專利名稱：具有集成三極管結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射顯示器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場致發(fā)射顯示器(FED)。
背景技術(shù)：
場致發(fā)射顯示器(FED)是那些通過因為在強電場下引起的隧道貫穿效應(yīng)而從金屬和半導(dǎo)體表面上發(fā)射到真空中的冷電子與熒光體相碰撞而發(fā)光的顯示器。
當熒光體，像陰極射線管(CRTs)那樣，受到電子束激發(fā)時，F(xiàn)ED就會發(fā)光。因此，F(xiàn)ED具有很多優(yōu)勢，例如全色、全灰度、高亮度、較快的響應(yīng)時間、寬視角、寬泛的工作溫度和濕度范圍。而且，F(xiàn)ED能夠按照厚度薄和重量輕且?guī)缀醪话l(fā)射電磁射線的平板顯示器(FPDs)的形式實現(xiàn)。
FED不僅能夠用作圖像顯示裝置，而且也可用作真空熒光顯示器、熒光燈、白光光源、以及液晶顯示器(LCDs)的背光。
FED的典型結(jié)構(gòu)示例如圖1所示。
順序地在襯底1上形成用導(dǎo)電金屬制成的陰極2和用非晶硅(a-Si)制成的電阻層3。在電阻層3上形成由絕緣材料制成的柵絕緣層4且具有阱4a，其中暴露出電阻層3的一部分表面。在阱4a中絕緣層3所暴露出的表面上放置發(fā)射極5。柵絕緣層4上具有帶有與阱4a相對應(yīng)的柵6a的柵極6。襯底1、陰極2、電阻層3、帶有阱4a的柵絕緣層4、發(fā)射極5、以及柵極6構(gòu)成了后面板。
陽極7作為透明電極放置在柵極6的上方而且與柵極6間隔開一段預(yù)定的間距。陽極7形成于前板8的內(nèi)表面上，前板8與襯底1一同形成一個密封的真空間隙。熒光體層(未示出)形成于陽極7的內(nèi)表面上或鄰近陽極7的內(nèi)表面。陽極7、熒光體層、以及前板8構(gòu)成了前面板。
前后面板之間用分隔物相互分隔開一段預(yù)定的間距并且把它們的邊緣密封上。在前后面板之間限定了一個真空間隙。
FED的工作原理如下。在柵極6和陰極2之間使用多種矩陣尋址技術(shù)施加電壓。當在柵極6和陰極2之間施加電壓時，發(fā)生隧道貫穿效應(yīng)，因而從發(fā)射極5上發(fā)射出電子。電子被陽極電壓加速并撞擊到放置在陽極7內(nèi)表面的熒光體層上。受激的熒光體層發(fā)光。
為了使通過隧道貫穿效應(yīng)從發(fā)射極上發(fā)射電子容易，發(fā)射極的尖端和柵6a之間的間距必需很短。在這點上，最好把阱的直徑設(shè)置得更短些。最近，已經(jīng)做出努力，形成了具有大約0.5到2μm，最好達1μm或更小直徑的阱。作為示例，韓國專利申請未審公開No.2002-0041665公開了一種使用陽極氧化處理形成具有亞微米直徑的阱的方法。
在FED中，隨著前后面板之間的間隙增大，陰極和陽極之間的間距就增大。在這點上，為了直接使從發(fā)射極發(fā)射出的電子朝著陽極前進，必需在陰極和陽極之間施加相當高的電壓。然而，如此高的電壓要求增加FED的驅(qū)動電路中所使用的器件的電容，由此導(dǎo)致FED生產(chǎn)成本的增加。此外，當FED的工作電壓增加時，F(xiàn)ED的能耗也會增加。
在傳統(tǒng)的FED中，前后面板是在各自獨立的制作程序中制造的，然后進行組裝，同時使用分隔物在其間保持預(yù)定的間隙。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解在前后面板之間安裝了分隔物之后，組裝前后面板的封裝處理是一個不適當?shù)姆敝靥幚怼?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有集成三極管(triode)結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射顯示器(FED)。本FED能夠在不使用復(fù)雜的封裝處理下制造，并且具有相當程度縮減的阱直徑和相當程度縮減的陰極到陽極間距。
本發(fā)明還提供了一種制造所述FED的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，包括襯底；置于襯底之上的陰極層；柵絕緣層，其置于陰極層之上并具有以規(guī)則的圖樣排列的大量亞微米孔(sub-microhole)；柵極層，其置于柵絕緣層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；陽極絕緣層，其置于柵極層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；發(fā)射極，其置于由柵絕緣層、柵極層和陽極絕緣層中的亞微米孔所限定的阱中，并且發(fā)射極是附著在陰極層上的；置于陽極絕緣層上的熒光體層；以及置于熒光體層上的陽極層。
