JPH11329213A - 電界放射型電子源およびその製造方法および平面発光装置およびディスプレイ装置および固体真空デバイス - Google Patents
電界放射型電子源およびその製造方法および平面発光装置およびディスプレイ装置および固体真空デバイスInfo
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- JPH11329213A JPH11329213A JP27234098A JP27234098A JPH11329213A JP H11329213 A JPH11329213 A JP H11329213A JP 27234098 A JP27234098 A JP 27234098A JP 27234098 A JP27234098 A JP 27234098A JP H11329213 A JPH11329213 A JP H11329213A
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Abstract
(57)【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
電界放射型電子源を提供する。 【解決手段】導電性基板たるｎ形シリコン基板１の表面
側に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６が形成さ
れ、急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６上に金属
薄膜たる金薄膜７が形成されている。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。金薄
膜７をｎ形シリコン基板１に対して正極として金薄膜７
とオーミック電極２との間に電圧を印加することによ
り、ｎ形シリコン基板１から急速熱酸化された多孔質ポ
リシリコン層６に注入された電子が金薄膜７を通して放
出される。
電界放射型電子源を提供する。 【解決手段】導電性基板たるｎ形シリコン基板１の表面
側に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６が形成さ
れ、急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６上に金属
薄膜たる金薄膜７が形成されている。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。金薄
膜７をｎ形シリコン基板１に対して正極として金薄膜７
とオーミック電極２との間に電圧を印加することによ
り、ｎ形シリコン基板１から急速熱酸化された多孔質ポ
リシリコン層６に注入された電子が金薄膜７を通して放
出される。
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電界放射
型電子源およびその製造方法、および電界放射型電子源
を利用した平面発光装置およびディスプレイ装置および
固体真空デバイス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電界放射
型電子源およびその製造方法、および電界放射型電子源
を利用した平面発光装置およびディスプレイ装置および
固体真空デバイス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（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。
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 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。
（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（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。
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（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】また、特開平９−２５９７９５号公報に
は、上記特開平８−２５０７６６号公報に開示されてい
る構成の電界放射型電子源（半導体冷電子放出素子）を
有する冷電子放出表示装置が提案されている。なお、こ
の冷電子放出表示装置においては、単結晶シリコン基板
の［１００］方向が表面に垂直に配向していることが、
ポーラスシリコン層の電子放出効率の点で好ましいとさ
れている。この理由としては、単結晶シリコンの（１０
０）基板を陽極酸化すると、表面から深さ数μｍにわた
って孔が形成され、孔およびシリコン結晶が表面に垂直
に配向するからであると推定されている。
は、上記特開平８−２５０７６６号公報に開示されてい
る構成の電界放射型電子源（半導体冷電子放出素子）を
有する冷電子放出表示装置が提案されている。なお、こ
の冷電子放出表示装置においては、単結晶シリコン基板
の［１００］方向が表面に垂直に配向していることが、
ポーラスシリコン層の電子放出効率の点で好ましいとさ
れている。この理由としては、単結晶シリコンの（１０
０）基板を陽極酸化すると、表面から深さ数μｍにわた
って孔が形成され、孔およびシリコン結晶が表面に垂直
に配向するからであると推定されている。
【０００７】
【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、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号公報および特開平９−２５９７
９５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。
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号公報および特開平９−２５９７
９５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。
【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および
平面発光装置およびディスプレイ装置および固体真空デ
バイス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および
平面発光装置およびディスプレイ装置および固体真空デ
バイス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
表面側に形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有
する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコ
ン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電
性基板に対して正極として電圧を印加することにより金
属薄膜を通して電子線を放射することを特徴とするもの
であり、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高効率で電
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
に導電性膜を形成した基板などを使用することもできる
ので、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
源の大面積化及び低コスト化が可能になる。
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有
する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコ
ン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電
性基板に対して正極として電圧を印加することにより金
属薄膜を通して電子線を放射することを特徴とするもの
であり、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高効率で電
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
に導電性膜を形成した基板などを使用することもできる
ので、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
源の大面積化及び低コスト化が可能になる。
【００１０】請求項２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窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射することを特徴と
するものであり、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高
効率で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を形成した基板などを使用すること
もできるので、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、電子源の大面積化及び低コスト化が可能になる。
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射することを特徴と
するものであり、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高
効率で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を形成した基板などを使用すること
もできるので、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、電子源の大面積化及び低コスト化が可能になる。
【００１１】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、上記多孔質のポリシリコン層は、多
孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低いポリシリコン
層とが交互に積層された層であることを特徴とする。
２の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、多
孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低いポリシリコン
層とが交互に積層された層であることを特徴とする。
【００１２】請求項４の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
２の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
【００１３】請求項５の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、表
面側に比べて導電性基板側の多孔度が高くなるように厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
２の発明において、上記多孔質のポリシリコン層は、表
面側に比べて導電性基板側の多孔度が高くなるように厚
み方向に多孔度が連続的に変化した層であることを特徴
とする。
【００１４】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になる。
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になる。
【００１５】請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６
の発明において、導電性基板は、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
面積化及び低コスト化が可能になる。
の発明において、導電性基板は、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
面積化及び低コスト化が可能になる。
【００１６】請求項８の発明は、請求項１記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって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を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって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を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
【００１７】請求項９の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって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を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ことを特徴とし、従来のスピント型電極のような複雑な
構造や製造プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プ
ロセスによって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を提供することができ、また、
大面積の電界放射型電子源を提供することができる。
【００１８】請求項１０の発明は、請求項８または請求
項９の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、多孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低
