JP3587157B2

JP3587157B2 - 電界放射型電子源およびその製造方法

Info

Publication number: JP3587157B2
Application number: JP2000316988A
Authority: JP
Inventors: 祥文渡部; 行廣近藤; 浩一相澤; 卓哉菰田; 由明本多; 崇幡井; 勉櫟原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2001189124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料を用いて電界放射により電子線を放射するようにした電界放射型電子源およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、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）が知られている。
【０００３】
上記公報に記載された電界放射型電子源は、単結晶の半導体基板が必須構成であるから大面積化が困難であって、平面ディスプレイ装置のように大面積の電子源を要する用途には適していないものである。
【０００４】
これに対して、本願発明者らは、特願平１０−２７２３４０号、特願平１０−２７２３４２号などにおいて大面積化の可能な電界放射型電子源を提案した。これらの電子源は、導電性基板と金属薄膜からなる表面電極との間に、多孔質多結晶半導体層（たとえば、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形成した強電界ドリフト層を介在させた構造を有し、導電性基板から強電界ドリフト層に注入された電子が強電界ドリフト層においてドリフトするようになっている。この種の電界放射型電子源は、たとえば図１０に示すように、導電性基板としてのｎ形シリコン基板１１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のドリフト部６ａ（図示する構成では強電界ドリフト層６の全体がドリフト部６ａとして機能する）を介して金属薄膜よりなる表面電極７が積層され、ｎ形シリコン基板１１の裏面にオーミック電極２が積層された形状に形成される。
【０００５】
図１０に示す電界放射型電子源から電子を放出させるには、図１１に示すように、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極１２を設け、表面電極７とコレクタ電極１２との間を真空とした状態で、表面電極７がｎ形シリコン基板１１（オーミック電極２）に対して高電位側となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１１との間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極１２が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極１２と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、ｎ形シリコン基板１１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１１中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電子ｅ⁻の流れを示す）。表面電極７には仕事関数の小さな材料が採用され、表面電極７の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定されている。
【０００６】
ここで、強電界ドリフト層６のドリフト部６ａは、図１２に示すように、柱状の多結晶シリコンからなるグレイン２１と、グレイン２１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜２２と、多結晶シリコンのグレイン２１の間に介在するナノメータオーダの微結晶シリコン２３と、微結晶シリコン２３の表面に形成され微結晶シリコン２３の結晶粒径よりも小さい膜厚の絶縁膜であるシリコン酸化膜２４とを少なくとも含むと考えられる。このドリフト部６ａは上述した処理を行う前の多結晶シリコンに含まれていたグレインの表面が多孔質化し、残されたグレイン２１で結晶状態が維持されているものと考えられる。したがって、ドリフト部６ａに印加された電界の大部分はシリコン酸化膜２４を集中的に通り、注入された電子ｅ⁻はグレイン２１の間でシリコン酸化膜２４を通る強電界により加速され図１２の矢印Ａの向き（図１２中の上向き）にドリフトする。なお、ドリフト部６ａ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。
【０００７】
上述の構成を有する電界放射型電子源では、表面電極７とオーミック電極２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉｐｓと呼び、コレクタ電極１２と表面電極７との間に流れる電流を放出電子電流Ｉｅと呼ぶことにすれば（図１１参照）、ダイオード電流Ｉｐｓに対する放出電子電流Ｉｅの比率（＝Ｉｅ／Ｉｐｓ）が大きいほど電子放出効率が高くなる。なお、この電界放射型電子源では、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。また、この電界放射型電子源は、電子放出特性の真空度依存性が小さく、しかも電子放出時にポッピング現象が発生せず、電子を高い電子放出効率で安定して放出することができる。
