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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsvorrichtungen. Insbesondere
richtet sich die Erfindung auf die Flachfeldemissionsemitter, die
eine Direkttunnelung verwenden, sowie deren Verwendung in Elektronikvorrichtungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mehrere
unterschiedliche Feldemissionsvorrichtungen wurden vorgeschlagen
und implementiert, um Elektronenemissionen, die nützlich für Anzeigen oder
für andere
Elektronikvorrichtungen, wie z. B. Speichervorrichtungen, sind,
zu erzeugen. Herkömmlicherweise
erforderten Vakuumvorrichtungen mit einer thermionischen Emission,
wie z. B. Elektronenröhren,
das Erwärmen
von Kathodenoberflächen zur
Erzeugung der Elektronenemission. Die Elektronen werden in einem
Vakuumraum zu einer Anodenstruktur gezogen, die sich auf einem vorbestimmten Spannungspotential
befindet, um die Elektronen anzuziehen. Für eine Anzeigevorrichtung,
wie z. B. eine Kathodenstrahlröhre,
ist die Anodenstruktur mit Phosphoren beschichtet, derart, dass,
wenn ein Elektron auf das Phosphor auftrifft, Photonen erzeugt werden,
um ein sichtbares Bild zu erzeugen. Kaltkathodenvorrichtungen, wie
z. B. Spindt-Spitzen (spitz zulaufende Spitzen), wurden verwendet,
um die Heißkathodentechnologie
zu ersetzen. Es war bisher jedoch schwierig, die Größe zu reduzieren
und mehrere Spindt-Spitzen zu integrieren, während eine Zuverlässigkeit
beibehalten wird. Mit reduzierter Größe wird die Spindt-Spitze anfälliger für eine Beschädigung durch
Verunreinigungen in dem Vakuum, die ionisiert werden, wenn ein Elektron
auf dieselben auftrifft. Die ionisierte Verunreinigung wird dann
zu der Spindt-Spitze angezogen und stößt mit derselben zusammen,
wodurch eine Beschädigung
bewirkt wird. Um die Lebensdauer der Spindt-Spitze zu erhöhen, muss
der Vakuumraum ein zunehmend hohes Vakuum aufweisen. Ein Flachemitter,
der eine größere Emissionsoberfläche aufweist,
kann mit geringen Vakuumanforderungen zuverlässig betrieben werden. Für einige
Anwendungen jedoch ist die Menge einer Stromdichte von herkömmlichen
Flachemittern für eine
Nützlichkeit
nicht ausreichend hoch. So besteht ein Bedarf, einen Flachemitter
zu erzeugen, der eine hohe Stromdichte aufweist, aber auch in Niedrigvakuumumgebungen
zuverlässig
arbeiten kann.
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Zusammenfassung
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Ein
Emitter weist eine Elektronenvorratsschicht und eine Tunnelungsschicht
auf, die auf der Elektronenvorratsschicht gebildet ist. Wahlweise
ist eine Isolatorschicht auf der Elektronenvorratsschicht gebildet
und weist in derselben definierte Öffnungen auf, in denen die
Tunnelungsschicht gebildet ist. Eine Kathodenschicht ist auf der
Tunnelungsschicht gebildet, um eine Oberfläche für Energieemissionen von Elektronen
und/oder Photonen zu liefern. Vorzugsweise wird der Emitter einem
Ausheilungsprozess unterzogen, wodurch der Vorrat von Elektronen,
die von der Elektronenvorratsschicht zu der Kathodenschicht tunneln,
erhöht
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine exemplarische Darstellung eines Tunnelungsemitters, der die
Erfindung beinhaltet.
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2 ist
eine exemplarische Darstellung der Verwendung des Tunnelungsemitters
aus 1, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen.
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3 ist
eine exemplarische Darstellung einer integrierten Schaltung, die
mehrere Tunnelungsemit ter und eine optische Linse umfasst, um eine
Anzeigevorrichtung zu erzeugen.
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4 ist
ein exemplarisches Blockdiagramm einer integrierten Schaltung, die
mehrere Tunnelungsemitter und einen Steuerschaltungsaufbau beinhaltet.
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5 ist
eine exemplarische Darstellung eines Tunnelungsemitters auf einer
integrierten Schaltung mit einer Linse zum Fokussieren der Energieemissionen
von dem Tunnelungsemitter.
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6 ist
eine exemplarische Anzeige, die aus einer integrierten Schaltung
erzeugt wird, die mehrere Tunnelungsemitter und eine Anodenstruktur umfasst,
die Photonen erzeugt oder weiterleitet.
