CN101488430A - 有源式场发射基板与有源式场发射显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源式场发射基板和有源式场发射显示器。该有源式场发射基板包括一个薄膜晶体管基板以及一个场发射元件基板。前述薄膜晶体管基板具有多个薄膜晶体管，其中每一薄膜晶体管至少包括源极、漏极与栅极。而场发射元件基板是位于薄膜晶体管基板上且具有多个导电沟道以及多个场发射源，其中每一导电沟道贯穿场发射元件基板并分别与每一场发射源电性相连。而且，前述场发射元件基板的每一导电沟道分别与薄膜晶体管基板的每一薄膜晶体管中的源极或漏极电性导通。由于上述有源式场发射基板是由两个利用分开的工艺得到的基板组合而成，所以可简化流程，提升成品率。

Description

有源式场发射基板与有源式场发射显示器

技术领域

本发明涉及一种场发射显示器(field emission display)的技术，且特别涉及一种有源式场发射基板(active field emission substrate)与有源式场发射显示器。

背景技术

显示器在人们现今生活中的重要性日益增加，除了使用计算机或网际网路外，电视机、手机、个人数字助理(PDA)、数字相机等，均须透过显示器控制来传递信息。相较于传统映像管显示器，新一代的平面显示器具有重量轻、体积小、及符合人体健康的优点。

在众多新兴的平面显示器技术中，场发射显示器(field emission display，FED)不仅拥有传统映像管高画质的优点，且相较于液晶显示器的视角较小、使用温度范围过小、及反应速度慢的缺点而言，场发射显示器具有高发光效率、反应时间迅速、良好的协调显示性能、高亮度、轻薄构造、宽广视角、工作温度范围大、高行动效率等优点。此外，场发射显示器使用时不需背光模块。所以即使在户外阳光下使用，依然能够提供优异的亮度表现。因此，目前场发射显示器已被视为相当有机会与液晶显示技术竞争，甚至将其取代的新显示技术。

目前场发射显示器的种类大致分为无源式场发射显示器以及有源式场发射显示器。其中的有源式场发射显示器因为可以利用电流控制，所以能精确控制电子撞击阳极的数目，因而更能增加显示状态的稳定性。例如中国台湾专利TW 480511已披露一种具有薄膜晶体管的有源式场发射显示器，如图1所示。

在图1中，场发射阵列100设置于玻璃基板102上的薄膜晶体管104，每个薄膜晶体管104均具有源极106、漏极108和栅极110，并在薄膜晶体管104上镀有隔绝层112。至于纳米碳管114则成长在隔绝层112表面，且每一组纳米碳管114是藉由导孔(via)116连接至对应的漏极108。

但是，因为传统有源式场发射显示器必须将控制电路与场发射基板、元件等，利用半导体工艺完成制作，所以不但制作成本高，且完成的有源式场发射显示器成品率低。

发明内容

本发明提供一种有源式场发射基板。

本发明另提供一种有源式场发射显示器，以解决传统有源式场发射显示器制作成本高，成品率低的问题。

本发明提出一种有源式场发射基板，包括一个薄膜晶体管基板以及一个场发射元件基板。前述薄膜晶体管基板具有多个薄膜晶体管，其中每一薄膜晶体管至少包括一个源极、一个漏极与一个栅极。而场发射元件基板是位于薄膜晶体管基板上，且前述场发射元件基板具有多个导电沟道(channel)以及多个场发射源，其中每一导电沟道贯穿场发射元件基板并分别与每一场发射源电性相连。而且，前述场发射元件基板的每一导电沟道分别与薄膜晶体管基板的每一薄膜晶体管中的源极、漏极其中之一电性导通。

