CN1670887B - 电子发射器件、电子源及图像显示装置的制造方法 - Google Patents

电子发射器件、电子源及图像显示装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种制造具有发射电子所需的较低阈电场，而不存在无意电子发射的电子发射器件的方法，所述方法包括制备第一导电膜，第二导电膜和构成与第一导电膜连接的电子发射部分的材料的第一步骤，和把在对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度设置成高于在对第二导电膜施加比对第一导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度的值的第二步骤。

Description

电子发射器件、电子源及图像显示装置的制造方法
技术领域
本发明涉及利用电子发射膜制造电子发射器件的方法，和具有多个电子发射器件的图像显示装置的制造方法。
背景技术
电子发射器件可被分成三类：场发射(FE)型，MIM型和表面传导型。本质上，就任意类型来说，电子发射器件包括一个具有电子发射部分的阴极，和一个用于控制从电子发射部分的电子发射，或者控制从电子发射部分射出的电子的控制电极。
FE型电子发射器件还可进一步分成两类：一类是在控制电极中形成一个开口，由金属形成并且具有锐利尖端(成锥形)的阴极被置于该开口中(Spindt型)，一类是把形状相当平直，并且具有金刚石薄膜(电子发射膜)的阴极置于控制电极的开口中。在日本专利公告No.309445中公开了Spindt型电子发射器件的一个例子。近年来，提出了FE型电子发射器件，它使用碳纤维，例如碳纳米管代替Spindt型电子发射器件的锥形阴极。在日本专利公告No.3062987，日本专利特许公开No.2002-367508，日本专利特许公开No.8-162015，和日本专利特许公开No.2000-311596中可找到表面传导型电子发射器件的例子。
电子发射器件的一个应用例子是由排列在单个基板上的大量电子发射器件组成的平板显示器。利用电子发射器件的平板显示器是发射型(光发射型)平板显示器，从而即使在照明良好的环境中，它也能够显示具有高亮度和高对比度的高质量图像。
近年来，产生了对能够以更高分辨率显示图像的平板显示器的需要。为此，需要能够以以电子束的形式发射电子的电子发射器件。一般来说，为了减小电子束直径，有效的是降低当驱动电子发射器件时(当在其工作期间发射电子时)形成的电场的强度。从而，需要一种具有能够利用低强度电场发射电子的电子发射部分的电子发射器件。
在平板显示器中，不仅需要高亮度表现，而且需要高质量半色调(灰度级图像)表现。为了实现高质量半色调表现，需要大的电子发射电流和电子发射的控制。为此，电子发射器件最好具有关于电子发射的明确阈值。即，在低于阈电场Eth(或者阈电压Vth)的电场中，电子发射器件最好不发射任何电子，在阈电场Eth开始电子发射。当在显示器中使用这样的电子发射器件时，当电场低于Eth(Vth)时，获得关闭状态(黑暗状态)，当电场高于Eth(Vth)时，获得接通状态(明亮状态)。显示器的对比度对由关闭状态(黑暗状态)和接通状态(明亮状态)之间的差异决定。对比度越高，半色调表现越好，图像质量越好。
另外最好在低于Eth的电场中，不发射电子，并且对发射电流没有任何贡献的电流(称为无用电流或无效电流)应尽可能地小。即，电子发射器件最好具有尽可能高的电子发射效率(＝发射电流/(发射电流+无用电流))。高的电子发射效率能够降低能耗，并且还能够降低施加在电子发射器件的驱动器上的负载。
另外重要的是能够以高的重复性和高的制造量制造满足上述要求的电子发射器件。
发明内容
能够在低强度电场中发射电子的电子发射材料(或电子发射膜)在制造过程中可能受到制造环境的影响。制造过程中电子发射膜的特性的任何改变使得难以获得预期的电子发射性能。尤其是，电子发射膜的表面对电子发射特性影响较大，从而重要的是在不污染其表面的情况下制造电子发射器件。
由于表面被污染的电子发射器件的电子发射特性不稳定，因此当把许多电子发射器件排列在基体上时，在电子发射器件之间常常产生电子发射特性的显著变化。从而，必须电子发射器件的电子发射特性，以便所有的电子发射器件具有类似的特性。
另外重要的是以低成本制造电子发射器件。为此，电子发射器件的结构最好尽可能简单，并且最好能够用步骤较少的简单工艺制造电子发射器件。特别地，为了获得结构简单的电子发射器件，有效的是在单一基体上形成控制电极和结构与控制电极相同的阴极。在阴极由多个部件构成的情况下，如同由导电膜和在导电膜表面上形成的电子发射膜构成的阴极一样，使阴极和控制电极形成对称结构允许简化刻模工艺，并获得简单的结构。在该对称结构中，控制电极和阴极都具有能够发出电子的区域(电子发射部分)。
为了获得具有能够在低强度电场中发出电子的电子发射部分的电子发射器件，必须解决下述问题。
1)从控制电极的电子的发射
如上所述，如果控制电极和阴极彼此对称，那么能够从控制电极发出电子。例如，在其中借助布线使多个电子发射器件相互连接的结构中，当驱动这些电子发射器件中的特定一个电子发射器件，打算只从该电子发射器件发出电子时，可对一些电子发射器件施加与驱动电压相反的电压(以致阴极的电势变得高于控制电极的电势)。根据控制电极和阴极之间的电压，能够从控制电极的特定部分发出电子。
从控制电极发出的电子导致无用电流(无效电流)。这样的无用电流引起问题，尤其是在具有大量电子发射器件的电子源中更是如此。如果只在阴极上形成电子发射部分，控制电极不具有任何电子发射部分，那么能够避免从控制电极的电子发射。但是，这会增大包括刻模工艺在内的制造过程的复杂性。即使制造过程打算只在阴极上形成电子发射部分，电子发射材料也会无意保留或沉积在控制电极上，从而难以完全防止从控制电极发出电子。
在一些情况下，为了使制造过程中，电子发射器件的特性变化降至最小，在制造过程的最后阶段进行发射材料的沉积。在这种情况下，电子发射材料同样可能沉积在控制电极(典型地，栅电极)上，在控制电极上形成不合需要的电子发射部分。
2)阳极对电子发射的贡献
当在平板显示器等中使用利用能够在低强度电场中发射电子的电子发射部分的电子发射器件时，需要用电子辐射发光元件(例如磷元件)的另一电极(阳极)。阳极吸引从电子发射器件发出的电子，以致电子撞击布置在阳极附近的发光元件(荧光元件)，例如磷。在显示装置中，重要的是把电子加速到足够高的能量，以致当电子撞击发光元件时，获得高亮度的荧光。为此，最好对阳极施加大的电势。另外最好持续对阳极施加该电势。这种情况下，电子发射量的控制或调节由控制电极进行。在能够在低强度电场中发出电子的电子发射器件中，如果相对于阴极或控制电极的电势，对阳极施加的电势(电场)过高，那么电子发射器件的阈电场Eth(或者阈电压Vth)变得不清楚，或者为了发出电子而需要的阈电场Eth(或者阈电压Vth)变得过低。这会导致从非选择的电子发射器件(处于关闭状态)发出电子，或者导致从选择的电子发射器件(处于接通状态)连续发出非计划数量的电子。
从而，当电子发射器件能够在低强度电场中发出电子时，必须控制(上面在1)和2)所述的)无意电子发射。
鉴于此，本发明提供一种利用简单的制造过程，制造高效电子发射器件的方法，所述电子发射器件结构简单，能够被低的驱动电压驱动，能够很好地控制电子束直径，并且在关闭状态下不发射电子，从而能够实现良好的半色调表现(灰度级图像)。本发明还提供一种制造具有高的on/off(通/断)比的电子源的方法。此外，本发明提供一种制造能够以高对比度显示高分辨率图像的图像显示装置的方法。
在第一方面，本发明提供一种制造电子发射器件的方法，所述电子发射器件包括具有电子发射部分的第一导电膜，和与第一导电膜间隔一定距离的第二导电膜，通过对第二导电膜施加比第一导电膜的电势高的电势，能够驱动该电子发射器件，所述方法包括制备第一导电膜，第二导电膜和构成与第一导电膜连接的电子发射部分的材料的第一步骤，和把在对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度设置成高于在对第二导电膜施加比对第一导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度的值的第二步骤。
在第二方面，本发明提供一种制造电子发射器件的方法，所述电子发射器件包括具有电子发射部分的第一导电膜，和与第一导电膜间隔一定距离的第二导电膜，通过对第二导电膜施加比第一导电膜的电势高的电势，能够驱动该电子发射器件，所述方法包括制备第一导电膜，第二导电膜和构成与第一导电膜连接的电子发射部分的材料的第一步骤，和在第一导电膜和第二导电膜之间施加电压，以致在对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度变得大于在对第二导电膜施加比对第一导电膜施加的电势更高的电势的情形下，启动电子发射所需的阈电场强度的第二步骤。
在这些制造电子发射器件的方法中，第二步骤可包括通过对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势，发出电子的步骤。
第二步骤可包括在第一导电膜和第二导电膜之间施加第一电压的步骤，和在第一导电膜和第二导电膜之间施加第二电压的步骤，这样施加第一电压，以致第一导电膜的电势变得大于第二导电膜的电势，这样施加第二电压，以致第二导电膜的电势变得大于第一导电膜的电势，第一电压的绝对值大于第二电压的绝对值。
本发明还提供一种制造包括多个电子发射器件的电子源的方法，其中所述方法包括利用第一方面的制造电子发射器件的方法，制造多个电子发射器件的步骤。本发明还提供一种制造包括电子源和发光元件(例如磷)的图像显示装置的方法，其中所述方法包括利用第一方面的制造电子装置的方法制造电子装置的步骤。
在第三方面，本发明提供一种制造电子源的方法，所述电子源包括沿行方向延伸的多个布线，沿列方向延伸的多个布线，和均包括具有电子发射部分的第一导电膜及与第一导电膜相隔一定距离的第二导电膜的多个电子发射器件，所述方法包括排列分别包括一对第一和第二导电膜的多个单元，沿行方向延伸，并且分别连接多个第一导电膜的多个布线，沿列方向延伸，并且分别连接多个第二导电膜的多个布线，和构成与构成每个所述单元的第一导电膜连接的每个电子发射部分的材料的第一步骤，和对每个第二导电膜施加比第一导电膜的电势更高的电势，以致在对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势的情形下，每个单元的启动电子发射所需的阈电场强度变得大于在对第二导电膜施加比对第一导电膜施加的电势更高的电势的情形下，每个单元启动电子发射所需的阈电场强度的第二步骤，对第二导电膜施加的电势高于在电子源处于实际工作的情形下，对非选择电子发射器件的第二导电膜施加的电势。
