Brevet FR2757676A1 — publié le 19980626

La présente invention concerne un affichage à émission de champ qui applique un dispositif d'émission de champ (ou émetteur de champ) à un affichage à écran plat. En général, l'affichage à émission de champ comprend une plaque inférieure portant des émetteurs de champ et une plaque supérieure revêtue d'une matière fluorescente telle qu'un luminophore. L'affichage à émission de champ produit une image sur un écran sur lequel les électrons, émis par les émetteurs de champ de la plaque inférieure, entrent en collision avec la matière fluorescente de la plaque supérieure. Cet affichage, qui utilise une luminescence de cathode de la matière fluorescente, a été largement étudié comme affichage à écran plat qui peut remplacer le tube à rayons cathodiques. La figure 1 est une vue schématique illustrant une configuration de la plaque inférieure dans un affichage à émission de champ usuel.Comme représenté sur la figure 1, un câblage de balayage llP et un câblage de données 12P sont agencés en une matrice et chaque pixel consiste en une pluralité d'émetteurs de champ en métal 21P dont les grilles sont connectées au câblage de balayage 11P. Le câblage de balayage 11P est raccordé à la borne de sortie d'une puce de circuit de commande de balayage 30P par des interconnexions 13P. L'électrode d'émetteur des émetteurs de champ 21P est connectée au câblage de données 12P et le câblage de données 12P est raccordé à la borne de sortie d'une puce de circuit de commande de données 40P par des interconnexions 14P. En outre, la puce de circuit de commande de balayage 30P et la puce de circuit de commande de données 40P ne sont pas intégrées en commun avec le réseau de pixels de l'émetteur de champ et elles sont formées sur une tranche de silicium séparée qui est couplée au ré seau de pixels. D'autre part, la figure 2 est une vue en coupe illustrant un émetteur de champ en métal 21P de la figure 1, conforme à l'art antérieur. Comme représenté sur la figure 2, l'émetteur de champ en métal de l'art antérieur 21P comprend une électrode d'émetteur 215P formée sur un substrat isolant 10P, une couche résistante 211P qui est constituée d'une couche de silicium amorphe formée sur l'électrode d'émetteur 215P, une pointe d'émetteur de champ en métal 212P formée en cône sur une partie de la couche résistante 211P, et une couche isolante de grille 213P et une électrode de grille 214P pour appliquer une tension à la pointe d'émetteur 212P. L'affichage à émission de champ usuel peut être facilement fabriqué sur un grand substrat en verre, au moyen du procédé d'évaporation à faisceau d'électrons. Toutefois, il est très difficile d'intégrer les circuits de commande de balayage et de données avec le réseau d'émetteurs de champ en métal sur le substrat isolant. Par conséquent, le câblage en métal demande beaucoup de travail et de temps pour connecter les puces des circuits de commande de balayage et de données 30P et 40P au réseau d'émetteurs de champ en métal. De plus, puisque des puces de circuits de commande de balayage et de données pour une haute tension sont nécessaires pour exciter le réseau d'émetteurs de champ en métal, il est difficile de réaliser un affichage à émission de champ pouvant fournir une image de haute qualité à faible prix. Pour résoudre les problèmes ci-dessus, un objet de la présente invention est de procurer un affichage à émission de champ ayant une image de grande qualité, une densité élevée et une faible tension d'excitation. Un autre objet de la présente invention est de procurer un affichage à émission de champ dans lequel un réseau de pixels, chaque pixel consistant en une plu ralité de dispositifs d'émission de champ en silicium et un seul transistor à film mince, et des circuits de commande de balayage/données sont intégrées sur une couche isolante unique. Conformément à la présente invention, on obtient un affichage à émission de champ incluant une plaque supérieure et une plaque inférieure mutuellement parallèles, qui comprend : des réseaux de pixels ayant une pluralité de dispositifs d'émission de champ, dans lesquels les électrodes de grille desdits dispositifs d'émission de champ sont polarisées à une source de tension constante ; un circuit de commande de balayage et un circuit de commande de données pour exciter ledit réseau de pixels ; et un transistor pour appliquer une haute tension audit réseau de pixels, ayant une électrode de grille connectée audit circuit de commande de balayage, une électrode de source connectée audit circuit de commande de données et une électrode de drain connectée à une électrode d'émetteur d'un desdits dispositifs d'émission de champ. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique illustrant une configuration de la plaque inférieure dans un affichage à émission de champ usuel la figure 2 est une vue en coupe illustrant l'émetteur de champ en métal 21P de la figure 1 la figure 3 est une vue schématique illustrant une configuration d'un affichage à émission de champ conforme à la présente invention la figure 4 est un schéma d'implantation illus trant un réseau de pixels d'un affichage à émission de champ conforme à la présente invention la figure 5 est une vue en coupe illustrant un transistor à film mince (TFT) à haute tension et un dispositif d'émission de champ, pour former un pixel conforme à la présente invention la figure 6 est une vue en coupe illustrant un TFT en silicium polycristallin complémentaire utilisé comme circuit élémentaire des circuits de commande de balayage et de données suivant la présente invention la figure 7 est une vue en coupe illustrant une configuration de la plaque supérieure de l'affichage à émission de champ conforme à la présente invention la figure 8 est un graphique illustrant les caractéristiques de courant-tension des dispositifs d'émission de champ suivant la présente invention ; et la figure 9 est un chronogramme illustrant les tensions de signal pour la commande de l'affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. On décrit ci-après un affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Un réseau de pixels, formé en une matrice sur une couche isolante, et des circuits de commande de balayage et de données pour exciter le réseau de pixels à la périphérie du réseau de pixels sont intégrés sur un même substrat. D'autre part, chaque pixel du réseau de pixels comprend une pluralité de dispositifs d'émission de champ en silicium et un transistor à film mince à haute tension (HTFT), et les circuits de commande de balayage et de données sont constitués par des TFT en silicium po lycristallin complémentaires. Le transistor à film mince associé à chaque pixel dans le réseau de pixels peut être un dispositif de commutation pour commander un signal appliqué au dispositif d'émission de champ. En outre, dans l'affichage à émission de champ suivant la présente invention, on peut abaisser la tension des signaux de balayage et de données par adressage des signaux à afficher par l'intermédiaire des transistors à film mince, et on peut réaliser les circuits de commande de balayage et de données avec une tension de signal plus faible, par utilisation d'un TFT en silicium polycristallin complémentaire. La figure 3 et une vue schématique illustrant une configuration d'un affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 3, l'affichage à émission de champ comprend une plaque supérieure et une plaque inférieure. La plaque inférieure porte un réseau de pixels 20, qui est formé en une matrice sur un substrat isolant 10 tel qu'une couche d'oxyde , une couche de nitrure, un substrat en quartz ou un substrat en verre, et, pour exciter le réseau de pixels 20, un circuit de commande de balayage 30 et un circuit de commande de données 40 qui sont intégrés dans la périphérie du réseau de pixels 20. La figure 3 illustre également un câblage de balayage 50, un câblage de données 60 et un substrat isolant transparent 70. On décrit d'abord en détail la plaque inférieure. La figure 4 est un schéma d'implantation illustrant un réseau de pixels d'un affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 4, le réseau de pixels 20 est formé en une matrice et chaque pixel comprend un transistor à film mince à haute tension 22 et une pluralité de dispositifs d'émission de champ en silicium 21. Les disposi tifs d'émission de champ en silicium 21 sont connectés les uns aux autres par l'intermédiaire d'une électrode d'émetteur, et le transistor à film mince à haute tension (HTFT) 22 est constitué d'un transistor à film mince en silicium amorphe ou d'un transistor à film mince en silicium polycristallin. Les grilles des HTFT 22 sont connectées au circuit de commande de balayage 30 par le câblage de balayage 50. Les sources des HTFT 22 sont connectées au circuit de commande de données 40 