DE60128063T2

DE60128063T2 - Elektronengenerierende kathode und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60128063T2
Application number: DE60128063T
Authority: DE
Inventors: Pierre Legagneux; Didier Pribat; Dominique Dieumegard
Original assignee: Thales Electron Devices SA
Current assignee: Thales Electron Devices SA
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: DE60128063D1; FR2803944B1; EP1249028A1; WO2001052296A1; FR2803944A1; EP1249028B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronen erzeugende Kathode sowie auf eine Elektronen erzeugende Vorrichtung. Sie betrifft auch ein Herstellungsverfahren dieser Kathode.
Es ist bekannt, dass manche Materialien, insbesondere Materialien auf der Basis von Kohlenstoff, eine Elektronenemission durch Anlegen eines schwachen Felds von höchstens einigen zehn Volt pro Mikrometer erlauben.
Obwohl der Ursprung dieser Emissionen nicht klar feststeht, wird allgemein angenommen, dass die Emission von Stellen kommt, die aus sehr kleinen Zonen bestehen, deren größte Abmessung in der Emissionsfläche zwischen einigen Nanometern bis etwa 100 nm liegt, wobei jede Stelle einem abrupten Übergang zwischen einem Material mit starker elektronischer Affinität und einem Material mit schwacher elektronischer Affinität entsprechen kann.
Es wird hier daran erinnert, dass die elektronische Affinität eines Materials eine Größe ist, die die Möglichkeit der Elektronenemission ausgehend von der Oberfläche des Materials kennzeichnet. Für Materialien auf der Basis von Kohlenstoff liegen die Übergänge zwischen Materialien mit schwacher und starker elektronischer Affinität zwischen einer Phase spe und einer Phase sp³.
Diese Übergänge können ebenfalls Übergängen zwischen einer leitenden Phase und einer isolierenden Phase entsprechen; im Fall eines Materials auf der Basis von Kohlenstoff ist die Phase spe leitend und die Phase sp³ ist isolierend.
Gemäß einem ersten Modell (Gröning et al. Applied Physics letters 71,2253, 1997) wären die Stellen leitende sp²-Kanäle einer Größe von 10 bis 100 nm in einer isolierenden sp³-Matrix, und die Elektronenemission käme von einer Spitzenwirkung. Gemäß einem zweiten Modell (J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) entspräche eine emittierende Stelle einer Veränderung an der Oberfläche, lokalisiert über eine Strecke von etwa 10 nm, der elektronischen Affinität. Gemäß einem dritten Modell (M.W. Geis et al. Nature, 393, 431, 1998) hat im Diamant die Elektronenemission ihren Ursprung in Dreifachverbindungen Metall/Diamant/Vakuum.
Um die Elektronenemission zu erhöhen, versucht man also, die Dichte von Emissionsstellen zu vergrößern. Bis heute liefern die besten Ergebnisse Stellendichten in der Größenordnung von 10⁶/cm², d. h. 10^–2/μm². Diese Werte sind zu gering, um ausreichende Emissionsstromdichten zu erhalten, die mindestens gleich 0,1 A/cm² sind. Außerdem ist die Anordnung der emittierenden Stellen nicht vorhersehbar, was bei praktischen Anwendungen einen Nachteil darstellen kann.
W. Zhu et al. (Appl. Phys. Lett. 75, p. 873, 1999) ist es aber gelungen, Kathoden aus Kohlenstoff in Form von Nanoröhren mit einer Dichte von emittierenden Stellen in der Größenordnung von 10⁷/cm² herzustellen, wobei die erhaltene Stromdichte in der Größenordnung von 0,5 A/cm² lag; dieser Wert ist aber noch zu gering, damit dieses Material in der Praxis verwendet werden kann.
Das Herstellungsverfahren einer Elektronen emittierenden Kathode, wie es in der Druckschrift WO 96 25753 beschrieben ist, verwendet eine beliebige Elektrodenfläche, in der geometrische Unregelmäßigkeiten geformt werden. Es sind diese Unregelmäßigkeiten, die die Elektronen emittieren.
Dieses Verfahren wird durch die Dichte von Unregelmäßigkeiten begrenzt, die man erhalten kann, und ermöglicht es nicht, große Stromdichten zu erhalten, die von der Kathode emittiert werden.
Die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 31 beseitigt diese Nachteile. Sie ermöglicht es, Dichten von Emissionsstellen in der Größenordnung von 10¹²/cm² zu erreichen und somit die Stromdichten um mehrere Größenordnungen zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Kathode ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schicht oder ein Substrat aus einem isolierenden oder eine schwache elektronische Affinität aufweisenden Material und künstlich erzeugte Elektronen emittierende Stellen aufweist, wobei diese Stellen vorzugsweise eine vorbestimmte Dichte zwischen 10⁸ und 10¹³/cm² aufweisen. Diese Stellen werden ausgehend von eine starke elektronische Affinität aufweisenden und/oder leitenden Zonen erzeugt. Man glaubt (ohne dass die Erfindung auf diese Interpretation beschränkt wäre), dass die Elektronenemission (die Stellen) beim Übergang zwischen den eine starke elektronische Affinität aufweisenden und/oder leitenden Zonen und der leitenden Schicht oder dem leitenden Substrat mit schwacher elektronischer Affinität erfolgt. So würden die emittierenden Stellen vom Übergang zwischen den Zonen und dem Rest der Schicht oder des Substrats gebildet. Nachfolgend werden aber zur Vereinfachung manchmal die Stellen und die Zonen in gleicher Weise bezeichnet.
So entfernt sich die Erfindung von den bisher untersuchten Wegen, die darin bestanden, auf natürliche Weise durch die Wahl des Materials höhere Dichten von emittierenden Stellen zu erhalten. Die Erfindung ermöglicht es, das Material aus einer großen Reihe von Materialien auszuwählen, Allgemein genügt es, dass das Material, in dem man künstlich erzeugte emittierende Stellen vorsieht, isolierend ist oder eine schwache elektronische Affinität aufweist.
Außer dem zusätzlichen Freiheitsgrad, den die Wahl des Materials bietet, ermöglicht die Erfindung höhere Stellendichten.
