АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР НА ЕГО ОСНОВЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H01J1/30 H01J19/24 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к автоэмиссионным катодам и устройствам на их основе.

Для абсолютного большинства электровакуумных приборов ключевым узлом является катод - источник электронного потока высокой плотности. Для вакуумных интегральных схем (ВИС), СВЧ приборов, плоских дисплеев весьма привлекательными по ряду причин, прежде всего миниатюрности, экономичности и т.п., являются матричные автоэмиссионные катоды, в которых эмиссия происходит с кончиков регулярного массива острий. Острия могут быть выполнены с помощью различных технологий, включающих процессы фотолитографии, травления, напыления, окисления, как с интегрированным управляющим электродом, например катоды Спиндта, так и без него. Ключевыми параметрами катодов являются величина плотности тока, ее однородность по площади и стабильность во времени. Эти параметры в первую очередь связаны с плотностью упаковки острий и однородностью тока эмиссии по массиву острий, которая в свою очередь обусловлена степенью идентичности геометрических и электрических параметров острий в массиве. Неоднородность параметров острий приводит к заметному разбросу электрического поля на их окончаниях и тока эмиссии от острия к острию из-за сильной зависимости тока автоэмиссии от величины электрического поля. Поэтому при повышении напряжения, приложенного к диоду, первыми начинает эмитировать небольшое число наиболее эффективных острий, через которые протекает большой ток еще до того, как начнет эмитировать основная масса острий. Поэтому они сгорают из-за низких проводимости и теплопроводности острия, поскольку охлаждение сильно вытянутого острия происходит с небольшой площади основания. Дополнительным, инициирующим механизмом разрушения острий является также ионная бомбардировка.

Известен способ изготовления интегральных схем [И.Оцука, Япония 46-36538, МКИ 3 Н 05 К, Н 01 G], в котором в качестве подложки микросхемы используется пластина из анодированного оксида алюминия (АОА). АОА имеет "естественные", возникающие в процессе анодирования, квазипериодические поры, проходящие насквозь от одной до другой поверхности пластины, перпендикулярно им, и имеющие диаметр d~100-1000 А и период p~2d. В указанном способе для создания проводящих перемычек между элементами микросхемы на противоположных поверхностях подложки предлагается с помощью электролитического осаждения металлизировать внутренность пор в областях, определяемых маской, создаваемой обычной техникой фотолитографии.

Известен автоэлектронный катод, изготовленный из пластины монокристаллического кремния путем травления [US 4307507 A, 1981]. Этот катод имеет эмиттер, высота которого не превышает единиц микрон, что не позволяет получить большого усиления поля. Известно, что коэффициент усиления поля у острия, т. е. отношение поля у острия к величине поля в плоском диоде, равен min(h, p)/r, где h - высота острий, p - их период, r - радиус закругления острия. 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 с них неоднородна.

Для повышения однородности эмиссии в массиве острий часто используют дополнительное сопротивление, включаемое последовательно с каждым острием [Meyer, патенты FR 8411986 A, 1985 и US 4908539, 1990]. Резистивный слой наносится на ту же сторону подложки, на которой впоследствии создаются острия. Однако это существенно усложняет технологию изготовления острий, к тому же небольшие размеры ячейки предполагают нанесение чрезвычайно высокоомного аморфного кремния, параметры которого не очень стабильны.

