CN1123032C

CN1123032C - 一种场致发射器件

Info

Publication number: CN1123032C
Application number: CN97121265A
Authority: CN
Inventors: 库梯斯·D·莫亚; 约翰·宋; 詹姆斯·E·佳斯金; 劳伦斯·N·德沃斯基; 斯考特·K·阿基诺; 罗伯特·P·尼
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2003-10-01
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: US5760535A; KR100546224B1; KR19980033164A; EP0840344A1; CN1181613A; JPH10134701A; JP4070853B2; TW358958B

Abstract

场致发射器件包括一个支承在底；一个形成于其上的阴极；多个电子发射体；多个栅控提取电极，它们被放置得贴近多个电子发射体，用于使电子发射体产生电子发射体；一个主要介质表面放置在多个栅控提取电极之间；一个电荷耗散层，形成于主要介质表面上；和一个同栅控提取电极隔开一定距离的阳极。

Description

一种场致发射器件

技术领域

本发明涉及一种场致发射器件；更详细地说，涉及其中有着一些主要暴露介质表面的场致发射器件的领域。

背景技术

场致发射器件以及场致发射器件的可寻址矩阵是技术上熟知的。例如，场致发射器件的可选择寻址矩阵被用于场致发射显示器中。图1说明一种有着三极管结构的现有技术场致发射器件(FED)100。FED100包括多个栅控提取电极150，它们借助一个介质层140与阴极115隔开。阴极115包括一层象钼之类的导电材料淀积在一个支承基底110上。由一种象二氧化硅之类的介质材料制作的介质层140使栅控提取电极150与阴极115电绝缘。一个阳极180与栅电极150隔开一定距离，它由导电材料制作，借此界定一个空间区165。空间区165一般被抽真空至压力低于10-6。介质层140具有一些垂直的表面145，这些表面145界定一些发射阱160。多个电子发射体170装在发射阱160之内(每阱一个)，这些发射体170可以包括一些Spindt极尖。介质层140还包括一个有着一些被复盖部分147和暴露部分149的主表面。在被复盖部分147上置放一些栅控提取电极150。介质层140的主表面的暴露部分149暴露于空间区165中。在FED100的工作期间，象通常典型的三极管工作一样，把适当的电压加到栅控提取电极150、阴极115、和阳极180上，以便从诸电子发射体170中有选择地提取电子，并且使电子射向阳极180。典型的电压配置包括一个在100-10,000伏范围内的阳极电压；一个在10-100伏范围内的栅控提取电极电压；和一个它通常是电接地的低于10伏的阴极电位。所发射的电子打击阳极180，从阳极释放气态物质。发射的电子还沿着其从电子发射体170到阳极180的轨道撞击存在于空间区165中的气态物质(其中一些物质来自阳极180)。用这种方式在空间区165中产生一些阳离子物质，如图1中加圆圈的“+”号所示。当把FED100装入一个场致发射显示器中时，阳极180已在其上淀积一种电子致发光材料，该材料一接收到电子就产生发光。普通电子致发光材料在激励时容易释放大量的气态物质，它们也容易受到电子的轰击而形成阳离子。在空间区165内的阳离子物质受到阳极180的高正电势的排斥，如图1中一对箭头177所示，并导致撞击栅控提取电极150和介质层140的主表面的暴露部分149。那些撞击栅控提取电极150的阳离子以栅极电流的形式泄放；而那些撞击介质层140的主表面的暴露部分149的阳离子则存留在其中，从而建立起一个正的电位，如图1中用“+”符号所示。在暴露部分149建立正电位的过程继续下去，或者直至介质层140由于在其上达到介质材料的击穿电压而被击穿为止(一般击穿电位处于300-500伏范围内)；或者直至正电势高到足以使电子偏向介质层140的主表面(在图1中用箭头175表示)，使它们被暴露部分149接收，且从而将表面电荷中和为止。在后一种情况下，电荷建立/中和循环被接着重量复下去，并且丧失栅控提取电极150的控制作用；在前一种情况下，介质层140的击穿常常导致阳极180起弧，并且导致在阴极115与暴露部分149之间产生摧毁性电流(在图1中用箭头178表示)，毁坏介质层140和阴极115，从而使FED100变得不能工作。

