JP2003281993A - 電子源およびその製造方法 - Google Patents
電子源およびその製造方法Info
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Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を
向上した電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】電子源１０は、基板１の一表面側に下部電
極２が形成され、下部電極２上に半導体層としてノンド
ープの多結晶シリコン層３が形成され、多結晶シリコン
層３上に電子通過層６が形成され、電子通過層６上に表
面電極７が形成されている。表面電極７は、電子通過層
６に積層された導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７
ａに積層された金属層７ｂとにより構成されている。
向上した電子源およびその製造方法を提供する。 【解決手段】電子源１０は、基板１の一表面側に下部電
極２が形成され、下部電極２上に半導体層としてノンド
ープの多結晶シリコン層３が形成され、多結晶シリコン
層３上に電子通過層６が形成され、電子通過層６上に表
面電極７が形成されている。表面電極７は、電子通過層
６に積層された導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７
ａに積層された金属層７ｂとにより構成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界放射により電
子線を放射するようにした電子源およびその製造方法に
関するものである。
子線を放射するようにした電子源およびその製造方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来からこの種の電子源の一例として、
下部電極と、下部電極に対向する金属薄膜よりなる表面
電極（上部電極）と、下部電極と表面電極との間に介在
し下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側とし
て電圧を印加したときに作用する電界により下部電極か
ら表面電極へ向かう向きへ電子がドリフトする強電界ド
リフト層とを備えた構成のものが知られている（例え
ば、特許第２９８７１４０号公報など参照）。この電子
源は、表面電極を真空中に配置するとともに表面電極に
対向してコレクタ電極を配置し、表面電極と下部電極と
の間に表面電極を高電位側として直流電圧を印加すると
ともに、コレクタ電極と表面電極との間にコレクタ電極
を高電位側として直流電圧を印加することにより、下部
電極から注入され強電界ドリフト層をドリフトした電子
が表面電極を通して放出される。したがって、強電界ド
リフト層は電子の通過する電子通過層を構成することに
なる。なお、表面電極の表面が酸化などの変質を起こす
と電子放出効率が減少するので、表面電極７には化学的
に安定な貴金属薄膜（例えば、金薄膜）が採用されてい
る。また、表面電極７の厚さ寸法は例えば１０ｎｍ程度
に設定されている。
下部電極と、下部電極に対向する金属薄膜よりなる表面
電極（上部電極）と、下部電極と表面電極との間に介在
し下部電極と表面電極との間に表面電極を高電位側とし
て電圧を印加したときに作用する電界により下部電極か
ら表面電極へ向かう向きへ電子がドリフトする強電界ド
リフト層とを備えた構成のものが知られている（例え
ば、特許第２９８７１４０号公報など参照）。この電子
源は、表面電極を真空中に配置するとともに表面電極に
対向してコレクタ電極を配置し、表面電極と下部電極と
の間に表面電極を高電位側として直流電圧を印加すると
ともに、コレクタ電極と表面電極との間にコレクタ電極
を高電位側として直流電圧を印加することにより、下部
電極から注入され強電界ドリフト層をドリフトした電子
が表面電極を通して放出される。したがって、強電界ド
リフト層は電子の通過する電子通過層を構成することに
なる。なお、表面電極の表面が酸化などの変質を起こす
と電子放出効率が減少するので、表面電極７には化学的
に安定な貴金属薄膜（例えば、金薄膜）が採用されてい
る。また、表面電極７の厚さ寸法は例えば１０ｎｍ程度
に設定されている。
【０００３】ところで、上述の電子源において、表面電
極と下部電極との間に流れる電流をダイオード電流Ｉps
と呼び、コレクタ電極と表面電極との間に流れる電流を
エミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにす
れば、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉ
eの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝
（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなるが、上述の
電子源では、表面電極と下部電極との間に印加する直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができ、電子放出特性の真空度依存性が小さく
且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電
子を放出することができる。
極と下部電極との間に流れる電流をダイオード電流Ｉps
と呼び、コレクタ電極と表面電極との間に流れる電流を
エミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにす
れば、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッション電流Ｉ
eの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電子放出効率（＝
（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高くなるが、上述の
電子源では、表面電極と下部電極との間に印加する直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができ、電子放出特性の真空度依存性が小さく
且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電
子を放出することができる。
【０００４】なお、上述の電子源においては、抵抗率が
導体の抵抗率に比較的近い半導体基板と当該半導体基板
の裏面に形成したオーミック電極とで下部電極を構成し
たものや、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス
基板、絶縁性を有するセラミック基板など）上に形成さ
れた金属材料からなる導電性層により下部電極を構成し
たものなどがある。
導体の抵抗率に比較的近い半導体基板と当該半導体基板
の裏面に形成したオーミック電極とで下部電極を構成し
たものや、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス
基板、絶縁性を有するセラミック基板など）上に形成さ
れた金属材料からなる導電性層により下部電極を構成し
たものなどがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
成の電子源は、真空封止して使用されるものであるが、
組立時の真空封止工程などの熱工程によって表面電極の
抵抗値が上昇してしまい、動作中に表面電極と下部電極
との間やコレクタ電極と表面電極との間に所望の電圧が
印加されなくなり、電子放出特性（エミッション電流、
電子放出効率など）が低下してしまうという不具合があ
った。
成の電子源は、真空封止して使用されるものであるが、
組立時の真空封止工程などの熱工程によって表面電極の
抵抗値が上昇してしまい、動作中に表面電極と下部電極
との間やコレクタ電極と表面電極との間に所望の電圧が
印加されなくなり、電子放出特性（エミッション電流、
電子放出効率など）が低下してしまうという不具合があ
った。
【０００６】さらに説明すれば、表面電極には貴金属薄
膜が用いられているが、表面電極の厚さ寸法は上述のよ
うに１０ｎｍ程度に設定されており、一般的に表面電極
として用いられている金薄膜では４００℃以上の温度領
域で凝集が起こり、膜厚の均一性の低下および膜連続性
の低下を引き起こすので、表面電極の抵抗値が上昇し、
結果的に電子放出特性が低下してしまうのである。この
ような凝集の起こりにくい金属材料としては、タングス
テンやアルミニウムなどが知られているが、表面電極の
材料としてタングステンやアルミニウムを用いた場合に
は、表面電極の表面が酸化されやすく、電子放出効率が
低くなってしまうという不具合があった。
膜が用いられているが、表面電極の厚さ寸法は上述のよ
うに１０ｎｍ程度に設定されており、一般的に表面電極
として用いられている金薄膜では４００℃以上の温度領
域で凝集が起こり、膜厚の均一性の低下および膜連続性
の低下を引き起こすので、表面電極の抵抗値が上昇し、
結果的に電子放出特性が低下してしまうのである。この
ような凝集の起こりにくい金属材料としては、タングス
テンやアルミニウムなどが知られているが、表面電極の
材料としてタングステンやアルミニウムを用いた場合に
は、表面電極の表面が酸化されやすく、電子放出効率が
低くなってしまうという不具合があった。
【０００７】また、下部電極についても上述のように抵
抗値が上昇してしまうが、抵抗値が上昇する原因として
は、金属の凝集、下部電極に積層されている電子通過層
（例えば、強電界ドリフト層）への下部電極の構成原子
（金属原子）の熱拡散による膜厚減少、下部電極に積層
されている電子通過層（例えば、強電界ドリフト層）の
構成原子の下部電極への熱拡散による下部電極の膜厚減
少、下部電極の抵抗率の上昇などが考えられる。
抗値が上昇してしまうが、抵抗値が上昇する原因として
は、金属の凝集、下部電極に積層されている電子通過層
（例えば、強電界ドリフト層）への下部電極の構成原子
（金属原子）の熱拡散による膜厚減少、下部電極に積層
されている電子通過層（例えば、強電界ドリフト層）の
構成原子の下部電極への熱拡散による下部電極の膜厚減
少、下部電極の抵抗率の上昇などが考えられる。
【０００８】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、電子放出特性の低下を抑制しながら
も耐熱性を向上した電子源およびその製造方法を提供す
ることにある。
あり、その目的は、電子放出特性の低下を抑制しながら
も耐熱性を向上した電子源およびその製造方法を提供す
ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、下部電極と、表面電極と、下部
電極と表面電極との間に介在し電子が通過する電子通過
層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面電極を通
して放出される電子源であって、表面電極が、電子通過
層に積層された導電性窒化物層と、導電性窒化物層に積
層された金属層とからなることを特徴とするものであ
り、導電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴
金属に比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも
導電性窒化物層は金属層との密着性に優れているので、
従来のように表面電極が貴金属薄膜により形成されてい
るものに比べて、電子放出特性の低下を抑制しながらも
表面電極の耐熱性を高めることができ、つまり、表面電
極の構成材料の凝集が起こるのを抑制することができ、
結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出特性
が低下するのを防止することができる。
目的を達成するために、下部電極と、表面電極と、下部
電極と表面電極との間に介在し電子が通過する電子通過
層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面電極を通
して放出される電子源であって、表面電極が、電子通過
層に積層された導電性窒化物層と、導電性窒化物層に積
層された金属層とからなることを特徴とするものであ
り、導電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴
金属に比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも
導電性窒化物層は金属層との密着性に優れているので、
従来のように表面電極が貴金属薄膜により形成されてい
るものに比べて、電子放出特性の低下を抑制しながらも
表面電極の耐熱性を高めることができ、つまり、表面電
極の構成材料の凝集が起こるのを抑制することができ、
結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出特性
が低下するのを防止することができる。
【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニ
ウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから
選択される導電性窒化物により形成されてなるので、熱
的安定性および再現性を高めることができる。
て、前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニ
ウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから
選択される導電性窒化物により形成されてなるので、熱
的安定性および再現性を高めることができる。
【００１１】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記表面電極は、前記導電性窒化物
層の厚さが４ｎｍを超えないように設定されているの
で、電子放出効率の低下を抑制することができる。
２の発明において、前記表面電極は、前記導電性窒化物
層の厚さが４ｎｍを超えないように設定されているの
で、電子放出効率の低下を抑制することができる。
【００１２】請求項４の発明は、下部電極と、表面電極
と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過する
電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面
電極を通して放出される電子源であって、下部電極の少
なくとも一部が層状の導電性窒化物層からなることを特
徴とするものであり、導電性窒化物は導電率が比較的高
く且つ金などの貴金属に比べて融点が高くて拡散バリア
性に優れ、しかもタングステンやアルミニウムなどの金
属材料に比べて耐酸化性に優れているので、下部電極の
少なくとも一部が層状の導電性窒化物層により形成され
ていることによって、従来のように下部電極が金属材料
により形成されているものに比べて、電子放出特性の低
下を抑制しながらも下部電極の耐熱性を高めることがで
き、結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出
特性が低下するのを防止することができる。
と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過する
電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面
電極を通して放出される電子源であって、下部電極の少
なくとも一部が層状の導電性窒化物層からなることを特
徴とするものであり、導電性窒化物は導電率が比較的高
く且つ金などの貴金属に比べて融点が高くて拡散バリア
性に優れ、しかもタングステンやアルミニウムなどの金
属材料に比べて耐酸化性に優れているので、下部電極の
少なくとも一部が層状の導電性窒化物層により形成され
ていることによって、従来のように下部電極が金属材料
により形成されているものに比べて、電子放出特性の低
下を抑制しながらも下部電極の耐熱性を高めることがで
き、結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出
特性が低下するのを防止することができる。
【００１３】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、前記下部電極は、積層構造を有し少なくとも一層が
前記導電性窒化物層からなるので、前記導電性窒化物層
により前記下部電極の耐熱性の向上を図りながらも前記
下部電極において前記導電性窒化物層に積層される層に
よって前記下部電極の低抵抗化を図ったり前記下部電極
との間に界面が形成される層との密着性を高めることが
可能になる。
て、前記下部電極は、積層構造を有し少なくとも一層が
前記導電性窒化物層からなるので、前記導電性窒化物層
により前記下部電極の耐熱性の向上を図りながらも前記
下部電極において前記導電性窒化物層に積層される層に
よって前記下部電極の低抵抗化を図ったり前記下部電極
との間に界面が形成される層との密着性を高めることが
可能になる。
【００１４】請求項６の発明は、請求項４または請求項
５の発明において、前記導電性窒化物層は、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、
窒化タンタルから選択される導電性窒化物により形成さ
れているので、熱的安定性および再現性を高めることが
できる。
５の発明において、前記導電性窒化物層は、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、
窒化タンタルから選択される導電性窒化物により形成さ
れているので、熱的安定性および再現性を高めることが
できる。
【００１５】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができる。
６の発明において、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができる。
【００１６】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さを適宜設定
することで電子放出特性を向上することができる。ま
た、前記電子通過層を容易に形成することが可能にな
る。
６の発明において、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さを適宜設定
することで電子放出特性を向上することができる。ま
た、前記電子通過層を容易に形成することが可能にな
る。
【００１７】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚
さを適宜設定することで電子放出特性を向上することが
できる。また、前記電子通過層を容易に形成することが
可能になる。
６の発明において、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚
さを適宜設定することで電子放出特性を向上することが
できる。また、前記電子通過層を容易に形成することが
可能になる。
【００１８】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成することを特徴とし、表
面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定
性良く高スループットで形成することができて導電性窒
化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラ
フネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、しか
も、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低
下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コスト
で提供することができる。また、導電性窒化物層を比較
的低いプロセス温度で形成することができる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成することを特徴とし、表
面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定
性良く高スループットで形成することができて導電性窒
化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラ
フネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、しか
も、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低
下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コスト
で提供することができる。また、導電性窒化物層を比較
的低いプロセス温度で形成することができる。
【００１９】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなる蒸着源を用
いた蒸着法により形成することを特徴とし、表面ラフネ
スの小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く高
スループットで形成することができて導電性窒化物層と
当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネスを
小さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電子
源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制
しながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供す
ることができる。また、導電性窒化物層を比較的低いプ
ロセス温度で形成することができる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなる蒸着源を用
いた蒸着法により形成することを特徴とし、表面ラフネ
スの小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く高
スループットで形成することができて導電性窒化物層と
当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネスを
小さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電子
源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制
しながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供す
ることができる。また、導電性窒化物層を比較的低いプ
ロセス温度で形成することができる。
【００２０】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、純金属からなるターゲットおよび
窒素を含むガスを利用した反応性スパッタ法により形成
することを特徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化
物層を再現性および安定性良く高スループットで形成す
ることができて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に
積層される層との界面ラフネスを小さくできるとともに
低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れる
から、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向
上した電子源を低コストで提供することができる。ま
た、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度で形成す
ることができる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、純金属からなるターゲットおよび
窒素を含むガスを利用した反応性スパッタ法により形成
することを特徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化
物層を再現性および安定性良く高スループットで形成す
ることができて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に
積層される層との界面ラフネスを小さくできるとともに
低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れる
から、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向
上した電子源を低コストで提供することができる。ま
た、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度で形成す
ることができる。
【００２１】請求項１３の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、ＣＶＤ法により形成することを特
徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性
および安定性良く高スループットで形成することができ
て導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される層
との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を
図れ、しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子放
出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源
を低コストで提供することができる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、ＣＶＤ法により形成することを特
徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性
および安定性良く高スループットで形成することができ
て導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される層
との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を
図れ、しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子放
出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源
を低コストで提供することができる。
