(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、下部電極と表面電極との間に介在する強電界ドリフト部とを備え、下部電極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強電界ドリフト部に作用する電界により下部電極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、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の平均自由行程を超えないように設定してあることを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項２】
前記絶縁性膜は、酸化膜よりな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】
前記酸化膜は、前記導電性膜の構成元素を含んでいることを特徴とする請求項２記載の電界放射型電子源。
【請求項４】
前記絶縁性膜は、窒化膜よりな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５】
前記絶縁性膜は、酸窒化膜よりな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６】
前記導電性膜は、シリコン膜よりなり、前記絶縁性膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択され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７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記導電性膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶＤ法により形成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８】
請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部の形成にあたっては、下部電極の一表面側に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の一部を還元することにより前記絶縁性膜および前記導電性膜を形成する工程とを交互に繰り返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９】
請求項２または請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記酸化膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法から選択される方法により形成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１０】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ処理法から選択される方法により形成することを特徴とする電界放射型電子源。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部を形成するにあたっては、導電性膜を形成する工程と、当該導電性膜の表面側に急速加熱法により前記絶縁性膜を形成する工程とを交互に繰り返すことを特徴とする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】
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、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いる。
【０００３】
この種の電界放射型電子源は、例えば、図７に示すように導電性基板としてのｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ドリフト層６”が形成され、強電界ドリフト層６”上に表面電極７が形成されている。また、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。なお、図７に示す例では、ｎ形シリコン基板１と強電界ドリフト層６”との間に例えばノンドープの多結晶シリコンからなる半導体層３を介在させてあるが、半導体層３を介在させずにｎ形シリコン基板１の主表面上に強電界ドリフト層６”を形成した構成も提案されている。
【０００４】
図７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ｎ形シリコン基板１（オーミック電極２）に対して高電位側（正極）となるように表面電極７とｎ形シリコン基板１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、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）。表面電極７には仕事関数の小さな材料（例えば、金）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。
【０００５】
上述の構成を有する電界放射型電子源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７参照）、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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）を急速熱酸化（Rapid  Thermal  Oxidation：ＲＴＯ）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。
【０００８】
上述のようにして形成された強電界ドリフト層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間に介在するナノメータオーダのシリコン微結晶６３と、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酸化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、陽極酸化処理を行う前の多結晶シリコン層に含まれていた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ものと考えられる。したがって、強電界ドリフト層６”に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４を集中的に通り、注入された電子はシリコン酸化膜６４を通る強電界により加速されグレイン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。ここにおいて、電界放射型電子源１０’は、シリコン微結晶６３のサイズ（結晶粒径）およびシリコン酸化膜６４の膜厚それぞれを電子の平均自由行程以下にすることで起こる電子の弾道化（いわゆる弾道型電子放出現象）を利用している。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。
【０００９】
上述の電界放射型電子源１０’では、導電性基板としてｎ形シリコン基板を用いているが、図９に示すように、ガラス基板からなる絶縁性基板１１の一表面に導電性層１２を形成したものを用いた電界放射型電子源１０”も提案されている。ここに、上述の電界放射型電子源１０’と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１０】
図９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に対して高電位側（正極）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（なお、図９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。）
