DE19727606A1

DE19727606A1 - Elektronenemitter mit nanokristallinem Diamant

Info

Publication number: DE19727606A1
Application number: DE19727606A
Authority: DE
Inventors: Klaus Peter Dr Ing Bachmann; Detlef Dipl Phys Wiechert; Klaus Dr Rademacher; Howard Wilson
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 1999-01-07
Also published as: EP0922292A1; US6084340A; WO1999000816A1; JP2001500312A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronenemittierendes Bauteil mit einer feldemittieren den Kaltkathode aus einem Substrat und einer Deckschicht mit einem diamanthalti gem Material. Ein derartiges Bauteil ist geeignet für eine Anwendung in flachen Bildschirmen, zur Lichterzeugung, in Elektronenmikroskopen und für andere Anwendungsgebiete, bei denen Kaltkathoden eingesetzt werden.

Ein Bauteil der erfindungsgemäßen Art enthält im allgemeinen neben der Kaltkatho de eine Anode, die in einigem Abstand von der Kaltkathode angeordnet ist. Zwi schen Anode und Kathode wird ein elektrisches Feld angelegt, um die Elektronen von der Kathodenoberfläche zu emittieren. Der Elektronenstrom kann durch eine Steuervorrichtung angesteuert werden. Um eine Kaltemission, also eine Elektronen emission ohne Heizung der Kathode, zu erreichen, ist es notwendig, entweder sehr hohe Feldspannungen zwischen Anode und Kathode anzulegen oder die Oberfläche der Kaltkathode so auszugestalten, daß die Elektronen eine niedrige Austrittsarbeit (work function) haben.

Schichten aus diamanthaltigem Material sind als elektronenemittierende Deckschich ten von Kaltkathoden sehr gut geeignet, weil sie eine niedrige Austrittsarbeit haben und die Energie der austretenden Elektronen wenig streut. Außerdem hat Diamant eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, chemische Inertheit und Verschleißfestig keit.

Aus der EP-A-0 709 869 ist ein Diamant-Feldemitter zur Emittierung von Elektro nen bei niedrigen Spannungen bekannt, der ein Substrat und abgeschieden auf diesem Substrat ein diamanthaltiges Material umfaßt, daß durch eine Linie im Ramanspektrum für Diamant bei 1332 cm^-1 gekennzeichnet ist, die zu einer Halbwertsbreite von 5-15 cm^-1 verbreitert ist, wobei dieses diamanthaltige Material Elektronen in einer Stromdichte von mindestens 0,1 mA/mm² in einem Feld von 25 V/µm oder weniger emittiert; und weiterhin Mittel zur elektrischen Kontaktierung dieses Feldemitters. Das diamanthaltige Material besteht aus "Diamantinseln" mit einer Korngröße von weniger als 10 µm Durchmesser, die vorzugsweise scharfe Diamantenspitzen oder Facetten haben.

Bei dieser Oberflächenmorphologie erfolgt die Elektronenemission bevorzugt aus den Spitzen der betreffenden Diamantinseln. Die Homogenität der Elektronenemis sion aus solchen Schichten ist deshalb nicht gleichmäßig.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronenemittierendes Bauteil zu schaffen, das sich durch eine gleichmäßige kalte, feldinduzierte Elektro nenemission bei niedriger Extraktionsfeldstärke auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein elektronenemittierendes Bauteil mit einer Kaltkathode aus einem Substrat und einer Deckschicht mit einem diamant haltigem Material, das aus nanokristallinem Diamant mit einem Ramanspektrum mit drei Linien bei K=1334 ±4 cm^-1 mit einer Halbwertsbreite von 12 ±6 cm^-1, bei K=1140 ±20 cm^-1 und bei K=1470 ±20 cm^-1 besteht. Eine Kaltkathode mit einer Deckschicht aus einem derartigen diamanthaltigen Material aus nanokristallinem Diamant zeigt eine niedrige Extraktionsfeldstärke, eine stabile Emission bei Drücken von weniger als 10^-4 mbar, einen steilen Verlauf der Strom-Spannung-Charakteristik und stabile Emissionsströme von mehr als 1 Mikroampere/mm². Die Elektronenemis sion ist langzeitstabil und die Intensität des Elektronenstrahls über seinen Querschnitt konstant.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß die Deckschicht eine Schichtdicke von 5 nm bis 700 nm und eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von 5 nm bis 500 nm hat.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch bevorzugt, daß das diamanthal tige Material eine Dotierung aus Bor, Stickstoff, Phosphor, Lithium, Natrium oder Arsen enthält, um den elektrischen Widerstand des Materials zu erniedrigen.

Es ist bevorzugt, daß die Dotierung in dem diamanthaltigen Material in einer Konzentration von 5 ppm bis 5000 ppm enthalten ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter erläutert.

Fig. 1 Elektronenemittierendes Bauteil mit einer Kaltkathode,

Fig. 2 Ramanspektrum des nanokristallinen Diamants gemäß Ausführungsbeispiel 1,

Fig. 3 Ramanspektrum des nanokristallinen Diamants gemäß Ausführungsbeispiel 2,

Fig. 4 Röntgenbeugungsspektrum des nanokristallinen Diamanten gemäß Ausfüh rungsbeispiel 1.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einem Substrat 2, das vorzugsweise aus dotierten Siliziumschichten besteht. Das Substrat kann alternativ auch aus ande ren Materialien wie II-V-Halbleiter, Molybdän oder Glas bestehen. Auf dem Sub strat ist die Deckschicht 1 mit einem diamanthaltigen Material angeordnet. Das Bauteil umfaßt weiterhin Mittel zur elektrischen Kontaktierung und zum Anlegen der Extraktionsfeldstärke.

