CN1279562C - 稳定和受控的电子源,电子源的矩阵系统以及它们的生产的方法 - Google Patents

Abstract

提出一种电子源，其中场致发射体由在基片上外延地生长的晶须构成。镇流电阻和激活区域被放置在场致发射体的实体中和或表面上。镇流电阻可以以具有n-n+，p-p+，p-n半导体结的形状的一个势垒或与荷电载流子流交叉的绝缘层来实现。用于控制这样的电子源的元件被垂直地排列。这允许大大地减小元件所化费的面积，这样，提高器件的分辨力和扩展其应用领域。这样，由于晶须生长场致发射体，有可能在强电场下由低电压控制发射电流。

Description

稳定和受控的电子源，电子源的矩阵系统 以及它们的生产的方法

                      技术领域

本发明涉及微电子学，包括真空微电子学，更具体地涉及场致发射器件，特别是场致发射阴极射线管，以及涉及其它场致发射器件，诸如场致发射显示器，用于电子枪、用于微波器件的电子源等等。

                      背景技术

近年来，考虑了用于实现场致发射的各种实例，包括通过使用平面结构上的缺陷造成的发射，这些缺陷用作为场致发射的引发剂[参考文献1，2]。通过特殊方法作为场致发射引发剂制备的场致发射体(尖触点、刀片等)与这些缺陷相比较，从实现常规的多个阵列的场致发射体的容易性和在大面积上控制阵列的生长方面来看，具有许多优点。然而，实际上，当常规的阵列劣于带有均匀性的缺陷的偶发的分布的结构时，常常出现问题。

场致发射体给出的电子流在稳定性和可控制性方面的麻烦也是熟知的。多个场致发射体阵列的场致电子发射的一致性方面的麻烦具有同样的性质。一致性典型地由用来均衡流过多个场致发射体阵列的不同的场致发射体的电子电流的镇流电阻来确保。

各种设计和工艺解决办法被使用来克服场致发射体的麻烦(问题)。

一种控制的电子源是已知的，其中场致发射体被连接到被用作为稳流电子源的MOSFET的漏极[参考文献3，4]。在这样的电子源中，场致发射电流的稳定性和可控制性的问题被成功地解决。然而，在电子源中晶体管p-n结被放置在基片上，其上也放置了场致发射体，以及控制电极被安排在场致发射体与荷电载流子源之间，该荷电载流子源也被放置在基片上。这大大地增加象素所化费的面积，因此，降低了基于这样的电子源的场致发射显示器的分辨力。

在专利[参考文献5]中成功地实现了与控制元件的空间安排相组合的、稳定性和可控制性问题的解决方案。这里，在电子源中一个二极管被放置在发射器基极，用于场致发射电流的稳定性和可控制性。这样的设计原理上最少降低电子源尺寸三倍，因为它的控制部件与场致发射体本身取相同的位置。这样的电子源允许调整电压，以使得用于场致发射体的启动电压被降低，这样，确保了均匀发射。多个发射体，通过二极管工作和实际用作为镇流电阻，被放置在阴极射线管电极上。这样的设计确保场致发射的均匀性，同时确保它的可控制性。然而，在[参考文献5]中提出的、场致发射电流的稳定性和控制的元件不足以用来成功地解决均匀性和可控制性的问题。

在专利[参考文献6]中，实现了更完全地使用场致发射体的优点。场致发射体被考虑为空间分布的物体(其各个部件用作为器件的功能性元件)，而不被考虑为场致发射的“物微粒”，但不用它们的各个部件的空间特征。

按照专利[参考文献6]，把用于受控电子源的元件从平面的安排(如在[参考文献3，4]中完成的)变换成垂直安排。因此，场致发射电流的稳定和控制上的主要角色被分配到场致发射体的实体和表面，除了其顶部的通常的角色。

类似于专利[参考文献3-5]，在[参考文献6]中，萃取电极作用到位于发射体顶部的电极。在[参考文献6]中，电子源被认为其中场致发射体具有足够的长度和厚度。所以，从控制电极或载流子(诸如[参考文献5]中的二极管)的作用的观点出发，最少考虑电子源的四个区域：

