CN1114955C - 电荷耗散场发射器件和在场发射器件内减少充电的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种电荷耗散场发射器件和在场发射器件内减少充电的方法。该电荷耗散场发射器件包括：具有主表面的支撑衬底；置于所述支撑衬底的主表面上的阴极；在所述支撑衬底的主表面上与所述阴极相邻地形成的具有电荷收集表面的电荷耗散层；在阴极和电荷耗散层上形成的介质层，该介质层确定一个发射阱，该介质层和所述电荷耗散层的电荷收集表面确定一个电荷耗散阱；在发射阱中形成的电子发射极；以及与介质层隔离以在它们之间确定一个间隙区的阳极，所述电荷耗散阱与该间隙区连接。

Description

电荷耗散场发射器件和在场发射器件内减少充电的方法
技术领域
本发明涉及场发射器件领域，更具体地涉及场发射器件的阴极结构。
背景技术
现有的技术已知道场发射器件和可寻址的场发射器件矩阵。例如可选择性地寻址的场发射器件矩阵用于场发射显示。图1所示的是一个现有的具有三极管结构的场发射器件(FED)100。FED100包括多个通过介质层140与阴极115隔离的栅引出电极150。阴极115包括一层淀积在支撑衬底110上的导电材料，如钼。由介质材料，如氧化硅，形成的介质层140将栅引出电极150与阴极115隔离。由一层导电材料形成的阳极180与栅引出电极150分开，由此确定间隙区165。间隙区165一般达到10-6托以下的压强。介质层140具有确定发射阱160的垂直表面145。多个电子发射极170分别淀积在发射阱160中(每个一个)，并包括斯宾特(Spindt)尖。介质层140还包括一个具有被覆盖部分147和暴露部分149的主表面。栅引出电极150做在覆盖部分147上。介质层140主表面的暴露部分149暴露在间隙区165中。
在FED100工作时，正如三极管工作的通常情形一样，合适的电压加在栅引出电极150，阴极115和阳极180上来选择性地从电子发射极170上抽取电子，并将它们引向阳极180。一般电压偏置包括100-10,000伏范围内的阳极电压；10-100伏范围内的栅引出电极电压；以及低于大约10伏的阳极电势，一般情况该阳极电学接地。发射电子撞击阳极180，在那里释放出气态物质。沿着发射电子从电子发射极170到阳极180的轨迹，它们也撞击存在于间隙区165中的气态物质，其中一部分气态物质由阳极产生。以这种方式，在间隙区165中产生正离子物质，如图1中带圈“+”符号所示。
当FED100用到场发射显示器中时，阳极180已淀积了一层阳极发光材料。当接收到电子时，阳极发光材料就发光。当激活时，公共阳极发光材料释放出大量的气态物质，它们易被电子撞击破裂而形成离子。间隙区165中的正离子物质受到阳极180高正电势的排斥，如图1中一对箭头177所示，使它们撞击栅引出电极150和介质层140主表面的暴露部分149。那些撞击栅引出电极部分150的离子作为栅电流流走；那些撞击介质层140主表面的暴露部分149的离子在那里保留下来，导致一个电势的形成，如图1中“+”符号所示。
暴露部分149处正电势的建立持续进行，直到介质层140击穿，或该正电势足够高，以致将电子折射到介质层140的主表面上(图1中箭头175所示)，使得这些电子被暴露部分149接收，从而中和表面电荷。在前一个情形中，介质层140的击穿是由于建立的电势达到该介质层的击穿电压，它一般在300-1000伏的范围内。介质层140的击穿常常导致阳极180上一个弧光的产生以及阴极115和暴露部分149间的破坏性电流(图1中箭头178所示)，它们破坏介质层140和阴极115，从而使得FED100不工作。在后一个情形中，电荷的建立/中和周期依次重复进行，导致发射极170上发射电子的散焦情形。
在场发射器件的开发中，为了降低因电极间电容而带来的功率要求，可期望减少栅引出电极150和阴极115间重叠的面积。栅引出电极150面积的减少，同时增加了介质层140主表面暴露部分149的面积。这使得介质充电问题严重以及相伴随的控制失控或器件失效，如以上详细所述。
