[发明专利]场致发射型电子源

说明书

本发明涉及利用半导体材料借助电场发射无需加热而发射电子束的场致发射型电子源及其制造方法，具体涉及可应用于平面型光源、平面显示器件、固体真空器件等的场致发射型电子源及其制造方法。

已往，作为场致发射型电子源有如美国专利No.3665241等中所揭示的所谓斯平特(spindle)型电极的构造。该斯平特电极具有：配置有多个微小三角锥状发射尖端(tip)的基板；具有让发射尖端前端部露出的发射孔并相对发射尖端呈绝缘配置的栅极。该电极在真空中将发射尖端相对于栅极作为负极，通过施加高压从发射尖端前端经发射孔发射电子束。

但是，斯平特电极存在的问题是制造工艺复杂，构成的多个三角锥状发射尖端难以保证良好的精度，难以应用于诸如平面发光装置或显示器等大面积场合。这种斯平特电极还存在这样的问题，因电场集中于发射尖端前端，因此在该该前端周围的真空度较低而残留有气体情况下，残留气体会因发射的电子而电离为正离子，正离子轰击发射尖端的前端使发射尖端前端受损，从而导致发射电子的电流密度和效率等不稳定，或者缩短了发射尖端的寿命。

因此，为了防止发生这种问题，必须在高真空(10^-5Pa～10^-6Pa)下使用斯平特电极，从而存在费用高、处理麻烦等缺点。

为了改善这种缺点，有人提出了MIM(金属、绝缘体、金属)方式或MOS(金属、氧化物、半导体)型的场致发射型电子源的方案。前者是具有金属-绝缘膜-金属叠层构造的平面型场致发射型电子源，后者是具有金属-氧化膜-半导体叠层构造的平面型场致发射型电子源。但在这种类型的场致发射型电子源中，为了提高电子发射效率(为了发射更多的电子)，必须将所述绝缘膜或所述氧化膜的膜厚作得很薄。但若所述绝缘膜或所述氧化膜的膜厚太薄，则当所述叠层构造上下电极间施加电压时又恐会破坏绝缘。为防止这种绝缘破坏，在所述绝缘膜或所述氧化膜的膜厚实现薄膜化方面将受到限制，从而又有电子发射效率不可能太高的缺点。

近年来如特开平8-250766号公报所揭示，有人提出了这样的方案，即使用硅基板等单晶半导体基板，对该半导体基板的整个主表面侧进行阳极氧化，通过这样形成多孔半导体层(如，多孔硅层)，再在该多孔半导体层上形成由金属薄膜构成的表面电极，并在半导体基板和表面电极间施加电压以发射电子，这样来构成场致发射型电子源(半导体冷电子发射元件)。

但是，在上述特开平8-250766号公报记载的场致发射型电子源中，存在电子发射时容易产生所谓“突发(poping)”现象的缺点。电子发射时产生突发现象的场致发射型电子源易引起发射电子量不均匀，在应用于平面发光装置或显示器装置等情况下，会有发光不均匀的缺点。

然而，本发明者经刻意研究的结果认识到，在上述特开平8-250766号公报记载的场致发射型电子源中，由于对单晶硅基板主表面侧整个面进行多孔化处理形成的多孔硅层构成了让电子注入的强电场漂移层，因此强电场漂移层的热传导率比n型硅基板1的低，增加了场致发射型电子源的隔热性，从而在施加电压、使电流流动情况下的基板温度上升比较大。而由于该温度上升，对电子产生热激励，且单晶半导体基板的电阻下降，电子发射量增加，由此电子发射时易引起突发现象，从而引起发射电子量的不均匀。

本发明是鉴于上述认识提出的，其目的在于提供一种可稳定、高效发射电子、成本低的场致发射型电子源及其制造方法。

为了达到上述发明目的，本发明的场致发射型电子源，其特征在于，备有：导电性基板；在导电性基板一表面侧形成的强电场漂移层；在该强电场漂移层上形成金属膜构成的表面电极，表面电极相对于导电性基板作为正极，通过施加电压从导电性基板注入的电子在强电场漂移层漂移，经表面电极进行发射，所述强电场漂移层至少包含：基本上垂直于导电性基板主表面排列的柱状半导体结晶；介于半导体结晶间纳米级的半导体微结晶；形成在半导体微结晶表面、膜厚比该半导体微结晶的晶粒粒径还小的绝缘膜。本发明的场致发射型电子源其电子发射特性随真空度的变化较小，且发射电子时不会发生突发现象，能稳定高效发射电子，此外，作为导电性基板除了单晶硅基板等半导体基板外还可采用在玻璃基板等基板上形成导电性膜的基板等，因此与已往利用对半导体基板进行多孔化处理形成的多孔半导体层情况或斯平特电极相比，具有可制成大面积电子源及成本低的效果。

在本发明中，作为所述半导体结晶最好采用多晶硅，此外还可例举采用其它IV族元素、SiC那样的IV-IV族化合物半导体、III-V族化合物半导体CaAs、GaN、InP等、以及II-VI族化合物半导体ZnSe等单晶、多晶及非晶半导体。