JP3079097B1 - 電界放射型電子源およびその製造方法 - Google Patents
電界放射型電子源およびその製造方法Info
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Abstract
【要約】
【課題】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を提供する。 【解決手段】ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ド
リフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金薄膜
よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリ
コン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されてい
る。この電界放射型電子源１０では、表面電極７を真空
中に配置し、表面電極７をオーミック電極２に対して正
極として直流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン
基板１から注入された電子が強電界ドリフト部６をドリ
フトし表面電極７を通して放出される。強電界ドリフト
部６は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向
に直交する断面が網目状に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部６１と、網目の中に満たされたドリフト
部６１よりも熱伝導性の良い放熱部６２とからなる。
電界放射型電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ド
リフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金薄膜
よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリ
コン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されてい
る。この電界放射型電子源１０では、表面電極７を真空
中に配置し、表面電極７をオーミック電極２に対して正
極として直流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン
基板１から注入された電子が強電界ドリフト部６をドリ
フトし表面電極７を通して放出される。強電界ドリフト
部６は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向
に直交する断面が網目状に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部６１と、網目の中に満たされたドリフト
部６１よりも熱伝導性の良い放熱部６２とからなる。
Description
【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加熱を必
要としない電界放射型電子源およびその製造方法に関
し、特に平面型光源、フラットディスプレイ素子、固体
真空デバイスなどに応用することのできる電界放射型電
子源およびその製造方法に関するものである。
て電界放射により電子線を放射するようにした加熱を必
要としない電界放射型電子源およびその製造方法に関
し、特に平面型光源、フラットディスプレイ素子、固体
真空デバイスなどに応用することのできる電界放射型電
子源およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許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。
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。
【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（１０-5Ｐａ〜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。
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（１０-5Ｐａ〜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。
【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
において電子の放出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。
（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
において電子の放出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。
【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、その半導体基板の主表面側の
全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
体層上に金属薄膜よりなる表面電極を形成し、半導体基
板と表面電極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。
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、その半導体基板の主表面側の
全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
体層上に金属薄膜よりなる表面電極を形成し、半導体基
板と表面電極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。
【０００６】
【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、電子放出時にいわゆるポッピング現象が発生し
やすいという不具合がある。電子放出時にポッピング現
象が発生する電界放射型電子源では、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
などに応用した場合に、発光むらができてしまうという
不具合がある。
特開平８−２５０７６６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発生し
やすいという不具合がある。電子放出時にポッピング現
象が発生する電界放射型電子源では、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
などに応用した場合に、発光むらができてしまうという
不具合がある。
【０００７】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
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、単結晶シリコン基板の主表面側の全面を
多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層が
電子の注入される強電界ドリフト層を構成しているの
で、強電界ドリフト層の熱伝導率がｎ形シリコン基板１
よりも低くて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単結晶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。
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、単結晶シリコン基板の主表面側の全面を
多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層が
電子の注入される強電界ドリフト層を構成しているの
で、強電界ドリフト層の熱伝導率がｎ形シリコン基板１
よりも低くて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単結晶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。
【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を提供
することにある。
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を提供
することにある。
【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