现有的电子管，如电视中用的阴极射线管，因介质表面充电而导致弧光问题已通过涂上一层导电材料薄膜在暴露的介质表面，如氧化锡，而得以解决。这项技术不能有效解决FED100中类似的充电问题，因为覆盖一层诸如氧化锡材料的介质层140的暴露部分149会在栅引出电极间产生短路，严重破坏电子发射极170的寻址能力。这种寻址能力对于FED100的应用来说，如场发射显示，是很重要的。
这样，就需要一个场发射器件，它不会因为器件内主暴露介质表面的电荷积累而失效。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种不会因电荷积累而失效的电荷耗散场发射器件，以及在场发射器件内减少充电的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种电荷耗散场发射器件，包括：具有主表面的支撑衬底；置于所述支撑衬底的主表面上的阴极；在所述支撑衬底的主表面上与所述阴极相邻地形成的具有电荷收集表面的电荷耗散层；在阴极和电荷耗散层上形成的介质层，该介质层确定一个发射阱，该介质层和所述电荷耗散层的电荷收集表面确定一个电荷耗散阱；在发射阱中形成的电子发射极；以及与介质层隔离在它们之间确定一个间隙区的阳极，所述电荷耗散阱与该间隙区连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在场发射器件内减少充电的方法，包括以下步骤：提供一个具有主表面的支撑衬底；在所述支撑衬底的主表面上形成一个阴极；在所述支撑衬底的主表面上与所述阴极相邻地形成具有电荷收集表面的电荷耗散层；在阴极和电荷耗散层上形成介质层；在介质层中形成发射阱；在介质层中与阴极电荷收集面对准处形成电荷耗散阱；在发射阱中提供电子发射极；以及提供一个与介质层隔离以在它们之间确定一个间隙区的阳极，以使电荷耗散阱与间隙区连接。
附图说明
图1是现有场发射器件的截面图。
图2是根据本发明的电荷耗散场发射器件一种实施方法的截面图。
图3是根据本发明的电荷耗散场发射器件另一种实施方法的截面图。
图4是根据本发明的电荷耗散场发射器件另一种实施方法的原理顶视图。
图5是图4结构中沿着截断线5-5的截面图。
图6是图4结构中沿着截断线6-6的截面图。
具体实施方式
现在参考图2，它示出了根据本发明的一个电荷耗散场发射器件200的截面图。电荷耗散场发射器件200包括用玻璃，如硼硅玻璃或硅，制成的支撑衬底210。在支撑衬底210上，制作阴极215。在这个具体的实施方法中，阴极215包括一导电材料层，如钼或铝。一般来说，阴极215包括一层金属或其它合适导电材料。电荷耗散场发射器件200还包括形成在阴极215上的介质层240。如果阴极215刻出图形，介质层240的部分也可以淀积在支撑衬底210上或在上面形成任何其它层。介质层240具有确定多个发射阱260的多个表面245。电子发射极270做在每个发射阱260中，并能与阴极215连接。在所示的实施方法中，电子发射极270做在阴极215上，并包括斯宾特(Spindt)尖场发射极。
在本发明的另一种实施方法中，电阻材料，如非晶硅，做成的镇流电阻从阴极215延伸到电子发射极270，以在它们之间提供电学连接。介质层240还包括多个表面246。阴极215在多个电荷收集表面248处暴露。介质层240的表面246和阴极215的电荷收集表面248确定多个电荷耗散阱252。电荷耗散阱252可以通过在阴极215上淀积一层介质材料来形成，然后选择性地刻蚀介质材料，以暴露出下面阴极215部分。一般来说，在电荷耗散场发射器件200中可期望暴露下面适合接收和流走气态充电物质的金属。还可期望在电荷耗散场发射器件200中减少介质层材料的用量，由此减少工作中充电介质表面的面积。
带电物质的去除以及充电介质表面面积的减少带来很大的优越性。这些优越性包括保持工作结构，如电子发射极270的完整性，以及提高电子发射的控制。电荷耗散阱252可以做在电子发射极270矩阵确定的电荷耗散场发射器件200的有源区中。电荷耗散阱252还可以做在有源区之外电荷耗散场发射器件200的周围。多个栅引出电极250做在介质层240上，并与电子发射极270和阴极215隔开。
