JP4423826B2 - 電界放射型電子源 - 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源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、導電性基板の一表面側に酸化若しくは窒化した多孔質半導体層からなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている（例えば、特許第２９６６８４２号、特許第２９８７１４０号など参照）。なお、導電性基板としては、例えば、抵抗率が導体の導電率に比較的近い半導体基板、金属基板、ガラス基板（絶縁性基板）の一表面に導電性層を形成したものなどが用いられている。
【０００３】
この種の電界放射型電子源は、例えば、図６に示すように導電性基板としての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から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。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。なお、図６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との間に例えばノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層３を介在させてあるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面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。
【０００４】
図６に示す構成の電界放射型電子源から電子を放出させるには、図７に示すように、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、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７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１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００５】
ところで、強電界ドリフト層６は、ノンドープの多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化した後に急速加熱法（急速熱酸化：ＲＴＯ）にて酸化処理を行うことにより形成されているが、陽極酸化処理で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グレインの表面が多孔質化し、残されたグレインの結晶状態が維持されているので、図８に示すように、多数の柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、各グレイン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の間に介在する多数のナノメータサイズ（例えば、１０ｎｍ程度）の微結晶シリコン（半導体微結晶）６３と、各微結晶シリコン６３それぞれの表面に形成され微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さい膜厚のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とを少なくとも含んでいると考えられる。
【０００６】
上述の電界放射型電子源では、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およびオーミック電極２で構成される下部電極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層６へ熱的励起により電子が注入される。一方、強電界ドリフト層６には結晶粒径がナノメータサイズの微結晶シリコン６３が多数存在し、各微結晶シリコン６３の表面には微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜６４が形成されているので、強電界ドリフト層６に印加された電界はほとんど微結晶シリコン６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され強電界ドリフト層６内を表面電極７へ向かってドリフトする（なお、図８中の上向きの矢印は電子ｅ-のドリフト方向を示す）。ここに、微結晶シリコン６３の結晶粒径は電子の平均自由行程（シリコン中の電子の平均自由行程は５０ｎｍ程度といわれている）よりも十分に小さいので、電子は微結晶シリコン６３にほとんど衝突することなく強電界ドリフト層６の表面に到達する。要するに、強電界ドリフト層６に注入された電子は、衝突による散乱を起こすことなく、微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されて、次の微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４に突入するという現象を繰り返してエネルギが増大していく。したがって、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、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【０００７】
上述の構成を有する電界放射型電子源では、表面電極７と下部電極（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７参照）、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、上述の電界放射型電子源では、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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の説明から分かるように上記従来構成の電界放射型電子源の表面電極７を通して放出された電子は、理論上は直流電圧Ｖpsから表面電極７の仕事関数を引いた分のエネルギを持つことになる。しかしながら、実際には、電子は強電界ドリフト層６内をドリフトする途中で散乱を受けるので、上述の電界放射型電子源から放出された電子のエネルギ分布を測定するとブロードな分布を持っており、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの電子銃における電子源として応用するのが難しいという不具合があった。すなわち、上述の電界放射型電子源では、放出される電子のエネルギ分布の広がりが比較的大きいので、電子をレンズで絞った場合の収差が大きくなり、高分解能な観察ができないという問題が考えられる。
【０００９】
また、上述の電界放射型電子源をディスプレイの電子源として応用した場合、電子源の発熱による温度上昇に起因して電子放出量が変動し、画面の輝度が変化してしまうという不具合があった。
