CN1278104A - 场发射器及其制造方法和使用其的场发射显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供使用碳纳米管薄膜的即使在低电压下也具有高电流密度的场发射器及制造方法和具有该场发射器的场发射显示设备。场发射器包括绝缘基片,在其上形成的薄膜晶体管,该晶体管有半导体层、源极、漏极和栅极,和由漏极上的碳纳米管薄膜形成的电子发射单元。晶体管可以为共面型、交错型或逆交错型。与碳纳米管薄膜接触的漏极部分的表面上含有催化金属,它是过渡金属如镍或钴。或者漏极本身可由用于生长碳纳米管的催化金属形成。

Description

场发射器及其制造方法和使用其的场发射显示设备
本发明涉及具有碳纳米管薄膜的场发射器及其制造方法以及使用该场发射器的场发射显示设备，更具体地，涉及具有碳纳米管薄膜作为电子发射元件的场发射器、其制作方法和使用该场发射器的场显示设备。
目前作为下一代平板显示设备研究的场发射显示设备是基于在真空管内发射电子，并且由从强电场中的微米尺寸的尖端发射出的、加速并与荧光材料碰撞的电子发光。该场发射显示设备轻而且薄，并且具有高亮度和高清晰度。
传统的用于场发射显示设备的电子发射器使用的是金属或硅材料制成的尖端，这不仅结构复杂而且象素之间的电流密度不均匀。为了解决以上的不足，可用一金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)作为每个单元象素的有源电路，在S.Kanemaru等的论文“由内置的MOSFET驱动的硅场发射器的有源矩阵”，IDW′97，pp735-738，1997进行了描述。并且，薄膜晶体管能够用来作为每个单元象素的有源电路从而解决上述不足，描述在H.Gamo等的论文“用于有源矩阵FED应用的具有玻璃上的内置薄膜晶体管的可控场发射器阵列”，IDW′98，pp667-670，1998中。然而，由于要在已有的场发射显示设备的制造工艺上再增加一些工艺，上面的文章所讲的结构就显得更加复杂了。
本发明的一个目的在于提供一种场发射器，该发射器使用碳纳米管薄膜，即便是在低电压下仍具有高电流密度。
本发明的另一个目的是提供一种通过简单的工艺制造具有碳纳米管薄膜的场发射器的方法。
本发明还有一个目的是提供一种场发射显示设备，该显示设备具有使用碳纳米管薄膜、即便是在低电压下仍具有高电流密度的场发射器。
为了实现第一个目的，本发明提供了带有碳纳米管薄膜的场发射器，其中包括：一绝缘基片；一在绝缘基片上形成的薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；一在薄膜晶体管的漏极上、由碳纳米管薄膜形成的电子发射单元。
薄膜晶体管的半导体层为多晶硅层或非晶型硅层。薄膜晶体管可以是共面型、交错型或逆交错型晶体管。
接触碳纳米管薄膜的一部分漏极的表面上有催化金属，它是过渡金属，如镍或钴，能使碳纳米管生成。或者，漏极本身可由用于生长碳纳米管的催化金属形成。
为了实现第二个目的，本发明提供了具有碳纳米管薄膜的场发射器的制造方法。该方法包括：在绝缘基片上形成一具有半导体层、源极、漏极和栅极的薄膜晶体管；在形成薄膜晶体管的绝缘基片的整个表面上形成保护绝缘膜；腐蚀部分保护绝缘膜以便露出部分漏极；在露出的漏极上形成碳纳米管薄膜。当薄膜晶体管是共面型晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成一半导体层；在半导体层上形成相隔预定距离的源极图案和漏极图案；在源极图案和漏极图案之间形成一由栅绝缘薄膜和栅极所组成的栅极图案。