JP2002352706A - 電界放射型電子源の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】絶縁耐圧の向上および長寿命化が可能な電界放
射型電子源の製造方法を提供する。 【解決手段】導電性基板を構成するｎ形シリコン基板１
上に多結晶シリコン層３を形成した後、陽極酸化処理工
程にて多結晶シリコン層３を多孔質化して多結晶シリコ
ンのグレインおよびシリコン微結晶を含む多孔質多結晶
シリコン層４を形成する。その後、酸化工程にて多孔質
多結晶シリコン層４を酸化して強電界ドリフト層６を形
成する。強電界ドリフト層６を形成した後、表面電極７
を形成する。陽極酸化処理工程と酸化工程との間の指定
期間には多孔質多結晶シリコン層４を大気に曝さないよ
うにしてシリコン微結晶の表面への自然酸化膜の形成を
防止する。

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
５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５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’との間にノンドープの多結晶シリコ
ン層よりなる半導体層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５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）。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５参
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】ところで、上述の電界放射型電子源１０’
の製造プロセスにおいて強電界ドリフト層６’を形成す
るにあたっては、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の
一表面側にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させる
成膜工程と、この多結晶シリコン層を陽極酸化すること
により多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶
を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する陽極酸化処理
工程と、多孔質多結晶シリコン層を急速加熱法によって
酸化してグレインおよびシリコン微結晶の表面にそれぞ
れ薄い酸化膜を形成する酸化工程とを有している。ここ
において、陽極酸化処理工程は、陽極酸化に用いる電解
液としてフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で
混合した混合液を用いている。また、酸化工程では、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℃まで短時間で上昇させた後、基板温度を９
００℃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。

【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６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シリコン酸化膜６
４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６中
の矢印Ａの向き（図６中の上方向）へドリフトするの
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
弾道性伝導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７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、図５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。なお、図７に示す構成の電界放射型
電子源１０’の強電界ドリフト層６’は上述の成膜工
程、陽極酸化処理工程、酸化工程により形成される。

【００１０】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。）図７に示す構成の電界
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
７参照）、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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記各従来
構成における強電界ドリフト層６’は、その形成過程に
おいて、陽極酸化処理工程後の多孔質多結晶シリコン層
が活性であり、陽極酸化処理工程と酸化工程との間（例
えば、仕掛品の停滞期間）に大気に曝されると、多孔質
多結晶シリコン層を構成しているシリコン微結晶および
多結晶シリコンのグレインの表面に自然酸化膜が形成さ
れてしまうので、自然酸化膜が上述のシリコン酸化膜５
２，６４の絶縁耐性に悪影響を及ぼし、絶縁破壊による
電子源の破壊や短寿命化の原因になる恐れがあった。す
なわち、シリコン酸化膜５２，６４はナノメータオーダ
の薄い酸化膜であるから、シリコン酸化膜５２，６４の
膜厚全体における自然酸化膜の膜厚の相対的な割合が高
く、自然酸化膜が存在することが原因で欠陥密度の高い
シリコン酸化膜５２，６４が形成されたり、シリコン酸
化膜５２，６４の膜厚制御が難しくなり、結果的に絶縁
耐圧不良などを発生し、歩留まりが低下してしまうもの
と考えられる。

【００１２】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、絶縁耐圧の向上および長寿命化が可
能な電界放射型電子源の製造方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【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酸
化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層とを備
え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの半導体微結
晶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酸化膜とを有し、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
加することにより下部電極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、前記強電界ドリフ
ト層の形成にあたっては、陽極酸化により半導体微結晶
を含む多孔質半導体層を形成する陽極酸化処理工程と、
多孔質半導体層を酸化して半導体微結晶の表面に酸化膜
を形成する酸化工程とを有し、陽極酸化処理工程と酸化
工程との間の指定期間に多孔質半導体層を大気に曝さな
いようにして半導体微結晶の表面への自然酸化膜の形成
を防止するようにしたことを特徴とし、陽極酸化処理工
程と酸化工程との間の指定期間に半導体微結晶の表面に
自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化
工程で半導体微結晶の表面に形成される酸化膜の品質を
向上できることになり、従来に比べて絶縁耐圧の向上お
よび長寿命化が可能な電界放射型電子源を提供できる。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間には前記多孔質半導体層の表面を非酸
化性の液体で覆うので、例えば陽極酸化処理工程でリン
スに非酸化性の液体を用いた場合、その非酸化性の液体
を利用して自然酸化膜の形成を防止することができる。

