CN1316533C - 三极管类型的阴极结构以及场致发射的平面屏幕 - Google Patents

三极管类型的阴极结构以及场致发射的平面屏幕 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三极管类型的阴极结构，该阴极结构叠置地包括，构成阴极(13)和支撑一些层(14)形状的电子发射材料构成的装置的一个电极；一个电绝缘层(11)和一个栅极(15)；一个开口(12)，开在栅极中和电绝缘层中，该开口(12)使电子发射材料构成的装置暴露。该电子发射材料构成的装置(14)位于该栅极(15)的开口的中央部分中，该开口为缝隙形，通过该缝隙暴露电子发射材料构成的装置包括一些沿该缝隙的纵轴对齐的元件。

Description

三极管类型的阴极结构以及场致发射的平面屏幕
技术领域
本发明涉及一种在具有场致发射的平面屏幕中使用的阴极结构。
背景技术
一种由场致发射激励的阴极发光进行显示的装置包括一个阴极或者发射电子的结构和一个对面的覆盖一层发光层的阳极。该阳极和阴极间隔一个空间，在该空间中抽真空。
该阴极是以微尖端为基础的辐射源，或者是一个以较小场阀值的发射层为基础的辐射源。该发射层可以是碳的纳米管层或者其它以碳为基础的结构层或者是以其它材料为基础的层或者是多层(ALN，BN)。
该阴极结构可以是二极管类型或者三极管类型。文件FR-A-2593953(对应于美国专利NO4857161)公开了一种制作由场致发射激励的阴极发光进行显示的装置的制作方法。该阴极结构是三极管类型。该电子发射材料沉积在一个在孔底部出现的导体层上，该孔在一个绝缘层中实施，该绝缘层支撑一个提取电子的栅极。
图1通过简示的截面图示出了一个根据现有技术的三极管类型的阴极，该阴极用于一种通过场致发射激发的阴极发光进行显示的装置。一个单一的发射装置在这个附图中被示出。绝缘材料构成的一层1被穿有一个圆孔2。在该孔2的底部设置一个支撑发射电子的材料层4的导体层3。该绝缘层1的上表面支撑一个金属层5，该金属层5构成了提取栅极并且环绕该孔2。在这个结构中，该发射层4倾向于在栅极5和导体层或者阴极3之间导致短路。如果该发射层是由碳的纳米管构成的话，该倾向就特别地显示出来。在该发射层处，在孔的边缘处具有最大值的电场包括一个大的(与该电场的垂直分量EX相比)侧向分量EL(平行于该阴极的平面)，该侧向分量使得电子束分散并且导致一些在该屏幕处的分辨率的问题。当阳极-阴极间距增大并且可以导致由于加入其它的用于聚焦该电子束的栅极使得该屏幕更加复杂时，这就构成了一个很重要的缺点
发明内容
本文提出一种三极管类型的具有发射层的阴极结构，对于该结构来说，通过该发射层发射的电子受到一个弱的侧向电场的作用，因此使得在该栅极和阴极之间的短路的危险最小化并且限制了由发射层发射的电子束的分散。
因此本发明的目的是一种三极管类型的阴极结构，该结构叠置地包括一个构成阴极并且支撑一些层状的发射电子材料构成的装置的电极，一个电绝缘层和一个栅极，一个开在该栅极中并且开在该电绝缘层中的开口，使得暴露发射电子的材料构成的装置，这些发射电子的材料构成的装置位于该栅极的开口的中央部分中，其特征在于，该开口是缝隙形式的，通过该缝隙暴露这些发射电子的材料构成的装置，该装置包括至少两个沿该缝隙的纵轴对齐的元件。
根据一个优选实施例，开在该栅极中并且开在该电绝缘层中的开口大致是矩形的，所述的发射电子的材料构成的元件大致也是矩形的。
根据另一个优选实施例，在该构成阴极的电极和发射电子的材料构成的元件之间插入一个电阻层。
这些发射电子的材料构成的元件最好与该栅极间隔一个距离，该距离大于构成该发射电子的材料的物体的尺寸。
该发射电子的材料可以用碳纳米管构成。
这些发射电子的材料构成的元件最好与该栅极分隔一个距离，该距离例如是这样的，使得该电场的平行分量比该电场的垂直分量至少小10倍。
本发明还提出一种场致发射的平面屏幕，该屏幕包括多个上述限定的阴极结构。
附图说明
通过阅读随后的说明书本发明将被很好地理解并且看出其它的优势和特殊性，该说明书是示范性而非限定性的，附图包括：
-图1已经被描述过，是根据现有技术的三极管类型的阴极结构的截面视图；
-图2是根据本发明三极管类型阴极结构的截面视图；
-图3是根据本发明的三极管类型的阴极结构的一部分的俯视图；
-图4是根据本发明的三极管类型的其它阴极结构的截面视图；
-图5是一个图表，示出了用于一种根据本发明的三极管类型的阴极结构的电场的空间分布；
-图6是一个将遵照的尺寸的解释图，该尺寸用于本发明的一种三极管类型的阴极结构；
-图7A-7F示出根据本发明的三极管类型的阴极结构的第一实施方法；
-图8A-8F示出根据本发明的三极管类型的阴极结构的第二实施方法；和
-图9是根据本发明的三极管类型的阴极结构的更加完全的俯视图。
具体实施方式
图2是本发明的三极管类型的阴极结构的一个简示截面图。该阴极结构叠置地包括一个支撑一个电绝缘材料构成的层11的导体层或者阴极13和一个构成提取电子的栅极的金属层15。该绝缘层11和金属层15被穿有一个缝隙12，该缝隙12暴露该阴极13并且其宽度是L。该缝隙12的中央部分并且沿该缝隙的纵轴，设置一些层状的发射电子的材料构成的元件14(在该附图中可见一个单一的元件)。这些发射元件14的宽度d比该缝隙12的宽度L小。将该金属层15和发射元件14分隔的距离称为S。该缝隙12可以是矩形。
图3是图2示出的阴极结构的部分俯视图，在该情况中，该缝隙12是矩形。该缝隙12是宽度为L的凹槽，并且该凹槽的沿Z的轴的尺寸是该屏幕的象素的尺寸。
该缝隙的几何形状比圆形几何形状更有利。事实上，因为对称的原因，没有沿Z轴的电场的侧向分量，因此满足EL＜＜EX的条件的发射表面在这个几何形状中比在圆柱的几何形状中更大。在一个圆柱几何形状中，发射表面积和孔的表面积之间的比值为(d/L)2。在一个矩形几何形状中，该比值为d/L。因为d/L小于1，所以比值d/L总是大于(d/L)2，这对应于更加明亮的屏幕。