いポリシリコン層とが交互に積層されるように多孔質化
の条件を変化させることを特徴とする。
項９の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、多孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低
いポリシリコン層とが交互に積層されるように多孔質化
の条件を変化させることを特徴とする。
【００１９】請求項１１の発明は、請求項８または請求
項９の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、表面側に比べて導電性基板側の多孔度が高
くなり厚み方向に多孔度が連続的に変化するように多孔
質化の条件を変化させることを特徴とする。
項９の発明において、上記ポリシリコン層の多孔質化に
あたっては、表面側に比べて導電性基板側の多孔度が高
くなり厚み方向に多孔度が連続的に変化するように多孔
質化の条件を変化させることを特徴とする。
【００２０】請求項１２の発明は、請求項１乃至請求項
７のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
成ることを特徴とするものであり、電界放射型電子源か
ら放射される電子の放出角度が金属薄膜の表面に対して
略垂直方向にそろうので、収束電極を設ける必要がな
く、構造が簡単になるとともに薄型の平面発光装置を実
現することができる。
７のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
成ることを特徴とするものであり、電界放射型電子源か
ら放射される電子の放出角度が金属薄膜の表面に対して
略垂直方向にそろうので、収束電極を設ける必要がな
く、構造が簡単になるとともに薄型の平面発光装置を実
現することができる。
【００２１】請求項１３の発明は、請求項１乃至請求項
７のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、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、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができる。
７のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、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、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができる。
【００２２】請求項１４の発明は、少なくとも請求項１
乃至請求項７のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されて成ることを特徴とするも
のであり、電界放射型電子源が冷陰極を構成するから、
従来の熱電子放射を利用した熱陰極を有する固体真空デ
バイスのように加熱手段を設ける必要がなく、小型化が
可能になるとともに陰極物質の蒸発や劣化を抑制するこ
とができ、長寿命の固体真空デバイスを実現することが
できる。
乃至請求項７のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されて成ることを特徴とするも
のであり、電界放射型電子源が冷陰極を構成するから、
従来の熱電子放射を利用した熱陰極を有する固体真空デ
バイスのように加熱手段を設ける必要がなく、小型化が
可能になるとともに陰極物質の蒸発や劣化を抑制するこ
とができ、長寿命の固体真空デバイスを実現することが
できる。
【００２３】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
従来の技術で説明した特開平８−２５０７６６号公報お
よび特開平９−２５９７９５号公報に記載の構造では、
単結晶シリコン基板などの半導体基板の主表面側を多孔
質化して電子が注入される多孔質層を形成しているので
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。そこで、発明者は、上記知見に基づいて本
発明を行った。
従来の技術で説明した特開平８−２５０７６６号公報お
よび特開平９−２５９７９５号公報に記載の構造では、
単結晶シリコン基板などの半導体基板の主表面側を多孔
質化して電子が注入される多孔質層を形成しているので
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。そこで、発明者は、上記知見に基づいて本
発明を行った。
【００２４】
【発明の実施の形態】（実施形態１）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）〜
（ｅ）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ｎ形シリコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの
（１００）基板）を用いている。
の電界放射型電子源１０の概略構成図を、図２（ａ）〜
（ｅ）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ｎ形シリコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの
（１００）基板）を用いている。
【００２５】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の主表面上に急速
熱酸化されたポリシリコン層５が形成され、該ポリシリ
コン層５上に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６
が形成され、該多孔質ポリシリコン層６上に金属薄膜た
る金薄膜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の主表面上に急速
熱酸化されたポリシリコン層５が形成され、該ポリシリ
コン層５上に急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層６
が形成され、該多孔質ポリシリコン層６上に金属薄膜た
る金薄膜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。
【００２６】ところで、本実施形態では、導電性基板と
してｎ形シリコン基板１を用いているが、導電性基板
は、電界放射型電子源１０の負極を構成するとともに真
空中において上述の多孔質ポリシリコン層６を支持し、
なお且つ、多孔質ポリシリコン層６へ電子を注入するも
のである。したがって、導電性基板は、電界放射型電子
源１０の負極を構成し多孔質ポリシリコン層６を支持す
ることができればよいので、ｎ形シリコン基板に限定さ
れるものではなく、クロムなどの金属基板であってもよ
いし、ガラスなどの絶縁性基板の一表面に導電性膜を形
成したものであってもよい。ガラス基板の一表面に導電
性膜を形成した基板を用いる場合には、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。
してｎ形シリコン基板１を用いているが、導電性基板
は、電界放射型電子源１０の負極を構成するとともに真
空中において上述の多孔質ポリシリコン層６を支持し、
なお且つ、多孔質ポリシリコン層６へ電子を注入するも
のである。したがって、導電性基板は、電界放射型電子
源１０の負極を構成し多孔質ポリシリコン層６を支持す
ることができればよいので、ｎ形シリコン基板に限定さ
れるものではなく、クロムなどの金属基板であってもよ
いし、ガラスなどの絶縁性基板の一表面に導電性膜を形
成したものであってもよい。ガラス基板の一表面に導電
性膜を形成した基板を用いる場合には、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。
【００２７】また、上述の多孔質ポリシリコン層６は、
導電性基板と金属薄膜との間に電圧を印加したときに電
子が注入される層である。多孔質ポリシリコン層６は、
多数のグレインよりなる多結晶体であり、各グレインの
表面には酸化膜を有するナノメータ単位の構造（以下、
ナノ構造と称す）が存在する。多孔質ポリシリコン層６
に注入された電子がナノ構造に衝突することなく（つま
り、電子散乱することなく）多孔質ポリシリコン層６の
表面に到達するためには、ナノ構造の大きさは、単結晶
シリコン中の電子の平均自由行程である約５０ｎｍより
も小さいものであることが必要である。ナノ構造の大き
さは、具体的には１０ｎｍより小さいものがよく、好ま
しくは５ｎｍよりも小さいものがよい。なお、本実施形
態では、多孔質ポリシリコン層６は急速熱酸化されてい
るが、急速熱酸化に限定されるものではなく、化学的方
法によって酸化してもよく、また、窒化するようにして
もよい。
導電性基板と金属薄膜との間に電圧を印加したときに電
子が注入される層である。多孔質ポリシリコン層６は、
多数のグレインよりなる多結晶体であり、各グレインの
表面には酸化膜を有するナノメータ単位の構造（以下、
ナノ構造と称す）が存在する。多孔質ポリシリコン層６
に注入された電子がナノ構造に衝突することなく（つま
り、電子散乱することなく）多孔質ポリシリコン層６の
表面に到達するためには、ナノ構造の大きさは、単結晶
シリコン中の電子の平均自由行程である約５０ｎｍより
も小さいものであることが必要である。ナノ構造の大き
さは、具体的には１０ｎｍより小さいものがよく、好ま
しくは５ｎｍよりも小さいものがよい。なお、本実施形
態では、多孔質ポリシリコン層６は急速熱酸化されてい
るが、急速熱酸化に限定されるものではなく、化学的方
法によって酸化してもよく、また、窒化するようにして
もよい。
【００２８】また、本実施形態においては、金属薄膜と
して金薄膜７を用いているが、金属薄膜は、電界放射型
電子源１０の正極を構成するものであり、多孔質ポリシ
リコン層６に電界を印加するものである。この電界の印
加により多孔質ポリシリコン層６の表面に到達した電子
はトンネル効果によって金属薄膜の表面から放出され
る。したがって、導電性基板と金属薄膜との間に印加す
る直流電圧によって得られる電子のエネルギから金属薄
膜の仕事関数を差し引いたエネルギが放出される電子の
理想的なエネルギとなるので、金属薄膜の仕事関数は小
さいほど望ましい。なお、本実施形態では、金属薄膜の
材料として金を用いているが、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４．２
８ｅＶ、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。
して金薄膜７を用いているが、金属薄膜は、電界放射型
電子源１０の正極を構成するものであり、多孔質ポリシ
リコン層６に電界を印加するものである。この電界の印
加により多孔質ポリシリコン層６の表面に到達した電子
はトンネル効果によって金属薄膜の表面から放出され
る。したがって、導電性基板と金属薄膜との間に印加す
る直流電圧によって得られる電子のエネルギから金属薄
膜の仕事関数を差し引いたエネルギが放出される電子の
理想的なエネルギとなるので、金属薄膜の仕事関数は小
さいほど望ましい。なお、本実施形態では、金属薄膜の
材料として金を用いているが、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４．２
８ｅＶ、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。
【００２９】以下、製造方法を図２を参照しながら説明
する。
する。
【００３０】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の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層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。ポリシリコン層３の成膜は、ＬＰＣＶＤ法により
行い、成膜条件は、真空度を２０Ｐａ、基板温度を６４
０℃、モノシランガスの流量を６００ｓｃｃｍとした。
なお、ポリシリコン層３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成膜してもよい。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法により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、
ポリシリコン層を形成してもよい。また、導電性薄膜上
にポリシリコン層を形成する方法はＣＶＤ法に限定され
るものではなく、例えばＣＧＳ（Continuous Grain S
ilicon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層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。ポリシリコン層３の成膜は、ＬＰＣＶＤ法により
行い、成膜条件は、真空度を２０Ｐａ、基板温度を６４
０℃、モノシランガスの流量を６００ｓｃｃｍとした。
なお、ポリシリコン層３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成膜してもよい。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法により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、
ポリシリコン層を形成してもよい。また、導電性薄膜上
にポリシリコン層を形成する方法はＣＶＤ法に限定され
るものではなく、例えばＣＧＳ（Continuous Grain S
ilicon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。