【００１５】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記液体がアルコールであり、陽極酸化処理工程で
リンスにアルコールを用いた場合、そのアルコールを利
用することが可能になるとともに前記液体の取り扱いが
容易になり、しかも、前記多孔質半導体層の汚染を抑制
できる。

【００１６】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間の雰囲気を不活性ガスとしたので、前
記多孔質半導体層の汚染を抑制できる。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間には少なくとも前記多孔質半導体層を
真空中に保つので、前記多孔質半導体層への不純物の付
着を抑制できる。

【００１８】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、前記酸化工程が、前記多孔質半導体
層を電気化学的に酸化する工程であるので、従来のよう
な急速加熱法による酸化工程に比べてプロセス温度の低
温化を図れる。

【００１９】

【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。

【００２０】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
２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
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、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層６が介在している。

【００２１】図２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２
１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。

【００２２】強電界ドリフト層６は、従来例で説明した
図６のように、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６
３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たるシリコン酸化膜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６中の矢印Ａの
向き（図６中の上方向）へドリフトするので、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弾道性伝導現象
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。

【００２３】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
フト層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。

【００２４】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１を参照しながら説明する。

【００２５】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
上に半導体層として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１（ａ）に示すような構造が得
られる。なお、多結晶シリコン層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ＣＧＳ
（Continuous Grain Silicon）法などを採用すればよ
い。

【００２６】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、陽極酸化処理工程にて多結晶シリコン層３を多孔
質化することにより、多孔質半導体層たる多孔質多結晶
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。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、５
５ｗｔ％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
る。このようにして形成された多孔質多結晶シリコン層
４は、従来構成において図６で説明したグレイン５１お
よびシリコン微結晶６３それぞれの元になるグレインお
よびシリコン微結晶を有している。なお、本実施形態で
は、多結晶シリコン層３の全部を多孔質化しているが、
一部を多孔質化するようにしてもよい。

【００２７】上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、
多孔質多結晶シリコン層４を酸化工程にて酸化すること
によって酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電
界ドリフト層６が形成され、図１（ｃ）に示すような構
造が得られる。酸化工程では、電解質溶液（例えば、希
硫酸、希硝酸、王水など）の入った酸化処理槽を利用
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、定電流を流し多孔
質多結晶シリコン層４を酸化することによって上述のグ
レイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５
２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成される。とこ
ろで、本実施形態における製造方法では、陽極酸化処理
工程と酸化工程との間の指定期間には多孔質多結晶シリ
コン層４を大気に曝さないようにして半導体微結晶たる
シリコン微結晶の表面への自然酸化膜の形成を防止する
するようにしている。ここにおいて、本実施形態では、
指定期間に自然酸化膜の形成を防止するために、陽極酸
化処理工程において多結晶シリコン層３を多孔質化した
後、例えば、アルコール（例えば、エタノール、イソプ
ロピルアルコール、メチルアルコールなど）によりリン
スを行い、リンス後、多孔質多結晶シリコン層４の表面
をアルコールで覆った状態に保ったまま直ちに酸化処理
槽の電解質溶液中に浸漬するようにしている。したがっ
て、多孔質多結晶シリコン層４に自然酸化膜が形成され
るのを防止できるとともに、汚染を抑制できる。なお、
本実施形態では、上記アルコールが非酸化性の液体を構
成している。また、指定期間に多孔質多結晶シリコン層
４を大気に曝さないようにする手段として、指定期間の
雰囲気を不活性ガスとしたり、指定期間には少なくとも
多孔質多結晶シリコン層４を真空中に保つようにしても
よい。指定期間の雰囲気を不活性ガスとすれば、自然酸
化膜の形成を防止することができるとともに、多孔質多
結晶シリコン層４の汚染を抑制できる。また、多孔質多
結晶シリコン層４を真空中に保つようにすれば、自然酸
化膜の形成を防止することができるとともに、多孔質多
結晶シリコン層４への不純物の付着を抑制できる。

【００２８】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上に金薄膜からなる表面電極７を形成す
ることにより、図１（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
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。

