CN1739178A

CN1739178A - 具有集成三极管结构的场致发射显示器及其制造方法

Info

Publication number: CN1739178A
Application number: CNA2003801088683A
Authority: CN
Inventors: 李建弘; 黄瑄珪; 李玉珠
Original assignee: POHANG POLYTECHNIC SCHOOL
Current assignee: POHANG POLYTECHNIC SCHOOL; Pohang University of Science and Technology Foundation POSTECH
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: EP1599890A1; US20060049742A1; EP1599890A4; CN100481299C; KR20040065982A; KR100576733B1; WO2004064101A1; JP4482459B2; JP2006513541A; US7601043B2

Abstract

提供了一种具有集成三极管(triode)结构的场致发射显示器(FED)。可以制造该FED，而无需使用复杂的封装处理，并且具有相当程度缩减的阱直径和相当程度缩减的阴极到阳极间距。在该FED中，前后面板使用阳极绝缘层作为中间体，形成单独的腔体。还提供了一种使用阳极氧化来制造所述FED的方法。

Description

具有集成三极管结构的场致发射显示器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种场致发射显示器(FED)。

背景技术

场致发射显示器(FED)是那些通过因为在强电场下引起的隧道贯穿效应而从金属和半导体表面上发射到真空中的冷电子与荧光体相碰撞而发光的显示器。

当荧光体，像阴极射线管(CRTs)那样，受到电子束激发时，FED就会发光。因此，FED具有很多优势，例如全色、全灰度、高亮度、较快的响应时间、宽视角、宽泛的工作温度和湿度范围。而且，FED能够按照厚度薄和重量轻且几乎不发射电磁射线的平板显示器(FPDs)的形式实现。

FED不仅能够用作图像显示装置，而且也可用作真空荧光显示器、荧光灯、白光光源、以及液晶显示器(LCDs)的背光。

FED的典型结构示例如图1所示。

顺序地在衬底1上形成用导电金属制成的阴极2和用非晶硅(a-Si)制成的电阻层3。在电阻层3上形成由绝缘材料制成的栅绝缘层4且具有阱4a，其中暴露出电阻层3的一部分表面。在阱4a中绝缘层3所暴露出的表面上放置发射极5。栅绝缘层4上具有带有与阱4a相对应的栅6a的栅极6。衬底1、阴极2、电阻层3、带有阱4a的栅绝缘层4、发射极5、以及栅极6构成了后面板。

阳极7作为透明电极放置在栅极6的上方而且与栅极6间隔开一段预定的间距。阳极7形成于前板8的内表面上，前板8与衬底1一同形成一个密封的真空间隙。荧光体层(未示出)形成于阳极7的内表面上或邻近阳极7的内表面。阳极7、荧光体层、以及前板8构成了前面板。

前后面板之间用分隔物相互分隔开一段预定的间距并且把它们的边缘密封上。在前后面板之间限定了一个真空间隙。

FED的工作原理如下。在栅极6和阴极2之间使用多种矩阵寻址技术施加电压。当在栅极6和阴极2之间施加电压时，发生隧道贯穿效应，因而从发射极5上发射出电子。电子被阳极电压加速并撞击到放置在阳极7内表面的荧光体层上。受激的荧光体层发光。

为了使通过隧道贯穿效应从发射极上发射电子容易，发射极的尖端和栅6a之间的间距必需很短。在这点上，最好把阱的直径设置得更短些。最近，已经做出努力，形成了具有大约0.5到2μm，最好达1μm或更小直径的阱。作为示例，韩国专利申请未审公开No.2002-0041665公开了一种使用阳极氧化处理形成具有亚微米直径的阱的方法。

在FED中，随着前后面板之间的间隙增大，阴极和阳极之间的间距就增大。在这点上，为了直接使从发射极发射出的电子朝着阳极前进，必需在阴极和阳极之间施加相当高的电压。然而，如此高的电压要求增加FED的驱动电路中所使用的器件的电容，由此导致FED生产成本的增加。此外，当FED的工作电压增加时，FED的能耗也会增加。

