用于场发射装置的一种场发射阴极结构的制作方法

本发明总的来说涉及用于场发射装置的一种场发射阴极结构，特别适于通过在场发射阴极结构的透气部分下侧布置吸气剂元件来增强场发射装置的可靠性并延长场发射装置的寿命。本发明还涉及包括这种场发射阴极结构的场发射照明装置和场发射照明系统。

背景技术：

现代节能照明设备所采用的技术使用汞为活性成分之一。由于汞对环境的危害，人们进行了广泛的研究，以克服与节能、无汞照明相关的复杂技术难题。

解决该问题的一种方法是采用场发射光源技术。场发射是一种非常高的电场施加到导电材料表面时发生的现象。这个场将给电子足够的能量，以使电子从材料中发射(进入真空)。

在现有技术的场发射光源中，阴极被布置在通常是具有玻璃壁的灯泡的真空室中，其中该真空室的内部被涂有导电阳极层。此外，在阳极上沉积发光层。当在阴极和阳极之间施加足够大的电位差从而产生足够高的电场强度时，电子从阴极发射并向阳极加速。当电子撞击通常包括光粉(例如磷光体材料)的发光层时，光粉将发射光子。这个过程被称为阴极发光。

场发射光源领域的研究和开发的最新进展使得场发射光源小型化成为可能，使得其可以制造为相对较小的照明芯片，而不是现有技术的灯泡形场发射光源来。同一申请人在wo2016096717中公开了一种基于芯片的场发射光源的示例，并通过引用将其全部并入本文。

在wo2016096717中，公开了场发射光源可以使用晶圆级制造的概念以低成本大批量制造，即使用与ic和mems使用的类似方法。根据wo2016096717，多个场发射光源均各自包括一个包括多个纳米结构的场发射阴极、一个间隔元件和一个阴极发光阳极，且所有这些都布置在同一晶圆基板上。

具体地，根据wo2016096717，大量场发射光源同时在大玻璃基板(在本文中也称为晶圆)上制造。随后放置多个间隔元件，使得每个间隔元件围绕每个场发射阴极，且间隔元件壁和阴极之间具有一定的最小距离。最后，将包含阳极的多个小玻璃片(通常为圆形)密封在间隔元件上，以便为每个单独的场发射光源形成空腔。该密封在真空环境下完成。或者，用另一个大玻璃基板(其尺寸与第一个类似)代替多个小玻璃片。

此外，为了长时间保持真空水平，在每个空腔内放置一个吸气剂元件。应当注意，在此简短的描述中，阳极和阴极的位置是完全可以互换的。场发射光源设置吸气剂元件是非常重要的，以在任何长时间内都能工作。

在场发射光源的工作过程中，当施加足够大的电场时，阴极将发射电子电流。所述电子穿过阴极和阳极之间的真空空间。如果空间中存在过多的剩余气体分子，则电子可能会撞击这些分子，且其中一些分子可能被电离。如果撞击次数过多，就会发生电弧现象。这种电弧可能对场发射光源有害。

即使不发生这种电离分解，上述事件也会至少产生一个次级事件，即剩余气体分子可能因此带正电荷。如果发生这种情况，所述分子会被阴极吸引。如果足够多的这样的分子覆盖在阴极上，它们将开始限制阴极发射电子的能力，即剩余气体分子通过引入一个额外的势垒来抑制电子发射。

剩余气体分子始终在一定程度上存在。此外，随着时间的推移，这些分子将通过表面解吸、从形成空腔的材料中脱气、从所述材料中渗透和扩散而增加。场发射光源在工作时，不可避免地会出现场发射光源的自加热现象，尤其是在阳极上。其热量会加速这些过程，将剩余气体分子添加到场发射光源腔中。

从大范围场发射光源的经验来看，要避免这种现象，必须有小于1x10^-4torr的压力。初始压力应为1x10^-6torr，以保证场发射光源有足够的使用寿命。应该注意的是，要准确地评估在芯片级场发射光源中形成的非常小的腔体中的实际压力是非常困难的。

吸气剂元件原则上是一种特殊的合金，它将与各种剩余气体分子(如h2、o2、n2、碳氢化合物)发生反应。具体地说，来自意大利saesgetters.p.a.的一种叫做hptf的高性能吸气剂元件是以小细条的形式提供的，因此适合在这样一个小的空腔中使用。

