DE19502966A1

DE19502966A1 - Opto-electronic component for colour display screen or gas sensor

Info

Publication number: DE19502966A1
Application number: DE1995102966
Authority: DE
Inventors: Ignaz Prof Dr Eisele; Hermann Dr Ing Baumgaertner; Walter Dr Hansch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1995-06-14

Abstract

An electrically conductive substrate (1) and surface layer (5) are separated by an insulator (4). The surface layer (5) has openings, beneath which the substrate (1) bears electrodes (3) within cavities (8) in the insulator (4). The cavities (8) are filled with gas. A optically transparent coating (9) which can b gas-tight may be used over the surface layer (5). By imposing a potential difference between an electrode (3) and the surface layer (5) a field emission causes the gas in the cavity (8) to be illuminated.

Description

Anwendung von elektrisch leitenden Spitzen als Feldemitter in einer Gasatmo sphäre zur Herstellung von flachen Farbbildschirmen oder Gassensoren.Use of electrically conductive tips as field emitters in a gas atmosphere sphere for the production of flat color screens or gas sensors.

Für die Herstellung von flachen Farbbildschirmen kommen im wesentlichen Flüs sigkristall- oder Feldemissionsanzeigen zum Einsatz (siehe z. B. P.M. Knoll, Dis plays, Hüthig Verlag Heidelberg). Flüssigkristallbildschirme (LCD) nützen den Ef fekt aus, daß sich die optischen Eigenschaften (z. B. Transparenz) von Substan zen mit flüssigkristallinen Eigenschaften durch Anlegen eines äußeren elektri schen Feldes ändern. Feldemissionsdisplays (FED) bestehen aus einer ebenen Anordnung einer großen Zahl von sehr kleinen Feldemissionskathoden. Diese emittieren durch Anlegen eines elektrischen Feldes Elektronen, die einen her kömmlichen Phosphorbildschirm zum Leuchten anregen. Beiden Verfahren ge meinsam ist, daß jeder Bildpunkt durch eine geeignete Auswahlelektronik ausge wählt und angesteuert werden muß.Basically rivers come for the production of flat color screens sig crystal or field emission displays (see e.g. P.M. Knoll, Dis plays, Hüthig Verlag Heidelberg). Liquid crystal screens (LCD) use the Ef from the fact that the optical properties (e.g. transparency) of Substan zen with liquid crystalline properties by applying an external electri field. Field emission displays (FED) consist of one level Arrangement of a large number of very small field emission cathodes. These emit electrons by applying an electric field stimulate conventional phosphor screen to glow. Both procedures What is common is that each pixel is characterized by suitable selection electronics must be selected and controlled.

Es ist bekannt (s. o.), daß Flüssigkristallbildschirme nur unter einem einge schränkten Blickwinkel betrachtet werden können. Ferner ist bekannt (s. o.), daß Feldemissionsdisplays dagegen einen Blickwinkel von nahezu 180° besitzen und in einem größeren Temperaturbereich betrieben werden können.It is known (see above) that liquid crystal screens are only switched on under one limited perspective can be viewed. It is also known (see above) that Field emission displays, on the other hand, have a viewing angle of almost 180 ° and can be operated in a larger temperature range.

Die Herstellung der Emissionskathoden ist ein wichtiger Prozeßschritt für den Aufbau eines Feldemissions-Bildschirmes. Aus DE 43 25 708 C1 ist bekannt, eine elektrisch leitende Spitze aus dotiertem Silizium mittels lokaler Molekularstrahle pitaxie herzustellen. Dabei wird eine Maske mit einer Öffnung erzeugt, in der die elektrisch leitende Spitze erzeugt. Diese Erfindung macht sich die Erkenntnis zu nutze, daß bei der Molekularstrahlepitaxie von Silizium auf einer Siliziumoberflä che, die von einer Maske umgeben ist, in einem selbstorganisierenden Wachs tumsprozeß eine Pyramide entsteht. Die Oberflächen sind kristallographische (111) Flächen, wenn das Substrat eine (100) Orientierung aufweist.The production of the emission cathodes is an important process step for the Structure of a field emission screen. DE 43 25 708 C1 discloses a electrically conductive tip made of doped silicon using local molecular beams to produce a pitaxie. A mask is created with an opening in which the generated electrically conductive tip. This invention adopts the knowledge use that in the molecular beam epitaxy of silicon on a silicon surface surface, which is surrounded by a mask, in a self-organizing wax a pyramid emerges. The surfaces are crystallographic (111) areas if the substrate has a (100) orientation.

