CN104576267B - 一种表面传导电子发射源结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面传导电子发射源结构及其制作方法，属于平板显示器制造技术领域。表面传导电子发射源结构包括沉积在基板上的一对对称的器件电极，在器件电极上沉积有电子发射薄膜，电子发射薄膜上开设有纳米裂缝；在对称的器件电极之间设有8～20μm的电极间隙，在该电极间隙中设有电介质填充层和/或突起电介质。制作方法为先在电极缝隙中间构建突起，然后再将导电膜制作在突起上，利用突起材料导热性差的特点以及覆盖在突起部分导电膜与其他部分导电膜几何位置上的差异性使覆盖在突起部分的导电膜在“加电形成”时，产生更多的焦耳热，使纳米裂缝可以在突起部位形成，实现纳米裂缝位置的可控制作，提高场发射电子效率。

Description

一种表面传导电子发射源结构及其制作方法

技术领域

本发明属于平板显示器制造技术领域，涉及一种表面传导电子发射源结构及其制作方法，特别涉及一种能够控制表面传导电子发射薄膜纳米裂缝形成位置的表面传导电子发射源结构及其制作方法。

背景技术

日本佳能公司提出的表面传导电子发射显示器件(Surface-conductionElectron-emitter Display,SED)，作为FED的一种，其显示效果在目前平板显示器件中非常的突出。

SED的显像原理与传统的阴极射线显像管(Cathode Ray Tube，CRT)类似，不同于CRT的是，SED将涂有荧光材料的玻璃板与铺有大量表面传导电子发射源的玻璃底板平行摆放，这样的结构使得SED的厚度可以做得相当薄，易于平板化、大型化；同时，SED的能耗也比较低。SED工作时，在阴极板的器件电极上施加一个十几伏的电压，则在导电膜的裂缝处产生强场强，由于隧道效应，隧穿电子从裂缝的一端飞向另一端，从而产生表面传导电流。在阳极板的阳极上施加高压后能够吸引阴极发射的电子中的一部分轰击荧光粉发光。

表面传导电子发射显示器的核心部分是表面传导电子发射源，制备该发射源的技术难点是如何在导电薄膜上形成统一的纳米级裂缝，来实现隧穿电子发射。佳能公司经过多年的研究开发，通过对薄膜进行“加电形成”工艺(electro-forming process)和“激活”工艺(activation process)得到纳米级缝隙。但是，“加电形成”工艺形成的基本原理是利用加电产生的焦耳热对电子发射薄膜进行加热“烧断”，其位置和宽度具有随机性，各个电子发射单元之间的一致性较差，影响了电子发射源的性能，使表面传导电子发射源的电流密度及电子发射效率较低。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种表面传导电子发射源结构及其制备方法；该结构能够控制电子发射薄膜纳米裂缝的形成位置，提高电子发射源的电子发射效率；该方法操作简单，对设备要求低，易实现。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种表面传导电子发射源结构，包括沉积在基板上的一对对称的器件电极，在器件电极上沉积有电子发射薄膜，电子发射薄膜上存在纳米裂缝；在对称的器件电极之间设有8～20μm的电极间隙，在该电极间隙中设有电介质填充层和/或突起电介质。

所述器件电极的厚度为100～200nm；且器件电极由铂、铜、银、镍、铬中的一种或几种材料制成。

所述电子发射薄膜的厚度为30～100nm；且电子发射薄膜由氧化钯或氧化锌制成。

所述电介质填充层的厚度为50～200nm；且介质填充层采用二氧化硅或氧化铪制成。

所述突起电介质的长度与电子发射薄膜的长度相当；突起电介质的宽度为2～5μm，厚度为20～250nm。

当电极间隙中设有电介质填充层和突起电介质时，突起电介质置于电介质填充层上方或包覆于电介质填充层内部。

当突起电介质置于电介质填充层上方时，突起电介质的厚度为20～50nm。

一种表面传导电子发射源结构的制作方法，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射法在基板上沉积若干组金属电极，形成一对对称的器件电极，对称的器件电极之间形成8～20μm的电极间隙；