当薄膜晶体管是交错型晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成相隔预定距离的源极图案和漏极图案；形成一半导体层图案，该图案当填充源极图案和漏极图案之间的空间时向侧面延伸一预定长度；在源极图案和漏极图案之间的半导体层图案上形成一由栅绝缘薄膜和栅极组成的栅极图案。当薄膜晶体管是逆交错晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成一由栅极和栅绝缘薄膜组成的栅极图案；形成一覆盖栅极图案的半导体层图案；在半导体层图案上形成间隔预定距离的源极图案和漏极图案。
在露出的漏极部分上形成碳纳米管薄膜的步骤可通过用已经长成的碳纳米管薄膜涂抹在漏极露出部分的表面或直接在漏极露出部分的表面上生长碳纳米管薄膜来实现。这时，该方法还包括在接触碳纳米管薄膜的漏极部分表面上形成一用于生长碳纳米管的催化金属层。形成催化金属层的步骤可在形成薄膜晶体管的步骤中实现或在腐蚀部分保护绝缘薄膜的步骤之后实现。
为了实现第三个目的，本发明提供一种场发射显示设备，该设备中单元象素排列在一矩阵中，每个单元象素由多个栅极线路和多个数据线路(线路十字交错)而定义，其中每个单元象素包括：在一绝缘基片上形成的一薄膜晶体管，该薄膜晶体管有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；在薄膜晶体管的漏极上的由碳纳米管薄膜形成的一电子发射单元；形成在绝缘基片对面的上部电极；在上部电极的下表面上形成的与电子发射单元相对的荧光材料。
在本发明中，碳纳米管薄膜用来作为场发射器中的电子发射单元。因此，即便在低电压下仍有强电流密度的场发射器可用简单的制造方法来实现。每个象素都有一致的电流密度的场发射显示设备因其由一薄膜晶体管来驱动从而可以实现。
本发明的上述目的和优点通过参考附图详细描述优选实施例后将更清晰。
图1是根据本发明一个实施例的具有共面型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。
图2是根据本发明的另一个实施例的具有交错型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。
图3是根据本发明的又一个实施例的具有逆交错型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。
图4是使用根据本发明一个实施例的一场发射器的场发射显示设备的等效电路图。
图5A是根据本发明一个实施例的生长的碳纳米管薄膜的扫描电子微观(SEM)图象。
图5B是根据本发明一个实施例的一场发射显示设备中每个单元象素上所沉积的碳纳米管薄膜的传输电子微观(TEM)图象。
图6是根据本发明一实施例的一场发射显示设备的剖视图。
下文中，将根据附图详细描述本发明的实施例。然而，本发明的实施可被改为其它多种形式，并且本发明的范围不能被理解为必须严格遵循这些实施例。提供这些实施例是为了向本领域技术人员更完整地说明本发明。
本发明主要涉及在场发射器中形成使用碳纳米管的电子发射单元。总体上说，作为所有生物包括人体中的最重要组成部分的碳，具有金刚石、石墨、紧密石墨和碳纳米管四种晶体结构。在这四种晶体结构中，碳纳米管是由滚动六边形蜂窝图案结构成管状而形成，所述六边形蜂窝图案结构是由一个碳原子与三个其它的碳原子结合而成。一个碳纳米管的直径非常小，只有几个到几百个纳米，并且生长成单墙结构或多墙结构。碳纳米管是象金属一样的电的导体或者根据滚动形状或其直径而具有导电性能不好的半导体的性质。另外，由于碳纳米管是中空的而且长，它有极好的机械、电和化学特性，因此它以可用作场发射设备、储氢容器、蓄电池电极等。
