CN1293442A - 场致发射型电子源及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
本发明涉及利用电场发射原理发射电子束的场致发射型电子源及其制造方法。
本发明的发明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。
本发明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发明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。
根据本发明的另一方面，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，第二材料在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于第一材料的能态密度，因而该薄膜在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于第一材料中的能态密度。
制造上述最佳电子源的方法包括以下步骤：至少把第一与第二金属附着于偏移层，作稳定化处理以将第一与第二金属合金化或与以化学方法组合在一起而形成金属层。
用该法制造的电子源的导电薄膜具有更高的粘附性，它在制造过程中(例如在光刻工艺期间)不会剥离。此外，导电薄膜具有更高的电子发射效率。因此，该电子源具有随时间推移的优良稳定性，且可降低其成本。另外，在膜形成过程中可以使用由简单物质构成的材料。因而在膜形成过程中可不必考虑材料成分。结果，可进一步降低电子源的成本，同时可以简化制造过程。
在上述方法中，对置于最外侧位置的金属表面施加紫外线来进行稳定化处理。在此情况下，第一与第二金属可以形成合金或以化学方法组合起来，而不会引起器件的击穿。
可在对置于最外侧位置的金属表面施加臭氧的同时进行稳定化处理。在此情况下，第一与第二金属也可形成合金或以化学方法组合起来，而不会引起器件的击穿。此外，可防止电子发射效率因有机物质沾污而降低，所以电子源具有高得多的电子发射效率。
再者，可通过在对第一与第二金属加热的同时，对置于最外侧位置的金属表面施加紫外线来进行稳定化处理。在此情况下，可缩短使第一与第二金属形成合金或化学组合起来所需的时间。这样可以提高产量。
还有，通过在加热第一与第二金属的同时，对置于最外侧位置的金属表面施加紫外线与臭氧来进行稳定化处理。在此情况下，可防止金属层被有机物质沾污。因而可防止电子发射效率因有机物质沾污而降低。所以更大地提高了电子源的电子发射效率。
在上述方法中，通过将第一与第二金属层迭到偏移层上，可把第一与第二金属附着于偏移层。例如，可用另一种溅射工艺或汽相淀积工艺来层迭第一与第二金属。在此情况下，作为膜成形工艺，可以应用在制造半导体过程中已使用的普通工艺。
因此，在层迭步骤中，可在偏移层上形成层迭的第一金属，而可在最靠近表面电极的某一位置形成层迭的第二金属。
同时，在上述方法中，第一与第二金属可以这两种金属混合在一起的状态附着于偏移层。例如，通过将第一与第二金属同时溅射或淀积到偏移层上，可将这两种金属附着于偏移层。在此情况下，电子源的导电薄膜可以具有更高的粘附性，从而它在制造过程中(例如在光刻工艺中)不会剥离。此外，导电薄膜可以具有更高的电子发射效率。因此，随时间推移它具有优良的稳定性，同时电子源的成本可以降低。若使用溅射或淀积工艺，可缩短膜形成工艺所需的时间。从而可提高其产量，从而降低其制造成本。
制造上述最佳电子源的另一种方法包括把从一源或靶(target)(其中第一与第二金属已形成合金或化学组合在一起)构成的蒸气或微粒附着于偏移层从而形成金属层的步骤。例如，通过将靶溅射或淀积到偏移层上，可将靶的微粒或蒸气附着于偏移层。在此情况下，电子源的导电薄膜可具有更高的粘附性，从而它在制造过程(例如光刻工艺)中不会剥离。此外，导电薄膜具有更高的电子发射效率。因此，电子源具有随时间推移的优良稳定性，同时可以降低电子源的成本。另外，若使用溅射或淀积工艺，可缩短膜形成工艺所需的时间，因而可提高产量，降低制造成本。
