專利名稱：場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用半導(dǎo)體材料借助電場(chǎng)發(fā)射無需加熱而發(fā)射電子束的場(chǎng)致發(fā)射型電子源及其制造方法，具體涉及可應(yīng)用于平面型光源、平面顯示器件、固體真空器件等的場(chǎng)致發(fā)射型電子源及其制造方法。
已往，作為場(chǎng)致發(fā)射型電子源有如美國(guó)專利No.3665241等中所揭示的所謂斯平特(spindle)型電極的構(gòu)造。該斯平特電極具有配置有多個(gè)微小三角錐狀發(fā)射尖端(tip)的基板；具有讓發(fā)射尖端前端部露出的發(fā)射孔并相對(duì)發(fā)射尖端呈絕緣配置的柵極。該電極在真空中將發(fā)射尖端相對(duì)于柵極作為負(fù)極，通過施加高壓從發(fā)射尖端前端經(jīng)發(fā)射孔發(fā)射電子束。
但是，斯平特電極存在的問題是制造工藝復(fù)雜，構(gòu)成的多個(gè)三角錐狀發(fā)射尖端難以保證良好的精度，難以應(yīng)用于諸如平面發(fā)光裝置或顯示器等大面積場(chǎng)合。這種斯平特電極還存在這樣的問題，因電場(chǎng)集中于發(fā)射尖端前端，因此在該該前端周圍的真空度較低而殘留有氣體情況下，殘留氣體會(huì)因發(fā)射的電子而電離為正離子，正離子轟擊發(fā)射尖端的前端使發(fā)射尖端前端受損，從而導(dǎo)致發(fā)射電子的電流密度和效率等不穩(wěn)定，或者縮短了發(fā)射尖端的壽命。
因此，為了防止發(fā)生這種問題，必須在高真空(10-5Pa～10-6Pa)下使用斯平特電極，從而存在費(fèi)用高、處理麻煩等缺點(diǎn)。
為了改善這種缺點(diǎn)，有人提出了MIM(金屬、絕緣體、金屬)方式或MOS(金屬、氧化物、半導(dǎo)體)型的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的方案。前者是具有金屬-絕緣膜-金屬疊層構(gòu)造的平面型場(chǎng)致發(fā)射型電子源，后者是具有金屬-氧化膜-半導(dǎo)體疊層構(gòu)造的平面型場(chǎng)致發(fā)射型電子源。但在這種類型的場(chǎng)致發(fā)射型電子源中，為了提高電子發(fā)射效率(為了發(fā)射更多的電子)，必須將所述絕緣膜或所述氧化膜的膜厚作得很薄。但若所述絕緣膜或所述氧化膜的膜厚太薄，則當(dāng)所述疊層構(gòu)造上下電極間施加電壓時(shí)又恐會(huì)破壞絕緣。為防止這種絕緣破壞，在所述絕緣膜或所述氧化膜的膜厚實(shí)現(xiàn)薄膜化方面將受到限制，從而又有電子發(fā)射效率不可能太高的缺點(diǎn)。
近年來如特開平8-250766號(hào)公報(bào)所揭示，有人提出了這樣的方案，即使用硅基板等單晶半導(dǎo)體基板，對(duì)該半導(dǎo)體基板的整個(gè)主表面?zhèn)冗M(jìn)行陽極氧化，通過這樣形成多孔半導(dǎo)體層(如，多孔硅層)，再在該多孔半導(dǎo)體層上形成由金屬薄膜構(gòu)成的表面電極，并在半導(dǎo)體基板和表面電極間施加電壓以發(fā)射電子，這樣來構(gòu)成場(chǎng)致發(fā)射型電子源(半導(dǎo)體冷電子發(fā)射元件)。
但是，在上述特開平8-250766號(hào)公報(bào)記載的場(chǎng)致發(fā)射型電子源中，存在電子發(fā)射時(shí)容易產(chǎn)生所謂“突發(fā)(poping)”現(xiàn)象的缺點(diǎn)。電子發(fā)射時(shí)產(chǎn)生突發(fā)現(xiàn)象的場(chǎng)致發(fā)射型電子源易引起發(fā)射電子量不均勻，在應(yīng)用于平面發(fā)光裝置或顯示器裝置等情況下，會(huì)有發(fā)光不均勻的缺點(diǎn)。
然而，本發(fā)明者經(jīng)刻意研究的結(jié)果認(rèn)識(shí)到，在上述特開平8-250766號(hào)公報(bào)記載的場(chǎng)致發(fā)射型電子源中，由于對(duì)單晶硅基板主表面?zhèn)日麄€(gè)面進(jìn)行多孔化處理形成的多孔硅層構(gòu)成了讓電子注入的強(qiáng)電場(chǎng)漂移層，因此強(qiáng)電場(chǎng)漂移層的熱傳導(dǎo)率比n型硅基板1的低，增加了場(chǎng)致發(fā)射型電子源的隔熱性，從而在施加電壓、使電流流動(dòng)情況下的基板溫度上升比較大。而由于該溫度上升，對(duì)電子產(chǎn)生熱激勵(lì)，且單晶半導(dǎo)體基板的電阻下降，電子發(fā)射量增加，由此電子發(fā)射時(shí)易引起突發(fā)現(xiàn)象，從而引起發(fā)射電子量的不均勻。
本發(fā)明是鑒于上述認(rèn)識(shí)提出的，其目的在于提供一種可穩(wěn)定、高效發(fā)射電子、成本低的場(chǎng)致發(fā)射型電子源及其制造方法。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，備有導(dǎo)電性基板；在導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)刃纬傻膹?qiáng)電場(chǎng)漂移層；在該強(qiáng)電場(chǎng)漂移層上形成金屬膜構(gòu)成的表面電極，表面電極相對(duì)于導(dǎo)電性基板作為正極，通過施加電壓從導(dǎo)電性基板注入的電子在強(qiáng)電場(chǎng)漂移層漂移，經(jīng)表面電極進(jìn)行發(fā)射，所述強(qiáng)電場(chǎng)漂移層至少包含基本上垂直于導(dǎo)電性基板主表面排列的柱狀半導(dǎo)體結(jié)晶；介于半導(dǎo)體結(jié)晶間納米級(jí)的半導(dǎo)體微結(jié)晶；形成在半導(dǎo)體微結(jié)晶表面、膜厚比該半導(dǎo)體微結(jié)晶的晶粒粒徑還小的絕緣膜。本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射型電子源其電子發(fā)射特性隨真空度的變化較小，且發(fā)射電子時(shí)不會(huì)發(fā)生突發(fā)現(xiàn)象，能穩(wěn)定高效發(fā)射電子，此外，作為導(dǎo)電性基板除了單晶硅基板等半導(dǎo)體基板外還可采用在玻璃基板等基板上形成導(dǎo)電性膜的基板等，因此與已往利用對(duì)半導(dǎo)體基板進(jìn)行多孔化處理形成的多孔半導(dǎo)體層情況或斯平特電極相比，具有可制成大面積電子源及成本低的效果。
在本發(fā)明中，作為所述半導(dǎo)體結(jié)晶最好采用多晶硅，此外還可例舉采用其它IV族元素、SiC那樣的IV-IV族化合物半導(dǎo)體、III-V族化合物半導(dǎo)體CaAs、GaN、InP等、以及II-VI族化合物半導(dǎo)體ZnSe等單晶、多晶及非晶半導(dǎo)體。
