WO2000070638A1 - Procede et dispositif pour extraire des electrons dans le vide et cathodes d'emission pour un tel dispositif - Google Patents

Procede et dispositif pour extraire des electrons dans le vide et cathodes d'emission pour un tel dispositif Download PDF

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WO2000070638A1
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electrons
semiconductor
cathode
emission
potential barrier
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PCT/FR2000/001297
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Inventor
Binh Vu Thien
Jean-Pierre Dupin
Paul Thevenard
Original Assignee
Universite Claude Bernard Lyon I
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/308—Semiconductor cathodes, e.g. cathodes with PN junction layers

Definitions

  • the present invention relates to the field of electron emission in a vacuum, from a cathode in the general sense.
  • the object of the invention thus relates to the field of electron sources in the general sense, adapted to be used in electronic devices or to allow, in particular, the production of flat screens.
  • an electron extraction device comprises an emission cathode and an anode located at a distance from each other and between which there is a vacuum or an ultra-vacuum.
  • the anode and the cathode are connected together using a polarization source making it possible to place them at a given relative potential.
  • an electron extraction device comprising a cathode located in distance relation from an anode.
  • the cathode consists of a semiconductor film defining an emission surface for the electrons and supported by an injection electrode.
  • the emission surface includes a front electrode making it possible to ensure the polarization of the injection electrode, in order to determine the surface potential of the semiconductor film.
  • the control of this bias voltage makes it possible to extract the electrons from the cathode and to regulate the emission of the flow of electrons towards the anode.
  • the emission of the electrons is due to a thermionic phenomenon insofar as the electrons are excited by the energy supply coming from the electrons injected by the injection electrode.
  • the geometry of this cathode requires the implementation of technical means whose practical realization is difficult.
  • the object of the invention aims to satisfy this need by proposing a method making it possible to meet the various objectives set out above.
  • the method provides a method for extracting in a vacuum electrons emitted from a cathode located in distance relation of an anode which is placed at a given potential with respect to the cathode, using a polarization source.
  • the method consists: - in producing a cathode having at least one junction between a metal serving as an electron reservoir and an n-type semiconductor, having an emission surface for the electrons, having a height surface potential barrier of a few tenths of electron volts, and having a thickness between 1 and 20 nm defined by the value of the desired reduction in the surface potential barrier,
  • the object of the invention also aims to propose a device for extracting in a vacuum electrons emitted from a cathode located at a distance from at least one anode placed at a given potential with respect to the cathode at the using a bias source.
  • the device comprises:
  • an emission cathode comprising at least one junction between a metal and an n-type semiconductor, having a height of surface potential barrier of a few tenths of electron volts, the n-type semiconductor, having a emission surface for electrons and having a thickness included between 1 and 20 nm, defined by the value of the desired reduction in the surface potential barrier,
  • Another object of the invention is to offer a new electron emission cathode for a vacuum extraction device comprising: - a first part forming an electron reservoir and formed by at least one metal layer,
  • a second part forming the conduction medium for the electrons injected into the metallic layer and formed by an n-type semiconductor defining with the metallic layer, a metal - semiconductor junction having a potential barrier height of a few tenths of a electron volts, the n-type semiconductor, having an emission surface for the electrons, and having a thickness between 1 and 20 nm defined by the value of the desired reduction in the surface potential barrier.
  • Fig. 1 is a block diagram illustrating a device for extracting electrons in a vacuum, according to the invention.
  • Fig. 2 is a diagram of the energy bands, when the metal is initially separated from the semiconductor, making it possible to explain the principle of the invention.
  • Fig. 2bis is a diagram of the energy bands E (eV) of the cathode as a function of the position x taken in the cathode-anode direction.
  • Figs. 3, 4 and 5 are schematic diagrams of the energy bands of the cathode obtained according to three characteristic phases of the method according to the invention.
  • Fig. 6 is a curve illustrating the variation of the current obtained as a function of the application of the bias voltage.
  • Fig. 7 is a diagram illustrating the evolution of the emission current obtained as a function of time, for different values of the bias voltage.
  • Figs. 8, 9 and 10 illustrate different alternative embodiments of a flat cathode allowing the implementation of the method according to the invention.
  • the object of the invention relates to a device 1 making it possible to extract electrons in a vacuum, comprising an emission cathode 2 located at a distance from at least one anode 3 which, in the example illustrated, constitutes a anode for receiving the electrons emitted by the cathode 2.
  • the cathode 2 and the anode 3 define between them a volume 4 in which there is a vacuum (10 -4 to 10 "8 Torr) or the ultra-vacuum (10 " 8 at 10 "12 Torr).
  • the extraction device 1 also includes a polarization source 5 making it possible to place the cathode 2 at a given potential relative to the anode 3.
  • the extraction device 1 comprises an emission cathode 2 comprising a first part 7 forming an electron reservoir and consisting of at least one metal layer
  • the emission cathode 2 comprises also a second part 8 forming a conduction medium for the injected electrons.
  • the conduction medium 8 is formed by an n-type semiconductor, defining with the metal layer 7, an electronic junction 9 metal - semiconductor (Schottky).
  • this Schottky junction 9 has a height of potential barrier of a few tenths of electron volts, that is to say between 0.05 and 1 eV and, preferably, of l 'order of 0, 1 eN.
  • the characteristics of this Schottky junction impose the choice of the couple of adequate materials metal 7 and semiconductor 8 of type n.
