CN1909149A - 具有聚焦电极的电子发射装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有聚焦电极的电子发射装置及其制造方法。该电子发射装置包括：阴极电极，通过将导电材料沉积在基底上形成；第一绝缘层，通过将绝缘材料涂覆在阴极电极上形成，从而形成预定数量的孔以使部分阴极电极暴露；栅极电极，通过将金属材料沉积在第一绝缘层上形成；第二绝缘层，在栅极电极的区域形成，所述区域与形成在绝缘材料的第一绝缘层中的预定数量的孔的轮廓对应；聚焦电极，形成在第二绝缘层上，由金属材料形成，并被分到不同尺寸的预定区域中；电子发射单元，形成在预定数量的孔中，孔使部分阴极电极暴露。因此，聚焦电极根据电子发射单元形成的位置被分到预定数量的区域中，从而可以提高发射出的电子的射束聚焦和射束直径。

Description

具有聚焦电极的电子发射装置及其制造方法

本申请要求于2005年7月29日提交到韩国知识产权局的第10-2005-0069813号韩国专利申请的利益，该申请的内容通过引用结合于此以资参考。

                        技术领域

本发明涉及一种具有聚焦电极的电子发射装置及其制造方法，更具体地讲，涉及这样一种具有聚焦电极的电子发射装置以及一种制造该电子发射装置的方法，在该电子发射装置中，聚焦电极根据形成电子发射单元的位置被分到预定数量的区域中，从而可以提高发射的电子的射束聚焦和射束直径。

                        背景技术

通常，电子发射显示器包括在每个像素中的电子发射单元。根据电子发射装置，电子从由阴极电极和栅极电极之间的电压驱动的阴极电极中发射，发射出的电子由阳极电极加速并且与荧光体碰撞来发射光。通常，电子发射装置被分为将热阴极用作电子源的电子发射装置以及将冷阴极用作电子源的电子发射装置。使用冷阴极的电子发射装置包括场发射阵列(FEA)型电子发射装置、表面传导发射(SCE)型电子发射装置、金属绝缘层金属(MIM)型电子发射装置、金属绝缘层半导体(MIS)型电子发射装置以及弹道电子表面发射(BSE)型电子发射装置。

FEA型电子发射装置使用具有低功函数或者高β函数的材料作为电子发射源，从而由于电位能的差，电子在真空条件下被发射。已经开发了其中由尖头的尖端结构的碳材料或者纳米材料制成的电子发射源的装置。

在SCE型电子发射装置中，在基底上彼此面对布置的两个电极之间设置有传导薄膜，在传导薄膜中设置有微小裂纹以形成电子发射单元。在SCE型电子发射装置中，电压被施加到电极上并且由电压引起的电流流向传导薄膜的表面。电子从用作电子发射单元的微小间隙中发射。

在MIM型和MIS型电子发射装置中，形成有具有MIM和MIS结构的电子发射单元。当电压施加到***有介电层的两个金属层之间或者金属层和半导体层之间时，电子运动并且被加速，从具有高电势的金属层或者半导体层向具有低电势的金属层驱动电子发射。

在BSE型电子发射装置中，由金属或者半导体制成的电子供给层形成在欧姆电极上，绝缘层和金属薄膜形成在电子供给层上。如果半导体的尺寸小于在半导体中电子的平均自由程，则在欧姆电极和金属薄膜之间施加电压时，电子不分散而是沿着恒定方向行进。

                        发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种提高发射出的电子的射束聚焦和射束直径的电子发射装置以及一种制造该电子发射装置的方法。该电子发射装置具有聚焦电极，该聚焦电极根据电子发射单元形成的位置被分到预定数量的区域中。