Es ist bekannt, elektrisch leitende Spitzen mit Hilfe der Mikromechanik herzustel len (siehe zum Beispiel Heuberger, Mikromechanik, Springer Verlag S. 426-428). Siliziumspitzen können durch kristallorientierungsabhängiges, anisotropes Ätzen erzeugt werden. Eine leitfähige Spitze aus Metall kann durch gerichtetes Auf dampfen von Molybdän durch eine Maske mit einer kreisförmigen Öffnung und Drehung des Substrates hergestellt werden.It is known to produce electrically conductive tips using micromechanics len (see for example Heuberger, Mikromechanik, Springer Verlag pp. 426-428). Silicon tips can be caused by crystal orientation-dependent, anisotropic etching be generated. A conductive tip made of metal can be directed upwards vaporize molybdenum through a mask with a circular opening and Rotation of the substrate can be produced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feldemissionselemente in einer ebenen Anordnung in Form einer Matrix zur Emission von Elektronen zu verwen den, um mit diesen ein diese Elemente umgebendes Gas anzuregen und damit zum Leuchten zu bringen. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes ist dabei zum einen von der chemischen Zusammensetzung des Gases und zum anderen von der elektrischen Spannung zwischen dem Feldemissionselement und einer wei teren elektrisch leitenden Schicht (Anode) abhängig und damit von der Energie der emittierten Elektronen. Diese Anordnung soll insbesondere geeignet sein zur Herstellung eines flachen Farbbildschirmes oder eines Gassensors.The invention has for its object the field emission elements in one planar arrangement in the form of a matrix for the emission of electrons to stimulate a gas surrounding these elements with them and thus to shine. The wavelength of the emitted light is at one on the chemical composition of the gas and the other on the electrical voltage between the field emission element and a white tere electrically conductive layer (anode) and thus on the energy of the emitted electrons. This arrangement should be particularly suitable for Manufacture of a flat color screen or a gas sensor.

Diese Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß beim Stoß von Elektro nen mit Gasmolekülen bzw. Atomen die Energie der Elektronen das Gas anregt. Fällt das angeregte Gasmolekül/-atom wieder in seinen Grundzustand zurück, so emittiert es Licht von gasspezifischer Wellenlänge. Die primär durch die Elektro nen zugeführte Energie ist ein weiterer Faktor, der die Wellenlänge des emittier ten Lichtes beeinflußt. This invention takes advantage of the knowledge that when electric shock occurs With gas molecules or atoms, the energy of the electrons excites the gas. If the excited gas molecule / atom falls back into its basic state, then it emits light of a gas-specific wavelength. The primarily through the electric Energy supplied is another factor that emits the wavelength of the affected by the light.

Im Vergleich zu einem Feldemissionsbildschirm benötigt diese Anordnung zur Herstellung eines flachen Farbbildschirmes keinen Phosphorschirm und die Er zeugung der Farben ist wesentlich vereinfacht. Für eine gegebene Gaszusam mensetzung wird die Farbe des leuchtenden Gases allein durch die Höhe der an gelegten Spannung eingestellt.Compared to a field emission screen, this arrangement requires Production of a flat color screen no phosphor screen and the he Generation of the colors is much easier. For a given gas together The color of the glowing gas is determined solely by the amount of light voltage set.