具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED還可以包括置于陰極層和柵絕緣層之間的電阻層。在這種情況下，發(fā)射極是附著在電阻層上的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法，本方法包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層為止；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在氧化鋁層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。
制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法的另一個實施例，包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、陽極絕緣層以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層為止；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(c 1)去掉氧化鋁層；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在陽極絕緣層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。


圖1示出了傳統(tǒng)場致發(fā)射顯示器(FED)的結(jié)構(gòu)示例；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED；圖3A到3F示出了根據(jù)本發(fā)明實施例、制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的順序處理；圖4A到4F示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例、制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的順序處理；圖5A是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例形成的氧化鋁層的阱圖樣的照片；以及圖5B是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例形成的阱的縱向截面的照片。
具體實施例方式
本發(fā)明具有集成三極管(triode)結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射顯示器(FED)包括襯底；置于襯底之上的陰極層；柵絕緣層，其置于陰極層之上并具有以規(guī)則的圖樣排列的大量亞微米孔；柵極層，其置于柵絕緣層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；陽極絕緣層，其置于柵極層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；發(fā)射極，其置于由柵絕緣層、柵極層和陽極絕緣層中的亞微米孔所限定的阱中，并且發(fā)射極是附著在陰極層上的；置于陽極絕緣層上的熒光體層；以及置于熒光體層上的陽極層。
具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED還可以包括置于陰極層和柵絕緣層之間的電阻層。在這種情況下，發(fā)射極是附著在電阻層上的。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的FED的示意性結(jié)構(gòu)。參看圖2，陰極層120置于襯底110上。電阻層130置于陰極層120上。柵絕緣層140置于電阻層130上。柵極層160置于柵絕緣層140上。陽極絕緣層170置于柵極層160上。熒光體層180置于陽極絕緣層170上。陽極層190置于熒光體層180上。
這里所使用的術(shù)語“集成三極管結(jié)構(gòu)”是指本發(fā)明的獨特結(jié)構(gòu)，其中前后面板用陽極絕緣層170作為中間體，形成單一的腔體，與具有在前后面板之間用分隔物限定的連續(xù)真空間隙的傳統(tǒng)FED結(jié)構(gòu)形成對比。
陰極層120和柵極層160可以按照條紋形式形成圖案，來實現(xiàn)矩陣尋址。陰極層和柵極層可以按照兩層的條紋互相正交的方式排列。陽極層190可以形成為覆蓋整個FED板的薄膜。在將FED用作液晶顯示器(LCD)的背光的情況下，由于不需要實現(xiàn)矩陣尋址，陰極層120和柵極層160可以形成為覆蓋整個FED板的薄膜，而不是條紋形式。陰極層120、電阻層130、以及柵極層160可以具有各種其它類型的電路圖樣。
在柵絕緣層140、柵極層160、以及陽極絕緣層170中，有大量直通的亞微米孔。絕緣層、柵極層、以及陽極絕緣層各自的孔的圖樣是實質(zhì)上相同的形式。因此，三層的亞微米孔形成單一的通道，延伸貫穿這三層。絕緣層、柵極層、以及陽極絕緣層中各自的亞微米孔可以具有實質(zhì)上相同或不同的直徑。形成單一通道的三層的亞微米孔限定了阱200。
