JP2001118498A - Electric field radiation electron source and method for fabricating it - Google Patents

Electric field radiation electron source and method for fabricating it

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JP2001118498A
JP2001118498A JP29594899A JP29594899A JP2001118498A JP 2001118498 A JP2001118498 A JP 2001118498A JP 29594899 A JP29594899 A JP 29594899A JP 29594899 A JP29594899 A JP 29594899A JP 2001118498 A JP2001118498 A JP 2001118498A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for fabricating an electric field radiation electron source with high insulating internal pressure that the aging change of the electron emission efficiency is less. SOLUTION: A strong electric field drift layer 6 made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is deposited on the main surface of a conductive n-type silicon substrate 1, having a surface electrode 7 formed thereon. An ohmic electrode 2 is formed in the inside of the n-type silicon substrate 1. The drift layer 6 has an oxide layer of a dense SiO2 structure or a structure near to it obtained by heat-treating the porous polycrystalline silicon layer 4 formed by oxidizing the polycrystalline silicon layer 3 with the anode. Thus, the amount of hydrogen entering the drift layer 6 becomes less to prevent degradation of the electron emission efficiency caused by the aging change of the hydrogen distribution as well as enhancing the withstand voltage because of the dense oxide layer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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
型電子源およびその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron source which emits an electron beam by field emission using a semiconductor material, and a method of manufacturing the same.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission type electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.

【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。
However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately form a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, the Spindt-type electrode has a large area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem that was difficult. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas is present, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the ions are ionized and the positive ions collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable. There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, the Spindt-type electrode needs to be used in a high vacuum (about 10 -5 Pa to about 10 -6 Pa) in order to prevent such a problem from occurring, which increases the cost and complicates handling. There was a problem.

【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。
In order to improve this kind of problem, MIM
(Metal Insulator Metal) method and MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) type field emission electron sources have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the electron emission efficiency (to emit many electrons) in this type of field emission electron source, it is necessary to reduce the thickness of the insulating film or the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure. Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.

【0005】これらに対し、電子の放出効率を高めるこ
とができる電界放射型電子源として、近年では、例えば
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(導電性薄膜)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。
On the other hand, in recent years, as a field emission type electron source capable of increasing the electron emission efficiency, a single-crystal semiconductor such as a silicon substrate has recently been disclosed as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766. Using a substrate, one surface of the semiconductor substrate is anodized to form a porous semiconductor layer (porous silicon layer), and a surface electrode made of a metal thin film (conductive thin film) is formed on the porous semiconductor layer. In addition, a field emission type electron source (semiconductor cold electron emission element) configured to emit electrons by applying a voltage between a semiconductor substrate and a surface electrode has been proposed.

【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、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
装置などに応用すると、発光むらができてしまうという
不具合がある。
[0006] However, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-2507 has been disclosed.
In the field emission type electron source described in Japanese Patent Publication No. 66, so-called popping phenomenon easily occurs at the time of electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. Therefore, when applied to a flat light emitting device or a display device, uneven light emission occurs. There is a problem that.

【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10’は、例え
ば、図5に示すように、導電性基板たるn形シリコン基
板1の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層より
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’上に金属薄膜よりなる表面電極7が形成され、n
形シリコン基板1の裏面にオーミック電極2が形成され
ている。
[0007] The inventors of the present application have proposed a technique disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 10-2.
No. 72340, Japanese Patent Application No. 10-272342,
Rapid thermal oxidation of a porous polycrystalline semiconductor layer (eg, a porous polycrystalline silicon layer) by a rapid thermal oxidation (RTO) technique intervenes between a conductive substrate and a metal thin film (surface electrode). We have proposed a field emission type electron source with a strong electric field drift layer in which electrons injected from a conductive substrate drift. In the field emission type electron source 10 ', for example, as shown in FIG. 5, a strong electric field drift layer 6' made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is formed on the main surface side of an n-type silicon substrate 1 as a conductive substrate. And a surface electrode 7 made of a metal thin film is formed on the strong electric field drift layer 6 '.
An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the silicon substrate 1.

【0008】図5に示す構成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21を配置し、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、n形シリコン基板1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5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)。したが
って、表面電極7としては、仕事関数の小さな材料を用
いることが望ましい。ここにおいて、表面電極7とn形
シリコン基板1(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とオーミック電極2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。
A field emission type electron source 10 'having the structure shown in FIG.
Then, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum, the collector electrode 21 is arranged opposite to the surface electrode 7, and the DC voltage Vps is applied using the surface electrode 7 as a positive electrode with respect to the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2). At the same time, by applying a DC voltage Vc with the collector electrode 21 as a positive electrode to the surface electrode 7, electrons injected from the n-type silicon substrate 1 drift in the strong electric field drift layer 6 ′ and are emitted through the surface electrode 7. (Note that the dashed line in FIG. 5 indicates the flow of electrons e emitted through the surface electrode 7). Therefore, it is desirable to use a material having a small work function as the surface electrode 7. Here, a current flowing between the surface electrode 7 and the n-type silicon substrate 1 (the ohmic electrode 2) is called a diode current Ips, and a current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is called an emission electron current Ie. The larger the emission electron current Ie with respect to the diode current Ips (the larger Ie / Ips), the higher the electron emission efficiency. In this field emission type electron source 10 ', electrons can be emitted even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is as low as about 10 to 20V.

