КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН Российский патент 2000 года по МПК H01J1/62 H01J29/18 

Изобретение относится к электронному материаловедению и к микроэлектронике, включая вакуумную микроэлектронику, конкретно к технике люминесцентных экранов, используемых в полевых эмиссионных дисплеях, электронно-лучевых трубках, электронно-оптических преобразователях и др.

Предшествующий уровень техники
Существующие катодолюминесцентные экраны изготовляют, как правило, в форме тонких пленок на подложках.

Тонкие пленки на подложках, изготовляемые обычно осаждением из раствора или сублимацией в паровой фазе, имеют поликристаллическую микроструктуру и состоят, как правило, из кристаллических зерен приблизительно изометрической формы с микронными или субмикронными размерами.

Известны катодолюминесцентные экраны, содержащие светопрозрачную подложку, на которую нанесены кристаллические зерна люминофора [1,2].

Эти зерна обычно налагаются друг на друга (фиг. 1), при этом свет, генерируемый под действием электронного облучения в кристаллическом зерне (например, обозначенном крестиком на фиг. 1), рассеивается в лабиринте окружающих зерен катодолюминесцентного экрана, что ухудшает его разрешающую способность. К тому же значительная (до 2/3) доля генерируемого света безвозвратно теряется, не доходя до наблюдателя или регистрирующего устройства; по этой причине эффективность таких экранов значительно снижена.

Еще одна проблема таких экранов обусловлена тем фактом, что в пленке, состоящей из приблизительно изометрических кристаллических зерен, которые контактируют друг с другом лишь в отдельных точках, не все пространство заполнено люминесцирующим материалом. Помимо снижения эффективности экрана, это ухудшает его термо- и электропроводность.

Кроме того, такие экраны имеют плохую адгезию к подложке, поскольку кристаллические зерна имеют с ней лишь точечные контакты (обозначены как A₁ на фиг. 1).

Еще один недостаток существующих катодолюминесцентных экранов состоит в том, что они, будучи сформированы в основном диэлектрическими элементами, интенсивно заряжаются при облучении электронами.

Известен катодолюминесцентный экран, образованный волоконно-оптической пластинкой, содержащей монокристаллические волокна из люминесцентного материала [3] . Однако такая конструкция неприемлема для многих практических случаев, например для низковольтных автоэмиссионых дисплеев, которые трудно изготовить используемым в патенте [3] способом кристаллизации из расплава.

Известен люминесцентный экран, состоящий из волоконно-оптической пластинки, на торце которой в каждом стеклянном волокне создают углубление, и в это углубление осаждают, например, посредством центрифугирования из раствора частицы люминофора [4] . Однако в таком экране частицы имеют плохой (как правило, точечный) контакт с подложкой, а потому контрастность невелика, и передача изображения ухудшена.

Здесь предлагается конструкция катодолюминесцентного экрана, который лишен указанных выше недостатков.

Ниже описывается сущность предлагаемого изобретения.

Сущность изобретения
Предлагается катодолюминесцентный мозаичный экран, в котором излучающие диэлектрические элементы выполнены в виде столбчатой светопроводящей структуры, при этом на светопрозрачной подложке закреплены торцы монокристалических столбиков, отношение диаметров которых к их высоте находится в интервале от 1:1 до 1:100, отношение площади светопрозрачной подложки, покрытой столбиками, к общей площади подложки находится в интервале от 10:1 до 1:10, а пространство между столбиками заполнено электропроводящей неизлучающей средой, имеющей коэффициент светопоглощения по отношению к излучаемому данной столбчатой структурой свету более 20%.

В этом экране поверхность столбиков покрыта зеркальным отражающим металлическим слоем.

Наружные торцы столбиков покрыты излучающим люминофорным слоем, толщина которого по крайней мере на порядок величины меньше высоты столбиков.

Краткое описание фигур
Фиг. 1. Схема катодолюминесцентного экрана, который сформирован пленкой из приблизительно изометричных кристаллических зерен.

Фиг. 2. Схема катодолюминесцентного экрана, который сформирован сплошной пленкой, состоящей из столбиков, приблизительно перпендикулярных подложке.

Фиг. 3. Схема распространения световых лучей в такой пленке.

