CN100428392C - 电子发射设备，电子发射装置，图像显示装置和光发射装置 - Google Patents

Abstract

一种电子发射设备，包括：A)包含碳的纤维；和B)电极，用于控制从所述包含碳的纤维上的电极发射，其中所述包含碳的纤维具有多个分层的石墨，使得不平行于所述纤维的轴向。本发明的图像显示装置，包括多个电子发射设备和光发射部件。

Description

电子发射设备，电子发射装置，图像显示装置和光发射装置

本申请是申请日为2001年8月31日的中国专利申请01142775.2的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种电子发射设备，电子发射装置，电子源，和成像装置。本发明还涉及显示装置，如电视广播显示器，用于可视会议系统的显示器或计算机显示器，并涉及成像装置，它被设计为使用感光滚筒或相似元件的光学打印机。

背景技术

场发射(FE)式电子发射设备正在引起关注，当10⁶V/cm或更高的强电场加到金属上时，这种设备可以从金属表面发射电子，并且它是已知的冷阴极电子源之一。

如果FE式冷电子源投入实际应用，可以实现薄的发射式图像显示装置。这种FE式冷电子源还对降低图像显示器的功耗和重量起作用。

图13显示了垂直FE式冷电子源结构，它由基底131、发射器电极132、绝缘层133、发射器135和阳极136形成。向阳极发射的电子束的形状由137指示，这个结构是施平特式的，其中开口形成在绝缘层133中，并且栅极134提供在阴极132上，具有圆锥形状的发射器135放置在所述开口中。(这种类型的结构由例如C.A.施平特在《具有钼圆锥的薄膜场发射阴极的物理性能》，J.Appl.Phys.47，5248(1976)中揭示。)

图14显示了横向FE结构，它由基底141、发射器电极142、绝缘层143、发射器145和阳极146形成。向阳极发射的电子束的形状由147指示，具有尖锐末端的发射器145和用于从发射器的末端拉出电子的栅极144配置在基底上，并与之平行，并且集电极(阳极)形成在栅极和发射器电极上，远离基底(见USP 4,728,851，USP4,904,895等)。

同样，日本专利申请公开说明书第8-115652号揭示了使用纤维碳的电子发射设备，其中通过在催化金属上执行有机化学复合物气体的热裂解，使纤维碳配置在窄缝中。

在使用上述FE式电子源之一的图像显示设备中，根据电子源与荧光体之间的距离H，阳极电压Va和设备驱动电压Vf，得到具有一定尺寸的电子聚束光点(此后称为束直径)。所述的束直径小于一毫米，并且图像显示装置具有足够高的分辨率。

然而，近些年已经有了一种趋势，需要更高分辨率的图像显示器。

进一步，伴随着显示象素数量的增加，在驱动中，由于电子发射设备的设备电容，导致功耗增加。由此，需要减少设备电容和驱动电压，并且需要提高电子发射设备的效率。

在上述的施平特式的电子源中，栅极压合在基底上，并且具有绝缘层介入其间，使寄生电容产生在大电容与多种发射器之间。而且，驱动电压高达几十到几百伏，并且因为这种特定结构，电容功耗很大，这非常不利。

同样，由于拉出的电子束分散，需要聚焦电极来限制电子束的分散。例如，日本专利申请公开说明书第7-6714号揭示了通过将电子聚焦的电极，来汇聚电子轨道的方法。然而，这种方法具有问题，由于增加了附加的聚焦电极，使其生产过程的复杂性增加，电子发射效率减小等。

在通常的横向FE电子源中，阴极发出的电子束可靠地撞击在相反的栅极上。由此横向FE电子源的结构具有问题，其效率(流经栅极的电流与到达阳极的电流之比)减小，并且阳极上的电子束形状扩散得相当大。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种电子发射装置，其中特定的电容减小，它具有低的驱动电压，并且通过控制发射电子的轨道，能够得到更精细的电子束。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种电子发射装置，包括：

第一电极和第二电极，配置在基底的表面上；

第一加压装置，用于将电势加在第二电极上，所加电势高于加在第一电极上的电势；

电子发射部件，配置在第一电极上；

第三电极，面对基底布置，电子发射部件发出的电子到达第三电极；和

第二加压装置，用于将电势加在第三电极上，所加电势高于加在第一和第二电极的每个上的电势，其中电子发射部件的表面放置在两个平面之间，第一个平面包含第二电极表面，并且基本平行于基底表面；第二个平面包含第三电极表面，并且平行于基底表面。当第二电极与第一电极之间的距离为d；通过第一加压装置加在第二电极与第一电极之间的电势差为V1；第三电极与基底之间的距离为H；并且通过第二加压装置加在第三电极上的电势，与通过第一加压装置加在第一电极上的电势之间的电势差为V2时，那么电场E1＝V1/d在电场E2＝V2/H的1到50倍的范围内。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子发射装置，包括：

第一电极和第二电极，配置在基底的表面上；

第一加压装置，用于将电势加在第二电极上，所加电势高于加在第一电极上的电势；

多个纤维，配置在第一电极上，纤维包含碳作为主要成分；

第三电极，面对基底布置，从纤维发出的电子到达第三电极；和

第二加压装置，用于将电势加在第三电极上，所加电势高于加在第一和第二电极的每个上的电势，其中纤维的表面区域放在两个平面之间，第一个平面包含第二电极表面，并且基本平行于基底表面；第二个平面包含第三电极表面，并且平行于基底表面。

在上述布置中，电场集中的地方限制到发射器材料形成区域的一侧区域，由此允许发射的电子首先朝向提取电极(栅极)拉出，然后到达阳极，而实质不可能撞击在提取电极上。结果，电子发射效率提高。同样，电子实质不可能散射到提取电极上，使阳极上得到的束斑的尺寸小于传统设备中的尺寸，其中传统设备具有散射到提取电极上的问题。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子发射设备，包括：