Известен также плоский дисплей для оптического отображения информации, содержащий автоэмиссионный катод из эмиттеров, расположенных на кремниевой подложке n-типа с проводящими шинами, образованными областями, легированными акцепторными примесями [N.N.Chubun et al., Field-emission array cathodes for flat-panel display, Techn. Digest IVMC-91, Nagahama, Japan, 1991]. Таким образом, шины оказываются изолированными друг от друга и от подложки с помощью p-n переходов. Управляющие сеточные шины в виде молибденовых полосок наносятся на слой диэлектрика, расположенный на поверхности подложки. Однако в такой конструкции сильно затруднена стабилизация тока отдельных острий с помощью резисторов. Кроме того, в данной конструкции (как и в предыдущей) не решена проблема спейсера - компоненты дисплея, фиксирующей расстояние анод-катод в условиях изменения атмосферного давления и меняющихся нагрузок на стекло, несущее анодный электрод. Известный способ случайного размещения калиброванных стеклянных шариков в зазоре катод-анод приводит к появлению дефектов на изображении.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является автоэмиссионный катод и дисплей на его основе [Е.И.Гиваргизов и др., пат. RU 94027731 (WO 96/03762)] , состоящий из регулярного массива кремниевых острий на поверхности кремниевой пластины. Острия создаются следующим образом. На поверхности пластины с помощью фотолитографии предварительно формируется регулярный массив золотых островков. Затем с помощью технологии осаждения кремния из газовой фазы в каплю золотокремниевой эвтектики и одновременной кристаллизации кремния из раствора на месте каждого островка выращивается столбик. Процесс осаждения идет при температуре около 700^oС в атмосфере хлора. С получившихся столбиков кремния удаляются золотые верхушки, и впоследствии столбики химически заостряются. Заострение необходимо для увеличения электрического поля у кончика острия при формировании на его основе вакуумного диода. Вершины острий могут иметь покрытие из материала, понижающего работу выхода электронов, например алмаза. В качестве стабилизирующего резистора используется тело острия, состоящего из высокоомного кремния.

Однако данный катод и способ его изготовления имеет ряд недостатков. Способ создания этих острий не содержит никакого механизма выравнивания высоты, радиуса кривизны острий, их электрических сопротивлений и других параметров, которые могут существенно отличаться по массиву из-за дефектов, различий в температуре, концентрации газов, скорости осаждения кремния в жидкую фазу и его кристаллизации, т.е. слабой контролируемости присущих данному способу технологических операций. В результате плотность тока, снимаемого с катода, оказывается небольшой и неоднородной по массиву. Кроме того, здесь также не решена проблема спейсера, а диодная конструкция предполагает достаточно высокое управляющее напряжение. Кроме того, из-за крайне агрессивной газовой среды, используемой при изготовлении острий, данная технология крайне трудно сопрягается с технологиями создания на той же пластине других обязательных компонент: проводников, шин, управляющих элементов (транзисторов). Создание шин с помощью чрезвычайно длинных (несколько сантиметров) обратно смещенных p-n переходов чрезвычайно трудно реализовать на практике.

Техническая задача заключается в создании конструкции матричного автоэмиссионного катода, в которой при невысокой стоимости была бы достижима существенно большая плотность упаковки, а также максимально уравнивались и стабилизировались бы параметры отдельных острий и их токи, что автоматически приведет к повышению максимально достижимой плотности тока, его однородности по массиву и стабильности. Кроме того, ставится задача создания на основе такого автокатода конструкции прибора для оптического отображения информации, а именно: плоского дисплея с высокой однородностью свечения, малой емкостью и интегральным спейсером.

Указанные задачи решены за счет того, что в матричном автоэмиссионном катоде, состоящем из массива острий, каждое острие представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, а контакт к жгутам микроострий осуществляется нанесением слоя проводящего материала на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности.

Согласно п.2 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Согласно п.3 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Согласно п. 4 внутренняя часть пор может быть частично заполнена материалом с низкой работой выхода.

Согласно п.5 на окончания жгута микроострий может быть нанесен материал с отрицательным сродством к электрону.

Согласно п. 6 в матричном автоэмиссионном катоде, состоящем из массива острий, каждое острие представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, а на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением и слой проводящего материала.

Согласно п.7 слой проводящего материала может быть выполнен в виде решетки, таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки.

Согласно п.8 слой проводящего материала может быть выполнен сплошным.

Согласно п.9 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Согласно п.10 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Согласно п. 11 внутренняя часть пор может быть частично заполнена материалом с низкой работой выхода.

Согласно п.12 на окончания жгута микроострий может быть нанесен материал с отрицательным сродством к электрону.

Согласно п. 13 в электронном приборе для оптического отображения информации, содержащем матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, анод с люминофорным покрытием и проводящим слоем, каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, контакт к жгутам микроострий осуществляется нанесением слоя проводящего материала в виде дорожек на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, а на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер.

Согласно п.14 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Согласно п.15 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Согласно п. 16 в электронном приборе для оптического отображения информации содержащем матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, анод с люминофорным покрытием и проводящим слоем, каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением и слой проводящего материала, а на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер.

