專利名稱：場致發(fā)射型電子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過場致發(fā)射而發(fā)射電子束的場致發(fā)射型電子源。
專利第2987140號公報所公開的電子源具有下部電極、由金屬薄膜構(gòu)成的表面電極(上部電極)和設置在兩電極之間的電子通過層(強電場阻止層)。表面電極通過電子通過層與下部電極對向設置。當在兩電極之間加載使表面電極為高電位的電壓時，在兩電極之間的電場作用下，電子從下部電極通過電子通過層射向表面電極。
作為電子通過層，例如使用氧化或氮化的多孔質(zhì)多晶硅層。在使電子源動作時，把表面電極配置在真空中與表面電極形成對向地配置集電極。而且，在表面電極與下部電極之間加載使表面電極為高電位的直流電壓，在集電極與表面電極之間加載使集電極為高電位的直流電壓。這樣，從下部電極注入的穿過電子通過層的電子通過表面電極被發(fā)射出來。當表面電極的表面因氧化等而發(fā)生變質(zhì)時，電子的發(fā)射效率下降。因此，表面電極需要使用化學穩(wěn)定的金屬(例如金等的貴金屬)形成。表面電極的厚度被設定為10nm左右。
在電子源中，一般把流過表面電極與下部電極之間的電流稱為二極管電流Ips，流過集電極與表面電極之間的電流被稱為發(fā)射電流(發(fā)射電子電流)Ie。二極管電流Ips與發(fā)射電流Ie的比率(Ie/Ips)越大，則電子發(fā)射功率((Ie/Ips)×100[％])越高。該電子源即使被加載在表面電極與下部電極之間的直流電壓為10～20V左右的低電壓，也可以發(fā)射出電子。因此，減小了電子發(fā)射特性的真空依賴性。并且，在發(fā)射電子時不會發(fā)生電子跳躍，可穩(wěn)定地發(fā)射出電子。
在所述電子源中，下部電極由阻抗率比較接近導體的阻抗率的半導體基板、形成在半導體基板背面上的電阻電極構(gòu)成。
另一方面，特開2001-126610號公報所公開的電子源，是在表面電極的一部分上設置由碳或碳化合物構(gòu)成的碳區(qū)域。該電子源具有可防止流過過剩的二極管電流Ips，從而提高電子發(fā)射效率的優(yōu)點。
上述以往的各種電子源是在被真空封裝狀態(tài)下使用。而且在封裝電子源時，由于真空封裝工序等的溫度較高的熱處理(真空封裝處理是在500℃左右的溫度下進行)，使表面電極和下部電極的阻抗上升。因此，在動作中，表面電極與下部電極之間和集電極與表面電極之間不能被加載到所希望的電壓，由此形成電子發(fā)射特性(發(fā)射電流、電子發(fā)射效率等)低的不良情況。
作為表面電極可使用金屬薄膜，該表面電極的厚度如上所述，被設定為10nm左右。一般作為表面電極所使用的金屬膜，在400℃以上的溫度區(qū)域生成凝集，導致膜厚的均勻性差，而且膜的連續(xù)性差。因此，使得表面電極的阻抗上升，其結(jié)果使得電子發(fā)射特性下降。作為不容易產(chǎn)生這種凝集的金屬材料，一般有鎢和鋁等。但是，在使用鎢和鋁作為表面電極的材料的情況下，由于表面電極的表面容易被氧化，所以也存在著電子發(fā)射效率低的問題。
另外，至于下部電極，也存在著如上所述的阻抗上升的問題。作為阻抗上升的原因，可認為有下面的幾種。
(1)金屬的凝集(2)由于下部電極的構(gòu)成電子(金屬原子)向疊層在下部電極上的層(例如，電子通過層)的熱擴散而減薄了膜厚(3)由于疊層在下部電極上的層(例如，電子通過層)的構(gòu)成電子向下部電極的熱擴散而減薄了下部電極的膜厚(4)下部電極阻抗率的上升另外，作為通過場致發(fā)射而發(fā)射電子線的電子源，還提出有除上述電子源以外的各種電子源。例如，提出有一種具有MIM(Metal-Insulator-Metal)構(gòu)造的電子通過層為絕緣層的電子源。另外，還提出有其中電子通過層為絕緣層，在電子通過層與下部電極之間設置半導體層的具有MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構(gòu)造的電子源。
在把上述各種電子源在工業(yè)生產(chǎn)中進行利用的情況下，為了獲得大的發(fā)射電流和降低消耗功率，人們希望提高電子發(fā)射效率。在上述各種電子源中，電子是通過表面電極而被發(fā)射出來。因此，可通過降低因在表面電極中的電子的散射所造成的能量損失，提高電子發(fā)射效率。因此，人們想到在對器件特性不形成不良影響的范圍內(nèi)盡量地減薄表面電極的厚度。例如在特開2001-243901號公報中，就公開了一種用這樣的方法提高電子發(fā)射效率的電子源。在該電子源中，其中表面電極由具有平坦表面的金屬薄膜部、與該金屬薄膜部的表面連續(xù)且一體地突出的多個島狀的金屬突起部構(gòu)成。但是，由于該電子源在金屬突起部之間通過金屬薄膜部連接，所以表面電極的阻抗的下限受到金屬薄膜部的膜厚的限制。因此，在為了達到器件特性所要求的表面電極的阻抗的情況下，不能使金屬薄膜部過分的薄，所以還是存在著不能充分提高電子發(fā)射效率的問題。
為了達到上述的目的本發(fā)明的電子源(場致發(fā)射型電子源)具有下部電極、電子通過層和表面電極。電子通過層由形成在所述下部電極上的由多晶硅與存在于該多晶硅顆粒邊界附近的多個納米級結(jié)晶硅混合而成的復合納米級結(jié)晶層構(gòu)成，表面電極形成在所述電子通過層上。該電子源使穿過所述電子通過層的電子穿過表面電極向外發(fā)射。表面電極的至少一部分和/或下部電極的至少一部分由層狀的導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳訕?gòu)成。
導電性碳化物或?qū)щ娦缘锞哂袑щ娐时容^高、功函數(shù)比較小、且比貴金屬熔點高、擴散阻止性好的優(yōu)點。并且，相比鎢和鋁等的金屬材料，具有良好的耐氧化性。而且，由于本發(fā)明的電子源的表面電極的至少一部分和/或下部電極的至少一部分由層狀的導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳訕?gòu)成，所以與表面電極由金屬薄膜形成的電子源相比，可在抑制電子發(fā)射特性下降的同時提高表面電極和/或下部電極的耐熱性。其結(jié)果，可防止因真空封裝處理等的熱處理而造成的電子發(fā)射特性的下降。
屬于本發(fā)明的又一種電子源，包括下部電極、表面電極和電子通過層。電子通過層被設置在下部電極與表面電極之間，并可通過電子。穿過所述電子通過層的電子穿過表面電極被發(fā)射出。表面電極由疊層膜構(gòu)成，在該疊層膜的表面上形成使該疊層膜的厚度在局部變薄的多個凹部。
在該電子源中，表面電極上的形成凹部的部位與其他部位相比，可減少因表面電極中的電子散亂而導致的能量損失。并且，由于表面電極的阻抗值大致取決于金屬互化物層與貴金屬層的疊層膜的膜厚，所以，可在抑制表面電極阻抗值增加的同時提高電子發(fā)射效率。
圖2是表示本發(fā)明實施方式1～4的電子源的全體的電子釋放動作的圖。
圖3是表示本發(fā)明實施方式1～4的電子源的微觀局部的電子發(fā)射動作的圖。
圖4A～圖4D是在制造本發(fā)明實施方式1的電子源的制造工程中的主要工序中的電子源或其中間體的剖面圖。
圖5A及圖5B分別是本發(fā)明實施方式2的電子源的立面剖視圖及俯視圖。
圖6A～圖6E是在制造本發(fā)明實施方式2的電子源的制造工程中的主要工序中的電子源或其中間體的剖面圖。
圖7是本發(fā)明實施方式3的電子源的立面剖視圖。
圖8A～圖8D是在制造本發(fā)明實施方式3的電子源的制造工程中的主要工序中的電子源或其中間體的剖面圖。
圖9是本發(fā)明實施方式4的電子源的立面剖視圖。


圖10A～圖10D是在制造本發(fā)明實施方式4的電子源的制造工程中的主要工序中的電子源或其中間體的剖面圖。
圖11是表示本發(fā)明實施方式4的電子源的在熱處理的前后的電流密度與電壓及電壓Vps之間關(guān)系的坐標圖。