在本發(fā)明中，可通過對(duì)多晶半導(dǎo)體陽極氧化以完成多孔化處理形成半導(dǎo)體微結(jié)晶部分，形成漂移部分，關(guān)于其詳細(xì)情況可參照美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/140647中的記載。另外，所述絕緣膜最好是由氧化膜或氮化膜構(gòu)成。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，備有導(dǎo)電性基板；在導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)刃纬傻膹?qiáng)電場(chǎng)漂移單元；在該強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元上形成金屬膜構(gòu)成的表面電極，表面電極相對(duì)于導(dǎo)電性基板作為正極，通過施加直流電壓從導(dǎo)電性基板注入的電子在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元漂移，經(jīng)表面電極進(jìn)行發(fā)射，其中，所述強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元最好包含垂直于導(dǎo)電性基板厚度方向的剖面形成網(wǎng)孔狀供所述電子漂移的漂移單元；填滿網(wǎng)孔的導(dǎo)熱性比漂移單元好的散熱單元，在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元漂移產(chǎn)生的熱經(jīng)散熱單元散熱，因此，發(fā)射電子時(shí)不會(huì)發(fā)生突發(fā)現(xiàn)象，能穩(wěn)定、高效發(fā)射電子。
所述漂移單元最好由在導(dǎo)電性基板厚度方向中多孔度不同的層交替層疊而構(gòu)成，故能提高電子發(fā)射效率?；蛘?，所述漂移單元若由在導(dǎo)電性基板厚度方向中多孔度連續(xù)變化的層構(gòu)成，則能進(jìn)一步提高電子發(fā)射效率。
所述網(wǎng)孔最好是微小多邊形或是微小圓形。
所述散熱單元在由硅或碳化硅構(gòu)成的基礎(chǔ)上至少在其表面形成絕緣膜，因此散熱單元具有高導(dǎo)熱性和電絕緣性，從而提高了散熱性。該散熱單元也可以是不僅單晶也可以是硅或碳化硅的多結(jié)晶經(jīng)氧化后的層，或者也可以是硅或碳化硅的非晶體經(jīng)氧化后的層，故也能具有高導(dǎo)熱性和電絕緣性，從而提高了散熱性。上述絕緣膜最好由氧化膜或氮化膜構(gòu)成。
構(gòu)成表面電極的導(dǎo)電性薄膜最好是金屬薄膜，但也可以是ITO、ZnO2、SnO2等導(dǎo)電膜。
所述導(dǎo)電性基板由在所述一表面形成導(dǎo)電性薄膜的基板構(gòu)成，故與采用單晶硅基板等半導(dǎo)體基板作為導(dǎo)電性基板的情況相比，可形成大面積基板并降低成本。
在制造所述場(chǎng)致發(fā)射型電子源過程中，可以通過陽極氧化沿厚度方向?qū)?dǎo)電性基板一表面?zhèn)劝雽?dǎo)體單元的一部分進(jìn)行多孔化處理，然后，對(duì)半導(dǎo)體單元及多孔化處理后的半導(dǎo)體單元進(jìn)行氧化形成散熱單元及漂移單元，再在漂移單元和散熱單元構(gòu)成的強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元上形成由金屬薄膜構(gòu)成的表面電極。
通過對(duì)導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)劝雽?dǎo)體單元的一部分進(jìn)行多孔化處理后進(jìn)行氧化，就可用同樣的半導(dǎo)體材料形成散熱單元及漂移單元，沒有必要從最初開始分別形成漂移單元和散熱單元，這樣容易控制兩單元的圖形形狀，從而能以低成本實(shí)現(xiàn)發(fā)射電子時(shí)不產(chǎn)生突發(fā)現(xiàn)象、穩(wěn)定高效發(fā)射電子的場(chǎng)致發(fā)射型電子源。
在進(jìn)行所述陽極氧化時(shí)，是在半導(dǎo)體基板一側(cè)主表面形成柱狀多晶半導(dǎo)體層后進(jìn)行氧化，故容易獲得由柱狀半導(dǎo)體結(jié)晶單元和半導(dǎo)體微結(jié)晶單元構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
在進(jìn)行所述陽極氧化時(shí)，是在半導(dǎo)體上將垂直于厚度方向的剖面為微小多邊形的掩模與形成散熱單元的預(yù)定區(qū)域?qū)R設(shè)置后進(jìn)行陽極氧化，故能借助陽極氧化只對(duì)導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)劝雽?dǎo)體單元中與漂移單元相對(duì)應(yīng)的部分進(jìn)行多孔化處理。另外，在進(jìn)行所述陽極氧化時(shí)，也是在半導(dǎo)體上將垂直于厚度方向的剖面為微小圓形的掩模與形成散熱單元的預(yù)定區(qū)域?qū)R設(shè)置后進(jìn)行陽極氧化，故能借助陽極氧化也只對(duì)導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)劝雽?dǎo)體單元中與漂移單元相對(duì)應(yīng)的部分進(jìn)行多孔化處理。
在進(jìn)行所述陽極氧化時(shí)，對(duì)導(dǎo)電性基板施加磁場(chǎng)使得導(dǎo)電性基板中垂直于所述一表面方向的半導(dǎo)體部分的多孔化處理速度比其它方向的高得多，提高了多孔化處理速度的異向性，也即，通過所述多孔化處理后的氧化形成的漂移單元在陽極氧化時(shí)提高了多孔層形成速度的異向性，這樣提高了對(duì)漂移單元的平面及深度方向形狀的可控性，從而能在深度方向進(jìn)行良好的控制形成散熱單元及漂移單元的微細(xì)圖形。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。


圖1是本發(fā)明的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的電子發(fā)射機(jī)理的原理說明圖，圖2是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的剖面圖，圖3是說明實(shí)施形態(tài)1制造過程的主要工序的剖面圖，圖4是實(shí)施形態(tài)1發(fā)射電子測(cè)定原理的說明圖，圖5是實(shí)施形態(tài)1的電壓電流特性圖，
圖6是對(duì)圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim)作圖后的曲線圖，圖7表示上述電流的時(shí)間變化的曲線圖，圖8表示上述電流隨真空度變化的曲線圖，圖9是實(shí)施形態(tài)1中發(fā)射電子能量分布的說明圖，圖10表示實(shí)施形態(tài)2，(a)是垂直剖面原理圖，(b)是水平剖面原理圖，圖11是說明實(shí)施形態(tài)2制造方法的主要工序剖面圖，圖12是說明實(shí)施形態(tài)2制造方法的光掩模的平面圖，圖13是表示實(shí)施形態(tài)3的垂直剖面原理圖，圖14是表示實(shí)施形態(tài)4的垂直剖面原理圖。
(實(shí)施形態(tài)1)圖2表示本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的原理構(gòu)成圖，圖3(a)～3(e)表示場(chǎng)致發(fā)射型電子源10制造方法中主要工序的剖面圖。在本實(shí)施形態(tài)中采用n型硅基板1(電阻率約為0.1Ωcm的(100)基板)作為導(dǎo)電性基板。
