JP2001093405A - 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】表面電極の平坦性が良好な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】ガラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表
面上に半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層２３
が形成され、多結晶シリコン層２３の一部にｎ形多結晶
シリコンよりなる導電性層８が形成され、該導電性層８
上に酸化した多孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリ
フト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に表面電極
７が形成されている。導電性層８は、絶縁性基板１１上
に形成された半導体層たるノンドープの多結晶シリコン
層２３にｎ形不純物をドーピングすることにより該ノン
ドープの多結晶シリコン層２３の一部に形成されてい
る。導電性層８上には、強電界ドリフト層６と離間した
部位にパッド電極１８が配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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（約１０^-5Ｐａ〜約
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、その半導体基板の一表面を陽
極酸化することにより多孔質半導体層（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】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６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
しいという不具合がある。また、特開平８−２５０７６
６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生じやすく、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など
に応用すると、発光むらができてしまうという不具合が
ある。

【０００７】そこで、本願発明者らは、特願平１０−２
７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号において、
多孔質多結晶半導体層（例えば、多孔質化された多結晶
シリコン層）を急速熱酸化（ＲＴＯ）技術によって急速
熱酸化することによって、導電性基板と金属薄膜（表面
電極）との間に介在し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を形成した電界放射型電
子源を提案した。この電界放射型電子源では、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（絶縁性基板）などに導電性膜
（例えば、ＩＴＯ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、電子源の大面積化および低コスト化が可能にな
る。

【０００８】図８に、ガラス基板よりなる絶縁性基板１
１と該絶縁性基板１１上に形成したＩＴＯ膜よりなる導
電性層８’とで構成した導電性基板を用いた電界放射型
電子源１０’を示す。すなわち、この電界放射型電子源
１０’は、図８に示すように、絶縁性基板１１上に導電
性層８’が形成され、導電性層８’上に強電界ドリフト
層６が形成され、強電界ドリフト層６上に導電性薄膜
（例えば、金属薄膜）よりなる表面電極７が形成されて
いる。

【０００９】この電界放射型電子源１０’では、例えば
図９に示すように、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２１を配置し、
表面電極７を導電性層８’に対して正極として直流電圧
Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２１を表面電極
７に対して正極として直流電圧Ｖcを印加することによ
り、導電性層８’から注入された電子が強電界ドリフト
層６をドリフトし表面電極７を通して放出される（な
お、図９中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された
電子ｅ^-の流れを示す）。ここにおいて、表面電極７と
導電性層８’との間に流れる電流をダイオード電流Ｉps
と称し、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる
電流を放出電子電流Ｉeと称し、ダイオード電流Ｉpsに
対する放出電子電流Ｉeが大きい（Ｉe／Ｉpsが大きい）
ほど電子の放出効率が高くなる。なお、この電界放射型
電子源１０’では、表面電極７と導電性層８’との間に
印加する直流電圧Ｖps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。

【００１０】ところで、この種の電界放射型電子源１
０’をディスプレイ装置の電子源として利用する場合に
は、例えば、絶縁性基板１１上に形成する導電性層８’
をストライプ状にパターニングするとともに、表面電極
７を導電性層８’に交差する方向にストライプ状にパタ
ーニングして、導電性層８’と表面電極７とでマトリク
スを構成すればよい。

【００１１】なお、図１０に示すように、絶縁性基板１
１上に所定形状にパターニングした導電性層８’を有す
る電界放射型電子源１０”も提案されている（例えば、
特開平９−２５９７９５号公報）。図１０に示す電界放
射型電子源１０”は、絶縁性基板１１の一表面上に所定
形状にパターニングして形成されたオーミック電極より
なる導電性層８’を有し、絶縁性基板１１の上記一表面
側の全面を覆うように形成された半導体層３’と、該半
導体層３’の表面側で導電性層８’の上方に形成された
多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層６’と、強電
界ドリフト層６’上に形成された表面電極７とを備えて
いる。

【００１２】ところで、表面電極７の膜厚は１０ｎｍな
いし１５ｎｍ程度に設定されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述の電界放射型電子
源１０’，１０”では、ディスプレイ装置などの電子源
として利用するために導電性層８’を所定形状にパター
ニングした場合、導電性層８’の厚みによって（つま
り、導電性層８’の表面と絶縁性基板１１の上記一表面
との段差に起因して）、強電界ドリフト層６，６’の表
面の平坦性が損なわれ、結果的に強電界ドリフト層６，
６’上の表面電極７の表面の平坦性が損なわれてしまう
という不具合があり、導電性層８’の厚みが大きくなっ
て強電界ドリフト層６，６’の表面の平坦性が悪くなる
と、表面電極７が断線してしまう恐れもあった。

【００１４】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、表面電極の平坦性が良好な電界放射
型電子源およびその製造方法を提供することにある。

