线场发射显示器的制作方法

专利名称：线场发射显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扁平平板式显示器，该显示器可以在真空隧道效应的基础上，在低压的情况下工作，因而可以实现长的工作寿命和均匀性。
在世界上应用最为广泛的显示器是阴极射线管(CRT)。但目前由于日益要求图象的显现的屏幕更大并且更清晰，因而导致对平板式显示器的极大关注。传统的平板式显示器例如包括液晶显示器(LCD)、电荧光显示器(ELD)、场发射显示器(FED)、等离子显示板(PDP)、真空荧光显示器(VFD)、扁平平板式阴极射线管和发光二极管(LED)。
在平板式显示器中，LCD最为流行，并且FED是目前由LCD制造厂家占有优势的平板式显示器市场上的一个强的竞争对手。通常LCD由单元结构构成，在每个单元结构中，将用磷涂敷的面端件与一配备有阴极发射器的背端件结合，并在两者之间具有预定的真空间隔。当将一范围由几百至几万伏的电位加在面端件和背端件上时，由电子发射器发射电子并且发射电子撞击磷覆层，发光。


图1示出一种采用微尖型真空晶体管的传统的FED的一个象素的单元结构。如图所示，该传统的FED单元结构由一面板结构1和一背板结构2构成，面板结构1包括一面板3，在该面板下面设置一个透明的阳极4，阳极的底部涂敷有磷5，背板结构2包括一个背板6，在背板上依次形成带有一尖端t的阴极9、一绝缘层8和一栅极7。
当在阴极9与栅极7之间加有一强电场时，将由阴极尖端t的金属表面根据量子力学机理发射出电子，接着发射的电子被加在透明的阳极4上的高压所加速，并且最终发射的电子撞击阳极4上的磷覆层5，发光。
为实现自由电子由金属表面在真空中的适当的发射，需要0.5V或高于0.5V的电场。为此，围绕以金属阴极尖为中心的电子发射点的栅极直径应小于1μm。制备FED中的这种微尖依赖于光刻工艺，采用此工艺可实现和保持1μm或小于1μm的分辨率。如果将曾经是非常先进的目前使用的半导体生产技术和用于其它显示器的生产技术结合在一起，则可以制备微尖，但只能是小规模的。大多数情况仍需要建立一套完整的可以批量生产微尖的工艺。
除了电极之间的间隔和形成尖的电子发射器外，为成功地制造FED还需要一种稳定和具有低逸出功的材料。这样一种稳定的和低逸出功的材料可以实现低工作电压显示。已经公布了许多有关采用诸如钼和钨等这类金属的微尖的研究报告。钼和钨的优点是机械稳定，但不足的是，它们都具有高逸出功并且将制约对尖端的曲率半径的减小。所以使用金属的FED工作电压仍然很高。
目前针对不同的方面对微尖进行了开发，该开发包括为减少逸出功对微尖的表面处理和对诸如类钻石的材料等的低逸出功材料的应用。
但根据目前的研究，采用微尖的FED现在仍有如下缺点首先是，工作时尖端将受到离子溅射的损坏。
其二是，微尖制作困难。在FED中的电子发射效率将直接影响其发光和分辨率。所以微尖的结构和制造工艺、与形状和电极间隔有关的结构最佳化和对电子发射材料的选择等都对决定电子发射效率起着关键的作用，因而是非常重要的。但就目前的微尖制造工艺仍存在技术难题。电极间的间隔和该间隔的制备方法则是另一个技术难题。
其三是，很难实现专门的均匀性。甚至在采用相同的工艺过程也不太容易实现微尖的均匀性。由于每个象素由多个单元构成，因而少许坏的单元的存在并不会严重地影响单元的功能。但如果微尖不均匀地分布在象素上，则在显示器上所获得的图象是不稳定的。
其四是，将出现闪烁。
其五是，由于在栅极与阴极尖端之间存在强的电场，因而将会出现电弧放电，导致栅极和/或阴极尖端的击穿。实际上，在加工或工作期间，真空度都会下降。另外，由于电极间的间隔非常窄，所以如果诸如非均质金属的原子等杂质分布在电极之间，则很容易引起电弧放电。
最后一点是，在栅极与阳极之间也会出现电弧放电，尽管栅极和阳极之间相互有较大的距离。尽管存在此条件，但为了加速由微尖发射的电子而对阳极所施加的高压，也会导致电弧放电。
虽然对上述技术主题取得了很大的进展，但问题根本上还是由于微尖的存在。
故本发明的目的在于克服已有技术领域中出现的上述问题并提出一种新型的扁平平板式场发射显示器，所述显示器具有一个平面单元(unitcell)结构，因而可以实现高度的集成。
本发明的另一个目的在于提出一新型的扁平平板式场发射显示器，所述显示器可以实现高清晰度和快速响应的图象，并可再现高分辨率的自然颜色。经本发明人的努力和反复研究，终于研制出一种满足上述条件的被称作KAIST场发射显示器的新型扁平平板式场发射显示器(以下简称KFED)。
