專利名稱：電子發(fā)射設(shè)備，電子發(fā)射裝置，圖像顯示裝置和光發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子發(fā)射設(shè)備，電子發(fā)射裝置，電子源，和成像裝置。本發(fā)明還涉及顯示裝置，如電視廣播顯示器，用于可視會(huì)議系統(tǒng)的顯示器或計(jì)算機(jī)顯示器，并涉及成像裝置，它被設(shè)計(jì)為使用感光滾筒或相似元件的光學(xué)打印機(jī)。
背景技術(shù)：
場(chǎng)發(fā)射(FE)式電子發(fā)射設(shè)備正在引起關(guān)注，當(dāng)106V/cm或更高的強(qiáng)電場(chǎng)加到金屬上時(shí)，這種設(shè)備可以從金屬表面發(fā)射電子，并且它是已知的冷陰極電子源之一。
如果FE式冷電子源投入實(shí)際應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)薄的發(fā)射式圖像顯示裝置。這種FE式冷電子源還對(duì)降低圖像顯示器的功耗和重量起作用。
圖13顯示了垂直FE式冷電子源結(jié)構(gòu)，它由基底131、發(fā)射器電極132、絕緣層133、發(fā)射器135和陽(yáng)極136形成。向陽(yáng)極發(fā)射的電子束的形狀由137指示，這個(gè)結(jié)構(gòu)是施平特式的，其中開(kāi)口形成在絕緣層133中，并且柵極134提供在陰極132上，具有圓錐形狀的發(fā)射器135放置在所述開(kāi)口中。(這種類型的結(jié)構(gòu)由例如C.A.施平特在《具有鉬圓錐的薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的物理性能》，J.Appl.Phys.47，5248(1976)中揭示。)圖14顯示了橫向FE結(jié)構(gòu)，它由基底141、發(fā)射器電極142、絕緣層143、發(fā)射器145和陽(yáng)極146形成。向陽(yáng)極發(fā)射的電子束的形狀由147指示，具有尖銳末端的發(fā)射器145和用于從發(fā)射器的末端拉出電子的柵極144配置在基底上，并與之平行，并且集電極(陽(yáng)極)形成在柵極和發(fā)射器電極上，遠(yuǎn)離基底(見(jiàn)USP 4,728,851，USP4,904,895等)。
同樣，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)第8-115652號(hào)揭示了使用纖維碳的電子發(fā)射設(shè)備，其中通過(guò)在催化金屬上執(zhí)行有機(jī)化學(xué)復(fù)合物氣體的熱裂解，使纖維碳配置在窄縫中。
在使用上述FE式電子源之一的圖像顯示設(shè)備中，根據(jù)電子源與熒光體之間的距離H，陽(yáng)極電壓Va和設(shè)備驅(qū)動(dòng)電壓Vf，得到具有一定尺寸的電子聚束光點(diǎn)(此后稱為束直徑)。所述的束直徑小于一毫米，并且圖像顯示裝置具有足夠高的分辨率。
然而，近些年已經(jīng)有了一種趨勢(shì)，需要更高分辨率的圖像顯示器。
進(jìn)一步，伴隨著顯示象素?cái)?shù)量的增加，在驅(qū)動(dòng)中，由于電子發(fā)射設(shè)備的設(shè)備電容，導(dǎo)致功耗增加。由此，需要減少設(shè)備電容和驅(qū)動(dòng)電壓，并且需要提高電子發(fā)射設(shè)備的效率。
在上述的施平特式的電子源中，柵極壓合在基底上，并且具有絕緣層介入其間，使寄生電容產(chǎn)生在大電容與多種發(fā)射器之間。而且，驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)幾十到幾百伏，并且因?yàn)檫@種特定結(jié)構(gòu)，電容功耗很大，這非常不利。
同樣，由于拉出的電子束分散，需要聚焦電極來(lái)限制電子束的分散。例如，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)第7-6714號(hào)揭示了通過(guò)將電子聚焦的電極，來(lái)匯聚電子軌道的方法。然而，這種方法具有問(wèn)題，由于增加了附加的聚焦電極，使其生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性增加，電子發(fā)射效率減小等。
在通常的橫向FE電子源中，陰極發(fā)出的電子束可靠地撞擊在相反的柵極上。由此橫向FE電子源的結(jié)構(gòu)具有問(wèn)題，其效率(流經(jīng)柵極的電流與到達(dá)陽(yáng)極的電流之比)減小，并且陽(yáng)極上的電子束形狀擴(kuò)散得相當(dāng)大。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種電子發(fā)射裝置，其中特定的電容減小，它具有低的驅(qū)動(dòng)電壓，并且通過(guò)控制發(fā)射電子的軌道，能夠得到更精細(xì)的電子束。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種電子發(fā)射裝置，包括第一電極和第二電極，配置在基底的表面上；第一加壓裝置，用于將電勢(shì)加在第二電極上，所加電勢(shì)高于加在第一電極上的電勢(shì)；電子發(fā)射部件，配置在第一電極上；第三電極，面對(duì)基底布置，電子發(fā)射部件發(fā)出的電子到達(dá)第三電極；和第二加壓裝置，用于將電勢(shì)加在第三電極上，所加電勢(shì)高于加在第一和第二電極的每個(gè)上的電勢(shì)，其中電子發(fā)射部件的表面放置在兩個(gè)平面之間，第一個(gè)平面包含第二電極表面，并且基本平行于基底表面；第二個(gè)平面包含第三電極表面，并且平行于基底表面。當(dāng)?shù)诙姌O與第一電極之間的距離為d；通過(guò)第一加壓裝置加在第二電極與第一電極之間的電勢(shì)差為V1；第三電極與基底之間的距離為H；并且通過(guò)第二加壓裝置加在第三電極上的電勢(shì)，與通過(guò)第一加壓裝置加在第一電極上的電勢(shì)之間的電勢(shì)差為V2時(shí)，那么電場(chǎng)E1＝V1/d在電場(chǎng)E2＝V2/H的1到50倍的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種電子發(fā)射裝置，包括第一電極和第二電極，配置在基底的表面上；第一加壓裝置，用于將電勢(shì)加在第二電極上，所加電勢(shì)高于加在第一電極上的電勢(shì)；多個(gè)纖維，配置在第一電極上，纖維包含碳作為主要成分；第三電極，面對(duì)基底布置，從纖維發(fā)出的電子到達(dá)第三電極；和第二加壓裝置，用于將電勢(shì)加在第三電極上，所加電勢(shì)高于加在第一和第二電極的每個(gè)上的電勢(shì)，其中纖維的表面區(qū)域放在兩個(gè)平面之間，第一個(gè)平面包含第二電極表面，并且基本平行于基底表面；第二個(gè)平面包含第三電極表面，并且平行于基底表面。
在上述布置中，電場(chǎng)集中的地方限制到發(fā)射器材料形成區(qū)域的一側(cè)區(qū)域，由此允許發(fā)射的電子首先朝向提取電極(柵極)拉出，然后到達(dá)陽(yáng)極，而實(shí)質(zhì)不可能撞擊在提取電極上。結(jié)果，電子發(fā)射效率提高。同樣，電子實(shí)質(zhì)不可能散射到提取電極上，使陽(yáng)極上得到的束斑的尺寸小于傳統(tǒng)設(shè)備中的尺寸，其中傳統(tǒng)設(shè)備具有散射到提取電極上的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種電子發(fā)射設(shè)備，包括纖維，包含碳作為主要成分；和電極，用于控制電子從含碳作為主要成分的纖維上發(fā)射，其中含碳作為主要成分的纖維具有多層(壓合的)石墨，而不與纖維的軸向平行。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方面，提供了一種電子發(fā)射設(shè)備，包括第一電極和第二電極，配置在基底的表面上，間隙形成在第一與第二電極之間；和纖維，提供在第一電極上，纖維包含碳作為主要成分，其中第二電極包括一個(gè)用于控制電子從含碳作為主要成分的纖維上發(fā)射的電極，并且其中含碳作為主要成分的纖維包括石墨。
