CN107210185A - 场发射光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场发射光源，特别地，涉及一种小型场发射光源，其可以使用晶圆级水平制造的概念以低成本大量制造，即是，与IC’s和MEMS所使用的方法类似。本发明还涉及一种包括至少一个场发射光源的照明装置。场发射光源包括：‑场发射阴极(106)，所述场发射阴极包括多个纳米结构(104)，所述纳米结构形成在基板上；‑导电阳极结构(108)，所述导电阳极结构包括第一波长转换材料(118)，所述第一波长转换材料布置用于覆盖阳极结构的至少一部分，其中，第一波长转换材料配置为接收从场发射阴极发射的电子并发射第一波长范围的光，以及‑装置，所述装置用于在场发射阴极的基板和阳极结构之间形成一个安全密封且随后抽真空的腔室(106)，包括布置成环绕多个纳米结构的间隔结构(302，110)，其中，用于接收多个纳米结构的基板是晶片(102’)。

Description

场发射光源

技术领域

本发明涉及一种场发射光源，特别地，涉及一种小型场发射光源，其可以使用晶圆级水平制造的概念以低成本大量制造，即是，与IC’s和MEMS所使用的方法类似。本发明还涉及一种包括至少一个场发射光源的照明装置。

背景技术

现代节能照明设备中所使用的技术使用汞作为活性成分之一。由于汞危害环境，因此，开展广泛研究以克服与节能，无汞照明相关的复杂技术困难。今天，LED已经出现强劲的增长，但是这项技术是在非常先进的半导体工程（“FAB”s）采用非常昂贵的设备进行制造的。此外，因为一些基本的物理问题证阻碍开发，今天的LED技术正在努力为深UV（UVC）区域实现商业上具有吸引力的解决方案。

用于解决这个问题的一个方法就是使用场发射光源技术。场发射是当非常高的电场施加到导电材料的表面时发生的现象。该场将给予电子足够的能量以使得电子从材料发射（进入真空）。

在现有技术的设备中，阴极布置在真空室中，真空室具有例如玻璃璧，其中在腔室的内部涂覆有导电阳极层。此外，在阳极上沉积发光层。当在阴极和阳极之间施加一个足够高的电势差，从而产生足够高的电场强度时，电子从阴极发射并朝向阳极加速。当电子撞击发光层，发光层通常包含发光粉，发光粉会发射光子。此过程被称之为阴极发光。

EP1709665中公开了应用场发射光源技术的光源的一个实例。EP1709665公开一种灯泡形光源，包括中心布置的场发射阴极，还包括布置在封闭场发射阴极的玻璃灯泡的内表面上的阳极层。所公开的场发射光源允许光的全向发射，例如对于改造光源的实施有用。

即使EP1709665显示出对无汞光源具有一个有前途的方法，期望对于所公开的灯泡结构提供一个替代方案，可能允许增强的制造，从而降低所得光源的成本。此外，如EP1709665所示出的三维场发射光源的制造通常有些麻烦，特别是对于实现与光发射相关的高水平均匀性。

“Field-emission light sources for lab-on-a-chip microdevices” by A. Górecka-Drzazga et. al., Bulletin of the polish academy of sciences technicalsciences, Vol. 60, No. 1, 2012,公开用于克服上述讨论问题的一种有趣的方法。具体地，公开了一种包括纳米结构阴极的场发射芯片。

进一步关注到US20110297846，公开用于制造光的方法和装置，通过将来自场发射阴极的电子穿过间隙注入纳米结构的半导体材料中，电子从单独的场发射体阴极中发出，并通过电压朝着纳米结构的材料的表面加速穿过间隙，纳米结构的材料的表面形成了阳极的部分。

然而，所公开的微器件不适合作为商业上可行的光源，也就是说，如同上述参考文献相关的情形，照明场景不仅限于短照明周期。因此，期望提供对于场发射光源的进一步增强，特别是适用于通用照明和深UV（UVC）光源。

发明内容

根据本发明的一个方面，上述（问题）通过小型场发射光源至少部分缓解，场发射光源包括场发射阴极，场发射阴极包括形成在基板上的多个纳米结构，导电阳极结构，导电阳极结构包括布置用于覆盖阳极结构的至少一部分的第一波长转换材料，其中，第一波长转换材料配置为接收从场发射阴极发射的电子并发射第一波长范围的光，以及用于在场发射阴极的基板和阳极结构之间形成一个完全封闭且随后抽真空的腔室的装置，装置包括布置成环绕多个纳米结构的间隔结构，其中，用于接收多个纳米结构的基板是晶片。

根据本发明的场发射光源通常可以使用类似于制造集成电路（IC's）和MEMS（微机电系统）的二维平面工艺来制造。优选地，可以设置基本上平坦的晶片，并且可以在其上形成多个纳米结构，例如，使用湿（水热）化学工艺，通过氧化，化学气相沉积技术或电沉积。其他方法同样是可能的。在一个实施例中，阳极结构可以形成在另一个基本上平坦的晶片上。在本文中，区分晶片是重要的，即是，从在晶片规模制造过程中所使用的晶片的大小来看，含基本尺寸的单个器件的晶片，后面的大得多且包含大量的单独器件。

通常遵循本发明的其他优点包括使用模块化制造工艺的可能性，其中，例如可以在单独的多个晶片上大量地制造阳极和阴极结构，然后在随后的接合工艺中组合。在随后的接合工艺中，阴极和阳极晶片对齐并连接在一起以形成各个场发射光源。从而，当通过间隔结构实施接合工艺时，可以实现随后的抽真空（产生真空），间隔结构也可以作为第三大晶片或单独元件提供。

