CN100428393C - 电子发射器件、电子源和图像显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有偶极子层的电子发射器件、电子源和图像显示器，其中，提供一种具有足够的开/关特性而且能够在低电压下有效地发射电子的电子发射器件。电子发射器件包括基片、设置在基片上的阴极电极和栅电极、覆盖阴极电极的表面的绝缘层、以及通过用氢终止绝缘层表面形成的偶极子层。

Description

电子发射器件、电子源和图像显示器

技术领域

本发明涉及使用电子发射膜的场致发射型电子发射器件、具有许多电子发射器件的电子源和使用这种电子源的图像显示器。

背景技术

电子发射器件包括场致发射型(在下文中称之为FE型)和表面传导型电子发射器件。

FE型电子发射器件是通过将电压(电场)加在阴极电极(和设置在它上面的电子发射膜)和栅电极之间把电子从阴极电极(或电子发射膜)提取到真空中的器件。所以，操作电场在很大程度上受阴极电极(电子发射膜)的功函数和形状的影响，而且一般地说，选用功函数小的阴极电极(电子发射膜)可能是必要的。

日本专利公开第9-199001号揭示一种有作为阴极电极的金属和粘合到金属上的半导体(钻石、AlN、BN、等)的电子发射器件。在这份日本专利中，揭示了一种方法，在该方法中厚度大约为10nm或以下的钻石的半导体薄膜表面用氢终止，从而使半导体薄膜的电子亲合势(electron coffinity)变成负的。图14是展示在日本专利公开第9-199001号中揭示的电子发射器件的电子发射原理的能带图。在这张图中，参考数字1表示阴极电极，数字141表示半导体薄膜，数字3表示提取电极，数字4表示真空势垒，而数字6表示电子。

表面用氢终止的钻石作为有负电子亲合势的材料是典型的。使用钻石表面作为电子发射表面的电子发射器件是在美国专利第5283501号、美国专利第5180951号、Zhinov.J.Liu等人的“EnvironmentalEffect On the electron emission from diamond surfaces(环境对来自钻石表面的电子发射的影响)”(J.Vac.SCi.Technol，B16(3)，May/June，1998，PP.1188-1193)中揭示的。

发明内容

在使用上述的钻石的传统的电子发射器件中，在低阈电场下的电子发射和大电流发射是允许的。另一方面，当使用有负电子亲合势或极小的正电子亲合势的半导体的时候，如果半导体曾经被注入电子，电子几乎必然被发射。所以，容易发射电子的特性可能使得不能对来自应用于电子源或显示装置的每个电子发射器件的电子发射进行控制(具体地说，开/关切换)。

一般地说，在有按矩阵形式(矩阵图)设置的FE型电子发射器件的电子源和使用这种电子源的显示器(FED)中，每个电子发射器件都被连接到在X-方向上的众多块配线(将被扫描信号应用的扫描配线)之一和在Y-方向上的众多块配线(将被调制信号应用的信号配线)之一上。在所谓的“逐行驱动”的情况下，在X-方向上需要的一块配线是从众多在X-方向上的配线块中选定的，为的是把扫描信号加到它上面，同时把调制信号加到与结合扫描信号选定的X-方向配线上的所需的电子发射器件连接的Y-方向配线上。通过在X-方向上的另一块配线上继续完成这个操作，“逐行驱动”得以完成。“逐行驱动”不局限于一次驱动一行，而是多行(X-方向上的多条配线)可能被同时驱动。换句话说，扫描信号可能同时被加到两条以上X-方向上的配线上。

在“逐行驱动”中，加上不同于0伏(典型地，加到被选定的电子发射器件上的驱动电压的一半)的电压的电子发射器件可能存在于未被选定的电子发射器件(接在未被选定的扫描配线上的电子发射器件)中。在选择期间将低于驱动电压的电压(而且不同于0伏)加到未被选定的电子发射器件上的状态被称为“半选定”状态。加到处于“半选定”状态的电子发射器件上的电压被称为“半选定电压”。另外，从处在“半选定”状态的电子发射器件发射的电流和/或流过处于“半选定”状态的电子发射器件的电流被称为“半选定电流”。从被选定的电子发射器件发射的电流和/或流过处于选定状态的电子发射器件的电流都被称为“选定电流”，而“半选定电流”与“选定电流”之比被称为“半选定电流比”。

当“逐行驱动”的方法被应用于包括按矩阵形式排列的使用有负电子亲合势或极小的正电子亲合势的半导体的多个电子发射器件的电子源或显示器的时候，上述的“半选定电流”很可能出现。这能使显示图像或图像对比度劣化。

接下来，将就对比度而论描述“半选定电流”。场致发射电流J遵照Fowler-Nordheim模型用下面的公式表示：

$J=\frac{{\mathrm{AE}}^2}{\mathrm{\φt}}\exp (-B\frac{{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{E}v)\≈\frac{A{\left(\mathrm{V\β}\right)}^2}{\mathrm{\φt}}\exp (-B\frac{{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{\mathrm{V\β}})---\left(1\right)$

其中A、B：常数，Φ：势垒的高度(对应于电子亲合势)，V：外加电压，β：电场增强因子。所以，半选定电流J_half是：

$J_{\mathrm{half}}\≈\frac{A{\left(\mathrm{V\β}\right)}^2}{4\mathrm{\φt}}\exp (-B\frac{2{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{\mathrm{V\β}})---\left(2\right)$

所以，半选定电流比用下面的公式表示：

$\frac{J_{\mathrm{half}}}{J}\≈\frac{\frac{A{\left(\mathrm{V\β}\right)}^2}{4\mathrm{\φt}}\exp (-B\frac{2{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{\mathrm{V\β}})}{\frac{A{\left(\mathrm{V\β}\right)}^2}{\mathrm{\φt}}\exp (-B\frac{{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{\mathrm{V\β}})}=\frac{1}{4}\exp (-B\frac{{\mathrm{\φ}}^{1.5}}{\mathrm{V\β}})---\left(3\right)$