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7 ist
eine exemplarische Speichervorrichtung, die eine integrierte Schaltung
beinhaltet, die mehrere Tunnelungsemitter zum Lesen und Aufzeichnen
von Informationen auf einem wiederbeschreibbaren Medium umfasst.
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8 ist
eine Draufsicht eines exemplarischen Tunnelungsemitters.
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9 ist
eine exemplarische Querschnittsansicht des Tunnelungsemitters aus 8.
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10 ist
ein exemplarisches Blockdiagramm eines Computers, der zumindest
eine der Elektronikvorrichtungen, eine Anzeige oder Speichervorrichtung
mit den Tunnelungsemittern der Erfindung beinhaltet.
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11A sind Darstellungen exemplarischer Schritte,
die bis 11L bei einem exemplarischen Verfahren
zur Erzeugung des Tunnelungsemitters der Erfindung verwendet werden.
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12A sind Diagramme exemplarischer Ausheilungsver- und 12B fahren, die verwendet werden, um optional
die Tunnelungsemitter der Erfindung zu verbessern.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsbeispiele
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf Feldemissionsemitter, die
hohe Pegel eines Emissionsstroms pro Quadratzentimeter liefern,
indem sie eine Tunnelungsschicht verwenden, die eine ausreichende
Dünne von
weniger als etwa 500 Angström aufweist,
um ein hohes elektrisches Feld zwischen einer Elektronenquelle und
einer Flachkathodenoberfläche
zu erzeugen. Herkömmliche
Flachemitter-Typ-Vorrichtungen weisen einen geringen Emissionsstrom
pro Quadratzentimeter Oberflächenfläche auf
und sind so in mehreren Anwendungen nicht verwendbar. Die Erfindung
verwendet eine dünne
Aufbringung eines Metall-Cluster-Dielektrikums, das vorzugsweise
zwischen 50 und 250 Angström,
vorzugsweise etwa 100 Angström
dick ist, um eine Barriere zu erzeugen, in der Elektronen zwischen
der Elektronenquelle und der Kathodenoberfläche tunneln können. Durch
die Verwendung eines derartigen Materials kann der Emissionsstrom
größer als
10 mA, 100 mA oder 1 A pro Quadratzentimeter sein, was eine, zwei
bzw. drei Größenordnungen
mehr ist als bei der herkömmlichen
Flachemittertechnologie. Die tatsächliche Emissionsrate hängt von
den Entwurfsauswahlen des Typs und der Dicke des für die Tunnelungsschicht
verwendeten Materials ab. Zusätzlich zu
Elektronenemissionen ist die Erfindung auch in der Lage, Photonenemissionen
zu erzeugen, was für zusätzliche
Verwendungen des Emitters, der die Erfindung beinhaltet, sorgt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung der Erfindung, des Verfahrens der Herstellung und verschiedenen
Anwendungen der Benutzung besser ersichtlich.
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In
den Darstellungen dieser Beschreibung sind verschiedene Teile der
Emitterelemente nicht maßstabsgetreu.
Bestimmte Abmessungen wurden in Bezug auf andere Abmessungen übertrieben,
um eine klarere Darstellung und ein klareres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu liefern. Zu Darstellungszwecken sind die
hierin dargestellten Ausführungsbeispiele
in zweidimensionalen Ansichten gezeigt, wobei verschiedene Regionen
Tiefe und Breite aufweisen. Es wird angemerkt, dass diese Regionen nur
Darstellungen eines Abschnitts einer einzelnen Zelle einer Vorrichtung
sind, die eine Mehrzahl derartiger Zellen umfassen kann, die in
einer dreidimensionalen Struktur angeordnet sind. Entsprechend haben
diese Regionen drei Abmessungen, nämlich Länge, Breite und Tiefe, wenn
sie auf einer tatsächlichen
Vorrichtung hergestellt werden.
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Ferner
besteht ein Aspekt der Erfindung darin, dass sie unter Verwendung
herkömmlicher
Dünnfilmtechnologien
einer integrierten Schaltung gefertigt werden kann. Es gibt mehrere
unterschiedliche Technologien, um mehrere der Verfahrensschritte durchzuführen, und
dieselben können
durch Fachleute auf diesem Gebiet ausgetauscht werden. Die Aufbringung
eines Materials z. B. kann, es sei denn, dies ist insbesondere angegeben,
durch eines mehrerer Verfahren geschehen, wie z. B. Verdampfung, Zerstäubung, chemische
Aufdampfung, Molekularstrahlepitaxie, photochemische Aufdampfung,
photochemische Niedertemperaturaufdampfung und Plasmaaufbringung,
um nur einige zu nennen. Zusätzlich existieren
mehrere unterschiedliche Ätztechnologien, wie
z. B. Nassätzen,
Trockenätzen,
Ionenstrahlätzen, Reaktivionenätzen und
Plasmaätzen,
wie z. B. Trommelplasmaätzen
und Planarplasmaätzen,
um einige der möglichen Ätztechnologien
zu nennen. Die Auswahl tatsächlicher
verwendeter Technolo gien hängt unter
anderem von dem verwendeten Material und Kostenkriterien ab.