根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備可以在低真空度下，以增加的速率長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定發(fā)射電子。
根據(jù)本發(fā)明，光發(fā)射部件提供在電子發(fā)射裝置的陽(yáng)極上，或提供在電子發(fā)射設(shè)備上，來(lái)形成光發(fā)射設(shè)備，圖像顯示裝置或相似設(shè)備能夠在低真空度下操作，并且長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地產(chǎn)生高亮度的發(fā)射/顯示。


圖1A和1B是顯示根據(jù)本發(fā)明的基本電子發(fā)射設(shè)備例子的圖；圖2A和2B是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的圖；圖3A和3B是顯示本發(fā)明第三實(shí)施例的圖；圖4A和4B是顯示本發(fā)明第四實(shí)施例的圖；圖5A、5B、5C和5D是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中的制造步驟的圖；圖6是顯示操作本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備的布置圖；圖7是顯示本發(fā)明的基本電子發(fā)射設(shè)備操作特性的圖；圖8是顯示無(wú)源矩陣電路結(jié)構(gòu)的例子圖，其中使用了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)電子源；圖9是顯示圖像形成面板結(jié)構(gòu)的例子圖，其中使用了本發(fā)明的電子源；圖10是顯示用于圖像形成面板的電路的例子圖，其中使用了本發(fā)明的電子源；圖11是示意地顯示了碳納米管結(jié)構(gòu)的圖；圖12是示意地顯示了石墨納米纖維結(jié)構(gòu)的圖；圖13是顯示傳統(tǒng)的垂直FE結(jié)構(gòu)的圖；而圖14是顯示傳統(tǒng)的橫向FE結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將參考附圖具體描述。下面進(jìn)行的實(shí)施例部件的描述，是關(guān)于部件的尺寸和形狀與部件的相對(duì)位置的，描述不傾向于限制本發(fā)明的范圍，除了特別提到的特定細(xì)節(jié)。
FE設(shè)備的操作電壓Vf通常由泊松等式得到的發(fā)射器末端電場(chǎng)確定，并且由電子發(fā)射電流的電流密度確定，其中電子發(fā)射電流根據(jù)稱為“福勒-諾德海姆等式”的關(guān)系表達(dá)式，關(guān)系表達(dá)式是關(guān)于電場(chǎng)的功函數(shù)，并且發(fā)射器部分用作參數(shù)。
當(dāng)發(fā)射器末端與柵極之間的距離D較小，或者發(fā)射器末端的半徑r較小時(shí)，得到較強(qiáng)的電場(chǎng)作為電子發(fā)射所必需的電場(chǎng)。
另一方面，陽(yáng)極上得到的電子束在X向的最大尺寸Xd(例如圖13中顯示的從圓形束形狀137中心的最大范圍)，以這樣的形式表達(dá)，它在簡(jiǎn)化計(jì)算中與(Vf/Va)成比例。
明顯在這種關(guān)系中，Vf的增加導(dǎo)致束直徑的增加。
結(jié)果，需要減小距離D和曲線的半徑r來(lái)減小Vf。
傳統(tǒng)布置中的束形狀將參考圖13和14描述。在圖13和14中，作為兩種布置中的相應(yīng)部件，基底由131和141指示；發(fā)射器電極由132和142指示；絕緣層由133和143指示；發(fā)射器由135和145指示；陽(yáng)極由136和146指示；電子束的形狀由137和147指示，其中陽(yáng)極被電子束照射。
在上面參考圖13描述的施平特式的情況下，當(dāng)Vf加在發(fā)射器135與柵極134之間時(shí)，發(fā)射器135突起的末端上的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，由此電子從圓錐發(fā)射器部分的大約末端發(fā)出到真空中。
根據(jù)發(fā)射器末端的形狀，在發(fā)射器的末端形成電場(chǎng)，而在其上具有適當(dāng)?shù)挠邢迏^(qū)域，使電子根據(jù)電勢(shì)，垂直地從發(fā)射器有限的末端區(qū)域拉出。
同時(shí)，其它電子以各種角度發(fā)出。以大角度發(fā)出的電子必然被拉向柵極。
結(jié)果，如果形成的柵極具有圓形開(kāi)口，圖13顯示的陽(yáng)極136上的電子分布，形成實(shí)質(zhì)圓形的束形狀137。也就是，得到的束形狀與拉出柵極的形狀密切相關(guān)，并且與柵極和發(fā)射器之間的距離密切相關(guān)。
在橫向FE電子源的情況下(圖14)，其中電子通常沿一個(gè)方向拉出，在發(fā)射器145與柵極144之間產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場(chǎng)，基本平行于基底141的表面(橫向電場(chǎng))，從發(fā)射器145發(fā)射的電子部分149拉到柵極144上的真空中，而其它電子進(jìn)入到柵極144中。
在圖14顯示的布置中，向著陽(yáng)極146的電場(chǎng)向量，在方向上與促使電子發(fā)射的那些不同(從發(fā)射器145到柵極144的電場(chǎng))。由此，陽(yáng)極146上發(fā)射的電子形成的電子分布(聚束光點(diǎn))增加。
下面將進(jìn)一步描述從發(fā)射器電極145拉出的電子的電場(chǎng)(在后面的描述中為了方便起見(jiàn)稱為“橫向電場(chǎng)”，而發(fā)射器結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)增強(qiáng)效果被忽略)，和向著陽(yáng)極的電場(chǎng)(在后面的描述中被稱為“垂直電場(chǎng)”)。
在圖13和14顯示的布置中，“橫向電場(chǎng)”還可以被表達(dá)為“基本平行于基底131(141)表面方向上的電場(chǎng)”。特別關(guān)于圖14中顯示的布置，還可以被表達(dá)為“柵極144和發(fā)射器145相反方向上的電場(chǎng)”。
同樣，在圖13或圖14顯示的安排中，“垂直電場(chǎng)”還可以被表達(dá)為“基本垂直于基底131(141)表面方向上的電場(chǎng)”，或者表達(dá)為“基底(131)141與陽(yáng)極136(146)相反方向上的電場(chǎng)”。
圖14顯示的布置中，如上所述，發(fā)射器發(fā)射的電子首先被橫向電場(chǎng)拉出，飛向柵極，然后由垂直電場(chǎng)而向上移動(dòng)，而到達(dá)陽(yáng)極。
這個(gè)效應(yīng)的重要因素是橫向與垂直電場(chǎng)的強(qiáng)度的比，和電子發(fā)射點(diǎn)的相關(guān)位置。
當(dāng)橫向電場(chǎng)比垂直電場(chǎng)強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，從發(fā)射器拉出的幾乎所有電子的軌道，被半徑電勢(shì)逐漸彎曲，使電子飛向柵極，其中半徑電勢(shì)由橫向電場(chǎng)產(chǎn)生。撞擊在柵極上的部分電子以散射方式再次彈出。然而在彈出后，電子重復(fù)散射，而通過(guò)一再地形成橢圓形軌道，沿著柵極散射，并且當(dāng)彈出時(shí)數(shù)量減少，直到它們被垂直電場(chǎng)抓住。只有散射的電子超過(guò)柵極電勢(shì)形成的等勢(shì)線后(這條線可以被稱為“滯留點(diǎn)”)，它們通過(guò)垂直電場(chǎng)向上移動(dòng)。
