TWI309842B - Electron emission source and field emission display device - Google Patents

Description

1309842 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電子發射源’且本發明係關於一種 含有上述電子發射源之場發射顯示器。 5 【先前技術】 顯不器在人們現今生活中的重要性日益增加，除了使 用電腦或網際網路外，電視機、手機、個人數位助理（pDA)、 數位相機等，均須透過顯示器控制來傳遞訊息。相較於傳 1〇統映像管顯示器，新世代的平面顯示器具有重量輕、體積 小、及符合人體健康的優點。 在眾多新興的平面顯不器技術中，場發射顯示器（行仙 emission display，FED)不僅擁有傳統映像管高畫質的優 點，且相較於液晶顯不器的視角較小、使用溫度範圍過小、 15及反應速度慢之缺點而言，場發射顯示器具有高發光效 f反應時間迅速、良好的協調顯示性能、超過刚虹的高 冗度、輕薄構造、寬廣視角、工作溫度範圍大、高行動效 率等優點。 此外FED使用日守不需背光模組。所以即使在戶外陽 20光下使用’依然能夠提供優異的亮度表現。因此，目前咖 已被視為相田有機會與液晶顯示技術競爭，甚至將其取代 的新顯示技術。 场發射顯不器的工作原理與傳統陰極映像管相似，須 在低於1〇.6 _之真空環境下利用電場將陰極尖端的電子 5 1309842 拉出，並^在陽極板正電壓的加速下，撞擊陽極板的榮光 粉而產生發光(Luminescenee)現象。—般場發射顯示器是控 制施加於陰極與閘極間之電壓差的變化，而在指定的時間 使每個電子發射體射出電子。 10 15 20 ,,、為了符合場發射陰極的需求，場發射陰極的功函數與 尖端幾何結構越小越好。對於目前場發射顯示器的電子發 射體的研究方向，多以碳材為主，主要是因為習知金屬錐 電子發射S件的壽命短暫且製作不易，故現今多採用且有 化學穩定性、電傳導性、或低電子親和性的碳材作為發展 對象。相關的碳材有非晶系碳薄膜（am〇rph〇us ^的⑽ film)、鑽石薄膜（diam〇nd film)、類鑽碳薄膜⑻咖❶地版 —film)、以及奈米碳管（earb(m仙細。 由於奈米碳管具有高的高寬比結構特徵，使其擁有低 啟始電壓與高電流發射密度等性f，即具有良好的場發射 增強因子’因此成為目前熱門的場發射電子材料。 然而’當奈米碳管面臨後續元件製程的應用時 其奈米級結構而難以均句分散於欲配製的電子發射 中’導致電流分佈不均而減少其使用壽命等問題 /， 因奈米結構伴隨表面積大的物性，將造成其不 田 =穩^:奈米碳管㈣進行表面㈣，村料場發^ 類鑽碳主要是由SP3立體結構與sp2平面 雜成。由紐3易有負電子親和能與較強的機械曰曰^ sp具有較佳料雜質，所㈣者㈣叙_碳材料= 6 1309842 兼具有低電子親和能以及導電性等特色。 目前亟需一種可具有良好的場發射增強因子之類鑽碳 之電子發射材料，其不僅可具有高的高寬比結構特徵，2 具有低的電子親和力之性質。此外，因類鑽碳具有穩定的 材料特性，可利於後續元件的製作，以成為良好的電子發 【發明内容】 本發明是關於一種電子發射源’其主要係利用片狀於 10構之類鑽碳膜層作為電子發射用材料。由於本發明類鑽: 膜之片狀結構的高度約為微求級尺寸，片狀結構之厚度約 為，=級尺寸，所以本發明類鑽碳膜之片狀結構可具=高 的1¾寬比。 