JP2001068012A - 電界放射型電子源およびその製造方法 - Google Patents

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
電界放射型電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】強電界ドリフト部６は、導電性基板たるｎ
形シリコン基板１の厚み方向に沿った埋込穴６３が形成
され高熱伝導性を有する放熱部６２と、埋込穴６３に充
填され上記電子がドリフトするドリフト部６１とからな
る。放熱部６２は、ｎ形シリコン基板１の一部により構
成されており、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に直交す
る断面が格子状に形成されている。ドリフト部６１は、
粒径がナノメータサイズの導電性微粒子と導電性微粒子
の表面を覆う絶縁膜とからなる粒子の集合からなる。上
記導電性微粒子として、粒径が略１０ｎｍのカーボンを
採用し、上記絶縁膜としては、高分子樹脂のような有機
物を採用している。

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加熱を必
要としない電界放射型電子源およびその製造方法に関
し、特に平面型光源、フラットディスプレイ素子、固体
真空デバイスなどに応用することのできる電界放射型電
子源およびその製造方法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〜１
０^−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
において電子の放出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の
全面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
体層上に金属薄膜よりなる表面電極を形成し、半導体基
板と表面電極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、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】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
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、単結晶シリコン基板の主表面側の全面を
多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層が
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、強電界ドリフト層の熱伝導率がｎ形シリコン基板１
よりも低くて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単結晶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。

【０００８】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およびその製造方法を提供
することにある。

【０００９】

【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部と、該強電界ドリ
フト部上に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを
備え、表面電極を導電性基板に対して正極として直流電
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
が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出
される電界放射型電子源であって、強電界ドリフト部
は、導電性基板の厚み方向に沿った埋込穴が形成され高
熱伝導性を有する放熱部と、埋込穴に充填され上記電子
がドリフトするドリフト部とからなり、ドリフト部は、
粒径がナノメータサイズの導電性微粒子と、導電性微粒
子の表面を覆う絶縁膜とからなることを特徴とするもの
であり、強電界ドリフト部では導電性基板から注入され
た電子が導電性微粒子に衝突せずに絶縁膜に印加されて
いる電界で加速されてドリフトし、ドリフト部で発生し
た熱が放熱部を通して放熱されるので、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
ることができる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記導電性基板および上記放熱部が、それぞれシリ
コンよりなるので、上記導電性基板および上記放熱部を
１枚のシリコン基板から構成することができる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記放熱部が、ポリシリコン若しくはアモルファス
シリコンよりなるので、導電性基板としてシリコン基板
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
使用することができるから、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、電子源の大面積化および低コスト化が
可能になる。

【００１２】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記導電性基板が、絶縁性基板と絶縁性基板の一表
面上に形成された導電性膜とからなり、ドリフト部が、
導電性膜上に形成されているので、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を用いる場合に比べ
て大面積化および低コスト化が可能となる。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、上記導電性微粒子がシリコンよりな
ることを特徴とする。

【００１４】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、上記導電性微粒子がカーボンよりな
ることを特徴とする。

【００１５】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、上記導電性微粒子が金属よりなるこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項８の発明は、請求項４記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板の一表面上
に高熱伝導性を有する高熱伝導層を形成した後、高熱伝
導層上に所定形状のマスク材料層を形成し、該マスク材
料層をマスクとして異方性エッチングによって高熱伝導
層のうち上記導電性膜に重複する部位へ上記埋込穴を開
孔することにより高熱伝導層からなる上記放熱部を形成
し、その後、表面が絶縁膜により覆われた上記導電性微
粒子を上記埋込穴へ充填して上記ドリフト部を形成し、
次いで、上記ドリフト部と上記放熱部とからなる強電界
ドリフト部上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する
ことを特徴とし、上記マスク材料層のパターンによって
ドリフト部と放熱部とのパターン形状を制御することが
でき、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可能な電界放射型電子源
を低コストで実現することができる。

【００１７】請求項９の発明は、請求項８の発明におい
て、上記絶縁膜を、マイクロカプセルの形成方法を利用
して上記導電性微粒子の表面を覆うように形成するの
で、上記埋込穴への表面が絶縁膜により覆われた上記導
電性微粒子の充填率を高めることが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１に本実施形態
の電界放射型電子源１０の概略構成図を、図２および図
３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
て抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリ
コン基板１（例えば、抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１０
０）基板）を用いている。

【００１９】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電
界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に導
電性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極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。

