JP2002298728A - 電界放射型電子源およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エミッション電流が大きくて電子放出効率が高
く、放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射
型電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】導電性基板としてガラス基板からなる絶縁
性基板１１の一表面上に導電体層１２を設けたもの用い
る。絶縁性基板１１の一表面側に電子のドリフトする強
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が形成される。強電界ドリフト層６は、ナノ
メータオーダの結晶粒径の分布が規定範囲に制限されて
いるシリコン微結晶６３とシリコン微結晶６３よりもバ
ンドギャップが大きいバリア用原子たる酸素原子８１と
で構成される多数のクラスタ６０からなり、隣り合うシ
リコン微結晶６３間に酸素原子８１が介在する形で連続
的に繋がって形成されていると考えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、導電性基板の一表面側に酸化
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
ト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成し
た電界放射型電子源が提案されている（例えば、特開平
８−２５０７６６号公報、特開平９−２５９７９５号公
報、特開平１０−３２６５５７号公報、特許第２９６６
８４２号、特許第２９８７１４０号など参照）。なお、
導電性基板としては、例えば、抵抗率が導体の導電率に
比較的近い半導体基板、金属基板、ガラス基板（絶縁性
基板）の一表面に導電性層を形成したものなどが用いら
れている。

【０００３】ところで、上述の強電界ドリフト層は、例
えば半導体単結晶や半導体多結晶を陽極酸化処理にて多
孔質化した後、酸化若しくは窒化することにより形成さ
れており、結晶粒径がナノメータオーダの多数の半導体
微結晶と半導体微結晶の表面に形成され半導体微結晶の
結晶粒径よりも小さい膜厚の絶縁膜とを少なくとも含む
と考えられる。

【０００４】この種の電界放射型電子源は、例えば、図
９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。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、図９に示す例では、ｎ形シリコ
ン基板１と強電界ドリフト層６’との間に例えばノンド
ープの多結晶シリコンからなる半導体層３を介在させて
あるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１
の主表面上に強電界ドリフト層６’を形成した構成も提
案されている。

【０００５】図９に示す構成の電界放射型電子源１０’
から電子を放出させるには、図１０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
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１０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（例えば、金）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。

【０００６】ここにおいて、強電界ドリフト層６’に印
加された電界の大部分は上記絶縁膜を集中的に通り、注
入された電子は上記絶縁膜を通る強電界により加速され
ｎ形シリコン基板１の主表面の法線方向（図１０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。

【０００７】上述の構成を有する電界放射型電子源１
０’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エミッション電流
（放出電子電流）Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１０参
照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉ
ｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉps）が大きいほど電子放出効率が
高くなる。

【０００８】なお、強電界ドリフト層６’が多結晶シリ
コンを陽極酸化処理により多孔質化した後に酸化するこ
とにより形成された電界放射型電子源１０’では、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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、陽極酸
化処理により半導体微結晶を形成したものでは、強電界
ドリフト層中の半導体微結晶のサイズや配列、半導体微
結晶の充填率などの制御が難しく、図１１に示すように
強電界ドリフト層６’中の半導体微結晶たるシリコン微
結晶６３の結晶粒径（サイズ）がばらついている場合、
シリコン微結晶６３の結晶粒径のばらつきに起因した配
列の乱れによる電子の散乱や散乱確率の増大によって、
強電界ドリフト層６’内での電子のエネルギ損失が増え
て電子のエネルギが低減され、十分なエミッション電流
および十分な電子放出効率が得られない、温度が上昇し
やすくなるなどの不具合があった。ただし、特許第２９
６６８４２号、特許第２９８７１４０号に記載の電界放
射型電子源では強電界ドリフト層中に多結晶シリコンの
グレインを有しており、多結晶シリコンのグレインを通
して熱が放熱されることで温度上昇が抑制されていると
考えられる。

【００１０】また、上述の電界放射型電子源では放出さ
れる電子のエネルギ分布の広がりが例えば図１２に示す
ように比較的大きいので、電子線描画装置、電子顕微
鏡、電子線回折装置のように電子線を用いた分析装置な
どへ応用するのが難しいという不具合があった。ここ
に、図１２は、上述の強電界ドリフト層６’が多結晶シ
リコンを陽極酸化処理により多孔質化した後に酸化する
ことにより形成された電界放射型電子源１０’から放射
される電子のエネルギＮ（Ｅ）のエネルギ分布を示し、
同図においてイは直流電圧Ｖpsを１２Ｖとした場合、ロ
は直流電圧Ｖpsを１４Ｖとした場合、ハは直流電圧Ｖps
を１６Ｖとした場合の測定結果である。図１２に示した
各エネルギ分布では、エネルギの平均値をＥ、反値幅
（ＦＷＨＭ）をΔＥとするとき、ΔＥ／Ｅが０．６〜
０．７という比較的大きな値になっている。