在传统的FED中，前后面板是在各自独立的制作程序中制造的，然后进行组装，同时使用分隔物在其间保持预定的间隙。然而，本领域普通技术人员将会理解：在前后面板之间安装了分隔物之后，组装前后面板的封装处理是一个不适当的繁重处理。

发明内容

本发明提供了一种具有集成三极管(triode)结构的场致发射显示器(FED)。本FED能够在不使用复杂的封装处理下制造，并且具有相当程度缩减的阱直径和相当程度缩减的阴极到阳极间距。

本发明还提供了一种制造所述FED的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有集成三极管结构的FED，包括：衬底；置于衬底之上的阴极层；栅绝缘层，其置于阴极层之上并具有以规则的图样排列的大量亚微米孔(sub-microhole)；栅极层，其置于栅绝缘层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；阳极绝缘层，其置于栅极层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；发射极，其置于由栅绝缘层、栅极层和阳极绝缘层中的亚微米孔所限定的阱中，并且发射极是附着在阴极层上的；置于阳极绝缘层上的荧光体层；以及置于荧光体层上的阳极层。

具有集成三极管结构的FED还可以包括置于阴极层和栅绝缘层之间的电阻层。在这种情况下，发射极是附着在电阻层上的。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有集成三极管结构的FED的方法，本方法包括：(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、以及铝层；(b)使用阳极氧化把铝层转化成氧化铝层，直到氧化铝层具有规则排列图样的亚微米孔以及保留在亚微米孔的较低部分处的阻挡层为止；(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；(e)在氧化铝层上形成荧光体层；以及(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

制造具有集成三极管结构的FED的方法的另一个实施例，包括：(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、阳极绝缘层以及铝层；(b)使用阳极氧化把铝层转化成氧化铝层，直到氧化铝层具有规则排列图样的亚微米孔以及保留在亚微米孔的较低部分处的阻挡层为止；(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；(c 1)去掉氧化铝层；(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；(e)在阳极绝缘层上形成荧光体层；以及(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

附图说明

图1示出了传统场致发射显示器(FED)的结构示例；

图2示出了根据本发明实施例的具有集成三极管结构的FED；

图3A到3F示出了根据本发明实施例、制造具有集成三极管结构的FED的顺序处理；

图4A到4F示出了根据本发明另一个实施例、制造具有集成三极管结构的FED的顺序处理；

图5A是示出了根据本发明实施例形成的氧化铝层的阱图样的照片；以及

图5B是示出了根据本发明实施例形成的阱的纵向截面的照片。

具体实施方式

本发明具有集成三极管(triode)结构的场致发射显示器(FED)包括衬底；置于衬底之上的阴极层；栅绝缘层，其置于阴极层之上并具有以规则的图样排列的大量亚微米孔；栅极层，其置于栅绝缘层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；阳极绝缘层，其置于栅极层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；发射极，其置于由栅绝缘层、栅极层和阳极绝缘层中的亚微米孔所限定的阱中，并且发射极是附着在阴极层上的；置于阳极绝缘层上的荧光体层；以及置于荧光体层上的阳极层。

图2示出了根据本发明实施例的FED的示意性结构。参看图2，阴极层120置于衬底110上。电阻层130置于阴极层120上。栅绝缘层140置于电阻层130上。栅极层160置于栅绝缘层140上。阳极绝缘层170置于栅极层160上。荧光体层180置于阳极绝缘层170上。阳极层190置于荧光体层180上。

这里所使用的术语“集成三极管结构”是指本发明的独特结构，其中前后面板用阳极绝缘层170作为中间体，形成单一的腔体，与具有在前后面板之间用分隔物限定的连续真空间隙的传统FED结构形成对比。

阴极层120和栅极层160可以按照条纹形式形成图案，来实现矩阵寻址。阴极层和栅极层可以按照两层的条纹互相正交的方式排列。阳极层190可以形成为覆盖整个FED板的薄膜。在将FED用作液晶显示器(LCD)的背光的情况下，由于不需要实现矩阵寻址，阴极层120和栅极层160可以形成为覆盖整个FED板的薄膜，而不是条纹形式。阴极层120、电阻层130、以及栅极层160可以具有各种其它类型的电路图样。