【００１０】
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、放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することにある。
【００１１】
【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、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部とを備え、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成され、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子が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子源素子と、当該電子源素子を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするものであり、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成された電子源素子を冷却することができるので、電界放射型の電子源素子の動作時の温度上昇を抑制することができるとともに、微結晶シリコンを構成しているシリコン原子の格子振動が小さくなってドリフト部での電子の散乱確率が減少し、電子源素子の放出電子のエネルギ分布の広がりを小さくすることができる。
【００１２】
また、請求項１の発明では、電子源素子は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト部とを備え、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子がドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出されるものであり、電子源素子から放出される電子線の放出方向が表面電極の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、ペルチェ素子よりなるので、ペルチェ素子に流す電流値を制御することで冷却温度を調節することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、電子源素子とペルチェ素子とを同一基板に形成してあるので、電子源素子を効率的に冷却することが可能になる。なお、ペルチェ素子の材料としては熱電半導体材料を採用すればよい。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、低温の冷媒を電子源素子と熱的に結合させるので、電子源素子を容易に冷却することができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、冷媒が循環する冷媒配管を備えた冷凍機よりなるので、冷却温度を調節することが可能になる。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、電子源素子に熱的に結合し前記溶媒を溜める容器を備えているので、容器に冷媒を充填するだけで電子源素子を冷却することができる。なお、冷媒としては、例えば、液体窒素や液体ヘリウムなどを用いることができる。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜３、５のいずれかの発明において、電子源素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段とを備えるので、温度上昇による電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の電界放射型電子源は、図１に示すように、導電性基板であるｎ形シリコン基板１の主表面側に電界放射型の電子源素子１０ａとペルチェ素子３０とが形成されている。ここに、ペルチェ素子３０は、電子源素子１０ａの近傍に配設されている。また、ペルチェ素子３０は、ｎ形シリコン基板１の主表面上に形成されたシリコン酸化膜よりなる絶縁膜１３上に形成されている。なお、本実施形態では、ペルチェ素子３０が、電子源素子１０ａを冷却する冷却手段を構成している。
【００２０】
電子源素子１０ａは、ｎ形シリコン基板１と、ｎ形シリコン基板１の主表面上に形成されたノンドープの多結晶シリコン層よりなる半導体層３と、半導体層３上に形成された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と、強電界ドリフト層６上に形成された表面電極７とで構成されている。また、図示していないが、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極が形成されている。なお、本実施形態では、強電界ドリフト層６がドリフト部を構成し、ｎ形シリコン基板１と上記オーミック電極とで下部電極を構成している。また、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１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【００２１】
すなわち、本実施形態における電子源素子１０ａは、図６に示した従来構成と同様の構成を有しており、表面電極７と下部電極との間に表面電極７を高電位側として直流電圧を印加することによって、電子源素子１０ａから表面電極７を通して電子を放出させることが可能になる。また、強電界ドリフト層６は、上述の図８と同様の構成を有しており、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）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微結晶シリコン６３と、微結晶シリコン６３の表面に形成され微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁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。しかして、強電界ドリフト層６に印加された電界はほとんど微結晶シリコン６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４にかかるから、下部電極から注入された電子はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され強電界ドリフト層６内を表面電極７へ向かってドリフトする。ここに、微結晶シリコン６３の結晶粒径は電子の平均自由行程（シリコン中の電子の平均自由行程は５０ｎｍ程度といわれている）よりも十分に小さいので、電子は微結晶シリコン６３にほとんど衝突することなく強電界ドリフト層６の表面に到達する。要するに、強電界ドリフト層６に注入された電子は、衝突による散乱を起こすことなく、微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されて、次の微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４に突入するという現象を繰り返してエネルギが増大していく。したがって、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、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００２２】
