专利名称：电子发射装置和使用该装置的显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子发射装置和使用该装置的电子发射显示装置。
在电子发射显示设备领域中，已知场致发射显示(FED)是一种装备冷阴极电子发射源阵列的平面发射显示装置，所述冷阴极电子发射源不需要阴极加热。例如使用Spindt型小凸出冷阴极的FED的发射原理如下虽然FED具有与阴极射线管(CRT)不同的Spindt型凸出阵列，但其发射原理与CRT类似。在FED中，电子被各栅电极吸至真空空间中，所述栅电极被Spindt型阴极隔开，然后电子碰撞涂敷在透明阳极上的荧光物质，由此导致光发射。
但是，该FED的缺陷是生产率低，这是因为作为冷阴极的小Spindt型发射体阵列的制造非常复杂，而且涉及许多步骤。
另外一种电子发射装置带有金属—绝缘体—金属(MIM)结构作为平面电子发射源。带有MIM结构的电子发射装置包括在基底上按顺序形成的作为基极的Al底层、厚度约为10nm的Al2O3绝缘层、和厚度约为10nm作为顶极的Au表层。如果MIM装置在真空中放置在相对电极下，在Al底层和Au表层之间施加一个电压，而且同时在相对的电极上施加一个加速电压，那么就会从Au表层中发射出一些电子并到达相对的电极上。即使具有MIM结构的电子发射装置也没有产生足够量的发射电子。
为改善MIM装置发射的这些缺陷，通常考虑的是必须使Al2O3绝缘层为约几纳米厚，并使Al2O3绝缘层具有均匀的质量，以使Al2O3绝缘层和Au表层之间的界面更均匀。
为产生更薄和更均匀的绝缘层，例如，一种方法是使用阳极电镀法来控制阳极电流，由此来提高电子发射特性，如在日本专利申请第7-65710号中所描述的。
但是，即使是带有用阳极电镀法制造的MIM结构的电子发射装置也只能产生约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装置和使用该装置的电子发射显示装置。
考虑到该电子发射装置的广泛应用，在电子发射装置中使用硅(Si)作为供电子层可有效地改善装置中的电子发射稳定性，而且使用通过溅射法沉积的非晶形硅(a-Si)层可有效地提高生产率，并因而是非常有用的。因此，本发明的另一个目的是提供一种具有高稳定性的电子发射装置以及使用该装置的电子发射显示装置。
为克服上述及其他问题，本发明的目的是通过根据本发明实施方案的电子发射装置来实现的，其中，根据本发明的装置包括用金属或半导体制成的供电子层；在该供电子层上形成的绝缘层；以及在该绝缘层上形成的、并朝向真空空间的薄膜金属电极，该装置的特征在于，所述绝缘层的膜厚为50nm或更大，而且所述供电子层的膜厚为2.5μm或更大，在供电子层和薄膜金属之间施加电场时，该电子发射装置发射电子。
而且使用根据本发明之电子发射装置的显示装置包括一对相互面对的第一和第二基底，在它们之间形成一个真空空间；多个设置在第一基底上的电子发射装置；设置在第二基底上的集电极；以及形成在该集电极上的荧光层，各电子发射装置包括用金属或半导体制成的供电子层；在该供电子层上形成的绝缘层；以及在该绝缘层上形成的、并朝向真空空间的薄膜金属电极，其中，所述绝缘层的膜厚为50nm或更大，而且所述供电子层的膜厚为2.5μm或更大。
根据本发明具有上述结构的电子发射装置，由于绝缘层相对较厚的厚度，于其中几乎不会产生穿孔，并因而提高了生产率。
本发明的电子发射装置是平面或点状的电子发射二极管，并可用于如象素真空管或球源、扫描或透射式电子显微镜的电子发射源、真空微电子装置等的高速装置。另外，该电子发射装置可用作发射波长为毫米或亚毫米之电磁波的小型微波管或二极管，也可用作高速开关装置。
以下结合附图对本发明的优选实施方案进行详细的描述，其中
图1是根据本发明之电子发射装置的示意性截面图；图2是说明电子发射电流与根据本发明之电子发射装置中供电子层膜厚之间的关系的曲线图3是说明电子发射效率与根据本发明之电子发射装置中供电子层膜厚之间的关系的曲线图；图4是说明电子发射电流与根据本发明之电子发射装置中薄膜金属电极膜厚之间的关系的曲线图；图5是说明二极管电流Id和发射电流Ie相对于根据本发明之实施方案的电子发射装置的驱动电压Vd的关系的曲线图；以及图6是显示根据本发明之实施方案的电子发射显示装置的示意性立体图。
