EP1336980A1 - Structure de cathode à couche émissive formée sur une couche résistive - Google Patents

Structure de cathode à couche émissive formée sur une couche résistive Download PDF

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EP1336980A1
EP1336980A1 EP03100342A EP03100342A EP1336980A1 EP 1336980 A1 EP1336980 A1 EP 1336980A1 EP 03100342 A EP03100342 A EP 03100342A EP 03100342 A EP03100342 A EP 03100342A EP 1336980 A1 EP1336980 A1 EP 1336980A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
cathode
growth
electron
structure according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03100342A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Dijon
Adeline Fournier
Brigitte Montmayeul
Aimé Perrin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/02—Electron guns
    • H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
    • H01J3/022—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source with microengineered cathode, e.g. Spindt-type

Definitions

  • the invention relates to a structure of emissive layer cathode formed on a layer resistive, this cathode structure being usable in a flat screen with field emission.
  • a cathodoluminescence display device excited by field emission includes a cathode or electron-emitting structure and an anode facing each covered with a luminescent layer.
  • the anode and the cathode are separated by a space where the vacuum has been done.
  • the cathode is either a source based on micro-tips, a source based on a layer emissive with low threshold field.
  • the emissive layer can to be a layer of carbon nanotubes or other structures based on carbon or based on other materials or multilayers (AlN, BN).
  • the structure of the cathode can be diode type or triode type.
  • Triode structures have an additional electrode called grid and facilitating the extraction of electrons from the source emissive.
  • Several triode structures have already been considered. We can classify them in two big families according to the position of the grid by compared to the cathode.
  • a first family of triode structures groups the structures where the cathode conductor is deposited at the bottom of holes made in a layer insulation and where the grid is located on the layer insulating. These triode structures will be called by the following structures of type I.
  • Such a triode structure is described in document FR-A-2 593 953 (corresponding to US Patent No. 4,857,161) which discloses a method of manufacturing a device for visualization by cathodoluminescence excited by field emission.
  • the electron emitting material is deposited on an apparent conductive layer at the bottom of holes made in an insulating layer that supports an electron extraction grid.
  • FIG. 1 represents a sectional view of schematically, a cathode structure of type I according to the known art, for a display device by cathodo-luminescence excited by field emission.
  • a single transmission device is represented on this Fig.
  • a layer 1 of electrically insulating material is pierced with a circular hole 2.
  • a conductive layer 3 forming a cathode and supporting a layer 4 of emitting material electron.
  • the upper face of the insulation layer 1 supports a metal layer 5 forming a grid extraction and surrounding the hole 2.
  • a second family of triode structures groups structures where the cathode conductor is deposited on an insulating layer and where the grid is located under the insulating layer. These triode structures will be called thereafter type II structures. Of such triode structures are described in documents FR-A-2 798 507 and FR-A-2 798 508.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of schematically, a type II cathode structure according to the known art, for a display device by cathodo-luminescence excited by field emission.
  • a single transmission device is represented on this Fig.
  • a layer 11 made of electrically insulator supports on its underside an electrode grid 15 consists of two parts flanking a cathode 13 disposed on the upper face of the layer 11 and supporting a layer 14 of emitting material electron.
  • an emitting layer in precise areas of a screen requires filing on these areas of a catalyst layer (typically Fe, Co, Ni or alloys of these materials), which allows then the selective growth of the emitting layer. These areas are called growth areas.
  • a catalyst layer typically Fe, Co, Ni or alloys of these materials
  • FIG. 3 The complete stack over the cathodic conductor for cathode structures of type I and II, after growth of the layer transmitter is shown in Figure 3.
  • This figure which is a cross-sectional view, shows a cathode conductor 23 successively supporting a resistive layer 26, a catalyst layer 27 and a emissive layer 24.
  • the subject of the invention is a structure of cathode of triode type comprising a set cathodic electrode consisting of a cathode electrode, a layer of electron-emitting material formed from growth area and intended to emit electrons from an emission face, and from a resistive layer interposed between the electrode of cathode and the layer of electron emitting material to connect them electrically, the structure comprising also a gate electrode separated from said set cathodic by a layer of electrical insulation, characterized in that the cathode electrode and the layer of electron emitting material are arranged laterally to each other.
