場發射器及其製造方法和使用其的場發射顯示設備的製作方法
2023-06-05 05:23:26 3
專利名稱：場發射器及其製造方法和使用其的場發射顯示設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有碳納米管薄膜的場發射器及其製造方法以及使用該場發射器的場發射顯示設備，更具體地，涉及具有碳納米管薄膜作為電子發射元件的場發射器、其製作方法和使用該場發射器的場顯示設備。
目前作為下一代平板顯示設備研究的場發射顯示設備是基於在真空管內發射電子，並且由從強電場中的微米尺寸的尖端發射出的、加速並與螢光材料碰撞的電子發光。該場發射顯示設備輕而且薄，並且具有高亮度和高清晰度。
傳統的用於場發射顯示設備的電子發射器使用的是金屬或矽材料製成的尖端，這不僅結構複雜而且象素之間的電流密度不均勻。為了解決以上的不足，可用一金屬氧化半導體場效應電晶體(MOSFET)作為每個單元象素的有源電路，在S.Kanemaru等的論文「由內置的MOSFET驅動的矽場發射器的有源矩陣」，IDW′97，pp735-738，1997進行了描述。並且，薄膜電晶體能夠用來作為每個單元象素的有源電路從而解決上述不足，描述在H.Gamo等的論文「用於有源矩陣FED應用的具有玻璃上的內置薄膜電晶體的可控場發射器陣列」，IDW′98，pp667-670，1998中。然而，由於要在已有的場發射顯示設備的製造工藝上再增加一些工藝，上面的文章所講的結構就顯得更加複雜了。
本發明的一個目的在於提供一種場發射器，該發射器使用碳納米管薄膜，即便是在低電壓下仍具有高電流密度。
本發明的另一個目的是提供一種通過簡單的工藝製造具有碳納米管薄膜的場發射器的方法。
本發明還有一個目的是提供一種場發射顯示設備，該顯示設備具有使用碳納米管薄膜、即便是在低電壓下仍具有高電流密度的場發射器。
為了實現第一個目的，本發明提供了帶有碳納米管薄膜的場發射器，其中包括一絕緣基片；一在絕緣基片上形成的薄膜電晶體，該薄膜電晶體具有一半導體層、一源極、一漏極和一柵極；一在薄膜電晶體的漏極上、由碳納米管薄膜形成的電子發射單元。
薄膜電晶體的半導體層為多晶矽層或非晶型矽層。薄膜電晶體可以是共面型、交錯型或逆交錯型電晶體。
接觸碳納米管薄膜的一部分漏極的表面上有催化金屬，它是過渡金屬，如鎳或鈷，能使碳納米管生成。或者，漏極本身可由用於生長碳納米管的催化金屬形成。
為了實現第二個目的，本發明提供了具有碳納米管薄膜的場發射器的製造方法。該方法包括在絕緣基片上形成一具有半導體層、源極、漏極和柵極的薄膜電晶體；在形成薄膜電晶體的絕緣基片的整個表面上形成保護絕緣膜；腐蝕部分保護絕緣膜以便露出部分漏極；在露出的漏極上形成碳納米管薄膜。當薄膜電晶體是共面型電晶體時，形成薄膜電晶體的步驟包括以下幾個子步驟在絕緣基片上形成一半導體層；在半導體層上形成相隔預定距離的源極圖案和漏極圖案；在源極圖案和漏極圖案之間形成一由柵絕緣薄膜和柵極所組成的柵極圖案。當薄膜電晶體是交錯型電晶體時，形成薄膜電晶體的步驟包括以下幾個子步驟在絕緣基片上形成相隔預定距離的源極圖案和漏極圖案；形成一半導體層圖案，該圖案當填充源極圖案和漏極圖案之間的空間時向側面延伸一預定長度；在源極圖案和漏極圖案之間的半導體層圖案上形成一由柵絕緣薄膜和柵極組成的柵極圖案。當薄膜電晶體是逆交錯電晶體時，形成薄膜電晶體的步驟包括以下幾個子步驟在絕緣基片上形成一由柵極和柵絕緣薄膜組成的柵極圖案；形成一覆蓋柵極圖案的半導體層圖案；在半導體層圖案上形成間隔預定距離的源極圖案和漏極圖案。