所述吸气剂元件必须放在空腔内。同时，场发射光源的工作电压通常为5-10千伏，且相应的电场很高。吸气剂元件的放置必须考虑到这些电势，以避免产生寄生电流，或在吸气剂元件的帮助下产生电弧。通常情况下，一条吸气剂元件被放置在靠近间隔元件的位置，但分别远离阳极和阴极的接触条。此外，所述吸气剂元件还必须被机械连接，以使其不会在空腔内移动。此过程增加了复杂性及成本；增加了所生产的场发射光源的尺寸和复杂性。因此，迫切需要提供与场发射光源中的吸气剂元件的定位相关的改进，以至少部分地解决所提出的现有技术问题。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，用于场发射装置的场发射阴极结构至少部分缓解了上述问题，所述场发射阴极结构包括具有第一和第二侧的基板、布置在所述基板的第一侧顶部并覆盖所述基板的第一侧的一部分的吸气剂元件、以及布置在吸气剂元件的至少一部分的顶部的至少部分可渗透结构，以及设置为覆盖至少部分可渗透结构的一部分的电子发射源。

因此，通过本发明，可以将吸气剂元件放置在由场发射阴极组成的至少部分可渗透的结构下，由此，如上所述的剩余气体分子被允许“穿过”由场发射阴极组成的至少部分可渗透的结构。因此，吸气剂元件不必被放置在“空腔内的某处”，而是按照本发明“堆叠”的要求，例如直接位于阴极下方。因此，在本发明的一个实施例中，吸气剂元件可以被视为夹在基板和至少部分渗透结构之间，其中，例如，至少部分渗透结构基本上封装了吸气剂元件。

根据本发明，所述至少部分可渗透结构设置有电子发射源，所述电子发射源被布置为覆盖所述至少部分可渗透结构的一部分。在本发明的一个实施例中，所述电子发射源可以包括多个纳米结构。所述纳米结构可依次优选地包括zno纳米结构和碳纳米管中的至少一个。多个zno纳米结构适于具有至少1um的长度。在另一实施例中，纳米结构可有利地具有3-50μm范围内的长度和5-300nm范围内的直径。

优选地，阴极的至少部分可渗透结构可以包括突出元件以实现第一电场放大效应。相同的第一放大效应也可以通过使用金属丝形成至少部分可渗透结构的一部分来实现。上述纳米结构通常被布置成“覆盖”突出元件或金属丝。

根据本发明，所述至少部分渗透结构可以包括基本上平行和/或以网格或网状排列的多条金属丝，从而进一步增强至少部分渗透结构的渗透效果。根据本发明的一个实施例，上述网格线可以具有来自金属丝形状以及与例如编织网中常见的纵向波形相似的金属丝纵向波形的第一场放大效应。

使用金属丝网后的一个优点是，吸气剂元件可以机械地“保持在”至少部分渗透结构的下方，因此不让其与组成场发射装置的其它相关组件进行例如电接触。此外，它可以优选且容易地与阴极材料形成电连接。这意味着任何正离子化的剩余气体分子将不仅被吸引(库仑吸引)到阴极(在那里它可能引起发射猝灭的问题)，还将被吸引到将它吸收的吸气剂元件那里。优选地，吸气剂元件和电子发射源彼此电连接。

根据本发明，当足够大的电场施加到材料上时发生场发射。对于平坦的表面，典型的场强约为几千兆伏/米。在实际应用中，这些电压太高，因此需要采取一些步骤来增强局部场强，以实现局部场发射。在像微型场发射光源(芯片)那样的平面平行结构中，所施加的宏观电场由下式给出：

其中v是施加的电压，d是阳极和阴极之间的距离。

使用d＝2mm的典型示例，在v＝1000v时得到的场强变为0.5mv/m，即比所需的强度低3-4个数量级。

场放大的第一步可以由以网格或网状排列的金属丝结构提供。这种放大可以通过使用麦克斯韦方程的计算机计算来估计。这样的放大倍数为1.5倍至5倍，使用实用尺寸和放置位置的网格时通常是2倍。放大程度由网格线的半径、网格线到下垫面的距离和网格线之间的距离决定。所述金属丝之间的距离和金属丝半径是最重要的参数。(到下垫面的距离在理论上很重要，但基本上由设备设计给出)。