  • the growth zone being composed of several growth pads separated from each other, the layer of electron emitting material is distributed on these pads. The resistive layer can then be eliminated between growth pads.
  • the cathode structure can be of type I, in which case the gate electrode is located, by report to said cathodic set, from the side of the face of emitting material layer electron.
  • the layer of electron-emitting material can be located in the central part of the opening. It can also occupy the entire width of the opening, the cathode electrode being indented lateral to the opening.
  • the opening forming a rectangular trench, the layer of electron-emitting material also has a rectangular shape. If, as stated above, the growth zone consists of several blocks of growth separate from each other and that the pads of growth are round, the opening can understand as many cylindrical holes, tangent or not, centered on the studs.
  • the cathode electrode comprises two parts framing the layer of material electron emitter.
  • the cathode structure can be of type II, in which case the gate electrode is located, by report to the cathodic ensemble, on the opposite side to the emission side of the emitter material layer electron.
  • the gate electrode comprises two parts flanking the cathodic assembly.
  • the cathode electrode is centered between the two parts of the gate electrode, the area of growth consisting of at least one group of two growth pads located on both sides of the cathode electrode.
  • the growth zone can be a multilayer growth.
  • This multilayer of growth can be electrically connected to the resistive layer by via a metallic conductor.
  • the invention also relates to a screen field emission dish comprising a plurality of cathode structures as defined above.
  • FIG. 5 is a sectional view cross-section of a layered cathode structure emissive, type I, according to the present invention.
  • This cathode structure comprises, superimposed on a support 30, a cathode electrode 33 in two parts, a resistive layer 36 covering both parts of the cathode electrode 33 and the surface of the support 30 located between these two parts, a layer insulation 31 and a metal layer 35 forming a grid electron extraction.
  • a hole 32 exposes the layer resistive 36.
  • a layer of emissive material 34 formed from a zone of growth, rests on the resistive layer 36.
  • the hole 32 is for example a trench of width L made in the insulating layer 31 and the extraction grid 35.
  • the width d of the zone of growth of the layer of emissive material 34 is low compared to the width L.
  • This zone of growth is located at a distance S from parts of the cathode electrode 33. It is connected electrically to these parts via the resistive layer 36 of thickness e.
  • the parts of the cathode electrode 33 are located in line with the extraction grid 35. They could also be set back from the grid.
  • the growth zone can be discontinuous and structured in blocks as shown in Figure 6 which is a possible top view of the structure of cathode of Figure 5. It shows that the emissive material 34 is distributed over two studs of growth separated by a distance U which is the same order of magnitude than the distance S.
  • FIG. 7 Another possible top view of the The cathode structure of FIG. 5 is that shown in FIG. FIG. 7.
  • the resistive layer 36 is etched between the pads of growth of the layer of emissive material 34.
  • FIG 8 is a sectional view cross-section of a layered cathode structure emissive, type I, according to the present invention.
  • This cathode structure includes overlay on a support 40, a cathode electrode 43 in two parts, a resistive layer 46 covering both parts of the cathode electrode 43 and the surface of the support 40 located between these two parts, a layer insulation 41 and a metal layer 45 forming a grid electron extraction.
  • a hole 42 for example a trench width L, is made in the layer insulation 41 and the extraction grid 45.
  • the layer of emissive material 44 is formed from a growth zone deposited on the layer resistive 46 and occupying the entire bottom of the trench 42. It is therefore of the same width as the width of the trench.
  • the cathode electrode is set back from a distance S with respect to the trench.
  • Figure 9 is a top view of still another cathode structure with an emissive layer, type I, according to the present invention.
  • the emitting layer 54 is formed on round growth pads and is located at the bottom of cylindrical holes 52, tangent or not, centered on these pads.
  • This figure also shows the layer resistive 56 on which are formed the pads of growth, the extraction grid 55 and the electrode of cathode 53 in two parts.
  • Figures 10 and 11 are respectively cross-sectional and top views of a type II emissive cathode structure, according to the present invention.
  • Figure 10 is a view according to section X-X of FIG.
  • a support 60 successively supports an electrode of grid 65 in two parts, an insulating layer 61 and a cathode assembly centered on the gate electrode 65.