根据本发明的目的提出一种双板型扁平场发射显示器，所述显示器由多个单元构成，每个单元包括一面板结构，在面板结构中的透明的面板上形成一阳极并涂敷一层磷；和一背板结构，该背板结构中在位于背板底部的槽绝缘体上和其下形成阴极和栅极，面板结构和背板结构在真空的条件下以如下方式结合在一起，磷面面向阴极，其中一个低压加在栅极和阴极之间，以便由发射点发射电子，在发射点，阴极边缘与槽绝缘体触接，并且一个高压加在阳极上，以便对发射的电子进行加速并最终使其撞击磷面，发光，由栅极和阴极间的电压对所述发射的电子的数量进行控制，所述单元按图形排列，形成表示信息的象素。
下面将结合附图对本发明的实施例加以说明，以便了解本发明的上述和其它目的和方面。图中示出图1为说明传统的场发射显示器的单元结构的剖面示意图；图2a为说明KFED单元结构的剖面示意图；图2b为说明图2a的KFED的单元结构中在阴极上应用低逸出功材料的剖面示意图；图2c示出一出于便于制作的考虑对图2b的单元结构的变型例；图3示出在图2a至2c的单元结构中的电子发射和发光的原理；图4示出根据图2的单元结构，在阴极上的电阻涂层的应用；图5示出根据图4的单元结构，在栅极极上的电阻涂层的应用；
图6分别以剖面图和平面图示出阴极结构，该阴极结构可采用各种形状，以提高加在其边缘的电场强度；图7a示出一闭合回路，该回路是通过导线和存在于KFED的单元结构中金属结间的电荷和电场实现栅极与阴极的连接的；图7b说明图7a的单元结构中阴极与槽绝缘体之间和栅极与槽绝缘体之间的界面上对低逸出功材料的应用；图8为采用有限元法获得的根据加在KFED的单元结构的栅极与源级上的1伏电压对电位变化的模拟结果；图9a示出KFED的单元结构，其中保护栅极突出于阴极电子发射点，从而实现对发射点进行保护，避免由阳极所加的高压的影响；图9b示出在图9a的结构的基础上，在阴极上对低逸出功材料的应用；图9c示出在图9b结构的基础上，在栅极和阴极上对电阻层的应用；图10示出在图9b单元结构的基础上的电子发射和发光的原理；图11示出着眼于象素的双板型KFED的结构图及单元的放大视图；图12示出着眼于象素的双板型KFED的结构，其中阴极为条带形状；图13a示出在集成型KFED中的电子发射和发光原理；图13b为图13a的集成型KFED的结构的正视图；图14示出着眼于象素的反射型KFED的结构。
下面将对照附图对本发明的优选实施例的应用加以说明，其中对相同的和相符的部件分别采用相同的附图标记。
图2a为本发明的优选实施例的场发射显示器(FED)的单元截面结构示意图。如图所示，单元结构由面板结构件1和背板结构件2构成。背板结构件2包括一个背板6，槽绝缘体8完全覆盖在该背板上，和选择性地形成一个用绝缘保护膜涂敷的阴极9，一个栅极7，该栅极7设置在槽绝缘体8的下面。栅极7起着控制电子发射的作用。面板结构件1包括一个面板3，该面板的下面设置有透明的阳极4，在阳极的底部涂敷一层磷5。一个正电压加在透明的阳极4上，以便加速发射出的电子，使之撞击荧光屏5，发光。
图2b示出本发明的另一优选实施例的FED的单元结构。该结构建立在图2a的基础之上。如图所示，特征为低逸出功和优良的机械特性的低逸出功材料11a涂敷在阴极的电子发射区上，以便实现在低的工作电压的情况下的高电子发射效率，同时绝缘保护膜10延伸覆盖低逸出功材料11a，但电子发射点除外，从而可以避免由于高压加在阳极4上电子直接由低逸出功材料11a发射出。在本发明以下的附图中示出，采用低逸出功材料对阴极进行涂敷，但阴极金属必须接受表面处理，以便降低其逸出功。
图2c示出本发明另一实施例的FED的单元结构。该结构是图2a或2b的结构的便于生产的变型形式。如图所示，在背板6上形成一栅极7，接着在产生的结构上形成槽绝缘体8。然后在槽绝缘体8上形成阴极9。在下面要说明的附图是建立在图2a或2b的基础上的，但也可以采用图2c的结构。
下面将结合图3对本发明的扁平平板式KFED的工作过程加以说明。
首先，当在栅极7和阴极9间加有一个电压(VGK)时，在栅极7和阴极9间的槽绝缘区上形成强的电场，从而增强在阴极的边缘形成的隧道效应，由阴极9边缘向真空区发射电子。这些被发射出的电子被加在阳极上的电压(VAK)所加速，撞击磷涂层5。
与传统的微尖技术相比，本发明的扁平结构制作起来更为简便。这种结构的生产可以采用印刷方法实现，因而很容易制作大屏幕荧光屏。在传统的FED中，由于应用了将导致飞弧现象的高压磷5，而产生高压放电，因而将会对微尖造成损坏。另一方面，在本发明中避免了这个问题的出现，因为电子发射是在阴极边缘发生的，因而电子发射点成环形或多边形，所述形状的区大大宽于尖点的微尖。
