FR2836280A1 - Structure de cathode a couche emissive formee sur une couche resistive - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode (33), d'une couche de matériau émetteur d'électrons (34) et d'une couche résistive (36) interposée entre l'électrode de cathode (33) et la couche de matériau émetteur d'électrons (34) pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille (35) séparée dudit ensemble cathodique par une couche d'isolant électrique (31). L'électrode de cathode (33) et la couche de matériau émetteur d'électrons (34) sont disposées latéralement l'une par rapport à l'autre.
Description
-1
STROCTRE DE CATODE A COU_E EMISSIVE FORMEE SUR ONE
COUCHE RESISTIVE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne une structure de cathode à couche émissive formée sur une couche résistive, cette structure de cathode étant utilisable
dans un écran plat à émission de champ.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un dispositif de visualisation par cathodo-
luminescence excité par émission de champ comprend une cathode ou structure émettrice d'électrons et une anode - en regard recouverte d'une couche luminescente. L' anode et la cathode sont séparées par un espace o le vide a
été fait.
La cathode est soit une source à base de micro-pointes, soit une source à base d'une couche émissive à faible champ seuil. La couche émissive peut être une couche de nanotubes de carbone ou d'autres structures à base de carbone ou encore à base d'autres
matériaux ou de multicouches (A1N, BN).
La structure de la cathode peut être de type diode ou de type triode. Les structures triodes possèdent une électrode supplémentaire appelée grille et facilitant l' extraction des électrons de la source émissive. Plusieurs structures triodes ont déjà été envisagées. On peut les classer en deux grandes familles en fonction de la position de la grille par
rapport à la cathode.
Une première famille de structures triodes regroupe les structures o le conducteur cathodique est déposé au fond de trous réalisés dans une couche isolante et o la grille est située sur la couche S isolante. Ces structures triodes seront appelées par la suite structures de type I. Une telle structure triode est décrite dans le document FR-A-2 593 953 (correspondant au brevet américain N 4 '357 161) qui divulgue un procédé de fabrication d'un dispositif de visual isation par cathodo- luminescence excité par émission de champ. Le matériau émetteur déélectrons est déposé sur une couche conductrice apparente au fond de trous réalisés dans une couche isolante qui supporte
une grille d'extraction des électrons.
La figure 1 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type I selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation
par cathodo-luminescence excité par émission de champ.
Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 1 en matériau électriquement isolant est percoe d'un trou circulaire 2. Au fond du trou 2 est disposée une couche conductrice 3 formant cathode et supportant une couche 4 de matériau émetteur d'électrons. La face supérieure de la couche d'isolant 1 supporte une couche métallique S formant grille
d' extraction et entourant le trou 2.
Une deuxième famille de structures triodes regroupe des structures o le conducteur cathodique est déposé sur une couche isolante et o la grille est située sous la couche isolante. Ces structures triodes seront appelées par la suite structures de type II. De telles structures triodes sont décrites dans les
documents FR-A-2 798 507 et FR-A-2 798 508.
La figure 2 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type II selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation
par cathodo-luminescence excité par émission de champ.
Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 11 en matériau électriquement isolant supporte sur sa face inférieure une électrode de grille 15 constituée de deux parties encadrant une cathode 13 disposse sur la face supérieure de la couche 11 et supportant une couche 14 de matériau émetteur d'électrons. Pour que les structures de cathodes de type I et II fonctionnent correctement au niveau de l'émission électronique, il est nocessaire de complexifier l'empilement au niveau de la cathode en rajoutant, entre le conducteur de cathode et la couche émissive, une couche résistive dont l'objectif est de limiter le courant émis par les émetteurs individuels afin de rendre l'émission uniforme comme l'enseigne le document EP-A-O 316 214 (correspondant au brevet
américain N 4 940 916).
La localisation d'une couche émettrice en des zones précises d'un écran nécessite le dépôt sur ces zones dune couche de catalyseur (typiquement Fe, Co, Ni ou des alliages de ces matériauxJ, ce qui permet
ensuite la croissance sélective de la couche émettrice.
Ces zones sont appelées zones de croissance.
L'empilement complet au-dessus du conducteur cathodique pour les structures de cathodes de type I et II, après croissance de la couche émettrice est représenté à la figure 3. Cette figure, qui est une vue en coupe transversale, montre un conducteur de cathode 23 supportant successivement une couche résistive 26, une couche de catalyseur 27 et une
couche émissive 24.