制造上述最佳电子源的另一种方法，包括至少将第一与第二金属(形成小尺寸，从而第一与第二金属能自然地形成合金或化学组合在一起)附着于偏移层以形成金属层的步骤。例如，第一与第二金属能以这样的状态附着于偏移层，在此状态中，第一金属的薄层与第二金属的薄层交替层迭，或第一金属的微粒与第二金属的微粒混合在一起。在此情况下，电子源的导电薄膜具有更高的粘附性，在制造过程(例如在光刻工艺)中不会剥离。此外，导电薄膜具有更高的电子发射效率。因此，电子源具有随时间推移的优良稳定性并降低了成本。另外，可缩短膜形成工艺所需的时间，结果提高了产量，降低了成本。
从下面的详述和附图能更全面地理解本发明内容。
图1是本发明的场致发射型电子源(下称“电子源”)的立剖面图。
图2A是示出发射电子的能量分布的曲线图。
图2B、2C、2D分别是示出Cr、Au的能态密度的曲线图和图1中电子源的表面电极的图。
图3A到3E是立剖面图，示出制造图1所示电子源的主要工艺步骤中的中间产品或最终制品。
图4A到4C是曲线图，分别示出图1所示电子源的表面电极在最外侧、中间和最内侧位置处的元素组分，元素组分是利用使用XMA的元素分析得到的。
图5A到5C是曲线图，分别示出为比较而制备的表面电极在最上侧、中间和最内侧位置处的元素组分，元素组分是利用使用XMA的元素分析得到的。
图6是示出表面电极中沿深度方向的Cr含量与Au含量分布的曲线图。
图7是示出对应于由Au与Cr构成的表面电极的电子源所施加的发射电源Ie与直流电压Vps间关系的曲线图。
图8是示出对应于由铂构成的表面电极的电子源所施加的发射电源Ie与直流电压Vps间关系的曲线图。
图9是常规场致发射型电子源的立剖面图，该电子源是本发明电子源的基础。
图10是说明图9所示电子源中电子发射机理的示意图。
图11是说明图9所示电子源的偏移层内电子发射机理的示意图。
下面具体描述本发明的诸较佳实施例。
为了提高电子源(场致发射型电子源)的电子发射效率，必须减少电子在上述由导电薄膜构成的表面电极中的散射。另一方面，众所周知，电子在金属内的散射称为电子-电子散射。此外，据报道，按照费米能级，在接近发射电子能量的能量区中能态密度较低的金属材料中，很少有电子-电子散射。对应于上述金属材料的简单物质Au、银或Cu是公知的。然而，在每种此类金属材料中，都存在粘附性或耐热性差同时对制造过程的耐久性低的缺点。
因此，本发明的电子源的特征在于，作为导电薄膜的表面电极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，而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第一材料的能态密度。因此，与第一材料相比，表面电极在接近发射电子能量的能量区中的能态密度较低。
(第一实施例)
如图1所示，本实施例的电子源10(场致发射型电子源)的结构与图9中所示上述常规电子源10′的结构基本上相同。即，电子源10设有作为导电衬底的n型硅衬底1。在n型硅衬底1的主表面(表面之一)上形成由氧化的多孔多晶硅层(多孔多晶硅层)构成的偏移层6(强电场偏移层)。在偏移层6上形成薄金属膜构成的表面电极7。此外，在n型硅层1的背面形成欧姆电极2。
于是，在表面电极7中，把Cr用作第一材料，它具有对偏移层6的高粘附性和比Au更高的升华焓。此外，把Au用作第二材料，它在接近发射电子能量的能量区中的能态密度比第一材料(Cr)更低。因此，与第一材料(Cr)相比，表面电极7在接近发射电子能量的能量区中的能态密度较低。
图2A示出通过表面电极7发射的电子的能量分布。图2B、2C、2D分别示出作为第一材料的Cr形成的简单物质、作为第二材料的Au形成的简单物质和本实施例表面电极7的能态密度。在图2A到2D中，符号“EF”代表费米能级。由图2A到2D可见，在接近发射电子能量的能量区中，Cr的能态密度较高，故其中的电子散射较大。因此，若为了提高表面电极7的粘附性而将Cr构成的第一层与Au构成的第二层简单地层迭(堆迭)在偏移层6上，则电子发射效率可能降低。