上述の電子源素子１０ａでは、表面電極７を通して放出される電子線の放出方向が表面電極７の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡（例えば、ＳＥＭ、ＴＥＭなど）の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができ、また、ディスプレイの電子源として応用する場合に、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、ディスプレイの薄型化を図れる。また、表面電極７と下部電極との間に印加する電圧を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ので、低消費電力化を図れる。
【００２３】
ペルチェ素子３０は、ｐ形熱電半導体材料（ｐ形のＢｉ2Ｔｅ3）よりなる第１熱電要素３１とｎ形熱電半導体材料（ｎ形のＢｉ2Ｔｅ3）よりなる第２熱電要素３２とが図１の左右方向において離間して交互に配設され、金属材料（例えば、アルミニウム、銅など）からなる電極３３を介して接合されている。すなわち、ペルチェ素子３０は、ｎ形半導体基板１の厚み方向に直交する面内で第１熱電要素３１と第２熱電要素３２とが交互に立設されており、電気的には第１熱電要素３１と第２熱電要素３２とが交互に並んだ形で直列接続されている。
【００２４】
したがって、ペルチェ素子３０へ外部から電圧を印加して電流を流すと（つまり、複数の第１熱電要素３１と複数の第２熱電要素３２との直列回路へ電流を流すと）、ｎ形シリコン基板１の厚み方向においてｎ形シリコン基板１に近い側（図１における下側）の電極３３は吸熱し、ｎ形シリコン基板１から遠い側（図１における上側）の電極３３は発熱するので、ペルチェ素子３０へ電流を流すことで電子源素子１０ａを冷却することができる。
【００２５】
なお、上述の電子源素子１０ａは図６に示した従来構成の電界放射型電子源と同様の製造プロセスで形成することができ、ペルチェ素子３０は、成膜工程（例えば、スパッタによる成膜工程）、フォトリソグラフィ工程、リフトオフ工程、エッチング工程など半導体製造プロセスにおいて一般的な工程を適宜組み合わせることで形成することができる。
【００２６】
ところで、電子源素子１０ａは、室温（３００Ｋ）において図２のイのような電子放出特性を有しており、放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっているが、例えば１００Ｋまで冷却することにより図２のロのようなエネルギ分布の広がりの狭い電子放出特性を有する。なお、図２の横軸は電子エネルギを示し、縦軸は放出電子数を示す。
【００２７】
ここにおいて、３００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっている原因の一つとしては、微結晶シリコン６３を構成しているシリコン原子の格子振動による散乱が考えられる。これに対して、１００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が狭くなっているのは、強電界ドリフト層６が冷却されることによってシリコン原子の格子振動が小さくなって強電界ドリフト層６での電子の散乱確率が減少するためであると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６を冷却することによって、放出電子に関してほぼ理論通りのエネルギ分布特性を得ることができるものと考えられる。
【００２８】
したがって、例えば、図３に示すように、ｎ形シリコン基板１上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１４を介してサーミスタ素子４０を設け、サーミスタ素子４０による検出温度に基づいてペルチェ素子３０へ流す電流の電流値を制御する制御部２０を設ければ、ペルチェ素子３０に流す電流値を制御することで電子源素子１０ａの冷却温度を所望の温度（規定温度範囲内）に調節することができる。ここにおいて、サーミスタ素子４０は、アモルファス半導体薄膜よりなるサーミスタ要素４１に２つの電極４２，４２が設けられており、両電極４２，４２が制御部２０に接続されている。また、サーミスタ素子４０は、電子源素子１０ａの近傍に配設されている。なお、本実施形態では、サーミスタ素子４０が、電子源素子１０ａの温度を検出する温度検出手段を構成し、制御部２０が、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段を構成している。
【００２９】
しかして、本実施形態では、電子源素子１０ａをペルチェ素子３０により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。また、電子源素子１０ａから放出される電子線の放出方向が表面電極７の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができ、ディスプレイの電子源として応用するときに、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、ディスプレイの薄型化を図れる。
【００３０】
また、本実施形態では、電子源素子１０ａとペルチェ素子３０とを同一基板（ｎ形シリコン基板１）に形成してあるので、電子源素子１０ａを効率的に冷却することが可能になる。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態の電界放射型電子源は、図４に示すように、電子源素子１０ａと電子源素子１０ａを冷却する冷却手段である冷凍機７０とを備えている。なお、電子源素子１０ａの構成は実施形態１と同じなので、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
冷凍機７０は、低温の冷媒が循環する冷媒配管７１と、冷媒配管７１の途中に設けられ熱を放出して冷媒の温度を下げる放熱部（熱交換器）７２と、冷媒配管７１の途中に設けられ冷媒を圧縮するコンプレッサ７３とを備えており、冷媒配管７１が電子源素子１０ａの形成されたｎ形シリコン基板１と密着して熱的に結合している。つまり、本実施形態では、冷却手段が、低温の冷媒を電子源素子１０ａと熱的に結合させるので、電子源素子１０ａを容易に冷却することができ、また、冷却温度を調節することができる。
【００３３】
しかして、本実施形態では、実施形態１と同様、電子源素子１０ａを冷却手段により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。
【００３４】
（実施形態３）
