性薄膜的步骤。根据该制造方法，能够不增加另外形成低电阻层的工序而设置低电阻层。另外，能够以低成本实现面内电子发射较均匀的场致发射型电子源。
在上述场致发射型电子源制造方法中，在利用阳极氧化进行半导体层多孔化处理时，阳极氧化期间中，最好开始的规定时间内电流密度小，规定时间后再加大电流密度。在阳极氧化时，电流密度与多孔度之间有相关关系。另外，电阻值随多孔度的大小而变。因而，通过控制电流密度，能够控制低电阻层的电阻。
在上述场致发射型电子源制造方法中，在利用阳极氧化进行半导体层多孔化处理时，阳极氧化期间中，最好开始的规定时间内照射半导体层表面的光能小，规定时间后再加大光能。在阳极氧化时，光能与多孔度之间有相关关系。另外，电阻值随多孔度的大小而变。因而，通过控制照射半导体层表面的光能，能够控制低电阻值的电阻。
在上述场致发射型电子源制造方法中，在低电阻后由多孔半导体层表面部分再结晶形成的再结晶层构成时，只要设置在导电性基板上形成半导体层后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成多孔半导体层的步骤，以及利用激光退火法使多孔半导体层表面部分再结晶的步骤即，以此来代替在导电性基板上形成半导体层后使半导体层表面部分多孔度小于其它部分多孔度而形成多孔半导体层的步骤。这种情况下，能够比较简单地设置低电阻层。另外，能够以低成本实现面内电子发射较均匀的场致发射型电子源。
另外，在低电阻层由离子注入杂质而形成的杂质注入层构成时，只要设置在导电性基板上形成半导体层后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成多孔半导体层的步骤，以及从多孔半导体层表面一侧利用离子注入法将杂质注入多孔半导体层内的步骤即可。这种情况下，能够很容易控制设置的低电阻层。另外，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的场致发射型电子源。
再有，在低电阻层由利用杂质扩散而形成的杂质扩散层构成时，只要设置在导电性基板上形成半导体层体后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成多孔半导体层的步骤，以及从多孔半导体层表面利用热扩散法将杂质扩散至多孔半导体层内的步骤即可。这种情况下，能够增大电子发射面积，而且能够比较简单地设置低电阻层。另外，能够以低成本实现面内电子发射至较均匀的场致发射型电子源。
本发明的其它另一种场致发射型电子源制造方法，其所制造的场致发射型电子源具有(i)导电性基板，(ii)在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层，所述多孔半导体层由各自表面用绝缘层覆盖的柱状结构部分及以纳米为单位的多孔结构部分混合而成，所述多孔结构部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半导体层上形成的导电性薄膜，(iv)通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射。该制造方法，其特征在于，包含在对半导层表面进行光滑处理后，通过对半导体层进行阳极化处理，形成多孔结构部分与导电性基板表面平行的多孔半导体层的步骤。根据该制造方法，对多孔半导体层表面进行光滑处理。因此，阳极氧化时的表面电位近似均匀，阳极氧化的进行速度近似均匀。其结果是，多孔结构部分的深度近似均匀，所加电场近似均匀。因而，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的场致发射型电子源。另外，阳极氧化相对于导电性基板是近似垂直进行的，在多孔结构部分内的电场相对于导电性基板近似垂直。因此，发射电子的方向同样都是垂直的。再有，由于电子发射角度的分布非常小，因此能够实现高精晰度的显示器。
附图说明
图1为本发明的场致发射型电子源中电子发射机理的原理说明示意图。
图2为图1所示的场致发射型电子源电子发射动作的说明示意图。
图3为本发明的场致发射型电子源的垂直剖视图，图中导电性基板是在玻璃基板上形成导电性膜的基板。
图4为多孔半导体层内热移动状态的说明示意图。
图5为多孔半导体层厚度与单位面积电子发射量的关系图。
图6为多孔半导体层厚度大和厚度小的情况下推测电子发射状态的示意图。
图7为柱状结构部分的高度与多孔结构部分的高度不一样和一样情况下导电性薄膜状态的示意图。
图8A为不采用多晶硅的多孔半导体层构造示意图。
图8B为采用多晶硅的多孔半导体层构成示意图。
图9为本发明的场致发射型电子源的垂直剖视图，图中导电性基板为n型硅基板。
图10为多孔半导体层不设置和设置低电阻层情况下电场状态的示意图。
图11为低电阻层的多孔度大和多孔度小的情况下导电性薄膜状态的示意图。
图12为低电阻层不再结晶和再结晶情况下低电阻层表面状态的示意图。
图13为多孔半导体层表面相对于导电性基板表面是倾斜和平行情况下电场状态的示意图。
图14为多孔结构部分厚度不均匀程度较大的场致发射型电子源垂直剖视图。
图15为多孔结构部分厚度不均匀程度较小的场致发射型电子源垂直剖视图。
图16为多孔结构部分厚度不均匀程度较大和较小情况下电子发射状态的示意图。
图17为多孔半导体层厚度小于和近似等于导电性薄膜与导电性基板的间隔情况下多孔半导体层状态的示意图。
图18为导电性基板不设置和设置耐腐蚀导电体层情况下腐蚀状态的示意图。
图19为本发明的场致发射型电子源的立体图，图中导电性基板为P型硅基板。
图20为形成接触部分的图19所示的场致发射型电子源立体图。
图21为图19所示的场致发射型电子源的垂直剖视图。
图22A～图22F为图21所示的场致发射型电子源的制造工艺中主要工序半成品或产品的垂直剖视图。
图23为生产图19所示的场致发射型电子源用的阳极氧化装置示意图。
图24为进行极性交替反转的阳极氧化处理情况下多孔化进行状态的示意图。
图25A～图25D为本发明的场致发射型电子源的制造工艺中主要工序半成品或产品的垂直剖视图，图中导电性基板是在玻璃基板上形成导电性膜的基板。
图26A～26D为本发明的场致发射型电子源的制造工艺中主要工序半成品或产品的垂直剖面图，图中导电性基板为n型硅基板。
具体实施方式
本发明利用后述的详细说明及附图，将能更充分理解。
下面具体说明本发明理想的实施形态。
实施形态1
本发明者为达到前述目的，对于场致发射型电子源(下面简称为“电子源”)进行了专心研究，得到以下的见解。
也就是说，在日本专利特开平8-250766号公报或特开平9-259795号公报所述的电子源中设有半导体层，所述半导体层在其一侧的主表面设有欧姆电极。而在半导体层的另一侧主表面，通过对该半导体层进行多孔化处理，形成电子注入的多孔层。另外，在多孔层表面设置金属薄膜电极。但是，在这样构造中，容易产生电子爆发现象，而且容易产生发射电子量的面内不均匀。
可以认为容易产生上述问题的原因如下所述。也就是说，多孔层的绝热性原来就非常高。再如上电子源在真空中工作，因此多孔层的绝热性极其高。因而，当两电极间加上电压、流过参与电子发射的电流时，可以认为多孔层温度上升非常大。而且，由于该温度上升，导致多孔层内晶格振动变大。因而正当温度上升严重时，通过多孔层内的电子因晶格振动而导致散射次数增加。这样，电子发射量就显著不稳定。电流流过导致温度上升，因此电流变得不易流过而温度又下降，返回到原来的状态，这样的现象重复出现，电子发射量就出现时间性的不稳定。可以认为，因此就容易产生电子爆发现象。另外，由于温度上升而导致半导体电阻下降，注入多孔层的电子量增大。这样注入的电子量就随温度变化而变化，这也可以认为，容易产生爆发现象。
另外，由于多孔层具有极其复杂的构造，因此，很难对生成孔的部分进行几何排列，所以电流路径在面向不均匀。特别是利用阳极氧化法形成多孔层时，由于采用电化学反应，因此更加很难得到形成孔的部分按几何排列的多孔结构。一旦电流路径在面内不均匀，则流过多孔层的电流在面内就不均匀。因此，因电流而发热在面内也不均匀。如上所述，发热的作用使得电流不易流过。因而，发热使得由于电流路径不均匀性而导致电流在面内的不均匀就变得更严重。