根据本发明，在场发射光源的工作期间，第一波长转换材料布置为在朝着阳极结构的方向上接收从多个纳米结构发射/加速的电子。一旦第一波长转换材料接收到电子，将发射第一波长范围内的光。优选地，选择第一波长材料具有低温淬火（性能）。此外，第一波长转换材料优选地应用于阳极结构的至少大部分。在本发明的范围内，第一波长范围可以选择为更宽（用于发射基本上为白光），覆盖“单色”的波长范围，或多个频率范围波（不一定是连接的）的混合。第一波长材料也可以配置为发射紫外光。在一个实施例中，发射紫外光的场发射光源可以布置用于固化粘合剂（“胶水”），用于对水、空气，表面等的消毒。

间隔结构布置成环绕多个纳米结构，从而以可控的方式将阳极结构布置在场发射阴极附近。在此种实施例中，间隔结构将参与在阳极结构和场发射阴极之间形成腔室。可以替代地，为了获得所需腔室，间隔结构可以在晶片内形成凹陷。从而，间隔结构和/或凹陷将在阳极结构和场发射阴极之间设定预定的距离。期望选择间隔物（spacer）具有与晶片相匹配的热膨胀（系数），并且通常也（和）阳极结构（匹配）。

通过准确地控制阳极结构和场发射阴极之间的距离，与例如可能为灯泡、管或扁平（但大得多）形状的场发射光源相比，可以实现在场发射阴极和阳极结构之间允许电子发射所需要的优化的电压电势。这可能允许进一步优化场发射光源的能量效率。在本发明的一个可能实施例中，场发射阴极的基板和阳极结构之间的距离优选地介于100 μm和5000 μm之间。

在可能的实施例中，如此处所公开的一种装置的晶片可以具有1-100毫米的宽度（例如可以是圆形或矩形）。（为了清楚起见，本发明描述可以在单个大型基板上，通常为200-1000 mm，大量生产的器件，大型基板然后包括大量单个器件）在本发明的一个实施例中，晶片可以是硅晶片。阴极晶片可替代地包括金属基板。此外，晶片可替代地由设置有导电层的绝缘材料所形成。在优选实施例中，绝缘材料可以是透明的，例如玻璃，特别是具有与阳极玻璃相同的热特性。在此实施例中，对于间隔元件也使用相同的材料是有利的，因为该方法将给出热膨胀系数的最小失配，并因此在制造及工作中最小由于热循环引起的残余应力。类似地，在一个实施例中，阳极结构可以为透明的，例如由玻璃材料形成。玻璃应优选地足够薄以获得低水平的漏光模式，同时仍然优选地足够厚以提供对氧气、其他气体和湿度的有效屏障，因为这些气体的渗透会降低封装真空度，这最终将会导致产生一个不起作用的设备。

使用例如用于阳极的硅硼酸盐玻璃是优选的，因为此种玻璃材料被设计为能够用相应的金属合金进行密封，常见的示例品牌是Kovar。他们也能很好地密封钨（W）。密封技术包括在高压下的真空钎焊，玻璃熔块（玻璃粉末）和共晶接合。应当注意的是，使用由相同玻璃类型（或至少非常相似）所制成的所有（相关）部件可能是有益的，因为热膨胀系数（TCEs）相同或非常接近。

此外，关于所选材料的热膨胀，在组件的密封过程中，材料可能暴露于高达900℃的温度中。如果不同的材料具有不听的热膨胀系数，它们将以不同的速率膨胀。这可能引起机械应力和翘曲（特别当进行晶片规模化生产时），结果可能存在微泄露和破损等问题。因此，必须选择材料和连接它们的方法以使其最小化。

更进一步地，关于介电强度，该结构可以使用高达至少10 kV的电压来供电。如此，间隔元件中的材料和优选的阳极必须能够承受高电压或可能发生的电击穿。此外，在几何设计中必须考虑介电强度，这意味着应该避免可能发生场拥挤的尖角；限制局部放大电场的发生，这可能会引起电弧和寄生电流。

此外，关于通过材料和密封件的气体渗透，尽管使用放置在真空系统内的活性材料的沉积物来得到完成和维持真空（吸气剂）的目的，但是必须考虑通过材料的气体渗透。对于玻璃组分，由于吸气剂不能泵送惰性气体，并且由于已知氦气渗透某些类型的玻璃和石英，所以，必须特别注意氦气的性质。此外，必须选择密封件的材料、方法和设计以获得足够低的泄漏率。

在一些实施例中，优选使用金属材料作为晶片。金属晶片具有在场发射阴极的基板和阳极结构之间的真空腔室内更好地处理所需真空的优点。也就是说，与可能应用于晶片的其他类型的材料（例如，玻璃和石英）相比，金属晶片将提供较低的气体渗透至腔室中。此外，金属晶片的优点在于它是导电的，从而提供与阴极的直接电接触。在可能的实施例中，晶片是具有金属或掺杂的导电层的半导体晶片。因此，应当理解的是，在本发明的范围内，术语“晶片”可以宽泛地使用。

在本发明的上下文中，导电层通常可以被限定为包括透明导电氧化物（TCO）。在可能的实施例中，导电层包括氧化铟锡（ITO）层。可替代地，导电层可以由金属层形成，优选地由具有低密度的元素，优选铝。在本发明的范围内，两者的组合也是可能的。

在场发射光源的工作期间，即是在阳极结构由设置有导电层的玻璃材料形成的情形下，通常允许光穿“过”阳极结构。作为替代，可以相对于阴极设置透明晶片，并且可以以一种“倒置方式”形成场发射光源，即是，光从场发射光源发射“通过”阴极（而不是通过阳极结构）。在此情形下，场发射阴极可以被限定为透射场发射阴极。在此实施例中，场发射阴极结构优选设置有如上所述的透明导电材料。