本実施形態の電界放射型電子源は、図５に示すように、電子源素子１０ａの他に電子源素子１０ａを冷却する冷却手段として、電子源素子１０ａを冷却するための冷媒を溜める容器５０とを備えている。ここにおいて、容器５０は、冷媒導入口５０ｂから導入された冷媒が冷媒溜まり部５０ａに溜まるようになっており、冷媒溜まり部５０ａが電子源素子１０ａと密着して熱的に結合している。冷媒としては、例えば液体窒素や液体ヘリウムなどを採用すればよい。つまり、本実施形態では、冷却手段が、低温の冷媒を電子源素子１０ａと熱的に結合させるので、電子源素子１０ａを容易に冷却することができる。なお、電子源素子１０ａの構成は実施形態１と同じなので、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
しかして、本実施形態では、実施形態１と同様、電子源素子１０ａを冷却手段により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。
【００３６】
ところで、上記各実施形態では、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形成しているが、強電界ドリフト層６を窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層により形成してもよく、多孔質多結晶シリコン層以外の多孔質半導体層を酸化若しくは窒化若しくは酸窒化して形成してもよい。強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には図８にて説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、強電界ドリフト層６を酸窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部とを備え、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成され、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子が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子源素子と、当該電子源素子を冷却する冷却手段とを備えるものであり、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成された電子源素子を冷却することができるので、電界放射型の電子源素子の動作時の温度上昇を抑制することができるとともに、微結晶シリコンを構成しているシリコン原子の格子振動が小さくなってドリフト部での電子の散乱確率が減少し、電子源素子の放出電子のエネルギ分布の広がりを小さくすることができるという効果がある。
【００３８】
また、請求項１の発明では、電子源素子は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト部とを備え、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子がドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出されるものであり、電子源素子から放出される電子線の放出方向が表面電極の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができるという効果がある。
【００３９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、ペルチェ素子よりなるので、ペルチェ素子に流す電流値を制御することで冷却温度を調節することができるという効果がある。
【００４０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、電子源素子とペルチェ素子とを同一基板に形成してあるので、電子源素子を効率的に冷却することが可能になるという効果がある。なお、ペルチェ素子の材料としては熱電半導体材料を採用すればよい。
【００４１】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、低温の冷媒を電子源素子と熱的に結合させるので、電子源素子を容易に冷却することができるという効果がある。
【００４２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、冷媒が循環する冷媒配管を備えた冷凍機よりなるので、冷却温度を調節することが可能になるという効果がある。
【００４３】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、電子源素子に熱的に結合し前記溶媒を溜める容器を備えているので、容器に冷媒を充填するだけで電子源素子を冷却することができるという効果がある。なお、冷媒としては、例えば、液体窒素や液体ヘリウムなどを用いることができる。
【００４４】
請求項７の発明は、請求項１〜３、５のいずれかの発明において、電子源素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段とを備えるので、温度上昇による電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の概略構成図である。
【図４】実施形態２を示す概略構成図である。
【図５】実施形態３を示す概略構成図である。
【図６】従来例を示す概略断面図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１ ｎ形シリコン基板
３ 半導体層
６ 強電界ドリフト層
７ 表面電極
１０ａ 電子源素子
１３ 絶縁膜
２０ 制御部
３０ ペルチェ素子
３１ 第１熱電要素
３２ 第２熱電要素
３３ 電極
４０サーミスタ素子
５０ 容器
６３ 微結晶シリコン
６４ シリコン酸化膜
７１ 冷媒配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放射により電子源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、導電性基板の一表面側に酸化若しくは窒化した多孔質半導体層からなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている（例えば、特許第２９６６８４２号、特許第２９８７１４０号など参照）。なお、導電性基板としては、例えば、抵抗率が導体の導電率に比較的近い半導体基板、金属基板、ガラス基板（絶縁性基板）の一表面に導電性層を形成したものなどが用いられている。
【０００３】
この種の電界放射型電子源は、例えば、図６に示すように導電性基板としての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から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。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。なお、図６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との間に例えばノンドープの多結晶シリコン層からなる半導体層３を介在させてあるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面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。
