CN1707727A - 场发射器件及使用该场发射器件的场发射显示器 - Google Patents

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陈勇完
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Abstract

本发明提供一种场发射器件及使用该场发射器件的场发射显示器。该场发射器件包括玻璃基板、形成在玻璃基板上且具有凹的部分的材料层、形成在材料层上的阴极电极、形成在阴极电极凹的部分上的电子发射极、形成在阴极电极上并具有与凹的部分连通的腔的栅极绝缘层、以及形成在栅极绝缘层上并具有与腔对准的栅极孔的栅极电极。

Description

场发射器件及使用该场发射器件的场发射显示器
技术领域
本发明涉及一种场发射器件和使用该场发射器件的场发射显示器，更加特别地，涉及一种具有更高的聚焦电子束能力的场发射器件和使用该场发射器件的显示器。
背景技术
显示器在信息和媒体的传递中扮演着重要的角色，且广泛用于个人计算机监视器和电视设备。显示器通常为使用高速热电子发射的阴极射线管(CRT)或迅速发展的平板显示器。平板显示器的类型包括等离子体显示板(PDP)、场发射显示器(FED)等。
在FED中，在栅极电极与以预定间隔设置在阴极电极上的场发射极之间施加强电场，电子从场发射极发射并与阳极电极上的荧光材料撞击，由此发光。FED是薄显示器，最多几厘米厚，具有宽视角、低功耗、以及低制造成本。由此，FED连同PDP作为下一代显示器而引人注意。
FED具有与CRT类似的物理工作原理。即，加速从阴极电极发射的电子从而与阳极电极碰撞。在那里，电子激发了涂覆在阳极电极上的荧光材料从而发光。FED与CRT不同在于电子发射极由冷阴极材料形成。
图1和2示出了常规场发射器件的结构。
参照图1，场发射器件具有其中阴极电极12形成在底部基板10上，而用于引出电子的栅极电极16形成在绝缘层14上的结构。电子发射极19设置在阴极电极12的一部分通过其暴露的孔内。
然而，若电子束的轨迹(trajectories)不受控制，则荧光层期望的部分无法被激发，由此无法显示期望的颜色。因此，存在对于控制电子束轨迹的需要，从而允许从电子发射极19发射的电子正确传送到涂覆在阳极电极上的荧光材料的期望部分。
图2为示出具有用于控制电子束轨迹的聚焦栅极电极(focusing gateelectrode)的常规场发射器件的视图。
参照图2，第二绝缘层27沉积在栅极电极26上，用于控制电子束轨迹的聚焦栅极电极28形成在第二绝缘层27上。附图标记20、22、24和29分别表示基板、阴极电极、第一绝缘层、以及电子发射极。
图3为从具有图2所示的聚焦栅极电极的场发射器件的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟。
参照图3，过聚焦(overfocused)的电子从荧光层的期望区域偏离，并激发荧光层的其它区域，降低颜色纯度(color purity)。
为克服这些问题，美国专利No.5,920,151公开了一种具有嵌入式聚焦结构的FED。然而，聚焦栅极电极形成在诸如聚酰亚胺的有机材料上，其要求用于排出挥发气体(volatilized gas)的脱气(outgassing)工艺。因此，这种FED无法应用于大型显示器。
发明内容
本发明提供了一种能良好聚焦电子束的场发射器件，及使用该场发射器件的场发射显示器。
根据本发明的一个方面，提供一种场发射器件，包括：玻璃基板；形成在玻璃基板上且具有凹的部分的材料层；形成在材料层上的阴极电极；形成在阴极电极凹的部分上的电子发射极；形成在阴极电极上并具有与凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；以及形成在栅极绝缘层上并具有与腔对准的栅极孔的栅极电极。
腔可以具有半圆形形状。
材料层可以为绝缘层。
材料层可以由与阴极电极相同的金属构成。
具有与凹的部分对应的孔的非晶硅层可以插在阴极电极与栅极绝缘层之间。
电子发射极可以为碳纳米管(CNT)发射极。
根据本发明的另一方面，提供一种场发射器件，包括：玻璃基板；形成在玻璃基板上且具有凹的部分的材料层；形成在材料层上的阴极电极；形成在阴极电极凹的部分上的电子发射极；形成在阴极电极上并具有与凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；形成在栅极绝缘层上并具有与腔对准的栅极孔的栅极电极；形成在栅极电极上并具有与腔连通的孔的聚焦栅极绝缘层；以及形成在聚焦栅极绝缘层上并具有与腔对准的聚焦栅极孔的聚焦栅极电极。
