JP3480464B2 - 電界放射型電子源の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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、微小な円錐状のエミッタチ
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、多数の円錐状のエミッタ
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^-6
Ｐａ）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。

【０００５】これらに対し、電子の放出効率を高めるこ
とができる電界放射型電子源として、近年では、例えば
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（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（導電性薄膜）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】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６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。

【０００７】そこで、本願発明者らは、特願平１０−２
７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号において、
導電性基板と金属薄膜（表面電極）との間に介在し導電
性基板から注入された電子がドリフトする強電界ドリフ
ト層を酸化した多孔質多結晶シリコン層により構成した
電界放射型電子源を提案した。この電界放射型電子源１
０’は、例えば、図３に示すように、導電性基板たるｎ
形シリコン基板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シ
リコン層よりなる強電界ドリフト層６”が形成され、強
電界ドリフト層６”上に金属薄膜よりなる表面電極７が
形成され、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極
２が形成されている。なお、図３に示す例では、ｎ形シ
リコン基板１と強電界ドリフト層６”との間にノンドー
プの多結晶シリコン層３を介在させてあるが、多結晶シ
リコン層３を介在させずにｎ形シリコン基板上に強電界
ドリフト層６”を形成した構成も提案されている。

【０００８】図３に示す構成の電界放射型電子源１０’
から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置され
たコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極
２１との間を真空とした状態で、表面電極７をｎ形シリ
コン基板１（オーミック電極２）に対して高電位側（正
極）となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１との
間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２
１が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ
電極２１と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加す
る。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定すれば、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層
６”をドリフトし表面電極７を通して放出される（な
お、図３中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された
電子ｅ^-の流れを示す）。表面電極７には仕事関数の小
さな材料（例えば、金）が採用され、表面電極７の膜厚
は１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定されている。

【０００９】上述の構成を有する電界放射型電子源１
０’では、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Ｉpsと呼び、コレクタ電極２１
と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流
（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにすれば（図３参
照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉ
eの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率が高
くなる。なお、こ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との間に印加する直流電圧Ｖ
ps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。

【００１０】この電界放射型電子源１０’では、電子放
出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピ
ング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で
放出することができる。

【００１１】上述の電界放射型電子源１０’では、強電
界ドリフト層６”が、導電性基板たるｎ形シリコン基板
１上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させた後
に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化
し、多孔質化された多結晶シリコン層（多孔質多結晶シ
リコン層）を急速加熱法によって例えば９００℃の温度
で酸化することにより形成されている。ここにおいて、
陽極酸化処理に用いる電解液としては、フッ化水素水溶
液とエタノールとを略１：１で混合した液を用いてい
る。また、急速加熱法によって酸化する工程では、ラン
プアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で室温か
ら９００℃まで上昇させた後、基板温度を９００℃で１
時間維持することで酸化し、その後、基板温度を室温ま
で下降させている。

【００１２】上述のようにして形成された強電界ドリフ
ト層６”は、図４に示すように、少なくとも、柱状の多
結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に
形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間
に介在するナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、
シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結
晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜であるシリ
コン酸化膜６４とから構成されると考えられる。すなわ
ち、強電界ドリフト層６”は、陽極酸化処理を行う前の
多結晶シリコン層に含まれていた各グレインの表面が多
孔質化し各グレインの中心部分では結晶状態が維持され
ているものと考えられる。したがって、強電界ドリフト
層６”に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４
に集中的にかかり、注入された電子はシリコン酸化膜６
４にかかっている強電界により加速されグレイン５１間
を表面に向かって図４中の矢印Ａの向き（図４中の上方
向）へドリフトするので、電子放出効率を向上させるこ
とができる。なお、強電界ドリフト層６”の表面に到達
した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面
電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。

【００１３】上述の電界放射型電子源１０’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、図５
に示すように、ガラス基板からなる絶縁性基板１１の一
表面に導電性層１２を形成したものを用いた電界放射型
電子源１０”も提案されている。ここに、上述の電界放
射型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符号を付
して説明を省略する。

