专利名称：电子发射器件及利用此电子发射器件的显示器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子发射器件及利用此电子发射器件的电子发射显示器件。
在场电子发射显示装置中，已知场发射显示器(FED)为装有不需要阴极加热的冷阴极电子发射源阵列的平面发射显示器件。例如利用微突起Spindt型冷阴极的FED的发射原理如下尽管这种FED具有不同于阴极射线管(CRT)的Spindt型突起阴极阵列，但其发射原理与CRT类似。在FED中，由与Spindt型阴极隔开的各栅极将电子引入真空空间，并使电子打到涂在透明阳极上的荧光物质上，从而引起光发射。
然而，由于作为冷阴极的微Spindt型发射极阵列的制造复杂，包含许多工艺，所以，这种FED存在着生产成品率低的问题。
还有一种具有金属—绝缘体—金属(MIM)结构作为平面电子发射源的电子发射器件。具有MIM结构的电子发射器件包括依次形成于基片上的作为下电极的Al底层、厚约10nm的Al2O3绝缘层、及作为上电极的厚约10nm的Au上层。在这种MIM器件设置于真空的相对电极下的情况下，当在Al底层和Au上层间加电压，并同时在相对电极上加加速电压时，有一些电子从Au上层发射出来，并到达相对电极。甚至这种MIM结构的电子发射器件仍不能提供足量的发射电子。
为了克服这种MIM器件发射的这些缺点，一般认为有必要使Al2O3绝缘层更薄，约几个纳米，并使Al2O3绝缘层均质，以便Al2O3绝缘层和Au上层间的界面更均匀。
为了提供更薄和更均匀的绝缘层，例如，人们试图利用阳极氧化法控制阳极氧化电流，从而改善电子发射特性，如日本专利申请公开号平7-65710描述的发明。
然而，即使由这种阳极氧化方法制造的具有MIM结构的电子发射器件，也只能保证约1×10-5A/cm2的发射电流，和约1×10-3的电子发射效率。
因此，本发明的目的是提供一种具有高电子发射效率的电子发射器件，该器件能够利用加于其上的低施加电压稳定地发射电子，及利用此电子发射器件的电子发射显示装置。
考虑到这种电子发射器件的普通应用，将硅(Si)应用于电子发射器件中的电子提供层对于提高器件的稳定性是有效的，另外，利用由溅射法淀积的非晶硅(a-Si)层对于提高生产成品率是有效的，并因此很有益。然而，存在一个问题，即，由于该a-Si层中存在许多悬空键，例如约1020个/cm3，所以，该层会因对其的热处理而容易退化。由于热处理对于器件的真空封装来说是必需的，所以非晶硅层中存在的许多悬空键成了实际应用电子发射器件中的一个障碍。因此，本发明的另一目的是提供一种在高温下具有高稳定性的电子发射器件，及应用此电子发射器件的电子发射显示装置。
为了克服上述和其它问题，利用根据本发明实施方案的电子发射器件实现了本发明的目的，其中，根据本发明的器件包括金属或半导体构成的电子提供层；形成于电子提供层上的绝缘层；及形成于此绝缘层上并面对真空空间的薄膜金属电极，其特征在于，所说绝缘层的膜厚为50nm或50nm以上，所说电子提供层由硅晶片制成，因而，在电场加于电子提供层和薄膜金属层之间时，此电子发射器件发射电子。
而且，利用本发明的电子发射器件的显示器件包括一对彼此面对且其间具有真空空间的第一和第二基片；设置于第一基片上的多个电子发射器件；设置于第二基片的收集电极；及形成于收集电极上的荧光层，每个电子发射器件包括金属或半导体的电子提供层；形成于电子提供层上的绝缘层；及形成于此绝缘层上且面对真空空间的薄膜金属电极，其中所说绝缘层的膜厚为50nm或50nm以上，所说电子提供层由硅晶片制成。