图4示出本发明的另一实施例的FED的单元结构。该单元结构的特征在于，阴极电阻层12a设置在阴极9上面并在电子发射区用低逸出功材料11a涂敷。绝缘保护膜10覆盖暴露在外面的阴极电阻层12a和低逸出功材料11a上，但电子发射点除外。在该结构中，阴极电阻层12a的作用就象一条负载线，用于限制由于无数电子的发射产生的微单元电流。这种扁平的阴极电阻层的存在有助于提高电子发射的均匀性。另外，当电压加在阴极9与栅极7之间时，阴极电阻层12a起着限制在短路时的最大电流的作用，因而总是有大大多于短路单元的正常的单元在工作，从而提高了生产的成品率。
电阻层不必仅用于阴极。在槽绝缘体8和栅极7之间，例如如图5所示，可以插入一栅极电阻层12b。在此情况时，与图4的结构相比，可更好的增强在单元短缺时对单元的保护。
图6示出旨在增强电场、实现高放电电流的不同形状的阴极。由阴极边缘放电的电流的强度是逸出功和场强的函数。由于低逸出功很低或电场强度很高，因而放电电流增大。故在采用相同电压的情况下，将提高电场强度并且由于阴极电子发射区，例如阴极边缘的曲率半径很小，将增大放电电流。如图6所示，由于本发明的单元为扁平结构，因而阴极电极可以制成诸如圆形、尖塔形、多边形等各种形状。
本发明就原理而言适用于由阴极向真空的电子发射。为便于对本发明更深入的理解，下面将对由金属向真空区的电子发射进行详细说明。
通过强的电场将很容易产生由金属向真空的电子发射。详细地说，当将一强的电场加在金属上时，将减少在金属表面的势垒高度和宽度，从而可以很容易产生隧道效应。为由金属向真空发射电子，需要的大小为109(V/m)。此点适用于其逸出功范围从约3-5电子伏特的纯金属。但特殊的金属成分或诸如钻石或类钻石的碳等非金属具有的逸出功很低，其范围为约0.1-1电子伏特，因而可以在107-108(V/m)电场的情况下，以类似的程度形成电流。根据本发明，应用这些材料产生电子发射。这些材料由于逸出功很低，因而用于作为源材料或将这种材料薄薄地涂敷在源上，实现KFED，可以在低电压情况下工作。
根据福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)公式，该数学公式Ⅰ表述如下，求出由金属向真空发射的电子的电流强度J=1.54×106·E2Φ×t(y)2·ϵ-6.83×107×φ32×v(y)E-----(1)]]>式中Φ表示与金属逸出功相对应的电位差，t(y)表示就发射出的电子的象力的椭圆函数，v(y)表示接近于1的椭圆函数，和E表示加在金属表面的电场强度。
有时，在金属表面会有轻微的突起。已知由于这种突起将造成电流的增大，该增大达几百至几千倍。
如图2a、2b和2c所示，本发明的KFED的基本结构可以根据由阴极发射的电子确定电流。发射的电子的量取决于栅极与阴极间范围附近的电场强度和阴极金属的逸出功。围绕阴极电极边缘的电场强度是加在阴极与栅极间的电位的函数并且是两者间的槽绝缘体的厚度和其介电常数的函数。
所以，在阴极的逸出功(qφ)和电场强度给定的情况下，可以根据数学公式Ⅰ计算出电流密度(J)。从公式推导出，对阴极添加的低逸出功材料、减少阴极边缘的曲率半径和通过提高阴极与栅极间的电压增强电场，都会导致电流密度的增强。由于在传统的FED中阴极尖端与栅极间的间距与KFED的槽绝缘体的厚度相符，所以需要薄的槽绝缘体，以提高电子的发射效率。
在传统的FED中，当设定阴极的尖端与栅极的间距为1μm或小于1μm时，则将在阴极尖端与栅极之间出现电弧放电，击穿电极。所以，仅在一定限度内可以缩小两个电极之间的距离。另一个增大放电电流的方法是减少阴极尖端的尖的曲率半径，以便提高作用电场的场强。但减少曲率半径是一个难度非常大的工艺。因此传统的FED具有结构上的缺欠，如果不增大栅极电压就不能实现足够的放电电流。栅极的高工作电压需要高电压工作的集成电路，因而将提高生产成本和增大功耗。
就上述KFED而言，在栅极和阴极之间存在槽绝缘体，该绝缘体起着避免在传统的结构中经常会出现的电弧放电的作用。因而可以避免栅极被击穿。在本发明中，槽绝缘体很薄，因而在栅极电压大大低于传统结构中的栅极电压的情况下，即可实现电子发射。这种效应导致可以采用MOS工艺实现低功率-低电压工作的集成电路，适用于在KFED中工作。所以KFED在费用上是有竞争性的。
另外，当槽绝缘体的介电常数为_x，则在真空槽区(在此处槽绝缘体与阴极触接)中的电场强度E将增长_x倍。另外采取阴极边缘小的曲率半径的方法也可以增大电场的场强E。所以本发明的FED具有大的电流密度(J)。
