DE10009846A1 - Elektronen emittierende Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronenemittervorrichtung mit einem Bereich (13, 44, 61, 75) eines Materials mit einer n-Leitfähigkeit, einem Bereich (16, 45, 63, 64, 74) eines Materials mit p-Leitfähigkeit und einer Grenzfläche (19, 49) zwischen den beiden Bereichen. Bei bekannten derartigen Emittervorrichtungen müssen die Elektronen zunächst eine Schicht durchwandern. DOLLAR A Die Aufgabe, die elektronenemittierende Vorrichtung so auszubilden, daß Elektronen freigesetzt werden, ohne daß diese eine Schicht durchwandern müssen, wird dadurch gelöst, daß die Grenzfläche (19, 49) zur direkten Freisetzung von Elektronen von der Grenzfläche in ein Vakuum diesem Vakuum ausgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronen emittierende Vorrichtung bestehend aus einem Material mit einer n-Leitfähigkeit, einem Material mit einer p-Leitfähigkeit und einer Grenzfläche zwischen diesen beiden Materialien sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Elektronen emittierende Vorrichtungen werden für verschiedene Anwendungszwecke benötigt, wie beispielsweise Licht emittierende Vorrichtungen oder Anzeigen, hochfrequente Vakuumbauteile oder bei Anwendungsfällen, wo die Elektronenquelle für eine Gasionisation benötigt wird. Konventionelle Elektronen emittierende Vorrichtungen weisen einen planaren Aufbau auf, bestehend aus übereinander liegenden Schichten der p-Leitfähigkeit und der n- Leitfähigkeit. Wird an diese Schichten eine Spannung angelegt, dann werden an der Grenzfläche bzw. Sperrschicht zwischen den beiden Materialien Elektronen erzeugt. Durch Tunneleffekt werden die Elektronen veranlaßt, durch die obere Schicht bis zu deren oberen Fläche zu wandern, wo sie einem Vakuum ausgesetzt werden, womit die Elektronen freigesetzt werden. Beispielsweise sind solche Elektronenemitter in der US 5,202,571, der GB 2 344 001 und der GB 2 322 000 beschrieben.

Es besteht die Aufgabe, die Elektronen emittierende Vorrichtung so auszubilden, daß Elektronen freigesetzt werden, ohne daß diese eine Schicht durchwandern müssen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Grenzfläche bzw. Sperrschicht einem Vakuum ausgesetzt ist, womit die Elektronen direkt von der Grenzfläche in das Vakuum freigesetzt werden.

Die Bereiche des n-Materials und des p-Materials können gebildet werden durch eine Schicht des einen Materials auf dem anderen Material, wobei die Grenzfläche an einer Kante einer der Schichten freiliegt. Bevorzugt wird das p-Material auf einer Schicht des n-Materials gebildet, wobei eine obere Oberfläche der Schicht des p-Materials dem Vakuum ausgesetzt ist, und die Schicht des p-Materials dünn genug ist, um einen Elektronendurchgang durch diese Schicht in das Vakuum zusätzlich zur Elektronenabgabe an der freiliegenden Grenzfläche zu ermöglichen. Alternativ können die Bereiche des n-Materials und des p-Materials durch entsprechende Schichten eines gemeinsamen Substrats gebildet werden, wobei die Grenzfläche längs der aneinander liegenden Kanten der Bereiche gebildet wird.

Der Emitter kann eine Vielzahl freiliegender Grenzflächen aufweisen. Die Vielzahl dieser Grenzflächen wird bevorzugt gebildet durch eine Vielzahl von Partikeln des einen Materialtyps, benachbart zu Bereichen des anderen Materialtyps.

Das p-Material kann aktiviert werden, um eine negative Elektronenaffinität zu bewirken und dieses Material besteht bevorzugt aus Diamant.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung vorgeschlagen, gemäß welchem eine Suspension von p- oder n-Partikeln in einer geeigneten Lösung erzeugt wird und ein Tintenstrahldruckverfahren verwendet wird, um die Partikel auf einem Substrat aufzubringen, womit eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Grenzflächen entstehen.

Sowohl die n-Partikel als auch die p-Partikel können auf das Substrat aufgebracht werden, so daß eine Vielzahl von Grenzflächen zwischen den n- und den p-Partikeln gebildet werden. Die p-Partikel bestehen bevorzugt aus Diamant.