另一个优选的实施例是这样的：在该发射层和阴极之间加入一个电阻层。在这个情况中，该电阻层保护该栅极和该阴极不发生可能的短路。另外，这个电阻层非常有利于屏幕的功能，正如在文件EP-A-0316214(对应美国专利4940916专利)中公布的那样。
图4是具有一个保护电阻层的根据本发明的三极管类型的阴极结构的一个简示截面图。该阴极结构叠置地包括一个支撑一个电阻层26的阴极23，一个绝缘层21和一个构成提取电子的栅极的金属层25。一个缝隙22暴露出该电阻层26。在该缝隙22的中央部分并且沿该缝隙的纵向轴线一些发射材料构成的元件24靠在该电阻层26上。在该图中可以看到一个单一的元件。
因为该发射层以较小的宽度设置在该缝隙或者该凹槽的中央，因此允许直接发射一些电子并且导致了一个解决分辨率问题的办法。这是因为在设置发射元件的区域中该电场的平行分量的值非常小(EL/EX＜0.1)。
图5表示出了用于本发明的一个阴极结构的电场的空间分布。该图表是沿Y轴画出的，发射元件24和电阻层26在该图表中示出。该电场E的空间分布被计算出，使得孔的宽度等于14微米。在宽度d＝6微米的该中心区域中，用31表示的标准侧向分量EY小于用32表示的标准法向分量的最小值的10倍。在该发射区域外面，用33和34表示的标准侧向电场变得与法向电场的强度类似。在该栅极上的电压可计算出为60V。
因此，现有技术的内在的问题被解决了。栅极-阴极短路的问题是通过发射元件的中央设置和相对于该凹槽或者缝隙减小的尺寸以及可能具有的一个电阻层而被去除的。通过栅极感应的电场是均匀的并且仅仅包括一些相对电场的垂直分量非常小的侧向分量。
凭经验可以发现该分隔金属层和发射元件的栅极的间距S(见图2)的最小值。该间距大于构成该发射层的物体的尺寸h。在图6中简示出上述的情况，或者该附图标记43表示一个阴极，该附图标记44表示一个发射层。该发射层44例如是由碳纳米管48构成。在这种情况中，间距S大于碳纳米管的平均长度h。考虑到碳纳米管的长度分散率很大，最好通过一个数值为2或者3的因数使这个间距加倍。
对于长度为1-2微米的纳米管来说，该间距S可以为3-4微米。这些值是简单地指示性的并且不作限定。可以证实该电场的侧向分量的尺寸相对于法向分量非常小。
图7A-7F示出本发明的三极管类型的阴极结构的第一实施方法，该方法使用了真空沉积和光刻技术。
该阴极导体是通过在一个载体50(见图7A)上沉积一个导体材料例如钼，铌，铜和ITO而获得的。导体材料的沉积被雕刻成带状，特别是宽度为10微米且间距等于25微米。图7A示出两个条带，这两个条带将被连接以便形成阴极电极53。
然后实施多个沉积，正如图7B示出的：一个厚度为1.5微米的非晶硅构成的电阻层56，然后一个厚度为1微米的二氧化硅或者氮化硅构成的绝缘层51，最后是一个用于形成提取电子的栅极的铌或者钼构成的金属层55。
该金属层55和绝缘层51然后同时雕刻一个宽度为15微米的缝隙或者沟槽52，直到暴露出该电阻层56为止。这在图7C中示出。
图7D示出在沉积一个树脂构成的牺牲层和在层57形成该开口58之后获得的结构，该开口58的宽度为6微米长度为10-15微米，暴露出该电阻层56。这些开口58的宽度对应于待实施的发射层的宽度。
然后在该结构上进行铁，钴或者镍的催化沉积。该催化沉积可以有利地通过沉积生长的多层代替，该生长的多层可以是例如包含TiN或者TaN和诸如Fe，Co，Ni或者Pt的催化材料的堆积物。正如图7E所示，该催化沉积导致在该牺牲层57上和在该电阻层56的暴露部分上形成不连续生长层59。然后通过取下技术“lift-off”去掉牺牲层，从而除掉位于该牺牲层上的生长层的一些部分。在该电阻层56的中央部分中仍然存在一些生长的层的部分。这使得发射层54生长。图7F仅仅示出一个单一元件。
图8A-8F示出本发明的三极管类型的阴极结构的第二实施方法，该方法使用了真空沉积技术和光刻技术。还涉及了一种自动定位的方法。
该阴极导体是通过在一个载体150(见图8A)沉积一种导体材料例如钼，铌，铜或者ITO获得的。该导体材料的沉积被雕刻成带状，一般该带的宽度为10微米而间距等于25微米。图8A示出两个条带，这两个条带将被连接，以便形成一个阴极电极153。
然后如图8B所示实施多个沉积：一个厚度为1.5微米的无定形硅构成的电阻层156，然后一个厚度为1微米的二氧化硅或者氮化硅构成的绝缘层151，最后一个用于形成提取电子的栅极的铌或者钼构成的金属层155。
在沉积一个牺牲层157之后，该金属层155和绝缘层151同时被待实施的发射元件雕刻出一个开口158，该开口的尺寸对应于待实施的发射元件的尺寸并且直到暴露出该电阻层156。每个开口158的宽度可以是6微米，长度为15微米。图8C示出这个情况。
该绝缘层151的侧向雕刻然后从该沟槽158开始进行，以便获得期望的缝隙152。图8D示出该情况。该牺牲层157的一部分悬伸地位于该缝隙152的上面。该缝隙和栅极然后相对于发射区域自动定位。
图8E示出了在沉积一个催化材料构成的层之后获得的结构。该沉积是在牺牲层157上和在该电阻层156的暴露的部分上进行。该催化层可以是铁，钴或者镍的。该催化沉积可以有利地由生长的多层的沉积替换，该生长多层可以例如是包含TiN或者TaN和一种诸如Fe，Co，Ni或者Pt的催化材料的堆积物。
该牺牲层然后受到一种取下(lift-off)的操作，这用于除去被该牺牲层支撑的催化材料层的部分。在该电阻层156上仍然存在一些生长层的部分。这允许了生长一些发射层154。图8F仅仅示出一个单一的元件。
图9是本发明的三极管类型的阴极结构的更加完整的俯视图。该结构是通过第二实施方法获得的。还可以知道栅极155，发射元件154和电阻层156。这样实施的缝隙并不是完美的矩形。这些缝隙略微具有齿形边饰，这对于该装置的工作没有任何危害。