  • the semiconductor layer 8 can be either n-type SiC (silicon carbide) or n-type TiO (rutile), obtained by sputtering.
  • the n-type semiconductor has an emission surface 11 for the electrons extracted in the vid 4.
  • the semiconductor 8 has a thickness defined between the Schottky junction 9 and the surface d 'emission 11, between 1 and 20 nm. The value of this thickness is defined by the desired reduction value for the surface potential barrier.
  • the thickness of the semiconductor 8 can be, for example, of the order of 5 nm for semiconductor layers of SiC (silicon carbide) of n type or of TiO 2 (titanium oxide or rutile) of type n on a metallic layer of platinum.
  • the semiconductor 8 is of the n wide gap type, that is to say greater than or equal to 3 eN.
  • Fig. 2 illustrates the energy bands of the metal layer 7 and of the semiconductor 8 with respect to the vacuum 4, when they are separated from one another.
  • the metal layer 7 has a Fermi level E f and an output work ⁇ m between the Fermi level and the level No of the vacuum potential 4.
  • the semiconductor 8 has a forbidden band of width E g , a band of level conduction E c , a Fermi level E f , as well as an electronic affinity ⁇ with respect to the level Vo of the vacuum potential 4.
  • the Schottky junction between the metal layer 7 and the semiconductor 8 of type n there is an energy adjustment leading to the same Fermi level and of vacuum potential 4.
  • the cathode 2 thus produced has a metallic layer 7 with a Fermi level E f and defining with the n-type semiconductor 8, a Schottky junction 9. At the surface 11 of the semiconductor 8, there is a surface potential barrier V p .
  • the extraction device 1 allows, via the polarization source 5, the emission of electrons which takes place according to a series process in two stages.
  • the first step represents the injection of electrons into the semiconductor 8 to form a space charge Q sufficient to lower the surface potential barrier V p of the semiconductor 8 to a value less than or equal to 1 eN relative to the Fermi level of the metal 7.
  • This first step is followed by a second step which consists in reversibly regulating the emission of electrons to the anode 3 using the polarization source 5 creating a electric field F in the vacuum 4 making it possible to control the height of the surface potential barrier V p of the semiconductor 8.
  • Fig. 2bis makes it possible to illustrate the process of emission of electrons according to two consecutive stages.
  • the surface potential barrier V p of the semiconductor 8 is lowered to a value less than or equal to 1 eN relative to the Fermi E r level of the metal 7.
  • the energy difference between the maximum value of the surface potential barrier of the semiconductor 8 and the Fermi level of the metal 7 is represented by ⁇ E.
  • This lowering of the surface potential barrier of the semiconductor 8 (passage from the curve Co to the curve Ci) is due to the injection, via the polarization source 5, of the electrons through the junction 9 and to the creation of the space charge Q in the semiconductor 8.
  • the lowering of the surface potential barrier of the semiconductor 8 is an increasing function of the space charge Q which is itself an inverse function of the thickness of the semiconductor 8.
  • the emission of electrons to the anode 3 is regulated using the polarization source 5 which creates in the vacuum 4, a variable electric field F which makes it possible to modulate the potential barrier of surface V p .
  • the surface potential barrier V p (curves Ci, C 2 , C 3 ) is lowered for increasingly high values for the value of the electric field F. It can thus be distinguished in step and 2 , three behaviors characteristics of the cathode by relation to the value of the electric field F created in vacuum using the polarization source 5, illustrated more particularly in FIGS. 3 to 5.
  • Fig. 3 illustrates a first behavior of the anode 2 for which the voltage applied by the bias source 5 is less than a threshold value V s from which an electron current can be measured.
  • V s a threshold value
  • an electric field F is applied leading to a first lowering ai of the height of the surface potential barrier resulting from the band curvature due to the penetration of the electric field F and the creation of a space charge Q following the injection of the electrons of the metal 7 into the semiconductor 8.
  • a reduction is also obtained a 2 of the height of the surface potential barrier of the semiconductor due to the effect Schottky.
  • the presence of the electric field F also leads to a deformation of the barrier of the surface potential of the semiconductor 8.
  • FIG. 1 illustrates a first behavior of the anode 2 for which the voltage applied by the bias source 5 is less than a threshold value V s from which an electron current can be measured.
  • FIG. 6 shows in part A of the current curve I as a function of the potential V of the source 5, the current characteristic obtained according to this first operating phase.
  • Fig. 4 illustrates a second characteristic behavior of the anode 2 for an applied bias voltage, greater than the threshold voltage V ".
  • the electric field F thus created is such that the height of the surface potential barrier V p of the semiconductor 8 is substantially equal to the level of the states occupied by the electrons in the semiconductor.
  • the lowering (ai + a 2 ) of the height of the surface potential barrier V p of the semiconductor is then sufficient to allow the exit by electrons.
  • An emission surface 11 with low electronic affinity is thus obtained, resulting from the presence of the space charge Q and the penetration of the field. electric.
  • the field emission current I which is illustrated by part B of the curve of FIG. 6, is governed by the Fowler Nordheim relation characteristic of the emission of electrons by tunnel effect.
  • Fig. 5 illustrates a third characteristic behavior of the cathode when the bias voltage V is much higher than the threshold voltage Vs.
  • the bias voltage V is such that the electric field created F is adapted so that the height of the potential barrier surface V p of the semiconductor 8 is less than the level of the states occupied by the electrons in the semiconductor 8. There is thus obtained an emission surface 11 with negative electronic affinity.
