JP2987140B2 - Field emission electron source, method of manufacturing the same, flat light emitting device, display device, and solid-state vacuum device - Google Patents

Field emission electron source, method of manufacturing the same, flat light emitting device, display device, and solid-state vacuum device

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JP2987140B2
JP2987140B2 JP27234098A JP27234098A JP2987140B2 JP 2987140 B2 JP2987140 B2 JP 2987140B2 JP 27234098 A JP27234098 A JP 27234098A JP 27234098 A JP27234098 A JP 27234098A JP 2987140 B2 JP2987140 B2 JP 2987140B2
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field emission
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porous
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料を用い
て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、および電界放射型電子源
を利用した平面発光装置およびディスプレイ装置および
固体真空デバイスに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron source which emits an electron beam by field emission using a semiconductor material, a method of manufacturing the same, a flat light emitting device using the field emission type electron source, and a method of manufacturing the same. The present invention relates to a display device and a solid-state vacuum device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許3665241号などに開示されているい
わゆるスピント(Spindt)型電極と呼ばれるものがあ
る。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタ
チップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部
を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに
対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真
空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として
高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端か
ら放射孔を通して電子線を放射するものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission type electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.

【0003】しかしながら、スピント型電極は、製造プ
ロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッ
タチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面
発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化
が難しいという問題があった。また、スピント型電極
は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミ
ッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存
在するような場合、放射された電子によって残留ガスが
プラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタ
チップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端が
ダメージ(例えば、イオン衝撃による損傷)を受け、放
射される電子の電流密度や効率などが不安定になった
り、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問
題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種
の問題の発生を防ぐために、高真空(約10-5Pa〜約
10-6Pa)で使用する必要があり、コストが高くなる
とともに、取扱いが面倒になるという不具合があった。
However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately form a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, the Spindt-type electrode has a large area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem that was difficult. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas is present, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the ions are ionized and the positive ions collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable. There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, the Spindt-type electrode needs to be used in a high vacuum (about 10 -5 Pa to about 10 -6 Pa) in order to prevent such a problem from occurring, which increases the cost and complicates handling. There was a problem.

【0004】この種の不具合を改善するために、MIM
(Metal Insulator Metal)方式やMOS(Metal Oxid
e Semiconductor)型の電界放射型電子源が提案されて
いる。前者は金属−絶縁膜−金属、後者は金属−酸化膜
−半導体の積層構造を有する平面型の電界放射型電子源
である。しかしながら、このタイプの電界放射型電子源
において電子の放射効率を高めるためには(多くの電子
を放射させるためには)、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜
厚を薄くする必要があるが、上記絶縁膜や上記酸化膜の
膜厚を薄くしすぎると、上記積層構造の上下の電極間に
電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、この
ような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸
化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率
(引き出し効率)をあまり高くできないという不具合が
あった。
In order to improve this kind of problem, MIM
(Metal Insulator Metal) method and MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) type field emission electron sources have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the emission efficiency of electrons in this type of field emission type electron source (to emit many electrons), it is necessary to reduce the thickness of the insulating film and the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure. Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.

【0005】また、近年では、特開平8−250766
号公報に開示されているように、シリコン基板などの単
結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の一表面を陽
極酸化することにより多孔質半導体層(例えば、ポーラ
スシリコン層)を形成して、その多孔質半導体層上に金
属薄膜を形成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧を
印加して電子を放射させるように構成した電界放射型電
子源(半導体冷電子放出素子)が提案されている。
In recent years, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-209, a porous semiconductor layer (for example, a porous silicon layer) is formed by using a single crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate and anodizing one surface of the semiconductor substrate. A field emission type electron source (semiconductor cold electron emission device) has been proposed in which a metal thin film is formed on the porous semiconductor layer, and a voltage is applied between the semiconductor substrate and the metal thin film to emit electrons. ing.

【0006】また、特開平9−259795号公報に
は、上記特開平8−250766号公報に開示されてい
る構成の電界放射型電子源(半導体冷電子放出素子)を
有する冷電子放出表示装置が提案されている。なお、こ
の冷電子放出表示装置においては、単結晶シリコン基板
の[100]方向が表面に垂直に配向していることが、
ポーラスシリコン層の電子放出効率の点で好ましいとさ
れている。この理由としては、単結晶シリコンの(10
0)基板を陽極酸化すると、表面から深さ数μmにわた
って孔が形成され、孔およびシリコン結晶が表面に垂直
に配向するからであると推定されている。
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-259975 discloses a cold electron emission display device having a field emission type electron source (semiconductor cold electron emission element) having the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766. Proposed. In this cold electron emission display device, the [100] direction of the single crystal silicon substrate is oriented perpendicular to the surface.
It is said that the porous silicon layer is preferable in terms of the electron emission efficiency. The reason for this is that (10)
0) It is presumed that when anodizing the substrate, holes are formed from the surface to a depth of several μm, and the holes and silicon crystals are oriented perpendicular to the surface.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平8−250766号公報に記載の電界放射型電子
源では、基板が半導体基板に限られるので、大面積化や
コストダウン化が難しいという不具合がある。また、特
開平8−250766号公報および特開平9−2597
95号公報に記載の電界放射型電子源では電子放出時に
いわゆるポッピング現象が生じやすく、放出電子量にむ
らが起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイ装
置などに応用すると、発光むらができてしまうという不
具合がある。
However, in the field emission type electron source described in JP-A-8-250766, since the substrate is limited to a semiconductor substrate, it is difficult to increase the area and reduce the cost. There is. Also, JP-A-8-250766 and JP-A-9-2597
In the field emission type electron source described in Japanese Patent Publication No. 95, so-called popping phenomenon easily occurs at the time of electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. Therefore, when applied to a flat light emitting device or a display device, it is said that uneven emission is generated. There is a defect.

【0008】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、電子を安定して高効率で放出できる
低コストの電界放射型電子源およびその製造方法および
平面発光装置およびディスプレイ装置および固体真空デ
バイスを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a low-cost field emission type electron source capable of stably and efficiently emitting electrons, a method of manufacturing the same, a flat light emitting device, and a display. An apparatus and a solid-state vacuum device are provided.

【0009】[0009]

【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、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有
する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコ
ン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電
性基板に対して正極として電圧を印加することにより金
属薄膜を通して電子線を放射するものであって、上記多
孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面が多孔質化
され各グレインの中心部分では結晶状態が維持されてな
ることを特徴とするものであり、電圧の印加により生じ
た熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に
放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で電子を放出することがで
き、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膜を形成した
基板などを使用することもできるので、従来のように半
導体基板を多孔質化した多孔質半導体層を利用する場合
やスピント型電極に比べて、電子源の大面積化及び低コ
スト化が可能になる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a porous substrate having a conductive substrate and an oxidized nanometer structure formed on one surface of the conductive substrate. Comprising a polysilicon layer and a metal thin film formed on the porous polysilicon layer, and emitting an electron beam through the metal thin film by applying a voltage with the metal thin film as a positive electrode to a conductive substrate. And the above
Porous polysilicon layer makes each grain surface porous
The crystal state is not maintained at the center of each grain.
Which is caused by the application of a voltage.
The heat conducted to the part where the above crystalline state was maintained
Since electrons are emitted and the temperature rise is suppressed, the dependence of the electron emission characteristics on the degree of vacuum is small, and electrons can be emitted stably with high efficiency without the occurrence of a popping phenomenon during electron emission. In addition to a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate, a substrate obtained by forming a conductive film on a glass substrate or the like can be used. Therefore, a porous semiconductor layer in which a semiconductor substrate is made porous as in the related art is used. As compared with the case and the Spindt-type electrode, the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced.

【0010】請求項2の発明は、導電性基板と、導電性
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されてなることを特徴とするものであり、電圧の印加
により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導
して外部に放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で電子を放出する
ことができ、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膜を
形成した基板などを使用することもできるので、従来の
ように半導体基板を多孔質化した多孔質半導体層を利用
する場合やスピント型電極に比べて、電子源の大面積化
及び低コスト化が可能になる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a porous polysilicon layer formed on one surface side of the conductive substrate and having a structure in units of nanometers, and a porous polysilicon layer formed on the porous polysilicon layer. A metal thin film formed on the conductive substrate, and applying a voltage with the metal thin film as a positive electrode to the conductive substrate to emit an electron beam through the metal thin film.
The porous polysilicon layer is formed on the surface of each grain.
Is made porous and the crystalline state is maintained at the center of each grain.
Which is characterized by comprising a lifting, application of the voltage
The heat generated by the heat is conducted through the part where the above crystalline state is maintained
As a result, since the temperature rise is suppressed by being emitted to the outside, the dependence of the electron emission characteristics on the degree of vacuum is small, and electrons can be stably emitted with high efficiency without the occurrence of a popping phenomenon during electron emission. In addition to a semiconductor substrate such as a single-crystal silicon substrate as a conductive substrate, a substrate obtained by forming a conductive film on a glass substrate or the like can be used. Compared to the case where a layer is used or a Spindt-type electrode, the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced.

【0011】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、上記多孔質のポリシリコン層は、多
孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低いポリシリコン
層とが交互に積層された層であることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the porous polysilicon layer is formed by alternately stacking a high-porosity polysilicon layer and a low-porosity polysilicon layer. Characterized in that it is a layer formed.

【0012】請求項4の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the porous polysilicon layer is a layer whose porosity continuously changes in a thickness direction.

【0013】請求項5の発明は、請求項1または請求項
2の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、表
面側に比べて導電性基板側の多孔度が高くなるように厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the porous polysilicon layer has a thickness in the thickness direction such that the porosity on the conductive substrate side is higher than that on the surface side. It is characterized in that it is a layer whose porosity changes continuously.

【0014】請求項6の発明は、請求項1乃至請求項5
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になる。
The invention of claim 6 is the first to fifth aspects of the present invention.
In the above invention, since the polysilicon layer is a non-doped polysilicon layer, the oxidized or nitrided porous polysilicon layer becomes semi-insulating, and by applying the voltage, the porous polysilicon layer becomes strong. As an electric field, the electrons injected from the conductive substrate side into the porous polysilicon layer drift and reach the surface of the porous polysilicon layer, and the electrons are tunneled through the metal thin film as hot electrons. Since the light is emitted, electrons can be emitted more efficiently and stably than in the case where the polysilicon layer is doped, and the manufacturing becomes easy because doping is unnecessary.

【0015】請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6
の発明において、導電性基板は、一表面に導電性薄膜が
形成された基板からなるので、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を用いる場合に比べて大
面積化及び低コスト化が可能になる。
The invention according to claim 7 is the invention according to claims 1 to 6.
In the invention of the above, since the conductive substrate is formed of a substrate having a conductive thin film formed on one surface, the area and cost can be reduced as compared with the case where a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate is used as the conductive substrate. Will be possible.

【0016】請求項8の発明は、請求項1記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって電子を安定して高効率で放出できる低コ
ストの電界放射型電子源を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a field emission type electron source according to the first aspect, wherein a polysilicon layer is formed on a conductive substrate, and the polysilicon layer is made porous. It oxidizes the oxidized polysilicon layer and forms an electrode made of a metal thin film on the oxidized porous polysilicon layer, which requires a complicated structure and manufacturing process like the conventional Spindt-type electrode. In addition, it is possible to provide a low-cost field emission electron source that can stably and efficiently emit electrons by a relatively simple manufacturing process,
A large-area field emission electron source can be provided.

【0017】請求項9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、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって電子を安定して高効率で放出できる低コ
ストの電界放射型電子源を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a field emission type electron source according to the second aspect, wherein a polysilicon layer is formed on a conductive substrate, and the polysilicon layer is made porous. It is characterized by forming a metal thin film electrode on the nitrided porous polysilicon layer by nitriding the polysilicon layer, which requires a complicated structure and manufacturing process like the conventional Spindt-type electrode. In addition, it is possible to provide a low-cost field emission electron source that can stably and efficiently emit electrons by a relatively simple manufacturing process,
A large-area field emission electron source can be provided.