表面側に形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリ
フト部上に形成された金属薄膜よりなる表面電極とを備
え、表面電極を導電性基板に対して正極として直流電圧
を印加することにより導電性基板から注入された電子が
強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出さ
れる電界放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、
導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目状に形成さ
れ、該網目状の網の部分に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部と、網目状の網目の中に満たされドリフ
ト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなることを特徴
とするものであり、強電界ドリフト部ではドリフト部で
発生した熱が放熱部を通して放熱されるので、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る。
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリ
フト部上に形成された金属薄膜よりなる表面電極とを備
え、表面電極を導電性基板に対して正極として直流電圧
を印加することにより導電性基板から注入された電子が
強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出さ
れる電界放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、
導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目状に形成さ
れ、該網目状の網の部分に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部と、網目状の網目の中に満たされドリフ
ト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなることを特徴
とするものであり、強電界ドリフト部ではドリフト部で
発生した熱が放熱部を通して放熱されるので、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る。
【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができる。
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができる。
【００１１】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができる。
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができる。
【００１２】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記網目は、微小な多角形状である
ことを特徴とする。
３の発明において、上記網目は、微小な多角形状である
ことを特徴とする。
【００１３】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記網目は、微小な円状であること
を特徴とする。
３の発明において、上記網目は、微小な円状であること
を特徴とする。
【００１４】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。
【００１５】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。
【００１６】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上する。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上する。
【００１７】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
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
に比べて大面積化および低コスト化が可能となる。
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
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
に比べて大面積化および低コスト化が可能となる。
【００１８】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成することを特徴とし、導電性基板
の一表面側の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を
行うことによりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料
から形成することができ、ドリフト部と放熱部とを最初
から別々に形成する必要がなくドリフト部と放熱部との
パターン形状の制御が容易で、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
可能な電界放射型電子源を低コストで実現することがで
きる。
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成することを特徴とし、導電性基板
の一表面側の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を
行うことによりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料
から形成することができ、ドリフト部と放熱部とを最初
から別々に形成する必要がなくドリフト部と放熱部との
パターン形状の制御が容易で、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
可能な電界放射型電子源を低コストで実現することがで
きる。
【００１９】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができる。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができる。
【００２０】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
る。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
る。
【００２１】請求項１３の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができる。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】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）〜（ｃ）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、導電性基板として抵抗率が
導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリコン基板１
（例えば、抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基板）
を用いている。
子源１０の概略構成図を、図２（ａ）〜（ｃ）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、導電性基板として抵抗率が
導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリコン基板１
（例えば、抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基板）
を用いている。
【００２３】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の主表面側に強電
界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金
薄膜よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形
シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成され
ている。
１に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電
