CN1790587A - 场发射阴极 - Google Patents

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王红光
刘逸忠
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Abstract

本发明公开了一种场发射阴极，涉及平面显示器的场发射阴极的技术领域；它包括自下而上顺序排列的基板玻璃、下电极、绝缘层、电子传输层、上电极，该绝缘层为由一层以上的介质绝缘薄膜组成的复合绝缘层；介质绝缘薄膜采用五氧化二钽、三氧化二铝、二氧化铪、二氧化锆、钛酸锶钡、钛酸铅、氧化钇等非晶态薄膜；介质绝缘薄膜根据各自的特点采用蒸发、溅射、溶胶－凝胶、气相沉积等不同工艺的成膜方式；该上电极可以是单层金属或半导体薄膜结构，也可以是双层薄膜结构；本发明的场发射阴极的发射电流大，适合于在高亮度场发射平板显示器件应用；本发明的场发射阴极中采用复合非晶态薄膜，其击穿场强较高，使用寿命较长。

Description

场发射阴极
技术领域
本发明属于真空平面电子发射型显示器件的技术领域，特别涉及一种平面型场发射阴极的技术领域。
背景技术
场发射阴极包括微尖型、金刚石薄膜型、碳纳米管型、金属-绝缘层-金属型和金属-绝缘层-半导体层-金属型等结构。其中与本发明较为接近的是MISM结构。
在现有技术中的各种MISM结构中，金属下电极一般采用铝、镍、钼等，上电极采用金、铂、铝等，绝缘层采用五氧化二钽或三氧化二铝，半导体层一般采用硫化锌；在上述结构中，半导体层的作用是增加电子在其中的动能，以期达到较大的电子发射。这就要求绝缘层必须有较大的介电常数和相当强的击穿场强，才能把足够大的能量施加在电子上，使电子获得相当的能量，在经过散射之后仍能越过表面势垒穿过上电极成为发射电子；而目前的单层绝缘层结构介电常数较小、击穿场强较弱，很难把足够大的能量施加在电子上，使场发射阴极产生足够的发射电流。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种能克服已有MIM和MISM阴极的缺点，达到满足大屏幕平板显示器件所需要的发射电流，同时具有较低的器件电容，较长的使用寿命，以适应平板显示器件的要求的场发射阴极。
为了解决上述技术问题，根据本发明的一个技术方案，提供的一种场发射阴极，它包括自下而上顺序排列的基板玻璃、下电极、绝缘层、电子传输层、上电极，其特征在于，所述的绝缘层为复合绝缘层，是由一层以上的介质绝缘薄膜复合而成，即由一层以上的介电常数、击穿场强各优的介质绝缘薄膜组成；介质绝缘薄膜采用五氧化二钽、三氧化二铝、二氧化铪、二氧化锆、钛酸锶钡、钛酸铅、氧化钇等薄膜；介质绝缘薄膜根据各自的特点可以采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶、气相沉积等不同工艺的成膜方式；所述的复合绝缘层综合了各层薄膜的优势，根据各层薄膜电学性能的优劣复合成既有大的介电常数，又有高的电场击穿强度的复合绝缘层；所述的上电极可以是单层金属或半导体薄膜结构，也可以是双层薄膜结构；其中双层薄膜结构可以是金属-金属结构，其中下层金属的功函数高于上层金属的功函数；双层薄膜结构也可以是金属-半导体结构，其中下层金属的功函数高于上层半导体的功函数；双层薄膜结构还可以是半导体-半导体结构，其中下层半导体的功函数高于上层半导体的功函数；所述的上电极的下层是指上电极与电子传输层连接的薄膜层；所述的玻璃基板为带有二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅等薄膜的离子隔离层的平板玻璃。
为了解决上述技术问题，根据本发明的另一个技术方案，提供的一种场发射阴极，它包括自下而上顺序排列的基板玻璃、下电极、绝缘层、电子传输层、上电极，其特征在于，所述的上电极可以是单层金属或半导体薄膜结构，也可以是双层薄膜结构；其中双层薄膜结构可以是金属-金属结构，其中下层金属的功函数高于上层金属的功函数；双层薄膜结构也可以是金属-半导体结构，其中下层金属的功函数高于上层半导体的功函数；双层薄膜结构还可以是半导体-半导体结构，其中下层半导体的功函数高于上层半导体的功函数；所述的上电极的下层是指上电极与电子传输层连接的薄膜层；所述的玻璃基板为带有离子隔离层的平板玻璃；离子隔离层可以是二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅等薄膜。
