TW385467B - Charge dissipation field emission device - Google Patents

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五、發明説明（ A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 . 發明範圍 本發明係關於場發射裝置的領域，且更特別關於場發射 裝置之陰極結構。 發明背景 場發射裝置及場發射裝置的可尋址陣列（addressable matrices)爲習知的技藝。場發射裝置的選擇性可尋址陣列 係（例如）用在場發射顯示器上。圖i所舉例説明的是先前技 藝的具有三極管構形的場發射裝置（FED)1〇〇。場發射裝置 100包含有複數個閘提取電極（糾6 6化— electrode)150 ,該閘提取電極15(3用一介電層14〇與陰極 相隔離。陰極115包含有—層導電材料（如鉬），其係沉積在 支撐基板110<上。由介電材料（如二氧化矽》所製成的介電 層140是在閘提取電極15〇與陰極115之間相隔離。與閘極 150相隔離是陽極1S0,陽極18〇是自導電材料製得，因而 界定出中間空間區域165，中間空間區域165通常被抽成眞 殳至壓力低於ΙΟ·6托耳（T〇rr)。介電層14〇具有能界定射極 井160的垂直表面145。在每一個射極井16〇之内配置有藏 數個電子射極170，且可包含斯普特尖端（Spindt tip)。介 電層140亦包含一具有覆蓋部147及曝露部149的主要表面 。閘提取電極150是置於覆蓋部147之上，介電層14〇的主 要表面的曝露部1 4 9是曝露於中間空間區域】6 5之下。 在場發射裝置100之操作期間，且通常爲三極管的典型操 作，將適當電壓施加至閘提取電極15〇，，及 1:〇,以自電子射極17Q選擇性提取f子，五導引電3= 陽極180。典型的電壓構形爲陽極電壓在1〇〇至〗〇, 伏特 本纸張尺度朝巾關家_ ( CNS M4規格（2丨^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本育) 、-° #_

.- I I I 五、發明説明（2 ) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 〈範圍内’閘提取電極電壓在10至1()()伏特之範圍内，而陰 極電位低於約10伏特，通常在接地電壓。所放射出的電子 撞擊到陽極180’自其釋放出氣體物種。自電子射極17〇至 陽極18G之抛物線軌道上，所放射出的電子亦撞擊到氣體物 種’其中（某些物種是來自陽極18〇，在中間空間區域 中存在。以此方式，如圖丨中被圈住的"符號所指示，陽 離子物種在中間空間區域165產生出來。 -當場發射裝置100併人_場發射顯示器，—種陽極榮光材 料（Cath〇d〇luminescent material)在陰極丨8 〇上沈積。在接收到 電子，陽極螢光材料發出光線。在受到激發（⑽祕⑽）後， 共同的陽極螢光材料會釋放出實質數量的氣體物種，並被 電=撞擊後受到損壞而形成陽離子；如圖丨的—對箭頭177 所W，在中間空間區域165中的陽離子物種被陰極咖 高正電壓所推斥，而被導致料閘提取電極15()及介電严 14〇的主要表㈣曝露料149，此些轟擊閘提取電極^ 經漏電而成爲閘電流’介電層14。的主要表面的轟擊曝露部 ，149的離子在其内保存住，導致正電位電荷的累積 1中符號” + ”所示。 間 在曝露部份149的正電位電荷持續累積，直到介電層14〇 崩潰爲止或直到正電位上升至夠大的電位値使得電子g被偏 向（在圖4由箭頭175所指出）而導向至介電層14〇的主要表 面，使得電子被曝露部们49所吸收，而將表面電荷中和掉 情況下，介電層14G的崩潰是因爲超過介電材科的 朋^壓，通常在300至1000伏特範圍。介電層14〇的崩 通常會使得自陽極180謗發出派光及災害性電流（在圖w 的 潰 由

