专利名称：电子发射体的制作方法
技术领域：
本发明涉及到场发射器件领域，更具体地说是涉及到场发射器件的电子发射体结构表面的涂层。
已知现有技术在场发射器件的电子发射体结构表面上要制作发射增强涂层。这些现有技术涂层被用来改善场发射器件的发射电流特性。通常，电子发射体结构是由钼制成的Spindt尖端结构，且发射增强涂层是功函数低于钼的金属。钼的表面功函数约为4.6eV。用钼来制作诸如Spindt尖端的电子发射体结构的工艺，在本技术领域中是众所周知的。
已知现有技术的发射增强涂层是由下列各种纯金属之一制成的钠、钙、钡、铯、钛、锆、铪、铂、银和金。同时知道发射增强涂层由铪和锆的碳化物制成。已知这些现有技术涂层能够改善场发射电子发射体的发射电流特性。
但这些现有技术涂层有一些缺点。例如，许多诸如由碱金属和碱土金属制成的那些现有技术涂层，相对于诸如含氧物质之类的场发射器件中存在的某些气态物质，是极端容易反应的。许多现有技术涂层对于器件工作过程中的氧化很敏感，导致发射不稳定。碱金属和碱土金属还具有高的表面扩散系数。于是，在淀积之后，这些物质就不能稳定地保留在电子发射体结构的表面上。高的反应性和表面移动性导致发射电流不稳定，器件寿命短，而且对真空有严格的要求。
已知在本技术中还用类金刚石碳制成的薄膜来涂敷电子发射体。这种现有技术涂层也被用来降低电子发射体表面的功函数。
当电子发射体结构由金属制成且不具有制作于其上的发射增强涂层时，电子发射体结构的表面与器件中所含的含氧气态物质反应，从而将电子发射体表面转变成金属氧化物。通常出现的水汽、氧、二氧化碳和一氧化碳的含量足以在器件工作过程中导致钼发射体表面明显氧化。电子发射体结构表面特性的改变导致发射电流不稳定。而且，氧化钼，即通常制成电子发射体结构的金属的氧化物，具有比纯钼更大的功函数，导致电子发射特性不如纯钼表面的电子发射特性。
因此，需要一种改进的场发射器件，其电子发射体在器件工作过程中能够抗氧化且表面功函数小于或等于制成电子发射体结构的金属的表面功函数。
图1是根据本发明场发射器件的第一实施例的剖面图；图2和3是根据本发明场发射器件的第二实施例的剖面图；图4是根据本发明场发射器件的第三实施例的剖面图；图5和6是根据本发明场发射器件的第四实施例的剖面图；应该理解的是，为了说明的简单和明了，各个图中所示的元件没有必要按比例绘出。例如，某些元件的尺度相对地夸大了。而且，在各个图中，相同的参考号被用来表示相应的元件也是恰当的。
本发明涉及到具有用钝化层涂敷的电子发射体结构的场发射器件。此钝化层比之现有技术涂层，在化学和热力学上更稳定。例如，此钝化层在场发射器件工作过程中能抗氧化。钝化层最好由氧化物制作。功函数小于或等于电子发射体结构的功函数的氧化物最好。钝化层最好由选自下列元素的氧化物及其组合制成Ba、Ca、Sr、In、Sc、Ti、Ir、Co、Sr、Y、Zr、Ru、Pd、Sn、Lu、Hf、Re、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Th。用于本发明电子发射体钝化层的氧化物的例子有BaO、Ba3WO6、CaO、SrO、In2O3、Sc2O3、TiO、IrO2、Y2O3、ZrO2、RuO2、PdO、SnO2、Lu2O3、HfO2、ReO3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、ThO2、In2O3:SnO2、BaTiO3、BaCuOx、xBaO·HfO2、Bi2Sr2CaCu2Ox、YBa2Cu3O7-x、SrRuO3、(Ba,Sr)O、(La,Sr)CoO3和(BaO)n·(Ta2O3)m，其中x、n和m是整数。
本发明的场发射器件提供了更稳定的电子发射、更长的器件寿命、特定发射电流时的更低的工作电压，减轻了各个栅电极之间以及栅电极与阴极电极之间的短路问题，而且对真空的要求比现有技术场发射器件更不严格。