當(dāng)橫向電場(chǎng)和垂直電場(chǎng)在強(qiáng)度上大致相等時(shí)，盡管電子的軌道被半徑電勢(shì)彎曲，也由于橫向電場(chǎng)的介入，對(duì)電子拉出的限制減小。由此在這種情況下，電子軌道出現(xiàn)，其中電子沿著軌道行進(jìn)，被垂直電場(chǎng)抓住而不撞擊在柵極上。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果電子發(fā)射位置從柵極平面向陽(yáng)極平面偏離(見(jiàn)圖6)，其中電子在這個(gè)位置上從發(fā)射器發(fā)出，發(fā)射的電子可以形成軌道而被垂直電場(chǎng)抓住，而當(dāng)橫向電場(chǎng)與垂直電場(chǎng)在強(qiáng)度上大致相等時(shí)，實(shí)質(zhì)不可能撞擊在柵極上，也就是，橫向電場(chǎng)強(qiáng)度與垂直電場(chǎng)強(qiáng)度的比大約為1比1。
同樣，對(duì)電場(chǎng)比例進(jìn)行的研究已經(jīng)顯示，如果柵極144與發(fā)射器電極145末端之間的距離如果為d；設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)的電勢(shì)差(在柵極與發(fā)射器電極之間)為V1；陽(yáng)極與基底(元件)之間的距離為H；并且陽(yáng)極與陰極(發(fā)射器電極)之間的電勢(shì)差為V2，當(dāng)橫向電場(chǎng)E1＝V1/d為垂直電場(chǎng)E2＝V2/H的50倍或更強(qiáng)時(shí)，形成軌道，沿著軌道拉出的電子撞擊在柵極上。
本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，可以確定高度s(定義為兩個(gè)平面之間的距離，其中第一個(gè)平面包含部分柵極2表面，并且基本平行于基底1的表面，而第二個(gè)平面包含電子發(fā)射部件4表面，并且基本平行于基底1的表面(見(jiàn)圖6))，使柵極2上實(shí)質(zhì)不發(fā)生散射。高度s依靠垂直電場(chǎng)與橫向電場(chǎng)之間的比(垂直電場(chǎng)強(qiáng)度/橫向電場(chǎng)強(qiáng)度)。當(dāng)垂直-橫向電場(chǎng)之比比較低時(shí)，高度s較低。當(dāng)橫向電場(chǎng)比較強(qiáng)時(shí)，必要的高度s較高。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)置的高度范圍從10nm到10μm。
在圖14顯示的傳統(tǒng)布置中，柵極144和發(fā)射器(142，145)沿著共同平面彼此等高地形成，并且橫向電場(chǎng)比垂直電場(chǎng)強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有顯著的趨勢(shì)，通過(guò)撞擊到柵極上，將拉出到真空中的電子量減小。
進(jìn)一步，在傳統(tǒng)的布置中，確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)，來(lái)增加橫向上的電場(chǎng)強(qiáng)度，使陽(yáng)極146上的電子分布廣泛擴(kuò)展。
如上所述，為了限制到達(dá)陽(yáng)極146的電子的分布，有必要(1)減小驅(qū)動(dòng)電壓(Vf)，(2)不定向地拉出電子，(3)考慮電子的軌道，并且如果柵極上的散射發(fā)生，(4)考慮電子散射機(jī)制(特別是彈性散射)。
由此，本發(fā)明的目的在于提供一種電子發(fā)射設(shè)備，其中照射陽(yáng)極表面的電子的分布做得更精細(xì)，并且電子發(fā)射效率提高(發(fā)射的電子在柵極被吸收的量減小)。
根據(jù)本發(fā)明的新電子發(fā)射設(shè)備的結(jié)構(gòu)，將在下面具體描述。
圖1A是示意性平面圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備的例子。圖1B是沿圖1A的1B-1B線剖開(kāi)的剖視圖。圖6是本發(fā)明的電子發(fā)射裝置的示意性剖視圖，在電子發(fā)射裝置被驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，其中使陽(yáng)極配置在本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備之上。
在圖1A、1B和6中圖示出了絕緣基底1；提取電極2(也被稱為“柵極”或“第二電極”)；陰極3(也被稱為“第一電極”)；電子發(fā)射材料4(也被稱為“電子發(fā)射部件”或“發(fā)射器材料”)，提供在陰極3上；和陽(yáng)極61(也被稱為“第三電極”)。
在本發(fā)明的電子發(fā)射裝置中，如圖1A、1B和6所示，如果陰極3與柵極2彼此分開(kāi)的距離為d；當(dāng)電子發(fā)射設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)的電勢(shì)差(陰極3與柵極2之間的電壓)為Vf；陽(yáng)極61與基底1表面之間的距離為H，其中在基底1的表面上布置電子發(fā)射設(shè)備；并且陽(yáng)極61與陰極3之間的電勢(shì)差為Va，產(chǎn)生來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電場(chǎng)(橫向電場(chǎng))E1＝Vf/d，被設(shè)置為陽(yáng)極與陰極之間的電場(chǎng)(垂直電場(chǎng))E2＝Va/H的1到50倍的范圍內(nèi)。
在從陰極3發(fā)射的電子中，撞擊在柵極2上的電子比例由此減少。以這種方式，可以得到高效電子發(fā)射設(shè)備，它能夠防止發(fā)射的電子束廣泛分散。
在本發(fā)明的描述中，所謂的“橫向電場(chǎng)”還可以表達(dá)為“基本平行于基底1表面方向的電場(chǎng)”。也可以表達(dá)為“柵極2相對(duì)于陰極3方向上的電場(chǎng)”。
同樣，在本發(fā)明的描述中，所謂的“垂直電場(chǎng)”還可以表達(dá)為“基本垂直于基底1表面方向的電場(chǎng)”。也可以表達(dá)為“基底1相對(duì)于陽(yáng)極61方向上的電場(chǎng)”。
進(jìn)一步，在本發(fā)明的電子發(fā)射裝置中，包含電子發(fā)射部件4的表面，并且基本平行于基底1表面的平面，與包含柵極2的部分表面，并且基本平行于基底1表面的平面分開(kāi)(見(jiàn)圖6)。換句話說(shuō)，在本發(fā)明的電子發(fā)射裝置中，包含電子發(fā)射部件4的表面，并且基本平行于基底1表面的平面，放置在陽(yáng)極61與包含柵極2的部分表面，并且基本平行于基底表面的平面之間(見(jiàn)圖6)。
進(jìn)一步，在本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備中，電子發(fā)射部件4放置在高度s上(定義為兩個(gè)平面之間的距離，其中第一個(gè)平面包含柵極2的部分表面，并且基本平行于基底1的表面，而第二個(gè)平面包含電子發(fā)射部件4表面，并且基本平行于基底1的表面(見(jiàn)圖6))，使柵極2上實(shí)質(zhì)不發(fā)生散射。
高度s依賴于垂直電場(chǎng)與橫向電場(chǎng)之間的比(垂直電場(chǎng)強(qiáng)度/橫向電場(chǎng)強(qiáng)度)。當(dāng)垂直-橫向電場(chǎng)強(qiáng)度之比比較低時(shí)，高度s也較低。當(dāng)橫向電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，必要的高度s較高。實(shí)際上，高度不小于10nm，不大于10μm。
絕緣基底1的例子是這樣的基底，它的表面被實(shí)質(zhì)凈化石英玻璃；玻璃中雜質(zhì)的成分如Na，被例如K部分替換而減?。粚訅喊?，以這樣的方式形成，在石灰蘇打玻璃、硅基底或相似元件上，通過(guò)濺射或相似方式來(lái)壓合SiO2；和絕緣基底，由陶瓷如氧化鋁制成。