Фиг. 4. Фотография скола сплошной пленки, состоящей из столбиков, в растровом электронном микроскопе.

Фиг. 5. Схема катодолюминесцентного экрана, сформированного системой столбиков, между которыми имеются просветы.

Фиг. 6. Фотография пленки, состоящей из столбиков с просветами. Вид сверху (перпендикулярно к поверхности пленки и к подложке). Видна мозаичная структура экрана.

Фиг. 7. Схема пленки, показанной на фиг. 5 и 6: пространство между столбиками заполнено электропроводящей неизлучающей средой.

Фиг. 8. Схема катодолюминесцентного экрана со столбчатой структурой. Наружные участки столбиков слегка заштрихованы. Граница штриховки указывает уровень проникновения электронов, вызывающих люминесценцию.

Фиг. 9. Схема катодолюминесцентного экрана со столбчатой структурой. Наружные торцы столбиков покрыты излучающим люминофорным слоем.

Лучший вариант осуществления изобретения
Предлагаемый здесь вариант катодолюминесцентного экрана со столбчатой структурой отличается рядом преимуществ применительно, в особенности, к низковольтным автоэмисионным дисплеям.

1. Высоким световым и энергетическим выходом, что обусловлено его конструкцией. Благодаря полному внутреннему отражению от стенок столбиков имеет место волноводный ("световодный") эффект: свет распространяется преимущественно вдоль элементов столбчатой структуры, не выходя за его пределы и не переходя в соседние столбчатые элементы.

2. Низким световым рассеянием при прохождении света вдоль столбчатой структуры. Это определяет высокую разрешающую способность предложенной конструкции, которая количественно равна числу излучающих элементов на единицу длины.

3. Высокой адгезионной прочностью по отношению к светопрозрачной подложке, с которой столбики связаны своими плоскими торцами, т.е. площадь соприкосновения излучающих элементов с подложкой относительно велика. Это особенно важно для использования таких экранов в диодных конструкциях автоэмисионных дисплеев, где значительные градиенты электрического поля способны отрывать обычные люминофорные экраны или частицы экрана.

Указанные преимущества столбчатой структуры катодолюминесцентного экрана были реализованы в технологическом процессе синтеза экранной структуры, основным материалом для которой служили бинарные люминофорные материалы типа соединений 2-й и 6-й групп периодической системы химических элементов, приготовляемые по способу, предложенному в нашей патентной заявке от 27 октября 1997 г. "Способ приготовления люминесцирующих экранов со столбчатой структурой".

Еще раз подчеркнем основную (оптическую) идею, заложенную в конструкцию предлагаемой столбчатой структуры катодолюминесцентного экрана: направление распространения света в каждом столбчатом элементе соосно (параллельно) направлению первичного (возбуждающего свет) электронного пучка, тогда как в известных (стандартных) тонкопленочных экранах из светоизлучающей сплошной пленки на поверхности светопрозрачной подложки возбуждаемая катодолюминесценция имеет возможность распространяться не только в соосном с электронным пучком направлении, но и перпендикулярно к нему.

По мере реализации первичной конструкции и ее использования в конкретных электронных приборах было обнаружено еще несколько неочевидных преимуществ предложенной конструкции. Эти преимущества заключаются в следующем:
- в повышении межэлементной равномерности свечения, т.е. увеличении отношения яркости его светящегося столбчатого элемента к яркости промежутков на подложке. В традиционных конструкциях катодолюминесцентных экранов, вследствие различия в геометрических размерах излучающих зерен, межэлементная яркость существенно различается (до 50% на расстоянии 25-30 микрометров), что часто препятствует передаче и фиксации качественных изображений;
- в значительном (5-10 раз) повышении электрической и тепловой мощности, рассеиваемой столбчатой структурой, в сравнении как со стандартным катодолюминесцентным экраном, состоящим из зерен, так и с тонкой излучающей пленкой. Испытания стандартных экранов из пленок ZnS:Ag на оптическом стекле показало, что линейность токовой характеристики излучаемой яркости составляет около 0,7 при различии плотностей возбуждающего электронного пучка от 0,1 до 1 мкА/см², тогда как увеличение плотности тока до 10 мкА/см² сопровождается падением линейности яркости до 0,45. Предложенные в настоящем патенте экраны со столбчатой структурой сохраняют значение линейности токовой характеристики яркости на уровне 0,9 и выше:
- в устранении эффектов "выжигания" микроэлементов экранной структуры, например, при внезапном выключении развертки электронного пучка. В стандартных конструкциях катодолюминесцентных экранов мощность, достаточная для необратимого выжигания люминесцентного экрана, составляет обычно 0,1 Вт/элемент, тогда как предварительные испытания предложенной столбчатой структуры экрана указывают на увеличение этого параметра до 1 Вт/элемент;
- в увеличении фонового контраста изображения, воспроизводимого катодолюминесцентным экраном при его освещении интенсивным внешним источником света (Солнцем, лампами накаливания и др.). Стандартные катодолюминесцентные экраны из светорассеивающих покрытий при интенсивной внешней засветке имеют контраст изображения, определяемый по уравнению К=h_изоб < 5. Испытания предложенных и опробованных в настоящей заявке модифицированных конструкций столбчатого экрана указывают на увеличение контрастного показателя до значения К > 10-20 единиц.