Согласно п.17 слой проводящего материала может быть выполнен в виде решетки, таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки.

Согласно п.18 слой проводящего материала может быть выполнен сплошным.

Согласно п.19 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала, и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Согласно п.20 на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Понижение стоимости достигается за счет того, что поры могут быть созданы без использования дорогостоящей литографии (например, естественные поры в пластине анодного оксида алюминия, получающиеся в процессе анодирования). Анодный оксид алюминия является чрезвычайно дешевым и технологичным вакуумным материалом, для которого разработаны технологии прецизионной размерной обработки, в применении к вакуумным интегральным схемам, и создания рельефа на нем.

Исходным компонентом при формировании предлагаемых вариантов автокатода является диэлектрическая пластина, имеющая сквозные поры, перпендикулярные поверхности, например АОА. Одна из поверхностей диэлектрической пластины покрывается слоем металла 1, например напылением молибдена (фиг.1).

Согласно п. 1 конструкции данного катода неэмиттирующая сторона диэлектрической пластины покрывается слоем фоторезиста, в котором в областях, где требуется получить эмиссию, с помощью недорогой оптической фотолитографии вскрываются окна диаметром 1-2 мкм, расположенные в виде регулярного массива (фиг.2).

С помощью технологии электролитического осаждения, используя напыленный металл 1 в качестве анода и внешний металлический электрод в качестве катода, сквозные поры, находящиеся в области окон, с избытком заполняются металлом, например никелем (фиг.3). Слой фоторезиста удаляется и "задняя", противоположная эмиттирующей поверхности, поверхность пластины покрывается металлом 2, например никелем (фиг. 4). Слой металла 1 с эмиттирующей стороны удаляется, например, травлением, обнажая жгуты металлизированных пор, представляющих собой микроострия (фиг. 5). Верхний слой диэлектрика частично стравливается для ослабления эффекта частичной экранировки поля диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (фиг.6).

Схема конструкции автокатода по п.1 показана на фиг.6. Фактически в этой конструкции каждое одиночное острие прототипа заменено на макроострие - жгут длинных микроострий(металлизированных пор) в диэлектрической матрице. Полученный массив жгутов имеет целый ряд свойств, способствующих повышению плотности и однородности тока, при использовании массива в качестве автокатода:
Окончания острий находятся точно на уровне "передней", эмиттирующей, поверхности диэлектрика. Это является важным фактором для обеспечения равенства величин электрического поля у окончаний всех макроострий, а значит и токов эмиссии с каждого из макроострий.

Поскольку острия находятся в диэлектрической матрице, то:
- механические силы, действующие на них в сильном электрическом поле, будут значительно ниже, чем в прототипе. Это повышает механическую стабильность и долговечность острий;
- тепловые нагрузки также будут понижены, поскольку в этой конструкции охлаждение острия происходит не через узкий торец, как в прототипе, а через боковые поверхности острия в диэлектрик;
- диэлектрик защищает острия от ионной бомбардировки, которая является одним из главных факторов, инициирующих разрушающие катод пробои и ограничивающих максимальный ток.

При токе с одного микроострия в жгуте 10 мкА, числе микроострий в жгуте ~100 и плотности упаковки жгутов 10⁴ см^-2 плотность тока составит 10 А/см² - довольно значительную величину.

Коэффициент усиления поля для таких макроострий равен

где h - высота острий, p - период макроострий, r - радиус кривизны кончика микроострия, s - расстояние между микроостриями, R - радиус жгута острий, f - коэффициент порядка единицы, зависящий от формы острия. Так, например, при характерных для наших экспериментов значениях h=p=100 мкм, R=1 мкм, r= 500 , s=1500 , f=0.8 коэффициент усиления поля равен 240. Таким образом, благодаря тому, что жгуты расположены в виде периодической решетки (например, с периодом примерно равным высоте острий) коэффициент усиления поля будет значительным и заметно выше, чем, например, в случае непрерывного размещения микроострий. Конечно при этом уменьшится снимаемая плотность тока (поскольку будет эмитировать лишь небольшая часть острий), зато создание массива вытянутых острий позволяет получить ток эмиссии при сравнительно небольшом приложенном напряжении - при поле в диодной структуре ≈ 4•10⁴ В/см.

