JP2000100316A

JP2000100316A - 電界放射型電子源

Info

Publication number: JP2000100316A
Application number: JP10272342A
Authority: JP
Inventors: Takuya Komoda; 卓哉菰田; Nobuyoshi Koshida; 信義越田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP2966842B1

Abstract

(57)【要約】【課題】電子を安定して高効率で放出できる低コストの
電界放射型電子源を提供する。【解決手段】導電性基板から強電界ドリフト層たる急速
熱酸化された多孔質ポリシリコン層６に注入された電子
は、多孔質ポリシリコン層６内を表面に向かってドリフ
トし多孔質ポリシリコン層６上に形成された金属薄膜を
トンネルして放出される。多孔質ポリシリコン層６は、
少なくとも、柱状の半導体結晶であるポリシリコン６１
と、ポリシリコン６１の表面に形成された薄いシリコン
酸化膜６２と、柱状のポリシリコン６１間に介在するナ
ノメータオーダの半導体微結晶である微結晶シリコン層
６３と、微結晶シリコン層６３の表面に形成され当該微
結晶シリコン層６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁
膜であるシリコン酸化膜６４とから構成され、電子はシ
リコン酸化膜６４にかかる強電界により加速される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料を用い
て電界放射により電子線を放射するようにした電界放射
型電子源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許３６６５２４１号などに開示されているい
わゆるスピント（Spindt）型電極と呼ばれるものがあ
る。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタ
チップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部
を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに
対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真
空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として
高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端か
ら放射孔を通して電子線を放射するものである。

【０００３】しかしながら、スピント型電極は、製造プ
ロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッ
タチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面
発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化
が難しいという問題があった。また、スピント型電極
は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミ
ッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存
在するような場合、放射された電子によって残留ガスが
プラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタ
チップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端が
ダメージ（例えば、イオン衝撃による損傷）を受け、放
射される電子の電流密度や効率などが不安定になった
り、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問
題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種
の問題の発生を防ぐために、高真空（１０^-5Ｐａ〜１０
^-6Ｐａ）で使用する必要があり、コストが高くなるとと
もに、取扱いが面倒になるという不具合があった。

【０００４】この種の不具合を改善するために、ＭＩＭ
（Metal Insulator Metal)方式やＭＯＳ(Metal Oxid
e Semiconductor)型の電界放射型電子源が提案されて
いる。前者は金属−絶縁膜−金属、後者は金属−酸化膜
−半導体の積層構造を有する平面型の電界放射型電子源
である。しかしながら、このタイプの電界放射型電子源
において電子の放射効率を高めるためには（多くの電子
を放射させるためには）、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜
厚を薄くする必要があるが、上記絶縁膜や上記酸化膜の
膜厚を薄くしすぎると、上記積層構造の上下の電極間に
電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、この
ような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸
化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率
（引き出し効率）をあまり高くできないという不具合が
あった。

【０００５】また、近年では、特開平８−２５０７６６
号公報に開示されているように、シリコン基板などの単
結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の主表面側を
陽極酸化することにより多孔質半導体層（例えば、ポー
ラスシリコン層）を形成して、その多孔質半導体層上に
金属薄膜を形成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧
を印加して電子を放射させるように構成した電界放射型
電子源（半導体冷電子放出素子）が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平８−２５０７６６号公報に記載の電界放射型電子
源では、基板が半導体基板に限られるので、大面積化や
コストダウン化が難しいという不具合や、電子放出時に
いわゆるポッピング現象が発生しやすいという不具合が
ある。電子放出時にポッピング現象が発生する電界放射
型電子源では、放出電子量にむらが起こりやすいので、
平面発光装置やディスプレイ装置などに応用した場合
に、発光むらができてしまうという不具合がある。

