JP2003187688A - 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】電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を
向上した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】電界放射型電子源１０は、基板１の一表面
側に下部電極２が形成され、下部電極２上に半導体層と
してノンドープの多結晶シリコン層３が形成され、多結
晶シリコン層３上に電子通過層として、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、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は、強電界ドリフト層６に積層された導
電性炭化物層７ａと導電性炭化物層７ａに積層された貴
金属層７ｂとにより構成されている。

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、電界放射型電子源として、例
えば、特許第２９８７１４０号公報、特開２００１−１
２６６１０号公報などに開示されたものが知られてい
る。

【０００３】ここにおいて、前者に開示された電界放射
型電子源は、下部電極と、下部電極に対向する金属薄膜
よりなる表面電極（上部電極）と、下部電極と表面電極
との間に介在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したときに作用する電界によ
り下部電極から表面電極へ向かう向きへ電子が通過する
電子通過層（強電界ドリフト層）とを備えている。電子
通過層としては、例えば酸化若しくは窒化した多孔質多
結晶シリコン層が採用されている。この電界放射型電子
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、表面電極と下部電極と
の間に表面電極を高電位側として直流電圧を印加すると
ともに、コレクタ電極と表面電極との間にコレクタ電極
を高電位側として直流電圧を印加することにより、電子
通過層をドリフトした電子を表面電極を通して放出させ
るものである。なお、表面電極の表面が酸化などの変質
を起こすと電子放出効率が減少するので、表面電極７に
は化学的に安定な金属（例えば、金などの貴金属）が採
用されている。また、表面電極７の厚さは例えば１０ｎ
ｍ程度に設定されている。

【０００４】ところで、上述の電界放射型電子源におい
て、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（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる
が、上述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。

【０００５】なお、上述の電界放射型電子源において
は、抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い半導体基板と当
該半導体基板の裏面に形成したオーミック電極とで下部
電極を構成したものや、絶縁性基板（例えば、絶縁性を
有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板な
ど）上に形成された金属材料からなる導電性層により下
部電極を構成したものなどがある。

【０００６】また、後者に開示された電界放射型電子源
は、表面電極の一部に炭素または炭素化合物からなる炭
素領域を設けてあり、ダイオード電流Ｉpsが流れすぎる
のを防止することができ、結果的に電子放出効率を高め
ることができるという利点を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記各従来
構成の電界放射型電子源は、真空封止して使用されるも
のであるが、組立時の真空封止工程などの熱工程によっ
て表面電極の抵抗値が上昇してしまい、動作中に表面電
極と下部電極との間やコレクタ電極と表面電極との間に
所望の電圧が印加されなくなり、電子放出特性（エミッ
ション電流、電子放出効率など）が低下してしまうとい
う不具合があった。

【０００８】さらに説明すれば、表面電極には金属薄膜
が用いられているが、表面電極の厚さは上述のように１
０ｎｍ程度に設定されており、一般的に表面電極として
用いられている金薄膜では４００℃以上の温度領域で凝
集が起こり、膜厚の均一性の低下および膜連続性の低下
を引き起こすので、表面電極の抵抗値が上昇し、結果的
に電子放出特性が低下してしまうのである。このような
凝集の起こりにくい金属材料としては、タングステンや
アルミニウムなどが知られているが、表面電極の材料と
してタングステンやアルミニウムを用いた場合には、表
面電極の表面が酸化されやすく、電子放出効率が低くな
ってしまうという不具合があった。

【０００９】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、電子放出特性の低下を抑制しながら
も耐熱性を向上した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。

