专利名称：电场发射型电子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过电场发射来发射电子线的电场发射型电子源及其制造方法。
在现有技术中，作为电场发射型电子源，例如在美国专利第3，665，241号等所揭示的所谓スピント型电极是公知的。在スピント型电极上设置配置多个微小三角锥状的发射体芯片的基板、使发射体芯片的顶端部露出的发射孔、以对发射体芯片绝缘的状态所配置的栅极层。该スピント型电极，在真空中，把发射体芯片相对于栅极层作为负极，通过对它们施加高电压，从发射体芯片的顶端通过发射孔发射电子线。
但是，对于スピント型电极，其制造程序复杂，并且，高精度地形成多个三角锥状的发射体芯片是困难的，因此，例如在用于平面发光装置和显示器等的情况下，难于增大面积。而且，在スピント型电极中，由于电场集中在发射体芯片的顶端，则当发射体芯片的顶端周围的真空度较低而存在残留气体的情况下，通过所发射的电子，把残留气体离子化为阳离子，该阳离子冲击发射体芯片的顶端。因此，发射体芯片的顶端受到损坏(例如，由离子冲击所产生的损伤)，所发射的电子的电流密度和效率等成为不稳定的，并且，发射体芯片的寿命变短。因此，スピント型电极为了防止这样的问题的发生而必须在高真空(约10-5pa～10-6Pa)下使用。因此，其成本变高，并且，其处理是麻烦的。
为了改善这样的缺陷，提出了MIM(Metal Insulator Metal)方式和MOS(MetalOxide Semiconductor)方式的电场发射型电子源。前者是具有金属-绝缘膜-金属的层叠构造的平面型的电场发射型电子源，后者是具有金属-氧化膜-半导体的层叠构造的平面型的电场发射型电子源。在这种电场发射型电子源中，为了提高电子的发射效率(即，为了发射更多的电子)，需要使绝缘膜和氧化膜的厚度变薄。但是，若使绝缘膜和氧化膜的厚度过薄，当在层叠构造的上下电极间施加电压时，存在引起绝缘破坏的危险。因此，在绝缘膜和氧化膜的厚度的降低上受到制约。由于必须防止这样的绝缘破坏，就不能那样提高电子的发出效率(导出效率)。
而且，近年来，如日本专利公开公报特开平8-250766号公报所公开的那样，提出了这样的电场发射型电子源(半导体冷电子放出器件)为了提高电子的发出效率，通过对硅基板等的单晶半导体基板的一个表面进行阳极氧化，来形成多孔质半导体层(多孔质硅层)，在该多孔质半导体层上形成金属薄膜，通过在半导体基板与金属薄膜之间施加电压，来发射电子。
但是，在特开平8-250766号公报所公开的电场发射型电子源中，由于基板限于半导体基板，而难于谋求其大面积化和成本降低。而且，在该电场发射型电子源中，当电子放出时，容易发生所谓电子跳动现象，在放出电子量上容易发生不稳。因此，当把其用于平面发光装置和显示器等中时，存在产生发光不稳的缺陷。
因此，本申请的发明人，在日本专利申请特愿平10-272340号(专利第2966842)和特愿平10-272342号(专利第2987140)中，提出了这样的电场发射型电子源使用快速热氧化法来氧化多孔质多晶硅层，由此，在导电性基板与金属薄膜之间，形成从导电性基板所注入的电子进行漂移的强电场漂移层。
例如，如
图16所示的那样，在电场发射型电子源(以下简称为「电子源」)10’中设置作为导电性基板的n型硅基板1。在n型硅基板1的主表面侧形成由氧化的多孔质多晶硅层组成的强电场漂移层(以下简称为「漂移层」)6。在漂移层6上形成由金属薄膜组成的表面电极7。而且，在n型硅基板1的内面形成欧姆电极2。
如图17所示的那样，在图16所示的电子源10’中，在真空中配置表面电极7，另一方面，对着表面电极7配置集电极电极21。而且，在表面电极7与n型硅基板1(欧姆电极2)之间施加直流电压Vps，以使表面电极7相对于n型硅基板1成为正电位。另一方面，在集电极电极21与表面电极7之间施加直流电压Vc，以使集电极电极21相对于表面电极7成为正电位。这样，从n型硅基板1注入漂移层6的电子使漂移层6漂移，通过表面电极7而放出(图17中的点划线表示通过表面电极7而放出的电子e-的流)。因此，希望用功函数较小的材料来形成表面电极7。
在此，把在表面电极7与欧姆电极2之间流过的电流称为二极管电流Ips。另一方面，把在集电极电极21与表面电极7之间流过的电流称为放出电子电流Ie。放出电子电流Ie对二极管电流Ips的比率(Ie／Ips)越大，电子放出效率越高。在该电子源10’中，即使在表面电极7与欧姆电极2之间所施加的直流电压Vps为10～20V程度的低电压，也能使电子放出。
在该电子源10’中，电子放出特性对真空度的依赖性较小。而且，在电子放出时，不会发生间歇现象。因此，能够稳定地以较高的电子放出效率放出电子。
如图18所示的那样，考虑漂移层6至少包含柱状的多晶硅51(晶粒)、薄的硅氧化膜52、纳米数量级的微晶硅层63、作为绝缘膜的硅氧化膜64。薄的硅氧化膜52形成在多晶硅51的表面上。微晶硅层63插在多晶硅51之间。硅氧化膜64具有小于该微晶硅层63的结晶粒径的厚度，形成在微晶硅层63的表面上。
即，漂移层6可以是各个晶粒的表面是多孔质的，在各个晶粒的中心部分，维持结晶状态。因此，施加在漂移层6上的电场几乎不会波及硅氧化膜64。其结果，所注入的电子通过与硅氧化膜64相关的强电场被加速，在多晶硅51之间，向着表面沿着图10中的箭头A的方向(向着图10中的上方向)漂移。这样，能够提高电子放出效率。而且，到达漂移层6的表面的电子是热电子，容易隧道贯穿表面电极7而放出到真空中。表面电极7的厚度被设定为10nm至15nm程度。
因此，作为导电性基板，可以使用在玻璃基板等绝缘性基板上形成例如由ITO膜组成的导电性层的基板，来取代n型硅基板1等半导体基板。在此情况下，能够扩大了电子源的面积，而降低成本。
图19表示使用通过由玻璃基板组成的绝缘性基板11和由形成在该绝缘性基板11上的ITO膜组成的导电性层8所构成的导电性基板的电子源10”。如图19所示的那样，在电子源10”中，在绝缘性基板11上形成例如由ITO膜组成的导电性层8。在导电性层8上形成漂移层6。在漂移层6上形成由金属薄膜构成的表面电极7。其中，漂移层6这样形成在把非掺杂的多晶硅层堆积到导电性层8上之后，通过阳极氧化处理来使该多晶硅层成为多孔质的，接着，通过快速加热法进行氧化或者氮化。
即使在该电子源10”中，通过与图17所示的电子源10’的情况相同的方法，从导电性层8被注入到漂移层6中的电子漂移过漂移层6，通过表面电极7而放出。在此情况下，即使在表面电极7与导电性层8之间所施加的直流电压Vps为10～20V程度的低电压，也能使电子放出。
