JP2003338240A - 電界放射型電子源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来に比べて長寿命の電界放射型電子源を提供
する。 【解決手段】電界放射型電子源１０における電子通過部
５は、下部電極１２と表面電極７とで挟まれた部分に多
数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３および各シ
リコン微結晶６３それぞれの表面に形成されシリコン微
結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数のシリコン
酸化膜６４を有している。下部電極１２は、下部電極１
２の延長方向において隣り合う電子源素子間を繋ぐ接続
部位１２ｂが電子源素子の一部を構成する電極部位１２
ａに比べて幅が狭くなっている。したがって、電子通過
部５において下部電極１２と密着する部分の面積を従来
に比べて小さし且つ電子通過部５において絶縁性基板１
１と密着する部分の面積を従来に比べて大きくすること
ができる。

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に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ナノ結晶シリコン（ナノメー
タオーダのシリコン微結晶）を利用した電子デバイスと
して図９や図１０に示す構成の電界放射型電子源が提案
されている。

【０００３】図９に示す構成の電界放射型電子源１０’
は、導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面
（一表面）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
上に金属薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が
形成されている。また、ｎ形シリコン基板１の裏面には
オーミック電極２が形成されており、ｎ形シリコン基板
１とオーミック電極２とで下部電極１２を構成してい
る。なお、図９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３を介在させてあり、多結晶シリコン層３と強電界ド
リフト層６とで電子が通過する電子通過部を構成してい
るが、多結晶シリコン層３を介在させずに強電界ドリフ
ト層６のみで電子通過部を構成したものも提案されてい
る。

【０００４】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が下部電極
１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電
極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、下部電極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）。なお、表面電極７の厚さは１０〜１５
ｎｍ程度に設定されている。

【０００５】ところで、図９に示した構成の電界放射型
電子源１０’では、ｎ形シリコン基板１とオーミック電
極２とで下部電極１２を構成しているが、図１０に示す
ように、例えば絶縁性を有するガラス基板よりなる絶縁
性基板１１の一表面上に金属薄膜よりなる下部電極１２
を形成した電界放射型電子源１０”も提案されている。
ここに、上述の図９に示した電界放射型電子源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。

【０００６】図１０に示す構成の電界放射型電子源１
０”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が下部
電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下
部電極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、下部電極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
１０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。

【０００７】上述の各電界放射型電子源１０’，１０”
では、表面電極７と下部電極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および図１０参
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
（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなる。な
お、上述の電界放射型電子源１０’，１０”では、表面
電極７と下部電極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、直流電圧Ｖpsが大きいほどエミッション電流
Ｉeが大きくなる。

【０００８】とことで、図１０に示す構成の電界放射型
電子源１０”を製造する場合には、絶縁性基板１１の一
表面上に下部電極１２をスパッタ法などにより形成した
後、絶縁性基板１１の一表面側の全面にプラズマＣＶＤ
法などによって４００℃以上の基板温度でノンドープの
多結晶シリコン層３を形成し（図１１（ａ）参照）、そ
の後、多結晶シリコン層３を所定深さまで陽極酸化する
ことにより多結晶シリコンのグレインおよび多数のナノ
メータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結晶シリ
コン層４を形成し（図１１（ｂ）参照）、多孔質多結晶
シリコン層を急速加熱法ないし電気化学的な酸化方法に
よって酸化することで強電界ドリフト層６を形成し（図
１１（ｃ）参照）、続いて、強電界ドリフト層６上に表
面電極７を蒸着法などによって形成している（図１１
（ｄ）参照）。

