TW200939280A - Under-gate field emission triode with charge dissipation layer - Google Patents

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TW200939280A TW097138298A TW97138298A TW200939280A TW 200939280 A TW200939280 A TW 200939280A TW 097138298 A TW097138298 A TW 097138298A TW 97138298 A TW97138298 A TW 97138298A TW 200939280 A TW200939280 A TW 200939280A
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Description

200939280 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於場發射三極體裝置及用於其中之陰極總 成。 本申請案根據35 U.S.C. §ll9(e)主張優先於2007年10月5 上曰申請之美國臨時申請案第6〇/977,683號且主張該申請案 ，： 之權利，出於所有目的，該案之全文作為本文之一部分以 引用的方式併入本文中。 ® 【先前技術】 傳統上，場發射三極體採用其中閘極電極位於電場發射 極上方且由此位於陰極電極與陽極總成之間之設計。此設 。十通*稱作"正常閘極"或"頂部閘極"三極體裝置。然而， 隨著諸如碳奈米管等低臨限值電子發射材料之研究，其中 閘極電極重新定位至不同位置之兩種替代幾何結構已變得 可仃。此等新電子發射材料之較低導通電壓以及其隨機定 ◎向使得以替代設計幾何結構為特徵之裝置在習用電子發射 材料（例如Spindt尖端）不能發射足夠電流之條件下能夠發 •射出合理量之電流。 : 閘極電極之重新定位主要產生其中陰極與閉極電極共面 之杈向閘極或"側閘極”幾何結構及其中陰極電極位於閘 和上方且由此位於陽極總成與閘極電極之間的"下閘 極義何結構。對增加場發射裝置生產之方便性及減少最 終裝置成本的㈣促使人們關注該等替代幾何結構。 在開發下閘極幾何結構時，吾人已發現，具有下閘極設 135131.doc 200939280 計、尤其其中使用碳奈米管（CNT)作為電子發射材料之場 發射裝置具有意想不到的缺陷。儘管可藉由對閘極電極2 加偏壓獲得發射，但若將陽極電壓斷開，當陽極電壓重新 導通時，發射電流降至不能接受之低程度。為重新建立合 意高程度之發射電流，閘電壓必須增加實質上超過其先前 - 帛度。每當陽極電壓循環斷開及導通時皆會出現此相同： ·： 應。亦已發現此效應一旦開始既永久不變，且發現不可能 逆轉此逐漸高之閘電壓需要之趨勢以獲得可接受程度之發 ❹ 力電流。此係非常不期望之缺陷’此乃因在任何商業消費 者電子裝置中不可能期望連續施加陽極電壓。此外，為了 抵消斷開/導通循環之效應及產生足夠發射電流之所需的 逐漸大的閘電燃使得該裝置在$需閘電壓將超過該裝置之 擊穿強度之前僅能斷開及導通數次。 美國專利5,760,535介紹了具有頂閘極設計及電荷散逸層 之場發射三極體裝置。Ch〇i等人[Diam〇nd and Rented ❹ Materials iO (纖）^鹰]介紹了具有下閘極設計及 CNT電場發射極之場發射三極體裝置。然而，仍需要其中 : 彳將斷開/導通功率循環時之有害影響降至最小或完全避 r 免之場發射三極體裝置。 【發明内容】 本發明係關於場發射三極體裝置，其中電場發射極產生 疋$電流，該電流之特徵在於在其令該等裝置經受重複 斷開/導通循環之使用期間具有合意穩定程度。本發明亦 係關於適用於該等三極體裝置中之陰極總成。 I35131.doc 200939280 在本文-個或多個將各個特徵組合在一起之具體實施例 文中介了本發明裝置及陰極總成之某些特徵。 然而本發明之範圍不受任何具體實施例_僅某些特徵之 "的限制’且本發明亦包含：⑴比任何所闞述實施例之 所有特被少的子組合，此子組合之特徵在於缺少所省略特 徵而形成子組合；⑺每個特徵單獨地包含於任一所闡述實 施例之組合中，及(3)藉由將兩個或更多所闞述實施例之僅 所選特徵、視情況連同本文其他處所揭示之其他特徵歸為 一組所形成之其他特徵組合。 本文場發射三極體裝置之一些具體實施例闞述如下： 本文裝置之一個此實施例提供場發射三極體裝置，其包 含.（a)陰極總成，其包含⑴基板、（^)配置於該基板上之 導電閘極電極、（iii)配置於該閘極電極上之絕緣層、（iv) 配置於該絕緣層上具有介於約1χ10ι。