[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Feldemission an einem Element
bestehend aus einer elektrisch isolierenden Platte, einer ersten Elektrode, einer
Isolierschicht und einer zweiten Elektrode. Sie betrifft ferner spezielle Verwendungsmöglichkeiten
einer solchen Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung.
[0002] Verfahren zur Erzeugung von Feldemission aus Metallen im Vakuum sind seit langem
bekannt. Sie arbeiten meistens mit einer oder mehreren feinen Wolframspitzen und nützen
das erhöhte elektrische Feld aus, das beim Anlegen einer Spannung zwischen den Spitzen
und einer Gegenelektrode an den Spitzen entsteht. Zur Erzielung praktisch verwertbarer
Emissionsströme sind an den Spitzen Feldstärken von mehr als 10
7V/cm erforderlich. Neuerdings werden solche Feldemitter auch auf photolithographischem
Weg in Verbindung mit speziellen Aufdampfprozessen hergestellt (C.A. Spindt et al.,
J.Appl. Phys. 47,12 (1970)
S. 5248). Anordnungen dieser Art werden meistens für die Verwendung als Kaltkathoden
konzipiert, wo Dauerströme geliefert werden müssen. Sie sind jedoch auch für kurzzeitige
Emissionen, z.B. zum Triggern von Gasentladungen geeignet. Anordnungen zur Ansteuerung
diskreter Einzelemitter in einer Matrix sind bisher aber nicht bekanntgeworden. Ein
anderes Verfahren zur Erzeugung von Feldemission verwendet Dünnfilm-MIM-Strukturen
(Metall-Isolator-Metall). Unter Verwendung dieser Strukturen ist versucht worden,
über eine Matrix ansteuerbare Emitter herzustellen (R.W. Lomax, J.G. Simmons, Radio
and Electron., Mai 1968, S. 265). Dies ist jedoch aufgrund deren Kennlinie nur durch
Vorschalten von Dioden möglich. Zudem ist die reproduzierbare Herstellbarkeit schwierig.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Anordnung
zu schaffen, die als Feldemitter verwendbar ist und mit der Gasentladungen, insbesondere
in Plasma-Panels verzögerungsfrei gezündet werden können.
[0004] Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise
mit einer Anordnung der eingangs genannten Art lösen läßt, bei der den Kanten der
zweiten Elektrode kleine metallische Inseln vorgelagert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Patentansprüchen bis 5 beschrieben. Die
Patentansprüche
b bis 14 betreffen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung. Patentansprüche
15 bis 17 haben drei Verwendungsmöglichkeiten zum Gegenstand.
[0005] Die erfindungsgemäße Anordnung kann wie folgt hergestellt werden:
1. Die Inseln an den Kanten der zweiten Elektrode ergeben sich zwangsläufig beim Aufdampfen
der Elektrode durch eine Maske hindurch, die nicht völlig auf der Isolierschicht aufliegt.
Der Abstand zwischen der Maske und der Isolierschicht sollte vorteilhafterweise 10
bis 50 µm betragen. Dies kann erzielt werden, wenn die Maske ohne anzudrücken locker
auf die Isolierschicht aufgelegt wird. Durch diesen Spalt werden die Ränder der Aufdampfschicht
nicht scharfkantig, weil die Aufdampfquelle, z.B. Schiffchen oder Wendel, nicht punktförmig
ist. Die Schichtdicke fällt dort vielmehr stetig innerhalb einiger /um auf Null ab. Dünne Aufdampfschichten von z.B. kleiner als ca. 5 nm sind jedoch
nicht mehr zusammenhängend, sondern besitzen Inselstruktur. Dies tritt auch an der
stetig auslaufenden Aufdampfkante auf.
2. Die Inseln können auf einfache Weise auch photolithographisch hergestellt werden.
Dabei wird von einer an der Oberfläche leicht aufgerauhten Isolierschicht ausgegangen.
Die rauhe Oberfläche der Isolierschicht kann z.B. erhalten werden, wenn die Isolierschicht
aus Polytetrafluoräthylen besteht. Hierfür wird das Substrat mit der ersten Elektrode
in eine wäßrige Polytetrafluoräthylen-Dispersion eingetaucht und anschließend bei
400 °C gesintert. Die Schichtdicke beträgt ca. 2 bis 5 /um.
Bei Materialien, die glatte Beschichtungen ergeben, kann eine Mikrorauhigkeit der
Oberfläche z.B. durch Ätzung erhalten werden. Bei einer Si02-Schicht kann die Ätzung mit Flußsäure durchgeführt werden. Die Oberflächenrauhtiefe
sollte ca. 0,1 bis 0,5 /um betragen.