2)采用磁控溅射法在电极间隙间制作厚度为50～200nm的电介质填充层和/或在电极间隙间制作厚度为20～250nm的突起电介质；

3)采用磁控溅射法在器件电极对之间制作电子发射薄膜；

4)对电子发射薄膜采用加电形成技术制得纳米级裂缝。

所述器件电极的厚度为100～200nm；且器件电极由铂、铜、银、镍、铬中的一种或几种材料制成；所述电子发射薄膜的厚度为30～100nm；且电子发射薄膜由氧化钯或氧化锌制成。

当电极间隙中设有电介质填充层和突起电介质时，突起电介质置于电介质填充层上方或包覆于电介质填充层内部；

当突起电介质置于电介质填充层上方时，突起电介质的厚度为20～50nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的表面传导电子发射源结构，由制作在基板上的器件电极、填充器件电极间隙的电介质填充层、突起电介质和电子发射薄膜构成。电介质填充层和/或突起电介质填充在器件电极之间形成的电极间隙中，利用突起介质导热性差的特点以及覆盖在突起部分导电膜与其他部分导电膜几何位置上的差异性使覆盖在突起部分的导电膜在“加电形成”时，产生更多的焦耳热，使纳米裂缝可以在突起部位形成实现纳米裂缝位置的可控制作，进而通过电极间隙间的填充垫高表面传导电子发射膜，缩短电子发射部位与阳极板间的距离，使电子隧穿发射后更容易散射并被阳极所吸引，有效增加了隧穿电子射向阳极的比例，从而提高了场发射电子效率。

本发明方采用“加电形成”工艺制作纳米裂缝，步骤简单，对仪器设备要求低，先在电极缝隙中间构建突起，然后再将导电膜制作在突起上，利用突起材料导热性差的特点以及覆盖在突起部分导电膜与其他部分导电膜几何位置上的差异性使覆盖在突起部分的导电膜在“加电形成”时，产生更多的焦耳热，使纳米裂缝可以在突起部位形成，实现纳米裂缝位置的可控制作。该方法稳定性强，易于控制，适合规模化放大生产。

附图说明

图1是SED原理结构示意图；

图2-1是现有技术的表面传导电子发射源的一种典型结构主视图；

图2-2为图2-1的俯视图；

图3-1是本发明公开的一种理想的高效表面传导电子发射源结构主视图；

图3-2为图3-1的俯视图；

图4-1是本发明实施例1中间垫高的表面传导电子发射源结构主视图；

图4-2为图4-1的俯视图；

图5-1是本发明实施例2单边填充的表面传导电子发射源结构主视图；

图5-2为图5-1的俯视图；

图6-1是本发明实施例3填充中间垫高的表面传导电子发射源结构主视图；

图6-2为图6-1的俯视图；

图7-1是本发明实施例4填充的中间垫高的表面传导电子发射源结构主视图；

图7-2为图7-1的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

首先，介绍SED原理，参见图1，SED显示器一个像素的结构，SED包含了下基板100和上基板110，每个像素单元包含红绿蓝三个子像素，电子发射源130制作在下玻璃基板100上。表面传导电子发射电子源包括器件电极150和电子发射薄膜250。SED显示器件还包含一个高电压阳极170和阴极器件电压160。当在器件电极150上施加直流电压时，表面传导电子发射薄膜250会发射电子，在高电压阳极170的电压加速下，电子轰击荧光粉180发光。

本发明的表面传导电子发射源结构，包括沉积在基板100上的一对对称的器件电极150，在器件电极150上沉积有电子发射薄膜250，电子发射薄膜上开设有纳米级裂缝260；在对称的器件电极之间设有8～20μm的电极间隙，在该电极间隙中设有电介质填充层300和/或突起电介质310。