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装_ 、-η A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 ) 箭頭178所指出，在陰極u 5及曝露部份149)，破壞介電層 140及陰極115而因此使得場發射裝置無法操作。在後—個 情況下，依序地重覆地進行電荷累積/中和循環，使得來 自射極170的電子不能聚焦（de_f〇cus：)。 在開發場發射裝置時，將閘提取電極15〇及陰極115之間 的重疊面積量儘可能減少至最小量，以降低電力需求量， 電力需求是因爲電極内電容（inter_electr〇de capacitance)而發 生需求。閘提取電極i5〇的面積變小同時會使得介電層14〇 的主要表面的曝露部份149的面積變大，此導致介電層充電 問題變得惡化，及隨伴裝置失去控制或不能操作，如上所 述。 先前技藝的電子管（如電視中的陰極射線管）已解決弧光問 題，該弧光問題乃由塗覆介電表面後被充電產生，該塗覆 作用爲不.塗佈在（用導電材料的薄膜塗覆）曝露介電表面上， 該導電材料如錫氧化物。此技術不能有效解決在場發射裝 置100上相同的充電問題，因爲用如氧化錫的材料塗佈在介 電層140的曝露部份149上會導致閘提取電極15〇之間產生 短路現象（shorting)，因而有效地損壞電子射極17〇的可尋 址性（addressabillty)。該可尋址性在如場發射顯示器的應 用上對於場發射裝置100的用途而言是很重要的。 .需要一種場發射裝置，在該裝置内在主、要的曝露介電表 面上累積電荷不會不正常操作。' M_式之簡單説明 請參閲圖式： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ,袈. 訂

五 、發明説明（4 Α7 Β7 圖1爲先前技藝的場發射裝置的剖面圖。 圖2爲依據本發明的一具體實例的電荷散逸場發射裝置的 剖面圖；及 圖3爲依據本發明的另一具體實例的電荷散逸場發射裝置 的剖面圖。 圖4爲本發明的另—具體實例的電荷散逸場發射裝置的概 略代表的頂視圖。 圖5爲沿著圖4結構中剖面線5 - 5切下的剖面圖。 圖6爲沿著圖4結構中剖面線6 - 6切下的剖面圖。 較佳具體實施例描述 現參考圖2，繪出本發明的電荷散逸場發射裝置2〇〇的剖 面圖。電荷散逸場發射裝置2〇〇包含一支撐基板21()，該基 板2 10是由玻璃製成，如硼矽酸鹽玻璃，或矽。在支撐基板 21〇上形成陰極215。在此特殊具體實例中，陰極215包含 有—層導電材料（如鉬或鋁）層，一般而言，陰極215包含有 一金屬或其他方便的導電材料。電荷散逸場發射裝置2〇〇另 ^ ° 71 %層24〇，其在陰極215上形成。若陰極215被圖 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 I^ ^ . 11Λ*衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

.iT 案化，介電層240的部份亦可設置在支撐基板21〇上或在任 何其上形成的添加層。介電層24〇具有複數個表面245，該 表面界定出複數個射極井260。電子射極27〇是在每一個射 極井260中形成’且可貫施地偶接至陰極215。在所舉出的 具體實例中，在陰極215上形成電子射極27Q且包含有—斯 普特尖端場射極。 在本發明另一具體實例中，由兩时以η V .，丄 Τ 田％阻材料所製成的鎮流電

經濟部中央標準局員工消費合作社印li 阻（如非晶體矽）自陰極215延伸至電子射極270，以在其間 提供電氣連接，介電層240上另包含有複數表面246，陰極 215在複數個電荷收集表面248處曝露出。介電層“ο的表 面24 6及陰極215的電荷收集表面248界定出複數個電荷散 逸井25=»電荷散逸井252可在陰極215上沈積一層介電材 料接著，選擇地蚀刻介電材料，以曝露出陰極215的下層 Z份而形成電荷散逸井…般而言，希望能將下層金屬曝 露出來，下層金屬適合於接收及漏出在電荷散逸場發射裝 置200中的氣《I電荷物種，亦希望能減少存在電荷散逸場發 射裝置2GG中介電材料的數量，以減小在操作時帶電介電表 面的面積。 移除T電物種及減小帶電介表面的面積可獲致重要利益 ，此利益爲能保持該操作結構（如電子射極27〇)的整體性， ^改進電子發射的㈣。電荷散逸井Μ2可設録電荷散逸 場發射裝置2GG的活動區域内，該活動區域由電子射極27〇 的陣列所足義。電荷散逸井252亦可設置在活動區域之外電 荷散逸場發射裝置的周圍。在介電層㈣上形成複數個 間提取電極250 ’該閘提取電極25〇是與電子射極27〇及陰 極2 1 5相隔離。 設計閘提取電極250、電子射極27〇及陰極215的構形， 以使得將預定電壓施加在陰極215及間提取電極25〇上時， 電子能從電子射極270發射出來。介電層24()提供足夠的介 電材料，以料射極井260，且支撑閘提取電極25〇，以使 得它們與陰極215電氣隔離。電荷散逸場發射裝置2〇〇另包 本紙浪尺度適用中國國_家標準（CNS ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 袈- 訂 #1 » - —i I- 五、發明説明（6 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 括-陽極280，其與閘提取電極25〇相間隔 出中間空間區域265，丑包本有_ 在一間疋義 D齊接數電子的導電材科。 廷荷散逸場發射裝㈣_操作步㈣含有：經由接地兩 歷'源（未繪·出），該接地备厭、览# 士兩 ^ I 在電荷散逸場發射裝置咖 ::卜面，知適當電位施加至陰極215，間提取電極250，及 ==二使得電子自電子射極27()發射m 在通當加速下導引至陽極28Ge在電荷散逸場發射 :置2〇〇的操作期間，在中間空間區域265内產生陽極氣體 種且被吸引陰極2 15，該陰極2 15所保持的電位較陽極 MO爲低。在圖2中用箭頭所指示出的陽離子電流Μ包含 2的帶電物種。陽離子電流277的—部份是被陰極215的 )荷收本表面2 4 8所接收，且漏失流至—接地電愿源（未繪 出）。陽離子電流277的另一部份是由閘提取電極25〇所接收 ，且漏失流至接地電壓源（未繪出）。所移除的帶電物種不再 供應至電荷介電表面，或撞擊操作元件且使得電荷散逸場 發射裝置200操作元件（如電子射極27〇)損壞。 製做電荷散逸場發射裝置2〇〇的程序包含一圖案化步驟， 其中’一層介電材料被圖案化，以形成電荷散逸井252。首 先’藉方便製程（如濺射（spmtering)，或電漿增強化學蒸汽 尤積法（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD))將 導電材料（如翻或鋁）沈積在支撐基板210占而形成陰極215 。陰極2 1 5可被圖案化，以形成可编址的欄列元件。 在陰極215上可包含一鎮流電阻，該鎮流電阻在陰極215 的導電材料及電子射極27〇之間提供電氣連接。鎮流電阻包 I: ^-----、装！ 7 ; ' . (請先聞讀背面之注意事項再填寫本育) .—.1 1= -ί -a #1

