CN102017051A - 具有电荷耗散层的下栅场发射三极管 - Google Patents

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Abstract

下栅场发射三极管装置和其中所用的阴极组合件包含电荷耗散层(6，11)，该电荷耗散层可定位在阴极电极(6.4)、(6.5)、和/或电子场发射器(6.6)的下方或上方。

Description

具有电荷耗散层的下栅场发射三极管
本专利申请根据35 U.S.C.§119(e)要求优先权，并且要求2007年10月5日提交的美国临时专利申请60/977,683的优先权，所述临时专利申请以引用方式全文并入本文来作为其一部分以用于所有目的。
技术领域
本发明涉及场发射三极管装置，并且涉及其中所用的阴极组合件。
背景技术
传统上，场发射三极管装置利用如下的设计：其中栅电极定位在电子场发射器的上方，因此位于阴极电极和阳极组合件之间。该设计经常被称为“前栅”或“顶栅”三极管装置。然而，随着较低阈值的电子发射材料诸如碳纳米管的开发，两种其中将栅电极重新定位至某个不同的位置的可供选择的几何形状已成为可能。这些新电子发射材料的较低的接通电压连同它们的无规取向已使以可供选择的设计几何形状为特征的装置有可能在常规的电子发射材料诸如Spindt尖端不能够发射足够电流的条件下发射适量的电流。
将栅电极重新定位主要形成了“横栅”或“侧栅”几何形状，其中阴极电极和栅电极为共面的；并且形成了“下栅”几何形状，其中阴极电极定位在栅电极的上方，因此位于阳极组合件和栅电极之间。对这些可供选择的几何形状的兴趣受到如下愿望的驱动：增大制造场发射装置的便利性并且降低最终装置成本。
在开发下栅几何形状的过程中，我们发现具有下栅设计的场发射装置，尤其是其中使用了碳纳米管(CNT)作为电子发射材料的装置，具有不期望有的缺陷。尽管发射可通过向栅电极施加偏压来获得(如果阳极电压是断开的)，但当阳极电压再次接通时，发射电流会降至不可接受的低水平。为了重新建立发射电流使其处在理想的高水平，就必须增大栅电压使其大体上超过先前的水平。每当阳极电压被循环断开和接通时均会发生这种相同的效应。也已发现该效应一旦开始就会成为永久的，并且尚未发现有什么可逆转这种必须不断增高栅电压才能获得可接受水平的发射电流的倾向。这是个极不可取的缺陷，因为在任何商业消费电子装置中均不可能期望连续地施加阳极电压。此外，抵销断开/接通循环效应并产生足够的发射电流所需的不断增大量的栅电压还会使得装置在所需的栅电压超过装置的击穿强度之前仅可断开和接通少数几次。
US 5,760,535描述了一种具有顶栅设计和电荷耗散层的场发射三极管装置。Choi等人[Diamond and Related Materials，10(2001)1705-1708]描述了一种具有下栅设计和CNT电子场发射器的场发射三极管装置。然而，仍然需要如下的场发射三极管装置：其中可最小化或完全避免有害的断/通功率循环效应。
发明简述
本发明涉及场发射三极管装置，其中电子场发射器产生一定量的电流，所述电流的特征在于在使用期间(在使用期间，装置经受重复的断开/接通循环)具有所期望的稳定度。本发明也涉及适用于此类三极管装置的阴极组合件。
本文在本发明的装置和阴极组合件的一个或多个具体实施方案的上下文中描述了它们中的某些的特征，所述实施方案结合了各种此类特征。然而本发明的范围不限于任何具体实施方案中的单独某几个特征的描述，并且本发明还包括(1)少于任何所述实施方案的所有特征的次组合，所述次组合的特征在于不存在形成次组合所省略的特征；(2)每一个独立包括在任何所述实施方案的组合中的特征；和(3)通过任选可与本文其它处公开的其它特征一起，仅将两个或更多个所述实施方案中的选定的特征归类而形成的其它特征的组合。
本文的场发射三极管装置的具体实施方案中的一些描述如下：
本文的装置的一个此类实施方案提供了一种场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、(v)设置在电荷耗散层上的阴极电极、和(vi)接触阴极电极的电子场发射器；和(b)阳极。
本文的装置的另一个实施方案提供了一种场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的阴极电极、(v)设置在阴极电极和绝缘层上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、和(vi)设置在电荷耗散层上的电子场发射器；和(b)阳极。