【０００９】また、図１０に示した電界放射型電子源１
０をディスプレイの電子源とし応用する場合には、例え
ば図１２に示す構成を採用すればよい。

【００１０】図１２に示すディスプレイは、電界放射型
電子源１０に対向して平板状のガラス基板よりなるフェ
ースプレート３０が配置され、フェースプレート３０に
おける電界放射型電子源１０との対向面には透明な導電
膜（例えば、ＩＴＯ膜）よりなるコレクタ電極（以下、
アノード電極と称す）２１が形成されている。また、ア
ノード電極２１における電界放射型電子源１０との対向
面には、画素ごとに形成された蛍光物質と蛍光物質間に
形成された黒色材料からなるブラックストライプとが設
けられている。ここに、蛍光物質はアノード電極２１に
おける電界放射型電子源１０との対向面に塗布されてお
り、電界放射型電子源１０から放射される電子線によっ
て可視光を発光する。なお、蛍光物質には電界放射型電
子源１０から放射されアノード電極２１に印加された電
圧によって加速された高エネルギの電子が衝突するよう
になっており、蛍光物質としてはＲ（赤色），Ｇ（緑
色），Ｂ（青色）の各発光色のものを用いている。ま
た、フェースプレート３０は図示しない矩形枠状のフレ
ームによって電界放射型電子源１０と離間させてあり、
フェースプレート３０と電界放射型電子源１０との間に
形成される気密空間を真空にしてある。

【００１１】図１２に示した電界放射型電子源１０は、
ガラス基板よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１
の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、下部電
極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数の多結晶シ
リコン層３と、多結晶シリコン層３にそれぞれ重なる形
で形成された酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる
複数の強電界ドリフト層６と、隣り合う強電界ドリフト
層６間および隣り合う多結晶シリコン層３間を埋める多
結晶シリコン層よりなる分離層１６と、強電界ドリフト
層６および分離層１６の上で強電界ドリフト層６および
分離層１６に跨って下部電極１２に交差する方向に列設
された複数の表面電極７とを備えている。ここにおい
て、図１２に示す電界放射型電子源１０では、強電界ド
リフト層６と多結晶シリコン層３と分離層１６とで電子
通過部５を構成しており、図１３に示すように、絶縁性
基板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と
絶縁性基板１１の一表面に平行な面内で下部電極１２に
直交する方向に列設された複数の表面電極７とで電子通
過部５を挟んでいる。なお、強電界ドリフト層６と下部
電極１２との間に多結晶シリコン層３を介在させずに強
電界ドリフト層６と分離層１６とで電子通過部５を構成
したものも提案されている。

【００１２】この電界放射型電子源１０では、絶縁性基
板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、
下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電
極７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層６の一
部が挟まれているから、表面電極７と下部電極１２との
組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することに
より、強電界ドリフト層６において選択された表面電極
７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作
用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極７の
群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格
子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の多
結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ド
リフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とか
らなる電子源素子１０ａを配置したことに相当し、電圧
を印加する表面電極７と下部電極１２との組を選択する
ことによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出さ
せることが可能になる。なお、上述の記載から分かるよ
うに、電子源素子１０ａは画素ごとに設けられることに
なる。

【００１３】図１２に示す構成の電界放射型電子源１０
は、絶縁性基板１１の一表面上に複数の下部電極１２を
形成した後、絶縁性基板１１の一表面側の全面にプラズ
マＣＶＤ法などによって４００℃以上の基板温度でノン
ドープの多結晶シリコン層３を形成し、その後、多結晶
シリコン層３のうち下部電極１２に重なる部分を陽極酸
化することにより多結晶シリコンのグレインおよび多数
のナノメータオーダのシリコン微結晶を含む多孔質多結
晶シリコン層４を形成し、多孔質多結晶シリコン層４を
急速加熱法ないし電気化学的な酸化方法によって酸化す
ることで強電界ドリフト層６を形成している。ここに、
強電界ドリフト層６は、多結晶シリコンのグレイン、多
数のナノメータオーダのシリコン微結晶、各グレインの
表面に形成された薄いシリコン酸化膜、各シリコン微結
晶の表面に形成されたシリコン酸化膜とを有している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１２に示
した構成の電界放射型電子源１０では、絶縁性基板１１
として絶縁性を有するガラス基板を用い、下部電極１２
が金属薄膜により形成されているので、絶縁性基板１１
と下部電極１２と多結晶シリコン層（多結晶シリコン層
３および分離層１６）とで熱膨張係数に差があり、絶縁
性基板１１の一表面側の全面に多結晶シリコン層３を形
成して基板温度を室温に戻す際に多結晶シリコン層３に
応力が発生し、電子通過部５が下地（下部電極１２およ
び絶縁性基板１１）から剥がれやすくなり（下部電極１
２と強電界ドリフト層６との間に多結晶シリコン層３を
介在させていない場合には強電界ドリフト層６を形成し
た後において下部電極１２から強電界ドリフト層６が剥
がれやすくなり）、しかも、電子通過部５の一部が剥が
れた場合にはその剥がれた箇所を起点として電子通過部
５の剥がれが拡大してしまうという不具合があり、結果
的に電界放射型電子源１０の寿命が短くなってしまうと
いう問題がある。ここにおいて、多結晶シリコン層は絶
縁性基板１１であるガラス基板との密着力が下部電極１
２である金属薄膜との密着力よりも高いので、電子通過
部５の剥がれは大抵の場合、多結晶シリコン層３と下部
電極１２との界面で発生し、下部電極１２のパターンに
沿って多結晶シリコン層３の剥がれが拡大していく。