Außerdem ermöglicht die Erfindung es in manchen Fällen, die Orte der künstlich erzeugten Stellen zu steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind nämlich die künstlich erzeugten Orte vordefiniert.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Materialien, in denen künstliche emittierende Stellen erzeugt werden, aus der Gruppe ausgewählt, die aufweist: den monokristallinen oder polykristallinen Diamant, Kohlenstoff mit einer Struktur analog zu derjenigen des Diamanten (DLC, diamond like carbon), ein Material mit schwacher elektronischer Affinität auf der Basis von Kohlenstoff, wie ta-C, ta-C:N, ein sehr schwach leitendes amorphes Material wie a-Si, a-C:H: oder a-SiC, oder ein Material mit großem Bandabstand wie Aluminiumnitrid, AlN, oder Galliumnitrid, GaN, und ein isolierendes Material wie Magnesiumoxid MgO und Titanoxid TiO₂.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäße Kathode.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Stellen entweder durch lokale Veränderung der Leiteigenschaften eines isolierenden Materials oder durch lokale Veränderungen der elektronischen Affinität hergestellt werden, wenn man ein Material mit schwacher elektronischer Affinität verwendet. Das Verfahren erfordert keine geometrische Veränderung der Oberfläche der Kathode, die lokal im Wesentlichen eben bleibt. Im Gegensatz zu anderen Ausführungen, die als emittierende Stelle Winkelzonen, insbesondere Spitzen oder scharfe Kanten, verwenden, ist die Lokalisierung der Stellen unabhängig von der Geometrie der Oberfläche der Kathode. Es ist möglich, mathematisch eine Fläche, hier diejenige der Kathode, lokal im Wesentlichen eben zu definieren. Es handelt sich um eine im Wesentlichen durchgehende Fläche, die keine Ableitungsunterbrechung im Maßstab von mindestens einigen Nanometern hat.
Gemäß einer Ausführungsform wird die lokale Veränderung durch Oberflächenbestrahlung von Zonen von vordefinierten Orten mit einem Elektronenstrahl mit einem Querschnitt zwischen 1 und 100 nm erhalten.
Vorteilhafterweise wird der Elektronenstrahl in einem Vakuumraum hergestellt, in dem ein Druck von dem Typ herrscht, der allgemein in den Vakuumelektronenröhren verwendet wird. Dieser Druck liegt im Allgemeinen unter einigen 133.10^–5 Pascal (10^–5 Torr). Es wird daran erinnert, dass ein Torr eine Druckeinheit im Wesentlichen gleich 133 Pascal ist. Das Torr entspricht ebenfalls dem Druck, der von einer Quecksilbersäule mit einer Höhe gleich 1 mm ausgeübt wird. Je höher nämlich das Hochvakuum (desto schwächer der Druck) ist, desto präziser ist der Elektronenstrahl. Dadurch kann die Dichte der Elektronen emittierenden Stellen erhöht werden. Dadurch kann ebenfalls die Dichte der Elektronen emittierenden Stellen gesteuert werden.
Die Bestrahlung ermöglicht es, Energie auf die Fläche zu bringen, um ihre elektronische Affinität zu verändern. Im Fall einer Innenbestrahlung ist die Beschaffenheit des verwendeten Ions unwichtig, es ist die Energie, die es auf die Fläche bringt, die wichtig ist.
In einer Variante werden schwere Ionen verwendet, die künstliche emittierende Stellen mit einer Zufallspositionierung liefern. In diesem Fall erzeugt das Auftreffen jedes Ions eine Stelle, und die Dichte der Stellen ist dann direkt gleich der implantierten Dosis. So induziert eine Dosis von 10¹⁰ Atome/cm² 10¹⁰ Stellen/cm², wobei die Stellen um einen mittleren Abstand von 10^–5 cm, d.h. 100 nm, getrennt sind.
In einer Variante werden die emittierenden Stellen mit Hilfe von lokalisierten Stromimpulsen erzeugt. Diese Impulse verändern die Leiteigenschaften der Schicht oder des Substrats dort, wo sie angelegt werden.
Unabhängig vom verwendeten Verfahren erzeugt dies zusätzlich zu lokalen Oberflächenveränderungen lokale Volumenveränderungen, d.h. dass leitende Kanäle gebildet werden.
Für Materialien auf der Basis von Kohlenstoff vom Typ sp³ sind die erzeugten leitenden Kanäle vom Typ sp².
In einem sehr schwach leitenden, amorphen Material sind die leitenden Kanäle kristalline Kanäle. In diesem Fall wird die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen verbessert.
Die leitenden Kanäle können auch durch Dotieren mit Hilfe der Implantierung von dotierenden Atomen hergestellt werden.
Im Fall der isolierenden Materialien sind die leitenden Kanäle zum Beispiel die Folge der Erzeugung von Fehlern einer lokalisierten Desoxidation.
In einer Ausführungsform wird die Kathode unabhängig vom Extraktionsgitter der Elektronen hergestellt. In einer anderen Ausführung ist die Kathode monolithisch, d.h., dass diese Kathode und das Extraktionsgitter gleichzeitig hergestellt werden.
In beiden Fällen ist die Herstellung entweder vom seriellen oder vom parallelen Typ. Die Herstellung vom seriellen Typ besteht darin, einen einzigen Strahl zu verwenden, der die Fläche abtastet, auf der man emittierende Stellen erzeugen möchte, wobei dieser Strahl an den vordefinierten Orten aktiviert wird. Die parallele Herstellung besteht darin, gleichzeitig mehrere Strahlen zu erzeugen, die vordefinierte Orte erreichen.
Im Fall einer monolithischen Herstellung kann man eine oder mehrere andere Elektroden gleichzeitig mit der Kathode und dem Extraktionsgitter herstellen.
Die Erfindung betrifft auch eine Triode, die eine erfindungsgemäße Kathode verwendet. Man hat festgestellt, dass eine solche Triode bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 GHz verwendet werden kann, während es bisher gelungen war, Frequenzen von 4 GHz zu erreichen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung bestimmter ihrer Ausführungsformen hervor, wobei diese Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
die 1 und 1a, 2, 3a bis 3c, 4a bis 4d, und 5a bis 5c schematische Darstellungen, die erfindungsgemäße Verfahren zur Kathodenherstellung veranschaulichen, wobei diese Herstellung unabhängig vom Extraktionsgitter erfolgt,
die 6a bis 6b, 7a bis 7c, 8a bis 8d, 9a bis 9d und 10a bis 10d schematische Darstellungen, die erfindungsgemäße Herstellungsverfahren von Kathoden und von Extraktionsgittern veranschaulichen,
11 eine erfindungsgemäße Kathode mit einem Extraktionsgitter sowie eine andere Elektrode,
12 eine schematische Darstellung einer Röhre, die eine erfindungsgemäße Kathode verwendet,
13 eine schematische Darstellung einer Röhre analog zu derjenigen aus 12, aber für eine Variante,
14 eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone, die eine erfindungsgemäße Kathode aufweist,
die 15, 15a und 15b schematische Darstellungen einer Oszillatorröhre, die eine erfindungsgemäße Kathode aufweist,
16 eine schematische Darstellung einer Triode, die eine erfindungsgemäße Kathode aufweist, und
17 eine schematische Darstellung einer Triode für eine Variante.