优选地，真空腔室的压力小于10^-3 Torr以避免降级（degradation），寿命电弧（lifetime arcing）和与场发射光源中真空度差相关的类似现象的问题。

根据本发明，优选还包括第二波长转换材料。第二波长材料配置为通过光（光致发光）而不是通过接收电子来激活。在优选实施例中，第二波长转换材料适于接收由第一波长转换材料产生的光，所接收的光在第一波长范围内。结果是，第二波长转换材料在第二波长范围内发射光，其中第二波长范围至少部分高于第一波长范围。根据建议的实施例的优点允许从场发射光源发射在第一和第二波长范围内的光。

在优选实施例中，第一波长范围介于350 nm和550 nm之间，优选地，介于420 nm和495 nm之间。另外，第二波长范围介于470 nm和800 nm之间，优选地，介于490 nm和780 nm之间。从而，在本发明的优选实施例中，由场发射光源共同发射的光介于350 nm - 800 nm，优选地介于450 nm-780 nm。从而，根据本发明的场发射光源可以配置为发射白光。一种特殊情况是，第一波长范围位于从160 nm到400 nm的紫外区域，适用于上述应用。

应当注意的是，在本发明的范围内，可以允许场发射光源还包括第三波转换材料。在本发明的可能实施例中，第二和第三波长转换材料可以配置为通过从第一波长转换材料发射的光（即是，在第一波长范围内）激活。第三波长转换材料还可以或替代地配置为由第二波长转换材料发射的光（即是，第二波长范围）。

根据本发明，可以有利的是，将第二（和第三等）波长转换材料布置远离真空腔室（于其中在场发射光源的工作期间产生大部分热量）外部的阳极结构。第二（和第三）波长转换材料的温度淬火可以因此大大减少。在此实施例中，优选在场发射光源的外部形成“外部透明结构”。在本实施例中，此外部透明结构的内部可以设置有第二波长转换材料。在可能的实施例中，外部透明结构可以具有圆顶形状以增强光提取。在另一个实施例中，透明结构的表面还可以包括纳米特性，例如用于增强光输出耦合的纳米尺度图案（例如纳米柱、纳米锥、纳米球、纳米级粗糙表面等）。

本发明的实施例解决了现有技术未解决的基本问题。首先，根据本发明改进热管理（例如：包括散热）。其次，在用于一般照明，即是发射基本上白光，的场发射光源中，优选使用不同波长转换材料的混合来实现期望的相关色温（CCT）和显色指数（CRI），其中 CRI优选高于90。这反过来将导致光提取中的问题，因为这些不同的波长转换材料发射不同的波长。例如，不同波长和材料可以导致对折射率匹配的不同要求。这可以根据本发明通过第一和第二波长转换材料的分离来处理，使得优化光提取，因此使得显著提高能量效率。

第三，基于芯片的UV基于芯片的具有商业吸引力的性能的光源可以通过使用产生UV的第一波长材料和相应的UV透射部分来实现。另外，本发明将允许大规模制造能够长时间运行的商业上有吸引力的可靠的基于芯片的光源。

在本发明的优选实施例中，第一波长转换材料包括磷光体层。在一个实施例中，可以选择磷光体材料配置为接收电子并发射在冷色波长范围内的光。应当注意的是，在一个实施例中，第一波长转换材料可以包括单晶磷光体层。优选地，发射紫外或蓝光。或者，第一波长转换材料可以包括适用于固态照明例如关于发光器件（LED）的磷光体。包含第一波长转换材料的传统阴极发光磷光体材料可以例如为ZnS:Ag,Cl。此传统阴极发光材料可以制成非常节能。在近紫外范围内的发射光的高效材料的另一个例子是SrI₂:Eu。对于深UV，LuPO₄:Pr可以是一个不错的选择。

在另一个优选实施例中，第二波长转换材料可以包括量子点。量子点的使用已经显示出（量子点）作为发射体是非常有希望的方法。此外，在较高波长，通常高于发射蓝光的波长范围内，量子点的合成会更容易。因此，根据本发明，可以实现协同效应，其中第一波长转换材料的磷光体材料产生蓝光，第二波长转换材料的量子点产生具有更高波长的波长光谱内的光，通常产生绿和红光。通过使得由第一和第二波长材料产生的光混合，可能产生白光。

应当注意的是，在本发明的范围内，作为替代的，第二波长转换材料也可以包括磷光体材料。或者，第一波长转换材料可以包括适用于固态照明例如关于发光器件（LED）的磷光体。在一个实施例中，第二和第三磷光体材料可以混合在一起形成第二波长转换材料。

通常，波长转换材料所包含的磷光体材料例如可以是通过沉降、分散调剂、印刷、喷涂、浸涂和保形涂敷方法施加。其他方法是可能的且在本发明的范围内，特别是形成基本上为单晶层，包括热蒸发、溅射、化学气相沉积或分子束外延。

此外，场发射光源可以另外包括用于最小化光发射损耗的反射特性。在一个优选实施例中，这些反射特性可以通过位于多个纳米结构下方的反射层来实现。另一个优选实施例是将反射层放置于阳极的顶部，并在波长转换材料（多个）的顶部。在后一种情形下，反射层必须足够薄，且电子能量必须足够高，使得电子在很大程度上将穿透反射层并将其大部分能量沉积入波长转换材料（多个）中。该配置的另一个优点在于反射层也可以保护下面的光转换材料免于其被分解。

应当理解的是，可以使用不同的手段实现反射。在可能的情形下，根据本发明，可以使用薄金属层来得到光反射。在另一个实施例中，通过提供上述提及的导电层（例如由金属材料制成）使得反射成为可能。

