CN1705062A - 用于场致发射装置的长寿命场致发射极及其制造方法 - Google Patents

用于场致发射装置的长寿命场致发射极及其制造方法 Download PDF

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CN1705062A CNA200510074774XA CN200510074774A CN1705062A CN 1705062 A CN1705062 A CN 1705062A CN A200510074774X A CNA200510074774X A CN A200510074774XA CN 200510074774 A CN200510074774 A CN 200510074774A CN 1705062 A CN1705062 A CN 1705062A
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Abstract

提供一种用于场致发射装置(FED)的发射极，通过在基底和发射极之间插入一紫外线透射阻挡层以增加其寿命，并且提供一种用于制备这种发射极的方法。所述方法包括将透明电极沉积在透明基底，通过在透明电极上层叠紫外线(UV)透射阻挡材料形成阻挡层，通过在UV透射阻挡材料上层叠碳纳米管(CNT)形成发射极层，以及根据预定的图案对发射极层构图。

Description

用于场致发射装置的长寿命场致发射极 及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于场致发射装置的长寿命发射极，以及制造这种发射极的方法，更特别地是，本发明涉及一种用于场致发射装置的发射极，通过在基底和发射极之间插入一紫外线(UV)透射阻挡层来提高其寿命，并且本发明涉及制造这种发射极的方法。
背景技术
作为显示技术的进步，平板显示器比传统的阴极射线管(CRT)应用得更广泛。平板显示器的代表实例包括液晶显示器(LCD)以及等离子显示板(PDP)。现今正在进行在金属尖端处利用场致发射现象的场致发射装置(FED)的研究。FEDs可望成为下一代的显示技术，其相对于CRT可以提供高亮度和宽的视角，其相对于LCDs可以提供更薄和轻的设计。
FEDs使用类似于CRTs的物理原理。也就是，由阴极发射的电子被加速，与涂有荧光物的阳极碰撞，并且激发荧光物随后放出特定颜色的光。但是，不同点是与CRT相反，FED具有冷阴极电子发射源。尽管在研发的初始阶段金属尖端被主要用作FED的电子发射源(发射极)，但是后续研究开发出一种可承受的发射极，其使用碳纳米管(CNTs)来代替金属尖端以提供优良的场致发射特性。
图1示出使用碳纳米管(CNTs)的典型三极管类型的场致发射装置(FED)的原理。参考图1，由CNT制成的发射极130形成在覆盖着基底110的阴极120上。当电压被施加在栅极150和阴极120上时，电子从细丝状的CNT释放出来从而激发荧光物140。这里，附图标记145指示分开单个像素的黑矩阵。
在使用CNT作为发射极的FED中，有两种方法用于制备发射极。一种方法是将包括CNT的膏体施加在基底上并且使用照相平版将其形成图案。另一种方法是利用化学蒸汽沉积(CVD)直接在基底上生长CNT。在通过上述其中一种方法制备的特定CNT发射极中由于在CNT下部的CNT长度、传导率以及电阻的非均匀性，所以有时可能发生一种过电流情形。这种非正常的电子发射导致了CNT寿命的下降，整体产品质量不稳定且亮度低。
为了改善质量的不稳定性，所提出的一种方法包括在基底和CNT之间插入一非晶硅(a-Si)阻挡层。更明确的是，使用CVD在基底上沉积a-Si从而形成阻挡层，并且随后通过CVD在所述阻挡层上生长CNT从而形成一发射极。所述阻挡层在CNT的下部导致一定程度的压降，因此使得作用于单个CNT的电流均匀。
