场发射装置及使用其的场发射显示器

摘要

本发明提供了一种具有优秀的电子束聚焦的场发射装置以及使用该场发射装置的场发射显示器。该场发射装置包括：基板；第一阴极电极，形成在基板上；绝缘层，形成在基板和第一阴极电极上，并具有暴露第一阴极电极部分的凹进部分；第二阴极电极，形成在绝缘层上，并电连接到第一阴极电极；电子发射器，形成在第一阴极电极由绝缘层暴露的部分上；栅极绝缘层，形成在第二阴极电极上，并具有暴露凹进部分的空腔；以及栅极电极，形成在栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的栅极孔。

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射装置及其使用其的场发射显示器，更特别地，本发明涉及一种聚焦电子束的能力得到增强的场发射装置以及使用该场发射装置的显示器。

背景技术

显示器在信息和媒介转移中扮演着重要角色，并且广泛地应用于个人电脑监视器和电视机。显示器通常是阴极射线管(CRT)和平板显示器，阴极射线管使用高速的热电子发射，而平板显示器则正处于高速发展中。平板显示器的类型包括等离子体显示面板(PDP)、场发射显示器(FED)等。

在FED中，当在栅极电极和以预定距离布置在阴极电极上的场发射器之间施加强电场时，电子从场发射器发射并与阳极电极上的荧光材料相碰撞，由此发光。FED是薄显示器，至多几个厘米厚，并且具有宽的视角、低的功耗和低的制造成本。于是，FED和PDP作为下一代显示器而引人注目。

FED具有与CRT相类似的物理工作原理。即，从阴极电极发射的电子被加速以与阳极电极相碰撞。这里，电子激发涂覆在阳极电极上的荧光材料来发光。FED不同于CRT在于：电子发射器是由冷阴极材料形成的。

图1和图2图示了传统场发射装置的结构。

参考图1，该场发射装置包括形成在底部基板10上的阴极电极12，以及形成在绝缘层14上用于提取电子的栅极电极16。电子发射器19设置在一孔中，通过该孔阴极电极12的部分得以暴露。

但是，如果不对电子束的轨迹加以控制，那么可能不会激发所期望部分的荧光层，并因此不能显示所期望的色彩。于是，需要一种技术来控制电子束的轨迹，以允许从电子发射器19发射的电子可以正确地被传输到涂覆在阳极电极上的荧光材料的期望部分。

图2图示了传统场发射装置的视图，其具有用于控制电子束轨迹的聚焦栅极电极。

参考图2，第二绝缘层27沉积在栅极电极26上，用于控制电子束轨迹的聚焦栅极电极28形成在第二绝缘层27上。参考标记20、22、24和29分别表示基板、阴极电极、第一绝缘层和电子发射器。

图3是对从如图2所示具有聚焦栅极电极的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟。

参考图3，过度聚焦的电子偏离了所希望的荧光层区域，激发了其它区域的荧光层，降低了色彩纯度。

为了克服这些问题，美国专利No.5,920,151公开了一种具有嵌入聚焦结构的FED。但是，该聚焦栅极电极形成在有机材料——聚酰亚胺上，其需要排出挥发气体的排气处理。因此，这样的FED难于应用于大型显示器。

发明内容

本发明提供了具有优秀的电子束聚焦的场发射装置以及使用该场发射装置的场发射显示器。

根据本发明的一个方面，提供了一种场发射装置，其包括：基板；第一阴极电极，形成在基板上；绝缘层，形成在基板和第一阴极电极上，并具有暴露第一阴极电极部分的凹进部分；第二阴极电极，形成在绝缘层上，并电连接到第一阴极电极；电子发射器，形成在第一阴极电极由绝缘层暴露的部分上；栅极绝缘层，形成在第二阴极电极上，并具有暴露凹进部分的空腔；以及栅极电极，形成在栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的栅极孔。

