DE69016492T2

DE69016492T2 - Anordnung zur Elektronenerzeugung und Wiedergabeanordnung.

Info

Publication number: DE69016492T2
Application number: DE69016492T
Authority: DE
Inventors: Arthur Marie Eugen Hoeberechts; Nicolaas Lambert; Gorkom Gerardus Gegorius P Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2010-04-24
Also published as: NL8901075A; CN1047167A; EP0395158B1; JP2964155B2; US5315207A; KR0141588B1; JPH02304836A; KR900017068A; CN1025902C; EP0395158A1; DE69016492D1; CA2015396A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahlenbündels mit einer Elektronenquelle an einer Hauptoberfläche eines Substrats, mit einer elektrisch isolierenden Schicht, die die genannte Hauptoberfläche bedeckt und eine Öffnung mindestens am Ort der genannten Elektronenquelle hat, und mit einer auf der elektrisch isolierenden Schicht entlang wenigstens dem größten Teil des Umfangs der Öffnung vorhandenen Gate-Elektrode.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Träger für solche Anordnungen, sowie auf eine Kathodenstrahlröhre und auf eine Wiedergabeeinrichtung mit einer derartigen Anordnung oder einem derartigen Träger.
Außer für Kathodenstrahlröhren (Bildröhren, Kameraröhren) kann eine Anordnung der genannten Art auch für elektrolithographische Anwendungen oder für Elektronenmikroskopie eingerichtet sein.
In der offengelegten Niederländischen Patentanmeldung 7905470, die als hierin aufgenommen betrachtet werden kann, wird eine Kathodenstrahlröhre mit einer Halbleiteranordnung, einer sog. "kalten Kathode" dargestellt. Die Wirkungsweise dieser kalten Kathode basiert auf der Emission von Elektronen aus einem Halbleiterkörper, in dem ein pn-Übergang in Sperrichtung so betrieben wird, daß Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern auftritt. Dabei können einige Elektronen soviel kinetische Energie erhalten, wie notwendig ist, um das Elektronenaustrittspotential zu überschreiten. Diese Elektronen werden dann an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers emittiert und liefern auf diese Weise einen Elektronenstrom.
Die Emission der Elektronen wird in der genannten Anordnung dadurch erleichtert, daß die Halbleiteranordnung mit sog. Beschleunigungselektroden oder Gate- Elektroden auf einer auf der Hauptoberfläche liegenden Isolierschicht versehen wird, die in der Isolierschicht eine Öffnung (spaltförmig, ringförmig, rund, rechteckig) freilassen. Damit die Emission der Elektronen noch weiter erleichtert wird, wird, falls gewünscht, die Halbleiteroberfläche mit einem die Austrittsarbeit verringernden Material, wie beispielsweise Cäsium, versehen.
Die genannten "kalten Kathoden" können auf vorteilhafte Weise in dünnen, flachen Wiedergabeeinrichtungen verwendet werden, wie in der niederländischen Patentanmeldung 8700486 (PHN 12.047) beschrieben, in der eine Anzahl Elektronenstrahlenbündel in einer Reihe nebeneinander angeordneter Halbleiterkathoden erzeugt wird. In diesen Einrichtungen trifft eine zugehörige Reihe von Elektronenstrahlenbündeln nach Ablenkung, Beschleunigung und weiterer elektronenoptischer Bearbeitung auf einen Leuchtschirm auf und läßt eine Reihe Bildelemente entsprechend der angebotenen Information aufleuchten. Bei einem üblichen Mittenabstand der Bildelemente von 750 um und beispielsweise einer Vergrößerung der emittierenden Oberfläche von etwa 30x in der Elektronenoptik beträgt die Positionierungstoleranz der Kathoden daher weniger als 10 um, weil sonst Uberlappung der Bildelemente auftreten kann (dabei wird vorausgesetzt, daß die emittierenden Oberflächen alle in ein und derselben Ebene liegen). Eine derartige Toleranz stellt an die Montage sehr hohe Anforderungen.