【００２２】請求項１４の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜へ窒素イオンを注入し
て前記導電性窒化物層を形成することを特徴とし、表面
ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定性
良く形成することができて導電性窒化物層と当該導電性
窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源を低コストで提供することがで
きる。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度
で形成することができ、導電性窒化物層の導電率の制御
が容易になる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜へ窒素イオンを注入し
て前記導電性窒化物層を形成することを特徴とし、表面
ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定性
良く形成することができて導電性窒化物層と当該導電性
窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源を低コストで提供することがで
きる。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度
で形成することができ、導電性窒化物層の導電率の制御
が容易になる。
【００２３】請求項１５の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜を窒素を含むガス雰囲
気で熱処理することにより前記導電性窒化物層を形成す
ることを特徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化物
層を再現性および安定性良く形成することができて導電
性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界
面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、
しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性
の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コ
ストで提供することができる。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜を窒素を含むガス雰囲
気で熱処理することにより前記導電性窒化物層を形成す
ることを特徴とし、表面ラフネスの小さな導電性窒化物
層を再現性および安定性良く形成することができて導電
性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界
面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、
しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性
の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コ
ストで提供することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本実施形態の電子源１０は、図１
に示すように、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガ
ラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）よりな
る基板１の一表面側に電子源素子１０ａが形成されてい
る。ここにおいて、電子源素子１０ａは、基板１の上記
一表面側に形成された下部電極２と、下部電極２上に形
成された半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層
３と、多結晶シリコン層３上に形成された後述の電子通
過層６と、電子通過層６上に形成された表面電極７とで
構成されている。つまり、電子源素子１０ａは、表面電
極７と下部電極２とが対向しており、表面電極７と下部
電極２との間に電子通過層６が介在している。ここに、
下部電極２の厚さは３００ｎｍ程度の厚さに設定してあ
り、表面電極７の厚さは１０ｎｍを超えないように設定
してある。なお、本実施形態では、基板１として絶縁性
基板を用いているが、基板１としてシリコン基板などの
半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板に積層
した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極
２を構成するようにしてもよい。また、電子通過層６と
下部電極２との間に多結晶シリコン層３を介在させてあ
るが、多結晶シリコン層３を介在させずに下部電極２上
に電子通過層６を形成した構成を採用してもよい。
に示すように、絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガ
ラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）よりな
る基板１の一表面側に電子源素子１０ａが形成されてい
る。ここにおいて、電子源素子１０ａは、基板１の上記
一表面側に形成された下部電極２と、下部電極２上に形
成された半導体層としてノンドープの多結晶シリコン層
３と、多結晶シリコン層３上に形成された後述の電子通
過層６と、電子通過層６上に形成された表面電極７とで
構成されている。つまり、電子源素子１０ａは、表面電
極７と下部電極２とが対向しており、表面電極７と下部
電極２との間に電子通過層６が介在している。ここに、
下部電極２の厚さは３００ｎｍ程度の厚さに設定してあ
り、表面電極７の厚さは１０ｎｍを超えないように設定
してある。なお、本実施形態では、基板１として絶縁性
基板を用いているが、基板１としてシリコン基板などの
半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板に積層
した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極
２を構成するようにしてもよい。また、電子通過層６と
下部電極２との間に多結晶シリコン層３を介在させてあ
るが、多結晶シリコン層３を介在させずに下部電極２上
に電子通過層６を形成した構成を採用してもよい。
【００２５】ところで、下部電極２は金属材料からなる
単層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａ
ｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいは
シリサイドなど金属間化合物からなる単層）の薄膜によ
り構成されているが、多層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，
Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属
あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物から
なる多層）の薄膜により構成してもよいし、不純物をド
ープした多結晶シリコンなどの半導体材料により形成し
てもよい。
単層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａ
ｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属あるいは合金あるいは
シリサイドなど金属間化合物からなる単層）の薄膜によ
り構成されているが、多層（例えば、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，
Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔなどの金属
あるいは合金あるいはシリサイドなど金属間化合物から
なる多層）の薄膜により構成してもよいし、不純物をド
ープした多結晶シリコンなどの半導体材料により形成し
てもよい。
【００２６】また、上述の電子通過層６は、多結晶シリ
コン層に対して後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プ
ロセスを行うことにより形成されており、図３に示すよ
うに、多結晶シリコンの複数のグレイン（半導体結晶）
５１と、各グレイン５１それぞれの表面に形成された薄
いシリコン酸化膜５２と、隣り合うグレイン５１間に介
在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導
体微結晶）よりなるナノ結晶シリコン６３と、各ナノ結
晶シリコン６３の表面に形成され当該ナノ結晶シリコン
６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数の
シリコン酸化膜６４とを含んでおり、グレイン５１、ナ
ノ結晶シリコン６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外
の領域はアモルファスシリコン若しくは一部が酸化した
アモルファスシリコンよりなるアモルファス領域６５に
より構成されていると考えられる。すなわち、電子通過
層６は、多結晶シリコンおよび多結晶シリコンの粒界付
近に存在する多数のナノ結晶シリコン６３が混在してい
る。なお、各グレイン５１は、基板１の厚み方向に沿っ
て延びている（つまり、各グレイン５１は下部電極２の
厚み方向に延びている）。
コン層に対して後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プ
ロセスを行うことにより形成されており、図３に示すよ
うに、多結晶シリコンの複数のグレイン（半導体結晶）
５１と、各グレイン５１それぞれの表面に形成された薄
いシリコン酸化膜５２と、隣り合うグレイン５１間に介
在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導
体微結晶）よりなるナノ結晶シリコン６３と、各ナノ結
晶シリコン６３の表面に形成され当該ナノ結晶シリコン
６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数の
シリコン酸化膜６４とを含んでおり、グレイン５１、ナ
ノ結晶シリコン６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外
の領域はアモルファスシリコン若しくは一部が酸化した
アモルファスシリコンよりなるアモルファス領域６５に
より構成されていると考えられる。すなわち、電子通過
層６は、多結晶シリコンおよび多結晶シリコンの粒界付
近に存在する多数のナノ結晶シリコン６３が混在してい
る。なお、各グレイン５１は、基板１の厚み方向に沿っ
て延びている（つまり、各グレイン５１は下部電極２の
厚み方向に延びている）。
【００２７】また、表面電極７は、電子通過層６に積層
された導電性窒化物層７ａと、導電性窒化物層７ａに積
層された金属層７ｂとで構成している。ここにおいて、
導電性窒化物層７ａは、窒化チタンからなる導電性窒化
物により形成されているが、導電性窒化物は一般的に導
電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比べて融点が高
くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンやアルミ
ニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れている。
導電性窒化物層７ａに用いる導電性窒化物は、この種の
性質を有していればよく、窒化チタンに限らず、窒化ク
ロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化バナジ
ウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、
窒化ハフニウムなどが採用可能であるが、熱的安定性、
仕事関数、再現性の観点から、窒化チタン、窒化ジルコ
ニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルの
いずれかを採用することが好ましい。
された導電性窒化物層７ａと、導電性窒化物層７ａに積
層された金属層７ｂとで構成している。ここにおいて、
導電性窒化物層７ａは、窒化チタンからなる導電性窒化
物により形成されているが、導電性窒化物は一般的に導
電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比べて融点が高
くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンやアルミ
ニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れている。
導電性窒化物層７ａに用いる導電性窒化物は、この種の
性質を有していればよく、窒化チタンに限らず、窒化ク
ロム、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化バナジ
ウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、
窒化ハフニウムなどが採用可能であるが、熱的安定性、