Elektronen emittierende Vorrichtungen und eine Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Elektronen emittierenden Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektronen emittierenden Vorrichtung;

Fig. 3 eine Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer Elektronen emittierenden Vorrichtung;

Fig. 5 eine Seitenansicht des in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 eine Seitenansicht des vierten Ausführungsbeispiels einer Elektronen emittierenden Vorrichtung;

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Array von Emittervorrichtungen;

Fig. 9 eine Draufsicht einer Matrix-Anordnung bei einer monochromen Anzeigevorrichtung und

Fig. 10 die Draufsicht auf eine Matrix-Anordnung bei einer farbigen Anzeigevorrichtung.

Die Elektronen emittierende Vorrichtung 1 nach Fig. 1 weist ein elektrisch isolierendes Glasplattensubstrat 10 (beispielsweise geschmolzener Quarz oder 7059) auf, das an seiner Oberfläche 12 eine Schicht 13 eines n-Siliciums trägt. Der elektrische Kontakt mit der Siliciumschicht 13 wird hergestellt durch eine Silberelektrode 14 an der oberen Oberfläche der Siliciumschicht im linksseitigen Bereich. An der oberen Oberfläche der Siliciumschicht 13 der Elektrode 14 benachbart ist ein Isolierstreifen 15 aus Silica angeordnet, der durch Oxidation eines Teils der Siliciumschicht gebildet wird. Eine Schicht 16 aus p-Diamant erstreckt sich über den Isolierstreifen 15 und über die obere Fläche der Siliciumschicht 13 und endet in kurzem Abstand vor dem rechten Ende der Siliciumschicht 13, wodurch ein Bereich 17 der oberen Fläche der Siliciumschicht anschließend an die Diamantschicht freiliegt. Der Bereich, wo die untere Fläche der Diamantschicht die obere Fläche der Siliciumschicht einander kontaktieren, stellt eine Grenzfläche 18 zwischen den beiden Materialien dar. Diese Grenzschicht 18 liegt längs der rechten Kante der Diamantschicht 16 frei und bildet somit eine freiliegende Grenzfläche. Der elektrische Kontakt mit der Diamantschicht 16 erfolgt in dem Bereich, wo der Isolierstreifen 15 verläuft und besteht aus einem Streifen 20 aus Titan, abgedeckt durch eine Schicht 21 aus Gold.

Der Elektrodenemitter 1 ist unterhalb einer Glasabdeckung 30 angeordnet, welche an ihrer Unterseite eine dünne, transparente Schicht 31 aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise aus Indium-Zinnoxyd. Auf der leitenden Schicht 31 ist eine Schicht 32 aus einem Phosphormaterial aufgebracht, das einen Anodenbildschirm bildet.

Die Elektronenemittervorrichtung 1 ist umschlossen durch ein Gehäuse 2, das zum Teil gebildet wird durch die Glasabdeckung 30. Im Gehäuse herrscht ein Vakuum.

Der Kontakt 14 ist an eine Quelle 3 negativer Spannung, der Kontakt 20, 21 an eine Quelle 4 positiver Spannung und die leitende Schicht 31 der Glasabdeckung 30 an eine Quelle 5 positiver Spannung angeschlossen, wobei die letztere eine größere positive Spannung aufweist als die Quelle 4.

Die Silicium- und Diamantschichten 13 und 16 bilden einen Heteroübergangsemitter, bei welchem beim Anlegen einer Vorspannung von weniger als 5 V eine Elektronenemission auftritt. Der Primärweg der Elektronenemission führt von der Siliciumschicht 13 in die großflächige Grenzfläche 18 und direkt durch den dünnen p-Diamantfilm 16 zu dessen oberer Fläche, die dem Vakuum ausgesetzt ist. Der Sekundärweg der Emission erfolgt direkt von der Grenzfläche 19, die dem Vakuum ausgesetzt ist. Dieser Sekundärweg von der freiliegenden Grenzfläche 19 erhöht in signifikanter Weise den Elektronenfluß verglichen mit Vorrichtung, wo die Elektronen nur durch eine Materialschicht emittiert werden. Sowohl bei dem primären als auch bei dem sekundären Emissionsweg ist der dominante Strommechanismus die durch Störstellen bzw. Traps unterstützte Rekombination in Folge der großen Gitterunterschiede (< 7%) zwischen dem Silicium und dem Diamant an der Grenzfläche und weniger die Minoritätsträgerdiffusion.

