JP2001189128A - 電界放射型電子源およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放
射型電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】導電性基板たるｎ形シリコン基板１の主表
面側に酸化された多孔質多結晶シリコン層よりなる強電
界ドリフト層６が形成され、該強電界ドリフト層６上に
表面電極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。強電界ドリ
フト層６は、多結晶シリコン層３に陽極酸化処理を施す
ことにより形成された多孔質多結晶シリコン層４を酸化
した後、水素アニール処理を行うことにより形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許３６６５２４１号などに開示されているい
わゆるスピント（Spindt）型電極と呼ばれるものがあ
る。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタ
チップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部
を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに
対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真
空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として
高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端か
ら放射孔を通して電子線を放射するものである。

【０００３】しかしながら、スピント型電極は、製造プ
ロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッ
タチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面
発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化
が難しいという問題があった。また、スピント型電極
は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミ
ッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存
在するような場合、放射された電子によって残留ガスが
プラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタ
チップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端が
ダメージ（例えば、イオン衝撃による損傷）を受け、放
射される電子の電流密度や効率などが不安定になった
り、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問
題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種
の問題の発生を防ぐために、高真空（約１０^-5Ｐａ〜約
１０^-6Ｐａ）で使用する必要があり、コストが高くなる
とともに、取扱いが面倒になるという不具合があった。

【０００４】この種の不具合を改善するために、ＭＩＭ
（Metal Insulator Metal)方式やＭＯＳ(Metal 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
において電子の放出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】これらに対し、電子の放出効率を高めるこ
とができる電界放射型電子源として、近年では、例えば
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（導電性薄膜）よりなる表面電
極を形成し、半導体基板と表面電極との間に電圧を印加
して電子を放射させるように構成した電界放射型電子源
（半導体冷電子放出素子）が提案されている。

【０００６】しかしながら、上述の特開平８−２５０７
６６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。

【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１０’は、例え
ば、図３に示すように、導電性基板たるｎ形シリコン基
板１の主表面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層より
なる強電界ドリフト層６’が形成され、強電界ドリフト
層６’上に金属薄膜よりなる表面電極７が形成され、ｎ
形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形成され
ている。

【０００８】ところで、上述の電界放射型電子源１０’
では、強電界ドリフト層６’が、導電性基板たるｎ形シ
リコン基板１上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積
させた後に、該多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多
孔質化し、多孔質化された多結晶シリコン層（多孔質多
結晶シリコン層）を急速加熱法によって例えば９００℃
の温度で酸化することにより形成されている。ここにお
いて、陽極酸化処理に用いる電解液としては、フッ化水
素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した液を用い
ている。また、急速加熱法によって酸化する工程では、
ランプアニール装置を用い、基板温度を乾燥酸素中で室
温から９００℃まで上昇させた後、基板温度を９００℃
で１時間維持することで酸化し、その後、基板温度を室
温まで下降させている。

【０００９】図３に示す構成の電界放射型電子源１０’
では、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
ｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）に対して正極
として直流電圧Ｖps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Ｖcを印
加することにより、ｎ形シリコン基板１から注入された
電子が強電界ドリフト層６’をドリフトし表面電極７を
通して放出される（なお、図３中の一点鎖線は表面電極
７を通して放出された電子ｅ^-の流れを示す）。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
いることが望ましい。ここにおいて、表面電極７とｎ形
シリコン基板１（オーミック電極２）との間に流れる電
流をダイオード電流Ｉpsと称し、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Ｉeと称
し、ダイオード電流Ｉpsに対する放出電子電流Ｉeが大
きい（Ｉe／Ｉpsが大きい）ほど電子放出効率が高くな
る。なお、この電界放射型電子源１０’では、表面電極
７とオーミック電極２との間に印加する直流電圧Ｖpsを
１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させるこ
とができる。