與約1χ1〇14歐坶（〇hm)/ 平方之間之電薄層電阻的電荷散逸層、（v)配置於該電荷散 逸層上之陰極電極、及（vi)與該陰極電極接觸之電場發射 極，以及（b)陽極。 本文裝置之另一實施例提供場發射三極體裝置，其包 含：（a)陰極總成’其包含⑴基板、（π)配置於該基板上之 導電閘極電極、（iii)配置於該閘極電極上之絕緣層、（iv) 配置於該絕緣層上之陰極電極、（v)配置於該陰極電極及該 絕緣層上具有介於約lxl01G與約1x1014歐姆/平方之間之電 薄層電阻的電荷散逸層、及（vi)配置於該電荷散逸層上之 電場發射極；以及（b)陽極。 135131.doc 200939280 本文裝置之又一實施例提供場發射三極體裝置，其包 含：⑷陰極總成，其包含⑴基板、（ii)配置於該基板上之 導電閘極電極、（in)配置於該閘極電極上之絕緣層、（iv) 配置於該絕緣層上之陰極電極、（幻與該陰極接觸之電場發 射極、及（Vi)配置於該絕緣層、該陰極電極及該電場發射 極上具有介於約lxl0i0與約lxl0i4歐姆/平方之間之電薄層 電阻的電荷散逸層；以及（b)陽極。 本文陰極總成之一些具體實施例闡述如下： 本文陰極總成之一個此實施例提供陰極總成，其包含⑴ 基板、（Π)配置於該基板上之導電閘極電極、（iii)配置於該 閘極電極上之絕緣層、（iv)配置於該絕緣層上具有介於約 lxio10與約lxio14歐姆/平方之間之電薄層電阻的電荷散逸 層、（V)配置於該電荷散逸層上之陰極電極及（vi)與該陰極 電極接觸之電場發射極。 本文陰極總成之另一實施例提供陰極總成，其包含⑴基 板、（Π)配置於該基板上之導電閘極電極、（iii)配置於該閘 極電極上之絕緣層、（iv)配置於該絕緣層上之陰極電極、 (v)配置於該陰極電極及該絕緣層上具有介於約丨χ丨〇〗〇與約 lxlO14歐姆/平方之間之電薄層電阻的電荷散逸層及（vi)配 置於該電荷散逸層上之電場發射極。 本文陰極總成之又一實施例提供陰極總成，其包含⑴基 板、（ii)配置於該基板上之導電閘極電極、（iii)配置於該閘 極電極上之絕緣層、（iv)配置於該絕緣層上之陰極電極、 (v)與該陰極接觸之電場發射極及（vi)配置於該絕緣層、該 135131.doc 200939280 陰極電極及該電場發射極上具有介於約1χ1〇1()與約1χ1〇〗4歐 姆/平方之間之電薄層電阻的電荷散逸層。 本文裝置及陰極總成之其他實施例包含實質上如圖6、 10、11、13、14、16或17中任一或多個圖中所示或所述的 任一裝置或裝置。 【實施方式】 本發明闡述具有下閘極設計且含有陰極總成及陽極總成 之場發射二極體。本發明亦閣述陰極總成，其以非特定順 序含有基板、陰極電極、閘極電極、電場發射極、絕緣層 及電荷散逸層。本文所用陽極總成通常含有基板、陽極電 極及磷光體層。將電荷散逸層納入本文陰極總成並因此最 終納入本文場發射裝置中減少或消除持續增加施加於陰極 電極之電壓以在正常使用之電源斷開/導通循環期間維持 可接受程度之發射電流的需要，由此，本發明此一場發射 二極體裝置中提供遠更穩定之發射電流。 圖1展不習用先前技術之場發射三極體裝置的幾何結 構，該裝置具有下閘極設計，因其不含有電荷散逸層，故 其將作為本發明之裝置及陰極總成之有用比較點。圖1裝 置含有一個或多個位於基板材料h2上之閘極電極ιΐ()該 (等）閑極電極由一個或多個位於其上之絕緣介電層1 3覆 蓋該（等）介電層之上有一個或多個陰極電極1.4，且電子 發射材料1.5與陰極電極電接觸。陽極總成與陰極及閘極 電極對置且由絕緣間隔件1 6支撐，該陽極組件含有含一 個或多個陽極電極丨.8之陽極基板17。此陽極基板可含有 I35131.doc 200939280 用於發光之磷光體塗層1.9，且可藉由使用間隔件維持值 定距離。來自與陰極電極接觸之電子發射材料之場發射係 藉由對閘極電極施加正電位來達成。然後，施加給陽極電 極之單獨正電位吸引發射材料所發射之陽極電子。若陽極 總成含有磷光體層，則電子碰撞將產生可見光發射。 本文所述之場發射三極體裝置中，將另一元件添加於陰 極總成中，即電荷散逸層。此電荷散逸層將具有介於約 1 xl01G至約1x1 〇14歐姆/平方之間之薄層電阻，如利用靜電 計根據ASTM D257-07絕緣材料之直流電阻或電導之標準 測試方法（Standard Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials)所量測。上述範圍中所選電阻可藉由 調整該層之厚度來獲得，其根據製造該層之材料的固有電 阻率可在約10埃至約50埃至約0.1微米至約5微米之範圍 内。該電荷散逸層將額外電荷傳導至大地。 由於在陰極總成中有可放置電荷散逸層之若干可替代位 置，故本發明場發射三極體裝置中電荷散逸層的引入可以 夕種方式實現。