【００１４】図５に示す構成の電界放射型電子源１０”
から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置され
たコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極
２１との間を真空とした状態で、表面電極７が導電性層
１２に対して高電位側（正極）となるように表面電極７
と導電性層１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するととも
に、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側と
なるようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流
電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設
定すれば、導電性層１２から注入された電子が強電界ド
リフト層６”をドリフトし表面電極７を通して放出され
る（なお、図５中の一点鎖線は表面電極７を通して放出
された電子ｅ^-の流れを示す。）上述の構成を有する電
界放射型電子源１０”では、表面電極７と導電性層１２
との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレ
クタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッ
ション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにすれば
（図５参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッショ
ン電流Ｉeの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出
効率が高くなる。なお、この電界放射型電子源１０”で
は、表面電極７と導電性層１２との間に印加する直流電
圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出
させることができる。

【００１５】ところで、上述の電界放射型電子源１０”
における絶縁性基板１１として石英ガラス基板に比べて
比較的安価なガラス基板（例えば、無アルカリガラス基
板、低アルカリガラス基板、ソーダライムガラス基板な
ど）を用いれば絶縁性基板１１の耐熱温度は低下するも
のの低コスト化を図ることができるので、多結晶シリコ
ン層の形成温度を低温化する（例えば、６００℃以下に
する）ことが考えられる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多結晶
シリコン層を比較的低温で形成した場合には、比較的高
温で形成された多結晶シリコン層に比べて多結晶シリコ
ン層の結晶性が悪く、欠陥も多くなってしまうので、結
果的に強電界ドリフト層６”中に含まれる欠陥が増加し
て電子放出特性が悪化するとともに信頼性が低下してし
まうという不具合があった。例えば、強電界ドリフト層
６”における各シリコン酸化膜５２，６４中に欠陥が存
在すれば、各シリコン酸化膜５２，６４の絶縁耐圧が低
くなって電子源の絶縁耐圧が低くなったり、電子の散乱
のために電子放出効率が低下してしまう。また、多結晶
シリコン層のような多結晶半導体層を導電性基板上に低
温で形成した場合には、導電性基板と多結晶半導体層と
の界面近傍にショットキ障壁が形成されたり、高抵抗の
アモルファス層が形成されたりして、結果的に導電性基
板から強電界ドリフト層６”への電子注入が阻害された
り、発熱による信頼性の低下につながることが考えられ
る。

【００１７】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、低コスト化を図れ電子放出効率およ
び信頼性を向上できる電界放射型電子源の製造方法を提
供することにある。

【００１８】

【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酸化した多孔質多結晶半導体層より
なる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成
された表面電極とを備え、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層をドリフトし表面電
極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法であ
って、導電性基板の一表面側に多結晶半導体からなる層
状の半導体層を形成する工程と、前記半導体層をアニー
ルすることにより多結晶半導体層を形成する工程と、陽
極酸化処理にて多結晶半導体層の少なくとも一部を多孔
質化することにより多孔質多結晶半導体層を形成する工
程と、多孔質多結晶半導体層を酸化することにより強電
界ドリフト層を形成する工程とを有することを特徴と
し、多結晶半導体からなる層状の半導体層をアニールす
ることにより多結晶半導体層を形成するので、多結晶半
導体層を比較的低温で形成しながらも多結晶半導体層の
結晶性を改善することができて従来の比較的低温で形成
した多結晶半導体層に比べて欠陥を少なくすることがで
き、結果的に強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥が減少
するので、低コスト化を図れ電子放出効率および信頼性
を向上可能な電界放射型電子源を提供することができ
る。また、多結晶半導体からなる層状の半導体層をアニ
ールすることにより、導電性基板と半導体層との界面近
傍に導電性基板の構成元素と半導体層の構成元素とから
なる化合物層や合金層を形成させたり、導電性基板と半
導体層との界面近傍での半導体層の結晶化を促進させる
ことができ、導電性基板と半導体層との界面近傍でのシ
ョットキ障壁の高さを低くしたり界面近傍の抵抗を低減
することができるので、結果的に発熱による特性劣化を
防止することができて、電子放出効率が高く且つ信頼性
が高い電界放射型電子源を実現することができる。