【０００８】
ところで、上述した構成例では導電性基板としてｎ形シリコン基板１１を用いているが、ｎ形シリコン基板１１に代えてガラス基板のような絶縁性基板上にＩＴＯ膜のような導電体層を形成した基板を用いることもでき、このような構成の導電性基板を用いると、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。このような構成の導電性基板の一例を図１３に示す。図１３に示す導電性基板は、ガラス基板よりなる絶縁性基板１３と、絶縁性基板１３の上に形成したＩＴＯ膜よりなる導電体層８ｂとで構成した導電性基板を用いており、導電体層８ｂには強電界ドリフト層６（つまりドリフト層６ａ）を介して金属薄膜よりなる表面電極７が形成が積層されている。この電界放射型電子源では、強電界ドリフト層６が導電体層８ｂの上にノンドープの多結晶シリコン層を堆積させた後に、多結晶シリコン層を陽極酸化処理にて多孔質化し、さらに酸化あるいは窒化することにより形成されている。
【０００９】
図１３に示す電界放射型電子源から電子を放出させるには、図１０に示した電界放射型電子源と同様に表面電極７に対向配置されたコレクタ電極１２を設ける。つまり、図１４に示すように、表面電極７とコレクタ電極１２との間を真空とした状態で、表面電極７が導電体層８ｂに対して高電位側となるように表面電極７と導電体層８ｂとの間に直流電圧Ｖｐｓを印加するとともに、コレクタ電極１２が表面電極７に対して高電位側となるようにコレクタ電極１２と表面電極７との間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖｐｓ，Ｖｃを適宜に設定すれば、導電体層８ｂ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１４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）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した多孔質多結晶半導体層からなるドリフト部６ａが形成された強電界ドリフト層６を有する電界放射型電子源では、多結晶シリコンを陽極酸化処理によって多孔質化し、窒化あるいは急速熱酸化による酸化を施してドリフト部６ａを形成しているものであるから、図１５に示すように、ドリフト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚みが不均一なものになっている。
【００１１】
これは、現状の陽極酸化処理において、導電性基板に多結晶シリコン層を形成した被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板の導電体層８ｂを正極として導電性基板と対極との間に定電流を連続的に通電していることに起因していると考えられる。つまり、多結晶シリコンが多孔質化される速度にはばらつきがあり、先に多孔質化された部分に電荷が集中することになるから、定電流を連続的に通電していると電界の集中する部位の周辺の多孔質化が集中的に促進されるからであると考えられる。
【００１２】
上述したように、ドリフト部６ａでは多孔質化された領域Ｄｐに存在する微結晶シリコン２３の表面に形成されたシリコン酸化膜２４において電界がもっとも強くなるから、多孔質化された領域Ｄｐの厚みが不均一であると強電界ドリフト層６の各領域での電界強度にばらつきが生じることになる。つまり、表面電極７の全面から一様に電子を放出させることができず、表面電極７から放出される電子のエネルギに場所による分布が生じることになる。
【００１３】
その結果、この電界放射型電子源をディスプレイ装置の電子源に用いるとすれば、ディスプレイ装置の画面に輝度むらが生じることになる。また、多孔質の領域Ｄｐの厚みが図１５に示すような分布であると、ドリフト部６ａの内部では電界強度の小さい部分が多くなって、このような部位では極端な場合には電子の放出がなされず、結局は電子源全体としての電子放出効率を十分に高めることができない場合もある。ディスプレイ装置の電子源では電子放出効率の低いと輝度を高めることができず画面が暗くなる。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放出する電子のエネルギが全面にわたってほぼ一定であって、しかも全体としての電子放出効率が従来より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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、一方の電極となる導電性基板と、導電性薄膜よりなり他方の電極となる表面電極と、導電性基板と表面電極との間に設けられ陽極酸化処理により多孔質化された領域を有する半導体層であるドリフト部とを有し、導電性基板と表面電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により導電性基板から注入された電子がドリフトして表面電極を通して放出されるようにした電界放射型電子源において、ドリフト部は柱状のグレインと表面に絶縁膜が形成されたナノメータオーダの微結晶とを含み、ドリフト部の厚み寸法を２μｍ以下とし、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下としたことを特徴とするものである。この構成によれば、ドリフト部において多孔質化された領域の厚みがほぼ均一であることによって、導電性基板と表面電極との間に電圧を印加したときに多孔質化された領域にほぼ均等に電界が作用してドリフト部のほぼ全面から電子が放出されることになり、電子の放出量の面内での分布のばらつきを抑制することができ電子の放出量にむらがなく、かつ電子の放出効率が従来構成よりも高くなるのであって、電子の放出量が従来構成よりも増大する。その結果、ディスプレイ装置の電子源として利用すれば、輝度が高くむらの少ないディスプレイ装置を提供することが可能になる。しかも、ドリフト部は柱状のグレインと表面に絶縁膜が形成されたナノメータオーダの微結晶とを含む構造であるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、電子を安定して放出することができる。