阱200的直徑?jīng)Q定了發(fā)射極150的尖端與柵極層之間的間距。在這點上，阱200的直徑?jīng)Q定了施加給柵極層的工作電壓的預(yù)期值。也就是說，阱200的直徑可以依賴于施加給柵極層的工作電壓的預(yù)期值來決定。
例如，阱的直徑可能是幾個微米(μm)或更小。根據(jù)可得到的發(fā)射極150的最小尺寸，阱的直徑的下限可能還要小得多。阱的直徑更好地為1.0μm或更小，還要好地是在4到500nm的范圍內(nèi)。如此小直徑尺寸的阱可以極大地降低施加給柵極層的工作電壓。
為了在大的表面面積上均勻地形成如此小直徑尺寸的阱，可以使用包括陽極氧化或傳統(tǒng)的光刻在內(nèi)的刻蝕處理。
發(fā)射極150置于各自的阱200中并附著在電阻層130上。調(diào)整發(fā)射極150的高度，使得發(fā)射極150的尖端盡可能地靠近柵極層160。例如，發(fā)射極150可以是錐形的、微尖端或碳納米管。電阻層130用于增強在發(fā)射極150中流過的電流的均勻性。電阻層130可以省略。如果省略電阻層，則將發(fā)射極附著在陰極層上。
陽極絕緣層170是電絕緣體，并且用于保持發(fā)射極150和陽極層190之間的合適間距以及作為把前后面板結(jié)合起來的中間體。此外，由于陽極絕緣層170，阱200形成各自獨立的放電空間。因此，從發(fā)射極150發(fā)射的電子只會撞擊置于阱200正上方的熒光體層的相應(yīng)部分。
在傳統(tǒng)的FED中，前后面板用安裝在其間幾個地方的柱狀分隔物保持其間的間隙，因此，在前后面板之間形成連續(xù)的真空間隙。在這種情況下，安裝分隔物很麻煩。此外，會導(dǎo)致從發(fā)射極發(fā)射出的電子可能會撞擊到相鄰的像素中的熒光體，而非相應(yīng)像素中的熒光體的問題。
在本發(fā)明的FED中使用的陽極絕緣層170解決了傳統(tǒng)FED中引起的這些問題。
就陽極工作電壓而論，最好是把陽極絕緣層170的厚度設(shè)定得盡可能的薄。然而，如果陽極絕緣層170的厚度太薄，除了施加給柵極層160的電壓所產(chǎn)生的電場以外，施加給陽極層190的電壓所產(chǎn)生的電場也可能使來自發(fā)射極150的電子發(fā)射發(fā)生。如果施加給陽極層190的電壓使電子從發(fā)射極150發(fā)射出來，可能產(chǎn)生FED的誤操作。因此，在考慮到施加給陽極層190的電壓和施加給柵極層160的電壓以及阱200的直徑的前提下，最好把陽極絕緣層170的厚度設(shè)定得盡可能的小。例如，陽極絕緣層170的厚度可能在大約100nm到10μm的范圍內(nèi)。
熒光體層180置于陽極絕緣層170之上。熒光體層180可能包括單色熒光體或者兩種或多種熒光體。當本發(fā)明的FED用作彩色圖像顯示裝置時，熒光體層180可以包括紅色熒光體、綠色熒光體、和藍色熒光體，并且這些熒光體可能排列成規(guī)則的圖樣來形成像素。熒光體層180還可以包括用于確定像素邊界的黑矩陣。
置于熒光體層180之上的陽極層190能夠覆蓋熒光體層180的整個表面。而且，陽極層190還作為密封件使每個阱200能夠保持真空狀態(tài)。也就是說，陽極層能夠密封地封住阱所限定的放電空間。更好的是，陽極層190是用透明電極材料制成的，以便從熒光體層180發(fā)出的光能很好地透射。
本發(fā)明的FED還可以包括置于陽極層190之上的前板(未示出)。前板用于增加陽極層190的密封性能和防止陽極層190暴露在外。
根據(jù)具有前板的FED的實施例，陽極層190可以附著在前板的表面上，而熒光體層180可能附著在陽極層190上。在這種情況下，陽極層的密封性能不是必需的。陽極層可以具有各種類型的電路圖樣。當熒光體層和陽極層所附著的前板置于陽極絕緣層170上時，F(xiàn)ED的邊緣是被密封地封住的。此時，陽極絕緣層170和熒光體層180是互相接觸的。
根據(jù)本發(fā)明，在襯底110、陰極層120、電阻層130、柵絕緣層140、柵極層160、發(fā)射極150、陽極絕緣層170、熒光體層180、陽極層190、以及前板(未示出)的材料、形狀、以及尺寸上沒有特別的限制。因此，所有在FED中使用的材料、形狀、以及尺寸都適用于本發(fā)明。
特別地，對于陽極絕緣層170適用的材料包括，例如，SiO2、SiCOH、以及像氧化鋁這樣的絕緣金屬氧化物。
本發(fā)明還提供了一種制造上述具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法。
生產(chǎn)具有氧化鋁形成的陽極絕緣層的FED的方法的實施例，包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層為止；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在氧化鋁層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。