但是，由于非UV透射的a-Si传统上是作为阻挡层使用的，所以应用背部曝光的照相平版处理无法进行。因此，在这种情况下，由于上述将包括CNT的膏体施加在基底上并对其形成图案的方法无法被用来制备CNT发射极，所述CNT发射极仅能通过使用CVD经由生长CNT来制备。所述CVD方法仅允许具有大直径的多壁的CNT(MWNT)的生长。但是，由于场致增强效果正比于CNT的长度而反比于CNT的直径，因此所述具有小直径的单壁的CNT(SWNT)可以被用于制备能提供超级性能的发射极。高温CVD还受到用作基底和电极材料以及高制备成本的限制，这就造成其难于均匀地控制CNTs的生长。因此，为了在阻挡层上形成SWNTs，需要使用一种用于阻挡层的UV透射阻挡材料。
发明内容
本发明通过使用紫外线透射材料用于阻挡层提供一种在阻挡层上形成单壁碳纳米管(SWNT)发射极的方法。
本发明还提供一种用于场致发射装置(FED)的碳纳米管(CNT)发射器，其设计成通过在阻挡层上形成SWNT发射极来提供更均匀的电流密度、长的寿命以及高亮度。
根据本发明的一个方面，提供一种制备用于FED的发射极的方法，其包括的步骤有：将透明电极沉积在透明基底上；通过在透明电极上层叠紫外线透射阻挡材料形成一阻挡层；通过在紫外线透射阻挡材料上层叠碳纳米管(CNT)形成一发射极层；以及根据预设的发射极图案对所述发射极构图。通过将呈膏状的UV透射阻挡材料应用在透明电极上以及进行烧结而固化从而形成一阻挡层。
所述UV透射阻挡材料具有大于10Ωm的电阻率以及包括下列至少一种，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，Fe2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。更优选地，所述UV透射阻挡材料可以包括Cr2O3。
另外，所述方法可以包括以下步骤：将透明电极沉积在透明基底上；在透明电极的顶部表面的相对侧上形成绝缘层；在所述绝缘层的顶部形成栅电极；以及在相对绝缘层之间的透明电极上形成由紫外线透射阻挡材料构成的阻挡层和碳纳米管(CNT)的发射器层。阻挡层和发射极层的侧壁可以预定的距离与那些相对的绝缘层分开。
形成阻挡层和发射极层的步骤包括：涂覆光致抗蚀剂以覆盖栅电极的顶部表面以及绝缘层和栅电极的相对壁；通过将UV透射阻挡材料层叠在相对绝缘层之间的透明电极上形成阻挡层；通过在阻挡层上层叠CNT形成发射极层；以及使用照相平版印刷根据预设的发射极图案对所述发射极层构图。
根据本发明的另一个方面，提供一种FED，其包括根据上述方法制备用于FED的发射极；与发射极的所述发射极层相对设置并且以预定的距离与用于FED的发射极的所述发射极层分开的第二透明电极；涂覆在面对所述发射极层的第二透明电极表面上的荧光物层；以及形成在第二透明电极的另一表面上的第二透明基底。
附图说明
通过结合附图对以下实施例所作的详细说明，本发明的上述和其它优势将会变得更加显而易见，其中：
图1示出使用碳纳米管(CNTs)的典型场致发射装置(FED)的原理；
图2A-2E是剖视图，其示出根据本发明的第一实施例制备一种用于二极管类型的FED的方法；
图3A-3G示剖视图，其示出根据本发明的第二实施例制备一种用于三极管类型的FED的方法；
图4是一示图，其示出在使用阻挡层前后所测量的电流和电压(V)之间特性的比较；
图5是一示图，其示出在使用阻挡层前后所测量的寿命之间的比较；
图6A和6B分别为示出在使用阻挡层前后在阳极处的光发射的照片；以及
图7是一剖视图，其示出根据本发明第三实施例用于FED的下栅型的发射极。
具体实施方式
将会结合附图对用于根据本发明实施例的场致发射装置(FED)的碳纳米管的制备方法进行说明。
参考图2A，首先，诸如铟锌氧化物(ITO)的透明电极11被沉积在诸如玻璃的透明电极基底10上。参考图2B，通过产生一定的压降使施加于CNT的电流均匀的阻挡层12随后形成在所述透明电极10上。当诸如非结晶硅(a-Si)的非UV透射阻挡材料通常被用作阻挡层12时，在本发明中使用紫外线透射阻挡材料以利用后曝光执行图案处理。所述阻挡材料具有大于10Ωm的电阻率，优选地在102Ωm到103Ωm的范围，以获得足够的电压降。满足上述要求的材料的示例包括下列材料，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，Fe2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，and U3O5。更优选地，Cr2O3可被用作阻挡材料。
