電子發射器件和製造電子發射器件的方法
2023-05-25 01:55:01
專利名稱：電子發射器件和製造電子發射器件的方法
技術領域：
本發明涉及電子發射器件和製造電子發射器件的方法。
背景技術：
通常，電子發射器件被分為使用熱陰極作為電子發射源的電子發射器件和那些使用冷陰極作為電子發射源的電子發射器件。有多種類型的冷陰極電子發射器件，包括場發射陣列(FEA)型，金屬-絕緣體-金屬(MIM)型，金屬-絕緣體-半導體(MIS)型和表面導電發射器(SCE)型。
FEA型電子發射器件基於如下原理當具有低功函數或者高深寬比的材料被用作電子發射源，在真空氣氛中在其上施加電場時，電子容易從電子發射源發射。基於鉬Mo或者矽Si或者含碳的材料，例如碳納米管、石墨和類金剛石碳的尖銳端點結構被開發作為電子發射區。
普通的FEA型電子發射器件，陰極、絕緣層和柵極順序形成在第一基板上，並且開口形成於柵極和絕緣層。電子發射區被形成在開口內的陰極之上。螢光粉層和陽極被形成在面對第一基板的第二基板表面。
在工作中，當掃描驅動電壓被施加在任何一個陰極和柵極，並且數據驅動電壓被施加在其它電極時，電場在電子發射區周圍的電極間電壓差超過閾值的像素形成。電子被從那些電子發射區發射。發射的電子被施加在陽極的高壓(幾百伏至幾千伏的正電壓)吸引，並且與相應的螢光粉層碰撞，從而使其光發射。
然而，使用此類型電子發射器件，當電子被從電子發射區發射，即使大多數電子直接向螢光粉層直線行進，但是一些電子被非直線地擴散。擴散在電子落在位於螢光粉層之間的黑色層上，對發射可見光線不起作用。進一步，擴散的電子落在相鄰像素不正確的彩色螢光粉層上，並且使其光發射，從而惡化圖像質量。
由於陰極和柵極具有內電阻，它們在驅動電子發射器件時可以導致電壓下降和信號失真。特別是，當陰極由透明氧化層，例如氧化銦錫(ITO)形成時，與由金屬導電層，例如鋁(Al)或者銀(Ag)形成的電極相比，它們包含更高的電阻。
當電壓下降和信號失真發生時，即使當相同的驅動電壓施加在所有像素時，施加在電子發射區的電場在每個像素上都有差別。結果，像素的電子發射均勻性惡化，並且在嚴重的情況下，沿陰極或者柵極的長度方向觀察到明顯的亮度差別。
發明內容
本發明的一個示範性實施例包括第一基板；面對第一基板並且與第一基板隔開預定間距的第二基板；陰極，每個陰極包括形成在第一基板上的第一電極和與第一電極間隔開的第二電極；在第二電極上形成的電子發射區；互連第一電極和第二電極、並且圍繞電子發射區的電阻層；位於電阻層和陰極之上的絕緣層；和在絕緣層之上形成的柵極。
第一電極可以以第一電極對的形式被提供於陰極，並且第二電極可以被設置於第一電極對之間。在一個實施例中，第二電極位於在第一基板上限定的像素區處，並且電子發射區在多個第二電極上形成。在另一實施例中，第二電極中的兩個或更多個被提供在第一基板上限定的每個像素區處，並且電子發射區中的一或多個形成在每個第二電極上。
第二電極可以由透明導電氧化層形成，並且第一電極可以具有低於第二電極的電阻的特定電阻。
在一個實施例中，第一電極由選自包括鋁、鉬、銀、鈦、鎢、鉻和鉑的材料組的材料形成。在另一實施例中，電阻層以一一對應的方式在第一基板上限定的像素區處形成。電阻層也可以接觸電子發射區的側面，並且具有特定的電阻值106～1012Ωcm。
電子發射區可以由選自包括碳納米管、石墨、石墨納米纖維、金剛石、類金剛石碳、C60和矽納米線的材料組的材料形成。
在一個實施例中，電子發射器件也包括置於柵極之上並且與柵極電絕緣的聚焦電極，在第二基板的面對第一基板的表面上形成的螢光粉層，和在螢光粉層的表面上形成的陽極。
電阻層的厚度可以大於電子發射區的厚度，以使電阻層的頂面被置於高於電子發射區的頂面的平面。
製造電子發射器件的方法的一個實施例包括(a)使用金屬材料在第一基板上形成第一電極對，並且使用透明導電氧化材料在第一電極對之間形成第二電極，從而形成陰極；(b)在第一電極對和第二電極上形成電阻層，並且在電阻層中形成開口以使開口部分地暴露第二電極的表面；(c)在陰極和電阻層上形成絕緣層和柵極，以使絕緣層和柵極分別具有開口；和(d)在第二電極上，電阻層的開口內形成電子發射區。
