专利名称：场致发射显示器件和其操作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子发射器件，并且更特别地涉及场致发射器件和其操作方法。
背景技术：
近年来，已经发展了平板显示器件并广泛应用于电子应用中。平板显示器件的例子包括液晶显示器(“LCD”)、等离子体显示面板(“PDP”)和场致发射显示(“FED”)器件。作为具有LCD和PDP的优点的下一代显示器件FED已经引起了相当的注意。公知利用微尖端的电子场致发射原理工作的FED能够克服传统LCD和PDP的一些局限并提供显著的优势。例如，FED与传统LCD和PDP相比，具有更高的对比率、更宽的视角、更好的最大亮度、更低的功耗、更短的响应时间和更宽广的操作温度。因此，FED可以应用于从家用电视机到工业设备和计算机的广泛的各种应用。
就自发光性能而言，FED优于显示器件可以用作独立光源。参照图1简单讨论电子的场致发射原理。图1是传统场致发射显示(“FED”)器件10的示意图。见图1，FED器件10包括阴极12、形成在阴极12上的发射体13、阳极14、形成在阳极14表面(未标号)上的磷光体层16、和间隔18。发射体13发射电子，其被阴极12和阳极14之间朝向磷光体层16的电场加速。电场方向大致平行于阴极12或阳极14的法线(normal)方向。当发射电子与磷光体颗粒碰撞时磷光体层16发光。磷光体层16发出的光经过阳极14传输至显示器件(未示出)，例如LCD器件。在阴极12和阳极14之间设置间隔18以保持其间的预定间距。通过玻璃安装密封剂将间隔18粘贴在阴极12和阳极14上。要求阴极12、阳极14和间隔18限定的内部间隔保持于真空状态，从而保证电子的持续加速发射。
传统FED器件10会有以下缺陷。FED10的场致发射性能对于阴极12和阳极14之间的距离高度敏感。该距离必须以微米(μm)级别的容差精确控制，其阻碍了FED器件10的尺寸增大并使FED器件10难于均匀发光。而且，作为光路中的元件，阳极14会削弱或甚至阻挡磷光体层16发出的光。为了避免这些损失，阳极14经常采用例如氧化铟锡(“ITO”)的透明材料。作为FED器件10的整体成本考虑，透明材料通常很昂贵。上面提到的缺陷，包括较小容差的距离控制和使用透明阳极的无效率成本，难以使FED器件10可用于市场化。
发明内容
本发明针对场致发射显示器件和场致发射显示器件的操作方法，其消除了现有技术中的限制和缺陷所导致的一个或多个问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括衬底，形成在衬底上偏置处于第一电压电平的第一导电层，形成在衬底上偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平的第二导电层，形成在第一导电层和第二导电层上用于发射电子的发射体，和形成在设置于第一导电层和第二导电层之间的衬底上的磷光体层，其中从第一导电层或第二导电层之一发射出电子、沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经过磷光体层到达另一第一导电层或第二导电层。
另外还根据本发明，提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括衬底，形成在衬底上偏置处于第一电压电平的第一电极，形成在衬底上偏置处于大于第一电压电平的第二电压电平的第二电极，相应于第一电极用于沿着与衬底的法线方向大致正交的方向发射电子的第一发射体，和相应于第二电极用于接收从第一发射体发射出的电子的第二发射体。
此外还根据本发明，提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括形成在表面水平上的第一电极，形成在大致相同的表面水平上与第一电极隔开设置的第二电极，和形成在第一电极和第二电极上用于沿着与表面水平的法线方向大致正交的方向发射电子的发射体。
此外还根据本发明，提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括衬底，形成在衬底上偏置处于第一电压电平的多个第一电极，形成在衬底上偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平的多个第二电极，形成在衬底上的多个磷光体层、多个磷光体层各自设置在多个第一电极之一和多个第二电极之一之间，和形成在多个第一电极中的每一个和多个第二电极中的每一个上用于发射电子经过多个磷光体层的发射体。