• i - 1----» I -9 - 本紙張尺度適财觸家縣（CNS ) M規格（21GX297公楚〉 五、發明説明（7 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 含有-層電P且材料（如非晶抑），其是用方便製程（如電嚷 ~強化學《沈積法，PECVD)沈積錢縣板21()上。兩 阻材料層然後被圖案化，以使得鎮流電阻自導電材料延: 至電子射極270。 其次，用習知沈積法在陰極215上沈積出介電層（如二氧 化石夕）。用万便沈積技術在介電層上形成閘提取電極㈣， 該閑提取電極250是用導體（如翻）製成。該介電層被選擇地 蝕刻’以形成陰極21 5之部份的電荷散逸井25 2，以使得能 移除電荷收集表面248上的介電材料。因而，用光阻光罩覆匕 蓋雷荷散逸井252,以防止在其内沈積材料，該材料包括電 子射極270，然後，介電層被圖案化，接著，被選擇性蚀刻 ’以形成射極井26G。然後，藉用標準尖端製做技術（爲此 技藝之人士所熟知）在射極井26〇内形成電子射極27〇。因而 ’自電荷散逸井252移除光阻。 若使用不爲斯普特尖端的其他電子射極（例如，以碳爲主 的表面射極，如鑽石狀碳層），則其亦包含於本發明的範圍 内。此外，本發明的場發射裝置可包括不爲三極管（如二極 體及四極管）的其他電極結構。 現請參閲圖3 ,圖中繪出本發明的電荷散逸場發射裝置 3〇〇的剖面圖。電荷散逸場發射裝置3〇〇包含有該電荷散逸 場發射裝置200(圖2)的元件，該元件以_類似之圖號（以 開頭）標示。然而，電荷散逸場發射裝置3〇〇不包含一閘 提取電極。電荷散逸場發射裝置3〇〇可以相似於圖2所描述 的方式製k ’然而’形成閘提取電極之步驟省略不用。