【００１５】そこで、下部電極１２を不純物をドーピン
グした多結晶シリコン層により形成することも考えられ
るが、下部電極１２を金属薄膜により形成する場合に比
べて下部電極１２での電圧降下が大きくなるので、ディ
スプレイの電子源として応用した場合に、電界放射型電
子源１０の面内の中央部と周辺部とで強電界ドリフト層
６にかかる電圧（つまり、電子源素子１０ａにかかる電
圧）の大きさにばらつきが発生し、ディスプレイの輝度
の面内ばらつきの原因になるという問題がある。

【００１６】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、従来に比べて長寿命の電界放射型電
子源を提供することにある。

【００１７】

【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、絶縁性基板と、絶縁性基板の一
表面上に列設された複数の下部電極と、絶縁性基板の前
記一表面に平行な面内で下部電極に直交する方向に列設
された複数の表面電極と、絶縁性基板の前記一表面側に
設けられ下部電極と表面電極とで挟まれた部分に多数の
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
それぞれの表面に形成された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を有する電子通過部とを
備え、下部電極は、表面電極と交差していない部分が表
面電極と交差している部分に比べて幅が小さく形成され
てなることを特徴とするものであり、電子通過部が絶縁
性基板と下部電極とで構成される下地から剥がれにくく
なり、仮に電子通過部の一部が下部電極から剥がれた場
合でも剥がれが拡大していくのを防ぐことができ、他の
部分を正常に動作させることができるので、従来に比べ
て長寿命化を図ることができる。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記下部電極は、少なくとも前記表面電極と交差し
ている部分の一部が不純物をドーピングしたシリコン層
により形成されているので、前記下部電極からの前記電
子通過部の剥がれが発生しにくくなる。

【００１９】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記下部電極は、前記表面電極と交差していない部
分が金属薄膜により形成されているので、前記下部電極
の全部を不純物をドーピングしたシリコン層により形成
する場合に比べて前記下部電極での電圧降下を抑制する
ことができる。したがって、ディスプレイの電子源とし
て応用した場合にディスプレイの輝度の面内ばらつきを
抑制することが可能となる。

【００２０】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、前記電子通過部は、前記下部電極に
直交するストライプ状に形成されているので、前記電子
通過部における残留応力を減らすことができ、前記電子
通過部の剥がれが発生しにくくなり、また、前記電子通
過部が前記下部電極の延長方向には延長されていないか
ら、前記電子通過部の一部が前記下部電極から剥がれて
も剥がれが拡大しにくくなる。

