DE19757141A1 - Array aus Diamant/wasserstoffhaltigen Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronenemittierendes Bauteil mit einer Anordnung (Array) von einer oder mehreren elektronenemittierenden Elektroden, die ein Substrat und eine Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material aufweisen. Ein derartiges Bauteil ist für eine Anwendung in Bildschirmen, zur Lichterzeugung, in Elektronenmikroskopen und für andere Anwendungsgebiete, in denen elektronen­ emittierende Elektroden eingesetzt werden, geeignet.

Beispielsweise in Flachbildschirmen wird gegenüber herkömmlichen Fernsehröhren Bautiefe dadurch eingespart, daß nicht eine einzige Elektrode für die Erzeugung vieler bzw. aller Bildpunkte verantwortlich ist, sondern eine Vielzahl von Elektroden (Emittern) nur jeweils wenige Bildpunkte erzeugt. In einigem Abstand von den elektronenemittierenden Elektroden sind ein oder mehrere Gegenelektroden angeord­ net; zwischen beiden wird beispielsweise ein elektrisches Feld angelegt, um die Elektronen mittels Feldemission aus den Elektroden zu emittieren. Der Elektronen­ strom kann durch eine Steuervorrichtung angesteuert werden. Um eine Feldemission ohne zusätzliche Heizung der elektronenemittierenden Elektroden zu erreichen, ist es notwendig, entweder sehr hohe Feldspannungen zwischen Elektroden und Gegen­ elektroden anzulegen oder die Oberfläche der elektronenemittierenden Elektroden so zu gestalten, daß die Elektronen eine niedrige Austrittsarbeit haben.

Schichten aus diamanthaltigem Material sind als elektronenemittierende Deckschich­ ten von Elektroden sehr gut geeignet, weil Diamant eine negative Elektronenaffinität hat und deshalb bereits bei niedrigen Feldstärken Elektronen emittiert. Außerdem ist Diamant chemisch inert, hart und verändert sich unter den Herstellungsbedingungen für Bildschirme nicht. Trotz dieser Vorteile des Diamant als elektronenemittierendes Elektrodenmaterial gibt es verschiedene Probleme. Diamant ist als solcher elektrisch nichtleitend. Um ihn als Material für Bildpunktelektroden verwenden zu können, kann man seine Leitfähigkeit durch Dotierung erhöhen oder man kann ihn in einer Materialkombination mit einem anderen elektrisch leitenden Material verwenden.

Aus der WO 94/28571 ist eine Feldemissionskathode bekannt, die eine Schicht aus einem leitfähigen Material enthält und eine Schicht aus einem amorphen Diamant­ film, die über dem leitfähigen Material abgeschieden ist, um Emissionsgebiete zu bilden, und in der der amorphe Diamant als ein Material mit niedriger effektiver Austrittsarbeit funktioniert. Jedes Emissionsgebiet enthält wenigstens zwei Unter­ regionen mit unterschiedlicher Elektronenaffinität. Dadurch sind jedoch die elektri­ schen Eigenschaften der Kathode gemäß WO 94/28571 diskontinuierlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronenemittierendes Bauteil mit einer Anordnung (Array) von einer oder mehreren feldemittierenden Elektroden, die ein Substrat und eine Beschichtung mit einem diamanthaltigem Material aufweisen, zur Verfügung zu stellen, dessen Elektronenemission gleichmäßig über die gesamte Elektrodenfläche verteilt ist und bei dem die Austrittsarbeit der Elektronen niedrig und konstant ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein elektronenemittierendes Bauteil mit einer Anordnung (Array) von einer oder mehreren elektronenemittierenden Elektroden, die ein Substrat und eine Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material aufweisen, wobei die Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material eine wasserstoffgesättigte Deckschicht hat.

