JP4028180B2 - 冷陰極装置及び冷陰極の作製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極装置及びその作製方法に関し、特に、先端が尖鋭なコーン形状となる電界放出冷陰極（冷陰極）を有する冷陰極装置に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷陰極装置は、先端が尖鋭なコーン形状をもつ陰極とそれを取り囲むゲート電極との間に電圧を印加して、電界で陰極先端から電子を放出させるスピント型と称される構造が一般的であった。このスピント型の冷陰極装置における電子の放出効率は、冷陰極の電子放出領域に生成される電界集中と冷陰極材料の仕事関数φ等の諸特性に大きく左右されるものであった。
【０００３】
特に、スピント型の冷陰極装置での電界集中は、冷陰極の尖鋭度や冷陰極とゲート電極との距離で決まるので、電子放出効率の大幅な向上のためには、リソグラフィーを中心とする微細加工技術の精度の向上やさらなる微細加工技術の進展が必要であった。
【０００４】
また、スピント型の冷陰極装置では、冷陰極材料には主としてＭｏ（モリブデン）やＮｉ（ニッケル）等の高融点金属の蒸着や、シリコン等の選択エッチングと熱酸化とにより作製されていた。これらの冷陰極材料の仕事関数φは、φ＝４〜５ｅＶ（エレクトロンボルト）程度であり、さらなる電子放出効率の向上には低仕事関数の材料が求められていた。
【０００５】
一方、微細加工を必要としない冷陰極装置として、ＭＩＭ型（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）、及びＭＩＳ型（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の面放出型の冷陰極装置があった。
【０００６】
この面放出型の冷陰極装置では、ミクロな電界集中の精度は不明であるが、ダイヤモンドやダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、あるいは窒化アルミニウム（ＡＩＮ）や窒化ボロン（ＢＮ）等を冷陰極材料としたものがあった。これらの材料は、負性電子親和力（ＮＥＡ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｆｆｉｎｉｔｙ）特性を有するといわれており、その高硬度性能や化学的安定性等からも面放出型の冷陰極装置のみならず、スピント型の冷陰極装置の冷陰極材料としても有望であると考えられている。
【０００７】
さらには、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ−Ｔｕｂｅ）やカーボンファイバー等が良好な電子放出特性を示すことが明らかとなり、蛍光表示管やディスプレイが試作されるに至っている。
【０００８】
しかしながら、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、窒化アルミニウム、窒化ボロン、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバー等を材料とした冷陰極については、明瞭なＮＥＡ特性は見出されておらず、実用化が阻まれている。
【０００９】
一方、シリコンを材料とした冷陰極では、シリコンを多孔質化してナノサイズの結晶層を形成し、この結晶層中に電子を弾道的に走行させることによって、低電圧で電子を放出できることが確認されており、このようなシリコンで冷陰極を構成した冷陰極装置を用いたディスプレイが試作されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【００１１】
シリコンを冷陰極に用いた従来の冷陰極装置では、その電子放出特性は、冷陰極とゲート電極との距離及び冷陰極先端の尖鋭度によって決まるので微細加工技術の高精細化によってのみ性能向上が可能であるといわれていた。すなわち、半導体の仕事関数φは、中性条件（ｎ＝ｐ）より不純物無添加の場合には下記の式（１）で表される。
【００１２】
【数１】
φ＝Ｅ_v＋（１／２）Ｅ_g＋（３／４）Ｋ_BＴ×ｌｎ（ｍ_h／ｍ_e）・・・（１）
一方、不純物添加の場合の仕事関数φは下記の式（２）によって表される。
【００１３】
【数２】
φ＝（１／２）（Ｅ_v＋Ｅ_g＋Ｅ_D）＋（１／２）Ｋ_BＴ×ｌｎ
（（１／４）Ｎ_D−（２πｈ²／ｍ_eＫ_BＴ）^3/2） ・・・（２）
ただし、Ｅ_Vは価電子帯端エネルギー、Ｅ_gはバンドギャップエネルギー、Ｅ_Cは伝導帯端エネルギー（＝Ｅ_v＋Ｅ_g）、Ｅ_Dはドナー準位、Ｎ_Dはドナー濃度、ｍ_eは電子有効質量、ｍ_hは正孔有効質量、Ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは温度、ｈはプランク定数を示す。
【００１４】
式（１）の（ｍ_h／ｍ_e）は第１項及び第２項に比べて小さいので、式（１）は仕事関数φがバンドギャップのほぼ中央にあることを示している。一方、式（２）はＫ_BＴ≪（Ｅ_v＋Ｅ_g−Ｅ_D）の場合には仕事関数φがドナー準位と伝導帯端との中央に位置することを示しており、高温の場合には無添加の場合と同様に、仕事関数φがバンドギャップの中央にあることを示している。
【００１５】
しかしながら、実際のシリコンの電界放出では、電子が存在するエネルギーレベルすなわち伝導帯からだけではなく、価電子帯からも電子が放出される。この場合の電子の放出は、真空準位から見たそれぞれの電子のエネルギー深さを仕事関数として放出される。従って、不純物が添加される通常のｎ型シリコンでは、その仕事関数φは伝導帯端に相当する仕事関数よりも小さくすることは困難であると考えられ、その向上についての試みはほとんど行われていなかった。