在露出的漏極部分上形成碳納米管薄膜的步驟可通過用已經長成的碳納米管薄膜塗抹在漏極露出部分的表面或直接在漏極露出部分的表面上生長碳納米管薄膜來實現。這時，該方法還包括在接觸碳納米管薄膜的漏極部分表面上形成一用於生長碳納米管的催化金屬層。形成催化金屬層的步驟可在形成薄膜電晶體的步驟中實現或在腐蝕部分保護絕緣薄膜的步驟之後實現。
為了實現第三個目的，本發明提供一種場發射顯示設備，該設備中單元象素排列在一矩陣中，每個單元象素由多個柵極線路和多個數據線路(線路十字交錯)而定義，其中每個單元象素包括在一絕緣基片上形成的一薄膜電晶體，該薄膜電晶體有一半導體層、一源極、一漏極和一柵極；在薄膜電晶體的漏極上的由碳納米管薄膜形成的一電子發射單元；形成在絕緣基片對面的上部電極；在上部電極的下表面上形成的與電子發射單元相對的螢光材料。
在本發明中，碳納米管薄膜用來作為場發射器中的電子發射單元。因此，即便在低電壓下仍有強電流密度的場發射器可用簡單的製造方法來實現。每個象素都有一致的電流密度的場發射顯示設備因其由一薄膜電晶體來驅動從而可以實現。
本發明的上述目的和優點通過參考附圖詳細描述優選實施例後將更清晰。
圖1是根據本發明一個實施例的具有共面型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。
圖2是根據本發明的另一個實施例的具有交錯型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。
圖3是根據本發明的又一個實施例的具有逆交錯型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。
圖4是使用根據本發明一個實施例的一場發射器的場發射顯示設備的等效電路圖。
圖5A是根據本發明一個實施例的生長的碳納米管薄膜的掃描電子微觀(SEM)圖象。
圖5B是根據本發明一個實施例的一場發射顯示設備中每個單元象素上所沉積的碳納米管薄膜的傳輸電子微觀(TEM)圖象。
圖6是根據本發明一實施例的一場發射顯示設備的剖視圖。
下文中，將根據附圖詳細描述本發明的實施例。然而，本發明的實施可被改為其它多種形式，並且本發明的範圍不能被理解為必須嚴格遵循這些實施例。提供這些實施例是為了向本領域技術人員更完整地說明本發明。
本發明主要涉及在場發射器中形成使用碳納米管的電子發射單元。總體上說，作為所有生物包括人體中的最重要組成部分的碳，具有金剛石、石墨、緊密石墨和碳納米管四種晶體結構。在這四種晶體結構中，碳納米管是由滾動六邊形蜂窩圖案結構成管狀而形成，所述六邊形蜂窩圖案結構是由一個碳原子與三個其它的碳原子結合而成。一個碳納米管的直徑非常小，只有幾個到幾百個納米，並且生長成單牆結構或多牆結構。碳納米管是象金屬一樣的電的導體或者根據滾動形狀或其直徑而具有導電性能不好的半導體的性質。另外，由於碳納米管是中空的而且長，它有極好的機械、電和化學特性，因此它以可用作場發射設備、儲氫容器、蓄電池電極等。
圖1是根據本發明一個實施例的具有共面型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。圖1中，半導體層7形成在一具有一定硬度的絕緣基層8如玻璃基片上。源極3圖案和漏極4圖案在半導體層7上形成並具有一預定間距。半導體層7可由非晶形矽或者由摻雜或不摻雜的多晶矽構成。源極3圖案和漏極4圖案由典型的半導體設備製造工藝中的光刻工藝製成。
