ES2345859T3 - Fuente de electrones de emision de campo, procedimiento para la produccion de la misma, y uso de la misma. - Google Patents
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Abstract
UNA FUENTE DE ELECTRONES DE EMISION DE CAMPO QUE COMPRENDE UN SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR1, UNA CAPA DE POLISILICIO POROSA OXIDADA O NITRURADA 6, FORMADA SOBRE LA SUPERFICIE DEL MENCIONADO SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR EN UN LADO DE LA MISMA, Y TENIENDO NANOESTRUCTURAS Y UNA PELICULA METALICA DELGADA 7 FORMADA SOBRE LA MENCIONADA CAPA DE POLISILICIO POROSA OXIDADA O NITRURADA. AL APLICAR UN VOLTAJE A LA MENCIONADA PELICULA METALICA DELGADA, UTILIZADA COMO ELECTRODO POSITIVO CON RESPECTO AL MENCIONADO SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR, SE EMITE UN HAZ DE ELECTRONES A TRAVES DE LA MENCIONADA PELICULA METALICA DELGADA.
Description
Fuente de electrones de emisión de campo,
procedimiento para la producción de la misma, y uso de la misma.
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La presente invención versa acerca de una fuente
de electrones de emisión de campo para emitir electrones desde una
superficie de un material al aplicar un campo eléctrico de mayor
intensidad que la función de trabajo del material a la superficie
del material y, más en particular, acerca de la fuente de electrones
de emisión de campo que comprende electrodos y un semiconductor
intercalado entre los dos electrodos para emitir los electrones al
aplicar una tensión entre los electrodos. La presente invención
también versa acerca de un procedimiento para producir la misma, y
acerca del uso de la misma.
Con bien conocidas, como fuentes de electrones
de emisión de campo, aquellas que utilizan el electrodo denominado
de tipo Spindt tal como se da a conocer, por ejemplo, en la patente
U.S. nº 3665241. El electrodo de tipo Spindt comprende un sustrato
que tiene una multitud de chips emisores minúsculos de forma
piramidal triangular dispuestos en el mismo y capas de puerta que
tienen agujeros de emisión a través de los cuales están expuestas
las puntas de los chips emisores. En esta estructura, se aplica una
tensión elevada en una atmósfera de vacío a los chips emisores como
electrodo negativo con respecto a la capa de puerta, se pueden
emitir haces de electrones desde las puntas de los chips emisores a
través de los agujeros de emisión.
Sin embargo, el procedimiento de producción del
electrodo de tipo Spindt es complicado y es difícil de fabricar una
multitud de chips emisores de forma piramidal triangular con una
precisión elevada y, por lo tanto, difícil de fabricar un
dispositivo de gran área de emisión cuando se aplica esta
tecnología, por ejemplo, a un aparato emisor de luz o a un aparato
de panel de visualización planos. Además, con el electrodo de tipo
Spindt, dado que el campo eléctrico está concentrado en la punta
del chip emisor, los electrodos emitidos ionizan diversos gases
residuales convirtiéndolos en iones positivos cuando el grado de
vacío es reducido y el gas residual sale en el entorno de las
puntas de los chips emisores. Por lo tanto, los iones positivos
chocan contra las puntas de los chips emisores y terminan dañando
las puntas de los chips emisores, lo que tiene como resultado tales
problemas como que la densidad de corriente y la eficacia de los
electrones emitidos se vuelven inestables y se reduce la vida útil
de los chips emisores. Por lo tanto, el electrodo de tipo Spindt
tiene tal inconveniente que la atmósfera en la que se utiliza debe
estar sometida un grado elevado de vacío (10^{-5} Pa a 10^{-6}
Pa) para evitar los problemas descritos anteriormente, lo que tiene
como resultado un mayor coste y una manipulación dificultosa.
Para superar el inconveniente descrito
anteriormente, se han propuesto las fuentes de electrones de emisión
de campo de tipo MIM
(Metal-aislante-metal) y de tipo MOS
(metal óxido-semiconductor). Aquella es una fuente
de electrones de emisión de campo de una configuración plana que
tiene una estructura laminada de metal-película
aislante-metal y ésta es una estructura de película
de metal óxido-semiconductor. Sin embargo, es
necesario reducir el grosor de la película aislante o de la
película de óxido para mejorar la eficacia de emisión de electrones
para aumentar de ese modo el número de electrones emitido con estos
tipos de fuentes de electrones de emisión de campo, mientras que
hacer la película aislante o la película de óxido demasiado delgada
puede dar lugar a una ruptura dieléctrica cuando se aplica una
tensión entre los electrodos superior e inferior de la estructura
laminada descrita anteriormente. Por lo tanto, existe tal problema
que, para evitar la ruptura dieléctrica de la película aislante, no
se puede hacer demasiado elevada la eficacia de emisión de
electrones (eficacia de extracción) porque existe una limitación
sobre la reducción del grosor de la película aislante o de la
película de óxido.
Recientemente, se ha propuesto una fuente
distinta de electrones de emisión de campo en la publicación Kokai
de patente japonesa nº 8-250766. Según esta
publicación, la fuente de electrones de emisión de campo está
fabricada utilizando un sustrato semiconductor de un único cristal
tal como un sustrato de silicio, que forma una capa semiconductora
porosa (una capa porosa de silicio, por ejemplo) por medio de la
anodización de una superficie del sustrato semiconductor, y al
formar una película metálica delgada en la capa semiconductora
porosa. Se adapta una tensión para ser aplicada entre el sustrato
semiconductor y la película metálica delgada para hacer que la
fuente de electrones de emisión de campo emita electrones.
También se da a conocer un aparato de panel de
visualización que tiene la fuente de electrones de emisión de campo
descrita anteriormente en el documento EP-A 0 798
761.
En este caso, cuando la capa de silicio está
compuesta de un único cristal, es deseable que (100) la dirección
sea a un ángulo recto con respecto a una superficie para mejorar la
eficacia de la emisión de electrones, porque se supone que (100) la
capa porosa de silicio tiene agujeros de un diámetro del orden de un
nanómetro y cristal de silicio, que están dispuestos con un ángulo
recto con respecto a la superficie.
Sin embargo, en la estructura dada a conocer en
la publicación Kokai de patente japonesa nº
8-250766, dado que el sustrato utilizado en la
misma utiliza un sustrato semiconductor, es difícil producir el
dispositivo con un área grande y reducir el coste del mismo.
\global\parskip1.000000\baselineskip
En cualquier caso, tanto la estructura dada a
conocer en la publicación Kokai de patente japonesa nº
8-250766 como la estructura dada a conocer en el
documento EP-A 0 798 761 implican el fenómeno
denominado desprendimiento durante la emisión de electrones que da
lugar a la desigualdad en la cantidad de electrones emitidos, y, por
lo tanto, provoca una desigualdad en la emisión de luz cuando se
aplican las fuentes de electrones de emisión de campo a un aparato
emisor de luz o a un aparato de panel de visualización planos.
Bajo estas circunstancias, se ha llevado a cabo
la presente invención. Es decir, un primer objetivo de la presente
invención es proporcionar una fuente de electrones de emisión de
campo capaz de conseguir una emisión estable de electrones con una
eficacia elevada al eliminar el fenómeno de desprendimiento.
Un segundo objetivo de la presente invención es
permitir el uso de la fuente de electrones de emisión de campo, por
ejemplo, en un aparato de emisión de luz, en un aparato de panel de
visualización y en un dispositivo sólido al vacío planos, siendo
todos de un tipo capaz de emitir luz de forma uniforme. Para
conseguir los anteriores objetivos, los inventores estudiaron con
vivo interés la fuente de electrones de emisión de campo y
descubrieron que las características de aislamiento térmico son
elevadas porque la capa de silicio está compuesto de un único
cristal y se hace poroso todo el sustrato semiconductor, en las
estructuras dadas a conocer en la publicación Kokai de patente
japonesa 8-250766 y en el documento
EP-A 0 798 761. Los inventores también descubrieron
que la temperatura del sustrato semiconductor se eleva cuando se
aplica tensión entre el sustrato semiconductor y la película
metálica delgada. Además, los inventores descubrieron que los
electrones se excitan térmicamente y se reduce la resistencia
eléctrica específica del sustrato semiconductor cuando se aumenta
la temperatura del sustrato semiconductor, junto con un aumento de
la cantidad emitida de electrones. Por lo tanto, estas estructuras
son susceptibles al fenómeno de desprendimiento durante la emisión
de electrones, lo que da lugar a una desigualdad en la cantidad de
electrones emitidos.