【0018】請求項10の発明は、請求項8または請求
項9の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、多孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低
いポリシリコン層とが交互に積層されるように多孔質化
の条件を変化させることを特徴とする。
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention of the eighth or ninth aspect, when the polysilicon layer is made porous, a polysilicon layer having a high porosity and a polysilicon layer having a low porosity are alternately formed. It is characterized in that the conditions for making porous are changed so that the layers are stacked.

【0019】請求項11の発明は、請求項8または請求
項9の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、表面側に比べて導電性基板側の多孔度が高
くなり厚み方向に多孔度が連続的に変化するように多孔
質化の条件を変化させることを特徴とする。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention of the eighth or ninth aspect, when the polysilicon layer is made porous, the porosity on the conductive substrate side is higher than that on the surface side, and the thickness in the thickness direction is increased. It is characterized in that the conditions for making porous are changed so that the porosity changes continuously.

【0020】請求項12の発明は、請求項1乃至請求項
7のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
成ることを特徴とするものであり、電界放射型電子源か
ら放射される電子の放出角度が金属薄膜の表面に対して
略垂直方向にそろうので、収束電極を設ける必要がな
く、構造が簡単になるとともに薄型の平面発光装置を実
現することができる。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the field emission type electron source according to any one of the first to seventh aspects, and a transparent electrode disposed to face the metal thin film, and a visible light is emitted by the electron beam. Phosphor is provided on the transparent electrode, and the emission angle of electrons emitted from the field emission type electron source is aligned in a direction substantially perpendicular to the surface of the metal thin film. Further, it is not necessary to provide a focusing electrode, so that the structure is simplified and a thin flat light emitting device can be realized.

【0021】請求項13の発明は、請求項1乃至請求項
7のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、複雑なシャドウマスクや電子収束レンズを設ける
必要がなく、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the field emission type electron source according to any one of the first to seventh aspects is configured in a matrix, and the voltage applied to each field emission type electron source is controlled. Means, and a transparent electrode disposed opposite to the metal thin film, wherein a phosphor which emits visible light by the electron beam is provided on the transparent electrode. Since the emission angle of the electrons emitted from the source is substantially perpendicular to the surface of the metal thin film, there is no need to provide a complicated shadow mask or electron focusing lens, and a high-definition display device can be realized.

【0022】請求項14の発明は、少なくとも請求項1
乃至請求項7のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されて成ることを特徴とするも
のであり、電界放射型電子源が冷陰極を構成するから、
従来の熱電子放射を利用した熱陰極を有する固体真空デ
バイスのように加熱手段を設ける必要がなく、小型化が
可能になるとともに陰極物質の蒸発や劣化を抑制するこ
とができ、長寿命の固体真空デバイスを実現することが
できる。
The invention of claim 14 provides at least claim 1
The field emission type electron source and the anode according to any one of claims 7 to 7 are arranged in a vacuum vessel, and the field emission type electron source constitutes a cold cathode.
Unlike conventional solid-state vacuum devices having a hot cathode utilizing thermionic emission, there is no need to provide a heating means, which makes it possible to reduce the size and suppress evaporation and deterioration of the cathode material, and to provide a long-life solid. A vacuum device can be realized.

【0023】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
従来の技術で説明した特開平8−250766号公報お
よび特開平9−259795号公報に記載の構造では、
単結晶シリコン基板などの半導体基板の主表面側を多孔
質化して電子が注入される多孔質層を形成しているので
電界放射型電子源の断熱性が高く、電圧が印加され電流
が流れた場合の基板温度の上昇が比較的大きいという知
見を得た。さらに、該温度上昇により電子が熱的に励起
されるとともに半導体基板の抵抗が下がり、電子の放出
量が増えるので、これにより電子放出時にポッピング現
象が生じやすく、放出電子量にむらが起こりやすいとの
知見を得た。そこで、発明者は、上記知見に基づいて本
発明を行った。
By the way, the present inventors have conducted intensive studies,
In the structures described in JP-A-8-250766 and JP-A-9-259975 described in the related art,
Since the main surface side of a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate is made porous to form a porous layer into which electrons are injected, the field emission electron source has high heat insulation, and a voltage is applied and a current flows. It has been found that the rise in the substrate temperature in this case is relatively large. Furthermore, the electrons are thermally excited by the temperature rise, and the resistance of the semiconductor substrate is reduced, and the amount of emitted electrons is increased. Therefore, a popping phenomenon is likely to occur at the time of emitting electrons, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. Was obtained. Then, the inventor carried out the present invention based on the above findings.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】(実施形態1)図1に本実施形態
の電界放射型電子源10の概略構成図を、図2(a)〜
(e)に電界放射型電子源10の製造方法における主要
工程断面図を示す。なお、本実施形態では、導電性基板
としてn形シリコン基板1(抵抗率が略0.1Ωcmの
(100)基板)を用いている。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a field emission type electron source 10 according to this embodiment, and FIGS.
(E) is a sectional view of a main step in the method for manufacturing the field emission electron source 10. In this embodiment, an n-type silicon substrate 1 (a (100) substrate having a resistivity of about 0.1 Ωcm) is used as the conductive substrate.

【0025】本実施形態の電界放射型電子源10は、図
1に示すように、n形シリコン基板1の主表面上に急速
熱酸化されたポリシリコン層5が形成され、該ポリシリ
コン層5上に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層6
が形成され、該多孔質ポリシリコン層6上に金属薄膜た
る金薄膜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。
In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a polysilicon layer 5 which is rapidly thermally oxidized is formed on a main surface of an n-type silicon substrate 1, and the polysilicon layer 5 is formed. Porous polysilicon layer 6 on which rapid thermal oxidation has been performed
Is formed, and a gold thin film 7 as a metal thin film is formed on the porous polysilicon layer 6. An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1.

【0026】ところで、本実施形態では、導電性基板と
してn形シリコン基板1を用いているが、導電性基板
は、電界放射型電子源10の負極を構成するとともに真
空中において上述の多孔質ポリシリコン層6を支持し、
なお且つ、多孔質ポリシリコン層6へ電子を注入するも
のである。したがって、導電性基板は、電界放射型電子
源10の負極を構成し多孔質ポリシリコン層6を支持す
ることができればよいので、n形シリコン基板に限定さ
れるものではなく、クロムなどの金属基板であってもよ
いし、ガラスなどの絶縁性基板の一表面に導電性膜を形
成したものであってもよい。ガラス基板の一表面に導電
性膜を形成した基板を用いる場合には、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。
In this embodiment, the n-type silicon substrate 1 is used as the conductive substrate. The conductive substrate constitutes the negative electrode of the field emission type electron source 10 and has the above-mentioned porous polycrystalline structure in a vacuum. Support the silicon layer 6,
In addition, electrons are injected into the porous polysilicon layer 6. Therefore, the conductive substrate is not limited to the n-type silicon substrate, and is not limited to the n-type silicon substrate, as long as it can constitute the negative electrode of the field emission electron source 10 and support the porous polysilicon layer 6. Or a conductive film formed on one surface of an insulating substrate such as glass. In the case where a substrate in which a conductive film is formed on one surface of a glass substrate is used, the area and cost of the electron source can be increased as compared with the case where a semiconductor substrate is used.

【0027】また、上述の多孔質ポリシリコン層6は、
導電性基板と金属薄膜との間に電圧を印加したときに電
子が注入される層である。多孔質ポリシリコン層6は、
多数のグレインよりなる多結晶体であり、各グレインの
表面には酸化膜を有するナノメータ単位の構造(以下、
ナノ構造と称す)が存在する。多孔質ポリシリコン層6
に注入された電子がナノ構造に衝突することなく(つま
り、電子散乱することなく)多孔質ポリシリコン層6の
表面に到達するためには、ナノ構造の大きさは、単結晶
シリコン中の電子の平均自由行程である約50nmより
も小さいものであることが必要である。ナノ構造の大き
さは、具体的には10nmより小さいものがよく、好ま
しくは5nmよりも小さいものがよい。なお、本実施形
態では、多孔質ポリシリコン層6は急速熱酸化されてい
るが、急速熱酸化に限定されるものではなく、化学的方
法によって酸化してもよく、また、窒化するようにして
もよい。
Further, the above-mentioned porous polysilicon layer 6
This is a layer into which electrons are injected when a voltage is applied between the conductive substrate and the metal thin film. The porous polysilicon layer 6
It is a polycrystalline body composed of a large number of grains, and each grain has a nanometer unit structure (hereinafter, referred to as an oxide film)
Nanostructures). Porous polysilicon layer 6
In order for the electrons injected into the nanostructure to reach the surface of the porous polysilicon layer 6 without colliding with the nanostructure (that is, without electron scattering), the size of the nanostructure is determined by the size of the electron in the single crystal silicon. Should be smaller than the mean free path of about 50 nm. Specifically, the size of the nanostructure is preferably smaller than 10 nm, and more preferably smaller than 5 nm. In the present embodiment, the porous polysilicon layer 6 is rapidly thermally oxidized, but is not limited to rapid thermal oxidation, and may be oxidized by a chemical method, or may be nitrided. Is also good.

【0028】また、本実施形態においては、金属薄膜と
して金薄膜7を用いているが、金属薄膜は、電界放射型
電子源10の正極を構成するものであり、多孔質ポリシ
リコン層6に電界を印加するものである。この電界の印
加により多孔質ポリシリコン層6の表面に到達した電子
はトンネル効果によって金属薄膜の表面から放出され
る。したがって、導電性基板と金属薄膜との間に印加す
る直流電圧によって得られる電子のエネルギから金属薄
膜の仕事関数を差し引いたエネルギが放出される電子の
理想的なエネルギとなるので、金属薄膜の仕事関数は小
さいほど望ましい。なお、本実施形態では、金属薄膜の
材料として金を用いているが、金属薄膜の材料は金に限
定されるものではなく、仕事関数の小さな金属であれば
よく、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。ここに、金の仕事
関数は5.10eV、アルミニウムの仕事関数は4.2
8eV、クロムの仕事関数は4.50eV、タングステ
ンの仕事関数は4.55eV、ニッケルの仕事関数は
5.15eV、白金の仕事関数は5.65eVである。
Further, in this embodiment, the gold thin film 7 is used as the metal thin film. The metal thin film constitutes the positive electrode of the field emission electron source 10, and the electric field is applied to the porous polysilicon layer 6 by the electric field. Is applied. Electrons that reach the surface of the porous polysilicon layer 6 by applying the electric field are emitted from the surface of the metal thin film by a tunnel effect. Therefore, the energy obtained by subtracting the work function of the metal thin film from the energy of the electron obtained by the DC voltage applied between the conductive substrate and the metal thin film becomes the ideal energy of the emitted electrons. The smaller the function, the better. In the present embodiment, gold is used as the material of the metal thin film. However, the material of the metal thin film is not limited to gold, and may be any metal having a small work function, such as aluminum, chromium, and tungsten. ,
Nickel, platinum, or the like may be used. Here, the work function of gold is 5.10 eV, and the work function of aluminum is 4.2.
8 eV, the work function of chromium is 4.50 eV, the work function of tungsten is 4.55 eV, the work function of nickel is 5.15 eV, and the work function of platinum is 5.65 eV.

【0029】以下、製造方法を図2を参照しながら説明
する。
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.