凹进部分可以具有半球形。

场发射装置还可以包括：非晶硅层，设置在所述第二阴极电极和所述栅极绝缘层之间，并具有与所述暴露部分对齐的孔。

电子发射器可以是碳纳米管(CNT)发射器。

第一阴极电极可以是由透明电极材料构成的对应于凹进部分的点。

第一阴极电极可以通过多个所述凹进部分暴露。

根据本发明的另一个方面，提供了一种场发射装置，其包括：基板；第一阴极电极，形成在基板上；绝缘层，形成在基板和第一阴极电极上，并具有暴露第一阴极电极部分的凹进部分；第二阴极电极，形成在绝缘层上，并电连接到第一阴极电极；电子发射器，形成在第一阴极电极由绝缘层暴露的部分上；栅极绝缘层，形成在第二阴极电极上，并具有暴露凹进部分的空腔；栅极电极，形成在栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的栅极孔；聚焦栅极绝缘层，形成在栅极电极上，并具有暴露空腔的孔；以及聚焦栅极电极，形成在聚焦栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的聚焦栅极孔。

根据本发明的再一个方面，提供了一种场发射显示器，其包括：后基板；第一阴极电极，形成在基板上；绝缘层，形成在基板和第一阴极电极上，并具有暴露第一阴极电极部分的凹进部分；第二阴极电极，形成在绝缘层上，并电连接到第一阴极电极；电子发射器，形成在第一阴极电极由绝缘层暴露的部分上；栅极绝缘层，形成在第二阴极电极上，并具有暴露凹进部分的空腔；栅极电极，形成在栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的栅极孔；前基板，与后基板隔开预定距离；阳极电极，形成在前基板的表面上，并朝向电子发射器；以及荧光层，涂覆在阳极电极上。

根据本发明的又一个方面，提供了一种场发射显示器，其包括：后基板；第一阴极电极，形成在基板上；绝缘层，形成在基板和第一阴极电极上，并具有暴露第一阴极电极部分的凹进部分；第二阴极电极，形成在绝缘层上，并电连接到第一阴极电极；电子发射器，形成在第一阴极电极由绝缘层暴露的部分上；栅极绝缘层，形成在第二阴极电极上，并具有暴露凹进部分的空腔；栅极电极，形成在栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的栅极孔；聚焦栅极绝缘层，形成在栅极电极上，并具有暴露空腔的孔；聚焦栅极电极，形成在聚焦栅极绝缘层上，并具有与空腔对齐的聚焦栅极孔；前基板，与后基板隔开预定距离；阳极电极，形成在前基板的表面上，并朝向电子发射器；以及荧光层，涂覆在阳极电极上。

附图说明

通过参考附图对本发明的示范性实施例进行详细地说明，本发明上述以及其它的特征和优点将变得更加明显，在附图中：

图1是图示了传统场发射装置的结构的示意性横截面视图；

图2是图示了具有聚焦栅极电极的传统场发射装置的结构的示意性横截面视图；

图3是对从如图2所示的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟；

图4是图示了根据本发明实施例的场发射装置的示意性横截面视图；

图5是对从如图4的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟；

图6是根据本发明另一个实施例的场发射装置的示意形横截面视图；

图7是对从如图6的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟；

图8是图示根据本发明再一个实施例的场发射装置的结构的示意性横截面视图；

图9是对从如图8的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟；及

图10到图23是图示根据本发明实施例的制备场发射装置的方法的横截面视图。

具体实施方式

下面将参考附图对根据本发明的示范性实施例的场发射装置、场发射显示器以及制备该场发射装置的方法进行详细地说明。在附图中，为了清楚起见，夸大了场和区域的大小。

图4是图示了根据本发明实施例的场发射装置的示意性横截面视图。

参考图4，第一阴极电极111，以及比如氧化硅层的、覆盖部分第一阴极电极111的绝缘层112形成在玻璃基板110上。绝缘层112具有凹进部分W，该凹进部分W可以是半球形的，在凹进部分W中部暴露第一阴极电极111。第二阴极电极120形成在绝缘层112上，使得第二阴极电极120电连接到第一阴极电极111。