En base a los anteriores descubrimientos, según
un aspecto de la presente invención se proporciona una fuente de
electrones de emisión de campo según la reivindicación 1.
En la presente invención, el sustrato conductor
eléctricamente forma un electrodo negativo de la fuente de
electrones de emisión de campo y tiene una resistencia suficiente
como para soportar la capa porosa de polisilicio al vacío. Cuando
se aplica tensión al sustrato conductor eléctricamente, se inyectan
los electrones en la capa porosa de polisilicio. El sustrato
conductor eléctricamente puede ser un sustrato metálico, tal como
un sustrato de cromo, o un sustrato semiconductor, tal como un
sustrato de silicio de un único cristal, en la medida en que el
sustrato conductor eléctricamente pueda formar el electrodo
negativo. Además, el sustrato conductor eléctricamente puede ser
una combinación de un sustrato tal como un sustrato de vidrio y una
película delgada conductora eléctricamente, formada sobre la
superficie del sustrato. En este caso, esta estructura hace que sea
posible producir la fuente de electrones de emisión de campo que
tiene una mayor área de emisión a un menor coste que en el caso en
el que se utilizan los sustratos semiconductores, tales como un
sustrato de silicio de un único cristal, para el sustrato conductor
eléctricamente.
En la presente invención, se inyectan los
electrones dentro de la capa porosa de polisilicio cuando se aplica
tensión entre el sustrato conductor y la película metálica delgada.
La capa porosa de polisilicio es un policristal que tiene granos.
Existen nanoestructuras que tienen un revestimiento oxidado o
nitrurado sobre las mismas en la superficie de los granos. El
tamaño de las nanoestructuras es menor que aproximadamente 50 nm,
que es del mismo orden del recorrido libre medio de electrones en
el silicio de un único cristal, de forma que los electrones
inyectados en la capa porosa de polisilicio alcanzan la superficie
de la capa porosa de polisilicio con lo que se sospecha que sea un
efecto balístico y menos dispersión de electrones. Lo que se
sospecha que es un efecto balístico es el efecto de que los
electrones se salten las nanoestructuras sin colisiones. En
concreto, el tamaño de las nanoestructuras necesita ser menor que 10
nm, y preferentemente menor que 5 nm.
Es preferente que la capa porosa de polisilicio
sea una capa de polisilicio que hace que la fuente de electrones de
emisión de campo no tenga sustancialmente un fenómeno de
desprendimiento cuando se aplica tensión a la película metálica
delgada utilizada como un electrodo positivo con respecto al
sustrato conductor eléctricamente, para emitir con ello un haz de
electrones a través de la película metálica delgada. La capa porosa
de polisilicio está fabricada al laminar de forma alterna una capa
de polisilicio que tiene una porosidad elevada con una capa de
polisilicio que tiene una porosidad reducida.
También es preferente que la capa de polisilicio
sea una capa de polisilicio puro. En este caso, la eficacia de la
emisión de electrones es mayor y la productividad de la capa de
polisilicio es mayor que en el caso de la capa de polisilicio
impurificado.
La película metálica delgada forma un electrodo
positivo de la fuente de electrones de emisión de campo, y es para
aplicar tensión a la capa porosa de polisilicio. Los electrones que
alcanzan la superficie de la capa porosa de polisilicio se emiten
desde una superficie de la película metálica delgada debido a un
efecto de tunelado cuántico al aplicar el campo eléctrico. Cuanto
menor sea la función de trabajo de la película metálica delgada,
más preferible es, dado que la energía ideal del electrón emitido es
equivalente a la función de trabajo de la película metálica delgada
menos la energía electrónica producida al aplicar una tensión de CC
entre el sustrato conductor y la película metálica
delgada.
delgada.
En la presente invención descrita anteriormente,
cuando la fuente de electrones de emisión de campo está alojada en
una cámara de vacío y un electrodo de colector está dispuesto en una
posición de forma que se sitúa delante de la película metálica
delgada, y se aplica una tensión de CC teniendo la película metálica
delgada una polaridad positiva con respecto al sustrato conductor,
y se aplica una tensión de CC teniendo el electrodo de colector una
polaridad positiva con respecto al sustrato conductor, y se aplica
una tensión de CC teniendo el electrodo de colector una polaridad
positiva con respecto a la película metálica delgada, se emiten
electrones desde una superficie de la película metálica delgada. Y
se hace posible conseguir una emisión estable de electrones con una
eficacia elevada.
En otro aspecto de la presente invención, se
proporciona un procedimiento para producir la fuente de electrones
de emisión de campo según la reivindicación 8.
Cuando el sustrato conductor es un sustrato
semiconductor, la capa de polisilicio está formada sobre el sustrato
conductor mediante el uso de un procedimiento de LPCVD (Deposición
de vapor químico de baja presión), un procedimiento de deposición
electrónica, etcétera. Además, la capa de polisilicio puede estar
formada al recocer una capa de silicio amorfo formada sobre un
sustrato conductor por medio de un procedimiento de CVD de plasma.
Preferentemente, la capa de polisilicio está formada mediante el
uso de un procedimiento de LPCVD. Las condiciones del procedimiento
de LPCVD incluyen, por ejemplo, un vacío de 20 Pa, una temperatura
de 640ºC, y un gas silano de circulación libre a 600 sccm.
Cuando el sustrato conductor es la combinación
del sustrato de vidrio y la película delgada conductora, la capa de
polisilicio está formada sobre la película delgada conductora al
recocerla con un láser excímer hasta obtener una capa de silicio
amorfo formada sobre la película delgada conductora por medio de un
procedimiento de CVD. No está limitada a estos procedimientos, la
capa de polisilicio puede estar formada por medio de un
procedimiento de CGS (Silicio de grano continuo), un procedimiento
de CVD catalítica, etcétera.
La capa porosa de polisilicio está formada
mediante un procedimiento que forma nanoestructuras, tal como la
anodización. La capa porosa de polisilicio está oxidada o nitrurada
mediante el uso de una oxidación térmica rápida, una oxidación
química, una oxidación con plasma de oxígeno, una nitruración con
plasma de nitrógeno, una nitruración térmica, etcétera.
La película delgada metálica está formada sobre
la capa porosa de polisilicio mediante el uso de la evaporación,
del procedimiento de deposición electrónica, etcétera.
En este caso, la capa porosa de polisilicio está
formada al hacer la capa de polisilicio porosa, de forma que se
laminan de forma alterna una capa de polisilicio que tiene una
porosidad elevada y una capa de polisilicio que tiene una porosidad
reducida. Además, la capa porosa de polisilicio está formada al
hacer porosa la capa de polisilicio, de forma que tenga una
porosidad mayor en el lado del sustrato conductor eléctricamente que
en el lado de la superficie frontal.
En un aspecto adicional de la presente
invención, se proporciona un aparato plano de emisión de luz que
comprende una fuente de electrones de emisión de campo según la
reivindicación 1.
El electrodo transparente tiene una sustancia
fluorescente que emite luz visible cuando es irradiada con un haz
de electrones que se proporciona a la misma. Las direcciones de la
emisión de electrones procedentes de la fuente de electrones de
emisión de campo están alineadas sustancialmente a ángulos rectos
con respecto a la superficie de la película metálica delgada,
haciendo de esta manera que sea posible producir un aparato plano
de emisión de luz de una estructura más sencilla sin la necesidad de
un electrodo de convergencia.
En un aspecto adicional de la presente
invención, se proporciona un aparato de panel de visualización que
compone una fuente de electrones de emisión de campo según la
reivindicación 1. La fuente de electrones de emisión de campo está
formada con una configuración de matriz. También se emplean un
controlador para controlar las tensiones aplicadas a dichas fuentes
de electrones de emisión de campo y un electrodo transparente
colocado delante de dicha película metálica delgada. El electrodo
transparente tiene una sustancia fluorescente que emite luz visible
cuando es irradiada con un haz de electrones que se proporciona a la
misma. Por lo tanto, las direcciones de la emisión de electrones
procedentes de la fuente de electrones de emisión de campo están
alineadas sustancialmente a ángulos rectos con respecto a la
superficie de la película metálica delgada, y, por lo tanto, es
posible conseguir un aparato de panel de visualización de alta
definición sin la necesidad de utilizar una máscara de sombra
compleja y una lente de convergencia de electrones.