如圖2所示，本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10，在n型硅基板1的主表面上急速加熱氧化后形成多晶硅層5，在該多晶硅層5上急速熱氧化后形成多孔多晶硅層6，在該多孔多晶硅層6上形成金屬薄膜的金薄膜7。再在n型硅基板1的背面形成歐姆電極2。
在本實(shí)施形態(tài)中，是用n型硅基板1作為導(dǎo)電性基板，但導(dǎo)電性基板也可以是構(gòu)成場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的負(fù)極并在真空中支持所述多孔多晶硅層6且將電子注入多孔多晶硅層6的其它結(jié)構(gòu)。
所述多孔多晶硅層6是強(qiáng)電場(chǎng)漂移層，在導(dǎo)電性基板與金屬薄膜間施加電壓時(shí)從導(dǎo)電性基板注入的電子在其中漂移。
下面，參照?qǐng)D3說明制造方法。
首先，在n型硅基板1的背面形成歐姆電極2后，在n型硅基板1的表面形成膜厚約1.5μm的非摻雜多晶硅層3，得到圖3(a)所示結(jié)構(gòu)。用LPCVD法形成多晶硅層3薄膜，其成膜條件取真空度為20Pa，基板溫度為640℃，硅烷氣體的流量為600sccm。
形成非摻雜多晶硅層3后，將白金電極(未圖示)作為負(fù)極，將n型硅基板1(歐姆電極2)作為正極，用約1∶1混合55wt％的氟化氫水溶液和乙醇后的混合液構(gòu)成電解液一邊對(duì)多晶硅層3進(jìn)行光照射一邊用恒定電流進(jìn)行陽極氧化處理，形成多孔多晶硅層4(下面稱為PPS層4)，獲得圖3(b)所示結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施形態(tài)中，取電流密度恒定為10mA/cm2，陽極氧化時(shí)間為30秒，同時(shí)在陽極氧化中用500W的鎢絲燈泡照射多晶硅層3的表面，以此作為陽極氧化處理的條件。結(jié)果在本實(shí)施形態(tài)中形成膜厚約為1μm的多孔多晶硅層4。在本實(shí)施形態(tài)中雖對(duì)多晶硅層3的一部分進(jìn)行多孔化處理，但也可對(duì)多晶硅層3的全部進(jìn)行多孔化處理。
接著，利用急速熱氧化(RTORapid Thermal Oxidation)技術(shù)對(duì)PPS層4及多晶硅層3進(jìn)行急速熱氧化，獲得圖3(c)所示的結(jié)構(gòu)。在圖3(c)中，5表示急速熱氧化后的多晶硅層，6表示急速熱氧化后的PPS層(下面稱為RTO-PPS層6)。取氧化溫度為900℃、氧化時(shí)間為1小時(shí)作為急速熱氧化的條件。在本實(shí)施形態(tài)中，由于用急速熱氧化對(duì)PPS層4及多晶硅層3進(jìn)行氧化，故可在數(shù)秒內(nèi)升溫到氧化溫度，且能夠抑制用通常的爐芯管式氧化裝置在入爐時(shí)產(chǎn)生的牽連的氧化。
接著，利用如蒸鍍的方法在RTO-PPS層6上形成金屬薄膜的金薄膜7，得到圖3(d)及圖2所示結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10。在本實(shí)施形態(tài)中，金薄膜7的膜厚約為10nm，但該膜厚并不特別限定于此。此外，場(chǎng)致發(fā)射型電子源10構(gòu)成以金薄膜7為電極的正極(陽極)、歐姆電極2為負(fù)極(陰極)的二極管。在本實(shí)施形態(tài)中是用蒸鍍的方法形成金屬薄膜，但金屬薄膜的形成方法并不限定于這種蒸鍍法，如也可用濺射法。
下面，說明本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的特性。
將上述場(chǎng)致發(fā)射型電子源10置于真空室(未圖示)內(nèi)，如圖4所示將集電極21(收集發(fā)射電子的電極)配置在與金薄膜7相對(duì)的位置，使真空室內(nèi)的真空度為5×10-5Pa，在金薄膜7與歐姆電極2間施加直流電壓Vps，在集電極21與金薄膜7間施加直流電壓Vc，這樣，圖5示出對(duì)二極管電流Ips和發(fā)射電子電流Ie的測(cè)定結(jié)果，所述二極管電流Ips是指在金薄膜7和歐姆電極2間流動(dòng)的電流，所述發(fā)射電子電流Ie是指從場(chǎng)致發(fā)射型電子源10經(jīng)金薄膜7發(fā)射的電子e-(即，圖4中點(diǎn)劃線所示的發(fā)射電子流)在集電極21和金薄膜7間流動(dòng)的電流。這里，金薄膜7相對(duì)于歐姆電極2(即，n型硅基板1)作為正極施加直流電壓Vps，集電極21相對(duì)于金薄膜7作為正極施加直流電壓Vc。圖5的橫軸表示直流電壓Vps的值，縱軸表示電流密度，該圖中的a(○)表示二極管電流Ips，b(●)表示發(fā)射電子電流Ie。直流電壓取恒定100V。
從圖5可見，只有在直流電壓Vps為正時(shí)才觀測(cè)到發(fā)射電子電流Ie，隨直流電壓Vps值的增加，二極管電流Ips及發(fā)射電子電流Ie也增加，例如，當(dāng)直流電壓Vps為15V時(shí)，二極管電流Ips的電流密度約為100mA/cm2，發(fā)射電子電流Ie的電流密度約為10μA/cm2，該發(fā)射電子電流Ie的值與已往例中說明的將對(duì)單晶硅基板表面進(jìn)行多孔化處理形成的多孔硅層作為強(qiáng)電場(chǎng)漂移層應(yīng)用的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的相比有更大的值(例如，按照電子信息通信學(xué)會(huì)ED96-141，P41-46所揭示的，當(dāng)直流電壓Vps為15V時(shí)，二極管電流Ips的電流密度約為40mA/cm2，發(fā)射電子電流Ie的電流密度約為1μA/cm2)，可見，本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10提高了電子發(fā)射效率。
圖6表示對(duì)涉及該發(fā)射電子電流Ie和直流電壓Vps的數(shù)據(jù)進(jìn)行Fowler-Nordheim作圖的結(jié)果。從圖6可推定，由于各數(shù)據(jù)在一條直線上，故該發(fā)射電子電流Ie是量子隧道效應(yīng)引起的電子發(fā)射的電流。
圖7是表示本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10中二極管電流Ips及發(fā)射電子電流Ie分別隨時(shí)間變化的曲線圖，橫軸為時(shí)間，縱軸為電流密度，該圖中的a表示二極管電流Ips，b表示發(fā)射電子電流Ie。圖7是取直流電壓Vps為恒定15V、直流電壓Vc為恒定100V情況的結(jié)果。由圖7可知，在本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10中，沒有觀測(cè)到二極管電流Ips、發(fā)射電子電流Ie兩者有突發(fā)現(xiàn)象，且隨時(shí)間變化能維持兩電流基本不變。
發(fā)射電子電流Ie隨時(shí)間變化小的這種穩(wěn)定特性是采用本發(fā)明的構(gòu)造所獲得的特性，是已往MIM方式或?qū)尉Ч杌灞砻孢M(jìn)行多孔化處理得到的場(chǎng)致發(fā)射型電子源不能得到的特性。
