JP2001035355A - Field emission type electron source - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射により電
子線を放射するようにした電界放射型電子源に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron source which emits an electron beam by field emission.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission type electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.
【０００３】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。However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately form a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, the Spindt-type electrode has a large area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem that was difficult. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas is present, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the ions are ionized and the positive ions collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable. There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, in the Spindt-type electrode, in order to prevent the occurrence of this kind of problem, a high vacuum (about 10 −5 Pa
It is necessary to use it at about 10 −6 Pa), resulting in high costs and troublesome handling.
【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。In order to improve this kind of problem, MIM
(Metal Insulator Metal) method and MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) type field emission electron sources have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the emission efficiency of electrons in this type of field emission type electron source (to emit many electrons), it is necessary to reduce the thickness of the insulating film and the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure. Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.
【０００５】また、近年では、特開平８−２５０７６６
号公報に開示されているように、シリコン基板などの単
結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の一表面を陽
極酸化することにより多孔質半導体層（ポーラスシリコ
ン層）を形成して、その多孔質半導体層上に金属薄膜を
形成し、半導体基板と金属薄膜との間に電圧を印加して
電子を放射させるように構成した電界放射型電子源（半
導体冷電子放出素子）が提案されている。In recent years, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-209, a porous semiconductor layer (porous silicon layer) is formed by using a single crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate and anodizing one surface of the semiconductor substrate. A field emission electron source (semiconductor cold electron emission element) has been proposed in which a metal thin film is formed on a porous semiconductor layer, and a voltage is applied between the semiconductor substrate and the metal thin film to emit electrons. .
【０００６】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６号公報に記載の電界放射型電子源では、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８−２５０７６
６号公報に記載の電界放射型電子源では電子放出時にい
わゆるポッピング現象が生じやすく、放出電子量にむら
が起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイなど
に応用すると、発光むらができてしまうという不具合が
ある。[0006] However, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-2507 has been disclosed.
In the field emission electron source described in Japanese Patent Publication No. 66, since the substrate is limited to a semiconductor substrate, there is a problem that it is difficult to increase the area and reduce the cost. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-25076
In the field emission type electron source described in Japanese Patent Application Publication No. 6 (1995) -76, a so-called popping phenomenon easily occurs during electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. There is.
【０００７】そこで、本願発明者らは、特願平１０−２
７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号において、
多孔質多結晶半導体層（例えば、多孔質化された多結晶
シリコン層）を急速熱酸化（ＲＴＯ）技術によって急速
熱酸化することによって、導電性基板と金属薄膜（表面
電極）との間に介在し導電性基板から注入された電子が
ドリフトする強電界ドリフト層（強電界ドリフト部）を
形成した電界放射型電子源を提案した。この電界放射型
電子源では、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ
電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を
放出することができ、また、導電性基板として単結晶シ
リコン基板などの半導体基板の他にガラス基板などに導
電性膜（例えば、ＩＴＯ膜）を形成した基板などを使用
することもできるから、従来のように半導体基板を多孔
質化した多孔質半導体層を利用する場合やスピント型電
極に比べて、電子源の大面積化および低コスト化が可能
になる。[0007] The inventors of the present application have proposed a technique disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 10-2.
No. 72340, Japanese Patent Application No. 10-272342,
Rapid thermal oxidation of a porous polycrystalline semiconductor layer (eg, a porous polycrystalline silicon layer) by a rapid thermal oxidation (RTO) technique intervenes between a conductive substrate and a metal thin film (surface electrode). We have proposed a field emission type electron source with a strong electric field drift layer (strong electric field drift part) in which electrons injected from a conductive substrate drift. In this field emission type electron source, the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum, and can stably emit electrons without generating a popping phenomenon during electron emission. In addition to the semiconductor substrate described above, a substrate in which a conductive film (for example, an ITO film) is formed on a glass substrate or the like can also be used. As compared with the case and the Spindt-type electrode, the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced.
【０００８】しかしながら、上述の特願平１０−２７２
３４０号、特願平１０−２７２３４２号に提案した電界
放射型電子源では、導電性基板の耐熱温度以上に急速熱
酸化の酸化温度を上げることができないので、基板の材
料やＩＴＯ膜の材料が制限され、基板の大口径化（大面
積化）が制約されるという不具合があった。However, the above-mentioned Japanese Patent Application No. 10-272 is disclosed.
In the field emission type electron source proposed in Japanese Patent Application No. 340 and Japanese Patent Application No. Hei 10-272342, the oxidation temperature of rapid thermal oxidation cannot be increased beyond the heat resistant temperature of the conductive substrate. However, there is a problem in that the size of the substrate is limited and the increase in the diameter (larger area) of the substrate is restricted.
【０００９】そこで、本願発明者らは、特願平１１−１
０８６３２号において、多孔質多結晶シリコン層を酸に
より酸化することによって強電界ドリフト層を形成した
電界放射型電子源を提案した。[0009] The inventors of the present application have proposed a technique disclosed in Japanese Patent Application No. 11-1.
No. 08632 proposes a field emission type electron source in which a strong electric field drift layer is formed by oxidizing a porous polycrystalline silicon layer with an acid.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特願平１１−１０８６３２号に提案した電界放射型電子
源であっても、多結晶シリコンを形成するには６００℃
以上のプロセスが必要なため、導電性基板として高価な
石英ガラスに導電性膜を形成したものや、単結晶シリコ
ン基板などを用いざるを得ず、導電性基板の大口径化
（大面積化）が制約され、例えば大面積ディスプレイの
実現が難しいという不具合があった。However, even with the field emission type electron source proposed in Japanese Patent Application No. Hei 11-108632, 600 DEG C. is required to form polycrystalline silicon.
Since the above process is necessary, it is inevitable to use a conductive film formed on expensive quartz glass as a conductive substrate or a single-crystal silicon substrate, so that the diameter of the conductive substrate becomes larger (larger area). However, there is a problem that it is difficult to realize a large-area display, for example.
【００１１】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、大面積化および低コストが容易な電
界放射型電子源およびその製造方法を提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field emission type electron source having a large area and a low cost, and a method of manufacturing the same.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリ
フト部上に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを
備え、表面電極を導電性基板に対して正極として電圧を
印加することにより導電性基板から注入された電子が強
電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出され
る電界放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、多
孔質化されたアモルファス物質からなることを特徴とす
るものであり、強電界ドリフト部を多孔質化された多結
晶シリコンにより形成する場合に比べてプロセス温度が
低温になって導電性基板の制約が少なくなり、大面積化
および低コスト化が容易になる。According to the first aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and the strong electric field drift portion. And a surface electrode made of a conductive thin film formed on the portion, and by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate, electrons injected from the conductive substrate drift in the strong electric field drift portion. A field emission type electron source emitted through a surface electrode, wherein the strong electric field drift portion is made of a porous amorphous material, and the strong electric field drift portion is made of a porous material. The process temperature is lower than in the case of forming with crystalline silicon, the restriction on the conductive substrate is reduced, and the area and cost can be easily reduced.
