EP1157402B1 - Elektronenemitter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP1157402B1 EP00912394A EP00912394A EP1157402B1 EP 1157402 B1 EP1157402 B1 EP 1157402B1 EP 00912394 A EP00912394 A EP 00912394A EP 00912394 A EP00912394 A EP 00912394A EP 1157402 B1 EP1157402 B1 EP 1157402B1
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layer
insulating layer
electron emitter
ions
energy
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Markus Waiblinger
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Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
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    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes

Definitions

  • the invention relates to an electron emitter, comprising one in one Insulating layer arranged conductive and cylindrical substrate areas arranged perpendicular to the surface of this layer, and a Process for its production.
  • the liquid of the Nanotube suspension obtained was by means of a ceramic filter removed, forming a film on the surface of the filter that is finally pressed against the PTFE film and remains there. Due to the manufacturing process, however, not all nanotubes are arranged perpendicular to the substrate, resulting in a non-homogeneous Emission leads to the instabilities of the electron-emissive layer pulls itself.
  • EP 0 609 532 describes an electron emitter in which the Electron emitting layer is a hydrogenated layer of diamond or is diamond-like carbon material.
  • This layer points specifically introduced electrical and / or electronic active defects.
  • the Defects are spaced from the surface of the layer in the hydrated layer or as aligned filaments at an angle to the surface of the hydrogenated layer arranged from 45 ° to 90 °.
  • defects For example, spaces, imperfections, interstitial spaces are specified.
  • the Generation of such defects can occur during the growth of the layer but also carried out subsequently by ion implantation.
  • the Binding structure changed in the crystal lattice, creating conductive defects become.
  • a mechanical and electrical specify homogeneous and stable electron emitter, which in one on one Insulating layer arranged conductive and cylindrical substrate has areas arranged perpendicular to the surface of this layer, and a method for producing such an electron emitter.
  • the task is performed by an electron emitter of the type mentioned at the beginning solved in that, according to the invention, the cylindrical conductive regions over the entire thickness of this layer in this straight and parallel aligned to each other are formed as homogeneously conductive channels.
  • the insulating Layer a diamond-like carbon layer or a layer cubic boron nitride.
  • the diamond-like carbon layer is preferably in which the homogeneously conductive channels are embedded, 100 nm thick.
  • the inventive method for producing the described Electron emitter provides that first on a substrate insulating layer with a thickness between 40 nm and 1000 nm applied is then this layer perpendicular to its surface with high-energy heavy ions are irradiated homogeneously, the ions being a have such energy that a restructuring of the insulating Layer of sufficiently high energy deposition over the entire thickness of this Layer guaranteed, and the ions have a dose at which the middle Distance of the statistically impacting ions in the insulating layer is between 20 nm and 1000 nm.
  • the method according to the invention allows the generation of Nanowires, i. H. of thin, electrically conductive channels (ion traces) in an insulating layer over the entire thickness of this layer.
  • the ends act as thin tips, on which there is a electric field leads to a strong increase in the field strength.
  • the generated nanowires are straight and parallel to each other and arranged perpendicular to the substrate, which is a good electrical homogeneity and slight deviations in the emission properties are guaranteed.
  • the Stability of the generated with the aid of the method according to the invention Electron emitter is made by embedding the nanowires in a very stable insulating crystal structure guaranteed.
  • the invention The method enables the generation of conductive channels approximately same diameter and structure, which in turn the uniform emission is supported.
  • the method according to the invention is suitable, for example, stable, to produce large-area field emission cathodes for flat screens.
  • Xe ions with an energy of 240 MeV and a dose of 5 ⁇ 10 10 particles / cm 2 are used as high-energy heavy ions.
  • a diamond-like carbon layer is used as the insulating layer.
  • the bombardment of the diamond-like carbon layer with high-energy heavy ions causes a rearrangement of the carbon atoms due to the local energy deposition along its track over the entire thickness of this layer.
  • the insulating, diamond-like sp 3 bond is converted into the electrically conductive, graphite-like sp 2 bond.
  • the ions themselves are only stopped in the substrate.
  • a layer of cubic boron nitride is used, so when bombarded with heavy ions, the stoichiometry changes along the Ion trace, which is also the case for other composite materials, and ultimately changes the conductivity in that channel.
  • the diamond-like carbon layer is Ion deposition applied to a doped silicon substrate. Farther it is provided that the diamond-like carbon layer is preferably in a thickness of 100 nm is applied.
