CN1971804A - 电子发射装置及采用该电子发射装置的电子发射显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种电子发射装置。该电子发射装置包括阻抗层，该阻抗层包括在阴极中并用于电连接线电极和绝缘电极。阴极由于阻抗层而能维持一致的电压。保护层位于阻抗层上。该保护层防止包含在阻抗层中的导电元件扩散过保护层。该保护层也防止阻抗层被氧化。

Description

电子发射装置及采用该电子发射装置的电子发射显示装置

技术领域

本申请涉及一种电子发射装置。

背景技术

通常，在电子发射装置中，热阴极或冷阴极可用作电子发射源。冷阴极电子发射装置有几种类型，例如场致发射阵列(field emitter array，FEA)电子发射装置、表面传导发射(surface conduction emission，SCE)电子发射装置、金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)电子发射装置、金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor，MIS)电子发射装置等。

在这些电子发射装置中，FEA电子发射装置包括用作驱动电极的阴极和栅极，用以控制电子发射单元及其电子发射。在FEA电子发射装置中，用具有低的功函数(work function)或高的高宽比(aspect ratio)的材料组成电子发射单元。例如，人们开发诸如碳纳米管、石墨和类金刚石碳等碳基材料用在电子发射单元中，以使得真空电场容易地发射电子。

多个电子发射单元排列在基板上从而形成电子发射装置，并且该电子发射装置同其上形成有磷光体和阳极的另一基板组合以生产电子发射显示装置。

发明内容

根据本发明的一方面提供一种电子发射装置，包括：i)基板，ii)位于基板上的阴极，iii)用于电连接阴极的电子发射单元，以及iv)与阴极电绝缘的栅极。阴极包括：i)具有开口的第一电极，ii)位于开口内的第二电极，iii)用于电连接第一电极和第二电极的阻抗层，以及iv)保护层。保护层位于阻抗层上，使得包含在阻抗层中的导电元件不会扩散到保护层之外。

保护层可包括配置成与阻抗层接触的表面，导电元件可不扩散到表面内，并且保护层可包括远离且面对阻抗层的表面。导电元件不会扩散到表面之外，并且它可扩散到保护层内。保护层可包括非p型掺杂的绝缘材料，并且绝缘材料可包括非晶硅。保护层的厚度可大于阻抗层的厚度，且可处于大约20nm至大约200nm的范围内。阻抗层可包括远离且面对基板的整个表面，其中整个表面可覆盖有保护层。阻抗层的至少一边邻近保护层的边，且保护层可部分地覆盖第一电极和第二电极。

根据本发明的另一方面提供一种电子发射显示装置，包括：i)相对的第一基板和第二基板，ii)位于第二基板上的磷光层，iii)位于第一基板上的阴极，iv)位于第二基板上的阳极，v)用于电连接阴极的电子发射单元，以及vi)与阴极电绝缘的栅极。阴极包括：i)具有开口的第一电极，ii)位于开口内的第二电极，iii)用于电连接第一电极和第二电极的阻抗层，以及iv)保护层。保护层位于阻抗层上，使得包含在阻抗层中的导电元件不会扩散到保护层之外。

根据本发明的另一方面提供一种制造电子发射装置的方法，包括：i)提供基板，ii)在基板上提供阴极，iii)在阴极上提供阻抗层，使得阻抗层配置成电连接第一电极和第二电极，iv)在阻抗层上提供保护层，以及v)提供栅极，以便与阴极电绝缘。阴极包括：i)具有开口的第一电极，以及ii)位于开口内的第二电极。阻抗层可包括p型掺杂的非晶硅。保护层可包括非p型掺杂的非晶硅。

在一个实施例中，该方法进一步包括对阻抗层和保护层一起进行干蚀刻，使得阻抗层的至少一边邻近保护层的边。可替换地，该方法进一步包括在阻抗层上提供保护层之前清洗阻抗层表面。该方法可进一步包括：i)在阴极上提供绝缘层，以及ii)用氢氟酸蚀刻绝缘层。电子发射单元可维持通过绝缘层发射电子的空间，并且绝缘层可包括氧化硅。