【００１６】
ここに、本発明における導電性基板は、半導体基板に不純物をドープすることにより導電性領域を形成したもの、ガラス基板のような絶縁性基板の表面に金属薄膜を形成したものを含むものとする。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、多孔質化された領域の厚みが表面電極と導電性基板との距離にほぼ等しいことを特徴とする。この構成によれば、導電性基板と表面電極との間に電圧を印加することにより生じる電界の大部分が多孔質化された領域に作用することになり、電界を無駄なく電子の放出に利用できて電子の放出効率が高くなる。
【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、前記導電性基板が、絶縁性基板の一表面に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を有する導電体層を設けて形成されていることを特徴とする。この構成によれば、陽極酸化処理の際に導電体層を損傷することがなく、導電体層の断線や損傷が生じにくくなる。その結果、ディスプレイ装置の電子源として利用すれば、画素落ちなどの不良発生率が少なく、歩留まりよくディスプレイ装置を製造することができる。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板と対極との間にパルス状の電流を極性を交互に反転して通電することを特徴とする。この方法では、パルス状の電流を極性が交互に反転するように通電するから、半導体層の多孔質化と、電解によるガスの発生とが交互に繰り返されることになる。つまり、多孔質化された領域は電流が流れやすくなり半導体層を多孔質化する期間に多孔質化が促進された部位の近傍ほど電解中の期間にガスが多く発生するのであって、次に多孔質化を行うときにはガスが多く発生した部位ほど多孔質化が抑制されることになるから、多孔質化の進行が速い部位は、次回の多孔質化の際には進行が抑制されることになる。このような動作の繰り返しによって、多孔質化された領域の厚みをほぼ均一にすることが可能になる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、導電性基板を正極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする。この方法では、多孔質化の進行速度を調節することができる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、導電性基板を負極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする。この方法では電解時のガスの発生量を調節することができ、多孔質化の抑制の程度を調節することができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の一定電流密度の電流を導電性基板と対極との間に流すことを特徴とする。この方法によれば陽極酸化時の電流密度を制御することによって被処理物の多孔度を調節して被処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調節することができ、結果的にドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法を均一化することができる。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の強さの光を前記被処理物の表面に照射することを特徴とする。この方法によれば陽極酸化時の光照射によって被処理物の多孔度を調節して被処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調節することができ、結果的にドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法を均一化することができる。
【００２５】
請求項９の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ホールの供給方向が前記被処理物の厚み方向に揃うとともにドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の磁界を前記被処理物に作用させることを特徴とする。この方法によれば半導体層に含まれるグレインの影響をほとんど受けることなく多孔質化が被処理物の厚み方向に進行しやすくなる。その結果、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法の均一化につながる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態では、図２に示すように、電界放射型電子源（以下、電子源という）１０に対向してガラス基板１４を配設し、ガラス基板１４における電子源１０との対向面にコレクタ電極１２および蛍光体層１５を設けることによってディスプレイ装置を構成する例を示す。蛍光体層１５はコレクタ電極１２の表面に塗布されており、電子源１０から放射される電子により可視光を発光する。また、ガラス基板１４は図示しないスペーサによって電子源１０と離間させてあり、ガラス基板１４と電子源１０との間に形成される気密空間を真空にしてある。
