EP2104944A1 - Cathode structure for a flat screen with refocusing grid - Google Patents

Cathode structure for a flat screen with refocusing grid

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Publication number
EP2104944A1
EP2104944A1 EP07857818A EP07857818A EP2104944A1 EP 2104944 A1 EP2104944 A1 EP 2104944A1 EP 07857818 A EP07857818 A EP 07857818A EP 07857818 A EP07857818 A EP 07857818A EP 2104944 A1 EP2104944 A1 EP 2104944A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
cathode
refocusing
layer
nanotubes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07857818A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Nicolas
Jean Dijon
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2104944A1 publication Critical patent/EP2104944A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/467—Control electrodes for flat display tubes, e.g. of the type covered by group H01J31/123
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/48—Electron guns
    • H01J29/481—Electron guns using field-emission, photo-emission, or secondary-emission electron source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J31/00—Cathode ray tubes; Electron beam tubes
    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/10—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes
    • H01J31/12—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes with luminescent screen
    • H01J31/123—Flat display tubes
    • H01J31/125—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection
    • H01J31/127—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection using large area or array sources, i.e. essentially a source for each pixel group

Definitions

  • the invention relates to a cathode structure, especially for a flat display screen with refocusing grid.
  • a field emission excited cathodoluminescence display device comprises a cathode or electron-emitting structure and a facing anode coated with a luminescent layer.
  • the anode and the cathode are separated by a space where the vacuum has been made.
  • the cathode is either a source based on micro-peaks or a source based on a low threshold field emissive layer.
  • the emissive layer may 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 may be diode or triode type.
  • Document FR-A-2,593,953 (corresponding to US Pat. No. 4,857,161) discloses a method of manufacturing a cathodoluminescence display device excited by field emission.
  • the structure of the cathode is of the triode type.
  • the electron-emitting material is deposited on a conductive layer apparent at the bottom of holes made in an insulating layer which supports an electron extraction grid.
  • Document FR-A-2,836,279 discloses a cathode structure of triode type for emissive screen.
  • the cathode structure includes, in superposition on a carrier, a cathode electrode electrically connected to an electron emitting material, an electrical insulator layer, and a gate cathode.
  • An opening in the gate electrode and an opening in the electrical insulator layer expose the electron emitting material which is located in the central portion of the gate electrode opening.
  • the apertures are slit-shaped and the electron-emitting material, exposed by the slits, consists of elements aligned along the longitudinal axis of the slits.
  • the electron-emitting material may consist of nanotubes, for example carbon nanotubes.
  • FIG. 1 is a sectional and diagrammatic view of a triode-type cathode structure as disclosed in FR-A-2,836,279.
  • the cathode structure is formed on a support 1. It comprises, in superposition on the support 1, a cathode 2 supporting a resistive layer 3, an insulating layer 4 and a metal layer 5 forming an electron extraction grid.
  • a slot 6 exposes the resistive layer 3.
  • growth pads 7 rest on the resistive layer 3.
  • a single growth pad is visible in the figure.
  • the growth pads 7 are made of electrically conductive material covered with a catalyst. They allow the growth of nanotubes 8, for example carbon.
  • an image element or pixel comprises a few tens or hundreds of pads arranged in parallel slots.
  • the nanotubes must be electrically isolated from the electron extraction grid, which leads to arranging the grid back of the nanotube pads as shown in FIG.
  • a flat field emission screen comprises grid conductors, generally organized in lines, and cathode conductors, generally organized in columns.
  • the pixels or pixels are formed at the intersection of the lines (grid conductors) and columns (cathode conductors), each pixel having a few tens or hundreds of electron emitting elements.
  • a pixel may be constituted by the intersection of a line, shown at the pixel in Figure 2, and a column, shown at the pixel in Figure 3.
  • the gate conductor (line) and the cathode conductor (column) have been shown in different figures. We understand that grid and cathode conductors are superimposed so that the slots 11 (see FIG. 2) and 21 (see FIG.
  • a gate conductor such as the gate conductor 10 consists of two parallel strips 12 and 13 regularly connected by zones 14, each zone defining a pixel.
  • Each zone 14 comprises a number of slots 11 corresponding to the slot 6 of FIG. 1.
  • two successive zones 14 are separated by a free space 15. Between two grid conductors 10 successive, there is also a free space 16.
  • a cathode conductor such as the cathode conductor 20 consists of two parallel strips 22 and 23 regularly connected by zones 24, each zone defining a pixel.
  • Each zone 24 comprises a number of slots 21 corresponding to the slot 6 of FIG.
  • the electrical operation of the screen is ensured by sequential time scanning of the lines (grid conductors).
  • lines grid conductors
  • the electronic emission of the emitting elements (for example the carbon nanotubes) of each pixel of a line is controlled by the potential difference between the line addressed and the column associated with the pixel in question.
  • This potential difference of the order of 80 to 100 volts creates an electric field at the end of the nanotubes, and allows the extraction of electrons.
  • the emitted electrons are then accelerated to an anode covered with phosphors, brought to a high voltage and located a few millimeters from the cathode structure. Under the impact of these energetic electrons the luminophores emit a light radiation of red, green or blue color allowing the realization of monochrome screens or colors.
  • This type of FED screen is limited by the size of the optical spot obtained on this anode.
  • this spot size is conditioned by the anode voltage, the cathode-anode distance as well as by the initial kinetic energy and the initial angular divergence of the electron beam. from the cathode.
  • FIG. 4 illustrates this configuration. It shows a cathode structure formed on a support 31.
  • the structure comprises, superimposed on the support 31, a cathode conductor 32 supporting a resistive layer 33, a first insulating layer 34, a metal layer 35 forming an extraction grid.
  • a slot 36 exposes the resistive layer 33 which supports growth pads 37 (only one stud is visible) which allowed the growth of the nanotubes 38.
  • US 2006/001359 discloses a triode-type cathode structure comprising, superimposed on a support, a cathode electrode, an electrical insulator layer and a gate electrode, the electrical insulator layer and the gate having emission openings revealing at least one electron-emitting element electrically connected to the cathode electrode, the structure further comprising a refocusing electrode arranged to refocus the electrons extracted by the gate electrode.
  • the refocusing electrode is disposed on said electric insulation layer and is connected to electrical connection means for applying to it a refocusing voltage.
  • the refocusing electrode is polarized at the upper gate metal, which necessarily requires an additional electrode at this level to drive the focusing electrode since this electrode must be biased to a potential lower than that of the gate electrode. .
  • An object of the present invention is to provide a flat screen display cathode structure having an electron refocusing grid but which does not require, as in the prior art, a second insulating layer supporting a third level of metallization.
  • the present invention finds a particularly advantageous application in the case of a cathode structure for matrix display flat screen display. Nevertheless, the invention can also be applied to less complex cathode structures, for example to cathode structures having at least one electron emitting element.
  • the subject of the invention is therefore a cathode structure of the triode type comprising, in superposition on a support, a cathode electrode, an electrical insulator layer and a gate electrode, the electrical insulator layer and the gate electrode having emission apertures revealing at least one electrically connected electron emitting element at the cathode electrode, the structure further comprising a refocusing electrode arranged to refocus the electrons extracted by the gate electrode, the refocusing electrode being disposed on said electrical insulating layer and being connected to electrical connection for applying to it a refocusing voltage, characterized in that the refocusing electrode is connected to the electrical connection means through electrically conductive nanotubes, for example carbon nanotubes.
  • the electrical connection means may comprise the cathode electrode.
  • the electron emitting element can be electrically connected to the cathode electrode by means of a resistive layer.
  • the electrical connection means may comprise a resistive material which may be that of the resistive layer.
  • the nanotubes of the connection means are housed in at least one opening of the electrical insulating layer.
  • the electron emitting element may consist of nanotubes.
  • the nanotubes of the electron emitting element are carbon nanotubes.
  • the emission apertures in the electrical insulator layer and in the gate electrode comprise at least one slot-shaped aperture in the electrical insulator layer associated with a slot-shaped aperture corresponding in the gate electrode.
  • the slot-shaped aperture in the electrical insulator layer and the corresponding slot-shaped aperture in the gate electrode reveal at least one row of electron emitting elements aligned in the direction of the electrodes. slots.
  • the invention also relates to a matrix-controlled field emission device consisting of a plurality of cathode structures as defined above, arranged in the form of a matrix arrangement defining lines and columns, the gate electrodes of the same line being grouped into a gate conductor, the cathode electrodes of the same column being grouped into a cathode conductor, the intersection of a cathode conductor and a gate conductor defining an image element or pixel.
  • the gate conductor and the refocusing electrode can be nested inside a pixel. They can form two interdigital combs.
  • each zone of the refocusing electrode has at least one opening communicating with said at least one opening of the electrical insulation layer housing the nanotube of the connection means and allowing the nanotubes connection means to provide an electrical connection with the refocusing electrode.
  • each zone of the refocusing electrode has at least one circular opening communicating with said at least one opening, also circular, of the electrical insulation layer housing the nanotubes of the connection means. These openings may reveal a plurality of electrically conductive nanotubes occupying the entire space of the openings.
  • FIG. 1, already described is a sectional view of a triode type cathode structure, according to the prior art
  • FIGS. 2 and 3, already described respectively represent a grid conductor and a limited column conductor to a single pixel of a flat display screen according to the prior art
  • FIG. 4, already described is a sectional view of a triode-type cathode structure with a refocusing gate, according to the prior art
  • FIG. 5 is a sectional view of a cathode structure of the triode type, with a refocusing grid, according to the invention
  • FIG. 6 is a partial view from above of a field emission device according to the present invention
  • FIG. 7 is a partial view from above of another field emission device according to the present invention
  • FIG. 8 is an enlarged view showing another embodiment
  • FIGS. 9A to 9G illustrate a first method of producing a cathode structure according to the invention
  • FIGS. 10A to 1OG illustrate a second embodiment of FIG. A cathode structure according to the invention
  • Figures HA to HH illustrate a third method of producing a cathode structure according to the invention.
  • FIG. 5 is a sectional view of a triode-type cathode structure with a refocusing gate according to the invention. It shows a cathode structure formed on a support 41.
  • the structure comprises, superimposed on the support 41, a cathode conductor 42 supporting a layer resistive 43, a single insulating layer 44 and a metal layer 45 forming an electron extraction grid.
  • Slots 46 expose the resistive layer 43 which supports growth pads 47 which have allowed the growth of the nanotubes 48. Note that the growth pads 47 are centered in the slots 46 and that there is a certain distance between the pads of growth and the edge of the insulating layer supporting the extraction grid 45. This avoids a short circuit between the nanotubes 48 and the extraction grid 45.
  • Figure 5 also shows the presence, on part of the insulating layer 44 of another metal layer, the metal layer 50 constituting the refocusing grid advantageously made with the same level of metal as the metal layer 45 forming extraction grid.
