Brevet FR2759202A1 — publié le 19980807

DISPOSITIF EMETTEUR D'ELECTRONS ET DISPOSITIF D'AFFICHAGE POURVU D'UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif émetteur d'électrons du type comprenant un émetteur d'électrons et une grille disposée au-dessus de l'émetteur définissant une zone à travers laquelle des électrons sont émis par le dispositif. Elle concerne également un dispositif d'affichage pourvu d'un tel dispositif ie émetteur d'électrons. Des dispositifs émetteurs d'électrons peuvent être de divers types différents, tels que comportant des discontinuités microscopiques, par exemple des pointes ou des arêtes, ou étant réalisés en un matériau ayant une affinité électronique faible ou négative. Une manière de commander la production d'électrons à partir d'un dispositif émetteur d'électrons se fait au moyen d'une grille dans une configuration en triode. Une tension négative appliquée à la grille réduit ou empêche l'émission d'électrons par le dispositif. La grille permet une commande précise et rapide de la production d'électrons. La grille peut, cependant, présenter un problème en ce qu'il y aura généralement un certain flux de courant parasite de l'émetteur vers la grille, réduisant le flux de courant d'anode du dispositif. Ce flux de courant de l'émetteur vers la grille peut, dans des cas graves, conduire à une défaillance catastrophique du dispositif. Des émetteurs d'électrons sont utilisés dans de nombreuses applications différentes telles que des dispositifs d'affichage. Dans certaines de ces applications, il peut être souhaitable que les électrons soient focalisés sur une cible de petite surface, afin de réduire la dimension de la tache lumineuse et d'augmenter la densité des électrons. Jusqu'à maintenant, il n'a pas été facile de parvenir à un faisceau d'électrons focalisé à partir de tels émetteurs d'électrons. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif émetteur d'électrons amélioré. Selon un aspect de la présente invention, il est fourni un dispositif émetteur d'électrons tel que défini en préambule, caractérisé en ce que le dispositif émetteur d'électrons comprend un dispositif magnétique disposé dans la zone io de la grille, et en ce que le dispositif magnétique est agencé pour augmenter le confinement des électrons à l'intérieur d'une partie centrale de ladite zone. La grille est de préférence disposée au-dessus du dispositif magnétique qui peut comporter une couche de matière magnétique ayant un orifice aligné avec la zone définie par la grille. Le dispositif émetteur peut comporter un substrat ayant une couche de matière isolante, ledit substrat supportant l'émetteur d'électrons et la couche de matière isolante supportant la couche de matière magnétique. La couche de matière magnétique supporte avantageusement la grille. Le dispositif émetteur comporte de préférence un substrat supportant l'émetteur d'électrons, et la grille et le dispositif magnétique comportent tous les deux des couches respectives, la couche formant la grille et la couche magnétique étant supportées l'une au-dessus de l'autre par le substrat. La couche de matière magnétique peut être formée par dépôt, ce dépôt étant réalisé par vaporisation ionique par magnétron. -3 Le dispositif émetteur peut comporter plusieurs émetteurs d'électrons, et la couche magnétique peut avoir plusieurs orifices alignés chacun avec un émetteur d'électrons respectif. L'émetteur ou chaque émetteur peut comporter une structure en pointe de Spindt présentant une surface diamantée. Selon un autre aspect de la présente invention, il est également fourni un dispositif d'affichage caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif émetteur d'électrons tel que défini ci-dessus. Ledit dispositif d'affichage peut comporter une couche de matière fluorescente disposée au-dessus du dispositif émetteur d'électrons de sorte que des électrons émis par ledit dispositif provoquent l'émission d'un rayonnement optique par la couche fluorescente. Un dispositif d'affichage comprenant un dispositif émetteur d'électrons selon la présente invention est décrit ci-dessous au moyen d'un d'exemple de réalisation