本文的装置的另一个实施方案提供了一种场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的阴极电极、(v)接触阴极的电子场发射器、和(vi)设置在绝缘层、阴极电极和电子场发射器上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层；和(b)阳极。
本文的阴极组合件的具体实施方案中的一些描述如下：
本文的阴极组合件的一个此类实施方案提供了一种阴极组合件，所述阴极组合件包括(a)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、(v)设置在电荷耗散层上的阴极电极、和(vi)接触阴极电极的电子场发射器。
本文的阴极组合件的另一个实施方案提供了一种阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的阴极电极、(v)设置在阴极电极和绝缘层上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、和(vi)设置在电荷耗散层上的电子场发射器。
本文的阴极组合件的另一个实施方案提供了一种阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在基板上的导电栅电极、(iii)设置在栅电极上的绝缘层、(iv)设置在绝缘层上的阴极电极、(v)接触阴极的电子场发射器、和(vi)设置在绝缘层、阴极电极和电子场发射器上的具有介于约1x1010和约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层。
本文的装置和阴极组合件的其它实施方案由大体上如图6、10、11、13、14、16或17中的任何一个或多个所示或所述的任何设备或装置组成。
附图简述
图1显示了常规的、现有技术的、具有下栅设计的场发射装置的侧正视图。
图2显示了如对照例A所公开的具有下栅设计的场发射装置的阴极组合件的顶部平面图。
图3显示了如对照例A所公开的具有下栅设计的场发射装置的侧正视图。
图4显示了获自对照例A所公开的场发射装置的发射图案的图像。该图像是在阳极电压被首次断开之前捕获的。
图5显示了在对照例A所公开的场发射装置中用以获得使阳极电压断开然后再接通四次的特定发射电流所需的栅电压。
图6显示了如实施例1所公开的具有下栅设计和电荷耗散层的场发射装置的侧正视图。
图7显示了获自实施例1所公开的场发射装置的发射图案的图像。该图像是在阳极电压被断开然后再次接通之后捕获的。
图8显示了透过实施例1所公开的场发射装置的阴极基板所观察到的发射图案的图像。该图像是在阳极电压被断开然后再接通五次之后捕获的。
图9显示了透过实施例1所公开的场发射装置的扩散器和阴极基板所观察到的发射图案的图像。
图10显示了如实施例2所公开的场发射装置的阴极组合件的顶部平面图，所述装置具有下栅设计和电荷耗散层、发射极线和栅阴极电极(按所述顺序沉积)。
图11显示了实施例2所公开的场发射装置的侧正视图。
图12显示了获自实施例2所公开的场发射装置的发射图案的图像。
图13显示了如实施例3所公开的场发射装置的阴极组合件的顶部平面图，所述装置具有下栅设计和阴极电极线、电荷耗散层和相交的发射极线(按所述顺序沉积)。
图14显示了实施例3所公开的场发射装置的侧正视图。
图15显示了获自实施例3所公开的场发射装置的发射图案的图像。
图16显示了如实施例4所公开的场发射装置的阴极组合件的顶部平面图，所述装置具有下栅设计和阴极电极线、相交的发射极线和薄膜电荷耗散层(按所述顺序沉积)。
图17显示了实施例4所公开的场发射装置的侧正视图。
图18显示了获自实施例4所公开的场发射装置的发射图案的图像。
发明详述
本文描述了场发射三极管，所述三极管具有下栅设计并且包含阴极组合件和阳极组合件。本文也描述了阴极组合件，所述阴极组合件包含(不按特定顺序)基板、阴极电极、栅电极、电子场发射器、绝缘层和电荷耗散层。如本文所用的阳极组合件通常包含基板、阳极电极和荧光物质层。将电荷耗散层并入到本文的阴极组合件中并且因此最终并入到本文的场发射装置中可减少或消除如下不可取的需求：在正常使用中所涉及的功率的断开/接通循环期间，需要不断地增大施加到阴极电极上的电压以保持可接受水平的发射电流。从而可以本文的这种场发射三极管装置来提供稳定得多的发射电流。