【0009】この電界放射型電子源10’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高い電子放出効率で
放出することができる。ここにおいて、強電界ドリフト
層6’は、図6に示すように、少なくとも、柱状の多結
晶シリコン51(グレイン)と、多結晶シリコン51の
表面に形成された薄いシリコン酸化膜52と、多結晶シ
リコン51間に介在するナノメータオーダの微結晶シリ
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。すなわち、強電界ドリフト層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では結
晶状態が維持されていると考えられる。したがって、強
電界ドリフト層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、注入された電子はシリコン
酸化膜64にかかっている強電界により加速され多結晶
シリコン51間を表面に向かって図6中の矢印Aの向き
へ(図6中の上方向へ向かって)ドリフトするので、電
子放出効率を向上させることができる。なお、強電界ド
リフト層6’の表面に到達した電子はホットエレクトロ
ンであると考えられ、表面電極7を容易にトンネルし真
空中に放出される。ここに、表面電極7の膜厚は10n
m〜15nm程度に設定されている。
In the field emission type electron source 10 ', the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and the electrons can be stably emitted with a high electron emission efficiency without generating a popping phenomenon during electron emission. Here, as shown in FIG. 6, the strong electric field drift layer 6 ′ includes at least a columnar polycrystalline silicon 51 (grain), a thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the polycrystalline silicon 51, and a polycrystalline silicon 51. A nanometer-order microcrystalline silicon layer 63 interposed between the silicon 51 and a silicon oxide film 64 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 63 and serving as an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the microcrystalline silicon layer 63; It is considered to be composed of That is, in the strong electric field drift layer 6 ', it is considered that the surface of each grain is porous and the crystalline state is maintained in the central portion of each grain. Therefore, most of the electric field applied to the strong electric field drift layer 6 ′ is applied to the silicon oxide film 64, and the injected electrons are accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film 64 and travel between the polycrystalline silicon 51 toward the surface. 6 drifts in the direction of arrow A in FIG. 6 (upward in FIG. 6), so that the electron emission efficiency can be improved. The electrons that have reached the surface of the strong electric field drift layer 6 'are considered to be hot electrons and are easily tunneled through the surface electrode 7 and discharged into a vacuum. Here, the film thickness of the surface electrode 7 is 10 n
It is set to about m to 15 nm.

【0010】なお、上記導電性基板としてn形シリコン
基板1などの半導体基板の代わりに、ガラス基板などの
絶縁性基板上に例えばITO膜よりなる導電性層を形成
した基板を使用すれば、電子源の大面積化および低コス
ト化が可能になる。
[0010] If a substrate in which a conductive layer made of, for example, an ITO film is formed on an insulating substrate such as a glass substrate is used instead of the semiconductor substrate such as the n-type silicon substrate 1 as the conductive substrate, the The area of the source can be increased and the cost can be reduced.

【0011】ところで、上述の電界放射型電子源10’
では、強電界ドリフト層6’が、導電性基板たるn形シ
リコン基板1上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積
させた後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多
孔質化し、多孔質化された多結晶シリコン層(多孔質多
結晶シリコン層)を急速加熱法によって例えば900℃
の温度で酸化することにより形成されている。ここにお
いて、陽極酸化処理に用いる電解液としては、フッ化水
素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した液を用い
ている。また、急速加熱法によって酸化する工程では、
ランプアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で図
7に示すように室温から900℃まで上昇させた後、基
板温度を900℃で1時間維持することで酸化し、その
後、基板温度を室温まで下降させている。
Incidentally, the above-mentioned field emission type electron source 10 '
Then, after the strong electric field drift layer 6 ′ deposits a non-doped polycrystalline silicon layer on the n-type silicon substrate 1, which is a conductive substrate, the polycrystalline silicon layer is made porous by anodizing treatment, The converted polycrystalline silicon layer (porous polycrystalline silicon layer) is heated at 900 ° C. by a rapid heating method.
Formed by oxidation at a temperature of Here, as the electrolytic solution used for the anodic oxidation treatment, a solution obtained by mixing a hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol at a ratio of about 1: 1 is used. In the step of oxidizing by the rapid heating method,
Using a lamp annealing apparatus, the substrate temperature is raised from room temperature to 900 ° C. in dry oxygen as shown in FIG. 7, and then oxidized by maintaining the substrate temperature at 900 ° C. for 1 hour. Down.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に陽極酸化処理にて形成された多孔質多結晶シリコン層
は、陽極酸化処理において電解液としてフッ化水素水溶
液とエタノールとの混合液を利用しているので、多孔質
多結晶シリコン層の最表面が図8に示すように水素原子
によって終端されている。このため、陽極酸化処理にて
形成された多孔質多結晶シリコン層を図7に示すような
温度プロファイルにおいて900℃で酸化させると、図
9に示すように、水素原子が残ったり、Si−OHの結
合が生じたりして、SiO2という構造の緻密な酸化膜
にはなりにくく絶縁耐圧が低くなってしまうという不具
合があった。また、強電界ドリフト層6’中の水素の含
有量が比較的多くなり、強電界ドリフト層6’中の水素
の分布が経時変化する(例えば、水素原子が強電界ドリ
フト層6’の表面から脱離する)ことにより、電子放出
効率の経時安定性が悪くなる恐れがある。
As described above, the porous polycrystalline silicon layer formed by the anodic oxidation treatment uses a mixture of an aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol as an electrolyte in the anodic oxidation treatment. Therefore, the outermost surface of the porous polycrystalline silicon layer is terminated by hydrogen atoms as shown in FIG. For this reason, when the porous polycrystalline silicon layer formed by the anodic oxidation treatment is oxidized at 900 ° C. in a temperature profile as shown in FIG. 7, as shown in FIG. 9, hydrogen atoms remain or Si—OH Or the like, and a dense oxide film having a structure of SiO 2 is hardly formed and the dielectric strength voltage is lowered. Further, the content of hydrogen in the strong electric field drift layer 6 ′ becomes relatively large, and the distribution of hydrogen in the strong electric field drift layer 6 ′ changes with time (for example, hydrogen atoms are removed from the surface of the strong electric field drift layer 6 ′). Desorption), the stability over time of the electron emission efficiency may be deteriorated.

【0013】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、電子放出効率の経時変化が少なくか
つ絶縁耐圧の高い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。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a field emission type electron source having a small change with time in electron emission efficiency and a high withstand voltage, and a method of manufacturing the same. .