在使用上述绝缘性基板11的电子源10”中，漂移层6这样形成在把非掺杂的多晶硅层堆积到导电性层8上之后，通过阳极氧化处理来使该多晶硅层成为多孔质的，接着，通过快速加热法进行氧化。此时，由于氧化温度是比较的高温(800℃至900℃的温度范围)，不得不使用昂贵的石英玻璃作为绝缘性基板11。因此，存在妨碍扩大电子源10”的面积或者降低成本的缺陷。作为解决该缺陷的措施(即，谋求处理的低温化的措施)，考虑对多孔质化的多晶硅层进行氧化的方法。例如，考虑用酸进行氧化的方法和在包含氧和臭氧的至少一方的气体气氛中照射紫外线来进行氧化的方法。通过使用这样的方法，能够使用耐热温度低于石英玻璃基板并且价格比石英玻璃基板便宜的玻璃基板(例如，无碱玻璃基板、低碱玻璃基板、苏打石灰玻璃基板等)，作为绝缘性基板11。
而且，在上述各个电子源10’，电子源10”中，非掺杂的多晶硅层的全部都被多孔质化，但是，也可以仅使一部分多孔质化。
但是，在利用绝缘性基板11的电子源10”中，在制造工序中，当把非掺杂的多晶硅层堆积到由ITO膜组成的导电性层8上时，在与导电性层8的界面附近形成高电阻的非晶硅层。由此，在导电性层8与漂移层6之间或者与漂移层6中的导电性层8的界面附近，剩余高电阻的非晶硅层。其结果，当流过二极管电流Ips时，引起非晶硅层中的电压降低，施加在漂移层6上的电压降低了。这样，用于得到所希望的放出电子电流(发射电流)Ie的直流电压Vps变高，存在电子放出效率降低的缺陷。而且，通过在非晶硅层中存在电压下降，非晶硅层发热，而存在有损于热的稳定性的缺陷。而且，由于在导电性层8与非晶硅层之间存在肖特基势垒，而存在由于肖特基势垒产生电压下降的缺陷。
而且，在使用上述绝缘性基板11的电子源10”中，高电阻的非晶硅层的膜厚在面内存在偏差，因此，在面内电势存在偏差。因此，随由阳极氧化处理所产生的多孔质化的程度，产生面内偏差。因此，存在在面内的电子放出量上产生偏差的缺陷。
而且，由于在漂移层6中残存高电阻的非晶层，则例如图20所示的那样，在漂移层6中形成膜厚比较厚的非晶层6a。在此情况下，漂移层6的电阻变高，流过漂移层6的电流变小。因此，与利用上述n型硅基板1的电子源10’相比，存在电子放出量降低的缺陷。在图20中，6c表示漂移层6中的非晶层6a以外的结晶层。
通过断面TEM来观察使用绝缘性基板11的电子源10”的断面，如图21所示的那样，非晶层6a的厚度是不均匀的。在漂移层6中，如上述那样，在形成在微晶硅层63的表面上的硅氧化膜64中，电场变得最强。因此，如图21所示的那样，当非晶层6a的厚度是不均匀的时，在漂移层6的各区域中的电场强度上产生偏差。因此，不能从表面电极7的整个表面一致地放出电子。这样，在从表面电极7所放出的电子的能量上，存在由场所所产生的分布的缺陷。
为了解决上述现有的问题，本发明的一个目的是提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源(电场发射型电子源)及其制造方法。另一个目的是提供电子放出量高并且成本低的电子源。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方案，提供一种电子源，(i)包含基板；形成在基板的一个表面上的导电性层；形成在导电性层上的半导体层；由形成在该半导体层的表面侧的氧化或氮化多孔质半导体层所组成的漂移层(强电场漂移层)；形成在漂移层上的表面电极，(ii)施加电压，以使表面电极相对于导电性层成为正极，由此，从导电性层所注入的电子漂移过漂移层，通过表面电极而放出，其特征在于，(iii)半导体层由使用使电阻降低的装置的低电阻半导体或者通过使电阻降低的工序所形成的低电阻的半导体所组成。
在该电子源中，在导电性层上形成低电阻的半导体结晶层，因此，由导电性层引起的肖特基势垒比现有技术的薄。因此，能够通过隧道贯穿而流过电流，能够减小肖特基势垒中的电压降低。这样，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的情况相比，电子放出效率变高。并且，热稳定性变高。
在上述电子源中，在厚度方向上，用能够抑制漂移层中的非晶的形成的导电性材料来形成导电性层的至少漂移层侧的部分，由此，使半导体层的电阻降低。在此情况下，能够减少漂移层中包含的非晶层。因此，能够降低成本并且提高电子放出量。
在上述电子源中，导电性层由在厚度方向层叠的至少2层导电性膜组成，最上层的导电性膜具有在漂移层的形成温度附近的温度下易于与上述半导体反应的性质。在此情况下，通过适当地选择除最上层之外的导电性膜的材料，能够减小导电性层的电阻值。
在上述电子源中，最上层的导电性膜由Al或者Ni或者以它们为主要成分的合金所形成。在此情况下，能够以低成本形成最上层的导电性膜。而且，最上层的导电性膜的膜厚不超过50nm。在此情况下，能够减少从最上层的导电性膜向漂移层的扩散量。而且，能够抑制漂移层中的电子散射概率增大的情况。因此，能够抑制电子放出效率的降低。
在上述电子源中，最上层的导电性膜可以由比Al更难于向漂移层进行扩散的材料所形成。在此情况下，能够防止从最上层的导电性膜向漂移层的扩散，而提高耐热性和时效稳定性。
在上述电子源中，通过插在导电性层与半导体层之间的硅化物层，来降低半导体层的电阻。在此情况下，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的情况相比，肖特基势垒的高度变低。而且，电子放出效率变高，并且，热稳定性变高。因此，能够防止从导电性层向半导体结晶层的导电性层的构成元素的扩散。而且，能够抑制由扩散所产生的合金化等。这样，进一步提高了热稳定性。
在上述电子源中，用电阻互不相同的多层来形成半导体层，越是接近于导电性层的层，电阻越低，由此，可以降低半导体层的电阻。在此情况下，由于越是接近于导电性层的半导体层，电阻越低，而提高了电子放出效率。
在上述电子源中，使半导体层形成电阻连续变化的构造，越是接近于导电性层的部分，电阻越低，由此，能够降低半导体层的电阻。在此情况下，由于越是接近于导电性层，电阻越低，而提高了电子放出效率。
在上述电子源中，低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，通过加热使其结晶化。并且，低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，通过热退火进行加热，使其结晶化。低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，通过激光退火进行加热，使其结晶化。
在上述电子源中，低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，使用氢进行加热来使其结晶化。低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，通过氢等离子体照射来使其结晶化。并且，低电阻的半导体层可以这样形成在形成非晶半导体层之后，通过氢离子照射来使其结晶化。
在上述电子源中，非晶半导体层是掺杂的低电阻的非晶半导体层。
在上述电子源中，通过添加杂质，可以降低半导体层的电阻。
在上述电子源中，可以在通过添加杂质所形成的低电阻的半导体层上形成另一个半导体层。可以在通过离子注入来添加杂质所形成的低电阻的半导体层上形成另一个半导体层。而且，可以在通过杂质扩散来添加杂质所形成的低电阻的半导体层上形成另一个半导体层。