【０００４】
図６に示す構成の電界放射型電子源から電子を放出させるには、図７に示すように、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、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７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１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００５】
ところで、強電界ドリフト層６は、ノンドープの多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化した後に急速加熱法（急速熱酸化：ＲＴＯ）にて酸化処理を行うことにより形成されているが、陽極酸化処理で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グレインの表面が多孔質化し、残されたグレインの結晶状態が維持されているので、図８に示すように、多数の柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、各グレイン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の間に介在する多数のナノメータサイズ（例えば、１０ｎｍ程度）の微結晶シリコン（半導体微結晶）６３と、各微結晶シリコン６３それぞれの表面に形成され微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さい膜厚のシリコン酸化膜（絶縁膜）６４とを少なくとも含んでいると考えられる。
【０００６】
上述の電界放射型電子源では、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およびオーミック電極２で構成される下部電極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層６へ熱的励起により電子が注入される。一方、強電界ドリフト層６には結晶粒径がナノメータサイズの微結晶シリコン６３が多数存在し、各微結晶シリコン６３の表面には微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜６４が形成されているので、強電界ドリフト層６に印加された電界はほとんど微結晶シリコン６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され強電界ドリフト層６内を表面電極７へ向かってドリフトする（なお、図８中の上向きの矢印は電子ｅ-のドリフト方向を示す）。ここに、微結晶シリコン６３の結晶粒径は電子の平均自由行程（シリコン中の電子の平均自由行程は５０ｎｍ程度といわれている）よりも十分に小さいので、電子は微結晶シリコン６３にほとんど衝突することなく強電界ドリフト層６の表面に到達する。要するに、強電界ドリフト層６に注入された電子は、衝突による散乱を起こすことなく、微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されて、次の微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４に突入するという現象を繰り返してエネルギが増大していく。したがって、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、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【０００７】
上述の構成を有する電界放射型電子源では、表面電極７と下部電極（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７参照）、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、上述の電界放射型電子源では、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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の説明から分かるように上記従来構成の電界放射型電子源の表面電極７を通して放出された電子は、理論上は直流電圧Ｖpsから表面電極７の仕事関数を引いた分のエネルギを持つことになる。しかしながら、実際には、電子は強電界ドリフト層６内をドリフトする途中で散乱を受けるので、上述の電界放射型電子源から放出された電子のエネルギ分布を測定するとブロードな分布を持っており、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの電子銃における電子源として応用するのが難しいという不具合があった。すなわち、上述の電界放射型電子源では、放出される電子のエネルギ分布の広がりが比較的大きいので、電子をレンズで絞った場合の収差が大きくなり、高分解能な観察ができないという問題が考えられる。
【０００９】
また、上述の電界放射型電子源をディスプレイの電子源として応用した場合、電子源の発熱による温度上昇に起因して電子放出量が変動し、画面の輝度が変化してしまうという不具合があった。
【００１０】
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、放出電子のエネルギ分布の広がりが小さな電界放射型電子源を提供することにある。
【００１１】
【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、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部とを備え、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成され、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子が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子源素子と、当該電子源素子を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするものであり、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成された電子源素子を冷却することができるので、電界放射型の電子源素子の動作時の温度上昇を抑制することができるとともに、微結晶シリコンを構成しているシリコン原子の格子振動が小さくなってドリフト部での電子の散乱確率が減少し、電子源素子の放出電子のエネルギ分布の広がりを小さくすることができる。
【００１２】