【００１３】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た強電界ドリフト部と、該強
電界ドリフト部上に形成された導電性薄膜よりなる表面
電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極とし
て電圧を印加することにより導電性基板から注入された
電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して
放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリフト
部は、上記電子がドリフトするドリフト部とドリフト部
よりも熱伝導性の良い放熱部とからなり、上記ドリフト
部は、多孔質化されたアモルファス物質からなることを
特徴とするものであり、強電界ドリフト部を多孔質化さ
れた多結晶シリコンにより形成する場合に比べてプロセ
ス温度が低温になって導電性基板の制約が少なくなり、
大面積化および低コスト化が容易になり、しかも、強電
界ドリフト部ではドリフト部で発生したジュール熱が放
熱部を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング
現象が発生するのを防止することができて、安定して高
効率で電子を放出でき、経時安定性が向上する。According to a second aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode comprising a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate are drifted through a strong electric field drift portion and emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode as a positive electrode with respect to the conductive substrate. Wherein the strong electric field drift part comprises a drift part in which the electrons drift and a heat radiation part having better thermal conductivity than the drift part, and the drift part is made of a porous amorphous material. In comparison with the case where the strong electric field drift portion is formed of porous polycrystalline silicon, the process temperature is lower and the restriction on the conductive substrate is reduced,
It is easy to increase the area and reduce the cost, and in the strong electric field drift section, Joule heat generated in the drift section is radiated through the heat radiating section, so that it is possible to prevent the occurrence of the popping phenomenon during electron emission. As a result, electrons can be stably emitted with high efficiency, and the stability over time is improved.
【００１４】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、上記アモルファス物質が、アモルフ
ァス半導体からなるので、強電界ドリフト部の電気的特
性の制御が容易となる。According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, since the amorphous substance is made of an amorphous semiconductor, it is easy to control the electric characteristics of the strong electric field drift portion.
【００１５】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記アモルファス半導体が、アモルファスシリコン
若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例
えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用
するとともにプロセスを利用することが可能になる。According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, since the amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound, for example, a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell is used and a process is used. Becomes possible.
【００１６】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、上記アモルファス物質が、導電性基
板の上記一表面に略直交して列設した柱状に形成されて
いるので、放熱性が向上し、より安定して高効率で電子
を放出することができる。According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the amorphous substance is formed in a columnar shape arranged substantially perpendicular to the one surface of the conductive substrate. And the electron emission can be more stably and efficiently performed.
【００１７】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、上記アモルファス物質が、アモルファス半導体から
なるので、多孔質化の制御が容易になる。According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, since the amorphous substance is made of an amorphous semiconductor, the control of the porosity becomes easy.
【００１８】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記アモルファス半導体が、アモルファスシリコン
若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例
えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用
するとともにプロセスを利用することが可能になる。According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, since the amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound, for example, a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell is used and a process is used. Becomes possible.
【００１９】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、上記強電界ドリフト部が、ナノメー
タオーダの半導体微結晶を有し、半導体微結晶の表面が
当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜
により覆われているので、絶縁膜にかかる電界で電子を
加速でき、電子放出効率が向上する。According to an eighth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects, the strong electric field drift portion has a semiconductor microcrystal on the order of nanometers, and a surface of the semiconductor microcrystal is a crystal of the semiconductor microcrystal. Since it is covered with the insulating film having a thickness smaller than the particle diameter, electrons can be accelerated by an electric field applied to the insulating film, and the electron emission efficiency is improved.
【００２０】請求項９の発明は、請求項８の発明におい
て、上記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、上記絶縁膜を
簡単に形成することができる。According to a ninth aspect of the present invention, in the invention of the eighth aspect, since the insulating film is made of an oxide film, the insulating film can be easily formed.
【００２１】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項９の発明において、上記強電界ドリフト部が、４５０
℃以下の低温プロセスによって形成されているので、導
電性基板として、安価なガラス基板や樹脂基板などの一
表面側に導電性膜を形成したものを用いることができ、
低コスト化および大面積化が可能となる。According to a tenth aspect of the present invention, in the first to ninth aspects of the present invention, the strong electric field drift portion is 450
Since it is formed by a low-temperature process of less than or equal to ℃, as the conductive substrate, it is possible to use an inexpensive glass substrate or a resin substrate formed with a conductive film on one surface side,
Low cost and large area can be achieved.
【００２２】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、上記導電性基板が、ガラス基板
とガラス基板の一表面上に形成された導電性膜とからな
り、上記電界ドリフト部は、該導電性膜上に形成されて
いるので、例えば薄膜トランジスタの製造装置を流用す
るとともにプロセスを利用することが可能になる。According to an eleventh aspect of the present invention, in the first to tenth aspects, the conductive substrate comprises a glass substrate and a conductive film formed on one surface of the glass substrate. Since the portion is formed on the conductive film, for example, it is possible to divert a manufacturing apparatus of a thin film transistor and use a process.
【００２３】請求項１２の発明は、請求項１１の発明に
おいて、上記ガラス基板が、無アルカリガラス基板より
なるので、より一層の低コスト化および大面積化が可能
になる。According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of the eleventh aspect, since the glass substrate is made of a non-alkali glass substrate, the cost and the area can be further reduced.
【００２４】[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の概略断面図を、図２（ａ）〜
（ｄ）に電界放射型電子源１０の製造方法における主要
工程断面図を示す。本実施形態では、導電性基板１とし
て、ガラス基板１ａとガラス基板１ａの一表面上に形成
された導電性膜２とからなる基板を用いているので、導
電性基板１として、単結晶シリコン基板を用いる場合に
比べて、電子源の大面積化および低コスト化が可能にな
る。(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic sectional view of a field emission type electron source 10 according to this embodiment, and FIGS.
(D) is a sectional view of a main step in the method for manufacturing the field emission electron source 10. In the present embodiment, a substrate composed of a glass substrate 1a and a conductive film 2 formed on one surface of the glass substrate 1a is used as the conductive substrate 1, and therefore, a single crystal silicon substrate is used as the conductive substrate 1. It is possible to increase the area of the electron source and reduce the cost as compared with the case of using.
【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、導電性基板１の一表面側に酸化された
多孔質アモルファスシリコンよりなる強電界ドリフト部
６が形成され、強電界ドリフト部６上に導電性薄膜（例
えば、金薄膜など）よりなる表面電極７が形成されてい
る。なお、本実施形態の電界放射型電子源１０では、強
電界ドリフト部６へ電界を印加することにより強電界ド
リフト部６の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であると考えられ、トンネル効果によって表面電極７の
表面から放出される。したがって、表面電極７として
は、仕事関数の小さな材料を用いれば良い。また、本実
施形態では、強電界ドリフト部６を酸化された多孔質ア
モルファスシリコンにより構成しているが、強電界ドリ
フト部６を酸化された多孔質アモルファスシリコン化合
物により構成してもよい。In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a strong electric field drift portion 6 made of oxidized porous amorphous silicon is formed on one surface side of a conductive substrate 1. A surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed on the electric field drift portion 6. In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, electrons that reach the surface of the strong electric field drift section 6 by applying an electric field to the strong electric field drift section 6 are considered to be hot electrons, and the surface effect is caused by the tunnel effect. Emitted from the surface of the electrode 7. Therefore, a material having a small work function may be used as the surface electrode 7. In the present embodiment, the strong electric field drift portion 6 is made of oxidized porous amorphous silicon. However, the strong electric field drift portion 6 may be made of an oxidized porous amorphous silicon compound.
