JP2001189124A

JP2001189124A - 電界放射型電子源およびその製造方法

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Publication number: JP2001189124A
Application number: JP2000316988A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Yukihiro Kondo; 行廣近藤; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Yoshiaki Honda; 由明本多; Takashi Hatai; 崇幡井; Tsutomu Kunugibara; 勉櫟原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2001-07-10
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP3587157B2

Abstract

(57)【要約】【課題】放出する電子のエネルギが全面にわたってほぼ
一定であって、しかも全体としての電子放出効率が従来
より高い電界放射型電子源を提供する。【解決手段】ｐ形シリコン基板１６の主表面に設けたｎ
形領域８ａを一方の電極とし、多孔質化された半導体層
であるドリフト部６ａを介して他方の電極である表面電
極７が設けられる。ドリフト部６ａは陽極酸化処理によ
り多孔質化され、多孔質化された領域Ｄｐの厚みがほぼ
均一とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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】従来から、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）が知られている。

【０００３】上記公報に記載された電界放射型電子源
は、単結晶の半導体基板が必須構成であるから大面積化
が困難であって、平面ディスプレイ装置のように大面積
の電子源を要する用途には適していないものである。

【０００４】これに対して、本願発明者らは、特願平１
０−２７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号など
において大面積化の可能な電界放射型電子源を提案し
た。これらの電子源は、導電性基板と金属薄膜からなる
表面電極との間に、多孔質多結晶半導体層（たとえば、
多孔質化された多結晶シリコン層）を急速熱酸化（ＲＴ
Ｏ）技術によって急速熱酸化することによって形成した
強電界ドリフト層を介在させた構造を有し、導電性基板
から強電界ドリフト層に注入された電子が強電界ドリフ
ト層においてドリフトするようになっている。この種の
電界放射型電子源は、たとえば図８に示すように、導電
性基板としてのｎ形シリコン基板１１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のドリフト部６ａ（図示する構成では強電界ドリフ
ト層６の全体がドリフト部６ａとして機能する）を介し
て金属薄膜よりなる表面電極７が積層され、ｎ形シリコ
ン基板１１の裏面にオーミック電極２が積層された形状
に形成される。

【０００５】図８に示す電界放射型電子源から電子を放
出させるには、図９に示すように、表面電極７に対向配
置されたコレクタ電極１２を設け、表面電極７とコレク
タ電極１２との間を真空とした状態で、表面電極７がｎ
形シリコン基板１１（オーミック電極２）に対して高電
位側となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１１と
の間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電
極１２が表面電極７に対して高電位側となるようにコレ
クタ電極１２と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加
する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、ｎ
形シリコン基板１１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）。表面電極７には仕事関数の小
さな材料が採用され、表面電極７の膜厚は１０〜１５ｎ
ｍ程度に設定されている。

【０００６】ここで、強電界ドリフト層６のドリフト部
６ａは、図１０に示すように、柱状の多結晶シリコンか
らなるグレイン２１と、グレイン２１の表面に形成され
た薄いシリコン酸化膜２２と、多結晶シリコンのグレイ
ン２１の間に介在するナノメータオーダの微結晶シリコ
ン２３と、微結晶シリコン２３の表面に形成され微結晶
シリコン２３の結晶粒径よりも小さい膜厚の絶縁膜であ
るシリコン酸化膜２４とを少なくとも含むと考えられ
る。このドリフト部６ａは上述した処理を行う前の多結
晶シリコンに含まれていたグレインの表面が多孔質化
し、残されたグレイン２１で結晶状態が維持されている
ものと考えられる。したがって、ドリフト部６ａに印加
された電界の大部分はシリコン酸化膜２４を集中的に通
り、注入された電子ｅ^-はグレイン２１の間でシリコン
酸化膜２４を通る強電界により加速され図１０の矢印Ａ
の向き（図１０中の上向き）にドリフトする。なお、ド
リフト部６ａ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。

【０００７】上述の構成を有する電界放射型電子源で
は、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Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極１２と表
面電極７との間に流れる電流を放出電子電流Ｉｅと呼ぶ
ことにすれば（図９参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対
する放出電子電流Ｉｅの比率（＝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。また、この電界放
射型電子源は、電子放出特性の真空度依存性が小さく、
しかも電子放出時にポッピング現象が発生せず、電子を
高い電子放出効率で安定して放出することができる。