在本发明的优选实施例中，晶片包括凹部，且纳米结构形成在凹部内。凹部可以具有弯曲的（例如抛物线形、双曲形或类似的）形状侧面部分和基本平坦的底部，于其中形成纳米结构。在可能的实施例中，至少侧面部分设置有用于反射从场发射光源发射出的光的反射涂层。在另一个实施例中，侧面部分可以具有平坦的侧面部分。可以选择侧面部分的形状以最大化从场发射光源发射出的光。在一个实施例中，凹部的平坦的底部也设置有反射涂层。

如上所述，凹部的深度或间隔结构的高度或两者的结合可以选择为优化场发射光源的工作点，即是，关于用于从纳米结构的所需场发射的电压/电流。还可以与间隔物的高度一起选择凹部的组合深度，使得多个纳米结构的至少一部分与第一波长转换材料直接接触，如此直接注入电子至第一波长转换材料。

在本文中，纳米结构可以例如包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米笔、纳米钉、纳米花、纳米带、纳米针、纳米盘、纳米笔、纳米纤维和纳米球。此外，纳米结构还可以由任意上述结构的束所形成。根据本发明的一个实施例，纳米结构可以包括ZnO纳米棒。

根据本发明的一个替代实施例，纳米结构可以包括碳纳米管。碳纳米管可以适用作为场发射体纳米结构，部分原因在于它们的细长形状，其可以在尖端处集中并产生较高的电场，并且还由于它们的电性能。

此外，应当理解的是，当在用于场发射光源的工作的阳极和阴极之间施加显著的电压时，必须注意确保部件之间电隔离。这种隔离可以例如通过在间隔结构中使用隔离材料来实现。间隔结构可以例如由氧化铝、玻璃（例如硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、石英和蓝宝石）、热解氮化硼（pBN）和类似材料所形成。由于在一些情形下传热是特别重要的，所以具有相对高导热性能的透明材料可能是优选的。这种材料的粒子是蓝宝石和铝硅酸盐玻璃，后者基本上具有相当大量的氧化铝（Al₂O₃）的硼硅酸盐玻璃，通常为20%左右。另一种方法是使用其中一个晶片中的氧化物，只要这种例如硅，至少来缓和电压的情形，都是合适的。

在一个实施例中，合适的隔离间隔物结构可以是一定等级的氧化铝、氮化硼、某些氮化物等。隔离材料的可能选择很大。此外，优选选择用于不同基板（例如阴极基板、阳极结构等）的材料以具有相似的热膨胀系数（CTE）。作为示例，硼硅酸盐玻璃具有3-5 um/m/degC的典型热膨胀系数。这用作透射窗是有利的，例如，关于上述提及的阳极/阴极结构。在深UV透射光源的特殊情形下，可以使用诸如石英/熔融硅、钠钙和硼硅酸盐的材料作为UVC透射性硼硅酸盐的示例，型号为Schott AG的8337B。有几种具有相似热膨胀系数的合适的隔离材料。金属零件较少见；基本上这些是钨、钨合金、钼和锆。在这种意义上，使用锆是有趣的，因为这种材料可以同时用作吸气剂。在某些情形下，特殊设计的合金，Kovar ®（一种镍钴铁合金）是一种很好的选择；具有相同商品名称的硼硅酸盐玻璃可以从Corning Inc公司获得，例如Kovar Sealing Glass 7056。可以通过使用玻璃熔块、真空钎焊、阳极焊接、熔融焊接来实现。其他方法同样是可能的。接合部应该是密封的，且优选仅引起边缘附加应力到结构中。在某些情形下，接合也可用于减轻应力。材料的选择必须进一步解决密封性和气体渗透性。

如上所述的场发射光源优选地形成照明装置的部分，还包括用于向所述场发射光源提供电能以允许从多个纳米结构朝向阳极结构发射电子的电源，以及用于控制照明装置的工作的控制单元。控制单元优选地配置为自适应地控制电源，使得照明装置发射具有期望强度的光。可以设置用于测量瞬时强度水平并向控制单元提供反馈信号的传感器，其中，控制单元依据瞬时强度水平和所需强度水平来控制强度水平。电源优选地为施加开关模式结构的DC电源，并且还包括用于向场发射电源施加期望电压水平的电压倍增器。在优选实施例中，电源配置为向场发射光源施加0.1-10 kV。或者，脉冲DC可能是有利的。

在本发明的一个可能的实施例中，基板包括第一波长转换材料或场发射阴极纳米结构由硅制成。在这种情形下，由控制单元执行的功能或功能的部分可以继承在包括硅晶片的基板内。因此，根据本发明，单个硅晶片可以包括纳米结构和用于控制场发射光源的功能。从而，与现有技术相比，可以改善场发射光源的集成和控制的制造工艺。在本发明的一个可能实施例中，实施CMOS制造工艺以将如上所述的控制单元功能的至少部分形成在晶片上。

一般观点来看，一旦将上述不同的晶片接合在一起且建立真空，根据本发明的场发射光源可以通常进一步切割成分隔的单个光源，并随后以封装LED芯片相似的方式组装，即是，在完全自动化的设置中与制造球形场发射光源时通常常见的方法相比仅包括最小量的体力劳动。通常进行切割以获得矩形（或正方形）的模具。在一个替代的优选实施例中，进行切割以形成六边形形状的模具。

本发明的场发射阴极的上述描述是关于包括场发射阴极和阳极结构的二极管结构。然而，可以并且在本发明的范围内，将场发射光源布置为三极管结构，例如包括至少一个额外的控制电极。可以设置控制电极用于增加从场发射阴极的电子提取。此外，在本发明的范围内，场发射光源也可以包括吸气剂。

在研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域的技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可以组合来创造除了下面描述的那些之外的实施例。