【００２６】この電界放射型電子源１０では、図３に示
すように、表面電極７を真空中に配置するとともに表面
電極７に対向してコレクタ電極２１を配置し、表面電極
７を導電性膜２に対して正極として電圧を印加するとと
もに、コレクタ電極２１を表面電極７に対して正極とし
て直流電圧を印加することにより、導電性基板１から注
入された電子が強電界ドリフト部６をドリフトし表面電
極７を通して放出される。ここにおいて、表面電極７と
導電性膜２との間に流れる電流をダイオード電流と称
し、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流
を放出電子電流と称し、ダイオード電流に対する放出電
子電流が大きいほど電子の放出効率が高くなる。なお、
本実施形態の電界放射型電子源１０では、表面電極７と
導電性膜２との間の直流電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電
圧としても電子を放出させることができる。In this field emission type electron source 10, as shown in FIG. 3, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum, a collector electrode 21 is arranged opposite to the surface electrode 7, and the surface electrode 7 is formed of a conductive film. 2 is applied as a positive electrode to the collector electrode 21 and a DC voltage is applied to the surface electrode 7 as a positive electrode, so that electrons injected from the conductive substrate 1 drift through the strong electric field drift portion 6. It is emitted through the surface electrode 7. Here, the current flowing between the surface electrode 7 and the conductive film 2 is called a diode current, the current flowing between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 is called an emission electron current, and the emission electron current with respect to the diode current is The larger the value, the higher the electron emission efficiency. In addition,
In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, electrons can be emitted even when the DC voltage between the surface electrode 7 and the conductive film 2 is set to a low voltage of about 10 to 20 V.
【００２７】以下、製造方法について図２を参照しなが
ら説明する。Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
【００２８】まず、導電性基板１の主表面上（導電性膜
２上）に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープ
のアモルファスシリコン層３を形成（成膜）することに
より図２（ａ）に示すような構造が得られる。ここにお
いて、アモルファスシリコン層３は、プラズマＣＶＤ法
により堆積しているので、４５０℃以下の低温プロセス
で成膜することができる。First, a non-doped amorphous silicon layer 3 having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) is formed (deposited) on the main surface (on the conductive film 2) of the conductive substrate 1 as shown in FIG. The structure as shown in a) is obtained. Here, since the amorphous silicon layer 3 is deposited by the plasma CVD method, it can be formed by a low-temperature process of 450 ° C. or less.
【００２９】ノンドープのアモルファスシリコン層３を
形成した後、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノー
ルとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液の入っ
た陽極酸化処理槽を利用し、白金電極（図示せず）を負
極、導電性基板１（導電性膜２）を正極として、アモル
ファスシリコン層３に光照射を行いながら所定の条件で
陽極酸化処理を行うことによって、多孔質アモルファス
シリコン層４が形成され図２（ｂ）に示すような構造が
得られる。ここにおいて、本実施形態では、陽極酸化処
理の条件として、陽極酸化処理の期間、アモルファスシ
リコン層３の表面に照射する光パワーを一定、電流密度
を一定としたが、この条件は適宜変更してもよい（例え
ば、電流密度を変化させてもよい）。After the non-doped amorphous silicon layer 3 is formed, platinum is used in an anodic oxidation treatment tank containing an electrolytic solution comprising a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol in a ratio of about 1: 1. The anode (not shown) is used as a negative electrode, the conductive substrate 1 (conductive film 2) is used as a positive electrode, and the amorphous silicon layer 3 is subjected to anodic oxidation under predetermined conditions while irradiating light to the porous amorphous silicon layer. 4 are formed, and a structure as shown in FIG. 2B is obtained. Here, in the present embodiment, as the conditions of the anodic oxidation treatment, the light power applied to the surface of the amorphous silicon layer 3 was constant and the current density was constant during the anodic oxidation treatment, but these conditions were appropriately changed. (For example, the current density may be changed).
【００３０】上述の陽極酸化処理が終了した後、陽極酸
化処理槽から電解液を除去し、該陽極酸化処理槽に新た
に酸（例えば、略１０％の希硝酸、略１０％の希硫酸、
王水など）を投入し、その後、この酸の入った陽極酸化
処理槽を利用して、白金電極（図示せず）を負極、導電
性基板１（導電性膜２）を正極として、定電流を流し多
孔質アモルファスシリコン層４を酸化することにより図
２（ｃ）に示す構造が得られる。図２（ｃ）における６
は多孔質アモルファスシリコン層４を酸によって酸化す
ることにより形成された強電界ドリフト部を示す。要す
るに、強電界ドリフト部６は、多孔質化されたアモルフ
ァス物質からなる。After the above-mentioned anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank, and an acid (for example, about 10% diluted nitric acid, about 10% diluted sulfuric acid,
Aqua regia, etc.), and then using an anodizing tank containing the acid, a platinum electrode (not shown) as a negative electrode, a conductive substrate 1 (conductive film 2) as a positive electrode, and a constant current. And the porous amorphous silicon layer 4 is oxidized to obtain the structure shown in FIG. 6 in FIG.
Indicates a strong electric field drift portion formed by oxidizing the porous amorphous silicon layer 4 with an acid. In short, the strong electric field drift portion 6 is made of a porous amorphous material.
【００３１】強電界ドリフト部６を形成した後は、強電
界ドリフト部６上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）より
なる表面電極７を例えば蒸着により形成することによっ
て、図２（ｄ）に示す構造の電界放射型電子源１０が得
られる。なお、本実施形態では、表面電極７の膜厚を１
５ｎｍとしてあるが、この膜厚は特に限定するものでは
なく、強電界ドリフト層６を通ってきた電子がトンネル
できる膜厚であればよい。また、本実施形態では、表面
電極７となる導電性薄膜を蒸着により形成しているが、
導電性薄膜の形成方法は蒸着に限定されるものではな
く、例えばスパッタ法を用いてもよい。After the strong electric field drift portion 6 is formed, a surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed on the strong electric field drift portion 6 by, for example, vapor deposition, as shown in FIG. A field emission electron source 10 having the structure shown is obtained. In this embodiment, the thickness of the surface electrode 7 is set to 1
Although the thickness is set to 5 nm, the thickness is not particularly limited, and may be any thickness as long as electrons passing through the strong electric field drift layer 6 can tunnel. In the present embodiment, the conductive thin film to be the surface electrode 7 is formed by vapor deposition.
The method for forming the conductive thin film is not limited to vapor deposition, and for example, a sputtering method may be used.
【００３２】本実施形態の製造方法では、アモルファス
シリコン層３をプラズマＣＶＤ法などの低温プロセスで
成膜し、多孔質アモルファスシリコン層４の酸化を酸に
より行っており、かつ、表面電極７を蒸着法、スパッタ
法などにより成膜しているので、４５０℃以下の低温プ
ロセスで電界放射型電子源１０を製造することができ
る。したがって、導電性基板１として、無アルカリガラ
スのような安価で大面積化可能な基板を利用することが
でき、また樹脂基板のような安価な基板を利用すること
ができるので、電子源の大面積化および低コスト化が可
能になる。In the manufacturing method of this embodiment, the amorphous silicon layer 3 is formed by a low-temperature process such as a plasma CVD method, the porous amorphous silicon layer 4 is oxidized with an acid, and the surface electrode 7 is deposited. The field emission type electron source 10 can be manufactured by a low-temperature process of 450 ° C. or less because the film is formed by a method such as a sputtering method and a sputtering method. Therefore, an inexpensive substrate such as non-alkali glass, which can have a large area, and an inexpensive substrate, such as a resin substrate, can be used as the conductive substrate 1. The area and cost can be reduced.