为了实现本发明的上述和其它目的，根据本发明的第一方面，提供了一种具有聚焦电极的电子发射装置，该装置包括：阴极电极，通过将导电材料沉积在基底上形成；第一绝缘层，通过将绝缘材料涂覆在阴极电极上形成，并且成预定数量的第一孔形成在第一绝缘层上以使部分阴极电极暴露；栅极电极，通过将金属材料沉积在第一绝缘层上形成；第二绝缘层，在栅极电极上形成，并且多个第二孔对应于形成在第一绝缘层中的第一孔的位置形成在第二绝缘层中；聚焦电极，形成在第二绝缘层上并由金属材料形成，并被分到预定区域中；电子发射单元，形成在预定数量的第一孔中，所述第一孔使部分阴极电极暴露。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造具有聚焦电极的电子发射装置的方法，该方法包括步骤：在基底上顺序地形成阴极电极、第一绝缘层、栅极电极，然后在第一绝缘层和栅极电极上形成多个第一孔以使阴极电极的部分区域暴露。该方法还包括步骤：在栅极电极上顺序地形成第二绝缘层和聚焦电极；在与第一孔对应的位置在第二绝缘层和聚集电极中形成多个第二孔；以将聚焦电极划分到预定区域；在通过其暴露阴极电极的多个第一孔中形成电子发射单元。

                        附图说明

通过下面参照附图进行的描述，本发明的更完整的评价以及其伴随的优点随着对本发明更好的理解而将会变得更加明显，其中相同的附图标号表示相同或者相似的部件，其中：

图1示意性地示出电子发射装置的孔对缝(hole-to-slit)的结构；

图2示意性地示出电子发射装置的孔对孔(hole-to-hole)的结构；

图3是示意性地示出被构成为本发明第一实施例的具有聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图；

图4是沿着图3的线I-I′剖开的剖视图；

图5A至图5C是示出作为本发明实施例的制造电子发射装置的工艺的剖视图；

图6是示意性地示出作为本发明第二实施例的具有聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图；

图7是示意性地示出作为本发明第三实施例的具有聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图。

                        具体实施方式

以下，将参照附图来描述根据本发明的电子发射装置的优选实施例。

图1示意性地示出电子发射装置的孔对缝的结构。如图1所示，电子发射装置10包括：阴极电极12，通过将导电材料沉积在基底11上形成；第一绝缘层13，通过以使部分阴极电极12暴露的方式将绝缘材料涂覆在阴极电极12上形成；栅极电极14，通过在第一绝缘层13上沉积金属材料形成；第二绝缘层15，在栅极电极14的预定区域上由绝缘材料制成；聚焦电极16，在第二绝缘层15上由金属材料制成；电子发射单元17，形成在阴极电极12部分暴露的区域18上。

在形成栅极电极14后，基底11涂覆形成第二绝缘层15的绝缘材料。执行光刻工艺从而使第二绝缘层15形成图案，并且第二绝缘层15仅在子像素区域的边缘留下。电子发射单元17形成在子像素区域中。换言之，一个子像素区域中形成多个电子发射单元17，第二绝缘层15形成在有电子发射单元形成在其中的子像素区域的边缘。由金属材料制成的聚焦电极16形成在第二绝缘层15上。聚焦电极16不是对应于电子发射单元17的每一个形成，而是在一个子像素中形成，从而当从顶部观看时具有孔对缝形状的结构。

图2示意性地示出电子发射装置孔对孔的结构。如图2所示，电子发射装置20具有：阴极电极22，通过将导电材料沉积在基底21上形成；第一绝缘层23，通过将绝缘材料涂覆在阴极电极22上以使部分阴极电极22被暴露来形成；栅极电极24，通过将金属材料沉积在第一绝缘层23上形成；第二绝缘层25，形成在栅极电极24上并且由绝缘材料制成；聚焦电极26，形成在第二绝缘层25上并且由金属材料制成；电子发射单元27，形成在阴极电极22的部分暴露的区域28上。第二绝缘层25和聚焦电极26对应于每个电子发射单元27形成以具有孔对孔的结构。

孔对缝的结构和孔对孔的结构都具有它们各自的缺点。图1的电子发射装置发射大量的电子，但是从电子发射单元发射出的电子的垂直和水平的射束直径很大。在图2的电子发射装置中，因为绝缘层的厚度不是足够厚，所以应该将负电压施加到聚焦电极以屏蔽阳极电场，所述阳极电场导致发射出的电子的数量快速下降。