  • the cathode assembly comprises an electrode of cathode 63, a resistive layer 66 of width L deposited on the cathode electrode 63 and overflowing with on both sides of this electrode, and a layer emissive 64 formed on several studs deposited on the protruding parts of the cathode electrode 63.
  • the resistive layer 66 is distributed in two groups each supporting two pads growth.
  • the growth pads are of width d and are located at a distance S from the electrode of cathode 63.
  • a variant of the invention in this case would consist of having a continuous resistive layer and not engraved in strips.
  • Figure 12 is a sectional view transverse part of a cathodic assembly part according to the invention. It shows a resistive layer 76 deposited on a support 70 and a catalyst layer 77 located on the resistive layer and intended to serve growth area.
  • the diffusion of the catalyst is in a broadcast volume 28 spread over a distance close to the thickness e of the layer resistive 76.
  • S must be the order of several times the thickness e, either typically from 3 to 5 ⁇ m. This value is purely indicative and not limiting.
  • the growth area is simply constituted by a catalyst layer.
  • the growth area can consist of a stack materials chosen to promote the growth of carbon-emitting structures of electrons. It is also possible not to realize the area of growth directly on the resistive layer but of connect it to the resistive layer via of a metal conductor forming part of the growth structure.
  • FIG 13 is a sectional view of a portion of a cathode assembly for a type II cathode structure, in accordance with to the invention.
  • An insulating layer 81 supports a cathode electrode 83 and a resistive layer 86 overlapping the cathode electrode 83.
  • the layer resistive 86 is, laterally, in electrical contact with a metal conductor 89 on which has been formed a multilayer of growth 87.
  • the multilayer of growth can be for example a stack comprising TiN and a catalyst material such as Fe, Co, Ni and Pt.
  • the metallic conductor 89 may be a metal such as Cr, Mo and Nb.
  • Figs. 14A to 14F illustrate a method for producing a cathode structure of type I according to the invention, this method implementing vacuum deposition techniques and photolithography.
  • the cathode conductor is obtained by deposition of a conductive material, for example the molybdenum, niobium, copper or ITO, on a support 100 (see Figure 14A).
  • a conductive material for example the molybdenum, niobium, copper or ITO.
  • the deposit of material conductor is etched into strips, typically 10 ⁇ m width and not equal to 25 microns.
  • Figure 14A shows two bands that will be associated to form a cathode electrode 103.
  • a resistive layer 1.5 ⁇ m thick amorphous silicon then a insulating layer 101 having a thickness of 1 ⁇ m in silica or silicon nitride, finally a metal layer 105 in niobium or molybdenum intended to form the grid electron extraction.
  • the metal layer 105 and the layer 101 are then etched simultaneously with a hole or trench 102 of 15 ⁇ m width up to expose the resistive layer 106. This is what the Figure 14C.
  • Figure 14D shows the structure obtained after the deposit of a sacrificial layer 107 made of resin and the formation in the layer 107 of an opening 108, 6 ⁇ m wide and 10 to 15 ⁇ m long, exposing the resistive layer 106.
  • the opening 108 has a width corresponding to the width of the layer emissive to achieve.
  • a catalytic deposit of iron, cobalt or nickel is then made on the structure. As as shown in FIG. 14E, this catalytic deposit causes the formation of a discontinuous layer of growth on the sacrificial layer 107 and on the part exposed of the resistive layer 106.
  • the sacrificial layer is then eliminated by a "lift-off" technique, which causes the elimination of the parts of the growth located on this sacrificial layer. he part of the growth layer remains in the central part of the resistive layer 106. This allows the growth of the emissive layer 104 as shown Figure 14F.
  • a variant of this cathode structure has a multilayer in place of the catalyst, by example a bilayer consisting of a barrier layer as TiN and then a catalyst.
  • the multilayer can also be more complex in order to promote growth of the emitting layer.
  • the method of producing a structure cathode where the growth zone is connected to the resistive layer via a conductor metal starts with the same steps 14A to 14D as the previously described method. These steps are then followed by the steps illustrated in Figures 14G to 14I.
  • Figure 14G shows that the layer resistive 106 has been engraved in the continuation of the hole 108 until revealing support 100.
  • a metal layer 119 is deposited to ensure the electrical contact between the growth zone and the resistive layer 106.