In der in der niederländischen Patentanmeldung 8700486 (PHN 12.047) beschriebenen Anordnung erstreckt sich die Hauptoberfläche der Kathoden nahezu parallel zu der Oberfläche, in der sich die Elektronenstrahlenbündel im wesentlichen bewegen. Hochenergetische positive Ionen können die Oberfläche der Halbleiterkathoden nur teilweise erreichen, so daß eine schnelle Verschlechterung des Wirkungsgrades infolge des Ionenbeschusses vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Elektronenstrahlenbündel mit Hilfe einer Elektronenoptik mit u.a. einem Elektronenspiegel um 90º abgelenkt wird.
Für eine befriedigende Wirkung dieses Elektronenspiegels muß das Elektronenstrahlenbündel nahezu parallel sein. Weil die Gate-Elektrode im allgemeinen als Beschleunigungselektrode fungiert, hat sie eine negative Linsenwirkung auf das Bündel erzeugter Elektronen. Um das Bündel nahezu parallel zu machen, ist es daher notwendig, vorzugsweise in einem möglichst kurzen Abstand zur Kathode eine erste Elektrode anzuordnen, die eine positive Linsenwirkung hat, so daß das Elektronenstrahlenbündel nahezu parallel wird. Der minimale Abstand, in dem eine solche Elektrode angebracht werden kann, beträgt (u.a. wegen des Vorhandenseins von Bonddrähten zum Kontaktieren der Kathode) etwa 300 um.
Dies bringt montagetechnisch große Schwierigkeiten mit sich. Außerdem müssen wegen dieses Abstandes für die Linsenwirkung bzw. Spiegelwirkung der ersten Elektrode bzw. der Spiegelelektrode derart hohe Spannungen verwendet werden, daß auch zwischen der Spiegelelektrode und der Kathode positive Ionen erzeugt werden, so daß der Wirkungsgrad der Kathode durch Ionenbeschuß beeinflußt werden kann.
Die Erfindung hat unter anderem zur Aufgabe, eine Anordnung zu verschaffen, bei der die Positionierungstoleranzen der Halbleiterkathoden wesentlich weniger streng sein können.
Außerdem hat die Erfindung zur Aufgabe, eine Anordnung zu verschaffen, bei der die Spiegelelektrode bei einer so niedrigen Spannung betrieben werden kann, daß zwischen der Kathode und dieser Spiegelelektrode nahezu keine positiven Ionen erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dies erreicht werden kann, indem ein Teil der Elektronenoptik gleichsam in der Anordnung zum Erzeugen des Elektronenstrahlenbündels integriert wird.
Eine erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung weiterhin eine positive Elektronenlinse in Form einer zusätzlichen Elektrode umfaßt, die bezüglich der Elektronenquelle, wenigstens im Betrieb, auf negativem Potential liegt.
Dadurch, daß die zusätzliche Elektrode eine gegenüber der emittierenden Oberfläche negative Spannung erhält, während die Gate-Elektrode eine positive Spannung hat, wirkt die Gesamtanordnung als positive Elektronenlinse, die in einem sehr kurzen Abstand zur Hauptoberfläche (in der Größenordnung von 50 um) ein nahezu senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtetes Elektronenstrahlenbündel erzeugt, das keinen oder nahezu keinen Bündeldurchmesserschwankungen unterliegt. Die obengenannte Multiplikation mit einem Faktor 30 ist also teilweise in dem elektronenemittierenden Körper realisiert. Dies erhöht die genannte Positionierungstoleranz der kalten Kathode in der obengenannten Anwendung auf etwa 50 um, was fertigungstechnisch gut beherrschbar ist. Auch in anderen Anwendungsbereichen kann durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung eine einfachere Elektronenoptik ausreichend sein.