【００１５】

【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、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層と、導電性層上に形成され
た酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりなる強電界
ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電
極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として電
圧を印加することにより導電性層から注入された電子が
強電界ドリフト層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、上記導電性層は、絶縁
性基板上に形成された半導体層に不純物をドーピングす
ることにより該半導体層の一部に形成されてなることを
特徴とするものであり、上記導電性層が絶縁性基板上に
形成された半導体層に不純物をドーピングすることによ
り該半導体層の一部に形成されているので、強電界ドリ
フト層の表面の平坦性が向上し、結果的に表面電極の平
坦性も向上する。

【００１６】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記強電界ドリフト層の周囲において導電性層上に
絶縁層が形成されているので、導電性層から強電界ドリ
フト層の周囲を通して表面電極へ電流が流れるのを防止
することができる。

【００１７】請求項３の発明は、絶縁性基板と、絶縁性
基板の一表面側に形成された導電性層と、導電性層上に
形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりな
る強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成され
た表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極
として電圧を印加することにより導電性性層から注入さ
れた電子が強電界ドリフト層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、上記導電性
層は、絶縁性基板の上記一表面に設けられた凹部へ埋め
込まれる形で形成されてなることを特徴とするものであ
り、上記導電性層が絶縁性基板の上記一表面に設けられ
た凹部へ埋め込まれる形で形成されているので、強電界
ドリフト層の表面の平坦性が向上し、結果的に表面電極
の平坦性も向上する。

【００１８】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記多孔質半導体層が、多孔質化し
た多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になる。

【００１９】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、上記多結晶半導体が、６００℃以下の低温プロセス
によって形成されているので、絶縁性基板として安価な
ガラス基板を用いることができ、低コスト化が図れると
ともに、より一層の大面積化を図ることができる。

【００２０】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記多孔質半導体層が、多孔質化し
たアモルファス半導体よりなるので、大面積化が図れる
とともに、絶縁性基板として安価なガラス基板を用いる
ことができて低コスト化が図れる。

【００２１】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、上記半導体が、シリコンよりなるの
で、シリコンプロセスを使用でき、導電性層のパターン
の微細化および高精度化を図ることができる。

【００２２】請求項８の発明は、請求項１記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面上
に半導体層を形成した後、該半導体層の一部に不純物を
ドーピングすることにより導電性層を形成し、その後、
絶縁性基板の上記一表面側の全面に別の半導体層を形成
し、さらに、導電性層の表面の一部が露出するように上
記別の半導体層の一部をエッチング除去し、その後、陽
極酸化処理を行うことにより上記別の半導体層を部分的
に多孔質化して多孔質半導体層を形成し、該多孔質半導
体層を酸化若しくは窒化することにより強電界ドリフト
層を形成し、次いで、強電界ドリフト層上に表面電極を
形成することを特徴とし、絶縁性基板上の半導体層の一
部に不純物をドーピングすることにより導電性層を形成
するので、表面電極の平坦性が良好な電界放射型電子源
を提供することができる。

【００２３】請求項９の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面上
に半導体層を形成した後、該半導体層の一部に不純物を
ドーピングすることにより導電性層を形成し、その後、
絶縁性基板の上記一表面側の全面に絶縁層を形成し、次
に、上記絶縁層のうち強電界ドリフト層の形成予定領域
に重複する部分を除去し、その後、絶縁性基板の上記一
表面側の全面に別の半導体層を形成し、次に、導電性層
の表面の一部が露出するように上記別の半導体層の一部
をエッチング除去し、その後、導電性層を陽極酸化処理
時の電極として用いて陽極酸化処理を行うことにより上
記別の半導体層を部分的に多孔質化して多孔質半導体層
を形成し、該多孔質半導体層を酸化若しくは窒化するこ
とにより強電界ドリフト層を形成し、次いで、強電界ド
リフト層上に表面電極を形成することを特徴とし、絶縁
性基板上の半導体層の一部に不純物をドーピングするこ
とにより導電性層を形成するので、表面電極の平坦性が
良好な電界放射型電子源を提供することができる。ま
た、上記別の半導体層の一部をエッチングする際に絶縁
層をエッチングストッパとして利用してエッチングを一
旦中断し、その後に絶縁層をエッチングして導電性層の
表面の一部を露出させることができるので、導電性層の
表面を露出させるためのエッチングの工程管理が容易に
なり、導電性層にエッチングダメージが発生するのを抑
制することが可能となる。さらに、導電性層を陽極酸化
処理時の電極として利用して陽極酸化処理を行うことに
より、上記別の半導体層のうち絶縁層上に形成された部
分には電流が流れず導電性層上の部分にのみ電流が流れ
るから、導電性層上の部分のみが多孔質化され、強電界
ドリフト層のパターンを高精度化することができる。

