CN100524581C - 场致发射器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场致发射器件，包括：阴极，该阴极包括用于发射电子的电场发射极；用于感应电子发射的场致发射感应栅极；和一个用于接收所发射的电子的阳极。场致发射抑制栅极位于阴极和场致发射感应栅极之间，以用于抑制电子发射，这样可以显著地克服在传统场致发射器件中的例如栅极漏电流、阳极电压引起的电子发射和电子束分散的问题。

Description

场致发射器件

技术领域

本发明涉及一种场致发射器件，特别是涉及一种包括场致发射抑制栅极的场致发射器件，该场致发射抑制栅极用于抑制在阴极和场致发射感应栅极之间的电子发射。

背景技术

场致发射器件被广泛地用作微波元件、传感器、平板显示装置等等的电子源，在真空或特定气氛中当在阴电极施加电场的时候，场致发射器件从阴电极发射电子。

电子发射的效率主要取决于场致发射器件中元件的结构、发射极的材料和发射极的形状。目前，场致发射器件的结构主要分为包括阴极和阳极的二极管型和包括阴极、栅极和阳极的三极管型两类。

三极管型场致发射器件中，阴极或电场发射极作用为发射电子，栅极作用为感应电子发射，阳极接收被发射的电子。因为与二极管型的结构相比，在三极管型的结构中，在和发射极邻近的栅极上施加用于电子发射的电场，可以以低电压驱动场致发射器件，并且容易控制发射电流，所以，三极管型被进行了积极地改进。

电场发射极所用的材料可以包括金属、硅、金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维等，碳纳米管和碳纳米纤维是细尖的，并且自身具有稳定性，因此其被广泛用于发射材料。

在下文中，将描述Spindt型场致发射器件，Spindt型场致发射器件是传统场致发射器件中广泛使用的一种结构。图1是说明相关领域的Spindt型场致发射器件的示意结构图。

Spindt型场致发射器件包括一个阴极、一个栅极和一个阳极。阴极包括阴极基底11、形成在阴极基底上的阴电极12、金属尖13、和形成在绝缘体21上的栅电极23，其中，金属尖13具有绝缘体21，该绝缘体21围绕金属尖13并具有一个内部栅孔(gate opening)22。阳电极32形成在阳极基底31上，其布置成面对上述的整个阴极和栅极结构。

为了制造这样的场致发射器件，在绝缘体21上形成具有大约1μm厚度的栅孔22并在绝缘体21顶部形成牺牲绝缘层。实施电子束蒸发并由此形成自对准的金属尖13。

这样，尽管在上述过程中应形成精细图案，并应借助于电子束蒸发施行自对准方案，但将这种场致发射器件应用于实现大面积显示仍很困难。

用更简单的过程制造场致发射装置的各种努力可以应付这类问题，在电场反射材料中碳纳米管和碳纳米纤维适用于这些努力。

碳纳米管和碳纳米纤维自身具有纳米级的小直径，同时具有微米级的长度，因此其非常适合作电子发射源。但是，当碳纳米管和碳纳米纤维被用作依靠电场的电子发射源时，与图1的Spindt型金属尖相比，其并不容易形成自对准的电子发射栅极以便具有能够容易感应和控制电极发射的结构。

图2是说明根据相关领域的碳纳米管或碳纳米纤维的场致发射器件的示意结构图。图2不同于图1之处在于用于图2的场致发射器件的电场发射极的碳纳米管或碳纳米纤维通过栅孔暴露出来，该栅孔形成在绝缘体中、长度为10um。

这样，发射的电子流入栅极，而导致漏电流。此外，与绝缘体的厚度相比，栅孔会更大一些，这使得很难控制阳极电压引起的电子发射，并且与其发射的例子相比，当电子束到达阳极时，会更广泛地分散发射的电子束。

