专利名称：场致发射型电子源及其制造方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及将物质功函数以上的电场加在物质表面并从物质表面发射电子的场致发射型电子源，特别涉及用两片电极夹住半导体材料、通过在两电极之间加上电压而发射电子的场致发射型电子源及其制造方法和用途。
以往，作为场致发射型电子源，有例如美国专利3665241号等揭示的被叫做所谓斯平特(Spindt)型电极。该斯平特型电极具有配置大量微小的三角锥状发射极片的基板、及相对于发射极片互相绝缘而设置的控制极层，控制极层具有使发射极片的尖端部分露出的发射孔，通过在真空中相对于控制极层将发射极片作为负极加上高电压，则通过发射孔从发射极片的尖端发射电子束。
但是，斯平特电极的问题在于，制造工艺复杂，同时很难高精度地构成大量的三角锥状发射极片，用于例如平面发光装置或显示器等时，其面积很难做得很大。另外，斯平特型电极，由于电场集中在发射极片的尖端，因此当发射极片尖端周围的真空度较低而存在残留气体时，由于发射的电子作用，残留气体电离为正离子，正离子则碰撞发射极片的尖端，使发射极片的尖端受到损伤(例如离子撞击造成的损伤)，产生发射的电子的电流密度及效率等不稳定、或发射极片寿命缩短等问题。因而，为了防止这种问题的发生，斯平特型电极必须在高真空(10-5Pa～10-6Pa)下使用，其缺点是成本高，操作麻烦。
为了改善这一缺点，提出了MIM(Metal Insulator Metal)方式或MOS(MetalOxide Semiconductor)型场致发射型电子源的方案，前者为具有金属-绝缘膜-金属的层叠构造的平面型场致发射型电子源，而后者为具有金属-氧化膜-半导体的层叠构造的平面型场致发射型电子源。但是，在这种类型的场致发射型电子源中，为了提高电子的发射效率(为了使更多的电子发射)，上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚必须做得很簿。但问题是，若上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚做得过薄。则恐怕在上述层叠构造的上下电极间加上电压时要引起绝缘破坏，为了防止这样的绝缘破坏，上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚要实现薄膜化就受到限制，因此不能够使电子发射效率(拉出效率)提得很高。
另外，近年来如特平平8-250766号公报揭示那样，提出了采用硅基板等单晶半导体基板构成场致发射型电子源的方案，它是利用对该半导体基板一个表面进行阳极氧化形成多孔半导体层(例如多孔硅层)，再在该多孔半导体层上形成金属薄膜，在半导体基板与金属薄膜之间加上电压就发射电子。另外，如特开平9-259795号公报揭示那样，提出了采用上述构成的场致发射型电子源的显示装置方案。在该装置中，当硅层为单晶时，从多孔硅层电子发射效率这一点来看，希望(100)方向沿垂直于表面取向。其理由可以这样推测，即因为(100)面硅层的纳为数量级内径的孔及硅结晶是沿垂直于表面取向的。
但是，对于前者的日本特开平8-250766号公报所公开的的场致发射型电子源，由于基板采用了半导体基板，因此问题在于很难实现大面积及低成本。另外，在前者的特开平8-250766号公报所述的构造及后者的日本特开平9-259795号公报所公开的构造中，电子发射时容易产生所谓的突发(popping)现象，容易使发射电子量产生不均匀。因此，若应用于平面发光装置或显示装置，就出现发光不均匀的问题。
本发明是鉴于上述原因而提出的，第1目的在于提供能抑制突发现象稳定高效发射电子的低成本的场致发射型电子源及其制造方法。另外，第2目的在于提供采用场致发射型电子源的、能够均匀发光的平面发光装置及显示装置。
因此，本发明者根据为达到上述目的而专心研究的结果及以往的前述日本特开平8-250766号公报所述的构造和日本特开平9-259795号公报所述的构造认为，由于硅层是单晶，而且整个单晶的半导体基板形成多孔状，因此隔热性好，一旦加上电压、有电流流过，基板温度就上升。另外，还得到这样的结论，即在该构造中，由于该温度上升，电子被热激励，又由于该温度上升造成半导体基板电阻下降，电子发射量增加，因此而使得电子发射时容易产生突发现象，容易使发射电子量产生不均匀。
根据上述结论，本发明提供的场致发射型电子源，其特征在于，具有导电性基板、在导电性基板一表面侧形成的具有纳米构造的氧化或氮化多孔多晶硅层、以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜，相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压，就通过金属薄膜发射电子束。
