專利名稱：具有電荷耗散層的下柵場發(fā)射三極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及場發(fā)射三極管裝置，并且涉及其中所用的陰極組合件。
背景技術：
傳統(tǒng)上，場發(fā)射三極管裝置利用如下的設計其中柵電極定位在電子場發(fā)射器 的上方，因此位于陰極電極和陽極組合件之間。該設計經常被稱為“前柵”或“頂柵” 三極管裝置。然而，隨著較低閾值的電子發(fā)射材料諸如碳納米管的開發(fā)，兩種其中將柵 電極重新定位至某個不同的位置的可供選擇的幾何形狀已成為可能。這些新電子發(fā)射材 料的較低的接通電壓連同它們的無規(guī)取向已使以可供選擇的設計幾何形狀為特征的裝置 有可能在常規(guī)的電子發(fā)射材料諸如Spindt尖端不能夠發(fā)射足夠電流的條件下發(fā)射適量的 電流。將柵電極重新定位主要形成了 “橫柵”或“側柵”幾何形狀，其中陰極電極和 柵電極為共面的；并且形成了 “下柵”幾何形狀，其中陰極電極定位在柵電極的上方， 因此位于陽極組合件和柵電極之間。對這些可供選擇的幾何形狀的興趣受到如下愿望的 驅動增大制造場發(fā)射裝置的便利性并且降低最終裝置成本。在開發(fā)下柵幾何形狀的過程中，我們發(fā)現(xiàn)具有下柵設計的場發(fā)射裝置，尤其是 其中使用了碳納米管(CNT)作為電子發(fā)射材料的裝置，具有不期望有的缺陷。盡管發(fā)射 可通過向柵電極施加偏壓來獲得(如果陽極電壓是斷開的)，但當陽極電壓再次接通時， 發(fā)射電流會降至不可接受的低水平。為了重新建立發(fā)射電流使其處在理想的高水平，就 必須增大柵電壓使其大體上超過先前的水平。每當陽極電壓被循環(huán)斷開和接通時均會發(fā) 生這種相同的效應。也已發(fā)現(xiàn)該效應一旦開始就會成為永久的，并且尚未發(fā)現(xiàn)有什么可 逆轉這種必須不斷增高柵電壓才能獲得可接受水平的發(fā)射電流的傾向。這是個極不可取 的缺陷，因為在任何商業(yè)消費電子裝置中均不可能期望連續(xù)地施加陽極電壓。此外，抵 銷斷開/接通循環(huán)效應并產生足夠的發(fā)射電流所需的不斷增大量的柵電壓還會使得裝置 在所需的柵電壓超過裝置的擊穿強度之前僅可斷開和接通少數(shù)幾次。US 5,760,535描述了一種具有頂柵設計和電荷耗散層的場發(fā)射三極管裝置。Choi 等人[Diamond and Related Materials, 10(2001) 1705-1708]描述了 一種具有下柵設計和 CNT電子場發(fā)射器的場發(fā)射三極管裝置。然而，仍然需要如下的場發(fā)射三極管裝置其 中可最小化或完全避免有害的斷/通功率循環(huán)效應。發(fā)明簡述本發(fā)明涉及場發(fā)射三極管裝置，其中電子場發(fā)射器產生一定量的電流，所述電 流的特征在于在使用期間(在使用期間，裝置經受重復的斷開/接通循環(huán))具有所期望的穩(wěn)定度。本發(fā)明也涉及適用于此類三極管裝置的陰極組合件。本文在本發(fā)明的裝置和陰極組合件的一個或多個具體實施方案的上下文中描述 了它們中的某些的特征，所述實施方案結合了各種此類特征。然而本發(fā)明的范圍不限于 任何具體實施方案中的單獨某幾個特征的描述，并且本發(fā)明還包括(1)少于任何所述實 施方案的所有特征的次組合，所述次組合的特征在于不存在形成次組合所省略的特征； (2)每一個獨立包括在任何所述實施方案的組合中的特征；和(3)通過任選可與本文其它 處公開的其它特征一起，僅將兩個或更多個所述實施方案中的選定的特征歸類而形成的 其它特征的組合。本文的場發(fā)射三極管裝置的具體實施方案中的一些描述如下本文的裝置的一個此類實施方案提供了一種場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括 (a)陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基板、(ii)設置在基板上的導電柵電極、(iii) 設置在柵電極上的絕緣層、Gv)設置在絕緣層上的具有介于約IxIOltl和約IxlO14 Ω /平方 之間的薄層電阻的電荷耗散層、(ν)設置在電荷耗散層上的陰極電極、和(vi)接觸陰極電 極的電子場發(fā)射器；和(b)陽極。本文的裝置的另一個實施方案提供了一種場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括(a) 陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基板、Gi)設置在基板上的導電柵電極、Gii)設置 在柵電極上的絕緣層、Gv)設置在絕緣層上的陰極電極、(V)設置在陰極電極和絕緣層上 的具有介于約IxIOltl和約1χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層、和(Vi)設置在電 荷耗散層上的電子場發(fā)射器；和(b)陽極。