  • An electrical connection between the refocusing gate 50 and the resistive layer 43 is provided by the presence of a growth pad 57 formed at the bottom of an opening 56 made in the insulating layer 44 and by electrically conductive nanotubes 58, advantageously carbon nanotubes which cause a short circuit between the growth pad 57 and the refocusing gate 50.
  • the growth pad 57 advantageously occupies the entire bottom of the opening 56 to promote short circuits between the nanotubes 58 and the refocusing grid 50.
  • the cathode structure shown in Figure 5 is a partial view.
  • the refocusing grid (or self-focusing grid), for to be effective, must surround, depending on the applications, an electron emitting element or a group of electron emitting elements, for example each group of electron emitting elements constituting a pixel for a flat screen display.
  • an electron emitting element or a group of electron emitting elements for example each group of electron emitting elements constituting a pixel for a flat screen display.
  • These free spaces can receive the refocusing grid according to the invention.
  • These refocusing grid pads may be substantially identical in shape to the electron emission zones defined by the slots shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 6 is a partial view from above of a field emission device intended for the constitution of a matrix-controlled flat display screen.
  • This figure shows gate conductors 10, similar to the gate conductor of FIG. 2, supported by an insulating layer 63 and whose slots 11 reveal the electron emitting elements 68 aligned in the direction of the slots.
  • the slots 11 are, in Figure 6, oriented in the direction of the lines of the screen, but it is possible alternatively to orient them in the direction of the columns of the screen.
  • the free spaces 15 and 16 form four pads surrounding the pixel 14. Each of these pads comprises a portion of the refocusing electrode for this pixel. Each of these parts also participates in the refocusing electrode of the neighboring pixel.
  • FIG. 10 shows gate conductors 10, similar to the gate conductor of FIG. 2, supported by an insulating layer 63 and whose slots 11 reveal the electron emitting elements 68 aligned in the direction of the slots.
  • the slots 11 are, in Figure 6, oriented in the direction of the lines of the screen,
  • FIG. 6 thus shows four portions 71, 72, 73 and 74 provided with slits whose principal axes are, in this embodiment, in the same direction as the axes of the slits 75 made in the grid conductors 10.
  • parts 71, 72, 73 and 74 to maximize the short circuits between the nanotubes and the refocusing gate, for example small circular openings at the rate of one opening per growth pad.
  • the slits 75 reveal the electron emitting elements consisting of carbon nanotubes which electrically connect the pads of the refocusing electrode to the cathode conductor via or not the resistive layer depending on whether the resistive layer has been previously or not. engraved.
  • This refocusing grid will thus be brought to the potential of the cathode which will produce the desired effect of refocusing the electron beam from the central emitting zone.
  • These grid pads will therefore become “self-refocusing” without adding a new level of metal and without adding a new contact at the lower cathode metal to bias this refocusing gate.
  • This option remains possible, however, at the lower cathode metal. It will be possible to define at the level of the lower cathode metal a first subset of cathode conductors columns as shown in Figure 3 and a second subset of electrically insulated column conductors of the first subset.
  • This second subset of column conductors parallel to the first subassembly will have all its columns short-circuited on the same polarization output contact of the refocusing grids.
  • the interest of this somewhat more complex structure, in the design only, is to be able to control the focusing effect by applying on this new contact a potential different from that of the cathodic columns intended for the video. In this case, it will be preferable to etch the resistive ballast layer to avoid any consumption in this layer due to the potential difference of the video column conductors and those of control of the refocusing potential.
  • the resistive ballast layer 43 may be etched locally at the refocusing grids to promote the short circuit on the metal level of the cathode.
  • the growth pads of the connecting nanotubes of the refocusing gate are deposited directly on the cathode and the nanotubes directly interconnect the refocusing gate and the cathode.
  • FIG. 7 is a top view, at the pixel level, of an extraction grid 80 having a series of fingers 81 interdigitated with a series of fingers 91 of an electron refocusing electrode 90.
  • the openings made in the grids were not shown to locate the nanotubes.
  • each finger 81 of the extraction grid 80 has, in its central zone, one or more openings (advantageously in the form of a slot extending over the entire length of the finger).
  • each finger 91 of the refocusing electrode 90 comprises one or more openings, advantageously circular.
  • the focus will be improved along a vertical axis y taking into account the nesting of the "fingers" of extraction and focusing.
  • the reference 92 represents the openings comprising means of connection electrical (eg carbon nanotubes) bypassing the refocusing electrode and occupying the entire opening to maximize short circuits.
  • connection electrical eg carbon nanotubes
  • FIGS 9A to 9G illustrate a first method of making a cathode structure according to the present invention. For the sake of simplicity, only one transmitter element will be represented.
  • FIG. 9A shows a substrate 101, for example made of glass, on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 102, this metal layer being able to be made of molybdenum or of a tungsten-titanium alloy and which can typically have 0 , 1 to a few microns thick.
  • a resistive layer 103 also known as a ballast, is deposited, for example an amorphous silicon layer. thickness between 0.5 microns and 2 microns.
  • an insulating layer 104 is deposited, for example a silica layer having a thickness of between 1 and 3 ⁇ m.
  • a conductive layer 105 is deposited, for example a layer of molybdenum or copper 0.1 to a few microns thick. It is possible alternatively to etch the resistive layer 103 locally at the level of the future growth zone of the nanotubes intended for the connection of the refocusing gate.
  • the conductive layer 105 is then etched to define an extraction gate conductor 105 'and a refocusing electrode 105' '(see Fig. 9B).
  • a resin layer 106 is deposited on the resulting stack (see FIG. 9C).
  • An opening 107 is caused in the resin layer 106 at the size of the growth pad provided for the refocusing electrode until the refocusing electrode 105 "is revealed.
  • the growth pad may have a diameter of a few microns if it is circular or a few ⁇ m side if it is rectangular or square.
  • the etching of the opening 107 is continued to extend this opening through the refocusing electrode 105 '' and through the insulating layer 104 until it reaches the resistive layer 103.
  • a reactive dry etching can be used for this purpose. (see Figure 9D).
  • a catalyst layer 108 growth pad of 1 nm to 20 nm thick is deposited.
  • the catalyst may be iron, nickel or iron / silicon / palladium / nickel alloys.
  • a metal sub-layer of TiN, TaN, Al or Ti of 50 nm thick can be provided under the catalyst.
  • Resin layer 106 is removed and a new resin layer 109 is deposited (see FIG. 9E) to allow an aperture 110 to be etched at the future location of the electron emitter element to reveal the grid conductor. extraction 105 '.
  • the opening 110 has a size of a few microns over a few microns.
  • the resin layer 109 then protects the growth pad 108.
  • the extraction gate conductor 105 'and the insulating layer are then etched by reactive wet etching while controlling the shrinkage with respect to the opening 110.
  • the catalyst or growth pad 111 is then deposited, which may be of the same type. as the growth pad 108 (see Figure 9F).
  • FIG. 9G shows the nanotubes 112 which do not reach the extraction grid conductor 105 'and the nanotubes 113, some of which are in electrical contact with the refocusing electrode 105''.
  • FIGS 10A to 10G illustrate a second method of making a cathode structure according to the present invention. For the sake of simplification, only one issuer element will be represented. This second method applies to the case where the extraction grid is covered with a protective resistive layer.
  • FIG. 10A shows a substrate 201, for example made of glass, on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 202, this metal layer possibly being made of molybdenum or of a tungsten-titanium alloy and capable of having 0, 1 to a few microns thick.
  • a resistive layer 203 also called a ballast layer, is then deposited, for example an amorphous silicon layer having a thickness of between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • an insulating layer 204 is deposited, for example a silica layer having a thickness of between 1 and 3 ⁇ m.
  • a conductive layer 205 is deposited, for example a layer of molybdenum or copper 0.1 to a few microns thick.
  • the conductive layer 205 is then etched to define an extraction gate conductor 205 'and a refocusing electrode 205' '(see Fig. 10B). Etching was conducted to also obtain apertures 230 and 217 respectively in the extraction grid conductor 205 'and in the refocusing electrode 205' '.
  • a protective resistive layer 220 is then deposited on the structure obtained previously
  • This resistive layer 220 may be a highly resistive amorphous silicon layer or an amorphous carbon layer called DLC (for "Diamond Like Carbon"). If the resistive layer 220 is amorphous silicon, its resistivity is at least ten times greater than the resistivity of the ballast layer
  • a layer of resin 206 is then deposited on the previously obtained structure and the growth pad patterns are insulated by means of a mask (see FIG. 10D). Openings in the resin 206 of a few ⁇ m to a few ⁇ m are obtained: the opening 210 centered on the opening 230 of the extraction grid conductor 205 'and the opening 207 centered on the opening 217 of the electrode refocusing.
  • the openings 210 and 207 may be of different sizes in the emission and focusing areas.
  • the resistive layer 220 and the insulating layer are then etched by reactive dry etching.
  • catalyst layers (growth pads) 208 are deposited for the opening 207 and 211 for the opening 210.
  • the catalyst can be that of the first embodiment method (see Figure 10F).
  • FIG. 1OG shows the nanotubes 212 which can not short-circuit the extraction gate conductor 205 'because of the protective resistive layer 220. This figure also shows the nanotubes 213, some of which are in electrical contact with the electrode. refocusing 205 ''.
  • FIGS HA to HH illustrate a third method of making a cathode structure according to the present invention.
  • This third embodiment is a variant of the second embodiment which makes it possible to independently adjust the surgraving of the insulating layer between the emitter elements and the electrical connection means connecting the ballast layer to the refocusing electrode.
  • FIG. HA shows a substrate 301 on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 302.
  • a resistive layer 303 (ballast layer) is then deposited, then an insulating layer 304 and finally a conductive layer 305.
  • These different elements may be identical to those of the second embodiment.
  • the conductive layer 305 is then etched to define an extraction gate conductor 305 'and a refocusing electrode 305 '' (see Figure HB). The etching was conducted to also obtain openings 330 in the extraction grid conductor 305 'but not in the refocusing electrode 305''.
  • the protective resistive layer 320 is then deposited on the structure obtained previously
  • This resistive layer may be of the same nature as that of the second embodiment method.
  • a resin layer 306 is then deposited on the previously obtained structure and the growth pad patterns are insulated by means of a mask covering the location of the future emission growth pads and the electrical connection means. Openings in the resin 306 of a few ⁇ m by a few ⁇ m are obtained: the opening 310 centered on the opening 330 of the extraction grid conductor 305 'and the opening 307 above the refocusing electrode 305' '(see figure HD).
  • the openings 310 and 307, and therefore the growth pads may be of different sizes in the emission and focusing zones.
  • the resistive layer 320 is then etched by reactive dry etching. From the opening 310, the etching continues in the insulating layer 304 until the resistive layer 303 is revealed.
  • the insulating layer 304 is checked by resin 306 by wet etching the insulating layer 304.