这里，由于该电流的一部分是用于进行电子发射的，因此可以认为容易产生电子发射量在面内的不均匀。
另外，对于日本专利特开平9-259795号公报所述的电子源，电子发射是在多孔半导体层非常靠近表面附近产生。因此，多孔半导体层的厚度还是薄的好。但是，为了确保元件的一致性的稳定性，该厚度必须厚到一定程度。因此，能够实用化的厚度范围在0.1～50μm。这里考虑到，若为了提高电子发射效率及增加电子发射量，而将多孔半导体层的厚度减薄，则由于电子发射量增加，对表层电子发射起很大作用的部分的发热就成为问题。可以认为，多孔半导体层越薄，这个问题越显著。因而，单纯减薄多孔层的厚度，在实用性存在问题。也就是说可以认为，根据该以往技术，很难既抑制爆发现象及电子发射量在面内的不均匀，又增大电子发射量及电子射效率。
本发明者根据上述见解进行了本发明。本发明实施形态1的电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的至少一部分进行多孔化处理的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜(表面电极)，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射。在该电子源中，半导体层包含各自表面用绝缘层覆盖的柱状结构部分及以纳米为单位的多孔结构部分混合存在的多孔半导体层。这里，沿半导体层厚度方向来看，多孔结构部分的平均尺寸在2μm以下。
下面具体说明该电子源及其电子发射机理。
如图1所示，电子源10具有由n型硅基板构成的导电性基板1。然后，在导电性基板1的一侧主表面上层叠形成由被氧化的多孔多晶硅层构成的多孔半导体层6(强电场漂移层)的多孔半导体部分6a(在图1所示的构成中，整个多孔半导体层6起到多孔半导体部分6a的作用)。再在多孔半导体层6(多孔半导体部分6a)上层叠形成由金属薄膜构成的导电性薄膜7(表面电极)。在导电性基板1的背面形成欧姆电极2。
要从该电子源10发射电子时，与导电性薄膜7相对配置集电极12。在导电性薄膜7与集电极12之间处于真空状态。在导电性薄膜7与导电性基板1之间加上直流电压Vps，使导电性薄膜7相对于导电性基板1(欧姆电极2)为高电位。另外，在集电极12与导电性薄膜7之间加上直流电压Vc，使集电极12相对于导电性薄膜7为高电位。若适当设定各直流电压Vps及Vc，则注入导电性基板1的电子在多孔半导体层6漂移，从导电性薄膜7发射(图1中的点划线表示从导电性薄膜7发射的电子流e-)。导电性薄膜7由功函数小的材料形成。导电性薄膜7的厚度设定为10～15nm左右。
如图2所示，多孔半导体层6的多孔半导体体部分6a包含由柱状多晶硅构成的柱状结构部分21(晶粒)。该柱状结构部分21的表面形成由硅氧化膜构成的薄的绝缘膜22。另外，多孔半导体部分6a包含介于柱状结构部分21之间的以纳米为单位的微晶硅23。微晶硅23的表面形成厚度小于微晶硅23的晶粒直径、由硅氧化膜构成的绝缘膜24。带有绝缘膜24的大量微晶硅23构成多孔结构部分25。可以认为，在多孔半导体部分6a中，多孔化处理前的多晶硅所包含的晶粒表面进行多孔化处理，而利用剩余的晶粒即柱状结构部分21维持结晶状态。因而，多孔半导体部分6a所加的电场的大部分集中在绝缘膜24上。因此，注入的电子e-在柱状结构部分21之间利用加在绝缘膜24上的强电场加速，沿图2中箭头A的方向(图2中向上的方向)漂移。另外，到达多孔半导体部分6a表面的电子可认为是热电子，容易穿过导电性薄膜7向真空中发射。
在电子源10中，导电性薄膜7与欧姆电极2之间流过的电流叫做二极管电流Ips。另外，集电极12与导电性薄膜7之间流过的电流叫做发射电子电流Ie(参照图1)。发射电子电流Ie相对于二极管电流Ips的比值(Ie/Ips)越大，电子发射效率越高。另外，在电子源10中，导电性薄膜7与欧姆电极2之间所加的直流电压Vps即使是10～20V左右的低电压，也能够发射电子。在该电子源10中，电子发射特性与真空度的关系不大。而且，电子发射时不产生爆发现象，能够以高的电子发射效率稳定发射电子。
在上述构成中，采用n型硅基板作为导电性基板1。但是，也可以用在玻璃基板那样的绝缘性基板上形成氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)膜或Al、Ni、Cr、Mo、Ti、W、Pt等金属那样导电体层的导电性基板，来代替由n型硅基板构成的导电性基板1。这种情况下，能够增大电子源10的电子发射面的面积，能够降低电子源10的成本。
图3所示为这样构成的导电性基板之一例。该导电性基板由玻璃基板构成的绝缘性基板13、以及绝缘性基板13上形成的ITO膜构成的导电体层8b组成。在导电体层8b上，隔有多孔半导体层6(多孔半导体部分6a)，层叠形成由金属薄膜构成的导电性薄膜7(表面电极)。在该电子源10中，在导电体层8b上淀积非掺杂多晶硅层后，通过阳极氧化对多晶硅层进行多孔化处理，再进行氧化或氮化，形成多孔半导体层6。
另外，图3所示电子源10发射电子的方法，除了在导电性薄膜7与导电体层8b之间加上直流电压Vps，使导电性薄膜7相对于导电体层8b为高电位这一点以外，与图1所示电子源10的情况相同。
如图4所示，在该电子源10中，流过构成多孔结构部分25的数nm左右微晶硅23(多孔结构部分的构造物)的电流导致电子发射，由于这样，多孔结构部分25将发热。该热量如箭头H1所示，从多孔结构部分25向柱状结构部分21，向导电性基板1散热。因此，多孔结构部分25的温度上升极小。由于该温度上升小，因此形成多孔结构部分25的原子晶格振动减小。因而，通过多孔结构部分25的电子因晶格振动而导致的散射次数减少。所以，发射电子量非常稳定，而且发射电子量增加其结果是，发射电子量的时间性大变化即爆发现象也消失，由于发热而导致发射电子量的面内不均匀也减少。
在以往的电子源中，多孔半导体层是由绝热性非常高的多孔结构部分构成。而与此不同，在本发明的上述构造中，由于电子发射而在多孔结构部分25产生的热量通过柱状结构部分21向导电性基板1散热。因此，与以往结构相比，多孔结构部分25的温度上升极小。
另外，若多孔结构部分25的温度上升大，则下层半导体的电阻下降，注入的电子量增加。这样注入的电子量将随温度变化而变化，因此，电子发射时容易产生爆发现象，而且发射电子量容易产生不均匀。但是，由于在上述构造中温度上升极小，因此非常不容易产生爆发现象。另外，由于很难产生面内温度上升的不均匀，因此发射电子量很难产生不均匀。
对于电子源10的各种应用场合，都需要增大其发射电子量。因而，该构造当然必须达到增大电子发射效率及增大发射电子量的要求。为此，必须增大多孔结构部分25的电场强度。但是，在该构造中，为了增大电场强度。但是，在该构造中，为了增大电场强度，即使增大所加电压，也仅仅增加了柱状结构部分21的端部周围的电场强度，不能大幅度改善电场强度。
因此，本申请的发明者根据图5所示的结构发现，为了使多孔结构部分25形成散热性的构造(多孔结构部分25的宽度在水平剖面为2μm以下)，同时有效地将电场加在多孔结构部分25(使电场均匀)上，最好使多孔结构部分25的厚度在2μm以下。若多孔结构部分25的电场均匀，则多孔结构部分25能有效地用于电子发射。其结果是，电子发射量及电子发射效率增加，能够抑制发射电子量的面内分布(在显示器中，能抑制亮度的不均匀)。
图6所示为推测的机理。当多孔结构部分25的厚度较大时(图6的左侧)，电场集中在R1区域。而当多孔结构部分25的厚度较小时(图6的右侧)，电场在R2区域内均匀分布。也就是说，多孔结构部分25的厚度较小时，集中于柱状结构部分21与导电性薄膜7的接点的电场也均匀地加在多孔结构部分25上。特别是在多孔结构部分25产生的热量通过柱状结构部分21进行散热的效果虽然还与多孔结构部分25的材料有关，但多孔结构部分25的宽度(面内尺寸)越小，散热效果越好。为了充分提高该散热效果，并使电场均匀，多孔结构部分25的厚度必须在2μm以下。
