Матричный автоэлектронный катод и электронный прибор для оптического отображения информации

 

Предлагается конструкция многоэмиттерного острийного автоэлектронного катода для приборов эмиссионной электроники таких как плоские дисплеи, электронные пушки и др. Повышение однородности тока эмиссии в таком катоде достигается за счет того, что каждый эмиттер обладает высоким электросопротивлением, сравнимым с сопротивлением вакуумного промежутка. Таким образом сами эмиттеры выполняют функцию балластных сопротивлений, выравнивающих эмиссионные токи. Это достигается подходящей геометрией эмиттеров (сравнительно большой высотой, малым поперечным сечением, малым углом заострения при вершине) в сочетании с достаточно высоким удельным сопротивлением материала, из которых они изготовлены. Такая конструкция обеспечивается тем, что эмиттеры выполнены из нитевидных кристаллов, эпитаксиально выращенных на монокристаллической подложке кремния.

Кроме того, в данной конструкции катода достигается большое усиление поля у вершины эмиттеров (т. е. возможность работы при малых напряжениях) благодаря большой их высоте при малом радиусе закругления у вершины.

Кроме того, значительное снижение рабочих напряжений достигается в варианте автокатода с покрытием его вершины алмазом или алмазоподобным материалом, обладающими малой работой выхода электронов. Это же покрытие повышает стабильность эмиттера, защищая от разрушений и обеспечивая работу в условиях сравнительно невысокого вакуума.

На основе такого автокатода предложен электронный прибор для оптического отображения информации (например, дисплей) в виде диодной конструкции, в которой эмиттеры выполнены на подложке с проводящими дорожками, а анод выполнен из проводящих дорожек на люминофоре, проекции которых на катод перпендикулярны дорожкам, причем анод выполняет функцию управляющего электрода. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к устройствам эмиссионной электроники и вакуумной микроэлектроники, автоэмиссионным катодам, в том числе с алмазными покрытиями с пониженной эффективной работой выхода, а также к устройствам на основе автоэлектронной эмиссии таким как плоские автоэмиссионные дисплеи, источники электронов для электронных пушек широкого назначения и др.

Катоды для автоэмиссионной электроники и вакуумной микроэлектроники представляют собой, как правило, регулярные системы острийных эмиттеров, сформированных с помощью фотолитографии, травления, напыления через маску и т.д.

Известен автоэлектронный катод, изготовленный из пластины монокристаллического кремния путем травления [1] Он страдает рядом недостатков, в том числе: высота эмиттеров не превышает единиц микронов, что не позволяет получить большого усиления поля; в качестве материала эмиттеров используется материал со сравнительно высокой работой выхода (4 5 эВ). Такие катоды могут обеспечить приемлемо-высокие уровни эмиссии либо при больших напряжениях, либо при очень малых расстояниях между эмиттером и вытягивающим электродом, что значительно повышает паразитную емкость приборов и тем самым уменьшает возможности их использования. К тому же, эмиссия в них неоднородна.

Для повышения однородности эмиссии с разных острий в многоэлементной матрице часто используют дополнительное сопротивление, сравнимое с дифференциальным сопротивлением вакуумного промежутка, включаемое последовательно с каждым эмиттером. Его действие основано на следующем: если через какой-либо эмиттер протекает ток, заметно превышающий ток через другие эмиттеры, то на данном сопротивлении падает сравнительно большее напряжение; это снижает величину вытягивающего напряжения, что в свою очередь, уменьшает указанный чрезмерный ток. Такой подход использован в патентах Мейера [2,3] где дополнительное ("балластное") сопротивление обеспечивается нанесением на изолирующую подложку пленки аморфного кремния, обладающего сравнительно высоким удельным сопротивлением, а эмитирующие острия (молибденовые конусы) осаждают на эту пленку. Однако использование аморфного кремния существенно ограничивает возможности для создания эмиттеров.

Известен матричный автоэлектронный катод, содержащий монокристаллическую систему кремния и систему острийных эмиттеров с последовательными балластными сопротивлениями, выполненными интегрально посредством селективной диффузии легирующей примеси [4] Недостаток такой конструкции состоит в том, что балластные сопротивления занимают на подложке значительную площадь, на которой могли бы быть размещены другие эмиттеры. К тому же, технология создания этих сопротивлений требует выполнения нескольких фотолитографических операций совмещения, что существенно усложняет и делает дороже процесс изготовления автоэлектронных эмиттеров.