【0014】[0014]

【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酸化した多孔質半導体層よりなる強
電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された
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
フトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の
製造方法であって、導電性基板上に半導体層を形成する
工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一
部を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する
工程と、多孔質半導体層の表面に結合している水素原子
を熱処理により脱離させる工程と、水素原子を脱離させ
た後に多孔質半導体層を酸化することにより強電界ドリ
フト層を形成する工程と、強電界ドリフト層上に導電性
薄膜よりなる表面電極を形成する工程とを有することを
特徴とし、多孔質半導体層の表面に結合している水素原
子を熱処理により脱離させた後に多孔質半導体層を酸化
することで強電界ドリフト層が形成されるので、陽極酸
化処理の直後に多孔質半導体層を酸化した場合に比べて
強電界ドリフト層に含まれる水素の量を少なくすること
ができるとともに、緻密な酸化膜を形成することがで
き、電子放出効率の経時変化が少なく且つ絶縁耐圧の高
い電界放射型電子源を実現することができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a strong electric field comprising a conductive substrate and an oxidized porous semiconductor layer formed on one surface of the conductive substrate. A drift layer and a surface electrode formed of a conductive thin film formed on the strong electric field drift layer, and electrons injected from the conductive substrate by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate. Is a method of manufacturing a field emission type electron source that drifts through a strong electric field drift layer and is emitted through a surface electrode, comprising: forming a semiconductor layer on a conductive substrate; and anodizing the at least one of the semiconductor layers. Forming a porous semiconductor layer by making the portion porous, removing hydrogen atoms bonded to the surface of the porous semiconductor layer by heat treatment, and removing the hydrogen atoms from the porous semiconductor layer after removing the hydrogen atoms. Semiconduct A step of forming a strong electric field drift layer by oxidizing the layer and a step of forming a surface electrode made of a conductive thin film on the strong electric field drift layer, and bonding to a surface of the porous semiconductor layer. Since a strong electric field drift layer is formed by oxidizing the porous semiconductor layer after desorbing hydrogen atoms by heat treatment, the strong electric field drift layer is formed as compared with the case where the porous semiconductor layer is oxidized immediately after the anodic oxidation treatment. It is possible to reduce the amount of hydrogen contained in the drift layer, form a dense oxide film, and realize a field emission electron source with a small change with time in electron emission efficiency and a high withstand voltage. it can.

【0015】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記熱処理は、300℃から700℃の温度範囲で
行うことを特徴とし、望ましい実施態様である。
In a preferred embodiment, the heat treatment is performed at a temperature in the range of 300 ° C. to 700 ° C.

【0016】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、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸素雰囲気中でアニールする工程なので、絶縁性が
高く物性的に安定した酸化膜を形成することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of annealing in an oxygen atmosphere, so that the insulating property is high and the physical properties are stable. An oxide film can be formed.

【0017】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、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸により電気化学的に酸化する工程なので、請求項
3の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成するこ
とが可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基
板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容
易になる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of electrochemically oxidizing the porous semiconductor layer with an acid. Thus, the strong electric field drift layer can be formed at a low temperature, the process temperature becomes low, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced.

【0018】請求項5の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸素プラズマを用いて酸化する工程なので、請求項
3の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成するこ
とが可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基
板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容
易になる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of oxidizing using an oxygen plasma. The strong electric field drift layer can be formed at a low temperature, the process temperature becomes low, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced.

【0019】請求項6の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、オゾンガスを用いて酸化する工程なので、請求項3
の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成すること
が可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基板
の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容易
になる。
According to a sixth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of oxidizing using a ozone gas.
The invention makes it possible to form a strong electric field drift layer at a lower temperature as compared with the invention of the first aspect, so that the process temperature becomes lower, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced.

【0020】請求項7の発明は、請求項1ないし請求項
6のいずれかに記載の製造方法で製造されたことを特徴
とするものであり、陽極酸化処理の直後に多孔質半導体
層を酸化することで強電界ドリフト層が形成された電界
放射型電子源に比べて、強電界ドリフト層への水素の混
入が少ないので、従来のような水素の分布の経時変化に
よる電子放出効率の低下が少なく、また、酸化膜が緻密
になりやすく、絶縁耐圧が高くなる。
According to a seventh aspect of the present invention, the porous semiconductor layer is manufactured by the manufacturing method according to any one of the first to sixth aspects. In comparison with the field emission type electron source in which the strong electric field drift layer is formed, the mixing of hydrogen into the strong electric field drift layer is less, so that the decrease in the electron emission efficiency due to the temporal change of the hydrogen distribution as in the conventional case is reduced. In addition, the oxide film tends to be dense and the withstand voltage is high.

【0021】請求項8の発明は、請求項7の発明におい
て、前記多孔質半導体層が、多孔質多結晶シリコン層よ
りなるので、強電界ドリフト層がSiO2の構造若しく
はSiO2の構造に近い緻密性の高い酸化膜を有するよ
うになる。
[0021] The invention of claim 8 is the invention of claim 7, wherein the porous semiconductor layer, which has the porous polycrystalline silicon layer, the strong electric field drift layer is close to the structure or the SiO 2 structure of SiO 2 It has an oxide film with high density.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本実施形態では、図4に示す構成
の電界放射型電子源10の製造方法について図1ないし
図3を参照しながら説明する。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0.0
1Ωcm〜0.02Ωcmの(100)基板)を用いて
いる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In this embodiment, a method for manufacturing a field emission type electron source 10 having the structure shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS. In the present embodiment,
As a conductive substrate, a single-crystal n-type silicon substrate 1 having a resistivity relatively close to that of a conductor (for example, a resistivity of approximately 0.0
A (100) substrate of 1 Ωcm to 0.02 Ωcm) is used.

