TW469464B - Field emission device having a surface passivation layer - Google Patents

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469464 A7 B7 五、發明說明（1) 本申請已經在美國以專利申請號碼09/459,119，在 1999/12/10 申請。 發明領域 本發明與場發射裝置有關，更特定地説，與具有表面純 化層的場發射裝置有關。 發明背景 場發射裝置（FED's)在此領域是爲人所知的。在場發射 裝置中，電子從陰極發射且撞擊陽極釋放出氣體種類。發 射的電子也傾向於撞擊已經存在於場發射裝置的氣體種類 且形成帶正電的離子》在場發射裝置裡的離子係從陽極的 高正電位被排斥而導致撞擊陰極的部分。這些帶正電的離 子撞擊陰極的介電層部分可以在其中保留，導致正電位的 建立。正電位的建立一直持續到因爲介電材料的崩潰電愿_ 達到而使得介電層崩潰或是直到正電位太高以至於使電子 轉向且導致它們去撞擊介電層。離子也可能撞擊在場發射 裝置裡的電子發射極，導致發射極毁損和降低場發射裝置 的效能。 撞擊的離子也可能釋放在介電層裡陷住的氣體且因爲介 電層的化學游離而釋放氧。並且，撞擊的離子也會與介電 層裡的元素結合而產生額外的氣體，之後釋放它們至場發 射裝置。除此之外，撞擊的離子也可能撞擊金屬電極且從 塗在金屬電極上的氧化層釋放氣體，因此釋放氣體至場發 射裝置。在場發射裝置裡的其它表面是潛在的氣體來源也 是因爲撞擊電子的關係。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

I .Jr^» n IT / n n -^-rej· n It ϋ I 1 I 4\ n n n n n n —I I 469464 A7 五、發明說明 2 參照圖式： ΑΜ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1疋根據本發明且體余说办丨以 圖”姐π 例的場發射裝置剖面 圖2疋根據本發明另_ 共體實施例的場發射裝置剖面 具體實施例的場發射裝置剖面 圖4是根據本發明再— β 圖；及 舟aa實施例的％發射裝置剖面 圖5疋根據本發明再另—； 圖。 冉另具體實施例的場發射裝置剖面 I明詳細描诚 以n?具體實施例是爲了場發射裝置加入表面鈍化層 介電表面。本發明的具體實施例也可以加入 電何釋放層以移除沉積在介電表面上㈣荷。 的具體實㈣包括^表㈣化層於在場發躲置裡= 露介電表面上。 本發明有許多的優點’本發明的方法包括保護在場發射 置之中暴露的介電表面免於電子和離子的轟擊。表面鈍 化層1 9 0不受從撞擊離子造成的化學游離和相關的有害氣 體如氧等等的釋放的影響。這樣具有，防止因爲介電^料 圖； 圖3是根據本發明另 圖； -5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4現格（210 X 297'公爱） 圖； (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) -t— J 1 ----訂---- I n fc ·1 線 ---ι-ιιι-ί

I— I. I 4 6 9 46 4 A7 B7 五、發明說明（3) 崩潰而造成介電層崩溃的優點。這也具有，防止介電層的 化學游離和防止釋放陷住的氣體如〇2, H2〇，c〇，c〇2等等 逃離至場發射裝置的優點。這些氧化的氣體會導致場發射 裝置其它部分包括電子發射結構等等受到進—步的傷害。 同時，這些優點藉由防止裝置裡毁減性的弧形和電子發射 極衰減而延長場發射裝置的生命週期。本發明的另一優點 係爲由表面鈍化層陷住帶正電的離子，以減少在場發射裝 置裡殘餘的氣體負載。 圖1是與本發明具體實施例相符的場發射裝置剖面圖。 場發射裝置100包括基材110，其可由玻璃製造，如珍硼 酸鹽玻璃’矽等等 '場發射裝置尚包括多數的閘電極 150，其由介電層140而與陰極115隔開。 陰極115包括一層具傳導性的材料如鉬（ni〇lybdejmm)， 其沉積在基材110上。介電層14〇，從介電材料如梦二氧 化物製造，電性地隔離閘電極i 5 〇和陰極i i 5。與閘電極 150隔開的是陽極180，其從具傳導性的材料製造，因此 定義了空隙區域165。空隙區域165通常消除至低於1〇-6陶 爾（Torr)的壓力。介電層14〇具有垂直表面145，其定義 發射井（well )160。