【００２４】請求項１０の発明は、請求項３記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面
に凹部を形成した後、該凹部が埋め込まれるように絶縁
性基板の上記一表面側の全面に導電性層を形成し、その
後、絶縁性基板の上記一表面側を絶縁性基板の表面と導
電性層の表面とが面一になるように平坦化し、次に、絶
縁性基板の上記一表面側の全面に半導体層を形成した
後、該半導体層をエッチング除去し、その後、陽極酸化
処理を行うことにより半導体層を部分的に多孔質化して
多孔質半導体層を形成し、該多孔質半導体層を酸化若し
くは窒化することにより強電界ドリフト層を形成し、次
いで、強電界ドリフト層上に表面電極を形成することを
特徴とし、絶縁性基板の上記一表面側を絶縁性基板の表
面と導電性層の表面とが面一になるように平坦化した後
に半導体層を形成し、該半導体層の一部に強電界ドリフ
ト層を形成しているので、表面電極の平坦性が良好な電
界放射型電子源を提供することができる。

【００２５】請求項１１の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層を触媒ＣＶＤ法により形成するので、絶縁性基板
として安価なガラス基板を用いることができる。

【００２６】請求項１２の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層をプラズマＣＶＤ法により形成するので、絶縁性
基板として安価なガラス基板を用いることができる。

【００２７】請求項１３の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層をアモルファス半導体の堆積後に加熱処理によっ
て多結晶化することにより形成するので、絶縁性基板と
して安価なガラス基板を用いることができる。

【００２８】請求項１４の発明は、請求項１３の発明に
おいて、上記加熱処理はレーザアニールであるので、半
導体層の膜質を良好にできる。

【００２９】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態の電界
放射型電子源１０は、図１および図２に示すように、ガ
ラス基板よりなる絶縁性基板１１の一表面上に半導体層
たるノンドープの多結晶シリコン層２３が形成され、多
結晶シリコン層２３の一部にｎ形多結晶シリコンよりな
る導電性層８が形成され、該導電性層８上に酸化した多
孔質多結晶シリコンよりなる強電界ドリフト層６が形成
され、強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成されて
いる。また、導電性層８上には、強電界ドリフト層６と
離間してパッド電極１８が配設され、表面電極７上に
は、強電界ドリフト層６から離間してパッド電極１７が
配設されている。ここにおいて、強電界ドリフト層６は
ストライプ状に形成され隣り合う強電界ドリフト層６間
を埋め込む形でノンドープの多結晶シリコン層３が形成
されている。また、導電性層８は、絶縁性基板１１上に
形成された半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層
２３にｎ形不純物をドーピングすることにより該ノンド
ープの多結晶シリコン層２３の一部に形成されている。
ところで、図１に示すように、導電性層８はストライプ
状に形成され、表面電極７は導電性層８に直交（交差）
する方向にストライプ状に形成されている。要するに、
表面電極７は、強電界ドリフト層６上および多結晶シリ
コン層３上に跨って形成されている。

【００３０】なお、本実施形態の電解放射型電子源１０
の動作原理は従来構成と同じであり、表面電極７を導電
性層８に対して正極として電圧を印加することにより導
電性層８から注入された電子が強電界ドリフト層６をド
リフトし表面電極７を通して放出されるから、電圧を印
加する表面電極７と導電性層８とを適宜選択することに
より、表面電極７と導電性層８との交差する領域から表
面電極７を通して電子を放出させることができる。

【００３１】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
では、上記導電性層８が、絶縁性基板１１上に形成され
たノンドープの多結晶シリコン層２３の一部にｎ形不純
物をドーピングすることにより該多結晶シリコン層２３
の一部に形成されているので、強電界ドリフト層６の表
面の平坦性が向上し、結果的に表面電極７の平坦性も向
上する。

【００３２】なお、本実施形態では、強電界ドリフト層
６を酸化した多孔質多結晶シリコンにより構成している
が、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコ
ン、あるいは、その他の酸化若しくは窒化した多孔質多
結晶半導体層、あるいは、酸化若しくは窒化したアモル
ファス半導体（例えば、アモルファスシリコン）により
構成してもよい。

【００３３】以下、製造方法について図３を参照しなが
ら説明する。

【００３４】まず、絶縁性基板１１の一表面（図３
（ａ）における上面）上に所定膜厚のノンドープの多結
晶シリコン層２３を例えばプラズマＣＶＤ法によって形
成することにより、図３（ａ）に示すような構造が得ら
れる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層２
３は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６０
０℃以下の低温プロセスで成膜することができる。な
お、ノンドープの多結晶シリコン層２３の形成方法は、
プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶＤ法により形成し
てもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃以下の低温プロセ
スで成膜することができる。