En un aspecto adicional de la presente
invención, se proporciona un dispositivo sólido al vacío que
comprende una fuente de electrones de emisión de campo según la
reivindicación 1. Tanto la fuente de electrones de emisión de campo
como dicho electrodo positivo están dispuestos en una cámara de
vacío. Dado que la fuente de electrones de emisión de campo
constituye un cátodo frío, no es necesario instalar un medio de
calefacción a diferencia de un dispositivo sólido al vacío de la
técnica anterior que tiene un cátodo caliente que utiliza una
emisión termoiónica de electrones, haciendo que sea posible de esta
manera hacer más pequeño el aparato y también elimina la
evaporación y la degradación del material del cátodo, consiguiendo
de ese modo un dispositivo sólido al vacío con una vida útil más
prolongada.
Serán evidentes estos y otros objetivos y
características de la presente invención a partir de la siguiente
descripción tomada en conjunto con las realizaciones preferentes de
la misma y los dibujos adjuntos a lo largo de los cuales las piezas
similares están designadas mediante números de referencia similares,
y en los que:
La Fig. 1 es una vista en corte transversal que
muestra una fuente de electrones de emisión de campo de una primera
realización que no es parte de la presente invención;
las Figuras 2A a 2D son vistas en corte
transversal que muestran las etapas principales para explicar el
procedimiento de producción de la fuente de electrones de emisión
de campo;
la Fig. 3 es un diagrama esquemático para
explicar el principio de medición de los electrones emitidos de la
fuente de electrones de emisión de campo;
la Fig. 4 es un gráfico que muestra una
característica de tensión-corriente de la fuente de
electrones de emisión de campo;
la Fig. 5 es un gráfico de un trazado de
Fowler-Nordheim de los datos de la Fig. 4;
la Fig. 6A es un diagrama de banda de energía
que muestra el anterior mecanismo emisor de electrones, y la Fig.
6A muestra la banda de energía antes de aplicar tensión Vps de
CC;
la Fig. 6B es un diagrama de banda de energía
que muestra el anterior mecanismo emisor de electrones, y la Fig.
6B muestra la banda de energía después de aplicar tensión Vps de
CC;
la Fig. 7 es un diagrama esquemático para
explicar la distribución de energía de los anteriores electrones
emitidos;
la Fig. 8 es un gráfico que muestra un cambio en
la corriente con respecto al tiempo;
la Fig. 9 es un gráfico que muestra la
dependencia de la corriente con respecto al grado de vacío;
las Figuras 10A a 10C son vistas en corte
transversal que muestran las etapas principales para explicar el
procedimiento de producción de una segunda realización que es parte
de la presente invención;
las Figuras 11A a 11C son vistas en corte
transversal que muestran las etapas principales para explicar el
procedimiento de producción de la segunda realización;
la Fig. 12 muestra una característica de
tensión-corriente de la segunda realización;
la Fig. 13 es un gráfico de un trazado de
Fowler-Nordheim de los datos de la segunda
realización;
la Fig. 14 es un gráfico que muestra un cambio
en la corriente con respecto al tiempo de la segunda
realización;
la Fig. 15 muestra un procedimiento de
anodización para otro ejemplo de la segunda realización;
las Figuras 16A a 16C son vistas en corte
transversal que muestran las etapas principales para explicar el
procedimiento de producción de una tercera realización que no es
parte de la presente invención;
la Fig. 17 es un diagrama esquemático que
muestra una configuración de un aparato plano emisor de luz en una
cuarta realización;
la Fig. 18 es un diagrama esquemático que
muestra una configuración de un aparato de panel de visualización
en una quinta realización; y
la Fig. 19 es un diagrama esquemático que
muestra una configuración de un dispositivo sólido al vacío en una
sexta realización.
La presente solicitud está basada en las
solicitudes de patente n^{os}
HEI-9-297108 y
HEI-10-065592 presentadas en
Japón.
Primera realización - no es parte
de la presente
invención
La Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra
la configuración de una fuente 10 de electrones de emisión de campo
según la presente realización, y las Figuras 2A a 2D son vistas en
corte transversal de las etapas principales de producir la fuente
10 de electrones de emisión de campo. En la presente realización, se
utiliza un sustrato 1 de silicio de tipo n
((100)-sustrato que tiene una resistencia específica
de aproximadamente 0,1 \Omegacm) para un sustrato conductor
eléctricamente.
\newpage
Como se muestra en la Fig. 1, la fuente 10 de
electrones de emisión de campo según la presente realización
incluye un sustrato 1 de silicio de tipo n, un electrodo óhmico 2,
una capa 5 de polisilicio, una capa porosa 6 de polisilicio oxidada
mediante la técnica de oxidación térmica rápida y una película
delgada 7 de oro como una película metálica delgada.
El sustrato 1 de silicio de tipo n y el
electrodo óhmico 2 forman el sustrato conductor. La capa 5 de
polisilicio está formada sobre el sustrato 1 de silicio de tipo n,
y la capa porosa 6 de polisilicio está formada sobre la capa 5 de
polisilicio. Dicho sea de paso, la oxidación empleada para formar
las capas 5 y 6 no está limitada a la oxidación térmica rápida, y
se pueden utilizar una oxidación o una nitruración químicas.
La capa porosa 6 de polisilicio oxidada mediante
la oxidación térmica rápida tiene muchos granos que tienen
nanoestructuras. Las nanoestructuras tienen un tamaño menor que
aproximadamente 50 nm, que es del mismo orden que el recorrido
libre medio de electrones en el silicio de un único cristal.
Específicamente, el tamaño de las nanoestructuras necesita ser
menor de 10 nm, y preferentemente menor de 5 nm.
La película delgada 7 de oro está formada sobre
la capa porosa 6 de polisilicio, y la película delgada 7 de oro es
una película delgada fabricada de oro cuya función de trabajo es
pequeña. Dicho sea de paso, la película metálica delgada no está
limitada a la película delgada 7 de oro, y puede ser preparada de
cualquier material adecuado en la medida en que la función de
trabajo de dicho material adecuado sea pequeña. Por lo tanto, se
puede utilizar aluminio, cromo, tungsteno, níquel, platino. La
función de trabajo del aluminio es de 4,28 eV, la del cromo es de
4,50 eV, la del tungsteno es de 4,55 eV, la del níquel es de 5,15
eV, la del platino es de 5,65 eV, y la del oro es de 5,10 eV, según
"Journal of Applied Physics, vol. 48 (1977) p 4729 - (H.B.
Michaelson)".
A continuación se describirá con referencia a
las Figuras 2A a 2D un procedimiento para fabricar la fuente 10 de
emisión de campo de la estructura descrita anteriormente.
En primer lugar, el electrodo óhmico 2 está
formado en una superficie trasera del sustrato 1 de silicio de tipo
n, y luego se forma una capa 3 de polisilicio puro de un grosor de
aproximadamente 1,5 \mum en una superficie frontal del sustrato 1
de silicio de tipo n colocada delante de la superficie trasera, para
obtener de ese modo una estructura como se muestra en la Fig. 2A.
La capa 3 de polisilicio está formada mediante el uso del
procedimiento de LPCVD, utilizando un vacío de 20 Pa, una
temperatura de 640ºC y un gas silano de circulación libre a 600
sccm. Entonces, se somete a la capa 3 de polisilicio a una
anodización o a una anodización con una corriente constante
mientras está irradiada con luz. Durante esta anodización, se
utiliza un electrolito líquido fabricado al mezclar una disolución
acuosa al 55% en peso de fluoruro de hidrógeno y etanol en una
proporción de aproximadamente 1:1 y se utiliza un electrodo (no
mostrado) de platino como el electrodo negativo y se utiliza el
sustrato 1 de silicio de tipo n (electrodo óhmico 2) como el
electrodo positivo. Mediante esta anodización, se puede obtener una
capa porosa 4 de polisilicio (denominada más adelante como la capa
4 de PPS) como se muestra en la Fig. 2B. En esta realización, se
llevó a cabo el procedimiento de anodización bajo condiciones de
una densidad constante de corriente de 10 mA/cm^{2} y siendo la
duración de 30 segundos, mientras que se irradió la superficie de
la capa 3 de polisilicio con luz por medio de una lámpara de
tungsteno de 500 W durante el procedimiento de anodización. Como
resultado, se formó en esta realización la capa porosa 4 de
polisilicio de aproximadamente 1 \mum de grosor. Aunque una parte
de la capa 3 de polisilicio se hace porosa en esta realización,
toda la capa 3 de polisilicio puede ser porosa.