-放置场致发射体的基片；

-场致发射体的底部；

-场致发射体的顶部；

-它们的实体。

这些是选择性激活的区域，或激活区域。

所以，激活区域是在基片上、在场致发射体的实体上、在它的底部的或在它的顶部的区域。荷电载流子源与场致发射体的连接是通过该区域实现的，以及从一个区域到另一个区域的场致发射电流的控制，通过激发和萃取被实施。

然而，在某些情况下，在[参考文献6]中，不能实现对荷电载流子电流的这样的控制。这涉及到这样的事实，场致发射体在相当高的电场，例如阳极的电场的作用下，不单受到它对场致发射体的顶部的区域的影响也受到它对所有的实体的影响。结果，这样的电场，作用到场致发射体，“短路”各种势垒和控制元件。通过在专利[参考文献6]中所使用的“湿的”或“干的”蚀刻制备场致发射体的方法导致形成具有激活区域域的长度l与直径d的小的比值的发射体。在这种情况下，为了控制场致发射电流，必须使用太大的电压，以便补偿大的外部电场(例如，阳极的电场)的作用。

事实上，如果包含p型导电性部分的场致发射体被放置在由阳极形成的电场E中(图3C)，则第一p-n结04的第一部分的边界被E_j移到p区。在某个数值E_t下，第一结04接近于第二结06到这样的程度，以使得来自n区c的电子开始隧道通过变窄的势垒到达场致发射体。这使得电子从场致发射体发射。这是在外部电场下的“短路(shorting out)”。在传统的(图3A)实例和在考虑的[参考文献6]实例中，在场致发射体附近控制电极的存在可补偿穿透的电场的作用，这样，“锁定”了第二n区c的荷电载流子。然而，已经获知，在[参考文献6]中所考虑的几何尺寸，p区的长度l是可以与宽度d相比较的或甚至短于d。正如所获知的，为了锁定荷电载流子，控制电极02或08的横向电场的数值必须是能与负责荷电载流子流的纵向电场相比较的。这使得必须把大的电压加到控制电极上。

此外，在专利[参考文献6]中，控制电极激发荷电载流子流过激活的区域，以及从场致发射体萃取电子。这样，电子发射是稳定的和被控制的，同时，[参考文献6]中的控制电极不锁定荷电载流子通过激活区域的流动。以上的控制电极的功能，-激发荷电载流子的流动，使得在[参考文献6]中提到的p区的近似尺寸必须为“厚度上不大于几个微米，一般是亚微米量级的厚度”(见[参考文献6]中最后一段，第8列)。这意味着[参考文献6]的作者们不考虑通过“锁定”功能提供控制电极的可能性，结果，他们考虑一种设计是对于激发是刚好足够的，但不足以在强的外部电场影响下锁定电子移动。然而，已经获知，如果控制电极能够锁定电流，则有可能使用小的(以绝对值计)负压用于锁定电流。刚才提到的方法从实际观点看来是非常重要的-在不同的驱动系统中使用低电压“电键”，例如在场致发射显示器中。这样的实例在[参考文献6]中由于小的l/d的特征值而无法实现，[参考文献6]中提出的设计所给出的l/d大约等于1。

在本发明中，由于以下措施，克服了该缺点，在其中为了场致发射的稳定性和控制性，使用了特征量l/d＞＞1的晶须(“细丝晶体”)。在本发明中也提出了用于制备带有横向p-n结的晶须的方法。结果，所建议的设计允许借助于锁定荷电载流子电流来控制场致发射。

所提出的方法在创建有效的长的寿命的平板显示器方面是特别重要的。事实上，阳极(加速)电场越高，它们的荧光物越有效和越长寿，因为在较高的电压下，效率较高。另外，在这样的器件中阳极电压增加，从而降低电流时，荧光物的耐用性提高。高的加速电压允许使用保护涂层(例如，铝)，它阻止荧光物分解，并且由于光反射而增加亮度。此外，降低电流对于场致发射体本身(特别是对于半导体发射器)是有用的，因为在高的电流下，发射器被加热会造成它们的恶化。