实施形态2
下面说明本发明的实施形态2
在实施形态1的电子源10中，由于其形成方法，在多孔半导体层6的表层将形成凹凸。当以各自的工艺形成柱状结构部分21及多孔结构部分25时，容易在两者间形成非常大的凹凸。例如，用反应离子蚀刻(reactie ionetching，RIE)法或聚焦离子束(focused ion beam，FIB)法在半导体层形成柱状结构部分及微细孔，再将硅等微细粉末分散于玻璃上旋转(spin on glass)等然后充填微细孔，并进行热处理，在用上述这样的方法时容易形成大的凹凸。另外，在采用例如用低压化学汽相淀积(low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)法形成的多晶硅作为多孔半导体层时，若多晶硅的膜厚较厚，则沿晶粒生长方向将形成凹凸。再有，在利用阳极氧化对半导体层进行多孔化处理时，其表面要形成大量的微细凹凸。结果在多孔半导体层表面形成大量的微细凹凸。
在多孔半导体层6的表面形成凹凸的情况下，多孔半导体层6与在其上形成的导电性薄膜7之间存在两者接触部分及不接触部分。因此，在导电性薄膜7与导电性基板1之间加上电场时，在导性薄膜7与多孔半导体层6的接触部分及不接触部分加在多孔半导体层6内部的电场就不均匀。结果使得面内的电子发射量也不均匀。因而，该电子源10用于显示器时，产生画面的面内亮度出现严重不均匀的问题。另外，在该电子源10中，加在多孔半导体层6的电场集中在多孔半导体层6表面的凸起的端部及凹下的底部。因而，在电场集中的部分，发射电子量增加。这样，在显示器等采用电子源10时，就会产生仅在某些特定点的发光亮度较亮、画面亮度的面内不均匀较严重的问题。
另外，在日本专利特开特10-269932号公报揭示了一种在加有电场的多孔硅层表面部分设置高电阻、低多孔度层的电子发射元件。在该电子发射元件中，由于设置了高阻、多孔度层，因此能够提高多孔硅层与导电性薄膜的接触性。而且，能够减少流过电子发射元件的二极管电流，能够提高电子发射效率。但是，在该电子发射元件中，由于在加有电场的多孔硅层表面设置的低多孔度层是高电阻，加在多孔硅层上的电场容易集顺在低多孔度层表面的凸起的端部及凹下的底部。因此可以认为，电场集中部分的电子发射量增加。所以，当显示器等采用该电子发射元件时，可能仅在某些特定点的发光亮度较亮，画面亮度的面内不均匀较严重。
为了解决上述问题，在本实施形态2中，对在导电性基板上均匀形成多孔化处理的半导体层的多晶硅进行多孔化处理，通过这样形成多孔半导体层。根据该构成，多晶硅本身没有大的凹凸。另外，即使利用阳极氧化进行多孔化处理时，多孔结构部分与柱状结构部分的高度也相同。因而，在整个比较大的区域内很难形成导电性薄膜与多孔半导体层不接触的部分，解决了上述问题的一部分。
如图7所示，当多孔结构部分25的高度与柱状结构部分21的高度不同时，(图7的左侧)，导电性薄膜7有可能产生电路断线。也就是说，若柱状结构部分21的高度与多孔结构部分25的高度不同，就在多孔半导体层表面形成凹凸。这种情况下，多孔半导体层表面形成的非常薄的导电性薄膜7不能够完全覆盖这些凹凸。因此，导电性薄膜成为电路断线状态，不能起到电极的作用。与此不同，当柱状结构部分21的高度与多孔结构部分25的高度相同时，前述那样的问题就解决了，形成电气导通的导电性薄膜7(表面电极)。
当导电性薄膜7电气气通时，就有效地将必须的电场加在多孔结构部分25上。因此，能够充分发挥电子源10的特性。
再有，当多孔半导体层由阳极氧化的多晶硅构成时，能够通过对多晶硅进行阳极氧化，用1道工序形成柱状结构部分21及多孔结构部分25。因此，电子源10的制造工艺简单。而且，多晶硅层的形成及阳极氧化也有利于增大电子发射面的面积。特别是对于具有柱状生长晶粒的，将沿着该晶粒进行多孔化处理。因此，多孔结构部分25的深度工近似垂直于导电性基板1，多孔结构部分25的电场近似垂直于导电生基板1。这种情况下，由于电子发射取决于多孔结构部分25的电场，因此电子更进一步垂直于导电性基板1发射。所以，发射电子的方向角度分布小。这样在显示器等应用该电子源10时，能够实现高清晰的显示。
图8A所示的不用多晶硅形成柱状结构部分及多孔部分构造的方法之一例。这种情况下，利用RIE或FIB的刻蚀形成柱状结构部分26。然后，在柱状构造部分26之间的凹下部分充填纳米构造的微粉末，形成多孔结构部分27。或者通过对Al等进行阳极氧化形成垂直，在该垂直(凹下部分)充填纳米构造的微粉末。但是，这种情况下，必须利用不同的制造工序形成柱状结构部分26及多孔结构部分27。另外，很难增大电子发射面的面积。
而如图8B所示，当采用对多晶硅进行阳极氧化的方法时，多晶硅沿柱状生长晶粒进行多孔化处理。因此，用1道工序就很容易形成上述构造。另外，采用多晶硅成膜及阳极氧化进行多孔化处理时，容易增大电子发射面积。
实施形态3
下面说明本发明的实施形态3。
实施形态3的电子源的特征在于，沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置电阻比其它部分低的规定厚度的低电阻层。下面说明该电子源及其电子发射机理。
如图9所示，在该电子源10中，沿多孔半导体层6的厚度方向来看，在其导电性薄膜一侧的表面部分设置电阻比其它部分低的规定厚度的低电阻层6c。该低电阻6c起到虚拟电极的作用，多孔半导体层6的表面部分在面内近似为等电位。因此，即使多孔半导体层6与导电性薄膜7及不接触的部分，在多孔半导体层6的内部也加上面内均匀的电场。因而，能够抑制面内电子发射量的不均匀。所以，将该电子源10应用于显示器时，画面亮度的不均匀较小。
如图10所示，当不设置低电阻层6c(图10的左侧)，电场集中在T1所示部分。而相反，当设置低电阻层6c时(图10的右侧)，电场均匀。也就是说，若多孔半导体层6的表面有凹凸，则为了增大电子发射量而形成的非常薄的导电性薄膜7就容易形成网状。因此，电场集中在网状导电性薄膜7与多孔半导体层6接触的部分。这样，该部分的电子发射量就非常多，发射电子的发射量就不均匀(显示器的情况下，亮度不均匀)。而相反，当多孔半导体层6的表层设置低电阻层6c时，低电阻时6c起到虚拟表面电极的作用，其电位保持一定。因此，多孔半导体层6的电场强度均匀。结果构成的电子源10，其发射电子量的面内不均匀极小。
作为这样的低电阻层6c的具体理想例子，可以具出下列一些。
低电阻层6c的厚度最好小于形成该低电阻层6c的半导体中电子的平均自由程。这样，若设定低电阻层6c的厚度小于在其中移动的电子的平均自由程，则在低电阻层6c中由于散射而引起的电子能量损失较小。因此，穿过低电阻层6c向真空中发射的电子量就非常多。
另外，低电阻层6c也可以是由多孔度小于多孔半导体层6其它部分的低多孔度层构成。
如图11所示，当低电阻层6c的多孔度大时(图11的左侧)，电场集中在T2所示部分。而相反，当低电阻层6c的多孔度小时(图11的右侧)，电场均匀。也就是说，当低电阻层6c形成为低多孔度层时，其表面的凹凸非常小，导电性薄膜7的覆盖性高。因此，电场不集中在多孔半导体层6的凸起部分及凹下部分。结果电场均匀，抑制了发射电子的不均匀性。
这样的由低多孔层构成的低电阻层6c可以用下述方法形成，即在导电性基板1上形成半导体层后，形成多孔半导体层6，使半导体层表面部分的多孔度小于其它部分的多孔度，然后再对多孔半导体层6进行氧化或氮化。这种情况下，不需要另外设置形态形成低电阻层6的工序。因此，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
这里，当利用阳极氧化对半导体层进行多孔化处理时，只要在阳极氧化期间中，在开始的规定时间内使电流密度较小，规定时间后再增大电流密度即可，在阳极氧化时，电流密度与多孔度之间有相关关系。另外，低电阻层6c的电阻值随多孔度的大小而变化。因而，通过控制电流密度，能够控制低电阻层6c的电阻。