如图1所示，包括在本发明中的电子发射装置具有硅(Si)供电子层12、二氧化硅(SiO2)绝缘层13、以及朝向真空空间的金(Au)制电极15，它们按顺序层积或形成在玻璃制的装置基底10的电极表面上，在该玻璃基底上预先形成由铝(Al)、钨(W)、氮化钛(TiN)、铜(Cu)、铬(Cr)等组成的欧姆性电极11。基体而言，沉积非晶形硅(a-Si)的供电子层12至厚度为2.5μm或更大。在供电子层和薄膜金属电极之间施加电场时，该电子发射装置发射电子。绝缘层13的沉积厚度相对较厚，其厚度为50nm或更大。将第二基底1固定在第一基底10上，以在它们之间形成真空空间。除玻璃外还可使用陶瓷如Al2O3、Si3N4、BN等作为装置基底10的材料。
该电子发射装置可被视为二极管，其中，其表面处的薄膜金属电极15与正向施加的电压Vd相连，而底面，即欧姆性电极11与接地电势相连。在欧姆性电极11和薄膜金属电极15之间施加例如90V的电压Vd以向供电子层12中提供电子时，产生二极管电流。因为绝缘层13的电阻大，所以大多数的施加电场被施加在绝缘层13上。电子在绝缘层13中的导电带中朝向薄膜金属电极15移动。由于电场较强，一些接近薄膜金属电极15的电子从薄膜金属电极15中通过，并在真空空间中发射出电子。
从薄膜金属电极15中释放出来的电子e(发射电流Ie)马上被施加在相对的集电极(透明电极)2上的高电压Vc加速，并在集电极处被捕集。如果在集电极2上涂敷荧光物质，即可观察到相应的可见光。
虽然硅对作为电子发射装置之供电子层12是特别有效的，但是也可使用第IV、III-V、II-VI等组的元素半导体或化合物半导体，如锗(Ge)、锗硅化合物(Ge-Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、或硒化镉(CdSe)或CuInTe2。
虽然如Al、Au、Ag和Cu的供电子层材料可有效地用作供电子层材料，但是也可使用Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、Ln、Sn、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Tl、Pb、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等。
硅氧化物SiOX(其中X代表原子比)可有效地用作绝缘层13的介电材料，也可使用金属氧化物和金属氮化物，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。另外，还可使用复合金属氧化物如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、La2Fe5O12、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，硫化物如FeS、Al2S3、MgS、ZnS等，氟化物如LiF、MgF2、SmF3等，氯化物如HgCl、FeCl2、CrCl3等，溴化物如AgBr、CuBr、MnBr2等，碘化物如PbI2、CuI、FeI2等，以及金属氮氧化物如SiAlON等用作绝缘层。
碳如钻石、Fullerene(C2n)等，或者金属碳化物如Al4C3、B4C、CaC2、Cr3C2、Mo2C、MoC、NbC、SiC、TaC、TiC、VC、W2C、WC、ZrC等也都可有效地用作绝缘层13的介电材料。Fullerene(C2n)由碳原子组成。代表性的C60是球形表面篮状分子，已知为足球分子。还已知的有C32-C960等。上述化学分子式中OX、NX等中的X代表原子比，以下也如此。
绝缘层13的膜厚可为50nm或更大，优选在100-1000nm的范围内。
金属Pt、Au、W、Ru和Ir可有效地用作电子发射侧上的薄膜金属电极15的材料。另外，也可使用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等用作薄膜金属电极的材料。
装置基底10的材料除塑料外可用陶瓷材料如Al2O3、Si3N4、BN。
虽然溅射法可特别有效地用于制造上述层和基底，但是还可有效地使用真空沉积、CVD(化学气相沉积)、激光烧蚀、MBE(分子束取向生长)和离子束溅射法。
根据本发明之电子发射装置如第一实施方案制造，并具体检查它们的性能。
首先，通过溅射分别在玻璃装置基底10的电极表面上沉积厚度为0μm(没有供电子层)、2.5μm、5.0μm、7.5μm和10.0μm的a-Si供电子层，在各基底上已预先通过溅射沉积有厚度W为300nm的欧姆性电极。制造多个该类型的初级基底。