下面，說明本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10中發(fā)射電子電流Ie隨真空度改變的情況。圖8表示本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的周圍處于Ar氣體氛圍中使真空度變化時(shí)的二極管電流Ips及發(fā)射電子電流Ie的變化。圖8中，橫軸是真空度，縱軸是電流密度，a(○)表示二極管電流Ips，b(●)表示發(fā)射電子電流Ie。從圖8可見，真空度在10-4Pa～1Pa范圍內(nèi)可獲得發(fā)射電子電流Ie基本恒定，且發(fā)射電子電流Ie隨真空度的變化小。也即，由于本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的電子發(fā)射特性隨真空度的變化小，故即使真空度多少發(fā)生變化也能穩(wěn)定高效發(fā)射電子，由于低真空度也能獲得良好的發(fā)射特性，不像已有技術(shù)那樣必須要使用高真空度，故可降低采用場(chǎng)致發(fā)射型電子源10的裝置的成本，并容易處理。
下面，說明本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的電子發(fā)射機(jī)理。
為了研究電子發(fā)射的機(jī)理，首先用TEM(透射型電子顯微鏡)觀察陽極氧化處理后圖3中試料PPS層4的剖面，確認(rèn)在柱狀多晶硅周圍生長(zhǎng)有納米級(jí)(直徑在5nm左右)的微晶硅層。再用TEM觀察多晶硅層3成膜后圖3(a)試料的剖面，確認(rèn)由膜成長(zhǎng)方向(圖3(a)的上下方向)中細(xì)柱狀粒子(晶粒)的集合體(柱狀結(jié)構(gòu))構(gòu)成多晶硅層3。比較TEM的這些觀察結(jié)果，可認(rèn)為，多晶硅層3的陽極氧化反應(yīng)在粒子的邊界優(yōu)先進(jìn)行，也即，在柱狀結(jié)構(gòu)的柱與柱之間沿深度方向進(jìn)行陽極氧化，故陽極氧化后還殘留有柱狀硅粒子的結(jié)構(gòu)。這被認(rèn)為由于多孔層(PPS層4)的形成速度比陽極氧化單晶硅基板形成多孔硅層時(shí)要快，故在體現(xiàn)量子閉合效應(yīng)的納米級(jí)微晶硅層的空間密度低的一側(cè)留有較大的柱狀粒子。這里，若從導(dǎo)電性的控制及構(gòu)造和熱的穩(wěn)定性來看，所謂殘留有柱狀粒子構(gòu)造被認(rèn)為通過陽極氧化處理柱狀構(gòu)造的多晶硅層形成的多孔多晶硅與通過陽極氧化處理通常塊狀的多晶硅層形成的多孔多晶硅相比具有優(yōu)良的性質(zhì)。
從上述TEM觀察的結(jié)果可看到，圖3(d)所示的急速熱氧化后的多孔多晶硅層6(RTO-PPS層6)，即，強(qiáng)電場(chǎng)漂移層，如圖1所示，結(jié)構(gòu)上至少包含柱狀半導(dǎo)體結(jié)晶的多晶硅61；形成在多晶硅61表面的薄的硅氧化膜62；介于柱狀多晶硅61之間納米級(jí)半導(dǎo)體微結(jié)晶的微晶硅層63；形成在微晶硅層63表面、膜厚比該微晶硅層63的結(jié)晶粒徑小的絕緣膜即硅氧化膜64。
于是，可認(rèn)為本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10用下面的模型產(chǎn)生電子發(fā)射。即，若金薄膜7相對(duì)于n型硅基板1為正極施加的直流電壓Vps達(dá)規(guī)定值(臨界值)，則通過熱激勵(lì)就從n型硅基板1向RTO-PPS層6注入電子e-。另一方面，加給RTO-PPS層6的電場(chǎng)基本上分布在硅氧化膜64，故注入的電子借助分布在氧化膜64的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行加速，在RTO-PPS層6中的多晶硅61間的空間向表面朝圖1中箭頭A方向(向著圖1中的向上的方向)漂移。此處，RTO-PPS層中電子的漂移長(zhǎng)度，如下所述，與微晶硅層63的粒徑相比大得多，故基本上無碰撞地到達(dá)RTO-PPS層6的表面。到達(dá)RTO-PPS層6表面的電子e-是熱電子，該熱電子具有比熱平衡狀態(tài)高數(shù)kT以上的能量，故通過RTO-PPS層6最表面的氧化層6很容易在金薄膜7形成隧道發(fā)射到真空中。
在本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源10中，如圖7所說明那樣，不產(chǎn)生突發(fā)現(xiàn)象，能高效穩(wěn)定發(fā)射電子，這可認(rèn)為是由于RTO-PPS層6各晶粒表面經(jīng)多孔化處理，在各晶粒中心部分(圖1的多晶硅61)維持結(jié)晶狀態(tài)，因此所加電壓產(chǎn)生的熱經(jīng)維持上述結(jié)晶狀態(tài)的部分傳導(dǎo)輻射到外部，從而抑制了溫度上升。
綜上所述可認(rèn)為，由于作為強(qiáng)電場(chǎng)漂移層的RTO-PPS層6具有能讓強(qiáng)電場(chǎng)存在的半絕緣性，且電子散射少，漂移長(zhǎng)度長(zhǎng)，具有可抑制二極管電流Ips熱失控的導(dǎo)熱率，因此能高效穩(wěn)定發(fā)射電子。
作為支持上述熱電子隧道效應(yīng)產(chǎn)生電子發(fā)射的機(jī)理有①表面的強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)；②電子的漂移長(zhǎng)度；③發(fā)射電子的能量分布，下面分別加以說明。
①表面的強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)在已有技術(shù)例說明的利用陽極氧化n型單晶硅基板獲得的多孔硅所形成的二極管(下面，稱為多孔硅二極管)中，在冷電子還未發(fā)射的低電壓區(qū)首先觀測(cè)到場(chǎng)致發(fā)光(下面稱為EL)。若研究這種發(fā)光機(jī)理，由于基板是n型，故出現(xiàn)的問題是不知道由于怎樣的機(jī)理產(chǎn)生為電子發(fā)光再結(jié)合所需要的空穴。根據(jù)EL發(fā)光特性的分析，有人(T，Oguro et al，J.Appl Phys.81(1997)1407-1412)提出從微晶硅層的價(jià)電子帶至相鄰的微晶硅層的傳導(dǎo)帶的電子隧道效應(yīng)及碰撞電離引起的電子雪崩的兩種過程。
這兩種過程不管哪一種都是存在有強(qiáng)電場(chǎng)后才會(huì)產(chǎn)生的效應(yīng)。根據(jù)對(duì)施加電場(chǎng)引起的PL猝滅(quenching)與激勵(lì)波長(zhǎng)關(guān)系的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行推測(cè)，在EL發(fā)光時(shí)的多孔硅二極管中，106V/cm左右強(qiáng)電場(chǎng)存在于從多孔硅層表面至數(shù)百nm深的比較淺的區(qū)域。由于從施加比EL更高電壓開始電子發(fā)射，故認(rèn)為熱電子參與電子發(fā)射。
與此相比，在本實(shí)施形態(tài)，由于利用RTO處理使氧化層特別集中形成在RTO-PPS層6的表面，因此，與多孔硅層相同，可認(rèn)為在表面附近生成的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)引起生成熱電子和隧道發(fā)射。