这些现象恶化了场致发射器件的性能，特别是当场致发射器件应用于平板显示装置时，会产生重大问题。

发明内容

本发明的目的在于一种新型场致发射器件。

本发明的目的还在于一种场致发射器件。其减小了流入到作为电子发射电极的栅极的漏电流，并能方便地控制电子发射。

本发明的目的还在于一种场致发射器件，其使得大部分电子在布置在栅电极附近的碳纳米管或碳纳米纤维中发射，以克服潜在的漏电流和电子束的分散。

本发明的一个方面提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括：一个阴极，该阴极包括由绝缘基底制成的阴极基底、形成在阴极基底上的阴电极、和形成在阴电极一部分上的电场发射极；一个场致发射抑制栅极，其形成在阴极基底上以围绕电场发射极；一个场致发射感应栅极，其形成在场致发射抑制栅极上，其中该场致发射感应栅极包括场致发射感应栅孔，该场致发射感应栅孔形成为具有一倾斜内壁，以使该孔的尺寸从阴极向阳极变小；和一个阳极，该阳极包括面向电场发射极的阳电极，以用于接收从电场发射极射出的电子，其中场致发射抑制栅极抑制电场发射极的电子发射，场致发射感应栅极感应电子从电场发射极发射。

本发明的另一方面还提供一种场致发射器件，该场致发射器件包括：一个阴极，该阴极包括由绝缘基底制成的阴极基底和用于发射电子的电场发射极；一个场致发射感应栅极，用于感应电子发射；和一个阳极，用于接收发射的电子，其还包括一个场致发射抑制栅极，该场致发射抑制栅极位于阴极和场致发射感应栅极之间以用于抑制电子发射。

附图说明

图1是说明相关领域的Spindt型场致发射器件的示意结构图；

图2是说明相关领域的碳纳米管或碳纳米纤维的场致发射器件的示意结构图；

图3是说明本发明第一实施例的场致发射器件的示意结构图；

图4是解释本发明第一实施例的场致发射器件中的一个点象素结构的横截面图；

图5是象素阵列的平面图，其用于解释图4的象素排列成矩阵形式的结构；

图6是说明本发明第二实施例的场致发射器件的示意结构图；

图7是解释本发明第二实施例的场致发射器件中的一个点象素结构的横截面图；

图8是象素阵列的平面图，其用于解释图4的象素排列成矩阵形式的结构。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更充分地描述本发明，优选实施例的场致发射器件在附图中示出。但本发明还可以以不同形式体现，其不应仅限制为在这里列出的实施例。相反地，提供的这些实施例是为了能够使公开更加详尽和完整，并且对本领域的技术人员来说，其能充分表达发明的范围。

第一实施例

图3是说明本发明第一实施例的场致发射器件的示意结构图。

图3的场致发射器件包括阴极100、场致发射抑制栅极200、场致发射感应栅极300和阳极400。该场致发射器件对应于场致发射显示装置的一个点象素，多个点象素排列成矩阵形式，其还包括多条互连线，以在制造场致发射显示装置的实际过程中对每个点象素施加各种信号。

每个阴极100、场致发射抑制栅极200、场致发射感应栅极300和阳极400都可以形成在单独的基底上，或者阴极100和场致发射抑制栅极200可以形成在一个基底上，场致发射感应栅极300和阳极400形成在另一个基底上。另外，阴极100、场致发射抑制栅极200和场致发射感应栅极300可以形成在一个基底上，阳极400形成在另一个基底上。

阴极100例如包括一个阴极基底110，其由例如玻璃、陶瓷或聚酰亚胺的绝缘基底形成；一个阴电极120，其由金属或金属化合物等形成在阴极基底110的预定区域上；和一个(薄或厚)薄膜型电场发射极130，其由金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维等形成在阴电极120的某些部分上。阴极基底例如具有大约0.5mm到5mm的厚度，阴电极具有大约0.1μm到1.0μm的厚度。

场致发射抑制栅极200包括第一绝缘体210，其由氧化物层、氮化物层等形成；场致发射抑制栅孔220，它形成为穿透第一绝缘体210；和场致发射抑制栅电极230，其由在第一绝缘体210的某些部分上的金属或金属化合物等形成。

例如，第一绝缘体210和场致发射抑制栅电极230分别具有大约0.5μm到20μm的厚度和大约0.1μm到1.0μm的厚度，场致发射抑制栅孔220具有大约5μm到100μm的直径。