在本发明中，提出了对于基于使用外延地生长的晶须的场致发射电流的稳定性和控制的各种可能性。通过晶须生长，比值l/d可以被实现为5-10倍或更大。此外，采样晶须生长的场致发射体，可以实现控制电极的形状变化和创建的很大的可能性。具体地，图4c上给出了带有台阶形状的发射体的设计。

按照本发明，场致发射体由晶须实现，包括至少一个势垒(例如，n，n+，p，p+，或p-n结)，即势垒被放置在场致发射体的实体中，它是在基片以上(即在它本身的底部以上)的某个高度h＞0。同时，在[参考文献3，5]中，势垒之一被放置在场致发射体的底部，它或者在基片的上层或者低于基片。

如上所述，激活区域可被放置在场致发射体的底部[参考文献5]，顶部[参考文献3，5]，或基片[参考文献3]上，以及在场致发射体的实体中[参考文献6]。在本发明中，提出一个实例，其中激活区域被放置在场致发射体的侧面，或在与场致发射体的基片直接与间接接触的材料的实体内。

激活区域也可以被放置在被安排在绝缘基片上的薄的表面导电层中。这样，正如本发明提出的受控电子源的实例不单解决把稳定和控制元件从它们的平面安排转移到垂直安排的问题(以及，这样，提高器件的分辨率)，也允许通过低电压保存发射电流的可控制性。这样，这允许在低的和高的外部电场下实现所述的可控制性。

在专利[参考文献6]中，如上所述，提出了用于制造带有横向p-n结的场致发射体的方法。然而，这个方法不能得到给出必要的功能性特征的场致发射体的最佳几何参量。

用于生长取向的晶须阵列的方法是已知的[参考文献7，8，9，10]。然而，这些方法并不包含用于制备如p-n那样的结的步骤。在本发明中，提出了这样的步骤。

                      发明内容

提出了一种电子源，包括场致发射体，基片，荷电载流子源，和至少一个镇流电阻。场致发射体是由在基片上生长的晶须实现的，以及至少一个镇流电阻以呈现为场致发射体的实体中的边界的势垒来实现，边界由带有不同种类的导电性的材料的接触而构成。

在电子源中，场致发射体是由至少一个半导体材料实现的。电子源中的至少一个势垒由带有不同导电性的材料的结(诸如n，n+，p，p+等)构成。至少一个势垒由与荷电载流子流动方向交叉的绝缘层构成，

场致发射体由尖触点构成，尖触点包含两个同轴部分，宽的下面的部分和更窄的上面的部分。场致发射体也可由刀片构成。场致发射体的尖触点被变尖和被涂覆以钻石或钻石样的材料，以及涂层也可变尖。

在电子源的另一个实例中，势垒由场致发射体的实体与被放置在场致发射体的表面上的导电层之间的边界构成。在电子源中，至少一个镇流电阻以呈现为场致发射体的实体中的边界的势垒来实现，边界由带有不同种类的导电性的材料的接触而构成。

场致发射体由至少一个半导体材料实现，以及导电层也由至少一个半导体材料实现。

场致发射体中至少一个势垒由带有不同导电率的材料的结(诸如n，n+，p，p+等)构成。

在电子源的另一个实例中，至少一个势垒由与荷电载流子流动方向交叉的绝缘层构成，

场致发射体由尖触点或由刀片构成。在尖触点形状的情况下，场致发射体包含两个同轴部分，宽的下面的部分和更窄的上面的部分。场致发射体也可由刀片构成。场致发射体的尖触点变尖和用钻石或钻石样的材料涂覆，涂层也变尖。

荷电载流子源通过基片和或导电层被连接到场致发射体，该导电层直接地或经过绝缘层被放置在场致发射体的表面上。

在电子源的再一个实例中，基片具有尖触点的形状，以及由绝缘体和导电层构成，镇流电阻由该层实现。

电子源中的导电层包含至少一个用于荷电载流子的势垒。电子源中的至少一个势垒由带有不同导电率的材料的结(诸如n，n+，p，p+等)构成，以及至少一个势垒由与荷电载流子流动方向交叉的绝缘层构成，

在再一个实例中，电子源可被控制成包含至少一个控制电极。电子源可包含在场致发射体的实体中和或在表面上的至少一个激活区域。激活区域可被实现在导电层，该导电层直接地或经过绝缘层被放置在基片的表面和/或场致发射体的表面上。