在栅绝缘层140、栅极层160、以及阳极绝缘层170中，有大量直通的亚微米孔。绝缘层、栅极层、以及阳极绝缘层各自的孔的图样是实质上相同的形式。因此，三层的亚微米孔形成单一的通道，延伸贯穿这三层。绝缘层、栅极层、以及阳极绝缘层中各自的亚微米孔可以具有实质上相同或不同的直径。形成单一通道的三层的亚微米孔限定了阱200。

阱200的直径决定了发射极150的尖端与栅极层之间的间距。在这点上，阱200的直径决定了施加给栅极层的工作电压的预期值。也就是说，阱200的直径可以依赖于施加给栅极层的工作电压的预期值来决定。

例如，阱的直径可能是几个微米(μm)或更小。根据可得到的发射极150的最小尺寸，阱的直径的下限可能还要小得多。阱的直径更好地为1.0μm或更小，还要好地是在4到500nm的范围内。如此小直径尺寸的阱可以极大地降低施加给栅极层的工作电压。

为了在大的表面面积上均匀地形成如此小直径尺寸的阱，可以使用包括阳极氧化或传统的光刻在内的刻蚀处理。

发射极150置于各自的阱200中并附着在电阻层130上。调整发射极150的高度，使得发射极150的尖端尽可能地靠近栅极层160。例如，发射极150可以是锥形的、微尖端或碳纳米管。电阻层130用于增强在发射极150中流过的电流的均匀性。电阻层130可以省略。如果省略电阻层，则将发射极附着在阴极层上。

阳极绝缘层170是电绝缘体，并且用于保持发射极150和阳极层190之间的合适间距以及作为把前后面板结合起来的中间体。此外，由于阳极绝缘层170，阱200形成各自独立的放电空间。因此，从发射极150发射的电子只会撞击置于阱200正上方的荧光体层的相应部分。

在传统的FED中，前后面板用安装在其间几个地方的柱状分隔物保持其间的间隙，因此，在前后面板之间形成连续的真空间隙。在这种情况下，安装分隔物很麻烦。此外，会导致从发射极发射出的电子可能会撞击到相邻的像素中的荧光体，而非相应像素中的荧光体的问题。

在本发明的FED中使用的阳极绝缘层170解决了传统FED中引起的这些问题。

就阳极工作电压而论，最好是把阳极绝缘层170的厚度设定得尽可能的薄。然而，如果阳极绝缘层170的厚度太薄，除了施加给栅极层160的电压所产生的电场以外，施加给阳极层190的电压所产生的电场也可能使来自发射极150的电子发射发生。如果施加给阳极层190的电压使电子从发射极150发射出来，可能产生FED的误操作。因此，在考虑到施加给阳极层190的电压和施加给栅极层160的电压以及阱200的直径的前提下，最好把阳极绝缘层170的厚度设定得尽可能的小。例如，阳极绝缘层170的厚度可能在大约100nm到10μm的范围内。

荧光体层180置于阳极绝缘层170之上。荧光体层180可能包括单色荧光体或者两种或多种荧光体。当本发明的FED用作彩色图像显示装置时，荧光体层180可以包括红色荧光体、绿色荧光体、和蓝色荧光体，并且这些荧光体可能排列成规则的图样来形成像素。荧光体层180还可以包括用于确定像素边界的黑矩阵。

置于荧光体层180之上的阳极层190能够覆盖荧光体层180的整个表面。而且，阳极层190还作为密封件使每个阱200能够保持真空状态。也就是说，阳极层能够密封地封住阱所限定的放电空间。更好的是，阳极层190是用透明电极材料制成的，以便从荧光体层180发出的光能很好地透射。

本发明的FED还可以包括置于阳极层190之上的前板(未示出)。前板用于增加阳极层190的密封性能和防止阳极层190暴露在外。

根据具有前板的FED的实施例，阳极层190可以附着在前板的表面上，而荧光体层180可能附着在阳极层190上。在这种情况下，阳极层的密封性能不是必需的。阳极层可以具有各种类型的电路图样。当荧光体层和阳极层所附着的前板置于阳极绝缘层170上时，FED的边缘是被密封地封住的。此时，阳极绝缘层170和荧光体层180是互相接触的。