本发明提供的复合介质层的场发射阴极中，当上下电极间加正向电压时，电子从上电极注入到复合绝缘层与电子传输层之间的表面态能级中；当施加反向电压时，存储在界面态能级中的电子会得到加速到达上电极，能量大的电子越过表面势垒穿过上电极成为发射电子。由于绝缘层是几种绝缘材料复合而成，有较高的耐压性能和介电常数，能够向电子提供足够的能量；当电子进入上电极后，其中部分能量超过上电极真空能级势垒的电子可以发射到真空中。如果上电极是由双层薄膜组成，则在两层之间形成接触电场，当上层薄膜的功函数低于下层(即上电极与电子传输层连接的薄膜层)薄膜时，接触电场起到加速电子的作用，能有效的提高电子发射量，所以本发明的场发射阴极的发射电流大，适合于在高亮度场发射平板显示器件应用；另外本发明的场发射阴极中采用复合绝缘薄膜，其击穿场强较高，使用寿命较长。
以下结合附图说明对本发明的实施作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的场发射阴极的结构示意图；
图2为本发明中的复合绝缘层的一种结构示意图；
图3为本发明中的复合绝缘层的另一种结构示意图；
图4为本发明中的复合绝缘层的又一种结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图4所示，在本发明的一些实施例中，复合绝缘层的场发射阴极包括自下而上顺序排列的基板玻璃5、下电极4、复合绝缘层3、电子传输层2和上电极1；其中，复合绝缘层3是由三层介电常数、击穿场强各优的介质绝缘薄膜组成的；介质绝缘薄膜可采用五氧化二钽、三氧化二铝、二氧化铪、二氧化锆、钛酸锶钡、钛酸铅、氧化钇等非晶态薄膜：
如在图2的实施例中，复合绝缘层由自下而上的厚度为150纳米的三氧化二铝6、厚度为250纳米的五氧化二钽7和厚度为150纳米的三氧化二铝6三层介质绝缘薄膜组成；
又如在图3的实施例中，复合绝缘层由自下而上的厚度为150纳米的三氧化二钇10、厚度为250纳米的钛酸锶9和厚度为100纳米的二氧化铪8三层介质绝缘薄膜组成；
再如在图4的实施例中，复合绝缘层由自下而上的厚度为100纳米的三氧化二铝6、厚度为300纳米的二氧化锆11和厚度为100纳米的五氧化二钽7三层介质绝缘薄膜组成；
上述各实施例中的介质绝缘薄膜根据各自的特点可以采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶、气相沉积等不同工艺的成膜方式；
综上所述，本发明还能列举出一层以上介质绝缘薄膜的许多种组合，这许多种组合的复合绝缘层能综合各层薄膜的优势，并根据各层薄膜电学性能的优劣复合成既有大的介电常数，又有高的电场击穿强度的复合绝缘层。
在本发明的上述各个实施例中，所述的上电极可以是单层金属或半导体薄膜结构，也可以是双层薄膜结构；其中双层薄膜结构可以是金属-金属结构，其中下层金属的功函数高于上层金属的功函数；双层薄膜结构也可以是金属-半导体结构，其中金属的功函数高于半导体的功函数；双层薄膜结构还可以是半导体-半导体结构，其中下层半导体的功函数高于上层半导体的功函数；在本发明的上述各个实施例中，下电极层结构较为简单，能提供一定的电导，拥有与基板玻璃和薄膜的良好的附着力，同时还应具有引出封接时与玻璃、焊料的匹配封接保证气密性。在本发明的上述各个实施例中，所述的玻璃基板为带有离子隔离层的平板玻璃，离子隔离层是二氧化硅薄膜；而在本发明的其它实施例中，平板玻璃的离子隔离层也可以是三氧化二铝、氮化硅等薄膜。
在本发明的另一个实施例中，场发射阴极包括自下而上顺序排列的基板玻璃、下电极、绝缘层、电子传输层和上电极；其中，所述的上电极可以是单层金属或半导体薄膜结构，也可以是双层薄膜结构；其中双层薄膜结构可以是金属-金属结构，其中下层金属的功函数高于上层金属的功函数；双层薄膜结构也可以是金属-半导体结构，其中金属的功函数高于半导体的功函数；双层薄膜结构还可以是半导体-半导体结构，其中下层半导体的功函数高于上层半导体的功函数；所述的玻璃基板为带有三氧化二铝薄膜的离子隔离层的平板玻璃；而在本发明的其它实施例中，平板玻璃的离子隔离层也可以是二氧化硅、氮化硅等薄膜。
在本发明的场发射阴极结构中，当上下电极间加正向电压时，电子从上电极注入到复合绝缘层与电子传输层之间的表面态能级中；当施加反向电压时，存储在界面态能级上的电子会得到加速到达上电极，能量大的电子越过表面势垒穿过上电极成为发射电子。由于绝缘层是几种非晶态材料复合而成，有较高的耐压性能和介电常数，能够向电子提供足够的能量。当电子进入上电极后，其中部分能量超过上电极真空能级势垒的电子可以发射到真空中。如果上电极是由双层薄膜组成，则在两层之间形成接触电场，当上层薄膜的功函数低于下层(即上电极与电子传输层连接的薄膜层)薄膜时，接触电场起到加速电子的作用，能有效的提高电子发射量。

