Brevet FR2873852A1 — publié le 20060203

STRUCTURE DE CATHODE A HAUTE RESOLUTION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine des cathodes émissives et leur application à la réalisation d'écrans. Elle s'applique notamment à la réalisation d'écrans à base de nanotubes de carbone. La résolution d'un écran est un élément important de la qualité de l'affichage de cet écran et conditionne en partie le type d'applications accessibles au dispositif. Par ailleurs, à résolution donnée, la simplicité de réalisation est un élément important 15 conditionnant le coût de fabrication. Les écrans FED à base de nanotubes de carbone utilisent des structures de cathode ayant des géométries assez lâches, ce qui contribuent à leur faible coût de réalisation. Les écrans FED sont constitués de lignes et de colonnes, l'intersection d'une ligne et d'une colonne définissant un pixel. Les données à afficher sont amenées simultanément sur les colonnes. Pour adresser tout l'écran, les lignes sont séquentiellement balayées. La structure d'une cathode de type triode 1, telle que décrite dans le document FR2836279, est représentée sur les figures 1A et 1B. Elle se compose: - d'un premier niveau 4 de métallisation constituant les cathodes disposées dans le sens des colonnes de l'écran. Ce premier niveau (niveau inférieur) supporte une couche optionnelle résistive 2, par exemple en silicium qui sert à améliorer l'uniformité de l'émission, - d'un isolant 6 (par exemple de la silice) entre la couche résistive et un deuxième niveau de métallisation 10. Ce niveau de métallisation 10 (niveau supérieur) correspond aux grilles de commande de l'écran, qui permettent l'extraction des électrons. Ces grilles sont elles aussi disposées dans le sens des colonnes de l'écran. Des conducteurs de grille 12, situés au même niveau que les grilles 10, relient celles-ci entre elles et à un conducteur de grille principal 11 disposé dans le sens des lignes de l'écran. De même, des conducteurs de cathode 13 situés au même niveau que les cathodes 4, relient les cathodes entre elles (figure 1B). Des moyens émetteurs, par exemple des nanotubes de carbone 14, sont localisés sur la couche résistive dans une gorge 16. Cette gorge 16 est une ouverture réalisée dans les grilles et la couche isolante 6. Typiquement, une gorge 16 a une largeur d'environ 15}gym, et les grilles sont disposées avec un pas de l'ordre de 25 im, comme indiqué sur la figure 1A. Les gorges 16 sont disposées dans le sens des colonnes de l'écran, comme illustré sur la figure 1B, comme les grilles 10 et les cathodes 4. La divergence du faisceau électronique émis permet de définir le débordement 8 par rapport à la zone de phosphore situé sur l'anode (figure 2). Le pas couleur P qui permet de définir la résolution de l'écran est typiquement au minimum de deux fois le débordement dans le sens des lignes. C'est notamment le cas lorsque les luminophores couleur sont disposés en bande parallèle aux colonnes. Dans le cas de la structure décrite en figures 1A et 1B, ce débordement est typiquement de l'ordre de 240 pm pour une distance anode-cathode de 1 mm et une tension d'anode de 3kV, ce qui conduit à des pixels couleur de 1,4 mm. Une telle résolution est compatible avec des écrans de grande dimension mais bloque l'accès à des écrans de haute définition (1000 lignes), de 50 cm de diagonale par exemple. Il se pose donc le problème de trouver une nouvelle structure d'écran permettant de gagner en résolution tout en conservant la simplicité intrinsèque de la cathode décrite en figure 1A. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne d'abord une structure de cathode de type triode d'un écran FED agencé ou adressé en lignes et en colonnes, comportant un premier niveau, inférieur, de métallisation formant des cathodes, une couche d'isolant électrique, un deuxième niveau, supérieur, de métallisation, formant des grilles d'extraction, des ouvertures pratiquées dans le deuxième niveau de métallisation et dans la couche d'isolant électrique, des rangées de moyens émetteurs d'électrons disposées dans ces ouvertures, caractérisé en ce que lesdites rangées sont parallèles à la direction des lignes de l'écran. Selon l'invention, on retourne, par rapport aux structures connues, la structure de 90 , c'est-à- dire que les gorges ou les rangées dans lesquelles se trouvent les moyens émetteurs sont positionnés parallèlement à la direction des lignes. On améliore ainsi considérablement le débordement du faisceau. En effet, les lignes, ou les grilles, parallèles contribuent à créer une structure de champ divergente dans la direction perpendiculaire à la direction des grilles. Par contre, parallèlement aux lignes formant les grilles, la composante du champ électrique est pratiquement nulle. L'invention concerne donc aussi une structure de cathode de type triode d'un écran FED agencé ou adressé en lignes et en colonnes, comportant un premier niveau, inférieur, de métallisation formant des cathodes, une couche d'isolant électrique, un deuxième niveau, supérieur, de métallisation, formant des grilles d'extraction, des ouvertures pratiquées dans le deuxième niveau de métallisation et dans la couche d'isolant électrique, et des conducteurs de ligne, caractérisé en ce que lesdites ouvertures sont disposées parallèlement aux grilles d'extraction et aux conducteurs de lignes. Les ouvertures peuvent comporter une ou plusieurs gorges parallèles à la direction des lignes. Les lignes et les colonnes définissent des pixels, les grilles pouvant être sous forme de bandes parallèles à la direction de lignes de l'écran et étant connectées entre elles, dans chaque pixel, par l'intermédiaire d'au moins un conducteur de grille. Les grilles peuvent aussi être reliées par des conducteurs de grille, chaque paire de conducteurs voisins délimitant latéralement un pixel. Les grilles peuvent être reliées par des conducteurs de grille, chacun de ces conducteurs de grille étant situé sur l'axe de symétrie d'un pixel dans le sens des colonnes. Un conducteur de grille peut passer entre deux moyens émetteurs d'électrons voisins d'une même rangée, et ceci pour tout couple de moyens émetteur d'électrons d'une même rangée. Les grilles peuvent aussi être reliées par des conducteurs de grille, plusieurs conducteurs de liaison étant situés dans chaque pixel, dans le sens des colonnes. Les émetteurs d'électrons sont de préférence à base de nanotubes ou de nanofibres de carbone ou de silicium. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - les figures 1A, 1B et 2 représentent une structure de cathode selon l'art antérieur, - les figures 3 à 5 représentent des structures de cathode selon l'invention, - les figures 6A et 6B représentent des structures respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un premier exemple de réalisation d'une structure suivant l'invention est illustré sur la figure 3 qui représente un pixel d'un dispositif émetteur. C'est un pixel monochrome, encore appelé sous-pixel d'un pixel couleur (un pixel couleur comporte 3 pixels monochrome (1 pour le rouge, 1 pour le vert, 1 pour le bleu)). Les éléments de base de cette structure (premier niveau de métallisation, couche résistive, isolant,...,etc.) sont obtenus de la même manière que dans le cas de la structure de la figure 1A. Autrement dit un dispositif selon l'invention comporte également: - un premier niveau 4 de métallisation qui constitue les cathodes de l'écran (niveau inférieur); - une éventuelle couche résistive 2 qui permet d'améliorer l'uniformité de l'émission, repose sur les cathodes 4, cette couche étant par exemple en silicium; - un isolant 6 entre la couche résistive 2 et un deuxième niveau de métallisation 10, ce dernier permettant de réaliser les grilles 10 de commande. L'ensemble forme, avec l'anode (non représentée sur la figure 1A) une structure triode. Mais, à la différence de la figure 1B, les gorges 21 dans lesquelles se trouvent les moyens émetteurs, ici des nanotubes, sont disposées parallèlement à la direction des lignes de l'écran, de même que les grilles 10 et les cathodes 4. Les grilles 10 sont reliées entre elles par des conducteurs de grille 12 (disposées cette fois dans le sens des colonnes) et connectées aux conducteurs principaux de gille 11 qui restent, eux, dans le sens des lignes. Les cathodes sont formées par le niveau inférieur (niveau 4 de la figure 1A) de métallisation et sont reliées entre elles par des conducteurs de cathode 20, disposés dans le sens des colonnes. Sur la figure 3 le pixel représenté comporte 3 gorges