L'objet de l'invention vise ainsi le domaine des sources d'électrons au sens général, adaptées pour tre utilisées dans des dispositifs électroniques ou pour permettre, notamment, la réalisation d'écrans plats.

TECHNIQUE ANTERIEURE : D'une manière classique, un dispositif d'extraction d'électrons comporte une cathode d'émission et une anode situées à distance l'une de l'autre et entre lesquelles règne un vide ou un ultra-vide. L'anode et la cathode sont reliées entre elles à l'aide d'une source de polarisation permettant de les placer à un potentiel relatif donné.

En vue d'obtenir l'émission dans le vide d'un flux constant d'électrons à partir de la cathode, il est nécessaire d'extraire les électrons du potentiel dans lequel ils se trouvent piégés dans le matériau de la cathode. L'extraction des électrons de la cathode peut tre obtenue par une technique de chauffage de la cathode, en vue d'élever l'énergie des électrons à une valeur dépassant le travail de sortie qui ne dépend que de l'état de la surface de la cathode. Cette technique connue sous le nom d'émission thermoionique, possède l'inconvénient de placer la cathode à haute température (2700 K dans le cas d'une cathode en tungstène par exemple) et, par suite, de présenter une consommation d'énergie et une dissipation de chaleur relativement importantes. Par ailleurs, cette technique d'émission thermoïonique des électrons ne permet pas d'obtenir des sites localisés d'émission des électrons.

Il est connu, par ailleurs, une deuxième technique d'extraction des électrons par déformation de la barrière de potentiel de surface de la cathode par un champ électrique intense. La hauteur de cette barrière de potentiel ne dépend que de l'état de la surface de la cathode. Cette technique appelée émission de champ, permet d'obtenir

l'émission des électrons à une température dite froide (300 K ou moins). Un inconvénient de cette technique réside dans la nécessité de mettre en oeuvre un vide important (10-1° Torr) pour permettre de stabiliser le courant d'émission des électrons.

Par ailleurs, pour obtenir un champ électrique intense, la cathode doit présenter nécessairement une géométrie en forme de pointe dont la réalisation pratique de réseaux de pointes pose des problèmes relativement importants. De plus, cette technique ne permet pas d'obtenir une émission uniforme des électrons à partir d'une surface plane.

II est également connu par le document WO 98/06 135, un dispositif d'extraction d'électrons comportant une cathode située en relation de distance d'une anode. La cathode est constituée d'un film semi-conducteur délimitant une surface d'émission pour les électrons et supportée par une électrode d'injection. La surface d'émission comporte une électrode frontale permettant d'assurer la polarisation de l'électrode d'injection, en vue de déterminer le potentiel de surface du film semi- conducteur. Le contrôle de cette tension de polarisation permet d'extraire les électrons de la cathode et de réguler l'émission du flux d'électrons vers l'anode.

Il est à noter que l'émission des électrons est due à un phénomène thermoionique dans la mesure où les électrons sont excités par l'apport énergétique provenant des électrons injectés par l'électrode d'injection. De plus, la géométrie de cette cathode nécessite la mise en oeuvre de moyens techniques dont la réalisation pratique est délicate.

L'analyse des techniques antérieures connues conduit à constater qu'il apparaît le besoin de disposer d'une technique permettant d'extraire des électrons, à faible température et à faible champ électrique, dans un vide à faible pression (à partir de 101 Torr), selon une surface d'émission localisée ou uniforme et ne présentant pas de problèmes particuliers de réalisation pratique.

EXPOSE DE L'INVENTION : L'objet de l'invention vise à satisfaire ce besoin en proposant un procédé permettant de répondre aux différents objectifs énoncés ci-dessus.

Conformément à l'invention vise un procédé pour extraire dans le vide des électrons émis à partir d'une cathode située en relation de distance d'une anode qui est placée à un potentiel donné par rapport à la cathode, à l'aide d'une source de polarisation. Selon l'invention, le procédé consiste : -à réaliser une cathode présentant au moins une jonction entre un métal servant de réservoir d'électrons et un semi-conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, et présentant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface, -à assurer l'injection des électrons à travers la jonction métal-semi- conducteur pour créer, dans le semi-conducteur, une charge d'espace suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi du métal, -et à contrôler à l'aide de la source de polarisation créant un champ électrique dans le vide, la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, de manière à modifier de façon réversible, l'affinité électronique de la surface du semi- conducteur de type n, en vue de réguler l'émission vers l'anode du flux d'électrons.