界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金
薄膜よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形
シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成され
ている。
【００２４】この電界放射型電子源１０では、表面電極
７を真空中に配置するとともに表面電極７に対向してコ
レクタ電極（図示せず）を配置し、表面電極７をオーミ
ック電極２に対して正極として直流電圧を印加するとと
もに、コレクタ電極を表面電極７に対して正極として直
流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン基板１から
強電界ドリフト部６へ注入された電子が強電界ドリフト
部６をドリフトし表面電極７を通して放出される。ここ
において、表面電極７とオーミック電極２との間に流れ
る電流をダイオード電流と称し、コレクタ電極と表面電
極７との間に流れる電流を放出電子電流と称し、ダイオ
ード電流に対する放出電子電流が大きいほど電子の放出
効率が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、表面電極７とオーミック電極２との間の直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができる。
７を真空中に配置するとともに表面電極７に対向してコ
レクタ電極（図示せず）を配置し、表面電極７をオーミ
ック電極２に対して正極として直流電圧を印加するとと
もに、コレクタ電極を表面電極７に対して正極として直
流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン基板１から
強電界ドリフト部６へ注入された電子が強電界ドリフト
部６をドリフトし表面電極７を通して放出される。ここ
において、表面電極７とオーミック電極２との間に流れ
る電流をダイオード電流と称し、コレクタ電極と表面電
極７との間に流れる電流を放出電子電流と称し、ダイオ
ード電流に対する放出電子電流が大きいほど電子の放出
効率が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、表面電極７とオーミック電極２との間の直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができる。
【００２５】本実施形態における強電界ドリフト部６
は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向に直
交する断面が網目状に形成され、該網目状の網の部分に
形成され上記電子がドリフトするドリフト部６１と、網
目状の網目の中に満たされドリフト部６１よりも熱伝導
性の良い放熱部６２とからなる。要するに、放熱部６２
は、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に平行な角柱状に形
成されている。ここにおいて、ドリフト部６１は、酸化
された多孔質シリコン（ポーラスシリコン）よりなり、
放熱部６２は、酸化された単結晶シリコンよりなる。
は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向に直
交する断面が網目状に形成され、該網目状の網の部分に
形成され上記電子がドリフトするドリフト部６１と、網
目状の網目の中に満たされドリフト部６１よりも熱伝導
性の良い放熱部６２とからなる。要するに、放熱部６２
は、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に平行な角柱状に形
成されている。ここにおいて、ドリフト部６１は、酸化
された多孔質シリコン（ポーラスシリコン）よりなり、
放熱部６２は、酸化された単結晶シリコンよりなる。
【００２６】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を
通して放熱されるので、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
る。
１０では、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を
通して放熱されるので、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
る。
【００２７】以下、製造方法について図２を参照しなが
ら説明する。
ら説明する。
【００２８】まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミ
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の主表面
上にフォトレジストを塗布し、図３に示すようなフォト
マスクＭを利用し上記フォトレジストをパターニングす
ることによってレジストマスク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。ここに、フォ
トマスクＭは、レジストマスク３の平面形状が微小な
（例えば、０．１μｍオーダの）略正方形になるように
構成されているが、レジストマスク３の平面形状が正方
形以外の微小な多角形状、微小な円形状、微小な星形な
どになるように構成してもよい。
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の主表面
上にフォトレジストを塗布し、図３に示すようなフォト
マスクＭを利用し上記フォトレジストをパターニングす
ることによってレジストマスク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。ここに、フォ
トマスクＭは、レジストマスク３の平面形状が微小な
（例えば、０．１μｍオーダの）略正方形になるように
構成されているが、レジストマスク３の平面形状が正方
形以外の微小な多角形状、微小な円形状、微小な星形な
どになるように構成してもよい。
【００２９】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、ｎ形シリコン
基板１の主表面側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、ｎ形シリコン基板１の主表
面側においてレジストマスク３で覆われていない部分が
多孔質化されて多孔質シリコンよりなる多孔質層１１が
形成され図２（ｂ）に示すような構造が得られる。ここ
に、図２（ｂ）中の１２はｎ形シリコン基板１の一部よ
りなる半導体層を示す。この半導体層１２は、四角柱状
に形成される。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ｎ形シリコン基板１の主表
面側に光照射を行ったが、この条件は一例であって特に
限定されるものではない。要するに、本実施形態では、
ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を兼ね
ている。
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、ｎ形シリコン
基板１の主表面側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、ｎ形シリコン基板１の主表
面側においてレジストマスク３で覆われていない部分が
多孔質化されて多孔質シリコンよりなる多孔質層１１が
形成され図２（ｂ）に示すような構造が得られる。ここ
に、図２（ｂ）中の１２はｎ形シリコン基板１の一部よ
りなる半導体層を示す。この半導体層１２は、四角柱状
に形成される。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ｎ形シリコン基板１の主表
面側に光照射を行ったが、この条件は一例であって特に
限定されるものではない。要するに、本実施形態では、
ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を兼ね
ている。
【００３０】次に、急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Therm
al Oxidation）技術によって多孔質層１１および半導
体層１２の急速熱酸化を行うことによって強電界ドリフ
ト部６が形成され、続いて、強電界ドリフト部６上に金
薄膜からなる表面電極７を例えば蒸着によって形成する
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６１は急速熱酸化された多孔質層１
１であって上述のドリフト部６１に対応し、６２は急速
