JP2001210229A

JP2001210229A - 電界放射型電子源の製造方法

Info

Publication number: JP2001210229A
Application number: JP2000016390A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Honda; 由明本多; Koichi Aizawa; 浩一相澤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出効率が高く且つ熱的な安定性が高い電
界放射型電子源の製造方法を提供する。【解決手段】犠牲基板１３の一表面上にノンドープの多
結晶シリコン層３を形成し、続いて、多結晶シリコン層
３上にタングステンよりなる導電性層８を例えばスパッ
タ法などによって堆積させ、その後、導電性層８と上記
絶縁性基板１１とを貼り合わせる（図１（ａ））。犠牲
基板１３を除去し、さらに、上記多結晶シリコン層３の
一部である不要層たるアモルファスシリコン層３ｂを除
去する（図１（ｂ））。次に、陽極酸化処理にて多結晶
シリコン層３を多孔質化することによって、多孔質多結
晶シリコン層４を形成する（図１（ｃ））。次いで、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、強電界ドリフト層６上に表面電極
７を形成する（図１（ｄ））。

Description

【発明の詳細な説明】

【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（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】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。

【０００７】そこで、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（ＲＴ
Ｏ）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が提案されている（例えば、
特許第２９６６８４２号、特許第２９８７１４０号参
照）。この電界放射型電子源１０’は、例えば、図６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】図６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図７に示
すように表面電極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７中の一点
鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ^-の流れを
示す）。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。

【０００９】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８に示すように、少なくとも、柱状の多結晶
シリコン５１（グレイン）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８中の矢印Ａの向きへ（図
８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。なお、表面電極７の膜厚は１０ｎｍないし１
５ｎｍ程度に設定されている。

【００１０】ところで、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。

【００１１】図９に、ガラス基板よりなる絶縁性基板１
１と該絶縁性基板１１上に形成したＩＴＯ膜よりなる導
電性層８とで構成した導電性基板を用いた電界放射型電
子源１０”を示す。すなわち、この電界放射型電子源１
０”は、図９に示すように、絶縁性基板１１上に例えば
ＩＴＯ膜よりなる導電性層８が形成され、導電性層８上
に強電界ドリフト層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が形成されている。こ
こに、強電界ドリフト層６は、導電性層８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、さらに急速加熱
法によって酸化若しくは窒化することにより形成されて
いる。

【００１２】こ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図１０に示すように表
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を導電性層８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、導電
性層８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１０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）。ここにおいて、表面電極７と導電性層８
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と導電性層８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。

【００１３】ところで、上述の絶縁性基板１１を利用し
た電界放射型電子源１０”では、強電界ドリフト層６
が、導電性層８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、さらに急速加熱法によって酸化することに
より形成されており、この際の酸化温度が比較的高温
（８００℃から９００℃の温度範囲）なので、絶縁性基
板１１として高価な石英ガラスを用いざるをえず、大面
積化および低コスト化が制限されるという不具合があっ
た。この種の不具合を解決する手段（つまり、プロセス
の低温化を図る手段）としては、多孔質化した多結晶シ
リコン層を酸化する方法として、例えば酸により酸化す
る方法や、酸素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス
雰囲気中で紫外線を照射して酸化する方法などが考えら
れる。このように多孔質化した多結晶シリコン層を酸に
より酸化する方法や、多孔質化した多結晶シリコン層を
酸素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で
紫外線を照射して酸化する方法を採用することにより、
絶縁性基板１１として耐熱温度が石英ガラス基板に比べ
て低く価格が石英ガラス基板に比べて安価なガラス基板
（例えば、無アルカリガラス基板、低アルカリガラス基
板、ソーダライムガラス基板など）を用いることが可能
となる。

【００１４】なお、上述の各電界放射型電子源１０’，
１０”では、ノンドープの多結晶シリコン層の全部を多
孔質化しているが、一部を多孔質化してもよい。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
絶縁性基板１１を利用した電界放射型電子源１０”で
は、製造工程においてＩＴＯ膜よりなる導電性層８上に
ノンドープの多結晶シリコン層を堆積させる際に、導電
性層８との界面近傍に高抵抗のアモルファスシリコン層
が形成されてしまい、導電性層８と強電界ドリフト層６
との間若しくは強電界ドリフト層６における導電性層８
との界面近傍に高抵抗のアモルファスシリコン層が残っ
てしまう。このため、上述のダイオード電流Ｉpsを流す
際にアモルファスシリコン層での電圧降下が起こり強電
界ドリフト層６に印加される電圧が低下してしまうの
で、所望の放出電子電流（エミッション電流）Ｉeを得
るための直流電圧Ｖpsが高くなり、電子放出効率が低下
してしまうという不具合があった。また、アモルファス
シリコン層で電圧降下が生じることによってアモルファ
スシリコン層が発熱し熱的な安定性が損なわれてしまう
という不具合があった。さらに、導電性層８とアモルフ
ァスシリコン層との間にショットキーバリアがあるの
で、ショットキーバリアで電圧降下が生じてしまうとい
う不具合があった。

【００１６】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、電子放出効率が高く且つ熱的な安定
性が高い電界放射型電子源の製造方法を提供することに
ある。

