JP2002134002A

JP2002134002A - 電界放射型電子源およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002134002A
Application number: JP2000326276A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatai; 崇幡井; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Yoshiaki Honda; 由明本多; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Tsutomu Kunugibara; 勉櫟原; Toru Baba; 徹馬場
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP3721976B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出特性の経時安定性に優れた電界放射型
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の表面
側に強電界ドリフト層６を形成し、強電界ドリフト層６
上に窒化シリコン膜よりなる電界緩和層９を形成し、電
界緩和層９上に金薄膜よりなる表面電極７を形成してい
る。ｎ形シリコン基板１から強電界ドリフト層６に注入
された電子は、強電界ドリフト層６内を表面に向かって
ドリフトし表面電極７をトンネルして放出される。強電
界ドリフト層６は、酸化した多孔質多結晶シリコン層よ
りなり、多結晶シリコンのグレイン５１、シリコン微結
晶６３、グレイン５１表面に形成された酸化シリコン膜
５２、シリコン微結晶６３の表面に形成された酸化シリ
コン膜６４などにより構成される。電界緩和層９により
強電界ドリフト層６の電界強度を緩和する。

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】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、導電性基板と導電性薄膜（例え
ば、金薄膜）からなる表面電極との間に、多孔質多結晶
半導体層（例えば、陽極酸化処理により多孔質化された
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、例えば図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上に表面電極７が積層され、ｎ形シリ
コン基板１の裏面にオーミック電極２が積層されてい
る。

【０００８】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２１を設け、表面電極７とコレク
タ電極２１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１（オーミック電極２）に対して高電位
側（正極）となるように表面電極７とｎ形シリコン基板
１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が表面電極７に対して高電位側（正極）となる
ようにコレクタ電極２１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〜
１５ｎｍ程度に設定されている。

【０００９】ここで、強電界ドリフト層６は、図１０に
示すように、柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、
グレイン５１の表面に形成された薄い酸化シリコン膜５
２と、多結晶シリコンのグレイン５１の間に介在するナ
ノメータオーダのシリコン微結晶６３と、シリコン微結
晶６３の表面に形成されシリコン微結晶６３の結晶粒径
よりも小さい膜厚の酸化シリコン膜６４とを少なくとも
含むと考えられる。この強電界ドリフト層６は上述した
陽極酸化処理を行う前の多結晶シリコン層に含まれてい
たグレインの表面が多孔質化し、残されたグレイン５１
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、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分は
酸化シリコン膜６４を集中的に通り、注入された電子ｅ
^-はグレイン５１の間で酸化シリコン膜６４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、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。

【００１０】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。

【００１１】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１を用いているが、ｎ形シリコ
ン基板１に代えてガラス基板のような絶縁性基板上にＩ
ＴＯ膜のような導電性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
構成の導電性基板を用いた電界放射型電子源の一例を図
１１に示す。図１１に示す電界放射型電子源は、ガラス
基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の上に
形成したＩＴＯ膜よりなる導電性層８とで構成した導電
性基板を用いており、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上に表面電極７が積
層されている。この電界放射型電子源における強電界ド
リフト層６は、導電性層８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。

【００１２】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２１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２１との間を真空とした状態で、表面電極７が導
電性層８に対して高電位側（正極）となるように表面電
極７と導電性層８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が表面電極７に対して高電位側
（正極）となるようにコレクタ電極２１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）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図８および
図１１それぞれに示した各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。しかしながら、上記従来
の各電界放射型電子源では、上述のダイオード電流Ｉps
が図１３中のイのように経時変化し、放出電子電流Ｉｅ
が同図中のロのように経時変化してしまうという不具合
があった。すなわち、ダイオード電流Ｉpsが徐々に増加
する一方で、放出電子電流Ｉｅが徐々に減少するので、
電子放出効率が徐々に低下してしまい、放出電子電流Ｉ
ｅの経時的な低下を抑制しようとすると消費電力が増加
してしまうという不具合があった。

【００１４】このような不具合が発生する原因として
は、以下のことが考えられる。上記従来の電界放射型電
子源では、多孔質多結晶シリコン層を酸化することによ
り強電界ドリフト層６を形成しているので、強電界ドリ
フト層６の全体にわたって均一な膜質および膜厚で上述
の酸化シリコン膜５２，６４（図１０参照）を形成する
ことが難しい。また、強電界ドリフト層６において、シ
リコン微結晶６３が形成された領域における酸化シリコ
ン膜６４の合計膜厚と、グレイン５１が残っている領域
の酸化シリコン膜５２の膜厚とを比較すると、酸化シリ
コン膜５２の方が薄くなりやすい。これらの理由から、
従来構成の電界放射型電子源に駆動電圧（直流電圧Ｖp
s）を印加してダイオード電流Ｉpsを流していくと、酸
化シリコン膜５２若しくは酸化シリコン膜６４あるいは
各酸化シリコン膜５２，６４において膜厚の薄い部分
や、欠陥、不純物が多く含まれる部分などが徐々に絶縁
破壊を起こし、絶縁破壊を起こした部分では酸化シリコ
ン膜５２，６４の抵抗値が小さくなってダイオード電流
Ｉpsが経時的に増加する一方で、電子放出に寄与する電
流が減少して放出電子電流Ｉｅが経時的に低下するもの
と考えられる。

【００１５】したがって、この電界放射型電子源をディ
スプレイなどに応用した場合、酸化シリコン膜５２，６
４の絶縁破壊にともなって消費電力や発熱量が徐々に増
加してしまうとともに、画面の輝度が徐々に暗くなって
しまうという不具合があった。

【００１６】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、電子放出特性の経時安定性に優れた
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。