在本发明的各个方面，通过对电子发射部分施加小于1×106伏/厘米的电场，可发出电子。
在本发明的各个方面，第一导电膜和第二导电膜相隔0.1微米或更大的距离。
在本发明的各个方面，电子发射部分可由选自碳纤维、具有布置在其表面上的偶极层的绝缘膜，主要由碳形成，并且包括金属微粒的薄膜，以及无定形碳膜的材料形成。
本发明还提供一种制造包括电子源和荧光材料的图像显示装置的方法，其中所述方法包括利用第二方面中的制造电子装置的方法，制造电子装置的步骤。
本发明还提供一种驱动利用第一方面和第二方面中的方法制造的电子发射器件、电子源或图像显示装置的方法，其中对电子发射器件施加的驱动电压低于第二电压。
根据本发明第一方面或第二方面的制造方法使得能够制造结构简单，能够由低驱动电压驱动，能够很好控制电子束直径，并且能够在低强度电场中稳定发射电子的高效率电子发射器件。该电子发射结构简单，并且能够利用简单的制造工艺制造。所得到的电子发射器件具有高的on/off比，能够获得良好的半色调表现。利用制造电子发射器件的方法，能够制造具有良好驱动特性的电子源和图像显示装置。
参考附图，根据例证实施例的下述说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A和1B是表示根据本发明的一个实施例的电子发射器件的示意图，图1A是横截面图，图1B是平面图。
图2是表示根据本发明的一个实施例的电子发射器件中的碳层的横截面图。
图3表示电子发射器件的碳层中的导电微粒的密度和微粒团的数目之间的关系。
图4表示电子发射器件的碳层中的导电微粒的密度和微粒团的数目之间的关系。
图5表示根据本发明的电子发射器件的碳层的h/r比值和电场增强因数β之间的关系。
图6是表示具有可用在本发明中的偶极层的碳层的结构的示意图。
图7A和7B是表示自图6中所示的碳层的电子发射的原理的示意图。
图8A-8E图解说明制造根据本发明的电子发射器件的过程的例子。
图9A-9C图解说明根据本发明，在特性调整步骤和在实际操作中，对电子发射器件施加电压的方式的例子。
图10表示根据本发明，在特性调整过程中，电子发射器件的电特性的变化。
图11A和11B表示根据本发明，在特性调整步骤和在实际操作中，对电子发射器件施加电压的方式的例子。
图12是表示使用根据本发明一个实施例的电子发射器件的电子源的一个例子的平面图。
图13是表示使用根据本发明一个实施例的电子发射器件的图像显示装置的透视图。
图14A和14B图解说明根据本发明，驱动图像显示装置的方式的例子的示意图。
图15A是根据本发明一个实施例的电子发射器件的横截面图，图15B是该电子发射器件的平面图。
图16A-16F图解说明制造根据本发明的电子发射器件的过程的例于的示意图。
图17表示根据本发明，在特性调整过程中，电子发射器件的电特性的变化。
图18A表示根据本发明，经历特性调整过程的电子发射器件的电特性，图18B是表示根据本发明，驱动电子发射器件的方式的示意图。
图19是表示利用根据本发明的图像显示装置的信息显示/重放设备的例子的示意方框图。
具体实施方式
下面参考附图，说明本发明的实施例。注意下面描述的各个部分的具体尺寸、材料和相对位置，具体的驱动方法和具体的驱动电压并不意图限制本发明的范围。
图1A和1B是表示根据本发明的电子发射器件的实施例(第一实施例)的示意图。图1A是电子发射设备的横截面图。注意在图1A中，通过在与电子发射器件相隔适当距离的位置布置阳极，形成电子发射设备，并且电子发射设备被驱动。图1B是电子发射器件的平面图。在图1A和1B中，附图标记1表示基板，附图标记2表示阴极(cathode electrode)，附图标记3表示充当控制电极的栅电极，附图标记4表示阳极(anodeelectrode)，附图标记5表示电子发射膜，附图标记6表示驱动电源，附图标记7表示阳极电源。在该电子发射设备中，当在阴极2和栅电极3之间施加驱动电压Vg(伏)，以致栅电极3的电势高于阴极2的电势，并且在阳极4和阴极2之间施加高于Vg的电压Va(伏)时，电子从电子发射膜5射出，电子发射电流Ie[安]流入阳极4。
在本发明中，阴极2和电子发射膜5作为整体的组合可被称为具有电子发射部分的第一导电膜，或者简称为第一导电膜，控制电极(栅电极)3和电子发射膜5作为整体的组合可被称为具有电子发射部分的第二导电膜，或者简称为第二导电膜。
在第一实施例中，按照相同的结构形成第一导电膜和第二导电膜。虽然在该具体例子中，第一导电膜包括由不同材料形成的电子发射膜5和阴极2，不过第一导电膜可以只包括电子发射膜5，如果仅仅通过向电子发射膜5供给电子，就能从电子发射膜5发出电子的话。
电子发射膜5可以是当向其供给电子时，本身能够发出电子的膜，或者可以是当其与阴极的表面连接时，形成作为电子发射膜的功能的膜，如同后面参考图2-6说明的例子中那样。即，从功能的观点来看，不必把电子发射膜和阴极区分开来，不过第一导电膜最好由成分不同的多层(膜)组成，并且第一导电膜具有电子发射部分，虽然在其它实施例中只需要使用单一薄膜，如上所述。
通过对其施加低强度电场，第一导电膜(例如电子发射膜5)能够发出电子。最好，阈电场，即具有发出电子所需的最低量值的电场小于1×106V/cm(100V/μm)。这种导电膜的一个具体例子是可由碳纤维构成的碳膜。
和金属膜相比，碳膜的使用允许降低(施加的用于电子的)驱动电场。如图2中所示，碳膜最好主要由碳基体材料(base material)10和包含在碳基体材料10中的大量导电微粒8组成。碳基体材料10的电阻率高于导电微粒8的电阻率。为此，一般来说，介电材料被用作碳基体材料10，导电微粒8由导电材料形成。最好，为了在低强度电场中实现电子发射，碳基体材料10的电阻率比导电微粒8的电阻率高100倍或更多。
最好，金属微粒被用作图2中所示的导电微粒8，所述金属最好使用VIII族元素。更可取的是，导电微粒8的金属对碳起催化作用。具体地说，理想的是导电微粒8的材料包括选自Co、Ni和Fe的金属中的至少之一。Co最好。当使之与碳接触时，Ni、Fe和Co具有低的能带势垒(barrier)，从而能够获得阻止电子注入的低势垒。为了获得大的发射电流密度，导电微粒8的上述金属材料最好采取单晶的形式。
在图2中所示的结构中，碳基体材料10的电阻率优选在1×101～1×1014Ωcm的范围内，最好在1×107～1×1014Ωcm的范围内。碳基体材料优选具有sp2键，最好碳基体材料10既具有sp2键，又具有sp3键。特别地，当碳层5具有石墨的微观结构，并且具有包括sp3键的结构时，即使在低强度电场集中(concentration)下也能够获得极好的电子发射特性。如果导电微粒8被布置在碳基体材料10中，那么它们产生导致进一步改进电子发射特性的电场集中。注意，如上所述，碳层5的电阻率最好应高到事实上充当绝缘膜的程度。在这方面，最好使用诸如类金刚石碳(DLC)之类的无定形碳作为碳基体材料的主要成分，以获得在1×101～1×1014Ω·cm范围内的高电阻率，这样的高电阻率允许碳层5实质上起电介质的作用。
在图2中所示的结构中，导电微粒8不必均匀地分布在碳基体材料10中。相反，如图2中所示，导电微粒8最好采取微粒团9的形式，每一团包括多个导电微粒8。微粒团9最好彼此隔开一定距离地排列(微粒团9离散地排列在碳层5中)。微粒团之间的距离最好大于碳层5的平均厚度。相对于阴极2的表面或基板1的表面定义碳层5的平均厚度。优选的是，微粒团9之间的距离大于碳层5的平均厚度，最好比碳层5的平均厚度大1.5～1000倍。如果微粒团9之间的距离在上述优选范围之外，那么发射点密度(ESD)离开为获得当在图像显示装置中使用电子发射器件时需要的电子发射特性而需要的范围。
通过把微粒团9之间的距离设置成足够大，能够降低电子发射的阈值(阈电压)。这是因为微粒团9之间距离的增大导致电场集中的增大。在本发明中，如图2中所示，导电微粒8可以孤立地存在，而不属于任何微粒团9。
包括在每个微粒团9中的多个导电微粒8基本上沿着在碳层5的厚度方向上延伸的方向(从阴极2朝着碳层5的方向，或者基本垂直于基板1的方向)定向，以致电场被集中在相应的微粒团9上。
对于沿着越过碳层5的厚度延伸的方向排列的导电微粒8的数目没有特别限制，只要沿该方向排列两个或更多的导电微粒8即可。例如，当在越过碳层5的厚度的方向上存在彼此相邻的两个微粒时，如果这两个相邻的微粒之一比另一微粒更接近于阴极2的表面(或者碳层5的表面)，那么这两个相邻的微粒可被看作沿碳层5的厚度方向定向。为了获得电子发射的较低阈值，优选的是在碳层5的厚度方向上排列3个或更多的微粒，更好的是在基本垂直于阴极2的表面(碳膜5的表面)的方向上排列这些微粒。
每个微粒团9中彼此相邻的导电微粒8最好位于相互之间的距离小于5纳米的范围内。如果两个相邻微粒之间的距离超过该范围的上限，那么电子发射的阈电场(Eth)会产生急剧的较大增长，还会难以获得足够大的发射电流。在每个微粒团9中，相邻的微粒可以相互直接接触。相邻微粒之间的距离大于平均粒径是不合乎需要的，因为不能产生足够的电场集中。在本发明中，即使碳层5中的相邻微粒彼此直接接触，在这些相邻微粒之间也能获得大的电阻，因为它们基本上只在某一点接触。这抑制了碳层5中电子发射点的发射电流的过度增大，从而能够获得稳定的电子发射。
导电微粒8最好基本完全被嵌入碳层5中，虽然导电微粒8可以部分暴露于碳层5的表面上。为此，碳层5的表面粗糙度最好小于碳层5的平均膜厚的1/10(用均方根表示)，以致碳层5的表面粗糙度导致的电子束的发散被抑制。在上述结构中，每个导电微粒8的表面不易受真空中的残余气体的影响，从而能够获得稳定的电子发射。
在按照上述方式构成的电子发射器件中，导电路径由位于碳基体介电材料10中的分散位置的导电微粒8形成。于是，能够在不部分破坏或损坏碳基体材料的情况下实现高性能的电子发射。但是，如果导电微粒8以较高的密度均匀地分布在整个碳层5内，那么电子发射的阈电场(Eth)变高。如果相邻微粒团9之间的距离过大，那么难以获得电子发射器件在显示器中工作所需的最小电子发射电流，不可能获得为了实现稳定的电子发射电流而需要的最小电子发射点密度。从而，不可能获得稳定的电子发射，于是不可能稳定地显示图像。从而，为了在低强度电场中获得稳定的电子发射，碳层5中导电微粒8的密度优选在1×1014～5×1018微粒/立方厘米的范围中，最好在1×1015～5×1017微粒/立方厘米的范围中。出于同样的原因，为了在低强度电场中获得稳定的电子发射，导电微粒8的主要元素的浓度与碳基体材料10的主要元素的浓度的比值优选在0.001～1.5原子百分比的范围内，最好在0.05～1原子百分比的范围内。如果浓度超过上述范围的上限，如上所述，电子发射的阈值变高，从而必须需要更大的驱动电压，这会导致放电击穿，或者不能获得为了得到图像显示装置中所需的足够大的发射电流密度而需要的足够大的电子发射点密度。