图1显示了具有下栅设计的常规的、现有技术的场发射三极管装置的几何形状。由于所述装置不包含电荷耗散层，因此其将用作针对本发明装置和阴极组合件的适用的比较点。图1的装置包含驻留在基板材料1.2上的一个或多个栅电极1.1。栅电极由驻留在它们上的一个或多个绝缘介电层1.3覆盖。驻留在介电层上的是一个或多个阴极电极1.4，并且电子发射材料1.5电接触阴极电极。与阴极电极和栅电极相对定位并且由绝缘隔板1.6支撑的是阳极组合件，所述阳极组合件包含阳极基板1.7，所述阳极基板包含一个或多个阳极电极1.8。该阳极基板可包含用于发射光的荧光物质涂层1.9，并且可通过使用隔板而保持恒定距离。从接触阴极电极的电子发射材料所产生的场发射可通过向栅电极施加正电位来获得。然后施加到阳极电极上的独立正电位会吸引发射自发射材料的阳极电子。如果阳极组合件包含荧光物质层，则电子撞击将产生可见光发射。
在本文所述的场发射三极管装置中，将另一种元件即电荷耗散层加入到阴极组合件中。电荷耗散层将具有介于约1x1010至约1x1014Ω/平方之间的薄层电阻，所述电阻根据ASTM D257-07 Standard Test Methodsfor DC Resistance or Conductance of Insulating Materials用静电计来测量。在上述范围内的所选电阻可通过调整该层的厚度来获得，取决于构成该层的材料的固有电阻率，所述厚度的范围可为约10至约50埃至约0.1至约5微米。电荷耗散层会将多余的电荷传导至地。
将电荷耗散层包括在本发明的场发射三极管装置中可以许多方式来实施，因为对于阴极组合件中的可供电荷耗散层驻留的位置存在若干个供选择的替代方案。例如，在一个实施方案的构型中，可在沉积阴极电极和电子发射材料之前将电荷耗散层放置在绝缘层之上，所述绝缘层由电介质材料形成。因此，一旦形成了电荷耗散层，即可将阴极电极放置在其之上。然后可将电子场发射器放置成接触阴极电极。电子场发射器可完全定位在阴极电极之上，或可具有直接定位在电荷耗散层之上的某个部分和接触阴极电极的某个部分以建立电接触。该类型的构型显示于图6中。
一个可供选择的实施方案的构型是，首先将电子场发射器的电子发射材料放置在电荷耗散层上，然后将阴极电极定位在电子场发射器之上。这具有从阴极电极之上移除电子发射材料的优点，这是一种易于从阳极电位产生无栅发射(也称为“热点”)的布置。如果电子发射材料具有足够的电导率，则其可同时用作阴极电极和电子场发射器。尽管该方法也可导致“热点”的发生，但图案化和对齐步骤的消除可使其在一些情况下值得使用。该类型的构型显示于图11中。
在另一个实施方案的构型中，电荷耗散层可定位在阴极电极之上并且位于电子场发射器的电子发射材料之下。除了耗散可能发生的任何表面充电以外，在该情形中的电荷耗散层也用作镇流电阻器。镇流电阻器常常用在场发射装置中以获得更好的发射均匀性，该目的与减小装置中的“热点”数目的目的是相容的。该类型的构型显示于图14中。
在另一个实施方案的构型中，电荷耗散层可在阴极电极和电子场发射器已放置在介电绝缘层上之后形成。这可通过将电荷耗散材料薄膜沉积在整个装置上来实现，或通过将电荷耗散材料以图案化方式丝网印刷到暴露的介电区域上从而形成电荷耗散层来实现。该方法的优点是，栅电极和阴极电极之间的距离不会因已被制造为厚膜的电荷耗散层的存在而增大。该类型的构型显示于图17中。
用于制造电荷耗散层的合适的材料无限制地包括以下材料中的一种或其混合物：典型的电介质(即绝缘)材料诸如瓷(陶瓷)、云母、玻璃、塑料诸如环氧化物、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯和聚(四氟乙烯)、以及各种金属诸如铝、硅、锡和钛的氧化物和氮化物。然后所选择的电介质材料可掺杂导电材料颗粒以获得所需的薄层电阻。适用于此类掺杂目的的导电材料包括锑、金、铂、银或钨、导电性金属氧化物颗粒诸如掺杂了铟的氧化锡或掺杂了氟的氧化锡、或半导体颗粒诸如硅。取决于所用的颗粒，基于电介质材料和掺杂剂的合并重量，可能需要按重量计介于0.1％和30％之间的掺杂水平以获得所需的薄层电阻。