本文的裝置的另一個實施方案提供了一種場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括(a) 陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基板、Gi)設置在基板上的導電柵電極、Gii)設置 在柵電極上的絕緣層、Gv)設置在絕緣層上的陰極電極、(V)接觸陰極的電子場發(fā)射器、 和(vi)設置在絕緣層、陰極電極和電子場發(fā)射器上的具有介于約lxlO"1和約1χ1014Ω/平 方之間的薄層電阻的電荷耗散層；和(b)陽極。本文的陰極組合件的具體實施方案中的一些描述如下本文的陰極組合件的一個此類實施方案提供了一種陰極組合件，所述陰極組合 件包括(a)基板、(ii)設置在基板上的導電柵電極、(iii)設置在柵電極上的絕緣層、(iv) 設置在絕緣層上的具有介于約IxIOki和約1χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層、 (ν)設置在電荷耗散層上的陰極電極、和(vi)接觸陰極電極的電子場發(fā)射器。本文的陰極組合件的另一個實施方案提供了一種陰極組合件，所述陰極組合件 包括ω基板、Gi)設置在基板上的導電柵電極、Gii)設置在柵電極上的絕緣層、(iV) 設置在絕緣層上的陰極電極、(ν)設置在陰極電極和絕緣層上的具有介于約IxIOltl和約 1χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層、和(Vi)設置在電荷耗散層上的電子場發(fā)射器。本文的陰極組合件的另一個實施方案提供了一種陰極組合件，所述陰極組合件 包括ω基板、Gi)設置在基板上的導電柵電極、(m)設置在柵電極上的絕緣層、Gv)設 置在絕緣層上的陰極電極、(V)接觸陰極的電子場發(fā)射器、和(vi)設置在絕緣層、陰極電 極和電子場發(fā)射器上的具有介于約IxIOki和約1χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層。
本文的裝置和陰極組合件的其它實施方案由大體上如圖6、10、11、13、14、16 或17中的任何一個或多個所示或所述的任何設備或裝置組成。附圖簡述

圖1顯示了常規(guī)的、現(xiàn)有技術的、具有下柵設計的場發(fā)射裝置的側正視圖。圖2顯示了如對照例A所公開的具有下柵設計的場發(fā)射裝置的陰極組合件的頂部 平面圖。圖3顯示了如對照例A所公開的具有下柵設計的場發(fā)射裝置的側正視圖。圖4顯示了獲自對照例A所公開的場發(fā)射裝置的發(fā)射圖案的圖像。該圖像是在 陽極電壓被首次斷開之前捕獲的。圖5顯示了在對照例A所公開的場發(fā)射裝置中用以獲得使陽極電壓斷開然后再接 通四次的特定發(fā)射電流所需的柵電壓。圖6顯示了如實施例1所公開的具有下柵設計和電荷耗散層的場發(fā)射裝置的側正 視圖。圖7顯示了獲自實施例1所公開的場發(fā)射裝置的發(fā)射圖案的圖像。該圖像是在 陽極電壓被斷開然后再次接通之后捕獲的。圖8顯示了透過實施例1所公開的場發(fā)射裝置的陰極基板所觀察到的發(fā)射圖案的 圖像。該圖像是在陽極電壓被斷開然后再接通五次之后捕獲的。圖9顯示了透過實施例1所公開的場發(fā)射裝置的擴散器和陰極基板所觀察到的發(fā) 射圖案的圖像。圖10顯示了如實施例2所公開的場發(fā)射裝置的陰極組合件的頂部平面圖，所述 裝置具有下柵設計和電荷耗散層、發(fā)射極線和柵陰極電極(按所述順序沉積)。圖11顯示了實施例2所公開的場發(fā)射裝置的側正視圖。圖12顯示了獲自實施例2所公開的場發(fā)射裝置的發(fā)射圖案的圖像。圖13顯示了如實施例3所公開的場發(fā)射裝置的陰極組合件的頂部平面圖，所述 裝置具有下柵設計和陰極電極線、電荷耗散層和相交的發(fā)射極線(按所述順序沉積)。圖14顯示了實施例3所公開的場發(fā)射裝置的側正視圖。圖15顯示了獲自實施例3所公開的場發(fā)射裝置的發(fā)射圖案的圖像。圖16顯示了如實施例4所公開的場發(fā)射裝置的陰極組合件的頂部平面圖，所 述裝置具有下柵設計和陰極電極線、相交的發(fā)射極線和薄膜電荷耗散層(按所述順序沉 積)。圖17顯示了實施例4所公開的場發(fā)射裝置的側正視圖。圖18顯示了獲自實施例4所公開的場發(fā)射裝置的發(fā)射圖案的圖像。發(fā)明詳述本文描述了場發(fā)射三極管，所述三極管具有下柵設計并且包含陰極組合件和陽 極組合件。本文也描述了陰極組合件，所述陰極組合件包含(不按特定順序)基板、陰 極電極、柵電極、電子場發(fā)射器、絕緣層和電荷耗散層。如本文所用的陽極組合件通常 包含基板、陽極電極和熒光物質層。將電荷耗散層并入到本文的陰極組合件中并且因此 最終并入到本文的場發(fā)射裝置中可減少或消除如下不可取的需求在正常使用中所涉及 的功率的斷開/接通循環(huán)期間，需要不斷地增大施加到陰極電極上的電壓以保持可接受水平的發(fā)射電流。從而可以本文的這種場發(fā)射三極管裝置來提供穩(wěn)定得多的發(fā)射電流。