【００１７】

【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、基板と、該基板の主表面側に形
成された導電性層と、導電性層の表面側に形成された酸
化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電
界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面
電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正極として
電圧を印加することにより導電性層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、上記基板
と別の犠牲基板の一表面側に半導体層を形成する工程、
該半導体層の一表面側に上記導電性層を形成する工程
と、上記導電性層と上記基板とを貼り合わせる工程と、
上記犠牲基板と上記半導体層の一部である不要層とを除
去する工程と、上記不要層が除去された上記半導体層で
ある結晶半導体層を多孔質化することにより多孔質の結
晶半導体層を形成する工程と、該多孔質の結晶半導体層
を酸化若しくは窒化することにより上記強電界ドリフト
層を形成する工程と、上記強電界ドリフト層上に表面電
極を形成する工程とを備えることを特徴とし、上記半導
体層の一部である不要層が除去されるので、上記強電界
ドリフト層中にアモルファス半導体層が形成されなくな
り、上記導電性層上に高抵抗のアモルファス半導体層が
形成された従来の電界放射型電子源に比べて、従来のよ
うなアモルファス半導体層での電圧降下をなくすことが
できて強電界ドリフト層に印加される電圧が高くなるか
ら、電子放出効率が高く且つ熱的な安定性が高い電界放
射型電子源を提供することができる。

【００１８】請求項２の発明は、基板と、該基板の主表
面側に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形成
された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層より
なる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成さ
れた表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正
極として電圧を印加することにより導電性層から注入さ
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、
上記基板と別の結晶基板である犠牲基板の主表面側に半
導体層を形成する工程、該半導体層の一表面側に上記導
電性層を形成する工程と、上記導電性層と上記基板とを
貼り合わせる工程と、上記犠牲基板を除去する工程と、
上記犠牲層が除去された後に上記半導体層である結晶半
導体層を多孔質化することにより多孔質の結晶半導体層
を形成する工程と、該多孔質の結晶半導体層を酸化若し
くは窒化することにより上記強電界ドリフト層を形成す
る工程と、上記強電界ドリフト層上に表面電極を形成す
る工程とを備えることを特徴とし、上記強電界ドリフト
層中にアモルファス半導体層が形成されなくなり、上記
導電性層上に高抵抗のアモルファス半導体層が形成され
た従来の電界放射型電子源に比べて、従来のようなアモ
ルファス半導体層での電圧降下をなくすことができて強
電界ドリフト層に印加される電圧が高くなるから、電子
放出効率が高く且つ熱的な安定性が高い電界放射型電子
源を提供することができる。

【００１９】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、上記半導体層を形成する工程と上記
導電性層を形成する工程との間に、上記半導体層の上記
一表面上に上記半導体層よりも低抵抗の低抵抗半導体層
を形成する工程を備えるので、上記導電性層と上記強電
界ドリフト層との間に低抵抗半導体層が設けられた電界
放射型電子源を提供することができ、上記導電性層に起
因したショットキーバリアを薄くすることができてトン
ネリングで電流が流れショットキーバリアでの電圧降下
が低減され、結果として電子放出効率がより高い電界放
射型電子源を提供することができる。

【００２０】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記低抵抗半導体層を形成する工程は、上記半導体
層の上記一表面側に上記半導体層から離れるほど抵抗が
小さくなる層を積層させるので、上記低抵抗半導体層は
導電性層に近づくほど抵抗が段階的に小さくなり、結果
として電子放出効率がより高い電界放射型電子源を提供
することができる。

【００２１】請求項５の発明は、請求項３の発明におい
て、上記低抵抗半導体層を形成する工程は、厚み方向に
抵抗が連続的に変化し且つ上記半導体層から離れるほど
抵抗が小さくなるように上記低抵抗半導体層を形成する
ので、上記低抵抗半導体層は導電性層に近づくほど抵抗
が連続的に小さくなり、結果として電子放出効率がより
高い電界放射型電子源を提供することができる。

【００２２】請求項６の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、不純物のドーピングによって当該低抵抗半導体層の
抵抗を調整するので、低抵抗半導体層の抵抗を適宜制御
することができる。

【００２３】請求項７の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、当該低抵抗半導体層の堆積時にドーピングガスを導
入して当該低抵抗半導体層の抵抗を調整するので、ドー
ピングガスの量を制御することで低抵抗半導体層の抵抗
を調整することができる。

【００２４】請求項８の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、イオン注入によって当該低抵抗半導体層の抵抗を調
整するので、イオン注入の条件で低抵抗半導体層の抵抗
を調整することができる。

【００２５】請求項９の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、不純物の拡散によって当該低抵抗半導体層の抵抗を
調整するので、拡散条件で低抵抗半導体層の抵抗を調整
することができる。

【００２６】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、上記半導体層の形成後あるいは上
記導電性層の形成後あるいは上記犠牲基板の除去後ある
いは上記多孔質の結晶半導体層の形成後あるいは上記強
電界ドリフト層の形成後あるいは上記表面電極の形成後
に、少なくとも１回の熱処理を行うので、導電性層と半
導体との間に発生するショットキーバリアを低減あるい
は取り除くことができ、より電子放出効率が高く熱的に
安定な電界放射型電子源を提供することができる。

【００２７】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、上記強電界ドリフト層を形成す
る工程は、当該強電界ドリフト層が、基板の主表面に略
直交して列設された柱状の半導体結晶と、半導体結晶間
に介在するナノメータオーダの半導体微結晶と、半導体
微結晶の表面に形成され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とからなるように形成するの
で、上記強電界ドリフト層では上記導電性層から注入さ
れた電子が半導体微結晶に衝突せずに上記絶縁膜に印加
されている電界で加速されてドリフトし、上記強電界ド
リフト層で発生した熱が柱状の半導体結晶を通して放熱
されるような電界放射型電子源を提供できるから、電子
放出時にポッピング現象が発生せず高効率で電子を放出
することができる電界放射型電子源が得られる。