【０００８】ところで、上述した構成例では導電性基板
としてｎ形シリコン基板１１を用いているが、ｎ形シリ
コン基板１１に代えてガラス基板のような絶縁性基板上
にＩＴＯ膜のような導電体層を形成した基板を用いるこ
ともでき、このような構成の導電性基板を用いると、電
子源の大面積化および低コスト化が可能になる。このよ
うな構成の導電性基板の一例を図１１に示す。図１１に
示す導電性基板は、ガラス基板よりなる絶縁性基板１３
と、絶縁性基板１３の上に形成したＩＴＯ膜よりなる導
電体層８ｂとで構成した導電性基板を用いており、導電
体層８ｂには強電界ドリフト層６（つまりドリフト層６
ａ）を介して金属薄膜よりなる表面電極７が形成が積層
されている。この電界放射型電子源では、強電界ドリフ
ト層６が導電体層８ｂの上にノンドープの多結晶シリコ
ン層を堆積させた後に、多結晶シリコン層を陽極酸化処
理にて多孔質化し、さらに酸化あるいは窒化することに
より形成されている。

【０００９】図１１に示す電界放射型電子源から電子を
放出させるには、図８に示した電界放射型電子源と同様
に表面電極７に対向配置されたコレクタ電極１２を設け
る。つまり、図１２に示すように、表面電極７とコレク
タ電極１２との間を真空とした状態で、表面電極７が導
電体層８ｂに対して高電位側となるように表面電極７と
導電体層８ｂとの間に直流電圧Ｖｐｓを印加するととも
に、コレクタ電極１２が表面電極７に対して高電位側と
なるようにコレクタ電極１２と表面電極７との間に直流
電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に
設定すれば、導電体層８ｂ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１２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）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した多
孔質多結晶半導体層からなるドリフト部６ａが形成され
た強電界ドリフト層６を有する電界放射型電子源では、
多結晶シリコンを陽極酸化処理によって多孔質化し、窒
化あるいは急速熱酸化による酸化を施してドリフト部６
ａを形成しているものであるから、図１３に示すよう
に、ドリフト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの
厚みが不均一なものになっている。

【００１１】これは、現状の陽極酸化処理において、導
電性基板に多結晶シリコン層を形成した被処理物を対極
とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板の
導電体層８ｂを正極として導電性基板と対極との間に定
電流を連続的に通電していることに起因していると考え
られる。つまり、多結晶シリコンが多孔質化される速度
にはばらつきがあり、先に多孔質化された部分に電荷が
集中することになるから、定電流を連続的に通電してい
ると電界の集中する部位の周辺の多孔質化が集中的に促
進されるからであると考えられる。

【００１２】上述したように、ドリフト部６ａでは多孔
質化された領域Ｄｐに存在する微結晶シリコン２３の表
面に形成されたシリコン酸化膜２４において電界がもっ
とも強くなるから、多孔質化された領域Ｄｐの厚みが不
均一であると強電界ドリフト層６の各領域での電界強度
にばらつきが生じることになる。つまり、表面電極７の
全面から一様に電子を放出させることができず、表面電
極７から放出される電子のエネルギに場所による分布が
生じることになる。

【００１３】その結果、この電界放射型電子源をディス
プレイ装置の電子源に用いるとすれば、ディスプレイ装
置の画面に輝度むらが生じることになる。また、多孔質
の領域Ｄｐの厚みが図１３に示すような分布であると、
ドリフト部６ａの内部では電界強度の小さい部分が多く
なって、このような部位では極端な場合には電子の放出
がなされず、結局は電子源全体としての電子放出効率を
十分に高めることができない場合もある。ディスプレイ
装置の電子源では電子放出効率の低いと輝度を高めるこ
とができず画面が暗くなる。

【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、放出する電子のエネルギが全面にわ
たってほぼ一定であって、しかも全体としての電子放出
効率が従来より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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、一方
の電極となる導電性基板と、導電性薄膜よりなり他方の
電極となる表面電極と、導電性基板と表面電極との間に
設けられ陽極酸化処理により多孔質化された領域を有す
る半導体層であるドリフト部とを有し、導電性基板と表
面電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加し
たときにドリフト部に作用する電界により導電性基板か
ら注入された電子がドリフトして表面電極を通して放出
されるようにし、ドリフト部における多孔質化された領
域の厚み寸法のばらつきを規定範囲内としたことを特徴
とするものである。この構成によれば、ドリフト部にお
いて多孔質化された領域の厚みがほぼ均一であることに
よって、導電性基板と表面電極との間に電圧を印加した
ときに多孔質化された領域にほぼ均等に電界が作用して
ドリフト部のほぼ全面から電子が放出されることにな
り、電子の放出量にむらがなく、かつ電子の放出効率が
従来構成よりも高くなるのであって、電子の放出量が従
来構成よりも増大する。その結果、ディスプレイ装置の
電子源として利用すれば、輝度が高くむらの少ないディ
スプレイ装置を提供することが可能になる。

【００１６】ここに、本発明における導電性基板は、半
導体基板に不純物をドープすることにより導電性領域を
形成したもの、ガラス基板のような絶縁性基板の表面に
金属薄膜を形成したものを含むものとする。

