УСТРОЙСТВО С ПЛЕНОЧНЫМ ПЛАНАРНО-ТОРЦЕВЫМ МАТРИЧНЫМ АВТОЭЛЕКТРОННЫМ КАТОДОМ Российский патент 1999 года по МПК H01J1/30 H01J17/49 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов и может быть использовано в СВЧ-технике и технике плоских катодолюминесцентных экранов, содержащих автоэлектронные ячейки.

Известно устройство с автоэлектронным катодом (АЭК), используемое в дисплее, патент США N 3755704, публ. 1973 г. МКИ: H 01 J 1/02, содержащее проводящее основание, АЭК в виде конусообразных проводящих выступов, электрод (вытягивающий электрод), инициирующий эмиссию, и ортогональные X-, Y-шины.

Недостатком данного устройства является низкая долговечность работы в техническом вакууме (10^-6 - 10^-7 мм рт.ст.), обусловленная прогрессирующим увеличением радиуса кривизны выступов вследствие их ионной бомбардировки.

Этот недостаток частично устранен в устройстве, описанном в работе А.А. Васенкова и др. "Низковольтные кремниевые матричные автоэлектронные катоды" ("Электронная промышленность", вып. 8(166), 1987, с. 48 - 49), которое содержит основание, АЭК в виде лезвийного эмиттера, ортогонального основанию, вытягивающий электрод, X-, Y-шины, изолирующий слой, причем кромка эмиттера расположена в прорези изолирующего слоя и вытягивающего электрода.

Недостаток указанного устройства - низкая экономичность, обусловленная необходимостью формирования планарных субмикронных структур по поверхности вытягивающего электрода (шаг перфорирования: 2,5 - 5 мкм).

Недостаток устранен техническим решением "Матричный автоэлектронный катод", МКИ H 01 J 1/30, по авт. свид. N 1708092 от 22.09.91 г., согласно которому ячейка АЭК содержит слой - эмиттер, параллельный подложке и расположенный между первым и вторым дистанцирующими слоями, параллельными подложке, причем эмиттер и дистанцирующие слои, совокупно расположенные между третьим и четвертым проводящими слоями, также расположены параллельно подложке (третий и четвертый слои имеют функциональное назначение вытягивающих электродов), торцы дистанирующих слоев заглублены относительно торца эмиттера.

Матричный автоэлектронный катод по авт. свид. N 1708092 является прототипом заявляемого технического решения. Недостатки прототипа:
- низкая электрическая прочность промежутка эмиттер - вытягивающий электрод либо при достаточной толщине дистанцирующих слоев высоковольтность по напряжению вытягивающего электрода;
- низкая экономичность, обусловленная, в частности, трудностями формирования на его основе дисплеев с визуализацией изображения на отражение (без потери излучения в слое катодолюминофора);
- низкий порог усиления высокочастотных сигналов, обусловленный большой емкостью катод - вытягивающий электрод.

Задачей изобретения является повышение экономичности и высокочастотности устройств с АЭК.

Указанная задача решается следующим образом.

Предлагается устройство с пленочным планарно-торцевым матричным автоэлектронным катодом (ППТ МАЭК), содержащее несущую подложку, двумерную матрицу эмиссионно-активных автоэлектронных ячеек, соединенных пленочными X-, Y-шинами, причем X-шины лежат на подложке, ячейка содержит изолирующие и проводящие слои, в том числе вытягивающие слои и слой-эмиттер, который параллелен подложке, расположен между первым и вторым дополнительными изолирующими дистанцирующими слоями, параллельными подложке, торцы первого и второго слоев заглублены относительно торцов эмиттера.