【００１０】

【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、表面電極と、下部
電極と表面電極との間に介在し下部電極と表面電極との
間に電圧を印加したときに作用する電界により電子が通
過する電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子
が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、表面電極が、電子通過層に積層された導電性炭化物
層と、導電性炭化物層に積層された貴金属層とからなる
ことを特徴とするものであり、導電性炭化物は導電率が
比較的高く且つ仕事関数が比較的小さい上に貴金属に比
べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングス
テンやアルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に
優れており、その上、導電性炭化物層は貴金属層との密
着性に優れているので、従来のように表面電極が金属薄
膜により形成されているものに比べて、電子放出特性の
低下を抑制しながらも表面電極の耐熱性を高めることが
でき、つまり、表面電極の構成材料の凝集が起こるのを
抑制することができ、結果的に真空封止などの熱工程に
起因して電子放出特性が低下するのを防止することがで
きる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記貴金属層は、少なくとも一部が層状の白金層か
らなるので、前記貴金属層の材料として金を採用する場
合に比べて前記貴金属層の耐熱性および耐食性を向上す
ることができる。

【００１２】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、前記導電性炭化物層は、炭化チタ
ン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウムから選択される
導電性炭化物により形成されているので、熱的安定性お
よび再現性を高めることができる。

【００１３】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、前記表面電極は、前記導電性炭化物
層の厚さが４ｎｍ以下、前記貴金属層の厚さが８ｎｍ以
下に設定されているので、電子放出効率の低下を抑制す
ることができる。

【００１４】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、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができる。

【００１５】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、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
界放射型電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さ
を適宜設定することで電子放出特性を向上することがで
きる。また、前記電子通過層を容易に形成することが可
能になる。

【００１６】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、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電界放射型電子源と同様に動作し、前記電子
通過層の厚さを適宜設定することで電子放出特性を向上
することができる。また、前記電子通過層を容易に形成
することが可能になる。

【００１７】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電界放射型電子源の製造方法であ
って、前記導電性炭化物層の形成方法が、導電性炭化物
よりなるターゲットを用いたスパッタ法、導電性炭化物
よりなる蒸着源を用いた蒸着法、金属よりなるターゲッ
トおよび炭素を含むガスを利用した反応性スパッタ法か
らなる群より選択されることを特徴とし、表面ラフネス
の小さな導電性炭化物層を再現性および安定性良く高ス
ループットで形成することができて導電性炭化物層と貴
金属層との界面ラフネスを小さくできるとともに低コス
ト化を図れ、しかも、電界放射型電子源の大面積化を図
れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性
を向上した電界放射型電子源を低コストで提供すること
ができる。また、導電性炭化物層を比較的低いプロセス
温度で形成することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本実施形態の電界放射型電子源１
０は、図１に示すように、絶縁性基板（例えば、絶縁性
を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板な
ど）よりなる基板１の一表面側に下部電極２が形成さ
れ、下部電極２上に半導体層としてノンドープの多結晶
シリコン層３が形成され、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上に表面電極７が形
成されている。つまり、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、表面電極７と下部電極２とが対向しており、
表面電極７と下部電極２との間に強電界ドリフト層６が
介在している。ここに、表面電極７の厚さは１２ｎｍ以
下に設定してある（つまり、１２ｎｍを超えないように
設定されている）。なお、本実施形態では、基板１とし
て絶縁性基板を用いているが、基板１としてシリコン基
板などの半導体基板を用いてもよい。また、強電界ドリ
フト層６と下部電極２との間に多結晶シリコン層３を介
在させてあるが、多結晶シリコン層３を介在させずに下
部電極２上に強電界ドリフト層６を形成した構成を採用
してもよい。

【００１９】図１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、例えば、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が下部電極２に対して高電位側となるよ
うに表面電極７と下部電極２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，Ｖ
ｃを適宜に設定すれば、下部電極２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。本実施形態では、強電界ドリフト層６が、
下部電極２と表面電極７との間に電圧を印加したときに
作用する電界により電子が通過する電子通過層を構成し
ており、電子通過層では、下部電極２に対して表面電極
７を高電位側としたときに作用する電界により下部電極
２から表面電極７へ向かう向きへ電子が通過する。

【００２０】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
表面電極７と下部電極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）Ｉ
ｅと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流Ｉ
psに対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉp
s）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１０
０〔％〕）が高くなる。

