JP3603682B2 - Field emission electron source - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、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。
【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。
【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 Oxide 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。
【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(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。
【0006】
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10−272340号、特願平10−272342号において、多孔質多結晶半導体層(例えば、多孔質化された多結晶シリコン層)を急速熱酸化(RTO)技術によって急速熱酸化することによって、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(強電界ドリフト部)を形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(例えば、ITO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、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【0008】
しかしながら、上述の特願平10−272340号、特願平10−272342号に提案した電界放射型電子源では、導電性基板の耐熱温度以上に急速熱酸化の酸化温度を上げることができないので、基板の材料やITO膜の材料が制限され、基板の大口径化(大面積化)が制約されるという不具合があった。
【0009】
そこで、本願発明者らは、特願平11−108632号において、多孔質多結晶シリコン層を酸により酸化することによって強電界ドリフト層を形成した電界放射型電子源を提案した。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特願平11−108632号に提案した電界放射型電子源であっても、多結晶シリコンを形成するには600℃以上のプロセスが必要なため、導電性基板として高価な石英ガラスに導電性膜を形成したものや、単結晶シリコン基板などを用いざるを得ず、導電性基板の大口径化(大面積化)が制約され、例えば大面積ディスプレイの実現が難しいという不具合があった。
【0011】
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、大面積化および低コストが容易な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。
【0012】
【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導電性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上記電子がドリフトするドリフト部と、網目の中に満たされたドリフト部よりも熱伝導性の良い柱状の放熱部とからなり、ドリフト部は酸化された多孔質アモルファスシリコンもしくは多孔質アモルファスシリコン化合物からなり、放熱部は酸化されたアモルファスシリコンもしくは酸化されたアモルファスシリコン化合物からなることを特徴とするものであり、強電界ドリフト部を多孔質化された多結晶シリコンにより形成する場合に比べてプロセス温度が低温になって導電性基板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容易になる。
しかも、強電界ドリフト部ではドリフト部で発生したジュール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するのを防止することができて、安定して高効率で電子を放出でき、経時安定性が向上する。
【0015】
また、強電界ドリフト部のもとがアモルファスシリコン若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用するとともにプロセスを利用することが可能になる。また、強電界ドリフト部の電気的特性の制御も容易となる。
【0019】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、上記ドリフト部が、ナノメータオーダの半導体微結晶を有し、半導体微結晶の表面が当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜により覆われているので、絶縁膜にかかる電界で電子を加速でき、電子放出効率が向上する。
【0020】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、上記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、上記絶縁膜を簡単に形成することができる。
【0021】
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、上記強電界ドリフト部が、450℃以下の低温プロセスによって形成されているので、導電性基板として、安価なガラス基板や樹脂基板などの一表面側に導電性膜を形成したものを用いることができ、低コスト化および大面積化が可能となる。
【0022】
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、上記導電性基板が、ガラス基板とガラス基板の一表面上に形成された導電性膜とからなり、上記電界ドリフト部は、該導電性膜上に形成されているので、例えば薄膜トランジスタの製造装置を流用するとともにプロセスを利用することが可能になる。
【0023】
請求項6の発明は、請求項5の発明において、上記ガラス基板が、無アルカリガラス基板よりなるので、より一層の低コスト化および大面積化が可能になる。
【0024】
【発明の実施の形態】
(参考例1)
図1に本参考例の電界放射型電子源10の概略断面図を、図2(a)〜(d)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。本参考例では、導電性基板1として、ガラス基板1aとガラス基板1aの一表面上に形成された導電性膜2とからなる基板を用いているので、導電性基板1として、単結晶シリコン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。
【0025】
本参考例の電界放射型電子源10は、図1に示すように、導電性基板1の一表面側に酸化された多孔質アモルファスシリコンよりなる強電界ドリフト部6が形成され、強電界ドリフト部6上に導電性薄膜(例えば、金薄膜など)よりなる表面電極7が形成されている。なお、本参考例の電界放射型電子源10では、強電界ドリフト部6へ電界を印加することにより強電界ドリフト部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、トンネル効果によって表面電極7の表面から放出される。したがって、表面電極7としては、仕事関数の小さな材料を用いれば良い。また、本参考例では、強電界ドリフト部6を酸化された多孔質アモルファスシリコンにより構成しているが、強電界ドリフト部6を酸化された多孔質アモルファスシリコン化合物により構成してもよい。
【0026】