舉例而言，在一個實施例之構造中，電荷 散逸層可在沈積陰極電極及電子發射材料之前置於由介電 材料形成之絕緣層頂部。因此，一旦形成電荷散逸層，即 可將陰極電極置於其頂部。然後，電場發射極可經放置與 陰極電極接觸^電場發射極可完全位於陰極電極頂部或可 邛分直接位於電荷散逸層頂部而一部分與陰極電極接觸 以建立電接觸。此種構造示於圖6。 替代實施例之構造係將電場發射極之電子發射材料置於 135131.doc 200939280 電荷散逸層上，且然後使陰極電極位於電場發射極頂部。 此具有從陰極電極頂部除去電子發射材料之優點，此係易 於從陽極電位產生非閘控發射（亦稱為”熱點”）之配置。若 電子發射材料具有適度導電性，則其可同時作為陰極電極 及電場發射極。儘管此方式亦可導致"熱點"之出現，但在 一些情況下，圖案化及對準步驟之消除可使其使用有益。 此種構造示於圖11。 在另一實施例之構造中，電荷散逸層可位於陰極電極頂 部且在電場發射極之電子發射材料之下。除驅散可能發生 之任何表面充電，電荷散逸層在此種情況下亦作為鎮流電 阻器。鎮流電阻器通常應用於場發射裝置中以達成較佳發 射均勻性，其係與減少裝置中"熱點"數量之目標一致之目 標。此種構造示於圖14。 在又一實施例之構造中，電荷散逸層可在陰極電極與電 場發射極已置於介電絕緣層上之後形成。此可藉助將電荷 散逸材料之薄臈沈積於整個裝置上或藉由將電荷散逸材料 圖案化絲網印刷於暴露電介質之區域上從而形成電荷散逸 層來實施。此方式之優點在於閘極與陰極電極間之距離不 會隨製成厚膜之電荷散逸層的存在而增加。此種構造示於 圖17。 製造電荷散逸層之合適材料包含（但不限於）以下一種物 質或其混合物：典型介電（即絕緣）材料，例如瓷製品（陶 究）、雲母、玻璃；塑膠，例如環氧、聚碳酸醋、聚醯亞 胺、聚苯乙烯及聚(四氟乙烯）；及諸如鋁、矽、錫及鈦等 135131.doc •12- 200939280 多種金屬之氧化物及氮化物。然後，將所選介電材料用導 電材料微粒摻雜以獲得所期望之薄層電阻。適用於此摻雜 目的之導電材料包含銻、金、鉑、銀或鎢、導電金屬氧化 物顆粒（例如經銦摻雜之氧化錫或經氟摻雜之氧化錫）、或 半導體微粒（例如矽）。端視所用微粒而定，為達成所期望 *_ 之薄層電阻，以介電材料及摻雜劑之組合重量計需要介於 V 0.1與30重量％之摻雜含量。 其他適用於形成電荷散逸層之材料包含（但不限於）混合 ® 價氧化物，例如鈷鐵氧化物（CoOFeW3或CoFe2〇4)、鎳鐵 氧化物（NiO.FoO3或NiFQO4)或鎳鋅鐵氧化物（[Ni〇+Zn〇] i Ι^2〇3 或[Ni+Zn]1 Fe2〇4)、錳鋅鐵氧化物（[Μη〇+Ζη〇]ι 卜2〇3)，或甚至可使用最簡單形式的鐵_鐵氧化物（Fe〇, ρ~〇3)。該等材料通常稱為鐵酸鹽。該等包含鋇鐵氧化物 及锶鐵氧化物型之鐵酸鹽材料。呈整體多晶形之c〇Fe2〇4 在多種應用中可為有用選擇。同樣，亦可應用混合價氧化 〇 物，例如釓鐵氧化物（GcbFe^y、鑭鎳氡化物（“见〇3)、 鑭鈷氧化物（LaCo〇3)、鑭鉻氧化物（LaCr〇3)、鑭錳氧化物 • (LaMn〇3)及基於此等之改良材料，例如，鋼锶猛氧化物 : (La0.67Sr〇.33MnOx)、鑭鈣錳氧化物（La。67Ca。33Μη〇χ)或釔 鋇鋼氧化物（YAkCwOx)。該等材料通常稱為稀土及非稀 土混合金屬氧化物。 適用於形成電荷散逸層薄膜的材料包含鉻、金、鉑、銀 或鎢；導電金屬氧化物，例如經銦摻雜之氧化錫、經銻摻 雜之氧化錫或經氟摻雜之氧化錫；或半導體，例如具有介 135131.doc -13· 200939280 具有介於約1〇10與約10"歐姆/平 石夕〇 方之間之薄層電阻的非 晶 在其他實施例中，電荷|技思 ^ 散逸層可由含有功能成份（例如 顏枓或光散射中心）之組合物製 阻斷或光漫射)。 製得&供附加功能(例如光
本文適於用作電子發射材料以形成電場發射極的材料包 含針狀材料，例如，碳、類金剛石碳、半導體、金屬或其 混合物°本文所m係指具㈣或更大縱橫比之微 粒。針狀碳可有多種類型。碳奈米管係較佳針狀碳且單壁 碳奈米管尤其佳。單個單壁碳奈米管非常小，一般直徑為 約1.5奈米。碳奈米管有時描述為類石墨碳，大概係由於 為sP2雜化碳之故。碳奈米管的壁可設想為藉由將石墨婦 薄層卷起所形成之柱面。由含碳氣體在小金屬微粒上催化 分解所生長之碳纖維亦可用作針狀碳’每根碳纖維具有相 對於纖維軸成度配置之石墨㈣便碳纖維的外 圍基本上由石墨稀薄片邊緣組成。該角度可為銳角或 9〇°。其他針狀碳之實例係聚丙烯腈基（pAN—基）碳纖維及 瀝青基碳纖維。 陰極總成或陽極總成中之基板可為將附著其他層之任何 材料。矽、玻璃、金屬或諸如氧化鋁等難熔材料可作為基 板。