仕事関数、再現性の観点から、窒化チタン、窒化ジルコ
ニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルの
いずれかを採用することが好ましい。
【００２８】また、金属層７ｂは、貴金属である白金に
より形成されているが、白金に限らず、例えば金、イリ
ジウムなどの他の貴金属により形成してもよい。ただ
し、熱的安定性の観点からは白金が特に効果的である。
より形成されているが、白金に限らず、例えば金、イリ
ジウムなどの他の貴金属により形成してもよい。ただ
し、熱的安定性の観点からは白金が特に効果的である。
【００２９】なお、表面電極７は、電子放出効率の低下
を抑制するなどの観点から、導電性窒化物層７ａの厚さ
が４ｎｍを超えないように設定してあり、導電性窒化物
層７ａと金属層７ｂとを合わせた厚さが１０ｎｍを超え
ないように設定してある。
を抑制するなどの観点から、導電性窒化物層７ａの厚さ
が４ｎｍを超えないように設定してあり、導電性窒化物
層７ａと金属層７ｂとを合わせた厚さが１０ｎｍを超え
ないように設定してある。
【００３０】図１に示す構成の電子源素子１０ａから電
子を放出させるには、例えば、図２に示すように、表面
電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面
電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、
表面電極７が下部電極２に対して高電位側となるように
表面電極７と下部電極２との間に直流電圧Ｖpsを印加す
るとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高
電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との
間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを
適宜に設定すれば、下部電極２から注入された電子が電
子通過層６をドリフトし表面電極７を通して放出される
（図２中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電
子ｅ-の流れを示す）。なお、電子通過層６の表面に到
達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表
面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。つま
り、電子通過層６では、下部電極２に対して表面電極７
を高電位側としたときに作用する電界により下部電極２
から表面電極７へ向かう向きへ電子がドリフトする（通
過する）ことになる。
子を放出させるには、例えば、図２に示すように、表面
電極７に対向配置されたコレクタ電極２１を設け、表面
電極７とコレクタ電極２１との間を真空とした状態で、
表面電極７が下部電極２に対して高電位側となるように
表面電極７と下部電極２との間に直流電圧Ｖpsを印加す
るとともに、コレクタ電極２１が表面電極７に対して高
電位側となるようにコレクタ電極２１と表面電極７との
間に直流電圧Ｖｃを印加する。各直流電圧Ｖps，Ｖｃを
適宜に設定すれば、下部電極２から注入された電子が電
子通過層６をドリフトし表面電極７を通して放出される
（図２中の一点鎖線は表面電極７を通して放出された電
子ｅ-の流れを示す）。なお、電子通過層６の表面に到
達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表
面電極７を容易にトンネルし真空中に放出される。つま
り、電子通過層６では、下部電極２に対して表面電極７
を高電位側としたときに作用する電界により下部電極２
から表面電極７へ向かう向きへ電子がドリフトする（通
過する）ことになる。
【００３１】電子源素子１０ａでは、表面電極７と下部
電極２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼
び、コレクタ電極９と表面電極７との間に流れる電流を
エミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにす
れば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッ
ション電流Ｉｅの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電
子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高く
なるが、表面電極７と下部電極２との間に印加する直流
電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放
出させることができ、電子放出特性の真空度依存性が小
さくポッピング現象が発生せず安定して電子を放出する
ことができる。
電極２との間に流れる電流をダイオード電流Ｉpsと呼
び、コレクタ電極９と表面電極７との間に流れる電流を
エミッション電流（放出電子電流）Ｉeと呼ぶことにす
れば（図２参照）、ダイオード電流Ｉpsに対するエミッ
ション電流Ｉｅの比率（＝Ｉe／Ｉps）が大きいほど電
子放出効率（＝（Ｉe／Ｉps）×１００〔％〕）が高く
なるが、表面電極７と下部電極２との間に印加する直流
電圧Ｖpsを１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放
出させることができ、電子放出特性の真空度依存性が小
さくポッピング現象が発生せず安定して電子を放出する
ことができる。
【００３２】上述の電子源素子１０ａでは、次のような
モデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表
面電極７と下部電極２との間に表面電極７を高電位側と
して直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２
１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側と
して直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖps
が所定値（臨界値）に達すると、下部電極２から電子通
過層６へ熱的励起された電子ｅ-が注入される。一方、
電子通過層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化
膜６４にかかるから、注入された電子ｅ-はシリコン酸
化膜６４にかかっている強電界により加速され、電子通
過層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かっ
て図３中の矢印の向き（図３における上向き）へドリフ
トし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。し
たがって、電子通過層６では下部電極２から注入された
電子がナノ結晶シリコン６３でほとんど散乱されること
なくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速され
てドリフトし、表面電極７を通して放出され、電子通過
層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるか
ら、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して
電子を放出することができる。なお、電子通過層６の表
面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えら
れ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出され
る。以上説明した動作原理の電子源素子は、弾道電子面
放出型電子源（Ballistic electron Surface-emittin
g Device）と呼ばれている。
モデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表
面電極７と下部電極２との間に表面電極７を高電位側と
して直流電圧Ｖpsを印加するとともに、コレクタ電極２
１と表面電極７との間にコレクタ電極２１を高電位側と
して直流電圧Ｖｃを印加することにより、直流電圧Ｖps
が所定値（臨界値）に達すると、下部電極２から電子通
過層６へ熱的励起された電子ｅ-が注入される。一方、
電子通過層６に印加された電界の大部分はシリコン酸化
膜６４にかかるから、注入された電子ｅ-はシリコン酸
化膜６４にかかっている強電界により加速され、電子通
過層６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かっ
て図３中の矢印の向き（図３における上向き）へドリフ
トし、表面電極７をトンネルし真空中に放出される。し
たがって、電子通過層６では下部電極２から注入された
電子がナノ結晶シリコン６３でほとんど散乱されること
なくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速され
てドリフトし、表面電極７を通して放出され、電子通過
層６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるか
ら、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して
電子を放出することができる。なお、電子通過層６の表
面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えら
れ、表面電極７を容易にトンネルし真空中に放出され
る。以上説明した動作原理の電子源素子は、弾道電子面
放出型電子源（Ballistic electron Surface-emittin
g Device）と呼ばれている。
【００３３】しかして、本実施形態の電子源１０では、
表面電極７が電子通過層６に積層された導電性窒化物か
らなる導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７ａに積層
された金属層７ｂとにより構成されており、導電性窒化
物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比べて融
点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンや
アルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れて
おり、その上、導電性窒化物層７ａは金属層７ｂとの密
着性に優れているので、従来のように表面電極が金属薄
膜により形成されているものに比べて、電子放出特性の
低下を抑制しながらも表面電極７の耐熱性を高めること
ができ、つまり、表面電極７の構成材料の凝集が起こる
のを抑制することができ、結果的に真空封止などの熱工
程に起因して電子放出特性が低下するのを防止すること
ができる。また、表面電極７が電子通過層６に積層され
た導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７ａに積層され
た金属層７ｂとで構成されていることによって、表面電
極７と電子通過層６との間でのそれぞれの構成原子の拡
散を防止することができ、表面電極７および電子通過層
６の各材料の選択肢が多くなるという利点もある。
表面電極７が電子通過層６に積層された導電性窒化物か
らなる導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７ａに積層
された金属層７ｂとにより構成されており、導電性窒化
物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比べて融
点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングステンや
アルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に優れて
おり、その上、導電性窒化物層７ａは金属層７ｂとの密
着性に優れているので、従来のように表面電極が金属薄
膜により形成されているものに比べて、電子放出特性の
低下を抑制しながらも表面電極７の耐熱性を高めること
ができ、つまり、表面電極７の構成材料の凝集が起こる
のを抑制することができ、結果的に真空封止などの熱工
程に起因して電子放出特性が低下するのを防止すること
ができる。また、表面電極７が電子通過層６に積層され
た導電性窒化物層７ａと導電性窒化物層７ａに積層され
た金属層７ｂとで構成されていることによって、表面電
極７と電子通過層６との間でのそれぞれの構成原子の拡
散を防止することができ、表面電極７および電子通過層
６の各材料の選択肢が多くなるという利点もある。
【００３４】ところで、本実施形態では、上述の基板１
としてガラス基板を用いているが、プロセス温度に応じ
て、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、低アルカ
リガラス基板、ソーダライムガラス基板などから適宜選
択すればよく、セラミック基板を用いる場合には、例え
ばアルミナ基板などを用いればよい。なお、本実施形態
の電子源１０をディスプレイの電子源として利用する場
合には下部電極２、表面電極７、電子通過層６などを適
宜にパターニングして多数の電子源素子１０ａを基板１
の上記一表面側にマトリクス状に配列すればよい。
としてガラス基板を用いているが、プロセス温度に応じ