この電界放射型電子源10では、図3に示すように、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21を配置し、表面電極7を導電性膜2に対して正極として電圧を印加するとともに、コレクタ電極21を表面電極7に対して正極として直流電圧を印加することにより、導電性基板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。ここにおいて、表面電極7と導電性膜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21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、本参考例の電界放射型電子源10では、表面電極7と導電性膜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。
【0027】
以下、製造方法について図2を参照しながら説明する。
【0028】
まず、導電性基板1の主表面上(導電性膜2上)に所定膜厚(例えば、1.5μm)のノンドープのアモルファスシリコン層3を形成(成膜)することにより図2(a)に示すような構造が得られる。ここにおいて、アモルファスシリコン層3は、プラズマCVD法により堆積しているので、450℃以下の低温プロセスで成膜することができる。
【0029】
ノンドープのアモルファスシリコン層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、導電性基板1(導電性膜2)を正極として、アモルファスシリコン層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、多孔質アモルファスシリコン層4が形成され図2(b)に示すような構造が得られる。ここにおいて、本参考例では、陽極酸化処理の条件として、陽極酸化処理の期間、アモルファスシリコン層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)。
【0030】
上述の陽極酸化処理が終了した後、陽極酸化処理槽から電解液を除去し、該陽極酸化処理槽に新たに酸(例えば、略10%の希硝酸、略10%の希硫酸、王水など)を投入し、その後、この酸の入った陽極酸化処理槽を利用して、白金電極(図示せず)を負極、導電性基板1(導電性膜2)を正極として、定電流を流し多孔質アモルファスシリコン層4を酸化することにより図2(c)に示す構造が得られる。図2(c)における6は多孔質アモルファスシリコン層4を酸によって酸化することにより形成された強電界ドリフト部を示す。要するに、強電界ドリフト部6は、多孔質化されたアモルファス物質からなる。
【0031】
強電界ドリフト部6を形成した後は、強電界ドリフト部6上に導電性薄膜(例えば、金薄膜)よりなる表面電極7を例えば蒸着により形成することによって、図2(d)に示す構造の電界放射型電子源10が得られる。なお、本参考例では、表面電極7の膜厚を15nmとしてあるが、この膜厚は特に限定するものではなく、強電界ドリフト層6を通ってきた電子がトンネルできる膜厚であればよい。また、本参考例では、表面電極7となる導電性薄膜を蒸着により形成しているが、導電性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。
【0032】
本参考例の製造方法では、アモルファスシリコン層3をプラズマCVD法などの低温プロセスで成膜し、多孔質アモルファスシリコン層4の酸化を酸により行っており、かつ、表面電極7を蒸着法、スパッタ法などにより成膜しているので、450℃以下の低温プロセスで電界放射型電子源10を製造することができる。したがって、導電性基板1として、無アルカリガラスのような安価で大面積化可能な基板を利用することができ、また樹脂基板のような安価な基板を利用することができるので、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【0033】
また、上述の製造方法で製造された電界放射型電子源は、本願発明者らが特願平10−272340号、特願平10−272342号で提案した電界放射型電子源と同様に、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。
【0034】
なお、本参考例では、強電界ドリフト部6が図4に示すようなナノメータオーダのシリコン微結晶63を有し、シリコン微結晶63の表面が当該シリコン微結晶63の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化膜からなる絶縁膜64により覆われているので、強電界ドリフト部6に注入された電子e−が絶縁膜64にかかっている強電界により加速され図4中の矢印Aの向きへドリフトし、しかも電子のドリフト長はシリコン微結晶の粒径に比べて非常に大きいから、ほとんど衝突を起こすことなく強電界ドリフト部6の表面に到達するので、電子放出効率が向上する。
【0035】
また、図1では、強電界ドリフト部6が導電性基板1の略全面にわたって形成されているが、強電界ドリフト部6を、導電性基板1の上記一表面に略直交して列設した柱状に形成すれば、放熱性が向上し、より安定して高効率で電子を放出することができる。
【0036】
(参考例2)
参考例1にて図2を参照しながら説明した電界放射型電子源10の製造方法で以下の条件により図1の電界放射型電子源10を作成した。
【0037】
導電性基板1としては、無アルカリガラスよりなるガラス基板1aの一表面上にITO膜よりなる導電性膜2を形成したものを用いた。アモルファスシリコン層3(図2(a)参照)の成膜は、プラズマCVD法により行い、基板温度を270℃とした。
【0038】
陽極酸化では電解液として、55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを略1:1で混合した電解液を用いた。陽極酸化は、アモルファスシリコン層3のうち表面の直径10mmの領域のみが電解液に触れるようにし、他の部分は電解液に接触しないようにシールを行い、電解液中に白金電極を浸し、500Wのタングステンランプを用いてアモルファスシリコン層3に一定の光パワーで光照射を行いながら、白金電極を負極、導電性基板1(導電性膜2)を正極として、所定の電流を流した。ここに、電流密度を2.5mA/cm2で一定、陽極酸化時間を約10秒とした。
【0039】
多孔質アモルファスシリコン層4を酸化する酸としては、略10%の希硝酸を用いた。また、表面電極7としては厚さが15nmの金薄膜を用い、蒸着法によって形成した。
【0040】
本参考例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に示すように表面電極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5×10−5Paとして、表面電極7(正極)と導電性膜2(負極)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と表面電極7との間に100Vの直流電圧Vcを印加することによって、表面電極7と導電性膜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から表面電極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と表面電極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5に示す。ここに、図5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○が本参考例のダイオード電流Ipsを、同図中の●が本参考例の放出電子電流Ieを示す。
【0041】