par le câblage de données 60, et leurs drains sont connectés aux électrodes d'émetteur des dispositifs d'émission de champ 21. D'autre part, les grilles des dispositifs d'émission de champ 21 sont connectées à une électrode de grille commune 23. Le circuit de commande de balayage 30 et le circuit de commande de données 40 sont formés de part et d'autre du réseau de pixels 20 de sorte que le réseau de pixels est excité avec une commande entrelacée. Toutefois, il apparaîtra aux hommes de l'art dans ce domaine que cet agencement n'est pas la seule façon de former le circuit de commande de balayage 30 et le circuit de commande de données 40 sur le substrat. La figure 5 est une vue en coupe illustrant le HTFT et le dispositif d'émission de champ pour former un pixel suivant la présente invention. Comme représenté sur la figure 5, le dispositif d'émission de champ en silicium 21 comprend une électrode d'émetteur 215 formée sur le substrat isolant 10 (le même que celui de la figure 3), par exemple une couche d'oxyde, une couche de nitrure, un substrat en quartz, un substrat en verre ou analogue. De plus, un corps résistant cylindrique 211 est formé sur l'électrode d'émetteur 215 et une pointe d'émetteur de champ en silicium 212 est formée en cône sur le corps résistant cylindrique 211. Le corps resistant cylindrique 211 et la pointe d'émetteur de champ en silicium 212 sont entourés par une couche d'oxyde de grille 213 et une grille 214 qui sont formées dans cet ordre sur l'électrode d'émetteur 215 afin d'appliquer un champ électrique à la pointe d'émetteur de champ en silicium 212. Dans ce cas, le corps résistant cylindrique 211 est constitué d'une couche de silicium non dopé et la totalité ou une partie de la pointe d'émetteur de champ en silicium 212 est constituée d'une couche de silicium dopé. Puisque la couche de silicium non dopé présente une résistivité élevée, le corps résistant cylindrique 211 peut agir lui-même comme une résistance. D'autre part, le HTFT comprend une région de canal 221, qui est constituée d'une couche de silicium non dopé formée sur le substrat isolant 10, une région de drain 222 et une région de source 223 qui sont respectivement formées de part et d'autre de la région de canal 221, une couche d'isolation de grille 224 formée sur la région de canal 221 et les régions de source/drain 223 et 222, et une électrode de grille formée sur une partie de la couche d'isolation de grille 224. De plus, le HTFT comporte une région décalée dans laquelle l'électrode de grille 225 n'est pas en chevauchement dans une direction perpendiculaire avec la région de drain 222 et la région de source 223, de sorte qu'elle peut fonctionner sous une tension élevée. Il faut également noter que la région de drain 222 est électriquement connectée à l'électrode d'émetteur 215 du dispositif d'émission de champ. La figure 6 est une vue en coupe illustrant un TFT en silicium polycristallin complémentaire utilisé comme circuit élémentaire des circuits de commande de balayage et de données suivant la présente invention. Les circuits de commande de balayage et de données sont constitués de registres à décalage, etc. En outre, les circuits de commande de balayage et de données peuvent être constitués des TFT en silicium polycristallin complé mentaires. Cela est bien connu des hommes de l'art dans le présent domaine. Comme déjà indiqué, dans le cas où les circuits de commande de balayage et de données sont constitués des TFT en silicium polycristallin complémentaires, non seulement la consommation d'énergie peut diminuer mais la vitesse de fonctionnement peut augmenter. Comme représenté sur la figure 6, le TFT en silicium polycristallin complémentaire conforme à la présente invention comprend des transistors à canal n et à canal p, dont chacun est formé sur le même substrat isolant 10 que celui qui est représenté sur la figure 5. Chacun d'eux comprend une région de canal 351, des régions de source/drain 352N et 352P, une couche d'isolation de grille 353 et des électrodes de grille dopées par des impuretés 354N et 354P. La région de canal 351 est constituée d'une couche de silicium polycristallin non dopé formée sur le substrat isolant 10, et les régions de source/drain 352N et 352P sont formées de part et d'autre de la région de canal 351. La couche d'isolation de grille 353 est formée sur la région de canal 351 et les régions de source/drain 352N et 352P. Les