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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Feldemissionsvorrichtungen, und bezieht sich
insbesondere auf eine Vorrichtung, in welcher einige oder alle der Elektroden aus
einkristallinem Material gebildet sind.
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Feldemissionsvorrichtungen sind mikroskopische, elektrische Komponenten, welche
Selektivelektronen emittieren. Derartige Geräte 100, wie in den Fig. 1a und 1b
dargestellt, enthalten im allgemeinen zwei Elektroden: eine Emitterelektrode 103
zum Emittieren von Elektronen und eine Gateelektrode 104 zum Kontrollieren des
Flusses der Elektronen von der Emitterelektrode 103 in Abhängigkeit von der an
dem Gate 104 vorhandenen elektrischen Ladung. Die Elektroden sind
typischerweise auf einer Art von Substrat 101 oder 105 angebracht, um die Vorrichtung zu
stützen, mit einer Lücke zwischen den Elektroden. Eine dritte Elektrode, die Anode
(in den Fig. 1a und 1b nicht dargestellt), kann ebenfalls vorhanden sein, um die
emittierte Elektronen zu empfangen, obwohl in einigen Vorrichtungen die Gate-
Elektrode 104 als Anode dient.
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Es ist seit einigen Jahren bekannt, daß Feldemissionsvorrichtungen viele potentielle
Anwendungen in der kommerziellen und militärischen Industrie aufweisen, wie
etwa: hochauflösendes Fernsehen, Flachbildschirme; strahlungsunempfindliche,
thermisch unempfindliche integrierte Schaltkreise; Mikrosensoren; schnelle
Elektronenquellen für Vakuumröhren; und Elektronenmikroskope. Es bestehen jedoch
eine Anzahl von praktischen Schwierigkeiten, die mit derartigen Geräten verbunden
sind, die ihre weit verbreitete Anwendung unterbunden haben. Drei solche
Probleme sind 1) ihre extreme Empfindlichkeit auf Schäden, 2) ihre Instabilität, die sich
in einer Tendenz zu Veränderungen der Mikrostruktur während des Gebrauchs
zeigt, und 3) die Schwierigkeit der Herstellung derartiger Vorrichtungen mit
ausreichender Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit. Die folgenden Bezugnahmen
detaillieren diese Probleme und beschreiben den Stand der Technik bei der
Herstellung von Emissionsvorrichtungen.
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Das U.S.-Patent 3,947,716 offenbart eine Feldemissionsspitze und ein Verfahren,
in welchem ein Metallabsorbat selektiv auf der Spitze abgeschieden wird, um eine
selektiv facetierte Spitze zu schaffen, bei der die emittierende, ebene Oberfläche
eine reduzierte Arbeitsfunktion ausweist und die nicht emittierenden, ebenen
Oberflächen eine erhöhte Arbeitsfunktion aufweisen, und so eine verbesserte
Leistungsfähigkeit ergeben. Das Patent offenbart die Verwendung eines Einkristalls,
um Emissionsspitzen herzustellen, aber der Grund für die Verwendung von
Einkristallen bei Emissionsspitzen war seit jeher, die Herstellung eines konusförmigen
Emitters zu vereinfachen. Das Patent erwähnt nicht die Verwendung eines
Einkristalls für die anderen Elektroden der Vorrichtung noch schlägt es die
Verwendung von Einkristallen in Verbindung mit Dünnschichtemittern oder für die Stabilität
und den Widerstand gegen Durchschlagsschäden vor.
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S. M. Spitzer und S. Schwartz, "A Brief Review of the State of Art and Some
Recent Results on Electromigration in Integrated Circuit Aluminum Metallization",
J. Electrochem. Soc. v. 116, S. 1368 (1969), diskutieren einige der mit der
Elektromigration in integrierten Schaltkreisvorrichtungen verbundenen Probleme. Es
wurde herausgefunden, daß das Phänomen der Elektromigration Instabilität und
Empfindlichkeit für Fäden in Emissionsvorrichtungen verursacht. Dieser Artikel
erwähnt nicht die Verwendung von einkristalinem Material, um die
Elektromigrationsprobleme zu reduzieren.