【００３５】ノンドープの多結晶シリコン層２３を形成
した後、ノンドープの多結晶シリコン層２３の一部にイ
オン注入技術または拡散技術によってｎ形不純物をドー
ピングすることで導電性層８を形成することにより、図
３（ｂ）に示すような構造が得られる。

【００３６】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側の
全面に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの
多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶＤ法によって
形成することにより、図３（ｃ）に示すような構造が得
られる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層
３は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６０
０℃以下の低温プロセスで成膜することができる。な
お、ノンドープの多結晶シリコン層３の形成方法は、プ
ラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶＤ法により形成して
もよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃以下の低温プロセス
で成膜することができる。また、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加熱処理とし
て例えばレーザアニールを行うことにより多結晶化して
もよい。

【００３７】次に、導電性層８の表面の一部が露出する
ようにノンドープの多結晶シリコン層３の一部をＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングや
フッ化水素水溶液、硝酸系のエッチング液を用いたウェ
ットエッチングによってエッチング除去することによ
り、図３（ｄ）に示すような構造が得られる。

【００３８】その後、多結晶シリコン層３の表面上にス
トライプ状の開口パターンを有するフォトレジスト層よ
りなるマスク層（図示せず）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の入った陽極酸化処理槽を利用
し、白金電極（図示せず）を負極、導電性層８を正極と
して、多結晶シリコン層３に光照射を行いながら所定の
条件で陽極酸化処理を行うことによって多結晶シリコン
層３の一部を多孔質化して多孔質半導体層たる多孔質多
結晶シリコン層を形成し、該多孔質多結晶シリコン層を
例えば酸（例えば、ＨＮＯ₃、Ｈ₂ＳＯ₄、王水など）に
よって酸化することにより強電界ドリフト層６を形成
し、続いて上記マスク層を除去することにより、図３
（ｅ）に示すような構造が得られる。

【００３９】次いで、強電界ドリフト層６上にメタルマ
スクを用いてストライプ状の表面電極７を蒸着法によっ
て形成した後、各表面電極７の長手方向の両端部上にパ
ッド電極１７を形成するとともに導電性層８の露出した
表面上にパッド電極１８を形成することにより、図３
（ｆ）に示すような構造の電界放射型電子源１０が得ら
れる。

【００４０】しかして、上述の製造方法によれば、絶縁
性基板１１上の半導体層たるノンドープの多結晶シリコ
ン層２３の一部にｎ形不純物をドーピングすることによ
り導電性層８が形成されるから、強電界ドリフト層６が
平坦な平面上に形成されるので、表面電極７の平坦性が
良好な電界放射型電子源１０を提供することができる。
また、導電性層８が半導体材料により形成されているの
で、導電性層８が金属により形成されている場合に発生
する恐れのある強電界ドリフト層６のメタル汚染を防止
することができる。

【００４１】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に
示すように、上記強電界ドリフト層６の周囲において導
電性層８とノンドープの多結晶シリコン層３との間にシ
リコン酸化膜よりなる絶縁層９を介在させた点に特徴が
ある。ここにおいて、絶縁層９をシリコン酸化膜により
構成してあるが、シリコン窒化膜により構成してもよ
い。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号
を付して説明を省略する。

【００４２】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、導電性層８から多結晶シリコン層３を通して
表面電極７へ電流が流れるのを防止することができる。

【００４３】以下、製造方法について図５を参照しなが
ら説明する。

【００４４】まず、絶縁性基板１１の一表面（図５
（ａ）における上面）上に所定膜厚のノンドープの多結
晶シリコン層２３を例えばプラズマＣＶＤ法によって形
成することにより、図５（ａ）に示すような構造が得ら
れる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層２
３は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６０
０℃以下の低温プロセスで成膜することができる。な
お、ノンドープの多結晶シリコン層２３の形成方法は、
プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶＤ法により形成し
てもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃以下の低温プロセ
スで成膜することができる。

【００４５】ノンドープの多結晶シリコン層２３を形成
した後、ノンドープの多結晶シリコン層２３の一部にイ
オン注入技術または拡散技術によってｎ形不純物をドー
ピングすることで導電性層８を形成し、その後、絶縁性
基板１１の上記一表面側の全面にシリコン酸化膜よりな
る絶縁層９を例えばプラズマＣＶＤ法によって堆積し
し、次に、絶縁層１１のうち強電界ドリフト層６の形成
予定領域に重複する部分をエッチング除去することによ
り、図５（ｂ）に示すような構造が得られる。

【００４６】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側の
全面に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの
多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶＤ法によって
形成することにより、図５（ｃ）に示すような構造が得
られる。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリン層３
は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６００
℃以下の低温プロセスで成膜することができる。なお、
ノンドープの多結晶シリコン層３の形成方法は、プラズ
マＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶＤ法により形成してもよ
く、触媒ＣＶＤ法でも６００℃以下の低温プロセスで成
膜することができる。また、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加熱処理として例
えばレーザアニールを行うことにより多結晶化してもよ
い。