下面更详细地说明参数的允许范围。图3和4表示作为导电微粒8的密度的函数的每平方厘米碳层5中包含的微粒团9的数目。在这些图中，X表示包括在一个微粒团9中的导电微粒8的数目。
如果碳层5中导电微粒8的密度用P(微粒/立方厘米)表示，这里P表示每立方厘米中微粒8的数目，碳层5的膜厚用h表示，导电微粒8的平均半径用rcp表示，那么每平方厘米碳层5中存在的均包括多个导电微粒8的微粒团9的数目E由2rcpP(8rcp 3P)(h/2r-1)团/平方厘米。图3表示随着rcp＝2纳米的导电微粒8的密度而变化的微粒团的数目，图4表示随着rcp＝5纳米的导电微粒8的密度而变化的微粒团的数目。如同下面详细所述，导电微粒8的平均半径r最好在1纳米～10纳米的范围内。
最好通过把P设置在其中在微粒团9上产生足够高的电场集中的范围内，获得尽可能大的E的值。为了获得足够高的电场集中，要求每个微粒团9包括沿碳层5的厚度方向排列的两个或更多的导电微粒8，并且微粒团9的数目E大于1×102团/平方厘米，最好大于1×104团/平方厘米。为了满足该要求，对于rcp＝2纳米来说，P应被设置成大于1×1014微粒/立方厘米。为了获得对于rcp＝5纳米来说，大于1×104团/平方厘米的E，P应被设置成大于1×1014微粒/立方厘米。另一方面，当P超过5×1018微粒/立方厘米时，导电微粒8的数目变得过大，碳层5变成纯粹的导电材料，不会发生微粒团9上的电场集中。从而，ESD降低，于是电流密度降低。从而不能获得良好的电子发射特性。
P的优选范围取决于碳层5的厚度和导电微粒8的大小。当导电微粒8的大小被控制在几纳米的数量级，并且碳层5的厚度等于几十纳米时，P的优选范围为1×1014微粒/立方厘米～5×1018微粒/立方厘米。在导电微粒8的平均直接(2r)为1～10纳米，导电微粒8的主要元素是Co的情况下，当碳层5中的Co的浓度在0.001～1.5原子百分比的范围中时，上述要求被满足。P的最佳范围是1×1015微粒/立方厘米～5×1017微粒/立方厘米。对于每个微粒团9包括两个或更多的导电微粒8的情况，为了在图3中所示的例子中获得该最佳范围中的P，微粒团9的数目E应在1×104团/平方厘米～1×1010团/平方厘米的范围中。
下面参考图5进一步说明电场集中。当导电路径的高度为h，并且电子发射部分的半径为r时，电场以(2+h/rcp)的倍数集中。根据电子发射部分的顶部的微观结构，能够产生因数(factor)为β(场集中增强因数)的进一步电场集中。从而，总的电场集中因数由(2+h/rcp)β给出。在上述结构中获得的这种大的电场集中因数使得能够容易地从电子发射膜发出电子。
从电子发射膜发出的电子束的形状取决于碳层5的厚度，导电微粒8的大小和形状，以及电场。当碳层5的厚度小于100纳米时，电子束具有理想的非发散形状。当碳层5的厚度在该范围内时，结构应力很小，从而从薄膜加工的观点来看，该范围也是更可取的。如果导电微粒8的微粒尺寸被增大，并且碳层5的厚度正比于微粒尺寸被增大，那么微粒团9之间的距离变大，电子发射点密度降低。当碳层5的厚度小于100纳米时，导电微粒8的优选微粒尺寸为几个纳米(一般为1～10纳米)，每个微粒团9最好包括沿从阴极2到碳层5的表面的方向排列的几个导电微粒8。
为了降低碳层5的压力，最好把氢掺入碳层5中。一般来说，主要由碳构成的薄膜，例如DLC(类金刚石膜)具有高硬度和高应力，从而这样的薄膜不易加工。即使当该薄膜是极好的电子发射膜时，由于难以加工，也难以使用这种具有高硬度和高应力的薄膜来形成电子发射器件或电子源。从而，最好通过把氢掺入薄膜来降低薄膜的应力，以致在制造工艺中能够容易地处理该薄膜。为了降低应力和硬度(弹性模量)，优选相对于碳的浓度，以0.1或更大的原子百分比的浓度把氢掺入碳层5中，最好以大于1原子百分比的浓度把氢掺入碳层5中。但是，如果氢的浓度与碳的浓度的比值大于20原子百分比，那么会发生电子发射特性的退化，从而氢浓度的实际上限为20原子百分比。
图6表示了根据本发明的碳层5的理想例子。在该例子中，碳层5被布置在阴极2的表面上，在碳层5的表面上形成偶极层11。在图6中，附图标记1表示基板，附图标记11表示偶极层11。在该结构中，碳层5的电阻率优选在1×101～1×1014Ωcm的范围中，最好在1×107～1×1014Ωcm的范围中。
在本例子中，用氢端接碳层5的表面(暴露于真空中)。用氢端接的表面起偶极层11的作用。形成偶极层11的材料(用于端接该表面的材料)并不局限于氢。能够在不在阴极2和汲取(extraction)电极(栅电极和/或阳极)之间施加任何电压的状态下，降低碳层5的表面的能级的任何材料可被用于端接碳层5的表面。这种材料的一个优选例子是氢。一般来说，氢原子13被稍微正极化(δ+)，从而碳层5的表面上的原子(这种情况下为碳原子12)被稍微负极化(δ-)。从而，形成偶极层(双电荷层)11。
下面参考图7A和7B中表示的能带图，说明从具有偶极层11的第一导电膜的电子发射的原理。图7A表示在不对汲取电极23施加任何电压下的能带图，图7B表示在对汲取电极23施加一个电压下的能带图。这里，汲取电极指的是栅电极，阳极，或者栅电极和阳极的组合。在图7A和7B中，2表示阴极，5表示碳层(绝缘层)，23表示汲取电极，24表示真空势垒，25表示电子，26表示其上形成偶极层的绝缘层的表面和真空之间的界面。
在处于图7A中所示状态下的阴极2和汲取电极23之间不施加任何外部驱动电压的状态下，偶极层的存在导致绝缘层的表面上的电势分布，等同于当外部施加和偶极电压δ相同的电压时获得的电势分布。
如图7B中所示，如果在阴极2和汲取电极23之间施加驱动电压v(伏)，碳层5的电势被降低，从而，真空势垒降低。如果碳层5的厚度被设置成当施加驱动电压V(伏)时，允许产生隧穿碳层5的恰当值(最好小于10纳米)，那么能够把碳层5两端的空间距离减小到允许从阴极2供给的电子25隧穿碳层5的程度。从而能够实现对真空的电子发射。
作为端接碳层5的表面的材料，优选采用在不在阴极2和汲取电极23之间施加任何电压的状态下，把碳层5的表面态(能级)降低0.5eV或更大，最好降低1eV或更大的材料。在根据本发明的电子发射器件中，碳层5的表面态必须表现出正电子亲合力，而不管是否在阴极2和汲取电极23之间施加了驱动电压。
根据驱动电压确定碳层5的厚度。一般来说，碳层5的厚度优选被设置成20纳米或更小，最好被设置成10纳米或更小。碳层5的厚度的下限由在电子发射器件被操作的状态下，允许电子借助隧道效应穿过碳层5的最小厚度决定。实践中，必须考虑形成碳层(绝缘层)5的可再现性，从而实际的下限约为1纳米。
在根据本发明的电子发射器件中，如上所述，碳层5的正电子亲合力确保电子发射器件在电子发射量方面具有清楚的on/off比，即电子发射器件的选择状态(接通状态)下的电子发射量和非选择状态(关闭状态)下的电子发射量的比值。
图6中所示的碳层5可包含导电微粒8，例如前面参考图2说明的那些导电微粒8。相反，图6中所示的偶极层11可形成于图2中所示的碳层5的表面上。
现在，参考图8A-8E说明根据本发明的一个制造过程的例子。本发明的一个显著特征在于所述制造过程包括特性调整步骤。
根据本发明的电子发射器件的制造过程包括在基板上形成阴极和控制电极的步骤，和沉积电子发射膜的步骤。这两个步骤的顺序是可逆的。
步骤1
首先，制备绝缘基板1，其由石英玻璃，包括低浓度杂质，例如Na的玻璃，钠钙玻璃，其顶层为Si02层多层基体或者陶瓷构成。在充分清洁基板1的表面之后，在基板1的表面上形成导电膜31(稍后它将被形成阴极2和控制电极3)(图8A)。
利用常见的真空薄膜形成技术，例如蒸发方法或溅射方法，可形成导电膜31。导电膜31的材料可选自金属材料，例如Be、Mg、Ti和Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt和Pd，或者它们的合金。导电膜31的厚度在10纳米～100微米的范围内，最好在100纳米～1微米的范围内。
步骤2
随后，如图8B中所示，在导电膜31上形成碳层5。
碳层5最好具有良好的平面度。更具体地说，碳层5的平面粗糙度优选小于碳层5的平均膜厚的1/10(用均方根值表示)，或者小于10纳米(用均方根值表示)，最好小于1纳米。但是，平面度越好，尖点的电场增强效应越小，从而阈电场越大。为了对于具有这样的平直表面的碳层5获得足够低的阈电场，有效的是使用特殊结构，例如在图2或6中所示的碳层5中使用的特殊结构。注意表面的粗糙度用均方根值表示，即，弯曲表面到平均线的偏离的均方根值。表面粗糙度的这种表示也用在JIS标准中。
步骤3
借助光刻术，形成光致抗蚀剂图案33，光致抗蚀剂图案33将在形成阴极2和控制电极3的蚀刻工艺中被用作掩模(图8C)。
步骤4
随后，蚀刻导电膜31和碳层5，以便形成阴极2和控制电极3(图8D)。最好导电膜31和碳层5被蚀刻成获得平直的蚀刻表面。根据导电膜31和碳层5的材料，可使用恰当的蚀刻方法，例如干蚀刻或湿蚀刻。
步骤5
除去掩模33。从而获得图8E(图1A和1B)中所示的结构。
根据构成电子发射器件的材料，材料的电阻，碳层5的电特性，和要发射的电子发射束的形状，确定阴极2和控制电极3之间的间隔W(示于图1A和1B中)。通常，W最好被设置在10纳米～100微米的范围内。
间隔W的减小是降低电子发射器件的驱动电压的最有效手段。从这点来看，间隔W最好被设置成小于10微米。但是，过大地减小间隔W会导致电子发射器件的电子发射效率的下降，因为很小的间隔W会导致从阴极2发出的一些电子在到达阳极之前，与控制电极3(栅电极)碰撞，并被控制电极3吸收。
通常，当W小于100纳米时，电子发射效率会显著降低，虽然电子发射效率开始降低时的间隔的值取决于驱动电压和装置的形状，例如电极的厚度，和发射材料。
从而，在本实施例中，最好把间隔W设置在100纳米～10微米的范围内。
根据需要，可进行后处理，以增强发射电子的能力。例子包括退火和等离子体处理。在形成如图6中所示的表面端接层(偶极层)的情况下，最好在本阶段进行所述后处理。
步骤6
随后，进行特征调整过程(它是本发明的一个特征)。
在特征调整过程中，调整阈电场，以致Eth_reverse＞Eth_forward，这里称为正向阈电场强度的Eth_forward是为了当正向施加电场时，使得从第一导电膜(阴极)发出电子而需要的最小电场强度，称为反向阈电场强度的Eth_reverse是为了当反向施加电场时，使得从第二导电膜(控制电极)发出电子而需要的最小电场强度。
“正向”指的是使阴极(第一导电膜)的电势小于产生从阴极(第一导电膜)汲取电子的电场的电极(控制电极(第二导电膜)和/或阳极)的电势的电场的方向。另一方面，“反向”指的是使阴极(第一导电膜)的电势大于产生从阴极(第一导电膜)汲取电子的电场的电极(控制电极(第二导电膜)和/或阳极)的电势的电场的方向。