Die Deckschicht mit einem diamanthaltigen Material hat üblicherweise eine nominale, mittels Ellipsometrie gemessene Schichtdicke von 5 nm bis 700 nm. Die durch differentielle Lichtstreuung oder mechanisches Abtasten der Schichten gemessene mittlere Rauhigkeit (rms) beträgt 5 nm bis 500 nm.

Das Ramanspektrum des erfindungsgemäßen diamanthaltigen Materials enthält die für das Auftreten von Diamant typische Ramanlinie bei 1334 cm^-1 ± die mit einer Halbwertsbreite von 12 ±6 cm^-1 gegenüber der an einem Diamanteinkristall gemessenen Linienbreite von 2 bis 3 cm^-1 deutlich verbreitert ist. Daneben zeigt das diamanthaltige Material zwei weitere charakteristische Linien im Ramanspektrum bei 1140 ±20 cm^-1 und 1470 ±20 cm^-1, die korngrößenabhängig sind.

Die Deckschicht mit dem diamanthaltigem Material ist dünn, sehr feinkristallin, glatt. Sie enthält eine nanokristalline Diamantphase mit dem oben genannten Raman spektrum als Elektronenemitter und gegebenenfalls weitere Kohlenstoffphasen.

Das diamanthaltige Material hat eine negative Elektronenaffinität. Es kann zur Erniedrigung des elektrischen Widerstandes und damit zur Erniedrigung der Extrak tionsfeldstärke mit einem oder mehreren der Elemente Bor, Stickstoff, Phosphor, Lithium, Natrium oder Arsen dotiert sein. Bor ist als Dotiermittel bevorzugt.

Die Deckschicht mit einem diamanthaltigen Material wird mittels Mikro wellen-Plasma-CVD aus einem Gasgemisch aus einem kohlenstoffhaltigen Gas, das Wasserstoff, Sauerstoff, Halogene und/oder ein Inertgas enthält, hergestellt. Zur Abscheidung von dotierten nanokristallinen Diamantschichten wird der Gasphase für die Bordotierung Borchlorid oder Diboran, für die Stickstoffdotierung Stickstoff oder Ammoniak, für die Phosphordotierung Phosphorchlorid, für die Dotierung mit Lithium und Natrium die entsprechenden Metalldämpfe und für die Arsendotierung Arsenchlorid zugefügt.

Ausführungsbeispiel 1

In einem Mikrowellenplasma-CVD-Reaktor wird bei einer Mikrowellenleistung von 3.8 kW und bei einem Druck von 180 mbar in einem Gasgemisch aus Wasserstoff mit 1% Methan mit einem Gesamtgasfluß von 500 sccm eine Gasentladung gezündet. Die Abscheidung erfolgt auf einem Substrat aus n-dotiertem Silizium (Widerstand <100 Ω cm) bei einer Substrattemperatur von 550-600°C. Nach einer Beschichtungsdauer von 12 min ist die Schicht aus nanokristallinem Diamant 150 nm stark. Das Ramanspektrum dieser Schicht zeigt Fig. 2.

Ausführungsbeispiel 2

In einem Mikrowellenplasma-CVD-Reaktor wird bei einer Mikrowellenleistung von 0.8 kW und bei einem Druck von 16 mbar in einem Gasgemisch aus 17.3 sccm O₂ und 23.1 sccm Aceton eine Gasentladung gezündet. Die Abscheidung erfolgt auf einem Substrat aus p-dotiertem Silizium (Widerstand <100 Ω cm) bei einer Substrattemperatur von 780°C. Nach einer Beschichtungsdauer von 16 h ist die Schicht aus nanokristallinem Diamant 3 µ stark. Das Ramanspektrum dieser Schicht zeigt Fig. 3.

Charakterisierung

Das Material aus nanokristallinem Diamant wird durch sein Ramanspektrum zusam men mit dem Röntgenbeugungsspektrum charakterisiert. Die Identifikation der Spektrallinien im Ramanspektrum wird durch die mathematische Entfaltung des Spektrums mit Hilfe eines Peak-Analyse-Computerprogramms unterstützt. Fig. 2. und Fig. 3 zeigen die entsprechende Zerlegung des Meßspektrums mit der Lage der betreffenden Linien, ihrer Linienbreite und Intensität sowie das Verhältnis ihrer Intensitäten relativ zueinander.

Fig. 4 zeigt das charakteristische Röntgenbeugungsspektrum (Cu Kα₁) der Schichten gemäß Ausführungsbeispiel 1 und 2. Die Diffraktionslinien von Diamant sind deutlich zu erkennen und mit den entsprechenden Gitterindices markiert.

Claims

1. Elektronenemittierendes Bauteil mit einer Kaltkathode aus einem Substrat und einer Deckschicht mit einem diamanthaltigen Material dadurch gekennzeichnet, daß das diamanthaltige Material aus nanokristallinem Diamant mit einem Raman spektrum mit drei Linien bei K=1334 ±4 cm^-1 mit einer Halbwertsbreite von 12 ±6 cm^-1, bei K=1140 ±20 cm^-1 und bei K=1470 ±20 cm^-1 besteht.

2. Elektronenemittierendes Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht eine Schichtdicke von 5 nm bis 700 nm und eine mittlere Ober flächenrauhigkeit von 5 nm bis 500 nm hat.

3. Elektronenemittierendes Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diamanthaltige Material eine Dotierung aus Bor, Stickstoff, Phosphor, Lithium, Natrium oder Arsen enthält.

4. Elektronenemittierendes Bauteil gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in dem diamanthaltigen Material in einer Konzentration von 5 ppm bis 5000 ppm enthalten ist.