JP2003051246A - 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】所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易な電界
放射型電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】強電界ドリフト層６は、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５
１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結
晶６３と、各シリコン微結晶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絶縁
膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成される。
強電界ドリフト層６は、陽極酸化処理により形成された
多孔質多結晶シリコン層を、シリコン酸化膜６４の厚さ
が電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように
昇温速度を設定した急速加熱法によって熱酸化すること
で形成する。昇温速度は、８０℃／ｓｅｃ以上に設定す
ればよい。

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導電性薄膜（例えば、金薄
膜）よりなる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おり、導電性基板の一部な
いし全部が下部電極を構成している。

【０００３】ここにおいて、強電界ドリフト層の形成に
あたっては、例えば導電性基板上に形成した多結晶シリ
コン層を陽極酸化処理により多孔質化することによって
多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶を有す
る多孔質多結晶シリコン層を形成し、ランプアニール装
置を利用して多孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化して
いる。したがって、強電界ドリフト層は、多結晶シリコ
ンのグレイン、グレインの表面に形成されたシリコン酸
化膜、シリコン微結晶、シリコン微結晶の表面に形成さ
れた絶縁膜たるシリコン酸化膜などを含んでいると考え
られる。

【０００４】この種の電界放射型電子源は、表面電極を
真空中に配置するとともに表面電極に対向してコレクタ
電極を配置し、表面電極を下部電極に対して正極（高電
位側）となるように表面電極と下部電極との間に直流電
圧を印加するとともに、コレクタ電極を表面電極に対し
て正極（高電位側）としてコレクタ電極と表面電極との
間に直流電圧を印加することにより表面電極を通して電
子を放出させるものである。この電界放射型電子源で
は、下部電極から強電界ドリフト層に注入された電子が
シリコン微結晶の表面の薄いシリコン酸化膜にかかる強
電界により加速されて、ほとんど散乱することなく表面
電極へ向かってドリフトし表面電極をトンネルして放出
されるものと考えられ、このような電子放出原理は、弾
道型電子放出現象と呼ばれている。なお、強電界ドリフ
ト層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、表面電極の膜厚を１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度
に設定しておくことにより表面電極を容易にトンネルし
真空中に放出される。また、表面電極と下部電極との間
に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電
極と表面電極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、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。

【０００５】この電界放射型電子源では、表面電極と下
部電極との間に印加する直流電圧を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、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。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を形成した
基板などを使用することができるから、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
放射型電子源をディスプレイの電子源として応用する場
合には、表面電極、下部電極などを適宜にパターニング
すればよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の電界
放射型電子源では、製造したロット間での電子放出効
率、絶縁耐圧、寿命などの特性のばらつきが大きくなっ
てしまうことがあり、これらのばらつきの原因を仔細に
考察した結果、上述の絶縁膜たるシリコン酸化膜の厚さ
のばらつきが特性のばらつきに影響していることが分か
った。

【０００７】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、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が
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。

【０００８】

【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、多数のナノメータオーダの半導体微結晶
および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数
の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強
電界ドリフト層とを備え、前記各絶縁膜の厚さを電子の
トンネリング現象が発生する膜厚としたことを特徴とす
るものであり、各絶縁膜での電子の散乱を少なくするこ
とができるとともに強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さ
のばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の
設計が容易になる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記絶
縁膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶縁膜
を一般的な半導体製造プロセスにより形成することが可
能になる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記絶
縁膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶縁膜
を一般的な半導体製造プロセスにより形成することが可
能になり、しかも前記絶縁膜としてシリコン酸化膜を採
用する場合に比べて絶縁耐圧を高めることができる。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前記
絶縁膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前記絶
縁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、しかも前記絶縁膜としてシリコン酸化膜を採用
する場合に比べて絶縁耐圧を高めることができる。

【００１２】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜と窒化膜との積層膜よりなる
ので、請求項２の発明に比べて絶縁膜の絶縁耐圧を高め
ることが可能になる。

【００１３】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜と酸窒化膜との積層膜よりな
るので、請求項２の発明に比べて絶縁膜の絶縁耐圧を高
めることが可能になる。

【００１４】請求項７の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化
膜を形成することを特徴とし、前記各絶縁膜の厚さを電
子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能
となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつき
を小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易
になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長
寿命化を図れる。

【００１５】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、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に窒化
膜を形成することを特徴とし、前記各絶縁膜の厚さを電
子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能
となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつき
を小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易
になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長
寿命化を図れる。

【００１６】請求項９の発明は、請求項４記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸窒
化膜を形成することを特徴とし、前記各絶縁膜の厚さを
電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可
能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつ
きを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容
易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および
長寿命化を図れる。

【００１７】請求項１０の発明は、請求項６記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成す
る絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のト
ンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を
設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸
化膜を形成した後に、急速加熱法によって酸化膜の表面
側に酸窒化膜を形成することを特徴とし、前記各絶縁膜
の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とする
ことが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さ
のばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の
設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向
上および長寿命化を図れる。

【００１８】請求項１１の発明は、請求項７ないし請求
項１０の発明において、前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ
以上としてあるので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚とすることができ、絶縁耐
圧の向上および長寿命化を図れる。

【００１９】請求項１２の発明は、請求項７ないし請求
項１０の発明において、前記昇温速度を１５０℃／ｓｅ
ｃ以上としてあるので、請求項１１の発明に比べて長寿
命化を図れるとともに、電子放出効率を高めることが可
能になる。