特性调整过程中可使用的一种技术是通过只反向施加电场(电压)，增大反向阈电场(阈电压)，从而实现Eth_reverse＞Eth_forward。另一种技术是是既在正向上，又在反向上增大阈电场Eth(阈电压Vth)，以便实现Eth_reverse＞Eth_forward。在特性调整过程中可使用这些技术中的任意一种。
如果执行上述第二种技术，那么驱动状态下的电子发射特性(I-V特性曲线，即施加的用于发射电子的电压V和所得到的发射电流I之间的关系)被控制。例如，这种技术可被用于调整排列在电子源或图像显示装置中的大量电子发射器件的电子发射特性，以致它们具有类似的特性。对所有电子发射器件获得类似特性的一种具体调整技术是检测所有这些电子发射器件的最高阈电场，并把其它电子发射器件的阈电场调整到检测到的最高阈电场。另一种技术是把特定电子发射器件(一般来说，所有电子发射器件)的阈电场增大到特定值。从制造成本的观点来看，第二种技术更可取，因为它比第一种技术简单。注意在本发明中，不必进行对于所有器件来说，使I-V特性曲线变得完美一致的调整。进行对于实际操作中对器件施加的电压范围，使电子发射器件的I-V特性曲线彼此基本相同的调整就已足够。
在本发明中，实现Eth_reverse＞Eth_forward的方法并不局限于其中对电子发射器件施加电压的上述那些方法。
增大阈电场的一种具体技术是对电子发射膜5(第一导电膜和/或第二导电膜)施加最大电场Emax。这里，“最大电场”指的是比在特性调整过程之前，对电子发射膜5(第一导电膜和/或第二导电膜)施加的任何电场都高的电场。注意这并不意味着在特性调整过程之前，需要对电子发射膜5(第一导电膜和/或第二导电膜)施加一个电场。最好，在本发明中，特性调整过程包括从电子发射膜5(第一导电膜和/或第二导电膜)发出电子的步骤。
根据电子发射器件或电子发射设备的结构，还根据驱动状态和驱动电压，另外还根据电子发射膜的位置，确定(沿正向方向)对电子发射膜(第一导电膜和/或第二导电膜)施加的，以便驱动电子发射器件或电子发射设备的电场(在电子发射器件或电子发射设备的实际操作中，对电子发射膜施加的电场)。
当具有三端子结构(包括阴极、控制电极和阳极的结构)的电子发射设备被驱动时，(沿正向方向)对电子发射膜(第一导电膜和/或第二导电膜)施加的电场主要由Ea和Eg确定。在电子发射器件和阳极4之间施加的平均电场(Eaav(伏/微米))可由阳极电压Va(伏)(一般定义成阴极2的电势和阳极4的电势之间的压差)和阴极2(或者电子发射膜5)与阳极4之间的距离H(微米)表示成Eaav＝Va/H(伏/微米)。
在阴极2和控制电极3之间施加的平均电场(Egav(伏/微米))可由在阴极2与控制电极3之间施加的电压Vg(伏)和阴极2(或者碳层5)与控制电极3之间的距离W(微米)表示成Egav＝Vg/W(伏/微米)。
实际上，Ea和Eg随着电子发射器件(电子发射膜)的结构和位置而变化。从而，Ea和Eg的实际值分别由Ea＝βa×Eav和Eg＝βg×Egav给出，这里βa和βg是等于或大于1的电场增强因数。当阳极4被布置在与电子发射器件的基板平行的位置时，βa≈1。另一方面，βg随着电子发射器件的结构而极大地变化。在一种极端情况下，βg可以大到数千，取决于电子发射部分是否具有尖点(sharp point)。在利用表面相当平直的电子发射膜的电子发射器件的结构中，βg相当小，不过取决于结构，它可变得比平常值大几倍。
就Spindt型或表面传导型的电子发射器件来说，控制电极起汲取电子的电极的作用，并且在电子发射器件或电子发射设备进行实际驱动操作的状态下，Egav＞＞Eaav。即，对电子发射部分施加的电场由在控制电极3和阴极2之间施加的电压形成的电场(Eg)支配，Ea基本上没有任何贡献，或者贡献很小。
在具有三端子(三极)结构(包括阴极、控制电极和阳极)的电子发射器件或电子发射设备中，从阴极(第一导电膜)汲取电子所需的电场由下述因素决定：(1)阴极2(第一导电膜)的电势和控制电极3(第二导电膜)的电势之间的差值(从阴极(第一导电膜)的电子发射由控制电极(第二导电膜)的电势控制)，(2)阴极2(第一导电膜)的电势和阳极4的电势之间的差值(从阴极(第一导电膜)的电子发射由阳极的电势控制，而控制电极(第二导电膜)用于控制电子发射强度或停止电子发射)，或者(3)阴极2(第一导电膜)的电势，控制电极3(第二导电膜)的电势和阳极的电势之间的关系(从阴极(第一导电膜)的电子发射由阳极的电势和控制电极(第二导电膜)的电势控制)。注意本发明并不局限于三端子结构(三极结构)。
在根据本发明的特性调整过程中，就(1)来说，反向方向上的电场由在阴极的电势高于控制电极的电势的状态下形成的电场产生。就(2)来说，反向方向上的电场由在阴极的电势高于阳极的电势的状态下形成的电场产生。就(3)来说，反向方向上的电场由在阴极的电势至少高于阳极的电势和控制电极的电势之一(最好同时高于阳极的电势和控制电极的电势)的状态下形成的电场产生。
即，在根据本发明的特性调整过程中，在任何情况下，对控制电极(第二导电膜)施加反向电场。沿反向方向对控制电极(第二导电膜)施加电场对控制其中有意或无意地在控制电极上形成电子发射膜(或构成电子发射部分的材料)的电子发射器件的电子发射特性特别有效。在最简单的情况下，反向方向上的电场在分布方面类似于在驱动电子发射器件(对实际操作施加最大电场)的状态下，对控制电极施加的最大电场。注意相似性的要求并不非常严格，近似相似就足够了。即，允许电场矢量方面的轻微差别。
该步骤中反向电场的施加导致从控制电极(第二导电膜)发出电子所需的电场强度(Eth_reverse)增大。这增大在实际操作中(在驱动过程中)对电子发射器件施加电压的方法的数目。在电子源或图像显示装置中，反向阈电场Eth_reverse的增大使得能够抑制从非选择电子发射器件的电子发射，还使得能够准确地控制从选择的电子发射器件的电子发射。从而，电子发射器件之间的串扰被抑制，实现高质量图像的显示。
当在实际操作中沿反向方向施加电场时，最好不从控制电极(第二导电膜)发出电子。这是通过在特性调整过程中施加反向电场，以致从第二导电膜(控制电极)发出电子所需的阈电场被增大到比在实际操作中施加的最大反向电场还大的值来实现的，从而防止在实际操作中无意地从控制电极发出电子。
在该特性调整过程中，除了Eth_reverse的增大之外，最好通过沿正向方向对第一导电膜施加电场，调整在实际操作中，为从第一导电膜(阴极上的电子发射膜)发出电子而需要的阈电场(Eth_forward)，以致抑制在电子发射(电子源)的制造中产生的器件间阈电场的变化。在最简单的情况下，正向方向上的电场的分布形状类似于在从阴极(第一导电膜)汲取电子的实际操作中形成的驱动电场的分布形状。为了在实际操作中(在驱动过程中)获得电子发射特性的高稳定性和良好再现性，为进行调整而施加的正向电场Eth_forward最好不仅在分布形状方面与实际操作中施加的驱动电场相似，而且在强度方面要大于所述驱动电场。注意相似性的要求并不非常严格，近似相似就足够了。即，允许电场矢量方面的轻微差别。
在特性调整过程中，当施加调整电场时，有效地发生从第二导电膜(控制电极)(以及从第一导电膜(阴极))的电子发射。在这个意义上，特性调整过程也可被称为(以最大发射电流Imax)从第二导电膜(以及从第一导电膜)发出电子的过程。
特性调整过程也可被有效地看作在电子发射器件或电子发射设备的电极之间施加电压(最大电压Vmax)，以便从第二导电膜(控制电极)(以及从第一导电膜(阴极))发出电子，用于调整其电子发射特性的过程。从可控性的观点来看，最简单的是通过控制电压，执行特性调整过程，从而这是最可取的。在通过控制施加的电压值，控制特性调整过程的情况下，阴极和用于形成从第一导电膜汲取电子的电场的电极(控制电极和/或阳极)之间的相对位置最好与实际操作中的相对位置相同。为此，最好这样布置电极，至少使阴极和控制电极之间的相对位置变得与实际操作中的相对位置相同。当电极被布置在和实际操作中一样的相对位置，并且通过控制施加的电压控制特性调整过程时，最好在电极之间(在阴极和控制电极(和阳极)之间)施加电压，以便该电压形成的正向或反向电场在分布形状方面与在器件或设备的实际操作中形成的电场相似。
虽然在紧接通过上述步骤(1)-(5)结束制造之后的阶段，电子发射器件具有对称结构和对称的电子发射特性，不过通过简单地执行上述特性调整过程，可获得实际上不对称的结构(即，不对称的电子发射特性)。在通过增加刻模步骤，借助步骤(1)-(5)制造电子发射器件，以便具有不对称结构(例如以便只在阴极上形成电子发射膜)的情况下，特性调整过程的执行确保即使残余物无意地残留在控制电极上，电子发射器件也能具有不对称的电子发射特性。注意结构方向的轻微或不可见的微观变化会导致其电子发射特性的改变。
下面参考图9A-9C和图10说明通过对根据本发明的电子发射器件施加电压的特性调整的一个具体例子。注意该特性调整过程是本发明的一个显著特征。
图9A和9B表示了在特性调整过程中，在阴极和控制电极之间施加最大电压Vmax的方式的例子。
图9C表示在完成特性调整过程之后，驱动电子发射设备的方式的例子。
在图9A和9B中所示的例子中，在把对阳极4施加的阳极电压保持在Va(伏)的时候，在阴极2和控制电极3之间施加的正向电压Vg(伏)逐渐被增大到Vg2。在保持正向电压Vg(伏)特定一段时间之后，正向电压Vg(伏)被减小到0。随后，在经过-Vg2降低到-Vg3的时候，施加反向电压-Vg。
在图9A中所示的例子中，准静态地施加电压。另一方面，在图9B中所示的例子中，以一系列脉冲的形式施加电压。在图9A中所示的例子中，首先沿正向方向施加电压，在完成正向方向上的电压施加之后，沿反向方向施加电压。在图9B中所示的例子中，交替地沿正向方向和反向方向施加电压。
在图9C中所示的例子中，在完成特性调整过程之后，利用脉宽调制信号驱动电子发射器件。更具体地说，阳极4的阳极电压被保持在Va，在阴极2和控制电极3之间施加脉冲电压Vg2，同时调制脉冲宽度。该图还表示了响应施加电压Vg2产生的生成电流Ie，电流Ie的水平接近于水平Ie2。
在使用脉冲电压作为驱动电压的情况下，脉冲宽度或占空度(脉冲宽度/脉冲周期)最好小于在特性调整过程中，用于提供Vmax的脉冲的脉冲宽度或占空度。注意根据碳层5的类型，特性调整过程所花的时间被确定为在几毫秒到几分钟的范围中。
如上所述，为了驱动已经历特性调整过程的电子发射器件或电子发射设备，最好使用小于在特性调整过程中使用的最大电压的驱动电压。小于在特性调整过程中施加的电压的驱动电压的使用使得能够保持作为特性调整过程的结果获得的电子发射特性(I-V特性曲线)。此外，如同上述例子中一样，用于驱动的脉冲宽度或占空度(脉冲宽度/脉冲周期)最好小于特性调整过程中使用的脉冲宽度或占空度。
图10表示在根据本发明的特性调整过程中产生的，电子发射器件的电特性的变化。
即，图10表示在对阳极施加电压Va的状态下，在特性调整过程中施加的最大电压Vmax如何改变发射电流I与阴极2和控制电极3之间的电压Vg的特性曲线图。