  • a 100 nm thick diamond-like carbon layer is applied to a 0.3 mm thick doped Si substrate by direct deposition of C ions in an energy interval from 50 eV to 400 eV at room temperature.
  • the substrate should be at least partially suitable for the electrode feed or may already contain the control electronics.
  • the diamond-like carbon layer is then bombarded with Xe ions, which have an energy of 240 MeV and a dose of 5 ⁇ 10 10 particles / cm 2 .
  • the impacts of the Xe ions are statistical and are homogeneously distributed over the entire irradiated area.
  • the desired size of the irradiated area can be achieved by an appropriately selected cross section of the ion beam and / or by scanning the area to be irradiated.
  • the energy of the ions was selected so that the energy loss can be realized over the entire thickness of the diamond-like carbon layer.
  • the Xe ions deposit about 20 keV / nm, as a result of which the carbon atoms in the ion track are rearranged and the insulating, diamond-like sp 3 bond is converted into the electrically conductive, graphite-like sp 2 bond. This creates conductive nanowires in the insulating diamond-like carbon layer, which are oriented perpendicular to the surface of the diamond-like carbon matrix surrounding them.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenemitter, aufweisend in einer auf einem Substrat angeordneten isolierenden Schicht leitende zylinderförmige und senkrecht zur Oberfläche dieser Schicht angeordnete Bereiche, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Über einen Elektronenemitter für Flachbildschirme aus Kohlenstoff-Nanoröhren wird in SCIENCE, VOL. 270, 17 NOVEMBER 1995, pp. 1179-1180 berichtet. Es konnten einige zehntausend Nanoröhren auf einer leitfähigen PTFE(Polytetrafluorethylen)-Unterlage nebeneinander auf diesem Substrat angeordnet werden. Es entstand ein großflächiger Film von meistens senkrecht zur Oberfläche des Trägermaterials orientierten Nanoröhren, wobei der Durchmesser der Röhren ca. 10 ± 5 nm und ihre Länge ca. 1 µm betrug. Die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren wurden mittels eines hochintensiven Kohlenstoff-Bogens in He-Atmosphäre erzeugt, anschließend extrahiert und mittels Ultraschall in Äthanol dispergiert. Die Flüssigkeit der erhaltenen Nanoröhren-Suspension wurde mittels eines keramischen Filters entfernt, wobei sich ein Film auf der Oberfläche des Filters bildete, der abschließend gegen die PTFE-Folie gepreßt wird und dort haften bleibt. Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind aber nicht alle Nanoröhren senkrecht auf dem Substrat angeordnet, was zu einer nicht homogenen Emission führt, die Instabilitäten der elektronenenemittierenden Schicht nach sich zieht.
In Chemical Physics Letters, 299 (1999), 97-102 wird über das direkte Aufwachsen von ausgerichteten offenen Nanoröhren mittels CVD (Chemical Vapour Deposition - Chemische Dampfabscheidung) berichtet. Das relativ aufwendige Verfahren ermöglicht die Herstellung von getrennten mehrheitlich senkrecht angeordneten Nanoröhren. Jedoch konnte auch hier wegen der noch vorhandenen inhomogenen Ausrichtung dieser Nanoröhren keine wesentliche Verbesserung der Stabilität der elektronenemittierenden Schicht erreicht werden. Außerdem sind die gemäß dem erst- und zweitgenannten Verfahren hergestellten und nur diese Nanoröhren enthaltenden Schichten mechanisch instabil, was wiederum auch elektrische Instabilitäten nach sich zieht.
In EP 0 609 532 wird ein Elektronenemitter beschrieben, bei dem die Elektronen emittierende Schicht eine hydrierte Schicht von Diamant oder diamantartigem Kohlenstoffmaterial ist. Diese Schicht weist gezielt eingebrachte elektrisch und/oder elektronische aktive Defekte auf. Die Defekte sind in der hydrierten Schicht beabstandet zur Oberfläche der Schicht oder auch als ausgerichtete Filamente mit einem Winkel zur Oberfläche der hydrierten Schicht von 45 ° bis 90 ° angeordnet. Als Defekte werden beispielsweise Leerstellen, Störstellen, Zwischengitterplätze angegeben. Die Erzeugung derartiger Defekte kann während des Wachstums der Schicht erfolgen aber auch nachträglich durch Ionenimplantation. Hierbei wird die Bindüngsstruktur im Kristallgitter geändert, wodurch leitende Defekte gebildet werden.