【００２７】
本実施形態で用いる電子源１０は、図２ないし図４に示すように、ｐ形シリコン基板１６の主表面側に導電体層としての複数本のｎ形領域８ａがストライプ状に形成された導電性基板と、各ｎ形領域８ａにそれぞれ重なる形でストライプ状に形成された多孔質多結晶シリコンよりなるドリフト部６ａおよびドリフト部６ａの間を埋めてドリフト部６ａと面一となった多結晶シリコンよりなる分離部６ｂを有する強電界ドリフト層６と、強電界ドリフト層６の上でドリフト部６ａおよび分離部６ｂに跨ってｎ形領域８ａに直交する方向のストライプ状に形成された複数本の導電性薄膜（たとえば、金薄膜）よりなる表面電極７とを備えている。
【００２８】
上述した電子源１０は、ストライプ状に形成されたｎ形領域８ａと、ｎ形領域８ａに直交するストライプ状に形成された表面電極７との間に強電界ドリフト層６のドリフト部６ａが挟まれているから、表面電極７とｎ形領域８ａとの組を適宜選択して選択した組間に電圧を印加することにより、選択された表面電極７とｎ形領域８ａとの交点に相当する部位のドリフト部６ａにのみ強電界が作用して電子が放出される。つまり、表面電極７とｎ形領域８ａとからなる格子の格子点に電子源を配置したことに相当し、電圧を印加する表面電極７とｎ形領域８ａとの組を選択することによって所望の格子点から電子を放出させることが可能になる。なお、ｎ形領域８ａへのコンタクトは、図３に示すようにドリフト部６ａの端部をエッチングしてｎ形領域８ａの表面の一部を露出させることにより形成され、電線Ｗを介して外部回路に接続される。なお、ｎ形領域８ａは、キャリア濃度を１×１０^１８〜５×１０^１９ｃｍ^−３としてあり、ｎ形領域８ａと表面電極７との間に印加する電圧は１０〜３０Ｖ程度になっている。
【００２９】
以下に、本実施形態における電子源１０の製造過程について説明する。まず図５（ａ）に示す構造を得るために、ｐ形シリコン基板１６の主表面上に熱拡散用あるいはイオン注入用のマスクを設け、次に熱拡散技術あるいはイオン注入技術によってｐ形シリコン基板１６内の主表面側にリン（Ｐ）などのドーパントを導入することによりストライプ状のｎ形領域８ａを形成し、最後にマスクを除去する。
【００３０】
次に、ｎ形領域８ａを形成したｐ形シリコン基板１６の主表面上にＬＰＣＶＤ法により膜厚が１．５μｍのノンドープの多結晶シリコン層３を形成することにより図５（ｂ）に示す構造が得られる。ただし、多結晶シリコン層３の成膜方法は、ＬＰＣＶＤ法に限定されるものではなく、たとえばスパッタ法あるいはプラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン層を形成した後、アモルファスシリコン層に対してアニール処理を行うことにより結晶化させて多結晶シリコン層３を形成する方法でもよい。
【００３１】
その後、多結晶シリコン層３の上にマスク層としてのフォトレジスト層を塗布形成し、フォトリソグラフィ技術によってｎ形領域８ａの上方の部位を開孔することにより図５（ｃ）のようにストライプ状にパターニングされたレジスト層９が形成される。
【００３２】
さらに、ｐ形シリコン基板１６の裏面に図示しないオーミック電極を形成した後、前記レジスト層９をマスクとして利用し陽極酸化処理を施すことにより、多結晶シリコン層３に多孔質多結晶シリコンのドリフト部６ａを形成する。陽極酸化は、図６に示す装置を用いて行われる。すなわち、フッ酸とエタノールと水とを適量混合したエッチャントを投入した処理層３１を恒温水槽３２の中に入れてエッチャントの温度を制御し、図５（ｃ）のように導電性基板と多結晶シリコン層３とが形成された被処理物３０のｐ形シリコン基板１６と白金電極である対極３３とをエッチャントに浸漬してｐ形シリコン基板１６と対極３３との間に通電する。この間には多結晶シリコン層３の露出した部分にランプ３４からの光照射を行う。ｐ形シリコン基板１６と対極３３との間に通電する電流パターンは、ファンクションジェネレータ３５およびガルバノスタット３６により制御される。つまり、ファンクションジェネレータ３５では通電電流の極性および通電時間を制御し、ガルバノスタット３６では通電電流の電流値を制御する。本実施形態における電流パターンでは、ｐ形シリコン基板１６を正極とする期間と負極とする期間を交互に設けてあり、各期間にそれぞれパルス状の電流を通電する。
【００３３】
ここに、多孔質化はｐ形シリコン基板１６を正極とする期間に進行し、多孔質化された領域は電流が流れやすくなる。一方、ｐ形シリコン基板１６を負極とする期間には電解によるガスが多孔質化された領域付近に発生し、次にｐ形シリコン基板１６を正極とするときの多孔質化を抑制することになる。つまり、ｐ形シリコン基板１６を正極とする期間において多孔質化の進行が速い部位は、次回の多孔質化の際には進行が抑制されることになる。このような動作の繰り返しによって、多孔質化された領域Ｄｐはほぼ均一な厚みになるのである。
【００３４】
