场致发射型电子源及其制造方法技术

电子源设有作为导电衬底的ｎ型硅衬底、由氧化的多孔多晶硅构成的偏移层及作为导电薄膜的表面电极。表面电极的形成工艺包括在偏移层上形成Ｃｒ构成的第一层，在第一层上形成Ａｕ构成的第二层，并使这两层形成合金。表面电极具有对偏移层的较高粘附性和长期稳定性，与简单物质Ｃｒ相比，在接近发射电子能量的能量区中的能态密度更低，且电子很少散射，电子发射效率更高。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用电场发射原理发射电子束的。本专利技术的专利技术者已经提出过一种场致发射型电子源，它具有导电衬底、薄的金属膜(表面电极)和插在导电衬底与薄金属膜之间的强电场偏移(drift)层。强电场偏移层(通过其能偏移导电衬底向它注入的电子)是利用快速热氧化(RTO)工艺对多孔多晶半导体(例如，制成多孔的多晶硅层，即多孔多晶硅层)作快速热氧化而形成的。例如，如图9所示，场致发射型电子源10′(下称“电子源10′”)配有作为导电衬底的n型硅衬底1。在n型硅衬底1的主表面上，形成由氧化的多孔多晶硅层(多孔多晶硅层)构成的强电场偏移层6(下称“偏移层6”)。在强电场偏移层6上，形成由薄的金属膜构成的表面电极7′。此外，在n型硅层1的背面上形成一欧姆(ohmic)电极2。当使用图9的电子源10′时，将表面电极7′置于真空环境下，同时如此设置集电极21，使之面对表面电极7′，如附图说明图10所示。然后在表面电极7′与n型硅衬底1(欧姆电极2)之间施加直流电源Vps，使表面电极7′相对于n型硅衬底1具有正电位。另一方面，在集电极21与表面电极7′之间加一直流电压Vc，使集电极21相对于表面电极7′具有正电位。这样，从n型硅衬底1注入偏移层6的电子通过偏移层6发生偏移，然后从表面电极7′向外发射(图10中链线表示表面电极7′发射的电子e-流)。因此，表面电极7′最好用逸出功较小的材料构成。在电子源10′中，把在表面电极7′与欧姆电极2之间流动的电流称为“二极管电流Ips”。另一方面，把在集电极21与表面电极7′之间流动的电流称为“发射电子电流Ie”。发射电子电流Ie与二极管电流Ips之比(Ie／Ips)越大，则电子发射效率越高。在电子源10′中，即使加在表面电极7′与欧姆电极2之间的直流电压低达10到20伏，也能发射出电子。根据电子源10′，电子发射特性很少依赖于真空度。此外，发射电子时不产生间歇(popping)现象。因此，能以更高的电子发射效率稳定地发射电子。如图11所示，可以认为，强电场偏移层6至少包括多晶硅柱51、薄的氧化硅膜52、纳米级结晶硅微粒63和作为绝缘层的氧化硅膜64。薄的氧化硅膜52形成于多晶硅柱51的表面。结晶硅微粒63插在多晶硅柱51中间。厚度小于硅微粒63的结晶粒径的氧化硅膜64形成于结晶硅微粒63的表面。即，在偏移层6中，可以认为，每一颗粒的表面部分做成多孔，但其内部(核心)保持结晶态。因此，可把加到偏移层6的电场的大部分加到氧化硅膜64。结果，注入的电子在多晶硅柱51中被加到氧化硅膜64的强电场加速，然后沿图11中箭头A的方向(图11中向上)偏向偏移层6的表面。从而可提高电子发射效率。于是，可以认为，已到达偏移层6表面的电子是热电子，因而它们容易穿过表面电极7′而射入真空环境。表面电极7′的厚度可以设为约10到15nm。同时，为了提高上述电子源10′的电子发射效率，必须防止电子在表面电极7′中散射，因而要求表面电极7′具有下述特性。即，表面电极7′必须抑制电子在其薄金属膜中的散射。此外，它与下层(在上述情况下为偏移层6)必须具有较高的粘附性，从而在光刻工艺、退火工艺等工艺中不会剥落。为此可提出这样一种电子源，其中表面电极7′包括在偏移层6上形成的第一金属层和在该第一金属层上形成的第二金属层，并将两层层迭(堆迭)在一起。于是，第一金属层由粘附性较高的金属材料构成，而第二金属层由电子较少散射的金属材料构成。然而，在上述电子源中，可能有这样一个缺点，即表面电极7′中的电子高度散射，这与表面电极7′仅由一种电子高度散射的金属材料构成的情况一样，因而会降低电子发射效率，因为电子在粘附性较高的金属材料中高度散射(散射几率较大)。此外，还会有这样一个缺点，即如果表面电极7′在其制造过程中从偏移层6上剥离，则成品率降低而增大了成本，而且随着时间的推移，其稳定性与可靠性降低。