(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行う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】
下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行う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】
下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
【請求項４】
下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜と酸窒化膜との積層膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成して更に酸化膜の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とする電界放射型電子源の製造方法。
【請求項５】
前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以上として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の製造方法。
【請求項６】
前記昇温速度を１５０℃／ｓｅｃ以上として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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
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。
【従来の技術】
【０００３】
従来より、導電性基板の一表面側に酸化した多孔質半導体層よりなる強電界ドリフト層を形成し、強電界ドリフト層上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極を形成した電界放射型電子源が提案されている。なお、導電性基板としては、例えば、抵抗率が導体の導電率に比較的近い半導体基板、金属基板、ガラス基板（絶縁性基板）の一表面に導電性層を形成したものなどが用いられており、導電性基板の一部ないし全部が下部電極を構成している。
【０００４】
ここにおいて、強電界ドリフト層の形成にあたっては、例えば導電性基板上に形成した多結晶シリコン層を陽極酸化処理により多孔質化することによって多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶を有する多孔質多結晶シリコン層を形成し、ランプアニール装置を利用して多孔質多結晶シリコン層を急速熱酸化している。したがって、強電界ドリフト層は、多結晶シリコンのグレイン、グレインの表面に形成されたシリコン酸化膜、シリコン微結晶、シリコン微結晶の表面に形成された絶縁膜たるシリコン酸化膜などを含んでいると考えられる。
【０００５】
この種の電界放射型電子源は、表面電極を真空中に配置するとともに表面電極に対向してコレクタ電極を配置し、表面電極を下部電極に対して正極（高電位側）となるように表面電極と下部電極との間に直流電圧を印加するとともに、コレクタ電極を表面電極に対して正極（高電位側）としてコレクタ電極と表面電極との間に直流電圧を印加することにより表面電極を通して電子を放出させるものである。この電界放射型電子源では、下部電極から強電界ドリフト層に注入された電子がシリコン微結晶の表面の薄いシリコン酸化膜にかかる強電界により加速されて、ほとんど散乱することなく表面電極へ向かってドリフトし表面電極をトンネルして放出されるものと考えられ、このような電子放出原理は、弾道型電子放出現象と呼ばれている。なお、強電界ドリフト層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、表面電極の膜厚を１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定しておくことにより表面電極を容易にトンネルし真空中に放出される。また、表面電極と下部電極との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼び、コレクタ電極と表面電極との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにすれば、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉeの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率が高くなる。
【０００６】
この電界放射型電子源では、表面電極と下部電極との間に印加する直流電圧を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、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、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層を形成した基板などを使用することができるから、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。なお、この種の電界放射型電子源をディスプレイの電子源として応用する場合には、表面電極、下部電極などを適宜にパターニングすればよい。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の電界放射型電子源では、製造したロット間での電子放出効率、絶縁耐圧、寿命などの特性のばらつきが大きくなってしまうことがあり、これらのばらつきの原因を仔細に考察した結果、上述の絶縁膜たるシリコン酸化膜の厚さのばらつきが特性のばらつきに影響していることが分かった。
【０００８】
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、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易な電界放射型電子源の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができる。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れる。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができる。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れる。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができる。
【００１１】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができる。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れる。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができる。