圖1顯示了具有下柵設計的常規(guī)的、現(xiàn)有技術的場發(fā)射三極管裝置的幾何形 狀。由于所述裝置不包含電荷耗散層，因此其將用作針對本發(fā)明裝置和陰極組合件的適 用的比較點。圖1的裝置包含駐留在基板材料1.2上的一個或多個柵電極1.1。柵電極由 駐留在它們上的一個或多個絕緣介電層1.3覆蓋。駐留在介電層上的是一個或多個陰極電 極1.4，并且電子發(fā)射材料1.5電接觸陰極電極。與陰極電極和柵電極相對定位并且由絕 緣隔板1.6支撐的是陽極組合件，所述陽極組合件包含陽極基板1.7，所述陽極基板包含 一個或多個陽極電極1.8。該陽極基板可包含用于發(fā)射光的熒光物質涂層1.9，并且可通 過使用隔板而保持恒定距離。從接觸陰極電極的電子發(fā)射材料所產生的場發(fā)射可通過向 柵電極施加正電位來獲得。然后施加到陽極電極上的獨立正電位會吸引發(fā)射自發(fā)射材料 的陽極電子。如果陽極組合件包含熒光物質層，則電子撞擊將產生可見光發(fā)射。在本文所述的場發(fā)射三極管裝置中，將另一種元件即電荷耗散層加入到陰極組 合件中。電荷耗散層將具有介于約IxIOltl至約1χ1014Ω/平方之間的薄層電阻，所述電 阻根據 ASTM D257-07 Standard Test Methodsfor DC Resistance or Conductance of Insulating Materials用靜電計來測量。在上述范圍內的所選電阻可通過調整該層的厚度來獲得，取 決于構成該層的材料的固有電阻率，所述厚度的范圍可為約10至約50埃至約0.1至約5 微米。電荷耗散層會將多余的電荷傳導至地。將電荷耗散層包括在本發(fā)明的場發(fā)射三極管裝置中可以許多方式來實施，因為 對于陰極組合件中的可供電荷耗散層駐留的位置存在若干個供選擇的替代方案。例如， 在一個實施方案的構型中，可在沉積陰極電極和電子發(fā)射材料之前將電荷耗散層放置在 絕緣層之上，所述絕緣層由電介質材料形成。因此，一旦形成了電荷耗散層，即可將陰 極電極放置在其之上。然后可將電子場發(fā)射器放置成接觸陰極電極。電子場發(fā)射器可完 全定位在陰極電極之上，或可具有直接定位在電荷耗散層之上的某個部分和接觸陰極電 極的某個部分以建立電接觸。該類型的構型顯示于圖6中。一個可供選擇的實施方案的構型是，首先將電子場發(fā)射器的電子發(fā)射材料放置 在電荷耗散層上，然后將陰極電極定位在電子場發(fā)射器之上。這具有從陰極電極之上移 除電子發(fā)射材料的優(yōu)點，這是一種易于從陽極電位產生無柵發(fā)射(也稱為“熱點”)的布 置。如果電子發(fā)射材料具有足夠的電導率，則其可同時用作陰極電極和電子場發(fā)射器。 盡管該方法也可導致“熱點”的發(fā)生，但圖案化和對齊步驟的消除可使其在一些情況下 值得使用。該類型的構型顯示于圖11中。在另一個實施方案的構型中，電荷耗散層可定位在陰極電極之上并且位于電子 場發(fā)射器的電子發(fā)射材料之下。除了耗散可能發(fā)生的任何表面充電以外，在該情形中的 電荷耗散層也用作鎮(zhèn)流電阻器。鎮(zhèn)流電阻器常常用在場發(fā)射裝置中以獲得更好的發(fā)射均 勻性，該目的與減小裝置中的“熱點”數(shù)目的目的是相容的。該類型的構型顯示于圖14 中。在另一個實施方案的構型中，電荷耗散層可在陰極電極和電子場發(fā)射器已放置 在介電絕緣層上之后形成。這可通過將電荷耗散材料薄膜沉積在整個裝置上來實現(xiàn)，或 通過將電荷耗散材料以圖案化方式絲網印刷到暴露的介電區(qū)域上從而形成電荷耗散層來 實現(xiàn)。該方法的優(yōu)點是，柵電極和陰極電極之間的距離不會因已被制造為厚膜的電荷耗散層的存在而增大。該類型的構型顯示于圖17中。用于制造電荷耗散層的合適的材料無限制地包括以下材料中的一種或其混合 物典型的電介質(即絕緣)材料諸如瓷(陶瓷)、云母、玻璃、塑料諸如環(huán)氧化物、聚 碳酸酯、聚酰亞胺、聚苯乙烯和聚(四氟乙烯)、以及各種金屬諸如鋁、硅、錫和鈦的氧 化物和氮化物。然后所選擇的電介質材料可摻雜導電材料顆粒以獲得所需的薄層電阻。 適用于此類摻雜目的的導電材料包括銻、金、鉬、銀或鎢、導電性金屬氧化物顆粒諸如 摻雜了銦的氧化錫或摻雜了氟的氧化錫、或半導體顆粒諸如硅。取決于所用的顆粒，基 于電介質材料和摻雜劑的合并重量，可能需要按重量計介于0.1%和30%之間的摻雜水平 以獲得所需的薄層電阻。適用于形成電荷耗散層的其它材料無限制地包括混合價氧化物諸如鈷鐵氧化 物(CoO · Fe2O3或CoFe2O4)、鎳鐵氧化物(NiO · Fe2O3或NiFe2O4)、或鎳鋅鐵氧化 物([NiO+ZnOLFAC^ 或[Ni+Zn] Je2O4)、錳鋅鐵氧化物([MnO+ZnC^FACg，或甚至可
