JP2001210219A - Electric field emission type electron source - Google Patents
Electric field emission type electron sourceInfo
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron source which emits an electron beam by field emission.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission type electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.
【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。However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately form a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, the Spindt-type electrode has a large area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem that was difficult. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas is present, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the ions are ionized and the positive ions collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable. There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, the Spindt-type electrode needs to be used in a high vacuum (about 10 -5 Pa to about 10 -6 Pa) in order to prevent such a problem from occurring, which increases the cost and complicates handling. There was a problem.
【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。In order to improve this kind of problem, MIM
(Metal Insulator Metal) method and MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) type field emission electron sources have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the emission efficiency of electrons in this type of field emission type electron source (to emit many electrons), it is necessary to reduce the thickness of the insulating film and the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure. Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.
【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。In recent years, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-209, a porous semiconductor layer (porous silicon layer) is formed by using a single crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate and anodizing one surface of the semiconductor substrate. A field emission electron source (semiconductor cold electron emission element) has been proposed in which a metal thin film is formed on a porous semiconductor layer, and a voltage is applied between the semiconductor substrate and the metal thin film to emit electrons. .
【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。[0006] However, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-2507 has been disclosed.
In the field emission electron source described in Japanese Patent Publication No. 66, since the substrate is limited to a semiconductor substrate, there is a problem that it is difficult to increase the area and reduce the cost. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-25076
In the field emission type electron source described in Japanese Patent Application Publication No. 6 (1995) -76, a so-called popping phenomenon easily occurs during electron emission, and the amount of emitted electrons tends to be uneven. There is.
【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５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。Therefore, a porous polycrystalline semiconductor layer (for example,
Rapid thermal oxidation (RT) of the polycrystalline silicon layer
O) A field emission electron source having a strong electric field drift layer formed between a conductive substrate and a metal thin film (surface electrode) by rapid thermal oxidation to drift electrons injected from the conductive substrate. Has been proposed (for example,
See Japanese Patent No. 2968642 and Japanese Patent No. 2987140). In the field emission type electron source 10 ′, for example, as shown in FIG. 5, a strong electric field drift layer 6 made of an oxidized porous polycrystalline silicon layer is formed on the main surface side of an n-type silicon substrate 1 serving as a conductive substrate. The surface electrode 7 made of a metal thin film is formed on the strong electric field drift layer 6, and the ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1.
【０００８】図５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６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）。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。A field emission type electron source 10 'having the structure shown in FIG.
In FIG. 6, the surface electrode 7 is arranged in a vacuum, and the collector electrode 21 is arranged opposite to the surface electrode 7 as shown in FIG. 6, and the surface electrode 7 is connected to the n-type silicon substrate 1 (the ohmic electrode 2) with the positive electrode. As a result, the electrons injected from the n-type silicon substrate 1 drifts through the strong electric field drift layer 6 to apply the DC voltage Vps to the collector electrode 21 and the surface electrode 7 as a positive electrode. It is emitted through the electrode 7 (the dashed line in FIG. 6 indicates the flow of electrons e − emitted through the surface electrode 7). Therefore, it is desirable to use a material having a small work function as the surface electrode 7. Here, the current flowing between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is called a diode current Ips, and the collector electrode 21 and the surface electrode 7
Is called an emission electron current Ie, and the emission electron current Ie with respect to the diode current Ips is large (Ie /
The larger the value of Ips, the higher the electron emission efficiency. In this field emission type electron source 10 ′, the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is 10 to 20 V
Electrons can be emitted even at a low voltage.
【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７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７中の矢印Ａの向きへ（図
７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。In the field emission type electron source 10 ', the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and the electrons can be stably emitted with a high electron emission efficiency without generating a popping phenomenon during electron emission. Here, as shown in FIG. 7, the strong electric field drift layer 6 includes at least a columnar polycrystalline silicon 51 (grain), a thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the polycrystalline silicon 51, and a polycrystalline silicon 51. A microcrystalline silicon layer 63 of nanometer order interposed between the microcrystalline silicon layers 51; and a silicon oxide film 64 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 63 and being an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the microcrystalline silicon layer 63. It is considered to be composed of That is, in the strong electric field drift layer 6, it is considered that the surface of each grain is porous and the crystalline state is maintained in the central portion of each grain. Therefore, most of the electric field applied to the strong electric field drift layer 6 is applied to the silicon oxide film 64, and the injected electrons are accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film 64 to move between the polycrystalline silicons 51 toward the surface. Since the electron beam drifts in the direction of arrow A in FIG. 7 (upward in FIG. 7), the electron emission efficiency can be improved. The electrons reaching the surface of the strong electric field drift layer 6 are considered to be hot electrons, and are easily tunneled through the surface electrode 7 and discharged into a vacuum. The thickness of the surface electrode 7 is 10 nm to 1 nm.
It is set to about 5 nm.
