DE2012101B2 - Feldemissionskathode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemissionskathode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Feldemissionskathoden sind für Elektronenröhren geeignet und dienen als punktförmige Quelle für einen Elektronenstrahl.

Bekannte Feldemissionskathoden dieser Art besitzen einen Überzug aus dem Metall mit niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit. Dieser Überzug hat den Sinn, der Kathode eine Austrittsarbeit zu geben, die niedriger liegt als die des Trägermaterials, damit bereits bei niedriger Betriebsspannung eine hohe Feldemission erreicht wird. Ein Verzicht auf einen derartigen Metallüberzug ist nicht möglich, da diejenigen Metalle, die im Hinblick auf mechanische Festigkeit, Herstellbarkeit eines feinen Drahts mit einer Spitze als Emissionspunkt, chemische Inaktivität gegenüber Gasen unter Einschluß von Sauerstoff und Stabilität bei hohen Temperaturen den Anforderungen an ein Kathodenaiaterial gewachsen sind, sämtlich durch eine relativ hohe Elektronenaustrittsarbeit gekennzeichnet sind. Üblicherweise wird das Material von niedrigerer Austrittsarbeit im Vakuum auf das Trägermaterial aufgedampft. Für die Verdampfung geeignete Materialien sind Barium, Strontium und Calzium. Nach dem Aufdampfen wird die Kathode in einem Vakuum erwärmt, so daß das ίο angelagerte Material gleichförmig über die gesamte Oberfläche der Kathode diffundieren kann. Wenn auch die wenigen ersten der unmittelbar an der Kathodenoberfläche befindlichen Atomschichten fest mit der Oberfläche des Trägermaterials verbunden sind, nimmt die Bindungskraft mit zunehmender Entfernung von dei Kathodenoberfläche ab, so daß für weiter von dem Trägermaterial abliegende Atome die Neigung besteht, bei einer Erwärmung im Vakuum zu verdampfen. Dies führt zu einer nur wenige Atome starken Schicht, die beim Gebrauch der Kathode nach relativ kurzer Zeit abgebaut wird. Hierduich nimmt die Emissionsfähigkeit der Kathode schnell ab, was deren Lebensdauer verkürzt.

In der DT-AS 1 290 637 ist eine Feldemissionskathode der eingangs genannten Art beschrieben, bei

der unter üen den Überzug bildenden Atomen eine dritte Art von Atomen vorhanden ist, die in der Spannungsreihe der Elemente so weit von den den

Überzug bildenden Atomen entfernt sind, daß sie

diese anziehen. Durch das Einfügen der zusätzlichen

Atome wird ein besseres Haften des Überzugs auf dem Trägermaterial bewirkt, was zu einer gewissen

Vergrößerung der Lebensdauer führt. Ein wirkliches

Festhalten des Überzugs wird durch dieses relativ aufwendige Zwischenfügen einer dritten Schicht gleichwohl nicht erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feldemissionskathode der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die sich durch besonders festen Halt des Metalls von niedrigerer Austrittsarbeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Metall von niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit in Form von Ionen bis zu einer Tiefe von etwa 1000 bis 3000 A in das Trägermaterial eingebettet ist. Durch diese außerordentlich tiefe Einbettung verhält sich die Kathode hinsichtlich chemischer Reaktionen mit umgebendem Gas und Verdampfung bei erhöhten Temperaturen wie das Trägermaterial, während die Elektronenaustrittsarbeit der des eingebetteten Metalls entspricht, so daß eine hohe Elektronenemission bei relativ niedriger Betriebsspannung über lange Zeitspannen erreicht wird.

Aus J.Appl.Phys.Vol.37 (1966) Nr. 10, S. 4297 und 4298, ist es bekannt, durch Ionenbeschuß in einem Halbleitermaterial einen p-n-Übergang herzustellen, der weniger als 1000 A unter der Halbleiteroberfläche liegt. Die Herstellung eines derartig gelagerten p-n-Überganges, die mit der DifFusionstechnik technologisch schwierig ist, hat den Sinn, die Elektronenemission von Halbleiter-p-n-Übergängen im Vakuum meßbar zu machen, da sie andernfalls, wenn ein Materialschnitt durch einen Übergang gelegt wird, unmeßbar klein ist.

