CN1287413C - 一种场发射显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场发射显示器。该显示器包括阴极，阳极，位于阴极与阳极间的栅极，用作场发射单元的碳纳米管阵列和栅极与阴极间的绝缘层，该碳纳米管一个端面与阴极电性相连，其特征在于该碳纳米管阵列的另一端面与绝缘层的靠近栅极的端面基本位于同一平面，在绝缘层与栅极之间还包括一绝缘介质膜。本发明的场发射显示器具有较低的栅极启动电压，用于发射电子的碳纳米管具有大面积高度一致均匀性，而且发射端面不含有催化剂颗粒或无定性碳等杂质，也不会含有杂乱分布的碳纳米管。

Description

一种场发射显示器
【技术领域】
本发明是关于一种场发射显示器，尤其设计一种基于碳纳米管的场发射显示器。
【背景技术】
碳纳米管是在1991年由Iijima在电弧放电的产物中首次发现的中空碳管，其发表在1991年出版的Nature 354，56。碳纳米管以其优良的导电性能，完美的晶格结构，纳米尺度的尖端等特性而成为极具希望的场发射阴极材料，在场发射平面显示器件、电真空器件、大功率微波器件等应用领域有着广阔的前景。
通过化学气相沉积法可以容易地在硅片、玻璃等基板上生长出位置、取向、高度都确定的碳纳米管阵列，而点阵的尺寸可以通过半导体光刻工艺控制催化剂薄膜达到很高的制造精度，这使得碳纳米管阵列在平面显示器件中可能得到迅速的应用。
美国专利6,339,281揭露了一种三级型结构碳纳米管场发射显示器的制备方法。该方法包括如下步骤：
(1)在一基底形成阴极，再在阴极上形成一绝缘层；
(2)在绝缘层上形成栅极层，再在栅极层上形成开口；
(3)利用栅极层作为掩模，用过刻蚀在绝缘层中形成一微孔；
(4)在基底上形成一层催化剂，利用化学气相沉积法在基底上生长碳纳米管阵列。
然而实际制备过程中，利用化学气相沉积法制备用于场发射的碳纳米管阵列有如下缺点及本领域一直难以克服的难题：
1.为了达到显示均匀性，栅极与用于场发射的碳纳米管阵列的间距需要在大面积上保持微米量级的均匀性，而利用化学气相沉积生长工艺要做到碳纳米管高度大面积均匀比较困难。
2.为了制作便携式平面显示器，必须减低能耗，同时为了线路上易于实现寻址和对显示灰度的控制，要求尽量降低栅级的起始发射电压，因此栅极与碳纳米管阵列的间距应尽可能减小。化学气相沉积方法虽然能够大体上控制碳纳米管阵列的生长高度，但其精度目前还不能满足要求，难以精确控制上述间距在一理想的范围。
3.化学气相沉积法生长的碳纳米管阵列上表面不可避免的会有一薄层杂乱分布的碳纳米管，且其尺度不均匀，并夹杂少量的催化剂颗粒或无定性碳等杂质，造成场发射性能的不稳定和不均匀，并可能降低器件的寿命。
【发明内容】
本发明要解决的一个技术问题是提供一种栅极与碳纳米管阵列的间距在大面积上保持微米量级的均匀性的场发射显示器。
本发明进一步要解决的技术问题是提供一种碳纳米管阵列发射端的碳纳米管尺度均匀、整齐排列、不含有催化剂颗粒或无定性碳等杂质的场发射显示器。
本发明再进一步要解决的技术问题是提供一种栅极与碳纳米管阵列的间距可尽可能减小，例如达到微米量级的场发射显示器。
为解决上述问题，本发明提供一种场发射显示器。该显示器包括阴极，阳极，位于阴极与阳极间的栅极，用作场发射单元的碳纳米管阵列和栅极与阴极间的绝缘层，该碳纳米管一个端面与阴极电性相连，其特征在于该碳纳米管阵列的另一端面与绝缘层的靠近栅极的端面基本位于同一平面，在绝缘层与栅极之间还包括一绝缘介质膜。
其中，该绝缘介质膜的制备材料可为高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母，其的厚度为1微米～1000微米，优先为10微米～200微米。该绝缘层的制备材料可为高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母，其厚度为1微米～10毫米，优先为10微米～500微米。该场发射显示装置在绝缘介质膜与绝缘层之间进一步包括一保护层。该保护层的厚度为10纳米～1000纳米。