Entonces, al someter a la estructura de la Fig.
2B, es decir, al llevar a cabo la oxidación térmica rápida (RTO) en
la capa 4 de PPS, se obtiene una estructura mostrada en la Fig. 2C.
El número de referencia 5 en la Fig. 2C denota una parte de la capa
de polisilicio y el número de referencia 6 denota una parte de la
capa de PPS tratada mediante la oxidación térmica rápida
(denominada más adelante como la capa RTO 6 de PPS). Se llevó a
cabo el procedimiento de oxidación térmica rápida a una temperatura
de oxidación de 900ºC durante el periodo de oxidación de una hora.
En esta realización, dado que se oxida la capa 4 de PPS mediante la
oxidación térmica rápida, se pueden calentar las capas hasta la
temperatura de oxidación en varios segundos, haciendo que sea
posible de esta manera evitar que tenga lugar la oxidación por
inducción cuando se introduce dentro de un horno en el caso que se
use un aparato convencional de oxidación de tipo horno tubular.
Entonces, se forma la película delgada 7 de oro
sobre la capa RTO 6 de PPS, por ejemplo, mediante evaporación, para
obtener de ese modo la fuente 10 de electrones de emisión de campo
que tiene una estructura mostrada en las Figuras 1 y 2D. Aunque el
grosor de la película delgada 7 de oro es de aproximadamente 10 nm
en esta realización, el grosor no está limitado a un valor
particular. La fuente 10 de electrones de emisión de campo forma un
diodo con la película delgada 7 de oro que sirve como un electrodo
positivo (ánodo) y sirviendo el electrodo óhmico 2 como un
electrodo negativo (cátodo).
Ahora, se describirán a continuación las
características de la fuente 10 de electrones de emisión de campo
de la presente realización.
La fuente 10 de electrones de emisión de campo
está alojada en una cámara de vacío (no mostrada) y hay dispuesto
un electrodo 21 de colector (colector de electrones emitidos) en una
posición, de forma que se sitúa delante de la película delgada 7 de
oro como se muestra en la Fig. 3. El interior de la cámara de vacío
está evacuado hasta un grado de aproximadamente 5 \times
10^{-5} Pa. Se aplica una tensión de CC Vps teniendo la película
delgada 7 de oro una polaridad positiva con respecto al electrodo
óhmico 2 (es decir, el sustrato 1 de silicio de tipo n), y se
aplica una tensión de CC Vc teniendo el electrodo 21 de colector una
polaridad positiva con respecto a la película delgada 7 de oro. En
la Fig. 4 se muestran las mediciones de la corriente Ips del diodo
que fluye entre la película delgada 7 de oro y el electrodo óhmico
2, y la corriente Ie de emisión de electrones que fluye entre el
electrodo 21 de colector y la película delgada 7 de oro debido a la
emisión de electrones e^{-} procedentes de la fuente 10 de
electrones de emisión de campo a través de la pelí-
cula delgada 7 de oro (la línea de rayas y puntos alternos en la Fig. 3 representa la corriente de electrones emitidos).
cula delgada 7 de oro (la línea de rayas y puntos alternos en la Fig. 3 representa la corriente de electrones emitidos).
En la Fig. 4, se representa la tensión Vps de CC
en el eje horizontal y se representa la densidad de corriente en el
eje vertical. La curva a en el dibujo representa la corriente Ips
del diodo y la curva b representa la corriente Ie de emisión de
electrones. Se establece constante la tensión Vc de CC a 100 V.
Como puede verse en la Fig. 4, se observó la
corriente Ie de emisión de electrones únicamente cuando la tensión
Vps de CC era positiva, mientras que tanto la corriente Ips del
diodo como la corriente Ie de emisión de electrones aumentaban
según aumentaba la tensión Vps de CC. Específicamente, cuando la
tensión Vps de CC era de 15 V, la densidad de corriente de la
corriente Ips del diodo era de aproximadamente 100 mA/cm^{2} y la
densidad de corriente de la corriente Ie de emisión de electrones
era de aproximadamente 10 \muA/cm^{2}. Este valor de la
corriente Ie de emisión de electrones es mayor que el obtenido con
una fuente de electrones de emisión de campo preparada al hacer
porosa la superficie de un sustrato de silicio de un único cristal,
descrita anteriormente en conjunto con la técnica anterior tal como
se da a conocer, por ejemplo, en la publicación no examinada JP nº
8-250766. Según "Electronic Information &
Telecommunications Association ED96-141, pp.
41-46", describieron aproximadamente 40
mA/cm^{2} para la densidad de corriente de la corriente Ips del
diodo y 1 \muA/cm^{2} para la densidad de corriente de la
corriente Ie de emisión de electrones cuando la tensión Vps de CC
era de 15 V. Por lo tanto, esta realización de la presente
invención es efectiva para proporcionar la fuente de electrones de
emisión de campo que exhibe una eficacia elevada de emisión de
electrones.
La Fig. 5 muestra trazados de
Fowler-Nordheim de la corriente de emisión de
electrones con respecto a la tensión Vps de CC. El hecho de que los
trazados se encuentran en una línea recta indica que la corriente Ie
de emisión de electrones provocada por la emisión de electrones es
debida al efecto bien conocido del tunelado cuántico. A
continuación se describirá el mecanismo de emisión de electrones con
referencia a un diagrama de banda de energía de las Figuras 6A y
6B. En las Figuras 6A y 6B, el carácter de referencia
n^{+}-Si representa el sustrato 1 de silicio de
tipo n, el carácter de referencia RTO-PPS representa
la capa RTO 6 de PPS, el carácter de referencia SiOx representa una
película delgada oxidada de silicio formada sobre la superficie
superior de la capa RTO 6 de PPS, el carácter de referencia Au
representa la película delgada 7 de oro, el carácter de referencia
E_{F} representa el nivel de Fermi y el carácter de referencia
E_{VAC} representa el nivel de vacío. La Fig. 6A muestra el
estado antes de que se aplique la tensión Vps de CC y la Fig. 6B
muestra el estado estando aplicada la tensión Vps de CC. Cuando la
tensión Vps de CC, aplicada a la película delgada 7 de oro que
tiene una polaridad positiva con respecto al sustrato 1 de silicio
de tipo n, alcanza un valor umbral predeterminado, se inyectan
electrones e^{-} desde el sustrato 1 de silicio de tipo n dentro
de la capa RTO 6 de PPS mediante excitación térmica como se muestra
en la Fig. 6B. En este momento, dado que se aplica la mayoría de la
tensión Vps de CC a través de la capa RTO 6 de PPS semiaislante, se
hace que los electrones inyectados e^{-} se desplacen debido a un
campo eléctrico intenso, por ejemplo, de aproximadamente 10^{5}
V/cm en una intensidad media de campo generada en la capa RTO 6 de
PPS, y migran hacia la superficie mientras que pierden energía
cinética debido a la dispersión causada por un potencial y una
rejilla irregulares (en este procedimiento puede tener lugar una
multiplicación de electrones debido a una ionización por choque).
Se supone que los electrones e^{-} que han alcanzado la superficie
de la capa RTO 6 de PPS son los denominados electrones calientes
que tienen una mayor energía cinética que la que hay en el estado de
equilibrio térmico, y se supone que penetran fácilmente en la
película delgada 7 de oro a través de la subbanda de SiOx en la
superficie superior de la capa RTO 6 de PPS debido al tunelado por
el efecto de campo eléctrico, para ser emitidos de ese modo al
exterior.
