专利名称：具有体阻隔板的场发射器件的制作方法
引用相关申请相关的主题公开于于1997年12月17日申请的、题为“具有复合隔板的场发射器件”的美国专利申请，该申请已转让给同一受让人。
发明的领域本发明涉及场发射器件领域，特别涉及场发射显示器。
发明的背景所属领域已知，场发射显示器的阴极和阳极板间要使用隔板。隔板结构保持阴极和阳极板间的隔离，并防止由于内部真空和外部大气压力间的压差造成的内爆。隔板结构还必须耐受阴极和阳极间的电位差。
然而，隔板会对隔板附近从阴极板向阳极板的电子流产生不良影响。隔板已由介质材料制造，可以耐受阴极和阳极板间的电位差，并可以防止由于两板间电导通产生的功耗。然而，介质隔板表面会被隔板附近从阴极板发射的某些电子静电充电。充电现象将隔板附近的电压分布变得与希望的电压分布不同。隔板附近的这种电压分布会造成电子流变形。例如还会在隔板和阴极板间造成电弧。
在场发射显示器中，隔板附近的电子流的这种变形会造成显示器产生的图像失真。具体说，失真是指在由于在每个隔板的位置处的图像是产生暗区使隔板“可见”。
有几种现有技术的隔板试图解决与隔板充电有关的这些问题。例如，所属领域已知提供包括体介质材料并具有导电表面的隔板。导电表面具有低到足以去通过传导去除累积的电荷，但高到足以改善由于阳极和阴极板间的电流造成的功耗的表面电阻。该电阻表面可以通过用具有希望电阻的膜涂敷隔板实现。电阻涂层的典型厚度小于1微米。
现有技术的涂敷隔板仍存在许多困难。例如，很难实现非常薄电阻膜的均匀性和可靠性。膜厚的不均匀会造成器件输出的不均匀，例如场发射显示器件的显示图像不均匀。这是由于例如会被充电的隔板上的区域或点造成的。
涂敷隔板的其它缺点是有限的电阻涂层的电强度、机械强度和化学强度。例如，涂层无法与器件内的其它材料或真空环境兼容。对于在器件寿命内保持恒定的工作性能来说，电阻涂层的特性必须保持恒定。涂层的特性必须不会因制造和器件工作期间的撞击电子流、高温处理、化学作用等而改变。
然而，非常薄的电阻涂层会对例如阳极和阴极间的电流和场发射器件工作期间的撞击电荷产生的电负载敏感。非常薄电阻膜可以耐受的最大电流密度会太低，不足以适应阳极和阴极间的电位差。如果涂层内的电流密度超过涂层的最大值，电阻膜会发生过热和材料击穿。
所属领域还已知为了转偏或聚焦电子在隔板上提供电极，以便电子不撞到隔板表面上。这种现有技术方案增大了器件制造和器件工作过程的复杂性和成本。
因此，需要一种具有能减小电子流失真、且不会产生过量功耗的隔板的改进场发射器件。
附图
简介唯一的附图是本发明场发射器件的实施例的剖面图。
应理解，为了简单且清楚地展示的目的，图中所示各构件未必按比例画出。例如，某些构件的尺寸彼此间作了放大。
介绍本发明涉及具有在阳极板和阴极板间延伸的体阻隔板的场发射器件。本发明的体阻隔板沿其整个高度，在其整个截面积上是导电的。所以，由于带电物质撞击体阻隔板造成的电流会在体阻隔板的截面积上分布。这种特点具有将该电流分布于体阻隔板的截面积上的优点。以此方式，减小了具有设于介质体上的电阻涂层的现有技术隔板上的电流密度。电流密度减小产生了数个优点，例如减少了热量的产生，减小了材料击穿的危险。本发明的体阻隔板由特征在于导电性受电子/空穴浓度控制的材料构成。该材料的特征在于导电性主要由电子/空穴的运动控制。
该材料的电阻率选择为能够去除器件工作期间撞击体阻隔板的电荷，同时不会产生由于器件的阳极板和阴极板间产生的电流造成的过量功耗。本发明的体阻隔板还比现有技术的涂敷隔板较容易制造。
唯一的附图是本发明的场发射显示器(FED)100的剖面图。FED100包括与阳极板104相对的阴极板102。阴极板102和阳极板104间存在抽空区106。抽空区106内的压力小于约1.33×10-4Pa(10-6乇)。
FED 100还包括在阴极板102和阳极板104间延伸的体阻隔板108。体阻隔板108提供机械支撑，以保持阴极板102和阳极板104间的隔离。尽管图中只示出了一个隔板，但希望能理解，根据本发明的场发射器件可以有多个隔板。隔板的数量和结构取决于例如阴极和阳极板基片的厚度和器件的整体尺寸。体阻隔板108还具有改善体阻隔板108的表面109的静电充电的特点。通过控制体阻隔板108的静电充电，还可以控制FED 100内电子流132的轨道变形。在图示的实施例中，体阻隔板108具有使FED 100工作期间观察者看不到它的特点。
