CN1280704A - 具有柱形结构的阴极发光屏及其制备方法 - Google Patents

Abstract

制作在透光衬底上的阴极发光拼接屏,其中屏幕的发光元件是光波导单晶柱形。制备屏幕的方法,通过将发光材料汽相淀积到覆以局域化液态物的衬底上。

Description

具有柱形结构的阴极发光屏及其制备方法

本发明涉及电子材料和微电子器件领域，包括真空微电子器件，特别是基于场发射效应的器件，例如场发射显示器、真空荧光显示器、阴极发光灯等。

已有发光屏通常制作成晶态膜的形式，晶态膜是通过例如汽相淀积制备到例如玻璃的光滑衬底上的。

对于淀积，使用了真空材料汽化技术、升华技术、化学输运技术、阴极溅射技术等。

在所有的技术中，晶态发光材料(磷光体)的结核现象以不可控的方式、各向同性或各向异性地出现在光滑的无结构衬底上。在这种情况下，磷光体通常是一团微小的(微米和／或亚微米)晶粒，通常是等轴的，近似为一个叠一个的球形(图1)。在这种系统中，晶粒中产生的光线(即剖面标出的)反复在周围磷光体颗粒构成的曲径中散射。这种现象降低了屏幕的分辨率。

另一个问题涉及如下事实，即在由晶粒构成的薄膜屏幕中，磷光体没有填充所有的空间。这降低了屏幕的有效性，降低了屏幕的导热性和导电性。

另外，这种屏幕与衬底具有很差的粘附性(adgesion)，这是因为近球形晶粒与衬底只有点接触。

在专利[1]中，单晶(板形或外延层)材料用作磷光体。这改善了屏幕特性的可再造性，提高了效率(光能与激发光线所耗能量之比)。然而，在这种情况下，发射光沿磷光体板(或外延层)传播；这降低了屏幕的分辨率和效率。

另一项专利[2]假定通过旋转抛入孔中的方法由稀释溶液或悬浮液进行磷光体的局域化淀积，孔的侧壁经过金属化，以便防止光线进入发光屏的邻近区域。然而，在这种情况下，图像的对比度只提高了50％；换句话说，没有消除光线沿发光屏的散射。

如果发光屏由柱形晶体制作，那么就可以消除这些缺点，柱形晶体呈长条形，其长度方向基本垂直于屏幕平面。这种想法在专利[3]所述的设计中实现了。在这种情况下，由柱形晶体磷光体发出的光线沿晶体的长度方向传播，晶体起光波导的作用。然而，通过熔晶制备这种屏幕的方法并不适用于许多十分重要的情况，例如在场发射显示器中使用的薄(0．1-1微米厚)且平的发光屏。

在专利[4]中，提出了一种具有柱形晶体的显示器，其中在邻近柱形晶体的位置嵌入了不发光黑体材料。这种插入能提高直接邻接插入物的柱形材料的图象对比度，而其它不邻近(不接触)嵌入位置的柱形不能提高其对比度；另外，专利[4]没有给出制备这种屏幕的方法。

在本发明中，提出了一种更加优化的屏幕设计。另外，提出了制备这种屏幕的技术。

提出了具有柱形结构的屏幕，其中每个柱形由与柱形同轴的间隙环绕，间隙中填充了导电、不发光媒质。柱形的外端覆以发光荧光层，其层厚至少比柱形的高度小于一个数量级。发光层可相对于柱形外延形成。

在本发明中还提出制备发光屏的方法。该方法包括汽相淀积发光材料，其中首先在衬底上淀积过渡物，该过渡物的材料不同于发光材料并在晶化温度下呈液相。过渡物的厚度大于10纳米、小于1微米。液相是在过渡物与衬底的接触作用中形成的。