图1是根据本发明构建的场发射器件(FED)100的剖面图。FED100包括由诸如玻璃、石英之类的硬质材料制成的衬底110。阴极112位于衬底110上，由诸如钼、铝之类的导电材料制成。用诸如溅射、电子束蒸发之类的常规淀积工艺来制作阴极112。用诸如等离子体增强化学汽相淀积之类的标准淀积技术在阴极112上制作介电层114。介电层114由诸如二氧化硅、氮化硅之类的介电材料制成。用常规腐蚀工艺在介电层114中制作多个发射体阱115。在各个发射体阱115中制作电子发射体结构118。在最佳实施例中，电子发射体结构118具有圆锥形状，并可能包含由钼制成的Spindt尖端。制作电子发射体结构118的方法，对于本技术领域熟练人员来说是众所周知的。FED100还包括多个由诸如钼、铝之类的导电材料制成的栅电极116。栅电极116被图形化以提供对电子发射体结构118的选择性寻址能力。FED 100还包括与电子发射体结构118隔开且设计来接收其发射的电子的阳极122。
根据本发明，FED 100具有位于电子发射体结构118、栅电极116和介电层114上的钝化层120。电子发射体121由电子发射体结构118与制作在其上的钝化层部分120确定。
钝化层120由在FED 100的真空环境中化学和热力学稳定的材料制成。钝化层的化学和热力学稳定性提供了从电子发射体121的稳定的电子发射。特别是，钝化层120在化学和热力学上比电子发射体结构118更稳定。例如，钝化层120在FED 100的工作过程中能抗氧化。特别是，钝化层120比包含电子发射体结构118的材料更能够抗氧化。钝化层120最好用功函数比制作电子发射体结构118的材料更小的材料制成。
在图1的实施例中，钝化层120还具有高得足以避免栅电极116之间电短路的电阻。于是，钝化层120可以用诸如镧系氧化物之类的具有高电阻率的氧化物来制作。此外，若钝化层120做得很薄(单层到大约100nm)，以致薄层电阻高得足以缓和栅电极116之间的电短路问题，则可用导电氧化物来制作钝化层120。
如上所述，根据本发明的钝化层最好用氧化物制作。最好用表面功函数小于制作电子发射体结构118的材料的表面功函数的氧化物制作。在本发明的最佳实施例中，电子发射体结构118由表面功函数约为4.6eV的钼制成。
下面的表1列出了预期用于根据本发明的钝化层中的选定氧化物的功函数数值。表1的功函数取自纽约Plenum出版社1966年出版的V.S.Fomenko的Handbook of Thermionic Properties一书。特定表面的功函数部分地依赖于发射表面处晶格平面的构造。这样，表1所列的某些氧化物就具有相应的几个功函数数值。
表1本发明的钝化层所选定的氧化物的功函数
如表1所示，镧系稀土元素氧化物(La2O3、Ce2O3、Pr2O3等)具有比钼小的功函数。这些氧化物还具有高得足以防止栅电极116之间电短路的电阻率。于是，它们就适合用在钝化层120中。
借助于执行由汽相垂直(相对于阴极平面为90度)淀积氧化物的覆盖层，可以实现钝化层120。此方法可用于能够用诸如蒸发、电子束蒸发、溅射、等离子体增强化汽相淀积之类的标准汽相淀积技术来淀积的氧化物。
如参照图4-6更详细地描述的那样，也可以用液体载体来淀积钝化层120。在此特定的方法中，氧化物被分散在液体中以形成液体混合物。此液体混合物被淀积在阴极平面表面上，从而涂敷电子发射体结构118以及栅极116和介电层114的表面。然后选择性地清除液体载体。在此方法的一种变体中，可使用一种含有氧化物的金属元素的有机金属先质。有机金属先质被分散在液体载体中，并在用来选择性地清除液体载体的等离子体灰化步骤中被转换成氧化物。在图1实施例的制造中，不需要图4-6所述的牺牲层。
根据本发明的钝化层的厚度被预定以便从选定表面提供电子发射。通常，可以用较薄的膜来增强从电子发射体结构118的表面123的电子发射。例如薄膜可以包含一个材料单层。较厚的膜可以用来提供从钝化层的电子发射。这种厚膜确定电子发射体的表面，电子从这一表面发射。在图1的实施例中，钝化层120的厚度最好在50-500埃之间，以便由钝化层120确定电子发射体121的表面125。