In Weiterbildung der Erfindung dient das Kathodenmaterial selbst als Trägermaterial.

Mit Vorteil ist als Trägermaterial eine Schicht aus einem ein tieferes Eindringen der Metallionen er-

kiubenden Material im Bereich der Spitze auf das Kathodenmaterial aufgebracht.

Diese Schicht besteht vorzugsweise aus einem Oxyd oder Karbid des Kathodenmaterials. Eine Spitzenkathode hoher Feldemission, die aus dem Karbid eines hochschmelzenden Metalls besteht, wobei das Karbid auf einen Metallträger aufgebracht ist, ist in der DT-AS 1200442 bereits beschrieben.

Als Kathodenmaterial kommt insbesondere Wolfram, Molybdän, Tantal oder Rhenium in Betracht. Darüber hinaus kann das Trägermaterial vorteilhaft einen Whisker darstellen. Die stabilen Feldemissionseigenschaften eines Whiskers sind an sich bereits bekannt (J. Appl. Phys. Vol. 38 [1967], Nr. 13, S. 5417 bis 5419).

A!s Metall niedrigerer Austrittsarbeit ist vorzugsweise ein Alkalimetall wie Lithium, Natricm, Calium oder Cäsium, ein Erdalkalimetall, wie Barium, Strontium oder Calzium, Thorium oder Zirkonium vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einbettung der Ionen in die Kathode in der Weise, daß ein die Ionen des Metalls niedrigerer Austrittsarbeit enthaltendes Plasma einer hohen Beschleunigungsspannung ausgesetzt und der entstehende Metallionenstrahl von hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial gerichtet wird.

Die erfindungsgemäßen Kathoden hoher Felderrission können im allgemeinen als punktförmige Quelle eines Elektronenstrahls mit geringeren Betriebsspannungen verwendet werden. Darüber hinaus finden die Kathoden ein weites Anwendungsfeld als Emitter einer Elektronenröhre, insbesondere als Kathode einer Elektronenschleuder.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch die Wirkungsweise einer Feldemissionskathode mit scharfer Spitze nach der Erfindung;

F i g. 2 (a) zeigt schematisch das Vakuumenergieniveau von Wolfram;

F i g. 2 (b) ist eine der F i g. 2 (a) entsprechende Darstellung, die das Energieniveau bei eir.em angelegten hohen elektrischen Feld verdeutlicht;

F i g. 3 (a) zeigt ebenfalls schematisch das Vakuumenergieniveau von Wolfram mit einem Barium überzug;

F i g. 3 (b) ist eine der F i g. 3 (a) entsprechende Darstellung, die das Energieniveau bei einem angelegten hohen elektrischen Feld verdeutlicht;

F i g. 4 zeigt schematisch die Verteilung der in das Trägermaterial der Kathode eingebetteten Metallionen niedriger Austrittsarbeit in Abhängigkeit von der Eindringtiefe.

In F i g. 1 ist eine mit 10 bezeichnete typische Kathode hoher Feldemission mit einer scharfen Spitze verschen, die beispielsweise durch elektrochemisches Ätzen oder durch Funkenentladung erzeugt worden ist. In die Oberflächt, dieser scharfen Spitze werden Metallionen niedriger Austrittsarbeit mit Hilfe eines beschleunigenden elektrischen Felds eingebettet. Die ursprüngliche Kathode 10 bzw. die Metallionen können z. B. aus Wolfram bzw. Barium bestehen. Der Kathode 10 gegenüber ist eine als Anode wirkende Elektrode 11 angeordnet. Von einer Spannungsquelle 12 wird zwischen den beiden Elektroden 10 und 11 eine geeignete Spannung angelegt. Diese Spannung erzeugt zwischen den Elektroden 10 und 11 ein hohes elektrisches Feld, das die Oberflächenpotentialschwclle erniedrigt und Elektronen durch die Oberfläche zieht. Wenn auf der Kathode 10 kein Metall niedriger Austrittsarbeit vorgesehen ist, ist in diesem Fall das für die Überwindung der Oberflächenschwelle notwendige elektrische Feld so hoch, daß kaum Elektronen aus der Oberfläche entweichen: ist hingegen ein solches Metall eingebettet, ist die

ίο Austrittsarbeit der Kathode im Ganzen herabgemindert. Das elektrische Feld läßt nunmehr die Elektronen durch die Potentialschwelle an der Oberfläche austreten und erzeugt dadurch einen Elektronenfluß, wie er mit dem Buchstaben e bezeichnet ist, der von der Oberfläche unter dem Einfluß des Felds ausgeht. Dieses Phänomen wird im folgenden an Hand der F i g. 2 (a) bis 3 (b) erläutert.

