[发明专利]电场放射型电子源

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用半导体材料通过电场放射来放射电子射线的电场放射型电子源。

背景技术

以往，作为电场放射型电子源(以下简称为电子源)，众所周知的例如有在美国专利第3665241号等中公开的Spindt型电极。Spindt型电极包括：配置有多个微小的三角锥状的发射极芯片的衬底；对具有使发射极芯片的顶端部露出的放射孔的一方发射极芯片绝缘的栅极层。而且，Spindt型电极在真空中，通过使发射极芯片相对于栅极层为负极来外加高压，从发射极芯片的顶端通过放射孔来放射电子射线。

可是，Spindt型电极的制造过程复杂，并且很难高精度地制造多个三角锥状的发射极芯片。因此，在应用于平面发光装置或显示器等的情况下，存在着难以实现大面积化这一问题。另外，在Spindt型电极中，因为电场集中于发射极芯片的顶端，所以当发射极芯片顶端周围的真空度较低，存在残留气体时，由于所放射的电子会使残留气体离子化为正离子。因为该正离子与发射极芯片的顶端碰撞，所以使发射极芯片的顶端受损(例如，离子冲击导致的损伤)。因此，会产生所放射的电子的电流密度和放射效率等不稳定，发射极芯片的使用寿命缩短等问题。因此，为了防止这样的问题产生，有必要在高真空(约10^-5Pa～约10^-6pa)下使用Spindt型电极。结果，导致成本提高并且使用起来也不方便。

为了解决这些问题，提出了MIM(金属绝缘层金属)型或MOS(金属氧化物半导体)型的电子源。前者是具有金属-绝缘膜-金属的层叠结构的平面型电子源，而后者是具有金属-氧化膜-半导体的层叠结构的平面型电子源。在这种类型的电子源中，为了提高电子的放射效率(为了多放射电子)，有必要使绝缘膜或氧化膜变薄。可是，如果绝缘膜和氧化膜的膜厚度过薄，则当在层叠结构的上下电极之间外加电压时，有可能破坏绝缘。因为必须防止这种破坏绝缘的情况产生，所以绝缘膜和氧化膜的薄膜化是有限度的。因此，就产生了难以提高电子的放射效率(引出效率)这一问题。

另外，近年，如特开平8-250766号公报所示，提出了使用硅衬底等单晶半导体衬底，通过对该半导体衬底的一个表面进行阳极氧化，形成多孔性半导体层(多孔硅层)，在该多孔性半导体层上形成金属薄膜的电子源(半导体冷电子放射元件)。在该电子源中，在半导体衬底和金属薄膜之间外加电压，使电子放射。

可是，在特开平8-250766号公报中公开的电子源中，因为衬底局限于半导体衬底，所以存在难于大面积化和成本难以下降这样的问题。另外，在放射电子时容易产生间歇现象，容易产生电子放射量不稳。因此，如果应用于平面发光装置和显示器等中，则会产生发光不稳的问题。

在此，本发明人在特愿平10-272340号、特愿平10-272342号中，提出了利用快速热氧化(RTO)技术，例如通过在900℃使多孔性多晶体半导体层(例如，多孔性化的多晶硅层)快速热氧化，形成了存在于导电性衬底和金属薄膜(表面电极)之间，并从导电性衬底注入的电子进行漂移的强电场漂移层(以下，简称为“漂移层”)的电子源。

如图43所示，在该电子源10’中，在导电性衬底即n型硅衬底1的主表面一侧，形成由氧化的多孔性多晶体半导体层构成的漂移层6。在漂移层6上形成由金属薄膜构成的表面电极7。在n型硅衬底1的背面形成欧姆电极2。漂移层6的厚度例如设置为1.5μm。

如图44所示，把电子源10’配置为使表面电极7暴露在真空中。而且，把集电极12配置为使之与表面电极7相对。于是，外加直流电压Vps，使表面电极7相对于n型硅衬底1(欧姆电极2)为正极。而且，外加直流电压Vc，使集电极12相对于表面电极7为正极。由此，从n型硅衬底1注入漂移层6的电子在漂移层6中漂移，通过表面电极7放射(图44中的点划线表示通过表面电极7放射的电子e^-的流动)。因此，在表面电极7上，最好使用功函数小的材料。在此，一般把流过表面电极7和欧姆电极2之间的电流称作二极管电流Ips，一般把流过集电极12和电极7之间的电流称作放射电子电流Ie。放射电子电流Ie相对于二极管电流Ips越大(Ie/Ips越大)，电子放射效率越高。在电子源10’中，即使外加在表面电极7和欧姆电极2之间的直流电压Vps是10～20V的低压，也能放射电子。

在电子源10’中，电子放射特性的真空度依赖性小，并且，在放射电子时，不产生间歇现象，能稳定地以较高的电子放射效率放射电子。