纤维，包含碳作为主要成分；和

电极，用于控制电子从含碳作为主要成分的纤维上发射，其中含碳作为主要成分的纤维具有多层(压合的)石墨，而不与纤维的轴向平行。

根据本发明进一步的方面，提供了一种电子发射设备，包括：

第一电极和第二电极，配置在基底的表面上，间隙形成在第一与第二电极之间；和

纤维，提供在第一电极上，纤维包含碳作为主要成分，其中第二电极包括一个用于控制电子从含碳作为主要成分的纤维上发射的电极，并且其中含碳作为主要成分的纤维包括石墨。

根据本发明的电子发射设备可以在低真空度下，以增加的速率长时间地稳定发射电子。

根据本发明，光发射部件提供在电子发射装置的阳极上，或提供在电子发射设备上，来形成光发射设备，图像显示装置或相似设备能够在低真空度下操作，并且长时间稳定地产生高亮度的发射/显示。

附图说明

图1A和1B是显示根据本发明的基本电子发射设备例子的图；

图2A和2B是显示本发明第二实施例的图；

图3A和3B是显示本发明第三实施例的图；

图4A和4B是显示本发明第四实施例的图；

图5A、5B、5C和5D是显示本发明第一实施例中的制造步骤的图；

图6是显示操作本发明的电子发射设备的布置图；

图7是显示本发明的基本电子发射设备操作特性的图；

图8是显示无源矩阵电路结构的例子图，其中使用了根据本发明的多个电子源；

图9是显示图像形成面板结构的例子图，其中使用了本发明的电子源；

图10是显示用于图像形成面板的电路的例子图，其中使用了本发明的电子源；

图11是示意地显示了碳纳米管结构的图；

图12是示意地显示了石墨纳米纤维结构的图；

图13是显示传统的垂直FE结构的图；而

图14是显示传统的横向FE结构的一个例子的图。

具体实施方式

本发明的优选实施例将参考附图具体描述。下面进行的实施例部件的描述，是关于部件的尺寸和形状与部件的相对位置的，描述不倾向于限制本发明的范围，除了特别提到的特定细节。

FE设备的操作电压Vf通常由泊松等式得到的发射器末端电场确定，并且由电子发射电流的电流密度确定，其中电子发射电流根据称为“福勒-诺德海姆等式”的关系表达式，关系表达式是关于电场的功函数，并且发射器部分用作参数。

当发射器末端与栅极之间的距离D较小，或者发射器末端的半径r较小时，得到较强的电场作为电子发射所必需的电场。

另一方面，阳极上得到的电子束在X向的最大尺寸Xd(例如图13中显示的从圆形束形状137中心的最大范围)，以这样的形式表达，它在简化计算中与(Vf/Va)成比例。

明显在这种关系中，Vf的增加导致束直径的增加。

结果，需要减小距离D和曲线的半径r来减小Vf。

传统布置中的束形状将参考图13和14描述。在图13和14中，作为两种布置中的相应部件，基底由131和141指示；发射器电极由132和142指示；绝缘层由133和143指示；发射器由135和145指示；阳极由136和146指示；电子束的形状由137和147指示，其中阳极被电子束照射。

在上面参考图13描述的施平特式的情况下，当Vf加在发射器135与栅极134之间时，发射器135突起的末端上的电场强度增加，由此电子从圆锥发射器部分的大约末端发出到真空中。

根据发射器末端的形状，在发射器的末端形成电场，而在其上具有适当的有限区域，使电子根据电势，垂直地从发射器有限的末端区域拉出。

同时，其它电子以各种角度发出。以大角度发出的电子必然被拉向栅极。

结果，如果形成的栅极具有圆形开口，图13显示的阳极136上的电子分布，形成实质圆形的束形状137。也就是，得到的束形状与拉出栅极的形状密切相关，并且与栅极和发射器之间的距离密切相关。

在横向FE电子源的情况下(图14)，其中电子通常沿一个方向拉出，在发射器145与栅极144之间产生非常强的电场，基本平行于基底141的表面(横向电场)，从发射器145发射的电子部分149拉到栅极144上的真空中，而其它电子进入到栅极144中。

在图14显示的布置中，向着阳极146的电场向量，在方向上与促使电子发射的那些不同(从发射器145到栅极144的电场)。由此，阳极146上发射的电子形成的电子分布(聚束光点)增加。

下面将进一步描述从发射器电极145拉出的电子的电场(在后面的描述中为了方便起见称为“横向电场”，而发射器结构的电场增强效果被忽略)，和向着阳极的电场(在后面的描述中被称为“垂直电场”)。

在图13和14显示的布置中，“横向电场”还可以被表达为“基本平行于基底131(141)表面方向上的电场”。特别关于图14中显示的布置，还可以被表达为“栅极144和发射器145相反方向上的电场”。

同样，在图13或图14显示的安排中，“垂直电场”还可以被表达为“基本垂直于基底131(141)表面方向上的电场”，或者表达为“基底(131)141与阳极136(146)相反方向上的电场”。

图14显示的布置中，如上所述，发射器发射的电子首先被横向电场拉出，飞向栅极，然后由垂直电场而向上移动，而到达阳极。

这个效应的重要因素是横向与垂直电场的强度的比，和电子发射点的相关位置。

当横向电场比垂直电场强一个数量级时，从发射器拉出的几乎所有电子的轨道，被半径电势逐渐弯曲，使电子飞向栅极，其中半径电势由横向电场产生。撞击在栅极上的部分电子以散射方式再次弹出。然而在弹出后，电子重复散射，而通过一再地形成椭圆形轨道，沿着栅极散射，并且当弹出时数量减少，直到它们被垂直电场抓住。只有散射的电子超过栅极电势形成的等势线后(这条线可以被称为“滞留点”)，它们通过垂直电场向上移动。

