FR2788879A1

FR2788879A1 - Ecran a emission de champ equipe de microcanaux

Info

Publication number: FR2788879A1
Application number: FR9900833A
Authority: FR
Inventors: Pierre Legagneux; Didier Pribat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-07-28

Abstract

L'invention concerne les écrans de visualisation de type à émission de champ de haute résolution, de forte luminance et de faible consommation.L'écran de visualisation comprend une cathode (1), une anode (2) et, entre la cathode (1) et l'anode (2), une galette (7) de microcanaux (8) pour canaliser les électrons émis par les émetteurs (4) de la cathode (1).Application, en particulier, à un écran de visualisation avionique.

Description

ECRAN A EMISSION DE CHAMP EQUIPE DE MICROCANAUX
Le domaine de l'invention est celui des écrans de visualisation de type à émission de champ de haute résolution, de forte luminance et de faible consommation.

L'invention concerne notamment des écrans dont le pas de pixel est de l'ordre de 100 m et dont la luminance atteint une valeur de 500 cdlm2, écrans qui sont utilisés en particulier dans l'avionique.

Un écran à émission de champ (en Anglais FED, Field émission display) est schématiquement composé d'une cathode, d'une anode et d'un espace interélectrode sous vide. La cathode est une matrice d'émetteurs d'électrons qui illuminent l'anode où sont disposés les différents phosphores, c'est-à-dire les récepteurs. Comme à chaque émetteur correspond un récepteur, la résolution d'un écran à vision directe est définie par le pas inter pixel avec lequel celui-ci est fabriqué.

Pour les petits écrans, de diagonale inférieure à 14 pouces, et de

haute résolution, ce pas est de l'ordre de 100 pm par 100 pm à 300 pm par 300 m. L'écran à vision directe le plus résolu est sans doute l'écran avionique qui doit être fabriqué avec un pas de pixel de l'ordre de 100 m par 100 m. En affichage couleurs, le pas des points images est bien sûr supérieur car un point image est composé de trois pixels rouge, vert et bleu.

Afin d'éviter que les couleurs bavent, il faut que 99 % des électrons émis par un émetteur viennent frapper le récepteur qui lui correspond. La dimension du faisceau émis par un émetteur de taille E par

E est égale à fa par T au niveau de l'anode avec : fa (IJm) = E + 2X , 2X étant l'élargissement du faisceau par rapport à sa taille initiale. Par exemple,

pour une taille d'émetteur de 40 um par 40 nom, il faut que X soit inférieur ou égal à 30 nom pour un pas de pixel de l'ordre de 100 nom par 100 nom.

2X est en fait la taille, au niveau de l'anode, du faisceau émis par un élément de l'émetteur situé sur son pourtour. Si chaque élément émet un faisceau d'électrons de vitesse initiale v, dans un cône de demi angle #, il est possible d'écrire :

dca = qE t2 + vot (1 ) 2m avec : E, le champ cathode anode en V/m, m, la masse de l'électron, m = 9.1 10-31 kg, q, la charge d'un électron, q = 1.6 10-19 C, t , le temps de transit cathode-anode en s, vo, la composante orthogonale de v, en m/s, dca, la distance entre anode et cathode.

Comme /2 MV 1 = qEi avec qE, l'énergie initiale des électrons (eV) et que vwo = vcos8 alors :

La solution de l'équation (2) est :

Comme X = vpt = 29E' sin6 . t avec vp la composante m parallèle de v, (m/s) il vient :

soit:

Afin d'éviter des phénomènes de claquage cathode-anode, dca est généralement choisie égale à : dca(mm) ~'/ Va (kV), ce qui correspond à un

champ E = 2. 106 Vim.

Pour des électrons de faible énergie initiale (1 eV), le terme É cos2 6 devient négligeable. En effet, É cos2 6 s É <~ 510- m d.

E E E
La luminance des écrans concernés par l'invention doit pouvoir atteindre 500 cd/m2. Cette contrainte correspond à une luminosité de 1600

Lm/m2 et donc à 1,6 10'5 Lm par pixel (pixel de 100 nom par 100 nom). En considérant un rendement des phosphores de 5 Lm/W (pour des électrons d'énergie 5 keV), ceci nécessite une puissance de 3,2 W par pixel ce qui correspond à un courant moyen de 0,64 nA. Comme chaque pixel émet durant le temps d'adressage de la ligne correspondante, le courant d'émission par pixel doit être de 0,64 !-lA (pour un écran 1000 lignes). Ce courant de pixel correspond respectivement à des densités de courant de

18 mAlcmz, 40 mAlcm2 et 160 mAlcm2 pour des sources émissives de 60 nom par 60 nom, 40 nom par 40 nom et 20 nom par 20 Nm.

Pour déterminer un critère de qualité d'un écran vis à vis de la puissance dissipée pour son fonctionnement, un paramètre P caractéristique de la puissance nécessaire pour passer d'un pixel noir à un pixel blanc peut être défini :

avec Cp la capacité d'un pixel,
Vscan la différence entre la tension d'adressage d'un pixel blanc et d'un pixel noir et

te le temps de charge du pixel qui est de l'ordre de 10 us.

En remplaçant le temps de charge du pixel par la valeur donnée ci-dessus, l'équation (6) peut s'écrire :

P (W) = 0,05 . Cp(pF) . Vscan2 (7)

Dans le cas d'un écran à cristaux liquides pour lequel Cp 0,6 pF et Vscan = 1 OV le paramètre P est égal à environ 3 uW.