根据具有上述结构的本发明电子发射器件，电子提供层中的悬空键减少，所以器件的热稳定性提高，并且由于绝缘层较厚的厚度，不容易在其中形成通孔，所以其生产成品率提高。
本发明的电子发射器件是一平面或点状的电子发射二极管，可应用于如象素真空管或真空管的源、扫描或传送电子显微镜的电子发射源、真空微电子器件等的高速器件。此外，这种电子发射器件可以用作发射毫米或亚毫米波长的电磁波的微小微波管或二极管，还可用作高速开关器件。
图1是根据本发明电子发射器件的示意剖面图；图2是展示电子发射器件的发射电流与制造本发明的电子发射显示器件的工艺中烘烤或加热器件的温度间的关系的曲线图；图3是展示发射电流与本发明的电子发射器件的绝缘层膜厚间关系的曲线图；图4是展示电子发射效率与本发明的电子发射器件的绝缘层膜厚间关系的曲线图；图5是展示二极管电流Id和发射电流Ie与本发明实施方案的电子发射器件的驱动电压Vd间关系的曲线图；图6是展示根据本发明一个实施方案的电子发射显示器件的示意透视图；以及图7是展示根据本发明另一个实施方案的电子发射显示器件的示意透视图。
下面参照各附图详细说明本发明的优选实施方案。
如图1所示，实现本发明的电子发射器件具有作为电子提供层的硅晶片器件基片12，其上一侧依次层叠或形成有二氧化硅(SiO2)绝缘层13和面对真空空间的薄膜金属电极15。在器件基片12的另一侧上，形成有由铝(Al)、钨(W)、氮化钛(TiN)、铜(Cu)、铬(Cr)等的欧姆电极11。具体说，应注意，该电子提供层12是由硅晶片制成的。绝缘层13淀积得较厚，以便具有50nm或50nm以上的厚度。把第二基片1固定于第一硅晶片基片12之上，使两者间夹有真空空间。硅晶片可以形成于如Al2O3、Si3N4和BN等陶瓷板上。
这种电子发射器件可当作一个二极管，其表面上的薄膜金属电极15与正施加电压Vd相连，背电极即欧姆电极11接地电势。在例如90伏的电压Vd加到欧姆电路11和薄膜金属电极15间以向电子提供层12供应电子时，具有二极管电流Id。由于绝缘层13具有高电阻，所以所加电场的大部分加到绝缘层13上。电子在绝缘层13的导带中向薄膜金属电极15行进。由于很强的电场，某些到达薄膜金属电极15附近的电子穿过薄膜金属电极15，发射出来进入所说的真空空间。
从薄膜金属电极15发出的电子e(发射电流Ie)很快被加到相对收集电极(透明电极)2上的高电压Vc加速，并在收集电极2被收集。如果收集电极2上涂有荧光物质，则可观察到相应的可见光。
根据本发明，关于电子发射器件的电子提供层12的有效的材料，尤其是用单晶态的硅晶片代替非晶硅。此硅晶片的悬空键明显少于非晶硅中的悬空键。此硅晶片具有高热耐久性。此硅晶片可以包括任何掺杂剂。
氧化硅SiOx(下标x表示原子比)可作为绝缘层13的电介质材料，也可以用如LiOx，LiNx，NaOx，KOx，RbOx，CsOx，BeOx，MgOx，MgNx，CaOx，CaNx，SrOx，BaOx，ScOx，YOx，YNx，LaOx，LaNx，CeOx，PrOx，NdOx，SmOx，EuOx，GdOx，TbOx，DyOx，HoOx，ErOx，TmOx，YbOx，LuOx，TiOx，ZrOx，ZrNx，HfOx，HfNx，ThOx，VOx，VNx，NbOx，TaOx，TaNx，CrOx，CrNx，MoOx，MoNx，WOx，WNx，MnOx，ReOx，FeOx，FeNx，RuOx，OsOx，CoOx，RhOx，IrOx，NiOx，PdOx，PtOx，CuOx，CuNx，AgOx，AuOx，ZnOx，CdOx，HgOx，BOx，BNx，AlOx，AlNx，GaOx，GaNx，InOx，SiNx，GeOx，SnOx，PbOx，POx，PNx，AsOx，SbOx，SeOx，TeOx等金属氧化物或金属氮化物等。