适用于形成电荷耗散层的其它材料无限制地包括混合价氧化物诸如钴铁氧化物(CoO·Fe2O3或CoFe2O4)、镍铁氧化物(NiO·Fe2O3或NiFe2O4)、或镍锌铁氧化物([NiO+ZnO]1Fe2O3或[Ni+Zn]1Fe2O4)、锰锌铁氧化物([MnO+ZnO]1Fe2O3)，或甚至可使用最简单形式的铁-氧化铁(FeO，Fe2O3)。这些材料通常称为铁氧体。这些材料包括钡铁氧化物型和锶铁氧化物型的铁氧体材料。在各种应用中，呈多晶块材形式的CoFe2O4可为适用的选择。此外，也可使用混合价氧化物诸如钆铁氧化物(Gd3Fe5O12)、镧镍氧化物(LaNiO3)、镧钴氧化物(LaCoO3)、镧铬氧化物(LaCrO3)、镧锰氧化物(LaMnO3)和基于这些而改性的材料诸如镧锶锰氧化物(La0.67Sr0.33MnOx)、镧钙锰氧化物(La0.67Ca0.33MnOx)、或钇钡铜氧化物(Y1Ba2Cu3Ox)。这些材料通常称为稀土和非稀土混合金属氧化物。
适用于形成电荷耗散层薄膜的材料包括铬、金、铂、银或钨；导电性金属氧化物诸如掺杂了铟的氧化锡、掺杂了锑的氧化锡、或掺杂了氟的氧化锡；或半导体诸如具有介于约1010和约1014Ω/平方之间的薄层电阻的非晶硅。
在其它实施方案中，电荷耗散层可用组合物来制备，所述组合物包含功能性成分诸如颜料或光散射中心以提供附加功能诸如光阻断或光漫射。
适于用作本文的电子发射材料以形成电子场发射器的材料包括针状材料诸如碳、类金刚石碳、半导体、金属或它们的混合物。如本文所用，“针状”是指微粒的纵横比为10或更大。针状碳可为各种类型。碳纳米管为优选的针状碳，并且单壁碳纳米管为尤其优选的。单个单壁碳纳米管极小，直径通常为约1.5nm。碳纳米管有时被描述为石墨状的，推测起来可能是由于sp2混成碳的缘故。可将碳纳米管的壁想象为将石墨烯片材卷起而形成的圆柱体。在小金属颗粒上催化裂解含碳气体而生成的碳纤维也可用作针状碳，所述纤维中的每种均具有相对于纤维轴成一角度布置的石墨烯片，该角度使得碳纤维的周边基本上由石墨烯片的边缘组成。该角度可为锐角或90°。针状碳的其它实例为聚丙烯腈基(PAN-基)碳纤维和沥青基碳纤维。
阴极组合件或阳极组合件中的基板可为任何材料，其它层将粘附到所述材料上。硅、玻璃、金属或耐火材料(例如矾土)可用作基底。对于显示应用，优选的基底为玻璃，并且尤其优选碱石灰玻璃。本文的适用于制造下栅电极、阴极电极和/或阳极电极的材料无限制地包括银、金、钼、铝；镍、铂、锡和钨的氧化物。
形成阴极组合件中的电荷耗散层的一种方法是通过沉积，诸如通过丝网印刷已掺杂有导电材料的厚膜电介质糊剂以获得所需的薄层电阻。一种可供选择的方法为施加电阻材料诸如硅的薄膜涂层以获得所需的薄层电阻。
用于本文的阴极组合件并且最终用于本文的场发射三极管装置中的电子场发射器可通过将电子发射材料与此类将发射材料连结到所需表面上所需的玻璃料、金属粉末或金属涂料(或它们的混合物)相混合来制备。电子发射材料的连结方法必须耐受制造阴极组合件时的条件和包含该阴极组合件的场发射装置操作时的条件，并且可在这些条件下保持其完整性。那些条件通常涉及真空条件和最大约450℃的温度。因此，有机材料一般不适用于将颗粒连结到表面上，并且很多无机材料对碳的较差的粘附性进一步限制了对可用材料的选择。因此，优选的方法是将包含电子发射材料和玻璃料(诸如铅或铋玻璃料)、金属粉末或金属涂料(或它们的混合物)的厚膜糊剂按所需图案丝网印刷到表面上，然后焙烧干燥的图案化糊剂。对于更多种类的应用例如要求更高分辨率的那些，优选的方法包括：丝网印刷也包含了光引发剂和可光致硬化的单体的糊剂、光致图案化干燥的糊剂、并且焙烧图案化糊剂。
可以使用熟知的丝网印刷技术将浆料混合物丝网印刷，这些技术例如使用165-400目的不锈钢网筛。可将厚膜糊剂沉积为连续薄膜或以所需图案的形式沉积。当表面为玻璃时，则将糊剂在约350℃至约550℃，优选在约450℃至约525℃的温度下在氮气中焙烧约10分钟。可使用表面所能够承受的更高的焙烧温度，前提条件是焙烧气氛中不含氧气。然而，糊剂中的有机组分会在350-450℃下有效地挥发，从而留下由电子发射材料和玻璃和/或金属导体构成的复合材料层。如果要使丝网印刷的糊剂光致图案化，则糊剂还可包含光引发剂、可延展的粘合剂以及可光固化单体，该可光固化单体包含例如至少一种可加成聚合的烯键不饱和化合物，该化合物具有至少一种可聚合的乙烯基。
除了电子场发射器以外的阴极组合件的各层或各组件的形成、或阳极组合件的各层或各组件的形成，可通过类似于上文所述的那些的厚膜印刷方法来获得；或通过如本领域已知的其它方法诸如溅射或化学气相沉积来获得，这些方法可按需要涉及掩模和可光成像的材料的使用。