In der Broschüre "VDI Technologiezentrum Physikalische Technologien /Technologiefrüherkennung / Ergebnisse des Expertenworkshops "Nanoröhren " 2. Juli 1998 / Zukünftige Technologien Band 27, S. 82 ff. wird neben der bereits erwähnten Abscheidung von Kohlenstoff mittels Vakuumbogen auch die Laser-Arc-Beschichtung beschrieben. Auch dieses Verfahren liefert nicht vollständig homogene Schichten, was wiederum Instabilitäten nach sich zieht. In dieser Veröffentlichung wird auch die Überlegung ausgeführt, daß ein optimaler Schichtaufbau aus senkrecht zur Oberfläche orientierten, graphitischen (und dementsprechend leitfähigen) Nanozylindern bestehen könnte, die in eine diamantähnliche (und dementsprechend dielektrische) Matrix eingebettet sind. Mit den bisher dem Stand der Technik nach bekannten Verfahren läßt sich diese optimale Struktur aber nicht realisieren.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen mechanisch und elektrisch homogenen und stabilen Elektronenemitter anzugeben, der in einer auf einem Substrat angeordneten isolierenden Schicht leitende zylinderförmige und senkrecht zur Oberfläche dieser Schicht angeordnete Bereiche aufweist, sowie eine Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektronenemitters.
Die Aufgabe wird durch einen Elektronenemitter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die zylinderförmigen leitenden Bereiche über die gesamte Dicke dieser Schicht in dieser gerade geformt und parallel zueinander ausgerichtet als homogen leitende Kanäle ausgebildet sind.
In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, daß die isolierende Schicht eine diamantartige Kohlenstoff-Schicht oder eine Schicht aus kubischem Bornitrid ist. Vorzugsweise ist die diamantartige Kohlenstoff-Schicht, in die die homogen leitenden Kanäle eingebettet sind, 100 nm dick.
Die Ausbildung der zylinderförmigen leitenden Bereiche als homogen leitende Kanäle, die parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche der isolierenden Schicht ausgebildet und in dieser eingebettet sind, machen sie mechanisch. und elektrisch stabil, so daß eine homogene und stabile Emission dieser Schicht gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Elektronenemitters sieht vor, daß zunächst auf einem Substrat eine isolierende Schicht mit einer Dicke zwischen 40 nm und 1000 nm aufgebracht wird, anschließend diese Schicht senkrecht zu ihrer Oberfläche mit energiereichen schweren Ionen homogen bestrahlt wird, wobei die Ionen eine solche Energie aufweisen, die eine für eine Umstrukturierung der isolierenden Schicht hinreichend hohe Energiedeposition über die gesamte Dicke dieser Schicht gewährleistet, und die Ionen eine Dosis aufweisen, bei der der mittlere Abstand der statistisch in die isolierende Schicht einschlagenden Ionen zwischen 20 nm und 1000 nm liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet erstmals die Erzeugung von Nanodrähten, d. h. von dünnen, elektrisch leitenden Kanälen (Ionenspuren) in einer isolierenden Schicht über die gesamte Dicke dieser Schicht. Die Enden dieser Kanäle wirken als dünne Spitzen, an denen es bei Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer starken Überhöhung der Feldstärke kommt. Die erzeugten Nanodrähte sind gerade und parallel zueinander ausgebildet und senkrecht zum Substrat angeordnet, was eine gute elektrische Homogenität und geringe Abweichungen in den Emissionseigenschaften garantiert. Die Stabilität des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Elektronenemitters wird durch die Einbettung der Nanodrähte in eine sehr stabile isolierende Kristallstruktur gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von leitenden Kanälen annähernd gleichen Durchmessers und gleicher Struktur, wodurch wiederum die gleichmäßige Emission unterstützt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise geeignet, stabile, großflächige Feldemissionskathoden für Flachbildschirme herzustellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden als energiereiche schwere Ionen Xe-Ionen mit einer Energie von 240 MeV und einer Dosis von 5 x 1010 Teilchen/cm2 verwendet.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, als isolierende Schicht eine diamantartige Kohlenstoff-Schicht zu verwenden. Der Beschuß der diamantartigen Kohlenstoff-Schicht mit energiereichen schweren Ionen bewirkt aufgrund der lokalen Energiedeposition entlang ihrer Spur über die gesamte Dicke dieser Schicht eine Umordnung der Kohlenstoff-Atome. Hierbei erfolgt eine Umwandlung der isolierenden, diamantartigen sp3- in die elektrisch leitende, graphitartige sp2-Bindung. Die Ionen selbst werden erst im Substrat gestoppt.