如圖1所示，在本發(fā)明實施方式1的電子源10中，在由絕緣性基板(例如玻璃基板、陶瓷基板等)構(gòu)成的基板1的一方的主表面(寬面)上形成由層狀的導電性碳化物構(gòu)成的下部電極2。在下部電極2的上面形成半導體層的無摻雜的多晶硅層3。在多晶硅層3的上面形成由氧化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6(強電場阻止層)。在電子通過層6的上面形成由層狀的導電性碳化物構(gòu)成的表面電極7。電子源10中，表面電極7與下部電極2相對向，在表面電極7與下部電極2之間設置電子通過層6。設定表面電極7的厚度為小于10nm。
在實施方式1中，雖然使用絕緣性基板作為基板1，但也可以使用氧化硅基板等的半導體基板作為基板1。另外，雖然在電子通過層6與下部電極2之間設置多晶硅層3，也可以不在中間設置多晶硅層3而直接在下部電極2上形成電子通過層6。
例如，如圖2所示，為了從電子源10發(fā)射出電子，在表面電極7的對面設置集電極21。而且，使表面電極7與集電極21之間形成真空，在表面電極7與下部電極2之間加載直流電壓Vps，使表面電極7相對下部電極2呈高電位，在集電極21與表面電極之間加載直流電壓Vc，使集電極21的電位高于表面電極7的電位。只要設定適當?shù)闹绷麟妷篤ps及Vc，則從下部電極2被注入的電子穿過電子通過層6內(nèi)，通過表面電極7被發(fā)射出來。圖2中的點劃線表示通過表面電極7被發(fā)射出來的電子e-的流向。到達電子通過層6的表面的電子為熱電子，可容易地穿過表面電極7被發(fā)射到真空中。在實施方式1中，電子通過層6在下部電極2與表面電極7之間加載電壓時，在作用于兩電極間的電場的作用下使電子通過。電子通過層6內(nèi)，在表面電極7的電位高于下部電極2時起作用的電場，使電子從下部電極2向表面電極7的方向通過。
在實施方式1的電子源10中，相對流過表面電極7與下部電極2之間的二極管電流Ips，流過集電極21與表面電極7之間的發(fā)射電流Ie的比率(Ie/Ips)越大，則電子發(fā)射效率越高。
如圖3所示，電子通過層6至少應由排列設置在基板1的上述主表面?zhèn)鹊闹鶢畹亩嗑Ч璧木Я?1(半導體結(jié)晶)、形成在晶粒51表面上的薄的硅氧化膜52、夾在晶粒51之間的多個納米級的硅的微結(jié)晶63(半導體微結(jié)晶)、和形成在各個硅微晶63表面上的其膜厚小于硅的微晶63的結(jié)晶粒徑的絕緣膜的多個硅氧化膜64構(gòu)成。主要是，在電子通過層6中，各個晶粒的表面為多孔質(zhì)化，在各個晶粒的中心部分被維持在結(jié)晶狀態(tài)。各個晶粒51向與下部電極2交叉的方向，即，向下部電極2的厚度方向延長。
在實施方式1的電子源10中，以如下的模式產(chǎn)生電子的發(fā)射。即，在表面電極7與下部電極2之間加載使表面電極7為高電位的直流電壓Vps，在集電極21與表面電極7之間加載使集電極21為高電位的直流電壓Vc。當直流電壓Vps達到規(guī)定值(臨界值)時，在熱的激勵作用下電子e從下部電極2被注入電子通過層6。另一方面，加載到電子通過層6上的電場的大部分都作用在硅氧化膜64上。因此被注入的電子e-通過作用在硅氧化膜64上的強電場被加速。而且，電子在電子通過層6內(nèi)通過晶粒51之間的區(qū)域朝向表面，向圖3中的箭頭方向漂移，穿過表面電極7被發(fā)射到真空中。在電子通過層6中，從下部電極2被注入的電子，在硅的微結(jié)晶63的作用下基本不發(fā)生散亂，并且通過作用在硅氧化膜64上的電場被加速而漂移，然后通過表面電極7被發(fā)射出來(彈道型電子發(fā)射現(xiàn)象)。另外，在電子通過層6生成的熱通過晶粒51被釋放出來。因此，在電子發(fā)射時，不會發(fā)生電子跳躍現(xiàn)象，可穩(wěn)定地發(fā)射出電子。到達電子通過層6的表面的電子(熱電子)容易穿過表面電極7被發(fā)射到真空中。這樣的動作原理的電子源被稱為彈道電子面發(fā)射型電子源(Ballistic electron Surface-emitting Device)。
如上所述，下部電極2及表面電極7由導電性碳化物形成。導電性碳化物，一般其導電率比較高，且功函數(shù)比較小。并且，與金等的貴金屬相比，其熔點高，擴散阻擋性好。并且，比鎢和鋁等的金屬材料耐氧化性好。作為具有這樣性質(zhì)的導電性碳化物，可例舉出碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、碳化鈀、碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿等。但從熱的穩(wěn)定性、功函數(shù)及再現(xiàn)性的角度考慮，最好使用碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿。
在實施方式1的電子源10中，下部電極2及表面電極7由層狀的導電性碳化物形成。因此，與下部電極及表面電極由金屬材料所構(gòu)成的電子源相比，可在抑制電子發(fā)射特性的下降的同時，提高下部電極2及表面電極7的耐熱性。其結(jié)果，可防止由于在真空封裝處理等的熱處理使下部電極2及表面電極7的阻抗上升，和防止在表面電極7上的凝集。另外，由于下部電極2由導電性碳化物構(gòu)成，所以在基板1與半導體層3(在未設置半導體層3的情況下與電子通過層)之間的各個構(gòu)成原子的擴散被下部電極2阻止，從而擴大了基板1及半導體層3(在未設置半導體層3的情況下和電子通過層)的各個材料的選擇范圍。并且，由于表面電極7由導電性碳化物構(gòu)成，所以防止了在表面電極7與電子通過層6之間的各個構(gòu)成原子的擴散，從而擴大了表面電極7及電子通過層6的各個材料的選擇范圍。
在實施方式1中，下部電極2及表面電極7由層狀的導電性碳化物構(gòu)成。但是，下部電極2及表面電極7也可以是其中至少一部分由層狀的導電性碳化物構(gòu)成，其余的部分由Cr、W、Ti、Al、Cu、Au、Pt、Mo等的金屬或者是包含這些金屬的合金，或摻雜雜質(zhì)的多晶硅等的半導體材料構(gòu)成。另外，也可以使下部電極2和表面電極7中的任意一方不包含導電性碳化物。例如作為下部電極2或表面電極7的材料，可以使用Cr、W、Ti、Al、Cu、Au、Pt、Mo等的金屬或者是包含這些金屬的合金，或摻雜雜質(zhì)的多晶硅等的半導體材料。在這種情況下，與以往的電子源相比，同樣也可以抑制電子發(fā)射特性的下降。
在使用玻璃基板作為基板1的情況下，可對應加工處理溫度適當?shù)貜氖⒉ＡО?、無堿玻璃板、低堿玻璃板、鈉鈣玻璃板中選擇一種作為該玻璃板。在使用陶瓷基板的情況下，例如可使用氧化鋁基板基板等。在把實施方式1的電子源10作為顯示器使用的情況下，可對下部電極2、表面電極7及電子通過層6等進行適當?shù)膱D形模型的成型。
下面，參照圖4A～圖4D對實施方式1的電子源10的制造方法進行說明。
首先，在基板1的1個主表面上通過濺射法形成由導電性碳化物層構(gòu)成的下部電極2。然后在基板1的上述主表面?zhèn)?這里指下部電極2的上面)形成由作為半導體層的無摻雜的多晶硅層3，這樣，可形成圖4A所示的構(gòu)造。成為下部電極2的導電性碳化物層的成膜方法將在以后說明。作為多晶硅層3的成膜方法，例如可使用CVD法(LPCVD法、等離子CVD法、催化劑CVD法等)和濺射法或CGS(Continuous GrainSilicon)法等。