因此，需要提供一种能够容易地控制射束聚焦和射束直径以及保持发射出的电子数量的电子发射装置。以下将详细描述的本发明的电子发射装置还将提供射束聚焦的改善特性以及发射出的电子的稳定的和可控制的射束直径。

图3是示意性地示出作为本发明第一实施例的具有聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图。图4是沿着图3的I-I′线剖开的剖视图。如图3和图4所示，在本发明中构造的具有聚焦电极的电子发射装置30包括：阴极电极32，通过将导电材料沉积在基底31上形成；第一绝缘层33，通过将绝缘材料涂覆在阴极电极32上从而形成预定数量的孔以使部分阴极电极32被暴露来形成；栅极电极34，通过将金属材料沉积在第一绝缘层33上形成；第二绝缘层35，形成在栅极电极34的区域中，所述区域与形成在第一绝缘层33中预定数量的孔的轮廓对应；聚焦电极36，形成在第二绝缘层35上，由金属材料制成的；电子发射单元37，形成在暴露部分阴极电极32的预定数量的孔中。

基底31可以是玻璃基底或者硅基底，并且当电子发射单元37由碳纳米管(CNT)浆料制成并以通过基底31的底表面曝光的光刻工艺形成时，基底31最好是玻璃基底。

阴极电极32可以按照焊垫的形状形成在基底31上，并且彼此隔开预定距离。从数据驱动器或者扫描驱动器中提供的数据信号或者扫描信号被施加到阴极电极32上。阴极电极32可由导电材料制成，或者当阴极电极32需要像基底31一样是透明的时，阴极电极32可以由例如氧化铟锡(ITO)的透明导电材料制成。如果阴极电极32按照焊垫的形状形成，则第一绝缘层33形成在阴极电极焊垫的顶部或者没有阴极电极焊垫形成的基底的顶部。第一绝缘层33提供阴极电极32和栅极电极34之间的电绝缘。第一绝缘层33可以由绝缘材料，例如氧化铅(PbO)或者二氧化硅(SiO₂)的混合玻璃制成。

栅极电极34按照的预定的形状，例如与阴极电极32交叉的条纹形成在第一绝缘层33上。从数据驱动器或者扫描驱动器施加的数据信号或者扫描信号被提供到栅极电极34。栅极电极34可由从具有良好传导性的金属，例如银(Ag)、钼(Mo)、铝(Al)、铬(Gr)或者这些金属的合金中选择的至少一种导电金属材料制成。

第二绝缘层35形成在栅极电极34上，以使栅极电极34和聚焦电极36电绝缘。这里，第二绝缘层35的绝缘材料可以与第一绝缘层33的材料相同。

聚焦电极36形成在第二绝缘层35上，并且由与栅极电极34的金属材料相同的金属材料制成。当通过施加不小于0伏的电压来获得大量的发射电子时，电子的垂直射束直径可被控制，这会使从电子发射单元37发射出的电子被容易地聚焦。

如图3和图4所示，本发明的电子发射装置30具有由聚焦电极36的结构限定的预定数量的区域。每个区域可具有不同数量的电子发射单元37，并且可具有孔对缝的结构或者孔对孔的结构。图3和图4显示了三个不同区域40、41和42的例子。中间区域(区域41)和两个边缘区域(区域40和42)彼此隔开预定距离。在这个实施例中，区域41具有三个电子发射单元，区域40和42的每一个具有一个电子发射单元。因此，电子发射单元数量的比例是1(区域40)∶不小于3(区域41)∶1(区域42)。然而，包含在区域中的孔的数量和比例可以根据电子发射装置的结构改变，并且不限于在这个例子中所描述的数量。

因此，从形成在区域41中的电子发射单元发射出的电子的垂直射束对从形成在区域40和42中的电子发射单元发射出的电子的垂直射束不产生影响。电子发射单元37电连接到暴露的阴极电极32上，并且电子发射单元37最好由碳纳米管、石墨纳米管、金刚石纳米管以及类金刚石碳纳米管、通过将石墨、金刚石和类金刚石碳彼此结合得到的纳米管形成，或者由硅(Si)或者碳化硅(SiC)制成的纳米线形成。