【００１０】この電界放射型電子源１０’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高い電子放出効率で
放出することができる。ここにおいて、強電界ドリフト
層６’は、図４に示すように、少なくとも、ｎ形シリコ
ン基板１の主表面に略直交して列設された柱状の多結晶
シリコン（グレイン）５１と、多結晶シリコン５１の表
面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、多結晶シリ
コン５１間に介在するナノメータオーダの微結晶シリコ
ン層６３と、微結晶シリコン層６３の表面に形成され当
該微結晶シリコン層６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の
絶縁膜であるシリコン酸化膜６４とから構成されると考
えられる。すなわち、強電界ドリフト層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
状態が維持されていると考えられる。したがって、強電
界ドリフト層６’に印加された電界はほとんどシリコン
酸化膜６４にかかるから、注入された電子はシリコン酸
化膜６４にかかっている強電界により加速され多結晶シ
リコン５１間を表面に向かって図４中の矢印Ａの向きへ
（図４中の上方向へ向かって）ドリフトするので、電子
放出効率を向上させることができる。なお、強電界ドリ
フト層６’の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし真空
中に放出される。ここに、表面電極７の膜厚は１０ｎｍ
〜１５ｎｍ程度に設定されている。

【００１１】なお、上記導電性基板としてｎ形シリコン
基板１などの半導体基板の代わりに、ガラス基板などの
絶縁性基板上に例えばＩＴＯ膜よりなる導電性層を形成
した基板を使用すれば、電子源の大面積化および低コス
ト化が可能になる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
電界放射型電子源１０’においては、強電界ドリフト層
６’における各シリコン酸化膜５２，６４中に欠陥が存
在するので、各シリコン酸化膜５２，６４の絶縁耐圧が
低くなって電子源の絶縁耐圧が低くなったり、電子の散
乱のために電子放出効率が低下してしまうという不具合
があった。

【００１３】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、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が
高い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。

【００１４】

【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酸化した多孔質半導体層よりなる強
電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形成された
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層をドリ
フトし表面電極を通して放出される電界放射型電子源の
製造方法であって、導電性基板上に半導体層を形成する
工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一
部を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する
工程と、多孔質半導体層を酸化する工程と、酸化した多
孔質半導体層に水素アニール処理を行うことにより強電
界ドリフト層を形成する工程と、強電界ドリフト層上に
導電性薄膜よりなる表面電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とし、酸化した多孔質半導体層に水素アニー
ル処理を行うことにより強電界ドリフト層を形成するこ
とで、強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥密度が減少す
るので、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放
射型電子源を実現することができる。

【００１５】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酸化した多孔質半導体層よ
りなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形
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
層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型
電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層を
形成する工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少な
くとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層を
形成する工程と、多孔質半導体層に水素アニール処理を
行う工程と、水素アニール処理した多孔質半導体層を酸
化することにより強電界ドリフト層を形成する工程と、
強電界ドリフト層上に導電性薄膜よりなる表面電極を形
成する工程とを有することを特徴とし、水素アニール処
理した多孔質半導体層を酸化することにより強電界ドリ
フト層を形成しているので、陽極酸化処理にて形成され
た多孔質半導体層中の欠陥を軽減することができ、当該
多孔質半導体層の酸化により形成される強電界ドリフト
層中の酸化膜および半導体結晶の欠陥密度が減少し、絶
縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放射型電子源
を実現することができる。

【００１６】請求項３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酸化した多孔質半導体層よ
りなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形
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
層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型
電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層を
形成する工程と、前記半導体層に水素アニール処理を行
う工程と、前記水素アニール処理後の前記半導体層の少
なくとも一部を陽極酸化処理にて多孔質化することによ
り多孔質半導体層を形成する工程と、多孔質半導体層を
酸化することにより強電界ドリフト層を形成する工程
と、強電界ドリフト層上に導電性薄膜よりなる表面電極
を形成する工程とを有することを特徴とし、導電性基板
上に形成した半導体層に水素アニール処理を行っている
ので、半導体層中に存在する欠陥の低減を図れ、結果的
に強電界ドリフト層中の酸化膜および半導体結晶の欠陥
密度が減少し、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い
電界放射型電子源を実現することができる。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
が、酸素雰囲気中でアニールする工程なので、物性的に
安定した酸化膜を形成することができる。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
が、酸により電気化学的に酸化する工程なので、前記多
孔質半導体層を酸素雰囲気中でアニールする場合に比べ
てプロセス温度が低温になって、水素アニール処理の温
度を低温化することで導電性基板の材料の制約を少なく
することが可能となり、大面積化および低コスト化が容
易になる。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５のいずれかに記載の製造方法で製造されたことを特徴
とするものであり、酸化した多孔質半導体層に水素アニ
ール処理を施されていない電界放射型電子源に比べて、
絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い。

