CN101609777B - 多孔硅场发射发光二极管及其制作技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及场发射显示技术领域，特别是一种多孔硅场发射发光二极管及其制作技术。本发明的多孔硅场发射发光二极管，包括导电玻璃、荧光粉、多孔硅片，其中，多孔硅片为多孔硅场发射发光二极管的阴极，多孔硅片由硅基底和多孔硅层组成；多孔硅场发射发光二极管的阳极由荧光粉涂履在导电玻璃的导电层上而成；多孔硅场发射发光二极管的附有荧光粉的导电玻璃导电层与多孔硅片的多孔硅层之间的间隙，通过隔离子和密封材料构成一真空度在1×10-5Pa以下的密封空腔。本发明多孔硅场发射发光二极管的制作步骤：1、多孔硅片的制作；2、多孔硅场发射发光二极管的制作，包括：(1)制作阴极，(2)制作阳极，(3)制作隔离子，(4)真空封装。
Description
技术领域
本发明涉及场发射显示技术领域，特别是一种多孔硅场发射发光二极管及其制作技术。
背景技术
多孔硅(porous silicon简称PS)是孔径为纳米数量级的、海绵状的多孔材料，表面具有微尖锥，具有电致发光、光致发光特性。因此，自1956年Uhlir首次采用阳极氧化方法制备得到多孔硅以来，越来越多的科研工作者重视该项研究，特别是近10多年来，它在微电子学和光电子学领域的应用前景，引起了广泛关注，成为当前研究的热点。
目前市售发光二极管(light emission diode)简称为LED。由镓(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物，利用PN结中的电子与空穴复合时能辐射出可见光的原理制成。例如磷砷化镓、磷化铝镓铟(AlGaInP)二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓(GaN)发蓝、绿光(日本发明，价格很高)。市售二极管只有红、黄、蓝少数色彩，其它是它们的混合色，其色彩不理想。
场发射发光二极管与市售发光二极管的原理不同，但是与以碳纳米管为材料的发光二极管的研发原理相同。它是利用纳米硅的微尖锥在一定的场强下能够幅射出电子，电子打在涂有荧光粉的导电玻璃上(阳极)发光。
在显示器领域，常规的阴极射线管显示器(CRT)将渐渐被平板显示器(FPD)所取代。平板显示器主要可分为：液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、有机发光二极管(OLED)、场发射显示器(FED)。
液晶显示器(LCD)现在的社会拥有量虽然占据第二位，已经占据平板显示器份额的80％以上，其产品范围已经复盖整个应用领域，是平板显示器的主流产品。它的优点是体积薄、重量轻。但是，由于其核心部件稳定性较差，本身不发光而且视角小，限制了它的使用范围和显示效果，能否最终替代阴极射线管显示器(CRT)，尚未可知。
等离子显示器(PDP)的优点是响应速度快，接近CRT。缺点是驱动电压高、耗电量大、发光效率低、象素节距大。从长远来看，PDP将是一种过渡技术，因为PDP只适用于大屏幕和电视接收机，而不适用于电脑等领域。
有机发光二极管(OLED)在大尺寸、低成本上占有优势，但由于全彩面板寿命较短，约5000小时，仍局限于单色显示领域应用，限制了它的发展。
场发射显示器(FED)与CRT的原理相似，也属于真空电子束激发发光显示技术，显示画质优秀，但制作工艺完全不同，FED的关键技术是发射阴极的制作。
场发射显示器(FED)使用的电子枪可达到N×M个，场发射显示器(FED)具有所需电压低、采用冷阴极、重量轻、厚度薄等等优点，它既具有阴极射线管(CRT)显示技术的色彩鲜艳丰富、显示无限灰度、适合显示动画等优点，也具有平板显示器重量轻、厚度薄、体积小的优点，所以场发射显示器(FED)有显示器之王之称，是最终替代阴极射线管(CRT)显示技术的、比较理想的显示器。世界各国都在竟相研制中。