【０００７】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、電子を安定して高効率で放出できる
低コストの電界放射型電子源を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成された強電界ドリフト層と、該強電界ドリ
フト層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導
電性基板に対して正極として電圧を印加することにより
導電性基板から注入された電子が強電界ドリフト層をド
リフトし金属薄膜を通して放出される電界放射型電子源
であって、前記強電界ドリフト層は、少なくとも、導電
性基板の主表面に略直交して列設された柱状の半導体結
晶と、半導体結晶間に介在するナノメータオーダの半導
体微結晶と、半導体微結晶の表面に形成され当該半導体
微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とからなる
ことを特徴とするものであり、電子放出特性の真空度依
存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せ
ず安定して高効率で電子を放出することができ、また、
導電性基板として単結晶シリコン基板などの半導体基板
の他にガラス基板などに導電性膜を形成した基板などを
使用することもできるから、従来のように半導体基板を
多孔質化した多孔質半導体層を利用する場合やスピント
型電極に比べて、電子源の大面積化及び低コスト化が可
能になるという効果がある。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記半導体結晶が、ポリシリコンよりなることを特
徴とする。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記絶縁膜が、酸化膜よりなること
を特徴とする。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記絶縁膜が、窒化膜よりなること
を特徴とする。

【００１２】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
従来の技術で説明した特開平８−２５０７６６号公報に
記載の構造では、単結晶シリコン基板の主表面側を多孔
質化することにより形成されたポーラスシリコン層が電
子の注入される強電界ドリフト層を構成しているので電
界放射型電子源の断熱性が高く、電圧が印加され電流が
流れた場合の基板温度の上昇が比較的大きいという知見
を得た。さらに、該温度上昇により電子が熱的に励起さ
れるとともに半導体基板の抵抗が下がり、電子の放出量
が増えるので、これにより電子放出時にポッピング現象
が生じやすく、放出電子量にむらが起こりやすいとの知
見を得た。そこで、発明者は、上記知見に基づいて本発
明を行った。

【００１３】

【発明の実施の形態】図２に本実施形態の電界放射型電
子源１０の概略構成図を、図３（ａ）〜（ｅ）に電界放
射型電子源１０の製造方法における主要工程断面図を示
す。なお、本実施形態では、導電性基板としてｎ形シリ
コン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基
板）を用いている。

【００１４】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
２に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面上に急速
熱酸化されたポリシリコン層５が形成され、該ポリシリ
コン層５上に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６
が形成され、該多孔質ポリシリコン層６上に金属薄膜た
る金薄膜７が形成されている。また、ｎ形シリコン基板
１の裏面にはオーミック電極２が形成されている。

【００１５】ところで、本実施形態では、導電性基板と
してｎ形シリコン基板１を用いているが、導電性基板
は、電界放射型電子源１０の負極を構成するとともに真
空中において上述の多孔質ポリシリコン層６を支持し、
なお且つ、多孔質ポリシリコン層６へ電子を注入するも
のである。

【００１６】また、上述の多孔質ポリシリコン層６は、
導電性基板と金属薄膜との間に電圧を印加したときに導
電性基板から注入された電子がドリフトする強電界ドリ
フト層である。

【００１７】以下、製造方法について図３を参照しなが
ら説明する。

【００１８】まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミ
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層３を
形成することにより図３（ａ）に示すような構造が得ら
れる。ポリシリコン層３の成膜は、ＬＰＣＶＤ法により
行い、成膜条件は、真空度を２０Ｐａ、基板温度を６４
０℃、モノシランガスの流量を６００ｓｃｃｍとした。

【００１９】ノンドープのポリシリコン層３を形成した
後、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略
１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、白金電
極（図示せず）を負極、ｎ形シリコン基板１（オーミッ
ク電極２）を正極として、ポリシリコン層３に光照射を
行いながら定電流で陽極酸化処理を行うことによって、
多孔質ポリシリコン層４（以下、ＰＰＳ層４と称す）が
形成され図３（ｂ）に示すような構造が得られる。な
お、本実施形態では、陽極酸化処理の条件として、電流
密度を１０ｍＡ／ｃｍ²一定、陽極酸化時間を３０秒と
するとともに、陽極酸化中に５００Ｗのタングステンラ
ンプによりポリシリコン層３の表面に光照射を行った。
その結果、本実施形態では、膜厚が略１μｍの多孔質ポ
リシリコン層４が形成された。なお、本実施形態では、
ポリシリコン層３の一部を多孔質化しているが、ポリシ
リコン層３全部を多孔質化してもよい。