体阻隔板108的特征还在于，通过体阻隔板108，从阳极板104到阴极板102的电流造成的功耗处于能够接受的水平。由器件工作期间通过整个隔板从阳极板到阴极板的电流造成的功耗小于器件总功耗的10％。例如，如果器件用1瓦的功率，则通过隔板的功耗小于100毫瓦。
阴极板102包括可由玻璃、硅等构成的基片116。基片116上设置有可以包括钼薄层的阴极导体118。介质层120形成于阴极导体118上。介质层120例如可以由二氧化硅构成。介质层120限定多个发射阱，发射阱中设有多个电子发射极124。在图示的实施例中，电子发射极124包括Spindt尖。
然而，根据本发明的场发射器件不限于Spindt尖电子发射源。例如，代替之可以使用发射碳膜作为阴极板的电子源。
阴极板102还包括多个栅极。图中示出了第一栅极126和第二栅极128。一般说，这些栅极用于选择性寻址电子发射极124。
阳极板104包括透明基片，其上设置有阳极导体112，它是透明的，可以包括氧化铟锡薄层。多个荧光体114设于阳极导体112上。荧光体114与电子发射极124相对。
第一电压源136接阳极导体112。第二电压源138接第二栅极128。第三电压源140接第一栅极126，第四电压源142接阴极导体118。
体阻隔板108在阴极板102和阳极板104间延伸，提供机械支撑。体阻隔板108的高度足以防止阳极板104和阴极板102间发生电弧。例如，对于阳极板104和阴极板102间的电位差大于约2500V的情况来说，体阻隔板108的高度大于约500微米，较好是在700-1200微米之间。体阻隔板108的一端以其未覆盖荧光体114的表面接触阳极板104；体阻隔板108的另一端以其未限定发射阱的部分接触阴极板102。
如图所示，体阻隔板108具有高度H，和沿截线113取的截面。根据本发明，体阻隔板108在该整个截面上是导电的。所以，体阻隔板108在其体内位于抽空区106内的表面109处和其内部是导电的。体阻隔板108在其整个高度H上也是导电的。在优选实施例中，体阻隔板108在其截面积上和整个高度H上具体均匀电阻率。
体阻隔板108由选择为能够达到上述希望的目的的材料构成。该体阻材料至少由一种具有合适电阻率的成分构成，还可以有电阻率高于第一成分的其它成分。体阻隔板108内的导电机制由固定电子/空穴浓度的材料缺陷结构决定。导电机制的特征在于是电子导电而非离子导电。体阻隔板108内的导电主要由电子/空穴的运动而非原子迁移率控制。由于器件寿命范围内会引起隔板成分的变化，所以原子作为运动物质的离子导电不是体阻隔板108的合适导电机制。所以，对于长期组分稳定性来说，提供电子导电机制。
构成体阻隔板108的材料还选择为满足以下各项。首先，必须能耐受所加电位。第二，必须能导通到足以去除器件工作期间的撞击电荷。第二，必须不以大于器件所用总功率的10％的比率耗散功率。如果使用一个以上隔板，则各隔板的总功耗必须不大于总功耗的10％。第四，体阻隔板108的材料较好具有高功函数，以便改善从表面109的假电子发射。最后，该材料还必须相对于例如阴极板102和阳极板104的材料等器件内的其它材料不活泼。例如，希望不活泼的特征能防止形成金属互化物，和其它不希望化学反应，这些都对电子发射有不良影响。
在本发明的优选实施例中，体阻隔板108连接用于在FED 100工作期间去除撞击体阻隔板108的电荷的电位。在图示的实施例中，阴极板102包括与体阻隔板108连接的导电层130。导电层130设置于介质层120上，包括例如钼、铝等导电材料薄层。放电电位例如通过到第五电压源(未示出)的接点提供。也可以通过到一个栅极的接点接触。前一结构允许导电层130上的电位独立受控，以提供体阻隔板108的希望放电特性。后一结构不需要附加的电源。导电层130更好是接地。到地的接点不需要附加的电源，因此，可以降低器件制造和工作的成本。