Para verificar esta hipótesis, se midió la
distribución de energía N(E) de los electrones emitidos
procedentes de la fuente de electrones de emisión de campo de la
presente realización, y se muestra el resultado en la Fig. 7. En la
Fig. 7, la curva a muestra la distribución cuando la tensión Vps de
CC es de 12 V, la curva b muestra la distribución cuando la tensión
Vps de CC es de 15 V y la curva c muestra la distribución cuando la
tensión Vps de CC es de 18 V. En la Fig. 7, se descubre que la
distribución de energía N(E) de los electrones es
relativamente amplia y, además, incluye componentes de energía
elevada de varios electronvoltios, mientras que la energía máxima
se desplaza hacia una mayor energía según aumenta la tensión Vps de
CC aplicada. Por lo tanto, se supone que se produce menos
dispersión de los electrones en la capa RTO 6 de PPS, y que los
electrones e^{-} que han alcanzado la superficie de la capa RTO 6
de PPS son electrones calientes que tienen suficiente energía. El
gráfico mostrado en el círculo A, rodeado por una línea de puntos y
rayas en la Fig. 6B, muestra la relación cualitativa entre la
distribución de energía n(E) de electrones inmediatamente
antes de la emisión y la probabilidad de la emisión de tunelado
T(E), en el que se determina un perfil de la distribución de
energía N(E) de los electrones emitidos mediante el producto
de n(E) y T(E) (N(E) = n(E)
T(E)). Cuando aumenta la tensión Vps de CC, por ejemplo,
n(E) cambia, de forma que los componentes en la cola de
energía elevada aumentan y, como resultado, la N(E) se
desplaza hacia una energía mayor en conjunto.
El hecho de que los electrones no estén
sometidos a tan intensa dispersión que provoca una relajación hasta
un equilibrio térmico significa menos pérdida de energía, es decir,
pérdida térmica, en la capa RTO 6 de PPS, de forma que se consiguen
una eficacia elevada de la corriente Ie de emisión de electrones y
una emisión estable de los electrones. La Fig. 8 es un gráfico que
muestra la corriente Ips del diodo y la corriente Ie de emisión de
electrones de la fuente 10 de electrones de emisión de campo de la
presente realización con un cambio en el tiempo. Se traza el tiempo
en el eje horizontal y se traza la densidad de corriente en el eje
vertical, mientras que la curva a muestra la corriente Ips del
diodo y la curva b muestra la corriente Ie de emisión de
electrones. En la Fig. 8 se muestra el resultado obtenido al
establecer la tensión Vps de CC constante a 15 V y la tensión Vc de
CC constante a 100 V. Como se puede ver en la Fig. 8, no se observa
ningún fenómeno de desprendimiento ni en la corriente Ips del diodo
ni en la corriente Ie de emisión de electrones con la fuente 10 de
electrones de emisión de campo de la presente realización, de forma
que se pueden mantener sustancialmente constantes la corriente Ips
del diodo y la corriente Ie de emisión de electrones con el paso del
tiempo. Debido a que se supone que la superficie de los granos se
hace porosa, pero el núcleo de los granos retiene un estado
cristalino, también se supone que el calor generado al aplicar una
tensión se transmite a lo largo del cristal y se irradia al
exterior. Por lo tanto, el aumento de temperatura de la capa RTO 6
de PPS es menor que el de la capa de silicio de un único cristal.
Tal característica de la corriente Ie de emisión estable de
electrones con menos cambios crónicos conseguida al emplear la
configuración de la presente invención no puede ser conseguida con
la fuente convencional de electrones de emisión de campo basada en
el sistema MIM o el sustrato de silicio de un único cristal cuya
superficie se ha hecho porosa.
Ahora, se describirá a continuación la
dependencia del grado de vacío de la corriente Ie de emisión de
electrones de la fuente 10 de electrones de emisión de campo de la
presente realización. La Fig. 9 muestra que la corriente Ips del
diodo y la corriente Ie de emisión de electrones cambian como una
función del grado de vacío de la atmósfera de argón que rodea la
fuente 10 de electrones de emisión de campo de la presente
realización. En la Fig. 9, se traza el grado de vacío en el eje
horizontal y se traza la densidad de corriente en el eje vertical.
La curva a en el dibujo representa la corriente Ips del diodo y la
curva b representa la corriente Ie de emisión de electrones. La
Fig. 9 muestra que se puede obtener una corriente Ie de emisión de
electrones sustancialmente constante en un intervalo de grados de
vacío desde 10^{-5} Pa hasta aproximadamente 1 Pa, lo que indica
una dependencia insignificante de la corriente Ie de emisión de
electrones del grado de vacío. Por lo tanto, debido a la baja
dependencia del grado de vacío de la corriente Ie de emisión de
electrones de la fuente 10 de electrones de emisión de campo de la
presente realización, se puede mantener una emisión estable de
electrones de eficacia elevada incluso cuando el grado de vacío
cambia hasta cierto punto. Por lo tanto, debido a que se puede
conseguir la característica satisfactoria de emisión de electrones
incluso con un grado bajo de vacío, no es necesario utilizar la
fuente de electrones de emisión de campo bajo un grado elevado de
vacío, y se hace que sea posible producir un aparato que utiliza la
fuente 10 de electrones de emisión de campo con un menor coste,
siendo la manipulación de la misma más sencilla.
Aunque se utiliza el sustrato 1 de silicio de
tipo n ((100) sustrato que tiene una resistencia específica de
aproximadamente 0,1 \Omegacm) para el sustrato conductor
eléctricamente en esta realización, el sustrato conductor
eléctricamente no está limitado al sustrato de silicio de tipo n y,
por ejemplo, se pueden utilizar un sustrato metálico o un sustrato
de vidrio con una película delgada conductora tal como una película
delgada transparente conductora eléctricamente, por ejemplo, de
óxido de indio-estaño (ITO), platino o cromo formada
sobre el mismo, en cuyo caso se hace posible conseguir un mayor
área de emisión y un menor coste de producción en el caso de
utilizar un sustrato semiconductor tal como un sustrato de silicio
de tipo n.
\vskip1.000000\baselineskip
Segunda realización - que es parte
de la presente
invención
La configuración básica de la fuente 10 de
electrones de emisión de campo de la segunda realización es
sustancialmente similar a la de la primera realización mostrada en
la Fig. 1, y por lo tanto, solo se describirá a continuación el
procedimiento de producción a continuación con referencia a las
Figuras 10A a 10C y a las Figuras 11A a 11C. Al describir el
procedimiento de producción, solo se describen las diferencias con
respecto a la primera realización en aras de la brevedad. Aunque la
capa porosa de polisilicio es una capa única en la primera
realización, la capa porosa 6 de polisilicio en esta segunda
realización está fabricada al laminar de forma alterna una capa de
polisilicio que tiene una porosidad elevada y una capa de
polisilicio que tiene una porosidad reducida. Esta realización
también utiliza el sustrato 1 de silicio de tipo n ((100), sustrato
que tiene una resistencia específica de aproximadamente 0,1
\Omegacm) para el sustrato conductor eléctricamente como es el
caso del de la primera realización.
En primer lugar, el electrodo óhmico 2 está
formado en la superficie trasera del sustrato 1 de silicio de tipo
n, y luego está formada la capa 3 de polisilicio puro con un grosor
de aproximadamente 1,5 \mum en la superficie frontal del sustrato
1 de silicio de tipo n, para obtener de ese modo la estructura como
se muestra en la Fig. 10A.
Entonces, la capa 3 de polisilicio está sometida
a una anodización con una corriente constante mientras que es
irradiada con luz, al utilizar un electrolito líquido fabricado al
mezclar una disolución acuosa al 55% en peso de fluoruro de
hidrógeno y de etanol con una proporción de aproximadamente 1:1, un
electrodo (no mostrado) de platino como el electrodo negativo y el
sustrato 1 de silicio de tipo n (electrodo óhmico 2) como el
electrodo positivo.
Se llevó a cabo el procedimiento de anodización
en las siguientes condiciones: estando establecida una densidad
constante de corriente de 2,5 mA/cm^{2} y una duración de la
anodización de 4 segundos para una primera condición, y estando
establecida una densidad constante de corriente de 20 mA/cm^{2} y
una duración de la anodización de 5 segundos para la segunda
condición, repitiéndose la anodización bajo la primera condición y
la anodización bajo la segunda condición de forma alterna, tres
veces cada una. Se irradió la superficie con luz por medio de una
lámpara de tungsteno de 500 W durante el procedimiento de
anodización. En el momento en el que se completó la anodización
bajo la primera condición, se formó una capa porosa 4a de
polisilicio (denominada más adelante como la capa 4a de PPS) que
tiene una porosidad reducida sobre la superficie de la capa 3 de
polisilicio, lo que tuvo como resultado una estructura como se
muestra en la Fig. 10B.
