專(zhuān)利名稱(chēng)：具有柱形結(jié)構(gòu)的陰極發(fā)光屏及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料和微電子器件領(lǐng)域，包括真空微電子器件，特別是基于場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)的器件，例如場(chǎng)發(fā)射顯示器、真空熒光顯示器、陰極發(fā)光燈等。
已有發(fā)光屏通常制作成晶態(tài)膜的形式，晶態(tài)膜是通過(guò)例如汽相淀積制備到例如玻璃的光滑襯底上的。
對(duì)于淀積，使用了真空材料汽化技術(shù)、升華技術(shù)、化學(xué)輸運(yùn)技術(shù)、陰極濺射技術(shù)等。
在所有的技術(shù)中，晶態(tài)發(fā)光材料(磷光體)的結(jié)核現(xiàn)象以不可控的方式、各向同性或各向異性地出現(xiàn)在光滑的無(wú)結(jié)構(gòu)襯底上。在這種情況下，磷光體通常是一團(tuán)微小的(微米和／或亞微米)晶粒，通常是等軸的，近似為一個(gè)疊一個(gè)的球形(

圖1)。在這種系統(tǒng)中，晶粒中產(chǎn)生的光線(xiàn)(即剖面標(biāo)出的)反復(fù)在周?chē)坠怏w顆粒構(gòu)成的曲徑中散射。這種現(xiàn)象降低了屏幕的分辨率。
另一個(gè)問(wèn)題涉及如下事實(shí)，即在由晶粒構(gòu)成的薄膜屏幕中，磷光體沒(méi)有填充所有的空間。這降低了屏幕的有效性，降低了屏幕的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。
另外，這種屏幕與襯底具有很差的粘附性(adgesion)，這是因?yàn)榻蛐尉ЯＥc襯底只有點(diǎn)接觸。
在專(zhuān)利[1]中，單晶(板形或外延層)材料用作磷光體。這改善了屏幕特性的可再造性，提高了效率(光能與激發(fā)光線(xiàn)所耗能量之比)。然而，在這種情況下，發(fā)射光沿磷光體板(或外延層)傳播；這降低了屏幕的分辨率和效率。
另一項(xiàng)專(zhuān)利[2]假定通過(guò)旋轉(zhuǎn)拋入孔中的方法由稀釋溶液或懸浮液進(jìn)行磷光體的局域化淀積，孔的側(cè)壁經(jīng)過(guò)金屬化，以便防止光線(xiàn)進(jìn)入發(fā)光屏的鄰近區(qū)域。然而，在這種情況下，圖像的對(duì)比度只提高了50％；換句話(huà)說(shuō)，沒(méi)有消除光線(xiàn)沿發(fā)光屏的散射。
如果發(fā)光屏由柱形晶體制作，那么就可以消除這些缺點(diǎn)，柱形晶體呈長(zhǎng)條形，其長(zhǎng)度方向基本垂直于屏幕平面。這種想法在專(zhuān)利[3]所述的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了。在這種情況下，由柱形晶體磷光體發(fā)出的光線(xiàn)沿晶體的長(zhǎng)度方向傳播，晶體起光波導(dǎo)的作用。然而，通過(guò)熔晶制備這種屏幕的方法并不適用于許多十分重要的情況，例如在場(chǎng)發(fā)射顯示器中使用的薄(0．1-1微米厚)且平的發(fā)光屏。
在專(zhuān)利[4]中，提出了一種具有柱形晶體的顯示器，其中在鄰近柱形晶體的位置嵌入了不發(fā)光黑體材料。這種插入能提高直接鄰接插入物的柱形材料的圖象對(duì)比度，而其它不鄰近(不接觸)嵌入位置的柱形不能提高其對(duì)比度；另外，專(zhuān)利[4]沒(méi)有給出制備這種屏幕的方法。
在本發(fā)明中，提出了一種更加優(yōu)化的屏幕設(shè)計(jì)。另外，提出了制備這種屏幕的技術(shù)。
提出了具有柱形結(jié)構(gòu)的屏幕，其中每個(gè)柱形由與柱形同軸的間隙環(huán)繞，間隙中填充了導(dǎo)電、不發(fā)光媒質(zhì)。柱形的外端覆以發(fā)光熒光層，其層厚至少比柱形的高度小于一個(gè)數(shù)量級(jí)。發(fā)光層可相對(duì)于柱形外延形成。
在本發(fā)明中還提出制備發(fā)光屏的方法。該方法包括汽相淀積發(fā)光材料，其中首先在襯底上淀積過(guò)渡物，該過(guò)渡物的材料不同于發(fā)光材料并在晶化溫度下呈液相。過(guò)渡物的厚度大于10納米、小于1微米。液相是在過(guò)渡物與襯底的接觸作用中形成的。
過(guò)渡物由多種化學(xué)元素構(gòu)成。至少一種化學(xué)元素用作發(fā)光激活劑或共激活劑。激活劑或共激活劑是通過(guò)離子注入引入發(fā)光材料中的。