【００１２】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜と酸窒化膜との積層膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成して更に酸化膜の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができる。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れる。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができる。
【００１３】
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、前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以上としてあるので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることができ、絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記昇温速度を１５０℃／ｓｅｃ以上としてあるので、請求項５の発明に比べて長寿命化を図れるとともに、電子放出効率を高めることが可能になる。
【発明の実施の形態】
【００１５】
（実施形態１）
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（例えば、抵抗率が略０．０１Ωｃｍ〜０．０２Ωｃｍの（１００）基板）を用いている。
【００１６】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、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。なお、本実施形態では、ｎ形シリコン基板１が下部電極を構成している。したがって、表面電極７は下部電極に対向しており、下部電極と表面電極７との間に強電界ドリフト層６が介在している。
【００１７】
表面電極７の材料には仕事関数の小さな材料が採用され、表面電極７の厚さは１０ｎｍに設定されているが、この厚さは特に限定されるものではなく、強電界ドリフト層６を通ってきた電子がトンネリングできる厚さであればよく、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定すればよい。
【００１８】
表面電極７は、強電界ドリフト層６上に形成された金属膜（例えば、Ｃｒ膜）よりなる第１薄膜層と第１薄膜層上に積層された金属膜（例えば、Ａｕ膜）よりなる第２薄膜層とにより構成されている。ここにおいて、強電界ドリフト層６上の第１薄膜層の材料としては、例えば、クロム、ニッケル、白金、チタン、イリジウムなどの強電界ドリフト層６との密着性が高く第２薄膜層と強電界ドリフト層６との間での拡散を防止することができる材料を採用すればよく、第２薄膜層７ｂの材料としては、抵抗が低く経時安定性の高い金などを採用すればよい。なお、本実施形態では、第１薄膜層の材料としてＣｒを採用し第１薄膜層の膜厚を２ｎｍに設定してあり、第２薄膜層の材料としてＡｕを採用し第２薄膜層の膜厚を８ｎｍに設定してある。また、本実施形態では、表面電極７を２層の金属膜により構成してあるが、２層の金属膜で構成する代わりに、１層または３層以上の金属膜により構成してもよい。
【００１９】
図２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（高電位側）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（高電位側）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）。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と呼び、コレクタ電極２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにすれば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉeの比率（Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００［％］）が高くなる。
【００２０】
ところで、本実施形態における強電界ドリフト層６は、図１に示すように、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成されると考えられる。要するに、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。ここにおいて、シリコン微結晶６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４の厚さは電界を印加した場合（上記直流電圧Ｖpsを印加した場合）に電子のトンネリング現象（ファウラ−ノルドハイムトンネル）が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）に設定してあり、ＳｉＯ２中の電子の平均自由行程は約３ｎｍであることが知られているので、シリコン酸化膜６４の厚さは１〜３ｎｍ程度に設定することが望ましい。なお、シリコン微結晶６３の結晶粒径は電子の平均自由行程よりも小さくなっている。
【００２１】
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。すなわち、表面電極７を真空中に配置し表面電極７とｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）との間に表面電極７を高電位側（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と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側（正極）として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達すると、下部電極としてのｎ形シリコン基板１から強電界ドリフト層６へ熱的励起された電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−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、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１中の矢印の向き（図１中の上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルして真空中に放出される。しかして、強電界ドリフト層６ではｎ形シリコン基板１から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなく、シリコン酸化膜６４にかかっている強電界で加速されてドリフトし表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１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せず、安定して電子を放出することができるものと考えられる。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。