步驟(a)還可以包括在陰極層上形成電阻層。在這種情況下，在步驟(c)中，把亞微米孔的深度延伸至電阻層的表面，在步驟(d)中，將發(fā)射極附著在電阻層上。
以下，將參考圖3A到3F詳細描述制造本發(fā)明的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法的示例。
首先，參看圖3A，使用例如濺射、真空蒸發(fā)、或電鍍把陰極層121的材料涂覆在襯底111上。例如，襯底可以是非導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料。例如，非導(dǎo)體材料為玻璃或聚合物材料襯底。例如，半導(dǎo)體材料為硅晶片。例如，陰極層121的材料可以是導(dǎo)電性的金屬材料、導(dǎo)電性的金屬氧化物材料、導(dǎo)電性的金屬氮化物材料、導(dǎo)電性的金屬硫化物材料、導(dǎo)電性的聚合物材料之一或其組合。導(dǎo)電性的金屬材料的例子包括金、鎢、鉻、鈮、鋁、鈦及其合金。導(dǎo)電性的金屬氧化物材料的例子包括TiO2和Nb2O5。例如，導(dǎo)電性的金屬氮化物材料為GaN。導(dǎo)電性的金屬硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。導(dǎo)電性的聚合物材料的例子包括聚酰亞胺和聚苯胺。
在這樣形成的陰極層121上，使用低壓化學氣相沉積或反應(yīng)濺射來形成電阻層131。電阻層的形成可以被省略。電阻層的材料可以是摻雜了磷(例如)、氧化鋁等的非晶硅。
在這樣形成的電阻層131上(如果電阻層被省略就在陰極層上)，使用例如低壓化學氣相沉積或反應(yīng)濺射來形成柵絕緣層141。柵絕緣層的合適材料包括SiO2、SiCOH、以及像氧化鋁這樣的絕緣金屬氧化物。
在這樣形成的柵絕緣層141上，使用例如濺射、真空蒸發(fā)、或電鍍來形成柵極層161。柵極層的材料可以是導(dǎo)電性的金屬材料、導(dǎo)電性的金屬氧化物材料、導(dǎo)電性的金屬氮化物材料、導(dǎo)電性的金屬硫化物材料、導(dǎo)電性的聚合物材料之一或其組合。導(dǎo)電性的金屬材料的例子包括金、鎢、鉻、鈮、鋁、鈦及其合金。導(dǎo)電性的金屬氧化物材料的例子包括TiO2和Nb2O5。導(dǎo)電性的金屬氮化物材料可以是GaN。導(dǎo)電性的金屬硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。導(dǎo)電性的聚合物材料的例子包括聚酰亞胺和聚苯胺。
在這樣形成的柵極層161上，用例如濺射、真空蒸發(fā)、或電鍍來形成鋁層171。
使用下述陽極氧化把鋁層171轉(zhuǎn)化為氧化鋁層171A。首先，對鋁層進行電解拋光，以消除鋁層的表面粗糙度。然后，把鋁層171設(shè)置為像磷酸、草酸、硫酸、磺酸、以及鉻酸這樣的水溶液中的正電極。然后，當給鋁層171施加大約1到200V的直流電壓時，鋁層171被轉(zhuǎn)化為氧化鋁層171A。鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層的程度與陽極氧化所需要的時間成比例。舉個例子，當在包含15℃、40V、以及0.3M草酸水溶液的條件下進行陽極氧化時，鋁層以大約每10分鐘1μm厚的速率轉(zhuǎn)化成氧化鋁層。
當繼續(xù)施加電壓時，在氧化鋁層171A中形成大量具有納米尺度直徑并規(guī)則排列的亞微米孔171H，如圖3B中所示。而在氧化鋁層171A的較低的部分則保留了阻擋層171B。
使用陽極氧化在氧化鋁層中形成的亞微米孔可以具有由一系列六角形單元構(gòu)成的蜂巢狀的圖樣(參看圖5A和5B)。亞微米孔的直徑和單位面積上亞微米孔的數(shù)量能夠通過改變諸如所加電壓、電解溶液的類型、濃度、以及溫度等陽極氧化條件來調(diào)整。舉個例子，當在施加25V的電壓、反應(yīng)溫度10℃、以及0.3M的硫酸水溶液下進行陽極氧化時，所得到的亞微米孔的直徑大約為20nm。當在施加195V的電壓、反應(yīng)溫度0℃、以及0.3M的磷酸水溶液下進行陽極氧化時，所得到的亞微米孔的直徑大約為100nm。單位面積上形成的亞微米孔的數(shù)量可能一般在每cm2108到1011的范圍內(nèi)，但也依賴于所加電壓而變化。通過陽極氧化可獲得的亞微米孔的直徑典型地在約4到500nm范圍內(nèi)。亞微米孔的直徑也可以通過使用磷酸或氫氧化鈉進行后化學處理來調(diào)整，同時可以將單位面積上亞微米孔的數(shù)量保持不變。通過后化學處理，亞微米孔的直徑例如可以增加到大約500nm或更大。孔到孔的間距和阻擋層的厚度與陽極氧化時所加的電壓成比例。舉個例子，陽極氧化時在包含15℃和0.3M的草酸水溶液條件下，當施加的電壓增加10V時，孔到孔的間距增加大約27nm。通過使用這種陽極氧化，在氧化鋁層中形成的亞微米孔的直徑能夠很容易地調(diào)整到1μm或更小。
當使用陽極氧化時，可以省略包含在傳統(tǒng)FED制作程序中的用于形成阱圖樣的光刻膠層的形成。當與傳統(tǒng)的用光刻膠層形成的阱圖樣相比，陽極氧化在大面積上大幅度提高的解析度允許容易地形成很好的阱圖樣。