【００１１】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、エミッション電流が大きくて電子放
出効率が高く、放出電子のエネルギ分布の広がりが小さ
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。

【００１２】

【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、強電界ドリフト層は、ナノメータオーダの結
晶粒径の分布が規定範囲に制限されている半導体微結晶
と半導体微結晶よりもバンドギャップが大きいバリア用
原子とで構成される多数のクラスタからなり、隣り合う
半導体微結晶間にバリア用原子が介在する形で連続的に
繋がって形成されてなることを特徴とするものであり、
半導体微結晶のサイズとしての結晶粒径を量子効果が起
こる程度に小さくすることにより、従来のように強電界
ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されている場
合に比べて、エミッション電流を大きくできるとともに
電子放出効率を高めることができ、さらに、放出電子エ
ネルギ分布の広がりを小さくすることができる。

【００１３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記半導体微結晶がシリコン微結晶なので、半導体
微結晶を形成するための材料として一般的に広く用いら
れている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コス
ト化を図ることが可能になる。

【００１４】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、前記半導体微結晶の結晶粒径が１０
ｎｍを超えないので、前記半導体微結晶がシリコン微結
晶であっても量子サイズ効果が起こる。

【００１５】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、前記バリア用原子が、酸素原子と窒
素原子との少なくとも一方からなるので、前記半導体微
結晶がシリコン微結晶であっても確実にポテンシャルバ
リアを形成することができる。

【００１６】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、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超え
ないので、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、
電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必
要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上
や省エネルギ化を図れる。

【００１７】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超え
ないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上で
き、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲
に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される
電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの
分析装置への応用が可能となる。

【００１８】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超
えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上で
き、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲
に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される
電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの
分析装置への応用が可能となり、請求項６の発明に比べ
て電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置など
の分析装置などの分解能を高めることができるととも
に、高分解能であることを必要とする新規な装置への応
用が可能となる。

【００１９】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、前記強電界ドリフト層
を形成するにあたっては、ナノメータオーダの半導体微
結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビーム
を前記導電性基板の一表面側に照射することによって多
数の半導体微結晶からなる層状の微結晶層を形成した後
に、酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行
うことを特徴とし、半導体クラスタのサイズを上記規定
範囲に制限することによって強電界ドリフト層内の半導
体微結晶のサイズを規定範囲に制限することが可能にな
って、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子と
の少なくとも一方がバリア用原子として介在した構造の
強電界ドリフト層を形成することができ、従来のように
強電界ドリフト層が陽極酸化処理を利用して形成されて
いる電界放射型電子源に比べて、エミッション電流が大
きくて電子放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布
の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することが可
能となる。

【００２０】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、ナノメータオーダの半
導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタ
ビームを酸化種と窒化種との少なくとも一方を含む雰囲
気中で前記導電性基板の一表面側に照射することによっ
て前記強電界ドリフト層を形成することを特徴とし、半
導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方
がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリフト層
を形成することができ、従来のように強電界ドリフト層
が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放射型電
子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子放出効
率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな
電界放射型電子源を提供することが可能となる。また、
請求項８の発明のようにクラスタビームを照射した後に
酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うプ
ロセスを採用する場合に比べて工程数を削減できるとと
もに、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子と
の少なくとも一方をより確実に介在させることができ
る。なお、酸化種としては、原子状酸素、酸素分子、オ
ゾン、酸素ラジカル、酸素イオンなどがあり、窒化種と
しては、原子状窒素、窒素分子、窒素ラジカル、窒素イ
オンなどがある。

【００２１】請求項１０の発明は、請求項８または請求
項９の発明において、前記クラスタビームは、前記半導
体クラスタのサイズの分布が規定範囲に制限されている
ので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズ
のばらつきを小さくすることができる。

【００２２】請求項１１の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、前記半導体クラスタは、シリコ
ン原子の集合体からなるので、前記半導体クラスタを形
成するための原料として一般的に広く用いられている半
導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図る
ことが可能になる。

【００２３】請求項１２の発明は、請求項８ないし請求
項１１の発明において、前記クラスタビームは、半導体
クラスタのサイズが１０ｎｍを超えないので、前記強電
界ドリフト層内の半導体微結晶の結晶粒径を１０ｎｍ以
下にすることができ、半導体微結晶がシリコン微結晶で
あっても量子サイズ効果が起こる。

【００２４】請求項１３の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないので、前記強電
界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、
サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、Δ
Ｎ／Ｎが０．５を超えないように前記強電界ドリフト層
を形成可能となり、ディスプレイなどへの用途をはじめ
として、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション
電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝
度の向上や省エネルギ化を図れる電界放射型電子源を提
供できる。

【００２５】請求項１４の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないので、前記強電
界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値を
Ｎ’、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとすると
き、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないように前記強電界ドリ
フト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を
大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の
狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出すること
が要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回
折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放
射型電子源を提供できる。