上述の構成を有する電界放射型電子源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９参照）、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１２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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、陽極酸化処理を利用して強電界ドリフト層６”を形成した電界放射型電子源１０’，１０”は、シリコン微結晶６３の形状が球状であって、強電界ドリフト層６”中のシリコン微結晶６３のサイズや配列、シリコン微結晶６３の充填率などの制御が難しく、表面にシリコン酸化膜６２が形成されたシリコン微結晶６３が連なった部分でのみ電子の弾道化が起こると考えられ、表面にシリコン酸化膜６２が形成されたシリコン微結晶６３が連なっていない部分での電子の散乱や散乱確率の増大によって強電界ドリフト層６”内でのエネルギ損失が増えて電子のエネルギが低減され、十分なエミッション電流および十分な電子放出効率が得られないという不具合があった。
【００１２】
また、陽極酸化処理がウェットプロセスであって多孔質化された領域の厚みの制御が難しく、多孔質化された領域の厚みが面内で不均一になってしまい、結果的に強電界ドリフト層６”の厚みが面内で不均一になってしまうので、エミッション特性に面内分布が生じたり、局所的に欠陥が生じたりして絶縁破壊が起こり寿命が短くなってしまうという不具合や面内均一性の点で大面積化が難しい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、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに、絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な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、下部電極と、下部電極に対向する表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在する強電界ドリフト部とを備え、下部電極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強電界ドリフト部に作用する電界により下部電極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、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の平均自由行程を超えないように設定してあることを特徴とするものであり、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の平均自由行程を超えないように設定してあることにより、強電界ドリフト部の面内全域において電子の弾道化が起こるので、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易になる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記絶縁性膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記酸化膜が、前記導電性膜の構成元素を含んでいるので、前記酸化膜の安定性を高めることが可能になるとともに、絶縁性膜と導電性膜との界面の欠陥を少なくすることが可能になる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記絶縁性膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を高めることができる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記絶縁性膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を高めることができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記導電性膜が、シリコン膜よりなり、前記絶縁性膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択されるので、一般的な半導体製造プロセスを利用して強電界ドリフト部を形成することができる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記導電性膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶＤ法により形成することを特徴とし、前記導電性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供することができる。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部の形成にあたっては、下部電極の一表面側に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の一部を還元することにより前記絶縁性膜および前記導電性膜を形成する工程とを交互に繰り返すことを特徴とし、前記絶縁性膜および前記導電性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供することができる。
【００２２】
請求項９の発明は、請求項２または請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記酸化膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法から選択される方法により形成することを特徴とし、前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供することができる。
【００２３】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ処理法から選択される方法により形成することを特徴とし、前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供することができる。なお、プラズマ処理法としては、プラズマ酸化、プラズマ窒化、プラズマ酸窒化などがある。
【００２４】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部を形成するにあたっては、導電性膜を形成する工程と、当該導電性膜の表面側に急速加熱法により前記絶縁性膜を形成する工程とを交互に繰り返すことを特徴とし、前記導電性膜および前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易な電界放射型電子源を提供することができる。また、急速加熱法により前記絶縁性膜を形成しているので、前記絶縁性膜の膜質を向上できるとともに前記絶縁性膜の膜厚の制御性が向上する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（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。
【００２６】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図１に示すように、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の主表面側に電子のドリフトする強電界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部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部６が介在している。
【００２７】
図１に示す構成の電界放射型電子源１０では、図２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部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。
【００２８】