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1 ist
ein exemplarisches Diagramm einer Emittervorrichtung 50,
vorzugsweise eines Flachemitters zur Elektronen- und Photonenemission, die
eine Elektronenquelle 10 umfasst. Auf der Elektronenquelle 10 befindet
sich eine Tunnelungsschicht 20. Vorzugsweise ist die Tunnelungsschicht 20 aus einem
Metall-Cluster-Dielektrikum gebildet, wie z. B. Wolfram-Silizium-Nitrat
(WSiN) oder Tantal-Oxid (TaOx), Titan-Oxid
(TiOX, wobei x = 0,5 bis 2,5). Ebenso kommen
Tantal-Aluminium-Oxynitrid (TaAlOxNy), Tantal-Aluminium-Oxid (TaAlOx),
Aluminium-Oxynitrid (AlOXNy)
oder andere Übergangsmetall-
(TM-) Oxide oder Oxynitride ((TM)Ox oder
(TM)OxNy) als zu einer
Verwendung als Tunnelungsschicht 20 fähig in Betracht. Die Tunnelungsschicht
weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 500 Angström auf, wobei die
Dicke vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis etwa 250
Angström,
wie z. B. 100 Angström
oder weniger, liegt. Die ausgewählte
Dicke bestimmt die elektrische Feldstärke, die die Tunnelungsschicht
aushalten muss, und den erwünschten Emitteremissionsstrom.
Auf der Tunnelungsschicht 20 angeordnet ist eine Kathodenschicht 14,
vorzugsweise ein Dünnfilmleiter,
wie z. B. Platin, Gold, Molybdän,
Iridium, Ruthenium, Tantal, Chrom oder andere Brechungsmetalle oder
Legierungen derselben. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Kathodenschicht 30
bis 150 Angström.
Wenn eine Spannungsquelle 24, die eine Emitterspannung
Ve (etwa 3 – 10 V) aufweist, an die Kathodenschicht 14 und
den Elektronenvorrat 10 über einen Kontakt 12 angelegt
wird, tunneln Elektronen von dem Substrat 10 (einem Elektronenvorrat)
zu der Kathodenschicht 14. Aufgrund der Dünne der
Tunnelungsschicht 20 ist das elektrische Feld, in dem die
Elektronen durchtunneln, sehr stark und die Elektronenemission 16 von
der Oberfläche
der Kathodenschicht 14 ist größer als bei herkömmlichen
Entwürfen.
Außerdem
tritt die Photonenemission 18 gemeinsam mit der Elektronenemission 16 auf,
um die Energieemission 22 aus dem Emitter 50 zu
bilden.
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Das
Elektronenfeld wird für
verschiedene Dicken als
berechnet, wobei t
Dicke die Dicke der Tunnelungsschicht
20 ist.
Für V
e = 10 V z. B. beträgt das elektrische Feld für eine 100-Angström-Dicke
in der Tunnelungsschicht 10
7 V/m.
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Vorzugsweise
ist die Tunnelungsschicht 20 durch Zerstäubung aufgebracht.
Durch die Verwendung von Metall-Cluster-Dielektrika als Tunnelungsschicht kann
eine sehr hohe elektrische Feldstärke zwischen der Elektronenquelle 10 und
der Kathodenschicht 14 angelegt werden, um eine höhere Emission
zu erzielen, da die Metall-Cluster-Dielektrika ohne elektrischen
Durchschlag einer viel höheren
elektrischen Feldstärke
widerstehen.
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2 ist
ein exemplarisches Diagramm einer Verwendung für den Emitter 50 aus 1.
Bei dieser Anwendung wird die Elektronenemission 16 durch
eine elektrostatische Fokussierungsvorrichtung oder -linse 28 fokussiert,
veranschaulicht als eine Öffnung
in einem Leiter, der auf eine vorbestimmte Spannung gesetzt ist,
die eingestellt werden kann, um den Fokussierungseffekt der Linse 28 zu verändern. Fachleute
auf diesem Gebiet werden erkennen, dass die Linse 28 aus
mehr als einer Leiterschicht hergestellt sein kann, um einen erwünschten Fokussierungseffekt
zu erzeugen. Die Elektronenemission 16 wird durch die Linse 28 in
einen fokussierten Strahl 32 auf eine Anodenstruktur 30 fokussiert. Die
Anodenstruktur 30 ist auf eine Anodenspannung Va 26 gesetzt, deren Größe für eine Anwendung
abhängig
von der beabsichtigten Verwendung und der Entfernung von der Anodenstruktur 30 zu
dem Emitter 50 variiert. Wenn die Anodenstruktur 30 z.