下面结合附图介绍本发明的场发射器件的例示结构。希望理解，实施本发明的场发射器件不限于结合附图介绍的精确几何结构。这种结构特别适用于阴极板102和阳极板104间的电位差大于约300V、较好为约2500-10000V的FED 100的工作。也可以包括VGA结构。然而，希望理解，实施本发明的场发射显示器不限于VGA结构。
透明基片110和基片116的厚度都为约1毫米。体阻隔板108包括矩形平板，长度(向着纸内)约为5毫米，高度H(在阴极板102和阳极板104间延伸)为约1毫米，厚约0.07毫米。第一和第二栅极126、128间的中心距离约为0.3毫米。FED 100可以在阳极导体112与第一和第二栅极126、128间的电位差在约2500-10000V的条件下工作。对于该电压范围，阳极板104和阴极板102间的距离一般大于500微米，以减小阳极板104和阴极板102间发生电弧的危险。
对于结合附图介绍的例示结构，及阳极板104和阴极板102间电位差约为5000V的情况来说，构成体阻隔板108的材料的电阻率较好为108-1010殴姆厘米。对于具有约5000V的电位差的FED100，体阻隔板108的优选材料是钛酸钡铌。体阻隔板108的另一合适材料是掺有少于4摩尔％硅砂的氧化镍。
一般说，体阻隔板108由包括一个相或多个相的体阻材料构成。各相组合，提供希望的总电阻率。有用的相结构可以选自很宽的组合，以提供希望的特性。利用渗透原理，可以实现许多有用相的互连结构，下面将对此作一介绍一般说，体阻相由两个相或数组相构成。一个相或一组相P1是绝缘的，另一相或另一组相P2绝缘性低于P1，或P1的导电性低于P2的导电性。有表示渗透谱的极限的三种常规微结构。这些微结构可构成体阻隔板118内的导电通道的框架。它们的基础是相P1在相P2中渗透的状态改变。
第一种微结构的特征是晶粒间导电通道。这对应于相P1(绝缘相)颗粒或晶粒被P2(较差绝缘相)包围的状态。因此，导电通道发生在P2内，在P1颗粒或晶粒之间。这表示P1在P2中的低渗透作用。
第二和第三种微结构的特征在于，晶粒内导电通道。第二种微结构对应于P1相的颗粒或晶粒彼此直接接触的状态，这种材料中可以存在少量P2。导电通道由多颗粒-颗粒接触点的P1相颗粒的互连网络结构限定。
第三种微结构中，在P1晶粒或颗粒之间具有少量P2相，但P2的浓度可忽略不计，足以允许电子隧穿。不管晶界相的存在与否，都保持晶粒内导电。这表示P1在P2中的高渗透作用。
体阻隔板108材料中含有任何一个相都可以是结晶或非晶或结晶和非晶结构的混合物。能够支持晶粒间导电的材料系的例子包括互连导电-决定相占总材料的体积比或高或低的系统。低体积比是指晶界相，高体积比是指引入较高绝缘相的基质。具体的例子包括陶瓷-金属复合物、不透明半导电玻璃、填有陶瓷的半导电玻璃、氧化物和非氧化物陶瓷系统、过渡金属玻璃-陶瓷、氮化硅、碳化硅和钛酸钡铌，但不限于这些。
支持晶粒内导电的材料系的例子包括氧化物和非氧化物陶瓷、单晶、氧化锆和如氧化锡、氧化镍、氧化镁和氧化钛等过渡金属氧化物。
所有这些材料系的共同点是通过使电子/空穴浓度合适，或通过利用材料的本征特征或利用掺杂剂改变电子/空穴浓度，实现对电阻率的控制的导电机制。物质的固有迁移率由材料组分和结构确定。
FED 100工作期间，电位加于第一和第二栅极126、128、阴极导体118和阳极导体112上，使电子发射极124产生选择性电子发射，并使电子通过抽空区106指向荧光体114。撞击电子引起荧光体114发光。如图所示，多个撞击电子134撞击体阻隔板108。体阻隔板108充分导电，以防止撞击电子134导致表面109被静电充电。
撞击体阻隔板108的电子流的幅度取决于FED 100的特定结构和工作参数。例如，撞击电子流的幅度取决于电子流132的幅度、体阻隔板108和电子发射极124间的距离、所加电压值及电子发射极124的几何形状。
根据本发明的体阻隔板可利用经济的常规方法制造。本发明的体阻隔板不需要光刻步骤、昂贵的X射线平版印刷、或高方向性的腐蚀和淀积技术。也不需要会对电子发射极的整体性造成危险的涂敷电子发射极的步骤。