②電子的漂移長(zhǎng)度根據(jù)對(duì)與多孔硅層的光電導(dǎo)效應(yīng)相關(guān)的載流子飛行時(shí)間(time-of-flightTOF)的測(cè)定結(jié)果，有人報(bào)導(dǎo)(R.Sedlacik et al，Thin Solid Films 255(1993)269-271)了處于強(qiáng)電場(chǎng)(105V/cm)下的多孔硅層內(nèi)載流子的漂移長(zhǎng)度達(dá)1μm。
該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多孔硅層中微晶硅層的尺寸，這表示傳導(dǎo)電子能很容易加熱總之，控制多孔硅層中的電子傳導(dǎo)的不是單晶硅結(jié)構(gòu)本身，而可以說是存在強(qiáng)電場(chǎng)的微晶硅層的表面層或微晶硅層間的薄的硅氧化膜等的界面組織。
這些情況也適用于本實(shí)施形態(tài)中的RTO-PPS層6，在存在同樣大小電場(chǎng)情況下，電子的漂移長(zhǎng)度比多晶硅61的晶粒尺寸(本實(shí)施形態(tài)中從200nm至300nm)大得多，故很容易推測(cè)到達(dá)表面的電子變成熱電子。
③發(fā)射電子的能量分布圖9表示對(duì)本實(shí)施形態(tài)中從場(chǎng)致發(fā)射型電子源10發(fā)射電子的能量N(E)的能量分布進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。圖9中，a表示直流電壓Vps取12V的情況，b表示直流電壓Vps取15V的情況，c表示直流電壓Vps取18V的情況。
從圖9可知，電子能量N(E)的能量分布比較寬，含有數(shù)eV的高能量分量，隨著所加直流電壓Vps的增加，峰值位置向高能量側(cè)偏移。因此，RTO-PPS層6中的電子散射小，到達(dá)RTO-PPS層6表面的電子可認(rèn)為是具有足夠能量的熱電子。也即，認(rèn)為產(chǎn)生模擬彈道型(ballistic)電子發(fā)射現(xiàn)象。
到達(dá)RTO-PPS層6表面的電子已緩慢下來達(dá)到熱平衡狀態(tài)，不會(huì)受到強(qiáng)的散射，結(jié)果是在RTO-PPS層6內(nèi)的能量損失即產(chǎn)生的熱量小，保持二極管電流Ips恒定。進(jìn)而，可認(rèn)為殘留在RTO-PPS層6中的柱狀多晶硅61(見圖1)有助于熱擴(kuò)散，從而抑制了突發(fā)噪聲的產(chǎn)生。
在上述實(shí)施形態(tài)中，是對(duì)淀積在n型硅基板1上的具有柱狀構(gòu)造的多晶硅層3施以陽極氧化處理，但若最后能獲得圖1所示的結(jié)構(gòu)，則也可淀積塊狀多晶硅層施以陽極氧化處理。另外，也可從n型硅基板1的主表面至規(guī)定深度在n型硅基板1表面?zhèn)冗M(jìn)行柱狀微細(xì)加工再施以陽極氧化處理以替代淀積多晶硅層3。
再有，在上述實(shí)施形態(tài)中，是采用n型硅基板1(電阻率約為0.1Ωcm的(100)基板)作為導(dǎo)電性基板，但導(dǎo)電性基板并不限定于n型硅基板，例如，也可采用在鉻等金屬基板或玻璃基板等形成透明導(dǎo)電性薄膜(例如，ITOIndiumTin Oxide)或白金或鉻等導(dǎo)電性膜的基板等，與采用n型硅基板等半導(dǎo)體基板的情況相比，能形成大面積基板及降低成本。
在導(dǎo)電性基板為半導(dǎo)體基板的情況下，多晶硅層3的成膜也可通過LPCVD法或?yàn)R射法進(jìn)行，或也可以在用等離子CVD法生成非晶硅膜后通過退火處理使之結(jié)晶成膜。在導(dǎo)電性基板為在玻璃基板形成導(dǎo)電性薄膜的基板情況下，也可在用CVD法在導(dǎo)電性薄膜上生成非晶硅膜后用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行退火形成多晶硅層3。在導(dǎo)電性薄膜上形成多晶硅層3的方法不限定于CVD法，如也可采用CGS(Continuous Grain Silicon)或觸媒CVD法等。借助CVD法等在基板上淀積多晶硅層3時(shí)，由于所淀積的多晶硅層對(duì)基板的定向性有很大的影響，因此將多晶硅層3淀積在單晶硅(100)基板以外的基板上時(shí)，也可設(shè)定相對(duì)于基板主表面沿垂直方向生長(zhǎng)柱狀體的淀積條件。
在上述實(shí)施形態(tài)中，是采用RTO技術(shù)對(duì)PPS層4及多晶硅層3進(jìn)行急速熱氧化，但不限定于急速熱氧化，也可用化學(xué)方法進(jìn)行氧化，或用氧的等離子體進(jìn)行氧化。另外，也可進(jìn)行氮化代替氧化，在氮化時(shí)，可采用氮的等離子體進(jìn)行氮化或加熱氮化等方法。即，也可采用硅氮化膜作為絕緣膜來代替圖1中硅氧化膜64構(gòu)成的絕緣膜。
在上述實(shí)施形態(tài)中，是用金薄膜7作為金屬薄膜，但金屬薄膜的材料不限定于金，只要是功函數(shù)小的金屬都可以，例如，可采用鋁、鉻、鎢、鎳、白金等。這里，金的功函數(shù)為5.10eV，鋁的功函數(shù)為4.28eV，鉻的功函數(shù)為4.50eV，鎢的功函數(shù)為4.55eV，鎳的功函數(shù)為5.15eV，金的功函數(shù)為5.65eV。
(實(shí)施形態(tài)2)圖10表示本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的構(gòu)成原理圖，圖11(a)～(c)表示場(chǎng)致發(fā)射型電子源110制造方法中主要工序的剖面圖。本實(shí)施形態(tài)中采用電阻率比較接近導(dǎo)體電阻率的單晶n型硅基板101(如，電阻率約0.1Ωcm的(100)基板)作為導(dǎo)電性基板。
如圖10所示，本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110在n型硅基板101的主表面?zhèn)刃纬蓮?qiáng)電場(chǎng)漂移單元106，強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106上形成金薄膜構(gòu)成的表面電極107。n型硅基板101背面形成歐姆電極102。
該場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的表面電極107配置在真空中，相對(duì)于表面電極107配置有集電極(未圖示)，表面電極107相對(duì)于歐姆電極102作為正極施加直流電壓，而集電極相對(duì)于表面電極107作為正極施加直流電壓，由此，從n型硅基板101注入強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106的電子在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106漂移，經(jīng)表面電極107發(fā)射。其中，在表面電極107與歐姆電極102間流過的電流稱為二極管電流，集電極與表面電極107間流過的電流稱為發(fā)射電子電流，發(fā)射電子電流相對(duì)于二極管電流越大，則電子發(fā)射頻率越高。本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110即使在表面電極107與歐姆電極102間施加10-20V左右的低電壓也能發(fā)射電子。