【００２０】請求項１３の発明は、請求項７ないし請求
項１２の発明において、前記強電界ドリフト層の形成後
であって前記表面電極の形成以前に前記強電界ドリフト
層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、前
記絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより
一層の向上および更なる長寿命化を図れる。

【００２１】請求項１４の発明は、請求項１３の発明に
おいて、前記フォーミング処理は、少なくともＨ_２とＮ
_２とからなる混合ガス中で行うので、前記フォーミング
処理によって前記絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が
導入されるのを防止することができるとともに、比較的
低温で前記絶縁膜の欠陥を補償することができる。

【００２２】請求項１５の発明は、請求項４記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成す
る絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のト
ンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を
設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸
化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜を窒化して酸
窒化膜を形成する窒化処理工程とを有することを特徴と
し、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発
生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層
中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁
耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子
源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。

【００２３】請求項１６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、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、前
記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する
膜厚となるように電気化学的な方法によって前記各絶縁
膜を形成することを特徴とし、前記各絶縁膜の厚さを電
子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能
となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつき
を小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易
になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長
寿命化を図れる。

【００２４】請求項１７の発明は、請求項７ないし請求
項１５の発明において、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形
成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に
電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速
加熱法による前記各半導体微結晶の破壊を防止すること
ができる。

【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
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
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。

【００２７】表面電極７の材料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、この厚さは特に限定されるものではなく、強
電界ドリフト層６を通ってきた電子がトンネリングでき
る厚さであればよく、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎ
ｍ程度に設定すればよい。

【００２８】表面電極７は、強電界ドリフト層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
と第１薄膜層上に積層された金属膜（例えば、Ａｕ膜）
よりなる第２薄膜層とにより構成されている。ここにお
いて、強電界ドリフト層６上の第１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
ウムなどの強電界ドリフト層６との密着性が高く第２薄
膜層と強電界ドリフト層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薄膜層の材料
としてＣｒを採用し第１薄膜層の膜厚を２ｎｍに設定し
てあり、第２薄膜層の材料としてＡｕを採用し第２薄膜
層の膜厚を８ｎｍ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。

【００２９】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
（高電位側）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（高電位
側）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）。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
／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）
×１００［％］）が高くなる。

【００３０】ところで、本実施形態における強電界ドリ
フト層６は、図１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
に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６
３と、各シリコン微結晶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絶縁膜で
ある多数のシリコン酸化膜６４とから構成されると考え
られる。要するに、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の中心部分では結晶状態
が維持されている。ここにおいて、シリコン微結晶６３
の表面に形成されたシリコン酸化膜６４の厚さは電界を
印加した場合（上記直流電圧Ｖpsを印加した場合）に電
子のトンネリング現象（ファウラ−ノルドハイムトンネ
ル）が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）に設定
してあり、ＳｉＯ_２中の電子の平均自由行程は約３ｎｍ
であることが知られているので、シリコン酸化膜６４の
厚さは１〜３ｎｍ程度に設定することが望ましい。な
お、シリコン微結晶６３の結晶粒径は電子の平均自由行
程よりも小さくなっている。

【００３１】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、表面電極７を真空中に配置し表面電極７とｎ形
シリコン基板１（オーミック電極２）との間に表面電極
７を高電位側（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と表面電極７との間にコレク
タ電極２１を高電位側（正極）として直流電圧Ｖｃを印
加することにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に
達すると、下部電極としてのｎ形シリコン基板１から強
電界ドリフト層６へ熱的励起された電子ｅ⁻が注入され
る。一方、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にかかるから、注入された電子
ｅ⁻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、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の
間の領域を表面に向かって図１中の矢印の向き（図１中
の上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルして真
空中に放出される。しかして、強電界ドリフト層６では
ｎ形シリコン基板１から注入された電子がシリコン微結
晶６３でほとんど散乱されることなく、シリコン酸化膜
６４にかかっている強電界で加速されてドリフトし表面
電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電
界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１を通して放
熱されるから、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ものと考えら
れる。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。

【００３２】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。

【００３３】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（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。

【００３４】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（陰極）、ｎ
形シリコン基板１（オーミック電極２）を正極（陽極）
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、多結晶シリコンのグレインおよび
シリコン微結晶を含んでいる。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。

【００３５】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、急速加熱法によって多孔
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。ここ
において、急速加熱法による酸化工程では、ランプアニ
ール装置を用い、炉内をＯ_２ガス雰囲気として基板温度
を室温から所定の酸化温度（例えば、９００℃）まで規
定の昇温速度（例えば、８０℃／ｓｅｃ）で上昇させて
基板温度を所定の酸化時間（例えば、１時間）だけ維持
することで急速熱酸化（ＲＴＯ）を行い、その後、基板
温度を室温まで下降させている。本実施形態では、昇温
速度を８０℃／ｓｅｃに設定してあるが、昇温速度は８
０℃／ｓｅｃ以上に設定すればよく、１５０℃／ｓｅｃ
以上に設定することが好ましい。昇温速度をこのような
値に設定する理由については後述する。なお、本実施形
態では、酸化工程が、半導体微結晶たるシリコン微結晶
６３の表面側に絶縁膜たるシリコン酸化膜６４を形成す
る絶縁膜形成工程となる。

【００３６】強電界ドリフト層６を形成した後は、金属
膜（本実施形態ではＣｒ膜）からなる第１薄膜層を電子
ビーム蒸着法によって強電界ドリフト層６上に積層し、
さらに金属膜（本実施形態では、Ａｕ膜）からなる第２
薄膜層を電子ビーム蒸着法によって第１薄膜層上に積層
することで第１薄膜層と第２薄膜層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
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。