注意“正向”指的是相对于阴极的电势，控制电极的电势变成正值的方向，“反向”指的是相对于控制电极的电势，阳极的电势变成负值的方向。阴极的电势被固定，它把电学性质的图表示成向控制电极供给正电势给出正向方向(正向)并且负值的电势相反方向(反向)。
下面说明正向电特性方面的变化的例子。
实线36代表在通过把阴极2和控制电极3之间的电压增大到Vg1，随后把该电压降低到0(伏)，并且再次把该电压增大到Vg1，进行特性调整过程之后获得的电子发射器件的电特性曲线。实线37表示通过把驱动电压增大到Vg2，随后把驱动电压降低到0(伏)，并且再次把驱动电压增大到Vg2，在特性调整过程中驱动电子发射器件之后获得的电子发射器件的电特性曲线。作为该特性调整过程的结果，为发出电子而需要的阈电压Vth_f1改变成Vth_f2，并且Ie产生对应的变化。在图10中的Ie轴的右侧表示的虚线是当在特性调整过程中，连续把施加的电压从0(伏)增大到Vg2(伏)，而根本不被降低时获得的发射电流的曲线图。
图10中，在施加的电压被增大到Vg2，并且随后被降低到0(伏)(在特性调整过程中)时，如果通过施加驱动电压，同时把驱动电压增大到Vg2，驱动电子发射器件，那么发射电流Ie在低于Vg2的范围中沿着实线37变化。之后当在从0(伏)到Vg2的范围内改变驱动电压时，电子发射特性不发生实质变化。
特性调整过程稳定电子发射器件的电特性，并增大阈电场的原因在于虽然存在能够在紧接完成制造之后的阶段，在低强度电场中发出电子的不稳定电子发射点，不过特征调整过程消除了这样的不稳定电子发射点，从而使发射电流稳定。其证据是在实线37的电特性曲线的测量过程中观察到的电子发射点的位置不同于在实线36的电特性曲线的测量过程中观察到的电子发射点的位置，并且一旦借助特性调整过程获得了由实线37表示的特性曲线，电子发射点的位置就不会改变。
如上所述，特性调整过程还起使电子发射膜的电特性稳定的过程的作用。即，一旦电子发射膜的电特性被调整，以致能够获得所需的发射电流，电特性就被稳定在所谓的调整状态，以致能够稳定地驱动电子发射器件。
下面说明反向方向上电子发射的电特性的变化。
在第一实施例中，第二导电膜和第一导电膜在结构上是对称的。于是，反向方向上的初始电特性类似于正向方向上的初始电特性，当施加电压时，在反向方向的电特性中产生的变化非常类似于在正向方向上发生的电特性的变化。
注意在反向方向上，不同于从阴极发出电子的正向方向，电子从控制电极发出。这意味着反向方向上，促成发射电流Ie的电子发射点完全不同于正向方向上的那些电子发射点。
于是，虽然在这两种情况下，都是朝着阳极发射电子，但是到达点不同。
在图10中，实线38表示在执行特性调整过程，以致阴极2和控制电极3之间的电压被改变成-Vg1，随后返回到0(伏)，并再次改变成-Vg1之后获得的电特性曲线。实线39表示在驱动电子发射器件，以致驱动电压首先被改变成-Vg2，随后返回到0(伏)，并再次改变成-Vg2之后获得的电特性曲线。从而，为了发射电子而需要的阈电压Vth从Vth_r1被增大到Vth_r2，并且Ie发生对应的变化。在图10中的Ie轴左侧所示的虚线是当在特性调整过程中，使施加的电压连续从0(伏)改变成-Vg2，而不返回0(伏)时获得的发射电流的曲线图。
在图10中，在施加的电压被改变到-Vg2，随后返回0(伏)(在特性调整过程中)之后，如果通过施加驱动电压，同时把驱动电压改变成-Vg2，驱动电子发射器件，那么发射电流Ie在大于-Vg2的范围中沿着实线39变化。
如果进一步施加更大的反向电压，那么反向阈电压进一步增大。例如，施加-Vg3的电压，随后使施加的电压返回0(伏)，并再次把施加的电压改变成-Vg3会导致反向阈电压增大到Vth_r3。这种情况下，反向电特性曲线由实线40给出。
从而，在使电子发射器件投入实际使用之前，通过沿反向方向对电子发射器件施加比沿正向方向施加的最大电压更大的最大电压Vmax，从第二导电膜发射电子所需的阈电场Eth_r可被增大到比从第一导电膜发射电子所需的阈电场Eth_f更大的值。从而，电子发射器件的电特性变得不对称。
如上所述，在本发明中，虽然借助简单的工艺过程，以对称结构的形式制造电子发射器件，不过通过执行特性调整过程，能够获得不对称的电特性。注意根据本发明的特性调整过程是对电子发射部分没有不良影响，或者不良影响很小的电处理过程，从而能够获得稳定的电特性。
当在根据本发明进行特性调整过程之后，在实际操作中驱动电子发射器件(发出电子)时，最好这样驱动电子发射器件，以致发射电流不超过特性调整过程中的最大发射电流(实际上，以致电场强度不超过在特性调整过程中，用于发射电子的最大电场强度，即，以致正向施加的电压不超过在特性调整过程中，为了发射电子而沿正向方向施加的最大电压)。通过按照上述方式驱动电子发射器件，能够保持借助特性调整过程获得的I-V特性。注意“借助特性调整过程获得的I-V特性的保持”并不意味着在较长一段时间内，电子发射器件的I-V特性不会发生任何退化。
现在说明沿反向方向施加的最大电压和驱动电压之间的关系。
图10中还表示了当反向施加的电压被增大到-Vg4，随后返回0(伏)，并被再次增大到-Vg4时产生的电特性的变化。从图10可看出，反向阈电压进一步增大到Vth_r4。
图11A表示在特性调整过程中，对电子发射器件施加电压的方式的一个例子，图11B表示在实际操作中，驱动电子发射的方式的一个例子。
在图11A中，在阴极和控制电极之间施加一系列不断变化的电压脉冲，同时把阳极4的阳极电压保持为Va。脉冲电压在正向和反向方向上被交替施加，并且在正向方向上强度从低于Vg1增大到Vg2，在反向方向上强度从高于-Vg1增大到-Vg4，以便把正向方向上的阈电压设定在Vg2，把反向方向上的阈值设定在Vg1。在图11A中所示的特性调整过程之后，反向方向上的阈电压Vth_r4大于正向方向上的驱动电压Vg2。于是，当施加电压-Vg2，即，沿反向方向施加其绝对值等于驱动电压Vg2的电压时，基本上不产生任何发射电流。
这使得能够驱动电子发射器件，以致如图11B中所示，在关闭周期内沿反向方向施加其绝对值等于驱动电压的电压。这种驱动方向需要的驱动电路较简单。
当然，也可使用图9C中所示的驱动方法。当使用图9C中所示的驱动方法时，同样最好的是通过在特性调整过程中，沿反向方向施加最大电场，充分增大反向方向上的阈电场Eth_r，因为反向方向上的大的阈电场Eth_r允许电子发射器件可度可靠地工作，而不会受尖峰噪声等的影响。
下面说明施加最大电压的方法。
在根据本发明的特性调整过程中，通过对汲取电极(控制电极和/或阳极)施加电压发出电子。在特性调整过程中，和沿正向方向施加的电压相比，沿反向方向施加更大的电压，从而在特性调整过程中，从控制电极发出的电流大于在器件的实际操作期间发出的电流。于是，必须进行特性调整过程，以便电子发射器件不会被在特性调整过程期间产生的发射电流破坏。
为此，重要的是防止在特性调整过程中发生由归因于电子汲取，从阳极发出的气体导致的放电。为此，重要的是保护足够高的真空度。
在特性调整过程中，可对电子发射器件施加电压，以致在特定的时期内施加具有固定脉冲高度的脉冲，或者以致脉冲高度逐渐增大。后一种方法更可取，虽然也可采用前一种方法。在后一种方法中，如果需要，在特性调整过程中可监视真空度和/或其它参数，并且可根据监视的真空度，控制电压的增大。
换句话说，沿反向方向施加过高的电压并不可取。即，如上所述，在反向方向上施加的电压应被确定，以致能够获得实际操作中所需的恰当on/off比。
在特性调整过程中，最好对阳极和控制电极都施加电压，虽然不一定需要对阳极施加电压。尤其是当阳极对电场的影响较大时，这样做更可取。
如果没有对阳极施加任何电压(只在阴极和控制电极之间施加电压)，那么强加于发出的电子的电场的分布不同于实际操作中，强加于发出的电子的电场的分布。当没有对阳极施加任何电压时，一些发出的电子朝着相对电极移动。
当沿反向方向施加电压时，从控制电极发出的电子朝着阴极移动。当电子与阴极碰撞时，一些电子被阴极吸收，阴极被加热。电子的碰撞和加热可对阴极上的电子发射膜产生不利影响，会发生电子发射特性的退化。
于是，特性调整过程中的电场分布最好与实际操作中的电场分布类似。
当包括电子发射器件的电子发射设备具有三端子(三极)结构(包括三个电极，即，阳极、阴极和栅电极)时，在特性调整过程中，这三个电极最好被这样布置，使它们的相对位置和实际操作中它们的相对位置类似。这也适用于四端子结构的电子发射设备。
现在，说明根据本发明的电子发射器件的应用例子。通过在基体上排列根据本发明的多个电子发射器件，能够产生诸如电子源和图像显示装置之类的电子发射设备。
可按照各种方式排列电子发射器件。例如，多个电子发射器件沿X和Y方向被排列成矩阵形式，电极被连接，以致排列在同一行中的各个电子发射器件的阴极2(或控制电极3)都与沿X方向延伸的布线连接，排列在同一列中的各个电子发射器件的控制电极3(或阴极2)都与沿Y方向延伸的布线连接。这种排列也称为矩阵排列。
下面参考图12，说明通过把根据本发明的多个电子发射器件排列成矩阵形式而产生的电子源的例子。在图12中，附图标记41表示电子源基体，附图标记42表示沿X方向延伸的各行布线，附图标记43表示沿Y方向延迟的各列布线，附图标记44表示根据本发明的一个电子发射器件。矩阵的每个正方形(它包括阴极2，控制电极3和与每个电极连接的膜5)包含一个不同的电子发射器件44。每个电子发射器件44的阴极2与一行布线42连接，每个电子发射器件44的控制电极与一列布线43连接。
借助真空蒸发、溅射或印刷，用金属材料形成X方向上的m个布线42(包括布线Dx1、Dx2、Dx3、Dx4、...、Dxm)。如同本领域技术人员已知那样，恰当地确定布线的特定材料、厚度和宽度。以类似于X方向上的布线42的方式，形成Y方向上的n个布线43(包括布线Dy1、Dy2、Dy3、Dy4、...、Dyn)。利用中间层绝缘层(未示出)，使X方向上的m个布线42和Y方向上的n个布线43电绝缘。注意n和m是任意整数。
借助真空蒸发、溅射或印刷，用例如SiO2形成中间层绝缘层(未示出)。例如，在基体41上形成X方向上的布线42之后，在基体41的整个表面上，或者在基体41的表面的某一具有特定形状的区域上形成中间层绝缘层。确定中间层绝缘层的材料、厚度和制造方法，以致在X方向上的布线42和Y方向上的布线43之间的任意交叉点不发生电击穿。X方向上的每个布线42的端部和Y方向上的每个布线43的端部延伸，以致它们起外部端子的作用。
借助X方向上的m个布线42，按照上述方式电连接各个电子发射器件44的阴极2，借助Y方向上的n个布线43，按照上述方式电连接各个电子发射器件44的控制电极3。
在布线由和阴极2及控制电极3相同的材料形成的情况下，布线42和布线43可分别被看作阴线布线和控制电极布线。