在场致发射器件的发展中，已日益希望把栅控提取电极150和阴极115之间的重迭面积量减至最小，以降低由于极间电容而致的功率需求。在减小栅控提取电极150面积的同时，增加了介质层140的主表面的暴露部分149的面积。这就导致介质带电问题加重，伴生控制丧失，或器件出故障，如以上所详述。

现有技术的电子管，例如用于电视机的阴极射线管，通过以另一种方式用一层象氧化锡之类的导电材料薄膜覆盖暴露的介质表面，解决了由于介质表面带电所致的起弧问题。这一技术对解决FED100中类似的带电问题是无效的，因为用氧化锡之类的材料覆盖介质层140的暴露部分149会引起诸栅控提取电极150之间短路，实际上破坏了电子发射体170的寻址能力。对FED100用于象场致发射显示器之类的应用来说，这种寻址能力是决定性的。

于是，需要一种在栅控提取电极与阴极之间的重迭面积小的场致发射器件，它不会由于在器件内主要暴露介质表面积累正电荷而失效。

发明内容

根据本发明，提供一种场致发射器件(200，300，400，500)，其特征在于：一个支承基底(210，310，410，510)；多个有源元件，它们包括多个电子发射体(270，370，470，570)，和靠近多个电子发射体(270，370，470，570)的多个电极(250，215，350，315，450，415，550，515)，用于使发射体产生电子发射，由支承基底(210，310，410，510)支承多个有源元件；一个主介质表面(248，348，448，548)，该主介质表面相对于多个电子发射体(270，370，470，570)的一部分靠近地放置；一个电荷耗散层(252，352，452，552)置放在该主介质表面(248，348，448，548)上，使该主介质表面不暴露于器件的空间区从而在该器件工作期间不易于受到充电的影响，并且该电荷耗散层可操作地耦合于场致发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点；和一个阳极(280，380，480，580)，它与支承基底(210，310，410，510)隔开一定距离，且被置放得接收从多个电子发射体(270，370，470，570)发射的电子。

根据本发明，提供一种场致发射器件(200，300，400，500)，其特征在于：一个支承基底(210，310，410，510)；一个阴极(215，315，415，515)，形成于支承基底(210，310，410，510)的一个第一部分上；多个电子发射体(270，370，470，570)，它们相对于阴极(215，315，415，515)靠近地放置；多个栅控提取电极(250，350，450，550)，它们相对于阴极(215，315，415，515)可操作地安置，用于使多个电子发射体(270，370，470，570)产生电子发射；一个主介质表面(248，348，448，548)，该主介质表面置放在多个栅控提取电极(250，350，450，550)之间；一个电荷耗散层(252，352，452，552)，它形成于主介质表面(248，348，448，548)上，使该主介质表面不暴露于器件的空间区从而在该器件工作期间不易于受到充电的影响，并且该电荷耗散层可操作地耦合于场发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点；和一个阳极(280，380，480，580)，它同支承基底(210，310，410，510)隔开一定距离，并且被置放得接收由多个电子发射体(270，370，470，570)发射的电子。

根据本发明，提供一种用于防止场致发射器件(200，300，400，500)内暴露的介质表面(248，348，448，548)带正电荷的方法，其特征在于下述步骤：在暴露的介质表面(248，348，448，548)上提供一个电荷耗散层(252，352，452，552)；和把电荷耗散层(252，352，452，552)可操作地耦合到场致发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点。