本實(shí)施形態(tài)的強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106由供所述電子漂移的漂移單元161和散熱單元162構(gòu)成，漂移單元161與作為導(dǎo)電性基板的n型硅基板101厚度方向垂直的剖面形成網(wǎng)孔狀，填滿網(wǎng)孔中的散熱單元162的導(dǎo)熱性漂移單元161好。總之，散熱單元162形成平行于n型硅基板101厚度方向的方柱形。其中，漂移單元161由氧化的多孔構(gòu)成，散熱單元162由氧化的單晶硅構(gòu)成。
因而，本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源110由于漂移單元161中產(chǎn)生的熱經(jīng)散熱單元162散熱，故不會(huì)發(fā)生電子發(fā)射時(shí)的突發(fā)現(xiàn)象，能穩(wěn)定高效發(fā)射電子。
下面，參照?qǐng)D11說明制造方法。
首先，在n型硅基板101背面形成歐姆電極102后，在n型硅基板101的主表面上涂敷光刻膠，利用圖12所示的光掩膜M將上述光刻膠生成圖形，形成光刻膠掩膜103，獲得圖11(a)所示結(jié)構(gòu)。光掩膜M的結(jié)構(gòu)使光刻膠掩模103的平面形狀呈微小的(如，0.1μm數(shù)量級(jí))大致正方形，但光掩膜M的結(jié)構(gòu)也可以使光刻膠掩模3的平面形狀呈正方形以外的微小多邊形、微小圓形、微小星形等。
接著，用約1∶1混合55wt％的氟化氫水溶液和乙醇構(gòu)成的電解液，取白金電極(未圖示)為負(fù)極，n型硅基板1(歐姆電極2)為正極，對(duì)n型硅基板1的主表面?zhèn)纫贿呎展庖贿呥M(jìn)行恒定電流陽極化處理，由此在n型硅基板101的主表面?zhèn)葘?duì)光刻膠掩模3未覆蓋的部分進(jìn)行多孔化處理，形成由多孔硅構(gòu)成的多孔層111，得到圖11(b)所示結(jié)構(gòu)。圖11(b)中的112表示由n型硅基板101中一部分構(gòu)成的半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層112形成方柱形狀。在本實(shí)施形態(tài)中，作為陽極氧化處理?xiàng)l件，取恒定電流密度為10mA/cm2，陽極氧化時(shí)間為30秒，并在陽極氧化中用500W的鎢絲燈泡對(duì)n型硅基板1主表面?zhèn)冗M(jìn)行照射，該條件只是作為舉例，并不作為特別限定?？傊诒緦?shí)施形態(tài)中，是將n型硅基板1的主表面?zhèn)炔糠旨孀靼雽?dǎo)體單元。
接著，利用急速熱氧化(RTORapid Thermal Oxidation)技術(shù)對(duì)多孔層111及半導(dǎo)體層112進(jìn)行急速熱氧化，形成強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106，再用如蒸鍍方法在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106上形成金屬膜構(gòu)成的表面電極7，這樣獲得圖11(c)所示結(jié)構(gòu)。圖11(c)中的161是急速氧化后的多孔層111，對(duì)應(yīng)于上述漂移單元161，162是急速氧化后的半導(dǎo)體層112，對(duì)應(yīng)于上述散熱單元162。也即，圖11(c)中的漂移單元161和散熱單元162構(gòu)成強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106。作為急速熱氧化條件取氧化溫度為900℃，氧化時(shí)間為1小時(shí)。表面電極107的膜厚取約10nm，但該膜厚并不受特別限定，表面電極107的金屬薄膜(如，金薄膜)的形成方法也不限定于蒸鍍，如也可用濺射法。場(chǎng)致發(fā)射型電子源110構(gòu)成以表面電極107為正極(陽極)、歐姆電極102為負(fù)極(陰極)的二極管。在該正、負(fù)極之間施加直流電壓時(shí)流過的電流是二極管電流。
上述制造方法制造的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110其發(fā)射電子電流隨時(shí)間變化小，不產(chǎn)生突發(fā)噪聲，能穩(wěn)定高效發(fā)射電子。該場(chǎng)致發(fā)射型電子源110其電子發(fā)射特性(如，電子發(fā)射電流)隨真空度的變化較小，即使是低真空度也能獲得良好的電子發(fā)射特性，由于不需要像已有技術(shù)那樣的高真空度，故能降低采用場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的裝置的成本，且處理也方便。
然而，本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110在其制造方法中，由于在n型硅基板101(半導(dǎo)體單元)上設(shè)置光刻膠掩模103后，進(jìn)行陽極氧化處理，所以在n型硅基板101主表面中露出的區(qū)域沿深度方向進(jìn)行該基板101的多孔化處理。因此，若從導(dǎo)電性的控制性及結(jié)構(gòu)的和熱的穩(wěn)定性來看，本實(shí)施形態(tài)電場(chǎng)發(fā)射電子源110中的強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106與已往對(duì)單晶硅基板全部主表面?zhèn)冗M(jìn)行多孔化處理得到的強(qiáng)電場(chǎng)漂移層相比具有優(yōu)良特性。
也即，在本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源110中可認(rèn)為是按下面模型發(fā)射電子。表面電極107相對(duì)于n型硅基板101(歐姆電極102)作為正極一旦所加電壓達(dá)規(guī)定值(臨界值)，則由熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子從n型硅基板101注入強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106。另外，還考慮到在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106的漂移單元161存在多層體現(xiàn)量子閉合效應(yīng)的納米級(jí)微晶硅層，在該微晶硅層表面形成硅氧化膜，該硅氧化膜的膜厚比微晶硅層晶粒粒徑要小。因而，施加于強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106的電場(chǎng)基本上分布在形成于微晶硅層表面的硅氧化膜，故注入的電子經(jīng)分布于該硅氧化膜的強(qiáng)電場(chǎng)加速在漂移單元161內(nèi)向表面漂移。這里，電子漂移長(zhǎng)度比微晶硅層的粒徑大得多，基本上不引起碰撞而到達(dá)漂移單元161的表面。到達(dá)漂移單元161表面的電子是熱電子，熱電子具有比熱平衡狀態(tài)下高數(shù)KT以上的能量，因此，通過強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106最表面的氧化層很容易在表面電極107形成隧道而發(fā)射到真空中。