上述的“半选定电流比”对应于用来完成显示的显示部分(发光部分)和非显示部分(不发光部分)之间的对比度。例如，对于显示器对比率为1/1000是重要的。在实现对比率＝1/1000时，如果假定从阴极电极(或电子发射膜)场致发射的全部电子都有助于发光部件的光发射，那么“半选定电流比”用下面的公式给出：

$\frac{1}{1000}>\frac{1}{4}\exp (-B\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{V\β}})---\left(4\right)$

式(4)可以被写作：

$B\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{V\β}}>5.5---\left(5\right)$

从式(5)看到，为了具有对比率＝1/1000，V和β的数值优选是比较小的而Φ是比较大的。另外，当有负电子亲合势的材料被使用的时候，式(5)不能得到满足，以致在使用这样的电子发射器件的图像显示器中不能实现充分的和所需的对比度。图15表示每个Φ中的Vβ和Φ^1.5/Vβ之间的关系。

从阴极电极(或电子发射膜)发射的全部电子都变成发射电流的情况已被描述。然而，在“半选定”状态，即使当一些(或全部)被发射的电子都流到栅电极的时候，不仅器件本身的耗电量增加，而且所谓的“逐行驱动”实质上也不可能进行。

当电子发射器件按矩阵排列被驱动的时候出现的问题在这里已被描述。在使用有负电子亲合势或极小的正电子亲合势的半导体的电子发射器件方面还可能存在其它的问题。更确切地说，由于上述的电子发射器件有极小的阈电场，在阳极电极和电子发射器件被这样设置以致它们如同在图像显示器中那样彼此相对的情况下，电子发射器件由于阳极电极总是暴露在高电场下。所以，如果阳极电极和电子发射器件被这样简单地设置以致它们彼此相对，那么即使在加到电子发射器件上的电压是0伏特(未被选定的状态)，电子也可能由于阳极电极的电场容易被发射。因此，与在上述的“逐行驱动”中出现的问题一样，开/关对比度的问题出现，以致图像显示器的功能可能丧失。

本发明的目的是提供且有所需的和足够的开/关特性而且能够在低电压下有效地发射电子的电子发射器件、使用这种电子发射器件的电子源和有高对比度的图像显示器，其中每一个都解决了上述的问题。

依照本发明的电子发射器件包括：

(A)阴极电极；

(B)配置在该阴极电极上、并且在表面上形成有偶极子层的绝缘层；以及

(C)提取电极，

其中绝缘层是以无定形碳为主体的、厚度为1nm以上10nm以下的碳层，

通过将驱动电压加在阴极电极和提取电极之间，在与偶极子层接触的真空势垒高于绝缘层表面上的导带的状态下，通过从阴极电极穿过绝缘层和真空势垒，向真空中发射电子。

本发明的电子源包括多个依照本发明的电子发射器件。

本发明的图像显示器包括依照本发明的电子源、与该电子源分开配置的阳极电极和发光体。

依照本发明的电子发射器件可能优选至少进一步包括下述特征之一：

绝缘层的厚度是10nm或以下；

偶极子层是通过用氢终止绝缘层表面形成的；

绝缘层的表面在电子发射期间有正电子亲合势；

绝缘层包含作为主要成分的碳，而且优选碳包括作为主要成分的sp³杂化轨道结构的碳；

绝缘层的均方根(RMS)表面粗糙度小于绝缘层薄膜厚度的十分之一；

阴极电极的RMS表面粗糙度小于绝缘层薄膜厚度的十分之一；

阴极电极的RMS表面粗糙度是1nm以下；

提取电极和阴极电极在设置它们的基片上被空间间隔分开；

更优选，基片的表面穿过在阴极电极和提取电极之间形成的缺口暴露出来而且有凹进部分；

至少一部分绝缘层被设置在对着提取电极的阴极电极表面上；

绝缘层的末端不与基片表面接触，或者绝缘层的末端至少与对着提取电极的阴极电极表面的一部分隔开而且不覆盖那部分阴极电极表面；以及

提取电极被设置在阴极电极上方而且供电子从中穿过的开口，而且绝缘层也有(将阴极电极暴露出来的)开口设置在与提取电极的开口相对应的位置。

如上所述，依照本发明的电子发射器件优选是能够在低电压下有效地发射电子而且具有良好的开/关特性的场致发射型电子发射器件。使用这种器件能实现有高对比度的显示器。

本发明进一步的目的、特征和优点从下面参照附图对优选实施方案的描述将变得显而易见。

附图说明

由图1A和1B组成的图1是用来举例说明依照本发明的电子发射器件的电子发射原理的能带图。

由图2A和2B组成的图2是依照本发明的电子发射器件的局部放大的示意图。

图3是依照本发明的电子发射器件实施例的示意截面图。

图4是依照本发明的电子发射器件实施例的示意截面图。

图5是依照本发明的电子发射器件实施例的示意截面图。

图6是依照本发明的电子发射器件实施例的示意截面图。

由图7A到7E组成的图7是表现依照本发明的电子发射器件的制造方法的实施例的示意截面图。

图8是表示依照本发明的电子源的实施例的示意结构图。

图9是表示依照本发明的图像显示器实施例的示意结构图。

由图10A到10C组成的图10是表现依照本发明的电子发射器件的制造方法的另一个实施例的示意截面图。

由图11A和11B组成的图11是表示在本发明的实施例1中绝缘层的SES谱的图表。

图12是表示在本发明的实施例1中从绝缘层发射电子时的电流/电压特性的图表。

图13是表示在本发明的实施例3中电子发射器件的电流/电压特性的图表。

图14是用来举例说明传统的电子发射器件的电子发射原理的能带图。

图15是表示在依照本发明的电子发射器件中能够获得1/1000对比率的范围的图表。

由图16A到16E组成的图16是依照本发明的电子发射器件的制造方法的另一个实施例的示意截面图。

由图17A到17H组成的图17是依照本发明的电子发射器件的制造方法的另一个实施例的示意截面图。

具体实施方式

本发明的目的是当多个电子发射器件被设置在基片上以便用诸如矩阵驱动(例如，“逐行驱动”)之类的方法有选择地驱动它们的时候，在利用其优良的电子发射特性的同时提高阈电场(启动电子发射需要的电场)低的电子发射器件的控制能力。具体地说，本发明的目的是提供利用载流子(电子)通过绝缘层的量子隧穿现象和因用氢终止电子发射材料降低的真空势垒的隧穿现象从电子发射材料取出电子进入真空的电子发射器件。

