JP2002134009A

JP2002134009A - 電界放射型電子源およびその製造方法

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Publication number: JP2002134009A
Application number: JP2000326275A
Authority: JP
Inventors: Toru Baba; 徹馬場; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Takashi Hatai; 崇幡井
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: JP4135309B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大面積化および低コストが容易な電界放射型電
子源およびその製造方法を提供する。【解決手段】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上に表面
電極７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形成さ
れた多孔質多結晶シリコン層４を酸化することにより形
成する。多孔質多結晶シリコン層４の酸化にあたって
は、多孔質多結晶シリコン層４に水分を吸着させた後、
多孔質多結晶シリコン層４に通電することにより多孔質
多結晶シリコン層４を電気化学的に酸化する。導電性基
板をガラス基板とガラス基板の一表面側に形成した導電
層とにより構成する場合、ガラス基板として耐熱温度が
低く安価なものを利用することができる。

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（多孔質シリコン
層）を形成して、その多孔質半導体層上に金属薄膜を形
成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧を印加して電
子を放射させるように構成した電界放射型電子源（半導
体冷電子放出素子）が提案されている。

【０００６】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６号公報に記載の電界放射型電子源では、基板が半導
体基板に限られるので、大面積化やコストダウン化が難
しいという不具合がある。また、特開平８−２５０７６
６号公報に記載の電界放射型電子源では電子放出時にい
わゆるポッピング現象が生じやすく、放出電子量にむら
が起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイなど
に応用すると、発光むらができてしまうという不具合が
ある。

【０００７】そこで、本願発明者らは、特願平１０−２
７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号、特願平１
０−２７１８７６号などにおいて、多孔質半導体層たる
多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法により酸化する急
速熱酸化（Rapid ThermalOxidation：ＲＴＯ）技術に
て酸化することによって、導電性基板（例えば、金属薄
膜）と導電性薄膜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１
０’は、例えば、図７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】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℃
の酸化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
で室温から９００℃まで上昇させた後、基板温度を９０
０℃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。

【０００９】図７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７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。

【００１０】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８に示すように、少なくとも、ｎ形シリコ
ン基板１の主表面側に形成された柱状の多結晶シリコン
のグレイン６１と、グレイン６１の表面に形成された薄
いシリコン酸化膜６２と、グレイン６１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６１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グレイン６１間を表面に向か
って図８中の矢印Ａの向きへ（図８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１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定され
ている。

【００１１】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膜よりなる導電層を形成した基板
を使用すれば、半導体基板を多孔質化した多孔質半導体
層を利用する場合やスピント型電極に比べて、電子源の
大面積化および低コスト化が可能になる。なお、この種
の電界放射型電子源を利用してディスプレイ装置を構成
する場合には、表面電極や導電層を所定形状にパターニ
ングする必要がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
図７に示した構成の電界放射型電子源１０’では、導電
性基板の耐熱温度以上に急速熱酸化の酸化温度を上げる
ことができないので、基板の材料や導電層の材料が制限
され、基板の大口径化（大面積化）が制約されるという
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、大面積化および低コストが容易な電
界放射型電子源およびその製造方法を提供することにあ
る。