附图说明

本发明的各个方面，包括其特征和优点，将从以下详细描述和附图中容易地理解，其中：

图1示出根据本发明的一个当前优选实施例的场发射光源的立体图；

图2a和2b提供在图1中的场发射光源的阳极结构处布置第一和第二波长转换材料的示例性实施例，

图3示出根据本发明的场发射光源的一个替代实施例；

图4a-4d提供根据本发明的场发射光源的另一个替代实施例，

图5示出根据本发明的场发射光源的一个替代实施例，

图6示出导电阳极层的反射率曲线图，

图7示出根据本发明的场发射光源的一个当前优选实施例，以及

图8示出一个包括彼此相邻布置的多个场发射光源的照明装置。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明，其中实处了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；而是提供这些实施例是为了全面性和完整性，并将本发明的范围充分地传达给技术人员。全文上下相同的附图标记指代相同的元件。

现在参考附图，特别是图1，示出了根据本发明的一个优选实施例的场发射光源100。场发射光源100包括设置有多个ZnO纳米棒104的晶片102，ZnO纳米棒104的长度至少为1 μm，晶片和多个ZnO纳米棒104一起形成场发射阴极106。在一个可能实施例中，ZnO纳米棒可以选择性地布置在间隔的突起（未示出）上。作为替代，也可以将ZnO纳米棒104替代为碳纳米管（CNT，未示出）。其他发射体材料同样是可能的且在本发明的范围内。场发射光源100还包括布置场发射阴极106附近的阳极结构108。

在当前实施例中，场发射阴极106和阳极结构108之间距离通过在场发射阴极106和阳极结构108之间布置间隔结构110来实现，其中，场发射阴极106和阳极结构108之间的距离优选为介于100 μm和5000 μm之间。在场发射阴极106和阳极结构108之间形成的腔室112被抽真空，从而在场发射阴极106和阳极结构108之间形成真空。

阳极结构108包括透明基板，例如平面玻璃结构114。其他透明材料同样可能且在本发明的范围内。这些材料的例子是石英和蓝宝石。透明结构114依次设置导电层和至少部分透明的阳极层，通常为透明导电氧化物（TCO）层，例如氧化铟锡（ITO）层116。选择层116的厚度以允许具有足够低的电阻的最大透明度。在一个优选实施例中，选择透明度高于90%。层116可以使用本领域技术人员已知的任何常规方法施加到玻璃结构114，例如溅射或通过溶剂沉积或丝网印刷。如下所述，导电阳极层116可以根据手头的实施例采取不同的形状和形式。

根据本实施例，层116设置有第一118和第二120波长转换材料。进一步参照图2a和2b，波长范围转换材料118、120可以以不同方式形成在层116上。在图2a中，第二波长转换材料120直接与ITO层116相邻并形成在其顶部，第一波长转换材料118直接相邻地并形成在第二波长转换材料120的顶部。该实施例，即是图1中所示，可能是有利的，因为其允许简化制造工艺，其中不同层（即是层116、第二波长转换材料120，接着第一波长转换材料118）随后布置在玻璃结构114上。应当注意的是，玻璃结构114不一定是平面的。

在一个可能的实施例中，可以选择玻璃结构114以形成场发射光源的透镜（例如向外凸出），从而可能进一步增强从场发射光源发射的光的光提取和混合。也可以为玻璃结构设置抗反射涂层。参照图3，向外凸出结构允许阴极上的电场的均匀性提高的同时具有给出电子均匀分布到第一波长转换层上的额外优点，从而提高发射光的总体均匀性。

现在再转到图1，可以使用纳米图案化和/或粗糙化玻璃结构114的发射表面，通过该玻璃结构耦合输出所产生的光。可以进一步减小泄露至玻璃基板中的横向光学模式并增加光输出耦合。这些图案可以包括但不限于纳米柱、纳米锥、和/或纳米球。这些光提取特征的一个例子是ZnO纳米棒，通常为0.1-5 μm高，0.1-5 μm宽并且隔开0.1-5 μm。此外，纳米颗粒可以放置在玻璃和波长转换层之间。

然而，作为替代，可以允许将第一118和第二120波长转换材料“修补”形成在ITO层116上，如图2b所示。可以看出，在此实施例中，第一118和第二120波长（转换材料）以至少部分地彼此重叠的分层贴片的形式形成。在所示的实施例中，贴片形成为至少部分重叠的圆圈，然而，任何类型的形式都是可能的且在本发明的范围内。

再次参照图1，纳米结构104可以通过多种技术在晶片上生长。由于例如可以选择晶片材料以匹配其他晶片材料的热膨胀系数，所以不一定是用于纳米结构形成的最佳材料。因此，第一步可以是制备晶片102，例如通过将薄金属层施加到晶片102上以促进其生长。一种技术涉及允许晶片102通过水热生长工艺以形成多个ZnO纳米棒104。用于制备和纳米结构生长的其它技术是可能的且在本发明的范围内。

在场发射光源100的工作期间，控制电源（未示出）以在场发射阴极106和ITO层116之间施加电压电位。电压电位优选为0.1-20kV，这取决于例如场发射阴极106和阳极结构108之间的距离，多个ZnO纳米棒104的锐度，高度和长度关系以及所期望的性能优化。

电子将从ZnO纳米棒104的外端释放并被电场朝向阳极结构108加速。一旦电子被第一波长转换材料118接收，将发射第一波长的光。具有第一波长范围的光将撞击到第二波长转换材料120上，产生在第二波长范围内的光。在第一波长范围内的光的一些部分将与第二波长范围内的光一起穿过ITO层116并穿过玻璃结构114，并且因此从场发射光源100射出。