依照本发明的电子发射器件(作为它的基本结构)由(A)阴极电极、(B)至少覆盖一部分阴极电极表面而且有偶极子层在其表面形成的绝缘层和(C)提取电极(栅电极和/或阳极电极)组成。

依照本发明的优选实施方案在下面参照附图予以详细描述。本发明范围不局限于在这些实施方案中描述的结构组成部分的尺寸、材料、形状和相对位置。

依照本发明的电子发射器件的电子发射原理将参照图1A和1B予以描述。在这些附图中，参考数字1表示阴极电极；数字2表示绝缘层；数字3表示提取电极；数字4表示真空势垒；数字5表示有偶极子层20在它上面形成的绝缘层2和真空之间的界面；而数字6表示电子。

用来把电子6从阴极电极1提取(拽)到真空的驱动电压是在将比阴极电极1的电位高的电位加到提取电极3的条件下阴极电极1和提取电极3之间的电压。

图1A是表示依照本发明的电子发射器件的驱动电压为0[V](即，阴极电极电位和提取电极电位实质上相同)的状态的能带图。图1B是表示驱动电压(＞0[V])加在阴极电极1和提取电极3之间的状态的能带图。参照图1A，绝缘层2借助在绝缘层2的表面上形成的偶极子层正在被极化，所以，形成与把δ[V]的电压加到绝缘层2的表面上的条件等价的状态。当在这个状态中进一步加电压V(V)的时候，绝缘层2的能带比较陡峭地弯曲，而真空势垒4更陡峭地弯曲。在这个状态中，与偶极子层接触的真空势垒4高于绝缘层2的表面上的导带(见图1B)。换句话说，在这个状态中，与偶极子层接触的真空势垒4的水平(高度)高于绝缘层2的表面上的导带的水平。在这个状态中，从阴极电极1注入的电子6能够借助通过绝缘层2和真空势垒4的隧道效应(量子力学隧道效应)被发射到真空中。电子发射器件的驱动电压(在驱动条件下加在阴极电极1和提取电极3之间的电压)依照本发明优选是50伏或更低，更优选介于5伏和50伏之间。

现在将参照图2描述图1A表示的状态。在图2中，参考数字20表示偶极子层，数字21表示碳原子，而数字22表示氢原子。在这个实施例中，偶极子层20是在用氢22终止的绝缘层2的表面(对真空的界面)处形成的。然而，本发明的终止材料不仅限于氢22。另外，碳层是作为绝缘层2的例证。虽然依照本发明绝缘层2的材料不仅限于碳，但是鉴于电子发射特性和制造过程中的便利，优选的是有作为绝缘层2的材料的碳层。用来终止绝缘层2的表面的材料可能是任何材料，只要它在未将电压加在阴极电极1和提取电极3之间的状态降低绝缘层2的表面水平(表面电位)即可。但是，优选使用氢。另外，在电压未加在阴极电极1和提取电极3之间的状态，用来终止绝缘层2的表面的材料把绝缘层2的表面水平(电位)减少0.5电子伏特以上是优选的，更优选减少1电子伏特或更多。然而，在依照本发明的电子发射器件中，为了在电压加在和未加在阴极电极1和提取电极3之间的两种状态中呈现正电子亲合势，绝缘层2的表面电子亲合势是必要的。加到阳极电极33的电压通常大约在10仟伏到30仟伏的范围以上。然后，在阳极电极和电子发射器件之间产生的电场强度通常被假定为大约1×10⁵V/cm或更低。所以，优选的是电子因为电场强度未从电子发射器件发射出来。因此，考虑稍后将予以描述的绝缘层2的薄膜厚度，有偶极子层20在它上面形成的绝缘层2的表面上的电子亲合势可能优选是2.5电子伏特或更大。

绝缘层2的薄膜厚度可能是由驱动电压决定的，而且优选被设定在20nm或更小，更优选在10nm或更小。绝缘层2的薄膜厚度下限可能被设定为任何厚度，只要它使供阴极电极1供应的电子6隧穿的势垒(绝缘层2和真空势垒)能够形成；或者，考虑到薄膜重复生产，它优选被设定在1nm或更大。

以这种方式，在依照本发明的电子发射器件中，绝缘层2在任何状态都有正电子亲合势，使得能够实现电子发射量的明显的开关比(即，电子发射量在选定的状态和未选定的状态之间的明显的差异)。

图2表示在用氢22终止的绝缘层2的表面(与真空的界面)形成偶极子层20的实施例。优选的上，氢22被略微正极化(δ+)。借此，在绝缘层2的表面上的原子(在这种情况是碳原子21)被略微负极化(δ-)，以形成偶极子层(也被称为“双电层”)20。

所以，如图1A所示，在依照本发明的电子发射器件中，即使驱动电压未加在阴极电极1和提取电极3之间，与施加双电层的电位δ(V)的状态等价的状态也在绝缘层2的表面上形成。另外，如图1B所示，借助在阴极电极1和提取电极3之间施加驱动电压V(V)，绝缘层2的表面中的水平(电位)下降逐渐发展，同时真空势垒4也随其引起降低。依照本发明，绝缘层2的薄膜厚度被适当地设定，以致电子能作为对驱动电压V(V)的响应凭借量子力学隧穿绝缘层2；例如，考虑到驱动电路的负荷，10nm或更小是优选的。当薄膜厚度变成大约10nm的时候，通过施加驱动电压V(V)由阴极电极1供应的电子6经过的绝缘层2的空间距离也被减少，从而导致可能的隧穿状态。

如上所述，当真空势垒4的空间距离以与绝缘层2相同的方式被减少的时候，真空势垒4也随着施加驱动电压V(V)降低，以致真空势垒4也能被隧穿，从而实现对真空的电子发射。