当横向电场和垂直电场在强度上大致相等时，尽管电子的轨道被半径电势弯曲，也由于横向电场的介入，对电子拉出的限制减小。由此在这种情况下，电子轨道出现，其中电子沿着轨道行进，被垂直电场抓住而不撞击在栅极上。

已经发现如果电子发射位置从栅极平面向阳极平面偏离(见图6)，其中电子在这个位置上从发射器发出，发射的电子可以形成轨道而被垂直电场抓住，而当横向电场与垂直电场在强度上大致相等时，实质不可能撞击在栅极上，也就是，横向电场强度与垂直电场强度的比大约为1比1。

同样，对电场比例进行的研究已经显示，如果栅极144与发射器电极145末端之间的距离如果为d；设备驱动时的电势差(在栅极与发射器电极之间)为V1；阳极与基底(元件)之间的距离为H；并且阳极与阴极(发射器电极)之间的电势差为V2，当横向电场E1＝V1/d为垂直电场E2＝V2/H的50倍或更强时，形成轨道，沿着轨道拉出的电子撞击在栅极上。

本发明的发明人还发现，可以确定高度s(定义为两个平面之间的距离，其中第一个平面包含部分栅极2表面，并且基本平行于基底1的表面，而第二个平面包含电子发射部件4表面，并且基本平行于基底1的表面(见图6))，使栅极2上实质不发生散射。高度s依靠垂直电场与横向电场之间的比(垂直电场强度/横向电场强度)。当垂直-横向电场之比比较低时，高度s较低。当横向电场比较强时，必要的高度s较高。

在实际生产过程中，设置的高度范围从10nm到10μm。

在图14显示的传统布置中，栅极144和发射器(142，145)沿着共同平面彼此等高地形成，并且横向电场比垂直电场强一个数量级，从而有显著的趋势，通过撞击到栅极上，将拉出到真空中的电子量减小。

进一步，在传统的布置中，确定设备的结构，来增加横向上的电场强度，使阳极146上的电子分布广泛扩展。

如上所述，为了限制到达阳极146的电子的分布，有必要(1)减小驱动电压(Vf)，(2)不定向地拉出电子，(3)考虑电子的轨道，并且如果栅极上的散射发生，(4)考虑电子散射机制(特别是弹性散射)。

由此，本发明的目的在于提供一种电子发射设备，其中照射阳极表面的电子的分布做得更精细，并且电子发射效率提高(发射的电子在栅极被吸收的量减小)。

根据本发明的新电子发射设备的结构，将在下面具体描述。

图1A是示意性平面图，显示了根据本发明的电子发射设备的例子。图1B是沿图1A的1B-1B线剖开的剖视图。图6是本发明的电子发射装置的示意性剖视图，在电子发射装置被驱动的状态，其中使阳极配置在本发明的电子发射设备之上。

在图1A、1B和6中图示出了绝缘基底1；提取电极2(也被称为“栅极”或“第二电极”)；阴极3(也被称为“第一电极”)；电子发射材料4(也被称为“电子发射部件”或“发射器材料”)，提供在阴极3上；和阳极61(也被称为”第三电极”)。

在本发明的电子发射装置中，如图1A、1B和6所示，如果阴极3与栅极2彼此分开的距离为d；当电子发射设备驱动时的电势差(阴极3与栅极2之间的电压)为Vf；阳极61与基底1表面之间的距离为H，其中在基底1的表面上布置电子发射设备；并且阳极61与阴极3之间的电势差为Va，产生来驱动设备的电场(横向电场)∶E1＝Vf/d，被设置为阳极与阴极之间的电场(垂直电场)∶E2＝Va/H的1到50倍的范围内。

在从阴极3发射的电子中，撞击在栅极2上的电子比例由此减少。以这种方式，可以得到高效电子发射设备，它能够防止发射的电子束广泛分散。

在本发明的描述中，所谓的“横向电场”还可以表达为“基本平行于基底1表面方向的电场”。也可以表达为“栅极2相对于阴极3方向上的电场”。

同样，在本发明的描述中，所谓的“垂直电场”还可以表达为“墓本垂直于基底1表面方向的电场”。也可以表达为“基底1相对于阳极61方向上的电场”。

进一步，在本发明的电子发射装置中，包含电子发射部件4的表面，并且基本平行于基底1表面的平面，与包含栅极2的部分表面，并且基本平行于基底1表面的平面分开(见图6)。换句话说，在本发明的电子发射装置中，包含电子发射部件4的表面，并且基本平行于基底1表面的平面，放置在阳极61与包含栅极2的部分表面，并且基本平行于基底表面的平面之间(见图6)。

进一步，在本发明的电子发射设备中，电子发射部件4放置在高度s上(定义为两个平面之间的距离，其中第一个平面包含栅极2的部分表面，并且基本平行于基底1的表面，而第二个平面包含电子发射部件4表面，并且基本平行于基底1的表面(见图6))，使栅极2上实质不发生散射。

高度s依赖于垂直电场与横向电场之间的比(垂直电场强度/横向电场强度)。当垂直-横向电场强度之比比较低时，高度s也较低。当横向电场较强时，必要的高度s较高。实际上，高度不小于10nm，不大于10μm。

绝缘基底1的例子是这样的基底，它的表面被实质净化：石英玻璃；玻璃中杂质的成分如Na，被例如K部分替换而减小；层压板，以这样的方式形成，在石灰苏打玻璃、硅基底或相似元件上，通过溅射或相似方式来压合SiO₂；和绝缘基底，由陶瓷如氧化铝制成。

每个提取电极2和阴极3是电导部件，通过普通的真空薄膜成型技术，如蒸发和溅射，或光刻技术，形成在基底1的表面上，而彼此面对。电极2与3的材料从例如碳、金属、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、半导体和半导体金属复合物中选择。电极2与3的厚度设置在从几十纳米到几十微米的范围内。电极2与3的材料更适宜地为碳、金属、金属氮化物或金属碳化物形成的抗热材料。

