(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌ若しくはＮｉ若しくはＡｌとＮｉとのうちの１つを主成分とした合金により形成されてなることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】
上記最上層の導電性膜は、膜厚が５０ｎｍを超えない寸法であることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
【請求項３】
絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項４】
上記多孔質の結晶半導体層は、多孔質化した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３のいずれかに記載の電界放射型電子源。
【請求項５】
上記絶縁性基板は、耐熱温度が５００℃以上のガラス基板からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電界放射型電子源。
【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  Ｏｘｉｄｅ  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８−２５０７６６号公報に記載の電界放射型電子源では、基板が半導体基板に限られるので、大面積化やコストダウン化が難しいという不具合がある。また、特開平８−２５０７６６号公報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、本願発明者らは、特願平１０−２７２３４０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９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９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）。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１１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１１中の矢印Ａの向きへ（図１１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１５ｎｍ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１２に、ガラス基板よりなる絶縁性基板１１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１０”は、図１２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１３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１３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】
【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層が形成されてしまい、しかも該アモルファス層の膜厚が面内でばらつくので、面内でポテンシャルがばらついてしまい、陽極酸化処理による多孔質化の度合いに面内ばらつきが生じて面内での電子放出量にばらつきが生じるという不具合があった。また、強電界ドリフト層６中に高抵抗のアモルファス層が残るので、例えば図１４に示すように強電界ドリフト層６中に膜厚の比較的厚いアモルファス層６ａが形成されると、強電界ドリフト層６の抵抗が高くなって強電界ドリフト層６に流れる電流値が小さくなり、上述のｎ形シリコン基板１を利用した電界放射型電子源１０’に比べて電子放出量が低下してしまうという不具合があった。図１４中の６ｃは強電界ドリフト層６のうちアモルファス層６ａ以外の結晶化層を示す。また、上述の絶縁性基板１１を利用した電界放射型電子源１０”の断面を断面ＴＥＭにより観察したところ、図１５に示すようにアモルファス層６ａの厚みが不均一になっており、強電界ドリフト層６では上述したように微結晶シリコン層６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４において電界が最も強くなるから、図１５に示すようにアモルファス層６ａ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ので、表面電極７の全面から電子を一様に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ってしまうという不具合があった。
【００１５】
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、電子放出量が高く且つ低コスト化が可能な電界放射型電子源を提供することにある。
【００１６】
【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、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌ若しくはＮｉ若しくはＡｌとＮｉとのうちの１つを主成分とした合金により形成されてなることを特徴とするものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができる。
【００１８】
また、最上層の導電性膜が、Ａｌ若しくはＮｉ若しくはＡｌとＮｉとのうちの１つを主成分とした合金により形成されているので、低コストで最上層の導電性膜を形成することが可能となる。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記最上層の導電性膜が、膜厚が５０ｎｍを超えない寸法なので、上記最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散量を少なくすることができ、強電界ドリフト層中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することが可能になる。
【００２０】
請求項３の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなることを特徴とするものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができ、しかも、最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散を防ぐことができて、耐熱性および経時安定性が向上する。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができる。
【００２１】