Zunächst werden in Verbindung mit den 1, 1a, 2, 3a bis 3c, 4a bis 4d, 5a bis 5a mehrere Verfahren beschrieben, die es ermöglichen, eine Elektronen emittierende Kathode herzustellen, wobei diese Herstellung unabhängig von derjenigen des Extraktionsgitters der Elektronen erfolgt.
Die Herstellung kann vom seriellen oder vom parallelen Typ sein. Die 1, 1a, 2, stellen Herstellungsverfahren vom seriellen Typ dar.
In der in den 1 und 1a dargestellten Ausführungsform wird von einem Emittermaterial ausgegangen, das allgemein ein isolierendes Material oder ein Material mit schwacher elektronischer Affinität ist, aufgebracht in Form einer Schicht 20 einer Dicke von 10 bis 100 nm auf ein leitendes Substrat 22, zum Beispiel aus dotiertem Silicium, oder ein beliebiges Substrat (zum Beispiel aus Glas), das mit einer Metallschicht bedeckt ist.
Auf die Schicht 20 wird an vorbestimmten Orten ein Elektronenstrahl oder ein Innenstrahl 24 fokussiert. So erzeugt man an jedem Ort 26₁ , 26₂ , usw., auf den der Strahl 24 fokussiert wurde, Elektronen emittierende Stellen.
Die von dem Strahl 24 bestrahlten Zonen haben je einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1 bis 100 nm. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Zonen liegt zwischen 5 und 500 nm.
Um eine optimale Feldwirkung an jeder Stelle zu erhalten, wählt man allgemein vorzugsweise einen Abstand von mehr als oder gleich der doppelten Höhe der leitenden Kanäle, d.h. die Dicke der Schicht 20. Im gegenteiligen Fall gäbe es eine Verringerung der Spitzenwirkung jedes Kanals und somit eine Verringerung des emittierten Gesamtstroms.
Um eine bestrahlte Zone mit einem Durchmesser zwischen 1 und 100 nm zu erhalten, verwendet man einen Elektronenstrahl oder Ionenstrahl gleicher Größe.
Um den Bestrahlungs-Elektronenstrahl zu erzeugen, verwendet man in einem Beispiel einen Strahl vom Typ desjenigen, der bei einem Elektronenmikroskop mit Übertragung verwendet wird. Ein solcher Strahl ermöglicht einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 nm mit einem Strom von 1 nA. Wenn in diesem Fall der Abstand zwischen zwei Auftreffpunkten, d.h. zwischen zwei bestimmten Orten, 5 nm beträgt, erhält man Dichten von emittierenden Stellen von 4.10¹²/cm².
Wenn man einen Strahl mit der Größe 5 nm vom Typ derjenigen verwendet, die von den elektronischen Maskierern geliefert werden, die für die elektronische Lithographie mit hoher Auflösung verwendet werden, mit einem Abstand von 20 nm, sind die Dichten von emittierenden Stellen dann 2,5 × 10¹¹/cm².
In der in 2 dargestellten Ausführungsform verwendet man, anstatt auf einen Elektronenstrahl zurückzugreifen, eine Spitze 30, deren Kontaktquerschnitt mit der Schicht 20 einen Durchmesser von weniger als 20 nm hat, und diese Spitze wird einem Generator (nicht dargestellt) von elektrischen Impulsen 31 zugeordnet, der die Impulse an vorbestimmten Orten 26₁, 26₂ erzeugt. Jeder Impuls verändert die elektrischen Eigenschaften der emittierenden Schicht 20, d.h. wandelt die entsprechenden Orte in leitende Zonen und/oder Zonen mit hoher elektronischer Affinität um.
In einem Beispiel: Der Querschnitt des Endes der Spitze 30 hat einen Durchmesser von 10 nm, das Material der Schicht 20 ist eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff mit einer Dicke von 20 nm, der Abstand beträgt 50 nm, und die elektrischen Impulse 31 haben eine Amplitude von 10 V.
Nun wird in Verbindung mit den 3a bis 3c, 4a bis 4d und 5a bis 5c ein Herstellungsverfahren einer Elektronen emittierenden Kathode beschrieben, bei dem die Stellen gleichzeitig, d.h. parallel hergestellt werden.
Im in den 3a und 3c dargestellten Beispiel werden die Stellen mit Hilfe von Elektronenstrahlen hergestellt.
Der erste Schritt des Verfahrens besteht darin, eine Schutzmaske 32 (3a) auf die Schicht 20 aufzubringen. Diese Maske mit einer Dicke von 100 bis 1000 nm weist Öffnungen 36 mit einem Durchmesser auf, der zwischen 50 und 100 nm liegt, die durch einen Abstand von 200 bis 500 nm getrennt sind. Das die Schutzmaske 32 bildende Material ist zum Beispiel ein Harz vom Typ derjenigen, die üblicherweise bei den hochauflösenden Lithographieverfahren verwendet werden. Dieses Material kann auch ein Schwermetall (zum Beispiel Molybdän oder Wolfram) sein, um die Elektronenstrahlen oder Innenstrahlen hoher Energie zu blockieren.
Während eines zweiten Schritts (3b) wird die Schicht 20 durch die Öffnungen 36 der Maske 32 hindurch einem parallelen Elektronenstrahl 34 ausgesetzt.
Man erhält so Elektronen emittierende Stellen 38₁, 38₂ usw. senkrecht vor den Öffnungen 36 mit einer vordefinierten Dichte, derjenigen der Öffnungen der Maske 32. Mit Öffnungen 36 mit einem Durchmesser von 50 bis 100 nm und einem Abstand von 200 bis 500 nm kann die Dichte von emittierenden Stellen 10¹⁰/cm² erreichen.
Diese Werte werden natürlich nur als Beispiel angegeben. Man kann nämlich auf Techniken der elektronischen Lithographie zurückgreifen, die Öffnungen mit einem Durchmesser von 10 nm ermöglichen, mit einem Mindestabstand zwischen Mustern zwischen 30 und 50 nm. In diesem Fall ist die Dichte von emittierenden Stellen wesentlich höher.
Während eines letzten Schritts wird die Schutzmaske 32 entfernt, zum Beispiel durch chemisches Ätzen. Man erhält so eine Elektronen erzeugende Schicht 20 (3c) mit künstlich erzeugten emittierenden Stellen 38₁ , 38₂ , ....