【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、上記多孔質半導体層の酸化にあたっ
ては、水蒸気を含む雰囲気中で上記多孔質半導体層に水
分を吸着させ、水分が吸着した多孔質半導体層に通電す
ることにより上記多孔質半導体層を酸化する主酸化処理
過程を備えることを特徴とし、多孔質半導体層を急速加
熱法により酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に
比べてプロセス温度を低温化することができて、導電性
基板の材料の制約が少なくなり、大面積化および低コス
ト化が可能な電界放射型電子源を提供することができ
る。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記多孔質半導体層に水分を吸着させるにあたっ
て、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に凝結され
るように雰囲気の温度と湿度との少なくとも一方を制御
するので、上記多孔質半導体層への水分の吸着量を調節
することが可能になるとともに、上記多孔質半導体層に
おける水分の吸着量の面内ばらつきを少なくすることが
可能になる。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記多孔質半導体層に水分を吸着させるにあたっ
て、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に凝結され
るように上記多孔質半導体層を冷却するので、上記多孔
質半導体層への水分の吸着量を調節することが可能にな
るとともに、上記多孔質半導体層における水分の吸着量
の面内ばらつきを少なくすることが可能になる。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、上記水分を真空の雰囲気中で吸着させるので、強電
界ドリフト層中の酸化膜の膜質が向上し、絶縁耐圧が向
上する。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、上記水分を大気圧の雰囲気中で吸着させるので、請
求項４の発明に比べて、上記多孔質半導体層への水分の
吸着量を多くすることができ、水分を吸着させるために
要する時間が短くなるから、主酸化処理過程のスループ
ットを向上させることができ、また、主酸化処理過程に
真空装置が不要となるから、主酸化処理過程に利用する
装置の簡易化および低コスト化を図れ、結果的に電界放
射型電子源の低コスト化を図ることができる。

【００１９】請求項６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、上記多孔質半導体層の酸化
にあたっては、電解質溶液中で電気化学的に酸化する主
酸化処理過程と、主酸化処理過程の以前と以後との少な
くとも一方において水蒸気を含む雰囲気中で水分を吸着
させた後に通電することにより酸化する補助酸化処理過
程とを備えることを特徴とし、多孔質半導体層を急速加
熱法により酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に
比べてプロセス温度を低温化することができて、導電性
基板の材料の制約が少なくなり、大面積化および低コス
ト化が可能な電界放射型電子源を提供することができ、
また、電解質溶液中で電気化学的に酸化する主酸化処理
過程の以前と以後との少なくとも一方に、水蒸気を含む
雰囲気中で水分を吸着させた後に通電することにより酸
化する補助酸化処理過程を備えているから、強電界ドリ
フト層中に形成される酸化膜の膜厚の均一性を高めるこ
とができ、絶縁耐圧が向上する。

【００２０】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記補助酸化処理過程は、主酸化処理過程の以後に
行うので、強電界ドリフト層中に形成される酸化膜の膜
厚の深さ方向における均一性を高めることができる。

【００２１】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７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、多孔質半導体層を急速加熱法により
酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に比べてプロ
セス温度が低温になって、導電性基板の材料の制約が少
なくなり、大面積化および低コスト化が容易になる。

【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７に示した従来構成と略同じであって、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
表面上に半導体層たるノンドープの多結晶シリコン層３
が形成され、該多結晶シリコン層３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、強電界ドリフト層６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。ここにおいて、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、上記多孔質多結晶シリコン層の酸化が後述の主
酸化処理過程により行われている点に特徴がある。な
お、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１と強電界ドリ
フト層６との間に多結晶シリコン層３が形成されている
が、ｎ形シリコン基板１上に強電界ドリフト層６が形成
されるようにしてもよい。

【００２４】図３に示す構成の電界放射型電子源１０で
は、図４に示すように、表面電極７を真空中に配置する
とともに表面電極７に対向してコレクタ電極２１を配置
し、表面電極７を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１
０においても、図７に示した従来構成と同様に、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】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材
料よりなる導電性層を形成したものを用いてもよい。図
５に示すようにガラス基板１１の一表面側に導電層１２
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。図５に示す構成の電界放射型電子源１０では、表
面電極７を導電層１２に対して正極として上述の直流電
圧Ｖpsを印加すればよい。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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３を例えばＬＰＣＶＤ法によって形成す
ることにより図１（ａ）に示すような構造が得られる。
ＬＰＣＶＤ法による成膜条件は、真空度を２０Ｐａ、基
板温度を６４０℃、モノシランガスの流量を標準状態で
０．６Ｌ／ｍｉｎ（６００ｓｃｃｍ）とした。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１１に導電層１２を形成した基板の場合には、Ｃ
ＶＤ法により導電層１２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し、プラズマＣＶＤ
法により多結晶シリコン層を形成してもよい。また、導
電層１２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（Continuo
us Grain Silicon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いても
よい。