【００２６】請求項１５の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないので、前記強
電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値を
Ｎ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとすると
き、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないように前記強電界ド
リフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率
を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度
の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出するこ
とが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線
回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界
放射型電子源を提供でき、請求項１４の発明に比べて応
用する装置の分解能をより高めることができる。

【００２７】請求項１６の発明は、請求項８ないし請求
項１５の発明において、前記クラスタビームは、希ガス
雰囲気中で前記半導体微結晶の材料となるターゲットに
レーザ光を照射して蒸発させることによって発生した衝
撃波を反射させることで発生した反衝撃波を利用してタ
ーゲットからの蒸発ガスを一時的に滞留させて半導体ク
ラスタを生成するクラスタビーム銃から出射されるの
で、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記
半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔ
Ｎ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないよ
うなクラスタビームを容易に生成することができる。

【００２８】

【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３
（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
電性基板としてガラス基板からなる絶縁性基板１１の一
表面上に導電性層（例えば、クロム膜などの金属膜やＩ
ＴＯ膜など）１２を設けたものを用いている。このよう
に絶縁性基板１１の一表面側に導電性層１２を形成した
基板を用いる場合には、導電性基板として半導体基板を
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。

【００２９】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２上に
ノンドープのシリコン層からなる半導体層３が形成さ
れ、半導体層３上に電子のドリフトする強電界ドリフト
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。表面電極７には仕事関数の小さな材
料（例えば、金）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。強電界ドリフト層６
の構造については後述する。

【００３０】図１（ａ）に示す構成の電界放射型電子源
１０から電子を放出させるには、図２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が導電性層１２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１２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に対して高電位側となるようにコレクタ電極２
１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１２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（図２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）。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。

【００３１】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
表面電極７と導電性層１２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エミッション電流（放出電子電流）
Ｉｅと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流
Ｉpsに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉ
ps）が大きいほど電子放出効率が高くなる。

【００３２】以下、製造方法について図３を参照しなが
ら説明する。

【００３３】まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッ
タ法などによって導電性層１２を形成して導電性基板を
構成した後、導電性基板上（つまり、導電性層１２上）
に半導体層３を形成することにより、図３（ａ）に示す
ような構造が得られる。なお、半導体層３の成膜方法と
しては、例えば、ＣＶＤ法（例えば、ＬＰＣＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣ
ＧＳ（Continuous Grain Silicon）法などを採用すれ
ばよい。

【００３４】半導体層３を形成した後、後述のクラスタ
ビーム堆積法（cluster beam deposition）によって
ナノメータオーダのシリコン微結晶を形成する半導体ク
ラスタたるシリコンクラスタからなるクラスタビームを
照射して半導体層３上に多数のシリコン微結晶からなる
層状の微結晶層４を形成することにより、図３（ｂ）に
示す構造が得られる。ここにおいて、クラスタビームと
しては、シリコンクラスタのサイズ（ここではシリコン
クラスタの原子数によって決まるシリコンクラスタの
径）の分布が規定範囲に制限されたクラスタビーム（つ
まり、シリコンクラスタを構成するシリコン原子の数の
分布が規定範囲に制限されたクラスタビーム）を照射す
る。なお、クラスタビームのクラスタは中性のクラスタ
でもイオン化されたクラスタでもよい。

【００３５】上述の微結晶層４を形成した後、酸化処理
にて微結晶層４を酸化して強電界ドリフト層６を形成す
ることにより、図３（ｃ）に示す構造が得られる。な
お、酸化処理としては、酸素やオゾンなどを含むガス中
で熱酸化する工程、酸素やオゾンを含むガスを用いたプ
ラズマにさらすことにより酸化する工程、酸素やオゾン
を含むガス中で紫外線を照射することにより酸化する工
程、液体中での化学反応を利用して酸化する工程（電気
化学的に酸化する工程）など種々の工程から適宜選択す
ればよい。

【００３６】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３（ｄ）に示す構
造の電界放射型電子源１０が得られる。なお、表面電極
７の形成方法は蒸着法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。

【００３７】図４に上記微結晶層４を形成する際にクラ
スタビーム堆積法で用いるクラスタビーム銃の一例を示
す。シリコンクラスタの材料としてはシリコンからなる
ターゲット７１を用いる。ターゲット７１を保持したホ
ルダ７２はチャンバ７０内に収納される。ターゲット７
１には、図示しないレーザ光源（例えば、ＹＡＧレー
ザ）からのレーザ光がレンズ７４およびミラー７５を介
して間欠的に照射される。チャンバ７０には内部を真空
に排気するための排気口（図示せず）と、希ガス（例え
ば、Ｈｅガス）を導入するガス導入口７３とが設けられ
ている。なお、クラスタ生成室７６は液体窒素を利用し
て冷却されている。ガス導入口７３には希ガスの流量を
調整する流量調整手段（図示せず）が設けられている。