【００３７】ところで、本願発明者らは、鋭意研究の結
果、急速加熱法による酸化工程の条件、特に昇温速度が
電子放出効率や絶縁耐圧、寿命などの特性のロット間の
ばらつきに影響を与えるという知見を得た。

【００３８】そこで、本願発明者らは、急速加熱法にお
ける昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定した電界放射型電
子源１０の強電界ドリフト層６の分析評価として、フォ
トルミネッセンス法（ＰＬ法）による強電界ドリフト層
６表面近傍の構造評価、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微
鏡）による強電界ドリフト層６の表面近傍の構造の観察
および元素分析、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ法）に
よる強電界ドリフト層６の構成元素の存在量の深さ方向
の分布測定などを行い、さらに比較例として急速加熱法
における昇温速度を８０℃／ｓｅｃに比べて低速の２０
℃／ｓｅｃに設定して製造したものについて同様の分析
評価を行った。その結果、昇温速度を２０℃／ｓｅｃに
設定した比較例では強電界ドリフト層における表面（表
面電極７との界面）から１００ｎｍ程度の深さまでＳｉ
Ｏ_２膜が形成されてシリコン微結晶の存在が確認されな
いのに対して、昇温速度を比較的高速の８０℃／ｓｅｃ
に設定した電界放射型電子源１０における強電界ドリフ
ト層６では表面から１００ｎｍ程度の深さまでの領域に
おいてもシリコン微結晶６３が存在していることが分か
った。

【００３９】ここで、各分析評価の結果についてそれぞ
れ説明する。まず、本実施形態の電界放射型電子源１０
の強電界ドリフト層６および比較例の強電界ドリフト層
それぞれの表面近傍の構造について断面ＴＥＭによる観
察および元素分析を行った結果について説明する。断面
ＴＥＭによる評価によって、電界放射型電子源１０の強
電界ドリフト層６では多結晶シリコンの柱状のグレイン
およびナノメータオーダのシリコン微結晶が確認された
のに対して、比較例の強電界ドリフト層では表面から１
００ｎｍ程度の深さまでは全領域にわたってＳｉＯ_２膜
が形成されており、多結晶シリコンの柱状のグレインは
１００ｎｍよりも深い領域でしか確認されないことが分
かった。

【００４０】次に、ＰＬ法による強電界ドリフト層６の
表面近傍の構造評価の結果について図４を参照しながら
説明する。図４はＨｅ−Ｃｄレーザから波長が３２５ｎ
ｍの光を照射して測定した発光スペクトルであって、同
図中のａが本実施形態における強電界ドリフト層６の発
光スペクトルを、同図中のｂが比較例における強電界ド
リフト層の発光スペクトルを、それぞれ示している。こ
こにおいて、Ｈｅ−Ｃｄレーザから照射される光の強電
界ドリフト層６への侵入長は強電界ドリフト層６の表面
から深さ方向へ１００ｎｍ以内であるから、図４中のａ
およびｂの各発光スペクトルは表面近傍の浅い領域から
の発光スペクトルを示している。なお、一般に、シリコ
ン酸化膜からの発光はＦバンドと呼ばれ４３０ｎｍ〜５
４０ｎｍ付近にピークを持つことが知られ、シリコン微
結晶からの発光はＳバンドと呼ばれ、６５０ｎｍ〜８０
０ｎｍ付近にピークを持つことが知られている。図４か
ら、本実施形態における強電界ドリフト層６ではシリコ
ン微結晶６３からの発光と考えられるピークとシリコン
酸化膜からの発光と考えられるピークが観測されたのに
対して、比較例における強電界ドリフト層ではシリコン
酸化膜からの発光と考えられるピークのみが観測され
た。すなわち、比較例における強電界ドリフト層６の表
面から１００ｎｍ程度の深さまでの領域にはシリコン微
結晶がほとんど存在せず大部分ないし全部がシリコン酸
化膜となっているものと考えられ、この結果は上述の断
面ＴＥＭによる分析結果と一致している。

【００４１】続いて、ＸＰＳ法による強電界ドリフト層
６の構成元素の存在量に関する深さ方向分布測定の結果
について図５を参照しながら説明する。図５の横軸は強
電界ドリフト層６の表面からの深さを、同図の縦軸は原
子濃度を、それぞれ示している。ここにおいて、同図中
のａ１，ａ２，ａ３は本実施形態における強電界ドリフ
ト層６に関する測定結果を、ｂ１，ｂ２，ｂ３は比較例
における強電界ドリフト層に関する測定結果を示してお
り、ａ１，ｂ１はＳｉＯ_２の深さ方向分布を、ａ２，ｂ
２はＳｉの深さ方向分布を、ａ３，ｂ３はＳｉＯ_Ｘの深
さ方向分布を、それぞれ示している。図５から、本実施
形態における強電界ドリフト層６では表面からの深さが
１００ｎｍよりも浅い領域でＳｉおよびＳｉＯ_２が観測
されているのに対して、比較例では表面から１００ｎｍ
よりも浅い領域ではＳｉが観測されずＳｉＯ_２のみ観測
されていることが分かる。この結果は上述の断面ＴＥＭ
による分析結果と一致する。