Известен электронный прибор для оптического отображения информации (дисплей) в виде диодной структуры, в которой имеется плоский катод, выполненный из алмазной или алмазоподобной пленки, и противолежащий ему анод со слоем люминофора [5] Для эффективной работы такого дисплея необходимы сравнительно высокие напряжения (порядка сотен вольт), трудносовместимые с рабочими напряжениями других компонентов электронных схем, используемых в таком дисплее. Кроме того, эмиссионные свойства алмазной пленки трудновоспроизводимы, т.к. сильно зависят от условий ее осаждения. Наконец, для обеспечения нужных токов эмиссии расстояние от катода до анода-экрана должно быть малым, порядка 20 мкм, что ухудшает условия откачки газовых загрязнений, выделяемых люминофором.

Известен электронный прибор для оптической обработки информации, содержащий матричный автоэлектронный катод из острийных эмиттеров, расположенных на монокристаллической подложке кремния с проводящими дорожками, образованными легированными областями, управляющий электрод, балластные сопротивления и анод с люминофорными покрытиями [6] Здесь молибденовые конусы-острия осаждали на подложке из монокристаллического кремния n-типа с проводящими дорожками ("строками"), образованными диффузионным легированием акцепторными примесями, т.е. была реализована изоляция p-n переходами. Управляющие колонки (в виде молибденовых полосок) размещали на катоде, перпендикулярно строкам, изолируя их слоем диэлектрика. Для повышения однородности автоэмиссионного тока с эмиттером последовательно с каждой строкой были включены дискретные балластные сопротивления. Благодаря этому разброс яркости вдоль колонок не превосходит 15% Однако, во-первых, разброс яркости вдоль строк таким образом регулировать не удается. Во-вторых, такой способ выравнивания тока с разных эмиттеров громоздок и для высокоразрешающих дисплеев не годится.

Цель настоящего изобретения: (1) конструкция автоэлектронного катода, который имел бы низкие по сравнению с существующим уровнем рабочие напряжения, работоспособный в условиях невысокого вакуума и обеспечивающий высокую однородность эмиссии по площади катода; (2) конструкция диодного варианта электронного прибора для оптического отображения информации, характеризующегося высокой однородностью свечения по всей площади экрана и малой паразитной емкостью.

Указанный технический результат достигается конструкцией эмиттеров, образующих катод. Эмиттеры представляют собой кремниевые острия сравнительно малого поперечного размера, диаметром от 1 до 10 мкм, с длиной (высотой) не менее 10 мкм, с радиусом закругления при вершине менее 10 нм, углом при вершине менее 30^o, выполненные из нитевидных кристаллов кремния, эпитаксиально выращенных на монокристаллической кремниевой подложке.

Большая высота и малый радиус закругления вершины автоэлектронных эмиттеров обеспечивают большой коэффициент усиления поля; вместе с тем, алмазные частицы на вершине или алмазоподобные пленочные покрытия, обладающие пониженной эффективной работой выхода, в сочетании с указанными характеристиками эмиттеров обеспечивают низкие рабочие напряжения и снижают требования к рабочему вакууму.

Другой технический результат выравнивание эмиссионных токов с разных эмиттеров в многоострийном катоде обеспечивается высоким удельным сопротивлением материала эмиттера, более 10 Ом.см, что при выбранной геометрической форме острийного эмиттера (больной высоте, малом сечении, конической форме) обеспечивает выполнение эмиттером функции достаточно большого последовательного балластного сопротивления, выравнивающего эмиссионные токи.

Наконец, еще один технический результат данного изобретения достигается конструкцией плоского дисплея, содержащего матричный автоэлектронный катод в виде регуляторного массива острийных кремниевых эмиттеров, выполненных из эпитаксиально выращенных на монокристаллической кремниевой подложке нитевидных кристаллов кремния с указанными выше размерами. При этом катод содержит проводящие дорожки, образованные легированными областями, а ему противолежит анод в котором оптически прозрачный проводящий слой и люминофор нанесены в виде линейных участков, проекции которых перпендикулярны указанным дорожкам на катоде. При приложении напряжений к полоскам и дорожкам анод таким образом выполняет функции управляющего электрода.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен кремниевый острийный эмиттер, выполненный из итевидного кристалла; на фиг.2 вольт-амперные характеристики эмиттеров с алмазной частицей и без нее; на фиг.3 вольт-амперные характеристики эмиттеров разной высоты с алмазной частицей на вершине; на фиг.4 матричный автоэлектронный катод, приготовленный заострением выращенных систем нитевидных кристаллов кремния; ра фиг.5 матричный автоэлектронный катод в виде регулярной системы эмиттеров с алмазными частицами на вершинах; на фиг.6 - схемы систем кремниевых острийных эмиттеров (а), в том числе с одиночными частицами на вершинах (б), с вершинами, покрытыми почти сплошным слоем алмазных частиц (в), и с вершинами, покрытыми алмазоподобным материалом (г); на фиг.7 схема электронного прибора для оптического отображения информации.