【００３８】このクラスタビーム銃では、チャンバ７０
内にガス導入口７３から希ガスを導入してから上記レー
ザ光をターゲット７１に照射して蒸発させることによっ
てクラスタ生成室７６内に衝撃波が発生し衝撃波が反射
板７７にて反射されることで反衝撃波が発生する。これ
により、クラスタ生成室７６内では蒸発ガスと希ガスと
の境界と反衝撃波とが干渉して滞留し上記境界近傍で蒸
発ガスと希ガスとの混合領域が形成され、蒸発ガスが急
激に冷却されて比較的サイズの揃ったシリコンクラスタ
が生成されると考えられる。要するに、クラスタは反衝
撃波と蒸発ガスとが混合される領域で生成されると考え
られる。クラスタ生成室７６で発生したシリコンクラス
タは反射板７７に形成された小孔７７ａを通して出射さ
れスキマー７８を通して半導体層３上に堆積される。こ
こに、半導体層３の表面側に到達したシリコンクラスタ
はクラスタ状態を保ったままシリコン微結晶を形成する
と考えられる。したがって、半導体層３上に形成される
層状の微結晶層４は、シリコン微結晶の結晶粒径の分布
が上記規定範囲に制限されていると考えられる。なお、
図４中のＡは半導体層３が形成された導電性基板を示
す。

【００３９】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。すなわち、強電界ドリフト層６は、図１（ｂ）
に示すように、ナノメータオーダの結晶粒径の分布が規
定範囲に制限されているシリコン微結晶６３とシリコン
微結晶６３よりもバンドギャップが大きいバリア用原子
たる酸素原子８１とで構成される多数のクラスタ６０か
らなり、隣り合うシリコン微結晶６３間に酸素原子８１
が介在する形で連続的に繋がって形成されていると考え
られる（なお、図１（ｂ）には隣り合うシリコン微結晶
６３間に１個の酸素原子８１を介在させた形で表してあ
るが、隣り合う酸素原子８１の数は１個に限定するもの
ではない）。したがって、シリコン微結晶６３のサイズ
としての結晶粒径を量子効果が起こる程度に小さくする
ことにより、図５に示すようにバンドギャップの大きな
酸素原子８１のポテンシャルバリアＢ，Ｂによって挟ま
れたシリコン微結晶６３内には当該シリコン微結晶６３
のサイズで決まる量子化されたエネルギ準位である共鳴
準位Ｅ１，Ｅ２が生じ、表面電極７と導電性層１２との
間に直流電圧Ｖpsを印加する（つまり、電界を印加す
る）と、導電性層１２から半導体層３を通って強電界ド
リフト層６へ電子ｅ^-が注入され共鳴準位Ｅ１，Ｅ２と
上記クラスタ６０への電子ｅ^-の入射エネルギとが一致
した場合に電子ｅ^-の透過確率が大きくなってトンネル
効果で電子ｅ^-が通り抜け、共鳴準位に一致するエネル
ギの電子ｅ^-のみがシリコン微結晶６３を通り抜ける共
鳴トンネリングが起こる。つまり、共鳴トンネリングが
起こることにより、ある特定のエネルギの電子のみがシ
リコン微結晶６３を通り抜け、最終的にエネルギの揃っ
た電子が表面電極７の表面から放出されることになる。

【００４０】したがって、シリコン微結晶６３の結晶粒
径の分布を規定範囲に制限することによって表面電極７
を通して放出される放出電子のエネルギ分布を小さくす
ることができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸
化処理を利用して形成され半導体微結晶の結晶粒径がば
らついている場合に比べて、強電界ドリフト層６中での
散乱確率を低減でき、エミッション電流を大きくできる
とともに電子放出効率を高めることができる。また、単
一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエ
ネルギの電子を放出することが可能になり、電子線描画
装置、電子顕微鏡、電子線回折装置のように電子線を用
いた分析装置などへの応用が可能となる。

【００４１】なお、強電界ドリフト層６に注入された電
子がシリコン微結晶６３で散乱されることなく強電界ド
リフト層６の表面に到達するためには、シリコン微結晶
６３の結晶粒径を単結晶シリコン中の電子の平均自由行
程である約５０ｎｍよりも小さくする必要があり、シリ
コンで量子サイズ効果を実現するためには１０ｎｍを超
えないようにし、好ましくは５ｎｍよりも小さいものが
よい。