對於顯示器應用，較佳基板為玻璃，且驗石灰玻璃尤 其佳。本文適用於製造下閘極電極、陰極電極及/或陽極 電極之材料包含（但不限於）銀、金、鉬、鋁、錄氧化物、 鉑氧化物、錫氧化物及鎢氧化物。 135131.doc • 14· 200939280 形成陰極總成中電荷散逸層之一方法係藉由沈積(例如 a由絲網印刷)摻雜有導電材料之厚膜介電膏來達成 望之薄層雷[j且。k 1 朁代方法係施加電阻性材料（例如矽）之 膜塗層來達成所期望之薄層電阻。 / ❹ 用於本文陰極總成中且最終用於本文場發射三極體裝置 中之電％發射極可藉由將電子發射材料與諸如將發射材料 附裝至所期望表面所需之玻璃料、金屬粉末或金屬塗料 (或:、’昆„物）此合來製得。電子發射材料之附裝方式必須 經受製造陰極總成之條件及操作含有陰極總成之場發射裝 =的條件並維持其完整性。該等條件—般涉及真空條件及 间達約450 C之溫度。因此，有機材料一般不適於將微粒 附裝至表面，且若干無機材料對碳差的附著進一步限制可 用材料之選擇。因此’較佳方法係將含有電子發射材料及 破璃料（例如斜或叙玻璃料）、金屬粉末或金屬塗料（或其混 合物）之厚膜膏以合意圖案絲網印刷至表面上，且然後燒 製乾燥的圖案化膏。對於較寬範圍應用中，例如彼等需要 較精細分辨率者，較佳處理包括絲網印刷亦含有光起始劑 及光可固化單體之膏、光圖案化乾燥膏及燒製圖案化膏。 膏混合物可使用習知絲網印刷技術來絲網印刷，例如使 用165·400網目不銹鋼絲網。厚膜膏可沈積成連續膜或呈 期望圖案之形式。當表面為破璃日夺，然後將膏在約35代 至約55CTC、較佳約450。(：至的s w — 至約525 〇之溫度下於氮氣中燒 製約1〇分鐘。倘若氣氛中無氧，則更高燒製溫度可用於能 承受其之表面。然而’膏中之有機組份在35〇_4抓下有 135131.doc 200939280 效地揮發，留下包括電子發射材料及玻璃及/或金屬導體 之複合物層。若要將絲網印刷膏光圖案化，則該膏亦可含 有光起始劑、可顯影黏結劑及光可固化單體，該光可固化 單體包括（例如）至少一種具有至少一個可聚合乙烯系基團 之可加成聚合乙烯系不飽和化合物。 '除電場發射極以外陰極總成之層或組件的形成或陽極總 • 成之層或組件的形成可藉由與上述類似之厚膜印刷法或藉 由此項技術中習知之其他方法（例如濺射或化學蒸氣沈 ® 積’其視需要可涉及使用遮罩及可光成像材料）來達成。 儘管在本文中不同地方將陰極總成各組件之沈積闌述為 沈積厚或薄膜以形成層’且儘管當顯示於側視圖中時陰極 總成各組件由此看起來可能表徵為層，但本文所用術語 層，未必要求陰極總成或場發射裝置中之組件完全為平面 或完全連續。對於形狀及配置而言，所提及或可表徵為層 之組件在各種實施例中可為或類似於條帶、線或網、或不 〇 連續但電連接之墊、樁或柱的陣列。單一層可由此提供複 數個位置來放置下列元件：陰極電極、閘極電極、電荷散 . 逸層、絕緣層及/或電場發射極；且本文裝置可由此含有 - 複數個該等組件類型中每一個，其可提供可單獨定址像素 • 陣列。 、 本文場發射三極體裝置之操作涉及將包含以下實例中所 用電壓之範圍内的合適電位經由裝置外部之接地電壓源 (未圖示）施加至閘極電極及陽極以對電場發射極賦能以產 生場發射電流。 135131.doc -16 - 200939280 本文場發射三極體裝置可用於平面電腦顯示器、電視及 其他類型顯示器、及真空電子裝置、發射閘極放大器調 速管及照明裝置中。其尤其用於大面積平板顯示器中， 即’用於尺寸大於30英吋（76公分）之顯示器。平板顯示器 可為平面或曲面《該等裝置更具體地闡述於美國專利第 、 2002/0074932號中，其全文作為本文的一部分以引用的方 ..式併入本文中。 在本文裝置中應用電荷散逸層之一優點在於改良經過無 數斷開/導通循環後發射電流之穩定性及一致性。然而， 獲得此效應而不會犧牲（若有）該裝置所能產生的發射電流 之總數量的大部分；且在一些情況下發射電流之數量可增 加高達1 〇倍之多。考慮到通常情況下認為電荷散逸層之存 在將由於諸如屏蔽作用之條件或由於增加厚度而使有效電 場減少導致閘極電極效力降低，此為有價值之結果。經過 無數斷開/導通循環後發射電流保持穩定且高之事實表 明’在本文裝置操作時很少或未出現電場發射極降格；考 慮到裝置通電時及操作期間由於表面充電可存在高電流負 荷，此亦為有價值結果。 ❹ 實例 本文中場發射三極體裝置之有益屬性及效應可見於下文 所述之一系列實例（實例1至4)中。本文該等實例所基於的 裝置之實施例僅為例證性的’且選擇該等實施例來例示本 發明並不表明除該等實例中所闡述以外的組件、設計或構 造不適於實踐本發明，或除該等實例所闡述以外的標的物 135131.doc -17- 200939280 不在隨附申請專利範圍及其等效物之範圍内。藉由比較由 其獲得之結果與對照A(其涉及不含電荷散逸層之場發射三 極體裝置）中所獲得之結果更好地理解實例1至4之重要 性。
