DE4414323C2 - Solid-state dielectric field emission device - Google Patents

Solid-state dielectric field emission device

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DE4414323C2 DE19944414323 DE4414323A DE4414323C2 DE 4414323 C2 DE4414323 C2 DE 4414323C2 DE 19944414323 DE19944414323 DE 19944414323 DE 4414323 A DE4414323 A DE 4414323A DE 4414323 C2 DE4414323 C2 DE 4414323C2
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldemissionsbauelement, das sich dadurch auszeichnet, daß die Ladungsträgergenerierung durch Feldemissionsspitzen und der Ladungsträgertransport durch ein festes Dielektrikum erfolgt und damit eine hohe Schaltgeschwindigkeit und Spannungsisolation bei gleichzeitiger Kompatibilität zur Si-Planar-Technologie erreicht wird.The invention relates to a field emission device, which is characterized in that the Charge carrier generation through field emission peaks and charge carrier transport through a solid dielectric and thus a high switching speed and voltage isolation while being compatible with Si-Planar technology.

Aus der Fachliteratur ist bekannt, daß zur spannungsabhängigen Stromsteuerung entweder Vakuumdioden, -trioden usw. oder Halbleiterdioden bzw. -transistoren verwendet werden. Der Nachteil der Vakuumbauelemente besteht insbesondere darin, daß zur Funktionsfähigkeit die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums und damit ein relativ großes Bauelemente- Volumen erforderlich ist. Der Nachteil von Halbleiterbauelementen besteht darin, daß bei Schaltvorgängen die dem pn-Übergang innewohnenden Diffusions- oder Sperrschichtkapazitäten bzw. Gatekapaziäten umgeladen werden müssen.It is known from the specialist literature that either voltage-dependent current control Vacuum diodes, triodes etc. or semiconductor diodes or transistors can be used. The A disadvantage of the vacuum components is, in particular, that the Creation and maintenance of a vacuum and thus a relatively large component Volume is required. The disadvantage of semiconductor devices is that Switching processes the intrinsic diffusion or junction capacitance of the pn junction or gate capacities must be reloaded.

Die US 5,089,292 beschreibt eine Feldemissionskathode, bei der die Oberflächen der Kathodenspitzen beschichtet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung.US 5,089,292 describes a field emission cathode in which the surfaces of the Cathode tips are coated, and a method for manufacturing.

Die US 5,228,877 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemissionsbauelementes. Dieses Feldemissionsbauelement besteht aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Kathodenspitzen. Eine Schicht aus dielektrischem Material ist dabei auf einem Substrat angeordnet, wobei deren Dicke etwa der Höhe der Kathodenspitzen entspricht, mit einer Ausbeulung oberhalb jeder Kathodenspitze. US 5,228,877 describes a method for producing a field emission device. This field emission device consists of a large number of electrically conductive Cathode tips. A layer of dielectric material is on a substrate arranged, the thickness of which corresponds approximately to the height of the cathode tips, with a Bulge above each cathode tip.  

Über der dielektrischen Schicht ist eine elektrisch leitende Rasterschicht und über dieser eine Schutzschicht angeordnet. Anschließend wird ein Ätzvorgang durchgeführt.There is an electrically conductive raster layer over the dielectric layer and one over this Protective layer arranged. An etching process is then carried out.

Die US 5,233,263 beschreibt laterale Feldemissionsbauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung. Ein derartiges Feldemissionsbauelement besteht aus einem Substrat, einer Elektronen emittierenden Kathode, einer zylindrischen Anode, einem Gate zur Steuerung der Emission und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung an Kathode, Anode und Gate. Die Kathode hat eine kreisförmige Oberfläche und ist parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnet. Die Anode ist auf dem Substrat um die Kathode und mit einem definierten Abstand zu dieser angeordnet. Das Gate ist neben der Kathode angeordnet.US 5,233,263 describes lateral field emission devices and methods for their Production. Such a field emission device consists of a substrate, one Electron emitting cathode, a cylindrical anode, a gate for controlling the Emission and means for applying an electrical voltage to the cathode, anode and gate. The Cathode has a circular surface and is parallel to the surface of the substrate arranged. The anode is on the substrate around the cathode and at a defined distance arranged to this. The gate is arranged next to the cathode.

Die US 5,266,530 beschreibt die Herstellung eines Gates oder anderer Elektroden eines Feldemissionsbauelements mit einer selbstpositionierenden Elektronenemitterstruktur.US 5,266,530 describes the manufacture of a gate or other electrodes Field emission device with a self-positioning electron emitter structure.