虽然本文在各个部分中将沉积阴极组合件的各种组件描述为沉积厚膜或薄膜以形成层，并且虽然当以侧正视图显示时阴极组合件的各种组件可显现为以层为特征，但如本文所用，术语“层”不是必定要求阴极组合件或场发射装置中的组件为完全平面的或完全连续的。就形状和布局而言，在各种实施方案中，被称为或可被表征为层的组件可为或类似于条、线或网格、或一系列不连续的(虽然是电连接的)垫、桩或柱。因此，单一层可提供用于定位阴极电极的元件、栅电极、电荷耗散层、绝缘层和/或电子场发射器的多个位置；并且本文的装置可因此包含这些组件种类中每一种类的多个组件，这可提供一系列可单独寻址的像素。
本文的场发射三极管装置的操作涉及通过装置外部的接地电压源(未示出)向栅电极和阳极电极施加在如下范围内的适当的电位以激励电子场发射器产生场发射电流：所述范围包括下述实施例中所用的电压。
本文的场发射三极管装置可用于平板计算机显示器、电视机和其它类型的显示器、以及真空电子装置、发射栅放大器、速调管和照明装置。它们尤其适用于大面积的平板显示器，即用于尺寸大于30英寸(76cm)的显示器。平板显示器可以是平面的或弯曲的。这些装置更具体地描述于US2002/0074932中，该专利申请全文作为本文的一部分以引用方式并入本文以用于所有用途。
在本文的装置中利用电荷耗散层所具有的优点之一是可改善发射电流在大量断开/接通循环中的稳定性和一致性。然而，该效应的获得并未牺牲所述装置所能够产生的发射电流的总量中的很多(如果有的话)；并且在某些情况下，发射电流的量可增大最多高达10倍。通常可能认为电荷耗散层的存在会导致栅电极的有效性减小(由于诸如屏蔽之类的条件的缘故)或会导致穿过增大的厚度的有效电场减小，考虑到此类因素，这是有价值的结果。发射电流在大量断开/接通循环过程中保持稳定且高值的事实表明，在本文的装置的运行中只发生了极小的电子场发射器的劣化或没有发生电子场发射器的劣化，考虑到当设备加电时可存在高电流负载并且在运行期间由于表面充电的缘故也可存在高电流负载，这也是有价值的结果。
实施例
本文的场发射三极管装置的有利属性和效应可见于如下所述的一系列实施例(实施例1至4)。这些实施例所基于的本文装置的实施方案仅仅是代表性的，并且选择这些实施方案来例示本发明并不表示没有描述在这些实施例中的组件、设计或构型不适用于实施本发明，或并不表示没有描述在这些实施例中的主题被排除在所附权利要求及其等同物范畴之外。通过比较从实施例1至4获得的结果与在对照例A中所获得的结果，可更好地理解实施例1至4的重要性，所述对照例涉及不包含电荷耗散层的场发射三极管装置。
对照例A
图2和3分别显示了具有下栅设计的场发射三极管装置的阴极组合件的顶部平面图和该装置的侧正视图。阴极组合件使用2″x2″玻璃基板2.1和3.1来构造。蚀刻基板上的ITO涂层2.2和3.2以形成栅电极。将厚膜电介质糊剂丝网印刷在基板上，在125℃下干燥5分钟，并且在空气中焙烧至550℃的峰值温度20分钟。使用相同的规程将第二层电介质糊剂丝网印刷在第一层上。电介质糊剂的这两个焙烧层的组合厚度为9.3μm，并且形成了具有超过500V的击穿强度的绝缘层2.3和3.3。使用厚膜银糊剂将阴极电极2.4和3.4丝网印刷在绝缘层的表面上。然后将这层阴极电极在125℃下干燥5分钟，并且以550℃的峰值温度焙烧10分钟。
阴极电极2.5和3.5的活性区域(其将包含电子发射材料)由间隔开1.5mm的100μm宽的线构成的网格组成。将包含碳纳米管作为电子发射材料的厚膜糊剂丝网印刷到阴极电极上。随后将该糊剂在125℃下干燥5分钟，并且将其在氮环境中以420℃的峰值温度焙烧。将电子场发射器2.6和3.6的图案图案化以便活性发射区域中的阴极电极的所有边缘均接触电子发射材料线，所述线为大约100μm宽。然后将一片粘合带层压到电子场发射器上并且随后移除。已知该过程用以破裂电子场发射器，从而暴露出其“激活的”表面。
然后将激活的阴极组合件安装成与阳极板相对，所述阳极板由ITO涂覆的具有荧光物质涂层3.9的2″x2″玻璃基板3.8组成。使用4mm厚的隔板2.7和3.7来保持阴极组合件和阳极组合件之间的距离。使用银涂料和铜带材来实现与ITO栅电极、银阴极电极、和ITO阳极电极3.10的电接触。将图3所绘的装置安装在真空室中，所述真空室被抽空至＜1x10-5托的压力。
