Brevet FR2836279A1 — publié le 20030822

STRUCTURE DE CATHODE POUR ECRAN EMISSIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une structure de cathode utilisable dans un écran plat à émission de champ. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ comprend une cathode ou structure émettrice d'électrons et une anode en regard recouverte d'une couche luminescente. L'anode et la cathode sont séparées par un espace où le vide a été fait. La cathode est soit une source à base de micro-pointes, soit une source à base d'une couche e émissive à faible champ seuil. La couche émissive peut être une couche de nanotubes de carbone ou d'autres structures à base de carbone ou encore à base d'autres matériaux ou de multicouches (AIN, BN). La structure de la cathode peut être de type diode ou de type triode. Le document FR-A- 2 593 953 (correspondant au brevet américain NO 4 857 161) divulgue un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ. La structure de la cathode est du type triode. Le matériau émetteur d'électrons est déposé sur une couche conductrice apparente au fond de trous réalisés dans une couche isolante qui supporte une grille d'extraction des électrons. La figure 1 représente, vue en coupe et de façon schématique, une structure de cathode de type triode selon l'art connu, pour un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excité par émission de champ. Un seul dispositif d'émission est représenté sur cette figure. Une couche 1 en matériau électriquement isolant est percée d'un trou circulaire 2. Au fond du trou 2 est disposée une couche conductrice 3 supportant une couche 4 de matériau émetteur d'électrons. La face supérieure de la couche d'isolant 1 supporte une couche métallique 5 formant grille d'extraction et entourant le trou 2. Dans cette structure, la couche émissive 4 a tendance à provoquer des courts-circuits entre la grille 5 et la couche conductrice ou cathode 3. Cette tendance se manifeste en particulier si la couche émissive est constituée de nanotubes de carbone. Au niveau de la couche émissive, le champ électrique, qui est maximum en bordure du trou, comporte une composante latérale EL (parallèle au plan de la cathode) importante (comparable à la composante perpendiculaire Ex du champ électrique) qui fait diverger le faisceau d'électrons et induit des problèmes de résolution au niveau de l'écran. Ceci constitue un inconvénient important lorsque la distance anode-cathode augmente et peut amener à rendre l'écran plus complexe par l'ajout d'autres grilles destinées à focaliser le faisceau d'électrons. EXPOSE DE L'INVENTION Il est ici proposé une structure de cathode à couche émissive, de type triode pour laquelle les électrons émis par la couche émissive sont soumis à un champ électrique latéral faible, ce qui minimise les risques de court-circuit entre la grille et la cathode et ce qui limite la divergence du faisceau d'électrons émis par la couche émissive. L'invention a donc pour objet une structure de cathode de type triode comprenant, en superposition, une électrode formant cathode et supportant une couche de matériau émetteur d'électrons, une couche d'isolant électrique et une électrode de grille, une ouverture pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique exposant la couche de matériau émetteur d'électrons, caractérisée en ce que la couche de matériau émetteur d'électrons est située dans la partie centrale de l'ouverture de l'électrode de grille. Selon un mode de réalisation avantageux, l'ouverture pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique étant rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons est également rectangulaire. Selon un autre mode de réalisation avantageux, une couche résistive est interposée entre l'élément formant cathode et la couche de matériau émetteur d'électrons. De préférence, la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de grille d'une distance supérieure à la taille des objets constituant le matériau émetteur d'électrons. Le matériau émetteur d'électrons peut être constitué de nanotubes de carbone. Avantageusement, la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de grille d'une distance telle que la composante parallèle du champ électrique soit au moins dix fois plus faible que la composante perpendiculaire de ce champ. L'invention a aussi pour objet un écran plat à émission de champ comportant une pluralité de structures de cathode telles que définies ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'art connu, - la figure 2 est une vue en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe d'une autre structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 5 est un diagramme représentant la répartition spatiale du champ électrique pour une structure de cathode de type triode selon l'invention, - la figure 6 est une figure explicative de dimensions à respecter pour une structure de cathode de type triode selon l'invention, - les figures 7A à 7F illustrent un procédé de réalisation d'une structure de cathode de type triode selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La figure 2 est une vue schématique et en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention. Cette structure de cathode comprend, en superposition, une couche conductrice ou cathode 13 supportant une couche 11 en matériau électriquement isolant et une couche métallique 15 formant grille d'extraction des électrons. La couche isolante 11 et la couche métallique 15 sont percées d'un trou 12 exposant la cathode 13 et de largeur L. Au centre du trou 12 est disposée une couche de matériau émetteur d'électrons 14. La largeur d de la couche émissive 14 est faible par rapport à la largeur L du trou 12. La distance séparant la couche métallique 15 de la couche émissive 14 est appelée S. Le trou 12 peut être de forme circulaire. La figure 3 est une vue de dessus de la structure de cathode représentée à la figure 2 dans le cas où le trou 12 est de forme rectangulaire. Le trou 12 est alors une gorge de largeur L et dont la dimension suivant l'axe Z est celle du pixel de l'écran. Cette géométrie de trou est plus favorable que la géométrie circulaire. En effet, par raison de symétrie, il n'y a pas de composante latérale du champ électrique suivant l'axe Z, donc la surface émissive satisfaisant la condition EL Ex est plus importante dans cette géométrie que dans la géométrie cylindrique. Dans une géométrie cylindrique, le rapport entre la surface émissive et la surface du trou vaut (d/L) 2. Dans une géométrie rectangulaire, ce rapport vaut d/L. Comme d/L est inférieur à 1, le-rapport d/L est donc toujours supérieur à (d/L) 2, ce qui correspond à un écran beaucoup plus brillant. Un autre mode de réalisation avantageux est celui où une couche résistive est ajoutée entre la couche émissive et la cathode. Dans ce cas, la couche résistive protège la grille et la cathode d'un éventuel court-circuit. Par ailleurs, cette couche résistive est très favorable au fonctionnement de l'écran comme cela est annoncé dans le document EP-A-0 316 214 (correspondant au brevet américain NO 4 940 916). La figure 4 est une vue schématique et en coupe d'une structure de cathode de type triode selon l'invention avec une couche résistive de protection. Cette structure de cathode comprend, en superposition, une cathode 23 supportant une couche résistive 26, une couche isolante 21 et une couche métallique 25 formant grille d'extraction des électrons. Un trou 22 expose la couche résistive 26. Au centre du trou 22, une couche de matériau émissif 24 repose sur la couche résistive 26. Le fait que la zone émissive soit localisée au centre du trou ou de la gorge, sur une faible largeur, permet une émission directive des électrons et apporte une solution aux problèmes de résolution. Ceci provient de la valeur très faible de la composante parallèle du champ électrique (EL/Ex Le diagramme de la figure 5 montre la répartition spatiale du champ électrique pour une structure de cathode selon l'invention. Le diagramme est tracé selon l'axe Y, la couche émissive 24 et la couche résistive 26 étant représentées sur le diagramme. La répartition spatiale du champ électrique E est calculée pour une largeur de trou L égale à 14 ism. Dans la zone centrale, de largeur d = 6 gm, la composante latérale Ey référencée 31 est inférieure à 10 fois la valeur minimale de la composante normale référencée 32. En dehors de la zone émissive, le champ latéral référencé 33 et 34 devient d'intensité comparable au champ normal. Le calcul est fait pour une tension de 60 V sur la grille. Ainsi, les problèmes inhérents aux structures de l'art antérieur sont surmontés. Les problèmes de court-circuit grille-cathode sont supprimés par la localisation centrale et la dimension réduite de la couche émissive par rapport à la dimension de la gorge ou du trou et par la présence éventuelle d'une couche résistive. Le champ électrique induit par la grille est uniforme et ne comporte que des composantes latérales très faibles par rapport à la composante verticale du champ. On peut trouver empiriquement une valeur minimale pour la distance S séparant la couche métallique de grille de la couche émissive (voir la figure 2). Cette distance est supérieure à la taille h des objets constituant la