JP2003331718A

JP2003331718A - 電界放射型電子源の製造方法

Info

Publication number: JP2003331718A
Application number: JP2002132351A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatai; 崇幡井; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuya Komoda; 卓哉菰田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】従来に比べてエミッション電流および電子放出
効率を向上できる電界放射型電子源の製造方法を提供す
る。【解決手段】下部電極２と表面電極７との間に強電界ド
リフト層６が介在する電界放射型電子源１０の製造方法
において、強電界ドリフト層６は、多結晶シリコンのグ
レインおよび多数のシリコン微結晶を含む複合ナノ結晶
層４を酸化する酸化プロセスにより形成されている。酸
化プロセスでは、電解液中にて複合ナノ結晶層４を電気
化学的に酸化する主酸化処理過程の前に、複合ナノ結晶
層４の表面側におけるシリコン微結晶の表面を酸化する
前酸化処理過程を行っている。

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の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、下部電極と、下部電極に対向
する導電性薄膜よりなる表面電極と、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表面電極
を高電位側として電圧を印加したときに下部電極から注
入された電子がドリフトする強電界ドリフト層とを備え
た電界放射型電子源が提案されている（例えば、特許第
２９８７１４０号公報、特許第２９６６８４２号公報、
特許第３０７９０８６号公報など参照）。ここに、強電
界ドリフト層は、酸化した多孔質半導体層たる多孔質多
結晶シリコン層により構成されている。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、強電界ドリフト層をドリフトした電子が表面電極を
通して放出されるものである。したがって、表面電極に
は仕事関数の小さな金属材料（例えば、金）が採用さ
れ、表面電極の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定されて
いる。また、この種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（ガラス基板、セラミック
基板など）の一表面側に形成された導電性層により下部
電極を構成したものなどがある。

【０００３】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Ｉ
e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
安定して電子を高い電子放出効率で放出することができ
る。

【０００４】ところで、上記従来構成を有する電界放射
型電子源における強電界ドリフト層は、多孔質多結晶シ
リコン層を酸化することで、多孔質多結晶シリコン層に
含まれていた多数のシリコン微結晶および多数のグレイ
ンそれぞれの表面に薄いシリコン酸化膜が形成されてい
るものと考えられ、全てのシリコン微結晶およびグレイ
ンの表面に良好な膜質のシリコン酸化膜を形成すること
を目的として、強電界ドリフト層を形成するにあたっ
て、例えば、１ｍｏｌ／ｌの硫酸、硝酸などの水溶液か
らなる電解液中にて多孔質多結晶シリコン層を電気化学
的に酸化する方法が提案されている。ここにおける電解
液は、質量分率で９０％（９０ｗｔ％）以上の水を含ん
でいる。なお、多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に
酸化する方法を採用することにより、多孔質多結晶シリ
コン層を急速熱酸化して強電界ドリフト層を形成する場
合に比べてプロセス温度を低温化することができ、基板
の材料の制約が少なくなり、電界放射型電子源の大面積
化および低コスト化を図れるという利点もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、硫酸、
硝酸などの水溶液からなる電解液中にて多孔質多結晶シ
リコン層を電気化学的に酸化することで強電界ドリフト
層を形成した電界放射型電子源では、工業的な利用を考
えた場合にエミッション電流Ｉｅや電子放出効率が小さ
い（不十分である）という不具合があった。このように
エミッション電流Ｉｅや電子放出効率が小さいという不
具合の原因としては、多孔質多結晶シリコン層はナノメ
ータオーダの微細な構造を有しているので、電解液を用
いて多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化した場
合、多孔質多結晶シリコン層の表面側には常に新しい電
解液が供給される一方で、多孔質多結晶シリコン層の厚
み方向において表面から比較的離れた領域へは電解液が
侵入しにくく且つ電解液の入れ替わりが起こりにくく、
多孔質多結晶シリコン層の厚み方向において表面に比較
的近い領域でシリコン酸化膜の膜厚が厚くなるとともに
表面から比較的近い領域でシリコン酸化膜の膜厚が薄く
なり過ぎることが考えられる。このため、結果的に強電
界ドリフト層の厚み方向において表面電極に比較的近い
領域でシリコン酸化膜の膜厚が厚すぎるために電子の散
乱が起こりやすくなってエミッション電流Ｉeおよび電
子放出効率が低下し、また、強電界ドリフト層の厚み方
向において表面電極から比較的遠い領域でシリコン酸化
膜の膜厚が薄すぎるために絶縁耐圧が低くなり経時特性
が悪くなることが考えられる。