参照图3，示出了场发射光源300的一个替代实施例。以与图1的场发射光源100相似的方式，场发射光源300包括晶片102'。与场发射光源100所设置的晶片102的差异在于，晶片102'包括凹部302。在所示实施例中，纳米结构104形成在凹部302的底表面304处。设置间隔物110以将隔开阳极结构108和场发射阴极106，形成真空腔室306。与凹槽302的深度结合的间隔物110的高度产生场发射阴极106和阳极结构108之间的距离（D）。可以如上所述选择距离D以优化场发射光源的工作点。在一个可能的实施例中，选择距离D（相对于纳米结构112的高度），使得纳米结构112的外端（几乎）与第一波长转换材料118直接接触。

一般与本发明有关，如图3中所示，第一波长转换材料包括硫化锌（ZnS），硫化锌（ZnS）配置为吸收由纳米结构104发射的电子并发射蓝色光。

在所示实施例中，场发射光源300还设置有光提取元件308，光提取元件308适于增强从场发射光源300中发出的光提取。光提取元件308减少从第一波长转换材料118发射的所俘获光子的量，从而提高场发射光源300的总体效率。

场发射光源300还设置有与玻璃结构114布置为一定距离的圆顶状结构310。面对玻璃结构114和光提取元件308的圆顶形结构310的内表面设置有第二波长转换材料120。如上所述，第二波长转换材料120可以包括量子点（QDs），量子点配置为吸收例如由第一波长转换材料118发射的蓝光，并发射例如绿和/或黄/橙和/或红光。蓝色光的一些部分将穿过第二波长转换材料120，和例如由第二波长转换材料120发射的绿光和红光混合，并因此被提供为白光从场发射光源300发射出。这种布置的一个优点是第二波长转换材料将经受较少的热量，并因此也可以从发光特性中表现出一定温度淬火的材料中选择。

在所示实施例中，控制单元312被示为与晶片102'集成。因此，控制单元312的功能可以形成为与场发射阴极106直接相邻接触，从而可以简化场发射光源300的控制。控制单元312和场发射阴极106的其余部分优选地以组合的工艺制造，例如以组合的CMOS工艺。

期望形成连接到阳极108的TCO/ITO层116的电互连垫片（未示出），以允许场发射光源300通过并连接到电源（未示出）来工作。在此情形下，在阴极106和电源之间设置单独的电连接。关于制造工艺，可以优选地在TCO/ITO层116的电互连垫片和晶片102的专用和隔离部分之间的连接接合线（未示出），隔离部分形成一个另外的互连垫片用于接收接合线。如此，电源可以更容易地连接至场发射光源300的阳极108和阴极106。关于例如LED光源，可以选择接合线为相对薄得多。其原因是场发射光源300的工作电流通常相对低几个数量级。

如上面简要讨论的，在本发明的范围内，可以成形凹部302的顶和底表面，以优化纳米结构112上的电场的均匀性和阳极108上已发射电子的相应均匀性。这可以通过允许形成凹部302的底表面，使得在凹部302的中心处的距离D（稍微）更小，或通过允许腔室（与阳极108一起形成）的顶表面稍微凹入，使得距离D将在腔室302的中心处（稍微）更大。成型与阳极108存在空间关系的场发射阴极106的总体结构/外形的概念进一步阐述于EP2784800，其参照文献被完全并入。从顶部看，突起优选是圆形的。

现在转到图4a，部分示出如图3所示的场发射光源300的一个替代实施例。作为比较，图4a中，示出了针对场发射光源400的反向方法，其中场发射阴极106的纳米结构104布置为透射发射阴极。在本文的上下文中，纳米结构104为，在工作期间沿朝向阳极402的方向发射电子，由例如铝、铜、钢或其他类似材料的金属材料形成。

具体地，根据本发明，在底部晶片402处布置抛物线形或近似抛物线形的凹部，在场发射阴极106和底部晶片402之间形成腔室404。凹部的表面406布置为反射的，例如通过形成阳极402的金属材料。这种布置的一个优点是来自阳极的热传递可以大大提高。

此外，第一波长转换材料118设置在凹部/腔室404的较低部分。由此，在场发射光源400的工作过程中，从场发射阴极106发射的电子将被第一波长转换材料118接收。作为接收电子的结果，第一波长转换材料118将发光（全向的）。向下发射的光的部分又将被阳极402的凹部的反射表面406反射。光将沿着朝向透射场发射阴极106的方向（反向）反射。因此，允许光穿过场发射阴极106并从场发射光源400中发射出。

如上所述，从第一波长转换材料118发射的光将被提取/指向，例如，通过抛物线形凹部，朝向第二波长转换材料120（未示出）。在第二波长转换材料120处，与从第一波长转换材料118发射的光的波长范围相比，已接收的光通常将被转换成更高的波长范围。

在使用金属材料来形成阳极402的情形下，可能必须将场发射阴极106与阳极402进一步绝缘。在这种方案下，可以在场发射阴极106和阳极402之间布置绝缘层408。绝缘层的厚度可以根据在场发射光源400的工作期间在场发射阴极106和阳极402之间提供的电压电位进行选择。

以与图3中所讨论的类似的方式，根据本发明，可以通过形成从阴极106朝向阳极108的电子的均匀接收来成型腔室的底部或顶部以为了改进场发射光源400所发射光的均匀性。

在本发明的另一个替代实施例中，进一步参照图4b，提供了与图4a中场发射光源400类似的场发射光源400’。场发射光源400'不同于图4a的场发射光源400，原因是绝缘层408被绝缘间隔物410取代。然而，以与上面图4a中所讨论的类似的方式，绝缘间隔物410具有抛物线形状，使得腔室404在阳极402和场发射阴极106之间形成。在一些实施例中，绝缘间隔物410可以在阳极402和场发射阴极106之间提供进一步的电隔离。然而，优选至少部分地将反射涂层（例如单独的反射层，例如金属层）布置在形成腔室404的抛物面内表面的一部分上。