て、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、低アルカ
リガラス基板、ソーダライムガラス基板などから適宜選
択すればよく、セラミック基板を用いる場合には、例え
ばアルミナ基板などを用いればよい。なお、本実施形態
の電子源１０をディスプレイの電子源として利用する場
合には下部電極２、表面電極７、電子通過層６などを適
宜にパターニングして多数の電子源素子１０ａを基板１
の上記一表面側にマトリクス状に配列すればよい。
【００３５】以下、本実施形態の電子源１０の製造方法
について図４を参照しながら説明する。
について図４を参照しながら説明する。
【００３６】まず、石英ガラス基板からなる基板１の一
表面上に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ程度）の金属膜
（例えば、モリブデン膜）からなる下部電極２を形成し
た後、下部電極２上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）
のノンドープの多結晶シリコン層３を形成することによ
り、図４（ａ）に示すような構造が得られる。なお、下
部電極２の形成方法としては、例えば、スパッタ法やＣ
ＶＤ法などを採用すればよい。また、下部電極２の形成
方法としては、例えば、ノンドープの多結晶シリコン層
を形成した後に熱拡散法によって多結晶シリコン層へｎ
形不純物をドーピングする方法を採用してもよいし、多
結晶シリコン層の成膜と同時にｎ形不純物をドーピング
する方法を採用してもよい（つまり、イオン注入法や熱
拡散法などを用いることなく導電性を有する多結晶シリ
コン層を基板１上に直接形成するようにしてもよい）。
ここに、下部電極２の形成方法として成膜時に同時にド
ーピングする方法を採用すれば、下部電極２とノンドー
プの多結晶シリコン層３とを同一の成膜装置で連続的に
形成する（出し入れすることなく連続して形成する）よ
うにすることも可能である。下部電極２はｎ形多結晶シ
リコン層に限らず、ｐ形多結晶シリコン層により構成し
てもよく、後者の場合には、ｐ形不純物をドーピングす
ればよい。また、ノンドープの多結晶シリコン層３の形
成方法としては、例えば、ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣ
ＧＳ（Continuous Grain Silicon）法、アモルファス
シリコンを堆積させた後にレーザアニールする方法など
を採用すればよい。
表面上に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ程度）の金属膜
（例えば、モリブデン膜）からなる下部電極２を形成し
た後、下部電極２上に所定膜厚（例えば、１．５μｍ）
のノンドープの多結晶シリコン層３を形成することによ
り、図４（ａ）に示すような構造が得られる。なお、下
部電極２の形成方法としては、例えば、スパッタ法やＣ
ＶＤ法などを採用すればよい。また、下部電極２の形成
方法としては、例えば、ノンドープの多結晶シリコン層
を形成した後に熱拡散法によって多結晶シリコン層へｎ
形不純物をドーピングする方法を採用してもよいし、多
結晶シリコン層の成膜と同時にｎ形不純物をドーピング
する方法を採用してもよい（つまり、イオン注入法や熱
拡散法などを用いることなく導電性を有する多結晶シリ
コン層を基板１上に直接形成するようにしてもよい）。
ここに、下部電極２の形成方法として成膜時に同時にド
ーピングする方法を採用すれば、下部電極２とノンドー
プの多結晶シリコン層３とを同一の成膜装置で連続的に
形成する（出し入れすることなく連続して形成する）よ
うにすることも可能である。下部電極２はｎ形多結晶シ
リコン層に限らず、ｐ形多結晶シリコン層により構成し
てもよく、後者の場合には、ｐ形不純物をドーピングす
ればよい。また、ノンドープの多結晶シリコン層３の形
成方法としては、例えば、ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法など）やスパッタ法やＣ
ＧＳ（Continuous Grain Silicon）法、アモルファス
シリコンを堆積させた後にレーザアニールする方法など
を採用すればよい。
【００３７】ノンドープの多結晶シリコン層３を形成し
た後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多
結晶シリコンのグレイン５１（図３参照）とナノ結晶シ
リコン６３（図３参照）とアモルファスシリコンとが混
在する複合ナノ結晶層４が形成され、図４（ｂ）に示す
ような構造が得られる。ここにおいて、ナノ結晶化プロ
セスでは、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノール
とを１：０．８〜１：１．５の比で混合した混合液より
なる電解液の入った処理槽を利用し、白金電極（図示せ
ず）と下部電極２との間に電圧を印加して、多結晶シリ
コン層３に光照射を行いながら所定の電流（例えば、電
流密度が３０ｍＡ／ｃｍ2の電流）を所定時間（例え
ば、１０秒）だけ流すことによって複合ナノ結晶層４が
形成される。なお、ナノ結晶化プロセスでは、多結晶シ
リコン層３のうち所望の領域のみが電解液に触れ他の部
分は電解液に触れないようにシールして行えばよい。
た後、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多
結晶シリコンのグレイン５１（図３参照）とナノ結晶シ
リコン６３（図３参照）とアモルファスシリコンとが混
在する複合ナノ結晶層４が形成され、図４（ｂ）に示す
ような構造が得られる。ここにおいて、ナノ結晶化プロ
セスでは、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノール
とを１：０．８〜１：１．５の比で混合した混合液より
なる電解液の入った処理槽を利用し、白金電極（図示せ
ず）と下部電極２との間に電圧を印加して、多結晶シリ
コン層３に光照射を行いながら所定の電流（例えば、電
流密度が３０ｍＡ／ｃｍ2の電流）を所定時間（例え
ば、１０秒）だけ流すことによって複合ナノ結晶層４が
形成される。なお、ナノ結晶化プロセスでは、多結晶シ
リコン層３のうち所望の領域のみが電解液に触れ他の部
分は電解液に触れないようにシールして行えばよい。
【００３８】上述のナノ結晶化プロセスの終了した後
に、酸化プロセスを行うことによって上述の図３のよう
な構成の複合ナノ結晶層からなる電子通過層６が形成さ
れ、図４（ｃ）に示すような構造が得られる。酸化プロ
セスでは、例えば、急速加熱法により複合ナノ結晶層４
を酸化することによって上述のグレイン５１、ナノ結晶
シリコン６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む電子
通過層６（図３参照）が形成される。ここにおいて、急
速加熱法による酸化プロセスでは、ランプアニール装置
を用い、炉内をＯ2ガス雰囲気（標準状態での酸素ガス
流量を０．２〜０．４Ｌ／ｍｉｎ）として基板温度を室
温から所定の酸化温度（例えば、９００℃）まで規定の
昇温速度（例えば、８０℃／ｓｅｃ）で上昇させて基板
温度を所定の酸化時間（例えば、１時間）だけ維持する
ことで急速熱酸化（Rapid ThermalOxidation：ＲＴ
Ｏ）を行い、その後、基板温度を室温まで下降させてい
る。なお、酸化プロセスは、急速加熱法に限らず、例え
ば、電解質溶液（例えば、１ｍｏｌ／ｌのＨ2ＳＯ4、１
ｍｏｌ／ｌのＨＮＯ3、王水など）の入った酸化処理槽
を利用し、白金電極（図示せず）と下部電極２との間に
定電流を流し複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化する
ことによって上述のグレイン５１、ナノ結晶シリコン６
３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む電子通過層６を
形成するようにしてもよいし、プラズマによる酸化方法
を採用するようにしてもよい。
に、酸化プロセスを行うことによって上述の図３のよう
な構成の複合ナノ結晶層からなる電子通過層６が形成さ
れ、図４（ｃ）に示すような構造が得られる。酸化プロ
セスでは、例えば、急速加熱法により複合ナノ結晶層４
を酸化することによって上述のグレイン５１、ナノ結晶
シリコン６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む電子
通過層６（図３参照）が形成される。ここにおいて、急
速加熱法による酸化プロセスでは、ランプアニール装置
を用い、炉内をＯ2ガス雰囲気（標準状態での酸素ガス
流量を０．２〜０．４Ｌ／ｍｉｎ）として基板温度を室
温から所定の酸化温度（例えば、９００℃）まで規定の
昇温速度（例えば、８０℃／ｓｅｃ）で上昇させて基板
温度を所定の酸化時間（例えば、１時間）だけ維持する
ことで急速熱酸化（Rapid ThermalOxidation：ＲＴ
Ｏ）を行い、その後、基板温度を室温まで下降させてい
る。なお、酸化プロセスは、急速加熱法に限らず、例え
ば、電解質溶液（例えば、１ｍｏｌ／ｌのＨ2ＳＯ4、１
ｍｏｌ／ｌのＨＮＯ3、王水など）の入った酸化処理槽
を利用し、白金電極（図示せず）と下部電極２との間に
定電流を流し複合ナノ結晶層４を電気化学的に酸化する
ことによって上述のグレイン５１、ナノ結晶シリコン６
３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む電子通過層６を
形成するようにしてもよいし、プラズマによる酸化方法
を採用するようにしてもよい。
【００３９】電子通過層６を形成した後は、例えばスパ
ッタ法などによって所定膜厚（例えば、１ｎｍ）の導電
性窒化物層７ａ、所定膜厚（例えば、３ｎｍ）の金属層
７ｂを順次形成することで導電性窒化物層７ａと金属層
７ｂとからなる表面電極７が電子通過層６上に形成され
ることになり、図４（ｄ）に示す構造の電子源１０が得
られる。
ッタ法などによって所定膜厚（例えば、１ｎｍ）の導電
性窒化物層７ａ、所定膜厚（例えば、３ｎｍ）の金属層
７ｂを順次形成することで導電性窒化物層７ａと金属層
７ｂとからなる表面電極７が電子通過層６上に形成され
ることになり、図４（ｄ）に示す構造の電子源１０が得
られる。
【００４０】しかして、本実施形態の電子源１０の製造
方法によれば、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐
熱性を向上した電子源１０を提供することができる。
方法によれば、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐
熱性を向上した電子源１０を提供することができる。
【００４１】ところで、本実施形態では、表面電極７の
導電性窒化物層７ａをスパッタ法によって成膜している
が、スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＲＦマグネ
トロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＤＣマグネトロン
スパッタ法など各種方式が採用可能である。要するに、
導電性窒化物層７ａを導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成するので、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く
高スループットで形成することができて低コスト化を図
れるとともに、電子源１０の大面積化を図れ、しかも、
導電性窒化物層７ａを形成するための装置として既存の
スパッタ装置を容易に流用することが可能であって設備
投資を抑えることによる低コスト化を図れるから、電子
放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子
源１０を低コストで提供することができる。また、導電
性窒化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成するこ
とができるという利点がある。
導電性窒化物層７ａをスパッタ法によって成膜している
が、スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＲＦマグネ
トロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＤＣマグネトロン
スパッタ法など各種方式が採用可能である。要するに、
導電性窒化物層７ａを導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成するので、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く
高スループットで形成することができて低コスト化を図
れるとともに、電子源１０の大面積化を図れ、しかも、
導電性窒化物層７ａを形成するための装置として既存の
スパッタ装置を容易に流用することが可能であって設備
投資を抑えることによる低コスト化を図れるから、電子
放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子
源１０を低コストで提供することができる。また、導電
性窒化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成するこ
とができるという利点がある。
【００４２】また、導電性窒化物層７ａの成膜方法はス
パッタ法に限らず、例えば、導電性窒化物からなる蒸着
源を用いた蒸着法、金属（純金属）からなるターゲット
