Brevet FR2750533A1 — publié le 19980102

CATHODE FROIDE A EMISSION DE CHAMP ET TUBE A RAYONS CATHODIQUES COMPORTANT CELLE-CI CONTEXTE DE L'INVENTION (a) Domaine de l'invention La présente invention concerne une cathode froide à émission de champ destinée à être utilisée dans un canon à électrons pour un tube à rayons cathodiques (appelé ci-après "CRT") et une unité d'affichage de moniteur ayant une luminance élevée et une haute résolution sur un écran. (d) Description de l'art associé Une cathode (chaude) the.rmoionique est généralement utilisée comme source d'électrons classique pour un canon à électrons dans un CRT. Une unité d'affichage de moniteur pour ordinateurs, ayant une luminance élevée et une haute résolution, est actuellement demandée, nécessitant que le canon à électrons fonctionne avec une densité de courant aussi élevée que la densité critique de la cathode thermoionique. D'autre part, bien qu'il soit généralement requis des composants électroniques de consommer moins d'énergie électrique et d'être moins nocif pour l'environnement, il est difficile pour une source d'électrons comportant la cathode thermoionique de satisfaire à la demande d'énergie électrique plus faible. En conséquence, un nouveau type de source d'électrons capable de satisfaire la demande est recherché. Un nouveau type de canon à électrons pour un CRT, utilisant une cathode froide à émission de champ a été proposé par exemple dans JP-A-7(1995)-21903. La figure 1A est une vue en coupe transversale de la cathode froide à émission de champ proposée, et la figure 1B est une vue schématique plane de dessus montrant l'emplacement relatif d'une zone de cathode et d'une zone de conducteur, vu dans la direction perpendiculaire aux couches de la cathode froide à émission de champ. Une zone isolante 29 mise en oeuvre par une première couche d'isolement ou film d'oxyde de champ, s'détendant le long d'une zone de cathode superposée 34, est formée sur un substrat de silicium 27. La zone isolante 29 a une périphérie externe sensiblement circulaire séparée radialement vers l'extérieur d'une distance L de la périphérie externe de la zone de cathode 34. Une couche de résistance 30, connectée électriquement au substrat de silicium 27 par une zone de conducteur 28 d'une zone de substrat annulaire est formée sur la totalité de la surface, y compris les surfaces de la zone isolante 29 et de la zone de conducteur 28. Une deuxième couche d'isolement 31 et une couche d'électrode de grille 32 sont formées sur la couche de résistance 30. Une multiplicité de trous sensiblement cylindriques sont formés dans une zone de cathode circulaire 34 superposée sur la zone isolante 29, depuis la surface de la couche d'électrode de grille 32 vers le fond de la deuxième couche d'isolement 31, pour faire apparaître la surface de la couche de résistance 30. Un émetteur conique minuscule 33 est déposé dans chacun des trous cylindriques, pour émettre des électrons. En fonctionnement, lorsque les extrémités des émetteurs coniques 33 sont soumises à un champ électrique d'environ 103 V/cm, généré par une tension appliquée entre le substrat de silicium 27 et la couche d'électrode de grille 32, des électrons sont émis depuis les extrémités des émetteurs coniques 33 par un effet tunnel. Lorsque le diamètre des trous cylindriques et l'épaisseur de la deuxième couche d'isolement 31 sont tous deux de l'ordre de 1 um, le champ électrique obtenu au voisinage des extrémités des émetteurs coniques 33 est au plus de l'ordre de plusieurs dizaines de volts. Le substrat de silicium 27 et la couche d'électrode de grille 32 agissent comme un condensateur à plaques parallèles pour stocker une charge électrique entre elles. La charge électrique accumulée peut souvent provoquer une décharge instantanée, générant un courtcircuit temporaire entre les émetteurs 33 et la couche d'électrode de grille 32, du fait de la dégradation locale du vide, ou pour une autre raison. Dans ce cas, le court-circuit temporaire peut générer une température élevée destructive, au-delà du point de fusion des émetteurs 33. La couche de résistance 30 est prévue dans le but d'absorber le courant instantané excessif provoqué par le court-circuit temporaire, de manière à protéger ainsi les émetteurs 33 d'une destruction thermique. La distance L entre la zone de conducteur 28 et la zone de