各种不同的修正可能在依照本发明的电子发射器件中完成。这样的修正被表示在图3到6中。在这些附图中，参考数字31表示基片，而数字32表示作为提取电极的栅电极，而且同样的参考符号表示同样的对于图1A到2共同的组成部分。

如图3到6所示，依照本发明，在基片31的表面上，栅电极32和阴极电极1是这样设置的，使得其间存在间隔；阴极电极1的表面优选被有偶极子层20的绝缘层2覆盖；而阳极电极33被这样进一步设置，使得对着阴极电极1，形成所谓的三极管结构。

参照图3到6，电压Vg加在栅电极32和阴极电极1之间，而电压Va加在阴极电极1和阳极电极33之间而且高于电压Vg。

在图3到6展示的结构中，当施加用来驱动电子发射器件的电压Vg(V)和Va(V)的时候，强电场被加到阴极电极1上的绝缘层2上，而等位面的形状是由电压Vg(V)、绝缘层2的厚度和形状以及绝缘层2的介电常数决定的。绝缘层2的等位面边界(在阴极电极1和栅电极32之间的间隙的外面)实质上平行于阳极电极表面，虽然依赖阳极电极33和阴极电极1之间的距离。

当加到绝缘层2(它是电子发射膜)上的电场超过预定的阈值的时候，发生来自绝缘层2的电子发射。在这个时候，被发射的电子向阳极电极33加速，以致撞击沉积在阳极电极33的下表面上的荧光材料(未示出)，使该材料发光。

图3表示具有上述的偶极子层20的绝缘层2实质上覆盖阴极电极1的整个表面，而图4表示绝缘层2不与毗邻对着和面对栅电极32的电极1的侧边(侧面)的基片31接触，使得阴极电极1的侧边的下半部分被部分地暴露出来。图5表示绝缘层2仅仅被设置在阴极电极1的顶面(对着阳极电极33的表面或实质上平行于基片1的表面)上，而图6表示面对电极32的绝缘层2的末端从对着栅电极32的电极1的表面末端(边缘)缩回，使得阴极电极1的上表面的一部分(边缘表面)被暴露出来。考虑到电子发射的效率(到达阳极电极33的电子数量与从阴极电极1发射的电子总量之比)，这些状态有按图3＜图4＜图5＜图6顺序的优良趋势。在图6所示的状态中，由于加到绝缘层2上的电场的均匀性高，所以发射电流的密度分布的均匀性可能有更大的提高。

上述的实例具有三极管结构；然而，作为替代，在其它的实施方案中它们可能通过从图3到6所示的结构中取消栅电极32变成所谓的二极管结构。在这种情况下，阳极电极变成提取电极。在图3到6中，栅电极32和阴极电极1被设置在同一基片上；作为替代，在其它的实施方案中，所谓的兼顾型(spinto-type)之类的结构也可能被采用，在这种结构中栅电极32被设置在阴极电极1和阳极电极33之间，而且在阴极电极1上方。在这样的结构中，通常，在阴极电极1和栅电极之间设置绝缘层(未示出)用作电绝缘。在这种情况下，优选的是形成电子能通过的开口(即所谓的“门孔”)。开口优选在绝缘层和栅电极中提供，以致阴极电极1暴露于开口之中，而且绝缘层的开口这样设置，使得它在位置上与栅电极的开口相对应(连通)。

另外，在三极管结构中，借助栅电极32和阳极电极33两者产生的合成电场，电子能从阴极电极1(绝缘层2)发射出来。在这种情况下，栅电极32和阳极电极33构成提取电极。

依照本发明的电子发射器件通常在绝缘层20的表面和提取电极之间加上小于1×10⁶V/cm的电场就能发射电子。由于绝缘层20在厚度方面非常小，所以依照本发明的电子发射器件在阴极电极和提取电极之间加上小于1×10⁶V/cm的电场就能有效地发射电子。

依照本发明，优选的是阴极电极1有图3到6所示的平坦形状；然而，为了增强电场，在其它的实施方案中阴极电极1可能有诸如锥形之类凸起的形状。然而，由于凸起的形状具有强烈的使电场过于局部集中的趋势，所以在大量的电子发射器件如同在显示器中那样大面积地以高密度形成的情况下，例如，均匀性可能反而降低。所以，阴极电极(绝缘层2的表面)的表面形状在这种情况下优选是平坦的。更具体地说，阴极电极1和/或绝缘层2的表面粗糙度优选依据均方根(RMS)标识系统小于绝缘层薄膜厚度的十分之一。此外，优选的是阴极电极1和/或绝缘层2的RMS表面粗糙度在1nm以下。RMS是在例如日本工业标准中使用的，它用均方根表示平均曲线和实测曲线之间的偏差。

接下来，依照本发明的电子发射器件的制造方法的实施例将参照图7A到7E予以描述。举例说明的实施方案的制造方法是一个实施例，而本发明按广义的解释不仅仅局限于这个实施方案的特定细节。沉积顺序和蚀刻方法取决于所用结构的类型，如同将在下面的实施方案中补充描述的那样。

[步骤1]

石英玻璃、Na之类杂质减少的玻璃、钠钙玻璃、有SiO₂沉积在基片上的复合材料和陶瓷制成的绝缘基片当中的任何一种预先充分地洗涤表面之后被当作基片31使用，而电极层71沉积在基片31上。

通常有传导性的电极层71是用诸如真空沉积和溅射之类一般的薄膜成形技术形成的。电极层71的材料可以适当地从一种或多种金属和合金中选定，例如Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt和Pd。电极层71的厚度被设定在数十纳米(nm)到数百微米(μm)，优选被设定在100nm到10μm的范围中。

[步骤2]

如图所示7A，绝缘层2被沉积在电极层71上。绝缘层2是用诸如真空沉积、溅射、HFCVD(热丝CVD)法和等离子CVD法之类一般的薄膜成形技术形成的；然而，方法不局限于此。绝缘层2的厚度被设定在能够实现电子隧穿的范围内，而且优选在4nm到10nm的范围中。