Die JP 2-239 537 A beschreibt ein Feldemissionsbauelement mit einer dünnen Isolationsschicht oberhalb des Elektronen emittierenden Teils und einer dicken Isolationsschicht seitlich des Elektronen emittierenden Teils. Dadurch wird eine seitliche Elektronenemission verhindert.JP 2-239 537 A describes a field emission device with a thin insulation layer above the electron-emitting part and a thick insulation layer on the side of the Electron emitting part. This prevents lateral electron emission.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine miniaturisierte, mit der Si-Planartechnologie kompatible Dioden- oder Trioden-Anordnung zu entwickeln, die unter Verzicht auf eine Vakuumstrecke und unter Vermeidung von Diffusions-, Gate- oder Sperrschichtkapazitäten eine schnelle spannungsabhängige Stromsteuerung erlaubt. The invention has for its object a miniaturized, with the Si planar technology to develop a compatible diode or triode arrangement that does without a vacuum path and fast, avoiding diffusion, gate, or junction capacitance voltage-dependent current control allowed.  

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß in einem Festkörperdielektrikum als Ka­ thode eine Feldemissionsspitze bzw. ein Feldemissionsspitzenarray zur Ladungsträgerer­ zeugung angeordnet wird und Elektronen beim Anlegen eines elektrischen Feldes in ein Die­ lektrikum emittiert (Feldemission), durch das Dielektrikum geleitet und auf der der Kathode gegenüberliegenden Anode gesammelt werden (Diodenanordnung).The object of the invention is achieved in that in a solid dielectric as Ka method a field emission peak or a field emission peak array to the charge carrier Generation is arranged and electrons when applying an electric field in a die dielectric is emitted (field emission), passed through the dielectric and on the cathode opposite anode can be collected (diode arrangement).

Durch das zusätzliche Einbringen einer gitterförmigen Elektrode zwischen Feldemissions­ spitze und Anode ist die Emission bzw. der Stromfluß so beeinflußbar, daß die Diodenan­ ordnung aus dem Feldemissionsbauelement ohne weitere Veränderung des Grundbauelementes zur Triodenanordnung umwandelbar ist.By additionally inserting a grid-shaped electrode between field emissions tip and anode, the emission or current flow can be influenced so that the diodes on order from the field emission device without further change of the Basic component for triode arrangement is convertible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.Advantageous embodiments of the invention are presented in the subclaims.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe associated drawing shows in

Fig. 1 ein Feldemissionsbauelement mit Feldemissionsspitze und in Fig. 1 is a field emission device with field emission peak and in

Fig. 2 ein Feldemissionsbauelement mit Feldemissionsspitzenarray. Dabei wird der prinzi­ pielle Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelementes zur schnellen spannungsab­ hängigen Stromsteuerung mit Hilfe einer Feldemissionsanordnung in einem Die­ lektrikum sichtbar. Fig. 2 shows a field emission device having the field emission tip array. The basic structure of the component according to the invention for fast voltage-dependent current control with the aid of a field emission arrangement in a dielectric becomes visible.

Das erfindungsgemäße Feldemissionsbauelement (Triodenanordnung) besteht aus einer Kathode K mit Feldemissionsspitze F in einem Dielektrikum D, einem Steuergitter S und einer Anode/Sammelelektrode A. Die Feldemissionsspitze bzw. das Feldemissions-Spitzenarray F wird durch Abscheiden/Aufwachsen oder durch Ätzen erzeugt. Zur genauen Positionierung der Feldemissionsspitze F in der Mitte des Loches des Steuergitters S wird eine selbstpositionierende Technologie angewandt, wobei für die Reduzierung der Kapazität zwischen Steuergitter S und Kathode K die Höhe der Spitze S möglichst groß ausgeführt wird.The field emission component (triode arrangement) according to the invention consists of a cathode K with field emission peak F in a dielectric D, a control grid S and one Anode / collector electrode A. The field emission tip or the field emission tip array F is by Deposition / growth or generated by etching. For exact positioning of the Field emission peak F in the middle of the hole of the control grid S becomes a self-positioning Technology applied, whereby for the reduction of the capacity between control grid S and Cathode K the height of the tip S is made as large as possible.