熱酸化された半導体層１２であって上述の放熱部６２に
対応する。つまり、図２（ｃ）におけるドリフト部６１
と放熱部６２とで強電界ドリフト部６を構成している。
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。また、表面電極７の膜厚は略１０
ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するものではなく、
表面電極７となる金属薄膜（例えば、金薄膜）の形成方
法も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。なお、電界放射型電子源１０は表面電
極７を正極（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。この正極
と負極との間に直流電圧を印加したときに流れる電流が
ダイオード電流である。
al Oxidation）技術によって多孔質層１１および半導
体層１２の急速熱酸化を行うことによって強電界ドリフ
ト部６が形成され、続いて、強電界ドリフト部６上に金
薄膜からなる表面電極７を例えば蒸着によって形成する
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６１は急速熱酸化された多孔質層１
１であって上述のドリフト部６１に対応し、６２は急速
熱酸化された半導体層１２であって上述の放熱部６２に
対応する。つまり、図２（ｃ）におけるドリフト部６１
と放熱部６２とで強電界ドリフト部６を構成している。
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。また、表面電極７の膜厚は略１０
ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するものではなく、
表面電極７となる金属薄膜（例えば、金薄膜）の形成方
法も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。なお、電界放射型電子源１０は表面電
極７を正極（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。この正極
と負極との間に直流電圧を印加したときに流れる電流が
ダイオード電流である。
【００３１】なお、上述の製造方法により製造された電
界放射型電子源１０は、放出電子電流の経時変化が少な
くてポッピングノイズがなく、電子が安定して高効率で
放出された。また、この電界放射型電子源１０は、電子
放出特性（例えば、電子放出電流）の真空度依存性が小
さく、低真空度でも良好な電子放出特性が得られたの
で、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
るとともに取り扱いが容易になる。
界放射型電子源１０は、放出電子電流の経時変化が少な
くてポッピングノイズがなく、電子が安定して高効率で
放出された。また、この電界放射型電子源１０は、電子
放出特性（例えば、電子放出電流）の真空度依存性が小
さく、低真空度でも良好な電子放出特性が得られたの
で、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
るとともに取り扱いが容易になる。
【００３２】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、その製造方法においてｎ形シリコン基板１（半
導体部）上にレジストマスク３を設けた後に、陽極酸化
処理を施すので、ｎ形シリコン基板１の多孔質化はｎ形
シリコン基板１の主表面のうち露出した領域で深さ方向
に進行していく。したがって、本実施形態の電界放射型
電子源１０における強電界ドリフト部６は、電気伝導性
の制御性および構造的・熱的安定性からみれば、従来の
ように単結晶シリコン基板の主表面側の全面を多孔質化
することにより得られた強電界ドリフト層よりも優れた
性質をもつと考えられる。
１０は、その製造方法においてｎ形シリコン基板１（半
導体部）上にレジストマスク３を設けた後に、陽極酸化
処理を施すので、ｎ形シリコン基板１の多孔質化はｎ形
シリコン基板１の主表面のうち露出した領域で深さ方向
に進行していく。したがって、本実施形態の電界放射型
電子源１０における強電界ドリフト部６は、電気伝導性
の制御性および構造的・熱的安定性からみれば、従来の
ように単結晶シリコン基板の主表面側の全面を多孔質化
することにより得られた強電界ドリフト層よりも優れた
性質をもつと考えられる。
【００３３】すなわち、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。表面電極７をｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）に対して正極として印加する直流電圧が所定値
（臨界値）に達すると、ｎ形シリコン基板１側から強電
界ドリフト部６へ熱的励起により電子が注入される。一
方、強電界ドリフト部６のドリフト部６１には、量子閉
じ込め効果が現れるナノメータオーダの微結晶シリコン
層が多数存在しこの微結晶シリコン層の表面には微結晶
シリコン層の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化
膜が形成されていると考えられる。したがって、強電界
ドリフト部６に印加された電界はほとんど微結晶シリコ
ン層の表面に形成されたシリコン酸化膜にかかるから、
注入された電子は当該シリコン酸化膜にかかっている強
電界により加速されドリフト部６１内を表面に向かって
ドリフトする。ここに、電子のドリフト長は微結晶シリ
コン層の粒径に比べて非常に大きいのでほとんど衝突を
起こすことなくドリフト部６１の表面に到達する。ドリ
フト部６１の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であって、ホットエレクトロンは熱平衡状態よりも数ｋ
Ｔ以上のエネルギを有するので、強電界ドリフト部６の
最表面の酸化層を介して表面電極７を容易にトンネルし
真空中に放出される。
１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。表面電極７をｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）に対して正極として印加する直流電圧が所定値
（臨界値）に達すると、ｎ形シリコン基板１側から強電
界ドリフト部６へ熱的励起により電子が注入される。一
方、強電界ドリフト部６のドリフト部６１には、量子閉
じ込め効果が現れるナノメータオーダの微結晶シリコン
層が多数存在しこの微結晶シリコン層の表面には微結晶
シリコン層の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化
膜が形成されていると考えられる。したがって、強電界
ドリフト部６に印加された電界はほとんど微結晶シリコ
ン層の表面に形成されたシリコン酸化膜にかかるから、
注入された電子は当該シリコン酸化膜にかかっている強
電界により加速されドリフト部６１内を表面に向かって
ドリフトする。ここに、電子のドリフト長は微結晶シリ
コン層の粒径に比べて非常に大きいのでほとんど衝突を
起こすことなくドリフト部６１の表面に到達する。ドリ
フト部６１の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であって、ホットエレクトロンは熱平衡状態よりも数ｋ
Ｔ以上のエネルギを有するので、強電界ドリフト部６の
最表面の酸化層を介して表面電極７を容易にトンネルし
真空中に放出される。
【００３４】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ポッピングノイズが発生せずに高効率で安定
して電子を放出することができるが、これは、電圧の印
加により強電界ドリフト部６のドリフト部６１に発生し
た熱が放熱部６２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。
１０では、ポッピングノイズが発生せずに高効率で安定
して電子を放出することができるが、これは、電圧の印
加により強電界ドリフト部６のドリフト部６１に発生し
た熱が放熱部６２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。
【００３５】以上をまとめると、強電界ドリフト部６
は、強電界が存在しうる半絶縁性を備え、また、電子散
乱が少なくドリフト長が大きく、さらに、ダイオード電
流の熱暴走を抑えるだけの熱伝導率を有するので、高効
率で安定して電子を放出することができるのだと考えら
れる。
は、強電界が存在しうる半絶縁性を備え、また、電子散
乱が少なくドリフト長が大きく、さらに、ダイオード電
流の熱暴走を抑えるだけの熱伝導率を有するので、高効