使用最簡單形式的鐵_氧化鐵(FeO，F(xiàn)e2O3) ο這些材料通常稱為鐵氧體。這些材料 包括鋇鐵氧化物型和鍶鐵氧化物型的鐵氧體材料。在各種應用中，呈多晶塊材形式的 CoFe2O4可為適用的選擇。此外，也可使用混合價氧化物諸如釓鐵氧化物(Gd3Fe5O12)、 鑭鎳氧化物(LaNiO3)、鑭鈷氧化物(LaCoO3)、鑭鉻氧化物(LaCrO3)、鑭錳氧化物 (LaMnO3)和基于這些而改性的材料諸如鑭鍶錳氧化物(Laa67Sra33MnOx)、鑭鈣錳氧化物 (Laa67Caa33MnOx)、或釔鋇銅氧化物(Y1Ba2Cu3Ox)。這些材料通常稱為稀土和非稀土混合 金屬氧化物。適用于形成電荷耗散層薄膜的材料包括鉻、金、鉬、銀或鎢；導電性金屬氧化 物諸如摻雜了銦的氧化錫、摻雜了銻的氧化錫、或摻雜了氟的氧化錫；或半導體諸如具 有介于約IOki和約1014Ω/平方之間的薄層電阻的非晶硅。在其它實施方案中，電荷耗散層可用組合物來制備，所述組合物包含功能性成 分諸如顏料或光散射中心以提供附加功能諸如光阻斷或光漫射。適于用作本文的電子發(fā)射材料以形成電子場發(fā)射器的材料包括針狀材料諸如 碳、類金剛石碳、半導體、金屬或它們的混合物。如本文所用，“針狀”是指微粒的縱 橫比為10或更大。針狀碳可為各種類型。碳納米管為優(yōu)選的針狀碳，并且單壁碳納米 管為尤其優(yōu)選的。單個單壁碳納米管極小，直徑通常為約1.5nm。碳納米管有時被描述 為石墨狀的，推測起來可能是由于Sp2混成碳的緣故?？蓪⑻技{米管的壁想象為將石墨烯 片材卷起而形成的圓柱體。在小金屬顆粒上催化裂解含碳氣體而生成的碳纖維也可用作 針狀碳，所述纖維中的每種均具有相對于纖維軸成一角度布置的石墨烯片，該角度使得 碳纖維的周邊基本上由石墨烯片的邊緣組成。該角度可為銳角或90°。針狀碳的其它實 例為聚丙烯腈基(PAN-基)碳纖維和浙青基碳纖維。陰極組合件或陽極組合件中的基板可為任何材料，其它層將粘附到所述材料 上。硅、玻璃、金屬或耐火材料(例如礬土)可用作基底。對于顯示應用，優(yōu)選的基底 為玻璃，并且尤其優(yōu)選堿石灰玻璃。本文的適用于制造下柵電極、陰極電極和/或陽極 電極的材料無限制地包括銀、金、鉬、鋁；鎳、鉬、錫和鎢的氧化物。形成陰極組合件中的電荷耗散層的一種方法是通過沉積，諸如通過絲網印刷已 摻雜有導電材料的厚膜電介質糊劑以獲得所需的薄層電阻。一種可供選擇的方法為施加電阻材料諸如硅的薄膜涂層以獲得所需的薄層電阻。用于本文的陰極組合件并且最終用于本文的場發(fā)射三極管裝置中的電子場發(fā)射 器可通過將電子發(fā)射材料與此類將發(fā)射材料連結到所需表面上所需的玻璃料、金屬粉末 或金屬涂料(或它們的混合物)相混合來制備。電子發(fā)射材料的連結方法必須耐受制造陰 極組合件時的條件和包含該陰極組合件的場發(fā)射裝置操作時的條件，并且可在這些條件 下保持其完整性。那些條件通常涉及真空條件和最大約450°C的溫度。因此，有機材料 一般不適用于將顆粒連結到表面上，并且很多無機材料對碳的較差的粘附性進一步限制 了對可用材料的選擇。因此，優(yōu)選的方法是將包含電子發(fā)射材料和玻璃料(諸如鉛或鉍 玻璃料)、金屬粉末或金屬涂料(或它們的混合物)的厚膜糊劑按所需圖案絲網印刷到表 面上，然后焙燒干燥的圖案化糊劑。對于更多種類的應用例如要求更高分辨率的那些， 優(yōu)選的方法包括絲網印刷也包含了光引發(fā)劑和可光致硬化的單體的糊劑、光致圖案化 干燥的糊劑、并且焙燒圖案化糊劑?？梢允褂檬熘慕z網印刷技術將漿料混合物絲網印刷，這些技術例如使用 165-400目的不銹鋼網篩?？蓪⒑衲ず齽┏练e為連續(xù)薄膜或以所需圖案的形式沉積。當 表面為玻璃時，則將糊劑在約350°C至約550°C，優(yōu)選在約450°C至約525°C的溫度下在氮 氣中焙燒約10分鐘?？墒褂帽砻嫠軌虺惺艿母叩谋簾郎囟?，前提條件是焙燒氣氛中 不含氧氣。然而，糊劑中的有機組分會在350-450°C下有效地揮發(fā)，從而留下由電子發(fā)射 材料和玻璃和/或金屬導體構成的復合材料層。如果要使絲網印刷的糊劑光致圖案化， 則糊劑還可包含光引發(fā)劑、可延展的粘合劑以及可光固化單體，該可光固化單體包含例 如至少一種可加成聚合的烯鍵不飽和化合物，該化合物具有至少一種可聚合的乙烯基。除了電子場發(fā)射器以外的陰極組合件的各層或各組件的形成、或陽極組合件的 各層或各組件的形成，可通過類似于上文所述的那些的厚膜印刷方法來獲得；或通過如 本領域已知的其它方法諸如濺射或化學氣相沉積來獲得，這些方法可按需要涉及掩模和 可光成像的材料的使用。雖然本文在各個部分中將沉積陰極組合件的各種組件描述為沉積厚膜或薄膜以 形成層，并且雖然當以側正視圖顯示時陰極組合件的各種組件可顯現(xiàn)為以層為特征，但 如本文所用，術語“層”不是必定要求陰極組合件或場發(fā)射裝置中的組件為完全平面的 或完全連續(xù)的。就形狀和布局而言，在各種實施方案中，被稱為或可被表征為層的組件 可為或類似于條、線或網格、或一系列不連續(xù)的(雖然是電連接的)墊、樁或柱。因此， 單一層可提供用于定位陰極電極的元件、柵電極、電荷耗散層、絕緣層和/或電子場發(fā) 射器的多個位置；并且本文的裝置可因此包含這些組件種類中每一種類的多個組件，這 可提供一系列可單獨尋址的像素。