在形成無摻雜多晶硅層3后，通過陽極氧化處理工序，使多晶硅層3形成規(guī)定深度的多孔質(zhì)化。這樣，形成了作為多孔質(zhì)多半導體層的多孔質(zhì)多晶硅層4，從而獲得圖B所示的構(gòu)造。陽極氧化處理工序中，使用裝入有由把55wt％的氟化氫水溶液和乙醇以大約1；1比例混合的混合液構(gòu)成的電解液的處理槽。在該處理槽內(nèi)在白金電極(未圖示)與下部電極2之間加載電壓，對多晶硅層3進行光的照射，一邊以恒定電流進行陽極氧化處理，從而形成多孔質(zhì)多晶硅層4。這樣形成的多孔質(zhì)多晶硅4包含多晶硅的晶粒及硅的微結(jié)晶。在實施方式1中，雖然多晶硅層3的一部分被形成多孔質(zhì)化(形成到達規(guī)定深度的多孔質(zhì)化)，但也可以使多晶硅層3的全部形成多孔質(zhì)化(在基板1上形成到達規(guī)定深度的多孔質(zhì)化)。
在陽極氧化處理工序結(jié)束后，通過氧化工序?qū)Χ嗫踪|(zhì)多晶硅層4進行氧化處理。由此形成由被氧化的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6，構(gòu)成圖4C所示的構(gòu)造。在氧化處理工序中，例如，通過用急速加熱法對多孔質(zhì)多晶硅層4進行氧化，而形成包含晶粒51、硅的微晶63及硅氧化膜52、64的電子通過層6。
在利用急速氧化法的氧化工序中，使用燈退火裝置。在爐內(nèi)為氧氣氣氛。使基板的溫度從室溫以規(guī)定的上升速度(例如80℃/sec)上升至規(guī)定的氧化溫度(例如為900℃)。然后，把基板的溫度在規(guī)定的氧化時間(例如為1小時)內(nèi)維持氧化溫度，這樣地進行急速熱氧化(RTO)。然后使基板的溫度下降到室溫溫度。另外，氧化處理不限于用急速加熱法。例如，也可以通過使用裝有電解質(zhì)溶液(例如是1克分子的H2SO4、1克分子的HNO3、王水等)的氧化處理槽，在白金電極(未圖示)與下部電極2之間流過恒定電流，對多孔質(zhì)多晶硅層4進行電化學的氧化處理，而形成包含晶粒51、硅的微晶63及硅氧化膜52、64的電子通過層6。
在形成電子通過層6之后，利用濺射法等在電子通過層6上形成由導電性碳化物構(gòu)成的表面電極7。從而獲得圖4D所示的電子源10。關(guān)于構(gòu)成表面電極7的導電性碳化物層的成膜方法將在下面說明下部電極2的成膜方法時一同說明。
根據(jù)實施方式1的電子源10的制造方法，可提供一種可抑制電子發(fā)射特性下降的高耐熱性的電子源10。
在實施方式1中，為導電性碳化物層的下部電極2及表面電極7分別通過濺射法形成。作為濺射法，可以使用如RF濺射法、RF磁控管濺射法、DC濺射法、DC磁控管濺射法等的各種方式的方法。在這個情況下，導電性碳化物層是采用濺射法，并使用由導電性碳化物構(gòu)成的對電極而形成。因此，能夠以高的生產(chǎn)率并保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成導電性碳化物層。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。并且可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性碳化物層的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性碳化物層。
導電性碳化物層的成膜方法不限于上述的濺射法。例如，也可以通過利用由導電性碳化物構(gòu)成的蒸鍍源的蒸鍍法、及利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及包含碳元素的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法等形成。在通過利用這樣的蒸鍍法、反應性濺射法等形成導電性碳化物層的情況下，也能夠以高的生產(chǎn)率并保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成導電性碳化物層。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性碳化物層。并且在利用蒸鍍法形成導電性碳化物層的情況下，可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性碳化物層的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。
在利用蒸鍍法的情況下，由于導電性碳化物具有高的熔點，所以適合使用EB蒸鍍法(電子束蒸鍍法)。在使用利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及包含碳元素的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法的情況下，可容易地控制在導電性碳化物層中的碳元素濃度。即，在反應性濺射法中，通過選擇適當?shù)臍怏w種類，或選擇適當?shù)腁r等的惰性氣體與包含碳原子的反應氣體的混合比，可控制在導電性碳化物層中的碳元素濃度，從而可獲得具有所需碳元素濃度的導電性碳化物層。另外，一般的情況下，相對于碳化物的中間電極，在各處提供有更高純度的純金屬的中間電極。因此，使用上述反應性濺射法，與使用把導電性碳化物作為中間電極的濺射法的情況相比，可減少導電性碳化物層中的金屬雜質(zhì)。從而可抑制由于雜質(zhì)的原因而導致的性能的低下。
另外，作為導電性碳化物層的成膜方法，也可以使用在含碳的氣體中退火形成金屬膜(例如是鈦膜、鋯膜、鉿膜等)。該方法有利于提高導電性碳化物層的純度及膜質(zhì)。作為金屬膜的成膜方法，有CVD法、蒸鍍法、濺射法等，但是從生產(chǎn)性及膜質(zhì)的角度考慮，則理想的方法是使用Ar氣的DC磁控管濺射法。作為含碳的氣體，例如在使用CH4氣體的情況下，通過在1000℃以上的溫度下進行退火，可形成導電性碳化物層。這樣，作為導電性碳化物層的成膜方法，在使用在包含碳元素的氣氛中退火形成金屬膜的方法的情況下，也可以保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成導電性碳化物層。因此，可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積?？扇菀椎匕熏F(xiàn)有的噴射裝置(DC磁控管噴射裝置、退火裝置等)改裝成用于形成導電性碳化物層的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。并且，相比使用反應性濺射法的情況，可減少因等離子損傷而導致的缺陷，可形成純度更高、膜質(zhì)更好的導電性碳化物層，因此，特別適宜在使用陶瓷基板作為基板1的情況下的下部電極的形成。
另外，也可以利用CVD法形成導電性碳化物層。在使用CVD法的情況下，也能夠以高生產(chǎn)率，并保持良好的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成導電性碳化物層。可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，CVD法具有優(yōu)良的段差覆蓋性。在使用CVD法的情況下，作為源極，可使用(C5H5)2TiCl2(Dichlortitanocene)等的有機金屬化合物。但是，考慮到源極自體的穩(wěn)定性，最好使用氯化鈦、氯化鋯、氯化鉿等的氯化物。作為氣體，可以使用CH4(甲烷)、C3H8(丙烷)、C6H5CH3(甲苯)、CCl4(四氯化碳)、CH3OH(甲醇)等的包含碳元素的氣體和氫氣的混合氣體。熱CVD法由于需要600℃以上的處理溫度，所以理想的是使用處理溫度更低的等離子CVD法。
導電性碳化物層也可以通過疊層金屬膜(例如鈦膜)和碳膜，然后進行退火而形成?；蛘呤菍щ娦蕴蓟飳油ㄟ^對形成的由金屬(例如鈦)與碳的混合物構(gòu)成的膜進行退火而形成。使用這些方法，也可以保持良好的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成導電性碳化物層。由此，可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。