绝缘层112使阴极电极120具有凹进部分W。绝缘层120可以具有2到10μm的厚度。

第一阴极电极111和第二阴极电极120可以是透明电极，比如氧化铟锡(ITO)电极。非晶硅层122形成在第二阴极电极120上。非晶硅层122确保均匀的电流流经第一阴极电极111和第二阴极电极120。此外，非晶硅层122还具有光学性质，其允许可见光通过，但却不允许紫外光通过。非晶硅层122起到对紫外光背面曝光的掩模的作用，对此将在下面说明。用作电子发射器的碳纳米管(CNT)发射器150形成在第一阴极电极111暴露的部分上。

栅极绝缘层132和栅极电极130依次层叠在非晶硅层122上。

栅极绝缘层132具有预定直径的空腔C。栅极电极130具有对应于空腔C的栅极孔130a。

栅极绝缘层132是用于保持栅极电极130和第二阴极电极120之间的电绝缘的层。栅极绝缘层132是由比如氧化硅(SiO₂)的绝缘材料制成，并且通常具有约5到10μm的厚度。

栅极电极130可以是由厚约0.25μm的铬制成。栅极电极130从CNT发射器150提取电子束。例如80V的预定栅极电压可以施加到栅极电极130。

第一阴极电极111可以形成点状，例如ITO点，对应于空腔C或凹进部分W。或者，第一阴极电极111可以对应于包括多个空腔C的区域，例如显示器的子像素区域。

图5是对从如图4的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟。

参考图5，电子在它们脱离栅极电极130之前被聚焦。

图6是根据本发明另一个实施例的场发射装置的示意性横截面视图。

参考图6，第一阴极电极211，以及比如氧化硅层的、覆盖部分第一阴极电极211的绝缘层212形成在玻璃基板210上。绝缘层212具有凹进部分W，该凹进部分W可以是半球形的，在凹进部分W中部暴露第一阴极电极211。第二阴极电极220形成在绝缘层212上，使得第二阴极电极220电连接到第一阴极电极211。

绝缘层212使阴极电极220具有凹进部分W。绝缘层112可以具有2到10μm的厚度。

第一阴极电极211和第二阴极电极220可以是ITO透明电极。非晶硅层222形成在第二阴极电极220上。非晶硅层222确保均匀的电流流经第一阴极电极211和第二阴极电极220。此外，非晶硅层222还具有光学性质，其允许可见光通过，但却不允许紫外光通过。非晶硅层222起到对紫外光背面曝光的掩模的作用，对此将在下面说明。用作电子发射器的碳纳米管(CNT)发射器250形成在第一阴极电极211暴露的部分上。

栅极绝缘层232、栅极电极230、聚焦栅极绝缘层242和聚焦栅极电极240依次层叠在非晶硅层222上。

栅极绝缘层232和聚焦栅极绝缘层242具有空腔C。栅极电极230具有对应于空腔C的栅极孔230a。聚焦栅极电极240具有对应于空腔C的聚焦栅极孔240a。

栅极绝缘层232是用于保持栅极电极230和第二阴极电极220之间的电绝缘的层。栅极绝缘层232是由比如氧化硅(SiO₂)的绝缘材料制成，并且通常具有约5到10μm的厚度。

栅极电极230可以是由厚约0.25μm的铬制成。栅极电极230从CNT发射器250提取电子束。例如80V的预定栅极电压可以施加到栅极电极230。

聚焦栅极绝缘层242是用于将栅极电极230从聚焦栅极电极240绝缘的层。聚焦栅极绝缘层242可以由厚为2-15μm的氧化硅(SiO₂)制成。

聚焦栅极电极240可以由厚约0.25μm的铬制成。聚焦栅极电极240上提供有低于栅极电极230的电压，并聚焦从CNT发射器250发射的电子束。

第一阴极电极211可以形成点状，例如ITO点，对应于空腔C或凹进部分W。或者，第一阴极电极211可以对应于包括多个空腔C的区域，例如显示器的子像素区域。

图7是对从如图6的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹的模拟。

参考图7，电子束在它们通过栅极电极230之前被聚焦，并且在脱离聚焦栅极电极240之前被再次聚焦。

图8是图示根据本发明再一个实施例的场发射装置的结构的示意性横截面视图。与图6所示的那些基本相同的一些组成元件将用同样的名称指代，并且不再详细地说明。

参考图8，场发射显示器包括前基板370和后基板310，彼此间隔开预定距离。在前基板370和后基板310之间设置有分隔物(未示出)以保持该预定距离。前基板370和后基板310可以由玻璃制成。