結(jié)構(gòu)和／或化學(xué)元素中的不均勻性的微突起出現(xiàn)在襯底上，不均勻性具有規(guī)則特性，特別是晶圖對(duì)稱(chēng)特性。
發(fā)光材料覆以可以透過(guò)電子的薄材料層。具體地講，金剛石或類(lèi)金剛石材料可以用作透明材料。
圖1是由近等軸晶粒薄膜制作的標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏的簡(jiǎn)圖。
圖2是由近乎垂直于襯底的柱形構(gòu)成的薄膜制作的陰極發(fā)光屏的簡(jiǎn)圖。
圖3是在圖2所示薄膜中的光束的傳播簡(jiǎn)圖。
圖4是由柱形構(gòu)成的連續(xù)薄膜的解理剖面圖的SEM顯微圖。
圖5是具有受電子轟擊的柱形結(jié)構(gòu)的陰極發(fā)光屏的簡(jiǎn)圖。柱形的陰影狀上部示出電子進(jìn)入的程度和光激發(fā)位置。
圖6是陰極發(fā)光屏簡(jiǎn)圖。屏幕的上端部覆以光發(fā)射發(fā)光層。
圖7是由在其間具有間隙的柱形制作的陰極發(fā)光屏的簡(jiǎn)圖。
圖8是由在其間具有間隙的柱形制作的薄膜的SEM顯微圖(頂視圖)?？梢钥吹狡聊坏钠唇咏Y(jié)構(gòu)。
圖9是圖7和8所示的陰極發(fā)光屏的簡(jiǎn)圖。間隙中填充了導(dǎo)電不發(fā)光媒質(zhì)。
圖2和3示出了在現(xiàn)有技術(shù)中提出的具有柱形結(jié)構(gòu)的陰極發(fā)光屏。
圖4至9示出了在此提出的具有柱形結(jié)構(gòu)的陰極發(fā)光屏。
如圖4所示，柱形的典型高度是大約5微米。典型的柱形高-直徑比處于1∶1和100∶1之間。
如經(jīng)常在場(chǎng)發(fā)射顯示器中采用的，來(lái)自平板陰極的加速電子束照射到屏幕上，并進(jìn)入表面層(圖5)。在典型的場(chǎng)發(fā)射顯示器加速電壓下(例如1至3kV)，進(jìn)入深度大約為100納米(如圖5中的陰影層所示)。因此，提出了將屏幕制作成覆以光發(fā)射發(fā)光層的柱形結(jié)構(gòu)(如圖6所示)。
柱形由與其同軸的間隙(“溝槽”)環(huán)繞。圖7示出了柱形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度方向剖面簡(jiǎn)圖。圖8示出屏幕的掃描電子顯微圖(頂視圖)。如圖所示，柱形由間隙(“溝槽”)環(huán)繞。間隙中填充了導(dǎo)電不發(fā)光媒質(zhì)，該媒質(zhì)相對(duì)于發(fā)射光的光吸收系數(shù)大于20％。圖9示出填充屏幕的簡(jiǎn)圖。填充要確保屏幕的導(dǎo)電性，這樣，當(dāng)發(fā)光屏工作于陰極發(fā)光模式時(shí)不會(huì)發(fā)生充電現(xiàn)象。
這些屏幕具有一些優(yōu)點(diǎn)，特別是低電壓場(chǎng)發(fā)射顯示器。
1．由其設(shè)計(jì)產(chǎn)生的高光功率輸出和高能量輸出。由于柱形壁的全內(nèi)反射，產(chǎn)生光波導(dǎo)效應(yīng)光優(yōu)先沿著柱形傳播，不會(huì)超出柱形，也不會(huì)進(jìn)入相鄰柱形。
2．光在沿著柱形傳播的過(guò)程中散射很低。這決定了該設(shè)計(jì)具有高分辨率。它等于單位長(zhǎng)度上的光發(fā)射元件的數(shù)目。
3．與透明襯底的高粘附性(adgesion)，柱形由其端部固定，即光發(fā)射元件與襯底的接觸面積很大。這對(duì)于二極管型場(chǎng)發(fā)射顯示器是非常重要的，其中較大的電場(chǎng)梯度可以使屏幕顆粒與襯底剝離。
具有柱形結(jié)構(gòu)的陰極發(fā)光屏的優(yōu)點(diǎn)是在此提出的制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)基于化學(xué)或物理汽相淀積，在淀積過(guò)程中最重要的是伴隨著液相。圖4示出了該技術(shù)的有效性，其中示出了發(fā)光材料硫化鎘的柱形結(jié)構(gòu)。
下面給出設(shè)計(jì)陰極發(fā)光屏的主要思想光線(xiàn)在每個(gè)柱形元件中的傳播方向同軸(平行)于激發(fā)出光線(xiàn)的主電子束的方向，(見(jiàn)圖3)，因此，在眾知(標(biāo)準(zhǔn))的由近等軸顆粒疊加而成的屏幕中，由陰極發(fā)光激發(fā)出的光線(xiàn)不僅可以平行于電子束傳播，而且可以垂直于電子束傳播，或相對(duì)于電子束以任意方向傳播(見(jiàn)圖1)。