接下來，進行刻蝕處理，將亞微米孔171H的深度延伸到電阻層131的表面。在省略電阻層的實施例中，將亞微米孔171H的深度延伸到陰極層121的表面。這里使用的有效的刻蝕處理可以是離子束刻蝕，干法刻蝕、濕法刻蝕、或陽極氧化。舉個具體的例子，可以使用利用CF4和O2的混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕。當置于亞微米孔171H之下的阻擋層171B、柵極層161、以及柵絕緣極141都使用反應(yīng)離子刻蝕進行刻蝕時，形成其中放置有發(fā)射極的阱200，如圖3C中所示。從而，在柵絕緣層、柵極層、以及氧化鋁層中形成的亞微米孔組成單一通道。
當用選擇性可溶解化學品對柵金屬層或氧化鋁層有選擇性地進行刻蝕的時候，亞微米孔的直徑可能從一層到另一層有所改變。
在使用刻蝕處理的情況下，其中氧化鋁層的整個表面都可能被刻蝕，最好形成的氧化鋁層比預(yù)期的厚度厚一些。
接下來，發(fā)射極150在各自的阱200中形成并附著在電阻層的表面，如圖3D中所示。發(fā)射極可由例如金屬材料、半導(dǎo)體材料、以及碳材料形成。金屬材料的例子包括金、鉑、鎳、鉬、鎢、鉭、鉻、鈦、鈷、銫、鋇、鉿、鈮、鐵、銣及其合金。半導(dǎo)體材料的例子包括氮化鎵(GaN)、氧化鈦(TiO2)、硫化鎘(CdS)。碳材料的例子包括碳納米纖維、碳納米管、碳納米粒、以及無定形碳。
在形成用金屬材料制成的發(fā)射極的例子中，把直流、交流、或脈沖電壓施加到諸如金屬硫化物、金屬氮化物、以及金屬氯化物之類的金屬前體溶液中從而在阱中生長金屬粒子。在這種情況下，生長的金屬發(fā)射極的高度依賴于所加電流的強度和持續(xù)時間而變化。最好是，用于形成發(fā)射極的金屬是從具有良好的熱阻的金屬中選擇，例如，像鉭、鉻、鉬、鈷、鎳、鈦、及其合金。
在形成用碳納米管制成的發(fā)射極的例子中，首先，把用于生長碳納米管的催化金屬加到阱中電阻層的表面。為此，可以使用上述形成用金屬材料制成的發(fā)射極的方法。然后，將碳納米管的碳源供應(yīng)給催化金屬的表面上。舉一個碳供應(yīng)方法的例子，可以在大約200到1000℃范圍內(nèi)的溫度下使用高溫分解碳氫化合物、一氧化碳和氫的混合氣體，或使用等離子降解混合氣體。也可以使用硫醇化預(yù)合成的碳納米管，然后把硫醇化后的碳納米管與銀(Ag)或金(Au)鍵合的方法。也可以通過電泳，將預(yù)合成的碳納米管施加到陰極層表面。
當省略電阻層時，將發(fā)射極形成在陰極層的表面上，因此也適用上述形成發(fā)射極的方法。
在每個阱中，只可以形成一個發(fā)射極。作為選擇，根據(jù)阱的直徑和發(fā)射極的尺寸，在每個阱中也可以形成一個或多個發(fā)射極。
形成發(fā)射極后，在氧化鋁層171A上形成熒光體層181，如圖3E中所示?？梢允褂秒娮邮舭l(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、低壓化學氣相沉積、溶膠凝膠法、電鍍、或無電電鍍來形成熒光體層。在形成圖樣熒光體層的情況下，也可以使用印刷。在印刷中，最好把熒光體顆粒的尺寸設(shè)定得比阱的直徑大一些。熒光體可能經(jīng)過燒結(jié)來完成熒光體層。基于金屬的熒光體可以用電子束蒸發(fā)來有角度地沉積，而基于陶瓷的熒光體可以用濺射形成。此外，可能也要使用真空封裝具有熒光體層的前面板的方法。
熒光體層中要用到的熒光體，考慮到施加的驅(qū)動電壓、電流強度、以及發(fā)光效率，可以從高壓熒光體和低壓熒光體中選擇。
在熒光體層181上形成陽極層191，如圖3F中所示。陽極層也能夠用于密封地封住由阱所限定的放電空間，以便維持放電空間處于適合電子發(fā)射的真空狀態(tài)。為了密封地把放電空間封在真空狀態(tài)，陽極層在真空環(huán)境下形成。可以使用例如電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)來形成陽極層。陽極層可以用像氧化銦錫(ITO)這樣的透明電極材料制成。
生產(chǎn)具有由其它材料或氧化鋁形成的陽極絕緣層的FED的方法的另一個實施例包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、陽極絕緣層以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(c1)去掉氧化鋁層；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在陽極絕緣層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。
步驟(a)還可以包括在陰極層上形成電阻層。在這種情況下，在步驟(c)中，把亞微米孔的深度延伸至電阻層的表面，在步驟(d)中，將發(fā)射極附著在電阻層上。
以下，將參考圖4A到4F詳細描述制造本發(fā)明的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法的示例。