X方向上的布线42与扫描信号施加装置(未示出)连接，以便施加扫描信号，选择其中沿X方向排列电子发射器件44的一行。Y方向上的布线43与调制信号产生装置(未示出)，以便根据输入信号，调制排列在沿Y方向延伸的各列中的电子发射器件44。以对电子发射器件施加的扫描信号的电压和对相同电子发射器件施加的调制信号的电压之间的差值的形式，给出对每个电子发射器件44施加的驱动电压。虽然在本例中，对阴极2施加扫描信号，对控制电极3施加调制信号，不过也可对阴极2施加调制信号，对控制电极3施加扫描信号。
在按照上述方式构成的电子发射源中，借助简单的矩阵布线，能够独立地选择和驱动单个的电子发射器件44。如下参考图13所述，通过利用其中以简单矩阵的形式排列电子发射器件的这种电子发射源，能够制造图像显示装置。图13是表示根据本发明的图像显示装置的显示面板的一个例子的示意图。
在图13中，附图标记41表示其中布置多个电子发射器件的电子源基体，附图标记51表示固定电子源基体41的后面板，附图标记56表示由玻璃基体构成的前面板，附图标记54表示充当图像形成部件的发光膜(荧光膜)，附图标记55表示金属衬底(metal back)55，其中发光膜54和金属衬底55被布置在玻璃基体53的内表面上。当在该图像显示装置上显示图像时，发光膜54充当屏幕。附图标记52表示借助玻璃料(fritglass)等，后面板51和前面板56与之连接的支承框架。通过在400～500℃的温度下，在大气气氛或氮气气氛中进行烘烤操作，上述各个部分被组合在一起并被密封，以致前面板56，支承框架52和后面板51形成外壳(显示面板)57。
外壳(envelop)57由前面板56，支承框架52和后面板51形成。
布置后面板51主要是为了增强基体41的机械强度。当基体41具有足够高的机械强度时，不必需要后面板51。这种情况下，支承框架52被直接放置在基体41上，前面板56被放置在支承框架52上，它们被结合在一起，从而形成外壳57。在前面板56和后面板51之间可布置称为隔离物的支承部分，以致外壳57具有足以经受大气压力的较高机械强度。
之后，排出外壳57内的空气。
更具体地说，在加热外壳(显示面板)57的时候，借助排气管(未示出)利用真空泵使外壳57的内部产生真空。在外壳57内部的压力变得足够低之后，密封排气管。在外壳57被密封之后，可进行吸气，以便获得更低的内部压力。可借助诸如Ba之类吸气材料的蒸发进行吸气，或者可借助非蒸发吸气技术进行吸气。虽然在上述例子中，在把各个部分装配成外壳的形式之后进行排气，不过如果在真空中进行装配，那么不需要排气。
在利用矩阵电子源制造的该图像显示装置中，通过对外部端子Dx1～Dxm和Dy1～Dyn施加电压，可选择并驱动任意电子发射器件，从而从选择的电子发射器件发出电子。如果通过高压端子58对金属衬底55或透明电极(未示出)施加高电压Va，那么发出的电子被加速。加速的电子与荧光屏54碰撞，产生荧光。从而形成图像。
利用上面参考图13说明的根据本发明的显示面板57，能够产生信息显示/重放设备。
信息显示/重放设备包括接收广播信号，例如电视信号的接收单元，选择接收信号之一的调谐器，和显示或重放包括在选择的信号中的图像信息、文本信息和音频信息至少之一的显示面板。这种信息显示/重放设备的一个具体例子是电视接收机。在收到编码广播信号的情况下，信息显示/重放设备需要包括一个解码器。注意音频信号被输出给单独布置的音频再现装置，例如扬声器，以致根据音频信号，与在显示面板上显示的图像信息或文本信息同步地产生声音/话音。
下面更详细地说明在显示面板的屏幕上显示或重放图像信息或文本信息的技术。首先，根据接收的图像信息或文本信息产生与显示面板的各个象素对应的图像信号。产生的图像信号被输入显示面板57的驱动电路。根据输入的图像信号，驱动电路控制施加给显示面板中的各个电子发射器件的电压，从而在显示面板上显示图像。
图19是根据本发明的电视接收机的方框图。电视接收机包括接收并处理广播信号的单元(在本实施例中，该单元是机顶盒STB)，和根据广播信号显示图像的显示装置C10。机顶盒STB包括接收地面或卫星广播电视信号或数据广播信号的接收电路C20，接收电路C20包括调谐器和解码器。接收信号被解调/解码，所得到的图像数据被输出给STB的I/F(接口)单元C30。I/F单元C30把接收的图像数据转换成适合于显示装置C10使用的格式，并把所得到的图像数据输出给显示装置C10的控制电路C13，显示装置C10还包括显示面板57(在本实施例中由C11表示)和驱动电路12。控制电路C13对输入的图像数据进行图像处理，比如纠错处理，以便把图像数据转换成最适宜于显示面板C11的数据，控制电路C13把所得到的图像数据连同各种控制信号一起输出给驱动电路C12。根据接收的图像数据，驱动电路C12在显示面板C11的各个布线(图12中所示的Dx1～Dxm和Dy1～Dyn)上输出驱动信号，从而在显示面板C11上显示图像。接收电路C20和I/F单元C30可与图像显示装置C10分离地被布置在另一机壳中，如同图19中所示的机顶盒STB的情况一样，或者可和图像显示装置一起被布置在一个机壳中。
I/F单元C30可被形成为具有连接图像记录设备或图像输出设备，例如打印机、数字摄像机、数字照相机、硬盘驱动器(HDD)、或数字视频光盘(DVD)的能力。这使信息显示/重放设备(电视接收机)能够在显示面板57上显示记录在图像记录设备上的图像。另外还能够根据需要修改显示在显示面板57上的图像，并把所得到的图像输出给图像输出设备。
注意上述信息显示/重放设备是许多可能例子中的一个，各种修改都是可能的。通过连接根据本发明的信息显示/重放设备和诸如视频会议系统或计算机系统之类的系统，能够以各种方式实现信息显示/重放系统。
另外在根据本发明的图像显示装置中，在使图像显示装置进入实际操作之前，可进行上述特性调整过程。这使图像显示装置能够稳定并且高度可靠地工作。可在制造电子源基体之后，通过在电子源基体和准备的专供特性调整过程使用的阳极基板之间形成电场，执行特性调整过程，或者可在制造显示面板(外壳)57之后执行特性调整过程。最好在密封外壳之外执行特性调整过程。
在上述实施例中，在各个电极被放置在与电子发射设备中的相对位置类似的相对位置的状态下，执行特性调整过程。但是，在本发明中，各个电极的位置并不局限于这样的位置。即，在特性调整过程中，所必需的是阴极(控制电极)施加比当电子发射设备实际工作时对阴极(控制电极)施加的电场更高的电场，可根据电子发射设备的各个电极的相对位置确定要施加的必需电场。例如，在把各个部分装配成显示面板之前进行特性调整过程的情况下，阳极可被放置在与阴极的间隔距离大于在所有部分被装配成显示面板的状态下阳极和阴极之间的距离的位置，对阳极施加的电压可被调整，以致电场变成等于Emax。
特性调整过程也可被用于降低会在电子发射器件的制造过程中发生的电子发射器件之间的I-V特性的变化。
即，执行特性调整过程，改变各个电子发射器件的特性，以致所有电子发射器件具有基本相等的Ie(电子发射电流)和/或If(在阴极和栅电流之间流动的电流)。通过按照上述方式调整各个电子发射器件的特性，能够改进在显示装置上显示的图像的均匀性。
下面参考图14A和14B说明驱动简单矩阵电子源的例子。在这些图中，沿着在X方向上成行延伸的表示成Dox的布线或扫描线施加扫描信号，而沿着在Y方向上成列延伸的表示成Doy的布线或信号线施加调制信号。这些图中表示了两个扫描线，其中一个扫描线对两个电子发射器件施加电压Vs，另一个扫描线对两个电子发射器件施加电压Vns。这些图中表示了两个信号线，其中一个信号线对两个电子发射器件施加电压Vm，另一个信号线对两个电子发射器件施加电压Vnm。
这里，假定逐行进行扫描，并且施加脉宽调制电压。为了简便起见，表示了其中之一处于接通(on)状态，另一处于关闭(off)状态的两个扫描线，其中之一处于接通状态，另一处于关闭状态的两个信号线，并且表示了电子发射的四种可能状态。
在图14A中，对处于接通状态的扫描线施加电压Vs，而对处于关闭状态的扫描线施加电压Vns。另一方面，对处于接通状态的信号线施加电压Vm，而对处于关闭状态的信号线施加电压Vnm。
当扫描线和信号线都处于接通状态时，对应的电子发射器件被选择(接通)，对选择的电子发射器件施加等于Vm-Vs的电压。即，等于Vm-Vs的电压起驱动电压的作用。当扫描线和信号线都处于关闭状态时，对应的电子发射器件不被选择(被关闭)，对不被选择的电子发射器件施加等于Vnm-Vns的电压。当扫描线或者信号线处于关闭状态时，对应的电子发射器件被施加等于Vm-Vns或Vnm-Vs的电压。这种状态下的任意电子发射器件也不被选择(被关闭)。其中只有扫描线和信号线之一处于关闭状态的状态被称为半选择状态，以便与非选择状态区分开。
图14A和14B表示了驱动电子发射器件的方式的一个例子。
在图14A中所示的例子中，12.5伏的半选择电压等于25伏的正向驱动电压的一半。就该驱动方法来说，在实际操作中，当电子发射器件处于非选择状态或者处于半选择状态时，不对任何电子发射器件施加任何反向电场，从而该驱动方法也可被应用于没有利用根据本发明的制造工艺制造的电子发射器件。但是，为了使半选择电子发射器件保持关闭状态，正向阈电压Vth_f必须大于半选择电压。
在图14B中所示的例子中，不对半选择电子发射器件(即接受电压Vnm和Vs，和接受电压Vm和Vns的电子发射器件)施加电压(0(伏))，从而半选择电子发射器件易于被关闭。但是，当电子发射器件未被选择(即，电子发射器件接受电压Vns和Vnm)时，在反向方向上施加等于驱动电压的电压。于是，这种驱动方法不能用于电子发射器件，除非电子发射器件按照本发明的制造工艺制造。为了使用这种驱动方法，反向阈电压Vth_r必须大于驱动电压，以致当电子发射器件不被选择时，电子发射器件被关闭。
这可通过如前参考图11所述那样，执行特性调整过程从而增大反向阈电压来实现。
下面说明电子源的驱动中的on/off比，和图像显示装置上的半色调表现。
通过调制对电子源施加的脉冲的电压幅度或者脉冲宽度，或者借助这些方法的组合来实现半色调表现。总之，通过改变脉冲供给的电荷的总量来实现半色调表现(halftone representation)。
on/off比的简单定义是对(处于接通状态的)电子发射器件施加的脉冲产生的电荷的最大量(即从阴极流出的最大电流)与对处于半选择或非选择状态(关闭状态)的电子发射器件施加的脉冲产生的电荷的数量(即从阴极流出的电流)的比值。
就图像显示装置来说，on/off比是在接通状态下驱动图像显示装置的状态下的荧光强度与在关闭状态下驱动图像显示装置的状态下的荧光强度的比值(对比度)。on/off比越大，图像显示装置的对比度越大。
当对比度变得更大时，整个强度(intensity)范围可被分成更大量的强度级，从而能够实现更高质量的半色调表现。
图像显示装置的对比度优选大于100∶1，最好大于1000∶1。为了获得这样的对比度，电子源的on/off比优选大于1000∶1，最好大于10000∶1。
