專利名稱：場致發(fā)射型電子源及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于平面發(fā)光裝置(plane light-emitting apparatus)、顯示器(display)及固體真空器件(solid vacuum device)等的場致發(fā)射型電子源及其制造方法，所述場致發(fā)射型電子源是采用半導體材料、利用場致發(fā)射而發(fā)射電子束的。
作為場致發(fā)射型電子源，至今已知有例如美國專利3665241號等所揭示的斯平特型電極(Spindt-type electrode)。該斯平特型電極具有配置大量三角錐狀發(fā)射極尖端的基板、及具有使發(fā)射極尖端的端部露出的發(fā)射孔且與發(fā)射極尖端絕緣配置的控制極層。該斯平特型電極在真空中通過在發(fā)射極尖端與控制極層之間加上發(fā)射極尖端相對于控制極層為負的高電壓，就能夠從發(fā)射極尖端的端部通過發(fā)射孔發(fā)射電子束。
但是，斯平特型電極存在下述的問題。即電極的制造工藝復雜，而且很難高精度構成大量三角錐狀的發(fā)射極尖端。因此，將它用于平面發(fā)光裝置或顯示器等情況下，很難增大其電子發(fā)射面的面積。
另外，斯平特型電極還存在下述的問題，即在斯平特型電極中，電場集中于發(fā)射極尖端的端部。因此，當發(fā)射極尖端的端部周圍真空度較低而存在殘留氣體時，由于發(fā)射的電子束的作用而使部分殘留氣體電離，形成正離子。由于該正離子與發(fā)射極尖端的端部碰撞，因此使發(fā)射極尖端的端部受到損傷(例如由于離子碰撞而導致損傷)。所以，發(fā)射電子的電流密度及效率就不穩(wěn)定，另外發(fā)射極尖端的壽命縮短。
為了解決前述的問題，要求斯平特型電極在高真空(約10-5Pa～10-6Pa)狀態(tài)下使用。因此要將其在高真空下封裝且維持高真空，但這樣產生的問題是將使成本提高。
為了改善前述的問題，提出了MIM(Metal Insulator Metal)型成MOS(Metal Oxide Semiconductor)型場致發(fā)射型電子源的方案。前者是具有金屬-絕緣膜-金屬層疊構造的平面型場致發(fā)射型電子源。后者是具有金屬-絕緣膜-半導體層疊構造的平面型場致發(fā)射型電子源。在這種類型的場致發(fā)射型電子源中，為了提高電子發(fā)射效率(即為了發(fā)射更多的電子)，必須使絕緣膜及氧化膜做得很薄。但是，若使絕緣膜或氧氣膜過薄，則在層疊構造的上下電極間加上電壓時，有可能引起絕緣破壞。這樣就限制了不能將絕緣膜或氧化膜做得很薄，因此產生的問題是不能夠得到那么高的電子發(fā)射效率(逸出效率)。
另外，如日本專利特開平8-250766號公報所揭示的那樣，近年提出一種在硅基板等單晶半導體基板表面通過陽極氧化而形成多孔半導體層(多孔硅層)、再在該多孔半導體層上形成金屬薄膜的場致發(fā)射型電子源(半導體冷電子發(fā)射元件)的方案。在該場致發(fā)射型電子源中，通過在半導體基板與金屬薄膜間加上電壓而發(fā)射電子。
但是，對于日本專利特開平8-250766號公報所述的場致發(fā)射型電子源，由于其結構中必有單晶半導體基板，因此很難增大其電子發(fā)射面的面積。所以不適合用于平面顯示裝置那樣的需要大面積電子發(fā)射面的電子源的裝置。另外，在日本專利特開平9-259795號公報中還揭示了一種以日本專利特開平8-250766號公報中揭示的發(fā)明為基礎而實現平面型顯示型的結構。
在這些場致發(fā)射型電子源中，是利用在多孔半導體層兩面加上電壓而產生的電場使電子發(fā)射的。在該方式中，與前述MIM或MOS不同，多孔半導體層由大量的微細孔及殘留硅構成。這里，多孔度為10～80％，各微細孔內徑為2～數nm。在前述公報中記載有，由于殘留硅原子數為數十～數百，因此希望有由于量子尺寸效應(quantum size effect)而引起的電子發(fā)射現象。另外，在日本專利特開平9-259795號公報中記載有，由于在非?？拷嗫装雽w層表面附近產生電子發(fā)射，因此其厚度還是薄的好，能夠實用化的范圍為0.1～50μm。
但是，在日本專利特開平8-250766號公報或特開平9-259795號公報所述的場致發(fā)射型電子源中，容易發(fā)生電子爆發(fā)現象，而且面內發(fā)射電子量容易產生不均勻。因此該電子源用于平面發(fā)光元件或顯示器時，出現畫面亮度不均勻或閃爍較大等問題。另外，將該電子源用于平面發(fā)光元件或顯示器時，發(fā)射電子量必須較多。這里，若想要通過減薄多孔半導體層而增加發(fā)射電子量，則前述的問題變得更嚴重。
為解決上述以往的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基本沒有發(fā)射電子爆發(fā)現象及面內不均勻現象、而且發(fā)射電子量及電子發(fā)射效率較高的場致發(fā)射型電子源及其制造方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源具有(i)導電性基板，(ii)在導電性基板的一個表面上形成的至少一部分進行多孔化處理的半導體層，以及(iii)在半導體層上形成的導電性薄膜。(iv)通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體從導電性薄膜發(fā)射。該場致發(fā)射型電子源，其特征在于，(v)半導體層包含各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單元的半導體微晶構成的多孔結構部分混合存在的多孔半導體層，而且(vi)沿半導體層厚度方向來看，多孔結構部分平均尺寸在2μm以下。
該場致發(fā)射型電子源，由于多孔結構部分的厚度在2μm以下，因此發(fā)射電子量非常穩(wěn)定，而且發(fā)射電子量增大。所以，不會產生電子發(fā)射量時間性的大變化即爆發(fā)現象。而且還能夠減少發(fā)射電子量的面內不均勻。
對于該場致發(fā)射型電子源的各種應用場合，都需要增大發(fā)射電子量。本發(fā)明者根據場致發(fā)射型電子源發(fā)射電子量的觀點發(fā)現，多孔結構部分的厚度最好在2μm以下。
另外，本發(fā)明的導電性基板包括通過在半導體基板中摻入雜質而形成導電性區(qū)域的基板和在玻璃基板那樣的絕緣性基板表面形成金屬薄膜(下部電極)的基板等。
在上述場致發(fā)射型電子源中，沿半導體層厚度方向來看，最好柱狀結構部分在導電性薄膜側的端部與多孔結構部分在導電性薄膜側的端部配置于相同位置(即柱狀結構部分的高度與多孔結構部分的高度在導電性薄膜側相等)。這種情況下，由于在多孔半導體層表面未形成較大的凹凸，因此在多孔半導體層表面形成的非常薄的導電性薄膜以電氣相連的狀態(tài)覆蓋多孔半導體層的比例非常高。由于這樣，多孔半導體層部分的覆蓋率高，因此有效地將必須的電場加在多孔結構部分。所以，能夠充分提高電子發(fā)射量及電子發(fā)射效率特性。
在上述場致發(fā)射型電子源中，多孔半導體層最好由利用陰極氧化形成的多孔多晶硅構成。這種情況下，通過將多晶硅進行陽極氧化，能夠用1道工序形成柱狀結構部分及多孔結構部分。因而能夠簡化制造工藝。另外，多晶硅層的形成及陽極氧化有利于增大電子發(fā)射面的面積。特別是存在以柱狀生長的晶粒(柱狀結構部分)的情況下，將沿晶粒進行多孔化處理。這種情況下，多孔結構部分深度方向相對于導電性基板的角度近似垂直。其結果是，多孔結構部分的電場相對于基板近似垂直。由于電子發(fā)射是取決于多孔結構部分的電場，因此在該情況下，電子相對基板近似垂直發(fā)射。所以電子發(fā)射角度的離散性減小，用于顯示器等情況下，能實現高晰度的顯示。
在上述場致發(fā)射型電子源中，沿半導體層厚度方向來看，多孔結構部分的最大尺寸與最小尺寸之差最好在0.5μm以下(即多孔結構部分的厚度誤差在0.5μm以下)。若多孔結構部分的厚度誤差小，就使多孔結構部分所加的電場均勻，能夠抑制發(fā)射電子量的面內分布。特別是在為了防止發(fā)生爆發(fā)現象等而設置柱狀結構部分及多孔結構部分，而且使多孔結構部分厚度在2μ以下時，若使多孔結構部分厚度誤差在0.5μm以下，就不會產生電場強度嚴重的不均勻。所以，面內發(fā)射電子量就比較均勻。
在上述場致發(fā)射型電子源中，多孔半導體層厚度最好與導電性薄膜和導電性基板之間配置的半導體層厚度近似相等。這種情況下，在未進行多孔化處理的部分不會產生電壓損失。因此，加上同樣的電壓而發(fā)射電子量多，發(fā)射電子效率提高，所以，若將該場致發(fā)射型電子源用于顯示器等，就能夠降低顯示器的消耗功率。
在上述場致發(fā)射型電子源中，在導電性基板的半導體層一側表面最好設置對于半導體層進行多孔化處理用的陽極氧化處理用電解液具有耐腐蝕性的耐腐蝕導電體層。這種情況下，導電性基板(基板本身及下部電極)不會被電解液腐蝕。因此，有效地將電場加在多孔結構部分，電子發(fā)射量不會減少。另外，能夠防止因下部電極斷線而導致元件損壞。
在上述場致發(fā)射型電子源中，沿半導體層厚度方向來看，最好在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層。這種情況下，在多孔半導體層表面部分設置的低電阻層，其作用相當于虛擬電極。因而，即使在多孔半導體層與導電性薄膜之間它們有不接觸的部分，多孔半導體層表面部分在面內也近似有相同電位。這種情況下，由于在多孔半導體層內部加上面內均勻的電場，因此，減少了面內發(fā)射電子量的不均勻。所以，該場致發(fā)射型電子源用于顯示器時，畫面亮度的不均勻將減少。
在上述場致發(fā)射型電子源中，低電阻層的厚度最好小于形成該低電阻層的半導體中電子的平均自由程。這種情況下，能夠抑制因設置低電阻層而導致電子發(fā)射效率的下降。
在上述場致發(fā)射型電子源中，低電阻層最好由多孔度小于多孔半導體層其它部分的低多孔度層構成。這種情況下，由于多孔半導體層表面的凹凸較少，因此抑制了電場集中于多孔半導體層表面凸起的端部及凹下的底部的情況。所以，當顯示器等采用該場致發(fā)射型電子源時，能夠防止僅僅畫面特定的點顯得明亮的情況。另外，畫面亮度及面內的不均勻也減少。
在上述場致發(fā)射型電子源中，低電阻層最好由多孔半導體層表面部分再結晶形成的再結晶層構成。這種情況下，由于多孔半導體層表面的凹凸較少，因此抑制了電場集中于多孔半導體層表面凸起的端部及凹下的底部的情況。所以，當顯示器等采用該場致發(fā)射型電子源時，能夠防止僅僅畫面特定的點顯得明亮的情況。另外，畫面亮度及面內的不均勻也減少。