【００２８】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項１１の発明において、上記半導体は、多結晶半導体よ
りなるので、電界放射型電子源の大面積化が容易にな
る。

【００２９】請求項１３の発明は、請求項１ないし請求
項１２の発明において、上記半導体は、シリコンよりな
るので、シリコンプロセスを使用できる。

【００３０】

【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。

【００３１】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
２に示すように、ガラス基板（例えば、無アルカリガラ
ス基板）よりなる絶縁性基板１１の一表面上にタングス
テンよりなる導電性層８が形成され、該導電性層８上に
酸化した多孔質多結晶シリコン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上に表面電極７が
形成されている。なお、導電性層８と強電界ドリフト層
６との間にノンドープの多結晶シリコン層が設けられて
いてもよい。

【００３２】この電界放射型電子源１０の基本動作は図
９に示した従来構成と同じであって、表面電極７を真空
中に配置するとともに図３に示すように表面電極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
層８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、導電性層８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）。
ここにおいて、表面電極７と導電性層８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）ほど電子放出量が高くな
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と導電性層８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。

【００３３】本実施形態の電界放射型電子源１０は、後
述の製造方法を採用することにより導電性層８上にアモ
ルファスシリコン層が形成されていない（強電界ドリフ
ト層６中にアモルファスシリコン層が形成されていな
い）ので、導電性層８上に高抵抗のアモルファスシリコ
ン層が形成された従来の電界放射型電子源１０”に比べ
て、従来のようなアモルファス半導体層での電圧降下を
なくすことができて強電界ドリフト層６に印加される電
圧が高くなるから、強電界ドリフト層６に流れる電流値
が大きくなり（つまり、上述のダイオード電流Ｉpsが大
きくなり）、電子放出効率が高くなるとともに、発熱量
が少なくなって熱的な安定性が高くなる。

【００３４】なお、本実施形態では、導電性層８を金属
であるタングステン（Ｗ）により構成しているが、導電
性層８の材料はタングステンに限定されるものではな
く、タングステンの代わりに、銅（Ｃｕ）、アルミニウ
ム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、
クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、コバ
ルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔ
ａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナ
ジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄
（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、レ
ニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉ
ｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓｉ）など
を用いてもよく、また、これらの材料の複数種類を選択
し積層するようにしてもよいし、これらの材料のうちの
複数種類を合金化して堆積してもよい。また、導電性層
８としては、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの金属酸化
物（透明電極）を用いてもよいし、上記金属酸化物に上
記Ｗ以下Ｓｉまで列記している金属材料を適宜選択し積
層化したり、上記金属酸化物に上記金属材料の合金膜を
積層するようにしてもよい。

【００３５】以下、本実施形態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、この製造方法では、上記絶縁性基板１１とは別にガ
ラス基板（例えば、無アルカリガラス基板）よりなる犠
牲基板１３を利用する。

【００３６】まず、犠牲基板１３の一表面（図１（ａ）
における上面）上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）の
ノンドープの多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し（ただし、犠牲基板１３の上記一表
面上には多結晶シリコン層３の堆積初期過程においてア
モルファスシリコン層３ｂが形成されている）、続い
て、多結晶シリコン層３上にタングステンよりなる導電
性層８を例えばスパッタ法などによって堆積させ、その
後、導電性層８と上記絶縁性基板１１とを貼り合わせる
（つまり、犠牲基板１３と絶縁性基板１１とを多結晶シ
リコン層３および導電性層８が介在した形で貼り合わせ
る）ことにより、図１（ａ）に示すような構造が得られ
る。ここにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３
は、プラズマＣＶＤ法により堆積しているので、６００
℃以下（１００℃〜６００℃）の低温プロセスで成膜す
ることができる。なお、ノンドープの多結晶シリコン層
３の形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶ
Ｄ法により形成してもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃
以下の低温プロセスで成膜することができる。

【００３７】導電性層８と上記絶縁性基板１１とを貼り
合わせた後、犠牲基板１３を除去し、続いて、上記多結
晶シリコン層３の一部である不要層たるアモルファスシ
リコン層３ｂをウェットエッチングなどによって除去す
ることにより、図１（ｂ）に示すような構造が得られ
る。なお、図１（ｂ）と図１（ａ）とは上下を逆に示し
てある。

【００３８】不要層たるアモルファスシリコン層３ｂを
除去した後、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、導電性層８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い多結
晶シリコン層３を所定深さまで多孔質化することによっ
て、多孔質多結晶シリコン層４が形成され図１（ｃ）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の一部を多孔質化
してもよい。

【００３９】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
性層８を正極として、定電流を流し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が形成
され、次いで、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（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１５ｎｍ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。

【００４０】しかして、上述の製造方法によれば、半導
体層たる多結晶シリコン層３の一部である不要層（アモ
ルファスシリコン層３ｂ）が除去されるので、強電界ド
リフト層６中にアモルファスシリコン層が形成されなく
なり、導電性層８上に高抵抗のアモルファスシリコン層
が形成された従来の電界放射型電子源１０”に比べて、
従来のようなアモルファス半導体層での電圧降下をなく
すことができて強電界ドリフト層６に印加される電圧が
高くなるから、電子放出効率が高く且つ熱的な安定性が
高い電界放射型電子源１０を提供することができる。ま
た、多結晶シリコン層３をプラズマＣＶＤ法などの低温
プロセスで成膜し、多孔質多結晶シリコン層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、６００℃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、絶縁性基板１１として、石英ガラス
基板に比べて安価な無アルカリガラス基板を用いること
ができて、低コスト化が図れるとともに、より一層の大
面積化を図ることができ、さらに上記多結晶シリコン層
３の形成温度によっては低アルカリガラス基板、ソーダ
ライムガラス基板などの無アルカリガラス基板に比べて
耐熱温度の低いガラス基板を用いることも可能になる。