【0030】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の表面に
膜厚が略1.5μmのノンドープのポリシリコン層3を
形成することにより図2(a)に示すような構造が得ら
れる。ポリシリコン層3の成膜は、LPCVD法により
行い、成膜条件は、真空度を20Pa、基板温度を64
0℃、モノシランガスの流量を600sccmとした。
なお、ポリシリコン層3の成膜は、導電性基板が半導体
基板の場合にはLPCVD法やスパッタ法により行って
もよいし、あるいは、プラズマCVD法によってアモル
ファスシリコンを成膜した後にアニール処理を行うこと
により結晶化させて成膜してもよい。また、導電性基板
がガラス基板に導電性薄膜を形成した基板の場合には、
CVD法により導電性薄膜上にアモルファスシリコンを
成膜した後エキシマレーザでアニールすることにより、
ポリシリコン層を形成してもよい。また、導電性薄膜上
にポリシリコン層を形成する方法はCVD法に限定され
るものではなく、例えばCGS(Continuous Grain S
ilicon)法や触媒CVD法などを用いてもよい。
First, an ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1, and then a non-doped polysilicon layer 3 having a thickness of about 1.5 μm is formed on the surface of the n-type silicon substrate 1 as shown in FIG. A structure as shown in FIG. The polysilicon layer 3 is formed by the LPCVD method under the conditions of a vacuum degree of 20 Pa and a substrate temperature of 64.
At 0 ° C., the flow rate of the monosilane gas was set at 600 sccm.
Note that the polysilicon layer 3 may be formed by an LPCVD method or a sputtering method when the conductive substrate is a semiconductor substrate, or by performing an annealing process after forming an amorphous silicon film by a plasma CVD method. Thus, the film may be crystallized to form a film. When the conductive substrate is a glass substrate on which a conductive thin film is formed,
By forming amorphous silicon on the conductive thin film by CVD method and annealing with excimer laser,
A polysilicon layer may be formed. Further, the method of forming a polysilicon layer on a conductive thin film is not limited to the CVD method. For example, a CGS (Continuous Grain S
(ilicon) method or catalytic CVD method.

【0031】ノンドープのポリシリコン層3を形成した
後、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、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、ポリシリコン層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、
多孔質ポリシリコン層4(以下、PPS層4と称す)が
形成され図2(b)に示すような構造が得られる。な
お、本実施形態では、陽極酸化処理の条件として、電流
密度を10mA/cm2一定、陽極酸化時間を30秒と
するとともに、陽極酸化中に500Wのタングステンラ
ンプによりポリシリコン層3の表面に光照射を行った。
その結果、本実施形態では、膜厚が略1μmの多孔質ポ
リシリコン層4が形成された。なお、本実施形態では、
ポリシリコン層3の一部を多孔質化しているが、ポリシ
リコン層3全部を多孔質化してもよい。
After the non-doped polysilicon layer 3 is formed, a platinum electrode (not shown) is connected to a negative electrode by using an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol at a ratio of about 1: 1. By performing anodization at a constant current while irradiating the polysilicon layer 3 with light using the n-type silicon substrate 1 (ohmic electrode 2) as a positive electrode,
A porous polysilicon layer 4 (hereinafter, referred to as PPS layer 4) is formed, and a structure as shown in FIG. 2B is obtained. In the present embodiment, the conditions of the anodic oxidation treatment are such that the current density is constant at 10 mA / cm 2 , the anodic oxidation time is 30 seconds, and the surface of the polysilicon layer 3 is irradiated with light by a 500 W tungsten lamp during the anodic oxidation. Irradiation was performed.
As a result, in this embodiment, the porous polysilicon layer 4 having a thickness of about 1 μm was formed. In the present embodiment,
Although part of the polysilicon layer 3 is made porous, the entire polysilicon layer 3 may be made porous.

【0032】次に、急速熱酸化(RTO:Rapid Therm
al Oxidation)技術によってPPS層4及びポリシリ
コン層3の急速熱酸化を行うことにより図2(c)に示
す構造が得られる。ここに、図2(c)における5は急
速熱酸化されたポリシリコン層を、6は急速熱酸化され
たPPS層(以下、RTO−PPS層6と称す)を示
す。急速熱酸化の条件としては、酸化温度を900℃、
酸化時間を1時間とした。なお、本実施形態では、PP
S層4及びポリシリコン層3の酸化を急速熱酸化により
行っているので、数秒で酸化温度まで昇温することが可
能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置で問題となる
入炉時の巻き込み酸化を抑制することができる。また、
実施形態では、急速熱酸化技術によってPPS層4及び
ポリシリコン層3を急速熱酸化しているが、急速熱酸化
に限らず、化学的方法により酸化してもよし、酸素プラ
ズマにより酸化してもよい。また、酸化の替りに窒化す
るようにしてもよく、窒化の場合には、窒素プラズマに
よる窒化や熱的な窒化などの方法を用いればよい。
Next, rapid thermal oxidation (RTO: Rapid Therm)
The structure shown in FIG. 2C is obtained by performing rapid thermal oxidation of the PPS layer 4 and the polysilicon layer 3 by the Al Oxidation (Al Oxidation) technique. Here, reference numeral 5 in FIG. 2C indicates a polysilicon layer which has been rapidly thermally oxidized, and reference numeral 6 indicates a PPS layer which has been rapidly thermally oxidized (hereinafter, referred to as an RTO-PPS layer 6). The conditions of the rapid thermal oxidation are as follows:
The oxidation time was 1 hour. In the present embodiment, PP
Since the oxidation of the S layer 4 and the polysilicon layer 3 is performed by rapid thermal oxidation, it is possible to raise the temperature to the oxidation temperature in a few seconds. Entrapment oxidation can be suppressed. Also,
In the embodiment, the PPS layer 4 and the polysilicon layer 3 are rapidly thermally oxidized by the rapid thermal oxidation technique, but not limited to the rapid thermal oxidation, and may be oxidized by a chemical method or oxidized by oxygen plasma. Good. In addition, nitriding may be performed instead of oxidation. In the case of nitriding, a method such as nitriding by nitrogen plasma or thermal nitriding may be used.

【0033】次に、RTO−PPS層6上に金属薄膜た
る金薄膜7を例えば蒸着により形成することによって、
図2(d)(図1)に示す構造の電界放射型電子源10
が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜7の膜厚
を略10nmとしたが、この膜厚は特に限定するもので
はない。なお、電界放射型電子源10は金薄膜7を電極
の正極(アノード)とし、オーミック電極2を負極(カ
ソード)とするダイオードが構成される。また、本実施
形態では、金属薄膜を蒸着により形成しているが、金属
薄膜の形成方法は蒸着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。
Next, a gold thin film 7 as a metal thin film is formed on the RTO-PPS layer 6 by, for example, vapor deposition.
Field emission type electron source 10 having the structure shown in FIG. 2D (FIG. 1).
Is obtained. Here, in the present embodiment, the thickness of the gold thin film 7 is set to approximately 10 nm, but this thickness is not particularly limited. The field emission electron source 10 has a diode in which the gold thin film 7 is used as a positive electrode (anode) of the electrode and the ohmic electrode 2 is used as a negative electrode (cathode). Further, in this embodiment, the metal thin film is formed by vapor deposition, but the method of forming the metal thin film is not limited to vapor deposition, and for example, a sputtering method may be used.

【0034】以下、本実施形態の電界放射型電子源10
の特性について説明する。
Hereinafter, the field emission type electron source 10 of this embodiment will be described.
Will be described.

【0035】上述の電界放射型電子源10を真空チャン
バ(図示せず)内に導入して、図3に示すように金薄膜
7と対向する位置にコレクタ電極21(放射電子収集電
極)を配置し、真空チャンバ内の真空度を約5×10-5
Paとして、金薄膜7とオーミック電極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と金薄
膜7との間に直流電圧Vcを印加することによって、金
薄膜7とオーミック電極2との間に流れるダイオード電
流Ipsと、電界放射型電子源10から金薄膜7を通して
放射される電子e-(なお、図3中の一点鎖線は放射電
子流を示す)によりコレクタ電極21と金薄膜7との間
に流れる放出電子電流Ieとを測定した結果を図4に示
す。ここに、金薄膜7はオーミック電極2(つまり、n
形シリコン基板1)に対して正極として直流電圧Vpsを
印加し、コレクタ電極21は金薄膜7に対して正極とし
て直流電圧Vcを印加している。
The above-mentioned field emission type electron source 10 is introduced into a vacuum chamber (not shown), and a collector electrode 21 (radiation electron collection electrode) is arranged at a position facing the gold thin film 7 as shown in FIG. And reduce the degree of vacuum in the vacuum chamber to about 5 × 10 −5.
As Pa, a DC voltage Vps is applied between the gold thin film 7 and the ohmic electrode 2, and a DC voltage Vc is applied between the collector electrode 21 and the gold thin film 7. Between the collector electrode 21 and the gold thin film 7 due to the diode current Ips flowing between the collector electrode 21 and the electron e (the dashed line in FIG. 3 indicates the radiated electron flow) emitted from the field emission type electron source 10 through the gold thin film 7. FIG. 4 shows the result of measurement of the emission electron current Ie flowing between. Here, the gold thin film 7 is connected to the ohmic electrode 2 (that is, n
A DC voltage Vps is applied as a positive electrode to the silicon substrate 1), and a DC voltage Vc is applied to the collector electrode 21 as a positive electrode to the thin gold film 7.

【0036】図4の横軸は直流電圧Vpsの値を、縦軸は
電流密度を示し、同図中のイ(○)がダイオード電流I
psを、同図中のロ(●)が放出電子電流Ieを示す。な
お、直流電圧Vcは100V一定とした。
The horizontal axis of FIG. 4 shows the value of the DC voltage Vps, and the vertical axis shows the current density. In FIG.
ps, and b (●) in the figure indicates the emission electron current Ie. Note that the DC voltage Vc was kept constant at 100V.

【0037】図4からも分かるように、放出電子電流I
eは直流電圧Vpsが正のときのみ観測され、直流電圧V
psの値を増加させるにつれてダイオード電流Ips及び放
出電子電流Ieとも増加した。例えば、直流電圧Vpsを
15Vとしたとき、ダイオード電流Ipsの電流密度は略
100mA/cm2、放出電子電流Ieの電流密度は略1
0μA/cm2であり、この放出電子電流Ieの値は従来
例で説明した単結晶シリコン基板の表面を多孔質化する
ことにより実現される電界放射型電子源に比べて大きな
値であり(例えば、電子情報通信学会ED96−14
1,P41−46によれば、直流電圧Vpsを15Vとし
たとき、ダイオード電流Ipsの電流密度は略40mA/
cm2、放出電子電流Ieの電流密度は略1μA/cm2
である)、本実施形態の電界放射型電子源10の電子の
放出効率が高いことが分かる。
As can be seen from FIG. 4, the emission electron current I
e is observed only when the DC voltage Vps is positive.
As the value of ps was increased, both the diode current Ips and the emission electron current Ie increased. For example, when the DC voltage Vps is 15 V, the current density of the diode current Ips is approximately 100 mA / cm 2 , and the current density of the emission electron current Ie is approximately 1
0 μA / cm 2 , and the value of the emission electron current Ie is larger than that of the field emission electron source realized by making the surface of the single crystal silicon substrate porous as described in the conventional example (for example, , IEICE ED96-14
1, P41-46, when the DC voltage Vps is 15 V, the current density of the diode current Ips is approximately 40 mA /
cm 2 , and the current density of the emission electron current Ie is approximately 1 μA / cm 2
It can be seen that the electron emission efficiency of the field emission electron source 10 of the present embodiment is high.