【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。By the way, instead of a semiconductor substrate such as the n-type silicon substrate 1 as the conductive substrate, if a substrate having a conductive layer made of, for example, an ITO film formed on an insulating substrate such as a glass substrate, is used, The area of the source can be increased and the cost can be reduced.
【００１１】図８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８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。FIG. 8 shows an insulating substrate 1 made of a glass substrate.
1 shows a field emission type electron source 10 ″ using a conductive substrate composed of a conductive layer 8 made of an ITO film formed on the insulating substrate 11;
In the case of 0 ″, as shown in FIG. 8, a conductive layer 8 made of, for example, an ITO film is formed on an insulating substrate 11, a strong electric field drift layer 6 is formed on the conductive layer 8, and a strong electric field drift layer 6 is formed.
A surface electrode 7 made of a metal thin film is formed thereon. Here, the strong electric field drift layer 6 is formed by depositing a non-doped polycrystalline silicon layer on the conductive layer 8, making the polycrystalline silicon layer porous by anodizing treatment, and further oxidizing or growing by a rapid heating method. It is formed by nitriding.
【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９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）。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。In this field emission type electron source 10 ″,
Place the pole 7 in a vacuum and adjust the surface as shown in FIG.
A collector electrode 21 is arranged to face the electrode 7 and a surface electrode
7 is applied to the conductive layer 8 as a positive electrode and a DC voltage Vps is applied.
And the collector electrode 21 is
By applying DC voltage Vc as the positive electrode,
Electrons injected from the layer 8 drift the strong electric field drift layer 6
The light is emitted through the surface electrode 7 (note that FIG.
The dotted line indicates the electrons e emitted through the surface electrode 7. -Flow of
Is shown). Here, the surface electrode 7 and the conductive layer 8
The current flowing between them is called the diode current Ips,
The current flowing between the electrode 21 and the surface electrode 7 is
Current Ie, the emission electron voltage with respect to the diode current Ips.
The electron emission efficiency increases as the flow Ie increases (Ie / Ips increases).
Will be higher. In this field emission type electron source 10 ″,
DC voltage Vps applied between surface electrode 7 and conductive layer 8
Emits electrons even at a low voltage of about 10 to 20 V
be able to.
【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。In the field emission type electron source 10 ″ using the insulating substrate 11, the strong electric field drift layer 6 is used.
Is formed by depositing a non-doped polycrystalline silicon layer on the conductive layer 8, making the polycrystalline silicon layer porous by anodizing treatment, and further oxidizing it by a rapid heating method. Since the oxidation temperature at this time is relatively high (a temperature range from 800 ° C. to 900 ° C.), expensive quartz glass must be used as the insulating substrate 11, and a problem that a large area and low cost are limited. there were. Means for solving this kind of inconvenience (that is, means for lowering the temperature of the process) include, for example, a method of oxidizing a porous polycrystalline silicon layer, a method of oxidizing with an acid, and a method of oxidizing at least oxygen and ozone. A method of oxidizing by irradiating ultraviolet rays in a gas atmosphere containing one of them is conceivable. Such a method of oxidizing the porous polycrystalline silicon layer with an acid or a method of irradiating the porous polycrystalline silicon layer with ultraviolet rays in a gas atmosphere containing at least one of oxygen and ozone is used. By adopting,
As the insulating substrate 11, a glass substrate (for example, an alkali-free glass substrate, a low-alkali glass substrate, a soda lime glass substrate, or the like) whose heat-resistant temperature is lower than that of a quartz glass substrate and whose price is lower than that of a quartz glass substrate can be used. It becomes possible.
【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。The above-mentioned field emission electron sources 10 ', 10',
In 10 ", the entire non-doped polycrystalline silicon layer is made porous, but a part thereof may be made porous.
【００１５】[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、導電性層８を構成している元素（金属元素）が製造
工程中（例えば、多結晶シリコン層の堆積時）、実装
時、真空封止中、動作時などに上記多結晶シリコン層中
または上記多結晶シリコン層と強電界ドリフト層６との
両方へ拡散してしまい（ただし、多結晶シリコン層の全
部が多孔質化されている場合には強電界ドリフト層６中
へ拡散してしまい）、強電界ドリフト層６の電気特性が
変化して電子放出特性などの特性が劣化してしまうこと
があった。However, in the above-mentioned field emission type electron source 10 "utilizing the insulating substrate 11, the element (metal element) constituting the conductive layer 8 is produced during the manufacturing process (for example, At the time of depositing the polycrystalline silicon layer), at the time of mounting, during vacuum sealing, at the time of operation, etc., it diffuses into the polycrystalline silicon layer or both the polycrystalline silicon layer and the strong electric field drift layer 6 (however, If the entire polycrystalline silicon layer is made porous, it diffuses into the strong electric field drift layer 6), and the electric characteristics of the strong electric field drift layer 6 change to deteriorate characteristics such as electron emission characteristics. There was a thing.
【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、熱的な安定性が高い電界放射型電子
源を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field emission type electron source having high thermal stability.
