DE19802779A1 - Elektronenemittervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenemittervorrichtung mit einem Elektronenemitter und einer Gate-Elektrode, welche oberhalb des Emitters angeordnet ist und einen Bereich definiert, durch welchen Elektronen von der Vorrichtung emittiert werden.

Es sind verschiedene Arten von Elektronenemittervorrichtungen bekannt, welche beispielsweise mikroskopische Diskontinuitäten aufweisen, wie beispielsweise Spikes oder Keile, oder welche aus einem Material mit niedriger oder negativer Elektronenaffinität bestehen. Ein Weg der Steuerung der Erzeugung der Elektronen bei einer Elektronenemittervorrichtung erfolgt mittels einer Gate-Elektrode in einer Trioden­ konfiguration. Wird an die Gate-Elektrode ein negatives Potential angelegt, wird hierdurch die Emission der Elektronen von der Vorrichtung vermindert oder verhindert. Die Gate-Elektrode ermöglicht eine genaue und schnelle Steuerung der Elektronenerzeugung.

Die Gate-Elektrode kann jedoch ein Problem darstellen, in dem allgemein ausgedrückt ein parasitärer Stromfluß vom Emitter zum Gate auftreten kann, welches den Anodenstromfluß der Vorrichtung reduziert. Dieser Emitter-Gate-Stromfluß kann in ernsten Fällen zu einem Ausfall der Vorrichtung führen. Elektronenemitter werden in zahlreichen Anwendungsfällen verwendet, wie beispielsweise bei Anzeigevorrichtungen. In einigen dieser Anwendungsfälle ist es wünschenswert, daß die Elektronen auf ein eng begrenztes Target fokussiert werden, um die Punktgröße zu reduzieren und um die Elektronendichte zu erhöhen. Bis jetzt war es nicht einfach, einen fokussierten Strahl der Elektronen vom Elektronenemitter zu erzielen.

Es besteht die Aufgabe, die Elektronenemittervorrichtung so auszubilden, daß auf einfache Weise ein fokussierter Elektronenstrahl erhalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Im Bereich der Gate-Elektrode ist ein Magnetbauteil vorgesehen, durch welches erreicht wird, daß die Elektronen auf einen zentralen Teil des Bereichs begrenzt werden.

Die Gate-Elektrode ist bevorzugt oberhalb des Magnetbauteils angeordnet, welches bevorzugt aus einer Schicht eines magnetischen Materials besteht, das eine Ausnehmung aufweist, welche mit dem Bereich fluchtet, welcher durch die Gate-Elektrode definiert ist. Die Emittervorrichtung kann ein Substrat mit einer Schicht eines Isoliermaterials umfassen, wobei das Substrat den Elektronenemitter und die Schicht aus Isoliermaterial die Schicht des Magnetmaterials trägt. Die Schicht des Magnetmaterials trägt bevorzugt die Gate-Elektrode. Die Emittervorrichtung umfaßt bevorzugt ein Substrat, welches den Elektronenemitter trägt. Die Gate-Elektrode und das Magnetbauteil werden beide durch entsprechende Schichten gebildet, wobei die Gate-Elektrodenschicht und die Magnetschicht beim Substrat übereinander angeordnet sind. Die Schicht aus Magnetmaterial kann durch Niederschlag gebildet werden, wie beispielsweise durch Magnetronionenbedampfen. Die Emittervorrichtung kann eine Vielzahl von Elektronenemittern umfassen und die Magnetschicht kann eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweisen, welche jeweils mit einem Elektronenemitter fluchten. Der oder jeder Emitter kann eine Spindt-Spitzenstruktur aufweisen oder kann alternativ dazu eine Diamantoberfläche besitzen.

Die Elektronenemittervorrichtung kann bevorzugt bei Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden. Die Anzeigevorrichtung kann eine Schicht aus fluoreszierendem Material aufweisen, welche oberhalb der Elektronenemittervorrichtung angeordnet ist, so daß die von der Vorrichtung emittierten Elektronen bei der Fluoreszenzschicht die Aussendung optischer Strahlung bewirkt.