另外，还可用如LiAlO2，Li2SiO3，Li2TiO3，Na2Al22O34，NaFeO2，Na4SiO4，K2SiO3，K2TiO3，K2WO4，Rb2CrO4，Cs2CrO4，MgAl2O4，MgFe2O4，MgTiO3，CaTiO3，CaWO4，CaZrO3，SrFe12O19，SrTiO3，SrZrO3，BaAl2O4，BaFe12O19，BaTiO3，Y3Al5O12，Y3Fe5O12，LaFeO3，La3Fe5O12，La2Ti2O7，CeSnO4，CeTiO4，Sm3Fe5O12，EuFeO3，Eu3Fe5O12，GdFeO3，Gd3Fe5O12，DyFeO3，Dy3Fe5O12，HoFeO3，Ho3Fe5O12，ErFeO3，Er3Fe5O12，Tm3Fe5O12，LuFeO3，Lu3Fe5O12，NiTiO3，Al2TiO3，FeTiO3，BaZrO3，LiZrO3，MgZrO3，HfTiO4，NH4VO3，AgVO3，LiVO3，BaNb2O6，NaNbO3，SrNb2O6，KTaO3，NaTaO3，SrTa2O6，CuCr2O4，Ag2CrO4，BaCrO4，K2MoO4，Na2MoO4，NiMoO4，BaWO4，Na2WO4，SrWO4，MnCr2O4，MnFe2O4，MnTiO3，MnWO4，CoFe2O4，ZnFe2O4，FeWO4，CoMoO4，CoTiO3，CoWO4，NiFe2O4，NiWO4，CuFe2O4，CuMoO4，CuTiO3，CuWO4，Ag2MoO4，Ag2WO4，ZnAl2O4，ZnMoO4，ZnWO4，CdSnO3，CdTiO3，CdMoO4，CdWO4，NaAlO2，MgAl2O4，SrAl2O4，Gd3Ga5O12，InFeO3，MgIn2O4，Al2TiO5，FeTiO3，MgTiO3，NaSiO3，CaSiO3，ZrSiO4，K2GeO3，Li2GeO3，Na2GeO3，Bi2Sn3O9，MgSnO3，SrSnO3，PbSiO3，PbMoO4，PbTiO3，SnO2-Sb2O3，CuSeO4，Na2SeO3，ZnSeO3，K2TeO3，K2TeO4，Na2TeO3，Na2TeO4等金属复合氧化物，及更进一步的，如FeS，Al2S3，MgS，ZnS等硫化物，如LiF，MgF2，SmF3等氟化物，如HgCl，FeCl2，CrCl3等氯化物，如AgBr，CuBr，MnBr2等溴化物，如PbI2，CuI，FeI2等碘化物，和如SiAlON等金属氧氮化物也可作为绝缘层。
而且，如钻石、富勒烯(Fullerence，C2n)等碳或如Al4C3，B4C，CaC2，Cr3C2，Mo2C，MoC，NbC，SiC，TaC，TiC，VC，W2C，WC，ZrC等金属碳化物也可作为绝缘层13的电介质材料。富勒烯(C2n)由碳原子构成。具有代表性的C60是已知为足球分子的球面篮式分子。已知的还有C32-C960等。上述化学式中的Ox，Nx等中的下标表示原子比，以下也是如此。
绝缘层13的膜厚可以是50nm或50nm以上，优选为100-1000nm。