【００１６】
また、前述するナノサイズの結晶層中で電子を弾道的に走行させてホット電子として放出させる冷陰極装置では、基板とゲート電極用薄膜金属とによって、ナノサイズの結晶層を挟んだＭＩＭ型あるいはＭＩＳ型構造をとっている。従って、この冷陰極装置では、仕事関数φは小さくすることができるものの、ナノサイズの結晶層を弾道的に走行する電子の大半はゲート電極に流れ込むこととなり、真空中への電子放出の効率は低いという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、冷陰極からの電子放出効率を向上させることが可能な技術を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、冷陰極から放出される電子の放出開始電圧を低減することが可能な技術を提供することにある。
【００１９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００２１】
（１）基板に形成された陰極母線及び該陰極母線に電気的に接続されるシリコンからなる電界放出冷陰極を有すると共に、前記電界放出冷陰極から離間して配設されるゲート電極を有する冷陰極装置の作製方法において、前記電界放出冷陰極の電子放出領域に濃度５×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型の不純物を添加する工程を備える。
【００２２】
（２）シリコン材料からなる電界放出冷陰極と、該電界放出冷陰極に電気的に接続される陰極母線と、前記電界放出冷陰極から離間して配設されるゲート電極とを有する冷陰極装置において、前記電界放出冷陰極の電子放出領域に、ｎ型不純物が５×１０²⁰／ｃｍ³以上添加される層が形成されている。
【００２３】
前述した（１）もしくは（２）の手段によれば、前記電界放出冷陰極の電子放出領域にｎ型の不純物を添加する工程によって、下記の原理の項に示すように、仕事関数φを低減できることとなり、その結果として、シリコンで形成した冷陰極からの電子放出効率を向上させることができる。従って、冷陰極から放出される電子の放出開始電圧を低減することができる。
【００２４】
特に、ｎ型不純物の濃度が５×１０²⁰／ｃｍ³以上とすることによって、ｎ型不純物を添加した領域では、シリコンの通常のΓ−Ｘラインの伝導帯端より０．２ｅＶ上方のＸ−Ｕラインにフェルミ準位を入れることができるので、仕事関数φを低減できることとなり、シリコンで冷陰極を構成した場合でも冷陰極からの電子放出効率を向上させることができることとなる。
【００２５】
（原理）
図１はｎ型不純物の高濃度領域を形成する方法を説明するための図であり、以下、図１に基づいて、その手順を説明する。
【００２６】
ＣｈｅｌｉｋｏｗｓｋｉとＣｏｈｅｎとの計算によると、シリコンにおける重い有効質量の谷は、通常のΓ−Ｘラインの伝導帯端より０．２ｅＶ上方のＸ−Ｕラインに存在する。フェルミ準位がこの新しい谷に入るためのｎ型不純物濃度は、５×１０²⁰／ｃｍ³以上とされている。従って、シリコンにｎ型不純物をこの濃度以上に添加することによって、仕事関数φを低減できることとなり、その結果として、シリコンで形成した冷陰極からの電子放出効率を向上させることができることとなる。
【００２７】
まず、図１の（ａ）に示すように、イオンビーム１０２によりシリコン結晶基板１０１の表面層に、図示しないｎ型不純物であるリン（Ｐ）あるいはヒ素（Ａｓ）原子を高濃度に注入することによって、ｎ型不純物の注入層（基板表面層）１０３を形成する。このときのｎ型不純物の注入層１０３における不純物濃度分布は、図１の（ａ）の不純物濃度分布曲線１０４に示すように、ｎ型不純物の注入面側からのガウス分布型となる。ただし、ｎ型不純物濃度のピーク値すなわちピーク原子濃度は、後述するように、２×１０²¹／ｃｍ³以上とすることが望ましい。
【００２８】
このｎ型不純物の注入すなわち高濃度イオン注入によって、ｎ型不純物の注入層１０３では結晶が大きく破壊されることとなる。従って、図１の（ｂ）に示すように、ｎ型不純物の注入層１０３に対して、パルスレーザー光１０５を照射することによって、ｎ型不純物の注入層１０３を融解させる。このときのパルスレーザー光１０５の照射条件は、ｎ型不純物の注入層１０３の融解が瞬時になされ、溶融された層（以下、「溶融層」と記す）１０６が出現するように設定される必要があることはいうまでもない。なお、このパルスレーザー光１０５の照射条件については後述する。
【００２９】
次に、パルスレーザー光１０５の照射条件を変化させることによって、図１の（ｃ）に示すように、シリコン結晶基板１０１の深部すなわちｎ型不純物の注入層１０３が溶融された溶融層１０６の深部を結晶種とした当該ｎ型不純物の注入層１０３の高速固化を行う。このとき、例えば１〜１０ｍ／ｓの固化速度で高速固化を行うことにより、溶融層１０６はその深部から高速固化していき、この固化した領域である固化領域１０７が矢印１０８で示す方向すなわちシリコン結晶基板１０１の表面側へと拡がっていく。
【００３０】
このとき、図１の（ｄ）に示すように、不純物原子は熱平衡固溶限を越えて半導体結晶表面層であるｎ型不純物の固溶層１０９に固溶されることとなる。結晶に固溶される不純物濃度Ｃｍａｘは、下記の式（３）で近似できることが知られている。
【００３１】
【数３】