另外，当利用阳极氧化对半导体层进行多孔化处理时，也可以在阳极氧化期间中，在开始的规定时间内使照射半导体层表面的光能较小，规定时间后再加大光能。这种情况下。通过控制阳极氧化对照射的光能，能够改变多孔度，控制低电阻层6c的电阻。
另外，作为低电阻层6c的具体理想例子，还可以举出下列一些。
低电阻层6c也可以是由多孔半导体层6的表面部分再结晶形成的再结晶层构成。
如图12所示，在采用多晶硅的普通多孔半导体层6中(图12的左侧)，在多孔半导体层表面存在凹凸，而相反，当低电阻层6c由再结晶层构成时(图12的右侧)，该表面的凹凸非常小，导电性薄膜7的覆盖性高。因此，电场不集中在多孔半导体层6的凸起部分及凹下部分。结果多孔半导体层6内的电场均匀，抑制了发射电子的不均匀性。
这样的由再结晶层构成的低电阻层6c可以用下述方法形成，即例如在导电性基板1上形成半导体层后，通过对半导体层进行多孔化处理形成多孔半导体层6，再利用激光退火法使多孔半导体层6的表面部分再结晶，然后对多孔半导体层进行氧化或氮化。这种情况下，由于利用激光退火法的再结晶部分作为低电阻层，因此能够以低成平实两面内电子发射量较均匀的电子源10。
另外，低电阻层6c也可以是从多孔半导体层表面将杂质通过离子注入多孔半导体层内而形成的杂质注入层构成。这种情况下，容易控制杂质的浓度及分布。
这样的由杂质注入层构成的低电阻层6c可以用下述方法形成，即例如在导电性基板1上形成半导体层后，通过对半导体层进行多孔化处理形成多孔半导体层6，再利用离子注入法从多孔半导体层6的表面一侧将杂质注入多孔半导体层内，然后对多孔半导体层6进行氧化或氮化。这种情况下，也能够以良好的控制性能设置低电阻层6c，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
低电阻层6c也可以是从多孔半导体层表面将杂质通过扩散至多孔半导体层内而形成的杂质扩散层构成。在利用杂质扩散形成低电阻层6c(杂质扩散层)的情况下，与利用离子注入形成低电阻层6c(杂质注入层)和情况相比，容易增大电子发射面积。
这样的由杂质扩散层构成的低电阻层6c可以用下述方法形成，即例如在导电性基板1上形成半导体层后，通过对半导体层进行多孔化处理形成多孔半导体层6，再利用热扩散法从多孔半导体层表面将杂质扩散至多孔半导体层内，然后对多孔半导体层6进行氧化或氮化。这种情况下，能够比较简单地设置电子发射面的面积较大的低电阻层6c。因此，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
实施形态4
下面说明本发明的实施形态4。
实施形态4的电子源10的特征在于，多孔结构部分25的导电性薄膜一侧表面与导电性基板1的表面平行。下面说明该电子源10及其电子发射机理。
如图13所示，当多孔结构部分25的表面与导电性基板1的表面不平行时(图13的左侧)，电场弯曲。而相反，当多孔结构部分25的表面与导电性基板1的表面平行时(图13的右侧)，多孔半导体部所加的电场与导电性基板1垂直。因此，与多孔结构部分25的表面垂直发射的电子也垂直于导电性基板1的表面发射。所以，面内发射电子的角度分布较小，发射电子的方向相同都是垂直的。结果采用该电子源10的显示器能够实现高清晰度的画面。
这样的多孔结构部分表面与导电性基板表面平行的多孔半导体层6可以采用将半导体层表面进行光滑处理后再对该半导体层进行阳极氧化处理的方法形成。若将多孔化处理的半导体层表面进行光滑处理后再进行阳极氧化，则由于表面光滑，因此阳极氧化时的表面电位均匀。所以，阳极氧化的进行速度均匀。
实施形态5
下面说明本发明的实施形态5。
如图14所示，当实施形态1的电子源由例如用实施形态2的方法形成时，即利用阳极氧化对多晶硅进行多孔化处理、并利用氧化或氮化形成多孔半导体层的方法形成时，多孔半导体层6内的多孔结构部分25(多孔化处理区)的厚度在面内常常出现有很大的不均匀。
这可以认为原因在于，在目前的阳极氧化处理中，是将导电性基板上形成多晶硅层的被处理物与对极一起浸在电解液中，在这样的状态下，将导电性基板的导电体层作为正极，在导电性基板与对极之间连续通电，流过一定电流，从而出现上述情况。在多晶硅内，由于晶界等原因，有助于阳极氧化的空穴移动不均匀。因而可以认为，若连续通电，则空穴容易流动的部分选择性地进行阳极氧化。也就是说，多晶硅的多孔化处理速度不均匀。另外，在先多孔化处理的部分，多晶硅层的厚度变薄，电场集中，空穴也集中。因而可以认为，若连续通电，流过一定电流，则集中促进电场集中部位周围的多孔化处理。
如前所述(参照实施形态1)，在多孔半导体层6中，在多孔结构部分25(多孔化处理区)内存在微晶硅23的表面形成的绝缘膜24(硅氧化膜)处，电场变强。因而，若多孔结构部分25的厚度不均匀，则多孔半导体层6的各区域中的电场强度不均匀。也就是说，不可能从导电性薄膜7(表面电极)的整个表面同样发射电子，另外从导电性薄膜7发射的电子能量分布也因发射点而不同。其结果是，将该电子源10用于显示器时，将产生画面的面内亮度严重不均匀的问题。另外，若为如图14所示的分布情况，则在多孔半导体层6的内部有很多地方的电场强度较小。在这样的部位，极端情况下不能发射电子，结果作为整个电子源10也常常不能充分提高电子发射效率。对于显示器用的电子源10，若电子发射效率低，则亮度很难提高。因此，产生画面变暗的问题。
为此，如图15所示，对于实施形态5的电子源10，沿半导体层的厚度方向来看，将多孔结构部分25的最大尺寸与最小尺寸之差决定在0.5μm以下。下面说明该电子源10。
如图16所示，当多孔结构部分25的厚度不均匀较大时(图16的左侧)，多孔结构部分25所加的电场不均匀。但是，该不均匀较小时(图16的右侧)，电场就均匀。也就是说，若多孔结构部分25的厚度不同，则多孔结构部分25所加电场就不同。多孔结构部分25所加电场对于从多孔结构部分25发射电子有很大影响。因而，若多孔结构部分25的厚度不均匀严重，就产生发射电子量的面内分布。为了满足实施形态1的条件，同时要抑制多孔结构部分25的厚度不均匀，抑制发射电子量的面内分布，上述厚度之差必须在0.5μm以下。
若多孔结构部分25的厚度不均匀较小，则多孔结构部分25所加的电场均匀，能够抑制发射电子量的面内分布。另外，几乎从整个多孔结构部分25的表面发射电子，与以往相比，电子发射效率提高。另外，在满足实施形态1的条件(即不发生爆发现象等的柱状结构部分21与多孔结构部分25的关系及多孔结构部分25的厚度在2μm以下)，同时利用实施形态2的多晶硅阳极氧化方法对半导体层进行多孔化处理，构成柱状结构部分21及多孔结构部分25时，柱状结构部分21及多孔部分25的尺寸受多晶硅的晶粒尺寸影响。这些尺寸适合在柱状结构部分将多孔结构部分产生的热量加以散热。根据这样的条件，本发明者经过专心研究得出的结果是，当多孔结构部分25的厚度不均匀在0.5μm以下时，在抑制爆发现象且增大发射电子量的场致发射型电子源中，发现面内电子发射量比较远均匀。其理由可以认为是，多孔结构部分25的电场强度没有产生非常严重的不均匀。
另外，多孔结构部分25的厚度最好近似等于在导电性薄膜7与导电性基板之间配置的半导体层厚度。
如图7所示，当多孔结构部分25的厚度小于导电性薄膜7与导电体层8b(导电性基板)之间间隔时(图17的左侧)，在多孔结构部分25的下侧存在未进行多孔化处理的半导体层。而相反，当多孔结构部分25的厚度近似等于导电性薄膜7与导电体层8b(导电性基板)之间间隔时(图17的右侧)，在多孔结构部分25的下侧几乎不存在未进行多孔化处理的半导体。
当加上电压时，若下部电极的导电性基板(导电体层8b)与多孔结构部分25之间存在未进行多孔化处理的部分，则在该部分产生电压损失。因此，加在多孔结构部分25上的电压减少，电场强度就减少。而相反，若多孔结构部分25的厚度近似等于导电性薄膜7与导电性基板之间的半导体层厚度，则加压导电性基板与表面电极7之间的电压就加在多孔结构部分25上。因此，电场强度也增加，以同样的电压能够得到更多的电子发射。
这里，在导电体层8b(导电性基板)的半导体层一侧表面，最好设置对于用来对半导体层进行多孔化处理的阳极氧化处理用电解液具有耐腐蚀性的耐腐蚀导电体层。