形成阻挡层12的方法包括制备至少一种呈膏状的UV透射阻挡材料，将膏状的UV透射阻挡材料施加在透明电极11上，以及用一般方法对其进行烧结和固化。或者，可以利用通常使用的沉积技术以薄膜形式在透明电极11上沉积UV透射阻挡材料而形成阻挡层12。
下面，参考图2C，通过在阻挡层12上层叠CNT形成发射极层13。所述CNT可以通过将呈膏状的CNT施加在阻挡层12或者通过在阻挡层12上利用化学蒸汽沉积(CVD)在阻挡层12上生长所述CNT而层叠在所述阻挡层12上。但是，由于CVD生长需要使用如上所述的具有大直径的多壁的CNT(MWNT)，所以更希望在本发明中使用CNT膏。当CNT膏施加在所述阻挡层12上时，可以使用单壁的CNT(SWNT)和MWNT两者，但优选的是，可以使用具有较小直径的SWNT。
在发射极已经形成在所述阻挡层12上之后，所述发射极层13根据希望的图案形成。为了达到这一点，如图2C所示，一掩模14对齐在所述透明基底10的下面，该基底随后用UV光进行照射。对应于希望的发射极图案的图案形成在掩模14上。因此，当透明基底10以透过掩模14的UV光被照射时，所述发射极层13根据掩膜14的图案被暴光于UV光下。最后，在所述发射极层13用乙醇清除之后，完成如图2D所示的用于FED的发射极。
参考图2E，一种两极管类型的FED包括利用上述方法完成的发射极，相对于发射极层13并且与所述发射极层13以预定距离分开的第二透明电极16，涂覆在面对发射极层13的第二透明电极16表面上的荧光物层(未示出)，以及形成在第二透明电极16另一表面上的第二透明基底15。所述第二透明电极16可由ITO制成，而第二透明基底15可以由玻璃制成。
现在将对按上述构成的FED操作进行说明。首先，负电压和正电压被分别施加于第一和第二电极11和16。电子从由CNT制成的发射极层13发射出来并且朝向施加有正电压的第二透明电极16传播。在这种情况下，电子与涂覆在第二透明电极16上的荧光物层碰撞并且激发荧光物层从而发出特定颜色的光。
图3A-3G是剖视图，其示出制备用于三极管类型的FED的发射极的方法，该方法还包括根据本发明第二实施例的栅电极。参考图3A，首先，诸如ITO的透明电极21被沉积在诸如玻璃的透明基底20上。
参考图3B，绝缘层22形成在透明电极21的顶部表面的相对侧上。透明电极21的顶部表面的中间部分被保留以在后序处理过程中形成阻挡层和发射极层。所述绝缘层22通过在透明电极21上施加包括诸如SiO2或PbO绝缘材料的膏体形成，并且随后通过烧结处理将其固化。
下面，如图3C所示，喷溅诸如铬(Cr)的传导性金属从而在绝缘层22上形成栅电极23。
参考图3D，涂覆光致抗蚀剂24从而覆盖栅电极23的顶部表面以及绝缘层22和所述栅电极23相对的侧壁。通过这样，随后将会形成在绝缘层22之间的阻挡层和发射极层的侧壁可以与这些绝缘层22以预定的距离分开。
参考图3E，阻挡层25随后通过在相对的绝缘层22和光致抗蚀层24之间的透明电极21上层叠UV透射阻挡材料而形成。正如先前所述的那样，所述UV透射阻挡材料具有大于10Ωm的电阻率，优选地处于102Ωm至103Ωm的范围内。满足这个要求的材料包括Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，Fe2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。在所示的实施例中，Cr2O3被用作阻挡材料。与第一实施例相类似，所述UV透射阻挡材料以膏状施加在透明电极21上并且随后利用普通方法进行烧结和固化。另外，所述UV透射阻挡材料可以利用一般的沉积技术以薄膜形式沉积在透明电极21上。