源極3和漏極4中的每一個都可用導電材料如鋁、鎢或耐火金屬矽化物在單層結構或多層結構上形成。如隨後所述，當碳納米管薄膜在漏極上直接長成時，可以在與碳納米管薄膜1接觸的漏極4的部分上形成用於碳納米管生長的催化金屬層(圖中未畫)，如鎳層或鈷層。那就是說，催化金屬層可以只在與碳納米管薄膜1接觸的部分上形成，可以在漏極4的整個表面上形成，或可以在源極3和漏極4的上表面上形成。或者，漏極4本身可由催化金屬形成。
柵絕緣膜5形成在露於源極3圖案和漏極4圖案之間的半導體層7的部分上，與源極3圖案和漏極4圖案分離。柵極2圖案形成在柵極絕緣膜5上。保護絕緣膜6用來將源極3、柵極2和漏極4之間相互絕緣並保護它們。碳納米管薄膜1在催化金屬層上形成(在此實施例中，覆蓋漏極4的部分表面)。
柵絕緣膜5可以是氧化膜、氮化膜或氮化膜與氧化膜的混合膜；柵極2可由鋁、摻雜的多晶矽或類似的物質形成；保護絕緣膜6可由具有極佳平面化性質的氧化或氮化系列絕緣材料形成。
下面更詳細地說明如圖1所示的場發射器的製造工藝。半導體層7通過化學汽相沉積法或物理汽相沉積法使用濺射形成到絕緣基片8上。下一步，在半導體層7的整個表面上形成一導電材料層。然後，用典型的光刻法將源極3圖案和漏極4圖案以預定的間距形成在半導體層7上。如前所述，導電材料層可是催化金屬層(未畫出)，以便碳納米管的生長。當催化金屬層以多層結構形成於總的導電材料上時，在導電材料上形成催化金屬層後，開始實施光刻工藝。
此後，在基片的整個表面上形成柵絕緣膜5的材料層和柵極2的材料層，然後，通過光刻在源極3圖案和漏極4圖案之間形成柵絕緣膜5和柵極2圖案。然後，在形成薄膜電晶體的基片的整個表面上形成保護絕緣膜6，並且腐蝕部分保護絕緣膜6以露出部分漏極4。然後，在漏極4露出的部分上形成碳納米管薄膜1。
形成碳納米管薄膜1的步驟至少可有兩種方法實現。一種是將已在外部生成的碳納米管薄膜1塗在露出的漏極上。另一種方法是形成一具有半導體層7、源極3、漏極4和柵極2的薄膜電晶體，將一基片裝載進用於生長碳納米管的裝置中，漏極4在該基片上暴露了一部分，以及在暴露出的漏極4上直接生成碳納米管薄膜1。
至於生長碳納米管的方法，一種方法是，在兩條石墨棒之間通過電弧放電來生成碳納米管，這種方法在Sumio Lijima的論文「石墨碳的螺旋微管」，自然雜誌，Vol.354，pp56-58，1991年11月7日中有記載。生長碳納米管的另一種方法是，在約1200℃或更高的溫度下，用雷射對石墨進行輻射，或者在約1600℃到1700℃的溫度下，用雷射對碳化矽進行輻射。這種方法在Michiko Kusunoki等的論文「通過碳化矽的升華分解而自組的取向附生的碳納米管薄膜」，應用物理通訊Vol71，2620，1997中有記載。另一種用化學汽相沉積(CVD)法熱分解碳氫系列氣體來生成碳納米管的方法在W.Z.Li等的論文「碳納米管的大規模合成」，科學雜誌，Vol.274，pp1701-1703，1996年12月6日中有記載。
如上所述，本發明中的碳納米管的生成可用放電、雷射、CVD或高密度等離子等方法來實現。
本發明的一個實施例中，使用了高密度等離子CVD法，此法中使用通過供給射頻電源而產生高密度等離子的感應耦合等離子(ICP)裝置作為等離子化學蒸氣裝置。碳氫系列氣體如含有碳原子的乙炔或苯可作為用於生長碳納米管薄膜1的等離子氣體源。然而，本實施例中使用以10SCCM的流速供給的甲烷和以10SCCM供給的惰性氣體氦。本實施例中，碳納米管薄膜1用固定在1千瓦的RF電源、在基片溫度600℃到900℃、內部壓力10-1000毫託情況下生成。氮氣和氫氣也可被用來加速反應，並且本實施例中的等離子濃度維持在1011m-3或更高。