场发射发光二极管阵列可以用于单色或多色广告显示，可以是研制场发射显示器FED的前期产品，场发射发光二极管阵列的研制将有助于开发新一代的显示器。多孔硅是一种纳米量级的新材料，表面具有103- 104个.μm-2微尖锥，在一定的条件下，具有发射电子的功能，工作时即使有一部分微尖锥老化而失去发射电子的功能，还会有另一部分微尖锥继续发射电子，具有可靠性好、寿命长等优点，故它适用于制作场发射发光二极管的阴极，加上它是硅材料，更有利于实现全硅光电子的集成。目前，采用多孔硅制作场发射发光二极管未见报道。
发明内容
本发明的任务是提供一种多孔硅场发射发光二极管及其制作技术。
本发明所采用的技术方案是通过如下方式完成的：一种多孔硅场发射发光二极管，它包括导电玻璃、荧光粉、多孔硅片，导电玻璃由玻璃基板A和导电层组成，导电层设在玻璃基板A上；多孔硅片为多孔硅场发射发光二极管的阴极，多孔硅片由硅基底和多孔硅层组成，多孔硅层设在硅基底正面；多孔硅场发射发光二极管的阳极由荧光粉涂履在导电玻璃的导电层上而成；多孔硅场发射发光二极管的附有荧光粉的导电玻璃导电层与多孔硅片的多孔硅层之间的间隙，即多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙，通过隔离子和密封材料构成一真空度在1×10-5Pa以下的密封空腔。
在多孔硅场发射发光二极管中，多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙距离为100～200μm。
在多孔硅场发射发光二极管中，多孔硅片固定在玻璃基板B上。
在多孔硅场发射发光二极管的阴、阳两极间加一定的电场时，阴极就会发射电子，当电子打到阳极的荧光粉上就会发光；采用绿色荧光粉，就发绿光；采用红色荧光粉，就发红光。
本发明一种多孔硅场发射发光二极管的制作技术包括以下步骤：
1、多孔硅片的制作
用低电阻率的单晶硅片作为多孔硅片的硅基底，将单晶硅片放在腐蚀槽中进行电化学方法腐蚀，电极采用铂(Pt)，腐蚀液采用氢氟酸和无水乙醇组成的混合液，其中，氢氟酸采用浓度为35％～45％的氢氟酸，腐蚀液中的组分的体积配比为：氢氟酸(HF)∶无水乙醇(C2H5OH)＝1∶0.95～1.05；单晶硅片表面生成多孔硅后，使用正离子或负离子对多孔硅消除悬空键处理，处理后可获得其表面具有103-104个.μm-2微尖锥的纳米多孔硅层。使用正离子或负离子消除多孔硅悬空键，可采用专利号为02112389.6的阴极还原表面处理技术或专利号为02112391.8的阳极氧化表面处理技术。
为了提高微尖锥发射电子的能力，微尖锥表面可加少量的金属、碳纳米管、氧化锌等材料。
2、多孔硅场发射发光二极管的制作
(1)制作阴极
用厚度为2～3mm浮法钠钙玻璃(非导电玻璃)，切成2mm的小圆块作阴极基板；多孔硅片切成小于0.3mm的小圆块，采用银浆材料作粘合剂将多孔硅片粘合在阴极基板上，在多孔硅片上引出铜质导线作为发光二极管阴极连接线。
(2)制作阳极
用厚度为2mm ITO导电玻璃，切成
2mm的小圆块作阳极板，在导电侧涂履阴极射线荧光粉，在导电玻璃的导电侧引出铜质引线作为发光二极管阳极连接线。
(3)制作隔离子
用厚度为670um的高温玻璃(熔点大于500℃)通过切割制作成1mm×1mm×670um的隔离子，其作用是保证阴、阳两极绝缘，并保持阴极表面与阳极荧光粉之间间隔100～200um的距离。
(4)真空封装
①将阳极板和阴极板对准(发射阴极与荧光粉对准)，中间均匀放置3颗隔离子，用绝缘环氧聚脂胶固定阴、阳极板和隔离子，使阴极表面与阳极荧光粉之间间隔100～200um的距离，制得发光二极管蕊片。
②把制得发光二极管蕊片放入密封容器中，进行抽气——充氮气——抽气——充氮气——再抽气，在1×10-5Pa真空下封口，完成真空封装工序。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1、制造容易、所需电压低、重量轻、厚度薄、体积小。
2、有利于与控制电路集成在一起，有利于实现器件的微型化。
3、它使用的多孔硅是一种纳米量级的新材料，表面具有103-104个.μm-2微尖锥，用它做场发射发光二极管的阴极，工作时即使有一部分微尖锥老化而失去发射电子的功能，还会有另一部分微尖锥继续发射电子，具有可靠性好、寿命长等优点。
