Brevet FR2689311A1 — publié le 19931001

Cathode à émission de champ La présente invention concerne une cathode à émission de champ et plus particulièrement une cathode à émission de champ utilisée avantageusement en tant que source d'électrons pour divers types d'équipement tels qutun dispositif d'affichage, une source de 1 unire un élément d'amplification, un élément de commutation grande vitesse un capteur et analogues. Le courant électrique emis par une cathode à emission de champ est fortement augmente quand augmente l'intensité du champ electrique appliqué à un émetteur depuis l'extérieur de ce dernier. Dans ce buto on a proposé un certain nombre de cathodes à émission de champ comprenant chacune un émetteur comportant des pointes tres aigues. Ces cathodes à émission de champ classiques sont chacune construites typiquement par exemple de la manière montrée aux figures 118 et 11B. Plus particulièrement, la cathode à émission de champ classique est constituée de manière qu une porte 100 et un émetteur 102 presentant des pointes 101 formées en dents de scie soient disposés sur un substrat 103, avec une gorge 104 interposée entre eux Malheureusement, la cathode à émission de champ classique construite comme décrit ci-dessus a pour inconvénient qussi1 est treks difficile de former les pointes 101 de l'émetteur 102 selon une forme aiguë uniforme et avec une bonne possibilite de reproduction. Ceci amène les distances entre les pointes 101 de l'émetteur 102 et la porte 100 à entre non uniformes, ce qui se traduit par le fait que les caracteristiques de ltemetteur 102 varient sensiblement3 conduisant à la détérioration de la capacite de service de la cathode à émission de champ. Considérant ce qui précède, les inventeurs ont propose une cathode à émission de champ construite comme montré aux figures 108 et 10S, Plus specifiquement5 dans la cathode à émission de champ proposer un émetteur 110 est constitue par une section de base 111 et une pluralité de sections en pointes 112 formées selon une forme rectangulaire et de façon à faire saillie de la section de base 111.Les sections de pointes 112 sont disposées de manière à être à proximité étroite d'une porte 113 selon des microdistances de tordre du sous-micronS de manière à éliminer sensiblement les variations des caractéristiques de l'émetteur 110 et de permettre aux sections de pointe 112 autre formées de façon uniforme et avec une bonne capacité de reproduction. Cependant5 la cathode à emission de champ proposée est telle que la tension qui doit être appliquée à la porte 113, ou tension opérationnelle, augmente par comparaison avec la cathode à émission de champ montrée aux figures 12A et 113. Elle a également pour autre inconvenient que les sections de pointe 112 sont endommagées ou détériorées par 1 attraction électrostatique qui agit entre les sections de pointes rectangulaires 112 de l'émetteur 110 et la porte 113. Dans la cathode à emission de champ classique montrée aux figures 10A et 10B, la relation entre la largeur de chacune des sections de pointe rectangulaires 112 et l'intervalle entre deux pointes adjacentes 112 n'est pas spécifiquement définie et est dtapproximativement 1:1. La présente invention a ete faite en considérant 1 es inconvenients ci-dessus de 1 art antérieur et en tenant compte, après une etude soignee faîte par les inventeurs, du fait que la relation entre la largeur de chacune des pointes rectangulaires et l'intervalle entre deux pointes adjacentes est très importante ou constitue un paramètre critique qui domine les caracteristiques de la cathode à emission de champ. On a constaté également qu'une augmentant de la résistance mécanique des pointes rectangulaires de l'émetteur empoche que des dégâts soient provoques l'émetteur en raison tune attraction électrostatique. Donc, un but de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ qui soit capable de réduire de façon significative la tension de fonctionnement. Un autre but de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable d'empêcher efficacement des dégâts causes à l'émetteur. Selon la présente invention, il est proposé une cathode à mission de champ. La cathode à émission de champ comprend un émetteur et une porte. L'émetteur comporte une base et une pluralité de pointes rectangulaires prévues sur la base de maniere a en faire saillie vers 1 'extérieur. Les pointes sont formees de maniere à satisfaire la relation b/a > 1, ou a represente la largeur de chacune des pointes de l'émetteur et b