电极2与3的材料配置在基底1的表面上，其中电极2与3的材料组成根据本发明的电子发射设备。不用说，沿着基本平行于包含基底1表面的平面方向，提取电极2与阴极3彼此分开。换句话说，构成电子发射设备，使提取电极2与阴极3彼此不重叠。

特别地，在下面描述的碳纤维生长的情况下，电极更适宜地由硅形成，其中硅具有导电性，例如掺杂了多晶硅或相似成分。

如果担心例如由于电极厚度小导致的电压降，或者如果以矩阵形式使用多个电子发射设备，那么在不影响电子发射的情况下，低阻接线金属材料可以用于形成适当的接线部分。

发射器材料(电子发射部件)4可以以这种方式形成，即由普通真空薄膜成型方法，如溅射而沉积的膜，通过使用如反应离子蚀刻技术(RIE)，做成发射器的形状。可选地，可以通过在化学气相沉积(CVD)中，从籽晶来生长成针晶或晶须来形成。在RIE的情况下，发射器形状的控制依赖于使用的基底的种类、气体的种类、气体的压力(流量)、蚀刻时间、用于形成等离子体的能量等。在CVD成型过程中，通过选择基底的种类、气体的种类、流量、生长温度等来控制发射器的形状。

用来形成发射器(电子发射部件)4的材料的例子有碳化物，例如TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC和WC、气相碳、石墨、金刚石状碳、包含分散金刚石的碳和碳复合物。

根据本发明，纤维碳特别适于用作发射器4(电子发射部件)的材料。本发明的描述中的所谓“纤维碳”，还可以表达为“包含碳作为主要成分的柱状材料”或“包含碳作为主要成分的丝状材料”。进一步，”纤维碳”还可以表达为“包含碳作为主要成分的纤维”。更特别地，根据本发明的“纤维碳”包括碳纳米管、石墨纳米纤维和非晶态碳纤维。特别地，石墨纳米纤维最适于用作电子发射部件4。

可以确定提取电极2与阴极3之间的间隙和驱动电压(加在提取电极2与阴极3之间的电压)，从而从使用的阴极材料发射电子所必需的横向电场的值，大于形成图像所必需的垂直电场的1到50倍，如上所述。

在光发射部件如荧光体提供在阳极上的情况下，必须的垂直电场更适宜地在10^-1到10V/μm的范围内。例如，在阳极与阴极之间的间隙为2mm，并且10kV加在阳极与阴极之间的情况下，垂直电场为5V/μm。在这种情况下，使用的发射器材料(电子发射部件)4具有5V/μm或更高的电子发射电场值。根据选择的电子发射电场值，可以确定间隙与驱动电压。

具有几个V/μm的电场阈值的材料例子为纤维碳。图11与12的每个显示了纤维碳结构的例子。在图11与12的每个中，在左侧部分以光学显微镜水平(到1,000倍)，在中间部分以扫描电子显微镜水平(到30,000倍)，在右侧部分以透射电子显微镜水平(到1,000,000倍)示意地显示结构。

形成图11所示圆柱的石墨结构，被称为碳纳米管(多层圆柱状石墨结构被称为多壁纳米管)。当管末端打开时，它的阈值最小化。

图12中显示的纤维碳可以在相对低的温度产生。具有这样结构的纤维碳包括石墨层体(graphene layered body)(这样，可以被称为“石墨纳米纤维”，并且具有非晶态结构，它的比随温度增加)。更特别地，“石墨纳米纤维”指定这样的纤维物质，其中在其纵向(纤维的轴向)石墨分层(被压合)。换句话说，石墨纳米纤维是纤维物质，其中多个石墨被布置并分层(压合)，而不平行于纤维轴，如图12所示。

另一方面，碳纳米管是纤维物质，其中石墨围绕纵向(纤维轴向)布置(以圆柱形)。换句话说是纤维物质，其中石墨基本平行于纤维轴布置。

一层石墨被称为“石墨”或“石墨片”，更特别地，石墨以这种方式形成，即碳平面一层放在一层上，其上碳原子在SP2混成中通过共价键，排成阵列而形成彼此靠近的规则六边形，碳平面分开3.354

的距离。每个碳平面被称为“石墨”或“石墨片”。

每种式的纤维碳具有大约1到10V/μm的电子发射阈值，由此适宜地作为根据本发明的发射器(电子发射部件)4的材料。

特别地，使用石墨纳米纤维的电子发射设备，不限于图1所示的本发明的设备结构等，能够促使电子在低电场中发射，而得到大的发射电流，并且能够容易地生产，来得到具有稳定电子发射特点的电子发射设备。例如，通过形成石墨纳米纤维作为发射器，并且通过提供电极用于控制电子从发射器发射，可以得到这样的电子发射元件。进一步，如果使用光发射部件，其中当被石墨纳米纤维发出的电子照射时，光发射部件能够光发射，可以形成如灯这样的光发射设备。进一步，通过形成多个上述电子发射设备的阵列，并且通过准备具有光发射材料如荧光体的阳极，可以构成图像显示装置。在电子发射设备中，光发射设备和图像显示装置使用上述石墨纳米纤维，电子的稳定发射可以实现，而不用在设备或装置内保持超高的真空度，这样的真空是传统电子发射设备所需的。而且，由于电子通过低电场发射，设备或装置可以以提高的稳定性容易地生产。