在上述电子源中，可以在半导体层形成之后、在多孔质半导体层形成之后、在强电场漂移层形成之后、在表面电极形成之后的至少之一中，进行热处理。
在上述电子源中，漂移层包括与基板的主表面大致正交排列的柱状半导体结晶；位于该半导体结晶之间的纳米数量级的半导体微晶；形成在该半导体微晶的表面上并且具有小于该半导体微晶的结晶粒径的厚度的绝缘膜。在此情况下，在漂移层中，从导电性层所注入的电子不会与半导体微晶冲突，被加在绝缘膜上的电场进行加速而漂移。在此，在漂移层中产生的热通过柱状半导体结晶来进行散热。因此，在电子放出时，不会产生间歇现象，能够以高效率放出电子。
在上述电子源中，半导体层可以是多晶半导体。在此情况下，容易增大电子源的面积。
该多晶半导体可以由通过600℃以下的低温处理所形成的半导体材料组成。在此情况下，可以使用比石英玻璃基板便宜的无碱玻璃基板作为绝缘性基板。因此，能够降低成本。而且，能够进一步增大电子源的面积。而且，通过多晶半导体的形成温度，与低碱玻璃基板、苏打石灰玻璃基板等无碱玻璃基板相比，可以使用耐热温度较低的玻璃基板。
在上述电子源中，半导体可以是硅。在此情况下，可以使用硅处理。因此，例如，在用于显示器等的电子源的情况下，能够细微化或者高精度化导电性层的图形。
在上述电子源中，导电性层可以是金属。在此情况下，能够容易地降低导电性层的电阻。在上述电子源中，基板可以是具有500℃以上的耐热性的玻璃基板。
根据本发明的另一个方案，提供一种电子源的制造方法，(ⅰ)包含基板；形成在基板的一个表面上的导电性层；形成在导电性层上的半导体结晶层；由形成在该半导体结晶层的表面侧的氧化或氮化多孔质半导体层所组成的漂移层；形成在漂移层上的表面电极，(ⅱ)通过施加电压，以使表面电极相对于导电性层成为正极，由此，从导电性层所注入的电子漂移过漂移层，通过表面电极而放出，(ⅲ)半导体结晶层由使用使电阻降低的装置的低电阻的半导体或者通过使电阻降低的工序所形成的低电阻的半导体所组成。该方法包括以下步骤(ⅳ)在基板上形成导电性层；(ⅴ)在导电性层上形成非晶半导体层之后，使该非晶半导体层结晶化，由此，形成半导体结晶层；(ⅵ)在半导体结晶层上形成半导体层之后，使该半导体层的至少一部分多孔质化，由此，形成多孔质半导体层；(ⅶ)通过对多孔质半导体层进行氧化或者氮化，来形成漂移层；(ⅷ)在漂移层上形成表面电极。其中，非晶半导体层例如通过加热被多晶化。
在该制造方法中，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的电子源相比，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
加热可以通过热退火或者激光退火来进行。在此情况下，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的电子源相比，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
在上述制造方法中，非晶半导体层可以通过使用氢的加热进行结晶。非晶半导体层可以通过照射氢等离子体进行结晶。非晶半导体层可以通过照射氢离子进行结晶。在此情况下，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的电子源相比，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
在上述制造方法中，非晶半导体层是掺杂的低电阻的非晶半导体层。在此情况下，能够良好地控制非晶半导体层的电阻。其结果，能够良好地降低低电阻的半导体结晶层的电阻。
取代上述制造方法中的(ⅴ)在导电性层上形成非晶半导体层之后，使该非晶半导体层结晶化，由此，形成半导体结晶层的步骤，可以设置(ⅸ)在导电性层上形成掺杂的半导体结晶层的步骤。在此情况下，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的电子源相比，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
其中，半导体结晶层可以通过用离子注入或者杂质扩散来添加杂质而形成。在此情况下，与在导电性层上形成高电阻的非晶半导体层的电子源相比，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
在上述制造方法中，可以在半导体结晶层形成之后、在半导体层形成之后、在多孔质半导体层形成之后、在强电场漂移层形成之后、在表面电极形成之后的至少之一中，进行热处理。在此情况下，能够降低或者消除在导电性层和半导体结晶层上所形成的肖特基势垒。因此，能够提供电子放出效率高并且热稳定性高的电子源。
本发明将通过下面的详细说明以及附图而得到充分理解。
图1是本发明的实施例1所涉及的电子源的立面截面图；图1A-2E是图1所示的电子源的制造过程的主要工序中的中间体或者产品的立面截面图；图2是说明图1所示的电子源的电子放出动作的图；图3是本发明的实施例2所涉及的电子源的立面截面图；图4是本发明的实施例3所涉及的电子源的立面截面图；图5A-6E是图5所示的电子源的制造过程的主要工序中的中间体或者产品的立面截面图；图6是本发明的实施例4所涉及的电子源的立面截面图；图7是本发明的实施例5所涉及的电子源的立面截面图；图8是图8所示的电子源的透视图；图9是图8所示的电子源的主要部分的立面截面图；图10是本发明的实施例4所涉及的电子源的变形例的主要部分的立面截面图；图11A-12E是图8所示的电子源的制造过程的主要工序中的中间体或者产品的立面截面图；图12是说明图8所示的电子源的电子放出动作的图；图13是表示图8所示的电子源的电子放出特性的曲线图；图14是根据图14所示的曲线图所涉及的数据来表示Fowler-Nordheim块的曲线图；图15是现有的电子源的立面截面图；图16是说明图16所示的电子源的电子放出动作的图；图17是说明图16所示的电子源中的电子放出机构的原理的图；图18是另一个现有的电子源的立面截面图；图19是图19所示的电子源的主要部分的立面截面图；图20是图19所示的电子源的主要部分的另一个立面截面图。
本申请是根据在日本申请的特愿平11-295959、特愿2000-016388以及特愿2000-016394提出的，其内容在其中全面包括。
(实施例1)如图1所示的那样，实施例1所涉及的电子源10(电场发射型电子源)包括由玻璃基板(例如，无碱玻璃基板)组成的绝缘性基板11。在绝缘性基板11的一个表面上形成由钨组成的导电性层8。在导电性层8上形成成为半导体结晶层的n型多晶硅层9。在n型多晶硅层9上形成非掺杂的多晶硅层3。在多晶硅层3上形成由氧化的多孔质多晶硅层组成的漂移层6(强电场漂移层)。在漂移层6上形成表面电极7。而且，并不一定设置非掺杂的多晶硅层3。可以在n型多晶硅层9上形成漂移层6。
