DE1800952A1 - Feldemissionskathode fuer elektrische Entladungsgefaesse und deren Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

• Feldemissionskathode für elektrische Entladungsgefäße und deren Herstellungsverfahren Priorität: Schweizer Anmeldung 12'59/68 v. 21.8.1968 Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode, bestehend aus einer Vielzahl von zueinander parallelen Drähten, Nadeln, wiskers oder dgl. mit Spitzen kleinerer Krümmungsradien als Ijum aus metallisch leitendem bzw. halbleitendem Material sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
• Bekannt sind kaltemittierende Kathoden, die von sich stark verjüngend@n Spitzen gebildet werden, die also an ihrem einen Ende einen sehr kleinen Krümmungsradius aufweisen und bei denen die Strondichtc einer von der Spitze erfolgenden Fmission bei einer gegebenen Spannung, ausschließlich von diesem Krümmungsradius und von der Austrittsspannung (Austrittsarbeit) des Emittermaterials abhängt.
• Derartiec Anordnungen in Form von Netzwerken werden Irl allgcneigen dadurch hergestellt, daß durch cin mechanisches Verfahren vorher angespitzte Stäbe in einem geeigneten Träger eingesetzt oder eingetrieben werden Es gibt aber auch Verfahren, bei denen derartig eingesetzte oder eingetriebene Stäbe durch ein mechanisch oder elektrochemisches Verfahren gemeinsam angespitzt werden Es ist jedoch schwierig, diese Verfahren mit der gewünschten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auszuführen, insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen den parallel verlaufenden Spitzen herabgesetzt werden soll; jedenfalls bei der Herstellung von Kathoden relativ kleiner Ausmaße, bei denen, insbesondere der Abstand zwischen den Spitzen, auf eine Größenordnung von 1 mm und kleiner herabgesetzt werden soll, ist es nach den bisher bekannten Verfahren praktisch unmöglich, eine Anordnung zu schaffen, die aus hinreichend und gleichmäßig zugespitzten Spitzen besteht und gleichzeitig unbedingt eben ist; d.h bei der die Enden er Spitzen exakt in der gleichen Ebene liegen nie gleichen Schwierigkeiten bestehen aber auch oeim Einsetzen von bereits vorbehandelten vorgespitzten Spitzen in einen entsprechenden Träger, so daß auch hier nicht die erforderliche Genauigkeit erzielt werden kanne Bs ist deshalb schon ein anderer Weg beschritten worden, bei dem andersartige technologische Frinzipien Anwendung finden.
• Bei einem bekannten derartigen Verfahren ist z.B. auf der Oberfläche von Germanium oder aber auch Silicium als Träger oder Matrix entsprechender Kaltkathoden zusammen mit einer Wolframanode durch eine niederenergetische Bogenentladung eine Schicht feinster Härchen, sogenannter Wiskers, erzeugt worden, deren Dichte et/a 5 x 104/cm2 beträgt Dic der Frfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, auf dem Halbleitergebiet übliche elektrisch anisotrope halbleitende Verbindungen für die Herstellung von Feldemissionskathoden heranzuziehen und durch besondere Materialauswahl hinsichtlich der physikalischen Figenschaften, insbesendere der elektrischen Leitfähigkeit und gegebenenfalls durch besondere Bchandlungsmaßnahmen u.a. vor allen die Feinheit der Nadeln und damit die Dichtc der Nadel spitzen pro Flächeneinheit wesentlich zu erhöhen Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz beschriebenen Feldemissionskathode nach der Erfindung dadurch, daß bei einem Kathoden-Körper (Träger, Basis) aus einem elektrisch aIlisotlopen zweiphasigen Halblciter allein aus der zweiten Phase bestehende Einschlüsse als zucinander parallel ausgerichtete sehr aünne Nadeln mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als vom Halbleiterkörper ausgebildet sind, deren Spitzen aus dem Kathoden-Körper hervorragen Mit besonderen Vorteil werden hierfür halbleitende Verbindungen von Typ AIIIBV verwendet Zu solchen halbleitenden Verbindungen gehören z.B.
• InSb mit iSb InSb mit FeSb InSb mit CrSb GaSb mit GaV Sb - - - - - 3.
• InP mit CrP 3 5 InAs mit GrAs als, insbesondere eingeschlossene, zweite Phase, Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Kathodentrigger (Matrix) aus dem halbleitenden Material InSb mit einem Anteil von 1,8G% NiSb als zweite Phase, die in Form von Einschlüssen sehr feine zueinander parallel ausgerichtete Nadeln bildet. Die Länge der Nadeln beträgt 20 bis 100 µm, während ihr Durchmesser unterschiedlich groß, aber kleiner als 1 µm .