栅引出电极250，电子发射极270和阴极215的结构设计成在阴极215和栅引出电极250上加上预定电势时，从电子发射极270中产生电子发射。介质层240提供足够的介质材料来确定发射阱260和支撑栅引出电极250，以使它们与阴极215电学隔离。电荷耗散场发射器件200还包括与栅引出电极250分开，并确定一个间隙区的阳极280，以及包括接收电子的导电材料。
电荷耗散场发射器件200的工作包括通过电荷耗散场发射器件200外部接地电压源(没有画出)将合适的电势加到阴极215，栅引出电极250以及阳极280上，以从电子发射极270中产生电子发射，并以合适的加速度将发射电子引向阳极280。在电荷耗散场发射器件200的工作中，正离子气态物质在间隙区265中产生，并被吸引到比阳极280保持更低电势的阴极215。图2中箭头所指的正离子电流277包括那些不期望的带电物质。正离子电流277的一部分被阴极215电荷收集表面248接收，并流到接地电势源(没有画出)。正离子电流277的另外一部分被栅引出电极250接收，并流到接地电势源(没有画出)。被流走的带电物质不再能够对介质表面充电或撞击，从而引起对电荷耗散场发射器件200中工作部分，如电子发射极270的破坏。
电荷耗散场发射器件200的制作包括将一介质材料层制作出电荷耗散阱252的制作步骤。首先，阴极215通过采用合适工艺，如溅射或等离子化学气相淀积(PECVD)，在支撑衬底210上淀积导电材料，如钼或铝。随后，在阴极215上做出图案，形成可寻址列。
一个镇流电阻包含在阴极215中，镇流电阻在阴极215的导电材料和电子发射极270间提供电学连接。镇流电阻包括一层电阻材料，如非晶硅，它通过合适工艺，如等离子增强化学气相淀积(PECVD)，淀积在支撑衬底210上。随后，将电阻材料层刻出图形，以使电阻从阴极215的导电材料延伸到电子发射极270。
接下来，介质，如氧化硅，通过已知淀积方法淀积在阴极215上。栅引出电极250通过合适淀积技术在介质层上形成，并由导体组成，如钼。对与阴极215部分对准处的介质层进行选择性地刻蚀，去除电荷收集表面248上面的介质材料，形成电荷耗散阱252。然后，电荷耗散阱252用光刻胶掩膜覆盖，防止包括电子发射极270的材料淀积到里面。介质层再次刻出图形，并选择性地刻蚀，形成发射阱260。然后，电子发射极270通过标准的为本领域的技术人员所熟知的尖制造技术在发射阱260中形成。然后，光刻胶从电荷耗散阱252中去除。
在本发明的范围内，可不用斯宾特(Spindt)尖而采用其它电子发射极，例如，包括基于碳的表面发射极，如类似于金刚石的碳层。另外，根据本发明的场发射器件可以包括诸如二极管和四极管的电极结构，而不是三极管。现在参考图3，它画出了根据本发明的电荷耗散场发射器件300的剖面图。电荷耗散场发射器件300包括电荷场发射器件200的部分，这些部分相类似，并以“3”开头作为参考。然而，电荷耗散场发射器件300不包括栅引出电极。电荷耗散场发射器件300可以采用图2中所述类似的方法制作。然而，形成栅引出电极的一步可以省去。
电荷耗散场发射器件300的工作包括通过电荷耗散场发射器件300的外部接地电源(没有画出)将合适电势加到阴极315和阳极380上，以从多个电子发射极370上产生电子发射。
现在参考图4-6，它们画出了电荷耗散场发射器件的简图。图4大致地画出了电荷耗散场发射器件400的顶视图；图5和6分别画出了图4中截面线5-5和6-6的截面图。电荷耗散场发射器件400包括电荷耗散场发射器件200(图2)的部分，这些部分类似，并以“4”开头作为参考。电荷耗散场发射器件400包括多个做在支撑衬底410上的被隔离的阴极415。阴极415用导电材料做成，如钼或铝。一般地说，阴极415用金属或其它合适导电材料做成，并与另外一个电极电学隔离，用来提供多个电子发射极470的选择性寻址。电荷耗散层490做在相邻阴极415间的支撑衬底410上。在这个具体的实施方法中，电荷耗散层490与阴极415电学隔离。电荷耗散层490由导电材料做成，并与场发射器件外部的地接触(没有画出)电学连接。电荷耗散场层490包括电荷收集表面449，它在电荷耗散场发射器件400的工作过程中接收带电气态物质。然后通过电荷耗散层490流到地接触处。
