CN1547236A

CN1547236A - 晶体管控制纳米管场发射显示阵列及其实现方法

Info

Publication number: CN1547236A
Application number: CNA2003101094794A
Authority: CN
Inventors: 张继华; 杨文伟; 董业民; 王曦; 于伟东; 冯涛
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2004-11-17

Abstract

本发明涉及了一种将晶体管和碳纳米管场发射显示阵列集成在一起的结构，以及实现这种结构的方法。其特征在于将晶体管的漏同时作为碳纳米管场发射显示阵列的阴极，再在该漏上制作碳纳米管场发射显示阵列，以达到利用晶体管优良的电流控制特性来控制碳纳米管场发射显示阵列发射电流的目的。制备晶体管控制碳纳米管场发射显示阵列的方法，依次包括在基板上形成晶体管，然后在晶体管漏沉积发射阵列栅绝缘层和发射阵列的栅电极并刻蚀栅孔，最后沉积碳纳米管。采用本发明提供的方法所制作的场发射显示阵列能够使场发射显示器的发射电流稳定、均匀显示，并且发射电流可由晶体管精确控制。

Description

晶体管控制纳米管场发射显示阵列及其实现方法

技术领域

本发明涉及晶体管控制碳纳米管场发射显示阵列的结构及其实现方法，更具体的，涉及一种精确控制碳纳米管显示器的结构及其实现方法。本发明属场发射平板显示器领域。

背景技术

碳纳米管应用于场发射显示器已经引起了人们极大的关注。由于传统基于斯宾德(Spint)尖锥场发射阴极存在一些问题：(1)微尖锥对各种污染十分敏感，在制造过程和工作过程中很容易受污染，严重影响场发射平板显示器(FED)的寿命；(2)门电极的直径仅0.13～1.00微米，需要亚微米超大规模集成电路的制造设备和技术，使得这类阴极的制造成本过高；(3)发射均匀性和稳定性无法有效控制，尖锥间几何形貌的细微差别就可导致发射电流的巨大变化，技术上不可能使成千上万的尖锥几何结构完全一致。因此，它只在军事等很窄的范围内得到应用。

而基于碳纳米管的场发射平板显示器彻底根除需要制造原子级阴极纳米尖锥的工艺，因其制作成本低、稳定性好、寿命长而给传统基于金属和硅尖锥的场发射平板显示器的发展带来生机与活力。

尽管目前已有许多单位展出其基于碳纳米管的场发射平板显示器样管，但要真正商业化还有一些问题尚待解决。其中一个关键问题是获得足够好的电流可控性和显示均匀性。由于场发射体(包括碳纳米管发射体)的发射电流对几何参数和驱动电压都极其敏感，使得其均匀性和稳定性较差。

图1是典型的传统三极管结构的碳纳米管场发射显示器结构示意图。众所周知，场发射显示器技术的基本原理是场发射材料310内的电子在栅极320的电场作用下利用隧道效应穿透表面势垒而进入真空，阳极荧光粉430受场发射电子的激发而发光。由于发射电流随引出电场呈指数变化；同时，发射电流还敏感地依赖于发射体310的几何结构和引出电压(二者均影响发射体尖端的局域电场)。这使得阴极340和栅极320电压的微小变化就会使发射电流急剧变化；并且相同工艺制作的发射体之间也会因几何因子的细微变化而引起大的电流变化。这就导致了发射的不可控性和不稳定性，从而成为碳纳米管场发射显示器走向商业化的一大障碍。为提高电流稳定性，有的研究者在阴极电极上引入高阻层(Jae-Hee Han et al，Thin Solid Films，409(2002)126-132)。然而，作为无源器件，高阻层在性能上有其局限，远不足以使发射电流达到相当的稳定性。总之，作为一种新型的平板显示结构，碳纳米管场发射显示器在发射电流的大小和稳定性控制方面还不成熟。

另一方面，众所周知，作为微电子工业的基本元件，场效应晶体管相当于一个恒流源，可以在一个相当宽的源漏电压下提供一恒定的电流，并且电流的大小可由栅电压进行精确控制。图2A和B分别给出了典型的传统场发射结构和晶体管的电流电压特性。从图中可以清楚地看出两种器件工作的特点：场发射器件的电流随工作电压的变化呈指数变化，一个较小的电压变化便可引起发射电流的极大变化，这对电流控制是很不利的；另一方面，场效应晶体管工作在饱和区时，电流则几乎不随源漏间的电压(V_DS)变化而变化，并且其大小可由晶体管的栅电压(V_G)控制。