实施例1所涉及的电子源10具有以下特征即，不在导电性层8上形成非晶硅层，而形成低电阻的n型多晶硅层9。而且，在n型多晶硅层9的主表面侧形成漂移层6。
这样，在实施例1所涉及的电子源10中，在导电性层8上形成成为低电阻的半导体结晶层的n型多晶硅层9，因此，与在导电性层8上形成高电阻的非晶硅层的现有技术相比，由导电性层8引起的肖特基势垒变薄，因此，能够通过隧道贯穿来流过电流。因此，能够减小肖特基势垒中的电压降低。这样，与在导电性层8上形成高电阻的非晶硅层的现有技术相比，电子放出效率变高。并且，热稳定性变高。
而且，在实施例1中，导电性层8由作为金属的钨(W)所形成，但是，导电性层8的材料并不仅限于钨(W)。可以使用铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钼(Mo)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)、钴(Co)、锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)、钯(Pb)、钒(V)、镎(Nb)、锰(Mn)、铁(Fe)、钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)、硅(Si)等来取代钨。可以层叠从这些材料选择的多个。可以把上述材料中的多个合金化并堆积。而且，作为导电性层8，可以使用ITO、SnO2、ZnO等金属氧化物(透明电极)。在上述金属氧化物上适当选择上述W至Si中的各种金属材料进行层叠，或者，可以在上述金属氧化物上层叠上述金属材料的合金膜。
下面参照图2A～图2E来说明实施例1所涉及的电子源10的制造方法。
首先，在绝缘性基板11的一个主表面(图2A中的上表面)上，通过例如溅射法等来堆积由钨组成的导电性层8。接着，在导电性层8上，通过等离子CVD法等来一边掺入n型杂质一边堆积n型非晶硅层。然后，对n型非晶硅层进行加热来进行结晶化，由此，形成n型多晶硅层9，而得到图2A所示的构造。n型多晶硅层9可以这样形成在n型非晶硅层被堆积之后，通过退火来加热n型非晶硅层，而进行结晶化。也可以这样形成在n型非晶硅层被堆积之后，通过激光退火来加热n型非晶硅层，而进行结晶化。也可以这样形成在n型非晶硅层被堆积之后，对n型非晶硅层施加使用氢的热处理，来进行结晶化。而且，也可以这样形成在n型非晶硅层被堆积之后，通过照射氢等离子体来使n型非晶硅层结晶化。也可以这样形成在n型非晶硅层被堆积之后，通过照射氢离子来使n型非晶硅层结晶化。可以在导电性层8上直接堆积掺杂的低电阻的n型多晶硅层9，以取代堆积n型非晶硅层。在导电性层8上不形成非晶硅层这样的堆积条件下，在非掺杂的多晶硅层被堆积之后，通过在多晶硅层中离子注入杂质，来形成n型多晶硅层9。在导电性层8上不形成非晶硅层这样的堆积条件下，在非掺杂的多晶硅层被堆积之后，通过在多晶硅层中扩散杂质，来形成n型多晶硅层9。
在n型多晶硅层9形成之后，用例如等离子CVD法形成预定厚度(例如1．5μm)的非掺杂的多晶硅层3，由此，得到图2所示的构造。其中，非掺杂的多晶硅层3通过等离子CVD法进行堆积，因此，能够在600℃以下(100℃～600℃)的低温处理中形成。而且，非掺杂的多晶硅层3的形成方法并不仅限于等离子CVD法。也可以通过触媒CVD法来形成。通过触媒CVD法，也可以在600℃以下的低温处理中形成多晶硅层3。
在非掺杂的多晶硅层3形成之后，使用放入了由把55wt％的氟化氢水溶液和乙醇以大致1∶1进行混合的混合液组成的电解液的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，一边对多晶硅层3进行光照射一边在预定的条件下进行阳极氧化处理。由此，多晶硅层3被多孔质化到预定深度，而形成多孔质多晶硅层4，而得到图2C所示的构造。在实施例1中，当进行阳极氧化处理时，在阳极氧化处理期间内，照射到多晶硅层3表面上的光功率和电流密度是一定的。但是，该条件也可以适当变化(例如，可以使电流密度变化)。在实施例1中，多晶硅层3的一部分被多孔质化，但是，也可以使多晶硅层3的全部被多孔质化(即，可以在n型多晶硅层9上形成多孔质多晶硅层4)。
在阳极氧化处理之后，从阳极氧化处理槽中除去电解液。接着，在阳极氧化处理槽中放入新的酸(例如，大致10％稀硝酸，大致10％稀硫酸，王水等)。然后，使用放入了酸的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，流过恒定电流，来氧化多孔质多晶硅层4，由此，形成漂移层6，而得到图2D所示的构造。
在漂移层6形成之后，在漂移层6上通过例如蒸镀形成由导电性薄膜(例如金薄膜)组成的表面电极7，而得到图2E所示的构造的电子源10。在实施例1中，表面电极7的厚度为15nm，但是，其厚度并不仅限于此。可以是通过漂移层6的电子能够穿过的厚度。而且，在实施例1中，虽然是通过蒸镀来形成作为表面电极7的导电性薄膜，但是，导电性薄膜的形成方法并不仅限于蒸镀，也可以使用例如溅射法。
根据上述制造方法，而得到电子放出效率高并且热稳定性高的电子源10。而且，用等离子CVD法等低温处理来形成多晶硅层3。用酸来氧化多孔质多晶硅层4。并且，通过蒸镀法、溅射法等形成表面电极7。在比较低的温度下形成n型多晶硅层。因此，能够在600℃以下的低温处理中制造电子源10。因此，作为绝缘性基板11，可以使用比石英玻璃基板便宜的无碱玻璃基板。其结果，其制造成本降低，能够进一步增大其面积。而且，通过多晶硅层3的形成温度，与低碱玻璃基板、苏打石灰玻璃基板等无碱玻璃基板相比，能够使用耐热温度较低的玻璃基板。
由上述方法所制造的电子源10，与特愿平10-272340号或者特愿平10-272342号所揭示的电子源相同，电子放出特性的真空度依赖性较低。并且，在电子放出时不会发生间歇现象。因此，能够稳定地放出电子。
漂移层6，与现有例子相同，如图18所示的那样，至少由柱状的多晶硅51、薄的硅氧化膜52、微晶硅层63、硅氧化膜64所构成。即，在漂移层6中，各个晶粒的表面被多孔质化，在各个晶粒的中心部分维持结晶状态。
在上述制造方法中，多孔质多晶硅层4被酸所氧化。但是，也可以通过在例如至少包含氧和臭氧中的一方的气氛中照射紫外线来进行氧化。在此情况下，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。该温度可以高于600℃。但是，由于可以使用廉价的玻璃基板作为绝缘性基板11，因此，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。在使用硅基板和石英玻璃基板作为基板的情况下，多孔质多晶硅层4可以通过快速加热法(例如，RTO法等)进行氧化。