【００１７】

【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、導電性基板の主
表面側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、強電界ドリフト層の主
表面側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
電界放射型電子源であって、強電界ドリフト層と表面電
極との間に強電界ドリフト層の電界強度を緩和する電界
緩和層が設けられて成ることを特徴とするものであり、
強電界ドリフト層と表面電極との間に強電界ドリフト層
の電界強度を緩和する電界緩和層が設けられていること
によって、強電界ドリフト層中において絶縁破壊を起こ
しやすい部分の電界強度を小さくすることができ、当該
部分における絶縁破壊を防止することができて電子放出
効率などの電子放出特性の経時安定性を向上させること
ができ、ディスプレイなどに応用した場合に画面の輝度
が経時的に暗くなるのを防止することができる。なお、
電界緩和層を設けたことによって強電界ドリフト層に印
加される電界強度が小さくなるので、表面電極と導電性
基板との間に印加する電圧を電界緩和層が設けられてい
ない従来構成の場合と同じにすると、放出電子電流は電
界緩和層を設けていない場合よりも小さくなるが、上記
電圧を大きくすることにより、放出電子電流の大きさを
従来構成と同等の値にすることができる。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、窒化シリコン膜若しくは窒化シ
リコン膜を含み上記電子の散乱が起こりにくい多層膜か
らなるので、窒化シリコン膜の抵抗率が高いことにより
上記電界緩和層の膜厚を薄くすることができ且つ上記強
電界ドリフト層をドリフトした電子が窒化シリコン膜中
で散乱されにくいから、上記電界緩和層を設けたことに
よる電子放出効率の低下を抑制することができる。

【００１９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、上記強電界ドリフト層の主表面
上に形成された窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上
に形成された酸化シリコン膜とからなるので、窒化シリ
コン膜および酸化シリコン膜の抵抗率が高いことにより
上記電界緩和層の膜厚を薄くすることができ且つ上記強
電界ドリフト層をドリフトした電子が窒化シリコン膜中
で散乱されにくいから、上記電界緩和層を設けたことに
よる電子放出効率の低下を抑制することができ、しか
も、上記表面電極が酸化シリコン膜上に形成されている
から、上記表面電極が窒化シリコン膜上に形成されてい
る場合に比べて上記表面電極への電子の移動が起こりや
すくなり、電子放出効率を高めることができる。

【００２０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層は、上記強電界ドリフト層の主表面
上に形成された第１の酸化シリコン膜と、該第１の酸化
シリコン膜上に形成された窒化シリコン膜と、該窒化シ
リコン膜上に形成された第２の酸化シリコン膜とからな
るので、窒化シリコン膜および各酸化シリコン膜の抵抗
率が高いことにより上記電界緩和層の膜厚を薄くするこ
とができ且つ上記強電界ドリフト層をドリフトした電子
が窒化シリコン膜中で散乱されにくいから、上記電界緩
和層を設けたことによる電子放出効率の低下を抑制する
ことができ、しかも、上記表面電極が上記第２の酸化シ
リコン膜上に形成されているから、上記表面電極が窒化
シリコン膜上に形成されている場合に比べて上記表面電
極への電子の移動が起こりやすくなり、電子放出効率を
高めることができる。

【００２１】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、少なくとも上記表面電極が剥離
しない程度に上記表面電極との密着性が高い材料により
形成されているので、上記表面電極の剥離による経時劣
化および電子放出特性の経時変化を抑制することができ
る。

【００２２】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、上記電界緩和層が、酸化クロム膜からなるので、酸
化クロム膜が電子の透過特性に優れいていることによ
り、上記電界緩和層を設けたことによる電子放出効率の
低下を抑制することができる。

【００２３】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、上記電界緩和層が、上記強電界ドリ
フト層の抵抗値と同じオーダの抵抗値を有するので、表
面電極と導電性基板との間に印加する電圧に関して上記
電界緩和層を設けない従来構成からの増加分を少なくし
つつ上記強電界ドリフト層の電界強度を緩和することが
できる。

【００２４】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、上記強電界ドリフト層が、少なくと
も、上記導電性基板の主表面側に形成された柱状の半導
体結晶と、半導体結晶間に介在するナノメータオーダの
半導体微結晶と、半導体結晶の表面に形成された第１の
絶縁膜と、半導体微結晶の表面に形成され当該半導体微
結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の第２の絶縁膜とから
なるので、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。ここにおいて、上記電界緩和層が
設けられていることによって、第１の絶縁膜および第２
の絶縁膜の絶縁破壊が防止される。

【００２５】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、導電性基板の主表面側
に形成された強電界ドリフト層上に電界緩和層を形成す
る工程と、電界緩和層上に表面電極を形成する工程とを
備えることを特徴とし、電界緩和層を強電界ドリフト層
上に積層する工程を従来構成の電界放射型電子源の製造
方法に追加するだけで経時安定性の優れた電界放射型電
子源を提供することができる。

【００２６】請求項１０の発明は、導電性基板と、導電
性基板の主表面側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
フト層の主表面側に形成された導電性薄膜よりなる表面
電極とを備え、強電界ドリフト層と表面電極との間に強
電界ドリフト層の電界強度を緩和する酸化層よりなる電
界緩和層が設けられ、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、導電性基板の主表面側に形成された強電界ドリフト
層上に電界緩和層の構成元素のうち酸素を除いた構成元
素により構成された被酸化層を形成する工程と、被酸化
層上に表面電極を形成する工程と、表面電極を形成した
後に酸化処理によって被酸化層を酸化することにより電
界緩和層を形成する工程とを備えることを特徴とし、経
時安定性の優れた電界放射型電子源を提供することがで
き、また、表面電極を形成した後の酸化処理によって被
酸化層を酸化することにより電界緩和層を形成している
から、電界緩和層が汚染されたり損傷を受けるのを防止
することができる。

【００２７】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記酸化処理が、オゾンにより上記被酸化層を
酸化する処理なので、オゾンが上記表面電極を拡散して
上記被酸化層が酸化されるから、熱酸化に比べて低温で
上記被酸化層を酸化することができ、上記表面電極の構
成元素の凝集による断線や剥離などのダメージが発生す
るのを防ぐことができる。