Благодаря большому числу микроострий в жгуте (N~100-400) и усреднению по ним относительный разброс тока эмиссии жгутов будет значительно ниже, чем разброс тока эмиссии микроострий (пропорционально ), а значит, максимальная снимаемая плотность тока с катода будет выше, чем в прототипе, с одним острием на ячейку.

Продемонстрируем это подробнее с помощью численного моделирования. Рассмотрим ансамбль из 400 микроострий, входящих в жгут (макроострие) и имеющих разброс эмиссионных характеристик. Предположим, что предельный ток микроострия, при превышении которого оно перегорает, равен 10 мкА (на эксперименте получены величины от 10 до 500 мкА). Рассмотрим вольт-амперную характеристику "среднего" микроострия, находящегося в жгуте, вычисленную по формуле Фаулера-Нордгейма (фиг. 21). Напряжение, при котором ток эмиссии острия достигает величины 1 мкА, будем называть напряжением начала эмиссии. Напряжение начала эмиссии "среднего" острия будем называть номинальным и все остальные напряжения будем выражать в процентах от номинала. Так "среднее" острие перегорает при величине напряжения около 130% от номинала (фиг.21).

Если разброс коэффициентов усиления поля отдельных микроострий, а значит и напряжений начала эмиссии, составляет ±10%, то гистограмма распределения напряжений начала эмиссии имеет вид обычного гауссова распределения (фиг. 22), а гистограмма распределения токов эмиссии отдельных микроострий (при напряжении, равном 120% от напряжения номинала) существенно отличается (фиг. 23). Видно, что разброс эмиссии микроострий очень велик - дисперсия тока составляет около 150%.

В то же время суммарный ток жгута, состоящего из 400 микроострий, будет иметь немонотонную зависимость от напряжения при нарастании последнего (фиг. 24, кривая 1). Ток сначала растет при повышении напряжения (а небольшие крутые спады соответствуют выгораниям отдельных микроострий), а затем, по мере того, как все большее число микроострий будет сгорать, начнет уменьшаться. Если по достижении некоторого уровня начать уменьшать напряжение, то ток будет иметь несколько другие значения из-за перегоревших острий - имеет место тренировка острий (кривая 3). Отсюда можно сделать выводы:
ток жгута значительно превышает ток отдельных микроострий (и ток острий в прототипе);
максимальный ток жгута (1400 мкА) меньше произведения тока микроострия на число микроострий - 4000 мкА (отсутствие аддитивности тока);
после тренировки жгута до напряжения, к примеру в 120% от номинала, ток эмиссии несколько уменьшится, но ВАХ становится гладкой, а значит ток будет стабилен во времени (кривая 3);
ВАХ двух произвольно выбранных жгутов очень близки: кривые 1 и 2 (фиг. 24).

Это подтверждается гистограммой распределения токов эмиссии 80 жгутов при напряжении, равном 110% от номинала (фиг.25).

Видно, что все жгуты эмиттируют токи в небольшом диапазоне 550-750 мкА (фиг.25) - дисперсия токов жгутов составляет 15% по сравнению с дисперсией в 90% одиночных острий (фиг.23). При периоде жгутов 50 мкм плотность упаковки составит 4•10⁴ см^-2, а плотность тока 24 А/см² - что вполне достаточно для многих СВЧ применений катода.

Конструкция катода, соответствующая п.2, отличается от п.1 тем, что для понижения управляющего напряжения в конструкцию введен дополнительный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту острий. Это может быть реализовано следующим образом. При изготовлении катода по п.1 наращивание металла 2 производится со значительным избытком. На вершинах жгутов образуются "шапочки", впоследствии играющие роль маски (фиг.7). После этого фоторезист удаляется и напыляется металл 1 (управляющий электрод), например молибден (фиг.8). Теперь при травлении металла 2 удаляются "шапочки" на вершинах жгутов. Затем частично подтравливается диэлектрик (фиг.9).

Эта конструкция сохраняет все достоинства предыдущей. Кроме того:
За счет малого зазора управляющий электрод-катод (0.5-1 мкм) в данной конструкции можно достичь того же уровня токов, что и в предыдущем варианте, при напряжениях на управляющем электроде всего около 150 В.