实施例1所涉及的电子源10的基本动作与图17所示的现有的相同。如图3所示的那样，表面电极7被放置在真空中，另一方面，对着表面电极7放置集电极电极21。接着，在表面电极7与n型硅基板1(欧姆电极2)之间施加直流电压Vps，以使表面电极7相对于n型硅基板1成为正电位。另一方面，在集电极电极21与表面电极7之间施加直流电压Vc，以使集电极电极21相对于表面电极7成为正电位。这样，从n型硅基板1注入到漂移层6中的电子漂移过漂移层6，通过表面电极7被放出(图3中的点划线表示通过表面电极7而放出的电子e-的流)。在实施例1所涉及的电子源10中，与现有的构成相同，即使施加在表面电极7与导电性层8之间的直流电压Vps是10～20V程度的低电压，也能够使电子放出。
在实施例1中，漂移层6由氧化的多孔质多晶硅所构成。但是，漂移层6也可以由氮化的多孔质多晶硅或者其他的氧化或者氮化的多孔质多晶半导体层所构成。并且，n型多晶硅层9为在厚度方向上层叠了电阻(杂质浓度)各不相同的n型多晶硅层的多层构造，可以构成为越是接近于导电性层8的n型多晶硅层，电阻越小。n型多晶硅层9也可以是电阻(杂质浓度)在厚度方向上连续变化的越是接近于导电性层8电阻越小的层。在实施例1中，使用n型多晶硅层9作为低电阻的半导体结晶层。但是，可以使用p型多晶硅层来取代n型多晶硅层9。
在成为半导体结晶层的n型多晶硅层9、成为结晶半导体层的多晶硅层3、多孔质多晶硅层4、漂移层6或者表面电极7形成之后，至少进行一次热处理(600℃以下)，由此，能够降低或者除去在导电性层8和n型多晶硅层9中所形成的肖特基势垒。由此，能够得到电子放出效率高并且热稳定性高的电子源10。
(实施例2)实施例2所涉及的电子源的基本构成与实施例1的情况大致阳同。但是，如图4所示的那样，在使用p型硅基板12作为基板这点和通过n型硅层来形成导电性层8这点上是不同的。即，在实施例2中，使用p型硅基板12取代实施例1中的绝缘性基板11。因此，可以通过n型硅层来形成导电性层8，能够对导电性层8和n型多晶硅层9进行晶格整合。而且，对于与实施例1相同的构成部件，使用相同的标号，而省略其说明。
在实施例2所涉及的电子源10中，与实施例1的情况相同，电子放出效率高，并且，热稳定性高。实施例2所涉及的电子源10的制造方法大致与实施例1所涉及的制造方法相同。但是，导电性层8的形成方法不同。在实施例2中，使用p型硅基板12作为基板，因此，导电性层8可以通过例如外延生成法、离子注入法、扩散法等来形成。
(实施例3)如图5所示的那样，在实施例3所涉及的电子源10中，在由玻璃基板(例如，无碱玻璃基板)组成的绝缘性基板11的一个表面上形成由钨组成的导电性层8。在导电性层8上形成由WSi2组成的硅化物层19。在硅化物层19上形成非参杂的多晶硅层3。在多晶硅层3上形成氧化的多孔质多晶硅组成的漂移层6。在漂移层6上形成表面电极7。而且，非掺杂的多晶硅层3不一定必须设置。在硅化物层19上可以形成漂移层6。
实施例3所涉及的电子源10具有这样的特征在导电性层8上形成硅化物层19，在硅化物层19的主表面侧形成漂移层6。
这样，在实施例3中，由于在导电性层8上形成低电阻的硅化物层19，与现有技术那样在导电性层8上形成高电阻的非晶硅层的情况相比，能够降低在界面上发生的肖特基势垒的高度。由此，流过漂移层6的电流变大(即，二极管电流Ips变大)。其结果，电子放出效率变高。并且，发热量变少，热稳定性变高。而且，由于在导电性层8上形成硅化物层19，而能够防止从导电性层8向多晶硅层3和漂移层6的导电性层8的构成元素的扩散。由此，能够进一步提高热稳定性。其中，在导电性层8和硅化物层19之间几乎不存在肖特基势垒。在硅化物层19与多晶硅层3之间存在肖特基势垒。但是，肖特基势垒的高度低于当未设置硅化物层19时在导电性层8与多晶硅层3之间所形成的肖特基势垒的高度。因此，使肖特基势垒中的电压下降降低。
在实施例3中，导电性层8由作为金属的钨(W)所形成，但是，导电性层8的材料并不仅限于钨(W)。可以使用铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钼(Mo)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)、钴(Co)、锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)、钯(Pb)、钒(V)、镎(Nb)、锰(Mn)、铁(Fe)、钌(Ru)、铑(Rh)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)、硅(Si)等来取代钨。可以对上述材料中的多个进行合金并堆积。而且，作为导电性层8，可以使用ITO、SnO2、ZnO等金属氧化物(透明电极)。在上述金属氧化物上适当选择上述W至Si中的各种金属材料进行层叠，或者，可以在上述金属氧化物上层叠上述金属材料的合金膜。
下面参照图6A～图6E来说明实施例3所涉及的电子源10的制造方法。
首先，在绝缘性基板11的一个主表面(图6A中的上表面)上，通过例如溅射法等来堆积由钨组成的导电性层8。接着，在导电性层8上，通过溅射法等形成由WSi2组成的硅化物层19，而得到图6A所示的构造。
在硅化物层19形成之后，通过例如等离子CVD法形成预定厚度(例如，1．5μm)的非掺杂的多晶硅层3，而得到图6B所示的构造。由于非掺杂的多晶硅层3通过等离子CVD法进行堆积，而能够在600℃以下(100℃～600℃)的低温处理中形成。非掺杂的多晶硅层3的形成方法并不仅限于等离子CVD法。也可以通过触媒CVD法来形成。在触媒CVD法中，多晶硅层3可以在600℃以下的低温处理中形成。由于硅化物层19被形成，当非掺杂的多晶硅层3被堆积时，硅化物层19的金属元素作为触媒而工作。接着，通过降低结晶温度，能够促进结晶。而且，能够降低非晶硅层。因此，能够在硅化物层19中形成结晶化的非掺杂的多晶硅层3。这样，能够降低在界面上的电压下降。
在非掺杂的多晶硅层3形成之后，使用放入了由把55wt％的氟化氢水溶液和乙醇以大致1∶1 进行混合的混合液组成的电解液的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，一边对多晶硅层3进行光照射一边在预定的条件下进行阳极氧化处理。由此，多晶硅层3被多孔质化到预定深度，而形成多孔质多晶硅层4，而得到图6C所示的构造。在实施例3的阳极氧化处理中，在阳极氧化处理期间内，照射到多晶硅层3表面上的光功率和电流密度是一定的。但是，该条件也可以适当变化(例如，可以使电流密度变化)。在实施例3中，多晶硅层3的一部分被多孔质化，但是，也可以使多晶硅层3的全部被多孔质化(即，可以在硅化物层19上形成多孔质多晶硅层4)。而且，可以多孔质化到硅化物层19内。
在阳极氧化处理之后，从阳极氧化处理槽中除去电解液。接着，在阳极氧化处理槽中放入新的酸(例如，大致10％稀硝酸，大致10％稀硫酸，王水等)。然后，使用放入了酸的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，流过恒定电流，来氧化多孔质多晶硅层4，由此，形成漂移层6，而得到图6D所示的构造。