【００２１】ところで、強電界ドリフト層６は、後述の
ように多結晶シリコン層３（図４（ａ）参照）を多孔質
化して形成した多孔質多結晶シリコン層４（図４（ｂ）
参照）を急速熱酸化法ないし電気化学的な方法で酸化す
ることによって形成されており、図３に示すように、少
なくとも、下部電極２の主表面側に列設された柱状の多
結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）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（半導体微結晶）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。すなわち、強
電界ドリフト層６は、多結晶シリコン層３の各グレイン
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
が維持されていると考えられる。なお、各グレイン５１
は、基板１の厚み方向に沿って延びている（つまり、各
グレイン５１は下部電極２の厚み方向に延びている）。

【００２２】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と下部電極２との間に表面電極７を
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と表面電極７との間にコレクタ電極２１を
高電位側として直流電圧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２
から強電界ドリフト層６へ熱的励起により電子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３中の矢印の向き
（図３における上向き）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では下部電極２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。

【００２３】ところで、本実施形態では、上述の基板１
としてガラス基板を用いているが、プロセス温度に応じ
て、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、低アルカ
リガラス基板、ソーダライムガラス基板などから適宜選
択すればよく、セラミック基板を用いる場合には、例え
ばアルミナ基板などを用いればよい。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２、表面電極７、強電界ドリ
フト層６などを適宜にパターニングすればよい。

【００２４】また、下部電極２は、高濃度ドープのｎ形
多結晶シリコンにより形成されているが、下部電極２の
材料はｎ形多結晶シリコンに限らず、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，
Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｏなどの金属あるいは合金
や、不純物をドーピングした多結晶シリコン以外の半導
体により構成するようにしてもよい。

【００２５】また、表面電極７は、強電界ドリフト層６
に積層された導電性炭化物層７ａと、導電性炭化物層７
ａに積層された貴金属層７ｂとで構成している。ここに
おいて、導電性炭化物層７ａは、炭化ジルコニウムから
なる導電性炭化物により形成されているが、導電性炭化
物は一般的に導電率が比較的高く且つ仕事関数が比較的
小さい上に金などの貴金属に比べて融点が高くて拡散バ
リア性に優れ、しかもタングステンやアルミニウムなど
の金属材料に比べて耐酸化性に優れている。導電性炭化
物層７ａに用いる導電性炭化物は、この種の性質を有し
ていればよく、炭化ジルコニウムに限らず、炭化クロ
ム、炭化モリブデン、炭化タングステン、炭化バナジウ
ム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ハフ
ニウムなどが採用可能であるが、熱的安定性、仕事関
数、再現性の観点から、炭化ジルコニウム、炭化チタ
ン、炭化ハフニウムのいずれかを採用することが好まし
い。

【００２６】また、貴金属層７ｂは、貴金属である白金
により形成されている（つまり、貴金属層７ｂは層状の
白金層により構成されている）が、白金に限らず、例え
ば金などの他の貴金属により形成してもよいし、貴金属
層７ｂの一部を層状の白金層により構成して残りの部分
を白金以外の貴金属により形成するようにしてもよい。

【００２７】なお、表面電極７は、導電性炭化物層７ａ
の厚さを４ｎｍ以下、貴金属層７ｂの厚さを８ｎｍ以下
にそれぞれ設定することが好ましいが、電子放出効率を
高くするという観点からは導電性炭化物層７ａの厚さを
２ｎｍ以下、貴金属層７ｂの厚さを４ｎｍ以下にそれぞ
れ設定することがより好ましい。

【００２８】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、表面電極７が強電界ドリフト層６に積層された
導電性炭化物からなる導電性炭化物層７ａと導電性炭化
物層７ａに積層された貴金属からなる貴金属層７ｂとに
より構成されており、導電性炭化物は導電率が比較的高
く且つ仕事関数が比較的小さい上に貴金属に比べて融点
が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンやア
ルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れてお
り、その上、導電性炭化物層７ａは貴金属層７ｂとの密
着性に優れているので、従来のように表面電極が金属薄
膜により形成されているものに比べて、電子放出特性の
低下を抑制しながらも表面電極７の耐熱性を高めること
ができ、つまり、表面電極７の構成材料の凝集が起こる
のを抑制することができ、結果的に真空封止などの熱工
程に起因して電子放出特性が低下するのを防止すること
ができる。また、表面電極７が強電界ドリフト層６に積
層された導電性炭化物層７ａと導電性炭化物層７ａに積
層された貴金属層７ｂとで構成されていることによっ
て、表面電極７と強電界ドリフト層６との間でのそれぞ
れの構成原子の拡散を防止することができ、表面電極７
および強電界ドリフト層６の各材料の選択肢が多くなる
という利点もある。