可以通过首先形成片状体阻材料来形成体阻隔板108。可以使用两种基本形成方法中的一种。第一种方法是干压陶瓷粉凝固物，另一种是条带浇铸法。干压法的特征在于，将干陶瓷粉注入模具，通过加合适的压力，陶瓷粉凝固成致密体。可以单轴向压陶瓷粉，其中压力在一个方向施加，或均匀地加压，在各方向均匀地加压。通过油或水介质控制所加压力，可以实现均匀加压。加压前，陶瓷粉的表面需要通过引入用于控制通过静电颗粒间相互作用键合的颗粒-颗粒的有机化合物(分散剂、粘合剂等)被改性，以便增大受压体的密度。形成片状后，在接近但不高于材料熔化温度的温度，煅烧该主体。于是得到致密低孔隙率主体。
第二种形成方法是条带浇铸法。通过将固态颗粒(玻璃，陶瓷、金属、聚合物)、粘合剂、分散剂、和增塑剂的混合物浇铸成薄片，制造条带或柔性层，在将它们叠置成希望的厚度之前，可以切割或构图这些薄片。用或不用升高的层温，将叠置体压在一起，然后修整形成致密固态单片主体。叠置体的各层不必具有相同电阻率。
然后，将这样形成的单片体锯切、片切或切割成各分隔体。例如可以用金属丝锯或切片锯切割该单片体。
形成阳极板104和阴极板102的方法都是所属领域技术人员公知的。制造了阳极板104和阴极板102后，例如通过热压粘合法，将体阻隔板108粘合到导电层130上，保持相对于阴极板102的垂直结构。然后，将阳极板104置于体阻隔板108上，并在真空环境中气密密封管壳。
总之，本发明涉及具有体阻隔板的场发射器件。本发明的体阻隔板充分导电，从而可以防止体阻隔板表面的静电充电，同时可以控制器件的阳极板和阴极板间的功耗。它们的机械和电气强度优于现有技术的涂敷隔板。在优选实施例中，本发明的体阻隔板沿其整个高度，在其截面积上具有均匀的电阻率。
权利要求
1.一种场发射器件，包括具有多个电子发射极的阴极板；设置成接收多个电子发射极发射的电子流的阳极板；及在阳极板和阴极板间延伸的体阻隔板，其具有一定高度和截面积，所说体阻隔板沿其高度在截面积上导电。
2.根据权利要求1的场发射器件，其中体阻隔板沿其高度在其截面积上具有均匀的电阻率。
3.根据权利要求1的场发射器件，还包括位于阴极板和阳极板间的抽空区，其中体阻隔板具有位于所说抽空区内的表面，还包括具有电阻率的主体区，其中所说表面的电阻率等于本体区电阻率。
4.根据权利要求1的场发射器件，其中场发射器件的特征在于总功耗，其中体阻隔板的特征在于其功耗，其中体阻隔板的功耗小于场发射器件的总功耗的10％。
5.根据权利要求1的场发射器件，其中体阻隔板包括特征在于主要由电子/空穴的运动控制导电性的材料。
6.根据权利要求5的场发射器件，其中构成体阻隔板的所说材料选自陶瓷-金属复合物、不透明半导电玻璃、填有陶瓷的半导电玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、过渡金属玻璃-陶瓷、氮化硅、碳化硅和钛酸钡铌、氧化锆、单晶、过渡金属氧化物和这些材料的组合所构成的组。
7.根据权利要求1的场发射器件，其中体阻隔板包括电阻率为108-1010殴姆厘米的导电材料。
8.根据权利要求1的场发射器件，其中阴极板包括导电层，其中导电层连接到体阻隔板，从而通过该导电层去除场发射器件工作期间产生于体阻隔板上的静电荷。
9.根据权利要求8的场发射器件，其中阴极板包括多个栅极，其中所说导电层连接到多个栅极中的一个。
10.根据权利要求1的场发射器件，其中体阻隔板包括钛酸钡铌。
全文摘要
一种场发射显示器(100)包括具有多个电子发射极(124)的阴极板(102),与阴极板(102)相对的阳极板(104),在阳极板(104)和阴极板(102)间延伸的体阻隔板(108)。所说体阻隔板(108)由导电材料构成。所说导电材料的电阻率选择为可以去除撞击电荷,同时能防止由于通过体阻隔板(108)从阳极板(104)到阴极板(102)的电流产生过量功耗。
文档编号H01J29/02GK1288583SQ99802233
公开日2001年3月21日 申请日期1999年1月7日 优先权日1998年1月20日
发明者斯科特·K·阿格诺, 比德·A·斯密斯, 黄荣峰, 乔伊斯·K·山本, 克莱格·阿姆里尼, 克里福德·L·安德森 申请人:摩托罗拉公司