这些几何设计参数还将给出阴极总面积和网格开口总面积。纳米结构提供了极为尖锐的尖端，将进一步增强该场。单个发射器的发射遵循fowler-nordheim方程：

其中ar是有效发射区，

a是第一fowler-nordheim常数；

b是第二fowler-nordheim常数；

是ev的功函数(zno时是5.1–5.3ev)，且β是无量纲放大系数。只要发射器在场发射下工作，的关系图将给出一条直线，并且β可以从斜率中被找到。

放大系数β将取决于发射极的形态。在一阶近似中，β将取决于使用上述金属丝网结构的纳米结构的高度h和锐度r。

使用上述讨论的金属丝网格结构，电子将从金属丝上部的纳米结构发射，其中电场的第一放大最大，哪部分被涉及可以通过计算沿金属丝圆周的电场强度估计。当发射电流沿金属丝表面从金属丝的顶部中心移动时，发射电流将急剧下降，因为电场强度沿同一圆周下降。

电子将以发散模式发射，因此将覆盖阳极的特定区域。从这样的轨迹模拟可以建立金属网格的优选几何结构。为此，整个阳极区域尽可能均匀地被电子覆盖极为重要。发光材料的强度将作为接收总电荷的函数而降低。这意味着如果阳极的一部分比另一部分接收到更多的电子，它将更快地失去强度，并缩短设备的有效寿命。如果阳极的某一部分不接收与其他部分一样多的电子，它实际上不会发射任何光子。为了维持光功率输出，阳极的其他部分随后必须承受更高的电流负载，并且出于相同的原因，器件的使用寿命也将再次缩短。

以上使网格上需采用一组设计参数，如金属丝直径和金属丝间距。另一方面，任何剩余气体分子被希望尽可能容易地到达吸气剂元件，即网格开口应尽可能大。

因此，本发明将通过放置、机械稳定性、阴极猝灭来解决或减少上述问题，同时通过金属丝网以增强电场，从而降低对纳米结构的要求。通过优化网格的物理设计，可以在阳极上产生均匀的发射碰撞，同时最大限度地增大开放区域，以利用吸气剂元件吸收剩余气体分子。

根据本发明，吸气剂元件可以通过例如将吸气剂材料层布置(或沉积)在基板部分上而形成。在一个可能的实施例中，吸气剂材料是非蒸发吸气剂材料，例如为包括钽(ta)、锆(zr)、钛(ti)、铪(hf)和/或它们的合金中的至少一种的吸气剂材料。吸气剂材料层的厚度约为20-500μm，优选为50-200μm。

此外，在优选实施例中，基板是平面的，优选地被提供为晶圆。根据上述讨论，使用晶圆基板可允许场发射阴极结构的大规模生产，例如用于场发射光源。所述晶圆可以是硅片。

根据本发明，场发射阴极结构优选地构成场发射照明装置的一部分，所述场发射照明装置进一步包括真空室、布置在真空室内的阳极结构和配备有电子可激发发光材料的发光部件，所述发光部件布置在所述真空室中，其中所述吸气剂元件被配置为在所述场发射照明装置运行之前被激活。所述场发射阴极结构根据本实施例布置在真空室中。

用于消费应用的电子能量应小于10千伏，最好小于9千伏，否则由韧致辐射产生的软x射线将能够逸出照明装置(否则将被阳极玻璃吸收)。然而，这些吸收水平在某种程度上取决于玻璃厚度，因此，如果使用较厚的玻璃，则更高的电压将被允许。

另一方面，电子能量必须足够高，以穿透上述导电和反射层。因此，消费类应用的首选范围是7-9千伏，工业应用(可接受一些软x射线)的范围是7-15千伏。此外，根据上述讨论，真空室需要处于部分真空状态，以使从阴极发射的电子在与气体分子发生少量碰撞的情况下转移到阳极。通常，被抽空的空间可被抽空至小于1x10^-4托的压力。

根据本发明，可以将多个场发射照明装置布置在一起，形成场发射照明系统。

在研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本领域的范围的情况下，可以结合本发明的不同特征来创建除以下所述之外的实施例。