また、請求項１の発明では、電子源素子は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト部とを備え、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子がドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出されるものであり、電子源素子から放出される電子線の放出方向が表面電極の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、ペルチェ素子よりなるので、ペルチェ素子に流す電流値を制御することで冷却温度を調節することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、電子源素子とペルチェ素子とを同一基板に形成してあるので、電子源素子を効率的に冷却することが可能になる。なお、ペルチェ素子の材料としては熱電半導体材料を採用すればよい。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、低温の冷媒を電子源素子と熱的に結合させるので、電子源素子を容易に冷却することができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、冷媒が循環する冷媒配管を備えた冷凍機よりなるので、冷却温度を調節することが可能になる。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、電子源素子に熱的に結合し前記溶媒を溜める容器を備えているので、容器に冷媒を充填するだけで電子源素子を冷却することができる。なお、冷媒としては、例えば、液体窒素や液体ヘリウムなどを用いることができる。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜３、５のいずれかの発明において、電子源素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段とを備えるので、温度上昇による電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の電界放射型電子源は、図１に示すように、導電性基板であるｎ形シリコン基板１の主表面側に電界放射型の電子源素子１０ａとペルチェ素子３０とが形成されている。ここに、ペルチェ素子３０は、電子源素子１０ａの近傍に配設されている。また、ペルチェ素子３０は、ｎ形シリコン基板１の主表面上に形成されたシリコン酸化膜よりなる絶縁膜１３上に形成されている。なお、本実施形態では、ペルチェ素子３０が、電子源素子１０ａを冷却する冷却手段を構成している。
【００２０】
電子源素子１０ａは、ｎ形シリコン基板１と、ｎ形シリコン基板１の主表面上に形成されたノンドープの多結晶シリコン層よりなる半導体層３と、半導体層３上に形成された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と、強電界ドリフト層６上に形成された表面電極７とで構成されている。また、図示していないが、ｎ形シリコン基板１の裏面にはオーミック電極が形成されている。なお、本実施形態では、強電界ドリフト層６がドリフト部を構成し、ｎ形シリコン基板１と上記オーミック電極とで下部電極を構成している。また、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１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【００２１】
すなわち、本実施形態における電子源素子１０ａは、図６に示した従来構成と同様の構成を有しており、表面電極７と下部電極との間に表面電極７を高電位側として直流電圧を印加することによって、電子源素子１０ａから表面電極７を通して電子を放出させることが可能になる。また、強電界ドリフト層６は、上述の図８と同様の構成を有しており、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）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微結晶シリコン６３と、微結晶シリコン６３の表面に形成され微結晶シリコン６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁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。しかして、強電界ドリフト層６に印加された電界はほとんど微結晶シリコン６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４にかかるから、下部電極から注入された電子はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され強電界ドリフト層６内を表面電極７へ向かってドリフトする。ここに、微結晶シリコン６３の結晶粒径は電子の平均自由行程（シリコン中の電子の平均自由行程は５０ｎｍ程度といわれている）よりも十分に小さいので、電子は微結晶シリコン６３にほとんど衝突することなく強電界ドリフト層６の表面に到達する。要するに、強電界ドリフト層６に注入された電子は、衝突による散乱を起こすことなく、微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されて、次の微結晶シリコン６３の表面のシリコン酸化膜６４に突入するという現象を繰り返してエネルギが増大していく。したがって、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、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。
【００２２】
上述の電子源素子１０ａでは、表面電極７を通して放出される電子線の放出方向が表面電極７の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡（例えば、ＳＥＭ、ＴＥＭなど）の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができ、また、ディスプレイの電子源として応用する場合に、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、ディスプレイの薄型化を図れる。また、表面電極７と下部電極との間に印加する電圧を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ので、低消費電力化を図れる。
【００２３】
ペルチェ素子３０は、ｐ形熱電半導体材料（ｐ形のＢｉ2Ｔｅ3）よりなる第１熱電要素３１とｎ形熱電半導体材料（ｎ形のＢｉ2Ｔｅ3）よりなる第２熱電要素３２とが図１の左右方向において離間して交互に配設され、金属材料（例えば、アルミニウム、銅など）からなる電極３３を介して接合されている。すなわち、ペルチェ素子３０は、ｎ形半導体基板１の厚み方向に直交する面内で第１熱電要素３１と第２熱電要素３２とが交互に立設されており、電気的には第１熱電要素３１と第２熱電要素３２とが交互に並んだ形で直列接続されている。