当阴极由钨(W)或钼(Mo)构成时，其逸出功大约为4.5电子伏，此值对产生优选的电流强度过大。另一方面，当采用低逸出功材料，例如钻石或类钻石的碳，用于阴极时，甚至在非常低的电场情况下也可以实现所需的电流密度。出于对低逸出功材料的导电性和可加工性的考虑，另一方案是，阴极主要由导电性能好的材料制成，并且接着涂敷一层低逸出功材料。目前，据报告，采用涂敷有钻石或类钻石的碳，利用其逸出功低、化学稳定、在导热和导电方面的优势和耐高温等优点，成功地解决了稳定电子发射和改善放电性能的问题。
下面将对在对阴极涂敷低逸出功材料的情况下，由于两种材料的逸出功的差异而出现的问题加以说明。即对当栅极的金属的逸出功与阴极的金属逸出功不同而可能产生的问题加以讨论。另外，当连接栅极和阴极的导线的逸出功不同于栅极和阴极的逸出功时，下面的讨论还包括在这种不同的金属连接的情况下出现的问题。
假设有两种具有不同的逸出功的金属以不同的间隔相互与绝缘体连接，其中两个金属的间隔分别为dm1和dm2，当dm1＜＜dm2时，两种导体间的逸出功的差用下式表示qΔφm=qΦm1-qΦm2，其中ΔΦm为两种金属间的电位差。当带有在两者之间的绝缘体的两种金属上产生电位差Δφm时，在两种金属与绝缘体之间的界面存在一个一定量的电荷(ΔQ)，同时在绝缘体内产生一个电场E。在该条件下，当由外部在两个金属上加有一个电压时，如果间距很短，dm1，利用隧道效应的优点，则电子很容易就穿透绝缘体。另一方面，绝缘体的长间距，dm2，使电子穿过绝缘体实际上是不可能的，除非电压特别高。
参照图2a-2c，考虑到此情况，假定阴极金属通过导线与栅极金属连接。图7示出在得出的结构中阴极与栅极间的结。在图中，假定阴极、栅极和导线都是铝的并且阴极的一部分涂敷有导电的低逸出功材料。沿虚线形成源级-结1-低逸出功材料-结2-栅极的结构。即形成一闭合回路，两种金属利用在其间的两个结相互连接。
由于结1常常不具有间隔(dm1-0)，所以源级直接与栅极触接。所以，尽管由于两种金属的逸出功不同存在电位差，但根据隧道效应电子可以不受约束地在两种金属间移动。此连接被称作欧姆触接。
但在低逸出功材料与栅极之间的结2处，不能期望产生隧道效应并且因此电子的移动不会发生，这是因为与结1相比，结2具有大的间隔(dm1＜＜dm2)。尽管如此，在低逸出功材料与栅极之间存在与其逸出功差相符的电位差。因此电荷ΔQ分别在绝缘体的界面上。如图7a的局部放大图所示，+ΔQ和-ΔQ分别加在绝缘体的低逸出功材料一侧和栅极一侧，产生绝缘体内部的电场，该电场的方向是由阴极至栅极。
当对由阴极的电子发射存在一抑制作用时，该电场的方向将导致一偏离电压，如果器件旨在通过在栅极和阴极上加电位而工作的话，则就必须克服此偏离电压。为了降低门限电压，用于栅极的金属也必须选用低逸出功材料。
如图7b所示，采用与涂敷在阴极一侧的材料相同的材料用于栅极一侧，以降低偏离电压。在该结构中，阴极与栅极之间不再存在偏离电压，这是因为与结1相同，在栅极S一侧形成的结3是欧姆触接。另外，图7b的结构的特征在于，低逸出功材料并不涂敷在阴极上，而是涂敷在槽绝缘体上并接着采用用于阴极的导体进行涂敷。该结构以与上述相同的方式工作。
下面将对电子是否可以由在阴极一侧的低逸出功材料向槽方向发射加以讨论。如图7a和7b所示，将向右侧的槽的方向设定为X方向，其起始点在低逸出功材料的端部。为了实现x=0的情况下由低逸出功材料向真空的电子发射，必须克服低逸出功材料与槽之间的逸出功的差。由于槽已经达到真空程度，所以问题是，电子如何克服低逸出功材料本身的逸出功。此点是根据隧道效应，通过将一电压加在栅极与阴极上实现的。当在栅极与阴极之间存在电位差时，绝缘体内部电场的强度大致是由公式E=V/d决定的。在x方向上存在一被称作边缘电场的电场。在x=0的点上边缘电场的强度最大并且离源级S越远(X＞0)，则越弱。
图8示出了此趋势。在图中，假设源级和栅极由相同的材料制成，其之间的间隔(dm2)为20nm并且采用真空替代绝缘体，当将1V加在阴极和栅极上时，与x轴的距离相对应绘制出电位分布。最重要的一点是，在x=0附近的电场强度(在x方向的的电位曲线的斜率)。根据福勒-诺德海姆公式可以得出，电场强度越强，则发射的电子就越多。