【００４１】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源１０は、特許第２９６６８４２号、特許第２
９８７１４０号に開示され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。したがって、強電界ドリフト層６は、従
来例と同様、図８に示すように、少なくとも、柱状の多
結晶シリコン５１（グレイン）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。

【００４２】ところで、上述の製造方法では、多孔質多
結晶シリコン層４を酸により酸化しているが、例えば酸
素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫
外線を照射して酸化するようにしてもよく、１００℃か
ら６００℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。こ
の温度は６００℃より高温でもよいが、絶縁性基板１１
として安価なガラス基板を使用するという点からは１０
０℃から６００℃の温度範囲で酸化できることが望まし
い。

【００４３】また、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により構成している
が、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコ
ン、あるいは、その他の酸化若しくは窒化した多孔質多
結晶半導体層により構成してもよい。

【００４４】また、上述の製造方法において、半導体層
たる多結晶シリコン層３の形成後あるいは導電性層８の
形成後あるいは犠牲基板１３の除去後あるいは多孔質多
結晶シリコン層４の形成後あるいは強電界ドリフト層６
の形成後あるいは表面電極７の形成後に、少なくとも１
回の熱処理（６００℃以下）を行うことにより、導電性
層８と多結晶シリコン層３との間に発生するショットキ
ーバリアを低減あるいは取り除くことができ、より電子
放出効率が高く熱的に安定な電界放射型電子源１０を提
供することができる。

【００４５】（実施形態２）本実施形態では、図４
（ｄ）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４を参照しながら説明する。

【００４６】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
４（ｄ）に示すように、ガラス基板（例えば、無アルカ
リガラス基板）よりなる絶縁性基板１１の一表面上にタ
ングステンよりなる導電性層８が形成され、該導電性層
８上に低抵抗半導体層たるｎ形多結晶シリコン層９が形
成され、ｎ形多結晶シリコン層９上に酸化した多孔質多
結晶シリコン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上に表面電極７が形成されている。
要するに、本実施形態の電界放射型電子源１０の構成は
実施形態１と略同じであって、導電性層８と強電界ドリ
フト層６との間にｎ形多結晶シリコン層９が設けられて
いる点が相違するだけであり、基本動作は実施形態１と
同様である。したがって、本実施形態の電界放射型電子
源１０においても、表面電極７と導電性層８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。なお、低抵抗半導体
層は、ｎ形多結晶シリコン層９に限定されるものではな
く、ｐ形多結晶シリコン層を用いてもよい。

【００４７】本実施形態の電界放射型電子源１０は、後
述の製造方法を採用することにより導電性層８上にアモ
ルファスシリコン層が形成されていない（強電界ドリフ
ト層６中にアモルファスシリコン層が形成されていな
い）ので、導電性層８上に高抵抗のアモルファスシリコ
ン層が形成された従来の電界放射型電子源１０”に比べ
て、強電界ドリフト層６に流れる電流値が大きくなり
（つまり、上述のダイオード電流Ｉpsが大きくなり）、
電子放出効率が高くなるとともに、発熱量が少なくなっ
て熱的な安定性が高くなる。また、導電性層８と強電界
ドリフト層６との間にｎ形多結晶シリコン層９が設けら
れているので、実施形態１よりも電子放出効率を高める
ことできる。なお、導電性層８の材料として実施形態１
で列記した材料を使用することができることは勿論であ
る。また、ｎ形多結晶シリコン層９をそれぞれ抵抗（不
純物濃度）の異なる層が厚み方向に積層された多層構造
として導電性層８に近い層ほど抵抗が小さくなるように
構成してもよいし、ｎ形多結晶シリコン層９を厚み方向
に抵抗（不純物濃度）が連続的に変化し導電性層８に近
づくほど抵抗が小さくなるような層としてもよい。

【００４８】以下、本実施形態の電界放射型電子源１０
の製造方法について図４を参照しながら説明する。な
お、この製造方法では、上記絶縁性基板１１とは別にガ
ラス基板（例えば、無アルカリガラス基板）よりなる犠
牲基板１３を利用する。