FED 100借助于将适合于实现在图1中由从电子发射体121向外的箭头124表示的电子发射的预定电位加于阴极112、栅电极116和阳极122而工作。根据本发明的电子发射体也期望用于电极构造不是三极管形式的场发射器件。例如，本发明的电子发射体可以用于二极管场发射器件或具有额外聚焦电极的器件。
在根据本发明的场发射器件的第二实施例中，钝化层位于电子发射体结构118上；在栅电极116之间没有钝化层。图2和3示出了这一特殊构造。对于电阻率低于打算用于图1实施例中的氧化物的电阻率的氧化物是特别有用的。借助于在电子发射体结构118上选择性地淀积钝化层，避免了栅电极116之间的电短路。
图2和3是根据本发明的场发射器件(FED)200的剖面图。如图3所示，FED 200包括只位于电子发射体结构118的表面123上的钝化层220。对于由导电氧化物制成的较厚(大于大约100nm)的钝化层是特别有用的。
如图2所示，FED 200可以借助于首先在栅电极116和介电层114上制作牺牲层226来制造。牺牲层226由淀积钝化层220之后能够被选择性地清除的牺牲材料制成。牺牲层226最好由下列金属之一制成铝、锌、铜、锡、钛、钒、银。用倾斜淀积方法来制作牺牲层226，以便减少牺牲材料在发射体阱115的壁上和表面123上的淀积。
在制作牺牲层226之后，借助于执行由汽相垂直(相对于阴极板平面为90度)淀积氧化物的覆盖层，在阴极板上淀积钝化层220。此方法对于能够用诸如蒸发、电子束蒸发、溅射、等离子体增强化学汽相淀积之类的标准汽相淀积技术来淀积的氧化物是有用的。
在最佳实施例中，钝化层220的厚度在50-500埃的范围内，使得由钝化层220的氧化物确定表面225且电子发射来自钝化层220。电子发射体结构118和其上淀积的那部分钝化层220的结合，确定了电子发射体221。
在淀积钝化层220之后，用例如常规选择性腐蚀工艺，选择性地清除牺牲层226。然后，如图3所示，阳极122与阴极板组装。最好用图2和3所述的方法淀积的导电氧化物的例子是In2O3、IrO2、RuO2、PdO、SnO2、ReO3、In2O3:SnO2、BaTiO3、BaCuOx、Bi2Sr2CaCu2Ox、YBa2Cu3O7-x、SrRuO3，其中x是整数。
某些打算用于本发明电子发射体的钝化层的氧化物不是用标准汽相淀积技术常规地淀积的。这些氧化物包括但不局限于RuO2和ReO3。下面参照图4-6来描述对这些类型氧化物的淀积特别有用的方法。
图4示出了在制造根据本发明构成的FED 300的过程中制作的结构。发射增强氧化物或其先质首先被分散到液体载体中。在此例子中，液体载体是有机分布液体介质。此有机分布液体介质是诸如乙醇、丙酮或其它有机溶剂之类的液体有机材料，在淀积在阴极板上之后能够被选择性地清除。
在发射增强氧化物或其先质被分散到有机分布液体介质中之后，用诸如滚涂、旋涂之类的常规淀积方法将液体混合物涂敷到阴极板表面。在此淀积步骤中，液体混合物涂敷电子发射体结构118和牺牲层226。
在淀积钝化层320之后，从其上清除有机分布液体介质。用包括暴露于等离子体而燃烧有机分布液体介质步骤的灰化过程来达到有机分布液体介质的清除。用这种方法，实现了包括电子发射体结构118和其上制作的发射增强氧化物涂层的电子发射体321。在清除有机分布液体介质之后，用选择性腐蚀方法选择性地清除牺牲层226。然后将阴极板与阳极(未示出)组装。
在图4的例子中，最终发射增强涂层的厚度决定于发射增强氧化物或其先质在有机分布液体介质中的浓度。低浓度可以用来制作很薄的涂层。很薄的涂层导致由氧化物和电子发射体结构118确定的电子发射体321的表面325。例如，很薄的涂层可以包括一个单层发射增强氧化物。在最佳实施例中，浓度被预定成使最终涂层厚得足以确定电子发射体321的表面325。在此后一构造中，电子发射只来自氧化物涂层。此构造对功函数小于电子发射体结构118的发射增强氧化物特别有用。这些较厚涂层的厚度大于约100埃。