【００１７】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、ドリフト部における多孔質化された前記領域の厚み
寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下としたも
のである。この構成によれば、ドリフト部における多孔
質化された領域に作用する電界がほぼ均一になり、電子
の放出量の面内での分布のばらつきを抑制することがで
きる。

【００１８】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、多孔質化された領域の厚みが表面電
極と導電性基板との距離にほぼ等しいことを特徴とす
る。この構成によれば、導電性基板と表面電極との間に
電圧を印加することにより生じる電界の大部分が多孔質
化された領域に作用することになり、電界を無駄なく電
子の放出に利用できて電子の放出効率が高くなる。

【００１９】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、前記導電性基板が、絶縁性基板の一
表面に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を
有する導電体層を設けて形成されていることを特徴とす
る。この構成によれば、陽極酸化処理の際に導電体層を
損傷することがなく、導電体層の断線や損傷が生じにく
くなる。その結果、ディスプレイ装置の電子源として利
用すれば、画素落ちなどの不良発生率が少なく、歩留ま
りよくディスプレイ装置を製造することができる。

【００２０】請求項５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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、導電性基板と対極との間にパルス状の電流を極性
を交互に反転して通電することを特徴とする。この方法
では、パルス状の電流を極性が交互に反転するように通
電するから、半導体層の多孔質化と、電解によるガスの
発生とが交互に繰り返されることになる。つまり、多孔
質化された領域は電流が流れやすくなり半導体層を多孔
質化する期間に多孔質化が促進された部位の近傍ほど電
解中の期間にガスが多く発生するのであって、次に多孔
質化を行うときにはガスが多く発生した部位ほど多孔質
化が抑制されることになるから、多孔質化の進行が速い
部位は、次回の多孔質化の際には進行が抑制されること
になる。このような動作の繰り返しによって、多孔質化
された領域の厚みをほぼ均一にすることが可能になる。

【００２１】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、導電性基板を正極とする期間におけるパルス状の電
流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする。
この方法では、多孔質化の進行速度を調節することがで
きる。

【００２２】請求項７の発明は、請求項５の発明におい
て、導電性基板を負極とする期間におけるパルス状の電
流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする。
この方法では電解時のガスの発生量を調節することがで
き、多孔質化の抑制の程度を調節することができる。

【００２３】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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸
法のばらつきが規定範囲内となる程度の一定電流密度の
電流を導電性基板と対極との間に流すことを特徴とす
る。この方法によれば陽極酸化時の電流密度を制御する
ことによって被処理物の多孔度を調節して被処理物の厚
み方向への陽極酸化の進行を調節することができ、結果
的にドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法
を均一化することができる。

【００２４】請求項９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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸
法のばらつきが規定範囲内となる程度の強さの光を前記
被処理物の表面に照射することを特徴とする。この方法
によれば陽極酸化時の光照射によって被処理物の多孔度
を調節して被処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調
節することができ、結果的にドリフト部における多孔質
化された領域の厚み寸法を均一化することができる。

【００２５】請求項１０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、陽極酸化処理では、
前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを
備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した
状態で、ホールの供給方向が前記被処理物の厚み方向に
揃うとともにドリフト部における多孔質化された領域の
厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の磁界を前
記被処理物に作用させることを特徴とする。この方法に
よれば半導体層に含まれるグレインの影響をほとんど受
けることなく多孔質化が被処理物の厚み方向に進行しや
すくなる。その結果、ドリフト部における多孔質化され
た領域の厚み寸法の均一化につながる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本実施形態
では、図２に示すように、電界放射型電子源（以下、電
子源という）１０に対向してガラス基板１４を配設し、
ガラス基板１４における電子源１０との対向面にコレク
タ電極１２および蛍光体層１５を設けることによってデ
ィスプレイ装置を構成する例を示す。蛍光体層１５はコ
レクタ電極１２の表面に塗布されており、電子源１０か
ら放射される電子により可視光を発光する。また、ガラ
ス基板１４は図示しないスペーサによって電子源１０と
離間させてあり、ガラス基板１４と電子源１０との間に
形成される気密空間を真空にしてある。

【００２７】本実施形態で用いる電子源１０は、図２な
いし図４に示すように、ｐ形シリコン基板１６の主表面
側に導電体層としての複数本のｎ形領域８ａがストライ
プ状に形成された導電性基板と、各ｎ形領域８ａにそれ
ぞれ重なる形でストライプ状に形成された多孔質多結晶
シリコンよりなるドリフト部６ａおよびドリフト部６ａ
の間を埋めてドリフト部６ａと面一となった多結晶シリ
コンよりなる分離部６ｂを有する強電界ドリフト層６
と、強電界ドリフト層６の上でドリフト部６ａおよび分
離部６ｂに跨ってｎ形領域８ａに直交する方向のストラ
イプ状に形成された複数本の導電性薄膜（たとえば、金
薄膜）よりなる表面電極７とを備えている。