Entonces, en el momento en el que se completó la
anodización bajo la segunda condición, se formó una capa porosa 4b
de polisilicio (denominada más adelante como la capa 4b de PPS) que
tiene una mayor porosidad que la de la capa 4a de PPS en un lado de
la capa 4a de polisilicio adyacente al sustrato 1 de silicio de tipo
n, lo que tiene como resultado una estructura como la que se
muestra en la Fig. 10C. Cuando se completa una anodización bajo la
primera condición y una anodización bajo la segunda condición,
llevada a cabo cada una tres veces, se obtiene tal estructura como
la que se muestra en la Fig. 11A en la que se laminan de forma
alterna la capa 4a de PPS y la capa 4b de PPS.
En la presente realización, la capa porosa de
polisilicio de la estructura laminada de la capa 4a de PPS y la
capa 4b de PPS tiene un grosor de aproximadamente 1 \mum. Aunque
una parte de la capa 3 de polisilicio se hace porosa en esta
realización, de forma alternativa se puede hacer porosa la capa
entera 3 de polisilicio.
Entonces, mediante una oxidación térmica rápida
de todas las capas 4a, 4b de PPS y de la capa 3 de polisilicio, se
obtiene una estructura mostrada en la Fig. 11B. El número de
referencia 5 en la Fig. 11B denota la capa de polisilicio tratada
mediante la oxidación térmica rápida. Los números de referencia 6a y
6b denotan las capas porosas de polisilicio tratadas mediante
oxidación térmica rápida (denominadas más adelante como las capas
RTO 6a y 6b de PPS). Se llevó a cabo el procedimiento de oxidación
térmica rápida a una temperatura de oxidación de 900ºC durante un
periodo de oxidación de una hora. En esta realización, dado que las
capas 4a y 4b de PPS y la capa 3 de polisilicio están oxidadas
mediante oxidación térmica rápida, se pueden calentar las capas
hasta la temperatura de oxidación en varios segundos, haciendo que
sea posible de esta manera evitar la oxidación por inducción que
tiene lugar cuando se introduce dentro de un horno en el caso de que
se utilice el aparato convencional de oxidación de tipo horno
tubular.
Entonces, se forma una película delgada 7 de oro
sobre las capas RTO 6a y 6b de PPS mediante, por ejemplo,
deposición de vapor, para obtener de ese modo la fuente 10 de
electrones de emisión de campo que tiene una estructura mostrada en
la Fig. 11C. Aunque el grosor de la película delgada 7 de oro es de
aproximadamente 10 nm en esta realización, el grosor no está
limitado a un valor particular. La fuente 10 de electrones de
emisión de campo forma un diodo sirviendo la película metálica
delgada 7 como un electrodo positivo (ánodo) y sirviendo el
electrodo óhmico 2 como un electrodo negativo (cátodo).
Ahora, se describirán a continuación las
características de la fuente 10 de electrones de emisión de campo
de esta realización.
La fuente 10 de electrones de emisión de campo
está alojada en una cámara de vacío (no mostrada) y hay un
electrodo 21 de colector (colector de electrones emitidos) dispuesto
en una posición, de forma que se sitúa delante de la película
delgada 7 de oro como se muestra en la Fig. 3. El interior de la
cámara de vacío está evacuado hasta un grado de aproximadamente 5
\times 10^{-5} Pa. Se aplica una tensión Vps de CC a la película
delgada 7 de oro con la polaridad positiva con respecto al
electrodo óhmico 2 (es decir, el sustrato 1 de silicio de tipo n),
y se aplica una tensión Vc de CC al electrodo 21 de colector con la
polaridad positiva con respecto a la película delgada 7 de oro.
En la Fig. 12 se muestran las mediciones de la
corriente Ips del diodo que fluye entre la película delgada 7 de
oro y el electrodo óhmico 2, y la corriente Ie de emisión de
electrones que fluye entre el electrodo 21 de colector y la
película delgada 7 de oro debido a la emisión de electrones e^{-}
procedentes de la fuente 10 de electrones de emisión de campo a
través de la película delgada 7 de oro.
En la Fig. 12, se traza la tensión Vps de CC en
el eje horizontal y se traza la densidad de corriente en el eje
vertical. La curva a en el dibujo representa la corriente Ips del
diodo y la curva b representa la corriente Ie de emisión de
electrones. La tensión Vc de CC está establecida constante a 100
V.
Como puede verse en la Fig. 12, solo se observó
la corriente Ie de emisión de electrones cuando la tensión Vps de
CC era positiva también en esta realización, de forma similar a la
primera realización, mientras que aumentaban tanto la corriente Ips
del diodo como la corriente Ie de emisión de electrones según
aumentaba la tensión Vps de CC. Específicamente, cuando la tensión
Vps de CC era de 15 V, la densidad de corriente de la corriente Ips
del diodo era de aproximadamente 1 mA/cm^{2} y la densidad de
corriente de la corriente Ie de emisión de electrones era de
aproximadamente 4 \muA/cm^{2}. Este valor de la corriente Ie de
emisión de electrones es mucho mayor que el obtenido con la fuente
convencional de electrones de emisión de campo descrita
anteriormente, lo que indica una eficacia elevada de la emisión de
electrones exhibida por la fuente de electrones de emisión de campo
de la presente realización.
La Fig. 13 muestra trazados de
Fowler-Nordheim de la corriente Ie de emisión de
electrones con respecto a la tensión Vps de CC. El hecho de que los
trazados se encuentran en una línea recata en la Fig. 13 indica que
la corriente Ie de emisión de electrones provocada por la emisión de
los electrones es debida al efecto bien conocido del tunelado
cuántico, como es el caso con la primera realización.
La Fig. 14 es un gráfico que muestra la
corriente Ips del diodo y la corriente Ie de emisión de electrones
de la fuente 10 de electrones de emisión de campo de esta
realización con un cambio en el tiempo. Se traza el tiempo en el
eje horizontal y se traza la densidad de corriente en el eje
vertical, mientras que la curva a en el dibujo muestra la corriente
Ips del diodo y la curva b muestra la corriente Ie de emisión de
electrones.
En la Fig. 14 se muestra el resultado obtenido
al establecer constante la tensión Vps de CC a 21 B y la tensión Vc
de CC constante a 100 V. Como puede verse en la Fig. 14, no se
observa el fenómeno de desprendimiento ni en la corriente Ips del
diodo ni en la corriente Ie de emisión de electrones en el caso de
la fuente 10 de electrones de emisión de campo de esta realización,
de forma similar a la primera realización, de forma que se pueden
mantener sustancialmente constantes la corriente Ips del diodo y la
corriente Ie de emisión de electrones con el paso del tiempo. Tal
característica de corriente Ie de emisión estable de electrones con
un cambio menos crónico conseguida al emplear la configuración de
la presente invención no puede ser conseguida con la fuente
convencional de electrones de emisión de campo basada en el sistema
MIM o el sustrato de silicio de cristal único cuya superficie se
hace porosa.
El procedimiento de anodización también puede
llevarse a cabo como sigue. Como se muestra en la Fig. 15, después
de iniciar el procedimiento de anodización con la densidad de
corriente establecida a 0 mA/cm^{2}, se aumenta la densidad de
corriente desde 0 mA/cm^{2} hasta 20 mA/cm^{2} en 20 segundos,
durante los cuales se mantiene la densidad de corriente a 2,5
mA/cm^{2} durante dos segundos tres veces. De forma rutinaria, se
irradia la superficie con luz por medio de una lámpara de tungsteno
de 500 W durante el procedimiento de anodización. En este caso, se
forma la capa porosa 4a de polisilicio que tiene una porosidad baja
en el periodo en el que la densidad de corriente está establecida a
2,5 mA/cm^{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
Tercera realización - no es parte
de la presente
invención
La configuración básica de la fuente 10 de
electrones de emisión de campo de la tercera realización es
sustancialmente similar a la de la primera realización mostrada en
la Fig. 1, y por lo tanto, solo se describirá a continuación el
procedimiento de producción con referencia a las Figuras 16A a 16C.