根据本发明的又一方面，提供一种场发射显示器，包括：后基板；形成在后基板上且具有凹的部分的材料层；形成在材料层上的阴极电极；形成在阴极电极凹的部分上的电子发射极；形成在阴极电极上并具有与凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；形成在栅极绝缘层上并具有与腔对准的栅极孔的栅极电极；与后基板以预定距离隔开的前基板；形成在前基板面对电子发射极一侧上的阳极电极；以及涂覆在阳极电极上的荧光层。
根据本发明的再一方面，提供一种场发射显示器，包括：后基板；形成在后基板上且具有凹的部分的材料层；形成在材料层上的阴极电极；形成在阴极电极凹的部分上的电子发射极；形成在阴极电极上并具有与凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；形成在栅极绝缘层上并具有与腔对准的栅极孔的栅极电极；形成在栅极电极上并具有与腔连通的孔的聚焦栅极绝缘层；形成在聚焦栅极绝缘层上并具有与腔对准的聚焦栅极孔的聚焦栅极电极；与后基板以预定距离隔开的前基板；形成在前基板面对电子发射极一侧上的阳极电极；以及涂覆在阳极电极上面对电子发射极的荧光层。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例将使本发明的上述和其它特征及优点变得更加明显易懂，附图中：
图1为示出常规场发射器件结构的示意截面图；
图2为示出具有聚焦栅极电极的常规场发射器件结构的示意截面图；
图3为从图2所示场发射器件中的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟；
图4为示出根据本发明一实施例的场发射器件的示意截面图；
图5为从图4所示的场发射器件中的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟；
图6为示出根据本发明另一实施例的场发射器件的示意截面图；
图7为从图6所示的场发射装置中的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟；
图8为示出根据本发明又一实施例的场发射显示器结构的示意截面图；
图9为从图8所示的场发射显示器中的电子发射极发射的电子束轨迹的模拟；以及
图10至22为示出制造根据本发明实施例的场发射器件的工艺的截面图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述根据本发明示例性实施例的场发射器件、场发射显示器、以及制造该场发射器件的工艺。附图中，为清楚起见，层和区域的尺寸可以放大。
图4为示出根据本发明一实施例的场发射器件的示意截面图。
参照图4，玻璃基板110上顺序形成具有形状例如为半球形的凹的部分(concave portion)W的绝缘层112及阴极电极120。
形成诸如氧化硅层的绝缘层112从而产生阴极电极120的凹的部分W。可选择地，可以直接在玻璃基板110上形成具有凹的部分的阴极电极120，而无需使用绝缘层112。绝缘层112可以具有2至10μm的厚度。
阴极电极120可以是ITO(氧化铟锡)透明电极。非晶硅层122形成在阴极电极120除凹的部分W以外的部分上。非晶硅层122确保了均匀的电流流经阴极电极120。另外，非晶硅层122具有特别的光学性质，其允许可见光而非UV光通过。如下所述，非晶硅层122在对UV光的背曝光中起掩模作用。CNT(碳纳米管)发射极150作为电子发射极形成在凹的部分W上。
栅极绝缘层132和栅极电极130顺序层叠在非晶硅层122上。
栅极绝缘层132具有预定直径的腔C。栅极电极130具有与腔C相对应的栅极孔130a。
栅极绝缘层132是用于保持栅极电极130与阴极电极120之间电绝缘的层。栅极绝缘层132由诸如二氧化硅(SiO2)的绝缘材料形成，且一般具有至少1μm的厚度。
栅极电极130可以由厚度约0.25μm的铬形成。栅极电极130将电子束由CNT发射极150引出。例如80V的预定栅极电压可施加于栅极电极130。
图4中，附图标记E表示在向栅极电极130和阴极电极120施加电压时从CNT发射极150发射的电子束。附图标记F表示通过具有弯曲表面的阴极电极120产生的电场中的等势面。从CNT发射极150发射的电子束垂直于电场中的等势面行进，由此允许聚焦所发射的电子。
图5为从图4所示的场发射器件中的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟。
参照图5，电子束在其由栅极电极130逃离前聚焦。