【００２０】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記多孔質半導体層が、多孔質多結晶シリコン層よ
りなるので、強電界ドリフト層がＳｉＯ₂の構造若しく
はＳｉＯ₂の構造に近い緻密性の高い酸化膜を有するよ
うになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態では、
図２に示す構成の電界放射型電子源１０の製造方法につ
いて図１を参照しながら説明する。なお、本実施形態で
は、導電性基板として抵抗率が導体の抵抗率に比較的近
い単結晶のｎ形シリコン基板１（例えば、抵抗率が略
０．０１Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）を
用いている。

【００２２】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
構成は、図３に示した従来構成と同じであって、図２に
示すように、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の主表
面側に酸化した多孔質多結晶シリコン層よりなる強電界
ドリフト層６が形成され、強電界ドリフト層６上に導電
性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極７が形成さ
れ、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミック電極２が形
成されている。ここにおいて、本実施形態の電界放射型
電子源１０は、酸化した多孔質多結晶シリコン層に後述
の水素アニール処理を施すことにより強電界ドリフト層
６が形成されている点に特徴がある。

【００２３】図２に示す構成の電界放射型電子源１０で
は、上記従来構成と同様に、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ｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）に対して正極として直流電圧Ｖps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Ｖcを印加することにより、ｎ形シリコン
基板１から注入された電子が強電界ドリフト層６をドリ
フトし表面電極７を通して放出される（なお、図２中の
一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流
れを示す）。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ることが望ましい。ここにおい
て、表面電極７とｎ形シリコン基板１（オーミック電極
２）との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと称し、
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Ｉeと称し、ダイオード電流Ｉpsに対する放
出電子電流Ｉeが大きい（Ｉe／Ｉpsが大きい）ほど電子
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においても、上記従来構成と同様に、表面電極
７とオーミック電極２との間に印加する直流電圧Ｖpsを
１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させるこ
とができる。

【００２４】本実施形態の電界放射型電子源１０では、
酸化した多孔質多結晶シリコン層に水素アニール処理を
施されていない従来の電界放射型電子源１０’に比べ
て、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い。これは、
本実施形態では、強電界ドリフト層６が酸化した多孔質
多結晶シリコン層に水素アニール処理を施すことにより
形成されていることで、上記従来構成における強電界ド
リフト層６’に比べてシリコン酸化膜６４の欠陥密度が
少なく、シリコン酸化膜６４がＳｉＯ₂の構造若しくは
ＳｉＯ₂の構造に近い構造に近い緻密な膜となっている
とともに、シリコン酸化膜６４と微結晶シリコン層６３
との界面準位密度が低下しているためであると考えられ
る。

【００２５】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、ｎ形シリコン基板１の代
わりに、クロムなどの金属基板を用いてもよいし、ガラ
ス基板などの絶縁性基板の一表面側に導電性層（例え
ば、ＩＴＯ膜）を形成したものを用いてもよい。ガラス
基板の一表面側に導電性層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、大面積化およ
び低コスト化を図ることができる。また、本実施形態で
は表面電極７を金薄膜により構成しているが、厚み方向
に積層された少なくとも二層の薄膜電極層により構成し
てもよい。二層の薄膜電極層により構成する場合には、
上層の薄膜電極層の材料として例えば金などを採用し、
下層の薄膜電極層（強電界ドリフト層６側の薄膜電極
層）の材料として例えば、クロム、ニッケル、白金、チ
タン、イリジウムなどを採用すればよい。なお、本実施
形態では、強電界ドリフト層６を酸化した多孔質多結晶
シリコン層により構成しているが、強電界ドリフト層６
を酸化した多孔質単結晶シリコン、あるいはその他の酸
化した多孔質半導体層により構成してもよい。

【００２６】以下、製造方法について図１を参照しなが
ら説明する。

【００２７】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
所定膜厚（例えば、１．５μｍ）の半導体層たるノンド
ープの多結晶シリコン層３を形成（成膜）することによ
り図１（ａ）に示すような構造が得られる。なお、多結
晶シリコン層３の成膜は、導電性基板が半導体基板の場
合には例えば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
ラス基板に導電性層を形成した基板の場合には、ＣＶＤ
法により導電性層上にアモルファスシリコンを成膜した
後にエキシマレーザでアニールすることにより、多結晶
シリコン層を形成してもよい。また、導電性層上に多結
晶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 Silic
on）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。