根据本发明的另一方面提供一种电子发射装置，包括：i)栅极，ii)配置成基于栅极和阴极之间的电压差发射电子的阴极，iii)形成在阴极上的阻抗层，iv)形成在阻抗层上的保护层，以及v)形成在保护层上的绝缘层。保护层可基本上完全覆盖阻抗层。阻抗层可包含配置成在热处理期间扩散的半导体材料。保护层可配置成防止扩散渗透到绝缘层中。

附图说明

图1是根据一实施例的电子发射显示装置的部分分解透视图。

图2是根据一实施例的电子发射显示装置的部分横截面视图。

图3是根据另一实施例的电子发射显示装置的部分横截面视图。

具体实施方式

参照附图描述本发明的实施例，以便本领域技术人员能够实施。本领域技术人员应当理解，所描述的实施例可以在不背离本发明精神和范围的情况下，以多种不同方式进行修改。其中，相同的附图标记在全部附图中指代相同或相似的零件。

当提到一元件在另一元件“之上”时，应理解为，该元件“直接在另一元件之上”或者在这两元件之间可存在中间元件。相反，当提到一元件“直接在另一元件之上”时，则不存在中间元件。

应当理解，尽管术语第一、第二、第三等在这里可被用来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语只是用来把一元件、部件、区域、层或部分同另一元件、部件、区域、层或部分区别开来。因此，在不背离本发明教导的情况下，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称作第二元件、部件、区域、层或部分。

这里所用术语仅用作描述特定实施例的目的，而不意欲限制本发明的范围。这里所用单数形式“该”(“a”、“an”and“the”)也意欲包括复数形式，除非上下文明确作出了另外的指示。进一步地，应当理解，当术语“包括”和/或“包括有”，或“包含”和/或“包含有”用于本说明书中时，表明存在陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件，而不排除存在或附加一个以上的其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

诸如“在……之下”、“在……下面”、“下面的”、“在……上面”、“上面的”和“在……之上”等空间相对术语(spatially relative terms)在这里出于描述简便而用作描述一元件或特征相对于其它元件或特征的如图中所示的关系。应当理解，空间相对术语意欲包括所使用或操作装置的除图中所描绘定位之外的不同定位。例如，如果翻转图中所示的装置，则描述为“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征之下”的元件将定位为“在其它元件或特征上面”。因而，典型术语“在……下面”可包括在……上面和在……下面两个定位。装置可定向在其他方位(旋转90度或在其它方位)，因此这里使用的空间相对描述词据此解释。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如本发明所属技术领域的普通技术人员一般理解的相同含义。进一步地，应当理解，诸如在常用词典中定义的术语应解释为具有与现有技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，而不应解释为理想化的或过于拘泥形式的意义，除非这里有明确指示。

这里参照横截面图例描述实施例，其中横截面图例为本发明实施例的示意图例。同样地，由于例如制造技术和/或公差导致的图例形状的变化也预先被考虑到。因而，实施例不应解释成将本发明限制为这里图示的区域的特定形状，而应包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，典型地，图示或描述为平的区域可具有不平和/或非直线的特性。此外，图示为尖角的可以是弧形的。因而，图中所示区域实际上是示意性的，并且它们的形状不意欲图解区域的精确形状也不意欲限制本发明的范围。

尽管下面提到一种FEA电子发射显示装置，其中电子发射单元包含利用真空电场发射电子的材料，但本发明实施例并不仅限于此。本发明的一个实施例可以容易地适用于其它类型的电子发射显示装置。

图1示出了根据一实施例的电子发射显示装置1000的部分分解透视图。

如图1所示，电子发射显示装置1000包括彼此相对的第一基板10和第二基板12。第一基板10和第二基板12定位为互相平行且两者之间具有预定距离。密封件(未示出)置于第一基板10和第二基板12的边缘上，从而它们相互连接在一起。由两基板10和12以及密封件围成的内部空间抽空至大约10^-6乇以形成真空容器。

电子发射单元20位于第一基板10的表面上且面对第二基板12，它们同第一基板10一起组成电子发射装置100。电子发射装置100装配有第二基板12，光发射单元110设置在第二基板12上，从而组成电子发射显示装置1000。在一个实施例中，光发射单元110可发射光到非自发光显示装置，例如LCD。在本实施例中，非自发光显示装置可用该光作为背光源。