如图18所示，当未设置耐腐蚀导电体层时(图18的左侧)，阳极氧化时，导电体层8b或导电性基板(基板本身或下部电极)将被电解液腐蚀。因此，在导电体层8b可能会产生腐蚀部分28。这样的腐蚀不仅会减少电子发射量，而且有可能因电极断线而使元件不合格。而相反，当设置耐腐蚀导电体层29时(图18的右侧)，能防止电极及基板的腐蚀，导电体层8b不产生腐蚀部分。因而，能够达到防止减少电子发射量、降低元件不合格数量的目的，同时能够实现多孔结构部分25的厚度近似等于导电性薄膜7与导电性基板之间的半导体层厚度的构造。
根据这一构成，例如当利用阳极氧化对多晶硅进行多孔化处理时，在阳极氧化时间长、在超过形成的多晶硅层厚度进行多孔化处理时，多孔化处理进行较快的部分在耐腐蚀导电体层29的表面就停止多孔化处理。因此，多孔化处理进行较慢的部分还接着进行多孔化处理，多孔结构部分25的厚度不均匀性就非常小。根据这一构成，多孔结构部分25所加的电场均匀，能够抑制发射电子量的面内分布。另外，导电体层8b或导电性基板(基板本身及下部电极)设有电解液腐蚀。因而，有效地将电场加在多孔结构部分25。因此，电子发射量没有减少。另外，能够防止由于下部电极断线而造成元件不合格的情况。
实施形态6
下面说明本发明的实施形态6。
如图19所示，在实施形态6的构成中，与电子源10相对设置玻璃基板14。在该玻璃基板14的与电子源10相对的表面设置集电极12及荧光层15。这样就构成了显示装置。荧光层涂布在集电极12的表面，利用电子源10发射的电子发出可见光。集电极12加上使荧光层15发光的发射电子加速用的的电压。另外，玻璃基板14利用未图示的隔板与电子源10相互隔开。在玻璃基板14与电子源10之间形成的气密空间形成真空状态。
如图19-21所示，电子源10具有p型硅基板16。在p型硅基板16的主表面一侧设置由若干条n型区8a形成条状导电性基板作为导电体层。另外，电子源10设有多孔半导体层6，所述多孔半导体层6具有分别与各n型区重叠形成的由多孔多晶硅构成的多孔半导体部分6a、及埋在各多孔半导体部分6a(漂移部分)之间且与该多孔半导体部分6a处于同一平面的由多晶硅构成的隔离部分6b。再在多孔半导体层6上设置形成条状的若干条由例如金薄膜构成的导电性薄膜7(表面电极)，所述条状导电性薄膜7横跨多孔半导体部分6a及隔离部分6b，沿垂直于n型区8a的方向沿伸。
在该电子源10中，采用p型硅基板16作为导电性基板，采用n型区8a作为导电体层。但是，导电性基板不限于p型硅基板16。另外，导电体层也不限于n型区8a，例如，也可以采用在玻璃那样的绝缘性基板上设置铬等那样的金属膜构成的导电体层或ITO等作为导电性基板。另外，当采用在玻璃基板的一个表面形成导电体层作为基板时，与采用半导体基板的情况相比，能够增大电子源10的电子发射面积中的处理温度，可选择石英玻璃、无碱玻璃、低碱玻璃、钠钙玻璃等。
在上述电子源10中，在形成条状的n型区8a与垂直于该n型区8a且形成条状的导电性薄膜之间夹有多孔半导体层6的多孔半导体部分6a。若适当选择导电性薄膜7与n型区8a的组合，并在该组合间加上电压，则仅仅在被选择的导电性薄膜7与n型区8a的交点相应部位的多孔半导体部分6a有强电场作用，电子产生发射。也就是说，在由导电性薄膜7与n型区8a形成的网格的节点处配置电子源10。通过选择加上电压的导电性薄膜7与n型区8a的组合，就能够从所希望的节点发射电子。因而，在显示器上显示图像或文字。
如图20所示，与n型区8a的接触点是通过对多多孔半导部分6a的端部进行刻蚀使n型区表面的一部分露出而形成。然后，接触点通过引线W与外电路连接。另外，n型区8a的载流子浓度设为1×1018-5×1019cm-3。n型区8a与导电性薄膜7之间所加的电压为10-30V左右。
下面说明实施形态6中的电子源10的制造工序。
首先，在p型硅基板16的主表面上设置热扩散用或离子注入用的掩膜板，以得到图22A所示的构造。接着，利用热扩散技术或离子注入技术，在p型硅基板16的主表面掺入磷(P)等杂质，通过这样形成条状n型区8a，然后去掉掩膜板。
接着，在形成n型区8a的p型硅基板的主表面上，利用等离子体辅助化学汽相淀积(plasma-activated chemical vapor deposition，PCVD)法，形成厚度为1.5μm的非掺杂多晶硅层3，得到图22B所示的构造。另外，也可以在n型区8a之间设置高杂质浓度的p型区。多晶硅层3的成膜条件是，压力为20Pa，基板温度为640℃，单硅烷气体流量为600sccm。但是，多晶硅层3的制膜方法不限于LPCVD法。例如，也可以利用溅射法或等离子体化学汽相淀积(chemical vapor deposition，CVD)法形成非晶态硅层后，再通过对非晶态硅层进行退火处理使其结晶，形成多晶硅层3。另外，当导电性基板是在玻璃基板上形成ITO等导电性膜而构成的基板时，也可以利用CVD法在导电性薄膜上形成非晶态硅薄膜后进行退火，通过这样形成多晶硅层3。另外，多晶硅层3的形成方法也可以采用CGS(Cont inuous Grain Silicon)法或触媒CVD法等。另外，多晶硅层3的厚度只要超过通过多孔化处理形成的多孔半导体层6的规定厚度即可。
然后，在多晶硅层3上涂布光刻胶形成掩膜层。再利用光刻技术，在n型区8a的上方部位开孔，通过这样形成如图22C所示的条状图形的光刻胶层。
利用光刻胶层9作为阳极氧化处理用掩膜层，但也可以利用形成条状的氧化硅膜或氮化硅膜作为掩膜层。这种情况下，利用等离子体CVD法或溅射法等形成氧化硅膜或氮化硅膜。然后利用光刻技术及刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀)在n型区8a的上位部位开孔。在用氧化硅膜或氮化硅膜时，也可以在多晶硅层3进行阳极氧化处理后不去掉掩膜层。
再在p型硅基板16的背面形成未图示的欧姆电极。然后，利用光刻胶层9作为掩膜层进行阳极氧化处理，通过这样在多晶硅层3上形成由多孔多晶硅层3上形成由多孔多晶硅构成的多孔半导体部分6a。
阳极氧化采用图23所示装置进行。图中，将盛放有由适量氟酸、乙酸及水混合而成的电解液的处理槽31置于恒温水槽22中，以控制电解液的温度。
将图22c所示的在p型硅基板16上形成导电性基板及多晶硅层3的被处理物30与铂电极的对极33一起浸渍在电解液中。然后，在p型硅基板16与对极33之间通电。在本实施形态中，作为电解液是采用55重量％氟化氢水溶液及乙酸以近似1∶1比例混合的电解液。
在此期间，从500W的钨丝灯泡34以一定的光能将光照射至多晶硅层3的露出部分。在p型硅基板16与对极33之间通电的电流模式利用函数发生器35及恒流源36进行控制。这里，函数发生器35控制电流的极性、通电时间及电流大小、恒流源36产生通电电流。另外，阳极氧化也可以不是通过电流、而是通过施加电压来进行。这种情况下，采用恒压源代替恒流源36。
在本实施形态中的电流模式是将中型硅基板16作为正极连续通电。通电时间及电流密度根据电解液组成及温度适当设定。也就是说，根据电解液组成及温度，调节阴极氧化时的电荷量。如上所述，当采用氟酸、乙醇及水混合的电解液时，电解液的温度最好控制在0℃到室温的温度范围内。另外，最好控制电流或电压，使电流密度为1～200mA/cm2。如本实施形态那样，在阳极氧化处理时使电流密度恒定，利用处理时间来控制全部电荷量，在这种情况下，多孔化处理区的深度由电荷量来决定。因此，用电荷量也能够很容易控制多孔化处理区的深度。所以，通过缩短阳极氧化处理的时间，能够不改变多孔结构部分25的多孔度，而减小其厚度。
例如，在阳极氧化处理中，使电流密度为25mA/cm2，进行6秒钟的通电，通过这样能够形成多孔化处理区厚度不超过2μm的很薄的多孔结构部分25。在本实施形态中，由于多晶硅层3的厚度为1.5μm，因此取阳极氧化处理的电流密度为25mA/cm2，进行3秒种的通电，通过这样进行多孔化处理。这里形成的多孔多晶硅层成为柱状结构部分21与多孔结构部分25混合的多孔半导体层6。这样，若对在同一平面形成多孔半导体层6的半导体层进行多孔化处理，通过这样维持多孔半导体层6在同一平面，则在后工序中在多孔半导体层6的上面形成的导电性薄膜7不易呈网孔状。因此，很难发生发射电子量的面内不均匀。另外，也很难发生因断线而导致的导通不正常的情况。