【００２９】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定電流で陽極
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。
なお、本実施形態では、陽極酸化処理の条件として、電
流密度を１０ｍＡ／ｃｍ²一定、陽極酸化時間を３０秒
とするとともに、陽極酸化中に５００Ｗのタングステン
ランプにより多結晶シリコン層３の表面に光照射を行っ
た。その結果、本実施形態では、膜厚が略１μｍの多孔
質多結晶シリコン層４が形成された。なお、本実施形態
では、多結晶シリコン層３の一部を多孔質化している
が、多結晶シリコン層３の全部を多孔質化してもよい。

【００３０】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の表面の周部に金薄膜よりなる通電
用電極（図示せず）を形成し、その後、多孔質多結晶シ
リコン層４を酸化することによって酸化した多孔質多結
晶シリコン層から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。

【００３１】ここにおいて、多孔質多結晶シリコン層４
の酸化にあたっては、水蒸気を含む雰囲気中で多孔質多
結晶シリコン層４に水分を吸着させ、水分が吸着した多
孔質多結晶シリコン層４に通電することにより多孔質多
結晶シリコン層４を酸化する主酸化処理過程を行う。主
酸化処理過程においては、まず、図２に示すように、反
応室４０内に配置された導電性材料（例えば、銅）より
なる台座４１上に、多孔質多結晶シリコン層４が主表面
側（一表面側）に形成されたｎ形シリコン基板１を導電
性ペースト（図示せず）などで固定する。その後、反応
室４０の雰囲気中の水蒸気が多孔質多結晶シリコン層４
に凝結されるように台座４１内に設けた流路４２を通る
冷媒４３によって多孔質多結晶シリコン層４を所定温度
（例えば、−１０℃〜１０℃の範囲内で適宜設定すれば
よい）に冷却することで多孔質多結晶シリコン層４に水
分を吸着させる。続いて、上記通電用電極と台座４１と
の間に上記通電用電極を正極とし出力電圧を調節可能な
電圧源Ｖａから直流電圧を所定の条件で印加する通電処
理により起こる電気化学的反応によって多孔質多結晶シ
リコン層４を酸化することで強電界ドリフト層６を形成
させる。なお、図５に示すようにガラス基板１１の一表
面側に導電層１２を形成した基板を用いる場合には上記
通電用電極と導電層１２との間に直流電圧を印加するよ
うにすればよい。

【００３２】ここに通電処理の条件としては、電圧源Ｖ
ａと表面電極７との間に挿入した電流計Ｉａによる測定
電流が数十ｍＡ／ｃｍ²〜数百ｍＡ／ｃｍ²程度の範囲内
で適宜設定した値になるように電圧源Ｖａの出力電圧を
調節すればよい。また、通電処理時間は例えば数分〜数
十分の範囲内で適宜設定すればよい。

【００３３】また、主酸化処理過程においては反応室４
０内を真空（例えば、２．７×１０ ^-3Ｐａ〜４×１０^-3
Ｐａ）とした雰囲気で水分を吸着させることにより、強
電界ドリフト層６中のシリコン酸化膜６２，６４（図８
参照）の膜質が向上し、絶縁耐圧が向上する。なお、本
実施形態では、反応室４０内を真空とした雰囲気で水分
を吸着させているが、反応室４０内を大気圧とした空気
の雰囲気で水分を吸着させるようにすれば、多孔質多結
晶シリコン層４への水分の吸着量を多くすることがで
き、水分を吸着させるために要する時間が短くなるか
ら、主酸化処理過程のスループットを向上させることが
でき、また、主酸化処理過程に真空装置が不要となるか
ら、主酸化処理過程に利用する装置の簡易化および低コ
スト化を図れ、結果的に電界放射型電子源１０の低コス
ト化を図ることができる。また、本実施形態では、多孔
質多結晶シリコン層４に水分を吸着させるにあたって、
多孔質多結晶シリコン層４を冷媒４３により冷却してい
るので、多孔質多結晶シリコン層４への水分の吸着量を
調節することができるとともに、多孔質多結晶シリコン
層４における水分の吸着量の面内ばらつきを少なくする
ことが可能になるが、反応室４０の雰囲気中の水蒸気が
多孔質多結晶シリコン層４に凝結されるように雰囲気の
温度と湿度との少なくとも一方を制御しても同様の効果
が得られる。