對照A 圖2及圖3分別展示具有下閘極設計之場發射三極體裝置 之陰極總成的俯視平面圖及下閘極設計之場發射三極體裝 置的側視圖。陰極總成係使用2”x2”玻璃基板2.1及3.1構 成。將基板上之ITO塗層2·2及3.2蝕刻以形成閘極電極。將 厚膜介電膏絲網印刷至該基板上，在125<t下乾燥5分鐘， 且在空氣中燒製至最高溫度55(rc持續2〇分鐘。將第二層 介電膏使用相同程序絲網印刷至該第一層上。該兩個介電 膏燒製層的組合厚度係9.3微米，且形成擊穿強度超過5〇〇 伏之絕緣層2.3及3.3。陰極電極2.4及3.4係使用厚膜銀膏絲 網印刷至該絕緣層表面。然後，將陰極電極層在125<t下 乾燥5分鐘並在最高溫度55(rc下燒製1〇分鐘。 陰極電極2.5及3,5之主動區（將含有電子發射材料）由間 隔1.5毫米之1〇〇微米寬線之格柵組成。包含碳奈米管作為 電子發射材料之厚膜膏絲網印刷至陰極電極上。該膏隨後 在125°C下乾燥5分鐘並在氮氣環境下於最高溫度42(rc下 燒製。將電場發射極2.6及3.6之圖案圖案化，以便陰極電 極主動發射區中之所有邊緣與約100微米寬之電子發射材 料線接觸。然後’將一片黏著帶層壓於該電場發射極上並 隨後除去。該製程習知用以使電場發射極斷裂暴露其"活 135131.doc • 18- 200939280 性"表面。 然後活性陰極總成經安裝與陽極板（由IT〇塗佈的2"χ2" 玻璃基板3·8連同磷光體塗層3.9構成）對置^ 4毫米厚之間 隔件2.7及3.7係用於維持陰極總成與陽極總成間之距離。 使用銀漆及銅帶使ΙΤΟ閘極電極、銀陰極電極及〗丁〇陽極電 極3.10電接觸。圖3所描述之裝置係在抽真空至壓力為 <1x1 (Γ5托之真空室中安裝。 將1.7千伏直流電壓施加給陽極電極。將重複頻率為6〇 赫茲且脈衝寬度為60微秒之脈衝方波施加給閘極電極。陰 極電極維持於接地電位。當脈衝閘極電壓達到2〇〇伏時， 所量測之直流發射電流係7.7微安。該發射圖案之圖像示 於圖4。 然後將陽極電壓斷開且然後導通，並且陽極電壓之此斷 開/導通循環後’發射電流完全消失。將陽極電壓升至丨75 千伏且脈衝閘極電壓緩慢上升。在脈衝閘極電壓為275伏 時’電流為0.6微安》當脈衝閘極電壓達到3〇〇伏時，發射 電流為8.7微安，且閘極電位需要增加1〇〇伏來重新獲得初 始發射電流。然後陽極電壓增加至2.〇千伏，此產生12 4微 安之發射電流’同時脈衝閘極電壓為3〇〇伏。 然後將陽極電壓再次斷開’且當陽極電壓再導通時，發 射電流完全消失。為了重新達成發射，將閘極電壓增加至 375伏’此時可達成〇,4微安之電流。在4〇〇伏時，電流為 1.5微安但逐漸增加至1〇 5微安。同樣，閘極電位需要增加 100伏來重新獲得先前之發射電流。然後陽極電壓緩慢降 135131.doc 19 200939280 低以觀察發射電流是否將再次失去。當陽極電壓恢復至 2·〇千伏時，發射電流為〇.〇微安。 將試樣從真空體系中取出以觀察藉由與大氣接觸是否能 消除此效應》然而，當試樣再次加載於該室中並施加2〇 千伏之陽極電位及400伏之閘極電壓時，從少數離散閃爍 、點中僅看出0.1微安之發射。400伏接近於該等裝置在正常 • 操作中預計可承受之最大電壓。每次去除陽極電壓所需閘 電壓之急劇增加使得該等裝置不能用於現實世界應用中。 〇 圖5展示了四次導通陽極電壓時為達成不同發射電流所需 之閘極電壓。 實例1 另一場發射三極體裝置之試樣係利用與對照六中所測試 之試樣幾乎相同之結構製得。在實例丨裝置之側視圖中， 圖6以與圖3相似之方式展示該陰極總成之基板61、ιτ〇閘 電極6.2由雙；|電層6.3形成之絕緣層、Ag陰極電極6.4 〇 及6.5、CNT電子發射材料6.6、間隔件6 7、磷光體^、 ITO陽極電極6 1〇及用於陽極總成之陽極基板6 8。本實例 :中製得之試樣裝置與對照A中製得之試樣裝置間的區別在 : ☆本實 <列中在陰極電極目案化之前將第三厚膜層絲網印刷 至試樣上。此層6.丨丨位於由經摻雜介電膏組成之兩個介電 材7層6.3頂部.介電奮與導電微粒摻雜以使其具有大於 〇且小於1〇歐姆/平方之限定薄層電阻。層611因此將 作為電荷散逸層。本實例中，銻摻雜之錫氧化物微粒用於 電荷散逸層中^ 135131.doc •20· 200939280 電荷散逸層之加入使介電堆疊之厚度增加至13·1微米。 在真空環境中，將陽極電壓及閘極電壓以與對照Α中所用 相似方式施加給本試樣。該裝置在60赫茲下以60微秒之閘 極脈衝驅動。在1.5千伏陽極電壓及200伏閘極電壓下，發 射電流為3 .4微安。