cathode 34, vue dans la direction perpendiculaire aux couches, est prévue pour augmenter la résistance dans cette partie de la couche de résistance 30, pour diminuer la chute de tension à travers la partie de la couche de résistance 30 disposée à l'intérieur de l'étendue de la zone de cathode 34. Dans la cathode froide à émission de champ telle que décrite ci-dessus, une densité de courant aussi élevée que 100 à 1000 A/cm2 peut être atteinte pour une densité d'émetteur de 103 émetteurs/cm2, qui est de 10 à 100 fois plus importante que celle de la cathode thermoionique. Puisque des électrons sont émis par effet tunnel dans la cathode froide à émission de champ, aucun dispositif de chauffage n'est nécessaire, et en conséquence la consommation d'énergie peut être économisée. Ainsi, une unité d'affichage de moniteur ayant une luminance élevée et une haute résolution, avec une faible consommation d'énergie électrique, est réalisée pour des ordinateurs, en profitant de ces avantages de la cathode froide à émission de champ. Toutefois, dans une cathode froide à émission de champ ayant une zone de cathode plus grande 34, il existe une tendance selon laquelle le potentiel électrique des émetteurs coniques 33 est supérieur lorsqu'ils sont situés plus près du centre de la zone de cathode 34, ou plus éloignés de la zone de conducteur 28. En conséquence, le courant pouvant être extrait des émetteurs coniques au voisinage du centre de la zone de cathode est inférieur, ce qui dégrade la densité de courant. La figure 2 représente une courbe de répartition de courant calculée, à l'intérieur de la zone de cathode 34, représentée sur les figures 1A et 1B. L'axe des abscisses représente la distance par rapport au centre de la zone de cathode 34, et l'axe des ordonnées représente le courant dans une unité arbitraire. Comme on le comprend d'après la figure 2, la majeure partie du courant est fournie par les émetteurs situés près de la zone de conducteur 28, ou au voisinage de la périphérie externe, tandis que les émetteurs situés au voisinage de la partie centrale de la zone de cathode 34 contribuent peu à l'émission. La figure 3 représente les courants calculés en fonction des tensions appliquées entre l'émetteur 33 et la couche d'électrode de grille 32 dans deux cas : un cas où la couche de résistance 30 est disposée comme représenté sur les figures 1A et 1B ; et l'autre cas où la couche de résistance est omise. Comme on le comprend d'après la figure 3, il existe une tendance selon laquelle la différence de courant entre les deux cas devient plus grande lorsque le courant d'émetteur augmente dans son ensemble. La caractéristique de la cathode froide à émission de champ représentée cidessus nécessite une tension de commande supérieure de la cathode, ce qui rend le circuit de commande compliqué, et augmente la consommation d'énergie électrique. Certaines mesures pour améliorer l'irrégularité mentionnée ci-dessus du courant à l'intérieur de la zone de cathode 34 sont proposées, telles que par exemple dans JP-A-7(1995)-153369 et JP-A-7-282716. La figure 4 est une vue en coupe transversale de la cathode froide à émission de champ proposée par la première publication, dans laquelle sont prévus une ligne de cathode annulaire 19 formée sur un substrat isolant fait de verre, par exemple, et une pluralité d'îlots de cathode conducteurs 20 formés séparément de la ligne de cathode annulaire 19, à l'intérieur d'une zone encerclée par la ligne de cathode 19. La ligne de cathode 19 et les îlots de cathode conducteurs 20 sont connectés électriquement par une couche de résistance 21 formée sur la ligne de cathode 19 et les îlots de cathode conducteurs 20. Il est indiqué que les émissions provenant des émetteurs coniques disposés à l'intérieur de l'étendue des îlots de cathode conducteurs 20, vus dans la direction perpendiculaire aux couches, sont uniformisés, en raison d'une résistance approximativement constante entre les émetteurs coniques et les îlots de cathode conducteurs 20. Toutefois, dans la cathode froide à émission de champ telle que décrite ci-dessus, la charge électrique accumulée entre les îlots de cathode conducteurs 20 et la couche d'électrode de grille 23 peut souvent être libérée en raison d'un court-circuit temporaire entre les émetteurs coniques et la couche d'électrode de grille 23. Dans un tel