Предлагаемое устройство характеризуется следующими новыми признаками, совокупно обеспечивающими его экономичность и высокочастотные свойства во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правововой охраны: эмиттер ячейки выполнен в виде полосы, плоскопараллельной X-шине (и подложке), эмиттер, первый и второй (дистанцирующие) слои совокупно расположены между третьим и четвертым дополнительными изолирующими слоями, также плоскопараллельными X-шине (и подложке), при этом первый, второй, третий и четвертый слои выполнены в виде лент, ортогональных X-шине, ширина лент и длина полосы эмиттера по порядку величины одинаковы, торцы третьего и четвертого слоев несут соответственно пятый и шестой дополнительные проводящие вытягивающие слои; третий и четвертый слои в торцевых их частях выполнены с полостями по месту торца эмиттера, введены седьмой и восьмой дополнительные изолирующие слои, плоскопараллельные подложке, седьмой слой ближе к третьему слою, выполнен также в виде ленты, ортогональной X-шине, восьмой слой ближе к X-шине, торец седьмого слоя заглублен относительно торца третьего слоя, один торец полосы эмиттера выполнен свободным и расположен между торцами пятого и шестого слоев на удаленных от них по толщинам первого и второго слоев соответственно, а противоположный торец полосы эмиттера соединен с Х-шиной девятым дополнительным проводящим слоем, Y-шина выполнена по пятому, шестому слоям, омическое сопротивление эмиттера и девятого слоя превышает сопротивление X-шины не менее чем на 3 порядка.

Предлагаемое устройство характеризуется следующими новыми признаками частных вариантов своего выполнения:
- омическое сопротивление эмиттера превышает сопротивление Х-шины не менее чем на три порядка;
- омическое сопротивление девятого слоя превышает сопротивление X-шины не менее чем на три порядка;
- между свободным торцом эмиттера и X-шиной включено нагрузочное (отрицательной обратной связи по току) сопротивление в виде дополнительного десятого проводящего слоя с омическим сопротивлением, превышающим сопротивление X-шины не менее чем на три порядка;
- девятый слой выполнен по отверстию в слоях, расположенных между эмиттером и X-шиной, в частности, трубчатым либо в варианте, покрывающем стенки отверстия лишь частично;
- десятый слой выполнен по месту части (в разрыв) девятого слоя либо в варианте по месту части (в разрыв) полосы эмиттера;
- эмиттер и первый, второй, третий, четвертый и седьмой слои выполнены с продольной вдоль лент плоскостью симметрии, ортогональной подложке;
- полости с торцов третьего и четвертого слоев выполнены на всю толщину этих слоев, так что пятый и шестой слои опираются только на выступы этих слоев по промежуткам между эмиттерами;
- плоскости пятого и шестого слоев образуют с плоскостью подложки тупой угол, преимущественно близкий к прямому;
- четвертый слой несет на своей верхней (более удаленной от подложки) поверхности одиннадцатый дополнительный изолирующий слой с адгезией материала шестого слоя, меньшей, чем у торцов четвертого слоя, либо в варианте, с микрошероховатостью, превышающей микрошероховатость торцов четвертого слоя;
- восьмой слой несет на своей верхней (более удаленной от подложки) поверхности, свободной от седьмого слоя, двенадцатый дополнительный проводящий слой с толщиной, меньшей, чем у седьмого слоя;
- двенадцатый слой несет слой катодолюминофора;
- слой катодолюминофора выполнен островковым, так что против торцов различных эмиттеров расположены островки катодолюминофора различного цвета свечения;
- X-шина и/или девятый слой выполнены общими для нескольких эмиттеров.

В отличие от прототипа вытягивающие электроды (Y-шины), с одной стороны, и X-шины и эмиттеры, с другой стороны, не образуют в заявленном устройстве ни в каких своих частях плоскопараллельной конструкции - поэтому электростатические емкости между X-шинами и Y-шинами в заявленном устройстве меньше, чем у прототипа и, следовательно, высокочастотные свойства устройства лучше.

В отличие, далее, от прототипа вытягивающие электроды (Y-шины), с одной стороны, и эмиттеры, сопротивления и X-шины, с другой стороны, разделены в устройстве вакуумным зазором - это придает устройству преимущество электропрочности.