图1是根据本发明一个实施例的具有共面型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。图1中，半导体层7形成在一具有一定硬度的绝缘基层8如玻璃基片上。源极3图案和漏极4图案在半导体层7上形成并具有一预定间距。半导体层7可由非晶形硅或者由掺杂或不掺杂的多晶硅构成。源极3图案和漏极4图案由典型的半导体设备制造工艺中的光刻工艺制成。
源极3和漏极4中的每一个都可用导电材料如铝、钨或耐火金属硅化物在单层结构或多层结构上形成。如随后所述，当碳纳米管薄膜在漏极上直接长成时，可以在与碳纳米管薄膜1接触的漏极4的部分上形成用于碳纳米管生长的催化金属层(图中未画)，如镍层或钴层。那就是说，催化金属层可以只在与碳纳米管薄膜1接触的部分上形成，可以在漏极4的整个表面上形成，或可以在源极3和漏极4的上表面上形成。或者，漏极4本身可由催化金属形成。
栅绝缘膜5形成在露于源极3图案和漏极4图案之间的半导体层7的部分上，与源极3图案和漏极4图案分离。栅极2图案形成在栅极绝缘膜5上。保护绝缘膜6用来将源极3、栅极2和漏极4之间相互绝缘并保护它们。碳纳米管薄膜1在催化金属层上形成(在此实施例中，覆盖漏极4的部分表面)。
栅绝缘膜5可以是氧化膜、氮化膜或氮化膜与氧化膜的混合膜；栅极2可由铝、掺杂的多晶硅或类似的物质形成；保护绝缘膜6可由具有极佳平面化性质的氧化或氮化系列绝缘材料形成。
下面更详细地说明如图1所示的场发射器的制造工艺。半导体层7通过化学汽相沉积法或物理汽相沉积法使用溅射形成到绝缘基片8上。下一步，在半导体层7的整个表面上形成一导电材料层。然后，用典型的光刻法将源极3图案和漏极4图案以预定的间距形成在半导体层7上。如前所述，导电材料层可是催化金属层(未画出)，以便碳纳米管的生长。当催化金属层以多层结构形成于总的导电材料上时，在导电材料上形成催化金属层后，开始实施光刻工艺。
此后，在基片的整个表面上形成栅绝缘膜5的材料层和栅极2的材料层，然后，通过光刻在源极3图案和漏极4图案之间形成栅绝缘膜5和栅极2图案。然后，在形成薄膜晶体管的基片的整个表面上形成保护绝缘膜6，并且腐蚀部分保护绝缘膜6以露出部分漏极4。然后，在漏极4露出的部分上形成碳纳米管薄膜1。
形成碳纳米管薄膜1的步骤至少可有两种方法实现。一种是将已在外部生成的碳纳米管薄膜1涂在露出的漏极上。另一种方法是形成一具有半导体层7、源极3、漏极4和栅极2的薄膜晶体管，将一基片装载进用于生长碳纳米管的装置中，漏极4在该基片上暴露了一部分，以及在暴露出的漏极4上直接生成碳纳米管薄膜1。
至于生长碳纳米管的方法，一种方法是，在两条石墨棒之间通过电弧放电来生成碳纳米管，这种方法在Sumio Lijima的论文“石墨碳的螺旋微管”，自然杂志，Vol.354，pp56-58，1991年11月7日中有记载。生长碳纳米管的另一种方法是，在约1200℃或更高的温度下，用激光对石墨进行辐射，或者在约1600℃到1700℃的温度下，用激光对碳化硅进行辐射。这种方法在Michiko Kusunoki等的论文“通过碳化硅的升华分解而自组的取向附生的碳纳米管薄膜”，应用物理通讯Vol71，2620，1997中有记载。另一种用化学汽相沉积(CVD)法热分解碳氢系列气体来生成碳纳米管的方法在W.Z.Li等的论文“碳纳米管的大规模合成”，科学杂志，Vol.274，pp1701-1703，1996年12月6日中有记载。