Ｃｍａｘ＝ｋＣ^eu ・・・（３）
ただし、ｋは注入した不純物の固液界面での偏析係数、Ｃ^euは共晶点融液における不純物濃度を示す。
【００３２】
ここで、シリコン結晶基板１０１にリンを注入した場合の偏析係数ｋ（Ｐ）及び不純物濃度Ｃ^eu（Ｐ）は、それぞれｋ（Ｐ）＝０．３５，Ｃ^eu（Ｐ）＝１．７×１０²²／ｃｍ³となり、ヒ素を注した場合の偏析係数ｋ（Ａｓ）及び不純物濃度Ｃ^eu（Ａｓ）は、それぞれｋ（Ａｓ）＝０．３，Ｃ^eu（Ａｓ）＝２×１０²²／ｃｍ³となる。従って、結晶に固溶される不純物濃度Ｃｍａｘは、リンを注入した場合でＣｍａｘ（Ｐ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、ヒ素を注入した場合でＣｍａｘ（Ａｓ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、リン及びヒ素の何れの不純物原子とも固溶濃度Ｃ＞５×１０²⁰／ｃｍ³を得ることは可能である。
【００３３】
ただし、ｎ型不純物を注入した注入層１０３を融解して融液状態にした場合には、不純物の拡散速度は固定の場合に比較して大きく増大し、図１の（ｄ）の不純物濃度分布曲線１１０に示すように、ガウス分布の上部が平坦となるように不純物の拡散が起こることとなる。従って、図１の（ａ）の不純物濃度分布曲線１０４から明らかなように、イオン注入時の不純物濃度のピーク値すなわちピーク原子濃度は、少なくとも１×１０²¹／ｃｍ³程度以上が必要であり、理想的には前述する２×１０²¹／ｃｍ³以上が望ましい。
【００３４】
また、１〜１０ｍ／ｓの高速固化を実現するためのパルスレーザの照射条件は、例えばレーザー波長が４８８．０ｎｍ（ナノメータ）〜５１４．５ｎｍであり、パルス幅が数十ｎｓｅｃ（ナノ秒）であり、照射エネルギーが１Ｊ／ｃｍ²（ジュール／ｃｍ²）である。なお、ｎ型不純物の注入層１０３を融解させる方法は、パルスレーザー光１０５の照射に限定されるものではなく、電子ビームもしくはＸ線ビームあるいはイオンビーム等のその他のエネルギービームを用いて、１〜１０ｍ／ｓの高速固化を実現してもよいことはいうまでもない。
【００３５】
以上説明したように、本願発明では、イオン注入を行うイオンビーム１０２あるいはパルスレーザー光１０５の照射位置を走査し、シリコン結晶基板１０１の表面上の選択された領域のみにｎ型不純物の固溶領域（固溶層１０９）を形成することによって、電子放出領域を空間的に任意に選択できる冷陰極装置を形成することが可能となる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、発明の実施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３８】
（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１のゲート電極付き冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。以下、図２に基づいて、実施の形態１のゲート電極付き冷陰極装置の作製方法を説明する。なお、陰極孔２０７を形成するまでの工程は、従来のゲート電極付き冷陰極装置と同様の手順となるので、以下の説明では、本願発明である多結晶シリコン層２０３にｎ型不純物高濃度固溶層２１１を形成する手順について、詳細に説明する。
【００３９】
図２において、２０１はガラス基板、２０２は陰極母線、２０３は多結晶シリコン層、２０４は堆積原料、２０５はゲート絶縁膜、２０６はゲート電極母線、２０７は陰極孔、２０８はイオンビーム、２０９はｎ型不純物高濃度注入層、２１０はパルスレーザー光、２１１はｎ型不純物高濃度固溶層を示す。
【００４０】
まず、図２の（ａ）に示すように、原料基板となるガラス基板２０１に陰極母線２０２となる感光性ペーストを堆積した後に、周知のリソグラフィー法などにより列方向のラインに加工する。特に実施の形態１では、陰極母線２０２は、図２の（ａ）に示すように、ガラス基板２０１の上面に形成され、３本の陰極母線２０２がそれぞれ独立されている。なお、陰極母線２０２は、３本に限定されるものではなく、１本以上ならばよいことはいうまでもない。
【００４１】
次に、周知の化学的気相堆積法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、堆積原料２０４を堆積する。この堆積原料２０４の堆積によって形成された多結晶シリコン層２０３は、後述するように、ｎ型不純物の注入がなされることとなる。
【００４２】
次に、図２の（ｃ）に示すように、酸化シリコン等を堆積し、この酸化シリコンを絶縁層（ゲート絶縁膜）２０５とする。この後に、陰極母線２０２となる感光性ペーストと同様にして、ゲート絶縁膜２０５の上面に感光性ペーストを堆積した後に、列ラインと直交する行方向のラインであるゲート電極母線２０６を作製する。従って、各陰極母線２０２と各ゲート電極母線２０６とは、多結晶シリコン層２０３とゲート絶縁膜２０５とにより離間された構造となる。また、多結晶シリコン層２０３と各ゲート電極母線２０６とは、ゲート絶縁膜２０５により離間された構造となる。なお、陰極母線２０２とゲート電極母線２０６とが交差するときの角度は、直角に限定されるものではないことはいうまでもない。
【００４３】
次に、図２の（ｄ）に示すように、前述までの工程によって作製した基板に対して、リソグラフィー法などにより、冷陰極の形成領域としての陰極孔２０７を多結晶シリコン層２０３が露出する深さまで形成する。このときの陰極孔２０７は、例えば、多結晶シリコン層２０３とゲート絶縁膜２０５とを介して陰極母線２０２とゲート電極母線２０６とが交差する領域に形成される構造となっている。
