JP2002352698A - 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】エミッション電流の大電流化および電子放出効
率の高効率化を図れるとともに、絶縁耐圧向上、長寿命
化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供す
る。 【解決手段】ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ド
リフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に表面電
極７が形成される。ｎ形シリコン基板１が下部電極を構
成する。強電界ドリフト部６は、Ｓｉ膜よりなる導電性
膜６ｂとＳｉＯ ₂膜よりなる絶縁性膜６ａとが交互に積
層される。各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａの各膜
厚は電子の平均自由行程と同等または電子の平均自由行
程以下に設定する。すなわち、各導電性膜６ｂおよび各
絶縁性膜６ａそれぞれの各膜厚は電子の弾道化が起こる
程度の膜厚に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
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。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】この種の電界放射型電子源は、例えば、図
７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７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。

【０００４】図７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
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）。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。

【０００５】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７参
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。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Ｖ
ps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。

【０００６】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。

【０００７】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）を急速熱酸化（Rapid Thermal Oxidatio
n：ＲＴＯ）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。

【０００８】上述のようにして形成された強電界ドリフ
ト層６”は、図８に示すように、少なくとも、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
形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１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の表面に形成され当該シリコン微結
晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜であるシリ
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、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シリコン酸化膜６４
を集中的に通り、注入された電子はシリコン酸化膜６４
を通る強電界により加速されグレイン５１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。ここにおいて、電界放射型電子源１０’
は、シリコン微結晶６３のサイズ（結晶粒径）およびシ
リコン酸化膜６４の膜厚それぞれを電子の平均自由行程
以下にすることで起こる電子の弾道化（いわゆる弾道型
電子放出現象）を利用している。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。

【０００９】上述の電界放射型電子源１０’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、図９に
示すように、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た電界放射型電
子源１０”も提案されている。ここに、上述の電界放射
型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００１０】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、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（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。） 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９参照）、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／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と導電性層１２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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、陽極酸
化処理を利用して強電界ドリフト層６”を形成した電界
放射型電子源１０’，１０”は、シリコン微結晶６３の
形状が球状であって、強電界ドリフト層６”中のシリコ
ン微結晶６３のサイズや配列、シリコン微結晶６３の充
填率などの制御が難しく、表面にシリコン酸化膜６２が
形成されたシリコン微結晶６３が連なった部分でのみ電
子の弾道化が起こると考えられ、表面にシリコン酸化膜
６２が形成されたシリコン微結晶６３が連なっていない
部分での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という不具合があった。

【００１２】また、陽極酸化処理がウェットプロセスで
あって多孔質化された領域の厚みの制御が難しく、多孔
質化された領域の厚みが面内で不均一になってしまい、
結果的に強電界ドリフト層６”の厚みが面内で不均一に
なってしまうので、エミッション特性に面内分布が生じ
たり、局所的に欠陥が生じたりして絶縁破壊が起こり寿
命が短くなってしまうという不具合や面内均一性の点で
大面積化が難しい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、エミッション電流の大電流化および
電子放出効率の高効率化を図れるとともに、絶縁耐圧向
上、長寿命化および大面積化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、下部電極と、下部電極に対向す
る表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する強
電界ドリフト部とを備え、下部電極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強電界
ドリフト部に作用する電界により下部電極から注入され
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、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互
に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜そ
れぞれの膜厚を電子の弾道化が起こる程度の膜厚にして
あることを特徴とするものであり、強電界ドリフト部を
導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各
導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の弾道
化が起こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ド
リフト部の面内全域において電子の弾道化が起こるの
で、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強
電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エ
ミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率
化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、
しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易に
なる。なお、上述の電子の弾道化を起こすには、各導電
性膜および各絶縁性膜の各膜厚を電子の平均自由行程と
同等または電子の平均自由行程以下に設定すればよい。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁性膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記
絶縁性膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶
縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記
絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成する
ことができる。