【０００６】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、従来に比べてエミッション電流およ
び電子放出効率を向上できる電界放射型電子源の製造方
法を提供することにある。

【０００７】

【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しナノ
メータオーダの多数の半導体微結晶および各半導体微結
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
りも小さな膜厚の酸化膜よりなる多数の絶縁膜を有する
強電界ドリフト層とを備え、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で
あって、強電界ドリフト層を形成するにあたっては、ナ
ノメータオーダの多数の半導体微結晶を有する結晶層を
電気化学的に酸化する主酸化処理過程の前に前記結晶層
における表面側の半導体微結晶の表面を酸化する前酸化
処理過程を設けてなることを特徴とし、強電界ドリフト
層の厚み方向において表面電極に比較的近い領域に存在
する絶縁膜の膜厚が表面電極から比較的遠い領域に存在
する絶縁膜の膜厚よりも大きくなるのを抑制することが
でき、従来に比べてエミッション電流および電子放出効
率が向上した電界放射型電子源を提供できる。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、酸化性溶液を用いて前記
半導体微結晶の表面を酸化するので、前記半導体微結晶
の表面に緻密な酸化膜を形成することができる。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、酸化性の気体を用いて前
記半導体微結晶の表面を酸化するので、前記半導体微結
晶の表面に緻密な酸化膜を形成することができる。

【００１０】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、大気により前記半導体微
結晶の表面を酸化するので、請求項２，３の発明に比べ
て容易に前記半導体微結晶の表面に酸化膜を形成するこ
とができる。

【００１１】

【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２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の一表面側に電子源素子１０ａが形
成されている。ここにおいて、電子源素子１０ａは、基
板１の上記一表面側に形成された下部電極２と、下部電
極２上に形成された半導体層としてノンドープの多結晶
シリコン層３と、多結晶シリコン層３上に形成された強
電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６上に形成され
た表面電極７とで構成されている。つまり、電子源素子
１０ａ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。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、半導体基板と当該半導体基板の
裏面に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）と
で下部電極２を構成するようにしてもよい。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。

【００１２】ところで、下部電極２は金属材料からなる
単層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａ
ｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいは
シリサイドなど金属間化合物からなる単層）の薄膜によ
り構成されているが、多層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，
Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属
あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物から
なる多層）の薄膜により構成してもよいし、不純物をド
ープした多結晶シリコンなどの半導体材料により形成し
てもよい。なお、下部電極２の厚さは３００ｎｍ程度に
設定されている。

【００１３】また、表面電極７の材料には仕事関数の小
さな材料（例えば、金）が採用されているが、表面電極
７の材料は金に限定されるものではなく、また、単層構
造に限らず、多層構造としてもよい。なお、表面電極７
の厚さは強電界ドリフト層６を通ってきた電子がトンネ
ルできる厚さであればよく、１０〜１５ｎｍ程度に設定
すればよい。

【００１４】図２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３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３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。

【００１５】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３参照）、ダイオード電流Ｉp
s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。

【００１６】強電界ドリフト層６は、後述のナノ結晶化
プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成され
ており、図４に示すように、少なくとも、下部電極２の
上記一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
厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４
とから構成されると考えられる。なお、各グレイン５１
は、下部電極２の厚み方向に延びている。

【００１７】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４中の矢印の向き
（図４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、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。

【００１８】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。

【００１９】まず、絶縁性を有するガラス基板からなる
基板１の一表面上に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ程
度）の金属膜（例えば、タングステン膜）からなる下部
電極２をスパッタ法によって形成した後、基板１の一表
面側の全面に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンド
ープの多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶＤ法に
よって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
は、プラズマＣＶＤ法に限らず、ＬＰＣＶＤ法、触媒Ｃ
ＶＤ法、スパッタ法、ＣＧＳ（Continuous Grain Sil
icon）法などを採用すればよい。