【００２０】次に、急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Therm
al Oxidation）技術によってＰＰＳ層４及びポリシリ
コン層３の急速熱酸化を行うことにより図３（ｃ）に示
す構造が得られる。ここに、図３（ｃ）における５は急
速熱酸化されたポリシリコン層を、６は急速熱酸化され
たＰＰＳ層（以下、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６と称す）を示
す。急速熱酸化の条件としては、酸化温度を９００℃、
酸化時間を１時間とした。なお、本実施形態では、ＰＰ
Ｓ層４及びポリシリコン層３の酸化を急速熱酸化により
行っているので、数秒で酸化温度まで昇温することが可
能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置で問題となる
入炉時の巻き込み酸化を抑制することができる。

【００２１】次に、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６上に金属薄膜た
る金薄膜７を例えば蒸着により形成することによって、
図３（ｄ）および図２に示す構造の電界放射型電子源１
０が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜７の膜
厚を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するもの
ではない。なお、電界放射型電子源１０は金薄膜７を電
極の正極（アノード）とし、オーミック電極２を負極
（カソード）とするダイオードが構成される。また、本
実施形態では、金属薄膜を蒸着により形成しているが、
金属薄膜の形成方法は蒸着に限定されるものではなく、
例えばスパッタ法を用いてもよい。

【００２２】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の特性について説明する。

【００２３】上述の電界放射型電子源１０を真空チャン
バ（図示せず）内に導入して、図４に示すように金薄膜
７と対向する位置にコレクタ電極２１（放射電子収集電
極）を配置し、真空チャンバ内の真空度を５×１０^-5Ｐ
ａとして、金薄膜７とオーミック電極２との間に直流電
圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１と金薄膜
７との間に直流電圧Ｖcを印加することによって、金薄
膜７とオーミック電極２との間に流れるダイオード電流
Ｉpsと、電界放射型電子源１０から金薄膜７を通して放
射される電子ｅ^-（なお、図４中の一点鎖線は放射電子
流を示す）によりコレクタ電極２１と金薄膜７との間に
流れる放出電子電流Ｉeとを測定した結果を図５に示
す。ここに、金薄膜７はオーミック電極２（つまり、ｎ
形シリコン基板１）に対して正極として直流電圧Ｖpsを
印加し、コレクタ電極２１は金薄膜７に対して正極とし
て直流電圧Ｖcを印加している。

【００２４】図５の横軸は直流電圧Ｖpsの値を、縦軸は
電流密度を示し、同図中のイ（○）がダイオード電流Ｉ
psを、同図中のロ（●）が放出電子電流Ｉeを示す。な
お、直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とした。

【００２５】図５からも分かるように、放出電子電流Ｉ
eは直流電圧Ｖpsが正のときのみ観測され、直流電圧Ｖp
sの値を増加させるにつれてダイオード電流Ｉps及び放
出電子電流Ｉeとも増加した。例えば、直流電圧Ｖpsを
１５Ｖとしたとき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略
１００ｍＡ／ｃｍ²、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１
０μＡ／ｃｍ²であり、この放出電子電流Ｉeの値は従来
例で説明した単結晶シリコン基板の表面を多孔質化する
ことにより形成したポーラスシリコン層を強電界ドリフ
ト層として利用した電界放射型電子源に比べて大きな値
であり（例えば、電子情報通信学会ＥＤ９６−１４１，
Ｐ４１−４６によれば、直流電圧Ｖpsを１５Ｖとしたと
き、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略４０ｍＡ／ｃｍ
²、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１μＡ／ｃｍ²であ
る）、本実施形態の電界放射型電子源１０の電子の放出
効率が高いことが分かる。

【００２６】図６に、この放出電子電流Ｉeと直流電圧
Ｖpsとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉ
ｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示
す。図６より、各データが直線上にのることから、この
放出電子電流Ｉeは量子的なトンネル効果による電子の
放出による電流であると推考される。