通过使用催化剂(用于加速碳沉积的材料)分解碳氢化合物气体，可以形成上述纤维碳。用于形成碳纳米管和石墨纳米纤维的过程，在催化剂的种类和分解温度上不同。

催化剂材料可以是用作形成纤维碳籽晶的材料，并且可以从Fe、Co、Pd、No和这些材料的某些合金中选择。

特别地，如果使用Pd或Ni，可以在低温(不低于400℃)下形成石墨纳米纤维。在使用Fe或Co的情况下，必要的纳米管形成温度为800℃或更高。同样，从减小其它成分的影响并限制生产成本的角度考虑，通过使用Pd或Ni产生石墨纳米纤维材料的过程是优选的，其中这可以在低温下执行。

进一步，可以使用Pd的下述特性，这个特性在于，能够通过氢在低温(室温)下使氧化物减少。也就是，可以使用钯的氧化物作为形成材料的籽晶。

如果使用氧化钯减少氢，可以在相对低的温度(小于等于200℃)下形成初始凝结籽晶，而不用普通籽晶形成技术中传统使用的金属膜热凝结，或超精细粒子形成/沉积。

上述碳氢气体可以是例如乙炔、乙烯、甲烷、丙烷或丙烯。进一步，在一些情况下可以使用CO或CO₂气体，或有机溶剂蒸汽，如乙醇或丙酮。

在本发明的设备中，发射器(电子发射部件)存在的区域将被称为“发射器区域”，而不考虑它对电子发射的贡献。

在“发射器区域”中，电子发射点(电子发射部分)的位置和电子发射操作将参考图6和7描述。

阴极3与提取电极2之间具有几微米距离的电子发射设备，设置在真空装置60中，如图6所示。通过真空泵65，产生大约10-4Pa的足够高的真空度。高于阴极3和提取电极电势的大约几千伏的电势(电压Va)，从电压源(“第二加压装置”或“第二加电势装置”)加在阳极61上，其中放置阳极61，使阳极61的表面到基底1表面的高度H为几毫米，如图6所示。当电压Va加在阴极3与阳极61之间时，加在阳极上的电压可以是来自接地电势的电压。基底1和阳极61彼此相关定位，使它们的表面彼此平行。

在电子发射设备的阴极3与提取电极12之间，大约几十伏的电压作为电源(未画出)(“第一加压装置”或“第一加电势装置”)的驱动电压Vf应用。测量在电极2与3之间流动的设备电流If，和流经阳极的电子发射电流Ie。

假设在这个操作中，等势线63如图6所示形成(电场(电场方向)基本平行于基底1的表面)，并且假设在电子发射部件4最靠近阳极并且面对间隙部分的点上，如64所指示的，电场密度最大化。电子被认为主要从这个电场密集点附近的电子发射材料部分发出，那里电场的密度最大化。得到如图7所示的Ie特性曲线。也就是，在相当于大约一半应用电压的电压处，Ie突然上升。If特性曲线(未画出)与Ie特性曲线相似，但If的值比Ie的充分小。

通过布置多个根据本发明的电子发射设备，得到的电源将参考图8描述。在图8说明了电源基底81，X向接线82，Y向接线83，根据本发明的电子发射设备84，和连接导体85。

X向接线82具有m个导体DX1，DX2，…，DXm，它们由例如真空蒸发、印刷、溅射或相似方法形成的导体材料组成。接线的材料、膜厚度和宽度根据适当的设计选择。Y向接线83具有n个导体DY1，DY2，…，DYn，并且与X向接线相同的方式形成。层间绝缘层(未画出)提供在X向接线82的m个导体与Y向接线83的n个导体之间，而将这些导体电分离(m和n的每个是正整数)。

层间绝缘层(未画出)是例如真空蒸发、印刷、溅射或相似方法形成的SiO₂层。例如，在基底81的整个或部分表面上，层间绝缘层形成所需的形状，其中在基底81的表面上，已经形成X向接线82，并且选择膜厚度、材料和制造方法，来确保特别是承受X向接线82与Y向接线83导体交叉部分上的电势差。X向接线82与Y向接线83的导体各自向外伸出，作为外接线端。

组成电子发射设备84的电极对(未画出)，通过导电材料或相似元件制成的连接导体85，与X向接线82的m个导体和Y向接线83的n个导体电连接。

形成接线82和83的材料、形成连接导体85的材料和形成设备电极对的材料，可以由共同组成元件整个组成，或者由共同组成元件部分组成，或者可以由不同组成元件组成。这些材料从例如上述设备电极的材料中选择。如果设备电极的材料与接线材料相同，那么连接到设备电极上的接线导体可以认为是设备电极。

这样的扫描信号应用装置(未画出)联接到X向接线82上，用于施加扫描信号，来选择X向布置的电子发射设备84的行。另一方面，用于根据输入信号，将加在Y向布置的电子发射设备84的列上的电压调制，这样的调制信号发生装置连接到Y向接线83上。提供加在每个电子发射设备上的驱动电压，作为相应于加在元件上的扫描信号与调制信号之间的差的电压。

在上述布置中，通过使用连接成被独立驱动的无源阵列，可以选择每个设备。

通过使用具有这样的无源阵列的电子源，构成的成像装置将参考图9描述。图9示意地显示了成像装置显示面板的例子。参考图9，多个电子发射设备配置在电子源基底81上，其中电子源基底81固定在背板91上。一个面板96具有玻璃基底93；荧光膜94，作为光发射部件提供在玻璃基底93的内表面上；和一个金属背板(阳极)95等。通过使用烧结玻璃或相似元件，背板91和面板96连接到支持框92上。在例如大气、真空或氮气中，以400到500℃的温度范围烘烤大约10分钟或更长，通过这样的密封黏结形成封装97。

如上所述，封装97由面板96、支持框92和背板91组成。背板91主要用于增强基底81的目的而提供。如果基底81自身具有足够高的强度，那么不必另外提供背板91。也就是，支持框92可以直接密封黏结到基底81上，并且封装97可以由框板96、支持框92和基底81形成。被称为衬垫的支持部件(未画出)可以提供在面板96与背板91之间，来允许封装97具有足够高的强度抵抗大气压。