4、采用场发射制作技术，它既具有阴极射线管(CRT)显示技术的色彩鲜艳丰富、显示无限灰度、适合显示动画等特点，也具有平板显示器重量轻、厚度薄、体积小的优点。
5、其产品可以用作广告显示，也是研究场发射显示器的前期产品。
附图说明
图1为多孔硅场发射发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照附图1，一种多孔硅场发射发光二极管，它包括导电玻璃、荧光粉5、多孔硅片，导电玻璃由玻璃基板A1和导电层2组成，导电层2设在玻璃基板A1上；多孔硅片为多孔硅场发射发光二极管的阴极，多孔硅片由硅基底4和多孔硅层6组成，多孔硅层6设在硅基底4正面；多孔硅场发射发光二极管的阳极由荧光粉5涂履在导电玻璃的导电层2上而成；多孔硅场发射发光二极管的附有荧光粉5的导电玻璃导电层2与多孔硅片的多孔硅层6之间的间隙，即多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙，通过隔离子3和密封材料构成一真空度在1×10-5Pa以下的密封空腔8；多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙距离为100～200μm。在多孔硅场发射发光二极管中，多孔硅片的硅基底4固定在玻璃基板B 7上。
多孔硅场发射发光二极管的制作技术包括以下步骤：
1、多孔硅材料的制作
用电阻率为0.01～0.03Ωcm，P型，晶面(100)的单晶硅片，放在腐蚀槽中进行电化学方法腐蚀，电极采用铂(Pt)，腐蚀液采用浓度为40％的氢氟酸和无水乙醇组成的混合液，配置浓度体积比为HF∶C2H5OH＝1∶1；单晶硅片表面生成多孔硅后，使用正离子对多孔硅消除悬空键处理，采用专利号为02112389.6的阴极还原表面处理技术，对多孔硅进行了表面处理，处理后可获得其表面具有103-104个.μm-2微尖锥的纳米多孔硅。
2、多孔硅场发射发光二极管的制作
(1)制作阴极
用厚度为2mm浮法钠钙玻璃(非导电玻璃)，切成
2mm的小圆块作阴极基板；多孔硅片切成小于0.3mm的小圆块，采用银浆材料作粘合剂将多孔硅片粘合在阴极基板上，在多孔硅片上引出铜质导线作为发光二极管阴极连接线。
(2)制作阳极
用厚度为2mm ITO导电玻璃，切成
2mm的小圆块作阳极板，在导电侧涂履阴极射线绿色荧光粉，在导电玻璃的导电侧引出铜质引线作为发光二极管阳极连接线。
(3)制作隔离子
用厚度为670um的高温玻璃(熔点大于500℃)通过切割制作成1mm×1mm×670um的隔离子，其作用是保证阴、阳两极绝缘，并保持阴极表面与阳极荧光粉之间间隔100～200um的距离。
(4)真空封装
①将阳极板和阴极板对准(发射阴极与荧光粉对准)，中间均匀放置3颗隔离子，用绝缘环氧聚脂胶固定阴、阳极板和隔离子，使阴极表面与阳极荧光粉之间间隔100～200um的距离，制得发光二极管蕊片。
②把制得发光二极管蕊片放入密封容器中，进行抽气——充氮气——抽气——充氮气——再抽气，在1×10-5Pa真空下封口，完成真空封装工序。
实施例2
参照附图1，一种多孔硅场发射发光二极管，该多孔硅场发射发光二极管的结构与实施例1相同。在多孔硅场发射发光二极管的制作过程中，在多孔硅材料的制作时，腐蚀液采用浓度为35％的氢氟酸和无水乙醇组成的混合液，配置浓度体积比为HF∶C2H5OH＝1∶0.95；其余与实施例1中的多孔硅场发射发光二极管的制作技术相同。
为了提高多孔硅层6上的微尖锥发射电子的能力，多孔硅层6上的微尖锥表面加少量的金属材料；在阳极板的导电侧涂履阴极射线红色荧光粉。
实施例3
参照附图1，一种多孔硅场发射发光二极管，该多孔硅场发射发光二极管的结构与实施例1相同。在多孔硅场发射发光二极管的制作过程中，在多孔硅材料的制作时，腐蚀液采用浓度为45％的氢氟酸和无水乙醇组成的混合液，配置浓度体积比为HF∶C2H5OH＝1∶1.05，单晶硅片表面生成多孔硅后，使用负离子对多孔硅消除悬空键处理，采用专利号为02112391.8的阳极氧化表面处理技术，对多孔硅进行了表面处理，处理后可获得其表面具有103-104个.μm-2微尖锥的纳米多孔硅；其余与实施例1中的多孔硅场发射发光二极管的制作技术相同。