圖2是根據本發明的另一個實施例的具有交錯型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。和圖1中同樣的參考數字指代相同的元件，因此不再詳述。圖2中，源極3圖案與漏極4圖案在絕緣基片8上相互間隔一預定的距離。當半導體層7填入源極3圖案與漏極4圖案間的空隙時，向兩側延伸一預定長度。由柵絕緣膜5和柵極2組成的柵極2圖案形成在半導體層7上源極3圖案與漏極4圖案之間的空間中。保護絕緣膜6覆蓋柵極2圖案。碳納米管薄膜1在漏極4的部分表面上形成。
如前所述，源極3和漏極4可由導電材料以單層或多層的結構形成。當碳納米管薄膜直接生長在漏極上時，用於生長碳納米管的催化金屬層(未畫出)可以在與碳納米管薄膜1接觸的漏極4的表面上形成。那就是說，催化金屬層可只在與碳納米管薄膜1接觸的部分上形成，還可在漏極4的整個表面形成或在源極3和漏極4的上表面上形成。或者，漏極4本身可由催化金屬形成。
下面更詳細地說明如圖2所示的場發射器的製造工藝。在絕緣基片8的整個表面上形成導電材料層，然後用典型的光刻法將源極3圖案和漏極4圖案以預定間距形成在絕緣基片8上。如前所述，導電材料層可是催化金屬層，以便碳納米管的生長。當催化金屬層以多層結構形成於總的導電材料上時，在導電材料上形成催化金屬層後，開始執行光刻。下一步，用化學汽相沉積法或物理汽相沉積法濺射到絕緣基片8上形成半導體層7，並用光刻形成圖案，從而形成當填入源極3圖案與漏極4圖案間的空隙時，向兩側延伸一預定長度的半導體層7。
然後，在基片的整個表面上形成用於柵絕緣膜5和柵極2的一材料層，然後用光刻法在覆蓋半導體層7上源極3圖案和漏極4圖案之間的空間上形成由柵絕緣膜5和柵極2組成的柵極2圖案。然後，在形成薄膜電晶體的基片的整個表面上形成保護絕緣膜6並且腐蝕部分保護絕緣膜6以暴露出漏極4。下一步，在漏極4露出的部分上形成碳納米管薄膜1。形成碳納米管薄膜1的步驟和圖1中的實施例相同。
圖3是根據本發明的另一實施例的具有逆交錯型薄膜電晶體和碳納米管象素的場發射器的剖視圖。同樣的參考數字和圖1中指代的一樣，因此不再詳述。圖3中，具有柵極2和柵絕緣膜的柵極2圖案形成在絕緣基片8上。半導體層7圖案覆蓋柵極2圖案。源極3圖案和漏極4圖案在半導體層7圖案上，具有一預定的間距。保護絕緣膜6覆蓋並填充於源極3圖案和漏極4圖案之間的空隙。碳納米管薄膜1形成在漏極4的部分表面上。
下面更具體地說明如圖3所示的場發射器的製造工藝。在絕緣基片8的整個表面上形成用於柵極2和柵絕緣膜5的材料層，然後用光刻法在絕緣基片8上形成具有柵極2和柵絕緣膜5的柵極2圖案。下一步，在絕緣基片8的整個表面上形成一半導體層7，並利用光刻法形成圖案。然後在此合成結構的整個表面上形成了一導電材料層。然後，用典型的光刻法形成彼此有一預定間距的源極3圖案和漏極4圖案。下一步，在形成薄膜電晶體的基片的整個表面上形成保護絕緣膜6，部分保護絕緣膜6被腐蝕以將漏極4的部分暴露。接著，在露出的漏極4的部分上形成碳納米管薄膜1。形成碳納米管薄膜1的步驟和圖1中的實施例相同。