B. ein beschreibbares Medium für
eine Speichervorrichtung ist, könnte
Va zwischen 500 und 1.000 Volt gewählt werden.
Die Linse 28 fokussiert die Elektronenemission 16 durch
ein Erzeugen eines elektrischen Feldes 34 innerhalb ihrer Öffnung.
Durch ein Setzen auf eine geeignete Spannung von Ve werden
die aus dem Emitter 50 emittierten Elektronen auf die Mitte
der Öffnung
gerichtet und dann weiter zu der Anodenstruktur 30 angezogen,
um den fokussierten Strahl 32 zu bilden.
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3 ist
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
einer Anzeige 40, die eine integrierte Schaltung 52 aufweist,
die mehrere integrierte Emitter 100 umfasst, die in einem
Array von Pixelgruppen gebildet sind. Die integrierten Emitter 100 strahlen
eine Photonenemission 18, eine sichtbare Lichtquelle, aus,
die mit einer optischen Linse 38 zu einem fokussierten
Strahl 32 fokussiert wird, der als ein Bild sichtbar ist.
Die optische Linse 38 ist vorzugsweise mit einer transparenten
leitenden Oberfläche,
wie z. B. Indium-Zinn-Oxid,
beschichtet, um von den Emittern emittierte Elektronen einzufangen,
wobei so eine Kathodenschicht auf der Linse gebildet wird.
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4 ist
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
einer integrierten Schaltung 52, die zumindest einen integrierten
Emitter 100 umfasst, vorzugsweise jedoch eine Mehrzahl
integrierter Emitter 100, die in einem Array angeordnet
sind. Eine Emittersteuerschaltung 72 ist auf die integrierte
Schaltung 52 integriert und wird verwendet, um den zumindest
einen integrierten Emitter 100 zu betreiben.
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5 ist
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
einer integrierten Schaltung 52, die einen integrierten
Emitter 100 und ein Linsenarray 48 umfasst. Die
integrierte Schaltung 52 ist auf einem leitfähigen Substrat 10,
vorzugsweise stark dotiertem Silizium oder einem leitfähigen Material,
wie z. B. einer leitfähigen
Dünnfilmschicht,
gebildet, um eine Elektronenquelle bereitzustellen. Auf dem Substrat 10 ist
eine Tunnelungsschicht 20 angeordnet, die eine Dicke von
weniger als 500 Angström,
vorzugsweise etwa 100 Angström,
aufweist, obwohl 50 bis 250 Angström für einige Anwendungen stärker bevorzugt
werden. Unterschiedliche Schichten aus Halbleiter-Dünnfilm-Materialien
werden auf das Substrat 10 aufgebracht und geätzt, um
den integrierten Emitter 100 zu bilden. Auf der Tunnelungsschicht 20 angeordnet
ist eine Kathodenschicht 14, vorzugsweise eine leitfähige Dünnfilmschicht
aus Platin, Gold, Molybdän,
Iridium, Ruthenium, Tantal, Chrom oder anderen Brechungsmetallen
oder Legierungen derselben, vorzugsweise im wesentlichen jedoch
Platin. Die Kathodenschicht 14 bildet eine Kathodenoberfläche, von
der Energie in der Form von Elektronen und Photonen emittiert wird.
Das Linsenarray 48 wird unter Verwendung einer herkömmlichen
Dünnfilmbehandlung
aufgebracht und umfasst eine Linse 28, die innerhalb einer
leitfähigen
Schicht definiert und mit dem integrierten Emitter 100 ausgerichtet
ist, um die Energie von dem integrierten Emitter 100 auf
eine Oberfläche
einer Anodenstruktur 76 zu fokussieren. Die Anodenstruktur 76 befindet
sich in einer Zielentfernung 74 von der integrierten Schaltung 52.