【００２８】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記酸化処理が、酸素プラズマにより上記被酸
化層を酸化する処理なので、熱酸化に比べて低温で上記
被酸化層を酸化することができ、上記表面電極の構成元
素の凝集による断線や剥離などのダメージが発生するの
を防ぐことができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１（ａ）に本実
施形態の電界放射型電子源１０の概略断面図を、図２
（ａ）〜（ｄ）に電界放射型電子源１０の製造方法にお
ける主要工程断面図を示す。なお、本実施形態では、導
電性基板として抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い単結
晶のｎ形シリコン基板１（例えば、抵抗率が略０．０１
Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）を用いてい
る。

【００３０】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
構成は図８に示した従来構成と略同じであって、図１
（ａ）に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面上に
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上に窒化シリ
コン膜よりなる電界緩和層９が形成され、電界緩和層９
上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７
が形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面に
はオーミック電極２が形成されている。なお、本実施形
態では、ｎ形シリコン基板１の主表面上に強電界ドリフ
ト層６が形成されているが、ｎ形シリコン基板１の主表
面と強電界ドリフト層６との間にノンドープの多結晶シ
リコン層が形成されていてもよい。

【００３１】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
図８および図９に示した従来構成の電界放射型電子源と
同様の動作原理で電子を放出することができる。すなわ
ち、本実施形態の電界放射型電子源１０から電子を放出
させるには、例えば、図３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２１を設け、表面電極７と
コレクタ電極２１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１（オーミック電極２）に対して
高電位側（正極）となるように表面電極７とｎ形シリコ
ン基板１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が表面電極７に対して高電位側（正極）
となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直
流電圧Ｖｃを印加すればよい。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを
適宜に設定すれば、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をドリフトし電界緩和層９お
よび表面電極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）。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１０〜１５ｎｍ程度に設定さ
れている。

【００３２】ここで、強電界ドリフト層６は、図１
（ｂ）に示すように、柱状の多結晶シリコンのグレイン
（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成され
た第１の絶縁膜である薄い酸化シリコン膜５２と、多結
晶シリコンのグレイン５１の間に介在するナノメータオ
ーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、シリコ
ン微結晶６３の表面に形成されシリコン微結晶６３の結
晶粒径よりも小さい膜厚の第２の絶縁膜である酸化シリ
コン膜６４とを少なくとも含むと考えられる。この強電
界ドリフト層６は後述の陽極酸化処理を行う前の多結晶
シリコン層３（図２参照）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５１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、強電界ド
リフト層６に印加された電界の大部分は酸化シリコン膜
６４を集中的に通り、注入された電子ｅ^-はグレイン５
１の間で酸化シリコン膜６４を通る強電界により加速さ
れ図１（ｂ）中の上向きにドリフトする。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、電界緩和層９でほとんど散乱され
ずに表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出され
る。

【００３３】上述の構成を有する電界放射型電子源１０
では、表面電極７とオーミック電極２との間に流れる電
流をダイオード電流Ｉpsと呼び、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と呼ぶ
ことにすれば（図３参照）、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。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。

【００３４】ところで、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と表面電極７との間に、
上記直流電圧（駆動電圧）Ｖpsを印加した状態での強電
界ドリフト層６の電界強度を緩和する電界緩和層９が設
けられている点に特徴がある。ここにおいて、電界緩和
層９は、強電界ドリフト層６と表面電極７との間に介在
するから、強電界ドリフト層６をドリフトした電子がほ
とんど散乱されることなく表面電極７へ到達するように
電子が散乱しにくい材料により形成し、膜厚を薄くする
ことが望ましい。一方で電界緩和層９は強電界ドリフト
層６の電界強度を緩和するために設けたものであり、電
界緩和層９の抵抗値が強電界ドリフト層６の抵抗値に比
べて１桁以上小さいと強電界ドリフト層６の電界強度を
緩和する効果が小さく、強電界ドリフト層６の抵抗値よ
りも大きいと上記駆動電圧を大きくする必要あるので、
電界緩和層９の抵抗値は、強電界ドリフト層６の抵抗値
と同じオーダであることが望ましい。本実施形態では、
強電界ドリフト層６の厚さを１．５μｍとし、電界緩和
層９の膜厚を５０ｎｍに設定してあるが、電界緩和層９
の膜厚は５０ｎｍに限定されるものではなく、強電界ド
リフト層６の抵抗値に応じて１０ｎｍ〜１００ｎｍの範
囲で適宜設定すればよい。なお、強電界ドリフト層６の
抵抗値は、強電界ドリフト層６の厚さや駆動電圧などに
よっても異なるが、数十ｋΩ〜数十ＭΩ程度である。

【００３５】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と表面電極７との間に強
電界ドリフト層６の電界強度を緩和する電界緩和層９が
設けられていることによって、強電界ドリフト層６中の
酸化シリコン膜５２，６４において絶縁破壊を起こしや
すい部分の電界強度を小さくすることができ、当該部分
における絶縁破壊を防止することができて、ダイオード
電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉｅそれぞれの経時変化を
抑制することができるから、電子放出効率などの電子放
出特性の経時安定性を向上させることができ、ディスプ
レイなどに応用した場合に画面の輝度が経時的に暗くな
るのを防止することができる。なお、電界緩和層９を設
けたことによって強電界ドリフト層６に印加される電界
強度が小さくなるので、表面電極７と導電性基板たるｎ
形シリコン基板１（オーミック電極２）との間に印加す
る駆動電圧（直流電圧Ｖps）を電界緩和層９が設けられ
ていない従来構成の場合と同じにすると、放出電子電流
Ｉｅは電界緩和層９を設けていない場合よりも小さくな
るが、駆動電圧を大きくすることにより、放出電子電流
Ｉｅの大きさを従来構成と同等の値にすることができ
る。

【００３６】また、本実施形態の電界放射型電子源１０
では、電界緩和層９が窒化シリコン膜により形成されて
おり、窒化シリコン膜は抵抗率が高いので電界緩和層９
の膜厚を薄くすることができ、しかも窒化シリコン膜は
電子の透過特性に優れ、強電界ドリフト層６をドリフト
した電子が電界緩和層９中で散乱されにくいから、電界
緩和層９を設けたことによる電子放出効率の低下を抑制
することができる。