Elektronen, welche durch die Schicht 16 und von der freiliegenden Grenzfläche 19 emittiert werden, wandern als Ergebnis der Anodenspannung zum Anodenschirm 30. Die auf den Schirm 30 auftreffenden Elektronen bewirken, daß die Phosphorschicht 32 fluoresziert und sichtbares Licht aussendet, welches nach außen durch die Glasabdeckung wandert.

In hochdotierten n-Materialien, welche eine hohe Konzentration von Trapzuständen oberhalb des Fermi-Niveau aufweisen, tritt eine pnn Auger-Rekombination auf, welche Hot Elektronen im Leitungsband des p-Diamanten begünstigen kann. Bei Vorhandensein einer NEA (Negative Elektronen Affinität)-Oberfläche und unter dem Einfluß einer niederen Anodenspannung (< 10 V/µm) unterliegen diese Elektronen den Effekten einer Bandbiegung und einer Feldpenetration, womit es den Elektronen ermöglicht wird, durch die erniedrigte Vakuumbarriere zu tunneln und in Richtung des Phosphorschirms (Anode) zu emittieren.

Die p-Diamantschicht 16 ist bevorzugt dünner als 1 Mikron, weist bevorzugt eine Löcherdichte von über 10¹⁷ cm^-3 auf und zeigt eine niedere Konzentration der Korngrenzen und schließt Graphitmaterial ein. Die exponierte obere Fläche der p-Diamantschicht 16 kann aktiviert sein, um eine negative Elektronenaffinität aufzuweisen, was entweder durch eine Wasserstoffplasmabehandlung, wie nachfolgend im Detail beschrieben, oder durch Ablagerung eines Metalls mit niederer Austrittsarbeit erfolgt. Beispielsweise ist es bekannt, daß Nickel oder Titan verwendet werden, um eine NEA zu induzieren, und zwar auf einer wasserstofffreien (111) p-Diamantoberfläche. Kupfer, Caesium oder Kobalt sind ebenfalls geeignet, eine NEA auf einer (100) p-Diamantoberfläche zu bewirken.

Die Vorrichtung kann erzeugt werden durch übliche Growth- und Lithographiemaskentechniken und umfaßt die Schritte des Aufbringens eines Musters eines geeigneten n-Kontaktmetall auf das Glassubstrat durch Bedampfen, dem selektiven Aufbringen einer Polysiliciumschicht auf die Metallisierung durch Pyrolyse von SiH₄, dem selektiven Aufbringen eines Musters einer Siliciumoxydschicht über der Metallisierung und den Polysiliciumbereichen durch thermische Oxidation oder durch Hochdruck-CVD (Chemical Vapour Deposition) unter Verwendung von O₂ und SiH₄. Die p-Dünnfilm- Diamantschicht 16 wird sodann als Muster durch eine Maske abgelagert, unter Verwendung bekannter handelsüblicher Gassynthesemethoden, wie beispielsweise Heiß-filament-CVD, Mikrowellen-CVD, Gleichstromplasma-CVD oder RF-Plasma-CVD. Das Rohmaterial für den Kohlenstoff kann ein Kohlenwasserstoffgas sein, wie beispielsweise Methan, Ethan, Acetylen oder organische Flüssigkeiten, wie beispielsweise Alkohol oder Kohlenstoffdioxidgas, welchem in geeigneter Weise Wasserstoff beigefügt wird. Die Störstellen zum Erhalt der p-Schicht 16 kann von einem Element ausgewählt werden, das aus der Gruppe 3 des Periodensystems stammt. Beispielsweise kann das Dotieren mit Bor erhalten werden durch Hinzuführen einer Bor-enthaltenden Verbindung zu den Rohmaterialgasen. Alternativ dazu kann das Dotieren mit Bor erhalten werden durch Ionenimplantation einer inherenten Diamentschicht.

Eine Reihe von Oberflächennachbehandlungen können zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der p-Diamantschicht 16 angewendet werden.