Als Anordnung zur Messung von Gasen wirkt sich vorteilhaft aus, daß jedes Gas ein sehr spezifisches Emissionsspektrum besitzt, das mit Hilfe eines optisch empfindlichen Bauelementes bestimmt werden kann. Durch die Integration des Detektors in den Aufbau ist eine sehr kompakte und preiswerte Bauweise möglich.As an arrangement for measuring gases, it is advantageous that each gas has a very specific emission spectrum, which can be determined using an optical sensitive component can be determined. By integrating the Detector in the construction is a very compact and inexpensive construction possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung nach An spruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen An sprüchen hervor.This object is achieved by an arrangement according to An saying 1. Further refinements of the invention can be found in the remaining An sayings.

Die Herstellung der Spitzen erfolgt in einer zweidimensionalen Anordnung in Form einer Matrix mit Reihen und Spalten. Jede einzelne Spitze entspricht dann einem Bildpunkt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch mehrere Spitzen zu ei nem Bildpunkt zusammenzufassen. Außerdem ist auch die Verwendung anders gestalteter scharfkantiger geometrischer Formen wie zum Beispiel Schneiden zur Emission der Elektronen über einer größeren Fläche möglich.The tips are produced in a two-dimensional arrangement in Form a matrix with rows and columns. Each individual tip then corresponds one pixel. It is within the scope of the invention to egg several peaks summarize a pixel. The use is also different designed sharp-edged geometric shapes such as cutting for Emission of the electrons possible over a larger area.

In einem weiteren Verfahrensschritt muß eine weitere leitfähige Schicht, die von den Spitzen elektrisch isoliert ist, hergestellt werden. Diese Schicht hat Öffnun gen, die zentrisch zu den Spitzen angeordnet ist. Diese Schicht dient als Anode zur Emission der Elektronen aus den Kathoden. Die Ansteuerung einzelner Bild punkte erfolgt dadurch, daß die Spitzen reihenweise (spaltenweise) leitend mit einander verbunden und von den anderen Reihen elektrisch isoliert werden. Die Anodenfläche wird spaltenweise (reihenweise) strukturiert, so daß immer eine Spalte elektrisch verbunden bleibt und von den übrigen Spalten elektrisch iso liert ist. Eine Emission von Elektronen von nur einer Spitze ist dann durch Aus wahl der entsprechenden Spalte und Reihe möglich.In a further process step, a further conductive layer, the the tips are electrically insulated. This layer has opening gene, which is arranged centrally to the tips. This layer serves as an anode for the emission of the electrons from the cathodes. The control of individual images points is achieved in that the peaks conductively in rows (columns) interconnected and electrically isolated from the other rows. The Anode surface is structured in columns (rows), so that always one Column remains electrically connected and electrically iso from the other columns is. An emission of electrons from only one tip is then off the appropriate column and row can be selected.

Der die Anodenfläche und das Substrat trennende Isolator wird zum Beispiel auf dem Substrat abgeschieden, wobei er so strukturiert ist, daß er im Bereich der Spitzen und um diese herum, geöffnet ist. Der verbleibende Isolator bildet Stege aus, wobei jede einzelne Spitze von den anderen durch diese räumlich getrennt ist, oder aber auch mehrere Spitzen zusammengefaßt werden können und diese von dem Isolator insgesamt umgeben sind.The insulator separating the anode surface and the substrate is opened, for example deposited the substrate, wherein it is structured so that it in the area of Peaks and around them, is open. The remaining insulator forms webs , with each individual tip spatially separated from the others is, or several peaks can be combined and these are surrounded by the isolator as a whole.

Die darauf abgeschiedene Anodenfläche ist im Bereich der Spitzen über dem Isolator überstehend angeordnet mit einem zur Spitze konzentrisch angeordne tem Loch.The anode surface deposited on it is in the area of the tips above the Insulator protruding with one arranged concentrically to the tip hole.

