專利名稱：用于發(fā)射屏的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于場發(fā)射平板屏的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
使用場發(fā)射激發(fā)的陰極發(fā)光的顯示裝置包括陰極或電子發(fā)射結(jié)構(gòu)和被覆蓋有發(fā)光層的面對陽極。陽極和陰極被其中建立真空的空間隔離。
陰極是基于微尖的源極，或是基于具有低閾場的發(fā)射層的源極。發(fā)射層可以是碳納米管層或者其它基于碳的結(jié)構(gòu)或基于其它材料或多層(AlN，BN)。
陰極結(jié)構(gòu)可以是二極管型或三極管型。文獻(xiàn)FR-A-2 593 953(對應(yīng)于美國專利號No.4 857 161)揭示了制造由場發(fā)射激發(fā)的陰極發(fā)光顯示裝置的工藝。該陰極結(jié)構(gòu)是三極管型。電子發(fā)射材料沉積在孔的底部處的可見的導(dǎo)電層上，所述孔形成于支撐電子引出柵的絕緣層中。
文獻(xiàn)FR-A-2 836 279揭露了用于發(fā)射屏的三極管型陰極結(jié)構(gòu)。該陰極結(jié)構(gòu)包括形成電連接到電子發(fā)射材料的陰極的電極，電絕緣層和柵極陰極，其全部疊置在支撐體上。形成在柵極電極內(nèi)的開口以及形成在電絕緣層內(nèi)的開口暴露電子發(fā)射材料，其位于柵極電極的開口的中心部分中。所述開口采用槽的形式，并且被這些槽暴露的電子發(fā)射材料是由沿這些槽的縱軸對準(zhǔn)的元件構(gòu)成的。
電子發(fā)射材料可以由納米管構(gòu)成，例如，碳納米管。
圖1所示為由文獻(xiàn)FR-A-2 836 279揭露的三極管型陰極結(jié)構(gòu)的截面圖。該圖所示為單一發(fā)射元件。陰極結(jié)構(gòu)形成在支撐體1上。它包括支撐電阻層3的陰極2，絕緣層4和形成電子引出柵的金屬層5，其全部疊置在支撐體1上。電阻層3通過槽6被暴露。生長墊7被支撐在電阻層3上，在槽6的中心部分中并且沿槽的縱軸?？梢栽趫D上看到單個生長墊。生長墊7由被覆蓋有催化劑的導(dǎo)電材料制成。它們能夠使例如碳納米管的納米管8生長。典型地，一個圖像元件或者像素包括幾十個或幾百個與槽平行設(shè)置的墊。
考慮到使用的生長圖案，納米管的長度和它們的相對于陰極的取向發(fā)生改變。結(jié)果是可以存在隨機(jī)接觸柵極的一些很長的納米管。這在圖2中示出，其中納米管8′與柵極5電接觸。這種接觸產(chǎn)生幾個不希望有的影響。
當(dāng)像素被尋址時，柵極電勢相對于陰極增加至80V到100V的數(shù)量級，以在納米管的末端產(chǎn)生電場，該場用作電子的引出。由于納米管是良好的電導(dǎo)體，因此如果它們中的一個接觸柵極，則其上支撐納米管的墊達(dá)到與該柵極相同的電勢(由于在陰極和墊之間的電阻層)，并且發(fā)射停止。從一個像素到下一個，到柵極的墊短路的數(shù)量隨機(jī)改變，考慮到每一像素的相對小數(shù)量的墊，引起不能忽視的像素問的亮度變化。
該柵極陰極短路受到電阻層的存在的限制。然而，如果短路墊的數(shù)量不是非常小，則在柵極和陰極之間將存在漏電流，其增加了裝置的消耗并且如果它太高的話，甚至能阻止該裝置起作用。
還希望增加陰極與柵極之間的絕緣的厚度以減小線列電容和減小屏的消耗。由于其固有擴(kuò)散(intrinsic divergence)，在絕緣厚度增加時，通過陰極濺射或蒸發(fā)來沉積催化劑的方法易于增加催化劑墊的寬度。圖3A和3B示出了在陰極和柵極之間的絕緣的厚度增加時在生長墊上沉積催化劑的方法。在這些圖上，與圖1上相同的參考標(biāo)記代表相同的元件。在圖3A上，絕緣4的厚度與圖1上的相同。在圖3B上，絕緣層參考標(biāo)記4′比圖1上的厚。催化劑通過設(shè)置在沉積于陰極結(jié)構(gòu)上的剝離樹脂10的層中的開口11沉積在墊7上，該開口11面向墊7。在圖3A上，遵循催化劑蒸發(fā)錐形12，催化劑沉積在墊7上。在圖3B上，遵循蒸發(fā)錐形12′，催化劑沉積在墊7′上。由于錐形12′的底部比錐形12的底部寬，因此催化劑墊7′比催化劑7寬。因此，使隨后沉積的納米管更接近于柵極邊緣將引起漏電流的大量增加。因此，這種根據(jù)已知技術(shù)的陰極結(jié)構(gòu)沒有對漏電流優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭露了能夠優(yōu)化漏電流的陰極結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目的是三極管型陰極結(jié)構(gòu)，其包括疊置在支撐體上的陰極導(dǎo)體、電絕緣層和柵極電極，該電絕緣層和該柵極電極包括暴露至少一個電子發(fā)射元件的開口，其電連接到陰極導(dǎo)體并包括由電子發(fā)射材料形成的納米管，在電絕緣層和柵極電極內(nèi)的所述開口被定尺寸以便允許沒有被柵極電極覆蓋的電絕緣層的至少一個區(qū)域繼續(xù)存在，其特征在于電阻層至少部分地覆蓋沒有被柵極電極覆蓋的電絕緣層的一部分。