【００４７】次に、絶縁層９の表面の一部が露出するよ
うにノンドープの多結晶シリコン層３の一部をＲＩＥな
どのドライエッチングによってエッチング除去すること
により、図５（ｄ）に示すような構造が得られる。ここ
における多結晶シリコン層３のエッチング条件として
は、多結晶シリコン層３のエッチングレートよりも絶縁
層９のエッチングレートが十分遅い条件を設定してい
る。したがって、絶縁層９をエッチングストッパとして
利用することができる。

【００４８】次に、導電性層８の表面の一部が露出する
ように絶縁層９の一部をエッチング除去し、その後、５
５ｗｔ％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の入った陽極酸化処理
槽を利用し、白金電極（図示せず）を負極、導電性層８
を正極として、多結晶シリコン層３に光照射を行いなが
ら所定の条件で陽極酸化処理を行うことによって多結晶
シリコン層３の一部を多孔質化して多孔質半導体層たる
多孔質多結晶シリコン層を形成し、該多孔質多結晶シリ
コン層を酸で酸化することにより強電界ドリフト層６を
形成することにより、図５（ｅ）に示すような構造が得
られる。ここにおける絶縁層９のエッチング条件として
は、絶縁層９のエッチングレートよりも多結晶シリコン
層３および導電性層８のエッチングレートが十分遅い条
件を設定することで、多結晶シリコン層３のサイドエッ
チングを抑制することができるとともに、導電性層８へ
のエッチングダメージを抑制することもできる。

【００４９】次いで、強電界ドリフト層６上にストライ
プ状の表面電極７を形成した後、各表面電極７の長手方
向の両端部上にパッド電極１７を形成するとともに導電
性層８の露出した表面上にパッド電極１８を形成するこ
とにより、図５（ｆ）に示すような構造の電界放射型電
子源１０が得られる。

【００５０】しかして、上述の製造方法によれば、絶縁
性基板１１上の半導体層たるノンドープの多結晶シリコ
ン層２３の一部にｎ形不純物をドーピングすることによ
り導電性層８が形成されるから、表面電極７の平坦性が
良好な電界放射型電子源１０を提供することができる。
また、導電性層８を陽極酸化処理時の電極として利用し
て陽極酸化処理を行うことにより、多結晶シリコン層３
のうち絶縁層１１上に形成された部分には電流が流れず
導電性層８上の部分にのみ電流が流れるから、導電性層
８上の部分のみが多孔質化され、強電界ドリフト層６の
パターンを高精度化することができる。

【００５１】ところで、実施形態１のように絶縁層９が
ない場合には、多結晶シリコン層３のエッチングを時間
制御しなければならないが、多結晶シリコン層３の膜厚
の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきを考
慮するとエッチング時間を長めにとる必要があり、導電
性層８の表面にエッチングダメージが発生してしまう恐
れがあった。これに対して、本実施形態では、絶縁層９
をエッチングストッパとして利用してエッチングを一旦
中断し、その後、多結晶シリコン層３に比べて十分に薄
い絶縁層９をエッチングするので、導電性層８へのエッ
チングダメージを抑制することができる。

【００５２】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に
示すように、導電性層８が、絶縁性基板１１の一表面に
設けられた凹部１１ａに埋め込まれた形で形成され、絶
縁性基板１１の表面と導電性層８の表面とが面一に形成
されている点に特徴がある。ここにおいて、本実施形態
では、導電性層８を金属膜（例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，
Ａｌ−Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｒなどの単一膜ある
いは複合膜）により形成してある。なお、実施形態１と
同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００５３】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、導電性層８が絶縁性基板１１の一表面に設け
られた凹部１１ａへ埋め込まれる形で形成されているの
で、強電界ドリフト層６の表面の平坦性が向上し、結果
的に表面電極７の平坦性も向上する。

【００５４】以下、製造方法について図７を参照しなが
ら説明する。

【００５５】まず、絶縁性基板１１の一表面に凹部１１
ａを形成することにより、図７（ａ）に示すような構造
が得られる。ここにおいて、凹部１１ａはストライプ状
に形成する。

【００５６】次に、凹部１１ａが埋め込まれるように絶
縁性基板の上記一表面側の全面に金属（例えば、Ｗ，Ｍ
ｏ，Ｐｔ，Ａｌ−Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｒなどの
単一膜あるいは複合膜）よりなる導電性層８を例えば蒸
着法によって堆積させることにより、図７（ｂ）に示す
ような構造が得られる。

【００５７】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側に
化学的機械研磨を施すことにより絶縁性基板１１の表面
と導電性層８の表面とが面一になるように平坦化するこ
とにより、図７（ｃ）に示すような構造が得られる。