Wenn - wie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen - als isolierende Schicht eine Schicht aus kubischem Bornitrid verwendet wird, so ändert sich beim Beschuß mit schweren Ionen die Stöchiometrie entlang der Ionenspur, was auch für andere zusammengesetzte Materialien der Fall ist, und letztendlich zur Änderung der Leitfähigkeit in diesem Kanal führt.
In einer Ausführungsform wird die diamantartige Kohlenstoff-Schicht mittels Ionendeposition auf einem dotierten Silizium-Substrat aufgebracht. Weiterhin ist vorgesehen, daß die diamantartige Kohlenstoff-Schicht vorzugsweise in einer Dicke von 100 nm aufgebracht wird.
Die Erfindung wird in folgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Auf ein 0,3 mm dickes dotiertes Si-Substrat wird mittels direkter Deposition von C-Ionen in einem Energieintervall von 50 eV bis 400 eV bei Raumtemperatur eine 100 nm dicke diamantartige Kohlenstoff-Schicht aufgebracht. Das Substrat sollte mindestens teilweise für die Elektrodenzuführung geeignet sein bzw. kann auch bereits die Ansteuerelektronik enthalten. Anschließend wird die diamantartige Kohlenstoff-Schicht mit Xe-Ionen beschossen, die eine Energie von 240 MeV und eine Dosis von 5 x 1010 Teilchen/cm2 aufweisen. Die Einschläge der Xe-Ionen erfolgen statistisch und sind homogen über die gesamte bestrahlte Fläche verteilt. Die gewünschte Größe der bestrahlten Fläche kann durch einen entsprechend gewählten Querschnitt des lonenstrahls und/oder durch Abscannen der zu bestrahlenden Fläche erreicht werden. Die Energie der Ionen wurde so ausgewählt, daß der Energieverlust über die gesamte Dicke der diamantartigen Kohlenstoff-Schicht realisierbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel deponieren die Xe-Ionen ca. 20 keV/nm, wodurch in der Ionenspur die Kohlenstoffatome umgeordnet werden und die isolierende, diamantartige sp3-Bindung in die elektrisch leitende, graphitartige sp2-Bindung umgewandelt wird. Somit entstehen in der isolierenden diamantartigen Kohlenstoff-Schicht leitende Nanodrähte, die senkrecht zur Oberfläche der sie umgebenden diamantartigen Kohlenstoff-Matrix ausgerichtet sind.

Claims (11)

  1. Elektronenemitter, aufweisend in einer auf einem Substrat angeordneten isolierenden Schicht leitende zylinderförmige und senkrecht zur Oberfläche dieser Schicht angeordnete Bereiche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zylinderförmigen leitenden Bereiche über die gesamte Dicke dieser Schicht in dieser gerade geformt und parallel zueinander ausgerichtet als homogen leitende Kanäle ausgebildet sind.
  2. Elektronenemitter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die isolierende Schicht, in die die homogen leitenden Kanäle eingebettet sind, eine diamantartige Kohlenstoff-Schicht ist.
  3. Elektronenemitter nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Dicke der diamantartigen Kohlenstoff-Schicht 100 nm beträgt.
  4. Elektronenemitter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die isolierende Schicht, in die die homogen leitenden Kanäle eingebettet sind, eine Schicht aus kubischem Bomitrid (BN) ist.
  5. Elektronenemitter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Substrat aus Silizium gebildet ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Elektronenemitters gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zunächst auf einem Substrat eine isolierende Schicht mit einer Dicke zwischen 40 nm und 1000 nm aufgebracht wird,
    anschließend diese Schicht senkrecht zu ihrer Oberfläche mit energiereichen schweren Ionen homogen bestrahlt wird, wobei die Ionen eine solche Energie aufweisen, die eine für eine Umstrukturierung der isolierenden Schicht hinreichend hohe Energiedeposition über die gesamte Dicke dieser Schicht gewährleistet, und die Ionen eine Dosis aufweisen, bei der der mittlere Abstand der statistisch in die isolierende Schicht einschlagenden Ionen zwischen 20 nm und 1000 nm liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als energiereiche schwere Ionen Xe-Ionen mit einer Energie von 240 MeV und einer Dosis von 5 x 1010 Teilchen/cm2 verwendet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Material für die isolierende Schicht diamantartiger Kohlenstoff verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Material für die isolierende Schicht kubisches Bomitrid verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die diamantartige Kohlenstoff-Schicht mittels lonendeposition auf einem dotierten Silizium-Substrat aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die diamantartige Kohlenstoff-Schicht in einer Dicke von 100 nm aufgebracht wird.
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