当发射增强氧化物的先质被用于图4的实施例时，在将液体混合物淀积在阴极板上之后，发射增强氧化物的先质被转变成相应的发射增强氧化物。一种有代表性的先质是有机金属材料，其金属化学元素形成作为发射增强材料的氧化物。在清除有机分布液体介质的步骤中，产物母体的金属化学元素被转变成发射增强氧化物。具体地说，在等离子体灰化步骤中，有机金属材料的金属化学元素被氧化。作为例子，可用来制作氧化钌的有机金属先质是十二羰基三钌[Ru3(CO)12]或钌(III)2,4-戊二酮[Ru(C5H7O2)3]；可用来制作氧化铼的有机金属先质是十羰基二铼[Re2(CO)10]。
当最终氧化物涂层的电阻率高得足以避免栅电极116之间的电短路时，图4所述的方法也可以用来制造图1所示的结构。在图4所述的方法的这一变例中，略去了牺牲层。
能够用图4所述的液体载体来淀积的某些发射增强氧化物，如果被淀积在确定发射体阱115的介电层114的表面上或邻近表面，则其导电性高得足以引起短路问题。如图5和6所述，用根据本发明的方法，这些导电的发射增强氧化物也可以选择性地淀积在电子发射体结构118上。
图5和6所示是具有含导电发射增强氧化物的钝化层420的FED400的剖面图。借助于首先将导电发射增强氧化物分散到液体负光刻胶材料中，来制作钝化层420。用诸如滚涂、旋涂之类的常规液体淀积方法，将这种混合物淀积在阴极板上。此淀积步骤通常涂敷牺牲层226和电子发射体结构118。但有些被淀积的材料可能在各个发射体阱115的底部形成底座部分422和/或可能沿确定发射体阱115的壁淀积。
如果不把它们清除，则由于导电的发射增强氧化物的电阻率较低，这些淀积的材料可能引起阴极112与栅电极116之间的电短路问题。借助于首先将阴极板暴露于一般沿垂直于阴极板平面的方向照向阴极板的平行紫外光，可以清除这些淀积的材料。在图5中，用多个箭头424来表示平行的紫外光。在曝光步骤中，确定各个发射体阱115的结构的突出的上部为底座部分422和任何淀积在发射体阱115的壁上的材料遮去紫外光。
如图6所示，在曝光步骤之后，对钝化层420进行显影，从而清除钝化层420的未被曝光的钝化层420部分。然后，例如用等离子体灰化方法，从钝化层420清除负光刻胶。用这种方式，实现了包括电子发射体结构118和其上制作的发射增强氧化物的电子发射体421。在清除负光刻胶之后，清除牺牲层226。在清除牺牲层226之后，将阴极板与阳极(未示出)组装。能够用图5和6所述方法淀积的导电的发射增强氧化物包括RuO2、PdO、SnO2、ReO3和IrO2。
用与图4所述相似的方法来确定钝化层420的最终结构的厚度。在最佳实施例中，此氧化物确定电子发射体421的表面425。
总之，本发明是为了得到具有用化学和热力学上比现有技术涂层更稳定的钝化层涂敷的电子发射体结构的场发射器件。钝化层最好由下列元素的氧化物中的一种和它们的组合制成Ba、Ca、Sr、In、Sc、Ti、Ir、Co、Sr、Y、Zr、Ru、Pd、Sn、Lu、Hf、Re、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Th。本发明的场发射器件提供了更稳定的电子发射、更长的器件寿命、在特定发射电流下更低的工作电压、各个栅电极之间以及栅电极与阴极电极之间的短路问题得到缓和，且比现有技术场发射器件对真空的要求更不严格。
虽然已经描述了本发明的具体实施例，但对本技术领域熟练人员来说，可以作出进一步修正和改进。因此应该理解，本发明不局限于所示的特殊形式，且所附权利要求覆盖了所有不超越本发明构思与范围的修正。
权利要求
1．一种场发射器件(100,200,300,400)，它包含具有表面的衬底(110)；位于衬底(110)表面上的阴极(112)；位于阴极(112)上且确定发射体阱(115)的介电层(114)；位于发射体阱(115)中且具有表面(123)的电子发射体结构(118)；位于电子发射体结构(118)的表面(123)上以确定电子发射体(121,221,321,421)的钝化层(120,220,320,420)；以及面对电子发射体(121,221,321,421)的阳极(122)。