在上述場致發(fā)射型電子源中，低電阻層最好由從多孔半導體層表面將雜質通過離子注入法注入多孔半導體層內而形成的雜質注入層構成。這種情況下，容易控制低電阻層的雜質濃度及分布。
在上述場致發(fā)射型電子源中，低電阻層最好由從多孔半導體層表面將雜質擴散至多孔半導體層內而形成的雜質擴散層構成。這種情況下，與將雜質通過離子注入法注入的情況相比，容易增大電子發(fā)射面的面積。
在上述場致發(fā)射型電子源中，多孔結構部分的導電性薄膜一側表面最好與導電性基板表面平行。這種情況下，多孔結構部分所加的電場相對于導電性基板是垂直的。因此，近似垂直于多孔結構部分表面發(fā)射的電子也近似垂直于導電性基板表面發(fā)射。其結果是，面內發(fā)射電子的角度分布更小。也就是，發(fā)射電子的方向同樣都是垂直的。所以，當顯示器等采用該場致發(fā)射型電子源時，能實現高清晰度的顯示。
本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源制造方法，其所制造的場致發(fā)射型電子源具有(i)導電性基板，(ii)在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的多孔結構部分混合而成，所述多孔結構部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半導體層上形成的導電性薄膜，(iv)通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射。該制造方法，其特征在于，(v)包含對半導體層利用陽極氧化進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，(vi)在該步驟中，用半導體層為正極期間的電荷量調整半導體層多孔化處理的深度，通過這樣來控制多孔半導體層的厚度。根據該制造方法，利用陽極氧化時的電荷量，能夠很容易將多孔半導體層厚度控制在規(guī)定的值。
在上述場致發(fā)射型電子源制造方法中，在其上形成多孔化半導體層的導電性基板與對極之間最好加上脈沖電流或電壓，使得交替產生導電性基板為正極的期間與切斷通電狀態(tài)的期間，并通過改變導電性基板為正極期間的電荷量來控制多孔半導體層的厚度。這種情況下，能夠很容易將多孔半導體層厚度控制在規(guī)定的值。特別在以大電流密度形成規(guī)定多孔度的多孔半導體層時，由于能夠利用脈沖處理間歇地進行陽極氧化，因此能夠使陽極氧化的進行速度比較慢。所以，與連續(xù)通過電的情況相比，能夠很容易控制多孔半導體層的厚度。
在上述場致發(fā)射型電子源制造方法中，在其上形成多孔化半導體層的導電性基板與對極之間最好加上脈沖電流或電壓，使得交替翻轉產生導電性基板為正極的期間與導電性基板為負極的期間，并通過改變導電性基板為負極期間的每個脈沖的電荷量來控制多孔半導體層的厚度。這種情況下，在半導體層為正極時進行半導體層的多孔化處理，由于其表面形狀及半導體層狀態(tài)，多孔化狀態(tài)會產生不均勻。然后，將極性反轉，半導體層成為負極，則電場集中于多孔處理快速進行的部分，載流子集中。因此，在這部分，由于電解而產生大量的氣體。而且，在氣體產生的地方，隔斷與電解質的接觸，在接下來半導體層成為正極時，就不進行多孔化處理。重復這一過程，多孔結構部分的厚度在整個面內達到均勻。該均勻的程序能夠用半導體層為負極期間的電荷量來控制。若多孔結構部分厚度均勻，則能夠實現發(fā)射電子量面內分布極小的電子源。
本發(fā)明的另一種場致發(fā)射型電子源制造方法，其所制造的場致發(fā)射型電子源具有(i)導電性基板(ii)在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的多孔結構部分混合而成，所述多孔結構部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半導體層上形成的導電性薄膜，(iv)通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為止的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射。(v)沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的半導體薄膜一側的端部設置多孔度比其它部分小、電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層，該制造方法，其特征在于，包含(vi)在導電性基板上形成半導體層后形成半導體層表面部分的多孔度小于其它部分多孔度的多孔半導體層的步驟，(vii)通過將多孔半導體層氧化或氮化形成具有低電阻層的多孔半導體層的步驟，以及(viii)在多孔半導體層上形成導電性薄膜的步驟。根據該制造方法，能夠不增加另外形成低電阻層的工序而設置低電阻層。另外，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射較均勻的場致發(fā)射型電子源。
在上述場致發(fā)射型電子源制造方法中，在利用陽極氧化進行半導體層多孔化處理時，陽極氧化期間中，最好開始的規(guī)定時間內電流密度小，規(guī)定時間后再加大電流密度。在陽極氧化時，電流密度與多孔度之間有相關關系。另外，電阻值隨多孔度的大小而變。因而，通過控制電流密度，能夠控制低電阻層的電阻。
在上述場致發(fā)射型電子源制造方法中，在利用陽極氧化進行半導體層多孔化處理時，陽極氧化期間中，最好開始的規(guī)定時間內照射半導體層表面的光能小，規(guī)定時間后再加大光能。在陽極氧化時，光能與多孔度之間有相關關系。另外，電阻值隨多孔度的大小而變。因而，通過控制照射半導體層表面的光能，能夠控制低電阻值的電阻。
在上述場致發(fā)射型電子源制造方法中，在低電阻后由多孔半導體層表面部分再結晶形成的再結晶層構成時，只要設置在導電性基板上形成半導體層后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，以及利用激光退火法使多孔半導體層表面部分再結晶的步驟即，以此來代替在導電性基板上形成半導體層后使半導體層表面部分多孔度小于其它部分多孔度而形成多孔半導體層的步驟。這種情況下，能夠比較簡單地設置低電阻層。另外，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射較均勻的場致發(fā)射型電子源。
另外，在低電阻層由離子注入雜質而形成的雜質注入層構成時，只要設置在導電性基板上形成半導體層后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，以及從多孔半導體層表面一側利用離子注入法將雜質注入多孔半導體層內的步驟即可。這種情況下，能夠很容易控制設置的低電阻層。另外，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的場致發(fā)射型電子源。
再有，在低電阻層由利用雜質擴散而形成的雜質擴散層構成時，只要設置在導電性基板上形成半導體層體后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，以及從多孔半導體層表面利用熱擴散法將雜質擴散至多孔半導體層內的步驟即可。這種情況下，能夠增大電子發(fā)射面積，而且能夠比較簡單地設置低電阻層。另外，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射至較均勻的場致發(fā)射型電子源。
本發(fā)明的其它另一種場致發(fā)射型電子源制造方法，其所制造的場致發(fā)射型電子源具有(i)導電性基板，(ii)在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的多孔結構部分混合而成，所述多孔結構部分的平均厚度在2μm以下，以及(iii)在半導體層上形成的導電性薄膜，(iv)通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射。該制造方法，其特征在于，包含在對半導層表面進行光滑處理后，通過對半導體層進行陽極化處理，形成多孔結構部分與導電性基板表面平行的多孔半導體層的步驟。根據該制造方法，對多孔半導體層表面進行光滑處理。因此，陽極氧化時的表面電位近似均勻，陽極氧化的進行速度近似均勻。其結果是，多孔結構部分的深度近似均勻，所加電場近似均勻。因而，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的場致發(fā)射型電子源。另外，陽極氧化相對于導電性基板是近似垂直進行的，在多孔結構部分內的電場相對于導電性基板近似垂直。因此，發(fā)射電子的方向同樣都是垂直的。再有，由于電子發(fā)射角度的分布非常小，因此能夠實現高精晰度的顯示器。


圖1為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源中電子發(fā)射機理的原理說明示意圖。
圖2為圖1所示的場致發(fā)射型電子源電子發(fā)射動作的說明示意圖。
圖3為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源的垂直剖視圖，圖中導電性基板是在玻璃基板上形成導電性膜的基板。
圖4為多孔半導體層內熱移動狀態(tài)的說明示意圖。
圖5為多孔半導體層厚度與單位面積電子發(fā)射量的關系圖。
圖6為多孔半導體層厚度大和厚度小的情況下推測電子發(fā)射狀態(tài)的示意圖。
圖7為柱狀結構部分的高度與多孔結構部分的高度不一樣和一樣情況下導電性薄膜狀態(tài)的示意圖。
圖8A為不采用多晶硅的多孔半導體層構造示意圖。
圖8B為采用多晶硅的多孔半導體層構成示意圖。
圖9為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源的垂直剖視圖，圖中導電性基板為n型硅基板。
圖10為多孔半導體層不設置和設置低電阻層情況下電場狀態(tài)的示意圖。
圖11為低電阻層的多孔度大和多孔度小的情況下導電性薄膜狀態(tài)的示意圖。
圖12為低電阻層不再結晶和再結晶情況下低電阻層表面狀態(tài)的示意圖。
圖13為多孔半導體層表面相對于導電性基板表面是傾斜和平行情況下電場狀態(tài)的示意圖。
圖14為多孔結構部分厚度不均勻程度較大的場致發(fā)射型電子源垂直剖視圖。
