CN1993792A - 高分辨率阴极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以行和列排布的FED屏幕的三极管型阴极结构，包含形成阴极(20)的下部的第一金属镀层，电绝缘层，形成引出栅的上部的第二金属镀层，形成在第二金属镀层中和电绝缘层中的开口(21)，设置于这些开口中的多排电子发射装置(22)，其特征在于，所述排平行于屏幕的行的方向。

Description

高分辨率阴极结构
技术领域
本发明涉及发射阴极及其在屏幕制造中的应用的领域。
尤其应用于基于碳纳米管的屏幕的制造。
背景技术
屏幕的分辨率是影响该屏幕显示质量的重要因素，并部分控制该设备可被使用的应用类型。
此外，在给定分辨率的情况下，方便制造是影响制造成本的重要因素。
基于碳纳米管的FED屏幕采用几何上具有相当大公差的阴极结构，该结构有助于降低制造成本。
FED屏幕由行和列组成，行和列的交叉确定像素。要显示的数据被同时带到列上。每行被逐行扫描，以便对整个屏幕进行定址。
图1A和1B示出了如文献FR2836279中所述的三极管型阴极1的结构。该结构包括：
形成沿屏幕列的方向设置的阴极的第一金属镀层(firstmetallisation level)4。该第一层(较低水平)支承可选的阻挡层(resistive layer)2，可选阻挡层(或阻抗层)2是由例如可提高发射均匀性的硅制成。
处于阻挡层和第二金属镀层10之间的绝缘层6(例如二氧化硅)。
该金属镀层10(较高水平)与引出电子的屏幕控制栅格相对应。这些栅格(grid)沿屏幕列的方向设置。
与栅格10处于同一水平的栅导体12使栅格彼此连接并与屏幕上沿行方向设置的主栅导体11连接。类似地，与阴极4处于同一水平的阴极导体13使阴极彼此连接(图1B)。
发射装置，例如碳纳米管14，位于凹槽16中的阻挡层上。该凹槽16是在栅格和绝缘层6中作出的一个开口。
典型地，凹槽16的宽度约为15μm，栅格按照约25μm的节距排列，如图1A所示。
如图1B所示，凹槽16与栅格10和阴极4在屏幕上沿列的方向设置。
发射电子束的发散限定了相对位于阳极的磷区的δ重叠(图2)。限定屏幕分辨率的彩色节距P在行的方向上为重叠部分的两倍。当彩色磷区域沿与列平行的方向按条状排布时情况尤为如此。
在如图1A和图1B所述情况下，对于阳极-阴极间距为1mm且阳极电压为3kv来说该重叠通常为约240μm，这产生了1.4mm的彩色像素。
该类分辨率适合大屏幕，但阻碍了高清晰度屏幕(1000线)的使用，例如对角线为50cm的屏幕。
因此，出现的问题是寻找一种可维持如图1A所示阴极内在的简单性的同时，能够改善分辨率的新型屏幕结构。
发明内容
本发明首先涉及以行和列排列或定址的FED屏幕的三极管型阴极结构，包含：形成阴极的下部的(或较低的)第一金属镀层，电绝缘层，形成引出栅(extraction grid)的上部的(或较高的)第二金属镀层，在第二金属镀层和电绝缘层中形成的开口，设置于这些开口中的多排电子发射装置，所述排与屏幕的行的方向平行。
根据本发明，所述结构与已知结构相比旋转90°，换言之发射装置处于的凹槽平行于排的方向。
结果是在电子束的重叠方面有相当大地改进。
平行的行或栅格有助于在与栅格垂直的方向上形成发散场(adivergent field)结构。
然而，形成栅格的与行平行的电场分量实际为零。
因此，本发明还涉及以行和列排布或定址的FED屏幕的三极管型阴极结构，包括：形成阴极的下部的第一金属镀层，电绝缘层，形成引出栅的上部的第二金属镀层，在第二金属镀层和电绝缘层中形成的开口，以及行导体，所述开口与引出栅和行导体平行设置。
开口可以包括与行的方向平行的一个或若干个凹槽。
行和列限定了像素，栅格可以呈平行于屏幕的行的方向的带状形式，并且在每个像素中通过至少一个栅导体(grid conductor)彼此连接。