本发明的实施例将在下面具体描述。

(实施例1)

图1A显示了这个实施例中制造的电子发射设备的顶视图。图1B是沿图1A的1B-1B线剖开的剖视图。

图1A和1B说明了绝缘基底1、提取电极2(栅极)、阴极3和发射器材料4。

将具体描述这个实施例的电子发射设备的制造过程。

(步骤1)

石英基底用作基底1。在充分清洁基底后，5nm厚的Ti膜(未画出)和30nm厚的多晶硅膜(掺杂了砷)，通过溅射在基底上而连续沉积，作为栅极2和阴极3。

下面，使用正光致抗蚀剂(克莱立安(clariant)公司的AZ1500)，通过照相平版印刷(光刻)形成抗蚀剂图样。

此后，在多晶硅(掺杂了砷)层和Ti层上，以用作掩模并形成图样的光致抗蚀剂执行干蚀刻，CF₄气用于蚀刻Ti层。由此形成提取电极2和阴极3，其间具有5μm的间隙(图5A)。

(步骤2)

下面，通过电子束蒸发(EB)，具有大约100nm厚度的Cr配置在整个基底上。

通过使用正光致抗蚀剂的光刻法(克莱立安公司的AZ1500)，形成抗蚀图样。

以用作掩模并形成图样的光致抗蚀剂，使开口形成在阴极3上，其中开口相应于电子发射材料4提供的区域(100μm见方)。通过使用硝酸铈蚀刻溶液，开口上的Cr被去除。

在去除抗蚀剂后，通过将异丙基乙醇等加到Pd复合物中准备的复合溶液，通过旋涂应用到整个基底上。

在应用溶液后，在大气中以300℃执行热处理，来形成具有大约10nm厚度的氧化钯层51。此后，通过使用硝酸铈蚀刻溶液去除Cr(见图5B)。

(步骤3)

基底在200℃烘烤，大气被抽出，然后在以氮气稀释的2％的氢气流中执行热处理。在这个阶段，具有大约3到10nm直径的粒子52形成在阴极3的表面上。在这个阶段，粒子的密度估计为大约10¹¹到10¹²个粒子/cm²(图5C)。

(步骤4)

然后，在以氮气稀释的0.1％的乙烯气流中，热处理在500℃执行10分钟。热处理后的状态通过扫描电子显微镜被观察到，发现多个纤维碳4形成在Pd涂层区中，其中纤维碳4具有10到25nm的直径，象纤维一样延伸，同时卷曲或弯曲。纤维碳层的厚度为大约500nm(图5D)。

这个电子发射设备设置在图6显示的真空装置60中。通过抽气泵62，产生大约2×10^-5Pa的足够高的真空。电压Va＝10kV作为阳极电压加在阳极61上，阳极61距设备H＝2mm，如图6所示。同样，Vf＝20V的脉冲电压作为驱动电压加在设备上。由此产生的设备电流If和电子发射电流Ie被测量。

电子发射设备的If和Ie特性曲线如图7显示。也就是，在所加电压大约一半的电压，Ie突然升高，并且在15V的Vf值，测量到大约1μA的电流作为电子发射电流Ie。另一方面，If特性曲线与Ie特性曲线相似元件，但If的值小于Ie的值一个数量级或更多。

得到的束具有通常矩形的形状，它的长边沿着Y向，而短边沿着X向。关于电极2与3之间1μm和5μm的不同间隙，测量束宽度，而Vf固定在15V，并且到阳极的距离H固定在2mm。表1显示了这个测量的结果。

表1

通过改变纤维碳的生长条件，能够改变用于驱动的必要电场。特别地，通过还原氧化钯形成的Pd粒子的平均粒子尺寸，与此后生长的纤维碳的直径相关。通过Pd混合物涂层中的Pd密度和旋涂的旋转速度，能够控制平均Pd粒子尺寸。

以透射电子显微镜观察这个电子发射设备的纤维碳，来识别结构，其中石墨在纤维轴向上分层，如图12的右侧部分所示。在约500℃的低温加热导致的石墨叠层间隔(在Z轴方向上)是不确定的，并且为0.4nm。随着加热温度增加，栅格间隔变得确定。在700℃加热导致的间隔为0.34nm，接近石墨中的0.335nm。

(实施例2)

图2显示了本发明的第二实施例。

在这个实施例中，电子发射设备以与第一实施例中的相同方式制造，除了相应于第一实施例中的阴极3具有500nm的厚度，并且提供作为电子发射材料4的纤维碳100nm的厚度。电子发射设备制造中的电流If和Ie被测量。

在这个设备的布置中，通过增加阴极3的厚度，电子发射点相对于栅极正向地提高(向着阳极)。电子撞击在栅极上的轨道由此减小，由此防止效率降低和束增厚现象的发生。

同样在这个设备的布置中，电子发射电流Ie在Vf＝20V时为大约1μA。另一方面，If特性曲线相似于Ie特性曲线，但If的值小于Ie的值两个数量级。

在这个实施例中，束直径的测量结果基本与表1显示的那些相同。

(实施例3)

图3显示了本发明的第三实施例。

在这个实施例中，在相应于第一实施例的步骤2的步骤中，氧化钯51提供在阴极3上和电极2与3的间隙中。氧化Pd以这样的方式提供在间隙中，即它从阴极3伸出到靠近间隙中点的点上。除了步骤2，这个实施例与第一实施例相同。

因为间隙减小，这个实施例的电子发射设备中的电场，是第一实施例中强度的两倍，由此允许驱动电压减小到大约8V。

(实施例4)

图4显示了本发明的第四实施例。在这个实施例中，上面关于第一实施例描述的步骤1和步骤2，被如下所述改变。

(步骤1)