【００４９】まず、犠牲基板１３の一表面（図４（ａ）
における上面）上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）の
ノンドープの多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し（ただし、犠牲基板１３の上記一表
面上には多結晶シリコン層３の堆積初期過程においてア
モルファスシリコン層３ｂが形成されている）、続い
て、多結晶シリコン層３上にｎ形多結晶シリコン層９を
プラズマＣＶＤ法などによって形成し、タングステンよ
りなる導電性層８を例えばスパッタ法などによって堆積
させ、その後、導電性層８と上記絶縁性基板１１とを貼
り合わせる（つまり、犠牲基板１３と絶縁性基板１１と
を多結晶シリコン層３およびｎ形多結晶シリコン層９お
よび導電性層８が介在した形で貼り合わせる）ことによ
り、図４（ａ）に示すような構造が得られる。ここにお
いて、ノンドープの多結晶シリコン層３およびｎ形多結
晶シリコン層９は、プラズマＣＶＤ法により堆積してい
るので、６００℃以下（１００℃〜６００℃）の低温プ
ロセスで成膜することができ、また、ｎ形多結晶シリコ
ン層９は、堆積時にドーピングガスの量を制御すること
で抵抗を調整することができる。なお、ノンドープの多
結晶シリコン層３の形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限
らず、触媒ＣＶＤ法により形成してもよく、触媒ＣＶＤ
法でも６００℃以下の低温プロセスで成膜することがで
きる。また、ｎ形多結晶シリコン層９は、上記多結晶シ
リコン層３を上記所定膜厚よりも厚く堆積させ、当該多
結晶シリコン層３へ不純物をイオン注入することにより
当該多結晶シリコン層３の表面側に形成してもよく、こ
の場合にはイオン注入の条件でｎ形多結晶シリコン層９
の抵抗を調整することができ、また、上記多結晶シリコ
ン層３を上記所定膜厚よりも厚く堆積させ、当該多結晶
シリコン層３へ不純物を拡散させることによりｎ形多結
晶シリコン層９を形成してもよく、この場合には拡散条
件でｎ形多結晶シリコン層９の抵抗を調整することがで
きる。また、ｎ形多結晶シリコン層９として、半導体層
たる多結晶シリコン層３の一表面側に多結晶シリコン層
３から離れるほど抵抗が小さくなる層を積層させれば、
ｎ形多結晶シリコン層９は導電性層８に近づくほど抵抗
が段階的に小さくなる。また、ｎ形多結晶シリコン層９
として、厚み方向に抵抗が連続的に変化し且つ多結晶シ
リコン層３から離れるほど抵抗が小さくなるように形成
すれば、ｎ形多結晶シリコン層９は導電性層８に近づく
ほど抵抗が連続的に小さくなる。

【００５０】導電性層８と上記絶縁性基板１１とを貼り
合わせた後、犠牲基板１３を除去し、続いて、上記多結
晶シリコン層３の一部である不要層たるアモルファスシ
リコン層３ｂをウェットエッチングなどによって除去す
ることにより、図４（ｂ）に示すような構造が得られ
る。なお、図４（ｂ）と図４（ａ）とは上下を逆に示し
てある。

【００５１】不要層たるアモルファスシリコン層３ｂを
除去した後、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、導電性層８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い多結
晶シリコン層３を所定深さまで多孔質化することによっ
て、多孔質多結晶シリコン層４が形成され図４（ｃ）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の一部を多孔質化
してもよい。

【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、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
性層８を正極として、定電流を流し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が形成
され、次いで、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４（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１５ｎｍ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。

【００５３】しかして、上述の製造方法によれば、半導
体層たる多結晶シリコン層３の一部である不要層（アモ
ルファスシリコン層３ｂ）が除去されるので、強電界ド
リフト層６中にアモルファスシリコン層が形成されなく
なり、導電性層８上に高抵抗のアモルファスシリコン層
が形成された従来の電界放射型電子源１０”に比べて、
アモルファスシリコン層での電圧降下がなく、さらに導
電性層８に起因したショットキーバリアを薄くすること
ができてトンネリングで電流が流れショットキーバリア
での電圧降下が低減されるから、電子放出効率が高く且
つ熱的な安定性が高い電界放射型電子源１０を提供する
ことができる。また、多結晶シリコン層３およびｎ形多
結晶シリコン層９をプラズマＣＶＤ法などの低温プロセ
スで成膜し、多孔質多結晶シリコン層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、６００℃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、絶縁性基板１１として、石英ガラス基板に
比べて安価な無アルカリガラス基板を用いることができ
て、低コスト化が図れるとともに、より一層の大面積化
を図ることができ、さらに上記多結晶シリコン層３およ
びｎ形多結晶シリコン層９の形成温度によっては低アル
カリガラス基板、ソーダライムガラス基板などの無アル
カリガラス基板に比べて耐熱温度の低いガラス基板を用
いることも可能になる。

【００５４】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源１０は、特許第２９６６８４２号、特許第２
９８７１４０号に開示され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。したがって、強電界ドリフト層６は、従
来例と同様、図８に示すように、少なくとも、柱状の多
結晶シリコン５１（グレイン）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。

【００５５】ところで、上述の製造方法では、多孔質多
結晶シリコン層４を酸により酸化しているが、例えば酸
素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫
外線を照射して酸化するようにしてもよく、１００℃か
ら６００℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。こ
の温度は６００℃より高温でもよいが、絶縁性基板１１
として安価なガラス基板を使用するという点からは１０
０℃から６００℃の温度範囲で酸化できることが望まし
い。

【００５６】また、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により構成している
が、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコ
ン、あるいは、その他の酸化若しくは窒化した多孔質多
結晶半導体層により構成してもよい。

【００５７】また、上述の製造方法において、ｎ形多結
晶シリコン層９の形成後あるいは導電性層８の形成後あ
るいは犠牲基板１３の除去後あるいは多孔質多結晶シリ
コン層４の形成後あるいは強電界ドリフト層６の形成後
あるいは表面電極７の形成後に、少なくとも１回の熱処
理（６００℃以下）を行うことにより、導電性層８とｎ
形多結晶シリコン層９との間に発生するショットキーバ
リアを低減あるいは取り除くことができ、より電子放出
効率が高く熱的に安定な電界放射型電子源１０を提供す
ることができる。

【００５８】（実施形態３）本実施形態では、図５
（ｄ）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５を参照しながら説明する。ただし、電界放射
型電子源１０の構成は実施形態１で説明した図２と同じ
なので、実施形態１と共通の構成要素に同一の符号を付
して説明を省略する。なお、本実施形態の製造方法で
は、上記絶縁性基板１１とは別に結晶基板たる単結晶の
シリコン基板よりなる犠牲基板１３を利用する。