本发明另提出一种有源式场发射显示器，包括阳极基板和阴极基板，其中阴极基板与阳极基板呈相对应配置。而且，阴极基板包括一个薄膜晶体管基板以及一个场发射元件基板。前述薄膜晶体管基板具有多个薄膜晶体管，其中每一薄膜晶体管至少包括一个源极、一个漏极与一个栅极。而场发射元件基板是位于薄膜晶体管基板上，且前述场发射元件基板具有多个导电沟道以及多个场发射源，其中每一导电沟道贯穿场发射元件基板并分别与每一场发射源电性相连。而且，前述场发射元件基板的每一导电沟道分别与薄膜晶体管基板的每一薄膜晶体管中的源极、漏极其中之一电性导通。

在本发明的实施例中，上述阳极基板包括一层阳极层以及一层荧光层。前述荧光层是位于阳极层朝向上述阴极基板的表面上。其中，阳极层包括透明导电层(ITO)。

在本发明的实施例中，上述导电沟道的材料包括金、银、铝、镍、铜等薄膜或厚膜导电材料。

在本发明的实施例中，上述导电沟道的直径约在10μm～5mm之间。

在本发明的实施例中，上述薄膜晶体管基板的材料包括玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板等。

在本发明的实施例中，上述薄膜晶体管基板还包括多个像素电极，且每一像素电极与每一薄膜晶体管的漏极电性连接。

在本发明的实施例中，每一薄膜晶体管的漏极透过上述像素电极与场发射元件基板的每一导电沟道电性导通。

在本发明的实施例中，上述薄膜晶体管基板中的薄膜晶体管包括栅极在底部(bottom-gate)的薄膜晶体管或栅极在顶部(top-gate)的薄膜晶体管。

在本发明的实施例中，上述薄膜晶体管基板还包括多条扫描线(scan line)和多条数据线(data line)，其中扫描线连接薄膜晶体管的栅极，而数据线则是连接薄膜晶体管的源极。

在本发明的实施例中，上述场发射元件基板包括玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。

在本发明的实施例中，上述场发射源包括圆锥(Spindt)型发射源、表面传导电子(surface conduction electron，SCE)型发射源、弹道电子表面发射(ballistic electron surface emitting display，B SD)型发射源、石墨发射源或纳米碳管(carbon nano tube，CNT)型发射源。

本发明因为采用以分开工艺制作的薄膜晶体管基板以及场发射元件基板，再利用人工组合即可完成的有源式场发射基板，所以只需个别顾虑薄膜晶体管基板与场发射源基板的成品率。至于场发射元件基板的制作可选用各种制造方法，而不一定需要使用半导体工艺来制作，因此制作成本也能降低。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是已知一种具有薄膜晶体管的场发射显示器的剖面图。

图2是依照本发明第一实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图。

图3是依照本发明第二实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图。

图4是第二实施例的薄膜晶体管基板的电路图。

图5是依照本发明第三实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图。

图6是依照本发明第四实施例的一种有源式场发射显示器的剖面图。

附图标记说明

100：场发射阵列            102：玻璃基板

104、206、502：薄膜晶体管             106、208、504：源极

108、210、506：漏极                   110、212、508：栅极

112：隔绝层                           114：纳米碳管

116：导孔                             200、300、500：有源式场发射基板

202、622：薄膜晶体管基板              204、624：场发射元件基板

214、628：导电沟道                    216、630：场发射源

218、226、634：绝缘层                 220、304：接触窗

222：焊垫                             224、632：开口

228、636：导电层                      230：半导体层

232、510：栅极绝缘层                  234：欧姆接触层

302：像素电极                         306、512：保护层

308、S₁～n：数据线                400：像素电极区域

514：源极接触窗                       516：漏极接触窗

600：有源式场发射显示器               610：阳极基板

612：阳极层             614、614a、614b：荧光层          616：遮光层

620：阴极基板           626：电极                        G_1～m：扫描线

具体实施方式

下文中请参照随附图式，以便更充分地了解本发明，且于随附图式中展示本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同形式来实践，且不应将其解释为限于本文所陈述的实施例。实际上提供这些实施例只是用以使本发明的范围完全传达至本领域技术人员。而且，在图式中，为明确起见可能将各层以及区域的尺寸以及相对尺寸作夸张的描绘。