l'intervalle entre deux pointes adjacentes. Dans un mode de rêal isation préféré de la presente invention, une region située entre les pointes et la base est formée avec un rayon de courbure prédéterminé. Dans un mode de réalisation prefere de la presente invention une couche formant électrode est disposée sur l'émetteur de manière qu'une extrémité distale de la couche formant électrode soit située dans une position en retrait par rapport à une extrémité distale des pointes de l'émetteur. La construction décrite ci-dessus de la cathode à émission de champ selon la pressente invention permet d'augmenter sensiblement l'intensité du champ électrique appliqué aux pointes de l'émetteur par comparaison avec celle de l'art antrieur, de manière à diminuer la tension de fonctionnement. De plus, quand la cathode à emission de champ de la presente invention, telle qu'elle est decrite ci dessus, est constituée de manière qu'une région courbe formée entre la base de l'émetteur et ses pointes et la couche formant électrode soit prévue sur l'émetteur, la résistance mécanique des pointes rectangulaires de l'émetteur est augmentée à un degré suffisant pour éviter des dégâts à l'émetteur dus à l'attraction électrostatique, et la résistance electrique de l'émetteur est diminuée, ce qui augmente la quantité de courant electrique remise par l'émetteur. Ces buts et d'autres ainsi que de nombreux avantages de la présente invention seront plus facilement appréciées quand ils auront été mieux compris en référence à la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexes dans lesquels:: la figure 1A est une vue en plan fragmentaire montrant une premier mode de realisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention; la figure 1B est une vue en coupe verticale selon la ligne IB-IB de la figure 1A; la figure 2 est une vue en perspective fragmentaire d'une cathode à émission de champ montree à la figure 1A; la figure 3 est une représentation graphique permettant de comparer les caracteristiques V-I entre une cathode à émission de champ de la présente invention et une cathode à émission de champ classique; la figure 4 est une représentation graphique permettant de comparer l'intensité du champ electrique entre une cathode à émission de champ de la présente invention et une cathode à emission de champ classique; ; la figure 5A est une vue en plan et en coupe fragmentaire montrant un second mode de réalisation dune cathode à rémission de champ selon la présente invention; la figure 5B est une vue en coupe verticale selon la ligne VB-VB de la figure 5A, la figure 6A est une vue en plan et en coupe fragmentaire montrant un troisième mode de réalisation de la cathode à émission de champ selon la présente invention la figure SS est une vue en coupe verticale selon la ligne VIB-VIB de la figure 6À; la figure 7 est une vue en plan fragmentaire montrant un quatrième mode de réalisation de la cathode à émission de champ selon la presente invention;; la figure 78 est une vue en coupe verticale selon la ligne VIIss-VIIB de la figure 7A; la figure 8A est une vue en plan fragmentaire montrant un cinquième mode de réalisation de la cathode à émission de champ selon la présente invention la figure 8B est une vue en coupe verticale selon la ligne VIIIB-VIIIB de la figure 8À; la figure 9 est une vue en perspective fragmentaire montrant un autre mode de réalisation encore de la cathode à émission de champ sel on la présente invention, mis en oeuvre selon une structure appropriée telle qu'une structure à configuration à film mince, une configuration à coins ou analogue; la figure lOA est une vue en plan fragmentaire montrant une cathode à émission de champ classique proposée par les inventeurs;; la figure 108 est une vue en coupe verticale selon la ligne XB-XB de la figure lOA3 la figure 11A est une vue en plan montrant une autre cathode à émission de champ classique; et la figure 118 est une vue en coupe verticale selon la ligne XIB-XIss de la figure 11A. On decrira ci-aprês en référence aux figures 1A à 9 une cathode à émission de champ selon la présente invention. En se référant d'abord aux figures 1A à 2, celles-ci représentent un premier mode de réalisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention. La cathode à émission de champ du mode de réalisation illustre qui a été désignée de façon générale par la référence numerique 1 comprend un substrat 2 réalise en un materiau isolant tel que du quartz ou analogue, et sur lequel est forme un evidement 3. Sur