強電界ドリフト部６は、半導体膜（例えば、シリコン膜）よりなる導電性膜６ｂと絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）よりなる絶縁性膜６ａとが交互に積層されている。ところで、強電界ドリフト部６では、規定数（例えば６０）の導電性膜６ｂおよび絶縁性膜６ａが１層ごとに交互に積層され、各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａの膜厚はそれぞれ同じ値に設定されている。ここにおいて、各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａそれぞれの各膜厚は電子の弾道化が起こる程度の膜厚に設定してある。言い換えれば、各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａの各膜厚は電子の平均自由行程と同等または電子の平均自由行程以下に設定すればよい。なお、本実施形態では、導電性膜６ｂの材料としてＳｉを採用し導電性膜６ｂの膜厚を５ｎｍに設定してあり、絶縁性膜６ａの材料としてＳｉＯ２を採用し絶縁性膜６ａの膜厚を２ｎｍに設定してある。上記規定数は、強電界ドリフト部６の所望の厚さに応じて適宜設定すればよい。
【００２９】
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の厚さは１０ｎｍに設定されているが、この膜厚は特に限定するものではなく、強電界ドリフト部６を通ってきた電子がトンネルできる膜厚であればよく、表面電極７の厚さは１０〜１５ｎｍ程度に設定すればよい。
【００３０】
表面電極７は、強電界ドリフト部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７ａと第１薄膜層７ａ上に積層された金属膜（例えば、Ａｕ膜）よりなる第２薄膜層７ｂとにより構成されている。ここにおいて、強電界ドリフト部６上の第１薄膜層７ａ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部６との密着性が高く第２薄膜層７ｂと強電界ドリフト部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７ａの材料としてＣｒを採用し第１薄膜層７ａの膜厚を２ｎｍに設定してあり、第２薄膜層７ｂの材料としてＡｕを採用し第２薄膜層７ｂ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。
【００３１】
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。
【００３２】
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の主表面側にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態では、５ｎｍ）の半導体膜（本実施形態では、Ｓｉ膜）からなる導電性膜６ｂ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、プラズマＣＶＤ法によってＳｉ膜からなる導電性膜６ｂを形成する際の原料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ4）を用いているが、水素ガスにより希釈されたガスを用いてもよい。
【００３３】
ｎ形シリコン基板１の主表面側に導電性膜６ｂを形成した後、導電性膜６ｂ上にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態では、２ｎｍ）の絶縁膜（本実施形態では、ＳｉＯ2膜）からなる絶縁性膜６ａを積層することにより、図３（ｂ）に示すような構造が得られる。なお、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2膜からなる絶縁性膜６ａを形成する際の原料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）との混合ガスを用いている。
【００３４】
上述のような導電性膜６ｂの成膜と絶縁性膜６ａの成膜とを交互に繰り返して規定数（本実施形態では、６０）の導電性膜６ｂと規定数（本実施形態では、６０）の絶縁性膜６ａとが１層ごとに交互に積層された構造の強電界ドリフト部６（図１参照）を形成することにより、図３（ｃ）に示す構造が得られる。
【００３５】
強電界ドリフト部６を形成した後は、強電界ドリフト部６上に金属膜（本実施形態では、Ｃｒ膜）からなる第１薄膜層７ａを電子ビーム蒸着法によって積層し、さらに第１薄膜層７ａ上に金属膜（本実施形態では、Ａｕ膜）からなる第２薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着法によって積層することで第１薄膜層７ａと第２薄膜層７ｂ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となる第１薄膜層７ａおよび第２薄膜層７ｂ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。
【００３６】
しかして、本実施形態の電界放射型電子源１０では、強電界ドリフト部６を導電性膜６ｂと絶縁性膜６ａとが交互に積層された構造とし、各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａそれぞれの膜厚を電子の弾道化が起こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ドリフト部６の面内全域において電子の弾道化が起こるので、従来のように多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施して多孔質多結晶シリコン層を形成した後に酸化することで強電界ドリフト層６”を形成している場合に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図ることができるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧の向上、長寿命化および面内均一性を高めたうえでの大面積化が容易になる。したがって、大面積のディスプレイや平面発光装置への応用が可能となる。また、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸化膜を採用しているので、絶縁性膜６ａの絶縁耐圧を高めることができるとともに、絶縁性膜６ａを一般的な半導体製造プロセスにより形成することができる。しかも、導電性膜６ｂとしてシリコン膜を採用しているので、絶縁性膜６ａが導電性膜６ｂの構成元素を含んでおり、絶縁性膜６ａを構成するシリコン酸化膜の安定性を高めることができるとともに、絶縁性膜６ａと導電性膜６ｂとの界面の欠陥を低減することができる。
【００３７】
（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からなる絶縁性基板１１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。このように絶縁性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、実施形態１のように導電性基板として半導体基板を用いる場合に比べて、電子源の大面積化および低コスト化が可能になる。
【００３８】
本実施形態の電界放射型電子源１０は、図４に示すように、絶縁性基板１１上の導電性層１２上に強電界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部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部６が介在している。表面電極７の構成は実施形態１と同じなので実施形態１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図４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、図５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に対して高電位側（正極）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部６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図５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、強電界ドリフト部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。