【００４２】また、上述のクラスタビーム銃から出射さ
れるシリコンクラスタのサイズ（原子数）は希ガスの流
量やチャンバ７０内の圧力などを適宜調整することによ
り制御できると考えられ、シリコンクラスタのサイズ
（原子数）の平均値をＮ’、シリコンクラスタのサイズ
の分布曲線における半値幅をΔＮ’とし、シリコン微結
晶６３のサイズ（原子数）の平均値をＮ、シリコン微結
晶６３のサイズの分布曲線における半値幅をΔＮとする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないようなクラスタ
ビームを利用して強電界ドリフト層６を形成することに
より、ΔＮ／Ｎが０．５を超えないようにすることがで
き（つまり、ΔＮ／Ｎを０．５以下にでき）、ディスプ
レイなどへの用途をはじめとして、電子放出効率が高く
比較的大きなエミッション電流を必要とする用途に用い
た場合に、従来に比べて輝度の向上や省エネルギ化を図
れる電界放射型電子源１０を提供できる。また、ΔＮ’
／Ｎ’が０．１を超えないようなクラスタビームを利用
して強電界ドリフト層６を形成することにより、ΔＮ／
Ｎが０．１を超えないようにすることができ従来に比べ
て電子放出効率を大幅に向上でき、しかも単一の波長で
代表できる程度の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電
子を放出することが要求される電子線描画装置、電子顕
微鏡や電子線回折装置などの分析装置などへの応用が可
能となる。また、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないよ
うなクラスタビームを利用して強電界ドリフト層６を形
成することにより、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないよう
にすることができ電子線描画装置、電子顕微鏡や電子線
回折装置などの分析装置などの分解能をより向上でき
る。ここに、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないようにすれ
ば、従来例で説明したΔＥ／Ｅを０．０１以下にできる
から、電子線描画装置、電子顕微鏡や電子線回折装置な
どの高分解能が要求される装置の分解能を向上でき、Δ
Ｅ／Ｅとして０．０１以下が要求されるような新規な分
析装置へも応用も可能となる。なお、上述したようにＥ
は電界放射型電子源１０から放出される電子のエネルギ
分布における平均値、ΔＥは半値幅である。

【００４３】ところで、本実施形態では、上述の層状の
微結晶層４に酸化処理を施すことにより強電界ドリフト
層６を形成しているが、窒化処理を施すことにより強電
界ドリフト層６を形成してもよく、この場合には上述の
バリア用原子が窒素原子になる。また、酸窒化処理を施
すことにより強電界ドリフト層６を形成してもよく、こ
の場合には上述のバリア用原子が酸素原子および窒素原
子になる。上記酸素原子８１および窒素原子はシリコン
微結晶６３に対して確実にポテンシャルバリアＢを形成
できる。なお、本実施形態では、半導体微結晶としてシ
リコン微結晶を採用しているが、シリコン微結晶以外の
半導体微結晶でもよい。ただし、本実施形態では、シリ
コン微結晶を採用していることで、一般的な半導体材料
であるシリコンを上記ターゲットと７１して用いること
ができ、低コスト化を図れる。

【００４４】（実施形態２）本実施形態の基本構成およ
び基本動作は実施形態１と略同じであって、実施形態１
とは製造方法が相違する。以下、製造方法について図６
を参照しながら説明する。なお、実施形態１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。

【００４５】まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッ
タ法などによって導電性層１２を形成して導電性基板を
構成した後、導電性基板上（つまり、導電性層１２上）
に半導体層３を形成することにより、図６（ａ）に示す
ような構造が得られる。

【００４６】半導体層３を形成した後、実施形態１で説
明したクラスタビーム銃で生成したナノメータオーダの
シリコンクラスタからなるクラスタビームを照射する際
に、半導体層３が形成されている導電性基板Ａの収納さ
れている空間にあらかじめ酸素ガスを導入しておくこと
により、半導体層３上に強電界ドリフト層６が形成され
て図６（ｂ）に示す構造が得られる。

【００４７】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６（ｃ）に示す構
造の電界放射型電子源１０が得られる。

【００４８】本実施形態における強電界ドリフト層６は
次のようなモデルで形成されると考えられる。すなわ
ち、導電性基板の収納されている空間は酸素ガス雰囲気
となっているから、クラスタビームが照射されることに
より上記空間には図７に示すようにシリコン微結晶６３
を形成するシリコンクラスタ６３ａ、酸素分子８０、酸
素原子８１などが混在し、半導体層３の表面側には、シ
リコン微結晶６３とシリコン微結晶６３の表面に結合さ
れた酸素原子８１とからなる多数のクラスタ６０（図１
（ｂ）参照）が配列されていくと考えられる。したがっ
て、本実施形態の電界放射型電子源１０でも実施形態１
と同様のモデルで電子放出が起こると考えられる。

【００４９】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
実施形態１と同様、シリコン微結晶６３の結晶粒径の分
布を規定範囲に制限することによって表面電極７を通し
て放出される放出電子のエネルギ分布を小さくすること
ができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化処理
を利用して形成され半導体微結晶の結晶粒径がばらつい
ている場合に比べて、強電界ドリフト層６中での散乱確
率を低減でき、エミッション電流を大きくできるととも
に電子放出効率を高めることができる。