Ein derartiges Bauteil emittiert Elektronen bei niedrigeren Spannungen als Bauteile mit Beschichtungen aus nicht mit Wasserstoff abgesättigtem Diamant. Bereits bei einer Spannung von weniger als 10 V/µm erhält man Emissionsströme von 1 nA/0.25 cm² bzw. 4 nA/cm². Das erfindungsgemäße Bauteil ist deshalb beispielsweise für Flachbildschirme geeignet, die eine Stromdichte von 0.1 A/mm² bei einer Spannung unterhalb von 25 V erfordern.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß die Beschichtung auf das Substrat aufgedruckt ist. Die Beschichtung kann durch Standard-Druckverfahren, z. B. Tintenstrahldrucken, Klischeedrucken etc. hergestellt werden und zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung aus.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß das diamanthaltige Material Diamantpartikel mit einem Durchmesser von 5 bis 100 nm enthält. Diese Schichten sind dünn und eben. Sie sind resistent gegen Verschleiß durch Ionenbombardment durch Restgasionen, weil die Beschichtung keine Emitterspitzen o. ä. aufweist, die durch das Ionenbom­ bardment abgetragen werden könnten.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von einer oder mehreren elektronenemittierenden Elektroden, bei dem ein Substrat mit einer Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material versehen wird und deren Oberfläche mit einem Wasserstoff- oder Kohlenstoff/Wasserstoff-Plasma bis zur Sättigung mit Wasserstoff zur Bildung einer wasserstoffgesättigten Deckschicht behandelt wird. Vorzugsweise wird die Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material auf ein Substrat aufgedruckt. Durch dieses Verfahren werden kostengünstig großflächige Elektrodenarrays mit einer Vielzahl von Elektroden erhalten, die ein homogenes Verhalten zeigen, d. h. bei denen die Eigenschaften von einer Elektrode zur anderen keine Abweichungen zeigt. Das Verfahren eignet sich auch besonders zur Beschichtung von temperaturempfindlichen Substraten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläutert.

Fig. 1 Elektronenemittierendes Bauteil mit einem Elektrodenarray.

Ein elektronenemittierendes Bauteil nach der Erfindung enthält eine einzelne oder ein Array von Elektroden, d. h. eine Vielzahl von gleichartigen Elektroden, die von­ einander abgeteilt oder getrennt, in einer Linie oder einer Ebene angeordnet sind und dadurch eine lineare beziehungsweise flächige Elektronenquelle bilden. Ein derartiges Array kann beispielsweise < 1 000 oder auch mehrere hunderttausend einzelne Elektroden umfassen.

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 III-V-Halbleiter, Molybdän oder Glas bestehen. Auf dem Sub­ strat ist die Beschichtung 1 aus einem diamanthaltigen Material mit einer wasser­ stoffgesättigten Deckschicht angeordnet. Das Bauteil umfaßt weiterhin Mittel zur elektrischen Kontaktierung oder zum Anlegen eines Extraktionsfeldes.

Die Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material und einer wasserstoffgesättig­ ten Deckschicht 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 diamanthaltige Material hat eine negative Elektronenaffinität, die mittels UV-Photo­ elektronenspektroskopie gemessen werden kann. Es kann zur Erniedrigung des elektrischen Widerstandes mit einem oder mehreren der Elemente Bor, Stickstoff, Phosphor, Lithium, Natrium oder Arsen dotiert sein. Bor ist als Dotiermittel bevor­ zugt.

In der wasserstoffgesättigten Deckschicht enthält das diamanthaltige Material neben sp³-gebundenem Kohlenstoff auch sp²-gebundenen Kohlenstoff, der ebenfalls zur Widerstandsreduktion beiträgt.

Zur Herstellung der Beschichtung geht man von einem feinkristallinen diamanthal­ tigen Ausgangsmaterial aus, das nach den bekannten Verfahren hergestellt wird. Das diamanthaltige Ausgangsmaterial kann z. B. mittels Mikrowellen-Plasma-CVD aus einem Gasgemisch aus einem kohlenstoffhaltigen Gas, das Wasserstoff, Sauerstoff, Halogene und/oder ein Inertgas enthält, hergestellt werden. 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 oder eine phosphororganische Verbindung, für die Dotierung mit Lithium und Natrium die entsprechenden Metalldämpfe oder lithium- bzw. natriumorganische Verbindungen und für die Arsendotierung Arsen­ chlorid oder eine arsenorganische Verbindung zugefügt. Auch ein diamanthaltiges Material, das durch Laser-Ablation von Graphit oder durch Explosionssynthese erhalten wird, ist geeignet. Es können diamanthaltige Partikel mit einer Partikel­ größe von 5 bis 100 nm verwendet werden. Bevorzugt ist die Verwendung von Partikeln mit einer Größe von < 60 nm.