此外，文中通过剖面说明来描述本发明的实施例，这种剖面是本发明的理想化实施例的示意性说明。换言之，图式中的形状将因制造技术以及/或是容许度产生变化，因此，本发明的实施例不应解释为限于图式中所描绘的特定区域形状，而是包括从制造过程所产生的形状偏差。

图2是依照本发明第一实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图。

请参照图2，第一实施例的有源式场发射基板200包括一个薄膜晶体管基板202以及一个场发射元件基板204，其中场发射元件基板204例如玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。前述薄膜晶体管基板202具有多个薄膜晶体管206，其中薄膜晶体管基板202的材料例如玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。每一薄膜晶体管206至少包括一个源极208、一个漏极210与一个栅极212；举例来说，薄膜晶体管206是一种栅极在底部(bottom-gate)的薄膜晶体管。而场发射元件基板204是位于薄膜晶体管基板202上，且前述场发射元件基板204具有多个导电沟道(channel)214以及多个场发射源216，其中每一导电沟道214贯穿场发射元件基板204并分别与每一场发射源216电性相连。上述导电沟道214的材料例如金、银、铝、镍或铜等薄膜或厚膜导电材料。而且，前述场发射元件基板204的每一导电沟道214分别与薄膜晶体管基板202的每一薄膜晶体管206中的源极208与漏极210其中之一电性导通。此外，根据场发射源216的大小、场发射元件基板204的厚度等需求，上述导电沟道214的直径例如设定在10μm～5mm之间。

请再参照图2，在第一实施例中，薄膜晶体管基板202上覆盖了一层绝缘层218，并通过绝缘层218中的接触窗(contact)220连至绝缘层218表面的焊垫(pad)222。如此一来，场发射元件基板204的导电沟道214可通过现有技术连接到焊垫222，以达到与薄膜晶体管206的其中一个电极(即，漏极210)电性导通的目的。另外，第一实施例中所使用的薄膜晶体管206还包括在源极208和漏极210与栅极212之间的半导体层230、覆盖栅极212的一层栅极绝缘层232、在半导体层230与源极208和漏极210之间的一层欧姆接触层234。至于上述场发射源216可选用圆锥型发射源、表面传导电子(surface conduction electron，SCE)型发射源、弹道电子表面发射(ballisticelectron surface emitting display，BSD)型发射源、石墨发射源或纳米碳管(carbon nano tube，CNT)型发射源；譬如在图2中是以纳米碳管型发射源为例，因此在结构上可搭配具有多个开口224的一层绝缘层226以及在绝缘层226表面的导电层228，场发射源216则配置于开口224中。

图3是依照本发明第二实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图，其中使用与第一实施例相同的元件符号代表相同的元件。

请参照图3，在第二实施例中的有源式场发射基板300和第一实施例相比，主要是在薄膜晶体管基板202设置多个像素电极302，且像素电极302与薄膜晶体管206的漏极210电性连接。而在绝缘层218中可设置与像素电极302连接的接触窗304，以使场发射元件基板204的导电沟道214可通过现有技术连接到接触窗304，达到与薄膜晶体管206的其中一个电极(即，漏极210)电性导通的目的，且因为像素电极302的面积较大，因此有利于导电沟道214的对准。此外，在像素电极302与薄膜晶体管206之间通常会隔着一层保护层306。

另外，第二实施例的薄膜晶体管基板202可采用大型化TFT，以实现大型场发射显示器的制作，其电路图如图4所示。在图4中包括扫描线(scanlines)G₁、G₂、G₃...G_m-2、G_m-1、G_m和数据线(data lines)S₁、S₂、S₃...S_n-2、S_n-1、S_n，其中扫描线G_1～m连接薄膜晶体管的栅极(如图3的212)、数据线S_1～n则连接至薄膜晶体管的源极(如图3的208)。至于扫描线G_1～m和数据线S_1～n所划分出来的像素电极区域400中，则可如图3一样设有多个像素电极302。而且，图4中的数据线S_1～n相当于在图3中连接源极208的数据线308。