【００５８】その後、絶縁性基板１１の上記一表面側の
全面にノンドープの多結晶シリコン層３を例えばプラズ
マＣＶＤ法によって形成し、次に、導電性層８の表面の
一部が露出するようにノンドープの多結晶シリコン層３
の一部をＲＩＥなどのドライエッチングやフッ化水素水
溶液、硝酸系のエッチング液を用いたウェットエッチン
グによってエッチング除去することにより、図７（ｄ）
に示すような構造が得られる。ここにおいて、ノンドー
プの多結晶シリコン層３は、プラズマＣＶＤ法により堆
積しているので、６００℃以下の低温プロセスで成膜す
ることができる。なお、ノンドープの多結晶シリコン層
３の形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶ
Ｄ法により形成してもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃
以下の低温プロセスで成膜することができる。また、プ
ラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコンを成膜し
た後に加熱処理として例えばレーザアニールを行うこと
により多結晶化してもよい。

【００５９】その後、多結晶シリコン層３の表面上にス
トライプ状の開口パターンを有するフォトレジスト層よ
りなるマスク層（図示せず）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の入った陽極酸化処理槽を利用
し、白金電極（図示せず）を負極、導電性層８を正極と
して、多結晶シリコン層３に光照射を行いながら所定の
条件で陽極酸化処理を行うことによって多結晶シリコン
層３の一部を多孔質化して多孔質半導体層たる多孔質多
結晶シリコン層を形成し、該多孔質多結晶シリコン層を
酸化若しくは窒化することにより強電界ドリフト層６を
形成し、続いて上記マスク層を除去することにより、図
７（ｅ）に示すような構造が得られる。

【００６０】次いで、強電界ドリフト層６上にストライ
プ状の表面電極７を形成した後、各表面電極７の長手方
向の両端部上にパッド電極１７を形成するとともに導電
性層８の露出した表面上にパッド電極１８を形成するこ
とにより、図７（ｆ）に示すような構造の電界放射型電
子源１０が得られる。

【００６１】しかして、上述の製造方法によれば、絶縁
性基板１１の一表面側に化学的機械研磨を施すことによ
り絶縁性基板１１の表面と導電性層８の表面とが面一に
なるように平坦化した後に半導体層たる多結晶シリコン
層３が形成され、該多結晶シリコン層３の一部が強電界
ドリフト層６になるから、表面電極７の平坦性が良好な
電界放射型電子源１０を提供することができる。

【００６２】

【発明の効果】請求項１の発明は、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層と、導電性層上
に形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層より
なる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成さ
れた表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正
極として電圧を印加することにより導電性層から注入さ
れた電子が強電界ドリフト層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、上記導電性
層は、絶縁性基板上に形成された半導体層に不純物をド
ーピングすることにより該半導体層の一部に形成されて
なるものであり、上記導電性層が絶縁性基板上に形成さ
れた半導体層に不純物をドーピングすることにより該半
導体層の一部に形成されているので、強電界ドリフト層
の表面の平坦性が向上し、結果的に表面電極の平坦性も
向上するという効果がある。

【００６３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記強電界ドリフト層の周囲において導電性層上に
絶縁層が形成されているので、導電性層から強電界ドリ
フト層の周囲を通して表面電極へ電流が流れるのを防止
することができるという効果がある。

【００６４】請求項３の発明は、絶縁性基板と、絶縁性
基板の一表面側に形成された導電性層と、導電性層上に
形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりな
る強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成され
た表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極
として電圧を印加することにより導電性性層から注入さ
れた電子が強電界ドリフト層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、上記導電性
層は、絶縁性基板の上記一表面に設けられた凹部へ埋め
込まれる形で形成されてなるものであり、上記導電性層
が絶縁性基板の上記一表面に設けられた凹部へ埋め込ま
れる形で形成されているので、強電界ドリフト層の表面
の平坦性が向上し、結果的に表面電極の平坦性も向上す
るという効果がある。

【００６５】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記多孔質半導体層が、多孔質化し
た多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になると
いう効果がある。

【００６６】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、上記多結晶半導体が、６００℃以下の低温プロセス
によって形成されているので、絶縁性基板として安価な
ガラス基板を用いることができ、低コスト化が図れると
ともに、より一層の大面積化を図ることができるという
効果がある。

【００６７】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記多孔質半導体層が、多孔質化し
たアモルファス半導体よりなるので、大面積化が図れる
とともに、絶縁性基板として安価なガラス基板を用いる
ことができて低コスト化が図れるという効果がある。

【００６８】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、上記半導体が、シリコンよりなるの
で、シリコンプロセスを使用でき、導電性層のパターン
の微細化および高精度化を図ることができるという効果
がある。