在實施方式1中，電子通過層6由氧化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成。但是電子通過層6也可以由氮化多孔質(zhì)多晶硅層或氧氮化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成?；蛘咭部梢杂善渌谋谎趸?、氮化或氧氮化的多孔質(zhì)半導體層構(gòu)成。在電子通過層6由被氧氮化的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的情況下，對多孔質(zhì)多晶硅層4，可取代通過利用O2氣體的急速加熱法進行氧化的氧化處理而使用例如通過利用NH3氣體的急速加熱法進行氮化的氮化處理。
在電子通過層6由被氧氮化的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的情況下，對于多孔質(zhì)多晶硅層4，可取代通過利用O2氣體的急速加熱法進行氧化的氧化處理，而使用通過利用例如O2和NH3氣體的混合氣體的急速加熱法進行氧氮化的氧氮化處理。在這種情況下，取代圖3中的各個硅氧化膜52、64，而形成硅氧氮化膜。
(實施方式2)下面，對本發(fā)明實施方式2進行說明。
如圖5A及圖5B所示，在本發(fā)明實施方式2的電子源10中，在由絕緣性基板(例如玻璃基板、陶瓷基板等)構(gòu)成的基板1的一方的主表面上形成電子源單元10a。電子源單元10a由形成在基板1的上述表面上的下部電極2、形成在下部電極2的上面的半導體層的無摻雜的多晶硅層3、形成在多晶硅層3的上面的后述的電子通過層6、和形成在電子通過層6的上面的表面電極7構(gòu)成。即，在電子源單元10a中，表面電極7與下部電極2相對向，在兩電極之間設置電子通過層6。設定下部電極2的厚度約為300nm，表面電極7的厚度為不超過10nm。在實施例2中，使用絕緣性基板作為基板1。但是也可以使用硅基板等的半導體基板作為基板1，并由半導體基板和疊層在該半導體基板上的導電性層(例如電阻電極)構(gòu)成下部電極。在實施方式2中，雖然在電子通過層6與下部電極2之間設有多晶硅層3，但也可以不設置多晶硅層3而直接在下部電極2上形成電子通過層6。
下部電極2由金屬材料(例如Mo、Cr、W、Ti、Al、Cu、Au、Pt等的金屬或者合金，或者是硅化物等的金屬間化合物)的單層薄膜構(gòu)成。但也可以由上述金屬材料的多層薄膜構(gòu)成?；蛘咭部梢杂蓳诫s雜質(zhì)的多晶硅等的半導體材料構(gòu)成。
電子通過層6通過對多晶硅層進行后述的陽極氧化處理及氧化處理而形成。在實施方式2中的電子通過層6與實施方式1中的電子通過層6同樣，包含晶粒51、硅氧化膜52、納米結(jié)晶硅63和硅氧化膜64(參照圖3)。另外，在實施方式2中，晶粒51、納米結(jié)晶硅63及硅氧化膜5264以外的區(qū)域由無定形硅或其中一部分被氧化的無定形硅的無結(jié)晶合金區(qū)域構(gòu)成。即，在電子通過層6內(nèi)，混合有多晶硅、位于多晶硅晶粒邊緣附近的多個納米結(jié)晶硅63。
表面電極7由疊層在電子通過層6上的導電性碳化物或?qū)щ娦缘?a和疊層在導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a上的貴金屬層7b的疊層膜構(gòu)成。在該疊層膜的表面上，形成多個在局部使該疊層膜的厚度變薄的凹部8。考慮到熱的穩(wěn)定性及成膜工序的再現(xiàn)性，最好使用碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鈮、氮化鉭等。
貴金屬層7b用貴金屬材料的白金形成。但是作為貴金屬材料不限于白金，也可以用例如金、銥等形成。不過從成膜工序中的再現(xiàn)性的角度考慮，則理想的是使用白金。
為了增加發(fā)射電流、提高電子發(fā)射效率，則必須要把表面電極7作得很薄。因此，設定導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a的厚度為不超過4nm，并且設定導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a與貴金屬層7b的厚度之合不超過10nm。在表面電極7的表面上，如上述的那樣形成多個凹部8。而且，在形成凹部8的部位上，露出導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a的表面。即，凹部8的深度與貴金屬層7b的厚度大致相等。但是，凹部8的深度也可以小于貴金屬層7b的厚度。例如可以為貴金屬層7b厚度的大致一半。
在實施方式2的彈道電子面發(fā)射型電子源的電子源10或電子源單元10a中，電子的發(fā)射順序或電子的發(fā)射模式與實施方式1的電子源10的情況相同(參照圖2、圖3)。因此，實施方式2的電子源10與實施方式1的電子源10同樣也是其電子發(fā)射特性對真空度依賴性小，不會發(fā)生電子跳躍的現(xiàn)象。因此，可穩(wěn)定地發(fā)射出電子。
如上所述，實施方式2的電子源10，表面電極7由導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a與貴金屬層7b的疊層膜構(gòu)成，在疊層膜的表面上形成多個在局部使該疊層膜變薄的凹部8。因此，在表面電極7的形成凹部8的部位，與其他部位相比降低了因表面電極7中的電子的散亂而導致的能量損失。并且，由于表面電極7的阻抗取決于導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a與貴金屬層7b的疊層膜的膜厚，所以，可抑制表面電極7的阻抗的增加，同時可提高電子發(fā)射效率。
在實施方式2中，在使用玻璃基板作為基板1的情況下，可根據(jù)處理溫度從石英玻璃基板、無堿玻璃基板、低堿玻璃基板、鈉鈣玻璃基板中進行適當選擇作為該玻璃基板。在使用陶瓷基板的情況下，例如可使用氧化鋁基板等。在把實施方式2的電子源10作為顯示器的電子源使用的情況下，只要對下部電極2、表面電極7、電子通過層6進行適當?shù)膱D形化處理便可。
下面，參照圖6A～圖6E，對實施方式2的電子源10的制造方法進行說明。
首先，在由石英玻璃基板構(gòu)成的基板1的一方的主表面上形成由規(guī)定膜厚(例如約300nm)的金屬膜(例如鉬膜)構(gòu)成的下部電極2。然后，在下部電極2上形成規(guī)定膜厚(例如1.5μm)的無摻雜多晶硅層3，至此構(gòu)成圖6A所示的構(gòu)造。作為形成下部電極2的形成方法，例如可使用濺射法或CVD法等。另外，作為下部電極2的形成方法也可以使用例如在形成無摻雜多晶硅層之后通過熱擴散法在多晶硅層內(nèi)摻雜n型雜質(zhì)的方法?；蛟谛纬啥嗑Ч鑼拥耐瑫r摻雜n型雜質(zhì)的方法(即，不使用離子注入法或熱擴散法等，而直接在基板1上形成導電性的多晶硅層)。
作為下部電極2的形成方法，只要使用在成膜時同時進行摻雜的方法，便可通過同一成膜裝置，不需進行反復的取出裝入操作地、連續(xù)地形成下部電極2和無摻雜多晶硅層3。下部電極2不限于n型的多晶硅層，也可以構(gòu)成p型的多晶硅層。在這個情況下，只要摻雜p型雜質(zhì)便可。作為無摻雜多晶硅層3的形成方法，例如可使用CVD法(LPCVD法、等離子CVD法、催化劑CVD法等)或濺射法、CGS法或在堆積無定形硅后進行激光退火的方法等。
在形成無摻雜多晶硅層3后，通過進行陽極氧化處理工序，形成混合有多晶硅的晶粒51(參照圖3)和納米結(jié)晶硅63(參照圖3)和無定形硅的多孔質(zhì)多晶硅層4。由此獲得圖6B所示的構(gòu)造。陽極氧化處理工序的實施方法與實施方式1的情況相同。
在陽極氧化處理完成后，通過進行氧化處理，形成由具有圖3所示的構(gòu)造的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6。至此，獲得了圖6C所示的構(gòu)造。