【００５０】なお、本実施形態では、導電性基板の収納
されている空間を酸素ガス雰囲気としているが、酸化種
雰囲気であればよく、酸化種は酸素分子に限らず、原子
状酸素、オゾン、酸素イオン、酸素ラジカルなどでもよ
い。また、上記空間を窒化種雰囲気として実施形態１で
説明したバリア用原子を窒素原子としてもよい。なお、
窒化種としては、窒素分子、原子状窒素、窒素イオン、
窒素ラジカルなどがある。また、上記空間を酸化種と窒
化種との両方の雰囲気としてもよく、この場合にはバリ
ア用原子が酸素原子および窒素原子となる。

【００５１】ところで、上記各実施形態では、導電性基
板としてガラス基板からなる絶縁性基板１１の一表面に
導電性層１２を形成したものを用いているが、導電性基
板としては、クロムなどの金属基板を用いてもよいし、
半導体基板（例えば、抵抗率が導体の抵抗率に比較的近
いｎ形シリコン基板や、一表面側に導電性層としてｎ形
領域が形成されたｐ形シリコン基板など）などを用いて
もよい。絶縁性基板１１もガラス基板の他ににセラミッ
ク基板などを用いることができる。

【００５２】例えば、導電性基板としてｎ形シリコン基
板１を用いた場合には、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の主表面上に半導体層３が
形成され、半導体層３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
る。なお、図８に示す例では、ｎ形シリコン基板１と強
電界ドリフト層６との間に半導体層３を介在させてある
が、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主
表面上に強電界ドリフト層６を形成してもよい。

【００５３】図８に示す構成の電界放射型電子源１０か
ら電子を放出させるには、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２
１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２
１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
８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）。

【００５４】また、上記各実施形態においては、表面電
極７の材料として金を採用しているが、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、白金などを用い
てもよい。

【００５５】また、表面電極７を厚み方向に積層された
少なくとも２層の薄膜層で構成してもよい。表面電極７
が２層の薄膜層で構成される場合には、上層の薄膜層の
材料としては、例えば金などを用いることができる。ま
た、下層の薄膜層（強電界ドリフト層６側の薄膜層）の
材料としては、例えば、クロム、ニッケル、白金、チタ
ン、イリジウムなどを用いることができる。

【００５６】

【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、強電界ドリフト層は、ナノメータ
オーダの結晶粒径の分布が規定範囲に制限されている半
導体微結晶と半導体微結晶よりもバンドギャップが大き
いバリア用原子とで構成される多数のクラスタからな
り、隣り合う半導体微結晶間にバリア用原子が介在する
形で連続的に繋がって形成されてなるものであり、半導
体微結晶のサイズとしての結晶粒径を量子効果が起こる
程度に小さくすることにより、従来のように強電界ドリ
フト層が陽極酸化処理を利用して形成されている場合に
比べて、エミッション電流を大きくできるとともに電子
放出効率を高めることができ、さらに、放出電子エネル
ギ分布の広がりを小さくすることができるという効果が
ある。

【００５７】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記半導体微結晶がシリコン微結晶なので、半導体
微結晶を形成するための材料として一般的に広く用いら
れている半導体材料であるシリコンを使用でき、低コス
ト化を図ることが可能になるという効果がある。

【００５８】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、前記半導体微結晶の結晶粒径が１０
ｎｍを超えないので、前記半導体微結晶がシリコン微結
晶であっても量子サイズ効果が起こるという効果があ
る。

【００５９】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、前記バリア用原子が、酸素原子と窒
素原子との少なくとも一方からなるので、前記半導体微
結晶がシリコン微結晶であっても確実にポテンシャルバ
リアを形成することができるという効果がある。

【００６０】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、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超え
ないので、ディスプレイなどへの用途をはじめとして、
電子放出効率が高く比較的大きなエミッション電流を必
要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝度の向上
や省エネルギ化を図れるという効果がある。

【００６１】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超え
ないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上で
き、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲
に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される
電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの
分析装置への応用が可能となるという効果がある。

【００６２】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
４の発明において、前記強電界ドリフト層中の前記半導
体微結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線にお
ける半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超
えないので、従来に比べて電子放出効率を大幅に向上で
き、また、単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲
に含まれるエネルギの電子を放出することが要求される
電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置などの
分析装置への応用が可能となり、請求項６の発明に比べ
て電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回折装置など
の分析装置などの分解能を高めることができるととも
に、高分解能であることを必要とする新規な装置への応
用が可能となるという効果がある。