Les problèmes rencontrés lors de l'élaboration de ces dispositifs sont liés à la croissance de la couche émissive qui se fait à haute température (de 500 C à 700 C). Cette étape conduit à la diffusion d'une partie du catalyseur métallique dans
la couche résistive qui est généralement en silicium.
Cette diffusion rend la couche résistive très conductrice, ce qui supprime son rôle fondamental de réqulateur de l'émission. La figure 4 montre, pour le dispositif de la figure 3, un volume 28 de diffusion du catalyseur métallique dans la couche résistive 26 à l' issue de l'étape de croissance de la couche émissive 24. Ce problème est commun aux structures de cathodes
de type I et II.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
Pour remédier à ce problème, il est proposé par la présente invention une structure dans laquelle l'intégrité de la couche résistive est maintenue après la croissance de la couche émissive, ce qui permet
d' assurer une émission électronique uniforme.
L' invention a pour objet une structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode, d'une couche de matériau émetteur d'électrons formée à partir d'une zone de croissance et destinée à émettre des - 5 électrons à partir d'une face d'émission, et d'une couche résistive interposée entre l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille séparse dudit ensemble cathodique par une couche disolant électrique, caractérisée en ce que l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons sont disposées
latéralement l'une par rapport à l'autre.
Selon un mode particulier de réalisation, la zone de croissance étant constituce de plusieurs plots de croissance séparés les uns des autres, la couche de matériau émetteur d'électrons est répartie sur ces plots. La couche résistive peut alors être
éliminée entre les plots de croissance.
La structure de cathade peut être de type I, auquel cas l'électrode de grille est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté de la face démission de la couche de matériau émetteur d'électrons. Si une ouverture est pratiquce dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons, la couche de matériau émetteur d'électrons peut être situse dans la partie centrale de l'ouverture. Elle peut aussi occuper toute la largeur de l'ouverture, l'électrode de cathode étant en retrait latéral par rapport à l'ouverture. Avantageusement, l'ouverture formant une tranchée rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons a également une forme rectangulaire. Si, comme il est dit plus haut, la zone de croissance est constituée de plusieurs plots de . ... croissance séparés les uns des autres et que les plots de croissance sont ronds, l'ouverture peut comprendre autant de trous cylindriques, tangents ou non, centrés
sur les plots.
Avantageusement, l'électrode de cathode comprend deux parties encadrant la couche de matériau
émetteur d'électrons.
La structure de cathode peut être de type II, auquel cas l'électrode de grille est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté opposé à la face d'émission de la couche de matériau émetteur d'électrons. Avantageusement, l'électrode de grille
comprend deux parties encadrant 1'ensemble cathodique.
De préférence, l'électrode de cathode est centrce entre les deux parties de l'électrode de grille, la zone de croissance étant constituée d'au moin$ un groupe de deux plots de croissance situés de part et d'autre de
l'électrode de cathode.
Quel que soit le type de structure de cathode, la zone de croissance peut être un multicouche de croissance. Ce multicouche de croissance peut être connecté électriquement à la couche résistive par
l'intermédiaire d'un conducteur métallique.
L' invention a aussi pour objet un écran plat à émission de champ comportant une pluralité de
structures de cathode telles que définies ci-dessus.
BRÉVE DESCRIPTION DES DESSINS
L' invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture
de la description qui va suivre, donnée à titre
d'exemple non limitatif, accompagnse des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche émissive, de type triode selon lart connu, la figure 2, déjà décrite, est une vue en coupe transvereale d'une structure de cathode à couche émissive de type triode selon l'art connu, les figures 3 et 4, déjà décrites, sont des vues en coupe transversale d'un ensemble cathodique comportant en superposition un conducteur de cathode, une couche résistive, une couche de catalyseur et une couche émissive, selon l'art connu, - la figure 5 est une vue en coupe transversale d f une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention, - les figures 6 et 7 sont des vues de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention, - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'une autre structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention, - la figure g est une vue de dessus d' encore une autre structure de cathode à couche 2S émissive, de type I, selon la présente invention, - les figures 10 et 11 sont respectivement des vues en coupe transersale et de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type II,
selon la présente invention,.