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6 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Anzeigeanwendung, die den integrierten Emitter 100 der
Erfindung verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl
von Emittern 100 in einer integrierten Schaltung 52 angeordnet und
gebildet. Jeder der Emitter 100 emittiert eine Energieemission 22 in
der Form von Elektronenemissionen 16 oder Photonenemissionen 18 (siehe 1). Eine
Anodenstruktur, eine Anzeige 40, empfängt die emittierte Energie
in einem Anzeigepixel 44, das aus Anzeige-Teilpixeln 42 aufgebaut
ist. Ein Anzeige-Teilpixel 42 ist vorzugsweise ein Phosphormaterial,
das Photonen erzeugt, wenn es durch die Elektronenemission 16 der
Energieemission 22 getroffen wird. Alternativ kann das
Anzeige-Teilpixel 42 eine durchscheinende Öffnung sein,
um einen Durchgang einer Photonenemission 18 der Energieemission 22 durch die
Anzeige 40 zur direkten Photonenbetrachtung zu ermöglichen.
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7 ist
eine alternative Verwendung eines integrierten Emitters 100 innerhalb
einer Speichervorrichtung. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel
weist eine integ rierte Schaltung (IC) 52, die eine Mehrzahl
integrierter Emitter 100 aufweist, ein Linsenarray 48 von
Fokussierungsmechanismen auf, die mit den integrierten Emittern 100 ausgerichtet
sind. Das Linsenarray 48 wird verwendet, um einen fokussierten
Strahl 32 zu erzeugen, der verwendet wird, um eine Aufzeichnungsoberfläche, das
Medium 58, zu beeinflussen. Das Medium 58 ist auf
einer Bewegungsvorrichtung 56 aufgebracht, die das Medium 58 in
Bezug auf die integrierten Emitter 100 auf der IC 52 positioniert.
Vorzugsweise weist die Bewegungsvorrichtung 56 eine Lesevorrichtungsschaltung 62 auf,
die in dieselbe integriert ist. Die Lesevorrichtung 62 ist
als ein Verstärker 68 gezeigt,
der einen ersten ohmschen Kontakt 64 zu dem Medium 58 und
einen zweiten ohmschen Kontakt 66 zu der Bewegungsvorrichtung 56,
vorzugsweise einem Halbleiter- oder Leitersubstrat, herstellt. Wenn
ein fokussierter Strahl 32 auf das Medium 58 trifft,
wird, wenn die Stromdichte des fokussierten Strahls ausreichend
hoch ist, das Medium phasenverschoben, um einen bewirkten Medienbereich 60 zu
erzeugen. Wenn ein fokussierter Strahl mit geringer Stromdichte 32 an
die Oberfläche
des Mediums 58 angelegt wird, werden unterschiedliche Raten
eines Stromflusses durch den Verstärker 68 erfasst, um
eine Lesevorrichtungsausgabe 70 zu erzeugen. So werden durch
ein Beeinflussen des Mediums mit der Energie von dem Emitter 50 Informationen
in dem Medium unter Verwendung strukturphasenveränderter Eigenschaften des Mediums
gespeichert. Ein derartiges Phasenveränderungsmaterial ist In2Se3. Andere Phasenveränderungsmaterialien
sind Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt.
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8 ist
eine Draufsicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der Erfindung
eines integrierten Emitters 100, der einen Emitterbereich 84 innerhalb
der Kathodenschicht 14 umfasst. Die Kathodenschicht 14 ist
elektrisch mit einer leitfähigen Schicht 82 gekoppelt
und auf derselben angeordnet, die wiederum über einer Isolatorschicht 78 angeordnet
ist. Der integrierte Emitter 100 ist vorzugsweise als eine
kreisförmige
Form gezeigt, wobei jedoch andere Formen verwendet werden können. Die
kreisförmige
Form ist dahingehend vorzuziehen, dass die erzeugten elektrischen
Felder einheitlicher sind, da keine einzelnen Kanten innerhalb der
Form vorliegen.
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9 ist
ein Querschnitt des exemplarischen Ausführungsbeispiels des integrierten
Emitters 100 aus 8, in die
Achse 9-9 schauend. Ein Substrat 10, vorzugsweise eine
leitfähige
Schicht oder ein stark dotierter Halbleiter, liefert einen Elektronenvorrat
für die
Tunnelungsschicht 20, die innerhalb einer Öffnung angeordnet
ist, die innerhalb einer Isolatorschicht 78 definiert ist.
Eine Kathodenschicht 14, vorzugsweise eine leitfähige Dünnfilmschicht,
ist über
der Tunnelungsschicht 20 und teilweise über der leitfähigen Schicht 82 angeordnet,
wodurch ein elektrischer Kontakt zu der leitfähigen Schicht hergestellt wird.
Wahlweise kann eine Adhäsionsschicht 80 hinzugefügt werden,
um für
eine Verbindungsgrenzfläche
zwischen der leitfähigen
Schicht 82 und der Isolatorschicht 78 abhängig von
den bestimmten für die
Isolatorschicht 78 und die leitfähige Schicht 82 ausgewählten Materialien
zu sorgen.