【００３１】ノンドープのポリシリコン層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、ポリシリコン層３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、
多孔質ポリシリコン層４（以下、ＰＰＳ層４と称す）が
形成され図２（ｂ）に示すような構造が得られる。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
ンプによりポリシリコン層３の表面に光照射を行った。
その結果、本実施形態では、膜厚が略１μｍの多孔質ポ
リシリコン層４が形成された。なお、本実施形態では、
ポリシリコン層３の一部を多孔質化しているが、ポリシ
リコン層３全部を多孔質化してもよい。
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、ポリシリコン層３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、
多孔質ポリシリコン層４（以下、ＰＰＳ層４と称す）が
形成され図２（ｂ）に示すような構造が得られる。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
ンプによりポリシリコン層３の表面に光照射を行った。
その結果、本実施形態では、膜厚が略１μｍの多孔質ポ
リシリコン層４が形成された。なお、本実施形態では、
ポリシリコン層３の一部を多孔質化しているが、ポリシ
リコン層３全部を多孔質化してもよい。
【００３２】次に、急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Therm
al Oxidation）技術によってＰＰＳ層４及びポリシリ
コン層３の急速熱酸化を行うことにより図２（ｃ）に示
す構造が得られる。ここに、図２（ｃ）における５は急
速熱酸化されたポリシリコン層を、６は急速熱酸化され
たＰＰＳ層（以下、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６と称す）を示
す。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。なお、本実施形態では、ＰＰ
Ｓ層４及びポリシリコン層３の酸化を急速熱酸化により
行っているので、数秒で酸化温度まで昇温することが可
能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置で問題となる
入炉時の巻き込み酸化を抑制することができる。また、
実施形態では、急速熱酸化技術によってＰＰＳ層４及び
ポリシリコン層３を急速熱酸化しているが、急速熱酸化
に限らず、化学的方法により酸化してもよし、酸素プラ
ズマにより酸化してもよい。また、酸化の替りに窒化す
るようにしてもよく、窒化の場合には、窒素プラズマに
よる窒化や熱的な窒化などの方法を用いればよい。
al Oxidation）技術によってＰＰＳ層４及びポリシリ
コン層３の急速熱酸化を行うことにより図２（ｃ）に示
す構造が得られる。ここに、図２（ｃ）における５は急
速熱酸化されたポリシリコン層を、６は急速熱酸化され
たＰＰＳ層（以下、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６と称す）を示
す。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。なお、本実施形態では、ＰＰ
Ｓ層４及びポリシリコン層３の酸化を急速熱酸化により
行っているので、数秒で酸化温度まで昇温することが可
能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置で問題となる
入炉時の巻き込み酸化を抑制することができる。また、
実施形態では、急速熱酸化技術によってＰＰＳ層４及び
ポリシリコン層３を急速熱酸化しているが、急速熱酸化
に限らず、化学的方法により酸化してもよし、酸素プラ
ズマにより酸化してもよい。また、酸化の替りに窒化す
るようにしてもよく、窒化の場合には、窒素プラズマに
よる窒化や熱的な窒化などの方法を用いればよい。
【００３３】次に、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６上に金属薄膜た
る金薄膜７を例えば蒸着により形成することによって、
図２（ｄ）（図１）に示す構造の電界放射型電子源１０
が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜７の膜厚
を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するもので
はない。なお、電界放射型電子源１０は金薄膜７を電極
の正極（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。また、本実施
形態では、金属薄膜を蒸着により形成しているが、金属
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。
る金薄膜７を例えば蒸着により形成することによって、
図２（ｄ）（図１）に示す構造の電界放射型電子源１０
が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜７の膜厚
を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するもので
はない。なお、電界放射型電子源１０は金薄膜７を電極
の正極（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。また、本実施
形態では、金属薄膜を蒸着により形成しているが、金属
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。
【００３４】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の特性について説明する。
の特性について説明する。
【００３５】上述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に示すように金薄膜
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約５×１０-5
Ｐａとして、金薄膜７とオーミック電極２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と金薄
膜７との間に直流電圧Ｖcを印加することによって、金
薄膜７とオーミック電極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から金薄膜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と金薄膜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４に示
す。ここに、金薄膜７はオーミック電極２（つまり、ｎ
形シリコン基板１）に対して正極として直流電圧Ｖpsを
印加し、コレクタ電極２１は金薄膜７に対して正極とし
て直流電圧Ｖcを印加している。
バ（図示せず）内に導入して、図３に示すように金薄膜
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約５×１０-5
Ｐａとして、金薄膜７とオーミック電極２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と金薄
膜７との間に直流電圧Ｖcを印加することによって、金
薄膜７とオーミック電極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から金薄膜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と金薄膜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４に示
す。ここに、金薄膜７はオーミック電極２（つまり、ｎ
形シリコン基板１）に対して正極として直流電圧Ｖpsを
印加し、コレクタ電極２１は金薄膜７に対して正極とし
て直流電圧Ｖcを印加している。
【００３６】図４の横軸は直流電圧Ｖpsの値を、縦軸は
電流密度を示し、同図中のイ（○）がダイオード電流Ｉ
psを、同図中のロ（●）が放出電子電流Ｉeを示す。な
お、直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とした。
電流密度を示し、同図中のイ（○）がダイオード電流Ｉ
psを、同図中のロ（●）が放出電子電流Ｉeを示す。な
お、直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とした。
【００３７】図４からも分かるように、放出電子電流Ｉ
ｅは直流電圧Ｖpsが正のときのみ観測され、直流電圧Ｖ
psの値を増加させるにつれてダイオード電流Ｉps及び放
出電子電流Ｉeとも増加した。例えば、直流電圧Ｖpsを
１５Ｖとしたとき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略
１００ｍＡ／ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１
０μＡ／ｃｍ2であり、この放出電子電流Ｉeの値は従来
例で説明した単結晶シリコン基板の表面を多孔質化する
ことにより実現される電界放射型電子源に比べて大きな
値であり（例えば、電子情報通信学会ＥＤ９６−１４
１，Ｐ４１−４６によれば、直流電圧Ｖpsを１５Ｖとし
たとき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略４０ｍＡ／
ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１μＡ／ｃｍ2
である）、本実施形態の電界放射型電子源１０の電子の
放出効率が高いことが分かる。
ｅは直流電圧Ｖpsが正のときのみ観測され、直流電圧Ｖ
psの値を増加させるにつれてダイオード電流Ｉps及び放
出電子電流Ｉeとも増加した。例えば、直流電圧Ｖpsを
１５Ｖとしたとき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略
１００ｍＡ／ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１
０μＡ／ｃｍ2であり、この放出電子電流Ｉeの値は従来
例で説明した単結晶シリコン基板の表面を多孔質化する
ことにより実現される電界放射型電子源に比べて大きな
値であり（例えば、電子情報通信学会ＥＤ９６−１４
１，Ｐ４１−４６によれば、直流電圧Ｖpsを１５Ｖとし
たとき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略４０ｍＡ／
ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略１μＡ／ｃｍ2
である）、本実施形態の電界放射型電子源１０の電子の
放出効率が高いことが分かる。
【００３８】図５に、この放出電子電流Ｉeと直流電圧
Ｖpsとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉ
ｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示
す。図５より、各データが直線上にのることから、この
放出電子電流Ｉeは量子的なトンネル効果による電子の
放出による電流であると推考される。このときの電子放
出の機構を図６のエネルギバンド図により説明する。な
お、図６中のｎ+−Ｓｉはｎ形シリコン基板１を、ＲＴ
Ｏ−ＰＰＳは上述のＲＴＯ−ＰＰＳ層６を、ＳｉＯXは
ＲＴＯ−ＰＰＳ層６の最表面に形成された酸化シリコン
薄膜、Ａｕは金薄膜７を、ＥFはフェルミレベルを、Ｅ
VACは真空レベルを、それぞれ示す。また、図６（ａ）
は直流電圧Ｖpsの印加前の状態を示し、図６（ｂ）は直
流電圧Ｖpsを印加したときの状態を示す。金薄膜７をｎ
形シリコン基板１に対して正極として直流電圧Ｖpsを印
加し、この直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達する
と、図６（ｂ）に示すように、ｎ形シリコン基板１側か
らＲＴＯ−ＰＰＳ層６に熱的励起により電子ｅ-が注入
される。このとき、直流電圧Ｖpsのほとんどは半絶縁性
のＲＴＯ−ＰＰＳ層６にかかっているので、注入された
電子ｅ-はＲＴＯ−ＰＰＳ層６内に存在する強電界（平
均電界は略１０5Ｖ／ｃｍ）によってドリフトされ、不
規則なポテンシャルや格子などの散乱により運動エネル
ギを失いながら表面側に向かっていく（なお、この過程
では衝突電離による電子倍増もありうる）。ＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６の表面に到達した電子ｅ-は、熱平衡状態より
も高い運動エネルギをもったいわゆるホットエレクトロ
ン（熱い電子）と考えられ、電界効果によりＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６の最表面のＳｉＯXのサブバンドを介して金薄
膜７を容易にトンネルし外部に放出されるものと推考さ
れる。
Ｖpsとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉ
ｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示
す。図５より、各データが直線上にのることから、この
放出電子電流Ｉeは量子的なトンネル効果による電子の
放出による電流であると推考される。このときの電子放
出の機構を図６のエネルギバンド図により説明する。な
お、図６中のｎ+−Ｓｉはｎ形シリコン基板１を、ＲＴ
Ｏ−ＰＰＳは上述のＲＴＯ−ＰＰＳ層６を、ＳｉＯXは
ＲＴＯ−ＰＰＳ層６の最表面に形成された酸化シリコン
薄膜、Ａｕは金薄膜７を、ＥFはフェルミレベルを、Ｅ
VACは真空レベルを、それぞれ示す。また、図６（ａ）