第二電極可以由ITO形成，並且第一電極可以由選自包括鋁、鉬、銀、鈦、鎢、鉻和鉑的材料組的材料形成。
在一個實施例中，形成電子發射區包括(a)將電子發射材料和光敏材料的混合物施加在第一基板的整個表面上；(b)從第一基板的背面用紫外線照射混合物，以硬化填充於電阻層開口內的混合物；並且(c)之後，通過顯影和乾燥以及燃燒剩餘的混合物，移除未被硬化的混合物。
電子發射區的厚度可以薄於電阻層的厚度，以使電阻層的頂面被置於高於電子發射區的頂面的平面。
在另一實施例中，電子發射器件包括第一基板；面對第一基板並且與其隔開預定間距的第二基板；包括在第一基板上形成的多個第一電極和與該多個第一電極間隔開的第二電極的陰極；在第二電極上形成的至少一個電子發射區；互連多個第一電極和第二電極、並且圍繞至少一個電子發射區的電阻層；置於電阻層和陰極之上的絕緣層；和在絕緣層之上形成的柵極。第二電極也可以由透明導電氧化物層形成。
圖1是根據本發明第一實施例的電子發射器件的部分分解透視圖。
圖2是根據本發明第一實施例的電子發射器件的局部俯視視圖。
圖3是根據本發明另一實施例的電子發射器件的局部截面視圖，示出第二電極和其中的電子發射區的變化。
圖4是根據比較示例1，模擬發射電子束軌跡的電子發射器件的示意圖。
圖5是根據示例1，模擬發射電子束軌跡的電子發射器件的示意圖。
圖6是根據本發明另一實施例的電子發射器件的局部截面視圖。
圖7A示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第一階段。
圖7B示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第二階段。
圖7C示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第三階段。
圖7D示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第四階段。
圖7E示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第五階段。
圖7F示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第六階段。
圖7G示出根據本發明一個實施例的製造電子發射器件的第七階段。
電子發射單元100被置於第一基板2的表面上以向第二基板4發射電子，並且發光單元200被置於面對第一基板2的第二基板4的表面上，以由於這些電子而發射可見光線。
陰極6在第一基板2的表面沿第一基板2的第一方向形成條狀圖案，並且絕緣層8在第一基板2的整個表面上形成，同時覆蓋陰極6。柵極10在垂直於陰極6的絕緣層8上形成條狀圖案。
在此實施例中，當陰極6和柵極10的交叉區被定義為像素區時，電子發射區12被形成以在各自的像素區覆蓋陰極6。開口81和101在絕緣層8和柵極10對應於電子發射區12處形成，同時暴露第一基板2上的電子發射區12。
電子發射區12由在真空環境下被施加電場時發射電子的材料，例如含碳材料和納米尺度的材料形成。電子發射區12可以由碳納米管、石墨、石墨納米纖維、金剛石、類金剛石碳、C60、矽納米線或者其混合物通過絲網印刷，直接生長，化學汽相沉積或者濺射形成。
在此實施例中，每個陰極6包括布置成互相平行並且分隔預定間距的一對第一電極61和以一定距離設置在第一電極61之間的第二電極62。第一電極61在一側端部被連接至電極焊盤部分(未示出)以接收驅動電壓。每個第二電極62分別位於各自的像素區，並且一個或者多個電子發射區12被置於每個第二電極62之上。
如圖中所示，一個第二電極62位於每個像素區處，並且兩個電子發射區12被置於每個第二電極62之上。可選擇地，兩個或者更多第二電極62可以位於每個像素區，並且一個或者更多電子發射區12可以被置於每個第二電極62之上。如圖3所示，兩個第二電極62』位於每個像素區，並且一個電子發射區12被置於每個第二電極62』之上。
再參照圖1和2，使用將在下文解釋的形成電子發射區12的工藝，第二電極62可以由透明氧化物材料，例如氧化銦錫(ITO)形成，以傳輸紫外光線。第一電極61可以由具有低於第二電極62的電阻的特定電阻的材料形成，例如鋁、鉬、銀、鈦、鎢、鉻和鉑。
