Brevet FR2689312A1 — 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 apte à être utilisée en tant que source d'électrons pour un d'affichage fluorescent, en particulier un dispositif d'affichage fluorescent graphique, de même que la source d'électrons pour une source de lumière dans le domaine de la lithographie auquel est appliqué le principe d'un dispositif d'affichage fluorescent. Divers types de cathodes à émission de champ ont été proposes dans le but de les appliquer à un élément d'affichage tel qu'un d'affichage fluorescent ou analogue. Par exemple, quand la cathode à émission de champ est appliquée à un dispositif d'affichage fluorescent graphique, les électrodes sont disposées selon une configuration du type matrice pour déterminer sélectivement la mise sous tension et hors tension d'une section d'affichage sur le côté anode du dispositif d'affichage fluorescent Plus spécifiquement, dans la cathode à émission de champ, les deux ensembles constitués par un réseau d'électrodes émettrices de la cathode à émission de champ et son réseau d'électrodes de porte, et les électrodes à grille du dispositif d'affichage fluorescent et ses électrodes formant anodes, sont disposes de manière à se couper les uns les autres, ce qui se traduit par la formation d'une configuration à matrice Quand on sélectionne des intersections désirées dans cette matrice en fonction d'une image à afficher, des électrons sont émis par la cathode à émission de champ en correspondance des intersections sélectionnées et sont envoyés frapper des substances fluorescentes des électrodes formant anodes, de manière à pouvoir effectuer la sélection des cellules de 1 7 image. Malheureusement, on a constaté que la cathode à émission de champ classique à structure en matrice X-Y décrite ci-dessus pose plusieurs problèmes. L'un des problèmes réside dans le fait que la cathode à émission de champ est excitée seulement selon un système d'excitation dynamique, de sorte que sa durée éclairée dépend d'un rapport de service qui réduit la durée lumineuse de chaque cellule de l'image en fonction du nombre de cellules de l'image à balayer, ce qui provoque une diminution de la luminance. Un autre problème est que le système d'excitation dynamique a besoin d'un circuit qui est compliqué par comparaison avec un système d'excitation statique. Un autre problème consiste dans le fait qu'il est nécessaire de former un circuit externe avec la cathode à émission de champ classique, ce qui fait que la cathode à émission de champ d'ensemble présente de grandes dimensions et que ses co Ots de fabrication sont augmentés. Considérant les problèmes ci-dessus de la cathode à émission de champ classique, la déposante a proposé une source d'électrons telle que celle décrite dans la demande de brevet japonais No 95119/1990 Plus particulièrement, la source d'électrons proposée est constituée de manière que les conducteurs d'une configuration du type matrice X-Y soient formés sur un substrat isolant et qu'ensuite des transistors à film mince (TFM) et des cathodes à émission de champ (CEC) soient juxtaposés les uns aux autres dans une pluralité de régions élémentaires défi-nies sur le substrat isolant par les conducteurs en matrice X-Y. Pour qu'un transistor à film mince produise un courant important, il est nécessaire d'augmenter la surface de ce transistor Par ailleurs, dans une cathode à émission de champ utilisant un transistor à film mince, l'agencement de la cathode à émission de champ sur le transistor à film mince au moyen d'une couche isolante réduit les performances du transistor à film mince; donc, il est nécessaire de juxtaposer la cathode à émission de champ et le transistor à film mince Ainsi, la source d'électrons proposée qui comprend une combinaison de transistors à film mince et de cathodes à émission de champ a pour inconvénient de provoquer une détérioration de son utilisation par zone unitaire. En outre, dans la cathode à émission de champ classique et la source d'électrons décrites ci-dessus, la cathode à émission de champ est préparée à partir de silicium (Si) déposé sur un substrat isolant tel qu'une substrat en verre ou analogue Malheureusement, cet agencement diminue la mobilité des électrons, ce qui ne permet pas au transistor à film mince de présenter les caractéristiques désirées. La présente invention a été faite en tenant compte des inconvénients ci-dessus de l'art antérieur. Donc, un but de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable de permettre un affichage de densité notablement accrue. Un autre but de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable d'être excitée selon un système d'excitation statique capable d'augmenter le cycle opératoire de la cathode à émission de champ, avec pour résultat une luminance élevée pour une plus faible tension d'anode. Un autre but de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable de réduire la surface de la cathode à émission de champ pour chacune des cellules de l'image. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable d'augmenter sensiblement la mobilité des électrons, de façon à présenter des caractéristiques de circuit satisfaisantes. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une cathode à émission de champ capable d'empêcher efficacement que l'émission d'un dispositif d'affichage fluorescent soit détériorée quand la cathode à émission de champ est utilisée pour ce dispositif d'affichage fluorescent. Une cathode à émission de champ est donc proposée en accord avec la présente invention La cathode à émission de champ comprend un substrat monocristallin en Si, des conducteurs en matrice constitués par une pluralité de conducteurs formés par stratification sur le substrat en Si de manière à s'étendre dans chacune de deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, les éléments du circuit étant formés respectivement par une pluralité de régions élémentaires définies sur le substrat en Si par les conducteurs en matrice et chacune comprenant un élément de commutation et un circuit mémoire Les éléments du circuit sont reliés par une section d'entrée aux conducteurs en matrice La cathode à émission de champ comprend également des sections d'émission de champ qui sont chacune formées dans chacune des régions élémentaires et reliées à une section de sortie de chacun des éléments du circuit. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'élément de commutation est relié aux conducteurs en matrice et le circuit à mémoire est constitué de manière à y stocker un signal qui lui est appliqué au moyen de l'élément de commutation, et chacun des éléments de circuit comprend en outre un circuit d'excitation pour amplifier le signal stocké dans le circuit mémoire et l'appliquer à la section d'émission de champ. Ces buts et d'autres ainsi que de nombreux avantages de la présente invention seront plus 2689312 facilement appréciés après avoir été mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, dans lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes parties ou des parties correspondantes, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de circuit montrant de façon générale un mode de réalisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention, la figure 2 est un schéma de circuit montrant une région élémentaire de la cathode à émission de champ de la figure 1; la figure 3 A est une vue en coupe de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 3 B est une vue en plan de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe montrant un dispositif d'affichage fluorescent auquel est appliquée la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 5 est une vue en plan montrant une modification de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 6 est un schéma de circuit montrant une modification d'un circuit mémoire de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 7 est un schéma de circuit montrant une modification d'un circuit d'excitation de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; la figure 8 est une vue en coupe montrant une modification d'une section d'émission de champ de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1; et la figure 9 est une vue en coupe montrant une autre modification d'une section d'émission de champ de la cathode à émission de champ montrée à la figure 1. Une cathode à émission de champ selon la présente invention sera décrite ci-après en référence aux dessins annexés. En se référant d'abord aux figures i à 7, celles-ci représentent un mode de réalisation d'une cathode à émission de champ selon la présente invention Une cathode à émission de champ du mode de réalisation illustré et telle que montrée aux figures 1 à 3 B comprend un substrat monocristallin en Si (appelé également ci-après substrat en Si) 1 sur lequel est disposée une pluralité de conducteurs de commande 3 en forme de bandes disposes dans une couche isolante 4 réalisée en Si O 2 et de manière à s'étendre dans la direction X et à être espacés les uns des autres selon des intervalles prédéterminés Sur les conducteurs de commande 3 est placée une pluralité de conducteurs de données en forme de bandes 5 dans une couche isolante 4 en Si 02 de manière à s'étendre dans la direction Y perpendiculaire à la direction X et espacés les uns des autres par des intervalles prédéterminés Les conducteurs de commande 3 et les conducteurs de données sont formés par un film mince d'Al et disposés de manière à se couper les uns les autres de façon à former un câblage du type matrice, ce qui se traduit par une pluralité de régions élémentaires 6 qui sont définies sur le substrat en Si i par les conducteurs formant matrice ainsi formés. Comme montré aux figures 1 à 3, le substrat en Si i est muni d'un élément de circuit 7 et d'une section d'émission de champ 8 pour chacune des régions élémentaires 6 Dans le mode de réalisation représenté, l'élément de circuit 7 tel qu'il est montré à la figure 2 comprend un transistor Trl agissant en tant q'élément de commutation, un condensateur Cs agissant en tant que circuit mémoire et un transistor Tr 2 agissant en tant que circuit d'excitation pour amplifier un signal de sortie et appliquer le signal de sortie à la section d'émission de champ 8. Les transistors Trl et Tr 2 sont chacun du type MOS incorporés dans une surface du substrat en Si Le transistor Trl, comme montré aux figures 2, ou 3 A et 3 B, comprend un drain D sur un côté entrée qui est relié au conducteur de données 5 et une porte G reliée à ligne de commande 3 La source S du transistor Trl est reliée à la fois à une extrémité du condensateur Cs et à la porte G du transistor Tr 2 L'autre extrémité du conducteur Cs et le drain D du transistor Tr 2 sont