In einer (nicht gezeigten) Variante verwendet man anstelle eines Elektronenstrahls 34 eine Bestrahlung mit ggf. mehrfach geladenen Aggregaten (zum Beispiel C₆₀) und somit von sehr hoher Energie, zum Beispiel von 50 MeV bis 1 GeV. In diesem Fall kann die Bestrahlung direkt auf die Schicht 20 durchgeführt werden, ohne eine Maske 32 zu verwenden. Die emittierenden Stellen oder leitenden Kanäle und/oder von hoher elektronischer Affinität werden entlang der Bahn der Ionen oder Aggregate im Material der Schicht 20 erzeugt. In diesem Fall befinden die emittierenden Stellen sich nicht an vorbestimmten Positionen. Die Dichte solcher emittierenden Stellen kann aber durch die Dosis von schweren Ionen oder Aggregaten gesteuert werden.
In der in den 4a bis 4d dargestellten Ausführungsform werden die emittierenden Stellen parallel mit Hilfe eines elektrischen Felds hergestellt.
Zur Anwendung dieses Verfahrens bringt man auf die Schicht 20 eine isolierende Maske 40 auf (4a), die Öffnungen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 100 nm mit einem Abstand von 200 bis 500 nm aufweist. Diese isolierende Maske ist zum Beispiel aus Siliciumdioxid oder aus Siliciumnitrid. Ihre Dicke hängt von der Spannung ab, die im Lauf der folgenden Schritte angelegt wird. Mit einem Durchschlagfeld in der Größenordnung von 500 V/μm, einer angelegten Spannung von 100 Volt, beträgt die Dicke der Isolierung etwa 300 nm.
Nach dem Aufbringen der Isolierung 40 wird eine Metallschicht 42 (4b) mit einer Dicke von etwa einem Mikron aufgebracht. Das Metall der Schicht 42 füllt die Öffnungen der isolierenden Maske 40 und kommt über diese Öffnungen mit der Schicht 20 in Kontakt.
Nach dem Aufbringen der Schicht 42 legt man an diese einen Impuls 44 an, zum Beispiel von 100 Volt. Dieser Impuls wird in einem Beispiel während einer Dauer von weniger als eine Sekunde angelegt. Die Spannung und die Dauer werden so gewählt, dass lokal senkrecht vor den Öffnungen der Schicht 40 die elektrischen Eigenschaften des emittierenden Materials der Schicht 20 verändert werden (4c).
Schließlich werden während eines letzten Schritts die Schichten 40 und 42 entfernt, zum Beispiel durch chemisches Ätzen, was die Schicht 20 nackt mit leitenden Kanälen 46₁ , 46₂ lässt, die Elektronenemitter bilden.
In der in den 5a bis 5c dargestellten Variante verwendet man anstelle einer isolierenden Maske 40 zur Definition der Stellen ein Netz von leitenden Spitzen 50₁, 50₂ , usw., die an der Oberfläche 52 eines leitenden Substrats 54 gebildet werden (5a). Dieses Netz von Spitzen 50₁ , 50₂ , usw. wird an die Oberfläche der Schicht 20 zur gleichen Zeit angelegt, in der ein elektrischer Impuls 56 (5b) an das leitende Substrat 54 angelegt wird.
Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform werden die Spannung des Impulses 56 und seine Dauer gewählt, um lokal an den Stellen, die sich senkrecht vor den Spitzen befinden, die Leiteigenschaften des emittierenden Materials der Schicht 20 zu verändern. Wie im vorhergehenden Fall erhält man ein Netz 46₁, 46₂ , usw. von leitenden Kanälen (5c). Die Dichte ist gleich der Dichte des Netzes von Spitzen.
Nun wird in Verbindung mit den 6a und 6b, 7a bis 7c, 8a bis 8d, 9a bis 9d und 10a bis 10d ein Herstellungsverfahren einer Kathode vom monolithischen Typ beschrieben, das darin besteht, gleichzeitig auf dem gleichen Substrat die Elektronenquellen und das Extraktionsgitter dieser Elektronen herzustellen.
Wie bei der vorher beschriebenen Ausführung (Herstellung von Elektronengeneratoren unabhängig vom Extraktionsgitter) kann man entweder ein serielles Verfahren oder ein paralleles Verfahren zur Herstellung der Elektronen emittierenden Stellen verwenden.
Die 6a und 6b stellen ein Herstellungsverfahren vom seriellen Typ dar.
In diesem Beispiel wird auf die Schicht 20 aus emittierendem Material eine Isoliermaske 60 einer Dicke von 100 bis 500 nm aufgebracht; die Maske 60 ist aus Siliciumdioxid oder aus Siliciumnitrid. Auf die Isolierschicht 60 wird ein leitendes Metall 62 einer Dicke aufgebracht, die zwischen 50 und 300 nm liegt. Die Metallschicht 62 wird geätzt, zum Beispiel durch Lithographie und dann chemisches Ätzen oder Reaktivionen-Ätzen, um kreisförmige Öffnungen 66 mit einem Durchmesser von 50 bis 200 nm in dieser Schicht 62 zu erzeugen. Die Schicht 62 ist dazu bestimmt, das Extraktionsgitter zu bilden.
Anschließend wird der Teil der Isolierschicht 60 entfernt, der sich senkrecht vor den Öffnungen 66 befindet, zum Beispiel durch chemisches Ätzen, um Hohlräume 64 mit einem größeren Durchmesser als die Öffnungen 66 zu erzeugen, um jede Interaktion zwischen dem Strahl und dem Isolierstoff zu vermeiden, da die Interaktion Störladungen erzeugen kann.
Schließlich wird ein Elektronenstrahl 70 auf jede Öffnung zentriert, um das Zentrum der Schicht 20 senkrecht vor der entsprechenden Öffnung 66 zu bestrahlen, was die emittierenden Stellen 72₁ , 72₂ , usw. erzeugt.
Wenn die Schicht 20 isolierend oder sehr schwach leitend ist, ist die Isolierschicht 60 nicht unbedingt notwendig, d.h. dass das Gitter 62 direkt auf die Schicht 20 aufgebracht wird.
In den in den 7a bis 7c dargestellten Ausführungsformen ist die Herstellung der Stellen vom parallelen Typ.
In diesem Beispiel wird (wie in Verbindung mit 6a beschrieben) auf der Schicht 20 aus emittierendem Material eine Isolierschicht 60, und auf dieser Isolierschicht eine leitende Schicht 62 vorgesehen, in die man Öffnungen 74 ätzt und unter der man durch chemisches Ätzen Hohlräume 76 des Isolierstoffs 60 herstellt. In diesem Fall haben die Öffnungen 74 einen Durchmesser zwischen 50 und 100 nm, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Öffnungen 74 liegt zwischen 200 und 500 nm.