栅格也可以通过栅导体连接起来，每对相邻导体侧面地限定像素。
栅格也可以通过栅导体连接起来，这些栅导体中的每一个可以在列的方向上位于像素的对称轴上。
对于任何一对处于同一排上的电子发射装置来说，栅导体可以从同一排上的两个临近的电子发射装置中间通过。
栅格也可以通过栅导体连接，在每个像素中在列的方向设置数个连接导体。
优选地，在此情况下像素不含有侧边栅导体，因此可以排除由这些侧边导体引起的电干扰。
电子发射装置优选基于由碳或硅制备的纳米管或纳米纤维。
本发明进一步涉及以行和列排布的FED屏幕的三极管型阴极结构的制造方法，包括：
——在下部的第一金属镀层中形成阴极，
——形成电绝缘层，以及上部的第二金属镀层，
——在所述第二金属镀层中和所述电绝缘层中形成开口，
形成设置于这些开口中的多排(lines)电子发射装置，所述排平行于屏幕的行的方向。
所述方法可以进一步包括在所述第一金属镀层上形成阻挡层。
在所述第二金属镀层中和电绝缘层中可以蚀刻所述开口。
催化剂垫(pad)可以沉积于所述开口中，所述电子发射装置在所述垫上生成。
所述电子发射装置可以例如包括由碳或硅制备的纳米管或纳米纤维，例如采用化学气相沉积工艺形成。
作为变形例，所述电子发射装置可以加在所述开口的底部。
附图说明
图1A，图1B和图2示出了一种根据现有技术的阴极结构，
图3，图4A，图4B，图5A和图5B示出了根据本发明的阴极结构，
图6A和6B分别示出了根据现有技术和本发明的结构。
具体实施方式
图3示出了根据本发明结构的第一个实施方案，其示出发射器装置中的像素。其为单色像素，也叫做颜色像素的子像素(一种颜色像素包含3种单色像素(一种为红色，一种为绿色，一种为蓝色))。
该结构的基本部件(第一金属镀层，阻挡层，绝缘层等)是采用与图1A情况中相同的方式获得的。
换言之，根据本发明的装置还包含：
——形成屏幕阴极的第一金属镀层4(较低水平)；
——可能的改善发射均匀性的阻挡层(resistive layer)2，其支持在阴极4上，该层例如由硅制造；
——处于阻挡层2和第二金属镀层10之间的绝缘层6，用于制造控制栅格10。
该组件与阳极(图1A中未示出)形成三极管结构。
但与图1B有所不同，发射装置(在该实例中是纳米管)位于其中的凹槽21与栅格10和阴极4以相同的方式平行于屏幕行的方向排布。
栅格10经由栅导体12彼此连接(在此实例中栅导体沿列的方向排布)并连接至在行的方向上保持的栅格的主导体11。阴极通过下部的金属镀层(图1A中的层4)形成并通过阴极导体20彼此连接，该阴极导体沿列的方向排布。
图3中，所示的像素包含三个平行于主栅导体11的凹槽，并被栅格10分开。
更一般地，像素可以包含被排布成行的导体彼此分开的n个平行的凹槽。
凹槽21包含电子发射元件的垫(pad)或岛(island)22，其也沿着屏幕的行的方向排布。
这些发射元件通过阻挡层2或者可能的在整个基板表面上制成的金属层与阴极4电连接。
栅格被设置成与凹槽相同的方向，与栅导体平行。
发射元件或装置平行于行的成排设置相当大程度地提高了电子束的重叠。
平行于屏幕上行的方向设置的栅格10，有助于形成在垂直于栅格方向(因此与行垂直)的方向上发散的场结构。
另一方面，平行于栅格(因此平行于排)的电场分量几乎为零。
如果栅格10由于对称而无限长，则该分量会绝对为零。
但是，由于栅导体12连接栅格，位于每个凹槽末端的发射装置将要承受发散场的分量。
该情形可以采用如图4A-5B所示的像素结构加以改善。
在这些图中，侧边栅导体12被除去，并被一个中心栅导体31(图4A，4B)或者若干个中心栅导体41(图5A，5B)取代。
如图4A和5A所示，栅导体10在先前被侧边栅导体12所占据的位置的水平处终止，或延长至先前被侧边栅导体12(图4B和5B)占据的位置之上。
这样，对于每个像素，侧边栅导体12可以被除去，从而也消除了由这些侧边导体引起的电干扰。