【００２９】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を形成するにあたって、
陽極酸化により多孔質多結晶シリコン層４を形成する陽
極酸化処理工程と、多孔質多結晶シリコン層４を酸化し
てグレイン５１およびシリコン微結晶６３の各表面にそ
れぞれシリコン酸化膜５２，６４を形成する酸化工程と
を有し、陽極酸化処理工程と酸化工程との間の指定期間
で多孔質多結晶シリコン層４を大気に曝さないようにし
てシリコン微結晶６３の表面への自然酸化膜の形成を防
止するするようにしたので、陽極酸化処理工程と酸化工
程との間の指定期間にシリコン微結晶６３の表面に自然
酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程
でシリコン微結晶の表面に形成されるシリコン酸化膜の
品質を向上できることになり、従来に比べて絶縁耐圧の
向上および長寿命化が可能な電界放射型電子源１０を提
供できる。また、本実施形態の製造方法により製造した
電界放射型電子源１０では、従来の製造方法により製造
した電界放射型電子源１０’に比べて電子放出効率が向
上するが、電子放出効率が向上する要因としては、上記
自然酸化膜の形成を防止したことによって強電界ドリフ
ト層６内の各シリコン酸化膜５２，６４それぞれの膜厚
のばらつきや、各シリコン酸化膜５２，６４の欠陥密
度、シリコン酸化膜６４とシリコン微結晶６３との界面
の欠陥密度などを従来の強電界ドリフト層６’に比べて
低減できて、シリコン酸化膜６４での散乱確率を従来よ
りも低減でき、散乱による損失が少なくなるためである
と考えられる。

【００３０】（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。

【００３１】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
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。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層６が介在している。

【００３２】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、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が導電性層１
２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
（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）。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。

【００３３】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４参照）、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。

【００３４】強電界ドリフト層６は、従来例で説明した
図６のように、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６
３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たるシリコン酸化膜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６中の矢印Ａの
向き（図６中の上方向）へドリフトするので、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弾道性伝導現象
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。

【００３５】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
フト層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。

【００３６】なお、本実施形態の電界放射型電子源１０
をディスプレイの電子源として利用する場合には下部電
極、表面電極７などを適宜にパターニングすればよい。

【００３７】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。

【００３８】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）に半導体層として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３（ａ）に示すような構造が
得られる。なお、多結晶シリコン層３の成膜方法として
は、例えば、ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Contin
uous Grain Silicon）法などを採用すればよい。

【００３９】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、陽極酸化処理工程にて多結晶シリコン層３を多孔
質化することにより、多孔質半導体層たる多孔質多結晶
シリコン層４が形成され、図３（ｂ）に示すような構造
が得られる。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、５
５ｗｔ％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、導電性層１
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が形成される。このようにして形成さ
れた多孔質多結晶シリコン層４は、従来構成において図
６で説明したグレイン５１およびシリコン微結晶６３そ
れぞれの元になるグレインおよびシリコン微結晶を有し
ている。なお、本実施形態では、多結晶シリコン層３の
全部を多孔質化しているが、一部を多孔質化するように
してもよい。

【００４０】上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、
多孔質多結晶シリコン層４を酸化工程にて酸化すること
によって酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電
界ドリフト層６が形成され、図３（ｃ）に示すような構
造が得られる。酸化工程では、電解質溶液（例えば、希
硫酸、希硝酸、王水など）の入った酸化処理槽を利用
し、白金電極（図示せず）を負極、導電性層１２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
することによって上述のグレイン５１、シリコン微結晶
６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む強電界ドリフ
ト層６が形成される。ところで、本実施形態における製
造方法では、実施形態１と同様に、陽極酸化処理工程と
酸化工程との間の指定期間には多孔質半導体層たる多孔
質多結晶シリコン層４を大気に曝さないようにして半導
体微結晶たるシリコン微結晶の表面への自然酸化膜の形
成を防止するようにしている。

【００４１】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上に金薄膜からなる表面電極７を形成す
ることにより、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
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。

【００４２】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を形成するにあたって、
陽極酸化処理により多孔質多結晶シリコン層４を形成す
る陽極酸化処理工程と、多孔質多結晶シリコン層４を酸
化してグレイン５１およびシリコン微結晶６３の各表面
にそれぞれシリコン酸化膜５２，６４を形成する酸化工
程とを有し、陽極酸化処理工程と酸化工程との間の指定
期間で多孔質多結晶シリコン層４を大気に曝さないよう
にしてシリコン微結晶６３の表面への自然酸化膜の形成
を防止するようにしたので、陽極酸化処理工程と酸化工
程との間の指定期間にシリコン微結晶６３の表面に自然
酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸化工程
でシリコン微結晶の表面に形成されるシリコン酸化膜の
品質を向上できることになり、従来に比べて絶縁耐圧の
向上および長寿命化が可能な電界放射型電子源１０を提
供できる。また、本実施形態の製造方法により製造した
電界放射型電子源１０では、従来の製造方法により製造
した電界放射型電子源１０’に比べて電子放出効率が向
上するが、電子放出効率が向上する要因としては、上記
自然酸化膜の形成を防止したことによって強電界ドリフ
ト層６内の各シリコン酸化膜５２，６４それぞれの膜厚
のばらつきや、各シリコン酸化膜５２，６４の欠陥密
度、シリコン酸化膜６４とシリコン微結晶６３との界面
の欠陥密度などを従来の強電界ドリフト層６’に比べて
低減できて、シリコン酸化膜６４での散乱確率を従来よ
りも低減でき、散乱による損失が少なくなるためである
と考えられる。