附图说明

图1是现有技术场致发射器件的截面图；

图2是根据本发明的场致发射器件的一个实施例的截面图；

图3是根据本发明的场致发射器件的另一个实施例的截面图；

图4是根据本发明的场致发射器件的又一个实施例的截面图；

图5是根据本发明的场致发射器件的一个实施例的局部透视图；

图6是图5所示场致发射器件的场发射体的大比例放大的局部视图；和

图7是图5所示场致发射器件的侧立面局部视图。

具体实施方式

现在参考图2，它描述根据本发明的场致发射器件(FED)200的截面图。FED200包括一个支承基底210，它可以由硼硅酸盐玻璃之类的玻璃或硅制成。在支承在底210上形成一个阴极215。在这个特殊的实施例中，阴极215包括一层象钼之类的导电材料。FED200还包括一个介质层240形成于阴极215上。介质层240具有多个垂直的表面245界定多个发射阱260。在每个发射阱260内的阴极215上都置放一个电子发射体270。在这个特殊的实施例中，电子发射体270包括一个Spindt极尖。在另一实施例中，阴极215可以包括一层，例如说由非晶硅制成的镇流电阻部分，放在电子发射体270的下面；和一个由象铝或钼之类的导电材料制成的导电部分，欧姆接触于镇流电阻器部分。介质层240还包括一个主介质表面248。根据本发明，在主介质表面248上形成一个电荷耗散层252。电荷耗散层252由一种有着10⁹-10¹²欧姆/平方范围内的薄膜电阻的材料制成。它最好由无掺杂的非晶硅制作；然而，在上述薄膜电阻值范围内且具有适宜薄膜特性的任何材料皆可采用。适宜薄膜特性包括对主介质表面248的适当附着力和有利于后面加工步骤的电阻。在介质层240上淀积多个栅控提取电极250并形成图案，且同电子发射体270隔开一定距离。在阴极215中可以包含一个镇流电阻器部分，以帮助在电子发射体270与栅控提取电极250之间防止破坏性起弧。FED200还包括一个阳极280(它同栅控提取电极250隔开一定距离，以在其间界定一个空间区265)，和包括一个用于接收电子的导电材料。预先确定由电荷耗散层252提供的薄膜电阻，以影响撞击其上的正电荷物质电导，从而在FED200工作期间防止累积正的表面电荷。在空间区265内产生的离子电流，按发射电子百分率计，相信小于或等于约0.1％。例如，在场致发射显示器中，认为阳离子回流电流约为10微微安。因为阳离子电流是如此之小，以致于电荷耗散层252的薄膜电阻可以制得高到足以在诸栅控提取电极250之间防止短路和过量功率损失，同时仍适合于传导泄放碰撞电荷。FED200的操作包括：通过外接到FED200的接地电压源(未示出)，把适宜的电位加给阴极215、栅控提取电极250、和阳极280，以便从电子发射体270产生电子发射，并把所发射的电子以适当的加速度引向阳极280。在这个特殊的实施例中，如图2中箭头277所示，返流的阳离子电流泄放到栅控提取电极250中(因为通过在电荷耗散层252顶面上形成栅控提取电极250而接通电连接)。FED200的制作包括制成一个Spindt极尖场致发射器件的标准方法；还包括增加一个淀积步骤，其中在一个形成于阴极215上的介质层上，淀积一层含有电荷耗散层的材料(例如未掺杂的非晶硅)。可以用溅射法或等离子体强化化学汽相淀积法(PECVD)把电荷耗散材料层淀积成100-5000A范围内的厚度。此后，用一种象钼之类的导体形成一些栅控提取电极250，并使它们在电荷耗散材料层上形成图案。然后，通过电荷耗散材料层和介质层的选择性蚀刻，形成发射阱260。通过本领域技术人员熟知的标准极尖制作技术，在发射阱260中形成电子发射体270。这可以采用标准的淀积技术和图案形成技术。

现在参考图3，它描述根据本发明的场致发射器件(FED)300的截面图。FED300包括有FED200的元件(图2)，这类元件具有类似的标号，但以“3”开头。在这个特殊的实施例中，在形成多个栅控提取电极350之后，淀积一个电荷耗散层352，该层复盖一部分栅控提取电极350，借此提供与之电接触。可以在蚀刻多个发射阱360以后，用蒸发方法淀积电荷耗散层352。这就减少了电荷耗散层352在其形成以后所受到的加工步骤数。可以利用与用于形成发射阱360的掩模不同的掩模，使电荷耗散层352形成图案。在另一个实施例中，电荷耗散层的边缘对准门控提取电极的边缘；例如，当按照与形成发射阱的掩模顺序相同的掩模顺序，蚀刻电荷耗散层时，其阱侧缘即被对准。这就取消了一个掩模步骤。FED300的操作与参考图2描述的FED200的操作相同。电荷耗散层352防止气态阳离子撞击到介质层340的主介质表面348上，从而防止形成，否则会偏转电子或导致介质击穿的荷电的介质表面。