【００２０】この電界放射型電子源１０では、表面電極
７を真空中に配置するとともに表面電極７に対向してコ
レクタ電極（図示せず）を配置し、表面電極７をオーミ
ック電極２に対して正極として直流電圧を印加するとと
もに、コレクタ電極を表面電極７に対して正極として直
流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン基板１から
強電界ドリフト部６へ注入された電子が強電界ドリフト
部６をドリフトし表面電極７を通して放出される。ここ
において、表面電極７とオーミック電極２との間に流れ
る電流をダイオード電流と称し、コレクタ電極と表面電
極７との間に流れる電流を放出電子電流と称し、ダイオ
ード電流に対する放出電子電流が大きいほど電子の放出
効率が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、表面電極７とオーミック電極２との間の直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができる。

【００２１】本実施形態における強電界ドリフト部６
は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向に沿
った埋込穴６３が形成され高熱伝導性を有する放熱部６
２と、埋込穴６３に充填され上記電子がドリフトするド
リフト部６１とからなる。ここにおいて、放熱部６２
は、ｎ形シリコン基板１の一部により構成されており、
ｎ形シリコン基板１の厚み方向に直交する断面が格子状
（網目状）に形成されている。要するに、ドリフト部６
１は、放熱部６２の網目の中に満たされており、ｎ形シ
リコン基板１の厚み方向に平行な角柱状に形成されてい
る。なお、放熱部６２はドリフト部６１よりも熱伝導性
が良い。

【００２２】ところで、ドリフト部６１は、粒径がナノ
メータサイズの導電性微粒子と、導電性微粒子の表面を
覆う絶縁膜とからなる。すなわち、ドリフト部６１は、
表面を上記導電性微粒子の粒径よりも小さな膜厚の絶縁
膜により覆われた上記導電性微粒子の集合からなる。こ
こにおいて、本実施形態では、上記導電性微粒子とし
て、粒径が略１０ｎｍのカーボン（炭素）を採用してい
るが、シリコンや金属（例えば、チタン、クロム、ニッ
ケル、鉄、コバルト、銅、銀、亜鉛、モリブデン、タン
グステン、イリジウム、白金、金、錫、アンチモンな
ど）を採用してもよい。また、上記絶縁膜としては、高
分子樹脂のような有機物を採用している。

【００２３】しかして、ドリフト部６１では、ｎ形シリ
コン基板１から注入された電子が導電性微粒子に衝突せ
ずに絶縁膜に印加されている電界で加速されてドリフト
し、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を通して
放熱されるので、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る。

【００２４】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０．１Ωｃｍの（１０
０）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、ガラス基板な
どの絶縁性基板の一表面上に導電性膜（クロム膜やＩＴ
Ｏ膜）を形成した基板や、金属基板などを用いてもよ
く、ｎ形シリコン基板１などの半導体基板を用いる場合
に比べて電子源の大面積化および低コスト化が可能にな
る。なお、本実施形態では表面電極７を金薄膜により構
成しているが、表面電極７の材料は金に限定されるもの
ではなく、仕事関数の小さな材料であればよい。また、
表面電極７は、厚み方向に積層された少なくとも二層の
薄膜電極層により構成してもよい。二層の薄膜電極層に
より構成する場合には、上層の薄膜電極層の材料として
例えば金などを採用し、下層の薄膜電極層（強電界ドリ
フト部６側の薄膜電極層）の材料として例えば、クロ
ム、ニッケル、白金、チタン、イリジウムなどを採用す
ればよい。

【００２５】以下、上述の電界放射型電子源１０の製造
方法について図２および図３を参照しながら説明する。

【００２６】まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミ
ック電極２を形成することによって、図２（ａ）に示す
構造が得られる。その後、ｎ形シリコン基板１の主表面
側を酸化してシリコン酸化膜３を形成することによって
図２（ｂ）に示す構造が得られる。なお、シリコン酸化
膜３を形成する代わりに、ｎ形シリコン基板１の主表面
側にシリコン窒化膜を形成してもよい。

【００２７】次に、シリコン酸化膜３上にフォトレジス
ト層（図示せず）を塗布形成し、図４に示すようなフォ
トマスクＭを利用し上記フォトレジスト層を格子状のパ
ターンにパターニングした後、該フォトレジスト層をマ
スクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置など
によってシリコン酸化膜３をエッチングし、さらにその
後、上記フォトレジスト層を除去することによって図２
（ｃ）に示す構造が得られる。なお、上記フォトマスク
Ｍは、上記フォトレジストの開口の平面形状が微小な略
正方形になるように構成されているが、上記フォトレジ
スト層の開口の平面形状が正方形以外の微小な多角形
状、微小な円形状、微小な星形などになるように構成し
てもよい。