圖4是使用根據本發明一實施例的場發射器的有源矩陣場發射顯示設備的等效電路圖。圖4中，多個柵極線路10(G1，G2，G3)與多個數據線路9(D1，D2，D3)十字交錯，並且兩個柵極線路和兩個數據線路定義一個單元象素。這些單元象素排列為一矩陣。在每個單元象素上形成一個碳納米管薄膜1，它是一個電子發射單元，而且，設置薄膜電晶體11作為驅動這些電子發射單元的開關。每個薄膜電晶體11有一與柵極線路10相連的柵極、一與數據線路9相連的源極和一與作為電子發射單元的碳納米管薄膜1相連的漏極。含有薄膜電晶體11和碳納米管薄膜1的電子發射器的剖視圖可為圖1至圖3中的共面型場發射器、交錯型場發射器和逆交錯型場發射器之一。
圖5A是根據本發明一個實施例的生長的碳納米薄膜的掃描電子微觀(SEM)圖象。該圖表明納米管束在一個方向上排列整齊。圖5B是形成在根據本發明一個實施例的一場發射顯示設備的每個象素上的碳納米管薄膜的傳輸電子微觀(TEM)圖象。從圖5B中可以看出，碳納米管薄膜僅在漏極露出的表面上有選擇的生長。
圖6是根據本發明實施例的一場發射顯示設備的剖視圖。該圖顯示了排列在一有源矩陣中的每個象素中的單元象素的剖面。圖1中所示的共面型薄膜電晶體被用作薄膜電晶體11，它是一開關裝置。
如圖6所示，一上部電極13被安裝在絕緣基片8上，並與絕緣基片8間隔一預定距離。半導體層7形成在絕緣基片8上。源極3圖案和漏極4圖案在半導體層7上相互間隔一預定的距離。柵絕緣膜5形成在半導體層7上，暴露在源極3圖案和漏極4圖案之間，與源極3圖案和漏極4圖案相隔，因此形成了一柵極2圖案。保護絕緣膜6覆蓋在源極3、柵極2以及漏極4的部分上並填充它們之間的空隙，以使之相互絕緣並保護它們。碳納米管薄膜1形成在漏極4的部分表面上。在上部電極13的底部表面形成一螢光材料12，以與碳納米管薄膜1相對。
在如圖4中所示的電子發射顯示設備中，通過驅動薄膜電晶體11從碳納米管薄膜1中發射出電子。薄膜電晶體11包括在一個象素中，該象素是由通過一柵極線路10和一數據線路9傳輸的信號來選擇的。發射的電子被上部電極13和漏極4之間的強電場加速，與螢光材料12碰撞後發光。以這種方式，電子發射顯示設備執行了顯示的功能。碳納米管僅為納米級，與傳統的場發射器中所使用的尖端大小相似或更小，但是當它用作一電子發射單元時，具備了更優的場發射特性。
儘管依據附圖中的具體實施例對本發明進行了描述，但以上特殊的實施例只是例子。對本領域技術人員來說很明顯，可以在本發明的範圍內對特定的實施例做出修改。比如，本發明實施例中利用高濃度等離子的方法形成碳納米管，但很明顯，利用電弧技術、雷射技術或化學汽相沉積技術都可以形成碳納米管。
根據本發明，具有高電流密度且可被低電壓驅動的有源矩陣場發射顯示設備可通過使用碳納米管和薄膜電晶體而輕易地製造出來。同樣，根據本發明製造的有源場發射顯示設備能夠通過控制由薄膜電晶體產生的電流來維持均勻且穩定的發射電流。因此，電流驅動的場發射顯示設備能夠容易地實現。
權利要求
1.一種具有碳納米管薄膜的場發射器，包括一絕緣基片；在該絕緣基片上形成的一薄膜電晶體，該薄膜電晶體具有一半導體層、一源極、一漏極和一柵極；和位於薄膜電晶體的漏極上的由碳納米管薄膜構成的一電子發射單元。
2.權利要求1的場發射器，其中薄膜電晶體的半導體層是一多晶矽層。
3.權利要求1的場發射器，其中薄膜電晶體是共面型電晶體、交錯型電晶體或逆交錯型電晶體。
4.權利要求1的場發射器，其中與碳納米管薄膜接觸的漏極的一部分的表面上包含用於生長碳納米管的催化金屬。
5.權利要求1的場發射器，其中漏極由用於生長碳納米管的催化金屬形成。
6.權利要求4的場發射器，其中用於生長碳納米管的催化金屬為鎳或鈷。