【００３７】ところで、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、導電性基板
は、電界放射型電子源１０の負極を構成するとともに真
空中において上述の強電界ドリフト層６を支持し、なお
且つ、強電界ドリフト層６へ電子を注入するものであ
る。したがって、導電性基板は、電界放射型電子源１０
の負極を構成し強電界ドリフト層６を支持することがで
きればよいので、ｎ形シリコン基板に限定されるもので
はなく、クロムなどの金属基板であってもよいし、図１
１に示すようにガラスなどの絶縁性基板１１の一表面側
（主表面側）に導電性層８を形成したものであってもよ
い。ガラス基板の一表面側に導電性層８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、
電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。

【００３８】また、本実施形態においては、表面電極７
として金薄膜を用いているが、表面電極７の材料は金に
限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、クロ
ム、タングステン、ニッケル、白金などの仕事関数が小
さな材料を用いてもよい。ここに、金の仕事関数は５．
１０ｅＶ、アルミニウムの仕事関数は４．２８ｅＶ、ク
ロムの仕事関数は４．５０ｅＶ、タングステンの仕事関
数は４．５５ｅＶ、ニッケルの仕事関数は５．１５ｅ
Ｖ、白金の仕事関数は５．６５ｅＶである。また、表面
電極７を厚み方向に積層された複数層の薄膜電極層から
なる導電性薄膜により構成してもよい。この場合、最上
層の薄膜電極層としては、耐酸化性に優れ仕事関数が小
さな性質を有する材料を採用し、最下層の薄膜電極層と
しては、仕事関数が小さくかつ電界緩和層９との密着性
が良い性質の材料を採用すればよい。ここに、最下層の
薄膜電極層の材料は、最上層の薄膜電極層の材料に比べ
て強電界ドリフト層６中へ拡散しにくい（つまり、強電
界ドリフト層６の材料中での拡散係数が小さい）性質を
有していることが望ましい。

【００３９】上述のような仕事関数が小さくかつ電界緩
和層９との密着性が良い性質を有する表面電極７を採用
することにより、表面電極７が電界緩和層９から剥離す
るのを防止することができ、経時安定性が向上するとと
もに、歩留まりが高くなって低コスト化を図ることがで
きる。

【００４０】また、最上層の薄膜電極層としては例えば
金を用い、最下層の薄膜電極層としては、クロムを用い
ればよいが、最下層の薄膜電極層としてはクロムの代わ
りに、ニッケル、白金、チタン、ジルコニウム、ロジウ
ム、ハフニウム、イリジウムのいずれかあるいはそれら
の酸化物を用いてもよい。最下層の薄膜電極層として、
クロム、ニッケル、白金、チタン、ジルコニウム、ロジ
ウム、ハフニウム、イリジウムのいずれかあるいはそれ
らの酸化物を用いることにより、最下層の薄膜電極層の
材料コストを比較的安価にすることができる。

【００４１】また、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形成してい
るが、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリ
コン層により形成してもよく、多孔質多結晶シリコン層
以外の多孔質半導体層を酸化若しくは窒化したものでも
よい。なお、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結
晶シリコン層とした場合には図１（ｂ）にて説明した各
酸化シリコン膜５２，６４がいずれも窒化シリコン膜と
なる。また、本実施形態では、電界緩和層９を窒化シリ
コン膜により形成しているが、電子散乱が少なく抵抗率
が高い酸化シリコン膜やアモルファスシリコン、アモル
ファス炭化シリコン、金属の酸化膜や窒化膜などにより
形成してもよい。

【００４２】以下、図１の電界放射型電子源１０の製造
方法について図２を参照しながら説明する。

【００４３】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の主表面
上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの多
結晶シリコン層（多結晶シリコン薄膜）３を例えばＬＰ
ＣＶＤ法によって形成（成膜）することにより図２
（ａ）に示すような構造が得られる。

【００４４】上記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２（ｂ）に示すような構造が
得られる。本実施形態では、陽極酸化処理の条件とし
て、多結晶シリコン層３の表面が上記電解液に触れるよ
うにし、電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ²で一定、電流の通
電時間を１０秒とした。また、多結晶シリコン層３に光
を照射する光源としては、５００Ｗのタングステンラン
プを用いている。なお、本実施形態では、多結晶シリコ
ン層３を深さ方向においてｎ形シリコン基板１に達する
深さまで多孔質化しているが、深さ方向の途中まで多孔
質化するようにしてもよく、この場合にはｎ形シリコン
基板１と多孔質多結晶シリコン層４との間に多結晶シリ
コン層３の一部が残ることになる。

【００４５】上述の陽極酸化処理が終了した後、急速加
熱法による急速熱酸化技術によって多孔質多結晶シリコ
ン層４の急速熱酸化を行うことにより、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、その後、強電界ドリフト層６上にスパッタ法によっ
て所定膜厚（例えば、５０ｎｍ）の電界緩和層９を形成
することにより、図２（ｃ）に示す構造が得られる。急
速熱酸化の条件としては、ランプアニール装置を用い、
酸素ガスの流量を標準状態で０．３Ｌ／ｍｉｎ（３００
ｓｃｃｍ）、酸化温度を９００℃、酸化時間を１時間と
した。本実施形態では、多孔質多結晶シリコン層４の酸
化を急速熱酸化により行っているので、数秒で酸化温度
まで昇温することが可能であり、通常の炉心管タイプの
酸化装置で問題となる入炉時の巻き込み酸化を抑制する
ことができる。また、スパッタ法による電界緩和層９の
形成にあたっては、ターゲットとして窒化シリコンを用
い、チャンバ内を１×１０^-4Ｐａ以下まで排気した後、
Ａｒガスを標準状態で０．０３Ｌ／ｍｉｎ（３０ｓｃｃ
ｍ）の流量でチャンバ内に導入してチャンバ内の圧力を
５×１０^-1Ｐａに調整し、その後、チャンバ内に配置さ
れた電極間に１Ｗ／ｃｍ²の高周波電力を供給して窒化
シリコン膜を成膜した。