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J. E. Wolfe, "Operational Experience with Zirconiated T-F Emitters", J. Vac. Sci.
Technology v. 16, S. 1704 (1979), diskutiert die Eigenschaften einer
Elektronenkanone, welche eine Kathoden-Filamentstruktur mit einer nadelförmigen Kathode
verwendet. Er diskutiert einige Techniken zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit
und der Verlängerung der Gerätelebensdauer, erwähnt jedoch nicht Korngrenzen
oder einkristalline Strukturen.
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G. W. Jones, C. T. Sune, and H. F. Gray, "Self-Aligned Vertical Field Emitter Devices
Fabricated Utilizing Liftoff Processing", 3d Int'l Vacuum Microelectronics Conf.,
23. bis 25. Juli 1990, Monterey, CA, Poster 1-2, beschreibt ein Verfahren zur
Herstellung von vertikal selbst ausgerichteten Feldemitterkathoden und
Extraktionselektroden, welches einen Liftoff-Prozeß und anisotropes Silikonätzen verwendet.
Diese Technik schließt ein, daß zunächst Silikondioxid Inseln auf stark dotiertem
N+-Silicium gebildet werden und dann diese Inseln als Ätzmasken verwendet
werden, um flache, getoppte Pyramiden mit überhängenden Kappen aus
Silicumdioxid zu bilden.
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R. B. Marcus et al., "Formation of Sharp Silicon and Tungsten Tips", 3d Int'l
Vacuum Microelectronics Conf., 23. bis 25. Juli 1990, Monterey, CA, Aufsatz 1
bis 3, beschreibt eine Variation einer zuvor bekannten Prozedur zum Bilden von
atomar-scharfen Siliziumspitzen mit einem Halbwinkel zwischen 10º und 15º
durch Verwendung von Oxidationsunterdrückung in Bereichen hoher Krümmung für
Siliziumspitzen. Die Variation verwendet ein chemisches Dampfverfahren, um
ähnliche Spitzen aus Wolfram zu bilden.
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K. Warner, N. M. McGruer, and C. Chan, "Oxidation Sharpended Gated Field
Emitter Array Process", 3d Int'l Vacuum Microelectronics Conf., 23. bis 25 Juli
1990, Monterey, CA, Poster P-25, diskutiert ein Verfahren zur Herstellung von
Feldemissionskathoden mit einem Gate, welche scharfe Spitzen durch Oxidation
aufweisen.
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D. W. Branston und D. Stephani, "Field Emission from Metal Coated Silicon Tips",
3d Int'l Vacumm Microelectronics Conf., 23. bis 25. Juli 1990, Montery, CA.
Aufsatz 5-4, beschreibt Emissionseigenschaften von verschiedenen Gruppierungen
von Emittern, die als Reihen von Siliciumspitzen gebildet sind, die mit
verschiedenen Bruchschmelzenden Metallen durch physikalische
Dampfabscheidungstechniken beschichtet wurden.
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Die Verfahren, die in den oben in Bezug genommenen Artikeln beschrieben wurden,
stellen allgemein den Stand der Technik bei den Herstellungstechniken für
Emissionsvorrichtungen dar.