【００１７】[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、該基板の一表面上に形
成された導電性層と、導電性層の表面側に形成された半
導体層と、該半導体層の表面側に形成された酸化若しく
は窒化した多孔質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、上記導電性層と上記半導体層と
の間に、トンネル電流が流れる厚さの絶縁層が設けられ
てなることを特徴とするものであり、上記導電性層と上
記半導体結晶層との間にトンネル電流が流れる厚さの絶
縁膜が設けられていることにより、電子放出効率の低下
を防ぎつつ、上記導電性層を構成する元素が実装時や動
作時などに上記半導体層へ拡散するのを防止することが
でき、熱的な安定性が高くなる。According to a first aspect of the present invention, there is provided a substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, and a conductive layer formed on a surface of the conductive layer. A semiconductor layer, a strong electric field drift layer formed of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer formed on the surface side of the semiconductor layer, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive layer drift by the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode by applying a voltage as a positive electrode to the conductive layer. An insulating layer having a thickness through which a tunnel current flows is provided between the semiconductor layer and the semiconductor layer, and a thickness through which a tunnel current flows between the conductive layer and the semiconductor crystal layer is provided. Insulation film is provided Thereby, it is possible to prevent the elements constituting the conductive layer from diffusing into the semiconductor layer at the time of mounting or operation, while preventing a decrease in the electron emission efficiency, and to increase the thermal stability. .
【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記絶縁層が、酸化膜よりなることを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the insulating layer is made of an oxide film.
【００１９】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記絶縁層が、窒化膜よりなることを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the insulating layer is made of a nitride film.
【００２０】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、上記半導体層が、多結晶半導体より
なるので、大面積化が容易になる。According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, since the semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor, it is easy to increase the area.
【００２１】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、上記半導体層が、シリコンよりなる
ので、シリコンプロセスを使用できる。According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, since the semiconductor layer is made of silicon, a silicon process can be used.
【００２２】請求項６の発明は、基板と、該基板の一表
面上に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形成
された第１の半導体層と、該第１の半導体層の表面側に
形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりな
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、上記導電性層
と上記第１の半導体層との間に、上記第１の半導体層を
構成する半導体よりも大きなバンドギャップを有する半
導体からなる第２の半導体層が設けられてなることを特
徴とするものであり、上記導電性層と上記第１の半導体
層との間に上記第１の半導体層を構成する半導体よりも
大きなバンドギャップを有する半導体からなる第２の半
導体層が設けられていることにより、電子放出効率の低
下を防ぎつつ、上記導電性層を構成する元素が実装時や
動作時などに上記半導体結晶層へ拡散するのを防止する
ことができ、熱的な安定性が高くなる。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, a first semiconductor layer formed on a surface side of the conductive layer, and the first semiconductor layer. A strong electric field drift layer formed of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer formed on the surface side of the layer, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, with the surface electrode serving as a positive electrode with respect to the conductive layer. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive layer by applying a voltage drift in the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode, wherein the electron emission between the conductive layer and the first semiconductor layer is performed. A second semiconductor layer made of a semiconductor having a larger band gap than a semiconductor constituting the first semiconductor layer is provided between the conductive layer and the first semiconductor layer. Between the semiconductor layer By providing the second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the semiconductor constituting the semiconductor layer, the element constituting the conductive layer can be mounted while preventing the electron emission efficiency from being lowered. Diffusion into the semiconductor crystal layer during operation or operation can be prevented, and thermal stability increases.
【００２３】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記第１の半導体層が、多結晶半導体よりなるの
で、大面積化が容易になる。According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, since the first semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor, the area can be easily increased.
【００２４】請求項８の発明は、請求項６または請求項
７の発明において、上記第１の半導体層が、シリコンよ
りなるので、シリコンプロセスを使用できる。According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth or seventh aspect, the first semiconductor layer is made of silicon, so that a silicon process can be used.
【００２５】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記強電界ドリフト層は、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ので、強
電界ドリフト層では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、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。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the strong electric field drift layer includes a columnar semiconductor crystal arranged substantially perpendicular to the main surface of the substrate, In the strong electric field drift layer, the semiconductor microcrystals of nanometer order interposed between the semiconductor microcrystals and the insulating film formed on the surface of the semiconductor microcrystals and having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals are injected from the conductive layer. The electrons generated do not collide with the semiconductor microcrystals and are accelerated and drifted by the electric field applied to the insulating film, and the heat generated in the strong electric field drift layer is radiated through the columnar semiconductor crystals. Electrons can be emitted with high efficiency without generating a popping phenomenon.