【0038】図5に、この放出電子電流Ieと直流電圧
Vpsとに関するデータをFowler−Nordhei
m(ファウラ−ノルドハイム)プロットした結果を示
す。図5より、各データが直線上にのることから、この
放出電子電流Ieは量子的なトンネル効果による電子の
放出による電流であると推考される。このときの電子放
出の機構を図6のエネルギバンド図により説明する。な
お、図6中のn+−Siはn形シリコン基板1を、RT
O−PPSは上述のRTO−PPS層6を、SiOX
RTO−PPS層6の最表面に形成された酸化シリコン
薄膜、Auは金薄膜7を、EFはフェルミレベルを、E
VACは真空レベルを、それぞれ示す。また、図6(a)
は直流電圧Vpsの印加前の状態を示し、図6(b)は直
流電圧Vpsを印加したときの状態を示す。金薄膜7をn
形シリコン基板1に対して正極として直流電圧Vpsを印
加し、この直流電圧Vpsが所定値(臨界値)に達する
と、図6(b)に示すように、n形シリコン基板1側か
らRTO−PPS層6に熱的励起により電子e-が注入
される。このとき、直流電圧Vpsのほとんどは半絶縁性
のRTO−PPS層6にかかっているので、注入された
電子e-はRTO−PPS層6内に存在する強電界(平
均電界は略105V/cm)によってドリフトされ、不
規則なポテンシャルや格子などの散乱により運動エネル
ギを失いながら表面側に向かっていく(なお、この過程
では衝突電離による電子倍増もありうる)。RTO−P
PS層6の表面に到達した電子e-は、熱平衡状態より
も高い運動エネルギをもったいわゆるホットエレクトロ
ン(熱い電子)と考えられ、電界効果によりRTO−P
PS層6の最表面のSiOXのサブバンドを介して金薄
膜7を容易にトンネルし外部に放出されるものと推考さ
れる。
FIG. 5 shows data on the emission electron current Ie and the DC voltage Vps by Fowler-Nordhei.
The result of m (Fowler-Nordheim) plot is shown. From FIG. 5, since each data is on a straight line, it is inferred that this emission electron current Ie is a current due to emission of electrons due to the quantum tunnel effect. The electron emission mechanism at this time will be described with reference to the energy band diagram of FIG. In FIG. 6, n + -Si denotes the n-type silicon substrate 1 and RT
O-PPS is the RTO-PPS layer 6 described above, SiO X is silicon oxide thin film formed on the outermost surface of the RTO-PPS layer 6, Au is gold thin film 7, E F is the Fermi level, E
VAC indicates the vacuum level, respectively. FIG. 6 (a)
6 shows a state before the DC voltage Vps is applied, and FIG. 6B shows a state when the DC voltage Vps is applied. Gold thin film 7
A DC voltage Vps is applied to the silicon substrate 1 as a positive electrode, and when the DC voltage Vps reaches a predetermined value (critical value), as shown in FIG. Electrons e are injected into the PPS layer 6 by thermal excitation. At this time, since most of the DC voltage Vps is applied to the semi-insulating RTO-PPS layer 6, the injected electrons e are exposed to the strong electric field existing in the RTO-PPS layer 6 (the average electric field is approximately 10 5 V). / Cm), and moves toward the surface while losing kinetic energy due to scattering of irregular potentials and lattices. (In this process, electron doubling due to impact ionization may occur.) RTO-P
The electrons e arriving at the surface of the PS layer 6 are considered to be so-called hot electrons (hot electrons) having a higher kinetic energy than the thermal equilibrium state, and the RTO-P
The thin gold film 7 is easily inferred as being tunnel release to the outside through the SiO X subbands outermost surface of the PS layer 6.

【0039】この理論を確認するために、本実施形態の
電界放射型電子源10から放射される電子のエネルギN
(E)のエネルギ分布を測定した結果を図7に示す。図
7において、イは直流電圧Vpsを12Vとした場合、ロ
は直流電圧Vpsを15Vとした場合、ハは直流電圧Vps
を18Vとした場合、をそれぞれ示す。図7から、電子
のエネルギN(E)のエネルギ分布は比較的ブロードで
あって、しかも数eVの高エネルギ成分を含んでおり、
印加する直流電圧Vpsの増加とともにピーク位置が高エ
ネルギ側へシフトすることがわかった。したがって、R
TO−PPS層6での電子散乱は少なく、RTO−PP
S層6の表面側に到達した電子は十分なエネルギを有す
るホットエレクトロンであると考えられる。なお、図6
中の二点鎖線で示した円A内の図は、放出直前の電子の
エネルギ分布n(E)とトンネル放出確率T(E)との
関係を定性的に示したものであり、放出電子のエネルギ
N(E)のエネルギ分布の形状はn(E)とT(E)と
の乗算により決まる(N(E)=n(E)T(E))。
例えば、直流電圧Vpsの電圧が増加すると、n(E)は
高エネルギ側のテール成分が増えるように変化し、その
結果としてN(E)も全体的に高エネルギ側へシフトす
る。
In order to confirm this theory, the energy N of electrons emitted from the field emission type electron source 10 of this embodiment is
FIG. 7 shows the result of measuring the energy distribution of (E). In FIG. 7, A is when the DC voltage Vps is 12 V, B is when the DC voltage Vps is 15 V, and C is the DC voltage Vps.
Is 18 V, respectively. From FIG. 7, the energy distribution of the energy N (E) of the electrons is relatively broad and includes a high energy component of several eV.
It has been found that the peak position shifts to the higher energy side as the applied DC voltage Vps increases. Therefore, R
The electron scattering in the TO-PPS layer 6 is small, and the RTO-PP
The electrons reaching the surface side of the S layer 6 are considered to be hot electrons having sufficient energy. FIG.
The figure in the circle A indicated by the two-dot chain line in the figure qualitatively shows the relationship between the energy distribution n (E) of the electrons immediately before emission and the tunnel emission probability T (E). The shape of the energy distribution of energy N (E) is determined by multiplying n (E) by T (E) (N (E) = n (E) T (E)).
For example, when the voltage of the DC voltage Vps increases, n (E) changes so as to increase the tail component on the high energy side, and as a result, N (E) also shifts to the high energy side as a whole.

【0040】なお、熱平衡状態にまで緩和してしまう強
い散乱を電子が受けていないということは、RTO−P
PS層6内でのエネルギ損失、すなわち、熱的なロスが
少ないということを意味し、放出電子電流Ieの効率が
高く安定して電子を放出することができると考えられ
る。図8は本実施形態の電界放射型電子源10のダイオ
ード電流Ipsおよび放出電子電流Ieそれぞれの経時変
化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸が電流密度
であり、同図中のイがダイオード電流Ipsを、同図中の
ロが放出電子電流Ieを示す。なお、図8は、直流電圧
Vpsを15V一定、直流電圧Vcを100V一定とした
場合の結果である。図8からわかるように、本実施形態
の電界放射型電子源10では、ダイオード電流Ips、放
出電子電流Ie両方ともポッピング現象は観測されず、
時間が経過しても略一定のダイオード電流Ips及び放出
電子電流Ieを維持することができる。これは、RTO
−PPS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おり、電圧の印
加により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝
導して外部に放出され、温度上昇が抑制されるからであ
ると推考される。このような放出電子電流Ieの経時変
化の少ない安定した特性は、従来のMIM方式や単結晶
シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現され
る電界放射型電子源では得られない特性であり、本発明
の構造を採用することにより得られる特性である。
It should be noted that the fact that the electrons do not receive strong scattering that relaxes to the thermal equilibrium state means that the RTO-P
This means that the energy loss in the PS layer 6, that is, the thermal loss is small, and it is considered that the efficiency of the emission electron current Ie is high and electrons can be stably emitted. FIG. 8 is a graph showing the time-dependent changes of the diode current Ips and the emission electron current Ie of the field emission electron source 10 according to the present embodiment. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents current density. A indicates the diode current Ips, and B in the figure indicates the emission electron current Ie. FIG. 8 shows the result when the DC voltage Vps is fixed at 15 V and the DC voltage Vc is fixed at 100 V. As can be seen from FIG. 8, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, neither the diode current Ips nor the emission electron current Ie shows a popping phenomenon.
A substantially constant diode current Ips and emission electron current Ie can be maintained over time. This is RTO
In the PPS layer 6, the surface of each grain is porous, and the crystal state is maintained in the central portion of each grain, and the heat generated by applying a voltage is conducted to the portion where the crystal state is maintained and is released to the outside. It is presumed that the temperature rise is suppressed. Such a stable characteristic of the emission electron current Ie with little change with time is a characteristic that cannot be obtained by a conventional MIM method or a field emission electron source realized by making the surface of a single crystal silicon substrate porous. And the characteristics obtained by employing the structure of the present invention.

【0041】次に、本実施形態の電界放射型電子源10
の放出電子電流Ieの真空度依存性について説明する。
図9は本実施形態の電界放射型電子源10の周囲をAr
ガス雰囲気として真空度を変化させたときのダイオード
電流Ips及び放出電子電流Ieの変化を示す。図9は横
軸が真空度、縦軸が電流密度であり、同図中のイ(○)
がダイオード電流Ipsを、同図中のロ(●)が放出電子
電流Ieを示す。図9から、真空度が約10-5Pa〜約
1Paの範囲では略一定の放出電子電流Ieが得られ、
放出電子電流Ieの真空度依存性が小さいことがわか
る。すなわち、本実施形態の電界放射型電子源10は電
子放出特性の真空度依存性が小さいので、真空度が多少
変化しても安定して電子を効率良く放出(放射)するこ
とができ、低真空度でも良好な電子放出特性が得られ従
来のような高真空で使用する必要がないから、電界放射
型電子源10を利用する装置の低コスト化が図れるとと
もに取扱いが容易になる。
Next, the field emission type electron source 10 of this embodiment
The dependence of the emission electron current Ie on the degree of vacuum will be described.
FIG. 9 shows a case in which the periphery of the field emission type electron source 10 of this embodiment is Ar.
The change of the diode current Ips and the emission electron current Ie when the degree of vacuum is changed as a gas atmosphere is shown. In FIG. 9, the horizontal axis represents the degree of vacuum and the vertical axis represents the current density.
Indicates the diode current Ips, and b (●) in the figure indicates the emission electron current Ie. From FIG. 9, when the degree of vacuum is in the range of about 10 −5 Pa to about 1 Pa, a substantially constant emission electron current Ie is obtained.
It turns out that the degree of vacuum dependence of the emission electron current Ie is small. That is, since the field emission electron source 10 of the present embodiment has a small dependence of the electron emission characteristics on the degree of vacuum, even if the degree of vacuum changes somewhat, electrons can be stably and efficiently emitted (emitted). Good electron emission characteristics can be obtained even at a degree of vacuum, and there is no need to use the device in a high vacuum as in the prior art. Therefore, the cost of an apparatus using the field emission type electron source 10 can be reduced and handling can be facilitated.

【0042】本実施形態では、導電性基板としてn形シ
リコン基板1(抵抗率が略0.1Ωcmの(100)基
板)を用いているが、導電性基板はn形シリコン基板に
限定されるものではなく、例えば、金属基板や、ガラス
基板などに透明導電性薄膜(例えば、ITO:Indium
Tin Oxide)や白金やクロムなどの導電性膜を形成した
基板などを用いてもよく、n形シリコン基板などの半導
体基板を用いる場合に比べて大面積化及び低コスト化が
可能になる。
In this embodiment, the n-type silicon substrate 1 ((100) substrate having a resistivity of about 0.1 Ωcm) is used as the conductive substrate, but the conductive substrate is limited to the n-type silicon substrate. Instead, for example, a transparent conductive thin film (for example, ITO: Indium) is formed on a metal substrate or a glass substrate.
A substrate on which a conductive film such as Tin Oxide or Platinum or Chromium is formed may be used, and the area and cost can be reduced as compared with the case where a semiconductor substrate such as an n-type silicon substrate is used.

【0043】(実施形態2)本実施形態の電界放射型電
子源10の基本構成は図1に示した実施形態1と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図10及び図11を
参照しながら説明する。本実施形態では、実施形態1に
おける多孔質ポリシリコン層6が、図11(c)に示す
ように多孔度の高いポリシリコン層6bと多孔度の低い
ポリシリコン層6aとが交互に積層された層により構成
されている点が相違する。なお、本実施形態において
も、実施形態1と同様に、導電性基板としてn形シリコ
ン基板1(抵抗率が略0.1Ωcmの(100)基板)
を用いている。
(Embodiment 2) The basic configuration of the field emission type electron source 10 of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1 shown in FIG. 1, so that the illustration is omitted, and the manufacturing method is shown in FIGS. 10 and 11. I will explain while. In this embodiment, as shown in FIG. 11C, the porous polysilicon layer 6 of the first embodiment is formed by alternately stacking a high-porosity polysilicon layer 6b and a low-porosity polysilicon layer 6a. The difference is that they are constituted by layers. In this embodiment, as in the first embodiment, an n-type silicon substrate 1 (a (100) substrate having a resistivity of about 0.1 Ωcm) is used as the conductive substrate.
Is used.