—'--I----、衮----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --訂 #— 11 I I ϋ . A7 B7 五 、發明説明（8 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 电何散逸場發射裝置之操作程序包括：經由接地電壓源（ 未續出，該接地電壓源是在電荷散逸場發射裝置300之外 4 )將適當電壓施加至陰極3 15及陽極380，以自複數個電子 射極370發射出電子。 請參閲圖4至圖6，圖中繪出本發明電荷散逸場發射裝置 4〇〇的概要代表圖。圖4是電荷散逸場發射裝置400的頂視 圖’顯示於圖5及圖6爲沿著圖4中剖面線5 - 5及6 - 6剖下的剖 面圖。電荷散逸場發射裝置400包括電荷散逸場發射裝置 2〇〇(圖2)的元件，該元件以相類似之圖號〔以"4«開頭）標示 。電荷散逸場發射裝置400包含有複數個相間隔的陰極415 ’該陰極4〗5是在支撐基板410上形成。陰極415是用導電 材料（如鉬或鋁）所製成。一般而言’陰極415是用金屬或其 他方便導電材料製成，且是彼此電氣相隔離，以提供複數 個電子射極470的選擇性可尋址性。電荷散逸層490是形成 在與陰極4 15相鄰的支撐基板410上❶在此特殊具體實例中 ’電荷散逸層490是與陰極415電氣相隔離。電荷散逸層 490是由導電材料製成，且電氣連接至場發射裝置之外的接 地電氣接觸件（未繪出）。電荷散逸層490包括一電荷收集表 面449 ’其在電荷散逸場發射裝置400的操作期間接收帶電 氣體物種，用電荷散逸層490將電荷漏流至接地電氣接觸件。 -電荷散逸場發射裝置400的製做包括：考支撐基板41〇上 形成電荷散逸層490，接著，在介電層440上形成電荷散逸 井453 ’以將電何散逸層490的.電荷收集表面449曝露出來 。如圖4及圖5所示，亦可在介電層440上形成電荷散逸井 11 k紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) " # Α7 Β7 五、發明説明（9 ) 452，以藉用相似於圖2中所描述之方式將陰極415的電荷 收集表面448曝露出來。陰極415是在支撐基板410上被圖 案化。用方便沈積技術（如導電材料的罩住沈積作用 (masked deposition)，其包含有電荷散逸層49〇)在陰極 415之間提供電荷散逸層490，電荷散逸層49〇可用導體（例 如鋁）製成，或自某些其他電阻性材料（例如非晶形矽）製成 。因此，用習知沈積方法在陰極41 5及電荷散逸層490上沈 積出介電負（如二氧化秒）。在介電層上形成閘提取電極450 。閘提取電極450是由導體（如鉬）製成，其用方便沈積法沈 積出。因而，選擇地蝕刻介電層，以形成電荷散逸井452， 且將陰極415的電荷收集表面448曝露出來，電荷散逸井 453，452用光阻罩覆蓋，以防止於其中的材料（包括電子射 極470)沈積其内。 其次，介電層被選擇性地蝕刻，以形成複數個射極井46〇 。用標準斯普特尖端製造技術（爲熟悉此技藝之人士所知悉） 電子射極470之一者在每—射極井46〇内形成。最後，自電 荷散逸井453、452自上移除光阻。 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 在本發明另一具體實例中，電荷散逸層是電氣連接至陰 極’以使得被電荷散逸層賴收的電荷被漏流至陰極且被 陰極所導引移走。在本具體實例中，藉使得電荷散逸層且 有相當高的薄膜電阻（sheet resistanee)，能防止各個陰極 (陰極是用電荷散逸層連接）之間發生短路現象。此外，在本 八aa實例中％荷散逸層所具有的薄膜電阻在〗〇 9至丨〇 12歐 姆/平方dij内。其較好是由未接雜的非晶#製得。亦 12 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺舰财_家縣公釐 ΑΊ Β7 ' 五、發明説明（10 ) 可使用薄膜電阻在上述範圍内且具有適當薄膜特徵的任何 材料。適當的薄膜特徵包含有能適當黏附至支撐基板之特 徵，預先測量薄膜電阻，以使得正電荷物種（其撞擊在電荷 散逸層4 9 0上）電流能導通流動，因而，在裝置操作期間降 低正表面電荷的累積量。在中間空間區域中所產生之離子 電流被認定爲低於或等於發射電子的約0.1百分率，例如， 在場發射顯示器，陽離子回流（cationic return current) 被認爲約1 0微微安培。因爲陽離子電流很小，而電荷散逸 層的薄膜電阻被製做成高電阻値，以防止陰極之間短路及 過量的電力損失，且該薄膜電阻能同時將撞擊電荷導 通/漏流。在此特殊具體實例中，電荷散逸層的厚度是在 100-5000埃之範圍内。 已揭露出一種電荷散逸場發射裝置，其能減小裝置内介 電表面數量，且在裝置操作期間，結構中所產生不需要的 正電荷能導通，此特徵能防止介電質崩潰，且能控制電子 執道。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I) 袈· 訂 # 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 第87100387號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(87年7月) ABC