率で安定して電子を放出することができるのだと考えら
れる。
【００３６】上述のようなホットエレクトロンのトンネ
リングによる電子放出の機構を支持する事項として、
表面での強電界効果、電子のドリフト長、それぞれに
ついて説明する。 表面での強電界効果 従来例で説明したｎ形単結晶シリコン基板の主表面側の
全面に陽極酸化処理を施して多孔質シリコン層よりなる
強電界ドリフト層を形成したものでは、冷電子放出まで
至らない低電圧領域においてまずエレクトロルミネセン
ス（以下、ＥＬと称す）発光が観測される。この発光機
構を考えると、基板はｎ形であることから、電子が発光
再結合するために必要なホールの発生がどのような機構
で起こるかが問題となる。ホールの生成機構としては、
ＥＬ発光特性の解析から、微結晶シリコン層の価電子帯
から隣接した微結晶シリコン層の伝導帯への電子トンネ
リング、および衝突電離による電子なだれ、の２つの過
程が提案されている（T.Oguro et al,J.Appl.Phys.81
(1997)1407-1412）。
リングによる電子放出の機構を支持する事項として、
表面での強電界効果、電子のドリフト長、それぞれに
ついて説明する。 表面での強電界効果 従来例で説明したｎ形単結晶シリコン基板の主表面側の
全面に陽極酸化処理を施して多孔質シリコン層よりなる
強電界ドリフト層を形成したものでは、冷電子放出まで
至らない低電圧領域においてまずエレクトロルミネセン
ス（以下、ＥＬと称す）発光が観測される。この発光機
構を考えると、基板はｎ形であることから、電子が発光
再結合するために必要なホールの発生がどのような機構
で起こるかが問題となる。ホールの生成機構としては、
ＥＬ発光特性の解析から、微結晶シリコン層の価電子帯
から隣接した微結晶シリコン層の伝導帯への電子トンネ
リング、および衝突電離による電子なだれ、の２つの過
程が提案されている（T.Oguro et al,J.Appl.Phys.81
(1997)1407-1412）。
【００３７】これらの２つの過程はいずれも強電界の存
在によってはじめて生じうる効果である。また、印加電
界によるＰＬクエンチングの励起波長依存性の測定結果
に基づく見積もりによれば、ＥＬ発光時の多孔質シリコ
ンダイオードでは、１０6Ｖ／ｃｍ程度の強電界が多孔
質シリコン層の表面から数百ｎｍの深さまでの比較的浅
い領域に存在している。電子放出はＥＬよりもさらに高
い印加電圧から始まるので、電子放出にはホットエレク
トロンが関与していると考えられる。
在によってはじめて生じうる効果である。また、印加電
界によるＰＬクエンチングの励起波長依存性の測定結果
に基づく見積もりによれば、ＥＬ発光時の多孔質シリコ
ンダイオードでは、１０6Ｖ／ｃｍ程度の強電界が多孔
質シリコン層の表面から数百ｎｍの深さまでの比較的浅
い領域に存在している。電子放出はＥＬよりもさらに高
い印加電圧から始まるので、電子放出にはホットエレク
トロンが関与していると考えられる。
【００３８】これに対し、本実施形態では、ＲＴＯ処理
によって酸化層が強電界ドリフト部６の表面側に特に集
中して形成されているので、表面付近で生じる強電界が
ホットエレクトロンの生成とトンネル放出を引き起こし
ていると考えられる。 電子のドリフト長 多孔質シリコン層の光導電効果に関連したキャリア飛行
時間（time-of-flight:TOF）測定の結果によれば、強電
界下（１０5Ｖ／ｃｍ）にある多孔質シリコン層内のキ
ャリアのドリフト長は約１μｍにも及ぶことが報告され
ている（R.Sedlacik et al,Thin Solid Films 255
(1993)269-271）。これは多孔質シリコン層中の微結晶
シリコン層のサイズをはるかに超える値であり、伝導電
子が容易にホット化しうることを意味する。要するに、
多孔質シリコン層中の電子伝導を支配しているは単結晶
シリコン構造そのものではなく、強電界が存在する微結
晶シリコン層の表面層ないし微結晶シリコン層間の薄い
シリコン酸化膜などの界面組織であるといえる。
によって酸化層が強電界ドリフト部６の表面側に特に集
中して形成されているので、表面付近で生じる強電界が
ホットエレクトロンの生成とトンネル放出を引き起こし
ていると考えられる。 電子のドリフト長 多孔質シリコン層の光導電効果に関連したキャリア飛行
時間（time-of-flight:TOF）測定の結果によれば、強電
界下（１０5Ｖ／ｃｍ）にある多孔質シリコン層内のキ
ャリアのドリフト長は約１μｍにも及ぶことが報告され
ている（R.Sedlacik et al,Thin Solid Films 255
(1993)269-271）。これは多孔質シリコン層中の微結晶
シリコン層のサイズをはるかに超える値であり、伝導電
子が容易にホット化しうることを意味する。要するに、
多孔質シリコン層中の電子伝導を支配しているは単結晶
シリコン構造そのものではなく、強電界が存在する微結
晶シリコン層の表面層ないし微結晶シリコン層間の薄い
シリコン酸化膜などの界面組織であるといえる。
【００３９】したがって、上述の，からも本実施形
態の電界放射型電子源１０では、ホットエレクトロンの
トンネリングにより電子が放出されるものと考えられ
る。
態の電界放射型電子源１０では、ホットエレクトロンの
トンネリングにより電子が放出されるものと考えられ
る。
【００４０】ところで、本実施形態では、上述のよう
に、ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を
兼ねており、この半導体部に陽極酸化処理を施している
が、半導体部として、ｎ形シリコン基板１上に単結晶シ
リコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、単結
晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、多結晶シリコンカー
バイド、アモルファスシリコンカーバイドのいずれかを
積層して陽極酸化処理を施してもよい。また、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、クロムなどの金属基板や、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。ここ
において、多結晶シリコンの成膜は、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
法によって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、多結
晶シリコンをを形成してもよい。また、導電性薄膜上に
多結晶シリコンを形成する方法はＣＶＤ法に限定される
ものではなく、例えばＣＧＳ（Continuous Grain Sil
icon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。多結晶シ
リコンをＣＶＤ法などにより基板上に堆積させる場合、
堆積されるポリシリコン層は基板のオリエンテーション
が強く影響するので、多結晶シリコン層を単結晶シリコ
ン（１００）基板以外の基板上に堆積させる場合には、
基板の主表面に対して垂直方向へ柱状に成長する堆積条
件を設定すればよい。
に、ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を
兼ねており、この半導体部に陽極酸化処理を施している
が、半導体部として、ｎ形シリコン基板１上に単結晶シ
リコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、単結
晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、多結晶シリコンカー
バイド、アモルファスシリコンカーバイドのいずれかを
積層して陽極酸化処理を施してもよい。また、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、クロムなどの金属基板や、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。ここ
において、多結晶シリコンの成膜は、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
法によって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、多結
晶シリコンをを形成してもよい。また、導電性薄膜上に
多結晶シリコンを形成する方法はＣＶＤ法に限定される
ものではなく、例えばＣＧＳ（Continuous Grain Sil
icon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。多結晶シ
リコンをＣＶＤ法などにより基板上に堆積させる場合、
堆積されるポリシリコン層は基板のオリエンテーション