多數的電子發射極i7〇各自沉積在發 射井160内且包括史賓特頂端（spin(jt tips)。介電層140也 包括主表面143。閘電極150沉積在主表面143的一部 份。介電層140的主表面143的剩餘部分暴露至空隙區域 16 5 = 在場發射裝置100操作期間，通常爲三級體（triode )操 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί清电诏璜穿6之:i意事頃再嗔寫卷頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 t------------l·--l·---I! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 9 4 6 4 A7 --------B7__________- 五、發明說明（4) 作，適當的電廢施予閘電極15〇，陰極115和陽極180， 用以選擇性地從電子發射極17〇擷取電子而導致他們被導 引至陽極180。典型的電壓組成包括在1〇〇_1〇,〇〇〇伏特範 園内的陽極電壓；在1〇_100伏特範園内的閘電極電壓；和 低於約1 〇伏特的陰極電位，通常爲電子的接地。發射的 電子撞擊陽極180，從該處釋放氣體種類β沿著從電子射 極170到陽極180的軌道，發射的電子也撞擊氣體種類， 有些是從陽極180產生的，·存在空隙區域165。在這樣的 万式下，帶正電的離子在空隙區域165裡產生，如圖】中 包圍的” + ”符號所指示' 當場發射裝置100加入場發射顯示之中，陽極18〇已 經在其上沉積了陰極發光的材料，當其接收電子的時，導 致發光。在刺激之時，普通的陰極發光材料易於釋放相當 多的氣體種類，其也易受電子轟擊的傷害而產生帶正電的 離子。在空隙區域165裡帶正電的離子從高正電位的陽 極18〇被排斥，如圖1的箭頭所指示而導致去撞擊 多數的閘電極150和介電層140的主表面143。那些撞 擊多數閘電極150的電子被釋放而形成閘電流；那些撞 擊介電層14〇的主表面143保留在其中，導致正電位的 建立。在主表面143上正電位建立—直持續到因爲介恭 材料崩溃電|的達成使得介電層14〇崩潰，其通常免 300-500伏特範園，或是持續到正電位太高而使電=轉2 (在圖1由箭頭175所指示）至介電層14〇 & 14 3。 王表面 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格咖x 297公愛） *— --------- (請先間讀背面之注意事頊再填寫本買> Ί------II 訂----------線- 4 6 9 4 6 4 A7 B7 五、發明說明（5) 根據本發明的具體實施例，表面鈍化層19〇形成在介電 層140的主表面143上。表面鈍化層19〇係從具有大於每 平方ίο6歐姆表面電阻（sheet resistance)的材料所製造。在 圖1的具體實施例中，表面鈍化層190可以從氮化物和可 忽略的氧化物含量製造，例如，鈕氮化物，鈕氮务化物 等，類鑽石的碳和由非氧化物形成的金屬和無氧化物表面. 的氮化物的結合，例如梦氮化物，銘氮化物等。然而，表 面電阻在上述範圍之内和具有合適的薄膜特性的任何材料 都可以使用。合適的薄膜特性包括，適當的黏著在介電層 140的主表面143和電阻，有助於隨後的處理步驟。 表面鈍化層190防止帶正電的離子和電子撞擊在介電層 140的王表面143上。這防止因爲介電材料崩溃而造成介 電層140的崩溃’防止在介電層陷住的氣體逃離且防止介 電層140的化學游離，其導致有害氣體釋放到場發射裝置 100。表面純化層]90把撞擊的帶正電離子犄在場發射裝 置100裡以減少剩餘的氣體負載且不受因撞擊離子而產生 的化學游離和相關有害氣體如氧等釋放的影響。另外，表 面純化層190防止撞擊的離子在介電層14〇中與元素結合 而產生其它的氣體。這些優點藉由減少在場發射装置1〇〇 裡的離子數目而延長場發射裝置的壽命和延長電子發射極 170因帶正電離子與電子發射極ι7〇碰撞，與之相關的下 降。 場發射裝置100的製造包括標準形成史賓特頂端場發射 裝置的方法和進一步包括加入沉積步驟，其中材料層包括 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ' _ Ί ί ----- 訂--—---- - 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46946 4 A7 ___B7______ 五、發明說明（6 ) 表面鈍化層190，如钽氮化物，鈀氧氮化物，類鑽石的碳 等等，沉積在形成於陰極215上的介電層上。