parallèles aux conducteurs principaux de grille 11 et elles sont séparées par les grilles 10. Plus généralement un pixel pourra comporter n gorges parallèles séparées l'une de l'autre par des conducteurs disposés en ligne. Une gorge 21 comporte, elle-même, des plots ou îlots 22 d'éléments émetteurs d'électrons, disposés également dans le sens des lignes de l'écran. Ces éléments émetteurs sont connectés électriquement aux cathodes 4, via la couche résistive 2 ou une éventuelle couche métallique réalisée sur toute la surface du substrat. Les grilles sont disposées dans la même direction que les gorges, parallèlement aux conducteurs de grille. La disposition des éléments ou des moyens émetteurs dans des rangées parallèles aux lignes améliore considérablement le débordement du faisceau. En effet, les grilles 10, disposées parallèlement à la direction des lignes de l'écran, contribuent à créer une structure de champ divergente dans la direction perpendiculaire à la direction des grilles (donc perpendiculairement aux lignes). Par contre, parallèlement aux grilles (donc 10 parallèlement aux lignes), la composante du champ électrique est pratiquement nulle. Cette composante serait rigoureusement nulle, par raison de symétrie, si les grilles 10 étaient infiniment longues. Par contre, les moyens émetteurs situés aux extrémités de chacune des gorges voient, du fait des conducteurs de grille 12 qui relient les grilles, une composante du champ divergente. Cette situation peut être améliorée au 20 moyen des structures de pixels décrites en figure 4 et 5. Dans ce cas, les conducteurs de grille latéraux 12 sont supprimés et remplacés par un conducteur de grille central 31 (figure 4) ou plusieurs conducteurs de grille centraux 41 (figure 5). Ainsi on peut supprimer, pour chaque pixel, les conducteurs latéraux de grille 12, perturbations électriques occasionnées conducteurs latéraux. Les phénomènes de divergence occasionnés par les conducteurs 31,41 de grilles centraux sont et donc les par ces moins gênants car ils produisent leur effets au sein d'un seul et même pixel (contrairement aux conducteurs 12 de grille latéraux de la figure 3, qui peuvent occasionner des perturbations sur les pixels voisins). Par ailleurs, les conducteurs cathodiques 20, à 0V et situés en bordure du pixel, focalisent les électrons vers l'intérieur du pixel. Ces configurations des figures 4 et 5 sont donc plus favorables que la configuration de la figure 3 La variante de la figure 5, avec plusieurs conducteurs centraux de grille 41 est tolérante vis-à-vis des problèmes de coupures du conducteur central 31 de la figure 4 par la redondance apportée par les deux conducteurs centraux 41. Dans ces modes de réalisation, un pixel comporte n gorges parallèles séparées l'une de l'autre par des grilles disposées dans le sens des lignes de l'écran, chaque rangée étant en outre séparée en deux (figure 4) ou plus de deux (figure 5) segments ou tronçons par des conducteurs de grille 31, 41 reliant lesdites grilles et disposés dans le sens des colonnes de l'écran. Il est même possible d'avoir un conducteur de grille passant entre deux plots ou îlots d'éléments émetteurs voisins d'une même rangée ou gorge, et ceci éventuellement pour chaque rangée ou gorge. La figure 6A présente une structure d'un sous-pixel suivant l'art antérieur, comportant 4 lignes de grilles et 3 rangée de nanotubes disposées entre ces grilles. La direction des colonnes est représentée par la flèche dans la partie supérieure de la figure. La taille des plots y est de 5 pm par 10 pm, la largeur 1 de la gorge est de 15 pm et la largeur totale du sous pixel est de L = 72 pm. Avec cette structure, un débordement latéral ô dans le sens des lignes de 240 pm a été mesuré pour une distance anode-cathode de 1 mm et une tension d'anode de 3kV. La figure 6B présente une portion d'une structure suivant l'invention: les gorges de nanotubes ont été retournées et sont disposées perpendiculairement au sens des colonnes de l'écran, soit dans le sens des lignes de l'écran. Le sous pixel comporte douze gorges parallèles (pas toutes représentées), disposées au pas de 24 pm (il s'agit du pas P indiqué sur la figure), chaque gorge comportant 3 plots de nanotubes de 5 pm par 10 pm. Dans ces conditions, avec 3kV sur