Il est connu plusieurs types d'écrans à émission de champ.

Un type d'écran à émission de champ bien connu est celui fabriqué par la Société Pixtech en collaboration avec Futaba [1]. Ce type d'écran utilise une cathode à pointes à émission de champ suivant le procédé de fabrication développé par Spindt. Chaque émetteur est composé de quelques centaines de pointes. En considérant des électrons d'énergie initiale 80 eV émis dans un cône de demi angle d'environ 35 et frappant une anode polarisée à 400 V, il est possible de déterminer X pour dca égal à

0.2 mm : X 70 pm. La surface émettrice étant d'environ 40 um, selon l'axe pour lequel le pas de pixel est 100 m, le faisceau a une dimension de l'ordre de 180 m. D'après Futaba [1], T est égal à 230um pour 95 % des électrons émis par un émetteur. Afin d'obtenir une dimension de faisceau inférieure à 100 m, Futaba et Pixtech utilisent la technique de l'anode commutée : dual anode [1]et triple anode [2]. Dans ces configurations, une anode commutée est bordée d'anodes non sélectionnées donc non polarisées. Il en résulte que les électrons se focalisent sur l'anode sélectionnée. La taille du faisceau au niveau de l'anode est alors inférieure à

100 pm. Cependant, la distance inter anode étant de l'ordre de 30 um, il semble impossible d'utiliser une tension d'anode élevée supérieure à 1 kV. Les phosphores basse tension ayant un mauvais rendement, les résultats actuels sont peu satisfaisants car l'écran obtenu est faiblement lumineux : 80 cd/m2 au lieu de 500 cd/m2 pour un écran avionique.

La capacité d'un pixel étant de :

avec: so = 8,8 10-'Z Flm, e, l'épaisseur de silice entre grille et base de la pointe, e = 1 m, E,du silice, #r = 4, et S, la surface de recouvrement par pixel, S = 50 m par 50 m,

le paramètre P vaut : P (.je) = 0,05 . Cp(pF) Vscan2 = 4 u avec Vscan = 30 V ; une valeur équivalente à celle obtenue pour un écran à cristal liquide.

Afin d'obtenir un écran lumineux de haute résolution, il faut un écran fonctionnant avec une tension d'anode de 4 kV à 6 kV et pour lequel le paramètre X soit faible (30 m). Pour ce faire, il faut que le faisceau émis par la cathode soit peu divergent et peu énergétique.

Suivant cet objectif, la Société Canon a développé un écran fonctionnant avec une tension d'anode Va=6kV pour une distance cathodeanode de 3 mm [3]. Chaque émetteur est une diode à émission de champ réalisée dans une couche mince d'oxyde de palladium déposée, au niveau de chaque pixel, sur deux électrodes distinctes de platine. Une décharge électrique entre ces électrodes induit la formation d'une fissure de taille nanométrique. D'après la Société Canon, l'énergie moyenne des électrons émis est de l'ordre de 1 eV [4]. Comme l'émission est isotrope, le paramètre X obtenu est égal à 77 m et la taille de faisceau est de l'ordre de 200 m.

La Société Canon a ainsi pu réaliser un écran avec un pas de pixel de 290 par 650 m. Pour obtenir un paramètre X inférieur à 30 m, il faut que dca=0,45 mm et par conséquent que Va = 900 Volts, valeur pour laquelle les phosphores n'ont pas un bon rendement. D'autre part l'efficacité d'émission, rapport entre le courant émis et celui consommé, est faible de l'ordre de 0,3% et le processus de formation des diodes ne semble pas permettre la réalisation d'émetteurs ayant des propriétés électriques uniformes au pourcent près. En effet, la localisation et la forme de la fissure est aléatoire. En revanche le paramètre P du pixel est négligeable car la capacité d'une nanofissure est très faible.

Un autre type d'écran à émission de champ est connu et fabriqué par la Société Hitachi [5]. Celle-ci a réalisé un écran pour lequel l'émetteur est un dispositif MIM (métal isolant métal) qui émet des électrons d'énergie moyenne 1 eV. La distance cathode-anode est de 2 mm et la tension d'anode de 2 à 6 kV. Pour Va = 4 kV, X est, d'après la Société Hitachi, égal à 25 m et ceci pour 99,9 % des électrons émis par un émetteur. Ce paramètre X correspond à un angle 9 de l'ordre de 23 degrés. Ce bon résultat a été attribué au fait que le champ accélérateur est perpendiculaire à la surface émissive et que l'isolant a été obtenu dans un état non formé.

Par contre, de même que pour l'écran de la Société Canon, l'efficacité d'émission est faible (0,5 %). La capacité de pixel est de 38 pF puisque la surface d'alumine, de constante diélectrique 8 et d'épaisseur 5,5 nm, est

d'après la Société Hitachi de 3.10-5 cm2 par pixel. Par conséquent, la

puissance caractéristique dissipée est : P=0,05 x 38 x 52 =47,5 W , soit une valeur plus de 10 fois supérieure à celle d'un écran à cristal liquide.