En la descripción del procedimiento de producción, solo se
describen las diferencias con respecto a la primera realización en
aras de la brevedad. Aunque la capa porosa de polisilicio es una
única capa que tiene una porosidad uniforme en la primera
realización, la capa porosa 6 de polisilicio en la tercera
realización es una capa cuya porosidad cambia continuamente en la
dirección del grosor, de forma que la porosidad es mayor en el lado
del sustrato conductor eléctricamente que en el lado de la
superficie frontal del mismo. La presente realización también
utiliza el sustrato 1 de silicio de tipo n ((100) sustrato que
tiene una resistencia específica de aproximadamente 0,1 \Omegacm)
para el sustrato conductor eléctricamente como es el caso del de la
primera realización.
En primer lugar, se forma el electrodo óhmico 2
sobre la superficie trasera del sustrato 1 de silicio de tipo n, y
luego se forma la capa 3 de polisilicio puro con un grosor de
aproximadamente 1,5 \mum sobre la superficie frontal del sustrato
1 de silicio de tipo n, para obtener de ese modo la estructura como
se muestra en la Fig. 16A.
Entonces, se somete a la capa 3 de polisilicio a
una anodización con una corriente constante mientras que es
irradiada con luz, al utilizar un electrolito líquido fabricado al
mezclar una disolución acuosa al 55% en peso de fluoruro de
hidrógeno y etanol con una proporción de aproximadamente 1:1, un
electrodo (no mostrado) de platino como el electrodo negativo y el
sustrato 1 de silicio de tipo n (electrodo óhmico 2) como el
electrodo positivo. Se llevó a cabo el procedimiento de anodización
en las siguientes condiciones: se inició la anodización con una
densidad constante de corriente de 0 mA/cm^{2}, luego se aumentó
continuamente (progresivamente) la densidad de corriente desde 0
mA/cm^{2} hasta 20 mA/cm^{2}. Se irradió la superficie con luz
por medio de una lámpara de tungsteno de 500 W durante el
procedimiento de anodización. En el momento en el que se completa
la anodización, se forma una capa porosa 4c de polisilicio cuya
porosidad aumenta continuamente desde la superficie frontal hacia
el sustrato 1 de silicio de tipo n (denominado más adelante capa 4c
de PPS), lo que tiene como resultado una estructura como se muestra
en la Fig. 16B. En esta realización, la capa 4c de PPS tiene un
grosor de aproximadamente 1 \mum. Aunque una parte de la capa 3
de
polisilicio se hace porosa en esta realización, de forma alternativa se puede hacer porosa toda la capa 3 de polisilicio.
polisilicio se hace porosa en esta realización, de forma alternativa se puede hacer porosa toda la capa 3 de polisilicio.
Entonces, mediante una oxidación térmica rápida
de la capa 4c de PPS y de la capa 3 de polisilicio (bajo condiciones
de una temperatura de oxidación de 900ºC y un periodo de oxidación
de una hora) y la formación de la película delgada 7 de oro, se
obtiene la fuente 10 de electrones de emisión de campo de la
estructura mostrada en la Fig. 16C. Aunque el grosor de la película
delgada 7 de oro es de aproximadamente 10 nm en la presente
realización, el grosor no está limitado a dicho valor particular.
La fuente 10 de electrones de emisión de campo forma un diodo
sirviendo la película metálica delgada 7 como un electrodo positivo
(ánodo) y sirviendo el electrodo óhmico 2 como un electrodo
negativo (cátodo). El número de referencia 5 en la Fig. 16C denota
la capa de polisilicio que ha sido sometida a una oxidación térmica
rápida y el número de referencia 6 denota la capa 4c de PPS (capa
RTO 6 de PPS) que ha sido sometida a una oxidación térmica
rápida.
Aunque en la presente realización se cambia la
porosidad al aumentar progresivamente la densidad de corriente
durante el procedimiento de anodización, también se puede cambiar la
porosidad al reducir progresivamente la densidad de corriente, en
cuyo caso la porosidad se vuelve menor cerca del sustrato 1 de
silicio de tipo n y mayor cerca de la superficie frontal.
\vskip1.000000\baselineskip
Cuarta
realización
La Fig. 17 es un diagrama esquemático que
muestra la configuración de un aparato plano emisor de luz que
utiliza la fuente 10 de electrones de emisión de campo de una
cualquiera de las reivindicaciones primera a tercera. Los
componentes similares a los de la primera realización (o a la
tercera realización) se designarán con los mismos números de
referencia y se omitirá la descripción de los mismos.
El aparato plano emisor de luz de la presente
realización tiene la fuente 10 de electrones de emisión de campo y
un electrodo transparente 31 dispuestos de forma que se sitúan
delante de la película delgada 7 de oro de la fuente 10 de
electrones de emisión de campo, estando revestido el electrodo
transparente 31 con una sustancia fluorescente 32 que emite luz
visible cuando es irradiada con un haz de electrones emitido por la
fuente 10 de electrones de emisión de campo. El electrodo
transparente 31 está formado al revestir sobre una placa
transparente 33, tal como un sustrato de vidrio. La placa
transparente 33, que tiene tanto el electrodo transparente 31 como
la sustancia fluorescente 32 formados sobre la misma, está unida a
la fuente 10 de electrones de emisión de campo por medio de un
separador 34 formando una estructura integral, estando rodeado el
espacio interno por la placa transparente 33, el separador 34, y
estando evacuada la fuente 10 de electrones de emisión de campo
hasta un grado predeterminado de vacío. Por lo tanto, la sustancia
fluorescente puede emitir luz cuando es irradiada con electrones
emitidos por la fuente 10 de electrones de emisión de campo, y la
luz así emitida por la sustancia fluorescente 32 es transmitida al
exterior a través del electrodo transparente 31 y la placa
transparente 33.
En el aparato plano de emisión de luz de la
presente realización, cuando se aplicó una tensión Vc de CC de 1 kV
entre el electrodo transparente 31 y la película metálica delgada 7
teniendo el electrodo transparente 31 la polaridad positiva con
respecto a la película metálica delgada 7, y se aplicó la tensión
Vps de CC de aproximadamente 15 V entre la película delgada 7 de
oro de la fuente 10 de electrones de emisión de campo y el
electrodo óhmico 2 para emitir electrones, entonces se obtuvo un
patrón de fluorescencia correspondiente al área (tamaño) de la
película delgada 7 de oro. Esto significa que la densidad de
corriente de emisión de electrones generada por la fuente 10 de
electrones de emisión de campo es sustancialmente uniforme dentro
la superficie de la película delgada 7 de oro, y que se emiten los
electrones e^{-} a ángulos rectos con respecto a la película
delgada 7 de oro, lo que indica que los electrones e^{-} siguen
trayectorias sustancialmente paralelas sin una expansión no
contracción del haz de electrones. Por lo tanto, debido a que se
emiten los electrones e^{-} sustancialmente a ángulos rectos con
respecto a la película delgada 7 de oro y son sustancialmente
uniformes dentro la superficie de la misma en esta realización, no
es necesario instalar un electrodo de convergencia utilizado en el
aparato convencional plano emisor de luz dado a conocer en "IEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. 38, nº 10, OCTUBRE de 1991,
pp. 2355-2363", lo que hace que sea posible
simplificar la construcción y reducir el coste. Además, no se
produce ningún fenómeno de desprendimiento durante la emisión de
electrones procedentes de la fuente 10 de electrones de emisión de
campo, reduciendo de ese modo la desigualdad en la luz.
\vskip1.000000\baselineskip
Quinta
realización
La Fig. 18 es un diagrama esquemático que
muestra la configuración de la fuente de electrones cuando se aplica
la fuente 10 de electrones de emisión de campo de una cualquiera de
las realizaciones primera a tercera a un aparato de panel de
visualización. Según se muestra en la Fig. 18, en la presente
realización hay dispuesta una pluralidad de fuentes 10 de
electrones de emisión de campo en una configuración de matriz,
correspondiéndose cada fuente 10 de electrones de emisión de campo
con un píxel. La tensión Vps de CC descrita en conjunto con la
primera realización y aplicada a la fuente 10 de electrones de
emisión de campo está controlada por un circuito controlador 41 de
la matriz X y por un circuito controlador 42 de la matriz Y. En
otras palabras, cada fuente 10 de electrones de emisión de campo a
la que se debería aplicar la tensión Vps de CC está seleccionada
por el circuito controlador 41 de la matriz X y por el circuito
controlador 42 de la matriz Y, y solo se emiten los electrones
procedentes de la fuente 10 seleccionada de electrones de emisión de
campo.