Da die Gate-Elektrode und die Beschleunigungselektrode in einem einzigen Maskierungsschritt hergestellt werden können, weist das Emissionsverhalten der jeweiligen Kathoden eine geringe Schwankung auf, während große Teile der Elektronenoptik gemeinsam genutzt werden. Insbesondere bei mehreren Kathoden in ein und demselben Halbleiterkörper führt dies zu nahezu identischem Verhalten der Strahlenbündel je Spalte von Bildelementen.
Weil die Elektronenstrahlenbündel die Kathode als nahezu parallele Strahlenbündel verlassen, kann ein erstes Beschleunigungsgitter entfallen und der erste Teil der Elektronenoptik (beispielsweise der Elektronenspiegel) in einem üblichen Abstand von etwa 600 um angeordnet werden, was nicht zu fertigungstechnischen Problemen führt. Außerdem kann der Elektronenspiegel eine niedrige Spannung erhalten, so daß zwischen diesem Spiegel und der Kathode keine oder nahezu keine positiven Ionen erzeugt werden.
Die Kathode wird vorzugsweise in Halbleitermaterial, wie Silicium, Gallium-Arsen oder einer anderen III-V-Verbindung ausgebildet. Der Emissionsmechanismus braucht nicht unbedingt auf Lawinenvervielfachung zu beruhen; es kann auch an Feldemitter, NEA-Kathoden usw. gedacht werden.
Es sei bemerkt, daß USP 4 587 614 an sich eine Anordnung mit einer Elektronenquelle und, außer der Gate-Elektrode, einer zusätzlichen Elektrode beschreibt.
Diese bekannte Anordnung kann jedoch kein Elektronenstrahlenbündel erzeugen, sondern wird als integrierte Vakuumschaltanordnung verwendet. Die zusätzliche Elektrode wird als Kollektor für die erzeugten Elektronen eingesetzt und bezüglich sowohl der Blektronenquelle als auch der Gate-Elektrode für diese Funktion in Durchlaßrichtung betrieben.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 schematisch einen Verlauf der Bahnen der Elektronen in einer Anordnung nach Fig. 1, 2;
Fig. 4 und 5 schematisch Wiedergabeeinrichtungen ohne die bzw. mit der zusätzlichen Elektrode;
Fig. 6 eine Anzahl Kathoden in der Anordnung nach Fig. 5;
Fig. 7 eine Abwandlung der Draufsicht von Fig. 1;
Fig. 8 eine Abwandlung einer erfindungsgemßen Anordnung und
Fig. 9 eine weitere Abwandlung.
Die Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Teile haben im allgemeinen gleiche Bezugszeichen. Halbleiterbereiche des gleichen Leitungstyps sind in dem Querschnitt in der gleichen Richtung schraffiert.
Fig. 1 ist eine Draufsicht und Fig. 2 ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, in diesem Fall einer Halbleiterkathode 2. Diese umfaßt einen Halbleiterkörper 3, der in diesem Beispiel aus Silicium hergestellt ist. Der Halbleiterkörper weist an seiner Hauptoberfläche 4 ein n-leitendes Oberflächengebiet 5 auf, das mit den p-leitenden Gebieten 6 und 7 den pn-Übergang 8 bildet. Durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung in Sperrichtung an diesen pn-Übergang 8 werden durch Lawinenvervielfachung Elektronen erzeugt, die aus dem Halbleiterkörper austreten können. Die Halbleiteranordnung ist außerdem mit nicht dargestellten Anschlußelektroden versehen, mit denen das n-leitende Oberflächengebiet 5 kontaktiert wird. Das p-leitende Gebiet 7 wird in diesem Beispiel an der Unterseite durch eine Metallschicht 9 kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt vorzugsweise