每個(gè)提取電極2和陰極3是電導(dǎo)部件，通過(guò)普通的真空薄膜成型技術(shù)，如蒸發(fā)和濺射，或光刻技術(shù)，形成在基底1的表面上，而彼此面對(duì)。電極2與3的材料從例如碳、金屬、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬硼化物、半導(dǎo)體和半導(dǎo)體金屬?gòu)?fù)合物中選擇。電極2與3的厚度設(shè)置在從幾十納米到幾十微米的范圍內(nèi)。電極2與3的材料更適宜地為碳、金屬、金屬氮化物或金屬碳化物形成的抗熱材料。
電極2與3的材料配置在基底1的表面上，其中電極2與3的材料組成根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備。不用說(shuō)，沿著基本平行于包含基底1表面的平面方向，提取電極2與陰極3彼此分開(kāi)。換句話說(shuō)，構(gòu)成電子發(fā)射設(shè)備，使提取電極2與陰極3彼此不重疊。
特別地，在下面描述的碳纖維生長(zhǎng)的情況下，電極更適宜地由硅形成，其中硅具有導(dǎo)電性，例如摻雜了多晶硅或相似成分。
如果擔(dān)心例如由于電極厚度小導(dǎo)致的電壓降，或者如果以矩陣形式使用多個(gè)電子發(fā)射設(shè)備，那么在不影響電子發(fā)射的情況下，低阻接線金屬材料可以用于形成適當(dāng)?shù)慕泳€部分。
發(fā)射器材料(電子發(fā)射部件)4可以以這種方式形成，即由普通真空薄膜成型方法，如濺射而沉積的膜，通過(guò)使用如反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)(RIE)，做成發(fā)射器的形狀。可選地，可以通過(guò)在化學(xué)氣相沉積(CVD)中，從籽晶來(lái)生長(zhǎng)成針晶或晶須來(lái)形成。在RIE的情況下，發(fā)射器形狀的控制依賴于使用的基底的種類、氣體的種類、氣體的壓力(流量)、蝕刻時(shí)間、用于形成等離子體的能量等。在CVD成型過(guò)程中，通過(guò)選擇基底的種類、氣體的種類、流量、生長(zhǎng)溫度等來(lái)控制發(fā)射器的形狀。
用來(lái)形成發(fā)射器(電子發(fā)射部件)4的材料的例子有碳化物，例如TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC和WC、氣相碳、石墨、金剛石狀碳、包含分散金剛石的碳和碳復(fù)合物。
根據(jù)本發(fā)明，纖維碳特別適于用作發(fā)射器4(電子發(fā)射部件)的材料。本發(fā)明的描述中的所謂“纖維碳”，還可以表達(dá)為“包含碳作為主要成分的柱狀材料”或“包含碳作為主要成分的絲狀材料”。進(jìn)一步，“纖維碳”還可以表達(dá)為“包含碳作為主要成分的纖維”。更特別地，根據(jù)本發(fā)明的“纖維碳”包括碳納米管、石墨納米纖維和非晶態(tài)碳纖維。特別地，石墨納米纖維最適于用作電子發(fā)射部件4。
可以確定提取電極2與陰極3之間的間隙和驅(qū)動(dòng)電壓(加在提取電極2與陰極3之間的電壓)，從而從使用的陰極材料發(fā)射電子所必需的橫向電場(chǎng)的值，大于形成圖像所必需的垂直電場(chǎng)的1到50倍，如上所述。
在光發(fā)射部件如熒光體提供在陽(yáng)極上的情況下，必須的垂直電場(chǎng)更適宜地在10-1到10V/μm的范圍內(nèi)。例如，在陽(yáng)極與陰極之間的間隙為2mm，并且10kV加在陽(yáng)極與陰極之間的情況下，垂直電場(chǎng)為5V/μm。在這種情況下，使用的發(fā)射器材料(電子發(fā)射部件)4具有5V/μm或更高的電子發(fā)射電場(chǎng)值。根據(jù)選擇的電子發(fā)射電場(chǎng)值，可以確定間隙與驅(qū)動(dòng)電壓。
具有幾個(gè)V/μm的電場(chǎng)閾值的材料例子為纖維碳。圖11與12的每個(gè)顯示了纖維碳結(jié)構(gòu)的例子。在圖11與12的每個(gè)中，在左側(cè)部分以光學(xué)顯微鏡水平(到1,000倍)，在中間部分以掃描電子顯微鏡水平(到30,000倍)，在右側(cè)部分以透射電子顯微鏡水平(到1,000,000倍)示意地顯示結(jié)構(gòu)。
形成圖11所示圓柱的石墨結(jié)構(gòu)，被稱為碳納米管(多層圓柱狀石墨結(jié)構(gòu)被稱為多壁納米管)。當(dāng)管末端打開(kāi)時(shí)，它的閾值最小化。
圖12中顯示的纖維碳可以在相對(duì)低的溫度產(chǎn)生。具有這樣結(jié)構(gòu)的纖維碳包括石墨層體(graphene layered body)(這樣，可以被稱為“石墨納米纖維”，并且具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，它的比隨溫度增加)。更特別地，“石墨納米纖維”指定這樣的纖維物質(zhì)，其中在其縱向(纖維的軸向)石墨分層(被壓合)。換句話說(shuō)，石墨納米纖維是纖維物質(zhì)，其中多個(gè)石墨被布置并分層(壓合)，而不平行于纖維軸，如圖12所示。
另一方面，碳納米管是纖維物質(zhì)，其中石墨圍繞縱向(纖維軸向)布置(以圓柱形)。換句話說(shuō)是纖維物質(zhì)，其中石墨基本平行于纖維軸布置。
一層石墨被稱為“石墨”或“石墨片”，更特別地，石墨以這種方式形成，即碳平面一層放在一層上，其上碳原子在SP2混成中通過(guò)共價(jià)鍵，排成陣列而形成彼此靠近的規(guī)則六邊形，碳平面分開(kāi)3.354的距離。每個(gè)碳平面被稱為“石墨”或“石墨片”。
每種式的纖維碳具有大約1到10V/μm的電子發(fā)射閾值，由此適宜地作為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射器(電子發(fā)射部件)4的材料。
特別地，使用石墨納米纖維的電子發(fā)射設(shè)備，不限于圖1所示的本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)等，能夠促使電子在低電場(chǎng)中發(fā)射，而得到大的發(fā)射電流，并且能夠容易地生產(chǎn)，來(lái)得到具有穩(wěn)定電子發(fā)射特點(diǎn)的電子發(fā)射設(shè)備。例如，通過(guò)形成石墨納米纖維作為發(fā)射器，并且通過(guò)提供電極用于控制電子從發(fā)射器發(fā)射，可以得到這樣的電子發(fā)射元件。進(jìn)一步，如果使用光發(fā)射部件，其中當(dāng)被石墨納米纖維發(fā)出的電子照射時(shí)，光發(fā)射部件能夠光發(fā)射，可以形成如燈這樣的光發(fā)射設(shè)備。進(jìn)一步，通過(guò)形成多個(gè)上述電子發(fā)射設(shè)備的陣列，并且通過(guò)準(zhǔn)備具有光發(fā)射材料如熒光體的陽(yáng)極，可以構(gòu)成圖像顯示裝置。在電子發(fā)射設(shè)備中，光發(fā)射設(shè)備和圖像顯示裝置使用上述石墨納米纖維，電子的穩(wěn)定發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)，而不用在設(shè)備或裝置內(nèi)保持超高的真空度，這樣的真空是傳統(tǒng)電子發(fā)射設(shè)備所需的。而且，由于電子通過(guò)低電場(chǎng)發(fā)射，設(shè)備或裝置可以以提高的穩(wěn)定性容易地生產(chǎn)。
通過(guò)使用催化劑(用于加速碳沉積的材料)分解碳?xì)浠衔餁怏w，可以形成上述纖維碳。用于形成碳納米管和石墨納米纖維的過(guò)程，在催化劑的種類和分解溫度上不同。
催化劑材料可以是用作形成纖維碳籽晶的材料，并且可以從Fe、Co、Pd、No和這些材料的某些合金中選擇。
特別地，如果使用Pd或Ni，可以在低溫(不低于400℃)下形成石墨納米纖維。在使用Fe或Co的情況下，必要的納米管形成溫度為800℃或更高。同樣，從減小其它成分的影響并限制生產(chǎn)成本的角度考慮，通過(guò)使用Pd或Ni產(chǎn)生石墨納米纖維材料的過(guò)程是優(yōu)選的，其中這可以在低溫下執(zhí)行。
進(jìn)一步，可以使用Pd的下述特性，這個(gè)特性在于，能夠通過(guò)氫在低溫(室溫)下使氧化物減少。也就是，可以使用鈀的氧化物作為形成材料的籽晶。
如果使用氧化鈀減少氫，可以在相對(duì)低的溫度(小于等于200℃)下形成初始凝結(jié)籽晶，而不用普通籽晶形成技術(shù)中傳統(tǒng)使用的金屬膜熱凝結(jié)，或超精細(xì)粒子形成/沉積。