【００２２】
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３を参照しながら説明する。
【００２３】
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の主表面上に半導体層として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３（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の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法（例えば、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Continuous  Grain  Silicon）法などを採用すればよい。
【００２４】
ノンドープの多結晶シリコン層３を形成した後、陽極酸化処理工程にて多結晶シリコン層３を多孔質化することにより、多孔質半導体層たる多孔質多結晶シリコン層４が形成され、図３（ｂ）に示すような構造が得られる。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、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（陰極）、ｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）を正極（陽極）として、多結晶シリコン層３に光照射を行いながら定電流で陽極酸化を行うことによって多孔質多結晶シリコン層４が形成される。このようにして形成された多孔質多結晶シリコン層４は、多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶を含んでいる。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、一部を多孔質化するようにしてもよい。
【００２５】
上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、多孔質多結晶シリコン層４を酸化工程にて酸化することによって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、図３（ｃ）に示すような構造が得られる。酸化工程では、急速加熱法によって多孔質多結晶シリコン層４を酸化することによって上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成される。ここにおいて、急速加熱法による酸化工程では、ランプアニール装置を用い、炉内をＯ２ガス雰囲気として基板温度を室温から所定の酸化温度（例えば、９００℃）まで規定の昇温速度（例えば、８０℃／ｓｅｃ）で上昇させて基板温度を所定の酸化時間（例えば、１時間）だけ維持することで急速熱酸化（ＲＴＯ）を行い、その後、基板温度を室温まで下降させている。本実施形態では、昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定してあるが、昇温速度は８０℃／ｓｅｃ以上に設定すればよく、１５０℃／ｓｅｃ以上に設定することが好ましい。昇温速度をこのような値に設定する理由については後述する。なお、本実施形態では、酸化工程が、半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の表面側に絶縁膜たるシリコン酸化膜６４を形成する絶縁膜形成工程となる。
【００２６】
強電界ドリフト層６を形成した後は、金属膜（本実施形態ではＣｒ膜）からなる第１薄膜層を電子ビーム蒸着法によって強電界ドリフト層６上に積層し、さらに金属膜（本実施形態では、Ａｕ膜）からなる第２薄膜層を電子ビーム蒸着法によって第１薄膜層上に積層することで第１薄膜層と第２薄膜層とからなる表面電極７が形成され、図３（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を電子ビーム蒸着法により形成しているが、表面電極７の形成方法は電子ビーム蒸着法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。
【００２７】
ところで、本願発明者らは、鋭意研究の結果、急速加熱法による酸化工程の条件、特に昇温速度が電子放出効率や絶縁耐圧、寿命などの特性のロット間のばらつきに影響を与えるという知見を得た。
【００２８】
そこで、本願発明者らは、急速加熱法における昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定した電界放射型電子源１０の強電界ドリフト層６の分析評価として、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）による強電界ドリフト層６表面近傍の構造評価、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による強電界ドリフト層６の表面近傍の構造の観察および元素分析、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ法）による強電界ドリフト層６の構成元素の存在量の深さ方向の分布測定などを行い、さらに比較例として急速加熱法における昇温速度を８０℃／ｓｅｃに比べて低速の２０℃／ｓｅｃに設定して製造したものについて同様の分析評価を行った。その結果、昇温速度を２０℃／ｓｅｃに設定した比較例では強電界ドリフト層における表面（表面電極７との界面）から１００ｎｍ程度の深さまでＳｉＯ２膜が形成されてシリコン微結晶の存在が確認されないのに対して、昇温速度を比較的高速の８０℃／ｓｅｃに設定した電界放射型電子源１０における強電界ドリフト層６では表面から１００ｎｍ程度の深さまでの領域においてもシリコン微結晶６３が存在していることが分かった。
【００２９】
ここで、各分析評価の結果についてそれぞれ説明する。まず、本実施形態の電界放射型電子源１０の強電界ドリフト層６および比較例の強電界ドリフト層それぞれの表面近傍の構造について断面ＴＥＭによる観察および元素分析を行った結果について説明する。断面ＴＥＭによる評価によって、電界放射型電子源１０の強電界ドリフト層６では多結晶シリコンの柱状のグレインおよびナノメータオーダのシリコン微結晶が確認されたのに対して、比較例の強電界ドリフト層では表面から１００ｎｍ程度の深さまでは全領域にわたってＳｉＯ２膜が形成されており、多結晶シリコンの柱状のグレインは１００ｎｍよりも深い領域でしか確認されないことが分かった。