Die Löcherkonzentration kann verstärkt werden entweder durch thermisches Altern bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 750°C (abhängig vom Glassubstrat) in einer Helium- oder Stickstoffatmosphäre oder alternativ durch Altern mittels eines Excimerlasers unter hohem Vakuum. Der Zweck dieser Behandlung ist die Freisetzung von im Film enthaltenen Wasserstoff, welcher die Diffusion von eingebautem Bor in die Gitter des Diamants blockiert. Nach dieser Oberflächenbehandlung wird die p-Diamantschicht einem chemischen Reinigungsmittel ausgesetzt, um die dünne, nicht aus Diamant bestehende Oberflächenschicht zu beseitigen.

Die Leitfähigkeit durch die dünne Diamantschicht 16 kann verstärkt werden durch Verwendung einer Wasserstoffplasmabehandlung um die polykristalline Diamantoberfläche zu glätten und zu restrukturieren. Hierbei wird die Dichte der Korngrenzen vermindert. Diese Behandlung kann durchgeführt werden in einer Wasserstoffatmosphäre bei geringem Druck, wobei die p-Diamantschicht auf eine positive Gleichspannung vorgespannt wird, die über 300 V liegt. Diese Behandlung setzt die Diamantoberfläche einem hohen Fluß von Wasserstoffatomen und -ionen aus, wodurch die Oberflächenrauheit der Oberfläche vermindert wird und eine Verminderung der Dichte der Korngrenzen in Folge eines quasi kontinuierlichen Films stattfindet. Diese Effekte sind Eigenschaften einer wasserstoffatomunterstützten Oberflächendiffusion, welche eine sp³ (Diamant) Kristallform regenerieren kann, währen das sp²-gebundenen amorphe Material geätzt wird.

Eine zweite Konsequenz des Aussetzens des p-Diamantfilms einer Wasserstoffplasmabehandlung ist das Induzieren einer NEA Bedingung durch Vorsehen einer monohydriden Beendigung der Schlenkerbingungen an der (111) 1 × 1 oder (100) 2 × 1 Diamantoberflächenstruktur. Eine NEA Oberfläche kann die Elektronenemissionseigenschaften von einer Elektrode ins Vakuum verbessern.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine alternative Elektronenemittervorrichtung 40, welche eine Glasbasis 41 aufweist, welche ein Substrat 42 aus geschmolzenem Quarz trägt. Die obere Fläche 43 des Quarzsubstrats 42 trägt eine Schicht 44 aus polykristallinem n-Silicium und eine Schicht 45 eines polykristallinen p-CVD Diamanten. Die beiden Schichten 44 und 45 weisen eine rechteckige Form auf und ihre inneren Enden 46 und 47 stoßen aneinander. Die Endflächen 46 und 47 sind in Bezug auf die Vertikale unter einem spitzen Winkel geneigt und berühren einander in unteren Teil zur Bildung einer Grenzfläche 49 und eines V-förmigen Spalts 50, der zu den oberen Flächen der Schichten hin sich erweitert. Auf dem Substrat 42 ist ein Silberkontakt 51 angeordnet, welcher in Kontakt steht mit der Siliciumschicht 44. Ein Titan-Gold-Kontakt 52 ist am gegenüberliegenden Ende des Substrats 42 angeordnet und steht in Kontakt mit der Diamantschicht 45.

Der Elektronenemitter 40 ist in einem evakuierten Gehäuse unterhalb eines mit Phosphor beschichteten Anodenschirms 45 angeordnet. Der Siliciumkontakt 51 liegt an negativer Spannung 55 an, während der Diamantkontakt 52 in eine positive Spannungsquelle 56 angeschlossen ist. Der Anodenschirm ist mit einer Quelle 57 verbunden, die eine höhere positive Spannung als die Quelle 56 aufweist.

Die Elektronenemission tritt an der Grenzfläche 49 auf, wenn eine Vorspannung von weniger als 10 V anliegt. Die planare Geometrie dieses Emitters 40 lokalisiert die Grenzfläche 49 zwischen den Silicium- und Diamantschichten 43 und 44 und weist einen begrenzten Kontaktbereich auf. Der Grenzflächenbereich 49 wird nach unten begrenzt durch das Substrat 42 und nach oben durch ein Vakuum. Es ist nicht erforderlich, daß die Grenzfläche 45 kontinuierlich längs ihrer Länge ist, sondern kann größere Unterbrechungen aufweisen, womit das Substrat 42 in Kontakt mit dem Vakuum gebracht wird.

