专利名称：电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极的制作方法
技术领域：
本发明属于真空电子发射型平板显示技术领域，特别涉及一种新型平面型场发射阴极结构。
在现有的交流驱动MISM结构中，金属下电极一般采用铝、金、钼等，上电极采用金、铂、铝等，绝缘层用五氧化二钽，半导体层(电子传输层)用硫化锌材料。
这种阴极的工作原理如下在交流驱动电压的负半周，下电极电位为正，电子从上电极注入到半导体层和绝缘体层的界面上，以界面态电子的形式存在界面上。当电压反向时，界面上的电子重新回到半导体层中，并在其中得到加速，然后进入上电极，部分能量大的电子可以克服上电极的表面势垒发射到真空中。
在上述结构中，绝缘层起的是电流限制层的作用，防止电击穿。半导体层的作用是增加电子在其中的动能，以期达到较大的电子发射。实际上，硫化锌中电子自由程小于20纳米，电场强度小于0.15伏特/纳米，因此电子平均动能小于3电子伏特。由于硫化锌的电子亲和势接近4电子伏特，因此电子发射较小，难以达到高亮度显示所需的发射电流的要求。例如日本91年发表的研究结果，发射电流只有28nA/cm2。本发明人对这一结构进行了改进(专利申请号00103365.4公开号CN 1265521A)，达到了超过50aμA/cm2的发射电流，但仍不能满足大屏幕高亮度平板显示器件所需要的发射电流，其性能仍需要进一步改进。
本发明是通过如下技术方案实现的一种电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，包括基板玻璃、下电极、单一组分绝缘层、渐变组分的电子传输层和上电极，其特征在于所述的电子传输层采用由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜构成。所说的组分渐变电子传输层从下到上采用高电子亲和势材料逐步过渡到低电子亲和势材料。
其组分渐变介质薄膜可以是一种从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜，也可以是从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的半导体组分的薄膜；或者是从高电子亲和势的绝缘体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜构成。
在上述电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极的结构中，其上电极是由低功函数的金属银、铪或钛族和釩族氮化物半导体、钛族和釩族碳化物半导体以及含锶和钡的氧化物半导体薄膜构成。采用上述材料可以使得在驱动电压的负半周电子比较容易从上电极注入到传输层中去，有利于降低驱动电压。
本结构中下电极为导电性能较好化学性质稳定的金属。单一组分绝缘层由三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、钛酸盐等绝缘性能好且介电常数大的薄膜构成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点(1)发射电流大，适合于在高亮度场发射平板显示器件应用。
(2)器件电容较低，适合大面积器件应用。
(3)交流工作，由于电容的反馈作用，可以得到比较稳定的发射。
图2为本发明的结构原理图。
本结构中，当上下电极间加反向电压时，电子从上电极注入到电子传输层的导带中，最后到达电子传输层和单一组分绝缘层的界面处。这些电子并不能进入到单一组分绝缘层中，而是形成界面态能级上的电子。当电极间加正向电压时，界面态电子重新回到渐变组分的电子传输层中，并在其中被加速，得到足够的动能。由于靠近上电极处材料的电子亲和势比较低，所以电子的能量可以超过真空能级，有较多的电子可以克服上电极的表面势垒而发射到真空中。
权利要求
1.一种电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，含有玻璃基板、下电极、绝缘层、电子传输层和上电极，其特征在于所述的电子传输层由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜构成。
2.根据权利要求1所述的电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变介质薄膜是从下到上由高电子亲和势材料渐变到低电子亲和势材料。
3.根据权利要求2所述的电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变介质薄膜是一种从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜。
4.根据权利要求2所述的电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变薄膜是从高电子亲和势的半导体组分渐变到低电子亲和势的半导体组分的薄膜。
5.根据权利要求2所述的电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的组分渐变薄膜是从高电子亲和势的绝缘体组分渐变到低电子亲和势的绝缘体组分的薄膜。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极，其特征在于所述的上电极是由低功函数的金属银、铪或钛族和釩族氮化物半导体、钛族和釩族碳化物半导体以及含锶和钡的氧化物半导体薄膜构成。
全文摘要
电子传输层组分渐变的薄膜场发射阴极,属于真空电子发射型平板显示器件技术领域,尤其涉及一种平面型场发射阴极的结构设计。本发明由基板玻璃、下金属电极、单一组分绝缘层、电子传输层和上电极组成,其特征在于其电子传输层采用由一种材料逐步变化到另一种材料的组分渐变的介质薄膜,该介质薄膜从下至上由高电子亲和势组分渐变到低电子亲和势组分;其上电极采用由低功函数的金属或半导体薄膜构成。本发明适用于交流驱动方式工作,与现有技术相比,具有发射电流大、寿命长、成本低等优点,特别适用于大面积场发射平板显示器件。
文档编号H01J1/30GK1352463SQ0114044
公开日2002年6月5日 申请日期2001年12月7日 优先权日2001年12月7日
发明者李德杰 申请人:清华大学