DE1800952C

DE1800952C - Field emission cathode for electrical discharge vessels and their manufacturing process

Info

Publication number: DE1800952C
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Phys. Dr. 8500 Nürnberg Weiß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-02-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode mit einer Vielzahl von zueinander parallelen Nadeln aus metallisch leitendem bzw. halbleitendem Material, deren Spitzen kleinere Krümmungsradien als 1 um aufweisen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. The invention relates to a field emission cathode with a plurality of needles parallel to one another made of metallically conductive or semiconductive material, the tips of which have smaller radii of curvature than 1 µm, and a method for their production.

Bekannt sind kaltemittierende Kathoden, die von sich stark verjüngenden Spitzen gebildet werden, die also an ihrem einen Ende einen sehr kleinen Krümmungsradius aufweisen und bei denen die Stromdichte einer von der Spitze erfolgenden Emission bei einer gegebenen Spannung ausschließlich von diesem Krümmungsradius und von der Austrittsspannung (Austrittsarbeit) des Emittiermaterials abhängt.Cold-emitting cathodes, which are formed by strongly tapering tips, are known thus have a very small radius of curvature at one end and at which the current density emission from the tip at a given voltage only from that tip Radius of curvature and depends on the exit voltage (work function) of the emitting material.

Derartige Anordnungen in Form von Netzwerken werden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß durch ein mechanisches Verfahren vorher angespitzte Stäbe in einen geeigneten Träger eingesetzt oder eingetrieben werden.Such arrangements in the form of networks are generally produced in that previously sharpened rods are inserted or driven into a suitable carrier by a mechanical process will.

Es gibt aber auch Verfahren, bei denen derartig ao 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 as dann, wenn der Abstand zwischen den parallel verlaufenden Spitzen herabgesetzt werden soll; jedenfalls bei der Herstellung von Kathoden relativ kleiner Ausmaße, bei denen insbesondere 3er 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 bei der die Enden der Spitzen exakt in der gleichen Ebene liegen. Die gleichen Schwierigkeiten bestehen aber auch beim Einsetzen von bereits vorbehandelten, vorgespitzten Spitzen in einen entsprechenden Träger, so daß auch hier nicht die erforderliche Genauigkeit erzielt werden kann. Es ist deshalb schon ein anderer Weg beschritten worden, bei dem andersartige technologische Prinzipien Anwendung finden.But there are also methods in which such ao inserted or driven rods through a mechanical or electrochemical process are sharpened together. However, it is difficult to carry out these procedures with the desired accuracy and reproducibility, in particular as then when the distance between the parallel Peaks should be reduced; at least relatively smaller in the manufacture of cathodes Dimensions where, in particular, a distance of 3 between the tips should be reduced to a size of 1 mm and smaller, it is practically impossible according to the previously known method to create an arrangement that is sufficient and evenly pointed tips and in which the ends of the tips are exactly in the lie on the same plane. The same difficulties also exist when inserting already pretreated, pointed tips in a corresponding carrier, so that here too not the required Accuracy can be achieved. A different path has therefore already been taken in which different technological principles are used.

Bei einem bekannten derartigen Verfahren ist z. B. auf der Oberfläche von Germanium oder aber auch Silizium als Träger oder Matrix entsprechender Kaltkathoden zusammen mit einer Wolframanode durch eine niederenergetische Bogenentladung eine Schicht feinster einkristalliner Härchen erzeugt worden, deren Dichte etwa 5-10«/cm² beträgt.In a known such method, for. B. on the surface of germanium or silicon as a carrier or matrix of corresponding cold cathodes together with a tungsten anode by a low-energy arc discharge, a layer of very fine monocrystalline hairs, the density of which is about 5-10 «/ cm ² .

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, bei der Herstellung von Feldemissionskathoden durch besondere Materialauswahl hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften, insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit, und gegcbencnfalls durch besondere Behandlungsmaßnahmen unter anderem vor allem die Feinheit der Nadeln und damit die Dichte der Nadelspitzen pro Flächeneinheit wesentlich zu erhöhen.The object on which the invention is based now consists in the production of field emission cathodes through special material selection with regard to the physical properties, in particular the electrical conductivity, and possibly through special treatment measures, among other things, especially the fineness of the needles and thus the density of the needle tips pro To increase the unit area significantly.