本发明的场发射显示器的绝缘介质膜可用来控制栅极与碳纳米管的间距，可以实现该距离的人为控制进而获得较低的栅极启动电压。本发明碳纳米管阵列是通过化学气相沉积法制得，且用作发射电子的发射端为碳纳米管靠近催化剂的一端，因此用于发射电子的碳纳米管可实现大面积高度一致均匀性，进而可实现各象素的场发射效果的一致性。而且发射端面不会含有催化剂颗粒或无定性碳等杂质，也不会含有杂乱分布的碳纳米管，使场发射性能更稳定、更均匀，从而延长场发射显示器的寿命。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步揭露。
【附图说明】
图1是制造本发明场发射显示器所用的具有多孔的工作板的主视图。
图2是在图1所示的工作板上沉积绝缘介质层的示意图。
图3是在图2所示之绝缘介质层上沉积保护层的示意图。
图4是在图3所示之保护层上沉积催化剂层的示意图。
图5是在图4所示之催化剂层上形成绝缘层的示意图。
图6是在图5所示之绝缘层之间隙中生长碳纳米管阵列的示意图。
图7是在图6所示之碳纳米管阵列的顶部沉积负反馈层的示意图。
图8是在图7所示之负反馈层上沉积阴极电极的示意图。
图9是对图8所示之阴极电极封装底板的示意图。
图10是去除图9中的工作板后在绝缘介质层上沉积栅极的示意图。
图11是对图10中的绝缘介质层进行刻蚀的示意图。
图12是对图11中碳纳米管的保护层进行刻蚀的示意图。
图13是封装显示屏后的场发射显示器的结构示意图。
【具体实施方式】
请先参阅图13，本发明的场发射显示器的结构示意图。其包括：阴极17，阳极20，位于阴极17与阳极20间的栅极19，用作场发射单元的碳纳米管阵列15和栅极19与阴极17间的绝缘层14，该碳纳米管阵列15一个端面与阴极17电性相连，该碳纳米管阵列15的另一个端面与绝缘层14靠近栅极的端面基本位于同一平面，在绝缘层14与栅极19之间还包括一绝缘介质膜11及保护层12。
下面通过图1至图12介绍本发明的场发射显示器的制造方法。
请参阅图1，首先，提供一个工作板10，该工作板10的表面可以带有细微凹槽101或气孔，以便成品脱附容易。先用石蜡102等易于去除的物质涂平，其平整度要求在1微米以下。工作板10应当可耐受碳纳米管生长时的高温，并可反复使用。
请参阅图2，再在工作板10上沉积一绝缘介质膜11。沉积方法可用镀膜、印刷或直接采用现成的薄板。此绝缘介质膜11在结构中用于控制碳纳米管阵列15与栅极19间的间距，和后续工艺中的印刷、生长用的基板。绝缘介质膜11的厚度范围为：1微米～1000微米，最佳厚度范围约为10微米～200微米，平整度要求在1微米以下。此绝缘介质膜11应当可配合光刻工艺加工，并且能够耐受700℃左右的碳纳米管生长温度，其材料可选择高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅或陶瓷、云母等。
请参阅图3，再在绝缘介质膜11上沉积一层保护层12。沉积时用光刻法制作出显示点阵。此保护层12的目的在于保护碳纳米管在后续工艺中可能采用的湿法刻蚀步骤中不被破坏，因此不是本发明的必要结构。保护层12可采用硅或其它材料，要求可耐受湿法刻蚀，但可用不损伤碳纳米管的干法刻蚀工艺去除。沉积方法可采用电子束蒸发或磁控溅射，其厚度在满足保护要求的情况下可以尽量薄，厚度范围为：10nm～1μm。
请参阅图4，再在保护层12上沉积催化剂层13。催化剂层13材料可为铁、钴、镍等过渡元素金属或其合金。催化剂层13的沉积厚度为：1～10nm，优选5nm。沉积方式采用电子束蒸发、热蒸发或者溅射法。
请参阅图5，再在保护层12上形成一绝缘层14。该绝缘层14的目的是绝缘阴极电极17与栅极电极19，同时形成空隙141以提供碳纳米管阵列15的生长空间。制作可采用镀膜、印刷或直接采用现成的薄板。此绝缘层14厚度范围：1微米～10毫米，根据碳纳米管阵列15生长长度而定，优选厚度范围10微米～500微米。若采用现成的薄板则要求单面平整度1微米以下(面向催化剂一面)。制作时应做出显示点阵。此绝缘层14的制成材料应当能够耐受700℃左右的碳纳米管生长温度，其材料可选择高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅或陶瓷、云母等。