【００４３】ところで、上記各実施形態では、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、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。

【００４４】また、上記各実施形態では、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。

【００４５】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。

【００４６】

【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
介在する酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフ
ト層とを備え、強電界ドリフト層がナノメータオーダの
半導体微結晶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酸化膜とを有
し、下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側と
して電圧を印加することにより下部電極から注入された
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、前記
強電界ドリフト層の形成にあたっては、陽極酸化により
半導体微結晶を含む多孔質半導体層を形成する陽極酸化
処理工程と、多孔質半導体層を酸化して半導体微結晶の
表面に酸化膜を形成する酸化工程とを有し、陽極酸化処
理工程と酸化工程との間の指定期間に多孔質半導体層を
大気に曝さないようにして半導体微結晶の表面への自然
酸化膜の形成を防止するようにしたので、陽極酸化処理
工程と酸化工程との間の指定期間に半導体微結晶の表面
に自然酸化膜が形成されるのを防止することができ、酸
化工程で半導体微結晶の表面に形成される酸化膜の品質
を向上できることになり、従来に比べて絶縁耐圧の向上
および長寿命化が可能な電界放射型電子源を提供できる
という効果がある。

【００４７】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間には前記多孔質半導体層の表面を非酸
化性の液体で覆うので、例えば陽極酸化処理工程でリン
スに非酸化性の液体を用いた場合、その非酸化性の液体
を利用して自然酸化膜の形成を防止することができると
いう効果がある。

【００４８】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記液体がアルコールであり、陽極酸化処理工程で
リンスにアルコールを用いた場合、そのアルコールを利
用することが可能になるとともに前記液体の取り扱いが
容易になり、しかも、前記多孔質半導体層の汚染を抑制
できるという効果がある。

【００４９】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間の雰囲気を不活性ガスとしたので、前
記多孔質半導体層の汚染を抑制できるという効果があ
る。

【００５０】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記指定期間には少なくとも前記多孔質半導体層を
真空中に保つので、前記多孔質半導体層への不純物の付
着を抑制できるという効果がある。

【００５１】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、前記酸化工程が、前記多孔質半導体
層を電気化学的に酸化する工程であるので、従来のよう
な急速加熱法による酸化工程に比べてプロセス温度の低
温化を図れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の電界放射型電子源の製造方法を説
明するための主要工程断面図である。

【図２】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。

【図３】実施形態２の電界放射型電子源の製造方法を説
明するための主要工程断面図である。

【図４】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。

【図５】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図で
ある。

【図６】同上の動作説明図である。

【図７】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 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 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 (6)

【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酸化した多
   孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層とを備え、強電
   界ドリフト層がナノメータオーダの半導体微結晶と半導
   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酸化膜とを有し、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するこ
   とにより下部電極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、前記強電界ドリフト層の形
   成にあたっては、陽極酸化により半導体微結晶を含む多
   孔質半導体層を形成する陽極酸化処理工程と、多孔質半
   導体層を酸化して半導体微結晶の表面に酸化膜を形成す
   る酸化工程とを有し、陽極酸化処理工程と酸化工程との
   間の指定期間に多孔質半導体層を大気に曝さないように
   して半導体微結晶の表面への自然酸化膜の形成を防止す
   るようにしたことを特徴とする電界放射型電子源の製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記指定期間には前記多孔質半導体層の
   表面を非酸化性の液体で覆う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。
3. 【請求項３】 前記液体がアルコールであることを特徴
   とする請求項２記載の電界放射型電子源の製造方法。
4. 【請求項４】 前記指定期間の雰囲気を不活性ガスとし
   たことを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源の
   製造方法。
5. 【請求項５】 前記指定期間には少なくとも前記多孔質
   半導体層を真空中に保つ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。
6. 【請求項６】 前記酸化工程は、前記多孔質半導体層を
   電気化学的に酸化する工程であることを特徴とする請求
   項１ないし請求項５のいずれかに記載の電界放射型電子
   源の製造方法。