【００２１】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記電子通過部は、前記下部電極に
平行なストライプ状に形成され、且つ、前記下部電極に
おいて前記表面電極と交差していない部分の上には形成
されていないので、前記電子通過部における残留応力を
減らすことができ、前記電子通過部の剥がれが発生しに
くくなり、また、前記電子通過部が前記下部電極におい
て前記表面電極と交差していない部分の上には形成され
ていないから、前記電子通過部の一部が前記下部電極か
ら剥がれても剥がれが拡大しにくくなる。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記電子通過部は、前記下部電極に
おいて前記表面電極と交差している部分の上にのみ形成
されているので、前記電子通過部の一部が剥がれても剥
がれが拡がるのを防止することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下、図１を参照
しながら本実施形態の電界放射型電子源１０について説
明するが、図１では本実施形態の要旨には特に影響しな
い部分については図示ならびに符号を省略してある。ま
た、図１２および図１３に示した従来構成と同様の構成
要素には同一の符号を付して適宜説明を省略する。

【００２４】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
構成は図１２および図１３に示した従来構成と略同じで
あって、図１に示すように、絶縁性を有するガラス基板
よりなる絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１の一表面上
に列設された複数の下部電極１２と、絶縁性基板１１の
上記一表面に平行な面内で下部電極１２に直交する方向
に列設された複数の表面電極７と、絶縁性基板１１の上
記一表面側に設けられた電子通過部５とを備えている。
ここにおいて、電子通過部５は、上記従来構成と同様
に、下部電極１２にそれぞれ重なる形で形成された複数
の多結晶シリコン層３（図１２参照）と、多結晶シリコ
ン層３にそれぞれ重なる形で形成された複数の強電界ド
リフト層６（図１２参照）と、隣り合う強電界ドリフト
層６間を埋める多結晶シリコン層よりなる分離層１６
（図１２参照）とで構成されている。

【００２５】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）の金属薄膜
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。なお、下
部電極２の厚さは３００ｎｍ程度に設定されている。

【００２６】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。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。

【００２７】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１２および図１３に示した従来構成と同様に、絶縁性基
板１１の一表面上に列設された複数の下部電極１２と、
下部電極１２に交差する方向に列設された複数の表面電
極７との交点に相当する部位に強電界ドリフト層６の一
部が挟まれているから、表面電極７と下部電極１２との
組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することに
より、強電界ドリフト層６において選択された表面電極
７と下部電極１２との交点に相当する部位に強電界が作
用して電子が放出される。つまり、複数の表面電極７の
群と複数の下部電極１２の群とからなるマトリクス（格
子）の格子点に、下部電極１２と、下部電極１２上の多
結晶シリコン層３と、多結晶シリコン層３上の強電界ド
リフト層６と、強電界ドリフト層６上の表面電極７とか
らなる電子源素子１０ａを配置したことに相当し、電圧
を印加する表面電極７と下部電極１２との組を選択する
ことによって所望の電子源素子１０ａから電子を放出さ
せることが可能になる。

【００２８】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２に示すように、少なくとも、下部電極１２
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）６
４とから構成されると考えられる。なお、各グレイン５
１は、下部電極１２の厚み方向に延びている。

【００２９】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１２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、ア
ノード電極２１（図１２参照）と表面電極７との間にア
ノード電極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
２中の矢印の向き（図２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、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。

【００３０】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簡単に説明する。

【００３１】まず、下部電極１２を形成するために絶縁
性を有するガラス基板からなる絶縁性基板１１の上記一
表面上に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ程度）の金属薄
膜（例えば、タングステン膜）をスパッタ法によって形
成した後、金属薄膜上にフォトレジスト層を塗布形成
し、金属薄膜のうち下部電極１２となる部分を残すため
にフォトレジスト層をフォトリソグラフィ技術を利用し
てパターニングしてから、フォトレジスト層をマスクと
して金属薄膜を反応性イオンエッチング法によってパタ
ーニングすることでそれぞれ金属薄膜の一部からなる複
数の下部電極１２を形成し、フォトレジスト層を除去す
る。

【００３２】次に、絶縁性基板１１の上記一表面側の全
面に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープの多
結晶シリコン層を所定の基板温度（例えば、４００℃）
でプラズマＣＶＤ法によって成膜する。