【００２９】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４を参照しながら説明する。

【００３０】まず、基板１の一表面側に所定膜厚（例え
ば、１μｍ程度）のノンドープの多結晶シリコン層を形
成した後、イオン注入法および熱処理によって多結晶シ
リコン層へｎ形不純物をドーピングして導電性を有する
多結晶シリコン層（ｎ形多結晶シリコン層）からなる下
部電極２を形成した後、基板１の上記一表面側（ここで
は、下部電極２上）に所定膜厚（ここでは、１．５μｍ
に設定してある）の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４（ａ）に示すような構造が得
られる。なお、ノンドープの多結晶シリコン層の成膜方
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
（Continuous Grain Silicon）法、アモルファスシリ
コンを堆積させた後にレーザアニールする方法などを採
用すればよい。また、下部電極２の形成方法としては、
例えば、ノンドープの多結晶シリコン層を形成した後に
熱拡散法によって多結晶シリコン層へｎ形不純物をドー
ピングする方法を採用してもよいし、多結晶シリコン層
の成膜と同時にｎ形不純物をドーピングする方法を採用
してもよい（つまり、イオン注入法や熱拡散法などを用
いることなく導電性を有する多結晶シリコン層を基板１
上に直接形成するようにしてもよい）。ここに、下部電
極２の形成方法として成膜時に同時にドーピングする方
法を採用すれば、下部電極２とノンドープの多結晶シリ
コン層３とを同一の成膜装置で連続的に形成する（出し
入れすることなく連続して形成する）ようにすることも
可能である。なお、下部電極２はｎ形多結晶シリコン層
に限らず、ｐ形多結晶シリコン層により構成してもよ
く、後者の場合には、ｐ形不純物をドーピングすればよ
い。また、下部電極２の材料として、Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，
Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｏなどの金属あるいは合金
を採用する場合、下部電極２は例えばスパッタ法や蒸着
法により形成すればよい。

【００３１】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を所定
深さまで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４（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
処理槽を利用し、白金電極（図示せず）と下部電極２と
の間に電圧を印加して、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の一部を多孔
質化している（所定深さまで多孔質化している）が、多
結晶シリコン層３の全部を多孔質化するようにしてもよ
い（下部電極２に達する深さまで多孔質化するようにし
てもよい）。

【００３２】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４（ｃ）に示すような構
造が得られる。酸化工程では、例えば、急速加熱法によ
り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（図３参照）
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Ｏ₂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（Rapid T
hermal Oxidation：ＲＴＯ）を行い、その後、基板温
度を室温まで下降させている。なお、酸化工程は、急速
加熱法に限らず、例えば、電解質溶液（例えば、１モル
のＨ₂ＳＯ₄、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）と下部電極２
との間に定電流を流し多孔質多結晶シリコン層４を電気
化学的に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を形成するようにしてもよい。

【００３３】強電界ドリフト層６を形成した後は、例え
ばスパッタ法などによって導電性炭化物層７ａ、貴金属
層７ｂを順次形成することで導電性炭化物層７ａと貴金
属層７ｂとからなる表面電極７が強電界ドリフト層６上
に形成されることになり、図４（ｄ）に示す構造の電界
放射型電子源１０が得られる。

【００３４】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、電子放出特性の低下を抑制し
ながらも耐熱性を向上した電界放射型電子源１０を提供
することができる。