然后分别通过溅射在初级基底的供电子层上沉积SiOx绝缘层，同时改变其薄膜厚度为50nm、400nm和1000nm。这样，制成多个第二初级基底。使用Ar、Kr、Xe或它们的混合物，或者基本上由以上稀有气体之一与O2、N2等或它们的混合物组成的气体混合物，在气体压力为0.1-100mTorr、优选0.1-20mTorr和沉积速率为0.1-1000nm/min、优选0.5-100nm/min的溅射条件下，通过溅射沉积各SiOX绝缘层。
最后，通过溅射在各基底之非晶形SiOX层的表面上沉积厚度为10nm的Pt薄膜金属电极，由此提供多个装置基底。
同时，制备透明基底，该透明基底都有形成在透明玻璃基底上的ITO集电极，并有通过常规方法在集电极上形成的相应于R、G或B颜色发射的荧光物质的荧光层。
组装电子发射装置，在每个装置中，装置基底和透明基底用支杆支撑并相互平行隔开10mm，以使薄膜金属电极15朝向集电极2，并将其中的间隙达到10-7Torr或10-5Pa的真空。
然后测量对应于绝缘层厚度为50nm、400nm和1000nm的多个装置的二极管电流Id和发射电流Ie，同时在已制备的电子发射装置上施加0-200V的驱动电压Vd。
图2说明Si供电子层的膜厚与SiOx绝缘层的膜厚为50nm、400nm和1000nm时的最大发射电流Ie之间的关系。图3说明Si供电子层的膜厚与SiOX绝缘层的膜厚为50nm、400nm和1000nm时的最大电子发射效率(Ie/Id)之间的关系。从图2和图3可以明显看出，在Si供电子层的厚度为2.5μm或更大的条件下，在绝缘层厚度为50nm、400nm和1000nm的装置中都可得到约1×10-6A/cm2的发射电流。最大发射效率(Ie/Id)在最大时可为2-30％。
从这些结果可以理解到，厚度为2.5μmm或更大的供电子层对于包括金属或半导体供电子层、厚度为50nm或更大的绝缘层以及朝向真空空间的薄膜金属电极的电子发射装置是有效的，这样，该电子发射装置在供电子层和薄膜金属电极之间施加电压时可发射电子。
而且，制造其他的根据本发明的电子发射装置作为第二实施方案，其中薄膜金属电极的厚度有变化，并具体检查它们的性能。在此情况下，通过与上述第一实施方案相同的方法制造该装置，不同之处在于所沉积的供电子层的厚度W为300nm，而Si0x绝缘层的厚度为400nm，同时薄膜金属电极由金制成，其厚度分别为2nm、5nm、10nm、15nm、50nm、100nm和200nm。所有制成的装置具有50nm、400nm和1000nm厚度之一的绝缘层，测量该装置，并比较二极管电流Id和发射电流Ie。
图4说明Au薄膜金属电极的膜厚与SiOx绝缘层的膜厚为50nm、400nm和1000nm时的最大发射电流Ie之间的关系。从图4可明显看出，在Au薄膜金属电极的厚度为100nm或更小的情况下，在绝缘体厚度为50nm、400nm和1000nm的装置中都可得到约1×10-6A/cm2的发射电流。从该结果可以理解到，100nm或更小的Au薄膜金属电极厚度对产生实际使用水平的发射电流是有效的。
因此可以发现，在具有厚度为50nm或更大的绝缘层、厚度为2.5μm或更大的供电子层以及厚度为100nm或更小的薄膜金属电极的电子发射装置中，可得到更好的结果。
图5说明二极管电流Id和发射电流Ie相对于电子发射装置的驱动电压Vd的关系，所述电子发射装置包括厚度为300nm的Al欧姆性电极、厚度为5μm的供电子层、厚度为400nm的SiOx绝缘层、以及厚度为10nm的Au薄膜金属电极。从图5可以看出，二极管电流Id具有滞后性质。在该图中，二极管电流Id的电压降出现在发射电流Ie的起始点，然后发射电流Ie升高。
在上述装置的一个实施方案的经荧光物质涂敷的集电极和薄膜金属之间施加大约4KV的电压，在所述装置中绝缘层的厚度为50nm或更大，此时可观察到相应于薄膜金属电极形状的均匀荧光图象。这说明从非晶形SiOx层中发射的电子是均匀的，而且具有高线性移动，并说明这些装置可用作发射毫米或亚毫米波长电磁波的电子发射二极管或者发光二极管或者激光二极管，还可用作高速开关装置。
通过扫描电子显微镜(SEM)可观察在上述沉积过程中由溅射所得的SiOx绝缘层的表面，发现由具有约20nm直径的颗粒表面构成的微观结构。由绝缘层的SiOx颗粒结构构成的微观结构似乎产生特别的现象，即从厚度为50nm或更大的绝缘层中通过电流。虽然SiOx在本质上是绝缘体，但是在其邻近处有缺陷或者在绝缘层的禁带中有杂质时，可产生多个具有低电势的带。假设电子从具有低电势的多个带中一个接一个地通过，然后其结果是从50nm或更厚的绝缘层中通过。