• ist . Die sich ergebende Dichtc ist beachtlich und beträgt 10 bis 107 Spitzen pro cm2; Während der Kathodenträger (Basis) cinc elektrische Leitfähigkeit von 102 bis 103 (Ohm-cm)-1 hat, liegt die der Nadeln, dÇh die der zweiten Phase, um mindestens zwei Größenordnungen höher und beträgt etwa 7 x 104 (Ohm-cm)-1 Nähere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand des in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Aus£ührungsbeispiels erläutert werden Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin fortgelassen oder unbezeichnet geblieben Während in stark vergrößertem Maßstab in Fig 1 der grundsätzliche Aufbau einer Feldemissionskathode wiedergegeben ist, zeigt die Fig. 2 einc Gruppe von mehreren solchen Kaltkathoden, wie sie sich z.B. bei der Herstellung aus dem scheibenförmig aufgeteilten zonengeschmolzenen Material durch Photoätzen ergeben.
• In Fig. 1 ist mit 1 der Trigger bzlr. die sogenannte Matrix (Basis) bezeichnet, die aus der halbleitenden Verbindung InSb bestcht und eine elektrische Leitfähigkeit von 102 bis 103 @ @@@@@@ @-1 hat, Darin eingelagert sind sehr dünne Nadeln 2 aus eine zweite Phase bildenden InSb mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 7 x 104 (Ohm-cm)-1 Mit einer Isolierlackschicht 3 können die Zwischenräume zwischen den einzelnen aus der Stirnfläche des Trägers herausragenden Nadeln ausgefüllt lenden, so daß z.B. die gleichniißig verteilten Spitzen nur auf einer sehr kurzen Länge freiliegen und außerdem einen gewissen mechanischen Schutz erhalten.
• Bein Anlegen einer ausreichenden elektrischen Saugspannung, z.B. mittels einer gitterförmigen Anodc 4 und dem als Kathode geschalteten Halbleiterträger 1 erfolgt an den Spitzen der Nadeln eine erhöhtc Feldemission. Bei Krümmungsradien der Nadelspitzen kleiner als o,5/um sind bei einem Potential unterschied von etna 100V Feldstärken von mindestens 107V/cm zu erreichen In Fig. 2 ist eine Gruppe von Feldemissionskathoden dargestellt, wie sie in der Pr@xis durch photoShemisches Ätzen von z.Bt 20 - 30/um starken Schichten aus InSb/NiSb erhalten werden Auch hier besteht der die einzelnen Träger 1 bildende Grundkörper aus InSb, während die für die Feldemission vorgesehene Vielzahl von Nadelspitzen 2 (in der Figur sind nur einige wenige dargestellt) ebenfalls von der zweiten Phase NiSo gebildet wird. Mit 3 ist einc entsprechend dimensionierte Grundplatte bezeichnet, auf die die halbleitenden Schichten aufgeklebt sind.
• Bei der Herstellung werden zunächst das Halbleitermaterial und das Material für die zweite Phase, also für die zu bildenden Einschlüsse unter Schutzgas, z.3. Argon, in einem Quarzschiffchen zusammengeschmolzen, Anschließend wird die Schmelze einem gerichteten Erstarrumgsporzeß unterworfen, um zu erreichen, daß die Einschlüsse des Halbleiterkörpers nicht ungerichtet, sendern gerichtet angeordnet werden Beispielsweise kann die Ausrichtung der Einschlüsse durch ein indder Halbleitertechnik üblichen Zonenschmelzen bewirkt werden. @ Eine andere Möglichkeit, eine bestimmte Ausrichtang der Einschlässe zu erreichen bestcht darin, daß der Erstarrungsprozeß unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes ausgeführt wird. Auf diese Weise werden etwa quaderförmige Barren von 30 bis 35 cm Länge und 1 bis 2 cm Kantenlänge erzielt, in denen die Nadeln parallel zur Längsrichtung verlaufen.
• Durch zur Längsrichtung senkrechte Schnitte werden Abschnitte gewänschter Dicke z.B. auch von 20 - 50 µm Dicke gewonnen, die meist zur Weiterbearbeitung auf eine Grunlplatte oder einen Träger aufgeklebt werden.
• Mittels einer Mischung aus einer wässrigen Ammonium-Fluorid-Lösung mit in Methanol gelöstem Brom werden nun aus der Grundsubstans @@Sb die InSb Nadeln bis zu einem maßgeblichen Teil ihrer Länge heraus- oder besser freigelöst.
• Für den Lösungsvorgang wird mit besonderem Vorteil eine Mischung aus 30 g Ammon-Fluorid, gelöst in 50 ml Wasser, und 30 ml Brom, gelöst in 50 ml Methanol verwendet.
• Die besonderen Vorteile der beschriebenen Feldemissionskathode bestehen vor allem darin, daß reproduzierbar eine homogene Verteilung der Nadelspitzen bei einer hohen Nadeldichte erreicht werden kann, wobei die Spitzen selber Krümmungsradien kleiner als 0,5 µm aufweisen und eine ausgesprochen gemeinsame Ebene bilden.
• Weiter hervorzuheben ist die billige Herstellungsmöglichkeit durch @hotoätzen sowie die geringe Eigenerwärmung im Betrieb infolge der @iederohmigen Beschaffenheit.
• 2 Figuren 8 @atentansprüche