【００２６】[0026]
【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態の電界
放射型電子源１０は、図１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の一表面上にアルミニウムよりなる導電性層８が形
成され、該導電性層８上に酸化膜（ＳｉＯ2）よりなる
絶縁層１４が形成され、絶縁層１４上にノンドープの多
結晶シリコン層３が形成され、多結晶シリコン層３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。ここに、絶縁層１４の厚さは、電界放
射型電子源１０の動作時において、導電性層８と多結晶
シリコン層３との間にトンネル電流が流れる厚さに設定
してある。例えば、１０ｎｍ程度の厚さの酸化膜（絶縁
層１４）でファウラ−ノルドハイムの式に従うトンネル
電流が流れる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment 1) As shown in FIG. 1, a field emission type electron source 10 according to the present embodiment has one surface of an insulating substrate 11 made of a glass substrate (for example, a non-alkali glass substrate). A conductive layer 8 made of aluminum is formed thereon, an insulating layer 14 made of an oxide film (SiO 2 ) is formed on the conductive layer 8, and a non-doped polycrystalline silicon layer 3 is formed on the insulating layer 14. A strong electric field drift layer 6 made of oxidized porous polycrystalline silicon is formed on the polycrystalline silicon layer 3, and a surface electrode 7 is formed on the strong electric field drift layer 6. Here, the thickness of the insulating layer 14 is set to a thickness at which a tunnel current flows between the conductive layer 8 and the polysilicon layer 3 during the operation of the field emission electron source 10. For example, a tunnel current according to Fowler-Nordheim equation flows through an oxide film (insulating layer 14) having a thickness of about 10 nm.
【００２７】要するに、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、導電性層８と多結晶シリコン層３との間に、ト
ンネル電流が流れる厚さの絶縁層１４が設けられている
点に特徴がある。In short, the field emission type electron source 10 of the present embodiment is characterized in that an insulating layer 14 having a thickness through which a tunnel current flows is provided between the conductive layer 8 and the polycrystalline silicon layer 3. There is.
【００２８】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、導電性層８と多結晶シリコン層３との間に、
トンネル電流が流れる厚さの絶縁層１４が設けられてい
ることにより、電子放出効率の低下を防ぎつつ、導電性
層８を構成する金属元素（アルミニウム）が実装時や動
作時に多結晶シリコン層３および強電界ドリフト層６へ
拡散するのを防止することができ、電子放出特性などの
熱的な安定性が高くなる。Thus, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, between the conductive layer 8 and the polycrystalline silicon layer 3,
Since the insulating layer 14 having a thickness through which the tunnel current flows is provided, the metal element (aluminum) constituting the conductive layer 8 can be prevented from being reduced in the electron emission efficiency while the polycrystalline silicon layer 3 is mounted or operated. In addition, diffusion to the strong electric field drift layer 6 can be prevented, and thermal stability such as electron emission characteristics is enhanced.
【００２９】なお、本実施形態では、導電性層８を金属
であるアルミニウム（Ａｌ）により構成しているが、導
電性層８の材料はアルミニウムに限定されるものではな
く、アルミニウムの代わりに、銅（Ｃｕ）、タングステ
ン（Ｗ）、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Ａｌ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。In this embodiment, the conductive layer 8 is made of aluminum (Al) which is a metal. However, the material of the conductive layer 8 is not limited to aluminum. Copper (Cu), tungsten (W), nickel (Ni), molybdenum (Mo), chromium (Cr), platinum (Pt), titanium (Ti), cobalt (Co), zirconium (Zr), tantalum (T
a), hafnium (Hf), palladium (Pd), vanadium (V), niobium (Nb), manganese (Mn), iron (Fe), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), rhenium (Re), osmium ( Os), iridium (I
r), gold (Au), silver (Ag), silicon (Si), etc., or a plurality of these materials may be selected and laminated, or any of these materials may be used. A plurality of types may be alloyed and deposited. Further, as the conductive layer 8, a metal oxide (transparent electrode) such as ITO, SnO 2 , or ZnO may be used, or a metal material listed in the above metal oxide from Al to Si may be appropriately selected. Alternatively, an alloy film of the metal material may be stacked on the metal oxide.
【００３０】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２を参照しながら説明する。Hereinafter, the field emission type electron source 10 of this embodiment will be described.
Will be described with reference to FIG.
【００３１】まず、絶縁性基板１１の一表面（図２
（ａ）における上面）上にアルミニウムよりなる導電性
層８を例えばスパッタ法などによって堆積させ、導電性
層８上に、ＳｉＯ2よりなる絶縁層１４をＣＶＤ法など
によって形成することにより、図２（ａ）に示すような
構造が得られる。First, one surface of the insulating substrate 11 (FIG. 2)
2 is formed by depositing a conductive layer 8 made of aluminum on the upper surface (a) by, for example, a sputtering method, and forming an insulating layer 14 made of SiO 2 on the conductive layer 8 by a CVD method. A structure as shown in FIG.
【００３２】絶縁層１４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２（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ＣＶ
Ｄ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。After the insulating layer 14 is formed, a non-doped polycrystalline silicon layer 3 having a predetermined thickness (for example, 1.5 μm) is formed by, for example, a plasma CVD method.
A structure as shown in FIG. 2B is obtained. Here, the non-doped polycrystalline silicon layer 3 has a plasma CV
600 ° C. or less (100 ° C.)
To 600 ° C.).
The method of forming the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is as follows.