向阳极电极施加1.7kV的直流电压。将重复率为60Hz且脉冲宽度为60μs的脉冲方波施加到栅电极上。使阴极电极保持在地电位。当脉冲栅电压达到200V时，实测DC发射电流为7.7μA。该发射图案的图像显示于图4中。
然后将阳极电压断开并再接通，而在阳极电压的该断开/接通循环之后，发射电流完全消失。将阳极电压升至1.75kV，并且将脉冲栅电压缓慢升高。在275V的脉冲栅电压时，电流为0.6μA。当脉冲栅电压达到300V时，发射电流为8.7μA，并且栅电位需要有100V的增量才能重新得到原来的发射电流。然后将阳极电压增大至2.0kV，这在300V的脉冲栅电压下导致了12.4μA的发射电流。
然后将阳极电压再次断开，而当阳极电压再次接通时，发射电流完全消失。为了再次获得发射，将栅电压增大至375V，这时获得了0.4μA的电流。在400V时，电流为1.5μA，但逐渐增大至10.5μA。同样，栅电位需要有100V的增量才能重新获得先前的发射电流。然后将阳极电压缓慢减小以观察发射电流是否会再一次消失。当阳极电压回复至2.0kV时，发射电流为0.0μA。
将该样本从真空系统中移除以观察该效应是否可通过接触大气而消除。然而，当将该样本再次加载到室中并且施加了2.0kV的阳极电位和400V的栅电压时，仅从几个离散的闪烁点观察到了0.1μA的发射。400V接近于这些装置在正常运行中可期望承受的最大电压。每当阳极电压被移除时所需的栅电压的急剧增大使得这些装置不可用于现实世界的应用。图5显示了对于四次接通阳极电压而获得各种发射电流所需的栅电压。
实施例1
将另一个场发射三极管装置的样本制造成具有与对照例A中所测试的样本几乎相同的结构。在实施例1装置的侧正视图中，图6以类似于图3的方式显示了阴极组合件的基板6.1、ITO栅电极6.2、由双层电介质6.3形成的绝缘层、银阴极电极6.4和6.5、CNT电子发射材料6.6、隔板6.7、荧光材料6.9、ITO阳极电极6.10、和用于阳极组合件的阳极基板6.8。在该实施例中制备的样本装置与在对照例A中制备的样本装置的差别是，在图案化阴极电极之前，将第三厚膜层丝网印刷在该实施例中的样本上。该层6.11定位在这两个电介质材料层6.3之上，其由掺杂的电介质糊剂组成。该电介质糊剂掺杂有导电颗粒以便其可具有大于1010且小于1014Ω/平方的有限薄层电阻。因此层6.11将用作电荷耗散层。在该实施例中，将掺杂了锑的氧化锡颗粒用于电荷耗散层。
电荷耗散层的加入将电介质叠层的厚度增大至13.1μm。在真空环境中，以类似于对照例A中所用的方式将阳极电压和栅电压施加到该样本上。在60Hz下用60μs的栅脉冲来驱动该装置。在1.5kV的阳极电压和200V的栅电压时，发射的电流为3.4μA。该电流低于在对照例A中所获得的对应的电流，这可能是电介质叠层厚度增大和表面充电辅助发射减小的结果。当将阳极电压增大至2.0kV并且将栅电压增大至300V时，发射电流为16.5μA。
将阳极电压断开，并且当将阳极电压再次接通时，电流回复至14.2μA。在将阳极断开并再次接通之后捕获的该发射图案的图像显示于图7中。将样本装置保持断开一整夜。当次日早晨以相同的设定再次接通时，发射电流为15.0μA。将阳极电压再次断开，并且当将阳极电压再次接通时，电流为12.1μA。
将样本装置移除，并且将金属表面放置在阳极组合件上，这导致了发射的光朝阴极基板反射并且穿过它(由于其透明性质和阴极电极中的大开口面积的缘故)。光透出阴极基板而不是阳极基板具有许多优点。将反光金属薄膜放置在装置的外部上要比放置在装置内部的荧光物质表面上容易得多。当以传统取向用作LCD显示器的背光源(BLU)时，阳极基板定位在LCD基质的近旁，因而难以冷却阳极基板。当光通过阴极透出装置的后部时，阳极基板可定位在外部上，从而使得冷却容易得多并且更有效。
当以金属表面处在适当位置来进行操作时，对于300V的栅电压和2.0kV的阳极电压，该装置的发射电流稳定在12.0μA。附加地将阳极电压以该构型循环进行断/通三次，每次电流均回复至12.0μA。透过阴极基板观察到的获自该装置的发射的图像显示于图8中。该图像是在阳极电压被断开/接通5次之后捕获的。
将该室通气，并且将样本重新安装使其在阴极基板的外部具有扩散器。这增大了光透出阴极的均匀性。透过扩散器和阴极基板观察到的获自该装置的发射的图像显示于图9中。对于300V的栅电压和2.0kV的阳极电压，当以该方式操作时所获得的电流为12.2μA。装置在该电流下稳定地运行了3小时。该装置的累积发射时间为大约5小时。尽管观察到了发射电流的某种初始衰减，但一旦电流稳定下来，就可接通和断开装置而无任何增大栅电压的必要。