Un autre type d'écran à émission de champ moins connu consiste en des écrans équipés de cathodes froides utilisant un matériau à faible affinité électronique, généralement du carbone à structure diamant. On appelle matériau à faible affinité électronique un matériau qui émet des électrons après application d'un champ électrique faible (de quelques

volts/pm à quelques dizaines de volts/pm). Ces matériaux sont généralement à base de carbone avec une structure proche du diamant, du DLC abréviation des termes anglo-saxons diamond like carbon, ou des alliages amorphes du type a-C:H, a-C .H N ou ta-C et ta-C .N. Cette propriété est souvent attribuée à la faible affinité électronique qu'aurait le matériau mais qui peut être due à d'autres phénomènes [6]. Dans la suite du document ce matériau est désigné par les termes matériau à faible affinité électronique suivant l'usage de l'homme de l'art. Ces matériaux présentent le gros avantage d'émettre des électrons pour des champs d'extraction faibles, de l'ordre de 10 V/ m. Comme il est facile d'obtenir de tels champs sur une couche mince plane, Il n'est plus nécessaire de façonner des pointes, ce qui facilite le procédé de fabrication. Par exemple, dans une cathode à pointes, il est indispensable de contrôler le diamètre des trous dans la grille d'extraction à 0,1 m près [7].

W. Zhu et al. [8] ont étudié des dépôts de diamant polycristallin obtenu par CVD, abréviation des termes anglo-saxons chemical vapour deposition, et ont montré que la densité d'émission augmentait fortement avec la densité de défauts que contiennent les films. Certaines conditions de dépôt permettent d'obtenir des couches présentant, pour des champs de l'ordre de 30 V/ m, des densités de courant de 10 mA/cm2, soit une valeur suffisante pour fabriquer un écran de luminosité 300 cd/m2. Cependant, les propriétés émissives des films semblent peu uniformes car elles dépendent beaucoup de la rugosité, de l'ordre de la taille de grain qui est de l'ordre de 5 m, et de la densité de défauts [9].

Les différents types d'écrans à émission de champ connus présentent des inconvénients, précédemment rappelés.

Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients des types d'écrans connus.

A cet effet, l'invention a pour objet un écran de visualisation de haute résolution comprenant une cathode, une anode et, entre la cathode et l'anode, une galette de microcanaux pour canaliser les électrons émis par la cathode.

L'invention consiste à intercaler entre une cathode émissive et les luminophores d'une anode une galette de microcanaux. Cette galette transforme des électrons primaires en électrons secondaires qui sont canalisés et éventuellement amplifiés le long des microcanaux avec un gain déterminé inférieur à un gain maximal de l'ordre de 1.104 (des gains de 1.107 peuvent être obtenus avec des galettes utilisant des canaux "courbés" de type "chevron"). Les électrons, à la sortie de la galette, sont accélérés de façon à frapper l'anode avec une certaine énergie. La galette est polarisée sur chaque face à une tension, V1 à l'entrée et V2 à la sortie. Le choix de V1 détermine l'énergie des électrons pénétrant dans les microcanaux de la galette. Pour ne pas atténuer les différents faisceaux, cette énergie doit être supérieure à celle du premier crossover du matériau recouvrant les parois des microcanaux ; le crossover est l'énergie pour laquelle le gain en électrons secondaires est égal à 1. Lors de la traversée de la galette de microcanaux, les électrons sont maintenus physiquement dans les microcanaux et peuvent être amplifiés.

L'invention permet, d'une part, de s'affranchir du problème de divergence des faisceaux électroniques émis par une cathode et, d'autre part, de générer un faisceau parallèle d'énergie de l'ordre de 5 keV qui permet d'obtenir un bon rendement lumineux de l'ordre de 5 Lm/W.

Dans un mode particulier de mise en #uvre de l'invention, l'écran comprend une matrice de microcanons à émission de champ. Cet écran présente l'avantage d'intégrer sur un même support, ou substrat, les émetteurs électroniques et les microcanaux
L'invention a aussi pour objet un procédé d'obtention d'une matrice de microcanons à émission de champ Ce procédé consiste, sur un support ou substrat, à implanter une diode pin dans laquelle sont microusinés les microcanaux, à déposer certaines couches sur une des faces du

support pour pouvoir graver des colonnes de grilles de commande et des lignes d'émetteurs.

L'invention sera bien comprise et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante présentée à titre d'illustration non limitative et faite en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1, un écran à émission de champ selon l'art antérieur, - la figure 2, un faisceau d'électrons de la figure 1, - la figure 3, un écran à émission de champ selon l'invention, - la figure 4, deux faisceaux d'électrons de la figure 3, - la figure 5, une coupe schématique d'une matrice de microcanons, - les figures 6a à 6g, des étapes d'un procédé de réalisation d'une matrice de microcanons, - la figure 7a, un schéma d'une matrice de microcanons vue en perspective, - la figure 7b, un mode de sélection d'un émetteur d'une matrice de microcanons, - les figures 8a à 8c, des étapes d'une variante du procédé décrit en regard des figures 6a à 6g, - la figure 9, une variante d'une matrice de microcanons représentée sur les figures 7a et 7b.

Sur les différentes figures, les éléments homologues portent les mêmes numéros de référence.