  • the refocusing electrode 305 "serves as a stop layer for etching in the aperture 307 (see FIG. Then, by reactive etching and in the extension of the opening 307, the refocusing electrode 305 "and the insulating layer 304 are etched to reveal the ballast layer 303 (see FIG. HF).
  • the catalyst can be that of the first and second methods of realization (see Figure HG).
  • Figure HH shows the nanotubes 312 which can not short-circuit the extraction gate conductor 305 'because of the protective resistive layer 320. This figure also shows the nanotubes 313, some of which are in electrical contact with the electrode. refocusing 305 ''.

Abstract

The invention relates to a cathode structure of the triode type, comprising, superposed on a support (41), a cathode electrode (42), an electrical insulation layer (44) and a gate electrode (45), the electrical insulation layer (44) and the gate electrode (45) having emission openings (46) revealing at least one electron-emitting element (48) electrically connected to the cathode electrode (42), the structure further including a refocusing electrode placed so as to refocus the electrons extracted by the gate electrode (45). The refocusing electrode (50) is placed on said electrical insulation layer (44) and is connected to electrical connection means for applying a refocusing voltage to it via electrically conducting nanotubes (58). The invention also relates to a matrix-controlled field-emission device.

Description

STRUCTURE DE CATHODE POUR ECRAN PLAT AVEC GRILLE DE CATHODE STRUCTURE FOR FLAT SCREEN WITH GRID
REFOCALISATIONrefocusing
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
L' invention se rapporte à une structure de cathode notamment pour écran plat de visualisation avec grille de refocalisation.The invention relates to a cathode structure, especially for a flat display screen with refocusing grid.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURESTATE OF THE PRIOR ART
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) .A field emission excited cathodoluminescence display device comprises a cathode or electron-emitting structure and a facing anode coated with a luminescent layer. The anode and the cathode are separated by a space where the vacuum has been made. The cathode is either a source based on micro-peaks or a source based on a low threshold field emissive layer. The emissive layer may be a layer of carbon nanotubes or other structures based on carbon or based on other materials or multilayers (AlN, BN).
La structure de la cathode peut être de type diode ou de type triode. Le document FR-A- 2 593 953 (correspondant au brevet américain N° 4 857 161) divulgue un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ. La structure de la cathode est du type triode. 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 .The structure of the cathode may be diode or triode type. Document FR-A-2,593,953 (corresponding to US Pat. No. 4,857,161) discloses a method of manufacturing a cathodoluminescence display device excited by field emission. The structure of the cathode is of the triode type. The electron-emitting material is deposited on a conductive layer apparent at the bottom of holes made in an insulating layer which supports an electron extraction grid.
Le document FR-A-2 836 279 (correspondant à la demande de brevet US 2004/0256969) divulgue une structure de cathode de type triode pour écran émissif. La structure de cathode comprend, en superposition sur un support, une électrode formant cathode électriquement connectée à un matériau émetteur d'électrons, une couche d'isolant électrique et une cathode de grille. Une ouverture pratiquée dans l'électrode de grille et une ouverture pratiquée dans la couche d' isolant électrique exposent le matériau émetteur d'électrons qui est situé dans la partie centrale de l'ouverture de l'électrode de grille. Les ouvertures sont en forme de fente et le matériau émetteur d'électrons, exposé par les fentes, est constitué d'éléments alignés selon l'axe longitudinal des fentes. Le matériau émetteur d'électrons peut être constitué de nanotubes, par exemple des nanotubes de carbone .Document FR-A-2,836,279 (corresponding to patent application US 2004/0256969) discloses a cathode structure of triode type for emissive screen. The cathode structure includes, in superposition on a carrier, a cathode electrode electrically connected to an electron emitting material, an electrical insulator layer, and a gate cathode. An opening in the gate electrode and an opening in the electrical insulator layer expose the electron emitting material which is located in the central portion of the gate electrode opening. The apertures are slit-shaped and the electron-emitting material, exposed by the slits, consists of elements aligned along the longitudinal axis of the slits. The electron-emitting material may consist of nanotubes, for example carbon nanotubes.
La figure 1 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type triode, telle que divulguée par le document FR-A- 2 836 279. Un seul élément d'émission est représenté sur cette figure. La structure de cathode est formée sur un support 1. Elle comprend, en superposition sur le support 1, une cathode 2 supportant une couche résistive 3, une couche isolante 4 et une couche métallique 5 formant grille d'extraction des électrons. Une fente 6 expose la couche résistive 3. En partie centrale de la fente 6, et selon l'axe longitudinal de la fente, des plots de croissance 7 reposent sur la couche résistive 3. Un seul plot de croissance est visible sur la figure. Les plots de croissance 7 sont en matériau électriquement conducteur recouvert d'un catalyseur. Ils permettent la croissance de nanotubes 8, par exemple en carbone. Typiquement, un élément d'image ou pixel comporte quelques dizaines ou centaines de plots arrangés dans des fentes parallèles.FIG. 1 is a sectional and diagrammatic view of a triode-type cathode structure as disclosed in FR-A-2,836,279. A single transmission element is shown in this figure. The cathode structure is formed on a support 1. It comprises, in superposition on the support 1, a cathode 2 supporting a resistive layer 3, an insulating layer 4 and a metal layer 5 forming an electron extraction grid. A slot 6 exposes the resistive layer 3. In the central part of the slot 6, and along the longitudinal axis of the slot, growth pads 7 rest on the resistive layer 3. A single growth pad is visible in the figure. The growth pads 7 are made of electrically conductive material covered with a catalyst. They allow the growth of nanotubes 8, for example carbon. Typically, an image element or pixel comprises a few tens or hundreds of pads arranged in parallel slots.
Pour disposer d'une densité de courant émise suffisante, les nanotubes doivent être électriquement isolés de la grille d'extraction des électrons, ce qui conduit à disposer la grille en retrait des plots de nanotubes comme le montre la figure 1.To have a sufficient current density emitted, the nanotubes must be electrically isolated from the electron extraction grid, which leads to arranging the grid back of the nanotube pads as shown in FIG.
Un écran plat à émission de champ comporte des conducteurs de grille, généralement organisés en lignes, et des conducteurs cathodiques, généralement organisés en colonne. Les éléments d'image ou pixels sont constitués à l'intersection des lignes (conducteurs de grille) et des colonnes (conducteurs cathodiques) , chaque pixel comportant quelques dizaines ou centaines d'éléments émetteurs d'électrons. A titre d'exemple, un pixel peut être constitué par l'intersection d'une ligne, représentée au niveau du pixel à la figure 2, et d'une colonne, représentée au niveau du pixel à la figure 3. Pour faciliter la compréhension, le conducteur de grille (ligne) et le conducteur cathodique (colonne) ont été représentés sur des figures différentes. On comprend que les conducteurs de grille et cathodique se superposent de façon que les fentes 11 (voir la figure 2) et 21 (voir la figure 3) de ces conducteurs se correspondent comme pour la figure 1. Dans le cas des figures 2 et 3, les fentes sont orientées selon les lignes de l'écran, mais il est possible en variante qu'elles soient orientées dans le sens des colonnes, conformément à l'enseignement du document FR-A-2 873 852.A flat field emission screen comprises grid conductors, generally organized in lines, and cathode conductors, generally organized in columns. The pixels or pixels are formed at the intersection of the lines (grid conductors) and columns (cathode conductors), each pixel having a few tens or hundreds of electron emitting elements. For example, a pixel may be constituted by the intersection of a line, shown at the pixel in Figure 2, and a column, shown at the pixel in Figure 3. For ease of understanding , the gate conductor (line) and the cathode conductor (column) have been shown in different figures. We understand that grid and cathode conductors are superimposed so that the slots 11 (see FIG. 2) and 21 (see FIG. 3) of these conductors correspond as in FIG. 1. In the case of FIGS. 2 and 3, the slots are oriented along the lines of the screen, but it is possible alternatively that they are oriented in the direction of the columns, according to the teaching of FR-A-2,873,852.
En se référant à la figure 2, un conducteur de grille (ou ligne) tel que le conducteur de grille 10 est constitué de deux rubans parallèles 12 et 13 reliés régulièrement par des zones 14, chaque zone définissant un pixel. Chaque zone 14 comprend un certain nombre de fentes 11 correspondant à la fente 6 de la figure 1. A l'intérieur d'un conducteur de grille 10, deux zones successives 14 sont séparées par un espace libre 15. Entre deux conducteurs de grille 10 successifs, il existe aussi un espace libre 16.Referring to FIG. 2, a gate conductor (or line) such as the gate conductor 10 consists of two parallel strips 12 and 13 regularly connected by zones 14, each zone defining a pixel. Each zone 14 comprises a number of slots 11 corresponding to the slot 6 of FIG. 1. Inside a grid conductor 10, two successive zones 14 are separated by a free space 15. Between two grid conductors 10 successive, there is also a free space 16.
En se référant à la figure 3, un conducteur de cathode (ou colonne) tel que le conducteur de cathode 20 est constitué de deux rubans parallèles 22 et 23 reliés régulièrement par des zones 24, chaque zone définissant un pixel. Chaque zone 24 comprend un certain nombre de fentes 21 correspondant à la fente 6 de la figure 1.Referring to FIG. 3, a cathode conductor (or column) such as the cathode conductor 20 consists of two parallel strips 22 and 23 regularly connected by zones 24, each zone defining a pixel. Each zone 24 comprises a number of slots 21 corresponding to the slot 6 of FIG.
Le fonctionnement électrique de l'écran est assuré par un balayage temporel séquentiel des lignes (conducteurs de grille). Lors de l'adressage d'une ligne donnée, on applique à cette ligne une tension de commande de l'ordre de 30 à 100 volts, les autres lignes restant au potentiel de la masse. On applique conjointement aux conducteurs de colonnes (cathode) des tensions modulées de quelques dizaines de volts et représentatives des données vidéos à afficher sur cette ligne. L'émission électronique des éléments émetteurs (par exemple les nanotubes de carbone) de chaque pixel d'une ligne est contrôlée par la différence de potentiel entre la ligne adressée et la colonne associée au pixel considéré.The electrical operation of the screen is ensured by sequential time scanning of the lines (grid conductors). When addressing a given line, it applies to this line a control voltage of the order of 30 to 100 volts, the remaining lines remaining at the potential of the mass. We apply together with the conductors of columns (cathode) modulated voltages of a few tens of volts and representative of the video data to be displayed on this line. The electronic emission of the emitting elements (for example the carbon nanotubes) of each pixel of a line is controlled by the potential difference between the line addressed and the column associated with the pixel in question.