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10 ist
ein exemplarisches Blockdiagramm eines Computers 90, der
einen Mikroprozessor 96, einen Speicher 98, der
mit dem Mikroprozessor 96 gekoppelt ist, und elektronische
Vorrichtungen, eine Speichervorrichtung 94 und eine Anzeigevorrichtung 92 umfasst.
Die Elektronikvorrichtungen sind mit dem Mikroprozessor 96 gekoppelt.
Der Mikroprozessor 96 ist in der Lage, Instruktionen von dem
Speicher auszuführen,
um für
die Übertragung von
Daten zwischen dem Speicher und den Elektronikvorrichtungen, wie
z. B. der Speichervorrichtung 94 und der Anzeigevorrichtung 92,
zu sorgen. Jede Elektronikvorrichtung umfasst eine integrierte Schaltung,
die einen Emitter aufweist, der die Erfindung beinhaltet, sowie
vorzugsweise eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren der Emissionen
aus dem Emitter. Der Emitter weist eine Elektronenvorratsschicht
mit einer daran angeordneten Isolierungsschicht auf. Die Isolierungsschicht weist
eine definierte Öffnung
auf, innerhalb der eine Tunnelungsschicht auf der Elektronenvorratsschicht
gebildet ist. Auf der Tunnelungsschicht befindet sich eine Kathodenschicht.
Vorzugsweise, jedoch wahlweise, wurde die integrierte Schaltung
mit dem Emitter einem Ausheilungsverfahren unterzogen, um dadurch den
Vorrat von Elektronen zu erhöhen,
die von der Elektronenvorratsschicht in die Kathodenschicht tunneln
können.
Der Ausheilungsvorgang reduziert außerdem den Kontaktwiderstandswert
zwischen Metallschichten, wodurch eine Leitfähigkeit von Elektronen zu dem
Emitter verbessert wird.
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Die 11A bis 11L stellen
exemplarische Verfahrensschritte dar, die zur Erzeugung eines Emitters,
der die Erfindung beinhaltet, verwendet werden. In 11A wird eine Maske 102 aus Dielektrika
oder einem Photoresist auf ein Substrat 10 aufgebracht,
vorzugsweise ein Silizium-Halbleitersubstrat,
obwohl das Substrat 10 eine leitfähige Dünnfilmschicht oder ein leitfähiges Substrat
sein könnte.
Vorzugsweise weist das Substrat 10 einen Lagenwiderstandswert
von etwa 100 bis 0,0001 Ohm-cm auf.
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In 11B wird eine Isolatorschicht 78 erzeugt,
vorzugsweise durch Feldoxidaufwachsen, wenn das Substrat 10 ein
Siliziumsubstrat ist. Wahlweise kann die Isolatorschicht 78 aus
einem anderen Oxid-, Nitrid- oder anderen herkömmlichen Dielektrika gebildet
sein, die allein oder in Kombination unter Verwendung herkömmlicher
Halbleitervorgänge
aufgebracht oder aufgewachsen werden. Die Isolatorschicht 78 wird
auf dem Substrat mit Ausnahme von den Bereichen, die durch eine
Maske 102 bedeckt sind, erzeugt. Die durch die Maske 102 definierte
Fläche
und so die resultierenden Leerräume
oder definierten Öffnungen
innerhalb der Isolatorschicht 78 bestimmen den Ort und
die Form des zuletzt gebildeten integrierten Emitters 100,
wenn die Maske 102 entfernt wird.
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In 11C wird eine optionale Haftschicht 80 auf
dem Substrat 10 und der Isolatorschicht 78 aufgebracht.
Die Haftschicht 80 ist vorzugsweise Tantal, wenn die später aufgebrachte
leitfähige Schicht 82 (siehe 11D) aus Gold hergestellt ist. Vorzugsweise wird
die Haftschicht unter Verwendung herkömmlicher Aufbringungstechniken
aufgebracht. Die Haftschicht ist vorzugsweise etwa 100 bis etwa 200
Angström
dick, kann jedoch abhängig
von den ausgewählten
Materialien jede Dicke aufweisen.
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In 11D wird eine leitfähige Schicht 82 auf die
zuvor aufgebrachten Schichten auf dem Substrat 10, wie
z. B. die Haftschicht 80, aufgebracht, falls diese verwendet
wird. Vorzugsweise wird die leitfähige Schicht unter Verwendung
herkömmlicher
Aufbringungstechniken gebildet. Die leitfähige Schicht ist vorzugsweise
Gold, das etwa 500 bis etwa 1.000 Angström dick ist.