【0023】本実施形態の電界放射型電子源10の基本
構成は、図5に示した従来構成と同じであって、図4に
示すように、導電性基板たるn形シリコン基板1の主表
面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界
ドリフト層6が形成され、強電界ドリフト層6上に金属
薄膜よりなる表面電極7が形成され、n形シリコン基板
1の裏面にオーミック電極2が形成されている。
The basic configuration of the field emission type electron source 10 of this embodiment is the same as the conventional configuration shown in FIG. 5, and as shown in FIG. 4, the main surface of the n-type silicon substrate 1 which is a conductive substrate. A strong electric field drift layer 6 made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is formed on the side, a surface electrode 7 made of a metal thin film is formed on the strong electric field drift layer 6, and an ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1. Are formed.

【0024】図4に示す構成の電界放射型電子源10で
は、上記従来構成と同様に、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、n形シリコン
基板1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4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)。したがって、表面電極7としては、仕事関
数の小さな材料を用いることが望ましい。ここにおい
て、表面電極7とn形シリコン基板1(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
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においても、上記従来構成と同様に、表面電極
7とオーミック電極2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。
In the field emission type electron source 10 having the structure shown in FIG. 4, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum and the collector electrode 21 is arranged opposite to the surface electrode 7 in the same manner as in the above-mentioned conventional structure. 7 is applied to the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2) as a positive electrode, and a DC voltage Vps is applied to the collector electrode 21 as a positive electrode to the surface electrode 7. The electrons injected from 1 drift in the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. 4 indicates the flow of electrons e emitted through the surface electrode 7). Therefore, it is desirable to use a material having a small work function as the surface electrode 7. Here, a current flowing between the surface electrode 7 and the n-type silicon substrate 1 (the ohmic electrode 2) is referred to as a diode current Ips,
The current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is referred to as an emission electron current Ie. The electron emission efficiency increases as the emission electron current Ie with respect to the diode current Ips increases (Ie / Ips increases). In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, as in the above-described conventional configuration, electrons are emitted even when the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is set to a low voltage of about 10 to 20 V. Can be released.

【0025】本実施形態では、強電界ドリフト層6が、
上記従来構成における強電界ドリフト層6’に比べ水素
の混入が少なく緻密な酸化膜を有する点に特徴がある。
ここにおける酸化膜は、上記従来構成において図6で説
明した各シリコン酸化膜52,64であり、本実施形態
における当該酸化膜はSiO2の構造若しくはSiO2
構造に近い構造に近い緻密な膜となっている。
In the present embodiment, the strong electric field drift layer 6
Compared with the strong electric field drift layer 6 'in the above-described conventional configuration, the present embodiment is characterized in that a small amount of hydrogen is mixed therein and a dense oxide film is provided.
Oxide film here is, in the above-mentioned conventional configuration is the silicon oxide film 52, 64 described in FIG. 6, the oxide film in this embodiment is dense film close to the structure close to the structure or the SiO 2 structure of SiO 2 It has become.

【0026】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
10では、強電界ドリフト層6への水素の混入が少ない
ことにより従来のような水素の分布の経時変化による電
子放出効率の低下が少なく、また、酸化膜が従来に比べ
て緻密になるので、絶縁耐圧が高い。
However, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, the decrease in the electron emission efficiency due to the temporal change of the hydrogen distribution as in the conventional case is small because the mixing of hydrogen into the strong electric field drift layer 6 is small. Also, since the oxide film becomes denser than before, the withstand voltage is high.

【0027】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、n形シリコン基板1の代
わりに、クロムなどの金属基板を用いてもよいし、ガラ
ス基板などの絶縁性基板の一表面側に導電性層(例え
ば、ITO膜)を形成したものを用いてもよい。ガラス
基板の一表面側に導電性層を形成した基板を用いる場合
には、半導体基板を用いる場合に比べて、大面積化およ
び低コスト化を図ることができる。また、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、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(強電界ドリフト層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。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
シリコン層により構成しているが、強電界ドリフト層6
を酸化した多孔質単結晶シリコン、あるいはその他の酸
化した多孔質半導体層により構成してもよい。
In this embodiment, the n-type silicon substrate 1 is used as the conductive substrate. However, a metal substrate such as chromium may be used instead of the n-type silicon substrate 1, or an insulating substrate such as a glass substrate may be used. A substrate in which a conductive layer (for example, an ITO film) is formed on one surface side of the substrate may be used. When a substrate in which a conductive layer is formed on one surface side of a glass substrate is used, a larger area and lower cost can be achieved as compared with a case where a semiconductor substrate is used. In the present embodiment, the surface electrode 7 is made of a gold thin film, but may be made of at least two thin film electrode layers stacked in the thickness direction. When it is composed of two thin film electrode layers,
For example, gold is used as the material of the upper thin-film electrode layer,
As a material for the lower thin film electrode layer (the thin film electrode layer on the strong electric field drift layer 6 side), for example, chromium, nickel, platinum, titanium, iridium or the like may be used. In the present embodiment, the strong electric field drift layer 6 is composed of an oxidized porous polycrystalline silicon layer.
Oxidized porous single-crystal silicon or another oxidized porous semiconductor layer.

【0028】以下、製造方法について図1および図2を
参照しながら説明する。
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIGS.

【0029】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
所定膜厚(例えば、1.5μm)の半導体層たるノンド
ープの多結晶シリコン層3を形成(成膜)することによ
り図1(a)に示すような構造が得られる。なお、多結
晶シリコン層3の成膜は、導電性基板が半導体基板の場
合には例えば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
ラス基板に導電性層を形成した基板の場合には、CVD
法により導電性層上にアモルファスシリコンを成膜した
後にエキシマレーザでアニールすることにより、多結晶
シリコン層を形成してもよい。また、導電性層上に多結
晶シリコン層を形成する方法はCVD法に限定されるも
のではなく、例えばCGS(Continuous Grain Silic
on)法や触媒CVD法などを用いてもよい。
First, after an ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1, a non-doped polycrystalline silicon layer 3 as a semiconductor layer having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) is formed on the surface of the n-type silicon substrate 1. Is formed (deposited), a structure as shown in FIG. 1A is obtained. When the conductive substrate is a semiconductor substrate, the polycrystalline silicon layer 3 may be formed by, for example, an LPCVD method or a sputtering method, or an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method and then an annealing process is performed. Crystallization may be performed to form a film. When the conductive substrate is a glass substrate on which a conductive layer is formed, CVD is used.
The polycrystalline silicon layer may be formed by forming an amorphous silicon film on the conductive layer by a method and annealing the film with an excimer laser. Further, the method of forming a polycrystalline silicon layer on the conductive layer is not limited to the CVD method, and for example, a CGS (Continuous Grain Silicate).
on) method or a catalytic CVD method.