Кроме того, в отличие от прототипа подложка, несущая эмиссионно активные ячейки, несет в устройстве одновременно и слои катодолюминофора, так что устройство является дисплеем, причем возможна визуализация изображения на отражение, т.е. без потери излучения в слое люминофора.

Конструкция представленной ячейки устройства поясняется фиг. 1 - 3.

Фиг. 1 изображает ячейку устройства с указанными выше конструктивными отличиями по основному и по следующим дополнительным вариантам устройства:
- по варианту выполнения эмиттеров и лент первого, второго, третьего, четвертого, седьмого слоев с продольной по лентам (вдоль них) плоскостью симметрии, ортогональной подложке;
- по варианту с высокоомным десятым слоем по месту части полосы (в разрыв) эмиттера;
- по варианту с одиннадцатым изолирующим слоем по поверхности четвертого слоя;
- по варианту с двенадцатым, проводящим слоем на восьмом слое и со слоями люминофора на двенадцатом слое.

Фиг. 2 изображает ячейку устройства в поперечном сечении плоскостью, ортогональной подложке, проходящей по X-шине (вдоль нее) с теми же, что и по фиг. 1, отличиями, однако без признака плоскости симметрии, ортогональной подложке, проходящей по лентам (вдоль них, перпендикулярно X-шине) первого, второго, третьего, четвертого и седьмого слоев.

Фиг. 3 изображает ту же ячейку, что и фиг. 1, в сечении плоскостью, ортогональной подложке, проходящей, однако, не по X-шине (вдоль нее), а между X-шинами.

На фиг. 1 - 3:
15 - подложка, 14 - X-шина, 13 - эмиттер, 1, 2, 3, 4, 7 - первый, второй, третий, четвертый, седьмой дополнительные слои, 5, 6 - пятый и шестой дополнительные слои (Y-шины), 8, 9, 10, 11, 12 - восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый дополнительные слои, 16, 17, 18 - слои катодолюминофора.

Подложка 15 может быть выполнена из стекла, слои 5, 6, 9, 12, 14 - из Al или Cr, слой 11 - из Al₂O₃, слой 13 - из C; слои 1, 2, 7 - из SiO₂, слои 3, 4, 8 - из Si₃N₄ или из полиимида, слой 10 - из Si, слои 16, 17, 18 - из ZnO, ZnS, ZnCdS соответственно.

Фиг. 1 поясняет выполнение эмиттера 13 в виде полосы, параллельной X-шине 14; выполнение слоев 1, 2, 3, 4, 7 в виде лент, ортогональных X-шине 14; выполнение эмиттера 13, сопротивления 10 и лент-слоев 1, 2, 3, 4, 7 с плоскостью симметрии, ортогональной подложке и идущей вдоль лент; выполнение слоев 3, 4 с полостями (кавернами) в торцевой их части, несущей слои 5, 6, на всю толщину слоев 3, 4, так что слои 5, 6 опираются только на торцы выступов слоев 3, 4 по промежуткам между полосами эмиттера 13.

Фиг. 1, 2, 3 совокупно поясняют преимущество устройства в отношении более высокой электропрочности и меньшей электроемкости основного рабочего фрагмента устройства как между лентами 5, 6 (Y-шинами) и эмиттером 13, так и между Y-шинами 5, 6 и X-шинами 14: согласно фиг. 1, 2 по месту эмиттеров 13 нет слоев 3, 4 (они заглублены), с другой стороны, согласно фиг. 1, 3 по месту опор Y-шин на слои 3, 4 нет эмиттеров 13 и X-шин 14.