金属Pt，Au，W，Ru和Ir作为电子发射侧上的薄膜金属电极15的材料是有效的。另外，Be，C，Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Rh，Pd，Ag，Cd，In，Sn，Ta，Re，Os，Tl，Pb，La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu等也可以用作薄膜金属电极。
尽管制备这些层和基片时溅射特别有效，但也可以用真空淀积、CVD(化学汽相淀积)、激光烧蚀、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)及离子束溅射。
按实施方案制造每个都包括硅晶片电子提供层的本发明电子发射器件，并具体检测它们的特征。
首先，提供5.0微米厚的硅晶片器件基片，在每一基片的一侧上预先通过溅射淀积了一层厚300nm的W欧姆电极。作为对照方案，在玻璃基片上淀积厚5.0微米的非晶硅电子提供层，玻璃基片上预先通过溅射淀积了厚300nm的W欧姆电极。制造多片这些类型的初始基片。
然后，在初始基片的电子提供层上通过溅射分别淀积SiOx绝缘层，但膜厚改变为50-1000nm。这样提供多片第二初始基片。每个SiOx绝缘层都是通过用Ar，Kr或Xe或它们的混合气，或实际上由这些稀有气体的一种与混入其中的O2，N2等溅射淀积的，溅射条件是气压为0.1-100毫乇，优选0.1-20毫乇，淀积速率为0.1-1000nm/min，优选0.5-100nm/min。
最后，在每个基片的非晶SiOx层表面上通过溅射淀积厚10nm的Pt薄膜金属电极，从而提供多个器件基片。
同时，制备透明基片，其每一个都有形成于透明玻璃基片内侧的ITO收集电极，并具有由普通方式形成于收集电极上的对应于R、G或B色发射的荧光物质。
组装电子发射器件，其每个器件基片和透明基片由一间隔彼此平行分开10mm支撑，以此方式，薄膜金属电极15面对收集电极2，两者间有一空隙，空隙的真空度为10-7乇或10-5Pa。
然后，在加于所得电子发射器件上的驱动电压Vd为0-110V，加速电压为200V的条件下，测量此电子发射器件的发射电流Ie。
测量后，在25℃、200℃、300℃、400℃和500℃，在真空气氛中，分别选择加热或烘烤各电子发射器件一个小时(1H)。
在室温下冷却器件后，在加于其上的电压Vd为0-110V，加速电压为200V的相同条件下，分别再测量对应于各烘烤温度的多个器件的发射电流Ie。比较加热处理前和后器件的发射电流Ie，所得结果示于以下的表1中。表1
图2展示了所得电子发射器件和对照方案的器件用0-200V的驱动电压Vd的发射电流相对于在其制造工艺中烘烤或加热器件的温度的变化。图2中，有□的曲线表示包括非晶硅电子提供层的对照方案的器件的发射电流值，其发射电流值随烘烤温度的上升快速下降。有■的曲线表示包括硅晶片电子提供层的实施方案器件的发射电流值，在温度为300℃的加热后，这些器件仍保持发射电流为1×10-6A/cm2或更高。从该图可知，实施方案的器件具有约2×10-4A/cm2的稳定发射电流。
图3和4展示了在所制备的电子发射器件上加0-200V的驱动电压Vd时，最大发射电流Ie和最大电子发射效率(Ie/Id)相对具有硅晶片电子提供层的器件的绝缘层膜厚(从50nm-1000nm)的变化。从图3和4可知，其绝缘层厚为50nm-1000nm的器件的最大发射电流约为1×10-6A/cm2或更高，最大电子发射效率约为1×10-3。
从上述结果应理解到，硅晶片电子提供层对于包括厚为50nm或50nm以上的绝缘层和面对真空空间的薄膜金属电极的电子发射器件是有益的，所以，当在电子提供层和薄膜金属电极上加上较低的电压时，此电子发射器件也可以稳定地发射电子。