couche émissive. Ceci est représenté schématiquement sur la figure 6 ou la référence 43 désigne une cathode et la référence 44 une couche émissive. La couche émissive 44 est par exemple constituée de nanotubes de carbone 48. Dans ce cas, la distance S est supérieure à la longueur moyenne h des nanotubes de carbone. Compte tenu des dispersions importantes des longueurs des nanotubes, il est préférable de multiplier cette distance par un facteur de l'ordre de 2 ou 3. Pour des nanotubes de 1 à 2 Um de longueur, la distance S peut être de l'ordre de 3 à 4 m. Ces valeurs sont simplement indicatives et non limitatives. On peut vérifier que pour ces dimensions la composante latérale du champ électrique est très faible par rapport à la composante normale. Les figures 7A à 7F illustrent un procédé de réalisation d'une structure de cathode de type triode selon l'invention, ce procédé mettant en oeuvre des techniques de dépôt sous vide et de photolithographie. Le conducteur cathodique est obtenu par dépôt d'un'matériau conducteur 1 par exemple le molybdène, le niobium, le cuivre ou l'ITO, sur un support 50 (voir la figure 7A). Le dépôt de matériau conducteur est gravé en bandes, typiquement de 10 m de largeur et de pas égal à 25 jim. La figure 7A montre deux bandes qui seront associées pour former une électrode de cathode 53. Plusieurs dépôts sont ensuite réalisés comme le montre la figure 7B : une couche résistive 56 de 1,5 Am d'épaisseur en silicium amorphe, puis une couche isolante 51 de 1 Jlm d'épaisseur en silice ou en nitrure de silicium, enfin une couche métallique 55 en niobium ou en molybdène destinée à former la grille d'extraction des électrons. La couche métallique 55 et la couche isolante 51 sont ensuite gravées simultanément d'un trou ou tranchée 52 de 15 gm de largeur jusqu'à exposer la couche résistive 56. C'est ce que montre la figure 7C. La figure 7D montre la structure obtenue après le dépôt d'une couche sacrificielle 57 en résine et la formation dans la couche 57 d'une ouverture 58, de 6 yam de largeur et de 10 à 15 gm de longueur, exposant la couche résistive 56. L'ouverture 58 a une largeur correspondant à la largeur de la couche émissive à réaliser. Un dépôt catalytique de fer, de cobalt ou de nickel est ensuite réalisé sur la structure. Comme le montre la figure 7E, ce dépôt catalytique provoque la formation d'une couche discontinue de croissance 59 sur la couche sacrificielle 57 et sur la partie exposée de la couche résistive 56. La couche sacrificielle est ensuite éliminée par une technique de "lift-off", ce qui provoque l'élimination des parties de la couche de croissance situées sur cette couche sacrificielle. Il subsiste une partie de couche de croissance dans la partie centrale de la couche résistive 56. Ceci permet la croissance de la couche émissive 54 comme le montre la figure 7F. REVENDICATIONS 1. Structure de cathode de type triode comprenant, en superposition, une électrode formant cathode (13,23, 53) et supportant une couche de matériau émetteur d'électrons (14,24, 54), une couche d'isolant électrique (11,21, 51) et une électrode de grille (15,25, 55), une ouverture (12,22, 52) pratiquée dans l'électrode de grille et dans la couche d'isolant électrique exposant la couche de matériau émetteur d'électrons, caractérisée en ce que la couche de matériau émetteur d'électrons (14,24, 54) est située dans la partie centrale de l'ouverture de l'électrode de grille. 2. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture pratiquée dans l'électrode de grille (15,25, 55) et dans la couche d'isolant électrique (11,21, 51) étant rectangulaire, la couche de matériau émetteur d'électrons (14,24, 54) est également rectangulaire. 3. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une couche résistive (26,56) est interposée entre l'élément formant cathode (23,53) et la couche de matériau émetteur d'électrons (24,54). 4. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de grille d'une distance supérieure à la taille des objets (48) constituant le matériau émetteur d'électrons (44). 5. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau émetteur d'électrons est constitué de nanotubes de carbone. 6. Structure de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche de matériau émetteur d'électrons est séparée de l'électrode de grille d'une distance telle que la composante parallèle du champ électrique soit au moins dix fois plus faible que la composante perpendiculaire de ce champ. 7. Ecran plat à émission de champ, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de structures de cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.