图15A和15B是表示根据本发明的电子发射器件的一个实施例(第二实施例)的示意图。
图15A是正被驱动的电子发射器件的横截面图，图15B是电子发射器件的平面图。在这些图中，附图标记1表示基板，附图标记2表示阴极，附图标记3表示控制电极，附图标记4表示阳极，附图标记5表示电子发射膜，附图标记6表示驱动电源，附图标记7表示阳极电源，附图标记61表示绝缘层，附图标记65表示开口。在该电子发射器件中，当在阴极2和控制电极3之间施加驱动电压Vg(伏)，并对阳极4施加高于Vg的电压Va(伏)时，从第一导电膜(电子发射膜5)发出电子，流出电子发射电流Ie[A]。
在根据本发明的电子发射器件的第二实施例中，彼此不对称地形成阴极和控制电极(栅电极)。电子发射膜5的材料可有意或无意地形成于控制电极(栅电极)上。
根据本发明的第二实施例的制造过程还包括制造电子发射器件的过程，和调整电子发射器件的电子发射特性的过程，如同第一实施例中一样。
在第二实施例中，在特性调整过程中扩展不对称性。
参见图16A-16F，下面说明制造最好具有图15中所示结构的电子发射器件的过程的例子。
步骤1
首先，制备由石英玻璃，包括低浓度杂质，例如Na的玻璃，钠钙玻璃，其顶层为SiO2层的多层基体，或者绝缘陶瓷基体构成的基板1。在充分清洁基板1的表面之后，在基板1上层叠形成阴极2，绝缘层61和控制电极3(图16A)。
利用常见的真空薄膜形成技术，例如气相沉积或溅射，可形成阴极2和控制电极3。阴极2和控制电极3的材料可选自金属材料，例如Be、Mg、Ti和Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt和Pd，或者它们的合金。阴极2的厚度和控制电极3的厚度优选在几十纳米～几毫米的范围内，最好在几百纳米～几微米的范围内。
利用常见的真空薄膜形成技术，例如溅射方法，CVD方法或者真空蒸发方法形成绝缘层61。确定电子发射器件的电特性的阈电场取决于阴极2和栅电极3之间的距离。阴极2和栅电极3之间的距离由绝缘膜61的厚度决定。从而，绝缘膜61的厚度被这样确定，以致能够获得必需的电特性。通常，在几纳米～几百微米的范围中选择绝缘膜61的厚度，最好在几百纳米～几微米的范围中选择绝缘膜61的厚度。最好使用具有允许绝缘层61经得起高电场的高介电强度的材料作为绝缘膜61的材料。具体的例子包括SiO2、SiN、Al2O3和CaF。
步骤2
借助光刻术，形成将在形成开口65的蚀刻工艺中用作掩模的光致抗蚀剂图案63(图16B)。
步骤3
随后进行蚀刻，形成开口65(图16C)。控制电极3和绝缘膜61最好被蚀刻成获得平直的蚀刻表面。根据控制电极3和绝缘膜61的材料，可使用恰当的蚀刻方法，例如干蚀刻或湿蚀刻。
步骤4
除去掩模63。从而获得图16D(图15)中所示的结构。
根据电子发射器件的材料，材料的电阻，和要发射的电子发射束的形状，确定开口宽度W(示于图15中)。通常，W最好被设置在几百纳米～100微米的范围内。
步骤5
随后沉积碳层5。
更具体地说，如图16E中所示，借助在与形成碳层5的位置对应的位置存在开口的掩模64，沉积碳层5，如图16F中所示。
如同第一实施例中一样，最好以允许低强度电场中的电子发射的恰当结构，用恰当的材料形成碳层5。
根据需要，可进行后处理，以增强发射电子的能力。例子包括退火和等离子体处理。在形成如图6中所示的表面端接层(偶极层)的情况下，最好在本阶段进行所述后处理。
步骤6
随后，进行表征本发明的特征调整过程。
在该步骤中，如同在根据第一实施例的特征调整过程中一样，施加反向电场以改变电特性，如图17中所示。
在第二实施例中，由于不对称结构的缘故，在初始状态下，反向阈电场(Vth_r1)大于正向阈电场(Vth_f1)(图17中开始于Vth_r1的虚线表示当反向阈电场被设置成Vth_r1时，电流Ie对施加电压的相关性)。但是，相对于正向阈电场(Vth_f1)，初始状态下的反向阈电场(Vth_r1)并不是足够大。如果如图11B中所示驱动电子发射器件，那么反向阈电场的不足初始量值会导致在非选择状态(关闭状态)下发出电子。
从而，在该特性调整过程中，反向阈电场被增大到比由图17中的Vth_r2表示的驱动电压的绝对值更大的值，以致能够使用图11B中所示的驱动方法。这是通过对电子发射器件施加比在特性调整过程中为获得Vth_r1而施加的反向电压更大的反向电压来实现的。始于图17中的Vth_r2的实线表示当反向阈电场被设置成Vth_r2时，电流Ie对施加电压的相关性。应注意如同前面的实施例中一样，通过把对电子发射器件施加的电压增大到预定电压，使该电压返回0，并再次把该电压增大到所述预定电压，设置本实施例中的各种正向和反向阈电场。
在根据本发明的电子发射器件中，由于来自沉积在栅电极上的电子发射材料的电子发射，会产生反向方向上的发射电流Ie。但是一旦执行了特性调整过程，正常工作中来自栅电极上的电子发射材料的这种电子发射被抑制。
在本发明的第二实施例中，如上所述，虽然在制造过程的最终阶段形成电子发射膜，不过不使电子发射膜与任意溶液，例如光致抗蚀剂去除液接触。即使电子发射膜的材料被沉积在接近栅电极的区域中，也能获得良好的电子发射特性。
另外，在根据第二实施例的电子发射器件中，可按照如同第一实施例中所述的类似方式，进行正向特性调整过程，以控制电子发射器件的电子发射特性。这使得能够降低电子源或图像显示装置中的电子发射器件之间I-V特性的变化。可用根据第二实施例的电子发射器件简单地代替在根据第一实施例的电子源或图像显示装置中使用的电子发射器件。
例子
下面参考例子更详细地说明本发明。
例1
说明基于图8和9中所示的制造方法的具体例子。
制造包括具有图6中所示的偶极层11的碳层5的电子发射器件。
步骤1
首先，制备石英玻璃的基板1。在充分清洗基板1之后，通过在基体1上溅射厚度100纳米的TiN，形成将进一步形成阴极2和栅电极3的导电膜31(图8A)。
步骤2
随后在氩气气氛中，利用石墨作为靶，溅射形成厚度4纳米的碳层5。所获得的碳层5的电阻率为1×1011Ω·cm(图8B)。
步骤3
利用光刻工艺产生厚度1微米的光致抗蚀剂掩模33(图8C)。
步骤4
随后，相继干蚀刻碳层和TiN电极。为了完全地蚀刻TiN电极，进行过蚀刻，直到石英基板被轻微蚀刻为止(图8D)。
步骤5
之后，利用去除剂除去光致抗蚀剂掩模(图8F)。
随后，按照下述条件，利用热处理炉(未示出)，在甲烷和氢的混合气体的环境气氛中对碳层5进行热处理。
热处理温度：600℃
加热方法：灯加热
处理时间：60分钟
气体比：甲烷∶氢＝15∶6
热处理时的压力：6KPa
在该步骤中，在碳层5的表面上形成偶极层11。这阶段的碳层5的表面的平直度达到rms＝0.2纳米(对通过在Si基体上只沉积一层薄膜，并进行热处理产生的样本测量该表面的粗糙度)。
步骤6
借助上述步骤形成的图15A和15B中所示的电子发射器件被置入真空室中，同时包括涂有磷的ITO(氧化铟锡)层的阳极4被放置在与阴极2的间隔距离H为3毫米的位置。
这种状态下，根据图9B中所示的过程，沿正向方向，随后沿反向方向对电子发射器件施加最大电压。
在施加最大电压的步骤中，Va和Vg都被施加。
更具体地说，Va被设置成5千伏，脉冲宽度1毫秒，重复频率500Hz，占空度50％的脉冲被用于施加Vg。Vg1、Vg2和Vg3分别被设置成18伏、25伏和32伏。
从而，发出电子所需的阈值被增大为Vth_f1＝-Vth_r1＝8伏，Vth_f2＝-Vth_r2＝13伏，Vth_r3变成-16伏。
即，在完成特性调整过程之后，正向方向和反向方向上的阈电压分别变成Vth_f＝13伏和Vth_r＝-16伏。
置于真空室中的电子发射器件由模拟调制电压V＝13～25伏驱动。响应脉冲高度的变化，调节亮度。对于25/13伏的驱动电压，获得高达500∶1的on/off比(即，当正向驱动电压为25伏时产生的发光与当正向驱动电压为13伏时产生的发光的比值为500∶1)，从而获得高的对比度。
尽管平直度较高，本发明的电子发射器件的阈电场仍然较低。更具体地说，通过施加15伏/微米的电场，本例中产生的碳层5能够被驱动(发出电子)。
如上所述，尽管结构简单并且对称，不过所制造的电子发射仍能够在低电场下发出电子，并且能够高度稳定地工作。
例2
在例2中，使用图2中所示的碳膜。
步骤1
按照类似于例1的步骤1相似的方式进行步骤1。
步骤2
随后，为了形成碳层5，利用HFCVD(热丝化学气相沉积)法，沉积厚度30纳米的DLC膜。获得的DLC膜的电阻率高达1×1012Ω·cm。采用的生长条件如下：
气体：CH4
基材偏压：-50伏
气体压力：267mpa
基材温度：室温
灯丝：钨
灯丝温度：2100℃
随后，通过利用25keV的能量把钴注入碳层5中，使剂量达到3×1016cm-2，用钴掺杂碳层5。
步骤3-5
除了根据碳膜的膜厚，调整干蚀刻条件之外，按照和例1中相似的方式进行步骤3-5。
随后，在己炔(0.1％)和氢(99.9％)的混合物的气氛中，用灯在550℃下进行60分钟的热处理。从而获得完成的电子发射器件。
碳层5的表面的平直度达到rms＝0.5纳米(对通过在Si基体上只沉积一层薄膜，并进行热处理产生的样本测量该表面的粗糙度)。
步骤6
如同例1中一样，通过上述步骤形成的电子发射器件被置于真空室中，同时包括涂有磷的ITO层的阳极4被放置在与阴极2的间隔距离H为2毫米的位置。
这种状态下，根据图9B中所示的过程，对电子发射器件施加最大电压。更具体地说，Va被设置成10千伏，脉冲宽度5毫秒，重复频率40Hz，占空度20％的脉冲被用于施加Vg。Vg1、Vg2和Vg3分别被设置成20伏、30伏和45伏。
从而，发出电子所需的阈值被增大为Vth_f1＝-Vth_r1＝10伏，Vth_f2＝-Vth_r2＝18伏，Vth_r3变成-25伏。
即，在完成特性调整过程之后，正向方向和反向方向上的阈电压分别变成Vth_f＝18伏和Vth_r＝-25伏。
在把电子发射器件保存在真空室中的时候，如图9C中所示，用幅度为35伏的脉宽调制信号驱动电子发射器件。根据脉冲宽度调制从由磷构成的阳极4发出的光线的强度。对于35/0伏的驱动电压，获得高达1000∶1的on/off比(即，当正向驱动电压为35伏时产生的发光与当正向驱动电压为0伏时产生的发光的比值为1000∶1)，从而获得高的对比度。
尽管碳层5的平直度较高，电子发射器件的阈电场仍然足够低。驱动电子发射器件所需的电场为20伏/微米。
从而，例2的电子发射器件的驱动性能和例1的一样优良。
在本例中，借助在气体环境中进行的退火(步骤5)，注入DLC膜中的钴微粒聚集在一起。从而，呈晶体形式的钴微粒团9分散在碳层5中。通过退火，在DLC膜中也发生改变。利用TEM(透射电子显微镜)对DLC膜的观察显示DLC膜局部变成石墨。
钴微粒团导致导电率的局部增大。从而，每个钴微粒团附近的电子能够容易地到达表面。此外，钴微粒团和DLC膜之间介电常数的差别导致电场集中在每个微粒团的尖端，使得电子发射更易于发生。