【００２８】上述した電子源１０は、ストライプ状に形
成されたｎ形領域８ａと、ｎ形領域８ａに直交するスト
ライプ状に形成された表面電極７との間に強電界ドリフ
ト層６のドリフト部６ａが挟まれているから、表面電極
７とｎ形領域８ａとの組を適宜選択して選択した組間に
電圧を印加することにより、選択された表面電極７とｎ
形領域８ａとの交点に相当する部位のドリフト部６ａに
のみ強電界が作用して電子が放出される。つまり、表面
電極７とｎ形領域８ａとからなる格子の格子点に電子源
を配置したことに相当し、電圧を印加する表面電極７と
ｎ形領域８ａとの組を選択することによって所望の格子
点から電子を放出させることが可能になる。なお、ｎ形
領域８ａへのコンタクトは、図３に示すようにドリフト
部６ａの端部をエッチングしてｎ形領域８ａの表面の一
部を露出させることにより形成され、電線Ｗを介して外
部回路に接続される。なお、ｎ形領域８ａは、キャリア
濃度を１×１０¹⁸〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3としてあり、ｎ形
領域８ａと表面電極７との間に印加する電圧は１０〜３
０Ｖ程度になっている。

【００２９】以下に、本実施形態における電子源１０の
製造過程について説明する。まず図５（ａ）に示す構造
を得るために、ｐ形シリコン基板１６の主表面上に熱拡
散用あるいはイオン注入用のマスクを設け、次に熱拡散
技術あるいはイオン注入技術によってｐ形シリコン基板
１６内の主表面側にリン（Ｐ）などのドーパントを導入
することによりストライプ状のｎ形領域８ａを形成し、
最後にマスクを除去する。

【００３０】次に、ｎ形領域８ａを形成したｐ形シリコ
ン基板１６の主表面上にＬＰＣＶＤ法により膜厚が１．
５μｍのノンドープの多結晶シリコン層３を形成するこ
とにより図５（ｂ）に示す構造が得られる。ただし、多
結晶シリコン層３の成膜方法は、ＬＰＣＶＤ法に限定さ
れるものではなく、たとえばスパッタ法あるいはプラズ
マＣＶＤ法によってアモルファスシリコン層を形成した
後、アモルファスシリコン層に対してアニール処理を行
うことにより結晶化させて多結晶シリコン層３を形成す
る方法でもよい。

【００３１】その後、多結晶シリコン層３の上にマスク
層としてのフォトレジスト層を塗布形成し、フォトリソ
グラフィ技術によってｎ形領域８ａの上方の部位を開孔
することにより図５（ｃ）のようにストライプ状にパタ
ーニングされたレジスト層９が形成される。

【００３２】さらに、ｐ形シリコン基板１６の裏面に図
示しないオーミック電極を形成した後、前記レジスト層
９をマスクとして利用し陽極酸化処理を施すことによ
り、多結晶シリコン層３に多孔質多結晶シリコンのドリ
フト部６ａを形成する。陽極酸化は、図６に示す装置を
用いて行われる。すなわち、フッ酸とエタノールと水と
を適量混合したエッチャントを投入した処理層３１を恒
温水槽３２の中に入れてエッチャントの温度を制御し、
図５（ｃ）のように導電性基板と多結晶シリコン層３と
が形成された被処理物３０のｐ形シリコン基板１６と白
金電極である対極３３とをエッチャントに浸漬してｐ形
シリコン基板１６と対極３３との間に通電する。この間
には多結晶シリコン層３の露出した部分にランプ３４か
らの光照射を行う。ｐ形シリコン基板１６と対極３３と
の間に通電する電流パターンは、ファンクションジェネ
レータ３５およびガルバノスタット３６により制御され
る。つまり、ファンクションジェネレータ３５では通電
電流の極性および通電時間を制御し、ガルバノスタット
３６では通電電流の電流値を制御する。本実施形態にお
ける電流パターンでは、ｐ形シリコン基板１６を正極と
する期間と負極とする期間を交互に設けてあり、各期間
にそれぞれパルス状の電流を通電する。

【００３３】ここに、多孔質化はｐ形シリコン基板１６
を正極とする期間に進行し、多孔質化された領域は電流
が流れやすくなる。一方、ｐ形シリコン基板１６を負極
とする期間には電解によるガスが多孔質化された領域付
近に発生し、次にｐ形シリコン基板１６を正極とすると
きの多孔質化を抑制することになる。つまり、ｐ形シリ
コン基板１６を正極とする期間において多孔質化の進行
が速い部位は、次回の多孔質化の際には進行が抑制され
ることになる。このような動作の繰り返しによって、多
孔質化された領域Ｄｐはほぼ均一な厚みになるのであ
る。