上述碳?xì)錃怏w可以是例如乙炔、乙烯、甲烷、丙烷或丙烯。進(jìn)一步，在一些情況下可以使用CO或CO2氣體，或有機(jī)溶劑蒸汽，如乙醇或丙酮。
在本發(fā)明的設(shè)備中，發(fā)射器(電子發(fā)射部件)存在的區(qū)域?qū)⒈环Q為“發(fā)射器區(qū)域”，而不考慮它對(duì)電子發(fā)射的貢獻(xiàn)。
在“發(fā)射器區(qū)域”中，電子發(fā)射點(diǎn)(電子發(fā)射部分)的位置和電子發(fā)射操作將參考圖6和7描述。
陰極3與提取電極2之間具有幾微米距離的電子發(fā)射設(shè)備，設(shè)置在真空裝置60中，如圖6所示。通過(guò)真空泵65，產(chǎn)生大約10-4pa的足夠高的真空度。高于陰極3和提取電極電勢(shì)的大約幾千伏的電勢(shì)(電壓Va)，從電壓源(“第二加壓裝置”或“第二加電勢(shì)裝置”)加在陽(yáng)極61上，其中放置陽(yáng)極61，使陽(yáng)極61的表面到基底1表面的高度H為幾毫米，如圖6所示。當(dāng)電壓Va加在陰極3與陽(yáng)極61之間時(shí)，加在陽(yáng)極上的電壓可以是來(lái)自接地電勢(shì)的電壓?；?和陽(yáng)極61彼此相關(guān)定位，使它們的表面彼此平行。
在電子發(fā)射設(shè)備的陰極3與提取電極12之間，大約幾十伏的電壓作為電源(未畫(huà)出)(“第一加壓裝置”或“第一加電勢(shì)裝置”)的驅(qū)動(dòng)電壓Vf應(yīng)用。測(cè)量在電極2與3之間流動(dòng)的設(shè)備電流If，和流經(jīng)陽(yáng)極的電子發(fā)射電流Ie。
假設(shè)在這個(gè)操作中，等勢(shì)線63如圖6所示形成(電場(chǎng)(電場(chǎng)方向)基本平行于基底1的表面)，并且假設(shè)在電子發(fā)射部件4最靠近陽(yáng)極并且面對(duì)間隙部分的點(diǎn)上，如64所指示的，電場(chǎng)密度最大化。電子被認(rèn)為主要從這個(gè)電場(chǎng)密集點(diǎn)附近的電子發(fā)射材料部分發(fā)出，那里電場(chǎng)的密度最大化。得到如圖7所示的Ie特性曲線。也就是，在相當(dāng)于大約一半應(yīng)用電壓的電壓處，Ie突然上升。If特性曲線(未畫(huà)出)與Ie特性曲線相似，但I(xiàn)f的值比Ie的充分小。
通過(guò)布置多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備，得到的電源將參考圖8描述。在圖8說(shuō)明了電源基底81，X向接線82，Y向接線83，根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備84，和連接導(dǎo)體85。
X向接線82具有m個(gè)導(dǎo)體DX1，DX2，…，DXm，它們由例如真空蒸發(fā)、印刷、濺射或相似方法形成的導(dǎo)體材料組成。接線的材料、膜厚度和寬度根據(jù)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選擇。Y向接線83具有n個(gè)導(dǎo)體DY1，DY2，…，DYn，并且與X向接線相同的方式形成。層間絕緣層(未畫(huà)出)提供在X向接線82的m個(gè)導(dǎo)體與Y向接線83的n個(gè)導(dǎo)體之間，而將這些導(dǎo)體電分離(m和n的每個(gè)是正整數(shù))。
層間絕緣層(未畫(huà)出)是例如真空蒸發(fā)、印刷、濺射或相似方法形成的SiO2層。例如，在基底81的整個(gè)或部分表面上，層間絕緣層形成所需的形狀，其中在基底81的表面上，已經(jīng)形成X向接線82，并且選擇膜厚度、材料和制造方法，來(lái)確保特別是承受X向接線82與Y向接線83導(dǎo)體交叉部分上的電勢(shì)差。X向接線82與Y向接線83的導(dǎo)體各自向外伸出，作為外接線端。
組成電子發(fā)射設(shè)備84的電極對(duì)(未畫(huà)出)，通過(guò)導(dǎo)電材料或相似元件制成的連接導(dǎo)體85，與X向接線82的m個(gè)導(dǎo)體和Y向接線83的n個(gè)導(dǎo)體電連接。
形成接線82和83的材料、形成連接導(dǎo)體85的材料和形成設(shè)備電極對(duì)的材料，可以由共同組成元件整個(gè)組成，或者由共同組成元件部分組成，或者可以由不同組成元件組成。這些材料從例如上述設(shè)備電極的材料中選擇。如果設(shè)備電極的材料與接線材料相同，那么連接到設(shè)備電極上的接線導(dǎo)體可以認(rèn)為是設(shè)備電極。
這樣的掃描信號(hào)應(yīng)用裝置(未畫(huà)出)聯(lián)接到X向接線82上，用于施加掃描信號(hào)，來(lái)選擇X向布置的電子發(fā)射設(shè)備84的行。另一方面，用于根據(jù)輸入信號(hào)，將加在Y向布置的電子發(fā)射設(shè)備84的列上的電壓調(diào)制，這樣的調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置連接到Y(jié)向接線83上。提供加在每個(gè)電子發(fā)射設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)電壓，作為相應(yīng)于加在元件上的掃描信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間的差的電壓。
在上述布置中，通過(guò)使用連接成被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的無(wú)源陣列，可以選擇每個(gè)設(shè)備。
通過(guò)使用具有這樣的無(wú)源陣列的電子源，構(gòu)成的成像裝置將參考圖9描述。圖9示意地顯示了成像裝置顯示面板的例子。參考圖9，多個(gè)電子發(fā)射設(shè)備配置在電子源基底81上，其中電子源基底81固定在背板91上。一個(gè)面板96具有玻璃基底93；熒光膜94，作為光發(fā)射部件提供在玻璃基底93的內(nèi)表面上；和一個(gè)金屬背板(陽(yáng)極)95等。通過(guò)使用燒結(jié)玻璃或相似元件，背板91和面板96連接到支持框92上。在例如大氣、真空或氮?dú)庵校?00到500℃的溫度范圍烘烤大約10分鐘或更長(zhǎng)，通過(guò)這樣的密封黏結(jié)形成封裝97。
如上所述，封裝97由面板96、支持框92和背板91組成。背板91主要用于增強(qiáng)基底81的目的而提供。如果基底81自身具有足夠高的強(qiáng)度，那么不必另外提供背板91。也就是，支持框92可以直接密封黏結(jié)到基底81上，并且封裝97可以由框板96、支持框92和基底81形成。被稱為襯墊的支持部件(未畫(huà)出)可以提供在面板96與背板91之間，來(lái)允許封裝97具有足夠高的強(qiáng)度抵抗大氣壓。
本發(fā)明的實(shí)施例將在下面具體描述。
(實(shí)施例1)圖1A顯示了這個(gè)實(shí)施例中制造的電子發(fā)射設(shè)備的頂視圖。圖1B是沿圖1A的1B-1B線剖開(kāi)的剖視圖。
圖1A和1B說(shuō)明了絕緣基底1、提取電極2(柵極)、陰極3和發(fā)射器材料4。
將具體描述這個(gè)實(shí)施例的電子發(fā)射設(shè)備的制造過(guò)程。
(步驟1)石英基底用作基底1。在充分清潔基底后，5nm厚的Ti膜(未畫(huà)出)和30nm厚的多晶硅膜(摻雜了砷)，通過(guò)濺射在基底上而連續(xù)沉積，作為柵極2和陰極3。
下面，使用正光致抗蝕劑(克萊立安(clariant)公司的AZ1500)，通過(guò)照相平版印刷(光刻)形成抗蝕劑圖樣。
此后，在多晶硅(摻雜了砷)層和Ti層上，以用作掩模并形成圖樣的光致抗蝕劑執(zhí)行干蝕刻，CF4氣用于蝕刻Ti層。由此形成提取電極2和陰極3，其間具有5μm的間隙(圖5A)。
(步驟2)下面，通過(guò)電子束蒸發(fā)(EB)，具有大約100nm厚度的Cr配置在整個(gè)基底上。
通過(guò)使用正光致抗蝕劑的光刻法(克萊立安公司的AZ1500)，形成抗蝕圖樣。