L'objet de l'invention vise également à proposer un dispositif pour extraire dans le vide, des électrons émis à partir d'une cathode située à distance d'au moins une anode placée à un potentiel donné par rapport à la cathode à l'aide d'une source de polarisation. Selon l'invention, le dispositif comporte : -une cathode d'émission comportant au moins une jonction entre un métal et un semi-conducteur de type n, possédant une hauteur de barrière de potentiel de surface de quelques dixièmes d'électrons volts, le semi-conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons et possédant une épaisseur comprise

entre 1 et 20 nm, définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface, -et une source de polarisation créant un champ électrique dans le vide permettant, d'une part, d'assurer l'injection des électrons à travers la jonction métal-semi-conducteur pour créer, dans le semi- conducteur, une charge d'espace suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi du métal et, d'autre part, de régler la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, c'est-à-dire de modifier de façon réversible l'affinité électronique de la surface du semi- conducteur du type n, en vue de régler l'émission du flux d'électrons.

Un autre objet de l'invention est d'offrir une nouvelle cathode d'émission d'électrons pour un dispositif d'extraction dans le vide comportant : -une première partie formant réservoir d'électrons et formée par au moins une couche métallique, -et une deuxième partie formant milieu de conduction pour les électrons injectés dans la couche métallique et formée par un semi- conducteur du type n, définissant avec la couche métallique, une jonction métal-semi-conducteur possédant une hauteur de barrière de potentiel de quelques dixièmes d'électrons volts, le semi- conducteur de type n, présentant une surface d'émission pour les électrons, et possédant une épaisseur comprise entre 1 et 20 nm définie par la valeur de l'abaissement souhaitée de la barrière de potentiel de surface.

Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS : La fig. 1 est un schéma de principe illustrant un dispositif d'extraction des électrons dans le vide, conforme à l'invention.

La fig. 2 est un diagramme des bandes d'énergie, lorsque le métal est initialement séparé du semi-conducteur, permettant d'expliciter le principe de l'invention.

La fig. 2bis est un diagramme des bandes d'énergie E (eV) de la cathode en fonction de la position x prise dans la direction cathode-anode.

Les fig. 3,4 et 5 sont des diagrammes schématiques des bandes d'énergie de la cathode obtenues selon trois phases caractéristiques du procédé selon l'invention.

La fig. 6 est une courbe illustrant la variation du courant obtenu en fonction de l'application de la tension de polarisation.

La fig. 7 est un schéma illustrant révolution du courant d'émission obtenu en fonction du temps, pour différentes valeurs de la tension de polarisation.

Les fig. 8,9 et 10 illustrent différentes variantes de réalisation d'une cathode plane permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

MEILLEURE MANIERE DE REALISER L'INVENTION : Tel que cela ressort de la fig. 1,1'objet de l'invention concerne un dispositif 1 permettant d'extraire des électrons dans le vide, comportant une cathode d'émission 2 située à distance d'au moins une anode 3 qui, dans 1'exemple illustré, constitue une anode de réception des électrons émis par la cathode 2. La cathode 2 et l'anode 3 définissent entre elles un volume 4 dans lequel règne un vide (104 à 10-8 Torr) ou l'ultra-vide (10-S à 10-12 Torr). Le dispositif d'extraction 1 comporte également une source de polarisation 5 permettant de placer la cathode 2 à un potentiel donné par rapport à l'anode 3. La réalisation pratique du dispositif d'extraction 1 n'est pas décrite plus précisément dans la suite de la description, dans la mesure où elle est bien connue de l'état de la technique.

Conformément à l'invention, le dispositif d'extraction 1 comporte une cathode d'émission 2 comportant une première partie 7 formant un réservoir d'électrons et constituée par au moins une couche métallique. La cathode d'émission 2 comporte

également une deuxième partie 8 formant un milieu de conduction pour les électrons injectés. Le milieu de conduction 8 est formé par un semi-conducteur de type n, définissant avec la couche métallique 7, une jonction électronique 9 métal-semi- conducteur (Schottky). Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, cette jonction Schottky 9 possède une hauteur de barrière de potentiel de quelques dixièmes d'électrons volts, c'est-à-dire comprise entre 0,05 et 1 eV et, de préférence, de l'ordre de 0,1 eV. Les caractéristiques de cette jonction Schottky imposent le choix du couple de matériaux adéquates métal 7 et semi-conducteur 8 de type n. Par exemple, pour un métal 7 qui est le platine, la couche semi-conductrice 8 peut tre soit du SiC (carbure de silicium) de type n, soit du Ti02 (rutile) de type n, obtenus par pulvérisation.

Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le semi- conducteur de type n, présente une surface d'émission 11 pour les électrons extraits dans le vide 4. Le semi-conducteur 8 présente une épaisseur définie entre la jonction Schottky 9 et la surface d'émission 11, comprise entre 1 et 20 nm. La valeur de cette épaisseur est définie par la valeur de l'abaissement souhaitée pour la barrière de potentiel de surface. L'épaisseur du semi-conducteur 8 peut tre, par exemple, de l'ordre de 5 nm pour des couches semi-conductrices de SiC (carbure de silicium) de type n ou de Ti02 (oxyde de titane ou rutile) de type n sur une couche métallique de platine. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le semi-conducteur 8 est du type n à large gap, c'est-à-dire supérieur ou égal à 3 eV.

La fig. 2 illustre les bandes d'énergie de la couche métallique 7 et du semi- conducteur 8 par rapport au vide 4, lorsqu'ils se trouvent séparés l'un de l'autre. La couche métallique 7 présente un niveau de Fermi Ef et un travail de sortie m entre le niveau de Fermi et le niveau Vo du potentiel du vide 4. Le semi-conducteur 8 présente une bande interdite de largeur Eg, une bande de conduction de niveau Eev un niveau de Fermi Ef, ainsi qu'une affinité électronique x par rapport au niveau Vo du potentiel du vide 4. Lors de la réalisation de la jonction Schottky entre la couche métallique 7 et le semi-conducteur 8 de type n, il se produit un ajustement d'énergie conduisant à un mme niveau de Fermi et de potentiel du vide 4. Ainsi, tel que cela ressort de la fig. 2bis, la cathode 2 ainsi réalisée présente une couche métallique 7

avec un niveau de Fermi Ef et définissant avec le semi-conducteur 8 de type n, une jonction Schottky 9. A la surface 11 du semi-conducteur 8, il existe une barrière de potentiel de surface Vp.

Le dispositif d'extraction 1 selon l'invention permet par l'intermédiaire de la source de polarisation 5, l'émission des électrons qui s'effectue selon un processus série en deux étapes. La première étape représente l'injection des électrons dans le semi-conducteur 8 pour former une charge d'espace Q suffisante pour abaisser la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi du métal 7. Cette première étape est suivie d'une deuxième étape qui consiste à réguler de manière réversible, l'émission des électrons vers l'anode 3 à l'aide de la source de polarisation 5 créant un champ électrique F dans le vide 4 permettant de contrôler la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8.

La 2bis permet d'illustrer le processus d'émission des électrons selon deux étapes consécutives. Lors de la première étape eti, la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 est abaissée jusqu'à une valeur inférieure ou égale à 1 eV par rapport au niveau de Fermi Ef du métal 7. La différence d'énergie entre la valeur maximum de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur 8 et le niveau de Fermi du métal 7 est représentée par DE Cet abaissement de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur 8 (passage de la courbe Co à la courbe Cl) est du à l'injection, par l'intermédiaire de la source de polarisation 5, des électrons à travers la jonction 9 et à la création de la charge d'espace Q dans le semi- conducteur 8. L'abaissement de la barrière de potentiel de surface du semi- conducteur 8 est une fonction croissante de la charge d'espace Q qui est elle-mme une fonction inverse de l'épaisseur du semi-conducteur 8.

Lors de la deuxième étape etz, 1'émission des électrons vers l'anode 3 est régulée à l'aide de la source de polarisation 5 qui crée dans le vide 4, un champ électrique F variable qui permet de moduler la barrière de potentiel de surface Vp. La barrière de potentiel de surface Vp (courbes Cl, C2, C3) est abaissée pour des valeurs de plus en plus élevées pour la valeur du champ électrique F. Il peut ainsi tre distingué dans l'étape et2, trois comportements caractéristiques de la cathode par

rapport à la valeur du champ électrique F créé dans le vide à l'aide de la source de polarisation 5, illustrés plus particulièrement aux fig. 3 à 5.