所述器件电极150的厚度为100～200nm；且器件电极150由铂、铜、银、镍、铬中的一种或几种材料制成。所述电子发射薄膜250的厚度为30～100nm；且电子发射薄膜250由氧化钯制成。

所述电介质填充层300的厚度为50～200nm；电介质填充层材料选择为与基底粘附性好的绝缘材料，如二氧化硅、氧化铪等。其几何尺寸，包括长、宽、厚度，取决于器件电极之间的间隙尺寸与器件电极的厚度。

所述突起电介质310的长度与电子发射薄膜250的长度相当，宽度为2～5μm，厚度为20～250nm。突起电介质310的材料选择为与填充介质粘附性较好，导热性差的材料，如二氧化硅、硅酸铝等。

当电极间隙中设有电介质填充层300和突起电介质310时，突起电介质310置于电介质填充层300上方或包覆于电介质填充层300内部；

当突起介质310置于电介质填充层300上方时，突起电介质310的厚度20～50nm。

对比例：

参见图2-1和图2-2，为现有技术的表面传导电子发射源的一种典型结构示意图，表面传导电子发射电子源制作在下基板100上。电子发射源包括两个器件电极150和表面传导电子发射薄膜250。

实施例1

参见图4-1和图4-2，一种中间垫高的表面传导电子发射源结构，包括两个器件电极150，位于电极间隙中间的突起电介质310和电子发射薄膜250。

该结构的制作过程为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组金属电极150，形成电极阵列，电极厚度为100～200nm，电极之间有8～20μm的间隙；

2)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射一层宽度为2～5μm，长度与表面传导电子发射薄膜250的长度相当，厚度100～150nm的突起电介质310；

3)用磁控溅射等方法在器件电极150间溅射表面传导电子发射薄膜250，电子发射薄膜250厚度为30～100nm；

4)对电子发射薄膜250进行“加电形成”工艺处理，形成纳米裂缝260。

实施例2

参见图5-1和图5-2，一种单边垫高的表面传导电子发射源结构，其结构包括两个器件电极150，有一边与电极相连，填充了部分电极间隙的电介质填充层300和电子发射薄膜250。

该结构的制作过程为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组金属电极150，形成电极阵列，电极厚度为100～200nm，电极之间有8～20μm的间隙；

2)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射厚度与电极厚度相当的电介质填充层300，填充电介质填充层300宽度为4～8μm，其一侧与电极一端相连，另一侧位于电极间隙中。

3)用磁控溅射等方法在器件电极150间溅射表面传导电子发射薄膜250，电子发射薄膜250厚度为30～100nm；

4)对电子发射薄膜250进行“加电形成”工艺处理，形成纳米裂缝260。

实施例3

参见图6-1和图6-2，一种填充的中间垫高的表面传导电子发射源结构，包括两个器件电极150，电介质填充层300，突起电介质310和电子发射薄膜250。

制作时先制作电介质填充层300，再制作突起电介质310，具体制作步骤为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组金属电极150，形成电极阵列，电极厚度为100～200nm，电极之间有8～20μm的间隙；

2)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射厚度与电极厚度相当的电介质填充层300填充电极间隙；

3)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射一层宽度为2～5μm，长度与表面传导电子发射薄膜250长度相当，厚度为20～50nm的突起电介质310；

4)用磁控溅射等方法在器件电极150间溅射表面传导电子发射薄膜250，电子发射薄膜250的厚度为30～100nm。

5)对电子发射薄膜250进行“加电形成”工艺处理，形成纳米裂缝260。

实施例4

参见图7-1和图7-2，一种填充的中间垫高的表面传导电子发射源结构，包括两个器件电极150，电介质填充层300，突起电介质310和电子发射薄膜250。

制作过程为先制作突起电介质310，再制作电介质填充层300，具体制作步骤为：

1)用磁控溅射等方法在基板100上溅射若干组金属电极150，形成电极阵列，电极厚度为100～200nm，电极之间有8～20μm的间隙；

2)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射一层宽度为2～5μm，长度与表面传导电子发射薄膜250长度相当，厚度100～150nm的突起电介质310；