パルス状の電流の１回当たりの通電期間（つまりパルス幅）や１回当たりの電流密度は、エッチャントの組成およびエッチャントの温度によって適宜に設定される。つまり、エッチャントの組成やエッチャントの温度に応じて陽極酸化処理時の電荷量が調節される。また、上述のようにフッ酸とエタノールと水とを混合したエッチャントを用いる場合には、エッチャントの温度を０℃から室温の温度範囲に制御し、ｐ形シリコン基板１６を正極とする期間には電流密度が１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２の範囲になり、ｐ形シリコン基板１６を負極とする期間には電流密度が−２〜−１００ｍＡ／ｃｍ^２の範囲になるようにパルス状の電流を通電するのが望ましい。また、正極とする期間においてパルス状の電流の時間幅は１秒以下とするのが望ましい。なお、ランプ３４としては５００Ｗのタングステンランプを用いている。
【００３５】
上述のような陽極酸化処理によってストライプ状の多孔質多結晶シリコン層が形成され、これがドリフト部６ａになる。その後、レジスト層９を除去することにより図５（ｄ）に示す構造が得られる。ただし、多孔質化は多結晶シリコン層３の厚み方向の途中までとしてある。また、陽極酸化処理の際の通電方向を交互に変化させるとともに電流をパルス状に通電したことによって、図１に示すように、多孔質の領域Ｄｐの厚みをほぼ均一にすることが可能になる。
【００３６】
陽極酸化処理の後には、ランプアニール装置を用い、乾燥酸素雰囲気中で多孔質多結晶シリコン層５を急速熱酸化（ＲＴＯ）することによって、熱酸化された多孔質多結晶シリコンよりなるドリフト部６ａが形成され、図５（ｅ）に示す構造が得られる。
【００３７】
その後、多結晶シリコン層３上に、ストライプ状の開口パターンを有するメタルマスクを用いて蒸着法によって、金薄膜よりなるストライプ状の表面電極７が形成され、図５（ｆ）に示す構造の電子源１０が得られる。表面電極７は膜厚を１０ｎｍとしてある。表面電極７のパターニング方法としては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してもよいし、フォトリソグラフィ技術およびリフトオフ法を利用してもよい。
【００３８】
上述したように、ドリフト部６ａを形成する陽極酸化処理においてパルス状の電流を与え、かつ通電時の極性を交互に反転させたことによって、ドリフト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚みをほぼ均一にすることができる。その結果、ｎ形領域８ａと表面電極７との組として選択されたドリフト部６ａでは、ほぼ全面から電子を放出させることが可能になり、従来のように多孔質化された領域Ｄｐの厚みが不均一である場合に比較すると、電子の放出効率が高まるとともに電子の放出量が多くなる。
【００３９】
ところで、ドリフト部６ａの微細構造は図１２に示したように柱状のグレイン２１とナノメータオーダの微結晶シリコン２３とを備える構造を有しており、この構造により電子放出時のポッピング現象の発生が抑制されている。また、ポッピング現象の発生をさらに抑制するためにはドリフト部６ａの厚み寸法が２μｍ以下であることが望ましい。そこで、本実施形態ではドリフト部６ａが形成される多結晶シリコン層３の厚み寸法を１．５μｍとしている。ここに、ドリフト部６ａの厚み寸法のばらつきの程度として領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と最小値との差を用い、この差を０．５μｍ以下とすると、電子放出時にドリフト部６ａに作用する電界の強さは、ドリフト部６ａのもっとも薄い部分を１００としてドリフト部６ａのもっとも厚い部分で６７以上になるから、ドリフト部６ａにおける電界強度のばらつきを比較的小さくすることができる。
【００４０】
なお、陽極酸化処理時にはマスク層としてレジスト層９を利用したが、マスク層としてストライプ状に形成した酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を利用してもよく、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を利用した場合には、陽極酸化処理後にマスク層を除去する工程は不要である。
【００４１】
また、本実施形態では、導電性基板としてｐ形シリコン基板１６を採用し、導電体層としてｎ形領域８ａを採用しているが、導電性基板はｐ形シリコン基板に限定されるものではなく、導電体層もｎ形領域８ａに限定されるものではない。たとえば、ガラスのような絶縁性基板にクロムのような金属薄膜からなる導電体層を設けたものを導電性基板として用いてもよい。強電界ドリフト層６は多結晶シリコン層５を用いて形成されているが、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、シリコン以外の半導体も採用することが可能であり、いずれの場合も上述のようなパルス状の電流の極性を交互に反転させるようにした陽極酸化処理によってドリフト部６ａを形成することで、ドリフト部６ａにおける多孔質化された領域Ｄｐの厚みをほぼ均一にすることができる。表面電極７の材料は仕事関数が小さければよく、金のほかにアルミニウム、クロム、タングステン、ニッケル、白金、あるいはこれらの金属の合金なども使用可能である。さらに、表面電極７の膜厚を１０ｎｍとしたが膜厚についても適宜に選択することができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
本実施形態では、ガラス基板の一表面に導電体層としての白金薄膜を設けたものを導電性基板として用いる。ガラス基板の材料は製造過程における処理温度に応じて、石英ガラス、無アルカリガラス、低アルカリガラス、ソーダライムガラスから選択される。また、導電体層として白金を選択しているのはフッ酸に対して耐食性を有するからである。