【００３４】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上に金薄膜よりなる表面電極７を例えば
蒸着により形成することによって、図１（ｄ）に示す構
造の電界放射型電子源１０が得られる。ここに、本実施
形態では、表面電極７の膜厚を１０ｎｍとしたが、この
膜厚は特に限定するものではない。また、本実施形態で
は、表面電極７を蒸着により形成しているが、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
スパッタ法により形成してもよい。

【００３５】しかして、上述の製造方法によれば、多結
晶シリコン層３をＬＰＣＶＤやプラズマＣＶＤ法などの
低温プロセスで成膜し、多孔質多結晶シリコン層４の酸
化を上述の主酸化処理過程により行っており、かつ、表
面電極７を蒸着法、スパッタ法などにより成膜している
ので、６００℃以下の低温プロセスで電界放射型電子源
１０を製造することができる。すなわち、本実施形態で
は、多孔質多結晶シリコン層４を急速加熱法により酸化
して強電界ドリフト層６’を形成する場合に比べてプロ
セス温度が低温になって、導電性基板の材料の制約が少
なくなり、大面積化および低コスト化が可能な電界放射
型電子源１０を提供することができる。したがって、ガ
ラス基板１１として、石英ガラス基板に比べて安価な無
アルカリガラス基板を用いることができて、低コスト化
が図れるとともに、より一層の大面積化を図ることがで
き、さらに上記多結晶シリコン層３の形成温度によって
は低アルカリガラス基板、ソーダライムガラス基板など
の無アルカリガラス基板に比べて耐熱温度の低いガラス
基板を用いることも可能になる。

【００３６】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
７に示した電界放射型電子源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。

【００３７】なお、強電界ドリフト層６は、従来例で説
明した図８のように、少なくとも、ｎ形シリコン基板１
の主表面側に形成された柱状の多結晶シリコンのグレイ
ン６１と、グレイン６１の表面に形成された薄いシリコ
ン酸化膜６２と、グレイン６１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６
３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６１の表面が多孔質化し各グレ
イン６１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
界により加速されグレイン６１間を表面に向かって図８
中の矢印Ａの向きへ（図８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。

【００３８】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源の構成および製造方法は実施形態１と略同じであっ
て、実施形態１で述べた陽極酸化処理が終了した後、上
述の陽極酸化処理槽から電解液を除去し、該陽極酸化処
理槽に新たに電解質溶液として略１０％の希硫酸を投入
し、その後、この希硫酸の入った陽極酸化処理槽を利用
して、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、定電流を流し多
孔質多結晶シリコン層４を酸化する主酸化処理過程を行
った後、水蒸気を含む雰囲気中で多孔質多結晶シリコン
層４に水分を吸着させ、水分が吸着した多孔質多結晶シ
リコン層４に通電することによりた多孔質多結晶シリコ
ン層４を酸化する補助酸化処理過程を行う。なお、本実
施形態における補助酸化処理過程は、実施形態１で説明
した主酸化処理過程と同様である。