【００４４】
次に、図２の（ｅ）に示すように、前述までの工程で作製された基板に対して、前述した原理の項に示すｎ型不純物の注入層１０３を形成するために、原理の項に示す条件すなわちイオン注入時での不純物濃度のピーク値すなわちピーク原子濃度が少なくとも１×１０²¹／ｃｍ³程度以上、理想的には２×１０²¹／ｃｍ³以上となるように、リンあるいはヒ素を高濃度にイオン注入する。ただし、この工程では、ｎ型不純物となるリンあるいはヒ素のイオンを加速したイオンビーム２０８を、前述までの工程で作製された基板の前面側から照射することによってリンあるいはヒ素をイオン打ち込みする。このイオン打ち込みによって、陰極孔２０７の形成によって露出された多結晶シリコン層２０３にｎ型不純物の注入層１０３（イオン打ち込み層となるｎ型不純物高濃度注入層２０９を形成する。なお、このイオン打ち込み時には、ゲート電極母線２０６の前面すなわちイオンビーム２０８が照射される側に、例えば周知のフォトレジスト等をマスク材料としたレジストマスクを形成しておくことによって、イオン打ち込みによるゲート電極母線２０６への影響を防止することはいうまでもない。
【００４５】
次に、図２の（ｆ）に示すように、前述までの工程で作製されたｎ型不純物高濃度注入層２０９における欠陥の除去及びキャリアの回復並びにキャリアの再分布を行うために、パルスレーザー光２１０を照射する。この後に、このパルスレーザー光２１０の照射条件を変化させることによって、多結晶シリコン層２０３の深部すなわちｎ型不純物高濃度注入層２０９が溶融された図示しない溶融層の深部を結晶種とした高速固化を行い、ｎ型不純物高濃度固溶層２１１を形成する。ただし、この工程では、前述した原理の項に示すように、基板の前面側すなわち陰極孔２０７の開口側から照射されるパルスレーザー光２１０の照射条件は、ｎ型不純物高濃度注入層２０９の融解が瞬時になされ、図示しない溶融層１０６が出現するように設定される。図示しない溶融層１０６が出現した後のパルスレーザー光２１０の照射条件の変化は、例えば１〜１０ｍ／ｓの固化速度で溶融層１０６の高速固化を行わせるために、レーザー波長が４８８．０ｎｍ（ナノメータ）〜５１４．５ｎｍ、パルス幅が数十ｎｓｅｃ（ナノ秒）、照射エネルギーが１Ｊ／ｃｍ²（ジュール／ｃｍ²）とする。
【００４６】
その結果、ｎ型不純物高濃度固溶層２１１での不純物濃度Ｃｍａｘは、リンを注入した場合ではＣｍａｘ（Ｐ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、また、ヒ素を注入した場合ではＣｍａｘ（Ａｓ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、リン及びヒ素の何れの不純物原子が注入されている場合であっても、固溶濃度Ｃ＞５×１０²⁰／ｃｍ³となる。
【００４７】
従って、陰極孔２０７に露出することとなるシリコン表面層の仕事関数φが向上することとなるので、冷陰極の電子放出効率が向上する。また、冷陰極から放出される電子の放出開始電圧を低減することができる。
【００４８】
なお、実施の形態１の冷陰極装置では、冷陰極となるｎ型不純物高濃度固溶層２１１の前面形状は平坦としたが、これに限定されることはなく、イオン照射等によってｎ型不純物高濃度固溶層２１１の前面に凹凸を形成することによって、電界集中ファクターを大きくすることが可能となる。その結果、さらに冷陰極の電子放出効率を向上させることができると共に、冷陰極すなわちｎ型不純物高濃度固溶層２１１の前面から放出される電子の放出開始電圧をさらに低減することができる。
【００４９】
一方、実施の形態１の冷陰極装置を真空気密容器内に配置すると共に、この真空気密容器内で冷陰極装置と対向する位置にアノードとなる電極を配置し、このアノード電極の冷陰極装置側に周知の蛍光体を配置することによって、文字やグラフィックス等を表示する蛍光発光型の表示装置を形成する。この場合、陰極母線２０２及びゲート電極母線２０６並びにアノード電極間に所定電圧の駆動信号を供給することによって、冷陰極装置の冷陰極から放出された電子により蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じた文字やグラフィックス等の発光表示あるいは発光素子としての発光表示を行うことができる。
【００５０】
このとき、実施の形態１の冷陰極装置を用いた蛍光発光型の表示装置では、陰極孔２０７に露出することとなるシリコン表面層の仕事関数φが向上し、冷陰極からの電子放出効率が大幅に向上しているので、低電圧駆動で高輝度の発光表示を得ることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２のスピント型冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。以下、図３に基づいて、実施の形態２のシリコンスピント型冷陰極装置の作製方法を説明する。なお、図３の（ａ）に示す先端が尖鋭なコーン形状のシリコン冷陰極を形成するまでの工程は、従来のシリコンスピント型冷陰極装置と同様の工程となるので、以下の説明では、本願発明であるシリコンの冷陰極にｎ型不純物の固溶層１０９を形成する手順について、詳細に説明する。
【００５２】
図３において、３０１はシリコン基板、３０２はゲート絶縁膜、３０３はゲート電極、３０４はイオンビーム、３０５はイオン注入層、３０６はパルスレーザー光、３０７は再結晶化層を示す。