Подробное описание изобретения.

На фиг. 1 изображен острийный эмиттер, изготовленный из нитевидного кристалла кремния. Автоэмиссионный ток I(A) такого эмиттера зависит от работы выхода электронов из этого материала на вершине (эВ), радиуса кривизны вершины r(нм), высоты эмиттера h(мкм), расстояния анод-эмиттер d(мм), и напряжения на промежутке анод-эмиттер V(B) по формуле: I = (K₁/)(fhV/rd)²exp[-K₂rd^3/2/fhV], ...(1) где К₁ 1,4х10^-6, K₂= 6,8310⁷(0,95-1,4810^-7E/²), f т.н. "коэффициент идеальности эмиттера", зависящий от отношения высоты острия к диаметру основания эмиттера D и от угла при вершине острия , d 0,2 мм типичное значение в приборах вакуумной микроэлектроники.

Из формулы (1) видно, что отношение h/r является одним из основных параметров, влияющих на эмиссионный ток. При высоте эмиттера не менее 10 мкм и радиуса при вершине не более 10 нм значение h/r составляет не менее 1000 в случае идеального эмиттера.

Другим важным параметром в формуле (1) является "коэффициент идеальности эмиттера" f. Для идеального эмиттера f 1, у реальных эмиттеров f 0,1-0,8 в зависимости от формы эмиттера. Численные расчеты [7] показывают, что для достижения максимального значения f необходимо обеспечить как можно большее значение отношения высоты эмиттера к диаметру основания и минимальный угол при вершине.

Еще одним существенным параметром эмиссии является величина эффективной работы выхода электронов v. Уменьшая v, можно, с одной стороны, уменьшить рабочие напряжения и, с другой стороны, снизить влияние разброса в радиусах кривизны вершины и высоте острий на однородность эмиссии в массиве. Снизить работу выхода кремниевого эмиттера можно путем осаждения на его вершине материала, снижающего работу выхода, в частности алмаза или алмазоподобного материала. Известно, что плоскость (111) алмаза имеет отрицательное сродство к электроду [8] что позволяет получать значения эффективной работы выхода меньше 2 эВ [9] На фиг.2 приведены три вольт-амперные характеристики автоэмиттеров по фиг.1 с высотой 100 мкм, радиусом закругления вершины 10 нм, с алмазной частицей для v = 1 эВ (1) и = 2,5 эB (2) и без алмазной частицы, = 4,5 эB (3). (3). Фиг.2 иллюстрирует возможность получения, при наличии алмазной частицы на вершине автоэмиттера, при сравнительно малых рабочих напряжениях больших токов эмиссии, значительно превосходящих токи автоэмиттеров без алмазного покрытия.

На фиг.3 приведены вольт-амперные характеристики автоэмиттеров с алмазной частицей на вершине с эффективным размером 10 нм для разной высоты катодов: 10 мкм (1), 50 мкм (2) и 100 мкм (3) при = 2,5 эB.. Эти характеристики указывают на значительное увеличение эмиссионного тока при одних и тех же напряжениях с увеличением высоты автоэмиттера.

На фиг.4 приведен пример острийной структуры кремния, полученной из выращенных нитевидных кристаллов, для использования в качестве катодов. Такие катоды могут иметь площадь несколько кв.см. с плотностью острий от 10⁴> до 10⁶ см^-2. Многоострийные автоэлектронные катоды позволяют получать при сравнительно низких напряжениях и при определенных иных условиях большой суммарный ток, который равен току одиночного эмиттера, умноженному на число эмиттеров.

На фиг. 5 приведена схема острийного эмиттера с алмазными частицами на вершинах, а на фиг.6 разные схемы алмазных покрытий: с одиночными частицами (фиг. 6б) и с вершинами, покрытыми почти сплошным слоем мелких алмазных частиц (фиг.6в) и пленкой алмазоподобного материала (фиг.6г).

При осаждении на эмиттер частиц алмаза или пленки алмазоподобного материала увеличивается радиус закругления вершины эмиттера, например, до 1 мкм. Это увеличение радиуса в достаточной степени компенсируется снижением работы выхода эмиттера, как это было проверено непосредственными экспериментами.