此外还根据本发明，提供了一种场致发射器件。该场致发射器件包括衬底，形成在衬底上包括第一阴极用于发射红光的第一单元，第一阳极和设置在第一阴极和第一阳极之间的第一磷光体层，形成在衬底上包括第二阴极用于发射绿光的第二单元，第二阳极和设置在第二阴极和第二阳极之间的第二磷光体层，形成在衬底上包括第三阴极用于发射蓝光的第三单元，第三阳极和设置在第三阴极和第三阳极之间的第三磷光体层，和形成在每个第一、第二和第三阴极和每个第一、第二和第三阳极上用于发射电子经过第一、第二和第三磷光体层的发射体。
另外还根据本发明，提供了一种场致发射器件的操作方法。该方法包括提供衬底，在衬底上提供第一导电层，在衬底上提供第二导电层，在第一导电层和第二导电层上提供发射体，在第一导电层和第二导电层之间的衬底上提供磷光体层，偏置第一导电层处于第一电压电平，偏置第二导电层处于不同于第一电压电平的第二电压电平，和从第一导电层或第二导电层之一、沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经磷光体层向第一导电层或第二导电层另一发射电子。
此外还根据本发明，提供了一种场致发射器件的操作方法。该方法包括提供衬底，在衬底上提供第一电极，偏置第一电极处于第一电压电平，在衬底上提供第二电极，偏置第二电极处于大于第一电压电平的第二电压电平的第二电极，相应于第一电极提供第一发射体，相应于第二电极提供第二发射体，和从第一发射体沿着与衬底的法线方向大致正交的方向向第二发射体发射电子。
此外还根据本发明，提供了一种场致发射器件的操作方法。该方法包括在表面水平上提供第一电极，在大致相同的表面水平上与第一电极隔开提供第二电极，在第一电极和第二电极上提供发射体，和沿着与表面水平的法线方向大致正交的方向发射电子。
结合附图阅读将能更好的理解本发明优选实施例的前述简述和下面的具体描述。为了示例本发明的目的，在附图中示出这里优选的实施例。然后，应当理解本发明不限于示出的确切设置和手段。在附图中图1是传统场致发射显示(“FED”)器件的示意图；图2A是根据本发明的一个实施例的FED器件的示意图；图2B是根据本发明的另外一个实施例的FED器件的示意图；图3是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图4A是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图4B是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图5A是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图5B是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图5C是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图5D是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图6是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图7是根据本发明的再另外一个实施例的FED器件的示意图；图8是示例根据本发明的一个实施例的FED器件操作方法的流程图。
具体实施例方式
图2A是根据本发明的一个实施例的FED器件20的示意图。见图2A，FED器件20包括衬底22、第一导电层23、第二导电层25、磷光体层24、和发射体26和27。衬底22包括但不限于选自玻璃、聚合物、特氟纶、或陶瓷之一的材料，该材料适于提供电学隔离。可选地，衬底22包括其上形成例如SiO2氧化硅膜或例如Si3N4氮化硅膜的硅基底。形成在衬底22上的第一导电层23偏置处于第一电压电平。形成在衬底22上的第二导电层25偏置处于大于第一电压电平的第二电压电平。第一导电层23和第二导电层25可以通过E-枪(电枪)沉积工艺或溅射工艺形成。第一导电层23和第二导电层25分别用作FED器件20的阴极和阳极。第一电压电平和第二电压电平的量值决定于第一导电层23和第二导电层25之间的距离、发射体26和27的材料、和磷光体24的工作电压。在根据本发明的一个实施例中，建立在第一导电层23和第二导电层25之间的电场约为5V/μm。适用于第一导电层23和第二导电层25的材料包括但不限于厚度约10纳米(nm)的Fe、Co和Ni。