过渡物由多种化学元素构成。至少一种化学元素用作发光激活剂或共激活剂。激活剂或共激活剂是通过离子注入引入发光材料中的。

结构和／或化学元素中的不均匀性的微突起出现在衬底上，不均匀性具有规则特性，特别是晶图对称特性。

发光材料覆以可以透过电子的薄材料层。具体地讲，金刚石或类金刚石材料可以用作透明材料。

图1是由近等轴晶粒薄膜制作的标准阴极发光屏的简图。

图2是由近乎垂直于衬底的柱形构成的薄膜制作的阴极发光屏的简图。

图3是在图2所示薄膜中的光束的传播简图。

图4是由柱形构成的连续薄膜的解理剖面图的SEM显微图。

图5是具有受电子轰击的柱形结构的阴极发光屏的简图。柱形的阴影状上部示出电子进入的程度和光激发位置。

图6是阴极发光屏简图。屏幕的上端部覆以光发射发光层。

图7是由在其间具有间隙的柱形制作的阴极发光屏的简图。

图8是由在其间具有间隙的柱形制作的薄膜的SEM显微图(顶视图)。可以看到屏幕的拼接结构。

图9是图7和8所示的阴极发光屏的简图。间隙中填充了导电不发光媒质。

图2和3示出了在现有技术中提出的具有柱形结构的阴极发光屏。

图4至9示出了在此提出的具有柱形结构的阴极发光屏。

如图4所示，柱形的典型高度是大约5微米。典型的柱形高-直径比处于1∶1和100∶1之间。

如经常在场发射显示器中采用的，来自平板阴极的加速电子束照射到屏幕上，并进入表面层(图5)。在典型的场发射显示器加速电压下(例如1至3kV)，进入深度大约为100纳米(如图5中的阴影层所示)。因此，提出了将屏幕制作成覆以光发射发光层的柱形结构(如图6所示)。

柱形由与其同轴的间隙(“沟槽”)环绕。图7示出了柱形结构的长度方向剖面简图。图8示出屏幕的扫描电子显微图(顶视图)。如图所示，柱形由间隙(“沟槽”)环绕。间隙中填充了导电不发光媒质，该媒质相对于发射光的光吸收系数大于20％。图9示出填充屏幕的简图。填充要确保屏幕的导电性，这样，当发光屏工作于阴极发光模式时不会发生充电现象。

这些屏幕具有一些优点，特别是低电压场发射显示器。

1．由其设计产生的高光功率输出和高能量输出。由于柱形壁的全内反射，产生光波导效应：光优先沿着柱形传播，不会超出柱形，也不会进入相邻柱形。

2．光在沿着柱形传播的过程中散射很低。这决定了该设计具有高分辨率。它等于单位长度上的光发射元件的数目。

3．与透明衬底的高粘附性(adgesion)，柱形由其端部固定，即光发射元件与衬底的接触面积很大。这对于二极管型场发射显示器是非常重要的，其中较大的电场梯度可以使屏幕颗粒与衬底剥离。

具有柱形结构的阴极发光屏的优点是在此提出的制备技术实现的。该技术基于化学或物理汽相淀积，在淀积过程中最重要的是伴随着液相。图4示出了该技术的有效性，其中示出了发光材料硫化镉的柱形结构。

下面给出设计阴极发光屏的主要思想：光线在每个柱形元件中的传播方向同轴(平行)于激发出光线的主电子束的方向，(见图3)，因此，在众知(标准)的由近等轴颗粒叠加而成的屏幕中，由阴极发光激发出的光线不仅可以平行于电子束传播，而且可以垂直于电子束传播，或相对于电子束以任意方向传播(见图1)。

如柱形屏幕设计所实现的和在具体电子装置中所使用的，发现了一些不显著的优点。

(a)不同晶粒(在这里是柱形)的发光亮度更加均匀。在标准阴极发光屏中，由于发光晶粒的尺寸不同，各个晶粒的亮度显著不同(在25-30微米的距离内差异高达50％)；这妨碍了高质量图像的传送和定像。

(b)与标准阴极发光屏相比，柱形磷光体的电功率和热功率的耗散能力显著提高(5至10倍)。

(c)实际上消除了在意外切断电子束扫描时产生的柱形屏幕的“烧坏现象”。在标准阴极发光屏中，不可逆地烧坏屏幕所需的功率通常为0．1W／单元(这里单元是指图像单元，即像素)，而对柱形屏幕的初步测试表明该参数提高到1W／单元(这里单元是柱形)。

(d)提高了在强光源(太阳，电灯等)照射下背景图像的对比度。标准阴极发光屏的对比度值为k=b_image／b＜5，其中b是背景亮度，b_image是像素亮度。对基于所提出的柱形磷光体的屏幕所进行的测试表明k＞10至20。

既使采用0．1-0．5μm厚的金属(例如铝)涂层，该涂层通常制作在标准阴极发光屏的表面上，也不能完全消除标准屏幕所积累的大量电荷。这将产生大量的影响电子器件稳定工作的放电现象。柱形由与其同轴的间隙环绕(见图7至9)。衬底区域的剩余部分和屏幕的所有其它体积中均填充了导电不发光媒质，该媒质相对于发射光的光吸收系数大于20％。