根据本发明，在衬底110、阴极层120、电阻层130、栅绝缘层140、栅极层160、发射极150、阳极绝缘层170、荧光体层180、阳极层190、以及前板(未示出)的材料、形状、以及尺寸上没有特别的限制。因此，所有在FED中使用的材料、形状、以及尺寸都适用于本发明。

特别地，对于阳极绝缘层170适用的材料包括，例如，SiO₂、SiCOH、以及像氧化铝这样的绝缘金属氧化物。

本发明还提供了一种制造上述具有集成三极管结构的FED的方法。

生产具有氧化铝形成的阳极绝缘层的FED的方法的实施例，包括(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、以及铝层；(b)使用阳极氧化把铝层转化成氧化铝层，直到氧化铝层具有规则排列图样的亚微米孔以及保留在亚微米孔的较低部分处的阻挡层为止；(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；(e)在氧化铝层上形成荧光体层；以及(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

步骤(a)还可以包括在阴极层上形成电阻层。在这种情况下，在步骤(c)中，把亚微米孔的深度延伸至电阻层的表面，在步骤(d)中，将发射极附着在电阻层上。

以下，将参考图3A到3F详细描述制造本发明的具有集成三极管结构的FED的方法的示例。

首先，参看图3A，使用例如溅射、真空蒸发、或电镀把阴极层121的材料涂覆在衬底111上。例如，衬底可以是非导体或半导体材料。例如，非导体材料为玻璃或聚合物材料衬底。例如，半导体材料为硅晶片。例如，阴极层121的材料可以是导电性的金属材料、导电性的金属氧化物材料、导电性的金属氮化物材料、导电性的金属硫化物材料、导电性的聚合物材料之一或其组合。导电性的金属材料的例子包括金、钨、铬、铌、铝、钛及其合金。导电性的金属氧化物材料的例子包括TiO₂和Nb₂O₅。例如，导电性的金属氮化物材料为GaN。导电性的金属硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。导电性的聚合物材料的例子包括聚酰亚胺和聚苯胺。

在这样形成的阴极层121上，使用低压化学气相沉积或反应溅射来形成电阻层131。电阻层的形成可以被省略。电阻层的材料可以是掺杂了磷(例如)、氧化铝等的非晶硅。

在这样形成的电阻层131上(如果电阻层被省略就在阴极层上)，使用例如低压化学气相沉积或反应溅射来形成栅绝缘层141。栅绝缘层的合适材料包括SiO₂、SiCOH、以及像氧化铝这样的绝缘金属氧化物。

在这样形成的栅绝缘层141上，使用例如溅射、真空蒸发、或电镀来形成栅极层161。栅极层的材料可以是导电性的金属材料、导电性的金属氧化物材料、导电性的金属氮化物材料、导电性的金属硫化物材料、导电性的聚合物材料之一或其组合。导电性的金属材料的例子包括金、钨、铬、铌、铝、钛及其合金。导电性的金属氧化物材料的例子包括TiO₂和Nb₂O₅。导电性的金属氮化物材料可以是GaN。导电性的金属硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。导电性的聚合物材料的例子包括聚酰亚胺和聚苯胺。

在这样形成的栅极层161上，用例如溅射、真空蒸发、或电镀来形成铝层171。

使用下述阳极氧化把铝层171转化为氧化铝层171A。首先，对铝层进行电解抛光，以消除铝层的表面粗糙度。然后，把铝层171设置为像磷酸、草酸、硫酸、磺酸、以及铬酸这样的水溶液中的正电极。然后，当给铝层171施加大约1到200V的直流电压时，铝层171被转化为氧化铝层171A。铝层转化成氧化铝层的程度与阳极氧化所需要的时间成比例。举个例子，当在包含15℃、40V、以及0.3M草酸水溶液的条件下进行阳极氧化时，铝层以大约每10分钟1μm厚的速率转化成氧化铝层。

当继续施加电压时，在氧化铝层171A中形成大量具有纳米尺度直径并规则排列的亚微米孔171H，如图3B中所示。而在氧化铝层171A的较低的部分则保留了阻挡层171B。