【００１９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記半導体層のアニールは、真空中若しくは不活性
ガス中で行うので、前記半導体層のアニール時に前記半
導体層へ活性な不純物が導入されるのを抑制することが
できる。

【００２０】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記半導体層のアニールは、１００
℃から７００℃の温度範囲で行うので、前記導電性基板
として例えばガラス基板の一表面側に導電性層を設けた
ものを採用するような場合に、ガラス基板として石英ガ
ラス基板に比べて耐熱温度が低く安価なガラス基板を用
いることが可能になって低コスト化を図れる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本実施形態では、図１（ｆ）に示
すように導電性基板としてガラス基板からなる絶縁性基
板１１の一表面上に導電性層（例えば、クロム膜、チタ
ン膜、タングステン膜などの金属膜や複数種類の金属膜
の積層膜、ＩＴＯ膜など）１２を設けたものを用いてい
る。このように絶縁性基板１１の一表面側に導電性層１
２を形成した基板を用いる場合には、導電性基板として
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。

【００２２】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
構成は、図５に示した従来構成と略同じであって、図１
（ｆ）に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２
上に多結晶半導体層としてノンドープの多結晶シリコン
層３’が形成され、多結晶シリコン層３’上に酸化した
多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界ドリフト層６が
形成され、強電界ドリフト層６上に表面電極７が形成さ
れている。表面電極７には仕事関数の小さな材料（例え
ば、金）が採用され、表面電極７の膜厚は１０〜１５ｎ
ｍ程度に設定されている。強電界ドリフト層６の構造に
ついては後述する。なお、図１（ｆ）の例では、導電性
層１２と強電界ドリフト層６との間に多結晶シリコン層
３’の一部を介在させてあるが、多結晶シリコン層３’
を介在させずに導電性層１２上に強電界ドリフト層６を
形成した構成を採用してもよい。

【００２３】図１（ｆ）に示す構成の電界放射型電子源
１０から電子を放出させるには、図５に示した従来構成
と同様に、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２
１（図５参照）を設け、表面電極７とコレクタ電極２１
との間を真空とした状態で、表面電極７が導電性層１２
に対して高電位側（正極）となるように表面電極７と導
電性層１２との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、
コレクタ電極２１が表面電極７に対して高電位側となる
ようにコレクタ電極２１と表面電極７との間に直流電圧
Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを適宜に設定す
れば、導電性層１２から注入された電子が強電界ドリフ
ト層６をドリフトし表面電極７を通して放出される。

【００２４】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の製造方法について図１を参照しながら説明する。

【００２５】まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッ
タ法などによって導電性層１２を形成して導電性基板を
構成することで図１（ａ）に示す構造が得られる。

【００２６】その後、導電性基板の一表面側（つまり、
導電性層１２上）に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）の
多結晶半導体たる多結晶シリコンからなる層状の半導体
層として多結晶シリコン層３を形成（成膜）することに
より図１（ｂ）に示す構造が得られる。なお、多結晶シ
リコン層３の成膜方法としては、例えばＣＶＤ法（例え
ばＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法な
ど）やスパッタ法やＣＧＳ（Continuous Grain Silic
on）法などを採用すればよいが、成膜温度を６００℃以
下とすることで絶縁性基板１１として、例えば、無アル
カリガラス基板、低アルカリガラス基板、ソーダライム
ガラス基板などの比較的安価なガラス基板を用いること
ができて低コスト化を図ることができる。