以用作掩模并形成圖樣的光致抗蝕劑，使開(kāi)口形成在陰極3上，其中開(kāi)口相應(yīng)于電子發(fā)射材料4提供的區(qū)域(100μm見(jiàn)方)。通過(guò)使用硝酸鈰蝕刻溶液，開(kāi)口上的Cr被去除。
在去除抗蝕劑后，通過(guò)將異丙基乙醇等加到Pd復(fù)合物中準(zhǔn)備的復(fù)合溶液，通過(guò)旋涂應(yīng)用到整個(gè)基底上。
在應(yīng)用溶液后，在大氣中以300℃執(zhí)行熱處理，來(lái)形成具有大約10nm厚度的氧化鈀層51。此后，通過(guò)使用硝酸鈰蝕刻溶液去除Cr(見(jiàn)圖5B)。
(步驟3)基底在200℃烘烤，大氣被抽出，然后在以氮?dú)庀♂尩?％的氫氣流中執(zhí)行熱處理。在這個(gè)階段，具有大約3到10nm直徑的粒子52形成在陰極3的表面上。在這個(gè)階段，粒子的密度估計(jì)為大約1011到1012個(gè)粒子/cm2(圖5C)。
(步驟4)然后，在以氮?dú)庀♂尩?.1％的乙烯氣流中，熱處理在500℃執(zhí)行10分鐘。熱處理后的狀態(tài)通過(guò)掃描電子顯微鏡被觀察到，發(fā)現(xiàn)多個(gè)纖維碳4形成在Pd涂層區(qū)中，其中纖維碳4具有10到25nm的直徑，象纖維一樣延伸，同時(shí)卷曲或彎曲。纖維碳層的厚度為大約500nm(圖5D)。
這個(gè)電子發(fā)射設(shè)備設(shè)置在圖6顯示的真空裝置60中。通過(guò)抽氣泵62，產(chǎn)生大約2×10-5pa的足夠高的真空。電壓Va＝10kV作為陽(yáng)極電壓加在陽(yáng)極61上，陽(yáng)極61距設(shè)備H＝2mm，如圖6所示。同樣，Vf＝20V的脈沖電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓加在設(shè)備上。由此產(chǎn)生的設(shè)備電流If和電子發(fā)射電流Ie被測(cè)量。
電子發(fā)射設(shè)備的If和Ie特性曲線如圖7顯示。也就是，在所加電壓大約一半的電壓，Ie突然升高，并且在15V的Vf值，測(cè)量到大約1μA的電流作為電子發(fā)射電流Ie。另一方面，If特性曲線與Ie特性曲線相似元件，但I(xiàn)f的值小于Ie的值一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。
得到的束具有通常矩形的形狀，它的長(zhǎng)邊沿著Y向，而短邊沿著X向。關(guān)于電極2與3之間1μm和5μm的不同間隙，測(cè)量束寬度，而Vf固定在15V，并且到陽(yáng)極的距離H固定在2mm。表1顯示了這個(gè)測(cè)量的結(jié)果。
表1

通過(guò)改變纖維碳的生長(zhǎng)條件，能夠改變用于驅(qū)動(dòng)的必要電場(chǎng)。特別地，通過(guò)還原氧化鈀形成的Pd粒子的平均粒子尺寸，與此后生長(zhǎng)的纖維碳的直徑相關(guān)。通過(guò)Pd混合物涂層中的Pd密度和旋涂的旋轉(zhuǎn)速度，能夠控制平均Pd粒子尺寸。
以透射電子顯微鏡觀察這個(gè)電子發(fā)射設(shè)備的纖維碳，來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)，其中石墨在纖維軸向上分層，如圖12的右側(cè)部分所示。在約500℃的低溫加熱導(dǎo)致的石墨疊層間隔(在Z軸方向上)是不確定的，并且為0.4nm。隨著加熱溫度增加，柵格間隔變得確定。在700℃加熱導(dǎo)致的間隔為0.34nm，接近石墨中的0.335nm。
(實(shí)施例2)圖2顯示了本發(fā)明的第二實(shí)施例。
在這個(gè)實(shí)施例中，電子發(fā)射設(shè)備以與第一實(shí)施例中的相同方式制造，除了相應(yīng)于第一實(shí)施例中的陰極3具有500nm的厚度，并且提供作為電子發(fā)射材料4的纖維碳100nm的厚度。電子發(fā)射設(shè)備制造中的電流If和Ie被測(cè)量。
在這個(gè)設(shè)備的布置中，通過(guò)增加陰極3的厚度，電子發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于柵極正向地提高(向著陽(yáng)極)。電子撞擊在柵極上的軌道由此減小，由此防止效率降低和束增厚現(xiàn)象的發(fā)生。
同樣在這個(gè)設(shè)備的布置中，電子發(fā)射電流Ie在Vf＝20V時(shí)為大約1μA。另一方面，If特性曲線相似于Ie特性曲線，但I(xiàn)f的值小于Ie的值兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
在這個(gè)實(shí)施例中，束直徑的測(cè)量結(jié)果基本與表1顯示的那些相同。
(實(shí)施例3)圖3顯示了本發(fā)明的第三實(shí)施例。
在這個(gè)實(shí)施例中，在相應(yīng)于第一實(shí)施例的步驟2的步驟中，氧化鈀51提供在陰極3上和電極2與3的間隙中。氧化Pd以這樣的方式提供在間隙中，即它從陰極3伸出到靠近間隙中點(diǎn)的點(diǎn)上。除了步驟2，這個(gè)實(shí)施例與第一實(shí)施例相同。
因?yàn)殚g隙減小，這個(gè)實(shí)施例的電子發(fā)射設(shè)備中的電場(chǎng)，是第一實(shí)施例中強(qiáng)度的兩倍，由此允許驅(qū)動(dòng)電壓減小到大約8V。
(實(shí)施例4)圖4顯示了本發(fā)明的第四實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，上面關(guān)于第一實(shí)施例描述的步驟1和步驟2，被如下所述改變。
(步驟1)石英基底用作基底1。在充分清潔基底后，5nm厚的Ti膜和30nm厚的多晶硅膜(摻雜了砷)通過(guò)濺射，連續(xù)配置在基底上作為陰極3。
下面，使用正光致抗蝕劑(克萊立安公司的AZ1500)，通過(guò)光刻形成抗蝕劑圖樣。
下面，在多晶硅層和Ti層上，通過(guò)使用CF4氣體，以形成圖樣并用作掩模的光致抗蝕劑，來(lái)執(zhí)行干蝕刻。由此形成陰極3。
然后通過(guò)使用氫氟酸和氟化銨形成的混合酸，將石英基底蝕刻到大約500nm的深度。
然后通過(guò)再次執(zhí)行濺射，將5nm厚的Ti膜和30nm厚的Pt膜連續(xù)配置在基底上，作為柵極2。在從陰極上去除光致抗蝕劑后，通過(guò)使用正光致抗蝕劑(克萊立安公司的AZ1500)，再次形成抗蝕劑圖樣，來(lái)形成柵極。
下面，在Pt層和Ti層上，通過(guò)使用Ar，以形成圖樣并用作掩模的光致抗蝕劑，來(lái)執(zhí)行干蝕刻。由此形成電極2，使電極之間形成的階梯用作間隙。
下面，抗蝕劑圖樣形成在陰極上，通過(guò)具有良好直通效果的電阻加熱蒸發(fā)，形成具有大約5nm厚度的Ni膜，此后在350℃執(zhí)行氧化30分鐘。
這個(gè)步驟后面是與第一實(shí)施例中的那些相同的步驟。
上述設(shè)備安排允許形成更精細(xì)的間隙，在大約6V的更低電壓下使電子有效地發(fā)射。
因?yàn)橄鄬?duì)于柵極，電子發(fā)射材料4的高度(膜厚度)增加，電子不僅從電子發(fā)射材料4的上部，而且從中間部分拉出。這樣，這個(gè)實(shí)施例中的布置具有防止由于電子撞擊在柵極上而導(dǎo)致的效率減小和束增厚現(xiàn)象的發(fā)生的效果。
(實(shí)施例5)通過(guò)布置多個(gè)第一實(shí)施例中制造的電子發(fā)射設(shè)備，而得到的電子源，和使用這個(gè)電子源的成像裝置，將參考圖8、9和10描述。在圖8中說(shuō)明了電子源基底81、X向接線82、Y向接線83、根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備84，和連接導(dǎo)體85。
具有圖8顯示的矩陣接線的電子源通過(guò)布置多個(gè)電子發(fā)射設(shè)備，設(shè)備電容增加，由此具有問(wèn)題，即使應(yīng)用脈寬調(diào)制產(chǎn)生的短脈沖，波形也會(huì)被電容成分鈍化或變形，而導(dǎo)致例如不能得到必要的灰度等級(jí)。由此在這個(gè)實(shí)施例中，采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中在電子發(fā)射區(qū)旁提供層間絕緣層，來(lái)限制電子發(fā)射區(qū)以外的區(qū)域中電容成分的增加。