Aus dem feinkristallinen diamanthaltigen Ausgangsmaterial wird eine Druckpaste hergestellt. Dazu wird das diamanthaltige Ausgangspulver in einem wässerigen oder organischen Lösungsmittel suspendiert und mit Bindemittel, Dispergiermittel, Suspensionsstabilisatoren, Verflüssiger, Druckölen u.ä. zu einer Druckpaste verar­ beitet. Die Druckpaste wird mit einer konventionellen Drucktechnik, z. B. Sieb­ druckverfahren, flexographischem Verfahren oder einem Tintenstrahldruckverfahren in einem strukturierten Elektrodenmuster auf das Substrat aufgedruckt. Ein derarti­ ges strukturiertes Elektrodenmuster kann beispielsweise aus einzelnen Streifen, einem Gittermuster oder aus einzelnen runden, rechteckigen oder quadratischen Punkten auf einer Unterelektrode bestehen. Die gedruckte Schicht wird getrocknet und gegebenenfalls eingebrannt.

Anschließend wird die so vorbereitete Beschichtung einer Wasserstoff-Behandlung unterzogen, bis die Oberfläche der Schicht wasserstoffgesättigt ist.

Diese Behandlung kann beispielsweise ein plasmaaktiviertes CVD-Verfahren sein und in einer PECVD-Apparatur durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit ist es, die Wasserstoffbehandlung in einem thermischen CVD-Prozeß durchzuführen, z. B. in einem Heißdraht-CVD-Reaktor.

Ausführungsbeispiel

In einem ersten Verfahrensschritt wurden feine diamanthaltige Partikel in einem organischen Lösungsmittel mit einem hochvakuumfesten Harz als Bindemittel zu einer Suspension verrührt. In einem zweiten Schritt wird die Suspension auf eine Metalloberfläche gedruckt und anschließend bei 80°C getrocknet. Anschließend erfolgt eine Wasserstoff-Plasmabehandlung in einem Mikrowellenreaktor bei 4 kW Leistung, 200 mbar Druck und einer Temperatur von 600°C.

In einer Diodenanordnung, in der das so hergestellte Elektrodenarray als Kathode geschaltet wird, kann die Strom-Spannungskurve gemessen und die Emission mit Hilfe einer Lumineszenzschicht flächig beobachtet werden.

Die Strom-Spannungskurve dieser Anordnung wurde gemessen. Bei einer Spannung von 6 V/µm wurde ein Emissionsstrom von 4 nA/cm² erreicht.

Claims (5)

1. Elektronenemittierendes Bauteil mit einer Anordnung (Array) von einer oder mehreren elektronenemittierenden Elektroden, die ein Substrat und eine Beschich­ tung mit einem diamanthaltigen Material aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material eine wasserstoffgesättigte Deckschicht hat.

2. Elektronenemittierendes Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf das Substrat aufgedruckt ist.

3. Elektronenemittierendes Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diamanthaltige Material Diamantpartikel mit einem Durchmesser von 5 bis 100 nm enthält.

4. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von einer oder mehreren elektronen­ emittierenden Elektroden, bei dem ein Substrat mit einer Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material versehen wird und deren Oberfläche mit einem Wasser­ stoff- oder Kohlenstoff/Wasserstoff-Plasma bis zur Sättigung mit Wasserstoff zur Bildung einer wasserstoffgesättigten Deckschicht behandelt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit einer Beschichtung mit einem diamanthaltigen Material bedruckt wird.