7.一種製造具有碳納米管薄膜的場發射器的方法，該方法包括在一絕緣基片上形成含有一半導體層、一源極、一漏極和一柵極的薄膜電晶體；在已形成薄膜電晶體的絕緣基片的整個表面上形成一保護絕緣膜；腐蝕部分保護絕緣膜以露出漏極的一部分；在露出的漏極上形成一碳納米管薄膜。
8.權利要求7的方法，其中形成薄膜電晶體的步驟包含以下幾個子步驟在絕緣基片上形成一半導體層；在該半導體層上形成相互之間有預定距離的一源極圖案和一漏極圖案；在源極圖案和漏極圖案之間形成一由柵絕緣膜和柵極組成的柵極圖案。
9.權利要求7的方法，其中形成薄膜電晶體的步驟包含以下幾個子步驟在絕緣基片上形成相互之間有預定距離的一源極圖案和一漏極圖案；形成一半導體層圖案，該圖案在填入源極圖案與漏極圖案間的空隙的同時向兩側延伸一預定長度；以及在源極圖案和漏極圖案之間的半導體層圖案上形成一由柵絕緣膜和柵極組成的柵極圖案。
10.權利要求7的方法，其中形成薄膜電晶體的步驟包含以下幾個子步驟在絕緣基片上形成一由柵絕緣膜和柵極組成的柵極圖案；形成一覆蓋柵極圖案的半導體層圖案；以及在半導體層圖案上形成相互之間有預定距離的一源極圖案和一漏極圖案。
11.權利要求7的方法，其中在漏極的露出部分上形成碳納米管薄膜的步驟是通過用碳納米管薄膜塗覆在漏極的露出部分的表面上來實現。
12.權利要求7的方法，其中在漏極的露出部分上形成碳納米管薄膜的步驟是通過在漏極的露出部分上直接生長碳納米管薄膜來實現。
13.權利要求12的方法，還包括在與碳納米管薄膜接觸的漏極的部分的表面上形成用於生長碳納米管薄膜的催化金屬層。
14.權利要求13的方法，其中形成催化金屬層的步驟在形成薄膜電晶體的步驟中實施。
15.權利要求13的方法，其中形成催化金屬層的步驟在腐蝕部分保護絕緣膜的步驟後實施。
16.權利要求12的方法，其中漏極由用於生長碳納米管的催化金屬形成。
17.權利要求12的方法，其中碳納米管薄膜在600℃到900℃下用碳氫系列氣體作為等離子源氣體由等離子化學汽相沉積來生長，其中等離子濃度為1011cm-3或更高。
18.一種場發射顯示設備，其中單元象素排列在矩陣中，每個單元象素由十字交叉的多個柵極線和多個數據線來定義，每個單元象素包含在一絕緣基片上形成的一薄膜電晶體，該薄膜電晶體有一半導體層、一源極、一漏極和一柵極；形成在薄膜電晶體的漏極上的由碳納米管薄膜形成的電子發射單元；與絕緣基片相對形成的一上部電極；形成在上部電極的底部表面上的一螢光材料，與電子發射單元相對。
19.權利要求18的場發射顯示設備，其中薄膜電晶體可是一共面型電晶體、一交錯型電晶體或一逆交錯型電晶體。
20.權利要求18的場發射顯示設備，其中與碳納米管薄膜接觸的漏極的部分的表面上含有用於生長碳納米管的催化金屬。
21.權利要求18的場發射顯示設備，其中具有形成在其上的碳納米管薄膜的漏極由用於生長碳納米管的催化金屬形成。
全文摘要
本發明提供使用碳納米管薄膜的即使在低電壓下也具有高電流密度的場發射器及製造方法和具有該場發射器的場發射顯示設備。場發射器包括絕緣基片,在其上形成的薄膜電晶體,該電晶體有半導體層、源極、漏極和柵極,和由漏極上的碳納米管薄膜形成的電子發射單元。電晶體可以為共面型、交錯型或逆交錯型。與碳納米管薄膜接觸的漏極部分的表面上含有催化金屬,它是過渡金屬如鎳或鈷。或者漏極本身可由用於生長碳納米管的催化金屬形成。
文檔編號H01J29/04GK1278104SQ0010921
公開日2000年12月27日 申請日期2000年6月14日 優先權日1999年6月16日
發明者張震, 鄭皙在, 林星勳, 柳在銀 申請人:張震, 日進納米技術株式會社