【００２８】次に、マスク材料層たるシリコン酸化膜３
をマスクとして反応性イオンエッチング装置などによっ
てｎ形シリコン基板１を所定深さまで異方性エッチング
してｎ形シリコン基板１の厚み方向に沿った縦穴よりな
る上記埋込穴６３を形成することによって図２（ｄ）に
示す構造が得られる。ここに、図２（ｄ）中の６２はｎ
形シリコン基板１の一部よりなる放熱部を示す。この放
熱部６２は、ｎ形シリコン基板１の厚み方向（図２
（ｄ）における上下方向）に直交する断面が格子状に形
成される。

【００２９】その後、上記導電性微粒子を高分子樹脂か
らなる絶縁膜にてカプセル化した微粒子が分散されたア
セトンなどの有機溶剤（あるいは水）よりなる溶液を回
転塗布（スピンコート）することによって、該溶液を上
記埋込穴６３に充填することにより、図３（ａ）に示す
構造が得られる。ここに、図３（ａ）中の６０は上記埋
込穴６３に充填された上記溶液を示す。なお、本実施形
態では、上記絶縁膜を、マイクロカプセルの形成方法を
利用して上記導電性微粒子の表面を覆うように形成して
いるので、上記埋込穴６３への表面が絶縁膜により覆わ
れた上記導電性微粒子の充填率を高めることが可能にな
る。

【００３０】次に、１００℃程度でベーキング（乾燥）
して不要な上記有機溶剤（あるいは水分）を取り除く
（飛ばす）ことによってドリフト部６１が形成され（つ
まり、強電界ドリフト部６が形成され）、続いて、ドリ
フト部６１と放熱部６２とからなる強電界ドリフト部６
上へ導電性薄膜（例えば、金薄膜）からなる表面電極７
を例えば蒸着法によって形成することによって図３
（ｂ）に示す構造が得られる。ここにおいて、表面電極
７の膜厚は１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定する
ものではなく、表面電極７となる導電性薄膜（例えば、
金薄膜）の形成方法も蒸着法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。なお、電界放射
型電子源１０は表面電極７を正極（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。この正極と負極との間に直流電圧を印加し
たときに流れる電流がダイオード電流である。

【００３１】上述の製造方法により製造された電界放射
型電子源１０は、放出電子電流の経時変化が少なくてポ
ッピングノイズがなく、電子が安定して高効率で放出さ
れる。また、この電界放射型電子源１０は、電子放出特
性（例えば、電子放出電流）の真空度依存性が小さく、
低真空度でも良好な電子放出特性が得られたので、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
に取り扱いが容易になる。

【００３２】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０における強電界ドリフト部６は、マスク材料層たる
シリコン酸化膜３をマスクとした異方性エッチングによ
って埋込穴６３を形成した後、埋込穴６３へ導電性微粒
子を充填してドリフト部６１を形成しているので、上記
マスク材料層のパターンによってドリフト部６１と放熱
部６２とのパターン形状を制御することができ、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
を放出することが可能な電界放射型電子源を低コストで
実現することができ、また、電気伝導性の制御性および
構造的・熱的安定性からみれば、従来のように単結晶シ
リコン基板の主表面側の全面を多孔質化することにより
得られた強電界ドリフト層よりも優れた性質をもつと考
えられる。

【００３３】すなわち、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。表面電極７をｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）に対して正極として印加する直流電圧が所定値
（臨界値）に達すると、ｎ形シリコン基板１側から強電
界ドリフト部６へ熱的励起により電子が注入される。一
方、強電界ドリフト部６のドリフト部６１には粒径がナ
ノメータサイズの導電性微粒子が多数存在し、各導電性
微粒子の表面には導電性微粒子の粒径（本実施形態では
約１０ｎｍ）よりも小さな膜厚の絶縁膜が形成されてい
るので、強電界ドリフト部６に印加された電界はほとん
ど導電性微粒子の表面に形成された絶縁膜にかかるか
ら、注入された電子は当該絶縁膜にかかっている強電界
により加速されドリフト部６１内を表面に向かってドリ
フトする。ここに、導電性微粒子の粒径は電子の平均自
由行程（シリコン中の電子の平均自由行程は５０ｎｍ程
度といわれている）よりも十分に小さいので、電子は導
電性微粒子にほとんど衝突することなくドリフト部６１
の表面に到達する。要するに、ドリフト部６１に注入さ
れた電子は、衝突による散乱を起こすことなく、導電性
微粒子の表面の絶縁膜にかかっている電界で加速され
て、次の導電性微粒子の絶縁膜に突入するという現象を
繰り返してエネルギが増大していく。したがって、ドリ
フト部６１の表面に到達した電子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ｋ
Ｔ以上のエネルギを有するので、表面電極７を容易にト
ンネルし真空中に放出される。