が強く影響するので、多結晶シリコン層を単結晶シリコ
ン（１００）基板以外の基板上に堆積させる場合には、
基板の主表面に対して垂直方向へ柱状に成長する堆積条
件を設定すればよい。
【００４１】また、上記実施形態においては、表面電極
７となる金属薄膜として金薄膜を用いているが、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４．２８ｅＶ、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。
７となる金属薄膜として金薄膜を用いているが、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４．２８ｅＶ、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。
【００４２】ところで、半導体部の一部を陽極酸化によ
り多孔質化する際に、導電性基板たるｎ形シリコン基板
１の主表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の
速度が他方向に比べ十分に高くなるようにｎ形シリコン
基板１に磁界を印加すれば、多孔質化の速度の異方性が
高められ、つまり、上記急速熱酸化によりドリフト部６
１となる部分の陽極酸化時の多孔質層の形成速度の異方
性が高められるから、ドリフト部６１の平面および深さ
方向の形状の制御性が向上し放熱部６２およびドリフト
部６１の微細なパターンを深さ方向の制御性良く形成す
ることができる。ここに、上記異方性を高めるには、ｎ
形シリコン基板１の上下に磁界を印加すればよい。
り多孔質化する際に、導電性基板たるｎ形シリコン基板
１の主表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の
速度が他方向に比べ十分に高くなるようにｎ形シリコン
基板１に磁界を印加すれば、多孔質化の速度の異方性が
高められ、つまり、上記急速熱酸化によりドリフト部６
１となる部分の陽極酸化時の多孔質層の形成速度の異方
性が高められるから、ドリフト部６１の平面および深さ
方向の形状の制御性が向上し放熱部６２およびドリフト
部６１の微細なパターンを深さ方向の制御性良く形成す
ることができる。ここに、上記異方性を高めるには、ｎ
形シリコン基板１の上下に磁界を印加すればよい。
【００４３】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０は図４に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。
子源１０は図４に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。
【００４４】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
４に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の構
造に特徴がある。すなわち、本実施形態では、ドリフト
部６１が、相対的に多孔度の高い第１のドリフト層６１
ｂと多孔度の低い第２のドリフト層６１ａとが交互に積
層された形の積層構造（マルチレイヤ構造）に形成さ
れ、ドリフト部６１の表面側には多孔度の低い第２のド
リフト層６１ａが形成されている。なお、実施形態１と
同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略す
る。
４に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の構
造に特徴がある。すなわち、本実施形態では、ドリフト
部６１が、相対的に多孔度の高い第１のドリフト層６１
ｂと多孔度の低い第２のドリフト層６１ａとが交互に積
層された形の積層構造（マルチレイヤ構造）に形成さ
れ、ドリフト部６１の表面側には多孔度の低い第２のド
リフト層６１ａが形成されている。なお、実施形態１と
同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略す
る。
【００４５】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１が上記のような多層構造に形
成されていることにより、ダイオード電流が流れ過ぎる
のをより一層抑制でき、実施形態１に比べて電子放出効
率の向上を期待できる。
１０では、ドリフト部６１が上記のような多層構造に形
成されていることにより、ダイオード電流が流れ過ぎる
のをより一層抑制でき、実施形態１に比べて電子放出効
率の向上を期待できる。
【００４６】また、本実施形態の電界放射型電子源の製
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、電
流密度の小さな第１の条件での陽極酸化処理と、電流密
度の大きな第２の条件での陽極酸化処理とを交互に繰り
返している。なお、第１の条件での陽極酸化処理が１回
終了した時点ではｎ形シリコン基板１の表面側に多孔度
の低い多孔質層が形成され、その後、第２の条件での陽
極酸化処理が終了した時点では、上記多孔度の低い多孔
質層よりもｎ形シリコン基板１側に多孔度の高い多孔質
層が形成される。
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、電
流密度の小さな第１の条件での陽極酸化処理と、電流密
度の大きな第２の条件での陽極酸化処理とを交互に繰り
返している。なお、第１の条件での陽極酸化処理が１回
終了した時点ではｎ形シリコン基板１の表面側に多孔度
の低い多孔質層が形成され、その後、第２の条件での陽
極酸化処理が終了した時点では、上記多孔度の低い多孔
質層よりもｎ形シリコン基板１側に多孔度の高い多孔質
層が形成される。
【００４７】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源１０は図５に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。
子源１０は図５に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。
【００４８】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
５に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の多
孔度が厚み方向に連続的に変化した層に形成されている
点に特徴がある。ここに、ドリフト部６１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ている。な
お、実施形態１と同様の構成要素につていは同一の符号
を付して説明を省略する。
５に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の多
孔度が厚み方向に連続的に変化した層に形成されている
点に特徴がある。ここに、ドリフト部６１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ている。な
お、実施形態１と同様の構成要素につていは同一の符号
を付して説明を省略する。
【００４９】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１が上記のような多孔度の連続
的に変化した層に形成されていることにより、ダイオー
ド電流が流れ過ぎるのをより一層抑制でき、実施形態１
に比べて電子放出効率の向上を図れる。
１０では、ドリフト部６１が上記のような多孔度の連続
的に変化した層に形成されていることにより、ダイオー
ド電流が流れ過ぎるのをより一層抑制でき、実施形態１
に比べて電子放出効率の向上を図れる。
【００５０】なお、本実施形態の電界放射型電子源の製
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、本
実施形態では、陽極酸化の電流（電流密度）を連続的に
増加させていくことにより、実施形態１で説明した多孔
質層の多孔度が連続で変化する構造にしている。
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、本
実施形態では、陽極酸化の電流（電流密度）を連続的に
増加させていくことにより、実施形態１で説明した多孔
質層の多孔度が連続で変化する構造にしている。
【００５１】例えば、陽極酸化を開始し、時間経過とと
もに電流密度を連続的に（徐々に）増加させることによ
り、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層が形成
され、この多孔質層に急速熱酸化を行うことにより、多
孔度が連続的に変化したドリフト部６１が形成される。
