JP2001118500A

JP2001118500A - 電界放射型電子源およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001118500A
Application number: JP29594999A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatai; 崇幡井; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Koichi Aizawa; 浩一相澤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2001-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧が高い電界放
射型電子源およびその製造方法を提供する。【解決手段】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、該強電界ドリフト層６上に表
面電極７が形成されている。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。強電界ドリフ
ト層６は、多結晶シリコン層３に陽極酸化処理を施すこ
とにより多孔質多結晶シリコン層４を形成した後、該多
孔質多結晶シリコン層４を酸化することで形成される。
この酸化にあたっては、ランプアニール装置を使用し、
室温から酸化温度（例えば、９００℃）まで昇温する期
間には炉内を真空状態に維持し、酸化温度において炉内
に酸素を導入することで酸化を開始させる。

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（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】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。

【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。

【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６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。

【０００８】図６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６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。

【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７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７中の矢印Ａの向き
へ（図７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。

【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。

【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（ＲＴＯ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、基板温度を酸
素中で図８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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、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酸素雰囲気
中で図８に示すような温度プロファイルにおいて酸化さ
せる場合、基板温度が９００℃に到達するまでの昇温過
程でも酸化が進行するので、酸化初期の酸化膜がＳｉＯ
₂構造の酸化膜にならずに欠陥が多数存在し、酸化膜
（上記シリコン酸化膜６４）中での電子散乱が増えて電
子放出効率が低下したり、絶縁耐圧が低くなってしまう
という不具合があった。

【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、電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧が
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。

【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、多孔質半導体層を所定の酸化温度でアニールす
ることによって酸化した多孔質半導体層よりなる強電界
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し、前
記多孔質半導体層を酸化する工程は、少なくとも前記酸
化温度よりも低温の所定温度から前記酸化温度まで昇温
する期間には炉内を真空状態に維持し、前記酸化温度に
おいて炉内に酸素を導入することで酸化を開始させるこ
とを特徴とし、少なくとも前記酸化温度よりも低温の所
定温度から前記酸化温度まで昇温する期間には炉内を真
空状態に維持し、前記酸化温度において炉内に酸素を導
入することで酸化を開始させるので、前記酸化温度まで
の昇温中に前記多孔質半導体層が酸化されるのを抑制す
ることができ、陽極酸化処理後に前記酸化温度まで昇温
する期間の全期間においても酸素が炉内に導入されてい
る場合に比べて強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥が減
少して膜質が向上し、電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧
が高い電界放射型電子源を実現することができる。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記多孔質半導体層を酸化する工程は、室温から前
記酸化温度まで昇温する期間には炉内を真空状態に維持
することを特徴とし、望ましい実施態様である。

【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、前記酸化温度まで昇温する途中で規定の熱処理温度
を所定の熱処理時間だけ維持するので、前記熱処理温度
を水素が脱離するような温度に設定することで、陽極酸
化処理後に多孔質半導体層の表面に結合している水素原
子を脱離させた後に前記多孔質半導体層が酸化されるか
ら、より欠陥の少ない酸化膜を有する強電界ドリフト層
を形成することができる。

【００１７】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、前記多孔質半導体層を酸化する工程は、前記熱処理
温度が３００℃以上に設定されてなることを特徴とし、
望ましい実施態様である。

【００１８】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、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、前記酸化温度が８００℃から１１００℃の温度範囲
で設定されてなることを特徴とし、望ましい実施態様で
ある。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
は、前記所定温度が７００℃以下に設定されてなること
を特徴とし、望ましい実施態様である。

【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、強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥
が少なく、電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧が高い。

【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。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態では、
図３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および図２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０．０１Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）
基板）を用いている。

【００２３】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
構成は、図６に示した従来構成と同じであって、図３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。

【００２４】図３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３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。

【００２５】本実施形態では、強電界ドリフト層６中の
酸化膜に含まれる欠陥が少なく酸化膜の膜質が上記従来
構成における強電界ドリフト層６’に比べて良好な点に
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７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の構造に近い構造に近い緻密な膜となっ
ている。

【００２６】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、従来構成に比べて強電界ドリフト層６の酸化
膜が良好な膜質を有するので、電子放出効率が高く絶縁
耐圧が高い。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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を所定の酸化温度（例えば、９００
℃）でアニールすることによって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、図
１（ｃ）に示す構造が得られる。本実施形態では、多孔
質多結晶シリコン層４を酸化する工程において、ランプ
アニール装置を使用し、図２に示すように、室温から前
記酸化温度まで昇温する期間には炉内を真空状態に維持
し、前記酸化温度において炉内に酸素ガスを導入するこ
とで炉内を大気圧の酸素雰囲気として酸化を開始させ、
所定の酸化時間（例えば、１時間）の経過後に、室温ま
で降温する。ここにおいて、酸素ガスの導入前は多孔質
多結晶シリコン層４の酸化は抑制され、強電界ドリフト
層６中の酸化膜の膜質が従来構成に比べて向上する。