在本實(shí)施形態(tài)的電場(chǎng)型電子源110中，不會(huì)發(fā)生突發(fā)噪聲，能高效、穩(wěn)定發(fā)射電子，這可推定是由于施加電壓在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106的漂移單元161產(chǎn)生的熱經(jīng)散熱單元162傳導(dǎo)輻射到外部從而抑制了溫度上升的緣故。
綜上所述，強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106具有能存在強(qiáng)電場(chǎng)的半絕緣性，電子散射小，漂移長(zhǎng)度大，具有可抑制二極管電流熱失控的導(dǎo)熱率，因此，可認(rèn)為能高效、穩(wěn)定發(fā)射電子。
支持上述熱電子隧道效應(yīng)產(chǎn)生的電子發(fā)射機(jī)理的是如已說明的①表面的強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)，②電子的漂移長(zhǎng)度。
因此，根據(jù)上述①、②也可認(rèn)為在本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110中是由熱電子的隧道效應(yīng)產(chǎn)生電子發(fā)射。
在本實(shí)施形態(tài)中，如上所述，n型硅基板101的主表面?zhèn)炔糠旨孀靼雽?dǎo)體單元，并對(duì)該半導(dǎo)體單元施加陽極氧化處理。但也可將單晶硅、多晶硅、非晶硅、單晶碳化硅(SiC)、多晶碳化硅、非晶碳化硅等任一種作為半導(dǎo)體單元層疊在n型硅基板101上施以陽極氧化處理。另外，導(dǎo)電性基板不限定于n型硅基板，也可使用如在鉻等金屬基板或玻璃基板等上形成透明導(dǎo)電性薄膜(如ITOIndium Tin Oxide)或白金或鉻等導(dǎo)電性膜的基板等，與使用n型硅基板等半導(dǎo)體基板的情況相比可形成大面積基板和降低成本。其中，在導(dǎo)電性基板為半導(dǎo)體基板情況下，也可采用LPCVD法或?yàn)R射法形成多晶硅膜，或也可在等離子體CVD法形成非晶硅膜后用退火處理使之結(jié)晶。在導(dǎo)電性基板為在玻璃基板上形成導(dǎo)電性薄膜的基板的情況下，也可在利用CVD法在導(dǎo)電性薄膜上形成非晶硅膜之后用準(zhǔn)分子激光器退火，從而形成多晶硅。另外，在導(dǎo)電性薄膜上形成多晶硅的方法并不限定于CVD法，例如也可用CGS(Continuous GrainSilicon)法或觸媒CVD法等。在用CVD法等將多晶硅淀積在基板上的情況下，由于淀積的多晶硅層對(duì)基板的定向性有很強(qiáng)的影響，因此在將多晶硅層淀積在單晶硅(100)基板以外的基板上的情況下，也可設(shè)定相對(duì)基板主表面沿垂直方向生長(zhǎng)柱狀體的淀積條件。
在上述實(shí)施形態(tài)中，是用金薄膜作為構(gòu)成表面電極7的金屬薄膜，但金屬薄膜的材料并不限定于金，只要是功函數(shù)小的金屬都可以，如也可采用鋁、鉻、鎢、鎳、白金等。在利用陽極氧化對(duì)半導(dǎo)體單元的一部分進(jìn)行多孔化處理時(shí)，如果對(duì)n型硅基板1施加磁場(chǎng)使得在垂直于作為導(dǎo)電性基板的n型硅基板1的主表面方向中的半導(dǎo)體多孔化速度比其它方法的高得多，那么就能提高多孔化速度的異向性，即，由于提高了上述急速熱氧化構(gòu)成漂移單元61部分的陽極氧化時(shí)多孔層形成速度的異向性，故提高了對(duì)漂移單元61的平面和深度方向的形狀控制性，能良好控制深度方向形成散熱單元62及漂移單元61的微細(xì)圖形。這里，為了提高上述異向性，只要對(duì)n型硅基板1上下施加磁場(chǎng)即可。
(實(shí)施形態(tài)3)本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的結(jié)構(gòu)如圖13所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施形態(tài)2大致相同，這里僅說明與實(shí)施形態(tài)2的不同點(diǎn)。
在實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的特征在于圖13所示強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106中的漂移單元161的結(jié)構(gòu)。即，在本實(shí)施形態(tài)中，漂移單元161形成相對(duì)多孔度高的第一漂移層161b和多孔度低的第二漂移層161a相互層疊的疊層結(jié)構(gòu)(多層結(jié)構(gòu))，漂移單元161表面?zhèn)刃纬啥嗫锥鹊偷牡诙茖?61a。與實(shí)施形態(tài)2相同構(gòu)成要素賦以同一標(biāo)號(hào)并省略說明。
于是，本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110由于漂移單元161形成上述多層結(jié)構(gòu)，故能進(jìn)一步抑制二極管電流過大，與實(shí)施形態(tài)1相比可期望提高電子發(fā)射效率。
本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法與實(shí)施形態(tài)2說明的制造方法大致相同，只是陽極氧化條件不同。也即，重復(fù)交替進(jìn)行電流密度小的第一條件下的陽極氧化處理和電流密度大的第二條件下的陽極氧化處理。在第一條件的陽極氧化處理一次結(jié)束時(shí)在n型硅基板101的表面?zhèn)刃纬啥嗫锥鹊偷亩嗫讓?，之后在第二條件陽極氧化處理結(jié)束時(shí)在n型硅基板101側(cè)形成多孔度比上述多孔度低的多孔層要高的多孔層。
(實(shí)施形態(tài)4)本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的結(jié)構(gòu)如圖14所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施形態(tài)2大致相同，這里僅說明與實(shí)施形態(tài)2的不同點(diǎn)。
本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110的結(jié)構(gòu)特征在于形成有圖14所示強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元106中的漂移單元161的多孔度在厚度方向連續(xù)變化的層。這里，漂移單元161在靠近n型硅基板101側(cè)為高多孔度，而在靠近表面為低多孔度，多孔度在厚度方向連續(xù)變化。與實(shí)施形態(tài)2相同的構(gòu)成要素賦以相同標(biāo)號(hào)，省略其說明。
在本實(shí)施形態(tài)的場(chǎng)致發(fā)射型電子源110中，由于漂移單元161形成如上所述的多孔度連續(xù)變化的層，故能進(jìn)一步抑制二極管電流的過流，實(shí)現(xiàn)比實(shí)施形態(tài)2要高的電子發(fā)射效率。