如上所述通过将真空作为阴极与栅极之间的绝缘层所获得的结果在图8中示出，但或多或少与由于槽绝缘体的介电常数导致的实际情况有所不同。例如，用SiO2形成绝缘体的情况，由于SiO2的介电常数为-r-4，所以阴极与栅极的间隔dm2必须增大-r倍，例如为80nm，以便在与上述相同的条件下实现对在x方向的电场的如图8所示的相同量度。因此与加在栅极-源级上的相同的压差1V相对应，当间隔dm2增长四倍时，则在绝缘层SiO2内的电场强度E减少到四分之一。尽管如此，电通密度D仍保持不变，这是因为电通密度表明的关系是D=-x-cE。通常，电通密度D取决于通路，栅极-绝缘体-部分真空槽-源级，并且当通路进入真空越长，则越弱。但考虑到阴极边缘的边界条件，完全可以认为，在与阴极触接的真空槽边缘上的电通密度D与相邻的绝缘体内的电通密度的差别并不是很大。因此，与阴极触接的真空槽的边缘上的电场E被增强约-r倍，大于相邻绝缘体内的电场。换句话说，在起始点x=0附近的真空槽边缘的电场是最强的并且随着x的增大变弱。
所以，采用如下方式实现由阴极一侧的低逸出功材料的电子发射，电子由与槽触接的边缘(x=0)向真空槽边缘方向发射，在此处电场最强。发射的电子被加在栅极上的电位所吸引，从而堆积在槽区的绝缘层上。在此情况下，一部分电荷由于阳极电位的作用而溢出，同时由阴极提供相同量的电荷，从而形成电流。只要由于绝缘层的厚度和在绝缘层上形成的表面能级没有加相当高的电压，则作为向真空发射的结果的电荷将堆积在槽绝缘层上，不太容易实现通向栅极的隧道效应。因此，可以安全地加在栅极上的电压范围是绝缘层的种类和厚度的函数。
上述说明仅涉及导电的低逸出功材料涂敷的源级S。对采用非导电的材料，例如钻石或类钻石的碳涂敷，很难对欧姆触接进行说明。即使在此情况下，经实验表明，与导电的涂层的情况相同，在低电场的情况下也很容易实现由覆层表面的电子发射。
下面将说明栅极是否可以很容易地控制阳极电流，当在阳极电压控制下的电场激励下电子离开阴极表面时，该阳极电流开始流动。加在阳极上的电压越高，被加速的电子的能量就越大。因此，使用高电压的磷会使得发光效率增大。但该高的电压非常易于导致在传统的微尖型FED中出现的飞弧现象。一旦发生飞弧，则在导电状态下栅极电压无法控制阴极电流。在本发明的结构中，如图3所示，该问题几乎可以被克服掉。
当阳极电压特别高时，就避免飞弧现象的出现而言，图9a-9c中所示的结构要好于图2a-2c中所示的结构。图9中所示的结构的特征在于，在背板结构的顶部设置有一个保护栅极13，其中在图2所示的背板结构的上面还形成一绝缘体10。保护栅极13以如下方式设置在绝缘体10的上面，即保护栅极13突出于阴极电子发射点，从而对电子发射点实施保护，避免受到来自阳极的高电压的影响。在采用此种结构时，保护栅极13由一种金属制成，其所具有的高逸出功使在阳极电压的影响下不会有电子直接由保护栅极金属中发射出。
图10示出图9的附加了保护栅极的结构的工作。与图3所示的工作相比，该工作的特征在于，添加的保护栅极13具有一低于阴极9电压的负压VGk2。通过对加在保护栅极13的电压VGK2的控制，可对在阴极9一侧的低逸出功材料11a进行屏蔽，避免受到阳极高压VAK的影响并且可以降低近面电场或将其保持在负值上。所以可以通过栅极的控制实现对阴极一侧的电流的控制，栅极的控制可避免飞弧的出现。
下面将对在本发明的FED单元结构基础上的多个象素具体地加以说明。
图11为本发明整个扁平平板式FED的局部图示以及一个单元的图示。在背板6上，该背板如图所示，例如是一玻璃基片、一硅基片或一金属板，形成一栅极7，接着在栅极7上形成槽绝缘体8。在设定槽绝缘体的厚度时，必须对绝缘击穿加以考虑。采用半导体光刻工艺或丝网印刷工艺，将阴极9设置在槽绝缘体8上，并且如图4所示可选择涂敷一层旨在限制在每个单元中可能出现的最大电流的电阻层。为提高电子发射效率，在电阻层上涂敷一层低逸出功材料。在涂敷低逸出功材料后，接着在涂层上形成一绝缘体并在其上设置一保护栅极，以便解决由于高压造成的问题。最终完成背板结构。
为实现由槽绝缘体8与阴极9边缘触接的界面上的更好的电子发射，可以将阴极边缘加工成具有最小的曲率半径或形成一种如图6所示的适用于增强边缘处的电场的结构。为了使背板结构6与面板结构保持一定的间隔，扁平平板式场FED必须具有间隔件。所述间隔件优选具有充分的机械强度，足以使背板6和面板3相互保持预定的间隔。其它的要求是，必须将它们制作得很细并且纵向延伸并具有优良的绝缘性能。已知的在集成电路工艺中作为绝缘体的聚亚酰胺可以用于此间隔件。除此之外，在传统的FED中采用的材料也可以用于本发明的结构。间隔件的结构不仅可以是如图11所示的支柱17形状，也可以是在PDP中采用的间隔壁。在后者情况时，当将间隔壁设置在面板结构和背板结构上之后，采用丝网印刷方法以如下方式实现面板结构与背板结构的连接，即其间隔壁相互成直角。最终在间隔壁的交叉点上形成一个象素。