本文的場發(fā)射三極管裝置的操作涉及通過裝置外部的接地電壓源(未示出)向柵 電極和陽極電極施加在如下范圍內的適當?shù)碾娢灰约铍娮訄霭l(fā)射器產生場發(fā)射電流 所述范圍包括下述實施例中所用的電壓。本文的場發(fā)射三極管裝置可用于平板計算機顯示器、電視機和其它類型的顯示 器、以及真空電子裝置、發(fā)射柵放大器、速調管和照明裝置。它們尤其適用于大面積的 平板顯示器，即用于尺寸大于30英寸(76cm)的顯示器。平板顯示器可以是平面的或彎 曲的。這些裝置更具體地描述于US2002/0074932中，該專利申請全文作為本文的一部分以引用方式并入本文以用于所有用途。在本文的裝置中利用電荷耗散層所具有的優(yōu)點之一是可改善發(fā)射電流在大量斷 開/接通循環(huán)中的穩(wěn)定性和一致性。然而，該效應的獲得并未犧牲所述裝置所能夠產生 的發(fā)射電流的總量中的很多(如果有的話)；并且在某些情況下，發(fā)射電流的量可增大最 多高達10倍。通?？赡苷J為電荷耗散層的存在會導致柵電極的有效性減小(由于諸如屏 蔽之類的條件的緣故)或會導致穿過增大的厚度的有效電場減小，考慮到此類因素，這 是有價值的結果。發(fā)射電流在大量斷開/接通循環(huán)過程中保持穩(wěn)定且高值的事實表明， 在本文的裝置的運行中只發(fā)生了極小的電子場發(fā)射器的劣化或沒有發(fā)生電子場發(fā)射器的 劣化，考慮到當設備加電時可存在高電流負載并且在運行期間由于表面充電的緣故也可 存在高電流負載，這也是有價值的結果。
實施例本文的場發(fā)射三極管裝置的有利屬性和效應可見于如下所述的一系列實施例 (實施例1至4)。這些實施例所基于的本文裝置的實施方案僅僅是代表性的，并且選擇這 些實施方案來例示本發(fā)明并不表示沒有描述在這些實施例中的組件、設計或構型不適用 于實施本發(fā)明，或并不表示沒有描述在這些實施例中的主題被排除在所附權利要求及其 等同物范疇之外。通過比較從實施例1至4獲得的結果與在對照例A中所獲得的結果， 可更好地理解實施例1至4的重要性，所述對照例涉及不包含電荷耗散層的場發(fā)射三極管
直ο對照例A圖2和3分別顯示了具有下柵設計的場發(fā)射三極管裝置的陰極組合件的頂部平面 圖和該裝置的側正視圖。陰極組合件使用2" x2"玻璃基板2.1和3.1來構造。蝕刻基板 上的ITO涂層2.2和3.2以形成柵電極。將厚膜電介質糊劑絲網印刷在基板上，在125°C 下干燥5分鐘，并且在空氣中焙燒至550°C的峰值溫度20分鐘。使用相同的規(guī)程將第二 層電介質糊劑絲網印刷在第一層上。電介質糊劑的這兩個焙燒層的組合厚度為9.3 μ m， 并且形成了具有超過500V的擊穿強度的絕緣層2.3和3.3。使用厚膜銀糊劑將陰極電極 2.4和3.4絲網印刷在絕緣層的表面上。然后將這層陰極電極在125°C下干燥5分鐘，并 且以550°C的峰值溫度焙燒10分鐘。陰極電極2.5和3.5的活性區(qū)域(其將包含電子發(fā)射材料)由間隔開1.5mm的 100 μ m寬的線構成的網格組成。將包含碳納米管作為電子發(fā)射材料的厚膜糊劑絲網印刷 到陰極電極上。隨后將該糊劑在125°C下干燥5分鐘，并且將其在氮環(huán)境中以420°C的峰 值溫度焙燒。將電子場發(fā)射器2.6和3.6的圖案圖案化以便活性發(fā)射區(qū)域中的陰極電極的 所有邊緣均接觸電子發(fā)射材料線，所述線為大約ΙΟΟμιη寬。然后將一片粘合帶層壓到電 子場發(fā)射器上并且隨后移除。已知該過程用以破裂電子場發(fā)射器，從而暴露出其“激活 的”表面。然后將激活的陰極組合件安裝成與陽極板相對，所述陽極板由ITO涂覆的具有 熒光物質涂層3.9的2〃 χ2"玻璃基板3.8組成。使用4mm厚的隔板2.7和3.7來保持陰 極組合件和陽極組合件之間的距離。使用銀涂料和銅帶材來實現(xiàn)與ITO柵電極、銀陰極 電極、和ITO陽極電極3.10的電接觸。將圖3所繪的裝置安裝在真空室中，所述真空室被抽空至< 1χ10_5托的壓力。向陽極電極施加1.7kV的直流電壓。將重復率為60Hz且脈沖寬度為60 μ s的脈 沖方波施加到柵電極上。使陰極電極保持在地電位。當脈沖柵電壓達到200V時，實測 DC發(fā)射電流為7.7μΑ。該發(fā)射圖案的圖像顯示于圖4中。然后將陽極電壓斷開并再接通，而在陽極電壓的該斷開/接通循環(huán)之后，發(fā)射 電流完全消失。將陽極電壓升至1.75kV，并且將脈沖柵電壓緩慢升高。在275V的脈沖 柵電壓時，電流為0.6 μ A。當脈沖柵電壓達到300V時，發(fā)射電流為8.7 μ Α，并且柵電 位需要有100V的增量才能重新得到原來的發(fā)射電流。然后將陽極電壓增大至2.0kV，這 在300V的脈沖柵電壓下導致了 12.4μΑ的發(fā)射電流。然后將陽極電壓再次斷開，而當陽極電壓再次接通時，發(fā)射電流完全消失。為 了再次獲得發(fā)射，將柵電壓增大至375V，這時獲得了 0.4μΑ的電流。在400V時，電流 為1.5 μ Α，但逐漸增大至10.5 μ Α。同樣，柵電位需要有100V的增量才能重新獲得先前 的發(fā)射電流。