【0044】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の表面に
膜厚が略1.5μmのノンドープのポリシリコン層3を
形成することにより図10(a)に示すような構造が得
られる。
First, after forming an ohmic electrode 2 on the back surface of the n-type silicon substrate 1, a non-doped polysilicon layer 3 having a thickness of about 1.5 μm is formed on the surface of the n-type silicon substrate 1 as shown in FIG. A structure as shown in FIG.

【0045】次に、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、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、ポリシリコン
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。ここにおいて、陽極酸化処理は次の手順で行った。
陽極酸化処理の条件として、電流密度を2.5mA/c
2一定、陽極酸化時間を4秒とする第1の条件と、電
流密度を20mA/cm2一定、陽極酸化時間を5秒と
する第2の条件とを設定し、第1の条件での陽極酸化処
理と第2の条件での陽極酸化処理とを交互に3回繰り返
して行った。但し、陽極酸化中には500Wのタングス
テンランプにより表面に光を照射することとした。ここ
で、第1の条件での陽極酸化が終了した時点では、ポリ
シリコン層3の表面側に多孔度の低い多孔質ポリシリコ
ン層4a(以下、PPS層4aと称す)が形成され図1
0(b)に示すような構造が得られる。その後、第2の
条件での陽極酸化が終了した時点では、上記多孔質ポリ
シリコン層4aよりもn形シリコン基板1側に、PPS
層4aよりも多孔度の高い多孔質ポリシリコン層4b
(以下、PPS層4bと称す)が形成され図10(c)
に示すような構造が得られる。しかして、第1の条件、
第2の条件での陽極酸化が3回ずつ終了した時点では、
PPS層4aとPPS層4bとが交互に積層された図1
1(a)に示す構造が得られる。なお、本実施形態で
は、PPS層4aとPPS層4bとの積層構造よりなる
多孔質ポリシリコン層の膜厚は略1μmであった。ま
た、本実施形態では、ポリシリコン層3の一部を多孔質
化しているが、ポリシリコン層3全部を多孔質化しても
よい。
Next, a platinum electrode (not shown) was used as a negative electrode, an n-type silicon substrate 1 (an ohmic electrode) was used, using an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol in a ratio of about 1: 1. Using the electrode 2) as a positive electrode, anodization is performed at a constant current while irradiating the polysilicon layer 3 with light. Here, the anodic oxidation treatment was performed in the following procedure.
As a condition of the anodizing treatment, the current density was set to 2.5 mA / c.
The first condition in which the anodizing time is 4 seconds and the constant m 2 is constant, and the second condition in which the current density is 20 mA / cm 2 and the anodizing time is 5 seconds are set. Anodizing treatment and anodizing treatment under the second condition were alternately repeated three times. However, during the anodization, the surface was irradiated with light by a 500 W tungsten lamp. Here, when the anodic oxidation under the first condition is completed, a porous polysilicon layer 4a having low porosity (hereinafter, referred to as a PPS layer 4a) is formed on the surface side of the polysilicon layer 3 as shown in FIG.
A structure as shown in FIG. After that, when the anodic oxidation under the second condition is completed, the PPS is placed closer to the n-type silicon substrate 1 than the porous polysilicon layer 4a.
Porous polysilicon layer 4b having higher porosity than layer 4a
(Hereinafter, referred to as PPS layer 4b) is formed as shown in FIG.
The structure as shown in FIG. Thus, the first condition,
When the anodic oxidation under the second condition is completed three times,
FIG. 1 in which PPS layers 4a and PPS layers 4b are alternately stacked
The structure shown in FIG. 1 (a) is obtained. In the present embodiment, the thickness of the porous polysilicon layer having a laminated structure of the PPS layer 4a and the PPS layer 4b is approximately 1 μm. In this embodiment, a part of the polysilicon layer 3 is made porous, but the entire polysilicon layer 3 may be made porous.

【0046】次に、急速熱酸化(RTO:Rapid Therm
al Oxidation)技術によって全てのPPS層4a,4
b及びポリシリコン層3の急速熱酸化を行うことにより
図11(b)に示す構造が得られる。ここに、図11
(b)における5は急速熱酸化されたポリシリコン層
を、6a,6bは急速熱酸化された上記多孔質ポリシリ
コン層(以下、RTO−PPS層6a,6bと称す)を
示す。急速熱酸化の条件としては、酸化温度を900
℃、酸化時間を1時間とした。なお、本実施形態では、
PPS層4a,4b及びポリシリコン層3の酸化を急速
熱酸化により行っているので、数秒で酸化温度まで昇温
することが可能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置
で問題となる入炉時の巻き込み酸化を抑制することがで
きる。
Next, rapid thermal oxidation (RTO)
al Oxidation) technology for all PPS layers 4a, 4
By performing rapid thermal oxidation of b and the polysilicon layer 3, the structure shown in FIG. 11B is obtained. Here, FIG.
5B shows a polysilicon layer which has been rapidly thermally oxidized, and 6a and 6b show the porous polysilicon layers which have been rapidly thermally oxidized (hereinafter referred to as RTO-PPS layers 6a and 6b). The conditions for rapid thermal oxidation are as follows:
C. and the oxidation time was 1 hour. In the present embodiment,
Since the PPS layers 4a and 4b and the polysilicon layer 3 are oxidized by rapid thermal oxidation, the temperature can be raised to the oxidation temperature in a few seconds, which is a problem in an ordinary furnace tube type oxidation apparatus. Entrapment oxidation at the time can be suppressed.

【0047】その後、最上層のRTO−PPS層6a上
に金属薄膜たる金薄膜7を例えば蒸着により形成するこ
とによって、図11(c)に示す構造の電界放射型電子
源10が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜7
の膜厚を略10nmとしたが、この膜厚は特に限定する
ものではない。なお、電界放射型電子源10は金薄膜7
を電極の正極(アノード)とし、オーミック電極2を負
極(カソード)とするダイオードが構成される。
Thereafter, a gold thin film 7 as a metal thin film is formed on the uppermost RTO-PPS layer 6a, for example, by vapor deposition, whereby the field emission type electron source 10 having the structure shown in FIG. 11C is obtained. Here, in the present embodiment, the gold thin film 7
Was about 10 nm, but this thickness is not particularly limited. The field emission type electron source 10 is a gold thin film 7.
Is a positive electrode (anode) of the electrode, and the ohmic electrode 2 is a negative electrode (cathode).

【0048】以下、本実施形態の電界放射型電子源10
の特性について説明する。
Hereinafter, the field emission type electron source 10 of this embodiment will be described.
Will be described.

【0049】上述の電界放射型電子源10を真空チャン
バ(図示せず)内に導入して、実施形態1と同様、図3
に示すように金薄膜7と対向する位置にコレクタ電極2
1(放射電子収集電極)を配置し、真空チャンバ内の真
空度を約5×10-5Paとして、金薄膜7とオーミック
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と金薄膜7との間に直流電圧Vcを印加す
ることによって、金薄膜7とオーミック電極2との間に
流れるダイオード電流Ipsと、電界放射型電子源10か
ら金薄膜7を通して放射される電子e-(なお、図3中
の一点鎖線は放射電子流を示す)によりコレクタ電極2
1と金薄膜7との間に流れる放出電子電流Ieとを測定
した結果を図12に示す。ここに、金薄膜7はオーミッ
ク電極2(つまり、n形シリコン基板1)に対して正極
として直流電圧Vpsを印加し、コレクタ電極21は金薄
膜7に対して正極として直流電圧Vcを印加している。
The above-mentioned field emission type electron source 10 is introduced into a vacuum chamber (not shown), and the same as in the first embodiment, FIG.
The collector electrode 2 is located at a position facing the gold thin film 7 as shown in FIG.
1 (emission electron collecting electrode), the degree of vacuum in the vacuum chamber is set to about 5 × 10 −5 Pa, and a DC voltage Vps is applied between the gold thin film 7 and the ohmic electrode 2. By applying a DC voltage Vc to the gold thin film 7, a diode current Ips flowing between the gold thin film 7 and the ohmic electrode 2, and electrons e emitted from the field emission type electron source 10 through the gold thin film 7. (Note that a dashed line in FIG. 3 indicates a radiated electron flow.)
FIG. 12 shows the result of measurement of the emission electron current Ie flowing between the sample 1 and the gold thin film 7. Here, the gold thin film 7 applies a DC voltage Vps as a positive electrode to the ohmic electrode 2 (that is, the n-type silicon substrate 1), and the collector electrode 21 applies a DC voltage Vc to the gold thin film 7 as a positive electrode. I have.

【0050】図12の横軸は直流電圧Vpsの値を、縦軸
は電流密度を示し、同図中のイ(○)がダイオード電流
Ipsを、同図中のロ(●)が放出電子電流Ieを示す。
なお、直流電圧Vcは100V一定とした。
The horizontal axis in FIG. 12 shows the value of the DC voltage Vps, and the vertical axis shows the current density. A (図) in FIG. 12 indicates the diode current Ips, and (b) in FIG. 12 indicates the emission electron current. Ie.
Note that the DC voltage Vc was kept constant at 100V.

【0051】図12からも分かるように、本実施形態に
おいても実施形態1同様、放出電子電流Ieは直流電圧
Vpsが正のときのみ観測され、直流電圧Vpsの値を増加
させるにつれてダイオード電流Ips及び放出電子電流I
eとも増加した。例えば、直流電圧Vpsを15Vとした
とき、ダイオード電流Ipsの電流密度は略1mA/cm
2、放出電子電流Ieの電流密度は略4μA/cm2であ
り、この放出電子電流Ieの値は従来例で説明した単結
晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現さ
れる電界放射型電子源(特開平8−250766号公報
参照)に比べて大きな値であり(例えば、電子情報通信
学会ED96−141,P41−46によれば、直流電
圧Vpsを15Vとしたとき、ダイオード電流Ipsの電流
密度は略40mA/cm2、放出電子電流Ieの電流密度
は略1μA/cm2である)、本実施形態の電界放射型
電子源の電子の放出効率が高いことが分かる。
As can be seen from FIG. 12, in the present embodiment, as in the first embodiment, the emission electron current Ie is observed only when the DC voltage Vps is positive, and as the value of the DC voltage Vps increases, the diode current Ips and the emission current Ie increase. Emitted electron current I
e also increased. For example, when the DC voltage Vps is 15 V, the current density of the diode current Ips is approximately 1 mA / cm.
2. The current density of the emission electron current Ie is approximately 4 μA / cm 2 , and the value of the emission electron current Ie is the field emission type realized by making the surface of the single crystal silicon substrate porous as described in the conventional example. This value is larger than that of an electron source (see JP-A-8-250766). For example, according to the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, ED96-141 and P41-46, when the DC voltage Vps is 15 V, the diode current Ips The current density is about 40 mA / cm 2 and the emission electron current Ie is about 1 μA / cm 2 ), indicating that the field emission electron source of this embodiment has a high electron emission efficiency.

【0052】図13に、この放出電子電流Ie と直流電
圧Vpsとに関するデータをFowler−Nordhe
im(ファウラ−ノルドハイム)プロットした結果を示
す。図13より、各データが直線上にのることから、こ
の放出電子電流Ieは実施形態1と同様に、量子的なト
ンネル効果による電子の放出による電流であると推考さ
れる。
FIG. 13 shows the data on the emission electron current Ie and the DC voltage Vps in Fowler-Nordhe.
The result of im (Fowler-Nordheim) plot is shown. From FIG. 13, since each data is on a straight line, it is inferred that this emission electron current Ie is a current due to the emission of electrons due to the quantum tunnel effect, as in the first embodiment.