は直流電圧Ｖpsの印加前の状態を示し、図６（ｂ）は直
流電圧Ｖpsを印加したときの状態を示す。金薄膜７をｎ
形シリコン基板１に対して正極として直流電圧Ｖpsを印
加し、この直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達する
と、図６（ｂ）に示すように、ｎ形シリコン基板１側か
らＲＴＯ−ＰＰＳ層６に熱的励起により電子ｅ-が注入
される。このとき、直流電圧Ｖpsのほとんどは半絶縁性
のＲＴＯ−ＰＰＳ層６にかかっているので、注入された
電子ｅ-はＲＴＯ−ＰＰＳ層６内に存在する強電界（平
均電界は略１０5Ｖ／ｃｍ）によってドリフトされ、不
規則なポテンシャルや格子などの散乱により運動エネル
ギを失いながら表面側に向かっていく（なお、この過程
では衝突電離による電子倍増もありうる）。ＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６の表面に到達した電子ｅ-は、熱平衡状態より
も高い運動エネルギをもったいわゆるホットエレクトロ
ン（熱い電子）と考えられ、電界効果によりＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６の最表面のＳｉＯXのサブバンドを介して金薄
膜７を容易にトンネルし外部に放出されるものと推考さ
れる。
【００３９】この理論を確認するために、本実施形態の
電界放射型電子源１０から放射される電子のエネルギＮ
（Ｅ）のエネルギ分布を測定した結果を図７に示す。図
７において、イは直流電圧Ｖpsを１２Ｖとした場合、ロ
は直流電圧Ｖpsを１５Ｖとした場合、ハは直流電圧Ｖps
を１８Ｖとした場合、をそれぞれ示す。図７から、電子
のエネルギＮ（Ｅ）のエネルギ分布は比較的ブロードで
あって、しかも数ｅＶの高エネルギ成分を含んでおり、
印加する直流電圧Ｖpsの増加とともにピーク位置が高エ
ネルギ側へシフトすることがわかった。したがって、Ｒ
ＴＯ−ＰＰＳ層６での電子散乱は少なく、ＲＴＯ−ＰＰ
Ｓ層６の表面側に到達した電子は十分なエネルギを有す
るホットエレクトロンであると考えられる。なお、図６
中の二点鎖線で示した円Ａ内の図は、放出直前の電子の
エネルギ分布ｎ（Ｅ）とトンネル放出確率Ｔ（Ｅ）との
関係を定性的に示したものであり、放出電子のエネルギ
Ｎ（Ｅ）のエネルギ分布の形状はｎ（Ｅ）とＴ（Ｅ）と
の乗算により決まる（Ｎ（Ｅ）＝ｎ（Ｅ）Ｔ（Ｅ））。
例えば、直流電圧Ｖpsの電圧が増加すると、ｎ（Ｅ）は
高エネルギ側のテール成分が増えるように変化し、その
結果としてＮ（Ｅ）も全体的に高エネルギ側へシフトす
る。
電界放射型電子源１０から放射される電子のエネルギＮ
（Ｅ）のエネルギ分布を測定した結果を図７に示す。図
７において、イは直流電圧Ｖpsを１２Ｖとした場合、ロ
は直流電圧Ｖpsを１５Ｖとした場合、ハは直流電圧Ｖps
を１８Ｖとした場合、をそれぞれ示す。図７から、電子
のエネルギＮ（Ｅ）のエネルギ分布は比較的ブロードで
あって、しかも数ｅＶの高エネルギ成分を含んでおり、
印加する直流電圧Ｖpsの増加とともにピーク位置が高エ
ネルギ側へシフトすることがわかった。したがって、Ｒ
ＴＯ−ＰＰＳ層６での電子散乱は少なく、ＲＴＯ−ＰＰ
Ｓ層６の表面側に到達した電子は十分なエネルギを有す
るホットエレクトロンであると考えられる。なお、図６
中の二点鎖線で示した円Ａ内の図は、放出直前の電子の
エネルギ分布ｎ（Ｅ）とトンネル放出確率Ｔ（Ｅ）との
関係を定性的に示したものであり、放出電子のエネルギ
Ｎ（Ｅ）のエネルギ分布の形状はｎ（Ｅ）とＴ（Ｅ）と
の乗算により決まる（Ｎ（Ｅ）＝ｎ（Ｅ）Ｔ（Ｅ））。
例えば、直流電圧Ｖpsの電圧が増加すると、ｎ（Ｅ）は
高エネルギ側のテール成分が増えるように変化し、その
結果としてＮ（Ｅ）も全体的に高エネルギ側へシフトす
る。
【００４０】なお、熱平衡状態にまで緩和してしまう強
い散乱を電子が受けていないということは、ＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６内でのエネルギ損失、すなわち、熱的なロスが
少ないということを意味し、放出電子電流Ｉeの効率が
高く安定して電子を放出することができると考えられ
る。図８は本実施形態の電界放射型電子源１０のダイオ
ード電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉeそれぞれの経時変
化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸が電流密度
であり、同図中のイがダイオード電流Ｉpsを、同図中の
ロが放出電子電流Ｉeを示す。なお、図８は、直流電圧
Ｖpsを１５Ｖ一定、直流電圧Ｖcを１００Ｖ一定とした
場合の結果である。図８からわかるように、本実施形態
の電界放射型電子源１０では、ダイオード電流Ｉps、放
出電子電流Ｉe両方ともポッピング現象は観測されず、
時間が経過しても略一定のダイオード電流Ｉps及び放出
電子電流Ｉeを維持することができる。これは、ＲＴＯ
−ＰＰＳ層６は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おり、電圧の印
加により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝
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。このような放出電子電流Ｉeの経時変
化の少ない安定した特性は、従来のＭＩＭ方式や単結晶
シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現され
る電界放射型電子源では得られない特性であり、本発明
の構造を採用することにより得られる特性である。
い散乱を電子が受けていないということは、ＲＴＯ−Ｐ
ＰＳ層６内でのエネルギ損失、すなわち、熱的なロスが
少ないということを意味し、放出電子電流Ｉeの効率が
高く安定して電子を放出することができると考えられ
る。図８は本実施形態の電界放射型電子源１０のダイオ
ード電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉeそれぞれの経時変
化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸が電流密度
であり、同図中のイがダイオード電流Ｉpsを、同図中の
ロが放出電子電流Ｉeを示す。なお、図８は、直流電圧
Ｖpsを１５Ｖ一定、直流電圧Ｖcを１００Ｖ一定とした
場合の結果である。図８からわかるように、本実施形態
の電界放射型電子源１０では、ダイオード電流Ｉps、放
出電子電流Ｉe両方ともポッピング現象は観測されず、
時間が経過しても略一定のダイオード電流Ｉps及び放出
電子電流Ｉeを維持することができる。これは、ＲＴＯ
−ＰＰＳ層６は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おり、電圧の印
加により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝
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。このような放出電子電流Ｉeの経時変
化の少ない安定した特性は、従来のＭＩＭ方式や単結晶
シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現され
る電界放射型電子源では得られない特性であり、本発明
の構造を採用することにより得られる特性である。
【００４１】次に、本実施形態の電界放射型電子源１０
の放出電子電流Ｉeの真空度依存性について説明する。
図９は本実施形態の電界放射型電子源１０の周囲をＡｒ
ガス雰囲気として真空度を変化させたときのダイオード
電流Ｉps及び放出電子電流Ｉeの変化を示す。図９は横
軸が真空度、縦軸が電流密度であり、同図中のイ（○）
がダイオード電流Ｉpsを、同図中のロ（●）が放出電子
電流Ｉeを示す。図９から、真空度が約１０-5Ｐａ〜約
１Ｐａの範囲では略一定の放出電子電流Ｉeが得られ、
放出電子電流Ｉeの真空度依存性が小さいことがわか
る。すなわち、本実施形態の電界放射型電子源１０は電
子放出特性の真空度依存性が小さいので、真空度が多少
変化しても安定して電子を効率良く放出（放射）するこ
とができ、低真空度でも良好な電子放出特性が得られ従
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
もに取扱いが容易になる。
の放出電子電流Ｉeの真空度依存性について説明する。
図９は本実施形態の電界放射型電子源１０の周囲をＡｒ
ガス雰囲気として真空度を変化させたときのダイオード
電流Ｉps及び放出電子電流Ｉeの変化を示す。図９は横
軸が真空度、縦軸が電流密度であり、同図中のイ（○）
がダイオード電流Ｉpsを、同図中のロ（●）が放出電子
電流Ｉeを示す。図９から、真空度が約１０-5Ｐａ〜約
１Ｐａの範囲では略一定の放出電子電流Ｉeが得られ、
放出電子電流Ｉeの真空度依存性が小さいことがわか
る。すなわち、本実施形態の電界放射型電子源１０は電
子放出特性の真空度依存性が小さいので、真空度が多少
変化しても安定して電子を効率良く放出（放射）するこ
とができ、低真空度でも良好な電子放出特性が得られ従
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
もに取扱いが容易になる。
【００４２】本実施形態では、導電性基板としてｎ形シ
リコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基
板）を用いているが、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、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。
リコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基
板）を用いているが、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、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。
【００４３】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は図１に示した実施形態１と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図１０及び図１１を
参照しながら説明する。本実施形態では、実施形態１に
おける多孔質ポリシリコン層６が、図１１（ｃ）に示す
ように多孔度の高いポリシリコン層６ｂと多孔度の低い
ポリシリコン層６ａとが交互に積層された層により構成
されている点が相違する。なお、本実施形態において
も、実施形態１と同様に、導電性基板としてｎ形シリコ
ン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基板）
を用いている。
子源１０の基本構成は図１に示した実施形態１と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図１０及び図１１を
参照しながら説明する。本実施形態では、実施形態１に
おける多孔質ポリシリコン層６が、図１１（ｃ）に示す
ように多孔度の高いポリシリコン層６ｂと多孔度の低い
ポリシリコン層６ａとが交互に積層された層により構成
されている点が相違する。なお、本実施形態において
も、実施形態１と同様に、導電性基板としてｎ形シリコ
ン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基板）
を用いている。
【００４４】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の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層３を
形成することにより図１０（ａ）に示すような構造が得
られる。
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層３を
形成することにより図１０（ａ）に示すような構造が得
られる。
【００４５】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、ポリシリコン
層３に光照射を行いながら定電流で陽極酸化処理を行
う。ここにおいて、陽極酸化処理は次の手順で行った。
陽極酸化処理の条件として、電流密度を２．５ｍＡ／ｃ
ｍ2一定、陽極酸化時間を４秒とする第１の条件と、電
流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2一定、陽極酸化時間を５秒と
する第２の条件とを設定し、第１の条件での陽極酸化処
理と第２の条件での陽極酸化処理とを交互に３回繰り返
して行った。但し、陽極酸化中には５００Ｗのタングス
テンランプにより表面に光を照射することとした。ここ
で、第１の条件での陽極酸化が終了した時点では、ポリ
シリコン層３の表面側に多孔度の低い多孔質ポリシリコ
ン層４ａ（以下、ＰＰＳ層４ａと称す）が形成され図１
０（ｂ）に示すような構造が得られる。その後、第２の
条件での陽極酸化が終了した時点では、上記多孔質ポリ
シリコン層４ａよりもｎ形シリコン基板１側に、ＰＰＳ
層４ａよりも多孔度の高い多孔質ポリシリコン層４ｂ
（以下、ＰＰＳ層４ｂと称す）が形成され図１０（ｃ）
に示すような構造が得られる。しかして、第１の条件、
第２の条件での陽極酸化が３回ずつ終了した時点では、
ＰＰＳ層４ａとＰＰＳ層４ｂとが交互に積層された図１
１（ａ）に示す構造が得られる。なお、本実施形態で
は、ＰＰＳ層４ａとＰＰＳ層４ｂとの積層構造よりなる
多孔質ポリシリコン層の膜厚は略１μｍであった。ま
た、本実施形態では、ポリシリコン層３の一部を多孔質
化しているが、ポリシリコン層３全部を多孔質化しても
よい。
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、ポリシリコン