【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。

【００３３】しかして、上述の製造方法によれば、室温
から前記酸化温度まで昇温する期間には炉内を真空状態
に維持し、前記酸化温度において炉内に酸素ガスを導入
することで酸化を開始させるので、前記酸化温度までの
昇温中に多孔質多結晶シリコン層４が酸化されるのを抑
制することができ、従来のように陽極酸化処理後に酸化
温度まで昇温する期間の全期間においても酸素が炉内に
導入されている場合に比べて強電界ドリフト層６の酸化
膜中の欠陥が減少して膜質が向上し、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、電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧が高い電界
放射型電子源１０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６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。

【００３４】ところで、上述の製造方法では、酸化温度
を９００℃としているが、酸化温度は９００℃に限定さ
れるものではなく、８００℃から１１００℃の温度範囲
で設定することが望ましい。酸化温度を８００℃から１
１００℃の温度範囲で設定することにより、良好な電子
放出効率が得られるとともに良好な絶縁耐圧を得ること
ができる。また、室温から酸化温度に到達するまで炉内
を真空状態に維持しているが、７００℃以下では多孔質
多結晶シリコン層４の酸化はほとんど起こらないので、
少なくとも所定温度（例えば、７００℃）から酸化温度
の温度範囲で炉内を真空状態に維持すればよい。この所
定温度は７００℃以下であることが望ましい。

【００３５】（実施形態２）本実施形態の基本構成は実
施形態１と同じであり、製造方法において多孔質多結晶
シリコン層４を酸化する工程が相違する。ここにおい
て、本実施形態においても、ランプアニール装置を使用
し、室温から前記酸化温度（例えば、９００℃）まで昇
温する期間には炉内を真空状態に維持し、前記酸化温度
において炉内に酸素を導入することで酸化を開始させる
点は同じであるが、本実施形態では、図４に示すように
室温から規定の熱処理温度（図示例では、４００℃）ま
で上昇させて上記熱処理温度を所定の熱処理時間（例え
ば、５分間）維持した後、基板温度をさらに上昇させて
所定の酸化温度（図示例では、９００℃）まで上昇させ
た状態で上記酸化温度を所定の酸化時間（例えば、１時
間）維持した後、室温まで降温する点に特徴がある。な
お、多孔質多結晶シリコン層４を酸化する工程以外は実
施形態１と同じなので説明を省略する。

【００３６】本実施形態の製造方法では、多孔質多結晶
シリコン層４の形成後は多孔質多結晶シリコン層４の最
表面が水素原子により終端されているが、真空中で上記
熱処理温度を上記熱処理時間だけ維持している（熱処理
を行う）ことによって、多孔質多結晶シリコン層４の最
表面の水素原子が脱離するので、強電界ドリフト層６中
に含まれる水素原子が減少し、実施形態１に比べてより
欠陥の少なく酸化膜を形成することができ、電子放出効
率および絶縁耐圧をそれぞれ更に高めることができる。
なお、上記熱処理温度は、４００℃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。

【００３７】（実施形態３）本実施形態の基本構成は実
施形態２と同じであり、図５に示すように、大気中で熱
処理温度を室温から上記基準温度（図示例では、４００
℃）まで上昇させて上記熱処理温度を維持した状態で炉
内を所定真空度（例えば、１×１０^-2Ｐａ）まで排気
し、上記所定真空度に達した後、基板温度をさらに上昇
させて所定の酸化温度（図示例では、９００℃）まで上
昇させてから炉内の排気を停止し、酸素ガスを炉内へ導
入して大気圧の酸素雰囲気中で上記酸化温度を所定の酸
化時間（例えば、１時間）維持した後、室温まで降温す
る点に特徴がある。なお、多孔質多結晶シリコン層４を
酸化する工程以外は実施形態１と同じなので説明を省略
する。

【００３８】本実施形態の製造方法でも、多孔質多結晶
シリコン層４の形成後は多孔質多結晶シリコン層４の最
表面が水素原子により終端されているが、上記熱処理温
度を維持した状態で炉内を所定真空度（例えば、１×１
０^-2Ｐａ）まで排気していることによって、当該排気中
に多孔質多結晶シリコン層４の最表面の水素原子が脱離
するので、強電界ドリフト層６中に含まれる水素原子が
減少し、実施形態１に比べてより欠陥の少なく酸化膜を
形成することができ、電子放出効率および絶縁耐圧をそ
れぞれ更に高めることができる。

【００３９】（実施例１）実施形態１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。

【００４０】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。

【００４１】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で
一定、通電時間を１２秒とした。

【００４２】多孔質多結晶シリコン層４の酸化にあたっ
ては、ランプアニール装置の炉内の真空度が１×１０^-2
Ｐａに到達するまで炉内を排気し、真空状態を維持した
まま基板温度を室温から９００℃まで上昇させ、基板温
度が９００℃に達した後、炉内の排気を停止し、炉内に
酸素ガスを導入して炉内を大気圧として酸素雰囲気中に
て基板温度を９００℃で１時間だけ維持した後、基板温
度を室温まで降温した。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。