【００５３】
まず、原料基板としてシリコン基板３０１の前面にゲート絶縁膜３０２とゲート電極３０３とを形成した後に、この基板の前面すなわちゲート電極３０３が形成される上面からコーン形状の先端が突出したシリコン冷陰極を形成することによって、図３の（ａ）に示すスピント型冷陰極装置を形成する。
【００５４】
次に、図３の（ｂ）に示すように、リンやヒ素等のｎ型不純物のイオンビーム３０４を基板の前面側に照射することによって、尖鋭なコーン形状のシリコン冷陰極の先端部分、すなわち少なくともゲート絶縁膜３０２及びゲート電極３０３とから突出している部分に、リンあるいはヒ素を高濃度にイオン注入する。このイオン注入では、原理の項に示す条件すなわちイオン注入時での不純物濃度のピーク値すなわちピーク原子濃度が少なくとも１×１０²¹／ｃｍ³程度以上、理想的には２×１０²¹／ｃｍ³以上となるように、リンあるいはヒ素をイオン注入することによって、前述した原理の項に示すｎ型不純物の注入層１０３に相当するイオン注入層３０５を形成する。
【００５５】
次に、図３の（ｃ）に示すように、イオン注入層３０５における欠陥の除去及びキャリアの回復並びにキャリアの再分布を行うために、パルスレーザー光３０６を照射する。この後に、このパルスレーザー光３０６の照射条件を変化させることによって、イオン注入層３０５の深部すなわちイオン注入層３０５が溶融された図示しない溶融層の深部を結晶種とした高速固化を行い、再結晶化層３０７を形成する。ただし、この工程における基板の前面側から照射されるパルスレーザー光３０６の照射条件は、前述した原理の項に示すように、イオン注入層３０５の融解が瞬時になされ、図示しない溶融層１０６が出現するように設定される。この溶融層１０６が出現した後のパルスレーザー光３０６の照射条件の変化は、例えば１〜１０ｍ／ｓの固化速度で溶融層１０６の高速固化を行わせるために、レーザー波長が４８８．０ｎｍ（ナノメータ）〜５１４．５ｎｍ、パルス幅が数十ｎｓｅｃ（ナノ秒）、照射エネルギーが１Ｊ／ｃｍ²（ジュール／ｃｍ²）とする。
【００５６】
その結果、再結晶化層３０７での不純物濃度Ｃｍａｘは、リンを注入した場合ではＣｍａｘ（Ｐ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、また、ヒ素を注入した場合ではＣｍａｘ（Ａｓ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、リン及びヒ素の何れかの不純物原子が注入されている場合であっても、固溶濃度Ｃ＞５×１０²⁰／ｃｍ³となる。
【００５７】
なお、実施の形態２のスピント型冷陰極装置では、尖鋭なコーン形状のシリコン冷陰極の先端部分、すなわち少なくともゲート絶縁膜３０２及びゲート電極３０３とから突出している部分の全ての領域に、リン及びヒ素の何れかの不純物原子を注入する構成としたが、これに限定されることはなく、例えば尖鋭なコーン形状のシリコン冷陰極の先端部分の表面にのみリン及びヒ素の何れかの不純物原子を注入する構成としてもよいことはいうまでもない。
【００５８】
以上説明したように、実施の形態２のスピント型冷陰極装置では、スピント型のシリコン冷陰極の表面層すなわち少なくともゲート電極３０３に取り囲まれ電子放出領域となる部分に、ｎ型不純物を注入した層である再結晶化層３０７を形成する構成となっているので、シリコン冷陰極の仕事関数φが向上し、このシリコン冷陰極からの電子放出効率を大幅に向上できる。その結果、実施の形態１と同様に、実施の形態２のスピント型冷陰極装置を用いて蛍光発光型の表示装置を形成した場合、電子放出源となるシリコン冷陰極からの電子放出効率を大幅に向上できるので、低電圧駆動で高輝度の発光表示を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３の選択的な電子放出領域を有する冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。以下、図４に基づいて、実施の形態３の選択的な電子放出領域を有する冷陰極装置の作製方法を説明する。
【００６０】
図４において、４０１はシリコン基板、４０２はイオンビーム、４０３はｎ型不純物の高濃度イオン注入層、４０４はパルスレーザー光、４０５はｎ型不純物の高濃度固溶層、４０６は電界放出電子を示す。
【００６１】
まず、図４の（ａ）に示すように、原料基板としてシリコン基板３０１の前面から、リンやヒ素等のｎ型不純物のイオンビーム４０２を照射することによって、
シリコン基板４０１の表面層にｎ型不純物であるリンあるいはヒ素原子が高濃度に注入されたｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３を形成する。このイオン注入では、原理の項に示す条件すなわちイオン注入時での不純物濃度のピーク値すなわちピーク原子濃度が少なくとも１×１０²¹／ｃｍ³程度以上、理想的には２×１０²¹／ｃｍ³以上となるように、リンあるいはヒ素をイオン注入することによって、前述した原理の項に示すｎ型不純物の注入層１０３に相当するｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３を形成する。
【００６２】