在漂移层6形成之后，在漂移层6上通过例如蒸镀形成由导电性薄膜(例如金薄膜)组成的表面电极7，而得到图6E所示的构造的电子源10。在实施例3中，表面电极7的厚度为15nm，但是，其厚度并不仅限于此。可以是通过漂移层6的电子能够穿过的厚度。而且，在实施例3中，虽然是通过蒸镀来形成作为表面电极7的导电性薄膜，但是，导电性薄膜的形成方法并不仅限于蒸镀，也可以使用例如溅射法。
根据上述制造方法，而得到电子放出效率高并且热稳定性高的电子源10。而且，用等离子CVD法等低温处理来形成多晶硅层3。用酸来氧化多孔质多晶硅层4。并且，通过蒸镀法、溅射法等形成表面电极7。而且，在比较低的温度下形成硅化物层19。因此，能够在600℃以下的低温处理中制造电子源10。因此，作为绝缘性基板11，可以使用比石英玻璃基板便宜的无碱玻璃基板。由此，能够降低制造成本，并且，能够进一步增大其面积。而且，通过多晶硅层3的形成温度，与低碱玻璃基板、苏打石灰玻璃基板等无碱玻璃基板相比，能够使用耐热温度较低的玻璃基板。
由上述方法所制造的电子源10，与实施例1或者2所涉及的电子源相同，电子放出特性对真空度的依赖性较低。并且，在电子放出时不会发生间歇现象。因此，能够稳定地放出电子。
漂移层6，与现有例子相同，如图18所示的那样，至少由柱状的多晶硅51、薄的硅氧化膜52、微晶硅层63、硅氧化膜64所构成。即，在漂移层6中，各个晶粒的表面被多孔质化，在各个晶粒的中心部分维持结晶状态。
在上述制造方法中，多孔质多晶硅层4被酸所氧化。但是，也可以通过在例如至少包含氧和臭氧中的一方的气氛中照射紫外线来进行氧化。在此情况下，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。该温度可以高于600℃。但是，由于可以使用廉价的玻璃基板作为绝缘性基板11，因此，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。但是，在使用硅基板和石英玻璃基板作为基板的情况下，多孔质多晶硅层4可以通过快速加热法(例如，RTO法等)进行氧化。
实施例3所涉及的电子源10的基本动作与图3所示的实施例1相同。从导电性层8注入到漂移层6中的电子漂移过漂移层6，通过表面电极7被放出。在实施例3所涉及的电子源10中，即使使施加在表面电极7与导电性层8之间的直流电压Vps为10～20V程度的低电压，也能够使电子放出。
在实施例3中，漂移层6由氧化的多孔质多晶硅所构成。但是，漂移层6也可以由氮化的多孔质多晶硅或者其他的氧化或者氮化的多孔质多晶半导体层所构成。并且，硅化物层19并不仅限于WSi2，也可以是金属元素和Si的金属化合物。作为金属元素，除了W之外，可以使用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ni、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt等。而且，硅化物层19可以是硅化物膜的多层构造。
(实施例4)实施例4所涉及的电子源10的基本构成与实施例3的情况大致相同。但是，如图7所示的那样，在以下这点上不同在硅化物层19上形成成为低电阻的半导体结晶层的n型多晶硅层9，另一方面，在n型多晶硅层9上形成多晶硅层3。而且，对于与实施例3相同的构成部件，使用相同的标号，而省略其说明。
在实施例4所涉及的电子源10中，与实施例3的情况相同，电子放出效率高，并且，热稳定性高。在实施例4所涉及的电子源10中，具有这样的构成在实施例1中的导电性层8与n型多晶硅层9之间，设置硅化物层19。因此，能够防止从导电性层8向n型多晶硅层9的导电性层8的构成元素的扩散，而能够提高硅层9的结晶性。
实施例4所涉及的电子源10的制造方法大致与实施例3所涉及的制造方法大致相同。但是，增加了形成n型多晶硅层9的工序。n型多晶硅层9的形成方法可以采用实施例1中的任一种形成方法。可以使用p型多晶硅层来取代n型多晶硅层9。
在实施例1～4中，使用玻璃基板作为构成基板的绝缘性基板11，但是，绝缘性基板11并不仅限于玻璃基板。例如，可以使用在硅基板上形成绝缘膜(SiO、AIOx等氧化膜、SiN、BN、AINx等氮化膜)的基板和在金属基板上形成绝缘膜(氧化膜、氮化膜等)的基板。
(实施例5)如图8和图9所示的那样，实施例5所涉及的电子源10具有由玻璃基板(例如，无碱玻璃基板)组成的绝缘性基板11。在绝缘性基板11的一个表面上形成由导电性材料组成的导电性层8。在导电性层8上形成由氧化的多孔质多晶硅组成的漂移层6。在漂移层6上形成表面电极7。
在实施例5中，导电性层8由在厚度方向层叠的两层的导电性膜8a、8b组成。上侧的导电性膜8b由在漂移层6的形成温度附近的温度(例如，从100℃至600℃的温度范围)下具有易于与硅发生反应的性质的导电性材料所形成。另一方面，下侧的导电性膜8a由具有难于与硅发生反应的性质的材料所形成。在实施例5中，在导电性层8的厚度方向上，至少漂移层6侧由能够抑制漂移层6中的非晶形成的导电性材料所形成。因此，如图10所示的那样，能够减少在漂移层6中所包含的非晶层6a(能够减小非晶层6a的膜厚)。这样，能够降低其成本，并且，提高其电子放出量。
在实施例5中，导电性层8由在厚度方向层叠的两层的导电性膜8a、8b组成，但是，也可以由在厚度方向层叠的3层以上的导电性膜所构成。在此情况下，最上层的导电性膜和最下层的导电性膜可以分别具有与上侧和下侧的导电性膜8b，8a相同的性质。
在实施例5中，上侧的导电性膜8b由铝(Al)所形成，下侧的导电性膜8a由电阻比铝小的铜(Cu)所形成(因此，导电性层8的电阳值变小)。但是，作为上侧的导电性膜8b的材料，可以使用镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铪(Hf)、钼(Mo)、钯(Pb)、铂(Pt)、铑(Rh)、钛(Ti)、钨(W)、锆(Zr)中的任一种来取代铝。而且，可以使用它们的氧化物、由它们多种组成的合金膜或者这些金属与Si的合金硅化物。作为下层的导电性膜8a的材料，可以使用铜、银、铝等低电阻材料(布线材料)。而且，可以使用铬、钛等与玻璃的粘接性高的材料。而且，可以多层堆积这些材料。
在使用铝作为上侧的导电性膜8b的材料的情况下，如图10所示的那样，非晶层6a的膜厚可以比现有技术的(参照图20)充分地薄。而且，非晶层6a的偏差变小(非晶层6a与结晶层6c的界面变得大致平坦)。因此，漂移层6在各个区域中的电场强度的偏差变小。其结果，能够从表面电极7的整个表面大致一致地放出电子。这样，在从表面电极7所放出的电子的能量上，不会产生随场所不同的分布。而且，在使用镍作为上侧的导电性膜8b的情况系，如图11所示的那样，漂移层6仅由结晶层6c构成，不形成非晶层6a。因此，与使用铝作为上侧的导电性膜8b的情况相比，提高了电子放出效率。
希望上侧的导电性膜8b更薄。如果其厚度为50nm以下，能够减小从上侧的导电性膜8b向漂移层6的金属元素的扩散量。因此，能够抑制漂移层6中的电子散乱概率增大的现象，能够抑制电子放出效率的降低。上侧的导电性膜8b的膜厚，考虑到上述金属元素的扩散，希望比漂移层6的厚度足够小。