【００４３】
しかして、本実施形態では、ガラス基板である絶縁性基板１３の一表面にスパッタ法によって０．２μｍの白金薄膜を導電体層８ｂとして形成し、その後、図７（ａ）のように、イオンミリングによって導電体層８ｂをストライプ状にパターニングする。
【００４４】
次に、図７（ｂ）のように絶縁性基板１３および導電体層８ｂを覆うようにノンドープの多結晶シリコン層３を０．５μｍの厚みになるように成膜し、さらに図７（ｃ）のように、導電体層８ｂの上の多結晶シリコン層３を残すようにしてＲＩＥによるパターニングを行う。このパターンニングにより強電界ドリフト層６におけるドリフト部６ａとなる部位のパターンが形成されることになる。そこで、導電体層８ｂを一方の電極として第１の実施の形態と同様の陽極酸化処理を行い、多結晶シリコン層３の多孔質化を行う。多孔質化の深さは多結晶シリコン層３の厚みにほぼ等しくし、多孔質化の領域を導電体層８ｂにほぼ到達させる。ここで、陽極酸化処理の際にエッチャントがフッ酸を含んでいても導電体層８ｂはフッ酸に対する耐食性を有するから導電体層８ｂが腐食されることはない。陽極酸化処理の後には、ランプアニール装置を用い、乾燥酸素雰囲気中で急速熱酸化（ＲＴＯ）することによって、熱酸化された多孔質多結晶シリコンよりなるドリフト部６ａが形成される。
【００４５】
その後、図７（ｄ）のように、絶縁性基板１３およびドリフト部６ａを覆うようにＥＢ蒸着法によって金薄膜を形成し、パターニングによってストライプ状の表面電極７が形成され、電子源１０を形成することができる。
【００４６】
ただし、本実施形態では絶縁性基板１３に多結晶シリコン層３を設けているから、電子源の周辺部分で多結晶シリコン層３に半導体素子を形成することによって電子源の駆動回路などを絶縁性基板１３に一括して形成することができる。
【００４７】
本実施形態ではドリフト部６ａにおける多孔質化の領域の厚みが多結晶シリコン層３の厚みにほぼ等しいから、ドリフト層６ａにおける多孔質化された部分に全電圧が印加されることになり、印加した電圧を無駄なく電子の放出に利用することができて電子の放出量を大きくすることができる。なお、導電性基板として絶縁性基板１３に導電体層８ｂを設けたものを用いているが、フッ酸に対する耐食性を有する材料であれば白金以外でもよく、他の導電性材料を耐食性材料で保護することにより導電体層を形成してもよい。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様である。
【００４８】
（第３の実施の形態）
上述した各実施形態では、被処理物３０の陽極酸化処理の際にパルス状の電流を交互に極性を入れ換えながら流すようにした例を示したが、本実施形態では陽極酸化処理の際にｐ形シリコン基板１６と対極３３との間に定電流を流す点で相違する。ドリフト部６ａを陽極酸化処理により形成する際には電流密度を大きくすれば多孔度が増加するという知見が得られており、電流密度を大きくするほど多孔度が増加することにより被処理物３０の厚み方向における陽極酸化の進行速度が低下することになる。すなわち、電流密度が小さい場合には局所的に多孔質化が進行することにより被処理物３０に局所的に電流の流れやすい部分が形成され、その部位のみで厚み方向における陽極酸化の進行速度が増加することになるのに対して、本実施形態では電流密度を比較的大きく設定することによって、被処理物３０の多孔質化が局所的に進行するのを防止し、結果的に電流密度を小さく設定している場合よりも被処理物３０の厚み方向（深さ方向）における多孔質化の進行速度を低減させているのである。ただし、電流密度を変更しても多孔質化される全量が変化しないように電荷量は変化させないように制御する。つまり、電流密度を増加させれば陽極酸化処理を施す時間は短縮する。
【００４９】
具体的に言えば、電流密度は一定に設定する場合には通常は２５ｍＡ／ｍ^２に設定していたが、７５ｍＡ／ｍ^２に設定することによって、ドリフト部６ａにおける多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能になった。なお、５０ｍＡ／ｍ^２以上であれば領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能である。他の構成および方法は第１の実施の形態と同様である。
【００５０】
（第４の実施の形態）
本実施形態は、被処理物３０に照射する光量を第１の実施の形態よりも増加させたものである。第１の実施の形態においてはランプ３４として５００Ｗのタングステンランプを１灯のみ用いていたが、本実施形態では、図８に示すように、同仕様のランプ３４を３灯用いている。この装置を用いることにより、陽極酸化処理の際に被処理物３０の表面の輝度を１００００ｃｄ／ｍ^２以上に高めることが可能になり、第３の実施の形態において電流密度を高めた場合と同様に、多孔質化が促進され、被処理物３０に局所的に電流の流れやすい部分が形成されるのを防止することができる。すなわち、被処理物３０に照射する光量が少ない場合よりも被処理物３０の厚み方向（深さ方向）における多孔質化の進行速度を低減させることになり、ドリフト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能になる。他の構成および方法は第１の実施の形態と同様である。
【００５１】
（第５の実施の形態）