使用阳极氧化在氧化铝层中形成的亚微米孔可以具有由一系列六角形单元构成的蜂巢状的图样(参看图5A和5B)。亚微米孔的直径和单位面积上亚微米孔的数量能够通过改变诸如所加电压、电解溶液的类型、浓度、以及温度等阳极氧化条件来调整。举个例子，当在施加25V的电压、反应温度10℃、以及0.3M的硫酸水溶液下进行阳极氧化时，所得到的亚微米孔的直径大约为20nm。当在施加195V的电压、反应温度0℃、以及0.3M的磷酸水溶液下进行阳极氧化时，所得到的亚微米孔的直径大约为100nm。单位面积上形成的亚微米孔的数量可能一般在每cm²¹0⁸到10¹¹的范围内，但也依赖于所加电压而变化。通过阳极氧化可获得的亚微米孔的直径典型地在约4到500nm范围内。亚微米孔的直径也可以通过使用磷酸或氢氧化钠进行后化学处理来调整，同时可以将单位面积上亚微米孔的数量保持不变。通过后化学处理，亚微米孔的直径例如可以增加到大约500nm或更大。孔到孔的间距和阻挡层的厚度与阳极氧化时所加的电压成比例。举个例子，阳极氧化时在包含15℃和0.3M的草酸水溶液条件下，当施加的电压增加10V时，孔到孔的间距增加大约27nm。通过使用这种阳极氧化，在氧化铝层中形成的亚微米孔的直径能够很容易地调整到1μm或更小。

当使用阳极氧化时，可以省略包含在传统FED制作程序中的用于形成阱图样的光刻胶层的形成。当与传统的用光刻胶层形成的阱图样相比，阳极氧化在大面积上大幅度提高的解析度允许容易地形成很好的阱图样。

接下来，进行刻蚀处理，将亚微米孔171H的深度延伸到电阻层131的表面。在省略电阻层的实施例中，将亚微米孔171H的深度延伸到阴极层121的表面。这里使用的有效的刻蚀处理可以是离子束刻蚀，干法刻蚀、湿法刻蚀、或阳极氧化。举个具体的例子，可以使用利用CF₄和O₂的混合气体的反应离子刻蚀。当置于亚微米孔171H之下的阻挡层171B、栅极层161、以及栅绝缘极141都使用反应离子刻蚀进行刻蚀时，形成其中放置有发射极的阱200，如图3C中所示。从而，在栅绝缘层、栅极层、以及氧化铝层中形成的亚微米孔组成单一通道。

当用选择性可溶解化学品对栅金属层或氧化铝层有选择性地进行刻蚀的时候，亚微米孔的直径可能从一层到另一层有所改变。

在使用刻蚀处理的情况下，其中氧化铝层的整个表面都可能被刻蚀，最好形成的氧化铝层比预期的厚度厚一些。

接下来，发射极150在各自的阱200中形成并附着在电阻层的表面，如图3D中所示。发射极可由例如金属材料、半导体材料、以及碳材料形成。金属材料的例子包括金、铂、镍、钼、钨、钽、铬、钛、钴、铯、钡、铪、铌、铁、铷及其合金。半导体材料的例子包括氮化镓(GaN)、氧化钛(TiO₂)、硫化镉(CdS)。碳材料的例子包括碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米粒、以及无定形碳。

在形成用金属材料制成的发射极的例子中，把直流、交流、或脉冲电压施加到诸如金属硫化物、金属氮化物、以及金属氯化物之类的金属前体溶液中从而在阱中生长金属粒子。在这种情况下，生长的金属发射极的高度依赖于所加电流的强度和持续时间而变化。最好是，用于形成发射极的金属是从具有良好的热阻的金属中选择，例如，像钽、铬、钼、钴、镍、钛、及其合金。

在形成用碳纳米管制成的发射极的例子中，首先，把用于生长碳纳米管的催化金属加到阱中电阻层的表面。为此，可以使用上述形成用金属材料制成的发射极的方法。然后，将碳纳米管的碳源供应给催化金属的表面上。举一个碳供应方法的例子，可以在大约200到1000℃范围内的温度下使用高温分解碳氢化合物、一氧化碳和氢的混合气体，或使用等离子降解混合气体。也可以使用硫醇化预合成的碳纳米管，然后把硫醇化后的碳纳米管与银(Ag)或金(Au)键合的方法。也可以通过电泳，将预合成的碳纳米管施加到阴极层表面。