通过例如化学气相沉积(“CVD”)、等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)、热化学气相沉积、或其他适用的化学-物理沉积方法、例如反应性溅射、离子束溅射和双离子束溅射，在第一导电层23和第二导电层25上分别形成发射体26和27。发射体26和27包括但不限于选自碳纳米材料、金属氧化物或金属之一的材料。在一个实施例中，发射体26和27包括碳纳米管、碳纳米片、碳纳米壁、金刚石膜、类金刚石碳膜、GaN、GaB、Si、诸如W和Mo的金属膜、ZnO纳米棒或杆阵列(spindle array)。发射体26和27的重量约为1-3μm(微米)。
发射体26和27用于发射电子。具体地，发射电子在电场(实心箭头示出)中被加速，从第一导电层23经过磷光体层24到达第二导电层25。在根据本发明的一个实施例中，第一导电层23和第二金属层25的电压电平分别约为0伏和300-1000伏。当发射电子与磷光体颗粒碰撞时，磷光体层24发光(宽箭头示出)，包括诸如红(R)、绿(R)和蓝(B)光发射的颜色发光。磷光体层24可由旋转涂敷工艺、浸渍涂敷工艺或溅射沉积形成，并具微米量级的厚度。
图2B是根据本发明的另一个实施例的FED器件20-1的示意图。见图2B，除发射体26-1和27-1之外，FED器件20-1具有与图2A中示出的FED器件20类似的结构。每一个发射体26-1包括定向为一个方向的尖端部分260，以促进发射电子的发射。具体地，尖端部分260指向与电场大致相同的方向，以促进电子的发射。另一方面，每一个发射体27-1包括指向一个方向的尖端部分270，以促进发射电子的发射。具体地，尖端部分270指向与电场大致相反的方向，以促进发射电子的接收。
图3是根据本发明的再另一个实施例的FED器件30的示意图。见图3，除磷光体层34之外，FED器件30具有与图2A中示出的FED器件20类似的结构。与设置在第一导电层23和第二导电层25之间的磷光体层24不同，磷光体层34覆盖FED器件30的第一导电层23和第二导电层25。
图4A是根据本发明的再另一个实施例的FED器件40的示意图。见图4A，除反射层42和介电层43之外，FED器件40具有与图2A中示出的FED器件20类似的结构。具有微米量级厚度的发射层42通过例如物理气相沉积(“PVD”)工艺形成在衬底20上。反射层42的适用材料包括但不限于Al或Ag之一。具有微米量级厚度的介电层43通过例如热工艺形成在反射层42上。介电层43的适用材料包括但不限于诸如SiO2的氧化硅或诸如Si3N4的氮化硅。
图4B是根据本发明的再另一个实施例的FED器件40-1的示意图。见图4B，除介电层43-1之外，FED器件40-1具有与图4A中示出的FED器件40类似的结构。与形成在反射层42上的连续膜介电层43不同，介电层43-1在磷光体层24存在的区域不是连续的。结果是，磷光体层24设置在反射层42上。
图5A是根据本发明的再另一个实施例的FED器件50的示意图。见图5A，除第三导电层56之外，FED器件50具有与图2A中示出的FED器件20类似的结构。具有微米量级厚度的第三导电层56通过例如PVD工艺形成在衬底20上。第三导电层56的适用材料包括但不限于Al或Ag之一。磷光体层24形成在第三导电层56上，该第三导电层用于释放磷光体层24中聚集的电子。
图5B是根据本发明的再另一个实施例的FED器件50-1的示意图。见图5B，除反射层52和介电层53之外，FED器件50-1具有与图5A中示出的FED器件50类似的结构。反射层52，其材料和尺寸参数与图4A中示出的反射层42类似，用于增强FED50-1的发光。介电层53，其材料和尺寸参数与图4A中示出的介电层43类似，用于在FED器件50-1的反射层52和导电层23、25之间提供电隔离。