如柱形屏幕設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的和在具體電子裝置中所使用的，發(fā)現(xiàn)了一些不顯著的優(yōu)點(diǎn)。
(a)不同晶粒(在這里是柱形)的發(fā)光亮度更加均勻。在標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏中，由于發(fā)光晶粒的尺寸不同，各個(gè)晶粒的亮度顯著不同(在25-30微米的距離內(nèi)差異高達(dá)50％)；這妨礙了高質(zhì)量圖像的傳送和定像。
(b)與標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏相比，柱形磷光體的電功率和熱功率的耗散能力顯著提高(5至10倍)。
(c)實(shí)際上消除了在意外切斷電子束掃描時(shí)產(chǎn)生的柱形屏幕的“燒壞現(xiàn)象”。在標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏中，不可逆地?zé)龎钠聊凰璧墓β释ǔ?．1W／單元(這里單元是指圖像單元，即像素)，而對(duì)柱形屏幕的初步測(cè)試表明該參數(shù)提高到1W／單元(這里單元是柱形)。
(d)提高了在強(qiáng)光源(太陽(yáng)，電燈等)照射下背景圖像的對(duì)比度。標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏的對(duì)比度值為k=bimage／b＜5，其中b是背景亮度，bimage是像素亮度。對(duì)基于所提出的柱形磷光體的屏幕所進(jìn)行的測(cè)試表明k＞10至20。
既使采用0．1-0．5μm厚的金屬(例如鋁)涂層，該涂層通常制作在標(biāo)準(zhǔn)陰極發(fā)光屏的表面上，也不能完全消除標(biāo)準(zhǔn)屏幕所積累的大量電荷。這將產(chǎn)生大量的影響電子器件穩(wěn)定工作的放電現(xiàn)象。柱形由與其同軸的間隙環(huán)繞(見(jiàn)圖7至9)。襯底區(qū)域的剩余部分和屏幕的所有其它體積中均填充了導(dǎo)電不發(fā)光媒質(zhì)，該媒質(zhì)相對(duì)于發(fā)射光的光吸收系數(shù)大于20％。
注意，柱形屏幕的上述優(yōu)點(diǎn)均是在實(shí)驗(yàn)屏幕尺寸(10×10mm)和商品屏幕尺寸(25×25或72×75mm)中獲得的。換句話(huà)說(shuō)，所述結(jié)構(gòu)的優(yōu)異參數(shù)與尺寸無(wú)關(guān)。
已經(jīng)相對(duì)于屏幕的特性廣泛地研究了光發(fā)射單元的剖面尺寸的變化。在光發(fā)射單元的剖面尺寸大約為1μm，間距大約為2μm時(shí)，制備了包含多于2．5．107cm-2個(gè)光發(fā)射單元的光發(fā)射結(jié)構(gòu)。分辨率參數(shù)優(yōu)于所有的已知屏幕。還發(fā)現(xiàn)，在總柱形數(shù)目為2．5．105cm-2時(shí)，間距為20μm的柱形結(jié)構(gòu)可以有用作電子束器件的屏幕和轉(zhuǎn)換器的屏幕的重要應(yīng)用。
利用導(dǎo)電不發(fā)光媒質(zhì)填充環(huán)繞柱形的間隙的過(guò)程包括將柱形結(jié)構(gòu)浸入適當(dāng)?shù)难趸锖停蛄蚧镆后w中。另一種方法包括將柱形結(jié)構(gòu)浸透在低熔點(diǎn)化合物中。這樣，不僅可以使用氧化物，例如B2O3(熔點(diǎn)450℃)，V2O5(熔點(diǎn)670℃)，CdO(826℃)，PbO2(290℃)，Bi2O3(817℃)，還可以使用硫化物SnS(882℃)，Sb2S3(550℃)。另外，還測(cè)試了金屬易熔物，例如Cd-Bi-Pb-Sn(熔點(diǎn)65℃)和Pb-Sn。上述的所有成份均吸收在光譜范圍420至760納米的光線(xiàn)，因此，在拼接柱形結(jié)構(gòu)中，有可能顯著地提高對(duì)比度值，這是由于對(duì)柱形側(cè)發(fā)射光和透過(guò)透明襯底的逸出光線(xiàn)的吸收增加了。
已經(jīng)研究了導(dǎo)電媒質(zhì)對(duì)由拼接柱形結(jié)構(gòu)制成的屏幕的發(fā)光特性的影響。在利用易熔金屬物Cd-Bi-Pb-Sn填充柱形之間間隙的情況下，填充物的電阻率在光吸收值＞105cm-1時(shí)為1至20Ω．cm。在由柱形覆蓋的襯底面積與填充媒質(zhì)的面積之比為5∶1時(shí)，由屏幕前表面產(chǎn)生的光反射系數(shù)為20％，而對(duì)于沒(méi)有填充導(dǎo)電媒質(zhì)的類(lèi)似柱形結(jié)構(gòu)，將反射45至60％的入射光。