  • a layer 117 is then deposited. of catalyst or a multilayer structure on the metal layer 119.
  • the sacrificial layer 107 is then eliminated by a "lift-off" technique, which causes the elimination of parts of the layer metal 119 and the catalyst layer 117 located on this sacrificial layer.
  • the emissive layer growth can then will perform.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)

Abstract

L'invention concerne une structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode (33), d'une couche de matériau émetteur d'électrons (34) et d'une couche résistive (36) interposée entre l'électrode de cathode (33) et la couche de matériau émetteur d'électrons (34) pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille (35) séparée dudit ensemble cathodique par une couche d'isolant électrique (31). L'électrode de cathode (33) et la couche de matériau émetteur d'électrons (34) sont disposées latéralement l'une par rapport à l'autre. <IMAGE>

Description

DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une structure de cathode à couche émissive formée sur une couche résistive, cette structure de cathode étant utilisable dans un écran plat à émission de champ.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un dispositif de visualisation par cathodo-luminescence excité par émission de champ comprend une cathode ou structure émettrice d'électrons et une anode en regard recouverte d'une couche luminescente. L'anode et la cathode sont séparées par un espace où le vide a été fait.
La cathode est soit une source à base de micro-pointes, soit une source à base d'une couche émissive à faible champ seuil. La couche émissive peut être une couche de nanotubes de carbone ou d'autres structures à base de carbone ou encore à base d'autres matériaux ou de multicouches (AlN, BN).
La structure de la cathode peut être de type diode ou de type triode. Les structures triodes possèdent une électrode supplémentaire appelée grille et facilitant l'extraction des électrons de la source émissive. Plusieurs structures triodes ont déjà été envisagées. On peut les classer en deux grandes familles en fonction de la position de la grille par rapport à la cathode.
Une première famille de structures triodes regroupe les structures où le conducteur cathodique est déposé au fond de trous réalisés dans une couche isolante et où la grille est située sur la couche isolante. Ces structures triodes seront appelées par la suite structures de type I. Une telle structure triode est décrite dans le document FR-A-2 593 953 (correspondant au brevet américain N° 4 857 161) qui divulgue un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodo-luminescence excité par émission de champ. Le matériau émetteur d'électrons est déposé sur une couche conductrice apparente au fond de trous réalisés dans une couche isolante qui supporte une grille d'extraction des électrons.
La figure 1 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type I selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation par cathodo-luminescence excité par émission de champ. Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 1 en matériau électriquement isolant est percée d'un trou circulaire 2. Au fond du trou 2 est disposée une couche conductrice 3 formant cathode et supportant une couche 4 de matériau émetteur d'électrons. La face supérieure de la couche d'isolant 1 supporte une couche métallique 5 formant grille d'extraction et entourant le trou 2.
Une deuxième famille de structures triodes regroupe des structures où le conducteur cathodique est déposé sur une couche isolante et où la grille est située sous la couche isolante. Ces structures triodes seront appelées par la suite structures de type II. De telles structures triodes sont décrites dans les documents FR-A-2 798 507 et FR-A-2 798 508.
La figure 2 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type II selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation par cathodo-luminescence excité par émission de champ. Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 11 en matériau électriquement isolant supporte sur sa face inférieure une électrode de grille 15 constituée de deux parties encadrant une cathode 13 disposée sur la face supérieure de la couche 11 et supportant une couche 14 de matériau émetteur d'électrons.
Pour que les structures de cathodes de type I et II fonctionnent correctement au niveau de l'émission électronique, il est nécessaire de complexifier l'empilement au niveau de la cathode en rajoutant, entre le conducteur de cathode et la couche émissive, une couche résistive dont l'objectif est de limiter le courant émis par les émetteurs individuels afin de rendre l'émission uniforme comme l'enseigne le document EP-A-0 316 214 (correspondant au brevet américain N° 4 940 916).
La localisation d'une couche émettrice en des zones précises d'un écran nécessite le dépôt sur ces zones d'une couche de catalyseur (typiquement Fe, Co, Ni ou des alliages de ces matériaux), ce qui permet ensuite la croissance sélective de la couche émettrice. Ces zones sont appelées zones de croissance.