Anschließend (7b) wird die leitende Schicht 62 einem parallelen Elektronenstrahl 78 ausgesetzt. Die Richtung des parallelen Strahls ist lotrecht zur Fläche der Schicht 62. So bilden die Öffnungen 74 Membranen, die erlauben, dass der Strahl 78 nur die Schicht 20 senkrecht vor den Öffnungen 74 erreicht. Es ist anzumerken, dass man in diesem Fall den Durchmesser der Öffnungen 74 begrenzen sollte, um eine korrekte Positionierung der emittierenden Stellen 80₁, 90₂ auf der Schicht 20 zu erhalten.
Wenn der Durchmesser der Öffnungen 74, die verwendet werden, um die Stellen 80₁, 88₂ , usw. zu erzeugen, für einen Normalbetrieb unzureichend ist, werden in einem letzten Schritt (7c) diese Öffnungen vergrößert, um Öffnungen 84 mit einem größeren Durchmesser zu bilden, der zum Beispiel zwischen 100 und 200 nm liegt.
Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform kann, wenn das Material der Schicht 20 isolierend oder schwach leitend ist, das Extraktionsgitter 62 direkt auf die Schicht 20 aufgebracht werden.
Im in den 8a bis 8d dargestellten Beispiel wird eine Herstellung der emittierenden Stellen selbstjustierend mit den Öffnungen des Extraktionsgitters durchgeführt.
Zu diesem Zweck wird in einem ersten Schritt (8a) auf die Schicht 20 von emittierendem Material eine Isolierschicht 86 aufgebracht, auf die eine Metallschicht 88 aufgebracht wird, die dazu bestimmt ist, das Gitter zu bilden. Diese Metallschicht 88 wird mit einer Harzschicht 90 bedeckt.
Die Harzschicht 90 wird anschließend von einem lokalisierten Elektronenstrahl 92 an vorbestimmten Orten abgetastet, der durch die Schichten 86, 88 und 90 hindurch emittierende Stellen 94₁ , 94₂ , usw. erzeugt, die zum Beispiel einen Abstand von 200 bis 1000 nm haben.
Die Bestrahlung mit Hilfe des Strahls 92 erzeugt auch eine Veränderung der Harzschicht 90, die erweitert werden kann, um Öffnungen 96₁, 96₂ , usw. (8b) an Orten zu erhalten, die natürlich denjenigen der emittierenden Stellen 94₁, 94₂ , usw. entsprechen.
Diese Öffnungen 96₁, ... der Harzschicht 90 werden genutzt, um Öffnungen 98₁, ... in der Metallschicht 88 und Hohlräume 100₁ der Isolierstoffschicht 86 unter den Öffnungen 98₁, ... zu erhalten (8c). Das Anstrahlen des Harzes wird verwendet, um die Öffnungen 98₁, ... des Gitters 88 herzustellen.
Schließlich (8d) wird die Harzschicht 90 entfernt.
Dieses Verfahren ermöglicht ein einfaches Justieren der Stellen 94₁ mit den Öffnungen 98₁ des Extraktionsgitters 88 der Elektronen.
Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen wird, wenn das Material der Schicht 20 isolierend oder sehr schwach leitend ist, die Schicht 88 direkt auf die Schicht 20 aufgebracht.
In einer Variante wird der Strahl 92 von einer Vielzahl von lokalisierten Strahlen ersetzt. Der Elektronenstrahl 92 kann auch durch einen Strahl mit mehrfach geladenen Schwerionen ersetzt werden, der eine Zufallspositionierung liefert. In diesem Fall ist die Durchführung vom parallelen Typ; sie hat den gleichen Vorteil der Selbstjustierung der Stellen und der Öffnungen des Gitters.
Die 9a bis 9d stellen ein Herstellungsverfahren von emittierenden Stellen vom parallelen Typ mit Hilfe eines Spannungsimpulses dar.
Gemäß diesem Verfahren bringt man auf die Schicht 20 aus emittierendem Material eine Isolierschicht 104 auf, auf die eine Metallschicht 106 (9a) aufgebracht wird. Die Isolierschicht 104 ist zum Beispiel aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid. In den Schichten 104 und 106 werden Öffnungen 108₁, 108₂ , usw. mit einem Durchmesser von 50 bis 100 nm mit einem Abstand von 200 bis 500 nm geformt.
Die Dicke der Isolierschicht 104 hängt von der Spannung ab, die anschließend angelegt wird. Mit einer Spannung von 100 Volt beträgt die Dicke des Isolierstoffs etwa 300 nm, wenn dieser Isolierstoff ein Durchschlagfeld in der Größenordnung von 500 Volt/μm aufweist.
Nach der Herstellung der Öffnungen 108₁, 108₂ wird auf die Schicht 106 und in die Öffnungen 108_i eine Metallschicht 110 (9b) gebracht, und es wird ein Impuls 112 angelegt (9c), zum Beispiel mit einer Amplitude von 100 Volt und einer Dauer von weniger als einer Sekunde. In jedem Fall werden die Spannung und die Dauer so gewählt, dass die elektrischen Eigenschaften der Schicht 20 lokal verändert werden, um leitende Kanäle wie vorher beschrieben zu erzeugen.
Schließlich (9d) wird die Metallschicht 110 entfernt, und unter den Öffnungen der Metallschicht 106, die das Extraktionsgitter von Elektronen bilden, werden durch chemisches Ätzen Hohlräume 114_i geformt.
Dieses Verfahren ermöglicht auch eine korrekte Justierung der emittierenden Stellen mit den Öffnungen des Gitters 106.
In der Ausführung, die nun in Verbindung mit den 10a bis 10d beschrieben wird, werden die emittierenden Stellen durch Dotieren eines Halbleitermaterials hergestellt.
Dieses Verfahren besteht ausgehend von einem halbleitenden Substrat (oder Schicht) 120 vom monokristallinen p-Typ zum Beispiel aus Silicium oder Galliumarsenid, auf dem man durch Epitaxie oder Innenimplantation eine intrinsische halbleitende Schicht 122 bildet. Dann bringt man auf die Schicht 122 eine Isolierschicht 124 auf, die von einer Metallschicht 126 bedeckt wird.
In der Schicht 126 werden zum Beispiel durch Lithographie Öffnungen 128₁ , 128₂ , usw. (10a) geformt, deren Durchmesser zwischen 50 und 100 nm liegt, mit einem Abstand von 200 bis 500 nm.
Nach der Herstellung der Öffnungen 128₁, 128₂ , usw., wird mit Hilfe eines parallelen Ionenstrahls 130 die Metallschicht 126 mit ihren Öffnungen 128₁ bis 128₂ bestrahlt, was die Herstellung von dotierten Kanälen 130₁, 130₂ , usw. durch Ionenimplantation in die Schicht 122 ermöglicht. Diese dotierten Kanäle sind vom Typ p (10b).