reliés à une ligne de puissance 9 Le transistor Tr 2 comprend également une source sur son côté sortie, reliée à une électrode sous-jacente 10 de la section d'émission de champ 8 Le drain et la source de chacun des transistors Trl et Tr 2 est constitué par une couche n* formée sur le substrat en Si 1 et leur porte est réalisée en polysilicium ou en un métal à point de fusion élevé (siliciure métallique). La section d'émission de champ 8 est un élément d'émission de champ formé pour chaque région élémentaire 6, et comme montré aux figures 3 A et 3 B, disposé par stratification sur les conducteurs de commande 3 et les conducteurs de données 5 formant le câblage du type matrice et les éléments de circuit 7 dans la couche isolante 11 Plus particulièrement, l'électrode sous-jacente 10 est disposée sur une couche isolante 11, et une couche isolante 12 réalisée en Si 3 N 4, A 1203 ou analogue est ensuite formée sur la couche isolante 11 En outre, une porte 13 qui est formée sur une couche de Nb ou analogue est disposée sur la couche isolante 12 La porte et la couche isolante 12 comprennent des trous 14 dans chacun desquels est disposé un émetteur 15 en forme de cône sur l'électrode sous-jacente 10 Les émetteurs 15 sont chacun réalisés en Mo, Ti, W ou analogue et déposés sur la couche formant électrode sous-jacente 10. On décrira maintenant le mode de fonctionnement de la cathode a émission de champ du mode de réalisation représenté. La sélection d'une combinaison quelconque désirée des conducteurs de données 5 et des conducteurs de commande 3 qui coopèrent pour former la matrice X-Y permet de rendre conducteurs le transistor Trl de chacune des régions élémentaires 6 aux intersections entre les conducteurs de données sélectionnés et les conducteurs de données sélectionnés, de manière qu'un signal d'affichage appliqué par les conducteurs de données 5 soit stocké dans le condensateur Cs par l'intermédiaire du transistor Trl. Après stockage, l'application du signal à l'électrode sous- jacente 10 de la section d'émission de champ 8 par l'intermédiaire du transistor Tr 2 permet à la section d'émission de champ de chacune des positions désirées de la matrice X-Y d'émettre des électrons La commande du transistor Tr 2 qui fonctionne en tant que circuit d'excitation permet également de contrôler la quantité d'électrons émise par la section d'émission de champ 8, de manière qu'il soit possible de réaliser un réglage de la luminance et une graduation de l'affichage. La figure 4 montre un exemple dans lequel la cathode à émission de champ du mode de réalisation représenté est désignée par la référence numérique 20 et montée dans une enveloppe 22 d'un dispositif d'affichage fluorescent 21 de manière à fonctionner en tant que source d'électrons pour le dispositif 21. L'enveloppe 22 est munie sur une surface interne qui est opposée à la cathode à émission de champ 22 d'une anode 25 constituée par un conducteur anodique 23 et des couches fluorescentes 24 déposées sur le conducteur anodique 23 Quand on souhaite un affichage en une seule couleur, l'anode 25 est formée sur la totalité de la surface interne Quand on souhaite un affichage à couleurs multiples, les segments d'affichage R, G et B correspondant respectivement aux couleurs lumineuses rouge, verte et bleue sont disposées de manière à correspondre aux régions élémentaires 6 de la cathode à émission de champ 20, respectivement. La figure 5 montre une modification de la cathode à émission de champ du mode de réalisation illustré, dans laquelle un étage excitateur 30 sur le côté X (côté du conducteur de commande) et un étage excitateur 31 sur le côté Y (côté du conducteur de données) sont formés d'un seul tenant sur un substrat en Si 1 sur lequel est disposée une section de la matrice X-Y de la cathode à émission de champ 20 Cette modification peut être également constituée de manière que des circuits de fonction pour le traitement d'images et analogues autres que les circuits d'excitation soient formés sur le même substrat en Si. Un dispositif d'affichage graphique classique comprend un élément d'affichage dit à puce sur verre dans lequel des circuits intégrés d'excitation sont montés sur un substrat en verre Malheureusement, le dispositif d'affichage a pour inconvénient que la connexion entre les bornes des circuits intégrés et celles des éléments d'affichage est difficile La modification de la figure 5 est constituée de manière à utiliser le substrat en Si 1 en tant que substrat commun, et il est ainsi possible d'incorporer les étages excitateurs 30 et 31 sur une périphérie externe du substrat en Si 1 qui correspond à une périphérie d'une section d'affichage Les étages excitateurs 30 et 31 ainsi incorporés peuvent être reliés au câblage du type matrice au moyen d'un motif de câblage sur le substrat en Si. La figure 6 montre une modification du circuit mémoire qui constitue une partie de l'élément de circuit 7 de la cathode 3 émission de champ du mode de réalisation décrit ci-dessus Le circuit mémoire de la figure 6 comprend un système à circuit de verrouillage utilisant un circuit à bascule. La figure 7 montre une modification du circuit d'excitation constituant une partie de l'élément de circuit 7 de la cathode à émission de champ du mode de réalisation décrit ci-dessus Dans cette modification, un transistor Tr 2 est relié à la terre