在本例中，如同例1中一样，实现从平直度良好的电子发射膜的稳定电子发射。
本例的碳层具有离散的电子发射点。电子发射点密度取决于钴的浓度和钴微粒的大小。
虽然在本例中，钴微粒被用作导电微粒，不过也可使用其它金属微粒。此外，基体材料并不局限于DLC膜。
例3
制造具有图15A和15B中所示结构的电子发射器件。
步骤1
首先，制备石英玻璃基板1。在充分清洗基板1之后，溅射沉积厚度500纳米的Ta膜，从而形成阴极2。
步骤2
之后，通过沉积厚度(h)1微米的SiO2膜，形成绝缘膜61，随后通过沉积厚度100纳米的Ta膜，形成栅电极3。
步骤3
随后，利用光刻技术形成掩模图案。更具体地说，旋转涂覆正性光致抗蚀剂(可从Clariant公司获得的AZ1500)，并使之暴露于光掩模图案之下。随后进行显影，从而形成掩模图案。
步骤4
通过把掩模图案用作蚀刻掩模，利用CF4干蚀刻Ta形成的栅电极3，随后利用缓冲的氢氟酸蚀刻SiO2膜17，从而形成W＝5微米的开口。
步骤5
完全去除掩模图案。
步骤6
之后，如图16E中所示，借助具有直径100微米的开口的金属沉积掩模，利用热丝CVD(HF-CVD)法，沉积厚度100纳米的无定形碳。
在下述条件下利用HF-CVD法沉积无定形碳层。
灯丝：钨
灯丝温度：1800℃
基材温度：室温
气体：甲烷
气体压力：0.1Pa
基材和灯丝之间的距离：50毫米
基材偏压：350伏(施加于导电膜31)
虽然在室温进行沉积过程，不过通过用从灯丝发出的电子辐射基材的表面，基材的表面被充分激活，以致气体被分解，沉积无定形碳层。利用TEM观察产生的无定形碳层。观察显示无定形碳层不是完全而是部分具有石墨结构。虽然存在详细表面的不均匀度，不过表面粗糙度Rms＝6纳米(当使n+-Si基体只沉积一层薄膜时测量表面粗糙度)。
如同例1和例2中一样，借助上述步骤形成的电子发射器件被置于真空室中，同时包括涂有磷的ITO层的阳极4被放置在与阴极2的间隔距离H为2毫米的位置。
随后，对电子发射器件施加最大电压，以便获得图17中所示的电特性。更具体地说，Va被固定成10千伏，按照图9B中所示的方式，以脉冲高度(Vg2)-85伏，脉冲宽度1毫秒，重复频率500Hz，占空度50％的脉冲的形式施加Vg。以便进行特性调整过程。
作为施加电压的结果，反向阈电压从初始值50伏(Vth_r1)改变成65伏(Vth_r2)。
在把电子发射器件保存在真空室中的时候，如图9C中所示，用脉宽调制信号驱动电子发射器件。在图9C中，Vg3被设置成60伏。根据脉冲宽度调整从由磷构成的阳极4发出的光线的强度。对于60/0伏的驱动电压，获得大于1000∶1的on/off比(即，当正向驱动电压为60伏时产生的发光与当正向驱动电压为0伏时产生的发光的比值为1000∶1)，从而获得高的对比度。
通过施加50伏/微米的电场，能够驱动本例中制造的电子发射器件。
Eg由阴极和控制电极之间的距离决定。在根据第二实施例的电子发射器件的结构中，阴极和控制电极之间的距离由绝缘层61的厚度h决定。从而，第二实施例中，阴极和控制电极之间的距离能够小于根据第一实施例的阴极和控制电极之间的距离。这使得能够用较小的驱动电压驱动电子发射器件。电子束直径取决于开口的直径W。通过降低开口的直径W，能够减小电子束尺寸。
在每个电子发射器件中可形成许多开口。每个开口的形状并不局限于圆形，相反可用另一形状，例如矩形形成每个开口。
虽然本例的电子发射器件能够在低强度电场中发出电子，电子发射特征长时间不发生任何变化。
在本例的制造过程中，在沉积电子发射材料之后，电子发射材料不被暴露于诸如蚀刻剂或去除剂之类的化学物质，从而不会发生电子发射特性的退化。本例中采用的过程也可用于具有直径W小于5微米的开口的结构。
例4
制造具有1000×1000电子发射器件阵列的电子源基体41。利用图1中采用的过程制造该电子发射器件阵列。随后利用电子源基体制造图像显示装置。
产生布线42和43，使沿X方向延伸的每个布线42与位于对应行中的电子发射器件44的阴极2连接，沿Y方向延伸的每个布线43与位于对应列中的电子发射器件44的栅电极3连接。相邻电子发射器件44之间的距离在X方向和Y方向上都被设定为300微米。
制造的电子源基体41被放置在后面板51上并被固定。随后把框架52放置在电子源基体41上，由荧光膜54和充当阳极4的金属衬底55构成的前面板56被放置在框架52上，它们被结合在一起，从而形成图13中所示的面板。
电子源基体41和前面板56之间的距离H被设置为3毫米。
这种状态下，进行特性调整过程，以致对于所有电子发射器件来说，最大正向电压下的发射电流Ie变得基本相等。
更具体地说，在每个电子发射器件44的阴极2和栅电极3之间施加电压Vg2＝25(伏)，所得到的每个电子发射器件44发射电流Ie被保存在存储器中。对于具有较大发射电流的电子发射器件，进一步施加稍大的正向电压，以致当施加标准驱动电压(本例中为25伏)时，所有电子发射器件44具有基本相等的发射电流。
从而，由电极间距离的变化引起的所需驱动电压的变化被纠正，以致获得基本相同的电流。
之后，沿反向方向施加比最大正向电压大1.5倍的电压，即40伏的电压。
如图14A中所示驱动获得的图像显示装置。
电压被设定成Vs＝0伏，Vns＝12.5伏，Vm＝25伏，Vnm＝12.5伏和Va＝5千伏。
如同例1中一样，对于每个电子发射部件，获得Eth_r＝13伏。由于Eth_r大于在半选择状态下施加的12.5伏，因此在半选择状态下获得良好的关闭状态特性。从而，当利用矩阵驱动方法驱动图像显示装置时，获得良好的显示性能。
在特性调整过程中，把图像显示装置中的所有电子发射器件的Ie调整为相同的值使得图像显示装置在整个屏幕内具有均匀的特性。此外，图像显示装置能够长时间非常稳定并且高度可靠地工作。
例5
制造和例4中的电子源基体41类似的电子源基体41，利用该电子源基体41制造具有图13中所示结构的面板。电子源基体41和前面板56之间的距离H被设定为1.5毫米。
实际操作中的阳极电压Va被设定为10千伏。
如下进行特性调整过程。
当沿正向和反向方向施加Vg1＝22伏时，获得图18A中所示的正向阈电场Vth_f1和反向阈电场Vth_r1。更具体地说，通过把对电子发射器件施加的电压增大到22伏的电压Vg1，使该电压返回0，并再次把该电压增大到22伏，在特性调整过程设定正向阈电场Vth_f1。通过把对电子发射器件施加的电压降低到-22伏的电压-Vg1，使该电压返回0，并再次把该电压降低到-22伏，在特性调整过程设定初始反向阈电场Vth_r1。
图18A中表示了所得到的I-V特性。作为施加Vg1＝22伏的结果，获得Vth_f1＝10伏。
虽然使用和例4中相同的电子源基体，不过由于Ea的差别，电特性不同于例4中的电特性。
即，与例4中的Eaav＝5千伏/3毫米＝1.67伏/微米相反，本例中Eaav＝10千伏/1.5毫米＝6.7伏/微米，从而本例中的Eaav是例4中的Eaav的四倍。
在图11B中所示的驱动方法中，在电子发射器件的实际操作中，在半选择状态下选择11伏。但是，该电压大于图18A中所示的Vth_r1，从而在半选择状态下不获得完全的关闭状态。
为了避免这种问题，在特性调整过程中，在反向方向上施加电压Vb2＝-30伏(即，对电子发射器件施加-30伏的电压，使该电压返回0伏，随后再次把该电压降低到-30伏)。从而，获得图18A中用实线表示的I-V特性，Vth_r被改变成Vth_r2＝24伏。
如图18B中所示驱动获得的利用电子发射源的图像显示装置。如图14A和14B中所示，在图18B中，沿着在X方向上延伸的表示为Dox的布线或扫描线施加扫描信号，而沿着在Y方向上延伸的表示为Doy的布线或信号线施加调制信号。在这些图中表示了两个扫描线，其中之一对两个电子发射器件施加电压Vs，另一个对两个电子发射器件施加电压Vns。在这些图中还表示了两个信号线，其中之一对两个电子发射施加电压Vm，另一个对两个电子发射器件施加电压Vnm。
电压被设置成Vs＝-11伏，Vns＝11伏，Vm＝11伏和Vnm＝-11伏。
在图18B中所示的驱动方法中，如上所述设置电压的情况下，对半选择电子发射器件施加0伏，对非选择电子发射器件施加-22伏，从而对于非选择和半选择电子发射器件，获得良好的关闭状态。从而，当利用矩阵驱动方法驱动图像显示装置时，获得良好的显示性能。
本例中，和例4中相比，需要较小的驱动电压。
此外，在本例中，由于Ea较大并且驱动电压较小，因此和例4中相比，获得较小的电子束尺寸。该结果指出能够降低相邻电子发射器件之间的距离(在X方向和Y方向上均降低到小于300微米的值)。
虽然参考例证实施例说明了本发明，不过本发明显然并不局限于公开的实施例。相反，本发明意图覆盖包括在附加权利要求的精神和范围内的各种修改和等同方案。下述权利要求的范围将被给予最宽广的解释，以便包含所有这样的修改和等同的结构及功能。

Claims (6)

1.一种制造电子发射器件的方法，所述电子发射器件包括具有电子发射部分的第一导电膜，和与第一导电膜间隔一定距离的第二导电膜，通过对第二导电膜施加比第一导电膜的电势高的电势，能够驱动该电子发射器件，所述方法包括：
制备第一导电膜，第二导电膜和构成第一导电膜的电子发射部分的材料的第一步骤，和
在第一步骤后，通过在正向方向上在第一导电膜和第二导电膜之间施加电压执行电子发射，使得第二导电膜的电势高于第一导电膜的电势，以及通过在反向方向上在第一导电膜和第二导电膜之间施加电压执行电子发射，使得第一导电膜的电势高于第二导电膜的电势，将在对第一导电膜施加比对第二导电膜施加的电势更高的电势的情形下启动电子发射所需的阈电场强度设置为大于在对第二导电膜施加比对第一导电膜施加的电势更高的电势的情形下启动电子发射所需的阈电场强度的值的第二步骤，
其中在反向方向上的电压的绝对值的最大值大于在正向方向上的电压的绝对值的最大值并且大于当电子发射器件被驱动时在第一导电膜和第二导电膜之间施加的电压的绝对值。
2.按照权利要求1所述的制造电子发射器件的方法，其中通过对电子发射部分施加小于1×106伏/厘米的电场，发射电子。
3.按照权利要求2所述的制造电子发射器件的方法，其中第一导电膜和第二导电膜相隔0.1微米或更大的距离。
4.按照权利要求1所述的制造电子发射器件的方法，其中电子发射部分由从碳纤维、具有布置在其表面上的偶极层的绝缘膜、主要由碳形成并且包括金属微粒的薄膜、以及无定形碳膜构成的组中选出的材料形成。
5.一种制造包括多个电子发射器件的电子源的方法，所述方法包括利用按照权利要求4所述的制造方法，制造所述多个电子发射器件的步骤。
6.一种制造包括电子源和荧光材料的图像显示装置的方法，所述方法包括利用按照权利要求5所述的制造方法制造电子源的步骤。
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