场发射部分形成在后基板310上，发光部分形成在前基板370上。从场发射部分发射的电子使光从发光部分发射出来。

具体地，第一阴极电极311，以及比如氧化硅层的、覆盖部分第一阴极电极311的绝缘层312形成在后基板310上。绝缘层312具有凹进部分W，该凹进部分W可以是半球形的，在凹进部分W中部暴露第一阴极电极311。第二阴极电极320形成在绝缘层312上，使得第二阴极电极320电连接到第一阴极电极311。多个第二阴极电极320以预定间隔平行地布置，并呈预定图案，例如为带状图案。

非晶硅层322形成在绝缘层312上并暴露第一阴极电极311。栅极绝缘层332、栅极电极330、聚焦栅极绝缘层342和聚焦栅极电极340依次形成在非晶硅层322上，暴露预定空腔C。例如CNT发射350的电子发射器形成在第一阴极电极311暴露的部分上。

第一阴极电极311可以形成点状，例如ITO点，对应于一个空腔C或一个凹进部分W。或者，第一阴极电极311可以对应于包括多个空腔C的区域，例如显示器的子像素区域，或第二阴极电极320的一个带。

阳极电极380形成在前基板370上，荧光层390涂覆在阳极电极380上。用于增加色彩纯度的黑矩阵392位于荧光层之间的阳极电极380上。

现在，将参考附图对具有上述结构的场发射显示器的操作进行详细地说明。2.5kV脉冲的阳极电压Va施加到阳极电极380上，80V的栅极电压Vg施加到栅极电极330，30V的聚焦栅极电压Vf施加到聚焦栅极电极340上。此时，电子由于栅极电压Vg从CNT发射器350发射出来。由于阴极电极320的凹进的形状，所发射的电子在脱离栅极电极330之前被聚焦，并且由于聚焦栅极电压Vf被再次聚焦。经聚焦的电子激发位于期望位置的荧光层390。于是，荧光层390发射预定的可见光394。

图9模拟从如图8的场发射装置中电子发射器发出的电子束轨迹。

参考图9，可以看出从根据本实施例的场发射装置发射的电子束被聚焦在阳极电极380的期望像素。于是，使用根据本发明的场发射装置的场发射显示器可以提供改进的色彩纯度。

下面，将参考附图对根据本发明进一步实施例的制造场发射显示器的方法进行详细地说明。

参考图10，第一阴极电极411，例如由ITO材料构成的点形成在玻璃基板410上。

参考图11，使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)，在玻璃基板410上形成厚6μm、作为绝缘层412的氧化硅层。然后，第一光刻胶薄膜P1涂覆在绝缘层412上，并且曝光于紫外光。可以使用掩模(未示出)进行前面曝光或背面曝光。紫外光进入到对应于第一光刻胶薄膜P1的凹进部分(如图6所示的W)的部分。即，只有第一光刻胶薄膜P1位于凹进部分W顶部上的区域P1a才曝光于紫外光。该曝光区域P1a通过显影操作去除。然后，进行培烤。

图12图示了上述显影和培烤操作的产物。绝缘层412通过被去除的区域P1a开放。

参考图13，使用第一光刻胶薄膜P1作为暴露一部分绝缘层412的掩模，对绝缘层412进行湿法蚀刻，从而形成半球形的凹进部分W或阱。然后，去除第一光刻胶薄膜P1。暴露部分EP的位置对应于CNT发射器(如图6所示150)的位置。暴露部分EP具有至少约3μm的直径。

参考图14，例如ITO透明电极的第二阴极电极420通过溅镀形成在绝缘层412上。然后，使用PECVD将非晶硅层422形成在第二阴极电极420上。然后，第二光刻胶薄膜P2涂覆在非晶硅层422上，对应于暴露部分EP的区域P2a被曝光。