【００３３】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源は、本願発明者らが特願平１０−２７２３４
０号、特願平１０−２７２３４２号で提案した電界放射
型電子源と同様に、電子放出特性の真空度依存性が小さ
く且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して
電子を放出することができる。The field emission electron source manufactured by the above-described manufacturing method is disclosed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 10-27234.
As in the case of the field emission type electron source proposed in Japanese Patent Application No. 0 and Japanese Patent Application No. 10-272342, the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and emit electrons stably without popping phenomenon at the time of electron emission. Can be.
【００３４】なお、本実施形態では、強電界ドリフト部
６が図４に示すようなナノメータオーダのシリコン微結
晶６３を有し、シリコン微結晶６３の表面が当該シリコ
ン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸
化膜からなる絶縁膜６４により覆われているので、強電
界ドリフト部６に注入された電子ｅ−が絶縁膜６４にか
かっている強電界により加速され図４中の矢印Ａの向き
へドリフトし、しかも電子のドリフト長はシリコン微結
晶の粒径に比べて非常に大きいから、ほとんど衝突を起
こすことなく強電界ドリフト部６の表面に到達するの
で、電子放出効率が向上する。In the present embodiment, the strong electric field drift portion 6 has the nanocrystal silicon 63 of nanometer order as shown in FIG. 4, and the surface of the silicon microcrystal 63 is smaller than the crystal grain size of the silicon microcrystal 63. 4 is covered with the insulating film 64 made of a silicon oxide film having a small thickness, the electrons e − injected into the strong electric field drift portion 6 are accelerated by the strong electric field applied to the insulating film 64, and the arrows in FIG. Since the electron drifts in the direction of A and the drift length of the electrons is much larger than the particle diameter of the silicon microcrystals, the electrons reach the surface of the strong electric field drift portion 6 with almost no collision, so that the electron emission efficiency is improved. I do.
【００３５】また、上記実施形態では、強電界ドリフト
部６が導電性基板１の略全面にわたって形成されている
が、強電界ドリフト部６を、導電性基板１の上記一表面
に略直交して列設した柱状に形成すれば、放熱性が向上
し、より安定して高効率で電子を放出することができ
る。In the above embodiment, the strong electric field drift portion 6 is formed over substantially the entire surface of the conductive substrate 1. However, the strong electric field drift portion 6 is formed substantially perpendicular to the one surface of the conductive substrate 1. When formed in a columnar arrangement, heat dissipation is improved, and electrons can be more stably and efficiently emitted.
【００３６】（実施例）実施形態１にて図２を参照しな
がら説明した電界放射型電子源１０の製造方法で以下の
条件により図１の電界放射型電子源１０を作成した。(Example) The field emission electron source 10 of FIG. 1 was produced by the method of manufacturing the field emission electron source 10 described in Embodiment 1 with reference to FIG. 2 under the following conditions.
【００３７】導電性基板１としては、無アルカリガラス
よりなるガラス基板１ａの一表面上にＩＴＯ膜よりなる
導電性膜２を形成したものを用いた。アモルファスシリ
コン層３（図２（ａ）参照）の成膜は、プラズマＣＶＤ
法により行い、基板温度を２７０℃とした。As the conductive substrate 1, a substrate having a conductive film 2 made of an ITO film formed on one surface of a glass substrate 1a made of non-alkali glass was used. The amorphous silicon layer 3 (see FIG. 2A) is formed by plasma CVD.
The substrate temperature was set to 270 ° C.
【００３８】陽極酸化では電解液として、５５ｗｔ％の
フッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した
電解液を用いた。陽極酸化は、アモルファスシリコン層
３のうち表面の直径１０ｍｍの領域のみが電解液に触れ
るようにし、他の部分は電解液に接触しないようにシー
ルを行い、電解液中に白金電極を浸し、５００Ｗのタン
グステンランプを用いてアモルファスシリコン層３に一
定の光パワーで光照射を行いながら、白金電極を負極、
導電性基板１（導電性膜２）を正極として、所定の電流
を流した。ここに、電流密度を２．５ｍＡ／ｃｍ２で一
定、陽極酸化時間を約１０秒とした。In the anodic oxidation, an electrolytic solution obtained by mixing a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol at a ratio of about 1: 1 was used. The anodic oxidation is performed so that only the area of the surface of the amorphous silicon layer 3 having a diameter of 10 mm is in contact with the electrolytic solution, the other parts are sealed so as not to contact the electrolytic solution, and the platinum electrode is immersed in the electrolytic solution. While irradiating the amorphous silicon layer 3 with a constant light power using a tungsten lamp of
A predetermined current was passed using the conductive substrate 1 (conductive film 2) as a positive electrode. Here, the current density was fixed at 2.5 mA / cm 2 , and the anodic oxidation time was about 10 seconds.
【００３９】多孔質アモルファスシリコン層４を酸化す
る酸としては、略１０％の希硝酸を用いた。また、表面
電極７としては厚さが１５ｎｍの金薄膜を用い、蒸着法
によって形成した。As the acid for oxidizing the porous amorphous silicon layer 4, dilute nitric acid of about 10% was used. The surface electrode 7 was formed by a deposition method using a gold thin film having a thickness of 15 nm.
【００４０】本実施例の電界放射型電子源１０を真空チ
ャンバ（図示せず）内に導入して、図３に示すように表
面電極７と対向する位置にコレクタ電極２１（放射電子
収集電極）を配置し、真空チャンバ内の真空度を５×１
０−５Ｐａとして、表面電極７（正極）と導電性膜２
（負極）との間に直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コ
レクタ電極２１と表面電極７との間に１００Ｖの直流電
圧Ｖｃを印加することによって、表面電極７と導電性膜
２との間に流れるダイオード電流Ｉpsと、電界放射型電
子源１０から表面電極７を通して放射される電子ｅ
−（なお、図３中の一点鎖線は放射電子流を示す）によ
りコレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる放出電
子電流Ｉｅとを測定した結果を図５に示す。ここに、図
５の横軸は直流電圧Ｖpsの値を、縦軸は電流密度を示
し、同図中の○（）が本実施例のダイオード電流Ｉps
を、同図中の●（）が本実施例の放出電子電流Ｉeを
示す。The field emission type electron source 10 of this embodiment is introduced into a vacuum chamber (not shown), and a collector electrode 21 (radiation electron collection electrode) is provided at a position facing the surface electrode 7 as shown in FIG. And the degree of vacuum in the vacuum chamber is 5 × 1
0 as -5 Pa, conductivity and the surface electrode 7 (positive electrode) film 2
A DC voltage Vps is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 and a DC voltage Vc of 100 V is applied between the collector electrode 21 and the surface electrode 7 to flow between the surface electrode 7 and the conductive film 2. The diode current Ips and the electrons e emitted from the field emission electron source 10 through the surface electrode 7
- (Note that the dashed line in FIG. 3 shows the emission electron current) are shown in FIG. 5 the results of measuring the emitted electron current Ie flowing between the collector electrode 21 and the surface electrodes 7 by. Here, the horizontal axis of FIG. 5 indicates the value of the DC voltage Vps, and the vertical axis indicates the current density. In FIG.