表面鈍化層 190可以藉由嘴濺法（sputtering)或是電漿輔助化學氣相沉 積法（PECVD )沉積，厚度在20-2000埃（angstroms )的範園 之内。標準沉積和圖案的技術可以利用以形成多數的閘電 極150，發射極井16 0和電子發射極170。 圖2是與本發明另一具體實施例相符的場發射裝置200 的剖面圖"圖2包括場發射裝置1 〇 〇 (圖1 )的元件，其參照 方式相似，都是以” 2 ”開頭。在此具體實施例中，表面趣 化層290的沉積是接著多數閘電極250形成之後且覆蓋多 數閘電極2 5 0而與多數閘電極2 5 0的邊緣對齊。舉例來 説，當表面鈍化層290以與形成發射極井相同的光罩順序 而蝕刻，其井邊緣就會對齊。在另一具體實施例中，表面 鈍化層2 9 0可以只覆蓋每個多數閘電極2 5 0的一部份。在 發射極井260蝕刻之後，表面鈍化層290可以藉由蒸發沉 積。這樣減少表面鈍化層290形成之後暴露的處理步驟。 由表面鈍化層290提供的一個優點係保護金屬電極不受撞 擊離子和相關的氣體釋放至場發射裝置200的影響。 圖3又是與本發明另一具體實施例相符的場發射裝置 3 0 0的剖面圖。圖3包括場發射裝置200(圖2)的元件，其 參照方式相似，都是以，，3 ”開頭。在此具體實施例中，場 發射裝置300尚包括電荷釋放層397，與本發明相符。電 荷釋放層397沉積在介電層340和表面鈍化層390之間β 表面純化層3 9〇其屬性允許傳導電流至其下面的電荷釋放 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ1--------訂--------·-線 I: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7) 層397。由電荷釋放層397所提供的電子表面電阻預先決 定影響撞擊它的帶正電種類的傳導，因此阻止了場發射裝 置300操作期間，正表面電荷的累積。電荷釋放層397的 表面電阻可以很高以預防在閘電極35〇之間的短路和過度 的電力流失，同時還能傳導及釋放撞擊的電荷。 電何釋放層397是由表面電阻爲每平方ι〇9_ I2歐姆範園 内’厚度爲100-5000埃範園内的材料所製造的s它也可由 非晶矽，傳導的氧化物等所製造，然而，任何表面電阻在 上述範圍裡的材料都可以使用。表面鈍化層39〇和下面的 電荷釋放層397可以使用先前描述的光罩和蝕刻的技術加 以製造且兩個層可以覆蓋每個多數閘電極35〇的部分或是 全部。 圖4又是與本發明另一具體實施例相符的場發射裝置 4 0 0的剖面圖β圖4包括場發射裝置3 〇 〇 (圖3 )的元件，其 參照方式相似，都是以》4 ”開頭。在此具體實施例中，場 發射裝置400尚包括隔絕層498，與本發明相符。隔絕層 498沉積在介電層440和表面鈍化層490之間。因爲表面 純化層 4 9 0 在閘萃取電極（gate extraction electrodes) 4 5 〇 之 間並不提供歐姆接觸，它的表面電阻和厚度可以製成同時 當作表面鈍化層和電荷釋放層》表面電阻可以製造的比參 照圖1 - 3所描述的具體實施例還低。因此較廣範圍的材料 可以用於形成表面純化層490。舉例來説，在此具體實施 例中，表面鈍化層490的厚度可以在100-50,000埃的範園 之中且可以包含上述具體實施例中所引用的材料，和另外 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） -— I.---^------I — -C·-------訂--------線 V- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁). 469464 Δ7 B7 五、發明說明（8) 的材料包括，衲如’高貴金屬，無氧化物的金屬，例如， 金等等。本發明的具體實施例提供了鈍化介電層43〇的主 表面443和釋放過剩的電荷的益處，所有這些都是由—層 做到’潛在地減少了形成場發射裝置4 0 〇所需的製造步驟 數目。這也提供閘電極4 5 0之間非常低的漏電流的益處。 爲了把電荷釋放出場發射裝置400，表面鈍化層490獨立 地連接到接地電子接觸外部場發射裝置4 〇 〇，如圖4所 述。因此提供了給表面電荷的獨立傳導路徑《隔絕層498 可以從矽二氧化物，矽氮化物等等所製造，而電性地隔絕 表面鈍化層490和多數閘電極450。