Not only the plasma CVD method but also a catalytic CVD method may be used, and a film can be formed by a low-temperature process at 600 ° C. or lower even by the catalytic CVD method.
【００３３】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２（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）。After the non-doped polycrystalline silicon layer 3 is formed, an anodizing tank containing an electrolytic solution comprising a mixture of a 55 wt% aqueous solution of hydrogen fluoride and ethanol at a ratio of about 1: 1 is used. Using a platinum electrode (not shown) as a negative electrode and the conductive layer 8 as a positive electrode, the polycrystalline silicon layer 3 is anodized under predetermined conditions while irradiating the polycrystalline silicon layer 3 with light to make the polycrystalline silicon layer 3 porous to a predetermined depth. As a result, a porous polycrystalline silicon layer 4 is formed, and a structure as shown in FIG. 2C is obtained. Here, in the present embodiment,
As the conditions of the anodizing treatment, the light power applied to the surface of the polycrystalline silicon layer 3 was constant and the current density was constant during the anodizing treatment. However, these conditions may be appropriately changed (for example, the current density may be changed). May be changed).
【００３４】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２（ｄ）に示す構造が得られる。After the above-mentioned anodizing treatment is completed, the electrolytic solution is removed from the anodizing treatment tank, and an acid (for example, about 10% diluted nitric acid, about 10% diluted sulfuric acid,
Aqua regia, etc.), and then using a anodic oxidation treatment tank containing the acid, a platinum electrode (not shown) as a negative electrode and the conductive layer 8 as a positive electrode, and a constant current is applied to make the porous polycrystal. By oxidizing the silicon layer 4, the strong electric field drift layer 6 is formed, and the structure shown in FIG. 2D is obtained.
【００３５】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２（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１
５ｎｍ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。After the strong electric field drift layer 6 is formed, a surface electrode 7 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed on the strong electric field drift layer 6 by, for example, vapor deposition, as shown in FIG. A field emission electron source 10 having the structure shown is obtained. In this embodiment, the thickness of the surface electrode 7 is set to 1
Although the thickness is set to 5 nm, the thickness is not particularly limited, and may be any thickness as long as electrons passing through the strong electric field drift layer 6 can tunnel. In the present embodiment, the conductive thin film to be the surface electrode 7 is formed by vapor deposition.
The method for forming the conductive thin film is not limited to vapor deposition, and for example, a sputtering method may be used.
【００３６】しかして、上述の製造方法によれば、導電
性層８を構成する元素が製造工程中に多結晶シリコン層
３および強電界ドリフト層６へ拡散するのを防止するこ
とができるとともに、実装時や動作時に導電性層８を構
成する元素が拡散しにくく電子放出特性などの熱的な安
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おり、また、絶縁層
１４についても比較的低温で形成することができるの
で、６００℃以下の低温プロセスで電界放射型電子源１
０を製造することができる。したがって、絶縁性基板１
１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。Thus, according to the above-described manufacturing method, it is possible to prevent the elements constituting conductive layer 8 from diffusing into polycrystalline silicon layer 3 and strong electric field drift layer 6 during the manufacturing process, and It is possible to provide the field emission electron source 10 in which the elements constituting the conductive layer 8 are hardly diffused during mounting or operation and have high thermal stability such as electron emission characteristics. In addition, the polycrystalline silicon layer 3 is formed by a low-temperature process such as a plasma CVD method, the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized by an acid, and the surface electrode 7 is formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. Since the insulating layer 14 can be formed at a relatively low temperature, the field emission electron source 1 can be formed at a low temperature of 600 ° C. or less.
0 can be produced. Therefore, the insulating substrate 1
As 1, a non-alkali glass substrate, which is less expensive than a quartz glass substrate, can be used, and cost can be reduced, the area can be further increased, and the polycrystalline silicon layer 3 can be formed. Depending on the temperature, it is also possible to use a glass substrate having a lower heat-resistant temperature than a non-alkali glass substrate such as a low alkali glass substrate and a soda lime glass substrate.
【００３７】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７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。The field emission type electron source 10 manufactured by the above-described manufacturing method is disclosed in Japanese Patent No. 2966842 and Japanese Patent No.
Similarly to the field emission type electron source disclosed in Japanese Patent No. 987140, the electron emission characteristics have a small dependence on the degree of vacuum and can stably emit electrons without generating a popping phenomenon during electron emission. Therefore, as shown in FIG. 7, the strong electric field drift layer 6 includes at least columnar polycrystalline silicon 51 (grain) and polycrystalline silicon 51 as shown in FIG.
A thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the substrate, a microcrystalline silicon layer 63 of nanometer order interposed between the polycrystalline silicon 51, and crystal grains of the microcrystalline silicon layer 63 formed on the surface of the microcrystalline silicon layer 63. It is considered to be composed of a silicon oxide film 64 which is an insulating film having a thickness smaller than the diameter. That is, in the strong electric field drift layer 6, it is considered that the surface of each grain is porous and the crystalline state is maintained in the central portion of each grain.