图6为示出根据本发明另一实施例的场发射器件的示意截面图。
参照图6，在玻璃基板210上顺序形成具有凹的部分W的绝缘层212，以及阴极电极220。
形成诸如氧化硅层的绝缘层212从而产生阴极电极220的凹的部分W。可选择地，可以直接在玻璃基板210上形成具有凹的部分的阴极电极220，而不使用绝缘层212。绝缘层212可以具有2至10μm的厚度。
阴极电极220可以是ITO(氧化铟锡)透明电极。非晶硅层222形成在阴极电极220除凹的部分W以外的部分上。非晶硅层222确保均匀的电流流经阴极电极220。另外，非晶硅层222具有特别的光学性质，其允许可见光而非UV光通过。如下所述，非晶硅层222在对UV光的背曝光中起掩模作用。CNT(碳纳米管)发射极250作为电子发射极形成在凹的部分W上。
栅极绝缘层232、栅极电极230、聚焦栅极绝缘层242、以及聚焦栅极电极240顺序层叠在非晶硅层222上。
栅极绝缘层232和聚焦栅极绝缘层242具有腔C。栅极电极230具有与腔C相对应的栅极孔230a。聚焦栅极电极240具有与C相对应的栅极孔240a。
栅极绝缘层232是用于保持栅极电极230与阴极电极220之间电绝缘的层。栅极绝缘层232由诸如二氧化硅(SiO2)的绝缘材料形成，且一般具有至少1μm的厚度。
栅极电极230可以由厚度约0.25μm的铬形成。栅极电极230将电子束由CNT发射极250引出。例如80V的预定栅极电压可施加于栅极电极230。
聚焦栅极绝缘层242是用作聚焦栅极电极240与栅极电极230绝缘的层。聚焦栅极电极240可以由厚度至少1μm的二氧化硅(SiO2)形成。
聚焦栅极电极240可以由厚度约0.25μm的铬形成。聚焦栅极电极240供给有比栅极电极230低的电压，并聚焦从CNT发射极250发射的电子束。
图7为从图6所示的场发射装置中的电子发射极发射的电子束的轨迹的模拟。
参照图7，电子束在其通过栅极电极230前聚焦，且在从聚焦栅极电极240逃离时再次聚焦。
图8为示出根据本发明又一实施例的场发射显示器的结构的示意截面图。与图6中所示的元件基本相同的某些构成元件利用相同名称表示，且不再详细描述。
参照图8，场发射显示器包括前基板370和后基板310，其彼此以预定距离分开。间隔物(未示出)设置在前基板370与后基板310之间，从而保持该预定距离。前基板370和后基板310可以由玻璃形成。
场发射部分形成在后基板310上，光发射部分形成在前基板370上。从场发射部分发射的电子引起光从光发射部分发射。
特别地，具有凹的部分W的绝缘层312形成在后基板310上。绝缘层312中凹的部分W上的多个阴极电极320以预定的间隔并以预定的图案平行排列，例如，以条(stripe)的形式。
非晶硅层322形成在绝缘层312上，暴露阴极电极320的凹的部分W。栅极绝缘层332、栅极电极330、聚焦栅极绝缘层342、以及聚焦栅极电极340顺序形成在非晶硅层322上，暴露预定的腔C。例如CNT发射极350的电子发射极形成在凹的部分W上。
阳极电极380形成在前基板370上，荧光层390涂覆在阳极电极380上。用于提高颜色纯度的黑矩阵392位于荧光层之间的阳极电极380上。
现在，将参照附图详细描述具有上述结构的场发射显示器的工作。向阳极电极380施加2.5kV脉冲的阳极电压Va，向栅极电极330施加80V的栅极电压Vg，并向聚焦栅极电极340上施加30V的聚焦栅极电压Vf。此时，由于栅极电压Vg，电子从CNT发射极350发射。由于阴极电极320的凹陷形状，发射的电子在逃离栅极电极330前聚焦，在由于聚焦栅极电压Vf而再次聚焦。聚焦的电子激发期望位置处的荧光层390。由此，荧光层390发射预定的可见光394。
图9为从图8所示的场发射显示器中的电子发射极发射的电子束轨迹的模拟。
参照图9，可见从根据本实施例的场发射器件发射的电子束聚焦在阳极电极380上的期望像素上。由此，使用根据本发明的场发射器件的场发射显示器可以提供改善的颜色纯度。
接着，将参照附图详细描述制造根据本发明另一实施例的场发射显示器的工艺。
参照图10，使用PECVD(等离子体增强化学汽相沉积)在玻璃基板410上形成氧化硅层到至少1μm的厚度作为绝缘层412。随后，在绝缘层412上涂覆第一光致抗蚀剂膜P1，第一光致抗蚀剂膜P1曝光于UV光。可以通过使用分开的掩模(未示出)执行前曝光或背曝光。UV光进入第一光致抗蚀剂膜P1的与如图6所示的凹的部分W相对应的部分。即，第一光致抗蚀剂膜P1的仅位于凹的部分W顶上的区域P1a曝光于UV光。被曝光的区域P1a经显影操作去除。随后进行烘烤。
图11示出了上述显影和烘烤操作的产物。绝缘层412经去除的区域P1a开放。