Durch Weglassen des Steuergitters S ist ohne weitere Veränderung des Feldemissionsbauelementes eine Diodenanordnung realisierbar. Eine Reduzierung der Diodenkapazität ist durch eine möglichst hohe Dielektrika-Dicke zwischen Kathode K bzw. Feldemissionsspitze F und Anode A erreichbar, beispielsweise durch die Verwendung eines hochwertigen Siliziumdioxids.By omitting the control grid S is the without further change Field emission device a diode arrangement can be realized. A reduction in Diode capacitance is due to the highest possible dielectric thickness between cathode K or Field emission peak F and anode A can be reached, for example by using a high quality silicon dioxide.

Eine vorteilhafte Variante zur Erreichung der vollständigen Kompatibilität des erfindungsgemäßen Feldemissionsbauelementes mit einer allgemein bekannten Si-IC- Technologie besteht in folgendem Aufbau:
An advantageous variant for achieving full compatibility of the field emission component according to the invention with a generally known Si-IC technology consists in the following structure:

  • - M bestehend aus Metall oder Metallsilicid (Rückseitenkontakt)- M consisting of metal or metal silicide (Back contact)
  • - K bestehend aus n+-Si- K consisting of n + -Si
  • - F bestehend aus n+-Si- F consisting of n + -Si
  • - D bestehend aus SiO2 - D consisting of SiO 2
  • - S bestehend aus polykristallinem Silizium- S consisting of polycrystalline silicon
  • - A bestehend aus polykristallinem Silizium, Metall oder Metallsilicid.- A consisting of polycrystalline silicon, metal or metal silicide.

Claims (8)

1. Festkörperdielektrisches Feldemissionsbauelement zur spannungsabhängigen Stromsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement aus einer Kathode (K) mit Feldemissionsspitze (F) in einem Dielektrikum (D), einem Steuergitter (S) und einer Anode/Sammelelektrode (A) besteht, so daß, hervorgerufen durch ein anliegen­ des elektrisches Feld, eine Ladungsträgerfeldemission an der leitfähigen Spitze (F) er­ folgt, die von dem Dielektrikum (D) umgeben ist, daß die emittierten Ladungsträger, beeinflußt durch das zusätzliche Feld des Steuergitters (S) (Triode) oder unbeeinflußt durch das Dielektrikum (D) (Diode), zur Anode driften.1. Solid-state dielectric field emission component for voltage-dependent current control, characterized in that the component consists of a cathode (K) with a field emission tip (F) in a dielectric (D), a control grid (S) and an anode / collecting electrode (A), so that, caused by a concern of the electric field, a charge carrier field emission at the conductive tip (F) follows, which is surrounded by the dielectric (D), that the emitted charge carriers, influenced by the additional field of the control grid (S) (triode) or unaffected drift through the dielectric (D) (diode) to the anode. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsspitze (F) aus n+-Si besteht.2. Component according to claim 1, characterized in that the field emission peak (F) consists of n + -Si. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (D) aus SiO2 besteht.3. Component according to claim 1 or 2, characterized in that the dielectric (D) consists of SiO 2 . 4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter (S) aus polykristallinem Silizium besteht.4. Component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Control grid (S) consists of polycrystalline silicon. 5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode/Sammelelektrode (A) aus polykristallinem Silizium besteht.5. Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Anode / collecting electrode (A) consists of polycrystalline silicon. 6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emission aufgrund eines feldunterstützten Tunnelmechanismus erfolgt und als Feld­ emissionselemente sowohl Einzelspitzen als auch Feldspitzenarrays ausgebildet sind.6. Component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Emission occurs due to a field-supported tunnel mechanism and as a field Emission elements are formed both individual tips and field tip arrays. 7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompatibilität mit einer an sich bekannten Si-IC-Technologie dadurch gewährleistet wird, daß die Feldemissionsspitzen (F) aus n-Si, das Dielektrikum aus SiO2 und das Steuergitter aus dotiertem polykristallinem Silizium hergestellt sind.7. Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the compatibility with a known Si-IC technology is ensured in that the field emission peaks (F) made of n-Si, the dielectric made of SiO 2 and the control grid are made of doped polycrystalline silicon. 8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Triodenanordnung zur Gewährleistung einer definierten Emissionsspannung so­ wohl bei Einzelspitzen als auch bei Feldspitzenarrays eine genaue Positionierung der Feldemissionsspitzen (F) zum Steuergitter (S) in einem selbstpositionierenden Prozeß bei der Herstellung des Steuergitters erfolgt.8. The component according to one of claims 1 to 7, characterized in that at the triode arrangement to ensure a defined emission voltage accurate positioning of the individual tips as well as field tip arrays Field emission peaks (F) to the control grid (S) in a self-positioning process in the manufacture of the control grid.
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