In Fig. 2 (a) zeigt das Vakuumenergieniveau von Wolfram, abgekürzt V. L., einen gleichförmigen Ver-

zo lauf und die Potentialschwelle insgesamt einen stufenförmigen Verlauf. Die Austrittsarbeit, deren Wert in diesem Fall mit 4,5 eV angegeben ist, ist definiert als Unterschied zwischen dem Vakuumniveau V. L. und dem sogenannten Ferminiveau, abgekürzt

F. L. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß di" Austrittsarbeit eine Energie ist, die notwendig ist, damit ein Elektron auf dem Ferminiveau F. L. aus der Oberfläche von Wolfram frei wird. Wird an der Oberfläche ein elektrisches Feld erzeugt, so fällt das Vakuumniveau V. L. mit einem bestimmten Gefälle ab und die Potentialschwelle erscheint gemäß F i g. 2 (b) als dreieckförmiger Hocker. Je stärker das aufgebaute elektrische Feld wird, um so spitzer wird der dreieckförmige Hocker. Die Austrittsarbeit 4,5 eV bleibt trotzdem im wesentlichen unverändert. Tatsächlich fällt jedoch die Austrittsarbeit um wenige Zehntel von 1 eV ab, was als Schottky-Effekt bezeichnet wird. Somit können die Elektronen innerhalb des Wolframkörpers nur dann die Oberfläche verlassen, wenn ihnen die Energie von 4,5 eV gegeben wird.

Wenn das Wolfram mit einem Metall niedriger Austrittsarbeit wie Barium überzogen ist oder wenn ein derartiges Metall in das Wolfram eingebettet ist, wird das Vakuumniveau V. L. abgesenkt, so daß sich der Wert der Austrittsarbeit von 4,5 eV auf 1,5 eV gemäß F i g. 3 (a) verschiebt. Daraus ergibt sich, daß die im Inneren des Wolframkörpers befindlichen Elektronen herausgezogen werden odtr leichter über die Schwelle aus der Oberfläche austreten, wenn das sie anziehende elektrische Feld relativ intensiv ist. Gemäß F i g. 3 (b) nimmt die PotenLialschwelle beim Anlegen eines hohen Feldes die Form eines spitzen dreieckförmigen Höckers an, der gegenüber dem Ferminiveau F. L. abgesenkt ist. Das Vakuumniveau V. L. hat ebenfalls ein negatives Gefälle, das um so steiler wird, je höher das angelegte elektrische Feld wird. In diesem Fall können selbst Elektronen mit Energien unter dem Ferminiveau durch den engen Abschnitt der Potentialschwelle wandern. Dieses Phänomen ist ais Tunneleffekt bekannt und wird bei der erfindungsgemäßen Kathode hoher Feldemission benutzt.

Bei einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung wird Metall niedriger Austrittsarbeit in Form von Ionen durch ein elektrisches starkes Feld beschleunigt und darauf tief in das Innere einer üblichen Kathodensubstanz als Trägermaterial einge-

bettet. Nach dieser Ionenimplantation wird die erhaltene Kathode in die freie Luft herausgenommen. Dann kann die Kathode in einem Vakuum, vorzugsweise in einer Elektronenröhre, einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um Teiloxydbeläge und in die Oberflächenschicht absorbierte Gase zu entfernen. Während dieser Wärmebehandlung wird die Röhre entgast und die Oberfläche der Kathode durch Diffusion der MetaUionen aus dem Trägermaterialkörper zur Oberfläche aktiviert.