【００６９】請求項８の発明は、請求項１記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面上
に半導体層を形成した後、該半導体層の一部に不純物を
ドーピングすることにより導電性層を形成し、その後、
絶縁性基板の上記一表面側の全面に別の半導体層を形成
し、さらに、導電性層の表面の一部が露出するように上
記別の半導体層の一部をエッチング除去し、その後、陽
極酸化処理を行うことにより上記別の半導体層を部分的
に多孔質化して多孔質半導体層を形成し、該多孔質半導
体層を酸化若しくは窒化することにより強電界ドリフト
層を形成し、次いで、強電界ドリフト層上に表面電極を
形成するので、絶縁性基板上の半導体層の一部に不純物
をドーピングすることにより導電性層が形成されるか
ら、表面電極の平坦性が良好な電界放射型電子源を提供
することができるという効果がある。

【００７０】請求項９の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面上
に半導体層を形成した後、該半導体層の一部に不純物を
ドーピングすることにより導電性層を形成し、その後、
絶縁性基板の上記一表面側の全面に絶縁層を形成し、次
に、上記絶縁層のうち強電界ドリフト層の形成予定領域
に重複する部分を除去し、その後、絶縁性基板の上記一
表面側の全面に別の半導体層を形成し、次に、導電性層
の表面の一部が露出するように上記別の半導体層の一部
をエッチング除去し、その後、導電性層を陽極酸化処理
時の電極として用いて陽極酸化処理を行うことにより上
記別の半導体層を部分的に多孔質化して多孔質半導体層
を形成し、該多孔質半導体層を酸化若しくは窒化するこ
とにより強電界ドリフト層を形成し、次いで、強電界ド
リフト層上に表面電極を形成するので、絶縁性基板上の
半導体層の一部に不純物をドーピングすることにより導
電性層が形成されるから、表面電極の平坦性が良好な電
界放射型電子源を提供することができるという効果があ
る。また、上記別の半導体層の一部をエッチングする際
に絶縁層をエッチングストッパとして利用してエッチン
グを一旦中断し、その後に絶縁層をエッチングして導電
性層の表面の一部を露出させることができるので、導電
性層の表面を露出させるためのエッチングの工程管理が
容易になり、導電性層にエッチングダメージが発生する
のを抑制することが可能となるという効果がある。さら
に、導電性層を陽極酸化処理時の電極として利用して陽
極酸化処理を行うことにより、上記別の半導体層のうち
絶縁層上に形成された部分には電流が流れず導電性層上
の部分にのみ電流が流れるから、導電性層上の部分のみ
が多孔質化され、強電界ドリフト層のパターンを高精度
化することができるという効果がある。

【００７１】請求項１０の発明は、請求項３記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、絶縁性基板の一表面
に凹部を形成した後、該凹部が埋め込まれるように絶縁
性基板の上記一表面側の全面に導電性層を形成し、その
後、絶縁性基板の上記一表面側を絶縁性基板の表面と導
電性層の表面とが面一になるように平坦化し、次に、絶
縁性基板の上記一表面側の全面に半導体層を形成した
後、該半導体層をエッチング除去し、その後、陽極酸化
処理を行うことにより半導体層を部分的に多孔質化して
多孔質半導体層を形成し、該多孔質半導体層を酸化若し
くは窒化することにより強電界ドリフト層を形成し、次
いで、強電界ドリフト層上に表面電極を形成するので、
絶縁性基板の上記一表面側を絶縁性基板の表面と導電性
層の表面とが面一になるように平坦化した後に半導体層
が形成され、該半導体層の一部に強電界ドリフト層が形
成されるから、表面電極の平坦性が良好な電界放射型電
子源を提供することができるという効果がある。

【００７２】請求項１１の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層を触媒ＣＶＤ法により形成するので、絶縁性基板
として安価なガラス基板を用いることができるという効
果がある。

【００７３】請求項１２の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層をプラズマＣＶＤ法により形成するので、絶縁性
基板として安価なガラス基板を用いることができるとい
う効果がある。

【００７４】請求項１３の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、上記導電性層上に形成される半
導体層をアモルファス半導体の堆積後に加熱処理によっ
て多結晶化することにより形成するので、絶縁性基板と
して安価なガラス基板を用いることができるという効果
がある。

【００７５】請求項１４の発明は、請求項１３の発明に
おいて、上記加熱処理はレーザアニールであるので、半
導体層の膜質を良好にできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示す概略斜視図である。

【図２】同上の要部断面図である。

【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】実施形態２を示す要部断面図である。

【図５】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６】実施形態３を示す要部断面図である。

【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。

【図８】従来例を示す断面図である。

【図９】同上の特性測定原理の説明図である。

【図１０】他の従来例を示す要部断面図である。

【符号の説明】

３ 多結晶シリコン層 ６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 ８ 導電性層 １０ 電界放射型電子源 １１ 絶縁性基板 １７ パッド電極 １８ パッド電極 ２３ 多結晶シリコン層