参照图12，使用第一光致抗蚀剂膜P1作为掩模，在绝缘层412上进行湿蚀刻，暴露绝缘层412的一部分，由此形成半球形凹的部分W或井。随后，去除第一光致抗蚀剂膜P1。凹的部分W的位置与CNT发射极(图6中所示的150)的位置相对应。凹的部分W具有至少约3μm的直径。
参照图13，例如ITO透明电极的阴极电极420通过溅镀形成绝缘层412上。随后，使用PECVD在阴极电极420上形成非晶硅层422。随后，在非晶硅层422上涂覆第二光致抗蚀剂膜P2，并且对应于凹的部分W的区域P2a曝光。
接着，曝光的区域P2a通过显影去除。非晶硅层422的一部分经去除区域P2a开放。使用第二光致抗蚀剂膜P2作为蚀刻掩模在非晶硅层422的开放部分上进行湿蚀刻。
图14示出了结果，其中第二光致抗蚀剂膜P2在湿蚀刻非晶硅层422的曝光部分后被去除。
参照图15，去除第二光致抗蚀剂膜P2后，在非晶硅层422上形成填充凹的部分W的栅极绝缘层432。栅极绝缘层432由氧化硅形成，具有至少1μm的厚度。随后，在栅极绝缘层432上形成栅极电极430。栅极电极430通过溅镀由铬形成，具有约0.25μm的厚度。接着，在栅极电极430上形成第三光致抗蚀剂膜P3，与凹的部分W相对应的区域P3a曝光。
接着，通过显影去除曝光区域P3a。栅极电极430的一部分通过被去除的区域P3a开放。使用第三光致抗蚀剂膜P3作为蚀刻掩模在栅极电极430的开放部分上进行湿蚀刻。
图16示出了结果，其中第三光致抗蚀剂膜P3在湿蚀刻栅极电极430的曝光部分后被去除。栅极孔430a形成。
参照图17，去除第三光致抗蚀剂膜P3后，在栅极绝缘层432上形成聚焦栅极绝缘层442，填充栅极孔430a。聚焦栅极绝缘层442由厚度至少1μm的氧化硅(silicon oxide)构成。随后，在聚焦栅极绝缘层422上形成聚焦栅极电极440。聚焦栅极电极440通过溅镀由铬形成，具有约0.25μm的厚度。接着，在聚焦栅极电极440上形成第四光致抗蚀剂膜P4，并且与凹的部分W相对应的区域P4a曝光。
接着，通过显影去除曝光区域P4a。聚焦栅极电极440的一部分经去除部分P4a开放。使用第四光致抗蚀剂膜P4作为蚀刻掩模在聚焦栅极电极440的开放部分上进行湿蚀刻。
图18示出了结果，其中第四光致抗蚀剂膜P4在湿蚀刻聚焦栅极电极440的曝光部分后被去除。聚焦栅极孔440a形成。
参照图19，去除第四光致抗蚀剂膜P4后，在聚焦栅极电极440上涂覆第五光致抗蚀剂膜P5。随后，与凹的部分W相对应的区域P5a曝光。此时，可以通过从其底部朝向基板410照射UV光进行背曝光。由于非晶硅层422阻挡了UV光，第五光致抗蚀剂膜P5仅与凹的部分W相对应的区域P5a暴露于UV光。
接着，通过显影去除曝光区域P5a。使用第五光致抗蚀膜P5作为蚀刻掩模在聚焦栅极绝缘层442和栅极绝缘层432上进行湿蚀刻，从而开放阴极电极420的凹的部分W。
图20示出了结果，其中去除了第五光致抗蚀剂膜P5。
参照图21，包括负感光性物质的CNT胶(paste)452涂覆在阴极电极420上，随后在感光性CNT胶上使用非晶硅层422作为掩模进行背曝光。随后，在凹陷阴极电极420上通过显影和烘烤操作形成CNT发射极450，如图22所示。
上述制造场发射器件的工艺制造出图6所示的实施例。图4所示实施例的场发射装置可以通过相当的工艺形成，但略去形成聚焦栅极绝缘层和聚焦栅极电极。
在本发明的实施例中，使用印刷方法形成CNT发射极，但并不应限于此。例如，CNT可以通过在阴极电极420的凹的部分W上形成催化金属层并随后向催化金属层沉积诸如甲烷气体的含碳气体而生长。
形成绝缘层412和形成阴极电极420可以通过直接在阴极电极420上形成凹的部分W来进行，而非在绝缘层412上。
如上所述，在根据本发明的场发射器件中，阴极电极具有凹的部分，并且CNT发射极形成在凹的部分上，由此增大了聚焦从CNT发射极发射的电子的效率。由此，该场发射器件可以提供改善的颜色纯度。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，本领域技术人员应理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的基础上对其形式和细节进行各种改动。

Claims (28)

1.一种场发射器件，包括：
玻璃基板；
形成在所述玻璃基板上且具有凹的部分的材料层；
形成在所述材料层上的阴极电极；
形成在所述阴极电极的所述凹的部分上的电子发射极；
形成在所述阴极电极上并具有与所述凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；以及