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In 11E wird eine Strukturierungsschicht 104 auf
die leitfähige
Schicht 82 aufgebracht und eine Öffnung wird innerhalb derselben
gebildet, um eine Ätzregion
zum Erzeugen des integrierten Emitters zu definieren. Vorzugsweise
ist die Strukturierungsschicht 104 eine positive Photoresistschicht
mit einer Dicke von etwa 1 μm.
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In 11F wird vorzugsweise ein Nassätzvorgang verwendet, um eine Öffnung in
der leitfähigen
Schicht 82 innerhalb der Öffnung der Strukturierungsschicht 104 zu
erzeugen. Üblicherweise
erzeugt das Ätzen
ein isotropes Ätzprofil 106,
wie gezeigt, in dem ein Abschnitt der leitfähigen Schicht unter der Strukturierungsschicht 104 unterschnitten
ist. Vorzugsweise reagiert der verwendete Nassätzvorgang nicht mit der Haftschicht 80,
falls diese verwendet wird, um zu verhindern, dass das Ätzmaterial
das Substrat 10 erreicht. Wahlweise kann ein Trockenätzvorgang
verwendet werden, um die leitfähige
Schicht 82 zu ätzen.
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In 11G wird vorzugsweise ein Trockenätzvorgang,
der reaktiv für
die Haftschicht 80 ist, verwendet, um ein anisotropes Profil 108 zu
erzeugen.
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In 11H wird eine Tunnelungsschicht 20, vorzugsweise
aus einem Material mit hoher dielektrischer Stärke, wie z. B. Metall-Cluster-Dielektrika,
TiOx, TaOX, WSiN,
TaAlOxNy, TaAlOx oder AlOxNy, vorzugsweise jedoch TiOX, über der
Oberfläche
des behandelten Substrats 10 auf die Strukturierungsschicht 104 und Öffnungen
in der Isolatorschicht 78 aufgebracht. Die Tunnelungsschicht 20 wird
vorzugsweise durch Zerstäuben
des Metalls und Einführen von
Sauerstoff und/oder Stickstoff, um das Dielektrikum in einer Dicke
von weniger als etwa 500 Angström,
vorzugsweise zwischen etwa 50 und etwa 250 Angström, wie z.
B. etwa 100 Angström,
zu bilden, aufgebracht.
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In 11I wird ein Abhebevorgang verwendet, um die Strukturierungsschicht 104 und
den Abschnitt der Tunnelungsschicht 20 zu entfernen, der auf
der Strukturierungsschicht 104 angeordnet ist. Vorzugsweise
wird ein Niedertemperaturplasma verwendet, um reaktiv organische
Aschematerialien innerhalb der Strukturierungsschicht 104 zu ätzen. Das verwendete
Gas ist vorzugsweise Sauerstoff in einem Hobel-Plasmaätzvorgang. Das behandelte Substrat 10 wird
in einer Kammer platziert und der Sauerstoff wird eingeführt und
durch eine Energiequelle angeregt, um ein Plasmafeld zu erzeugen.
Das Plasmafeld versetzt den Sauerstoff durch Energie in einen Hochenergiezustand,
was wiederum die Komponenten der Strukturierungsschicht 104 zu
Gasen oxidieren lässt,
die durch eine Vakuumpumpe aus der Kammer entfernt werden. Aufgrund
ihrer Nähe
und dem Unterschied der Volumenverhältnisse reagieren einige der
Komponenten der Strukturierungsschicht 104 während des
Abhebens mit Bestandteilen in der dünnen Tunnelungsschicht 20,
die auf der Strukturierungsschicht 104 angeordnet ist.
Kohlenmonoxid z. B., das aus der Strukturierungsschicht 104 freigegeben
wird, reagiert mit dem Sauerstoff in einer TiOx-Schicht
der Tun nelungsschicht 20, um CO2-Gas zu
bilden, das dann entfernt wird, wobei eine kleine Menge Ti auf der
Oberfläche
der leitfähigen
Schicht 82 bleibt. So wird die auf der Strukturierungsschicht 104 angeordnete
Tunnelungsschicht 20 im wesentlichen bei dem Abhebevorgang
entfernt. Nach Abschluss des Abhebevorgangs bleibt im wesentlichen nur
der Abschnitt der Tunnelungsschicht 20, der innerhalb der Öffnungen
der Isolatorschicht 78 angeordnet ist.