首先，參看圖4A，使用例如濺射、真空蒸發(fā)、或電鍍把陰極層121的材料涂覆在襯底111上。例如，襯底可以是非導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料。例如，非導(dǎo)體材料為玻璃或聚合物材料襯底。例如，半導(dǎo)體材料為硅晶片。例如，陰極層121的材料可以是導(dǎo)電性的金屬材料、導(dǎo)電性的金屬氧化物材料、導(dǎo)電性的金屬氮化物材料、導(dǎo)電性的金屬硫化物材料、導(dǎo)電性的聚合物材料之一或其組合。導(dǎo)電性的金屬材料的例子包括金、鎢、鉻、鈮、鋁、鈦及其合金。導(dǎo)電性的金屬氧化物材料的例子包括TiO2和Nb2O5。例如，導(dǎo)電性的金屬氮化物材料為GaN。導(dǎo)電性的金屬硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。導(dǎo)電性的聚合物材料的例子包括聚酰亞胺和聚苯胺。
在這樣形成的陰極層121上，使用低壓化學氣相沉積或反應(yīng)濺射來形成電阻層131。電阻層的形成可以被省略。電阻層的材料可以是摻雜了磷(例如)、氧化鋁等的非晶硅。
在這樣形成的電阻層131上(如果電阻層被省略就在陰極層上)，使用例如低壓化學氣相沉積或反應(yīng)濺射來形成柵絕緣層141。柵絕緣層的合適材料包括二氧化硅(SiO2)、SiCOH、以及像氧化鋁這樣的絕緣金屬氧化物。
在這樣形成的柵絕緣層141上，使用例如濺射、真空蒸發(fā)、或電鍍來形成柵極層161。柵極層的材料可以是導(dǎo)電性的金屬材料、導(dǎo)電性的金屬氧化物材料、導(dǎo)電性的金屬氮化物材料、導(dǎo)電性的金屬硫化物材料、導(dǎo)電性的聚合物材料之一或其組合。導(dǎo)電性的金屬材料的例子包括金、鎢、鉻、鈮、鋁、鈦及其合金。導(dǎo)電性的金屬氧化物材料的例子包括TiO2和Nb2O5。導(dǎo)電性的金屬氮化物材料可以是GaN。導(dǎo)電性的金屬硫化物材料的例子包括ZnS和CdS。導(dǎo)電性的聚合物材料的例子包括聚酰亞胺和聚苯胺。
在這樣形成的柵極層161上，用例如低壓化學氣相沉積、或反應(yīng)濺射來形成陽極絕緣層171。陽極絕緣層的合適材料包括，例如，二氧化硅(SiO2)、SiCOH、以及像氧化鋁這樣的絕緣金屬氧化物。
在這樣形成的陽極絕緣層171上，用例如濺射、低壓化學氣相沉積、真空蒸發(fā)、或電鍍來形成鋁層301。
使用下述陽極氧化把鋁層301轉(zhuǎn)化為氧化鋁層301A。首先，對鋁層進行電解拋光，以消除鋁層的表面粗糙度。然后，把鋁層301設(shè)置為像磷酸、草酸、硫酸、磺酸、以及鉻酸這樣的水溶液中的正電極。然后，當給鋁層301施加大約1到200V的直流電壓時，鋁層301被轉(zhuǎn)化為氧化鋁層301A。鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層的程度與陽極氧化所需要的時間成比例。舉個例子，當在包含15℃、40V、以及0.3M草酸水溶液的條件下進行陽極氧化時，鋁層以大約每10分鐘1μm厚的速率轉(zhuǎn)化成氧化鋁層。
當繼續(xù)施加電壓時，在氧化鋁層301A中形成大量具有納米尺度直徑并規(guī)則排列的亞微米孔301H，如圖4B中所示。而在氧化鋁層301A的較低的部分則保留了阻擋層301B。
使用陽極氧化在氧化鋁層中形成的亞微米孔可以具有由一系列六角形單元構(gòu)成的蜂巢狀的圖樣。亞微米孔的直徑和單位面積上亞微米孔的數(shù)量能夠通過改變諸如所加電壓、電解溶液的類型、濃度、以及溫度等陽極氧化條件來調(diào)整。舉個例子，當在施加25V的電壓、反應(yīng)溫度10℃、以及0.3M的硫酸水溶液下進行陽極氧化時，所得到的亞微米孔的直徑大約為20nm。當在施加195V的電壓、反應(yīng)溫度0℃、以及0.3M的磷酸水溶液下進行陽極氧化時，所得到的亞微米孔的直徑大約為100nm。單位面積上形成的亞微米孔的數(shù)量可能一般在每cm2108到1011的范圍內(nèi)，但也依賴于所加電壓而變化。通過陽極氧化可獲得的亞微米孔的直徑典型地在約4到500nm范圍內(nèi)。亞微米孔的直徑也可以通過使用磷酸或氫氧化鈉進行后化學處理來調(diào)整，同時可以將單位面積上亞微米孔的數(shù)量保持不變。通過后化學處理，亞微米孔的直徑例如可以增加到大約500nm或更大?？椎娇椎拈g距和阻擋層的厚度與陽極氧化時所加的電壓成比例。舉個例子，陽極氧化時在包含15℃和0.3M的草酸水溶液條件下，當施加的電壓增加10V時，孔到孔的間距增加大約27nm。通過使用這種陽極氧化，在氧化鋁層中形成的亞微米孔的直徑能夠很容易地調(diào)整到1μm或更小。
當使用陽極氧化時，可以省略包含在傳統(tǒng)FED制作程序中的用于形成阱圖樣的光刻膠層的形成。當與傳統(tǒng)的用光刻膠層形成的阱圖樣相比，陽極氧化在大面積上大幅度提高的解析度允許容易地形成很好的阱圖樣。
