[发明专利]场致发射型电子源及其制造方法和用途

说明书

本发明涉及将物质功函数以上的电场加在物质表面并从物质表面发射电子的场致发射型电子源，特别涉及用两片电极夹住半导体材料、通过在两电极之间加上电压而发射电子的场致发射型电子源及其制造方法和用途。

以往，作为场致发射型电子源，有例如美国专利3665241号等揭示的被叫做所谓斯平特(Spindt)型电极。该斯平特型电极具有配置大量微小的三角锥状发射极片的基板、及相对于发射极片互相绝缘而设置的控制极层，控制极层具有使发射极片的尖端部分露出的发射孔，通过在真空中相对于控制极层将发射极片作为负极加上高电压，则通过发射孔从发射极片的尖端发射电子束。

但是，斯平特电极的问题在于，制造工艺复杂，同时很难高精度地构成大量的三角锥状发射极片，用于例如平面发光装置或显示器等时，其面积很难做得很大。另外，斯平特型电极，由于电场集中在发射极片的尖端，因此当发射极片尖端周围的真空度较低而存在残留气体时，由于发射的电子作用，残留气体电离为正离子，正离子则碰撞发射极片的尖端，使发射极片的尖端受到损伤(例如离子撞击造成的损伤)，产生发射的电子的电流密度及效率等不稳定、或发射极片寿命缩短等问题。因而，为了防止这种问题的发生，斯平特型电极必须在高真空(10^-5Pa～10^-6Pa)下使用，其缺点是成本高，操作麻烦。

为了改善这一缺点，提出了MIM(Metal Insulator Metal)方式或MOS(MetalOxide Semiconductor)型场致发射型电子源的方案，前者为具有金属-绝缘膜-金属的层叠构造的平面型场致发射型电子源，而后者为具有金属-氧化膜-半导体的层叠构造的平面型场致发射型电子源。但是，在这种类型的场致发射型电子源中，为了提高电子的发射效率(为了使更多的电子发射)，上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚必须做得很簿。但问题是，若上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚做得过薄。则恐怕在上述层叠构造的上下电极间加上电压时要引起绝缘破坏，为了防止这样的绝缘破坏，上述绝缘膜或上述氧化膜的膜厚要实现薄膜化就受到限制，因此不能够使电子发射效率(拉出效率)提得很高。

另外，近年来如特平平8-250766号公报揭示那样，提出了采用硅基板等单晶半导体基板构成场致发射型电子源的方案，它是利用对该半导体基板一个表面进行阳极氧化形成多孔半导体层(例如多孔硅层)，再在该多孔半导体层上形成金属薄膜，在半导体基板与金属薄膜之间加上电压就发射电子。另外，如特开平9-259795号公报揭示那样，提出了采用上述构成的场致发射型电子源的显示装置方案。在该装置中，当硅层为单晶时，从多孔硅层电子发射效率这一点来看，希望(100)方向沿垂直于表面取向。其理由可以这样推测，即因为(100)面硅层的纳为数量级内径的孔及硅结晶是沿垂直于表面取向的。

但是，对于前者的日本特开平8-250766号公报所公开的的场致发射型电子源，由于基板采用了半导体基板，因此问题在于很难实现大面积及低成本。另外，在前者的特开平8-250766号公报所述的构造及后者的日本特开平9-259795号公报所公开的构造中，电子发射时容易产生所谓的突发(popping)现象，容易使发射电子量产生不均匀。因此，若应用于平面发光装置或显示装置，就出现发光不均匀的问题。

本发明是鉴于上述原因而提出的，第1目的在于提供能抑制突发现象稳定高效发射电子的低成本的场致发射型电子源及其制造方法。另外，第2目的在于提供采用场致发射型电子源的、能够均匀发光的平面发光装置及显示装置。

因此，本发明者根据为达到上述目的而专心研究的结果及以往的前述日本特开平8-250766号公报所述的构造和日本特开平9-259795号公报所述的构造认为，由于硅层是单晶，而且整个单晶的半导体基板形成多孔状，因此隔热性好，一旦加上电压、有电流流过，基板温度就上升。另外，还得到这样的结论，即在该构造中，由于该温度上升，电子被热激励，又由于该温度上升造成半导体基板电阻下降，电子发射量增加，因此而使得电子发射时容易产生突发现象，容易使发射电子量产生不均匀。

根据上述结论，本发明提供的场致发射型电子源，其特征在于，具有导电性基板、在导电性基板一表面侧形成的具有纳米构造的氧化或氮化多孔多晶硅层、以及在该多孔多晶硅层上形成的金属薄膜，相对于导电性基板将金属薄膜作为正极加上电压，就通过金属薄膜发射电子束。