Vorzugsweise haben die Öffnungen 128₁, 128₂ einen relativ schwachen Durchmesser, um die Orte der dotierten Zonen 130₁, 130₂ , usw. zu überwachen. Unter diesen Bedingungen kann es anschließend notwendig sein, diese Öffnungen 128₁, 128₂ zu vergrößern, um Öffnungen 132₁ , 132₂ mit größerem Durchmesser (10c) herzustellen. In diesem Fall verwendet man ein Ätzen vom isotropen Typ. Zum Beispiel zieht ein Ätzen, das zu einer Verringerung von 50 nm der Dicke der Schicht 126 führt, eine Vergrößerung von 100 nm der Öffnungen 132 nach sich.
Nach der Herstellung der Öffnungen 132₁, 132₂ werden zum Beispiel durch chemisches Ätzen Hohlräume 134₁ unter den Öffnungen 132₁ hergestellt, die in der Isolierschicht 124 (10d) geformt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht es, monokristalline dotierte Kanäle zu erhalten, die selbstjustierend mit den Öffnungen des Extraktionsgitters sind.
Die emittierende Schicht 20, in die emittierende Stellen 131_i implantiert werden, kann nicht nur gleichzeitig mit einem Extraktionsgitter 136, sondern auch mit mindestens einer anderen Elektrode 138 (11) gemäß Verfahren analog zu den oben beschriebenen hergestellt werden. Im in 11 dargestellten Beispiel wurde auf das Gitter 136 ein Isolierstoff 140 aufgebracht, und die Elektrode 138 ist auf dem Isolierstoff 140 geformt. Die Öffnung 142_i der Elektrode 138 hat einen Durchmesser, der wesentlich größer ist als der Durchmesser der Öffnung 144_i des Gitters 136.
Die in 11 dargestellte Struktur kann mit allen oben beschriebenen Typen von emittierenden Stellen hergestellt werden.
Die kalte Feldemissionskathode gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um Elektronenröhren herzustellen, die bei Frequenzen insbesondere in der Größenordnung von 10 GHz arbeiten.
Nun werden in Verbindung mit den 12 bis 17 Elektronenröhren beschrieben, die die erfindungsgemäße Kathode verwenden.
12 zeigt eine Röhre mit induktivem Mehrstrahlausgang mit einem einzigem Gitter.
Diese Röhre weist eine Kathode 150 gemäß der Erfindung auf, der ein ebenes Gitter 152 zugeordnet ist, an das die Hochfrequenz-Eingangsenergie angelegt wird. Der Abstand d zwischen dem Gitter 152 und der Kathode 150 kann erfindungsgemäß relativ unabhängig vom Herstellungsverfahren der Kathode gewählt werden. Er kann also ausreichend gering sein, damit das elektrische Extraktionsfeld in Höhe der Kathode groß ist, um den gewünschten Strom zu extrahieren; er kann auch groß genug sein (zum Beispiel 5 bis 10 Mikron), damit die Gitter-Kathode-Kapazität schwach ist und die in das Gitter eingespeiste Hochfrequenzenergie nicht kurzschließt oder stört.
Die von den Stellen 151_i der Kathode 150 erzeugten Elektronen werden auch aus dem Kathode-Gitter-Raum extrahiert; sie werden ebenfalls aufgrund des Hochfrequenzfelds, das in diesem Raum herrscht, strommoduliert. Sie werden anschließend von dem elektrischen Feld beschleunigt, das zwischen dieser Einheit und dem Anodenblock 154 herrscht, der hauptsächlich aus einem Hohlraum 154 besteht, dessen dickerer Boden den größten Teil der Elektronen aufnimmt.
Diese strommodulierten und mit einigen hundert oder einigen tausend Volt beschleunigten Elektronen geben dann ihre kinetische Energie in Form elektromagnetischer Energie in den Hohlraum 154 ab.
Die Ausgangsleistung wird an einem seitlichen Ende 156 des Hohlraums 154 extrahiert.
In der in 13 dargestellten Variante wird ein Gitter 158 vorgesehen, das zwei Teile aufweist, die sich auf zwei unterschiedlichen Flächen befinden, nämlich ein aktiver Teil 160 in einem Abstand d₂ von der Fläche, 150 der Kathode, und ein zweiter Teil 162, der die nicht aktiven Teile des Gitters 158 aufweist, in einem Abstand d₁ von der Fläche 150 größer als der Abstand d₂.
Diese Struktur erlaubt es einerseits, die Gitter-Kathode-Kapazität noch zu verringern und bei noch höheren Frequenzen zu arbeiten, und andererseits, der Kathode die aktiven Teile 160 des Gitters anzunähern, um das elektrische Extraktionsfeld zu verstärken und den Strom zu erhöhen, oder die "Eingangs"-Hochfrequenzenergie zu verringern, die in das Gitter eingespeist wird.
Jeder aktive Teil 160 des Gitters ist mit dem inaktiven Teil 162 über einen ausgeweiteten, insbesondere kegelförmigen Teil 164 verbunden. Vorzugsweise wird die Form dieser ausgeweiteten Teile 164 gewählt, um zu vermeiden, dass die Elektronenstrahlen 170 unter der Wirkung der Raumlast divergieren, und damit diese Strahlen genau an den gewünschten Orten durch die aktiven Teile des Gitters gehen. So bilden die ausgeweiteten Teile 164 ein Wehnelt, d.h. eine elektronische Linse.
14 zeigt eine Elektronenkanone vom Typ mit einem einzigen Gitter. In dieser Ausführung wird die Kathode 172 auf einer konkaven sphärischen Fläche hergestellt, und das Gitter 174 hat eine analoge Form. Die Öffnungen des Gitters 174 befinden sich wie oben beschrieben senkrecht vor den emittierenden Stellen der Kathode 172.
Die Form der Flächen 172 und 174 ermöglicht es, einen konvergierenden Elektronenstrahl zu erzeugen, der somit eine hohe Stromdichte hat und in einer Hochfrequenzröhre klassischer Struktur verwendet werden kann, zum Beispiel eine Röhre mit progressiver Welle (TOP).
In diesem Kontext handelt es sich um eine Kanone mit einem einzigen Steuergitter 174, wobei dieses Gitter den Strahl nicht abfängt. In anderen Worten ist es im Gegensatz zu den klassischen Elektronenkanonen nicht notwendig, ein Gitter vorzusehen, das eine Maske bildet, um emittierende Zonen zu begrenzen. Außerdem tritt keine Störemission auf.
Schließlich kann das Gitter 174 Steuersignale empfangen, die es ermöglichen, die Emission der Elektronen zu modulieren. Die Modulation des Strahls wird dann im Elektronengenerator durchgeführt, während üblicherweise die Erzeugung und die Modulation mit zwei getrennten Vorrichtungen durchgeführt werden.