另一方面，由图2A到2D可见，本实施例中，图2D所示表面电极7在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于图2B所示简单物质Cr的能态密度。而且，表面电极7能态密度的分布不同于图2C所示简单物质Au的能态密度分布。即，在表面电极7中，构成表面电极7的Cr和Au中每一个的d轨道中的电子形成一混合轨道。因而，在表面电极7中，形成与Cr和Au中每一个的d轨道不同的另一个d轨道，从而降低了在Cr和Au中每一个的d轨道中的电子的能态密度，如图2D所示。简言之，表面电极7包括导电金属材料，其中至少将第一材料(本例中为Cr)与第二材料(本例中为Au)以原子级混合起来以形成合金(或化学组合在一起形成化合物)，该第一材料具有对偏移层6的高粘附性和高升华焓，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第一材料的能态密度。
这样，在本实施例的电子源10中，由于表面电极7在接近发射电子能量的能量区中的能态密度低于作为第一材料的Cr的能态密度，所以在偏移层6中偏移的电子在表面电极7中的散射较少。因而提高了电子源10的电子发射效率。此外，可防止表面电极7从偏移层6剥离。结果，既改进了其随时间推移的稳定性，也提高了电子源10的成品率。因此，可降低电子源10的成本。在本实施例的电子源10中，作为导电衬底的n型硅衬底1起到一电极的作用，同时作为导电薄膜的表面电极7起到另一电极的作用。
下面参照图3A到3E描述制造电子源10的工艺。
根据该工艺，首先在n型硅衬底1背面形成欧姆电极2后，在n型硅衬底1的表面上形成作为半导体层的具有预定厚度(例如，1．5μm)的非掺杂多晶硅层3，得到图3A所示的结构。多晶硅层3的成膜工艺可用例如LPCVD工艺或溅射工艺实现。或者，通过对无定形硅膜进行退火而结晶来进行成膜工艺，所述无定形硅膜已通过等离子体CVD工艺形成。
形成非掺杂多晶硅层3后，用含电解液的阳极氧化处理槽对多晶硅层3作阳极氧化处理而形成多孔多晶硅层4，电解液由按将近1∶1的比例将55wt％的氟化氢水溶液与乙醇混合在一起的混合物构成。在将铂电极(未示出)作为负极、n型硅衬底1(欧姆电极2)作为正极的情况下，把光加到层3，同时以恒定电流进行阳极氧化处理，由此得到图3B所示的结构。
在阳极氧化处理之后，通过热处理释放组合到多孔多晶硅层4最外表面的氢原子。然后用退火处理氧化多孔多晶硅层4而形成偏移层6。由此得到图3C所示的结构。简言之，根据本实施例，当用阳极氧化处理形成多孔多晶硅层4时通过上述热处理释放了端接多孔多晶硅层4中的硅原子的氢原子后，用退火处理氧化多孔多晶硅层4。
如参照图11描述的那样，偏移层6至少包括多晶硅柱51(颗粒)、薄的氧化硅膜52、纳米级多晶硅微粒63和起到绝缘层作用的氧化硅膜64。薄的氧化硅膜52在多晶硅柱51表面上形成。多晶硅微粒63插在多晶硅柱51中间。在结晶硅微粒63表面上形成厚度小于硅微粒63的晶粒直径的氧化硅膜64。
此后，为了在偏移层6上形成表面电极7，用溅射工艺在偏移层6上交替形成由作为第一材料的Cr构成的第一层和由作为第二材料的Au构成的第二层。这样就形成了由第一与第二层构成的中间膜7″(待处理膜)，从而得到图3D所示的结构。于是，在偏移层6上形成中间膜7″的第一层，而第二层堆迭在第一层上。本实施例中，第一与第二层虽然是用溅射工艺形成的，但是也可用真空淀积工艺形成。与Au相比，用作第一层材料的Cr具有对偏移层6的更高粘附性和更高的升华焓，而用作第二层材料的Au具有优良的耐氧化性和随时间推移的稳定性。
如果在常规电子源10′(见图9)中用中间膜7″代替表面电极7′，则电子在该膜中的散射会像上述只使用金属材料(电子散射较大)的情况那么大。结果，使电子发射效率变低。