当省略电阻层时，将发射极形成在阴极层的表面上，因此也适用上述形成发射极的方法。

在每个阱中，只可以形成一个发射极。作为选择，根据阱的直径和发射极的尺寸，在每个阱中也可以形成一个或多个发射极。

形成发射极后，在氧化铝层171A上形成荧光体层181，如图3E中所示。可以使用电子束蒸发、热蒸发、溅射、低压化学气相沉积、溶胶凝胶法、电镀、或无电电镀来形成荧光体层。在形成图样荧光体层的情况下，也可以使用印刷。在印刷中，最好把荧光体颗粒的尺寸设定得比阱的直径大一些。荧光体可能经过烧结来完成荧光体层。基于金属的荧光体可以用电子束蒸发来有角度地沉积，而基于陶瓷的荧光体可以用溅射形成。此外，可能也要使用真空封装具有荧光体层的前面板的方法。

荧光体层中要用到的荧光体，考虑到施加的驱动电压、电流强度、以及发光效率，可以从高压荧光体和低压荧光体中选择。

在荧光体层181上形成阳极层191，如图3F中所示。阳极层也能够用于密封地封住由阱所限定的放电空间，以便维持放电空间处于适合电子发射的真空状态。为了密封地把放电空间封在真空状态，阳极层在真空环境下形成。可以使用例如电子束蒸发或热蒸发来形成阳极层。阳极层可以用像氧化铟锡(ITO)这样的透明电极材料制成。

生产具有由其它材料或氧化铝形成的阳极绝缘层的FED的方法的另一个实施例包括(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、阳极绝缘层以及铝层；(b)使用阳极氧化把铝层转化成氧化铝层，直到氧化铝层具有规则排列图样的亚微米孔以及保留在亚微米孔的较低部分处的阻挡层；(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；(c1)去掉氧化铝层；(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；(e)在阳极绝缘层上形成荧光体层；以及(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

以下，将参考图4A到4F详细描述制造本发明的具有集成三极管结构的FED的方法的示例。

首先，参看图4A，使用例如溅射、真空蒸发、或电镀把阴极层121的材料涂覆在衬底111上。例如，衬底可以是非导体或半导体材料。例如，非导体材料为玻璃或聚合物材料衬底。例如，半导体材料为硅晶片。例如，阴极层121的材料可以是导电性的金属材料、导电性的金属氧化物材料、导电性的金属氮化物材料、导电性的金属硫化物材料、导电性的聚合物材料之一或其组合。导电性的金属材料的例子包括金、钨、铬、铌、铝、钛及其合金。导电性的金属氧化物材料的例子包括TiO₂和Nb₂O₅。例如，导电性的金属氮化物材料为GaN。导电性的金属硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。导电性的聚合物材料的例子包括聚酰亚胺和聚苯胺。

在这样形成的电阻层131上(如果电阻层被省略就在阴极层上)，使用例如低压化学气相沉积或反应溅射来形成栅绝缘层141。栅绝缘层的合适材料包括二氧化硅(SiO₂)、SiCOH、以及像氧化铝这样的绝缘金属氧化物。

在这样形成的栅极层161上，用例如低压化学气相沉积、或反应溅射来形成阳极绝缘层171。阳极绝缘层的合适材料包括，例如，二氧化硅(SiO₂)、SiCOH、以及像氧化铝这样的绝缘金属氧化物。

在这样形成的阳极绝缘层171上，用例如溅射、低压化学气相沉积、真空蒸发、或电镀来形成铝层301。

使用下述阳极氧化把铝层301转化为氧化铝层301A。首先，对铝层进行电解抛光，以消除铝层的表面粗糙度。然后，把铝层301设置为像磷酸、草酸、硫酸、磺酸、以及铬酸这样的水溶液中的正电极。然后，当给铝层301施加大约1到200V的直流电压时，铝层301被转化为氧化铝层301A。铝层转化成氧化铝层的程度与阳极氧化所需要的时间成比例。举个例子，当在包含15℃、40V、以及0.3M草酸水溶液的条件下进行阳极氧化时，铝层以大约每10分钟1μm厚的速率转化成氧化铝层。