【００３５】ところで、本実施形態では、表面電極７の
導電性炭化物層７ａをスパッタ法によって成膜している
が、スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＲＦマグネ
トロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＤＣマグネトロン
スパッタ法など各種方式が採用可能である。要するに、
導電性炭化物層７ａを導電性炭化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成するので、表面ラフネス
の小さな導電性炭化物層７ａを再現性および安定性良く
高スループットで形成することができて低コスト化を図
れるとともに、電界放射型電子源１０の大面積化を図
れ、しかも、導電性炭化物層７ａを形成するための装置
として既存のスパッタ装置を容易に流用することが可能
であって設備投資を抑えることによる低コスト化を図れ
るから、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を
向上した電界放射型電子源１０を低コストで提供するこ
とができる。また、導電性炭化物層７ａを比較的低いプ
ロセス温度で形成することができるという利点がある。

【００３６】また、導電性炭化物層７ａの成膜方法はス
パッタ法に限らず、例えば、導電性炭化物からなる蒸着
源を用いた蒸着法、金属（純金属）からなるターゲット
および炭素を含むガス（反応性ガス）を利用した反応性
スパッタ法などによって形成するようにしてもよい。こ
のような蒸着法、反応性スパッタ法などによって導電性
炭化物層７ａを形成する場合にも、表面ラフネスの小さ
な導電性炭化物層７ａを再現性および安定性良く高スル
ープットで形成することができて低コスト化を図れると
ともに、電界放射型電子源１０の大面積化を図れるか
ら、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上
した電界放射型電子源１０を低コストで提供することが
できる。また、導電性炭化物層７ａを比較的低いプロセ
ス温度で形成することができるという利点がある。しか
も、蒸着法によって導電性炭化物層７ａを形成する場合
には、導電性炭化物層７ａを形成するための装置として
既存の蒸着装置を容易に流用することが可能であって設
備投資を抑えることによる低コスト化を図れる。

【００３７】ここにおいて、蒸着法を採用する場合に
は、導電性炭化物が高融点であることからＥＢ蒸着法
（電子ビーム蒸着法）が適している。一方、金属（純金
属）よりなるターゲットおよび炭素を含むガス（反応性
ガス）を利用した反応性スパッタ法を採用する場合に
は、導電性炭化物層７ａにおける炭素濃度の制御が容易
であるという利点がある。すなわち、反応性スパッタ法
では、ガス種の選択、Ａｒなどの不活性ガスと炭素原子
を含む反応性ガスとの混合比の選択により、導電性炭化
物層７ａにおける炭素濃度を制御することができ、所望
の炭素濃度の導電性炭化物層７ａを得ることができると
いう利点がある。なお、反応性スパッタ法を採用する場
合、例えば基板温度を１５０〜５００℃の比較的低温と
しても、ＡｒとＣ₂Ｈ₂との混合ガスを用いて炭化チタ
ン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウムを成膜すること
ができる。

【００３８】また、一般的に純金属のターゲットは炭化
物のターゲットに比べてより高純度のものが各所で提供
されているので、上述の反応性スパッタ法を採用するこ
とによって、上述の導電性炭化物をターゲットとして用
いたスパッタ法を採用する場合に比べて、導電性炭化物
層７ａ中の金属不純物を低減することができ、不純物が
原因となる性能低下を抑制することができる。なお、本
実施形態のように４ｎｍ以下の厚さに設定された導電性
炭化物層７ａの成膜方法（形成方法）としては、面内の
膜厚均一性および被覆性の観点から、上述のスパッタ
法、蒸着法、反応性スパッタ法が他の成膜方法に比べて
有利である。

【００３９】ところで、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。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Ｏ₂ガスを利用した急速加熱法により酸化する
酸化工程の代わりに例えばＮＨ₃ガスを利用した急速加
熱法により窒化する窒化工程を採用すればよく、図３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Ｏ₂ガスとＮＨ₃ガスとの混合ガスを利用した急速加
熱法により酸窒化する酸窒化工程を採用すればよく、図
３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。