再次转到图3，根据本发明，可能可以替换导电层阳极层116和第一波长转换层118的定位。也就是说，根据图4c所示出的替代实施例，第一波长转换材料直接布置在玻璃结构114的附近。从而，从场发射阴极106朝向阳极结构108的方向发射的电子将被导电阳极层116所接收，其中，导电层116布置为具有与场发射阴极106基本不同的电压电位（即，在kV的范围内）。然而，由于电子的固有能量，它们将至少部分穿过导电阳极层116并撞击在第一波长转换材料118上。本实施例在某些情况下可能是优选为导电阳极层116至少部分地“屏蔽”第一波长转换材料118与从场发射阴极106所发射的高能/高速电子的直接接触，从而可能改善第一波长转换材料118的寿命。在一些情况下，导电阳极层116可以包括透明导电材料（TCO），例如包括ITO。然而，也可能且在本发明的范围内，通过金属层形成导电阳极层116，例如沉积在第一波长转换材料118和玻璃结构114上。优选地，选择这样的金属层用于通过第一波长转换材料118所发射的光的期望量优化穿过金属层的电子的量，金属层即是具有低密度的元件。这样的层也应该同时具有高反射率，使得从第一波长转换材料118发射的光直接反射回并发射出结构。这样的层还将增强结构的传热能力。

图4d中，提供了具有基本椭圆形状的场发射光源400’’的立体图。椭圆形（或圆形或类似圆形）的形状具有优点，例如在避免电现象如电弧和寄生电流方面。当施加高电场并且存在角或边缘时，这些可能成为一个问题。场发射光源400’’示出与图1中的场发射光源100相似点，另外增加了吸气剂412。为了实现并维持1x10^-4 Torr或更好的真空度，高度期望使用吸气剂412。吸气剂402布置为邻近腔室112的底部表面处的纳米结构114，腔室114为由间隔结构110围绕纳米结构14和吸气剂402所形成。吸气剂是活性材料的沉积物，用于完成和维持腔室内的真空。优选地，选择吸气剂410为至少部分地提供从场发射光源400’’发出的光的提取。因此，优选由具有反射特性的材料形成吸气剂。此外，优选地，设置纳米结构114的表面也被布置为可以反射的。通常会在装置密封之后激活吸气剂412，而一旦吸气剂被放置在装置中，这又对加工过程的温度预算施加要求。以与上面关于图3a中所讨论类似的方式，控制单元312可以与晶片102集成。因此，控制单元312的功能可以形成为与用于控制场发射光源400’’的场发射阴极的纳米结构114直接相邻接触。

在本发明的一个实施例中，进一步参照图5，提供了一种场发射光源500。图5中，第一波长转换材料118布置为直接邻近玻璃结构114，从而夹在玻璃结构114和导电阳极层116之间。以如图4c中类似的方式，工作期间，电子将穿过导电阳极层116并撞击到第一波长转换材料118上。在这样的实施例中，导电阳极层116优选地被选择为反射的，从而减少在第一波长转换材料118处产生的任何光“反向”发射到阴极结构106，从而改善从场发射光源500的总体光输出。

当使用具有导电反射层的阳极时，几个方面是重要的。该层应该足够薄，使得影响阳极的电子将穿过该层而不会损失任何相当大部分的能量；如果发生这种情况，这种能量将不会转换成光子，并且损失导致总体上降低了能量效率。

另一方面，该层必须足够厚，以使反射率达到可接受的水平；如果太低，则大部分光子将被吸收或传输回阴极，即使它们全部被反射回来，总体损失将是显着的。

这里有两种优选的金属，即Ag（银）和Al（铝）。两者之中，后者的成本更低，元素更轻（允许更厚的层，且对于UVC光和可见光具有高反射率，且由于其氧化物薄而更容易实现，对可见光基本上是透明的。

用于消费者应用的能量应小于10 kV，优选小于8.5 kV，不然由Brehmsstrahlung产生的软X射线将能够逃离灯（否则被阳极玻璃吸收）。然而，这些水平在某种程度上取决于玻璃的厚度，因此如果使用较厚的玻璃，则可以允许更高的电压。

另一方面，能量必须足够高以穿透导电层和反射层。因此，消费者应用的优选范围为5-8 kV，工业应用（可接受某些软X射线）的优选范围为5-15 kV。

工作能量（工作电压）主要由纳米结构的详细几何形状（高度，宽度/最小半径，距离）和阴极和阳极之间的距离来设定。后者由阴极纳米结构高度和间隔元件的厚度决定。因此，间隔元件的尺寸变得至关重要，并且可以用于设置工作电压，因为希望保持纳米结构几何形状是恒定的，因为与改变为了不同应用要求的间隔物厚度相比，该工艺以准确的方式更繁琐地调节。

对于铝，反射导电层的厚度确定在50-100 nm的范围内。图6示出了反射率曲线。可以看出，反射率达到50 nm以上的稳定最大值。允许表面上的一些厚度变化，作为低端，目标值应设置为：低端为60-70 nm，高端为90-110 nm，全部取决于准确的期望工作电压，这又取决于应用。

应当注意的是，较高的工作电压可能是有益的，因为使用给定的输入功率要求，较高的电压导致较低的电流密度。电流密度与磷光体的强度退化（intensity degeneration）直接相关，其中累积的电荷被认为是这种退化的主要原因。寿命通常设定为初始强度降低30％。使用更高能量的次要优点是，效率通常随着较高的电压而增加，这可能是因为光子产生得更深入阴极发光微晶，较低部分的电子（特别是二次电子）到达微晶的表面， 在微晶表面上将发生非辐射结合过程。

图7示出根据本发明的场发射光源700的一个当前优选实施例。在示出的实施例中，场发射光源700包括布置在底部的圆形玻璃晶片702和布置在顶部的圆形阳极玻璃基板704。玻璃材料的间隔物706以玻璃环的形式布置在在玻璃晶片702和阳极玻璃基板704之间。