绝缘层2的材料基本上可以是任何适当的绝缘材料。如果只考虑电场密集度，介电常数尽可能小的材料是优选的。材料可能优选具有范围从1×10⁸Ωcm到1×10¹⁴Ωcm的电阻率。如果碳被看作是电子发射材料，则材料可能优选使用碳。如上所述，绝缘层2优选具有高电阻，以便实质上起绝缘体的作用。因此，绝缘层2可能主要包含无定形的碳、类金刚石碳(DLC)、金属氮化物、金属氧化物和金属碳化物，而且特别优选层2包含sp³杂化轨道结构的碳作为主要成分。

[步骤3]

为了用光刻把电极层71分为阴极电极1和栅电极32，用光刻抗蚀剂72形成图案(图7B)。

[步骤4]

通过蚀刻，把电极层71分成图7C所示的阴极电极1和栅电极32得以实现。关于电极层71和绝缘层2的蚀刻表面，平滑而且垂直的内表面或平滑而且呈锥形的表面是符合要求的而且优选通过蚀刻工艺获得，而适当的蚀刻方法(干法或湿法)可以依据所用材料的类型选定。开口(下陷部分)73的宽度W通常是根据构成电子发射器件的材料的种类和电阻率、电子发射器件的材料的功函数和驱动电压和所需电子射束的形状适当地设定的。栅电极32和阴极电极1之间的宽度W优选被设定为范围从数百纳米到100微米的数值。

在阴极电极1和栅电极32之间暴露在开口73中的基片31的表面优选低于电极1和基片31之间的边界(可以优选为开凿面)，如图所示7C。以这样的方式，通过在阴极电极1和栅电极32之间使基片1的表面凹陷成形(形成凹度)，当电子发射器件被驱动的时候，阴极电极1和栅电极32之间的电通道距离被有效地增加，而阴极电极1和栅电极32之间的漏电流被减少。

[步骤5]

如图7D所示，光刻抗蚀剂72随后被除去。

[步骤6]

最后，绝缘层2的表面借助热处理化学修饰用氢终止，以形成偶极子层20(图7E)。在图7E中参考数字74表示发生这种情况的环境。热处理也可能是通过在包含氢和烃类气体的环境中加热实施的。烃类气体优选包括诸如乙炔气体、乙烯气体和甲烷气体之类的直链烃类气体。

在图7E所示的上述结构中，形成绝缘层2以具有在阴极电极1和栅电极32的表面上形成的每个膜层2部分的偶极子层20；然而，优选的是只有设置在阴极电极1上的那部分绝缘层2才有偶极子层20。

在依照本发明的电子发射器件中，如图16E和图17H所示，电阻层161被设置在阴极电极1和绝缘层2之间。通过增设电阻层161，在电子发射期间发射的电流的瞬时变化能被抑制。这种器件的详细的制造方法将在下面予以描述的实施方案中予以描述。

电阻层161的薄膜厚度在数十纳米(nm)到数毫米(mm)的范围的；优选的是，它在介于数十纳米(nm)和数微米(μm)之间的范围内。厚度在上述范围内的电阻层161的电阻优选从介于1×10⁵Ω和10⁸Ω之间的范围内选择；实际上，从介于1×10⁶Ω和10⁷Ω之间的范围内选择。电阻层161的材料可以包括DLC(类金刚石碳)、无定形碳和掺杂的无定形硅；然而，它不仅限于这些材料。

接下来，将在下面描述依照本发明的电子发射器件的应用。例如，通过设置多个电子发射器件元件(电极和有偶极子层的膜层2)(为方便，在下文中称之为“电子发射器件”)，依照本发明能够在底部(基片)上构成电子源和图像显示器。

电子发射器件的各种不同的排列可以被采用。作为实例，存在所谓的矩阵式设置，在这种设置中多个电子发射器件被设置在沿着X-方向的多行和沿着Y-方向的多列中。构成多个沿着同一列设置的电子发射器件的各个器件相应的阴极电极和栅电极之一通常被接到在X-方向对应的配线上，而那个电子发射器件相应的阴极电极和栅电极的另一个被接到(在Y-方向)对应的也与同一列中的许多电子发射器件连接的配线上。

通过设置多个的电子发射器件获得的按矩阵式排列的依照本发明的电子源将参照图8予以描述。参照图8，参考数字81表示电子源底部(基片)；数字82表示设置在X-方向的配线；而数字83表示设置在Y-方向的配线。参考数字84表示电子发射器件；而数字85表示开口。在这个实施例中的电子发射器件84中，举例说明一种设置，在这种设置中具有开口85的栅电极32被设置在具有电子发射膜的阴极电极1上。

在X-方向由Dx1到Dxm组成的M条配线82是借助真空沉积、印刷、溅射之类的方法用金属或类似的材料制成的。配线的材料、薄膜厚度和宽度是基于预定的标准适当地设计的。在Y-方向由Dy1到Dyn组成的N条配线83是以同样的方式制成的。请注意，M和N两者都是正整数。在独立的配线82和独立的配线83之间，提供中间绝缘层(未示出)，以使配线82与配线83电绝缘。

中间绝缘层(未示出)是用借助真空沉积、印刷和溅射之类的方法形成的SiO₂之类的材料制成的。配线82和配线83的一部分(即末端部分)用作外部接线端。

构成每个电子发射器件84的电极(即，阴极电极1和栅电极32)被电连接到对应的配线82和对应的配线83上。

用来制作配线82和配线83的材料和用来制作阴极电极1和栅电极32的材料在构成材料的部分元素或全部元素方面彼此可能是完全相同的或不同的。如果它们是完全相同的，那么配线82和配线83也可能被叫做阴极电极1或栅电极32。

施加扫描信号的驱动器(未示出)被接到X-方向的配线82上，以便选择一行电子发射器件84。另一方面，产生调制信号的驱动器(未示出)被接到Y-方向的配线83上，以便调制每行与输入信号相对应的电子发射器件84。施加到每个电子发射器件上的驱动电压是作为施加到那个器件上的扫描信号和调制信号之间的电压差提供的。在这里举例说明某种结构，在这种结构中扫描信号被施加到栅电极32上而调制信号被加到阴极电极1上；反之，调制信号可以被加到栅电极32上，而扫描信号可能被加到阴极电极1上。