【００４６】電界緩和層９を形成した後は、電界緩和層
９上に表面電極７となる金薄膜を例えば蒸着により形成
することによって、図２（ｄ）に示す構造の電界放射型
電子源１０が得られる。

【００４７】しかして、上述の製造方法を採用すること
により、電界緩和層９を強電界ドリフト層６上に積層す
る工程を従来構成の電界放射型電子源の製造方法に追加
するだけで経時安定性の優れた電界放射型電子源１０を
提供することができる。

【００４８】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源１０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な
どに導電性層（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、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。

【００４９】なお、上述の多結晶シリコン層３の成膜
は、導電性基板が半導体基板の場合にはＬＰＣＶＤ法の
他に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アニールすること
により、多結晶シリコン層３を形成してもよい。また、
導電性層上に多結晶シリコン層３を形成する方法はＣＶ
Ｄ法に限定されるものではなく、例えばＣＧＳ（Contin
uous Grain Silicon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いて
もよい。

【００５０】また、上述の多孔質多結晶シリコン層４の
酸化方法としては、熱酸化法の他に、酸（例えば、希硫
酸、希硝酸、王水など）を用いた電気化学的な酸化でも
よいし、酸によって電気化学的に酸化する前に多孔質多
結晶シリコン層４の極表面が酸化する程度の時間だけ酸
化性の溶液（例えば、硝酸、硫酸、塩酸、過酸化水素水
など）に浸すことにより、シリコン原子を終端している
水素原子を酸素原子に置換してもよい。また、酸素とオ
ゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気で紫外光を照
射して酸化してもよいし、酸素とオゾンとの少なくとも
一方を含むガス雰囲気でプラズマにさらすことにより酸
化してもよいし、少なくともオゾンを含むガス雰囲気で
加熱を行う（加熱温度は１００℃〜６００℃の温度範囲
で適宜設定すればよい）ことにより酸化してもよいし、
紫外光を照射するとともに加熱を行う（加熱温度は１０
０℃〜６００℃の温度範囲で適宜設定すればよい）こと
により酸化してもよいし、酸素とオゾンとの少なくとも
一方を含むガス雰囲気で紫外光を照射するとともに加熱
を行う（加熱温度は１００℃〜６００℃の温度範囲で適
宜設定すればよい）ことにより酸化してもよいし、これ
らを組み合わせるようにしてもよく、熱酸化法以外の方
法を採用することにより、比較的低温で多孔質多結晶シ
リコン層４を酸化することができ、図１（ｂ）にて説明
した酸化シリコン膜５２，６４への不純物の拡散量が少
なくなり、絶縁耐圧が向上する。なお、多孔質多結晶シ
リコン層４を酸化する代わりに、窒化するようにしても
よい。

【００５１】また、上述の電界緩和層９の形成方法はス
パッタ法に限定されるものではなく、蒸着法やイオンプ
レーティング法などを用いてもよい。

【００５２】また、上述の表面電極７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。

【００５３】次に、本実施形態の電界放射型電子源１０
を利用したディスプレイについて図４を参照しながら説
明する。

【００５４】図４に示すディスプレイは、電界放射型電
子源１０の表面電極７に対向配置されるガラス基板３３
を備え、ガラス基板３３の電界放射型電子源１０と対向
する面にはストライプ状にコレクタ電極３１が形成さ
れ、表面電極７を通して放射される電子線によって可視
光を発光する蛍光体層３２がコレクタ電極３１を覆うよ
うに形成されている。ここに、表面電極７はストライプ
状に形成されている。なお、電界放射型電子源１０とガ
ラス基板３３との間の空間は真空にしてある。

【００５５】このディスプレイでは、表面電極７をスト
ライプ状に形成するとともに、コレクタ電極３１を表面
電極７に直交するストライプ状に形成しておき、コレク
タ電極３１および表面電極７を適宜選択して電圧（電
界）を印加することにより、電圧を印加した表面電極７
からのみ電子が放出される。そして、放出された電子
は、当該電子が放出された表面電極７において対向する
コレクタ電極３１に電圧が印加されている領域から放出
された電子だけが加速され、該コレクタ電極３１を覆う
蛍光体層３２を光らせる。

【００５６】要するに、図４に示す構成のディスプレイ
では、特定の表面電極７と特定のコレクタ電極３１とに
電圧を印加することにより、蛍光体層３２のうち前記電
圧が印加された両電極７，３１の交差する領域に対応す
る部分を光らせることができる。そして、電圧を印加す
る表面電極７およびコレクタ電極３１を適宜切り替える
ことにより、画像や文字などを表示することが可能にな
る。なお、このディスプレイでは、電界放射型電子源１
０から放出された電子で蛍光体層３２の蛍光体を光らせ
るためには、コレクタ電極３１に高電圧を印加し電子を
加速する必要があり、コレクタ電極３１には、数百Ｖな
いし数ｋＶの高電圧を印加すればよい。

【００５７】（実施形態２）本実施形態の基本構成は実
施形態１と略同じであって、図５に示すように、電界緩
和層９を、強電界ドリフト層６上に形成した窒化シリコ
ン膜９ａと窒化シリコン膜９ａ上に形成した酸化シリコ
ン膜９ｂとにより形成している点に特徴がある。要する
に、本実施形態では、電界緩和層９が窒化シリコン膜９
ａを含む多層膜により構成されており、表面電極７が酸
化シリコン膜９ｂ上に積層されている。ここにおいて、
窒化シリコン膜９ａおよび酸化シリコン膜９ｂはいずれ
もスパッタ法により形成している。

【００５８】しかして、本実施形態においても実施形態
１と同様の効果が得られる。ここに、本実施形態では、
窒化シリコン膜９ａおよび酸化シリコン膜９ｂの各抵抗
率が高いことにより電界緩和層９の膜厚を薄くすること
ができ且つ強電界ドリフト層６をドリフトした電子が窒
化シリコン膜９ａ中で散乱されにくいから、電界緩和層
９を設けたことによる電子放出効率の低下を抑制するこ
とができる。しかも、本実施形態では、表面電極７が酸
化シリコン膜９ａ上に形成されているから、実施形態１
のように表面電極７が窒化シリコン膜よりなる電界緩和
層９上に形成されている場合に比べて表面電極７への電
子の移動が起こりやすくなり、電子放出効率を高めるこ
とができる。