如上所述，本发明中的碳纳米管的生成可用放电、激光、CVD或高密度等离子等方法来实现。
本发明的一个实施例中，使用了高密度等离子CVD法，此法中使用通过供给射频电源而产生高密度等离子的感应耦合等离子(ICP)装置作为等离子化学蒸气装置。碳氢系列气体如含有碳原子的乙炔或苯可作为用于生长碳纳米管薄膜1的等离子气体源。然而，本实施例中使用以10SCCM的流速供给的甲烷和以10SCCM供给的惰性气体氦。本实施例中，碳纳米管薄膜1用固定在1千瓦的RF电源、在基片温度600℃到900℃、内部压力10-1000毫托情况下生成。氮气和氢气也可被用来加速反应，并且本实施例中的等离子浓度维持在1011m-3或更高。
图2是根据本发明的另一个实施例的具有交错型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。和图1中同样的参考数字指代相同的元件，因此不再详述。图2中，源极3图案与漏极4图案在绝缘基片8上相互间隔一预定的距离。当半导体层7填入源极3图案与漏极4图案间的空隙时，向两侧延伸一预定长度。由栅绝缘膜5和栅极2组成的栅极2图案形成在半导体层7上源极3图案与漏极4图案之间的空间中。保护绝缘膜6覆盖栅极2图案。碳纳米管薄膜1在漏极4的部分表面上形成。
如前所述，源极3和漏极4可由导电材料以单层或多层的结构形成。当碳纳米管薄膜直接生长在漏极上时，用于生长碳纳米管的催化金属层(未画出)可以在与碳纳米管薄膜1接触的漏极4的表面上形成。那就是说，催化金属层可只在与碳纳米管薄膜1接触的部分上形成，还可在漏极4的整个表面形成或在源极3和漏极4的上表面上形成。或者，漏极4本身可由催化金属形成。
下面更详细地说明如图2所示的场发射器的制造工艺。在绝缘基片8的整个表面上形成导电材料层，然后用典型的光刻法将源极3图案和漏极4图案以预定间距形成在绝缘基片8上。如前所述，导电材料层可是催化金属层，以便碳纳米管的生长。当催化金属层以多层结构形成于总的导电材料上时，在导电材料上形成催化金属层后，开始执行光刻。下一步，用化学汽相沉积法或物理汽相沉积法溅射到绝缘基片8上形成半导体层7，并用光刻形成图案，从而形成当填入源极3图案与漏极4图案间的空隙时，向两侧延伸一预定长度的半导体层7。
然后，在基片的整个表面上形成用于栅绝缘膜5和栅极2的一材料层，然后用光刻法在覆盖半导体层7上源极3图案和漏极4图案之间的空间上形成由栅绝缘膜5和栅极2组成的栅极2图案。然后，在形成薄膜晶体管的基片的整个表面上形成保护绝缘膜6并且腐蚀部分保护绝缘膜6以暴露出漏极4。下一步，在漏极4露出的部分上形成碳纳米管薄膜1。形成碳纳米管薄膜1的步骤和图1中的实施例相同。
图3是根据本发明的另一实施例的具有逆交错型薄膜晶体管和碳纳米管象素的场发射器的剖视图。同样的参考数字和图1中指代的一样，因此不再详述。图3中，具有栅极2和栅绝缘膜的栅极2图案形成在绝缘基片8上。半导体层7图案覆盖栅极2图案。源极3图案和漏极4图案在半导体层7图案上，具有一预定的间距。保护绝缘膜6覆盖并填充于源极3图案和漏极4图案之间的空隙。碳纳米管薄膜1形成在漏极4的部分表面上。
下面更具体地说明如图3所示的场发射器的制造工艺。在绝缘基片8的整个表面上形成用于栅极2和栅绝缘膜5的材料层，然后用光刻法在绝缘基片8上形成具有栅极2和栅绝缘膜5的栅极2图案。下一步，在绝缘基片8的整个表面上形成一半导体层7，并利用光刻法形成图案。然后在此合成结构的整个表面上形成了一导电材料层。然后，用典型的光刻法形成彼此有一预定间距的源极3图案和漏极4图案。下一步，在形成薄膜晶体管的基片的整个表面上形成保护绝缘膜6，部分保护绝缘膜6被腐蚀以将漏极4的部分暴露。接着，在露出的漏极4的部分上形成碳纳米管薄膜1。形成碳纳米管薄膜1的步骤和图1中的实施例相同。