該電流低於對照a中所獲得之相應電 流’此係由於介電堆疊使厚度增加及有助於發射之表面充 電減少。當陽極電壓增加至2.0千伏且閘極電壓增加至300 伏時，發射電流為16.5微安。 陽極電壓斷開且在陽極電壓再次導通時，電流恢復至 14.2微安。將陽極斷開並再次導通後擷取的該發射圖案的 圖像展示於圖7中。將試樣裝置關閉一整夜，當次日早晨 以相同設置再次導通時，發射電流為15〇微安。陽極電壓 再次斷開並將陽極電壓再次導通，電流為丨2.1微安。 將試樣裝置除去並將金屬表面置於陽極總成中，由於陰 極基板之透明性及陰極電極之大開口面積，此將使得所發 射光經反射朝向陰極基板並穿過其。穿過陰極基板而非陽 極基板抽取光具有若干優點。反射金屬膜更容易地置於該 裝置外部而非該裝置内部磷光體表面上。當在習用定向中 作為背光單元（BLU)用於LCD顯示器時，陽極基板位於接 近LCD矩陣處，此使得其難以冷卻陽極基板。當穿過該裝 置之後部穿過陰極抽取光時，陽極基板可位於外部，此使 得更容易且更有效地冷卻。 當在金屬表面置於適當位置的情況下操作時，對於 伏之閘極電壓及2.0千伏之陽極電壓，該裝置之發射電流 135131.doc 200939280 穩定在12.0微安。在該構造中，陽極電壓循環斷開/導通三 次以上且每次電流皆恢復到12.0微安。自該裝置獲得之發 射圖像（如透過陰極基板所觀察到的）示於圖8中。該圖像係 於陽極電壓斷開/導通5次之後擷取。 使該室通風且該試樣在陰極基板之外部重新安裝漫射 \ 體。此使穿過陰極所抽取之光的均勻性增加。自該裝置獲 · 得之發射圖像（如透過漫射體及陰極基板所觀察的）示於圖9 中。對於300伏閘極電壓及2.0千伏陽極電壓，以該方式操 ® 作所獲得之電流為12.2微安》該裝置在此電流下穩定操作 3小時》該裝置之累積發射時間為約5小時。儘管在發射電 流中觀察到一些初始衰減’但一旦電流穩定，該裝置可導 通及斷開而無任何增加閘極電壓之需要。 實例2 製得類似於實例1所用裝置具有下閘極設計之場發射三 極體裝置。實例1裝置與實例2裝置間之主要區別係電場發 φ 射極及陰極電極之圖案及其圖案化之順序。陰極總成之俯 視圖及該裝置之侧視圖分別示於圖1〇及丨丨。在該等圖中顯 示陰極基板丨0·1及u.i、ιτο閘極電極10.2及u 2、由雙介 ： 電層1〇·3及n.3所形成之絕緣層、Ag陰極電極10.4及 11·4、CNT電子發射材料10.5及u 5、間隔件1〇义及^ 6、 電荷散逸層1G.7及U.7、填光體層118、⑽陽極電極u 9 及陽極基板11.10。 與對照A及實例1所用試樣裝置之構造方式相類似，該實 例2之陰極電極為格栅，只是間距為i毫米。使用格拇電極 135131.doc -22· 200939280
電流下操作時擷取。 &電壓、33伏閘極電壓及28微安陽極 在120赫茲下以30微秒之閘極脈衝驅 動該裝置。閘極電壓斷開時，未觀察到非閘控發射或"熱 點"。 ’、 在對照及實例1中，電子發射材料係在陰極電極印刷後 印刷，但在實例2中，電子發射材料係在陰極電極之前印 刷。將陰極電極圖案化至電場發射極線上，以便發射極線 近似地平分陰極電極之正方形。此設計及圖案化順序之變 化導致所看到非閘控發射或"熱點"之數量減少。陽極電壓 可增加至3.0千伏而無任何熱點跡象。 儘管本發明不限於任何具體作業理論，但"熱點"之減少 可源於三個條件。首先，藉由顛倒圖案化順序消除陰極電 極頂部對非閘控發射最敏感之電子發射材料。藉由限制直 接與陰極電極接觸之材料的數量，電場發射極及電荷散逸 層可作為鎮流電阻器防止形成於大部分材料之熱點。最 後’緊鄰陰極電極之材料藉由位於其上之陰極電極有效地 135131.doc •23- 200939280 屏蔽。 實例3 亦研究減少非閘控發射或"熱點"之替代方法。本實例3 之裝置的構造與實例丨中所用之裝置類似，只是電荷散逸 層係於陰極電極後但於沈積電場發射極之前圖案化。陰極 總成之俯視平面圖及該裝置之側視圖分別示於圖丨3及14。 該等圖中顯示陰極基板131及141、IT〇閘極電極13 2及 14·2、由雙層介電材料13.3及14.3形成之絕緣層、Ag陰極 電極13.4及14.4、CNT電子發射材料13.5及14.5、間隔件 13.6及14.6、電荷散逸層13.7及14.7、磷光體層14.8、ITO 陽極電極14.9及陽極基板14.10。 藉由將電荷散逸層置於陰極與發射極之間，該電荷散逸 層可作為鎮流電阻器，此將減少非閘控發射之數量。該裝 置可承受2.0千伏之陽極電壓而沒有"熱點”。自該裝置獲得 之發射圖像示於圖15中》此圖像係於該裝置在2.25千伏陽 極電壓、300伏閘極電壓及7.1微安陽極電流下操作時擷 取。在120赫茲下以30微秒之閘極脈衝驅動該裝置。閘極 電壓斷開時，未觀察到熱點。 