【0053】図14は本実施形態の電界放射型電子源1
0のダイオード電流Ipsおよび放出電子電流Ieそれぞ
れの経時変化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸
が電流密度であり、同図中のイがダイオード電流Ips
を、同図中のロが放出電子電流Ieを示す。なお、図1
4は、直流電圧Vpsを21V一定、直流電圧Vcを10
0V一定とした場合の結果である。図14から分かるよ
うに、本実施形態の電界放射型電子源10においても、
実施形態1と同様、ダイオード電流Ips、放出電子電流
Ie両方ともポッピング現象は観測されず、時間が経過
しても略一定のダイオード電流Ips及び放出電子電流I
eを維持することができる。このような放出電子電流Ie
の経時変化の少ない安定した特性は、従来のMIM方式
や単結晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより
実現される電界放射型電子源では得られない特性であ
り、本発明の構造を採用することにより得られる特性で
ある。
FIG. 14 shows a field emission type electron source 1 of this embodiment.
0 is a graph showing the time-dependent changes of the diode current Ips and the emission electron current Ie of 0, wherein the horizontal axis represents time and the vertical axis represents current density.
In the figure, b indicates the emission electron current Ie. FIG.
4 indicates that the DC voltage Vps is constant at 21 V and the DC voltage Vc is 10
This is the result when 0 V is fixed. As can be seen from FIG. 14, also in the field emission type electron source 10 of the present embodiment,
As in the first embodiment, no popping phenomenon is observed in both the diode current Ips and the emission electron current Ie, and the diode current Ips and the emission electron current I
e can be maintained. Such an emission electron current Ie
The stable characteristics with little change over time are characteristics that cannot be obtained with the conventional MIM method or the field emission type electron source realized by making the surface of a single crystal silicon substrate porous, and the structure of the present invention is adopted. This is a characteristic obtained by performing

【0054】なお、上述の陽極酸化処理の条件として
は、次のような条件で行ってもよい。すなわち、図15
に示すように、電流密度を0mA/cm2として陽極酸
化を開始し、20秒間で電流密度を0mA/cm2から
20mA/cm2まで増加させる途中で、電流密度を2
秒間だけ2.5mA/cm2とする期間を3回設けるよ
うにしてもよい。但し、陽極酸化中には500Wのタン
グステンランプにより表面に光を照射することは勿論で
ある。この場合には、電流密度を2.5mA/cm2
した期間に多孔度の低い多孔質ポリシリコン層4aが形
成されることになる。
The anodic oxidation process may be performed under the following conditions. That is, FIG.
As shown in, in the course of increasing the current density anodic oxidation starts as 0 mA / cm 2, the current density from 0 mA / cm @ 2 to 20 mA / cm 2 for 20 seconds, the current density 2
A period of 2.5 mA / cm 2 for only seconds may be provided three times. However, it is a matter of course that the surface is irradiated with light by a 500 W tungsten lamp during the anodic oxidation. In this case, the porous polysilicon layer 4a having low porosity is formed during the period when the current density is set to 2.5 mA / cm 2 .

【0055】(実施形態3)本実施形態の電界放射型電
子源10の基本構成は図1に示した実施形態1と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図16を参照しなが
ら説明する。本実施形態は、実施形態1における多孔質
のポリシリコン層6が、厚み方向に多孔度が連続的に変
化した層である点に特徴がある。なお、本実施形態にお
いても、実施形態1と同様に、導電性基板としてn形シ
リコン基板1(抵抗率が略0.1Ωcmの(100)基
板)を用いている。
(Embodiment 3) The basic configuration of a field emission type electron source 10 of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1 shown in FIG. 1, so that the illustration is omitted and the manufacturing method will be described with reference to FIG. I do. The present embodiment is characterized in that the porous polysilicon layer 6 in the first embodiment is a layer whose porosity continuously changes in the thickness direction. In this embodiment, as in the first embodiment, an n-type silicon substrate 1 (a (100) substrate having a resistivity of about 0.1 Ωcm) is used as the conductive substrate.

【0056】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の表面に
膜厚が略1.5μmのノンドープのポリシリコン層3を
形成することにより図16(a)に示すような構造が得
られる。
First, after forming an ohmic electrode 2 on the back surface of the n-type silicon substrate 1, a non-doped polysilicon layer 3 having a thickness of about 1.5 μm is formed on the surface of the n-type silicon substrate 1 as shown in FIG. A structure as shown in FIG.

【0057】次に、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、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、ポリシリコン
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。ここにおいて、陽極酸化処理は、電流密度を0mA
/cm2として陽極酸化を開始し、時間経過とともに電
流密度を0mA/cm2から20mA/cm2まで連続的
に(徐々に)増加させる。但し、陽極酸化中には500
Wのタングステンランプにより表面に光を照射すること
とした。しかして、陽極酸化処理が終了した時点では、
n形シリコン基板1に近い側が高多孔度で表面に近い方
が低多孔度となり多孔度が厚み方向に連続的に変化した
多孔質ポリシリコン層4c(以下、PPS層4cと称
す)が形成され図16(b)に示すような構造が得られ
る。なお、本実施形態では、PPS層4cの膜厚は略1
μmであった。また、本実施形態では、ポリシリコン層
3の一部を多孔質化しているが、ポリシリコン層3全部
を多孔質化してもよい。
Next, a platinum electrode (not shown) was used as a negative electrode, an n-type silicon substrate 1 (an ohmic electrode) was used using an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous hydrogen fluoride solution and ethanol in a ratio of about 1: 1. Using the electrode 2) as a positive electrode, anodization is performed at a constant current while irradiating the polysilicon layer 3 with light. Here, the anodic oxidation treatment is performed by setting the current density to 0 mA.
/ Cm 2 anodizing begins as continuously (gradually) the current density from 0 mA / cm 2 with time until 20 mA / cm 2 is increased. However, 500 during anodization
The surface was irradiated with light by a tungsten lamp of W. However, when the anodizing process is completed,
A porous polysilicon layer 4c (hereinafter referred to as a PPS layer 4c) having a high porosity on the side close to the n-type silicon substrate 1 and a low porosity near the surface and having a continuously changed porosity in the thickness direction is formed. A structure as shown in FIG. 16B is obtained. In this embodiment, the thickness of the PPS layer 4c is approximately 1
μm. In this embodiment, a part of the polysilicon layer 3 is made porous, but the entire polysilicon layer 3 may be made porous.

【0058】次に、急速熱酸化技術によってPPS層4
c及びポリシリコン層3の急速熱酸化を行い(急速熱酸
化の条件としては、酸化温度を900℃、酸化時間を1
時間とした)、金属薄膜たる金薄膜7を例えば蒸着によ
り形成することによって、図16(c)に示す構造の電
界放射型電子源10が得られる。ここに、本実施形態で
は、金薄膜7の膜厚を略10nmとしたが、この膜厚は
特に限定されるものではない。なお、電界放射型電子源
10は金薄膜7を電極の正極(アノード)とし、オーミ
ック電極2を負極(カソード)とするダイオードが構成
される。また、図16(c)において、5は急速熱酸化
されたポリシリコン層を、6は急速熱酸化されたPPS
層4c(RTO−PPS層6)を示す。
Next, the PPS layer 4 is formed by a rapid thermal oxidation technique.
c and the polysilicon layer 3 are subjected to rapid thermal oxidation (the conditions of rapid thermal oxidation are an oxidation temperature of 900 ° C. and an oxidation time of 1
Then, the field emission electron source 10 having the structure shown in FIG. 16C is obtained by forming the metal thin film 7 as the gold thin film by, for example, vapor deposition. Here, in the present embodiment, the thickness of the gold thin film 7 is set to approximately 10 nm, but this thickness is not particularly limited. The field emission electron source 10 has a diode in which the gold thin film 7 is used as a positive electrode (anode) of the electrode and the ohmic electrode 2 is used as a negative electrode (cathode). In FIG. 16C, reference numeral 5 denotes a polysilicon layer subjected to rapid thermal oxidation, and reference numeral 6 denotes PPS subjected to rapid thermal oxidation.
5 shows a layer 4c (RTO-PPS layer 6).

【0059】なお、本実施形態では、陽極酸化処理にお
いて電流密度を徐々に増加させることにより多孔度を変
化させているが、電流密度を徐々に減少させることによ
り多孔度を変化させるようにしてよく、後者の場合に
は、n形シリコン基板1に近い側が低多孔度で表面に近
い方が高多孔度となる。
In the present embodiment, the porosity is changed by gradually increasing the current density in the anodic oxidation treatment. However, the porosity may be changed by gradually decreasing the current density. In the latter case, the side near the n-type silicon substrate 1 has low porosity and the side near the surface has high porosity.

【0060】(実施形態4)図17に実施形態1の電界
放射型電子源10を利用した平面発光装置の概略構成図
を示す。なお、実施形態1と同様の構成要素については
同一の符号を付し説明を省略する。ここにおいて、電界
放射型電子源10としては、実施形態2または実施形態
3の電界放射型電子源10を用いてもよい。
(Embodiment 4) FIG. 17 shows a schematic configuration diagram of a flat light emitting device using the field emission electron source 10 of Embodiment 1. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Here, the field emission electron source 10 of the second or third embodiment may be used as the field emission electron source 10.

【0061】本実施形態の平面発光装置は、電界放射型
電子源10と、電界放射型電子源10の金薄膜7に対向
配置される透明電極31を備え、透明電極31には電界
放射型電子源10から放射される電子線により可視光を
発光する蛍光体32が塗布してある。また、透明電極3
1はガラス基板などの透明板33に塗布形成してある。
ここに、透明電極31及び蛍光体32が形成された透明
板33はスペーサ34を介して電界放射型電子源10と
一体化してあり、透明板33とスペーサ34と電界放射
型電子源10とで囲まれる内部空間を所定の真空度にし
てある。したがって、電界放射型電子源10から電子を
放射させることによって、蛍光体32を発光させること
ができ、蛍光体32の発光を透明電極31及び透明板3
3を通して外部に表示することができる。
The planar light emitting device of the present embodiment includes a field emission type electron source 10 and a transparent electrode 31 disposed to face the gold thin film 7 of the field emission type electron source 10. A phosphor 32 that emits visible light by an electron beam emitted from the source 10 is applied. In addition, the transparent electrode 3
Numeral 1 is applied and formed on a transparent plate 33 such as a glass substrate.
Here, the transparent plate 33 on which the transparent electrode 31 and the phosphor 32 are formed is integrated with the field emission type electron source 10 via the spacer 34, and the transparent plate 33, the spacer 34 and the field emission type electron source 10 The enclosed inner space has a predetermined degree of vacuum. Therefore, by emitting electrons from the field emission type electron source 10, the phosphor 32 can emit light, and the emission of the phosphor 32 is emitted by the transparent electrode 31 and the transparent plate 3.
3 can be displayed externally.

【0062】本実施形態の平面発光装置において、透明
電極31を金薄膜7に対して正極とし透明電極31と金
薄膜7との間に1kVの直流電圧Vcを印加した状態
で、電界放射型電子源10の金薄膜7とオーミック電極
2との間に15V程度の直流電圧Vpsを印加して電子を
放出(放射)させたところ、金薄膜7の面積(サイズ)
に対応する蛍光パターンが得られた。これは、電界放射
型電子源10から放射される放出電子電流Ie密度が金
薄膜7の面内で略均一であることを示すとともに、放射
される電子e-が金薄膜7から略垂直方向に放射され、
電子e-の流れが拡がったり狭まったりすることなく略
平行となっていることを示す証左である。したがって、
本実施形態では、電子e-が金薄膜7の面内で略均一に
略垂直方向へ放射されるから、従来の平面発光装置で用
いられる収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単にな
るとともに低コスト化が可能になる。また、電界放射型
電子源10からの電子の放出時にポッピング現象が発生
しないので、表示むらを少なくすることができる。
In the flat light emitting device of this embodiment, the field emission type electron is applied while the transparent electrode 31 is used as a positive electrode with respect to the gold thin film 7 and a DC voltage Vc of 1 kV is applied between the transparent electrode 31 and the gold thin film 7. When a DC voltage Vps of about 15 V is applied between the gold thin film 7 of the source 10 and the ohmic electrode 2 to emit (emit) electrons, the area (size) of the gold thin film 7 is increased.
A fluorescent pattern corresponding to was obtained. This indicates that the density of the emission electron current Ie emitted from the field emission electron source 10 is substantially uniform in the plane of the gold thin film 7 and that the emitted electrons e are substantially perpendicular to the gold thin film 7. Radiated,
It is a schematic evidence showing that are parallel without or narrowed or spread the flow - electron e. Therefore,
In the present embodiment, since the electrons e are radiated almost uniformly in the substantially vertical direction in the plane of the gold thin film 7, there is no need to provide a focusing electrode used in the conventional flat light emitting device, and the structure becomes simpler. Cost reduction becomes possible. In addition, since popping does not occur when electrons are emitted from the field emission electron source 10, display unevenness can be reduced.