图5是依照本发明的第三实施例的一种有源式场发射基板的剖面分解图，其中使用与第一实施例相同的元件符号代表相同的元件。

请参照图5，第三实施例与第一实施例的差异在于其有源式场发射基板500中的薄膜晶体管502是一种栅极在顶部(top-gate)的薄膜晶体管；也就是说，薄膜晶体管502的栅极508位在源极504和漏极506上，且于源极504和漏极506与栅极508之间有一层栅极绝缘层510，并在薄膜晶体管502上覆盖有一层保护层512。另外，在保护层512中设有分别连接到源极504和漏极506的源极接触窗514和漏极接触窗516。如此一来，场发射元件基板204的导电沟道214可通过现有技术连接到漏极接触窗516，以达到与薄膜晶体管502的其中一个电极(即，漏极506)电性导通的目的。

当然，本发明所属技术领域的技术人员也可以在图5的薄膜晶体管基板202上设置像素电极(未绘示)，使其与薄膜晶体管502的漏极接触窗516电性连接，而透过像素电极与场发射元件基板204的导电沟道214电性导通，故本发明的有源式场发射基板不限于图5所示。

图6是依照本发明的第四实施例的一种有源式场发射显示器的剖面图。

请参照图6，第四实施例的有源式场发射显示器600包括阳极基板610和阴极基板620，其中阴极基板620与阳极基板610呈相对应配置。而阴极基板620是由一个薄膜晶体管基板622以及一个场发射元件基板624组成。在本实施例的薄膜晶体管基板622具有多个薄膜晶体管，且为简化图式，仅在图6中显示薄膜晶体管的源极、漏极与栅极其中一个电极626。此外，还可选用以上各实施例中的薄膜晶体管作为第四实施例的薄膜晶体管基板622中的薄膜晶体管，故不在此赘述。至于场发射元件基板624则是位于薄膜晶体管基板622上，且场发射元件基板624具有多个导电沟道628以及多个场发射源630，其中每一导电沟道628贯穿场发射元件基板624并分别与每一场发射源630电性相连。前述场发射源630例如圆锥型发射源、表面传导电子(SCE)型发射源、弹道电子表面发射(BSD)型发射源、石墨发射源或纳米碳管(CNT)型发射源。譬如在图6中是以圆锥型发射源为例，因此在结构上可搭配具有多个开口632的一层绝缘层634以及在绝缘层634表面的导电层636，场发射源630则配置于开口632中。

请再参照图6，场发射元件基板624的导电沟道628还与薄膜晶体管基板622的薄膜晶体管中的其中一个电极626电性导通。此外，根据场发射源630的大小、场发射元件基板624的厚度等需求，上述导电沟道628的直径约在10μm～5mm之间。举例来说，当有源式场发射显示器600是作为平面灯源时，因为分辨率的要求不大，所以导电沟道628的直径较大，故可用制具方式(如钻孔)或直接以成形(molding)技术先在场发射元件基板624中形成通孔，再用电镀方式或网印填孔方式形成导电沟道628；但当有源式场发射显示器600是作为显示器(diaplay)使用时，需要较大的分辨率，因此导电沟道628的直径较小，可能要用较精密的方式制作，如激光或蚀刻方式先形成通孔，再用溅射方式、无电镀、电镀方式形成导电沟道628。除此之外，导电沟道628还可利用其他形成方式，不限于此所述。

请继续参照图6，在第四实施例之中的阳极基板610包括一层阳极层612以及一层荧光层614。其中，阳极层612例如是透明导电层(ITO)或其他透明导电材料。而荧光层614是位于阳极层612朝向上述阴极基板620的表面上，并根据实际需求可设置不同颜色的荧光层614a与614b。另外，在荧光层614a与614b之间设有遮光层616。