注意，柱形屏幕的上述优点均是在实验屏幕尺寸(10×10mm)和商品屏幕尺寸(25×25或72×75mm)中获得的。换句话说，所述结构的优异参数与尺寸无关。

已经相对于屏幕的特性广泛地研究了光发射单元的剖面尺寸的变化。在光发射单元的剖面尺寸大约为1μm，间距大约为2μm时，制备了包含多于2．5．10⁷cm^-2个光发射单元的光发射结构。分辨率参数优于所有的已知屏幕。还发现，在总柱形数目为2．5．10⁵cm^-2时，间距为20μm的柱形结构可以有用作电子束器件的屏幕和转换器的屏幕的重要应用。

利用导电不发光媒质填充环绕柱形的间隙的过程包括将柱形结构浸入适当的氧化物和／或硫化物液体中。另一种方法包括将柱形结构浸透在低熔点化合物中。这样，不仅可以使用氧化物，例如B₂O₃(熔点450℃)，V₂O₅(熔点670℃)，CdO(826℃)，PbO₂(290℃)，Bi₂O₃(817℃)，还可以使用硫化物SnS(882℃)，Sb₂S₃(550℃)。另外，还测试了金属易熔物，例如Cd-Bi-Pb-Sn(熔点65℃)和Pb-Sn。上述的所有成份均吸收在光谱范围420至760纳米的光线，因此，在拼接柱形结构中，有可能显著地提高对比度值，这是由于对柱形侧发射光和透过透明衬底的逸出光线的吸收增加了。

已经研究了导电媒质对由拼接柱形结构制成的屏幕的发光特性的影响。在利用易熔金属物Cd-Bi-Pb-Sn填充柱形之间间隙的情况下，填充物的电阻率在光吸收值＞10⁵cm^-1时为1至20Ω．cm。在由柱形覆盖的衬底面积与填充媒质的面积之比为5∶1时，由屏幕前表面产生的光反射系数为20％，而对于没有填充导电媒质的类似柱形结构，将反射45至60％的入射光。

没有研究柱形高度与光吸收物的高度之间的关系。在某些初步实验中，该关系是2∶1。即使所提供的值是这样，溢出电流密度仍达到1至10A／cm²。

拼接屏幕的柱形单元可以具有由对能量＞5keV的电子束透明的金属(Al或Ag)镜制成的额外涂层。

Claims (15)

1．一种制作在透光衬底上的阴极发光拼接屏，该屏包括光发射元件、光波导元件、介质层和导电吸光元件，其中光发射元件由导光的柱形单晶实现，其中每个柱形的直径与高度比在1∶1到1∶100范围内，柱形的一个平端固定在衬底的内表面上，被柱形覆盖的衬底面积与衬底总面积的比值在10∶1到1∶10范围内，而衬底的其余部分和整个结构的其余部分由导电不发光媒质填充，所述媒质的光吸收系数相对于所发射的光大于20％。

2．根据权利要求1的屏幕，其中柱形的表面涂以镜面反射金属层。

3．根据权利要求1的屏幕，其中柱形的外端部涂以光发射发光层，其厚度至少比柱形的高度小一个数量级。

4．根据权利要求3的屏幕，其中发光层是相对于柱形进行外延的。

5．一种通过汽相淀积发光材料制备由衬底上的单晶柱形构成的发光屏的方法，其中首先将在结晶温度下形成液态物的过渡物而不是发光材料淀积在衬底上，然后在这种衬底上淀积发光材料。

6．根据权利要求5的方法，其中过渡物的厚度大于10纳米，且小于1微米。

7．根据权利要求5的方法，其中液态物在过渡物与衬底的相互接触中形成。

8．根据权利要求5或6的方法，其中过渡物由多种化学元素构成。

9．根据权利要求8的方法，其中至少一种化学元素用作发光激活剂或共激活剂。

10．根据权利要求5的方法，其中结构和／或化学成份中的不均匀的微突起出现在衬底上。

11．根据权利要求10的方法，其中所述不均匀是规则特性。

12．根据权利要求11的方法，其中所述不均匀具有晶图对称特性。

13．根据权利要求5或9的方法，其中所述激活剂或共激活剂是通过离子注入的方式引入到发光材料中的。

14．根据权利要求13的方法，其中所述发光材料涂以由对于电子透明的材料构成的薄层。

15．根据权利要求14的方法，其中金刚石或类金刚石材料用作所述透明材料。

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