【００３４】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、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、電圧の印
加により強電界ドリフト部６のドリフト部６１に発生し
た熱が放熱部６２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。

【００３５】以上をまとめると、強電界ドリフト部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
流の熱暴走を抑えるだけの熱伝導性を有するので、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。

【００３６】ところで、本実施形態では、上述のよう
に、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の主表面側の部
分が放熱部６２を構成しているが、ｎ形シリコン基板１
上に単結晶シリコン層あるいはポリシリコン層よりなり
高熱伝導性を有する高熱伝導層を形成し、該高熱伝導層
に上記埋込穴６３を形成することによって該高熱伝導層
からなる放熱部６２を構成してもよい。

【００３７】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０は図５に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。

【００３８】ところで、実施形態１では、導電性基板と
してｎ形シリコン基板を採用していたが、本実施形態で
は、導電性基板を、ガラスよりなる絶縁性基板１１と、
絶縁性基板１１の一表面上に形成された導電性材料より
なる下部電極１２とで構成している。なお、下部電極１
２は、実施形態１におけるｎ形シリコン基板１とドリフ
ト部６１との界面近傍に相当する部位に形成されてい
る。したがって、下部電極１２は、マトリクス状に配設
されている。

【００３９】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
５に示すように、一表面上に下部電極１２が形成された
絶縁性基板１１の上記一表面側に強電界ドリフト部６が
形成され、強電界ドリフト部６上に導電性薄膜（例え
ば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されている。

【００４０】なお、本実施形態の電界放射型電子源１０
では、表面電極７を真空中に配置するとともに表面電極
７に対向してコレクタ電極（図示せず）を配置し、表面
電極７を下部電極１２に対して正極として直流電圧を印
加するとともに、コレクタ電極を表面電極７に対して正
極として直流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン
基板１から強電界ドリフト部６へ注入された電子が強電
界ドリフト部６をドリフトし表面電極７を通して放出さ
れる。ここにおいて、表面電極７と下部電極１２との間
に流れる電流をダイオード電流と称し、コレクタ電極と
表面電極７との間に流れる電流を放出電子電流と称し、
ダイオード電流に対する放出電子電流が大きいほど電子
の放出効率が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型
電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間の直
流電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出
させることができる。

【００４１】本実施形態における強電界ドリフト部６
は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向に沿
った埋込穴６３が形成され高熱伝導性を有する高熱伝導
層（例えば、ポリシリコン層若しくはアモルファスシリ
コン層）よりなる放熱部６２と、埋込穴６３に充填され
上記電子がドリフトするドリフト部６１とからなる。こ
こにおいて、放熱部６２は、ｎ形シリコン基板１の厚み
方向に直交する断面が格子状（網目状）に形成されてい
る。要するに、ドリフト部６１は、放熱部６２の網目の
中に満たされており、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に
平行な角柱状に形成されている。なお、放熱部６２はド
リフト部６１よりも熱伝導性が良い。

【００４２】ところで、ドリフト部６１は、実施形態１
と同様に、粒径がナノメータサイズの導電性微粒子と、
導電性微粒子の表面を覆う絶縁膜とからなる。すなわ
ち、ドリフト部６１は、表面を上記導電性微粒子の粒径
よりも小さな膜厚の絶縁膜により覆われた上記導電性微
粒子の集合からなる。

【００４３】しかして、ドリフト部６１では、ｎ形シリ
コン基板１から注入された電子が導電性微粒子に衝突せ
ずに絶縁膜に印加されている電界で加速されてドリフト
し、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を通して
放熱されるので、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る。