- la figure 12 est une vue en coupe transversale et explicative drune partie d' ensemble cathodique selon la présente inventiOn, - la figure 13 est une vue en coupe transversale d'une variante d'un ensemble cathodique selon la présente invention, - les figures 14A à 14I illustrent des procédés de réalisation d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente
invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE
L' INVENTION
La figure S est une vue en coupe transversale d'une structure de cathode à couche 1S émissive, de type I, selon la présente invention. Cette struture de cathode comprend, en superposition sur un support 30, une électrode de cathode 33 en deux parties, une couche résistive 36 recouvrant les deux parties de l'électrode de cathode 33 et la surface du support 30 située entre ces deux parties, une couche isolante 31 et une couche métallique 35 formant grille d' extraction des électrons. Un trou 32 expose la couche résistive 36. Au centre du trou 32, une couche de matériau émissif 34, formée à partir d'une zone de
croissance, repose sur la couche résistive 36.
Le trou 32 est par exemple une tranchée de largeur L réalisée dans la couche isolante 31 et la grille d'extraction 35. La largeur d de la zone de croissance de la couche de matériau émissif 34 est faible par rapport à la largeur L. Cette zone de croissance est située à une distance S des parties de l'électrode de cathode 33. Elle est reliée électriquement à ces parties par l'intermédiaire de la couche réaistive 36 d'épaisseur e. Les parties de l'électrode de cathode 33 sont situées à l'aplomb de la grille d'extraction 35. Elles pourraient également être
en retrait par rapport à 1' aplomb de la grille.
La zone de croissance peut êtrè discontinue et structurée en plots comme le montre la figure 6 qui est une w e de dessus possible de la structure de cathode de la figure 5. Elle montre que la couche de matériau é,,ssif 34 est répartie sur deux plots de croissance séparés d'une distance U qui est du même ordre de grandeur que la distance S. Une autre vue de dessus possible de la structure de cathode de la figure 5 est celle montrse à la figure 7. Dans cette variante de réalisation, la couche résistive 36 est gravée entre les plots de
croissance de la couche de matériau émissif 34.
La figure 8 est une vue en coupe tranevereale d'une structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention. Cette structure de cathode comprend en superposition sur un support 40, une électrode de cathode 43 en deux parties, une couche résistive 46 recouvrant les deux parties de l'électrode de cathode 43 et la surface du support 40 située entre ces deux parties, une couche isolante 41 et une couche métallique 45 formant grille dextraction des électrons. Un trou 42, par exemple une tranchée de largeur L, est réalisé dans la couche
isolante 41 et la grille d'extraction 45.
La couche de matériau émissif 44 est formée à partir d'une zone de croissance déposce sur la couche résistive 46 et qui occupe tout le fond de la tranchée 42. Elle est donc de même largeur que la largeur de la tranchée. L r électrode de cathode est en retrait d'une
distance S par rapport à la tranchée.
La figure 9 est une vue de dessus d' encore une autre structure de cathode à couche émissive, de type I, selon la présente invention. Dans cette variante, la couche émissive 54 est formee sur des plots de croissance ronds et est situee au fond de trous cylindriques 52, tangents ou non, centrés sur ces plots. Cette figure montre également la couche résistive 56 sur laquelle sont formés les plots de croissance, la grille d' extraction 55 et l'électrode de
cathode 53 en deux parties.
Les figures 10 et 11 sont respectivement des vues en coupe transversale et de dessus d'une structure de cathode à couche émissive, de type II, selon la présente invention. La figure 10 est une vue
selon la coupe X-X de la figure 11.
En se référant aux figures 10 et 11, un support 60 supporte successivement, une électrode de grille 65 en deux parties, une couche isolante 61 et un ensemble cathodique centré sur l'électrode de grille 65. L' ensemble cathodique comprend une électrode de cathode 63, une couche résistive 66 de largeur L déposée sur l'électrode de cathode 63 et déLordant de part et d'autre de cette électrode, et une couche émissive 64 formée sur plusieurs plots déposés sur les parties débordantes de l'électrode de cathode 63. Comme le montre la figure 11, la couche résistive 66 est distribuée en deux groupes supportant chacun deux plots
de croissance.
Les plots de croissance sont de largeur d et sont situés à une distance S de l'électrode de
cathode 63.
Une variante de linvention dans ce cas consisterait à avoir une couche résistive continue et
non pas gravée en bandes.
Les difficultés rencontrées par l'art antérieur pour les structures de type I et II sont résolues par l'invention. Le court-circuit de la couche résistive qui se produisait dans les structures de l'art antérieur, par diffusion du catalyseur dans cette couche résistive, est supprimé grâce au déport de l'électrode de cathode. En effet, la diffusion se fait pré==rentiellement dans l'épa'sseur de la couche résistive et ne détruit donc pas la résistance latérale, le déport étant tel qu'il subsiste une résistance satisfaisante. La répartition de la couche émissive en des plots séparés assure en outre l'indépendance électrique des zones émettrices les unes par rapport aux autres et donc une action indépendante de la couche réaistive pour chaque plot, ce qui assure
l'uniformité de l'émission.
