UNA FUENTE DE ELECTRONES DE EMISION DE CAMPO QUE COMPRENDE UN SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR1,

UNA CAPA DE POLISILICIO POROSA OXIDADA O NITRURADA 6, FORMADA SOBRE LA SUPERFICIE DEL MENCIONADO SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR EN UN LADO DE LA MISMA, Y TENIENDO NANOESTRUCTURAS Y UNA PELICULA METALICA DELGADA 7 FORMADA SOBRE LA MENCIONADA CAPA DE POLISILICIO POROSA OXIDADA O NITRURADA. AL APLICAR UN VOLTAJE A LA MENCIONADA PELICULA METALICA DELGADA, UTILIZADA COMO ELECTRODO POSITIVO CON RESPECTO AL MENCIONADO SUBSTRATO ELECTRICAMENTE CONDUCTOR, SE EMITE UN HAZ DE ELECTRONES A TRAVES DE LA MENCIONADA PELICULA METALICA DELGADA

Fuente de electrones de emisión de campo, procedimiento para la producción de la misma, y uso de la misma.

Antecedentes de la invención

La presente invención versa acerca de una fuente de electrones de emisión de campo para emitir electrones desde una superficie de un material al aplicar un campo eléctrico de mayor intensidad que la función de trabajo del material a la superficie del material y, más en particular, acerca de la fuente de electrones de emisión de campo que comprende electrodos y un semiconductor intercalado entre los dos electrodos para emitir los electrones al aplicar una tensión entre los electrodos. La presente invención también versa acerca de un procedimiento para producir la misma, y acerca del uso de la misma.

Con bien conocidas, como fuentes de electrones de emisión de campo, aquellas que utilizan el electrodo denominado de tipo Spindt tal como se da a conocer, por ejemplo, en la patente U.S. nº 3665241. El electrodo de tipo Spindt comprende un sustrato que tiene una multitud de chips emisores minúsculos de forma piramidal triangular dispuestos en el mismo y capas de puerta que tienen agujeros de emisión a través de los cuales están expuestas las puntas de los chips emisores. En esta estructura, se aplica una tensión elevada en una atmósfera de vacío a los chips emisores como electrodo negativo con respecto a la capa de puerta, se pueden emitir haces de electrones desde las puntas de los chips emisores a través de los agujeros de emisión.

Sin embargo, el procedimiento de producción del electrodo de tipo Spindt es complicado y es difícil de fabricar una multitud de chips emisores de forma piramidal triangular con una precisión elevada y, por lo tanto, difícil de fabricar un dispositivo de gran área de emisión cuando se aplica esta tecnología, por ejemplo, a un aparato emisor de luz o a un aparato de panel de visualización planos. Además, con el electrodo de tipo Spindt, dado que el campo eléctrico está concentrado en la punta del chip emisor, los electrodos emitidos ionizan diversos gases residuales convirtiéndolos en iones positivos cuando el grado de vacío es reducido y el gas residual sale en el entorno de las puntas de los chips emisores. Por lo tanto, los iones positivos chocan contra las puntas de los chips emisores y terminan dañando las puntas de los chips emisores, lo que tiene como resultado tales problemas como que la densidad de corriente y la eficacia de los electrones emitidos se vuelven inestables y se reduce la vida útil de los chips emisores. Por lo tanto, el electrodo de tipo Spindt tiene tal inconveniente que la atmósfera en la que se utiliza debe estar sometida un grado elevado de vacío (10^-5 Pa a 10^-6 Pa) para evitar los problemas descritos anteriormente, lo que tiene como resultado un mayor coste y una manipulación dificultosa.

Para superar el inconveniente descrito anteriormente, se han propuesto las fuentes de electrones de emisión de campo de tipo MIM (Metal-aislante-metal) y de tipo MOS (metal óxido-semiconductor). Aquella es una fuente de electrones de emisión de campo de una configuración plana que tiene una estructura laminada de metal-película aislante-metal y ésta es una estructura de película de metal óxido-semiconductor. Sin embargo, es necesario reducir el grosor de la película aislante o de la película de óxido para mejorar la eficacia de emisión de electrones para aumentar de ese modo el número de electrones emitido con estos tipos de fuentes de electrones de emisión de campo, mientras que hacer la película aislante o la película de óxido demasiado delgada puede dar lugar a una ruptura dieléctrica cuando se aplica una tensión entre los electrodos superior e inferior de la estructura laminada descrita anteriormente. Por lo tanto, existe tal problema que, para evitar la ruptura dieléctrica de la película aislante, no se puede hacer demasiado elevada la eficacia de emisión de electrones (eficacia de extracción) porque existe una limitación sobre la reducción del grosor de la película aislante o de la película de óxido.