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、上記多孔質の結晶半導体層が、多孔質化した多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になる。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、上記絶縁性基板は、耐熱温度が５００℃以上のガラス基板からなることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図１および図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の一表面上に導電性材料よりなる導電性層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。
【００２６】
ところで、本実施形態では、導電性層８が、厚み方向に積層された二層の導電性膜８ａ，８ｂからなり、最上層の導電性膜８ｂが、強電界ドリフト層６の形成温度近傍の温度（例えば、１００℃から６００℃の温度範囲）でシリコンと反応しやすい性質を有する導電性材料により形成されている点に特徴がある。これに対し、最下層の導電性膜８ａは、シリコンと反応しにくい性質を有する導電性材料により形成されている。要するに、本実施形態では、導電性層８の厚み方向において少なくとも強電界ドリフト層６側が、強電界ドリフト層６中のアモルファスの形成を抑制可能な導電性材料により形成されているので、図３に示すように強電界ドリフト層６中に含まれるアモルファス層６ａを減少させることができ（アモルファス層６ａの膜厚を小さくすることができ）、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、導電性層８を厚み方向に積層された二層の導電性膜８ａ，８ｂにより構成しているが、厚み方向に積層された三層以上の導電性膜により構成してもよく、この場合には最上層の導電性膜８ｂおよび最下層の導電性膜８ａがそれぞれ上記性質を有していればよい。
【００２８】
本実施形態では、最上層の導電性膜８ｂとしてはアルミニウム（Ａｌ）を用いており、最下層の導電性膜８ａとしてはアルミニウムに比べて抵抗が小さな銅（Ｃｕ）を用いている（したがって、導電性層８の抵抗値を小さくすることができる）が、最上層の導電性膜８ｂとしてはアルミニウムの代わりに、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）のいずれかを用いてもよいし、これらの金属の酸化物やこれらの金属のうちの複数種類よりなる合金膜や、これらの金属とＳｉとの合金（例えば、アルミニウムを主成分としたＡｉ−Ｓｉ合金）やシリサイド膜を用いてもよい。最下層の導電性膜８ａとしては、銅、銀、アルミニウムなどの低抵抗材料（配線材料）を用いたり、クロム、チタンなどガラスとの密着性の高い材料を用いることができ、さらにこれらの材料を複数層堆積することも可能である。
【００２９】
ところで、最上層の導電性膜８ｂとしてアルミニウムを用いた場合には、図３に示すようにアモルファス層６ａの膜厚を従来（図１４参照）に比べて十分に薄くできるだけでなく、アモルファス層６ａの厚さのばらつきも小さくなる（アモルファス層６ａと結晶化層６ｃとの界面が略平坦になる）ので、強電界ドリフト層６の各領域での電界強度のばらつきが小さくなり、表面電極７の全面から電子を略一様に放出させることができ、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ないようにすることができる。また、最上層の導電性膜８ｂとしてニッケルを用いた場合、図４に示すように強電界ドリフト層６は結晶化層６ｃのみで構成されアモルファス層６ａは形成されないので、最上層の導電性膜８ｂとしてアルミニウムを用いた場合よりも電子放出効率を高めることが可能になる。
【００３０】
なお、最上層の導電性膜８ｂの膜厚は薄くすることが望ましく、５０ｎｍ以下の膜厚に形成することで、最上層の導電性膜８ｂから強電界ドリフト層６への金属元素の拡散量を少なくすることができると考えられ、強電界ドリフト層６中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することができると考えられる。ここに、最上層の導電性膜８ｂの膜厚は、上記金属元素の拡散を考慮して強電界ドリフト層６の膜厚よりも十分に小さくすることが望ましい。
【００３１】
以下、上述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。
【００３２】
まず、絶縁性基板１１の一表面（図５（ａ）における上面）上に最下層の導電性膜８ａを成膜し、さらに最下層の導電性層８ａ上に最上層の導電性膜８ｂを成膜することにより、図５（ａ）に示すような構造が得られる。
【００３３】
導電性膜８ａと導電性膜８ｂとからなる導電性層８を形成した後、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ＣＶＤ法によって形成することにより、図５（ｂ）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。
【００３４】
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、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）。
【００３５】
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、図５（ｄ）に示す構造が得られる。
【００３６】
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５（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。
【００３７】
しかして、上述の製造方法によれば、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。しかも、上記導電性層８の最上層の導電性膜８ｂが多結晶シリコン層３の形成温度においてシリコン（つまり、多結晶シリコン層３の構成元素）と反応しやすい材料により形成されているので、多結晶シリコン層３中にアモルファス層が形成されるのを抑制することができ（つまり、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層が形成されるのを抑制することができ）、結果的に強電界ドリフト層６が必要以上に高抵抗になるのを防止できる（図９に示した従来のｎ形シリコン基板１を用いた電界放射型電子源１０’における強電界ドリフト層６と同程度の抵抗にすることができる）から、電子放出効率を高めることができる。
【００３８】
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１０−２７２３４０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。
【００３９】
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１００℃から６００℃の温度範囲で酸化できることが望ましい。なお、上述のように最上層の導電性膜８ｂの膜厚が５０ｎｍを超えないようにしたのは、最上層の導電性膜８ｂの膜厚が厚すぎると、最上層の導電性層８ｂを構成する金属元素が多結晶シリコン層３中へ多量に拡散し、多結晶シリコン層３がシリサイドになってしまい、当該シリサイドを多孔質化して強電界ドリフト層６を形成しても動作時における電子散乱確率が増大して電子放出効率が低下してしまうと予想されるからである。要するに、最上層の導電性膜８ｂの膜厚は、強電界ドリフト層６への拡散量が少なく（強電界ドリフト層６の導電性層８側にのみ拡散し）、電子放出効率への影響が少なくなるように設定することが望ましい。