因此，是否可以将场效应管与碳纳米管发射体集成在一起，通过场效应晶体管来控制碳纳米管场发射显示阵列。当场效应管工作在饱和区时，可使发射电流稳定，并且其大小可由场效应晶体管控制。这种结构通过传统的微细加工工艺就可实现，并不增加制作难度，特别适合制作分辨率高、寿命长、抗恶劣环境的高性能场发射显示器。这样便能克服现有碳纳米管场发射显示器的困难，从而导出本发明的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶体管控制碳纳米管场发射显示阵列的结构及其实现方法，也即将晶体管和碳纳米管场发射显示阵列集成在一起的结构及其实现方法。通过将场效应管和碳纳米管场发射显示阵列结合，从而提高碳纳米管场发射显示器的发射电流稳定性、可控性和显示均匀性。

此外，这样还有可能进一步将寻址和信号控制电路集成在同一个衬底上。这种方法的主要优点在于可显著减少连线和焊点的数目。例如，要在1.5英寸×1.5英寸的面积上将多达2000余条金属线与焊接区相连并在显示空间内获得超高真空是非常困难的。高分辨率(大于1000点每英寸)场发射显示器的获得，只有将寻址、驱动和其他信号控制电路和场发射体集成在同一个芯片上才有可能实现。本发明的实施将有可能将导线数目由2000减少到约50条，使分辨率高、寿命长、抗恶劣环境的高性能场发射显示器件成为可能。

本发明提出的晶体管控制碳纳米管场发射显示阵列结构，包括作为器件载体的基板、在基板上的场效应晶体管，以及位于晶体管漏上的碳纳米管场发射显示阵列。其特征在于晶体管的漏同时作为碳纳米管场发射显示阵列的阴极，将晶体管与碳纳米管发射阵列结合起来，由晶体管控制碳纳米管发射阵列的开关和发射电流的大小。

所述的晶体管控制场发射显示阵列的基板为硅、SOI绝缘体上的硅下、III-V族化合物半导体、玻璃、石英、氧化铝或塑料中一种。

所述晶体管或为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)，横向扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(LDMOSFET)，结型场效应晶体管(JFET)，金属-半导体场效应晶体管(MESFET)，或者薄膜晶体管(TFT)或它们的变体中一种。

所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征或是一个晶体管控制一个碳纳米管；或是两个或两个以上晶体管结合的一组晶体管控制一个碳纳米管发射阵列；晶体管漏适当延长，以便在其上形成碳纳米管场发射结构。

所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于碳纳米管场发射显示阵列结构或是二极管型、三极管型或是四极管型。二极管型结构中碳纳米管沉积在漏上，电子直接由阳极引出。三极管型结构中发射体的栅电极在阴极和阳极之间，发射体栅电极与阴极以绝缘层隔开；绝缘层厚度为0.3～5微米。发射体栅电极和绝缘层部分镂空露出阴极以沉积碳纳米管，电子由发射体栅电极引出，在阳极吸引下轰击阳极荧光屏。四极管型结构相当于在上述三极管型结构基础上再加入聚焦极，聚焦极位于发射体栅极和阳极之间，与栅极以绝缘层隔开。绝缘层厚度为0.3～5微米；发射体聚焦极厚度50～500nm。

上述结构的目的是将晶体管与碳纳米管场发射电子源结合起来，利用晶体管优良的电流控制特性来控制碳纳米管发射电流。

借助常规微电子加工工艺，可以实现本发明所提出的结构。在基板上制作晶体管，然后在晶体管漏上制作碳纳米管场发射结构，具体包括下列5步：

(1)在基板上制作场效应晶体管；

(2)在具有晶体管的基板上沉积厚绝缘层；

(3)在绝缘层上方沉积发射阵列栅电极；

(4)刻蚀栅电极和栅绝缘层形成栅孔以及；

(5)在栅孔内沉积纳米管阵列。

对于场效应晶体管的制作，可采用常规的广为人知的微电子加工工艺。一般地，这些工艺包括图形曝光、刻蚀、掺杂、CVD等。作为晶体管控制的场发射显示阵列的基板，可以是硅、绝缘体上的硅(SOI)或者带非晶硅膜的玻璃。晶体管可以是MOSFET、LDMOSFET、MESFET、JFET、或TFT。应当理解，图中虽然只画出一个晶体管，实际也可以是一组晶体管，如两个或两个以上晶体管互联。

对于晶体管漏上发射阵列的制作，对二极管型碳纳米管场发射显示阵列结构，只需在漏上沉积一层导电的扩散阻挡层，然后沉积或移植碳纳米管，即构成晶体管控制的二极管型碳纳米管场发射显示阵列结构。对三极管型碳纳米管场发射显示阵列结构，在漏上沉积一层导电的扩散阻挡层后，还需依次沉积栅绝缘层、栅电极并刻蚀栅孔，然后在栅孔内沉积碳纳米管，从而形成晶体管控制的三极管型碳纳米管场发射显示阵列结构。对四极管型碳纳米管场发射显示阵列结构，在漏上沉积一层导电的扩散阻挡层后，还需依次沉积栅绝缘层、栅电极、绝缘层和聚焦极并刻蚀出孔以露出阴极，然后在孔内阴极上沉积碳纳米管，从而形成晶体管控制的四极管型碳纳米管场发射显示阵列结构。