Recientemente, se ha propuesto una fuente distinta de electrones de emisión de campo en la publicación Kokai de patente japonesa nº 8-250766. Según esta publicación, la fuente de electrones de emisión de campo está fabricada utilizando un sustrato semiconductor de un único cristal tal como un sustrato de silicio, que forma una capa semiconductora porosa (una capa porosa de silicio, por ejemplo) por medio de la anodización de una superficie del sustrato semiconductor, y al formar una película metálica delgada en la capa semiconductora porosa. Se adapta una tensión para ser aplicada entre el sustrato semiconductor y la película metálica delgada para hacer que la fuente de electrones de emisión de campo emita electrones.

También se da a conocer un aparato de panel de visualización que tiene la fuente de electrones de emisión de campo descrita anteriormente en el documento EP-A 0 798 761.

En este caso, cuando la capa de silicio está compuesta de un único cristal, es deseable que (100) la dirección sea a un ángulo recto con respecto a una superficie para mejorar la eficacia de la emisión de electrones, porque se supone que (100) la capa porosa de silicio tiene agujeros de un diámetro del orden de un nanómetro y cristal de silicio, que están dispuestos con un ángulo recto con respecto a la superficie.

Sin embargo, en la estructura dada a conocer en la publicación Kokai de patente japonesa nº 8-250766, dado que el sustrato utilizado en la misma utiliza un sustrato semiconductor, es difícil producir el dispositivo con un área grande y reducir el coste del mismo.

En cualquier caso, tanto la estructura dada a conocer en la publicación Kokai de patente japonesa nº 8-250766 como la estructura dada a conocer en el documento EP-A 0 798 761 implican el fenómeno denominado desprendimiento durante la emisión de electrones que da lugar a la desigualdad en la cantidad de electrones emitidos, y, por lo tanto, provoca una desigualdad en la emisión de luz cuando se aplican las fuentes de electrones de emisión de campo a un aparato emisor de luz o a un aparato de panel de visualización planos.

Resumen de la invención

Bajo estas circunstancias, se ha llevado a cabo la presente invención. Es decir, un primer objetivo de la presente invención es proporcionar una fuente de electrones de emisión de campo capaz de conseguir una emisión estable de electrones con una eficacia elevada al eliminar el fenómeno de desprendimiento.

Un segundo objetivo de la presente invención es permitir el uso de la fuente de electrones de emisión de campo, por ejemplo, en un aparato de emisión de luz, en un aparato de panel de visualización y en un dispositivo sólido al vacío planos, siendo todos de un tipo capaz de emitir luz de forma uniforme. Para conseguir los anteriores objetivos, los inventores estudiaron con vivo interés la fuente de electrones de emisión de campo y descubrieron que las características de aislamiento térmico son elevadas porque la capa de silicio está compuesto de un único cristal y se hace poroso todo el sustrato semiconductor, en las estructuras dadas a conocer en la publicación Kokai de patente japonesa 8-250766 y en el documento EP-A 0 798 761. Los inventores también descubrieron que la temperatura del sustrato semiconductor se eleva cuando se aplica tensión entre el sustrato semiconductor y la película metálica delgada. Además, los inventores descubrieron que los electrones se excitan térmicamente y se reduce la resistencia eléctrica específica del sustrato semiconductor cuando se aumenta la temperatura del sustrato semiconductor, junto con un aumento de la cantidad emitida de electrones. Por lo tanto, estas estructuras son susceptibles al fenómeno de desprendimiento durante la emisión de electrones, lo que da lugar a una desigualdad en la cantidad de electrones emitidos.

En base a los anteriores descubrimientos, según un aspecto de la presente invención se proporciona una fuente de electrones de emisión de campo según la reivindicación 1.

En la presente invención, el sustrato conductor eléctricamente forma un electrodo negativo de la fuente de electrones de emisión de campo y tiene una resistencia suficiente como para soportar la capa porosa de polisilicio al vacío. Cuando se aplica tensión al sustrato conductor eléctricamente, se inyectan los electrones en la capa porosa de polisilicio. El sustrato conductor eléctricamente puede ser un sustrato metálico,...