Cette différence de potentiel de l'ordre de 80 à 100 volts crée un champ électrique à l'extrémité des nanotubes, et permet l'extraction d'électrons. Les électrons émis sont ensuite accélérés vers une anode recouverte de luminophores, portée à une haute tension et située à quelques millimètres de la structure cathodique. Sous l'impact de ces électrons énergétiques les luminophores émettent un rayonnement lumineux de couleur rouge, verte ou bleue permettant la réalisation d'écrans monochromes ou couleurs.This potential difference of the order of 80 to 100 volts creates an electric field at the end of the nanotubes, and allows the extraction of electrons. The emitted electrons are then accelerated to an anode covered with phosphors, brought to a high voltage and located a few millimeters from the cathode structure. Under the impact of these energetic electrons the luminophores emit a light radiation of red, green or blue color allowing the realization of monochrome screens or colors.
La résolution de ce type d'écrans FED est limitée par la taille du spot optique obtenu sur cette anode. Pour la structure de base d'écran que nous venons de décrire, cette taille de spot est conditionnée par la tension d'anode, la distance cathode-anode ainsi que par l'énergie cinétique initiale et la divergence angulaire initiale du faisceau d'électrons issu de la cathode. Une fois ces paramètres fixés par différents compromis technologiques, il est encore possible d'améliorer cette résolution optique mais au prix d'une complexification de la structure. On peut se référer à ce sujet à l'article « CNT FEDs for Large Area and HDTV Applications » de E. J. CHI et al., publié dans SID 05 Digest, pages 1620 à 1623. Cette complexification consiste souvent, comme décrit dans cet article, à ajouter un troisième niveau de métallisation sur la structure de cathode pour réaliser une grille de refocalisation du faisceau d'électrons émis. Cette grille de refocalisation doit être polarisée à un potentiel inférieur à celui de la grille d'extraction de façon à refocaliser les électrons dès leur émission par les éléments émetteurs (par exemple des nanotubes de carbone). La figure 4 illustre cette configuration. Elle montre une structure de cathode formée sur un support 31. La structure comprend, en superposition sur le support 31, un conducteur de cathode 32 supportant une couche résistive 33, une première couche isolante 34, une couche métallique 35 formant grille d'extraction des électrons, une deuxième couche isolante 39 et une couche métallique 30 (troisième niveau de métallisation) formant grille de refocalisation. Une fente 36 expose la couche résistive 33 qui supporte des plots de croissance 37 (un seul plot est visible) qui ont permis la croissance des nanotubes 38.The resolution of this type of FED screen is limited by the size of the optical spot obtained on this anode. For the basic screen structure just described, this spot size is conditioned by the anode voltage, the cathode-anode distance as well as by the initial kinetic energy and the initial angular divergence of the electron beam. from the cathode. Once these parameters are fixed by different technological compromises, it is still possible to improve this optical resolution but at the cost of a complexity of the structure. This can be found in CNT FEDs for Large Area and HDTV Applications "of EJ CHI et al., Published in SID 05 Digest, pages 1620 to 1623. This complexification often consists, as described in this article, in adding a third level of metallization on the cathode structure in order to produce a refocusing grid on the cathode structure. beam of electrons emitted. This refocusing grid must be polarized at a potential lower than that of the extraction grid so as to refocus the electrons as soon as they are emitted by the emitting elements (for example carbon nanotubes). Figure 4 illustrates this configuration. It shows a cathode structure formed on a support 31. The structure comprises, superimposed on the support 31, a cathode conductor 32 supporting a resistive layer 33, a first insulating layer 34, a metal layer 35 forming an extraction grid. electrons, a second insulating layer 39 and a metal layer 30 (third level of metallization) forming a refocusing gate. A slot 36 exposes the resistive layer 33 which supports growth pads 37 (only one stud is visible) which allowed the growth of the nanotubes 38.
Le document US 2006/001359 divulgue une structure de cathode de type triode comprenant, en superposition sur un support, une électrode de cathode, une couche d' isolant électrique et une électrode de grille, la couche d'isolant électrique et l'électrode de grille présentant des ouvertures d'émission révélant au moins un élément émetteur d'électrons relié électriquement à l'électrode de cathode, la structure comprenant en outre une électrode de refocalisation disposée pour refocaliser les électrons extraits par l'électrode de grille. L'électrode de refocalisation est disposée sur ladite couche d' isolant électrique et est reliée à des moyens de connexion électrique permettant de lui appliquer une tension de refocalisation. L'électrode de refocalisation est polarisée au niveau du métal supérieur de grille, ce qui nécessite obligatoirement une électrode supplémentaire à ce niveau pour piloter l'électrode de focalisation puisque cette électrode doit être polarisée à un potentiel inférieur à celui de l'électrode de grille.US 2006/001359 discloses a triode-type cathode structure comprising, superimposed on a support, a cathode electrode, an electrical insulator layer and a gate electrode, the electrical insulator layer and the gate having emission openings revealing at least one electron-emitting element electrically connected to the cathode electrode, the structure further comprising a refocusing electrode arranged to refocus the electrons extracted by the gate electrode. The refocusing electrode is disposed on said electric insulation layer and is connected to electrical connection means for applying to it a refocusing voltage. The refocusing electrode is polarized at the upper gate metal, which necessarily requires an additional electrode at this level to drive the focusing electrode since this electrode must be biased to a potential lower than that of the gate electrode. .
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
Un objet de la présente invention est de proposer une structure de cathode pour écran plat de visualisation possédant une grille de refocalisation des électrons mais qui ne nécessite pas, comme l'art antérieur, une deuxième couche isolante supportant un troisième niveau de métallisation .An object of the present invention is to provide a flat screen display cathode structure having an electron refocusing grid but which does not require, as in the prior art, a second insulating layer supporting a third level of metallization.
La présente invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas d'une structure de cathode pour écran plat de visualisation à adressage matriciel. Néanmoins, l'invention peut également s'appliquer à des structures de cathode moins complexes, par exemple à des structures de cathodes possédant au moins un élément émetteur d'électrons. L'invention a donc pour objet une structure de cathode de type triode comprenant, en superposition sur un support, une électrode de cathode, une couche d'isolant électrique et une électrode de grille, la couche d'isolant électrique et l'électrode de grille présentant des ouvertures d'émission révélant au moins un élément émetteur d'électrons relié électriquement à l'électrode de cathode, la structure comprenant en outre une électrode de refocalisation disposée pour refocaliser les électrons extraits par l'électrode de grille, l'électrode de refocalisation étant disposée sur ladite couche d'isolant électrique et étant reliée à des moyens de connexion électrique permettant de lui appliquer une tension de refocalisation, caractérisée en ce que l'électrode de refocalisation est reliée aux moyens de connexion électrique par l'intermédiaire de nanotubes électriquement conducteurs, par exemple des nanotubes de carbone.The present invention finds a particularly advantageous application in the case of a cathode structure for matrix display flat screen display. Nevertheless, the invention can also be applied to less complex cathode structures, for example to cathode structures having at least one electron emitting element. The subject of the invention is therefore a cathode structure of the triode type comprising, in superposition on a support, a cathode electrode, an electrical insulator layer and a gate electrode, the electrical insulator layer and the gate electrode having emission apertures revealing at least one electrically connected electron emitting element at the cathode electrode, the structure further comprising a refocusing electrode arranged to refocus the electrons extracted by the gate electrode, the refocusing electrode being disposed on said electrical insulating layer and being connected to electrical connection for applying to it a refocusing voltage, characterized in that the refocusing electrode is connected to the electrical connection means through electrically conductive nanotubes, for example carbon nanotubes.
Les moyens de connexion électrique peuvent comprendre l'électrode de cathode.The electrical connection means may comprise the cathode electrode.
L'élément émetteur d'électrons peut être relié électriquement à l'électrode de cathode au moyen d'une couche résistive. Les moyens de connexion électrique peuvent comprendre un matériau résistif qui peut être celui de la couche résistive. Avantageusement, les nanotubes des moyens de connexion sont logés dans au moins une ouverture de la couche d'isolant électrique.The electron emitting element can be electrically connected to the cathode electrode by means of a resistive layer. The electrical connection means may comprise a resistive material which may be that of the resistive layer. Advantageously, the nanotubes of the connection means are housed in at least one opening of the electrical insulating layer.
L'élément émetteur d'électrons peut être constitué de nanotubes. De préférence, les nanotubes de l'élément émetteur d'électrons sont des nanotubes de carbone. Selon un mode de réalisation préféré, les ouvertures d'émission dans la couche d'isolant électrique et dans l'électrode de grille comprennent au moins une ouverture en forme de fente dans la couche d' isolant électrique associée à une ouverture en forme de fente correspondante dans l'électrode de grille. De préférence aussi, l'ouverture en forme de fente dans la couche d'isolant électrique et l'ouverture en forme de fente correspondante dans l'électrode de grille révèlent au moins une rangée d'éléments émetteurs d'électrons alignés dans la direction des fentes.The electron emitting element may consist of nanotubes. Preferably, the nanotubes of the electron emitting element are carbon nanotubes. According to a preferred embodiment, the emission apertures in the electrical insulator layer and in the gate electrode comprise at least one slot-shaped aperture in the electrical insulator layer associated with a slot-shaped aperture corresponding in the gate electrode. Also preferably, the slot-shaped aperture in the electrical insulator layer and the corresponding slot-shaped aperture in the gate electrode reveal at least one row of electron emitting elements aligned in the direction of the electrodes. slots.
L'invention a aussi pour objet un dispositif à émission de champ à commande matricielle, constitué d'une pluralité de structures de cathode telles que définies ci-dessus, disposées sous la forme d'un agencement matriciel définissant des lignes et des colonnes, les électrodes de grille d'une même ligne étant regroupées en un conducteur de grille, les électrode de cathode d'une même colonne étant regroupées en un conducteur de cathode, l'intersection d'un conducteur de cathode et d'un conducteur de grille définissant un élément d'image ou pixel.The invention also relates to a matrix-controlled field emission device consisting of a plurality of cathode structures as defined above, arranged in the form of a matrix arrangement defining lines and columns, the gate electrodes of the same line being grouped into a gate conductor, the cathode electrodes of the same column being grouped into a cathode conductor, the intersection of a cathode conductor and a gate conductor defining an image element or pixel.
Le conducteur de grille et l'électrode de refocalisation peuvent être imbriqués à l'intérieur d'un pixel. Ils peuvent former deux peignes interdigités .The gate conductor and the refocusing electrode can be nested inside a pixel. They can form two interdigital combs.
Avantageusement, les conducteurs de grille ont une configuration laissant subsister entre chaque pixel et chacun de ses pixels voisins des espaces libres permettant d'y répartir des plots de l'électrode de refocalisation du pixel. Selon un autre mode de réalisation préféré, chaque zone de l'électrode de refocalisation possède au moins une ouverture communiquant avec ladite au moins une ouverture de la couche d' isolant électrique logeant les nanotube des moyens de connexion et permettant aux nanotubes des moyens de connexion d'assurer une connexion électrique avec l'électrode de refocalisation.Advantageously, the gate conductors have a configuration leaving between each pixel and each of its neighboring pixels free spaces for distributing pads of the refocusing electrode of the pixel. According to another preferred embodiment, each zone of the refocusing electrode has at least one opening communicating with said at least one opening of the electrical insulation layer housing the nanotube of the connection means and allowing the nanotubes connection means to provide an electrical connection with the refocusing electrode.