Auf diese rauhe Oberfläche wird dann die zweite Elektrode in an sich bekannter Weise
in einer Schichtdicke von ca. 0,1 bis 0,5 µm photolithographisch aufgebracht. Die
aufgedampfte Metallschicht wird anschließend mit Photolack beschichtet, wobei die
Photolackschicht etwas dicker als die Rauhigkeitstiefe der Isolierschicht ist, durch
eine Photomaske hindurch belichtet und entwickelt. An den belichteten Stellen wird
er unter Freilegung der Metallschicht entfernt. Anschließend wird die Metallschicht
so lange geätzt, bis der verbliebene, nicht belichtete Photolack an den Rändern unterätzt
wird, und zwar mit einer Eindringtiefe von mehr als 0,1 µm, vorzugsweise 0,5 bis 1
µm. Durch die Mikrorauhigkeit der Oberfläche der Isolierschicht erfolgt die Unterätzung
nicht gleichmäßig, so daß kleine metallische, floatende Inseln entstehen.
[0006] Die Erfindung wird anhand von beiliegenden, lediglich einen Ausführungsweg darstellenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung
Figur 1 im Querschnitt den Aufbau eines Einzelelementes;
Figur 2 in Draufsicht ein Einzelelement;
Figur 3 eine Anordnung zur Messung der Feldemission bei einem erfindungsgemäßen Element;'
Figur 4a bis g) Feldemission an einem Element mit an den Kanten der zweiten Elektrode
vorgelagerten Inseln;
Figur 5 Aufbau eines dynamischen Speichers in auseinandergezogener Darstellung und
Figur b eine mögliche Matrixausbildung aus vielen Einzelelementei Figur 1 zeigt ein Einzelelement
der Anordnung, bestehend aus einer isolierenden Trägerplatte 1, einer ersten Elektrode
2, einer Isolierschicht 3 und einer zweiten Elektrode 4. Legt man nun zwischen die
Elektroden 2 und 4 eine Spannung an, wobei die Elektrode 4 negativ gepolt ist, so
tritt an den Kanten der Elektrode 4 bei genügend hoher Spannung Feldemission auf,
die auf die hohe Feldstärke an diesen Kanten zurückzuführen ist. Dieser Effekt ist
bekannt. Weiter ist bekannt, daß aus Oberflächen von Metallen, die Oxid- oder Anlaufschichten
bilden, wie z.B. Aluminium oder Magnesium, Feldemission bereits bei Feldstärken von
ca. 105 V/cm auftritt. Es hat sich nun aber überraschenderweise gezeigt, daß die Feldemission
besonders hoch ist, wenn den Kanten der Elektrode 4 kleine metallische Inseln 5 vorgelagert
sind. Ohne diese Inseln muß die zwischen den Elektroden 2 und 4. anzulegende Spannung
zwei- bis dreimal so groß sein wie bei vorhandenen Inseln, um eine meßbare Feldemission
zu erreichen.
[0007] Die Elektrode 4 besteht erfindungsgemäß vorzugsweise aus einer
ca. 0,5
/um dicken Aluminiumschicht. Sie wird nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt,
um an den Kanten die Inselbildung zu erzielen. Bei photolithographischer Herstellung
kann sie auf einfache Weise so strukturiert werden, daß die Gesamtlänge ihrer Kanten,
die der Elektrode 2 gegenüberstehen, möglichst groß wird. Im Beispiel nach Figur 2
geschieht dies durch einen Fensterausschnitt 6. Das Einzelelement kann sehr klein
sein, z.B. ca. 10
/um x 10
/um.
[0008] Gemäß der in Figur 3 dargestellten Anordnung wird mit Hilfe eines Sekundärelektronen-Vervielfachers
(Channeltron) die Feldemission gemessen. Hierfür wird im Abstand von ca. 50
/um zur Elektrode 4 mit Hilfe eines Abstandhalters eine weitere Elektrode 7 angebracht,
die als Netz ausgebildet ist. Schließlich befindet sich ca. 5 mm über dem Netz 7 der
Trichter 8 eines Channeltrons. Die Verstärkung des Channeltrons beträgt ca. 10
8. Die Anordnung wird in ein evakuierbares Gehäuse eingebaut und auf ca. 10 mbar evakuiert.
[0009] Im Anschluß 9 des Channeltrons wird eine Spannung von +2,5 kV bis +4,5 kV und an
das Netz 7 wird eine Spannung von +100 V bis +200 V angelegt. Die Elektrode 4 liegt
an Erdpotential. Wird an die Elektrode 2 ein Spannungsimpuls von ca. 100 V angelegt,
so tritt an den Kanten der Elektrode 4 Feldemission auf. Ein Teil der emittierten
Elektronen wird durch das Saugnetz 7 zum Channeltron hin beschleunigt und dort verstärkt.