【００４０】また、上述の実施形態では、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が電子
通過層を構成しているが、電子通過層として例えばＡｌ
₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂などからなる絶縁体層を採用すること
で、上述の半導体層を設けている場合にはＭＩＳ（Meta
l−Insulator−Semiconductor）構造の電界放射型電子
源と同様に動作し、上述の半導体層を設けていない場合
にはＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電界放
射型電子源と同様に動作し、両者とも電子通過層の厚さ
を適宜設定することで電子放出特性を向上することがで
きる。しかも、電子通過層を容易に形成することが可能
になる。

【００４１】（実施例）上記実施形態にて説明した電界
放射型電子源１０の製造方法に基づいて電界放射型電子
源１０を作成して熱処理前後それぞれの電子放出特性を
測定した結果について図５を参照して説明する。

【００４２】ただし、本実施例では、基板１としてはシ
リコン基板を採用し、下部電極２としてはｎ形多結晶シ
リコン層を採用し、強電界ドリフト層６としては酸化し
た多孔質多結晶シリコン層を採用し、表面電極７の導電
性炭化物層７ａとしては炭化ジルコニウム層を採用し、
表面電極７の貴金属層７ｂとしては白金層を採用してい
る。ここにおいて、導電性炭化物層７ａの厚さは２ｎ
ｍ、貴金属層７ｂの厚さは４ｎｍに設定してある。ま
た、導電性炭化物層７ａは、炭化ジルコニウムからなる
ターゲットを用い、ＲＦマグネトロンスパッタ法により
Ａｒガス雰囲気中で成膜した。ここに、導電性炭化物層
７ａの成膜条件は、Ａｒガスの圧力を０．５〜７Ｐａ、
ＲＦパワー密度を０．５〜３．０Ｗ／ｃｍ²、基板温度
を３０〜１５０℃としたが、図５は炭化ジルコニウムか
らなる導電性炭化物層７ａの成膜条件として、Ａｒガス
の圧力：略１．３Ｐａ、ＲＦパワー密度：略１．７Ｗ／
ｃｍ²、基板温度：略５０℃を採用し、白金からなる貴
金属層７ｂの成膜条件として、Ａｒガスの圧力：略０．
７Ｐａ、ＲＦパワー密度：略０．６Ｗ／ｃｍ²、基板温
度：略５０℃を採用した場合である。

【００４３】本実施例の電界放射型電子源１０の電子放
出特性の測定は、真空チャンバ（図示せず）内に電界放
射型電子源１０を導入して、上述の図２のように、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を下部電極に対して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
て高電位側として直流電圧Ｖｃを印加することによって
行った。図５は真空チャンバ内の真空度を５×１０^-5Ｐ
ａ、上述の直流電圧Ｖｃを１０００Ｖ一定としたときの
電子放出特性の測定結果を示したものであって、横軸は
直流電圧Ｖps、縦軸は電流密度であり、イは熱処理前の
ダイオード電流Ｉpsの電流密度、ロは熱処理前のエミッ
ション電流Ｉｅの電流密度、ハは熱処理後のダイオード
電流Ｉpsの電流密度、ニは熱処理後のエミッション電流
Ｉｅの電流密度を示している。なお、上述の熱処理は、
Ｎ₂ガス雰囲気中で４００℃、１時間の条件で行った。

【００４４】図５から、本実施例の電界放射型電子源１
０では、熱処理によってエミッション電流Ｉeおよび上
記電子放出効率が低下していないことが分かる。その
上、本実施例の電界放射型電子源１０では、上述の熱処
理によってダイオード電流Ｉpsが減少する一方でエミッ
ション電流Ｉeが増加しており、上記電子放出効率が向
上していることが分かる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１の発明は、下部電極と、表面電
極と、下部電極と表面電極との間に介在し下部電極と表
面電極との間に電圧を印加したときに作用する電界によ
り電子が通過する電子通過層とを備え、電子通過層を通
過した電子が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、表面電極が、電子通過層に積層された導
電性炭化物層と、導電性炭化物層に積層された貴金属層
とからなるものであり、導電性炭化物は導電率が比較的
高く且つ仕事関数が比較的小さい上に貴金属に比べて融
点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンや
アルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れて
おり、その上、導電性炭化物層は貴金属層との密着性に
優れているので、従来のように表面電極が金属薄膜によ
り形成されているものに比べて、電子放出特性の低下を
抑制しながらも表面電極の耐熱性を高めることができ、
つまり、表面電極の構成材料の凝集が起こるのを抑制す
ることができ、結果的に真空封止などの熱工程に起因し
て電子放出特性が低下するのを防止することができると
いう効果がある。