本実施形態は、図９に示すように、被処理物３０に磁界を作用させるために高温水槽３２の近傍に電磁石３７を配置したものである。電磁石３７は陽極酸化処理において被処理物３０に供給されるホールの供給方向を被処理物３０の厚み方向に揃えるように磁界を作用させるために設けられている。この装置を用いることにより、陽極酸化処理の際にホールの供給方向が多孔質化を進行させようとする方向に揃うことになるから、ドリフト部６ａに存在しているグレイン２１の影響をほとんど受けずに多孔質化が被処理物３０の厚み方向に進行しやすくなる。その結果、磁界の強さを適宜に調節することによって、ドリフト部６ａにおいて多孔質化された領域Ｄｐの厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下にすることが可能になる。他の構成および方法は第１の実施の形態と同様である。
【００５２】
なお、陽極酸化処理の際にパルス状の電流の極性を交互に反転させる技術、電流密度を制御する技術、光の照射量を制御する技術、磁界を作用させる技術は単独で用いるほか、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、一方の電極となる導電性基板と、導電性薄膜よりなり他方の電極となる表面電極と、導電性基板と表面電極との間に設けられ陽極酸化処理により多孔質化された領域を有する半導体層であるドリフト部とを有し、導電性基板と表面電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により導電性基板から注入された電子がドリフトして表面電極を通して放出されるようにした電界放射型電子源において、ドリフト部は柱状のグレインと表面に絶縁膜が形成されたナノメータオーダの微結晶とを含み、ドリフト部の厚み寸法を２μｍ以下とし、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下としたことを特徴とするものであり、ドリフト部において多孔質化された領域の厚みがほぼ均一であるから、導電性基板と表面電極との間に電圧を印加したときに多孔質化された領域にほぼ均等に電界が作用してドリフト部のほぼ全面から電子が放出されることになり、電子の放出量の面内での分布のばらつきを抑制することができ電子の放出量にむらがなく、かつ電子の放出効率が従来構成よりも高くなるのであって、電子の放出量が従来構成よりも増大するという利点がある。しかも、ドリフト部は柱状のグレインと表面に絶縁膜が形成されたナノメータオーダの微結晶とを含む構造であるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、電子を安定して放出することができる。
【００５５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、多孔質化された領域の厚みが表面電極と導電性基板との距離にほぼ等しいものであり、導電性基板と表面電極との間に電圧を印加することにより生じる電界の大部分が多孔質化された領域に作用することになり、電界を無駄なく電子の放出に利用できて電子の放出効率が高くなるという利点がある。
【００５６】
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、前記導電性基板が、絶縁性基板の一表面に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を有する導電体層を設けて形成されているものであり、陽極酸化処理の際に導電体層を損傷することがなく、導電体層の断線や損傷が生じにくくなるという利点がある。
【００５７】
請求項４の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板と対極との間にパルス状の電流を極性を交互に反転して通電することを特徴とし、パルス状の電流を極性が交互に反転するように通電するから、半導体層の多孔質化と、電解によるガスの発生とが交互に繰り返される。つまり、多孔質化された領域は電流が流れやすくなり半導体層を多孔質化する期間に多孔質化が促進された部位の近傍ほど電解中の期間にガスが多く発生するのであって、次に多孔質化を行うときにはガスが多く発生した部位ほど多孔質化が抑制されることになるから、多孔質化の進行が速い部位は、次回の多孔質化の際には進行が抑制される。このような動作の繰り返しによって、多孔質化された領域の厚みをほぼ均一にすることが可能になるという効果を奏する。
【００５８】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、導電性基板を正極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とし、多孔質化の進行速度を調節することができるという効果がある。
【００５９】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、導電性基板を負極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とし、電解時のガスの発生量を調節することができ、多孔質化の抑制の程度を調節することができるという効果がある。
【００６０】
請求項７の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の一定電流密度の電流を導電性基板と対極との間に流すことを特徴としており、陽極酸化時の電流密度を制御することによって被処理物の多孔度を調節して被処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調節することができるから、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法を均一化することができるという利点がある。