cas, un courant de décharge important s'écoule le long de la direction verticale de la couche de résistance 21, ayant une résistance limitée dans la direction verticale, et provoque l'écoulement d'un courant excessif à travers les émetteurs coniques, et les détruit. La destruction provient souvent d'un défaut de court-circuit permanent entre les émetteurs coniques et la couche d'électrode de grille 23, produisant un défaut fatal dans le CRT. Dans un dispositif d'affichage à émission de champ (FED) ou un dispositif d'affichage à cristaux liquides (LCD), il est proposé par exemple, dans JP-A-7-32632 (pour le FED) et JP-A-7-104244 (pour le LCD), de prévoir une pluralité de bornes dans le bloc de balayage pour éviter les chutes de tension dans les lignes d'alimentation. En se référant à la figure 5, illustrant la structure de LCD représentée dans la dernière publication, des lignes de signal de grille opposées chacune à une électrode commune 24, avec l'interposition d'une plaque de LCD entre elles, s'détendent le long de la direction horizontale d'un écran d'affichage, sous la forme de lignes métalliques de balayage. Une pluralité de bornes sont prévues pour l'électrode commune 24, pour recevoir ainsi des tensions réglées séparément. De façon spécifique, les tensions réglées séparément par une pluralité de sources électriques 25 et 26 sont délivrées aux bornes respectives, de façon à former une pente de tension dans l'électrode commune 24. Ainsi, si des tensions irrégulières sont appliquées par les dispositifs de commutation disposés le long des lignes de signal de grille, les tensions irrégulières et ainsi l'irrégularité de luminance dans l'écran d'affichage sont compensées par la configuration de la pluralité bornes. Des différences de tension dans les lignes de balayage proches et distantes de la source de tension apparaissent en raison des chutes de tension apparaissant dans les lignes de signal, bien que l'on puisse souhaiter diminuer les chutes de tension jusqu'à zéro, et elles sont en fait inévitables dans leur nature. En se référant de nouveau aux figures 1A et 1B, la pente des tensions apparaissant à l'intérieur de la zone de cathode 34, représentée sur ces figures, est provoqué par la couche de résistance 30 s'étendant audessous des émetteurs coniques 33. Toutefois, la couche de résistance 30 est prévue dans le but de supprimer un écoulement de courant excessif dans le cas d'un courtcircuit temporaire entre les émetteurs 33 et la couche d'électrode de grille 32. En conséquence, il n'est pas raisonnable de supprimer la couche de résistance 30 dans une cathode froide à émission de champ, à la différence des exemples décrits ci-dessus pour un LCD, dans lesquelles il peut être souhaité que la résistance de la ligne de signal soit nulle. RESUME DE L'INVENTION Un but de la présente invention consiste à améliorer l'émission irrégulière d'électrons à l'intérieur d'une zone de cathode dans la cathode froide à émission de champ classique pour un CRT, de façon à fournir ainsi une unité d'affichage de moniteur ayant une luminance élevée, une haute résolution, et une faible consommation d'énergie électrique. La présente invention fournit une cathode froide à émission de champ comprenant : un substrat conducteur, une première couche d'isolement formée de façon sélective sur le substrat conducteur pour définir des périphéries d'une pluralité de zones de conducteur sur le substrat conducteur ; une couche de résistance, une deuxième couche d'isolement et une couche d'électrode de grille formée consécutivement sur la première couche d'isolement et les zones de conducteur annulaire, la deuxième couche d'isolement et la couche d'électrode de grille ayant dans celles-ci une pluralité d'ouvertures pour définir collectivement au moins une zone de cathode superposée à la première couche d'isolement, chacune des ouvertures laissant apparaître une partie de la couche de résistance ; et un émetteur disposé sur la couche de résistance dans chacune des ouvertures. Selon la présente invention, la pluralité de zones de conducteur rend uniforme le courant d'émetteur parmi les émetteurs de la zone de cathode, fournissant ainsi une cathode froide à émission de champ destinée à être utilisée dans un CRT ayant une luminescence élevée et une haute résolution, avec une consommation en puissance réduite. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, seront plus évidents d'après la description suivante effectuée conjointement avec les dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1A et 1B représentent respectivement une vue en coupe transversale et une vue schématique plane de dessus, d'une cathode froide à émission de champ classique La figure 2 illustre graphiquement la répartition de courant dans la cathode froide à émission de champ classique de la figure 1 La figure 3 illustre graphiquement la différence de caractéristique de courant dans deux cas où une couche de résistance est ou n'est pas prévue dans une cathode froide à émission de champ classique La figure 4 est une vue en coupe transversale d'une autre cathode froide à émission de champ proposée dans la publication d'un brevet La figure 5 est un dessin schématique d'un LCD classique proposé dans une autre publication de brevet Les figures 6A et 6B sont respectivement une vue en coupe transversale et une vue schématique plane de dessus agrandie, d'une cathode froide à émission de champ selon un premier mode de réalisation de la présente invention Les figures 7A, 7B, 7C et 7D sont des vues en coupe transversale de la cathode froide à émission de champ des figures 6A et 6B dans des étapes consécutives d'un processus de fabrication de celle-ci ; La figure 8 est une vue en coupe transversale d'un tube à rayons cathodiques comportant une cathode froide à émission de champ de la présente invention. Les figures 9A et 9B sont respectivement une vue en coupe transversale et une vue schématique plane de dessus d'une cathode froide à émission de champ selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES La présente invention est maintenant décrite de façon plus spécifique au moyen de modes de réalisation préférés de celle-ci, en référence aux dessins annexés. En se référant aux figures 6A et 6B, représentant respectivement de façon similaire aux figures 1A et 1B, une cathode froide à émission de champ selon un premier mode de réalisation de l'invention, un film d'oxyde de champ ou première couche d'isolement 4, est formé de façon sélective sur un substrat de silicium 1 définissant une zone isolante d'une forme sensiblement annulaire, ayant une périphérie externe située éloignée radialement vers l'extérieur d'une distance L de la périphérie externe d'une zone de cathode annulaire 9, et une périphérie interne située éloignée radialement vers l'intérieur de la distance L de la périphérie interne de la zone de cathode annulaire 9. Une couche de résistance 5 formée sur le film d'oxyde de champ 4 est connectée électriquement au substrat de silicium 1, par une zone de conducteur annulaire 2 ayant une périphérie interne définie par la périphérie externe de la zone isolante annulaire 4, et une zone de conducteur central 3 ayant une périphérie définie par la périphérie interne de la zone isolante annulaire 4. Une deuxième couche d'isolement 6 et une couche d'électrode de grille 7 sont formées consécutivement au-dessus de la couche de résistance 5. Une multiplicité de trous sensiblement cylindriques sont formés dans la zone de cathode annulaire 9, depuis la surface de la couche d'électrode de grille 7, vers la surface de la couche de résistance 5, pénétrant dans la deuxième couche d'isolement 6. Un émetteur conique minuscule 33 est formé dans chacun des trous cylindriques. Un procédé pour fabriquer la cathode froide à émission de champ telle que représentée sur les figures 6A et 6B va être décrit en référence aux figures 7A à 7D. Sur la figure 7A, une zone isolante annulaire 4 est formée sur un substrat de silicium 1 par une technique LOCOS (oxydation locale de silicium), par exemple. Dans cette étape, une zone de conducteur annulaire 2 entourant la zone isolante annulaire 4, et une zone de conducteur central 3 entourée par la zone isolante annulaire 4, sont déposées sur la surface du substrat de silicium 1. Les dimensions des zones de conducteur 2 et 3 doivent être déterminées pour une résolution optimale du CRT comportant la cathode froide à émission de champ. Les diamètres des zones de conducteur 2 et 3 peuvent être de préférence de l'ordre de 100 um, par exemple. Après cela, une couche de résistance 5 faite de polysilicium est déposée par un procédé de CVD (dépôt chimique en phase vapeur) au-dessus des zones isolantes 4 et