【００２７】図７は本実施形態の電界放射型電子源１０
のダイオード電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉeそれぞれ
の経時変化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸が
電流密度であり、同図中のイがダイオード電流Ｉpsを、
同図中のロが放出電子電流Ｉeを示す。なお、図７は、
直流電圧Ｖpsを１５Ｖ一定、直流電圧Ｖcを１００Ｖ一
定とした場合の結果である。図７からわかるように、本
実施形態の電界放射型電子源１０では、ダイオード電流
Ｉps、放出電子電流Ｉe両方ともポッピング現象は観測
されず、時間が経過しても略一定のダイオード電流Ｉps
及び放出電子電流Ｉeを維持することができる。このよ
うな放出電子電流Ｉeの経時変化の少ない安定した特性
は、従来のＭＩＭ方式や単結晶シリコン基板の表面を多
孔質化することにより実現される電界放射型電子源では
得られない特性であり、本発明の構造を採用することに
より得られる特性である。

【００２８】次に、本実施形態の電界放射型電子源１０
の放出電子電流Ｉeの真空度依存性について説明する。
図８は本実施形態の電界放射型電子源１０の周囲をＡｒ
ガス雰囲気として真空度を変化させたときのダイオード
電流Ｉps及び放出電子電流Ｉeの変化を示す。図８は横
軸が真空度、縦軸が電流密度であり、同図中のイ（○）
がダイオード電流Ｉpsを、同図中のロ（●）が放出電子
電流Ｉeを示す。図８から、真空度が１０^-4Ｐａ〜１Ｐ
ａの範囲では略一定の放出電子電流Ｉeが得られ、放出
電子電流Ｉeの真空度依存性が小さいことがわかる。す
なわち、本実施形態の電界放射型電子源１０は電子放出
特性の真空度依存性が小さいので、真空度が多少変化し
ても安定して電子を効率良く放出（放射）することがで
き、低真空度でも良好な電子放出特性が得られ従来のよ
うな高真空で使用する必要がないから、電界放射型電子
源１０を利用する装置の低コスト化が図れるとともに取
扱いが容易になる。

【００２９】次に、本実施形態の電界放射型電子源の電
子放出の機構について説明する。

【００３０】まず、電子放出の機構を調べるために、陽
極酸化処理後の図３（ｂ）の試料のＰＰＳ層４断面をＴ
ＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察したところ、柱状
のポリシリコンの周辺に、ナノメータオーダ（直径５ｎ
ｍ前後）の微結晶シリコン層が成長していることが確認
された。また、ポリシリコン層３成膜後の図３（ａ）の
試料の断面をＴＥＭにより観察したところ、膜成長方向
（図３（ａ）の上下方向）の細い柱状のグレイン（結晶
粒）の集合体（柱状構造）でポリシリコン層３が構成さ
れていることが確認された。ＴＥＭによるこれらの観察
結果を比較した結果、ポリシリコン層３の陽極酸化反応
は、グレインの境界で優先的に進み、つまり、柱状構造
の柱と柱との間を深さ方向に陽極酸化が進行し、陽極酸
化後も柱状のシリコングレインの構造が残っているもの
と考えられる。これは、多孔質層（ＰＰＳ層４）の形成
速度が単結晶シリコン基板を陽極酸化してポーラスシリ
コン層を形成する場合に比べて速くなるので、量子閉じ
込め効果が現れるナノメータオーダの微結晶シリコン層
の空間密度が低くなる一方で比較的大きい柱状のグレイ
ンが残留しているのであると考えられる。ここにおい
て、柱状のグレイン構造が残留するということは、電気
伝導性の制御および構造的・熱的安定性からみれば、柱
状構造のポリシリコン層を陽極酸化処理することにより
形成された多孔質多結晶シリコンは通常の塊状のポリシ
リコン層を陽極酸化処理することにより形成される多孔
質多結晶シリコンよりも優れた性質をもつと考えられ
る。

【００３１】上述のＴＥＭ観察の結果から、図３（ｄ）
に示す急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６（ＲＴ
Ｏ−ＰＰＳ層６）は、つまり、強電界ドリフト層は、図
１に示すように、少なくとも、柱状の半導体結晶である
ポリシリコン６１と、ポリシリコン６１の表面に形成さ
れた薄いシリコン酸化膜６２と、柱状のポリシリコン６
１間に介在するナノメータオーダの半導体微結晶である
微結晶シリコン層６３と、微結晶シリコン層６３の表面
に形成され当該微結晶シリコン層６３の結晶粒径よりも
小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜６４とから構
成されると考えられる。