【００３４】パルス状の電流の１回当たりの通電期間
（つまりパルス幅）や１回当たりの電流密度は、エッチ
ャントの組成およびエッチャントの温度によって適宜に
設定される。つまり、エッチャントの組成やエッチャン
トの温度に応じて陽極酸化処理時の電荷量が調節され
る。また、上述のようにフッ酸とエタノールと水とを混
合したエッチャントを用いる場合には、エッチャントの
温度を０℃から室温の温度範囲に制御し、ｐ形シリコン
基板１６を正極とする期間には電流密度が１〜２００ｍ
Ａ／ｃｍ²の範囲になり、ｐ形シリコン基板１６を負極
とする期間には電流密度が−２〜−１００ｍＡ／ｃｍ²
の範囲になるようにパルス状の電流を通電するのが望ま
しい。また、正極とする期間においてパルス状の電流の
時間幅は１秒以下とするのが望ましい。なお、ランプ３
４としては５００Ｗのタングステンランプを用いてい
る。

【００３５】上述のような陽極酸化処理によってストラ
イプ状の多孔質多結晶シリコン層が形成され、これがド
リフト部６ａになる。その後、レジスト層９を除去する
ことにより図５（ｄ）に示す構造が得られる。ただし、
多孔質化は多結晶シリコン層３の厚み方向の途中までと
してある。また、陽極酸化処理の際の通電方向を交互に
変化させるとともに電流をパルス状に通電したことによ
って、図１に示すように、多孔質の領域Ｄｐの厚みをほ
ぼ均一にすることが可能になる。

【００３６】陽極酸化処理の後には、ランプアニール装
置を用い、乾燥酸素雰囲気中で多孔質多結晶シリコン層
５を急速熱酸化（ＲＴＯ）することによって、熱酸化さ
れた多孔質多結晶シリコンよりなるドリフト部６ａが形
成され、図５（ｅ）に示す構造が得られる。

【００３７】その後、多結晶シリコン層３上に、ストラ
イプ状の開口パターンを有するメタルマスクを用いて蒸
着法によって、金薄膜よりなるストライプ状の表面電極
７が形成され、図５（ｆ）に示す構造の電子源１０が得
られる。表面電極７は膜厚を１０ｎｍとしてある。表面
電極７のパターニング方法としては、フォトリソグラフ
ィ技術およびエッチング技術を利用してもよいし、フォ
トリソグラフィ技術およびリフトオフ法を利用してもよ
い。

【００３８】上述したように、ドリフト部６ａを形成す
る陽極酸化処理においてパルス状の電流を与え、かつ通
電時の極性を交互に反転させたことによって、ドリフト
部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚みをほぼ均
一にすることができる。その結果、ｎ形領域８ａと表面
電極７との組として選択されたドリフト部６ａでは、ほ
ぼ全面から電子を放出させることが可能になり、従来の
ように多孔質化された領域Ｄｐの厚みが不均一である場
合に比較すると、電子の放出効率が高まるとともに電子
の放出量が多くなる。

【００３９】ところで、ドリフト部６ａの微細構造は図
１０に示したように柱状のグレイン２１とナノメータオ
ーダの微結晶シリコン２３とを備える構造を有してお
り、この構造により電子放出時のポッピング現象の発生
が抑制されている。また、ポッピング現象の発生をさら
に抑制するためにはドリフト部６ａの厚み寸法が２μｍ
以下であることが望ましい。そこで、本実施形態ではド
リフト部６ａが形成される多結晶シリコン層３の厚み寸
法を１．５μｍとしている。ここに、ドリフト部６ａの
厚み寸法のばらつきの程度として領域Ｄｐの厚み寸法の
最大値と最小値との差を用い、この差を０．５μｍ以下
とすると、電子放出時にドリフト部６ａに作用する電界
の強さは、ドリフト部６ａのもっとも薄い部分を１００
としてドリフト部６ａのもっとも厚い部分で６７以上に
なるから、ドリフト部６ａにおける電界強度のばらつき
を比較的小さくすることができる。

【００４０】なお、陽極酸化処理時にはマスク層として
レジスト層９を利用したが、マスク層としてストライプ
状に形成した酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を利用し
てもよく、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を利用した
場合には、陽極酸化処理後にマスク層を除去する工程は
不要である。

【００４１】また、本実施形態では、導電性基板として
ｐ形シリコン基板１６を採用し、導電体層としてｎ形領
域８ａを採用しているが、導電性基板はｐ形シリコン基
板に限定されるものではなく、導電体層もｎ形領域８ａ
に限定されるものではない。たとえば、ガラスのような
絶縁性基板にクロムのような金属薄膜からなる導電体層
を設けたものを導電性基板として用いてもよい。強電界
ドリフト層６は多結晶シリコン層５を用いて形成されて
いるが、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、シリ
コン以外の半導体も採用することが可能であり、いずれ
の場合も上述のようなパルス状の電流の極性を交互に反
転させるようにした陽極酸化処理によってドリフト部６
ａを形成することで、ドリフト部６ａにおける多孔質化
された領域Ｄｐの厚みをほぼ均一にすることができる。
表面電極７の材料は仕事関数が小さければよく、金のほ
かにアルミニウム、クロム、タングステン、ニッケル、
白金、あるいはこれらの金属の合金なども使用可能であ
る。さらに、表面電極７の膜厚を１０ｎｍとしたが膜厚
についても適宜に選択することができる。