【００２７】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、多結晶シリコン層３を不活性ガスであるＮ₂ガス
中で規定のアニール温度（例えば、４００℃〜６００
℃）にて規定時間（例えば、１時間）のアニールを行う
ことによって結晶性を改善するとともに欠陥を低減する
ことにより、図１（ｃ）に示す構造が得られる。図１
（ｃ）中の３’はアニール後の多結晶シリコン層を示し
ており、本実施形態ではアニール後の多結晶シリコン層
３’が多結晶半導体層を構成している。なお、多結晶シ
リコン層３をアニールする際の不活性ガスはＮ₂ガスに
限らず、例えばＡｒガスなどを採用してもよい。また、
多結晶シリコン層３のアニールは不活性ガス中に限らず
真空中で行ってもよく、不活性ガス中若しくは真空中で
アニールを行うことで、アニール時に多結晶シリコン層
３へ活性な不純物が導入されるのを抑制することができ
る。また、多結晶シリコン層３をアニールする際の温度
は、１００℃〜７００℃の温度範囲で導電性基板の材料
などの耐熱温度を考慮した上で比較的高い温度に設定す
ることが望ましい。このようにアニールを１００℃〜７
００℃の温度範囲で行うことにより、導電性基板として
例えばガラス基板の一表面側に導電性層を設けたものを
採用するような場合に、ガラス基板として石英ガラス基
板に比べて耐熱温度が低く安価なガラス基板を用いるこ
とが可能になって低コスト化を図れる。ただし、このア
ニールの温度は絶縁性基板１１として、例えば、無アル
カリガラス基板、低アルカリガラス基板、ソーダライム
ガラス基板を用いている場合には、４００℃〜６００℃
の温度範囲が好ましい。

【００２８】上述のアニールを行った後、多結晶シリコ
ン層３’上に後述の多孔質多結晶シリコン層４を所定領
域にのみ形成するためのマスク材（図示せず）を設け、
その後、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の入った陽
極酸化処理槽を利用し、白金電極（図示せず）を負極、
導電性層１２を正極として、多結晶シリコン層３’に光
照射を行いながら所定の条件で陽極酸化処理を行うこと
によって、多孔質多結晶シリコン層４が形成され、上記
マスク材を除去することにより、図１（ｄ）に示す構造
が得られる。ここにおいて、本実施形態では、陽極酸化
処理の条件として、陽極酸化処理の期間、多結晶シリコ
ン層３’の表面に照射する光パワーを一定、電流密度を
一定としたが、この条件は適宜変更してもよい（例え
ば、電流密度を変化させてもよい）。

【００２９】上述の陽極酸化処理が終了した後、多孔質
多結晶シリコン層４を１モルの硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）水溶液
中で電気化学的に酸化して強電界ドリフト層６を形成す
ることにより、図１（ｅ）に示す構造が得られる。な
お、電気化学的な酸化の際に用いる水溶液および濃度は
特に限定するものではなく、例えば硝酸水溶液などを用
いてもよい。

【００３０】強電界ドリフト層６を形成した後は、強電
界ドリフト層６上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）から
なる表面電極７を例えば蒸着法により形成することによ
って、図１（ｆ）に示す構造の電界放射型電子源１０が
得られる。なお、表面電極７の形成方法は蒸着法に限定
されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよ
い。

【００３１】上述の製造方法によって製造された電界放
射型電子源１０の強電界ドリフト層６は、従来構成にお
いて図４を用いて説明した強電界ドリフト層６”と同様
に、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレイン５１
と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化
膜５２と、グレイン５１間に介在するナノメータオーダ
のシリコン微結晶６３と、シリコン微結晶６３の表面に
形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さ
な膜厚の酸化膜であるシリコン酸化膜６４とから構成さ
れると考えられる。ただし、本実施形態の電界放射型電
子源１０では、多結晶シリコン層３をアニールした後に
陽極酸化処理にて形成した多孔質多結晶シリコン層４を
酸化することで強電界ドリフト層６を形成しているの
で、層状の半導体層たる多結晶シリコン層３をアニール
することにより多結晶半導体層たる多結晶シリコン層
３’が形成されるから、多結晶シリコン層３’を比較的
低温（６００℃以下）で形成しながらも多結晶シリコン
層３’の結晶性を従来の比較的低温で形成した多結晶シ
リコン層３に比べて改善できて欠陥を少なくすることが
でき、結果的に強電界ドリフト層６の酸化膜であるシリ
コン酸化膜６４，５２中の欠陥が減少するから、低コス
ト化を図れ電子放出効率および信頼性を向上可能な電界
放射型電子源１０を提供することができる。また、多結
晶シリコン層３をアニールすることにより、導電性層１
２と多結晶シリコン層３との界面近傍に導電性層１２の
構成元素と多結晶シリコン層３の構成元素とからなる化
合物層や合金層を形成させたり、導電性層１２と多結晶
シリコン層３との界面近傍での多結晶シリコン層３の結
晶化を促進させることができ、導電性層１２と多結晶シ
リコン層３との界面近傍でのショットキ障壁の高さを低
くしたり界面近傍の抵抗を低減することができるので、
結果的に発熱による特性劣化を防止することができて、
電子放出効率が高く且つ信頼性が高い電界放射型電子源
１０を実現することができる。なお、上述の製造方法で
製造された電界放射型電子源１０は、図３に示した従来
の電界放射型電子源１０’と同様に、電子放出特性の真
空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が
発生せず安定して電子を放出することができる。