每個第二電極62通過電阻層14被電連接至一對第一電極61。電阻層14分別位於各自的像素區。即，一個電阻層14在每個像素區形成，同時覆蓋第一和第二電極61和62。電阻層14由具有高於第一和第二電極61和62電阻的特定電阻，例如特定電阻106～1012Ωcm的導電材料形成。
當在沿陰極6的長度方向形成電壓降時，電阻層14使施加於電子發射區12的電流密度在沿陰極的長度方向布置的像素處均勻。由於電阻層14，每像素的電子發射均勻性被增強，並且表現出均勻的亮度。
在此實施例中，電阻層14圍繞電子發射區12，同時接觸電子發射區12的側面。由於電子發射區12除了頂面之外的所有面接觸第二電極62或者電阻層14，與陰極6的接觸電阻可以被最小化，並且在工作中，電場被均勻地施加在整個頂面，因此實現從該頂面的均勻發射。
進一步，在此實施例中，電阻層14的頂面被置於高於電子發射區12的頂面的平面。使用電阻層14，電場圍繞電子發射區12形成，以使電子束可以被良好聚焦。即，電阻層14起到聚焦電極的作用，以聚焦從電子發射區12發射的電子。
螢光粉層16在面對第一基板2的第二基板4的表面上形成，並且具有互相間隔一定距離的紅，綠和藍色螢光粉層16R，16G和16B，黑色層18被置於各自螢光粉層16之間以增強屏幕對比度。陽極20由金屬材料，例如鋁形成在螢光粉層16和黑色層18上。
陽極20接收加速電子束需要的高電壓，並且反射從螢光粉層16向第一基板2輻射的可見光線回到第二基板4，從而提高屏幕的亮度。
陽極20可以由透明導電材料，例如ITO形成。在此情況下，陽極被置於螢光粉層16和黑色層18的面對第二基板4的表面上。陽極可以在面對第二基板4的整個表面上形成，或者被形成為多個部分。
多個隔離物22可以被布置在第一和第二基板2和4之間。隔離物22保持第一基板2和第二基板4之間不變的間距，並且支持真空封裝以防止其破損。間隔物22的位置對應於黑色層18，以便不佔用螢光粉層16的區域。
上述構成的電子發射器件通過對陰極6、柵極10和陽極20施加預定的電壓工作。例如，掃描驅動電壓被施加於陰極6和柵極10中的任何一個，並且數據驅動電壓被施加於另一個電極。幾百伏至幾千伏的正電壓被施加於陽極20。
電場在電子發射區12周圍陰極6和柵極10的電壓差超過閾值的像素處形成，並且電子從電子發射區12發射。所發射的電子被施加於陽極20的高電壓吸引，並且與相應的螢光粉層16碰撞，以引發其發光。在此過程中，使用根據本實施例的電子發射器件，每像素電子發射的均勻性被電阻層14增強，並且由於電阻層14的電子束聚焦操作，因而最小化電子束的擴展。
圖4是根據比較示例1的電子發射器件的示意圖，模擬發射電子束的軌跡，其中陰極1為條狀，不含電阻層。圖5是根據示例1，模擬發射電子束軌跡的電子發射器件的示意圖。
根據示例1和比較示例1的電子束髮射區，除了陰極的形狀和具有或者缺少電阻層，其結構部件相同，並且模擬是在相同電壓施加條件下進行的。
根據比較示例1的電子發射器件，如圖4所示，等勢線在電子發射區3形成，並且向電子發射區3凹陷。根據那樣的電場分布，當電子從電子發射區3發射，它們以相當大的擴散角擴散。圖4的參考數字5表示絕緣層，並且參考數字7表示柵極。
與此相反，根據示例1的電子發射器件，如圖5所示，等勢線在電子發射區12上方形成，並且由於電阻層14的存在而向電子發射區12突起。在距電子發射區12更遠的距離，等勢線變得平坦並且凹向電子發射區12。利用這樣的電場分布，向電子發射區12突起的等勢線極大地減少了電子束的初始擴散角。結果，電子以優異的聚焦能力向第二基板行進。
結果，在像素處發射的電子不趨向於落在黑色層，或者相鄰像素不正確的彩色螢光粉層上，而是落在正確的彩色螢光粉層上。因此，利用本發明本實施例的電子發射器件，可抑制不正常的光發射，並且可增強顏色再現力和顏色純度，產生極好的屏幕圖像質量。
如圖6所示，除了還有聚焦電極之外，根據本發明另一實施例的電子發射器件基本具有與如上討論的實施例相關的電子發射器件相同的結構部件。