Eine Anzeigevorrichtung, welche eine Elektronenemittervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt, wird nachfolgend anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil der Anzeigevorrichtung in Explosionsdarstellung;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Elektronenemitter der Anzeigevorrichtung;

Fig. 3 einen Seitenschnitt eines Teils des Elektronenemitters der Fig. 2 mit einer Darstellung der Magnetflußlinien und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Emitters.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 weist die Anzeigevorrichtung ein Emitterbauteil 1 auf, welches verschiedene Emitterbereiche 2 umfaßt, von denen lediglich einer in der Zeichnung gezeigt ist. Die Anzeigevorrichtung umfaßt weiterhin ein Anodenbauteil 3 in Form einer transparenten Platte 4, welche an ihrer unteren Oberfläche eine transparente Anodenelektrode 5 trägt. Auf der unteren Oberfläche der Anode 5 ist in diskreten Bereichen 7 eine Phosphorschicht 6 aufgebracht, welche oberhalb eines der entsprechenden Emitterbereiche 2 angeordnet ist. Das Emitterbauteil 1 und das Anodenbauteil 3 sind an ihren äußeren Rändern miteinander versiegelt und der Raum zwischen den beiden Bauteilen ist auf niedrigen Druck evakuiert. Auf diese Weise werden von jedem Emitterbereich emittierte Elektronen direkt auf den darüber angeordneten entsprechenden Phosphorbereich 7 auftreffen und bei diesem Bereich eine Fluoreszenz zur Erzeugung optischer Strahlung bewirken. Das vom Phosphorbereich 7 erzeugte Licht durchdringt die Platte 4. Durch entsprechendes Adressieren der Anode und verschiedener Emitterbereiche kann irgendein gewünschtes Bildmuster erzeugt werden, welches mehrfarbig sein kann, falls die Phosphorbereiche 7 so gewählt sind, daß sie bei verschiedenen Farben fluoreszieren. So weit beschrieben, ist die Anzeigevorrichtung konventionell.

Der Emitterbereich 2 weist einen neuartigen Aufbau auf und umfaßt verschiedene Emittervorrichtungen 20, wie sie im einzelnen in Fig. 2 gezeigt sind. Jede Emittervorrichtung 20 ist eine mehrschichtige Vorrichtung, welche auf einem gemeinsamen Substrat 21, beispielsweise aus Silicium, gebildet sind, welches eine Metallschicht 22 trägt, welche als Kontaktstreifen angeordnet sind, durch welche eine elektrische Verbindung zu den Emitterbauteilen hergestellt werden kann. Bevorzugt bestehen die Metallschichtkontaktstreifen 22 aus Molybdän. An der Oberseite der Metallschicht 22 ist eine elektrisch isolierende Schicht 23, beispielsweise aus Silica angeordnet.

Die Isolierschicht 23 trägt eine Schicht 24 aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise aus einer Barium-Ferrit-Zusammensetzung, deren Zweck später beschrieben wird. Die Magnetschicht 24 wird auf der Isolierschicht 23 durch Magnetronionenzerstäubung aufgebracht. Die gemeinsame Dicke der Isolierschicht 23 und der Magnetschicht 24 beträgt typischerweise etwa 1 µm.

Die obere Schicht der Emittervorrichtung 2 wird gebildet durch eine Metallgate- Elektrodenschicht 25. Durch die Gate-Elektrodenschicht 25, die Magnetschicht 24 und die Isolierschicht 23 erstreckt sich eine Ausnehmung 30 bis zur oberen Oberfläche der unteren Metallschicht 22.

Jede Emittervorrichtung 20 umfaßt eine elektronenemittierende Struktur 31 innerhalb der Ausnehmung 30. Dieser Elektronenemitter 31 kann verschiedene Formen aufweisen und besteht im vorliegenden Beispiel aus einer Spindt-Spitzenstruktur, bestehend aus einem konischen Spike 32 von etwa 1 µm Höhe. Der Spike 32 kann aus Metall, einem Halbleiter oder einem Isoliermaterial bestehen. Der Spike 32 kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Ein Weg besteht darin, eine (nicht gezeigte) Opferschicht aus Aluminium auf der Gate-Elektrodenschicht 25 niederzuschlagen, welche ein Loch durch diese Aluminiumschicht in die Ausnehmung 30 freiläßt. Material, wie beispielsweise Silicium oder ein Metall wird sodann durch Elektronenstrahlzerstäubung von einem Target unter einem Winkel von etwa 70° zur Substratoberfläche durch die Löcher in die Ausnehmungen 30 aufgedampft, um den konischen Spike aufzubauen. Der Spike wird sodann mit einer Schicht 33 eines polykristallinen Diamanten überzogen, der beispielsweise mit Bor dotiert ist, um einen p-Leitfähigkeitstype zu erhalten oder mit Phosphor, um einen n-Leitfähigkeitstype zu erhalten. Dieses Beschichten kann ausgeführt werden durch Ionenzerstäubung oder durch Excimerlaser-Ablatation eines dotierten Diamanttargets unter Verwendung der Winkelniederschlagsmethode. Das Targetmaterial ist bevorzugt mit Bor oder Phosphor durch Niederenergieimplantation bei Flüssigstickstofftemperaturen dotiert zu Diamantfilm hoher Qualität, welcher bei 1000°C für zehn Minuten in einer Formiergasatmosphäre rasch thermisch gekühlt wurde. Alternativ dazu kann das Diamanttarget in situ während eines Wachsens durch chemischen Dampfniederschlag unter Verwendung von Diborwasserstoff- oder Phosphingasen oder festen Dopant dotiert werden. Das Diamantbeschichtungsverfahren für den Spike 32 wird bevorzugt in Wasserstoffatmosphäre bei etwa 30 torr oder weniger ausgeführt, bei einer Substratstruktur bei einer erhöhten Temperatur von etwa 500-550°C. Eine Gleichstromspannung wird bevorzugt an den Spike 32 angelegt, um den Beschichtungsprozeß zu verstärken. Nachdem die Diamantschicht 33 niedergeschlagen wurde, wird die Opferaluminiumschicht abgehoben.