【００３８】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。ただし、基板としてシリコン基板や石英ガラス基板
を用いる場合には、急速加熱法（例えば、ＲＴＯ法）に
よって多孔質多結晶シリコン層４を酸化するようにして
もよい。In the above manufacturing method, the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized with an acid. For example, the porous polycrystalline silicon layer 4 is oxidized by irradiating ultraviolet rays in a gas atmosphere containing at least one of oxygen and ozone. It is desirable that oxidation can be performed in a temperature range of 100 ° C. to 600 ° C. This temperature may be higher than 600 ° C.
In terms of using an inexpensive glass substrate,
It is desirable that oxidation can be performed in a temperature range of 0 ° C. to 600 ° C. However, when a silicon substrate or a quartz glass substrate is used as the substrate, the porous polycrystalline silicon layer 4 may be oxidized by a rapid heating method (for example, an RTO method).
【００３９】本実施形態の電界放射型電子源１０の基本
動作は図８に示した従来構成と略同じであり、例えば図
３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から絶縁層１４をトンネルして注入された電
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、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。The basic operation of the field emission type electron source 10 of this embodiment is substantially the same as that of the conventional configuration shown in FIG. 8, and for example, as shown in FIG. 7, a collector electrode 21 is disposed opposite to the conductive layer 8, and the DC voltage Vps is
And applying a DC voltage Vc with the collector electrode 21 as a positive electrode with respect to the surface electrode 7,
Electrons injected from the conductive layer 8 through the insulating layer 14 drift through the strong electric field drift layer 6 and are emitted through the surface electrode 7 (the dashed line in FIG. e - shows the flow of). Here, the current flowing between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 is called a diode current Ips, and the collector electrode 21 and the surface electrode 7
Is called an emission electron current Ie, and the emission electron current Ie with respect to the diode current Ips is large (Ie /
The larger the value of Ips, the higher the electron emission amount. In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, as in the conventional configuration, even if the DC voltage Vps applied between the surface electrode 7 and the conductive layer 8 is set to a low voltage of about 10 to 20 V, electrons are emitted. Can be released.
【００４０】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。また、本実施形態では、
絶縁層１４を酸化膜（ＳｉＯ2）により構成している
が、絶縁層１４を窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）により構成しても
よい。また、本実施形態では、基板として絶縁性基板１
１を用いているが、基板としてシリコン基板を用いても
良く、基板としてシリコン基板を用いる場合、導電性層
８は、低抵抗のシリコン層により構成してもよい。ここ
に、低抵抗のシリコン層は、エピタキシャル成長、イオ
ン注入、拡散などにより形成することができる。In this embodiment, the strong electric field drift layer 6 is made of oxidized porous polycrystalline silicon. However, the strong electric field drift layer 6 is made of nitrided porous polycrystalline silicon or other oxidized or nitrided. It may be constituted by a porous polycrystalline semiconductor layer. In the present embodiment,
Although the insulating layer 14 is composed of an oxide film (SiO 2 ), the insulating layer 14 may be composed of a nitride film (Si 3 N 4 ). In the present embodiment, the insulating substrate 1 is used as the substrate.
Although 1 is used, a silicon substrate may be used as the substrate. When a silicon substrate is used as the substrate, the conductive layer 8 may be formed of a low-resistance silicon layer. Here, the low-resistance silicon layer can be formed by epitaxial growth, ion implantation, diffusion, or the like.
【００４１】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０の基本構成は実施形態１と略同じであって、図
４に示すように導電性層８と多結晶シリコン層３（以
下、第１の半導体層３と称す）との間に、第１の半導体
層３よりも大きなバンドギャップを有するＳｉＣよりな
る半導体層１５（以下、第２の半導体層１５と称す）が
設けられている点に特徴がある。なお、実施形態１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。(Embodiment 2) The basic configuration of the field emission type electron source 10 of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1, and as shown in FIG. , A first semiconductor layer 3), a semiconductor layer 15 of SiC having a larger band gap than the first semiconductor layer 3 (hereinafter, referred to as a second semiconductor layer 15) is provided. There is a feature in the point. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【００４２】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、導電性層８と第１の半導体層３との間に、第
１の半導体層３よりも大きなバンドギャップを有する第
２の半導体層１５が設けられていることにより、電子放
出効率の低下を防ぎつつ、導電性層８を構成する金属元
素（アルミニウム）が実装時や動作時に第１の半導体層
３および強電界ドリフト層６へ拡散するのを防止するこ
とができ、電子放出特性などの熱的な安定性が高くな
る。Thus, in the field emission electron source 10 of the present embodiment, the second semiconductor having a larger band gap than the first semiconductor layer 3 is provided between the conductive layer 8 and the first semiconductor layer 3. Since the semiconductor layer 15 is provided, the metal element (aluminum) forming the conductive layer 8 is mounted on the first semiconductor layer 3 and the strong electric field drift layer 6 at the time of mounting and operation while preventing a decrease in electron emission efficiency. Diffusion can be prevented, and thermal stability such as electron emission characteristics can be increased.