图5C是根据本发明的再另一个实施例的FED器件50-2的示意图。见图5C，FED器件50-2包括金属衬底51、介电层54、第一导电层55、第一发射体层58、第二导电层57和第二发射体层59。金属衬底51用作反射磷光体层24发出的光的反射层。介电层54提供金属衬底51和第一导电层55与第二导电层57之间必要的电隔离。第一导电层55包括面向磷光体层24的倾斜侧壁55-1。同样，第二导电层57包括面向磷光体层24的倾斜侧壁57-1。倾斜侧壁55-1或57-1与介电层54的顶表面(未标出)之间的角度θ约为60°。倾斜侧壁55-1和57-1有助于减小第一发射体层58或第二发射体层59不连续的可能性，反之在仅具有垂直侧壁的导电层中会发生不连续。
图5D是根据本发明的再另一个实施例的FED器件50-3的示意图。见图5D，除了金属衬底51上的介电层54-1不连续延伸之外，FED器件50-3具有与图5C中示出的FED器件50-2类似的结构。磷光体层24设置在金属衬底51上，该金属衬底51用作磷光体层的基底。
图6是根据本发明的再另一个实施例的FED器件60的示意图。见图6，FED器件60包括衬底62、多个第一电极63、多个第二电极65、和多个磷光体层64。形成在衬底62上的多个第一电极63的每一个，具有与前述的第一导电层23类似的结构，用作阴极。形成在衬底62上的多个第二电极65的每一个，具有与前述的第二导电层25类似的结构，用作阳极。形成在衬底62上的多个磷光体层64的每一个，设置在多个第一电极63之一和多个第二电极65之一之间。FED器件60除显示器件之外还用作光源。
图7是根据本发明的再另一个实施例的FED器件70的示意图。见图7，用作光源或像素的FED器件70包括衬底72，第一电极73-1、73-2和73-3，第二电极75-1、75-2和75-3，和磷光体层74-R、74-G和74-B。发射红光的磷光体层74-R设置在第一电极73-1和第二电极75-1之间，它们一起形成FED器件70的第一子像素。另外，发射绿光的磷光体层74-G设置在第一电极73-2和第二电极75-2之间，它们一起形成FED器件70的第二子像素。另外，发射蓝光的磷光体层74-B设置在第一电极73-3和第二电极75-3之间，它们一起形成FED器件70的第三子像素。
图8是示例根据本发明的一个实施例的FED器件操作方法的流程图。见图8，步骤81，提供衬底。接着，步骤82，提供形成在衬底上的第一导电层和形成在衬底上的第二导电层。第一导电层与第二导电层相隔开。步骤83，在第一导电层和第二导电层上提供发射体。接着，步骤84，提供形成在衬底上并设置于第一导电层和第二导电层之间的磷光体层。本领域技术人员可以理解在组装后，将磷光体层、第一导电层、第二导电层和发射体保持在例如约10-6Torr的真空中，以保证连续、精确的电子发射。步骤85，第一导电层偏置处于第一电压电平，第二导电层偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平。步骤86，从第一导电层或第二导电层中之一发射出电子，沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经过磷光体层到达第一导电层或第二导电层中另一。
在所述本发明的典型实施例中，按照特定的顺序步骤给出了本发明的方法和/或工艺的说明。然而，该方法或工艺一定程度上并不依赖于这里给出的特定顺序步骤，该方法或工艺不应当限于所述的特定顺序步骤。本领域任一技术人员将意识到可能有其它顺序步骤。因此，说明书中给出的特定顺序步骤不应当为对权利要求的限制。而且，针对本发明的方法和/或工艺的权利要求不应当限制为按照写出的顺序步骤执行，并且本领域技术人员易于意识到可以改变次序并仍保持在本发明的精神和范围内。
本领域技术人员将意识到可以改变所述的优选实施例而不脱离其概括创造性观点。因此可以理解本发明不限于公开的优选实施例，但意图覆盖由附加权利要求所限定的本发明精神和范围内的变形。
权利要求