就面板3的结构，它以形成一薄的透明的导电膜开始，由例如在玻璃基片上的铟锡氧化物(ITO)构成。该透明的导电的膜(ITO)作为阳极电极4并可以使由磷5产生的光通过其本身。与在PDP中相同，可以将旨在易于收集电流的汇流电极以阵列形式设置在透明的导电的阳极上，该阵列不会影响图象的显示。对涂敷在透明的导电膜上的磷5，在充分考虑到工作电压、电流和发光效率的情况下可以选用高压型的和低压型的。
当由阳极电场加速的发射电子对磷5进行撞击时，产生可见光，该可见光穿透透明的导电膜阳极4和面板3。为了显现颜色，有三种磷，每种分别发出红、黄或绿光，相应涂敷在透明的导电膜上。通过控制加在栅极7和阴极9上的电压，可以在预期的象素上获得预期的颜色。在采用磷的自然光实现一种颜色有困难时，则可以采用一种如下的结构，在该结构中采用白色光的磷并且将滤色器设置在面板的透明导电膜上，从而从白色的磷上分出三种颜色。在面板3和背板6间必须保持高度的真空，以便避免由阴极发射的电子在到达面板上的磷之前与空气中的电子相撞。
与图11中示出的阴极相对照，图12示出建议采用的条带状的阴极。也可以用图13b中所示的梳齿形状取代条带形状。在图12的放大图中示出条带形状的单元结构，该结构与图11所示的单元结构基本类似。在栅极7上设置有一个槽绝缘体8，在槽绝缘体上顺序形成阴极9、低逸出功材料11a和绝缘保护膜10。必要时，还可以具有一保护栅极。电子由低逸出功材料11a侧发射出，在该侧低逸出功材料与栅极7触接，在两者之间的是槽绝缘体8。与图11的结构相同，该电子发射点分布很宽。除了图11和12的结构外，根据材料特性、所加的电压等，为了采用如图6所示的各种阴极形状，也可以设计其它的不同的扁平平板式FED的结构。
本发明的扁平平板式FED可以分成三种结构类型一种是如图11和12所示的双板型，该种显示器由以下器件构成一面板，该面板具有阳极和磷，和一背板，该背板具有阴极和栅极；另一种是如图13a和13b所示结构的集成型，其中在同一块板上形成阴极、栅极和磷涂敷的阳极；和第三种是如图14所示结构的反射型，由一具有阴极和栅极的面板、一具有磷和阳极的中间板，和一具有吸气剂的背板构成。
不同于图11和12的结构，在该结构中元器件分散在面板和背板上，图13a和13b结构的特征在于，所有电极和磷都在背板上形成。它们被有别地分别被称作双板型和集成型。就单元结构和电子发射原理而言，集成型结构与双板型结构等同。图13a示出集成型的双单元结构。如该剖面图所示，每个单元被绝缘的间隔壁15分隔开。可以采用丝网印刷工艺建立这种绝缘的间隔壁。在该间隔壁的位置，可以采用如图11和12所示的绝缘的支柱。在间隔壁或绝缘支柱上可以设置一透明的玻璃面板3，由磷5发出的光穿过该玻璃面板3。由于仅由磷5产生的光穿过透明的玻璃面板3，如果它的机械强度和光透射率得以适当地保持的话，所以该结构易于制作，不需要特殊的工艺辅助。
在背板6上，栅极7和槽绝缘体8叠置在一起，接着将阴极9在单元的相对的边缘处设置在槽绝缘体8上，在单元的中间设置有一用于阳极的粗的绝缘托件16，此后将一用磷5涂敷的阳极4设置在托件16上。与双板型相同，可以对发射电子的阴极9的选择区进行表面处理，以便降低其逸出功。另外，也可以将低逸出功材料涂敷在选择区上。
图13b示出为梳齿形状的阴极。在此情况时，由于齿在其端部具有小的曲率半径，绝大部分电子是由该端部发射出的，因而将大大改善其发射效率。利用此效应，如果阴极采用梳齿形状，则可以省去表面处理或采用低逸出功材料的涂敷。利用阴极和阳极间的一个位置，将保护和极化栅极14设置在厚的绝缘层上，该绝缘层预先已设置在槽绝缘体8上。如图13a所示，为了避免由于阳极的高压造成的阴极飞弧，由金属构成的保护和极化栅极14高于阳极托件16，但低于绝缘间隔壁或绝缘支柱。由于保护和极化栅极14的存在，电子由阴极沿一弯曲轨迹向阳极移动。由于磷涂敷在阳极的上表面，电子撞击磷，发光。设置在保护和极化栅极14间的阳极4，在较粗的阳极托件16上扁平地形成。这足以使加有高压的阳极与阳极托件16绝缘。
图13a示出本发明的集成型的FED的工作。与双板型的FED相同，当电压(VGK)加在栅极7和阴极9上时，在槽绝缘体8上形成一电场，导致隧道效应的产生，从而由用低逸出功材料涂敷的阴极边缘向真空发射电子。电子的发射是由加在位于单元边缘的阳极与位于单元中部的阴极的电压(VAK)控制的。
此时，保护和极化栅极14可以使阴极电压受负值或正值(VPK)的控制，保护阴极，避免受到阳极高压的影响。由于保护和极化栅极14高于阳极4，发射的电子在弯曲的轨迹上被电场加速，该电场向阴极的电子发射点施加影响，使电子撞击涂敷在阳极4上的磷。