另外，若在上述阳极氧化处理中，设定电流密度为1.5mA/cm2以下的小电流密度，并适当选择电解液的组成以进行长时间的阳极氧化，则多晶硅层3不进行多孔化处理，而表层进行电解研磨，因晶粒升长而产生的表面凹凸消失。通过这样，多孔半导体层6的表面与导电性基板(n型区8a)的表面平行。然后，若进行上述的阳极氧化处理。则电场均匀垂直加在基板上，因此多孔化处理的进行方向垂直于导电性基板。这样，多孔结构部分25的多孔化处理方向一致。这里，电子是利用多孔结构部分25的电场加速的。若多孔化处理方向都同样垂直于基板，则电子发射方向也垂直于基板而保持一致。因而，当显示器等采用电子源10时，能够有更高清晰度的显示。另外，在将氧化硅或氮化硅作为掩膜对多晶硅层3进行多孔化处理时，在利用RIE法形成氧化硅或氮化硅的开口部分时，也可以进行比规定时间更长的刻蚀。这种情况下，对多晶硅层的表层略微进行一下刻蚀，能够去掉因晶粒生长而产生的表面凹凸，得到与前述同样的效果。另外，这些多晶硅表面的光滑方法，都不需要重新增加工序。因而，在不增加成本的情况下得到前述的效果。
多孔半导体层6也可以用多晶硅以外的材料形成。例如，也可以n型区上利用金属有机物化学汽相淀积(metalorganic chemical vapordeposition，MOCVD)或分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)法，也可在n型区上利用MOCVD或MBE法，形成规定厚度的单晶硅、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等半导体层，然后再利用RIE或FIB法等形成规定深度的微细孔，这种情况下，将前述材料的微晶粉末分散在例如在玻璃上旋转(spin on glass)等中，再充填微细孔，然后通过热处理，能够形成上述构造。
利用这样的阳极氧化处理，形成条状的多孔多晶硅层，这成为绝缘层形成前的多孔半导体部分5。然后，去掉光刻胶层9，得到图22D所示的构造。但是，多孔化处理进行到多晶硅层3的厚度方向的中途为止。另外，阳极氧化处理时交替改变通电方向，同时使电流以脉冲状通电，通过这样能够如图15所示，使多孔结构部分25(多孔区)的厚度近似均匀。
阳极氧化处理后，利用灯泡退火装置，在干燥氧气氛围中对多孔多晶硅层5进行快速热氧化(TRO)。通过这样，形成由热氧化的多孔多晶硅5构成的多孔结构部分，得到图22E所示的构造，若采用快速热氧化，则能够在n秒种内升温至氧化温度。因此，可以防止通常炉管型氧化装置产生的入炉时夹带氧化的问题。在本实施形态中，快速热氧化的条件是，氧气流量为300sccm，氧化温度为900℃，氧化时间为1小时。
另外，作为多孔多晶硅层的氧化方法，除了热氧化法外，也可以采用等离子体氧化法、电子学氧化法(例如用酸进行氧化)以及用UV或臭氧气体的方法。另外，也可以对多孔多晶硅层进行氮化以代替氧化。
然后，在多晶硅层上用具有条状开口图形的金属掩膜，利用蒸镀法形成由金薄膜构成的条状导电性薄膜7，得到图22F所示的构造。导电性薄膜7的厚度为7nm。导电性薄膜7的形成方法不限于蒸镀法，也可以利用光刻技术及刻蚀技术。另外，也可以利用光刻技术及剥离法。
另外，在阳极氧化处理时，是利用光刻胶层9作为掩膜层的，但也可以利用形成条状的氧化硅膜或氮化硅膜作为掩膜层。在利用氧化硅膜或氮化硅膜时，阳极氧化处理后不需要去掉掩膜层的工序。另外，也可以在不发射电子区的导电性薄膜与多晶硅之间设置绝缘层。
另外，电子发射现象是利用以导电性薄膜7为正极加在多孔半导体层上的电场而使到达多孔半导体层表面的电子在隧道效应下从导电性薄膜7的表面向真空中发射的现象。因而，根据在导电性基板与导电性薄膜7之间所加的电压而得到的电子能量减去导电性薄膜7的功函数的能量就成为电子的理想能量。所以，导电性薄膜7的材料的功函数越小越好。作为导电性薄膜7的材料，除了金以外，还可以使用铝、铬、钨、镍、铂、或这些金属的合金等。另外，导电性薄膜7的厚度为10nm，但该厚度只要是通过多孔半导体层6的电子能够穿过的厚度即可，可以适当选择。
在阳极氧化处理时，也可以通过脉冲状的电流，来代替上述那样连续通电的电流。另外，也可以用电压控制来代替电流。若是脉冲状通电，则通电为间歇进行，与连续通电的情况相比，可以降低阳极氧化的进行速度。因此，容易控制多孔结构部分(多孔化处理区)的厚度。
实施形状7
下面说明本发明的实施形态7
在实施形态6中，多晶硅的阳极氧化处理是利用通过一定电流密度或脉冲状电流的方法进行的。与此不同，实施形态7的电流模式是交替设置p型硅基板16为正极期间及为负极期间，在各期间分别通以脉冲状电流。
若采用这样的电流模式，则多孔化处理在p型硅基板16为正极期间进行。这时，在多孔结构部分(多孔化处理区)，由于多晶硅层厚度薄，电场集中，因此电流容易流过。反之，在p型硅基板16为负极期间，在多孔结构部分25附近，由于电场作用而产生气体。因而，在接下来p型硅基板16为正极期间多孔化处理进行快的部位；在下一次多孔化处理时其进行受到抑制。这样的现象重复出现，则图15所示的多孔结构部分25的厚度则近似均匀。
具体来说，如图24所示，在多孔半导体层6的形成过程中，阳极氧化处理极性因脉冲而交替反转。这时，在正极时进行多孔化处理，因表面形状及半导体层状态而产生多孔化状态的不均匀。然后，极性反转成为负极，则电场集中在多孔化处理快速进行的部分，载流子集中。因此，在这部分产生大量气体38。在气体38产生的地方就隔断了与电解质的接触，在下一个正极时，多孔化处理就不进行。通过这样重复，多孔结构部分25的厚度在整个面内均匀。这样，若多孔结构部分25的厚度均匀，则能够实现发射电子量的面内分布极小的电子源10。
脉冲状电每次通电时间(即脉冲宽度)或每次的电流密度可根据电解液组成及温度适当选择。也说是说，根据电解液组成及温度，调节阳极氧化处理时的电荷量。具体来说，与实施形态6的情况相同，根据电解液组成及温度，设定光照射条件。另外，希望通过的脉冲状电流是，在p型硅基板16为正极期间，电流密度为1～200mA/cm2，在p型硅基板16为负极期间，电流密度为-2~100mA/cm2。另外，希望在正极期间，脉冲状电流的通电时间在1秒以下。
在本实施形态中，在阳极氧化处理时，通电方向交替反转，而且电流以脉冲状通电。因此，多孔半导体层6中的多孔结构部分(多孔化处理区)的厚度近似均匀。另外，多孔结构部分25的深度方向不均匀在0.5μm以下。于是，通过控制使多孔结构部分25的一部分不先到达n型区8a，就能够防止n型区8a受到电解液的损伤。另外，在多孔半导体层6中，多孔结构部分厚度近似均匀，结果由n型区8a导电性薄膜7所选择的多孔半导体部分6a，能够近似从整个表面发射电子。因此，与多孔结构部分25的厚度不均匀的情况相比，电子发射效率高，而且电子发射量多，其它构成及动作与实施形态6的情况相同。
实施形态8
下面说明本发明的实施形态8。
在实施形态8中，采用在玻璃基板的一个表面上设置铂电极作为导电体层的基板作为导电性基板。玻璃基板的材料，根据制造过程中的处理温度，可选择石英玻璃、无碱玻璃、低碱玻璃、钠钙玻璃等。另外，之所以采用铂作为导电体层，是因为铂对氟酸具有耐腐蚀性。
如图25A所示，在由玻璃基板构成的绝缘性基板13的一个表面上，利用溅射法形成厚度为0.2μm的铂薄膜构成的导电体层8b。然后，利用离子刻蚀，将导电体层8b形成条状图形。导电体层8b(铂薄膜)的形成方法不限于溅射法，例如也可以采用蒸镀法等。
接着，如图25B所示，形成0.5μm厚度的非掺杂多晶硅层3以覆盖绝缘性基板13及导电体层8b。