石英基底用作基底1。在充分清洁基底后，5nm厚的Ti膜和30nm厚的多晶硅膜(掺杂了砷)通过溅射，连续配置在基底上作为阴极3。

下面，使用正光致抗蚀剂(克莱立安公司的AZ1500)，通过光刻形成抗蚀剂图样。

下面，在多晶硅层和Ti层上，通过使用CF₄气体，以形成图样并用作掩模的光致抗蚀剂，来执行干蚀刻。由此形成阴极3。

然后通过使用氢氟酸和氟化铵形成的混合酸，将石英基底蚀刻到大约500nm的深度。

然后通过再次执行溅射，将5nm厚的Ti膜和30nm厚的Pt膜连续配置在基底上，作为栅极2。在从阴极上去除光致抗蚀剂后，通过使用正光致抗蚀剂(克莱立安公司的AZ1500)，再次形成抗蚀剂图样，来形成栅极。

下面，在Pt层和Ti层上，通过使用Ar，以形成图样并用作掩模的光致抗蚀剂，来执行干蚀刻。由此形成电极2，使电极之间形成的阶梯用作间隙。

下面，抗蚀剂图样形成在阴极上，通过具有良好直通效果的电阻加热蒸发，形成具有大约5nm厚度的Ni膜，此后在350℃执行氧化30分钟。

这个步骤后面是与第一实施例中的那些相同的步骤。

上述设备安排允许形成更精细的间隙，在大约6V的更低电压下使电子有效地发射。

因为相对于栅极，电子发射材料4的高度(膜厚度)增加，电子不仅从电子发射材料4的上部，而且从中间部分拉出。这样，这个实施例中的布置具有防止由于电子撞击在栅极上而导致的效率减小和束增厚现象的发生的效果。

(实施例5)

通过布置多个第一实施例中制造的电子发射设备，而得到的电子源，和使用这个电子源的成像装置，将参考图8、9和10描述。在图8中说明了电子源基底81、X向接线82、Y向接线83、根据本发明的电子发射设备84，和连接导体85。

具有图8显示的矩阵接线的电子源通过布置多个电子发射设备，设备电容增加，由此具有问题，即使应用脉宽调制产生的短脉冲，波形也会被电容成分钝化或变形，而导致例如不能得到必要的灰度等级。由此在这个实施例中，采用这样的结构，其中在电子发射区旁提供层间绝缘层，来限制电子发射区以外的区域中电容成分的增加。

参考图8，X向接线82具有m个导体DX1，DX2，…，DXm，它们具有大约1μm的厚度和300μm的宽度，并且通过蒸发由铝接线材料形成。接线导体的材料、膜厚度和宽度，根据适当的设计选择。Y向接线83具有n个导体DY1，DY2，…，DYn，它们具有5μm的厚度和100μm的宽度，并且以与X向接线82相同的方式形成。层间绝缘层(未画出)提供在X向接线82的m个导体与Y向接线83的n个导体之间，来电分离这些导体(m和n的每个是正整数)。

层间绝缘层(未画出)是例如溅射或相似方法形成SiO₂层，并且具有大约0.8μm的厚度。例如，层间绝缘层在基底81的整个或部分表面上形成所需的形状，在基底81的表面上已经形成X向接线82。特别地，确定层间绝缘膜的厚度，来确保承受X向接线82与Y向接线83的导体相交部分上的电势差。X向接线82与Y向接线83的导体各自向外延伸作为外接线端。

通过导电金属或相似材料制成连接导体85，将组成电子发射设备84的电极对(未画出)与X向接线82的m个导体和Y向接线83的n个导体电连接。

用于应用扫描信号，来选择X向安排的电子发射设备84的行，这样的扫描信号应用装置(未画出)连接到X向接线82上。另一方面，用于根据输入信号，将加在Y向安排的电子发射设备84的列上的电压进行调制，这样的调制信号发生装置连接到Y向接线83上。提供加在每个电子发射设备上的驱动电压，作为相应于加在元件上的扫描信号与调制信号之差的电压。在本发明中，Y向接线83连接到上面关于第一实施例描述的电子发射设备的栅极2上，而X向接线连接到元件的阴极3上。这个连接实现了束集中效果，这是本发明的特点。

在上述布置中，通过使用无源矩阵接线，可以选择每个元件，而被各自驱动。

通过使用具有这样的无源矩阵的电子源，构成的成像装置将参考图9描述。图9是显示成像装置显示面板的图。

参考图9，电子源提供在电子源基底81上，其中电子源具有上面参考图8描述的多个电子发射设备。基底81固定到背板91上。面板96具有玻璃基底93；荧光膜94，作为光发射部件提供在玻璃基底93的内表面上；金属背95等。通过使用烧结玻璃或相似元件，背板91和面板96连接到支持框架92上。在真空中大约450℃的温度下烘烤10分钟，通过密封黏结形成封装97。电子发射设备84相应于图9显示的电子发射区。在这个实施例中，X向接线82和Y向接线83连接到电子发射元件的电极对上。

如上所述，封装97由面板97、支持框架92和背板91组成。被称作衬垫的支持部件(未画出)提供在面板96与背板91之间，允许封装97具有足够高的强度，来抵抗大气压。

在制成荧光膜后，通过使荧光膜的内表面光滑(一般称作“膜化”)，此后通过真空蒸发或相似方法来沉积Al，制成金属背95。

面板96进一步有透明的电极(未画出)提供在荧光膜94的外表面上，来提高荧光膜94的导电性。

将描述扫描电路102。扫描电路102包括M个转换设备(在图中示意地显示为S1到Sm)。每个转换设备S1到Sm从直流电压源Vx和0(V)(接地电平)选择一个输出电压。转换设备S1到Sm各自连接到显示面板101的接线点Dx1到Dxm上。每个转换设备S1到Sm根据控制电路103输出的控制信号Tscan操作，并且可以是转换设备如场效应晶体管(FET)和其它元件的组合。在这个例子中，构成直流电压源Vx来输出恒定电压，使加在设备上的驱动电压不高于电子发射阈值电压，其中设备不根据电子发射设备的特性(电子发射阈值电压)扫描。

