DE69522465T2

DE69522465T2 - Feldemissionsanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69522465T2
Application number: DE69522465T
Authority: DE
Inventors: I. Akinwande
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: WO1996013848A1; JPH10508147A; EP0789930A1; EP0789930B1; DE69522465D1; CA2201473A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft Displays und insbesondere Avionikdisplays. Die Erfindung betrifft insbesondere Flachbildschirme mit einer hohen Auflösung und Helligkeit bei geringem Stromverbrauch.
Ein Display, von dem der Oberbegriff von Anspruch 1 abweicht, ist aus EP-A-0681311 bekannt.
Kein verfügbares elektronisches Display erfüllt die obenerwähnten, für moderne Avionikdisplays benötigten Charakteristiken. Die Kathodenstrahlröhre (CRT) weist eine hohe Lichtausbeute, hervorragende Kontrastverhältnisse und ausgezeichnete Betrachtungswinkel auf. Zwei Mängel bei der CRT sind jedoch das Volumen der Elektronenkanone und der große Stromverbrauch durch die Ablenkverstärker. Über die Jahre hinweg sind jedoch viele Bemühungen in die Entwicklung einer flachen CRT gegangen. Bei zwei Ansätzen in der Entwicklung wurde zunächst die Elektronenkanone so herumgefaltet, daß sie parallel zu der Röhrenfläche lag, und außerdem wurde mit Hilfe einer flächenförmigen Kathode und eines Gittersystems für jedes Pixel ein Elektronenstrahl erzeugt. Der erste dieser Ansätze wurde in dem SONY WATCHMAN implementiert, und der zweite wurde in einem Vakuumfluoreszenzdisplay (VFD) von ISE verwendet. Dieses waren die einzigen kommerziellen Erfolge derartiger Ansätze.
Andere haben die Verwendung eines konusförmigen Feldemitterarrays (CFEA) als flächenförmige Kathode gezeigt. Sowohl das Bauelement mit VFD als auch mit CFEA verwenden jedoch keine Leuchtstoffe mit einer hohen Lichtausbeute, aus denen man durch Einsatz einer Hochspannungsanodenschaltung eine Kathodenlumineszenz erhalten könnte. Daß CFEA-Bauelement wegen Zuverlässigkeitsproblemen keine Hochspannungsanode verwenden, und zwar aufgrund der Feldausbildung der Emitterspitze und Emittererosion durch desorbierte Teilchen, von Oberflächen durch Elektronen.
Es wird ein Bauelement benötigt, das die Vorteile der Kathodenlumineszenz, wie etwa hohe Helligkeit, hohe Lichtausbeute und gute Winkelsichtbarkeit beibehält, das aber die Merkmale einer kompakten Dünnheit, zufälligen Adressierbarkeit und eines geringen Stromverbrauchs besitzt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt alle obenerwähnten, in einem Display erwünschten Merkmale bereit. Es handelt sich um ein Dünnfilmkanten-Feldemitterarray-Display (FEA-Display) nach Anspruch 1, das ein zweidimensionales Array von matrixadressierbaren Dünnfilmkanten-Feldemittern als Elektronenquellen für einen kathodenlumineszenten Schirm aufweist. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu bisherigen FEA-Displays bestehen darin, daß der Krümmungsradius des Emitters durch die Filmabscheidung bestimmt wird, was zu einer besseren Gleichförmigkeit und höheren Stromdichten führt, der Kondensator und der Vorwiderstand für den Vorstrom einfacher zu implementieren ist, der Herstellungsprozeß auf Prozessen der integrierten Schaltung (IS) und Mikrostrukturierung basiert, die zu einer preiswerteren Herstellung führen, das Emitterausbrennen dadurch eliminiert wird, daß eine auf dem Chip befindliche Fokussierelektrode verwendet wird, die zu einer höheren Zuverlässigkeit und Ausbeute führt, und sich durch den Einsatz der Hochspannungsleuchtstoffe eine höhere Lichtausbeute ergibt.