  • the electron emission mechanism is a thermionic emission considering that the injection of electrons is obtained from the junction 9 metal - semiconductor.
  • Part C of the curve in fig. 6 illustrates the shape of the current I as a function of the voltage V applied for this third behavior. It should be considered that the emission of current operating in thermionic regime, is not sensitive to small variations in the vacuum barrier due to adsorption. As shown more precisely in FIG. 7, the stability of the current increases with the increase in the bias voltage V because the injection of electrons is not affected by the modifications likely to appear in vacuum 4.
  • the method according to the invention thus makes it possible to regulate the emission of the electron flow from the control of the height of the surface potential barrier V p of the semiconductor 8, which is directly linked to the value of the voltage. of polarization V.
  • this second step it is possible to obtain an emission surface which does not emit electrons (fig. 3), having a weak electronic affinity (fig. 4) or negative (fig. 5).
  • An advantage of the technique according to the invention is to present an injection interface which is a solid junction between a metal and a semiconductor.
  • the injection of electrons is therefore protected from environmental influences, such as adsorption, desorption, ion bombardment, etc.
  • the emission surface of the cathode after the first step eti is a surface with low or negative electronic affinity.
  • the emission of electrons is practically insensitive to environmental influences, such as adsorption, desorption, ion bombardment, etc.
  • the emission current is very sensitive to temperature so that provision may be made for controlling the temperature of the cathode in order to regulate the flow of the electron beam emitted.
  • the emission surface is directly dependent on the distribution of the electric field on the emission surface 11 of the cathode. Also, the presence of protuberances or protrusions on the emission face 11 makes it possible to confine the emission of electrons at its protuberances. Of course, it can also be envisaged that the emission of electrons is carried out from a flat surface.
  • Figs. 8 to 10 describe different embodiments of a cathode 2 for the implementation of the extraction process according to the invention.
  • the cathode 2 can be produced using conventional planar micro-electronics manufacturing technologies.
  • Fig. 8 describes a cathode 2 comprising a first part forming an electron reservoir and constituted by a metal layer 7 carried by a metallic substrate 13, semiconductor or insulator.
  • the metal layer 7 is coated with a layer of an n-type semiconductor 8 making it possible to form the Schottky junction 9.
  • the semiconductor layer 8, produced by conventional doping technologies in microelectronics, such as by ion implantation or by deposition, for example of the CND type, spraying, evaporation, vacuum or PND.
  • the emission surface 11 is substantially planar.
  • the semiconductor element 8 thus has an emission surface 11 having localized zones 14 for spatial confinement of the emission electrons at the end of its protrusions 14.
  • Fig. 10 illustrates another alternative embodiment of a cathode 2 in accordance with the invention comprising a metal layer 7 deposited on an insulating substrate 13.
  • the assembly thus formed is subjected to ion bombardment to allow the appearance of protuberances in the form of points 15 and forming an element 8 semi n type conductor.
  • a metal-semiconductor junction 9 thus appears at the level of the protuberance crossing the metal layer 7.
  • the electron extraction device finds numerous applications in the field of electronics, in particular for constituting a source for electronic components under vacuum or for producing flat screens.
  • a first electron extraction electrode placed in proximity relation to the anode and letting the electron beams whose intensity is locally modulated for each pixel of the screen. These beams are recovered by a reception anode placed downstream of the extraction anode with respect to the emission cathode.
  • the production of the substrate 13 carrying the metal layer 7 in a semiconductor material offers the possibility of integrating into the substrate, active electronic components to locally control the emission from electrons.
  • the object of the invention finds another particularly advantageous application for the production of parallel and uniform electron beams for electronic projection lithography.
  • the substrate 13 has a plane geometry. Such a geometry is particularly suitable for devices requiring a planar electron source (for example flat screens of dimensions up to m 2 or more, electronic components of smaller dimensions of the order of mm 2 or several tens of cm 2 ).
  • the substrate 13 can have other types of geometry depending on their application.
  • the substrate 13 may have a geometry of the individual tip or individual pin head type for producing the cathodes in the individual electron guns. These guns are used in particular in electron microscopes or cathode ray tubes.

Landscapes

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

Abstract

Selon l'invention, le procédé pour extraire dans le vide des électrons consiste : à réaliser une cathode présentant au moins une jonction (9) entre un métal (7) servant de réservoir d'électrons et un semi-conducteur (8) de type n, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, et présentant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm, à assurer l'injection des électrons à travers la jonction (9) métal - semi-conducteur pour créer, dans le semi-conducteur (8) une charge d'espace suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi du métal (7), et à contrôler à l'aide de la source de polarisation créant un champ électrique dans le vide, la hauteur de la barrière de potentiel de surface (Vp) du semi-conducteur de type n, en vue de réguler l'émission vers l'anode du flux d'électrons.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR EXTRAIRE DES ELECTRONS DANS LE VIDE ET CATHODES D'EMISSION POUR UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE TECHNIQUE :
La présente invention concerne le domaine de l'émission d'électrons dans le vide, à partir d'une cathode au sens général.
L'objet de l'invention vise ainsi le domaine des sources d'électrons au sens général, adaptées pour être utilisées dans des dispositifs électroniques ou pour permettre, notamment, la réalisation d'écrans plats.