【００１６】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記酸化膜が、前記導電性膜の構成元素を含んでい
るので、前記酸化膜の安定性を高めることが可能になる
とともに、絶縁性膜と導電性膜との界面の欠陥を少なく
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、前記絶縁性膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記
絶縁性膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶
縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記
絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成する
ことができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を
高めることができる。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁性膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前
記絶縁性膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前
記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、
前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成
することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐
圧を高めることができる。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性膜が、シリコン膜よりなり、前記絶縁性
膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒
化膜から選択されるので、一般的な半導体製造プロセス
を利用して強電界ドリフト部を形成することができる。

【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電界放射型電子源の製造方法であ
って、前記導電性膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶ
Ｄ法により形成することを特徴とし、前記導電性膜の面
内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化
処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電
界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化
および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の
均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿
命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供す
ることができる。

【００２１】請求項８の発明は、請求項３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部
の形成にあたっては、下部電極の一表面側に酸化膜を形
成する工程と、酸化膜の一部を還元することにより前記
絶縁性膜および前記導電性膜を形成する工程とを交互に
繰り返すことを特徴とし、前記絶縁性膜および前記導電
性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように
陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を
備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の
大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるととも
に面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向
上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源
を提供することができる。

【００２２】請求項９の発明は、請求項２または請求項
３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記酸
化膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化
法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法から選択される方
法により形成することを特徴とし、前記絶縁性膜の面内
均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処
理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界
放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化お
よび電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均
一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命
化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供する
ことができる。

【００２３】請求項１０の発明は、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の製造方法で
あって、前記絶縁性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、プラズマ処理法から選択される方法により形成する
ことを特徴とし、前記絶縁性膜の面内均一性を高めるこ
とができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成
された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比
べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率
の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めること
ができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化
が容易な電界放射型電子源を提供することができる。な
お、プラズマ処理法としては、プラズマ酸化、プラズマ
窒化、プラズマ酸窒化などがある。

【００２４】請求項１１の発明は、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の製造方法で
あって、前記強電界ドリフト部を形成するにあたって
は、導電性膜を形成する工程と、当該導電性膜の表面側
に急速加熱法により前記絶縁性膜を形成する工程とを交
互に繰り返すことを特徴とし、前記導電性膜および前記
絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のよ
うに陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト
層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電
流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れると
ともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐
圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電
子源を提供することができる。また、急速加熱法により
前記絶縁性膜を形成しているので、前記絶縁性膜の膜質
を向上できるとともに前記絶縁性膜の膜厚の制御性が向
上する。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施形態１）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（例えば、抵抗率が略０．０１
Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）を用いてい
る。

【００２６】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１に示すように、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の
主表面側に電子のドリフトする強電界ドリフト部６が形
成され、強電界ドリフト部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
成されている。なお、本実施形態では、ｎ形シリコン基
板１が下部電極を構成している。したがって、表面電極
７は下部電極に対向しており、下部電極と表面電極７と
の間に強電界ドリフト部６が介在している。

【００２７】図１に示す構成の電界放射型電子源１０で
は、図２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部６をドリフト
し表面電極７を通して放出される（なお、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）。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。

【００２８】強電界ドリフト部６は、半導体膜（例え
ば、シリコン膜）よりなる導電性膜６ｂと絶縁膜（例え
ば、シリコン酸化膜）よりなる絶縁性膜６ａとが交互に
積層されている。ところで、強電界ドリフト部６では、
規定数（例えば６０）の導電性膜６ｂおよび絶縁性膜６
ａが１層ごとに交互に積層され、各導電性膜６ｂおよび
各絶縁性膜６ａの膜厚はそれぞれ同じ値に設定されてい
る。ここにおいて、すなわち、各導電性膜６ｂおよび各
絶縁性膜６ａそれぞれの各膜厚は電子の弾道化が起こる
程度の膜厚に設定してある。言い換えれば、各導電性膜
６ｂおよび各絶縁性膜６ａの各膜厚は電子の平均自由行
程と同等または電子の平均自由行程以下に設定すればよ
い。なお、本実施形態では、導電性膜６ｂの材料として
Ｓｉを採用し導電性膜６ｂの膜厚を５ｎｍに設定してあ
り、絶縁性膜６ａの材料としてＳｉＯ₂を採用し絶縁性
膜６ａの膜厚を２ｎｍに設定してある。上記規定数は、
強電界ドリフト部６の所望の厚さに応じて適宜設定すれ
ばよい。