L'empilement complet au-dessus du conducteur cathodique pour les structures de cathodes de type I et II, après croissance de la couche émettrice est représenté à la figure 3. Cette figure, qui est une vue en coupe transversale, montre un conducteur de cathode 23 supportant successivement une couche résistive 26, une couche de catalyseur 27 et une couche émissive 24.
Les problèmes rencontrés lors de l'élaboration de ces dispositifs sont liés à la croissance de la couche émissive qui se fait à haute température (de 500°C à 700°C). Cette étape conduit à la diffusion d'une partie du catalyseur métallique dans la couche résistive qui est généralement en silicium. Cette diffusion rend la couche résistive très conductrice, ce qui supprime son rôle fondamental de régulateur de l'émission. La figure 4 montre, pour le dispositif de la figure 3, un volume 28 de diffusion du catalyseur métallique dans la couche résistive 26 à l'issue de l'étape de croissance de la couche émissive 24. Ce problème est commun aux structures de cathodes de type I et II.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Pour remédier à ce problème, il est proposé par la présente invention une structure dans laquelle l'intégrité de la couche résistive est maintenue après la croissance de la couche émissive, ce qui permet d'assurer une émission électronique uniforme.
L'invention a pour objet une structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode, d'une couche de matériau émetteur d'électrons formée à partir d'une zone de croissance et destinée à émettre des électrons à partir d'une face d'émission, et d'une couche résistive interposée entre l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille séparée dudit ensemble cathodique par une couche d'isolant électrique, caractérisée en ce que l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons sont disposées latéralement l'une par rapport à l'autre.
Selon un mode particulier de réalisation, la zone de croissance étant constituée de plusieurs plots de croissance séparés les uns des autres, la couche de matériau émetteur d'électrons est répartie sur ces plots. La couche résistive peut alors être éliminée entre les plots de croissance.
La structure de cathode peut être de type I, auquel cas l'électrode de grille est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté de la face d'émission de la couche de matériau émetteur d'électrons. Si une ouverture est pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons, la couche de matériau émetteur d'électrons peut être située dans la partie centrale de l'ouverture. Elle peut aussi occuper toute la largeur de l'ouverture, l'électrode de cathode étant en retrait latéral par rapport à l'ouverture. Avantageusement, l'ouverture formant une tranchée rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons a également une forme rectangulaire. Si, comme il est dit plus haut, la zone de croissance est constituée de plusieurs plots de croissance séparés les uns des autres et que les plots de croissance sont ronds, l'ouverture peut comprendre autant de trous cylindriques, tangents ou non, centrés sur les plots.
Avantageusement, l'électrode de cathode comprend deux parties encadrant la couche de matériau émetteur d'électrons.
La structure de cathode peut être de type II, auquel cas l'électrode de grille est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté opposé à la face d'émission de la couche de matériau émetteur d'électrons.
Avantageusement, l'électrode de grille comprend deux parties encadrant l'ensemble cathodique. De préférence, l'électrode de cathode est centrée entre les deux parties de l'électrode de grille, la zone de croissance étant constituée d'au moins un groupe de deux plots de croissance situés de part et d'autre de l'électrode de cathode.
Quel que soit le type de structure de cathode, la zone de croissance peut être un multicouche de croissance. Ce multicouche de croissance peut être connecté électriquement à la couche résistive par l'intermédiaire d'un conducteur métallique.
L'invention a aussi pour objet un écran plat à émission de champ comportant une pluralité de structures de cathode telles que définies ci-dessus.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaítront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
  • la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive, de type triode selon l'art connu,
  • la figure 2, déjà décrite, est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive de type triode selon l'art connu,
  • les figures 3 et 4, déjà décrites, sont des vues en coupe transversale d'un ensemble cathodique comportant en superposition un conducteur de cathode, une couche résistive, une couche de catalyseur et une couche émissive, selon l'art connu,
  • la figure 5 est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention,
  • les figures 6 et 7 sont des vues de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention,
  • la figure 8 est une vue en coupe transversale d'une autre structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention,
  • la figure 9 est une vue de dessus d'encore une autre structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention,
  • les figures 10 et 11 sont respectivement des vues en coupe transversale et de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type II, selon la présente invention,
  • la figure 12 est une vue en coupe transversale et explicative d'une partie d'ensemble cathodique selon la présente invention,
  • la figure 13 est une vue en coupe transversale d'une variante d'un ensemble cathodique selon la présente invention,
  • les figures 14A à 14I illustrent des procédés de réalisation d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
La figure 5 est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention. Cette structure de cathode comprend, en superposition sur un support 30, une électrode de cathode 33 en deux parties, une couche résistive 36 recouvrant les deux parties de l'électrode de cathode 33 et la surface du support 30 située entre ces deux parties, une couche isolante 31 et une couche métallique 35 formant grille d'extraction des électrons. Un trou 32 expose la couche résistive 36. Au centre du trou 32, une couche de matériau émissif 34, formée à partir d'une zone de croissance, repose sur la couche résistive 36.