La figure 1 représente schématiquement un écran à émission de champ selon l'art antérieur Sa structure se compose d'une cathode 1, d'une anode 2 et d'un espace interélectrode 3 sous vide. La cathode 1 et l'anode 2 sont distantes d'une distance dca. La cathode 1 est une matrice d'émetteurs 4 d'électrons. Les électrons émis par un émetteur 4 forment un faisceau d'électrons 5. Les électrons émis illuminent l'anode 2 sur laquelle sont réparties des récepteurs 6 Les récepteurs 6 sont composés de phosphore, aussi dénommés luminophores Le pas inter pixel correspond à la distance appelée pas et notée p entre deux récepteurs 6 ; chaque émetteur 4 a une surface de dimensions #E par E. Le faisceau d'électrons 5 émis par un émetteur 4 frappe l'anode avec une surface de dimensions T par #T

La figure 2 est une vue agrandie d'un faisceau d'électrons de la figure 1.2X étant l'élargissement du faisceau d'électrons par rapport à sa taille initiale, E et T sont liés par la relation : T = E + 2X. Chaque émetteur 4 émet un faisceau d'électrons 5 de vitesse initiale Vi dans un cône de demi angle #. V0 et Vp sont les projections orthogonales de Vi ; V0 suivant la direction du flux d'électrons et Vp suivant la direction perpendiculaire. L'anode 2 est polarisée à une tension Va et la cathode 1 est polarisée à une tension Vc. La différence de potentiel entre la cathode 1 # et l'anode 2 définit un champ électrique E .

La figure 3 représente un écran à émission de champ selon l'invention dans lequel la structure d'écran cathode-anode est similaire à celle de l'art antérieur. Les éléments homologues à l'écran de l'art antérieur de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence et ne sont pas redécrits. Une galette 7 de microcanaux 8 est disposée dans l'espace interélectrode 3. Les microcanaux 8 sont les uns à côté des autres, disposés parallèlement à la direction des faisceaux d'électrons. La galette 7 de microcanaux 8 a une face d'entrée 9 et une face de sortie 10. La face d'entrée 9 est polarisée à une tension V1 et la face de sortie est polarisée à une tension V2. Chaque microcanal 8 a sa paroi interne recouverte d'un matériau donné.

La figure 4 est une loupe sur deux faisceaux d'électrons de la figure 3. Un émetteur 4 émet un faisceau d'électrons 5. L'émetteur a une taille E, de l'ordre de 20 m. Le faisceau d'électrons 5 pénètrent dans un certain nombre n de microcanaux. Le nombre n de microcanaux est donné par le rapport entre la taille du faisceau à l'entrée de la galette, le diamètre d'un microcanal et la distance centre à centre entre deux microcanaux. La taille du faisceau à l'entrée de la galette est déterminée par la distance dCG entre la galette 7 et la cathode 1, la taille E d'un émetteur et l'angle 0. Le nombre n de microcanaux, qui déterminent un diamètre équivalent #G, émet des électrons secondaires faiblement énergétiques dans un cône d'angle 201 ce qui conduit à un paramètre X1. Le faisceau d'électrons frappe l'anode

2 avec une taille T = h + 2X,. La différence de potentiel V2 - V, entre les

deux faces de la galette détermine un gain d'amplification G du nombre d'électrons. L'exemple qui suit correspond à une mise en #uvre particulière d'un écran selon l'invention. Le diamètre des microcanaux est d'environ 8

pm avec une distance centre à centre de 10 nom, le pas p est de 100 nom par 100 m. Avec une différence de potentiel V2 - Vi de 1000 V entre la face d'entrée et la face de sortie de la galette, le gain d'amplification G vaut 1.104. La galette émet des électrons secondaires faiblement énergétiques ; leur énergie est de quelques eV. Les électrons secondaires sont émis dans un cône d'angle 20, = 30 , ce qui correspond à un paramètre X1 de 30 m.

Le faisceau d'électrons qui est canalisé par un nombre donné n de microcanaux représentent un diamètre total #G égal à 40 m. La taille du faisceau d'électrons entrant dans la galette doit être inférieure à 40 m par

40 pm. Il est possible de choisir une source émissive de 20 nom par 20 nom et une distance cathode-galette dCG telle que le paramètre X du faisceau entrant soit inférieur à 10 m.

Un écran selon l'invention peut être mis en #uvre de différentes manières suivant la structure d'écran utilisée.

Le premier exemple, ci-après décrit, illustre une mise en #uvre avec une structure d'écran du type de celle des écrans à émission de champ fabriqués par la Société Pixtech.

Les électrons émis ont une énergie de l'ordre de 80 eV , V1 peut être choisie égale à 100 V afin que la distance cathode-galette soit dcc = 0,02/2 = 10.10-3 mm = 10 m. Le paramètre X étant égal à 6,5 m, la dimension du faisceau entrant dans la galette doit être inférieure à 40 m par 40 m. L'insertion d'une galette permet d'améliorer sensiblement la résolution de l'écran . le pas de pixel est de 100 m au lieu de 230 m. De plus, les phosphores étant polarisés à haute tension, environ 5 kV, il devient alors possible de fabriquer un écran avionique lumineux et de haute résolution. La diminution d'un facteur 4 de l'intensité électronique émise par pixel avec une source émissive de 20 m par 20 m au lieu de 40 m par 40 m est facilement compensable par le gain de la galette de microcanaux qui peut atteindre environ 1.104.