電絕緣層內(nèi)的開口的寬度可以足夠小，以沿與支撐體垂直的方向引導(dǎo)納米管。
電阻層能覆蓋至少一部分柵極電極。所述電阻層可以根據(jù)柵極電極中的開口至少垂直地延伸。
柵極電極可以位于電阻層上。
依照一個實施例，電絕緣層的厚度大約等于納米管的平均長度。
依照另一個實施例，靠近其開口的電絕緣層的邊緣比所述層的剩余部分厚。電絕緣層的邊緣可以位于電絕緣層中的開口和柵極電極中的開口之間。
有利的是，所述電子發(fā)射元件通過電阻保護(hù)層電連接到陰極導(dǎo)體。
依照一個特定實施例，電絕緣層包括一致的槽型開口，其大致平行于柵極電極中的相應(yīng)的槽型開口。
依照另一個特定實施例，柵極電極中的開口是槽形的并暴露沿該槽的方向?qū)?zhǔn)的電子發(fā)射元件的至少一行。
柵極電極中的開口能暴露電絕緣層中的多個開口，其沿與槽型柵極電極中的開口大致平行的至少一行對準(zhǔn)。
電絕緣層中的每個開口可以暴露至少一個電子發(fā)射元件。
本發(fā)明的另一個目的是平板場發(fā)射屏，其包括如上所限定的多個陰極結(jié)構(gòu)。


通過閱讀以下給出的作為非限定性例子的描述以及相應(yīng)的附圖后，本發(fā)明將得到更好的理解，并且其他優(yōu)點(diǎn)和具體的特征將變得更清楚，其中圖1是表示依照現(xiàn)有技術(shù)的使用納米管作為電子發(fā)射材料的三極管型陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖2表示圖1中的陰極結(jié)構(gòu)，其中納米管與柵極短路，圖3A和3B為在用于圖1所示類型的陰極結(jié)構(gòu)的生長墊上沉積催化劑的方法的圖示，圖4為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第一陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，
圖5為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第二陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖6為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第三陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖7為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第四陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖8為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第五陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖9到11是依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)的頂視圖，其示出能夠使用的柵極的不同圖案，圖12A到12G是示出制造依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)的工藝的截面圖，圖13為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的另一個陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖14為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的又一個陰極結(jié)構(gòu)的截面圖，圖15A到15G是示出制造依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的另一個陰極結(jié)構(gòu)的工藝的截面圖。
具體實施例方式
以下作為例子描述的實例實施例涉及具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)，其包括形成在電極中的開口和形成在電絕緣層中的相應(yīng)的開口，其暴露電子發(fā)射元件。這些開口形狀類似于槽，與縱向中心線一致，并且所述電子發(fā)射元件沿該中心線對準(zhǔn)。該配置類似于文獻(xiàn)FR-A-2 836 279中所描述的那種，如上述圖1和圖2所示。