Le trou 32 est par exemple une tranchée de largeur L réalisée dans la couche isolante 31 et la grille d'extraction 35. La largeur d de la zone de croissance de la couche de matériau émissif 34 est faible par rapport à la largeur L. Cette zone de croissance est située à une distance S des parties de l'électrode de cathode 33. Elle est reliée électriquement à ces parties par l'intermédiaire de la couche résistive 36 d'épaisseur e. Les parties de l'électrode de cathode 33 sont situées à l'aplomb de la grille d'extraction 35. Elles pourraient également être en retrait par rapport à l'aplomb de la grille.
La zone de croissance peut être discontinue et structurée en plots comme le montre la figure 6 qui est une vue de dessus possible de la structure de cathode de la figure 5. Elle montre que la couche de matériau émissif 34 est répartie sur deux plots de croissance séparés d'une distance U qui est du même ordre de grandeur que la distance S.
Une autre vue de dessus possible de la structure de cathode de la figure 5 est celle montrée à la figure 7. Dans cette variante de réalisation, la couche résistive 36 est gravée entre les plots de croissance de la couche de matériau émissif 34.
La figure 8 est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention. Cette structure de cathode comprend en superposition sur un support 40, une électrode de cathode 43 en deux parties, une couche résistive 46 recouvrant les deux parties de l'électrode de cathode 43 et la surface du support 40 située entre ces deux parties, une couche isolante 41 et une couche métallique 45 formant grille d'extraction des électrons. Un trou 42, par exemple une tranchée de largeur L, est réalisé dans la couche isolante 41 et la grille d'extraction 45.
La couche de matériau émissif 44 est formée à partir d'une zone de croissance déposée sur la couche résistive 46 et qui occupe tout le fond de la tranchée 42. Elle est donc de même largeur que la largeur de la tranchée. L'électrode de cathode est en retrait d'une distance S par rapport à la tranchée.
La figure 9 est une vue de dessus d'encore une autre structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention. Dans cette variante, la couche émissive 54 est formée sur des plots de croissance ronds et est située au fond de trous cylindriques 52, tangents ou non, centrés sur ces plots. Cette figure montre également la couche résistive 56 sur laquelle sont formés les plots de croissance, la grille d'extraction 55 et l'électrode de cathode 53 en deux parties.
Les figures 10 et 11 sont respectivement des vues en coupe transversale et de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type II, selon la présente invention. La figure 10 est une vue selon la coupe X-X de la figure 11.
En se référant aux figures 10 et 11, un support 60 supporte successivement, une électrode de grille 65 en deux parties, une couche isolante 61 et un ensemble cathodique centré sur l'électrode de grille 65. L'ensemble cathodique comprend une électrode de cathode 63, une couche résistive 66 de largeur L déposée sur l'électrode de cathode 63 et débordant de part et d'autre de cette électrode, et une couche émissive 64 formée sur plusieurs plots déposés sur les parties débordantes de l'électrode de cathode 63. Comme le montre la figure 11, la couche résistive 66 est distribuée en deux groupes supportant chacun deux plots de croissance.
Les plots de croissance sont de largeur d et sont situés à une distance S de l'électrode de cathode 63.
Une variante de l'invention dans ce cas consisterait à avoir une couche résistive continue et non pas gravée en bandes.