ところで、電子放出効率は、ダイオード電流Ipsに対する放出電子電流Ieの割合Ie/Ipsで表され、本参考例の電界放射型電子源10では、上記各従来例に比べて高い電子放出効率が得られている。
【0042】
なお、製造プロセス中で上述のアモルファスシリコン層3の一部あるいは全部が結晶化する場合も考えられるが、特に問題はない。
【0043】
(実施形態)
図6に本実施形態の電界放射型電子源10の概略構成図を、図7(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1として、ガラス基板1aとガラス基板1aの一表面上に形成された導電性膜2とからなる基板を用いているので、導電性基板1として、単結晶シリコン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。
【0044】
本実施形態の電界放射型電子源10は、図6に示すように、導電性基板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上に導電性薄膜(例えば、金薄膜)よりなる表面電極7が形成されている。
【0045】
この電界放射型電子源10においても、参考例1と同様、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を導電性膜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、導電性基板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。
【0046】
本実施形態における強電界ドリフト部6は、導電性基板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。要するに、放熱部62は、導電性基板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、酸化された多孔質アモルファスシリコンよりなり、放熱部62は、酸化されたアモルファスシリコンよりなる。なお、強電界ドリフト部6は、放熱部62を上述の網目状に形成し、ドリフト部61を上述の角柱状に形成してもよい。
【0047】
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。
【0048】
なお、ドリフト部61を酸化された多孔質アモルファスシリコン化合物により構成し、放熱部62を酸化されたアモルファスシリコン化合物により構成してもよい。
【0049】
以下、製造方法について図7を参照しながら説明する。
【0050】
まず、導電性基板1の主表面上(導電性膜2上)に所定膜厚(例えば、1.5μm)のノンドープのアモルファスシリコン層3を形成(成膜)した後、アモルファスシリコン層3上にフォトレジストを塗布し、図8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30を形成することにより図7(a)に示すような構造が得られる。ここに、アモルファスシリコン層3は、プラズマCVD法により堆積しているので、450℃以下の低温プロセスで成膜することができる。また、フォトマスクMは、レジストマスク30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30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。
【0051】
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、導電性基板1(導電性膜2)を正極として、アモルファスシリコン層3の主表面側に光照射を行いながら所定の条件(例えば、定電流)で陽極酸化処理を行うことによって、アモルファスシリコン層3の主表面側においてレジストマスク30で覆われていない部分が多孔質化されて多孔質アモルファスシリコン層11が形成され図7(b)に示すような構造が得られる。ここに、図7(b)中の12はアモルファスシリコン層3の一部よりなるアモルファス半導体層を示す。このアモルファス半導体層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アモルファスシリコン層3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。
【0052】
上述の陽極酸化処理が終了した後、陽極酸化処理槽から電解液を除去し、レジストマスク30を除去した後、該陽極酸化処理槽に新たに酸(例えば、略10%の希硝酸、略10%の希硫酸、王水など)を投入し、その後、この酸の入った陽極酸化処理槽を利用して、白金電極(図示せず)を負極、導電性基板1(導電性膜2)を正極として、定電流を流し多孔質アモルファスシリコン層11およびアモルファス半導体層12を酸化することにより強電界ドリフト部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を例えば蒸着によって形成することにより図7(c)に示す構造が得られる。ここに、図7(c)における61は酸化された多孔質アモルファスシリコン層11であって上述のドリフト部61に対応し、62は酸化されたアモルファス半導体層12であって上述の放熱部62に対応する。つまり、図7(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。また、表面電極7の膜厚は略15nm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となる導電性薄膜(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、導電性膜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。
【0053】
なお、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を導電性基板1(導電性膜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、導電性膜2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kT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。
【0054】
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。したがって、強電界ドリフト部6におけるドリフト部61と放熱部62との面積比を最適化して電子放出効率を向上することが可能になる。
【0055】
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。
【0056】
本実施形態の製造方法では、アモルファスシリコン層3をプラズマCVD法などの低温プロセスで成膜し、多孔質アモルファスシリコン層11の酸化を酸により行っており、かつ、表面電極7を蒸着法、スパッタ法などにより成膜しているので、450℃以下の低温プロセスで電界放射型電子源10を製造することができる。したがって、導電性基板1として、無アルカリガラスのような安価で大面積化可能な基板を利用することができ、また樹脂基板のような安価な基板を利用することができるので、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【0057】