Le deuxième exemple, ci-après décrit, illustre une mise en #uvre avec une structure d'écran du type de celle des écrans à émission de champ

fabriqués par la Société Canon, ou du type à cathode à faible affinité électronique ou du type de celle des écrans fabriqués par la Société Hitachi.

Les électrons émis étant peu énergétiques (1 eV), la contrainte sur la distance cathode-galette dCG peut s'écrire, pour un élargissement de faisceau X donné :

avec ECG le champ cathode-galette, ECG = Vi/dcc; et ECG < 2.106V/m l'inéquation (9) devient :

soit:

Ce qui donne (dCG( m) étant la distance cathode-galette en microns) :

En fixant X = 10 pm et Vi = 100 V (ce qui impose dCG 50 um pour limiter le champ maximum à 2.106 V/m), la distance cathode-galette dCG prend les valeurs suivantes : . dCG = 50 m pour un écran du type de celui fabriqué par la Société Canon, ou pour un écran équipé d'une cathode utilisant un matériau à faible affinité électronique,

z 50 < des 128 um pour un écran du type de celui fabriqué par la Société Hitachi.

La distance minimum de 50 m peut être réduite car sur de faibles distances (d # 50 m) il est possible de travailler avec des champs

supérieurs à 2.106 vlam [10].

Le troisième exemple, ci-après décrit, illustre une mise en #uvre avec une structure d'écran du type des écrans à émission de champ équipés d'une cathode à faible affinité électronique présentant une faible densité d'émission. Un écran selon l'invention est particulièrement adapté à l'utilisation de cathodes possédant une faible densité d'émission (inférieure à 10 mA/cm2). En effet, l'insertion d'une galette de microcanaux entre la cathode et l'anode permet le choix d'un matériau indépendamment de ses caractéristiques émissives.

Ken Okano et al [11] ont développé un matériau polycristallin de type diamant dopé à l'azote obtenu par dépôt en phase vapeur qui présente

une densité d'émission de 10-6 à 3 10-5 A/cm2 pour des champs de 0,5 à 3 V/ m. De tels champs peuvent être facilement obtenus avec des tensions de 1,5 V sur une distance de 0,5 m. Ceci permet d'utiliser des drivers de très bas coût car cette tension correspond à la tension de fonctionnement des circuits standards. L'insertion d'une galette de microcanaux fonctionnant avec un gain de 5300 permet alors d'obtenir une luminosité de 500 cd/m2

(3.10-5 A/cm2 x 5300 = 160 mA/cm2).

Du fait que la faible affinité électronique de ces matériaux semble indépendante de la structure cristalline, J Robertson [12] a réalisé des cathodes carbone diamant amorphe. Les films obtenus sont plans et ont des propriétés émissives uniformes (pas de structures cristallines). Ces matériaux appelés ta-C, ou ta-C:N lorsqu'il est dopé à l'azote, permettent d'obtenir des densités de courant respectivement de, 4.10-8 à 2 10-5 A/cm2

pour des champs de 6 à 16 Vint et de, 10"7 à 7 10-5 AlcmZ pour des champs de 4 à 14 V/cm. Les électrons sont émis, comme pour une cathode du type de celle des écrans fabriqués par la société Canon, avec une faible énergie (1 eV) et de façon isotrope. L'insertion d'une galette fonctionnant avec un

gain de 8000 (2.10-5 A/cm2x 8000 = 160 mAlcm2 ) pour ta-C, ou 2300 ( 7.10-5 AIcm2 x 2300 = 160 mA/cm2) pour ta-C N, permet à la fois d'amplifier les

faisceaux émis et de fabriquer un écran de type avionique ; c'est-à-dire avec un pas de pixel de 100 m et une luminosité de 500 cd/m2.

En choisissant une épaisseur de diélectrique, habituellement fait de silice, entre grille et matériau émissif de 0,5 m, la capacité par pixel est :

avec: #r du silice #r = 4,
S : surface émissive 20 m par 20 m.

Par conséquent, P = 0,035 W avec Vscan = 5V, soit une valeur 100 fois inférieure à celle d'un écran à cristal liquide.

La consommation d'une galette de microcanaux peut être calculée comme suit :

avec : le le courant émis par la galette,
R le rendement de la galette,
V±V- la polarisation de la galette.

Le courant émis par la galette doit être de l'ordre de 0,64 mA ; il s'agit du courant nécessaire pour obtenir une ligne blanche de 1000 pixels. Le courant de fuite limite le rendement d'une galette Le rendement d'une galette étant de l'ordre de 10%, l'obtention d'un écran blanc correspond à une puissance maximum dissipée dans la galette de 6,4 W pour une polarisation de 1000 V ; un gain de 1.104. Cette consommation, qui correspond à un cas extrême, est considérée comme très faible par l'homme de l'art.

Dans un autre mode de mise en #uvre de l'invention, les émetteurs électroniques et les microcanaux sont intégrés sur un même support ou substrat de façon à fabriquer une matrice de microcanons.