【００４２】以上の各分析結果から、本実施形態におけ
る強電界ドリフト層６では図６に示すように強電界ドリ
フト層６における表面近傍においても表面にシリコン酸
化膜６４が形成されたシリコン微結晶６３を含んでお
り、強電界ドリフト層６へ注入された電子ｅ⁻がシリコ
ン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、シ
リコン微結晶６３にほとんど衝突することなく図６
（ａ）中の矢印の向き（右向き）へドリフトして強電界
ドリフト層６の表面に到達し、表面電極７をトンネルし
て真空中に放出されるものと考えられる（図６（ａ）中
の一点鎖線は電子ｅ⁻の流れを示す）。なお、図６
（ａ）の上部に記載の「ＰＰＳ」は強電界ドリフト層６
を、「Ｍｅｔａｌ」は表面電極７を、「Ｖａｃｕｕｍ」
は真空を、それぞれ示している。また、図６（ｂ）は電
子放出原理を説明するエネルギバンド図であって、図６
（ｂ）中の「ＳｉＯ_２」はシリコン酸化膜６４を、「μ
ｃ−Ｓｉ」はナノメータオーダのシリコン微結晶６３
を、「Ｅ_ＦＭ」は表面電極７のフェルミレベルを、「Ｅ
va」は真空レベル（真空準位）を、それぞれ示す。

【００４３】一方、比較例における強電界ドリフト層
（以下、強電界ドリフト層６’と称す）では図７に示す
ように強電界ドリフト層６’の表面に近づくほどシリコ
ン酸化膜６４の膜厚が大きくなってシリコン微結晶６３
が破壊され、表面近傍ではシリコン微結晶６３が存在し
ておらず、強電界ドリフト層６’へ注入された電子ｅ⁻
の一部が電子の平均自由行程よりも厚いシリコン酸化膜
６４で散乱されたり吸収されたりするために電子放出効
率が低下してしまったり、絶縁耐圧および寿命が低下し
てしまうものと考えられる。

【００４４】ここにおいて、本実施形態における強電界
ドリフト層６では表面近傍でもシリコン微結晶６３が存
在しているのに対して、比較例における強電界ドリフト
層６’では表面近傍においてシリコン微結晶６３が破壊
されている原因としては次のようなモデルが考えられ
る。すなわち、本実施形態では、陽極酸化処理工程後の
酸化工程において図８（ａ）のようにシリコン微結晶６
３の周囲に酸素分子８０が到達するが、昇温速度が比較
的高速（８０℃／ｓｅｃ）なので、陽極酸化により形成
されていたシリコン微結晶６３の表面側に短時間でシリ
コン酸化膜６４が形成されて、シリコン微結晶６３の中
心部への酸素原子８１の拡散が阻止されることでシリコ
ン微結晶６３の表面にのみ電子の電子のトンネリング現
象の発生する膜厚（電子の平均自由行程程度の厚さ）の
シリコン酸化膜６４が形成されると考えられる。これに
対して、比較例では、陽極酸化処理工程後の酸化工程に
おいて図８（ｂ）のようにシリコン微結晶６３の周囲に
酸素分子８０が到達するが、昇温速度が比較的低速（２
０℃／ｓｅｃ）なので、陽極酸化により形成されていた
シリコン微結晶６３の中心部まで酸素原子８１が拡散し
てシリコン微結晶６３全体が酸化されてしまうからであ
ると考えられる。

【００４５】図９に、昇温速度を８０℃／ｓｅｃ、１６
０℃／ｓｅｃ、２０℃／ｓｅｃとした場合それぞれの電
子放出効率の経時変化を示す。図９の縦軸は電子放出効
率、横軸は経過時間であり、同図中のａが昇温速度を８
０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｂが昇温速度を２０
℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｃが昇温速度を１６０
℃／ｓｅｃとした場合をそれぞれ示している。図９から
分かるように、本実施形態では比較例に比べて電子放出
効率が高く、電子放出効率の経時変化が小さくなること
で寿命が長くなっており、昇温速度を８０℃／ｓｅｃか
ら１６０℃／ｓｅｃに高速化することで電子放出効率が
さらに高くなっている。なお、昇温速度を１６０℃とし
た場合の電子放出効率の経時変化のデータは昇温速度を
１５０℃以上とした場合のデータの一例である。

【００４６】ここにおいて、図９に示す電子放出効率の
経時変化は経過時間に対して指数関数的に減衰する関数
（以下、減衰関数と称す）でフィッティングすることが
できる。すなわち、電子放出効率の初期値（以下、初期
電子放出効率と称す）をη_０、時定数をτ、比例係数
（線形ファクタ）をγ、経過時間をｔとすると、任意の
経過時間ｔにおける電子放出効率をηは、 η＝η_０exp（（−ｔ／τ）^γ） で近似することができる。なお、時定数τの値が大きい
ほど電子源の寿命が長くなる。