In the figure, ● () indicates the emission electron current Ie of the present embodiment.
【００４１】ところで、電子放出効率は、ダイオード電
流Ｉpsに対する放出電子電流Ｉeの割合Ｉe／Ｉpsで表さ
れ、本実施例の電界放射型電子源１０では、上記各従来
例に比べて高い電子放出効率が得られている。The electron emission efficiency is expressed by the ratio of the emission electron current Ie to the diode current Ips, ie, Ie / Ips. The electron emission efficiency of the field emission type electron source 10 of this embodiment is higher than that of each of the above conventional examples. Has been obtained.
【００４２】なお、製造プロセス中で上述のアモルファ
スシリコン層３の一部あるいは全部が結晶化する場合も
考えられるが、特に問題はない。It is conceivable that part or all of the amorphous silicon layer 3 is crystallized during the manufacturing process, but there is no particular problem.
【００４３】（実施形態２）図６に本実施形態の電界放
射型電子源１０の概略構成図を、図７（ａ）〜（ｃ）に
電界放射型電子源１０の製造方法における主要工程断面
図を示す。なお、本実施形態では、導電性基板１とし
て、ガラス基板１ａとガラス基板１ａの一表面上に形成
された導電性膜２とからなる基板を用いているので、導
電性基板１として、単結晶シリコン基板を用いる場合に
比べて、電子源の大面積化および低コスト化が可能にな
る。(Embodiment 2) FIG. 6 is a schematic structural view of a field emission type electron source 10 of the present embodiment, and FIGS. 7 (a) to 7 (c) are cross-sectional views of main steps in a method of manufacturing the field emission type electron source 10. The figure is shown. In the present embodiment, since a substrate composed of a glass substrate 1a and a conductive film 2 formed on one surface of the glass substrate 1a is used as the conductive substrate 1, a single crystal is used as the conductive substrate 1. As compared with the case where a silicon substrate is used, the area of the electron source can be increased and the cost can be reduced.
【００４４】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
６に示すように、導電性基板１の主表面側に強電界ドリ
フト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に導電性薄
膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成されて
いる。As shown in FIG. 6, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, the strong electric field drift portion 6 is formed on the main surface side of the conductive substrate 1, and the conductive thin film is formed on the strong electric field drift portion 6. A surface electrode 7 made of, for example, a gold thin film is formed.
【００４５】この電界放射型電子源１０においても、実
施形態１と同様、表面電極７を真空中に配置するととも
に表面電極７に対向してコレクタ電極（図示せず）を配
置し、表面電極７を導電性膜２に対して正極として直流
電圧を印加するとともに、コレクタ電極を表面電極７に
対して正極として直流電圧を印加することにより、導電
性基板１から強電界ドリフト部６へ注入された電子が強
電界ドリフト部６をドリフトし表面電極７を通して放出
される。In this field emission type electron source 10, as in the first embodiment, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum, and a collector electrode (not shown) is arranged opposite to the surface electrode 7; Is applied from the conductive substrate 1 to the strong electric field drift portion 6 by applying a DC voltage as a positive electrode to the conductive film 2 and applying a DC voltage as a collector electrode to the surface electrode 7 as a positive electrode. The electrons drift in the strong electric field drift portion 6 and are emitted through the surface electrode 7.
【００４６】本実施形態における強電界ドリフト部６
は、導電性基板１の厚み方向に直交する断面が網目状に
形成され上記電子がドリフトするドリフト部６１と、網
目の中に満たされたドリフト部６１よりも熱伝導性の良
い放熱部６２とからなる。要するに、放熱部６２は、導
電性基板１の厚み方向に平行な角柱状に形成されてい
る。ここにおいて、ドリフト部６１は、酸化された多孔
質アモルファスシリコンよりなり、放熱部６２は、酸化
されたアモルファスシリコンよりなる。なお、強電界ド
リフト部６は、放熱部６２を上述の網目状に形成し、ド
リフト部６１を上述の角柱状に形成してもよい。The strong electric field drift section 6 in the present embodiment
A drift portion 61 in which a cross section orthogonal to the thickness direction of the conductive substrate 1 is formed in a mesh shape and the electrons drift, and a heat radiating portion 62 having better thermal conductivity than the drift portion 61 filled in the mesh. Consists of In short, the heat radiating portion 62 is formed in a prism shape parallel to the thickness direction of the conductive substrate 1. Here, the drift part 61 is made of oxidized porous amorphous silicon, and the heat radiation part 62 is made of oxidized amorphous silicon. In the strong electric field drift portion 6, the heat radiating portion 62 may be formed in the above-described mesh shape, and the drift portion 61 may be formed in the above-described prism shape.
【００４７】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を
通して放熱されるので、電子放出時にポッピング現象が
発生せず安定して高効率で電子を放出することができ
る。In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, since the heat generated in the drift portion 61 is radiated through the heat radiating portion 62, a popping phenomenon does not occur at the time of electron emission, so that the efficiency is stable and high. It can emit electrons.
【００４８】なお、ドリフト部６１を酸化された多孔質
アモルファスシリコン化合物により構成し、放熱部６２
を酸化されたアモルファスシリコン化合物により構成し
てもよい。The drift portion 61 is made of an oxidized porous amorphous silicon compound, and the heat radiating portion 62 is formed.
May be composed of an oxidized amorphous silicon compound.
【００４９】以下、製造方法について図７を参照しなが
ら説明する。Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
【００５０】まず、導電性基板１の主表面上（導電性膜
２上）に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）のノンドープ
のアモルファスシリコン層３を形成（成膜）した後、ア
モルファスシリコン層３上にフォトレジストを塗布し、
図８に示すようなフォトマスクＭを利用し上記フォトレ
ジストをパターニングすることによってレジストマスク
３０を形成することにより図７（ａ）に示すような構造
が得られる。ここに、アモルファスシリコン層３は、プ
ラズマＣＶＤ法により堆積しているので、４５０℃以下
の低温プロセスで成膜することができる。また、フォト
マスクＭは、レジストマスク３０の平面形状が微小な
（例えば、０．１μｍオーダの）略正方形になるように
構成されているが、レジストマスク３０の平面形状が正
方形以外の微小な多角形状、微小な円形状、微小な星形
などになるように構成してもよい。First, a non-doped amorphous silicon layer 3 having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) is formed (deposited) on the main surface of the conductive substrate 1 (on the conductive film 2). Apply a photoresist on 3
By forming the resist mask 30 by patterning the photoresist using a photomask M as shown in FIG. 8, a structure as shown in FIG. 7A is obtained. Here, since the amorphous silicon layer 3 is deposited by the plasma CVD method, it can be formed by a low-temperature process of 450 ° C. or less. The photomask M is configured such that the planar shape of the resist mask 30 is a minute (for example, on the order of 0.1 μm) substantially square, but the planar shape of the resist mask 30 is a minute polygon other than the square. It may be configured to have a shape, a minute circle, a minute star, or the like.