形成在所述栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的栅极孔的栅极电极。
2.如权利要求1的场发射器件，其中所述腔具有半球形形状。
3.如权利要求1的场发射器件，其中所述材料层为绝缘层。
4.如权利要求1的场发射器件，其中所述材料层为金属层。
5.如权利要求4的场发射器件，其中所述金属层由与所述阴极电极相同的材料构成。
6.如权利要求1的场发射器件，还包括所述阴极电极与所述栅极绝缘层之间的具有与所述凹的部分对准的孔的非晶硅层。
7.如权利要求1的场发射器件，其中所述电子发射极为碳纳米管(CNT)发射极。
8.一种场发射器件，包括：
玻璃基板；
形成在所述玻璃基板上且具有凹的部分的材料层；
形成在所述材料层上的阴极电极；
形成在所述阴极电极的所述凹的部分上的电子发射极；
形成在所述阴极电极上并具有与所述凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；
形成在所述栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的栅极孔的栅极电极；
形成在所述栅极电极上并具有与所述腔连通的孔的聚焦栅极绝缘层；以及
形成在所述聚焦栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的聚焦栅极孔的聚焦栅极电极。
9.如权利要求8的场发射器件，其中所述腔具有半球形形状。
10.如权利要求8的场发射器件，其中所述材料层为绝缘层。
11.如权利要求8的场发射器件，其中所述材料层为金属层。
12.如权利要求11的场发射器件，其中所述金属层由与所述阴极电极相同的材料构成。
13.如权利要求8的场发射器件，还包括所述阴极电极与所述栅极绝缘层之间的具有与所述凹的部分对准的孔的非晶硅层。
14.如权利要求8的场发射器件，其中所述电子发射极为CNT发射极。
15.一种场发射显示器，包括：
后基板；
形成在所述后基板上且具有凹的部分的材料层；
形成在所述材料层上的阴极电极；
形成在所述阴极电极的所述凹的部分上的电子发射极；
形成在所述阴极电极上并具有与所述凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；
形成在所述栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的栅极孔的栅极电极；
与所述后基板以预定距离隔开的前基板；
形成在所述前基板的面对所述电子发射极的一侧上的阳极电极；以及
涂覆在所述阳极电极上的荧光层。
16.如权利要求15的场发射显示器，其中所述腔具有半球形形状。
17.如权利要求15的场发射显示器，其中所述材料层为绝缘层。
18.如权利要求15的场发射显示器，其中所述材料层为金属层。
19.如权利要求18的场发射显示器，其中所述金属层由与所述阴极电极相同的材料构成。
20.如权利要求15的场发射显示器，还包括所述阴极电极与所述栅极绝缘层之间的具有与所述凹的部分对应的孔的非晶硅层。
21.如权利要求15的场发射显示器，其中所述电子发射极为CNT发射极。
22.一种场发射显示器，包括：
后基板；
形成在所述后基板上且具有凹的部分的材料层；
形成在所述材料层上的阴极电极；
形成在所述阴极电极的所述凹的部分上的电子发射极；
形成在所述阴极电极上并具有与所述凹的部分连通的腔的栅极绝缘层；
形成在所述栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的栅极孔的栅极电极；
形成在所述栅极电极上并具有与所述腔连通的孔的聚焦栅极绝缘层；
形成在所述聚焦栅极绝缘层上并具有与所述腔对准的聚焦栅极孔的聚焦栅极电极；
与所述后基板以预定距离隔开的前基板；
形成在所述前基板的面对所述电子发射极的一侧上的阳极电极；以及
涂覆在所述阳极电极上面对所述电子发射极的荧光层。
23.如权利要求22的场发射显示器，其中所述腔具有半球形形状。
24.如权利要求22的场发射显示器，其中所述材料层为绝缘层。
25.如权利要求22的场发射显示器，其中所述材料层为金属层。
26.如权利要求25的场发射显示器，其中所述金属层由与所述阴极电极相同的材料构成。
27.如权利要求22的场发射显示器，还包括所述阴极电极与所述栅极绝缘层之间的具有与所述凹的部分对应的孔的非晶硅层。
28.如权利要求22的场发射显示器，其中所述电子发射极为CNT发射极。
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