【００２９】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の厚さは１０ｎｍに設定されている
が、この膜厚は特に限定するものではなく、強電界ドリ
フト部６を通ってきた電子がトンネルできる膜厚であれ
ばよく、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定
すればよい。

【００３０】表面電極７は、強電界ドリフト部６上に形
成された金属膜（例えば、Ｃｒ膜）よりなる第１薄膜層
７ａと第１薄膜層７ａ上に積層された金属膜（例えば、
Ａｕ膜）よりなる第２薄膜層７ｂとにより構成されてい
る。ここにおいて、強電界ドリフト部６上の第１薄膜層
７ａの材料としては、例えば、クロム、ニッケル、白
金、チタン、イリジウムなどの強電界ドリフト部６との
密着性が高く第２薄膜層７ｂと強電界ドリフト部６との
間での拡散を防止することができる材料を採用すればよ
く、第２薄膜層７ｂの材料としては、抵抗が低く経時安
定性の高い金などを採用すればよい。なお、本実施形態
では、第１薄膜層７ａの材料としてＣｒを採用し第１薄
膜層７ａの膜厚を２ｎｍに設定してあり、第２薄膜層７
ｂの材料としてＡｕを採用し第２薄膜層７ｂの膜厚を８
ｎｍに設定してある。また、本実施形態では、表面電極
７を２層の金属膜により構成してあるが、２層の金属膜
で構成する代わりに、１層または３層以上の金属膜によ
り構成してもよい。

【００３１】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３を参照しながら説明する。

【００３２】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
側にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態で
は、５ｎｍ）の半導体膜（本実施形態では、Ｓｉ膜）か
らなる導電性膜６ｂ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、プラズマＣＶＤ法
によってＳｉ膜からなる導電性膜６ｂを形成する際の原
料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ₄）を用いている
が、水素ガスにより希釈されたガスを用いてもよい。

【００３３】ｎ形シリコン基板１の主表面側に導電性膜
６ｂを形成した後、導電性膜６ｂ上にプラズマＣＶＤ法
によって所定膜厚（本実施形態では、２ｎｍ）の絶縁膜
（本実施形態では、ＳｉＯ₂膜）からなる絶縁性膜６ａ
を積層することにより、図３（ｂ）に示すような構造が
得られる。なお、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ₂膜
からなる絶縁性膜６ａを形成する際の原料ガスとしては
モノシラン（ＳｉＨ₄）と酸素（Ｏ₂）との混合ガスを用
いている。

【００３４】上述のような導電性膜６ｂの成膜と絶縁性
膜６ａの成膜とを交互に繰り返して規定数（本実施形態
では、６０）の導電性膜６ｂと規定数（本実施形態で
は、６０）の絶縁性膜６ａとが１層ごとに交互に積層さ
れた構造の強電界ドリフト部６（図１参照）を形成する
ことにより、図３（ｃ）に示す構造が得られる。

【００３５】強電界ドリフト部６を形成した後は、強電
界ドリフト部６上に金属膜（本実施形態では、Ｃｒ膜）
からなる第１薄膜層７ａを電子ビーム蒸着法によって積
層し、さらに第１薄膜層７ａ上に金属膜（本実施形態で
は、Ａｕ膜）からなる第２薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着
法によって積層することで第１薄膜層７ａと第２薄膜層
７ｂとからなる表面電極７が形成され、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、本実
施形態では、表面電極７となる第１薄膜層７ａおよび第
２薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着法により形成している
が、表面電極７の形成方法は電子ビーム蒸着法に限定さ
れるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。