La figure 5 illustre d'une manière schématique une matrice de microcanons vue en coupe. La matrice est fabriquée dans un support à partir d'un substrat semi-conducteur 11. Le substrat est par exemple du

silicium ou de l'arséniure de gallium. Le support comprend le substrat 11 dont les faces sont dopées 12,13 et des couches, respectivement 14,15, 16, 17,18 et 19 déposées sur une des faces, respectivement 12 et 13. Les microcanaux 8 sont micro-usinés dans le support dans lequel a été implanté une diode pin. La zone intrinsèque de la diode pin est le substrat semiconducteur 11et les zones dopées de la diode pin sont les faces dopées 12, 13 du substrat 11. Les émetteurs 4 électroniques sont fabriqués du côté de la face dopée p+ 12 du substrat par des techniques de micro-lithographie et micro-usinage. Le matériau 14 émetteur d'électrons peut être un métal (dans ce cas il est nécessaire de façonner des pointes) ou un matériau à faible affinité électronique (cas illustré par la figure 5).

Un procédé de fabrication d'une matrice de microcanons est décrit en regard des figures 6a à 6g
La figure 6a représente le substrat semi-conducteur intrinsèque 11 utilisé. Le substrat semi-conducteur intrinsèque 11 présente sur une épaisseur faible, de l'ordre du micron, un dopage p+ en face arrière 12 et un dopage n+ en face avant 13 Ces dopages peuvent être obtenus par implantation ionique suivi d'un recuit d'activation, par diffusion d'espèces dopantes ou par épitaxie d'une couche mince dopée.

Le procédé consiste ensuite, figure 6b, à déposer successivement sur la face arrière 12 un premier isolant 15, par exemple une couche de silice ou de nitrure de silicium, et un premier conducteur 16, par exemple un métal. Une étape de lithographie/gravure permet alors de définir les colonnes de premier conducteur 16.

La figure 6c illustre différentes phases qui s'enchaînent à la suite des précédentes. Sur la face arrière est déposé un deuxième isolant 17, puis un matériau à faible affinité électronique 14 et un deuxième conducteur 18.

Le procédé consiste ensuite, figure 6d, à graver le sandwich Si n+, Si intrinsèque, Si p+, premier isolant 15, premier conducteur 16 ainsi qu'à graver partiellement la couche de deuxième isolant 17 dans les zones prédéfinies par lithographie de façon à définir les microcanaux 8. Le diamètre des microcanaux et la distance inter-microcanaux dépendent de l'application désirée. Cependant, afin d'obtenir un bon facteur de multiplication, le rapport entre la longueur et le diamètre de ces microcanaux

doit être de l'ordre de 30 à 50. Par exemple, à un diamètre de microcanal de 10 m correspond de préférence un substrat d'épaisseur 300 à 500 m.

Préférentiellement, le procédé effectue un traitement de surface des parois internes des microcanaux. Le but de ce traitement est d'obtenir sur ces parois un gain élevé en électrons secondaires (> 10). Ceci consiste, par exemple, à effectuer un dépôt mince (quelques dizaines de nanomètres) en phase vapeur d'oxyde de magnésium. Tout autre traitement connu de l'homme de l'art est applicable.

Après ce traitement, le procédé consiste, figure 6e, à attaquer chimiquement le premier isolant 15 et le deuxième isolant 17 afin d'obtenir une sous-gravure de ces deux couches.

Par un deuxième niveau de lithographie illustré par la figure 6f, le procédé définit les lignes constituées du sandwich matériau à faible affinité électronique 14 et deuxième conducteur 18.

Dans une dernière étape du procédé, figure 6g, un dépôt d'un troisième conducteur 19, par exemple un métal, est obtenu par évaporation d'un métal. L'évaporation est effectuée sous un angle d'incidence # pour permettre d'effectuer le dépôt sur la face avant du substrat avec une pénétration contrôlée du dépôt dans les microcanaux 8 L'uniformité du dépôt peut être obtenue par une rotation du porte substrat sur lui-même et autour de l'axe passant par le creuset contenant le produit à évaporer. Du fait de la pénétration contrôlée du métal dans les microcanaux 8, le conducteur 19 agit comme une matrice de micro-lentilles qui fournit une forte collimation du faisceau en sortie des microcanaux.

La figure 7a montre une vue en perspective d'une matrice de microcanons obtenue suivant le procédé précédemment décrit. La figure 7b schématise l'émission d'électrons lors de la sélection d'émetteurs de la cathode. Dans une matrice de microcanons la cathode se compose des lignes d'émetteurs 14,18. La matrice de microcanons se compose de microcanaux 8 réalisés dans le substrat 11 de silicium et d'émetteurs 4 électroniques fabriqués sur la face dopée p+ 12 de ce substrat Une telle matrice de microcanons permet d'obtenir un autoalignement entre les émetteurs électroniques et les microcanaux. L'arrangement ligne/colonne 14,18,16 permet un adressage multiplexé de chaque microcanon. La sélection d'une ligne d'émetteurs est effectuée en polarisant à une tension

Vp la ligne formée du deuxième conducteur 18. Lorsqu'une ligne d'émetteurs 14, 18 est sélectionnée, les données présentes sur les colonnes 16 permettent de définir les courants électroniques des émetteurs de cette ligne 14,18. Soit l'exemple suivant. Le matériau à faible affinité électronique choisi a une dynamique d'émission électronique de 100, entre 10 V/ m, tension qui permet d'obtenir un point noir sur un écran, et 20 V/ m, tension qui permet d'obtenir un point blanc sur un écran. Le deuxième isolant 17 a une épaisseur de 0,5 m. Suivant cette configuration, chaque émetteur peut fonctionner pour des tensions de polarisation VG de la grille d'extraction de 5 à 10 V ; la grille d'extraction est matérialisée par le deuxième conducteur 16.