3)用磁控溅射等方法在器件电极150间隙间溅射厚度与电极厚度相当的电介质填充层300填充电极间隙。

4)用磁控溅射等方法在器件电极150间溅射表面传导电子发射薄膜250，电子发射薄膜250厚度为30～100nm。

5)对电子发射薄膜250进行“加电形成”工艺处理，形成纳米裂缝260。

参见图3-1和图3-2，本发明所公开的一种理想的中间垫高的表面传导电子发射源结构，其结构包括两个器件电极150，填充在电极间隙的带有中间突起的电介质填充层300，以及电子发射薄膜250。

综上所述，本发明的新型的表面传导电子发射源结构包括器件电极、电介质填充层、突起电介质和电子发射薄膜。现有技术中制作纳米裂缝的方法一般有聚焦离子束法(FIB)和氢吸收工艺等，聚焦离子束法对仪器设备的要求很高，需要使用昂贵的仪器设备，氢吸收工艺的实现需要复杂的制备步骤和方法。本发明的制作方法为先在电极缝隙中间构建突起，然后再将导电膜制作在突起上，利用突起材料导热性差的特点以及覆盖在突起部分导电膜与其他部分导电膜几何位置上的差异性使覆盖在突起部分的导电膜在“加电形成”时，产生更多的焦耳热，使纳米裂缝可以在突起部位形成，实现纳米裂缝位置的可控制作，进而通过电极间隙间的填充垫高表面传导电子发射膜，缩短电子发射部位与阳极板的距离，提高隧穿电子中散射向阳极的比例，从而提高场发射电子效率。

Claims (5)

1.一种表面传导电子发射源结构，其特征在于，包括沉积在基板(100)上的一对对称的器件电极(150)，在器件电极(150)上沉积有电子发射薄膜(250)，电子发射薄膜上设有纳米裂缝(260)；在对称的器件电极之间设有8～20μm的电极间隙，在该电极间隙中设有电介质填充层(300)和突起电介质(310)，突起电介质(310)置于电介质填充层(300)上方或包覆于电介质填充层(300)内部；突起电介质(310)的长度与电子发射薄膜(250)的长度相等；突起电介质(310)的宽度为2～5μm，厚度为20～250nm；

所述电子发射薄膜(250)的厚度为30～100nm；且电子发射薄膜(250)由氧化钯或氧化锌制成；

所述电介质填充层(300)的厚度为50～200nm；且介质填充层(300)采用二氧化硅或氧化铪制成。

2.根据权利要求1所述的一种表面传导电子发射源结构，其特征在于，所述器件电极(150)的厚度为100～200nm；且器件电极(150)由铂、铜、银、镍、铬中的一种或几种材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种表面传导电子发射源结构，其特征在于，当突起电介质(310)置于电介质填充层(300)上方时，突起电介质(310)的厚度为20～50nm。

4.一种表面传导电子发射源结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射法在基板(100)上沉积若干组金属电极，形成一对对称的器件电极(150)，对称的器件电极(150)之间形成8～20μm的电极间隙；

2)采用磁控溅射法在电极间隙间制作厚度为50～200nm的电介质填充层(300)和厚度为20～250nm的突起电介质(310)；所述突起电介质(310)由二氧化硅或硅酸铝制成；

突起电介质(310)置于电介质填充层(300)上方或包覆于电介质填充层(300)内部；

3)采用磁控溅射法在器件电极(150)对之间制作电子发射薄膜(250)；

4)对电子发射薄膜(250)采用加电形成技术制得纳米级裂缝(260)。

5.根据权利要求4所述的一种表面传导电子发射源结构的制作方法，其特征在于，所述器件电极(150)的厚度为100～200nm；且器件电极(150)由铂、铜、银、镍、铬中的一种或几种材料制成；所述电子发射薄膜(250)的厚度为30～100nm；且电子发射薄膜(250)由氧化钯或氧化锌制成。