在本发明中，导电性基板构成场致发射型电子源的负极，同时具有在真空中支持多孔多晶硅层的强度并向多孔多晶硅层注入电子。因而，只要能够构成负极并支持多孔多晶硅层，导电性基板也可以是铬等金属基板，或者也可以是单晶硅基板等半导体基板，另外，也可以由玻璃等基板及在基板表面形成的导电性薄膜构成。当采用在玻璃基板等上形成导电性膜的基板时，与采用半导体基板的情况相比，能够实现电子源的大面积及低成本化。
在本发明中，当导电性基板与金属薄膜之间加上电压时，多孔多晶硅层是电子注入的部分。该多孔多晶硅层是由大气晶粒构成的多晶体，在多晶粒表面具有氧化膜或氮化膜，存在这种纳米构造为了使注入多孔多晶硅层的电子不与纳米构造碰撞而飞过，即所谓假发射(ballistic)效应那样电子没有散射而到达多孔多晶硅层表面，纳米构造的大小必须小于单晶硅中电子的平均自由行程即约50nm。纳米构造的大小，具体来说，小于10nm较好，最好是小于5nm。
前述多孔多晶硅层，在相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压、则通过金属薄膜发射电子束时，场致发射型电子源最好是实际上不产生突发现象那样的多晶硅层。而且，多孔多晶硅层也可以是高多孔度的多晶硅层与低孔度的多晶硅层交替层叠而成，也可以是在厚度方向多孔度连续变化的多晶硅层。在这种情况下，多孔多晶硅层也可以是与表面侧相比导电性基板侧的多孔度较高的那种在厚度方向多孔度连续变化的多晶硅层。另外，多晶硅层最好是没有掺杂的多晶硅层。没有掺杂的多晶硅层的情况，其优点是，电子发射效率比掺杂的多晶硅层要高，另外制造容易。
在本发明中，金属薄膜构成场致发射型电子源的正极，并对多孔多晶硅层加上电场。由于加上该电场，则到达多孔多晶硅层表面的电子利用隧道效应从金属薄膜表面发射。利用导电性基板与金属薄膜之间所加直流电压而得到的电子能量减去金属薄膜的功函数为发射的电子的理想能量，因此金属薄膜的功函数越小越好。
对于如前所述构成的场致发射型电子源，将场致发射型电子源放在真空室内，在与金属薄膜相对位置处配置集电电极，并在金属薄膜与导电性基板之间加上直流电压，同时在集电电极与金属薄膜之间加上直流电压，通过这样，就从金属薄膜发射电子。而且，本发明的场致发射型电子源具有能够稳定高效发射电子的效果。
本发明的场致发射型电子源制造方法，其特征在于，在导电性基板上形成多晶硅层，使多晶硅层多孔化，将多孔化的多晶硅层氧化或氮化，再在氧化或氮化的多孔多晶硅层上形成由金属薄膜构成的电极。
当导电性基板为半导体基板时，采用LPCVD(Low Pressure Chemical vaporDeposition)法或溅射法在导电性基板上形成多晶硅层。或者，利用等离子CVD法生成非晶态硅薄膜后再通过退火形成多晶硅层。最好是LPCVD法，在例如真空度20Pa、温度640℃、真空室中流过600sccm的硅烷气体的条件下进行。另外，当导电性基板为玻璃基板上形成导电性薄膜的情况下，利用CVD法等在导电性薄膜上生成非晶态硅薄膜后再利用准分子激光进行退火，通过这样形成多晶硅层。另外，在导电性薄膜上形成多晶硅层的方法不限于此，也可以利用CGS(Contimuous Grain Silicon)法或催化CVD法等。
另外，多晶硅层的多孔化是利用形成纳米构造的处理、例如阳极氧化处理等进行。多晶硅层的氧化或氮化是利用急热氧化或化学方法的氧化、氧等离子体的氧化、氮等离子体的氮化、加热氮化等进行，由金属薄膜构成的电极的形成是利用蒸镀法或溅射法进行。
这种情况下，前述多晶硅层的多孔化，也可以是高多孔度的多晶硅层与低多孔度的多晶硅层交替层叠而成。另外，前述多晶硅层的多孔化，还可以是与表面侧相比导电性基板侧的多孔度较高那样在厚度方向使多孔度连续变化。
采用本发明场致发射型电子源的平面发光装置，其特征在于，具有由导电性基板及在导电性基板一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化多孔多晶硅层以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜构成的场致发射型电子源、和与上述金属薄膜相对配置的透明电极，在上述透明电极上设有利用上述电子束发出可见光的荧光体，从而构成平面发光装置。该装置，由于从场致发射型电子源发射的电子的发射角度集中在与金属薄膜表面大致垂直的方向，因此没有必要设置聚束电极，能够实现构造简单而且是薄膜的平面发光装置。
采用本发明场致发射型电子源的显示装置，其特征在于，将具有导电性基板及在导电性基板一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化多孔多晶硅层以及在该多孔多多晶硅层上形成的金属薄膜的场致发射型电子源构成矩阵状，具有对各场致发射型电子源加上的上述电压分别进行控制的手段与上述金属薄膜相对配置的透明电极，在上述透明电极上设有利用上述电子束发出可见的荧光体，从而构成显示装置。该装置，由于从场致发射型电子源发射的电子的发射角度集中在与金属薄膜表面大致垂直的方向，因此没有必要设置复杂的荫罩及电子聚束透镜，能够实现高精细的显示装置。