【００４２】（第２の実施の形態）本実施形態では、ガ
ラス基板の一表面に導電体層としての白金薄膜を設けた
ものを導電性基板として用いる。ガラス基板の材料は製
造過程における処理温度に応じて、石英ガラス、無アル
カリガラス、低アルカリガラス、ソーダライムガラスか
ら選択される。また、導電体層として白金を選択してい
るのはフッ酸に対して耐食性を有するからである。

【００４３】しかして、本実施形態では、ガラス基板で
ある絶縁性基板１３の一表面にスパッタ法によって０．
２μｍの白金薄膜を導電体層８ｂとして形成し、その
後、図７（ａ）のように、イオンミリングによって導電
体層８ｂをストライプ状にパターニングする。

【００４４】次に、図７（ｂ）のように絶縁性基板１３
および導電体層８ｂを覆うようにノンドープの多結晶シ
リコン層３を０．５μｍの厚みになるように成膜し、さ
らに図７（ｃ）のように、導電体層８ｂの上の多結晶シ
リコン層３を残すようにしてＲＩＥによるパターニング
を行う。このパターンニングにより強電界ドリフト層６
におけるドリフト部６ａとなる部位のパターンが形成さ
れることになる。そこで、導電体層８ｂを一方の電極と
して第１の実施の形態と同様の陽極酸化処理を行い、多
結晶シリコン層３の多孔質化を行う。多孔質化の深さは
多結晶シリコン層３の厚みにほぼ等しくし、多孔質化の
領域を導電体層８ｂにほぼ到達させる。ここで、陽極酸
化処理の際にエッチャントがフッ酸を含んでいても導電
体層８ｂはフッ酸に対する耐食性を有するから導電体層
８ｂが腐食されることはない。陽極酸化処理の後には、
ランプアニール装置を用い、乾燥酸素雰囲気中で急速熱
酸化（ＲＴＯ）することによって、熱酸化された多孔質
多結晶シリコンよりなるドリフト部６ａが形成される。

【００４５】その後、図７（ｄ）のように、絶縁性基板
１３およびドリフト部６ａを覆うようにＥＢ蒸着法によ
って金薄膜を形成し、パターニングによってストライプ
状の表面電極７が形成され、電子源１０を形成すること
ができる。

【００４６】ただし、本実施形態では絶縁性基板１３に
多結晶シリコン層３を設けているから、電子源の周辺部
分で多結晶シリコン層３に半導体素子を形成することに
よって電子源の駆動回路などを絶縁性基板１３に一括し
て形成することができる。

【００４７】本実施形態ではドリフト部６ａにおける多
孔質化の領域の厚みが多結晶シリコン層３の厚みにほぼ
等しいから、ドリフト層６ａにおける多孔質化された部
分に全電圧が印加されることになり、印加した電圧を無
駄なく電子の放出に利用することができて電子の放出量
を大きくすることができる。なお、導電性基板として絶
縁性基板１３に導電体層８ｂを設けたものを用いている
が、フッ酸に対する耐食性を有する材料であれば白金以
外でもよく、他の導電性材料を耐食性材料で保護するこ
とにより導電体層を形成してもよい。他の構成および動
作は第１の実施の形態と同様である。

【００４８】（第３の実施の形態）上述した各実施形態
では、被処理物３０の陽極酸化処理の際にパルス状の電
流を交互に極性を入れ換えながら流すようにした例を示
したが、本実施形態では陽極酸化処理の際にｐ形シリコ
ン基板１６と対極３３との間に定電流を流す点で相違す
る。ドリフト部６ａを陽極酸化処理により形成する際に
は電流密度を大きくすれば多孔度が増加するという知見
が得られており、電流密度を大きくするほど多孔度が増
加することにより被処理物３０の厚み方向における陽極
酸化の進行速度が低下することになる。すなわち、電流
密度が小さい場合には局所的に多孔質化が進行すること
により被処理物３０に局所的に電流の流れやすい部分が
形成され、その部位のみで厚み方向における陽極酸化の
進行速度が増加することになるのに対して、本実施形態
では電流密度を比較的大きく設定することによって、被
処理物３０の多孔質化が局所的に進行するのを防止し、
結果的に電流密度を小さく設定している場合よりも被処
理物３０の厚み方向（深さ方向）における多孔質化の進
行速度を低減させているのである。ただし、電流密度を
変更しても多孔質化される全量が変化しないように電荷
量は変化させないように制御する。つまり、電流密度を
増加させれば陽極酸化処理を施す時間は短縮する。