【００３０】
次に、ＰＬ法による強電界ドリフト層６の表面近傍の構造評価の結果について図４を参照しながら説明する。図４はＨｅ−Ｃｄレーザから波長が３２５ｎｍの光を照射して測定した発光スペクトルであって、同図中のａが本実施形態における強電界ドリフト層６の発光スペクトルを、同図中のｂが比較例における強電界ドリフト層の発光スペクトルを、それぞれ示している。ここにおいて、Ｈｅ−Ｃｄレーザから照射される光の強電界ドリフト層６への侵入長は強電界ドリフト層６の表面から深さ方向へ１００ｎｍ以内であるから、図４中のａおよびｂの各発光スペクトルは表面近傍の浅い領域からの発光スペクトルを示している。なお、一般に、シリコン酸化膜からの発光はＦバンドと呼ばれ４３０ｎｍ〜５４０ｎｍ付近にピークを持つことが知られ、シリコン微結晶からの発光はＳバンドと呼ばれ、６５０ｎｍ〜８００ｎｍ付近にピークを持つことが知られている。図４から、本実施形態における強電界ドリフト層６ではシリコン微結晶６３からの発光と考えられるピークとシリコン酸化膜からの発光と考えられるピークが観測されたのに対して、比較例における強電界ドリフト層ではシリコン酸化膜からの発光と考えられるピークのみが観測された。すなわち、比較例における強電界ドリフト層６の表面から１００ｎｍ程度の深さまでの領域にはシリコン微結晶がほとんど存在せず大部分ないし全部がシリコン酸化膜となっているものと考えられ、この結果は上述の断面ＴＥＭによる分析結果と一致している。
【００３１】
続いて、ＸＰＳ法による強電界ドリフト層６の構成元素の存在量に関する深さ方向分布測定の結果について図５を参照しながら説明する。図５の横軸は強電界ドリフト層６の表面からの深さを、同図の縦軸は原子濃度を、それぞれ示している。ここにおいて、同図中のａ１，ａ２，ａ３は本実施形態における強電界ドリフト層６に関する測定結果を、ｂ１，ｂ２，ｂ３は比較例における強電界ドリフト層に関する測定結果を示しており、ａ１，ｂ１はＳｉＯ２の深さ方向分布を、ａ２，ｂ２はＳｉの深さ方向分布を、ａ３，ｂ３はＳｉＯＸの深さ方向分布を、それぞれ示している。図５から、本実施形態における強電界ドリフト層６では表面からの深さが１００ｎｍよりも浅い領域でＳｉおよびＳｉＯ２が観測されているのに対して、比較例では表面から１００ｎｍよりも浅い領域ではＳｉが観測されずＳｉＯ２のみ観測されていることが分かる。この結果は上述の断面ＴＥＭによる分析結果と一致する。
【００３２】
以上の各分析結果から、本実施形態における強電界ドリフト層６では図６に示すように強電界ドリフト層６における表面近傍においても表面にシリコン酸化膜６４が形成されたシリコン微結晶６３を含んでおり、強電界ドリフト層６へ注入された電子ｅ−がシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、シリコン微結晶６３にほとんど衝突することなく図６（ａ）中の矢印の向き（右向き）へドリフトして強電界ドリフト層６の表面に到達し、表面電極７をトンネルして真空中に放出されるものと考えられる（図６（ａ）中の一点鎖線は電子ｅ−の流れを示す）。なお、図６（ａ）の上部に記載の「ＰＰＳ」は強電界ドリフト層６を、「Ｍｅｔａｌ」は表面電極７を、「Ｖａｃｕｕｍ」は真空を、それぞれ示している。また、図６（ｂ）は電子放出原理を説明するエネルギバンド図であって、図６（ｂ）中の「ＳｉＯ２」はシリコン酸化膜６４を、「μｃ−Ｓｉ」はナノメータオーダのシリコン微結晶６３を、「ＥＦＭ」は表面電極７のフェルミレベルを、「Ｅva」は真空レベル（真空準位）を、それぞれ示す。
【００３３】
一方、比較例における強電界ドリフト層（以下、強電界ドリフト層６’と称す）では図７に示すように強電界ドリフト層６’の表面に近づくほどシリコン酸化膜６４の膜厚が大きくなってシリコン微結晶６３が破壊され、表面近傍ではシリコン微結晶６３が存在しておらず、強電界ドリフト層６’へ注入された電子ｅ−の一部が電子の平均自由行程よりも厚いシリコン酸化膜６４で散乱されたり吸収されたりするために電子放出効率が低下してしまったり、絶縁耐圧および寿命が低下してしまうものと考えられる。
【００３４】
ここにおいて、本実施形態における強電界ドリフト層６では表面近傍でもシリコン微結晶６３が存在しているのに対して、比較例における強電界ドリフト層６’では表面近傍においてシリコン微結晶６３が破壊されている原因としては次のようなモデルが考えられる。すなわち、本実施形態では、陽極酸化処理工程後の酸化工程において図８（ａ）のようにシリコン微結晶６３の周囲に酸素分子８０が到達するが、昇温速度が比較的高速（８０℃／ｓｅｃ）なので、陽極酸化により形成されていたシリコン微結晶６３の表面側に短時間でシリコン酸化膜６４が形成されて、シリコン微結晶６３の中心部への酸素原子８１の拡散が阻止されることでシリコン微結晶６３の表面にのみ電子のトンネリング現象の発生する膜厚（電子の平均自由行程程度の厚さ）のシリコン酸化膜６４が形成されると考えられる。これに対して、比較例では、陽極酸化処理工程後の酸化工程において図８（ｂ）のようにシリコン微結晶６３の周囲に酸素分子８０が到達するが、昇温速度が比較的低速（２０℃／ｓｅｃ）なので、陽極酸化により形成されていたシリコン微結晶６３の中心部まで酸素原子８１が拡散してシリコン微結晶６３全体が酸化されてしまうからであると考えられる。
【００３５】
図９に、昇温速度を８０℃／ｓｅｃ、１６０℃／ｓｅｃ、２０℃／ｓｅｃとした場合それぞれの電子放出効率の経時変化を示す。図９の縦軸は電子放出効率、横軸は経過時間であり、同図中のａが昇温速度を８０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｂが昇温速度を２０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｃが昇温速度を１６０℃／ｓｅｃとした場合をそれぞれ示している。図９から分かるように、本実施形態では比較例に比べて電子放出効率が高く、電子放出効率の経時変化が小さくなることで寿命が長くなっており、昇温速度を８０℃／ｓｅｃから１６０℃／ｓｅｃに高速化することで電子放出効率がさらに高くなっている。なお、昇温速度を１６０℃とした場合の電子放出効率の経時変化のデータは昇温速度を１５０℃以上とした場合のデータの一例である。
【００３６】
ここにおいて、図９に示す電子放出効率の経時変化は経過時間に対して指数関数的に減衰する関数（以下、減衰関数と称す）でフィッティングすることができる。すなわち、電子放出効率の初期値（以下、初期電子放出効率と称す）をη０、時定数をτ、比例係数（線形ファクタ）をγ、経過時間をｔとすると、任意の経過時間ｔにおける電子放出効率ηは、
η＝η０exp（（−ｔ／τ）γ）
で近似することができる。なお、時定数τの値が大きいほど電子源の寿命が長くなる。
【００３７】