【００４０】
また、最上層の導電性膜８ｂとしてアルミニウムよりも多結晶シリコン層３、多孔質多結晶シリコン層４、強電界ドリフト層６へ拡散しにくい（つまり、拡散エンタルピが大きい）材料を用いることで製造時や動作時それぞれでの温度上昇にともなう最上層の導電性膜８ｂの構成元素の拡散をより抑制することができる。ここにおいて、アルミニウムの拡散エンタルピは３２９ｋＪ／ｍｏｌ（７８．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であり、アルミニウムよりも拡散エンタルピが大きな材料としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒおよびこれらの酸化物などを用いればよい。
【００４１】
本実施形態の電界放射型電子源１０の基本動作は図１２に示した従来構成と同じであり、例えば図６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６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。本実施形態の電界放射型電子源１０においても、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。
【００４２】
図７に上述の製造方法で製造した電界放射型電子源１０の電子放出特性を示す。図７の横軸は上記直流電圧Ｖｐｓの値を、縦軸は電流密度を示し、同図中のイ（○）は導電性層８をＷ／Ｔｉ構造（つまり、最上層の導電性膜８ｂがＷ、最下層の導電性膜８ａがＴｉ）としたときのダイオード電流Ｉｐｓを、同図中のロ（●）は導電性層８をＷ／Ｔｉ構造としたときの放出電子電流Ｉｅを、ハ（□）は導電性層８をＡｌ−Ｓｉ／Ｗ／Ｔｉ構造（つまり、最上層の導電性膜８ｂがＡｌ−Ｓｉ、最下層の導電性膜８ａがＴｉ）としたときのダイオード電流Ｉｐｓを、同図中のニ（■）は導電性層８をＡｌ−Ｓｉ／Ｗ／Ｔｉ構造としたときの放出電子電流Ｉｅを、同図中のホ（△）は導電性層８をＮｉ／Ｗ／Ｔｉ構造（つまり、最上層の導電性膜８ｂがＮｉ、最下層の導電性膜８ａがＴｉ）としたときのダイオード電流Ｉｐｓを、同図中のへ（▲）は導電性層８をＮｉ／Ｗ／Ｔｉ構造としたときの放出電子電流Ｉｅを示す。また、図８は図７の電子放出電流Ｉｅと上記直流電圧Ｖｐｓとに関するデータをＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（ファウラ−ノルドハイム）プロットした結果を示す。ここに、図８中のイは導電性層８がＷ／Ｔｉ構造のとき、ロは導電性層８がＡｌ−Ｓｉ／Ｗ／Ｔｉ構造のとき、ハは導電性層８がＮｉ／Ｗ／Ｔｉ構造のときのデータである。なお、陽極酸化処理の条件は、導電性層８の違いに関わらず、電流密度を１２．５ｍＡ／ｃｍ２、通電時間を６秒とし、酸による酸化の条件は、導電性層８の違いに関わらず、印加電圧を２０Ｖ、電流密度を１２．５ｍＡ／ｃｍ２とした。また、最上層の導電性膜８ｂの膜厚は５０ｎｍとした。さらに、特性測定時の上記直流電圧Ｖｃは１００Ｖ一定とした。図７から良好な電子放出電流Ｉｅおよび電子放出効率（Ｉｅ／Ｉｐｓ）が得られていることが分かる。
【００４３】
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】
【発明の効果】
請求項１の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌ若しくはＮｉ若しくはＡｌとＮｉとのうちの１つを主成分とした合金により形成されてなるものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができるという効果がある。
【００４６】
また、最上層の導電性膜が、Ａｌ若しくはＮｉ若しくはＡｌとＮｉとのうちの１つを主成分とした合金により形成されているので、低コストで最上層の導電性膜を形成することが可能となるという効果がある。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができるという効果がある。
【００４７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、上記最上層の導電性膜が、膜厚が５０ｎｍを超えない寸法なので、上記最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散量を少なくすることができ、強電界ドリフト層中での電子散乱確率が増大するのを抑制することができ、電子放出効率の低下を抑制することが可能になるという効果がある。
【００４８】
請求項３の発明は、絶縁性基板と、絶縁性基板の一表面上に形成された導電性層と、導電性層上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であって、上記結晶半導体層はシリコンにより形成され、上記導電性層は、厚み方向に積層された少なくとも二層の導電性膜からなり、最上層の導電性膜は、Ａｌよりも強電界ドリフト層へ拡散しにくい材料により形成されてなるものであり、強電界ドリフト層中に含まれるアモルファス層を減少させることができ、低コスト化を図りつつ電子放出量を高めることができるという効果があり、しかも、最上層の導電性膜から強電界ドリフト層への拡散を防ぐことができて、耐熱性および経時安定性が向上するという効果がある。また、上記結晶半導体層がシリコンによりなるので、シリコンプロセスを使用でき、例えばディスプレイなどの電子源に応用する場合に、導電性層のパターンの微細化および高精度化を図ることができるという効果がある。
【００４９】
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、上記多孔質の結晶半導体層が、多孔質化した多結晶半導体よりなるので、大面積化が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態を示す概略断面図である。
【図２】同上の概略斜視図である。
【図３】同上の要部説明図である。
【図４】同上の要部説明図である。
【図５】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。
【図６】同上の特性測定原理の説明図である。
【図７】同上の実施例の電圧電流特性図である。
【図８】図７のデータをファウラ−ノルドハイムプロットしたグラフである。
【図９】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。
【図１１】同上の電子放出機構の説明図である。
【図１２】他の従来例を示す概略断面図である。
【図１３】同上の特性測定原理の説明図である。
【図１４】同上の要部説明図である。
【図１５】同上の要部説明図である。
【符号の説明】
６  強電界ドリフト層
７  表面電極
８  導電性層
８ａ  最下層の導電性膜
８ｂ  最上層の導電性膜
１０  電界放射型電子源
１１  絶縁性基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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