Nach einer Verzögerungszeit von ca. 25 ns (Laufzeit im Channeltron) ist am Anschluß
10 das verstärkte Signal meßbar. Die Feldemission erfolgt nur in einem Zeitraum von
ca. 100 ns und bricht dann wieder ab, auch wenn die Spannung an der Elektrode 2 weiterhin
anliegt. Soll erneut Feldemission erfolgen, so muß die Polarität der Spannung an der
Elektrode 2 umgekehrt werden, wodurch wieder eine Emission von ca. 100 ns Dauer erfolgt
usw. Dieser Effekt ist mit dem Ladungszustand an den Kanten der Elektrode 4 vorgelagerten
Inseln erklärbar. Die Inseln werden während der Emission gegenüber den Kanten je nach
Vorzeichen des Potentials an der Elektrode 2 entweder positiv oder negativ aufgeladen.
Diese Ladungszustände bleiben auch nach Abschalten der Spannung zwischen den Elektroden
2 und 4 erhalten. Die Feldemission an einem solchen Element wird in den Figuren 4a)
bis 4g) gezeigt, in denen jeweils eine Einzelzelle im Schnitt dargestellt ist.
[0010] Die Inseln 5 bilden mit der Elektrode 2 die Kapazität C
1 und mit der geerdeten zweiten Elektrode 4 die Kapazität C
2 (Fig.4a). Der Einfachheit halber ist angenommen worden, daß C
1 = C
2 ist. Legt man an die Elektrode 2 die Spannung -U an (z.B. -150 V), so liegt die Insel
5 auf -U/2 (Fig. 4b). Wegen des kleinen Abstands zur Kante der zweiten Elektrode 4
entsteht aber zu dieser hin eine hohe Feldstärke. Dadurch kommt es zur Elektronenemission
von den Inseln 5 zur Kante hin, wobei das Potential der Inseln 5 um den Betrag ΔU
positiver wird (Fig. 4 c).
[0011] Die Emission hört auf, wenn
- entweder die Potentialdifferenz -U/2 + ΔU so klein wird, daß keine weitere Feldemission
stattfindet
- oder bei Verwendung von Aluminium als Elektrodenmaterial die auf der Oxidhaut vorhandenen,
besetzten Oberflächenzustände (die eine genügend kleine Austrittsarbeit besitzen)
geleert worden sind.
[0012] Nach Abschalten der Spannung -U bleiben positiv geladene Inseln 5 zurück (Fig. 4d).
Bei erneutem Anlegen der Spannung -U erfolgt keine Emission mehr.
[0013] Nun wird an die erste Elektrode 2 die Spannung +U angelegt (Fig. 4e). Dadurch werden
die Inseln 5 auf das Potential +
U/2 + ΔU angehoben, so daß jetzt die Feldemission von der Elektrodenkante zu den Inseln
5 hin stattfinden kann. Dadurch wird das Potential der Inseln 5 kleiner (Fig. 4f),
und die Emission bricht bei einer Potentialdifferenz +U/2 -ΔU' wieder ab. Nach Abschalten
von
+U bleiben jetzt die Inseln 5 negativ geladen (Fig. 4g).
[0014] Wird nun an die erste Elektrode 2 erneut die Spannung -U angelegt, so kann der dargestellte
Zyklus von neuem beginnen.
[0015] Die Schwellspannung für Feldemission im Beispiel gemäß Fig. 4 liegt bei ca. 85 V.
Wegen dieser Schwelle ist eine Matrixansteuerung vieler Einzelelemente nach Figur
6a) und b) möglich. Die Elektroden 2 bilden die Zeilen, die Elektroden 4 die Spalten
der Matrix. Sie sind durch die Isolierschicht 3 voneinander getrennt. Im Ruhezustand
liegen z.B. alle Elektroden an Erdpotential. Legt man nun an eine der Elektroden 2
z.B. -50 V und an eine der Elektroden 4 z.B.
+50 V an, so liegt am Kreuzungspunkt der beiden Elektroden die Potentialdifferenz von
100 V, die bei entsprechendem Ladungszustand der Inseln an dieser Stelle zur Feldemission
führt. An den anderen Stellen der Matrix wird nirgendwo die Potentialdifferenz von
50 V überschritten, so daß dort keine Feldemission auftreten kann. Der Nachweis der
Emission erfolgt in der in Fig. 3 beschriebenen Anordnung.
[0016] Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Verwendung zum Triggern von Gasentladungen,
z.8. in Plasma-Panels oder zum verzugsfreien Einleiten von Gasentladungen im Elektretspeicher,
der in der DE-OS 26 27 249 beschrieben ist.