préféré, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale en coupe d'une partie du dispositif d'affichage selon l'invention; - la figure 2 est une vue latérale en coupe d'un émetteur d'électrons du dispositif d'affichage de la figure 1, à une échelle agrandie; - la figure 3 est une vue latérale en coupe d'une partie de l'émetteur d'électrons de la figure 2, montrant les lignes de flux magnétique; et - la figure 4 est une vue latérale en coupe d'un autre mode de réalisation du dispositif émetteur d'électrons selon l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif d'affichage comporte un ensemble émetteur 1 comprenant plusieurs réseaux d'émetteurs 2, un seul d'entre eux étant illustré par le dessin. Le dispositif d'affichage comprend également un ensemble anode 3 sous la forme d'une plaque transparente 4 comportant une électrode anode transparente 5 sur sa surface inférieure. Une couche phosphorescente 6 est déposée sur la surface inférieure de l'anode 5 dans des zones discrètes 7 disposées au-dessus d'un réseau correspondant des réseaux d'émetteurs 2. L'ensemble émetteur 1 et l'ensemble anode 3 sont scellés ensemble autour de leur bord extérieur, l'espace entre les deux ensembles étant mis sous vide à une faible pression. De cette manière, des électrons émis par chaque réseau d'émetteurs 2 seront incidents sur la zone phosphorescente 7 correspondante directement au-dessus de ce réseau pour provoquer la fluorescence et la production d'un rayonnement optique par cette zone. La lumière produite par la zone phosphorescente 7 est émise à travers la plaque 4. Par un adressage approprié de l'anode et des différents réseaux d'émetteurs, n'importe quelle image désirée peut être produite, qui peut être multicolore, si les zones phosphorescentes 7 sont choisies pour être fluorescentes avec des couleurs différentes. Comme cela a été décrit jusqu'à présent, le dispositif d'affichage est conventionnel. Le réseau d'émetteurs 2 est de construction nouvelle et comprend plusieurs dispositifs émetteurs 20 du type illustré plus en détail par la figure 2. Chaque dispositif émetteur 20 est un dispositif multicouche formé sur un substrat commun 21, tel que du silicium, qui porte une couche métallique 22 agencée sous forme de bandes de contact par lesquelles des connexions électriques peuvent être établies vers les dispositifs émetteurs. De préférence, les couches métalliques des bandes de contact 22 sont en molybdène. La couche métallique 22 est revêtue d'une couche électriquement isolante 23, telle qu'une couche de silice. La couche isolante 23 supporte une couche 24 d'une matière magnétique telle qu'un composé de ferrite de baryum, dont le but sera décrit plus tard. La couche magnétique 24 est déposée sur la couche isolante 23 par vaporisation ionique par magnétron. L'épaisseur combinée de la couche isolante 23 et de la couche magnétique 24 est typiquement d'environ 1 pm. La couche supérieure du dispositif émetteur 20 est définie par une couche métallique 25 formant une grille. Un évidement 30 s'étend à travers la couche formant la grille, la couche magnétique 24 et la couche isolante 23 jusqu'à la surface supérieure de la couche métallique inférieure 22. Chaque dispositif émetteur 20 comprend une structure émettrice d'électrons 31 à l'intérieur de cet évidement 30. Cet émetteur d'électrons 31 peut être de diverses formes différentes mais, dans le présent exemple, est une structure à pointes de Spindt comprenant une pointe conique 32 d'une hauteur d'environ 1 pm. La pointe 32 peut être réalisée en métal, avec un semi- 2() conducteur, ou en une matière isolante La pointe 32 peut être obtenue de diverses manières différentes. Une manière consiste à déposer sur la couche une couche sacrifiée d'aluminium (non représentée), formant la grille en laissant un trou à travers cette couche d'aluminium dans l'évidement 30. Une matière, telle que du silicium ou un métal, est alors vaporisée par faisceau électronique depuis une cible. sous un angle d'environ 70 par rapport a la surface du substrat à travers les trous dans l'évidement 30, afin de construire la pointe conique. La pointe est ensuite revêtue d'une couche 33 d'un diamant polycristallin