Назначение и связь элементов конструкции в статике: 15 - основной несущий элемент, 14 - сигнальный электрод (X-шина), 5, 6 - сигнальные (вытягивающие) электроды (Y-шина), 13 - собственно эмиттер (автоэлектронный катод); 1, 2 - дистанцирующие слои, задающие зазор между вытягивающими электродами 5, 6 и эмиттером 13; 3, 4 - несущие для электродов 5, 6; 12 - коллектор электронов (анод); 7 - технологический слой, обеспечивающий за счет торцевого его подтрава на операции, предшествующей напылению слоев 5, 6, 12, электрическую развязку Y-шины 5 и анода 12; 8 - слой, обеспечивающий электрическую развязку X-шины 14 и анода 12; 9 - элемент электрической связи X-шины 14 с эмиттером 13; 10 - нагрузочное сопротивление (элемент отрицательной обратной связи по току), уменьшающее различие эмиссии эмиттеров 13, обуславливаемые их различиями по работе выхода, радиусу кривизны, их удалению от сигнальных электродов 5, 6; 11 - технологический слой, обеспечивающий электрическую развязку частей Y-шин 6, расположенных на торцах слоя 4, за счет снятия с этого слоя материала слоя 6 после формирования этого слоя (например, напылением) - снятия взрывной литографией за счет более высокой микрошероховатости слоя 11 либо за счет слабой адгезии материала слоя 6, меньшей, чем у торцов слоя 4; 16, 17, 18 - светоизлучающие элементы зеленого, красного и синего цветов.

Устройство может быть выполнено методами современной микроэлектроники, в частности напылением слоев и их селективным травлением.

Устройство работает следующим образом.

На эмиттер 13 через Х-шину 14 подается отрицательный, а на вытягивающие электроды 5, 6 (Y-шину) - положительный импульсы напряжения. Под действием электрического поля, концентрирующегося на торцах эмиттера 13, возникает автоэлектронная эмиссия. Эмиттированные электроды движутся в области торцов эмиттера 13 в двугранном угле порядка 90^o и могут быть направлены под воздействием внешних электрических полей на анод 12 с люминофорами 16, 17, 18 (или без них) либо на иной анод, например, расположенный параллельно основанию 15 выше слоя 11.

Фрагмент устройства, изображенный на фиг. 1, 2, 3, имеет составной эмиттер, каждая часть которого может быть независимо возбуждена или подавлена (в отношении эмиссии) по соответствующей своей паре Х-, Y-шин.

Устройство допускает различные варианты соединения эмиттера с Х-шиной, а именно: первый - по одному из торцов эмиттера 13 и по торцам лент слоев 1, 3, 7 при выполнении лент с отверстиями под соединяющий слой 9, в частности при выполнении эмиттера и лент с продольной вдоль лент плоскостью симметрии (фиг. 1); второй - по одному из торцов эмиттера 13 и по торцам лент слоев 1, 3, 7 при выполнении лент без отверстий под соединяющий слой 9; третий - по торцам эмиттера 13 и лент 1, 3, 7 при выполнении достаточно больших отверстий в лентах, когда соединяющий слой 9 является трубчатым (кольцевым) либо покрывающим стенки отверстия лишь частично.

Как указано выше, преимуществом заявленного устройства по сравнению с прототипом является более высокая электрическая прочность промежутков между сигнальными электродами 5, 6, Y-шинами, с одной стороны, и эмиттерами 13 и Х-шинами - с другой. Это обусловлено тем, что поверхности касаняя сигнальных электродов 5, 6 с несущими их слоями 3, 4 меньше, чем у прототипа, так что меньше вероятность пробоев по дефектам (включениям, проводящим мостикам) слоев 3, 4. Максимальную электропрочность имеет вариант устройства со слоями 3, 4, выполненными в торцах с выступами так, что сигнальные электроды 6, 7 опираются только на торцы выступов по промежуткам между различными эмиттерами 13.

Омическое сопротивление слоя 10 должно не менее чем на три порядка превышать сопротивление Х-шины 14, в противном случае указанное выше функциональное назначение слоя 10 как нагрузочного сопротивления практически затруднительно.