15 zeigt eine Oszillatorröhre mit einer Kathode gemäß der Erfindung. Diese Oszillatorröhre ist vom Typ Monotron. Die aus dem Kathode-Gitter-Raum austretenden Elektronen 182 gehen sofort in einen Resonanzhohlraum 180, wo sie von einer Gleichspannung V_KA beschleunigt werden, die zwischen dem Boden des Hohlraums und der Kathode angelegt wird. Wenn die Verweildauer t dieser Elektronen im Hohlraum groß und so ist, das in etwa gilt 2nπ < 2nFt < (2n + 1)π, gibt es eine Oszillation auf der Frequenz F, sofern der Hohlraum auf dieser Frequenz F oder auf einer Frequenz nahe F oszilliert.
In einer Variante wird wie im Beispiel der 12 vorgesehen, dass die Elektronen in einem Gitter-Hohlraum-Raum beschleunigt werden und den Hohlraum in Abwesenheit von Interaktionen mit konstanter Geschwindigkeit durchqueren.
In dieser Variante, wie in der in 15 dargestellten Ausführung, steht, wenn es eine Oszillation gibt, die Frequenz in enger Beziehung mit der Verweilzeit gemäß der obigen Beziehung.
Die Abmessungen des Hohlraums und seine Kopplungsantenne 189 sind derart, dass der Resonanzmodus starke Komponenten eines elektrischen Felds parallel zu den Strahlen und an dem Ort lokalisiert aufweist, wo diese Strahlen durchgehen. Wenn der Hohlraum rechteckig ist (15a), ist der Modus zum Beispiel ein Modus TE ⨂ / xyz, mit x = 1, y = 0 und z = k (ganze Zahl), wobei die Achse y parallel zu den Strahlen ist und die Achsen x, y und z lotrecht zueinander sind. Wenn der Hohlraum zylindrisch ist (15b), ist der Modus zum Beispiel ein Modus TM 0 / θrz, mit θ = 0, r = 1 und z = 0, wobei die Achse z parallel zu den Strahlen ist.
In dieser Ausführung wird vorgesehen, eine Polarisationsspannung 184 an ein Gitter 186 sowie eine einstellbare Spannung 188 an die Anode 190 anzulegen. Die einstellbare Spannung 188 ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Elektronen und somit die Zeit t zu regeln, d.h. die Betriebsfrequenz der Oszillatorröhre.
16 zeigt eine Triode mit Breitband, die eine erfindungsgemäße Kathode verwendet. Die Konfiguration dieser Triode ist analog derjenigen der in 15 dargestellten Röhre, unterscheidet sich aber durch die Tatsache, dass die Montage vom Typ Verstärker ist.
Die Konfiguration der Triode ist so, dass der Elektronenstrahl 196 eine Zone eines Maximums des elektrischen Felds mit einer gegebenen Frequenz f durchquert, Die Regelung der Frequenz f wird insbesondere durch Hochfrequenzkurzschlüsse 198 erhalten.
In der in 17 dargestellten Variante wird die erfindungsgemäße Kathode auch verwendet, um eine Verstärkertriode mit Breitband zu bilden. In diesem Fall ist der Abstand zwischen dem Gitter 202 und der Kathode 204 variabel; die emittierende Fläche jeder emittierenden Stelle 206 der Kathode 204 und die Dichte dieser Stellen hängen von dem Kathode-Gitter-Abstand an dem Ort ab, wo sich diese Stellen befinden. Wenn der Gitter-Kathode-Abstand groß ist, sind die Stellen groß, aber sehr weit voneinander entfernt, wobei der Abstand zwischen zwei Stellen einer halben Wellenlänge entspricht. Wenn der Gitter-Kathode-Abstand dagegen gering ist, sind die Stellen klein, aber mit geringem Abstand und folglich dicht. Auf diese Weise bleibt die emittierte Stromdichte gleich.
Der variable Abstand zwischen Kathode 204 und Gitter 202 ermöglicht ein breites Band. Der geringste Abstand entspricht einem Betrieb mit den höchsten Frequenzen, und der größte Abstand mit den niedersten Frequenzen.
Die Erfindung kann auch für Anzeigeanwendungen verwendet werden.
Die Erfindung betrifft allgemein ein Herstellungsverfahren einer Elektronen emittierenden Kathode, das dadurch gekennzeichnet ist, dass einerseits von einem emittierenden Isoliermaterial oder einem Material mit schwacher elektronischer Affinität ausgegangen wird, und dass künstlich emittierende Stellen durch lokalisierte Erzeugung von Zonen mit starker elektronischer Affinität und/oder leitende Zonen definiert werden.
In einem Beispiel bilden die künstlich erzeugten Stellen volumenmäßig leitende Kanäle.
In diesem Fall ist vorzuziehen, dass das Verhältnis zwischen der Höhe einer Stelle und dem Abstand zwischen zwei Stellen geringer als oder gleich 0,5 ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Elektronen emittierende Vorrichtung, die eine emittierende Kathode und ein Gitter aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die die emittierende Kathode Elektronen emittierenden Stellen aufweist, die voneinander getrennt sind und künstlich erzeugt werden, und dass das Extraktionsgitter der Elektronen Öffnungen vor den Stellen aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der das Gitter von der emittierenden Fläche (204) der Kathode trennende Abstand variabel.
In diesem Fall variiert vorzugsweise die Dichte von emittierenden Stellen auf der Kathode in umgekehrter Richtung zum Abstand zum Gitter.
