CN100470712C - 电子发射器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电子发射器件，其包括彼此相对的第一和第二基板，形成于第一基板上的阴极电极，和形成于阴极电极上的电子发射区。在所述阴极电极上形成栅极电极，在二者之间插入第一绝缘层。在第一绝缘层上和栅极电极上形成聚焦电极，在它们之间插入第二绝缘层。第一绝缘层、栅极电极、第二绝缘层和聚焦电极均具有暴露位于第一基板上的电子发射区的开口。其中，在与第一绝缘层相对的第二绝缘层的表面上一点处测得的开口尺寸小于栅极电极的开口尺寸。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及电子发射器件，尤其涉及能够改善用于聚焦电子束的聚焦电极以及用于支持聚焦电极的绝缘层的结构的电子发射器件，及其制造方法。
背景技术
通常将电子发射器件划分为采用热阴极作为电子发射源的第一种类型的器件，和采用冷阴极作为电子发射源的第二种类型的器件。
第二种类型的电子发射器件包括场发射器阵列(FEA)型器件、表面导电发射(SCE)型器件、金属-绝缘体-金属(MIM)型器件和金属-绝缘体-半导体(MIS)型器件。
电子发射器件根据其类型在具体结构上存在不同，但是每一器件都具有形成真空室的第一和第二基板。在第一基板上形成电子发射区，并在其上形成驱动电极，以控制针对各像素的电子发射。在第二基板上形成磷光体层和阳极电极，以发光或显示预期图像。
对于电子发射器件，人们已经尝试过通过将电子束的轨迹引导至靶材上来提高显示特性。由于从第一基板发射的电子不能很好地向第二基板聚焦，因此，这些电子没有撞击到正确的彩色磷光体层上，而是使不正确的相邻彩色磷光体层发光。
针对这一问题，人们引入聚焦电极来控制电子束。将聚焦电极布置在第一基板结构的最上面部分，与此同时围绕电子发射区。在聚焦电极下形成绝缘层，以防止驱动电极和聚焦电极彼此电连接。在绝缘层和聚焦电极中形成开口，暴露位于基板上的电子发射区，以形成电子束的迁移路径。
通常采用湿法蚀刻在绝缘层中形成开口。但是，由于湿法蚀刻具有各向同性的特点，因此，在绝缘层中加深蚀刻将导致开口宽度的增大，因此，难以形成具有高高宽比的开口。高宽比是指开口的深度与宽度的比值。
尤其是就FEA型电子发射器件而言，在一对驱动电极之间布置第一绝缘层，在聚焦电极和驱动电极之一之间布置第二绝缘层，在通过湿法蚀刻按顺序形成第二和第一绝缘层的开口时，在完成第一绝缘层的开口之前第二绝缘层一直受到蚀刻。因此，第二绝缘层具有大于目标或预期宽度的宽度。也就是说，第二绝缘层的开口宽度大于第一绝缘层的开口宽度。
具有上述结构的电子发射器件在获得高集成度和增大分辨率方面存在限制。聚焦电极的位置远离电子束的轨迹，因此，降低了电子束聚焦效率。注意，相对于电子发射区，聚焦电极的位置越高，电子束聚焦的效率提高得越大。但是，由于采用上述工艺难以在第二绝缘层中形成具有高高宽比的开口，因而在提高电子束聚焦效率方面存在限制。
发明内容
在本发明的实施例中，提供了一种电子发射器件，其通过在用于支持聚焦电极的绝缘层中形成高高宽比的开口提高了电子束聚焦效率，并且实现了具有更高分辨率的器件的制造。
在一个实施例中，电子发射器件包括彼此相对的第一和第二基板、位于第一基板上的阴极电极，和形成于阴极电极上的电子发射区。在阴极电极上形成栅极电极，在栅极电极和阴极电极之间具有第一绝缘层。在第二绝缘层上形成聚焦电极，第二绝缘层插置在栅极电极和聚焦电极之间。第一绝缘层、栅极电极、第二绝缘层和聚焦电极均具有暴露位于阴极电极上的电子发射区的开口。在第二绝缘层中与第一绝缘层相对的第二层底面上一点处测量的开口的尺寸小于在与第一绝缘层与第二绝缘层相对的顶面上一点处测量的开口的尺寸。
在第二绝缘层与第一绝缘层相对的底面上一点处测量的开口的尺寸小于栅极电极的顶部开口尺寸。