说明书附图

本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，将从以下详细描述和附图中容易理解，其中：

图1示出了根据现有技术的基于芯片的场发射光源的透视图，

图2a-2c概念性地示出了本发明的第一示例性实施例；以及

图3a和3b示出了本发明的替代实施例。

具体实施方式

下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为仅限于本文所述的实施例；相反，这些实施例是为了彻底性和完整性而提供的，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。相同字符在前后文中代表相同元件。

现在参考附图，如图1所示，提供了根据现有技术的场发射光源100的透视图，其示例性地大致上呈椭圆形，并且布置成发射例如在可见光和/或紫外光谱内的光。其形状可变，例如可以是矩形的；然而椭圆形(或圆形或类似圆形)形状具有例如可以避免电弧和寄生电流等电气现象的优点。否则，当施加高电场且存在角或边时，此类现象可能成为问题。场发射光源100包括晶圆102，晶圆102具有多个长度至少为1um的zno纳米棒104，晶圆102和多个zno纳米棒104一起形成场发射阴极。作为替代方案，也可以用zno纳米棒104代替碳纳米管(cnt，未示出)。场发射光源100还包括布置在场发射阴极附近的阳极结构。在任一图中，仅单一器件被示，但晶圆可能包含大量此类器件。

在本实施例中，场发射阴极和阳极结构之间的距离是通过在场发射阴极和阳极结构之间布置间隔结构110来实现的，其中场发射阴极和阳极结构之间的距离优选在100um到5000um之间。将形成在场发射阴极和阳极结构之间的空腔抽空，从而在场发射阴极和阳极结构之间形成真空。

所述阳极结构包括透明基板，例如平面玻璃结构114。其他透明材料在本发明的范围内也同样可能被采用，例如钠铝玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英和蓝宝石。透明结构114具有磷光体层116，其将电子能量转换为光子。磷光体材料的确切性质将决定光子的波长。磷光体层116可通过多种商用标准方法沉积，例如喷涂、丝网印刷等。在本公开的范围内，其他方法同样是可能的。在磷光体的顶部是导电层118，用于形成阳极电接触。适用于该层的材料有铝和银。

选择该层的厚度，以使a)其足够薄，以使所选能量的电子通过该层而不造成任何明显的能量损失；同时b)其足够厚，以提供尽可能高的反射率，从而反射在磷光体层中产生的朝向导电层118的光子，穿过玻璃114(除非反射发生)。导电层118可以通过多种方法沉积，溅射和蒸发是提供的两种例子。

在某些实施例中，场发射光源100特别适于发射可见光，也可以使用透明导电氧化物(tco)层作为导电层，例如铟锡氧化物(ito)层。选择这种ito层的厚度以允许最大的透明性和足够低的电阻。典型的透明度选择在90％以上。使用ito层通常不适合于uv应用。

磷光体材料116能够将电子能量转换为光子。如上文所述，磷光体材料116可适于将电子转换为紫外线或可见光。适于紫外光产生的磷光体材料的实例包括例如lupo3:pr3+、lu2si2o7:pr3+、lapo4:pr3+、ybo3:pr3+和ypo4:bi3+。其他类似材料也同样可行。

场发射光源100还包括吸气剂元件120。吸气剂元件120与纳米结构114相邻地布置在由围绕纳米结构114和吸气剂元件120的间隔结构110形成的空腔的底面处。如上所述，吸气剂元件120是被提供用于在空腔112内实现和保持真空的反应材料的沉积物。

在图1中，所述吸气剂元件120被例示为沿着间隔元件的侧部放置的薄片。它也可以作为合适的合金沉积。为了避免短路故障和寄生表面电流，阳极和阴极接触元件(未示出)也被放置在远离吸气剂元件120和彼此的位置(未示出)。吸气剂元件120进一步地被机械地连接到如晶圆102的位置。在图1中，吸气剂元件120被示为直接布置在晶圆102的顶面上，然而先前已知吸气剂元件120也被放置在晶圆102的表面上的特别设计的空腔中。尽管从附件的角度引入空腔可能是有用的，但是这样的解决方案增加了场发射光源100的成本、复杂性和尺寸。一种典型的吸气剂可能是意大利saesgetter的hptf箔。