【００３３】ノンドープの多結晶シリコン層を形成した
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２参照）と多数の
シリコン微結晶６３（図２参照）とが混在する複合ナノ
結晶層を強電界ドリフト層６の形成予定部位に形成す
る。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、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を用い、下部電極１２を陽極
とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よ
りなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンラ
ンプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光
照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流
（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、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
む複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称
す）を多結晶シリコン層において下部電極１２に重なる
部位に形成する。

【００３４】ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述
の酸化プロセスを行うことによって第１の複合ナノ結晶
層を電気化学的に酸化することにより、図２のような構
成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称
す）からなる強電界ドリフト層６を多結晶シリコン層に
おいて下部電極１２に重なる部位に形成する。酸化プロ
セスでは、エチレングリコールからなる有機溶媒中に
０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶か
した溶液よりなる電解液を用い、下部電極１２を陽極と
し、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極
よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極と
し、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流
密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を流し陽極と陰極と
の間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで第１の複合ナノ結
晶層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。ここにおいて、多結晶シリコン層のうち隣り
合う強電界ドリフト層６の間を埋める部分が上述の分離
層１６となる。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第１の複合ナ
ノ結晶層においてグレイン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
合の第１の複合ナノ結晶層は上記従来構成と同様に多孔
質多結晶シリコン層とみなすことができる。

【００３５】強電界ドリフト層６および分離層１６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を形成することにより、図１に示す構造の電
界放射型電子源１０が得られる。

【００３６】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、上述の図１２および図１３に示した従来構成と
同様、強電界ドリフト層６と分離層１６と多結晶シリコ
ン層３とで電子通過部５を構成しており、電子通過部５
のうち下部電極１２と表面電極７とで挟まれた部分に多
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それぞれの表面に形成されシリコン微結晶
６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数のシリコン酸化
膜６４とを有している。ここにおいて、本実施形態の電
界放射型電子源１０は下部電極１２の形状に特徴があ
る。すなわち、本実施形態における下部電極１２は、表
面電極７と交差していない部分が表面電極７と交差して
いる部分に比べて幅が小さく形成されている点に特徴が
ある。言い換えれば、下部電極１２は、下部電極１２の
延長方向において隣り合う電子源素子１０ａ（図１２参
照）間を繋ぐ接続部位１２ｂが電子源素子１０ａの一部
を構成する電極部位１２ａに比べて幅が狭くなってい
る。

【００３７】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、下部電極１２において表面電極７と交差して
いない部分が表面電極７と交差している部分に比べて幅
が小さくなっているので、電子源素子１０ａ間の間隔お
よび電子源素子１０ａのサイズを上記従来構成から変更
することなしに、電子通過部５において下部電極１２と
密着する部分（強電界ドリフト層６下の多結晶シリコン
層３と下部電極１２との界面）の面積を上記従来構成に
比べて小さし且つ電子通過部５において絶縁性基板１１
と密着する部分（多結晶シリコン層からなる分離層１６
と絶縁性基板１１との界面）の面積を上記従来構成に比
べて大きくすることができる。ここで、電子通過部５に
おいてガラス基板からなる絶縁性基板１１と密着する部
分（分離層１６）および下部電極１２と密着する部分
（多結晶シリコン層３）がいずれも多結晶シリコンによ
り形成されているが、電子通過部５は下地の一部である
絶縁性基板１１と密着している部分の方が下地の他の一
部である下部電極１２と密着している部分よりも剥がれ
にくいので、上記従来構成よりも電子通過部５が下地か
ら剥がれにくくなり、仮に電子通過部５における多結晶
シリコン層３の一部が下部電極１２から剥がれた場合で
も剥がれが拡大していくのを防ぐことができ、他の部分
を正常に動作させることができる（他の電子源素子１０
ａから正常に電子を放出させることができる）ので、従
来に比べて電界放射型電子源１０の長寿命化を図ること
ができ、ディスプレイなどの電子源として利用した場合
にディスプレイの長寿命化を図ることができる。また、
製造工程の途中で電子通過部５ないし電子通過部５とな
る部分が従来に比べて剥がれにくくなるので、製造時の
歩留まりが向上し、製造コストを低減することができ、
電界放射型電子源の低コスト化を図ることができる。