请参阅图6，再在绝缘层14的间隙141中生长碳纳米管阵列15，其高度与绝缘层14大致相同即可，高度的不均匀性不会影响到场发射显示效果。
请参阅图7，根据驱动电路的需要，可选择沉积一层电阻负反馈层16。此层的材料可选用合适电阻率的硅、合金等材料，厚度根据需要的电阻大小决定，该电阻大小由电路设计和使用时的栅极电压决定，范围可能在1千欧姆至1百兆欧姆之间。沉积可采用电子束蒸发、热蒸发或溅射法，沉积的形状与阴极电极相同，沉积需要用到镂空的模板。
请参阅图8，在电阻负反馈层16上沉积阴极电极17。沉积的方法与沉积电阻负反馈层16相同，亦用到相同的沉积模板。阴极材料17可选用任何金属，只要其热膨胀系数能够与电阻负反馈层16和底板18匹配即可。
请参阅图9，对阴极进行封装底板18。底板18可选用玻璃、塑料、陶瓷等材料，制作方法可采用印刷、粘接、融合等。
请参阅图10，再脱离工作板10，翻转后在绝缘介质膜11上沉积栅极电极19。沉积可采用电子束蒸发、热蒸发或溅射法，沉积可用镂空的模板，或者用光刻工艺，沉积要求对准下方的碳纳米管阵列15。栅极19的电极材料要求与阴极电极17相同。
请参阅图11，用适当的工艺，如湿法刻蚀除去绝缘介质膜11在显示像素点位置的对应部分(未标示)。
请参阅图12，采用适当的工艺，如干法刻蚀去除保护层12在显示像素点位置的对应部分(未标示)。如有必要，可采用激光轰击去除催化剂层13。
请参阅图13，再与荧光屏封装，即成场发射显示器。其中荧光屏包括一阳极20，玻璃基板21与荧光层22。

Claims (11)

1.一种场发射显示装置包括阴极、阳极、位于阴极与阳极间的栅极，用作场发射单元的碳纳米管阵列和位于栅极与阴极间的绝缘层，该碳纳米管阵列一个端面与阴极电性相连，其特征在于该碳纳米管阵列的另一端面与绝缘层的靠近栅极的端面基本位于同一平面，在绝缘层与栅极之间还包括一绝缘介质膜。
2.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘介质膜的厚度为1微米～1000微米。
3.如权利要求2所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘介质膜的厚度为10微米～200微米。
4.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘介质膜的制备材料为高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母。
5.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘介质膜与绝缘层之间进一步包括一保护层。
6.如权利要求5所述的场发射显示装置，其特征在于该保护层的厚度为10纳米～1000纳米。
7.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘层的制备材料为高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母。
8.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘层的厚度为1微米～10毫米。
9.如权利要求8所述的场发射显示装置，其特征在于该绝缘层的厚度为10微米～500微米。
10.如权利要求1所述的场发射显示装置，其特征在于其进一步包括一电阻负反馈层，其用于连接碳纳米管阵列与阴极。
11.如权利要求10所述的场发射显示装置，其特征在于该电阻负反馈层的制备材料为硅或合金。
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