über eine hochdotierte p-leitende Kontaktzone 10. In diesem Beispiel ist die Donatorkonzentration in dem n-leitenden Gebiet 5 an der Oberfläche beispielsweise 5 10¹&sup9; Atome/cm³, während die Akzeptorkonzentration in dem p-leitenden Gebiet 6 viel niedriger ist, beispielsweise 10¹&sup6; Atome/cm³. Zur örtlichen Verringerung der Durchbruchspannung des pn-Übergangs 8 ist die Halbleiteranordnung mit einem höher dotierten p-leitenden Gebiet 7 versehen, das mit dem n-leitenden Gebiet 5 einen pn-Übergang bildet. Dieses p-leitende Gebiet 7 liegt innerhalb einer Öffnung 11 in einer ersten Isolierschicht 12, auf der um die Öffnung 11 herum eine Gate-Elektrode 12 aus polykristallinem Silicium (Polysilicium) angeordnet ist. Falls gewünscht, kann die Elektronenemission vergrößert werden, indem die Halbleiteroberfläche innerhalb der Öffnung 11 mit einem die Austrittsarbeit herabsetzenden Material bedeckt wird, beispielsweise mit einer Schicht eines Materials, das Barium oder Cäsium aufweist. Für weitere Einzelheiten zu einer derartigen Halbleiteranordnung, auch als Halbleiterkathode bezeichnet, sei auf die bereits genannte niederländische Patentanmeldung 7905470 (PHN 9532) verwiesen.
Durch örtliche Verringerung der Durchbruchspannung des pn-Übergangs 8 erfolgt die Elektronenemission nahezu nur in dem kreisförmigen Gebiet 15 (Fig. 1) mit einem Durchmesser von etwa 3 um.
Erfindungsgemäß umfaßt die Anordnung auch eine zusätzliche Elektrode 16 aus Aluminium, die in diesem Beispiel die Gate-Elektrode 14 völlig umgibt. Die Elektroden 14, 16 sind am Ort des Unterquerungspfades 17 zueinander elektrisch isoliert, beispielsweise indem das polykristalline Silicium örtlich oxidiert ist. Die beiden Elektroden können auch in einem einzigen Maskierungsschritt verschafft werden, indem sie beispielsweise aus Metall geformt und angebracht werden, nachdem der Unterquerungspfad angebracht (beispielsweise in polykristallinem Silicium) und mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht bzw. mit Kontaktlöchern versehen worden ist. Die Elektroden 14, 16 werden extern über die Anschlußkontakte 18, 19 angeschlossen.
Fig. 3 zeigt schematisch die Äquipotentiallinien 21 und die Elektronenbahnen 20 in einer Anordnung nach Fig. 2, wenn diese bei einer Spannung von 20 V an der Gate-Elektrode 14 und einer Spannung von 3,2 V an der zusätzlichen Elektrode 16 verwendet wird. Die Spannung des n-leitenden Oberflächengebietes beträgt 0 V. Die Öffnung 8 in der Isolierschicht hat in diesem Beispiel einen Durchmesser von 10 um, und die emittierende Oberfläche 15 hat einen Durchmesser von 3 um. Der Innendurchmesser der Gate-Elektrode 14 fällt nahezu mit dem Rand der Öffnung 8 zusammen, und der Außendurchmesser beträgt 22 um, während der Innendurchmesser der zusätzlichen Elektrode 16 26 um und ihr Außendurchmesser 200 um beträgt.
Aus Fig. 3 geht hervor, daß bei einer derartigen Kathode und den genannten Spannungen die zugehörigen Elektronenbahnen 20 nahezu parallel zueinander in einer Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche 4 des Halbleiterkörpers (und der emittierenden Oberfläche) verlaufen, von einem Abstand von etwa 50 um über dieser Oberfläche aus. Die Figur zeigt auch, daß das Gesamtstrahlenbündel einen Durchmesser von etwa 75 um hat.