【００５９】なお、本実施形態では、窒化シリコン膜９
ａの膜厚を４０ｎｍ、酸化シリコン膜９ｂの膜厚を１０
ｎｍに設定してあるが、これら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の厚さおよび抵抗値な
どに応じて適宜設定すればよい。ただし、窒化シリコン
膜９ａの方が酸化シリコン膜９ｂよりも電子の散乱が少
ないので、窒化シリコン膜９ａの膜厚を酸化シリコン膜
９ｂの膜厚よりも厚く設定するのが望ましい。

【００６０】（実施形態３）本実施形態の基本構成は実
施形態１と略同じであって、図６に示すように、電界緩
和層９を、強電界ドリフト層６上に形成した第１の酸化
シリコン膜９ｃと第１の酸化シリコン膜９ｃ上に形成し
た窒化シリコン膜９ａと、窒化シリコン膜９ａ上に形成
した第２の酸化シリコン膜９ｂとにより形成している点
に特徴がある。要するに、本実施形態では、電界緩和層
９が窒化シリコン膜９ａを含む多層膜により構成されて
おり、表面電極７が第２の酸化シリコン膜９ｂ上に積層
されている。ここにおいて、窒化シリコン膜９ａおよび
各酸化シリコン膜９ｃ，９ｂはいずれもスパッタ法によ
り形成している。

【００６１】しかして、本実施形態においても実施形態
１と同様の効果が得られる。ここに、本実施形態では、
窒化シリコン膜９ａおよび各酸化シリコン膜９ｃ，９ｂ
の各抵抗率が高いことにより電界緩和層９の膜厚を薄く
することができ且つ強電界ドリフト層６をドリフトした
電子が窒化シリコン膜９ａ中で散乱されにくいから、電
界緩和層９を設けたことによる電子放出効率の低下を抑
制することができる。しかも、本実施形態では、表面電
極７が第２の酸化シリコン膜９ａ上に形成されているか
ら、実施形態１のように表面電極７が窒化シリコン膜よ
りなる電界緩和層９上に形成されている場合に比べて表
面電極７への電子の移動が起こりやすくなり、電子放出
効率を高めることができる。

【００６２】なお、本実施形態では、第１の酸化シリコ
ン膜９ｃの膜厚を１０ｎｍ、窒化シリコン膜９ａの膜厚
を４０ｎｍ、第２の酸化シリコン膜９ｂの膜厚を１０ｎ
ｍにそれぞれ設定してあるが、これらの膜厚は特に限定
するものではなく、強電界ドリフト層６の厚さおよび抵
抗値などに応じて適宜設定すればよい。ただし、窒化シ
リコン膜９ａの方が各酸化シリコン膜９ｃ，９ｂよりも
電子の散乱が少ないので、窒化シリコン膜９ａの膜厚を
各酸化シリコン膜９ｃ，９ｂの膜厚よりも厚く設定する
のが望ましい。

【００６３】（実施形態４）本実施形態の基本構成は実
施形態１と略同じであって、実施形態１で説明した図１
に示す構成の電界放射型電子源１０における電界緩和層
９を酸化クロム膜により形成している点に特徴がある。
ここにおいて、酸化クロム膜は、少なくとも表面電極７
が剥離しない程度に表面電極７との密着性が高い材料な
ので、電界緩和層９から表面電極７が剥離することによ
る経時劣化および電子放出特性の経時変化を抑制するこ
とができる。また、酸化クロム膜は電子の透過特性に優
れいているので、電界緩和層９を設けたことによる電子
放出効率の低下を抑制することができる。

【００６４】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０においても実施形態１と同様の効果が得られる。

【００６５】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の製造方法について図７を参照しながら説明するが、実
施形態１の製造方法と略同じなので、実施形態１で説明
した図２に示す構成と同様の構成要素には同一の符号を
付して簡単に説明する。

【００６６】すなわち、本実施形態では、導電性基板た
る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の表面上にノンドープの多
結晶シリコン層３をＬＰＣＶＤ法によって形成すること
により図７（ａ）に示す構造が得られる。

【００６７】その後、多結晶シリコン層３を陽極酸化処
理にて多孔質化して多孔質多結晶シリコン層４を形成す
ることによって図７（ｂ）に示す構造が得られる。

【００６８】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を熱酸化することにより酸化し
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
を形成し、その後、強電界ドリフト層６上にクロム膜よ
りなる被酸化層１９を電子ビーム蒸着法によって形成
し、さらに被酸化層１９上に金薄膜からなる表面電極７
を形成することにより図７（ｃ）に示す構造が得られ
る。なお、本実施形態では、被酸化層１９の膜厚を２０
ｎｍ、表面電極７の膜厚を１５ｎｍとしてあるが、これ
らの膜厚は特に限定するものではない。

【００６９】表面電極７を形成した後、酸化処理によっ
て被酸化層１９を酸化することにより酸化クロム膜から
なる電界緩和層９が形成され、図７（ｄ）に示す構造の
電界放射型電子源１０が得られる。ここに、酸化処理で
は、例えばオゾン発生器で発生させたオゾンを酸化処理
用のチャンバ内に導入することにより行えばよい。本実
施形態では、標準状態で５Ｌ／ｍｉｎの流量の酸素ガス
をオゾン発生器に導入し、オゾン発生器内で放電を行う
ことにより濃度が約５％のオゾンを発生させ、このオゾ
ンを酸化処理用のチャンバへ導入している。また、酸化
処理には導電性基板たるｎ形シリコン基板１を１５０℃
に加熱している。なお、本実施形態では、酸化クロム膜
が酸化層を構成している。