TECHNIQUE ANTERIEURE :
D'une manière classique, un dispositif d'extraction d'électrons comporte une cathode d'émission et une anode situées à distance l'une de l'autre et entre lesquelles règne un vide ou un ultra-vide. L'anode et la cathode sont reliées entre elles à l'aide d'une source de polarisation permettant de les placer à un potentiel relatif donné.
En vue d'obtenir l'émission dans le vide d'un flux constant d'électrons à partir de la cathode, il est nécessaire d'extraire les électrons du potentiel dans lequel ils se trouvent piégés dans le matériau de la cathode. L'extraction des électrons de la cathode peut être obtenue par une technique de chauffage de la cathode, en vue d'élever l'énergie des électrons à une valeur dépassant le travail de sortie qui ne dépend que de l'état de la surface de la cathode. Cette technique connue sous le nom d'émission thermoionique, possède l'inconvénient de placer la cathode à haute température (2700 K dans le cas d'une cathode en tungstène par exemple) et, par suite, de présenter une consommation d'énergie et une dissipation de chaleur relativement importantes. Par ailleurs, cette technique d'émission thermoïonique des électrons ne permet pas d'obtenir des sites localisés d'émission des électrons.
Il est connu, par ailleurs, une deuxième technique d'extraction des électrons par déformation de la barrière de potentiel de surface de la cathode par un champ électrique intense. La hauteur de cette barrière de potentiel ne dépend que de l'état de la surface de la cathode. Cette technique appelée émission de champ, permet d'obtenir l'émission des électrons à une température dite froide (300 K ou moins). Un inconvénient de cette technique réside dans la nécessité de mettre en oeuvre un vide important (10"10 Torr) pour permettre de stabiliser le courant d'émission des électrons. Par ailleurs, pour obtenir un champ électrique intense, la cathode doit présenter nécessairement une géométrie en forme de pointe dont la réalisation pratique de réseaux de pointes pose des problèmes relativement importants. De plus, cette technique ne permet pas d'obtenir une émission uniforme des électrons à partir d'une surface plane.
Il est également connu par le document WO 98/06 135, un dispositif d'extraction d'électrons comportant une cathode située en relation de distance d'une anode. La cathode est constituée d'un film semi-conducteur délimitant une surface d'émission pour les électrons et supportée par une électrode d'injection. La surface d'émission comporte une électrode frontale permettant d'assurer la polarisation de l'électrode d'injection, en vue de déterminer le potentiel de surface du film semi- conducteur. Le contrôle de cette tension de polarisation permet d'extraire les électrons de la cathode et de réguler l'émission du flux d'électrons vers l'anode.
Il est à noter que l'émission des électrons est due à un phénomène thermoionique dans la mesure où les électrons sont excités par l'apport énergétique provenant des électrons injectés par l'électrode d'injection. De plus, la géométrie de cette cathode nécessite la mise en oeuvre de moyens techniques dont la réalisation pratique est délicate.
L'analyse des techniques antérieures connues conduit à constater qu'il apparaît le besoin de disposer d'une technique permettant d'extraire des électrons, à faible température et à faible champ électrique, dans un vide à faible pression (à partir de 10"4 Torr), selon une surface d'émission localisée ou uniforme et ne présentant pas de problèmes particuliers de réalisation pratique.
EXPOSE DE L'INVENTION :
L'objet de l'invention vise à satisfaire ce besoin en proposant un procédé permettant de répondre aux différents objectifs énoncés ci-dessus. Conformément à l'invention vise un procédé pour extraire dans le vide des électrons émis à partir d'une cathode située en relation de distance d'une anode qui est placée à un potentiel donné par rapport à la cathode, à l'aide d'une source de polarisation. Selon l'invention, le procédé consiste : - à réaliser une cathode présentant au moins une jonction entre un métal servant de réservoir d'électrons et un semi-conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, et présentant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface,
- à assurer l'injection des électrons à travers la jonction métal - semiconducteur pour créer, dans le semi-conducteur, une charge d'espace suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eN par rapport au niveau de Fermi du métal,
- et à contrôler à l'aide de la source de polarisation créant un champ électrique dans le vide, la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, de manière à modifier de façon réversible, l'affinité électronique de la surface du semiconducteur de type n, en vue de réguler l'émission vers l'anode du flux d'électrons. L'objet de l'invention vise également à proposer un dispositif pour extraire dans le vide, des électrons émis à partir d'une cathode située à distance d'au moins une anode placée à un potentiel donné par rapport à la cathode à l'aide d'une source de polarisation. Selon l'invention, le dispositif comporte :
- une cathode d'émission comportant au moins une jonction entre un métal et un semi-conducteur de type n, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, le semi-conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons et possédant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm, définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface,
- et une source de polarisation créant un champ électrique dans le vide permettant, d'une part, d'assurer l'injection des électrons à travers la jonction métal - semi-conducteur pour créer, dans le semiconducteur, une charge d'espace suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eN par rapport au niveau de Fermi du métal et, d'autre part, de régler la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, c'est-à-dire de modifier de façon réversible l'affinité électronique de la surface du semiconducteur du type n, en vue de régler l'émission du flux d'électrons. Un autre objet de l'invention est d'offrir une nouvelle cathode d'émission d'électrons pour un dispositif d'extraction dans le vide comportant : - une première partie formant réservoir d'électrons et formée par au moins une couche métallique,
- et une deuxième partie formant milieu de conduction pour les électrons injectés dans la couche métallique et formée par un semiconducteur du type n, définissant avec la couche métallique, une jonction métal - semi-conducteur possédant une hauteur de barrière de potentiel de quelques dixièmes d'électrons volts, le semiconducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons, et possédant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS :
La fig. 1 est un schéma de principe illustrant un dispositif d'extraction des électrons dans le vide, conforme à l'invention.
