CN1142572C - 交流驱动的薄膜场发射阴极 - Google Patents

Abstract

交流驱动的薄膜场发射阴极，属于真空电子发射型平板显示器件技术领域，尤其涉及一种平面型场发射阴极的结构设计。本发明由基板玻璃、下金属电极、单一组分绝缘层、电子传输层和上电极组成，其特征在于其电子传输层采用由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜，该介质薄膜从下至上由高电子亲和势组分渐变到低电子亲和势组分；其上电极采用由低功函数的金属或半导体薄膜构成。本发明适用于交流驱动方式工作，与现有技术相比，具有发射电流大、寿命长、成本低等优点，特别适用于大面积场发射平板显示器件。

Description

交流驱动的薄膜场发射阴极

技术领域

本发明属于真空电子发射型平板显示技术领域，特别涉及一种新型平面型场发射阴极结构。

背景技术

场发射阴极有微尖型(Spindt型)、金刚石薄膜型、碳纳米管型、金属-绝缘层-金属型(MIM)和金属-绝缘层-半导体层-金属型(MISM)等结构。其中与本发明较为接近的是一种交流驱动的MISM结构，如图1所示。包括玻璃基板1、金属下电极2、绝缘层3、半导体层(电子传输层)4和金属上电极5。

在现有的交流驱动MISM结构中，金属下电极一般采用铝、金、钼等，上电极采用金、铂、铝等，绝缘层用五氧化二钽，半导体层(电子传输层)用硫化锌材料。

这种阴极的工作原理如下：在交流驱动电压的负半周，下电极电位为正，电子从上电极注入到半导体层和绝缘体层的界面上，以界面态电子的形式存在界面上。当电压反向时，界面上的电子重新回到半导体层中，并在其中得到加速，然后进入上电极，部分能量大的电子可以克服上电极的表面势垒发射到真空中。

在上述结构中，绝缘层起的是电流限制层的作用，防止电击穿。半导体层的作用是增加电子在其中的动能，以期达到较大的电子发射。实际上，硫化锌中电子自由程小于20纳米，电场强度小于0.15伏特/纳米，因此电子平均动能小于3电子伏特。由于硫化锌的电子亲和势接近4电子伏特，因此电子发射较小，难以达到高亮度显示所需的发射电流的要求。例如日本91年发表的研究结果，发射电流只有28nA/cm²。本发明人对这一结构进行了改进(专利申请号00103365.4公开号CN 1265521A)，达到了超过50μA/cm²的发射电流，但仍不能满足大屏幕高亮度平板显示器件所需要的发射电流，其性能仍需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的阴极结构，以达到满足大屏幕高亮度平板显示器件所需要的发射电流，以适应平板显示技术发展的要求。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种交流驱动的薄膜场发射阴极，从下至上依次含有玻璃基板、下电极、绝缘层、电子传输层和上电极，其特征在于：所述的电子传输层是由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜构成；所述的上电极是由低功函数的金属银、铪、钛族和钒族氮化物半导体、钛族和钒族碳化物半导体或含锶和钡的氧化物半导体薄膜构成。

本发明中所述的组分渐变介质薄膜是从下到上由高电子亲和势材料渐变到低电子亲和势材料。

其组分渐变介质薄膜可以是一种从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜，也可以是从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的半导体组分的薄膜；或者是从高电子亲和势的绝缘体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜构成。

本结构中下电极为导电性能较好化学性质稳定的金属。单一组分绝缘层由三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、钛酸盐等绝缘性能好且介电常数大的薄膜构成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)发射电流大，适合于在高亮度场发射平板显示器件应用。