le substrat 2 est formé un emetteur 4 sur une portion qui est différente de l'évidement 3. L'évidement 3 du substrat 2 comprend également dans sa partie de fond une porte 5 de maire qu'elle soit à proximité de l'émetteur 4. L'émetteur 4 comprend une base 6 et une pluralité de pointes rectangulaires 7 formées de façon à en faire saillie vers l'extérieur et face à la porte 5, résultant de façon générale en une forme de configuration rectangulaire et en peigne. Dans le mode de realisation illustré, la relation entre la largeur a de chacune des pointes 7 de l'émetteur 4 et l'intervalle b entre chaque points adjacentes 7 est défini comme étant b/a > 1. De préférence, la relation est définie comme étant b/a = 2. Quand le pas entre les pointes 7 est represente par c, la relation entre les dimensions des pointes 7 peut être définie comme etant c/a = (b+a)/a = 3. Dans le mode de réalisation illustre, l'émetteur 4 est réalisé par une couche de tungstène (W). L'épaisseur de l'émetteur 4 est comprise entre 0,1 et 0,4 m. Une epaisseur inférieure à 0,1 um empêche l'émetteur 4 de présenter une résistance mécanique satisfaisante, alors qu'une épaisseur superieure à 0,4 m provoque une détérioration de la concentration du champ électrique de l'émetteur 4, ce qui conduite à une diminution de l'intensité du champ électrique. Dans le mode de réalisation illustre et comme décrit ci-dessus, l'émetteur 4 est prévu sur la portion du substrat 2 qui est différente de l'évidement 3, et la porte est prevue dans le fond de l'évidement 3, ce qui fait que l'intervalle entre l'émetteur 4 et la porte 5 peut être très petit et ajusté finement sur une épaisseur de porte 5 de l'ordre du sous-micron, et le mode de réalisation illustré permet donc à la cathode à émission de champ d'être de petites dimension par comparaison avec celles qui sont utilisées de façon classiques en photolithographie. La cathode à mission de champ du mode de realisation illustré dans laquelle la relation entre la largeur a des pointes et l'intervalle b entre les pointes est defini comme étant b/a = 2 fournit d'excellentes caracteristiques de tension-courant par comparaison avec la cathode à émission de champ classique dans laquelle la relation est bfa = 1, comme montre à la figure 3. Comme montre à la figure 4, elle présente également un champ électrique dintensite plus elevee. En se referait maintenant aux figures 5A et 58, celles-ci représentent un second mode de réalisation d'une cathode à emission de champ selon la presente invention. Une cathode à émission de champ du mode de réalisation illustré qui est désignée dans son ensemble par la référence numérique 10 est constituee de manière qu'une zone limite ou de connexion entre les pointes rectangulaires 13 d'un émetteur 11 et une base 12 soit arrondie selon un rayon qui est sensiblement egal à la largeur de la pointe 13. Cette construction augmente la résistance mécanique des pointes rectangulaires 13 à un degré suffisant pour permettre à l'émetteur 11 de supporter un champ électrique d'intensité accrue, ce qui se traduit par le fait que l'émetteur emet un courant électrique de plus grande intensité. La partie restante du mode de réalisation illustré peut être construite sensiblement de la même manière que le premier mode de realisation décrit c i -dessus. La figures 68 et 68 montrent un troisième mode de réalisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention. Dans la cathode à émission de champ du mode de réalisation représente une couche formant électrode 16 est disposée sur une surface supérieure d'un emetteur 4 de manière qu'une extrémité distale 15 de la a couche formant électrode 16 soit située en un emplacement qui est en retrait sur une distance sensiblement egale à l'intervalle entre pointes 7 de l'émetteur 4 qui est face à une porte 5 et cette porte 5, ou plus à partir des pointes 7 de l'émetteur 4. La couche formant électrode 16 peut être realisee en une couche métallique ou en une couche semi-conductrice Cet agencement de la couche formant electrode 16 améliore la resistances des pointes rectangulaires 7 et diminue la résistance électrique de lgemetteur 4 en permettant d'augmenter de façon significative la quantité de courant émise par l'émetteur 4.La partie restante du mode de realisation peut être construite sensiblement de la même manière que celle des modes de réalisation decrits ci-dessus* En se référant maintenant aux figures A et 78, celles-ci représentent un autre mode de réalisation encore d'une cathode à