【００６３】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、前記強電界ドリフト層
を形成するにあたっては、ナノメータオーダの半導体微
結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタビーム
を前記導電性基板の一表面側に照射することによって多
数の半導体微結晶からなる層状の微結晶層を形成した後
に、酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を行
うので、半導体クラスタのサイズを上記規定範囲に制限
することによって強電界ドリフト層内の半導体微結晶の
サイズを規定範囲に制限することが可能になって、隣り
合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素原子との少なくと
も一方がバリア用原子として介在した構造の強電界ドリ
フト層を形成することができ、従来のように強電界ドリ
フト層が陽極酸化処理を利用して形成されている電界放
射型電子源に比べて、エミッション電流が大きくて電子
放出効率が高く且つ放出電子のエネルギ分布の広がりが
小さな電界放射型電子源を提供することが可能となると
いう効果がある。

【００６４】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、ナノメータオーダの半
導体微結晶を形成する半導体クラスタからなるクラスタ
ビームを酸化種と窒化種との少なくとも一方を含む雰囲
気中で前記導電性基板の一表面側に照射することによっ
て前記強電界ドリフト層を形成するので、半導体微結晶
間に酸素原子と窒素原子との少なくとも一方がバリア用
原子として介在した構造の強電界ドリフト層を形成する
ことができ、従来のように強電界ドリフト層が陽極酸化
処理を利用して形成されている電界放射型電子源に比べ
て、エミッション電流が大きくて電子放出効率が高く且
つ放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型
電子源を提供することが可能となるという効果がある。
また、請求項８の発明のようにクラスタビームを照射し
た後に酸化処理若しくは窒化処理若しくは酸窒化処理を
行うプロセスを採用する場合に比べて工程数を削減でき
るとともに、隣り合う半導体微結晶間に酸素原子と窒素
原子との少なくとも一方をより確実に介在させることが
できるという効果がある。なお、酸化種としては、原子
状酸素、酸素分子、オゾン、酸素ラジカル、酸素イオン
などがあり、窒化種としては、原子状窒素、窒素分子、
窒素ラジカル、窒素イオンなどがある。

【００６５】請求項１０の発明は、請求項８または請求
項９の発明において、前記クラスタビームは、前記半導
体クラスタのサイズの分布が規定範囲に制限されている
ので、前記強電界ドリフト層内の半導体微結晶のサイズ
のばらつきを小さくすることができるという効果があ
る。

【００６６】請求項１１の発明は、請求項８ないし請求
項１０の発明において、前記半導体クラスタは、シリコ
ン原子の集合体からなるので、前記半導体クラスタを形
成するための原料として一般的に広く用いられている半
導体材料であるシリコンを使用でき、低コスト化を図る
ことが可能になるという効果がある。

【００６７】請求項１２の発明は、請求項８ないし請求
項１１の発明において、前記クラスタビームは、半導体
クラスタのサイズが１０ｎｍを超えないので、前記強電
界ドリフト層内の半導体微結晶の結晶粒径を１０ｎｍ以
下にすることができ、半導体微結晶がシリコン微結晶で
あっても量子サイズ効果が起こるという効果がある。

【００６８】請求項１３の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないので、前記強電
界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値をＮ、
サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとするとき、Δ
Ｎ／Ｎが０．５を超えないように前記強電界ドリフト層
を形成可能となり、ディスプレイなどへの用途をはじめ
として、電子放出効率が高く比較的大きなエミッション
電流を必要とする用途に用いた場合に、従来に比べて輝
度の向上や省エネルギ化を図れる電界放射型電子源を提
供できるという効果がある。

【００６９】請求項１４の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないので、前記強電
界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値を
Ｎ’、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとすると
き、ΔＮ／Ｎが０．１を超えないように前記強電界ドリ
フト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率を
大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度の
狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出すること
が要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線回
折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界放
射型電子源を提供できるという効果がある。

【００７０】請求項１５の発明は、請求項８ないし請求
項１２の発明において、前記クラスタビームは、前記半
導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラ
スタのサイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とする
とき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないので、前記強
電界ドリフト層中の半導体微結晶のサイズの平均値を
Ｎ、サイズの分布曲線における半値幅をΔＮとすると
き、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えないように前記強電界ド
リフト層を形成可能となり、従来に比べて電子放出効率
を大幅に向上でき、また、単一の波長で代表できる程度
の狭い波長範囲に含まれるエネルギの電子を放出するこ
とが要求される電子線描画装置、電子線顕微鏡や電子線
回折装置などの分析装置などへの応用が可能となる電界
放射型電子源を提供でき、請求項１４の発明に比べて応
用する装置の分解能をより高めることができるという効
果がある。

【００７１】請求項１６の発明は、請求項８ないし請求
項１５の発明において、前記クラスタビームは、希ガス
雰囲気中で前記半導体微結晶の材料となるターゲットに
レーザ光を照射して蒸発させることによって発生した衝
撃波を反射させることで発生した反衝撃波を利用してタ
ーゲットからの蒸発ガスを一時的に滞留させて半導体ク
ラスタを生成するクラスタビーム銃から出射されるの
で、前記半導体クラスタのサイズの平均値をＮ’、前記
半導体クラスタのサイズの分布曲線における半値幅をΔ
Ｎ’とするとき、ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないよ
うなクラスタビームを容易に生成することができるとい
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）は強電界ドリフト層の構造モデル図である。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。