【００４９】具体的に言えば、電流密度は一定に設定す
る場合には通常は２５ｍＡ／ｍ²に設定していたが、７
５ｍＡ／ｍ²に設定することによって、ドリフト部６ａ
における多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と
最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能になっ
た。なお、５０ｍＡ／ｍ²以上であれば領域Ｄｐの厚み
寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にするこ
とが可能である。他の構成および方法は第１の実施の形
態と同様である。

【００５０】（第４の実施の形態）本実施形態は、被処
理物３０に照射する光量を第１の実施の形態よりも増加
させたものである。第１の実施の形態においてはランプ
３４として５００Ｗのタングステンランプを１灯のみ用
いていたが、本実施形態では、図８に示すように、同仕
様のランプ３４を３灯用いている。この装置を用いるこ
とにより、陽極酸化処理の際に被処理物３０の表面の輝
度を１００００ｃｄ／ｍ²以上に高めることが可能にな
り、第３の実施の形態において電流密度を高めた場合と
同様に、多孔質化が促進され、被処理物３０に局所的に
電流の流れやすい部分が形成されるのを防止することが
できる。すなわち、被処理物３０に照射する光量が少な
い場合よりも被処理物３０の厚み方向（深さ方向）にお
ける多孔質化の進行速度を低減させることになり、ドリ
フト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法
の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが
可能になる。他の構成および方法は第１の実施の形態と
同様である。

【００５１】（第５の実施の形態）本実施形態は、図９
に示すように、被処理物３０に磁界を作用させるために
高温水槽３２の近傍に電磁石３７を配置したものであ
る。電磁石３７は陽極酸化処理において被処理物３０に
供給されるホールの供給方向を被処理物３０の厚み方向
に揃えるように磁界を作用させるために設けられてい
る。この装置を用いることにより、陽極酸化処理の際に
ホールの供給方向が多孔質化を進行させようとする方向
に揃うことになるから、ドリフト部６ａに存在している
グレイン２１の影響をほとんど受けずに多孔質化が被処
理物３０の厚み方向に進行しやすくなる。その結果、磁
界の強さを適宜に調節することによって、ドリフト部６
ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法の最大値
と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能にな
る。他の構成および方法は第１の実施の形態と同様であ
る。

【００５２】なお、陽極酸化処理の際にパルス状の電流
の極性を交互に反転させる技術、電流密度を制御する技
術、光の照射量を制御する技術、磁界を作用させる技術
は単独で用いるほか、適宜に組み合わせて用いるように
してもよい。

【００５３】

【発明の効果】請求項１の発明は、一方の電極となる導
電性基板と、導電性薄膜よりなり他方の電極となる表面
電極と、導電性基板と表面電極との間に設けられ陽極酸
化処理により多孔質化された領域を有する半導体層であ
るドリフト部とを有し、導電性基板と表面電極との間に
表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフ
ト部に作用する電界により導電性基板から注入された電
子がドリフトして表面電極を通して放出されるように
し、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法
のばらつきを規定範囲内としたことを特徴とするもので
あり、ドリフト部において多孔質化された領域の厚みが
ほぼ均一であるから、導電性基板と表面電極との間に電
圧を印加したときに多孔質化された領域にほぼ均等に電
界が作用してドリフト部のほぼ全面から電子が放出され
ることになり、電子の放出量にむらがなく、かつ電子の
放出効率が従来構成よりも高くなるのであって、電子の
放出量が従来構成よりも増大するという利点がある。

【００５４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、ドリフト部における多孔質化された前記領域の厚み
寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下としたも
のであり、ドリフト部における多孔質化された領域に作
用する電界がほぼ均一になり、電子の放出量の面内での
分布のばらつきを抑制することができるという利点があ
る。

【００５５】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、多孔質化された領域の厚みが表面電
極と導電性基板との距離にほぼ等しいものであり、導電
性基板と表面電極との間に電圧を印加することにより生
じる電界の大部分が多孔質化された領域に作用すること
になり、電界を無駄なく電子の放出に利用できて電子の
放出効率が高くなるという利点がある。

【００５６】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、前記導電性基板が、絶縁性基板の一
表面に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を
有する導電体層を設けて形成されているものであり、陽
極酸化処理の際に導電体層を損傷することがなく、導電
体層の断線や損傷が生じにくくなるという利点がある。

【００５７】請求項５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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、導電性基板と対極との間にパルス状の電流を極性
を交互に反転して通電することを特徴とし、パルス状の
電流を極性が交互に反転するように通電するから、半導
体層の多孔質化と、電解によるガスの発生とが交互に繰
り返される。つまり、多孔質化された領域は電流が流れ
やすくなり半導体層を多孔質化する期間に多孔質化が促
進された部位の近傍ほど電解中の期間にガスが多く発生
するのであって、次に多孔質化を行うときにはガスが多
く発生した部位ほど多孔質化が抑制されることになるか
ら、多孔質化の進行が速い部位は、次回の多孔質化の際
には進行が抑制される。このような動作の繰り返しによ
って、多孔質化された領域の厚みをほぼ均一にすること
が可能になるという効果を奏する。