圖15為多孔結構部分厚度不均勻程度較小的場致發(fā)射型電子源垂直剖視圖。
圖16為多孔結構部分厚度不均勻程度較大和較小情況下電子發(fā)射狀態(tài)的示意圖。
圖17為多孔半導體層厚度小于和近似等于導電性薄膜與導電性基板的間隔情況下多孔半導體層狀態(tài)的示意圖。
圖18為導電性基板不設置和設置耐腐蝕導電體層情況下腐蝕狀態(tài)的示意圖。
圖19為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源的立體圖，圖中導電性基板為P型硅基板。
圖20為形成接觸部分的圖19所示的場致發(fā)射型電子源立體圖。
圖21為圖19所示的場致發(fā)射型電子源的垂直剖視圖。
圖22A～圖22F為圖21所示的場致發(fā)射型電子源的制造工藝中主要工序半成品或產品的垂直剖視圖。
圖23為生產圖19所示的場致發(fā)射型電子源用的陽極氧化裝置示意圖。
圖24為進行極性交替反轉的陽極氧化處理情況下多孔化進行狀態(tài)的示意圖。
圖25A～圖25D為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源的制造工藝中主要工序半成品或產品的垂直剖視圖，圖中導電性基板是在玻璃基板上形成導電性膜的基板。
圖26A～26D為本發(fā)明的場致發(fā)射型電子源的制造工藝中主要工序半成品或產品的垂直剖面圖，圖中導電性基板為n型硅基板。
本發(fā)明利用后述的詳細說明及附圖，將能更充分理解。
下面具體說明本發(fā)明理想的實施形態(tài)。
實施形態(tài)1本發(fā)明者為達到前述目的，對于場致發(fā)射型電子源(下面簡稱為“電子源”)進行了專心研究，得到以下的見解。
也就是說，在日本專利特開平8-250766號公報或特開平9-259795號公報所述的電子源中設有半導體層，所述半導體層在其一側的主表面設有歐姆電極。而在半導體層的另一側主表面，通過對該半導體層進行多孔化處理，形成電子注入的多孔層。另外，在多孔層表面設置金屬薄膜電極。但是，在這樣構造中，容易產生電子爆發(fā)現象，而且容易產生發(fā)射電子量的面內不均勻。
可以認為容易產生上述問題的原因如下所述。也就是說，多孔層的絕熱性原來就非常高。再如上電子源在真空中工作，因此多孔層的絕熱性極其高。因而，當兩電極間加上電壓、流過參與電子發(fā)射的電流時，可以認為多孔層溫度上升非常大。而且，由于該溫度上升，導致多孔層內晶格振動變大。因而正當溫度上升嚴重時，通過多孔層內的電子因晶格振動而導致散射次數增加。這樣，電子發(fā)射量就顯著不穩(wěn)定。電流流過導致溫度上升，因此電流變得不易流過而溫度又下降，返回到原來的狀態(tài)，這樣的現象重復出現，電子發(fā)射量就出現時間性的不穩(wěn)定?？梢哉J為，因此就容易產生電子爆發(fā)現象。另外，由于溫度上升而導致半導體電阻下降，注入多孔層的電子量增大。這樣注入的電子量就隨溫度變化而變化，這也可以認為，容易產生爆發(fā)現象。
另外，由于多孔層具有極其復雜的構造，因此，很難對生成孔的部分進行幾何排列，所以電流路徑在面向不均勻。特別是利用陽極氧化法形成多孔層時，由于采用電化學反應，因此更加很難得到形成孔的部分按幾何排列的多孔結構。一旦電流路徑在面內不均勻，則流過多孔層的電流在面內就不均勻。因此，因電流而發(fā)熱在面內也不均勻。如上所述，發(fā)熱的作用使得電流不易流過。因而，發(fā)熱使得由于電流路徑不均勻性而導致電流在面內的不均勻就變得更嚴重。
這里，由于該電流的一部分是用于進行電子發(fā)射的，因此可以認為容易產生電子發(fā)射量在面內的不均勻。
另外，對于日本專利特開平9-259795號公報所述的電子源，電子發(fā)射是在多孔半導體層非常靠近表面附近產生。因此，多孔半導體層的厚度還是薄的好。但是，為了確保元件的一致性的穩(wěn)定性，該厚度必須厚到一定程度。因此，能夠實用化的厚度范圍在0.1～50μm。這里考慮到，若為了提高電子發(fā)射效率及增加電子發(fā)射量，而將多孔半導體層的厚度減薄，則由于電子發(fā)射量增加，對表層電子發(fā)射起很大作用的部分的發(fā)熱就成為問題?？梢哉J為，多孔半導體層越薄，這個問題越顯著。因而，單純減薄多孔層的厚度，在實用性存在問題。也就是說可以認為，根據該以往技術，很難既抑制爆發(fā)現象及電子發(fā)射量在面蛤的不均勻，又增大電子發(fā)射量及電子射效率。
本發(fā)明者根據上述見解進行了本發(fā)明。本發(fā)明實施形態(tài)1的電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的至少一部分進行多孔化處理的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜(表面電極)，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射。在該電子源中，半導體層包含各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的多孔結構部分混合存在的多孔半導體層。這里，沿半導體層厚度方向來看，多孔結構部分的平均尺寸在2μm以下。
下面具體說明該電子源及其電子發(fā)射機理。
如圖1所示，電子源10具有由n型硅基板構成的導電性基板1。然后，在導電性基板1的一側主表面上層疊形成由被氧化的多孔多晶硅層構成的多孔半導體層6(強電場漂移層)的多孔半導體部分6a(在圖1所示的構成中，整個多孔半導體層6起到多孔半導體部分6a的作用)。再在多孔半導體層6(多孔半導體部分6a)上層疊形成由金屬薄膜構成的導電性薄膜7(表面電極)。在導電性基板1的背面形成歐姆電極2。
要從該電子源10發(fā)射電子時，與導電性薄膜7相對配置集電極12。在導電性薄膜7與集電極12之間處于真空狀態(tài)。在導電性薄膜7與導電性基板1之間加上直流電壓Vps，使導電性薄膜7相對于導電性基板1(歐姆電極2)為高電位。另外，在集電極12與導電性薄膜7之間加上直流電壓Vc，使集電極12相對于導電性薄膜7為高電位。若適當設定各直流電壓Vps及Vc，則注入導電性基板1的電子在多孔半導體層6漂移，從導電性薄膜7發(fā)射(圖1中的點劃線表示從導電性薄膜7發(fā)射的電子流e-)。導電性薄膜7由功函數小的材料形成。導電性薄膜7的厚度設定為10～15nm左右。
如圖2所示，多孔半導體層6的多孔半導體體部分6a包含由柱狀多晶硅構成的柱狀結構部分21(晶粒)。該柱狀結構部分21的表面形成由硅氧化膜構成的薄的絕緣膜22。另外，多孔半導體部分6a包含介于柱狀結構部分21之間的以納米為單位的微晶硅23。微晶硅23的表面形成厚度小于微晶硅23的晶粒直徑、由硅氧化膜構成的絕緣膜24。帶有絕緣膜24的大量微晶硅23構成多孔結構部分25?？梢哉J為，在多孔半導體部分6a中，多孔化處理前的多晶硅所包含的晶粒表面進行多孔化處理，而利用剩余的晶粒即柱狀結構部分21維持結晶狀態(tài)。因而，多孔半體部分6a所加的電場的大部分集中在絕緣膜24上。因此，注入的電子e-在柱狀結構部分21之間利用加在絕緣膜24上的強電場加速，沿圖2中箭頭A的方向(圖2中向上的方向)漂移。另外，到達多孔半導體部分6a表面的電子可認為是熱電子，容易穿過導電性薄膜7向真空中發(fā)射。
在電子源10中，導電性薄膜7與歐姆電極2之間流過的電流叫做二極管電流Ips。另外，集電極12與導電性薄膜7之間流過的電流叫做發(fā)射電子電流Ie(參照圖1)。發(fā)射電子電流Ie相對于二極管電流Ips的比值(Ie/Ips)越大，電子發(fā)射效率越高。另外，在電子源10中，導電性薄膜7與歐姆電極2之間所加的直流電壓Vps即使是10～20V左右的低電壓，也能夠發(fā)射電子。在該電子源10中，電子發(fā)射特性與真空度的關系不大。而且，電子發(fā)射時不產生爆發(fā)現象，能夠以高的電子發(fā)射效率穩(wěn)定發(fā)射電子。
在上述構成中，采用n型硅基板作為導電性基板1。但是，也可以用在玻璃基板那樣的絕緣性基板上形成ITO膜或Al、Ni、Cr、Mo、Ti、W、Pt等金屬那樣導電體層的導電性基板，來代替由n型硅基板構成的導電性基板1。這種情況下，能夠增大電子源10的電子發(fā)射面的面積，能夠降低電子源10的成本。
圖3所示為這樣構成的導電生基板之一例。該導電性基板由玻璃基板構成的絕緣性基板13、以及絕緣性基板13上形成的ITO膜構成的導電體層8b組成。在導電體層8b上，隔有多孔半導體層6(多孔半導體部分6a)，層疊形成由金屬薄膜構成的導電性薄膜7(表面電極)。在該電子源10中，在導電體層8b上淀積非摻雜多晶硅層后，通過陽極氧化對多晶硅層進行多孔化處理，再進行氧化或氮化，形成多孔半導體層6。
另外，圖3所示電子源10發(fā)射電子的方法，除了在導電性薄膜7與導電體層8b之間加上直流電壓Vps，使導電性薄膜7相對于導電體層8b為高電位這一點以外，與圖1所示電子源10的情況相同。
如圖4所示，在該電子源10中，流過構成多孔結構部分25的數nm左右微晶硅23(多孔結構部分的構造物)的電流導致電子發(fā)射，由于這樣，多孔結構部分25將發(fā)熱。該熱量如箭頭H1所示，從多孔結構部分25向柱狀結構部分21，向導電性基板1散熱。因此，多孔結構部分25的溫度上升極小。由于該溫度上升小，因此形成多孔結構部分25的原子晶格振動減小。因而，通過多孔結構部分25的電子因晶格振動而導致的散射次數減少。所以，發(fā)射電子量非常穩(wěn)定，而且發(fā)射電子量增加其結果是，發(fā)射電子量的時間性大變化即爆發(fā)現象也消失，由于發(fā)熱而導致發(fā)射電子量的面內不均勻也減少。
在以往的電子源中，多孔半導體層是由絕熱性非常高的多孔結構部分構成。而與此不同，在本發(fā)明的上述構造中，由于電子發(fā)射而在多孔結構部分25產生的熱量通過柱狀結構部分21向導電性基板1散熱。因此，與以往結構相比，多孔結構部分25的溫度上升極小。
另外，若多孔結構部分25的溫度上升大，則下層半導體的電阻下降，注入的電子量增加。這樣注入的電子量將隨溫度變化而變化，因此，電子發(fā)射時容易產生爆發(fā)現象，而且發(fā)射電子量容易產生不均勻。但是，由于在上述構造中溫度上升極小，因此非常不容易產生爆發(fā)現象。另外，由于很難產生面內溫度溫度上升的不均勻，因此發(fā)射電子量很難產生不均勻。
對于電子源10的各種應用場合，都需要增在具有發(fā)射電子量。因而，該構造當然必須達到增大電子發(fā)射效率及增大發(fā)射電子量的要求。為此，必須增大多孔結構部分25的電場強度。但是，在該構造中，為了增大電場強度。但是，在該構造中，為了增大電場強度，即使增大所加電壓，也僅僅增加了柱狀結構部分21的端部周圍的電場強度，不能大幅度改善電場強度。