15 20 本發明係提供-種電子發射源，其包括有：—基板、 以及-沉積於基板表面且具有片狀結構之類鑽碳膜層。其 I，轉明_碳膜層之片狀結構係排列於基板表二以ς μιηϋ瓣圖案’且片狀結構之側面高度是介於〇·5 _至4.0 、本發明更提供一種電子發射源，包括有一基板、一带 成於基板表面之導電声 ^ # / 月狀結構之類鑽碳膜爲.^丄々 昱具有 貝讚啜膜層。其中，本發明類 結構係排列於導啻思圭 人联增之片狀 、導電層表面以形成一花瓣圖案 之側面高度是介於之間。 片 此外’本發明又提供一種場發射顯示器，包括有：一 7 1309842 含有一螢光粉層、與一陽極層之上基板；以及一含有一電 子發射層、與一陰極層之下基板。其中，本發明之電子發 射層是緊鄰於陰極層，且彼此電性連接。 本發明結構中，類鑽碳膜層片狀結構之側面高度可介 於〇·5 μπι至4.0 μιη之間；較佳可介於〇 9 μιη至2 〇 μιη之間。 類鑽兔膜層片狀結構之厚度無限制，較佳可介於〇 〇〇$ 至0.1 μηι之間，更佳可介於〇.〇〇5 μηι至〇 〇5 μιη之間。 於本發明電子發射源中，基板使用的材料無限制，較 佳可為半導體材料、或玻璃材料。 -較佳具體實施例中’本發明電子發射源所使用之基 板為玻璃時，該玻璃基板表面可塗覆有一導電層，以使片 狀結構之類鑽碳臈層形成於導電層表面。如此，本發明可 藉由導電層而提供-電流於片狀結構之類鑽碳膜層:以作 為電子發射用。 15 20 ^-較佳具體例中，本發明電子發射源適用的基板為 一 +導體材料，由於基板本身具有電導通性，所以片狀结 ^之類鑽碳制係直接形成於基板表面，即成為—電子發 :源。且’本發明導電層所適用的材料可 ： 料，=可為氧化銦錫、氧化辞、氧化辞錫、或金= 狀、ΐ=Τ膜的片狀結構無限制’較佳可為長條 著曲片狀。由於片狀結構的主要特办 比結構，因此，本發明之類鑽炉，、有阿的冋見 :二，=低的電子親和力，使之成為良好的電子發 材抖。就W一m級片狀 8 1309842 結構之類鑽碳具有良好 可作為-芦拉… 因此無須表面改質，即 丁作為良好的電子發射用材料。 域，：：：：子發射源可應用任何需求電子發射之技術領 、源耸二 於場發射元件、場發射顯示器、或平面光 源等的冷陰極發射源。 上述本發明場發射顯示器可更包括一介於上基板與下 基板間的閘極厗，B 4· 。 、 m 8且本表明閘極層可為習用任一種場發射 用之閘極’較佳可為複數個具有中空孔洞之環狀 …藉此’本發明閘極層可於指定的時間使每個電子發 射體準確地射出電子。 天 另外，本發明場發射顯示器之上基板可更包括一遮光 ’且該遮光層可密接於榮光粉層旁，以用來遮除漏光並 增加晝面對比。 15 20 相較於習知奈米碳管材料，本發明所使用之微米級結 冓之類鑽碳材料可直接生長於基板表面，故有利於製程的 應用。同時，本發明可使用射頻濺鍍法於基板表面 m ^ Ψ nu ， w丨只犬只 '貝火碍腰。如此，可實現大面積化製程，以降低製 與製作成本。 ' 【實施方式】 實施例1 下述内容將說明本發明一較佳具體實施例之類鑽碳膜 層之製作方法，請一併參照圖1所示。圖1係為本實施例製 作類鑽碳膜層所使用之濺鍍反應室100之示意圖。 9 1309842 首先，提供一用以濺鍍之反應室100，且該反應室l〇〇 包含一用以加熱基板i之加熱器10、一用以承載基板丨之承 載臺11、一用以施予靶材12電壓之電源器13、以及複數個 用以提供反應氣體之氣體提供單元A、b、c。