在氧化處理過程中，例如，通過利用急速加熱法對多孔質(zhì)多晶硅層4進行氧化，形成包含晶粒51、納米結(jié)晶硅63及硅氧化膜52、64的電子通過層6(參照圖3)。氧化處理的實施方法與實施方式1的情況相同。
在形成電子通過層6后，例如通過濺射法等，順序地形成具有規(guī)定膜厚(1nm～4nm范圍內(nèi)設定的適當值)的導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a和具有規(guī)定膜厚(例如3nm)的貴金屬層7b。由此形成由導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a和貴金屬層7b構(gòu)成的疊層膜，而獲得圖6D所示的構(gòu)造。作為導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a的形成方法，可以使用濺射法(RF濺射法、RF磁控管濺射法、DC濺射法、DC磁控管濺射法、反應性濺射法等)、蒸鍍法、CVD法等的薄膜形成方法。另外，也可以通過蒸鍍法等在電子通過層6上疊層金屬膜，并通過在包含碳或氮的氣氛中對該金屬膜進行退火，而形成導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a?；蛞部梢允褂脼R射法或蒸鍍法等在電子通過層6上形成金屬膜的疊層，通過向該金屬膜注入碳離子或氮離子而形成導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a。貴金屬層7b的形成方法也可以使用濺射法(RF濺射法、RF磁控管濺射法、DC濺射法、DC磁控管濺射法、反應性濺射法等)、蒸鍍法、CVD法等的薄膜形成方法。
然后，通過熱處理工序，在由導電性碳化物或?qū)щ娦缘飳?a和貴金屬層7b構(gòu)成的疊層膜的表面上形成多個凹部8，由此而獲得具有圖6E所示構(gòu)造的電子源10。在熱處理工序中，在氮氣的氣氛中在300℃～450℃的溫度范圍內(nèi)進行規(guī)定時間(例如15分鐘～120分鐘)的熱處理。從而，能夠以比較低的處理溫度形成凹部8。該熱處理工序雖然是在氮氣氣氛中進行熱處理，但也可以在其他的惰性氣體中或真空中進行熱處理。作為熱處理可以使用利用電爐的退火處理、通過光照射的退火處理(例如燈退火)、激光退火處理等。
根據(jù)實施方式2的電子源10，可容易地制造出抑制表面電極7的阻抗增加，且電子發(fā)射效率高的電子源10。
實施方式2也和實施方式1同樣，可取代氧化工序而采用氮化工序或氧氮化工序。
在實施方式2中，電子通過層6由具有圖3所示構(gòu)造的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成。但電子通過層6也可以由例如由Al2O3、SiO2等構(gòu)成的絕緣體層構(gòu)成。在這個情況下設置有半導體層的電子源與MIS構(gòu)造的電子源的動作相同。另一方面，未設有半導體層的電子源與MIM鼓噪的電子源的動作相同。兩者都可以通過適當?shù)卦O定電子通過層的厚度來提高電子發(fā)射特性，并且都可容易地形成電子通過層。
(實施方式3)下面，對本發(fā)明實施方式3進行說明。
如圖7所示，實施方式3的電子源10在由絕緣性基板(例如具有絕緣性的玻璃基板、具有絕緣性的陶瓷基板等)構(gòu)成的基板1的一方的主表面上形成電子源單元10b。電子源單元10b由形成在基板1的上述表面上的下部電極2、形成在下部電極2的上面的半導體層的無摻雜的多晶硅層3、形成在多晶硅層3上面的后述的電子通過層6、和形成在電子通過層6上面的表面電極7構(gòu)成。在電子源單元10b中，表面電極7與下部電極2相對向，在兩電極之間設置電子通過層6。設定下部電極2的厚度約為300nm，表面電極7的厚度為不超過10nm。
在實施方式3中，使用絕緣性基板作為基板1。但也可以使用硅基板等的半導體基板作為基板1，并由半導體基板和疊層在該半導體基板上的導電性層(例如電阻電極)構(gòu)成下部電極。另外，雖然在電子通過層6與下部電極2之間設有多晶硅層3，但也可以不設置多晶硅層3而直接在下部電極2上形成電子通過層6。
下部電極2由與所述實施方式2的電子源的下部電極2相同材料的薄膜構(gòu)成。
電子通過層6通過對多晶硅層進行后述的陽極氧化處理及氧化處理而形成。在實施方式3中的電子通過層6與實施方式1中的電子通過層6同樣，包含晶粒51、硅氧化膜52、納米結(jié)晶硅63和硅氧化膜64(參照圖3)。另外，與所述實施方式2中的電子通過層6相同，晶粒51、納米結(jié)晶硅63及硅氧化膜52、64以外的區(qū)域，由無定形硅或其中一部分被氧化的無定形硅的非晶區(qū)域構(gòu)成。
表面電極7由疊層在電子通過層6上的導電性氮化物層7c和疊層在導電性氮化物層7c上的貴金屬層7d構(gòu)成。導電性氮化物層7c由氮化鈦的導電性氮化物構(gòu)成。導電性氮化物一般其導電率比較高，并且比金等的貴金屬熔點高，擴散阻止性好。并且，相比鎢和鋁等的金屬材料，具有良好的耐氧化性。使用在導電性氮化物層7c中的具有這樣性質(zhì)的導電性氮化物不限于氮化鈦，還有氮化鉻、氮化鉬、氮化鎢、氮化鈀、氮化鈮、氮化鉭、氮化鋯、氮化鉿等。但考慮到熱穩(wěn)定性、功函數(shù)及再現(xiàn)性，最好使用氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鈮、氮化鉭中的任意一種。
貴金屬層7b用貴金屬材料的白金形成。但是作為貴金屬材料不限于白金，也可以用例如金、銥等形成。不過從熱穩(wěn)定性的角度考慮，則使用白金效果最好。
對于表面電極7，從抑制電子發(fā)射效率下降等的角度考慮，設定導電性氮化物層7c的厚度為不超過4nm，并且設定導電性氮化物層7c與貴金屬層7d的厚度之合不超過10nm。
在實施方式3的彈道電子面發(fā)射型電子源的電子源10或電子源單元10b中，電子的發(fā)射順序或電子的發(fā)射模式與實施方式1的電子源10的情況相同(參照圖2、圖3)。因此，實施方式3的電子源10與實施方式1的電子源10同樣也是其電子發(fā)射特性對真空度依賴性小，不會發(fā)生電子跳躍的現(xiàn)象。因此，可穩(wěn)定地發(fā)射出電子。
實施方式3的電子源10中，表面電極7由疊層在電子通過層6上的由導電性氮化物構(gòu)成的導電性氮化物層7c和疊層在導電性氮化物層7c上的貴金屬層7d構(gòu)成。如上所述，導電性氮化物的導電率比較高，比金等的貴金屬的熔點高，擴散阻止性好，并且比鎢和鋁等的金屬材料的耐氧化性好。并且，導電性氮化物層7c具有良好的與金屬層7d的緊密接觸性。因此，實施方式3的電子源10比表面電極由金屬薄膜形成的電子源，可在抑制電子發(fā)射特性下降的同時提高表面電極7的耐熱性。即，可抑制表面電極的構(gòu)成材料發(fā)生凝集，其結(jié)果，可防止由于真空封裝等的熱處理導致的電子發(fā)射特性的下降。另外，由于表面電極7導電性氮化物層7c和金屬層7d構(gòu)成，所以可防止在表面電極7與電子通過層6之間的各個構(gòu)成原子的擴散。因此，可擴大表面電極7及電子通過層6的材料選擇范圍。
在實施方式3中，在使用玻璃基板作為基板1的情況下，該玻璃基板的選擇方法與實施方式2的情況相同。另外，把電子源10作為顯示器的電子源使用的方法也和實施方式2的情況相同下面，參照圖8A～圖8D，對實施方式3的電子源10的制造方法進行說明。
首先，在由石英玻璃基板構(gòu)成的基板1的一方的主表面上形成由規(guī)定膜厚(例如約300nm)的金屬膜(例如鉬膜)構(gòu)成的下部電極2。然后，在下部電極2上形成規(guī)定膜厚(例如1.5μm)的無摻雜多晶硅層3，至此構(gòu)成圖8A所示的構(gòu)造。形成下部電極2的形成方法及無摻雜多晶硅層3的形成方法，與實施方式2的情況相同。