【００３８】ところで、下部電極１２において少なくと
も表面電極７と交差している部分の一部を不純物をドー
ピングした多結晶シリコン層ないし不純物をドープした
アモルファスシリコン層のような不純物をドープしたシ
リコン層により形成するようにすれば、下部電極１２の
全てが金属薄膜により形成されている場合に比べて、下
部電極１２から電子通過部５がさらに剥がれにくくな
る。しかしながら、一般的に不純物をドーピングしたシ
リコン層は金属薄膜に比べれば同一膜厚での抵抗が高い
ので、下部電極１２の全てを不純物をドーピングしたシ
リコン層により形成すると、下部電極１２での電圧降下
が大きくなって、電界放射型電子源１０の中央部と周辺
部とで電子源素子１０ａの強電界ドリフト層６にかかる
電圧にばらつきが発生してしまい、ディスプレイの電子
源として応用した場合にディスプレイの輝度の面内ばら
つきの原因となる。したがって、下部電極１２の全てを
不純物をドーピングしたシリコン層により形成するので
はなく、下部電極１２において、表面電極７と交差して
いない部分をシリコン層に比べて低抵抗の金属薄膜によ
り形成することが好ましく、このような構成を採用すれ
ば、下部電極１２の全部を不純物をドーピングしたシリ
コン層により形成する場合に比べて下部電極１２での電
圧降下を抑制する（低減する）ことができ、電界放射型
電子源１０をディスプレイの電子源として応用した場合
にディスプレイの輝度の面内ばらつきを抑制することが
可能となる。

【００３９】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３お
よび図４に示すように、下部電極１２の形状が相違する
だけである。すなわち、実施形態１における下部電極１
２は、下部電極１２の延長方向において隣り合う電極部
位１２ａ間が１つの接続部位１２ｂで繋がれているが、
本実施形態における下部電極１２は、下部電極１２の延
長方向において隣り合う電極部位１２ａ間が２つの接続
部位１２ｂで繋がれている点が相違するだけである。な
お、他の構成および動作は実施形態１と同じである。

【００４０】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は実施形態１と略同じであって、図
５および図６に示すように、電子通過部５が、下部電極
１２に直交するストライプ状に形成されている点に特徴
がある。他の構成および動作は実施形態１と同じであ
る。なお、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方
法は実施形態１にて説明した製造方法と略同じであり、
複数の下部電極１２を形成した絶縁性基板１１の上記一
表面側の全面にノンドープの多結晶シリコン層を成膜し
た後、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッ
チング技術を利用して多結晶シリコン層を下部電極１２
と直交するストライプ状にパターニングしてから、ナノ
結晶化プロセスを行う点が相違する。

【００４１】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、絶縁性基板１１と下部電極１２と多結晶シリ
コン層との熱膨張係数差に起因した電子通過部５におけ
る残留応力を減らすことができ、下地（絶縁性基板１１
および下部電極１２）からの電子通過部５の剥がれが発
生しにくくなり、また、電子通過部５が下部電極１２の
延長方向には延長されていないから、電子通過部５の一
部が下部電極１２から剥がれても剥がれが拡大しにくく
なる。

【００４２】（実施形態４）本実施形態の電界放射型電
子源の基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に
示すように、電子通過部５が、下部電極１２に平行なス
トライプ状に形成され、且つ、下部電極１２において表
面電極（図示していないが表面電極は実施形態１と同様
に下部電極１２と直交する方向に列設されている）と交
差していない部分の上には形成されていない（下部電極
１２において表面電極と交差していない部分上への電子
通過部５の形成を禁止している）点が相違する。また、
絶縁性基板１１の上記一表面側には、絶縁性基板１１の
上記一表面において下部電極１２が形成されていない部
位、下部電極１２において電子通過部５が形成されてい
ない部位、電子通過部５における分離層１６の表面、お
よび電子通過部５における強電界ドリフト層６の表面の
周部を覆うように、多結晶シリコンよりもガラス基板か
らなる絶縁性基板１１との密着性が高い絶縁材料（例え
ば、ＳｉＯ_２）からなる絶縁層９が形成されている。他
の構成および動作は実施形態１と同じである。なお、本
実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法は実施形態
１にて説明した製造方法と略同じであり、複数の下部電
極１２を形成した絶縁性基板１１の上記一表面側の全面
にノンドープの多結晶シリコン層を成膜した後、フォト
リソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を
利用して多結晶シリコン層をストライプ状にパターニン
グしてから、ナノ結晶化プロセスを行う点、絶縁層９を
形成するプロセスが追加される点などが相違する。