La fig. 2 est un diagramme des bandes d'énergie, lorsque le métal est initialement séparé du semi-conducteur, permettant d'expliciter le principe de l'invention.
La fig. 2bis est un diagramme des bandes d'énergie E (eV) de la cathode en fonction de la position x prise dans la direction cathode-anode. Les fig. 3, 4 et 5 sont des diagrammes schématiques des bandes d'énergie de la cathode obtenues selon trois phases caractéristiques du procédé selon l'invention.
La fig. 6 est une courbe illustrant la variation du courant obtenu en fonction de l'application de la tension de polarisation.
La fig. 7 est un schéma illustrant l'évolution du courant d'émission obtenu en fonction du temps, pour différentes valeurs de la tension de polarisation.
Les fig. 8, 9 et 10 illustrent différentes variantes de réalisation d'une cathode plane permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
MEILLEURE MANIERE DE REALISER L'INVENTION
Tel que cela ressort de la fig. 1, l'objet de l'invention concerne un dispositif 1 permettant d'extraire des électrons dans le vide, comportant une cathode d'émission 2 située à distance d'au moins une anode 3 qui, dans l'exemple illustré, constitue une anode de réception des électrons émis par la cathode 2. La cathode 2 et l'anode 3 définissent entre elles un volume 4 dans lequel règne un vide (10-4 à 10"8 Torr) ou l'ultra-vide (10"8 à 10"12 Torr). Le dispositif d'extraction 1 comporte également une source de polarisation 5 permettant de placer la cathode 2 à un potentiel donné par rapport à l'anode 3. La réalisation pratique du dispositif d'extraction 1 n'est pas décrite plus précisément dans la suite de la description, dans la mesure où elle est bien connue de l'état de la technique. Conformément à l'invention, le dispositif d'extraction 1 comporte une cathode d'émission 2 comportant une première partie 7 formant un réservoir d'électrons et constituée par au moins une couche métallique. La cathode d'émission 2 comporte également une deuxième partie 8 formant un milieu de conduction pour les électrons injectés. Le milieu de conduction 8 est formé par un semi-conducteur de type n, définissant avec la couche métallique 7, une jonction électronique 9 métal - semiconducteur (Schottky). Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, cette jonction Schottky 9 possède une hauteur de barrière de potentiel de quelques dixièmes d'électrons volts, c'est-à-dire comprise entre 0,05 et 1 eV et, de préférence, de l'ordre de 0, 1 eN. Les caractéristiques de cette jonction Schottky imposent le choix du couple de matériaux adéquates métal 7 et semi-conducteur 8 de type n. Par exemple, pour un métal 7 qui est le platine, la couche semi-conductrice 8 peut être soit du SiC (carbure de silicium) de type n, soit du TiO (rutile) de type n, obtenus par pulvérisation.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le semiconducteur de type n, présente une surface d'émission 11 pour les électrons extraits dans le vid 4. Le semi-conducteur 8 présente une épaisseur définie entre la jonction Schottky 9 et la surface d'émission 11, comprise entre 1 et 20 nm. La valeur de cette épaisseur est définie par la valeur de l'abaissement souhaitée pour la barrière de potentiel de surface. L'épaisseur du semi-conducteur 8 peut être, par exemple, de l'ordre de 5 nm pour des couches semi-conductrices de SiC (carbure de silicium) de type n ou de TiO2 (oxyde de titane ou rutile) de type n sur une couche métallique de platine. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le semi-conducteur 8 est du type n à large gap, c'est-à-dire supérieur ou égal à 3 eN.
La fig. 2 illustre les bandes d'énergie de la couche métallique 7 et du semiconducteur 8 par rapport au vide 4, lorsqu'ils se trouvent séparés l'un de l'autre. La couche métallique 7 présente un niveau de Fermi Ef et un travail de sortie Φm entre le niveau de Fermi et le niveau No du potentiel du vide 4. Le semi-conducteur 8 présente une bande interdite de largeur Eg, une bande de conduction de niveau Ec, un niveau de Fermi Ef, ainsi qu'une affinité électronique χ par rapport au niveau Vo du potentiel du vide 4. Lors de la réalisation de la jonction Schottky entre la couche métallique 7 et le semi-conducteur 8 de type n, il se produit un ajustement d'énergie conduisant à un même niveau de Fermi et de potentiel du vide 4. Ainsi, tel que cela ressort de la fig. 2bis, la cathode 2 ainsi réalisée présente une couche métallique 7 avec un niveau de Fermi Ef et définissant avec le semi-conducteur 8 de type n, une jonction Schottky 9. A la surface 11 du semi-conducteur 8, il existe une barrière de potentiel de surface Vp.
Le dispositif d'extraction 1 selon l'invention permet par l'intermédiaire de la source de polarisation 5, l'émission des électrons qui s'effectue selon un processus série en deux étapes. La première étape représente l'injection des électrons dans le semi-conducteur 8 pour former une charge d'espace Q suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eN par rapport au niveau de Fermi du métal 7. Cette première étape est suivie d'une deuxième étape qui consiste à réguler de manière réversible, l'émission des électrons vers l'anode 3 à l'aide de la source de polarisation 5 créant un champ électrique F dans le vide 4 permettant de contrôler la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8.