【００３９】ここにおいて、多孔質多結晶シリコン層４
を希硫酸により酸化する際には、ホールをｈ⁺、電子を
ｅ^-とすると、以下の反応が起こっていると考えられ
る。負極側：Ｈ₂ＳＯ₄＋２Ｈ⁺→ＳＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｈ⁺ 正極側：２ｈ⁺＋Ｓｉ＋２Ｈ₂Ｏ→ＳｉＯ₂＋４Ｈ⁺＋２ｅ^- 主酸化処理過程では、上記反応が起こることによって図
６（ａ）に示す模式図のように電解質溶液（希硫酸）８
０中で多孔質多結晶シリコン層４の多結晶シリコンのグ
レイン６１の表面に薄いシリコン酸化膜６２が形成され
る。電解質溶液８０を利用した電気化学的な酸化では低
温（１００℃以下）にてグレイン６１の表面を比較的短
い時間で酸化することができる。そこで、電解質溶液８
０を利用した電気化学的な酸化のみにより強電界ドリフ
ト層を形成した電界放射型電子源も考えられるが、この
ような電界放射型電子源では十分な絶縁耐圧が得られな
い。これは、電解質溶液８０を利用した電気化学的な酸
化では図６（ａ）に示すようにシリコン酸化膜６２が多
孔質多結晶シリコン層４の表面側（図６（ａ）における
上側）の部分には形成されやすいが、電解質溶液８０の
表面張力により電解質溶液８０が多孔質多結晶シリコン
層４の内部まで十分に浸透せずに多孔質多結晶シリコン
層４の内部で電気化学的反応が起こらないためであると
考えられる。したがって、多孔質多結晶シリコン層４の
内部では、シリコン酸化膜６２が形成されなかったり、
表面側に比べて膜厚が薄くなったりし、シリコン酸化膜
６２の膜厚が深さ方向で不均一になるものと考えられ
る。これに対して、本実施形態では、主酸化処理過程の
後に、補助酸化処理過程を行っているが、補助酸化処理
過程では、図６（ｂ）に示すように、水分子７１が多孔
質多結晶シリコン層４の内部にも吸着し（つまり、グレ
イン６１の表面やシリコン酸化膜６２の表面に吸着
し）、実施形態１で説明した通電処理によりシリコン酸
化膜６２が形成されていない内部において優先的に電気
化学的反応が起こり深さ方向におけるシリコン酸化膜６
２の膜厚の均一性が向上して絶縁耐圧が向上するものと
考えられる。

【００４０】しかして、本実施形態においても、多孔質
半導体層たる多孔質多結晶シリコン層４を急速加熱法に
より酸化して強電界ドリフト層６’を形成する場合に比
べてプロセス温度を低温化することができて、導電性基
板の材料の制約が少なくなり、大面積化および低コスト
化が可能な電界放射型電子源を提供することができる。
なお、本実施形態では、電解質溶液中で電気化学的に酸
化する主酸化処理過程の後に補助酸化処理過程を行って
いるが、補助酸化処理過程は主酸化処理過程の以前と以
後との少なくとも一方に行えばよい。

【００４１】

【発明の効果】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、上記多孔質半導体層の酸化にあたっては、水蒸気を
含む雰囲気中で上記多孔質半導体層に水分を吸着させ、
水分が吸着した多孔質半導体層に通電することにより上
記多孔質半導体層を酸化する主酸化処理過程を備えるの
で、多孔質半導体層を急速加熱法により酸化して強電界
ドリフト層を形成する場合に比べてプロセス温度を低温
化することができて、導電性基板の材料の制約が少なく
なり、大面積化および低コスト化が可能な電界放射型電
子源を提供することができるという効果がある。

【００４２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記多孔質半導体層に水分を吸着させるにあたっ
て、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に凝結され
るように雰囲気の温度と湿度との少なくとも一方を制御
するので、上記多孔質半導体層への水分の吸着量を調節
することが可能になるとともに、上記多孔質半導体層に
おける水分の吸着量の面内ばらつきを少なくすることが
可能になるという効果がある。

【００４３】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記多孔質半導体層に水分を吸着させるにあたっ
て、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に凝結され
るように上記多孔質半導体層を冷却するので、上記多孔
質半導体層への水分の吸着量を調節することが可能にな
るとともに、上記多孔質半導体層における水分の吸着量
の面内ばらつきを少なくすることが可能になるという効
果がある。