Das Substrat mit den Spitzen, der diese seitlich umgebenden Isolator und die An odenfläche bilden einen Hohlraum, der mit einem je nach Anwendung geeigne tem Gas gefüllt wird. Im Falle des Gassensors ist dies das zu analysierende Gas. Im Falle des flachen Bildschirmes ist es ein Edelgas oder eine andere Gasmischung.The substrate with the tips, the insulator surrounding this laterally and the An ode surface form a cavity, which is suitable for a particular application tem gas is filled. In the case of the gas sensor, this is the gas to be analyzed. In the case of the flat screen, it is an inert gas or another Gas mixture.

Der Hohlraum wird im Falle des Gassensors dann mit einem optisch empfindli chen Detektor abgeschlossen. Im Falle des flachen Farbbildschirmes genügt die gasdichte Abdeckung mit einer optisch transparenten Schicht.In the case of the gas sensor, the cavity is then optically sensitive Chen detector completed. In the case of the flat color screen, that is sufficient gastight cover with an optically transparent layer.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispieles und der Figuren näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail using an example and the figures explained.

Fig. 1 Querschnitt durch die Erfindung, Fig. 1 cross section through the invention,

Fig. 2 Längsschnitt durch die Erfindung. Fig. 2 longitudinal section through the invention.

In einem Substrat 1, zum Beispiel aus p-dotiertem Silizium, befinden sich Linien 2 zum Beispiel aus n-dotiertem Silizium. Die Linien 2 dienen der Ansteuerung ei ner Reihe von Spitzen. Die Tiefe und Breite der Linien 2 beträgt zum Beispiel ei nige µm. Auf den Linien 2 sitzen die Spitzen 3 zum Beispiel aus hoch n-dotierem Silizium. Die Höhe der Spitze beträgt zum Beispiel 500 nm. Der Abstand der Spit zen beträgt zum Beispiel 3 µm. Die Spitzen sind umgeben von einer Isolator schicht 4. Die Schicht 4 besteht zum Beispiel aus SiO₂ und ist 1 µm dick. Die Steg breite beträgt zum Beispiel 1 µm. Auf der Schicht 4 befindet sich eine elek trisch leitende Schicht 5, zum Beispiel aus einer 500 nm dicken hochdotieren Po lysiliziumschicht. Die Schicht 5 hat konzentrische Öffnungen 6, die zum Beispiel kreisförmig sind und einen Durchmesser von 500 nm haben. Außerdem ist die Schicht 5 in Linienform strukturiert und diese Linien durch einen Isolator 7 voneinander getrennt. Der Isolator kann zum Beispiel Luft sein. Die Linien 7 sind dabei senkrecht zu den im Substrat angeordneten Linien 2 angeordnet.Lines 2, for example made of n-doped silicon, are located in a substrate 1 , for example made of p-doped silicon. Lines 2 are used to control a series of tips. The depth and width of the lines 2 is for example a few µm. On the lines 2, the tips 3 are made, for example, of highly n-doped silicon. The height of the tip is, for example, 500 nm. The distance between the tips is, for example, 3 µm. The tips are surrounded by an insulator layer 4 . The layer 4 consists for example of SiO₂ and is 1 micron thick. The web width is, for example, 1 µm. On the layer 4 there is an electrically conductive layer 5 , for example made of a 500 nm thick highly doped polysilicon layer. The layer 5 has concentric openings 6 which, for example, are circular and have a diameter of 500 nm. In addition, the layer 5 is structured in line form and these lines are separated from one another by an insulator 7 . The insulator can be air, for example. The lines 7 are arranged perpendicular to the lines 2 arranged in the substrate.

Der Hohlraum 8 wird mit einem Gas gefüllt, für die Herstellung eines flachen Bild schirmes zum Beispiel mit einem Edelgas oder einer Edelgasmischung.The cavity 8 is filled with a gas, for the production of a flat screen, for example with an inert gas or an inert gas mixture.