實例4 作為使用厚膜介電塗層之另一選擇，使用薄膜電荷散逸 層製得裝置。藉由利用電子束蒸發器沈積於雙層介電材 料、陰極電極及CNT電子發射材料之頂部將薄鉻（Cr)膜之 電荷散逸層置於適當位置。該薄膜電荷散逸層係於該裝置 其餘部分已構造後但於電場發射極活化之前沈積。如由薄 135131.doc • 24- 200939280 膜厚度晶體監測器所量測，該薄膜之厚度係約1 8埃。該膜 很可能因電子束蒸發器中之雜質而包括鉻及鉻氧化物二 者’且其具有大於約l〇w且小於約10"歐姆/平方之限定薄 層電阻。 該實例4裝置之陰極電極及電場發射極的圖案與實例2所 用之裝置類似’只是該CNT電子發射材料位於陰極電極頂 部。陰極總成之俯視平面圖及該裝置之側視圖分別示於圖 16及17中。該等圖中顯示陰極基板16.1及17.1、ΠΌ閘極電 極16.2及17.2、由雙層介電材料16.3及17.3形成之絕緣層、 Ag陰極電極16.4及17.4、CNT發射極膏16.5及17.5、間隔 件16.6及17.6、電荷散逸層16.7及17.7、磷光體層17.8、 ITO陽極電極17.9及陽極基板17 1〇。 藉由利用Cr薄膜作為電荷散逸層，自閘極電極至電場發 射極之整個距離可減少約1/3。該較短距離使得閘極場更 有效且降低固定電場所需電壓。因此，所需電壓可大大降 低。圖18展示自該實例4裝置在3千伏陽極電壓、200伏閘 極電壓及55,5微安陽極電流下操作所獲得之發射圖像。 120赫茲、30微秒脈衝方波及4毫米陽極-陰極間距之驅動 條件與實例2中所用條件相同’然而發射電流遠大於實例 2。在66%實例2之閘電壓下，本實例之電流為實例2中所 得電流的兩倍《考慮到發射電流對閘極電壓之非線性響 應’此相當重要。將陽極及閘極電壓導通並斷開，該裝置 之發射電流沒有任何變化’此證明該薄膜電荷散逸層產生 了所期望效果。 135131.doc -25- 200939280 【圖式簡單說明】 先别技術場發射裝置的 圖1展示具有下閘極設計之習用 側視圖。 圖 平面 2展示具有下閘極設計之場發 嘴赞射裝置陰極總成之俯視 圖’如對照A中所揭示。 圖3展示具有下閘極設計之場發射裝置的側視圖，如對 照A中所揭示。 圖4展示自對照A中所揭示場發斛助里從〜 ^
嘴赞射裝置獲得之發射圖案的 圖像。該圖像係於陽極電壓首次斷開之前擷取。 圖5展示在對照a中所揭示場發射裝置中陽極電壓斷開且 再次導通四次後達成特定發射電流所需之閘極電壓。 圖6展示具有下閘極設計及電荷散逸層的場發射裝置之 側視圖，如實例1中所揭示。 圖7展示自實例1所揭示場發射裝置獲得之發射圖案的圖 像。該圖像係於陽極電壓斷開且再次導通後梅取。 圖8展示如透過實例1所揭示之場發射裝置之陰極基板所 觀察到的發射圖案的圖像。該圖像於陽極電壓斷開且再次 導通五次後擷取。 圖9展示如透過實例1所揭示之場發射裝置之漫射體與陰 極基板所觀察到的發射圖案的圖像。 圖10展示實例2中所揭示場發射裝置的陰極總成之俯視 平面圖，該裝置具有下閘極設計及電荷散逸層、發射極線 及格柵陰極電極（以此順序沈積）。 圖11展示實例2所揭示之場發射裝置的側視圖。 135131.doc -26- 200939280 圖12展示自實例2所揭示之場發射裝置獲得的發射圖案 的圖像。 圖13展示實例3中所揭示場發射裝置的陰極總成之俯視 平面圖’該裝置具有下閘極設計及陰極電極線、電荷散逸 層及交又發射極線（以此順序沈積）。 圖14展示實例3中所揭示之場發射裝置的侧視圖。 圖15展示自實例3所揭示之場發射裝置獲得的發射圖案 之圖像。 ❹ ❹ 圖16展示實例4所揭示場發射裝置的陰極總成之俯視平 面圖，該裝置具有下閘極設計及陰極電極線、交叉發射線 及薄膜電荷散逸層（以此順序沈積）。 圖1 7展示實例4中所揭示之場發射裝置的側視圖。 圖18展不自實例4所揭示之場發射裝置獲得的發射圖案 之圖像。 【主要元件符號說明】 1 · 1 閘極電極 1 ·2 基板材料 !·3 絕緣介電層 !·4 陰極電極 1 ·5 電子發射材料 1·6 絕緣間隔件 1 · 7 陽極基板 !·8 陽極電極 !·9 磷光體塗層 135131.doc •27- 200939280
2.1 2.2 2.3 2.4 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 玻璃基板 ITO塗層 絕緣層 陰極電極 間隔件 玻璃基板 ITO塗層 絕緣層 陰極電極 陰極電極主動區 電場發射極 間隔件 玻璃基板 磷光體塗層 ITO陽極電極 基板 IT 0閘極電極 雙介電層
Ag陰極電極