至少一个控制电极被放置在用于荷电载流子的一个势垒附近，或经过绝缘层放置在场致发射体的侧面上，控制电极由真空缝隙与场致发射体分开，或沿着场致发射体放置。控制电极可以与场致发射体的侧面直接接触。

控制的电子源中的基片可以是结晶体，或可以由绝缘体和被放置在绝缘体上的导电层实现。基片可以由具有取向的单晶材料(111)实现。

基片的表面可以涂覆以对于电子是透明的材料，它阻止化学元素从控制的电子源的表面流出。该材料是钻石或钻石样的碳。

本发明也考虑包含至少两个控制的电子源的的控制的电子源矩阵。该矩阵可包含二维系统，具有互相垂直的受控电子源行，电子源的至少一个控制电极具有挡板形状，它由钻石或钻石样的材料实现。

其上安装有控制的电子源的基片由被放置在绝缘体上的导电性材料实现。

矩阵包含形成两种系统的导电总线，其中每种系统的总线互相平行，而两种不同的系统的总线互相垂直，两种系统被放置在两层上，由绝缘层分开。本发明也提出用于制备控制的电子源的方法，包括形成场致发射体的固体基片，每个场致发射体包含由具有不同的导电性的材料构成的至少一个横向结，形成靠近这样的结的至少一个控制电极，其中场致发射体由通过蒸汽-液体-固体机制而外延生长的晶须实现。场致发射体的实施可包括在基片上形成空穴和在空穴的底部放置溶剂微粒。场致发射体的实施也可包括在基片上放置溶剂微粒和在微粒周围进行基片的蚀刻。

按照以上所述，方法包括用于形成场致发射体的另一个程序过程，也就是说，放置具有第一类导电性的源材料与其上带有溶剂微粒的基片相对，生长具有第一类导电性的晶须，把其顶部具有珠滴的生长的晶须进行稳定冷却，把惰性气体引入到气体环境，同时降低基片的温度，改变用于另一个源的源材料，具有第二类导电性，把其顶部具有珠滴的生长的晶须进行稳定加热，把惰性气体引入到气体环境，同时提高基片的温度，以及生长具有第二类导电性的晶须。该方法也包括改变源材料两次以上的可能性。

按照以上所述，方法也可包括用于形成场致发射体的另一个程序过程，包括在包含组成基片的元素的气体环境中生长晶须，把掺杂气体混合物引入到气体环境。按照本方法，场致发射体的形成可以包括一个以上的、把不同的气体掺杂混合物引入到气体环境中的程序过程。

                      附图说明

图1显示了按照现有技术[参考文献5]的场致发射阳极射线管。

1-基片；2-阴极；3-二极管；4-金属层；5-半导体层；6-发射器；7-绝缘层；8-控制电极。

图2a，2b显示了按照现有技术[参考文献3]的场致发射体件。

图3a，3b显示了按照现有技术[参考文献6]的场致发射体件。

01-场致发射体的顶部；02-控制电极；03-绝缘体；04-势垒(结)；06-垫垒(控制结)；08-控制电极；09-基片的导电部分；09i-基片的绝缘部分；a，b，c-各种导电性的区域；e-激活区域的位置。