在此實施例中，當被設置於陰極6和柵極10之間的絕緣層8被定義為第一絕緣層時，第二絕緣層24和聚焦電極26在柵極10和第一絕緣層8上形成。開口241和261分別在第二絕緣層24和聚焦電極26形成。開口241和261可以在各自的像素區以一一對應方式形成，或者多個開口可以在對應於電子發射區12的數量的每個像素區形成。
在工作中，聚焦電極26可以接收幾伏至幾十伏的負電壓，並且對通過開口261的電子產生排斥力。相應地，根據本實施例的電子發射器件，被電阻層14聚焦過一次的電子在通過聚焦電極26的開口261時被再次聚焦，從而較之前的實施例，改進了電子束聚焦效果。
下面將參照圖7A至圖7G解釋製造電子發射器件的方法。
如圖7A所示，具有透明氧化材料，例如ITO的導電薄膜被塗敷於第一基板2之上，並且形成圖案以形成第二電極62。第二電極62可以被分別放置於在第一基板2上限定的各自像素區上。
第一電極61在第一基板2上沿第一方向形成於第二電極62的兩側。第一電極61可以通過絲網印刷、真空沉積、濺射、化學汽相沉積或者電鍍方法，由特定的，阻值低於第二電極62阻值的材料，例如鋁，鉬，銀，鈦，鎢，鉻和鉑形成。第二電極62和第一電極61可以交替以反序形成。
如圖7B所示，電阻層14在第一基板2上限定的所有像素區的第一和第二電極61和62之上形成。電阻層14被形成圖案，從而形成到電子發射區的開口141。在一個實施例中，電阻層14通過採用絲網印刷和烘乾，應用具有特定電阻值106～1012Ωcm的材料形成。
之後，如圖7C所示，絕緣層8在第一基板2的整個表面形成，並且導電層10』在絕緣層8上形成，隨後在導電層10』形成圖案以形成開口101。如圖7D所示，絕緣層8的通過導電層10』的開口101暴露的部分被通過刻蝕移除，以在絕緣層8中形成開口81。導電層10』沿垂直於第一電極61形成圖案，以形成柵極10。
如圖7E所示，將包含電子發射材料和光敏材料的膏狀混合物施加在第一基板2的整個表面上，並且紫外線28通過第一基板2的背面照射，以有選擇地硬化電阻層14的開口141內填充的混合物。未被硬化的混合物通過顯影被移除，並且硬化的混合物被烘乾和燒結，從而形成如圖7F所示的電子發射區12。此時，紫外線的強度和照射時間被適當地控制，以使電子發射區12具有低於電阻層14的高度。
使用背光曝光技術，混合物被從第二電極62的表面開始硬化。電子發射區12因此很好地結合到陰極6。除了絲網印刷，電子發射區12也可以通過直接生長、化學汽相沉積或者濺射形成。
如圖7G所示，當被置於陰極6和柵極10之間的絕緣層8被定義為第一絕緣層時，第二絕緣層24和聚焦電極26在電子發射區12形成之前，被形成於柵極10和第一絕緣層8之上，並且開口261和241在聚焦電極26和第二絕緣層24形成，隨後通過上述方式在第二電極62上形成電子發射區12。結果，完成根據如圖6所示實施例的具有聚焦電極26的電子發射器件。
雖然本發明的示範性實施例在上文被詳述，但是本領域的熟練技術人員應該清楚地理解，對在此講授的基本發明概念的各種變化和/或者改變都沒有脫離本發明權利要求和其等效物定義的精神和範圍。
權利要求
1.一種電子發射器件，包括第一基板；面對該第一基板並且與該第一基板隔開預定間距的第二基板；陰極，每個陰極包括在該第一基板上形成的第一電極和與該第一電極間隔開的第二電極；在所述第二電極上形成的電子發射區；互連所述第一電極和第二電極、並且圍繞所述電子發射區的電阻層；位於所述電阻層和陰極之上的絕緣層；和在該絕緣層之上形成的柵極。
2.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述第一電極以第一電極對的形式被提供於陰極，並且所述第二電極被設置於該第一電極對之間。
3.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述第二電極位於在該第一基板上限定的像素區處，並且所述電子發射區中的一或多個形成在所述第二電極上。
4.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述第二電極中的兩個或更多個被提供在該第一基板上限定的每個像素區處，並且所述電子發射區中的一或多個形成在每個第二電極上。