I1 est possible de donner empiriquement une - distance minimum à S. c'està-dire à la distance séparant la zone de croissance de l'électrode de cathode. Cette distance doit être supérieure à la
diffusion latérale du catalyseur.
La figure 12 est une we en coupe tranaversale d'une partie d'ensemble cathodique selon l' invention. Elle montre une couche résistive 76 déposée sur un support 70 et une couche de catalyseur 77 située sur la couche résistive et destinée à servir de zone de croissance. Lors de la croissance de la couche émissive, la diffusion du catalyseur se fait dans un volume de diffusion 28 s'étalant sur une distance voisine de l'épaisseur e de la couche résistive 76. On peut estimer que S doit être de l'ordre de plusieurs fois l'épaisseur e, soit typiquement de 3 à 5 m. Cette valeur est purement
indicative et non limitative.
Dans les exemples de réalisation décrits précédemment, la zone de croissance est simplement constituée par une couche de catalyseur. En fait, la zone de croissancc peut être constituée d'un empilement de matériaux choisis pour favoriser la croissance de structures carbonées émettrices d'électrons. Il est également possible de ne pas réaliser la zone de croissance directement sur la couche résistive, mais de la connecter à la couche résistive par lintermédiaire dun conducteur métallique faisant partie de la
structure de croissance.
C'est ce que montre la figure 13 qui est une vue en coupe d'une partie d'un ensemble cathodique pour une structure de cathode de type II, conformément à l' invention. Une couche isolante 81 supporte une électrode de cathode 83 et une couche résistive 86 chevauchant l'électrode de cathode 83. La couche résistive 86 est. latéralement, en contact électrique avec un conducteur métallique 89 sur lequel a été formé un multicouche de croissance 87. Le multicouche de croissance peut étre par exemple un empilement comprenant du TiN et un matériau catalyseur tel que Fe, Co, Ni et Pt. Le conducteur métallique 89 peut être un
métal tel que Cr. Mo et Nb.
Les figures 14A à 14F illustrent un procédé de réalisation dtune structure de cathode de type I selon l'invention, ce procédé mettant en _uvre des
techniques de dépôt sous vide et de photolithographie.
Le conducteur cathodique est obtenu par dépôt d'un matériau conducteur, par exemple le molybJène, le niobium, le cuivre ou l'ITO, sur un support 100 (voir la figure 14A). Le dépôt de matériau conducteur est gravé en bandes, typiquement de 10 m de largeur et de pas égal à 25 m. La figure 14A montre deux bandes qui seront associés pour former une
électrode de cathode 103.
Plusieurs dépôts sont ensuite réalisés comme le montre la figure 14B: une couche réaistive 106 de 1,5 m d'épaisseur en silicium amorphe, puis une couche isolante 101 de 1 m d'épaisseur en silice ou en nitrure de silicium, enfin une couche métallique 105 en niabium ou en molybJène destinée à former la grille
d' extraction des électrons.
La couche métallique 105 et la couche isolante 101 sont ensuite gravées simultanément d'un trou ou tranchée 102 de 15 m de largeur jusqu'à exposer la couche résistive 106 C'est ce que montre la
figure 14C.
La figure 14D montre la structure obtenue après le dépôt d'une couche sacrificielle 107 en résine et la formation dans la couche 107 dune ouverture 108, de 6 m de largeur -et de 10 à 15 m de longueur, exposant la couche résistive 106. L'ouverture 108 a une largeur correspondant à la largeur de la couche .,.
émsslve a reallser.
Un dépôt catalytique de fer, de cobalt ou de nickel est ensuite réalisé sur la structure. Comme le montre la figure 14E, ce dépôt catalytique provoque la formation d'une couche discontinue de croissance 109 -sur la couche sacrificielle 107 et sur la partie
exposée de la couche résistive 106.
La couche sacrificielle est ensuite éliminée par une technique de "liftoff'., ce qui provoque l'élimination des parties de la couche de croissance situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de couche de croissance dans la partie centrale de la couche résistive 106. Ceci permet la croissance de la couche émissive 104 comme le montre
la figure 14F.
Une variante de cette structure de cathode comporte un multicouche à la place du catalyseur, par exemple un bicouche constitué d'une couche barrière comme du TiN et ensuite un catalyseur. Le multicouche peut aussi être plus complexe afin de favoriser la
croissance de la couche émettrice.