層３に光照射を行いながら定電流で陽極酸化処理を行
う。ここにおいて、陽極酸化処理は次の手順で行った。
陽極酸化処理の条件として、電流密度を２．５ｍＡ／ｃ
ｍ2一定、陽極酸化時間を４秒とする第１の条件と、電
流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2一定、陽極酸化時間を５秒と
する第２の条件とを設定し、第１の条件での陽極酸化処
理と第２の条件での陽極酸化処理とを交互に３回繰り返
して行った。但し、陽極酸化中には５００Ｗのタングス
テンランプにより表面に光を照射することとした。ここ
で、第１の条件での陽極酸化が終了した時点では、ポリ
シリコン層３の表面側に多孔度の低い多孔質ポリシリコ
ン層４ａ（以下、ＰＰＳ層４ａと称す）が形成され図１
０（ｂ）に示すような構造が得られる。その後、第２の
条件での陽極酸化が終了した時点では、上記多孔質ポリ
シリコン層４ａよりもｎ形シリコン基板１側に、ＰＰＳ
層４ａよりも多孔度の高い多孔質ポリシリコン層４ｂ
（以下、ＰＰＳ層４ｂと称す）が形成され図１０（ｃ）
に示すような構造が得られる。しかして、第１の条件、
第２の条件での陽極酸化が３回ずつ終了した時点では、
ＰＰＳ層４ａとＰＰＳ層４ｂとが交互に積層された図１
１（ａ）に示す構造が得られる。なお、本実施形態で
は、ＰＰＳ層４ａとＰＰＳ層４ｂとの積層構造よりなる
多孔質ポリシリコン層の膜厚は略１μｍであった。ま
た、本実施形態では、ポリシリコン層３の一部を多孔質
化しているが、ポリシリコン層３全部を多孔質化しても
よい。
【００４６】次に、急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Therm
al Oxidation）技術によって全てのＰＰＳ層４ａ，４
ｂ及びポリシリコン層３の急速熱酸化を行うことにより
図１１（ｂ）に示す構造が得られる。ここに、図１１
（ｂ）における５は急速熱酸化されたポリシリコン層
を、６ａ，６ｂは急速熱酸化された上記多孔質ポリシリ
コン層（以下、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６ａ，６ｂと称す）を
示す。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。なお、本実施形態では、
ＰＰＳ層４ａ，４ｂ及びポリシリコン層３の酸化を急速
熱酸化により行っているので、数秒で酸化温度まで昇温
することが可能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置
で問題となる入炉時の巻き込み酸化を抑制することがで
きる。
al Oxidation）技術によって全てのＰＰＳ層４ａ，４
ｂ及びポリシリコン層３の急速熱酸化を行うことにより
図１１（ｂ）に示す構造が得られる。ここに、図１１
（ｂ）における５は急速熱酸化されたポリシリコン層
を、６ａ，６ｂは急速熱酸化された上記多孔質ポリシリ
コン層（以下、ＲＴＯ−ＰＰＳ層６ａ，６ｂと称す）を
示す。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。なお、本実施形態では、
ＰＰＳ層４ａ，４ｂ及びポリシリコン層３の酸化を急速
熱酸化により行っているので、数秒で酸化温度まで昇温
することが可能であり、通常の炉心管タイプの酸化装置
で問題となる入炉時の巻き込み酸化を抑制することがで
きる。
【００４７】その後、最上層のＲＴＯ−ＰＰＳ層６ａ上
に金属薄膜たる金薄膜７を例えば蒸着により形成するこ
とによって、図１１（ｃ）に示す構造の電界放射型電子
源１０が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜７
の膜厚を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定する
ものではない。なお、電界放射型電子源１０は金薄膜７
を電極の正極（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。
に金属薄膜たる金薄膜７を例えば蒸着により形成するこ
とによって、図１１（ｃ）に示す構造の電界放射型電子
源１０が得られる。ここに、本実施形態では、金薄膜７
の膜厚を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定する
ものではない。なお、電界放射型電子源１０は金薄膜７
を電極の正極（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。
【００４８】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の特性について説明する。
の特性について説明する。
【００４９】上述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、実施形態１と同様、図３
に示すように金薄膜７と対向する位置にコレクタ電極２
１（放射電子収集電極）を配置し、真空チャンバ内の真
空度を約５×１０-5Ｐａとして、金薄膜７とオーミック
電極２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と金薄膜７との間に直流電圧Ｖcを印加す
ることによって、金薄膜７とオーミック電極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
ら金薄膜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２
１と金薄膜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１２に示す。ここに、金薄膜７はオーミッ
ク電極２（つまり、ｎ形シリコン基板１）に対して正極
として直流電圧Ｖpsを印加し、コレクタ電極２１は金薄
膜７に対して正極として直流電圧Ｖcを印加している。
バ（図示せず）内に導入して、実施形態１と同様、図３
に示すように金薄膜７と対向する位置にコレクタ電極２
１（放射電子収集電極）を配置し、真空チャンバ内の真
空度を約５×１０-5Ｐａとして、金薄膜７とオーミック
電極２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と金薄膜７との間に直流電圧Ｖcを印加す
ることによって、金薄膜７とオーミック電極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
ら金薄膜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２
１と金薄膜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１２に示す。ここに、金薄膜７はオーミッ
ク電極２（つまり、ｎ形シリコン基板１）に対して正極
として直流電圧Ｖpsを印加し、コレクタ電極２１は金薄
膜７に対して正極として直流電圧Ｖcを印加している。
【００５０】図１２の横軸は直流電圧Ｖpsの値を、縦軸
は電流密度を示し、同図中のイ（○）がダイオード電流
Ｉpsを、同図中のロ（●）が放出電子電流Ｉeを示す。
なお、直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とした。
は電流密度を示し、同図中のイ（○）がダイオード電流
Ｉpsを、同図中のロ（●）が放出電子電流Ｉeを示す。
なお、直流電圧Ｖcは１００Ｖ一定とした。
【００５１】図１２からも分かるように、本実施形態に
おいても実施形態１同様、放出電子電流Ｉｅは直流電圧
Ｖpsが正のときのみ観測され、直流電圧Ｖpsの値を増加
させるにつれてダイオード電流Ｉps及び放出電子電流Ｉ
eとも増加した。例えば、直流電圧Ｖpsを１５Ｖとした
とき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略１ｍＡ／ｃｍ
2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略４μＡ／ｃｍ2であ
り、この放出電子電流Ｉeの値は従来例で説明した単結
晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現さ
れる電界放射型電子源（特開平８−２５０７６６号公報
参照）に比べて大きな値であり（例えば、電子情報通信
学会ＥＤ９６−１４１，Ｐ４１−４６によれば、直流電
圧Ｖpsを１５Ｖとしたとき、ダイオード電流Ｉpsの電流
密度は略４０ｍＡ／ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度
は略１μＡ／ｃｍ2である）、本実施形態の電界放射型
電子源の電子の放出効率が高いことが分かる。
おいても実施形態１同様、放出電子電流Ｉｅは直流電圧
Ｖpsが正のときのみ観測され、直流電圧Ｖpsの値を増加
させるにつれてダイオード電流Ｉps及び放出電子電流Ｉ
eとも増加した。例えば、直流電圧Ｖpsを１５Ｖとした
とき、ダイオード電流Ｉpsの電流密度は略１ｍＡ／ｃｍ
2、放出電子電流Ｉeの電流密度は略４μＡ／ｃｍ2であ
り、この放出電子電流Ｉeの値は従来例で説明した単結
晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより実現さ
れる電界放射型電子源（特開平８−２５０７６６号公報
参照）に比べて大きな値であり（例えば、電子情報通信
学会ＥＤ９６−１４１，Ｐ４１−４６によれば、直流電
圧Ｖpsを１５Ｖとしたとき、ダイオード電流Ｉpsの電流
密度は略４０ｍＡ／ｃｍ2、放出電子電流Ｉeの電流密度
は略１μＡ／ｃｍ2である）、本実施形態の電界放射型
電子源の電子の放出効率が高いことが分かる。
【００５２】図１３に、この放出電子電流Ｉe と直流電
圧Ｖpsとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅ
ｉｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示
す。図１３より、各データが直線上にのることから、こ
の放出電子電流Ｉeは実施形態１と同様に、量子的なト
ンネル効果による電子の放出による電流であると推考さ
れる。
圧Ｖpsとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅ
ｉｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示
す。図１３より、各データが直線上にのることから、こ
の放出電子電流Ｉeは実施形態１と同様に、量子的なト
ンネル効果による電子の放出による電流であると推考さ
れる。
【００５３】図１４は本実施形態の電界放射型電子源１
０のダイオード電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉeそれぞ
れの経時変化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸
が電流密度であり、同図中のイがダイオード電流Ｉps
を、同図中のロが放出電子電流Ｉeを示す。なお、図１
４は、直流電圧Ｖpsを２１Ｖ一定、直流電圧Ｖcを１０
０Ｖ一定とした場合の結果である。図１４から分かるよ
うに、本実施形態の電界放射型電子源１０においても、
実施形態１と同様、ダイオード電流Ｉps、放出電子電流
Ｉe両方ともポッピング現象は観測されず、時間が経過
しても略一定のダイオード電流Ｉps及び放出電子電流Ｉ
eを維持することができる。このような放出電子電流Ｉe
の経時変化の少ない安定した特性は、従来のＭＩＭ方式
や単結晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより
実現される電界放射型電子源では得られない特性であ
り、本発明の構造を採用することにより得られる特性で
ある。
０のダイオード電流Ｉpsおよび放出電子電流Ｉeそれぞ
れの経時変化を示すグラフであって、横軸が時間、縦軸
が電流密度であり、同図中のイがダイオード電流Ｉps
を、同図中のロが放出電子電流Ｉeを示す。なお、図１
４は、直流電圧Ｖpsを２１Ｖ一定、直流電圧Ｖcを１０
０Ｖ一定とした場合の結果である。図１４から分かるよ
うに、本実施形態の電界放射型電子源１０においても、
実施形態１と同様、ダイオード電流Ｉps、放出電子電流
Ｉe両方ともポッピング現象は観測されず、時間が経過
しても略一定のダイオード電流Ｉps及び放出電子電流Ｉ
eを維持することができる。このような放出電子電流Ｉe
の経時変化の少ない安定した特性は、従来のＭＩＭ方式
や単結晶シリコン基板の表面を多孔質化することにより
実現される電界放射型電子源では得られない特性であ
り、本発明の構造を採用することにより得られる特性で
ある。
【００５４】なお、上述の陽極酸化処理の条件として
は、次のような条件で行ってもよい。すなわち、図１５
に示すように、電流密度を０ｍＡ／ｃｍ2として陽極酸
化を開始し、２０秒間で電流密度を０ｍＡ／ｃｍ２から
２０ｍＡ／ｃｍ2まで増加させる途中で、電流密度を２
秒間だけ２．５ｍＡ／ｃｍ2とする期間を３回設けるよ
うにしてもよい。但し、陽極酸化中には５００Ｗのタン
グステンランプにより表面に光を照射することは勿論で
ある。この場合には、電流密度を２．５ｍＡ／ｃｍ2と
した期間に多孔度の低い多孔質ポリシリコン層４ａが形
成されることになる。
は、次のような条件で行ってもよい。すなわち、図１５
に示すように、電流密度を０ｍＡ／ｃｍ2として陽極酸
化を開始し、２０秒間で電流密度を０ｍＡ／ｃｍ２から
２０ｍＡ／ｃｍ2まで増加させる途中で、電流密度を２
秒間だけ２．５ｍＡ／ｃｍ2とする期間を３回設けるよ
うにしてもよい。但し、陽極酸化中には５００Ｗのタン
グステンランプにより表面に光を照射することは勿論で
ある。この場合には、電流密度を２．５ｍＡ／ｃｍ2と
した期間に多孔度の低い多孔質ポリシリコン層４ａが形
成されることになる。
【００５５】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は図１に示した実施形態１と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図１６を参照しなが