圖4為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的第一陰極結(jié)構(gòu)的截面圖。示出了單個的電子發(fā)射元件。陰極結(jié)構(gòu)形成在支撐體21上。它包括支撐電阻層23的陰極22，絕緣層24和電子引出柵25，其疊置在支撐體21上。開口形成在供給柵極25的金屬層中和電絕緣層24中。結(jié)果是槽26暴露其上形成導(dǎo)電生長墊27的電阻層23。參考標(biāo)記28代表例如由碳制成的納米管，其形成在生長墊27上。
納米管28與柵極25之間的接觸的可能性通過使電絕緣24靠近生長墊27而被最小化。使它們更靠近的影響將引導(dǎo)納米管超過它們的長度的一部分，使其更難以與柵極電極接觸，對于其開口尺寸不改變。
然而，如面向陽極的表面30的絕緣表面的出現(xiàn)可能是由于電荷在絕緣上的積累而引起的嚴(yán)重不可靠性的來源。這種電荷的積累能在陰極和陽極之間引起破壞性的電弧。這個問題能通過利用電阻材料層覆蓋電絕緣來解決，其被示為圖5的參考標(biāo)記31。如果層31在柵極25上延伸，那么電阻材料層31還能消除仍然有可能接觸柵極25的納米管的短路影響。有利的是，電阻層31的電阻使得由串聯(lián)的電阻層31和23形成的分壓橋(divider bridge)導(dǎo)致墊27上的電勢與陰極22上的電勢相似。這意味著層31的電阻一般在大于電阻鎮(zhèn)流層23的電阻的10和100倍之間，即與鎮(zhèn)流電阻層23的108歐姆每平方相比在109到1010歐姆每平方的數(shù)量級。
柵極25的邊緣與形成在絕緣層24中的開口之間的距離可以從幾十nm調(diào)整到(W-p)/2，其中W是柵極開口的寬度，以及p是生長墊27的寬度(見圖5)。典型地，W＝10μm且p＝5μm。
依據(jù)另一個變型實施例，電絕緣層的厚度能夠增加，以致于納米管的平均長度例如等于絕緣層的厚度。這在圖6中示出，其中與圖5上的元件相同的元件具有相同的參考標(biāo)記，除了絕緣層24′以外，其厚于圖5中的絕緣層24。
在陰極結(jié)構(gòu)中，絕緣層的厚度可以被選擇以減小并入陰極結(jié)構(gòu)的器件的容積，與對納米管的長度的考慮無關(guān)。本發(fā)明對在電絕緣層厚度增加時納米管變得更靠近柵極的問題提供了一種好的解決辦法。催化劑能部分地覆蓋形成在絕緣層中的開口的側(cè)而不產(chǎn)生任何短路問題。
依據(jù)另一個實施例，電絕緣層的厚度可以僅靠近納米管增加。這在圖7中示出，其中與圖5中的元件相同的元件具有相同的參考標(biāo)記。參考標(biāo)記29代表具有增加的厚度的電絕緣層的部分。在圖7中，該部分29被包括在柵極的開口和電絕緣中的開口之間。電阻層31可以僅部分地覆蓋電絕緣層。它還可以如圖8所示的完全不存在，其中與圖7中的元件相同的元件具有相同的參考標(biāo)記。
除解決漏電流問題之外，本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)之一是就在納米管的尖端處建立的電場而言結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的效率。由于電阻層31呈現(xiàn)在柵極25上而使柵極電勢與納米管更類似，因此對于給定的電壓感應(yīng)的場更高。
圖9、10和11是依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)的頂視圖，其示出了可以使用的柵極的不同圖案。
圖9是與圖5所示的變型實施例相應(yīng)的頂視圖。該圖示出納米管生長墊27，其沿槽26的縱向中心線對準(zhǔn)地設(shè)置。還可以考慮柵極導(dǎo)體25在電阻材料層31的下面。電阻層中的開口是槽(根據(jù)絕緣中的開口垂直地)，且每個槽包括多個墊27。
圖10是示出依據(jù)本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)的另一個圖案的頂視圖。在這種情況下，納米管的生長墊127形成在井126內(nèi)，且每一個井一個墊。這些井與形成在電阻層和絕緣層中的開口相對應(yīng)。在這個例子中，它們被設(shè)置得與相鄰的柵極導(dǎo)體125等距離。電阻層還覆蓋柵極導(dǎo)體。該結(jié)構(gòu)的其中一個優(yōu)點(diǎn)是它的消耗比圖9中的結(jié)構(gòu)小。由于電阻層，柵極電勢與納米管相似?？梢允┘虞^低的電壓來獲得等效的場。