因而，在本实施例中，准备了这样一种稳定化处理，即，将处于层迭(堆迭)状态的由作为第一材料的Cr构成的第一层和由作为第二材料的Au构成的第二层熔化在一起，从而使它们以原子级相互混合，从而这两种金属变成合金。使为了使这两种金属形成合金，必须给中间膜7″提供高能量。在本实施例中，通过向膜施加紫外线来提供能量。即，在将紫外线提供给层迭状态的中间膜″时，膜的温度升高到变成熔化状态，从而使Au与Cr相互扩散而形成合金。在此情况下，由于所加的紫外线的能量在膜表面附近被吸收，因此不会因热量而引起器件击穿。
通过如上所述使金属形成合金来进行稳定化处理，得到图3E所示的电子源10，其表面电极7由导电的合金材料构成。
在合金化表面电极7中，部分保留了Au与Cr的每种特性。因而表面电极7对多孔材料表面(诸如多孔多晶硅层构成的偏移层6)具有较高的粘附性，它在制造工艺(例如光刻工艺)中不会从偏移层6剥离。此外，表面电极7具有随时间推移的高稳定性，电子散射变得很少。因此，它能防止其电子发射效率降低。因此，通过组装本实施例的电子源10而构成矩阵，就能制成例如屏幕更大的FED显示器。
如上所述，由于中间膜7″具有双层层迭结构，因此在用溅射工艺或真空淀积工艺进行膜形成工艺时，可以使用单种元素构成的材料。在此情况下，由于不必考虑材料组分比例偏差等因素，所以可简化制造过程。此外，还希望改善表面电极7的横向均匀度(即同平面均匀度)。
即使在中间膜7″处于双层层迭的情况下，与Au相比，由于第一层金属材料(本实施例中的Cr)对偏移层6具有高的粘附性，因此制造过程的耐久性变高了。因此，在中间膜7″合金化之前能作图案化等处理。此外，由于中间膜在形成合金后对偏移层6保持着高粘附性，所以在中间膜7″形成合金后能作表面电极7图案化处理等处理。一般而言，与费米能级相比，粘附性较高的的材料在发射电子附近能量区中具有较高的能态密度。因此，在除直接在偏移层6上形成的第一层以外的层中，希望使用一种其能态密度在发射电子附近的能量区中较低的材料，以便在中间膜7″成合金后，降低其在发射电子附近的能量区中的能态密度。
在上述制造工艺中，在形成表面电极7时，可在形成中间膜7″后通过稳定化处理使两种金属形成合金或化学组合起来。然而，表面电极7还可以通过至少交替层迭(推迭)由第一材料构成的第一单元层(例如，层的厚度相当于几个原子的层)和由第二材料构成的第二单元层(例如，层的厚度相当于几个原子的层)而形成，每一层的厚度极小，从而使这些单元层可自然地形成合金或化学组合在一起。或者，通过至少混合第一与第二材料，使这些材料能自然地形成合金或化学组合在一起，可形成表面电极7。在上述每一种情况下，电子源10的表面电极7都具有如此高的粘附性，从而其在制造工艺(例如在光刻工艺)中不会剥离。此外，表面电极7可具有更高的电子发射效率。因而电子源10具有随时间推移的优良稳定性，且电子源10的成本得以降低。此外，可缩短膜成形成处理所需的时间。结果，产量得以提高，制造成本得以降低。
虽然在本实施例的电子源10中将n型硅衬底用作导电衬底，但是也可使用这样一种导电衬底，其中在玻璃(诸如无碱玻璃或低碱玻璃)制成的板上形成导电层。
(第二实施例)
在上述第一实施例的情况下，在稳定化处理中将紫外线加到中间膜7″的表面，以便熔化第一层的第一材料(例如，Cr)和第二层的第二材料(例如，Au)，这些层构成了中间膜7″。同时，在第二实施例的情况下，在稳定化处理中，在向n型硅衬底1的表面施加紫外线的同时利用加热器(未示出)来加热该衬底，从而促进了使金属形成合金的过程。在此情况下，加热温度越高，金属形成合金的时间就越短，故可提高产量。然而，设定加热温度时要考虑到包括导电衬底在内的整个器件的热阻。如果在所使用的导电衬底中在玻璃(诸如无碱玻璃或低碱玻璃)制成的板上形成导电层，则最好将加热温度设定为低于或等于400℃。若使用上述的导电衬底，则与例如使用硅衬底的情况相比，电子发射区可做得更大。
(第三实施例)
如果表面电极7最外侧的表面被有机物质沾污，则即便使用第一或第二实施例的合金化表面电极7，电子发射效率也会降低。
在如第二实施例那样加热衬底的情况下，会特别担心进一步促进有机物质的沾污。所以在第三实施例中，当如第二实施例那样用加热器加热n型硅衬底1的同时，通过对表面电极7施加紫外线而进行使金属形成合金的稳定化处理时，要同时对中间膜7″的最外侧表面加臭氧，以防止中间膜7″或表面电极7被有机物质沾污。