控制电路103具有将元件的操作彼此匹配，来根据外部提供的输入信号适当地执行显示的功能。控制电路103根据同步信号分离电路106提供的同步信号Tsync，对元件产生控制信号Tscan、Tsft和Tmry。

同步信号分离电路106是用于从外部提供的NTSC制电视信号中，分离同步信号成分和亮度信号成分的电路。通过使用普通频率分离(滤波)电路等，可以形成这个电路。通过同步信号分离电路106分离的同步信号，由垂直同步信号和水平同步信号形成。然而，为了方便起见，在图中显示为Tsync。为了方便起见，从电视信号中分离的图像亮度信号成分显示为DATA信号。DATA信号输入到移位寄存器104。

移位寄存器104是相对于每条图像线，用于DATA信号从串行到并行转换的设备，其中DATA信号以时间顺序输入。移位寄存器104根据控制电路103提供的控制信号Tsft操作。(也就是，控制信号Tsft可以被认为是移位寄存器的移位时钟。)在串行到并行的转换后，相应于一条图像线的数据从移位寄存器104输出，作为N个并行信号Id1到Idn。

线存储器105是对必要的时间周期，存储相应于一条图像线的数据的存储设备。线存储器105根据控制电路103提供的控制信号Tmry，存储信号Id1到Idn的内容。存储的内容被输出，作为输入到调制信号发生器107的I`d1到I`dn。

调制信号发生器107是适当调制信号的信号源，该信号根据图像数据项I`d1到I`dn，用于驱动电子发射设备。调制信号发生器107的输出信号通过接线端Doy1到Doyn，加到显示面板111的电子发射设备上。

如上所述，本发明可以应用的每个电子发射设备具有下面关于发射电流Ie的基本特性。也就是，相对于电子的发射有有限的阈值电压Vth。只当应用高于Vth的电压时，促使电子发射。当高于电子发射阈值时的电压加到电子发射设备上时，发射电流根据所加电压的改变而改变。由此，在脉冲形式的电压加到电子发射设备上的情况下，当所加电压的阈值低于电子发射阈值时，电子发射不被促使发生，但当所加电压的值等于或高于电子发射阈值时，电子束输出。在这种情况下，可以通过改变脉冲峰值Vm，来控制电子束的强度。同样，可以通过改变脉宽Pw，控制输出电子束的充电总量。

由此，电压调制方法、脉宽调制方法或诸如此类方法，可以用作根据输入信号调制电子发射设备的方法。如果执行电压调制方法，则其中电路能够产生具有恒定等时间间隔的电压脉冲，和根据输入数据调制脉冲峰值的电压调制式电路，可以用作调制信号发生器107。

如果执行脉宽调制方法，则其中电路能够产生具有恒定峰值的电压脉冲，和根据输入数据调制电压脉冲的脉宽的脉宽调制式电路，可以用作调制信号发生器107。

这个实施例中使用的每个移位寄存器104和线存储器105，是数字信号式的。

在这个实施例中，数字到模拟的转换电路，例如用于调制信号发生器107和放大电路等，如果必要的话被加入。例如，在使用脉宽调制方法的情况下，高速示波器、用于计算示波器输出波数量的计数器，和用于比较计数器输出值与上述存储器输出值的比较器相结合，用在调制信号发生器107中。

上述成像装置的结构，是本发明可以应用的成像装置的例子，根据本发明的技术思想，其中可以进行各种修改和变化。输入信号不限于上述NTSC信号。也可以使用根据PAL系统和SECAM系统的信号，及其它相应于大量扫描线的TV信号(例如用于MUSE系统和其它高分辨TV系统的那些信号)。

图像显示在根据这个实施例制成的图像显示装置上。高亮度高分辨率图像已经长时间稳定地显示在成像装置上。

根据本发明，如上所述，电子发射设备的比电容可以减小，并且驱动电压也可以减小。通过使用这样的电子发射设备，可以实现具有提高效率和更小束尺寸的电子源。

通过使用根据本发明的电子发射设备，可以实现具有高分辨率的成像装置，例如彩色平面屏幕电视机。

Claims (8)

1.一种电子发射器件，包括：

包含碳作为主要成分的纤维；

用于控制从所述包含碳作为主要成分的纤维的电子发射的电极，其中所述包含碳作为主要成分的纤维具有多个分层的从而不平行于所述纤维的轴向的石墨，

阴极，其中所述包含碳作为主要成分的纤维提供在所述阴极上，并且与所述阴极电连接，

其中所述阴极和所述用于控制电子发射的电极被配置在一个基底上，在所述阴极与所述用于控制电子发射的电极之间形成间隙。

2.根据权利要求1的电子发射器件，其中所述电子发射器件与用于驱动的阳极相对布置，

所述纤维的一部分距所述阳极的距离小于所述阳极和所述用于控制电子发射的电极之间的距离。

3.根据权利要求1的电子发射器件，其中所述阴极和所述用于控制电子发射的电极配置在所述基底的同一表面上。

4.根据权利要求1的电子发射器件，其中所述阴极和所述用于控制电子发射的电极具有相同的厚度。

5.根据权利要求2的电子发射器件，其中所述纤维部分和所述基底的表面之间的距离大于所述用于控制电子发射的电极的表面和所述基底的表面之间的距离。

6.一种图像显示装置，包括具有多个电子发射器件的电子源和具有光发射部件的阳极，其中所述光发射部件响应所述电子源发射的电子的辐射而发光，

其中，根据权利要求1-5中任一项提供所述电子发射器件。

7.一种电视机，包括根据权利要求6所述的图像显示装置。

8.一种计算机，包括根据权利要求6所述的图像显示装置。

Images