Значительный электрический заряд, накапливаемый стандартными экранами, не снижается полностью даже традиционными алюминиевыми покрытиями толщиной 0,1-0,5 мкм, создаваемыми обычно на поверхности стандартного катодолюминесцентного экрана, что проявляется в возникновении многочисленных электрических пробоев, нарушающих стабильную работу электронных приборов.

Все перечисленные выше дополнительные преимущества катодолюминесцентных экранов со столбчатой структурой проявляются при изменении его конструкции, заключающемся в выполнении указанного экрана в виде мозаичной структуры, включающей диэлектрические излучающие и электропроводящие неизлучающие элементы. Такая структура отличается тем, что диэлектрические излучающие элементы экрана выполнены в виде светопроводящих столбиков с отношением диаметра столбика к его высоте от 1:1 до 1:100 и отношением площади подложки, на которой закреплены указанные столбики, к общей площади подложки от 10:1 до 1:10. При этом оставшаяся площадь подложки и весь остальной объем экрана заполнен электропроводящей неизлучающей средой, которая имеет коэффициент светопоглощения по отношению к среде, излучающей свет, более 20%.

Отметим, что обнаруженные и описанные выше преимущества предлагаемой структуры экрана проявляются при изготовлении ее как в экспериментальных (10х10 мм), так и в потребительских (25х25 или 75х75 мм) размерах, т.е. на уникальные параметры предлагаемой структуры размерный фактор не влияет.

Было проверено влияние изменения габаритных размеров столбиков на характеристики структуры в целом. Так, при размере поперечника столбика 1 мкм и шаге между столбиками 2 мкм была получена светопроводящая структура, содержащая на 1 см² более 2.5•10⁷ светопроводящих микроэлементов, что существенно превышает все известные до настоящего времени излучающие конструкции по величине оптической разрешающей способности. Было также определено, что технически важные применения в электронно-лучевых и
преобразовательных приборах могут иметь структуры с шагом столбиков 20 мкм при их общем числе 2.5•10⁵ см^-2.

Технологический процесс изготовления предлагаемой мозаичной структуры в части создания диэлектрических светоизлучающих и светопроводящих элементов подробно описан в указанной выше нашей заявке на патент по способу изготовления данной столбчатой структуры; дополнительными в предлагаемом патенте является процесс заполнения световодной поверхности подложки и пространства над ней электропроводящей светопоглощающей (неизлучающей) средой. Непосредственно процесс заполнения, в соответствии с предлагаемым патентом, выполняется в результате проведения операции "окунания" столбчатой структуры в расплав из соответствующих оксидов или сульфидов. Наряду с операцией "окунания" была опробована операция пропитки столбчатой структуры легкоплавкими соединениями. В качестве легкоплавких соединений предлагается использовать не только оксиды типа B₂O₃ (T_пл = 450^oC), V₂O₅ (T_пл = 670^oC), CdO (T_пл = 826^oC), PbO₂ (T_пл =290^oC), Bi₂O₃ (T_пл = 817^oC), но и сульфиды SnS (T_пл = 882^oC), Sb₂S₃ (T_пл =550^oC); были опробованы также металлические эвтектики типа Cd-Bi-Pb-Sn (T_пл = 65^oC) и Pb-Sn. Все указанные составы окрашены и поглощают свет в спектральном поддиапазоне от 420 до 760 нм, поэтому их использование в мозаичной структуре позволяет значительно увеличить контрастное отношение вследствие повышенного поглощения бокового излучения столбчатой структурой, проходящей через подложку внешнюю засветку.