Die Ionenimplantation wird in diesem Fall in der folgenden Weise durchgeführt: die Bariumionen werden aus einem Plasma erhalten, in dem das Barium wenigstens teilweise bei einer erhöhten Temperatur ionisiert ist. Bei einer intensiven Beschleunigungsspannung von beispielsweise etwa 40 kV werden die Bariumionen unter Bildung eines Strahls in eine gleichförmige Richtung orientiert. Dieser Bariumionenstrahl dringt tief in das Innere des das Kathodenträgermaterial bildenden Wolframs ein.

Die Verteilung des implantierten Bariumionengehalts ist in F i g. 4 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe von der Substratoberfläche aus verdeutlicht. Aus F i g. 4 entnimmt man, daß der Scheitel der Verteilungskurve in einem geringen Abstand unterhalb der Oberfläche, d. h. nicht unmittelbar an der Oberfläche liegt und daß die Bariumionen etwa 1000 bis 3000 A tief in den Trägerkörper eindringen. Dieses tiefe Eindringen hat zur Folge, daß die Oberfläche des Wolframs trotz der implantierten Ionen ohne Beeinträchtigung durch die umgebenden Gasmoleküle bleibt. Somit verhält sich die Oberfläche des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behan delten Wolframs wie eine einfache Substanz. Dem entsprechend bietet eine Kathode hoher Feldemissioi nach der Erfindung dadurch Vorteile, daß die Ka thode frei von Verdampfung bei erhöhten Tempera türen und chemisch inert gegen Gasmoleküle ist un< daß sie bei verringerten Betriebsspannungen für langi Zeitspannen stabil arbeiten kann.

Beispiele für Metalle, wie sie erfindungsgemäß fü

ίο das Implantieren in ein als gewöhnliche Kathodi wirkendes Trägermaterial geeignet sind, sind Alkali metalle wie Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K und Cäsium (Cs), Erdalkalimetalle, wie Barium (Ba) Strontium (Sr) und Kalzium (Ca) und andere Me talle wie Thorium (Th) und Zirkonium (Zr). Dies« Metalle haben niedrige Austrittsarbeit und ionisieret bei einer hohen Temperatur leicht.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren nacl der Erfindung wird die gewöhnliche Kathode au; einfacher Substanz einmal mit einem bestimmtet Material überzogen, um das Implantieren der Me talle niedriger Austrittsarbeit zu verbessern, dami also größere Mengen an Metall tiefer in das Träger material eindringen. Die Ionenimplantation wire dann an dem, einmal überzogenen Trägermateria vorgenommen. Das Überzugsmaterial besteht vor zugsweise aus Oxiden oder Carbiden des Kathoden materials wie Wolfram (W), Molybdän (Mo), Tanta (Ta) oder Rhenium (Re); es sollte bei erhöhten Tem peraturen stabil sein, chemisch inert gegenüber Gaser einschließlich Sauerstoff und auf der Trägeroberflächf beschichtbar sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Feldemissionskathode mit einer scharfen Spitze, mit einem bei den für die Röhrenherstellung üblichen Temperaturen chemisch inaktiven Trägermaterial, das im Bereich der Spitze ein Metall von niedrigerer Elektronenaustrittssrbeit trägt, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall von niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit in Form von Ionen bis zu einer Tiefe von etwa 1000 bis 3000 A in das Trägermaterial eingebettet ist.

2. Feldemissionskathode nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ilathodenmaterial selbst als Trägermaterial dient.

3. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial eine Schicht aus einem ein tieferes Eindringen der Metallionen erlaubenden Material im Bereich der Spitze auf das Kathodenmaterial aufgebracht ist.

4. Feldemissionskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Oxid oder Karbid des Kathodenmaterials besteht.

5. Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathodenmaterial Wolfram, Molybdän, Tantal oder Rhenium vorgesehen ist.

6. Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial einen Whisker darstellt.

7. Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall niedrigerer Austrittsarbeit ein Alkalimetall, wie Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium, ein Erdalkalimetall, wie Barium, Strontium oder Calcium, Thorium oder Zirkonium vorgesehen ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Ionen des Metalls niedrigerer Austrittsarbeit enthaltendes Plasma einer hohen Beschleunigungsspannung ausgesetzt und der entstehende Metallionenstrahl von hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial gerichtet wird.