然后將陽極電壓緩慢減小以觀察發(fā)射電流是否會再一次消失。當陽極電壓 回復至2.0kV時，發(fā)射電流為0.0 μ A。將該樣本從真空系統(tǒng)中移除以觀察該效應是否可通過接觸大氣而消除。然而， 當將該樣本再次加載到室中并且施加了 2.0kV的陽極電位和400V的柵電壓時，僅從幾個 離散的閃爍點觀察到了 0.1 μ A的發(fā)射。400V接近于這些裝置在正常運行中可期望承受 的最大電壓。每當陽極電壓被移除時所需的柵電壓的急劇增大使得這些裝置不可用于現(xiàn) 實世界的應用。圖5顯示了對于四次接通陽極電壓而獲得各種發(fā)射電流所需的柵電壓。實施例1將另一個場發(fā)射三極管裝置的樣本制造成具有與對照例A中所測試的樣本幾乎 相同的結構。在實施例1裝置的側正視圖中，圖6以類似于圖3的方式顯示了陰極組合 件的基板6.1、ITO柵電極6.2、由雙層電介質6.3形成的絕緣層、銀陰極電極6.4和6.5、 CNT電子發(fā)射材料6.6、隔板6.7、熒光材料6.9、ITO陽極電極6.10、和用于陽極組合件 的陽極基板6.8。在該實施例中制備的樣本裝置與在對照例A中制備的樣本裝置的差別 是，在圖案化陰極電極之前，將第三厚膜層絲網印刷在該實施例中的樣本上。該層6.11 定位在這兩個電介質材料層6.3之上，其由摻雜的電介質糊劑組成。該電介質糊劑摻雜有 導電顆粒以便其可具有大于IOltl且小于1014Ω/平方的有限薄層電阻。因此層6.11將用 作電荷耗散層。在該實施例中，將摻雜了銻的氧化錫顆粒用于電荷耗散層。電荷耗散層的加入將電介質疊層的厚度增大至13.1 μ m。在真空環(huán)境中，以類似 于對照例A中所用的方式將陽極電壓和柵電壓施加到該樣本上。在60Hz下用60 μ s的柵 脈沖來驅動該裝置。在1.5kV的陽極電壓和200V的柵電壓時，發(fā)射的電流為3.4μ A。 該電流低于在對照例A中所獲得的對應的電流，這可能是電介質疊層厚度增大和表面充 電輔助發(fā)射減小的結果。當將陽極電壓增大至2.0kV并且將柵電壓增大至300V時，發(fā)射 電流為16.5 μ A0將陽極電壓斷開，并且當將陽極電壓再次接通時，電流回復至14.2 μ Α。在將陽 極斷開并再次接通之后捕獲的該發(fā)射圖案的圖像顯示于圖7中。將樣本裝置保持斷開一 整夜。當次日早晨以相同的設定再次接通時，發(fā)射電流為15.0μΑ。將陽極電壓再次斷 開，并且當將陽極電壓再次接通時，電流為12.1 μ Α。
將樣本裝置移除，并且將金屬表面放置在陽極組合件上，這導致了發(fā)射的光朝 陰極基板反射并且穿過它(由于其透明性質和陰極電極中的大開口面積的緣故)。光透出 陰極基板而不是陽極基板具有許多優(yōu)點。將反光金屬薄膜放置在裝置的外部上要比放置 在裝置內部的熒光物質表面上容易得多。當以傳統(tǒng)取向用作LCD顯示器的背光源(BLU) 時，陽極基板定位在LCD基質的近旁，因而難以冷卻陽極基板。當光通過陰極透出裝置 的后部時，陽極基板可定位在外部上，從而使得冷卻容易得多并且更有效。當以金屬表面處在適當位置來進行操作時，對于300V的柵電壓和2.0kV的陽極 電壓，該裝置的發(fā)射電流穩(wěn)定在12.0 yA。附加地將陽極電壓以該構型循環(huán)進行斷/通三 次，每次電流均回復至12.0 yA。透過陰極基板觀察到的獲自該裝置的發(fā)射的圖像顯示于 圖8中。該圖像是在陽極電壓被斷開/接通5次之后捕獲的。將該室通氣，并且將樣本重新安裝使其在陰極基板的外部具有擴散器。這增大 了光透出陰極的均勻性。透過擴散器和陰極基板觀察到的獲自該裝置的發(fā)射的圖像顯示 于圖9中。對于300V的柵電壓和2.0kV的陽極電壓，當以該方式操作時所獲得的電流 為12.2 yA。裝置在該電流下穩(wěn)定地運行了 3小時。該裝置的累積發(fā)射時間為大約5小 時。盡管觀察到了發(fā)射電流的某種初始衰減，但一旦電流穩(wěn)定下來，就可接通和斷開裝 置而無任何增大柵電壓的必要。實施例2制造了具有下柵設計的場發(fā)射三極管裝置，其類似于實施例1中所用的裝置。 實施例1裝置和實施例2裝置之間的主要差別在于電子場發(fā)射器和陰極電極的圖案、以及 它們被圖案化的順序。陰極組合件的頂部平面圖和裝置的側正視圖分別顯示于圖10和11 中。在那些圖中，顯示了陰極基板10.1和11.1、ITO柵電極10.2和11.2、由雙層電介質 10.3和11.3形成的絕緣層、銀陰極電極10.4和11.4、CNT電子發(fā)射材料10.5和11.5、隔 板10.6和11.6、電荷耗散層10.7和11.7、熒光物質層11.8、ITO陽極電極11.9、和陽極 基板11.10。以類似于構造對照例A和實施例1中所用樣本裝置的方式，使該實施例2裝置的 陰極電極為網格，不同的是間距為1mm。使用網格電極來替代線電極避免了僅因單線中 斷缺陷而中斷與裝置延伸區(qū)域的電連接的問題。該電子場發(fā)射器的圖案為一系列間隔開 1mm的100 ym厚的平行線。發(fā)射極線通過相交于一組電極網格線來實現(xiàn)與陰極網格的 電接觸。在陰極電極和發(fā)射極線的這種相交布置中，電接觸可在具有高公差的任何配準 誤差情況下得到確保。