【0030】ノンドープの多結晶シリコン層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、n
形シリコン基板1(オーミック電極2)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、多孔質多結晶シリコ
ン層4が形成され図1(b)に示すような構造が得られ
る。ここにおいて、本実施形態では、陽極酸化処理の条
件として、陽極酸化処理の期間、多結晶シリコン層3の
表面に照射する光パワーを一定、電流密度を一定とした
が、この条件は適宜変更してもよい(例えば、電流密度
を変化させてもよい)。
After the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is formed, an anodic oxidation treatment tank containing an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol in a ratio of about 1: 1 is used. A platinum electrode (not shown) is connected to the negative electrode, n
Type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2) as a positive electrode
By performing anodizing treatment under predetermined conditions while irradiating the polycrystalline silicon layer 3 with light, a porous polycrystalline silicon layer 4 is formed, and a structure as shown in FIG. 1B is obtained. Here, in the present embodiment, as the conditions of the anodic oxidation treatment, the light power applied to the surface of the polycrystalline silicon layer 3 is constant and the current density is constant during the anodic oxidation treatment, but these conditions are appropriately changed. (For example, the current density may be changed).

【0031】上述の陽極酸化処理が終了した後、多孔質
多結晶シリコン層4の最表面に結合している水素原子を
熱処理により脱離させてから、多孔質多結晶シリコン層
4をアニールによって酸化することにより強電界ドリフ
ト層6が形成され、図1(c)に示す構造が得られる。
要するに、本実施形態では、多孔質多結晶シリコン層4
を陽極酸化処理により形成した際に多孔質多結晶シリコ
ン層4のシリコン原子を終端している水素原子を、上記
熱処理により脱離させた後、多孔質多結晶シリコン層4
をアニールによって酸化している。ここにおいて、本実
施形態では、上記熱処理と多孔質多結晶シリコン層4の
酸化のためのアニールとを1つのランプアニール装置を
使用して連続的に行っている。すなわち、ランプアニー
ル装置の炉内を酸素雰囲気に置換して基板温度を図2に
示すように室温から所定の熱処理温度(図示例では、4
00℃)まで上昇させて上記熱処理温度を所定の熱処理
時間T1(例えば、5分間)維持した後、基板温度をさ
らに上昇させて所定のアニール温度(図示例では、90
0℃)まで上昇させた状態で上記アニール温度を所定の
アニール時間T2(例えば、1時間)維持した後、室温
まで降温する。ここにおいて、熱処理前は多孔質多結晶
シリコン層4の最表面が図8に示すように水素原子によ
り終端されているが、上記熱処理を行うことによって、
多結晶シリコン層4の最表面は図3に示すように水素原
子が脱離した状態になる。なお、上記熱処理温度は、4
00℃に限定されるものではなく、水素原子の脱離が起
こり且つ多孔質多結晶シリコン層4の酸化が進行しない
ような温度であることが望ましく、300℃から700
℃の温度範囲で設定することが望ましい。
After the above-described anodic oxidation treatment is completed, hydrogen atoms bonded to the outermost surface of the porous polycrystalline silicon layer 4 are desorbed by a heat treatment, and then the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized by annealing. Thus, the strong electric field drift layer 6 is formed, and the structure shown in FIG. 1C is obtained.
In short, in the present embodiment, the porous polycrystalline silicon layer 4
After hydrogen atoms terminating the silicon atoms of the porous polycrystalline silicon layer 4 when the polycrystalline silicon layer 4 is formed by anodizing treatment are desorbed by the heat treatment, the porous polycrystalline silicon layer 4
Is oxidized by annealing. Here, in the present embodiment, the heat treatment and the annealing for oxidizing the porous polycrystalline silicon layer 4 are continuously performed using one lamp annealing apparatus. That is, the atmosphere in the furnace of the lamp annealing apparatus is replaced with an oxygen atmosphere, and the substrate temperature is changed from room temperature to a predetermined heat treatment temperature (4 in the illustrated example) as shown in FIG.
00 ° C.) to maintain the heat treatment temperature for a predetermined heat treatment time T1 (for example, 5 minutes), and then further raise the substrate temperature to a predetermined annealing temperature (90 in the illustrated example).
After maintaining the annealing temperature at a predetermined annealing time T2 (for example, 1 hour) with the temperature raised to 0 ° C.), the temperature is lowered to room temperature. Here, before the heat treatment, the outermost surface of the porous polycrystalline silicon layer 4 is terminated by hydrogen atoms as shown in FIG. 8, but by performing the heat treatment,
The outermost surface of the polycrystalline silicon layer 4 is in a state where hydrogen atoms have been eliminated as shown in FIG. The heat treatment temperature is 4
The temperature is not limited to 00 ° C., but is preferably a temperature at which desorption of hydrogen atoms occurs and oxidation of the porous polycrystalline silicon layer 4 does not proceed.
It is desirable to set in the temperature range of ° C.