沒(méi)有研究柱形高度與光吸收物的高度之間的關(guān)系。在某些初步實(shí)驗(yàn)中，該關(guān)系是2∶1。即使所提供的值是這樣，溢出電流密度仍達(dá)到1至10A／cm2。
拼接屏幕的柱形單元可以具有由對(duì)能量＞5keV的電子束透明的金屬(Al或Ag)鏡制成的額外涂層。
權(quán)利要求
1．一種制作在透光襯底上的陰極發(fā)光拼接屏，該屏包括光發(fā)射元件、光波導(dǎo)元件、介質(zhì)層和導(dǎo)電吸光元件，其中光發(fā)射元件由導(dǎo)光的柱形單晶實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)柱形的直徑與高度比在1∶1到1∶100范圍內(nèi)，柱形的一個(gè)平端固定在襯底的內(nèi)表面上，被柱形覆蓋的襯底面積與襯底總面積的比值在10∶1到1∶10范圍內(nèi)，而襯底的其余部分和整個(gè)結(jié)構(gòu)的其余部分由導(dǎo)電不發(fā)光媒質(zhì)填充，所述媒質(zhì)的光吸收系數(shù)相對(duì)于所發(fā)射的光大于20％。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的屏幕，其中柱形的表面涂以鏡面反射金屬層。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的屏幕，其中柱形的外端部涂以光發(fā)射發(fā)光層，其厚度至少比柱形的高度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的屏幕，其中發(fā)光層是相對(duì)于柱形進(jìn)行外延的。
5．一種通過(guò)汽相淀積發(fā)光材料制備由襯底上的單晶柱形構(gòu)成的發(fā)光屏的方法，其中首先將在結(jié)晶溫度下形成液態(tài)物的過(guò)渡物而不是發(fā)光材料淀積在襯底上，然后在這種襯底上淀積發(fā)光材料。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中過(guò)渡物的厚度大于10納米，且小于1微米。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中液態(tài)物在過(guò)渡物與襯底的相互接觸中形成。
8．根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其中過(guò)渡物由多種化學(xué)元素構(gòu)成。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中至少一種化學(xué)元素用作發(fā)光激活劑或共激活劑。
10．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中結(jié)構(gòu)和／或化學(xué)成份中的不均勻的微突起出現(xiàn)在襯底上。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述不均勻是規(guī)則特性。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述不均勻具有晶圖對(duì)稱(chēng)特性。
13．根據(jù)權(quán)利要求5或9的方法，其中所述激活劑或共激活劑是通過(guò)離子注入的方式引入到發(fā)光材料中的。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述發(fā)光材料涂以由對(duì)于電子透明的材料構(gòu)成的薄層。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中金剛石或類(lèi)金剛石材料用作所述透明材料。
全文摘要
制作在透光襯底上的陰極發(fā)光拼接屏,其中屏幕的發(fā)光元件是光波導(dǎo)單晶柱形。制備屏幕的方法,通過(guò)將發(fā)光材料汽相淀積到覆以局域化液態(tài)物的襯底上。
文檔編號(hào)H01J29/18GK1280704SQ98810580
公開(kāi)日2001年1月17日 申請(qǐng)日期1998年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月27日
發(fā)明者葉夫根尼·因維維奇·吉瓦吉佐夫, L·A·扎多羅茲納亞, A·N·斯特帕諾瓦, N·P·索斯興, N·N·楚邦, M·E·吉瓦吉佐夫 申請(qǐng)人:結(jié)晶及技術(shù)有限公司