下面参照图12A～图12E来说明实施例5所涉及的电子源10的制造方法。
首先，在绝缘性基板11的一个主表面(图12A中的上表面)上，形成下层的导电性膜8a。接着，在下层的导电性膜8a上形成上侧的导电性膜8b，而得到图12A所示的构造。
在由导电性膜8a和导电性膜8b组成的导电性层8形成之后，通过例如等离子CVD法形成预定厚度(例如，1．5μm)的非掺杂的多晶硅层3，而得到图12B所示的构造。其中，由于非掺杂的多晶硅层3通过等离子CVD法进行堆积，而能够在600℃以下(100℃～600℃)的低温处理中形成。非掺杂的多晶硅层3的形成方法并不仅限于等离子CVD法。也可以通过触媒CVD法来形成。在触媒CVD法中，多晶硅层3可以在600℃以下的低温处理中形成。
在非掺杂的多晶硅层3形成之后，使用放入了由把55wt％的氟化氢水溶液和乙醇以大致1∶1进行混合的混合液组成的电解液的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，一边对多晶硅层3进行光照射一边在预定的条件下进行阳极氧化处理。由此，形成多孔质多晶硅层4，而得到图12C所示的构造。在实施例5中，阳极氧化处理是，在阳极氧化处理期间内，照射到多晶硅层3表面上的光功率和电流密度是一定的。但是，该条件也可以适当变化(例如，可以使电流密度变化)。
在阳极氧化处理之后，从阳极氧化处理槽中除去电解液。接着，在阳极氧化处理槽中放入新的酸(例如，大致10％稀硝酸，大致10％稀硫酸，王水等)。然后，使用放入了酸的阳极氧化处理槽，把铂电极(未图示)作为负极，把导电性层8作为正极，流过恒定电流，来氧化多孔质多晶硅层4，由此，形成漂移层6，而得到图12D所示的构造。
在漂移层6形成之后，在漂移层6上通过例如蒸镀形成由导电性薄膜(例如金薄膜)组成的表面电极7，而得到图12E所示的构造的电子源10。在实施例5中，表面电极7的厚度为15nm，但是，其厚度并不仅限于此。可以是通过漂移层6的电子能够穿过的厚度。而且，在实施例5中，虽然是通过蒸镀来形成作为表面电极7的导电性薄膜，但是，导电性薄膜的形成方法并不仅限于蒸镀，也可以使用例如溅射法。
根据上述制造方法，用等离子CVD法等低温处理来形成多晶硅层3。用酸来氧化多孔质多晶硅层4。并且，通过蒸镀法、溅射法等形成表面电极7。而且，能够在600℃以下的低温处理中制造电子源10。因此，作为绝缘性基板11，可以使用比石英玻璃基板便宜的无碱玻璃基板。由此，能够降低其成本，并且，能够进一步增大其面积。而且，通过多晶硅层3的形成温度，与低碱玻璃基板、苏打石灰玻璃基板等无碱玻璃基板相比，能够使用耐热温度较低的玻璃基板。而且，导电性层8的上侧的导电性膜8b用在多晶硅层3的形成温度下易于与硅(即，多晶硅层3的构成元素)发生反应的材料所形成。因此，能够抑制在多晶硅层3中形成非晶层的情况(即，在多晶硅层3的堆积初期过程中，能够抑制非晶层的形成)。其结果，能够防止漂移层6变得必要以上的高电阻(能够成为与使用现有的n型硅基板1的电场发射型电子源10’中的强电场漂移层6相同程度的电阻)。这样，能够提高电子放出效率。
由上述方法所制造的电子源10，与本申请的发明人提出的特愿平10-272340号或者特愿平10-272342号所揭示的电子源相同，电子放出特性的对真空度依赖性较低。并且，在电子放出时不会发生间歇现象。因此，能够稳定地放出电子。
在上述制造方法中，多孔质多晶硅层4被酸所氧化。但是，也可以通过在例如至少包含氧和臭氧中的一方的气氛中照射紫外线来进行氧化。在此情况下，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。该温度可以高于600℃。但是，由于可以使用廉价的玻璃基板作为绝缘性基板11，因此，希望在100℃至600℃的温度范围内进行氧化。之所以把上侧的导电性膜8b的厚度设定为不超过50nm，是因为以下原因如果上侧的导电性膜8b过厚，构成上侧的导电性膜8b的金属元素大量地扩散到多晶硅层3中。其结果，非掺杂的多晶硅层3成为硅化物。接着，由于该硅化物被多孔质化，即使形成漂移层6，也预想到增大了工作时的电子散乱概率，电子放出效率降低。上侧的导电性膜8b的厚度希望设定为向漂移层6的扩散量较少(仅扩散到漂移层6的导电性层8侧)，对电子放出效率的影响变小。
通过用难于从铝向多晶硅层3、多孔质多晶硅层4、漂移层6扩散(即，扩散焓较大)的材料来形成上侧的导电性膜8b，能够更有效地抑制制造时和工作时伴随着温度上升而产生的构成上侧的导电性膜8b的元素的扩散。铝的扩散焓是329kJ／mol(78．7kcal／mol)。作为扩散焓比铝大的材料，可以列举出Ni、Co、Cr、Hf、Mo、Pd、Pt、Rh、Ta、Ti、W、Zr以及它们的氧化物等。
实施例5所涉及的电子源10的基本动作与实施例3所示的实施例1的情况相同。例如，如图13所示的那样，从导电性层8注入漂移层6的电子漂移过漂移层6，通过表面电极7而放出。在实施例5所涉及的电子源10中，即使使施加在表面电极7与导电性层8之间的直流电压Vps为10～20V程度的低电压，也能够使电子放出。
在图14中表示出了用上述制造方法所制造的电子源10的电子放出特性。在图14中，横轴表示直流电压Vps，纵轴表示电流密度。图14中，A(○)表示当导电性层8为W／Ti构造(即，上侧的导电性膜8b是W，下层的导电性膜8a是Ti)时的二极管电流Ips。B(●)表示当导电性层8为W／Ti构造时的放出电子电流Ie。C(□)表示当导电性层8为Al-Si／W／Ti构造(即，上侧的导电性膜8b是Al-Si，下层的导电性膜8a是Ti)时的二极管电流Ips。D(■)表示当导电性层8为Al-Si／W／Ti构造时的放出电子电流Ie。E(△)表示当导电性层8为Ni／W／Ti构造(即，上侧的导电性膜8b是Ni，下层的导电性膜8a是Ti)时的二极管电流Ips。F(▲)表示当导电性层8为Ni／W／Ti构造时的放出电子电流Ie。
图15表示Fowler-Nordheim标绘与图14所示的放出电子电流Ie和上述直流电压Vps相关的数据的结果。图15中，H(■)是导电性层8为W／Ti构造时的数据。I(▲)是导电性层8为Al-Si／W／Ti构造时的数据。G(●)是导电性层8为Ni／W／Ti构造时的数据。阳极氧化处理的条件与导电性层8的性质无关，按以下这样设定即，电流密度为12．5mA／cm2。通电时间是6秒。由酸所产生的氧化条件与导电性层8的性质无关，按以下这样设定即，施加电压是20V。电流密度为12．5mA／cm2。上侧的导电性膜8b的厚度是50nm。特性测定时的直流电压Vc在100V下是恒定的。
根据图14，可以看出能够得到良好的放出电子电流Ie和电子放出效率(Ie／Ips)。
在实施例5中，漂移层6由氧化的多孔质多晶硅所构成。但是，漂移层6也可以用氮化的多孔质多晶硅或者其他的氧化或者氮化的多孔质多晶半导体层所构成。