在通过被施加臭氧的同时使中间膜7″形成合金而形成表面电极7的电子源10中，与不加紫外线的情况相比，发现电子发射效率约提高了两位的数量级(二位数)。另外，在施加臭氧与紫外线并加热n型硅衬底1的同时，通过使中间膜7″形成合金而形成的表面电极7中，根据FE-TEM和X射线微量分析仪(XMA)的分析，确认Au与Cr共存于同一区域中。
图4A到图4C示出利用XMA作出的元素分析结果，这是对使中间膜7″合金化而形成的表面电极7所作的分析。另一方面，图5A到图5C示出对非合金化中间膜7″所作的元素分析结果。据此，把表面电极7与中间膜7″的厚度都设定为100。中间膜7″中由Cr构成的第一层(下称“Cr层”)的厚度设定为20，而把由Au构成的第二层(下称“金属”)的厚度设定为80。
按下述方法在中间膜7″的三个位置上用XMA对中间膜7″作元素分析。它们是中间膜7″的表面位置、几乎对应于Cr层与Au层间界面的位置(Au层一侧)及Cr层的底部位置。图5A示出在中间膜7″表面位置测得的结果，图5B示出在几乎对应于界面的位置测得的结果，图5C示出在Cr层底部位置测得的结果。另一方面，沿深度方向，在对应于中间膜7″中的上述三个位置的三个位置用XMA对表面电极7作元素分析。即，图4A示出在表面电极7的表面测得的结果。图4B示出在几乎对应于中间膜7″界面的位置测得的结果。图4C示出在对应于中间膜7″的Cr层的位置测得的结果。
在图4A到4C和图5A到5C中，水平轴代表从一样品(表面电极7或中间膜7″)发射的X射线的能级，垂直轴代表每个元素的X射线产生的计数值。参照图4A和图5A，它们都示出在表面位置测得的结果，由此可理解以下诸事项。即，对于作过稳定化处理的表面电极7，在较高能级区域略微检测到Cr的X射线产生。另一方面，对于未作过稳定化处理的中间膜7″，在上述能级区中未测出Cr的X射线产生。
就是说，在作过稳定化处理的表面电极7中，可以理解，在还未作过稳定化处理的Cr层中的Cr略微扩展入Au层而将与Au形成合金。另一方面，在未作过稳定化处理的中间膜7″中，Au层中当然不存在Cr元素。
参照图4B和图5B，它们都示出在界面附近位置测得的结果，由此可理解以下事项。于是，对表面电极7和中间膜7″的上表面作溅射蚀刻处理，直至它们被蚀刻(去除)到对应于Au层与Cr层间界面的位置，由此制成样品。对于表面电极7与中间膜7″，在较高能极区中都略微测出Cr引起的X射产生。对于中间膜7″，略微测出Cr引起的X射线产生的理由如下。即，淀积的Cr与Au层的厚度都有些偏差。另外，未统一地进行利用溅射蚀刻法淀积金属层或去除金属的处理。
参照图4C和图5C，它们都示出在Cr层中的位置测得的结果，由此可理解以下事项。于是，对表面电极7和中间膜7″的上表面作溅射蚀刻处理，直至它们被蚀刻(去除)到对应于Cr层的该位置，由此制得样品。对于表面电极7，在较高能级区中略微测出Cr引起的X射线产生，而在较低能级区中大量测出Au引起的X射线产生。另一方面，与表面电极7的情况相比较，对于中间膜7″，在较高能极区中大量测出Cr引起的X射线产生，而在较低能级区中较少检测到Au引起的X射线产生。由此可理解，在表面电极7中，Au扩散入中间膜7″的Cr层中而将与Cr形成合金。
图6示出表面电极7中沿深度方向的Cr含量和Au含量分布，这种分布根据上述测量值而获得。图6中，线L1与L2分别表示表面电极7中的Au含量和Cr含量。可以理解，起初只存在于任一层中的金属元素在表面电极7中混合在一起。虽然表面电极7中靠近偏移层6的要求高粘附性的部分具有上述高Cr含量，但是它还包括期望大大提高电子发射效率的少量Au。因此，与具有简单双层结构并对偏移层6保持较高粘附性的表面电极相比，合金化表面电极7具有更高的电子发射效率。