采用发明场致发射型电子源的固体真空器件，其特征在于，将具有导电极基板及在导电性基一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化多孔多晶硅层以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜的场致发射型电子源与阳极设置于真空容器中，从而构造固体真空器件。该器件，没有必要象以往具有利用热电子发射的热阴极的固体真空器件那样设置加热手段，因此能够小型化，同时能够抑制阴极物质的蒸发及劣化，能够实现长寿命的固体真空器件。
附图简要说明
图1为表示实施形态1的剖视图。
图2A～图2D为说明实施形态1制造工艺的主要工序剖视图。
图3为实施形态1的发射电子测试原理说明图。
图4为实施形态1的电压电流特性图。
图5为将图4的数据描绘成福勒-诺尔德海姆(Fowler-Nordheim)曲线的图形。
图6A为实施形态1的电子发射机理说明图，是加上直流电压VPS前的状态的能带图。
图6B为实施形态1的电子发射机理说明图，是加上直流电压VPS的状态的能带图。
图7为实施形态1的发射电子能量分布说明图。
图8为表示实施形态的电流时效变化的曲线图。
图9为表示实施形态1的电流与真空度的关系的曲线图。
图10A～图10C为说明实施形态2制造工艺的主要工序剖视图。
图11A～图11C为说明实施形态2制造工艺的主要工序剖视图。
图12为实施形态2的电压电流特性图。
图13为将图12的数据描绘成福勒-诺尔德海姆曲线的图形。
图14为表示实施形态2的电流时效变化的曲线图。
图15为实施形态2其他构成例子的阳极氧化处理说明图。
图16A～图16C为说明实施形态3制造工艺的主要工序剖视图。
图17为表示实施形态4的概略结构图。
图18为表示实施形态5的主要部分概略结构图。
图19为表示实施形态6的概略结构图。
实施形态1图1所示为本实施形态场致发射型电子源10的概略结构图，图2A～2D所示为场致发射型电子源10制造方法的主要工序剖视图。在本实施形态中，采用n型硅基板1(电阻率为约0.1Ωcm的(100)基板板)作为导电性基板。
如图1所示，本实施形态的场致发射型电子源10由n型硅基板1、欧姆电极2、多晶硅层5、急热氧化多孔多晶硅层6及金属薄膜的金属薄膜7构成。
n型硅基板1及欧姆电极2构成导电性基板。
在n型硅基板1的上层形成急热氧化的多晶硅层5，再在其上层形成急热氧化的多孔多晶硅层6。另外，在本实施形态中对多孔多晶硅层施行急热氧化，但不限于急热氧化，也可以利用化学方法氧化。另外，不限于氧化，也可以氮化。
急热氧化的多孔多晶硅层6具有大量晶粒而构成，该各晶粒主要具表面具有纳米构造。该纳米构造的大小比单晶硅中电子平均自由行程的约50nm要小。具体来说，纳米构造的大小比10nm要小，最好要小于约5nm。
金薄膜7位于急热氧化的多孔多晶硅层6的上层，是由功函数较小的金形成的薄膜。金属薄膜不是只限于金薄膜7，只要是功函数小的金属即可，除金以外，也可以是铝、铬、钨、镍及白金等。铝的功函数为4.28ev，铬的功函数为4.50ev，钨的功函数为4.55ev，镍的功函数5.15ev，金的功函数为5.10ev，白金的功函数为5.65ev。(Journal of Applied Physics,vol.48 p4729～(1977))下面，参照图2A-2D说明场致发射型电子源10的制造方法。
首先，在n型硅基板1的反面形成欧姆电极2，然后在n型硅基板1的表面形成膜厚约1.5μm的没有掺杂的多晶硅层3，通过这样得到图2A所示的构造。在导电性基板上形成多晶硅层3是利用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapordeposition)法在真空度20Pa、温度640℃、真空室中流过600 sccm的硅烷气体的条件下进行。
接着，利用将55wt％氟化氢水溶液与乙醇按约1∶1的比例混合的混合液制得的电解液，将白金电极(未图示)作为负极，将n型硅基板1(欧姆电极2)作为正极，一面对多晶硅层3进行光照射，一面以恒流进行阳极氧化处理，通过这样，形成多孔多晶硅层4(下面称为PPS层4)，得到图2B所示的构造。另外，在本实施形态中，作为阳极氧化处理的条件是，电流密度设定为10mA/cm2恒定，阳极氧化时间设定为30秒，同时在进行阳极氧化中，用500W钨灯对多晶硅层3的表面进行光照射。其结果，在本实施形态中，形成膜厚约1μm的多孔多晶硅层4。另外，在本实施形态中，是将多晶硅层3多孔化。