【００４３】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、絶縁性基板１１と下部電極１２と多結晶シリ
コン層との熱膨張係数差に起因した電子通過部５におけ
る残留応力を減らすことができ、下地（絶縁性基板１１
および下部電極１２）からの電子通過部５の剥がれが発
生しにくくなり、また、電子通過部５が下部電極１２に
おいて表面電極と交差していない部分の上には形成され
ていないから、電子通過部５の一部が下部電極１２から
剥がれても剥がれが拡大しにくくなる。

【００４４】（実施形態５）本実施形態の電界放射型電
子源の基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に
示すように、電子通過部５が、複数の強電界ドリフト層
６により構成されており、下部電極１２において表面電
極（図示していないが表面電極は実施形態１と同様に下
部電極１２と直交する方向に列設されている）と交差す
る部分（実施形態１で説明した電極部位１２ａ）の上に
のみ形成されている点が相違する。また、絶縁性基板１
１の上記一表面側には、絶縁性基板１１の上記一表面に
おいて下部電極１２が形成されていない部位、下部電極
１２において電子通過部５が形成されていない部位、電
子通過部５における強電界ドリフト層６の表面の周部を
覆うように、多結晶シリコンよりもガラス基板からなる
絶縁性基板１１との密着性が高い絶縁材料（例えば、Ｓ
ｉＯ_２）からなる絶縁層９が形成されている。他の構成
および動作は実施形態１と同じである。なお、本実施形
態の電界放射型電子源１０の製造方法は実施形態１にて
説明した製造方法と略同じであり、複数の下部電極１２
を形成した絶縁性基板１１の上記一表面側の全面にノン
ドープの多結晶シリコン層を成膜した後、フォトリソグ
ラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を利用し
て多結晶シリコン層をパターニングしてから、ナノ結晶
化プロセスを行う点、絶縁層９を形成するプロセスが追
加される点などが相違する。

【００４５】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、電子通過部５が下部電極１２において表面電
極と交差する部分の上にのみ形成されているので、電子
通過部５の一部が剥がれても剥がれが拡がるのを防止す
ることができる。

【００４６】ところで、上記各実施形態では、多結晶シ
リコン層に対してナノ結晶化プロセスを行って、その
後、酸化プロセスを行うことにより強電界ドリフト層６
を形成しているが、多結晶シリコン層の代わりに他の半
導体層を採用してもよい。また、なお、酸化プロセスに
代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用して
もよく、窒化プロセスを採用した場合には図２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、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリ
コン酸化膜５２，６４がシリコン酸窒化膜となる。

【００４７】

【発明の効果】請求項１の発明は、絶縁性基板と、絶縁
性基板の一表面上に列設された複数の下部電極と、絶縁
性基板の前記一表面に平行な面内で下部電極に直交する
方向に列設された複数の表面電極と、絶縁性基板の前記
一表面側に設けられ下部電極と表面電極とで挟まれた部
分に多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半
導体微結晶それぞれの表面に形成された半導体微結晶の
結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する電子
通過部とを備え、下部電極は、表面電極と交差していな
い部分が表面電極と交差している部分に比べて幅が小さ
く形成されてなるものであり、電子通過部が絶縁性基板
と下部電極とで構成される下地から剥がれにくくなり、
仮に電子通過部の一部が下部電極から剥がれた場合でも
剥がれが拡大していくのを防ぐことができ、他の部分を
正常に動作させることができるので、従来に比べて長寿
命化を図ることができるという効果がある。