図１０に、初期電子放出効率η０と上述の減数関数でフィッティングすることにより求めた時定数τとの関係を示す。図１０の縦軸は初期電子放出効率η０、横軸は時定数τであり、同図中のａが昇温速度を８０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｂが昇温速度を２０℃／ｓｅｃとした場合、同図中のｃが昇温速度を１６０℃／ｓｅｃとした場合をそれぞれ示している。図１０から、昇温速度を高速化するにつれて初期電子放出効率η０および時定数τが大きくなることが分かる。つまり、昇温速度を高速化するにつれて電子放出効率の向上および長寿命化を図れることが分かる。ここにおいて、初期電子放出効率η０と時定数τとの積η０τで電子源の特性評価を行うとすれば、η０τの値が大きいほど電子源としての特性が優れていると考えられる。η０τの値は、ｂでは０．０９２、ａでは５．２、ｃでは２１．８となっており、昇温速度を２０℃／ｓｅｃから８０℃／ｓｅｃへ高速化することにより、２０℃／ｓｅｃの場合に比べてη０τの値が５０倍よりも大きくなっていることが分かる。したがって、昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以上に設定することで２０℃／ｓｅｃの場合に比べて電子放出効率の向上および長寿命化を図ることができ、昇温速度を１５０℃／ｓｅｃ以上に設定することで電子放出効率のより一層の向上およびより一層の長寿命化を図れる。なお、昇温速度は急速加熱法において用いる製造装置（例えば、ランプアニール装置）の性能で制約されるが、現在は昇温速度を４００℃／ｓｅｃ程度まで高速化可能であることが知られている。
【００３８】
しかして、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法によれば、強電界ドリフト層６中の絶縁膜たるシリコン酸化膜６４の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）とすることができるので、各シリコン酸化膜６４での電子の散乱を少なくすることができるとともに強電界ドリフト層６中のシリコン酸化膜６４の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になり、絶縁耐圧の向上および長寿命化が図れ、さらに電子放出効率の向上も図れる。
【００３９】
（実施形態２）
本実施形態では、導電性基板としてガラス基板（例えば、石英ガラス基板）からなる絶縁性基板の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜）よりなる導電性層を設けたものを用いている。
【００４０】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図１１に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２上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上に表面電極７が形成されている。なお、本実施形態では、導電性層１２が下部電極を構成している。したがって、本実施形態においても、表面電極７は下部電極に対向しており、下部電極と表面電極７との間に強電界ドリフト層６が介在している。表面電極７の構成は実施形態１と同じである。
【００４１】
図１１に示す構成の電界放射型電子源１０から電子を放出させるには、表面電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、表面電極７が導電性層１２に対して正極（高電位側）となるように表面電極７と導電性層１２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が表面電極７に対して正極（高電位側）となるようにコレクタ電極２１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、導電性層１２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（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）。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。
【００４２】
本実施形態の電界放射型電子源１０では、表面電極７と導電性層１２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２１と表面電極７との間に流れる電流をエミッション電流（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に対するエミッション電流Ｉｅの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００［％］）が高くなる。
【００４３】
強電界ドリフト層６は、実施形態１と同様、図１に示すように、少なくとも、柱状の多結晶シリコンのグレイン５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成されると考えられる。要するに、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。ここにおいて、シリコン微結晶６３の表面に形成されたシリコン酸化膜６４の厚さは電界を印加した場合（上記直流電圧Ｖpsを印加した場合）に電子のトンネリング現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）に設定してあり、ＳｉＯ２中の電子の平均自由行程は約３ｎｍであることが知られているので、シリコン酸化膜６４の厚さは１〜３ｎｍ程度に設定することが望ましい。なお、シリコン微結晶６３の結晶粒径は電子の平均自由行程よりも小さくなっている。
【００４４】
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。すなわち、表面電極７と導電性層１２との間に表面電極７を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と表面電極７との間にコレクタ電極２１を正極として直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖpsが所定値（臨界値）に達すると、下部電極としての導電性層１２から強電界ドリフト層６へ熱的励起された電子ｅ−が注入される。一方、強電界ドリフト層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−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、強電界ドリフト層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図１中の矢印の向き（図１中の上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。しかして、強電界ドリフト層６では導電性層１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層６で発生した熱がグレイン５１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せず、安定して電子を放出することができる。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。