接着，利用急热氧化(RTO:Rapid Thermal Oxidation)技术进行PPS层4的急热氧化，通过这样得到图2C所示的构造。这里，在图2C中，5表示多晶硅层，6表示急热氧化的PPS层(下面称为RTO-PPS层6)。作为急热氧化的条件是，氧化温度设定为900℃，氧化时间设定为1小时。另外，在本实施形态中，由于是利用急热氧化进行PPS层4的氧化，因此能够在数秒钟升温至氧化温度，能够抑制用通常的炉芯管理氧化装置在入炉时产生的卷边氧化的问题。
然后，利用例如蒸镀的方法在RTO-PPS层6的上面形成作为金属薄膜的金薄膜7，通过这样得到图1及图2D所示构造的场致发射型电子源10。这里，在本实施形态中，金薄膜7的膜厚为约10nm，但并不特别限于该膜厚。另外，场致发射型电子源10构成金薄膜7作为电极的正极(阳极)、欧姆电极2作为负极(阴极)的二极管。
下面，就本实施形态场致发射型电子源10的特性加以说明。
将上述场致发射型电子源10放入真空室(未图示)内，如图3所示，在与金薄膜7相对的位置处配置集电电极21(收集发射电子的电极)，将真空室内的真空度设定为约5×10-5Pa，然后在金薄膜7与欧姆电极2之间加上直流电压VPS，同时在集电电极21与金薄膜7之间加上直流电压VC，通过这样测量金薄膜7与欧姆电极2之间流过的二极管电流IPS及由于场致发射型电子源10通过金薄膜7发射的电子e-(图3中虚线表示发射电子流)而产生的集电电极21与金薄膜7之间流过的发射电子电流IC，将其测量结果示于图4。这里，相对于欧姆电极2(即n型硅基板1)金薄膜7作为正极加上直流电压VPS，相对于金薄膜7集电电极21作为正极加上直流电压VC。
图4的横轴表示直流电压VPS的值，纵轴表示电流密度，该图中的a(O)表示二极管电流IPS，该图中的b(·)表示发射电子电流IC，另外，直流电压VC设定为100V恒定。
由图4可知，发射电子电流IC只有在直流电压VPS为正时才能观测到，另外，随着直流电压VPS值的增加，二极管电流IPS及发射电子电流IC都增加。例如，直流电压VPS设定为15V时，二极管电流IPS的电流密度为约100mA/cm2,发射电子电流IC的电流密度为约100mA/cm2，发射电子电流IC的电流密度为约10μA/cm2，该发射电子电流IC的值与以往例子说明的通过将单晶硅基板表面多孔化而实现的场致发射型电子源相比要大(例如，根据电子情报通信学会ED96-141,P41-46，直流电压VPS设定为15V时，二极管电流IPS的电流密度为约40mA/cm2，发射电子电流IC的电流密度为约lμA/cm2)可以知道，本实施形态场致发射型电子源的电子发射效率较高。
图5所示为将该发射电子电流IC与直流电压VPS有关的数据描绘成福勒-诺尔德海姆曲线的结果。从图5可以推论，由于多数据处于直线上，因此该发射电子电流IC是由于量子隧道效应导致电子发射而形成的电流。这时的电子发射机理可利用图6A及图6B的能带图加以说明。在图6A及图6B中，n+-Si表示n型硅基板1,RTO-PPS表示上述的RTO-PPS层6,SiOxgefiRTO-PPS层6的最外表面形成的氧化硅薄膜，Au为金薄膜7,EF为费米能级，EVAC为真空度。图6A表示加上直流电压VPS前的状态，图6B表示加上直流电压VPS时间的状态。相对于n型硅基板1将金薄膜7作为正级加上直流电压VPS，当该直流电压VPS一达到规定值(临界值)，如图6B所示，即从n型硅基板1侧由于热激励电子e-注入RTO-PPS层6。这时，由于直流电压VPS基本上全加在半绝缘性的RTO-PPS层6，因此注入的电子e-由于RTO-PPS层6内存在的强电场(平均电场为约105v/cm)而漂移，由于不规则的势场及晶格等的散射而导致动能丧失并向表面侧运动(另外，在该过程中也可能发生因碰撞电离而产生的电子倍增)。到达RTO-PPS层6表面的电子e-可以为具有比处于热平衡状态要高的动能的所谓热电子，可以推论在电场效应作用下很容易隔差RTO-PPS层6最外表面的SiO2的子能带穿过金薄膜7向外部发射。
为了确认这一理论，对本实施形态场致发射型电子源10发射的电子能量N(E)的能量分布进行测量，并将测量结果示于图7。在图7中，a为直流电压VPS设定为12V的情况，b为直流电压VPS设定为15V的情况，c为直流电压VPS设定为18V的情况。由图7可知，电子能量N(E)的能量分布是比较宽的，而且含有数ev的高能量成分，随着所加的直流电压VPS增加，峰值位置向高能量一侧偏移。因而可以认为，RTO-PPS层6的电子散射较少，到达RTO-PPS层6表面侧的电子是具有足够能量的热电子。另外，图6B中用双点划线所示的圆A内的图定性地表示就要发射前的电子能量分布n(E)=n(E)T(E)。例如，若直流电压VPS的电压增加，则n(E)发生变化使高能量侧的尾部成分增加，其结果，整个N(E)也向高能量侧偏移。