图4是使用根据本发明一实施例的场发射器的有源矩阵场发射显示设备的等效电路图。图4中，多个栅极线路10(G1，G2，G3)与多个数据线路9(D1，D2，D3)十字交错，并且两个栅极线路和两个数据线路定义一个单元象素。这些单元象素排列为一矩阵。在每个单元象素上形成一个碳纳米管薄膜1，它是一个电子发射单元，而且，设置薄膜晶体管11作为驱动这些电子发射单元的开关。每个薄膜晶体管11有一与栅极线路10相连的栅极、一与数据线路9相连的源极和一与作为电子发射单元的碳纳米管薄膜1相连的漏极。含有薄膜晶体管11和碳纳米管薄膜1的电子发射器的剖视图可为图1至图3中的共面型场发射器、交错型场发射器和逆交错型场发射器之一。
图5A是根据本发明一个实施例的生长的碳纳米薄膜的扫描电子微观(SEM)图象。该图表明纳米管束在一个方向上排列整齐。图5B是形成在根据本发明一个实施例的一场发射显示设备的每个象素上的碳纳米管薄膜的传输电子微观(TEM)图象。从图5B中可以看出，碳纳米管薄膜仅在漏极露出的表面上有选择的生长。
图6是根据本发明实施例的一场发射显示设备的剖视图。该图显示了排列在一有源矩阵中的每个象素中的单元象素的剖面。图1中所示的共面型薄膜晶体管被用作薄膜晶体管11，它是一开关装置。
如图6所示，一上部电极13被安装在绝缘基片8上，并与绝缘基片8间隔一预定距离。半导体层7形成在绝缘基片8上。源极3图案和漏极4图案在半导体层7上相互间隔一预定的距离。栅绝缘膜5形成在半导体层7上，暴露在源极3图案和漏极4图案之间，与源极3图案和漏极4图案相隔，因此形成了一栅极2图案。保护绝缘膜6覆盖在源极3、栅极2以及漏极4的部分上并填充它们之间的空隙，以使之相互绝缘并保护它们。碳纳米管薄膜1形成在漏极4的部分表面上。在上部电极13的底部表面形成一荧光材料12，以与碳纳米管薄膜1相对。
在如图4中所示的电子发射显示设备中，通过驱动薄膜晶体管11从碳纳米管薄膜1中发射出电子。薄膜晶体管11包括在一个象素中，该象素是由通过一栅极线路10和一数据线路9传输的信号来选择的。发射的电子被上部电极13和漏极4之间的强电场加速，与荧光材料12碰撞后发光。以这种方式，电子发射显示设备执行了显示的功能。碳纳米管仅为纳米级，与传统的场发射器中所使用的尖端大小相似或更小，但是当它用作一电子发射单元时，具备了更优的场发射特性。
尽管依据附图中的具体实施例对本发明进行了描述，但以上特殊的实施例只是例子。对本领域技术人员来说很明显，可以在本发明的范围内对特定的实施例做出修改。比如，本发明实施例中利用高浓度等离子的方法形成碳纳米管，但很明显，利用电弧技术、激光技术或化学汽相沉积技术都可以形成碳纳米管。
根据本发明，具有高电流密度且可被低电压驱动的有源矩阵场发射显示设备可通过使用碳纳米管和薄膜晶体管而轻易地制造出来。同样，根据本发明制造的有源场发射显示设备能够通过控制由薄膜晶体管产生的电流来维持均匀且稳定的发射电流。因此，电流驱动的场发射显示设备能够容易地实现。

Claims (21)

1、一种具有碳纳米管薄膜的场发射器，包括：
一绝缘基片；
在该绝缘基片上形成的一薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；和
位于薄膜晶体管的漏极上的由碳纳米管薄膜构成的一电子发射单元。
2、权利要求1的场发射器，其中薄膜晶体管的半导体层是一多晶硅层。