【００４６】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記貴金属層は、少なくとも一部が層状の白金層か
らなるので、前記貴金属層の材料として金を採用する場
合に比べて前記貴金属層の耐熱性および耐食性を向上す
ることができるという効果がある。

【００４７】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、前記導電性炭化物層は、炭化チタ
ン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウムから選択される
導電性炭化物により形成されているので、熱的安定性お
よび再現性を高めることができるという効果がある。

【００４８】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、前記表面電極は、前記導電性炭化物
層の厚さが４ｎｍ以下、前記貴金属層の厚さが８ｎｍ以
下に設定されているので、電子放出効率の低下を抑制す
ることができるという効果がある。

【００４９】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、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができるという効果がある。

【００５０】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、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
界放射型電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さ
を適宜設定することで電子放出特性を向上することがで
きるという効果がある。また、前記電子通過層を容易に
形成することが可能になる。

【００５１】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、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電界放射型電子源と同様に動作し、前記電子
通過層の厚さを適宜設定することで電子放出特性を向上
することができるという効果がある。また、前記電子通
過層を容易に形成することが可能になる。

【００５２】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電界放射型電子源の製造方法であ
って、前記導電性炭化物層の形成方法が、導電性炭化物
よりなるターゲットを用いたスパッタ法、導電性炭化物
よりなる蒸着源を用いた蒸着法、金属よりなるターゲッ
トおよび炭素を含むガスを利用した反応性スパッタ法か
らなる群より選択されることを特徴とし、表面ラフネス
の小さな導電性炭化物層を再現性および安定性良く高ス
ループットで形成することができて導電性炭化物層と貴
金属層との界面ラフネスを小さくできるとともに低コス
ト化を図れ、しかも、電界放射型電子源の大面積化を図
れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性
を向上した電界放射型電子源を低コストで提供すること
ができるという効果がある。また、導電性炭化物層を比
較的低いプロセス温度で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示す電界放射型電子源の概略断面図
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】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。

【図４】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５】実施例の電界放射型電子源の熱処理前後の電子
放出特性図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下部電極 ６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 ７ａ 導電性炭化物層 ７ｂ 貴金属層 １０ 電界放射型電子源

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 櫟原 勉 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） 5C035 AA20 BB01 BB02

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極と、表面電極と、下部電極と表
   面電極との間に介在し下部電極と表面電極との間に電圧
   を印加したときに作用する電界により電子が通過する電
   子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面電
   極を通して放出される電界放射型電子源であって、表面
   電極が、電子通過層に積層された導電性炭化物層と、導
   電性炭化物層に積層された貴金属層とからなることを特
   徴とする電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記貴金属層は、少なくとも一部が層状
   の白金層から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】 前記導電性炭化物層は、炭化チタン、炭
   化ジルコニウム、炭化ハフニウムから選択される導電性
   炭化物により形成されてなる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】 前記表面電極は、前記導電性炭化物層の
   厚さが４ｎｍ以下、前記貴金属層の厚さが８ｎｍ以下に
   設定されて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】 前記電子通過層は、ナノメータオーダの
   多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの表面
   に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の
   多数の絶縁膜とを有する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】 前記電子通過層は、絶縁体層よりなるこ
   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】 前記電子通過層と前記下部電極との間に
   半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層よりなる
   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ないし請求項７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
   炭化物層の形成方法が、導電性炭化物よりなるターゲッ
   トを用いたスパッタ法、導電性炭化物よりなる蒸着源を
   用いた蒸着法、金属よりなるターゲットおよび炭素を含
   むガスを利用した反応性スパッタ法からなる群より選択
   されることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。