【００７０】しかして、上述の製造方法によれば、導電
性基板たるｎ形シリコン基板１の主表面側に形成された
強電界ドリフト層６上に電界緩和層９の構成元素のうち
酸素を除いた構成元素であるクロムにより構成された被
酸化層１９を形成する工程と、被酸化層１９上に表面電
極７を形成する工程と、表面電極７を形成した後に酸化
処理によって被酸化層１９を酸化することにより電界緩
和層９を形成する工程とを備えるので、経時安定性の優
れた電界放射型電子源１０を提供することができる。ま
た、表面電極７を形成した後の酸化処理によって被酸化
層１９を酸化することにより電界緩和層９を形成してい
るから、電界緩和層９が酸化処理時に汚染されたり損傷
を受けるのを防止することができる。しかも、酸化処理
が、オゾンにより被酸化層１９を酸化する処理なので、
オゾンが表面電極７を拡散して被酸化層１９が酸化され
るから、熱酸化に比べて低温で被酸化層１９を酸化する
ことができ、表面電極７の構成元素である金の凝集によ
る断線や剥離などのダメージが発生するのを防ぐことが
できる。

【００７１】なお、本実施形態では、上述の酸化処理に
おいて被酸化層１９をオゾンにより酸化しているが、酸
素プラズマにより被酸化層１９を酸化するようにして
も、熱酸化に比べて低温で被酸化層１９を酸化すること
ができ、表面電極７の構成元素の凝集による断線や剥離
などのダメージが発生するのを防ぐことができる。

【００７２】

【発明の効果】請求項１の発明は、導電性基板と、導電
性基板の主表面側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
フト層の主表面側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であって、強電界ドリフト
層と表面電極との間に強電界ドリフト層の電界強度を緩
和する電界緩和層が設けられて成るものであり、強電界
ドリフト層と表面電極との間に強電界ドリフト層の電界
強度を緩和する電界緩和層が設けられていることによっ
て、強電界ドリフト層中において絶縁破壊を起こしやす
い部分の電界強度を小さくすることができ、当該部分に
おける絶縁破壊を防止することができて電子放出効率な
どの電子放出特性の経時安定性を向上させることができ
るという効果があり、ディスプレイなどに応用した場合
に画面の輝度が経時的に暗くなるのを防止することがで
きる。なお、電界緩和層を設けたことによって強電界ド
リフト層に印加される電界強度が小さくなるので、表面
電極と導電性基板との間に印加する電圧を電界緩和層が
設けられていない従来構成の場合と同じにすると、放出
電子電流は電界緩和層を設けていない場合よりも小さく
なるが、上記電圧を大きくすることにより、放出電子電
流の大きさを従来構成と同等の値にすることができる。

【００７３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、窒化シリコン膜若しくは窒化シ
リコン膜を含み上記電子の散乱が起こりにくい多層膜か
らなるので、窒化シリコン膜の抵抗率が高いことにより
上記電界緩和層の膜厚を薄くすることができ且つ上記強
電界ドリフト層をドリフトした電子が窒化シリコン膜中
で散乱されにくいから、上記電界緩和層を設けたことに
よる電子放出効率の低下を抑制することができるという
効果がある。

【００７４】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、上記強電界ドリフト層の主表面
上に形成された窒化シリコン膜と、該窒化シリコン膜上
に形成された酸化シリコン膜とからなるので、窒化シリ
コン膜および酸化シリコン膜の抵抗率が高いことにより
上記電界緩和層の膜厚を薄くすることができ且つ上記強
電界ドリフト層をドリフトした電子が窒化シリコン膜中
で散乱されにくいから、上記電界緩和層を設けたことに
よる電子放出効率の低下を抑制することができ、しか
も、上記表面電極が酸化シリコン膜上に形成されている
から、上記表面電極が窒化シリコン膜上に形成されてい
る場合に比べて上記表面電極への電子の移動が起こりや
すくなり、電子放出効率を高めることができるという効
果がある。

【００７５】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層は、上記強電界ドリフト層の主表面
上に形成された第１の酸化シリコン膜と、該第１の酸化
シリコン膜上に形成された窒化シリコン膜と、該窒化シ
リコン膜上に形成された第２の酸化シリコン膜とからな
るので、窒化シリコン膜および各酸化シリコン膜の抵抗
率が高いことにより上記電界緩和層の膜厚を薄くするこ
とができ且つ上記強電界ドリフト層をドリフトした電子
が窒化シリコン膜中で散乱されにくいから、上記電界緩
和層を設けたことによる電子放出効率の低下を抑制する
ことができるという効果があり、しかも、上記表面電極
が上記第２の酸化シリコン膜上に形成されているから、
上記表面電極が窒化シリコン膜上に形成されている場合
に比べて上記表面電極への電子の移動が起こりやすくな
り、電子放出効率を高めることができるという効果があ
る。

【００７６】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、上記電界緩和層が、少なくとも上記表面電極が剥離
しない程度に上記表面電極との密着性が高い材料により
形成されているので、上記表面電極の剥離による経時劣
化および電子放出特性の経時変化を抑制することができ
るという効果がある。

【００７７】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、上記電界緩和層が、酸化クロム膜からなるので、酸
化クロム膜が電子の透過特性に優れいていることによ
り、上記電界緩和層を設けたことによる電子放出効率の
低下を抑制することができるという効果がある。

【００７８】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、上記電界緩和層が、上記強電界ドリ
フト層の抵抗値と同じオーダの抵抗値を有するので、表
面電極と導電性基板との間に印加する電圧に関して上記
電界緩和層を設けない従来構成からの増加分を少なくし
つつ上記強電界ドリフト層の電界強度を緩和することが
できるという効果がある。

【００７９】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、上記強電界ドリフト層が、少なくと
も、上記導電性基板の主表面側に形成された柱状の半導
体結晶と、半導体結晶間に介在するナノメータオーダの
半導体微結晶と、半導体結晶の表面に形成された第１の
絶縁膜と、半導体微結晶の表面に形成され当該半導体微
結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の第２の絶縁膜とから
なるので、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という効果がある。ここにおいて、
上記電界緩和層が設けられていることによって、第１の
絶縁膜および第２の絶縁膜の絶縁破壊が防止される。