Selon un mode de réalisation particulier, chaque zone de l'électrode de refocalisation possède au moins une ouverture circulaire communiquant avec ladite au moins une ouverture, également circulaire, de la couche d' isolant électrique logeant les nanotubes des moyens de connexion. Ces ouvertures peuvent révéler une pluralité de nanotubes électriquement conducteurs occupant tout l'espace des ouvertures.According to a particular embodiment, each zone of the refocusing electrode has at least one circular opening communicating with said at least one opening, also circular, of the electrical insulation layer housing the nanotubes of the connection means. These openings may reveal a plurality of electrically conductive nanotubes occupying the entire space of the openings.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, accompanied by the appended drawings among which:
- la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode, selon l'art antérieur, les figures 2 et 3, déjà décrites, représentent respectivement un conducteur de grille et un conducteur de colonne limités à un seul pixel d'un écran plat de visualisation selon l'art antérieur, - la figure 4, déjà décrite, est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode et à grille de refocalisation, selon l'art antérieur,FIG. 1, already described, is a sectional view of a triode type cathode structure, according to the prior art, FIGS. 2 and 3, already described, respectively represent a grid conductor and a limited column conductor to a single pixel of a flat display screen according to the prior art, FIG. 4, already described, is a sectional view of a triode-type cathode structure with a refocusing gate, according to the prior art,
- la figure 5 est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode, à grille de refocalisaiton, selon l'invention,FIG. 5 is a sectional view of a cathode structure of the triode type, with a refocusing grid, according to the invention,
- la figure 6 est une vue partielle et de dessus d'un dispositif à émission de champ selon la présente invention, - la figure 7 est une vue partielle et de dessus d'un autre dispositif à émission de champ selon la présente invention,FIG. 6 is a partial view from above of a field emission device according to the present invention; FIG. 7 is a partial view from above of another field emission device according to the present invention;
- la figure 8 est une vue agrandie montrant un autre mode de réalisation, - les figures 9A à 9G illustrent un premier procédé de réalisation d'une structure de cathode selon 1' invention, les figures 1OA à 1OG illustrent un deuxième procédé de réalisation d'une structure de cathode selon l'invention, les figures HA à HH illustrent un troisième procédé de réalisation d'une structure de cathode selon l'invention.FIG. 8 is an enlarged view showing another embodiment, FIGS. 9A to 9G illustrate a first method of producing a cathode structure according to the invention, FIGS. 10A to 1OG illustrate a second embodiment of FIG. A cathode structure according to the invention, Figures HA to HH illustrate a third method of producing a cathode structure according to the invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
La figure 5 est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode, à grille de refocalisation selon l'invention. Elle montre une structure de cathode formée sur un support 41. La structure comprend, en superposition sur le support 41, un conducteur de cathode 42 supportant une couche résistive 43, une couche isolante unique 44 et une couche métallique 45 formant grille d'extraction des électrons. Des fentes 46 exposent la couche résistive 43 qui supporte des plots de croissance 47 qui ont permis la croissance des nanotubes 48. On remarque que les plots de croissance 47 sont centrés dans les fentes 46 et qu'il existe une certaine distance entre les plots de croissance et le bord de la couche isolante supportant la grille d'extraction 45. Ceci permet d'éviter un court-circuit entre les nanotubes 48 et la grille d'extraction 45. La figure 5 montre aussi la présence, sur une partie de la couche isolante 44 d'une autre couche métallique, la couche métallique 50 constituant la grille de refocalisation avantageusement réalisée avec le même niveau de métal que la couche métallique 45 formant grille d'extraction. Une liaison électrique entre la grille de refocalisation 50 et la couche résistive 43 est assurée par la présence d'un plot de croissance 57 formé au fond d'une ouverture 56 pratiquée dans la couche isolante 44 et par des nanotubes électriquement conducteurs 58, avantageusement des nanotubes de carbone qui provoquent un court-circuit entre le plot de croissance 57 et la grille de refocalisation 50. On remarque que le plot de croissance 57 occupe avantageusement tout le fond de l'ouverture 56 afin de favoriser les courts-circuits entre les nanotubes 58 et la grille de refocalisation 50.FIG. 5 is a sectional view of a triode-type cathode structure with a refocusing gate according to the invention. It shows a cathode structure formed on a support 41. The structure comprises, superimposed on the support 41, a cathode conductor 42 supporting a layer resistive 43, a single insulating layer 44 and a metal layer 45 forming an electron extraction grid. Slots 46 expose the resistive layer 43 which supports growth pads 47 which have allowed the growth of the nanotubes 48. Note that the growth pads 47 are centered in the slots 46 and that there is a certain distance between the pads of growth and the edge of the insulating layer supporting the extraction grid 45. This avoids a short circuit between the nanotubes 48 and the extraction grid 45. Figure 5 also shows the presence, on part of the insulating layer 44 of another metal layer, the metal layer 50 constituting the refocusing grid advantageously made with the same level of metal as the metal layer 45 forming extraction grid. An electrical connection between the refocusing gate 50 and the resistive layer 43 is provided by the presence of a growth pad 57 formed at the bottom of an opening 56 made in the insulating layer 44 and by electrically conductive nanotubes 58, advantageously carbon nanotubes which cause a short circuit between the growth pad 57 and the refocusing gate 50. Note that the growth pad 57 advantageously occupies the entire bottom of the opening 56 to promote short circuits between the nanotubes 58 and the refocusing grid 50.
La structure de cathode illustrée à la figure 5 est une vue partielle. La grille de refocalisation (ou grille d'auto-focalisation), pour être efficace, doit entourer, selon les applications, un élément émetteur d'électrons ou un groupe d'éléments émetteurs d'électrons, par exemple chaque groupe d'éléments émetteurs d'électrons constituant un pixel pour un écran plat de visualisation. Ainsi, si on considère la figure 2 déjà décrite, on constate que, pour le pixel représenté et les pixels environnants, il existe des espaces libres 15 et 16 sur la couche d'isolant supportant les conducteurs de grille. Ces espaces libres peuvent recevoir la grille de refocalisation selon l'invention. Il est possible de définir dans ces espaces libres des plots de grille de refocalisation munies, par exemple, de fentes dans lesquelles on dépose des plots de croissance de nanotubes de carbone. Ces plots de grille de refocalisation peuvent être pratiquement identiques dans leur forme aux zones d'émission d'électrons définies par les fentes montrées aux figures 2 et 3.The cathode structure shown in Figure 5 is a partial view. The refocusing grid (or self-focusing grid), for to be effective, must surround, depending on the applications, an electron emitting element or a group of electron emitting elements, for example each group of electron emitting elements constituting a pixel for a flat screen display. Thus, if we consider Figure 2 already described, we see that for the pixel shown and the surrounding pixels, there are free spaces 15 and 16 on the insulating layer supporting the grid conductors. These free spaces can receive the refocusing grid according to the invention. It is possible to define in these free spaces refocusing grid pads provided, for example, with slots in which carbon nanotube growth pads are deposited. These refocusing grid pads may be substantially identical in shape to the electron emission zones defined by the slots shown in FIGS. 2 and 3.
La figure 6 est une vue partielle de dessus d'un dispositif à émission de champ, destiné à la constitution d'un écran plat de visualisation à commande matricielle. Cette figure montre des conducteurs de grille 10, similaires au conducteur de grille de la figure 2, supportés par une couche isolante 63 et dont les fentes 11 révèlent les éléments émetteurs d'électrons 68 alignés dans la direction des fentes. Les fentes 11 sont, sur la figure 6, orientées dans le sens des lignes de l'écran, mais il est possible en variante de les orienter dans le sens des colonnes de l'écran. Les espaces libres 15 et 16 forment quatre plots entourant le pixel 14. Chacune de ces plots comporte une partie de l'électrode de refocalisation pour ce pixel. Chacune de ces parties participe aussi à l'électrode de refocalisation du pixel qui lui est voisin. La figure 6 montre ainsi quatre parties 71, 72, 73 et 74 pourvues de fentes dont les axes principaux sont, dans cet exemple de réalisation, de même direction que les axes des fentes 75 pratiquées dans les conducteurs de grille 10. D'autres formes peuvent bien sûr être envisagées pour les parties 71, 72, 73 et 74 pour maximiser les courts- circuits entre les nanotubes et la grille de refocalisation, par exemple des petites ouvertures circulaires à raison d'une ouverture par plot de croissance. Les fentes 75 révèlent les éléments émetteurs d'électrons constitués de nanotubes de carbone qui connectent électriquement les plots de l'électrode de refocalisation au conducteur de cathode par l'intermédiaire ou non de la couche résistive selon que la couche résistive a été ou non préalablement gravée. Cette grille de refocalisation se retrouvera ainsi portée au potentiel de la cathode ce qui produira l'effet recherché de refocalisation du faisceau d'électrons issu de la zone centrale émettrice. Ces plots de grilles deviendront donc « auto- refocalisantes » sans ajout d'un nouveau niveau de métal et sans ajout d'un nouveau contact au niveau du métal inférieur de cathode pour polariser cette grille de refocalisation. Cette option reste cependant possible au niveau du métal inférieur de cathode. On pourra définir au niveau du métal inférieur de cathode un premier sous-ensemble de conducteurs cathodiques colonnes comme présenté à la figure 3 et un deuxième sous-ensemble de conducteurs colonnes électriquement isolé du premier sous-ensemble. Ce deuxième sous- ensemble de conducteurs colonnes parallèle au premier sous-ensemble aura toutes ses colonnes court-circuitées sur un même contact de sortie de polarisation des grilles de refocalisation. L'intérêt de cette structure quelque peu plus complexe, dans la conception seulement, est de pouvoir contrôler l'effet de focalisation en appliquant sur ce nouveau contact un potentiel différent de celui des colonnes cathodiques destinées à la vidéo. Il sera dans ce cas préférable de graver la couche ballast résistive pour éviter toute consommation dans cette couche due à la différence de potentiel des conducteurs colonnes de vidéo et de ceux de contrôle du potentiel de refocalisation.FIG. 6 is a partial view from above of a field emission device intended for the constitution of a matrix-controlled flat display screen. This figure shows gate conductors 10, similar to the gate conductor of FIG. 2, supported by an insulating layer 63 and whose slots 11 reveal the electron emitting elements 68 aligned in the direction of the slots. The slots 11 are, in Figure 6, oriented in the direction of the lines of the screen, but it is possible alternatively to orient them in the direction of the columns of the screen. The free spaces 15 and 16 form four pads surrounding the pixel 14. Each of these pads comprises a portion of the refocusing electrode for this pixel. Each of these parts also participates in the refocusing electrode of the neighboring pixel. FIG. 6 thus shows four portions 71, 72, 73 and 74 provided with slits whose principal axes are, in this embodiment, in the same direction as the axes of the slits 75 made in the grid conductors 10. Other forms can of course be envisaged for parts 71, 72, 73 and 74 to maximize the short circuits between the nanotubes and the refocusing gate, for example small circular openings at the rate of one opening per growth pad. The slits 75 reveal the electron emitting elements consisting of carbon nanotubes which electrically connect the pads of the refocusing electrode to the cathode conductor via or not the resistive layer depending on whether the resistive layer has been previously or not. engraved. This refocusing grid will thus be brought to the potential of the cathode which will produce the desired effect of refocusing the electron beam from the central emitting zone. These grid pads will therefore become "self-refocusing" without adding a new level of metal and without adding a new contact at the lower cathode metal to bias this refocusing gate. This option remains possible, however, at the lower cathode metal. It will be possible to define at the level of the lower cathode metal a first subset of cathode conductors columns as shown in Figure 3 and a second subset of electrically insulated column conductors of the first subset. This second subset of column conductors parallel to the first subassembly will have all its columns short-circuited on the same polarization output contact of the refocusing grids. The interest of this somewhat more complex structure, in the design only, is to be able to control the focusing effect by applying on this new contact a potential different from that of the cathodic columns intended for the video. In this case, it will be preferable to etch the resistive ballast layer to avoid any consumption in this layer due to the potential difference of the video column conductors and those of control of the refocusing potential.