次に、図４の（ｂ）に示すように、ｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３における欠陥の除去及びキャリアの回復並びにキャリアの再分布を行うために、パルスレーザー光４０４を照射する。このとき、実施の形態３では、ビーム径を絞ったパルスレーザー光４０４を使用すると共に、パルスレーザー光４０４の照射位置を基板表面上で走査することによって、ｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を任意の位置に形成する。ただし、基板の前面側から照射されるパルスレーザー光４０４の照射条件は、前述した原理の項に示すように、ｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３の融解が瞬時になされ、図示しない溶融層１０６が出現するように設定される。この溶融層１０６が出現した後のパルスレーザー光４０４の照射条件の変化は、例えば１〜１０ｍ／ｓの固化速度で溶融層１０６の高速固化を行わせるために、レーザー波長が４８８．０ｎｍ（ナノメータ）〜５１４．５ｎｍ、パルス幅が数十ｎｓｅｃ（ナノ秒）、照射エネルギーが１Ｊ／ｃｍ²（ジュール／ｃｍ²）とする。
【００６３】
すなわち、実施の形態３の製造装置では、所望のｎ型不純物の高濃度固溶層４０５よりもレーザービーム径が絞られると共に、出射されるパルスレーザー光４０４の照射位置を任意に制御する走査機構を有する図示しない周知のレーザー装置を備えるものである。従って、実施の形態３では、ｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３に照射するパルスレーザー光４０４の位置すなわちパルスレーザー光４０４の走査位置を制御することによって、シリコン基板４０１の前面領域に形成されるｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３の内で予め設定された領域のｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３を融解させる。このときのパルスレーザー光１０５の照射条件は、照射領域内のｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３の融解が瞬時になされ、図示しない溶融層１０６が出現するように設定されると共に、予め設定された領域の全てにパルスレーザー光４０４が照射されるようにする。
【００６４】
次に、パルスレーザー光４０４の照射条件を変化させることによって、ｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３の深部すなわちｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３が溶融された図示しない溶融層の深部を結晶種とした高速固化を行い、ｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を形成する。ただし、パルスレーザー光４０４の照射によるｎ型不純物の高濃度固溶層４０５の形成は、１回のパルスレーザー光４０４の照射により全てのｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を一度に形成する方式に限定されることはなく、例えば予め設定された複数領域を順番にあるいは所定数領域ずつ順番に形成してもよいことはいうまでもない。さらには、イオンビーム４０２のビーム径を絞ることによって、所定領域の少なくとも一の領域にｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３を形成し、この形成されたｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３にパルスレーザー光４０４を照射してｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を形成する過程を繰り返すことによって、所望の全てのｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を形成してもよいことはいうまでもない。
【００６５】
以上に説明した手順によって、シリコン基板４０１にｎ型不純物の高濃度固溶層４０５を形成することによって、ｎ型不純物の高濃度固溶層４０５での不純物濃度Ｃｍａｘは、リンを注入した場合ではＣｍａｘ（Ｐ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となる。また、ヒ素を注入した場合ではＣｍａｘ（Ａｓ）＝６×１０²¹／ｃｍ³となり、リン及びヒ素の何れの不純物原子が注入されている場合であっても、固溶濃度Ｃ＞５×１０²⁰／ｃｍ³となる。
【００６６】
従って、ｎ型不純物の高濃度固溶層４０５ではｎ型不純物の高濃度イオン注入層４０３よりもシリコン仕事関数φが向上し冷陰極としての電子放出効率が向上することとなるので、実施の形態３の冷陰極装置を使用した場合、図４の（ｃ）に示すように、ｎ型不純物の高濃度固溶層４０５からのみ電界放出電子が放出されることとなる。
【００６７】
このとき、実施の形態１と同様に、実施の形態３の冷陰極装置を用いて蛍光発光型の表示装置を形成した場合、電界放出電子４０６の放出源となる冷陰極からの電子放出効率を大幅に向上できるので、低電圧駆動で高輝度の発光表示を得ることができる。
【００６８】
また、実施の形態３の冷陰極装置では、冷陰極となるｎ型不純物の高濃度固溶層４０５の前面形状は平坦としたが、これに限定されることはなく、イオン照射等によってｎ型不純物の高濃度固溶層４０５の前面に凹凸を形成することによって電界集中ファクターを大きくすることが可能となる。その結果、さらに冷陰極の電子放出効率を向上させることができると共に、冷陰極すなわちｎ型不純物の高濃度固溶層４０５の前面から放出される電界放出電子４０６の放出開始電圧をさらに低減することができる。