[0017] Der Aufbau eines Elektretspeichers wird in Figur 5 gezeigt. Der Speicher wird zwischen
zwei Glasplättchen 1 und 1' aufgebaut. Auf jedes dieser Plättchen werden parallele
Leiterbahnen 2, 2' und darauf eine Isolierschicht 3, 3' aufgebracht. Darauf wird dann
ein netz derart hergestellt, daß es die zweite Elektrode 4, 4' mit vorgelagerten Inseln
bildet und daß die Maschen des Netzes den Leiterbahnen 2, 2' gegenüberliegen. Zum
Schluß werden die Isolierschichten 3, 3' mit Hilfe des Flüssig-Kontakt-Verfahrens
aufgeladen (formiert) und die Gläschen mit Hilfe eines Abstandhalters derart montiert,
daß die auf ihnen aufgebrachten Leiterbahnen 2, 2' senkrecht zueinander verlaufen.
Der Zwischenraum wird mit Neon + 0,1 Argon gefüllt und bildet die Gasentladungsstrecke.
An jedem Kreuzungspunkt der Leiterbahnen 2, 2', d.h. in den Maschen der beiden Netze
4, 4' liegt jeweils ein Speicherelement. Das Netz 4, 4' liegt auf Masse, die Leiterbahnen
2, 2' werden zur Zündung des am Kreuzungspunkt liegenden Elementes erdsymmetrisch
angesteuert. Nur am Kreuzungspunkt der beiden ersten Elektroden 2, 2' liegt die volle
Zündspannung U
Z. Gleichzeitig liegt zwischen den angesteuerten ersten Elektroden 2, 2' und den zugehörigen
Netzmaschen 4, 4' die Spannung U
L/2, so daß an den mit Inseln versehenen Netzkanten eine Feldemission auftritt. Die
dabei emittierten Elektronen fuhren zur verzögerungsfreien Zündung der Gasentladung
am Kreuzungspunkt der ersten Elektroden 2, 2'.
1. Anordnung zur Erzeugung von Feldemission an einem Element, bestehend aus einer
elektrisch isolierenden Platte, einer ersten Elektrode, einer Isolierschicht und einer
zweiten Elektrode, dadurch gekennseichnet, daß den Kanten der zweiten Elektrode (4)
kleine metallische Inseln (5) vorgelagert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln (5) aus dem Elektrodenmaterial
bestehen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2,4)
mehrerer Elemente die Zeilen und Spalten einer Matrix bilden und durch die Isolierschicht
(3) voneinander getrennt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten
der zweiten Elektrode (4) durch beliebige Strukturierung verlängert sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4)
mit einem Fensterausschnitt (6) versehen ist und die Inseln (5) entlang der Kanten
des Fensterausschnitts vorgelagert sind.
6. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß auf einer elektrisch isolierenden Platte in an sich bekannter
Weise die erste Elektrode und darauf die Isolierschicht aufgebracht werden und daß
anschließend eine der Form der zweiten Elektrode entsprechende Maske so auf die Isolierschicht
gelegt wird, daß ein geringer Spalt zwischen der Maske und der Isolierschicht vorhanden
ist und die zweite Elektrode durch Aufdampfen aus einer nicht punktförmigen Quelle
erhalten wird, wobei unmittelbar unterhalb der Kanten der Maske durch die abnehmende
Dicke der Elektrodenschicht metallische Inseln entstehen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen der Maske
und der Isolierschicht ca. 10 bis 50 µm beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen
der Maske und der Isolierschicht erhalten wird, indem die Maske ohne anzudrücken locker
auf die Isolierschicht aufgelegt wird.
9. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß auf einer elektrisch isolierenden Platte in an sich bekannter
Weise die erste Elektrode und darauf die Isolierschicht aufgebracht werden, wobei
die Oberfläche der Isolierschicht leicht aufgerauht ist und daß auf die Isolierschicht
die zweite Elektrode in an sich bekannter Weise photolithographisch aufgebracht wird
und daß die nach der Entfernung des belichteten Photolacks freigelegte Elektrodenschicht
so lange geätzt wird, daß der am Rand verbliebene, nicht entfernte Photolack unterätzt
wird, wobei durch die Rauhigkeit der Oberfläche der Isolierschicht an den Kanten der
Elektracicnsrhicht metallische Inseln entstehen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflàchenrauhtiefe
der Isolierschicht 0,1 bis 0,5 /um betragt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiete
der Unterätzung unter der Photolackschicht mehr als 0,1 /um, vorzugsweise 0,5 bis 1 /um beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke
der Metallschicht, welche die zweite Elektrode bildet, 0,1 bis 0,5 um und die Dicke
der photolackschicht 1 /um beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe
Oberfläche der Isolierschicht durch geeignete Materialauswahl, z.B. Polytetrafluoräthylen,
erzielt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe
Oberfläche der Isolierschicht durch Ätzung erhalten wird.
15. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Digitalspeicher
mit löschendem Lesen.
16. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum verzugsfreien Auslösen
von Gasentladungen in Plasma-Panels.
17. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum verzugsfreien Auslösen
von Gasentladungen im Elektretspeicher.