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Feldemissionskathode bestehend aus einer Vielzahl von zueinander parallelen Drähten, Nadeln, wiskers oder dgl.

   aus metallisch leitendem oder halbleitendem Naterial nit Spitzen kleinerer Krümmungsradien als 1 µm, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kathoden-Körper (Träger, Basis) aus eilen elektrisch anisotropen zweiphasigen Halbleiter allein aus der zweiten Phasc bestehende Einschlüsse als zueinander parallel ausgerichtete sehr dünne Nadeln mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als vom Halbleiter körper gebildet sind, deren Spitzen aus dem Kathodenkörper hervorragen 2. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kathodenkörper bildende Halbleiterverbindung vom Typ AIIIBV ist und die die Nadeln bildende zweite Phase aus Verbindungen anderer Metalle, aber des gleichen Verbindungstyps besteht.

   3 Felden.issionskathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (Basis) aus InSb und die die Nadeln bildende zweite Phase aus NiSb besteht, deren Anteil entsprechend einem Eutektikum etwa 1,8G% beträgt0 4 Feldemissionskathode nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der die Nadeln bildenden zweiten Phase NiSb mit 7 x 104 (Ohm-cm)-1 etwa um zwei Größenordnungen größer als vom Halbleiter InSb mit 10² bis 103 (oh=-cm) beträgt.

   5. Feldemissionskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den Nadeln die Länge 20 - 1 OO/um und der Surchmesser unterschiedlich aber kleiner als 1 µm' ist.

   6. Fcldemiasionskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den gleichmäßig über den Querschnitt des Trägers verteilten Nadeln die Dichte etwa 106 bis 107 Spitzen/cm2 beträgt.

   7. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionskathode nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Halbleitermaterial mit dem Material der zweiten Phase im richtigen Mischungsverhältnis untcr Schutzgas zusammengeschmolzen und zum Parallel-Ausrichten der sich beim Kristallisieren ausbildenden Einschlüsse der Schmelze einem bei der Herstellung von Halbleitern üblichen gerichteten Erstarrungsprozeß, wie z.B. einem Zonenschmelzorgang ein oder mehrmals unterworfen wird und daß dann die erstarrten z.B. quaderförmigen Barren durch Schnitte senkrecht zur Nadellängsrichtung in Scheiben aufgeteilt und von Ihnen im aufgeklebten Zustand die Nadel spitzen durch Photontzen freigelegt Werden.

   8. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionskathode nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von InSb für den Kathodenkörper mit Einschlüssen aus NiSb als zweite Phase zum Freilösen der Nadel spitzen eine Mischung aus 30 g Amonfluorid, gelöst in 50 ml Wasser, mit 30 ml Brom gelöst in 50 ml Methanol verwendet wird.

   L e e r s e i t e