La fig. 2bis permet d'illustrer le processus d'émission des électrons selon deux étapes consécutives. Lors de la première étape eti, la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 est abaissée jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eN par rapport au niveau de Fermi Er du métal 7. La différence d'énergie entre la valeur maximum de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur 8 et le niveau de Fermi du métal 7 est représentée par ΔφE. Cet abaissement de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur 8 (passage de la courbe Co à la courbe Ci) est dû à l'injection, par l'intermédiaire de la source de polarisation 5, des électrons à travers la jonction 9 et à la création de la charge d'espace Q dans le semiconducteur 8. L'abaissement de la barrière de potentiel de surface du semiconducteur 8 est une fonction croissante de la charge d'espace Q qui est elle-même une fonction inverse de l'épaisseur du semi-conducteur 8.
Lors de la deuxième étape et2, l'émission des électrons vers l'anode 3 est régulée à l'aide de la source de polarisation 5 qui crée dans le vide 4, un champ électrique F variable qui permet de moduler la barrière de potentiel de surface Vp. La barrière de potentiel de surface Vp (courbes Ci, C2, C3) est abaissée pour des valeurs de plus en plus élevées pour la valeur du champ électrique F. Il peut ainsi être distingué dans l'étape et2, trois comportements caractéristiques de la cathode par rapport à la valeur du champ électrique F créé dans le vide à l'aide de la source de polarisation 5, illustrés plus particulièrement aux fig. 3 à 5.
La fig. 3 illustre un premier comportement de l'anode 2 pour laquelle la tension appliquée par la source de polarisation 5 est inférieure à une valeur de seuil Vs à partir de laquelle il peut être mesuré un courant d'électrons. Pour cette valeur de tension, il est appliqué un champ électrique F conduisant à un premier abaissement ai de la hauteur de la barrière de potentiel de surface résultant de la courbure de bande due à la pénétration du champ électrique F et à la création d'une charge d'espace Q suite à l'injection des électrons du métal 7 dans le semi-conducteur 8. Il est obtenu également un abaissement a2 de la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur en raison de l'effet Schottky. Il est à noter que la présence du champ électrique F conduit également à une déformation de la barrière du potentiel de surface du semi-conducteur 8. Dans l'exemple illustré à la fig. 3, l'abaissement du potentiel total (aι + a2) de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur, obtenu par un champ électrique donné correspondant à une tension faible et inférieure à la tension de seuil Vs, n'est pas suffisante pour permettre l'émission d'électrons. La barrière de potentiel de surface Vp est donc trop haute pour permettre l'émission d'électrons dans le vide 4. Les électrons injectés à travers la jonction électronique 9 se trouve piégés à l'intérieur du semiconducteur 8. fl doit être considéré que la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, est supérieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur 8. La fig. 6 montre dans la partie A de la courbe de courant I en fonction du potentiel V de la source 5, la caractéristique de courant obtenu selon cette première phase de fonctionnement.
La fig. 4 illustre un deuxième comportement caractéristique de l'anode 2 pour une tension de polarisation appliquée, supérieure à la tension de seuil V». Le champ électrique F ainsi créé est tel que la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 est sensiblement égale au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur. L'abaissement (ai + a2) de la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur est alors suffisant pour permettre la sortie par effet tunnel, des électrons. Il est ainsi obtenu une surface d'émission 11 à faible affinité électronique résultant de la présence de la charge d'espace Q et de la pénétration du champ électrique. Le courant d'émission de champ I qui est illustré par la partie B de la courbe de la fig. 6, est gouverné par la relation de Fowler Nordheim caractéristique de l'émission d'électrons par effet tunnel.
La fig. 5 illustre un troisième comportement caractéristique de la cathode lorsque la tension de polarisation V est très supérieure à la tension de seuil Vs. La tension de polarisation V est telle que le champ électrique créé F est adapté de manière que la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 soit inférieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur 8. fl est ainsi obtenu une surface d'émission 11 à affinité électronique négative. Le mécanisme d'émission des électrons relève d'une émission thermoionique en considérant que l'injection des électrons est obtenue à partir de la jonction 9 métal - semi-conducteur. La partie C de la courbe de la fig. 6 illustre la forme du courant I en fonction de la tension V appliquée pour ce troisième comportement. Il doit être considéré que l'émission de courant fonctionnant en régime thermoionique, n'est pas sensible aux petites variations de la barrière de vide dues à l'adsorption. Tel que cela apparaît plus précisément sur la fig. 7, la stabilité du courant augmente avec l'accroissement de la tension de polarisation V parce que l'injection d'électrons n'est pas affectée par les modifications susceptibles d'apparaître dans le vide 4.
Le procédé selon l'invention permet ainsi de réguler l'émission du flux d'électrons à partir du contrôle de la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi- conducteur 8, qui est directement liée à la valeur de la tension de polarisation V. Dans cette seconde étape, il peut être obtenu une surface d'émission n'émettant pas d'électrons (fig. 3), présentant une affinité électronique faible (fig. 4) ou négative (fig. 5).