【図４】同上の製造に用いる製造装置の概略構成図であ
る。

【図５】同上の電子放出原理の説明図である。

【図６】実施形態２の製造方法を説明するための主要工
程断面図である。

【図７】同上における強電界ドリフト層の形成モデル図
である。

【図８】本発明の他の構成例を示す概略断面図である。

【図９】従来例を示す概略断面図である。

【図１０】同上の動作説明図である。

【図１１】同上における強電界ドリフト層の構造モデル
図である。

【図１２】同上の放出電子のエネルギ分布の説明図であ
る。

【符号の説明】

３ 半導体層 ６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 １１ 絶縁性基板 １２ 導電性層 ６０ クラスタ ６３ シリコン微結晶 ８１ 酸素原子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 岩田 康嗣 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【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、強電界ドリフト層は、ナノメータオーダの結晶粒径
   の分布が規定範囲に制限されている半導体微結晶と半導
   体微結晶よりもバンドギャップが大きいバリア用原子と
   で構成される多数のクラスタからなり、隣り合う半導体
   微結晶間にバリア用原子が介在する形で連続的に繋がっ
   て形成されてなることを特徴とする電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記半導体微結晶がシリコン微結晶であ
   ることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
3. 【請求項３】 前記半導体微結晶の結晶粒径が１０ｎｍ
   を超えな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。
4. 【請求項４】 前記バリア用原子が、酸素原子と窒素原
   子との少なくとも一方からなることを特徴とする請求項
   １ないし請求項３のいずれかに記載の電界放射型電子
   源。
5. 【請求項５】 前記強電界ドリフト層中の前記半導体微
   結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における
   半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．５を超えない
   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。
6. 【請求項６】 前記強電界ドリフト層中の前記半導体微
   結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における
   半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．１を超えない
   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。
7. 【請求項７】 前記強電界ドリフト層中の前記半導体微
   結晶のサイズの平均値をＮ、サイズの分布曲線における
   半値幅をΔＮとするとき、ΔＮ／Ｎが０．０１を超えな
   い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。
8. 【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、前記強電界ドリフト層を形成するにあた
   っては、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成する半
   導体クラスタからなるクラスタビームを前記導電性基板
   の一表面側に照射することによって多数の半導体微結晶
   からなる層状の微結晶層を形成した後に、酸化処理若し
   くは窒化処理若しくは酸窒化処理を行うことを特徴とす
   る電界放射型電子源の製造方法。
9. 【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、ナノメータオーダの半導体微結晶を形成
   する半導体クラスタからなるクラスタビームを酸化種と
   窒化種との少なくとも一方を含む雰囲気中で前記導電性
   基板の一表面側に照射することによって前記強電界ドリ
   フト層を形成することを特徴とする電界放射型電子源の
   製造方法。
10. 【請求項１０】 前記クラスタビームは、前記半導体ク
    ラスタのサイズの分布が規定範囲に制限されていること
    を特徴とする請求項８または請求項９記載の電界放射型
    電子源の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記半導体クラスタは、シリコン原子
    の集合体からなることを特徴とする請求項８ないし請求
    項１０のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方
    法。
12. 【請求項１２】 前記クラスタビームは、前記半導体ク
    ラスタのサイズが１０ｎｍを超えないことを特徴とする
    請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の電界放射
    型電子源の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記クラスタビームは、前記半導体ク
    ラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタの
    サイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、
    ΔＮ’／Ｎ’が０．５を超えないことを特徴とする請求
    項８ないし請求項１２のいずれかに記載の電界放射型電
    子源の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記クラスタビームは、前記半導体ク
    ラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタの
    サイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、
    ΔＮ’／Ｎ’が０．１を超えないことを特徴とする請求
    項８ないし請求項１２のいずれかに記載の電界放射型電
    子源の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記クラスタビームは、前記半導体ク
    ラスタのサイズの平均値をＮ’、前記半導体クラスタの
    サイズの分布曲線における半値幅をΔＮ’とするとき、
    ΔＮ’／Ｎ’が０．０１を超えないことを特徴とする請
    求項８ないし請求項１２のいずれかに記載の電界放射型
    電子源の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記クラスタビームは、希ガス雰囲気
    中で前記半導体微結晶の材料となるターゲットにレーザ
    光を照射して蒸発させることによって発生した衝撃波を
    反射させることで発生した反衝撃波を利用してターゲッ
    トからの蒸発ガスを一時的に滞留させて半導体クラスタ
    を生成するクラスタビーム銃から出射されることを特徴
    とする請求項８ないし請求項１５のいずれかに記載の電
    界放射型電子源の製造方法。