现在转向图2a–2c，其概念性地说明了本发明的一个实施例。在图2a中，场发射光源200被例示为形状基本为圆形的照明芯片。然而，应当理解，根据上述讨论，场发射光源200可以具有不同的形状，例如椭圆形或矩形。此外，场发射光源200可以被布置成发射例如在可见光和/或紫外光谱内的光。

与图1所示的现有技术方案相比，图2所示的场发射光源200还包括至少部分可渗透结构。在图2中，所述可渗透结构被例示为包括多条金属丝204和206而布置构成矩形间隔结构的的金属丝网格202。在本发明的一个可能的实施例中，选择金属丝204、206的直径在20um和200um之间。另外，可以通过选择金属丝之间的距离，使得金属丝网格202的开放区域部分在40％到90％之间，从而允许剩余气体分子通过金属丝网格202。

根据本发明，如上所述，金属丝网格202具有多个纳米结构104。因此，金属丝网格202将形成纳米结构104的至少部分突出结构，以提供如上所述的第一电场放大效应。图2b提供了布置在金属丝网格202处的纳米结构104的详细视图。

场发射光源200还包括吸气剂元件208。然而，根据本发明的概念，如图2c所示，吸气剂元件208被布置在金属丝网格202的下面，在上侧表面210、基板102和金属丝网格202之间。因此，吸气剂元件208将被夹在基板102和金属丝网格202之间。

吸气剂元件208优选地被布置成与金属丝网格202具有相同的电势，从而使得吸气剂优选地接受正电荷离子，否则其将更可能被吸附在阴极尖端上，从而有可能使阴极电流猝灭。

在图3a中，示出了与图2a–2c中示出的图示相比稍微不同的本发明的一种可能的实施例。具体地说，所述至少部分可渗透结构由具有多个通孔304的导电片材料302形成。可以通过控制所述通孔304的数量和直径，以实现导电片材料302的例如在40％-90％之间的理想渗透性。第一场放大将发生在开口的边缘。

以相应的方式，图3b中提供的示图示出了与图2a–2c中所示示图相比进一步不同的本发明的另一种不同的可能的实施例。具体地说，至少部分可渗透结构包括基本上彼此平行排列的多个杆308。如图2所示，所述杆308的直径极大地延伸了金属丝204、206的直径。所述杆308又设有突起310，且在突起310上设有纳米结构104。以如上所述的类似方式，所述杆308优选地布置成使它们之间具有允许渗透的距离，从而使得进入吸气剂元件210的渗透性在例如40％-90％之间。

应当理解，所述金属丝204、206或杆308不一定必须如图中所示完全笔直。相反，它们可以在不脱离本发明的范围的情况下为弯曲或轻微的波浪形状。另外，可以仅使用例如平行金属丝(即不形成为金属丝网格)，从而仅在一个方向上布置，例如仅包括金属丝204而不包括金属丝206。在本发明的范围内，形成至少部分可渗透结构的其他替代方案也是可能的。

总之，本发明涉及一种用于场发射装置的场发射阴极结构，包括具有第一和第二侧的基板、布置在基板第一侧顶部并覆盖基板第一侧的一部分的吸气剂元件、布置在所述吸气剂元件的至少一部分的顶部的至少部分可渗透结构，以及被布置成覆盖所述至少部分可渗透结构的一部分的电子发射源。

根据本发明，可以将吸气剂元件放置在由场发射阴极组成的至少部分可渗透结构下，由此，如上所述的剩余气体分子被允许“穿过”由场发射阴极组成的至少部分可渗透的结构。

尽管图中可能显示方法步骤的特定顺序，但步骤的顺序可能与所描述的不同。此外，两个或多个步骤可以同时执行或部分并发执行。这种变化将取决于软件和硬件系统的选择和设计师的选择。所有这些变化都在本发明的范围内。同样，软件实施可以用基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。另外，即使已经参考其具体的示例性实施例来描述本公开，对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。

通过对附图、本发明和所附权利要求的研究，本发明的实施例的变更可以被实施本发明的本领域技术人员理解和改动。此外，在权利要求中，“包含”一词不排除其他元件或步骤，未指明单数名词不排除复数。