当继续施加电压时，在氧化铝层301A中形成大量具有纳米尺度直径并规则排列的亚微米孔301H，如图4B中所示。而在氧化铝层301A的较低的部分则保留了阻挡层301B。

使用阳极氧化在氧化铝层中形成的亚微米孔可以具有由一系列六角形单元构成的蜂巢状的图样。亚微米孔的直径和单位面积上亚微米孔的数量能够通过改变诸如所加电压、电解溶液的类型、浓度、以及温度等阳极氧化条件来调整。举个例子，当在施加25V的电压、反应温度10℃、以及0.3M的硫酸水溶液下进行阳极氧化时，所得到的亚微米孔的直径大约为20nm。当在施加195V的电压、反应温度0℃、以及0.3M的磷酸水溶液下进行阳极氧化时，所得到的亚微米孔的直径大约为100nm。单位面积上形成的亚微米孔的数量可能一般在每cm²10⁸到10¹¹的范围内，但也依赖于所加电压而变化。通过阳极氧化可获得的亚微米孔的直径典型地在约4到500nm范围内。亚微米孔的直径也可以通过使用磷酸或氢氧化钠进行后化学处理来调整，同时可以将单位面积上亚微米孔的数量保持不变。通过后化学处理，亚微米孔的直径例如可以增加到大约500nm或更大。孔到孔的间距和阻挡层的厚度与阳极氧化时所加的电压成比例。举个例子，阳极氧化时在包含15℃和0.3M的草酸水溶液条件下，当施加的电压增加10V时，孔到孔的间距增加大约27nm。通过使用这种阳极氧化，在氧化铝层中形成的亚微米孔的直径能够很容易地调整到1μm或更小。

接下来，进行刻蚀处理，将亚微米孔301H的深度延伸到电阻层131的表面。在省略电阻层的实施例中，将亚微米孔301H的深度延伸到阴极层121的表面。这里使用的有效的刻蚀处理可以是离子束刻蚀，干法刻蚀、湿法刻蚀、或阳极氧化。举个具体的例子，可以使用利用CF₄和O₂的混合气体的反应离子刻蚀。当置于亚微米孔301H之下的阻挡层301B、阳极绝缘层171、栅极层161、以及栅绝缘极141都使用反应离子刻蚀进行刻蚀时，形成其中放置有发射极的阱200，如图4C中所示。从而，在栅绝缘层、栅极层、阳极绝缘层以及氧化铝层中形成的亚微米孔组成单一通道。

当完成了阱200的形成时，通过例如将其浸入磷酸溶液或磷酸与铬酸的混合溶液中来去掉剩余的氧化铝层301A。

接下来，发射极150在各自的阱200中形成并附着在电阻层的表面，如图4D中所示。发射极可由例如金属材料、半导体材料、以及碳材料形成。金属材料的例子包括金、铂、镍、钼、钨、钽、铬、钛、钴、铯、钡、铪、铌、铁、铷及其合金。半导体材料的例子包括氮化镓(GaN)、氧化钛(TiO₂)、硫化镉(CdS)。碳材料的例子包括碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米粒、以及无定形碳。

形成发射极后，在氧化铝层171A上形成荧光体层181，如图4E中所示。可以使用电子束蒸发、热蒸发、溅射、低压化学气相沉积、溶胶凝胶法、电镀、或无电电镀来形成荧光体层。在形成图样荧光体层的情况下，也可以使用印刷。在印刷中，最好把荧光体颗粒的尺寸设定得比阱的直径大一些。荧光体可能经过烧结来完成荧光体层。基于金属的荧光体可以用电子束蒸发来有角度地沉积，而基于陶瓷的荧光体可以用溅射形成。此外，可能也要使用真空封装具有荧光体层的前面板的方法。

在荧光体层181上形成阳极层191，如图4F中所示。阳极层也能够用于密封地封住由阱所限定的放电空间，以便维持放电空间处于适合电子发射的真空状态。为了密封地把放电空间封在真空状态，阳极层在真空环境下形成。可以使用例如电子束蒸发或热蒸发来形成阳极层。阳极层可以用像氧化铟锡(ITO)这样的透明电极材料制成。