請注意，本 5 毛明製作類鑽奴膜層時，氣體提供單元可依據製程需求的 氣體條件而增設或減少，並非限於本實施例所述之設備。 接著’清潔基板1表面，並且將其置入反應室1 〇〇之承 載臺11上，以固定基板1。其中，本實施例所採用的基板i 係為一半導體材之石夕晶圓片。利用一抽真空裝置14將反應 ίο室丨〇〇抽真空至ixi〇-5t〇rr以下，並且利用加熱器10將基板丄 加熱至400°C。 然後，藉由氣體提供單元A、B、C提供反應所需之氣 體，並且利用質流控制器（mass flow controller，圖未示）控 制各個氣體進入该反應室1 〇〇的流量。其中，本實施例氣體 15提供單兀A、B、C係分別為一提供氬氣、甲烷、氫氣之氣 體供應源。並且，本實施例係藉由各個氣體供應閥al、Μ、 cl並且按製程條件以控制三種氣體是否導入反應室1〇〇。其 中，本實施例導入反應室100之氣體包含有氬氣、甲烷、與 氫氣，且其氣體比例為2: 1: 1。 20 於本例中，當反應氣體導入反應室100後，反應室内之 壓力約控制在9x-10-3torr。當然，本發明濺鍍反應之環境壓 力並非限本實施例所述之内容，可依據製程需求而調整。 隨即，以200 W射頻功率對石墨靶材12進行3〇分鐘的預 濺鍍（pre-sputtered)反應後，以除去靶材12表面可能存在的 1309842

污染物。接著，開啟遮蔽板m，並且對基板丨表面進行7〇 的濺鍍反應，以於基板1表面成長一類鑽碳膜層。 請參照圖2a與圖2b所示，圖2a係為本實施例製作之表 面具有類鑽碳膜層之基板正面之掃瞄式電子顯微鏡（sem) 照片圖，且圖2b係為本實施例製作之表面具有類鑽碳膜層 之基板侧面之掃瞄式電子顯微鏡（SEM)照片圖。 由圖2a與圖2b所示，本實施例所製作之類鑽碳膜層係 為彎曲片狀或長條片狀結構，且該等片狀結構於基板i表面 排列f-立體的花瓣圖案。其中，本實施例之片狀結構之 平均南度約為1 μιη ’且每-片狀結構之平均厚度約為1〇咖 至20nm之間。 因此，本實施例所製作之類鑽碳膜層具有高的高寬比 結構特徵，且本實施例所使用之基板是為一可導電之半導 體材料，所以可直接應用於電子發射源之用途。 15 實施例2 場發射測試： 將本實施例製作之具有類鐵碳膜層之基板！切割成長 寬皆為8 mm之測試片3，則乍為場發射測試用。圖3係為本 實施例用以測試場發射效能之二極式裝置（di〇de 2〇 C〇nfigUrati〇n)示意_。於本實施例之場發射測試中，是將 一具有類鑽碳膜層31之測試片3作為-陰極板301，並且將 ’、有導電層33之基板32作為—陽極板逝，其中導電層Μ 為氧化銦錫（ITO)。 首先將陰極板301置入一凹槽35内，於凹槽35上方覆蓋有 11 1309842 —陽極板302。將該凹槽放置於真空腔體内，抽真空至ΐχΐ〇_6 torr以下，亚且於兩極板3〇卜3〇2間施予一電壓，以量測陰 極板301之電子發射源發射出之電流量。 π 實施例3至實施例7 一 Τ施例3至實施例7係相同於實施例丨所述之内容製作 類鑽奴膜層’㉟了濺鍍製程中所使用的氣體條件不同，其 他裝程參數與製作步驟皆相似於實施例丨所述内容。其中， 各個實施例導人不同比例的氫氣係用以控制類鑽碳膜之片 狀結構的疏密度。 表一將詳列實施例3至實施例7中不同的氣體比例。 表一 實施例3 實施例4 實施例5 10 10 實施例6 16 實施例7 16 氬氣 甲烷 氫氣 8 8 5 2 8 0 4 0 旧^ q…丨衣，丨F 鑽碳膜層夂拉 又（Raman)光譜圖。