在沿第一基板的厚度方向上，第一绝缘层的开口和第二绝缘层的开口在宽度上发生了变化。第二绝缘层开口的最小宽度可以小于第一绝缘层开口的最大宽度。
第二绝缘层开口的最大宽度和最小宽度可以分别小于第一绝缘层开口的最大宽度和最小宽度。第二绝缘层的最大宽度可以小于或等于栅极电极的宽度。
第二绝缘层的开口和聚焦电极可以和第一绝缘层的开口以及栅极电极一一对应。
第二绝缘层可以具有小于第一绝缘层的蚀刻速度。第二绝缘层的蚀刻速度可以是第一绝缘层的蚀刻速度的1/3或更低。
在制造所述电子发射器件的方法中，首先在基板上形成阴极电极。在基板的整个表面上形成第一绝缘层，从而使其覆盖阴极电极。在第一绝缘层上形成带有开口的栅极电极。在第一绝缘层和栅极电极上形成第二绝缘层，其中，该绝缘材料的蚀刻速度小于第一绝缘层的蚀刻速度。在第二绝缘层上形成带有开口的聚焦电极。采用聚焦电极和栅极电极作为掩模，对第二和第一绝缘层进行湿法蚀刻，从而在第二绝缘层和第一绝缘层中形成开口，这样，第一绝缘层中的开口将大于等于第二绝缘层的开口。在开口之内的阴极电极上形成电子发射区。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的电子发射器件的局部分解透视图。
图2是根据本发明的一实施例的电子发射器件的局部截面图。
图3是如图2所示的电子发射器件的截面图。
图4A示出了根据本发明的一实施例的电子发射器件的第一制造阶段。
图4B示出了根据本发明的一实施例的电子发射器件的第二制造阶段。
图4C示出了根据本发明的一实施例的电子发射器件的第三制造阶段。
图4D示出了根据本发明的一实施例的电子发射器件的第四制造阶段。
图4E示出了根据本发明的一实施例的电子发射器件的第五制造阶段。
具体实施方式
如图1到图3所示，一电子发射器件包括第一和第二基板2和4，其彼此相对并保持预定距离。在第一基板2中提供了一电子发射结构，用于发射电子。在第二基板4上提供了一发光或显示结构，用于发射可见光线，并显示预期图像。
阴极电极6位于第一基板2上，沿第一方向(例如沿图中的y方向)成长条图案。在第一基板2的整个表面上形成第一绝缘层8，其覆盖阴极电极6。栅极电极10位于第一绝缘层8上，其沿垂直于阴极电极6的第二方向(例如沿图中的x方向)成长条图案。
阴极电极6和栅极电极10相交的区域形成了子像素区域。在相应子像素区域中的阴极电极6上形成一个或多个电子发射区12。在第一绝缘层8和栅极电极10内形成与相应的电子发射区12对应的开口81和101，暴露位于第一基板2上的电子发射区12。
电子发射区12由施加电场后发射电子的材料形成，例如含碳材料或纳米级材料。电子发射区12可以由碳纳米管、石墨、石墨纳米管、类金刚石碳、C60、硅纳米线或这些材料的组合构成。可以采用直接生长、丝网印刷、化学气相淀积或溅射等技术形成电子发射区。
在栅极电极10和第一绝缘层8上形成第二绝缘层14和聚焦电极16。在第二绝缘层14和聚焦电极16中形成暴露位于第一基板2上的电子发射区12的开口141和161。为聚焦电极16提供对应于相应电子发射区12的开口，使其围绕从电子发射区12发射的电子束的轨迹，以提高电子束聚焦效率。也就是说，在这一实施例中，第二绝缘层和聚焦电极16的开口141和161具有一一对应的关系，或者与第一绝缘层8和栅极电极10的开口81和101对准。
如附图所示，在第一基板2的整个表面上形成聚焦电极16，但是在其他实施例中可以对聚焦电极16进行构图。即使在本实施例中，也在第二绝缘层14和聚焦电极16中形成了开口141和161，以暴露位于第一基板上的阴极电极6上的电子发射区12。
在根据本发明的实施例的电子发射器件中，在面对第一绝缘层8的、第二绝缘层14的表面上一点处测量的开口141的尺寸小于在面对第二绝缘层14的、第一绝缘层8的表面上一点处测量的开口81的尺寸。在本实施例中，在面对第一绝缘层8的、第二绝缘层14的表面上一点处测量的开口141的尺寸小于栅极电极10的开口101的尺寸。