【００２０】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多
結晶シリコンの多数のグレイン５１（図４参照）と多数
のシリコン微結晶６３（図４参照）とが混在する複合ナ
ノ結晶層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、ナノ結晶化プロセスでは、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処理槽を利用
し、白金電極（図示せず）を陰極、下部電極２を陽極と
して、多結晶シリコン層３に光照射を行いながら所定の
電流（例えば、電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を
所定時間（例えば、１０秒）だけ流すことによって複合
ナノ結晶層４が形成される。このようにして形成された
複合ナノ結晶層４は、多結晶シリコンのグレイン５１お
よびシリコン微結晶６３を含んでいる。なお、本実施形
態では、複合ナノ結晶層４が結晶層を構成している。

【００２１】上述のナノ結晶化プロセスが終了し複合ナ
ノ結晶層４に残留している電解液を流水で洗浄した後
に、上述の酸化プロセスを行うことによって図４のよう
な構成の複合ナノ結晶層から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
化プロセスでは、複合ナノ結晶層４を酸化性溶液（例え
ば、濃度が７０％の硝酸）中に所定時間（例えば、５秒
程度）だけ浸すことにより、複合ナノ結晶層４の表面側
のシリコン微結晶６３の表面を酸化する前酸化処理過程
を行い、続いて複合ナノ結晶層４に残留している酸化性
溶液を流水で洗浄した後、例えばエチレングリコールか
らなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌ（以下、「ｍｏ
ｌ／ｌ」は「Ｍ」と記載する）の硝酸カリウムからなる
溶質を溶かした電解液の入った処理槽を利用し、白金電
極（図示せず）を陰極、下部電極２を陽極として、陽極
と陰極との間の電圧が所定電圧（例えば、２０Ｖ）だけ
上昇するまで定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／
ｃｍ^２の電流）を流し複合ナノ結晶層４を電気化学的に
酸化する主酸化処理過程を行う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を形成するようにな
っている。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プ
ロセスを行うことによって形成される複合ナノ結晶層４
においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域
はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域とな
っており、強電界ドリフト層６においてグレイン５１、
シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外
の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化した
アモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５と
なっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはア
モルファス領域６５が孔となり、このような場合の複合
ナノ結晶層４は従来例と同様に多孔質多結晶シリコン層
とみなすことができる。

【００２２】強電界ドリフト層６を形成した後は、例え
ば蒸着法などによって金薄膜からなる表面電極７を強電
界ドリフト層６上に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。

【００２３】以上説明した製造方法によれば、強電界ド
リフト層６を形成するにあたっては、有機溶媒中に溶質
を溶かした電解液中において結晶層たる複合ナノ結晶層
４を電気化学的に酸化する主酸化処理過程の前に、複合
ナノ結晶層４における表面側のシリコン微結晶６３の表
面を酸化する前酸化処理過程を行っていることにより、
主酸化処理過程を開始する前に複合ナノ結晶層４の表面
側が既に酸化されているので、主酸化処理過程では、複
合ナノ結晶層４の厚み方向において表面に比較的近い領
域では電流が流れにくくて酸化反応が進行せず、表面か
ら比較的遠い領域で酸化が進行することになり、強電界
ドリフト層６の厚み方向において表面電極７に比較的近
い領域に存在するシリコン酸化膜５２，６４の膜厚が表
面電極７から比較的遠い領域に存在するシリコン酸化膜
５２，６４の膜厚よりも大きくなるのを抑制することが
できる。

【００２４】しかして、強電界ドリフト層６中に多数存
在するシリコン酸化膜６４の膜厚のばらつきを小さくす
ることができ、結果的に強電界ドリフト層６中での電子
散乱が抑制されてシリコン酸化膜６４での散乱を少なく
することができるから、従来に比べてエミッション電流
Ｉeおよび電子放出効率および絶縁耐圧を向上した電界
放射型電子源１０を提供できる。