および窒素を含むガス（反応性ガス）を利用した反応性
スパッタ法などによって形成するようにしてもよい。こ
のような蒸着法、反応性スパッタ法などによって導電性
窒化物層７ａを形成する場合にも、表面ラフネスの小さ
な導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く高スル
ープットで形成することができて低コスト化を図れると
ともに、電子源１０の大面積化を図れるから、電子放出
特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源１
０を低コストで提供することができる。また、導電性窒
化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成することが
できるという利点がある。しかも、蒸着法によって導電
性窒化物層７ａを形成する場合には、導電性窒化物層７
ａを形成するための装置として既存の蒸着装置を容易に
流用することが可能であって設備投資を抑えることによ
る低コスト化を図れる。
パッタ法に限らず、例えば、導電性窒化物からなる蒸着
源を用いた蒸着法、金属（純金属）からなるターゲット
および窒素を含むガス（反応性ガス）を利用した反応性
スパッタ法などによって形成するようにしてもよい。こ
のような蒸着法、反応性スパッタ法などによって導電性
窒化物層７ａを形成する場合にも、表面ラフネスの小さ
な導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く高スル
ープットで形成することができて低コスト化を図れると
ともに、電子源１０の大面積化を図れるから、電子放出
特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源１
０を低コストで提供することができる。また、導電性窒
化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成することが
できるという利点がある。しかも、蒸着法によって導電
性窒化物層７ａを形成する場合には、導電性窒化物層７
ａを形成するための装置として既存の蒸着装置を容易に
流用することが可能であって設備投資を抑えることによ
る低コスト化を図れる。
【００４３】ここにおいて、金属（純金属）よりなるタ
ーゲットおよび窒素を含むガス（反応性ガス）を利用し
た反応性スパッタ法を採用する場合には、導電性窒化物
層７ａにおける窒素濃度の制御が容易であるという利点
がある。すなわち、反応性スパッタ法では、ガス種の選
択、Ａｒなどの不活性ガスと窒素原子を含む反応性ガス
との混合比の選択により、導電性窒化物層７ａにおける
窒素の組成を制御することができ、窒素の組成が所望の
値に制御された導電性窒化物層７ａを得ることができる
という利点がある。
ーゲットおよび窒素を含むガス（反応性ガス）を利用し
た反応性スパッタ法を採用する場合には、導電性窒化物
層７ａにおける窒素濃度の制御が容易であるという利点
がある。すなわち、反応性スパッタ法では、ガス種の選
択、Ａｒなどの不活性ガスと窒素原子を含む反応性ガス
との混合比の選択により、導電性窒化物層７ａにおける
窒素の組成を制御することができ、窒素の組成が所望の
値に制御された導電性窒化物層７ａを得ることができる
という利点がある。
【００４４】また、一般的に純金属のターゲットは窒化
物のターゲットに比べてより高純度のものが各所で提供
されているので、上述の反応性スパッタ法を採用するこ
とによって、上述の導電性窒化物をターゲットとして用
いたスパッタ法を採用する場合に比べて、導電性窒化物
層７ａ中の金属不純物を低減することができ、不純物が
原因となる性能低下を抑制することができる。
物のターゲットに比べてより高純度のものが各所で提供
されているので、上述の反応性スパッタ法を採用するこ
とによって、上述の導電性窒化物をターゲットとして用
いたスパッタ法を採用する場合に比べて、導電性窒化物
層７ａ中の金属不純物を低減することができ、不純物が
原因となる性能低下を抑制することができる。
【００４５】また、導電性窒化物層７ａはＣＶＤ法によ
り形成するようにしてもよく、ＣＶＤ法を採用した場合
にも、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層７ａを再現
性および安定性良く高スループットで形成することがで
きて低コスト化を図れるとともに、電子源１０の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源１０を低コストで提供すること
ができる。また、ＣＶＤ法は段差被覆性の点で優れてい
る。なお、熱ＣＶＤ法では６００℃以上のプロセス温度
が必要な場合が多いので、プロセス温度をより低温化で
きるプラズマＣＶＤ法を採用することが好ましい。
り形成するようにしてもよく、ＣＶＤ法を採用した場合
にも、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層７ａを再現
性および安定性良く高スループットで形成することがで
きて低コスト化を図れるとともに、電子源１０の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源１０を低コストで提供すること
ができる。また、ＣＶＤ法は段差被覆性の点で優れてい
る。なお、熱ＣＶＤ法では６００℃以上のプロセス温度
が必要な場合が多いので、プロセス温度をより低温化で
きるプラズマＣＶＤ法を採用することが好ましい。
【００４６】また、上述の導電性窒化物層７ａを形成す
るにあたっては、電子通過層６上に金属膜（例えば、チ
タン膜）を蒸着法やスパッタ法などにより積層し、当該
金属膜へ窒素イオンを注入して導電性窒化物層７ａを形
成するようにしてもよく、この場合にも、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く
形成することができて導電性窒化物層７ａと金属層７ｂ
との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を
図れ、しかも、電子源１０の大面積化を図れるから、電
子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電
子源１０を低コストで提供することができる。また、導
電性窒化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成する
ことができ、導電性窒化物層７ａの導電率の制御が容易
になる。
るにあたっては、電子通過層６上に金属膜（例えば、チ
タン膜）を蒸着法やスパッタ法などにより積層し、当該
金属膜へ窒素イオンを注入して導電性窒化物層７ａを形
成するようにしてもよく、この場合にも、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層７ａを再現性および安定性良く
形成することができて導電性窒化物層７ａと金属層７ｂ
との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化を
図れ、しかも、電子源１０の大面積化を図れるから、電
子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電
子源１０を低コストで提供することができる。また、導
電性窒化物層７ａを比較的低いプロセス温度で形成する
ことができ、導電性窒化物層７ａの導電率の制御が容易
になる。
【００４７】また、上述の導電性窒化物層７ａを形成す
るにあたっては、電子通過層６上に金属膜（例えば、チ
タン膜）を蒸着法やスパッタ法などにより積層し、当該
金属膜を窒素を含むガス雰囲気で熱処理することにより
導電性窒化物層７ａを形成するようにしてもよく、この
場合にも、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層７ａを
再現性および安定性良く形成することができて導電性窒
化物層７ａと金属層７ｂとの界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れるとともに、電子源１０の
大面積化を図れ、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源１０を低コストで提供すること
ができる。
るにあたっては、電子通過層６上に金属膜（例えば、チ
タン膜）を蒸着法やスパッタ法などにより積層し、当該
金属膜を窒素を含むガス雰囲気で熱処理することにより
導電性窒化物層７ａを形成するようにしてもよく、この
場合にも、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層７ａを
再現性および安定性良く形成することができて導電性窒
化物層７ａと金属層７ｂとの界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れるとともに、電子源１０の
大面積化を図れ、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源１０を低コストで提供すること
ができる。
【００４８】ところで、本実施形態では、上述のナノ結
晶化プロセスにより形成した複合ナノ結晶層４に酸化プ
ロセスを施すことによって電子通過層６を形成している
が、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスや酸窒化プロ
セスを採用してもよく、窒化プロセス（例えば、急速熱
窒化する窒化プロセス）を採用した場合には、図３にて
説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコ
ン窒化膜となり、酸窒化プロセス（例えば、急速熱酸窒
化する酸窒化プロセス）を採用した場合には、図３にて
説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコ
ン酸窒化膜となる。
晶化プロセスにより形成した複合ナノ結晶層４に酸化プ
ロセスを施すことによって電子通過層６を形成している
が、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスや酸窒化プロ
セスを採用してもよく、窒化プロセス（例えば、急速熱
窒化する窒化プロセス）を採用した場合には、図３にて
説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコ
ン窒化膜となり、酸窒化プロセス（例えば、急速熱酸窒
化する酸窒化プロセス）を採用した場合には、図３にて
説明した各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコ
ン酸窒化膜となる。
【００４９】また、上述の実施形態では、図３に示す構
成の複合ナノ結晶層が電子通過層６を構成しているが、
電子通過層６として例えばＡｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などから
なる絶縁体層を採用することで、上述の半導体層を設け
ている場合にはＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconduc
tor）構造の電子源と同様に動作し、上述の半導体層を
設けていない場合にはＭＩＭ（Metal−Insulator−Meta
l）構造の電子源と同様に動作し、両者とも電子通過層
の厚さを適宜設定することで電子放出特性を向上するこ
とができる。しかも、電子通過層を容易に形成すること
が可能になる。
成の複合ナノ結晶層が電子通過層６を構成しているが、
電子通過層６として例えばＡｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などから
なる絶縁体層を採用することで、上述の半導体層を設け
ている場合にはＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconduc
tor）構造の電子源と同様に動作し、上述の半導体層を
設けていない場合にはＭＩＭ（Metal−Insulator−Meta
l）構造の電子源と同様に動作し、両者とも電子通過層
の厚さを適宜設定することで電子放出特性を向上するこ
とができる。しかも、電子通過層を容易に形成すること
が可能になる。
【００５０】また、下部電極を多層構造として少なくと
も一層を層状の導電性窒化物層により構成すれば、導電
性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比
べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングス
テンやアルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に
優れているので、従来のように下部電極２が金属材料に
より形成されているものに比べて、電子放出特性の低下
を抑制しながらも下部電極２の耐熱性を高めることがで
き、結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出
特性が低下するのを防止することができる。しかも、下
部電極２が、積層構造を有し少なくとも一層が導電性窒
化物層からなるので、導電性窒化物層により下部電極２
の耐熱性の向上を図りながらも下部電極２において導電
性窒化物層に積層される層によって下部電極２の低抵抗
化を図ったり下部電極２との間に界面が形成される層と
の密着性を高めることが可能になる。なお、下部電極２
を導電性窒化物層のみにより形成してもよい。
も一層を層状の導電性窒化物層により構成すれば、導電