场致发射感应栅极300包括：由玻璃材料、氧化物层、氮化物层等形成的第二绝缘体310；场致发射感应栅孔320，它形成为穿透第二绝缘体310；和场致发射感应栅电极330，其由在第二绝缘体310某些部分上的金属或金属化合物等形成。例如，第二绝缘体310和场致发射感应栅电极330可分别形成为具有大约50μm到500μm的厚度和大约0.1μm到1.0μm的厚度。场致发射感应栅孔320具有大约50μm到500μm的直径。

阳极400具有阳电极420，阳电极420可以由金属、金属氧化物、透明电极等形成在阳极基底410上。阳极基底410最好由透明基底形成，阳电极420最好由透明电极形成。例如，阳极基底410和阳电极420可分别具有大约0.5mm到5.0mm的厚度和大约0.1μm的厚度。

阴极100、场致发射抑制栅极200、场致发射感应栅极300和阳极400被真空封装，以使阴极100的电场发射极130经过场致发射抑制栅孔220和场致发射感应栅孔320面向阳极400的阳电极420。

电场发射极130可以形成为薄或厚的薄膜，或者可以在阴电极120上使用金属催化剂由金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维等形成，或者可以通过混合和印刷包含已经合成的粉状金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维等的糊膏形成。

场致发射抑制栅极200中的场致发射抑制栅孔220的尺寸(直径)最好调整成第一绝缘体210厚度的一倍到二十倍，这使得可借助于场致发射抑制栅电极230抑制从电场发射极130射出的电子。当该尺寸超过第一绝缘体厚度的二十倍的时候，场致发射抑制栅极200很难阻止通过场致发射感应栅极300感应到电场发射极130的电场，因此就很难抑制由场致发射感应栅极300引起的电子从电场发射极130发射。绝缘体210的厚度最好在大约0.5μm到大约20μm的范围内。

场致发射感应栅极300，以及第二绝缘体，都起到抑制通过阳极电压发射电场的作用，并且还具有会聚电子束以使从电场发射极130射出的电子向阳极的特定区域移动的效果。

场致发射感应栅极300的场致发射感应栅孔320最好具有一个倾斜内壁，用于穿透第二绝缘体310，这样其开口的尺寸从阴极100向阳极400变得越来越小，因此从电场发射极130射出的电子可以会聚在阳电极420的特定区域上。

另外，场致发射感应栅极300的场致发射感应栅孔320的尺寸(直径)是第二绝缘体310厚度的一到三倍，这使得电场不能通过阳电极420感应到电场发射极130，从而抑制了电子发射。当该尺寸超过第二绝缘体三倍的时候，由于阳极电压施加到阳电极420上，场致发射感应栅极300不能阻止感应到电场发射极130的电场，因此就很难抑制电场发射极130实施阳极电压造成的电场发射。第二绝缘体310的优选厚度在大约50μm到500μm的范围内。

场致发射感应栅极300的栅电极330形成为不覆盖场致发射感应栅孔320的倾斜内壁，因此可以防止从电场发射极130射出的电子流向场致发射感应栅电极330。

阴极100、场致发射抑制栅极200、场致发射感应栅极300和阳极400通过隔板(未示出)附着，而使之彼此面对。

另外，场致发射感应栅电极330的电场施加到电场发射极130，以使从电场发射极130射出电子(见图3所示的实线箭头)，电场由场致发射抑制栅电极230向发射极130施加，其方向与场致发射感应栅电极向电场发射极130施加的电场方向相反(见图3所示的虚线箭头)，以使电场发射极130不发射电子。可以将场致发射感应栅电极330的电势调整成高于电场发射极130的电势，将场致发射抑制栅电极230的电势调整成低于电场发射极130的电势。

为此目的，如图3所示，电场发射极130可以连接到接地状态，并向场致发射感应栅电极330和场致发射抑制栅电极230分别施加正电压和负电压。

接着，将根据本发明的优选实施例描述使用场致发射器件制造场致发射显示装置的方法。

图4是解释根据本发明第一实施例的场致发射器件中的一个点象素结构的横截面图。图5是象素阵列的平面图，其用于解释图4的象素排列成矩阵形式的结构。

参照图4，阳极400包括透明电极420；在透明电极420某些部分上的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)荧光物质430；和黑色矩阵440，其插入到阳极基底410上的相邻的荧光材料之间，该阳极基底由例如玻璃的透明绝缘体基底形成。阴极100、场致发射抑制栅极200、场致发射感应栅极300和阳极400被真空封装，并由隔板500支撑，以使阴极100的电场发射极130通过场致发射抑制栅极200的场致发射抑制栅孔220和场致发射感应栅极300的场致发射感应栅孔320，面对阳极的荧光材料430。在这种情况下，隔板500起到保持阳极400和阴极100、场致发射抑制栅极200和场致发射感应栅极300之间间隙的作用；并不需要在所有象素上形成隔板。