下面，参考图3F，通过在光致抗蚀剂24和阻挡层25上层叠CNTs来形成发射极层26。如上所述，所述CNTs通过施加呈膏状的所述CNTs或通过CVD生长CNTs而层叠起来。但是，因为CVD的生长需要利用具有大直径的多壁的CNT(MWNT)，所以在第二实施例中更希望应用CNT膏。当所述CNT膏被涂覆在所述阻挡层12上时，可以使用SWNT和MWNT两者，但是优选地是使用具有小直径的SWNT。
随后，根据预定的发射极图案使用照相平版印刷对发射极层26进行构图。为了实现这一点，如图3F所示，一掩模28对齐在所述透明基底20的下面，该基底随后用UV光进行照射。对应于希望的发射极图案的图案形成在掩模28上。随后，用乙醇清除所述发射极层26。在此时，光致抗蚀剂24还有UV透射阻挡材料的不需要部分和覆盖着所述光致抗蚀剂24的CNTs一起被去除。因此，完成了如图3G所示的用于三极管类型的FED的发射极。
图4是一视图，其示出在使用阻挡层前后所测量的电流-电压(I-V)之间的比较。图上四边形的点指示在没有使用阻挡层时的所测量的I-V特性，而菱形的点指示在使用阻挡层时所测量的I-V特性。正如图4所示，在使用阻挡层时，在电流传递到CNT发射极中几乎没有损失。因此，阻挡层的使用不会减少场致发射的特性，因此不会减少亮度。而由于阻挡层的存在所导致的压降可以减少应用于各个CNTs的电流之间的变化，所述压降不会太大从而显著地减少整体的平均电流。为了避免大的压降，所述阻挡层必须具有大约150nm的厚度。
图5是一视图，其示出使用阻挡层前后所测量到的寿命之间的比较。为了比较，在4.2V/μm的电场处测量流过CNT发射极的电流密度。正如图5所示的那样，对没有阻挡层和具备阻挡层的发射极来说，分别在大约50小时和500小时后电流密度下降到大约其初始值的一半。因此，根据本发明的CNT发射极具有长于传统发射极的寿命。
图6A和6B是分别示出在使用阻挡层前后在阳极处产生光发射的照片。正如图6A和6B所示，由于在没有使用阻挡层时，电子仅从特定的发射极发射，所以光的发射是非均匀的，而在使用阻挡层时，由于电子均匀地从各个发射极释放，所以光的发射是均匀的。
尽管图3示出带有覆盖着CNT发射极的栅极的用于三极管类型的FED的发射极，一用于FED的下栅型的发射极可按图7所示来形成。参考图7，一透明电极32和绝缘层33顺序地形成在透明基底31的顶部上，以及一栅极34贯穿所述绝缘层33并且被连接到所述透明电极32上。一用于发射极的电极35形成在所述绝缘层33上，并且阻挡层36和CNT发射极37被顺序地形成在电极35的顶部用做一发射极。在这种情况下，CNT发射极37和栅极34彼此相对设置。所述阻挡层36也是由UV透射阻挡材料制成的。在下栅的结构中，有可能通过背部曝光制备SWNT发射极并且获得如上所述的效果。
本发明允许位于CNT发射极以下的阻挡层在整个的CNT发射极上均匀地分开电流，因此增加了产品的寿命，增加了电流的均匀分布以及亮度。
本发明能够使得阻挡层的使用被应用在通过背部曝光制备CNT发射极当中以及在高温处理过程当中。因此，本发明允许具备大的场致增强效应的SWNT的使用，由此提供了一高质量的CNT发射极。
虽然通过参考本发明的特定实施例已经对本发明进行了特别的展示和说明，本领域技术人员应会认识到在不背离由本发明权利要求书所限定的精神和范围内可以在细节和形式上进行各种的改变。

Claims (20)

1、一种制备用于场致发射装置(FED)的发射极的方法，包括：
将透明电极沉积在透明基底上；
通过在透明电极上层叠一紫外线透射阻挡材料形成一阻挡层；
通过在UV透射阻挡材料上层叠一碳纳米管(CNT)形成发射极；以及
根据预定的发射极图案对所述发射极层构图。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述阻挡导是通过将呈膏状的UV透射阻挡材料施加在透明电极上以及烧结所述UV透射阻挡材料或通过在透明电极上以薄膜形式沉积UV透射阻挡材料而形成。