【００４８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記下部電極は、少なくとも前記表面電極と交差し
ている部分の一部が不純物をドーピングしたシリコン層
により形成されているので、前記下部電極からの前記電
子通過部の剥がれが発生しにくくなるという効果があ
る。

【００４９】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記下部電極は、前記表面電極と交差していない部
分が金属薄膜により形成されているので、前記下部電極
の全部を不純物をドーピングしたシリコン層により形成
する場合に比べて前記下部電極での電圧降下を抑制する
ことができるという効果がある。したがって、ディスプ
レイの電子源として応用した場合にディスプレイの輝度
の面内ばらつきを抑制することが可能となる。

【００５０】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、前記電子通過部は、前記下部電極に
直交するストライプ状に形成されているので、前記電子
通過部における残留応力を減らすことができ、前記電子
通過部の剥がれが発生しにくくなり、また、前記電子通
過部が前記下部電極の延長方向には延長されていないか
ら、前記電子通過部の一部が前記下部電極から剥がれて
も剥がれが拡大しにくくなるという効果がある。

【００５１】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記電子通過部は、前記下部電極に
平行なストライプ状に形成され、且つ、前記下部電極に
おいて前記表面電極と交差していない部分の上には形成
されていないので、前記電子通過部における残留応力を
減らすことができ、前記電子通過部の剥がれが発生しに
くくなり、また、前記電子通過部が前記下部電極におい
て前記表面電極と交差していない部分の上には形成され
ていないから、前記電子通過部の一部が前記下部電極か
ら剥がれても剥がれが拡大しにくくなるという効果があ
る。

【００５２】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記電子通過部は、前記下部電極に
おいて前記表面電極と交差している部分の上にのみ形成
されているので、前記電子通過部の一部が剥がれても剥
がれが拡がるの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を示す概略斜視図である。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】実施形態２を示す概略斜視図である。

【図４】同上の要部概略平面図である。

【図５】実施形態３を示す概略斜視図である。

【図６】同上の要部概略平面図である。

【図７】実施形態４を示し、（ａ）は要部概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図である。

【図８】実施形態５を示し、（ａ）は要部概略平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ
−Ｂ’断面図である。

【図９】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図で
ある。

【図１０】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。

【図１１】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１２】同上を応用したディスプレイの概略構成図で
ある。

【図１３】同上を応用したディスプレイにおける電界放
射型電子源の概略斜視図である。

【符号の説明】

５ 電子通過部 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 １１ 絶縁性基板 １２ 下部電極 １２ａ 電極部位 １２ｂ 接続部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹川 宜志 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 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） 5C031 DD17 5C135 AA09 AB12 AB16 AB18 DD08 DD09 GG10 GG11 HH04 HH07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に
   列設された複数の下部電極と、絶縁性基板の前記一表面
   に平行な面内で下部電極に直交する方向に列設された複
   数の表面電極と、絶縁性基板の前記一表面側に設けられ
   下部電極と表面電極とで挟まれた部分に多数のナノメー
   タオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれ
   の表面に形成された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を有する電子通過部とを備え、下
   部電極は、表面電極と交差していない部分が表面電極と
   交差している部分に比べて幅が小さく形成されてなるこ
   とを特徴とする電界放射型電子源。
2. 【請求項２】 前記下部電極は、少なくとも前記表面電
   極と交差している部分の一部が不純物をドーピングした
   シリコン層により形成されて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】 前記下部電極は、前記表面電極と交差し
   ていない部分が金属薄膜により形成されてなることを特
   徴とする請求項２記載の電界放射型電子源。
4. 【請求項４】 前記電子通過部は、前記下部電極に直交
   するストライプ状に形成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】 前記電子通過部は、前記下部電極に平行
   なストライプ状に形成され、且つ、前記下部電極におい
   て前記表面電極と交差していない部分の上には形成され
   ていない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。
6. 【請求項６】 前記電子通過部は、前記下部電極におい
   て前記表面電極と交差している部分の上にのみ形成され
   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。