【００４４】以下、製造方法について図６および図７を
参照しながら説明する。

【００４５】まず、ガラスからなる絶縁性基板１１の一
表面上に所定形状にパターニングされた導電性材料より
なる下部電極１２を形成することによって、図６（ａ）
に示す構造が得られる。その後、絶縁性基板１１の上記
一表面側の全面にポリシリコン薄膜よりなる高熱伝導層
４を形成することによって図６（ｂ）に示す構造が得ら
れる。なお、ポリシリコン薄膜の代わりにアモルファス
シリコン薄膜を形成してもよい。

【００４６】次に、高熱伝導層４上にシリコン酸化膜３
を形成した後、シリコン酸化膜３上にフォトレジスト層
（図示せず）を塗布形成し、図４に示すようなフォトマ
スクＭを利用し上記フォトレジスト層を格子状のパター
ンにパターニングした後、該フォトレジスト層をマスク
として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置などによ
ってシリコン酸化膜３をエッチングし、さらにその後、
上記フォトレジスト層を除去することによって図６
（ｃ）に示す構造が得られる。なお、本実施形態では、
上記フォトマスクＭは、上記フォトレジスト層の開口が
下部電極１２上に位置するように構成されている。な
お、シリコン酸化膜３の代わりにシリコン窒化膜を形成
してもよい。

【００４７】次に、マスク材料層たるシリコン酸化膜３
をマスクとして反応性イオンエッチング装置などによっ
て高熱伝導層４を下部電極１２の表面に達する深さまで
異方性エッチングしてｎ形シリコン基板１の厚み方向に
沿った縦穴よりなる上記埋込穴６３を形成することによ
って、高熱伝導層４からなる放熱部６２が形成され、図
６（ｄ）に示す構造が得られる。ここに、この放熱部６
２は、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に直交する断面が
格子状に形成される。

【００４８】その後、上記導電性微粒子を高分子樹脂か
らなる絶縁膜にてカプセル化した微粒子が分散されたア
セトンなどの有機溶剤（あるいは水）よりなる溶液を回
転塗布（スピンコート）することによって、該溶液を上
記埋込穴６３に充填することにより、図７（ａ）に示す
構造が得られる。ここに、図７（ａ）中の６０は上記埋
込穴６３に充填された上記溶液を示す。なお、本実施形
態では、上記絶縁膜を、マイクロカプセルの形成方法を
利用して上記導電性微粒子の表面を覆うように形成して
いるので、上記埋込穴６３への表面が絶縁膜により覆わ
れた上記導電性微粒子の充填率を高めることが可能にな
る。

【００４９】次に、１００℃程度でベーキング（乾燥）
して不要な上記有機溶剤（あるいは水分）を取り除く
（飛ばす）ことによってドリフト部６１が形成され（つ
まり、強電界ドリフト部６が形成され）、続いて、ドリ
フト部６１と放熱部６２とからなる強電界ドリフト部６
上へ導電性薄膜（例えば、金薄膜）からなる表面電極７
を例えば蒸着法によって形成することによって図７
（ｂ）に示す構造が得られる。

【００５０】上述の製造方法により製造された電界放射
型電子源１０は、放出電子電流の経時変化が少なくてポ
ッピングノイズがなく、電子が安定して高効率で放出さ
れる。また、この電界放射型電子源１０は、電子放出特
性（例えば、電子放出電流）の真空度依存性が小さく、
低真空度でも良好な電子放出特性が得られたので、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
に取り扱いが容易になる。

【００５１】

【発明の効果】請求項１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部と、該
強電界ドリフト部上に形成された導電性薄膜よりなる表
面電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極と
して直流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部をドリフトし表面電極を
通して放出される電界放射型電子源であって、強電界ド
リフト部が、導電性基板の厚み方向に沿った埋込穴が形
成され高熱伝導性を有する放熱部と、埋込穴に充填され
上記電子がドリフトするドリフト部とからなり、ドリフ
ト部が、粒径がナノメータサイズの導電性微粒子と、導
電性微粒子の表面を覆う絶縁膜とからなるものであり、
強電界ドリフト部では導電性基板から注入された電子が
導電性微粒子に衝突せずに絶縁膜に印加されている電界
で加速されてドリフトし、ドリフト部で発生した熱が放
熱部を通して放熱されるので、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
できるという効果がある。

【００５２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記導電性基板および上記放熱部が、それぞれシリ
コンよりなるので、上記導電性基板および上記放熱部を
１枚のシリコン基板から構成することができるという効
果がある。

