基于多孔材料的场致发射型电子源及显示器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空电子技术，特别涉及一种场致发射型电子源及显示器件。
【背景技术】
[0002]电子源广泛应用于微波管、行波管、电子显微镜、X射线管以及平板显示等领域，是光电子器件、传感器以及场发射型显示器的核心部件。开发制备工艺简单、高发射效率、高稳定性和长寿命的新型电子源是当前光电子显示器件的研宄热点。电子源主要分为两种:热阴极型电子源和冷阴极型电子源。冷阴极型电子源主要包括金属-绝缘层-金属(Metal-1nsulator-Metal, MIM)型、场发射型以及表面传导型等。在这之中，MM型电子源由于具有结构简单、驱动电压低以及制备工艺简易且发射性能受表面环境影响小等优点。此外，MIM电子源能够和薄膜晶体管技术相兼容，从而能够实现有源矩阵驱动。
[0003]含传统MM型电子源的显示器件的装配结构如图1所示，其电子源结构为典型的“三明治”结构，首先，采用磁控溅射或者电子束蒸发镀膜的方法在玻璃基底或者硅基底101上制备一层金属电极104 (Al或者Cr/Cu或者类似金属电极)；然后采用电化学或者溅射的方法在金属电极上制备一层绝缘层105，该绝缘层可为氧化物或者半导体材料；此后在绝缘层上采用溅射法沉积一层金属薄膜106。
[0004]MIM型电子源结构中，电子在两金属电极间形成的强电场作用下由阴极加速向阳极运动，隧穿出表面电极而形成电子发射。MIM型电子源的阈值场强一般不低于lOOV/μπι，为了获得高电场强度以及便于电子隧穿，通常MIM型电子源中的绝缘层和顶电极的厚度一般不超过30nm。MIM型电子源当前存在的主要问题是发射效率低、发射电流小以及寿命较短。MIM型电子源的寿命及发射效率均与绝缘层的性能相关，当前为了改善电子源的可靠性和发射性能，MIM型电子源中绝缘层通常采用致密型氧化物或者半导体材料，采用致密型材料虽然在一定程度上可以提高器件的寿命，但是电子在绝缘层行进过程中，也存在着潜在的能量损耗较大的问题，导致器件的发射效率偏低。例如，图1传统的MIM型电子源结构中，电子在底电极105和顶电极106间形成的强电场作用下由底电极105加速向顶电极106运动，在运动过程中，电子在绝缘层中经过碰撞、散射而失去能量，一部分电子被陷阱所捕获，只有少部分电子从电场中获得能量，当电子的能量高于表面势皇时，电子才有可能隧穿出顶电极106而形成电子发射。
[0005]此外，由于绝缘层和顶电极的厚度较薄，导致器件的绝缘强度较低，顶电极连续膜制备较为困难。特别地，当需要对采用电化学阳极氧化法制备的绝缘层进行退火处理时，由于膜层较薄，金属电极的原子容易渗入至绝缘层中，导致M頂型电子源的绝缘性能降低，在长时间工作时，容易由于局部过热而引起器件击穿(电阻小)。
【发明内容】
[0006]针对当前大多数电子源存在着发射效率低、寿命短以及均匀性和稳定性较差等问题。本发明提出了一种采用多孔结构材料作为绝缘层或中间层、并在多孔材料孔内填充纳米材料的MM新型电子源及其显示器件。
[0007]为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0008]一种基于多孔材料的场致发射型电子源，包括后基板，该后基板上依次设置有底电极、绝缘膜、顶电极的MIM型多层膜结构，其特征在于，所述绝缘膜由阻挡层和多孔层构成，该阻挡层靠近底电极的一侧，其厚度不超过20nm，多孔层靠近顶电极一侧，其厚度至少应大于阻挡层厚度的5倍。
[0009]上述方案中，所述阻挡层和多孔层为一体结构，即在靠近底电极一侧，生长有高致密型和绝缘性能的Al2O3阻挡层，在该阻挡层之上为垂直于水平面的多孔Al2O3结构层。所述底电极与Al2O3阻挡层之间设有Ti膜。