因此，本申請的發(fā)明者根據圖5所示的結構發(fā)現，為了使多孔結構部分25形成散熱性的構造(多孔結構部分25的寬度在水平剖面為2μm以下)，同時有效地將電場加在多孔結構部分25(使電場均勻)上，最好使多孔結構部分25的厚度在2μm以下。若多孔結構部分25的電場均勻，則多孔結構部分25能有效地用于電子發(fā)射。其結果是，電子發(fā)射量及電子發(fā)射效率增加，能夠抑制發(fā)射電子量的面內分布(在顯示器中，能抑制亮度的不均勻)。
圖6所示為推測的機理。當多孔結構部分25的厚度較大時(圖6的左側)，電場集中在R1區(qū)域。而當多孔結構部分25的厚度較小時(圖6的右側)，電場在R2區(qū)域內均勻分布。也就是說，或多孔結構部分25的厚度較小時，集中于柱狀結構部分21與導電性薄膜7的接點的電場也均勻地加在多孔結構部分25上。特別是在多孔結構部分25產生的熱量通過柱狀結構部分21進行散熱的效果雖然還與多孔結構部分25的材料有關，但多孔結構部分25的寬度(面內尺寸)越小，散熱效果越好。為了充分提高該散熱效果，并使電場均勻，多孔結構部分25的厚度必須在2μm以下。
實施形態(tài)2下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)2在實施形態(tài)1的電子源10中，由于其形成方法，在多孔半導體層6的表層將形成凹凸。當以各自的工藝形成柱狀結構部分21及多孔結構部分25時，容易在兩者間形成非常大的凹凸。例如，用RIE法或FIB法在半導體層形成柱狀結構部分及微細孔，再將硅等微細粉末分散于玻璃上旋轉(spin on glass)等然后充填微細孔，并進行熱處理，在用上述這樣的方法時容易形成大的凹凸。另外，在采用例如用LPCVD法形成的多晶硅作為多孔半導體層時，若多晶硅的膜厚較厚，則沿晶粒生長方向將形成凹凸。再有，在利用陽極氧化對半導體層進行多孔化處理時，其表面要形成大量的微細凹凸。結果在多孔半導體層表面形成大量的微細凹凸。
在多孔半導體層6的表面形成凹凸的情況下，多孔半導體層6與在其上形成的導電性薄膜7之間存在兩者接觸部分及不接觸部分。因此，在導電性薄膜7與導電性基板1之間加上電場時，在導性薄膜7與多孔半導體層6的接觸部分及不接觸部分加在多孔半導體層6內部的電場就不均勻。結果使得面內的電子發(fā)射量也不均勻。因而，該電子源10用于顯示器時，產生畫面的面內亮度出現嚴重不均勻的問題。另外，在該電子源10中，加在多孔半導體層6的電場集中在多孔半導體層6表面的凸起的端部及凹下的底部。因而，在電場集中的部分，發(fā)射電子量增加。這樣，在顯示器等采用電子源10時，就會產生僅在某些特定點的發(fā)光亮度較亮、畫面亮度的面內不均勻較嚴重的問題。
另外，在日本專利特開特10-269932號公報揭示了一種在加有電場的多孔硅層表面部分設置高電阻、低多孔度層的電子發(fā)射元件。在該電子發(fā)射元件中，由于設置了高阻、多孔度層，因此能夠提高多孔硅層與導電性薄膜的接觸性。而且，能夠減少流過電子發(fā)射元件的二極管電流，能夠提高電子發(fā)射效率。但是，在該電子發(fā)射元件中，由于在加有電場的多孔硅層表面設置的低多孔度層是高電阻，加在多孔硅層上的電場容易集順在低多孔度層表面的凸起的端部及凹下的底部。因此可以認為，電場集中部分的電子發(fā)射量增加。所以，當顯示器等采用該電子發(fā)射元件時，可能僅在某些特定點的發(fā)光亮度較亮，畫面亮度的面內不均勻較嚴重。
為了解決上述問題，在本實施形態(tài)2中，對在導電性基板上均勻形成多孔化處理的半導體層的多晶硅進行多孔化處理，通過這樣形成多孔半導體層。根據該構成，多晶硅本身沒有大的凹凸。另外，即使利用陽極氧化進行多孔化處理時，多孔結構部分與柱狀結構部分的高度也相同。因而，在整個比較大的區(qū)域內很難形成導電性薄膜與多孔半導體層不接觸的部分，解決了上述問題的一部分。
如圖7所示，當多孔結構部分25的高度與柱狀結構部分21的高度不同時，(圖7的左側)，導電性薄膜7有可能產生電路斷線。也就是說，若柱狀結構部分21的高度與多孔結構部分25的高度不同，就在多孔半導體層表面形成凹凸。這種情況下，多孔半導體層表面形成的非常薄的導電性薄膜7不能夠完全覆蓋這些凹凸。因此，導電性薄膜成為電路斷線狀態(tài)，不能起到電極的作用。與此不同，當柱狀結構部分21的高度與多孔結構部分25的高度相同時，前述那樣的問題就解決了，形成電氣導通的導電性薄膜7(表面電極)。
當導電性薄膜7電氣氣通時，就有效地將必須的電場加在多孔結構部分25上。因此，能夠充分發(fā)揮電子源10的特性。
再有，當多孔半導體層由陽極氧化的多晶硅構成時，能夠通過對多晶硅進行陽極氧化，用1道工序形成柱狀結構部分21及多孔結構部分25。因此，電子源10的制造工藝簡單。而且，多晶硅層的形成及陽極氧化也有利于增大電子發(fā)射面的面積。特別是對于具有柱狀生長晶粒的，將沿著該晶粒進行多孔化處理。因此，多孔結構部分25的深度工近似垂直于導電性基板1，多孔結構部分25的電場近似垂直于導電生基板1。這種情況下，由于電子發(fā)射取決于多孔結構部分25的電場，因此電子更進一步垂直于導電性基板1發(fā)射。所以，發(fā)射電子的方向角度分布小。這樣在顯示器等應用該電子源10時，能夠實現高清晰的顯示。
圖8A所示的不用多晶硅形成柱狀結構部分及多孔部分構造的方法之一例。這種情況下，利用RIE或FIB的刻蝕形成柱狀結構部分26。然后，在柱狀構造部分26之間的凹下部分充填納米構造的微粉末，形成多孔結構部分27?；蛘咄ㄟ^對Al等進行陽極氧化形成垂直，在該垂直(凹下部分)充填納米構造的微粉末。但是，這種情況下，必須利用不同的制造工序形成柱狀結構部分26及多孔結構部分27。另外，很難增大電子發(fā)射面的面積。
而如圖8B所示，當采用對多晶硅進行陽極氧化的方法時，多晶硅沿柱狀生長晶粒進行多孔化處理。因此，用1道工序就很容易形成上述構造。另外，采用多晶硅成膜及陽極氧化進行多孔化處理時，容易增大電子發(fā)射面積。
實施形態(tài)3下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)3。
實施形態(tài)3的電子源的特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層。下面說明該電子源及其電子發(fā)射機理。
如圖9所示，在該電子源10中，沿多孔半導體層6的厚度方向來看，在其導電性薄膜一側的表面部分設置電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層6c。該低電阻6c起到虛擬電極的作用，多孔半導體層6的表面部分在面內近似為等電位。因此，即使多孔半導體層6與導電性薄膜7及不接觸的部分，在多孔半導體層6的內部也加上面內均勻的電場。因而，能夠抑制面內電子發(fā)射量的不均勻。所以，將該電子源10應用于顯示器時，畫面亮度的不均勻較小。
如圖10所示，當不設置低電阻層6c(圖10的左側)，電場集中在T1所示部分。而相反，當設置低電阻層6c時(圖10的右側)，電場均勻。也就是說，若多孔半導體層6的表面有凹凸，則為了增大電子發(fā)射量而形成的非常薄的導電性薄膜7就容易形成網狀。因此，電場集中在網狀導電性薄膜7與多孔半導體層6接觸的部分。這樣，該部分的電子發(fā)射量就非常多，發(fā)射電子的發(fā)射量就不均勻(顯示器的情況下，亮度不均勻)。而相反，當多孔半導體層6的表層設置低電阻層6c時，低電阻時6c起到虛擬表面電極的作用，其電位保持一定。因此，多孔半導體層6的電場強度均勻。結果構成的電子源10，其發(fā)射電子量的面內不均勻極小。
作為這樣的低電阻層6c的具體理想例子，可以具出下列一些。
低電阻層6c的厚度最好小于形成該低電阻層6c的半導體中電子的平均自由程。這樣，若設定低電阻層6c的厚度小于在其中移動的電子的平均自由程，則在低電阻層6c中由于散射而引起的電子能量損失較小。因此，穿過低電阻層6c向真空中發(fā)射的電子量就非常多。
另外，低電阻層6c也可以是由多孔度小于多孔半導體層6其它部分的低多孔度層構成。
如圖11所示，當低電阻層6c的多孔度大時(圖11的左側)，電場集中在T2所示部分。而相反，當低電阻層6c的多孔度小時(圖11的右側)，電場均勻。也就是說，當低電阻層6c形成為低多孔度層時，其表面的凹凸非常小，導電性薄膜7的覆蓋性高。因此，電場不集中在多孔半導體層6的凸起部分及凹下部分。結果電場均勻，抑制了發(fā)射電子的不均勻性。
這樣的由低多孔層構成的低電阻層6c可以用下述方法形成，即在導電性基板1上形成半導體層后，形成多孔半導體層6，使半導體層表面部分的多孔度小于其它部分的多孔度，然后再對多孔半導體層6進行氧化或氮化。這種情況下，不需要另外設置形態(tài)形成低電阻層6的工序。因此，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
這里，當利用陽極氧化對半導體層進行多孔化處理時，只要在陽極氧化期間中，在開始的規(guī)定時間內使電流密度較小，規(guī)定時間后再增大電流密度即可，在陽極氧化時，電流密度與多孔度之間有相關關系。另外，低電阻層6c的電阻值隨多孔度的大小而變化。因而，通過控制電流密度，能夠控制低電阻層6c的電阻。
另外，當利用陽極氧化對半導體層進行多孔化處理時，也可以在陽極氧化期間中，在開始的規(guī)定時間內使照射半導體層表面的光能較小，規(guī)定時間后再加大光能。這種情況下。通過控制陽極氧化對照射的光能，能夠改變多孔度，控制低電阻層6c的電阻。
另外，作為低電阻層6c的具體理想例子，還可以舉出下列一些。
低電阻層6c也可以是由多孔半導體層6的表面部分再結晶形成的再結晶層構成。
如圖12所示，在采用多晶硅的普通多孔半導體層6中(圖12的左側)，在多孔半導體層表面存在凹凸，而相反，當低電阻層6c由再結晶層構成時(圖12的右側)，該表面的凹凸非常小，導電性薄膜7的覆蓋性高。因此，電場不集中在多孔半導體層6的凸起部分及凹下部分。結果多孔半導體層6內的電場均勻，抑制了發(fā)射電子的不均勻性。
這樣的由再結晶層構成的低電阻層6c可以用下述方法形成，即例如在導電性基板1上形成半導體層后，通過對半導體層進行多孔化處理形成多孔半導體層6，再利用激光退火法使多孔半導體層6的表面部分再結晶，然后對多孔半導體層進行氧化或氮化。這種情況下，由于利用激光退火法的再結晶部分作為低電阻層，因此能夠以低成平實兩面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