【００５３】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記放熱部が、ポリシリコン若しくはアモルファス
シリコンよりなるので、導電性基板としてシリコン基板
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
使用することができるから、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、電子源の大面積化および低コスト化が
可能になるという効果がある。

【００５４】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記導電性基板が、絶縁性基板と絶縁性基板の一表
面上に形成された導電性膜とからなり、ドリフト部が、
導電性膜上に形成されているので、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を用いる場合に比べ
て大面積化および低コスト化が可能となるという効果が
ある。

【００５５】請求項８の発明は、請求項４記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板の一表面上
に高熱伝導性を有する高熱伝導層を形成した後、高熱伝
導層上に所定形状のマスク材料層を形成し、該マスク材
料層をマスクとして異方性エッチングによって高熱伝導
層のうち上記導電性膜に重複する部位へ上記埋込穴を開
孔することにより高熱伝導層からなる上記放熱部を形成
し、その後、表面が絶縁膜により覆われた上記導電性微
粒子を上記埋込穴へ充填して上記ドリフト部を形成し、
次いで、上記ドリフト部と上記放熱部とからなる強電界
ドリフト部上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する
ので、上記マスク材料層のパターンによってドリフト部
と放熱部とのパターン形状を制御することができ、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可能な電界放射型電子源を低コスト
で実現することができるという効果がある。

【００５６】請求項９の発明は、請求項８の発明におい
て、上記絶縁膜を、マイクロカプセルの形成方法を利用
して上記導電性微粒子の表面を覆うように形成するの
で、上記埋込穴への表面が絶縁膜により覆われた上記導
電性微粒子の充填率を高めることが可能になるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示す概略縦断面図である。

【図２】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。

【図３】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。

【図４】同上の製造方法を説明するためのフォトマスク
の平面図である。

【図５】実施形態２を示す概略縦断面図である。

【図６】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。

【図７】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。

【符号の説明】

１ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ６ 強電界ドリフト部 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 ６１ ドリフト部 ６２ 放熱部 ６３ 埋込穴

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【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部と、該強電界ドリフト部上
   に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを備え、表
   面電極を導電性基板に対して正極として直流電圧を印加
   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
   ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出される電
   界放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、導電性
   基板の厚み方向に沿った埋込穴が形成され高熱伝導性を
   有する放熱部と、埋込穴に充填され上記電子がドリフト
   するドリフト部とからなり、ドリフト部は、粒径がナノ
   メータサイズの導電性微粒子と、導電性微粒子の表面を
   覆う絶縁膜とからなることを特徴とする電界放射型電子
   源。
2. 【請求項２】 上記導電性基板および上記放熱部は、そ
   れぞれ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。
3. 【請求項３】 上記放熱部は、ポリシリコン若しくはア
   モルファス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。
4. 【請求項４】 上記導電性基板は、絶縁性基板と絶縁性
   基板の一表面上に形成された導電性膜とからなり、ドリ
   フト部は、導電性膜上に形成されてなることを特徴とす
   る請求項３記載の電界放射型電子源。
5. 【請求項５】 上記導電性微粒子は、シリコンよりなる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに
   記載の電界放射型電子源。
6. 【請求項６】 上記導電性微粒子は、カーボンよりなる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに
   記載の電界放射型電子源。
7. 【請求項７】 上記導電性微粒子は、金属よりなること
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載
   の電界放射型電子源。
8. 【請求項８】 請求項４記載の電界放射型電子源の製造
   方法であって、導電性基板の一表面上に高熱伝導性を有
   する高熱伝導層を形成した後、高熱伝導層上に所定形状
   のマスク材料層を形成し、該マスク材料層をマスクとし
   て異方性エッチングによって高熱伝導層のうち上記導電
   性膜に重複する部位へ上記埋込穴を開孔することにより
   高熱伝導層からなる上記放熱部を形成し、その後、表面
   が絶縁膜により覆われた上記導電性微粒子を上記埋込穴
   へ充填して上記ドリフト部を形成し、次いで、上記ドリ
   フト部と上記放熱部とからなる強電界ドリフト部上に導
   電性薄膜よりなる表面電極を形成することを特徴とする
   電界放射型電子源の製造方法。
9. 【請求項９】 上記絶縁膜は、マイクロカプセルの形成
   方法を利用して上記導電性微粒子の表面を覆うように形
   成することを特徴とする請求項８記載の電界放射型電子
   源の製造方法。