【００５８】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、導電性基板を正極とする期間におけるパルス状の電
流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とし、多
孔質化の進行速度を調節することができるという効果が
ある。

【００５９】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、導電性基板を負極とする期間におけるパルス状の電
流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とし、電
解時のガスの発生量を調節することができ、多孔質化の
抑制の程度を調節することができるという効果がある。

【００６０】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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸
法のばらつきが規定範囲内となる程度の一定電流密度の
電流を導電性基板と対極との間に流すことを特徴として
おり、陽極酸化時の電流密度を制御することによって被
処理物の多孔度を調節して被処理物の厚み方向への陽極
酸化の進行を調節することができるから、ドリフト部に
おける多孔質化された領域の厚み寸法を均一化すること
ができるという利点がある。

【００６１】請求項９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、陽極酸化処理では、前
記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備
える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状
態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸
法のばらつきが規定範囲内となる程度の強さの光を前記
被処理物の表面に照射することを特徴としており、陽極
酸化時の光照射によって被処理物の多孔度を調節して被
処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調節することが
できるから、ドリフト部における多孔質化された領域の
厚み寸法を均一化することができるという利点がある。

【００６２】請求項１０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、陽極酸化処理では、
前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを
備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した
状態で、ホールの供給方向が前記被処理物の厚み方向に
揃うとともにドリフト部における多孔質化された領域の
厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の磁界を前
記被処理物に作用させることを特徴としており、半導体
層に含まれるグレインの影響をほとんど受けることなく
多孔質化が被処理物の厚み方向に進行しやすくなるか
ら、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法
の均一化につながるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図２】同上の概略斜視図である。

【図３】同上の要部斜視図である。

【図４】同上の断面図である。

【図５】同上の製造過程を示す主要部の工程図である。

【図６】同上の製造装置の概略構成図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態を示す主要部の工程
図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態における製造装置の
概略構成図である。

【図９】本発明の第５の実施の形態における製造装置の
概略構成図である。

【図１０】従来例を示す断面図である。

【図１１】同上の動作説明図である。

【図１２】同上の原理説明図である。

【図１３】他の従来例を示す断面図である。

【図１４】同上の動作説明図である。

【図１５】従来の問題点を示す断面図である。

【符号の説明】

６強電界ドリフト層６ａドリフト部６ｂ分離部７表面電極８ａｎ形領域８ｂ導電体層１１ｎ形シリコン基板１３絶縁性基板１６ｐ形シリコン基板３０被処理物３３対極Ｄｐ多孔質化された領域

───────────────────────────────────────────────────── 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 (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)発明者本多由明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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の電極となる導電性基板と、導電性
薄膜よりなり他方の電極となる表面電極と、導電性基板
と表面電極との間に設けられ陽極酸化処理により多孔質
化された領域を有する半導体層であるドリフト部とを有
し、導電性基板と表面電極との間に表面電極を高電位側
として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界
により導電性基板から注入された電子がドリフトして表
面電極を通して放出されるようにし、ドリフト部におけ
る多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきを規定範囲
内としたことを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】ドリフト部における多孔質化された前記
領域の厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以
下としたことを特徴とする請求項１記載の電界放射型電
子源。
【請求項３】多孔質化された領域の厚みが表面電極と
導電性基板との距離にほぼ等しいことを特徴とする請求
項１または請求項２記載の電界放射型電子源。
【請求項４】前記導電性基板が、絶縁性基板の一表面
に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を有す
る導電体層を設けて形成されてい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１項に記載の電界放射
型電子源。
【請求項５】請求項１記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽
極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対
極とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板
と対極との間にパルス状の電流を極性を交互に反転して
通電す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６】導電性基板を正極とする期間におけるパ
ルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特
徴とする請求項５記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項７】導電性基板を負極とする期間におけるパ
ルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特
徴とする請求項５記載の電界放射型電子源の製造方法。
【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、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽
極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対
極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部
における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規
定範囲内となる程度の一定電流密度の電流を導電性基板
と対極との間に流すことを特徴とする電界放射型電子源
の製造方法。
【請求項９】請求項１記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽
極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対
極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部
における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規
定範囲内となる程度の強さの光を前記被処理物の表面に
照射す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１０】請求項１記載の電界放射型電子源の製
造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と
陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を
対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ホールの
供給方向が前記被処理物の厚み方向に揃うとともにドリ
フト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつ
きが規定範囲内となる程度の磁界を前記被処理物に作用
させることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。