Un avantage de la technique selon l'invention est de présenter une interface d'injection qui est une jonction solide entre un métal et un semi-conducteur. L'injection d'électrons est donc protégée des influences de l'environnement, telles que les phénomènes d'adsorption, de désorption, les bombardements ioniques, etc. Par ailleurs, la surface d'émission de la cathode après la première étape eti, est une surface à affinité électronique faible ou négative. L'émission d'électrons n'est pratiquement pas sensible aux influences de l'environnement, telles que les phénomènes d'adsorption, de désorption, les bombardements ioniques, etc. Par ailleurs, il est à noter que le courant d'émission est très sensible à la température de sorte qu'il peut être prévu d'assurer le contrôle de la température de la cathode afin de régler le flux du faisceau d'électrons émis. De la description qui précède, il ressort que la surface d'émission est directement dépendante de la distribution du champ électrique sur la surface d'émission 11 de la cathode. Aussi, la présence de protubérances ou de saillies sur la face d'émission 11 permet de confiner l'émission des électrons au niveau de ses protubérances. Bien entendu, il peut aussi être envisagé que l'émission des électrons s'effectue à partir d'une surface plane.
Les fig. 8 à 10 décrivent différents exemples de réalisation d'une cathode 2 pour la mise en oeuvre du procédé d'extraction conforme à l'invention. Selon un avantage de l'invention, la cathode 2 peut être réalisée à partir des technologies planaires classiques de fabrication en micro-électronique. La fig. 8 décrit une cathode 2 comportant une première partie formant un réservoir d'électrons et constituée par une couche métallique 7 portée par un substrat 13 métallique, semi-conducteur ou isolant. La couche métallique 7 est revêtue d'une couche d'un semi-conducteur 8 de type n permettant de constituer la jonction Schottky 9. La couche semi-conductrice 8, réalisée par les technologies classiques de dopage en micro-électronique, telles que par implantation ionique ou par un dépôt, par exemple de type CND, pulvérisation, évaporation, sous vide ou PND. Dans cet exemple de réalisation, la surface d'émission 11 est sensiblement plane. Selon une autre forme de réalisation découlant de celle illustrée à la fig. 9, il est prévu de réaliser une surface d'émission 11 présentant des protubérances ou des saillies 14 en des endroits déterminés. A cet effet, il est prévu de réaliser un substrat 13 en un semiconducteur ou en métal dont la face destinée à recevoir la couche métallique 7 est gravée par des techniques de lithographie, de manière à permettre la réalisation de protubérances, destinées à recevoir en superposition, la couche métallique 7 et la couche de semi-conducteur 8 de type n. Tel que cela apparaît clairement sur la fig. 9, l'élément semi-conducteur 8 présente ainsi une surface d'émission 11 présentant des zones localisées 14 pour un confinement spatial des électrons d'émission au niveau de l'extrémité de ses protubérances 14.
La fig. 10 illustre une autre variante de réalisation d'une cathode 2 conforme à l'invention comportant une couche métallique 7 déposée sur un substrat isolant 13. L'ensemble ainsi constitué est soumis à un bombardement ionique pour permettre l'apparition de protubérances en forme de pointes 15 et formant un élément 8 semi- conducteur de type n. Il apparaît ainsi une jonction 9 métal - semi-conducteur au niveau de la protubérance traversant la couche métallique 7.
Le dispositif d'extraction d'électrons selon l'invention trouve de nombreuses applications dans le domaine de l'électronique, notamment pour constituer une source pour composants électroniques sous vide ou pour réaliser des écrans plats. Dans l'application de l'objet de l'invention à la fabrication d'écrans plats, il peut être prévu classiquement de mettre en oeuvre une première électrode d'extraction des électrons placée en relation de proximité de l'anode et laissant passer les faisceaux d'électrons dont l'intensité est modulée localement pour chaque pixel de l'écran. Ces faisceaux sont récupérés par une anode de réception placée en aval de l'anode d'extraction par rapport à la cathode d'émission. Il est noter que la réalisation du substrat 13 portant la couche métallique 7 en un matériau semi-conducteur, offre la possibilité d'intégrer dans le substrat, des composants électroniques actifs pour contrôler localement l'émission dès électrons. L'objet de l'invention trouve une autre application particulièrement avantageuse pour la production de faisceaux d'électrons parallèles et uniformes pour la lithographie électronique à projection.
Dans les exemples de réalisation décrits en relation des fig. 8 à 10, le substrat 13 présente une géométrie plane. Une telle géométrie est particulièrement adaptée pour les dispositifs nécessitant une source d'électrons planaire (par exemple écrans plats de dimensions pouvant atteindre le m2 ou plus, des composants électroniques de dimensions plus réduites de l'ordre du mm2 ou de plusieurs dizaines de cm2). Bien entendu, le substrat 13 peut présenter d'autres types de géométries en fonction de leur application. Par exemple, le substrat 13 peut posséder une géométrie du type pointe individuelle ou tête d'épingle individuelle pour la réalisation des cathodes dans les canons à électrons individuels. Ces canons sont utilisés notamment dans les microscopes électroniques ou les tubes cathodiques.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Claims

REVENDICATIONS :
1 - Procédé pour extraire dans le vide (4), des électrons émis à partir d'une cathode (2) située en relation de distance d'une anode (3) qui est placée à un potentiel donné par rapport à la cathode, à l'aide d'une source de polarisation (5), caractérisé en ce qu'il consiste :
- à réaliser une cathode (2) présentant au moins une jonction (9) entre un métal (7) servant de réservoir d'électrons et un semi-conducteur (8) de type n, présentant une surface d'émission (11) pour les électrons, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, et présentant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm, définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface,
- à assurer l'injection des électrons à travers la jonction (9) métal - semi-conducteur pour créer, dans le semi-conducteur (8) une charge d'espace (Q) suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eN par rapport au niveau de Fermi du métal (7),
- et à contrôler à l'aide de la source de polarisation (5) créant un champ électrique dans le vide, la hauteur de la barrière de potentiel de surface (Vp) du semi-conducteur de type n, de manière à modifier de façon réversible, l'affinité électronique de la surface du semi-conducteur de type n, en vue de réguler l'émission vers l'anode du flux d'électrons.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à régler la source de polarisation (5), en vue de créer un champ électrique adapté de manière que la hauteur de la barrière de potentiel de surface (Vp) du semi-conducteur de type n soit supérieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur de type n, en vue d'obtenir une surface d'émission n'émettant pas d'électrons.