在保护和极化栅极14下面的绝缘层起着对不必要的电子发射的抑制作用，该发射是由于栅极电压(VGK)和保护和极化栅极电压(VPK)间的差造成的。
图13b为图13a的集成型FED的正视图。如图所示，通过绝缘间隔壁的分割形成列，同时通过在绝缘体下面对栅极的排列形成行。栅极7特别是在阴极9下面纵向过度伸长。此点旨在建立电场集中在阴极边缘的条件，同时减少其它区的不必要的电容。如图13a所示，通过间隔壁15被分割形成单元，同时一阴极9设置在绝缘间隔壁15附近，一阳极4设置在中间区，并且一保护和极化栅极设置在绝缘间隔壁之间。在上述集成型显示器中所有的器件都排列在一块板上，与阳极和阴极分别设置在一单独的板上的双板型显示器相比，在制造和组装方面都优于后者。
图14示出本发明的一种反射型扁平平板式FED。
在该结构的单元中，一阴极9和一栅极7是透明的并在面板3上形成，一磷5的光通过面板3是可见的。由诸如铝等高反射性的金属构成的阳极4设置在中间板19上并用磷5对其涂敷。在磷涂敷的区之间建立有许多孔眼18，受磷光的照射产生的气体分子可以顺畅地通过这些孔眼。一疏松的吸气剂20设置在背板21上，用于快速吸收通过孔眼18到达的气体分子。
在图11和12中所示的双板型的显示器中，一些通过磷光发射的光线通过面板由显示器中射出，同时剩余的光射向显示器内部。因此实际上只有一半光在双板型显示器上可以实现可视效果。另一方面，在图14所示的反射型结构中，由磷光产生的光线被射向面板或被诸如铝等阳极金属反射，所以几乎产生的所有光线都通过面板从显示器中射出。即这种反射型的结构的发光效率是双板型结构的两倍。通过将撞击磷的电子的数量减少一半或通过减少阳极电压，以便降低电子撞击磷的能量，可以实现采用双板型FED时的相同的光密度。所以这种反射型的结构可以在低阳极电压情况下工作并因此对低压FED是特别有益的。
为了实现稳定的电子发射特性，必须将FED保持在高真空度的情况下。为此，一种具有对气体材料良好的吸收性能的吸气剂设置在反射型结构的内部。图11、12和13a中所示的双板型或集成型结构不能在磷附近应用吸气剂，但在图14所示的反射型结构中应用了一种吸气剂，用于俘获由于光线而产生的气体分子。由于气体分子从面板开始可以顺畅地通过中间板的孔眼，到达具有吸气剂的背板，所以此点是可能的。综上所述，反射型结构与其它类型的结构相比的优点在于，它更易于保持高真空度。
如上所述，与传统的微尖型FED相比，本发明的扁平平板式FED(KFED)非常易于制造，这是因为可以将传统的半导体制造工艺与丝网印刷技术结合一起应用。特别是，KFED采用平板结构，该结构并不要求高精密的工艺，设备投资费用不大并且预期可实现高的生产率。
另外，KFED可以实现高清晰度的画面并且可以以高分辨率显现自然颜色。
与LCD相比，KFED可实现自然光。另外，KFED可以实现宽广角大屏幕薄板显示，它比CRT要轻得多。而且KFED具有快速响应性能并且由于功耗很低，因而在能效率上也具有优势。所以，预期本发明将把进一步改进的效果用于图像显示。
上面结合附图对本发明作了说明，显然，其中所采用的技术仅仅出于说明目的，而没有限定作用。根据上述教导，可以对本发明作出改型和变动。所以，应认识到，以与具体描述的方式有别的其它方式对本发明的实施仍在权利要求的范围之内。
权利要求
1．一种双板型扁平线场发射显示器，由多个单元构成，每个单元包括一面板结构，其中在透明的面板上形成一阳极并且用磷对该阳极涂敷；和一背板结构，其中在槽绝缘体上或下面形成一阴极和一栅极，背板在所述槽绝缘体下面，面板结构以如下方式在真空条件下与背板连接，磷面向阴极，其中一低压加在栅极与阴极之间，以便由发射点向真空槽发射电子，在该发射点处阴极边缘与槽绝缘体触接，并且一高压加在阳极上，以便对发射的电子加速并最终使电子撞击磷，发光，所述发射的电子的数量受栅极与阴极间的电压控制，所述单元按图形排列，形成表示信息的一个象素。
2．按照权利要求1所述的一种双板型扁平线场发射显示器，其特征在于，采用低逸出功材料对所述阴极向真空槽暴露的表面涂敷。
3．按照权利要求1所述的一种双板型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在阴极与槽绝缘体之间。
4．按照权利要求2或3所述的一种双板型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在栅极与槽绝缘体之间，以便降低偏离电压，该电压对加在栅极与阴极之间的电压起抵消作用。