參考圖8，X向接線82具有m個(gè)導(dǎo)體DX1，DX2，…，DXm，它們具有大約1μm的厚度和300μm的寬度，并且通過(guò)蒸發(fā)由鋁接線材料形成。接線導(dǎo)體的材料、膜厚度和寬度，根據(jù)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選擇。Y向接線83具有n個(gè)導(dǎo)體DY1，DY2，…，DYn，它們具有5μm的厚度和100μm的寬度，并且以與X向接線82相同的方式形成。層間絕緣層(未畫(huà)出)提供在X向接線82的m個(gè)導(dǎo)體與Y向接線83的n個(gè)導(dǎo)體之間，來(lái)電分離這些導(dǎo)體(m和n的每個(gè)是正整數(shù))。
層間絕緣層(未畫(huà)出)是例如濺射或相似方法形成SiO2層，并且具有大約0.8μm的厚度。例如，層間絕緣層在基底81的整個(gè)或部分表面上形成所需的形狀，在基底81的表面上已經(jīng)形成X向接線82。特別地，確定層間絕緣膜的厚度，來(lái)確保承受X向接線82與Y向接線83的導(dǎo)體相交部分上的電勢(shì)差。X向接線82與Y向接線83的導(dǎo)體各自向外延伸作為外接線端。
通過(guò)導(dǎo)電金屬或相似材料制成連接導(dǎo)體85，將組成電子發(fā)射設(shè)備84的電極對(duì)(未畫(huà)出)與X向接線82的m個(gè)導(dǎo)體和Y向接線83的n個(gè)導(dǎo)體電連接。
用于應(yīng)用掃描信號(hào)，來(lái)選擇X向安排的電子發(fā)射設(shè)備84的行，這樣的掃描信號(hào)應(yīng)用裝置(未畫(huà)出)連接到X向接線82上。另一方面，用于根據(jù)輸入信號(hào)，將加在Y向安排的電子發(fā)射設(shè)備84的列上的電壓進(jìn)行調(diào)制，這樣的調(diào)制信號(hào)發(fā)生裝置連接到Y(jié)向接線83上。提供加在每個(gè)電子發(fā)射設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)電壓，作為相應(yīng)于加在元件上的掃描信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之差的電壓。在本發(fā)明中，Y向接線83連接到上面關(guān)于第一實(shí)施例描述的電子發(fā)射設(shè)備的柵極2上，而X向接線連接到元件的陰極3上。這個(gè)連接實(shí)現(xiàn)了束集中效果，這是本發(fā)明的特點(diǎn)。
在上述布置中，通過(guò)使用無(wú)源矩陣接線，可以選擇每個(gè)元件，而被各自驅(qū)動(dòng)。
通過(guò)使用具有這樣的無(wú)源矩陣的電子源，構(gòu)成的成像裝置將參考圖9描述。圖9是顯示成像裝置顯示面板的圖。
參考圖9，電子源提供在電子源基底81上，其中電子源具有上面參考圖8描述的多個(gè)電子發(fā)射設(shè)備。基底81固定到背板91上。面板96具有玻璃基底93；熒光膜94，作為光發(fā)射部件提供在玻璃基底93的內(nèi)表面上；金屬背95等。通過(guò)使用燒結(jié)玻璃或相似元件，背板91和面板96連接到支持框架92上。在真空中大約450℃的溫度下烘烤10分鐘，通過(guò)密封黏結(jié)形成封裝97。電子發(fā)射設(shè)備84相應(yīng)于圖9顯示的電子發(fā)射區(qū)。在這個(gè)實(shí)施例中，X向接線82和Y向接線83連接到電子發(fā)射元件的電極對(duì)上。
如上所述，封裝97由面板97、支持框架92和背板91組成。被稱作襯墊的支持部件(未畫(huà)出)提供在面板96與背板91之間，允許封裝97具有足夠高的強(qiáng)度，來(lái)抵抗大氣壓。
在制成熒光膜后，通過(guò)使熒光膜的內(nèi)表面光滑(一般稱作“膜化”)，此后通過(guò)真空蒸發(fā)或相似方法來(lái)沉積Al，制成金屬背95。
面板96進(jìn)一步有透明的電極(未畫(huà)出)提供在熒光膜94的外表面上，來(lái)提高熒光膜94的導(dǎo)電性。
將描述掃描電路102。掃描電路102包括M個(gè)轉(zhuǎn)換設(shè)備(在圖中示意地顯示為S1到Sm)。每個(gè)轉(zhuǎn)換設(shè)備S1到Sm從直流電壓源Vx和0(V)(接地電平)選擇一個(gè)輸出電壓。轉(zhuǎn)換設(shè)備S1到Sm各自連接到顯示面板101的接線點(diǎn)Dx1到Dxm上。每個(gè)轉(zhuǎn)換設(shè)備S1到Sm根據(jù)控制電路103輸出的控制信號(hào)Tscan操作，并且可以是轉(zhuǎn)換設(shè)備如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和其它元件的組合。在這個(gè)例子中，構(gòu)成直流電壓源Vx來(lái)輸出恒定電壓，使加在設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)電壓不高于電子發(fā)射閾值電壓，其中設(shè)備不根據(jù)電子發(fā)射設(shè)備的特性(電子發(fā)射閾值電壓)掃描。
控制電路103具有將元件的操作彼此匹配，來(lái)根據(jù)外部提供的輸入信號(hào)適當(dāng)?shù)貓?zhí)行顯示的功能?？刂齐娐?03根據(jù)同步信號(hào)分離電路106提供的同步信號(hào)Tsync，對(duì)元件產(chǎn)生控制信號(hào)Tscan、Tsft和Tmry。
同步信號(hào)分離電路106是用于從外部提供的NTSC制電視信號(hào)中，分離同步信號(hào)成分和亮度信號(hào)成分的電路。通過(guò)使用普通頻率分離(濾波)電路等，可以形成這個(gè)電路。通過(guò)同步信號(hào)分離電路106分離的同步信號(hào)，由垂直同步信號(hào)和水平同步信號(hào)形成。然而，為了方便起見(jiàn)，在圖中顯示為Tsync。為了方便起見(jiàn)，從電視信號(hào)中分離的圖像亮度信號(hào)成分顯示為DATA信號(hào)。DATA信號(hào)輸入到移位寄存器104。
移位寄存器104是相對(duì)于每條圖像線，用于DATA信號(hào)從串行到并行轉(zhuǎn)換的設(shè)備，其中DATA信號(hào)以時(shí)間順序輸入。移位寄存器104根據(jù)控制電路103提供的控制信號(hào)Tsft操作。(也就是，控制信號(hào)Tsft可以被認(rèn)為是移位寄存器的移位時(shí)鐘。)在串行到并行的轉(zhuǎn)換后，相應(yīng)于一條圖像線的數(shù)據(jù)從移位寄存器104輸出，作為N個(gè)并行信號(hào)Id1到Idn。
線存儲(chǔ)器105是對(duì)必要的時(shí)間周期，存儲(chǔ)相應(yīng)于一條圖像線的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。線存儲(chǔ)器105根據(jù)控制電路103提供的控制信號(hào)Tmry，存儲(chǔ)信號(hào)Id1到Idn的內(nèi)容。存儲(chǔ)的內(nèi)容被輸出，作為輸入到調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107的I`d1到I`dn。
調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107是適當(dāng)調(diào)制信號(hào)的信號(hào)源，該信號(hào)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)項(xiàng)I`d1到I`dn，用于驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射設(shè)備。調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107的輸出信號(hào)通過(guò)接線端Doy1到Doyn，加到顯示面板111的電子發(fā)射設(shè)備上。