【００６１】
請求項８の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の強さの光を前記被処理物の表面に照射することを特徴としており、陽極酸化時の光照射によって被処理物の多孔度を調節して被処理物の厚み方向への陽極酸化の進行を調節することができるから、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法を均一化することができるという利点がある。
【００６２】
請求項９の発明は、請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ホールの供給方向が前記被処理物の厚み方向に揃うとともにドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の磁界を前記被処理物に作用させることを特徴としており、半導体層に含まれるグレインの影響をほとんど受けることなく多孔質化が被処理物の厚み方向に進行しやすくなるから、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法の均一化につながるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】同上の概略斜視図である。
【図３】同上の要部斜視図である。
【図４】同上の断面図である。
【図５】同上の製造過程を示す主要部の工程図である。
【図６】同上の製造装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す主要部の工程図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態における製造装置の概略構成図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態における製造装置の概略構成図である。
【図１０】従来例を示す断面図である。
【図１１】同上の動作説明図である。
【図１２】同上の原理説明図である。
【図１３】他の従来例を示す断面図である。
【図１４】同上の動作説明図である。
【図１５】従来の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
６強電界ドリフト層
６ａドリフト部
６ｂ分離部
７表面電極
８ａｎ形領域
８ｂ導電体層
１１ｎ形シリコン基板
１３絶縁性基板
１６ｐ形シリコン基板
３０被処理物
３３対極
Ｄｐ多孔質化された領域

Claims

一方の電極となる導電性基板と、導電性薄膜よりなり他方の電極となる表面電極と、導電性基板と表面電極との間に設けられ陽極酸化処理により多孔質化された領域を有する半導体層であるドリフト部とを有し、導電性基板と表面電極との間に表面電極を高電位側として電圧を印加したときにドリフト部に作用する電界により導電性基板から注入された電子がドリフトして表面電極を通して放出されるようにした電界放射型電子源において、ドリフト部は柱状のグレインと表面に絶縁膜が形成されたナノメータオーダの微結晶とを含み、ドリフト部の厚み寸法を２μｍ以下とし、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法の最大値と最小値との差を０．５μｍ以下としたことを特徴とする電界放射型電子源。
多孔質化された領域の厚みが表面電極と導電性基板との距離にほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
前記導電性基板が、絶縁性基板の一表面に陽極酸化処理時に用いるフッ酸に対する耐食性を有する導電体層を設けて形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電界放射型電子源。
請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、導電性基板と対極との間にパルス状の電流を極性を交互に反転して通電することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
導電性基板を正極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする請求項４記載の電界放射型電子源の製造方法。
導電性基板を負極とする期間におけるパルス状の電流の１回当たりの電荷量を制御することを特徴とする請求項４記載の電界放射型電子源の製造方法。
請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の一定電流密度の電流を導電性基板と対極との間に流すことを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の強さの光を前記被処理物の表面に照射することを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
請求項１記載の電界放射型電子源の製造方法であって、陽極酸化処理では、前記導電性基板と陽極酸化処理が施される半導体層とを備える被処理物を対極とともにエッチャントに浸漬した状態で、ホールの供給方向が前記被処理物の厚み方向に揃うとともにドリフト部における多孔質化された領域の厚み寸法のばらつきが規定範囲内となる程度の磁界を前記被処理物に作用させることを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。