由中间栅导体31、41引起的发散现象干扰较小，因为它们在单个像素内产生影响(不同于图3所示的侧边栅导体12，其可以对相邻的像素造成干扰)。
此外，在0V且位于像素边缘的阴极导体20将电子向像素内部集中。因此图4A、4B和5A、5B中所示的这些构造要比图3所示的构造有利。
由于两个中心导体41造成的冗余，图5A和5B中具有若干中间栅导体41的变形例耐受图4A和4B中所示的中心导体31的断开问题。
在这些实施例中，像素包含被在屏幕的行方向上设置的栅格彼此分开的n个平行的凹槽，每个排也被连接所述栅格并布置在屏幕列的方向上的栅导体31、41分成两个(图4A、4B)或两个以上(图5A、5B)的段或部分。甚至可能使栅导体从同一排或同一凹槽中相邻发射器元件的两个垫或岛之间通过，并且对于每排或凹槽都可以这样。
图6A示出了根据现有技术的子像素的结构，包含四行栅格和设置在这些栅格之间的三个纳米管排。图顶部的箭头代表列的方向。
垫的尺寸为5μm×10μm，凹槽的宽度1为15μm，子像素的总宽度为L＝72μm。
对于此结构，在阳极-阴极间距为1mm，阳极电压为3kV情况下，测定在列的方向上侧面重叠δ等于240μm。
图6B示出根据本发明的结构的一部分：纳米管凹槽被旋转并垂直于屏幕列的方向设置，即处于屏幕行的方向。
子像素包含12个按节距24μm(这是图中表示的间距P)排布的平行的凹槽(未全部示出)，每个凹槽包含三个5μm×10μm的纳米管的垫。在这些条件下，在阳极电压3kV，阳极-阴极间距为1mm时，列的方向上的侧面重叠降到只有150μm。
不考虑所采用的实施例，根据本发明的装置可以利用真空沉积和光刻技术制造。
例如，阴极导体可以通过沉积导体材料如钼、铬、铌或TiW等而得到。然后沿着一个带蚀刻该材料以形成沿屏幕上行的方向设置的阴极，以及连接它们的导电元件。
之后可以进行沉积，例如沉积由诸如硅制备的阻挡层，再沉积由例如二氧化硅制备的绝缘层，以及最后沉积金属层，其将形成电子引出栅。
然后将金属层和绝缘层蚀刻以形成将沿屏幕行的方向排布的沟或凹槽，类似于引出栅。
适合于电子发射材料(用于纳米管生长的Ni或Co或Fe或Mo或Pt或这些材料的合金)生长的催化剂垫可以通过“剥离法”(lift-off)沉积在凹槽的底部。这种催化剂可以设置在例如由TiN制成的阻挡层(barrier layer)上。
如果使用碳纳米管，可以采用热化学气相沉积工艺来制备，例如在约150mTorr的压力下使用乙炔。
作为变形例，也可以在凹槽底部加入纳米管或更一般性地电子发射设备。
根据本发明的一种装置也涉及屏幕，尤其是FED型屏幕，包括如本发明上述的高分辨率阴极器件或结构。这样的屏幕具有例如50cm的对角线。

Claims (30)

1.一种以行和列排布的FED屏幕的三极管型阴极结构，包括形成阴极(4，20)的下部的第一金属镀层，电绝缘层(6)，形成引出栅(10，12)的上部的第二金属镀层，形成在所述第二金属镀层中和电绝缘层中的开口(21)，设置在这些开口中的多排电子发射装置(22)，其特征在于所述排与所述屏幕的行的方向平行。
2.根据权利要求1所述的阴极结构，所述开口(21)包括一个或数个平行于所述屏幕的行的方向的凹槽。
3.根据权利要求2所述的阴极结构，所述发射装置上被置于设置在每个凹槽中的垫(22)上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的阴极结构，阻挡层(2)被插入到所述第一金属镀层(4，20)和多排电子发射装置(22)之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的阴极结构，其中所述行和列限定像素，栅格(10)呈平行于所述屏幕的行的方向的带状形式，并且在每个像素中通过至少一个栅导体(12)彼此连接。
6.根据权利要求5所述的阴极结构，所述栅格通过栅导体(11)连接，每对相邻导体侧面地限定像素。