在上述的结构中，使用简化的矩阵式配线，个别器件被选定，以使它们能够被驱动(而且结果发射电子)。使用有这种简化的矩阵式设置的电子源的图像显示器将参照图9予以描述。图9是展示图像显示器的显示板的实施例的示意图。与图8共有的同样的参考数字在图9中表示同样的部件。

参照图9，电子源底部(基片)81有多个依照本发明的电子发射器件84，而且被固定到后板91上；而面板96具有由荧光屏94和在玻璃基片之类的透明基片93的内表面上形成的金属背面95或类似的东西组成的成像部件。后板91和面板96借助熔融玻璃之类的粘合剂粘合到支撑框架92上。因此，组件(面板外壳)97由面板96、支撑框架92和后板91组成。

由于提供后板91主要用来加强电子源底部81的强度，在电子源底部81本身有足够的强度的情况下，独立的后板91可以省略。换言之，通过把支撑框架92直接密封到电子源底部81上，组件97可以由面板96、支撑框架92和电子源底部81构成。另一方面，优选在面板96和后板91之间提供称作衬垫(spacer)的支撑(未示出)，以便构成具有足够的强度承受大气压力的组件97。

接下来，在将面板96、支撑框架92和后板91粘合之后，组件(外壳)97被密封。在密封过程中，当组件97被加热的时候，由真空泵通过排气管(未示出)将组件97的内部抽空，然后将排气管密封。为了在将面板96、支撑框架92和后板91粘合之后维持组件97的压力，也可进行吸气剂处理。吸气剂(未示出)可以使用蒸发型吸气剂，如，Ba(钡)和/或非蒸发型吸气剂。另外，在这里举例说明某种方法，在该方法中排气管是在将面板96、支撑框架92和后板91粘合之后密封的；作为替代，如果粘合是在真空室中完成的，排气管的密封未必是必不可少的，所以排气管本身并非是必要的。

在上述的工艺生产的使用具有矩阵排列的电子源构成的图像显示器中，通过经由在组件外面的外部接线端Dx1到Dxm和Dy1到Dyn将电压加到每个电子发射器件上，电子能够从所需的电子发射器件中发射出来。另外，通过经由高压接线端98把高电压Va加到金属背面95或透明的电极(未示出)上，电子束被加速。加速的电子撞击荧光屏94，使荧屏94发光并且形成图像。

除了用于电视广播、电视会议系统和计算机等的图像显示器之外，依照本发明的图像显示器还可以被用在用于使用感光鼓构成的光学印刷机的图像显示器中。

依照本发明，也能构成使用组件97的数据显示器和/或游戏机。具体地说，数据显示器和/或游戏机至少包括组件97、用来接收电视广播信号之类的广播信号的接收器和用来在台站依据收到的信号调谐的调谐器。然后，包含在调谐信号中的图像信息、文字信息或语音信息中的至少一个由组件97产生，以便显示和/或再现它。因为这种结构，数据显示器和/或游戏机实现电视的功能。

当然，在广播信号被编码的情况下，数据显示器和/或游戏机也能包括解码器。语音信号由容纳在数据显示器和/或游戏机中的喇叭之类的声音再现装置产生，以便与在组件97上显示的图像信息和文字信息同时再现它。

一种通过把图像信息或文字信息输出到组件97显示和/或再现的方法可以是：

首先，由收到的图像信息或文字信息产生与组件97的每个像素相对应的图像信号。然后，由此产生的图像信号进入组件97的驱动电路。在进入驱动电路的图像信号的基础上，通过控制从驱动电路施加到组件97内的电子发射元件上的电压来显示图像。

[实施例]

下面将详细地描述本发明的实施例。

[实施例1]

依照展示在图10中的制造方法，制造依照本发明具有偶极子层的半导体层(电子发射层)。在图10中的参考符号与图7中的一致。

使用石英作为基片31，在基片31被充分洗涤之后通过溅射形成厚度为500nm的TiN薄膜作为阴极电极1(图10A)。薄膜形成条件如下：

射频电源：13.56兆赫

射频功率：7.7W/cm`

气体压力：0.6Pa

环境气体：N₂/Ar(N₂：10％)

基片温度：室温

靶：Ti

然后，通过溅射在阴极电极1上沉积厚度为4nm的碳膜，以便形成绝缘层2(图10B)。使用石墨靶作为靶，薄膜在氩气气氛中形成。

接下来，在甲烷和氢的混合气体气氛中热处理上述的绝缘层2，以便在绝缘层2的表面形成偶极子层20(图10C)。热处理条件如下：

热处理温度：600℃

加热系统：灯加热

处理时间：60分钟

气体混合比：甲烷/氢＝15/6

在加热期间的压力：6.65KPa

用上述的制造方法获得的具有偶极子层20的绝缘层2(电子发射膜)的二次电子能谱(在下文中被缩写为“SES”)被示意地展示在图11A中。

SES是通过用电子束照射样品获得的，以便测量作为对它的响应发射的二次电子的能量分布，而样品的功函数能依据SES的截距估算。

图11B示意地展示作为基准的类金刚石碳(DLC)膜的SES。图11B的字符A表示DLC薄膜的SES，而字符B表示在将2V的偏压加到DLC膜上的状态下实测的SES。如图11B所示，人们会理解当电位加在DLC薄膜的表面上时候，表观功函数由于外加的电位而降低。

在依照本发明的电子发射器件中，能带被在绝缘层2的表面的(或在该表面上的)形成的偶极子层20弯曲，以便促成电子发射。如果这样的现象在实践中起作用，那么样品SES的实测结果将获得，彷佛电位可以加在表面上，如图11B所示。