另外，低電阻層6c也可以是從多孔半導體層表面將雜質通過離子注入多孔半導體層內而形成的雜質注入層構成。這種情況下，容易控制雜質的濃度及分布。
這樣的由雜質注入層構成的低電阻層6c可以用下述方法形成，即例如在導電性基板1上形成半導體層后，通過對半導體層進行多孔化處理形成多孔半導體層6，再利用離子注入法從多孔半導體層6的表面一側將雜質注入多孔半導體層內，然后對多孔半導體層6進行氧化或氮化。這種情況下，也能夠以良好的控制性能設置低電阻層6c，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
低電阻層6c也可以是從多孔半導體層表面將雜質通過擴散至多孔半導體層內而形成的雜質擴散層構成。在利用雜質擴散形成低電阻層6c(雜質擴散層)的情況下，與利用離子注入形成低電阻層6c(雜質注入層)和情況相比，容易增大電子發(fā)射面積。
這樣的由雜質擴散層構成的低電阻層6c可以用下述方法形成，即例如在導電性基板1上形成半導體層后，通過對半導體層進行多孔化處理形成多孔半導體層6，再利用熱擴散法從多孔半導體層表面將雜質擴散至多孔半導體層內，然后對多孔半導體層6進行氧化或氮化。這種情況下，能夠比較簡單地設置電子發(fā)射面的面積較大的低電阻層6c。因此，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
實施形態(tài)4下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)4。
實施形態(tài)4的電子源10的特征在于，多孔結構部分25的導電性薄膜一側表面與導電性基板1的表面平行。下面說明該電子源10及其電子發(fā)射機理。
如圖13所示，當多孔結構部分25的表面與導電性基板1的表面不平行時(圖13的左側)，電場彎曲。而相反，當多孔結構部分25的表面與導電性基板1的表面平行時(圖13的右側)，多孔半導體部所加的電場與導電性基板1垂直。因此，與多孔結構部分25的表面垂直發(fā)射的電子也垂直于導電性基板1的表面發(fā)射。所以，面內發(fā)射電子的角度分布較小，發(fā)射電子的方向相同都是垂直的。結果采用該電子源10的顯示器能夠實現高清晰度的畫面。
這樣的多孔結構部分表面與導電性基板表面平行的多孔半導體層6可以采用將半導體層表面進行光滑處理后再對該半導體層進行陽極氧化處理的方法形成。若將多孔化處理的半導體層表面進行光滑處理后再進行陽極氧化，則由于表面光滑，因此陽極氧化時的表面電位均勻。所以，陽極氧化的進行速度均勻。
實施形態(tài)5下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)5。
如圖14所示，當實施形態(tài)1的電子源由例如用實施形態(tài)2的方法形成時，即利用陽極氧化對多晶硅進行多孔化處理、并利用氧化或氮化形成多孔半導體層的方法形成時，多孔半導體層6內的多孔結構部分25(多孔化處理區(qū))的厚度在面內常常出現有很大的不均勻。
這可以認為原因在于，在目前的陽極氧化處理中，是將導電性基板上形成多晶硅層的被處理物與對極一起浸在電解液中，在這樣的狀態(tài)下，將導電性基板的導電體層作為正極，在導電性基板與對極之間連續(xù)通電，流過一定電流，從而出現上述情況。在多晶硅內，由于晶界等原因，有助于陽極氧化的空穴移動不均勻。因而可以認為，若連續(xù)通電，則空穴容易流動的部分選擇性地進行陽極氧化。也就是說，多晶硅的多孔化處理速度不均勻。另外，在先多孔化處理的部分，多晶硅層的厚度變薄，電場集中，空穴也集中。因而可以認為，若連續(xù)通電，流過一定電流，則集中促進電場集中部位周圍的多孔化處理。
如前所述(參照實施形態(tài)1)，在多孔半導體層6中，在多孔結構部分25(多孔化處理區(qū))內存在微晶硅23的表面形成的絕緣膜24(硅氧化膜)處，電場變強。因而，若多孔結構部分25的厚度不均勻，則多孔半導體層6的各區(qū)域中的電場強度不均勻。也就是說，不可能從導電性薄膜7(表面電極)的整個表面同樣發(fā)射電子，另外從導電性薄膜7發(fā)射的電子能量分布也因發(fā)射點而不同。其結果是，將該電子源10用于顯示器時，將產生畫面的面內亮度嚴重不均勻的問題。另外，若為如圖14所示的分布情況，則在多孔半導體層6的內部有很多地方的電場強度較小。在這樣的部位，極端情況下不能發(fā)射電子，結果作為整個電子源10也常常不能充分提高電子發(fā)射效率。對于顯示器用的電子源10，若電子發(fā)射效率低，則亮度很難提高。因此，產生畫面變暗的問題。
為此，如圖15所示，對于實施形態(tài)5的電子源10，沿半導體層的厚度方向來看，將多孔結構部分25的最大尺寸與最小尺寸之差決定在0.5μm以下。下面說明該電子源10。
如圖16所示，當多孔結構部分25的厚度不均勻較大時(圖16的左側)，多孔結構部分25所加的電場不均勻。但是，該不均勻較小時(圖16的右側)，電場就均勻。也就是說，若多孔結構部分25的厚度不同，則多孔結構部分25所加電場就不同。多孔結構部分25所加電場對于從多孔結構部分25發(fā)射電子有很大影響。因而，若多孔結構部分25的厚度不均勻嚴重，就產生發(fā)射電子量的面內分布。為了滿足實施形態(tài)1的條件，同時要抑制多孔結構部分25的厚度不均勻，抑制發(fā)射電子量的面內分布，上述厚度之差必須在0.5μm以下。
若多孔結構部分25的厚度不均勻較小，則多孔結構部分25所加的電場均勻，能夠抑制發(fā)射電子量的面內分布。另外，幾乎從整個多孔結構部分25的表面發(fā)射電子，與以往相比，電子發(fā)射效率提高。另外，在滿足實施形態(tài)1的條件(即不發(fā)生爆發(fā)現象等的柱狀結構部分21與多孔結構部分25的關系及多孔結構部分25的厚度在2μm以下)，同時利用實施形態(tài)2的多晶硅陽極氧化方法對半導體層進行多孔化處理，構成柱狀結構部分21及多孔結構部分25時，柱狀結構部分21及多孔部分25的尺寸受多晶硅的晶粒尺寸影響。這些尺寸適合在柱狀結構部分將多孔結構部分產生的熱量加以散熱。根據這樣的條件，本發(fā)明者經過專心研究得出的結果是，當多孔結構部分25的厚度不均勻在0.5μm以下時，在抑制爆發(fā)現象且增大發(fā)射電子量的場致發(fā)射型電子源中，發(fā)現面內電子發(fā)射量比較遠均勻。其理由可以認為是，多孔結構部分25的電場強度沒有產生非常嚴重的不均勻。
另外，多孔結構部分25的厚度最好近似等于在導電性薄膜7與導電性基板之間配置的半導體層厚度。
如圖7所示，當多孔結構部分25的厚度小于導電性薄膜7與導電體層8b(導電性基板)之間間隔時(圖17的左側)，在多孔結構部分25的下側存在未進行多孔化處理的半導體層。而相反，當多孔結構部分25的厚度近似等于導電性薄膜7與導電體層8b(導電性基板)之間間隔時(圖17的右側)，在多孔結構部分25的下側幾乎不存在未進行多孔化處理的半導體。
當加上電壓時，若下部電極的導電性基板(導電體層8b)與多孔結構部分25之間存在未進行多孔化處理的部分，則在該部分產生電壓損失。因此，加在多孔結構部分25上的電壓減少，電場強度就減少。而相反，若多孔結構部分25的厚度近似等于導電性薄膜7與導電性基板之間的半導體層厚度，則加壓導電性基板與表面電極7之間的電壓就加在多孔結構部分25上。因此，電場強度也增加，以同樣的電壓能夠得到更多的電子發(fā)射。
這里，在導電體層8b(導電性基板)的半導體層一側表面，最好設置對于用來對半導體層進行多孔化處理的陽極氧化處理用電解液具有耐腐蝕性的耐腐蝕導電體層。
如圖18所示，當未設置耐腐蝕導電體層時(圖18的左側)，陽極氧化時，導電體層8b或導電性基板(基板本身或下部電極)將被電解液腐蝕。因此，在導電體層8b可能會產生腐蝕部分28。這樣的腐蝕不僅會減少電子發(fā)射量，而且有可能因電極斷線而使元件不合格。而相反，當設置耐腐蝕導電體層29時(圖18的右側)，能防止電極及基板的腐蝕，導電體層8b不產生腐蝕部分。因而，能夠達到防止減少電子發(fā)射量、降低元件不合格數量的目的，同時能夠實現多孔結構部分25的厚度近似等于導電性薄膜7與導電性基板之間的半導體層厚度的構造。
根據這一構成，例如當利用陽極氧化對多晶硅進行多孔化處理時，在陽極氧化時間長、在超過形成的多晶硅層厚度進行多孔化處理時，多孔化處理進行較快的部分在耐腐蝕導電體層29的表面就停止多孔化處理。因此，多孔化處理進行較慢的部分還接著進行多孔化處理，多孔結構部分25的厚度不均勻性就非常小。根據這一構成，多孔結構部分25所加的電場均勻，能夠抑制發(fā)射電子量的面內分布。另外，導電體層8b或導電性基板(基板本身及下部電極)設有電解液腐蝕。因而，有效地將電場加在多孔結構部分25。因此，電子發(fā)射量沒有減少。另外，能夠防止由于下部電極斷線而造成元件不合格的情況。
實施形態(tài)6下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)6。
如圖19所示，在實施形態(tài)6的構成中，與電子源10相對設置玻璃基板14。在該玻璃基板14的與電子源10相對的表面設置集電極12及熒光層15。這樣就構成了顯示裝置。熒光層涂布在集電極12的表面，利用電子源10發(fā)射的電子發(fā)出可見光。集電極12加上使熒光層15發(fā)光的發(fā)射電子加速用的的電壓。另外，玻璃基板14利用未圖示的隔板與電子源10相互隔開。在玻璃基板14與電子源10之間形成的氣密空間形成真空狀態(tài)。
如圖19-21所示，電子源10具有p型硅基板16。在p型硅基板16的主表面一側設置由若干條n型區(qū)8a形成條狀導電性基板作為導電體層。另外，電子源10設有多孔半導體層6，所述多孔半導體層6具有分別與各n型區(qū)重疊形成的由多孔多晶硅構成的多孔半導體部分6a、及埋在各多孔半導體部分6a(漂移部分)之間且與該多孔半導體部分6a處于同一平面的由多晶硅構成的隔離部分6b。再在多孔半導體層6上設置形成條狀的若干條由例如金薄膜構成的導電性薄膜7(表面電極)，所述條狀導電性薄膜7橫跨多孔半導體部分6a及隔離部分6b，沿垂直于n型區(qū)8a的方向沿伸。
在該電子源10中，采用p型硅基板16作為導電性基板，采用n型區(qū)8a作為導電體層。但是，導電性基板不限于p型硅基板16。另外，導電體層也不限于n型區(qū)8a，例如，也可以采用在玻璃那樣的絕緣性基板上設置鉻等那樣的金屬膜構成的導電體層或ITO等作為導電性基板。另外，當采用在玻璃基板的一個表面形成導電體層作為基板時，與采用半導體基板的情況相比，能夠增大電子源10的電子發(fā)射面積中的處理溫度，可選擇石英玻璃、無堿玻璃、低堿玻璃、鈉鈣玻璃等。