フロントページの続き (72)発明者 菰田 卓哉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 渡部 祥文 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 幡井 崇 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 櫟原 勉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 近藤 行廣 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に
   形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若
   しくは窒化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト
   層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備
   え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加
   することにより導電性層から注入された電子が強電界ド
   リフト層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、上記導電性層は、絶縁性基板上
   に形成された半導体層に不純物をドーピングすることに
   より該半導体層の一部に形成されてなることを特徴とす
   る電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 上記強電界ドリフト層の周囲において導
   電性層上に絶縁層が形成されて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】 絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面側に
   形成された導電性層と、導電性層上に形成された酸化若
   しくは窒化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト
   層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを備
   え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印加
   することにより導電性性層から注入された電子が強電界
   ドリフト層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、上記導電性層は、絶縁性基板
   の上記一表面に設けられた凹部へ埋め込まれる形で形成
   されてなることを特徴とする電界放射型電子源。
4. 【請求項４】 上記多孔質半導体層は、多孔質化した多
   結晶半導体よりなることを特徴とする請求項１ないし請
   求項３のいずれかに記載の電界放射型電子源。
5. 【請求項５】 上記多結晶半導体は、６００℃以下の低
   温プロセスによって形成されてなることを特徴とする請
   求項４記載の電界放射型電子源。
6. 【請求項６】 上記多孔質半導体層は、多孔質化したア
   モルファス半導体よりなることを特徴とする請求項１な
   いし請求項３のいずれかに記載の電界放射型電子源。
7. 【請求項７】 上記半導体は、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６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１記載の電界放射型電子源の製造
   方法であって、絶縁性基板の一表面上に半導体層を形成
   した後、該半導体層の一部に不純物をドーピングするこ
   とにより導電性層を形成し、その後、絶縁性基板の上記
   一表面側の全面に別の半導体層を形成し、さらに、導電
   性層の表面の一部が露出するように上記別の半導体層の
   一部をエッチング除去し、その後、陽極酸化処理を行う
   ことにより上記別の半導体層を部分的に多孔質化して多
   孔質半導体層を形成し、該多孔質半導体層を酸化若しく
   は窒化することにより強電界ドリフト層を形成し、次い
   で、強電界ドリフト層上に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】 請求項２記載の電界放射型電子源の製造
   方法であって、絶縁性基板の一表面上に半導体層を形成
   した後、該半導体層の一部に不純物をドーピングするこ
   とにより導電性層を形成し、その後、絶縁性基板の上記
   一表面側の全面に絶縁層を形成し、次に、上記絶縁層の
   うち強電界ドリフト層の形成予定領域に重複する部分を
   除去し、その後、絶縁性基板の上記一表面側の全面に別
   の半導体層を形成し、次に、導電性層の表面の一部が露
   出するように上記別の半導体層の一部をエッチング除去
   し、その後、導電性層を陽極酸化処理時の電極として用
   いて陽極酸化処理を行うことにより上記別の半導体層を
   部分的に多孔質化して多孔質半導体層を形成し、該多孔
   質半導体層を酸化若しくは窒化することにより強電界ド
   リフト層を形成し、次いで、強電界ドリフト層上に表面
   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。
10. 【請求項１０】 請求項３記載の電界放射型電子源の製
    造方法であって、絶縁性基板の一表面に凹部を形成した
    後、該凹部が埋め込まれるように絶縁性基板の上記一表
    面側の全面に導電性層を形成し、その後、絶縁性基板の
    上記一表面側を絶縁性基板の表面と導電性層の表面とが
    面一になるように平坦化し、次に、絶縁性基板の上記一
    表面側の全面に半導体層を形成した後、該半導体層をエ
    ッチング除去し、その後、陽極酸化処理を行うことによ
    り半導体層を部分的に多孔質化して多孔質半導体層を形
    成し、該多孔質半導体層を酸化若しくは窒化することに
    より強電界ドリフト層を形成し、次いで、強電界ドリフ
    ト層上に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。
11. 【請求項１１】 上記導電性層上に形成される半導体層
    を触媒ＣＶＤ法により形成することを特徴とする請求項
    ８ないし請求項１０のいずれかに記載の電界放射型電子
    源の製造方法。
12. 【請求項１２】 上記導電性層上に形成される半導体層
    をプラズマＣＶＤ法により形成することを特徴とする請
    求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の電界放射型
    電子源の製造方法。
13. 【請求項１３】 上記導電性層上に形成される半導体層
    をアモルファス半導体の堆積後に加熱処理によって多結
    晶化することにより形成することを特徴とする請求項８
    ないし請求項１０のいずれかに記載の電界放射型電子源
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 上記加熱処理はレーザアニールである
    ことを特徴とする請求項１３記載の電界放射型電子源の
    製造方法。