【００４５】
なお、本実施形態の電界放射型電子源１０をディスプレイの電子源として利用する場合には下部電極、表面電極７などを適宜にパターニングすればよい。
【００４６】
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１２を参照しながら説明する。
【００４７】
まず、絶縁性基板１１の一表面側にスパッタ法などによって金属膜（例えば、タングステン膜）からなる導電性層１２を形成して導電性基板を構成した後、導電性基板の主表面側（ここでは、導電性層１２上）に半導体層として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１２（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の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣＧＳ（Continuous  Grain  Silicon）法などを採用すればよい。
【００４８】
ノンドープの多結晶シリコン層３を形成した後、陽極酸化処理工程にて多結晶シリコン層３を多孔質化することにより、多孔質半導体層たる多孔質多結晶シリコン層４が形成され、図１２（ｂ）に示すような構造が得られる。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、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１２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定電流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が形成される。このようにして形成された多孔質多結晶シリコン層４は、多結晶シリコンのグレインおよびシリコン微結晶を含んでいる。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、一部を多孔質化するようにしてもよい。
【００４９】
上述の陽極酸化処理工程の終了した後に、多孔質多結晶シリコン層４を酸化工程にて酸化することによって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、図１２（ｃ）に示すような構造が得られる。酸化工程では、急速加熱法によって多孔質多結晶シリコン層４を酸化することによって上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成される。ここにおいて、急速加熱法による酸化工程では、実施形態１と同様、ランプアニール装置を用い、炉内をＯ２ガス雰囲気として基板温度を室温から所定の酸化温度（例えば、９００℃）まで規定の昇温速度（例えば、８０℃／ｓｅｃ）で上昇させて基板温度を所定の酸化時間（例えば、１時間）だけ維持することで急速熱酸化（ＲＴＯ）を行い、その後、基板温度を室温まで下降させている。本実施形態では、昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定してあるが、実施形態１と同様、昇温速度は８０℃／ｓｅｃ以上に設定すればよく、１５０℃／ｓｅｃ以上に設定することが好ましい。なお、本実施形態では、実施形態１と同様、酸化工程が、半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の表面側に絶縁膜たるシリコン酸化膜６４を形成する絶縁膜形成工程となる。
【００５０】
強電界ドリフト層６を形成した後は、金属膜（本実施形態ではＣｒ膜）からなる第１薄膜層を電子ビーム蒸着法によって強電界ドリフト層６上に積層し、さらに金属膜（本実施形態では、Ａｕ膜）からなる第２薄膜層を電子ビーム蒸着法によって第１薄膜層上に積層することで第１薄膜層と第２薄膜層とからなる表面電極７が形成され、図１２（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を電子ビーム蒸着法により形成しているが、表面電極７の形成方法は電子ビーム蒸着法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。
【００５１】
しかして、本実施形態の電界放射型電子源１０の製造方法によれば、強電界ドリフト層６中の絶縁膜たるシリコン酸化膜６４の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）とすることができるので、各シリコン酸化膜６４での電子の散乱を少なくすることができるとともに強電界ドリフト層６中のシリコン酸化膜６４の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になり、絶縁耐圧の向上および長寿命化が図れ、さらに電子放出効率の向上も図れる。
【００５２】
ところで、上記各実施形態では、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を窒化した多孔質多結晶シリコン層や酸窒化した多孔質多結晶シリコン層により構成してもよいし、あるいはその他の酸化若しくは窒化若しくは酸窒化した多孔質半導体層により構成してもよい。
【００５３】
ここにおいて、強電界ドリフト層６を窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には多孔質多結晶シリコン層４をＯ２ガスを利用した急速加熱法により酸化する酸化工程（絶縁膜形成工程）の代わりに例えばＮＨ３ガスを利用して昇温速度を各実施形態と同様に設定した急速加熱法により窒化する窒化工程（絶縁膜形成工程）を採用すればよく、図１にて説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、強電界ドリフト層６を酸窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には多孔質多結晶シリコン層４を急速加熱法により酸化する工程の代わりに例えばＯ２ガスとＮＨ３ガスとの混合ガスを利用して昇温速度を各実施形態と同様に設定した急速加熱法により酸窒化する酸窒化工程（絶縁膜形成工程）を採用すればよく、図１にて説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。また、強電界ドリフト層６を酸窒化した多孔質多結晶シリコン層とした場合には、シリコン酸窒化膜からなる絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程として、昇温速度を各実施形態と同様に設定した急速加熱法によってシリコン微結晶６３の表面側に酸化膜たるシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜形成工程で形成したシリコン酸化膜を窒化して酸窒化膜たるシリコン酸窒化膜を形成する窒化処理工程とを採用するようにすればよい。
【００５４】