图3c显示了带有现有技术的各种功能区域的场致发射体件。

E-外部电场；E_j-在各种值的外部电场的影响下结(例如，p-n)边界的各个位置；E_t-当电子流过结时的结边界的位置；l-激活区域的长度；d-激活区域的宽度。

图3d显示按照[参考文献6]的用于制备场致发射体的方法。

12，13，14-带有不同种类导电性的层。

图4a，4b，4c，4d，4e显示了按照本发明的稳定的电子源。

q-荷电载流子的可能的运动；h-势垒位置超过基片的高度；00-如果荷电载流子是通过表面层提供的，则是绝缘体；00-如果荷电载流子是通过基片提供的，则是导电材料。

图5a，5b，5c，5d显示了按照本发明的控制的电子源。

图6a显示了按照本发明的控制的电子源的矩阵系统。

07-口面。

控制电极行01和08互相垂直，二者一起实现矩阵系统的发射的控制。

图6b显示了按照本发明的控制的电子源的矩阵系统。

控制电极行02和基于基片的绝缘部分09i的基片的导电条带行09互相垂直，二者一起实现矩阵系统的发射的控制。

图7显示了带有横向势垒(结)的生长的硅晶须。

15-由硅的结晶体和溶剂组成的固体化的珠滴；通过作用到用化学蚀刻的硅的晶须上，晶须被变换成尖触点，同时去除珠滴。

                   具体实施方式

例1.用于实现稳定的电子源的、使用势垒作为镇流电阻的、最典型的实例为如下。n型硅的薄层被放置在外延到基片的p型硅尖触点上，(图4d)。在p型硅和涂覆的n型硅之间的结起到镇流电阻的作用。

例2.用于实现控制的电子源的、使用控制元件的垂直安排的、最典型的实例为如下。尖触点的上部由n型材料实现。尖触点的下部以及相邻的基片由n型材料实现。控制电极被放置在尖触点的中部，它由p型材料实现。控制电极具有延伸的长度，被放置在尖触点的表面上，以及和它有直接的接触(图5c)。当电压Vopen被加到控制电极时，倒置层在b区沿着场致发射体被引入，以及来自区c的电子开始通过倒置层穿透到区a。然后，电子在阳极电压的作用下从场致发射体发射。

例3.用于实现控制的电子源的矩阵系统的、使用控制元件的垂直安排的、最典型的实例为如下。

成排的变尖的生长晶须的场致发射体01被形成在具有结晶的取向(111)的硅的导电基片09上，见图6a。平行的控制电极行08的系统被形成在场致发射体的表面上，绝缘层03被放置在场致发射体与控制电极之间。然后，绝缘玻璃层03’被放置在结构上。此后，一组平行条带02被放置在玻璃上，以及中心对称空腔07被形成在相应于发射体的位置上，以使得每个发射体的上部(“顶部”)是在它们的底部上升的空腔的中心。重要的是条带组02垂直于平行的控制电极行08的系统。为了得到来自给定的场致发射体的发射，必须把电压V_open加到控制电极08的系统中的一行控制电极上，同时，把电压V_ext加到组02中的条带上。在该行控制电极和该条带的交叉点处，总和的电压V_open+V_ext进行激励发射。

                    参考文献

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Claims (38)