В данном случае уже нет необходимости в редком расположении острий (поле на окончаниях острий велико за счет близкого расположения управляющего электрода), поэтому плотность упаковки макроострий можно увеличить как минимум на два порядка - до 10⁶ см^-2 (шаг - 10 мкм).

Соответственно плотность тока с массива может составить 1000 А/см² - рекордную величину.

Толщина диэлектрика может быть взята гораздо большей, чем у известных конструкций автокатодов с управляющим электродом, 10-20 мкм так, чтобы емкость управляющий электрод-катод была значительно понижена. Это существенно для применения катода в дисплеях и является решающим фактором для СВЧ приложений автокатодов.

Конструкция катода, соответствующая п.3, отличается от п.1 тем, что для дальнейшего понижения управляющего напряжения и повышения плотности тока эмиссии на "передней" поверхности пластины сформирован пленочный управляющий электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор, т. е. в качестве элементарной ячейки используется каждое микроострие. Это может быть реализовано следующим образом. При изготовлении автокатода по п.1 (фиг.2) не наносится фоторезист, и не создаются окна для роста жгутов микроострий, а на этапе (фиг.3) выполняется заращивание металлом всех пор в рабочей области подложки. Дальнейшие операции выполняются так же, как в п.1. На финише производится напыление слоя металла 1 (управляющего электрода) например молибдена (фиг.10), сравнимого по толщине с диаметром металлизированных пор. Производится травление металла 2 и формирование острий (фиг.11).

Эта конструкция имеет дополнительные преимущества.

Благодаря рекордно малому зазору между управляющим электродом и острием (диаметр отверстия в управляющем электроде ≈ 100 нм) такой автокатод должен иметь чрезвычайно низкое рабочее напряжение (около 10-15 В).

Плотность упаковки острий является рекордно большой: например, для АОА при типичном шаге между остриями 500 ÷ 2000 плотность упаковки составляет (2.5÷40)•10⁹ см^-2, что на несколько порядков превышает параметры других катодов. Поэтому даже если эмиттировать будет лишь 1% острий и их токи будут равны лишь 1 мкА, то плотность тока составит 25÷400 А/см².

Благодаря тому, что длина острий может быть выполнена достаточно большой, емкость управляющий электрод-катод данного эмиттера будет существенно ниже емкости известных катодов с управляющим электродом, что важно для СВЧ приложений катода.

При изготовлении катода не используется дорогая электронная литография, и может не применяться литография вообще, например, если пластина целиком будет использоваться в качестве катода, а края пластины, как правило, имеющие дефекты, защищены каким-либо способом. Это означает чрезвычайную дешевизну предлагаемой конструкции автокатода.

Конструкция катода, соответствующая п.4, отличается от пп.1-3 тем, что для повышения однородности эмиссии и плотности тока внутренняя часть пор частично заполняется материалом с низкой работой выхода, например барием из раствора или расплава его солей, который затем "запечатывается" внутри поры другим, менее подвижным металлом, например никелем. Барий будет медленно диффундировать вдоль стенок пор к окончаниям острий, создавая на них тонкий моноатомный слой, значительно понижающий работу выхода.

Конструкция катода, соответствующая п.5, отличается от пп.1-4 тем, что для понижения рабочего напряжения и увеличения тока эмиссии на окончания жгута микроострий может быть нанесен материал с отрицательным сродством к электрону.

Конструкция катода, соответствующая п.6, состоит из массива острий, каждое острие представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, а на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением, например углерод, кермет, вольфрам-рений, высокоомный кремний и т.п., и слой проводящего материала.

Конструкция катода, соответствующая п.7, отличается от п.6 тем, что слой проводящего материала может быть выполнен в виде решетки, таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки (фиг.12). Такое напыление на неэмиттирующую поверхность технологично, полностью сочетается с процессами изготовления острий и других компонент катода, а величина резисторов может регулироваться выбором толщины и материала слоя, а также ширины и длины ячеек.

Конструкция катода, соответствующая п.8, отличается от п.6 тем, что слой проводящего материала может быть выполнен сплошным и наноситься на неэмиттирующую поверхность пластины поверх резистивного слоя, который в данном случае должен иметь очень высокое удельное сопротивление, например >100 Ом•см.