在形成無摻雜多晶硅層3后，通過進行陽極氧化處理，形成混合有多晶硅的晶粒51(參照圖3)和納米結(jié)晶硅63(參照圖3)和無定形硅的多孔質(zhì)多晶硅層4。由此獲得圖8B所示的構(gòu)造。陽極氧化處理工序的實施方法與實施方式1的情況相同。
在完成陽極氧化處理后，通過進行氧化處理，形成由具有圖3所示構(gòu)造的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6。至此，獲得了圖8C所示的構(gòu)造。氧化處理的實施方法與實施方式1的情況下相同。
在形成電子通過層6后，例如通過濺射法等，順序地形成具有規(guī)定膜厚(例如1nm)的導電性氮化物層7c和具有規(guī)定膜厚(例如3nm)的貴金屬層7d。從而在電子通過層6上形成由導電性氮化物層7c和貴金屬層7d構(gòu)成的表面電極7，至此構(gòu)成如圖8D所示構(gòu)造的電子源10。
根據(jù)實施方式3的電子源10，可提供一種抑制電子發(fā)射特性下降高耐熱性的電子源10。
在實施方式3中，是利用濺射法形成表面電極7的導電性氮化物層7c。作為濺射法，可以使用如RF濺射法、RF磁控管濺射法、DC濺射法、DC磁控管濺射法等的各種方式的方法。由于導電性氮化物層7c是通過使用由導電性氮化物構(gòu)成的中間電極的濺射法而形成，所以，能夠以高生產(chǎn)率、并保持良好的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性氮化物層7c。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。并且可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性氮化物層7c的裝置，可減少設備投資，降低設備成本。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降、并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性氮化物層7c。
另外，導電性氮化物層7c的成膜方法不限于上述的濺射法。例如，也可以通過利用由導電性氮化物構(gòu)成的蒸鍍源的蒸鍍法、及利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及含氮的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法等形成。在通過利用這樣的蒸鍍法、反應性濺射法等形成導電性氮化物層7c的情況下，也能夠以高的生產(chǎn)率、并保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性氮化物層7c。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降、并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性氮化物層7c。并且在利用蒸鍍法形成導電性氮化物層7c的情況下，可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性氮化物層的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。
在使用利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及含氮的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法的情況下，可容易地控制在導電性氮化物層中的氮元素濃度。即，在反應性濺射法中，通過選擇適當?shù)臍怏w種類，和選擇適當?shù)腁r等的惰性氣體與含氮原子的反應氣體的混合比，可控制在導電性氮化物層7c中的氮濃度，從而可獲得氮濃度被控制在期望值的導電性氮化物層7c。
在一般的情況下，相對于氮化物的中間電極，在各處提供有更高純度的純金屬的中間電極。因此，使用上述反應性濺射法，與使用把導電性氮化物作為中間電極的濺射法的情況相比，可減少導電性氮化物層7c中的金屬雜質(zhì)。其結(jié)果，可抑制由于雜質(zhì)的原因而導致的性能的下降。
另外，也可以使用CVD法形成導電性氮化物層7c。在使用CVD法的情況下，也可以保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性氮化物層7c。因此，可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降、并且具有高耐熱性的電子源10。另外，CVD法具有優(yōu)良的段差覆蓋性。熱CVD法由于需要600℃以上的處理溫度，所以理想的是使用比處理溫度低的等離子CVD法。
在導電性氮化物層7c的工序中，也可以在電子通過層6上利用蒸鍍法或濺射法等疊層金屬膜(例如鈦膜)，然后向金屬膜注入氮離子而形成導電性氮化物層7c。在這個情況下，也可以保持良好的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性氮化物層7c。并且可減小導電性氮化物層7c與金屬層7d的界面的粗糙度。因此，可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性氮化物層7c，并可容易地控制導電性氮化物層7c的導電率。
另外，在導電性氮化物層7c的工序中，也可以在電子通過層6上利用蒸鍍法或濺射法等疊層金屬膜(例如鈦膜)，然后通過在包含氮元素的氣氛中對該金屬膜進行熱處理而形成導電性氮化物層7c。在這個情況下，也可以保持良好的再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性氮化物層7c。并且可減小導電性氮化物層7c與金屬層7d的界面的粗糙度。因此，可降低電子源10的制造成本，并可增大電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。
實施方式3也和實施方式1的情況一樣，可取代氧化處理工序而使用氮化處理工序或氧氮化處理工序。
另外，也可以構(gòu)成多層構(gòu)造的下部電極2，并且使其中的至少一層由層狀的導電性氮化物層構(gòu)成。導電性氮化物具有較高的導電率，并且比金等的貴金屬的熔點高、擴散阻止性好。并且，與鎢和鋁等的金屬材料相比，具有良好的耐氧化性。因此，與下部電極2由金屬材料構(gòu)成的電子源相比，可抑制電子發(fā)射特性的下降、同時可提高下部電極2的耐熱性。其結(jié)果，可防止由于真空封裝處理等的熱處理而造成的電子發(fā)射特性的下降。并且，由于下部電極2具有層構(gòu)造，并且其中至少有一層由導電性氮化物層構(gòu)成，所以，通過導電性氮化物層可提高下部電極2的耐熱性。并且，通過疊層在導電性氮化物層上的層，可降低下部電極2的阻抗，并可提高和與下部電極2之間形成界面的層的緊密接觸性。下部電極2也可以只由導電性氮化物層構(gòu)成。
作為構(gòu)成在下部電極2中使用的導電性氮化物層的導電性氮化物，可以使用與表面電極7的導電性氮化物層7c相同的材料。關(guān)于導電性氮化物層的形成方法，也可以使用與形成表面電極7的導電性氮化物層7c的形成方法相同的方法。
(實施方式4)下面，對本發(fā)明實施方式4進行說明。
如圖9所示，在實施方式4的電子源10中，在由絕緣性基板(例如具有絕緣性的玻璃基板、陶瓷基板等)構(gòu)成的基板1的一方的主表面(寬面)上形成下部電極2。在下部電極2的上面形成作為半導體層的無摻雜的多晶硅層3。在多晶硅層3的上面形成由氧化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6(強電場阻止層)。在電子通過層6的上面形成表面電極7。即。電子源10中，表面電極7與下部電極2相對向，在表面電極7與下部電極2之間設置電子通過層6。設定表面電極7的厚度為小于12nm。在實施方式4中，雖然使用絕緣性基板作為基板1，但也可以使用硅化物基板等的半導體基板作為基板1。另外，雖然在電子通過層6與下部電極2之間設置多晶硅層3，但也可以不在中間設置多晶硅層3而直接在下部電極2上形成電子通過層6。