【００４０】
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５参照）、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が高くなる。
【００４１】
強電界ドリフト部６は、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ2膜）よりなる絶縁性膜６ａと半導体膜（例えば、シリコン膜）よりなる導電性膜６ｂとが交互に積層されている。ところで、強電界ドリフト部６では、規定数（例えば６０）の絶縁性膜６ａおよび導電性膜６ｂが１層ごとに交互に積層され、各絶縁性膜６ａおよび各導電性膜６ｂの膜厚はそれぞれ同じ値に設定されている。ここにおいて、各絶縁性膜６ａおよび各導電性膜６ｂそれぞれの各膜厚は電子の弾道化が起こる程度の膜厚に設定してある。言い換えれば、各絶縁性膜６ａおよび各導電性膜６ｂの各膜厚は電子の平均自由行程と同等または電子の平均自由行程以下に設定すればよい。なお、本実施形態では、絶縁性膜６ａの材料としてＳｉＯ2を採用し絶縁性膜６ａの膜厚を２ｎｍに設定してあり、導電性膜６ｂの材料としてＳｉを採用し導電性膜６ｂの膜厚を５ｎｍに設定してある。上記規定数は、強電界ドリフト部６の所望の厚さに応じて適宜設定すればよい。
【００４２】
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６を参照しながら説明する。
【００４３】
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）にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態では、２ｎｍ）の絶縁膜（本実施形態では、ＳｉＯ2膜）からなる絶縁性膜６ａを形成することにより、図６（ａ）に示すような構造が得られる。なお、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2膜からなる絶縁性膜６ａを形成する際の原料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ4）と亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）との混合ガスを用いており、基板温度は４００℃としている。
【００４４】
導電性基板の主表面側に絶縁性膜６ａを形成した後、絶縁性膜６ａ上にプラズマＣＶＤ法によって所定膜厚（本実施形態では、５ｎｍ）の半導体膜（本実施形態では、Ｓｉ膜）からなる導電性膜６ｂを積層することにより、図６（ｂ）に示すような構造が得られる。なお、プラズマＣＶＤ法によってＳｉ膜からなる導電性膜６ｂを形成する際の原料ガスとしてはモノシランを用いているが、水素ガスにより希釈されたガスを用いてもよい。
【００４５】
上述のような絶縁性膜６ａの成膜と導電性膜６ｂの成膜とを交互に繰り返して規定数（本実施形態では、６０）の絶縁性膜６ａと規定数（本実施形態では、６０）の導電性膜６ｂとが１層ごとに交互に積層された構造の強電界ドリフト部６（図４参照）を形成することにより、図６（ｃ）に示す構造が得られる。
【００４６】
強電界ドリフト部６を形成した後は、強電界ドリフト部６上に金属膜（本実施形態では、Ｃｒ膜）からなる第１薄膜層７ａを電子ビーム蒸着法によって積層し、さらに第１薄膜層７ａ上に金属膜（本実施形態ではＡｕ膜）からなる第２薄膜層７ｂを電子ビーム蒸着法によって積層することで第１薄膜層７ａと第２薄膜層７ｂとからなる表面電極７が形成され、図６（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となる第１薄膜層７ａおよび第２薄膜層７ｂ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。
【００４７】
しかして、本実施形態の電界放射型電子源１０では、強電界ドリフト部６を導電性膜６ｂと絶縁性膜６ａとが交互に積層された構造とし、各導電性膜６ｂおよび各絶縁性膜６ａそれぞれの膜厚を電子の弾道化が起こる程度の膜厚にしてあることにより、強電界ドリフト部６の面内全域において電子の弾道化が起こるので、従来のように多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施して多孔質多結晶シリコン層を形成した後に酸化することで強電界ドリフト層６”を形成している場合に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図ることができるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧の向上、長寿命化および面内均一性を高めたうえでの大面積化が容易になる。したがって、大面積のディスプレイや平面発光装置への応用が可能となる。また、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸化膜を採用しているので、絶縁性膜６ａの絶縁耐圧を高めることができるとともに、絶縁性膜６ａを一般的な半導体製造プロセスにより形成することができる。しかも、導電性膜６ｂとしてシリコン膜を採用しているので、絶縁性膜６ａが導電性膜６ｂの構成元素を含んでおり、絶縁性膜６ａを構成するシリコン酸化膜の安定性を高めることができるとともに、絶縁性膜６ａと導電性膜６ｂとの界面の欠陥を低減することができる。
【００４８】
ところで、上記各実施形態では、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸化膜を採用しているが、絶縁性膜６ａをシリコン酸化膜以外の酸化膜、シリコン窒化膜やシリコン窒化膜以外の窒化膜、シリコン酸窒化膜やシリコン酸窒化膜以外の酸窒化膜などにより構成してもよく、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜を採用することでシリコン酸化膜の場合に比べて絶縁耐圧を高めることが可能になる。絶縁性膜６ａとしてシリコン窒化膜を採用した場合には、例えば原料ガスとしてモノシランとアンモニア（ＮＨ3）を用いたプラズマＣＶＤ法により形成することができ、絶縁性膜６ａとしてシリコン酸窒化膜を採用した場合には、例えば原料ガスとしてＳｉＨ4とＮ2Ｏ（またはＯ2）とＮＨ3とを用いたプラズマＣＶＤ法により形成することができる。絶縁性膜６ａの形成方法は、プラズマＣＶＤ法に限らず、例えば、熱ＣＶＤ法、プラズマ処理法（プラズマ酸化、プラズマ窒化、プラズマ酸窒化）などにより形成してもよい。ここに、絶縁性膜６ａとして酸化膜を採用する場合の絶縁性膜６ａの形成方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法などを利用すればよい。
【００４９】
また、上記各実施形態では、導電性膜６ｂをプラズマＣＶＤ法により形成しているが、プラズマＣＶＤ法に限らず、例えば熱ＣＶＤ法により形成してもよい。なお、熱ＣＶＤ法によりＳｉ膜からなる導電性膜６ｂを形成するには、例えばＳｉＨ4ガス雰囲気中で基板温度を９００℃に加熱すればよい。
【００５０】
また、強電界ドリフト部６の形成にあたっては、下部電極の一表面側にシリコン酸化膜を形成する工程と、当該シリコン酸化膜の一部を還元することにより残りのシリコン酸化膜からなる絶縁性膜６ａおよびシリコン膜からなる導電性膜６ｂを形成する工程とを交互に繰り返すことにより形成してもよい。
【００５１】