实施例2
制造了具有下栅设计的场发射三极管装置，其类似于实施例1中所用的装置。实施例1装置和实施例2装置之间的主要差别在于电子场发射器和阴极电极的图案、以及它们被图案化的顺序。阴极组合件的顶部平面图和装置的侧正视图分别显示于图10和11中。在那些图中，显示了阴极基板10.1和11.1、ITO栅电极10.2和11.2、由双层电介质10.3和11.3形成的绝缘层、银阴极电极10.4和11.4、CNT电子发射材料10.5和11.5、隔板10.6和11.6、电荷耗散层10.7和11.7、荧光物质层11.8、ITO阳极电极11.9、和阳极基板11.10。
以类似于构造对照例A和实施例1中所用样本装置的方式，使该实施例2装置的阴极电极为网格，不同的是间距为1mm。使用网格电极来替代线电极避免了仅因单线中断缺陷而中断与装置延伸区域的电连接的问题。该电子场发射器的图案为一系列间隔开1mm的100μm厚的平行线。发射极线通过相交于一组电极网格线来实现与阴极网格的电接触。在阴极电极和发射极线的这种相交布置中，电接触可在具有高公差的任何配准误差情况下得到确保。因此可制造该装置而无需使用昂贵的精密印刷或光刻设备。
获自该实施例2装置的发射图案的图像显示于图12中。该图像是当装置以3kV的阳极电压、300V的栅电压和28μA的阳极电流运行时捕获的。在120Hz下用30μs的栅脉冲来驱动该装置。当将栅电压断开时，没有观察到无栅发射或“热点”。
在对照例A和实施例1中，电子发射材料在印刷了阴极电极之后印刷，但在实施例2中，电子发射材料在阴极电极之前印刷。将阴极电极在电子场发射器线之上图案化，使得发射极线大约对分阴极电极方块。这种设计和图案化顺序上的改变导致了所观察到的无栅发射或“热点”的减少。可将阳极电压增大至3.0kV而不出现任何热点迹象。
虽然本发明不限于任何特定的操作理论，但这种“热点”上的减少可能起因于三个条件。首先，位于阴极电极顶上的电子发射材料(其最易于发生无栅发射)通过将图案化顺序颠倒而得到了消除。通过限制直接接触阴极电极的材料的量，电子场发射器和电荷耗散层可用作镇流电阻器，从而防止了热点由大部分材料形成。最后，紧邻阴极电极的材料受到了定位在其上方的阴极电极的有效屏蔽。
实施例3
还开发了一种减小无栅发射或“热点”的可供选择的方法。实施例3中的装置的构造类似于实施例1中所用装置的构造，不同的是将电荷耗散层在阴极电极之后但在沉积电子场发射器之前图案化。阴极组合件的顶部平面图和装置的侧正视图分别显示于图13和14中。在那些图中，显示了阴极基板13.1和14.1、ITO栅电极13.2和14.2、由双层电介质材料13.3和14.3形成的绝缘层、银阴极电极13.4和14.4、CNT电子发射材料13.5和14.5、隔板13.6和14.6、电荷耗散层13.7和14.7、荧光物质层14.8、ITO阳极电极14.9、和阳极基板14.10。
通过将电荷耗散层放置在阴极和发射极之间，电荷耗散层可用作镇流电阻器，其可减少无栅发射的量。该装置可耐受2.0kV的阳极电压而不产生“热点”。获自该装置的发射的图像显示于图15中。该图像是当装置以2.25kV的阳极电压、300V的栅电压和7.1μA的阳极电流运行时捕获的。在120Hz下用30μs的栅脉冲来驱动该装置。当将栅电压断开时，没有观察到热点。
实施例4
作为替代使用厚膜电介质涂层的供选择的替代方案，利用薄膜电荷耗散层制造了装置。通过以下方式将薄铬(Cr)薄膜的电荷耗散层放置在适当位置中：用电子束蒸发器沉积在双层的电介质材料、阴极电极、和CNT电子发射材料之上。该薄膜电荷耗散层是在构造了装置的其余部分之后但在激活电子场发射器之前沉积。该薄膜的厚度为约
Figure GPA00001077614600151
所述厚度通过薄膜厚度晶体监测器来测量。由于电子束蒸发器中含有杂质，该薄膜极可能包括铬和氧化铬，并且其具有大于约1010且小于约1014Ω/平方的有限薄层电阻。
该实施例4装置的阴极电极和电子场发射器的图案类似于实施例2中所用的装置，不同的是CNT电子发射材料定位在阴极电极之上。阴极组合件的顶部平面图和装置的侧正视图分别显示于图16和17中。在那些图中，显示了阴极基板16.1和17.1、ITO栅电极16.2和17.2、由双层电介质材料16.3和17.3形成的绝缘层、银阴极电极16.4和17.4、CNT发射极糊剂16.5和17.5、隔板16.6和17.6、电荷耗散层16.7和17.7、荧光物质层17.8、ITO阳极电极17.9、和阳极基板17.10)。