在實施方式4的彈道電子面發(fā)射型電子源10中，電子的發(fā)射順序或電子的發(fā)射模式與實施方式1的電子源10的情況相同(參照圖2、圖3)。因此，實施方式4的電子源10與實施方式1的電子源同樣是其電子發(fā)射特性對真空度的依賴性小，不會發(fā)生電子跳躍的現(xiàn)象。因此，可穩(wěn)定地發(fā)射出電子。
在實施方式4中，使用玻璃基板作為基板1，并該玻璃基板的選擇方法與實施方式2的情況相同。另外，在把電子源10作為顯示器的電子源使用的情況下，其使用方法也和實施方式2的情況相同。
下部電極2由高濃度摻雜的n型多晶硅構(gòu)成，但下部電極2的材料不限于使用n型多晶硅。由Cr、W、Ti、Al、Cu、Au、Pt、Mo等的金屬或者是包含這些金屬的合金，或摻雜雜質(zhì)的多晶硅等的半導體構(gòu)成。
表面電極7由疊層在電子通過層6上的導電性碳化物層7e、疊層在導電性碳化物層7e上的貴金屬層7f構(gòu)成。導電性碳化物層7e由碳化鉬構(gòu)成的導電性碳化物形成。導電性碳化物一般其導電率比較高、且功函數(shù)比較小。而且，與金等的貴金屬相比，具有熔點高、擴散阻止性好的優(yōu)點。還有，與鎢和鋁等的金屬材料相比，具有好的耐氧化性。使用在導電性氮化物層7e中的具有這樣性質(zhì)的導電性碳化物并不限于碳化鋯，也可以使用碳化鉻、碳化鉬、碳化鎢、碳化鈀、碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦、碳化鉿等。但考慮到熱穩(wěn)定性、功函數(shù)及再現(xiàn)性，最好使用碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿中的任意一種。
貴金屬層7f用貴金屬材料白金形成(即，貴金屬層7f由層狀的白金層構(gòu)成)，但是作為貴金屬材料不限于白金，也可以用例如金等的其他貴金屬形成。也可以在貴金屬層7f的一部分用層狀白金層形成，而在其余部分用白金以外的貴金屬形成。
對于表面電極7，理想的是設定導電性碳化物層7e的厚度為不超過4nm、貴金屬層7f的厚度不超過8nm。但是，從提高電子發(fā)射效率的角度，則理想的是設定導電性碳化物層7e的厚度為不超過2nm、貴金屬層7f的厚度不超過4nm。
在實施方式4的電子源10中，表面電極7由，由導電性碳化物構(gòu)成的導電性碳化物層7e和由貴金屬構(gòu)成的貴金屬層7f構(gòu)成。而且，如上所述，導電性碳化物的導電率比較高，功函數(shù)比較小，并且比貴金屬熔點高，擴散阻止性好。而且與鎢和鋁相比，其耐熱性好。并且，導電性碳化物層7e具有良好的與貴金屬層7f的接觸性。因此，與表面電極由金屬薄膜形成的電子源相比，可在抑制電子發(fā)射特性下降的同時提高表面電極7的耐熱性。即，可抑制表面電極的構(gòu)成材料發(fā)生凝集，其結(jié)果，可防止由于真空封裝等的熱處理導致的電子發(fā)射特性的下降。
另外，由于表面電極7導電性碳化物層7e和貴金屬層7f構(gòu)成，所以可防止在表面電極7與電子通過層6之間的各個構(gòu)成原子的擴散。因此，可擴大表面電極7及電子通過層6的材料選擇范圍。
下面，參照圖10A～圖10D對實施方式4的電子源10的制造方法進行說明。
首先，在基板1的1個主表面上形成規(guī)定厚度(例如1μm左右)的無摻雜多晶硅層。并且，通過離子注入法及熱處理，在多晶硅層內(nèi)摻雜n型雜質(zhì)，從而形成具有導電性的多晶硅層(n型多晶硅層)的下部電極2。然后，在基板1的上述主表面?zhèn)?下部電極2的上面)形成規(guī)定膜厚(設定為1.5mμm)的無摻雜多晶硅層3，這樣，可形成圖10A所示的構(gòu)造。無摻雜多晶硅層的形成方法與實施方式2的情況相同。作為下部電極2的材料，在使用Cr、W、Ti、Al、Cu、Au、Pt、Mo等的金屬或合金的情況下，下部電極2可以用例如濺射法或蒸鍍法形成。
在形成無摻雜多晶硅層3后，通過陽極氧化處理工序，使多晶硅層3形成規(guī)定深度的多孔質(zhì)化。這樣，形成了作為多孔質(zhì)多半導體層的多孔質(zhì)多晶硅層4，從而獲得圖10B所示的構(gòu)造。在陽極氧化處理工序中的實施方法與實施方式1的情況相同。
在陽極氧化處理工序結(jié)束后，通過氧化工序?qū)Χ嗫踪|(zhì)多晶硅層4進行氧化處理。由此形成由被氧化的多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層6。構(gòu)成圖10C所示的構(gòu)造。在氧化處理工序中，例如，通過用急速加熱法對多孔質(zhì)多晶硅層4進行氧化，而形成包含晶粒51、硅的微結(jié)晶63及硅氧化膜52、64的電子通過層6(參照圖3)。氧化處理的實施方法與實施方式1的情況相同。
在形成電子通過層6之后，例如利用濺射法等順序地形成導電性碳化物層7e和貴金屬層7f。這樣，在電子通過層6上形成由導電性碳化物層7e和貴金屬層7f構(gòu)成的表面電極7。從而獲得具有圖10D所示構(gòu)造的電子源10。
根據(jù)實施方式4的電子源10的制造方法，可提供一種可抑制電子發(fā)射特性下降的高耐熱性的電子源10。
在實施方式4中，通過濺射法形成表面電極7的導電性碳化物層7e。作為濺射法，可以使用如RF濺射法、RF磁控管濺射法、DC濺射法、DC磁控管濺射法等的各種方式的方法。主要是由于導電性碳化物層7e是使用由導電性碳化物構(gòu)成的中間電極，通過濺射法而形成，因此，能夠以高的生產(chǎn)率并保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性碳化物層7e。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。并且可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性碳化物層7e的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性碳化物層7e。
導電性碳化物層7e的成膜方法不限于上述的濺射法。例如，也可以通過利用由導電性碳化物構(gòu)成的蒸鍍源的蒸鍍法、及利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及含碳的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法等形成。在通過利用這樣的蒸鍍法、反應性濺射法等形成導電性碳化物層7e的情況下，也能夠以高的生產(chǎn)率并保持良好再現(xiàn)性及穩(wěn)定性地形成表面粗糙度小的導電性碳化物層7e。從而可降低電子源10的制造成本，并且可增加電子源10的電子發(fā)射面積。從而能夠以較低的成本提供一種可抑制電子發(fā)射特性的下降，并且具有高耐熱性的電子源10。另外，能夠以較低的處理溫度形成導電性碳化物層7e。并且在利用蒸鍍法形成導電性碳化物層7e的情況下，可容易地把現(xiàn)有的噴射裝置改裝成用于形成導電性碳化物層7e的裝置。因此，可減少設備投資，降低設備成本。
在利用蒸鍍法的情況下，由于導電性碳化物具有高的熔點，所以適合使用EB蒸鍍法(電子束蒸鍍法)。另一方面，在使用利用由金屬(純金屬)構(gòu)成的中間電極及包含碳元素的氣體(反應性氣體)的反應性濺射法的情況下，可容易地控制在導電性碳化物層7e中的碳元素濃度。即，在反應性濺射法中，通過選擇適當?shù)臍怏w種類，或選擇適當?shù)腁r等的惰性氣體與包含碳原子的反應氣體的混合比，可控制在導電性碳化物層7e中的碳濃度，從而可獲得具有所需碳濃度的導電性碳化物層7e。在使用反應性濺射法的情況下，例如可在基板溫度為150～500℃的比較低的溫度下，使用Ar和C2H2的混合氣體來形成碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿膜。