因此可制造該裝置而無需使用昂貴的精密印刷或光刻設備。獲自該實施例2裝置的發(fā)射圖案的圖像顯示于圖12中。該圖像是當裝置以3kV 的陽極電壓、300V的柵電壓和28 ii A的陽極電流運行時捕獲的。在120Hz下用30 iis的 柵脈沖來驅動該裝置。當將柵電壓斷開時，沒有觀察到無柵發(fā)射或“熱點”。在對照例A和實施例1中，電子發(fā)射材料在印刷了陰極電極之后印刷，但在實 施例2中，電子發(fā)射材料在陰極電極之前印刷。將陰極電極在電子場發(fā)射器線之上圖案 化，使得發(fā)射極線大約對分陰極電極方塊。這種設計和圖案化順序上的改變導致了所觀 察到的無柵發(fā)射或“熱點”的減少?？蓪㈥枠O電壓增大至3.0kV而不出現(xiàn)任何熱點跡 象。雖然本發(fā)明不限于任何特定的操作理論，但這種“熱點”上的減少可能起因于三個條件。首先，位于陰極電極頂上的電子發(fā)射材料(其最易于發(fā)生無柵發(fā)射)通過將 圖案化順序顛倒而得到了消除。通過限制直接接觸陰極電極的材料的量，電子場發(fā)射器 和電荷耗散層可用作鎮(zhèn)流電阻器，從而防止了熱點由大部分材料形成。最后，緊鄰陰極 電極的材料受到了定位在其上方的陰極電極的有效屏蔽。實施例3還開發(fā)了一種減小無柵發(fā)射或“熱點”的可供選擇的方法。實施例3中的裝置 的構造類似于實施例1中所用裝置的構造，不同的是將電荷耗散層在陰極電極之后但在 沉積電子場發(fā)射器之前圖案化。陰極組合件的頂部平面圖和裝置的側正視圖分別顯示于 圖13和14中。在那些圖中，顯示了陰極基板13.1和14.1、ITO柵電極13.2和14.2、由 雙層電介質材料13.3和14.3形成的絕緣層、銀陰極電極13.4和14.4、CNT電子發(fā)射材料 13.5和14.5、隔板13.6和14.6、電荷耗散層13.7和14.7、熒光物質層14.8、ITO陽極電 極14.9、和陽極基板14.10。通過將電荷耗散層放置在陰極和發(fā)射極之間，電荷耗散層可用作鎮(zhèn)流電阻器， 其可減少無柵發(fā)射的量。該裝置可耐受2.0kV的陽極電壓而不產生“熱點”。獲自該裝 置的發(fā)射的圖像顯示于圖15中。該圖像是當裝置以2.25kV的陽極電壓、300V的柵電壓 和7.1 μ A的陽極電流運行時捕獲的。在120Hz下用30 μ s的柵脈沖來驅動該裝置。當 將柵電壓斷開時，沒有觀察到熱點。實施例4作為替代使用厚膜電介質涂層的供選擇的替代方案，利用薄膜電荷耗散層制造 了裝置。通過以下方式將薄鉻(Cr)薄膜的電荷耗散層放置在適當位置中用電子束蒸 發(fā)器沉積在雙層的電介質材料、陰極電極、和CNT電子發(fā)射材料之上。該薄膜電荷耗散 層是在構造了裝置的其余部分之后但在激活電子場發(fā)射器之前沉積。該薄膜的厚度為約 18Α,所述厚度通過薄膜厚度晶體監(jiān)測器來測量。由于電子束蒸發(fā)器中含有雜質，該薄膜 極可能包括鉻和氧化鉻，并且其具有大于約IOltl且小于約IO14 Ω /平方的有限薄層電阻。該實施例4裝置的陰極電極和電子場發(fā)射器的圖案類似于實施例2中所用的裝 置，不同的是CNT電子發(fā)射材料定位在陰極電極之上。陰極組合件的頂部平面圖和裝置 的側正視圖分別顯示于圖16和17中。在那些圖中，顯示了陰極基板16.1和17.1、ITO 柵電極16.2和17.2、由雙層電介質材料16.3和17.3形成的絕緣層、銀陰極電極16.4和 17.4、CNT發(fā)射極糊劑16.5和17.5、隔板16.6和17.6、電荷耗散層16.7和17.7、熒光物 質層17.8、ITO陽極電極17.9、和陽極基板17.10)。通過使用鉻薄膜作為電荷耗散層，從柵電極至電子場發(fā)射器的總體距離可減小 約1/3。這種較短的距離可使柵極場更有效并且可減小固定的電場所需的電壓。因此可 大大降低所需的電壓。圖18顯示了獲自實施例4裝置的發(fā)射圖像，所述裝置以3kV的 陽極電壓、200V的柵電壓、和55.5 μ A的陽極電流運行。120Hz、30 μ S的脈沖方波和 4mm的陽極-陰極間距這些驅動條件與實施例2中所用的那些相同，然而發(fā)射的電流卻 大得多。在實施例2的柵電壓的66%時，該實施例中的電流為在實施例2中所獲得的電 流的兩倍。考慮到發(fā)射電流對柵電壓的非線性響應，這是相當顯著的。將陽極電壓和柵 電壓接通和斷開，從裝置發(fā)射的電流未發(fā)生任何變化，這表明薄膜電荷耗散層產生了所 需效應。
權利要求
1.場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括(a)陰極組合件，所述陰極組合件包括(i)基 板、Gi)設置在所述基板上的導電柵電極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設 置在所述絕緣層上的具有介于約IXIOki和約1Χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散 層、(ν)設置在所述電荷耗散層上的陰極電極、和(vi)接觸所述陰極電極的電子場發(fā)射 器；和(b)陽極。