【0063】(実施形態5)図18に実施形態1ないし
実施形態3のいずれかに記載の電界放射型電子源10を
ディスプレイ装置に利用する場合の電子源部の概略構成
図を示す。本実施形態では、図18に示すように、実施
形態1ないし実施形態3のいずれかに記載の電界放射型
電子源10をマトリクス状(アレイ状)に構成し、各電
界放射型電子源10を各ピクセルに対応させてあり、X
マトリクスコントロール回路41とYマトリクスコント
ロール回路42とで各電界放射型電子源10に印加する
上述(実施形態1で説明)の直流電圧Vpsをそれぞれオ
ンオフするようになっている。すなわち、本実施形態で
は、Xマトリクスコントロール回路41とYマトリクス
コントロール回路42とによって直流電圧Vpsを印加す
る電界放射型電子源10を選択するようになっており、
選択された電界放射型電子源10からのみ電子が放射さ
れる。
(Embodiment 5) FIG. 18 is a schematic configuration diagram of an electron source section when the field emission electron source 10 according to any one of Embodiments 1 to 3 is used for a display device. In the present embodiment, as shown in FIG. 18, the field emission electron sources 10 according to any one of Embodiments 1 to 3 are configured in a matrix (array), and each field emission electron source 10 is X for each pixel
The DC voltage Vps described above (described in the first embodiment) applied to each of the field emission electron sources 10 is turned on and off by the matrix control circuit 41 and the Y matrix control circuit 42, respectively. That is, in the present embodiment, the field emission electron source 10 to which the DC voltage Vps is applied is selected by the X matrix control circuit 41 and the Y matrix control circuit 42.
Electrons are emitted only from the selected field emission electron source 10.

【0064】なお、本実施形態のディスプレイ装置で
は、図示しないが、実施形態4と同様に、電子源部に対
向配置される(つまり、電界放射型電子源10の金薄膜
7に対向配置される)透明電極を備え、透明電極には電
界放射型電子源10から放射される電子線により可視光
を発光する蛍光体が塗布してある。また、透明電極はガ
ラス基板などの透明板に塗布形成してある。
Although not shown, in the display device of the present embodiment, similarly to the fourth embodiment, the display device is opposed to the electron source (that is, opposed to the gold thin film 7 of the field emission type electron source 10). ) A transparent electrode is provided, and a phosphor that emits visible light by an electron beam emitted from the field emission electron source 10 is applied to the transparent electrode. The transparent electrode is formed by coating on a transparent plate such as a glass substrate.

【0065】ところで、上述のように電界放射型電子源
10から放射される電子は、金薄膜7の面内で略均一に
金薄膜7から略垂直方向に放射されその電子流は略平行
しているので、本実施形態のディスプレイ装置では、電
界放射型電子源10に対向する蛍光体部分のみを発光さ
せることができる。したがって、従来のような複雑なシ
ャドウマスクを設ける必要がなく、高精細なディスプレ
イ装置を実現することが可能となる。
As described above, the electrons emitted from the field emission type electron source 10 are emitted almost uniformly in the plane of the gold thin film 7 from the gold thin film 7 in a substantially vertical direction, and the electron flows are substantially parallel. Therefore, in the display device of the present embodiment, only the phosphor portion facing the field emission electron source 10 can emit light. Therefore, it is not necessary to provide a complicated shadow mask as in the related art, and a high-definition display device can be realized.

【0066】(実施形態6)図19に実施形態1に記載
の電界放射型電子源10を利用した固体真空デバイスの
概略構成図を示す。なお、実施形態1と同様の構成要素
については同一の符号を付し説明を省略する。また、電
界放射型電子源10としては実施形態2または実施形態
3の構造を採用してもよい。
(Embodiment 6) FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a solid-state vacuum device using the field emission electron source 10 described in Embodiment 1. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The structure of the second or third embodiment may be adopted as the field emission electron source 10.

【0067】本実施形態の固体真空デバイスは、三極管
タイプのものであって、電界放射型電子源10をカソー
ドとし、電界放射型電子源10の金薄膜7に対向してア
ノード電極51(陽極)を配置し、アノード電極51と
カソードとの間にメッシュ状のグリッド52を設けてあ
る。また、アノード電極51、グリッド52、カソード
は封止材53,54によって真空封止されている。な
お、本実施形態では、封止材53,54とn形シリコン
基板1よりなる導電性基板とで真空容器を構成してい
る。
The solid-state vacuum device of this embodiment is of a triode type, in which the field emission type electron source 10 is used as a cathode, and the anode electrode 51 (anode) faces the gold thin film 7 of the field emission type electron source 10. Are arranged, and a mesh grid 52 is provided between the anode electrode 51 and the cathode. The anode electrode 51, the grid 52, and the cathode are vacuum-sealed by sealing materials 53 and 54. In this embodiment, a vacuum container is constituted by the sealing members 53 and 54 and the conductive substrate made of the n-type silicon substrate 1.

【0068】本実施形態の固体真空デバイスは、電界放
射型電子源10に上述の直流電圧Vpsを印加することに
より電界放射型電子源10、つまりカソードから電子が
放射され、アノード電極51と金薄膜7との間に印加さ
れるアノード電圧Vaにより加速されるので、アノード
電極51とカソードとの間にアノード電流Iaが流れ
る。なお、このアノード電流Iaの大きさは、グリッド
52を負極としてグリッド52とオーミック電極2との
間に印加する直流電圧Vgの値を変化させることにより
制御できる。
In the solid-state vacuum device of the present embodiment, when the above-described DC voltage Vps is applied to the field emission type electron source 10, electrons are emitted from the field emission type electron source 10, ie, the cathode, and the anode electrode 51 and the gold thin film 7, the anode current Va flows between the anode 51 and the cathode. The magnitude of the anode current Ia can be controlled by changing the value of the DC voltage Vg applied between the grid 52 and the ohmic electrode 2 using the grid 52 as a negative electrode.

【0069】従来の真空デバイスは熱電子放射を用いた
陰極が主流であるが、本発明の電界放射型電子源を用い
れば、冷陰極で長寿命の固体真空デバイスを実現するこ
とができる。
A conventional vacuum device mainly uses a cathode using thermionic emission. However, if the field emission type electron source of the present invention is used, a solid-state vacuum device having a long life with a cold cathode can be realized.

【0070】なお、本実施形態では三極管タイプの固体
真空デバイスについて説明したが、多極管タイプであっ
てもよいことは勿論である。
In this embodiment, a triode-type solid vacuum device has been described. However, a triode-type solid vacuum device may of course be used.

【0071】[0071]

【発明の効果】請求項1の発明は、導電性基板と、導電
性基板の一表面側に形成され酸化されたナノメータ単位
の構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質の
ポリシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属
薄膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加するこ
とにより金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で電子を放出することができ、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膜を形成した基板な
どを使用することもできるから、従来のように半導体基
板を多孔質化した多孔質半導体層を利用する場合やスピ
ント型電極に比べて、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a porous polysilicon layer formed on one surface side of the conductive substrate and having an oxidized nanometer structure, and the porous polysilicon layer. A metal thin film formed on the layer, and radiating an electron beam through the metal thin film by applying a voltage with the metal thin film as a positive electrode to the conductive substrate.
The porous polysilicon layer is formed on the surface of each grain.
Is made porous and the crystalline state is maintained at the center of each grain.
The heat generated by the application of the voltage
Conducted through the part where the above crystalline state is maintained and released to the outside
As a result, the temperature rise is suppressed and the dependence of the electron emission characteristics on the degree of vacuum is small, and a popping phenomenon does not occur at the time of electron emission, so that electrons can be emitted stably and with high efficiency. In addition to a semiconductor substrate such as a single-crystal silicon substrate, a substrate formed with a conductive film on a glass substrate or the like can be used. There is an effect that the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced as compared with the Spindt-type electrode.

【0072】請求項2の発明は、導電性基板と、導電性
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で電子を放出することができ、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膜を形成した基板な
どを使用することもできるから、従来のように半導体基
板を多孔質化した多孔質半導体層を利用する場合やスピ
ント型電極に比べて、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
A second aspect of the present invention is a conductive substrate, a porous polysilicon layer formed on one surface side of the conductive substrate and having a structure in units of nanometers, and a porous polysilicon layer on the porous polysilicon layer. A metal thin film formed on the conductive substrate, and applying a voltage with the metal thin film as a positive electrode to the conductive substrate to emit an electron beam through the metal thin film.
The porous polysilicon layer is formed on the surface of each grain.
Is made porous and the crystalline state is maintained at the center of each grain.
The heat generated by the application of the voltage
Conducted through the part where the above crystalline state is maintained and released to the outside
As a result, the temperature rise is suppressed and the dependence of the electron emission characteristics on the degree of vacuum is small, and a popping phenomenon does not occur at the time of electron emission, so that electrons can be emitted stably and with high efficiency. In addition to a semiconductor substrate such as a single-crystal silicon substrate, a substrate formed with a conductive film on a glass substrate or the like can be used. There is an effect that the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced as compared with the Spindt-type electrode.

【0073】請求項6の発明は、請求項1乃至請求項5
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になるという効果がある。
The invention of claim 6 is the invention of claims 1 to 5
In the above invention, since the polysilicon layer is a non-doped polysilicon layer, the oxidized or nitrided porous polysilicon layer becomes semi-insulating, and by applying the voltage, the porous polysilicon layer becomes strong. As an electric field, the electrons injected from the conductive substrate side into the porous polysilicon layer drift and reach the surface of the porous polysilicon layer, and the electrons are tunneled through the metal thin film as hot electrons. Since the light is emitted, electrons can be emitted more efficiently and stably than in the case where the polysilicon layer is doped, and there is an effect that manufacturing is easy because doping is unnecessary.

【0074】請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6
の発明において、導電性基板は、一表面に導電性薄膜が
形成された基板からなるので、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を用いる場合に比べて大
面積化及び低コスト化が可能になるという効果がある。
The invention of claim 7 is the invention of claims 1 to 6
In the invention of the above, since the conductive substrate is formed of a substrate having a conductive thin film formed on one surface, the area and cost can be reduced as compared with the case where a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate is used as the conductive substrate. There is an effect that it becomes possible.

【0075】請求項8の発明は、請求項1記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
界放射型電子源を提供することができるという効果があ
る。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a field emission type electron source according to the first aspect, wherein a polysilicon layer is formed on a conductive substrate, and the polysilicon layer is made porous. The oxidized polysilicon layer is oxidized, and an electrode made of a metal thin film is formed on the oxidized porous polysilicon layer, eliminating the need for complicated structures and manufacturing processes like conventional Spindt-type electrodes. It is possible to provide a low-cost field-emission electron source capable of stably and efficiently emitting electrons by a simple manufacturing process, and to provide a large-area field-emission electron source. is there.

【0076】請求項9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、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
界放射型電子源を提供することができるという効果があ
る。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a field emission type electron source according to the second aspect, wherein a polysilicon layer is formed on a conductive substrate, and the polysilicon layer is made porous. Nitrided polysilicon layer, and an electrode made of a metal thin film is formed on the nitrided porous polysilicon layer, eliminating the need for complicated structures and manufacturing processes like conventional Spindt-type electrodes. It is possible to provide a low-cost field-emission electron source capable of stably and efficiently emitting electrons by a simple manufacturing process, and to provide a large-area field-emission electron source. is there.