图7示出为测试而制造的两个电子源的发射电流Ie与直流电压Vps之间的关系。两电子源之一(下称“样品1”)的表面电极是在对其施加紫外线与臭氧的同时使具有Cr层与Au层的中间膜合金化而形成的(对应于曲线G1)。另一电子源(下称“样品2”)的表面电极由上述中间膜本身构成，对其不施加紫外线或臭氧(对应于曲线G2)。由图7可理解，与样品2相比，本发明的样品1具有更高(约高两位数量级)的电子发射效率。原因可能在于，对样品1而言，表面电极中的电子散射较少，同时表面电极与偏移层间的粘附性较大。因此，为了提高电子源的电子发射效率，在对中间膜施加臭氧的同时使其形成合金而形成表面电极是极其有效的。
图8示出另外两个电子源(也是为测试而制造)的发射电流Ie与直流电压Vps间的关系。两电子源之一(下称“样品3”)的表面电极由Pt构成，对其施加了臭氧(对应于曲线G3)。另一电子源(下称“样品4”)的表面电极由Pt构成，对其不加臭氧(对应于曲线G4)。由图8可知，与样品4相比，样品3的电子发射效率高些。由此可理解，与表面电极合金化的情况相比，在提高电子射效率方面，加臭氧的效果并不那么大。
在上述每个实施例中，由于中间膜7″最外层由Au构成，其抗氧化作用增强，所以提高了其随时间推移的稳定性。然而，替代Au，可使用Pt、Cu或Ag。另外，在上述诸实施例中，最外层由Au构成、最内层(与偏移层6接触的层)由Cr构成的中间膜7″在稳定化处理期间合金化，从而可实现较高的电子发射效率和粘附性。然而，替代上述金属材料，可使用Pt、W、Ru、Ir、Al、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Te、Rh、Pd、Ag、Cd、Ln、Sn、Ta、Re、Os、Tl、Pb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等以及这些金属的氧化物和这些金属的某些组合。
同时，在稳定化处理中，可使由三个金属层构成的中间膜合金化。如果中间膜由三个金属层构成，则最内部金属层(离偏移层6最近)最好由粘附性与升华焓较高的金属构成，而最外部金属层(离偏移层6最远)最好由能态密度在接近发射电子能量的能量区中较低的金属构成。
形成偏移层6(其上形成表面电极7)的工艺与材料不一定限于上述诸实施例的情况。因此，偏移层6可用其它工艺和材料形成。例如，在形成上述诸实施例的表面电极7的步骤中，在稳定化处理中先形成中间膜7″，然后使其合金化。然而，在稳定化处理中，可把中间膜7″中的材料以化学方法组合而形成化合物。
在上述各实施例中，使用溅射或真空淀积工艺将各层(每层由单种元素构成)层迭(堆选)起来形成中间膜7″。然而，不用上述方法，通过把材料同时溅射或淀积到偏移层6上，可使至少两种材料(包括上述第一与第二材料)附着于偏移层6。或者，可通过将靶溅射到偏移层6上来形成表面电极7，在靶中使包括上述第一与第二材料的至少两种材料形成合金或化学组合在一起。同时，可通过在偏移层6上淀积某种物质而形成表面电极7，在该物质中使包括上述第一与第二材料的至少两种材料形成合金或化学组合在一起。
本发明的技术思路还适用于许多其它MIM型或MOS型电子源。在结构为(金属膜)-(绝缘膜)-(金属膜)的MIM型电子源的情况下，一金属膜构成(作为)基极，另一金属膜构成表面电极。同时，绝缘膜构成偏移层，在基极与表面电极之间加上电压(从而表面电极具有较高电位)而产生的电场作用下，电子从基极通过该偏移层传输到表面电极。
另一方面，在结构为(金属膜)-(氧化物膜)-(半导体层)的MOS型电子源的情况下，半导体层构成基极，而金属膜构成表面电极。同时，氧化物膜构成偏移层，在基极与表面电极之间加上电压(从而表面电极具有较高电位)而产生的电场作用下，电子从基极通过偏移层传输到表面电极。
虽然根据具体实施例描述了本发明内容，但是对于本领域的技术人员而言，许多其它的变化与更改是显而易见的。因此，本发明不限于具体揭示的内容，它仅由所附的权项限定。
Claims (26)
1．一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热所述金属层的同时，将紫外线施加到位于最外侧位置的所述金属的一表面来进行的。