工业适用性

本发明的场致发射显示器(FED)具有集成三极管结构，其中用阳极绝缘层支撑前后面板。因此，不需要有单独的分隔器并且能够省略封装处理。

在使用阳极氧化的FED制作方法中，在整个大面积上可以容易地形成亚微米尺寸直径的阱。因此，发射极的尖端与栅极层之间的间距以及发射极的尖端与阳极之间的间距能够显著缩减。因此，通过使用本发明的FED制作方法，能够非常容易地生产具有大面积和显著缩减的工作电压的FED。

Claims

1.一种具有集成三极管结构的场致发射显示器(FED)，包括：

衬底；

置于衬底之上的阴极层；

栅绝缘层，其置于阴极层之上并具有以规则的图样排列的大量亚微米孔；

栅极层，其置于栅绝缘层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；

阳极绝缘层，其置于栅极层之上并具有以实质上与栅绝缘层中的亚微米孔相同的图样排列的大量亚微米孔；

发射极，其置于由栅绝缘层、栅极层和阳极绝缘层中的亚微米孔所限定的阱中，并且发射极是附着在阴极层上的；

置于阳极绝缘层上的荧光体层；以及

置于荧光体层上的阳极层。

2.根据权利要求1所述的具有集成三极管结构的FED，其特征在于所述FED还包括置于阴极层和栅绝缘层之间的电阻层，以及将发射极附着在电阻层上。

3.根据权利要求1所述的具有集成三极管结构的FED，其特征在于阱具有4到500nm的直径。

4.根据权利要求1所述的具有集成三极管结构的FED，其特征在于阳极绝缘层的厚度在100nm到10μm的范围内。

5.根据权利要求1所述的具有集成三极管结构的FED，其特征在于阳极层密封地封住由阱所限定的放电空间。

6.根据权利要求1所述的具有集成三极管结构的FED，其特征在于还包括置于阳极层之上的前板。

7.一种制造具有集成三极管结构的FED的方法，所述方法包括：

(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、以及铝层；

(b)使用阳极氧化把铝层转化成氧化铝层，直到氧化铝层具有规则排列图样的亚微米孔以及保留在亚微米孔的较低部分处的阻挡层为止；

(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；

(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；

(e)在氧化铝层上形成荧光体层；以及

(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括在阴极层上形成电阻层，在步骤(c)中，把亚微米孔的深度延伸至电阻层的表面，并在步骤(d)中，将发射极附着在电阻层上。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，阳极氧化包括在酸性电解质水溶液中向铝层施加正电压。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，酸性电解液是从由草酸、硫酸、磺酸、磷酸、铬酸组成的组中选择的。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，亚微米孔的直径在4到500nm的范围内。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(c)是利用离子刻蚀、干法刻蚀、湿法刻蚀、或阳极氧化来进行的。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，使用电子束蒸发、热蒸发、溅射、低压化学气相沉积、溶胶凝胶法、电镀、或无电电镀把荧光体涂覆到铝层上

14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(b)之后，通过后化学处理增加氧化铝层中亚微米孔的直径。

15.一种制造具有集成三极管结构的FED的方法，所述方法包括：

(a)在衬底上，按顺序形成阴极层、栅绝缘层、栅极层、阳极绝缘层以及铝层；

(c)把氧化铝层中的亚微米孔的深度延伸到阴极层的表面；

(c1)去掉氧化铝层；

(d)在亚微米孔中形成发射极，发射极附着在阴极层上；

(e)在阳极绝缘层上形成荧光体层；以及

(f)在真空环境下，在荧光体层上形成阳极层。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于阳极绝缘层由SiO₂、SiCOH、或绝缘金属氧化物形成。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于步骤(c1)是通过将其浸入磷酸溶液或磷酸与铬酸的混合溶液中来进行的。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括在阴极层上形成电阻层，在步骤(c)中，把亚微米孔的深度延伸至电阻层的表面，并在步骤(d)中，将发射极附着在电阻层上。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(b)之后，通过后化学处理增加氧化铝层中亚微米孔的直径。