Beim Anlegen einer negativen Spannung an die zusätzliche Elektrode 16 zeigte sich, daß es möglich ist, das Strahlenbündel in kurzem Abstand zur Kathode (innerhalb 50 bis 100 um) gleichsam zu einem Strahlenbündel 22 konvergieren zu lassen (positive Linsenwirkung), das aus nahezu parallelen Elektronenbahnen 20 besteht, wobei das Strahlenbündel in einer Richtung senkrecht zu der emittierenden Oberfläche einen nahezu konstanten Durchmesser aufweist. Es zeigte sich, daß die zugehörige Vergrößerung einer derartigen Linse etwa ein Faktor 6 ist. Ihre Vorteile werden im weiteren anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert.
Fig. 4 zeigt eine flache, dünne Wiedergabeeinrichtung 23, wie diese in der offengelegten niederländischen Patentanmeldung 8700486 (PHN 12.047) beschrieben wird, mit einem durch Wände 24 abgeschlossenen Vakuumraum, in dem sich zum Erzeugen eines Elektronenstrahlenbündels eine Halbleiterkathode 2' befindet. Von dieser Kathode erzeugte Elektronen werden zunächst mit Hilfe von Gittern 25, 26 beschieunigt und bilden nach Reflexion an der Elektrode 27 Elektronenstrahlenbündel 22, die sich parallel zur Rückwand 24' und zur Vorderwand 24" der Wiedergabeeinrichtung 23 bewegen. Mit Hilfe der schematisch dargestellten Elektronenoptik 32 werden die Strahlenbündel 22 beschleunigt und nötigenfalls fokussiert und anschließend mit Hilfe nicht dargestellter Ablenkelektroden in Richtung eines Leuchtschirms 29 (mit Pfeilen 28 schematisch angegeben) abgelenkt. Eine nähere Beschreibung der Wirkungsweise einer derartigen Einrichtung ist in der genannten Patentanmeldung 8700486 (PHN 12.047) beschrieben, deren Inhalt durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird.
Damit bei Reflexion an der Spiegelelektrode 27 zu der Rückwand parallele Strahlenbündel 22 erhalten werden, müssen die Elektronen unter einem Winkel von 450 auf diese Elektrode auftreffen, wobei diese Strahlenbündel sich in Bahnen senkrecht zu der emittierenden Oberfläche bewegende Elektronen enthalten.
Die Gate-Elektrode 14 erteilt den aus dem Halbleiterkörper austretenden Elektronen (bei positiver Spannung an dieser Elektrode) zwar eine zusätzliche Beschleunigung senkrecht zu der emittierenden Oberfläche, aber ein Teil der emittierten Elektronen verläßt die Kathode unter einem bestimmten Winkel. Damit alle Elektronen einer Bahn nahezu senkrecht zu der Oberfläche folgen, ist in der Nähe der Kathode das Gitter 25 mit einer im allgemeinen hohen Spannung (etwa 40 Volt) erforderlich, während das zweite Gitter 26, ebenfalls auf einer hohen Spannung, für die endgültige Formung des Strahlenbündels benötigt wird.
Wegen der Anschlußdrähte 31, die u.a. die Gate-Elektrode 14 kontaktieren (beispielsweise für Signale von Steuer-ICs 30) beträgt der minimale Abstand zwischen der Kathode 2 und dem Gitter 25 etwa 30 um. Die Montage in einem derart geringen Abstand, der für niedrigere Spannungen am Gitter erwünscht ist, bringt jedoch erhebliche Schwierigkeiten mit sich. Abgesehen davon müssen diese Spannungen und damit die Spannungen an den Elektroden 26, 27 bei diesem Abstand so hoch gewählt werden, daß zwischen der Kathode und den Elektroden 25, 26, 27 durch Ionisierung von Restgasteilchen positive Ionen erzeugt werden. Diese positiven Ionen werden durch das herrschende elektrische Feld in Richtung der Kathode beschieunigt, die durch dieses Ionenbeschuß beschädigt wird. Außerdem gehen einige Elektronen verloren, weil sie nicht durch die Öffnung in dem ersten Gitter 25 treten.