【００６９】
なお、実施の形態１〜３では、冷陰極装置を蛍光発光型の表示装置に使用した場合についてのみ説明したが、本発明の冷陰極装置の適用範囲は表示装置に限定されることはなく、例えば光導電膜と組み合わせた撮像素子や高周波素子、磁気センサー等に適用できることはいうまでもない。この場合にも、冷陰極からの電子放出効率を向上させることができるので、撮像素子に適用した場合には撮像感度を向上でき、高周波素子に適用した場合には周波数特性が改善でき、磁気センサーに適用した場合には検出感度及び精度を向上させることができる。
【００７０】
また、実施の形態１〜３では、シリコン基板へのｎ型不純物の注入をイオン注入法によって行う構成としたが、これに限定されることはなく、例えば蒸着法等によってシリコン基板の表面にｎ型不純物を堆積しておき、この堆積層にパルスレーザー光や電子ビーム、Ｘ線ビーム、イオンビーム等を照射する構成としてもよいことはいうまでもない。
【００７１】
さらには、シリコン基板を保持する図示しない周知の基板ホルダに周知の加熱機構や冷却機構を設け、パルスレーザー光による加熱と共に補助的に基板を加熱あるいは冷却する構成としてもよい。ただし、シリコン基板の一部もしくは全体を加熱あるいは冷却する場合と、１枚のシリコン基板を所定の領域に分け領域毎に加熱と冷却とを変えてもよい。
【００７２】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００７３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００７４】
（１）冷陰極の仕事関数φを向上させることができるので、冷陰極からの電子放出効率を向上させることができる。
【００７５】
（２）冷陰極の仕事関数φを向上させることができるので、冷陰極から放出される電子の放出開始電圧を低減することができる。
【００７６】
（３）冷陰極の仕事関数φが向上し、冷陰極からの電子放出効率が大幅に向上しているので、蛍光発光型の表示装置に用いた場合には、低電圧駆動で高輝度の発光表示を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のｎ型不純物の高濃度領域を形成する方法を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のゲート電極付き冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態２のスピント型冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態３の選択的な電子放出領域を有する冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１…シリコン結晶基板
１０２，２０８，３０４，４０２…イオンビーム
１０３…ｎ型不純物の注入層
１０４，１１０…不純物濃度分布曲線
１０５，２１０，３０６，４０４…パルスレーザー光
１０６…溶融層 １０７…固化領域
１０９…固溶層 ２０１…ガラス基板
２０２…陰極母線 ２０３…多結晶シリコン層
２０４…堆積原料 ２０５…ゲート絶縁膜
２０６…ゲート電極母線 ２０７…陰極孔
２０９…ｎ型不純物高濃度注入層 ２１１…ｎ型不純物高濃度固溶層
３０１，４０１…シリコン基板 ３０２…ゲート絶縁膜
３０３…ゲート電極 ３０５…イオン注入層
３０７…再結晶化層
４０３…ｎ型不純物の高濃度イオン注入層
４０５…ｎ型不純物の高濃度固溶層
４０６…電界放出電子

Claims (16)

1. 基板に形成された陰極母線及び該陰極母線に電気的に接続されるシリコンからなる電界放出冷陰極を有すると共に、前記電界放出冷陰極から離間して配設されるゲート電極を有する冷陰極装置の作製方法において、
   前記電界放出冷陰極の電子放出領域に濃度５×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上のｎ型の不純物を添加する工程を備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
2. 請求項１に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記ｎ型不純物として、リンもしくはヒ素を添加することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
3. 請求項１又は２に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記電界放出冷陰極の電子放出領域にｎ型の不純物を添加する工程は、前記電界放出冷陰極の電子放出領域にイオン化したｎ型不純物をイオン打ち込みする工程と、該イオン打ち込みにより形成された層の結晶性を回復させる工程とを備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
4. 請求項３に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記イオン打ち込みにより形成された層の結晶性の回復は、パルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームの照射によってなされることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