【００３６】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト部６を導電性膜６ｂと絶縁性
膜６ａとが交互に積層された構造とし、各導電性膜６ｂ
および各絶縁性膜６ａそれぞれの膜厚を電子の弾道化が
起こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ドリフ
ト部６の面内全域において電子の弾道化が起こるので、
従来のように多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施して
多孔質多結晶シリコン層を形成した後に酸化することで
強電界ドリフト層６”を形成している場合に比べて、エ
ミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率
化を図ることができるとともに面内の均一性を高めるこ
とができ、しかも絶縁耐圧の向上、長寿命化および面内
均一性を高めたうえでの大面積化が容易になる。したが
って、大面積のディスプレイや平面発光装置への応用が
可能となる。また、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸化膜
を採用しているので、絶縁性膜６ａの絶縁耐圧を高める
ことができるとともに、絶縁性膜６ａを一般的な半導体
製造プロセスにより形成することができる。しかも、導
電性膜６ｂとしてシリコン膜を採用しているので、絶縁
性膜６ａが導電性膜６ｂの構成元素を含んでおり、絶縁
性膜６ａを構成するシリコン酸化膜の安定性を高めるこ
とができるとともに、絶縁性膜６ａと導電性膜６ｂとの
界面の欠陥を低減することができる。

【００３７】（実施形態２）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
に金属膜（例えば、タングステン膜）よりなる導電性層
を設けたものを用いている。このように絶縁性基板の一
表面側に導電性層を形成した基板を用いる場合には、実
施形態１のように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。

【００３８】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
４に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２上に
強電界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上
に表面電極７が形成されている。なお、本実施形態で
は、導電性層１２が下部電極を構成している。したがっ
て、本実施形態においても、表面電極７は下部電極に対
向しており、下部電極と表面電極７との間に強電界ドリ
フト部６が介在している。表面電極７の構成は実施形態
１と同じなので実施形態１と同一の符号を付して説明を
省略する。

【００３９】図４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５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Ｖp
s，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部６をドリフトし表面電極７
を通して放出される（図５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
界ドリフト部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。

【００４０】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５参照）、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。

【００４１】強電界ドリフト部６は、絶縁膜（例えば、
ＳｉＯ₂膜）よりなる絶縁性膜６ａと半導体膜（例え
ば、シリコン膜）よりなる導電性膜６ｂとが交互に積層
されている。ところで、強電界ドリフト部６では、規定
数（例えば６０）の絶縁性膜６ａおよび導電性膜６ｂが
１層ごとに交互に積層され、各絶縁性膜６ａおよび各導
電性膜６ｂの膜厚はそれぞれ同じ値に設定されている。
ここにおいて、各絶縁性膜６ａおよび各導電性膜６ｂそ
れぞれの各膜厚は電子の弾道化が起こる程度の膜厚に設
定してある。言い換えれば、各絶縁性膜６ａおよび各導
電性膜６ｂの各膜厚は電子の平均自由行程と同等または
電子の平均自由行程以下に設定すればよい。なお、本実
施形態では、絶縁性膜６ａの材料としてＳｉＯ₂を採用
し絶縁性膜６ａの膜厚を２ｎｍに設定してあり、導電性
膜６ｂの材料としてＳｉを採用し導電性膜６ｂの膜厚を
５ｎｍに設定してある。上記規定数は、強電界ドリフト
部６の所望の厚さに応じて適宜設定すればよい。

【００４２】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６を参照しながら説明する。

【００４３】まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッ
タ法などによって金属膜（例えば、タングステン膜）か
らなる導電性層１２を形成して導電性基板を構成した
後、導電性基板の主表面側（ここでは、導電性層１２
上）にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態
では、２ｎｍ）の絶縁膜（本実施形態では、ＳｉＯ
₂膜）からなる絶縁性膜６ａ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。なお、プラズマ
ＣＶＤ法によってＳｉＯ₂膜からなる絶縁性膜６ａを形
成する際の原料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ₄）と
亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）との混合ガスを用いており、基板
温度は４００℃としている。