【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導電性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上記電子がドリフトするドリフト部と、網目の中に満たされたドリフト部よりも熱伝導性の良い柱状の放熱部とからなり、ドリフト部は酸化された多孔質アモルファスシリコンもしくは多孔質アモルファスシリコン化合物からなり、放熱部は酸化されたアモルファスシリコンもしくは酸化されたアモルファスシリコン化合物からなるものであり、強電界ドリフト部を多孔質化された多結晶シリコンにより形成する場合に比べてプロセス温度が低温になって導電性基板の制約が少なくなり、大面積化および低コスト化が容易になるという効果がある。
しかも、強電界ドリフト部ではドリフト部で発生したジュール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するのを防止することができて、安定して高効率で電子を放出でき、経時安定性が向上するという効果がある。
【0060】
また、強電界ドリフト部のもとがアモルファスシリコン若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用するとともにプロセスを利用することが可能になるという効果がある。また、強電界ドリフト部の電気的特性の制御も容易となるという効果がある。
【0064】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、上記ドリフト部が、ナノメータオーダの半導体微結晶を有し、半導体微結晶の表面が当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜により覆われているので、絶縁膜にかかる電界で電子を加速でき、電子放出効率が向上するという効果がある。
【0065】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、上記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、上記絶縁膜を簡単に形成することができるという効果がある。
【0066】
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、上記強電界ドリフト部が、450℃以下の低温プロセスによって形成されているので、導電性基板として、安価なガラス基板や樹脂基板などの一表面側に導電性膜を形成したものを用いることができ、低コスト化および大面積化が可能となるという効果がある。
【0067】
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、上記導電性基板が、ガラス基板とガラス基板の一表面上に形成された導電性膜とからなり、上記電界ドリフト部は、該導電性膜上に形成されているので、例えば薄膜トランジスタの製造装置を流用するとともにプロセスを利用することが可能になるという効果がある。
【0068】
請求項6の発明は、請求項5の発明において、上記ガラス基板が、無アルカリガラス基板よりなるので、より一層の低コスト化および大面積化が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例1を示す概略断面図である。
【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3】同上の特性測定原理の説明図である。
【図4】同上の電子放出機構の原理説明図である。
【図5】参考例2の電圧電流特性図である。
【図6】実施形態を示し、(a)は概略縦断面図、(b)は概略水平断面図である。
【図7】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8】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。
【符号の説明】
1 導電性基板
1a ガラス基板
2 導電性膜
6 強電界ドリフト部
7 表面電極
10 電界放射型電子源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission type electron source that emits an electron beam by field emission.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission 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]
However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately configure a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, it is difficult to increase the area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem. 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 exists, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the positive ions are ionized and 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, in a Spindt-type electrode, a high vacuum (about 10-5Pa to about 10-6Pa), there is a problem that the cost increases and the handling becomes troublesome.
[0004]
In order to improve this kind of problem, a MIM (Metal Insulator Metal) system and a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type field emission electron source 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 electron source (to emit a large number of 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, and in order to prevent such dielectric breakdown, Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.
[0005]
In recent years, as disclosed in JP-A-8-250766, a single-crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate is used, and one surface of the semiconductor substrate is anodized to form a porous semiconductor layer (porous semiconductor layer). A field emission electron source (semiconductor) configured to form a silicon thin film, form a metal thin film on the porous semiconductor layer, and apply a voltage between the semiconductor substrate and the metal thin film to emit electrons. Cold electron-emitting devices) have been proposed.