【００８０】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、導電性基板の主表面側
に形成された強電界ドリフト層上に電界緩和層を形成す
る工程と、電界緩和層上に表面電極を形成する工程とを
備えるので、電界緩和層を強電界ドリフト層上に積層す
る工程を従来構成の電界放射型電子源の製造方法に追加
するだけで経時安定性の優れた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。

【００８１】請求項１０の発明は、導電性基板と、導電
性基板の主表面側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
フト層の主表面側に形成された導電性薄膜よりなる表面
電極とを備え、強電界ドリフト層と表面電極との間に強
電界ドリフト層の電界強度を緩和する酸化層よりなる電
界緩和層が設けられ、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、導電性基板の主表面側に形成された強電界ドリフト
層上に電界緩和層の構成元素のうち酸素を除いた構成元
素により構成された被酸化層を形成する工程と、被酸化
層上に表面電極を形成する工程と、表面電極を形成した
後に酸化処理によって被酸化層を酸化することにより電
界緩和層を形成する工程とを備えるので、経時安定性の
優れた電界放射型電子源を提供することができるという
効果があり、また、表面電極を形成した後の酸化処理に
よって被酸化層を酸化することにより電界緩和層を形成
しているから、電界緩和層が汚染されたり損傷を受ける
のを防止することができるという効果がある。

【００８２】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記酸化処理が、オゾンにより上記被酸化層を
酸化する処理なので、オゾンが上記表面電極を拡散して
上記被酸化層が酸化されるから、熱酸化に比べて低温で
上記被酸化層を酸化することができ、上記表面電極の構
成元素の凝集による断線や剥離などのダメージが発生す
るのを防ぐことができるという効果がある。

【００８３】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記酸化処理が、酸素プラズマにより上記被酸
化層を酸化する処理なので、熱酸化に比べて低温で上記
被酸化層を酸化することができ、上記表面電極の構成元
素の凝集による断線や剥離などのダメージが発生するの
を防ぐことが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を示し、（ａ）は概略断面図、
（ｂ）は（ａ）の要部説明図である。

【図２】同上の製造プロセスを説明するための主要工程
断面図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】同上を応用したディスプレイの概略説明図であ
る。

【図５】実施形態２を示す要部断面図である。

【図６】実施形態３を示す要部断面図である。

【図７】実施形態４の製造プロセスを説明するための主
要工程断面図である。

【図８】従来例を示す概略断面図である。

【図９】同上の動作説明図である。

【図１０】同上の原理説明図である。

【図１１】他の従来例を示す概略断面図である。

【図１２】同上の動作説明図である。

【図１３】従来例の経時安定性の説明図である。

【符号の説明】

１ｎ形シリコン基板２オーミック電極６強電界ドリフト層７表面電極９電界緩和層１０電界放射型電子源５１グレイン５２酸化シリコン膜６３シリコン微結晶６４酸化シリコン膜

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者馬場徹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） 5C031 DD17 DD19 5C036 EG12 EH06 EH08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基板と、導電性基板の主表面側に
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、強電界ドリフト層の主表面側に
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
型電子源であって、強電界ドリフト層と表面電極との間
に強電界ドリフト層の電界強度を緩和する電界緩和層が
設けられて成ることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】上記電界緩和層は、窒化シリコン膜若し
くは窒化シリコン膜を含み上記電子の散乱が起こりにく
い多層膜から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。
【請求項３】上記電界緩和層は、上記強電界ドリフト
層の主表面上に形成された窒化シリコン膜と、該窒化シ
リコン膜上に形成された酸化シリコン膜とからなること
を特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
【請求項４】上記電界緩和層は、上記強電界ドリフト
層の主表面上に形成された第１の酸化シリコン膜と、該
第１の酸化シリコン膜上に形成された窒化シリコン膜
と、該窒化シリコン膜上に形成された第２の酸化シリコ
ン膜とから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。
【請求項５】上記電界緩和層は、少なくとも上記表面
電極が剥離しない程度に上記表面電極との密着性が高い
材料により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。
【請求項６】上記電界緩和層は、酸化クロム膜からな
ることを特徴とする請求項５記載の電界放射型電子源。
【請求項７】上記電界緩和層は、上記強電界ドリフト
層の抵抗値と同じオーダの抵抗値を有することを特徴と
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。
【請求項８】上記強電界ドリフト層は、少なくとも、
上記導電性基板の主表面側に形成された柱状の半導体結
晶と、半導体結晶間に介在するナノメータオーダの半導
体微結晶と、半導体結晶の表面に形成された第１の絶縁
膜と、半導体微結晶の表面に形成され当該半導体微結晶
の結晶粒径よりも小さな膜厚の第２の絶縁膜とからなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに
記載の電界放射型電子源。
【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、導電性基板の一表面側に形成された強電
界ドリフト層上に電界緩和層を形成する工程と、電界緩
和層上に表面電極を形成する工程とを備えることを特徴
とする電界放射型電子源の製造方法。
【請求項１０】導電性基板と、導電性基板の主表面側
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、強電界ドリフト層の主表面側
に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを備え、強
電界ドリフト層と表面電極との間に強電界ドリフト層の
電界強度を緩和する酸化層よりなる電界緩和層が設けら
れ、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、導電性基板の主
表面側に形成された強電界ドリフト層上に電界緩和層の
構成元素のうち酸素を除いた構成元素により構成された
被酸化層を形成する工程と、被酸化層上に表面電極を形
成する工程と、表面電極を形成した後に酸化処理によっ
て被酸化層を酸化することにより電界緩和層を形成する
工程とを備え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１１】上記酸化処理は、オゾンにより上記被
酸化層を酸化する処理であることを特徴とする請求項１
０記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項１２】上記酸化処理は、酸素プラズマにより
上記被酸化層を酸化する処理であることを特徴とする請
求項１０記載の電界放射型電子源の製造方法。