   心請委員明示，本案改^^^:疋否變更原實質内容 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. 一種電荷散逸之場發射裝置，其包括： 一具有一主要表面之支撐基板； 一陰極，其設置在該支撐基板的主要表面上且具有一 電何收集表面； 一設置在該陰極上之介電層，該介電層界定一射極井 ，該介電層及陰極的電荷收集表面/界定一電荷散逸井； 一設置於該射極井内之電子射·極；以及 一與該介電層相隔離之陽極，以在其間定義一中間空 間區域，該電荷散逸井係與中間空間區域連通。 2. —種電荷散逸之場發射裝置，其包括： 一具有一主要表面之支撐基板； 一陰極·，其設置在支撐基板的主要表面上且具有一電 荷收集表面； 一設置在該陰極上之介電層，該介電層定義一射極井 ，該介電層及該陰極之電荷收集表面定義電荷散逸井； 一設置該於射極井内之電子射極‘；以及 一閘提取電極，其電性地隔離並接近該陰極和該電子 射極，用以自該處發射電子；以及 一與該閘提取電極相隔離之陽極，以在其間定義出一 中間空間區域，該電荷散逸井與該中間空間區域連通。 3. 如申請專利範圍第2項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層係與該陰極電氣隔離。 4. 如申請專利範圍第2項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層係電氣耦接i該陰極。 -----1--I裝-----—訂-----^ .線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 第87100387號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(87年7月) ABC

   心請委員明示，本案改^^^:疋否變更原實質内容 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. 一種電荷散逸之場發射裝置，其包括： 一具有一主要表面之支撐基板； 一陰極，其設置在該支撐基板的主要表面上且具有一 電何收集表面； 一設置在該陰極上之介電層，該介電層界定一射極井 ，該介電層及陰極的電荷收集表面/界定一電荷散逸井； 一設置於該射極井内之電子射·極；以及 一與該介電層相隔離之陽極，以在其間定義一中間空 間區域，該電荷散逸井係與中間空間區域連通。 2. —種電荷散逸之場發射裝置，其包括： 一具有一主要表面之支撐基板； 一陰極·，其設置在支撐基板的主要表面上且具有一電 荷收集表面； 一設置在該陰極上之介電層，該介電層定義一射極井 ，該介電層及該陰極之電荷收集表面定義電荷散逸井； 一設置該於射極井内之電子射極‘；以及 一閘提取電極，其電性地隔離並接近該陰極和該電子 射極，用以自該處發射電子；以及 一與該閘提取電極相隔離之陽極，以在其間定義出一 中間空間區域，該電荷散逸井與該中間空間區域連通。 3. 如申請專利範圍第2項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層係與該陰極電氣隔離。 4. 如申請專利範圍第2項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層係電氣耦接i該陰極。 -----1--I裝-----—訂-----^ .線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 5·如申請專利範圍第4項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層係由非晶矽製成。 6. 如申請專利範圍第4項的電荷散逸之場發射裝置，其中該 電荷散逸層具有一範圍在109至1〇12歐姆/平方之薄膜電 阻。 . 7. —種用以於一場發射裝置内電荷缚少的方法，該場發射 裝置具有複數個電予射‘極，該方法包含步驟有：提供— 電荷收集表面’該電荷收集表面與該複數個電子射極相 鄰接 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 經濟部t央楳隼局声工消費含作社印裝 8. —種用以於一場發射裝置内電荷減少的方法，該場發 裝置具有陰極、一陽極以及一在其間之中間空間區域 ，該方法包括步驟有··在陰極之一部份與中間空間區域 之間提供連通。 9. 如申請專利範園第8項的用以於一場發射裝置内電荷減少 的方法，其中，該場發射裝置更包含一設置在該陰極上 的介電層，且其中在陰極之一部奋與中間空間區域之間 提供連通之㈣包含有：在與陰極部份對準的介電 形成一電荷散逸井，。 61 10. -種用以於-場發射裝置内電荷減少的方法， 下列步驟： ，、括有 提供一具有一主要表面的支撐基板； 在該支撐基板之主要表面上形成— .、 y ^ 陰極，孩陰極且古 一電荷收集表面； 共有 於遠陰極上形成一介電層； 射 訂 線 中國國家標準（CNS ) A4^· ( 21GX297^J~y Ο ，、-Λ 乂 >’飞 Α δ 4〇i>4t> I b8 C8 D8 1 六、申請專利範圍 於該介電層内形成一射極井； 於該介電層内形成一電荷散逸井，該電荷散逸井與陰 極的電荷收集表面對準； 於該射極井内提供一電子射極；以及 提供一與該介電層相隔之陽極，以在其間定義一中間 空間區域，使得電荷散逸井與中間空間區域連通。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- -°. JJllF llgjilj」

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