电荷耗散场发射器件400的制作包括支撑衬底410上形成电荷耗散层490以及在介质层440中形成电荷耗散阱453以暴露电荷耗散层490的电荷收集面449的步骤。如图4和5所示，电荷耗散阱452也可以采用与图2所述类似的方法在介质层440中形成，以暴露出阴极415的电荷收集表面448。阴极415做在支撑衬底410上。电荷耗散层490通过合适淀积技术做在阴极415间，如包括电荷耗散层490导电材料的掩膜淀积。电荷耗散层490可以由导体，如铝，或其它一些电阻性材料，如非晶硅，做成。然后，介质，如二氧化硅，采用已知的淀积方法淀积在阴极415和电荷耗散层490上。栅引出电极450做在介质层上。栅引出电极450由导体，如钼，做成，它通过合适的淀积方法淀积。然后，介质层选择性地刻蚀，形成电荷耗散阱453，并暴露出电荷耗散层490的电荷收集面449。介质层选择性地刻蚀，形成电荷耗散阱452，并暴露出阴极415的电荷收集面448。电荷耗散阱453，452用一层光刻胶掩膜覆盖，以防止包括电阻发射极470材料的淀积。
接下来，介质层选择性地刻蚀，以形成多个发射阱460。在每个发射阱460中，采用为本领域技术人员熟知的标准斯宾特(Spindt)尖制造技术做一个电子发射极470。最后，光刻胶从电荷耗散阱453，452中去除。
在本发明的另一种实施方法中，电荷耗散层与阴极电学连接，以便电荷耗散层接收的电荷通过阴极流走。在本发明的实施方法中，通过在电荷耗散层中加入相对高的方块电阻防止电荷耗散层连接的阴极间的短路。在本发明的实施方法中，电荷耗散层还具有109-1012Ω/方块范围的方块电阻。它最好由不掺杂的非晶硅做成。任何提供上述范围方块电阻以及具有合适薄膜特性的材料都可以采用。合适的薄膜特性包括足够的与支撑衬底的粘附性。预先确定方块电阻，可影响撞击电荷耗散层490的带正电物质电流的传导，由此在器件工作过程中减少正表面电荷的积累。间隙区中产生的离子电流，与发射电子相比，其比例会小于或等于大约0.1％。例如在场发射显示中，正离子返回电流大约为10皮安。因为该正离子电流如此之小，所以电荷耗散层的方块电阻可做得很高，足以防止阴极间短路，以及过量功率损耗，同时可以充分导通/流走碰撞电荷。在本具体实施方法中，电荷耗散层的厚度在100-500埃的范围内。
本文已对一个电荷耗散场发射器件的摘要进行了阐述，该器件减少了器件中介质层面积，并且提供的结构将器件工作过程中产生的不期望正电荷流走。这些特点减少了介质层击穿的可能性，并且提供了对电子轨迹的控制。

Claims (7)

1.一种电荷耗散场发射器件，包括：
具有主表面的支撑衬底；
置于所述支撑衬底的主表面上的阴极；
在所述支撑衬底的主表面上与所述阴极相邻地形成的、具有电荷收集表面的电荷耗散层；
在阴极和电荷耗散层上形成的介质层，该介质层确定一个发射阱，该介质层和所述电荷耗散层的电荷收集表面确定一个电荷耗散阱；
在发射阱中形成的电子发射极；以及
与介质层隔离以在它们之间确定一个间隙区的阳极，所述电荷耗散阱与该间隙区连接。
2.如权利要求1所述的电荷耗散场发射器件，其中还包括：与阴极和用来发射电子的电子发射极电学隔离并靠近的栅引出电极。
3.如权利要求2所述的电荷耗散场发射器件，其中电荷耗散层与阴极电学隔离。
4.如权利要求2所述的电荷耗散场发射器件，其中电荷耗散层与阴极电学连接。
5.如权利要求2所述的电荷耗散场发射器件，其中电荷耗散层由非晶硅组成。
6.如权利要求2所述的电荷耗散场发射器件，其中电荷耗散层具有109-1012Ω/方块范围内的方块电阻。
7.一种在场发射器件内减少充电的方法，包括以下步骤：
提供一个具有主表面的支撑衬底；
在所述支撑衬底的主表面上形成一个阴极；
在所述支撑衬底的主表面上与所述阴极相邻地形成具有电荷收集表面的电荷耗散层；
在阴极和电荷耗散层上形成介质层；
在介质层中形成发射阱；
在介质层中与阴极电荷收集面对准处形成电荷耗散阱；
在发射阱中提供电子发射极；以及
提供一个与介质层隔离以在它们之间确定一个间隙区的阳极，以使电荷耗散阱与间隙区连接。
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