(2)器件电容较低，适合大面积器件应用。

(3)交流工作，由于电容的反馈作用，可以得到比较稳定的发射。

附图说明

图1为现有的交流工作的金属-绝缘层-半导体层-金属型(MISM)场发射阴极结构原理图。

图2为本发明的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的工作原理及具体实施方式：

本发明所述的交流驱动的薄膜场发射阴极，从下至上依次含有玻璃基板1、下电极2、绝缘层(单一组分)3、组分渐变电子传输层6和上电极5。

本结构中，当上下电极间加反向电压时，电子从上电极注入到电子传输层的导带中，最后到达电子传输层和单一组分绝缘层的界面处。这些电子并不能进入到单一组分绝缘层中，而是形成界面态能级上的电子。当电极间加正向电压时，界面态电子重新回到渐变组分的电子传输层中，并在其中被加速，得到足够的动能。由于靠近上电极处材料的电子亲和势比较低，所以电子的能量可以超过真空能级，有较多的电子可以克服上电极的表面势垒而发射到真空中。

实施例1

下电极用100纳米厚的金属钼膜，单一组分绝缘层3为400纳米五氧化二钽薄膜，组分渐变电子传输层6采用100纳米高电子亲和势的半导体硫化锌到低电子亲和势的半导体体硫化镁渐变过渡的薄膜。上电极5采用10纳米厚的低功函数的半导体氮化铪膜。如果将发射电流和电极间的电流之比定义为发射率，在80伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

实施例2

下电极用100纳米厚的金属铬膜，单一组分绝缘层3为400纳米五氧化二钽薄膜，组分渐变电子传输层5采用50纳米硫化锌到硫化镁渐变过渡的薄膜。上电极5采用10纳米厚的金属银膜。在120伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

实施例3

下电极用100纳米厚的金属钼膜，单一组分绝缘层3为400纳米二氧化铪薄膜，组分渐变电子传输层6采用50纳米高电子亲和势的绝缘体氧化镉钙到低电子亲和势的绝缘体氧化钙渐变过渡薄膜。上电极5采用10纳米厚低功函数的半导体氮化锆膜。在100伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

实施例4

下电极用100纳米厚的金属钼膜，单一组分绝缘层3为400纳米二氧化铪薄膜，组分渐变电子传输层6采用100纳米氧化镉钙到氧化钙渐变过渡的薄膜。上电极5采用10纳米厚的金属铪膜。在100伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

实施例5

下电极用100纳米厚的金属镍膜，单一组分绝缘层3为200纳米氮氧化硅薄膜，组分渐变电子传输层6采用100纳米镁锌原子数比为2∶8的高亲和势半导体氧化镁锌到镁锌原子数比为8∶2的低亲和势绝缘体氧化镁锌渐变过渡的薄膜。上电极5采用10纳米厚的氮化钛半导体膜。在120伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

实施例6

下电极用100纳米厚的金属镍膜，单一组分绝缘层3为200纳米氮氧化硅薄膜，组分渐变电子传输层5采用100纳米镁锌原子数比为2∶8的高电子亲和势半导体氧化镁锌到镁锌原子数比为8∶2的低亲和势绝缘体氧化镁锌渐变过渡的薄膜。上电极5采用10纳米厚的金属铪膜。在110伏的驱动电压下，得到发射率大于0.5％的场发射电流。

Claims (5)

1、一种交流驱动的薄膜场发射阴极，从下至上依次含有玻璃基板、下电极、绝缘层、电子传输层和上电极，其特征在于：所述的电子传输层是由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜构成；所述的上电极是由低功函数的金属银、铪、钛族和钒族氮化物半导体、钛族和钒族碳化物半导体或含锶和钡的氧化物半导体薄膜构成。

2、根据权利要求1所述的交流驱动的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变介质薄膜是从下到上由高电子亲和势材料渐变到低电子亲和势材料。

3、根据权利要求2所述的交流驱动的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变介质薄膜是一种从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜。

4、根据权利要求2所述的交流驱动的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变薄膜是从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的半导体组分的薄膜。

5、根据权利要求2所述的交流驱动的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变薄膜是从高电子亲和势的绝缘体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜。

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