2．权利要求1的场发射器件(100,200,300,400)，还包括位于介电层(114)上的栅电极(116)。
3．权利要求1的场发射器件(100,200,300,400)，其中钝化层(120,220,320,420)包含氧化物。
4．权利要求3的场发射器件(100,200,300,400)，其中电子发射体结构(118)包含具有第一功函数的材料，且其中构成钝化层(120,220,320,420)的氧化物具有第二功函数，氧化物的第二功函数小于构成电子发射体结构(118)的材料的第一功函数。
5．权利要求3的场发射器件(100,200,300,400)，其中电子发射体(121,221,321,421)具有表面(125,225,325,425)，且其中氧化物确定电子发射体(121,221,321,421)的表面(125，225,325,425)。
6．权利要求3的场发射器件，其中氧化物选自下列元素的氧化物中的一种和它们的组合Ba、Ca、Sr、In、Sc、Ti、Ir、Co、Sr、Y、Zr、Ru、Pd、Sn、Lu、Hf、Re、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Th。
7．权利要求6的场发射器件，其中氧化物选自BaO、Ba3WO6、CaO、SrO、In2O3、Sc2O3、TiO、IrO2、Y2O3、ZrO2、RuO2、PdO、SnO2、Lu2O3、HfO2、ReO3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、ThO2、In2O3:SnO2、BaTiO3、BaCuOx、xBaO·HfO2、Bi2Sr2CaCu2Ox、YBa2Cu3O7-x、SrRuO3、(Ba,Sr)O、(La,Sr)CoO3和(BaO)n·(Ta2O3)m构成的组，其中x、n和m是整数。
8．权利要求1的场发射器件(100,200,300,400)，其中的钝化层(120,220,320,420)主要由氧化物组成。
9．权利要求8的场发射器件，其中氧化物选自下列元素的氧化物中的一种和它们的组合Ba、Ca、Sr、In、Sc、Ti、Ir、Co、Sr、Y、Zr、Ru、Pd、Sn、Lu、Hf、Re、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Th。
10．权利要求9的场发射器件，其中氧化物选自BaO、Ba3WO6、CaO、SrO、In2O3、Sc2O3、TiO、IrO2、Y2O3、ZrO2、RuO2、PdO、SnO2、Lu2O3、HfO2、ReO3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、ThO2、In2O3:SnO2、BaTiO3、BaCuOx、xBaO·HfO2、Bi2Sr2CaCu2Ox、YBa2Cu3O7-x、SrRuO3、(Ba,Sr)O、(La,Sr)CoO3和(BaO)n·(Ta2O3)m，其中x、n和m是整数。
全文摘要
一种电子发射体(121,221,321,421),包含其上制作有钝化层(120,220,320,420)的电子发射体结构(118)。钝化层(120,220,320,420)由下列元素的氧化物中的一种和它们的组合制成:Ba、Ca、Sr、In、Sc、Ti、Ir、Co、Sr、Y、Zr、Ru、Pd、Sn、Lu、Hf、Re、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Th。在最佳实施例中,电子发射体结构(118)由钼制成,而钝化层(120,220,320,420)由功函数低于钼的功函数的发射增强氧化物制成。
文档编号H01J1/30GK1237270SQ98801204
公开日1999年12月1日 申请日期1998年6月26日 优先权日1997年7月28日
发明者巴布·查拉马勒, 松·P·帕克, 查里斯·A·罗威尔 申请人:摩托罗拉公司