圖11為示出依據(jù)本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)的另一圖案的頂視圖。在該情況下，兩行納米管生長墊227形成在所述井中，且每一個井一個墊。這些井與形成在電阻層和絕緣層中的開口相對應(yīng)。在第一柵極導(dǎo)體225和第二柵極導(dǎo)體225之間存在兩個連續(xù)行的墊。圍繞每個墊的電阻層的存在能夠使圍繞該墊施加?xùn)艠O電壓。該變型能導(dǎo)致具有墊的區(qū)域的更大的填充率?？梢垣@得每像素更大數(shù)量的墊或屏的更好的均勻性以及更高的電流。
圖12A到12G是示出制造依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的陰極結(jié)構(gòu)的方法的截面圖。
圖12A示出例如由玻璃制成的支撐體321，其上通過沉積和刻蝕操作形成陰極導(dǎo)體322。這些陰極導(dǎo)體可以由鉬、銅或鎢和鈦合金制成。例如，它們形成顯示屏的列。電阻保護(hù)層323(或鎮(zhèn)流層)沉積在已獲得的疊層上，其例如由厚度在0.5μm和2μm之間的非晶硅層構(gòu)成。然后沉積絕緣層324，例如厚度在1μm和3μm之間的硅石層。最后，接著沉積例如由鉬或銅制成的導(dǎo)電柵極層325。
導(dǎo)電柵極層325被刻蝕以形成在柵極導(dǎo)體中的開口并暴露絕緣層324(見圖12B)。
電阻層331隨后沉積在柵極導(dǎo)體325和絕緣層324的暴露部分上(見圖12C)。電阻層331可以是高電阻性的非晶硅層或DLC(《類金剛石碳》)層。如果該層由非晶硅形成，那么它的電阻率高于鎮(zhèn)流層的電阻率至少10倍并且它是幾百納米厚，以致于它的電阻高于鎮(zhèn)流層的電阻100倍。
樹脂層310隨后沉積在已獲得的結(jié)構(gòu)上。開口311形成在柵極開口的中心處的樹脂層中，以暴露電阻層331。開口311的尺寸適合于將形成的生長墊的尺寸(見圖12D)。
電阻層331和電絕緣層324通過在樹脂層310中的開口311進(jìn)行刻蝕，以暴露鎮(zhèn)流層323(見圖12E)。絕緣層324和電阻層可以被過刻蝕，如圖12E所示。
墊327(金屬和催化劑)又一次通過開口311沉積在鎮(zhèn)流層323上的形成于電絕緣層中的開口的底部處(見圖12F)。典型地，所述墊為5μm×5μm。
樹脂層隨后通過《剝離》技術(shù)被去除以提供圖12G所示的結(jié)構(gòu)。然后下一個步驟是納米管在墊327上的生長。
電阻層可以位于柵極導(dǎo)體下面。當(dāng)柵極充分收進(jìn)(setback)以致于納米管不能使柵極導(dǎo)體短路時，這種情況是可以的。電荷在絕緣上積累的問題必須得到解決。
圖13為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的這種陰極結(jié)構(gòu)的截面圖。在該圖中，與圖5的元件相同的元件具有相同的數(shù)字加上400。在圖13中，電阻層431位于柵極導(dǎo)體425下面直至與形成在電絕緣內(nèi)的槽一致垂直的程度。
圖14為示出依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的又一個陰極結(jié)構(gòu)的截面圖。在該圖中，與圖5的元件相同的元件具有相同的數(shù)字加上500。如上，圖14示出電阻層531位于柵極導(dǎo)體525之下并且其從在電絕緣內(nèi)形成的槽收進(jìn)。
圖15A到15G是示出制造依據(jù)本發(fā)明的具有納米管的另一個陰極結(jié)構(gòu)的工藝的截面圖。該陰極結(jié)構(gòu)的電阻層在柵極導(dǎo)體上并且該電阻層從形成在電絕緣內(nèi)的槽收進(jìn)。在圖15A到15G中，與圖12A到12G所示的元件相同的元件具有相同的數(shù)字加上1000。該工藝的第一步驟與圖12A到12G中所示的工藝中的第一步驟相同，并且因此將不再示出。因此，圖15A與圖12D相同。
例如由硅制成的電阻層1331以及例如由SiO2制成的電絕緣層1324使用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)被刻蝕穿過在樹脂層1310中的開口1311而沒有到達(dá)電絕緣層1324的較低水平(見圖15B)。
下一個步驟是電絕緣層1324的化學(xué)刻蝕以使該絕緣從電阻層1331收進(jìn)，同時將保護(hù)電絕緣層保持在開口1311的底部處(見圖15C)。
下一個步驟是通過化學(xué)刻蝕的電阻層1331的過刻蝕。如果電阻層1331由硅制成，那么化學(xué)刻蝕能夠使用HNO3(按容積為50％)，HF(按容積為1％)和H2O(按容積為49％)的混合物來完成。該層1331隨后從形成于電絕緣層1324內(nèi)的開口收進(jìn)(見圖15D)。
下一個步驟是例如通過使用RIE技術(shù)的刻蝕對形成在電絕緣層1324內(nèi)的開口的底部進(jìn)行刻蝕，直到暴露鎮(zhèn)流層1323為止。獲得的結(jié)構(gòu)在圖15E中示出。濕法腐蝕可以用于刻蝕形成在電絕緣層內(nèi)的開口的底部。