在其它一些场致发射型电子源中，例如在MIM(金属-绝缘体-金属)型或MOS(金属氧化物半导体)型电子源中，也有上述缺点。本专利技术已解决了上述诸问题，其一个目的是提供一种随时间的推移稳定性良好的便宜的场致发射型电子源，其中较少因电子散射而劣化电子发射效率，还提供一种这种场致发射型电子源的制造方法。根据实现上述目的的本专利技术的场致发射型电子源(以下简称为“电子源”)，包括导电衬底(以下简称为“导电衬底”)、在导电衬底表面上形成的强电场偏移层(以下简称为“偏移层”)及在偏移层上形成的导电薄膜(以下简称为“导电薄膜”)。在该电子源中，通过在导电薄膜与导电衬底之间加一电压，使导电薄膜相对于导电衬底起到正电极作用，从导电衬底注入偏移层的电子在偏移层中偏移而通过导电薄膜向外发射。于是，导电薄膜在接近发射电子能量的能量区中具有低能态密度，且对偏移层具有高粘附性。在该电子源中，可以提高电子发射效率，因为在偏移层中偏移的电子较少散射。此外，可防止导电薄膜从偏移层剥离。结果，可提高电子源随时间推移的稳定性和成品率。因此，可降低其成本。在上述电子源中，导电薄膜最好由包括至少两种金属材料的金属层构成，其中金属材料的d轨道中的电子产生一条混合轨道，从而降低接近发射电子能量的能量区中金属层的能态密度。在此情况下，导电薄膜在接近发射电子能量的能量区中具有较低的能态密度，从而能更有效地抑制电子散射。金属层最好包括第一和第二金属材料，其中第一金属材料具有对偏移层的高粘附性和高升华焓中的至少一个，而在接近发射电子能量的能量区中第二金属材料的能态密度低于第一材料的能态密度。因此，在接近发射电子能量的能量区中金属层的能态密度也可以低于第一材料的能态密度。在该电子源中，偏移层可用多孔材料构成。多孔材料最好至少包括多晶硅柱、插在多晶硅柱中间的纳米级结晶硅微粒，以及在结晶硅微粒表面上形成的绝缘膜，每块绝缘膜的厚度小于硅微粒的结晶粒径。在此情况下，电子发射特性很少依赖于环境中的真空度，而且发射电子时不会出现间歇现象，因此能高效稳定地发射电子。在该电子源中，金属层最好包括具有对偏移层的高粘附性和高升华焓的金属材料。在此情况下，可提高导电薄膜本身随时间推移的稳定性。在该电子源中，金属层最好包括这样的金属材料，其中把具有对偏移层的高粘附性或高升华焓的第一金属与在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低的第二金属以原子级混合在一起形成合金，或以化学方法把它们组合在一起而形成化合物。在最佳的电子源中，可大大提高电子发射效率，因为在偏移层中已偏移的电子很难散射。此外，可有效地防止导电薄膜从偏移层剥离。所以能大大改进电子源随时间推移的稳定性和成品率。在此电子源中，金属层可至少包括Au或至少包括Cr。若包括Au，电子源可以更耐氧化，且随时间推移的稳定性更高。另一方面，若导电薄膜包括Cr，则对偏移层具有更高的粘附性。根据本专利技术的另一方面，提供的电子源包括(ⅰ)第一电极；(ⅱ)由导电薄膜构成的表面电极，该表面电极作为第二电极；(ⅲ)置于第一电极与表面电极之间的偏移层，在第一电极与表面电极之间加一电压使表面电极比第一电极具有更高的电位时所产生的电场作用下，电子通过该偏移层从第一电极传到表面电极。因此，导电薄膜包括第一与第二材料，其中第一材料具有对偏移层的高粘附性和高升华焓中的至少一个，第二材料在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场致发射型电子源，包括： 导电衬底； 在所述导电衬底的一个表面上形成的强电场偏移层；及 在所述强电场偏移层上形成的导电薄膜，其中 通过在所述导电薄膜与所述导电衬底之间加一电压，使所述导电薄膜相对于所述导电衬底为正电极，从而从所述导电衬底注入所述强电场偏移层的电子在所述强电场偏移层中偏移，而将通过所述导电薄膜向外发射，其中 所述导电薄膜在接近发射电子能量的能量区中具有低能态密度，对所述强电场偏移层具有高粘附性。

【技术特征摘要】