Erreicht wird dies bei einer im ersten Absatz beschriebenen Feldemissionskathode nach der Erfindung dadurch, daß die Kathode von einem elektrisch anisotropen zweiphasigen Halbleiter gebildet wird, bei dem in einem Trägerkörper der einen Phase allein aus der zweiten Phase bestehende Einschlüsse in Torrn von zueinander parallel ausgerichteten sehr dünnen Nadeln von höherer elektrischer Leitfähigkeit als der Trägerkörper ausgebildet sind und die Spitzen der Nadeln aus dem Trägerkörper hervorragen. This is achieved in a field emission cathode according to the invention described in the first paragraph in that the cathode is formed by an electrically anisotropic two-phase semiconductor, in which in a carrier body of one phase only consists of the second phase in torrn of very thin, mutually parallel aligned inclusions Needles of higher electrical conductivity than the carrier body are formed and the tips of the needles protrude from the carrier body.

Mit besonderem Vorteil werden hierfür halbleitende Verbindungen vom TyPA¹¹¹Bv verwendet. ^{Semiconducting compounds from TyPA 111} Bv are used with particular advantage for this.

Zu solchen halbleuenden Verbindungen gehören z. B.Such semiconducting compounds include e.g. B.

InSb mit NiSb
InSb mit FeSb
InSb mit CrSb
GaSb mit GaV_nSb₅
InP mit CrP
InAs mit CrAsInSb with NiSb
InSb with FeSb
InSb with CrSb
GaSb with GaV _n Sb ₅
InP with CrP
InAs with CrAs

als eingeschlossene zweite Phase.as an included second phase.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Trägerkörper aus dem halbleitenden Material InSb mit einem Anteil von 1,8 Gewichtsprozent NiSb als zweite Phase, die in Form von Einschlüssen sehr feine zueinander parallel aasgerichtete Nadeln bildet, die eine Länge von 20 bis ΙΟΟμίη und verschiedene unter Ιμΐη liegende Durchmesser aufweisen. Die sich ergebende Dichte ist beachtlich und beträgt 10^e bis 10⁷ Spitzen pro cm². Während der Trägerkörper eine elektrische Leitfähigkeit von 10² bis 10³ (Ohm-em)-» hat, liegt die der Nadeln, d. h. die der zweiten Phase, um mindestens zwei Größenordnungen höher und beträgt etwa 7-10⁴ (Ohm-cm)"¹.In a preferred embodiment, the support body consists of the semiconducting material InSb with a proportion of 1.8 percent by weight NiSb as the second phase, which forms very fine needles aligned parallel to one another in the form of inclusions, which have a length of 20 to ΙΟΟμίη and various lengths below Ιμΐη Have diameter. The resulting density is considerable and amounts to 10 ^e to 10 ⁷ tips per cm ² . While the carrier body has an electrical conductivity of 10 ² to 10 ³ (ohm-em) - », that of the needles, ie that of the second phase, is at least two orders of magnitude higher and is about 7-10 ⁴ (ohm-cm)" ^1st

Die Erfindung soll an Hand des in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin fort- oder unbezeichnet gelassen.The invention is intended to be based on the exemplary embodiment shown purely schematically in the drawings explained. Parts that do not necessarily contribute to an understanding of the invention are included left out or left unmarked.

Während in stark vergrößertem Maßstab in F i g. 1 der grundsätzliche Aufbau einer Feldemissionskathode wiedergegeben ist, zei^t die F i g. 2 eine Gruppe von mehreren solchen Kaltkathoden, wie sie sich z. B. bei der Herstellung aus dem scheibenförmig aufgeteilten zonengeschmolzenen Material durch Photoätzen ergeben.While on a greatly enlarged scale in FIG. 1 the basic structure of a field emission cathode is reproduced, shows the F i g. 2 a group of several such cold cathodes like her z. B. in the production of the disc-shaped divided zone-melted material by Photoetching result.