【0077】請求項12の発明は、請求項1乃至請求項
7のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
いるので、電界放射型電子源から放射される電子の放出
角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろうか
ら、収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単になると
ともに薄型の平面発光装置を実現することができるとい
う効果がある。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the field emission type electron source according to any one of the first to seventh aspects, and a transparent electrode disposed to face the metal thin film, wherein visible light is generated by the electron beam. Since the phosphor that emits light is provided on the transparent electrode, the emission angle of the electrons emitted from the field emission electron source is aligned in a direction substantially perpendicular to the surface of the metal thin film, so it is necessary to provide a focusing electrode. Therefore, there is an effect that the structure can be simplified and a thin planar light emitting device can be realized.

【0078】請求項13の発明は、請求項1乃至請求項
7のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、複雑なシャドウマスクや電子収束レンズを設ける
必要がなく、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができるという効果がある。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the field emission type electron source according to any one of the first to seventh aspects is configured in a matrix, and the voltage applied to each field emission type electron source is controlled. Means, and a transparent electrode disposed opposite to the metal thin film, wherein a phosphor which emits visible light by the electron beam is provided on the transparent electrode. Since the angle of emission of electrons emitted from the source is substantially perpendicular to the surface of the metal thin film, there is no need to provide a complicated shadow mask or electron focusing lens, and a high-definition display device can be realized. effective.

【0079】請求項14の発明は、少なくとも請求項1
乃至請求項7のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されているので、電界放射型電
子源が冷陰極を構成するから、従来の熱電子放射を利用
した熱陰極を有する固体真空デバイスのように加熱手段
を設ける必要がなく、小型化が可能になるとともに陰極
物質の蒸発や劣化を抑制することができ、長寿命の固体
真空デバイスを実現することができるという効果があ
る。
The invention of claim 14 provides at least claim 1
Since the field emission type electron source according to any one of claims 7 to 7 and the anode are arranged in a vacuum vessel, the field emission type electron source constitutes a cold cathode, so that conventional thermionic emission is used. It is not necessary to provide a heating means unlike a solid-state vacuum device having a heated hot cathode, which makes it possible to reduce the size and suppress evaporation and deterioration of the cathode material, thereby realizing a long-life solid-state vacuum device. There is an effect that can be.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施形態1を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment.

【図2】同上の製造プロセスを説明するための主要工程
断面図である。
FIG. 2 is a main process sectional view for explaining the manufacturing process of the above.

【図3】同上の放射電子の測定原理の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a principle of measuring emitted electrons according to the first embodiment.

【図4】同上の電圧電流特性図である。FIG. 4 is a voltage-current characteristic diagram of the above.

【図5】図4のデータをFowler−Nordhei
mプロットしたグラフである。
FIG. 5 shows the data of FIG. 4 as Fowler-Nordhei.
It is a graph which plotted m.

【図6】同上の電子放出機構を説明するバンド図であ
る。
FIG. 6 is a band diagram for explaining an electron emission mechanism of the above.

【図7】同上の放出電子のエネルギ分布の説明図であ
る。
FIG. 7 is an explanatory diagram of an energy distribution of emitted electrons in Embodiment 1;

【図8】同上の電流の経時変化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a temporal change of the current in the above.

【図9】同上の電流の真空度依存性を示すグラフであ
る。
FIG. 9 is a graph showing the degree of vacuum dependency of the above current.

【図10】実施形態2の製造プロセスを説明するための
主要工程断面図である。
FIG. 10 is a main process sectional view for explaining the manufacturing process of the second embodiment.

【図11】同上の製造プロセスを説明するための主要工
程断面図である。
FIG. 11 is a main process sectional view for explaining the manufacturing process of the above.

【図12】同上の電圧電流特性図である。FIG. 12 is a voltage-current characteristic diagram of the above.

【図13】図12のデータをFowler−Nordh
eimプロットしたグラフである。
FIG. 13 shows the data of FIG. 12 as Fowler-Nordh
It is the graph which carried out eim plot.

【図14】同上の電流の経時変化を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing a temporal change of the current in the above.

【図15】同上の他の構成例の陽極酸化処理の説明図で
ある。
FIG. 15 is an explanatory diagram of an anodic oxidation treatment of another configuration example of the embodiment.

【図16】実施形態3の製造プロセスを説明するための
主要工程断面図である。
FIG. 16 is a main process sectional view for illustrating the manufacturing process of the third embodiment.

【図17】実施形態4を示す概略構成図である。FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment.

【図18】実施形態5を示す要部概略構成図である。FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a main part showing a fifth embodiment.

【図19】実施形態6を示す概略構成図である。FIG. 19 is a schematic configuration diagram showing a sixth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n形シリコン基板 2 オーミック電極 5 急速熱酸化されたポリシリコン層 6 急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層 7 金薄膜 10 電界放射型電子源 Reference Signs List 1 n-type silicon substrate 2 ohmic electrode 5 rapidly thermally oxidized polysilicon layer 6 rapidly thermally oxidized porous polysilicon layer 7 gold thin film 10 field emission electron source

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01J 31/12 H01J 31/12 C (56)参考文献 特開 平9−259795(JP,A) 特開 平10−269932(JP,A) Xia Sheng at a l.,”Properties of Porous Silicon EL Diodes as Surface− Emitting Cold Cath ode(IV)”,第44回応用物理関係 連合講演会予稿集,平成9年3月,29p −Y12 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 1/30 H01J 9/02 H01J 19/24 H01J 21/10 H01J 29/04 H01J 31/12 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01J31 / 12 H01J31 / 12C (56) References JP-A-9-259795 (JP, A) JP-A-10-269932 ( JP, A) Xia Sheng at al. , "Properties of Poor Silicon EL Diodes as Surface-Emitting Cold Cathode (IV)", Proceedings of the 44th Joint Lecture on Applied Physics, March 1997, 29p-Y12 (58). Cl. 6, DB name) H01J 1/30 H01J 9/02 H01J 19/24 H01J 21/10 H01J 29/04 H01J 31/12 JICST file (JOIS)

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有する多孔
質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコン層上に
形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電性基板に
対して正極として電圧を印加することにより金属薄膜を
通して電子線を放射するものであって、上記多孔質のポ
リシリコン層は、各グレインの表面が多孔質化され各グ
レインの中心部分では結晶状態が維持されてなること
特徴とする電界放射型電子源。
1. A conductive substrate, a porous polysilicon layer formed on one surface side of the conductive substrate and having an oxidized nanometer structure, and a metal formed on the porous polysilicon layer. A thin film, which emits an electron beam through the metal thin film by applying a voltage to the conductive substrate as a positive electrode with respect to the conductive substrate.
The silicon layer is made porous by making the surface of each grain porous.
A field emission type electron source characterized in that a crystalline state is maintained in the central part of the rain .
【請求項2】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成され窒化されたナノメータ単位の構造を有する多孔
質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコン層上に
形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電性基板に
対して正極として電圧を印加することにより金属薄膜を
通して電子線を放射するものであって、上記多孔質のポ
リシリコン層は、各グレインの表面が多孔質化され各グ
レインの中心部分では結晶状態が維持されてなること
特徴とする電界放射型電子源。
2. A conductive substrate, a porous polysilicon layer formed on one surface side of the conductive substrate and having a structure in units of nanometers, and a metal formed on the porous polysilicon layer. A thin film that emits an electron beam through the metal thin film by applying a voltage to the conductive substrate as a positive electrode with respect to the conductive substrate.
The silicon layer is made porous by making the surface of each grain porous.
A field emission type electron source characterized in that a crystalline state is maintained in the central part of the rain .
【請求項3】 上記多孔質のポリシリコン層は、多孔度
の高いポリシリコン層と多孔度の低いポリシリコン層と
が交互に積層された層であ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。
3. The porous polysilicon layer according to claim 1, wherein a high-porosity polysilicon layer and a low-porosity polysilicon layer are alternately stacked.
Or the field emission type electron source according to claim 2.
【請求項4】 上記多孔質のポリシリコン層は、厚み方
向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源。
4. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the porous polysilicon layer is a layer whose porosity continuously changes in a thickness direction.
【請求項5】 上記多孔質のポリシリコン層は、表面側
に比べて導電性基板側の多孔度が高くなるように厚み方
向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の電界放射型電子源。
5. The porous polysilicon layer according to claim 1, wherein the porosity is continuously changed in the thickness direction such that the porosity on the conductive substrate side is higher than that on the surface side. The field emission type electron source according to claim 1.
【請求項6】 上記ポリシリコン層は、ノンドープのポ
リシリコン層であることを特徴とする請求項1乃至請求
項5のいずれかに記載の電界放射型電子源。
6. The field emission electron source according to claim 1, wherein the polysilicon layer is a non-doped polysilicon layer.
【請求項7】 導電性基板は、一表面に導電性薄膜が形
成された基板からなることを特徴とする請求項1乃至請
求項6のいずれかに記載の電界放射型電子源。
7. The field emission electron source according to claim 1, wherein the conductive substrate comprises a substrate having a conductive thin film formed on one surface.
【請求項8】 請求項1記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、導電性基板上にポリシリコン層を形成
し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔質化されたポリ
シリコン層を酸化し、酸化された多孔質のポリシリコン
層上に金属薄膜よりなる電極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. The method according to claim 1, wherein a polysilicon layer is formed on the conductive substrate, the polysilicon layer is made porous, and the porous polysilicon layer is made. A field emission type electron source characterized by forming an electrode made of a metal thin film on an oxidized porous polysilicon layer.
【請求項9】 請求項2記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、導電性基板上にポリシリコン層を形成
し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔質化されたポリ
シリコン層を窒化し、窒化された多孔質のポリシリコン
層上に金属薄膜よりなる電極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. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 2, wherein a polysilicon layer is formed on the conductive substrate, the polysilicon layer is made porous, and the porous polysilicon layer is made. And forming an electrode made of a metal thin film on the nitrided porous polysilicon layer.
【請求項10】 上記ポリシリコン層の多孔質化にあた
っては、多孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低いポ
リシリコン層とが交互に積層されるように多孔質化の条
件を変化させることを特徴とする請求項8または請求項
9記載の電界放射型電子源の製造方法。
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the step of changing the porosity of the polysilicon layer includes changing the porosity of the polysilicon layer so that the high porosity polysilicon layer and the low porosity polysilicon layer are alternately stacked. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 8 or 9, wherein:
【請求項11】 上記ポリシリコン層の多孔質化にあた
っては、表面側に比べて導電性基板側の多孔度が高くな
り厚み方向に多孔度が連続的に変化するように多孔質化
の条件を変化させることを特徴とする請求項8または請
求項9記載の電界放射型電子源の製造方法。
11. When making the polysilicon layer porous, conditions for making the polysilicon layer porous are set such that the porosity on the conductive substrate side is higher than the surface side and the porosity changes continuously in the thickness direction. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 8, wherein the method is changed.
【請求項12】 請求項1乃至請求項7のいずれかに記
載の電界放射型電子源と、上記金属薄膜に対向配置され
る透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光す
る蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴と
する平面発光装置。
12. A phosphor, comprising: the field-emission electron source according to claim 1; and a transparent electrode disposed to face the metal thin film, wherein the phosphor emits visible light by the electron beam. Is provided on the transparent electrode.
【請求項13】 請求項1乃至請求項7のいずれかに記
載の電界放射型電子源をマトリクス状に構成し、各電界
放射型電子源に印加する上記電圧をそれぞれ制御する手
段と、上記金属薄膜に対向配置される透明電極とを備
え、上記電子線により可視光を発光する蛍光体が上記透
明電極に設けられて成ることを特徴とするディスプレイ
装置。
13. A field emission type electron source according to claim 1, wherein said field emission type electron source is arranged in a matrix, and said voltage is applied to each of said field emission type electron sources. A display device comprising: a transparent electrode disposed to face a thin film; and a phosphor that emits visible light by the electron beam, provided on the transparent electrode.
【請求項14】 少なくとも請求項1乃至請求項7のい
ずれかに記載の電界放射型電子源と陽極とが真空容器中
に配設されて成ることを特徴とする固体真空デバイス。
14. A solid-state vacuum device comprising at least the field emission electron source according to claim 1 and an anode disposed in a vacuum vessel.
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