【００２８】ノンドープの多結晶シリコン層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、ｎ
形シリコン基板１（オーミック電極２）を正極として、
多結晶シリコン層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、多孔質多結晶シリコ
ン層４が形成され図１（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、多結晶シリコン層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）。なお、本実施形態では、多結晶
シリコン層３の全部を多孔質化しているが、多結晶シリ
コン層３の一部（表面から深さ方向の途中までの部分）
を多孔質化するようにしてもよい。

【００２９】次に、ランプアニール装置を用い、炉内を
酸素雰囲気として基板温度を所定の酸化温度（例えば、
９００℃）で所定の酸化時間（例えば、１時間）のアニ
ールを行うことにより、多孔質多結晶シリコン層４を酸
化し、続いて、炉内の酸素を排気してから、水素含有ガ
ス（水素を窒素により爆発限界以下の濃度まで希釈した
ガス）を炉内へ導入し、所定の水素アニール温度（３０
０〜１０００℃の範囲内で適宜設定すればよく、例え
ば、９００℃）で所定の水素アニール時間（例えば、３
０分）の水素アニール処理を行うことにより、強電界ド
リフト層６が形成され、図１（ｃ）に示す構造が得られ
る。

【００３０】強電界ドリフト層６を形成した後は、強電
界ドリフト層６上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）から
なる表面電極７を例えば蒸着により形成することによっ
て、図１（ｅ）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。

【００３１】しかして、上述の製造方法によれば、酸化
した多孔質多結晶シリコン層に水素アニール処理を行う
ことにより強電界ドリフト層６を形成することで、強電
界ドリフト層６の酸化膜中の欠陥密度が減少するので、
絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放射型電子
源１０を実現することができる。なお、上述の製造方法
で製造された電界放射型電子源は、図３に示した従来の
電界放射型電子源１０’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。

【００３２】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源の製造方法は実施形態１と略同じなので、実施形態
１と相違する点についてのみ説明する。

【００３３】実施形態１の製造方法では、多孔質多結晶
シリコン層４を酸素雰囲気中でアニールすることで酸化
しているのに対し、本実施形態では、多孔質多結晶シリ
コン層４を酸（例えば、ＨＮＯ₃、Ｈ₂ＳＯ₄、王水な
ど）により電気化学的に酸化している。

【００３４】多孔質多結晶シリコン層４を酸により電気
化学的に酸化した後は、ランプアニール装置を用い、水
素含有ガスを炉内へ導入し、所定の水素アニール温度
（３００〜１０００℃の範囲内で適宜設定すればよく、
例えば、９００℃）で所定の水素アニール時間（例え
ば、３０分）の水素アニール処理を行うことにより、強
電界ドリフト層６を形成している。

【００３５】しかして、上述の製造方法によれば、酸化
した多孔質多結晶シリコン層４に水素アニール処理を行
うことにより強電界ドリフト層６を形成することで、強
電界ドリフト層６の酸化膜中の欠陥密度が減少するの
で、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放射型
電子源１０を実現することができる。なお、上述の製造
方法で製造された電界放射型電子源は、図３に示した従
来の電界放射型電子源１０’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。ま
た、本実施形態では、多孔質多結晶シリコン層４を酸に
より電気化学的に酸化しているので、実施形態１のよう
に多孔質多結晶シリコン層４を酸素雰囲気中でアニール
する場合に比べてプロセス温度が低温になって、水素ア
ニール処理の温度を低温化する（例えば、３００〜１０
００℃の範囲内で比較的低い温度を設定する）ことで導
電性基板の材料の制約を少なくすることが可能となり、
安価なガラス基板を利用することが可能となるから、大
面積化および低コスト化が容易になる。

【００３６】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源の製造方法は実施形態１と略同じなので、実施形態
１と相違する点についてのみ説明する。