El aparato de panel de visualización de la
presente realización tiene un electrodo transparente dispuesto de
forma que se sitúa delante de la fuente de electrones, es decir, de
forma que se sitúa delante de la película delgada 7 de oro de la
fuente 10 de electrones de emisión de campo de forma similar a la de
la cuarta realización, aunque no se muestra en el dibujo. El
electrodo transparente está revestido con una sustancia fluorescente
que emite luz visible cuando es irradiada con el haz de electrones
emitido por la fuente 10 de electrones de emisión de campo. El
electrodo transparente está formado al revestir óxido de
indio-estaño (ITO) sobre una placa transparente,
tal como sustrato de vidrio.
Los electrones emitidos por cada fuente 10 de
electrones de emisión de campo salen de la película delgada 7 de
oro sustancialmente a ángulos rectos con respecto a la película
delgada 7 de oro y son sustancialmente uniformes dentro la
superficie de la misma, de forma que los haces de electrones son
sustancialmente paralelos. El aparato de panel de visualización de
la presente realización es capaz de hacer que solo una porción de
la sustancia fluorescente que está colocada delante de la fuente 10
de electrones de emisión de campo emita luz. Por lo tanto, se puede
fabricar un aparato de panel de visualización de alta definición sin
necesidad de instalar una máscara de sombra compleja a diferencia
de la técnica anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
Sexta
realización
La Fig. 19 es un diagrama esquemático que
muestra la configuración de un dispositivo sólido al vacío que
utiliza la fuente 10 de electrones de emisión de campo de una
cualquiera de las realizaciones primera a tercera. Los componentes
similares a aquellos de las realizaciones primera o tercera se
designarán con los mismos números de referencia y se omitirá la
descripción de los mismos.
El dispositivo sólido al vacío de la presente
realización es de tipo triodo en el que la fuente 10 de electrones
de emisión de campo sirve como un cátodo, hay colocado un ánodo 51
(electrodo positivo) delante de la película delgada 7 de oro de la
fuente 10 de electrones de emisión de campo, y hay instalado una
rejilla 52 de malla entre el ánodo 51 y el cátodo. El ánodo 51, la
rejilla 52 y el cátodo están sellados en una atmósfera de vacío por
medio de juntas 53, 54. En esta realización, los selladores 53, 54 y
un sustrato conductor eléctricamente que consiste en el sustrato 1
de silicio de tipo n constituyen una cámara de vacío.
En el dispositivo sólido al vacío de la presente
realización, se emiten los electrones procedentes de la fuente de
electrones de emisión de campo, es decir, el cátodo, cuando se
aplica la tensión Vps de CC a la fuente 10 de electrones de emisión
de campo, y se aceleran los electrones por medio de la tensión Va
del ánodo aplicada entre el ánodo 51 y la película delgada 7 de
oro, de forma que la corriente Ia del ánodo fluye entre el ánodo 51
y el cátodo. Se puede controlar la magnitud de la corriente Ia del
ánodo al ajustar el valor de la tensión Vg de CC aplicada entre la
rejilla 52 como un electrodo negativo y el electrodo óhmico 2.
Aunque los dispositivos de vacío de la técnica
anterior utilizan normalmente un cátodo basado en la emisión
termoiónica de electrones, se puede conseguir un dispositivo sólido
al vacío basado en un cátodo frío que tiene una vida útil
prolongada al utilizar la fuente de electrones de emisión de campo
de la presente invención.
Aunque se ha descrito la presente realización en
conexión con el dispositivo sólido al vacío de tipo triodo, también
se puede aplicar la presente invención a uno de tipo de múltiples
electrodos.
Aunque se ha descrito completamente la presente
invención en conexión con las realizaciones preferentes de la misma
y con los dibujos adjuntos, se debe hacer notar que son posibles
diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la presente
invención según está definida por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (8)
1. Una fuente de electrones de emisión de campo
que comprende:
- un sustrato conductor eléctricamente (1, 2);
- una capa porosa (6) de polisilicio formada sobre la superficie de dicho sustrato conductor eléctricamente (1, 2) en un lado del mismo y que tiene nanoestructuras; y
- una película metálica delgada (7) formada sobre dicha capa porosa (6) de polisilicio,
en la que se aplica una tensión a dicha película
metálica delgada (7) utilizada como un electrodo positivo con
respecto a dicho sustrato conductor eléctricamente (1, 2) para
emitir de ese modo un haz de electrones a través de dicha película
metálica delgada (7),
en la que dicha capa porosa de polisilicio es
una capa porosa oxidada o nitrurada (6) de polisilicio,
caracterizada porque
dicha capa porosa (6) de polisilicio está
fabricada al laminar de forma alterna una capa (4b, 6b) de
polisilicio que tiene una porosidad elevada y una capa (4a, 6a) de
polisilicio que tiene una porosidad reducida,
en la que dicha capa porosa (6) de polisilicio
es una capa cuya porosidad cambia en la dirección del grosor, de
forma que la porosidad es mayor en el lado del sustrato conductor
eléctricamente (1, 2) que en el lado de la superficie frontal, es
decir, en el lado de la película metálica (7).
\vskip1.000000\baselineskip
2. La fuente (10) de electrones de emisión de
campo según la reivindicación 1,
en la que dicha capa (6) de polisilicio es una
capa de polisilicio puro.
\vskip1.000000\baselineskip
3. La fuente de electrones de emisión de campo
según una de las reivindicaciones 1 o 2, en la que dicho sustrato
conductor eléctricamente (1, 2) comprende un sustrato transparente,
y una película delgada conductora eléctricamente formada sobre una
superficie del sustrato transparente.
4. La fuente de electrones de emisión de campo
según la reivindicación 3, en la que dicho sustrato transparente es
un sustrato de vidrio.
5. Un aparato plano emisor de luz que comprende
una fuente (10) de electrones de emisión de campo según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque hay dispuesto un
electrodo transparente (31) colocado delante de dicha película
metálica delgada (7), en el que dicho electrodo transparente (31)
está revestido con una sustancia fluorescente (32) que emite luz
visible cuando es irradiada con un haz de electrones emitido por la
fuente de electrones de emisión de campo.
6. Un aparato de panel de visualización que
comprende una fuente (10) de electrones de emisión de campo según
una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque hay
formada una pluralidad de dichas fuentes (10) de electrones de
emisión de campo en una configuración de matriz para construir un
aparato de panel de visualización que comprende un controlador (41,
42) para controlar las tensiones aplicadas a dichas fuentes (10) de
electrones de emisión de campo; y un electrodo transparente
colocado delante de dicha película metálica delgada (7),
en el que dicho electrodo transparente está
revestido con una sustancia fluorescente que emite luz visible
cuando es irradiada con un haz de electrones emitido por la fuente
de electrones de emisión de campo.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Un dispositivo sólido al vacío que comprende
una fuente (10) de electrones de emisión de campo según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que tanto dicha fuente (10) de
electrones de emisión de campo, que hace de cátodo, como un
electrodo positivo (51), colocado delante de dicha película metálica
delgada (7) y que hace de ánodo, están dispuestos en una cámara de
vacío para construir un dispositivo sólido al vacío.
8. Un procedimiento para producir la fuente (10)
de electrones de emisión de campo de la reivindicación 1, que
comprende las etapas de:
- formar una capa (3) de polisilicio sobre un sustrato conductor eléctricamente (1, 2); haciendo porosa dicha capa (3) de polisilicio;
- oxidar o nitrurar dicha capa porosa (4) de polisilicio, y
- formar un electrodo fabricado de una película metálica delgada (7) sobre dicha capa porosa oxidada o nitrurada (6) de polisilicio,
caracterizado porque
dicha etapa de hacer porosa dicha capa (3) de
polisilicio consiste en laminar de forma alterna una capa (4b) de
polisilicio que tiene una porosidad elevada y una capa (4a) de
polisilicio que tiene una porosidad reducida,
en el que dicha etapa de hacer porosa dicha capa
(3) de polisilicio consiste en proporcionar una mayor porosidad en
el lado del sustrato conductor eléctricamente (1, 2) que en el lado
de la superficie frontal, es decir, en el lado de la película
metálica (7).
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