【００２５】なお、上述の製造方法では、前酸化処理過
程において酸化性溶液として硝酸を用いているが、酸化
性溶液は硝酸に限定されるものではなく、硝酸の他に、
例えば、硫酸、塩酸、過酸化水素水などの酸化剤を採用
してもよい。また、前酸化処理過程では、酸化性溶液を
用いる代わりに、酸化性の気体（例えば、酸素、オゾン
など）を用いてもよく、この場合にも、複合ナノ結晶層
４の表面側におけるシリコン微結晶６３の表面に緻密な
シリコン酸化膜６４を形成することができる。また、前
酸化処理過程では、単に複合ナノ結晶層４を所定時間
（例えば、１０秒）だけ大気に曝すのみとしてもよい
が、この場合には、シリコン酸化膜５２，６４の膜質が
悪くなる可能性があるので、主酸化処理過程の後にアニ
ール処理を行ってシリコン酸化膜５２，６４の膜質を改
善することが望ましい。ここにおいて、アニール処理の
条件としては、例えば、窒素雰囲気中で所定のアニール
温度（例えば、５５０℃）を所定のアニール時間（例え
ば、１時間）だけ維持するような条件を採用すればよ
い。

【００２６】また、上述の製造方法では、主酸化処理過
程の条件として、陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ
上昇するまで０．１ｍＡ／ｃｍ^２の定電流を流すことに
より複合ナノ結晶層４の酸化を行ったが、この条件は適
宜変更してもよい。例えば、陽極と陰極との間の電圧が
所定電圧（例えば、２０Ｖ）だけ上昇するまで定電流で
酸化を行った後に、陽極と陰極との間の電圧を上記所定
電圧に維持して化成電流密度が所定値（例えば、０．０
１ｍＡ／ｃｍ^２）まで減少したときに通電を停止するよ
うにしてもよく、このような条件で酸化を行うことによ
り、強電界ドリフト層６において下部電極２に近い領域
でのシリコン酸化膜５２，６４の緻密性を向上させるこ
とが可能になる。

【００２７】ところで、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
宜にパターニングして多数の電子源素子１０ａを基板１
の上記一表面側にマトリクス状に配列すればよい。

【００２８】（実施例）実施形態にて説明した電界放射
型電子源１０の製造方法を基本として酸化プロセスの条
件を種々変化させて電界放射型電子源１０を作成して電
子放出特性を測定した結果について図５〜図７を参照し
て説明するが、その前にまず、各電界放射型電子源１０
の製造方法に関して共通の条件について簡単に説明す
る。

【００２９】基板１としては、厚さが０．７ｍｍのガラ
ス基板を用いた。基板１の上記一表面側に成膜する多結
晶シリコン層３（図１（ａ）参照）の膜厚は１．５μｍ
とし、多結晶シリコン層３の成膜は、プラズマＣＶＤ法
により行った。ナノ結晶化プロセスでは電解液として、
５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：
１で混合した電解液を用い、光源として５００Ｗのタン
グステンランプを用い、下部電極２からなる陽極と白金
電極からなる陰極との間に電流密度が１２ｍＡ／ｃｍ^２
の電流を１０秒間流した。酸化プロセスの主酸化処理過
程では、エチレングリコール中に０．０４Ｍの硝酸カリ
ウムを溶かした電解液を用い、下部電極２を陽極、白金
電極を陰極として陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ
上昇するまで０．１ｍＡ／ｃｍ^２の定電流を流して複合
ナノ結晶層４の酸化を行った。表面電極７としては、蒸
着法によって膜厚が１０ｎｍの金薄膜を形成した。

【００３０】図５は、酸化プロセスの前酸化処理過程に
おいて、複合ナノ結晶層４を酸化性溶液である硝酸（濃
度７０％）中に５秒間だけ浸した場合の電界放射型電子
源（以下、実施例１の電界放射型電子源と称す）、図６
は、ナノ結晶化プロセスの後で複合ナノ結晶層４を流水
で洗浄し、複合ナノ結晶層４を乾燥させた後に酸化プロ
セスの前酸化処理過程において、複合ナノ結晶層４を１
０秒間だけ大気に曝し、主酸化処理過程の後に、窒素雰
囲気中で５５０℃、１時間のアニール処理を行った場合
の電界放射型電子源（以下、実施例２の電界放射型電子
源と称す）、図７は、酸化プロセスにおいて前酸化処理
過程を行わずに主酸化処理過程を行った場合（つまり、
ナノ結晶化プロセスによって複合ナノ結晶層４を形成し
流水で洗浄した後に、直ちに電解液に浸して電気化学的
な酸化を行った場合）の電界放射型電子源（以下、比較
例の電界放射型電子源と称す）、それぞれの測定結果を
示している。