1. Una fuente de electrones de emisión de campo que comprende:

un sustrato conductor eléctricamente (1, 2);

una capa porosa (6) de polisilicio formada sobre la superficie de dicho sustrato conductor eléctricamente (1, 2) en un lado del mismo y que tiene nanoestructuras; y

una película metálica delgada (7) formada sobre dicha capa porosa (6) de polisilicio,

en la que se aplica una tensión a dicha película metálica delgada (7) utilizada como un electrodo positivo con respecto a dicho sustrato conductor eléctricamente (1, 2) para emitir de ese modo un haz de electrones a través de dicha película metálica delgada (7),

en la que dicha capa porosa de polisilicio es una capa porosa oxidada o nitrurada (6) de polisilicio,

caracterizada porque

dicha capa porosa (6) de polisilicio está fabricada al laminar de forma alterna una capa (4b, 6b) de polisilicio que tiene una porosidad elevada y una capa (4a, 6a) de polisilicio que tiene una porosidad reducida,

en la que dicha capa porosa (6) de polisilicio es una capa cuya porosidad cambia en la dirección del grosor, de forma que la porosidad es mayor en el lado del sustrato conductor eléctricamente (1, 2) que en el lado de la superficie frontal, es decir, en el lado de la película metálica (7).

2. La fuente (10) de electrones de emisión de campo según la reivindicación 1,

en la que dicha capa (6) de polisilicio es una capa de polisilicio puro.

3. La fuente de electrones de emisión de campo según una de las reivindicaciones 1 o 2, en la que dicho sustrato conductor eléctricamente (1, 2) comprende un sustrato transparente, y una película delgada conductora eléctricamente formada sobre una superficie del sustrato transparente.

4. La fuente de electrones de emisión de campo según la reivindicación 3, en la que dicho sustrato transparente es un sustrato de vidrio.

5. Un aparato plano emisor de luz que comprende una fuente (10) de electrones de emisión de campo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque hay dispuesto un electrodo transparente (31) colocado delante de dicha película metálica delgada (7), en el que dicho electrodo transparente (31) está revestido con una sustancia fluorescente (32) que emite luz visible cuando es irradiada con un haz de electrones emitido por la fuente de electrones de emisión de campo.

6. Un aparato de panel de visualización que comprende una fuente (10) de electrones de emisión de campo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque hay formada una pluralidad de dichas fuentes (10) de electrones de emisión de campo en una configuración de matriz para construir un aparato de panel de visualización que comprende un controlador (41, 42) para controlar las tensiones aplicadas a dichas fuentes (10) de electrones de emisión de campo; y un electrodo transparente colocado delante de dicha película metálica delgada (7),

en el que dicho electrodo transparente está revestido con una sustancia fluorescente que emite luz visible cuando es irradiada con un haz de electrones emitido por la fuente de electrones de emisión de campo.

7. Un dispositivo sólido al vacío que comprende una fuente (10) de electrones de emisión de campo según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que tanto dicha fuente (10) de electrones de emisión de campo, que hace de cátodo, como un electrodo positivo (51), colocado delante de dicha película metálica delgada (7) y que hace de ánodo, están dispuestos en una cámara de vacío para construir un dispositivo sólido al vacío.

8. Un procedimiento para producir la fuente (10) de electrones de emisión de campo de la reivindicación 1, que comprende las etapas de:

formar una capa (3) de polisilicio sobre un sustrato conductor eléctricamente (1, 2); haciendo porosa dicha capa (3) de polisilicio;

oxidar o nitrurar dicha capa porosa (4) de polisilicio, y

formar un electrodo fabricado de una película metálica delgada (7) sobre dicha capa porosa oxidada o nitrurada (6) de polisilicio,

caracterizado porque

dicha etapa de hacer porosa dicha capa (3) de polisilicio consiste en laminar de forma alterna una capa (4b) de polisilicio que tiene una porosidad elevada y una capa (4a) de polisilicio que tiene una porosidad reducida,

en el que dicha etapa de hacer porosa dicha capa (3) de polisilicio consiste en proporcionar una mayor porosidad en el lado del sustrato conductor eléctricamente (1, 2) que en el lado de la superficie frontal, es decir, en el lado de la película metálica (7).