On notera que même si la grille de refocalisation reste connectée à la cathode, la couche ballast résistive 43 pourra être gravée localement au niveau des grilles de refocalisation pour favoriser le court-circuit sur le niveau de métal de la cathode. Dans ce cas, les plots de croissance des nanotubes de connexion de la grille de refocalisation sont déposés directement sur la cathode et les nanotubes interconnectent directement la grille de refocalisation et la cathode.Note that even if the refocusing gate remains connected to the cathode, the resistive ballast layer 43 may be etched locally at the refocusing grids to promote the short circuit on the metal level of the cathode. In this case, the growth pads of the connecting nanotubes of the refocusing gate are deposited directly on the cathode and the nanotubes directly interconnect the refocusing gate and the cathode.
Il sera aussi possible d'insérer ces zones de grille auto-refocalisantes dans le pixel lui-même pour rapprocher ces zones des plots émetteurs d'électrons. La proximité géométrique renforcera en effet le champ de focalisation, améliorant ainsi l'efficacité. Une telle conception, dont un exemple est illustré par les figures 7 et 8, se fera au détriment de la densité des plots émetteurs et du courant délivré par le pixel. La figure 7 est une vue de dessus, au niveau du pixel, d'une grille d'extraction 80 présentant une série de doigts 81 interdigités avec une série de doigts 91 d'une électrode de refocalisation des électrons 90. Par souci de clarté, on n'a pas représenté les ouvertures réalisées dans les grilles pour localiser les nanotubes. Néanmoins, chaque doigt 81 de la grille d'extraction 80 présente, dans sa zone centrale, une ou plusieurs ouvertures (avantageusement en forme de fente d'étendant sur toute la longueur du doigt) . De même, chaque doigt 91 de l'électrode de refocalisation 90 comporte une ou plusieurs ouvertures, avantageusement circulaires. Sur l'exemple donné la focalisation sera améliorée selon un axe vertical y compte tenu de l'imbrication selon x des « doigts » d'extraction et de focalisation. Pour éviter un mélange de couleurs, il est avantageux d'améliorer la focalisation plutôt selon l'axe x, en prévoyant donc une imbrication des « doigts » selon y.It will also be possible to insert these self-refocusing grid areas in the pixel itself to bring these areas closer to the electron emitting pads. Geometric proximity will indeed reinforce the field of focus, thus improving efficiency. Such a design, an example of which is illustrated in FIGS. 7 and 8, will be to the detriment of the density of the transmitting pads and the current delivered by the pixel. FIG. 7 is a top view, at the pixel level, of an extraction grid 80 having a series of fingers 81 interdigitated with a series of fingers 91 of an electron refocusing electrode 90. For the sake of clarity, the openings made in the grids were not shown to locate the nanotubes. Nevertheless, each finger 81 of the extraction grid 80 has, in its central zone, one or more openings (advantageously in the form of a slot extending over the entire length of the finger). Similarly, each finger 91 of the refocusing electrode 90 comprises one or more openings, advantageously circular. In the example given, the focus will be improved along a vertical axis y taking into account the nesting of the "fingers" of extraction and focusing. To avoid a mixture of colors, it is advantageous to improve the focusing rather along the x axis, thus providing for a nesting of the "fingers" along y.
Si on désire aussi refocaliser dans les deux directions, on pourra aussi imbriquer les deux grilles selon x et y, chaque « doigt » de grille étant alors conçu comme illustré par la figure 8. Les doigtsIf we also want to refocus in both directions, we can also nest the two grids along x and y, each "finger" grid being then designed as shown in Figure 8. The fingers
81 de la grille d'extraction possèdent des ouvertures81 of the extraction grid have openings
82 par lesquels passent les électrons émis par les éléments émetteurs d'électrons localisés dans la partie centrale des ouvertures 82. La référence 92 représente les ouvertures comprenant des moyens de connexion électrique (par exemple des nanotubes de carbone) court-circuitant l'électrode de refocalisation et occupant toute l'ouverture pour maximiser les courts- circuits. Comme précédemment, la focalisation sera améliorée au détriment de la densité de plots d'émission donc de courant émis par pixel. Pour obtenir un effet de refocalisation maximum selon x ou y on entourera le plus possible chaque plot d'émission par des plots auto-refocalisants, Les deux grilles étant situées au même niveau de métal, il sera impossible d'entourer totalement la grille d'extraction par celle de refocalisation. Il restera donc toujours une direction dans laquelle la focalisation sera moins bonne comme par exemple la direction positive selon l'axe y sur le zoom ci dessous, On pourra par la conception distribuer cette direction différemment pour les différents doigts d'un même pixel ou pour différents pixels d'un même écran pour moyenner cet effet sur les quatre directions. Les figures 9A à 9G illustrent un premier procédé de réalisation d'une structure de cathode selon la présente invention. Par souci de simplicité, un seul élément émetteur sera représenté.82 through which pass the electrons emitted by the electron emitting elements located in the central part of the openings 82. The reference 92 represents the openings comprising means of connection electrical (eg carbon nanotubes) bypassing the refocusing electrode and occupying the entire opening to maximize short circuits. As before, the focus will be improved to the detriment of the density of emission spots and therefore of current emitted per pixel. To obtain a maximum refocussing effect according to x or y, each emission pad will be surrounded as much as possible by self-refocusing pads. The two grids being located at the same level of metal, it will be impossible to completely surround the grid. extraction by refocusing. So there will always remain a direction in which the focus will be less good as for example the positive direction along the y axis on the zoom below, It will be possible by design to distribute this direction differently for the different fingers of the same pixel or for different pixels of the same screen to average this effect on the four directions. Figures 9A to 9G illustrate a first method of making a cathode structure according to the present invention. For the sake of simplicity, only one transmitter element will be represented.
La figure 9A montre un substrat 101, par exemple en verre, sur lequel on a déposé et gravé une couche métallique pour constituer un conducteur de cathode 102, cette couche métallique pouvant être en molybdène ou en alliage de tungstène-titane et pouvant avoir typiquement 0,1 à quelques μm d'épaisseur. On dépose ensuite une couche résistive 103, dite encore ballast, par exemple une couche de silicium amorphe d'épaisseur comprise entre 0,5 μm et 2 μm. Sur la couche résistive, on dépose une couche isolante 104, par exemple une couche de silice d'épaisseur comprise entre 1 et 3 μm. Sur la couche isolante, on dépose une couche conductrice 105, par exemple une couche de molybdène ou de cuivre de 0,1 à quelques μm d'épaisseur. Il est possible en variante de graver localement la couche résistive 103 au niveau de la future zone de croissance des nanotubes destinés à la connexion de la grille de refocalisation.FIG. 9A shows a substrate 101, for example made of glass, on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 102, this metal layer being able to be made of molybdenum or of a tungsten-titanium alloy and which can typically have 0 , 1 to a few microns thick. Next, a resistive layer 103, also known as a ballast, is deposited, for example an amorphous silicon layer. thickness between 0.5 microns and 2 microns. On the resistive layer, an insulating layer 104 is deposited, for example a silica layer having a thickness of between 1 and 3 μm. On the insulating layer, a conductive layer 105 is deposited, for example a layer of molybdenum or copper 0.1 to a few microns thick. It is possible alternatively to etch the resistive layer 103 locally at the level of the future growth zone of the nanotubes intended for the connection of the refocusing gate.
La couche conductrice 105 est ensuite gravée pour définir un conducteur de grille d'extraction 105' et une électrode de refocalisation 105'' (voir la figure 9B). Une couche de résine 106 est déposée sur l'empilement obtenu (voir la figure 9C). On provoque une ouverture 107 dans la couche de résine 106, à la taille du plot de croissance prévu pour l'électrode de refocalisation jusqu'à révéler l'électrode de refocalisation 105' ' . Le plot de croissance peut avoir un diamètre de quelques μm s'il est circulaire ou quelques μm de côté s'il est rectangulaire ou carré.The conductive layer 105 is then etched to define an extraction gate conductor 105 'and a refocusing electrode 105' '(see Fig. 9B). A resin layer 106 is deposited on the resulting stack (see FIG. 9C). An opening 107 is caused in the resin layer 106 at the size of the growth pad provided for the refocusing electrode until the refocusing electrode 105 "is revealed. The growth pad may have a diameter of a few microns if it is circular or a few μm side if it is rectangular or square.
On poursuit la gravure de l'ouverture 107 pour prolonger cette ouverture au travers de l'électrode de refocalisation 105'' et au travers de la couche isolante 104 jusqu'à atteindre la couche résistive 103. On peut utiliser pour cela une gravure sèche réactive (voir la figure 9D) . On dépose au fond de l'ouverture 107, sur la couche résistive 103, une couche de catalyseur 108 (plot de croissance) de 1 nm à 20 nm d'épaisseur. La catalyseur peut être du fer, du nickel ou des alliages fer/silicium/palladium/nickel. Une sous-couche métallique en TiN, TaN, Al ou Ti de 50 nm d'épaisseur peut être prévue sous le catalyseur.The etching of the opening 107 is continued to extend this opening through the refocusing electrode 105 '' and through the insulating layer 104 until it reaches the resistive layer 103. A reactive dry etching can be used for this purpose. (see Figure 9D). At the bottom of the opening 107, on the resistive layer 103, a catalyst layer 108 (growth pad) of 1 nm to 20 nm thick is deposited. The catalyst may be iron, nickel or iron / silicon / palladium / nickel alloys. A metal sub-layer of TiN, TaN, Al or Ti of 50 nm thick can be provided under the catalyst.