5.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述第二電極由透明導電氧化層形成。
6.如權利要求5所述的電子發射器件，其中所述第一電極具有低於所述第二電極的電阻的特定電阻。
7.如權利要求6所述的電子發射器件，其中所述第一電極由選自包括鋁、鉬、銀、鈦、鎢、鉻和鉑的材料組的材料形成。
8.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述電阻層以一一對應的方式在該第一基板上限定的像素區處形成。
9.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述電阻層接觸所述電子發射區的側面。
10.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述電阻層具有特定的電阻值106～1012Ωcm。
11.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述電子發射區由選自包括碳納米管、石墨、石墨納米纖維、金剛石、類金剛石碳、C60和矽納米線的材料組的材料形成。
12.如權利要求1所述的電子發射器件，進一步包括置於該柵極之上並且與該柵極電絕緣的聚焦電極。
13.如權利要求1所述的電子發射器件，進一步包括在該第二基板的面對該第一基板的表面上形成的螢光粉層和在所述螢光粉層的表面上形成的陽極。
14.如權利要求1所述的電子發射器件，其中所述電阻層的厚度大於所述電子發射區的厚度，以使電阻層的頂面被置於高於電子發射區的頂面的平面。
15.一種製造電子發射器件的方法，包括(a)使用金屬材料在第一基板上形成第一電極對，並且使用透明導電氧化材料在該第一電極對之間形成第二電極，從而形成陰極；(b)在該第一電極對和第二電極上形成電阻層，並且在該電阻層中形成開口以使該開口部分地暴露所述第二電極的表面；(c)在所述陰極和電阻層上形成絕緣層和柵極，以使該絕緣層和柵極分別具有開口；和(d)在第二電極上、所述電阻層的開口內形成電子發射區。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述第二電極由ITO形成，並且所述第一電極由選自包括鋁、鉬、銀、鈦、鎢、鉻和鉑的材料組的材料形成。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述形成電子發射區包括(a)將電子發射材料和光敏材料的混合物施加在第一基板的整個表面上；(b)從該第一基板的背面用紫外線照射該混合物，以硬化填充於電阻層開口內的混合物；以及(c)之後，通過顯影和乾燥以及燒結剩餘的混合物，移除未被硬化的混合物。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述電子發射區的厚度薄於電阻層的厚度，以使電阻層的頂面被置於高於所述電子發射區的頂面的平面。
19.一種電子發射器件，包括第一基板；面對該第一基板並且與第一基板隔開預定間距的第二基板；陰極，包括在該第一基板上形成的多個第一電極和與所述多個第一電極間隔開的第二電極；在該第二電極上形成的至少一個電子發射區；互連所述多個第一電極和所述第二電極、並且圍繞所述至少一個電子發射區的電阻層；置於該電阻層和該陰極之上的絕緣層；和在該絕緣層之上形成的柵極。
20.如權利要求19所述的電子發射器件，其中所述第二電極由透明導電氧化層形成。
全文摘要
本發明公開了一種電子發射器件，包括第一基板；面對第一基板並且與第一基板隔開預定間距的第二基板；陰極，每個陰極包括在第一基板上形成的第一電極和與第一電極間隔開的多個第二電極；在多個第二電極上形成的電子發射區；互連第一電極和多個第二電極的每一個、並且圍繞電子發射區的電阻層；置於電阻層和陰極之上的絕緣層；和在絕緣層之上形成的柵極。
文檔編號H01J31/12GK1862755SQ20061006680
公開日2006年11月15日 申請日期2006年3月29日 優先權日2005年3月31日
發明者洪秀奉, 李天珪, 李相祚, 全祥皓, 安商爀 申請人:三星Sdi株式會社