图5展示了二极管电流Id和发射电流Ie相对于电子发射器件的驱动电压Vd的特性关系，所说电子发射器件包括厚为300nm的Al欧姆电极；由硅晶片构成的电子提供层；厚为400nm的SiOx绝缘层；及厚为10nm的Au薄膜金属电极。如图5所示，应理解，二极管电流Id表示一种滞后特性。图中，二极管电流Id的压降发生在发射电流Ie的起始点，然后发射电流Ie增大。
关于其绝缘层厚为50nm或50nm以上的上述器件的一个实施方案，通过在涂有荧光物质的收集电极和薄膜金属电极间加约4kV的电压，可以观察到与薄膜金属电极形状相应的均匀荧光图案。这表示来自非晶SiOx层的电子发射是均匀的，且其运动是高度线性的，这些器件可以用作电子发射二极管，或发光二极管或发射毫米或亚毫米波长的电磁波的激光二极管，及高速开关器件。
借助扫描电子显微镜(SEM)，可以观察在上述淀积工艺期间溅射得到的SiOx绝缘层的表面，可以发现由直径约为20nm的晶粒表面构成的微结构。由SiOx绝缘层的晶粒结构构成的微结构似乎引起了穿通电流流过厚50nm或50nm以上的绝缘层的怪现象。尽管SiOx本来是绝缘体，但由于邻近其发生的缺陷或绝缘层禁带中的杂质导致了低电势的多能带。假定电子一个接一个通过低电势的多能带，那么结果是它们将通过厚为50nm或50nm以上的绝缘体层。
图6展示了根据本发明一个实施方案的电子发射显示器件。该实施方案包括一对透明基片1和器件基片12，它们彼此面对，并且其间具有真空空间4。在所示的电子发射显示装置中，在透明玻璃基片1或显示表面(面对背基片12)的内表面上并排形成有多个例如由氧化铟锡(所谓的ITO)、氧化锡(SnO)、氧化锌(ZnO)等形成的透明收集电极2。收集电极2可以整体地形成。俘获所发射的电子的透明收集电极分三组排列，与关于红(R)、绿(G)和蓝(B)色信号相关联，以便提供彩色显示板，将电压分别加在这三个收集电极上。因此，在三个收集电极2上分别形成有对应于R、G、B色发射的荧光物质的荧光层3R、3G和3B，收集电极12以此方式面对真空空间4。
在面对透明玻璃基片1的硅晶片器件基片12的内表面(即，所说内表面面对透明基片1)上并排形成有多个欧姆电极11，器件基片12和透明玻璃基片1间具有真空空间4。用由如SiO2、SiNx、Al2O3或AlN等绝缘体构成的辅助绝缘层18作为隔离，以限定电子发射器件S的绝缘层13的象素。电子发射器件S形成于欧姆电极11上。为了使邻近的薄膜金属电极15彼此电连接，在部分薄膜金属电极15上形成多个总线电极16，它们彼此平行且垂直于欧姆电极11。每个电子发射器件S包括硅晶片电子提供层12，其上依次形成有绝缘层13和薄膜金属电极15，以及有关的欧姆电极11。薄膜金属电极15面对真空空间4。形成具有开口的第二辅助绝缘层17，以将薄膜金属电极15的表面隔离成多个电子发射区。该第二辅助绝缘层17覆盖总线电极16，以防止不必要的短路。
欧姆电极11的材料有通常用于IC布线的Au、Pt、Al、W等，并具有均匀的厚度，以便为各器件提供基本相等的电流。
尽管硅晶片电子提供层12的材料为单晶硅，但该晶片也可以用其它非晶和多晶硅。
图7展示了本发明另一实施方案的电子发射显示器件。该实施方案包括一对透明基片1和器件基片10，其是由玻璃或如Al2O3、Si3N4和BN等陶瓷等构成的，它们相互面对，两者间有真空空间4。器件基片10的内侧涂有辅助绝缘层18。此辅助绝缘层18由如SiO2、SiNx、Al2O3或AlN等绝缘体构成，其作用是防止器件基片10对器件的不良影响(例如碱性组分等杂质的脱出或粗糙的基片表面)。