【0032】強電界ドリフト層6を形成した後は、強電
界ドリフト層6上に導電性薄膜(例えば、金薄膜)から
なる表面電極7を例えば蒸着により形成することによっ
て、図1(e)に示す構造の電界放射型電子源10が得
られる。なお、本実施形態では、表面電極7の膜厚を1
5nmとしてあるが、この膜厚は特に限定するものでは
なく、強電界ドリフト層6を通ってきた電子がトンネル
できる膜厚であればよい。また、本実施形態では、表面
電極7となる導電性薄膜を蒸着により形成しているが、
導電性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。
After the strong electric field drift layer 6 is formed, a surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed on the strong electric field drift layer 6 by, for example, vapor deposition, as shown in FIG. A field emission electron source 10 having the structure shown is obtained. In this embodiment, the thickness of the surface electrode 7 is set to 1
Although the thickness is set to 5 nm, the thickness is not particularly limited, and may be any thickness as long as electrons passing through the strong electric field drift layer 6 can tunnel. In the present embodiment, the conductive thin film to be the surface electrode 7 is formed by vapor deposition.
The method for forming the conductive thin film is not limited to vapor deposition, and for example, a sputtering method may be used.

【0033】しかして、上述の製造方法によれば、陽極
酸化処理にて形成した多孔質多結晶シリコン層4の表面
に結合している水素原子を熱処理により脱離させた後に
多孔質多結晶シリコン層4を酸化することで強電界ドリ
フト層6が形成されるから、陽極酸化処理の直後に多孔
質多結晶シリコン層を酸化した場合に比べて強電界ドリ
フト層6に含まれる水素の量を少なくすることができる
とともに、SiO2の構造若しくはSiO2の構造に近い
緻密な酸化膜を形成することができ、電子放出効率の経
時変化が少なく且つ絶縁耐圧の高い電界放射型電子源1
0を実現することができる。なお、上述の製造方法で製
造された電界放射型電子源は、図5に示した従来の電界
放射型電子源10’と同様に、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る。
According to the above-described manufacturing method, after the hydrogen atoms bonded to the surface of the porous polycrystalline silicon layer 4 formed by the anodic oxidation treatment are desorbed by the heat treatment, the porous polycrystalline silicon layer 4 is removed. Since the strong electric field drift layer 6 is formed by oxidizing the layer 4, the amount of hydrogen contained in the strong electric field drift layer 6 is reduced as compared with the case where the porous polycrystalline silicon layer is oxidized immediately after the anodic oxidation treatment. it is possible to, it is possible to form a dense oxide film near the structure or the SiO 2 structure of SiO 2, less change with time of the electron emission efficiency and dielectric strength high field emission electron source 1
0 can be realized. In addition, the field emission type electron source manufactured by the above-described manufacturing method has a small degree of vacuum dependence of the electron emission characteristic and has a popping property at the time of electron emission, similarly to the conventional field emission type electron source 10 ′ shown in FIG. Electrons can be stably emitted without a phenomenon occurring.

【0034】ところで、上述の製造方法では、多孔質多
結晶シリコン層4の最表面に結合している水素原子を熱
処理により脱離させてから、多孔質多結晶シリコン層4
を900℃のアニールによって酸化することにより強電
界ドリフト層6を形成しているが、多孔質多結晶シリコ
ン層4をアニールにより酸化する代わりに、酸(例え
ば、HNO3、H2SO4、王水など)により電気化学的
に酸化してもよいし、酸素プラズマを用いて酸化しても
よいし、オゾンガスを用いて酸化してもよく、多孔質多
結晶シリコン層4を900℃でアニールして酸化する場
合に比べて低温で強電界ドリフト層6を形成することが
可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基板の
制約が少なくなり、安価なガラス基板などを使用するこ
とが可能となるから、大面積化および低コスト化が容易
になる。
In the above-described manufacturing method, the hydrogen atoms bonded to the outermost surface of the porous polycrystalline silicon layer 4 are desorbed by heat treatment, and then the porous polycrystalline silicon layer 4 is removed.
Is oxidized by annealing at 900 ° C. to form the strong electric field drift layer 6. Instead of oxidizing the porous polycrystalline silicon layer 4 by annealing, an acid (for example, HNO 3 , H 2 SO 4 , Water, etc.), may be oxidized using oxygen plasma, may be oxidized using ozone gas, and the porous polycrystalline silicon layer 4 may be annealed at 900 ° C. It is possible to form the strong electric field drift layer 6 at a lower temperature than in the case where the substrate is oxidized, and the process temperature is reduced, the restriction on the conductive substrate is reduced, and an inexpensive glass substrate or the like can be used. Therefore, it is easy to increase the area and reduce the cost.

【0035】(実施例)実施形態にて図1を参照しなが
ら説明した電界放射型電子源10の製造方法で以下の条
件により電界放射型電子源10を作成した。
(Embodiment) The field emission type electron source 10 was manufactured by the method of manufacturing the field emission type electron source 10 described in the embodiment with reference to FIG. 1 under the following conditions.

【0036】n形シリコン基板1としては、抵抗率が
0.01〜0.02Ωcm、厚さが525μmの(10
0)基板を用いた。多結晶シリコン層3(図1(a)参
照)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640℃、モノシランガ
スの流量を600sccmとした。
The n-type silicon substrate 1 has a resistivity of 0.01 to 0.02 Ωcm and a thickness of 525 μm (10
0) A substrate was used. The polycrystalline silicon layer 3 (see FIG. 1A) is formed by an LPCVD method.
The degree of vacuum was 20 Pa, the substrate temperature was 640 ° C., and the flow rate of the monosilane gas was 600 sccm.

【0037】陽極酸化処理では電解液として、55wt
%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合
した電解液を用いた。陽極酸化は、多結晶シリコン層3
のうち表面の直径10mmの領域のみが電解液に触れる
ようにし、他の部分は電解液に接触しないようにシール
を行い、電解液中に白金電極を浸し、500Wのタング
ステンランプを用いて多結晶シリコン層3に一定の光パ
ワーで光照射を行いながら、白金電極を負極、n形シリ
コン基板1(オーミック電極2)を正極として、所定の
電流を流した。ここに、電流密度を25mA/cm2
一定、通電時間を12秒とした。
In the anodic oxidation treatment, 55 wt.
% Of an aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol were mixed at approximately 1: 1. Anodization is performed on the polycrystalline silicon layer 3
Of the surface, only the surface area of 10 mm in diameter is in contact with the electrolyte, the other parts are sealed so that they do not come into contact with the electrolyte, the platinum electrode is immersed in the electrolyte, and a polycrystal is formed using a 500 W tungsten lamp. While irradiating the silicon layer 3 with light at a constant light power, a predetermined current was passed using the platinum electrode as a negative electrode and the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2) as a positive electrode. Here, the current density was constant at 25 mA / cm 2 , and the energizing time was 12 seconds.