Nach Ablenkung um 90º mit Hilfe der Spiegelelektrode 27 werden die Elektronenstrahlenbündel beschleunigt und treten durch ein (schematisch durch gestrichelte Linien dargestelltes) zweites elektronenoptisches System 32.
Ein emittierendes Gebiet 15 wird über die Gitter 25, 26, die Spiegelelektrode 27 und die Elektronenoptik 32 nach Ablenkung (Pfeile 28) auf den Leuchtschirm 29 abgebildet, und das zugehörige Strahlenbündel bewirkt je nach der Einstellung der Kathode ein Aufleuchten dieses Schirms. Der Durchmesser des auf den Schirm 29 treffenden Strahlenbündels ist um etwa einen Faktor 30 größer als der Durchmesser der emittierenden Oberfläche 15. In einem Wiedergabesystem nach dem Prinzip der niederländischen Patentanmeldung 8700486 (PHN 12.047) mit mehreren nebeneinander liegenden Kathoden, wie dies in Fig. 6 schematisch dargestellt ist (in der der Einfachheit halber nur die Kathoden 2, die Spiegelelektrode 27 und die Elektronenstrahlenbündel 22 schematisch dargestellt sind), bedeutet ein Ausrichtfehler einer Kathode 2 um 10 um gegenüber ihrer Nennlage eine Verschiebung des dadurch gesteuerten Bildelementes um etwa 300 um auf dem Leuchtschirm 29, was zu einer Vermischung von Bildelementen führen kann.
Die erfindungsgemäße Wiedergabeeinrichtung 23 nach Fig. 5 umfaßt eine Halbleiterkathode 2 mit einer zusätzlichen Elektrode 16. Wie anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, besteht von einem Abstand von etwa 50 um an das Elektronenstrahlenbündel 22 aus Elektronen, die Bahnen 20 folgen, die senkrecht zu der emittierenden Oberfläche und nahezu parallel zueinander verlaufen. Außerdem ist der Bündeldurchmesser um etwa einen Faktor 6 größer als der Durchmesser der emittierenden Oberfläche 15.
Weil die Strahlenbündel 22 nun nahezu senkrecht zu der Oberfläche 4 verlaufen, kann das Gitter 25 und eventuell auch das Gitter 26 entfallen. Bei Verwendung des Gitters 26 ist dieses in einem Abstand von etwa 600 um angeordnet. Montagetechnisch bereitet dieser Abstand weniger Schwierigkeiten, während nun auch die Spannungen des Gitters 26 und der Spiegelelektrode 27 niedrig genug sein können, um Ionenerzeugung zwischen der Elektrode 27 und der Oberfläche 4 zu verhindern.
Da die verbesserte Einrichtung unmittelbar ein paralleles Strahlenbündel senkrecht zur Oberfläche erzeugt mit einem Durchmesser, der etwa 6mal so groß wie der Durchmesser der emittierenden Oberfläche 15 ist, wird in bezug auf die Anordnung der Kathoden 2 größere Freiheit erhalten. Damit wieder eine Gesamtvergrößerung von 30 erreicht wird, beträgt der Vergrößerungsfaktor des weiteren elektrooptischen Systems (Gitter 26, Spiegelelektrode 27, Elektronenoptik 32) etwa 6, was bedeutet, daß die Positionierungstoleranz der Kathoden 2 einen Wert von 25 um aufweisen darf, um die Verschiebung von Bildelementen auf dem Schirm 29 auf maximal 150 um zu begrenzen.