另外，电子没有受到连在热平衡状态也缓和的强散射，意味着RTO-PPS层6内的能量损失即热损失较少，可以认为能够以高效稳定的发射电子电流IC发射电子。图8为分别表示本实施形态场致发射型电子源10的二极管电流IPS及发射电子电流IC的时效变化曲线，横轴是时间，纵轴是电流密度，该图中的a表示二极管电流IPS，该图中的b表示发射电子电流IC。另外，图8是设定直流电压VPS为15V恒定、直流电压VC为100V恒定的情况下的结果。由图8可知，在本实施形态的场致发射型电子源10中，二极管电流IPS及发射电子电流IC两者均未观测到突发现象，即使经过若干时间，也能够维持基本恒定的二极管电流IPS及发射电子电流IC。这可以认为，RTO-PPS层6的各晶粒表面多孔化，而中心部分维持结晶状态，因此可以认为，由于所加电压产生的热通过该结晶状态的部分传导向外部发散，与单晶的情况相比，温度上升较少。这样的发射电子电流IC的时效变化较小的稳定特性是以往的MIM方式或单晶硅基板表面多孔化而实现的场致发射型电子源所不能得到的特性，是由于采用本发明构造而得到的特性。
下面，就本发明实施形态场致发射型电子源10的发射电子电流IC与真空度的关系加以说明。图9所示为本实施形态场致发射型电子源10的周围为Ar气体氛围、当其真空度变化时的二极管电流IPS及发射电子电流IC的变化。图9中，横轴是真空度，纵轴是电流密度，该图中的a(O)表示二极管电流IPS，该图中的b(·)表示发射电子电流IC。由图9可知，真空度在约10-5Pa-约1Pa的范围内能得到其基本恒定的发射电子电流IC，发射电子电流IC与真空度的关系不大。也就是说，由于本实施形态场致发射电子源10的电子发射特性与真空度的关系很小，因此即使真空度多少发生变化，也能够稳定高效地发射电子，即使在低真空度下，也能够得到良好的电子发射特性，没有必要在以往那样高真空度下使用，所以利用场致发射型电子源10的位置能实现低成本，且操作方便。
在本实施形态中，采用n型硅基板1(电阻率约0.1Ωcm的(100)基板)作为导电性基板，但导电性基板不限定于n型硅基板，例如也可以使用金属基板、或在玻璃基板等上形成透明导电性薄膜(例如ITO:Indium Tin Oxide)或白金或铬等金属薄膜而得到的基板，与采用n型硅基板等半导体基板相比，能够实现大面积及低成本。
实施形态2
本实施形态场致发射型电子源10的基本构成与图1所示的实施形态1基本相同，故省略其相同部分的说明。本实施形态的场致发射型电子源10的构成与前述实施形态1的场致发射型电子源10构成的不同之处在于，多孔多晶硅层6是高多孔度的多晶硅层6b及低多孔度的多晶硅层6a交替层叠而构成。另外，在本实施形态中，也与实施形态1相同，采用n型硅基板1(电阻率为约0.1Ωcm的(100)基板)作为导电性基板。
下面，参照图10A～图11C说明场致发射型电子源10的制造方法。
首先，在n型硅基板1的反面形成欧姆电极2，然后在n型硅基板1的表面形成膜厚约1.5μm的没有掺杂的多晶硅层3，通过这样得到图10A所示的构造。
接着，利用将55wt％氟化氢水溶液与乙醇按约1∶1的比例混合物的混合液制得的电解液，将白金电极(未图示)作为负极，将n型硅基板1(欧姆电极2)作为正极，一面对多晶硅层3进行光照射，一面以恒流进行阳极氧化处理。在这里，阳极氧化处理按下列步骤进行。作为阳极氧化处理的条件，设定第一条件为电流密度为2.5mA/cm2恒定、阳极氧化时间为4秒，设定第2条件为电流密度为20mA/cm2恒定、阳极氧化时间为5秒，将按第1条件的阳极氧化处理与按第2条件的阳极氧化处理交替3次重复进行。这里，在阳极氧化中，用500W钨灯对表面进行光照射。当按第1条件的阳极氧化结束时，在多晶硅层3的表面侧形成低多孔度的多孔多晶硅层4a(下面称为PPS层4a)，得到如图10B所示的构造。然后，当按第2条件的阳极氧化结束时，在靠上述多孔多晶硅层4a的n型硅基板1的一侧形成多孔度比PPS层4a要高的多孔多晶硅层4b(下面称为PPS层4b)，得到如图10C所示的构造。然后，当按第1条件及第2条件的阳极氧化各进行3次结束时，得到图11A所示的PPS层4a及PPS层4b交替层叠的构造。另外，在本实施形态中，由PPS层4a及PPS层4b的层叠构造成的多孔多晶硅层的膜厚为约1μm。另外，在本实施形态中，是将多晶硅层3的一部分多孔化，但也可以将全部多晶硅层3多孔化。
接着，利用急热氧化(RTO:Rapid Thermal Oxidation)技术进行全部PPS层4a、4b及多晶硅层3的急热处理，通过这样得到图11B所示的构造。这里，图11B中的5表示急热氧化的多晶硅层，6表示急热氧化的上述多孔多晶硅层(下面称为RTO-PPS层6)。作为急热氧化的条件是，氧化温度设定为900℃，氧化时间设定为1小时，另外，在本实施形态中，由于是利用急热氧化进行PPS层4a、4b及多晶硅层3的氧化，因此能够在数秒种升温至氧化温度，能够抑制用通常的炉芯管型氧化装置在入炉时产生的卷边氧化的问题。