【００３２】従来例の電界放射型電子源１０”（図５参
照）および本実施形態の製造方法により製造した電界放
射型電子源１０の電子放出特性（エミッション電流Ｉ
e、電子放出効率など）を測定した結果を図２に示す。
図２において、（ａ）は従来例（つまり、アニールな
し）、（ｂ）はアニール温度を５００℃とした実施例
１、（ｃ）はアニール温度を５５０℃とした実施例２、
それぞれの測定結果である。（ａ）〜（ｃ）の横軸は上
述の直流電圧Ｖps、左側の縦軸は電流密度を示し、イが
ダイオード電流Ｉpsの電流密度、ロがエミッション電流
Ｉeの電流密度を示す。また、（ａ）〜（ｃ）の右側の
縦軸は電子放出効率としてあり、ハが電子放出効率を示
す。なお、上述の直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とし、電
子放出効率は、（Ｉe／Ｉps）×１００［％］として求
めた値である。また、従来例、実施例１および実施例２
のいずれも導電性基板上への多結晶シリコン層３の堆積
はプラズマＣＶＤ法により行った。

【００３３】図２から、上述のアニールを行った実施例
１，２ではアニールを行っていない従来例に比べてエミ
ッション電流Ｉeおよび電子放出効率が大幅に向上して
いることが分かる。また、実施例１と実施例２とを比較
すると、アニール温度の高い実施例２の方が実施例１に
比べてエミッション電流Ｉeおよび電子放出効率の両方
とも向上していることが分かる。

【００３４】ところで、上述の製造方法では、層状の半
導体層を多結晶シリコンからなる多結晶シリコン層３に
より構成しているが、層状の半導体層を例えばシリコン
微結晶のような半導体微結晶により構成してもよく、こ
の場合にはシリコン微結晶からなる層状の半導体層を形
成した後に、アニールによって多結晶化することで多結
晶シリコン層３’を形成すればよい。

【００３５】本実施形態では、導電性基板としてガラス
基板からなる絶縁性基板１１の一表面に導電性層１２を
形成したものを用いているが、導電性基板としては、ク
ロムなどの金属基板を用いてもよいし、半導体基板（例
えば、抵抗率が導体の抵抗率に比較的近いｎ形シリコン
基板や、一表面側に導電性層としてｎ形領域が形成され
たｐ形シリコン基板など）などを用いてもよい。絶縁性
基板１１もガラス基板の他にセラミック基板などを用い
ることができる。

【００３６】また、本実施形態では表面電極７の材料と
して金を採用しているが、表面電極７の材料は金に限定
されるものではなく、例えば、アルミニウム、クロム、
タングステン、ニッケル、白金などを採用してもよい。

【００３７】また、表面電極７を厚み方向に積層された
少なくとも２層の薄膜層で構成してもよい。表面電極７
が２層の薄膜層で構成される場合には、上層の薄膜層の
材料として例えば金などを採用し、下層の薄膜層（強電
界ドリフト層６側の薄膜層）の材料として例えば、クロ
ム、ニッケル、白金、チタン、イリジウムなどを採用す
ればよい。