【００４４】導電性基板の主表面側に絶縁性膜６ａを形
成した後、絶縁性膜６ａ上にプラズマＣＶＤ法によって
所定膜厚（本実施形態では、５ｎｍ）の半導体膜（本実
施形態では、Ｓｉ膜）からなる導電性膜６ｂを積層する
ことにより、図６（ｂ）に示すような構造が得られる。
なお、プラズマＣＶＤ法によってＳｉ膜からなる導電性
膜６ｂを形成する際の原料ガスとしてはモノシランを用
いているが、水素ガスにより希釈されたガスを用いても
よい。

【００４５】上述のような絶縁性膜６ａの成膜と導電性
膜６ｂの成膜とを交互に繰り返して規定数（本実施形態
では、６０）の絶縁性膜６ａと規定数（本実施形態で
は、６０）の導電性膜６ｂとが１層ごとに交互に積層さ
れた構造の強電界ドリフト部６（図４参照）を形成する
ことにより、図６（ｃ）に示す構造が得られる。

【００４６】強電界ドリフト部６を形成した後は、強電
界ドリフト部６上に金属膜（本実施形態では、Ｃｒ膜）
からなる第１薄膜層７ａを電子ビーム蒸着法によって積
層し、さらに第１薄膜層７ａ上に金属膜（本実施形態で
はＡｕ膜）からなる第２薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着法
によって積層することで第１薄膜層７ａと第２薄膜層７
ｂとからなる表面電極７が形成され、図６（ｄ）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となる第１薄膜層７ａおよび第２
薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着法により形成しているが、
表面電極７の形成方法は電子ビーム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。

【００４７】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、強電界ドリフト部６を導電性膜６ｂと絶縁性
膜６ａとが交互に積層された構造とし、各導電性膜６ｂ
および各絶縁性膜６ａそれぞれの膜厚を電子の弾道化が
起こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ドリフ
ト部６の面内全域において電子の弾道化が起こるので、
従来のように多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施して
多孔質多結晶シリコン層を形成した後に酸化することで
強電界ドリフト層６”を形成している場合に比べて、エ
ミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率
化を図ることができるとともに面内の均一性を高めるこ
とができ、しかも絶縁耐圧の向上、長寿命化および面内
均一性を高めたうえでの大面積化が容易になる。したが
って、大面積のディスプレイや平面発光装置への応用が
可能となる。また、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸化膜
を採用しているので、絶縁性膜６ａの絶縁耐圧を高める
ことができるとともに、絶縁性膜６ａを一般的な半導体
製造プロセスにより形成することができる。しかも、導
電性膜６ｂとしてシリコン膜を採用しているので、絶縁
性膜６ａが導電性膜６ｂの構成元素を含んでおり、絶縁
性膜６ａを構成するシリコン酸化膜の安定性を高めるこ
とができるとともに、絶縁性膜６ａと導電性膜６ｂとの
界面の欠陥を低減することができる。

【００４８】ところで、上記各実施形態では、絶縁性膜
６ａとしてシリコン酸化膜を採用しているが、絶縁性膜
６ａをシリコン酸化膜以外の酸化膜、シリコン窒化膜や
シリコン窒化膜以外の窒化膜、シリコン酸窒化膜やシリ
コン酸窒化膜以外の酸窒化膜などにより構成してもよ
く、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を採用すること
でシリコン酸化膜の場合に比べて絶縁耐圧を高めること
が可能になる。絶縁性膜６ａとしてシリコン窒化膜を採
用した場合には、例えば原料ガスとしてモノシランとア
ンモニア（ＮＨ₃）を用いたプラズマＣＶＤ法により形
成することができ、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸窒化
膜を採用した場合には、例えば原料ガスとしてＳｉＨ₄
とＮ₂Ｏ（またはＯ₂）とＮＨ₃とを用いたプラズマＣＶ
Ｄ法により形成することができる。絶縁性膜６ａの形成
方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、例えば、熱ＣＶＤ
法、プラズマ処理法（プラズマ酸化、プラズマ窒化、プ
ラズマ酸窒化）などにより形成してもよい。ここに、絶
縁性膜６ａとして酸化膜を採用する場合の絶縁性膜６ａ
の形成方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
プラズマ酸化法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法など
を利用すればよい。