现在参考图4，它描述根据本发明的场致发光器件(FED)400的截面图。FED400包括有FED200的元件(图2)，这些元件具有类似的标号，但以“4”开头。FED400还包括一个根据本发明的泄漏介质层454。泄漏介电层454放置在FED400的电荷耗散层452上。在这个特殊的实施例中，电荷耗散层452复盖介质层440的主介质表面448。FED400使用一种类似于参照图2所述FED200的方式制作，并且还包括一个把一层泄漏介质淀积在电荷耗散材料层上的步骤。泄漏介质层454具有使它向其下面的电荷耗散层452传导电流的性质。适合于泄漏介质层454的材料包括氮化硅和氧氮化硅，以及任何其他的能充分泄漏电，使电流流到被掩盖的电荷耗散层452中的介质材料。泄漏介质层454具有约500-2000A范围之内的厚度；而电荷耗散层452具有约100-5000A范围之内的厚度。由于电流路径长度对电流路径截面积的比率小，故电荷垂直向下流过泄漏介质层454。在这个特殊的实施例中，电荷耗散层452不与FED400的多个栅控提取电极450欧姆接触。泄漏介质层454使撞击出的电荷能够垂直地穿过它，而在其中的横向传导可以忽略不计。这提供了栅控提取电极450之间的极低功率损失的好处。为了从FED400泄放出电荷，就把电荷耗散层452独立地连接于在FED的一个外接接地电触点453，如图4所示，借此为表面电荷提供一个独立的传导路径。人们相信，表面电荷的传导路径可以包括一个穿过电荷耗散层452与栅控提取电极450之间泄漏介质层454垂直上升的路径：泄漏介质层454接收正电荷，垂直向下传导而被电荷耗散层452接收，然后通过电荷耗散层452横向地传导到它的位于栅控提取电极450下面的部分，且然后通过泄漏介质层454垂直向上地传导到栅控提取电极450。这样，通过在电荷耗散层452与栅控提取电极450之间提供一个泄漏介质层454，可在其间建立电连接。这条进入栅控提取电极450的传导路径可以足够大，以致于可以省略接地电触点453。由于电荷耗散层452不提供诸栅控提取电极450之间欧姆接触，故可把它的薄膜电阻作得低于参照图2和3所述实施例的薄膜电阻。这样，可以采用范围较宽的材料，例如非晶硅、氧化锡、氧化铜和导电陶瓷制作电荷耗散层452。由此材料就可根据其薄膜性质，例如附着力、应力和加工相容性进行选择。然而，还是希望保持高电阻，以限制电荷耗散层452的电容性充电，从而限制与增加电荷耗散层452相关的附加电容性充电功率。

一种根据本发明的场致发射器件可以包括一些除了Spindt极尖之外的其他电子发射体。其他电子发射体包括，但不限于，边缘发射体和表面/薄膜发射体。可以由场致发射材料，例如包含金刚石状碳、非晶态金刚石状碳、金刚石和氮化铝的碳基薄膜来制作边缘和表面发射体。根据本发明，在这些场致发射器件内的全部介质表面(没有被器件的有源元件复盖)，皆可用一个电荷耗散层来复盖，以防形成正电荷介质表面。同样，根据本发明的场致发射器件可以包括三极管以外的，例如二极管和四极管电极结构。根据本发明的电荷耗散层也可以形成在邻接于电子发射体陈列中最外面电子发射体的介质表面上，这些周边介质表面可以不包含器件电极部分，但它们仍然能够容许表面充电，从而使与之相邻的场致发射体所发射的电子的轨道变形。为了导开电荷，可把周边介质表面上的电荷耗散层延伸到一个栅电极，或场致发射器件的外接接地电触点。