7.根据权利要求5所述的阴极结构，所述栅格通过栅导体连接，这些栅导体(31)中的每一个位于列的方向上所述像素的对称轴上。
8.根据权利要求5所述的阴极结构，所述栅格通过栅导体连接，在每个像素中数个栅导体(41)位于所述列的方向上。
9.根据权利要求8所述的阴极结构，栅导体在同一排中的两个相邻电子发射装置之间通过。
10.根据权利要求9所述的阴极结构，对于在同一排的发射装置中的每对相邻发射装置，以及对所有排而言，栅导体在同一排中的两个相邻电子发射装置之间通过。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的阴极结构，其中至少一个像素不含侧边栅导体。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的阴极结构，其中所述电子发射器是基于由碳或硅制备的纳米管或纳米纤维。
13.一种屏幕，尤其是FED型屏幕，包含根据权利要求1-12中任一项所述的阴极结构。
14.一种制造以行和列排布的FED屏幕的三极管型阴极结构的方法，包括：
——在下部的第一金属镀层中形成阴极(4，20)，
——形成电绝缘层(6)，以及上部的第二金属镀层，
——在所述第二金属镀层和所述电绝缘层上开口，以便在所述第二金属镀层中形成栅格，
——形成排布于这些开口中的多排电子发射装置(22)，所述排平行于所述屏幕的行的方向。
15.根据权利要求14所述的方法，包含形成阻挡层(2)。
16.根据权利要求14或者15所述的方法，将所述第二金属镀层和所述电绝缘层蚀刻。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，催化剂垫沉积于所述开口中，所述电子发射装置在所述垫上生长。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，所述电子发射装置包含由碳或硅制备的纳米管或纳米纤维。
19.根据权利要求18所述的方法，所述纳米管或纳米纤维采用化学气相沉积工艺形成。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的方法，将所述电子发射装置加在所述开口的底部。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的方法，所述开口(21)包括一个或数个平行于所述屏幕的行的方向的凹槽。
22.根据权利要求21所述的方法，将所述发射装置置于排布在每个凹槽中的垫(22)上。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的方法，所述行和列限定像素，所述栅格形成为平行于所述屏幕的行的方向的带，并且在每个像素中通过至少一个栅导体(12)彼此连接。
24.根据权利要求23所述的方法，所述栅格通过栅导体(11)连接，每对相邻导体在侧面地限定像素。
25.根据权利要求23所述的方法，所述栅格通过栅导体连接，这些栅导体(31)中的每一个位于所述列的方向上像素的对称轴上。
26.根据权利要求23所述的方法，所述栅格通过栅导体连接，在每个像素中数个栅导体(41)位于所述列的方向。
27.根据权利要求26所述的方法，栅导体在同一排中的两个相邻电子发射装置之间通过。
28.根据权利要求27所述的方法，对于在同一排的发射装置中的每对相邻发射装置，以及对所有排而言，栅导体在同一排中的两个相邻电子发射装置之间通过。
29.根据权利要求25-28中任一项所述的方法，其中至少一个像素不含有侧边栅导体。
30.一种形成屏幕尤其是FED型屏幕的方法，包括形成根据权利要求14-29中任一项所述的阴极结构。
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