1.一种场致发射器件，其特征是包括衬底；形成在衬底上偏置处于第一电压电平的第一导电层；形成在衬底上偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平的第二导电层；形成在第一导电层和第二导电层上用于发射电子的发射体；和形成在设置于第一导电层和第二导电层之间的衬底上的磷光体层，其中从第一导电层或第二导电层中之一发射出电子、沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经过磷光体层到达第一导电层或第二导电层中另一。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征是还包括形成在衬底上的反射层。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征是还包括形成在反射层上的介电层。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征是第一导电层和第二导电层设置在介电层上，磷光体层设置在反射层上。
5.根据权利要求3所述的器件，其特征是第一导电层、第二导电层和磷光体层设置在介电层上。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征是发射体包括尖端，形成在至少第一导电层或第二导电层之一上的发射体的尖端指向一个方向，以促进电子发射。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征是还包括形成在衬底和磷光体层之间的第三导电层。
8.根据权利要求3所述的器件，其特征是还包括形成在介电层和磷光体层之间的第三导电层。
9.根据权利要求1所述的器件，其特征是发射体包括碳纳米管、碳纳米片、碳纳米壁、金刚石膜、类金刚石碳膜、GaN、GaB、Si、W膜、Mo膜、ZnO或杆阵列。
10.根据权利要求1所述的器件，其特征是衬底包括玻璃、聚合物、特氟纶、陶瓷、提供有氧化硅膜的硅层或提供有氮化硅膜的硅层。
11.根据权利要求1所述的器件，其特征是衬底包括金属衬底。
12.根据权利要求11所述的器件，其特征是至少第一导电层或第二导电层之一包括朝向磷光体层的倾斜侧壁。
13.根据权利要求11所述的器件，其特征是磷光体层设置在金属衬底上。
14.一种场致发射器件，其特征是包括衬底；形成在衬底上偏置处于第一电压电平的第一电极；形成在衬底上偏置处于大于第一电压电平的第二电压电平的第二电极；相应于第一电极、用于沿着与衬底的法线方向大致正交的方向发射电子的第一发射体；和相应于第二电极、用于接收从第一发射体发射出的电子的第二发射体。
15.根据权利要求14所述的器件，其特征是还包括设置在第一电极和第二电极之间、电子可以经过其发射的的磷光体层。
16.根据权利要求14所述的器件，其特征是还包括覆盖第一电极和第二电极的磷光体层。
17.根据权利要求14所述的器件，其特征是还包括形成在衬底上的反射层。
18.根据权利要求17所述的器件，其特征是还包括形成在反射层上的介电层。
19.根据权利要求15所述的器件，其特征是还包括形成在衬底和磷光体层之间的第三导电层。
20.根据权利要求18所述的器件，其特征是还包括形成在衬底上的磷光体层和形成在介电层和磷光体层之间的第三导电层。
21.根据权利要求18所述的器件，其特征是还包括形成在介电层上的磷光体层。
22.根据权利要求18所述的器件，其特征是还包括形成在反射层上的磷光体层。
23.根据权利要求15所述的器件，其特征是第一发射体包括指向磷光体层的尖端。
24.根据权利要求15所述的的器件，其特征是第二发射体包括指向磷光体层的尖端。
25.一种场致发射器件，其特征是包括形成在表面水平上的第一电极；形成在大致相同的表面水平上与第一电极隔开设置的第二电极；和形成在第一电极和第二电极上、用于沿着与表面水平的法线方向大致正交的方向发射电子的发射体。
26.根据权利要求25所述的器件，其特征是还包括设置在第一电极和第二电极之间、电子可以经过其发射的的磷光体层。
27.一种场致发射器件，其特征是包括衬底；形成在衬底上偏置处于第一电压电平的多个第一电极；形成在衬底上偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平的多个第二电极；形成在衬底上的多个磷光体层，多个磷光体层各自设置在多个第一电极之一和多个第二电极之一之间；和形成在多个第一电极中的每一个和多个第二电极中的每一个上、用于发射电子经过多个磷光体层的发射体。