【００４７】図１０に、初期電子放出効率η_０と上述の
減数関数でフィッティングすることにより求めた時定数
τとの関係を示す。図１０の縦軸は初期電子放出効率η
_０、横軸は時定数τであり、同図中のａが昇温速度を８
０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｂが昇温速度を２０
℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｃが昇温速度を１６０
℃／ｓｅｃとした場合をそれぞれ示している。図１０か
ら、昇温速度を高速化するにつれて初期電子放出効率η
_０および時定数τが大きくなることが分かる。つまり、
昇温速度を高速化するにつれて電子放出効率の向上およ
び長寿命化を図れることが分かる。ここにおいて、初期
電子放出効率η_０と時定数τとの積η_０τで電子源の特
性評価を行うとすれば、η_０τの値が大きいほど電子源
としての特性が優れていると考えられる。η_０τの値
は、ｂでは０．０９２、ａでは５．２、ｃでは２１．８
となっており、昇温速度を２０℃／ｓｅｃから８０℃／
ｓｅｃへ高速化することにより、２０℃／ｓｅｃの場合
に比べてη_０τの値が５０倍よりも大きくなっているこ
とが分かる。したがって、昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以
上に設定することで２０℃／ｓｅｃの場合に比べて電子
放出効率の向上および長寿命化を図ることができ、昇温
速度を１５０℃／ｓｅｃ以上に設定することで電子放出
効率のより一層の向上およびより一層の長寿命化を図れ
る。なお、昇温速度は急速加熱法において用いる製造装
置（例えば、ランプアニール装置）の性能で制約される
が、現在は昇温速度を４００℃／ｓｅｃ程度まで高速化
可能であることが知られている。

【００４８】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０の製造方法によれば、強電界ドリフト層６中の絶縁
膜たるシリコン酸化膜６４の厚さを電子のトンネリング
現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）とする
ことができるので、各シリコン酸化膜６４での電子の散
乱を少なくすることができるとともに強電界ドリフト層
６中のシリコン酸化膜６４の厚さのばらつきを小さくで
き、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になり、絶
縁耐圧の向上および長寿命化が図れ、さらに電子放出効
率の向上も図れる。

【００４９】（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（例えば、石英ガラス基板）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。

【００５０】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１１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。表面電極７の構成は実施形態１と同じであ
る。

【００５１】図１１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に対して正極（高電位側）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に対して正極（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１１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。

【００５２】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１１参照）、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（＝（Ｉe／Ｉps）×
１００［％］）が高くなる。

【００５３】強電界ドリフト層６は、実施形態１と同
様、図１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
る多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各
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絶縁膜である多数
のシリコン酸化膜６４とから構成されると考えられる。
要するに、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の中心部分では結晶状態が維持さ
れている。ここにおいて、シリコン微結晶６３の表面に
形成されたシリコン酸化膜６４の厚さは電界を印加した
場合（上記直流電圧Ｖpsを印加した場合）に電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程
度）に設定してあり、ＳｉＯ_２中の電子の平均自由行程
は約３ｎｍであることが知られているので、シリコン酸
化膜６４の厚さは１〜３ｎｍ程度に設定することが望ま
しい。なお、シリコン微結晶６３の結晶粒径は電子の平
均自由行程よりも小さくなっている。

【００５４】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、表面電極７と導電性層１２との間に表面電極７
を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と表面電極７との間にコレクタ電極２１を正
極として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧
Ｖpsが所定値（臨界値）に達すると、下部電極としての
導電性層１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起された
電子ｅ⁻が注入される。一方、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にかかるか
ら、注入された電子ｅ⁻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、強電界ドリフト層６にお
けるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１中の
矢印の向き（図１中の上向き）へドリフトし、表面電極
７をトンネルし真空中に放出される。しかして、強電界
ドリフト層６では導電性層１２から注入された電子がシ
リコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコ
ン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフト
し、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現
象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１
を通して放熱されるから、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。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。

【００５５】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。

【００５６】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１２を参照しながら説明する。

【００５７】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１２（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ＣＶ
Ｄ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Cont
inuous Grain Silicon）法などを採用すればよい。

【００５８】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１２（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、
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、導電性層
１２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、多結晶シリコンの
グレインおよびシリコン微結晶を含んでいる。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。

【００５９】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１２（ｃ）に示すような
構造が得られる。酸化工程では、急速加熱法によって多
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。こ
こにおいて、急速加熱法による酸化工程では、実施形態
１と同様、ランプアニール装置を用い、炉内をＯ_２ガス
雰囲気として基板温度を室温から所定の酸化温度（例え
ば、９００℃）まで規定の昇温速度（例えば、８０℃／
ｓｅｃ）で上昇させて基板温度を所定の酸化時間（例え
ば、１時間）だけ維持することで急速熱酸化（ＲＴＯ）
を行い、その後、基板温度を室温まで下降させている。
本実施形態では、昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定して
あるが、実施形態１と同様、昇温速度は８０℃／ｓｅｃ
以上に設定すればよく、１５０℃／ｓｅｃ以上に設定す
ることが好ましい。なお、本実施形態では、実施形態１
と同様、酸化工程が、半導体微結晶たるシリコン微結晶
６３の表面側に絶縁膜たるシリコン酸化膜６４を形成す
る絶縁膜形成工程となる。

【００６０】強電界ドリフト層６を形成した後は、金属
膜（本実施形態ではＣｒ膜）からなる第１薄膜層を電子
ビーム蒸着法によって強電界ドリフト層６上に積層し、
さらに金属膜（本実施形態では、Ａｕ膜）からなる第２
薄膜層を電子ビーム蒸着法によって第１薄膜層上に積層
することで第１薄膜層と第２薄膜層とからなる表面電極
７が形成され、図１２（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。

【００６１】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０の製造方法によれば、強電界ドリフト層６中の絶縁
膜たるシリコン酸化膜６４の厚さを電子のトンネリング
現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）とする
ことができるので、各シリコン酸化膜６４での電子の散
乱を少なくすることができるとともに強電界ドリフト層
６中のシリコン酸化膜６４の厚さのばらつきを小さくで
き、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になり、絶
縁耐圧の向上および長寿命化が図れ、さらに電子放出効
率の向上も図れる。