La fig. 3 illustre un premier comportement de l'anode 2 pour laquelle la tension appliquée par la source de polarisation 5 est inférieure à une valeur de seuil Vs à partir de laquelle il peut tre mesuré un courant d'électrons. Pour cette valeur de tension, il est appliqué un champ électrique F conduisant à un premier abaissement al de la hauteur de la barrière de potentiel de surface résultant de la courbure de bande due à la pénétration du champ électrique F et à la création d'une charge d'espace Q suite à l'injection des électrons du métal 7 dans le semi-conducteur 8. Il est obtenu également un abaissement a2 de la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur en raison de 1'effet Schottky. Il est à noter que la présence du champ électrique F conduit également à une déformation de la barrière du potentiel de surface du semi-conducteur 8. Dans 1'exemple illustré à la fig. 3,1'abaissement du potentiel total (ai + a :)delabarrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur, obtenu par un champ électrique donné correspondant à une tension faible et inférieure à la tension de seuil Vs, n'est pas suffisante pour permettre l'émission d'électrons. La barrière de potentiel de surface Vp est donc trop haute pour permettre l'émission d'électrons dans le vide 4. Les électrons injectés à travers la jonction électronique 9 se trouve piégés à l'intérieur du semi- conducteur 8. Il doit tre considéré que la hauteur de la barrière de potentiel de surface du semi-conducteur de type n, est supérieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur 8. La fig. 6 montre dans la partie A de la courbe de courant I en fonction du potentiel V de la source 5, la caractéristique de courant obtenu selon cette première phase de fonctionnement.

La fig. 4 illustre un deuxième comportement caractéristique de l'anode 2 pour une tension de polarisation appliquée, supérieure à la tension de seuil Vs Le champ électrique F ainsi créé est tel que la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 est sensiblement égale au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur. L'abaissement (al + a2) de la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur est alors suffisant pour permettre la sortie par effet tunnel, des électrons. Il est ainsi obtenu une surface d'émission 11 à faible affinité électronique résultant de la présence de la charge d'espace Q et de la pénétration du champ

électrique. Le courant d'émission de champ I qui est illustré par la partie B de la courbe de la fig. 6, est gouverné par la relation de Fowler Nordheim caractéristique de l'émission d'électrons par effet tunnel.

La fig. 5 illustre un troisième comportement caractéristique de la cathode lorsque la tension de polarisation V est très supérieure à la tension de seuil Vs. La tension de polarisation V est telle que le champ électrique créé F est adapté de manière que la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi-conducteur 8 soit inférieure au niveau des états occupés par les électrons dans le semi-conducteur 8. B est ainsi obtenu une surface d'émission 11 à affinité électronique négative. Le mécanisme d'émission des électrons relève d'une émission thermoïonique en considérant que l'injection des électrons est obtenue à partir de la jonction 9 métal-semi-conducteur. La partie C de la courbe de la fig. 6 illustre la forme du courant I en fonction de la tension V appliquée pour ce troisième comportement. Il doit tre considéré que l'émission de courant fonctionnant en régime thermoïonique, n'est pas sensible aux petites variations de la barrière de vide dues à l'adsorption. Tel que cela apparaît plus précisément sur la fig. 7, la stabilité du courant augmente avec l'accroissement de la tension de polarisation V parce que l'injection d'électrons n'est pas affectée par les modifications susceptibles d'apparaitre dans le vide 4.

Le procédé selon l'invention permet ainsi de réguler l'émission du flux d'électrons à partir du contrôle de la hauteur de la barrière de potentiel de surface Vp du semi- conducteur 8, qui est directement liée à la valeur de la tension de polarisation V. Dans cette seconde étape, il peut tre obtenu une surface d'émission n'émettant pas d'électrons (fig. 3), présentant une afEnité électronique faible (fig. 4) ou négative (fig. 5).

Un avantage de la technique selon l'invention est de présenter une interface d'injection qui est une jonction solide entre un métal et un semi-conducteur. L'injection d'électrons est donc protégée des influences de l'environnement, telles que les phénomènes d'adsorption, de désorption, les bombardements ioniques, etc. Par ailleurs, la surface d'émission de la cathode après la première étape etl, est une surface à affinité électronique faible ou négative. L'émission d'électrons n'est pratiquement pas sensible aux influences de l'environnement, telles que les phénomènes d'adsorption, de désorption, les bombardements ioniques, etc. Par ailleurs, il est à noter que le courant d'émission est très sensible à la température de sorte qu'il peut tre prévu d'assurer le contrôle de la température de la cathode afin de régler le flux du faisceau d'électrons émis.