Ag陰極電極 碳奈米管電子發射材料 間隔件 陽極基板 磷光體 135131.doc -28- 200939280 6.10 ITO陽極電極 6.11 層 10.1 陰極基板 10.2 ΙΤΟ閘極電極 10.3 雙介電層 10.6 間隔件 10.7 電荷散逸層 11.1 陰極基板 ❹ 11.2 ΙΤΟ閘極電極 11.3 雙介電層 11.4 Ag陰極電極 11.5 碳奈米管電子發射材料 11.6 間隔件 11.7 電荷散逸層 11.8 構光體層 11.9 ITO陽極電極 11.10 陽極基板 13.1 陰極基板 13.2 IT 0閘極電極 13.3 雙層介電材料 13.6 間隔件 13.7 電荷散逸層 14.1 陰極基板 14.2 IΤ 〇閘極電極 135131.doc -29- 200939280 14.3 雙層介電材料 14.4 Ag陰極電極 14.5 碳奈米管電子發射材料 14.6 間隔件 14.7 電荷散逸層 -. 14.8 磷光體層 ,· 14.9 ITO陽極電極 14.10 陽極基板 © 16.1 陰極基板 16.2 ITO閘極電極 16.3 雙層介電材料 16.6 間隔件 16.7 電荷散逸層 17.1 陰極基板 17.2 ITO閘極電極 17.3 雙層介電材料 ❹ 17.4 Ag陰極電極 ^ 17.5 碳奈米管發射極膏 17.6 間隔件 17.7 電荷散逸層 17.8 磷光體層 17.9 ITO陽極電極 17.10 陽極基板 135131.doc -30-

Claims (1)

  1. 200939280 十、申請專利範圍： 1. 一種場發射三極體裝置，其包括：（a)陰極總成，其包括 ⑴基板' (ϋ)配置於該基板上之導電閘極電極、（iii)配置 於该間極電極上之絕緣層、（iv)配置於該絕緣層上具有 "於約1x1 〇10與約lx 1014歐姆（ohm)/平方之間之電薄層電 阻之電荷散逸層、（v)配置於該電荷散逸層上之陰極電 及（vi)與該陰極電極接觸之電場發射極；及（b)陽 ® 2·如吻求項1之裝置，其中該陰極電極係配置於電子發射 材料層上《 3·如請求们之|置，纟中該陰極電極及該電場發射極係 一個且相同組件。 如用求項1之裝置’其中該陰極電極及該電場發射極圖 案化為交又線。 其中該陰極係於該電場發射極頂部 5.如請求項1之裝置， 圖案化。 如請求項1之裝置，其中玆啻搵欢
    (b)陽極。 © 6. 135131.doc 200939280 8·如叫求項7之裝置’其中該陰極電極及該電場發射極圖 案化為交又線。 9.如咕求項7之裝置’其中該陰極係於電場發射極頂部圖 案化。 10’如《奮求項7之裝置’其中該電場發射極包括碳奈米管。 11· 一種場發射三極體裝置，其包括：（甸陰極總成，其包括 (1)基板、（11)配置於該基板上之導電閘極電極、（iii)配置 於該閘極電極上之絕緣層、（w)配置於該絕緣層上之陰 極電極、與該陰極接觸之電場發射極、及（vi)配置於 s、’邑緣層、該陰極電極及該電場發射極上具有介於約 與約lxl〇14歐姆/平方之間之電薄層電阻的電荷散 逸層；及（b)陽極。 12·如請求項〗丨之裝置，其中該陰極電極及該電場發射極係 一個且相同組件。 13.如凊求項u之裝置，其中該電荷散逸層係於該絕緣層上 圖案化。 青求項11之裝置，其中該陰極電極及該電場發射極圖 案化為交又線。 青长項11之裝置，其中該陰極係於該電場發射極頂部 圖案化β 如明求項11之裝置，其中該電場發射極包括碳奈米管。 17· -種陰極總成’其包括⑴基板、⑴)配置於該基板上之導 電閘極電極、（iii)配置於該閘極電極上之絕緣層、⑼）配 置於該絕緣層上具有介於約lxlGlQ與約ΐχΐ()14歐姆/平方 135131.doc 200939280 之間之電薄層電阻的電荷散逸層、（v)配置於該電荷散逸 層上之陰極電極、及（vi)與該陰極電極接觸之電場發射 極0 18. —種陰極總成，其包括⑴基板、（ii)配置於該基板上之導 電閘極電極、（111)配置於該閘極電極上之絕緣層、（iv)配 ·- 置於該絕緣層上之陰極電極、（V)配置於該陰極電極及該 絕緣層上具有介於約lxl〇i〇與約1χ1〇Μ歐姆/平方之間之 電薄層電阻的電荷散逸層、及（vi)配置於該電荷散逸層 ® 上之電場發射極。 19. 一種陰極總成，其包括⑴基板、（η)配置於該基板上之導 電間極電極、（iii)配置於該閘極電極上之絕緣層、（iv)配 置於該絕緣層上之陰極電極、（v)與該陰極接觸之電場發 射極、及（vi)配置於該絕緣層、該陰極電極及該電場發 射極上具有介於約1χ1〇ια與約1χ1〇〗4歐姆/平方之間之電 薄層電阻的電荷散逸層。 @ 20.如辦求項17、18或19之陰極總成，其中該陰極電極及該 電場發射極圖案化為交叉線。 135131.doc
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