émission de champ selon la présente invention. La cathode à emission de champ du mode de réalisation illustré est une modification du quatrième mode de rali sati en et est construite selon la structure d'une triode qui comprend, en plus d'un émetteur et d'une porte, un collecteur que les électrons émis viennent frapper. Plus particulièrement, la cathode à émission de champ du mode de réalisation illustré, comme dans le cas des premier au troisième modes de réalisation, est construite de manière qu' un metteur 20 et une collecteur 21 soient disposés sur un substrat et qu'unie porte 22 soit disposée dans un evidement forme dans une portion du substrat comprise entre 1 lvemetteur 20 et le collecteur 21. L'émetteur 20 comprend une pluralité de pointes rectangulaires 31, qui se pressentent sous la forme d'un peigne quand on les regarde par le haut. Dans le mode de réalisation illustre, la relation ou le rapport entre la largeur a de chacune des pointes et les intervalles b entre les pointes est défini comme étant b/a = 2, ce qui fait qu'un champ électrique est concentré dans chacune des pointes rectangulaires et que l'on obtient un champ électrique d'intensité accrue. Cette construction de i émetteur lui permet egalement d'avoir une longue durée de vie par comparaison avec un émetteur comprenant des pointes triangulaires. L'émetteur peut être réalisé en un métal tel que le Mo, le W et analogues.En variantes, il peut être forme par une base réalisée en un métal tel que Ti, Al ou analogues et un film semi-conducteur composite réalisé en un matériau tel que du La86 ou analogue, et dépose sur la base. Dans le mode de réalisation illustré, le collecteur 21 peut être muni dune substance fluorescente sur sa surface. Ceci permet à la surface phosphorescente démettre de la lumiere lorsque les électrons viennent la frapper. Ainsi, le mode de réalisation illustre peut être appliqué efficacement à un dispositif du type lumineux utilisant le principe d'un dispositif d'affichage fluorescent, d'un dispositif d'affichage du type à auto-émission, ou analogues.Comme décrit ci-dessus, le mode de réalisation illustre permet de produire une grande quantité de courant dans l'émetteur 20 en raison de l'intensité accrue du champ électrique, ce qui se traduit par une luminescence suffisante pour lui permettre d'être utilisée dans un dispositif lumineux ou un dispositif d'affichage. En outre, la cathode à emissfon de champ du mode de réalisation présente une durée de vie suffisante, et on peut donc être assure dune fiabilité elevee quand elle est utilisée pour un dispositif lumineux ou pour un dispositif d'affichage. Les figures 88 et 88 montrent un cinquième mode de réalisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention. Dans la cathode à émission de champ du mode de realisation illustre, un émetteur 20 est forme dans un evidement d'un substrat 23 et une porte 22 est prevue sur une portion du substrat 23 qui est différente de l'évidement de manière à être positionnee au-dessus de l'émetteur 20. La porte 22 est également disposée de manière å entourer lemetteur 20. L'émetteur 20 qui est montre à la figure 8A comprend dans une portion qui est face à la porte 22 une pluralité de pointes rectangulaires 31, qui sont de fanon générale en forme de peigne. En outre, la relation ou le rapport entre la largeur a de chacune des pointes 31 et l'intervalle b entre deux pointes adjacentes 31 est défi ni comme étant b/a = 2 comme dans les modes de réalisation decrits ci-dessus. Le quatrième mode de réalisation décrit cidessus est construit selon la structure d'une triode. Cependant, on peut prévoir des quatrième et cinquième électrodes pour que le mode de réalisation devienne une structure à tube à électrodes multiples. Dans chacun des modes de realisation decrits ci-dessus, l'émetteur est forme sous forme d'une unique couche métallique. En variante, il peut être forme par deux ou plusieurs couches réalisées en plusieurs types de matériaux. En outre la porte peut être également formée par une unique couche de métal. En variante, elle peut être formée par deux ou plusieurs coucnes réalisées en plusieurs types de matériaux. Les modes de realisation d-ecrits ci-dessus sont chacun construits sous la forme d'une structure plane, Cependant, la présente invention peut être appliquée à toute structure telle qu'unie structure du type à coins de film mince, dune structure du type à coins ou analogues. Par exemple, la présente invention peut être mise en oeuvre selon la