Die p-Diamantschicht 45 weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 1 Micron auf und besitzt eine (100) texturierte Oberfläche mit einer geringen Dichte der Korngrenzen und einer hohen Trägerdichte. An der Grenzfläche 49 endet die p-Diamantschicht 45 in einer kristallinen Oberflächentextur, welche sowohl (100) als auch (111) Facettenkristalle enthält.

Die p-Diamantoberfläche und die Grenzfläche 49 können der gleichen Oberflächenbehandlung unterzogen werden wie der in Fig. 1 gezeigte Emitter, um die p- Halbleiterleitfähigkeit zu verstärken. Die p-Diamantoberfläche kann zu einer Erzeugung einer NEA aktiviert werden. Die lokalisierte Art der Grenzfläche 49 und der hohe Grad des Trägereinschlusses, erzeugt durch die planare Grenzflächengeometrie, bewirkt, daß der Grad der störstellenunterstützten Rekombination und die Auger Elektronenerzeugung intensiviert werden. Die substratunterstützte Tunnelung über metallische Unreinheiten kann ebenfalls dazu beitragen, Träger zur Grenzfläche zu transportieren, wenn Unterbrechungen an der Grenzfläche 49 vorhanden sind. Dies kann zum Entstehen einer zusätzlichen Quelle von Trägern führen, welche in der Lage sind, durch die Vakuumbarriere an den p- Diamantoberflächen zu tunneln, womit die Elektronenemissionsausbeute von der Grenzfläche 49 zum Anodenschirm 54 erhöht wird.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Emitterstruktur kann unter Verwendung der gleichen Herstelltechniken wie beim Emitter nach Fig. 1 hergestellt werden, wobei jedoch planare Anordnung die Herstellung einfacher macht als beim Emitter nach Fig. 1. Auch können die verwendeten Oberflächenbehandlungen die gleichen sein wie bei der Herstellung des Emitters nach Fig. 1.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Emitter 60, der ebenfalls wie derjenige nach den Fig. 2 und 3 eine n-Siliciumschicht 61 aufweist, die auf einem Isoliersubstrat 62 angeordnet ist. Die Diamantschicht ist jedoch diskontinuierlich und wird gebildet durch eine Schicht 63 aus nanokristallinen bordotierten p-Diamantpartikeln 64. Typischerweise weisen diese Partikel 64 eine Größe im Bereich von 500 nm bis 50 nm auf. Die Schicht 63 der Diamantpartikel 64 steht in Ohmschen Kontakt mit einem Kontakt 65. Die resultierende Grenzflächenstruktur setzt sich zusammen aus einer Anordnung von isolierten Grenzflächen, welche bevorzugt gebildet werden zwischen der Polysiliciumschicht 61 und dem Diamant-Nanopartikeln 64. Demzufolge ist der effektive Bereich der Grenzfläche, der das Polysilicium 61 mit den Diamantpartikeln 64 verbindet, gering. Dies hat den Effekt der Begrenzung der Anzahl und Dichte der Grenzflächenstörstellen, was zu einer Erhöhung der Injektionsrate der Minoritätsträger von n⁺-Silicium 61 in die p-Diamantpartikel 64 führt.

Das n⁺-Si kann ersetzt werden durch ein geeignetes n- oder n⁺-dotiertes Halbleitermaterial, wie beispielsweise Germanium, Diamant, Siliciumcarbit, Bornitrit oder Aluminiumnitrit.

Die Leitfähigkeit zwischen dem Grenzflächenbereich und dem p-Diamantkontakt 65 wird begünstigt durch die Störstellenkonzentration, welche von der Anwesenheit von Metallionen 66 an der Oberfläche des Isoliersubstrats 62 in den die Diamantpartikel 64 umgebenden Bereichen und von der Raumladung herrührt, welche zwischen den Diamantpartikeln an der Grenzfläche und denjenigen die davon geringfügig entfernt sind, herrührt.