ら説明する。本実施形態は、実施形態１における多孔質
のポリシリコン層６が、厚み方向に多孔度が連続的に変
化した層である点に特徴がある。なお、本実施形態にお
いても、実施形態１と同様に、導電性基板としてｎ形シ
リコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基
板）を用いている。
子源１０の基本構成は図１に示した実施形態１と略同じ
でなので図示を省略し、製造方法を図１６を参照しなが
ら説明する。本実施形態は、実施形態１における多孔質
のポリシリコン層６が、厚み方向に多孔度が連続的に変
化した層である点に特徴がある。なお、本実施形態にお
いても、実施形態１と同様に、導電性基板としてｎ形シ
リコン基板１（抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基
板）を用いている。
【００５６】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の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層３を
形成することにより図１６（ａ）に示すような構造が得
られる。
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の表面に
膜厚が略１．５μｍのノンドープのポリシリコン層３を
形成することにより図１６（ａ）に示すような構造が得
られる。
【００５７】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、ポリシリコン
層３に光照射を行いながら定電流で陽極酸化処理を行
う。ここにおいて、陽極酸化処理は、電流密度を０ｍＡ
／ｃｍ2として陽極酸化を開始し、時間経過とともに電
流密度を０ｍＡ／ｃｍ2から２０ｍＡ／ｃｍ2まで連続的
に（徐々に）増加させる。但し、陽極酸化中には５００
Ｗのタングステンランプにより表面に光を照射すること
とした。しかして、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
多孔質ポリシリコン層４ｃ（以下、ＰＰＳ層４ｃと称
す）が形成され図１６（ｂ）に示すような構造が得られ
る。なお、本実施形態では、ＰＰＳ層４ｃの膜厚は略１
μｍであった。また、本実施形態では、ポリシリコン層
３の一部を多孔質化しているが、ポリシリコン層３全部
を多孔質化してもよい。
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、ポリシリコン
層３に光照射を行いながら定電流で陽極酸化処理を行
う。ここにおいて、陽極酸化処理は、電流密度を０ｍＡ
／ｃｍ2として陽極酸化を開始し、時間経過とともに電
流密度を０ｍＡ／ｃｍ2から２０ｍＡ／ｃｍ2まで連続的
に（徐々に）増加させる。但し、陽極酸化中には５００
Ｗのタングステンランプにより表面に光を照射すること
とした。しかして、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
多孔質ポリシリコン層４ｃ（以下、ＰＰＳ層４ｃと称
す）が形成され図１６（ｂ）に示すような構造が得られ
る。なお、本実施形態では、ＰＰＳ層４ｃの膜厚は略１
μｍであった。また、本実施形態では、ポリシリコン層
３の一部を多孔質化しているが、ポリシリコン層３全部
を多孔質化してもよい。
【００５８】次に、急速熱酸化技術によってＰＰＳ層４
ｃ及びポリシリコン層３の急速熱酸化を行い（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）、金属薄膜たる金薄膜７を例えば蒸着によ
り形成することによって、図１６（ｃ）に示す構造の電
界放射型電子源１０が得られる。ここに、本実施形態で
は、金薄膜７の膜厚を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は
特に限定されるものではない。なお、電界放射型電子源
１０は金薄膜７を電極の正極（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。また、図１６（ｃ）において、５は急速熱酸化
されたポリシリコン層を、６は急速熱酸化されたＰＰＳ
層４ｃ（ＲＴＯ−ＰＰＳ層６）を示す。
ｃ及びポリシリコン層３の急速熱酸化を行い（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）、金属薄膜たる金薄膜７を例えば蒸着によ
り形成することによって、図１６（ｃ）に示す構造の電
界放射型電子源１０が得られる。ここに、本実施形態で
は、金薄膜７の膜厚を略１０ｎｍとしたが、この膜厚は
特に限定されるものではない。なお、電界放射型電子源
１０は金薄膜７を電極の正極（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。また、図１６（ｃ）において、５は急速熱酸化
されたポリシリコン層を、６は急速熱酸化されたＰＰＳ
層４ｃ（ＲＴＯ−ＰＰＳ層６）を示す。
【００５９】なお、本実施形態では、陽極酸化処理にお
いて電流密度を徐々に増加させることにより多孔度を変
化させているが、電流密度を徐々に減少させることによ
り多孔度を変化させるようにしてよく、後者の場合に
は、ｎ形シリコン基板１に近い側が低多孔度で表面に近
い方が高多孔度となる。
いて電流密度を徐々に増加させることにより多孔度を変
化させているが、電流密度を徐々に減少させることによ
り多孔度を変化させるようにしてよく、後者の場合に
は、ｎ形シリコン基板１に近い側が低多孔度で表面に近
い方が高多孔度となる。
【００６０】（実施形態４）図１７に実施形態１の電界
放射型電子源１０を利用した平面発光装置の概略構成図
を示す。なお、実施形態１と同様の構成要素については
同一の符号を付し説明を省略する。ここにおいて、電界
放射型電子源１０としては、実施形態２または実施形態
３の電界放射型電子源１０を用いてもよい。
放射型電子源１０を利用した平面発光装置の概略構成図
を示す。なお、実施形態１と同様の構成要素については
同一の符号を付し説明を省略する。ここにおいて、電界
放射型電子源１０としては、実施形態２または実施形態
３の電界放射型電子源１０を用いてもよい。
【００６１】本実施形態の平面発光装置は、電界放射型
電子源１０と、電界放射型電子源１０の金薄膜７に対向
配置される透明電極３１を備え、透明電極３１には電界
放射型電子源１０から放射される電子線により可視光を
発光する蛍光体３２が塗布してある。また、透明電極３
１はガラス基板などの透明板３３に塗布形成してある。
ここに、透明電極３１及び蛍光体３２が形成された透明
板３３はスペーサ３４を介して電界放射型電子源１０と
一体化してあり、透明板３３とスペーサ３４と電界放射
型電子源１０とで囲まれる内部空間を所定の真空度にし
てある。したがって、電界放射型電子源１０から電子を
放射させることによって、蛍光体３２を発光させること
ができ、蛍光体３２の発光を透明電極３１及び透明板３
３を通して外部に表示することができる。
電子源１０と、電界放射型電子源１０の金薄膜７に対向
配置される透明電極３１を備え、透明電極３１には電界
放射型電子源１０から放射される電子線により可視光を
発光する蛍光体３２が塗布してある。また、透明電極３
１はガラス基板などの透明板３３に塗布形成してある。
ここに、透明電極３１及び蛍光体３２が形成された透明
板３３はスペーサ３４を介して電界放射型電子源１０と
一体化してあり、透明板３３とスペーサ３４と電界放射
型電子源１０とで囲まれる内部空間を所定の真空度にし
てある。したがって、電界放射型電子源１０から電子を
放射させることによって、蛍光体３２を発光させること
ができ、蛍光体３２の発光を透明電極３１及び透明板３
３を通して外部に表示することができる。
【００６２】本実施形態の平面発光装置において、透明
電極３１を金薄膜７に対して正極とし透明電極３１と金
薄膜７との間に１ｋＶの直流電圧Ｖcを印加した状態
で、電界放射型電子源１０の金薄膜７とオーミック電極
２との間に１５Ｖ程度の直流電圧Ｖpsを印加して電子を
放出（放射）させたところ、金薄膜７の面積（サイズ）
に対応する蛍光パターンが得られた。これは、電界放射
型電子源１０から放射される放出電子電流Ｉe密度が金
薄膜７の面内で略均一であることを示すとともに、放射
される電子ｅ-が金薄膜７から略垂直方向に放射され、
電子ｅ-の流れが拡がったり狭まったりすることなく略
平行となっていることを示す証左である。したがって、
本実施形態では、電子ｅ-が金薄膜７の面内で略均一に
略垂直方向へ放射されるから、従来の平面発光装置で用
いられる収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単にな
るとともに低コスト化が可能になる。また、電界放射型
電子源１０からの電子の放出時にポッピング現象が発生
しないので、表示むらを少なくすることができる。
電極３１を金薄膜７に対して正極とし透明電極３１と金
薄膜７との間に１ｋＶの直流電圧Ｖcを印加した状態
で、電界放射型電子源１０の金薄膜７とオーミック電極
２との間に１５Ｖ程度の直流電圧Ｖpsを印加して電子を
放出（放射）させたところ、金薄膜７の面積（サイズ）
に対応する蛍光パターンが得られた。これは、電界放射
型電子源１０から放射される放出電子電流Ｉe密度が金
薄膜７の面内で略均一であることを示すとともに、放射
される電子ｅ-が金薄膜７から略垂直方向に放射され、
電子ｅ-の流れが拡がったり狭まったりすることなく略
平行となっていることを示す証左である。したがって、
本実施形態では、電子ｅ-が金薄膜７の面内で略均一に
略垂直方向へ放射されるから、従来の平面発光装置で用
いられる収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単にな
るとともに低コスト化が可能になる。また、電界放射型
電子源１０からの電子の放出時にポッピング現象が発生
しないので、表示むらを少なくすることができる。
【００６３】（実施形態５）図１８に実施形態１ないし
実施形態３のいずれかに記載の電界放射型電子源１０を
ディスプレイ装置に利用する場合の電子源部の概略構成
図を示す。本実施形態では、図１８に示すように、実施
形態１ないし実施形態３のいずれかに記載の電界放射型
電子源１０をマトリクス状（アレイ状）に構成し、各電
界放射型電子源１０を各ピクセルに対応させてあり、Ｘ
マトリクスコントロール回路４１とＹマトリクスコント
ロール回路４２とで各電界放射型電子源１０に印加する
上述（実施形態１で説明）の直流電圧Ｖpsをそれぞれオ
ンオフするようになっている。すなわち、本実施形態で
は、Ｘマトリクスコントロール回路４１とＹマトリクス
コントロール回路４２とによって直流電圧Ｖpsを印加す
る電界放射型電子源１０を選択するようになっており、
選択された電界放射型電子源１０からのみ電子が放射さ
れる。
実施形態３のいずれかに記載の電界放射型電子源１０を
ディスプレイ装置に利用する場合の電子源部の概略構成
図を示す。本実施形態では、図１８に示すように、実施
形態１ないし実施形態３のいずれかに記載の電界放射型
電子源１０をマトリクス状（アレイ状）に構成し、各電
界放射型電子源１０を各ピクセルに対応させてあり、Ｘ
マトリクスコントロール回路４１とＹマトリクスコント
ロール回路４２とで各電界放射型電子源１０に印加する
上述（実施形態１で説明）の直流電圧Ｖpsをそれぞれオ
ンオフするようになっている。すなわち、本実施形態で
は、Ｘマトリクスコントロール回路４１とＹマトリクス
コントロール回路４２とによって直流電圧Ｖpsを印加す
る電界放射型電子源１０を選択するようになっており、
選択された電界放射型電子源１０からのみ電子が放射さ
れる。
【００６４】なお、本実施形態のディスプレイ装置で
は、図示しないが、実施形態４と同様に、電子源部に対
向配置される（つまり、電界放射型電子源１０の金薄膜
７に対向配置される）透明電極を備え、透明電極には電
界放射型電子源１０から放射される電子線により可視光
を発光する蛍光体が塗布してある。また、透明電極はガ
ラス基板などの透明板に塗布形成してある。
は、図示しないが、実施形態４と同様に、電子源部に対
向配置される（つまり、電界放射型電子源１０の金薄膜
７に対向配置される）透明電極を備え、透明電極には電
界放射型電子源１０から放射される電子線により可視光
を発光する蛍光体が塗布してある。また、透明電極はガ
ラス基板などの透明板に塗布形成してある。
【００６５】ところで、上述のように電界放射型電子源
１０から放射される電子は、金薄膜７の面内で略均一に
金薄膜７から略垂直方向に放射されその電子流は略平行
しているので、本実施形態のディスプレイ装置では、電
界放射型電子源１０に対向する蛍光体部分のみを発光さ
せることができる。したがって、従来のような複雑なシ
ャドウマスクを設ける必要がなく、高精細なディスプレ
イ装置を実現することが可能となる。
１０から放射される電子は、金薄膜７の面内で略均一に
金薄膜７から略垂直方向に放射されその電子流は略平行
しているので、本実施形態のディスプレイ装置では、電
界放射型電子源１０に対向する蛍光体部分のみを発光さ
せることができる。したがって、従来のような複雑なシ
ャドウマスクを設ける必要がなく、高精細なディスプレ
イ装置を実現することが可能となる。
【００６６】（実施形態６）図１９に実施形態１に記載
の電界放射型電子源１０を利用した固体真空デバイスの
概略構成図を示す。なお、実施形態１と同様の構成要素
については同一の符号を付し説明を省略する。また、電
界放射型電子源１０としては実施形態２または実施形態
３の構造を採用してもよい。
の電界放射型電子源１０を利用した固体真空デバイスの
概略構成図を示す。なお、実施形態１と同様の構成要素
については同一の符号を付し説明を省略する。また、電
界放射型電子源１０としては実施形態２または実施形態
３の構造を採用してもよい。
【００６７】本実施形態の固体真空デバイスは、三極管