阴极14以条状图案形成在第一基板10上，并且第一绝缘层16位于第一基板10的整个表面上同时覆盖阴极14。栅极18也以条状图案形成在第一绝缘层16上，以与阴极14交叉。

在一个实施例中，像素区域可定义为阴极14和栅极18的交叉区域。阴极14包括线电极142，多个绝缘电极143、以及在像素区域内的阻抗层144。开口141形成在线电极142内。多个绝缘电极143位于开口141内并与线电极142间隔分开。阻抗层144位于绝缘电极143的左侧和右侧，并且电连接线电极142和绝缘电极143。阻抗层144部分地覆盖开口141，也部分地覆盖线电极142和绝缘电极143。结果，线电极142和绝缘电极143之间的接触阻抗减小。线电极142的一端配置成电连接到外部电路(未示出)，并且驱动电压通过该外部电路施加到线电极142上。

在一个实施例中，阻抗层144由具有大约10,000Ωcm至大约100,000Ωcm范围内的比阻抗的材料制成。该材料的比阻抗可大于包含在线电极142和绝缘电极143中的一般导电材料的阻抗。该材料可包括例如p型掺杂非晶硅。

在一个实施例中，即使不稳定的驱动电压施加到线电极142上或突发电压下降发生在线电极142上，由于阻抗层144的存在，稳定的驱动电压能够连续地施加到电子发射单元20上。因此，电子发射单元20的电子发射特性能够均匀地维持。

电子发射单元20位于绝缘电极143上。电子发射单元20包含当电场形成时能够发射电子的材料，诸如碳基材料或纳米级材料。电子发射单元20可包含例如碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C₆₀、硅纳米线及其组合。电子发射单元20可具有尖端并且主要由例如钼、硅等制成。开口161和181分别形成在第一绝缘层16和栅极18内，以使得电子发射单元20维持发射电子的空间。

聚焦电极22位于第二绝缘层24上。因此，栅极18与聚焦电极22绝缘。开口241和221分别设置在第二绝缘层24和聚焦电极22内，从而，从电子发射单元20中发射的电子束穿过开口241和221。一组开口241和221可形成在各像素区域上。结果，从像素区域发射的电子聚焦良好。

图1中放大的圆圈示出了阻抗层144和保护层26的拐角部分。两个以上的阻抗层144可形成在一起。在一个实施例中，阻抗层144的整个表面覆盖有保护层26，并且阻抗层144的至少一边邻近保护层26的边。

阻抗层144包括例如p型掺杂元件的导电元件(或半导体材料)，用于电连接线电极142和绝缘电极143。导电元件具有在热处理中容易扩散到邻近层中的倾向。因而，如果它扩散到绝缘层16中，绝缘层的绝缘特性就很容易地遭到破坏。结果，能够使位于绝缘层16两表面上的电极电连接并且随后短路。情况更糟的是，阻抗层144在热处理中可以很容易地被氧化。

在一个实施例中，为了避免上述不期望的现象，保护层26位于阻抗层144上。于是，能够阻止包含在阻抗层144中的导电元件扩散到保护层26中。即使导电元件扩散到保护层26中，这种扩散也不会通过保护层26到达绝缘层16。

在一个实施例中，保护层26包括第一表面和第二表面。第一表面与第一绝缘层16接触，第二表面与阻抗层144接触。

在一个实施例中，导电元件不能扩散到第一表面之外。在该实施例中，即使导电元件从阻抗层144扩散到保护层26中，这种扩散也不会渗透到在保护层26之外的第一绝缘层16中。结果，由于保护层26，导电元件的扩散即使在热处理中也不会影响第一绝缘层16。因此，第一绝缘层16仍能维持其初始的绝缘特性。

另外，既然阻抗层144由于保护层26而即使在热处理中也不会被氧化，则阻抗层144的阻抗不会发生显著改变。因此，稳定的电压可以连续地施加到电子发射单元20上，其结果为，像素的电子发射均匀性保持良好，并且有可能在大型显示装置的全部显示表面获得一致的亮度。