为了提高多孔硅层6上的微尖锥发射电子的能力，多孔硅层6上的微尖锥表面加少量的碳纳米管材料；在阳极板的导电侧涂履阴极射线蓝色荧光粉。
实施例4
参照附图1，一种多孔硅场发射发光二极管，该多孔硅场发射发光二极管的结构及制作技术与实施例1相同，为了提高多孔硅层6上的微尖锥发射电子的能力，多孔硅层6上的微尖锥表面加少量的氧化锌材料；在阳极板的导电侧涂履阴极射线白色荧光粉。
Claims (10)
1.一种多孔硅场发射发光二极管，其特征在于该多孔硅场发射发光二极管包括导电玻璃、荧光粉、多孔硅片，导电玻璃由玻璃基板A和导电层组成，导电层设在玻璃基板A上；多孔硅片为多孔硅场发射发光二极管的阴极，多孔硅片由硅基底和多孔硅层组成，多孔硅层设在硅基底正面；多孔硅场发射发光二极管的阳极由荧光粉涂履在导电玻璃的导电层上而成；多孔硅场发射发光二极管的附有荧光粉的导电玻璃导电层与多孔硅片的多孔硅层之间的间隙，即多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙，通过隔离子和密封材料构成一真空度在1×10-5Pa以下的密封空腔。
2.根据权利要求1所述的多孔硅场发射发光二极管，其特征在于多孔硅场发射发光二极管的阴极使用纳米多孔硅材料。
3.根据权利要求1所述的多孔硅场发射发光二极管，其特征在于多孔硅场发射发光二极管的阳极由阴极射线荧光粉涂履在导电玻璃的导电层上而构成。
4.根据权利要求1所述的多孔硅场发射发光二极管，其特征在于多孔硅场发射发光二极管由阳极和阴极，通过隔离子和密封材料构成一真空度在1×10-5Pa以下的发光二极管。
5.根据权利要求1所述的多孔硅场发射发光二极管，其特征在于多孔硅场发射发光二极管的阴极与阳极之间的间隙距离为100～200μm。
6.根据权利要求1或2所述的多孔硅场发射发光二极管，其特征在于涂履在阳极玻璃正面的荧光粉浆料的面积尺寸比阴极上的多孔硅片的面积尺寸略大。
7.一种多孔硅场发射发光二极管的制作技术，其特征在于该多孔硅场发射发光二极管的制作技术包括以下步骤：
(1)多孔硅片的制作
用低电阻率的单晶硅片作为多孔硅片的硅基底，将单晶硅片放在腐蚀槽中进行电化学方法腐蚀，电极采用铂(Pt)，腐蚀液采用氢氟酸和无水乙醇组成的混合液，其中，氢氟酸采用浓度为35％～45％的氢氟酸，腐蚀液中的组分的体积配比为：氢氟酸(HF)∶无水乙醇(C2H5OH)＝1∶0.95～1.05；单晶硅片表面生成多孔硅后，使用正离子或负离子对多孔硅消除悬空键处理；
(2)多孔硅场发射发光二极管的制作
①制作阴极，用厚度为2～3mm浮法钠钙玻璃，切成
的小圆块作阴极基板，多孔硅片切成小于0.3mm的小圆块，采用银浆材料作粘合剂将多孔硅片粘合在阴极基板上，在多孔硅片上引出铜质导线作为发光二极管阴极连接线；
②制作阳极，用厚度为2mm ITO导电玻璃，切成
的小圆块作阳极板，在导电侧涂履阴极射线荧光粉，在导电玻璃的导电侧引出铜质引线作为发光二极管阳极连接线；
③制作隔离子，用厚度为670um的熔点大于500℃的高温玻璃通过切割制作成1mm×1mm×670um的隔离子；
④真空封装，将阳极板和阴极板对准，中间均匀放置3颗隔离子，用绝缘环氧聚脂胶固定阴、阳极板和隔离子，使阴极表面与阳极荧光粉之间间隔100～200um的距离，制得发光二极管蕊片；把制得发光二极管蕊片放入密封容器中，进行抽气——充氮气——抽气——充氮气——再抽气，在1×10-5Pa真空下封口，完成真空封装工序。
8.根据权利要求7所述的多孔硅场发射发光二极管的制作技术，其特征在于微尖锥表面加少量的金属材料。
9.根据权利要求7所述的多孔硅场发射发光二极管的制作技术，其特征在于微尖锥表面加少量的碳纳米管材料。
10.根据权利要求7所述的多孔硅场发射发光二极管的制作技术，其特征在于微尖锥表面加少量的氧化锌材料。
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