なお、半導体微結晶たるシリコン微結晶６３の表面側に形成された絶縁膜としてシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を採用した場合には、シリコン酸化膜を採用している場合に比べて絶縁耐圧が向上する。また、上記絶縁膜としてシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜を採用した場合にも、シリコン酸化膜を採用している場合に比べて絶縁耐圧が向上する。
【００５５】
また、上記各実施形態で説明した各製造方法における強電界ドリフト層６の形成後であって表面電極７の形成以前に強電界ドリフト層６中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うことによって、上記絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図ることができる。フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で基板温度を所定温度（例えば、４５０℃）まで上昇させて行えばよい。このようなフォーミング処理によって上記絶縁膜の厚さがフォーミング処理以前よりも厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、急速加熱法による基板温度に比べて比較的低温で上記絶縁膜の欠陥を補償することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態における絶縁膜形成工程では、急速加熱法を利用して絶縁膜を形成しているが、電気化学的な方法によって絶縁膜たるシリコン酸化膜６４を形成するようにしてもよい。例えば、電解質溶液（例えば、１モルのＨ２ＳＯ４、１モルのＨＮＯ３、王水など）の入った酸化処理槽を利用し、白金電極（図示せず）を負極、下部電極（実施形態１ではｎ形シリコン基板、実施形態２では導電性層１２）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って上述のグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む強電界ドリフト層６が形成される。電気化学的な方法によって形成する絶縁膜を上述のようにシリコン窒化膜などの窒化膜やシリコン酸窒化膜などの酸窒化膜としてもよいことは勿論である。
【００５７】
上述のように電気化学的な方法によって上記絶縁膜を形成した場合には、電子のトンネリング現象が発生する膜厚（電子の平均自由行程程度）の絶縁膜を形成することができ、シリコン微結晶６３が破壊されていないことが確認されたが、昇温速度を８０℃／ｓｅｃに設定した急速加熱法によって絶縁膜を形成したものに比べて電子放出効率が低く寿命が短いという結果が得られた。また、電気化学的な方法で形成したシリコン酸化膜は急速加熱法によって形成したシリコン酸化膜に比べて多量の水分を含むことも確認された。したがって、上記各絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、電気化学的に絶縁膜を形成した後に、急速加熱法によって絶縁膜を形成するようにすれば、シリコン酸化膜の水分を除去することができて電子放出特性の向上が図れる。言い換えれば、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにすれば、急速加熱法によるシリコン微結晶の破壊を確実に防止しつつ電子放出効率および絶縁耐圧が高く長寿命の電界放射型電子源を実現することが可能になる。
【００５８】
また、電気化学的な方法によって上記絶縁膜を形成した場合には、上述のフォーミング処理を行うことによって電界放射型電子源１０の長寿命化を図れる。図１３および図１４は電気化学的な方法によって上記絶縁膜（シリコン酸化膜５２，６４）を形成した強電界ドリフト層６について昇温脱離分光法（ＴＤＳ法）による分析を行った結果であり、図１３および図１４の横軸は温度、縦軸はイオン電流である。ここに、図１３は水の脱離スペクトルを示し、図１４は水素の脱離スペクトルを示し、図１３および図１４中の「イ」はフォーミング処理を行っていないサンプル（以下、フォーミング処理なしのサンプルと称す）の脱離スペクトル、「ロ」は真空中で４５０℃にてアニールを行ったサンプル（以下、真空アニールありのサンプルと称す）の脱離スペクトル、「ハ」はＨ２とＮ２との混合ガス（Ｈ２の濃度が３％）中で４５０℃にてフォーミング処理を行ったサンプル（以下、フォーミング処理ありのサンプルと称す）の脱離スペクトルを示してある。
【００５９】
図１３から、フォーミング処理なしのサンプルでは１００℃〜５００℃の範囲にブロードな脱離スペクトルが測定され３００℃以下で多量の水が脱離していることが分かる。言い換えれば、フォーミング処理なしのサンプルでは強電界ドリフト層６中に多量の水分が含まれていることが分かる。これに対して、真空アニールありのサンプルおよびフォーミング処理ありのサンプルでは水の脱離スペクトルのピーク値がフォーミング処理なしのサンプルに比べて大幅に減少しており、強電界ドリフト層６中の水分が大幅に減少していることが分かる。
【００６０】
また、図１４からは、フォーミング処理なしのサンプルおよび真空アニールありのサンプルでは３５０℃以上の比較的広い温度範囲で水素が脱離していることが分かる。これに対して、フォーミング処理ありのサンプルでは３５０℃〜５００℃の温度範囲での水素の脱離は測定されずに６００℃付近で水素が脱離していることが分かる。ここにおいて、水素の脱離スペクトルにおける３５０℃付近のピークはＳｉ−Ｈ２結合やＳｉ−Ｈ３結合からの水素、６００℃付近のピークはＳｉ−Ｈ結合からの水素と考えられており、３５０℃付近で脱離する水素は不安定であり、電界放射型電子源１０の特性変動の要因となり、６００℃付近で脱離する水素はシリコンのダングリングボンドを補償して欠陥を低減させるものと考えられる。つまり、電界放射型電子源１０の特性変動を少なくするにはフォーミング処理を行えばよい。
【００６１】
図１５に、フォーミング処理なしのサンプル、真空アニールありのサンプル、フォーミング処理ありのサンプルそれぞれについて上記直流電圧Ｖpsを１６Ｖ一定、上記直流電圧Ｖｃを１００Ｖ一定として電子放出効率の経時変化を測定した結果を示す。ここに、図１５の縦軸は電子放出効率、横軸は経過時間であり、図１５中の「イ」はフォーミング処理なしのサンプルの電子放出効率、「ロ」は真空アニールありのサンプルの電子放出効率、「ハ」はフォーミング処理ありのサンプルの電子放出効率を示してある。
【００６２】
図１５から、フォーミング処理なしのサンプルに比べて、真空アニールありのサンプルおよびフォーミング処理ありのサンプルでは初期の電子放出効率が向上し、寿命が長くなっていることが分かる。また、真空アニールありのサンプルとフォーミング処理ありのサンプルとを比較すると、真空アニールありのサンプルでは２０時間連続駆動することにより電子放出効率が約２桁小さくなっているに対して、フォーミング処理ありのサンプルでは電子放出効率が約１桁小さくなっていることが分かる。つまり、真空アニールありのサンプルに比べてフォーミング処理ありのサンプルの方が電子放出特性の経時安定性が向上していることが分かる。以上説明した図１３〜図１５の結果から、上述のフォーミング処理を行うことにより、強電界ドリフト層６の絶縁膜（シリコン酸化膜５２，６４）中に不安定な形で取り込まれている水および水素を効果的に除去でき（つまり、欠陥を補償でき）、電子放出特性の経時安定性が向上できるものと考えられる。