保护层26可包含非p型掺杂的绝缘材料。该绝缘材料可包含例如非晶硅。因此，防止保护层26是导电的。

在一个实施例中，保护层26具有足够的厚度，使得导电元件的扩散不能到达绝缘层16。在一个实施例中，如图1中放大的圆圈所示，保护层26的厚度远大于阻抗层144的厚度。在另一实施例中，保护层26的厚度比阻抗层1 44的厚度稍微大一些(未示出)。保护层26的厚度可以在大约20nm到大约200nm的范围内，并且，在该实施例中，包含在阻抗层144中的导电元件扩散到保护层26之外的第一绝缘层16中是非常困难的或者几乎不可能的。如果保护层26的厚度过小，则难以有效保护阻抗层144，从而阻抗层144容易被氧化。相反地，如果保护层26的厚度过大，则需要花费太多时间来形成保护层26，从而增加制造时间和成本。

在一个实施例中，磷光层28，例如红磷光层28R、绿磷光层28G和蓝磷光层28B，在面对第一基板10的第二基板12的表面上彼此间隔形成。黑色层30形成在各磷光层28之间，以吸收环境光线。定位磷光层28使得各磷光层28R、28G和28B与各像素区域对应。

另外，由诸如铝的金属薄膜制成的阳极32形成在磷光层28和黑色层30上。足以加速电子束的外部高电压施加到阳极32上，并随后通过阳极32维持在高电位。在从磷光层28发射出的可见光中，射到第一基板10上的可见光被阳极32向第二基板12反射，由此亮度得到增强。

在一个实施例中，阳极32可由诸如氧化铟锡(ITO)的透明导电薄膜制成。如此，阳极可位于第二基板和磷光层之间。另外，透明导电薄膜和金属薄膜可形成在一起作为阳极。

图2示出了根据一实施例的电子发射显示装置的部分横截面。

间隙壁(spacer)34位于两基板10和12之间，由此支撑基板10和12抵抗对其间的真空空间施加的压缩力。间隙壁34均匀地维持在两基板10和12之间的间隙，并且它们通常直接位于黑色层30之下，以使它们从外面不可见。

包括在电子发射装置100内的一些元件通过以下工艺制造。线电极142和绝缘电极143形成在第一基板10上。然后，用于形成阻抗层144的材料和用于形成保护层26的材料连续地沉积在第一基板10的整个表面上。随后，阻抗层144和保护层26可被同时图案化，并且它们可以一起被干蚀刻，只留下阻抗层144的一部分，这一部分可电连接线电极142和绝缘电极143。

随后，第一绝缘层16形成在保护层26上，并且可用例如氢氟酸(HF)蚀刻，并随后形成开口161。

在一个实施例中，电子发射显示装置1000由施加到阴极14、栅极18、聚焦电极22和阳极32上的外部电压驱动。扫描驱动电压施加到阴极14和栅极18中的一个电极上，因而该一个电极用作扫描电极。另外，数据驱动电压施加到阴极14和栅极18中的另一个电极上，因而该另一个电极用作数据电极。用于聚焦电子束的电压，诸如0V或几伏到几十伏的负直流电压，施加到聚焦电极22上，同时几百伏到几千伏的正直流电压施加到阳极32上以加速电子束。

随后，在像素处围绕电子发射单元20形成电场，其中在该处阴极14和栅极18之间的电压差超过阈值，因而电子由此发射出来。发射出的电子当穿过聚焦电极22的开口221时集中于电子束的中间部分。它们也被施加到阳极32上的高电压吸引并碰撞到相应的磷光层上，例如28G和28B。因而，光从电子发射显示装置1000发射出来并且显示图像。

在上述电子发射显示装置的驱动过程中，既然阻抗层144由于保护层26而维持不变的阻抗，则更一致地保持电子发射单元20的电子发射特性。结果，像素的电子发射特性保持一致并且亮度能够得到增强。

图3示出了根据另一实施例的电子发射显示装置2000的部分横截面。

在一个实施例中，如图3所示，保护层26’位于第一基板10的整个表面上，并且它覆盖了阴极14几乎所有的表面。在该实施例中，保护层26’不仅保护保护层144的上表面，而且还保护其侧表面，由此有效防止阻抗层144被氧化。

包括在电子发射装置200内的一些元件通过以下工艺制造。在用于形成阻抗层144的材料沉积在第一基板10上之后，用于形成保护层26的材料沉积在其上。如此，氧化薄膜可自然地形成在阻抗层144的表面上。因此，它们可以在用于形成保护层26的材料沉积之前用例如氢氟酸清洗掉。