然后，利用例如蒸镀的方法在RTO-PPS层6的上面形成作为金属薄膜的金薄膜7，通过这样得到图11C所示构造的场致发射型电子源10。这里，在本实施形态中，金薄膜7的膜厚为约10nm，但并不特别限于该膜厚。另外，场致发射型电子源10构成金薄膜7作为电极的正极(阳极)、欧姆电极2作为负极(阴极)的二极管。
下面，在本实施形态场致发射型电子源10的特性加以说明。
将上述场致发射型电子源10放入真空室(未图示)内，与实施形态1相同，如图3所示，在与金薄膜7相对的位置处配置集电电极21(收集发射电子的电极)，将真空室内的真空度设定为约5×10-5Pa，然后在金薄膜7与欧电极2之间加上直流电压Vps，同时在集电电极21与金薄膜7之间加上直流电压VC，通过这样测量金薄膜7与欧姆电极2之间流过的二极管电流IPS及由于场致发射型电子源10通过金薄膜7发射的电子e-(图3中虚线表示发射电子流)而产生的集电电极21与金薄膜7之间流过的发射电子电流IC，将其测量结果示于图12。这里，相对于欧姆电极2(即n型硅基板1)将金薄膜7作为正极加上直流电压VPS，相对于金薄膜7将集电电极2121作为正极加上直流电压VC。
图12的横轴表示直流电压VPS的值，纵轴表示电流密度，该图中的a(O)表示二极管电流IPS，该图中的b(·)表示发射电子电流IC。另外，直流电压VC设定为100V恒定。
由图12也可知，在本实施形态中，也与实施形态1相同，发射电子电流IC只有在直流电压VPS为正时才能观测到，随着直流电压VPS值的增加，二极管电流IPS及发射电子电流IC都增加。例如，直流电压VPS设定为15V时，二极管电流IPS的电流密度为约1mA/cm2，发射电子电流IC的电流密度为约4μA/cm2，该发射电子电流IC的值与以往例子说明的通过将单晶硅基极表面多孔化而实现的场致发射型电子源(参照特开平8-250766号公报)相比要大(例如，根据电子情报通信学会ED96-141,P41-46，直流电压VPS设定为15V时，二极管电流IPS的电流密度为约40mA/cm2，发射电子电流IC的电流密度为约1μA/cm2)，可以知道，本实施形态场致发射型电子源的电子发射效率较高。
图13所示为将该发射电子电流IC与直流电压VPS有关的数据描绘成福勒-诺尔德海姆曲线的结果。从图13可以推论，由于各数据处于直线上，因此该发射电子电流IC与实施形态1相同是由于最子隧道效应导致电子发射而形成的电流。
图14为分别表示本实施形态场致发射型电子源10的二极管电流IPS及发射电子电流I牟时效变化曲线，横轴是时间，纵轴是电流密度，该图中的a表示二极管电流IPS，该图中的b表示发射电子电流IC。另外，图14是设定直流电压VPS为21V恒定、直流电压VC为100V恒定的情况下的结果。由图14可知，在本实施形态的场致发射型电子源10中，也与实施形态1相同，二极管电流IPS及发射电子电流IC两者均未观测到突发现象，即使经过若干时间，也能够维持基本恒定的二极管电流IPS及发射电子电流IC。这样的发射电子电流IC的时效变化较小的稳定特性是以往的MIM方式或单晶硅基板表面多孔化而实现的场致发射型电子源所不能得到的特性，是由于采用本发明构造而得到的特性。
另外，作为上述阳极氧化处理的条件，也可以按下列条件进行。即也可以如图15所示，设定电流密度为0mA/cm2开始阳极氧化，在20秒之间将电流密度从0mA/cm2增加至20mA/cm2，在这当中设有3次在2秒种内将电流密度设定为2.5mA/cm2的期间。这里，在阳极氧化中，当然用500W钨灯对表面进行光照射。这种情况下，在将电流密度设定为2.5mA/cm2的期间形成低多孔度的多孔多晶硅层4a。
实施形态3本实施形态场致发射型电子源10的基本构成与图1所示的实施形态1基本相同，故省略其相同部分的说明，本实施形态的场致发射型电子尖10的构成与前述实施形态1的场致发射型电子源10构成的不同之处在于，多孔多晶硅层是在厚度方向多孔度连续变化的多晶硅层。另外，在本实施形态中，也与实施形态1相同，采用n型硅基板1(电阻率为约0.1Ωcm(100)基板)作为导电性基板。
下面，参照图16A～16C说明场致发射型电子源10的制造方法。
首先，在n型硅基板1的反面形成欧姆电极2，然后在n型硅基板1的表面形成膜厚约1.5μm的没有掺杂的多晶硅层3，通过这样得到图16A所示的构造。
接着，利用将55wt％氟化氢水溶液与乙醇按约1∶1的比例混合的混合液制得的电解液，将白金电极(未图示)作为负极，将n型硅基板1(欧姆电极2)作为正极，一面对多晶硅层3进行光照射，一面以恒流进行阳极氧化处理。在这里，阳极氧化处理是设定电流为0mA/cm2开始阳极氧化，随着时间推移将电流密度连续地(慢慢地)从0mA/cm2增加至20mA/cm2。在阳极氧化中，用500W钨灯对表面进行光照射。然后，在阳极氧化处理结束时，形成靠近n型硅基板1一侧为高多孔度、靠近表面一侧为低多孔度的在厚度方向多孔度连续变化的多孔多晶硅层4c(下面称为PPS层4c)，得到如图16B所示的构造。另外，在本实施形态中，PPS层4c的膜厚为约1μm。另外，在本实施形态中，将多晶硅层3的一部分多孔化，但也可以将全部多晶硅层3多孔化。