【００５９】まず、犠牲基板１３の表側の表面（以下、
主表面と称す）上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）の
ノンドープの多結晶シリコン層３を例えばプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成し（本実施形態では、犠牲基板１３と
してシリコン基板を用い当該シリコン基板の主表面上に
多結晶シリコン層３を堆積させているので、多結晶シリ
コン層３の堆積初期過程においてアモルファスシリコン
層が形成されるのを防ぐことができる）、続いて、多結
晶シリコン層３上にタングステンよりなる導電性層８を
例えばスパッタ法などによって堆積させ、その後、導電
性層８と上記絶縁性基板１１とを貼り合わせる（つま
り、犠牲基板１３と絶縁性基板１１とを多結晶シリコン
層３および導電性層８が介在した形で貼り合わせる）こ
とにより、図５（ａ）に示すような構造が得られる。こ
こにおいて、ノンドープの多結晶シリコン層３は、プラ
ズマＣＶＤ法により堆積しているので、６００℃以下
（１００℃〜６００℃）の低温プロセスで成膜すること
ができる。なお、ノンドープの多結晶シリコン層３の形
成方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、触媒ＣＶＤ法に
より形成してもよく、触媒ＣＶＤ法でも６００℃以下の
低温プロセスで成膜することができる。

【００６０】導電性層８と上記絶縁性基板１１とを貼り
合わせた後、犠牲基板１３を除去することにより、図５
（ｂ）に示すような構造が得られる。なお、図５（ｂ）
と図５（ａ）とは上下を逆に示してある。

【００６１】犠牲基板１３を除去した後、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、導電性層８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い多結晶シリコン層３を所定深
さまで多孔質化することによって、多孔質多結晶シリコ
ン層４が形成され図５（ｃ）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の一部を多孔質化してもよい。

【００６２】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
性層８を正極として、定電流を流し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が形成
され、次いで、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５（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１５ｎｍ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。

【００６３】しかして、上述の製造方法によれば、強電
界ドリフト層６中にアモルファスシリコン層が形成され
なくなり、導電性層８上に高抵抗のアモルファスシリコ
ン層が形成された従来の電界放射型電子源１０”に比べ
て、電子放出効率が高く且つ熱的な安定性が高い電界放
射型電子源１０を提供することができる。また、多結晶
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、多孔質多結晶シリコン層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、６００℃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、絶縁性基板１１として、石英ガラス基板に比べ
て安価な無アルカリガラス基板を用いることができて、
低コスト化が図れるとともに、より一層の大面積化を図
ることができ、さらに上記多結晶シリコン層３の形成温
度によっては低アルカリガラス基板、ソーダライムガラ
ス基板などの無アルカリガラス基板に比べて耐熱温度の
低いガラス基板を用いることも可能になる。

【００６４】また、上述の製造方法で製造された電界放
射型電子源１０は、特許第２９６６８４２号、特許第２
９８７１４０号に開示され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。したがって、強電界ドリフト層６は、従
来例と同様、図８に示すように、少なくとも、柱状の多
結晶シリコン５１（グレイン）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。

【００６５】ところで、上述の製造方法では、多孔質多
結晶シリコン層４を酸により酸化しているが、例えば酸
素とオゾンとの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で紫
外線を照射して酸化するようにしてもよく、１００℃か
ら６００℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。こ
の温度は６００℃より高温でもよいが、絶縁性基板１１
として安価なガラス基板を使用するという点からは１０
０℃から６００℃の温度範囲で酸化できることが望まし
い。

【００６６】また、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により構成している
が、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコ
ン、あるいは、その他の酸化若しくは窒化した多孔質多
結晶半導体層により構成してもよい。

【００６７】また、上述の製造方法において、半導体層
たる多結晶シリコン層３の形成後あるいは導電性層８の
形成後あるいは犠牲基板１３の除去後あるいは多孔質多
結晶シリコン層４の形成後あるいは強電界ドリフト層６
の形成後あるいは表面電極７の形成後に、少なくとも１
回の熱処理（６００℃以下）を行うことにより、導電性
層８と多結晶シリコン層３との間に発生するショットキ
ーバリアを低減あるいは取り除くことができ、より電子
放出効率が高く熱的に安定な電界放射型電子源１０を提
供することができる。

【００６８】さらに、実施形態２と同様にして、導電性
層８と強電界ドリフト層６との間にｎ形多結晶シリコン
層９（あるいはｐ形多結晶シリコン層）を設けるように
してもよい。

【００６９】ところで、上記各実施形態では、基板たる
絶縁性基板１１としてガラス基板を用いているが、絶縁
性基板１１はガラス基板に限定されるものではなく、例
えば、シリコン基板上に絶縁膜（ＳｉＯ_X、ＡｌＯ_Xなど
の酸化膜や、ＳｉＮ_X、ＢＮ、ＡｌＮ_Xなどの窒化膜）を
形成した基板や、金属性基板上に絶縁膜（酸化膜や窒化
膜など）を形成した基板を用いてもよい。また、基板と
してシリコン基板や石英ガラス基板などの耐熱性の高い
ものを利用する場合には、多孔質多結晶シリコン層４を
急速加熱法（例えば、ＲＴＯ法）によって酸化させるこ
とにより強電界ドリフト層６を形成するようにしてもよ
い。