经曝光的区域P2a通过显影去除。经由被去除的区域P2a暴露部分非晶硅层422。使用第二光刻胶薄膜P2作为蚀刻掩模，对非晶硅层422暴露的部分进行湿法蚀刻。使用第二光刻胶薄膜P2，对第二阴极电极420暴露的部分进行湿法蚀刻。图15图示了结果，第二光刻胶薄膜P2在对非晶硅层422和第二阴极电极420湿法蚀刻之后被去除。

参考图16，栅极绝缘层432形成在非晶硅层422上，并填充凹进部分W。栅极绝缘层432是由厚约5到10μm的氧化硅制成。然后，栅极电极430形成在栅极绝缘层432上。栅极电极430是通过溅镀，由厚约0.25μm的铬制成。接下来，第三光刻胶薄膜P3形成在栅极电极430上，对应于凹进部分W的区域P3a被曝光。

随后，经曝光的区域P3a通过显影去除。栅极电极430的部分通过被去除的区域P3a被显露。使用第三光刻胶薄膜P3作为蚀刻掩模，对栅极电极430暴露的部分进行湿法蚀刻。

图17图示了在对栅极电极430暴露的部分进行湿法蚀刻之后去除第三光刻胶薄膜P3的产物。形成了栅极孔430a。

参考图18，在去除了第三光刻胶薄膜P3之后，聚焦栅极绝缘层442形成在栅极绝缘层432上，并填充栅极孔430a。聚焦栅极绝缘层442由厚约2-15μm的氧化硅构成。然后，聚焦栅极电极440形成在聚焦栅极绝缘层442上。聚焦栅极电极440是通过溅镀，由厚约0.25μm的铬制成。接下来，第四光刻胶薄膜P4形成在聚焦栅极电极440上，对应于凹进部分W的区域P4a被曝光。

随后，经曝光的区域P4a通过显影去除。聚焦栅极电极440的部分通过被去除的区域P4a显露。使用第四光刻胶薄膜P4作为蚀刻掩模，对聚焦栅极电极440暴露的部分进行湿法蚀刻。

图19图示了在对聚焦栅极电极440暴露的部分进行湿法蚀刻之后去除第四光刻胶薄膜P4的结果。形成了聚焦栅极孔440a。

参考图20，在去除了第四光刻胶薄膜P4之后，第五光刻胶薄膜P5涂覆在聚焦栅极电极440上。然后，对应于凹进部分W的区域P5a被曝光。

随后，经曝光的区域P5a通过显影去除。使用第五光刻胶薄膜P5作为蚀刻掩模，对聚焦栅极绝缘层442和栅极绝缘层432进行湿法蚀刻，以暴露阴极电极420的凹进部分W。

图21图示了去除第五光刻胶薄膜P5的结果。

参考图22，含有负感光物质的CNT膏452涂覆在阴极电极420上，然后使用非晶硅层422作为掩模将该感光CNT膏曝光于紫外光。可以将紫外光从下方照射基板410来进行背面曝光。由于非晶硅层422阻挡了紫外光，所以仅有形成在第一阴极电极411暴露部分上的CNT膏被曝光于紫外光。然后，通过显影和培烤操作，CNT发射极450形成在第一阴极电极411上，如图23所示。

上述制备场发射装置的方法制备了如图6所示的实施例。如图4所示的实施例的场发射装置可以通过等同的方法制备，但是省略了形成聚焦栅极绝缘层和聚焦栅极电极的步骤。

在本发明的实施例中，CNT发射器是使用印刷方法形成的，但是并不限于此。例如，CNT可以这样生长：通过在第一阴极电极411暴露的部分上形成催化金属层，然后沉积含有气体比如甲烷气体的碳到催化金属层上。

如上所述，在根据本发明的场发射装置中，绝缘层具有围绕CNT发射器的凹进部分，并且因此从CNT发射器发射的电子束在离开栅极孔之前被聚焦，由此改进了电子束的聚焦。于是，该场发射装置可以提供改进的色彩纯度。

经过参考本发明的示范性实施例对其进行了具体地示出和说明，但是本领域的技术人员将明白，在不背离权利要求所界定的本发明的范围和精神的情形，可以在其中进行各种形式和细节的变化。