3、根据权利要求2所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料具有大于10Ωm的电阻率。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料包括下列中至少一种，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，Fe2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。
5、根据权利要求3所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料包括Cr2O3。
6、根据权利要求1所述的方法，其中通过将CNT膏施加在阻挡层上或使用化学蒸汽沉积(CVD)在阻挡层上生长CNT来层叠所述CNT。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述CNT是单壁或多壁的CNT。
8、根据权利要求1所述的方法，其中根据预定的发射极图案对发射极构图包括：
在所述透明基底下对齐具有对应于所述发射极图案的掩膜；
以UV光照射所述掩膜以及透明基底；以及
清除用UV光照射过的发射极层。
9、根据权利要求1所述的方法制备用于场致发射装置的发射极。
10、一种场致发射装置(FED)，包括：
根据权利要求1所述的方法制备用于FED的发射极；
第二透明电极，其与用于FED的发射极的所述发射极层相对地设置并且以预定距离与用于FED的发射极的所述发射极层分开；
在第二透射电极面对所述发射极层的表面上涂覆的荧光物层；以及
形成在第二透明电极另一表面上的第二透明基底。
11、一种制备用于场致发射装置(FED)的发射极的方法，包括：
将透明电极沉积在透明基底上；
在透明电极的顶部表面的相对侧上形成绝缘层；
在绝缘层的顶部形成栅电极；以及
在相对的绝缘层之间的透明电极上形成由紫外线透射阻挡材料制成的阻挡层和碳纳米管(CNT)的发射器层。
12、根据权利要求1所述的方法，其中阻挡层和发射极层的侧壁以预定的距离与那些相对的绝缘层分开。
13、根据权利要求11所述的方法，其中阻挡层和发射极的形成包括：
涂覆光致蚀刻从而覆盖栅电极的顶部表面以及绝缘层和栅电极的相对的侧壁；
通过在相对的绝缘层之间的透明电极上层叠紫外线透射阻挡材料形成阻挡层；
通过在阻挡层上层叠CNT形成一发射极；以及
根据预定的发射极图案使用照相平版印刷对所述发射极层构图。
14、根据权利要求13所述的方法，其中通过将CNT膏施加在阻挡层上或利用化学蒸汽沉积(CVD)在阻挡层上生长CNT来层叠所述CNT。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所述CNT是单壁或多壁的CNT。
16、根据权利要求13所述的方法，其中根据预设的发射极图案对所述发射极构图包括：
在所述透明电极下对齐具有图案的掩膜，其图案对应于发射极的图案；
用UV光照射所述掩膜和所述透明基底；以及
执行清除过程从而将光致蚀刻剂和不需要的UV透射阻挡材料和CNTs部分去除。
17、根据权利要求13所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料具有大于10Ωm的电阻率。
18、根据权利要求17所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料包括下列至少一种，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，Fe2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。
19、根据权利要求17所述的方法，其中所述UV透射阻挡材料包括Cr2O3。
20、根据权利要求11所述的方法制备用于场致发射装置的发射极。
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