13．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加热所述金属层的同时，将紫外线和臭氧加到位于最外侧位置的所述金属的一表面来进行的。
14．如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过将所述第一与第二金属层迭在所述强电场偏移层上来把所述第一与第二金属附着于所述强电场偏移层。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述层迭步骤期间，在所述强电场偏移层上形成层迭的第一金属，而在最靠近所述薄膜电极的物质处形成层迭的第二金属。
16．如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一与第二金属是使用交替溅射工艺层迭的。
17．如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一与第二金属是使用汽相淀积工艺层迭的。
18．如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一与第二金属以混合在一起的状态附着于所述强电场偏移层。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，通过把所述第一与第二金属同时溅射到所述强电场偏移层上来把所述第一与第二金属附着于所述强电场偏移层。
20．如权利要求18所述的方法，其特征在于，通过把所述第一与第二金属同时淀积到所述强电场偏移层上来把所述第一与第二金属附着于所述强电场偏移层。
21．一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，其中至少把第一金属和第二金属以原子级混合在一起而形成合金，或以化学方式组合在一起而形成化合物，所述第一金属对所述强电场偏移层具有高粘附性和／或高升华焓，所述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，而处于所述金属的d轨道中的电子产生一混合轨道，所述方法包括以下步骤：
将其中所述第一与第二金属已形成合金或化学组合的源或靶制成的蒸气或微粒附着于所述强电场偏移层，由此形成所述金属层。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过把所述靶溅射到所述强电场偏移层上而把所述靶的所述微粒附着于所述强电场偏移层。
23．如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过把所述靶淀积到所述强电场偏移层上而把所述靶的所述蒸气附着于所述强电场偏移层。
24．一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，其中至少把第一金属和第二金属以原子级混合在一起而形成合金，或以化学方式组合在一起而形成化合物，所述第一金属对所述强电场偏移层具有高粘附性和／或高升华焓，所述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，而处于所述金属的d轨道中的电子产生一混合轨道，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而形成所述金属层所述第一和第二金属以小尺寸形成，从而所述第一与第二金属能自然地形成合金或化学组合在一起。
25．如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一与第二金属以所述第一金属的薄层与所述第二金属的薄层交替层迭的状态附着于所述强电场偏移层。
26．如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一与第二金属以所述第一金属的微粒与所述第二金属的微粒混合在一起的状态附着于所述强电场偏移层。
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