28.根据权利要求27所述的器件，其特征是还包括形成在衬底上的反射层。
29.根据权利要求28所述的器件，其特征是还包括形成在反射层砂锅内的介电层。
30.根据权利要求27所述的器件，其特征是还包括设置在多个磷光体层中的每一个和衬底之间的金属层。
31.根据权利要求29所述的器件，其特征是还包括设置在多个磷光体层中的每一个和介电层之间的金属层。
32.一种场致发射器件，其特征是包括衬底；形成在衬底上、包括第一阴极、用于发射红光的第一单元，第一阳极和设置在第一阴极和第一阳极之间的第一磷光体层；形成在衬底上、包括第二阴极、用于发射绿光的第二单元，第二阳极和设置在第二阴极和第二阳极之间的第二磷光体层；形成在衬底上、包括第三阴极、用于发射蓝光的第三单元，第三阳极和设置在第三阴极和第三阳极之间的第三磷光体层；和形成在每个第一、第二和第三阴极和每个第一、第二和第三阳极上用于发射电子经过第一、第二和第三磷光体层的发射体。
33.根据权利要求22所述的器件，其特征是第一单元、第二单元和第三单元形成为一个阵列。
34.一种场致发射器件的操作方法，其特征是包括提供衬底；在衬底上提供第一导电层；在衬底上提供第二导电层；在第一导电层和第二导电层上提供发射体；在第一导电层和第二导电层之间的衬底上提供磷光体层；偏置第一导电层处于第一电压电平；偏置第二导电层处于不同于第一电压电平的第二电压电平；和从第一导电层或第二导电层中之一发射电子、沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经磷光体层到达第一导电层或第二导电层中另一。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征是还包括由磷光体层提供反射光。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征是还包括使发射体的尖端指向一个方向，以促进电子的发射。
37.根据权利要求34所述的方法，其特征是还包括释放磷光体层中聚集的电子。
38.一种场致发射器件的操作方法，其特征是包括提供衬底；在衬底上提供第一电极；偏置第一电极处于第一电压电平；在衬底上提供第二电极；偏置第二电极处于大于第一电压电平的第二电压电平的第二电极；相应于第一电极、提供第一发射体；相应于第二电极、提供第二发射体；和从第一发射体沿着与衬底的法线方向大致正交的方向向第二发射体发射电子。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征是还包括在第一电极和第二电极之间提供磷光体层。
40.根据权利要求38所述的方法，其特征是还包括提供覆盖第一电极和第二电极的磷光体层。
41.根据权利要求39所述的方法，其特征是还包括使第一电极指向磷光体层。
42.根据权利要求39所述的方法，其特征是还包括使第二电极指向磷光体层。
43.一种场致发射器件的操作方法，其特征是包括在表面水平上提供第一电极；在大致相同的表面水平上、与第一电极隔开提供第二电极；在第一电极和第二电极上提供发射体；和沿着与表面水平的法线方向大致正交的方向发射电子。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征是还包括在第一电极和第二电极之间提供磷光体层。
45.根据权利要求44所述的方法，其特征是还包括由磷光体层提供反射光。
46.根据权利要求44所述的方法，其特征是还包括释放磷光体层中聚集的电子。
全文摘要
一种场致发射器件，包括衬底，形成在衬底上偏置处于第一电压电平的第一导电层，形成在衬底上偏置处于不同于第一电压电平的第二电压电平的第二导电层，形成在第一导电层和第二导电层上用于发射电子的发射体，和形成在设置于第一导电层和第二导电层之间的衬底上的磷光体层，其中从第一导电层或第二导电层之一发射出电子、沿着与衬底的法线方向大致正交的方向经过磷光体层到达另一第一导电层或第二导电层。
文档编号H01J29/02GK1959917SQ20051013528
公开日2007年5月9日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年7月26日
发明者李中裕, 陈世溥, 林依萍, 黄朝琴, 萧清松 申请人:财团法人工业技术研究院