【００４３】なお、本実施形態の電界放射型電子源１０
の製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じで
あって、絶縁層１４を形成する工程が、半導体層１５を
形成する工程に代わるだけである。なお、半導体層１５
は例えばＣＶＤ法などによって形成すればよい。The field emission type electron source 10 of the present embodiment
Is substantially the same as the manufacturing method described in the first embodiment, except that the step of forming the insulating layer 14 replaces the step of forming the semiconductor layer 15. The semiconductor layer 15
May be formed by, for example, a CVD method.
【００４４】ところで、本実施形態では、半導体層１５
をＳｉＣにより構成しているが、半導体層１５を窒化ホ
ウ素（ＢＮ）、窒化炭素（ＣＮ）を用いてもよいし、そ
の他のワイドギャップ半導体材料を用いてもよい。In this embodiment, the semiconductor layer 15
Is composed of SiC, but the semiconductor layer 15 may be made of boron nitride (BN), carbon nitride (CN), or another wide gap semiconductor material.
【００４５】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（ＳｉＯX、ＡｌＯXなどの酸化膜
や、ＳｉＮX、ＢＮ、ＡｌＮX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。In each of the above embodiments, a glass substrate is used as the insulating substrate 11 as a substrate.
Is not limited to the glass substrate, for example, an insulating film on a silicon substrate (SiO X, or an oxide film such as AlO X, SiN X, BN, a nitride film such as AlN X) substrate and forming a metal Insulating film (oxide film, nitride film, etc.) on a conductive substrate
May be used.
【００４６】[0046]
【発明の効果】請求項１の発明は、基板と、該基板の一
表面上に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形
成された半導体層と、該半導体層の表面側に形成された
酸化若しくは窒化した多孔質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、上記導電性層と上記半導
体層との間に、トンネル電流が流れる厚さの絶縁層が設
けられてなるものであり、上記導電性層と上記半導体結
晶層との間にトンネル電流が流れる厚さの絶縁膜が設け
られていることにより、電子放出効率の低下を防ぎつ
つ、上記導電性層を構成する元素が実装時や動作時など
に上記半導体層へ拡散するのを防止することができ、熱
的な安定性が高くなるという効果がある。According to the first aspect of the present invention, there is provided a substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, a semiconductor layer formed on a surface side of the conductive layer, and a surface side of the semiconductor layer. A strong electric field drift layer composed of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer formed on the substrate, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. This is a field emission type electron source in which electrons injected from the conductive layer drift in the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode, and a tunnel current flows between the conductive layer and the semiconductor layer. A thickness of the insulating layer is provided, and a reduction in electron emission efficiency is provided by providing an insulating film having a thickness through which a tunnel current flows between the conductive layer and the semiconductor crystal layer. While preventing, the conductive layer The element formed like time or operation time of mounting can be prevented from diffusing into the semiconductor layer, there is an effect that thermal stability is higher.
【００４７】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、上記半導体層が、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。According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, since the semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor, there is an effect that the area can be easily increased.
【００４８】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、上記半導体層が、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。According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, since the semiconductor layer is made of silicon, there is an effect that a silicon process can be used.
【００４９】請求項６の発明は、基板と、該基板の一表
面上に形成された導電性層と、導電性層の表面側に形成
された第１の半導体層と、該第１の半導体層の表面側に
形成された酸化若しくは窒化した多孔質半導体層よりな
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、上記導電性層
と上記第１の半導体層との間に、上記第１の半導体層を
構成する半導体よりも大きなバンドギャップを有する半
導体からなる第２の半導体層が設けられてなるものであ
り、上記導電性層と上記第１の半導体層との間に上記第
１の半導体層を構成する半導体よりも大きなバンドギャ
ップを有する半導体からなる第２の半導体層が設けられ
ていることにより、電子放出効率の低下を防ぎつつ、上
記導電性層を構成する元素が実装時や動作時などに上記
半導体結晶層へ拡散するのを防止することができ、熱的
な安定性が高くなるという効果がある。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, a first semiconductor layer formed on the surface side of the conductive layer, and the first semiconductor layer. A strong electric field drift layer formed of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer formed on the surface side of the layer, and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, with the surface electrode serving as a positive electrode with respect to the conductive layer. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive layer by applying a voltage drift in the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode, wherein the electron emission between the conductive layer and the first semiconductor layer is performed. A second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the semiconductor constituting the first semiconductor layer, provided between the conductive layer and the first semiconductor layer. The first semiconductor layer is interposed between By providing the second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the semiconductor to be formed, it is possible to prevent the element forming the conductive layer from being mounted or operated while preventing a decrease in electron emission efficiency. Diffusion into the semiconductor crystal layer can be prevented, and there is an effect that thermal stability is increased.
【００５０】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、上記第１の半導体層が、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。According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the invention, since the first semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor, there is an effect that the area can be easily increased.
【００５１】請求項８の発明は、請求項６または請求項
７の発明において、上記第１の半導体層が、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。According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth or seventh aspect, since the first semiconductor layer is made of silicon, there is an effect that a silicon process can be used.