在上述電子源10中，在形成條狀的n型區(qū)8a與垂直于該n型區(qū)8a且形成條狀的導電性薄膜之間夾有多孔半導體層6的多孔半導體部分6a。若適當選擇導電性薄膜7與n型區(qū)8a的組合，并在該組合間加上電壓，則僅僅在被選擇的導電性薄膜7與n型區(qū)8a的交點相應部位的多孔半導體部分6a有強電場作用，電子產生發(fā)射。也就是說，在由導電性薄膜7與n型區(qū)8a形成的網格的節(jié)點處配置電子源10。通過選擇加上電壓的導電性薄膜7與n型區(qū)8a的組合，就能夠從所希望的節(jié)點發(fā)射電子。因而，在顯示器上顯示圖像或文字。
如圖20所示，與n型區(qū)8a的接觸點是通過對多多孔半導部分6a的端部進行刻蝕使n型區(qū)表面的一部分露出而形成。然后，接觸點通過引線W與外電路連接。另外，n型區(qū)8a的載流子濃度設為1×1018-5×1019cm-3。n型區(qū)8a與導電性薄膜7之間所加的電壓為10-30V左右。
下面說明實施形態(tài)6中的電子源10的制造工序。
首先，在p型硅基板16的主表面上設置熱擴散用或離子注入用的掩膜板，以得到圖22A所示的構造。接著，利用熱擴散技術或離子注入技術，在p型硅基板16的主表面摻入磷(p)等雜質，通過這樣形成條狀n型區(qū)8a，然后去掉掩膜板。
接著，在形成n型區(qū)8a的p型硅基板的主表面上，利用PCVD法，形成厚度為1.5μm的非摻雜多晶硅層3，得到圖22B所示的構造。另外，也可以在n型區(qū)8a之間設置高雜質濃度的p型區(qū)。多晶硅層3的成膜條件是，壓力為20Pa，基板溫度為640℃，單硅烷氣體流量為600sccm。但是，多晶硅層3的制膜方法不限于LPCVD法。例如，也可以利用濺射法或等離子體CVD法形成非晶態(tài)硅層后，再通過對非晶態(tài)硅層進行退火處理使其結晶，形成多晶硅層3。另外，當導電性基板是在玻璃基板上形成ITO等導電性膜而構成的基板時，也可以利用CVD法在導電性薄膜上形成非晶態(tài)硅薄膜后進行退火，通過這樣形成多晶硅層3。另外，多晶硅層3的形成方法也可以采用CGS(ContinuousGrain Silicon)法或觸媒CVD法等。另外，多晶硅層3的厚度只要超過通過多孔化處理形成的多孔半導體層6的規(guī)定厚度即可。
然后，在多晶硅層3上涂布光刻膠形成掩膜層。再利用光刻技術，在n型區(qū)8a的上方部位開孔，通過這樣形成如圖22C所示的條狀圖形的光刻膠層。
利用光刻膠層9作為陽極氧化處理用掩膜層，但也可以利用形成條狀的氧化硅膜或氮化硅膜作為掩膜層。這種情況下，利用等離子體CVD法或濺射法等形成氧化硅膜或氮化硅膜。然后利用光刻技術及刻蝕技術(濕法刻蝕、干法刻蝕)在n型區(qū)8a的上位部位開孔。在用氧化硅膜或氮化硅膜時，也可以在多晶硅層3進行陽極氧化處理后不去掉掩膜層。
再在p型硅基板16的背面形成未圖示的歐姆電極。然后，利用光刻膠層9作為掩膜層進行陽極氧化處理，通過這樣在多晶硅層3上形成由多孔多晶硅層3上形成由多孔多晶硅構成的多孔半導體部分6a。
陽極氧化采用圖23所示裝置進行。圖中，將盛放有由適量氟酸、乙酸及水混合而成的電解液的處理槽31置于恒溫水槽22中，以控制電解液的溫度。
將圖22c所示的在p型硅基板16上形成導電性基板及多晶硅層3的被處理物30與鉑電極的對極33一起浸漬在電解液中。然后，在p型硅基板16與對極33之間通電。在本實施形態(tài)中，作為電解液是采用55wt％氟化氫水溶液及乙酸以近似1∶1比例混合的電解液。
在此期間，從500W的鎢絲燈泡34以一定的光能將光照射至多晶硅層3的露出部分。在p型硅基板16與對極33之間通電的電流模式利用函數發(fā)生器35及恒流源36進行控制。這里，函數發(fā)生器35控制電流的極性、通電時間及電流大小、恒流源36產生通電電流。另外，陽極氧化也可以不是通過電流、而是通過施加電壓來進行。這種情況下，采用恒壓源代替恒流源36。
在本實施形態(tài)中的電流模式是將中型硅基板16作為正極連續(xù)通電。通電時間及電流密度根據電解液組成及溫度適當設定。也就是說，根據電解液組成及溫度，調節(jié)陰極氧化時的電荷量。如上所述，當采用氟酸、乙醇及水混合的電解液時，電解液的溫度最好控制在0℃到室溫的溫度范圍內。另外，最好控制電流或電壓，使電流密度為1～200mA/cm2。如本實施形態(tài)那樣，在陽極氧化處理時使電流密度恒定，利用處理時間來控制全部電荷量，在這種情況下，多孔化處理區(qū)的深度由電荷量來決定。因此，用電荷量也能夠很容易控制多孔化處理區(qū)的深度。所以，通過縮短陽極氧化處理的時間，能夠不改變多孔結構部分25的多孔度，而減小其厚度。
例如，在陽極氧化處理中，使電流密度為25mA/cm2，進行6秒鐘的通電，通過這樣能夠形成多孔化處理區(qū)厚度不超過2μm的很薄的多孔結構部分25。在本實施形態(tài)中，由于多晶硅層3的厚度為1.5μm，因此取陽極氧化處理的電流密度為25mA/cm2，進行3秒種的通電，通過這樣進行多孔化處理。這里形成的多孔多晶硅層成為柱狀結構部分21與多孔結構部分25混合的多孔半導體層6。這樣，若對在同一平面形成多孔半導體層6的半導體層進行多孔化處理，通過這樣維持多孔半導體層6在同一平面，則在后工序中在多孔半導體層6的上面形成的導電性薄膜7不易呈網孔狀。因此，很難發(fā)生發(fā)射電子量的面內不均勻。另外，也很難發(fā)生因斷線而導致的導通不正常的情況。
另外，若在上述陽極氧化處理中，設定電流密度為1.5mA/cm2以下的小電流密度，并適當選擇電解液的組成以進行長時間的陽極氧化，則多晶硅層3不進行多孔化處理，而表層進行電解研磨，因晶粒升長而產生的表面凹凸消失。通過這樣，多孔半導體層6的表面與導電性基板(n型區(qū)8a)的表面平行。然后，若進行上述的陽極氧化處理。則電場均勻垂直加在基板上，因此多孔化處理的進行方向垂直于導電性基板。這樣，多孔結構部分25的多孔化處理方向一致。這里，電子是利用多孔結構部分25的電場加速的。若多孔化處理方向都同樣垂直于基板，則電子發(fā)射方向也垂直于基板而保持一致。因而，當顯示器等采用電子源10時，能夠有更高清晰度的顯示。另外，在將氧化硅或氮化硅作為掩膜對多晶硅層3進行多孔化處理時，在利用RIE法形成氧化硅或氮化硅的開口部分時，也可以進行比規(guī)定時間更長的刻蝕。這種情況下，對多晶硅層的表層略微進行一下刻蝕，能夠去掉因晶粒生長而產生的表面凹凸，得到與前述同樣的效果。另外，這些多晶硅表面的光滑方法，都不需要重新增加工序。因而，在不增加成本的情況下得到前述的效果。
多孔半導體層6也可以用多晶硅以外的材料形成。例如，也可以n型區(qū)上利用MOCVD或MBE法，也可在n型區(qū)上利用MOCVD或MBE法，形成規(guī)定厚度的單晶硅、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等半導體層，然后再利用RIE或FIB法等形成規(guī)定深度的微細孔，這種情況下，將前述材料的微晶粉末分散在例如在玻璃上旋轉(spin on glass)等中，再充填微細孔，然后通過熱處理，能夠形成上述構造。
利用這樣的陽極氧化處理，形成條狀的多孔多晶硅層，這成為絕緣層形成前的多孔半導體部分5。然后，去掉光刻膠層9，得到圖22D所示的構造。但是，多孔化處理進行到多晶硅層3的厚度方向的中途為止。另外，陽極氧化處理時交替改變通電方向，同時使電流以脈沖狀通電，通過這樣能夠如圖15所示，使多孔結構部分25(多孔區(qū))的厚度近似均勻。
陽極氧化處理后，利用燈泡退火裝置，在干燥氧氣氛圍中對多孔多晶硅層5進行快速熱氧化(TRO)。通過這樣，形成由熱氧化的多孔多晶硅5構成的多孔結構部分，得到圖22E所示的構造，若采用快速熱氧化，則能夠在n秒種內升溫至氧化溫度。因此，可以防止通常爐管型氧化裝置產生的入爐時夾帶氧化的問題。在本實施形態(tài)中，快速熱氧化的條件是，氧氣流量為300sccm，氧化溫度為900℃，氧化時間為1小時。
另外，作為多孔多晶硅層的氧化方法，除了熱氧化法外，也可以采用等離子體氧化法、電子學氧化法(例如用酸進行氧化)以及用UV或臭氧氣體的方法。另外，也可以對多孔多晶硅層進行氮化以代替氧化。
然后，在多晶硅層上用具有條狀開口圖形的金屬掩膜，利用蒸鍍法形成由金薄膜構成的條狀導電性薄膜7，得到圖22F所示的構造。導電性薄膜7的厚度為7nm。導電性薄膜7的形成方法不限于蒸鍍法，也可以利用光刻技術及刻蝕技術。另外，也可以利用光刻技術及剝離法。
另外，在陽極氧化處理時，是利用光刻膠層9作為掩膜層的，但也可以利用形成條狀的氧化硅膜或氮化硅膜作為掩膜層。在利用氧化硅膜或氮化硅膜時，陽極氧化處理后不需要去掉掩膜層的工序。另外，也可以在不發(fā)射電子區(qū)的導電性薄膜與多晶硅之間設置絕緣層。
另外，電子發(fā)射現象是利用以導電性薄膜7為正極加在多孔半導體層上的電場而使到達多孔半導體層表面的電子在隧道效應下從導電性薄膜7的表面向真空中發(fā)射的現象。因而，根據在導電性基板與導電性薄膜7之間所加的電壓而得到的電子能量減去導電性薄膜7的功函數的能量就成為電子的理想能量。所以，導電性薄膜7的材料的功函數越小越好。作為導電性薄膜7的材料，除了金以外，還可以使用鋁、鉻、鎢、鎳、鉑、或這些金屬的合金等。另外，導電性薄膜7的厚度為10nm，但該厚度只要是通過多孔半導體層6的電子能夠穿過的厚度即可，可以適當選擇。
在陽極氧化處理時，也可以通過脈沖狀的電流，來代替上述那樣連續(xù)通電的電流。另外，也可以用電壓控制來代替電流。若是脈沖狀通電，則通電為間歇進行，與連續(xù)通電的情況相比，可以降低陽極氧化的進行速度。因此，容易控制多孔結構部分(多孔化處理區(qū))的厚度。
實施形狀7下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)7在實施形態(tài)6中，多晶硅的陽極氧化處理是利用通過一定電流密度或脈沖狀電流的方法進行的。與此不同，實施形態(tài)7的電流模式是交替設置p型硅基板16為正極期間及為負極期間，在各期間分別通以脈沖狀電流。
若采用這樣的電流模式，則多孔化處理在p型硅基板16為正極期間進行。這時，在多孔結構部分(多孔化處理區(qū))，由于多晶硅層厚度薄，電場集中，因此電流容易流過。反之，在p型硅基板16為負極期間，在多孔結構部分25附近，由于電場作用而產生氣體。因而，在接下來p型硅基板16為正極期間多孔化處理進行快的部位；在下一次多孔化處理時其進行受到抑制。這樣的現象重復出現，則圖15所示的多孔結構部分25的厚度則近似均勻。