再如图25c所示，多晶硅层3利用RIE法形成图形，使其剩下该导电体层8b上侧部分。通过该图形生成，在多孔半导体层6中的多孔半导体部分6a的部位形成图形。然后，将导电体层8b作为一个电极，进行与实施形态6或7相同的阳极氧化处理，对多晶硅层进行多孔化处理。多孔化处理的深度设定为近似等于多晶硅层3的厚度，多孔化处理区近似到达导电体层8b。这里，在阳极氧化时，电解液即使含有氟酸，但由于导电体层8b对氟酸具有耐腐蚀性，因此导电体层8b不被腐蚀。阳极氧化处理后，利用灯泡退火装置，通过在干燥氧气氛围中的快速热氧化(RTO)，形成由热氧化的多孔多晶硅构成的多孔半导体部分6a。因玻璃种类不同，也可以采用等离子体氧化法或电化学(例如用酸)氧化法。
然后，如图25D所示，利用ED蒸镀法形成由金薄膜构成的导电性薄膜7(表面电极)以覆盖绝缘性基板13及多孔半导体部分6a，再利用图形生成，形成条状导电极薄膜7(表面电极)，完成电子源10。
这里，在本实施形态中，由于在绝缘性基板13上设置多晶硅层，因此在电子源10的周围部分能够充分利用多晶硅层形成半导体元件，通过这样能够将电子源10的驱动电路等与绝缘性基板13一起同时形成。
在本实施形态中，多孔半导体部分6a中的多孔结构部分(多孔化处理区)的厚度近似等于多晶硅层厚度。因而，多孔半导体部分6a的多孔结构部分加上全电压。因此，能够将所加电压无损失地用于电子发射，能够增大电子发射量。在本实施形态中，采用在绝缘性基板13上设置铂构成的导电体层8b作为导电性基板。但是，只要是对氟酸具有耐腐蚀性的材料，也可以采用铂以外的材料。另外，采用耐腐蚀材料保护导电性材料，也可以形成导电体层8b。其它构成及动作与实施形态6的情况相同。
实施形态9
下面说明本发明的实施形态9。
如前述图9所示，实施形态9的场致发射型电子源基本构成，其特征在于，在实施形态6的多孔半导体层6的表面部分设置电阻低于其它部分6d的规定厚度的低电阻层6c。在这里，低电阻层6c的厚度设定为小于该低电阻层6c中的电子平均自由程。因此，能够抑制由于设置低电阻层6c而导致电子发射效率的下降。
在本实施形态的电子源10中，当加上电场时，低电阻层6c起到虚拟电极的作用，多孔半导体层6的表面部分近似等电位。因此，在多孔半导体层6与金薄膜构成的导电性薄膜7之间，即使有它们接触部分与不接触部分，但多孔半导体层内部在面内所加电场仍然均匀。因而，能够抑制面内发射电子量的不均匀。所以，在显示器等采用电子源10时，画面亮度不均匀较小。
下面说明低电阻层6c的形成方法。下面所示的是形成低多孔度层作为低电阻层6c的方法。
在实施形态6所示的阳极氧化处理中，一面以一定光能进行照射，一面改变阳极氧化处理期间的电流密度。这里，在阳极氧化期间开始的规定时间内，电流密度小，在规定时间后增大电流密度。通过这样，在多孔度大的多孔多晶硅层的上层形成多孔度小、电阻低的多孔多晶硅层。另外，也可以像实施形态6那样，在阳极氧化处理时使电流密度恒定，同时改变光能。这种情况下，在阳极氧化期间开始的规定时间内，照射表面的光能小，在规定时间后增大光能。这样也能实现与上述相同的构造。
根据上述制造方法，在多孔多晶硅层形成工序中，能够同时在多孔多晶硅层表面部分形成多孔度小的多孔多晶硅层(低电阻层)。因而，不要另外增加形成低电阻层6c的工序，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
具体来说，例如多晶硅层的厚度为1.5μm时，阳极氧化期间的电流密度在最初的4秒钟为3mA/cm2，保持恒定，在其后的10秒钟为30mA/cm2，保持恒定。多孔多晶硅层的多孔度由阳极氧化时的电流大小来决定。因而，多孔多晶硅层中，表面一侧的多孔多晶硅层的多孔度小于导电性基板一侧的多孔多晶硅层而多孔度。
实施形态10
下面说明本发明的实施形态10。另外，实施形态10的电子源10与实施形态9相同，仅仅其制造方法不同。也就是说，其特征在于，在多孔半导体层6的表面部分设置的低电阻层6c是通过对多孔多晶硅层4的表面部分再结晶的再结晶层进行氧化(或氮化)而形成。因而，下面仅说明实施形态10有关的电子源10制造方法。另外，低电阻层6c的形成方法以外与实施形态9相同。也就是说，是通过对多晶硅层3利用阳极氧化进行多孔化处理，从而形成多孔多晶硅层4。这里，由于阳极氧化时的电流密度及光能一定，因此，多孔多晶硅层厚度方向的多孔度一样。
如图26A所示，在该电子源10的制造方法中，在n型硅基板构成的导电性基板1的背面形成欧姆电极2。接着，在导电性基板1的表面形成多晶硅，得到图26A所示的构造。
然后，通过对多晶硅层3利用阳极氧化进行多孔化处理，形成多孔多晶硅层4，得到图26B所示的构造。在本实施形态中，由于阳极氧化时的电流密度及光能一定，因此，多孔多晶硅层4的多孔度在厚度方向一样。
在形成多孔多晶硅层4以后，多孔多晶硅层4的表面部分利用激光退火法进行再结晶。然后，通过对多孔多晶硅层4进行氧化(或氮化)，形成设置低电阻层6c的多孔半导体层6，得到图26c所示的构造。另外，为了对多孔多晶硅层4的表面部分利用激光退火法进行再结晶，只要对多孔多晶硅层4的表面照射例如氩激光或准分子激光即可。
多孔半导体层6形成后，在多孔半导体层6上(即低电阻层6c上)形成由金薄膜构成的导电性薄膜7，得到图10D所示构造的电子源10。
因而，在本实施形态中，利用激光退火法再结晶的表面部分形成低电阻层6c。因此，能够比较简单地设置低电阻层6c。所以，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
另外，在本实施形态的电子源10中能得到与实施形态9相同的效果。特别是由于低电阻层6c由多孔多晶硅层4的表面部分再结晶的再结晶层构成，因此，多孔半导体层6的表面凹凸少。所以，电场集中在多孔半导体层6表面凸起的端部及凹下的底部的情况版抑制。这样，在显示器等采用电子源10时，能够防止仅仅画面特定明亮的情况，画面亮度的面内不均匀较小。
实施形态11
下面说明本发明的实施形态11。另外，实施形态11的电子源10与实施形态9相同，仅仅其制造方法不同。本实施形态的特征在于，低电阻层6c是通过对从多孔多晶硅层4的表面一侧离子注入杂质(例如磷、硼等)的杂质注入层进行氧化(或氮化)而形成。
该电子源10的制造方法与实施形态10基本相同，不同的仅仅是，在多孔多晶硅层4(参照图26B)形成后，从多孔多晶硅4的表面一侧利用离子注入法将杂质注入，再对多孔多晶硅层4进行氧化(或氮化)，通过这样设置低电阻层6c。
于是，在本实施形态中，通过对离子注入后的多孔多晶硅层4进行氧化(或氮化)，表面部分成为低电阻层6c。因此，能够以良好的控制性能设置低电阻层6c，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
另外，在本实施形态的电子源10中也能得到与实施形态9相同的效果。特别是由于低电阻层6c由从多孔多晶硅层4的表面一侧离子注入杂质的杂质注入层构成，因此容易控制低电阻层6c的杂质浓度及分布。
实施形态12
下面说明本发明的实施形态12。另外，实施形态12的电子源与实施形态9相同，仅仅其制造方法不同。本实施形态的特征在于，低电阻层6c是通过对从多孔多晶硅层4的表面利用扩散法将杂质(例如磷、硼等)扩散的扩散层进行氧化(或氮化)而形成。
该电子源10的制造方法与实施形态10的基本相同，不同的仅仅是，在多孔多晶硅层4(参照图26B)形成后，从多孔多晶硅层4的表面利用扩散法将杂质扩散，再对多孔多晶硅层4进行氧化(或氮化)，通过这样形成低电阻层6c。
于是，在本实施形态中，扩散后通过对多孔多晶硅层4进行氧化(或氮化)，表面部分成为低电阻层6c。因此，能够比较简单地设置电子发射面积大的低电阻层6c。所以，能够以低成本实现面内电子发射量较均匀的电子源10。
另外，在本实施形态的场致发射型电子源10中也能得到与实施形态1相同的效果。特别是由于低电阻层6c由从多孔多晶硅层4的表面将杂质扩散的扩散层构成，因此与利用离子注入法将杂质注入的情况相比，能够容易增大电子发射面积。
以上，本发明通过与其特定的实施形态一起进行了说明，但除此之外，还可能有若干变形例及修正例，这一点作为业内人士来说当然是很清楚的。所以，本发明不是由这样的实施形态所限定的，而应该是根据所附的权利要求书所限定的范围。