由阴极电极6和栅极电极10之间的电势差产生围绕电子发射区12的电场，所述电场引起电子从电子发射区12的发射。由于第二绝缘层14和聚焦电极16位置靠近且环绕电子束的路径，所以电子束向第二基板4发射的通道变窄了。
可以通过湿法蚀刻完成对第一绝缘层8的开口81和第二绝缘层14的开口141的制作。在一实施例中，由于湿法蚀刻的各向同性蚀刻特性，绝缘层8和14的开口81和141具有倾斜的表面，其导致了随着开口从第一基板2深入开口宽度逐渐变大的情况。
如图3所示，第二绝缘层14的开口141的最小宽度W1小于第一绝缘层8的开口81的最大宽度W4。第二绝缘层开口141的最大和最小宽度W2和W1分别小于第一绝缘层开口81的最大和最小开口宽度W4和W3。第二绝缘层开口141的最大宽度W2小于等于栅极电极开口101的宽度W5。因此，第二绝缘层14的所有开口141的宽度均小于等于栅极电极10的开口101的宽度。
对于给定的蚀刻溶液或工艺而言，形成第一和第二绝缘层8和14的材料具有不同的蚀刻速度。在实施例中，可以通过单个蚀刻过程使开口81和141具有上面指定的特征外形。出于这一目的，第二绝缘层14具有小于第一绝缘层8的蚀刻速度。第二绝缘层14的蚀刻速度为第一绝缘层8的蚀刻速度的1/3或更低。第一绝缘层8和第二绝缘层14的蚀刻速度相差越大，就会导致第二绝缘层14的开口141比第一绝缘层8的开口81越小。
在与第一基板2相对并间隔一定距离的第二基板4的表面上形成红、绿、蓝磷光体层18。在磷光体层18之间形成黑层20，以提高屏幕对比度。
在磷光体层18和黑层20上形成由包含铝(Al)的金属膜构成的阳极电极22。阳极电极22从器件外部接收加速电子束所必需的电压。阳极将从磷光体层18向第一基板2发射的可见光反射至第二基板4，从而增大屏幕亮度。
或者，采用基于氧化铟锡(ITO)的透明导电膜形成阳极电极，而不采用金属膜。在这一实施例中，在与第二基板相对的磷光体层和黑层的表面上形成阳极电极。可以对阳极电极进行构图，使其具有多个不同的部分。
在第一和第二基板2和4之间布置有隔板(spacer)24，并且采用诸如玻璃粉的密封剂将第一基板和第二基板2和4沿边缘密封。抽出第一和第二基板2和4之间的内部空间中的空气，以创建真空环境，由此构建出了电子发射器件。隔板24位于黑层20所在的非发光区域。
从外部向阴极电极6、栅极电极10、聚焦电极16和阳极电极22施加预定电压，由此驱动具有上述结构的电子发射器件。例如，向阴极电压6和栅极电极10施加电压差从几伏特到几十伏特的驱动电压(例如扫描信号电压和数据信号电压)。向聚焦电极16施加从几伏特到几十伏特的负(-)电压，向阳极电极22施加几百伏到几千伏的正(+)电压。
因此，在阴极电极6和栅极电极10之间的电压差超过阈值的像素中围绕电子发射区12形成电场。电子从所述电子发射区12中发射。所发射的电子在穿过聚焦电极16时向一束电子束的中央聚焦。通过施加到阳极电极22上的高压吸引发射电子，使之碰撞相应的磷光体层18，引起磷光体层发光。
在上述过程中，从电子发射区12发出的电子包括因开口141变窄而由第二绝缘层14阻挡发生散射的电子，因而为电子束创建了直线路径。位置靠近电子束的轨迹的聚焦电极16对穿过第二绝缘层14的开口141强力聚焦，从而提高了电子束的聚焦效率。
现在，将参照图4A到图4E对根据本发明的实施例的电子发射器件的制造方法予以说明。
首先，如图4A所示，在第一基板2上形成阴极电极6，其沿第一方向布置。在第一基板2的整个表面上形成第一绝缘层8，其覆盖阴极电极6。可以重复几次丝网印刷，干燥和焙烧的流程，形成厚度为5-30μm的第一绝缘层8。
在第一绝缘层8上形成栅极电极10，使之与阴极电极6相交。阴极电极6和栅极电极10相交的区域形成像素区域。在每一像素区的栅极电极10内至少形成一个开口101。