【００２４】
したがって、ペルチェ素子３０へ外部から電圧を印加して電流を流すと（つまり、複数の第１熱電要素３１と複数の第２熱電要素３２との直列回路へ電流を流すと）、ｎ形シリコン基板１の厚み方向においてｎ形シリコン基板１に近い側（図１における下側）の電極３３は吸熱し、ｎ形シリコン基板１から遠い側（図１における上側）の電極３３は発熱するので、ペルチェ素子３０へ電流を流すことで電子源素子１０ａを冷却することができる。
【００２５】
なお、上述の電子源素子１０ａは図６に示した従来構成の電界放射型電子源と同様の製造プロセスで形成することができ、ペルチェ素子３０は、成膜工程（例えば、スパッタによる成膜工程）、フォトリソグラフィ工程、リフトオフ工程、エッチング工程など半導体製造プロセスにおいて一般的な工程を適宜組み合わせることで形成することができる。
【００２６】
ところで、電子源素子１０ａは、室温（３００Ｋ）において図２のイのような電子放出特性を有しており、放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっているが、例えば１００Ｋまで冷却することにより図２のロのようなエネルギ分布の広がりの狭い電子放出特性を有する。なお、図２の横軸は電子エネルギを示し、縦軸は放出電子数を示す。
【００２７】
ここにおいて、３００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっている原因の一つとしては、微結晶シリコン６３を構成しているシリコン原子の格子振動による散乱が考えられる。これに対して、１００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が狭くなっているのは、強電界ドリフト層６が冷却されることによってシリコン原子の格子振動が小さくなって強電界ドリフト層６での電子の散乱確率が減少するためであると考えられる。要するに、強電界ドリフト層６を冷却することによって、放出電子に関してほぼ理論通りのエネルギ分布特性を得ることができるものと考えられる。
【００２８】
したがって、例えば、図３に示すように、ｎ形シリコン基板１上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１４を介してサーミスタ素子４０を設け、サーミスタ素子４０による検出温度に基づいてペルチェ素子３０へ流す電流の電流値を制御する制御部２０を設ければ、ペルチェ素子３０に流す電流値を制御することで電子源素子１０ａの冷却温度を所望の温度（規定温度範囲内）に調節することができる。ここにおいて、サーミスタ素子４０は、アモルファス半導体薄膜よりなるサーミスタ要素４１に２つの電極４２，４２が設けられており、両電極４２，４２が制御部２０に接続されている。また、サーミスタ素子４０は、電子源素子１０ａの近傍に配設されている。なお、本実施形態では、サーミスタ素子４０が、電子源素子１０ａの温度を検出する温度検出手段を構成し、制御部２０が、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段を構成している。
【００２９】
しかして、本実施形態では、電子源素子１０ａをペルチェ素子３０により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。また、電子源素子１０ａから放出される電子線の放出方向が表面電極７の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができ、ディスプレイの電子源として応用するときに、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、ディスプレイの薄型化を図れる。
【００３０】
また、本実施形態では、電子源素子１０ａとペルチェ素子３０とを同一基板（ｎ形シリコン基板１）に形成してあるので、電子源素子１０ａを効率的に冷却することが可能になる。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態の電界放射型電子源は、図４に示すように、電子源素子１０ａと電子源素子１０ａを冷却する冷却手段である冷凍機７０とを備えている。なお、電子源素子１０ａの構成は実施形態１と同じなので、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
冷凍機７０は、低温の冷媒が循環する冷媒配管７１と、冷媒配管７１の途中に設けられ熱を放出して冷媒の温度を下げる放熱部（熱交換器）７２と、冷媒配管７１の途中に設けられ冷媒を圧縮するコンプレッサ７３とを備えており、冷媒配管７１が電子源素子１０ａの形成されたｎ形シリコン基板１と密着して熱的に結合している。つまり、本実施形態では、冷却手段が、低温の冷媒を電子源素子１０ａと熱的に結合させるので、電子源素子１０ａを容易に冷却することができ、また、冷却温度を調節することができる。
【００３３】
しかして、本実施形態では、実施形態１と同様、電子源素子１０ａを冷却手段により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。
【００３４】
（実施形態３）
本実施形態の電界放射型電子源は、図５に示すように、電子源素子１０ａの他に電子源素子１０ａを冷却する冷却手段として、電子源素子１０ａを冷却するための冷媒を溜める容器５０とを備えている。ここにおいて、容器５０は、冷媒導入口５０ｂから導入された冷媒が冷媒溜まり部５０ａに溜まるようになっており、冷媒溜まり部５０ａが電子源素子１０ａと密着して熱的に結合している。冷媒としては、例えば液体窒素や液体ヘリウムなどを採用すればよい。つまり、本実施形態では、冷却手段が、低温の冷媒を電子源素子１０ａと熱的に結合させるので、電子源素子１０ａを容易に冷却することができる。なお、電子源素子１０ａの構成は実施形態１と同じなので、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
しかして、本実施形態では、実施形態１と同様、電子源素子１０ａを冷却手段により冷却することによって、温度上昇による電子源素子１０ａの電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができる。また、電子源素子１０ａを冷却することにより放出電子のエネルギ分布が狭くなるので、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡における電子銃の電子源として用いる場合に、電子をレンズで絞った際の収差が小さくなるから、高い分解能での観察が可能となる。
【００３６】