Le procédé de réalisation d'une structure de cathode o la zone de croissance est connectée à la couche résistive par l'intermédiaire d'un conducteur métallique débute par les mêmes étapes 14A à 14D que le procédé décrit précédemment. Ces étapes sont alors suivies des étapes illustrées par les figures 14G à 14I. La figure 14G montre que la couche résistive 106 a été gravée dans le prolongement du trou
108 jusqu'à révéler le support 100.
Ensuite, comme le montre la figure 14H, une couche métallique 119 est déposée pour assurer le contact électrique entre la zone de croissance et la couche résistive 106. On dépose ensuite une couche 117 de catalyseur ou une structure multicouche sur la
couche métallique 119.
La couche sacrificielle 107 est ensuite éliminée par une technique de "lift-off4', ce qui provoque 1'élimination des parties de la couche métallique 119 et de la couche de catalyseur 117 - situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de la couche métallique 119 sur le support 100 pour relier la couche résistive 106 au plot de catalyseur 117 déposé sur cette partie de couche métallique 119 comme le montre la figure 14I. La croissance de la couche émissive peut alors s'effectuer.
Claims (15)
1. Structure de cathode de type triode comprenant un ensemble cathodique constitué d'une électrode de cathode (33, 43, 63), d'une couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44, 64) formoe à partir d'une zone de croissance et destinée à émettre des électrons à partir d'une face d'émission, et d'une couche résistive (36, 46, 66) interposée entre l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons pour les relier électriquement, la structure comprenant aussi une électrode de grille (35, , 65) séparse dudit ensemble cathodique par une couche d'isolant électrique (31, 41, 61), caractérisée en ce que l'électrode de cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons sont disposées
latéralement l'une par rapport à l'autre.
2. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de croissance étant constituée de plusieurs plots de croissance séparés les uns des autres, la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 54, 64) est répartie
sur ces plots.
3. Structure de cathode selon la revendication 2, caractérisoe en ce que la couche résistive (36) est éliminée entre les plots de croissance.
4. Structure de cathode selon l'une des
revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que
l'électrode de grille (35, 45) est située, par rapport audit ensemble cathodique, du côté de la face d'émission de la couche de matériau émetteur
d'électrons (34,.44)..
5. Structure de cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que, une ouverture (32, 52) étant pratiquée dans l'électrode de grille (35, 55) et dans la couche d'isolant électrique (311 pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 54), la couche de matériau émetteur d'électrons
est situse dans la partie centrale de l'ouverture.
6. Structure de cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que, une ouverture (42) étant pratiquée dans l'électrode de grille (45) et dans la couche d'isolant électrique (41) pour exposer la couche de matériau émetteur d'électrons (44), la couche de matériau émetteur d'électrons occupe toute la largeur de l'ouverture (42), l'électrode de cathode (43) étant en retrait latéral par rapport à l'ouverture.
7. Structure de cathode selon l'une des
revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que,
l'ouverture (32, 42) formant une tranchée rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons (34, 44) a également une forme rectangulaire.
8. Structure de cathode selon les
revendications 2 et 5 prises ensemble, caractérisée en
ce que, les plots de croissance étant ronds, ladite ouverture comprend autant de trous cylindriques (52),
tangents ou non, centrés sur les plots.
9. Structure de cathode selon l'une
quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce
que 1'électrode de cathode (33, 43) comprend deux parties encadrant la couche de matériau émetteur
d'électrons (34, 44).
10. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode de grille (65) est situse, par rapport audit ensemble cathodique, du côté opposé à la face d'émission de la
couche de matériau émetteur d'électrons (64).
11. Structure de cathode selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'électrode de grille (65) comprend deux parties encadrant l' ensemble cathodique.
12. Structure de cathode selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'électrode de cathode (63) est centrée entre les deux parties de l'électrode de grille (65), la zone de croissance étant constituée d'au moins un groupe de deux plots de croissance situés de part et dautre de l'électrode de cathode.
13. Structure de cathode selon l'une
quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en
ce que la zone de croissance est un multicouche de croissance.
14. Structure de cathode selon la revendication 13, caractérisée en ce que le multicouche de croissance (87) est connactée électriquement à la 0 couche résistive (86) par l'intermédiaire d'un
- conducteur métallique (89.
15. Ecran plat à émission de champ, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de structures de cathode selon l'une quelcouque des
revendications 1 à 14.
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