В технологически более простом варианте устройства, а именно без слоя 10, указанное функциональное назначение этого слоя может взять на себя эмиттер 13 или слой 9. При этом омическое сопротивление эмиттера должно быть не менее чем на три порядка больше сопротивления Х-шины либо омическое сопротивление слоя 9 должно быть не менее чем на три порядка выше омического сопротивления Х-шины.

Высокая микрошероховатость слоя 11, превышающая микрошероховатость торцов слоя 4, и слабая адгезия этого слоя к материалу слоя 7 (более слабая, чем у торцов слоя 4) обеспечивают реализуемость устройства в отношении признака электрической изоляции слоев 5, 6 от проводящих слоев на других поверхностях конструктивных элементов ячейки. Это можно пояснить следующим образом. При формировании слоев 5, 6, 12 за один технологический цикл напыления проводящего материала на торцы слоев 3, 4 и слой 8 неизбежно осаждение этого материала также и на слой 11. Признак изоляции слоя 6 от проводящих слоев на поверхностях других конструктивных элементов ячейки может быть обеспечен лишь при удалении осажденного на слой 11 проводящего слоя. Это удаление обеспечивается практически селективным травлением, как описано выше, за счет указанных признаков высокой микрошероховатости слоя 11 и низкой адгезии к этому слою материала слоя 6.

Вариант устройства со слоем 12 (анодом) на слое 8 уступает варианту устройства с анодом со стороны слоя 11 (над этим слоем) по высокочастотным свойствам, однако в варианте устройства - дисплея он обеспечивает признак визуализации изображения на отражение (без потери излучения в слое катодолюминофора), а именно, со стороны слоя 11, в том числе изображения различных цветов свечения.

Возможны также варианты устройства, допускающие различную реализацию слоев 9 и 14, а именно:
1) с X-шинами 14, общими для групп эмиттеров 13, параллельно подключенных к X-шинам по своим слоям 9;
2) с девятыми слоями 9, общими для групп эмиттеров 13.

Работоспособность устройства обоснована данными о работоспособности аналогов и результатами анализа закона автоэлектронной эмиссии Фаужера-Нордгейма. Электронно-оптические свойства устройства определены по результатам анализа электростатических полей и электронных потоков устройства. Показано, в частности, отсутствие тока эмиттированных электронов на вытягивающие электроды 5, 6 при их потенциале ниже потенциала анода 12.

Устройства промышленного производства, близкие к заявленному, не известны.

Имея в виду массовое применение устройства в катодолюминесцентных экранах, можно считать, что наиболее близким к заявленному является базовый образец - катодолюминесцентный экран ЭЛТ - 128 х 128 Л, изготавливаемый предприятием-заявителем. От такого базового образца устройство отличается, во-первых, большей экономичностью вследствие отсутствия накала катода, во-вторых, безынерционностью возбуждения (прекращения) эмиссии.

При массовом производстве телевизионных приемников и других устройств на базе заявленного решения экономический эффект от внедрения последнего может составить миллиарды рублей в год.

Уточнение экономического эффекта может быть выполнено по итогам ведущихся научно-исследовательских работ.