图5A至图5C是示出制造作为本发明实施例的电子发射装置的工艺的视图。首先，将描述制造本发明的电子发射装置的方法。电子发射装置可以通过厚膜工艺或者薄膜工艺中的任何一种制造。在厚膜工艺中，绝缘材料通过丝网印刷方法以膏状涂覆，形成厚度较厚的绝缘层。在薄膜工艺中，绝缘膜例如氧化硅膜通过化学气相淀积(CVD)装置被沉积，从而形成厚度较薄的绝缘层。在厚膜工艺中，可以容易地制造大尺寸的显示器，提高了批量并降低制造成本。然而，很难制造精密的和高度集成的电子发射装置。另一方面，薄膜工艺具有容易制造精密和高度集成的电子发射装置的优点，但是具有低批量的生产率和高的制造成本。

如图5A所示，阴极电极32、第一绝缘层33以及栅极电极34形成在基底31上。这里，为了适于从基底31的底表面曝光的曝光工艺，透明玻璃基底被选用作基底31，这个将稍后描述。与透明基底的描述原因相同，导电透明材料氧化铟锡(ITO)被用作阴极电极32。

在将ITO在基底31上沉积预定厚度，例如800至2000之后，沉积的ITO按照预定形状，例如条纹形成图案。可以按照公知的光刻工艺执行阴极电极32，例如ITO的图案化，该光刻工艺包括光致抗蚀剂涂覆、曝光、显影和蚀刻步骤。

第一绝缘层33在阴极电极32和基底31的整个表面上形成预定厚度。当第一绝缘层33通过厚膜工艺形成时，膏状的绝缘材料通过丝网印刷方法首先涂覆成预定厚度，然后绝缘材料在大于大约550℃的温度下退火，从而形成大约10μm到12μm厚度的第一绝缘层33。退火温度可以根据绝缘材料改变。另一方面，当第一绝缘层33通过薄膜工艺形成时，绝缘膜，例如氧化硅膜通过CVD方法沉积到约1.0μm到1.5μm厚度，从而形成第一绝缘层33、

然后，栅极电极34形成在第一绝缘层33上。通过用溅射法沉积导电金属，例如银(Ag)、钼(Mo)、铝(Al)、铬(Gr)或者这些金属的合金中的至少一种导电金属形成约2500至3000厚度的栅极电极34。

为了制成多个孔38，将光致抗蚀剂涂覆到栅极电极34上。在使光致抗蚀剂层形成图案后，部分栅极电极34和第一绝缘层33被蚀刻。栅极电极34和第一绝缘层33可以以孔对孔的形式被干蚀刻或者湿蚀刻直到阴极电极32被暴露，从而完成多个孔38。

形成在阴极电极暴露部分上的多个孔被分到预定区域。在图4、图5A至图5C中所示的例子，多个孔被隔开到三个区域40、41和42中。在这个例子中，孔数量的比例是1(区域40)∶不少于3(区域41)∶1(区域42)。然而，在区域中包含的孔的数量和比例能够根据电子发射装置的结构变化。此时，在三个分开的区域中，中间区域和两个边缘区域彼此分开预定距离。

如图5B所示，第二绝缘层35和聚焦电极36顺序地形成在形成有第一绝缘层33和栅极电极34的预定区域中。第二绝缘层35的形成方法与第一绝缘层33的形成方法相同。当第二绝缘层35通过厚膜工艺形成时，第二绝缘层35形成为大约30μm到40μm的厚度。当第二绝缘层35通过薄膜工艺形成时，第二绝缘层35形成为大约1.0μm到1.5μm的厚度。

聚焦电极36形成在第二绝缘层35上。导电材料，例如银(Ag)、钼(Mo)、铝(Al)、铬(Gr)或者这些金属的合金通过溅射方法在第二绝缘层35上沉积大约2500至3000的厚度，从而形成聚焦电极36。这里，聚焦电极36将电子发射单元发射的电子聚焦。