3、权利要求1的场发射器，其中薄膜晶体管是共面型晶体管、交错型晶体管或逆交错型晶体管。
4、权利要求1的场发射器，其中与碳纳米管薄膜接触的漏极的一部分的表面上包含用于生长碳纳米管的催化金属。
5、权利要求1的场发射器，其中漏极由用于生长碳纳米管的催化金属形成。
6、权利要求4的场发射器，其中用于生长碳纳米管的催化金属为镍或钴。
7、一种制造具有碳纳米管薄膜的场发射器的方法，该方法包括：
在一绝缘基片上形成含有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极的薄膜晶体管；
在已形成薄膜晶体管的绝缘基片的整个表面上形成一保护绝缘膜；
腐蚀部分保护绝缘膜以露出漏极的一部分；
在露出的漏极上形成一碳纳米管薄膜。
8、权利要求7的方法，其中形成薄膜晶体管的步骤包含以下几个子步骤：
在绝缘基片上形成一半导体层；
在该半导体层上形成相互之间有预定距离的一源极图案和一漏极图案；
在源极图案和漏极图案之间形成一由栅绝缘膜和栅极组成的栅极图案。
9、权利要求7的方法，其中形成薄膜晶体管的步骤包含以下几个子步骤：
在绝缘基片上形成相互之间有预定距离的一源极图案和一漏极图案；
形成一半导体层图案，该图案在填入源极图案与漏极图案间的空隙的同时向两侧延伸一预定长度；以及
在源极图案和漏极图案之间的半导体层图案上形成一由栅绝缘膜和栅极组成的栅极图案。
10、权利要求7的方法，其中形成薄膜晶体管的步骤包含以下几个子步骤：
在绝缘基片上形成一由栅绝缘膜和栅极组成的栅极图案；
形成一覆盖栅极图案的半导体层图案；以及
在半导体层图案上形成相互之间有预定距离的一源极图案和一漏极图案。
11、权利要求7的方法，其中在漏极的露出部分上形成碳纳米管薄膜的步骤是通过用碳纳米管薄膜涂覆在漏极的露出部分的表面上来实现。
12、权利要求7的方法，其中在漏极的露出部分上形成碳纳米管薄膜的步骤是通过在漏极的露出部分上直接生长碳纳米管薄膜来实现。
13、权利要求12的方法，还包括在与碳纳米管薄膜接触的漏极的部分的表面上形成用于生长碳纳米管薄膜的催化金属层。
14、权利要求13的方法，其中形成催化金属层的步骤在形成薄膜晶体管的步骤中实施。
15、权利要求13的方法，其中形成催化金属层的步骤在腐蚀部分保护绝缘膜的步骤后实施。
16、权利要求12的方法，其中漏极由用于生长碳纳米管的催化金属形成。
17、权利要求12的方法，其中碳纳米管薄膜在600℃到900℃下用碳氢系列气体作为等离子源气体由等离子化学汽相沉积来生长，其中等离子浓度为1011cm-3或更高。
18、一种场发射显示设备，其中单元象素排列在矩阵中，每个单元象素由十字交叉的多个栅极线和多个数据线来定义，每个单元象素包含：
在一绝缘基片上形成的一薄膜晶体管，该薄膜晶体管有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；
形成在薄膜晶体管的漏极上的由碳纳米管薄膜形成的电子发射单元；
与绝缘基片相对形成的一上部电极；
形成在上部电极的底部表面上的一荧光材料，与电子发射单元相对。
19、权利要求18的场发射显示设备，其中薄膜晶体管可是一共面型晶体管、一交错型晶体管或一逆交错型晶体管。
20、权利要求18的场发射显示设备，其中与碳纳米管薄膜接触的漏极的部分的表面上含有用于生长碳纳米管的催化金属。
21、权利要求18的场发射显示设备，其中具有形成在其上的碳纳米管薄膜的漏极由用于生长碳纳米管的催化金属形成。
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