さらに強電界ドリフト部６の別の形成方法として、半導体膜（例えばＳｉ膜）よりなる導電性膜６ｂを形成する工程と、急速加熱法（例えば、ＲＴＯ、ＲＴＮなど）により導電性膜６ｂの表面側に絶縁膜（例えば、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜）からなる絶縁性膜６ａを形成する工程とを交互に繰り返すようにしてもよく、この場合には、急速加熱法により絶縁性膜６ａを形成しているので、絶縁性膜６ａの膜質を向上できるとともに絶縁性膜６ａの膜厚の制御性が向上する。
【００５２】
【発明の効果】
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、下部電極と表面電極との間に介在する強電界ドリフト部とを備え、下部電極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強電界ドリフト部に作用する電界により下部電極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、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の弾道化が起こる程度の膜厚にしてあるものであり、強電界ドリフト部を導電性膜と絶縁性膜とが交互に積層された構造とし、各導電性膜および各絶縁性膜それぞれの膜厚を電子の平均自由行程を超えないように設定してあることにより、強電界ドリフト部の面内全域において電子の弾道化が起こるので、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易になるという効果がある。
【００５３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記絶縁性膜が、酸化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン酸化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成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、請求項２の発明において、前記酸化膜が、前記導電性膜の構成元素を含んでいるので、前記酸化膜の安定性を高めることが可能になるとともに、絶縁性膜と導電性膜との界面の欠陥を少なくすることが可能になるという効果がある。
【００５５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記絶縁性膜が、窒化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン窒化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を高め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の発明において、前記絶縁性膜が、酸窒化膜よりなるので、例えば前記絶縁性膜としてシリコン酸窒化膜を採用することで前記絶縁性膜の絶縁耐圧を高めることができるとともに、前記絶縁性膜を一般的な半導体製造プロセスにより形成することができ、しかもシリコン酸化膜に比べて絶縁耐圧を高めることができるといいう効果がある。
【００５７】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記導電性膜が、シリコン膜よりなり、前記絶縁性膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択されるので、一般的な半導体製造プロセスを利用して強電界ドリフト部を形成することができるという効果がある。
【００５８】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記導電性膜を熱ＣＶＤ法若しくはプラズマＣＶＤ法により形成するので、前記導電性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易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。
【００５９】
請求項８の発明は、請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部の形成にあたっては、下部電極の一表面側に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の一部を還元することにより前記絶縁性膜および前記導電性膜を形成する工程とを交互に繰り返すので、前記絶縁性膜および前記導電性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易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。
【００６０】
請求項９の発明は、請求項２または請求項３記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記酸化膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ酸化法、電気化学的酸化法、オゾン酸化法から選択される方法により形成するので、前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易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。
【００６１】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記絶縁性膜を、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ処理法から選択される方法により形成するので、前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易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。なお、プラズマ処理法としては、プラズマ酸化、プラズマ窒化、プラズマ酸窒化などがある。
【００６２】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法であって、前記強電界ドリフト部を形成するにあたっては、導電性膜を形成する工程と、当該導電性膜の表面側に急速加熱法により前記絶縁性膜を形成する工程とを交互に繰り返すので、前記導電性膜および前記絶縁性膜の面内均一性を高めることができて、従来のように陽極酸化処理を利用して形成された強電界ドリフト層を備えた電界放射型電子源に比べて、エミッション電流の大電流化および電子放出効率の高効率化を図れるとともに面内の均一性を高めることができ、しかも絶縁耐圧向上、長寿命化および大面積化が容易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。また、急速加熱法により前記絶縁性膜を形成しているので、前記絶縁性膜の膜質を向上できるとともに前記絶縁性膜の膜厚の制御性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の製造工程を説明するための主要工程断面図である。
【図４】実施形態２を示す概略断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上の製造工程を説明するための主要工程断面図である。
【図７】従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】他の従来例を示す電界放射型電子源の動作説明図である。
【符号の説明】
１  ｎ形シリコン基板
２  オーミック電極
６  強電界ドリフト部
６ａ  絶縁性膜
６ｂ  導電性膜
７  表面電極
１０  電界放射型電子源
【図１】
0003852564.tif 000002
【図２】
0003852564.tif 000003
【図３】
0003852564.tif 000004
【図４】
0003852564.tif 000005
【図５】
0003852564.tif 000006
【図６】
0003852564.tif 000007
【図７】
0003852564.tif 000008
【図８】
0003852564.tif 000009
【図９】
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