如上所述，本發(fā)明可以應(yīng)用的每個(gè)電子發(fā)射設(shè)備具有下面關(guān)于發(fā)射電流Ie的基本特性。也就是，相對(duì)于電子的發(fā)射有有限的閾值電壓Vth。只當(dāng)應(yīng)用高于Vth的電壓時(shí)，促使電子發(fā)射。當(dāng)高于電子發(fā)射閾值時(shí)的電壓加到電子發(fā)射設(shè)備上時(shí)，發(fā)射電流根據(jù)所加電壓的改變而改變。由此，在脈沖形式的電壓加到電子發(fā)射設(shè)備上的情況下，當(dāng)所加電壓的閾值低于電子發(fā)射閾值時(shí)，電子發(fā)射不被促使發(fā)生，但當(dāng)所加電壓的值等于或高于電子發(fā)射閾值時(shí)，電子束輸出。在這種情況下，可以通過(guò)改變脈沖峰值Vm，來(lái)控制電子束的強(qiáng)度。同樣，可以通過(guò)改變脈寬Pw，控制輸出電子束的充電總量。
由此，電壓調(diào)制方法、脈寬調(diào)制方法或諸如此類方法，可以用作根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)制電子發(fā)射設(shè)備的方法。如果執(zhí)行電壓調(diào)制方法，則其中電路能夠產(chǎn)生具有恒定等時(shí)間間隔的電壓脈沖，和根據(jù)輸入數(shù)據(jù)調(diào)制脈沖峰值的電壓調(diào)制式電路，可以用作調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107。
如果執(zhí)行脈寬調(diào)制方法，則其中電路能夠產(chǎn)生具有恒定峰值的電壓脈沖，和根據(jù)輸入數(shù)據(jù)調(diào)制電壓脈沖的脈寬的脈寬調(diào)制式電路，可以用作調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107。
這個(gè)實(shí)施例中使用的每個(gè)移位寄存器104和線存儲(chǔ)器105，是數(shù)字信號(hào)式的。
在這個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換電路，例如用于調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107和放大電路等，如果必要的話被加入。例如，在使用脈寬調(diào)制方法的情況下，高速示波器、用于計(jì)算示波器輸出波數(shù)量的計(jì)數(shù)器，和用于比較計(jì)數(shù)器輸出值與上述存儲(chǔ)器輸出值的比較器相結(jié)合，用在調(diào)制信號(hào)發(fā)生器107中。
上述成像裝置的結(jié)構(gòu)，是本發(fā)明可以應(yīng)用的成像裝置的例子。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想，其中可以進(jìn)行各種修改和變化。輸入信號(hào)不限于上述NTSC信號(hào)。也可以使用根據(jù)PAL系統(tǒng)和SECAM系統(tǒng)的信號(hào)，及其它相應(yīng)于大量掃描線的TV信號(hào)(例如用于MUSE系統(tǒng)和其它高分辨TV系統(tǒng)的那些信號(hào))。
圖像顯示在根據(jù)這個(gè)實(shí)施例制成的圖像顯示裝置上。高亮度高分辨率圖像已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地顯示在成像裝置上。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，電子發(fā)射設(shè)備的比電容可以減小，并且驅(qū)動(dòng)電壓也可以減小。通過(guò)使用這樣的電子發(fā)射設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)具有提高效率和更小束尺寸的電子源。
通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)具有高分辨率的成像裝置，例如彩色平面屏幕電視機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種電子發(fā)射器件，包括A)包含碳的纖維；和B)電極，用于控制從所述包含碳的纖維上的電極發(fā)射，其中所述包含碳的纖維具有多個(gè)分層的石墨，從而不平行于所述纖維的軸向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射器件，其中多層石墨基本上彼此平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射器件，進(jìn)一步包括陰極，其中所述包含碳的纖維提供在所述陰極上，并且與所述陰極電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電子發(fā)射器件，其中所述陰極和所述控制電子發(fā)射的所述電極配置在一個(gè)基底上，在所述陰極與所述控制電子發(fā)射的電極之間形成間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電子發(fā)射器件，其中所述電子發(fā)射器件包括多個(gè)所述包含碳的纖維。
6.一種光發(fā)射裝置，包含根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)的電子發(fā)射器件，和光發(fā)射部件。
7.一種圖像顯示裝置，包括多個(gè)電子發(fā)射器件和光發(fā)射部件，其中當(dāng)以所述多個(gè)電子發(fā)射器件發(fā)出的電子照射時(shí)，所述光發(fā)射部件能夠發(fā)射光，多個(gè)電子發(fā)射器件的每個(gè)由根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)的電子發(fā)射器件組成。
8.一種電子發(fā)射器件，包括A)第一電極和第二電極，配置在基底的表面上，一個(gè)間隙形成在所述第一與第二電極之間；和B)纖維，提供在所述第一電極上，所述纖維包含碳作為主要成分，其中，所述第二電極包括用于控制從所述纖維上的電極發(fā)射的電極，其中纖維包含碳作為主要成分，并且包含碳作為主要成分的所述纖維包括石墨。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電子發(fā)射器件，其中所述纖維末端與所述基底表面之間的距離，大于所述第二電極表面與所述基底表面之間的距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的電子發(fā)射器件，其中所述石墨包括圓柱狀石墨。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的電子發(fā)射器件，其中所述電子發(fā)射器件包括多個(gè)包含碳作為主要成分的纖維。
12.一種光發(fā)射裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求8～11中任一項(xiàng)的電子發(fā)射器件，和一個(gè)光發(fā)射部件。
13.一種圖像顯示裝置，包括多個(gè)電子發(fā)射器件和一個(gè)光發(fā)射部件，其中，當(dāng)以所述多個(gè)電子發(fā)射器件發(fā)出的電子照射時(shí)，光發(fā)射部件能夠發(fā)射光，其中多個(gè)電子發(fā)射器件的每個(gè)由根據(jù)權(quán)利要求8～11中任一項(xiàng)的電子發(fā)射器件組成。
全文摘要
一種電子發(fā)射設(shè)備，包括A)包含碳的纖維；和B)電極，用于控制從所述包含碳的纖維上的電極發(fā)射，其中所述包含碳的纖維具有多個(gè)分層的石墨，使得不平行于所述纖維的軸向。本發(fā)明的圖像顯示裝置，包括多個(gè)電子發(fā)射設(shè)備和光發(fā)射部件。
文檔編號(hào)H01J29/04GK1542887SQ20031012442
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月1日
發(fā)明者塚本健夫, 本健夫 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社