configuration qui est montrée à la figure 9 dans laquelle la relation ou rapport entre la largeur a de chacune des pointes et l'intervalle b entre deux pointes adjacentes peut être défini comme étant b/a > 1, et en particulier b/a > 2, et il en resulte que l'on obtient les avantages qui ont eté décrits ci-dessus. Plus particulièrement, dans un mode de realisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention qui est montre-e à la figure 9, une electrode 41 formant la cathode est prevue sur un substrat 40 réalise en un matériau isolant, puis une couche isolante 42 et une porte 43 sont appliquees par laminage sur l'électrode formant cathode 31, dans cet ordre. La cathode à émission de champ comprend un vide qui peut traverser la couche isolante 42 et la porte 40. Dans le vide et sur l'electrode formant cathode 41 est prevu un émetteur 44 de forme sensiblement triangulaire. L'émetteur 44 comprend une base 44a reliée à l'électrode formant cathode 41 et des pointes 44b faisant saillie vers le haut.Dans l'émetteur ainsi construit, la relation ou le rapport entre la largeur a des pointes 44b et l'intervalle b entre deux pointes adjacentes 44S est défini comme etant b/a = 2. Comme on peut le voir par ce qui précède, et dans la cathode à emission de champ de la présente invention, l'émetteur est formé sous forme d'un peigne, ce qui se traduit par le fait qu'il comprend une pluralité de pointes rectangulaires et que la relation entre la largeur a de chacune des pointes et l'intervalle b entre deux pointes adjacentes est définie comme étant b/a > 1.Ainsi, la cathode à émission de champ de la présente invention présente d'excellents avantages par comparaison avec l'art antérieur où la relation est b/a # 1* Un essai a éte fait pour comparer l'intensité du champ électrique entre la cathode à émission de champ classique ou la relation bSa etait comprise entre 0,5 et t et la cathode à émission de champ de la présente invention ou la relation etait comprise était de 2, 2,5 et 3. Les résultats sont visibles à la figure 3. Plus particulièrement, une augmentation de b par rapport à a conduit à une augmentation de l'intensité du champ électrique de l'émetteur.Donc, la relation entre les dimensions de a et de b est de b/a > 1 et de preerence de b/a # 2. Un autre essai a été fait pour mesurer le courant emis produit lorsque la tension applique à la cathode est fixée entre 0 et 300 V pour chacune des cathodes à émission de champ classiques ou la relation b/a est fixée à 1 et la cathode à émission de champ de la presente invention où b/a est de 2. Les résultats sont montrés à la figure 3.Dans l'art antérieur, la tension de démarrage d'e-miss i on (champ electrique de seuil) est d'environ 150 V et il faut une tension de 200 V ou plus pour obtenir l'émission de courant necessaire. Àu contraire, la présente invention ou la relation b/a est de 2 diminue la tension de démarrage démission à 80 V, et il en résulte qu'elle est excite avec une faible tension operationnelle. En outre, la présente invention peut être construite de manière que la region limite ou de connexion entre les pointes de l'émetteur et leur base soit de forme courbe et que la couche formant électrode soit disposée sur la surface supérieure de l'émetteur pour renforcer cet emetteur. Cette construction augmente la résistance mecanique de l'émetteur, et évite ainsi des dégâts thermiques à l'émetteur dus à un courant de l'émetteur, ce qui se traduit par une duree de vie de l'émetteur et donc de la cathode à emission de champ qui est notablement prolongée. REVENDICATIONS le - Cathode à émission de champ comprenant: un emetteur (4); et une porte ( ledit émetteur (4) comprenant une base (6) et une pluralite de pointes rectangulaires (7) prevues sur ladite base de manière à en faire saillie vers l'extérieur; lesdites pointes etant formées de manière à satisfaire la relation b/a > 1, ou a représenter la largeur de chacune desdites pointes de lemetteur et b l'intervalle entre deux pointes adjacentes. 2. - Cathode à emission de champ selon la revendication 1, dans laquelle une région comprise entre lesdites pointes (13) et ladite base (12) est formée avec un rayon de courbure prédéterminé. Cathode à émission de champ selon la revendication 2, comprenant en outre une couche formant électrode (16) disposee sur ledit émetteur (4) de manière qu'une extrémité distale de ladite couche formant électrode soit située dans une position en retrait par rapport à une extrémité distale desdites pointes dudit émetteur*