【００３２】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。すなわち、金薄膜７をｎ形シリコン基板１に対
して正極として印加する直流電圧Ｖpsが所定値（臨界
値）に達すると、ｎ形シリコン基板１側からＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６に熱的励起により電子ｅ^-が注入される。一
方、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６に印加された電界はほとんどシ
リコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子は酸化
膜６４にかかっている強電界により加速されＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６におけるポリシリコン６１の間の空間を表面に
向かって図１中の矢印Ａの向きへ（図１中の上方向へ向
かって）ドリフトする。ここに、ＲＴＯ−ＰＰＳ層中の
電子のドリフト長は後述のように微結晶シリコン層６３
の粒径に比べて非常に大きいので、ほとんど衝突を起こ
すことなくＲＴＯ−ＰＰＳ層６の表面に到達する。ＲＴ
Ｏ−ＰＰＳ層６の表面に到達した電子ｅ^-はホットエレ
クトロンであって、ホットエレクトロンは熱平衡状態よ
りも数ｋＴ以上のエネルギを有するので、ＲＴＯ−ＰＰ
Ｓ層６の最表面の酸化層を介して金薄膜７を容易にトン
ネルし真空中に放出される。

【００３３】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、上述の図７で説明したようにポッピングノイ
ズが発生せずに高効率で安定して電子を放出することが
できるが、これは、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６は各グレインの
表面が多孔質化し各グレインの中心部分（図１のポリシ
リコン６１）では結晶状態が維持されていることから、
電圧の印加により生じた熱が上記結晶状態が維持された
部分（図１のポリシリコン６１）を伝導して外部に放出
され、温度上昇が抑制されるからであると推考される。

【００３４】以上をまとめると、強電界ドリフト層たる
ＲＴＯ−ＰＰＳ層６は、強電界が存在しうる半絶縁性を
備え、また、電子散乱が少なくドリフト長が大きく、さ
らに、ダイオード電流Ｉpsの熱暴走を抑えるだけの熱伝
導率を有するので、高効率で安定して電子を放出するこ
とができるのだと考えられる。

【００３５】上述のようなホットエレクトロンのトンネ
リングによる電子放出の機構を支持する事項として、
表面での強電界効果、電子のドリフト長、放出電子
のエネルギ分布、それぞれについて説明する。表面での強電界効果従来例で説明したｎ形単結晶シリコン基板を陽極酸化し
て得られるポーラスシリコンにより形成されるダイオー
ド（以下、ポーラスシリコンダイオードと称す）では、
冷電子放出まで至らない低電圧領域においてまずエレク
トロルミネセンス（以下、ＥＬと称す）発光が観測され
る。この発光機構を考えると、基板はｎ形であることか
ら、電子が発光再結合するために必要なホールの発生が
どのような機構で起こるかが問題となる。ホールの生成
機構としては、ＥＬ発光特性の解析から、微結晶シリコ
ン層の価電子帯から隣接した微結晶シリコン層の伝導帯
への電子トンネリング、および衝突電離による電子なだ
れ、の２つの過程が提案されている（T.Oguro et al,
J.Appl.Phys.81(1997)1407-1412）。

【００３６】これらの２つの過程はいずれも強電界の存
在によってはじめて生じうる効果である。また、印加電
界によるＰＬクエンチングの励起波長依存性の測定結果
に基づく見積もりによれば、ＥＬ発光時のポーラスシリ
コンダイオードでは、１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の強電界がポ
ーラスシリコン層の表面から数百ｎｍの深さまでの比較
的浅い領域に存在している。電子放出はＥＬよりもさら
に高い印加電圧から始まるから、電子放出にはホットエ
レクトロンが関与していると考えられる。