聚焦电极36和第二绝缘层35被图案化以形成孔38。在聚焦电极36的顶部涂覆光致抗蚀剂后，光致抗蚀剂被图案化从而部分聚焦电极36和第二绝缘层35被蚀刻形成孔38。聚焦电极36和第二绝缘层35可以以孔对缝的结构方式被干蚀刻或者湿蚀刻，直到阴极电极32暴露于整个孔38。然后，多个电子发射单元37形成在一个子像素区域中。聚焦电极36没有对应于每个电子发射单元37形成，而是在三个分开的区域中的边缘区域中都形成以具有孔对缝的结构。因此，聚焦电极36控制从电子发射单元37中发射出的电子的射束直径。

接下来，如图5C所示，电子发射单元37形成在多个孔38中。首先，在对通过如上所述的先前工艺构造的结构的整个表面涂覆光致抗蚀剂后，光致抗蚀剂被图案化，从而部分阴极电极32通过孔38的底表面被暴露。感光碳纳米管(CNT)浆料通过丝网印刷方法被涂覆到结构的整个表面上。紫外(UV)线从基底31的底表面发射，从而CNT浆料被选择性地曝光。此时，仅由光致抗蚀剂暴露的部分CNT浆料被曝光。曝光的CNT浆料被焙烧以形成电子发射单元。

这里，当控制曝光的量时，可以控制CNT浆料曝光的深度。然后，当光致抗蚀剂利用显影剂例如丙酮被去除时，没有曝光的CNT浆料在光致抗蚀剂被去除的同时也被去除，仅有暴露的CNT浆料被留下，从而形成电子发射单元37。然后，当在预定温度，例如在大约460℃的温度时执行退火工艺时，电子发射单元37被收缩同时被退火以具有期望的高度。此时，退火温度可以根据CNT浆料的成分和种类改变。当第一绝缘层和第二绝缘层通过厚膜工艺形成时，电子发射单元37的高度大约是2μm到4μm，当第一绝缘层和第二绝缘层通过薄膜工艺形成时，电子发射单元37的高度大约是0.5μm到1.0μm。

将聚焦电极形成为具有双结构(double structure)，从而完成具有本发明的聚焦电极并且能够控制电子聚焦以及垂直和水平射束直径的电子发射装置。

图6是示意性地示出具有作为本发明第二实施例的聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图。如图6所示，在具有根据本发明的聚焦电极的电子发射装置的聚焦电极61的三个分开的区域62、63和64中，电子发射单元65可以按照2(区域62)∶不少于3(区域63)∶2(区域64)的比例形成。这里，将省略对本发明第二实施例的详细描述。

因此，从形成在聚焦电极61的区域63中的电子发射单元65中发射出的电子的垂直射束直径对从区域62和64两个的电子发射单元65中发射出来的射束没有产生影响。

图7是示意性地示出具有作为本发明第三实施例的聚焦电极的电子发射装置的结构的平面图。如图7所示，在具有根据本发明的原理的聚焦电极的电子发射装置的聚焦电极71的三个分开的区域72、73和74中，电子发射单元75可以按照1(区域72)∶不少于3(区域73)∶2(区域74)的比例形成。这里，将省略对本发明第三实施例的详细描述。

虽然已经显示和描述了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物的范围限定的本发明的原理和精神的情况下，可以对实施例进行各种改变。

Claims (16)

1、一种电子发射装置，包括：

基底；

多个阴极电极，形成在基底上并且由导电材料制成；

第一绝缘层，形成在所述阴极电极上并且由绝缘材料制成，所述第一绝缘层具有多个第一孔以使部分所述阴极电极暴露；

多个栅极电极，形成在所述第一绝缘层上并且由金属材料制成；

第二绝缘层，形成在所述栅极电极上并且由绝缘材料制成，第二绝缘层具有多个第二孔，所述多个第二孔的每一个布置成覆盖预定数量的所述第一孔，所述多个第二孔的至少一个覆盖与其余的第二孔覆盖的第一孔数量不同的第一孔；

聚焦电极，形成在所述第二绝缘层上并且由金属材料制成，聚焦电极具有多个第三孔，所述多个第二孔的每一个与所述多个第三孔的一个对齐；

多个电子发射单元，形成在所述第一孔内部的所述阴极电极上。

2、如权利要求1所述的电子发射装置，其中，第三孔的每一个覆盖一定数量的第一孔，所述一定数量从由第一数量、第二数量和第三数量组成的组中选出。

3、如权利要求2所述的电子发射装置，其中，所述第二数量大于所述第一数量并且大于所述第三数量，覆盖所述第二数量的第一孔的第三孔置于覆盖所述第一数量的第一孔的第三孔和覆盖所述第三数量的第一孔的第三孔之间。