Для повышения однородности автоэлектронной эмиссии многоэмиттерном на катоде большой площади, желательно, чтобы каждый эмиттер имел электросопротивление, сравнимое с сопротивлением вакуумного промежутка (это величина порядка 10⁶ 10⁷ Ом). Достаточно высокое сопротивление эмиттера может быть достигнуто подходящим выбором его геометрических параметров (малым поперечным сечением D, значительной высотой h, малым углом при вершине , что влечет за собой удлинение конической части) и уровня легирования (удельного сопротивления r), причем расчет сопротивления может быть проведен по формуле R = 4h/D² (в предложении цилиндрической формы эмиттера). В частности, удельное сопротивление материала эмиттера должно быть не менее 1 Ом.см.

Пример расчета электросопротивления эмиттера. При поперечнике 1 мкм, высоте эмиттера 50 мкм и удельном сопротивлении, его сопротивление составит около 510⁶ Ом. Коническая форма вершины эмиттера даст дополнительный вклад в электросопротивление. Дальнейшие вариации сопротивления эмиттера возможны за счет увеличения удельного сопротивления материала эмиттера. Известно, что при кристаллизации кремния из паровой фазы возможно получать материал с удельным сопротивлением до 10 Ом.см. Дополнительным фактором в управлении сопротивлением эмиттера может служить его легирование такими примесями как золото, которое часто, как в данном случае, используется, для выращивания нитевидных кристаллов по механизму пар жидкость кристалл (как и родственные золоту переходные элементы периодической системы: медь, серебро, никель, палладий и др.).

На фиг.7 изображен электронный прибор для оптического отображения информации, включающий описанные выше матричные автоэлектронные катоды ( фиг.4 и 5), в которых кремниевые острийные эмиттеры выполнены на линейных участках n⁺-типа, созданных посредством легирования в кремниевой подложке р-типа. К каждому из линейных участков n⁺-типа, а также к подложке р-типа, создан электрический контакт. На расстоянии 0,1-1 мм от катода находится анод, в котором оптически прозрачный проводящий слой и люминофор нанесены в виде линейных участков, проекции которых на кремниевую подложку - основание катода перпендикулярны линейным участкам n⁺-типа. К каждому линейному участку проводящего слоя и люминофора сформирован электрический контакт. При подаче напряжения от внешнего источника между двумя выбранными линейными участками анода и катода можно вызвать свечение отдельной небольшой области анода. Для предотвращения электрической связи между различными линейными участками катода предусмотрено включение небольшого (несколько вольт) запирающего напряжения между линейным участком n⁺-типа и подложкой р-типа. Данный прибор может служить основой для плоского автоэмиссионного дисплея без близко расположенного управляющего электрода.

Алмазное покрытие вершины эмиттера (в виде частицы или пленки), позволяет увеличить электронную эмиссию (при заданной напряженности поля у вершины эмиттера) и повысить его стабильность и стойкость против разрушения или деградации свойств.

Формула изобретения

1. Матричный автоэлектронный катод, содержащий монокристаллическую подложку кремния, систему острийных кремниевых эмиттеров и балластные сопротивления, отличающийся тем, что острийные кремниевые эмиттеры выполнены из эпитаксиально выращенных на монокристаллической кремниевой подложке нитевидных кристаллов кремния, при этом угол при вершине острийного кремниевого эмиттера не превосходит 30^o, радиус закругления при вершине не более 10 нм, острийный элемент имеет высоту не менее 20 мкм, его поперечный размер составляет от 1 до 10 мкм, а удельное сопротивление материала эмиттера составляет не менее 1 Омсм, так что эмиттер выполняет функцию балластного сопротивления.

2. Катод по п. 1, отличающийся тем, что вершина острийного кремниевого эмиттера имеет покрытие из материала, снижающего работу выхода электронов.

3. Катод по п. 2, отличающийся тем, что вершина острийного кремниевого эмиттера имеет покрытие из алмаза или алмазоподобного материала, при этом радиус закругления при вершине покрытия составляет от 10 нм до 1 мкм.

4. Электронный прибор для оптического отображения информации, содержащий матричный автоэлектронный катод из острийных эмиттеров, расположенных на монокристаллической подложке кремния с проводящими дорожками, образованными легированными областями, управляющий электрод, балластные сопротивления и анод с люминофорным покрытием, отличающийся тем, что матричный автоэлектронный катод образован острийными кремниевыми эмиттерами, выполненными из эпитаксиально выращенных на подложке нитевидных кристаллов кремния, при этом угол при вершине острийного кремниевого эмиттера не превосходит 30^o, радиус закругления при вершине не более 10 нм, острийный эмиттер имеет высоту не менее 10 мкм, его поперечный размер составляет от 1 до 10 мкм, а удельное сопротивление материала составляет не менее 1 Омсм, так что эмиттер выполняет функцию балластного сопротивления, анод расположен непосредственно напротив катода и выполнен в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна указанным проводящим дорожкам, при этом анод выполняет функцию управляющего электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7