Конструкция катода, соответствующая п.9, отличается от пп.6-8 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Конструкция катода, соответствующая п.10, отличается от пп.6-8 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Конструкция катода, соответствующая п.11, отличается от пп.6-10 тем, что внутренняя часть пор может быть частично заполнена материалом с низкой работой выхода, например электролитическим барием.

Конструкция катода, соответствующая п.12, отличается от пп.6-11 тем, что для повышения однородности эмиссии и плотности тока на поверхность острий осаждается материал с отрицательным сродством к электрону, понижающий рабочее напряжение эмиссии, например микрочастицы алмаза, с помощью электрофореза из раствора или осаждения из плазмы СВЧ разряда по известной методике. Схемы соответствующих конструкций показаны на чертежах.

На основе предлагаемых катодов могут быть созданы электронные приборы для оптического отображения информации. Причем для катодов без управляющего электрода (пп.1, 4-8) возможны диодные варианты прибора (фиг.19).

Согласно п. 13, в электронном приборе для оптического отображения информации, являющемся плоским дисплеем, содержащем матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, стеклянной пластины (8), несущей анод с люминофорным покрытием (6) и проводящими дорожками (7), каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий (1), образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины (3) от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, контакт к жгутам микроострий осуществляется нанесением слоя проводящего материала в виде дорожек (2) на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, а на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер (5) как соответствующий рельеф или массив столбиков на поверхности пластины, создаваемый в технологическом процессе изготовления пластины при анодировании и последующей химической обработке. При подаче напряжений от внешнего источника 4 между катодной и анодной дорожками, возникает эмиссия из острий, находящихся на пересечении данных дорожек и свечение соответствующего элемента изображения. Поставленная задача повышения однородности свечения решается с помощью описанных выше мер по повышению однородности эмиссии, а также благодаря использованию многих острий, или жгутов на один элемент изображения (пиксел). Пониженная емкость управляющий электрод-катод (катод-анод) достигается благодаря достаточно большой толщине диэлектрической пластины.

На основе катодов с управляющим электродом можно создать триодные варианты приборов для оптического отображения информации с сеточным и/или анодным управлением (фиг.20).

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п. 14, отличается от п.13 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий.

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п. 15, отличается от п.13 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Согласно п.16 в электронном приборе для оптического отображения информации, содержащем матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, анод с люминофорным покрытием и проводящим слоем, каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением и слой проводящего материала, а на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер.

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п. 17, отличается от п.16 тем, что слой проводящего материала может быть выполнен в виде решетки, таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки.

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п. 18, отличается от п.16 тем, что слой проводящего материала может быть выполнен сплошным.

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п.19 (фиг.20), отличается от пп.16-18 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос (9), проекция которых на катод перпендикулярна катодным дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий. При подаче напряжений от внешнего источника 10 между управляющей и катодной дорожками, возникает эмиссия из острий, находящихся на пересечении данных дорожек и свечение соответствующего элемента изображения. При этом, выбор определенных катодной и управляющей дорожек задает координаты зажженного элемента, а подача напряжения от источника (4) на соответствующую анодную дорожку может задавать его цвет. Пониженная емкость управляющий электрод-катод достигается благодаря достаточно большой толщине диэлектрической пластины.

Конструкция прибора для оптического отображения информации, соответствующая п.20, отличается от п.16-18 тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода может быть сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.

Для иллюстрации реализуемости данных конструкций автокатодов и возможности металлизации пор в анодном оксиде алюминия приведены микрофотографии экспериментальных образцов пластин анодного оксида алюминия, в которых сформирован массив 7х7 жгутов острий, образованных металлизацией пор. Жгуты имеют диаметр 2 мкм, поэтому они не различимы на общем виде эмиттирующей стороны поверхности среди ее дефектов, но на неэмиттирующей стороне пластины, куда металлизация "прорастает" с передней стороны, они образуют "шапочки" диаметром 15 мкм, хорошо видимые на общем плане. Крупный план "шапочки" демонстрирует плотную природу ее материала, полученного по усовершенствованной технологии электролитического осаждения.

На фиг. 1-6 изображена последовательность операций изготовления автокатода по п.1:
Фиг.1. Подготовленная оксидная подложка с напыленным электродом.