par sa source par l'intermédiaire d'une résistance 32 Une connexion entre la résistance 32 et la source du transistor Tr 2 est également reliée à une électrode sous-jacente 10 d'une section d'émission de champ, ce qui se traduit par un signal de sortie qui en est dérivé. La figure 8 montre une modification de la section d'émission de champ 8 de la cathode à émission de champ du mode de réalisation décrit ci- dessus Dans cette modification, une section d'émission de champ 8 est formée en un emplacement d'une région élémentaire 6 qui est adjacente à un élément de circuit 7 Un circuit sous-jacent 10 de la section d'émission de champ 8 est incorporé dans le substrat en Si 1 et relié à la source d'un transistor Tr 2 fonctionnant en tant que circuit d'excitation. La figure 9 montre une autre modification de la section d'émission de champ 8 dans la cathode à émission de champ du mode de réalisation décrit ci- dessus Dans cette modification également, une section d'émission de champ 8 est formée en un emplacement d'une région élémentaire 6 qui est adjacente à un élément de circuit 7 Cependant, une couche sous- jacente 10 de la section d'émission de champ 8 est réalisée en un film métallique mince appliqué sur un substrat en Si 1, contrairement à la modification de la figure 8. On peut voir par ce qui précède que la cathode à émission de champ selon la présente invention présente une variété d'avantages. L'un des avantages est que le nombre de régions élémentaires définies sur le substrat par les conducteurs formant matrice ont une fonction de mémoire, ce qui fait que la cathode à émission de champ de la présente invention peut être excitée selon un système d'excitation statique Ainsi, quand on désire un affichage à couleur unique, il est possible de faire monter un cycle opératoire de la cathode à émission de champ à un niveau qui peut atteindre 1 alors que lorsqu'on désire un affichage en plusieurs couleurs, il est permis de l'augmenter d'environ 1/3; donc, la cathode à émission de champ présente une luminance de niveau élevé même quand la tension de l'anode est diminuée. La cathode à émission de champ de la présente invention permet également de former d'un seul tenant les éléments de circuit sous la section d'émission de champ, ce qui se traduit par une diminution significative de surface pour chaque cellule d'image. Un circuit intégré d'excitation connu de façon classique dans l'art est formé sur un substrat de verre utilisant du Si amorphe ou du Si polycristallin. Cependant, la cathode à émission de champ de la présente invention o les circuits élémentaires sont formés sur un substrat en Si monocristallin permet d'augmenter la mobilité des électrons à un niveau qui est de 100 à 1000 fois plus élevé que le circuit intégré d'excitation classique, ce qui se traduit par une amélioration des caractéristiques du circuit. Un dispositif d'affichage fluorescent pour un affichage en couleurs utilise généralement une substance fluorescente en sulfure pour la section élément d'affichage d'une anode Donc, l'utilisation d'une cathode en oxyde thermique en tant que source d'électrons pour ce dispositif d'affichage fluorescent provoque la production de gaz sulfureux, qui réagit ensuite avec la cathode, causant la détérioration de l'émission du dispositif d'affichage fluorescent. Cependant, l'application de la cathode à émission de champ au dispositif d'affichage fluorescent élimine il 12 2689312 l'émission de gaz sulfureux à partir de la substance fluorescente et évite ainsi une détérioration de la luminance du dispositif d'affichage fluorescent. En outre, l'application de la cathode à émission de champ selon la présente invention à un dispositif d'affichage fluorescent permet à ce dernier de présenter une luminance élevée et une résonance élevée, et de provoquer une diminution de la consommation d'énergie tout en améliorant la durabilité. REVENDICATIONS 1 Cathode à émission de champ comprenant: un substrat en Si monocristallin ( 1); des conducteurs ( 3) disposés en matrice et constitués par une pluralité de conducteurs formés par stratification sur ledit substrat en Si de manière à s'étendre dans chacune de deux directions perpendiculaires l'une à l'autre; des éléments de circuit ( 7) formés respectivement dans une pluralité de régions élémentaires ( 6) définies sur ledit substrat en Si par lesdits conducteurs de la matrice et comprenant chacun un élément de commutation et un circuit mémoire; lesdits éléments de circuit étant reliés par une section d'entrée auxdits conducteurs ( 3) formant la matrice; et des sections d'émission de champ formées chacune dans chacune desdites régions élémentaires ( 6) et reliées à une section de sortie de chacun desdits éléments de circuit. 2 Cathode à émission de champ selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément de commutation est relié auxdits conducteurs formant la matrice, et ledit circuit mémoire est constitué de manière à y stocker un signal d'entrée au moyen dudit élément de commutation; et chacun desdits éléments de circuit comprend en outre un circuit d'excitation pour amplifier le signal stocké dans ledit circuit mémoire et l'appliquer à ladite section d'émission de champ. 3 Cathode à émission de champ selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'excitation disposé dans une région périphérique dudit substrat en Si.