ところで、上記各実施形態では、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形成しているが、強電界ドリフト層６を窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層により形成してもよく、多孔質多結晶シリコン層以外の多孔質半導体層を酸化若しくは窒化若しくは酸窒化して形成してもよい。強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には図８にて説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、強電界ドリフト層６を酸窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部とを備え、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成され、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子が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子源素子と、当該電子源素子を冷却する冷却手段とを備えるものであり、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成された電子源素子を冷却することができるので、電界放射型の電子源素子の動作時の温度上昇を抑制することができるとともに、微結晶シリコンを構成しているシリコン原子の格子振動が小さくなってドリフト部での電子の散乱確率が減少し、電子源素子の放出電子のエネルギ分布の広がりを小さくすることができるという効果がある。
【００３８】
また、請求項１の発明では、電子源素子は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層よりなるドリフト部とを備え、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子がドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出されるものであり、電子源素子から放出される電子線の放出方向が表面電極の法線方向に揃いやすいから、電子顕微鏡の電子銃の電子源として利用する場合に電子顕微鏡の分解能を高めることができるという効果がある。
【００３９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、ペルチェ素子よりなるので、ペルチェ素子に流す電流値を制御することで冷却温度を調節することができるという効果がある。
【００４０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、電子源素子とペルチェ素子とを同一基板に形成してあるので、電子源素子を効率的に冷却することが可能になるという効果がある。なお、ペルチェ素子の材料としては熱電半導体材料を採用すればよい。
【００４１】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、冷却手段は、低温の冷媒を電子源素子と熱的に結合させるので、電子源素子を容易に冷却することができるという効果がある。
【００４２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、冷媒が循環する冷媒配管を備えた冷凍機よりなるので、冷却温度を調節することが可能になるという効果がある。
【００４３】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、冷却手段は、電子源素子に熱的に結合し前記溶媒を溜める容器を備えているので、容器に冷媒を充填するだけで電子源素子を冷却することができるという効果がある。なお、冷媒としては、例えば、液体窒素や液体ヘリウムなどを用いることができる。
【００４４】
請求項７の発明は、請求項１〜３、５のいずれかの発明において、電子源素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段とを備えるので、温度上昇による電子放出量の変動を抑えることができて、電子放出量が安定するから、例えば、ディスプレイの電子源として応用したときに画面の輝度が変化するのを防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の概略構成図である。
【図４】実施形態２を示す概略構成図である。
【図５】実施形態３を示す概略構成図である。
【図６】従来例を示す概略断面図である。
【図７】同上の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１ ｎ形シリコン基板
３ 半導体層
６ 強電界ドリフト層
７ 表面電極
１０ａ 電子源素子
１３ 絶縁膜
２０ 制御部
３０ ペルチェ素子
３１ 第１熱電要素
３２ 第２熱電要素
３３ 電極
４０サーミスタ素子
５０ 容器
６３ 微結晶シリコン
６４ シリコン酸化膜
７１ 冷媒配管
Claims (7)
- 下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質多結晶シリコン層よりなるドリフト部とを備え、ドリフト部が、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレインと、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜と、グレイン間に介在する多数のナノメータオーダの微結晶シリコンと、各微結晶シリコンそれぞれの表面に形成され微結晶シリコンの結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜若しくはシリコン酸窒化膜とから構成され、表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により下部電極から注入された電子が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子源素子と、当該電子源素子を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする電界放射型電子源。
- 冷却手段は、ペルチェ素子よりなることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
- 電子源素子とペルチェ素子とを同一基板に形成してなることを特徴とする請求項２記載の電界放射型電子源。
- 冷却手段は、低温の冷媒を電子源素子と熱的に結合させることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
- 冷却手段は、冷媒が循環する冷媒配管を備えた冷凍機よりなることを特徴とする請求項４記載の電界放射型電子源。
- 冷却手段は、電子源素子に熱的に結合し冷媒を溜める容器を備えてなることを特徴とする請求項４記載の電界放射型電子源。
- 電子源素子の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による検出温度が規定温度範囲内に入るように冷却手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３、５のいずれかに記載の電界放射型電子源。
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