[0006]
However, the field emission type electron source described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766 has a problem that it is difficult to increase the area and reduce the cost because the substrate is limited to a semiconductor substrate. Further, in the field emission type electron source described in JP-A-8-250766, a so-called popping phenomenon is apt to occur during electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. There is a problem that can be done.
[0007]
In view of this, the inventors of the present application have disclosed in Japanese Patent Application Nos. 10-272340 and 10-272342 that a porous polycrystalline semiconductor layer (for example, a polycrystalline silicon layer made porous) is subjected to rapid thermal oxidation (RTO). ) Rapid thermal oxidation by the technology formed a strong electric field drift layer (strong electric field drift portion) between the conductive substrate and the metal thin film (surface electrode), in which electrons injected from the conductive substrate drift. A field emission electron source was proposed. In this field emission type electron source, the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and can stably emit electrons without a popping phenomenon during electron emission. In addition, a single-crystal silicon substrate or the like is used as a conductive substrate. In addition to the semiconductor substrate described above, a substrate in which a conductive film (for example, an ITO film) is formed 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.
[0008]
However, in the field emission type electron source proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application Nos. 10-272340 and 10-272342, the oxidation temperature of rapid thermal oxidation cannot be increased beyond the heat resistance temperature of the conductive substrate. There is a problem that the material of the substrate and the material of the ITO film are limited, and the increase in the diameter (larger area) of the substrate is restricted.
[0009]
In view of this, the present inventors have proposed in Japanese Patent Application No. 11-108632 a field emission electron source in which a strong electric field drift layer is formed by oxidizing a porous polycrystalline silicon layer with an acid.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, even with the field emission type electron source proposed in Japanese Patent Application No. 11-108632, a process of 600 ° C. or more is required to form polycrystalline silicon, so that expensive quartz glass is used as a conductive substrate. In this case, a conductive film must be formed, or a single-crystal silicon substrate must be used, which limits the increase in the diameter of the conductive substrate (increase in area). For example, it is difficult to realize a large-area display. Was.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field emission type electron source that can be easily made large in size and low in cost, and a method of manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to an aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission type in which electrons injected from the conductive substrate drift through the strong electric field drift portion and are emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate. Electron source, the strong electric field drift partA drift section in which the cross section perpendicular to the thickness direction of the conductive substrate is formed in a mesh shape and the electrons drift, and a column-shaped heat radiating section having better thermal conductivity than the drift section filled in the mesh, The drift part is made of oxidized porous amorphous silicon or a porous amorphous silicon compound, and the heat radiation part is made of oxidized amorphous silicon or an oxidized amorphous silicon compound.The process temperature is lower than in the case where the strong electric field drift portion is formed of porous polycrystalline silicon, the restriction of the conductive substrate is reduced, and the area and the area are reduced. Cost reduction becomes easy.
Moreover, strong electric field driftSince the Joule heat generated in the drift part is radiated through the heat radiating part in the part, it is possible to prevent the popping phenomenon from occurring at the time of electron emission, and it is stableTo emit electrons with high efficiencyAnd stability with time is improved.
[0015]
In addition, the source of the strong electric field driftSince it is made of rufus silicon or an amorphous silicon compound, it is possible to use a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell and to use a process.. In addition, the control of the electrical characteristics of the strong electric field drift portion is also facilitated.
[0019]
Claim2The invention of claimOneIn the invention,The above drillThe lift portion has semiconductor microcrystals in the order of nanometers, and the surface of the semiconductor microcrystals is covered with an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals. And the electron emission efficiency is improved.
[0020]
Claim3The invention of claim2In the present invention, since the insulating film is formed of an oxide film, the insulating film can be easily formed.
[0021]
Claim4The invention of
[0022]
Claim5The invention of
[0023]
Claim6The invention of claim5According to the invention, since the glass substrate is made of a non-alkali glass substrate, the cost and the area can be further reduced.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Reference Example 1)
In FIG.In this reference exampleFIGS. 2A to 2D are schematic cross-sectional views of the field
[0025]
In this reference exampleIn the field emission
[0026]
In this field emission
[0027]
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
[0028]
First, a non-doped
[0029]
After the non-doped
[0030]
After the above-described anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank, and an acid (for example, about 10% diluted nitric acid, about 10% diluted sulfuric acid, aqua regia, etc.) is added to the anodizing tank. ), And then using the anodizing tank containing the acid, a platinum electrode (not shown) is used as a negative electrode, and the conductive substrate 1 (conductive film 2) is used as a positive electrode. By oxidizing the amorphous silicon layer 4, the structure shown in FIG. 2C is obtained. In FIG. 2C,
[0031]
After the strong electric
[0032]
In this reference exampleIn the manufacturing method, the
[0033]
The field emission electron source manufactured by the above-described manufacturing method is similar to the field emission electron source proposed by the present inventors in Japanese Patent Application Nos. 10-272340 and 10-272342. The electron emission characteristics are less dependent on the degree of vacuum, and electrons can be emitted stably without generating a popping phenomenon during electron emission.