【0038】熱処理および酸化は、ランプアニール装置
の炉内を酸素雰囲気として行い、熱処理の条件は、基板
温度を400℃、熱処理時間を5分、酸化の条件は、基
板温度を900℃、アニール時間を1時間とした。ま
た、表面電極7としては、膜厚が15nmの金薄膜を蒸
着法によって形成した。
The heat treatment and oxidation were performed in an atmosphere of oxygen in the furnace of the lamp annealing apparatus. The conditions of the heat treatment were a substrate temperature of 400 ° C. and a heat treatment time of 5 minutes, and the oxidation conditions were a substrate temperature of 900 ° C. and an annealing time. For 1 hour. Further, as the surface electrode 7, a gold thin film having a thickness of 15 nm was formed by an evaporation method.

【0039】本実施例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、上述の図4に示すよ
うに表面電極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
5×10-5Paとして、表面電極7(正極)とオーミッ
ク電極2(負極)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と表面電極7との間に100V
の直流電圧Vcを印加することによって、表面電極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から表面電極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と表面電極7との間に
流れる放出電子電流Ieとを測定した。その結果、本実
施例の電界放射型電子源10では、従来の電界放射型電
子源10’に比べて絶縁耐圧が高くなることが確認され
た。
The field emission type electron source 10 of this embodiment is introduced into a vacuum chamber (not shown), and a collector electrode 21 (radiation electron collection) is placed at a position facing the surface electrode 7 as shown in FIG. Electrodes), the degree of vacuum in the vacuum chamber is set to 5 × 10 −5 Pa, and a DC voltage Vps is applied between the surface electrode 7 (positive electrode) and the ohmic electrode 2 (negative electrode). 100 V between the surface electrode 7
Of the diode current Ips flowing between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 by applying the DC voltage Vc of
And electrons e emitted from the field emission type electron source 10 through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. 4 indicates a radiated electron flow), and the emitted electrons flow between the collector electrode 21 and the surface electrode 7. The current Ie was measured. As a result, it was confirmed that the field emission electron source 10 of the present example has a higher dielectric strength than the conventional field emission electron source 10 ′.

【0040】[0040]

【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酸化した多孔質半導体層
よりなる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
ト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射
型電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層
を形成する工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少
なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層
を形成する工程と、多孔質半導体層の表面に結合してい
る水素原子を熱処理により脱離させる工程と、水素原子
を脱離させた後に多孔質半導体層を酸化することにより
強電界ドリフト層を形成する工程と、強電界ドリフト層
上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する工程とを有
するので、多孔質半導体層の表面に結合している水素原
子を熱処理により脱離させた後に多孔質半導体層を酸化
することで強電界ドリフト層が形成されるから、陽極酸
化処理の直後に多孔質半導体層を酸化した場合に比べて
強電界ドリフト層に含まれる水素の量を少なくすること
ができるとともに、緻密な酸化膜を形成することがで
き、電子放出効率の経時変化が少なく且つ絶縁耐圧の高
い電界放射型電子源を実現することができるという効果
がある。
According to the first aspect of the present invention, a strong electric field drift layer composed of a conductive substrate, an oxidized porous semiconductor layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a strong electric field drift layer formed on the strong electric field drift layer And a surface electrode made of a conductive thin film, and electrons injected from the conductive substrate are drifted through the strong electric field drift layer and emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate. A method for manufacturing a field emission type electron source, comprising: forming a semiconductor layer on a conductive substrate; and anodizing treatment to make at least a part of the semiconductor layer porous. Forming, a step of desorbing hydrogen atoms bonded to the surface of the porous semiconductor layer by a heat treatment, and oxidizing the porous semiconductor layer after desorbing the hydrogen atoms to form a strong electric field drift layer. Forming a surface electrode made of a conductive thin film on the strong electric field drift layer, so that the hydrogen atoms bonded to the surface of the porous semiconductor layer are desorbed by a heat treatment, and the porous semiconductor layer becomes porous. Since the strong electric field drift layer is formed by oxidizing the semiconductor layer, the amount of hydrogen contained in the strong electric field drift layer can be reduced as compared with the case where the porous semiconductor layer is oxidized immediately after the anodic oxidation treatment. At the same time, a dense oxide film can be formed, and there is an effect that a field emission electron source having a small change over time in electron emission efficiency and a high withstand voltage can be realized.

【0041】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、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸素雰囲気中でアニールする工程なので、絶縁性が
高く物性的に安定した酸化膜を形成することができると
いう効果がある。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of annealing in an oxygen atmosphere, so that the insulating property is high and the physical properties are stable. There is an effect that an oxide film can be formed.

【0042】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、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸により電気化学的に酸化する工程なので、請求項
3の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成するこ
とが可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基
板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容
易になるという効果がある。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of electrochemically oxidizing with an acid. Thus, the strong electric field drift layer can be formed at a low temperature, and the process temperature becomes low, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the effect of increasing the area and the cost is facilitated.

【0043】請求項5の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、酸素プラズマを用いて酸化する工程なので、請求項
3の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成するこ
とが可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基
板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容
易になるという効果がある。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of oxidizing using an oxygen plasma. It is possible to form a strong electric field drift layer at a low temperature, and there is an effect that the process temperature becomes low, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced.

【0044】請求項6の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、オゾンガスを用いて酸化する工程なので、請求項3
の発明に比べて低温で強電界ドリフト層を形成すること
が可能となり、プロセス温度が低温になって導電性基板
の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容易
になるという効果がある。
According to a sixth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the step of oxidizing the porous semiconductor layer is a step of oxidizing using a ozone gas.
It is possible to form a strong electric field drift layer at a lower temperature as compared with the invention of the third aspect, and there is an effect that the process temperature is lowered, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced. .