性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に比
べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかもタングス
テンやアルミニウムなどの金属材料に比べて耐酸化性に
優れているので、従来のように下部電極２が金属材料に
より形成されているものに比べて、電子放出特性の低下
を抑制しながらも下部電極２の耐熱性を高めることがで
き、結果的に真空封止などの熱工程に起因して電子放出
特性が低下するのを防止することができる。しかも、下
部電極２が、積層構造を有し少なくとも一層が導電性窒
化物層からなるので、導電性窒化物層により下部電極２
の耐熱性の向上を図りながらも下部電極２において導電
性窒化物層に積層される層によって下部電極２の低抵抗
化を図ったり下部電極２との間に界面が形成される層と
の密着性を高めることが可能になる。なお、下部電極２
を導電性窒化物層のみにより形成してもよい。
【００５１】ここにおいて、下部電極に用いる導電性窒
化物層の導電性窒化物としては表面電極７の導電性窒化
物層７ａと同様の材料を採用することが可能であり、導
電性窒化物層の形成方法についても表面電極７の導電性
窒化物層７ａの形成方法と同様の方法を採用することが
できる。
化物層の導電性窒化物としては表面電極７の導電性窒化
物層７ａと同様の材料を採用することが可能であり、導
電性窒化物層の形成方法についても表面電極７の導電性
窒化物層７ａの形成方法と同様の方法を採用することが
できる。
【００５２】
【発明の効果】請求項１の発明は、下部電極と、表面電
極と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過す
る電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表
面電極を通して放出される電子源であって、表面電極
が、電子通過層に積層された導電性窒化物層と、導電性
窒化物層に積層された金属層とからなるものであり、導
電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に
比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも導電性
窒化物層は金属層との密着性に優れているので、従来の
ように表面電極が貴金属薄膜により形成されているもの
に比べて、電子放出特性の低下を抑制しながらも表面電
極の耐熱性を高めることができ、つまり、表面電極の構
成材料の凝集が起こるのを抑制することができ、結果的
に真空封止などの熱工程に起因して電子放出特性が低下
するのを防止することができるという効果がある。
極と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過す
る電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表
面電極を通して放出される電子源であって、表面電極
が、電子通過層に積層された導電性窒化物層と、導電性
窒化物層に積層された金属層とからなるものであり、導
電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴金属に
比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも導電性
窒化物層は金属層との密着性に優れているので、従来の
ように表面電極が貴金属薄膜により形成されているもの
に比べて、電子放出特性の低下を抑制しながらも表面電
極の耐熱性を高めることができ、つまり、表面電極の構
成材料の凝集が起こるのを抑制することができ、結果的
に真空封止などの熱工程に起因して電子放出特性が低下
するのを防止することができるという効果がある。
【００５３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニ
ウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから
選択される導電性窒化物により形成されてなるので、熱
的安定性および再現性を高めることができるという効果
がある。
て、前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒化ジルコニ
ウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タンタルから
選択される導電性窒化物により形成されてなるので、熱
的安定性および再現性を高めることができるという効果
がある。
【００５４】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記表面電極は、前記導電性窒化物
層の厚さが４ｎｍを超えないように設定されているの
で、電子放出効率の低下を抑制することができるという
効果がある。
２の発明において、前記表面電極は、前記導電性窒化物
層の厚さが４ｎｍを超えないように設定されているの
で、電子放出効率の低下を抑制することができるという
効果がある。
【００５５】請求項４の発明は、下部電極と、表面電極
と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過する
電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面
電極を通して放出される電子源であって、下部電極の少
なくとも一部が層状の導電性窒化物層からなるものであ
り、導電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴
金属に比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも
タングステンやアルミニウムなどの金属材料に比べて耐
酸化性に優れているので、下部電極の少なくとも一部が
層状の導電性窒化物層により形成されていることによっ
て、従来のように下部電極が金属材料により形成されて
いるものに比べて、電子放出特性の低下を抑制しながら
も下部電極の耐熱性を高めることができ、結果的に真空
封止などの熱工程に起因して電子放出特性が低下するの
を防止することができるという効果がある。
と、下部電極と表面電極との間に介在し電子が通過する
電子通過層とを備え、電子通過層を通過した電子が表面
電極を通して放出される電子源であって、下部電極の少
なくとも一部が層状の導電性窒化物層からなるものであ
り、導電性窒化物は導電率が比較的高く且つ金などの貴
金属に比べて融点が高くて拡散バリア性に優れ、しかも
タングステンやアルミニウムなどの金属材料に比べて耐
酸化性に優れているので、下部電極の少なくとも一部が
層状の導電性窒化物層により形成されていることによっ
て、従来のように下部電極が金属材料により形成されて
いるものに比べて、電子放出特性の低下を抑制しながら
も下部電極の耐熱性を高めることができ、結果的に真空
封止などの熱工程に起因して電子放出特性が低下するの
を防止することができるという効果がある。
【００５６】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、前記下部電極は、積層構造を有し少なくとも一層が
前記導電性窒化物層からなるので、前記導電性窒化物層
により前記下部電極の耐熱性の向上を図りながらも前記
下部電極において前記導電性窒化物層に積層される層に
よって前記下部電極の低抵抗化を図ったり前記下部電極
との間に界面が形成される層との密着性を高めることが
可能になるという効果がある。
て、前記下部電極は、積層構造を有し少なくとも一層が
前記導電性窒化物層からなるので、前記導電性窒化物層
により前記下部電極の耐熱性の向上を図りながらも前記
下部電極において前記導電性窒化物層に積層される層に
よって前記下部電極の低抵抗化を図ったり前記下部電極
との間に界面が形成される層との密着性を高めることが
可能になるという効果がある。
【００５７】請求項６の発明は、請求項４または請求項
５の発明において、前記導電性窒化物層は、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、
窒化タンタルから選択される導電性窒化物により形成さ
れているので、熱的安定性および再現性を高めることが
できるという効果がある。
５の発明において、前記導電性窒化物層は、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、
窒化タンタルから選択される導電性窒化物により形成さ
れているので、熱的安定性および再現性を高めることが
できるという効果がある。
【００５８】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができるという効果がある。
６の発明において、前記電子通過層は、ナノメータオー
ダの多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの
表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜
厚の多数の絶縁膜とを有するので、前記電子通過層に印
加された電界の大部分は絶縁膜に集中的にかかり、前記
下部電極から前記電子通過層に注入された電子が絶縁膜
にかかっている強電界により加速され前記表面電極へ向
かってドリフトするから、電子放出効率を向上させるこ
とができるという効果がある。
【００５９】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さを適宜設定
することで電子放出特性を向上することができるという
効果がある。また、前記電子通過層を容易に形成するこ
とが可能になるという効果がある。
６の発明において、前記電子通過層は、絶縁体層よりな
るので、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）構造の電
子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚さを適宜設定
することで電子放出特性を向上することができるという
効果がある。また、前記電子通過層を容易に形成するこ
とが可能になるという効果がある。
【００６０】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚
さを適宜設定することで電子放出特性を向上することが
できる。また、前記電子通過層を容易に形成することが
可能になるという効果がある。
６の発明において、前記電子通過層と前記下部電極との
間に半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層より
なるので、ＭＩＳ（Metal−Insulator−Semiconducto
r）構造の電子源と同様に動作し、前記電子通過層の厚
さを適宜設定することで電子放出特性を向上することが
できる。また、前記電子通過層を容易に形成することが
可能になるという効果がある。
【００６１】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成するので、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く高ス
ループットで形成することができて導電性窒化物層と当
該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小
さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源
の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制し
ながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供する
ことができるという効果がある。また、導電性窒化物層
を比較的低いプロセス温度で形成することができるとい
う利点がある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなるターゲット
を用いたスパッタ法により形成するので、表面ラフネス
の小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く高ス
ループットで形成することができて導電性窒化物層と当
該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小
さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源
の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制し
ながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供する
ことができるという効果がある。また、導電性窒化物層
を比較的低いプロセス温度で形成することができるとい
う利点がある。
【００６２】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなる蒸着源を用
いた蒸着法により形成するので、表面ラフネスの小さな
導電性窒化物層を再現性および安定性良く高スループッ
トで形成することができて導電性窒化物層と当該導電性
窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源を低コストで提供することがで
きるという効果がある。また、導電性窒化物層を比較的