【００７０】

【発明の効果】請求項１の発明は、基板と、該基板の主
表面側に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形
成された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層よ
りなる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成
された表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して
正極として電圧を印加することにより導電性層から注入
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、上記基板と別の犠牲基板の一表面側に半導体層を形
成する工程、該半導体層の一表面側に上記導電性層を形
成する工程と、上記導電性層と上記基板とを貼り合わせ
る工程と、上記犠牲基板と上記半導体層の一部である不
要層とを除去する工程と、上記不要層が除去された上記
半導体層である結晶半導体層を多孔質化することにより
多孔質の結晶半導体層を形成する工程と、該多孔質の結
晶半導体層を酸化若しくは窒化することにより上記強電
界ドリフト層を形成する工程と、上記強電界ドリフト層
上に表面電極を形成する工程とを備えるので、上記半導
体層の一部である不要層が除去され、上記強電界ドリフ
ト層中にアモルファス半導体層が形成されなくなり、上
記導電性層上に高抵抗のアモルファス半導体層が形成さ
れた従来の電界放射型電子源に比べて、従来のようなア
モルファス半導体層での電圧降下をなくすことができて
強電界ドリフト層に印加される電圧が高くなるから、電
子放出効率が高く且つ熱的な安定性が高い電界放射型電
子源を提供することができるという効果がある。

【００７１】請求項２の発明は、基板と、該基板の主表
面側に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形成
された酸化若しくは窒化した多孔質の結晶半導体層より
なる強電界ドリフト層と、強電界ドリフト層上に形成さ
れた表面電極とを備え、表面電極を導電性層に対して正
極として電圧を印加することにより導電性層から注入さ
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、
上記基板と別の結晶基板である犠牲基板の主表面側に半
導体層を形成する工程、該半導体層の一表面側に上記導
電性層を形成する工程と、上記導電性層と上記基板とを
貼り合わせる工程と、上記犠牲基板を除去する工程と、
上記犠牲層が除去された後に上記半導体層である結晶半
導体層を多孔質化することにより多孔質の結晶半導体層
を形成する工程と、該多孔質の結晶半導体層を酸化若し
くは窒化することにより上記強電界ドリフト層を形成す
る工程と、上記強電界ドリフト層上に表面電極を形成す
る工程とを備えるので、上記強電界ドリフト層中にアモ
ルファス半導体層が形成されなくなり、上記導電性層上
に高抵抗のアモルファス半導体層が形成された従来の電
界放射型電子源に比べて、従来のようなアモルファス半
導体層での電圧降下をなくすことができて強電界ドリフ
ト層に印加される電圧が高くなるから、電子放出効率が
高く且つ熱的な安定性が高い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。

【００７２】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、上記半導体層を形成する工程と上記
導電性層を形成する工程との間に、上記半導体層の上記
一表面上に上記半導体層よりも低抵抗の低抵抗半導体層
を形成する工程を備えるので、上記導電性層と上記強電
界ドリフト層との間に低抵抗半導体層が設けられた電界
放射型電子源を提供することができ、上記導電性層に起
因したショットキーバリアを薄くすることができてトン
ネリングで電流が流れショットキーバリアでの電圧降下
が低減され、結果として電子放出効率がより高い電界放
射型電子源を提供することができるという効果がある。

【００７３】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、上記低抵抗半導体層を形成する工程は、上記半導体
層の上記一表面側に上記半導体層から離れるほど抵抗が
小さくなる層を積層させるので、上記低抵抗半導体層は
導電性層に近づくほど抵抗が段階的に小さくなり、結果
として電子放出効率がより高い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。

【００７４】請求項５の発明は、請求項３の発明におい
て、上記低抵抗半導体層を形成する工程は、厚み方向に
抵抗が連続的に変化し且つ上記半導体層から離れるほど
抵抗が小さくなるように上記低抵抗半導体層を形成する
ので、上記低抵抗半導体層は導電性層に近づくほど抵抗
が連続的に小さくなり、結果として電子放出効率がより
高い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。

【００７５】請求項６の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、不純物のドーピングによって当該低抵抗半導体層の
抵抗を調整するので、低抵抗半導体層の抵抗を適宜制御
することができるという効果がある。

【００７６】請求項７の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、当該低抵抗半導体層の堆積時にドーピングガスを導
入して当該低抵抗半導体層の抵抗を調整するので、ドー
ピングガスの量を制御することで低抵抗半導体層の抵抗
を調整することができるという効果がある。

【００７７】請求項８の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、イオン注入によって当該低抵抗半導体層の抵抗を調
整するので、イオン注入の条件で低抵抗半導体層の抵抗
を調整することができるという効果がある。

【００７８】請求項９の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、上記低抵抗半導体層を形成する工程
は、不純物の拡散によって当該低抵抗半導体層の抵抗を
調整するので、拡散条件で低抵抗半導体層の抵抗を調整
することができるという効果がある。

【００７９】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、上記半導体層の形成後あるいは上
記導電性層の形成後あるいは上記犠牲基板の除去後ある
いは上記多孔質の結晶半導体層の形成後あるいは上記強
電界ドリフト層の形成後あるいは上記表面電極の形成後
に、少なくとも１回の熱処理を行うので、導電性層と半
導体との間に発生するショットキーバリアを低減あるい
は取り除くことができ、より電子放出効率が高く熱的に
安定な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。