5. 請求項３又は４に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記イオン打ち込みにより形成された層の結晶性を回復させる工程は、前記イオン打ち込みにより形成された層を融解する工程と、該融解した層を１ｍ／ｓ以上で固化する工程とを備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
6. 請求項４又は５に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記イオン打ち込みにより形成された層の結晶性の回復は、パルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームの照射と共に、前記基板の加熱又は／及び冷却によってなされることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
7. 請求項１又は２に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記電界放出冷陰極の電子放出領域にｎ型の不純物を添加する工程は、ｎ型不純物を前記電界放出冷陰極の電子放出領域に堆積する工程と、該堆積されたｎ型不純物をパルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームの照射によって前記電界放出冷陰極の電子放出領域に拡散させる工程とを備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
8. 請求項３乃至７の内の何れか１項に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   予め選択された領域に対して、前記イオン化したｎ型不純物を打ち込むあるいは前記ｎ型不純物を堆積し、前記基板表面に一様に前記パルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームを照射することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
9. 請求項３乃至７の内の何れか１項に記載の冷陰極装置の作製方法において、
   前記基板表面に一様に前記イオン化したｎ型不純物を打ち込むあるいは前記ｎ型不純物を堆積し、予め選択された領域に対して前記パルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームを照射することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
10. 請求項３乃至７の内の何れか１項に記載の冷陰極装置の作製方法において、
    予め選択された領域に対して、前記イオン化したｎ型不純物を打ち込むあるいは前記ｎ型不純物を堆積し、前記ｎ型不純物が打ち込まれたあるいは堆積された領域に対して前記パルスレーザー光、電子ビーム、Ｘ線ビームあるいはイオンビームを照射することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
11. 請求項１乃至６の内の何れか１項に記載の冷陰極装置の作製方法において、
    前記電界放出冷陰極は先端が尖鋭なコーン形状に形成され、前記電界放出冷陰極の先端の電子放出領域に対してのみ前記ｎ型不純物を添加することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
12. 請求項４乃至１１の内の何れか１項に記載の冷陰極装置の作製方法において、
    前記イオン打ち込みのビーム又は／及び前記イオン打ち込みにより形成された層の結晶性を回復させるためのビーム並びに前記堆積されたｎ型不純物に対するビームの照射位置を走査することにより、前記ビームの照射領域を任意形状に変形させることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
13. 請求項１２に記載の冷陰極装置の作製方法において、
    前記イオン打ち込みのビーム又は／及び前記イオン打ち込みにより形成された層の結晶性を回復させるためのビーム並びに前記堆積されたｎ型不純物に対するビームは、電子線あるいはＸ線ビームであることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
14. シリコン材料からなる電界放出冷陰極と、該電界放出冷陰極に電気的に接続される陰極母線と、前記電界放出冷陰極から離間して配設されるゲート電極とを有する冷陰極装置において、
    前記電界放出冷陰極の電子放出領域に、ｎ型不純物が５×１０²⁰／ｃｍ³以上添加される層が形成されていることを特徴とする冷陰極装置。
15. 請求項１４に記載の冷陰極装置において、
    前記ｎ型不純物層は、リンもしくはヒ素が添加された層によって形成されていることを特徴とする冷陰極装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の冷陰極装置において、
    前記電界放出冷陰極は先端が尖鋭なコーン形状に形成されたスピント型電界放出冷陰極であり、前記電界放出冷陰極の先端の電子放出領域に対してのみ前記ｎ型不純物が添加されていることを特徴とする冷陰極装置。

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