Claims (10)

1、一种场发射阴极，包括自下而上顺序排列的基板玻璃(5)、下电极(4)、绝缘层(3)、电子传输层(2)、上电极(1)，其特征在于，所述的绝缘层(3)为复合绝缘层，是由一层以上的非结晶的介质绝缘薄膜组成。
2、根据权利要求1所述的场发射阴极，其特征是，所述的上电极(1)是单层半导体薄膜结构。
3、根据权利要求1所述的场发射阴极，其特征是，所述的上电极(1)是双层薄膜结构。
4、根据权利要求3所述的场发射阴极，其特征是，所述的双层薄膜结构的上电极是金属-金属结构，其中下层金属的功函数高于上层金属的功函数。
5、根据权利要求3所述的场发射阴极，其特征是，所述的双层薄膜结构的上电极是金属-半导体结构，其中下层金属的功函数高于上层半导体的功函数。
6、根据权利要求3所述的场发射阴极，其特征是，所述的双层薄膜结构的上电极是半导体-半导体结构，其中下层半导体的功函数高于上层半导体的功函数。
7、根据权利要求1至6中任何一项所述的场发射阴极，其特征是，所述的介质绝缘薄膜采用五氧化二钽、三氧化二铝、二氧化铪、二氧化锆、钛酸锶钡、钛酸铅、氧化钇等非晶态薄膜。
8、根据权利要求7所述的场发射阴极，其特征是，所述的介质绝缘薄膜根据各自的特点采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶、气相沉积等不同工艺的成膜方式。
9、根据权利要求1至6中任何一项所述的场发射阴极，其特征是，所述的玻璃基板为带有二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅等薄膜的离子隔离层的平板玻璃。
10、一种场发射阴极，包括自下而上顺序排列的基板玻璃、下电极、绝缘层、电子传输层、上电极，其特征在于，所述的上电极是单层半导体薄膜结构或双层薄膜结构。
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