Die beschichtete Emitterstruktur 31 fluchtet zentral mit einer kreisförmigen Ausnehmung 35 in der Gate-Elektrodenschicht 25 und einer gleichen Ausnehmung in der Magnetschicht 24, wobei die Spitze des beschichteten Spikes 32 etwa näherungsweise in Höhe der Verbindungslinie zwischen der Gate-Elektrode und der Magnetschicht verläuft.

Das Verfahren, durch welche die Magnetschicht 25 aufgebracht wird, stellt sicher, daß sie wie eine Permanentmagnet wirkt mit einer Polarisationsachse senkrecht zur Ebene der Schicht. Auf diese Weise sind die Magnetflußlinien im Bereich der Ausnehmung 36 von der äußeren Oberfläche der Magnetschicht 25 nach außen gerichtet und werden dann nach innen durch die Ausnehmung 36 abgelenkt, wie in Fig. 3 gezeigt. Dies ergibt einen ringförmigen Bereich der Magnetflußlinien koaxial zur Ausnehmung, welcher die durch den Emitter erzeugten Elektronen auf den Zentralbereich der Ausnehmung 35 der Gate- Elektrode 23 begrenzt bzw. bündelt, wo sie nicht die Magnetflußlinien zu kreuzen haben. Die Begrenzung bzw. Bündelung des Elektronenstroms auf das Zentrum der Ausnehmung 35 ergibt zwei Vorteile. Es erhöht die Kollimation der von jeder Vorrichtung emittierten Elektronen, womit die Punktgröße des Elektronenstrahls in der Phosphorschicht 6 vermindert wird und verbessert die Symmetrie des Strahls. Da die Elektronen von der Kante der Ausnehmung 35 in der Gate-Elektrode 25 fern gehalten werden, wird der parasitäre Strom vom Emitter zum Gate vermindert. Dies erhöht der die Phosphorschicht 6 erreichende Anodenstrom.

Die Erfindung ist nützlich sowohl für Vorrichtungen, welche bei niederer Anodenspannung betrieben werden als auch für Vorrichtungen mit hohem Anodenstrom, wobei der Betrieb bei niedrigeren Schaltspannungen ermöglicht wird. Die niedrigeren Schaltspannungen ermöglichen die Verminderung der Schaltfelder auf weniger als etwa 1 V/µm, wodurch die Gefahr von Lichtbogenschäden vermindert wird. Die höheren Stromdichten können gleichmäßiger über die Emittervorrichtungen in einer Anzeigevorrichtung verteilt werden. Die Verwendung von dotiertem Diamant begrenzt die Effekte der Oberflächenzustände der Dichteeigenschaften des Diamants und ergibt einen erhöhten Widerstand gegenüber Kontaminationen.