由圖4中可*)甘4 . _ 口中τ侍知，本發明所製作之類鑽 石反膜層係由SP3立體結構盥8卩2承品从碰β 15 再一 千面結構所組成，因此具有 —約為1332cm-1之四面體镨；，，知 遛鑽石結構的吸收峰、以及一約為 1580cm_之平面石墨結構的吸收峰。 實施例8 場發射測試： 12 1309842 只知例3至實施例7所製作之具有類鑽碳膜層之基板， 巧目同於實施例i所述之二極式量測方法以測試其場發射 ^ ’且其場發射測量結果係如圖5所示。 圖中X軸係為針兩電極板之間的電場值（v/um)，且y 軸係為類鐵碳膜層所發射出的電流密度（uA/cm2)。結果所 :’在_製程中增加用以㈣U狀碳膜之氫氣濃度，而 獲得排列密度較低的片狀結構，其場發射效果較佳。 實施例9 於本實施例場發射顯示器結構中’下基板表面係含有 10 4/鈦金屬層以作為-陰極層’且本例所使用的基板係為 —玻璃材。此外’本例之陰極層表面係具有一圖案化的絕 緣層與閘極層，以暴露出部分的陰極表面，且絕緣層是介 於陰極層與閘極層之間，以提供電性隔絕用。 將上述之下基板結構置入一濺鍍反應室中，並且進行 15如實施例1所述之濺鍍反應，即能於暴露的陰極表面成長一 具有類鑽碳膜層之電子發射層。最後，移除閘極表面所沉 積之類鑽碳膜層，即獲得本例場發射顯示器之下基板結 構。其中，本實施例類鑽碳膜層所具有之結構特徵皆相似 於實施例1之類鑽碳膜層結構。 2〇 圖6為本例之場發射結果圖。當施加於兩極板之間的電 場越大時，電子發射源之電流密度越高。此外，由圖6知， 施予於陰極層與該閘極層的電壓差由1〇V至35V遞增時，即 施大幅提昇場發射效果。然而’此施加的電壓差亦有所限 制，如果已超過元件所負荷之範圍，例如於陰極層與該閘 13 1309842 - 極層間施加4〇ν與50V的壓差，大多數電子將被吸引至閘極 而將造成反效果。 ° 綜上所述，本發明可製作一具有微米級片狀結構之類 鑽碳，由於該微米級片狀結構具有高的高寬比之特徵，故 5可成為良好的電子發射材料，以應用於場發射元件、場發 射顯示器、或平面光源等的冷陰極發射源。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 齡 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述貫施例。 10 【圖式簡單說明】 圖1係本發明一較佳實施例製作類鑽碳膜層時使用之濺鍍 反應室之示意圖。 圖2 a係本發明一較佳實施例製作之表面具有類鑽碳膜層之 -15基板正面之掃瞄式電子顯微鏡（SEM)照片圖。 / 2b係本發明-較佳實施例製作之表面具有類鑽碳膜層之 基板側面之掃瞄式電子顯微鏡（SEM)照片圖。 圖3係本發明一較佳實施例用以測試場發射效能之二極式 裝置示意圖。 2〇圖4係實施例3至實施例7所製作之類鑽碳膜層之拉曼 (Raman)光譜圖。 圖5係實施例3至實施例7所製作之具有類鑽碳膜層之基板 之場發射量測結果圖。 圖6係實施例6所製作之具有類鑽碳膜層之基板之場發射量 14 1309842 測結果圖。 【主要元件符號說明】 1、7、32、75 基板 10加熱器 12靶材 A、B、C氣體提供單元 31類鑽碳膜層 35凹槽 73絕緣層 111遮蔽板 302、702陽極板 3測試片 11承載台 13電源 al、bl、cl氣體供應閥 33、76陽極層 71陰極層 74閘極層 301、701陰極板 15