【００６２】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、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多
結晶シリコン層や酸窒化した多孔質多結晶シリコン層に
より構成してもよいし、あるいはその他の酸化若しくは
窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層により構成して
もよい。

【００６３】ここにおいて、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多孔質多結
晶シリコン層４をＯ_２ガスを利用した急速加熱法により
酸化する酸化工程（絶縁膜形成工程）の代わりに例えば
ＮＨ_３ガスを利用して昇温速度を各実施形態と同様に設
定した急速加熱法により窒化する窒化工程（絶縁膜形成
工程）を採用すればよく、図１にて説明した各シリコン
酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、強
電界ドリフト層６を酸窒化した多孔質多結晶シリコン層
とした場合には多孔質多結晶シリコン層４を急速加熱法
により酸化する工程の代わりに例えばＯ_２ガスとＮＨ_３
ガスとの混合ガスを利用して昇温速度を各実施形態と同
様に設定した急速加熱法により酸窒化する酸窒化工程
（絶縁膜形成工程）を採用すればよく、図１にて説明し
た各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒
化膜となる。また、強電界ドリフト層６を酸窒化した多
孔質多結晶シリコン層とした場合には、シリコン酸窒化
膜からなる絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程として、昇
温速度を各実施形態と同様に設定した急速加熱法によっ
てシリコン微結晶６３の表面側に酸化膜たるシリコン酸
化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜形成工程で形
成したシリコン酸化膜を窒化して酸窒化膜たるシリコン
酸窒化膜を形成する窒化処理工程とを採用するようにす
ればよい。

【００６４】なお、半導体微結晶たるシリコン微結晶６
３の表面側に形成された絶縁膜としてシリコン窒化膜や
シリコン酸窒化膜を採用した場合には、シリコン酸化膜
を採用している場合に比べて絶縁耐圧が向上する。ま
た、上記絶縁膜としてシリコン酸化膜とシリコン窒化膜
との積層膜を採用した場合にも、シリコン酸化膜を採用
している場合に比べて絶縁耐圧が向上する。

【００６５】また、上記各実施形態で説明した各製造方
法における強電界ドリフト層６の形成後であって表面電
極７の形成以前に強電界ドリフト層６中の欠陥を補償す
るフォーミング処理を行うことによって、上記絶縁膜の
欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上
および更なる長寿命化を図ることができる。フォーミン
グ処理は、少なくともＨ_２とＮ_２とからなる混合ガス中
で基板温度を所定温度（例えば、４５０℃）まで上昇さ
せて行えばよい。このようなフォーミング処理によって
上記絶縁膜の厚さがフォーミング処理以前よりも厚くな
ったり不純物が導入されるのを防止することができると
ともに、急速加熱法による基板温度に比べて比較的低温
で上記絶縁膜の欠陥を補償することができる。

【００６６】また、上記各実施形態における絶縁膜形成
工程では、急速加熱法を利用して絶縁膜を形成している
が、電気化学的な方法によって絶縁膜たるシリコン酸化
膜６４を形成するようにしてもよい。例えば、電解質溶
液（例えば、１モルのＨ_２ＳＯ_４、１モルのＨＮＯ_３、
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、下部電極（実施形態１ではｎ形シリコ
ン基板、実施形態２では導電性層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。電気化学的な方法によって形成する絶縁膜
を上述のようにシリコン窒化膜などの窒化膜やシリコン
酸窒化膜などの酸窒化膜としてもよいことは勿論であ
る。

【００６７】上述のように電気化学的な方法によって上
記絶縁膜を形成した場合には、電子のトンネリング現象
が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）の絶縁膜を
形成することができ、シリコン微結晶６３が破壊されて
いないことが確認されたが、昇温速度を８０℃／ｓｅｃ
に設定した急速加熱法によって絶縁膜を形成したものに
比べて電子放出効率が低く寿命が短いという結果が得ら
れた。また、電気化学的な方法で形成したシリコン酸化
膜は急速加熱法によって形成したシリコン酸化膜に比べ
て多量の水分を含むことも確認された。したがって、上
記各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、電気化学的
に絶縁膜を形成した後に、急速加熱法によって絶縁膜を
形成するようにすれば、シリコン酸化膜の水分を除去す
ることができて電子放出特性の向上が図れる。言い換え
れば、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化
学的な方法によって絶縁膜を形成するようにすれば、急
速加熱法によるシリコン微結晶の破壊を確実に防止しつ
つ電子放出効率および絶縁耐圧が高く長寿命の電界放射
型電子源を実現することが可能になる。

【００６８】また、電気化学的な方法によって上記絶縁
膜を形成した場合には、上述のフォーミング処理を行う
ことによって電界放射型電子源１０の長寿命化を図れ
る。図１３および図１４は電気化学的な方法によって上
記絶縁膜（シリコン酸化膜５２，６４）を形成した強電
界ドリフト層６について昇温脱離分光法（ＴＤＳ法）に
よる分析を行った結果であり、図１３および図１４の横
軸は温度、縦軸はイオン電流である。ここに、図１３は
水の脱離スペクトルを示し、図１４は水素の脱離スペク
トルを示し、図１３および図１４中の「イ」はフォーミ
ング処理を行っていないサンプル（以下、フォーミング
処理なしのサンプルと称す）の脱離スペクトル、「ロ」
は真空中で４５０℃にてアニールを行ったサンプル（以
下、真空アニールありのサンプルと称す）の脱離スペク
トル、「ハ」はＨ_２とＮ_２との混合ガス（Ｈ_２の濃度が
３％）中で４５０℃にてフォーミング処理を行ったサン
プル（以下、フォーミング処理ありのサンプルと称す）
の脱離スペクトルを示してある。