【００３７】実施形態１の製造方法では、ランプアニー
ル装置を用いて多孔質多結晶シリコン層４を酸化した後
に水素アニール処理を行うことにより強電界ドリフト層
６を形成しているのに対し、本実施形態では、多孔質多
結晶シリコン層４に水素アニール処理を行った後に、多
孔質多結晶シリコン層４を酸化することにより強電界ド
リフト層６を形成している点に特徴がある。なお、水素
アニール処理の条件は実施形態１と同様である。

【００３８】しかして、上述の製造方法によれば、水素
アニール処理した多孔質多結晶シリコン層４を酸化する
ことにより強電界ドリフト層６を形成しているから、陽
極酸化処理にて形成された多孔質多結晶シリコン層４中
の欠陥を軽減することができ、多孔質多結晶シリコン層
４の酸化により形成される強電界ドリフト層６中のシリ
コン酸化膜５２，６４（図４参照）および半導体結晶た
る多結晶シリコン５１の欠陥密度が減少し、絶縁耐圧が
高く且つ電子放出効率が高い電界放射型電子源１０を実
現することができる。上述の製造方法で製造された電界
放射型電子源は、図３に示した従来の電界放射型電子源
１０’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。

【００３９】なお、本実施形態の製造方法においては、
実施形態１と同様にランプアニール装置を用いて多孔質
多結晶シリコン層４を酸化しているが、実施形態２と同
様に、多孔質多結晶シリコン層４を酸（例えば、ＨＮＯ
₃、Ｈ₂ＳＯ₄、王水など）により電気化学的に酸化する
ようにしてもよい。

【００４０】（実施形態４）本実施形態の電界放射型電
子源の製造方法は実施形態１と略同じなので、実施形態
１と相違する点についてのみ説明する。

【００４１】実施形態１の製造方法では、ランプアニー
ル装置を用いて多孔質多結晶シリコン層４を酸化した後
に水素アニール処理を行うことにより強電界ドリフト層
６を形成しているのに対し、本実施形態では、多結晶シ
リコン層３に水素アニール処理を行った後に、多結晶シ
リコン層３を陽極酸化処理を行うことにより多孔質多結
晶シリコン層４を形成し、多孔質シリコン層４を酸化す
ることにより強電界ドリフト層６を形成している点に特
徴がある。なお、水素アニール処理の条件は実施形態１
と同様である。

【００４２】しかして、上述の製造方法によれば、導電
性基板上に形成した多結晶シリコン層３に水素アニール
処理を行っているから、多結晶シリコン層３中に存在す
る欠陥の低減を図れ、結果的に強電界ドリフト層６中の
シリコン酸化膜５２，６４（図４参照）および半導体結
晶たる多結晶シリコン５１の欠陥密度が減少し、絶縁耐
圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放射型電子源１０
を実現することができる。上述の製造方法で製造された
電界放射型電子源は、図３に示した従来の電界放射型電
子源１０’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。

【００４３】なお、本実施形態の製造方法においては、
実施形態１と同様にランプアニール装置を用いて多孔質
多結晶シリコン層４を酸化しているが、実施形態２と同
様に、多孔質多結晶シリコン層４を酸（例えば、ＨＮＯ
₃、Ｈ₂ＳＯ₄、王水など）により電気化学的に酸化する
ようにしてもよい。

【００４４】（実施例１）実施形態１にて図１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
の条件により電界放射型電子源１０を作成した。

【００４５】ｎ形シリコン基板１としては、抵抗率が
０．０１〜０．０２Ωｃｍ、厚さが５２５μｍの（１０
０）基板を用いた。多結晶シリコン層３（図１（ａ）参
照）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６４０℃、モノシランガ
スの流量を標準状態で０．６Ｌ／ｍｉｎ（６００ｓｃｃ
ｍ）とした。

【００４６】陽極酸化処理では電解液として、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。陽極酸化処理は、陽極酸化処理槽
を利用して多結晶シリコン層３のうち表面の直径１０ｍ
ｍ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多
結晶シリコン層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、ｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）を正極として、所定の電流を流した。ここに、
電流密度を２５ｍＡ／ｃｍ²で一定、通電時間を１２秒
とした。