综上所述，本发明的特点在于使用以分开工艺制作的薄膜晶体管基板以及场发射元件基板，再利用现有技术将两者组合，即可完成的有源式场发射基板，所以不但能简化工艺，来可使整体成品率增加。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (23)

1.一种有源式场发射基板，包括：

薄膜晶体管基板，具有多个薄膜晶体管，其中每一薄膜晶体管至少包括源极、漏极与栅极；以及

场发射元件基板，位于该薄膜晶体管基板上，该场发射元件基板具有多个导电沟道以及多个场发射源，其中每一导电沟道贯穿该场发射元件基板并分别与每一场发射源电性相连，且

该场发射元件基板的每一导电沟道分别与该薄膜晶体管基板的每一薄膜晶体管中的该源极与该漏极其中之一电性导通。

2.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该导电沟道的材料包括金、银、铝、镍或铜。

3.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该导电沟道的材料包括薄膜导电材料或厚膜导电材料。

4.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该导电沟道的直径在10μm～5mm之间。

5.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该薄膜晶体管基板还包括多个像素电极，每一像素电极与每一薄膜晶体管的该漏极电性连接。

6.如权利要求4所述的有源式场发射基板，其中每一薄膜晶体管的该漏极透过该像素电极与该场发射元件基板的每一导电沟道电性导通。

7.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该薄膜晶体管基板中的该薄膜晶体管包括栅极在底部的薄膜晶体管或栅极在顶部的薄膜晶体管。

8.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该薄膜晶体管基板还包括：

多条扫描线，连接该薄膜晶体管的该栅极；以及

多条数据线，连接该薄膜晶体管的该源极。

9.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该场发射元件基板包括玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。

10.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该场发射源包括圆锥型发射源、表面传导电子型发射源、弹道电子表面发射型发射源、石墨发射源或纳米碳管型发射源。

11.如权利要求1所述的有源式场发射基板，其中该薄膜晶体管基板的材料包括玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。

12.一种有源式场发射显示器，包括：

阳极基板；以及

阴极基板，与该阳极基板呈相对应配置，其中该阴极基板包括：

薄膜晶体管基板，具有多个薄膜晶体管，其中每一薄膜晶体管至少包括源极、漏极与栅极；以及

场发射元件基板，位于该薄膜晶体管基板上，该场发射元件基板具有多个导电沟道以及多个场发射源，其中每一导电沟道贯穿该场发射元件基板并分别与每一场发射源电性相连，且

该场发射元件基板的每一导电沟道分别与该薄膜晶体管基板的每一薄膜晶体管中的该源极与该漏极其中之一电性导通。

13.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该场发射元件基板中的该导电沟道的材料包括金、银、铝、镍或铜。

14.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该场发射元件基板中的该导电沟道的材料包括薄膜导电材料或厚膜导电材料。

15.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该场发射元件基板中的该导电沟道的直径在10μm～5mm之间。

16.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该薄膜晶体管基板还包括多个像素电极，每一像素电极与每一薄膜晶体管的该漏极电性连接。

17.如权利要求16所述的有源式场发射显示器，其中每一薄膜晶体管的该漏极透过该像素电极与该场发射元件基板的每一导电沟道电性导通。

18.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该薄膜晶体管基板中的该薄膜晶体管包括栅极在底部的薄膜晶体管或栅极在顶部的薄膜晶体管。

19.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该薄膜晶体管基板还包括：

多条扫描线，连接该薄膜晶体管的该栅极；以及

多条数据线，连接该薄膜晶体管的该源极。

20.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该场发射元件基板包括玻璃基板、陶瓷基板、塑胶基板或半导体基板。

21.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该场发射源包括圆锥型发射源、表面传导电子型发射源、弹道电子表面发射型发射源、石墨发射源或纳米碳管型发射源。

22.如权利要求12所述的有源式场发射显示器，其中该阳极基板包括：

阳极层；以及

荧光层，位于该阳极层朝向该阴极基板的表面上。

23.如权利要求22所述的有源式场发射显示器，其中该阳极层包括透明导电层。

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