如图4B所示，在第一绝缘层8和栅极电极10上形成第二绝缘层14。也可以通过重复几次丝网印刷、干燥和焙烧流程的方法，形成厚度为5-30μm的第二绝缘层14。在第二绝缘层14上覆盖导电材料，并对其构图，以形成带有开口161的聚焦电极16。
对于一种蚀刻溶液而言，形成第一绝缘层8和第二绝缘层14的材料具有不同的蚀刻速度。形成第二绝缘层14的材料的蚀刻速度为形成第一绝缘层8的材料的蚀刻速度的1/3或更低。
如图4C和4D所示，采用聚焦电极16和栅极电极10作为掩模，通过湿法蚀刻工艺对第二绝缘层14和第一绝缘层8进行蚀刻。
如图4C所示，对通过聚焦电极开口161暴露的第二绝缘层14的部分进行湿法蚀刻。在这一过程中，由于湿法蚀刻各向同性的蚀刻特性，第二绝缘层14的开口具有斜面。
如图4D所示，在第二绝缘层14中的开口141延伸至第一绝缘层8，暴露第一绝缘层8的表面，对第一绝缘层8进行蚀刻，以形成开口81。在这一过程中，由于第一绝缘层8和第二绝缘层14之间存在蚀刻速率差，因此，通过蚀刻去除的第一绝缘层8的总量大于第二绝缘层14的总量，使得第一绝缘层8的开口81的宽度大于第二绝缘层14的开口141的宽度。
第二绝缘层14和聚焦电极16的开口141和161小于第一绝缘层8的开口81。第二绝缘层的开口141的最小宽度小于栅极电极开口101的宽度。第一绝缘层8和第二绝缘层16之间的蚀刻速度差越大，所引起的第一绝缘层开口81和第二绝缘层开口141之间的尺寸差值就越大。
在通过第一绝缘层开口81暴露的阴极电极6上形成电子发射区。如图4E所示，为了形成电子发射区，将诸如载体(vehicle)和/或胶合剂的有机材料与粉末电子发射材料混合，制备糊剂状态的电子发射材料，其粘度适宜印刷。将电子发射材料丝网印刷到第一基板2的结构的最上面部分，其具有一定厚度(如虚线所示)。在第一基板2的背部布置带有开口261的曝光掩模26。通过第一基板2的后部将紫外线引导至印刷后形成的电子发射材料中，有选择地使电子发射材料变硬。去除未变硬的电子发射材料，之后对硬化的材料进行干燥和焙烧处理。
在通过第一基板2的后部曝光后，加固了电子发射区12与阴极电极6的结合，为进行精确构图创造了可能。采用透明材料形成第一基板2，采用基于氧化铟锡的透明导电膜形成阴极电极6。
在根据本发明的实施例的电子发射器件的制造方法中，仅通过单个蚀刻过程即可完成第一绝缘层8的开口81和第二绝缘层14的开口141的制作。第二绝缘层14中的开口141的尺寸小于等于第一绝缘层8的开口81的尺寸，由于无需进行单独的构图过程，从而实现了简便的处理和制造。
如上所述，在电子发射器件中，由于第二绝缘层中的开口的形状和聚焦电极的作用，电子束能够按照相对的直线轨迹发射，因而，可以获得更高的电子束聚焦效率。因此，屏幕的色彩表现得到了提高，获得了改善的屏幕质量，并且可以按照隔离的方式布置所述电子发射结构的相应元件，从而实现了高分辨率。
尽管上面讨论的实施例与FEA型电子发射器件有关，但本发明不仅限于此。可以将本发明方便地应用到其他类型地电子发射器件中。
对于本领于技术人员来讲，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和变化。因此，只要修改和变化落在附加的权利要求及其等同要件的范围内，本发明意在包含各种修改和变化。
Claims (19)
1.一种电子发射器件，其包括:
第一基板和第二基板，其彼此相对并间隔一距离；
位于所述第一基板上的多个阴极电极；
形成于所述阴极电极上的多个电子发射区；
在所述阴极电极上形成的多个栅极电极，所述栅极电极和阴极电极之间具有第一绝缘层；
形成于第一绝缘层和栅极电极上的第二绝缘层；以及
形成于所述第二绝缘层上的聚焦电极，
其中，所述第一绝缘层、栅极电极、第二绝缘层和聚焦电极均具有暴露位于第一基板上的电子发射区的开口，并且在与第一绝缘层相对的第二绝缘层的表面上一点处测得的开口尺寸小于在与第二绝缘层相对的第一绝缘层的表面上一点处测得的开口的尺寸，且