在器件基片10上的辅助绝缘层18的内表面上并排形成多个欧姆电极11。并在欧姆电极11上形成多个电子发射器件S。各电子发射器件S包括由淀积于关联的欧姆电极11上的非晶或多晶硅构成的电子提供层12。该电子发射器件还包括依次形成于电子提供层12上的绝缘层13和薄膜金属电极15。以与上述实施方案相同的方式形成多个总线电极16及第二辅助绝缘层17。
如图7所示的电子发射显示器件可以通过以下工艺步骤制造。首先，在具有预定厚度的硅晶片单晶的一侧上淀积用作欧姆电极的平坦薄金属膜，硅单晶片用作电子提供层。接着，将此硅晶片以所说的薄金属膜粘结到带有辅助绝缘层18的器件基片10上。此后，利用如光刻、湿法或干法刻蚀，或激光切割等切割法，将器件基片10上带有平坦薄金属的该硅晶片分成并排的多条电子提供层12和欧姆电极11。清洗和漂洗后，在电子提供层12上淀积绝缘层13。在绝缘层13上，沿电子提供层12，以预定间隔淀积岛状的薄膜金属电极15用作象素。在部分薄膜金属电极15和绝缘层13上形成彼此平行延伸且垂直于欧姆电极11的总线电极16，用以连接相邻薄膜金属电极15。在绝缘层13和总线电极16上形成具有开口的第二辅助绝缘层17，以此方式使所说开口对应于薄膜金属电极15。
根据电子发射的原理，较好是薄膜金属电极15的材料具有较低的功函数φ，且较薄。为了提高电子发射效率，薄膜金属电极15的材料应该是元素周期表中的I族或II族的金属，例如Mg、Ba、Ca、Cs、Rb、Li、Sr，类似的元素也是有效的，还可以用这些元素的合金。为将薄膜金属电极15制作得很薄，薄膜金属电极15的材料应该是化学稳定的，且具有高导电性；例如，可以用单质的Au、Pt、Lu、Ag和Cu或它们的合金。也可以在这些金属上或其中涂敷或掺杂上述的低功函数金属。
总线电极16的材料可以为通常用作集成电路IC布线的Au、Pt、Al等，其厚度应足以为各器件提供基本相同的电势，合适的厚度为0.1-50微米。
本发明显示器件的驱动系统可以用简单矩阵系统或有源矩阵系统。
权利要求
1.一种电子发射器件，包括金属或半导体构成的电子提供层；形成于电子提供层上的绝缘层；及形成于此绝缘层上并面对真空空间的薄膜金属电极，其特征在于，所说绝缘层的膜厚为50nm或50nm以上，所说电子提供层由硅晶片制成，因而，在电场加于电子提供层和薄膜金属层之间时，此电子发射器件发射电子。
2.一种电子发射显示器件，包括一对彼此面对且其间具有真空空间的第一和第二基片；设置于第一基片上的多个电子发射器件；设置于第二基片的收集电极；及形成于收集电极上的荧光层，每个电子发射器件包括金属或半导体的电子提供层；形成于电子提供层上的绝缘层；及形成于此绝缘层上且面对真空空间的薄膜金属电极，其中所说绝缘层的膜厚为50nm或50nm以上，所说电子提供层由硅晶片制成。
全文摘要
一种电子发射器件具有高电子发射效率。该器件包括金属或半导体的电子提供层、形成于电子提供层上的绝缘层、及形成于此绝缘层上的薄膜金属电极。绝缘层的膜厚为50nm或50nm以上。电子提供层由硅晶片制成。在电场加于电子提供层和薄膜金属电极间时,此电子发射器件发射电子。
文档编号H01J1/30GK1252613SQ9812046
公开日2000年5月10日 申请日期1998年10月22日 优先权日1998年10月22日
发明者山田高士, 小笠原清秀, 吉川高正, 中马隆, 根岸伸安, 岩崎新吾, 伊藤宽, 吉泽淳志, 柳沢秀一, 酒村一到 申请人:先锋电子株式会社