De la description qui précède, il ressort que la surface d'émission est directement dépendante de la distribution du champ électrique sur la surface d'émission 11 de la cathode. Aussi, la présence de protubérances ou de saillies sur la face d'émission 11 permet de confiner l'émission des électrons au niveau de ses protubérances. Bien entendu, il peut aussi tre envisagé que l'émission des électrons s'effectue à partir d'une surface plane.

Les fig. 8 à 10 décrivent différents exemples de réalisation d'une cathode 2 pour la mise en oeuvre du procédé d'extraction conforme à l'invention. Selon un avantage de l'invention, la cathode 2 peut tre réalisée à partir des technologies planaires classiques de fabrication en micro-électronique.

La fig. 8 décrit une cathode 2 comportant une première partie formant un réservoir d'électrons et constituée par une couche métallique 7 portée par un substrat 13 métallique, semi-conducteur ou isolant. La couche métallique 7 est revtue d'une couche d'un semi-conducteur 8 de type n permettant de constituer la jonction Schottky 9. La couche semi-conductrice 8, réalisée par les technologies classiques de dopage en micro-électronique, telles que par implantation ionique ou par un dépôt, par exemple de type CVD, pulvérisation, évaporation, sous vide ou PVD Dans cet exemple de réalisation, la surface d'émission 11 est sensiblement plane. Selon une autre forme de réalisation découlant de celle illustrée à la fig. 9, il est prévu de réaliser une surface d'émission 11 présentant des protubérances ou des saillies 14 en des endroits déterminés. A cet effet, il est prévu de réaliser un substrat 13 en un semi- conducteur ou en métal dont la face destinée à recevoir la couche métallique 7 est gravée par des techniques de lithographie, de manière à permettre la réalisation de protubérances, destinées à recevoir en superposition, la couche métallique 7 et la couche de semi-conducteur 8 de type n. Tel que cela apparaît clairement sur la fig. 9, l'élément semi-conducteur 8 présente ainsi une surface d'émission 11 présentant des zones localisées 14 pour un confinement spatial des électrons d'émission au niveau de l'extrémité de ses protubérances 14.

La fig. 10 illustre une autre variante de réalisation d'une cathode 2 conforme à l'invention comportant une couche métallique 7 déposée sur un substrat isolant 13.

L'ensemble ainsi constitué est soumis à un bombardement ionique pour permettre l'apparition de protubérances en forme de pointes 15 et formant un élément 8 semi-

conducteur de type n. Il apparaît ainsi une jonction 9 métal-semi-conducteur au niveau de la protubérance traversant la couche métallique 7.

Le dispositif d'extraction d'électrons selon l'invention trouve de nombreuses applications dans le domaine de l'électronique, notamment pour constituer une source pour composants électroniques sous vide ou pour réaliser des écrans plats. Dans l'application de l'objet de l'invention à la fabrication d'écrans plats, il peut tre prévu classiquement de mettre en oeuvre une première électrode d'extraction des électrons placée en relation de proximité de l'anode et laissant passer les faisceaux d'électrons dont l'intensité est modulée localement pour chaque pixel de l'écran. Ces faisceaux sont récupérés par une anode de réception placée en aval de l'anode d'extraction par rapport à la cathode d'émission. Il est noter que la réalisation du substrat 13 portant la couche métallique 7 en un matériau semi-conducteur, offre la possibilité d'intégrer dans le substrat, des composants électroniques actifs pour contrôler localement l'émission des électrons.

L'objet de l'invention trouve une autre application particulièrement avantageuse pour la production de faisceaux d'électrons parallèles et uniformes pour la lithographie électronique à projection.

Dans les exemples de réalisation décrits en relation des fig. 8 à 10, le substrat 13 présente une géométrie plane. Une telle géométrie est particulièrement adaptée pour les dispositifs nécessitant une source d'électrons planaire (par exemple écrans plats de dimensions pouvant atteindre le m2 ou plus, des composants électroniques de dimensions plus réduites de l'ordre du mm2 ou de plusieurs dizaines de cm2). Bien entendu, le substrat 13 peut présenter d'autres types de géométries en fonction de leur application. Par exemple, le substrat 13 peut posséder une géométrie du type pointe individuelle ou tte d'épingle individuelle pour la réalisation des cathodes dans les canons à électrons individuels. Ces canons sont utilisés notamment dans les microscopes électroniques ou les tubes cathodiques.

L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y tre apportées sans sortir de son cadre.