【００３１】各電界放射型電子源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を
導入して、上述の図３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２に
対して高電位側として直流電圧（駆動電圧）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〜図７は上述の直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定
とし、真空チャンバ内の真空度を５×１０^−５Ｐａ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、各図の横軸は直流電圧Ｖps、左側の縦軸は電流密
度、右側の縦軸は電子放出効率であり、イはダイオード
電流Ｉpsの電流密度、ロはエミッション電流Ｉeの電流
密度、ハは電子放出効率を示している。

【００３２】図５〜図７から、各実施例１，２と比較例
とを駆動電圧Ｖpsが２０Ｖの時のエミッション電流Ｉe
および電子放出効率で比較すれば、従来例の電界放射型
電子源ではエミッション電流Ｉeの電流密度が１００μ
Ａ／ｃｍ^２未満であり電子放出効率が１％程度であるの
に対して、各実施例１，２の電界放射型電子源ではエミ
ッション電流Ｉeの電流密度が１００μＡ／ｃｍ^２を超
え電子放出効率が１．５％以上となっており、各実施例
１，２の電界放射型電子源の方が比較例に比べてエミッ
ション電流Ｉeの電流密度および電子放出効率がそれぞ
れ向上していることが分かる。

【００３３】

【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
介在しナノメータオーダの多数の半導体微結晶および各
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酸化膜よりなる多数の絶縁
膜を有する強電界ドリフト層とを備え、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
型電子源であって、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多数の半導体微結晶を有す
る結晶層を電気化学的に酸化する主酸化処理過程の前に
前記結晶層における表面側の半導体微結晶の表面を酸化
する前酸化処理過程を設けてなるので、強電界ドリフト
層の厚み方向において表面電極に比較的近い領域に存在
する絶縁膜の膜厚が表面電極から比較的遠い領域に存在
する絶縁膜の膜厚よりも大きくなるのを抑制することが
でき、従来に比べてエミッション電流および電子放出効
率が向上した電界放射型電子源を提供できるという効果
がある。

【００３４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、酸化性溶液を用いて前記
半導体微結晶の表面を酸化するので、前記半導体微結晶
の表面に緻密な酸化膜を形成することができるという効
果がある。

【００３５】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、酸化性の気体を用いて前
記半導体微結晶の表面を酸化するので、前記半導体微結
晶の表面に緻密な酸化膜を形成することができるという
効果がある。

【００３６】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前酸化処理過程では、大気により前記半導体微
結晶の表面を酸化するので、請求項２，３の発明に比べ
て容易に前記半導体微結晶の表面に酸化膜を形成するこ
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概略断面図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】同上の動作説明図である。

【図５】実施例１の電界放射型電子源の電子放出特性図
である。

【図６】実施例２の電界放射型電子源の電子放出特性図
である。

【図７】比較例の電界放射型電子源の電子放出特性図で
ある。

【符号の説明】

１基板２下部電極３多結晶シリコン層４複合ナノ結晶層６強電界ドリフト層７表面電極１０電界放射型電子源１０ａ電子源素子

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Ｆターム(参考） 5C127 AA01 BA09 BB12 CC22 DD78 EE02 EE08

Claims

【特許請求の範囲】

【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しナノメータオ
ーダの多数の半導体微結晶および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
な膜厚の酸化膜よりなる多数の絶縁膜を有する強電界ド
リフト層とを備え、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であって、
強電界ドリフト層を形成するにあたっては、ナノメータ
オーダの多数の半導体微結晶を有する結晶層を電気化学
的に酸化する主酸化処理過程の前に前記結晶層における
表面側の半導体微結晶の表面を酸化する前酸化処理過程
を設けてなることを特徴とする電界放射型電子源の製造
方法。
【請求項２】前記前酸化処理過程では、酸化性溶液を
用いて前記半導体微結晶の表面を酸化することを特徴と
する請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項３】前記前酸化処理過程では、酸化性の気体
を用いて前記半導体微結晶の表面を酸化することを特徴
とする請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項４】前記前酸化処理過程では、大気により前
記半導体微結晶の表面を酸化する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。