另外，在一般的情況下，相對于碳化物的中間電極，在各處提供有更高純度的純金屬的中間電極。因此，使用上述反應性濺射法，與使用把導電性碳化物作為中間電極的濺射法的情況相比，可減少導電性碳化物層7e中的金屬雜質(zhì)。從而可抑制由于雜質(zhì)的原因而導致的性能的降低。作為形成實施方式4那樣的厚度小于4nm的導電性碳化物層7e的形成方法，從保證面內(nèi)厚度的均勻性及覆蓋性的角度考慮，濺射法、蒸鍍法及反應性濺射法優(yōu)于其他的成膜方法。
在實施方式4中，電子通過層6由氧化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成。但是電子通過層6也可以由氮化多孔質(zhì)多晶硅層或氧氮化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成。或者，也可以由其他的被氧化、氮化或氧氮化的多孔質(zhì)半導體層構(gòu)成。在這些情況下的多孔質(zhì)多晶硅層4的氧化、氮化、或氧氮化的方法，以及電子源的特性或優(yōu)點與所述實施方式1中所做的說明相同。
(實施例)下面，參照圖11利用實施方式4的制造方法實際制造的電子源10，并對其在熱處理前后的電子發(fā)射特性的測定結(jié)果進行說明。
在本實施例中，使用硅基板作為基板1。使用n型多晶硅層作為下部電極2。使用氧化多孔質(zhì)多晶硅層作為電子通過層6(強電場阻止層)。使用碳化鋯層作為表面電極7的導電性碳化物層7e。使用白金層作為表面電極7的貴金屬層7f。導電性碳化物層7e的厚度為2nm。貴金屬層7f的厚度為4nm。通過使用由碳化鋯構(gòu)成的中間電極的RF磁控管濺射法，在Ar氣氛中形成導電性碳化物層7e。
導電性碳化物層7e的形成條件如下所示，Ar氣體的壓力0.5～7PaRF功率密度0.5～3.0W/cm2基板溫度30～150℃其中圖11所示的數(shù)據(jù)表示以如下的條件形成由碳化鋯構(gòu)成的導電性碳化物層7e。
Ar氣體的壓力約1.3PaRF功率密度約1.70W/cm2基板溫度約50℃并以如下的條件形成由白金構(gòu)成的貴金屬層7f。
Ar氣體的壓力約0.7PaRF功率密度約0.6W/cm2基板溫度約50℃對于電子源10的電子發(fā)射特性的測定，是把電子源10放置在真空腔(未圖示)內(nèi)，在圖2所示的狀態(tài)下進行。即，在表面電極7的對面設置集電極21。然后加載直流電壓Vps，使表面電極7為相對下部電極2的高電位，另一方面，加載直流電壓Vc，使集電極21為相對表面電極7的高電位。
圖11表示在真空腔內(nèi)的真空度為5×10-5Pa，直流電壓為恒定的1000V時的電子發(fā)射特性的測定結(jié)果。在圖11中，橫軸表示直流電壓Vps、縱軸表示電流密度?！癆”表示熱處理前的二極管電流Ips的電流密度?！癇”表示熱處理前的發(fā)射電流Ie的電流密度?！癈”表示熱處理后的二極管電流Ips的電流密度?！癉”表示熱處理后的發(fā)射電流Ie的電流密度。在400℃的N2氣氛中進行1小時的熱處理。
如圖11所示，本實施例的電子源10在經(jīng)過熱處理后未見發(fā)射電流Ie及電子發(fā)射效率的下降。并且，本實施例的電子源10在經(jīng)過熱處理后，減少了二極管電流Ips而另一方面增加了發(fā)射電流Ie。由此可看出，提高了電子發(fā)射效率。
以上，通過特定的實施方式對本發(fā)明進行了說明，但對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員講，可想到有其他多種變形例和修改例。因此，本發(fā)明不限于上述的實施方式，而是被限定在所附權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種場致發(fā)射型電子源，包括下部電極、形成在所述下部電極上的由多晶硅與存在于該多晶硅顆粒邊界附近的多個納米級結(jié)晶硅混合而成的復合納米級結(jié)晶層構(gòu)成的電子通過層和形成在所述電子通過層上的表面電極，穿過所述電子通過層的電子穿過表面電極被發(fā)射出，其特征在于所述表面電極的至少一部分由層狀的導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳訕?gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于所述表面電極包括疊層在所述電子通過層上的導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳雍童B層在該導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳由系馁F金屬層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于所述貴金屬層的至少一部分由層狀的白金層構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于在所述表面電極中，所述導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳拥暮穸刃∮?nm，所述貴金屬層的厚度小于8nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于所述導電性碳化物為碳化鈦、碳化鋯、或碳化鉿，所述導電性氮化物為氮化鉭、氮化鈦、氮化鋯或氮化鉿。
6.一種場致發(fā)射型電子源，包括下部電極、表面電極和設置在所述下部電極與所述表面電極之間的可通過電子的電子通過層，穿過所述電子通過層的電子穿過表面電極被發(fā)射出，其特征在于所述表面電極由導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳雍唾F金屬層的疊層膜構(gòu)成，在該疊層膜的表面上形成使該疊層膜的厚度在局部變薄的多個凹部。
7.一種場致發(fā)射型電子源，包括下部電極、形成在所述下部電極上的由多晶硅與存在于該多晶硅顆粒邊界附近的多個納米級結(jié)晶硅混合而成的復合納米級結(jié)晶層構(gòu)成的電子通過層和形成在所述電子通過層上的表面電極，穿過所述電子通過層的電子穿過表面電極被發(fā)射出，其特征在于所述下部電極的至少一部分由層狀的導電性碳化物層或?qū)щ娦缘飳訕?gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于所述導電性碳化物為碳化鈦、碳化鋯、或碳化鉿，所述導電性氮化物為氮化鉭、氮化鈦、氮化鋯或氮化鉿。
全文摘要
一種場致發(fā)射型電子源。在由玻璃基板、陶瓷基板等的絕緣性基板構(gòu)成的基板(1)一方的主表面上形成由層狀導電性碳化物層構(gòu)成的下部電極(2)。在下部電極(2)上形成無摻雜多晶硅層(3)。在多晶硅層(3)的上面形成由氧化多孔質(zhì)多晶硅層構(gòu)成的電子通過層(6)。電子通過層(6)由多晶硅與存在于該多晶硅顆粒邊界附近的多個納米級結(jié)晶硅混合而成的復合納米級結(jié)晶層構(gòu)成。在下部電極(2)與表面電極(7)之間，當被加載使表面電極(2)為高電位的電壓時，電子(e
文檔編號H01J1/00GK1417827SQ0214259
公開日2003年5月14日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者菰田卓哉, 竹川宜志, 相澤浩一, 幡井崇, 櫟原勉, 本多由明, 渡部祥文, 馬場徹 申請人:松下電工株式會社