Claims (7)

1.三极管类型的阴极结构，层叠地包括一个构成阴极(13，23，53)并且支撑层状的发射电子的材料构成的装置(14，24，54)的电极，一个电绝缘层(11，21，51)和一个栅极(15，25，55)，一个开在该栅极中和开在电绝缘层中的开口(12，22，52)，以便暴露发射电子的材料构成的装置，该发射电子的材料构成的装置(14，24，54)位于该栅极的开口的中央部分中，其特征在于，该开口是缝隙形状的，被该缝隙暴露出来的发射电子的材料构成的装置包括至少两个沿该缝隙的纵向轴线对齐的元件。
2.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，开在该栅极(15，25，55)中和开在电绝缘层(11，21，51)中的开口大致是矩形的，所述的发射电子的材料构成的元件(14，24，54)也大致为矩形。
3.根据权利要求1或者2所述的阴极结构，其特征在于，在该构成阴极(23，53)的电极和发射电子的材料构成的元件(24，54)之间插入一个电阻层(26，56)。
4.根据权利要求1-2任一项所述的阴极结构，其特征在于，这些发射电子的材料构成的元件与栅极分隔一个距离，该距离大于构成该发射电子的材料(44)的物体(48)的尺寸。
5.根据权利要求1-2任一项所述的阴极结构，其特征在于，发射电子的材料由碳纳米管构成。
6.根据权利要求1-2任一项所述的阴极结构，其特征在于，这些发射电子的材料构成的元件与栅极分隔一距离，该距离是这样的，使得电场的平行分量比电场的垂直分量小至少10倍。
7.场致发射的平面屏幕，其特征在于，该屏幕包括多个根据权利要求1-6任一项所述的阴极结构。
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