もに電流密度を連続的に（徐々に）増加させることによ
り、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層が形成
され、この多孔質層に急速熱酸化を行うことにより、多
孔度が連続的に変化したドリフト部６１が形成される。
【００５２】
【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た強電界ドリフト部と、該
強電界ドリフト部上に形成された金属薄膜よりなる表面
電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極とし
て直流電圧を印加することにより導電性基板から注入さ
れた電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通
して放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリ
フト部は、導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目
状に形成され、該網目状の網の部分に形成され上記電子
がドリフトするドリフト部と、網目状の網目の中に満た
されドリフト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなる
ので、強電界ドリフト部ではドリフト部で発生した熱が
放熱部を通して放熱されるから、電子放出時にポッピン
グ現象が発生せず安定して高効率で電子を放出すること
ができるという効果がある。
性基板の一表面側に形成された強電界ドリフト部と、該
強電界ドリフト部上に形成された金属薄膜よりなる表面
電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極とし
て直流電圧を印加することにより導電性基板から注入さ
れた電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通
して放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリ
フト部は、導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目
状に形成され、該網目状の網の部分に形成され上記電子
がドリフトするドリフト部と、網目状の網目の中に満た
されドリフト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなる
ので、強電界ドリフト部ではドリフト部で発生した熱が
放熱部を通して放熱されるから、電子放出時にポッピン
グ現象が発生せず安定して高効率で電子を放出すること
ができるという効果がある。
【００５３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができるという効果がある。
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができるという効果がある。
【００５４】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができるという効果がある。
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができるという効果がある。
【００５５】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。
【００５６】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。
【００５７】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上するという効果がある。
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上するという効果がある。
【００５８】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
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
に比べて大面積化および低コスト化が可能となるという
効果がある。
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
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
に比べて大面積化および低コスト化が可能となるという
効果がある。
【００５９】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成するので、導電性基板の一表面側
の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を行うことに
よりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料から形成す
ることができ、ドリフト部と放熱部とを最初から別々に
形成する必要がなくドリフト部と放熱部とのパターン形
状の制御が容易で、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可能な電界
放射型電子源を低コストで実現することができるという
効果がある。
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成するので、導電性基板の一表面側
の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を行うことに
よりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料から形成す
ることができ、ドリフト部と放熱部とを最初から別々に
形成する必要がなくドリフト部と放熱部とのパターン形
状の制御が容易で、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可能な電界
放射型電子源を低コストで実現することができるという
効果がある。
【００６０】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができるという効果がある。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができるという効果がある。
【００６１】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
るという効果がある。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
るという効果がある。
【００６２】請求項１３の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができるという
効果がある。
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができるという
効果がある。
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略縦断面図、
（ｂ）は概略水平断面図である。
（ｂ）は概略水平断面図である。
【図２】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。
図である。
【図３】同上の製造方法を説明するためのフォトマスク
の平面図である。
の平面図である。
【図４】実施形態２を示す概略縦断面図である。
【図５】実施形態３を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】 １ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ６ 強電界ドリフト部 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 ６１ ドリフト部 ６２ 放熱部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/312 H01J 9/02 H01J 31/12 H01J 33/00
Claims (13)
- 【請求項１】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリフト部上
に形成された金属薄膜よりなる表面電極とを備え、表面
電極を導電性基板に対して正極として直流電圧を印加す
ることにより導電性基板から注入された電子が強電界ド
リフト部をドリフトし表面電極を通して放出される電界
放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、導電性基
板の厚み方向に直交する断面が網目状に形成され、該網