des zones de conducteur 2 et 3, sur une épaisseur de 2000 angströms. Une deuxième couche d'isolement 6 de 7000 angströms d'épaisseur et une couche d'électrode de grille 7 de 3000 angströms d'épaisseur, sont formées consécutivement sur la couche de résistance 5, comme représenté sur la figure 7B. La couche d'électrode de grille 7 est faite de préférence d'un métal à point de fusion élevé telle que W ou Mo, ou d'un alliage à point de fusion élevée tel que WSi2. Après cela, une pluralité de trous cylindriques 10, dont le diamètre est d'environ 1 um, sont formés depuis la surface de la couche d'électrode de grille 7, vers le fond de la deuxième couche d'isolement 6, en utilisant une technique connue de RIE (gravure ionique réactive) etc., comme représenté sur la figure 7C. Un émetteur conique minuscule 8 est ensuite formé dans chacun des trous cylindriques 10, à partir d'un métal à point de fusion élevé tel que W ou Mo, également utilisé pour la couche d'électrode de grille 7. Les émetteurs coniques 8 sont formés sur la couche de résistance 5, à l'intérieur de la zone de cathode annulaire 9 ayant une limite disposée séparée d'une distance L de la limite entre la zone isolante annulaire 4 et la zone de conducteur annulaire concentrique 2 ou la zone de conducteur central 3, comme représenté sur la figure 7D. Dans le présent mode de réalisation, les deux zones de conducteur 2 et 3 délivrent un courant provenant du substrat de silicium 1, à travers la couche de résistance 5, dans la direction verticale, et depuis à la fois la périphérie externe et la périphérie interne de la zone de cathode annulaire 9, à travers la couche de résistance 5, dans la direction horizontale, vers les émetteurs coniques 8. En raison de la structure telle que décrite ci-dessus, sensiblement tous les émetteurs coniques 8 peuvent contribuer efficacement à l'émission d'électrons, renforçant ainsi le courant total jusqu'à presque le double de celui de la cathode froide à émission de champ classique, ce qui a été confirmé par l'expérience. Grâce à la configuration selon laquelle les périphéries externe et interne de la zone de cathode annulaire 9 sont séparées de la distance L de la limite entre la zone isolante 4 et la zone de conducteur 2 ou 3, les variations de chute de tension entre les émetteurs coniques sont diminuées, et ainsi la densité d'émission des électrons est uniformisée sur la zone de cathode 9. La couche de résistance 5 intercalée entre les émetteurs coniques 8 et le substrat de silicium 1 agit en empêchant un courant excessif de s'écouler, lorsqu'une charge électrique accumulée entre la couche d'électrode de grille 7 et le substrat de silicium 1 est libérée, dans le cas d'un court-circuit temporaire apparaissant entre eux. La figure 8 représente une coupe transversale d'un CRT comportant une cathode froide à émission de champ selon le premier mode de réalisation de la présente invention. Le CRT comporte une ampoule de verre 44 à l'intérieur de laquelle un canon à électrons 47 comporte un montage de cathode mis en oeuvre par les cathodes froides à émission de champ 48 des figures 6A et 6B. L'ampoule de verre 44 peut être fabriquée par un processus similaire à celui qui est utilisé pour fabriquer les ampoules ayant une cathode thermoionique classique. Le vide dans l'ampoule de verre 44 est maintenu environ à 10-7 Torr, obtenu par évacuation par une pompe turbo-moléculaire et évaporation de matériau d'extraction. Le faisceau d'électrons émis par le montage de cathode 48 est commandé et focalisé par le montage de canon à électrons 47, déviée par une unité de déviation 46, et procure une excitation au matériau fluorescent situé sur l'écran, de façon à afficher des images sur celui-ci. Des tensions de commande sont délivrées depuis l'extérieur du montage de cathode 48 et du montage de canon à électrons 47, par des électrodes conductrices 49. Puisque le CRT comportant la cathode froide à émission de champ de la présente invention peut atteindre une densité de courant de 10 à 100 fois celle de la cathode thermoionique classique, et du double de celle de la cathode froide à émission de champ classique, une luminance plus élevée et une résolution supérieure peuvent être obtenues. En outre, dans la cathode froide à émission de champ selon la présente invention, une consommation d'énergie électrique inférieure