【００５１】次に、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエ
タノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液
の入った陽極酸化処理槽を利用し、白金電極（図示せ
ず）を負極、導電性基板１（導電性膜２）を正極とし
て、アモルファスシリコン層３の主表面側に光照射を行
いながら所定の条件（例えば、定電流）で陽極酸化処理
を行うことによって、アモルファスシリコン層３の主表
面側においてレジストマスク３０で覆われていない部分
が多孔質化されて多孔質アモルファスシリコン層１１が
形成され図７（ｂ）に示すような構造が得られる。ここ
に、図７（ｂ）中の１２はアモルファスシリコン層３の
一部よりなるアモルファス半導体層を示す。このアモル
ファス半導体層１２は、四角柱状に形成される。なお、
本実施形態では、陽極酸化処理の条件として、電流密度
を１０ｍＡ／ｃｍ２一定、陽極酸化時間を３０秒とする
とともに、陽極酸化中に５００Ｗのタングステンランプ
によりアモルファスシリコン層３の主表面側に光照射を
行ったが、この条件は一例であって特に限定されるもの
ではない。Next, a platinum electrode (not shown) was connected to a negative electrode by using an anodizing tank containing an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol in a ratio of about 1: 1. The anodic oxidation process is performed under predetermined conditions (for example, constant current) while irradiating light to the main surface side of the amorphous silicon layer 3 using the conductive substrate 1 (conductive film 2) as a positive electrode, thereby forming an amorphous silicon layer. Portions not covered by the resist mask 30 on the main surface side of No. 3 are made porous to form a porous amorphous silicon layer 11, and the structure shown in FIG. 7B is obtained. Here, reference numeral 12 in FIG. 7B denotes an amorphous semiconductor layer which is a part of the amorphous silicon layer 3. The amorphous semiconductor layer 12 is formed in a quadrangular prism shape. In addition,
In the present embodiment, the conditions of the anodic oxidation treatment are such that the current density is constant at 10 mA / cm 2 , the anodic oxidation time is 30 seconds, and a light is applied to the main surface side of the amorphous silicon layer 3 by a 500 W tungsten lamp during the anodic oxidation. Irradiation was performed, but this condition is merely an example and is not particularly limited.
【００５２】上述の陽極酸化処理が終了した後、陽極酸
化処理槽から電解液を除去し、レジストマスク３０を除
去した後、該陽極酸化処理槽に新たに酸（例えば、略１
０％の希硝酸、略１０％の希硫酸、王水など）を投入
し、その後、この酸の入った陽極酸化処理槽を利用し
て、白金電極（図示せず）を負極、導電性基板１（導電
性膜２）を正極として、定電流を流し多孔質アモルファ
スシリコン層１１およびアモルファス半導体層１２を酸
化することにより強電界ドリフト部６が形成され、続い
て、強電界ドリフト部６上に導電性薄膜（例えば、金薄
膜）からなる表面電極７を例えば蒸着によって形成する
ことにより図７（ｃ）に示す構造が得られる。ここに、
図７（ｃ）における６１は酸化された多孔質アモルファ
スシリコン層１１であって上述のドリフト部６１に対応
し、６２は酸化されたアモルファス半導体層１２であっ
て上述の放熱部６２に対応する。つまり、図７（ｃ）に
おけるドリフト部６１と放熱部６２とで強電界ドリフト
部６を構成している。また、表面電極７の膜厚は略１５
ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するものではなく、
表面電極７となる導電性薄膜（例えば、金薄膜）の形成
方法も蒸着に限定されるものではなく、例えばスパッタ
法を用いてもよい。なお、電界放射型電子源１０は表面
電極７を正極（アノード）とし、導電性膜２を負極（カ
ソード）とするダイオードが構成される。この正極と負
極との間に直流電圧を印加したときに流れる電流がダイ
オード電流である。After the above-described anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank and the resist mask 30 is removed.
0% diluted nitric acid, approximately 10% diluted sulfuric acid, aqua regia, etc.), and then use an anodizing tank containing this acid to convert a platinum electrode (not shown) to a negative electrode and a conductive substrate. 1 (conductive film 2) as a positive electrode, a constant current is applied to oxidize porous amorphous silicon layer 11 and amorphous semiconductor layer 12 to form strong electric field drift portion 6, and then on strong electric field drift portion 6 The structure shown in FIG. 7C is obtained by forming the surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) by, for example, vapor deposition. here,
In FIG. 7C, reference numeral 61 denotes an oxidized porous amorphous silicon layer 11 corresponding to the drift portion 61 described above, and reference numeral 62 denotes an oxidized amorphous semiconductor layer 12 corresponding to the heat dissipation portion 62 described above. That is, the drift part 61 and the heat radiating part 62 in FIG. 7C constitute the strong electric field drift part 6. The thickness of the surface electrode 7 is approximately 15
The thickness was not particularly limited.
The method for forming the conductive thin film (for example, a gold thin film) serving as the surface electrode 7 is not limited to vapor deposition, but may be, for example, a sputtering method. The field emission electron source 10 has a diode in which the surface electrode 7 is a positive electrode (anode) and the conductive film 2 is a negative electrode (cathode). The current flowing when a DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode is a diode current.
【００５３】なお、本実施形態の電界放射型電子源１０
では、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられ
る。表面電極７を導電性基板１（導電性膜２）に対して
正極として印加する直流電圧が所定値（臨界値）に達す
ると、導電性膜２から強電界ドリフト部６へ熱的励起に
より電子が注入される。一方、強電界ドリフト部６のド
リフト部６１には、量子閉じ込め効果が現れるナノメー
タオーダの微結晶シリコン層が多数存在しこの微結晶シ
リコン層の表面には微結晶シリコン層の結晶粒径よりも
小さな膜厚のシリコン酸化膜が形成されていると考えら
れる。したがって、強電界ドリフト部６に印加された電
界はほとんど微結晶シリコン層の表面に形成されたシリ
コン酸化膜にかかるから、注入された電子は当該シリコ
ン酸化膜にかかっている強電界により加速されドリフト
部６１内を表面に向かってドリフトする。ここに、電子
のドリフト長は微結晶シリコン層の粒径に比べて非常に
大きいのでほとんど衝突を起こすことなくドリフト部６
１の表面に到達する。ドリフト部６１の表面に到達した
電子はホットエレクトロンであって、ホットエレクトロ
ンは熱平衡状態よりも数ｋＴ以上のエネルギを有するの
で、強電界ドリフト部６の最表面の酸化層を介して表面
電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。The field emission type electron source 10 of the present embodiment
Then, it is considered that electron emission occurs in the following model. When the DC voltage applied to the surface electrode 7 as a positive electrode with respect to the conductive substrate 1 (conductive film 2) reaches a predetermined value (critical value), electrons are transferred from the conductive film 2 to the strong electric field drift portion 6 by thermal excitation. Is injected. On the other hand, in the drift portion 61 of the strong electric field drift portion 6, a large number of nanometer-order microcrystalline silicon layers exhibiting a quantum confinement effect are present, and the surface of the microcrystalline silicon layer is smaller than the crystal grain size of the microcrystalline silicon layer. It is considered that a silicon oxide film having a thickness is formed. Therefore, most of the electric field applied to the strong electric field drift portion 6 is applied to the silicon oxide film formed on the surface of the microcrystalline silicon layer, and the injected electrons are accelerated and drifted by the strong electric field applied to the silicon oxide film. Drift in the portion 61 toward the surface. Here, the drift length of the electrons is very large as compared with the particle diameter of the microcrystalline silicon layer, so that the drift portion 6 hardly causes a collision.