【００４９】また、上記各実施形態では、導電性膜６ｂ
をプラズマＣＶＤ法により形成しているが、プラズマＣ
ＶＤ法に限らず、例えば熱ＣＶＤ法により形成してもよ
い。なお、熱ＣＶＤ法によりＳｉ膜からなる導電性膜６
ｂを形成するには、例えばＳｉＨ₄ガス雰囲気中で基板
温度を９００℃に加熱すればよい。

【００５０】また、強電界ドリフト部６の形成にあたっ
ては、下部電極の一表面側にシリコン酸化膜を形成する
工程と、当該シリコン酸化膜の一部を還元することによ
り残りのシリコン酸化膜からなる絶縁性膜６ａおよびシ
リコン膜からなる導電性膜６ｂを形成する工程とを交互
に繰り返すことにより形成してもよい。

【００５１】さらに強電界ドリフト部６の別の形成方法
として、半導体膜（例えばＳｉ膜）よりなる導電性膜６
ｂを形成する工程と、急速加熱法（例えば、ＲＴＯ、Ｒ
ＴＮなど）により導電性膜６ｂの表面側に絶縁膜（例え
ば、ＳｉＯ₂膜、Ｓｉ₃Ｎ₄膜）からなる絶縁性膜６ａを
形成する工程とを交互に繰り返すようにしてもよく、こ
の場合には、急速加熱法により絶縁性膜６ａを形成して
いるので、絶縁性膜６ａの膜質を向上できるとともに絶
縁性膜６ａの膜厚の制御性が向上する。

【００５２】

【発明の効果】請求項１の発明は、下部電極と、下部電
極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に
介在する強電界ドリフト部とを備え、下部電極と表面電
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
きに強電界ドリフト部に作用する電界により下部電極か
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、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性
膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各
絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の弾道化が起こる程度の
膜厚にしてあるものであり、強電界ドリフト部を導電性
膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性
膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の弾道化が起
こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ドリフト
部の面内全域において電子の弾道化が起こるので、従来
のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリ
フト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッショ
ン電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れ
るとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶
縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易になるとい
う効果がある。なお、上述の電子の弾道化を起こすに
は、各導電性膜および各絶縁性膜の各膜厚を電子の平均
自由行程と同等または電子の平均自由行程以下に設定す
ればよい。

【００５３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁性膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記
絶縁性膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶
縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記
絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成する
ことができるという効果がある。

【００５４】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記酸化膜が、前記導電性膜の構成元素を含んでい
るので、前記酸化膜の安定性を高めることが可能になる
とともに、絶縁性膜と導電性膜との界面の欠陥を少なく
することが可能になるという効果がある。

【００５５】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁性膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記
絶縁性膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶
縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記
絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成する
ことができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を
高めることができるという効果がある。

【００５６】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁性膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前
記絶縁性膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前
記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、
前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成
することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐
圧を高めることができるといいう効果がある。

【００５７】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性膜が、シリコン膜よりなり、前記絶縁性
膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒
化膜から選択されるので、一般的な半導体製造プロセス
を利用して強電界ドリフト部を形成することができると
いう効果がある。

【００５８】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電界放射型電子源の製造方法であ
って、前記導電性膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶ
Ｄ法により形成するので、前記導電性膜の面内均一性を
高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用
して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電
子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子
放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高
めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および
大面積化が容易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。