虽然以上与特定的实施例相关连来说明了本发明，但是，应当知道，本领域的技术人员可以在不背离本发明的精神的条件下进行变化和变型，本发明不受这样的实施例所限定，应当由权利要求书限定。
权利要求
1．一种电场发射型电子源，包含基板；形成在基板的一个表面上的导电性层；形成在导电性层上的半导体层；由形成在该半导体层的表面侧的氧化或氮化多孔质半导体层所组成的强电场漂移层；形成在强电场漂移层上的表面电极，施加电压，以使表面电极相对于导电性层成为正极，由此，从导电性层所注入的电子漂移过强电场漂移层，通过表面电极而放出，其特征在于，上述半导体层由使用使电阻降低的装置的低电阻半导体或者通过使电阻降低的工序所形成的低电阻的半导体所组成。
2．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，在厚度方向上，用能够抑制强电场漂移层中的非晶的形成的导电性材料来形成导电性层的至少强电场漂移层侧的部分，由此，使上述半导体层的电阻降低。
3．根据权利要求2所述的电场发射型电子源，其特征在于，上述导电性层由在厚度方向层叠的至少2层导电性膜组成，最上层的导电性膜具有在强电场漂移层的形成温度附近的温度下易于与上述半导体反应的性质。
4．根据权利要求3所述的电场发射型电子源，其特征在于，最上层的导电性膜由Al或者Ni或者以它们为主要成分的合金所形成。
5．根据权利要求3所述的电场发射型电子源，其特征在于，最上层的导电性膜的膜厚不超过50nm。
6．根据权利要求3所述的电场发射型电子源，其特征在于，最上层的导电性膜由比Al更难于向强电场漂移层进行扩散的材料所形成。
7．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，通过插在导电性层与半导体层之间的硅化物层，来降低上述半导体层的电阻。
8．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，用电阻互不相同的多层来形成半导体层，越是接近于导电性层的层，电阻越低，由此，使上述半导体层的电阻降低。
9．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，使半导体层形成电阻连续变化的构造，越是接近于导电性层的部分，电阻越低，由此，使上述半导体层的电阻降低。
10．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，低电阻的半导体层这样形成在形成非晶半导体层之后，通过加热使其结晶化。
11．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，低电阻的半导体层这样形成在形成非晶半导体层之后，使用氢来使其结晶化。
12．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，低电阻的半导体层是掺杂的低电阻的非晶半导体层。
13．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，通过添加杂质，来降低上述半导体层的电阻。
14．根据权利要求13所述的电场发射型电子源，其特征在于，在通过添加杂质所形成的低电阻的半导体层上形成另一个半导体层。
15．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，在半导体层形成之后、在多孔质半导体层形成之后、在强电场漂移层形成之后、在表面电极形成之后的至少之一中，进行热处理。
16．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，强电场漂移层包括与基板的主表面大致正交排列的柱状半导体结晶；位于该半导体结晶之间的纳米数量级的半导体微晶；形成在该半导体微晶的表面上并且具有小于该半导体微晶的结晶粒径的厚度的绝缘膜。
17．根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，半导体层是多晶半导体。
18．根据权利要求17所述的电场发射型电子源，其特征在于，多晶半导体由可以通过600℃以下的低温处理所形成的半导体材料组成。根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，半导体是硅。根据权利要求1所述的电场发射型电子源，其特征在于，导电性层是金属。
19．一种电场发射型电子源的制造方法，包含基板；形成在基板的一个表面上的导电性层；形成在导电性层上的半导体结晶层；由形成在该半导体结晶层的表面侧的氧化或氮化多孔质半导体层所组成的强电场漂移层；形成在强电场漂移层上的表面电极，通过施加电压，以使表面电极相对于导电性层成为正极，由此，从导电性层所注入的电子漂移过强电场漂移层，通过表面电极而放出，上述半导体结晶层由使用使电阻降低的装置的低电阻的半导体或者通过使电阻降低的工序所形成的低电阻的半导体所组成，该方法包括以下步骤在基板上形成导电性层；在导电性层上形成非晶半导体层之后，使该非晶半导体层结晶化，由此，形成半导体结晶层；在半导体结晶层上形成半导体层之后，使该半导体层的至少一部分多孔质化，由此，形成多孔质半导体层；通过对多孔质半导体层进行氧化或者氮化，来形成强电场漂移层；在强电场漂移层上形成表面电极。
20．一种电场发射型电子源的制造方法，包含基板；形成在基板的一个表面上的导电性层；形成在导电性层上的半导体结晶层；由形成在该半导体结晶层的表面侧的氧化或氮化多孔质半导体层所组成的漂移层；形成在漂移层上的表面电极，通过施加电压，以使表面电极相对于导电性层成为正极，由此，从导电性层所注入的电子漂移过漂移层，通过表面电极而放出，上述半导体结晶层由使用使电阻降低的装置的低电阻的半导体或者通过使电阻降低的工序所形成的低电阻的半导体所组成，该方法包括以下步骤在基板上形成导电性层；在导电性层上形成掺杂的半导体结晶层；在半导体结晶层上形成半导体层之后，使该半导体层的至少一部分多孔质化，由此，形成多孔质半导体层；通过对多孔质半导体层进行氧化或者氮化，来形成强电场漂移层；在强电场漂移层上形成表面电极。
全文摘要
在由玻璃基板组成的绝缘性基板11的一个表面上形成导电性层8。在导电性层8上形成由氧化的多孔质多晶硅层组成的强电场漂移层6。在强电场漂移层6上形成表面电极7。导电性层8由形成在绝缘性基板11上的由铜组成的下侧的导电性膜8a和形成在该导电性膜8a上的由铝组成的上侧的导电性膜8b所构成。强电场漂移层6这样形成:在导电性层8上形成多晶硅层,把该多晶硅层进行多孔质化,然后,进行氧化。上侧的导电性膜8b具有易于与硅发生反应的性质,因此,在多晶硅层形成时能够抑制非晶层的形成。
文档编号H01J1/312GK1293441SQ00128588
公开日2001年5月2日 申请日期2000年10月18日 优先权日1999年10月18日
发明者本多由明, 栎原勉, 相泽浩一, 渡部祥文, 幡井崇, 菰田卓哉 申请人:松下电工株式会社