在下文中，将详细描述驱动场致发射器件的实施例。

首先，在场致发射感应栅极300的场致发射感应栅电极330上施加恒定直流电压(例如100V到1500V)以诱使电子从阴极100的电场发射极130发出，同时在阳极400的阳电极420上同时施加直流高电压(例如1000V到15000V)，以用高能量加速发出的电子。在场致发射抑制栅电极230上施加具有0V到大约-50V负电压的显示扫描脉冲信号，并在阴电极120上施加具有0V到大约50V正电压或0V到大约-50V的负电压的数据脉冲信号，从而显示图像。

在这种情况下，通过调整施加在阴电极120上数据信号的脉冲幅度和脉冲宽度，可以获得显示装置的灰度表示。

参照图5，图4中示出的多个点象素排列成矩阵形式，其中阴电极120和场致发射抑制栅电极230分别排列为成列和成行的寻址电极。图5中未示出阳极400，图5示出的电场发射极130尺寸小于场致发射感应栅孔320的尺寸。不过，在实际应用中该尺寸显然能够大于场致发射感应栅孔320的尺寸。

第二实施例

接下来，将参照图6到图8详细描述本发明的第二实施例的场致发射器件。为了简化描述，现在只详细描述第一实施例和第二实施例之间不同之处。图6是说明本发明第二实施例的场致发射器件的示意结构图。图7是解释本发明第二实施例的场致发射器件中的一个点象素结构的横截面图。图8是象素阵列的平面图，其用于解释图4的象素排列成矩阵形式的结构。

第二实施例不同于第一实施例之处在于场致发射抑制栅孔至少分成两个区域。每个区域都具有独立的电场发射极。

根据第二实施例，优点在于可以增强使用场致发射抑制栅极的场致发射抑制效果。这样，在电流到达最大值时，可以很容易地聚焦和控制场致发射。

每个电场发射极的尺寸可以在大约0.5μm到10μm的范围内确定，场致发射抑制栅孔的尺寸可以在大约1μm到10μm的范围内确定。同时，考虑到实际驱动条件，与第一实施例相比，场致发射抑制栅极的电压可以降低或者场致发射的电流密度可以增加。

根据上述结构，当本发明的场致发射器件应用到场致发射显示装置时，通过场致发射感应栅极的栅电极施加场致发射所需的电场，可以容易地调节阳极和阴极之间的空隙，并可以在阳极上施加高电压，这使得场致发射显示装置的亮度得到显著增强。

本发明的场致发射器件可以显著地改善在传统碳场致发射器件中出现的例如栅极漏电流、阳极电压引起的电子发射和电子束分散的问题。

另外，施加到场致发射感应栅电极上的电压可以抑制阳极电压造成的电场发射极的电子发射，并在阳极和栅极之间形成均匀的电势，以在可以显著地增加场致发射显示装置的使用年限的同时防止局部放电。

具有场致发射感应栅极倾斜内壁的场致发射感应栅孔可以将从电场发射极射出的电子会聚到相应的阳极的荧光材料上，这可以制造出高分辨率的场致发射显示装置。

虽然本发明参照特定的实施例进行描述，但是可以理解，其公开是为了通过实施例的方式说明发明的目的，其并不试图限制发明的范围。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围和精神前提下本发明可能需要改进和变化。

Claims (18)