【００３７】これに対し、本実施形態では、ＲＴＯ処理
によって酸化層がＲＴＯ−ＰＰＳ層６の表面側に特に集
中して形成されているので、ポーラスシリコン層と同様
に、表面付近で生じる強電界がホットエレクトロンの生
成とトンネル放出を引き起こしていると考えられる。電子のドリフト長ポーラスシリコン層の光導電効果に関連したキャリア飛
行時間（time-of-flight:TOF）測定の結果によれば、強
電界下（１０⁵Ｖ／ｃｍ）にあるポーラスシリコン層内
のキャリアのドリフト長は約１μｍにも及ぶことが報告
されている（R.Sedlacik et al,Thin Solid Films
255(1993)269-271）。これはポーラスシリコン層中の
微結晶シリコン層のサイズをはるかに超える値であり、
伝導電子が容易にホット化しうることを意味する。要す
るに、ポーラスシリコン層中の電子伝導を支配している
は単結晶シリコン構造そのものではなく、強電界が存在
する微結晶シリコン層の表面層ないし微結晶シリコン層
間の薄いシリコン酸化膜などの界面組織であるといえ
る。

【００３８】これらのことは本実施形態におけるＲＴＯ
−ＰＰＳ層６にも当てはまり、同程度の電界が存在する
場合、電子のドリフト長はポリシリコン６１のグレイン
サイズ（本実施形態では２００ｎｍないし３００ｎｍ）
に比べて十分に長くなり、表面に到達した電子がホット
エレクトロンになっていることが容易に推察される。放出電子のエネルギ分布本実施形態の電界放射型電子源１０から放射される電子
のエネルギＮ（Ｅ）のエネルギ分布を測定した結果を図
９に示す。図９において、イは直流電圧Ｖpsを１２Ｖと
した場合、ロは直流電圧Ｖpsを１５Ｖとした場合、ハは
直流電圧Ｖpsを１８Ｖとした場合、をそれぞれ示す。

【００３９】図９から、電子のエネルギＮ（Ｅ）のエネ
ルギ分布は比較的ブロードであって、しかも数ｅＶの高
エネルギ成分を含んでおり、印加する直流電圧Ｖpsの増
加とともにピーク位置が高エネルギ側へシフトすること
がわかった。したがって、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６での電子
散乱は少なく、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６の表面側に到達した
電子は十分なエネルギを有するホットエレクトロンであ
ると考えられる。つまり、擬似弾道型（バリスティッ
ク）電子放出現象が起こっていると考えられる。

【００４０】なお、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６の表面に到達し
た電子が熱平衡状態にまで緩和してしまう強い散乱を受
けていないということは、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６内でのエ
ネルギ損失、すなわち、熱発生が少なく、ダイオード電
流Ｉpsを一定に保持する効果を生む。さらに、ＲＴＯ−
ＰＰＳ層６中に残存している柱状のポリシリコン６１
（図１参照）が熱の拡散に寄与しポッピングノイズの発
生を抑制していると考えられる。

【００４１】なお、上記実施形態では、ｎ形シリコン基
板１上に堆積した柱状構造を有するポリシリコン層３に
陽極酸化処理を施しているが、最終的に図１に示すよう
な構造が得られれば塊状のポリシリコン層を堆積して陽
極酸化処理を施してもよい。また、ポリシリコン層３を
堆積する替りに、ｎ形シリコン基板１の主表面から所定
深さまでｎ形シリコン基板１の表面側を柱状にマイクロ
加工し陽極酸化処理を施すようにしてもよい。

【００４２】ところで、上記実施形態では、導電性基板
としてｎ形シリコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの
（１００）基板）を用いているが、導電性基板はｎ形シ
リコン基板に限定されるものではなく、例えば、クロム
などの金属基板や、ガラス基板などに透明導電性薄膜
（例えば、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や白金やクロ
ムなどの導電性膜を形成した基板などを用いてもよく、
ｎ形シリコン基板などの半導体基板を用いる場合に比べ
て大面積化及び低コスト化が可能になる。

【００４３】また、ポリシリコン層３の成膜は、導電性
基板が半導体基板の場合にはＬＰＣＶＤ法やスパッタ法
により行ってもよいし、あるいは、プラズマＣＶＤ法に
よってアモルファスシリコンを成膜した後にアニール処
理を行うことにより結晶化させて成膜してもよい。ま
た、導電性基板がガラス基板に導電性薄膜を形成した基
板の場合には、ＣＶＤ法によって導電性薄膜上にアモル
ファスシリコンを成膜した後エキシマレーザでアニール
することにより、ポリシリコン層３を形成してもよい。
また、導電性薄膜上にポリシリコン層３を形成する方法
はＣＶＤ法に限定されるものではなく、例えばＣＧＳ
（Continuous Grain Silicon）法や触媒ＣＶＤ法など
を用いてもよい。なお、ポリシリコン層３をＣＶＤ法な
どにより基板上に堆積させる場合、堆積されるポリシリ
コン層は基板のオリエンテーションが強く影響するの
で、ポリシリコン層３を単結晶シリコン（１００）基板
以外の基板上に堆積させる場合には、基板の主表面に対
して垂直方向へ柱状に成長する堆積条件を設定すればよ
い。