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S. Bandy, C. Nishimoto, R. LaRue, W. Anderson und G. Zdasiuk, "Thin Film Emitter
Development", Technical Digest of IV MC 91 (August 1991), S. 118, veröffentlicht
innerhalb eines Jahres nach der ursprünglichen Patentanmeldung, beschreibt ein
Verfahren zur Herstellung von Emissionsvorrichtungen, welches dünne Schichten
verwendet. Es beschreibt die Eigenschaften und Vorteile von Dünnschichtemittern
im Vergleich mit traditionellen konusförmigen Emittern. Diese beiden Strukturen für
Emissionsvorrichtungen sind in den Fig. 1a und 1b der vorliegenden
Patentanmeldung dargestellt. Die Fig. 1a zeigt eine wohl bekannte konusförmige
Emitterstruktur, in welcher eine konusförmige Emitterelektrode 103 auf einem leitenden
Substrat 101 angebracht ist (wie in "Thin Film Emitter Development" beschrieben,
"nahezu alle Strukturen, über die in der Literatur berichtet wird, sind leitende
Substrate."). Vorrichtungen dieses Typs werden herkömmlicherweise unter
Verwendung von Ätz- oder Metalleinschlußtechniken hergestellt. Fig. 1b zeigt die
neuere "Kantenemitter-"Struktur, die in "Thin Film Emitter Development" diskutiert
ist, in welcher eine Kante des Emitters 103 sich zwischen einem Isolator 102 und
einem Metallüberzug 106 vorstreckt. Diese Struktur verwendet normalerweise ein
isolierendes Substrat 105, Kantenemitter bieten einige potentionelle Vorteile
gegenüber konusförmigen Emittern, einschließlich verbesserter Reproduzierbarkeit
und Gleichförmigkeit hohen Stromdichten und hoher Frequenzleistungsfähigkeit.
Sogar mit diesen Vorteilen bleiben die oben erwähnten drei Probleme jedoch
bestehen.
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Obwohl es im Stand der Technik seit einiger Zeit bekannt ist, daß die Verwendung
von Einkristallen die Herstellung von konusförmigen Emitterelektroden erleichtert,
waren die Vorteile von Einkristallen bei der Verbesserung der Stabilität und
Gleichförmigkeit und dem Absenken von Schäden bisher nicht bekannt.
Dementsprechend wurden sie nicht für die anderen Elektroden des Gerätes (insbesondere die
Gate-Elektrode und die Anode) benutzt noch wurden sie für die konusförmigen
Emitter benutzt.
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Die WO-A-92/04732 offenbart eine Feldemissionsvorrichtung mit einer
Emitterelektrode zum Emittieren von Elektronen und einer Gateelektrode zum Kontrollieren der
Elektronenemission, die aus einem Einkristall gebildet ist, wobei sich eine Lücke
zwischen der Emitterelektrode und der Gateelektrode befindet. Die vorliegende
Erfindung ist in Anspruch 1 dargestellt.
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Beispiele des Standes der Technik und der Erfindung werden nunmehr mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1a ist eine Querschnittsdarstellung einer Feldemissionsvorrichtung
100 mit einem konusförmigen Emitter 103 gemäß dem Stand der
Technik;
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Fig. 1b ist eine Querschnittsdarstellung einer
Dünnschichtfeldemissionsvorrichtung 100 mit einer Kantenemitterstruktur 103;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer
Einkristall-Dünnschichtemissionsvorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3a bis 3f stellen ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer
einkristallinen Dünnschichtemissionsvorrichtung 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Diese Figuren sind Querschnittsdarstellungen
der Vorrichtung 100 in sechs Stufen des bevorzugten
Herstellungsprozesses.
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In Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der
Feldemissionsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zwei
beispielsweise aus Aluminium-Gallium-Arsenid gefertigte Isolatoren 102 sind auf
einem beispielsweise aus Gallium-Arsenid hergestellten, isolierenden Substrat 105
angeordnet. Die Isolatoren 102 sind beabstandet dargestellt, sie müssen es jedoch
nicht sein. Die Emitter- und Gateelektroden 103 bzw. 104 sind aus einer einzigen
dünnen aus beispielsweise stark dotiertem Gallium-Arsenid gebildet und liegen auf
den Isolatoren 102, so daß eine Lücke 203 zwischen den beiden Elektroden
gebildet wird. Ohmsche Kontakte 204 sind an den Emitter- und Gateelektroden
befestigt, um den elektrischen Kontakt mit der Vorrichtung zu erleichtern. Eine
Anodenelektrode 205 beabstandet von den anderen Komponenten der Vorrichtung
und ebenfalls auf einem Eingriffsteil gebildet, kann ebenfalls vorhanden sein, um
die emittierte Elektronen zu sammeln, oder alternativ kann die Gate-Elektrode 104
als eine Anode dienen. In den Fig. 3a bis 3f ist ein bevorzugtes Verfahren zur
Herstellung der Feldemissionsvorrichtungen 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Der Fachmann wird sofort erkennen, das alternative
Ausführungsformen dieses Verfahrens verwendet werden können, ohne die Grundsätze der hier
beschriebenen Erfindung zu verlassen.