Claims (1)

1. 、1309842 修正替換頁

   t 第9SH1847號，兕年2月修正頁 十、申請專利範圍： 1 · 一種電子發射源，係包括： 一基板；以及 一具有片狀結構之類鑽碳膜層，係沉積於該基板表面； 5 其中，該類鑽碳膜層之片狀結構係排列於該基板表面 以形成一花瓣圖案，該片狀結構係為彎曲片狀結構、長條 片狀結構、或其組合，且該片狀結構之側面高度係介於0 5 μ m至4.0y m之間。 2.如申請專利範圍第丨項所述之電子發射源其中， 10該基板係為半導體材料、金屬材料、絕緣材料或玻璃材料。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之電子發射源，其中， 該片狀結構之厚度係介於0.005 μηι至0.1 μιη之間。 4.如申請專利範圍第3項所述之電子發射源，其中， 該片狀結構之厚度係介於0.005 μηι至0.05 μιη之間。 15 5 ·如申請專利範圍第1項所述之電子發射源，其中， 該片狀結構之側面高度係介於0 9 μιη至2.0 μιη之間。 6 · —種電子發射源，係包括： 一基板； 一導電層，係形成於該基板表面；以及 20 一具有片狀結構之類鑽碳膜層，係沉積於該導電層表 面； 其中’該類鑽碳膜層之片狀結構係排列於該導電層表 面以形成一花瓣圖案，該片狀結構係為彎曲片狀結構、長 條片狀結構、或其組合，且該片狀結構之側面高度係介於 16 1309842 9鼙2月2 4日修正替換頁 0.5 μιη至 4.0 μηι之間。 ~ -- 7. 如申請專利範圍第6項所述之電子發射源’其中， 該基板係為半導體材料、金屬材料或玻璃材料。 8. 如申請專利範圍第6項所述之電子發射源，其令， 該導電層係為氧化銦錫、氧化鋅、氧化鋅錫、或金屬材料、 或合金材料。 =9·如申請專利範圍第6項所述之電子發射源，其中， 該片狀結構之厚度係介於〇 〇〇5哗至〇1㈣之間。 10.如申請專利範圍第6項所述之電子發射源，其中， 10該片狀結構之厚度係、介於請5_至〇.〇5哗之間。’、 =U .如申請專利範圍第6項所述之電子發射源，其中， 〇片狀、構之側面高度係介於〇 9 至2力之間。 2 ·種场發射顯示器，係包括： 15 20 赏尤扮看、與一防徑層义上暴板，μ久 含有—電子發射層、與一陰極層之下基板，且該電 子發射層係緊鄰於該陰極層； 甘-中 ^’該電子發射層係包括複數個微米級片狀結構之 菜貝鑽碳，却g 古 〜月狀結構係具有一介於0.5 μιη至4.0 μιη間之側面 其組人m狀結構係為彎曲片狀結構、長條片狀結構、或 ^ Q ’且該等片狀結構之類鑽碳係於該基板表面排列成 —化瓣圖案。 中，如申請專利範圍第12項所述之場發射顯示器，其 以片狀結構之厚度係介於0.005 μιη至 0.1 μιη之間。 •如申清專利範圍第12項所述之場發射顯示器，其 17 1309842 _ I%2月2 4日修正替換頁 中s亥片狀結構之厚度係介於0_005 μm至0 05 μη1之間。 ^5.如申請專利範圍第12項所述之場發射顯示器，其 °亥片狀結構之側面高度係介於〇_9 μηι至2.0 μηι之間。 16.如申請專利範圍第12項所述之場發射顯示器，更包 甲1極層，係"於該陰極板與該陽極板之間，且 層係為複數個閘極。 Π.如申請專利範圍第12項所述之場發射顯示器，其 中，該上基板更包括一遮光層，且該遮光層係密接於該螢 光粉層旁。 18