【００４４】また、上記実施形態では、ＲＴＯ技術によ
ってＰＰＳ層４及びポリシリコン層３を急速熱酸化して
いるが、急速熱酸化に限らず、化学的方法により酸化し
てもよし、酸素プラズマにより酸化してもよい。また、
酸化の替りに窒化するようにしてもよく、窒化の場合に
は、窒素プラズマによる窒化や熱的な窒化などの方法を
用いればよい。すなわち、図１におけるシリコン酸化膜
６４よりなる絶縁膜の替りにシリコン窒化膜を絶縁膜と
して採用してもよい。

【００４５】また、上記実施形態においては、金属薄膜
として金薄膜７を用いているが、金属薄膜の材料は金に
限定されるものではなく、仕事関数の小さな金属であれ
ばよく、例えば、アルミニウム、クロム、タングステ
ン、ニッケル、白金などを用いてもよい。ここに、金の
仕事関数は５．１０ｅＶ、アルミニウムの仕事関数は
４．２８ｅＶ、クロムの仕事関数は４．５０ｅＶ、タン
グステンの仕事関数は４．５５ｅＶ、ニッケルの仕事関
数は５．１５ｅＶ、白金の仕事関数は５．６５ｅＶであ
る。

【００４６】

【発明の効果】請求項１ないし請求項４の発明は、導電
性基板と、導電性基板の一表面側に形成された強電界ド
リフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された金属薄
膜とを備え、金属薄膜を導電性基板に対して正極として
電圧を印加することにより導電性基板から注入された電
子が強電界ドリフト層をドリフトし金属薄膜を通して放
出される電界放射型電子源であって、前記強電界ドリフ
ト層は、少なくとも、導電性基板の主表面に略直交して
列設された柱状の半導体結晶と、半導体結晶間に介在す
るナノメータオーダの半導体微結晶と、半導体微結晶の
表面に形成され当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小さ
な膜厚の絶縁膜とからなるので、電子放出特性の真空度
依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生
せず安定して高効率で電子を放出することができ、ま
た、導電性基板として単結晶シリコン基板などの半導体
基板の他にガラス基板などに導電性膜を形成した基板な
どを使用することもできるから、従来のように半導体基
板を多孔質化した多孔質半導体層を利用する場合やスピ
ント型電極に比べて、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放射型電子源の電子放出機構の原
理説明図である。

【図２】本発明の実施形態を示す断面図である。

【図３】同上の製造プロセスを説明するための主要工程
断面図である。

【図４】同上の放射電子の測定原理の説明図である。

【図５】同上の電圧電流特性図である。

【図６】図５のデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉ
ｍプロットしたグラフである。

【図７】同上の電流の経時変化を示すグラフである。

【図８】同上の電流の真空度依存性を示すグラフであ
る。

【図９】同上の放出電子のエネルギ分布の説明図であ
る。

【符号の説明】

６急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６１ポリシリコン６２シリコン酸化膜６３微結晶シリコン層６４シリコン酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成された強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上
に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電性基板
に対して正極として電圧を印加することにより導電性基
板から注入された電子が強電界ドリフト層をドリフトし
金属薄膜を通して放出される電界放射型電子源であっ
て、前記強電界ドリフト層は、少なくとも、導電性基板
の主表面に略直交して列設された柱状の半導体結晶と、
半導体結晶間に介在するナノメータオーダの半導体微結
晶と、半導体微結晶の表面に形成され当該半導体微結晶
の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜とからなることを
特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】前記半導体結晶は、ポリシリコンよりな
ることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
【請求項３】前記絶縁膜は、酸化膜よりなることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の電界放射型電子
源。
【請求項４】前記絶縁膜は、窒化膜よりなることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の電界放射型電子
源。