Die verteilte Diamantpartikelstruktur begünstigt den Grad des substratunterstützten Tunneleffekts der Elektronen durch den p-Diamantpartikel 64 enthaltenden Bereich. Der Leitmechanismus tritt unter dem Einfluß einer Vorspannung im Bereich zwischen 5 bis 15 V auf, wenn diese Spannung in der Grenzfläche anliegt. Ein kleiner Prozentsatz des Stroms (weniger als 1%) geht bei den kleineren Partikeloberflächen verloren in Folge ihrer hohen geometrischen Feldanreicherungsfaktoren, die es erlauben, daß Elektronen durch die erniedrigte Vakuumbarriere an den Partikeloberflächen in Richtung des Anodenschirms tunneln. Der Emissionswirkungsgrad kann signifikant verstärkt werden, wenn die p- Diamantpartikel 64 zur Bildung einer NEA behandelt werden, wodurch eine thermalisierte Trägeremission vom Leitungsbandminimum in das Vakuum auftritt. Die NEA an der Diamant-Substrat-Schnittstelle erfolgt durch ein Einführen von Metallatomen-Ionen, wie beispielsweise Nickel, in die Substratoberfläche während der Herstellung der Diamantgrenzflächenemitterstruktur. Darauf folgende Oberflächenbehandlungen, wie beispielsweise eine Behandlung mit Wasserstoffatomen, gefolgt von einem thermischen Altern in Vakuum, werden dazu verwendet, die NEA der p-Diamantoberflächen zu aktivieren, in dem bewirkt wird, daß Metallatome in elektrischen Kontakt mit diesen Oberflächen gebracht werden. Die Zufuhr von thermalisierten Trägern in das p-Diamantleitungsband erfolgt durch feldinduziertes Tunneln von Elektronen über Störstellen und Grenzflächenzuständen, welche an der Grenzfläche zwischen den Diamantpartikeln 64 und dem darunter liegenden Substrat 62 gebildet werden.

Monohydrid und adsorbatfreie Diamantoberflächen mit einer Monoschicht aus Nickel sind abgehandelt von J. Van der Weide und R. J. Nemanich, Phys. Rev. B 49, 13, 629, (1994).

Der in den Fig. 4 und 5 gezeigte Elektronenemitter mit Heteroübergang kann nach einem Verfahren hergestellt werden, wie es in der WO 98/27568 beschrieben ist.

Die Nanokörner aus Diamant können in den gewünschten Mustern aufgebracht werden entweder durch selektives Aufbringen durch Photoresistmasken oder durch Siebdruck. Alternativ dazu kann ein Tintenstrahldruckverfahren angewendet werden, bei welchem Diamantkörner in einer wässrigen Lösung suspendiert werden, welche oberflächenaktive Stoffe enthält, damit die Viskosität für den verwendeten Druckkopf geeignet ist, typischerweise im Bereich von 2, 3 bis 3 Centipoise. Dies ermöglicht, daß die Nanokörner in sorgfältig kontrollierter Partikelverteilung mit hoher Präzision und in reproduzierbarer Weise aufgebracht werden, um Emitterbereiche zu bilden, die gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektronenemittervorrichtung 70, bei welcher die Elektronenemission von den Grenzflächen zwischen den p- und n-Materialien, die einem Vakuum ausgesetzt sind, erzeugt wird. Die Emittervorrichtung 70 weist ein Glassubstrat 71 mit zwei voneinander im Abstand befindlichen Metallkontakten 72 und 73 auf. Die Emitter bildenden Heteroübergänge bzw. -grenzflächen werden gebildet zwischen den beiden Kontakten 72 und 73 durch p- Diamantkörner 74, welche selektiv auf dem Substrat 71 aufgebracht sind und zu welchen Kleinstpartikel 75 von n⁺-Si und Kleinstpartikel eines Metalls einzeln oder zusammen hinzugefügt wurden. Das n⁺-Si kann ersetzt werden durch andere geeignete n- oder n⁺-dotierte Halbleiter, wie beispielsweise Germanium, Diamant, Siliciumcarbit, Bornitrit oder Aluminiumnitrit. Die Partikelgröße der die Emitterstruktur bildenden Materialien sind alle im Bereich von 500 nm bis 50 nm. Wir eine Spannung zwischen den Kontakten 72 und 73 angelegt, werden von den Grenzflächen, wo die Diamantpartikel 74 in Kontakt stehen mit den Siliciumpartikeln 75 Elektronen emittiert, so daß eine Anordnung von isolierten Grenzflächen zwischen dem Substrat 71, den Nanopartikeln aus Diamant und den n-Halbleiterpartikeln und/oder Metallpartikeln die auf die Glasfläche hinzugeführt wurden, gebildet wird. Die verteilte Partikelstruktur verstärkt den Grad des substratunterstützten Tunneleffekts der Elektronen durch den p-Diamantpartikel enthaltenden Bereich. Dieser Leitmechanismus tritt unter dem Einfluß einer Vorspannung im Bereich von 5 bis 15 V an der Grenzfläche auf.