Было проверено влияние электропроводности заполняющей среды на свойства мозаичной структуры. Так, при заполнении свободного объема эвтектической металлической фазой Cd-Bi-Pb-Sn электросопротивление заполняющей среды составляет от 1 до 20 Ом•см при коэффициенте оптического поглощения >10⁵ см^-1. При соотношении площадей столбчатой структуры и заполняющей среды 5:1 коэффициент отражения внешней засветки от фронтальной поверхности составляет 20%, тогда как аналогичная столбчатая структура, незаполненная электропроводящей средой, отражает 45-60% падающего на нее света. Соотношение высоты столбиков и заполняющей проводящей среды детально в предполагаемом патенте не исследовалось; в первичных экспериментах соотношение высот столбиков и электропроводящей светопоглощающей среды составляло 2:1, но и подобное соотношение обеспечивало сток возбуждающего электронного тока плотностью от 1 до 10 А/см². Столбики мозаичного экрана в зависимости от конструкции прибора (точнее, от энергии электронного пучка, возбуждающего столбики) могут иметь дополнительное покрытие в виде металлического зеркала из Al или Ag (для электронных пучков с энергией E > 5 кэВ).

Литература
1. L.E.Shea, J.McKitrick, O.A.Lopez, E.Sluzky, and M.L.F.Phillips Advantages of self-propagating combustion reactions for synthesis of oxide phosphors, Journal of the SID, 5/2, 117 (1997).

2. C.S.Gibbons, A.Vecht, and D.W.Smith Multi-layer phosphor thin films, Journal of the SID, 5/2, 151 (1997).

3. B.Cockayne Cathode ray tube phosphor layers, European Patent Application 062993, C1. H 01 J 29/20 (1982).

4. V.Duchenois, M.Fouassier and H.Baudry. Ecran cathodoluminescent incruste a cavities restaurees et tube de visualisation utilisant un tel ecran, European Patent Application 170310, Cl. H 01 J 29/24 (1988).

Катодолюминесцентный экран выполнен в виде мозаичной структуры, включающей диэлектрические излучающие и электропроводящие неизлучающие элементы. Технический результат заключается в улучшении термо- и электропроводности экрана, в повышении его эффективности за счет улучшения контрастности и передачи изображения. Диэлектрические излучающие элементы выполнены в виде светопроводящих столбиков. Весь остальной объем экрана и подложки заполнен электропроводящей неизлучающей средой, которая имеет коэффициент поглощения по отношению к среде, излучающей свет, более 20%. Поверхность столбиков может быть зеркальным отражающим металлическим слоем. Наружные торцы столбиков могут быть покрыты излучающим люминофорным слоем, толщина которого по крайней мере на порядок меньше высоты столбиков, а люминесцентный слой может быть эпитаксиален по отношению к столбикам. 3 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Катодолюминесцентный мозаичный экран на светопрозрачной подложке, включающий излучающие, светопроводящие, диэлектрические и электропроводящие светопоглощающие элементы, отличающийся тем, что излучающие элементы экрана выполнены в виде светопроводящей структуры из монокристаллических столбиков, причем один торец каждого столбика на внутренней поверхности подложки с отношением диаметра столбика к его высоте от 1:1 до 1:100 и отношением площади подложки, покрытой столбиками, к общей площади подложки от 10:1 до 1:10 при заполнении оставшейся части площади подложки и всего объема структуры электропроводящей неизлучающей средой, имеющей коэффициент светопоглощения по отношению к излучаемому структурой свету более 20%. 2. Экран по п.1, отличающийся тем, что поверхность столбиков покрыта зеркальным отражающим металлическим слоем. 3. Экран по п.1, отличающийся тем, что наружные торцы столбиков покрыты излучающим люминофорным слоем, толщина которого по крайней мере на порядок величины меньше высоты столбиков. 4. Экран по п.3, отличающийся тем, что люминофорный слой эпитаксиален по отношению к столбикам.