图6显示一个根据本发明之实施方案的电子发射显示装置。该实施方案包括一对透明基底1和装置基底10，它们相互面对并在它们之间形成一个真空空间4。在所示的电子发射显示装置中，在透明玻璃基底1或者显示表面(其面对底部基底10)的内表面上平行形成多个透明集电极2，该集电极例如是由氧化铟锡(所谓的ITO)、氧化锡(SnO)、氧化锌(ZnO)等制成的。集电极2可整体形成。捕获发射出的电子的透明集电极分三个组设置，相应于红(R)、绿(G)和兰(B)信号，以提供彩色显示栅格，并分别在这三个集电极上施加电压。因此，相应于R、G和B颜色发射的荧光物质的荧光层3R、3G和3B分别形成在三个集电极2上，其方式是面对真空空间4。
经由附加的绝缘层18，在玻璃装置基底10等的内表面上平行形成多个欧姆性电极11，所述内表面朝向透明玻璃基底并在它们之间形成真空空间(即所示内表面朝向透明玻璃基底1)。附加绝缘层18由如SiO2、SiNx、Al2O3或AlN等的绝缘体组成，并可用于防止装置基底10对装置产生负面影响(如杂质的洗脱，如碱性组分或者粗糙的基底表面)。在欧姆性电极11上形成多个电子发射装置S。为使邻近薄膜金属电极15相互电连接，在部分薄膜金属电极15上形成多个总线电极16，它们相互平行延伸并垂直于欧姆性电极11。各电子发射装置S包括按顺序形成在相关欧姆性电极11上的厚度为2.5μm的非晶形硅供电子层12、绝缘层13和薄膜金属电极15。
薄膜金属电极朝向真空空间4。形成带有开孔的第二附加绝缘层17，以分隔在多个电子发射区域中的薄膜金属电极15的表面。该第二附加绝缘层17覆盖总线电极16，以防止不必要的短路。
用于欧姆性电极11的材料是通常用于IC线的Au、Pt、Al、W等，而且这些材料具有均匀的厚度以在每一个装置中提供基本上相同的电流。
虽然硅(Si)是供电子层12的一种材料，但对于本发明的供电子层没有限制，而且可以使用其他的任何非晶形、多晶和单晶形式的半导体或金属。
从电子发射的原理来看，薄膜金属电极15的材料最好具有更低的功函数φ，而且更薄。为增加电子发射效率，薄膜金属电极15的材料应为元素周期表中第I或II组的金属，例如可有效地使用Mg、Ba、Ca、Cs、Rb、Li、Sr等以及这些元素的合金。为使薄膜金属电极15非常薄，薄膜金属电极15的材料应是化学稳定的且具有高导电性，例如Au、Pt、Lu、Ag、Cu的单一物质或它们的合金。用如上所述的低功函数金属涂敷或掺杂在这些金属之上或之内也是有效的。
用于总线电极16的材料可以是通常用于集成电路IC之导线的Au、Pt、Al等，而且其厚度应足以在每一个装置中提供基本上相同的电势，例如为0.1-50μm。
可使用单个基体系统或者活性基体系统作为本发明显示装置的驱动系统。
权利要求
1.一种电子发射装置，其包括用金属或半导体制成的供电子层；在该供电子层上形成的绝缘层；以及在该绝缘层上形成的、并朝向真空空间的薄膜金属电极，该装置的特征在于，所述绝缘层的膜厚为50nm或更大，而且所述供电子层的膜厚为2.5μm或更大，在供电子层和薄膜金属之间施加电场时，该电子发射装置发射电子。
2.一种电子发射显示装置，其包括一对相互面对的第一和第二基底，在它们之间形成一个真空空间；多个设置在第一基底上的电子发射装置；设置在第二基底上的集电极；以及形成在该集电极上的荧光层，各电子发射装置包括用金属或半导体制成的供电子层；在该供电子层上形成的绝缘层；以及在该绝缘层上形成的、并朝向真空空间的薄膜金属电极，其中，所述绝缘层的膜厚为50nm或更大，而且所述供电子层的膜厚为2.5μm或更大。
全文摘要
一种具有高电子发射效率的电子发射装置。该装置包括:用金属或半导体制成的供电子层;在该供电子层上形成的绝缘层;以及在该绝缘层上形成的薄膜金属电极。所述绝缘层的膜厚为50nm或更大,而且所述供电子层的膜厚为2.5μm或更大,在供电子层和薄膜金属之间施加电场时,该电子发射装置发射电子。
文档编号H01J1/312GK1252614SQ98120468
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
发明者吉泽淳志, 小笠原清秀, 吉川高正, 中马隆, 根岸伸安, 岩崎新吾, 伊藤宽, 山田高士, 柳沢秀一, 酒村一到 申请人:先锋电子株式会社