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Wahlweise
kann ein Naß-Abhebevorgang anstelle
des Plasma-Abhebevorgangs
verwendet werden. Nachdem die Tunnelungsschicht 20 auf
die Oberfläche
des behandelten Substrats 10 aufgebracht wurde, wird das
Substrat 10 in ein Lösungsmittel
eingetaucht, das die Strukturierungsschicht 104 aufquellen
lässt und
entfernt, wobei so die Tunnelungsschicht 20 innerhalb der Öffnung der
Isolatorschicht 78 angeordnet bleibt.
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11J zeigt die Aufbringung einer Kathodenschicht 14 über der
Oberfläche
des behandelten Substrats 10. Die Kathodenschicht 14 ist
vorzugsweise eine metallische Dünnfilmschicht,
wie z. B. Platin, und weist vorzugsweise eine Dicke von etwa 50
bis etwa 250 Angström
auf. Andere Metalle können
für die
Kathodenschicht 14 verwendet werden, wie z. B. Gold, Molybdän, Iridium,
Ruthenium, Tantal, Chrom oder andere Brechungsmetalle oder Legierungen derselben.
Die Kathodenschicht 14, die auf der Tunnelungsschicht 20 angeordnet
ist, bildet die Emitteroberfläche 86 innerhalb
der Emitterkammer 114.
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11K stellt die Aufbringung einer Kathodenphotoresistschicht 116 dar,
die aufgebracht und strukturiert wurde, um Öffnungen zu definieren, wo die
Kathodenschicht 14 geätzt
werden soll, um mehrere Emitter auf dem Substrat 10 zu
trennen.
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11L stellt die Kathodenschicht 14 dar, nachdem
sie geätzt
und das Kathodenphotoresist 116 entfernt wurde.
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Innerhalb
der Emitterkammer 114 befindet sich die Emitteroberfläche 86.
Eine exemplarische Draufsicht der resultierenden Struktur ist in 8 gezeigt.
Die Emitteroberfläche 86 weist
eine erste Fläche
auf. Die Emitterkammer 114 weist einen ersten Kammerabschnitt
auf, der schnittstellenmäßig mit der
Emitteroberfläche 86 verbunden
ist, die im wesentlichen parallele Seitenwände innerhalb der Adhäsionsschicht 80 aufweist.
Die Emitterkammer 114 weist einen zweiten Kammerabschnitt
auf, der in der leitfähigen
Schicht 82 gebildet ist, und der Seitenwände aufweist,
die zu einer Öffnung
mit einer zweiten Fläche
divergieren. Die zweite Fläche
ist größer als
die erste Fläche.
Die Kathodenschicht 14 ist auf der Emitteroberfläche 86 und
den Seitenwänden
des ersten und des zweiten Abschnitts der Emitterkammer 114 angeordnet.
Durch ein Verwenden einer Dünnfilmtechnologie
einer integrierten Schaltung zur Herstellung des Emitters kann derselbe
gemeinsam mit herkömmlichen
aktiven Schaltungen, die auf herkömmlichen integrierten Schaltungen
zu finden sind, integriert werden. Die integrierte Schaltung mit
dem Emitter kann in Anzeigevorrichtungen oder Speichervorrichtungen,
wie zuvor beschrieben wurde, verwendet werden. Vorzugsweise wird
der Emitter nach der Herstellung einem Ausheilungsvorgang unterzogen,
um die Menge einer Emission aus dem Emitter zu erhöhen.
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Die 12A und 12B sind
Diagramme exemplarischer Ausheilungsvorgänge, die verwendet werden,
um die Emissionsstromfähigkeit
eines Emitters, der die Erfindung ausführt, zu erhöhen. Der Ausheilungsvorgang
erhöht
außerdem
die Vorrichtungserträge
und die -qualität,
indem die Emitter länger halten.
Der Ausheilungsvorgang unterstützt
unter anderen Vorteilen die Senkung des Widerstandswerts von Kontakten
unterschiedlicher Metalle, wodurch der Stromfluss zu den Emittern
erhöht
wird.
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In 12A zeigt ein erstes Wärmeprofil 120 das
behandelte Substrat, das einen die Erfindung beinhaltenden Emitter
umfasst, das zuerst innerhalb von 10 Minuten auf eine Tem peratur
von etwa 400°C erhöht und dann
30 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten wird. Dann wird das
behandelte Substrat langsam über
einen Zeitraum von etwa 55 Minuten wieder auf Raumtemperatur (etwa
25°C) abgekühlt.
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In 12B zeigt ein zweites Wärmeprofil 122 das
behandelte Substrat, das einen die Erfindung beinhaltenden Emitter
umfasst, das innerhalb von 10 Minuten auf eine Temperatur von etwa
600°C erwärmt und
etwa 30 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten wird. Dann wird
das behandelte Substrat allmählich über einen
Zeitraum von etwa 100 Minuten wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.