Par conséquent, en polarisant à 0 Volts, Vp = 0 V, la ligne sélectionnée, et à 5V, Vp = 5 V, les lignes non sélectionnées, les tensions nécessaires à l'adressage des colonnes sont comprises entre 5 et 10 V. Les électrons 20 émis par une cathode sélectionnée 21 pénètrent dans les microcanaux 8 avec une énergie de 100 eV, car la tension d'entrée des canaux est égale à VE = 100 V. La tension de sortie des microcanaux Vs est déterminée pour être supérieur à la tension d'entrée VE des microcanaux ; elle peut prendre une valeur entre 200 et 1000 V, par exemple La diode pin étant polarisée en inverse, le champ électrique se développe dans la zone intrinsèque ; c'est-à-dire dans la zone de charge d'espace. Les équipotentielles comprises entre VE et Vs se répartissent uniformément le long des microcanaux 8. Lors de l'impact d'un électron sur les parois des microcanaux, 10 à 20 électrons secondaires 22 sont générés ; leur nombre dépend de l'efficacité du traitement de surface des microcanaux.

Cette méthode n'est qu'un exemple de méthode d'adressage ; toutes les méthodes connues de l'homme de l'art conviennent et en particulier les méthodes d'adressage actif dont le brevet FR n 98 05 555 donne une description.

De même que dans les modes de mise en #uvre précédemment décrits, les microcanaux permettent de transformer un faisceau électronique divergent en un faisceau caractérisé par une forte collimation et donc compatible avec la fabrication d'un écran de haute résolution et de forte luminosité. Dans le cas où les courants émis par les émetteurs sont faibles, il est possible d'utiliser les propriétés d'amplification électronique propres aux dispositifs à microcanaux.

La capacité d'un pixel est égale à :

(15) avec : e1 l'épaisseur isolant 1, e1 = 1 m, e2 l'épaisseur isolant 2, e2 = 0,5 m, #r du silice, #r = 4,
S la surface de recouvrement par pixel, S = 60 m par 60 m.

Le paramètre caractéristique P est égal à :

P (IlW)=0,05 x Cp(pF) x Vscan =0,47W (16) avec Vscan = 5 V soit une valeur plus de 6 fois inférieure à celle obtenue pour un écran à cristal liquide.

Les figures 8a à 8c illustrent une variante du procédé, décrit en regard des figures 6a à 6g, qui permet d'obtenir une matrice de microcanons dont les émetteurs 4 ont des dimensions #E x #E plus petites que le diamètre #C des microcanaux 8 (figure 8c). Cette différence permet avantageusement de supprimer toute interaction entre le faisceau d'électrons émis et la grille d'extraction. Après les opérations décrites en regard des figures 6a et 6b, la variante du procédé réalise les dépôts décrits en regard de la figure 6c, sauf le dépôt du deuxième conducteur 18. A ce niveau, une opération de gravure, figure 8a, permet de graver les différentes couches :face avant 13, substrat 11, face arrière 12, premier isolant 15, premier conducteur 16 et deuxième isolant 17 ; la gravure du deuxième isolant 17 n'est que partielle. L'opération de gravure précédente dégage les microcanaux 8 dans lesquels est effectué un traitement de surface. Une opération de lithographie/gravure, figure 8b, permet de définir des plots, dans le matériau à faible affinité électronique 14,

de dimensions E x E inférieures au diamètre <})c des microcanaux 8. Pour obtenir un bon alignement entre les plots et les microcanaux 8, il est possible d'utiliser un éclairage blanc visible par la face arrière. En effet, la plupart des isolants (en particulier la silice et le nitrure de silicium) sont transparents à la lumière visible, alors que le silicium et l'arséniure de

gallium sont opaques pour ces longueurs d'onde. L'opération de lithographie/gravure est suivie du dépôt du deuxième conducteur 18. Les opérations suivantes, figure 8c, consistent à graver le deuxième conducteur 18 de façon à définir les lignes d'adressage, et à déposer le troisième conducteur 19 d'une manière similaire à celle décrite en regard de la figure 6g.

La matrice de microcanons illustrée par la figure 9 est une variante de celle illustrée par les figures 7a et 7b pour laquelle on rajoute un deuxième substrat 23 de semi-conducteur qui joue le rôle d'espaceur.

Le deuxième substrat 23 semi-conducteur intrinsèque présente également une face dopée p+ 24 et une face dopée n+ 25.

Sa face p+ 24 est posée sur la face avant 13 de la matrice de microcanons. Ce substrat 23 d'épaisseur d1, d1 étant de l'ordre de 1 mm, est micro-usiné de façon à former des cavités 26 de dimensions

</>0 x </>0 = 80 jim x 80jim. L'anode 2 se compose d'une plaque de verre recouverte de phosphores 27 L'anode est posée sur ce deuxième substrat 23 qui joue le rôle d'espaceur.

Cet assemblage matrice de microcanons, espaceur et anode doit respecter l'alignement microcanaux 8, cavité 26, motif de luminophore sur l'anode.

La taille des cavités #o x #o est choisie de façon à ce que le faisceau d'électrons 22 n'interfère pas avec les parois de ces cavités. Dans

l'exemple retenu, les cavités ont des dimensions , x </>0 = 80 jim x 80m et les microcanaux ont un diamètre #c de l'ordre de 10 m. L'épaisseur d2 du substrat 11dans lequel sont micro-usinés les microcanaux est de l'ordre de 0. 3mm et le pas p entre les émetteurs est de l'ordre de 100 m.