Die gesamte Anordnung 1 bis 8 wird mit einem Deckel 9 verschlossen. Für die Herstellung eines flachen Bildschirmes besteht der Deckel 9 aus einem durch sichtigen Material zum Beispiel aus Glas und muß fest und gasdicht mit der An ordnung 1 bis 8 verbunden sein. Für die Verwendung dieser Anordnung als Gas sensor besteht der Deckel 9 aus einem optisch sensitiven Element, zum Beispiel einem Photodetektor. Für diese Anwendung darf die Verbindung nicht gasdicht sein.The entire arrangement 1 to 8 is closed with a lid 9 . For the production of a flat screen, the lid 9 consists of a transparent material, for example of glass, and must be firmly and gas-tightly connected to the arrangement 1 to 8 . For the use of this arrangement as a gas sensor, the cover 9 consists of an optically sensitive element, for example a photodetector. The connection must not be gas-tight for this application.

Zur Verwendung der Anordnung als Gassensor können die Linien 2 und die Tren nung 7 der Schicht 5 entfallen. Das Substrat 1 und die Schicht 5 müssen noch elektrisch kontaktiert werden (nicht dargestellt). To use the arrangement as a gas sensor, the lines 2 and the separation 7 of the layer 5 can be omitted. The substrate 1 and the layer 5 still have to be electrically contacted (not shown).

Zur Verwendung der Anordnung als flacher Farbbildschirm müssen die Linien 2 und die Linien der Schicht 5 noch elektrisch kontaktiert und mit einer geeigneten elektronischen Schaltung verbunden werden (nicht dargestellt).To use the arrangement as a flat color screen, the lines 2 and the lines of the layer 5 still have to be electrically contacted and connected to a suitable electronic circuit (not shown).

Claims

1. Optoelectronic component consisting of an electrically conductive substrate ( 1 ), one separated by an insulator ( 4 ) therefrom further electrically conductive layer ( 5 ) with openings ( 6 ) opposite to them on the substrate ( 1 ) in a cavity ( 8 ) sit in the insulator ( 4 ) electrically conductive tips ( 3 ), characterized in that the cavity ( 8 ) is filled with gas.

2. Optoelectronic component according to claim 1, characterized in that an optically transparent layer ( 9 ) is attached over the electrically conductive layer ( 5 ).

3. Optoelectronic component according to claims 1 and 2, characterized in that by the application of a voltage between the tip ( 3 ) and the electrically conductive layer ( 5 ) caused field mission the gas in the cavity ( 8 ) to light up is excited.

4. Optoelectronic component according to claims 1 to 3, characterized in that the optically transparent layer ( 9 ) is applied gas-tight.

5. Optoelectronic component according to claims 1 to 4, characterized ge indicates that many of the optoelectronic components on the Substrate are arranged in the form of an array.

6. Optoelectronic components according to claims 1 to 5, characterized in that the tips ( 3 ) do not sit directly on the substrate ( 1 ), but on strip-shaped parallel and electrically separate conductor tracks ( 2 ).

7. Optoelectronic components according to claims 1 to 6, characterized in that the electrically conductive layer ( 5 ) consists of electrically separate strips from each other, which do not run parallel to the strips ( 2 ) in the substrate ( 1 ).

8. Optoelectronic components according to claims 1 to 7, characterized in that the field emission of one or more components of the array can be addressed independently of the others electrically by suitable selection of the strips ( 2 ) and ( 5 ).

9. Optoelectronic components according to claims 1 to 8, characterized ge indicates that the intensity and color of the addressed component tes is determined by the amount of voltage applied.

10. Optoelectronic components according to claims 1 to 9, characterized ge indicates that a color screen is built up with it.

11. Optoelectronic component according to some of claims 1 to 10, characterized in that the cover layer ( 9 ) is a photosensitive detector.

12. Optoelectronic component according to claim 11, characterized in that the layer ( 9 ) is not applied gas-tight.

13. Optoelectronic component according to claims 11 and 12, characterized characterized in that from a single element or from an array-shaped Arrangement a gas sensor is built.