Die Emitterstruktur nach den Fig. 6 und 7 kann durch ein konventionelles Druckverfahren erzeugt werden, jedoch bevorzugt durch ein Tintenstrahldruckverfahren. Jeder Partikeltyp wird in einer wässrigen Lösung suspendiert, die einen oberflächenaktiven Stoff enthält, damit sich eine Viskosität im Bereich von 2, 3 bis 3 cps ergibt. Dies ermöglicht es, die Materialien in sorgfältig kontrollierter Partikelverteilung, mit hoher Präzision und in einer reproduzierbaren Weise aufzubringen, bei welcher die Emitterbereiche gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Drucktechnik ist in jedem Fall zur Erzeugung von Elektronenemitteranordnungen günstiger als konventionelle Druckverfahren.

Jeder der oben beschriebenen Elektronenemitter kann in einer adressierbaren Anordnung enthalten sein, so daß individuelle Emitter selektiv bestromt werden können. Eine solche Anordnung kann dann als Anzeigevorrichtung verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung 80, bei welcher Emitter 81 der Fig. 6 und 7 verwendet werden, ist in Fig. 8 gezeigt. Diese Vorrichtung weist ein Isoliersubstrat 82 beispielsweise aus Glas oder Keramik auf, auf welchem vier vertikale Y-Adressenleitungen 83 aus einem Metall aufgebracht sind. Jede Y-Adressenleitung 83 weist vier kurze horizontal verlaufende Kontakte 84 auf. Vier horizontale X-Adressenleitungen 85 erstrecken sich quer über das Substrat 82 und sind durch Isolierbereiche 86, welche auf den Y-Adressenleitungen aufgebracht wurden, von den Y- Adressenleitungen 83 isoliert. Jede X-Adressenleitung 85 weist vier vertikal verlaufende Kontakte 87 auf, die durch einen schmalen Spalt 88 von den Y-Adressenkontakten 84 getrennt sind. Innerhalb jedes Spalts 88 ist auf den Substrat 82 aufgebracht p- Diamantnanokörner und n-Siliciumpartikel, gemischt mit Metallpartikel, zur Bildung von 16 individuell selektiv ansteuerbaren Emitterbereichen 89.

Die Metalladressenleitungen 83 und 85 bestehen aus einem Metall, wie beispielsweise Cr, Co, Al, Cu, Au, Ni oder ITO, welche mittels konventioneller Druckverfahren aufgebracht wurden, wie beispielsweise durch Siebdruck oder mittels einer lithographischen Maske. Alternativ dazu können die Adressenleitungen 83 und 85 und die Isolierbereiche 86 durch einen Tintendrucker aufgebracht werden, unter Verwendung von Druckfarben, zusammengesetzt von kommerziell erhältlichen Metall-Polymer-Lösungen. Die gewünschten elektrischen Eigenschaften der Leitungsanordnung können durch geeignete Wärmebehandlung mit Luftströmung erhalten werden.

Bevorzugt werden zuerst die Nanokörner aus Diamant und sodann die Siliciumpartikel aufgebracht, bevorzugt durch ein Tintenstrahldruckverfahren. Die aufgebrachten Partikel werden sodann einer Wasserstoffplasmabehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1000°C unterzogen, wobei bevorzugt eine positive Spannung bis zu 300 V an die Y- Adressenleitungen 83 angelegt wird, während die X-Adressenleitungen 85 keine Spannung aufweisen. Das Substrat wird sodann gealtert durch Anordnen der Vorrichtung in einer Heliumatmosphäre oder unter einem hohen Vakuum bei Verwendung eine thermischen Behandlung oder einer Excimerlaserstrahlung.