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In der Fig. 3a ist das Startmaterial für den Prozeß dargestellt. Es ist ein
isolierendes Substrat 105 aus Gallium-Arsenid zur Verfügung gestellt. Auf dem Substrat ist
eine Pufferschicht 301 aus Aluminium-Gallium-Arsenid abgeschieden, etwa 5
micrometer dick. Schließlich befindet sich auf der Pufferschicht 301 eine
einkristalline, dünne Schicht (etwa 1000 Angström dick) aus leitendem Material 302,
bevorzugt stark dotiertem Gallium-Arsenid. Andere Materialien und Dicken können
verwendet werden.
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In der Fig. 3b wird eine Schicht Fotolack aufgetragen, gemäß den wohl bekannten
Vorrichtungsherstellungstechniken. Der Fotolack wird in einem Muster aufgetragen,
welches schließlich der Anordnung der Elektroden 103 und 104 auf der fertigen
Vorrichtung definiert, in dem Lücken zurückgelassen werden, wo das leitende
Material 302 zu entfernen ist.
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In Fig. 3c wird die leitende Schicht 302 gemäß den wohl bekannten
Vorrichtungsherstellungstechniken geätzt. Überall dort, wo Fotolack 303 vorhanden ist, bleibt
die leitende Schicht 302 in Takt, aber dort, wo sich eine Lücke in dem Fotolack
303 befindet wird die leitende Schicht 302 weggeätzt. Auf diese Art werden zwei
Elektroden 103 und 104 gebildet, mit einer Lücke 203 zwischen ihnen. Die
Elektrode 103 wird schließlich der Emitter sein und die Elektrode 104 wird das Gate
sein.
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In der Fig. 3d wird der Fotolack 303 entfernt.
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In der Fig. 3e wird die Pufferschicht 301 unter der Lücke 203 ausgeätzt, so daß
einiger Überhang der Elektroden 103 und 104 besteht. Die Pufferschicht 301 wird
daher zu zwei Aluminium-Gallium-Arsenidisolatoren 102. In einer alternativen
Ausführungsform ist es möglich, daß die Pufferschicht nicht weggeätzt wird, oder
nur teilweise weggeätzt wird, so daß sich die Isolatoren 102 berühren.
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In der Fig. 3f werden ohmsche Kontakte 204 an den Elektroden 103 und 104
angebracht, so daß elektrische Verbindungen zu der Vorrichtung 100 gemacht
werden können. Eine Anodenelektrode 205 ist ebenfalls dargestellt, obwohl dies
optional ist; wenn keine Anode 205 vorhanden ist, dient die Gateelektrode als
Anode. Die Anode 205, wenn vorhanden, kann aus stark dotiertem Galliumarsenid
oder aus Gold oder aus jedem anderen leitenden Material hergestellt sein. Sie kann
aus einem Eingriffsteil hergestellt sein, obwohl dies nicht notwendig ist. Sie kann
oder kann nicht aus einer dünnen Schicht hergestellt sein und kann sogar aus der
gleichen Schicht hergestellt sein, wie die anderen beiden Elektroden (beispielsweise
in einer koplanaren Anordnung).
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Andere Materialien können anstelle der erwähnten verwendet werden. Zusätzlich
können die Emitter- bzw. Gatelektroden 103 bzw. 104 aus zwei getrennten
einkristallinen, dünnen Schichten gebildet werden, anstelle auf einem Teil 302.