低いプロセス温度で形成することができるという利点が
ある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、導電性窒化物からなる蒸着源を用
いた蒸着法により形成するので、表面ラフネスの小さな
導電性窒化物層を再現性および安定性良く高スループッ
トで形成することができて導電性窒化物層と当該導電性
窒化物層に積層される層との界面ラフネスを小さくでき
るとともに低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積
化を図れるから、電子放出特性の低下を抑制しながらも
耐熱性を向上した電子源を低コストで提供することがで
きるという効果がある。また、導電性窒化物層を比較的
低いプロセス温度で形成することができるという利点が
ある。
【００６３】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、純金属からなるターゲットおよび
窒素を含むガスを利用した反応性スパッタ法により形成
するので、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現
性および安定性良く高スループットで形成することがで
きて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される
層との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化
を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子
放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子
源を低コストで提供することができるという効果があ
る。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度で
形成することができるという利点がある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、純金属からなるターゲットおよび
窒素を含むガスを利用した反応性スパッタ法により形成
するので、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現
性および安定性良く高スループットで形成することがで
きて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に積層される
層との界面ラフネスを小さくできるとともに低コスト化
を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れるから、電子
放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子
源を低コストで提供することができるという効果があ
る。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセス温度で
形成することができるという利点がある。
【００６４】請求項１３の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、ＣＶＤ法により形成するので、表
面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定
性良く高スループットで形成することができて導電性窒
化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラ
フネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、しか
も、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低
下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コスト
で提供することができるという効果がある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を、ＣＶＤ法により形成するので、表
面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性および安定
性良く高スループットで形成することができて導電性窒
化物層と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラ
フネスを小さくできるとともに低コスト化を図れ、しか
も、電子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低
下を抑制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コスト
で提供することができるという効果がある。
【００６５】請求項１４の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜へ窒素イオンを注入し
て前記導電性窒化物層を形成するので、表面ラフネスの
小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く形成す
ることができて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に
積層される層との界面ラフネスを小さくできるとともに
低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れる
から、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向
上した電子源を低コストで提供することができるという
効果がある。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセ
ス温度で形成することができ、導電性窒化物層の導電率
の制御が容易になるという利点がある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜へ窒素イオンを注入し
て前記導電性窒化物層を形成するので、表面ラフネスの
小さな導電性窒化物層を再現性および安定性良く形成す
ることができて導電性窒化物層と当該導電性窒化物層に
積層される層との界面ラフネスを小さくできるとともに
低コスト化を図れ、しかも、電子源の大面積化を図れる
から、電子放出特性の低下を抑制しながらも耐熱性を向
上した電子源を低コストで提供することができるという
効果がある。また、導電性窒化物層を比較的低いプロセ
ス温度で形成することができ、導電性窒化物層の導電率
の制御が容易になるという利点がある。
【００６６】請求項１５の発明は、請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜を窒素を含むガス雰囲
気で熱処理することにより前記導電性窒化物層を形成す
るので、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性
および安定性良く形成することができて導電性窒化物層
と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネス
を小さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電
子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑
制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供
することができるという効果がある。
項９のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、前
記導電性窒化物層を形成するにあたって、前記電子通過
層に金属膜を積層し、当該金属膜を窒素を含むガス雰囲
気で熱処理することにより前記導電性窒化物層を形成す
るので、表面ラフネスの小さな導電性窒化物層を再現性
および安定性良く形成することができて導電性窒化物層
と当該導電性窒化物層に積層される層との界面ラフネス
を小さくできるとともに低コスト化を図れ、しかも、電
子源の大面積化を図れるから、電子放出特性の低下を抑
制しながらも耐熱性を向上した電子源を低コストで提供
することができるという効果がある。
【図１】実施形態を示す電子源の概略断面図である。
【図２】同上の電子源の動作説明図である。
【図３】同上の電子源の動作説明図である。
【図４】同上の電子源の製造方法を説明するための主要
工程断面図である。
工程断面図である。
１ 基板
２ 下部電極
３ 多結晶シリコン層
６ 電子通過層
７ 表面電極
７ａ 導電性窒化物層
７ｂ 金属層
１０ 電子源
１０ａ 電子源素子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 菰田 卓哉
大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株
式会社内
(72)発明者 櫟原 勉
大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株
式会社内
Claims (15)
- 【請求項１】 下部電極と、表面電極と、下部電極と表
面電極との間に介在し電子が通過する電子通過層とを備
え、電子通過層を通過した電子が表面電極を通して放出
される電子源であって、表面電極が、電子通過層に積層
された導電性窒化物層と、導電性窒化物層に積層された
金属層とからなることを特徴とする電子源。 - 【請求項２】 前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒
化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タ
ンタルから選択される導電性窒化物により形成されてな
ることを特徴とする請求項１記載の電子源。 - 【請求項３】 前記表面電極は、前記導電性窒化物層の
厚さが４ｎｍを超えないように設定されてなることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の電子源。 - 【請求項４】 下部電極と、表面電極と、下部電極と表
面電極との間に介在し電子が通過する電子通過層とを備
え、電子通過層を通過した電子が表面電極を通して放出
される電子源であって、下部電極の少なくとも一部が層
状の導電性窒化物層からなることを特徴とする電子源。 - 【請求項５】 前記下部電極は、積層構造を有し少なく
とも一層が前記導電性窒化物層からなることを特徴とす
る請求項４記載の電子源。 - 【請求項６】 前記導電性窒化物層は、窒化チタン、窒
化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ニオブ、窒化タ
ンタルから選択される導電性窒化物により形成されてな
ることを特徴とする請求項４または請求項５記載の電子
源。 - 【請求項７】 前記電子通過層は、ナノメータオーダの
多数の半導体微結晶と、各半導体微結晶それぞれの表面
に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の
多数の絶縁膜とを有することを特徴とする請求項１ない
し請求項６のいずれかに記載の電子源。 - 【請求項８】 前記電子通過層は、絶縁体層よりなるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記
載の電子源。 - 【請求項９】 前記電子通過層と前記下部電極との間に
半導体層が介在し、前記電子通過層が絶縁体層よりなる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに
記載の電子源。 - 【請求項１０】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を、導電性窒化物からなるターゲットを用いたスパッタ
法により形成することを特徴とする電子源の製造方法。 - 【請求項１１】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を、導電性窒化物からなる蒸着源を用いた蒸着法により
形成することを特徴とする電子源の製造方法。 - 【請求項１２】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を、純金属からなるターゲットおよび窒素を含むガスを
利用した反応性スパッタ法により形成することを特徴と
する電子源の製造方法。 - 【請求項１３】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を、ＣＶＤ法により形成することを特徴とする電子源の
製造方法。 - 【請求項１４】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を形成するにあたって、前記電子通過層に金属膜を積層
し、当該金属膜へ窒素イオンを注入して前記導電性窒化
物層を形成することを特徴とする電子源の製造方法。 - 【請求項１５】 請求項１ないし請求項９のいずれかに
記載の電子源の製造方法であって、前記導電性窒化物層
を形成するにあたって、前記電子通過層に金属膜を積層
し、当該金属膜を窒素を含むガス雰囲気で熱処理するこ
とにより前記導電性窒化物層を形成することを特徴とす
る電子源の製造方法。
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