尽管以上的描述已经指出了如应用于多个实施例的本发明的新颖特征，但是本领域技术人员应当理解，在不背离本发明范围的情况下，可以对描述的装置或过程的形式和细节进行各种省略、替换和改变。因此，本发明的范围由所附的权利要求限定而不是由前述描述限定。权利要求等同特征的意义和范围内的所有变化都包含在它们的范围内。

Claims (20)

1、一种电子发射装置，包括：

基板；

位于该基板上的阴极；

电连接到该阴极的电子发射单元；以及

与该阴极电绝缘的栅极，

其中该阴极包括

具有开口的第一电极，

位于该开口内的第二电极，

配置成电连接该第一电极和第二电极的阻抗层，其中该阻抗层包含导电元件，以及

保护层，并且

其中该保护层位于该阻抗层上，使得导电元件不会扩散到该保护层之外。

2、根据权利要求1的装置，其中该保护层包括与阻抗层接触的表面，并且

其中该导电元件的扩散不会渗透到该保护层的表面内。

3、根据权利要求1的装置，进一步包括形成在该保护层上的绝缘层，其中该导电元件不会扩散到该绝缘层内。

4、根据权利要求3的装置，其中当热处理施加到该阻抗层时扩散发生。

5、根据权利要求1的装置，其中该保护层包括非p型掺杂的绝缘材料。

6、根据权利要求5的装置，其中该绝缘材料为非晶硅。

7、根据权利要求1的装置，其中该保护层的厚度大于该阻抗层的厚度。

8、根据权利要求7的装置，其中该保护层的厚度在大约20nm到大约200nm的范围内。

9、根据权利要求1的装置，其中该保护层基本上完全覆盖该阻抗层。

10、根据权利要求9的装置，其中该阻抗层的至少一边邻近该保护层的边。

11、根据权利要求1的装置，其中该保护层部分地覆盖该第一电极和第二电极。

12、一种电子发射显示装置，包括：

彼此相对的第一基板和第二基板；

位于第二基板上的磷光层；

位于第一基板上的阴极；

位于第二基板上的阳极；

电连接到该阴极的电子发射单元；以及

与该阴极电绝缘的栅极

其中该阴极包括

具有开口的第一电极，

位于该开口中的第二电极，

配置成电连接该第一和第二电极且包含配置成在热处理期间扩散的材料的阻抗层，以及

形成在该阻抗层上且配置成至少部分地阻止扩散的保护层。

13、一种制造电子发射装置的方法，包括：

提供基板；

在该基板上提供阴极，其中该阴极包括

具有开口的第一电极，以及

位于该开口内的第二电极；

在该阴极上提供阻抗层，以便电连接该第一电极和第二电极；

在该阻抗层上提供阻保护层；以及

提供栅极，以便与该阴极电绝缘。

14、根据权利要求13的方法，其中该阻抗层包括p型掺杂的非晶硅，并且

其中该保护层包括非p型掺杂的非晶硅。

15、根据权利要求13的方法，进一步包括对该阻抗层和保护层一起进行干蚀刻，使得该阻抗层的至少一边邻近该保护层的边。

16、根据权利要求13的方法，进一步包括在该阻抗层上提供该保护层之前清洗该阻抗层的表面。

17、根据权利要求13的方法，进一步包括：

在该阴极上提供绝缘层；以及

用氢氟酸蚀刻该绝缘层，

其中该电子发射单元维持配置成通过该绝缘层发射电子的空间。

18、根据权利要求17的方法，其中该绝缘层包括氧化硅。

19、根据权利要求12的方法，进一步包括配置成接收从磷光层发射且穿过该第二基板的光线的非自发光显示装置。

20、一种电子发射装置，包括：

栅极；

配置成基于该栅极和阴极之间的电压差发射电子的阴极；

形成在该阴极上的阻抗层；

形成在该阻抗层上的保护层；以及

形成在该保护层上的绝缘层，

其中该保护层基本上完全覆盖该阻抗层，其中该阻抗层包含配置成在热处理期间扩散的半导体材料，并且其中该保护层配置成防止扩散渗透到该绝缘层中。

Images