【００４７】多孔質多結晶シリコン層４の酸化は、ラン
プアニール装置の炉内を酸素雰囲気として行い、基板温
度を９００℃、アニール時間を１時間とした。多孔質多
結晶シリコン層４を酸化した後は、上記ランプアニール
装置の炉内の酸素を排気し、該炉内に水素含有ガス（水
素を窒素により爆発限界以下の濃度まで希釈したガスで
あって水素濃度３％程度のガス）を導入して水素アニー
ル処理を行った。水素アニール処理は、基板温度を９０
０℃、アニール時間を３０分とした。次に、表面電極７
として、膜厚が１５ｎｍの金薄膜を蒸着法によって形成
した。

【００４８】（実施例２）本実施例では、実施形態２で
説明した製造方法で電界放射型電子源１０を作成した。
なお、本実施例では、多孔質多結晶シリコン層４の酸化
工程以外は実施例１と同じなので同じ工程については説
明を省略する。

【００４９】本実施例では、多孔質多結晶シリコン層４
の酸化にあたっては、陽極酸化処理の終了後に、陽極酸
化処理槽から上記電解液を除去し、その後、該陽極酸化
処理槽に新たに濃度１Ｍの希硝酸を投入し、上記白金電
極を負極、ｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）を
正極として、２５ｍＡ／ｃｍ²の電流を３０秒間流すこ
とによって多孔質多結晶シリコン層４を酸化した。

【００５０】多孔質多結晶シリコン層４を酸化した後
は、ランプアニール装置を用い、炉内へ水素含有ガス
（水素を窒素により爆発限界以下の濃度まで希釈したガ
スであって水素濃度３％程度のガス）を導入して水素ア
ニール処理を行った。水素アニール処理は、基板温度を
９００℃、アニール時間を３０分とした。

【００５１】上記各実施例の電界放射型電子源１０それ
ぞれを真空チャンバ（図示せず）内に導入して、上述の
図２に示すように表面電極７と対向する位置にコレクタ
電極２１（放射電子収集電極）を配置し、真空チャンバ
内の真空度を５×１０^-5Ｐａとして、表面電極７（正
極）とオーミック電極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から表面電極
７を通して放射される電子ｅ^-（なお、図２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。
その結果、本実施例の電界放射型電子源１０では、従来
の電界放射型電子源１０’に比べて絶縁耐圧が高くなる
とともに電子放出効率が高くなることが確認された。

【００５２】

【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酸化した多孔質半導体層
よりなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に
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
ト層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射
型電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層
を形成する工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少
なくとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層
を形成する工程と、多孔質半導体層を酸化する工程と、
酸化した多孔質半導体層に水素アニール処理を行うこと
により強電界ドリフト層を形成する工程と、強電界ドリ
フト層上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する工程
とを有するので、酸化した多孔質半導体層に水素アニー
ル処理を行うことにより強電界ドリフト層を形成するこ
とで、強電界ドリフト層の酸化膜中の欠陥密度が減少す
るから、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放
射型電子源を実現することができるという効果がある。

【００５３】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酸化した多孔質半導体層よ
りなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形
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
層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型
電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層を
形成する工程と、陽極酸化処理にて前記半導体層の少な
くとも一部を多孔質化することにより多孔質半導体層を
形成する工程と、多孔質半導体層に水素アニール処理を
行う工程と、水素アニール処理した多孔質半導体層を酸
化することにより強電界ドリフト層を形成する工程と、
強電界ドリフト層上に導電性薄膜よりなる表面電極を形
成する工程とを有するので、水素アニール処理した多孔
質半導体層を酸化することにより強電界ドリフト層を形
成しているから、陽極酸化処理にて形成された多孔質半
導体層中の欠陥を軽減することができ、当該多孔質半導
体層の酸化により形成される強電界ドリフト層中の酸化
膜および半導体結晶の欠陥密度が減少し、絶縁耐圧が高
く且つ電子放出効率が高い電界放射型電子源を実現する
ことができるという効果がある。

【００５４】請求項３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酸化した多孔質半導体層よ
りなる強電界ドリフト層と、該強電界ドリフト層上に形
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
層をドリフトし表面電極を通して放出される電界放射型
電子源の製造方法であって、導電性基板上に半導体層を
形成する工程と、前記半導体層に水素アニール処理を行
う工程と、前記水素アニール処理後の前記半導体層の少
なくとも一部を陽極酸化処理にて多孔質化することによ
り多孔質半導体層を形成する工程と、多孔質半導体層を
酸化することにより強電界ドリフト層を形成する工程
と、強電界ドリフト層上に導電性薄膜よりなる表面電極
を形成する工程とを有するので、導電性基板上に形成し
た半導体層に水素アニール処理を行っているから、半導
体層中に存在する欠陥の低減を図れ、結果的に強電界ド
リフト層中の酸化膜および半導体結晶の欠陥密度が減少
し、絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高い電界放射型
電子源を実現することができるという効果がある。