La tension de claquage d'une diode pin polarisée en inverse dans un substrat de silicium monocristallin étant de l'ordre de 40 V/ m (40 kV/mm), on peut appliquer aisément une tension de 5 kV sur ce substrat d'épaisseur d1 # 1 mm. Par conséquent, l'écran peut fonctionner avec des électrons d'énergie 5 kV et peut donc atteindre des luminosités de l'ordre de 500 cd/m2.

ANNEXE A
Références [1] M. Tanaka, K. Takayama, A Azeta, K Yano and T. Kishino, Proc. of
SID 97, p. 47 [2] R. Meyer, Proc. of SID'91, p 437 [3] E. Yamaguchi, K. Sakai, I. Nomura, T Ono, M Yamanobe, N. Abe,
T. Hara, K. Hatanaka, Y. Osada, H. Yamamoto, T. Nakagiri, Proc. of
SID97, p. 52.

[4] A. Asai, M. Okuda, S. Matsutani, K. Shinjo, N Nakamura, K.

Hatanaka, Y. Osada and T. Nakagiri, Proc. of SID 97, p. 127.

[5] M. Susuki, T Kusunoki, SID 97, p 123 [6] W. Zhirnov and J.J Hren MRS bulletin 23, 42 (1998) [7] J.M. Kim, J.P. Hong, J W Kim, J.H. Choi, N S Park, J H Kang, J.E.

Jang, Y. S. Ryu, H.C. Yang, B I. Gorfinkell and E.V. Roussina, J. Vac.

Sci. Technol. B15, 528 (1997).

[8] W. Zhu, G.P. Kochanski, S. Jin and L Seibles, J Appl. Phys. 78, 2707(1995); [9] C. Wang, A. Garcia, D. Ingram, M. Lake and M E. Kordesch,
Electron Lett , 27 (1991) 1459.

[10] X. Ma and T.S. Sudarshan, JVSTB 16, 745 (1998).

[11] K. Okano, S Koizumi, S P Silva and G A J Amaratunga, Nature
381, 140 (1996).

[12] J Robertson, Thin Solid Films 296, 61 (1997)

Claims

REVENDICATIONS

1. Ecran de visualisation de haute résolution comprenant une cathode (1) et une anode (2), caractérisé en ce qu'il comprend entre la cathode (1) et l'anode (2) une galette (7) de microcanaux (8) pour canaliser les électrons émis par les émetteurs (4) de la cathode (1) et pour obtenir un faisceau ayant une forte collimation en sortie des microcanaux (8).

2. Ecran de visualisation de haute résolution selon la revendication 1, caractérisé en ce que les émetteurs (4) de la cathode (1) et les microcanaux (8) sont réalisés dans un même support pour former une matrice de microcanons.

3. Ecran de visualisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support est constitué d'au moins un premier substrat (11) semiconducteur avec une face dopée p+ (12) sur laquelle sont empilées des couches déterminées (14, 15,16, 17,18) pour réaliser les émetteurs (4) et en ce que les microcanaux (8) sont micro-usinés dans une partie du premier substrat équivalente à une diode pin dont la zone intrinsèque est constituée par le premier substrat (11) et dont les zones dopées (12,13) sont réalisées de part et d'autre de ce premier substrat (11).

4. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'anode (2) est montée sur la matrice de microcanons par l'intermédiaire d'un espaceur gravé dans un deuxième substrat (23) semi-conducteur intrinsèque, l'espaceur comportant des cavités (26) centrées sur les micro-canaux (8) et les phosphores (27) de l'anode (2).

5. Ecran de visualisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le deuxième substrat (23) comprend une face dopée p+ (24), en regard de la matrice de microcanons, et une face dopée n+ (25) en regard de l'anode (2).

6. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (14) émetteur d'électrons de la cathode (1 ) est un métal.

7. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (14) émetteur d'électrons de la cathode (1) est un matériau à faible affinité électronique.

8. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les dimensions (E, E) des émetteurs (4) sont inférieures au diamètre (#c) des microcanaux (8).

9. Procédé de réalisation dans un support d'une matrice de microcanons, pour un écran de visualisation, caractérisé en ce qu'il consiste : - à implanter une diode pin dans le support (11), diode dans laquelle est micro-usinée des microcanaux (8), - à déposer successivement sur une (12) des faces du support une première couche isolante (15) et une première couche conductrice (16), - à graver des colonnes dans la première couche conductrice (16) pour réaliser des grilles de commande, - à déposer successivement sur les colonnes une deuxième couche isolante (17), une couche de matériau à faible affinité électronique (14) et une deuxième couche conductrice (18), - à graver des lignes dans la couche de matériau à faible affinité électronique (14) et dans la deuxième couche conductrice (18), pour obtenir des émetteurs (4) alignés avec les microcanaux (8), - à déposer une troisième couche conductrice (19) sur l'autre face (13) du support avec une pénétration contrôlée du dépôt dans les microcanaux (8).

10. Procédé de réalisation dans un support d'une matrice de microcanons, pour un écran de visualisation, selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un traitement de surface de la surface interne des microcanaux (8).