4、如权利要求2所述的电子发射装置，其中，覆盖第一数量的第一孔的第三孔、覆盖第二数量的第一孔的第三孔和覆盖第三数量的第一孔的第三孔隔开预定距离。

5、如权利要求1所述的电子发射装置，其中，所述多个第二孔的至少一个具有与其余第二孔不同的形状。

6、如权利要求3所述的电子发射装置，其中，覆盖第二数量的第一孔的第三孔具有狭缝形状。

7、一种电子发射装置，包括：

基底；

多个阴极电极，形成在所述基底上并且由导电材料制成；

第一绝缘层，形成在所述阴极电极上并且由绝缘材料制成，所述第一绝缘层具有多个第一孔用于使部分所述阴极电极暴露；

多个栅极电极，形成在所述第一绝缘层上并且由金属材料制成；

第二绝缘层，形成在所述栅极电极上并且由绝缘材料制成，所述第二绝缘层具有多个第二孔，所述多个第二孔的每一个布置成覆盖预定数量的所述第一孔，所述多个第二孔的至少一个的形状与其余的第二孔的形状不同；

聚焦电极，形成在所述第二绝缘层上并且由金属材料制成，所述聚焦电极具有多个第三孔，所述多个第二孔的每一个与所述多个第三孔的一个对齐；

多个电子发射单元，形成在所述第一孔内部的所述阴极电极上。

8、如权利要求7所述的电子发射装置，其中，所述第二孔的至少一个覆盖与其余的第二孔覆盖的第一孔数量不同的第一孔。

9、如权利要求7所述的电子发射装置，其中，第三孔的每一个覆盖一定数量的第一孔，所述一定数量从由第一数量、第二数量和第三数量组成的组中选出。

10、如权利要求9所述的电子发射装置，其中，所述第二数量大于所述第一数量并且大于所述第三数量，覆盖所述第二数量的第一孔的第三孔置于覆盖所述第一数量的第一孔的第三孔和覆盖所述第三数量的第一孔的第三孔之间。

11、如权利要求10所述的电子发射装置，其中，覆盖第二数量的第一孔的第三孔具有狭缝形状。

12、一种制造电子发射装置的方法，包括步骤：

通过在所述基底上沉积导电材料形成多个阴极电极；

通过在所述阴极电极上涂覆绝缘材料形成第一绝缘层；

通过在所述第一绝缘层上沉积导电材料形成多个栅极电极；

在所述第一绝缘层和所述栅极电极上形成多个第一孔以使部分所述阴极电极暴露；

通过在多个所述栅极电极上涂覆绝缘材料形成第二绝缘层；

通过在所述第二绝缘层上沉积金属材料形成聚焦电极；

在所述第二绝缘层和所述聚焦电极上形成多个第二孔，所述多个第二孔的每一个布置成覆盖预定数量的第一孔，所述第二孔的至少一个覆盖与其余第二孔覆盖的第一孔数量不同的第一孔；

在所述第一孔内部的阴极电极上形成多个电子发射单元。

13、如权利要求12所述的方法，其中，第二孔的每一个覆盖一定数量的第一孔，所述一定数量从由第一数量、第二数量和第三数量组成的组中选出。

14、如权利要求13所述的方法，其中，所述第二数量大于所述第一数量并且大于所述第三数量，覆盖所述第二数量的第一孔的第二孔置于覆盖所述第一数量的第一孔的第二孔和覆盖所述第三数量的第一孔的第二孔之间。

15、如权利要求13所述的方法，其中，覆盖所述第一数量的第一孔的第二孔，覆盖所述第二数量的第一孔的第二孔和覆盖第三数量的第一孔的第二孔隔开预定距离。

16、如权利要求12所述的方法，其中，所述多个第二孔的至少一个具有与其余的第二孔不同的形状。

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