タイプのものであって、電界放射型電子源１０をカソー
ドとし、電界放射型電子源１０の金薄膜７に対向してア
ノード電極５１（陽極）を配置し、アノード電極５１と
カソードとの間にメッシュ状のグリッド５２を設けてあ
る。また、アノード電極５１、グリッド５２、カソード
は封止材５３，５４によって真空封止されている。な
お、本実施形態では、封止材５３，５４とｎ形シリコン
基板１よりなる導電性基板とで真空容器を構成してい
る。
タイプのものであって、電界放射型電子源１０をカソー
ドとし、電界放射型電子源１０の金薄膜７に対向してア
ノード電極５１（陽極）を配置し、アノード電極５１と
カソードとの間にメッシュ状のグリッド５２を設けてあ
る。また、アノード電極５１、グリッド５２、カソード
は封止材５３，５４によって真空封止されている。な
お、本実施形態では、封止材５３，５４とｎ形シリコン
基板１よりなる導電性基板とで真空容器を構成してい
る。
【００６８】本実施形態の固体真空デバイスは、電界放
射型電子源１０に上述の直流電圧Ｖpsを印加することに
より電界放射型電子源１０、つまりカソードから電子が
放射され、アノード電極５１と金薄膜７との間に印加さ
れるアノード電圧Ｖaにより加速されるので、アノード
電極５１とカソードとの間にアノード電流Ｉaが流れ
る。なお、このアノード電流Ｉaの大きさは、グリッド
５２を負極としてグリッド５２とオーミック電極２との
間に印加する直流電圧Ｖgの値を変化させることにより
制御できる。
射型電子源１０に上述の直流電圧Ｖpsを印加することに
より電界放射型電子源１０、つまりカソードから電子が
放射され、アノード電極５１と金薄膜７との間に印加さ
れるアノード電圧Ｖaにより加速されるので、アノード
電極５１とカソードとの間にアノード電流Ｉaが流れ
る。なお、このアノード電流Ｉaの大きさは、グリッド
５２を負極としてグリッド５２とオーミック電極２との
間に印加する直流電圧Ｖgの値を変化させることにより
制御できる。
【００６９】従来の真空デバイスは熱電子放射を用いた
陰極が主流であるが、本発明の電界放射型電子源を用い
れば、冷陰極で長寿命の固体真空デバイスを実現するこ
とができる。
陰極が主流であるが、本発明の電界放射型電子源を用い
れば、冷陰極で長寿命の固体真空デバイスを実現するこ
とができる。
【００７０】なお、本実施形態では三極管タイプの固体
真空デバイスについて説明したが、多極管タイプであっ
てもよいことは勿論である。
真空デバイスについて説明したが、多極管タイプであっ
てもよいことは勿論である。
【００７１】
【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酸化されたナノメータ単位
の構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質の
ポリシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属
薄膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加するこ
とにより金属薄膜を通して電子線を放射するので、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高効率で電子を放出する
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
及び低コスト化が可能になるという効果がある。
性基板の一表面側に形成され酸化されたナノメータ単位
の構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質の
ポリシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属
薄膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加するこ
とにより金属薄膜を通して電子線を放射するので、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高効率で電子を放出する
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
及び低コスト化が可能になるという効果がある。
【００７２】請求項２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窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するので、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高効率で電子を放出するこ
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、電子源の大面積化及
び低コスト化が可能になるという効果がある。
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するので、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高効率で電子を放出するこ
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、電子源の大面積化及
び低コスト化が可能になるという効果がある。
【００７３】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になるという効果がある。
の発明において、上記ポリシリコン層が、ノンドープの
ポリシリコン層なので、酸化または窒化された多孔質の
ポリシリコン層が半絶縁性となり、上記電圧を印加する
ことにより該多孔質のポリシリコン層が強電界となっ
て、導電性基板側から該多孔質のポリシリコン層に注入
された電子がドリフトして該多孔質のポリシリコン層の
表面に達し、ホットエレクトロンとして金属薄膜をトン
ネルすることにより電子が放射されるから、上記ポリシ
リコン層がドーピングされている場合に比べて高効率で
安定して電子を放出することができ、また、ドーピング
が不要なので製造が容易になるという効果がある。
【００７４】請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６
の発明において、導電性基板は、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
面積化及び低コスト化が可能になるという効果がある。
の発明において、導電性基板は、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
面積化及び低コスト化が可能になるという効果がある。
【００７５】請求項８の発明は、請求項１記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
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。
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を酸化し、酸化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
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。
【００７６】請求項９の発明は、請求項２記載の電界放
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
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。
射型電子源の製造方法であって、導電性基板上にポリシ
リコン層を形成し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔
質化されたポリシリコン層を窒化し、窒化された多孔質
のポリシリコン層上に金属薄膜よりなる電極を形成する
ので、従来のスピント型電極のような複雑な構造や製造
プロセスを必要とせず、比較的簡単な製造プロセスによ
って電子を安定して高効率で放出できる低コストの電界
放射型電子源を提供することができ、また、大面積の電
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。
【００７７】請求項１２の発明は、請求項１乃至請求項
７のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
いるので、電界放射型電子源から放射される電子の放出
角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろうか
ら、収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単になると
ともに薄型の平面発光装置を実現することができるとい
う効果がある。
７のいずれかに記載の電界放射型電子源と、上記金属薄
膜に対向配置される透明電極とを備え、上記電子線によ
り可視光を発光する蛍光体が上記透明電極に設けられて
いるので、電界放射型電子源から放射される電子の放出
角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろうか
ら、収束電極を設ける必要がなく、構造が簡単になると
ともに薄型の平面発光装置を実現することができるとい
う効果がある。
【００７８】請求項１３の発明は、請求項１乃至請求項
７のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、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、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができるという効果がある。
７のいずれかに記載の電界放射型電子源をマトリクス状
に構成し、各電界放射型電子源に印加する上記電圧をそ
れぞれ制御する手段と、上記金属薄膜に対向配置される
透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光する
蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴とす
るものであり、電界放射型電子源から放射される電子の
放出角度が金属薄膜の表面に対して略垂直方向にそろう
ので、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、高精細なディスプレイ装置を実現すること
ができるという効果がある。
【００７９】請求項１４の発明は、少なくとも請求項１
乃至請求項７のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されているので、電界放射型電
子源が冷陰極を構成するから、従来の熱電子放射を利用
した熱陰極を有する固体真空デバイスのように加熱手段
を設ける必要がなく、小型化が可能になるとともに陰極
物質の蒸発や劣化を抑制することができ、長寿命の固体
真空デバイスを実現することができるという効果があ
る。
乃至請求項７のいずれかに記載の電界放射型電子源と陽
極とが真空容器中に配設されているので、電界放射型電
子源が冷陰極を構成するから、従来の熱電子放射を利用
した熱陰極を有する固体真空デバイスのように加熱手段
を設ける必要がなく、小型化が可能になるとともに陰極
物質の蒸発や劣化を抑制することができ、長寿命の固体
真空デバイスを実現することができるという効果があ
る。
【図１】実施形態１を示す断面図である。
【図２】同上の製造プロセスを説明するための主要工程
断面図である。
断面図である。
【図３】同上の放射電子の測定原理の説明図である。
【図４】同上の電圧電流特性図である。
【図５】図４のデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉ
ｍプロットしたグラフである。
ｍプロットしたグラフである。
【図６】同上の電子放出機構を説明するバンド図であ
る。
る。
【図７】同上の放出電子のエネルギ分布の説明図であ
る。
る。
【図８】同上の電流の経時変化を示すグラフである。
【図９】同上の電流の真空度依存性を示すグラフであ
る。
る。
【図１０】実施形態２の製造プロセスを説明するための
主要工程断面図である。
主要工程断面図である。
【図１１】同上の製造プロセスを説明するための主要工
程断面図である。
程断面図である。
【図１２】同上の電圧電流特性図である。
【図１３】図１２のデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈ
ｅｉｍプロットしたグラフである。
ｅｉｍプロットしたグラフである。
【図１４】同上の電流の経時変化を示すグラフである。
【図１５】同上の他の構成例の陽極酸化処理の説明図で
ある。
ある。
【図１６】実施形態３の製造プロセスを説明するための
主要工程断面図である。
主要工程断面図である。
【図１７】実施形態４を示す概略構成図である。
【図１８】実施形態５を示す要部概略構成図である。
【図１９】実施形態６を示す概略構成図である。
１ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ５ 急速熱酸化されたポリシリコン層 ６ 急速熱酸化された多孔質ポリシリコン層 ７ 金薄膜 １０ 電界放射型電子源
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年８月２６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【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
表面側に形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有
する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコ
ン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電
性基板に対して正極として電圧を印加することにより金
属薄膜を通して電子線を放射するものであって、上記多
孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面が多孔質化
され各グレインの中心部分では結晶状態が維持されてな
ることを特徴とするものであり、電圧の印加により生じ
た熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に
放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で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を形成した
基板などを使用することもできるので、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、電子源の大面積化及び低コ
スト化が可能になる。
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有
する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコ
ン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電
性基板に対して正極として電圧を印加することにより金
属薄膜を通して電子線を放射するものであって、上記多
孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面が多孔質化
され各グレインの中心部分では結晶状態が維持されてな
ることを特徴とするものであり、電圧の印加により生じ
た熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に
放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で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を形成した
基板などを使用することもできるので、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、電子源の大面積化及び低コ
スト化が可能になる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】請求項２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窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されてなることを特徴とするものであり、電圧の印加
により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導
して外部に放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で電子を放出する
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を
形成した基板などを使用することもできるので、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
及び低コスト化が可能になる。
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されてなることを特徴とするものであり、電圧の印加
により生じた熱が上記結晶状態が維持された部分を伝導
して外部に放出されて温度上昇が抑制されるので、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高効率で電子を放出する
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を
形成した基板などを使用することもできるので、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
及び低コスト化が可能になる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００７１】
【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酸化されたナノメータ単位
の構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質の
ポリシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属
薄膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加するこ
とにより金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で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、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
性基板の一表面側に形成され酸化されたナノメータ単位
の構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質の
ポリシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属
薄膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加するこ
とにより金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で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、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００７２】請求項２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窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で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、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
基板の一表面側に形成され窒化されたナノメータ単位の
構造を有する多孔質のポリシリコン層と、該多孔質のポ
リシリコン層上に形成された金属薄膜とを備え、金属薄
膜を導電性基板に対して正極として電圧を印加すること
により金属薄膜を通して電子線を放射するものであっ
て、上記多孔質のポリシリコン層は、各グレインの表面
が多孔質化され各グレインの中心部分では結晶状態が維
持されているものであり、電圧の印加により生じた熱が
上記結晶状態が維持された部分を伝導して外部に放出さ
れて温度上昇が抑制されるので、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
せず安定して高効率で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、電子源の大面積化及び低コスト化
が可能になるという効果がある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 29/04 Ｈ０１Ｊ 29/04 31/12 31/12 Ｃ
Claims (14)
- 【請求項１】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成され酸化されたナノメータ単位の構造を有する多孔
質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコン層上に
形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電性基板に
対して正極として電圧を印加することにより金属薄膜を
通して電子線を放射することを特徴とする電界放射型電
子源。 - 【請求項２】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
形成され窒化されたナノメータ単位の構造を有する多孔
質のポリシリコン層と、該多孔質のポリシリコン層上に
形成された金属薄膜とを備え、金属薄膜を導電性基板に
対して正極として電圧を印加することにより金属薄膜を
通して電子線を放射することを特徴とする電界放射型電
子源。 - 【請求項３】 上記多孔質のポリシリコン層は、多孔度
の高いポリシリコン層と多孔度の低いポリシリコン層と
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
または請求項２記載の電界放射型電子源。 - 【請求項４】 上記多孔質のポリシリコン層は、厚み方
向に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または請求項２記載の電界放射型電子源。 - 【請求項５】 上記多孔質のポリシリコン層は、表面側
に比べて導電性基板側の多孔度が高くなるように厚み方
向に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または請求項２記載の電界放射型電子源。 - 【請求項６】 上記ポリシリコン層は、ノンドープのポ
リシリコン層であることを特徴とする請求項１乃至請求
項５のいずれかに記載の電界放射型電子源。 - 【請求項７】 導電性基板は、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乃至請
求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源。 - 【請求項８】 請求項１記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、導電性基板上にポリシリコン層を形成
し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔質化されたポリ
シリコン層を酸化し、酸化された多孔質のポリシリコン
層上に金属薄膜よりなる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９】 請求項２記載の電界放射型電子源の製造
方法であって、導電性基板上にポリシリコン層を形成
し、ポリシリコン層を多孔質化し、多孔質化されたポリ
シリコン層を窒化し、窒化された多孔質のポリシリコン
層上に金属薄膜よりなる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１０】 上記ポリシリコン層の多孔質化にあた
っては、多孔度の高いポリシリコン層と多孔度の低いポ
リシリコン層とが交互に積層されるように多孔質化の条
件を変化させることを特徴とする請求項８または請求項
９記載の電界放射型電子源の製造方法。 - 【請求項１１】 上記ポリシリコン層の多孔質化にあた
っては、表面側に比べて導電性基板側の多孔度が高くな
り厚み方向に多孔度が連続的に変化するように多孔質化
の条件を変化させることを特徴とする請求項８または請
求項９記載の電界放射型電子源の製造方法。 - 【請求項１２】 請求項１乃至請求項７のいずれかに記
載の電界放射型電子源と、上記金属薄膜に対向配置され
る透明電極とを備え、上記電子線により可視光を発光す
る蛍光体が上記透明電極に設けられて成ることを特徴と
する平面発光装置。 - 【請求項１３】 請求項１乃至請求項７のいずれかに記
載の電界放射型電子源をマトリクス状に構成し、各電界
放射型電子源に印加する上記電圧をそれぞれ制御する手
段と、上記金属薄膜に対向配置される透明電極とを備
え、上記電子線により可視光を発光する蛍光体が上記透
明電極に設けられて成ることを特徴とするディスプレイ
装置。 - 【請求項１４】 少なくとも請求項１乃至請求項７のい
ずれかに記載の電界放射型電子源と陽極とが真空容器中
に配設されて成ることを特徴とする固体真空デバイス。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP9-297108 | 1997-10-29 | ||
| JP29710897 | 1997-10-29 | ||
| JP6559298 | 1998-03-16 | ||
| JP10-65592 | 1998-03-16 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| US6784621B2 (en) | 2001-10-29 | 2004-08-31 | Matsushita Electric Works, Ltd. | Field emission-type electron source and method of biasing the same |
| WO2004095146A1 (ja) * | 2003-04-21 | 2004-11-04 | Sharp Kabushiki Kaisha | 電子放出素子およびそれを用いた画像形成装置 |
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| WO2007023945A1 (ja) * | 2005-08-26 | 2007-03-01 | Matsushita Electric Works, Ltd. | 放電プラズマ生成補助装置 |
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-
1998
- 1998-09-25 JP JP27234098A patent/JP2987140B2/ja not_active Expired - Fee Related
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