【００４３】（実施例２）実施形態２にて説明した電界
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。なお、多孔質多結晶シリコ
ン層４の酸化工程以外は実施例１と同じなので説明を省
略する。

【００４４】本実施例では、多孔質多結晶シリコン層４
の酸化にあたっては、ランプアニール装置の炉内の真空
度が１×１０^-2Ｐａに到達するまで炉内を排気し、真空
状態を維持したまま基板温度を室温から４００℃まで上
昇させ、基板温度が４００℃に達した後、５分間だけ基
板温度を４００℃に維持し、その後、基板温度を９００
℃まで上昇させ、基板温度が９００℃に達した後、炉内
の排気を停止し、炉内に酸素ガスを導入して炉内を大気
圧として酸素雰囲気中にて基板温度を９００℃で１時間
だけ維持した後、基板温度を室温まで降温した。

【００４５】（実施例３）実施形態３にて説明した電界
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。なお、多孔質多結晶シリコ
ン層４の酸化工程以外は実施例１と同じなので説明を省
略する。

【００４６】本実施例では、多孔質多結晶シリコン層４
の酸化にあたっては、ランプアニール装置の炉内を大気
圧として基板温度を室温から４００℃まで上昇させ、基
板温度が４００℃に達した後、基板温度を４００℃に維
持したまま炉内の真空度が１×１０^-2Ｐａに到達するま
で炉内を排気し、真空状態を維持したまま基板温度を９
００℃まで上昇させ、基板温度が９００℃に達した後、
炉内の排気を停止し、炉内に酸素ガスを導入して炉内を
大気圧として酸素雰囲気中にて基板温度を９００℃で１
時間だけ維持した後、基板温度を室温まで降温した。

【００４７】上記各実施例の電界放射型電子源１０をそ
れぞれ真空チャンバ（図示せず）内に導入して、上述の
図３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３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、各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’に比べて電子放出効率が高く
なるとともに絶縁耐圧が高くなることが確認された。

【００４８】

【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、多孔質半導体層を所定の酸化温度で
アニールすることによって酸化した多孔質半導体層より
なる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
を有し、前記多孔質半導体層を酸化する工程は、少なく
とも前記酸化温度よりも低温の所定温度から前記酸化温
度まで昇温する期間には炉内を真空状態に維持し、前記
酸化温度において炉内に酸素を導入することで酸化を開
始させるので、前記酸化温度までの昇温中に前記多孔質
半導体層が酸化されるのを抑制することができ、陽極酸
化処理後に前記酸化温度まで昇温する期間の全期間にお
いても酸素が炉内に導入されている場合に比べて強電界
ドリフト層の酸化膜中の欠陥が減少して膜質が向上し、
電子放出効率が高く且つ絶縁耐圧が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。

【００４９】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、前記酸化温度まで昇温する途中で規定の熱処理温度
を所定の熱処理時間だけ維持するので、前記熱処理温度
を水素が脱離するような温度に設定することで、陽極酸
化処理後に多孔質半導体層の表面に結合している水素原
子を脱離させた後に前記多孔質半導体層が酸化されるか
ら、より欠陥の少ない酸化膜を有する強電界ドリフト層
を形成することができるという効果がある。

【００５０】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、強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥が少なく、電子
放出効率が高く且つ絶縁耐圧が高いという効果がある。

【００５１】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の製造方法を説明するための主要工
程断面図である。

【図２】同上の製造方法の説明図である。

【図３】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。

【図４】実施形態２の製造方法の説明図である。

【図５】実施形態３の製造方法の説明図である。

【図６】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。

【図７】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。

【図８】同上の製造方法の説明図である。

【符号の説明】１ｎ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相澤浩一大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5C035 AA20 BB01 BB02

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、
多孔質半導体層を所定の酸化温度でアニールすることに
よって酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト
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し、前記多孔質
半導体層を酸化する工程は、少なくとも前記酸化温度よ
りも低温の所定温度から前記酸化温度まで昇温する期間
には炉内を真空状態に維持し、前記酸化温度において炉
内に酸素を導入することで酸化を開始させることを特徴
とする電界放射型電子源の製造方法。
【請求項２】前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
室温から前記酸化温度まで昇温する期間には炉内を真空
状態に維持する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。
【請求項３】前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
前記酸化温度まで昇温する途中で規定の熱処理温度を所
定の熱処理時間だけ維持す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。
【請求項４】前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
前記熱処理温度が３００℃以上に設定されてなることを
特徴とする請求項３記載の電界放射型電子源の製造方
法。
【請求項５】前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
前記酸化温度が８００℃から１１００℃の温度範囲で設
定されて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の製造方法。
【請求項６】前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
前記所定温度が７００℃以下に設定されてなることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電
界放射型電子源の製造方法。
【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。
【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。