Les difficultés rencontrées par l'art antérieur pour les structures de type I et II sont résolues par l'invention. Le court-circuit de la couche résistive qui se produisait dans les structures de l'art antérieur, par diffusion du catalyseur dans cette couche résistive, est supprimé grâce au déport de l'électrode de cathode. En effet, la diffusion se fait préférentiellement dans l'épaisseur de la couche résistive et ne détruit donc pas la résistance latérale, le déport étant tel qu'il subsiste une résistance satisfaisante. La répartition de la couche émissive en des plots séparés assure en outre l'indépendance électrique des zones émettrices les unes par rapport aux autres et donc une action indépendante de la couche résistive pour chaque plot, ce qui assure l'uniformité de l'émission.
Il est possible de donner empiriquement une distance minimum à S, c'est-à-dire à la distance séparant la zone de croissance de l'électrode de cathode. Cette distance doit être supérieure à la diffusion latérale du catalyseur.
La figure 12 est une vue en coupe transversale d'une partie d'ensemble cathodique selon l'invention. Elle montre une couche résistive 76 déposée sur un support 70 et une couche de catalyseur 77 située sur la couche résistive et destinée à servir de zone de croissance. Lors de la croissance de la couche émissive, la diffusion du catalyseur se fait dans un volume de diffusion 28 s'étalant sur une distance voisine de l'épaisseur e de la couche résistive 76. On peut estimer que S doit être de l'ordre de plusieurs fois l'épaisseur e, soit typiquement de 3 à 5 µm. Cette valeur est purement indicative et non limitative.
Dans les exemples de réalisation décrits précédemment, la zone de croissance est simplement constituée par une couche de catalyseur. En fait, la zone de croissance peut être constituée d'un empilement de matériaux choisis pour favoriser la croissance de structures carbonées émettrices d'électrons. Il est également possible de ne pas réaliser la zone de croissance directement sur la couche résistive, mais de la connecter à la couche résistive par l'intermédiaire d'un conducteur métallique faisant partie de la structure de croissance.
C'est ce que montre la figure 13 qui est une vue en coupe d'une partie d'un ensemble cathodique pour une structure de cathode de type II, conformément à l'invention. Une couche isolante 81 supporte une électrode de cathode 83 et une couche résistive 86 chevauchant l'électrode de cathode 83. La couche résistive 86 est, latéralement, en contact électrique avec un conducteur métallique 89 sur lequel a été formé un multicouche de croissance 87. Le multicouche de croissance peut être par exemple un empilement comprenant du TiN et un matériau catalyseur tel que Fe, Co, Ni et Pt. Le conducteur métallique 89 peut être un métal tel que Cr, Mo et Nb.
Les figures 14A à 14F illustrent un procédé de réalisation d'une structure de cathode de type I selon l'invention, ce procédé mettant en oeuvre des techniques de dépôt sous vide et de photolithographie.
Le conducteur cathodique est obtenu par dépôt d'un matériau conducteur, par exemple le molybdène, le niobium, le cuivre ou l'ITO, sur un support 100 (voir la figure 14A). Le dépôt de matériau conducteur est gravé en bandes, typiquement de 10 µm de largeur et de pas égal à 25 µm. La figure 14A montre deux bandes qui seront associées pour former une électrode de cathode 103.
Plusieurs dépôts sont ensuite réalisés comme le montre la figure 14B : une couche résistive 106 de 1,5 µm d'épaisseur en silicium amorphe, puis une couche isolante 101 de 1 µm d'épaisseur en silice ou en nitrure de silicium, enfin une couche métallique 105 en niobium ou en molybdène destinée à former la grille d'extraction des électrons.
La couche métallique 105 et la couche isolante 101 sont ensuite gravées simultanément d'un trou ou tranchée 102 de 15 µm de largeur jusqu'à exposer la couche résistive 106. C'est ce que montre la figure 14C.
La figure 14D montre la structure obtenue après le dépôt d'une couche sacrificielle 107 en résine et la formation dans la couche 107 d'une ouverture 108, de 6 um de largeur et de 10 à 15 um de longueur, exposant la couche résistive 106. L'ouverture 108 a une largeur correspondant à la largeur de la couche émissive à réaliser.
Un dépôt catalytique de fer, de cobalt ou de nickel est ensuite réalisé sur la structure. Comme le montre la figure 14E, ce dépôt catalytique provoque la formation d'une couche discontinue de croissance 109 sur la couche sacrificielle 107 et sur la partie exposée de la couche résistive 106.