5．按照权利要求1至3中任一项所述的一种双板型扁平线场发射显示器，其特征在于，用绝缘保护膜和保护栅极以如下方式依次覆盖阴极，使保护栅极面向真空槽突出于阴极电子发射点，从而在槽绝缘体的上面形成一个间隔，以便对发射点进行保护，避免受到由阳极的高压的影响。
6．按照权利要求4所述的一种双板型扁平线场发射显示器，其特征在于，用绝缘保护膜和保护栅极以如下方式依次覆盖阴极，使保护栅极面向真空槽突出于阴极电子发射点，从而在槽绝缘体的上面形成一个间隔，以便对发射点进行保护，避免受到阳极的高压的影响。
7．一种集成型扁平线场发射显示器，由多个单元构成，每个单元包括一透明的面板；一在背板上形成的栅极；一在栅极上形成的槽绝缘体；一绝缘的阳极托件，该托件具有预定的宽度和厚度并在槽绝缘体上形成；一在阳极托件上形成的阳极；一涂敷在阳极上的磷；保护和极化栅极，以阳极为中心相对设置，所述栅极由导体构成，该导体具有一间隔结构并高于阳极；一具有一厚度的绝缘层，在保护和极化栅极与槽绝缘体间形成；和一阴极，该阴极位于阳极对面，在槽绝缘体上，槽绝缘体带有一保护和极化栅极，该栅极位于阴极和阳极之间，所述单元采用绝缘间隔壁相互绝缘，所述间隔壁高于保护和极化栅极，并位于保护和极化栅极之间，在槽绝缘体上，成对称排列，覆盖阴极，并与面板和背板一起形成真空槽，其中一电压加在栅极和阳极之间，以便由阴极发射电子，所述发射的电子通过保护和极化栅极沿弯曲的轨迹撞击在磷上，从而发光，光线穿过面板。
8．按照权利要求7所述的集成型扁平线场发射显示器，其特征在于，采用低逸出功材料对面向真空槽暴露的所述阴极的表面进行涂敷。
9．按照权利要求7所述的集成型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在阴极与槽绝缘体之间。
10．按照权利要求8或9所述的集成型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在阴极与槽绝缘体之间，从而降低偏离电压，该电压对加在栅极与阴极间的电压起着抵消作用。
11．一种反射型扁平线场发射显示器，由多个单元构成，每个单元包括一面板结构，该结构包括一透明的在面板下面的栅极；一透明的在栅极下面的槽绝缘体；一透明的用于发射电子的阴极，该阴极在槽绝缘体下面形成；和一绝缘保护膜，该保护膜在阴极下面形成；一背板结构，该结构包括一阳极，该阳极由高反射金属构成，在背板上形成；和一涂敷在阳极上的磷，所述面板结构以如下方式与所述背板结构连接，阴极面向阳极并利用支柱以一定的间隔将两个板结构分隔开，形成一真空槽空间，所述单元按一图形排列，形成一表示信息的象素，其中由阴极发射电子，电子撞击在磷上，产生光，光穿过透明的阴极、透明的槽绝缘体和透明的栅极，从而实现图象的显现。
12．按照权利要求11所述的一种反射型扁平线场发射显示器，其特征在于，采用低逸出功材料对面向真空槽暴露的所述阴极的表面进行涂敷。
13．按照权利要求11所述的一种反射型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在阴极与槽绝缘体之间。
14．按照权利要求12或13所述的一种反射型扁平线场发射显示器，其特征在于，低逸出功材料加在阴极与槽绝缘体之间，从而降低偏离电压，该电压对加在栅极和阴极之间的电压起着抵消作用。
15．按照权利要求11至13中任一项所述的一种反射型扁平线场发射显示器，其特征在于，保护栅极以如下方式设置在绝缘保护膜的下面，保护栅极面向真空槽突出于阴极电子发射点，从而在槽绝缘体下面形成一间隔，以便实现对发射点的保护，避免受到阳极的高压的影响。
16．按照权利要求14所述的一种反射型扁平线场发射显示器，其特征在于，保护栅极以如下方式设置在绝缘保护膜的下面，保护栅极面向真空槽突出于阴极电子发射点，从而在槽绝缘体下面形成一间隔，以便实现对发射点的保护，避免受到阳极的高压的影响。
全文摘要
本发明涉及一种扁平平板式场发射显示器,其单元结构采用平面阴极结构,而不是传统的微尖结构,从而可提高集成度并且可以在低工作电压情况下以高速工作。根据该结构,在阴极的下面形成一槽绝缘体并且一栅极设置在槽绝缘体的下面。通过栅极电压可对由阴极的电子发射进行控制。采用该结构可简化制造工艺,并可以非常简便地实现电极间的间隔控制,因而此种显示器适用于从小屏幕到大屏幕显示的几乎所有视频系统。
文档编号H01J29/74GK1301396SQ99804293
公开日2001年6月27日 申请日期1999年3月22日 优先权日1998年3月21日
发明者曹圭亨, 丁南声, 蔡均, 柳泰夏, 弘钟运, 柳承卓, 金荣基 申请人:韩国科学技术院