【0045】請求項7の発明は、請求項1ないし請求項
6のいずれかに記載の製造方法で製造されたものであ
り、陽極酸化処理の直後に多孔質半導体層を酸化するこ
とで強電界ドリフト層が形成された電界放射型電子源に
比べて、強電界ドリフト層への水素の混入が少ないの
で、従来のような水素の分布の経時変化による電子放出
効率の低下が少なく、また、酸化膜が緻密になりやす
く、絶縁耐圧が高くなるという効果がある。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the porous semiconductor layer is oxidized immediately after the anodic oxidation treatment to thereby obtain a strong electric field. Compared to a field emission type electron source having a drift layer formed therein, less hydrogen is mixed into the strong electric field drift layer. The effect is that the film is likely to be dense and the withstand voltage is high.

【0046】請求項8の発明は、請求項7の発明におい
て、前記多孔質半導体層が、多孔質多結晶シリコン層よ
りなるので、強電界ドリフト層がSiO2の構造若しく
はSiO2の構造に近い緻密性の高い酸化膜を有するよ
うになるという効果がある。
The invention of claim 8 is the invention of claim 7, wherein the porous semiconductor layer, which has the porous polycrystalline silicon layer, the strong electric field drift layer is close to the structure or the SiO 2 structure of SiO 2 This has the effect of having an oxide film with high density.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施形態の製造方法を説明するための主要工程
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of main processes for describing a manufacturing method of an embodiment.

【図2】同上の製造方法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing method according to the embodiment.

【図3】同上の製造過程における要部説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a main part in a manufacturing process of the above.

【図4】同上により製造される電界放射型電子源の放射
電子の測定原理の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a measurement principle of emitted electrons of the field emission electron source manufactured by the above.

【図5】従来の電界放射型電子源の放射電子の測定原理
の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a principle of measuring emitted electrons of a conventional field emission electron source.

【図6】同上の電界放射型電子源の電子放出機構の説明
図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of an electron emission mechanism of the field emission electron source of the above.

【図7】同上の製造方法の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of the manufacturing method.

【図8】同上の製造過程における要部説明図である。FIG. 8 is an explanatory view of a main part in a manufacturing process of the same.

【図9】同上の製造過程における要部説明図である。FIG. 9 is an explanatory view of a main part in a manufacturing process of the above.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n形シリコン基板 2 オーミック電極 3 多結晶シリコン層 4 多孔質多結晶シリコン層 6 強電界ドリフト層 7 表面電極 10 電界放射型電子源 REFERENCE SIGNS LIST 1 n-type silicon substrate 2 ohmic electrode 3 polycrystalline silicon layer 4 porous polycrystalline silicon layer 6 strong electric field drift layer 7 surface electrode 10 field emission electron source

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成された酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリ
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表
面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法
であって、導電性基板上に半導体層を形成する工程と、
陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一部を多孔
質化することにより多孔質半導体層を形成する工程と、
多孔質半導体層の表面に結合している水素原子を熱処理
により脱離させる工程と、水素原子を脱離させた後に多
孔質半導体層を酸化することにより強電界ドリフト層を
形成する工程と、強電界ドリフト層上に導電性薄膜より
なる表面電極を形成する工程とを有することを特徴とす
る電界放射型電子源の製造方法。
1. A conductive substrate, a strong electric field drift layer formed of an oxidized porous semiconductor layer formed on one surface side of the conductive substrate, and a conductive thin film formed on the strong electric field drift layer A field emission type electron source comprising: a surface electrode; and when a voltage is applied with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate, electrons injected from the conductive substrate drift through the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode. A method of forming a semiconductor layer on a conductive substrate,
Forming a porous semiconductor layer by making at least a part of the semiconductor layer porous by anodizing treatment;
A step of desorbing hydrogen atoms bonded to the surface of the porous semiconductor layer by heat treatment; a step of forming a strong electric field drift layer by oxidizing the porous semiconductor layer after desorbing the hydrogen atoms; Forming a surface electrode made of a conductive thin film on the electric field drift layer.
【請求項2】 前記熱処理は、300℃から700℃の
温度範囲で行うことを特徴とする請求項1記載の電界放
射型電子源の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed in a temperature range of 300 ° C. to 700 ° C.
【請求項3】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
酸素雰囲気中でアニールする工程であることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の製
造方法。
3. The step of oxidizing the porous semiconductor layer,
3. The method according to claim 1, wherein the annealing is performed in an oxygen atmosphere.
【請求項4】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
酸により電気化学的に酸化する工程であることを特徴と
する請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の
製造方法。
4. The step of oxidizing the porous semiconductor layer,
The method according to claim 1 or 2, wherein the method is a step of electrochemically oxidizing with an acid.
【請求項5】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
酸素プラズマを用いて酸化する工程であることを特徴と
する請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の
製造方法。
5. The step of oxidizing the porous semiconductor layer,
3. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 1, wherein the method is a step of oxidizing using oxygen plasma.
【請求項6】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
オゾンガスを用いて酸化する工程であることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源の製
造方法。
6. The step of oxidizing the porous semiconductor layer,
3. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 1, wherein the method is a step of oxidizing using an ozone gas.
【請求項7】 請求項1ないし請求項6のいずれかに記
載の製造方法で製造されたことを特徴とする電界放射型
電子源。
7. A field emission type electron source manufactured by the manufacturing method according to claim 1. Description:
【請求項8】 前記多孔質半導体層は、多孔質多結晶シ
リコン層よりなることを特徴とする請求項7記載の電界
放射型電子源。
8. The field emission type electron source according to claim 7, wherein said porous semiconductor layer comprises a porous polycrystalline silicon layer.
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CN105244244A (en) * 2015-10-13 2016-01-13 甘肃虹光电子有限责任公司 Oxide cathode

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