现在参考图5，它描述根据本发明的场致发射器件(FED)500的局部透视图。FED500包括一个支承基底510，支承基底510包括一个玻璃平板，已在该玻璃板的一个面上形成(例如用金刚石锯)多个第一伸长的平行槽，并且在它的反面上形成多个第二伸长的平行槽(一般与每个第一伸长的平行槽相垂直)。第一和第二伸长的平行槽确定多个缝隙514。用这种方式，在第一个面上形成多个第一伸长构件512，并且在玻璃板的反面上形成多个第二伸长构件513。使用标准的定向淀积技术，以钼或其他适宜金属有选择地构成相邻的平行伸长构件512的互相面对着的表面图案，以形成多个栅控提取电极550。在伸长构件512的上表面上形成一个边缘电子发射体570。在每个边缘电子发射体570上淀积一个阴极515，它包括一层钼或其他适宜导体。用一种类似于参考图2所述的方式，把适宜的电位加到阴极515和栅控提取电极550上，以便有选择地寻址边缘电子发射体570。电子从边缘电子发射体570的被寻址部分发射，并被吸引向阳极580，阳极580可操作地耦合于一个电压源，该源用于把一个100-10,000伏范围的正电势加到阳极上。根据本发明，在淀积FED500的有源元件之前，把一个电荷耗散层552作为一个复盖涂层淀积到支承基底510的全部主要介质表面548上。主要介质表面548包括：在FED500的中心部分的诸有源元件之间的露出介质表面，和在FED500的周边的相邻于最外面边缘电子发射体570的介质表面。电荷耗散层552可以包括不掺杂的非晶硅，或其他具有薄膜电阻为10⁹-10¹²欧姆/平方的范围的电阻材料。在用电荷耗散材料复盖支承基底510之后，淀积栅控提取电极550，然后形成边缘电子发射体570，并且此后，淀积阴极515。在本器件的另一个实施例中，以一种类似于参考图4所述结构的方式，还在FED500中包括一个泄漏介质层；该泄漏介质层是在淀积器件的其他有源元件之前，作为复盖层而淀积在电荷耗散层552上的。支承基底510和FED500的全部有源元件的制作的更详细的描述，披露于美国共同未决专利申请中；该专利题为“用于FEDS陈列的边缘电子发射体”，系列号为08/489,017，1995年6月8日申请转让给同一受让人，在此引用供参考。在这个特殊的实施例中，通过在电荷耗散层552与栅控提取电极550之间提供电连接，把电荷耗散层552连接于FED500的一个外接接地电接点(未示出)。还可以通过在电荷耗散层552与阴极515之间提供电连接，泄放电荷。这可以用例如下述方法来实现：把阴极515的复盖层在其预定部位延伸到超出边缘电子发射体570，并且把阴极515可操作地连接到电荷耗散层552。例如，可以把每个阴极515的一端516延伸到超出边缘电子发射体570，并且使它在FED500的周边处与电荷耗散层552的一部分形成电连接。如果在电荷耗散层552上附加地设置一个泄漏介质层，则可以用一种类似于参考图4所述的方式，把电荷耗散层552独立地连接于一个接地的电接点，从而提供一个用于表面电荷的独立传导路径。

现在参考图6，它描述FED500(图5)的边缘电子发射体570的大比例放大的局部视图。边缘电子发射体570包括一个镇流层572，一个电子发射层574，和场整形层576。首先，在伸长的构件512的上表面的电荷耗散层552上，淀积一个介质间隔层571。介质间隔层571用象二氧化硅之类的介质材料制作，它可以用PECVD方法淀积。介质间隔层571在栅控提取电极550与阴极515之间设置一段距离，以防止在其间短路。其次，在介质间隔层571上淀积一个镇流层572，它是由掺杂的非晶硅制作的。然后，在镇流层572上形成一个电子发射层574，它确定一个电子发射边缘575。电子发射层574由电子发射材料，例如金刚石状碳、非晶态金刚石状碳、金刚石、氮化铝、和任何其逸出功小于约1电子伏特的其他材料制作。此后，在电子发射层574上淀积一个场整形层576，它包括一个掺硼的或未掺杂的非晶硅。场整形层576的作用是在电子发射边缘575的区域中对电场整形。