玻璃晶片702设置有包括多个纳米结构的场发射阴极708。设置连接元件710，例如使用ITO贴片，用于使得电连接至场发射阴极708，即是，延伸出间隔物706的“壁”并达到外部。

阳极玻璃基板704设置有第一波长转换材料712，其中，第一波长转换材料712夹在阳极玻璃基板704和用作导电阳极的金属层714之间。再次设置ITO贴片716，用于允许电连接至阳极层714并延伸出隔离物706的壁并到达外部。

场发射光源700可以例如在高真空加热的环境中，通过组件在彼此顶部的模块化布置来制造。优选如上所述实现玻璃组分的密封。场发射光源700的功能与上述讨论的场发射光源100和500相当。

此外，在本发明的一个可能实施例中，进一步参照图8，照明装置800可以由多个相邻布置的如上所讨论的场发射光源100/300/400/400’/400’’/500/700形成。场发射光源100/300/400/400’/400’’/500/700可以由普通电源302供电，又由控制单元804控制。控制单元804可以配置为从用户界面806接收所需强度水平的指示。此外，传感器808可以电连接至控制单元804。控制单元804可以配置为根据所期望的强度水平和使用传感器808测量的中间强度水平来控制电源802。照明装置800还可以设置有用于混合由多个场发射光源100/300/400/400’/400’’/500/700发射的光的透镜结构810。

总之，本发明涉及场发射光源，包括场发射阴极，场发射阴极包括形成在基板上的多个纳米结构，导电阳极结构，导电阳极结构包括布置用于覆盖阳极结构的至少一部分的第一波长转换材料，其中，第一波长转换材料配置为接收从场发射阴极发射的电子并发射第一波长范围的光，用于在场发射阴极的基板和阳极结构之间形成一个完全封闭且随后抽真空的腔室的装置，和布置为环绕多个纳米结构的间隔结构，其中，腔室是真空的，用于接收多个纳米结构的基板是晶片。

虽然图可以显示方法步骤的具体顺序，但步骤的顺序可能与所描绘的不同。还可以同时或部分同时执行两个或多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计人员的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，软件实现可以用基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成，以完成各种连接步骤，处理步骤，比较步骤和决策步骤。另外，尽管已经参考具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的改变，修改等将是显而易见的。

本领域技术人员通过研究附图，公开内容和所附权利要求书，可以在实践所要求保护的发明过程中理解和实现所公开的实施例的变型。此外，在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。

Claims (21)

1.一种场发射光源，包括：

- 场发射阴极，所述场发射阴极包括多个纳米结构，所述纳米结构形成在基板上；

- 导电阳极结构，所述导电阳极结构包括第一波长转换材料，所述第一波长转换材料布置用于覆盖阳极结构的至少一部分，其中，第一波长转换材料配置为接收从场发射阴极发射的电子并发射第一波长范围的光，以及

- 装置，所述装置用于在场发射阴极的基板和阳极结构之间形成一个安全密封且随后抽真空的腔室，包括布置成环绕多个纳米结构的间隔结构，

其中，用于接收多个纳米结构的基板是晶片。

2.根据权利要求1所述的场发射光源，其特征在于，间隔结构布置为在阳极结构和场发射阴极之间设定预定的距离。

3.根据权利要求1和2中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，还包括第二波长转换材料。

4.根据权利要求1和2中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，还包括第二波长转换材料，所述第二波长转换材料远离第一波长转换材料布置。

5.根据权利要求4所述的场发射光源，其特征在于，还包括圆顶形结构，所述圆顶形结构布置在阳极结构的外部，其中第二波长转换材料形成在圆顶形结构的内部的至少一部分上。

6.根据权利要求1所述的场发射光源，其特征在于，场发射阴极的基板和阳极结构中的至少一个的光输出耦合侧包括光提取纳米结构。

7.根据权利要求3-5中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，第一波长转换材料包括磷光体材料，第二波长转换材料包括多个量子点，当接收第一波长范围的光时，量子点产生第二波长范围的光，其中，第二波长范围至少部分高于第一波长范围。

8.根据权利要求7所述的场发射光源，其特征在于，第一波长范围介于350 nm和550 nm之间，优选地，介于420 nm和495 nm之间。

9.根据权利要求7-8中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，第二波长范围介于470 nm和800 nm之间，优选地，介于490 nm和780 nm之间。

10.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，晶片为金属合金。

11.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，多个纳米结构包括ZnO纳米棒，ZnO纳米棒具有至少1 μm的长度。

12.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，间隔结构配置为在场发射阴极的基板和阳极结构之间形成介于100 μm和5000 μm之间的距离。

13.根据权利要求1-11中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，场发射阴极和阳极结构之间的距离取决于场发射光源的期望工作点。

14.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，晶片包括一个凹部，多个纳米结构的至少一部分形成在凹部的底面。

15.根据权利要求3-14中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，还包括第三波长转换材料，所述第三波长转换材料发射第三波长范围内的光。

16.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，第一波长转换材料包括硫化锌，第一波长转换材料配置为吸收电子并发射蓝光，或第一波长转换材料包括单晶磷光体层。

17.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，晶片为硅晶片，通过硅晶片形成用于控制场发射光源的逻辑功能。

18.根据权利要求1-16中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，晶片由金属材料制成。

19.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，间隔选择为具有与晶片的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。

20.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，还包括吸气剂，所述吸气剂与纳米结构相邻布置。

21.一种照明装置，包括：

- 根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，

- 电源，所述电源用于向场发射光源提供电能以允许电子从多个纳米结构向阳极结构发射电子，以及

- 控制单元，所述控制单元用于控制照明装置的工作。