【００４４】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、上記水分を真空の雰囲気中で吸着させるので、強電
界ドリフト層中の酸化膜の膜質が向上し、絶縁耐圧が向
上するという効果がある。

【００４５】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、上記水分を大気圧の雰囲気中で吸着させるので、請
求項４の発明に比べて、上記多孔質半導体層への水分の
吸着量を多くすることができ、水分を吸着させるために
要する時間が短くなるから、主酸化処理過程のスループ
ットを向上させることができ、また、主酸化処理過程に
真空装置が不要となるから、主酸化処理過程に利用する
装置の簡易化および低コスト化を図れ、結果的に電界放
射型電子源の低コスト化を図ることができるという効果
がある。

【００４６】請求項６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、上記多孔質半導体層の酸化
にあたっては、電解質溶液中で電気化学的に酸化する主
酸化処理過程と、主酸化処理過程の以前と以後との少な
くとも一方において水蒸気を含む雰囲気中で水分を吸着
させた後に通電することにより酸化する補助酸化処理過
程とを備えるので、多孔質半導体層を急速加熱法により
酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に比べてプロ
セス温度を低温化することができて、導電性基板の材料
の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が可能
な電界放射型電子源を提供することができるという効果
があり、また、電解質溶液中で電気化学的に酸化する主
酸化処理過程の以前と以後との少なくとも一方に、水蒸
気を含む雰囲気中で水分を吸着させた後に通電すること
により酸化する補助酸化処理過程を備えているから、強
電界ドリフト層中に形成される酸化膜の膜厚の均一性を
高めることができ、絶縁耐圧が向上するという効果があ
る。

【００４７】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記補助酸化処理過程は、主酸化処理過程の以後に
行うので、強電界ドリフト層中に形成される酸化膜の膜
厚の深さ方向における均一性を高めることができるとい
う効果がある。

【００４８】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７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、多孔質半導体層を急速加熱法により
酸化して強電界ドリフト層を形成する場合に比べてプロ
セス温度が低温になって、導電性基板の材料の制約が少
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。

【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】同上の製造方法における酸化工程の説明図であ
る。

【図３】同上の電界放射型電子源の概略断面図である。

【図４】同上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５】同上の他の構成例の概略断面図である。

【図６】実施形態２の製造方法における酸化工程での酸
化の様子を模式的に説明する説明図である。

【図７】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８】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。

【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 (72)発明者渡部祥文大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者幡井崇大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 5F058 BB04 BC02 BF63 BF69 BF80 BJ01

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、上記多孔質半導体層の酸化にあたっては、水
蒸気を含む雰囲気中で上記多孔質半導体層に水分を吸着
させ、水分が吸着した多孔質半導体層に通電することに
より上記多孔質半導体層を酸化する主酸化処理過程を備
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２】上記多孔質半導体層に水分を吸着させる
にあたって、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に
凝結されるように雰囲気の温度と湿度との少なくとも一
方を制御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】上記多孔質半導体層に水分を吸着させる
にあたって、雰囲気中の水蒸気が上記多孔質半導体層に
凝結されるように上記多孔質半導体層を冷却することを
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４】上記水分を真空の雰囲気中で吸着させる
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５】上記水分を大気圧の雰囲気中で吸着させ
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６】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、上記多孔質半導体層の酸化にあたっては、電
解質溶液中で電気化学的に酸化する主酸化処理過程と、
主酸化処理過程の以前と以後との少なくとも一方におい
て水蒸気を含む雰囲気中で水分を吸着させた後に通電す
ることにより酸化する補助酸化処理過程とを備えること
を特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
【請求項７】上記補助酸化処理過程は、主酸化処理過
程の以後に行うことを特徴とする請求項６記載の電界放
射型電子源の製造方法。
【請求項８】請求項１ないし請求項７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。