l'anode et une distance anode-cathode de 1 mm, le débordement latéral dans le sens des colonnes n'est plus que de 150 pm. Quel que soit le mode de réalisation obtenu, un dispositif selon l'invention peut être réalisé par des techniques de dépôt sous vide et de photo lithographie. Un conducteur cathodique peut par exemple être obtenu par dépôt d'un matériau conducteur, par exemple du Molybdène, ou du Chrome, ou du Niobium, ou du TiW.... Ce matériau peut être ensuite gravé en bande pour former les cathodes disposées dans le sens des lignes de l'écran, ainsi que les éléments conducteurs qui les relient. Des dépôts peuvent ensuite être réalisés, par exemple un dépôt d'une couche résistive, en silicium par exemple, et un dépôt d'une couche isolante, par exemple de silice, et enfin une couche métallique destinée à former les grilles d'extraction des électrons. La couche métallique et la couche isolante sont ensuite gravées pour former les tranchées ou les gorges, qui seront disposées dans le sens des lignes de l'écran, de même que les grilles d'extraction. Au fond des gorges, on pourra procéder au dépôt par lift-off de plots de catalyseur adapté à la croissance du matériau émetteur d'électrons (Ni, ou Co, ou Fe, ou Mo, ou Pt, ou alliage de ces matériaux pour croissance de nanotubes). Ce catalyseur peut être disposé sur une couche barrière, par exemple en TiN. S'il s'agit de nanotubes de carbone, ceux-ci peuvent être réalisés au moyen d'un procédé de CVD thermique utilisant, par exemple, de l'acétylène à une pression de l'ordre de 150 mTorr. En variante, les nanotubes, ou plus généralement les dispositifs émetteurs d'électrons, peuvent également être rapportés au fond des gorges. REVENDICATIONS 1. Structure de cathode de type triode d'un écran FED agencé en lignes et en colonnes, comportant un premier niveau, inférieur, de métallisation formant des cathodes (4,20), une couche (6) d'isolant électrique, un deuxième niveau, supérieur, de métallisation, formant des grilles d'extraction (10,12), des ouvertures (21) pratiquées dans le deuxième niveau de métallisation et dans la couche d'isolant électrique, des rangées de moyens (22) émetteurs d'électrons disposées dans ces ouvertures, caractérisé en ce que lesdites rangées sont parallèles à la direction des lignes de l'écran. 2. Structure de cathode selon la revendication 1, les ouvertures (21) comportant une ou plusieurs gorges parallèles à la direction des lignes de l'écran. 3. Structure de cathode selon la revendication 2, les moyens émetteurs étant disposés sur des plots (22) disposés dans chaque gorge. 4. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 à 3, une couche résistive (2) étant interposée entre le premier niveau de métallisation (4,20) et les rangés de moyens (22) émetteurs d'électrons. 5. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les lignes et les colonnes définissent des pixels, les grilles (10) étant sous forme de bandes parallèles à la direction des lignes de l'écran et étant connectées entre elles, dans chaque pixel, par l'intermédiaire d'au moins un conducteur de grille (12). 6. Structure de cathode selon la revendication 5, les grilles étant reliées par des conducteurs de grille (11), chaque paire de conducteurs voisins délimitant latéralement un pixel. 7. Structure de cathode selon la revendication 5, les grilles étant reliées par des conducteurs de grille, chacun de ces conducteurs de grille (31) étant situé sur l'axe de symétrie d'un pixel dans le sens des colonnes. 8. Structure de cathode selon la revendication 5, les grilles étant reliées par des conducteurs de grille, plusieurs conducteurs de grilles (41) étant situés dans chaque pixel, dans le sens des colonnes. 9. Structure de cathode selon la revendication 8, un conducteur de grille passant entre deux moyens émetteurs d'électrons voisins d'une même rangée. 10. Structure de cathode selon la revendication 9, un conducteur de grille passant entre deux moyens émetteurs d'électrons voisins d'une même rangée, et ceci pour tout couple de moyens émetteurs voisins dans une même rangée de moyens émetteurs et pour toutes les rangées. 11. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle les émetteurs d'électrons sont à base de nanotubes ou de nanofibres de carbone ou de silicium.