Fig. 7 zeigt schematisch in Draufsicht eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, 2, wobei die Elektroden 14, 16 in nur einer Metallisierungsschicht vorhanden sind. Die zusätzliche Elektrode 16 ist dabei zum Anschluß der Beschleunigungselektrode 14 unterbrochen. Eine mögliche Asymmetrie im Potential am Ort der Halbleiteranordnung läßt sich kompensieren, indem die Gate-Elektroden mit einem oder mehreren zusätzlichen Vorsprüngen 45 versehen werden, die zusammen mit der Anschlußbahn 46 eine n-ziffrige Symmetrie aufweisen, wobei z.B. n = 4 ist. Jedoch ist auch n = 2, wie in dem vorliegenden Beispiel, durchaus ausreichend. Ähnliche Erwägungen gelten für mögliche Anschlußbahnen für die Halbleitergebiete.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Elektronenerzeugung mit Hilfe von Feldemission erfolgt. Hierzu befindet sich ein Feldemitter 33 innerhalb der Öffnung 11 in einer Isolierschicht 12. Am Rand der (beispielsweise runden) Öffnung 11 befindet sich eine (ringförmige) Gate- Elektrode 14, die ihrerseits innerhalb einer zusätzlichen Elektrode 16 liegt. Der Feldemitter 33, der über eine Metallisierungsschicht 3 an seiner Unterseite kontaktiert wird, kann als scharfe Metallspitze ausgebildet sein, beispielsweise zur Anwendung in Elektronenröhren mit nur einer Kathode, aber auch zur Verwendung als Halbleiterkathode, wie dies in der niederländischen Patentanmeldung 8400297 (PHN 10.918) beschrieben worden ist.
Fig. 9 zeigt eine völlig andere erfindungsgemäße Anordnung. Ein Träger 35 aus beispielsweise einem Polyimid, Glas oder einem anderen isolierenden Material ist mit einer oder mehreren Öffnungen 43 versehen, die den Öffnungen 11 in einer oder mehreren Halbleiterkathoden 2 gegenüberliegen. Die Öffnungen 43 lassen die Gate- Elektroden 14 und zusätzliche Elektroden völlig frei. Der Träger 35 weist auf seiner Unterseite 36 Leiterbannen 37 zum elektrischen Anschluß der Elektroden 14, 16 und der Halbleitergebiete 5, 10 auf, beispielsweise über Lötkugeln 38 (durch "Face-down- Bonding" oder mittels "Flip-Chip"-Techniken). Die Anschlüsse für die Elektroden 14, 16 befinden sich außerhalb der Zeichenebene außerhalb der Öffnung 43. Zum Kontaktieren des p-leitenden Gebietes 10 weist die Anordnung eine tiefe p&spplus;-Oberflächenzone 39 auf. Innerhalb der Öffnung 11 erzeugte Elektronen folgen nun einer Bahn durch die Öffnung 43 in dem Träger 35. Falls gewünscht, kann auf der Oberseite 40 des Trägers 35 eine Metallelektrode 41 angeordnet werden, die Teil der Elektronenoptik sein kann.
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die obenstehend beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele; im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann mehrere Abwandlungen möglich.
So kann beispielsweise die Gate-Elektrode in Abschnitte aufgeteilt sein, damit gegebenenfalls das Elektronenstrahlenbündel (und damit die Form des Auftreffflecks) variiert werden kann. Auch die zusätzliche Elektrode kann nötigenfalls in zwei oder mehrere Teile aufgeteilt sein.
Um eine mögliche weitere Verfeinerung der Elektronenoptik zu erhalten, kann um die zusätzliche Elektrode herum noch eine Elektrode angebracht werden, was in Fig. 1, 2 durch gestrichelte Linien 42 angedeutet wird.
Auch andere Emissionsmechanismen sind möglich. Beispielsweise können NEA-Kathoden verwendet werden, aber auch Kathoden, wie diese beispielsweise in USP 4.516.146 oder USP 4.506.284 beschrieben worden sind. Außerdem können statt Silicium auch andere Materialien, wie Gallium-Arsen oder andere A3-B5-Verbindungen verwendet werden.
Die Form der Öffnung 11 braucht nicht unbedingt rund zu sein, sie kann auch ellipsenförmig, kreisförmig oder linienförmig sein.