On retire la couche de résine 106 et on dépose une nouvelle couche de résine 109 (voir la figure 9E) afin de permettre de graver une ouverture 110 au futur emplacement de l'élément émetteur d'électrons jusqu'à révéler le conducteur de grille d'extraction 105'. L'ouverture 110 a une dimension de quelques μm sur quelques μm. La couche de résine 109 protège alors le plot de croissance 108.Resin layer 106 is removed and a new resin layer 109 is deposited (see FIG. 9E) to allow an aperture 110 to be etched at the future location of the electron emitter element to reveal the grid conductor. extraction 105 '. The opening 110 has a size of a few microns over a few microns. The resin layer 109 then protects the growth pad 108.
On grave alors, par gravure humide réactive, le conducteur de grille d'extraction 105' et la couche isolante en contrôlant le retrait par rapport à l'ouverture 110. On dépose alors le catalyseur ou plot de croissance 111 qui peut être de même nature que le plot de croissance 108 (voir la figure 9F) .The extraction gate conductor 105 'and the insulating layer are then etched by reactive wet etching while controlling the shrinkage with respect to the opening 110. The catalyst or growth pad 111 is then deposited, which may be of the same type. as the growth pad 108 (see Figure 9F).
La couche de résine 109 est retirée et on provoque la croissance des nanotubes de carbone par un procédé CVD en utilisant une pression de quelques dixièmes de mbar d'acétylène à 5500C pendant 1 minute. La figure 9G montre les nanotubes 112 qui n'atteignent pas le conducteur de grille d'extraction 105' et les nanotubes 113 dont certains sont en contact électrique avec l'électrode de refocalisation 105''.The resin layer 109 is removed and the growth of the carbon nanotubes is caused by a CVD process using a pressure of a few tenths of mbar of acetylene at 550 ° C. for 1 minute. FIG. 9G shows the nanotubes 112 which do not reach the extraction grid conductor 105 'and the nanotubes 113, some of which are in electrical contact with the refocusing electrode 105''.
Les figures 10A à 10G illustrent un deuxième procédé de réalisation d'une structure de cathode selon la présente invention. Par souci de simplification, un seul élément émetteur sera représenté. Ce deuxième procédé s'applique au cas où la grille d'extraction est recouverte d'une couche résistive de protection.Figures 10A to 10G illustrate a second method of making a cathode structure according to the present invention. For the sake of simplification, only one issuer element will be represented. This second method applies to the case where the extraction grid is covered with a protective resistive layer.
La figure 1OA montre un substrat 201, par exemple en verre, sur lequel on a déposé et gravé une couche métallique pour constituer un conducteur de cathode 202, cette couche métallique pouvant être en molybdène ou en alliage de tungstène-titane et pouvant avoir 0,1 à quelques μm d'épaisseur. On dépose ensuite une couche résistive 203, dite encore couche ballast, par exemple une couche de silicium amorphe d'épaisseur comprise entre 0,5 μm et 2 μm. Sur la couche résistive, on dépose une couche isolante 204, par exemple une couche de silice d'épaisseur comprise entre 1 et 3 μm. Sur la couche isolante, on dépose une couche conductrice 205, par exemple une couche de molybdène ou de cuivre de 0,1 à quelques μm d'épaisseur.FIG. 10A shows a substrate 201, for example made of glass, on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 202, this metal layer possibly being made of molybdenum or of a tungsten-titanium alloy and capable of having 0, 1 to a few microns thick. A resistive layer 203, also called a ballast layer, is then deposited, for example an amorphous silicon layer having a thickness of between 0.5 μm and 2 μm. On the resistive layer, an insulating layer 204 is deposited, for example a silica layer having a thickness of between 1 and 3 μm. On the insulating layer, a conductive layer 205 is deposited, for example a layer of molybdenum or copper 0.1 to a few microns thick.
La couche conductrice 205 est ensuite gravée pour définir un conducteur de grille d'extraction 205' et une électrode de refocalisation 205' ' (voir la figure 10B) . La gravure a été menée de façon à obtenir également des ouvertures 230 et 217 respectivement dans le conducteur de grille d'extraction 205' et dans l'électrode de refocalisation 205' ' . On dépose ensuite une couche résistive de protection 220 sur la structure obtenue précédemmentThe conductive layer 205 is then etched to define an extraction gate conductor 205 'and a refocusing electrode 205' '(see Fig. 10B). Etching was conducted to also obtain apertures 230 and 217 respectively in the extraction grid conductor 205 'and in the refocusing electrode 205' '. A protective resistive layer 220 is then deposited on the structure obtained previously
(voir la figure 10C) . Cette couche résistive 220 peut être une couche de silicium amorphe très résistive ou une couche de carbone amorphe appelée DLC (pour « Diamond Like Carbon) . Si la couche résistive 220 est en silicium amorphe, sa résistivité est au moins dix fois supérieure à la résistivité de la couche ballast(see Figure 10C). This resistive layer 220 may be a highly resistive amorphous silicon layer or an amorphous carbon layer called DLC (for "Diamond Like Carbon"). If the resistive layer 220 is amorphous silicon, its resistivity is at least ten times greater than the resistivity of the ballast layer
203 et son épaisseur est de quelques centaines de nm de façon à avoir une résistance 100 fois plus élevée que la résistance de la couche ballast. On dépose ensuite une couche de résine 206 sur la structure obtenue précédemment et on insole les motifs plots de croissance au moyen d'un masque (voir la figure 10D) . On obtient des ouvertures dans la résine 206 de dimension quelques μm sur quelques μm : l'ouverture 210 centrée sur l'ouverture 230 du conducteur de grille d'extraction 205' et l'ouverture 207 centrée sur l'ouverture 217 de l'électrode de refocalisation. Les ouvertures 210 et 207 peuvent être de dimensions différentes dans les zones d'émission et de focalisation.203 and its thickness is a few hundred nm so as to have a resistance 100 times higher than the resistance of the ballast layer. A layer of resin 206 is then deposited on the previously obtained structure and the growth pad patterns are insulated by means of a mask (see FIG. 10D). Openings in the resin 206 of a few μm to a few μm are obtained: the opening 210 centered on the opening 230 of the extraction grid conductor 205 'and the opening 207 centered on the opening 217 of the electrode refocusing. The openings 210 and 207 may be of different sizes in the emission and focusing areas.
On grave ensuite, par gravure sèche réactive, la couche résistive 220 et la couche isolanteThe resistive layer 220 and the insulating layer are then etched by reactive dry etching.
204 pour révéler la couche ballast 203 au fond des ouvertures 207 et 210 (voir la figure 10E) . On contrôle, si cela est nécessaire, le retrait de la couche isolante 204 et de la couche résistive 220 par rapport à la résine 206 au moyen d'une gravure humide sélective. La couche métallique de l'électrode de refocalisation 205'' n'est pas gravée en retrait, ce qui facilitera le court-circuit des nanotubes sur ce « surplomb » d'électrode de refocalisation.204 to reveal the ballast layer 203 at the bottom of the openings 207 and 210 (see Figure 10E). If necessary, control is made of removing the insulating layer 204 and the resistive layer 220 from the resin 206 by means of a selective wet etching. The metal layer of the refocusing electrode 205 "is not etched back, which will facilitate the short circuit of the nanotubes on the" overhang "refocusing electrode.
On dépose alors, au fond des ouvertures 207 et 210, sur la couche ballast 203, des couches de catalyseur (plots de croissance) 208 pour l'ouverture 207 et 211 pour l'ouverture 210. Le catalyseur peut être celui du premier procédé de réalisation (voir la figure 10F) .At the bottom of the openings 207 and 210, on the ballast layer 203, catalyst layers (growth pads) 208 are deposited for the opening 207 and 211 for the opening 210. The catalyst can be that of the first embodiment method (see Figure 10F).
La couche de résine 206 est retirée et on provoque la croissance des nanotubes par un procédé CVD en utilisant une pression de quelques dixièmes de mbar d'acétylène à 5500C pendant 1 minute. La figure 1OG montre les nanotubes 212 qui ne peuvent court-circuiter le conducteur de grille d'extraction 205' à cause de la couche résistive de protection 220. Cette figure montre aussi les nanotubes 213 dont certains sont en contact électrique avec l'électrode de refocalisation 205''.The resin layer 206 is removed and the growth of the nanotubes is caused by a CVD process using a pressure of a few tenths of mbar of acetylene at 550 ° C. for 1 minute. FIG. 1OG shows the nanotubes 212 which can not short-circuit the extraction gate conductor 205 'because of the protective resistive layer 220. This figure also shows the nanotubes 213, some of which are in electrical contact with the electrode. refocusing 205 ''.
Les figures HA à HH illustrent un troisième procédé de réalisation d'une structure de cathode selon la présente invention. Par souci de simplification, un seul élément émetteur sera représenté. Ce troisième procédé de réalisation est une variante du deuxième procédé de réalisation qui permet de régler indépendamment la surgravure de la couche isolante entre les éléments émetteurs et les moyens de connexion électrique reliant la couche ballast à l'électrode de refocalisation.Figures HA to HH illustrate a third method of making a cathode structure according to the present invention. For the sake of simplification, only one issuer element will be represented. This third embodiment is a variant of the second embodiment which makes it possible to independently adjust the surgraving of the insulating layer between the emitter elements and the electrical connection means connecting the ballast layer to the refocusing electrode.
La figure HA montre un substrat 301 sur lequel on a déposé et gravé une couche métallique pour constituer un conducteur de cathode 302. Une couche résistive 303 (couche ballast) est ensuite déposée, puis une couche isolante 304 et enfin une couche conductrice 305. Ces différents éléments peuvent être identiques à ceux du deuxième procédé de réalisation.FIG. HA shows a substrate 301 on which a metal layer has been deposited and etched to form a cathode conductor 302. A resistive layer 303 (ballast layer) is then deposited, then an insulating layer 304 and finally a conductive layer 305. These different elements may be identical to those of the second embodiment.
La couche conductrice 305 est ensuite gravée pour définir un conducteur de grille d'extraction 305' et une électrode de refocalisation 305' ' (voir la figure HB) . La gravure a été menée de façon à obtenir également des ouvertures 330 dans le conducteur de grille d'extraction 305' mais pas dans l'électrode de refocalisation 305''. On dépose ensuite la couche résistive de protection 320 sur la structure obtenue précédemmentThe conductive layer 305 is then etched to define an extraction gate conductor 305 'and a refocusing electrode 305 '' (see Figure HB). The etching was conducted to also obtain openings 330 in the extraction grid conductor 305 'but not in the refocusing electrode 305''. The protective resistive layer 320 is then deposited on the structure obtained previously
(voir la figure HC) . Cette couche résistive peut être de même nature que celle du deuxième procédé de réalisation . On dépose ensuite une couche de résine 306 sur la structure obtenue précédemment et on insole les motifs plots de croissance au moyen d'un masque couvrant l'emplacement des futurs plots de croissance d'émission et des moyens de connexion électrique. On obtient des ouvertures dans la résine 306 de quelques μm sur quelques μm : l'ouverture 310 centrée sur l'ouverture 330 du conducteur de grille d'extraction 305' et l'ouverture 307 au-dessus de l'électrode de refocalisation 305'' (voir la figure HD) . Les ouvertures 310 et 307, et donc les plots de croissance, peuvent être de dimensions différentes dans les zones d'émission et de focalisation.(see figure HC). This resistive layer may be of the same nature as that of the second embodiment method. A resin layer 306 is then deposited on the previously obtained structure and the growth pad patterns are insulated by means of a mask covering the location of the future emission growth pads and the electrical connection means. Openings in the resin 306 of a few μm by a few μm are obtained: the opening 310 centered on the opening 330 of the extraction grid conductor 305 'and the opening 307 above the refocusing electrode 305' '(see figure HD). The openings 310 and 307, and therefore the growth pads, may be of different sizes in the emission and focusing zones.