【００５９】請求項８の発明は、請求項３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部
の形成にあたっては、下部電極の一表面側に酸化膜を形
成する工程と、酸化膜の一部を還元することにより前記
絶縁性膜および前記導電性膜を形成する工程とを交互に
繰り返すので、前記絶縁性膜および前記導電性膜の面内
均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処
理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界
放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化お
よび電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均
一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命
化および大面積化が容易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。

【００６０】請求項９の発明は、請求項２または請求項
３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記酸
化膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化
法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法から選択される方
法により形成するので、前記絶縁性膜の面内均一性を高
めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用し
て形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子
源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放
出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高め
ることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大
面積化が容易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。

【００６１】請求項１０の発明は、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の製造方法で
あって、前記絶縁性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、プラズマ処理法から選択される方法により形成する
ので、前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができ
て、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強
電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エ
ミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率
化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、
しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な
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。なお、プラズマ処理法としては、プラズマ酸化、
プラズマ窒化、プラズマ酸窒化などがある。

【００６２】請求項１１の発明は、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の製造方法で
あって、前記強電界ドリフト部を形成するにあたって
は、導電性膜を形成する工程と、当該導電性膜の表面側
に急速加熱法により前記絶縁性膜を形成する工程とを交
互に繰り返すので、前記導電性膜および前記絶縁性膜の
面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸
化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた
電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流
化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内
の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長
寿命化および大面積化が容易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。また、急速加熱法
により前記絶縁性膜を形成しているので、前記絶縁性膜
の膜質を向上できるとともに前記絶縁性膜の膜厚の制御
性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１を示す概略断面図である。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】同上の製造工程を説明するための主要工程断面
図である。

【図４】実施形態２を示す概略断面図である。

【図５】同上の動作説明図である。

【図６】同上の製造工程を説明するための主要工程断面
図である。

【図７】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図で
ある。

【図８】同上の動作説明図である。

【図９】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明
図である。

【符号の説明】

１ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ６ 強電界ドリフト部 ６ａ 絶縁性膜 ６ｂ 導電性膜 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 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 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 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

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極と、下部電極に対向する表面電
   極と、下部電極と表面電極との間に介在する強電界ドリ
   フト部とを備え、下部電極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強電界ドリフト
   部に作用する電界により下部電極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、強
   電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層さ
   れた構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの
   膜厚を電子の弾道化が起こる程度の膜厚にしてあること
   を特徴とする電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記絶縁性膜は、酸化膜よりなることを
   特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
3. 【請求項３】 前記酸化膜は、前記導電性膜の構成元素
   を含んでいることを特徴とする請求項２記載の電界放射
   型電子源。
4. 【請求項４】 前記絶縁性膜は、窒化膜よりなることを
   特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
5. 【請求項５】 前記絶縁性膜は、酸窒化膜よりなること
   を特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
6. 【請求項６】 前記導電性膜は、シリコン膜よりなり、
   前記絶縁性膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シ
   リコン酸窒化膜から選択されることを特徴とする請求項
   １記載の電界放射型電子源。
7. 【請求項７】 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の製造方法であって、前記導電性
   膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶＤ法により形成す
   ることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項３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部の形成にあたって
   は、下部電極の一表面側に酸化膜を形成する工程と、酸
   化膜の一部を還元することにより前記絶縁性膜および前
   記導電性膜を形成する工程とを交互に繰り返すことを特
   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２または請求項３記載の電界放射
   型電子源の製造方法であって、前記酸化膜を、熱ＣＶＤ
   法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化法、電気化学的酸
   化法、オゾン酸化法から選択される方法により形成する
   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】 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の製造方法であって、前記絶縁
    性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ処理
    法から選択される方法により形成することを特徴とする
    電界放射型電子源。
11. 【請求項１１】 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の製造方法であって、前記強電
    界ドリフト部を形成するにあたっては、導電性膜を形成
    する工程と、当該導電性膜の表面側に急速加熱法により
    前記絶縁性膜を形成する工程とを交互に繰り返すことを
    特徴とする電界放射型電子源の製造方法。