électrodes de grille dopées par des impuretés 354N et 354P sont formées sur une partie de la couche d'isolation de grille 353. Une couche d'isolation intercouche 355 est formée sur la structure résultante et des ouvertures sont créées de manière à découvrir les régions de source/drain 352N et 352P . Une interconnexion en métal est formée et la région de drain 352N du transistor à canal N est ensuite électriquement connectée à la région de source 352P du transistor à canal N. Il faut noter que le canal 351 du TFT en silicium polycristallin complémentaire est constitué de la même couche de silicium polycristallin que le canal 221 du HTFT sur la figure 5. La figure 7 est une vue en coupe illustrant une configuration de la plaque supérieure de l'affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 7, une électrode transparente 71 est formée sur une partie d'un substrat transparent isolant 70 et des couches fluorescentes 72R,72G et 72B sont respectivement formées sur l'électrode transparente 71 pour engendrer la couleur. L'électrode transparente 71 est connectée à un circuit d'excitation d'anode et les matières fluorescentes 72R,72G et 72B constituent un pixel de couleur. Le panneau d'affichage à émission de champ est réalisé par application du groupage sous vide aux plaques supérieure et inférieure en parallèle. Les circuits de commande de balayage, de données et d'anode du panneau d'affichage à émission de champ sont commandés par un circuit de commande d'affichage. On décrit maintenant un procédé de fabrication de l'affichage à émission de champ conforme à la présente invention. Suivant la présente invention, le transistor à film mince à haute tension 22, qui est associé au dispositif d'émission de champ en silicium 21 est sous la forme d'un transistor à canal n, et la surface de la pointe d'émetteur de champ 212 est en silicium polycristallin de type n. Par conséquent, le dispositif d'émission de champ en silicium 21 et le transistor à film mince à haute tension 22 sont facilement intégrés, par utilisation d'un procédé classique de formation d'un dispositif d'émission de champ en silicium par attaque et d'un procédé de fabrication. de transistor à film mince. En outre, lorsqu'on fabrique le transistor à film mince 22, le TFT en silicium polycristallin complémentaire utilisé comme circuit élémentaire des circuits de commande de balayage et de données 30 et 40 est facilement fabriqué par une nouvelle application du procédé d'implantation d'ions ou de projection d'ions de dopants de type p à la région de source/drain. Il est donc possible d'intégrer facilement le réseau de pixels 20 et les circuits de commande de balayage et de données 30 et 40 sur un même substrat. Puisque les traitements indiqués ci-dessus sont effectués à une température de 6000C ou moins, on peut utiliser un verre, qui est peu coûteux et qui présente une grande surface, comme substrat isolant. La figure 8 est un graphique illustrant les caractéristiques de courant-tension du dispositif d'émission de champ conforme à la présente invention. La tension de grille représente la tension appliquée à l'électrode de grille du dispositif d'émission de champ 214. Si une tension spécifique, qui est supérieure à la tension de mise en conduction (typiquement, 50 volts ou plus), est appliquée à l'électrode de grille, des électrons sont émis par la pointe d'émetteur 212 du dispositif d'émission de champ. La figure 9 est unchronogramme illustrant les caractéristiques de tension des signaux suivant la présente invention, sur lequel sont représentés les signaux de tension pour commander l'affichage à émission de champ. Comme représenté sur la figure 9, la tension de grille FE, qui est une tension appliquée aux électrodes de grille communes 23 du dispositif d'émetteur de champ 21, est maintenue à une valeur constante. Le signal de balayage qui est une tension appliquée à l'électrode de grille 225 du transistor à film mince à canal n 22 par l'intermédiaire du câblage de balayage 50,par le circuit de commande de balayage 30, peut être l'une ou l'autre d'une tension de seuil du transistor à film mince de type n ou d'une tension supérieure à celle-ci. Ce signal de balayage sélectionne une ligne du réseau de pixels dans un signal du type à impulsion (largeur d'impulsion : t5). De plus, le signal de données, qui est une tension appliquée à la source 225 du transistor à film mince à canal n 22 par