接下來，進行刻蝕處理，將亞微米孔301H的深度延伸到電阻層131的表面。在省略電阻層的實施例中，將亞微米孔301H的深度延伸到陰極層121的表面。這里使用的有效的刻蝕處理可以是離子束刻蝕，干法刻蝕、濕法刻蝕、或陽極氧化。舉個具體的例子，可以使用利用CF4和O2的混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕。當置于亞微米孔301H之下的阻擋層301B、陽極絕緣層171、柵極層161、以及柵絕緣極141都使用反應(yīng)離子刻蝕進行刻蝕時，形成其中放置有發(fā)射極的阱200，如圖4C中所示。從而，在柵絕緣層、柵極層、陽極絕緣層以及氧化鋁層中形成的亞微米孔組成單一通道。
當用選擇性可溶解化學品對柵金屬層或氧化鋁層有選擇性地進行刻蝕的時候，亞微米孔的直徑可能從一層到另一層有所改變。
當完成了阱200的形成時，通過例如將其浸入磷酸溶液或磷酸與鉻酸的混合溶液中來去掉剩余的氧化鋁層301A。
接下來，發(fā)射極150在各自的阱200中形成并附著在電阻層的表面，如圖4D中所示。發(fā)射極可由例如金屬材料、半導(dǎo)體材料、以及碳材料形成。金屬材料的例子包括金、鉑、鎳、鉬、鎢、鉭、鉻、鈦、鈷、銫、鋇、鉿、鈮、鐵、銣及其合金。半導(dǎo)體材料的例子包括氮化鎵(GaN)、氧化鈦(TiO2)、硫化鎘(CdS)。碳材料的例子包括碳納米纖維、碳納米管、碳納米粒、以及無定形碳。
在形成用金屬材料制成的發(fā)射極的例子中，把直流、交流、或脈沖電壓施加到諸如金屬硫化物、金屬氮化物、以及金屬氯化物之類的金屬前體溶液中從而在阱中生長金屬粒子。在這種情況下，生長的金屬發(fā)射極的高度依賴于所加電流的強度和持續(xù)時間而變化。最好是，用于形成發(fā)射極的金屬是從具有良好的熱阻的金屬中選擇，例如，像鉭、鉻、鉬、鈷、鎳、鈦、及其合金。
在形成用碳納米管制成的發(fā)射極的例子中，首先，把用于生長碳納米管的催化金屬加到阱中電阻層的表面。為此，可以使用上述形成用金屬材料制成的發(fā)射極的方法。然后，將碳納米管的碳源供應(yīng)給催化金屬的表面上。舉一個碳供應(yīng)方法的例子，可以在大約200到1000℃范圍內(nèi)的溫度下使用高溫分解碳氫化合物、一氧化碳和氫的混合氣體，或使用等離子降解混合氣體。也可以使用硫醇化預(yù)合成的碳納米管，然后把硫醇化后的碳納米管與銀(Ag)或金(Au)鍵合的方法。也可以通過電泳，將預(yù)合成的碳納米管施加到陰極層表面。
當省略電阻層時，將發(fā)射極形成在陰極層的表面上，因此也適用上述形成發(fā)射極的方法。
在每個阱中，只可以形成一個發(fā)射極。作為選擇，根據(jù)阱的直徑和發(fā)射極的尺寸，在每個阱中也可以形成一個或多個發(fā)射極。
形成發(fā)射極后，在氧化鋁層171A上形成熒光體層181，如圖4E中所示?？梢允褂秒娮邮舭l(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、低壓化學氣相沉積、溶膠凝膠法、電鍍、或無電電鍍來形成熒光體層。在形成圖樣熒光體層的情況下，也可以使用印刷。在印刷中，最好把熒光體顆粒的尺寸設(shè)定得比阱的直徑大一些。熒光體可能經(jīng)過燒結(jié)來完成熒光體層?；诮饘俚臒晒怏w可以用電子束蒸發(fā)來有角度地沉積，而基于陶瓷的熒光體可以用濺射形成。此外，可能也要使用真空封裝具有熒光體層的前面板的方法。
熒光體層中要用到的熒光體，考慮到施加的驅(qū)動電壓、電流強度、以及發(fā)光效率，可以從高壓熒光體和低壓熒光體中選擇。
在熒光體層181上形成陽極層191，如圖4F中所示。陽極層也能夠用于密封地封住由阱所限定的放電空間，以便維持放電空間處于適合電子發(fā)射的真空狀態(tài)。為了密封地把放電空間封在真空狀態(tài)，陽極層在真空環(huán)境下形成?？梢允褂美珉娮邮舭l(fā)或熱蒸發(fā)來形成陽極層。陽極層可以用像氧化銦錫(ITO)這樣的透明電極材料制成。
工業(yè)適用性本發(fā)明的場致發(fā)射顯示器(FED)具有集成三極管結(jié)構(gòu)，其中用陽極絕緣層支撐前后面板。因此，不需要有單獨的分隔器并且能夠省略封裝處理。
在使用陽極氧化的FED制作方法中，在整個大面積上可以容易地形成亞微米尺寸直徑的阱。因此，發(fā)射極的尖端與柵極層之間的間距以及發(fā)射極的尖端與陽極之間的間距能夠顯著縮減。因此，通過使用本發(fā)明的FED制作方法，能夠非常容易地生產(chǎn)具有大面積和顯著縮減的工作電壓的FED。
權(quán)利要求