Die in Fig. 9 gezeigte Anordnung 90 weist Emitter entsprechend der Fig. 8 auf, wobei Komponenten, die mit denjenigen nach Fig. 8 gleich sind, die gleiche Bezugszahl jedoch mit eine Prim versehen, aufweisen. Die Anordnung 90 weist drei Y-Adressenleitungen 83' und drei orthogonale X-Adressenleitungen 85' auf, welche 16 Emitterbereiche 89' bilden, die etwa 100 µm im Quadrat groß sind. Die Anordnung 90 weist vier Anodenadressenleitungen 91 auf, welche parallel zu den Y-Adressenleitungen 83' verlaufen, von denen jede vier Phosphorschirme oder Pixels 92 aufweist, die nahe der entsprechenden Emitterregion 89' angeordnet sind. Die Phosphorschirme 92 sind in das Glassubstrat 82' integriert im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Vorrichtungen. Die Adressenleitungen 83', 85' und 91' können aus einem optisch transparenten Material bestehen, beispielsweise aus ITO, wo die Phosphorpixels 82 bei einem Blick durch das Substrat 82' sichtbar werden, oder sie können optisch opaque sein, wenn die Pixels in Reflektion von der Richtung der transparenten Glasabdeckung betrachtet werden.

Die Fig. 10 zeigt eine Anordnung entsprechend der Fig. 9, jedoch so modifiziert, daß sich eine mehrfarbige Anzeige ergibt, wobei für jeden Emitter 89' drei getrennte Anodenadressenleitungen 91B, 91R und 91G vorgesehen sind, von denen jede einem Phosphorpixel 92B, 92R und 92G zugeordnet ist, die in den Farben blau, rot oder grün aufleuchten. Die linke Reihe von Emittern 89' ist zum Vergleich monochrom ausgeführt.

Claims (10)

1. Elektronenemittervorrichtung mit einem Bereich (13, 44, 61, 75) eines Materials mit einer n-Leitfähigkeit, einem Bereich (16, 45, 63, 64, 74) eines Materials mit p- Leitfähigkeit und einer Grenzfläche (19, 49) zwischen den beiden Bereichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (19, 49) zur direkten Freisetzung von Elektronen von der Grenzfläche in ein Vakuum diesem Vakuum ausgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche des Materials mit n-Leitfähigkeit und des Materials mit p-Leitfähigkeit durch eine Schicht des einen Materials (16) auf dem anderen Material (13) gebildet wird und die Grenzfläche (19) an einer Kante einer der Schichten dem Vakuum ausgesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) mit p-Leitfähigkeit auf einer Schicht (13) mit n-Leitfähigkeit angeordnet ist und daß die obere Fläche der Schicht mit p-Leitfähigkeit dem Vakuum ausgesetzt ist und daß die Schicht (16) mit p-Leitfähigkeit dünn genug ist, um einen Elektronendurchgang durch die Schicht in das Vakuum zu ermöglichen, wobei die Elektronen an der Oberfläche dieser Schicht freigesetzt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit n- Leitfähigkeit und mit p-Leitfähigkeit gebildet werden durch entsprechende Schichten (4, 45) auf einem gemeinsamen Substrat (41) und daß die Grenzfläche (49) gebildet wird längs der aneinander stoßenden Kanten (46, 47) der beiden Bereiche.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von exponierten Grenzflächen aus einer Vielzahl von Partikeln (64, 74) des einen Leitfähigkeitstyps und benachbarten Bereichen (61, 66, 75) des anderen Leitfähigkeitstyps gebildet werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (16, 45, 63, 64, 74) zur Bildung einer negativen Elektronenaffinität aktiviert ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des p-Leitfähigkeitstyps (16, 45, 63, 64, 74) aus Diamant besteht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemittervorrichtung gekennzeichnet durch die Schritte der Herstellung einer Suspension des Materials mit einer p- Leitfähigkeit oder einer n-Leitfähigkeit in einer geeigneten Lösung und Verwendung eines Tintenstrahldruckverfahrens zum Aufbringen der Partikel auf einem Substrat und damit zur Bildung einer Vielzahl von Elektronenemittergrenzflächen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel beider Leitfähigkeitstypen auf das Substrat aufgebracht werden, wobei die Grenzflächen zwischen den Partikeln unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps gebildet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Partikel mit p-Leitfähigkeit Diamantkörner aufgebracht werden.