On grave ensuite, par gravure sèche réactive, la couche résistive 320. A partir de l'ouverture 310, la gravure se poursuit dans la couche isolante 304 jusqu'à révéler la couche résistive 303. On contrôle le retrait de la couche isolante 304 par rapport à la résine 306 au moyen d'une gravure humide de la couche isolante 304. L'électrode de refocalisation 305'' sert de couche d'arrêt à la gravure dans l'ouverture 307 (voir la figure HE) . Ensuite, on grave, par gravure sèche réactive et dans le prolongement de l'ouverture 307, l'électrode de refocalisation 305'' et la couche isolante 304 jusqu'à révéler la couche ballast 303 (voir la figure HF) .The resistive layer 320 is then etched by reactive dry etching. From the opening 310, the etching continues in the insulating layer 304 until the resistive layer 303 is revealed. The insulating layer 304 is checked by resin 306 by wet etching the insulating layer 304. The refocusing electrode 305 "serves as a stop layer for etching in the aperture 307 (see FIG. Then, by reactive etching and in the extension of the opening 307, the refocusing electrode 305 "and the insulating layer 304 are etched to reveal the ballast layer 303 (see FIG. HF).
On dépose alors, au fond des ouvertures 307 et 310, sur la couche ballast 303, des couches de catalyseur (plots de croissance) 308 pour l'ouverture 307 et 311 pour l'ouverture 310. Le catalyseur peut être celui des premier et deuxième procédés de réalisation (voir la figure HG) .Then, at the bottom of the openings 307 and 310, on the ballast layer 303, catalyst layers (growth pads) 308 for the opening 307 and 311 for the opening 310. The catalyst can be that of the first and second methods of realization (see Figure HG).
La couche de résine 306 est retirée et on provoque la croissance des nanotubes par un procédé CVD en utilisant la technique décrite précédemment. La figure HH montre les nanotubes 312 qui ne peuvent court-circuiter le conducteur de grille d'extraction 305' à cause de la couche résistive de protection 320. Cette figure montre aussi les nanotubes 313 dont certains sont en contact électrique avec l'électrode de refocalisation 305''. The resin layer 306 is removed and the nanotubes are grown by a CVD method using the technique described above. Figure HH shows the nanotubes 312 which can not short-circuit the extraction gate conductor 305 'because of the protective resistive layer 320. This figure also shows the nanotubes 313, some of which are in electrical contact with the electrode. refocusing 305 ''.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure de cathode de type triode comprenant, en superposition sur un support (41), une électrode de cathode (42), une couche d'isolant électrique (44) et une électrode de grille (45), la couche d'isolant électrique (44) et l'électrode de grille (45) présentant des ouvertures d'émission (46) révélant au moins un élément émetteur d'électrons (48) relié électriquement à l'électrode de cathode (42), la structure comprenant en outre une électrode de refocalisation disposée pour refocaliser les électrons extraits par l'électrode de grille (45), l'électrode de refocalisation (50) étant disposée sur ladite couche d'isolant électrique (44) et étant reliée à des moyens de connexion électrique permettant de lui appliquer une tension de refocalisation, caractérisée en ce que l'électrode de refocalisation est reliée aux moyens de connexion électrique par l'intermédiaire de nanotubes électriquement conducteurs (58).A triode-type cathode structure comprising, superimposed on a support (41), a cathode electrode (42), an electrical insulator layer (44) and a gate electrode (45), the insulator layer. electrode (44) and the gate electrode (45) having emission apertures (46) revealing at least one electron emitting element (48) electrically connected to the cathode electrode (42), the structure comprising in addition to a refocusing electrode arranged to refocus the electrons extracted by the gate electrode (45), the refocusing electrode (50) being disposed on said electrical insulating layer (44) and being connected to electrical connection means for applying to it a refocusing voltage, characterized in that the refocusing electrode is connected to the electrical connection means via electrically conductive nanotubes (58).
2. Structure de cathode selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de connexion électrique comprennent l'électrode de cathode (42).The cathode structure of claim 1, wherein the electrical connection means comprises the cathode electrode (42).
3. Structure de cathode selon la revendication 2, dans laquelle ledit élément émetteur d'électrons (48) est relié électriquement à l'électrode de cathode (42) au moyen d'une couche résistive (43) . The cathode structure of claim 2, wherein said electron emitting element (48) is electrically connected to the cathode electrode (42) by means of a resistive layer (43).
4. Structure de cathode selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de connexion électrique comprennent un matériau résistif.The cathode structure of claim 1, wherein the electrical connection means comprises a resistive material.
5. Structure de cathode selon les revendications 3 et 4 prises ensemble, dans laquelle le matériau résistif est celui de la couche résistive (43) .5. Cathode structure according to claims 3 and 4 taken together, wherein the resistive material is that of the resistive layer (43).
6. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les nanotubes (58) des moyens de connexion sont logés dans au moins une ouverture (56) de la couche d'isolant électrique (44) .6. The cathode structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the nanotubes (58) of the connection means are housed in at least one opening (56) of the electrical insulating layer (44).
7. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les nanotubes (58) sont des nanotubes de carbone.The cathode structure of any one of claims 1 to 6, wherein the nanotubes (58) are carbon nanotubes.
8. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'élément émetteur d'électrons est constitué de nanotubes (48) .The cathode structure of any one of claims 1 to 7, wherein the electron emitter element is comprised of nanotubes (48).
9. Structure de cathode selon la revendication 8, dans laquelle les nanotubes (48) de l'élément émetteur d'électrons sont des nanotubes de carbone .The cathode structure of claim 8, wherein the nanotubes (48) of the electron emitter element are carbon nanotubes.
10. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les ouvertures d'émission dans la couche d'isolant électrique et dans l'électrode de grille comprennent au moins une ouverture en forme de fente dans la couche d' isolant électrique associée à une ouverture en forme de fente correspondante dans l'électrode de grille.The cathode structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the emission apertures in the electrical insulator layer and in the gate electrode comprise at least one slot - shaped aperture in the electrical insulator layer associated with a corresponding slot - shaped aperture in the gate electrode.
11. Structure de cathode selon la revendication 10, dans laquelle l'ouverture en forme de fente dans la couche d' isolant électrique et l'ouverture en forme de fente correspondante dans l'électrode de grille révèlent au moins une rangée d'éléments émetteurs d'électrons alignés dans la direction des fentes.The cathode structure of claim 10, wherein the slot-shaped aperture in the electrical insulator layer and the corresponding slot-shaped aperture in the gate electrode reveal at least one array of emitter elements. of electrons aligned in the direction of the slits.
12. Dispositif à émission de champ à commande matricielle, constitué d'une pluralité de structures de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, disposées sous la forme d'un agencement matriciel définissant des lignes et des colonnes, les électrodes de grille d'une même ligne étant regroupées en un conducteur de grille (10), les électrodes de cathode d'une même colonne étant regroupées en un conducteur de cathode (20), l'intersection d'un conducteur de cathode (20) et d'un conducteur de grille (10) définissant un élément d'image ou pixel (14) .A matrix-controlled field emission device, consisting of a plurality of cathode structures according to any one of claims 1 to 11, arranged in the form of a matrix arrangement defining lines and columns, the electrodes of grid of a same line being grouped into a gate conductor (10), the cathode electrodes of the same column being grouped together in a cathode conductor (20), the intersection of a cathode conductor (20) and a grid conductor (10) defining an image element or pixel (14).
13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel le conducteur de grille et l'électrode de refocalisation sont imbriqués à l'intérieur d'un pixel. The device of claim 12, wherein the gate conductor and the refocusing electrode are nested within a pixel.
14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le conducteur de grille et l'électrode de refocalisation forment deux peignes interdigités .14. Device according to claim 13, wherein the gate conductor and the refocusing electrode form two interdigitated combs.
15. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel les conducteurs de grille (10) ont une configuration laissant subsister entre chaque pixel (14) et chacun de ses pixels voisins des espaces libres (15, 16) permettant d'y répartir des zones (71, 72, 73, 74) de l'électrode de refocalisation du pixel.15. Device according to claim 12, wherein the gate conductors (10) have a configuration allowing between each pixel (14) and each of its adjacent pixels to remain free spaces (15, 16) for dividing areas therein ( 71, 72, 73, 74) of the pixel refocusing electrode.
16. Dispositif selon la revendication 15 et lorsqu'il est constitué d'une pluralité de structures de cathode selon la revendication 6, dans lequel chaque zone (71, 72, 73, 74) de l'électrode de refocalisation possède au moins une ouverture communiquant avec ladite au moins une ouverture de la couche d' isolant électrique logeant les nanotube des moyens de connexion et permettant aux nanotubes des moyens de connexion d'assurer une connexion électrique avec l'électrode de refocalisation.Device according to claim 15 and when it consists of a plurality of cathode structures according to claim 6, wherein each zone (71, 72, 73, 74) of the refocusing electrode has at least one opening communicating with said at least one opening of the electrical insulator layer housing the nanotube of the connection means and allowing the nanotubes of the connection means to provide an electrical connection with the refocusing electrode.
17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel chaque zone (71, 72, 73, 74) de l'électrode de refocalisation possède au moins une ouverture (75) circulaire communiquant avec ladite au moins une ouverture, également circulaire, de la couche d'isolant électrique logeant les nanotubes des moyens de connexion . 17. Device according to claim 16, wherein each zone (71, 72, 73, 74) of the refocusing electrode has at least one opening (75) circular communicating with said at least one opening, also circular, of the layer. of electrical insulation housing the nanotubes of the connection means.
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel les ouvertures (75) circulaires d'au moins une zone (71, 72, 73, 74) de l'électrode de refocalisation révèlent une pluralité de nanotubes électriquement conducteurs occupant tout l'espace des ouvertures . The device according to claim 17, wherein the circular openings (75) of at least one area (71, 72, 73, 74) of the refocusing electrode reveal a plurality of electrically conductive nanotubes occupying the entire space of the openings.
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