【００５２】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記強電界ドリフト層は、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ので、強
電界ドリフト層では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、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
ることができるという効果がある。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the strong electric field drift layer includes a columnar semiconductor crystal arranged substantially perpendicular to the main surface of the substrate, In the strong electric field drift layer, the semiconductor microcrystals of nanometer order interposed between the semiconductor microcrystals and the insulating film formed on the surface of the semiconductor microcrystals and having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals are injected from the conductive layer. The electrons generated do not collide with the semiconductor microcrystals and are accelerated and drifted by the electric field applied to the insulating film, and the heat generated in the strong electric field drift layer is radiated through the columnar semiconductor crystals. There is an effect that electrons can be emitted with high efficiency without generating a popping phenomenon.
【図１】実施形態１を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment.
【図２】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。FIG. 2 is a cross-sectional view of a main process for describing the manufacturing method.
【図３】同上の特性測定原理の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics according to the first embodiment;
【図４】実施形態２を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view showing a second embodiment.
【図５】従来例を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view showing a conventional example.
【図６】同上の特性測定原理の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics according to the first embodiment.
【図７】同上の電子放出機構の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of an electron emission mechanism according to the embodiment.
【図８】他の従来例を示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic sectional view showing another conventional example.
【図９】同上の特性測定原理の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of a principle of measuring characteristics of the above.
３ 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 １４ 絶縁層 Reference Signs List 3 polycrystalline silicon layer 6 strong electric field drift layer 7 surface electrode 8 conductive layer 10 field emission electron source 11 insulating substrate 14 insulating layer
Claims (9)
導電性層と、導電性層の表面側に形成された半導体層
と、該半導体層の表面側に形成された酸化若しくは窒化
した多孔質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、上記導電性層と上記半導体層との間に、ト
ンネル電流が流れる厚さの絶縁層が設けられてなること
を特徴とする電界放射型電子源。1. A substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, a semiconductor layer formed on the surface side of the conductive layer, and oxidized or nitrided formed on the surface side of the semiconductor layer. A strong electric field drift layer made of a porous semiconductor layer and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and the surface electrode is injected from the conductive layer by applying a voltage to the conductive layer as a positive electrode. A field emission type electron source in which the generated electrons drift through a strong electric field drift layer and are emitted through a surface electrode, and an insulating layer having a thickness through which a tunnel current flows is provided between the conductive layer and the semiconductor layer. A field emission type electron source characterized by being obtained.
徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。2. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said insulating layer comprises an oxide film.
徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。3. The field emission electron source according to claim 1, wherein said insulating film is made of a nitride film.
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。4. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor.
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。5. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said semiconductor layer is made of silicon.
導電性層と、導電性層の表面側に形成された第１の半導
体層と、該第１の半導体層の表面側に形成された酸化若
しくは窒化した多孔質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、上記導電性層と上記第１の半導
体層との間に、上記第１の半導体層を構成する半導体よ
りも大きなバンドギャップを有する半導体からなる第２
の半導体層が設けられてなることを特徴とする電界放射
型電子源。6. A substrate, a conductive layer formed on one surface of the substrate, a first semiconductor layer formed on a surface side of the conductive layer, and a first semiconductor layer formed on a surface side of the first semiconductor layer. A strong electric field drift layer made of an oxidized or nitrided porous semiconductor layer and a surface electrode formed on the strong electric field drift layer, and applying a voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive layer. Is a field emission type electron source in which electrons injected from the conductive layer drift in the strong electric field drift layer and are emitted through the surface electrode, wherein the electron emission is performed between the conductive layer and the first semiconductor layer. A second semiconductor made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the first semiconductor layer;
A field emission type electron source, comprising:
りなることを特徴とする請求項６記載の電界放射型電子
源。7. The field emission type electron source according to claim 6, wherein said first semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor.
ることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電界
放射型電子源。8. The field emission type electron source according to claim 6, wherein said first semiconductor layer is made of silicon.
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ことを特徴とす
る請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電界放射
型電子源。9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the strong electric field drift layer includes a columnar semiconductor crystal arranged substantially perpendicular to the main surface of the substrate, a semiconductor microcrystal of nanometer order interposed between the semiconductor crystals, and a surface of the semiconductor microcrystal. 9. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the field emission type electron source is formed of an insulating film having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000016391A JP2001210219A (en) | 2000-01-26 | 2000-01-26 | Electric field emission type electron source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000016391A JP2001210219A (en) | 2000-01-26 | 2000-01-26 | Electric field emission type electron source |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001210219A true JP2001210219A (en) | 2001-08-03 |
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ID=18543531
Family Applications (1)
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2001210219A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102280332A (en) * | 2011-07-04 | 2011-12-14 | 四川大学 | MIPM (multum in parvo mapping)-type internal field emitting cathode |
-
2000
- 2000-01-26 JP JP2000016391A patent/JP2001210219A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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