[0010]所述阻挡层也可单独由致密型氧化物或半导体材料制成；可选用A1203、ZnO、ZnS,MgxZn(1_x)0、MgS, CdS, MgO, BaO的任一种。所述多孔层由规则、有序的多孔结构介质材料制成；可选用多孔硅、多孔碳化硅、多孔二氧化钛、多孔二氧化硅的任一种。
[0011]所述绝缘膜阻挡层上沿多孔层孔内生长有直径小于多孔材料孔径的纳米材料，具有纳米级发射尖端、尚的长径比。
[0012]一种基于多孔材料的场致发射型电子源的显示器件，其特征在于，将涂覆有荧光粉层和透明电极的前基板覆盖在前述基于多孔材料的场致发射型电子源的后基板上，前基板和后基板之间以支撑条形成一密闭空间，其中为真空或充入惰性气体。
[0013]上述方案中，所述底电极和顶电极各包含多条相互平行的电极；底电极与顶电极以正交或者平行方式排列，每个交叉点或者重叠区域对应一个电子发射单元。
[0014]与传统MIM型电子源相比，本发明的优点是:
[0015](I)本发明由于采用多孔介质材料作为绝缘层，电子可在孔内加速获得能量，降低了电子在绝缘层中的损耗，因而可以获得高的发射效率。特别的，当采用含阻挡层的多孔氧化铝膜为绝缘层时，由于多孔氧化铝的阻挡层较薄，因而场增强效果更加显著，电子源的发射效率获得大幅提尚。
[0016](2)本发明提出的采用多孔介质材料作为绝缘层且在孔内生长具有高长径比纳米材料结构的MIM型电子源，可以在提高器件寿命的同时，降低器件的阈值电压，提高电子源的发射效率和稳定性。
[0017](3)本发明提出的以多孔介质材料为绝缘层的电子源结构具有制备工艺简单、易于大规模生产等优点，且能采用薄膜晶体管(TFT)驱动，在微波管、行波管、电子显微镜、X射线管以及平板显示等真空电子领域中有重要的应用价值。
【附图说明】
[0018]图1为含典型MM电子源的显示器件装配示意图。
[0019]图2为用本发明实施例2的MM电子源的显示器件装配示意图。
[0020]图3为本发明实施例1的MIM电子源结构示意图。其中，(a)图为层状示意图；(b)图为多孔氧化铝结构平面显微照片。
[0021]图4为本发明实施例2的MIM电子源结构示意图。
[0022]图5为多孔材料中生长有纳米材料的MM型电子源结构及显示器件示意图。其中，(a)图为显示器件；(b)图为电子源结构。
[0023]图6为采用本发明电子源的平板显示装置结构示意图。
[0024]图7为采用TFT驱动的本发明电子源的显示器件电原理图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0026]传统的MIM电子源结构中(图1)，为了获得高电场强度，绝缘层105的厚度要薄，但另一方面，绝缘层厚度较薄也导致器件的寿命较低。为了解决上述问题，本发明提出了一种新型电子源结构，能在改善电子源发射效率的同时，显著提高器件的寿命。
[0027]参考图2，本发明在玻璃或者硅片构成的后基板101上设置能产生电子发射的电子源，它具有MM多层膜结构，即后基板101上依次设置底电极(Al) 104、阻挡层108、多孔层10、顶电极106，其中，阻挡层108、多孔层10组成绝缘膜109。由玻璃构成的前基板102上涂覆有荧光粉层103和透明电极，与上述电子源组成显示器件:即后基板101和前基板102之间以支撑条形成一密闭空间，该密闭空间可以为真空或者充入惰性气体。作为底电极104的金属材料优先选用Al，也可选用T1、Cr、Cu、N1、Mo、W等一种或多种导电合金。顶电极106可选用Pt、Au、Ir或者类金刚石组成的一种或者几种混合薄膜。阻挡层108采用致密型氧化物或半导体材料，如A1203、ZnO、ZnS、MgxZn(1_x)0、MgS、CdS