具體來說，如圖24所示，在多孔半導體層6的形成過程中，陽極氧化處理極性因脈沖而交替反轉。這時，在正極時進行多孔化處理，因表面形狀及半導體層狀態(tài)而產生多孔化狀態(tài)的不均勻。然后，極性反轉成為負極，則電場集中在多孔化處理快速進行的部分，載流子集中。因此，在這部分產生大量氣體38。在氣體38產生的地方就隔斷了與電解質的接觸，在下一個正極時，多孔化處理就不進行。通過這樣重復，多孔結構部分25的厚度在整個面內均勻。這樣，若多孔結構部分25的厚度均勻，則能夠實現發(fā)射電子量的面內分布極小的電子源10。
脈沖狀電每次通電時間(即脈沖寬度)或每次的電流密度可根據電解液組成及溫度適當選擇。也說是說，根據電解液組成及溫度，調節(jié)陽極氧化處理時的電荷量。具體來說，與實施形態(tài)6的情況相同，根據電解液組成及溫度，設定光照射條件。另外，希望通過的脈沖狀電流是，在p型硅基板16為正極期間，電流密度為1～200mA/cm2，在p型硅基板16為負極期間，電流密度為-2～100mA/cm2。另外，希望在正極期間，脈沖狀電流的通電時間在1秒以下。
在本實施形態(tài)中，在陽極氧化處理時，通電方向交替反轉，而且電流以脈沖狀通電。因此，多孔半導體層6中的多孔結構部分(多孔化處理區(qū))的厚度近似均勻。另外，多孔結構部分25的深度方向不均勻在0.5μm以下。于是，通過控制使多孔結構部分25的一部分不先到達n型區(qū)8a，就能夠防止n型區(qū)8a受到電解液的損傷。另外，在多孔半導體層6中，多孔結構部分厚度近似均勻，結果由n型區(qū)8a導電性薄膜7所選擇的多孔半導體部分6a，能夠近似從整個表面發(fā)射電子。因此，與多孔結構部分25的厚度不均勻的情況相比，電子發(fā)射效率高，而且電子發(fā)射量多，其它構成及動作與實施形態(tài)6的情況相同。
實施形態(tài)8下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)8。
在實施形態(tài)8中，采用在玻璃基板的一個表面上設置鉑電極作為導電體層的基板作為導電性基板。玻璃基板的材料，根據制造過程中的處理溫度，可選擇石英玻璃、無堿玻璃、低堿玻璃、鈉鈣玻璃等。另外，之所以采用鉑作為導電體層，是因為鉑對氟酸具有耐腐蝕性。
如圖25A所示，在由玻璃基板構成的絕緣性基板13的一個表面上，利用濺射法形成厚度為0.2μm的鉑薄膜構成的導電體層8b。然后，利用離子刻蝕，將導電體層8b形成條狀圖形。導電體層8b(鉑薄膜)的形成方法不限于濺射法，例如也可以采用蒸鍍法等。
接著，如圖25B所示，形成0.5μm厚度的非摻雜多晶硅層3以覆蓋絕緣性基板13及導電體層8b。
再如圖25c所示，多晶硅層3利用RIE法形成圖形，使其剩下該導電體層8b上側部分。通過該圖形生成，在多孔半導體層6中的多孔半導體部分6a的部位形成圖形。然后，將導電體層8b作為一個電極，進行與實施形態(tài)6或7相同的陽極氧化處理，對多晶硅層進行多孔化處理。多孔化處理的深度設定為近似等于多晶硅層3的厚度，多孔化處理區(qū)近似到達導電體層8b。這里，在陽極氧化時，電解液即使含有氟酸，但由于導電體層8b對氟酸具有耐腐蝕性，因此導電體層8b不被腐蝕。陽極氧化處理后，利用燈泡退火裝置，通過在干燥氧氣氛圍中的快速熱氧化(RTO)，形成由熱氧化的多孔多晶硅構成的多孔半導體部分6a。因玻璃種類不同，也可以采用等離子體氧化法或電化學(例如用酸)氧化法。
然后，如圖25D所示，利用ED蒸鍍法形成由金薄膜構成的導電性薄膜7(表面電極)以覆蓋絕緣性基板13及多孔半導體部分6a，再利用圖形生成，形成條狀導電極薄膜7(表面電極)，完成電子源10。
這里，在本實施形態(tài)中，由于在絕緣性基板13上設置多晶硅層，因此在電子源10的周圍部分能夠充分利用多晶硅層形成半導體元件，通過這樣能夠將電子源10的驅動電路等與絕緣性基板13一起同時形成。
在本實施形態(tài)中，多孔半導體部分6a中的多孔結構部分(多孔化處理區(qū))的厚度近似等于多晶硅層厚度。因而，多孔半導體部分6a的多孔結構部分加上全電壓。因此，能夠將所加電壓無損失地用于電子發(fā)射，能夠增大電子發(fā)射量。在本實施形態(tài)中，采用在絕緣性基板13上設置鉑構成的導電體層8b作為導電性基板。但是，只要是對氟酸具有耐腐蝕性的材料，也可以采用鉑以外的材料。另外，采用耐腐蝕材料保護導電性材料，也可以形成導電體層8b。其它構成及動作與實施形態(tài)6的情況相同。
實施形態(tài)9下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)9。
如前述圖9所示，實施形態(tài)9的場致發(fā)射型電子源基本構成，其特征在于，在實施形態(tài)6的多孔半導體層6的表面部分設置電阻低于其它部分6d的規(guī)定厚度的低電阻層6c。在這里，低電阻層6c的厚度設定為小于該低電阻層6c中的電子平均自由程。因此，能夠抑制由于設置低電阻層6c而導致電子發(fā)射效率的下降。
在本實施形態(tài)的電子源10中，當加上電場時，低電阻層6c起到虛擬電極的作用，多孔半導體層6的表面部分近似等電位。因此，在多孔半導體層6與金薄膜構成的導電性薄膜7之間，即使有它們接觸部分與不接觸部分，但多孔半導體層內部在面內所加電場仍然均勻。因而，能夠抑制面內發(fā)射電子量的不均勻。所以，在顯示器等采用電子源10時，畫面亮度不均勻較小。
下面說明低電阻層6c的形成方法。下面所示的是形成低多孔度層作為低電阻層6c的方法。
在實施形態(tài)6所示的陽極氧化處理中，一面以一定光能進行照射，一面改變陽極氧化處理期間的電流密度。這里，在陽極氧化期間開始的規(guī)定時間內，電流密度小，在規(guī)定時間后增大電流密度。通過這樣，在多孔度大的多孔多晶硅層的上層形成多孔度小、電阻低的多孔多晶硅層。另外，也可以像實施形態(tài)6那樣，在陽極氧化處理時使電流密度恒定，同時改變光能。這種情況下，在陽極氧化期間開始的規(guī)定時間內，照射表面的光能小，在規(guī)定時間后增大光能。這樣也能實現與上述相同的構造。
根據上述制造方法，在多孔多晶硅層形成工序中，能夠同時在多孔多晶硅層表面部分形成多孔度小的多孔多晶硅層(低電阻層)。因而，不要另外增加形成低電阻層6c的工序，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
具體來說，例如多晶硅層的厚度為1.5μm時，陽極氧化期間的電流密度在最初的4秒鐘為3mA/cm2，保持恒定，在其后的10秒鐘為30mA/cm2，保持恒定。多孔多晶硅層的多孔度由陽極氧化時的電流大小來決定。因而，多孔多晶硅層中，表面一側的多孔多晶硅層的多孔度小于導電性基板一側的多孔多晶硅層而多孔度。
實施形態(tài)10下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)10。另外，實施形態(tài)10的電子源10與實施形態(tài)9相同，僅僅其制造方法不同。也就是說，其特征在于，在多孔半導體層6的表面部分設置的低電阻層6c是通過對多孔多晶硅層4的表面部分再結晶的再結晶層進行氧化(或氮化)而形成。因而，下面僅說明實施形態(tài)10有關的電子源10制造方法。另外，低電阻層6c的霰顧以錢地實施形態(tài)9相同。也就是說，是通過對多晶硅層3利用陽極氧化進行多孔化處理，從而形成多孔多晶硅層4。這里，由于陽極氧化時的電流密度及光能一定，因此，多孔多晶硅層厚度方向的多孔度一樣。
如圖26A所示，在該電子源10的制造方法中，在n型硅基板構成的導電性基板1的背面形成歐姆電極2。接著，在導電性基板1的表面形成多晶硅，得到圖26A所示的構造。
然后，通過對多晶硅層3利用陽極氧化進行多孔化處理，形成多孔多晶硅層4，得到圖26B所示的構造。在本實施形態(tài)中，由于陽極氧化時的電流密度及光能一定，因此，多孔多晶硅層4的多孔度在厚度方向一樣。
在形成多孔多晶硅層4以后，多孔多晶硅層4的表面部分利用激光退火法進行再結晶。然后，通過對多孔多晶硅層4進行氧化(或氮化)，形成設置低電阻層6c的多孔半導體層6，得到圖26c所示的構造。另外，為了對多孔多晶硅層4的表面部分利用激光退火法進行再結晶，只要對多孔多晶硅層4的表面照射例如氬激光或準分子激光即可。
多孔半導體層6形成后，在多孔半導體層6上(即低電阻層6c上)形成由金薄膜構成的導電性薄膜7，得到圖10D所示構造的電子源10。
因而，在本實施形態(tài)中，利用激光退火法再結晶的表面部分形成低電阻層6c。因此，能夠比較簡單地設置低電阻層6c。所以，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
另外，在本實施形態(tài)的電子源10中能得到與實施形態(tài)9相同的效果。特別是由于低電阻層6c由多孔多晶硅層4的表面部分再結晶的再結晶層構成，因此，多孔半導體層6的表面凹凸少。所以，電場集中在多孔半導體層6表面凸起的端部及凹下的底部的情況版抑制。這樣，在顯示器等采用電子源10時，能夠防止僅僅畫面特定明亮的情況，畫面亮度的面內不均勻較小。
實施形態(tài)11下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)11。另外，實施形態(tài)11的電子源10與實施形態(tài)9相同，僅僅其制造方法不同。本實施形態(tài)的特征在于，低電阻層6c是通過對從多孔多晶硅層4的表面一側離子注入雜質(例如磷、硼等)的雜質注入層進行氧化(或氮化)而形成。
該電子源10的制造方法與實施形態(tài)10基本相同，不同的僅僅是，在多孔多晶硅層4(參照圖26B)形成后，從多孔多晶硅4的表面一側利用離子注入法將雜質注入，再對多孔多晶硅層4進行氧化(或氮化)，通過這樣設置低電阻層6c。
于是，在本實施形態(tài)中，通過對離子注入后的多孔多晶硅層4進行氧化(或氮化)，表面部分成為低電阻層6c。因此，能夠以良好的控制性能設置低電阻層6c，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
另外，在本實施形態(tài)的電子源10中也能得到與實施形態(tài)9相同的效果。特別是由于低電阻層6c由從多孔多晶硅層4的表面一側離子注入雜質的雜質注入層構成，因此容易控制低電阻層6c的雜質濃度及分布。
實施形態(tài)12下面說明本發(fā)明的實施形態(tài)12。另外，實施形態(tài)12的電子源與實施形態(tài)9相同，僅僅其制造方法不同。本實施形態(tài)的特征在于，低電阻層6c是通過對從多孔多晶硅層4的表面利用擴散法將雜質(例如磷、硼等)擴散的擴散層進行氧化(或氮化)而形成。