现在参考图7，它描述图5所示FED500的侧立面局部视图，且进一步说明在FED500内的电子发射。图7示出的是一个放大的构件512和对面的阳极部分580。在把适宜的电压加到栅控提取电极550和阴极515时，在边缘电子发射体570的区域建立起一个电场，从而由边缘电子发射体570的电子发射边缘575提出电子。通过在阳极上施加一个正电压，使电子被吸引向阳极580，如图7中箭头590所示。电荷耗散层552的那些未被栅控提取电极550和阴极515屏蔽的部分，把撞击其上的电荷导向栅控提取电极550，从而防止积累否则会使发射的电子偏离其预定的轨道，或造成失控发射的表面电荷。

在我们已示出和叙述完本发明的一些具体实施例这后，对于熟悉本专业的技术人员还会出现进一步的修正和改进。因此，应当理解：本发明不限于所示出的特殊形式，并且我们想在所附权利要求书中复盖那些不脱离本发明精神与范围的全部修正。

Claims

1.一种场致发射器件(200，300，400，500)，其特征在于：

一个支承基底(210，310，410，510)；

多个有源元件，它们包括多个电子发射体(270，370，470，570)，和靠近多个电子发射体(270，370，470，570)的多个电极(250，215，350，315，450，415，550，515)，用于使发射体产生电子发射，由支承基底(210，310，410，510)支承多个有源元件；

一个主介质表面(248，348，448，548)，该主介质表面相对于多个电子发射体(270，370，470，570)的一部分靠近地放置；

一个电荷耗散层(252，352，452，552)置放在该主介质表面(248，348，448，548)上，使该主介质表面不暴露于器件的空间区从而在该器件工作期间不易于受到充电的影响，并且该电荷耗散层可操作地耦合于场致发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点；和

一个阳极(280，380，480，580)，它与支承基底(210，310，410，510)隔开一定距离，且被置放得接收从多个电子发射体(270，370，470，570)发射的电子。

2.根据权利要求1要求的场致发射器件(200，300，400，500)，其中电荷耗散层(252，352，452，552)是由非晶硅制作的。

3.根据权利要求1要求的场致发射器件(200，300，400，500)，其中电荷耗散层(252，352，452，552)具有一个在10⁹-10¹²欧姆/平方范围内的薄膜电阻。

4.根据权利要求1要求的场致发射器件(400)，其特征还在于把一个泄漏介质层(454)放置在电荷耗散层(452)上。

5.根据权利要求4要求的场致发射器件(400)，其中泄漏介质层(454)是由氮化硅制作的。

6.一种场致发射器件(200，300，400，500)，其特征在于：

一个支承基底(210，310，410，510)；

一个阴极(215，315，415，515)，形成于支承基底(210，310，410，510)的一个第一部分上；

多个电子发射体(270，370，470，570)，它们相对于阴极(215，315，415，515)靠近地放置；

多个栅控提取电极(250，350，450，550)，它们相对于阴极(215，315，415，515)可操作地安置，用于使多个电子发射体(270，370，470，570)产生电子发射；

一个主介质表面(248，348，448，548)，该主介质表面置放在多个栅控提取电极(250，350，450，550)之间；

一个电荷耗散层(252，352，452，552)，它形成于主介质表面(248，348，448，548)上，使该主介质表面不暴露于器件的空间区从而在该器件工作期间不易于受到充电的影响，并且该电荷耗散层可操作地耦合于场发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点；和

一个阳极(280，380，480，580)，它同支承基底(210，310，410，510)隔开一定距离，并且被置放得接收由多个电子发射体(270，370，470，570)发射的电子。

7.根据权利要求6要求的场致发射器件(200，300，400，500)，其中电荷耗散层(252，352，452，552)是由非晶硅制作的。

8 根据权利要求6要求的场致发射器件(400)，其特征还在于把一个泄漏介质层(454)置放在电荷耗散层(452)上。

9.根据权利要求8要求的场致发射器件(400)，其中泄漏介质层(454)是由氮化硅制作的。

10.一种用于防止场致发射器件(200，300，400，500)内暴露的介质表面(248，348，448，548)带正电荷的方法，其特征在于下述步骤：在暴露的介质表面(248，348，448，548)上提供一个电荷耗散层(252，352，452，552)；和把电荷耗散层(252，352，452，552)可操作地耦合到场致发射器件(200，300，400，500)的一个外接接地电触点。