In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die emittierte Stromdichte konstant ist, unabhängig vom Abstand des Gitters zur emittierenden Fläche.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Kathode, bei dem von einem isolierenden oder eine schwache elektronische Affinität aufweisenden emittierenden Material (20) ausgegangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierende Material (20) eine Fläche aufweist, die lokal im Wesentlichen eben bleibt, dass durch lokalisierte Erzeugung von eine starke elektronische Affinität aufweisenden und/oder leitenden Zonen auf der Fläche emittierende Stellen (26₁, 26₂ ) künstlich definiert werden, und dass die Stellen (26₁ , 26₂ ) durch Bestrahlung der Fläche des isolierenden oder eine schwache elektronische Affinität aufweisenden Materials mit Hilfe eines Elektronenstrahls (24) oder von Aggregaten hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einem Vakuumbehälter durchgeführt wird, in dem ein Druck von dem Typ herrscht, der üblicherweise bei den Vakuumelektronenröhren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck unter einigen 133.10^–5 Pascal (10^–5 Torr) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Stellen vorbestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Dichten zwischen 10⁸ und 10¹³/cm² liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende oder eine schwache elektronische Affinität aufweisende Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die monokristalline oder polykristalline Diamanten, Kohlenstoff mit einer Struktur analog zu derjenigen des Diamanten, ein Material mit schwacher elektronischer Affinität auf der Basis von Kohlenstoff, wie ta-C, ta-C:N, ein sehr schwach leitendes amorphes Material wie a-Si, a-C:H: oder a-SiC, oder ein Material mit großem Bandabstand wie Aluminium- oder Galliumnitrid, und ein isolierendes Material wie Magnesiumoxid MgO und Titanoxid TiO₂ umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden oder eine starke elektronische Affinität aufweisenden Stellen (26₁ , 26₂ ) an vordefinierten Orten hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Kathode, bei dem von einem isolierenden oder eine schwache elektronische Affinität aufweisenden emittierenden Material (20) ausgegangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierende Material (20) eine Fläche aufweist, die lokal im Wesentlichen eben bleibt, dass durch lokalisierte Erzeugung von eine starke elektronische Affinität aufweisenden und/oder leitenden Zonen auf der Fläche emittierende Stellen (26₁ , 26₂ ) künstlich definiert werden, und dass die Stellen (26₁ , 26₂ ) durch Anlegen eines elektrischen Impulses (31, 44) hergestellt werden, der die lokale Veränderung der Leiteigenschaften des Materials bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Stellen (26₁ , 26₂ ) mit einer zufälligen Positionierung hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlich erzeugten Stellen (26₁ , 26₂ ) volumenmäßig leitende Kanäle bilden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material mit schwacher elektronischer Affinität vom Typ sp³ ist und die leitenden Kanäle vom Typ spe sind, wobei das isolierende oder eine schwache elektronische Affinität aufweisende Material auf der Basis von Kohlenstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Kanäle kristallin sind, während das emittierende Material amorph und sehr schwach leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Kanälen durch Fehlerbildung hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Kanäle durch lokalisierte Desoxidation hergestellt werden, während das emittierende Material isolierend ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stelle (26₁ , 26₂ ) sich über eine im Wesentlichen kreisförmige Zone erstreckt, deren Durchmesser zwischen 1 und 100 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Höhe einer Stelle und dem Abstand zwischen zwei Stellen geringer als oder gleich 0,5 ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Stellen ein fokussierter Elektronenstrahl (24) verwendet wird, der sequentiell an vordefinierten Orten auf die Fläche (20) des emittierenden Materials aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte der Stellen (38₁ , 38₂ ; 72₁, 72₂ ) mit Hilfe einer Maske (32; 62) definiert werden, die vor dem emittierenden Material angeordnet ist, und dass dieses emittierende Material mit Hilfe eines parallelen Elektronenstrahls (34) durch die Löcher der Maske bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Stellen (46₁ , 46₂ ) durch eine Lochmaske (40) definiert werden, die in der Nähe der Fläche (20) des emittierenden Materials angeordnet ist, dass eine leitende Schicht (42) in die Löcher der isolierenden Maske (40) eingebracht wird, und dass ein elektrischer Impuls (44) auf dieses leitende Material angelegt wird, um die Stellen (46₁, 46₂ ) im emittierenden Material zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen mit Hilfe einer Spitze (30) hergestellt werden, die an vorbestimmten Orten auf das emittierende Material aufgebracht wird, wobei eine Spannung (32) an die Spitze (30) angelegt wird, um die Stellen (26₁ , 26₂ ) an den vorbestimmten Orten herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (46₁ , 46₂ ) mit Hilfe einer Gruppe von Spitzen (50₁ , 50₂ ) hergestellt werden, die auf die Fläche (20) des emittierenden Materials aufgebracht werden, wobei ein Impuls (56) an die Gruppe von Spitzen (50₁ , 50₂ ) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Extraktionsgitter (62) gleichzeitig mit der Kathode hergestellt wird, wobei dieses Gitter (62) aus einer Metallschicht (62) besteht, die Öffnungen (66, 74) aufweist, die zur Herstellung der Stellen (72₁ , 72₂ ; 80₁ , 80₂ ) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass, da die Stellen (72₁ , 72₂ ) mit Hilfe eines Elektronen- oder Innenstrahls (78) vom parallelen Typ hergestellt werden, für die Bestrahlung Öffnungen (74) des Gitters (62) einer ersten Größe hergestellt werden, und nach der Bestrahlung der Durchmesser der Öffnungen (74) des Gitters (62) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen mit Hilfe eines Elektronen- oder Ionenstrahls (92) hergestellt werden, der auf eine Harzschicht (90) aufgebracht wird, die eine Metallschicht (88) bedeckt, die dazu bestimmt ist, das Gitter zu bilden, wobei der Strahl eine Veränderung des Harzes (90) bewirkt und die Stelle (94₁, 94₂ ) erzeugt, wobei das Anstrahlen des Harzes (90) verwendet wird, um die Öffnungen (98₁ ) des Gitters (88) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierung (60) zwischen dem emittierenden Material (20) und dem Gitter (62) vorgesehen wird, und dass in dieser Isolierung (60) ein Hohlraum (64, 100₁ ) im rechten Winkel zu jeder Öffnung des Gitters vor jeder Stelle (72₁, 72₂ ) des emittierenden Materials gebildet wird.
Elektronen emittierende Vorrichtung, die eine emittierende Kathode (150) und ein Gitter (152) aufweist, wobei die emittierende Kathode (150) Elektronen emittierende Stellen (151_i ) aufweist, die voneinander getrennt sind und künstlich erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen emittierenden Stellen (151_i ) auf einer Fläche erzeugt werden, die lokal im Wesentlichen eben bleibt, dass die Stellen durch Bestrahlung der Fläche mit Hilfe eines Elektronenstrahls oder von Aggregaten hergestellt werden, und dass das Elektronen-Extraktionsgitter (152) Öffnungen vor den Stellen (151_i ) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des Gitters sich auf einer Fläche (160) in einem ersten Abstand (d₂) von der Kathode (150) befinden, und dass die Bereiche des Gitters (158), die keine Öffnung aufweisen, sich auf einer zweiten Fläche (162) in einem zweiten Abstand (d₁) von der emittierenden Fläche befinden, der größer ist als der erste Abstand.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bereich des Gitters (158), der mindestens eine Öffnung aufweist und mindestens einer emittierenden Stelle zugeordnet ist, mit dem Rest des Gitters ohne Öffnung über einen Kegelbereich (164) verbunden ist, der eingerichtet ist, um ein Wehnelt zu bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der das Gitter (202) von der emittierenden Fläche (204) der Kathode trennende Abstand variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der emittierenden Stellen auf der Kathode entgegengesetzt zum Abstand zum Gitter variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte Stromdichte konstant ist, unabhängig vom Abstand des Gitters zur emittierenden Fläche.