图11A的字符D表示在这个实施例中制造的具有偶极子层20的绝缘层2的SES，而字符C指示因为仅仅没有完成热处理而没有偶极子层20的绝缘层2的SES。在图11A中，由SES估计的功函数在热处理中被减少大约2电子伏特。如同就图2描述的那样，如果与来自图11B的结果结合研究这个结果，人们将理解：通过热处理，绝缘层2的表面是用氢化学修饰的，以形成偶极子层20，从而功函数降低。

接下来，测量在这个实施例中生产的绝缘层2的电子发射特性。阳极电极(面积1mm²)被这样设置，以致它对着在这个实施例中制造的绝缘层2而且是与之分开的，而驱动电压被加在阳极电极和阴极电极之间。这个时候的电压/电流特性被表示在图12中，其中横坐标表示电场强度，而纵坐标表示发射电流密度。在图12中，字符A表示在这个实施例中制造的具有偶极子层20的绝缘层的电压/电流特性，而字符B表示因为没有在包含甲烷和氢的气氛中进行热处理而没有偶极子层20的绝缘层2的电压/电流特性。

这个实施例的具有偶极子层20的绝缘层2有明显的阈电场，而且证实电子是在低电场强度下发射出来的，从而表明优异的电子发射特性。

[实施例2]

依照在图10所示的制造方法，制造依照本发明的具有偶极子层20的绝缘层2。

使用石英作为基片31，在基片31被充分洗涤之后通过溅射形成厚度为500nm的W膜作为阴极电极1(图10A)。

然后，通过溅射在阴极电极1上沉积厚度为4nm的SiO₂膜，以便形成绝缘层2(图10B)。Ar/O₂＝1/1的混合气体被用来作为环境气体。条件如下：

射频电源：13.56兆赫

射频功率：110W/cm²

气体压力：0.5Pa

基片温度：300℃

靶：SiO₂

接下来，在甲烷和氢的混合气体气氛中热处理该基片，以便在绝缘层2的表面上(或在该表面)形成偶极子层20(图10C)。热处理条件如下：

热处理温度：600℃

加热系统：灯加热

处理时间：60分钟

气体混合比：甲烷/氢＝15/6

在加热期间的压力：7KPa

以这样的方式制造的具有偶极子层20的绝缘层2的电子发射特性被测量。阳极电极被这样设置，使得它对着有偶极子层20的绝缘层2而且与该绝缘层分开，而驱动电压被加在阳极电极和阴极电极之间。因此，以与实施例1同样的方式，获得有明显的阈值而且在低电场强度下发射电子的优异的电子发射特性。

[实施例3]

依照在图7中所示的制造方法，本发明的电子发射器件被制造出来。

步骤1

使用石英作为基片31，在基片31被充分洗涤之后通过溅射形成厚度为500nm的TiN薄膜作为电极层71。

步骤2

然后，借助ECR等离子CVD(电子回旋共振等离子化学蒸汽淀积)沉积厚度大约6nm的碳膜，以便形成半导体层2(图7A)。这是在DLC(类金刚石碳)的生长条件下。生长条件如下：

气体：CH₄

微波功率：400W

基片偏压：-90伏

气体压力：25mmPa

基片温度：室温

步骤3

接下来，如图7B所示，借助光刻，正性光刻抗蚀剂(Clariant公司制作的AZ150O)被旋涂、曝光和显影，以便形成掩模图案(光刻抗蚀剂72)。

步骤4

如图7C所示，使用掩模图案作为掩模连续地干蚀刻DLC薄膜和TiN电极。为了减少由于在热处理栅电极和阴极电极期间微量生成碳造成的漏电，蚀刻被略微过分地完成，以致达到略微蚀刻石英的程度。

步骤5

如图7D所示，掩模图案被完全除去。

步骤6

最后，如图7E所示，在甲烷和氢气的混合气体气氛中热处理基片，以便在绝缘层2的表面上(或在该表面)形成偶极子层20和完成电子发射器件。热处理条件如下：

热处理温度：600℃

加热系统：灯加热

处理时间：60分钟

气体混合比：甲烷/氢＝15/6

加热期间的压力：6KPa

在如同前面描述的那样制造的电子发射器件上方，如图3所示，设置阳极电极33，而且把电压加在阴极电极1和栅电极32以及跨越阳极电极33之间，以便驱动它们。图13是电子发射器件的电压/电流特性曲线图。这个实施例中的电子发射器件可以在电子低电压下发射而且有明显的阈值。实际驱动电压是电压Vg(加在阴极电极1和栅电极32之间的电压)＝20伏和电压Va(加在阴极电极1和阳极电极33之间的电压)＝10仟伏。

[实施例4]

图像显示器是使用在实施例3中制造的电子发射器件制造的。

在实施例3中制造的电子发射器件按100×100的矩阵图案排列，以便构成电子源。如图8所示，X-方向上的配线82被接到阴极电极1上，而Y-方向上的配线83被接到栅电极32上。此外，图8示意地表示具有在阴极电极1上形成的开口85的栅电极32被设置在电子发射器件84中；然而，这个实施例的图像显示器的电子发射器件不完全相对应它。除了电子发射器件的结构(在实施例3中所示的结构)之外，这个实施例的结构与图8示意地表示的结构完全相同。在这个实施例中，电子发射器件是按300μm×300μm的间距设置的。任何一种发射红色、蓝色和绿色中每种颜色的光线的荧光材料被设置在每个电子发射器件上方。

为了显示图像，借助电子源的“逐行驱动”，在优异的对比度下获得高亮度和高精细度的图像显示。

[实施例5]