依照本发明制作成晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构后，按照众所周知的方法将隔离柱和阳极组装起来，便构成一个完整的基于晶体管控制的碳纳米管场发射显示器。

附图说明

通过结合附图详细介绍本发明的优选实施方案，本发明的上述目的和优点将变得更加清楚，各附图中：

图1是典型的传统三极管结构的碳纳米管场发射显示器结构示意图。它包括基板100，阴极电极340，碳纳米管3 10，栅绝缘层330，栅电极320，隔离柱500，荧光粉430，阳极透明导电层420以及前面板410。

图2A、B分别给出了典型的传统场发射结构和晶体管的电流电压特性。可以看出传统场发射体的发射电流敏感地依赖于引出电压；而场效应晶体管则在一个较大的电压变化范围内有一个稳恒的电流。

图3是晶体管控制的三极管型碳纳米管场发射显示阵列示意图。其中有晶体管200，碳纳米管场发射显示阵列300和阳极板400。晶体管200包括源210，栅230和与碳纳米管阵列阴极一体的漏220；碳纳米管场发射显示阵列300还包括碳纳米管310，发射体栅电极320和栅绝缘层330以及与漏连为一体的阴极220。

图4A-F是按照本发明制作LDMOSFET控制的三极管型碳纳米管场发射显示阵列一个实例的步骤。

图5A-F是按照本发明制作薄膜晶体管控制的四极管型碳纳米管场发射显示阵列另一个实例的步骤。

具体实施方式

下面结合展示了本发明优选实施方案的各附图更完整地介绍本发明。显然，本发明的精神可按许多不同方式实施，不应当认为本发明仅限于这里所记载的各实施方案。

实例1 LDMOSFET控制的碳纳米管场发射显示阵列结构及实现方法

图4A-F是按照本发明制作晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列第一个实例的步骤。

A.以p型的SOI作为衬底制作LDMOSFET 200。选用SOI片的目的是使器件间的隔离比较方便，并且未来使用SOI衬底愈来愈普遍，易与其他器件(如驱动电路)集成。而选用LDMOSFET则是为了提高器件的击穿电压，因为激发场电子发射需要较高的电压。与传统晶体管不同，我们将漏220长度放大至数十至数百微米，以便在其上制作碳纳米管场发射阵列。

B.在漏220依次用电子束蒸发沉积50纳米氮化钛扩散阻挡层341和5纳米的催化层铁311。

C.PECVD沉积2微米二氧化硅绝缘层330。

D.电子束蒸发200纳米铬作为发射体栅电极320。

E.在催化层311上方光刻直径4微米的栅孔，然后用CF₄/SF₆等离子体反应刻蚀栅氧化层，以露出阴极220上的铁催化层311。

F.用射频PECVD生长碳纳米管310。

这样将场发射阵列做在场效应晶体管的漏上，便将晶体管与场发射阵列结合起来，可通过晶体管的栅电压来控制其源漏电流，亦即发射体的发射电流。

实例2 TFT控制的碳纳米管场发射显示阵列结构及实现方法

A.在玻璃上制作薄膜晶体管，参见图5A-F。图中101为玻璃衬底，214为重掺杂非晶硅(n⁺a-Si:H)，216为本征非晶硅(a-Si:H)，218为氧为氧化层。210、220和230分别为TFT的源、漏、栅。

B.依次用PECVD沉积1微米厚的SiO₂绝缘层330，电子束蒸发200纳米的铬320作为发射体的栅电极，再用PECVD沉积1微米厚的SiO₂缘层350、电子束蒸发200纳米的铬360作为发射体的聚焦极，然后再沉积50纳米厚的铝牺牲层361。

C.图形曝光和刻蚀，在聚焦极360、栅电极320和绝缘层330、350上刻出直径4微米的圆孔。

D.电子束蒸发5纳米铁催化层，此时聚焦极和阴极电极上均有催化层，如图5D。

E.将聚焦极上的铝牺牲层361除去便可除掉聚焦极上的催化层311’，从而只在阴极电极上留有催化层311。

F.用射频PECVD生长碳纳米管310。这样便形成一个薄膜晶体管控制的基于碳纳米管的四极管型场发射显示阵列结构。该结构包括：

(1)支撑整个TFT控制的基于碳纳米管的四极管型场发射显示阵列结构的玻璃基板101；

(2)用于控制发射电流的薄膜晶体管200，其中210为TFT的漏，214为重掺杂非晶硅(n⁺a-Si:H)，216为本征非晶硅(a-Si:H)，218为氧化层，220和230分别为TFT的漏和栅。