dopé par exemple avec du bore, pour la rendre de type P, ou avec du phosphore, pour la rendre de type N. Ce revêtement peut être effectué par vaporisation ionique ou par ablation par laser excimer d'une cible de diamant CVD (déposé en phase vapeur) dopé, en utilisant la méthode de dépôt angulaire. La matière de la cible est de préférence dopée avec du bore ou du phosphore par implantation à faible énergie, aux températures de l'azote liquide, dans un film de diamant CVD de haute qualité qui a subi un recuit rapide thermique à 1 000 C pendant 10 minutes dans une atmosphère de gaz inerte protecteur. Selon une alternative, la cible diamantée pourrait être dopée in situ, au cours de la croissance CVD, en utilisant des gaz de diborane ou de phosphine ou des agents dopants solides Le procédé de revêtement du diamant sur la pointe 32 est de préférence réalisé dans une io atmosphère d'hydrogène à environ 4 000 Pa ou moins, avec la structure du substrat à une température élevée à environ 500-550 C. Une tension continue est de préférence appliquée à la pointe 32 pour accentuer le procédé de revêtement. Lorsque le revêtement en diamant 33 a été déposé, la couche d'aluminium sacrifiée est enlevée. La structure émettrice recouverte 31 est alignée au centre d'un orifice circulaire 35 dans la couche 25 formant la grille et d'un orifice similaire 36 dans la couche magnétique 24, I'extrémité de la pointe recouverte 32 étant disposée approximativement au même niveau que la jonction entre la grille et ) la couche magnétique. Le procédé par lequel la couche magnétique 24 est déposée garantit qu'elle agit comme un aimant permanent avec un axe de polarisation perpendiculaire au plan de la couche. De cette manière, dans la zone de l'orifice 36, les lignes de flux magnétique sont dirigées vers l'extérieur de la surface extérieure de la couche magnétique 24 et sont ensuite défléchies vers l'intérieur à travers l'orifice, comme représenté par la figure 3. Cela produit une zone annulaire de lignes de flux magnétique coaxiales avec l'orifice, qui agit pour confiner des électrons produits par l'émetteur vers la zone centrale de l'orifice 35 à travers la grille 25 o ils n'ont pas à croiser les lignes de flux - 7 magnétique. Un tel confinement du courant des électrons au centre de l'orifice 35 présente deux avantages. Cela augmente la collimation des électrons émis par chaque dispositif, réduisant de ce fait la dimension de la tache lumineuse du faisceau d'électrons sur la couche phosphorescente 6 et améliorant la symétrie de ladite tache. De plus, comme les électrons sont maintenus éloignés de l'arête de l'orifice 35 dans la grille 25, le courant parasite de l'émetteur vers la grille est réduit. Ceci augmente le courant d'anode arrivant à la couche phosphorescente 6. L'invention est avantageuse à la fois pour des dispositifs à tension d'anode élevée et faible, permettant un fonctionnement à des tensions de commutation inférieures. Les tensions de commutation inférieures permettent la réduction des champs de commutation à moins d'environ 1V/pm, réduisant de ce fait le risque de dommages par formation d'un arc. Les densités de15 courant plus élevées peuvent être distribuées plus régulièrement parmi les dispositifs émetteurs dans un dispositif d'affichage. L'utilisation de diamant dopé limite les effets d'états de surface aux propriétés de charge du diamant et donne une résistance accrue à la contamination. Il n'est pas essentiel que l'émetteur d'électrons soit une pointe ou une autre discontinuité, il pourrait également comporter une surface ayant une affinité électronique négative ou faible, telle que représentée par la figure 4. L'émetteur d'électrons est formé par une couche de matière diamantée 60' sur la couche de contact métallique 22' remplissant un évidemment 30' dans25 la couche isolante 23'. La surface supérieure 61' de ladite couche diamantée ' est plate et au même niveau que la surface supérieure de la couche isolante 23'. La matière diamantée est du diamant CVD hautement hémitrope et la couche 60' est déposée selon la méthode de croissance accentuée inclinée sur la couche de molybdène 22' à 850-950 C dans une atmosphèrehydrogène/méthane contenant jusqu'à environ 12% de méthane. Le film déposé produit est une matière de qualité élevée à grain fin possédant des caractéristiques cristallines en dessous du micron donnant une émission d'électrons accentuée. La conductivité de la couche 60' est améliorée par l'implantation ionique sélective d'impuretés de bore ou de phosphore. Les impuretés de substitution sont activées par recuit par laser excimer à 194 nm. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée aux dispositifs d'affichage, mais pourrait être utilisée dans d'autres applications dans lesquelles un émetteur d'électrons est utilisé. Le dispositif magnétique utilisé pour focaliser le io faisceau d'électrons n'a pas besoin d'être une couche s'étendant sur la totalité de la surface du réseau d'émetteurs, mais pourrait, par exemple, se présenter sous la forme d'aimants séparés autour de chaque émetteur. Le dispositif magnétique est de préférence disposé sous la grille, mais comme la réalisation des lignes de flux est efficace pour augmenter le confinement des électrons à une partie centrale de l'orifice de la grille, il pourrait être disposé au dessus de la grille. REVENDICATIONS 1. Dispositif émetteur d'électrons (2) comportant un émetteur d'électrons (20) et une grille (25, 25') disposée au-dessus de l'émetteur et définissant une zone à travers laquelle des électrons sont émis par le dispositif, caractérisé en ce que le dispositif émetteur comprend un dispositif magnétique (24, 24') disposé dans la zone de la grille (25, 25'), et en ce que le dispositif magnétique (24, 24') est agencé pour augmenter le confinement des électrons à l'intérieur d'une partie centrale de ladite zone. 2. Dispositif émetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille (25, 25') est disposée au-dessus du dispositif magnétique (24, 24'). 3. Dispositif émetteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif magnétique comporte une couche (24, 24') d'une matière magnétique ayant un orifice aligné avec la zone définie par la grille (25, 25'). 4. Dispositif émetteur selon la revendication 3, comportant un substrat (21, 21') ayant une couche (23, 23') de matière isolante, caractérisé en ce que le substrat (21, 21') supporte l'émetteur d'électrons (20), et en ce que la couche (23, 23') de matière isolante supporte la couche (24, 24') de matière magnétique. 5. Dispositif émetteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche (24, 24') de matière magnétique supporte la grille (25, 25'). 6. Dispositif émetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (21, 21') supportant l'émetteur d'électrons (20), en ce que la grille (25, 25') et le dispositif magnétique (24, 24') comportent tous les deux des couches respectives, et en ce que la couche formant la grille et la couche magnétique sont supportées l'une au-dessus de l'autre par le substrat (21, 21'). 7. Dispositif émetteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la couche (24, 24') de matière magnétique est formée par dépôt. 8. Dispositif émetteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche (24, 24') de matière magnétique est formée par vaporisation ionique par magnétron. 9. Dispositif émetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs émetteurs d'électrons (20). 10. Dispositif émetteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche magnétique (24, 24') comporte plusieurs orifices (36), chaque orifice étant aligné avec un des émetteurs d'électrons (20). 11il. Dispositif émetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque émetteur (20) comporte une structure en pointe de Spindt (32). 12. Dispositif émetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (20, 60') comporte une surface diamantée (33, 61'). 13. Dispositif d'affichage caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif émetteur d'électrons (2). 14. Dispositif d'affichage selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte une couche (6) de matière fluorescente disposée au-dessus du dispositif émetteur d'électrons (2) et agencée pour que des électrons émis par ledit dispositif provoquent l'émission d'un rayonnement optique par la couche fluorescente (6).