Устройство с пленочным планарно-торцевым матричным автоэлектронным катодом (ППТ МАЭК) для СВЧ-техники и отображения информации содержит ленты-слои: 1) Х-шин и ориентированных по Х полос эмиттера, 2) У-шин и ориентированных по У дополнительных слоев. У-шины расположены по торцам выступов пары дополнительных изолирующих слоев, остальные ленты плоскопараллельны подложке. Эмиттеры расположены своими свободными торцами между У-шинами, подключены к Х-шинам через пленочные нагрузочные сопротивления. Технический результат изобретения - высокая электропрочность устройства при большей поверхности ППТ МАЭК, низкая емкость и вольтность по цепям Х-, У-шин, однородность эмиссии, возможность пленочных дисплеев с визуализацией изображения на отражение, квазипланарная технология производства без субмикронной литографии. 18 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство с пленочным планарно-торцевым матричным автоэлектронным катодом, содержащее несущую подложку, двумерную матрицу эмиссионно-активных автоэлектронных ячеек, соединенных пленочными X-, Y-шинами, причем X-шины лежат на подложке, ячейка содержит изолирующие и проводящие слои, в том числе вытягивающие слои и слой-эмиттер, который параллелен подложке, расположен между первым и вторым изолирующими, дистанцирующими слоями, параллельными подложке, торцы первого и второго слоев заглублены относительно торцов эмиттера, отличающееся тем, что эмиттер выполнен в виде полосы, плоскопараллельной Х-шине, длина полосы меньше размера ячейки по Х, эмиттер и дистанцирующие слои совокупно расположены между третьим и четвертым изолирующими слоями, также плоскопараллельными подложке, торцы третьего и четвертого слоев несут соответственно пятый и шестой дополнительные, проводящие вытягивающие слои и выполнены с полостями по местам торцов эмиттера, введены седьмой и восьмой дополнительные, изолирующие слои, плоскопараллельные подложке, седьмой слой ближе к третьему слою, а восьмой слой ближе к Х-шине, первый, второй, третий, четвертый и седьмой слои выполнены в виде лент, ортогональных Х-шине, ширина лент и длина полосы эмиттера по порядку величины одинаковы, торцы седьмого слоя заглублены относительно торцов третьего слоя, один торец полосы эмиттера выполнен свободным и расположен между торцами пятого и шестого слоев на удалениях от них по толщинам первого и второго слоев соответственно, а противоположный торец полосы эмиттера соединен с Х-шиной девятым дополнительным, проводящим слоем, Y-шина выполнена по пятому, шестому слоям. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что эмиттер, первый, второй, третий, четвертый и седьмой слои выполнены с продольной вдоль лент плоскостью симметрии. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что девятый слой выполнен по отверстию в слоях, расположенных между эмиттером и Х-шиной. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что девятый слой выполнен трубчатым. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что девятый слой покрывает стенки отверстия частично. 6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что омическое сопротивление эмиттера превышает сопротивление Х-шины и девятого слоя не менее чем на три порядка. 7. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что омическое сопротивление девятого слоя превышает сопротивление Х-шины и эмиттера не менее чем на три порядка. 8. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что между свободным торцом эмиттера и Х-шиной включено нагрузочное сопротивление в виде дополнительного, десятого проводящего слоя из материала с удельным омическим сопротивлением, превышающим удельное сопротивление эмиттера, девятого слоя и Х-шины не менее чем на три порядка. 9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что полости в третьем и четвертом слоях выполнены на всю толщину этих слоев, так что пятый и шестой слои опираются только на торцы выступов третьего и четвертого слоев соответственно. 10. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что десятый слой выполнен вместо части девятого слоя. 11. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что десятый слой выполнен вместо части эмиттера. 12. Устройство по любому из пп.1 - 11, отличающееся тем, что четвертый слой несет на своей более удаленной от подложки поверхности одиннадцатый дополнительный изолирующий слой. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что одиннадцатый слой имеет адгезию материала шестого слоя меньшую, чем у торцов четвертого слоя. 14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что одиннадцатый слой выполнен с микрошероховатостью, превышающую микрошероховатость торцов четвертого слоя. 15. Устройство по любому из пп.1 - 14, отличающееся тем, что восьмой слой несет на своей более удаленной от подложки поверхности, свободной от седьмого слоя, двенадцатый дополнительный, проводящий слой с толщиной меньшей, чем у седьмого слоя. 16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что двенадцатый слой несет слой катодолюминофора. 17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что слой катодолюминофора выполнен островковым, так что против торцов различных эмиттеров расположены островки катодолюминофора различного цвета свечения. 18. Устройство по любому из пп.1 - 17, отличающееся тем, что Х-шина выполнена общей для группы эмиттеров. 19. Устройство по любому из пп.1 - 18, отличающееся тем, что слой выполнен общим для группы эмиттеров.