其中，在与所述第一绝缘层相对的第二绝缘层的表面上一点处测得的开口尺寸小于栅极电极的顶部开口尺寸。
2.如权利要求1所述的电子发射器件，其中，在第一基板的厚度方向上，第一绝缘层的开口和第二绝缘层的开口在宽度上存在变化，并且
第二绝缘层开口的最小宽度小于第一绝缘层开口的最大宽度。
3.如权利要求2所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层开口的最大宽度小于第一绝缘层开口的最大宽度。
4.如权利要求2所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层开口的最小宽度小于第一绝缘层开口的最小宽度。
5.如权利要求2所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层开口的最大宽度小于或等于栅极电极开口的宽度。
6.如权利要求1所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层的开口、聚焦电极的开口与第一绝缘层的开口、栅极电极的开口具有一一对应的关系。
7.如权利要求1所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层的蚀刻速度小于第一绝缘层的蚀刻速度。
8.如权利要求7所述的电子发射器件，其中，所述第二绝缘层的蚀刻速度为第一绝缘层的蚀刻速度的1/3或更低。
9.如权利要求1所述的电子发射器件，其中，形成所述电子发射区的材料为碳纳米管、石墨纳米纤维、金刚石类碳、C60或硅纳米线。
10.如权利要求1所述的电子发射器件，其进一步包括至少一个形成于第二基板上的阳极电极；以及
形成于所述的至少一个阳极电极表面上的磷光体层。
11.一种制造电子发射器件的方法，其包括:
(a)在第一基板上形成阴极电极；
(b)在所述第一基板的整个表面上形成第一绝缘层，使得所述第一绝缘层覆盖所述阴极电极；
(c)在第一绝缘层上形成具有开口的栅极电极；
(d)在第一绝缘层和栅极电极上形成第二绝缘层，由绝缘材料形成的第二绝缘层的蚀刻速度小于第一绝缘层的蚀刻速度；
(e)在第二绝缘层上形成具有开口的聚焦电极；
(f)采用聚焦电极和栅极电极作为掩模，通过湿法蚀刻在第二绝缘层和第一绝缘层中形成开口，使得第一绝缘层中的开口比第二绝缘层中的开口大或相等；以及
(g)在第一绝缘层的开口、第二绝缘层的开口、聚焦电极的开口和栅极电极的开口内，形成位于所述阴极电极上的电子发射区，
其中，在与所述第一绝缘层相对的第二绝缘层的表面上一点处测得的开口尺寸小于栅极电极的顶部开口尺寸。
12.如权利要求11所述的方法，其中，用于第二绝缘层的材料的蚀刻速度为第一绝缘层的蚀刻速度的1/3或更低。
13.如权利要求11所述的方法，其中，布置所述栅极电极的开口和聚焦电极的开口，使之具有一一对应的关系。
14.如权利要求11所述的方法，其中，在位于第一基板上的结构上涂布糊剂状态的感光电子发射材料，通过曝光有选择地对涂布的电子发射材料进行硬化处理，随后，去除未硬化的电子发射材料，并对硬化的电子发射材料进行干燥和焙烧处理。
15.如权利要求11所述的方法，其中，形成所述电子发射区的材料为碳纳米管、石墨纳米纤维、类金刚石碳、C60或硅纳米线。
16.如权利要求11所述的方法，其进一步包括:
在第二基板上形成磷光体层。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括:
在所述磷光体层上形成阳极电极。
18.如权利要求16所述的方法，其进一步包括:
将所述第二基板与所述第一基板密封。
19.如权利要求11所述的方法，其进一步包括:
以所述第一绝缘层蚀刻速度的1/3或更低的蚀刻速度蚀刻所述第二绝缘层。
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