步骤1

首先，如图16A所示，使用石英作为基片31，在将它充分清洗之后，通过溅射产生厚度为500nm的TiN作为电极层71。

步骤2

然后，通过溅射制造厚度为50nm的碳作为绝缘层161。为了具有1×10⁶Ω的电阻，碳被调整。

靶：石墨

气体：Ar

射频功率：500W

气体分压：0.27Pa

步骤3

接下来，为了具有厚度大约为6nm的碳膜作为绝缘层2，用ECR等离子CVD法沉积碳。薄膜在这个时候在DLC的生长条件下形成。生长条件如下：

气体：CH₄

微波功率：400W

基片偏压：-90伏

气体压力：25mmPa

基片温度：室温

步骤4

然后，如图16B所示，借助光刻，正性光刻抗蚀剂(Clariant公司制造的AZ1500)被旋涂、曝光而且借助光刻显影，以便形成掩模图案(抗蚀剂层72)。

步骤5

如图16C所示，使用掩模图案作为掩模，连续地干蚀刻绝缘层2、电阻层161和电极层71，随后膜层71形成元件1和32。蚀刻是略微过分地完成的，以致达到略微蚀刻石英的程度。在这个实施例中，开口73的宽度被设定在2μm。

步骤6

如图16D所示，掩模图案被完全除去。薄膜应力很小，而且薄膜剥落之类的工艺问题不出现。

步骤7

最后，如图16E所示，在氢气气氛(99.9％氢)中，用灯在630℃下对基片进行60分钟的热处理，以便完成这个实施例的电子发射器件。

阳极电极被设置在这样制造的电子发射器件的上方，而且该器件以与实施例3相同的方式被驱动。结果，在这个实施例的电子发射器件中，在电子发射期间发射的电流的瞬时变化与实施例3的电子发射器件相比被减轻。

实施例6

步骤1

首先，如图17A所示，使用石英作为基片31，在将它充分洗涤之后，通过溅射产生厚度为500nm的TiN作为电极层71。

步骤2

然后，如图17B所示，借助光刻，正性光刻抗蚀剂(Clariant公司制造的AZ1500)被旋涂、曝光而且借助光刻被显影，以便形成掩模图案(保护层72)。

步骤3

如图17C所示，使用掩模图案作为掩模，干蚀刻电极层71。蚀刻是略微过分地完成的，以致达到略微蚀刻石英的程度。

步骤4

接下来，为了具有厚度为50nm的碳膜，通过溅射形成作为电阻层161的碳。为了具有1×10⁷Ω的电阻，在这个时候碳被调整。

靶：石墨

气体：Ar

射频功率：500W

气体分压：0.27Pa

步骤5

接下来，为了有厚度大约为6nm的碳膜作为绝缘层2，用ECR等离子CVD法沉积碳。薄膜是在这个时候在DLC的生长条件下形成的。生长条件如下：

气体：CH₄

微波功率：400W

基片偏压：-90伏

气体压力：25mmPa

基片温度：室温

步骤6

然后，如图17F所示，借助光刻，正性光刻抗蚀剂(Clariant公司制造的AZ1500)被旋涂、曝光而且借助光刻被显影，以便形成掩模图案(保护层72)。

步骤7

如图17G所示，使用掩模图案作为掩模，连续地干蚀刻绝缘层2和电阻层161，然后，完全除去掩模图案。在这个实施例中，开口73的宽度被设定在大约1μm。薄膜应力很小，而且薄膜剥落之类的工艺问题不出现。

步骤8

最后，如图17H所示，在氢气气氛(99.9％氢)中，用灯在630℃下对基片进行60分钟的热处理，以便完成这个实施例的电子发射器件。

阳极电极被设置在这样制造的电子发射器件的上方，而且该器件以与实施例3相同的方式被驱动。结果，在这个实施例的电子发射器件中，在电子发射期间发射的电流的瞬时变化与实施例5的电子发射器件相比被减轻。

[实施例7]

在这个实施例中，通过设置分别在实施例5和实施例6中制造的大量的电子发射器件制造电子源，使用各自的电子源制造图像显示器。

在各电子源中，每个电子源都是以与实施例4相同的方式制造出来的，但每个电子发射器件的结构除外。然后，当通过逐行驱动电子源显示图像的时候，对比度极好的高亮度精细图像可能被稳定地长时间显示。

虽然本发明已参照目前考虑到的优选实施方案予以描述，但是人们将理解本发明不局限这些被揭示的实施方案。反之，本发明倾向于覆盖包括在权利要求书的精神和范围内的各种不同的修正和等价的设置。权利要求书的范围将被授予要这样同样地被一致最宽广的解释，以便囊括所有这样的修正和等价的结构和功能。

Claims (9)

1.一种电子发射器件，包括：

(A)阴极电极；

(B)配置在该阴极电极上、并且在表面上形成有偶极子层的绝缘层；以及

(C)提取电极，

其中绝缘层是以无定形碳为主体的、厚度为1nm以上10nm以下的碳层，

通过将驱动电压加在阴极电极和提取电极之间，在与偶极子层接触的真空势垒高于绝缘层表面上的导带的状态下，通过从阴极电极穿过绝缘层和真空势垒，向真空中发射电子。

2.根据权利要求1的电子发射器件，其中，

通过用氢终止所述碳层的表面来形成所述偶极子层，

在所述阴极电极和所述提取电极之间施加用于使电子发射的驱动电压时以及不施加时的两种状态下，所述碳层的表面呈现正电子亲合势，

通过在所述阴极电极和所述提取电极之间施加用于使电子发射的驱动电压，在与所述偶极子层接触的真空势垒高于所述绝缘层表面上的导带的状态下，通过从所述阴极电极穿过所述绝缘层和所述真空势垒来发射电子。

3.根据权利要求2的电子发射器件，其中绝缘层的均方根表面粗糙度小于绝缘层薄膜厚度的十分之一。

4.根据权利要求3的电子发射器件，其中阴极电极的均方根表面粗糙度小于绝缘层薄膜厚度的十分之一。

5.根据权利要求2的电子发射器件，还包括在其上设置阴极电极和提取电极的基片，其中提取电极和阴极电极被空间间隔分开。

6.根据权利要求2的电子发射器件，其中在所述阴极电极的表面和所述绝缘层之间配置有电阻层。

7.根据权利要求6的电子发射器件，其中在所述阴极电极和所述提取电极之间的间隙中露出的基片的表面具有凹进部分。

8.一种包括多个根据权利要求1-7中任何一项的电子发射器件的电子源。

9.一种包括根据权利要求8的电子源、与该电子源分开配置的阳极电极和发光体的图像显示器。

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