In F i g. 1 ist mit 1 der Trägerkörper bezeichnet, der aus der halbleitenden Verbindung InSb besteht und eine elektrische Leitfähigkeit von 10² bis IO¹ (Ohm-cm)"¹ hat. Darin eingelagert sind sehr dünne Nadeln 2 aus eine zweite Phase bildendem NiSb mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 7·10⁴ (Ohm-cm)-'. Mit einer Isolierlackschicht 3 können die Zwischenräume zwischen den einzelnen aus der Stirnfläche des Trägers herausragenden Nadeln ausgefüllt werden, so daß ζ. B. die gleichmäßig verteilten Spitzen nur auf einer sehr kurzen Länge freiliegen und außerdem einen gewissen mechanischen Schutz erhalten. Beim Anlegen einer ausreichenden elektrischen Saugspannung, z. B. mittels einer gitterförmigen Anode 4 und dem als Kathode geschalteten Halbleiterträger 1, erfolgt an den Spitzen der Nadeln eine erhöhte Feldemission. Bei Krümmungsradien der Nadelspitzen kleiner als 0,5 μηι sind bei einem Potentialunterschied von etwa 100 V Feldstärken von mindestens 10⁷ V/cm zu erreichen.In Fig. 1, 1 denotes the support body, which consists of the semiconducting compound InSb and has an electrical conductivity of 10 ² to ^{10 1} (ohm-cm) " ¹ Conductivity of 7 · 10 ⁴ (ohm-cm) - '. With an insulating lacquer layer 3, the spaces between the individual needles protruding from the end face of the support can be filled, so that, for example, the evenly distributed tips only over a very short length When a sufficient electrical suction voltage is applied, e.g. by means of a grid-shaped anode 4 and the semiconductor carrier 1 connected as a cathode, an increased field emission occurs at the tips of the needles , 5 μηι can be achieved with a potential difference of about 100 V field strengths of at least 10 ⁷ V / cm.

In F i g. 2 ist eine Gruppe von Feldemissionskathoden dargestellt, wie sie in der Praxis durch photomechanisches Atzen von z.B. 20 bis 30μηι starken Schichten aus InSb/NiSb erhalten werden. Auch hier besteht der die einzelnen Trägerkörper 1 bildende Grundkörper aus InSb, während die für die Feldemission vorgesehene Vielzahl von Nadelspitzen 2 (in der Figur sind nur einige wenige dar gestellt) ebenfalls von der zweiten Phase NiSb gebil det wird. Mit 5 ist eine entsprechend dimensionierteG in F i. 2 shows a group of field emission cathodes as they are obtained in practice by photomechanical etching of, for example, 20 to 30μηι thick layers of InSb / NiSb . Here, too, the base body forming the individual carrier bodies 1 consists of InSb, while the plurality of needle tips 2 provided for the field emission (only a few are shown in the figure ) is also formed by the second phase NiSb . With 5 is a correspondingly dimensioned

prundplatte bezeichnet, auf die die halbleilenden Schichten aufgeklebt sind.baseplate, on which the semiconducting Layers are glued on.

Bei der Herstellung werden zunächst das Halbleitermaterial und das Material für die zweite Phase, jrtso für die zu bildenden Einschlüsse unter Schutzfas, z. B. Argon, in einem Quarzschiffchen zusammengeschmolzen. Anschließend wird die Schmelze finem gerichteten Erstarrungsprozeß unterworfen, |im zu erreichen, daß die Einschlüsse des Halbleiterjcörpers nicht ungerichtet, sondern gerichtet angeord- |iet werden. Beispielsweise kann die Ausrichtung der Einschlüsse durch ein in der Halbleitertechnik "übliches Zonenschmelzen bewirkt werden. Eine bestimmte Ausrichtung der Einschlüsse zu erreichen, besteht 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 ao Schnitte werden Abschnitte gewünschter Dicke, z. R. auch von 20 bis 50μΐη Dicke gewonnen, die meist zur Weiterbearbeitung auf eine Grundplatte oder einen Träger aufgeklebt werden.During manufacture, the semiconductor material is first used and the material for the second phase, jrtso for the inclusions to be formed under protective fibers, z. B. argon, melted together in a quartz boat. Then the melt Subjected to a fine directional solidification process in order to achieve that the inclusions of the semiconductor body not be undirected, but arranged in a directed manner. For example, the orientation of the Inclusions are caused by a zone melting which is common in semiconductor technology To achieve a certain orientation of the inclusions, is that the solidification process under the action an external magnetic field is carried out. In this way, roughly cuboid bars are produced from 30 to 35 cm in length and 1 to 2 cm edge length achieved, in which the needles parallel to the longitudinal direction get lost. Sections of the desired thickness, e.g. R. also obtained from 20 to 50μΐη thickness, mostly can be glued to a base plate or carrier for further processing.