1.一种场致发射器件，包括：

阴极，该阴极包括由绝缘基底制成的阴极基底、形成在阴极基底上的阴电极、和形成在阴电极一部分上的电场发射极；

场致发射抑制栅极，其形成在阴极基底上以围绕电场发射极；

场致发射感应栅极，其形成在场致发射抑制栅极上，

其中该场致发射感应栅极包括场致发射感应栅孔，该场致发射感应栅孔形成为具有一倾斜内壁，以使该孔的尺寸从阴极向阳极变小；和

阳极，该阳极包括面向电场发射极的阳电极，以用于接收从电场发射极射出的电子，

其中，场致发射抑制栅极抑制从电场发射极发射电子，场致发射感应栅极诱发电场发射极发射电子。

2.如权利要求1所述的场致发射器件，其中该场致发射抑制栅极包括具有内部场致发射抑制栅孔的第一绝缘体，以便与阴电极和电场发射极电绝缘，并包括形成在第一绝缘体上的场致发射抑制栅电极。

3.如权利要求2所述的场致发射器件，其中该场致发射抑制栅孔的尺寸是该第一绝缘体厚度的一到二十倍。

4.如权利要求2所述的场致发射器件，其中该场致发射感应栅极包括第二绝缘体，以使场致发射感应栅极与场致发射抑制栅极的场致发射抑制栅电极电绝缘，并包括形成在第二绝缘体上的场致发射感应栅电极，其中该场致发射感应栅孔形成以穿透所述第二绝缘体。

5.如权利要求4所述的场致发射器件，其中场致发射感应栅孔的尺寸是第二绝缘体厚度的一到三倍。

6.如权利要求4所述的场致发射器件，其中场致发射感应栅电极形成为不覆盖场致发射感应栅孔的内壁。

7.如权利要求1所述的场致发射器件，其中电场发射极包括能够由金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维中的任何一个形成的碳电场发射极。

8.如权利要求7所述的场致发射器件，其中碳电场发射极由金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维中的任何一个在阴电极上借助于金属催化剂直接生长而成。

9.如权利要求7所述的场致发射器件，其中碳电场发射极通过混合和印刷粉状金刚石、类似金刚石结构的碳、碳纳米管、碳纳米纤维中的任何一个的糊膏形成。

10.如权利要求1所述的场致发射器件，其中阴极、场致发射抑制栅极和场致发射感应栅极形成在一个基底上，而阳极形成在另一个基底上。

11.如权利要求1所述的场致发射器件，其中场致发射抑制栅极、场致发射感应栅极和阳极被真空封装，以使阴极的电场发射极通过场致发射抑制栅孔和场致发射感应栅孔面向阳极的阳电极。

12.如权利要求1所述的场致发射器件，其中在场致发射感应栅电极上施加恒定直流电压，以诱发从阴极的电场发射极射出电子，在场致发射抑制栅极上施加具有负电压的扫描脉冲信号，并在阴极上施加具有正电压和负电压中任何一种的数据脉冲信号，从而显示图像。

13.如权利要求12所述的场致发射器件，其中通过调整数据信号的脉冲幅度和脉冲宽度的任何一个，来显示灰度表示。

14.如权利要求1所述的场致发射器件，其中阳极包括：透明基底，形成在透明基底上的作为所述阳电极的透明电极，在透明电极一部分上的彩色荧光物质，和黑色矩阵，其插入到相邻的荧光材料之间。

15.如权利要求1所述的场致发射器件，其中阴极、场致发射抑制栅极、场致发射感应栅极用隔板支撑以使其面对阳极。

16.如权利要求1所述的场致发射器件，其中场致发射抑制栅极被分开，以使其包括至少两个开口，每个场致发射抑制栅极的开口包括在其中的电场发射极。

17.一种场致发射器件，包括：包括用于发射电子的电场发射极的阴极，该阴极包括由绝缘基底制成的阴极基底；用于诱发电子发射的场致发射感应栅极；用于接收被发射的电子的阳极；和场致发射抑制栅极，该场致发射抑制栅极介于阴极和场致发射感应栅极之间，以用于抑制电子发射，其中该场致发射感应栅极包括场致发射感应栅孔，该场致发射感应栅孔形成为具有一倾斜内壁，以使该孔的尺寸从阴极向阳极变小。

18.如权利要求17所述的场致发射器件，其中电场施加到场致发射感应栅极上，以使电场发射极发射电子，并在场致发射抑制栅极上沿着与由场致发射感应栅极引起的感应到电场发射极上的电场的方向相反的方向施加电场，从而抑制电场发射极的电子发射。

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