1 reach the surface. The electrons that have reached the surface of the drift portion 61 are hot electrons, and the hot electrons have energy of several kT or more than the thermal equilibrium state, so that the surface electrode 7 is formed via the oxide layer on the outermost surface of the strong electric field drift portion 6. It is easily tunneled and released into a vacuum.
【００５４】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ポッピングノイズが発生せずに高効率で安定
して電子を放出することができるが、これは、電圧の印
加により強電界ドリフト部６のドリフト部６１に発生し
た熱が放熱部６２を伝導して外部に放出され、温度上昇
が抑制されるからであると推考される。したがって、強
電界ドリフト部６におけるドリフト部６１と放熱部６２
との面積比を最適化して電子放出効率を向上することが
可能になる。In the field emission type electron source 10 of this embodiment, electrons can be stably emitted with high efficiency without generating popping noise. It is presumed that the heat generated in the drift portion 61 of the No. 6 is conducted to the outside through the heat radiating portion 62 and the temperature rise is suppressed. Therefore, the drift part 61 and the heat radiation part 62 in the strong electric field drift part 6
And the electron emission efficiency can be improved by optimizing the area ratio.
【００５５】以上をまとめると、強電界ドリフト部６
は、強電界が存在しうる半絶縁性を備え、また、電子散
乱が少なくドリフト長が大きく、さらに、ダイオード電
流の熱暴走を抑えるだけの熱伝導率を有するので、高効
率で安定して電子を放出することができるのだと考えら
れる。In summary, the strong electric field drift section 6
Has a semi-insulating property in which a strong electric field can exist, has a small drift of electrons, has a large drift length, and has a thermal conductivity enough to suppress thermal runaway of the diode current. Can be released.
【００５６】本実施形態の製造方法では、アモルファス
シリコン層３をプラズマＣＶＤ法などの低温プロセスで
成膜し、多孔質アモルファスシリコン層１１の酸化を酸
により行っており、かつ、表面電極７を蒸着法、スパッ
タ法などにより成膜しているので、４５０℃以下の低温
プロセスで電界放射型電子源１０を製造することができ
る。したがって、導電性基板１として、無アルカリガラ
スのような安価で大面積化可能な基板を利用することが
でき、また樹脂基板のような安価な基板を利用すること
ができるので、電子源の大面積化および低コスト化が可
能になる。In the manufacturing method of this embodiment, the amorphous silicon layer 3 is formed by a low-temperature process such as a plasma CVD method, the porous amorphous silicon layer 11 is oxidized with an acid, and the surface electrode 7 is deposited by an acid. The field emission type electron source 10 can be manufactured by a low-temperature process of 450 ° C. or less because the film is formed by a method such as a sputtering method and a sputtering method. Therefore, an inexpensive substrate such as non-alkali glass, which can have a large area, and an inexpensive substrate, such as a resin substrate, can be used as the conductive substrate 1. The area and cost can be reduced.
【００５７】[0057]
【発明の効果】請求項１の発明は、導電性基板と、導電
性基板の一表面側に形成された強電界ドリフト部と、該
強電界ドリフト部上に形成された導電性薄膜よりなる表
面電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極と
して電圧を印加することにより導電性基板から注入され
た電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通し
て放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリフ
ト部は、多孔質化されたアモルファス物質からなるもの
であり、強電界ドリフト部を多孔質化された多結晶シリ
コンにより形成する場合に比べてプロセス温度が低温に
なって導電性基板の制約が少なくなり、大面積化および
低コスト化が容易になるという効果がある。According to the first aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission electron source in which electrons injected from the conductive substrate are drifted through the strong electric field drift portion and emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate. The strong electric field drift portion is made of a porous amorphous material, and the process temperature becomes lower than that in the case where the strong electric field drift portion is formed of porous polycrystalline silicon. There is an effect that the restriction of the flexible substrate is reduced, and it is easy to increase the area and reduce the cost.
【００５８】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た強電界ドリフト部と、該強
電界ドリフト部上に形成された導電性薄膜よりなる表面
電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極とし
て電圧を印加することにより導電性基板から注入された
電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して
放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリフト
部は、上記電子がドリフトするドリフト部とドリフト部
よりも熱伝導性の良い放熱部とからなり、上記ドリフト
部は、多孔質化されたアモルファス物質からなるもので
あり、強電界ドリフト部を多孔質化された多結晶シリコ
ンにより形成する場合に比べてプロセス温度が低温にな
って導電性基板の制約が少なくなり、大面積化および低
コスト化が容易になり、しかも、強電界ドリフト部では
ドリフト部で発生したジュール熱が放熱部を通して放熱
されるから、電子放出時にポッピング現象が発生するの
を防止することができて、安定して高効率で電子を放出
でき、経時安定性が向上するという効果がある。According to a second aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and a surface electrode made of a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate are drifted through a strong electric field drift portion and emitted through the surface electrode by applying a voltage with the surface electrode as a positive electrode with respect to the conductive substrate. The strong electric field drift section comprises a drift section in which the electrons drift and a heat radiating section having better thermal conductivity than the drift section. The drift section is made of a porous amorphous material. The process temperature is lower than in the case where the drift portion is formed of porous polycrystalline silicon, and the restriction of the conductive substrate is reduced, so that the area and cost can be easily reduced. In addition, in the strong electric field drift section, Joule heat generated in the drift section is radiated through the heat radiating section, so that a popping phenomenon can be prevented from occurring at the time of electron emission, and electrons can be stably and efficiently emitted. It can be released and has the effect of improving the stability over time.
【００５９】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、上記アモルファス物質が、アモルフ
ァス半導体からなるので、強電界ドリフト部の電気的特
性の制御が容易となるという効果がある。According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, since the amorphous substance is made of an amorphous semiconductor, there is an effect that the electric characteristics of the strong electric field drift portion can be easily controlled. .
【００６０】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記アモルファス半導体が、アモルファスシリコン
若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例
えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用
するとともにプロセスを利用することが可能になるとい
う効果がある。According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, since the amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound, for example, a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell is used and a process is used. There is an effect that it becomes possible.
【００６１】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、上記アモルファス物質が、導電性基
板の上記一表面に略直交して列設した柱状に形成されて
いるので、放熱性が向上し、より安定して高効率で電子
を放出することができるという効果がある。According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the amorphous substance is formed in a columnar shape substantially perpendicular to the one surface of the conductive substrate. This has the effect of improving the efficiency and enabling more stable and efficient electron emission.
【００６２】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、上記アモルファス物質が、アモルファス半導体から
なるので、多孔質化の制御が容易になるという効果があ
る。According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, since the amorphous substance is made of an amorphous semiconductor, there is an effect that it is easy to control porosity.
【００６３】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記アモルファス半導体が、アモルファスシリコン
若しくはアモルファスシリコン化合物からなるので、例
えば薄膜トランジスタや太陽電池などの製造装置を流用
するとともにプロセスを利用することが可能になるとい
う効果がある。According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, since the amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound, for example, a manufacturing apparatus such as a thin film transistor or a solar cell is used and a process is used. There is an effect that it becomes possible.