Es ist nicht wesentlich, daß der Elektronenemitter ein Spike oder eine andere Diskontinuität ist. Der Emitter kann auch gebildet werden durch eine Fläche mit niedriger oder negativer Elektronenaffinität, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Vorrichtung weisen gleiche Komponenten wie in Fig. 2 gleiche Bezugszahl auf; sind jedoch mit einem Strich versehen. Der Elektronenemitter wird gebildet durch eine Schicht 60' eines Diamantmaterials auf der Metallkontaktschicht 22', die die Ausnehmung 30' in der Isolierschicht 23' ausfüllt. Die Oberfläche 61 der Diamantschicht ist flach und verläuft auf der Höhe der oberen Oberfläche der Isolierschicht 23. Das Diamantmaterial ist ein durch chemischen Dampfniederschlag erzeugter Diamant und die Schicht 60' wird niedergeschlagen durch das mit starker Vorspannung betriebenen Wachstumsverfahren auf der Molybdänschicht 22' bei 850-950°C in einer Wasserstoff- Methanatmosphäre, welche bis etwa 12% Methan enthält. Der niedergeschlagene Film erzeugt ein feinkörniges, hochqualitatives Material, welches Mikrokristalleigenschaften besitzt, welche eine verstärkte Elektronenemission ergeben. Die Leitfähigkeit der Schicht 60' wird durch selektive Ionenimplantation mit Bor- oder Phosphorunreinheiten verbessert. Die substitutionellen Unreinheiten werden durch Excimerlasererhitzen bei 194 nm aktiviert.

Es ist anzumerken, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung bei Anzeigevorrichtungen beschränkt ist sondern auch bei weiteren Anwendungsfällen verwendet werden kann, wo ein Elektronenemitter verwendet wird. Die verwendete Magnetvorrichtung zur Fokussierung des Elektronenstrahls muß nicht notwendigerweise eine Schicht über die gesamte Oberfläche des Emitterbauteils sein, sondern kann beispielsweise die Form von getrennten Magneten um jeden einzelnen Emitter aufweisen. Die Magnetvorrichtung ist bevorzugt unterhalb der Gate-Elektrode angeordnet, womit sich eine Verbesserung der Bündelung der Elektronen durch die Magnetflußlinien auf einen zentralen Teil der Gate-Elektronenausnehmung ergibt, jedoch kann die Magnetschicht auch oberhalb der Gate-Elektrode angeordnet sein.

Claims (14)

1. Elektronenemittervorrichtung mit einem Elektronenemitter (20) und einer Gate- Elektrode (25, 25'), welche oberhalb des Emitters angeordnet ist und einen Bereich definiert, bei welchem Elektronen von der Vorrichtung emittiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittervorrichtung eine Magnetvorrichtung (24, 24') umfaßt, die im Bereich der Gate-Elektrode (25, 25') angeordnet ist und die Magnetvorrichtung (24, 24') dazu dient, die Begrenzung der Elektronen auf einen zentralen Teil des Bereichs zu erhöhen.

2. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (25, 25') oberhalb der Magnetvorrichtung (24, 24') angeordnet ist.

3. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung durch eine Schicht (24, 24') eines magnetischen Materials gebildet wird, welche eine Ausnehmung (35) aufweist, welche mit dem durch die Gate-Elektrode (25, 25') definierten Bereich fluchtet.

4. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 3 welche ein Substrat (21, 21') mit einer Schicht (23, 23') aus Isoliermaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21, 21') den Elektronenemitter (20) trägt und daß die Schicht (23, 23') aus Isoliermaterial die Schicht (24, 24') des magnetischen Materials trägt.

5. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24, 24') aus magnetischem Material die Gate- Elektrode (25, 25') trägt.

6. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Substrat (21, 21') umfaßt, welches den Elektronenemitter (20) trägt, daß die Gate-Elektrode (25, 25') und die Magnetvorrichtung (24, 24') beide durch entsprechende Schichten gebildet werden und daß die Gate-Elektro­ denschicht und die Magnetschicht übereinander vom Substrat (21, 21') getragen werden.

7. Elektronenemitterbauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24, 24') aus magnetischem Material durch einen Niederschlag gebildet wird.

8. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24, 24') aus magnetischem Material durch eine Magnetronionenbedampfschicht gebildet wird.

9. Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Elektronenemittern (20) umfaßt.

10. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetschicht (24, 24') eine Vielzahl von Ausnehmungen (35) aufweist, die jeweils mit einem Elektronenemitter (20) fluchten.

11. Elektronenemitterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Emitter (20) eine Spindt-Spitzenstruktur (32) aufweist.

12. Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (20, 60') eine Diamantoberfläche (33, 61') aufweist.

13. Elektronenemittervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer Anzeigevorrichtung ist.

14. Elektronenemittervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß über ihr eine Schicht (6) eines fluoreszierenden Materials angeordnet ist, bei welcher die von der Vorrichtung emittierten Elektronen die Aussendung einer optischen Strahlung bewirken.