目状の網の部分に形成され上記電子がドリフトするドリ
フト部と、網目状の網目の中に満たされドリフト部より
も熱伝導性の良い放熱部とからなることを特徴とする電
界放射型電子源。 - 【請求項２】 上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方
向において多孔度の異なる層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記載の電界放射型電子源。 - 【請求項３】 上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方
向において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記載の電界放射型電子源。 - 【請求項４】 上記網目は、微小な多角形状であること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の電界放射型電子源。 - 【請求項５】 上記網目は、微小な円状であることを特
徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電
界放射型電子源。 - 【請求項６】 上記放熱部は、シリコン若しくはシリコ
ンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電
界放射型電子源。 - 【請求項７】 上記放熱部は、シリコン若しくはシリコ
ンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電
界放射型電子源。 - 【請求項８】 上記放熱部は、シリコン若しくはシリコ
ンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりなるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の電界放射型電子源。 - 【請求項９】 上記導電性基板は、上記一表面に導電性
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ないし請求項８のいずれかに記載の電界放射型電子
源。 - 【請求項１０】 請求項１ないし請求項３のいずれかに
記載の電界放射型電子源の製造方法であって、導電性基
板の一表面側の半導体部の一部を厚み方向に沿って陽極
酸化により多孔質化し、その後、半導体部および多孔質
化された半導体部を酸化することにより放熱部およびド
リフト部を形成し、次いで、ドリフト部と放熱部とから
なる強電界ドリフト部上に金属薄膜よりなる表面電極を
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。 - 【請求項１１】 上記陽極酸化を行う際に、半導体部上
へ厚み方向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを
放熱部の形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を
行うことを特徴とする請求項１０記載の電界放射型電子
源の製造方法。 - 【請求項１２】 上記陽極酸化を行う際に、半導体部上
へ厚み方向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱
部の形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行う
ことを特徴とする請求項１０記載の電界放射型電子源の
製造方法。 - 【請求項１３】 上記陽極酸化を行う際に、導電性基板
の上記一表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化
の速度が他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板
に磁界を印加することを特徴とする請求項１０記載の電
界放射型電子源の製造方法。
Priority Applications (13)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11570799A JP3079097B1 (ja) | 1999-04-23 | 1999-04-23 | 電界放射型電子源およびその製造方法 |
| KR1019990041011A KR100338140B1 (ko) | 1998-09-25 | 1999-09-22 | 전계 방사형 전자원 |
| TW088116433A TW436836B (en) | 1998-09-25 | 1999-09-23 | Field emission electron source |
| CNB991207289A CN1182561C (zh) | 1998-09-25 | 1999-09-24 | 场致发射型电子源及其制造方法 |
| US09/404,656 US6590321B1 (en) | 1998-09-25 | 1999-09-24 | Field emission electron source |
| SG1999004823A SG74751A1 (en) | 1998-09-25 | 1999-09-24 | Field emission electron source |
| EP99118925A EP0989577B1 (en) | 1998-09-25 | 1999-09-25 | Field emission electron source |
| AT99118925T ATE259097T1 (de) | 1998-09-25 | 1999-09-25 | Feldemissionselektronenquelle |
| ES99118925T ES2213320T3 (es) | 1998-09-25 | 1999-09-25 | Fuente de electrones por emision por efecto de campo. |
| DE69914556T DE69914556T2 (de) | 1998-09-25 | 1999-09-25 | Feldemissionselektronenquelle |
| DK99118925T DK0989577T3 (da) | 1998-09-25 | 1999-09-25 | Feltemissionselektronkilde |
| KR1020010060008A KR100356244B1 (ko) | 1998-09-25 | 2001-09-27 | 전계 방사형 전자원의 제조방법 |
| US10/438,070 US6791248B2 (en) | 1998-09-25 | 2003-05-15 | Field emission electron source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11570799A JP3079097B1 (ja) | 1999-04-23 | 1999-04-23 | 電界放射型電子源およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3079097B1 true JP3079097B1 (ja) | 2000-08-21 |
| JP2000306494A JP2000306494A (ja) | 2000-11-02 |
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| JP11570799A Expired - Fee Related JP3079097B1 (ja) | 1998-09-25 | 1999-04-23 | 電界放射型電子源およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US6844664B2 (en) | 2001-04-24 | 2005-01-18 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission electron source and production method thereof |
| JP5148988B2 (ja) * | 2007-12-25 | 2013-02-20 | パナソニック株式会社 | 周期的ナノ構造体の製造方法、並びに、電界放射型電子源 |
-
1999
- 1999-04-23 JP JP11570799A patent/JP3079097B1/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|
| 第５９回応用物理学会学術講演会 講演予稿集１７ａ−Ａ−９ |
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