【００６４】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
７の発明において、上記強電界ドリフト部が、ナノメー
タオーダの半導体微結晶を有し、半導体微結晶の表面が
当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜
により覆われているので、絶縁膜にかかる電界で電子を
加速でき、電子放出効率が向上するという効果がある。According to an eighth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the present invention, the strong electric field drift portion has a semiconductor microcrystal on the order of nanometers, and the surface of the semiconductor microcrystal is a crystal of the semiconductor microcrystal. Since the semiconductor device is covered with the insulating film having a thickness smaller than the particle size, electrons can be accelerated by an electric field applied to the insulating film, and thus there is an effect that electron emission efficiency is improved.
【００６５】請求項９の発明は、請求項８の発明におい
て、上記絶縁膜が、酸化膜よりなるので、上記絶縁膜を
簡単に形成することができるという効果がある。According to a ninth aspect of the present invention, in the invention of the eighth aspect, since the insulating film is made of an oxide film, there is an effect that the insulating film can be easily formed.
【００６６】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項９の発明において、上記強電界ドリフト部が、４５０
℃以下の低温プロセスによって形成されているので、導
電性基板として、安価なガラス基板や樹脂基板などの一
表面側に導電性膜を形成したものを用いることができ、
低コスト化および大面積化が可能となるという効果があ
る。According to a tenth aspect of the present invention, in the first to ninth aspects of the present invention, the strong electric field drift portion has
Since it is formed by a low-temperature process of less than or equal to ℃, as the conductive substrate, it is possible to use an inexpensive glass substrate or a resin substrate formed with a conductive film on one surface side,
There is an effect that the cost can be reduced and the area can be increased.
【００６７】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、上記導電性基板が、ガラス基板
とガラス基板の一表面上に形成された導電性膜とからな
り、上記電界ドリフト部は、該導電性膜上に形成されて
いるので、例えば薄膜トランジスタの製造装置を流用す
るとともにプロセスを利用することが可能になるという
効果がある。According to an eleventh aspect of the present invention, in the first aspect, the conductive substrate comprises a glass substrate and a conductive film formed on one surface of the glass substrate. Since the portion is formed on the conductive film, there is an effect that, for example, a manufacturing apparatus of a thin film transistor can be used and a process can be used.
【００６８】請求項１２の発明は、請求項１１の発明に
おいて、上記ガラス基板が、無アルカリガラス基板より
なるので、より一層の低コスト化および大面積化が可能
になるという効果がある。According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of the eleventh aspect, since the glass substrate is made of a non-alkali glass substrate, there is an effect that the cost and the area can be further reduced.
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment.
【図２】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a main process for describing the manufacturing method.
【図３】同上の特性測定原理の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics according to the first embodiment;
【図４】同上の電子放出機構の原理説明図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of an electron emission mechanism according to the first embodiment.
【図５】実施例の電圧電流特性図である。FIG. 5 is a voltage-current characteristic diagram of an example.
【図６】実施形態２を示し、（ａ）は概略縦断面図、
（ｂ）は概略水平断面図である。6A and 6B show a second embodiment, in which FIG.
(B) is a schematic horizontal sectional view.
【図７】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。FIG. 7 is a main process sectional view for explaining the manufacturing method of the above.
【図８】同上の製造方法を説明するためのフォトマスク
の平面図である。FIG. 8 is a plan view of a photomask for describing the manufacturing method according to the embodiment.
１ 導電性基板 １ａ ガラス基板 ２ 導電性膜 ６ 強電界ドリフト部 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive substrate 1a Glass substrate 2 Conductive film 6 Strong electric field drift part 7 Surface electrode 10 Field emission type electron source
Claims (12)
形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリフト部上
に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを備え、表
面電極を導電性基板に対して正極として電圧を印加する
ことにより導電性基板から注入された電子が強電界ドリ
フト部をドリフトし表面電極を通して放出される電界放
射型電子源であって、強電界ドリフト部は、多孔質化さ
れたアモルファス物質からなることを特徴とする電解放
射型電子源。1. A surface electrode comprising: a conductive substrate; a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate; and a surface electrode made of a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. Is a field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate drift through the strong electric field drift portion and are emitted through the surface electrode when a voltage is applied as a positive electrode to the conductive substrate, and the strong electric field drift portion Is a field emission type electron source characterized by being made of a porous amorphous material.
形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリフト部上
に形成された導電性薄膜よりなる表面電極とを備え、表
面電極を導電性基板に対して正極として電圧を印加する
ことにより導電性基板から注入された電子が強電界ドリ
フト部をドリフトし表面電極を通して放出される電界放
射型電子源であって、強電界ドリフト部は、上記電子が
ドリフトするドリフト部とドリフト部よりも熱伝導性の
良い放熱部とからなり、上記ドリフト部は、多孔質化さ
れたアモルファス物質からなることを特徴とする電界放
射型電子源。2. A surface electrode comprising: a conductive substrate; a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate; and a surface electrode made of a conductive thin film formed on the strong electric field drift portion. Is a field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate drift through the strong electric field drift portion and are emitted through the surface electrode when a voltage is applied as a positive electrode to the conductive substrate, and the strong electric field drift portion A field emission type electron source, comprising: a drift portion in which the electrons drift; and a heat radiating portion having better thermal conductivity than the drift portion, wherein the drift portion is made of a porous amorphous material.
半導体からな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。3. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the amorphous substance is made of an amorphous semiconductor.
スシリコン若しくはアモルファスシリコン化合物からな
ることを特徴とする請求項３記載の電界放射型電子源。4. A field emission type electron source according to claim 3, wherein said amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound.
上記一表面に略直交して列設した柱状に形成されてなる
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。5. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the amorphous substance is formed in a columnar shape arranged substantially perpendicular to the one surface of the conductive substrate. .
半導体からなることを特徴とする請求項５記載の電界放
射型電子源。6. A field emission type electron source according to claim 5, wherein said amorphous substance is made of an amorphous semiconductor.
スシリコン若しくはアモルファスシリコン化合物からな
ることを特徴とする請求項６記載の電界放射型電子源。7. The field emission type electron source according to claim 6, wherein said amorphous semiconductor is made of amorphous silicon or an amorphous silicon compound.
ーダの半導体微結晶を有し、半導体微結晶の表面が当該
半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜によ
り覆われてなることを特徴とする請求項１ないし請求項
７のいずれかに記載の電界放射型電子源。8. The strong electric field drift portion has semiconductor microcrystals on the order of nanometers, and the surface of the semiconductor microcrystals is covered with an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals. The field emission type electron source according to claim 1, wherein:
徴とする請求項８記載の電界放射型電子源。9. The field emission type electron source according to claim 8, wherein said insulating film is made of an oxide film.
下の低温プロセスによって形成されてなることを特徴と
する請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の電界放
射型電子源。10. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the strong electric field drift portion is formed by a low-temperature process at 450 ° C. or lower.
ス基板の一表面上に形成された導電性膜とからなり、上
記強電界ドリフト部は、該導電性膜上に形成されてなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか
に記載の電界放射型電子源。11. The method according to claim 11, wherein the conductive substrate comprises a glass substrate and a conductive film formed on one surface of the glass substrate, and wherein the strong electric field drift portion is formed on the conductive film. The field emission type electron source according to any one of claims 1 to 10, wherein:
基板よりなることを特徴とする請求項１１のいずれかに
記載の電界放射型電子源。12. The field emission type electron source according to claim 11, wherein the glass substrate is a non-alkali glass substrate.
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| JP2005285380A (en) * | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Quantum 14:Kk | Diode element and device using the same |
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