(3)位于晶体管漏上的碳纳米管发射阵列300，其中310为碳纳米管，311为催化层，320为发射体栅电极，330和350为SiO₂缘层，360为聚焦极。

Claims

1.一种晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，包括作为器件载体的基板、在基板上的场效应晶体管，以及位于晶体管漏上的碳纳米管场发射显示阵列，其特征在于晶体管的漏同时作为碳纳米管场发射显示阵列的阴极，将晶体管与碳纳米管发射阵列结合起来，由晶体管控制碳纳米管发射阵列的开关和发射电流的大小。

2.按权利要求1所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于所述的晶体管控制的场发射显示阵列的基板为硅、绝缘体上的硅、III-V族化合物半导体、玻璃、石英、氧化铝或塑料中一种。

3.按权利要求1所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于所述晶体管或为金属-氧化物-半导体场效应晶体管，横向扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管，结型场效应晶体管，金属-半导体场效应晶体管，或者薄膜晶体管或它们的变体中一种。

4.按权利要求1所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征或是一个晶体管控制一个碳纳米管；或是两个或两个以上晶体管结合的一组晶体管控制一个碳纳米管发射阵列；晶体管漏适当延长，以便在其上形成碳纳米管场发射结构。

5.按权利要求4所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于所述的碳纳米管场发射显示阵列结构或是二极管型、三极管型或是四极管型。

6.按权利要求5所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于：

(1)二极管型结构中碳纳米管沉积在漏上，电子直接由阳极引出；

(2)三极管型结构中碳纳米管场发射体的栅电极在阴极和阳极之间，电

子由发射体栅电极引出，在阳极吸引下轰击阳极荧光屏；发射体栅

电极与阴极以绝缘层隔开，发射体栅电极和绝缘层部分镂空；

(3)四极管型结构相当于在上述三极管型结构基础上再加入聚焦极，聚焦极位于发射体栅极和阳极之间，与栅极以绝缘层隔开。

7.按权利要求6所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于三极管型结构中绝缘层为0.3～5微米；四极管型结构中绝缘层厚离为0.3～5微米，发射体聚焦极厚度50～500nm。

8.一种制作晶体管控制的纳米管场发射显示阵列的实现方法，包括下列步骤：

(1)在基板上制作场效应晶体管；

(2)在具有晶体管的基板上沉积厚绝缘层；

(3)在绝缘层上方沉积发射阵列栅电极；

(4)刻蚀栅电极和栅绝缘层形成栅孔以及；

(5)在栅孔内沉积纳米管阵列。

9.按权利要求8所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于LDMOSFET控制的碳纳米管场发射显示阵列结构的实现方法，包括：

(1)以p型的SOI作为衬底制作LDMOSFET，与传统晶体管不同，将漏(220)长度放大至数十至数百微米，以便在其上制作碳纳米管场发射阵列；

(2)在漏(220)依次用电子束蒸发沉积50纳米氮化钛扩散阻挡层(341)和5纳米的催化层铁(311)；

(3)用PECVD沉积2微米二氧化硅绝缘层(330)；

(4)电子束蒸发200纳米铬作为发射体栅电极(320)；

(5)在催化层(311)上方光刻直径4微米的栅孔，然后用CF₄/SF₆等离子体反应刻蚀栅氧化层，以露出阴极(220)上的铁催化层(311)；

(6)再用射频PECVD生长碳纳米管(310)；

10.按权利要求8所述的晶体管控制的碳纳米管场发射显示阵列结构，其特征在于TFT控制的碳纳米管场发射显示阵列结构的实现方法，包括：

(1)在玻璃衬底上制作薄膜晶体管；

(2)依次用PECVD沉积1微米厚的SiO₂绝缘层(330)，电子束蒸发(200)纳米的铬(320)作为发射体的栅电极，再用PECVD沉积1微米厚的SiO₂缘层(350)、电子束蒸发200纳米的铬(360)作为发射体的聚焦极，然后再沉积50纳米厚的铝牺牲层(361)；

(3)图形曝光和刻蚀，在聚焦极(360)、栅电极(320)和绝缘层(330)、(350)上刻出直径4微米的圆孔；

(4)电子束蒸发5纳米铁催化层，此时聚焦极和阴极电极上均有催化层，如图5D；

(5)将聚焦极上的铝牺牲层(361)除去便可除掉聚焦极上的催化层(311’)，从而只在阴极电极上留有催化层311；

(6)用射频PECVD生长碳纳米管310。