接着，利用急热氧化技术进行PPS层4C及多晶硅层3的急热氧化(作为急热氧化的条件是，氧化温度设定为900℃，氧化时间设定为1小时)，再利用例如蒸镀的方法形成作为金属薄膜的金薄膜7，通过这样得到图16C所示构造的场致发射型电子源10。这里，在本实施形态中，金薄膜7的膜厚为约10nm，但并不特别限于该膜厚。另外，场致发射型电子源10构成金薄膜7作为电极的正极(阳极)、欧姆电极2作为负极(阴极)的二极管。另外，在图16C中，5表示急热氧化的多晶硅层，6表示急热氧化的PPS层4C(RTO-PPS层6)。
另外，在本实施形态中，在阳极氧化处理中是利用慢慢增加电流密度使多孔度变化的，但也可以利用慢慢减少电流密度使多孔度变化，在后者的情况下，形成靠近n型硅基板1一侧为低多孔度、而靠近表面一侧为高多孔度。
实施形态4图17所示为利用实施形态1至实施形态3中任一项所述的场致发射电子源10的平面发光装置概略结构图。另外，对于与实施形态1至实施形态3中任一项的相同的结构要素附以相同的标号并省略其说明。
本实施形态的平面发光装置具有场致发射型电子源10及与场致发射型电子源10的金薄膜7相对配置的透明电极31，在透明电极31上涂布有利用场致发射型电子源10发射的电子束发出可见光的荧光体32。另外，透明电极31是涂布在玻璃基板等透明板33上形成的。这里，形成了透明电极31有荧光体32的透明板33通过隔垫34与场致发射型电子源10构成一体，使透明板33、隔垫34与场致发射型电子源10所包围的内部空间达到规定的真空度。因而，利用从场致发射型电子源10发射电子，能够使荧光体发光，能够通过透明电极31及透明板33将荧光体32的发光向外部显示。
在本实施形态的平面发光装置中，相对于金薄膜7将透明电极31作为正极，在透明电极31与金薄膜7之间加上1KV的直流电压VC，在这样的状态下，在场致发射型电子源10的金薄膜7与欧姆电极2之间加上15V左右的直流电压VPS，使电子发射，就得到与金薄膜7的面积(大小)相应的荧光图形。这证明，场致发射型电子源10发射的发射电子电流密度IC在金薄膜7的面内基本上是均匀的，同时，发射的电子e-从金薄膜7沿基本垂直方向发射，电子e-的电子束没有扩大也没有缩小，大致呈平行状。因而，在本实施形态中，由于电子e-在金薄膜7的面内基本均匀并沿基本垂直方向发射，因此没有必要设置在以往的平面发光装置所采用的聚束电极，能够使构造简单，同时实现低成体。另外，由于在场致发射型电子源10的电子发射中不产生突发现象，因此能够减少显示的不均匀现象。
实施形态5图18所示为利用实施形态1(至实施形态3)场致发射型电子源10的显示装置中电子源部分的概略结构图。在本实施形态中，如图18所示，将场致发射型电子源10构成矩阵状(阵列状)，将各场致发射型电子源10与各象素相对应，利用X矩阵控制电路41及Y矩阵控制电路42分别接通或断开加在各场致发射型电子源10的上述(在实施形态1中说明)直流电压VPS。也就是说，在本实施形态中，是利用X矩阵控制电路41及Y矩阵控制电路42选择加上直流电压VPS的场致发射型电子源10，仅仅从被选择的场致发射型电子源10发射电子。
另外，本实施形态的显示装置与实施形态4相同，具有与电子源部相对配置的(即与场致发射型电子源10的金薄膜7相对配置)透明电极，这在图中未表示，透明电极上涂布有利用场致发射型电子源10发射的电子束发出可见光的荧光体。另外，透明电极是在玻璃基板等透明板上涂布形成。
如上所述，从场致发射型电子源10发射的电子，由于在金薄膜7面内均匀、且从金薄膜7沿基本垂直方向发射，该电子束基本平行，因此本实施形态的显示装置能够仅仅使与场致发射型电子源10相对的荧光体部分发光。因而，没有必要设置以往的那样复杂的荫罩，能够实现高精细的显示装置。
实施形态6图19所示为利用实施形态1至实施形态3中任一项所述的场致发射型电子源10的固体真空器件概略结构图。另外，对于与实施形态1至实施形态3中任一项的相同的结构要素附以相同的标号并省略其说明。
本实施形态的固体真空器件是三极管类型的器件，将场致发射型电子源10作为阳极，与场致发射型电子源10的金薄膜7相对配置有阳极电极51(阳极)，在阳极电极51与阴极之间设置网状的栅极52。另外，利用密封材料53及54，将阳极电极51、栅极52及阳极加以真空密封。另外，在实施形态中，用密封材料53及54与n型硅基板1形成的导电性基板构成真空容器。
在实施形态的固体真空器件，利用对场致发射型电子源10加上上述直流电压VPS，从场致发射型电子源10即阴极发射电子，并利用阳极电极51与金薄膜7之间所加的阳极电压Va加速，因此，在阳极电极51与阴极之间有阳极电流Ia流过。另外，该阳极电流Ia的大小，能够通过改变以栅极52为负极、在栅极52与欧姆电极2之间所加直流电压Vg的值进行控制。