表面鈍化層490和下 面的隔絕層4 9 8可以使用先前描述的光罩和蝕刻的技術加 以製造且兩個層可以覆蓋每個多數閘電極350的部分或是 全部。 圖5又是與本發明另一具體實施例相符的場發射裝置 500的剖面圖。圖5包括場發射裝置400(圖4)的元件，其 參照方式相似.，都是以’’ 5 ”開頭。在此具體實施例中，場 發射裝置500尚包括電荷釋放層597，如圖3，除了電荷 釋放層597是沉積在介電層540的主表面543上的多數閘 電極550之下。表面鈍化層590沉積在電荷釋放層597和 多數閘電極5 5 0之上。表面鈍化層5 9 〇也可以沉積在每個 多數閘電極550的部分之上。 與本發明相符的場發射裝置可能包含其他除了史賓特頂 端之外的電子發射極。其它電子發射極包括，但不限制 於，邊緣發射極和表面/薄膜發射極。邊綠和表面發射極 -11·" 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,.!--------訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 9 4 6 4 Α7 Β7 五、發明說明（9) 可以從場發射材料製造，如以碳爲基礎的薄膜包括類鑽石 的碳’非夕0EJ梦類赞石的碳，鐵石和链氮化物。所有在這 些場發射裝置的介電表面，其若不是被裝置的電極所覆 蓋，可能被表面鈍化層覆蓋，其與本發明相符，以保護介 電層，預防釋放氣體至介電層，且陷住轟擊帶正電離子。 同樣地，與本發明相符的場發射裝置可以包含除了三極體 之外的電極組成’如二極體和四極體。與本發明相符的表 面鈍化層也可形成在與電子發射極陣列中最外面的電子發 射極相鄰的介電層上；這些週邊的介電表面可能不包含裝 置電極的部分，但是他們仍然易受表面充電和從離子和電 子轟擊所造成介電崩潰的影響β 雖然我們已經顯示且描述本發明的特定具體實施例，但 是進一步的修改和改善將會發生在精通此領域的人士。所 以’希望大家能了解本發明並不限制於所顯示的特定形 式’我們企圖在增附的申請專利範園中涵蓋所有不與本發 明的精神和範圍背離的所有修改。 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> k·-------f 訂---I----線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 469464 AS B8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 '1· 一種場發射裝置包括： 基材； 由基材所支撑的多數電子發射極，其中多數電子發射 择發射電子； 介電層沉積在基材上，其中介電層具有主表面且其中 主表面是相近地配置於多數電子發射極； 表面 '蛛化層沉積在介電層.的主表面上；且 陽極與基材間隔開且沉積以接收由多數電子發射極發 射的電子》 2. 如申請專利範.圍第1項之場發射裝置，進一步包括電荷 ..釋放層配置在介電層的主表面上，其中電荷釋放層配置 在介電層和表面純化層之間。 3. 如申請專利範園第丨項之場發射裝置 的表面電阻大於每平方1〇β+歐姆。 4. 如申請專利範園第1項之場發射裝置 由組氮化物組成。 5..如申請專利範園第1項之場發射裝置 由垣氧氮化物組成。 6. 如申請專利範圍第1項之場發射裝置 由類鑽石碳组成。 7. 如申請專利範圍第X項之場發射裝置 由矽氮化物组成。 8. 如申請專利範圍第1項之場發射裝置 由鋁氮化物組成。 其中表面純化層 其中表面鈍化層 其中表面鈍化層 其中表面鈍化層 其中表面純化層 其中表面鈍化層 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： --線 -13- 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉

   9.如申請專利範園第1項之場發射裝 _ I财衮置，進—步包括隔絕 層，其中隔絕屬沉積在介電層和表面純化層之間/ K).如申請專利範圍第9項之場發射裝置，其中表面純化層 由高貴金屬組成。 L1.如申請專利範園第9項之場發射裝置，其中表面鈍化層 由無氧化物金屬組成。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·-----訂—— H ϋ n i. 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）