Фиг.2. Нанесение фоторезиста и создание окон.

Фиг.3. Электролитическое осаждение металла в порах и удаление фоторезиста.

Фиг.4. Нанесение катодного вывода.

Фиг.5. Удаление вспомогательного электрода.

Фиг. 6. Удаление верхнего слоя диэлектрика. Схема конструкции автокатода по п.1.

На фиг. 7-9 - последовательность операций изготовления автокатода по п. 2:
Фиг.7. Заполнение пор с избытком.

Фиг.8. Нанесение управляющего электрода.

Фиг.9. Удаление "шапочек", частичное удаление верхнего слоя диэлектрика. Схема конструкции автокатода по п.2.

На фиг. 10-11 изображена последовательность операций изготовления автокатода по п.3:
Фиг.10. Нанесение управляющего электрода.

Фиг. 11. Травление острий и удаление маски. Окончательная схема конструкции автокатода по п.3.

Фиг.12. Конструкция автокатода по п.7 с контактами к резистивному слою в виде решетки. Вид с "задней стороны" подложки. Видны токостабилизирующие резисторы.

Фиг. 13. Конструкция автокатода по п.10 со сплошным резистивным слоем на "задней" поверхности.

Фиг.14-16. Конструкции автокатода по п.12.

На фиг. 17, 18 - фотографии экспериментальных образцов острийных структур:
Фиг. 17. Микрофотография внешнего вида (с "задней" стороны) массива жгутов металлизированных пор.

Фиг.18. "Шапочка" на жгуте острий.

На фиг. 19, 20 изображены схемы вариантов электронного прибора для оптического отображения информации (плоского дисплея):
Фиг. 19. Электронный прибор для оптического отображения информации по п. 13 (диодный вариант): 1 - жгуты острий, 2 - катодные шины, 3 - подложка, 4 - внешний источник анодного напряжения, 5 - интегральный спейсер, 6 - люминофор, 7 - проводящий слой, 8 - стекло.

Фиг. 20. Электронный прибор для оптического отображения информации по п. 19 (триодный вариант): 1 - жгуты острий, 2 - катодные шины, 3 - подложка, 4 - внешний источник анодного напряжения, 5 - интегральный спейсер, 6 - люминофор, 7 - проводящий слой, 8 - стекло, 9 - шины управления, 10 - внешний источник управляющего напряжения, 11 - решетка из проводников, составляющая катодную шину (для случая острий, состоящих из жгутов микроострий), 12 - резистивный слой.

Фиг. 21-25 - графики к расчетам вольт-амперных характеристик жгутов:
Фиг. 21. Расчетная вольт-амперная характеристика "среднего" одиночного острия.

Фиг.22. Гистограмма распределения напряжений начала эмиссии (коэффициентов усиления поля) ансамбля острий (дисперсия коэффициента усиления поля равна 10%).

Фиг.23. Гистограмма распределения токов эмиссии микроострий.

Фиг.24. Зависимость тока жгута острий от напряжения (при нарастании последнего) кривые 1 и 2 (для двух произвольных жгутов); вольт-амперная характеристика жгута после тренировки его до напряжения 120% от номинала - кривая 3; ВАХ отдельного микроострия - кривая 4.

Фиг.25. Гистограмма распределения токов эмиссии ансамбля макроострий.