【００８０】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、上記強電界ドリフト層を形成す
る工程は、当該強電界ドリフト層が、基板の主表面に略
直交して列設された柱状の半導体結晶と、半導体結晶間
に介在するナノメータオーダの半導体微結晶と、半導体
微結晶の表面に形成され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とからなるように形成するの
で、上記強電界ドリフト層では上記導電性層から注入さ
れた電子が半導体微結晶に衝突せずに上記絶縁膜に印加
されている電界で加速されてドリフトし、上記強電界ド
リフト層で発生した熱が柱状の半導体結晶を通して放熱
されるような電界放射型電子源を提供できるから、電子
放出時にポッピング現象が発生せず高効率で電子を放出
することができる電界放射型電子源が得られるという効
果がある。

【００８１】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項１１の発明において、上記半導体は、多結晶半導体よ
りなるので、電界放射型電子源の大面積化が容易になる
という効果がある。

【００８２】請求項１３の発明は、請求項１ないし請求
項１２の発明において、上記半導体は、シリコンよりな
るので、シリコンプロセスを使用できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１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】実施形態１の電界放射型電子源を示す概略断面
図である。

【図３】同上の電界放射型電子源の特性測定原理の説明
図である。

【図４】実施形態２の製造方法を説明するための主要工
程断面図である。

【図５】実施形態３の製造方法を説明するための主要工
程断面図である。

【図６】従来例を示す概略断面図である。

【図７】同上の特性測定原理の説明図である。

【図８】同上の電子放出機構の説明図である。

【図９】他の従来例を示す概略断面図である。

【図１０】同上の特性測定原理の説明図である。

【符号の説明】

３多結晶シリコン層３ｂアモルファスシリコン層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８導電性層１０電界放射型電子源１１絶縁性基板１３犠牲基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板の主表面側に形成された
導電性層と、導電性層の表面側に形成された酸化若しく
は窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフ
ト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを
備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印
加することにより導電性層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、上記基板と別の犠
牲基板の一表面側に半導体層を形成する工程、該半導体
層の一表面側に上記導電性層を形成する工程と、上記導
電性層と上記基板とを貼り合わせる工程と、上記犠牲基
板と上記半導体層の一部である不要層とを除去する工程
と、上記不要層が除去された上記半導体層である結晶半
導体層を多孔質化することにより多孔質の結晶半導体層
を形成する工程と、該多孔質の結晶半導体層を酸化若し
くは窒化することにより上記強電界ドリフト層を形成す
る工程と、上記強電界ドリフト層上に表面電極を形成す
る工程とを備え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２】基板と、該基板の主表面側に形成された
導電性層と、導電性層の表面側に形成された酸化若しく
は窒化した多孔質の結晶半導体層よりなる強電界ドリフ
ト層と、強電界ドリフト層上に形成された表面電極とを
備え、表面電極を導電性層に対して正極として電圧を印
加することにより導電性層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、上記基板と別の結
晶基板である犠牲基板の主表面側に半導体層を形成する
工程、該半導体層の一表面側に上記導電性層を形成する
工程と、上記導電性層と上記基板とを貼り合わせる工程
と、上記犠牲基板を除去する工程と、上記犠牲層が除去
された後に上記半導体層である結晶半導体層を多孔質化
することにより多孔質の結晶半導体層を形成する工程
と、該多孔質の結晶半導体層を酸化若しくは窒化するこ
とにより上記強電界ドリフト層を形成する工程と、上記
強電界ドリフト層上に表面電極を形成する工程とを備え
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３】上記半導体層を形成する工程と上記導電
性層を形成する工程との間に、上記半導体層の上記一表
面上に上記半導体層よりも低抵抗の低抵抗半導体層を形
成する工程を備え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の製造方法。
【請求項４】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
上記半導体層の上記一表面側に上記半導体層から離れる
ほど抵抗が小さくなる層を積層させることを特徴とする
請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項５】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
厚み方向に抵抗が連続的に変化し且つ上記半導体層から
離れるほど抵抗が小さくなるように上記低抵抗半導体層
を形成することを特徴とする請求項３記載の電界放射型
電子源の製造方法。
【請求項６】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
不純物のドーピングによって当該低抵抗半導体層の抵抗
を調整することを特徴とする請求項３ないし請求項５の
いずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項７】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
当該低抵抗半導体層の堆積時にドーピングガスを導入し
て当該低抵抗半導体層の抵抗を調整することを特徴とす
る請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の電界放射
型電子源の製造方法。
【請求項８】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
イオン注入によって当該低抵抗半導体層の抵抗を調整す
ることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか
に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項９】上記低抵抗半導体層を形成する工程は、
不純物の拡散によって当該低抵抗半導体層の抵抗を調整
することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれ
かに記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項１０】上記半導体層の形成後あるいは上記導
電性層の形成後あるいは上記犠牲基板の除去後あるいは
上記多孔質の結晶半導体層の形成後あるいは上記強電界
ドリフト層の形成後あるいは上記表面電極の形成後に、
少なくとも１回の熱処理を行う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
の製造方法。
【請求項１１】上記強電界ドリフト層を形成する工程
は、当該強電界ドリフト層が、基板の主表面に略直交し
て列設された柱状の半導体結晶と、半導体結晶間に介在
するナノメータオーダの半導体微結晶と、半導体微結晶
の表面に形成され当該半導体微結晶の結晶粒径よりも小
さな膜厚の絶縁膜とからなるように形成することを特徴
とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の電
界放射型電子源の製造方法。
【請求項１２】上記半導体は、多結晶半導体よりなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか
に記載の電界放射型電子源の製造方法。
【請求項１３】上記半導体は、シリコンよりなること
を特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記
載の電界放射型電子源の製造方法。