該電子源10的制造方法與實施形態(tài)10的基本相同，不同的僅僅是，在多孔多晶硅層4(參照圖26B)形成后，從多孔多晶硅層4的表面利用擴散法將雜質擴散，再對多孔多晶硅層4進行氧化(或氮化)，通過這樣形成低電阻層6c。
于是，在本實施形態(tài)中，擴散后通過對多孔多晶硅層4進行氧化(或氮化)，表面部分成為低電阻層6c。因此，能夠比較簡單地設置電子發(fā)射面積大的低電阻層6c。所以，能夠以低成本實現面內電子發(fā)射量較均勻的電子源10。
另外，在本實施形態(tài)的場致發(fā)射型電子源10中也能得到與實施形態(tài)1相同的效果。特別是由于低電阻層6c由從多孔多晶硅層4的表面將雜質擴散的擴散層構成，因此與利用離子注入法將雜質注入的情況相比，能夠容易增大電子發(fā)射面積。
以上，本發(fā)明通過與其特定的實施形態(tài)一起進行了說明，但除此之外，還可能有若干變形例及修正例，這一點作為業(yè)內人士來說當然是很清楚的。所以，本發(fā)明不是由這樣的實施形態(tài)所限定的，而應該是根據所附的權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.一種場致發(fā)射型電子源，具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的至少一部分進行多孔化處理的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，半導體層包含各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分和以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合存在的多孔半導體層，而且沿半導體厚度方向來看的多孔結構部分平均尺寸在2μm以下。
2.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，柱狀結構部分在導電性薄膜側的端部與多孔結構部分在導電性薄膜側的端部配置在相同位置上。
3.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，多孔半導體層由利用陽極氧化形成的多孔多晶硅構成。
4.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，多孔結構部分的最大尺寸與最小尺寸之差在0.5μm以下。
5.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，多孔半導體層厚度與導電性薄膜和導電性基板之間配置的半導體層厚度近似相等。
6.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，在導電性基板的半導體層一側表面設置對于用來對半導體層進行多孔化處理的陽極氧化處理用電解液具有耐腐蝕性的耐腐蝕導電體層。
7.如權利要求1所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層。
8.如權利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，低電阻層的厚度小于形成該低電阻層的半導體中電子的平均自由程。
9.如權利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，低電阻層由多孔度小于多孔半導體層其它部分的低多孔度層構成。
10.如權利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，低電阻層由多孔半導體層表面部分再結晶形成的再結晶層構成。
11.如權利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，低電阻層由從多孔半導體層表面將雜質通過離子注入法注入多孔半導體層內而形成的雜質注入層構成。
12.如權利要求7所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，低電阻層由從多孔半導體層表面將雜質擴散進入多孔半導體層內而形成的雜質擴散層構成。
13.如權利要求1至3中任一項所述的場致發(fā)射型電子源，其特征在于，多孔結構部分的導電性薄膜一側表面與導電性基板表面平行。
14.一種場致發(fā)射型電子源的制造方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，所述制造方法包括對半導體層利用陽極氧化處理進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，在該步驟中，用半導體層為正極期間的電荷量來控制多孔半導體層的厚度。
15.如權利要求14所述的場致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，在其上形成多孔化半導體層的導電性基板與對極之間加上脈沖電流或電壓，使得交替產生導電性基板為正極的期間與切斷通電狀態(tài)的期間，并通過改變導電生基板為正極期間的電荷量來控制多孔半導體層的厚度。
16.如權利要求14所述的場致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，在其上形成多孔化半導體層的導電性基板與對極之間加上脈沖電流或電壓，使得交替翻轉產生導電性基板為正極的期間與導電性基板為負極的期間，并通過改變導電性基板為負極期間的每1個脈沖的電荷量使多孔半導體層的厚度均勻。
17.一種場致發(fā)射型電子源的制造方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置多孔度比其他部分小、電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層，所述制造方法包括下述步驟在導電性基板上形成半導體層上之后形成半導體層表面部分的多孔度小于其它部分多孔度的多孔半導體層的步驟，通過將多孔半導體層氧化或氮化形成具有低電阻層的多孔半導體層的步驟，以及在多孔半導體層上形成導電性薄膜的步驟。
18.如權利要求17所述的場致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，在利用陽極氧化進行半導體層多孔化處理時，陽極氧化期間中開始的規(guī)定時間內電流密度設定得較小，規(guī)定時間后電流密度設定得較大。
19.如權利要求17所述的場致發(fā)射型電子源的制造方法，其特征在于，在利用陽極氧化進行半導體層多孔化處理時，陽極氧化期間中開始的規(guī)定時間內照射半導體層表面的光能小，規(guī)定時間后再加大光能。
20.一種場致發(fā)射型電子源制造的方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置由多孔半導體體層表面部分再結晶形成的再結晶層構成、電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層，所述制造方法包括下述步驟在導電性基板上形成半導體層后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，利用激光退光法使多孔半導體層表面部分再結晶的步驟，通過將多孔半導體層氧化或氮化形成具有低電阻層的多孔半導體層的步驟，以及在多孔半導體層上形成導電性薄膜的步驟。
21.一種場致發(fā)射型電子源制造的方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置由離子注入雜質而形成的雜質注入層構成、電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層，所述制造方法包括下述步驟在導電性基板上形成半導體層后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，從多孔半導體層表面一側利用離子注入法將雜質進行離子注入的步驟，通過將多孔半導體層氧化或氮化形成具有低電阻層的多孔半導體層的步驟，以及在多孔半導體層上形成導電性薄膜的步驟。
22.一種場致發(fā)射型電子源制造的方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，沿半導體層厚度方向來看，在多孔半導體層的導電性薄膜一側的端部設置由利用雜質擴散而形成的雜質擴散層構成、電阻比其它部分低的規(guī)定厚度的低電阻層，所述制造方法包括下述步驟在導電性基板上形成半導體層后、再通過對半導體層進行多孔化處理而形成多孔半導體層的步驟，從多孔半導體層表面利用熱擴散法將雜質擴散至多孔半導體層內的步驟，通過將多孔半導體層氧化或氮化形成具有低電阻層的多孔半導體層的步驟，以及在多孔半導體層上形成導電性薄膜的步驟。
23.一種場致發(fā)射型電子源制造的方法，所述場致發(fā)射型電子源具有導電性基板、在導電性基板的一個表面上形成的含有多孔半導體層的半導體層、以及在半導體層上形成的導電性薄膜，所述多孔半導體層由各自表面用絕緣層覆蓋的柱狀結構部分及以納米為單位的半導體微晶構成的多孔結構部分混合而成，平均厚度在2μm以下，通過在導電性薄膜與導電性基板之間加上導電性薄膜相對于導電性基板為正的電壓，注入導電性基板的電子就通過半導體層從導電性薄膜發(fā)射，其特征在于，在對半導體層表面進行光滑處理后，通過對半導體層進行陽極氧化處理，形成多孔結構部分表面與導電性基板表面平行的多孔半導體層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種場致發(fā)射型電子源及其制造方法。場致發(fā)射型電子源10具有導電性基板1、在導電性基板1的一個表面上形成的至少一部分進行多孔化處理的半導體層6、以及在半導體層上形成的導電性薄膜7。通過加上導電性薄膜7相對于導電性基板1為正的電壓,注入導電性基板1的電子通過半導體層從導電性薄膜7發(fā)射。半導體層包含柱狀結構部分21和平均尺寸在2μm以下的多孔結構部分25混合存在的多孔半導體層6。
文檔編號H01J9/02GK1271958SQ00107058
公開日2000年11月1日 申請日期2000年4月24日 優(yōu)先權日1999年4月23日
發(fā)明者渡部祥文, 近藤行廣, 相澤浩一, 菰田卓哉, 本多由明, 幡井崇, 櫟原勉, 越田信義 申請人:松下電工株式會社