1.一种电子源，包括：

基片；

场致发射体，场致发射体的主体是由在基片上外延生长的晶须实现的；

荷电载流子源，用于为场致发射体提供荷电载流子；

至少一个镇流电阻，其被形成为位于场致发射体中或邻近场致发射体的不同材料之间的势垒。

2.按照权利要求1的电子源，其特征在于，该基片包括一个绝缘层和一个导电层。

3.按照权利要求2的电子源，其特征在于，至少一个势垒形成在该基片的导电层中。

4.按照权利要求1的电子源，其特征在于，该基片是具有(111)取向的单晶。

5.按照权利要求1的电子源，其特征在于，其中场致发射体包括至少一种半导体材料。

6.按照权利要求1的电子源，其特征在于，其中至少一个势垒部分地由与荷电载流子流动方向垂直的绝缘层构成。

7.按照权利要求1的电子源，其特征在于，该不同材料是具有相反导电类型的半导体。

8.按照权利要求1的电子源，其特征在于，其中场致发射体包括尖触点。

9.按照权利要求8的电子源，其特征在于，其中场致发射体的尖触点被变尖和被涂覆以钻石或钻石样的材料。

10.按照权利要求9的电子源，其特征在于，其中钻石或钻石样的材料被变尖。

11.按照权利要求1的电子源，其特征在于，场致发射体包含两个同轴部分，宽的下面的部分和更窄的上面的部分。

12.按照权利要求1的电子源，其特征在于，势垒形成在场致发射体的主体中。

13.按照权利要求1的电子源，其特征在于，势垒形成在场致发射体的主体和直接放置于场致发射体表面的导电层之间。

14.按照权利要求13的电子源，其特征在于，导电层包括至少一个半导体材料。

15.按照权利要求13的电子源，其特征在于，在导电层和场致发射体表面之间的至少一部分有绝缘层。

16.按照权利要求13的电子源，其特征在于，荷电载流子源是在场致发射体表面上的导电层。

17.一种电子源，包括：

基片；

场致发射体，场致发射体的主体是由在基片上外延生长的晶须实现的；

荷电载流子源，用于为场致发射体提供荷电载流子；

至少一个镇流电阻，其被形成为位于场致发射体中或邻近场致发射体中的具有相反导电性的半导体材料之间的结。

18.按照权利要求17的电子源，其特征在于，该基片是具有(111)取向的单晶。

19.一种受控电子源，包括：

一个具有一个表面和由该表面延伸的场致发射体的基片；

一个场致发射体，它具有侧面，该侧面的至少一部分被绝缘层所覆盖；

一个荷电载流子源，用于为场致发射体提供荷电载流子；

至少一个镇流电阻，其被形成为位于场致发射体中或邻近场致发射体中的具有相反导电性的材料之间的结；

位于该结附近的至少一个控制电极。

20.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，其中场致发射体的主体具有至少部分在其中的至少一个有源区域。

21.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，一个导电层覆盖基片表面的至少一部分和场致发射体表面的至少一部分，该导电层至少部分地包括一个或多个有源区域。

22.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，至少一个控制电极被放置在足够靠近该结以影响其中荷电载流子流的位置。

23.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，其中，至少一个控制电极通过真空缝隙而与场致发射体分开。

24.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，其中至少一个控制电极沿着场致发射体的侧面放置。

25.按照权利要求24的受控电子源，其特征在于，其中控制电极与场致发射体的侧面直接接触。

26.按照权利要求19的受控电子源，其特征在于，场致发射体的表面被涂覆以对于电子是透明的材料，它阻止化学元素从场致发射体流出。

27.按照权利要求26的受控电子源，其特征在于，其中该材料包括钻石或钻石样的碳。

28.设置在一个基片上的受控电子源的矩阵系统，该系统包括：

设置在基片上的至少两个受控电子源；和

在覆盖该基片的绝缘层上的平行导电材料行。

29.按照权利要求28的矩阵系统，其特征在于，该系统为大致互相垂直的按行排列的受控电子源的二维阵列。

30.按照权利要求28的矩阵系统，其特征在于，其中受控电子源接收来自两组大致平行的导电总线的电输入，所述两组总线大致互相垂直并且由绝缘层互相分开。

31.按照权利要求28的矩阵系统，其特征在于，至少一个电子源具有挡板形状并包括导电性的钻石或钻石样的材料。

32.用于制备受控电子源的方法，包括

以在基片上外延生长的晶须来形成场致发射体；

在场致发射体中形成在具有相反导电性的材料之间的至少一个结，边界配置成大致与晶须的纵向垂直；并且

形成足够靠近所述结的至少一个控制电极，当在控制电极上施加电压时，用以影响结导电性。

33.按照权利要求32的方法，其特征在于，以晶须来形成场致发射体通过使用蒸汽-液体-固体方法而实现的。

34.按照权利要求32的方法，其特征在于，以晶须形成场致发射体的步骤包括：

在基片上形成空穴；

在空穴的底部放置溶剂微粒。

35.按照权利要求32的方法，其特征在于，在基片上形成场致发射体的步骤包括：

在基片上放置溶剂微粒；

在溶剂微粒周围进行基片的蚀刻。

36.按照权利要求32的方法，其特征在于，在基片上形成场致发射体的步骤包括：

在基片上放置溶剂微粒，该基片具有第一导电性；

使用具有第二导电性的第一源材料来生长具有第二导电性的晶须的一部分，第二导电性与第一导电性相反；

把其顶部具有珠滴的晶须进行冷却，同时用惰性气体来冷却基片；

去除第一源材料；

使用惰性气体和基片来加热其顶部具有珠滴的晶须；

使用具有第一导电性的第二源材料来继续生长该晶须，从而使得一部分具有第一导电性。

37.按照权利要求36的方法，其中以交互的第二和第一导电性形成晶须的附加部分。

38.按照权利要求32的方法，其特征在于，形成场致发射体的步骤包括：

在包含组成基片的元素的气体环境中生长晶须；以及

把掺杂气体引入到气体环境。

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