Claims (23)
1.一种场致发射型电子源，具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的一部分进行多孔化处理的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
半导体层包含各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分和由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合存在的多孔半导体层，
而且沿半导体厚度方向来看的多孔结构部分尺寸设定在2μm以下。
2.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，柱状结构部分在导电性薄膜侧的端部与多孔结构部分在导电性薄膜侧的端部配置在相同位置上。
3.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
多孔半导体层由利用阳极氧化形成的多孔多晶硅构成。
4.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，多孔结构部分的最大尺寸与最小尺寸之差在0.5μm以下。
5.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
多孔半导体层厚度与导电性薄膜和导电性基板之间配置的半导体层厚度相等。
6.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
在导电性基板的半导体层一侧表面设置对于用来对半导体层进行多孔化处理的阳极氧化处理用电解液具有耐腐蚀性的耐腐蚀导电体层。
7.如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置电阻比其它部分低的低电阻层。
8.如权利要求7所述的场致发射型电子源，其特征在于，
低电阻层的厚度小于形成该低电阻层的半导体中电子的平均自由程。
9.如权利要求7所述的场致发射型电子源，其特征在于，
低电阻层由多孔度小于多孔半导体层其它部分的低多孔度层构成。
10.如权利要求7所述的场致发射型电子源，其特征在于，
低电阻层由多孔半导体层表面部分再结晶形成的再结晶层构成。
11.如权利要求7所述的场致发射型电子源，其特征在于，
低电阻层由从多孔半导体层表面将杂质通过离子注入法注入多孔半导体层内而形成的杂质注入层构成。
12.如权利要求7所述的场致发射型电子源，其特征在于，
低电阻层由从多孔半导体层表面将杂质扩散进入多孔半导体层内而形成的杂质扩散层构成。
13.如权利要求1至3中任一项所述的场致发射型电子源，其特征在于，
多孔结构部分的导电性薄膜一侧表面与导电性基板表面平行。
14.一种场致发射型电子源的制造方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，所述制造方法包括
对半导体层利用阳极氧化处理进行多孔化处理而形成由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤，
在该步骤中，用半导体层为正极期间的电荷量来控制多孔半导体层的厚度。
15.如权利要求14所述的场致发射型电子源的制造方法，其特征在于，
在其上形成多孔化半导体层的导电性基板与同导电性基板相对的电极之间加上脉冲电流或电压，使得交替产生导电性基板为正极的期间与切断通电状态的期间，并通过改变导电性基板为正极期间的电荷量来控制多孔半导体层的厚度。
16.如权利要求14所述的场致发射型电子源的制造方法，其特征在于，
在其上形成多孔化半导体层的导电性基板与同导电性基板相对的电极之间加上脉冲电流或电压，使得交替翻转产生导电性基板为正极的期间与导电性基板为负极的期间，并通过改变导电性基板为负极期间的每1个脉冲的电荷量使多孔半导体层的厚度均匀。
17.一种场致发射型电子源的制造方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置多孔度比其他部分小、电阻比其它部分低的低电阻层，
所述制造方法包括下述步骤：
在导电性基板上形成半导体层上之后形成半导体层表面部分的多孔度小于其它部分多孔度之后，而形成由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤，
通过将多孔半导体层氧化或氮化形成具有低电阻层的多孔半导体层的步骤，
以及在多孔半导体层上形成导电性薄膜的步骤。
18.如权利要求17所述的场致发射型电子源的制造方法，其特征在于，
在利用阳极氧化进行半导体层多孔化处理时，根据低电阻层的厚度，在阳极氧化期间中的初期将电流密度设定得较小，在此 后将电流密度设定得较大。
19.如权利要求17所述的场致发射型电子源的制造方法，其特征在于，
在利用阳极氧化进行半导体层多孔化处理时，根据低电阻层的厚度，在阳极氧化期间的初期使照射半导体层表面的光能小，在此后再加大光能。
20.一种场致发射型电子源制造的方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置由多孔半导 体层表面部分再结晶形成的再结晶层构成、电阻比其它部分低的低电阻层，
所述制造方法包括下述步骤：
在导电性基板上形成半导体层后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤，
利用激光退光法使多孔半导体层表面部分再结晶的步骤，
通过将多孔半导体层氧化或氮化形成具有低电阻层的多孔半导体层的步骤，
以及在多孔半导体层上形成导电性薄膜的步骤。
21.一种场致发射型电子源制造的方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置由离子注入杂质而形成的杂质注入层构成、电阻比其它部分低的低电阻层，
所述制造方法包括下述步骤：
在导电性基板上形成半导体层后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤，
从多孔半导体层表面一侧利用离子注入法将杂质进行离子注入的步骤，
通过将多孔半导体层氧化或氮化形成具有低电阻层的多孔半导体层的步骤，
以及在多孔半导体层上形成导电性薄膜的步骤。
22.一种场致发射型电子源制造的方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
沿半导体层厚度方向来看，在多孔半导体层的导电性薄膜一侧的端部设置由利用杂质扩散而形成的杂质扩散层构成、电阻比其它部分低的低电阻层，
所述制造方法包括下述步骤：
在导电性基板上形成半导体层后、再通过对半导体层进行多孔化处理而形成由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤，
从多孔半导体层表面利用热扩散法将杂质扩散至多孔半导体层内的步骤，
通过将多孔半导体层氧化或氮化形成具有低电阻层的多孔半导体层的步骤，
以及在多孔半导体层上形成导电性薄膜的步骤。
23.一种场致发射型电子源制造的方法，所述场致发射型电子源具有导电性基板、在导电性基板的一个表面上形成的含有多孔半导体层的半导体层、以及在半导体层上形成的导电性薄膜，通过在导电性薄膜与导电性基板之间加上导电性薄膜相对于导电性基板为正的电压，注入导电性基板的电子就通过半导体层从导电性薄膜发射，其特征在于，
在对半导体层表面进行光滑处理后，通过对半导体层进行阳极氧化处理，形成多孔结构部分表面与导电性基板表面平行的、并且由各自的上述表面用绝缘膜覆盖的柱状结构部分与由微结晶或微细孔的大小为数纳米的半导体微晶构成的多孔结构部分混合而成的厚度在2μm以下的多孔半导体层的步骤。
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