Obwohl alle Beispiele auf einem p-leitenden Halbleiterkörper beruhen, kann auch ein n-leitender Halbleiter verwendet werden (insbesondere bei der Realisierung mehrerer Kathoden in nur einem Halbleiterkörper), wobei die Kathoden am Ort p- leitender vergrabener Schichten gebildet werden, die über p&spplus;-Kontaktdiffusionen kontaktiert werden.
Die Anordnung nach Fig. 1, 2 kann auch bei völlig anderen Spannungen betrieben werden. Indem die Gate-Elektrode 14 gegenüber dem n-leitenden Gebiet 6 negativ vorgespannt und die zusätzliche Elektrode 16 positiv vorgespannt wird, wird erreicht, daß in der Anordnung stark monoenergetische Elektronenstrahlen erzeugt werden, was besonders bei Verwendung in der Elektronenmikroskopie günstig ist.

Claims

1. Anordnung zum Erzeugen eines Elektronenstrahlenbündels, mit einer Elektronenquelle (5-8) an einer Hauptoberfläche (4) eines Substrats (3), mit einer elektrisch isolierenden Schicht (12), die die genannte Hauptoberfläche bedeckt und eine Öffnung (11) mindestens am Ort der genannten Elektronenquelle hat, und mit einer auf der elektrisch isolierenden Schicht entlang wenigstens dem größten Teil des Umfangs der Öffnung vorhandenen Gate-Elektrode (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung weiterhin eine positive Elektronenlinse in Form einer zusätzlichen Elektrode (16) umfaßt, die bezüglich der Elektronenquelle, wenigstens im Betrieb, auf negativem Potential liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen Halbleiterkörper (3) umfaßt und daß die Elektronenquelle eine Halbleiterkathode mit einem pn-Übergang (8) zwischen einem an die Hauptoberfläche (4) grenzenden n- Halbleiterbereich (5) und einem darunter liegenden p-Halbleiterbereich (6, 7) umfaßt, wobei der genannte pn-Übergang lokal eine verringerte Durchbruchspannung am Ort der genannten Öffnung (11) hat.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der n-Halbleiterbereich (5) mindestens am Ort der genannten Öffnung (11) eine solche Dicke und Dotierungskonzentration hat, daß im Betrieb eine den pn-Übergang umgebende Verarmungszone die Hauptoberfläche (4) nicht erreicht, sondern durch eine Oberflächenschicht von ihr getrennt wird, die dünn genug ist, um die erzeugten Elektronen durchzulassen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle einen Feldemitter (33) umfaßt.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (14) oder die zusätzliche Elektrode (16) in Teilelektroden aufgeteilt ist.

6. Kathodenstrahlröhre mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

7. Wiedergabeeinrichtung mit einer nahezu evakuierten Umhüllung (24) mit im wesentlichen nahezu parallelen Vorder- und Rückwänden (24', 24"), einer Leuchtstoffschicht (29) an der Innenfläche der Vorderwand (24') und mit Mitteln zum Erzeugen mehrerer Elektronenstrahlenbündel (22), die sich nahezu in einer Ebene parallel zu der Vorder- und der Rückwand bewegen und in einer Ablenkeinheit über Ablenkmittel in der Richtung der Leuchtstoffschicht selektiv abgelenkt werden können, so daß jedes Bündel mindestens einen Teil der Leuchtstoffschicht abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen der Elektronenstrahlenbündel mindestens eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem oder mehreren elektronenerzeugenden Gebieten aufweisen, die einzeln angesteuert werden können, wobei die genannte Anordnung für jede vertikale Bildelementspalte mindestens ein Elektronenerzeugungsgebiet aufweist.

8. Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche der Anordnung (2) zum Erzeugen des Elektronenstrahlenbündels (22) sich nahezu parallel zu der Ebene erstreckt, in der die Elektronenstrahlen sich im wesentlichen bewegen.

9. Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstrahlenbündel (22) mindestens einmal in einem Winkel von nahezu 90º verläuft.