La couche sacrificielle est ensuite éliminée par une technique de "lift-off", ce qui provoque l'élimination des parties de la couche de croissance situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de couche de croissance dans la partie centrale de la couche résistive 106. Ceci permet la croissance de la couche émissive 104 comme le montre la figure 14F.
Une variante de cette structure de cathode comporte un multicouche à la place du catalyseur, par exemple un bicouche constitué d'une couche barrière comme du TiN et ensuite un catalyseur. Le multicouche peut aussi être plus complexe afin de favoriser la croissance de la couche émettrice.
Le procédé de réalisation d'une structure de cathode où la zone de croissance est connectée à la couche résistive par l'intermédiaire d'un conducteur métallique débute par les mêmes étapes 14A à 14D que le procédé décrit précédemment. Ces étapes sont alors suivies des étapes illustrées par les figures 14G à 14I.
La figure 14G montre que la couche résistive 106 a été gravée dans le prolongement du trou 108 jusqu'à révéler le support 100.
Ensuite, comme le montre la figure 14H, une couche métallique 119 est déposée pour assurer le contact électrique entre la zone de croissance et la couche résistive 106. On dépose ensuite une couche 117 de catalyseur ou une structure multicouche sur la couche métallique 119.
La couche sacrificielle 107 est ensuite éliminée par une technique de "lift-off", ce qui provoque l'élimination des parties de la couche métallique 119 et de la couche de catalyseur 117 situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de la couche métallique 119 sur le support 100 pour relier la couche résistive 106 au plot de catalyseur 117 déposé sur cette partie de couche métallique 119 comme le montre la figure 14I. La croissance de la couche émissive peut alors s'effectuer.

Claims (15)

  1. Structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode (33, 43, 63), d'une couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44, 64) formée à partir d'une zone de croissance et destinée à émettre des électrons à partir d'une face d'émission, et d'une couche résistive (36, 46, 66) interposée entre l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille (35, 45, 65) séparée dudit ensemble cathodique par une couche d'isolant électrique (31, 41, 61), caractérisée en ce que l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons sont disposées latéralement l'une par rapport à l'autre.
  2. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de croissance étant constituée de plusieurs plots de croissance séparés les uns des autres, la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 54, 64) est répartie sur ces plots.
  3. Structure de cathode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche résistive (36) est éliminée entre les plots de croissance.
  4. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'électrode de grille (35, 45) est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté de la face d'émission de la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44).
  5. Structure de cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que, une ouverture (32, 52) étant pratiquée dans l'électrode de grille (35, 55) et dans la couche d'isolant électrique (31) pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 54), la couche de matériau émetteur d'électrons est située dans la partie centrale de l'ouverture.
  6. Structure de cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que, une ouverture (42) étant pratiquée dans l'électrode de grille (45) et dans la couche d'isolant électrique (41) pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons (44), la couche de matériau émetteur d'électrons occupe toute la largeur de l'ouverture (42), l'électrode de cathode (43) étant en retrait latéral par rapport à l'ouverture.
  7. Structure de cathode selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que, l'ouverture (32, 42) formant une tranchée rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44) a également une forme rectangulaire.
  8. Structure de cathode selon les revendications 2 et 5 prises ensemble, caractérisée en ce que, les plots de croissance étant ronds, ladite ouverture comprend autant de trous cylindriques (52), tangents ou non, centrés sur les plots.
  9. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'électrode de cathode (33, 43) comprend deux parties encadrant la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44).
  10. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode de grille (65) est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté opposé à la face d'émission de la couche de matériau émetteur d'électrons (64).
  11. Structure de cathode selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'électrode de grille (65) comprend deux parties encadrant l'ensemble cathodique.
  12. Structure de cathode selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'électrode de cathode (63) est centrée entre les deux parties de l'électrode de grille (65), la zone de croissance étant constituée d'au moins un groupe de deux plots de croissance situés de part et d'autre de l'électrode de cathode.
  13. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la zone de croissance est un multicouche de croissance.
  14. Structure de cathode selon la revendication 13, caractérisée en ce que le multicouche de croissance (87) est connectée électriquement à la couche résistive (86) par l'intermédiaire d'un conducteur métallique (89).
  15. Ecran plat à émission de champ, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de structures de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
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