通过使用铬薄膜作为电荷耗散层，从栅电极至电子场发射器的总体距离可减小约1/3。这种较短的距离可使栅极场更有效并且可减小固定的电场所需的电压。因此可大大降低所需的电压。图18显示了获自实施例4装置的发射图像，所述装置以3kV的阳极电压、200V的栅电压、和55.5μA的阳极电流运行。120Hz、30μS的脉冲方波和4mm的阳极-阴极间距这些驱动条件与实施例2中所用的那些相同，然而发射的电流却大得多。在实施例2的栅电压的66％时，该实施例中的电流为在实施例2中所获得的电流的两倍。考虑到发射电流对栅电压的非线性响应，这是相当显著的。将阳极电压和栅电压接通和断开，从装置发射的电流未发生任何变化，这表明薄膜电荷耗散层产生了所需效应。

Claims (20)

1.场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、(v)设置在所述电荷耗散层上的阴极电极、和(vi)接触所述阴极电极的电子场发射器；和(b)阳极。
2.根据权利要求1的装置，其中所述阴极电极设置在电子发射材料层上。
3.根据权利要求1的装置，其中所述阴极电极和所述电子场发射器为同一组件。
4.根据权利要求1的装置，其中将所述阴极电极和所述电子场发射器图案化为相交线。
5.根据权利要求1的装置，其中将所述阴极在所述电子场发射器之上图案化。
6.根据权利要求1的装置，其中所述电子场发射器包含碳纳米管。
7.场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的阴极电极、(v)设置在所述阴极电极和所述绝缘层上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、和(vi)设置在所述电荷耗散层上的电子场发射器；和(b)阳极。
8.根据权利要求7的装置，其中将所述阴极电极和所述电子场发射器图案化为相交线。
9.根据权利要求7的装置，其中将所述阴极在所述电子场发射器之上图案化。
10.根据权利要求7的装置，其中所述电子场发射器包含碳纳米管。
11.场发射三极管装置，所述装置包括(a)阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的阴极电极、(v)接触所述阴极的电子场发射器、和(v i)设置在所述绝缘层、所述阴极电极和所述电子场发射器上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层；和(b)阳极。
12.根据权利要求11的装置，其中所述阴极电极和所述电子场发射器为同一组件。
13.根据权利要求11的装置，其中将所述电荷耗散层在所述绝缘层上图案化。
14.根据权利要求11的装置，其中将所述阴极电极和所述电子场发射器图案化为相交线。
15.根据权利要求11的装置，其中将所述阴极在所述电子场发射器之上图案化。
16.根据权利要求11的装置，其中所述电子场发射器包含碳纳米管。
17.阴极组合件，所述阴极组合件包括(a)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、(v)设置在所述电荷耗散层上的阴极电极、和(vi)接触所述阴极电极的电子场发射器。
18.阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的阴极电极、(v)设置在所述阴极电极和所述绝缘层上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层、和(vi)设置在所述电荷耗散层上的电子场发射器。
19.阴极组合件，所述阴极组合件包括(i)基板、(ii)设置在所述基板上的导电栅电极、(iii)设置在所述栅电极上的绝缘层、(iv)设置在所述绝缘层上的阴极电极、(v)接触所述阴极的电子场发射器、和(vi)设置在所述绝缘层、所述阴极电极和所述电子场发射器上的具有介于约1×1010和约1×1014Ω/平方之间的薄层电阻的电荷耗散层。
20.根据权利要求17、18或19的阴极组合件，其中将所述阴极电极和所述电子场发射器图案化为相交线。
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