Mittels einer Mischung aus einer wäßrigen Ammonium-Fluorid-Lösung mit in Methanol gelöstem Brom werden nun aus der Grundsubstanz InSb die NiSb-Nadeln bis zu einem maßgeblichen Teil ihrer Länge durch Photoätzen freigelegt.By means of a mixture of an aqueous ammonium fluoride solution with dissolved in methanol Bromine is now the NiSb needles from the basic substance InSb to a decisive one Part of its length exposed by photoetching.

Fur das Freilegen wird mit besonderem Vorteil eine Mischung aus 30 g Ammoniumfluorid, gelöst in 50 ml Wasser, und 30 ml Brom, gelöst in 50 ml Methanol, verwendet.A mixture of 30 g of ammonium fluoride dissolved in 50 ml of water and 30 ml of bromine dissolved in 50 ml of methanol are used.

Die besonderen Vorteile der beschriebenen Feldemissionskathode bestehen vor allem dann, daß reproduzierbar eine homogene Verteilung der Nadelspitzen bei einer hohen Nadeldichte erreicht werden kann, wobei die Spitzen selber Krümmungsradien kleiner als 0,5 [im aufweisen und eine ausgesprochen gemeinsame Ebene bilden.The particular advantages of the field emission cathode described exist above all that a homogeneous distribution of the needle tips is reproducible can be achieved at a high needle density, the tips themselves having radii of curvature less than 0.5 [im have and a pronounced form a common level.

Weiter hervorzuheben ist die billige Herstellungsmöglichkeit durch Photoätzen sowie die geringe Eigenerwärmung im Betrieb infolge der niederohmigen Beschaffenheil.Also to be emphasized is the cheap production possibility by photo etching as well as the low Self-heating in operation as a result of the low-resistance nature.

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Claims

Patent claims:

1. Field emission cathode with a multiplicity of metallic needles parallel to one another conductive or semiconducting material, the tips of which have small: radii of curvature as i μπι, characterized in that the cathode is formed from an electrically anisotropic, two-phase semiconductor in which In a carrier body of the one phase, there are only inclusions in the second phase Form of mutually parallel, very thin needles of higher electrical power Conductivity as the carrier body are formed and the tips of these needles from the carrier body stand out.

2. Field emission cathode according to claim 1, characterized in that the semiconductor ^{compound forming the carrier body is of type A 111} B "and the second phase forming the needles consists of compounds of other substances of the same compound type.

3. Field emission cathode according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body consist of InSb and the second phase, which forms the needles, of NiSb, the proportion of NiSb, corresponding to a eutectic, is about 1.8 percent by weight.

4. Field emission cathode according to claim 3, characterized in that the electrical conductivity of the NiSb forming needles is 7-10 * (Onm-cm) " ¹ and that of the semiconductor InSb 10 * to 10 ³ (Ohm-cin) - ¹ .

5. Field emission cathode according to claim 3, characterized in that the needles have a length from 20 to 100 μπι and various, under Ιμΐη Have horizontal diameters.

6. Field emission cathode according to claim 3, characterized in that the needles are evenly distributed over the cross section of the support body at a density of 10 "to 10 ⁷ per cm ² .

7. Method of making a field emission cathode according to claim 1, characterized in that first the semiconductor material and the material of the second phase in the correct Mixing ratio are melted together under protective gas that the crystallize forming inclusions by a directional one that is customary in the manufacture of semiconductors Solidification process are aligned in parallel, that then the solidified bars through Sections perpendicular to the longitudinal direction of the needle are divided into slices, the slices are glued on and finally the needle tips are exposed by photoetching.

8. The method for producing a field emission cathode according to claim 7, characterized in that that when using InSb for the cathode support body and NiSb for the needles to expose the needle tips a mixture of 30 g arrmonium fluoride, dissolved in 50 ml water, with 30 ml of bromine dissolved in 50 ml of methanol is used.

1 sheet of drawings