Данное изобретение может найти применение в устройствах отображения информации: телевизионной технике, дисплеях компьютеров, в качестве приборов отображения информации, световых индикаторах, а также в электровакуумных приборах СВЧ.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при производстве матричных автоэмиссионных катодов и электронных приборов на их основе. Техническим результатом изобретения является уменьшение стоимости конструкции, повышение плотности тока и его стабильности, а также создание прибора с высокой однородностью свечения, малой емкостью и интегральным спейсором. Матричный автоэмиссионный катод содержит массив острий (1), каждое из которых образовано электрической металлизацией сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины (3), например, анодированного оксида алюминия, от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им. Микрострия могут быть сгруппированы в жгуты, представляющие собой макроострия. Контакт к остриям осуществляется нанесением на неэмиттирующую сторону пластины слоя проводящего материала или материала с высоким удельным сопротивлением, из которого сформированы токостабилизирующие резисторы (12), соединяющие каждое из острий с проводящими контактами, и слоя проводящего материала. Слой проводящего материала может быть выполнен в виде решетки (11) так, что каждый жгут микроострий находится в центре ячейки этой решетки, либо сплошным. На эмиттирующей поверхности пластины может быть сформирован управляющий пленочный электрод (9) с отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий, либо каждой из металлизированных пор. На окончания микроострий может быть нанесен материал с отрицательным сродством к электрону, например, частицы алмаза, либо внутренняя часть пор может частично заполняться материалом с низкой работой выхода, например, соединениями бария, в процессе работы постепенно диффундирующим к кончикам эмиттеров. Данный катод использован в электронном приборе для оптического отображения информации, содержащем, кроме матричного автоэмиссионного катода (3) из острийных эмиттеров (1) с катодными контактными дорожками (2) и токостабилизирующими резисторами (12), прозрачный анод (8) с люминофорным покрытием (6) и проводящим слоем (7). На эмиттирующей стороне диэлектрической пластины может находиться управляющий пленочный электрод, который также как анод может быть выполнен в виде полос (9), проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала. На эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины сформирован интегральный спейсер (5). 4 с. и 16 з.п.ф-лы, 25 ил.

1. Матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, отличающийся тем, что каждое острие представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, а контакт к жгутам микроострий осуществляется нанесением слоя проводящего материала на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности. 2. Матричный автоэмиссионный катод по п.1, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий. 3. Матричный автоэмиссионный катод по п.1, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор. 4. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренняя часть пор частично заполняется материалом с низкой работой выхода. 5. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на окончании жгута микроострий наносится материал с отрицательным сродством к электрону. 6. Матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, отличающийся тем, что каждое острие представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, а на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением и слой проводящего материала. 7. Матричный автоэмиссионный катод по п.6, отличающийся тем, что слой проводящего материала выполнен в виде решетки, таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки. 8. Матричный автоэмиссионный катод по п.6, отличающийся тем, что слой проводящего материала выполнен сплошным. 9. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий. 10. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины сформирован управляющий пленочный электрод с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор. 11. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что внутренняя часть пор частично заполняется материалом с низкой работой выхода. 12. Матричный автоэмиссионный катод по любому из пп.6-11, отличающийся тем, что на окончания жгута микроострий наносится материал с отрицательным сродством к электрону. 13. Электронный прибор для оптического отображения информации, содержащий матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, анод с люминофорным покрытием и проводящим слоем, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер, каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, контакт к жгутам микроострий осуществляется нанесением слоя проводящего материала в виде дорожек на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности. 14. Электронный прибор для оптического отображения информации по п.13, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий. 15. Электронный прибор для оптического отображения информации по п.13, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала, и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор. 16. Электронный прибор для оптического отображения информации, содержащий матричный автоэмиссионный катод, состоящий из массива острий, анод с люминофорным покрытием и проводящим слоем, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован интегральный спейсер, каждое острие матричного автоэмиссионного катода представляет собой жгут микроострий, образованных металлизацией естественных или искусственных сквозных пор, проходящих в толще диэлектрической пластины от одной ее поверхности до другой перпендикулярно им, на поверхность диэлектрической пластины, противоположную эмиттирующей поверхности, нанесен материал с высоким удельным сопротивлением и слой проводящего материала. 17. Электронный прибор для оптического отображения информации по п.16, отличающийся тем, что слой проводящего материала выполнен в виде решетки таким образом, что каждый жгут микроострий расположен в центре ячейки этой решетки. 18. Электронный прибор для оптического отображения информации по п.16, отличающийся тем, что слой проводящего материала является сплошным. 19. Электронный прибор для оптического отображения информации по любому из пп. 16-18, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждому жгуту микроострий. 20. Электронный прибор для оптического отображения информации по любому из пп. 16-18, отличающийся тем, что на эмиттирующей поверхности диэлектрической пластины матричного автоэмиссионного катода сформирован управляющий пленочный электрод в виде полос, проекция которых на катод перпендикулярна дорожкам из проводящего материала и выполнен с самоюстирующимися отверстиями, соответствующими каждой из металлизированных пор.