JP 1999-10-18 295955/991．一种场致发射型电子源，包括导电衬底；在所述导电衬底的一个表面上形成的强电场偏移层；及在所述强电场偏移层上形成的导电薄膜，其中通过在所述导电薄膜与所述导电衬底之间加一电压，使所述导电薄膜相对于所述导电衬底为正电极，从而从所述导电衬底注入所述强电场偏移层的电子在所述强电场偏移层中偏移，而将通过所述导电薄膜向外发射，其中所述导电薄膜在接近发射电子能量的能量区中具有低能态密度，对所述强电场偏移层具有高粘附性。2．一种场致发射型电子源，包括第一电极；由导电薄膜构成的表面电极，所述表面电极用作第二电极；及置于所述第一电极与所述表面电极之间的强电场偏移层，在所述第一电极与所述表面电极之间加一电压而使所述表面电极具有比所述第一电极更高的电位时所产生的电场作用下，电子从所述第一电极通过所述铅电场偏移层而传到所述表面电极，其中，所述导电薄膜包括第一和第二材料，所述第一材料具有对所述强电场偏移层的高粘附性和高升华焓中的至少一个，所述第二材料在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于所述第一材料的能态密度，所述薄膜在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于所述第一材料的能态密度。3．如权利要求1所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述金属层包括第一和第二材料，其中，所述第一金属材料具有对所述强电场偏移层的高粘附性和高升华焓中的至少一个，所述第二金属材料在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于所述第一材料的能态密度，所述金属层在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于所述第一材料的能态密度。4．如权利要求3所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述强电场偏移层由多孔材料构成，且至少包括多晶硅柱，插在多晶硅柱中间的纳米级结晶硅微粒，及在结晶硅微粒表面上形成的绝缘膜，每块绝缘膜的厚度小于硅微粒的结晶粒径。5．如权利要求3所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述导电薄膜由包括至少两种金属材料的金属层构成，其中处于所述金属材料的d轨道中的电子产生一混合轨道，以降低金属层在接近发射电子能量的能量区中的能态密度。6．如权利要求3所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述金属层包括一种金属材料，其中将第一与第二金属以原子级混合在一起而形成合金，或以化学方式组合成化合物，其中第一金属具有对所述强电场偏移层的高粘附性或高升华焓，第二金属在接近发射电子能量的能量区中的能态密度很低。7．如权利要求6所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述金属层至少包括Au。8．如权利要求6所述的场致发射型电子源，其特征在于，所述金属层至少包括Cr。9．一种制造场致发射型电子源的方法，所述电子源具有导电衬底；在所述导电衬底表面上形成的强电场偏移层；及在所述强电场偏移层上形成的导电薄膜，其中通过在所述导电薄膜与所述导电衬底之间加一电压，使所述导电薄膜相对于所述导电衬底为正电极，从而从所述导电衬底注入所述强电场偏移层的电子在所述强电场偏移层中偏移，而将通过所述导电薄膜向外发射，其中所述导电薄膜包括这样一种金属层，所述金属层具有对所述强电场偏移层具有高粘附性和／或高升华焓的第一金属以及在接近发射电子能量的能量区中的能态密度很低的第二金属，所述方法包括以下步骤至少将所述第一与第二金属附着于所述强电场偏移层；及作稳定化处理，以使所述第一与第二金属合金化或化学组合在一起而形成所述金属层。10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述稳定化处理是将紫外线加到位于最外侧位置的所述金属的一表面来进行的。11．如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述稳定化处理是在将臭氧加到位于最外侧位置的所述金属的一表面的同时进行的。12．如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述稳定化处理是通过在加...

【专利技术属性】
技术研发人员：栎原勉，菰田卓哉，相泽浩一，本多由明，渡部祥文，幡井崇，
申请(专利权)人：松下电工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]