【００６９】図１３から、フォーミング処理なしのサン
プルでは１００℃〜５００℃の範囲にブロードな脱離ス
ペクトルが測定され３００℃以下で多量の水が脱離して
いることが分かる。言い換えれば、フォーミング処理な
しのサンプルでは強電界ドリフト層６中に多量の水分が
含まれていることが分かる。これに対して、真空アニー
ルありのサンプルおよびフォーミング処理ありのサンプ
ルでは水の脱離スペクトルのピーク値がフォーミング処
理なしのサンプルに比べて大幅に減少しており、強電界
ドリフト層６中の水分が大幅に減少していることが分か
る。

【００７０】また、図１４からは、フォーミング処理な
しのサンプルおよび真空アニールありのサンプルでは３
５０℃以上の比較的広い温度範囲で水素が脱離している
ことが分かる。これに対して、フォーミング処理ありの
サンプルでは３５０℃〜５００℃の温度範囲での水素の
脱離は測定されずに６００℃付近で水素が脱離している
ことが分かる。ここにおいて、水素の脱離スペクトルに
おける３５０℃付近のピークはＳｉ−Ｈ_２結合やＳｉ−
Ｈ_３結合からの水素、６００℃付近のピークはＳｉ−Ｈ
結合からの水素と考えられており、３５０℃付近で脱離
する水素は不安定であり、電界放射型電子源１０の特性
変動の要因となり、６００℃付近で脱離する水素はシリ
コンのダングリングボンドを補償して欠陥を低減させる
ものと考えられる。つまり、電界放射型電子源１０の特
性変動を少なくするにはフォーミング処理を行えばよ
い。

【００７１】図１５に、フォーミング処理なしのサンプ
ル、真空アニールありのサンプル、フォーミング処理あ
りのサンプルそれぞれについて上記直流電圧Ｖpsを１６
Ｖ一定、上記直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定として電子放
出効率の経時変化を測定した結果を示す。ここに、図１
５の縦軸は電子放出効率、横軸は経過時間であり、図１
５中の「イ」はフォーミング処理なしのサンプルの電子
放出効率、「ロ」は真空アニールありのサンプルの電子
放出効率、「ハ」はフォーミング処理ありのサンプルの
電子放出効率を示してある。

【００７２】図１５から、フォーミング処理なしのサン
プルに比べて、真空アニールありのサンプルおよびフォ
ーミング処理ありのサンプルでは初期の電子放出効率が
向上し、寿命が長くなっていることが分かる。また、真
空アニールありのサンプルとフォーミング処理ありのサ
ンプルとを比較すると、真空アニールありのサンプルで
は２０時間連続駆動することにより電子放出効率が約２
桁小さくなっているに対して、フォーミング処理ありの
サンプルでは電子放出効率が約１桁小さくなっているこ
とが分かる。つまり、真空アニールありのサンプルに比
べてフォーミング処理ありのサンプルの方が電子放出特
性の経時安定性が向上していることが分かる。以上説明
した図１３〜図１５の結果から、上述のフォーミング処
理を行うことにより、強電界ドリフト層６の絶縁膜（シ
リコン酸化膜５２，６４）中に不安定な形で取り込まれ
ている水および水素を効果的に除去でき（つまり、欠陥
を補償でき）、電子放出特性の経時安定性が向上できる
ものと考えられる。

【００７３】

【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、多数のナノメータオーダの半
導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成
された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に
介在した強電界ドリフト層とを備え、前記各絶縁膜の厚
さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚としたもの
であり、各絶縁膜での電子の散乱を少なくすることがで
きるとともに強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばら
つきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が
容易になるという効果がある。

【００７４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記絶
縁膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶縁膜
を一般的な半導体製造プロセスにより形成することが可
能になるという効果がある。

【００７５】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記絶
縁膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶縁膜
を一般的な半導体製造プロセスにより形成することが可
能になり、しかも前記絶縁膜としてシリコン酸化膜を採
用する場合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。

【００７６】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前記
絶縁膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前記絶
縁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、しかも前記絶縁膜としてシリコン酸化膜を採用
する場合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。

【００７７】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜と窒化膜との積層膜よりなる
ので、請求項２の発明に比べて絶縁膜の絶縁耐圧を高め
ることが可能になるという効果がある。

【００７８】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記絶縁膜が、酸化膜と酸窒化膜との積層膜よりな
るので、請求項２の発明に比べて絶縁膜の絶縁耐圧を高
めることが可能になるという効果がある。

【００７９】請求項７の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化
膜を形成するので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネ
リング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強
電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくで
き、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、
電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図
れるという効果がある。

【００８０】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、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に窒化
膜を形成するので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネ
リング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強
電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくで
き、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、
電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図
れるという効果がある。

【００８１】請求項９の発明は、請求項４記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成する
絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設
定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸窒
化膜を形成するので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、
強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さく
でき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になっ
て、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化
を図れるという効果がある。

【００８２】請求項１０の発明は、請求項６記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成す
る絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のト
ンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を
設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸
化膜を形成した後に、急速加熱法によって酸化膜の表面
側に酸窒化膜を形成するので、前記各絶縁膜の厚さを電
子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能
となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつき
を小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易
になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長
寿命化を図れるという効果がある。