l'intermédiaire du câble de données 60,par le circuit de commande de données 40, est transféré à la pointe d'émetteur 212 du dispositif d'émission de champ 21 en un signal du type à impulsion (largeur d'impulsion : td) et il induit ensuite l'émission d'électrons lorsque le signal de balayage est dans un état actif. Par conséquent, la durée effective d'émission d'électrons est (t - td) lorsqu'une ligne de pixels est choisie par le signal de balayage. Dans ce procédé de commande, la représentation de niveau de gris de l'affichage est effectuée par modification de la largeur d'impulsion t d du signal de données. La tension des signaux de balayage et de données peut être fortement réduite par commande de la sélection de ligne et du signal de données de l'affichage au moyen du transistor à film mince à haute tension 22 associé à chaque pixel. Comme le montre la description ci-dessus, l'affichage à émission de champ conforme à la présente invention comprend une plaque inférieure dans laquelle le réseau de pixels et les circuits de commande de balayage et de données sont intégrés sur un même substrat isolant. Par conséquent, on peut obtenir un affichage à émission de champ qui peut fournir une image de haute qualité à un faible prix. La tension de signal des circuits de commande de balayage et de données peut être fortement réduite par utilisation du transistor à film mince associé à chaque pixel. Les caractéristiques d'émission de champ sont stabilisées par la résistance associée au dispositif d'émission de champ, de sorte qu'on peut fabriquer un affichage à émission de champ de fonctionnement fiable. En outre, puisque tous les traitements sont effectués à basse température, on peut utiliser comme substrat isolant un verre qui est peu coû- teux et présente une grande surface. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Affichage à émission de champ incluant une plaque supérieure et une plaque inférieure mutuellement parallèles, qui comprend un réseau de pixels (20) ayant une pluralité de dispositifs d'émission de champ (21) dans lequel les électrodes de grille (214) desdits dispositifs d'émission de champ sont polarisées à une tension d'alimentation constante un circuit de commande de balayage (30) et un circuit de commande de données (40) pour exciter ledit réseau de pixels ; et un transistor à film mince (22) pour appliquer une haute tension audit réseau de pixels, ayant une électrode de grille (225) connectée audit circuit de commande de balayage, une électrode de source (223) connectée audit circuit de commande de données et une électrode de drain (222) connectée à une électrode d'émetteur (215) d'un desdits dispositifs d'émission de champ, dans lequel le réseau de pixels (20), le circuit de commande de balayage (30), le circuit de commande de données (40) et le transistor à film mince (22) sont intégrés sur un substrat unique (10) de la dite plaque inférieure. 2.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 1, dans lequel ledit substrat unique (10) est l'un quelconque d'une couche d'oxyde, d'une couche de nitrure, d'un substrat en quartz ou d'un substrat en verre. 3.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 1, dans lequel le circuit de commande de balayage (30) et le circuit de commande de données (40) sont composés de transistors à film mince en silicium polycristallin complémentaires. 4.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 1 ou 3, dans lequel les canaux du transistor à film mince et des transistors à film mince en silicium polycristallin complémentaires sont formés sur le même film. 5.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 1, dans lequel le dispositif d'émission de champ (21) comprend un corps résistant cylindrique (211) formé sur une électrode d'émetteur (215) une pointe d'émetteur de champ en silicium (12) formée en un cône sur le corps résistant cylindrique ; et une électrode de grille (214) et une couche d'oxyde de grille (213) entourant la pointe d'émetteur de champ en silicium, pour appliquer un champ électrique à la pointe d'émetteur de champ en silicium. 6.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 5,.dans lequel l'élément résistant cylindrique (211) est constitué d'une couche de silicium non dopé. 7.- Affichage à émission de champ suivant la revendication 5, dans lequel la pointe d'émetteur de champ en silicium (212) est constituée d'une couche de silicium dopé.