2.根據權利要求1的裝置，其中所述陰極電極設置在電子發(fā)射材料層上。
3.根據權利要求1的裝置，其中所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器為同一組件。
4.根據權利要求1的裝置，其中將所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器圖案化為相交線。
5.根據權利要求1的裝置，其中將所述陰極在所述電子場發(fā)射器之上圖案化。
6.根據權利要求1的裝置，其中所述電子場發(fā)射器包含碳納米管。
7.場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括ω陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基 板、Gi)設置在所述基板上的導電柵電極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設 置在所述絕緣層上的陰極電極、(V)設置在所述陰極電極和所述絕緣層上的具有介于約 IXlOici和約1Χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層、和(Vi)設置在所述電荷耗散 層上的電子場發(fā)射器；和(b)陽極。
8.根據權利要求7的裝置，其中將所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器圖案化為相交線。
9.根據權利要求7的裝置，其中將所述陰極在所述電子場發(fā)射器之上圖案化。
10.根據權利要求7的裝置，其中所述電子場發(fā)射器包含碳納米管。
11.場發(fā)射三極管裝置，所述裝置包括(a)陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基 板、Gi)設置在所述基板上的導電柵電極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設置 在所述絕緣層上的陰極電極、(ν)接觸所述陰極的電子場發(fā)射器、和(vi)設置在所述絕 緣層、所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器上的具有介于約IX IOltl和約1 X IO14 Ω /平方之 間的薄層電阻的電荷耗散層；和(b)陽極。
12.根據權利要求11的裝置，其中所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器為同一組件。
13.根據權利要求11的裝置，其中將所述電荷耗散層在所述絕緣層上圖案化。
14.根據權利要求11的裝置，其中將所述陰極電極和所述電子場發(fā)射器圖案化為相交線。
15.根據權利要求11的裝置，其中將所述陰極在所述電子場發(fā)射器之上圖案化。
16.根據權利要求11的裝置，其中所述電子場發(fā)射器包含碳納米管。
17.陰極組合件，所述陰極組合件包括(a)基板、(ii)設置在所述基板上的導電柵電 極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設置在所述絕緣層上的具有介于約IXIOiq 和約1Χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層、(ν)設置在所述電荷耗散層上的陰極 電極、和(vi)接觸所述陰極電極的電子場發(fā)射器。
18.陰極組合件，所述陰極組合件包括(i)基板、(ii)設置在所述基板上的導電柵電 極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設置在所述絕緣層上的陰極電極、(ν)設置 在所述陰極電極和所述絕緣層上的具有介于約IXIOki和約1Χ1014Ω/平方之間的薄層電 阻的電荷耗散層、和(vi)設置在所述電荷耗散層上的電子場發(fā)射器。
19.陰極組合件，所述陰極組合件包括ω基板、Gi)設置在所述基板上的導電柵電 極、(iii)設置在所述柵電極上的絕緣層、Gv)設置在所述絕緣層上的陰極電極、(V)接觸 所述陰極的電子場發(fā)射器、和(Vi)設置在所述絕緣層、所述陰極電極和所述電子場發(fā)射 器上的具有介于約IXIOki和約1Χ1014Ω/平方之間的薄層電阻的電荷耗散層。
20.根據權利要求17、18或19的陰極組合件，其中將所述陰極電極和所述電子場發(fā) 射器圖案化為相交線。
全文摘要
下柵場發(fā)射三極管裝置和其中所用的陰極組合件包含電荷耗散層(6，11)，該電荷耗散層可定位在陰極電極(6.4)、(6.5)、和/或電子場發(fā)射器(6.6)的下方或上方。
文檔編號H01J29/86GK102017051SQ200880109678
公開日2011年4月13日 申請日期2008年10月3日 優(yōu)先權日2007年10月5日
發(fā)明者A·芬尼莫爾, L·-T·A·程 申請人:納幕爾杜邦公司