【発明の効果】
【００６３】
請求項１の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができるという効果がある。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れるという効果がある。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができるという効果がある。
【００６４】
請求項２の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができるという効果がある。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れるという効果がある。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができるという効果がある。
【００６５】
請求項３の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸窒化膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができるという効果がある。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れるという効果がある。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができるという効果がある。
【００６６】
請求項４の発明は、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、多数のナノメータオーダの半導体微結晶および各半導体微結晶の表面にそれぞれ形成された多数の絶縁膜を含み下部電極と表面電極との間に介在した強電界ドリフト層とを備え、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とし、各絶縁膜が酸化膜と酸窒化膜との積層膜よりなる電界放射型電子源の製造方法であって、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、各絶縁膜の厚さが電子のトンネリング現象が発生する膜厚となるように昇温速度を設定した急速加熱法によって半導体微結晶の表面側に酸化膜を形成して更に酸化膜の表面側に酸窒化膜を形成し、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うようにし、且つ、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するようにし、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うことを特徴とし、各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることが可能となり、強電界ドリフト層中の絶縁膜の厚さのばらつきを小さくでき、所望の絶縁耐圧および寿命の設計が容易になって、電界放射型電子源の絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れるという効果がある。また、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程では、急速加熱法によって絶縁膜を形成する前に電気化学的な方法によって絶縁膜を形成するので、急速加熱法による各半導体微結晶の破壊を防止することができるという効果がある。また、強電界ドリフト層の形成後であって表面電極の形成以前に基板温度を昇温して強電界ドリフト層中の欠陥を補償するフォーミング処理を行うので、絶縁膜の欠陥を補償することができ、絶縁耐圧のより一層の向上および更なる長寿命化を図れるという効果がある。しかも、フォーミング処理は、少なくともＨ２とＮ２とからなる混合ガス中で行うので、フォーミング処理によって絶縁膜の厚さが厚くなったり不純物が導入されるのを防止することができるとともに、比較的低温で絶縁膜の欠陥を補償することができるという効果がある。
【００６７】
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、前記昇温速度を８０℃／ｓｅｃ以上としてあるので、前記各絶縁膜の厚さを電子のトンネリング現象が発生する膜厚とすることができ、絶縁耐圧の向上および長寿命化を図れる。
【００６８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記昇温速度を１５０℃／ｓｅｃ以上としてあるので、請求項５の発明に比べて長寿命化を図れるとともに、電子放出効率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の電界放射型電子源の要部概略構成図である。
【図２】同上の電界放射型電子源の動作説明図である。
【図３】同上の電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図４】同上の電界放射型電子源および比較例のフォトルミネッセンス測定による発光スペクトル図である。
【図５】同上の電界放射型電子源および比較例のＸ線光電子分光分析法による構成元素の深さ方向分布を示すグラフである。
【図６】同上の電界放射型電子源の電子放出原理の説明図である。
【図７】同上の電界放射型電子源の比較例の電子放出原理の説明図である。
【図８】同上の電界放射型電子源および比較例における酸化過程の説明図である。
【図９】同上の電界放射型電子源および比較例の電子放出効率の経時変化を示すグラフである。
【図１０】同上の電界放射型電子源および比較例の電子放出特性の説明図である。
【図１１】実施形態２の電界放射型電子源の動作説明図である。
【図１２】同上の電界放射型電子源の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図１３】同上の他の製造方法により形成した強電界ドリフト層の昇温脱離分光法による脱離スペクトル図である。
【図１４】同上の他の製造方法により形成した強電界ドリフト層の昇温脱離分光法による脱離スペクトル図である。
【図１５】同上の他の製造方法により形成した電界放射型電子源の電子放出効率の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
６  強電界ドリフト層
７  表面電極
５１  グレイン
５２  シリコン酸化膜
６３  シリコン微結晶
６４  シリコン酸化膜
【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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