【００５５】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
が、酸素雰囲気中でアニールする工程なので、物性的に
安定した酸化膜を形成することができるという効果があ
る。

【００５６】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、前記多孔質半導体層を酸化する工程
が、酸により電気化学的に酸化する工程なので、前記多
孔質半導体層を酸素雰囲気中でアニールする場合に比べ
てプロセス温度が低温になって、水素アニール処理の温
度を低温化することで導電性基板の材料の制約を少なく
することが可能となり、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。

【００５７】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５のいずれかに記載の製造方法で製造されたことを特徴
とするものであり、酸化した多孔質半導体層に水素アニ
ール処理を施されていない電界放射型電子源に比べて、
絶縁耐圧が高く且つ電子放出効率が高いという効果があ
る。

【００５８】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記多孔質半導体層が、多孔質多結晶シリコン層よ
りなるので、強電界ドリフト層がＳｉＯ₂の構造若しく
はＳｉＯ₂の構造に近い緻密性の高い酸化膜を有するよ
うになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の製造方法を説明するための主要工
程断面図である。

【図２】同上により製造される電界放射型電子源の放射
電子の測定原理の説明図である。

【図３】従来の電界放射型電子源の放射電子の測定原理
の説明図である。

【図４】同上の電界放射型電子源の電子放出機構の説明
図である。

【符号の説明】 １ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ３ 多結晶シリコン層 ４ 多孔質多結晶シリコン層 ６ 強電界ドリフト層 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源

フロントページの続き (72)発明者 菰田 卓哉 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 幡井 崇 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
   形成された酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリ
   フト層と、該強電界ドリフト層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層をドリフトし表
   面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法
   であって、導電性基板上に半導体層を形成する工程と、
   陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一部を多孔
   質化することにより多孔質半導体層を形成する工程と、
   多孔質半導体層を酸化する工程と、酸化した多孔質半導
   体層に水素アニール処理を行うことにより強電界ドリフ
   ト層を形成する工程と、強電界ドリフト層上に導電性薄
   膜よりなる表面電極を形成する工程とを有することを特
   徴とする電界放射型電子源の製造方法。
2. 【請求項２】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
   形成された酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリ
   フト層と、該強電界ドリフト層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層をドリフトし表
   面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法
   であって、導電性基板上に半導体層を形成する工程と、
   陽極酸化処理にて前記半導体層の少なくとも一部を多孔
   質化することにより多孔質半導体層を形成する工程と、
   多孔質半導体層に水素アニール処理を行う工程と、水素
   アニール処理した多孔質半導体層を酸化することにより
   強電界ドリフト層を形成する工程と、強電界ドリフト層
   上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する工程とを有
   することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
3. 【請求項３】 導電性基板と、導電性基板の一表面側に
   形成された酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリ
   フト層と、該強電界ドリフト層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層をドリフトし表
   面電極を通して放出される電界放射型電子源の製造方法
   であって、導電性基板上に半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層に水素アニール処理を行う工程と、前記水
   素アニール処理後の前記半導体層の少なくとも一部を陽
   極酸化処理にて多孔質化することにより多孔質半導体層
   を形成する工程と、多孔質半導体層を酸化することによ
   り強電界ドリフト層を形成する工程と、強電界ドリフト
   層上に導電性薄膜よりなる表面電極を形成する工程とを
   有することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
4. 【請求項４】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
   酸素雰囲気中でアニールする工程であることを特徴とす
   る請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電界放射
   型電子源の製造方法。
5. 【請求項５】 前記多孔質半導体層を酸化する工程は、
   酸により電気化学的に酸化する工程であることを特徴と
   する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電界放
   射型電子源の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載の製造方法で製造されたことを特徴とする電界放射型
   電子源。
7. 【請求項７】 前記多孔質半導体層は、多孔質多結晶シ
   リコン層より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。