本實(shí)施形態(tài)場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法與實(shí)施形態(tài)2說明的制造方法大致相同，只是陽極氧化條件有差別。也即，在本實(shí)施形態(tài)中，通過連續(xù)不斷地增加陽極氧化電流(電流密度)來形成實(shí)施形態(tài)2中說明的多孔層多孔度連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)。
如，在陽極氧化開始，隨時(shí)間連續(xù)(漸漸地)增加電流密度，通過這樣在陽極氧化結(jié)束時(shí)形成的多孔層在靠近n型硅基板101為高多孔度，在靠近表面為低多孔度，在厚度方向連續(xù)變化，再通過對(duì)該多孔層進(jìn)行急速熱氧化形成多孔度連續(xù)變化的漂移單元161。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，備有導(dǎo)電性基板；在導(dǎo)電性基板一表面?zhèn)刃纬傻膹?qiáng)電場(chǎng)漂移層；在該強(qiáng)電場(chǎng)漂移層上形成導(dǎo)電性薄膜構(gòu)成的表面電極，表面電極相對(duì)于導(dǎo)電性基板作為正極，通過施加電壓從導(dǎo)電性基板注入的電子在強(qiáng)電場(chǎng)漂移層漂移，經(jīng)表面電極進(jìn)行發(fā)射，所述強(qiáng)電場(chǎng)漂移層至少包含基本上垂直于導(dǎo)電性基板主表面排列的柱狀半導(dǎo)體結(jié)晶單元；介于半導(dǎo)體結(jié)晶單元間納米級(jí)的半導(dǎo)體微結(jié)晶單元；形成在半導(dǎo)體微結(jié)晶單元表面、膜厚比該半導(dǎo)體微結(jié)晶單元的結(jié)晶粒徑小的絕緣膜。
2.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述強(qiáng)電場(chǎng)漂移層由電子漂移的漂移單元和導(dǎo)熱性比所述漂移單元好的散熱單元構(gòu)成，且所述漂移單元和散熱單元混在一起均勻分布。
3.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述強(qiáng)電場(chǎng)漂移層由電子漂移的漂移單元和散熱單元構(gòu)成，且所述漂移單元在導(dǎo)電性基板的主表面上與其厚度方向垂直的剖面形成網(wǎng)孔狀，所述散熱單元由填滿所述網(wǎng)孔狀漂移單元中的導(dǎo)熱性比所述漂移單元好的半導(dǎo)體結(jié)晶單元構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述漂移單元可以是在導(dǎo)電性基板厚度方向中由多孔度不同的層交互層疊而成的層或是在導(dǎo)電性基板厚度方向中多孔度連續(xù)變化的層。
5.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述漂移單元的網(wǎng)孔形狀是微小多邊形或是微小圓形。
6.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述散熱單元及漂移單元可由硅或碳化硅的單晶、多晶、或非晶構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述散熱單元表面用絕緣膜加以電絕緣。
8.如權(quán)利要求1或7所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述絕緣膜可以是氧化膜或氮化膜。
9.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述導(dǎo)電性基板由在所述表面形成導(dǎo)電性薄膜的基板構(gòu)成。
10.一種場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法，用于制造權(quán)利要求1所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源，其特征在于，所述方法包含沿厚度方向?qū)?dǎo)電性基板一主表面?zhèn)劝雽?dǎo)體單元的一部分進(jìn)行陽極氧化時(shí)用具有規(guī)定網(wǎng)孔狀空隙的掩模進(jìn)行多孔化處理的工序；然后，對(duì)經(jīng)多孔化處理成網(wǎng)孔狀的半導(dǎo)體單元及填滿所述網(wǎng)孔內(nèi)的半導(dǎo)體單元進(jìn)行氧化形成所述漂移單元及散熱單元的工序；和再在所述漂移單元和散熱單元構(gòu)成的強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元上形成金屬薄膜構(gòu)成的表面電極的工序。
11.如權(quán)利要求10所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，將半導(dǎo)體單元上垂直于厚度方向的剖面為微小多邊形或微小圓形的掩模與形成散熱單元的預(yù)定區(qū)域?qū)R加以設(shè)定后進(jìn)行陽極氧化。
12.如權(quán)利要求10所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，在進(jìn)行所述陽極氧化時(shí)，對(duì)導(dǎo)電性基板施加磁場(chǎng)使得導(dǎo)電性基板中垂直于所述一表面方向的半導(dǎo)體單元的多孔化速度比其它方向的高得多。
13.如權(quán)利要求10所述的場(chǎng)致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，還進(jìn)一步包含將柱狀多晶半導(dǎo)體層形成在導(dǎo)電性基板的一主表面后通過陽極氧化進(jìn)行多孔化的工序。
全文摘要
一種場(chǎng)致發(fā)射型電子源及其制造方法,在n型硅基板主表面?zhèn)刃纬蓮?qiáng)電場(chǎng)漂移單元,在該單元上形成金薄膜構(gòu)成的表面電極。在n型硅基板背面形成歐姆電極。表面電極配置在真空中,且相對(duì)歐姆電極作為正極,通過施加直流電壓,從n型硅基板注入的電子在強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元漂移經(jīng)表面電極發(fā)射。強(qiáng)電場(chǎng)漂移單元由與作為基板的n型硅基板的厚度方向垂直的剖面呈網(wǎng)孔狀的電子進(jìn)行漂移的漂移單元和填滿在網(wǎng)孔中導(dǎo)熱性比漂移單元好的散熱單元構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01J1/312GK1249525SQ99120728
公開日2000年4月5日 申請(qǐng)日期1999年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月25日
發(fā)明者菰田卓哉, 櫟原勉, 相澤浩一, 越田信義 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社