3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à régler la source de polarisation (5), en vue de créer un champ électrique adapté de manière que la hauteur de la barrière de potentiel de surface (Vp) du semi-conducteur de type n soit sensiblement égale au niveau des états occupés par les électrons dans le semiconducteur du type n, en vue d'obtenir une surface d'émission à faible affinité électronique.
4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à régler la source de polarisation (5), en vue de créer un champ électrique adapté de manière que la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n soit inférieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur de type n, en vue d'obtenir une surface d'émission à affinité électronique négative.
5 - Procédé selon l'une des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer le contrôle de la température de la cathode (2), afin de régler le flux du faisceau d'électrons émis.
6 - Dispositif pour extraire dans le vide (4), des électrons émis à partir d'une cathode (2) située à distance d'au moins une anode (3) placée à un potentiel donné par rapport à la cathode à l'aide d'une source de polarisation (5), caractérisé en ce qu'il comporte :
- une cathode d'émission (2) comportant au moins une jonction (9) entre un métal (7) et un semi-conducteur (8) de type n, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, le semi-conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons et possédant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface,
- et une source de polarisation (5) créant un champ électrique dans le vide (4) permettant, d'une part, d'assurer l'injection des électrons à travers la jonction (9) métal - semi-conducteur pour créer, dans le semi-conducteur (8), une charge d'espace (Q) suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi du métal (7) et, d'autre part, de régler la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, c'est- à-dire de modifier de façon réversible l'affinité électronique de la surface du semi-conducteur de type n, en vue de régler l'émission du flux d'électrons. 7- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode d'extraction des électrons suivie d'une anode de réception des électrons extraits.
8 - Cathode d'émission d'électrons pour un dispositif d'extraction dans le vide d'un faisceau d'électrons, conforme à la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une première partie formant réservoir d'électrons et formée par au moins une couche métallique (7),
- et une deuxième partie formant milieu de conduction pour les électrons injectés dans la couche métallique et formée par un semiconducteur (8) de type n, définissant avec la couche métallique, une jonction (9) métal - semi-conducteur possédant une hauteur de barrière de potentiel de quelques dixièmes d'électrons volts, le semiconducteur de type n, présentant une surface d'émission (11) pour les électrons, et possédant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface. 9 - Cathode d'émission selon la revendication 8, caractérisée en ce que la jonction électronique possède une hauteur de barrière de potentiel comprise entre 0,05 eN et 0,5 eN et, de préférence, de l'ordre de 0,1 eN.
10 - Cathode selon la revendication 8, caractérisée en ce que la première partie formant réservoir d'électrons est formée par une couche métallique (7) portée par un substrat (13) métallique, semi-conducteur ou isolant.
11 - Cathode selon la revendication 8, caractérisée en ce que le semiconducteur (8) de type n possède une surface d'émission (11) pour les électrons, sensiblement plane.
12 - Cathode selon la revendication 8, caractérisée en ce que le semi- conducteur (8) de type n, possède une surface d'émission (11) pour les électrons, présentant des protubérances (14, 15) permettant une émission confinée des électrons en regard de chacune d'entre elles. 13 - Cathode selon la revendication 11, caractérisée en ce que le semiconducteur (8) de type n, possède une surface d'émission (11) pour les électrons présentant des protubérances (14) réalisées par des techniques de lithographie en des endroits déterminés. 14 - Cathode selon la revendication 11, caractérisée en ce que le semiconducteur (8) de type n, possède une surface d'émission pour les électrons présentant des protubérances (15) en forme de pointe, obtenues par un bombardement ionique de la couche métallique déposée sur un substrat isolant.
15 - Cathode selon la revendication 8, caractérisée en ce que la première partie formant réservoir d'électrons est formée par une couche métalUque (7) portée par un substrat semi-conducteur dans lequel sont aménagés des composants actifs pour contrôler localement l'émission des électrons.
16 - Cathode selon la revendication 10, caractérisée en ce que le substrat (13) possède une géométrie de pointe individuelle ou en tête d'épingle pour des canons à électrons individuels.
17 - Application d'une cathode selon l'une des revendications 10 à 15, à la production de faisceaux d'électrons parallèles et uniformes pour la lithographie électronique à projection.
18 - Application d'une cathode selon l'une des revendications 10 à 15, à la production de faisceaux d'électrons parallèles dont l'intensité est modulée localement pour chaque pixel d'un écran plat.
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