【００３８】また、本実施形態では、強電界ドリフト層
６を酸化した多孔質多結晶シリコン層により構成してい
るが、強電界ドリフト層６をその他の酸化した多孔質多
結晶半導体層により構成してもよい。

【００３９】

【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酸化した多孔質多結晶半
導体層よりなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト
層上に形成された表面電極とを備え、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層をドリフ
トし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の製
造方法であって、導電性基板の一表面側に多結晶半導体
からなる層状の半導体層を形成する工程と、前記半導体
層をアニールすることにより多結晶半導体層を形成する
工程と、陽極酸化処理にて多結晶半導体層の少なくとも
一部を多孔質化することにより多孔質多結晶半導体層を
形成する工程と、多孔質多結晶半導体層を酸化すること
により強電界ドリフト層を形成する工程とを有するの
で、多結晶半導体からなる層状の半導体層をアニールす
ることにより多結晶半導体層が形成されるから、多結晶
半導体層を比較的低温で形成しながらも多結晶半導体層
の結晶性を改善することができて従来の比較的低温で形
成した多結晶半導体層に比べて欠陥を少なくすることが
でき、結果的に強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥が減
少するから、低コスト化を図れ電子放出効率および信頼
性を向上可能な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。また、多結晶半導体からなる層状
の半導体層をアニールすることにより、導電性基板と半
導体層との界面近傍に導電性基板の構成元素と半導体層
の構成元素とからなる化合物層や合金層を形成させた
り、導電性基板と半導体層との界面近傍での半導体層の
結晶化を促進させることができ、導電性基板と半導体層
との界面近傍でのショットキ障壁の高さを低くしたり界
面近傍の抵抗を低減することができるので、結果的に発
熱による特性劣化を防止することができて、電子放出効
率が高く且つ信頼性が高い電界放射型電子源を実現する
ことができるという効果がある。

【００４０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記半導体層のアニールは、真空中若しくは不活性
ガス中で行うので、前記半導体層のアニール時に前記半
導体層へ活性な不純物が導入されるのを抑制することが
できるという効果がある。

【００４１】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記半導体層のアニールは、１００
℃から７００℃の温度範囲で行うので、前記導電性基板
として例えばガラス基板の一表面側に導電性層を設けた
ものを採用するような場合に、ガラス基板として石英ガ
ラス基板に比べて耐熱温度が低く安価なガラス基板を用
いることが可能になって低コスト化を図れるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の電界放射型電子源の製造方法を説明
するための主要工程断面図である。

【図２】同上の製造方法により製造された電界放射型電
子源と従来例との電子放出特性の比較図である。

【図３】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図で
ある。

【図４】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。

【図５】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明
図である。

【符号の説明】

３ 多結晶シリコン層 ３’ アニール後の多結晶シリコン層 ４ 多孔質多結晶シリコン層 ６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 １１ 絶縁性基板 １２ 導電性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫟原 勉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 渡部 祥文 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 幡井 崇 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 馬場 徹 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−326557（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−299011（ＪＰ，Ａ) 特開2001−93405（ＪＰ，Ａ) 特開2001−35355（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 9/02 H01J 1/30 H01J 31/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
   形成された酸化した多孔質多結晶半導体層よりなる強電
   界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された表
   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層をドリフトし表面電極を通し
   て放出される電界放射型電子源の製造方法であって、導
   電性基板の一表面側に多結晶半導体からなる層状の半導
   体層を形成する工程と、前記半導体層をアニールするこ
   とにより多結晶半導体層を形成する工程と、陽極酸化処
   理にて多結晶半導体層の少なくとも一部を多孔質化する
   ことにより多孔質多結晶半導体層を形成する工程と、多
   孔質多結晶半導体層を酸化することにより強電界ドリフ
   ト層を形成する工程とを有することを特徴とする電界放
   射型電子源の製造方法。
2. 【請求項２】 前記半導体層のアニールは、真空中若し
   くは不活性ガス中で行うことを特徴とする請求項１記載
   の電界放射型電子源の製造方法。
3. 【請求項３】 前記半導体層のアニールは、１００℃か
   ら７００℃の温度範囲で行う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の製造方法。