墊1327(金屬和催化劑)通過開口1311沉積在鎮(zhèn)流層1323上的形成在電絕緣層1324內(nèi)的開口的底部(見圖15F)。
然后樹脂層使用《剝離》技術(shù)被去除，以提供圖15G所示的結(jié)構(gòu)。納米管然后可以生長在墊1327上。
權(quán)利要求
1.三極管型陰極結(jié)構(gòu)，包括疊置在支撐體(21)上的陰極導(dǎo)體(22)，電絕緣層(24)和柵極電極(25)，該電絕緣層和該柵極電極包括暴露至少一個電子發(fā)射元件的開口(26)，其電連接至陰極導(dǎo)體(22)并且包括由電子發(fā)射材料制成的納米管(28)，在電絕緣層和柵極電極內(nèi)的所述開口被定尺寸以便允許電絕緣層的至少一個區(qū)域不被柵極電極覆蓋以繼續(xù)存在，其特征在于電阻層(31)至少部分地覆蓋電絕緣層(24)的沒有被柵極電極覆蓋的部分。
2.如權(quán)利要求1所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中在電絕緣層(24)中的開口寬度足夠小以沿與支撐體(21)垂直的方向引導(dǎo)納米管(28)。
3.如權(quán)利要求1或2中的任一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中電阻層(31)覆蓋至少一部分柵極電極(25)。
4.如權(quán)利要求3所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中所述電阻層根據(jù)柵極電極中的開口至少垂直地延伸。
5.如權(quán)利要求1所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中柵極電極(425)位于電阻層(431)之上。
6.如權(quán)利要求1到5中的任何一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中電絕緣層(24′)的厚度大約等于納米管(28)的平均長度。
7.如權(quán)利要求1到5的任何一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中靠近其開口的電絕緣(24)的邊緣(29)比所述層的剩余部分厚。
8.如權(quán)利要求7所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中電絕緣層(24)的邊緣(29)位于電絕緣層(24)中的開口和柵極電極(25)中的開口之間。
9.如權(quán)利要求1到8中的任何一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中所述電子發(fā)射元件通過電阻保護(hù)層(23)電連接到陰極導(dǎo)體(22)。
10.如權(quán)利要求1到9中的任何一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中電絕緣層包括與柵極電極中的相應(yīng)的槽形開口基本平行的一致的槽形開口。
11.如權(quán)利要求1到9中的任何一個所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中柵極電極中的開口是槽形的并且暴露沿該槽的方向?qū)?zhǔn)的電子發(fā)射元件(127，227)的至少一行。
12.如權(quán)利要求10所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中柵極電極中的開口暴露電絕緣層中的多個開口，其沿基本平行于槽形柵極電極中的開口的至少一行對準(zhǔn)。
13.如權(quán)利要求12所述的陰極結(jié)構(gòu)，其中電絕緣層中的每個開口暴露至少一個電子發(fā)射元件。
14.平板場發(fā)射屏，包括權(quán)利要求1到13中的任何一個所述的多個陰極結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三極管型陰極結(jié)構(gòu)，其包括疊置在支撐體(21)上的陰極導(dǎo)體(22)，電絕緣層(24)和柵極電極(25)，該電絕緣層和該柵極電極包括暴露至少一個電子發(fā)射元件的開口，其電連接到陰極導(dǎo)體(22)并包括由電子發(fā)射材料構(gòu)成的納米管(28)。該納米管結(jié)構(gòu)包括防止最長的納米管與柵極電極(25)接觸的保護(hù)裝置。
文檔編號H01J1/304GK101022073SQ20071009231
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者J·迪喬恩, P·尼科拉斯 申請人:法國原子能委員會