peut être obtenue en raison de l'uniformité du courant d'émission parmi les émetteurs. En se référant aux figures 9A et 9B, une cathode froide à émission de champ selon un deuxième mode de réalisation de l'invention a une configuration similaire à celle du premier mode de réalisation, à l'exception de la structure des zones de cathode et des zones de conducteur. La cathode froide à émission de champ du présent mode de réalisation comporte une première zone de cathode circulaire 18A, une deuxième zone de cathode annulaire 18B et une première et une deuxième zones de conducteur annulaire 11 et 12. La première zone de conducteur annulaire 11 a une périphérie interne séparée d'une distance L de la périphérie de la première zone de cathode circulaire 18A, et une périphérie externe séparée de la distance L de la périphérie interne de la deuxième zone de cathode annulaire 18B. La deuxième zone de conducteur annulaire 12 a une périphérie interne séparée de la distance L de la périphérie externe de la deuxième zone de cathode annulaire 18B. Une émission uniforme d'électrons peut être obtenue dans le présent mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation. Dans une modification du présent mode de réalisation, une troisième zone de cathode annulaire et une troisième zone de conducteur annulaire peuvent être agencées consécutivement à l'extérieur de la deuxième zone de conducteur annulaire 12. En outre, une paire quelconque constituée d'une zone de cathode annulaire et d'une zone de conducteur peut être prévue à l'extérieur de la troisième zone de conducteur annulaire ajoutée. Une configuration similaire peut également être obtenue à partir du premier mode de réalisation. Les modes de réalisation ci-dessus n'étant décrits qu'à titre d'exemples, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-dessus, et diverses modifications ou variantes peuvent facilement être réalisées par les experts de l'art à partir des modes de réalisation, sans s'écarter de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Cathode froide à émission de champ comprenant un substrat conducteur, une première couche d'isolement formée de façon sélective sur ledit substrat conducteur pour définir des périphéries d'une pluralité de zones de conducteur sur ledit substrat conducteur ; une couche de résistance, une deuxième couche d'isolement et une couche d'électrode de grille formée consécutivement sur ladite première couche d'isolement et lesdites zones de conducteur annulaire, lesdites deuxième couche d'isolement et couche d'électrode de grille ayant dans celles-ci une pluralité d'ouvertures pour définir collectivement au moins une zone de cathode superposée à ladite première couche d'isolement, chacune desdites ouvertures laissant apparaître une partie de la couche de résistance ; et un émetteur disposé sur ladite couche de résistance dans chacune desdites ouvertures. 2. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 1, dans laquelle ladite pluralité de zones de conducteur comporte une zone de conducteur circulaire et une zone de conducteur annulaire, disposées de manière concentriques l'une par rapport à l'autre. 3. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 2, dans laquelle chacune desdites zones de conducteur a une périphérie séparée d'une distance fixe d'une périphérie de ladite zone de cathode, vue dans la direction perpendiculaire auxdites couches. 4. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 1, dans laquelle ladite pluralité de zones de conducteur comporte une première et une deuxième zones de conducteur annulaire disposées de manière concentriques l'une par rapport à l'autre, et dans laquelle ladite au moins une zone de cathode comporte une zone de cathode circulaire encerclée par ladite première zone de conducteur annulaire, et une zone de cathode annulaire disposée entre ladite première zone de conducteur et ladite deuxième zone de conducteur, toutes deux vues dans la direction perpendiculaire auxdites couches. 5. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 4, dans laquelle chacune desdites zones de conducteur a une périphérie séparée d'une distance fixe d'une périphérie de ladite zone de cathode, vue dans la direction perpendiculaire auxdites couches. 6. Tube à rayons cathodiques comprenant une cathode froide à émission de champ selon la revendication 1.