以往的真空器件主要是采用热电子射发射的阴极，而如果采用本发明的场致发射型电子源，则能够实现冷阴极、长寿命的固体真空器件。
另外，在本实施形态中，对三极管类型的固体真空器件进行了说明，当然，也可以是多极管类型的器件。
权利要求
1．一种场致发射型电子源，其特征在于，具有导电性基板、在导电性基板一表面侧形成的具有纳米构造的氧化或氮化的多孔多晶硅层、以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜，相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压，就通过金属薄膜发射电子束。
2．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，前述多孔多晶硅层，在相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压、通过金属薄膜发射电子束时，是所述场致发射型电子源实际上不产生突发现象的多晶硅层。
3．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，上述多孔多晶硅层是高多孔度的多晶硅层与低多孔度的多晶硅层交替层叠而成的多晶硅层。
4．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述多孔多晶硅层，是在厚度方向多孔连续变化的多晶硅层。
5．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述多孔多晶硅层，是与表面侧相比导电性基板侧的多孔度较高的那种在厚度方向多孔度连续变化的多晶硅层。
6．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述多晶硅层是没有掺杂的多晶硅层。
7．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，导电性基板由玻璃等基板及在该基板表面形成的导电性薄膜构成。
8．一种场致发射型电子源的制造方法，其特征在于，在导电性基板上形成多晶硅层，使多晶硅层多孔化，将多孔化的多晶硅层氧化或氮化，再在氧化或氮化的多晶硅层硅上形成由金属薄膜构成的电极。
9．如权利要求8所述的场致发射型电子源制造方法，其特征在于，所述多晶硅层的多晶硅层是高多孔度的多晶硅层与低多孔度的多晶硅层交替层叠而成。
10．如权利要求8所述的场致发射型电子源制造方法，其特征在于，所述多晶硅层的多晶体是与表面侧相比层电性基板侧的多孔度较高那样的厚度方向使多孔度连续变化。
11．一种平面发光装置，其特征在于，包括由导电性基板及在导电性基板一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化的多孔多晶硅层以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜构成的场致发射型电子源、和与所述金属薄膜相对配置的透明电极，在所述透明电极上设有利用所述电子束发出可见光的荧光体。
12．一种显示装置，其特征在于，将具有导电性基板及在导电性基板一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化的多孔多晶硅层以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜的场致发射型电子源构成矩阵状，包括对各场致发射型电子源加上的所述电压分别进行控制的手段和与所述金属薄膜相对配置的透明电极，在所述透明电极上设有利用所述电子束发出可见的荧光体。
13．一种固体真空器件，其特征在于，将具有导电极基板及在导电性基一表面侧形成的有纳米构造的氧化或氮化的多孔多晶硅层以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜的场致发射型电子源与阳极设置于真空容器中。
全文摘要
本发明为一种场致发射型电子源,具有导电性基板(1)、在导电性基板一表面侧形成的具有纳米构造的氧化或氮化的多孔多晶硅层(6)、以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜(7),相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压,通过金属薄膜发射电子束。
文档编号H01J1/312GK1215907SQ9811696
公开日1999年5月5日 申请日期1998年8月25日 优先权日1997年10月29日
发明者菰田卓哉, 越田信義 申请人:松下电工株式会社