[0034]
In addition,In this reference exampleIs a silicon oxide film in which the strong electric
[0035]
Also, In FIG.Although the strong electric
[0036]
(Reference Example 2)
Reference Example 1The field emission
[0037]
As the
[0038]
In the anodic oxidation, an electrolytic solution obtained by mixing a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol at a ratio of about 1: 1 was used. The anodic oxidation is performed such that only the area of the surface of the
[0039]
About 10% diluted nitric acid was used as an acid for oxidizing the porous amorphous silicon layer 4. The
[0040]
This reference exampleThe field emission
[0041]
Incidentally, the electron emission efficiency is represented by a ratio Ie / Ips of the emission electron current Ie to the diode current Ips.This reference exampleIn the field emission
[0042]
Note that a case where part or all of the above-described
[0043]
(Embodiment)
In FIG.Of this embodimentFIGS. 7A to 7C are cross-sectional views of main steps in a method for manufacturing the field
[0044]
Of this embodimentAs shown in FIG. 6, in the field emission
[0045]
In this field emission
[0046]
In this embodimentThe strong electric
[0047]
AndOf this embodimentIn the field
[0048]
The
[0049]
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
[0050]
First, a non-doped
[0051]
Next, a platinum electrode (not shown) was connected to a negative electrode by using an anodizing treatment tank containing an electrolytic solution composed of a mixture of a 55 wt% hydrogen fluoride aqueous solution and ethanol in a ratio of about 1: 1. Using the substrate 1 (conductive film 2) as a positive electrode and performing anodizing treatment under predetermined conditions (for example, constant current) while irradiating light to the main surface side of the
[0052]
After the above-described anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank, the resist
[0053]
In addition,Of this embodimentIn the field
[0054]
by the way,Of this embodimentIn the field emission
[0055]
In summary, the strong electric
[0056]
Of this embodimentIn the manufacturing method, the
[0057]
【The invention's effect】
The invention according to
Moreover, strong electric field driftSince the Joule heat generated in the drift part is radiated through the heat radiating part in the part, it is possible to prevent the popping phenomenon from occurring at the time of electron emission, and it is stableTo emit electrons with high efficiencyThat the stability with time is improvedeffective.
[0060]
In addition, the source of the strong electric field driftSince it is made of rufus silicon or an amorphous silicon compound, there is an effect that it is possible to divert a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell and to use a process.. In addition, there is an effect that the control of the electric characteristics of the strong electric field drift portion is facilitated.
[0064]
Claim2The invention of claimOneIn the invention,The above drillThe lift portion has semiconductor microcrystals in the order of nanometers, and the surface of the semiconductor microcrystals is covered with an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals. And the electron emission efficiency can be improved.
[0065]
Claim3The invention of claim2According to the invention, since the insulating film is made of an oxide film, there is an effect that the insulating film can be easily formed.
[0066]
Claim4The invention of
[0067]
Claim5The invention of
[0068]
Claim6The invention of claim5In the invention, since the glass substrate is made of an alkali-free glass substrate, there is an effect that the cost can be further reduced and the area can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG.Reference Example 1FIG.
FIG. 2 is a main process sectional view for explaining the manufacturing method of the above.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics according to the first embodiment;
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of an electron emission mechanism according to the first embodiment;
FIG. 5Reference Example 2FIG. 4 is a voltage-current characteristic diagram.
FIG. 6The embodiment1A is a schematic longitudinal sectional view, and FIG. 1B is a schematic horizontal sectional view.
FIG. 7 is a main process sectional view for explaining the manufacturing method of the above.
FIG. 8 is a plan view of a photomask for describing the manufacturing method according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
1 conductive substrate
1a Glass substrate
2 Conductive film
6 Strong electric field drift part
7 Surface electrode
10. Field emission electron source
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