1.一種具有集成三極管結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射顯示器(FED)，包括襯底；置于襯底之上的陰極層；柵絕緣層，其置于陰極層之上并具有以規(guī)則的圖樣排列的大量亞微米孔；柵極層，其置于柵絕緣層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；陽極絕緣層，其置于柵極層之上并具有以實質(zhì)上與柵絕緣層中的亞微米孔相同的圖樣排列的大量亞微米孔；發(fā)射極，其置于由柵絕緣層、柵極層和陽極絕緣層中的亞微米孔所限定的阱中，并且發(fā)射極是附著在陰極層上的；置于陽極絕緣層上的熒光體層；以及置于熒光體層上的陽極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，其特征在于所述FED還包括置于陰極層和柵絕緣層之間的電阻層，以及將發(fā)射極附著在電阻層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，其特征在于阱具有4到500nm的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，其特征在于陽極絕緣層的厚度在100nm到10μm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，其特征在于陽極層密封地封住由阱所限定的放電空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED，其特征在于還包括置于陽極層之上的前板。
7.一種制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法，所述方法包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層為止；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在氧化鋁層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(a)還包括在陰極層上形成電阻層，在步驟(c)中，把亞微米孔的深度延伸至電阻層的表面，并在步驟(d)中，將發(fā)射極附著在電阻層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，陽極氧化包括在酸性電解質(zhì)水溶液中向鋁層施加正電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，酸性電解液是從由草酸、硫酸、磺酸、磷酸、鉻酸組成的組中選擇的。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，亞微米孔的直徑在4到500nm的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(c)是利用離子刻蝕、干法刻蝕、濕法刻蝕、或陽極氧化來進行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟(e)中，使用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、濺射、低壓化學氣相沉積、溶膠凝膠法、電鍍、或無電電鍍把熒光體涂覆到鋁層上
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(b)之后，通過后化學處理增加氧化鋁層中亞微米孔的直徑。
15.一種制造具有集成三極管結(jié)構(gòu)的FED的方法，所述方法包括(a)在襯底上，按順序形成陰極層、柵絕緣層、柵極層、陽極絕緣層以及鋁層；(b)使用陽極氧化把鋁層轉(zhuǎn)化成氧化鋁層，直到氧化鋁層具有規(guī)則排列圖樣的亞微米孔以及保留在亞微米孔的較低部分處的阻擋層為止；(c)把氧化鋁層中的亞微米孔的深度延伸到陰極層的表面；(c1)去掉氧化鋁層；(d)在亞微米孔中形成發(fā)射極，發(fā)射極附著在陰極層上；(e)在陽極絕緣層上形成熒光體層；以及(f)在真空環(huán)境下，在熒光體層上形成陽極層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于陽極絕緣層由SiO2、SiCOH、或絕緣金屬氧化物形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于步驟(c1)是通過將其浸入磷酸溶液或磷酸與鉻酸的混合溶液中來進行的。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，步驟(a)還包括在陰極層上形成電阻層，在步驟(c)中，把亞微米孔的深度延伸至電阻層的表面，并在步驟(d)中，將發(fā)射極附著在電阻層上。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(b)之后，通過后化學處理增加氧化鋁層中亞微米孔的直徑。
全文摘要
提供了一種具有集成三極管(triode)結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射顯示器(FED)?？梢灾圃煸揊ED，而無需使用復(fù)雜的封裝處理，并且具有相當程度縮減的阱直徑和相當程度縮減的陰極到陽極間距。在該FED中，前后面板使用陽極絕緣層作為中間體，形成單獨的腔體。還提供了一種使用陽極氧化來制造所述FED的方法。
文檔編號H01J31/12GK1739178SQ200380108868
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者李建弘, 黃瑄珪, 李玉珠 申請人:學校法人浦項工科大學校