【００８３】請求項１１の発明は、請求項７ないし請求
項１０の発明において、前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ
以上としてあるので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトン
ネリング現象が発生する膜厚とすることができ、絶縁耐
圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。

【００８４】請求項１２の発明は、請求項７ないし請求
項１０の発明において、前記昇温速度を１５０℃／ｓｅ
ｃ以上としてあるので、請求項１１の発明に比べて長寿
命化を図れるとともに、電子放出効率を高めることが可
能になるという効果がある。

【００８５】請求項１３の発明は、請求項７ないし請求
項１２の発明において、前記強電界ドリフト層の形成後
であって前記表面電極の形成以前に前記強電界ドリフト
層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、前
記絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより
一層の向上および更なる長寿命化を図れるという効果が
ある。

【００８６】請求項１４の発明は、請求項１３の発明に
おいて、前記フォーミング処理は、少なくともＨ_２とＮ
_２とからなる混合ガス中で行うので、前記フォーミング
処理によって前記絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が
導入されるのを防止することができるとともに、比較的
低温で前記絶縁膜の欠陥を補償することができるという
効果がある。

【００８７】請求項１５の発明は、請求項４記載の電界
放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁膜を形成す
る絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さが電子のト
ンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を
設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸
化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜を窒化して酸
窒化膜を形成する窒化処理工程とを有するので、前記各
絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚
とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜
の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および
寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐
圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。

【００８８】請求項１６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、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、前
記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する
膜厚となるように電気化学的な方法によって前記各絶縁
膜を形成するので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネ
リング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強
電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくで
き、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、
電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図
れるという効果がある。

【００８９】請求項１７の発明は、請求項７ないし請求
項１５の発明において、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形
成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に
電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速
加熱法による前記各半導体微結晶の破壊を防止すること
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の電界放射型電子源の要部概略構成
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】同上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および比較例のフォト
ルミネッセンス測定による発光スペクトル図である。

【図５】同上の電界放射型電子源および比較例のＸ線光
電子分光分析法による構成元素の深さ方向分布を示すグ
ラフである。

【図６】同上の電界放射型電子源の電子放出原理の説明
図である。

【図７】同上の電界放射型電子源の比較例の電子放出原
理の説明図である。

【図８】同上の電界放射型電子源および比較例における
酸化過程の説明図である。

【図９】同上の電界放射型電子源および比較例の電子放
出効率の経時変化を示すグラフである。

【図１０】同上の電界放射型電子源および比較例の電子
放出特性の説明図である。

【図１１】実施形態２の電界放射型電子源の動作説明図
である。

【図１２】同上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１３】同上の他の製造方法により形成した強電界ド
リフト層の昇温脱離分光法による脱離スペクトル図であ
る。

【図１４】同上の他の製造方法により形成した強電界ド
リフト層の昇温脱離分光法による脱離スペクトル図であ
る。

【図１５】同上の他の製造方法により形成した電界放射
型電子源の電子放出効率の経時変化を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 ５１ グレイン ５２ シリコン酸化膜 ６３ シリコン微結晶 ６４ シリコン酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 Ｆターム(参考） 5C127 AA01 BA09 BB16 BB18 CC22 DD77 DD78 DD80 DD82 EE07 EE12 EE20 5C135 AA09 AB16 AB18 DD09 HH07 HH20

Claims (17)

【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、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各
   半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜
   を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリ
   フト層とを備え、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネリ
   ング現象が発生する膜厚とした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】 前記絶縁膜は、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。
4. 【請求項４】 前記絶縁膜は、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。
5. 【請求項５】 前記絶縁膜は、酸化膜と窒化膜との積層
   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】 前記絶縁膜は、酸化膜と酸窒化膜との積
   層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。
7. 【請求項７】 請求項２記載の電界放射型電子源の製造
   方法であって、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程で
   は、前記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発
   生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法
   によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成すること
   を特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
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、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程で
   は、前記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発
   生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法
   によって半導体微結晶の表面側に窒化膜を形成すること
   を特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項４記載の電界放射型電子源の製造
   方法であって、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程で
   は、前記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発
   生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法
   によって半導体微結晶の表面側に酸窒化膜を形成するこ
   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】 請求項６記載の電界放射型電子源の製
    造方法であって、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程
    では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が
    発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱
    法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成して更
    に酸化膜の表面側に酸窒化膜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。
11. 【請求項１１】 前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以上と
    してなることを特徴とする請求項７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】 前記昇温速度を１５０℃／ｓｅｃ以上
    としてなることを特徴とする請求項７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。
13. 【請求項１３】 前記強電界ドリフト層の形成後であっ
    て前記表面電極の形成以前に前記強電界ドリフト層中の
    欠陥を補償するフォーミング処理を行うことを特徴とす
    る請求項７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】 前記フォーミング処理は、少なくとも
    Ｈ_２とＮ_２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とす
    る請求項１３記載の電界放射型電子源の製造方法。
15. 【請求項１５】 請求項４記載の電界放射型電子源の製
    造方法であって、前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程
    では、前記各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が
    発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱
    法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成する酸
    化膜形成工程と、酸化膜を窒化して酸窒化膜を形成する
    窒化処理工程とを有することを特徴とする電界放射型電
    子源の製造方法。
16. 【請求項１６】 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
    膜を形成する絶縁膜形成工程では、前記各絶縁膜の厚さ
    が電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように
    電気化学的な方法によって前記各絶縁膜を形成すること
    を特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程
    では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化
    学的な方法によって絶縁膜を形成することを特徴とする
    請求項７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。