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die hohe Helligkeit und der hohe Kontrast, da der Elektronenemissionsstrom mit ansteigender Spannung exponentiell zunimmt, was zu hoher Helligkeit, einem großen Dynamikbereich und einer hohen Vorwärtssteilheit bei der Verwendung von Dünnfilmkantenemittern und Hochspannungsleuchtstoffen führt. Außerdem liegt eine Herstellung mit hoher Ausbeute vor, da jedes Pixel aus mehr als 100 emittierenden Kanten besteht, was zu einem hohen Grad an Redundanz führt. Für eine Helligkeit von 1000 fL wird bei einer Schirmspannung von 15 Kilovolt und einer Lichtausbeute von 20 Lumen/Watt nur eine Stromdichte von < 5 uA/cm² benötigt. Stromausgleichswiderstandselemente verhindern, daß durch einen einzelnen Ausfall das Pixel oder die Zeile bzw. Reihe von Pixeln in den L-Zustand versetzt wird, was zu einem gegenüber Defekten toleranten Flachbildschirm-Herstellungsprozeß führt. Der Kantenemitter leidet nicht unter den abträglichen Effekten der Feldausbildung und der durch Teilchen induzierten Desorptionsemittererosion. Bei dem Bauelement können somit Hochspannungsleuchtstoffe ohne jegliche Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit zum Einsatz kommen. Dies gestattet die Verwendung von effizienteren Leuchtstoffen und folglich einen Betrieb mit geringerer Leistung bei der gleichen Helligkeit und gestattet eine hochauflösende Abstandsfokussierung. Hochspannungsleuchtstoffe weisen eine lange Lebenszeit auf, da sie weniger Strom erfordern, und Leuchtstoffe mit einer hohen Lichtausbeute führen zu einem niedrigen Stromverbrauch.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt einen grundlegenden kammzahnförmigen Kantenfeldemitter.
Fig. 2a und 2b stellen Emitterkanten dar.
Fig. 3 zeigt eine Perspektive eines Emitters.
Fig. 4 und 5 zeigen Ansichten einer anderen Art von Emitter.
Fig. 6 ist eine weggeschnittene Seitenansicht eines Emitters.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht von Fig. 6.
Fig. 8a-c zeigen drei Kammstrukturen eines Emitters.
Fig. 9 offenbart ein Arraylayout von Emittern.
Fig. 10 ist ein Querschnitt durch einen in einem Flachbildschirm verwendeten Dünnfilmkantenemitter.
Fig. 11 zeigt den Platz des Feldemitters in einem Display.
Fig. 12 ist ein Teil der Struktur eines Displays mit Feldemittern.
Fig. 13 ist eine Perspektivansicht einer Feldemittermikrostruktur.
Fig. 14 ist ein Flußdiagramm für die Herstellung eines Feldemitterarraydisplays.
Fig. 15 veranschaulicht eine laminierte Emitterstruktur.
Fig. 16 zeigt eine Dual-Steuerlektroden- Emitterstruktur für ein Display.
Fig. 17 zeigt eine Einzel-Steuerelektroden-Emitterstruktur für ein Display.
Fig. 18 offenbart einen planaren Dünnfilmkanten- Feldemitter für ein Display, wobei sich die Leuchtstoffschicht auf dem gleichen Substrat wie der Feldemitter befindet.

BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt den grundlegenden Kammzahnkanten- Feldemitter 20. Der Emitter 20 weist einen Anschlußleiter 1 auf, steht in elektrischer Verbindung mit einer äußeren Spannungsquelle und befindet sich durch ein Widerstandselement 5 und ein leitendes Element 6 am elektrischen Kontakt 2 in Kontakt mit einer Emitterstruktur 3. Der Anschlußleiter 1 kontaktiert vorzugsweise physisch nur das Widerstandselement 5.
Die Emitterkante 4 der Emitterstruktur 3 ist in mehrere kammartige Elemente e&sub1; ... en segmentiert. Die Segmentierung der Emitterkante dient dazu, Ausbrennprobleme zu isolieren. Durch ein Lokalisieren der Kantenlänge wird ein Ausbreiten des Ausbrennens verhindert und das Problem auf sein ursprüngliches Kammelement begrenzt.
Ein Widerstandsfilm 5, in der Regel, aber nicht ausschließlich, aus Tantalnitrid oder einem Polysilizium, wird durch Dünnfilmkonstruktionstechniken derart ausgebildet, daß er sich in Kontakt mit der Emitterstruktur 3 befindet, so daß der angelegte Widerstand in Reihe mit der Emitterkante 4 liegt. Durch den Widerstandsfilm werden übermäßige Gleichstrom-Emissionsströme von scharfen Spitzen oder unkontrollierbare Entladungen von einer Streukapazität zu der Emitterkante begrenzt.
Ein leitender Film 6 und ein Isolator 11, bei denen es sich um ein Oxid oder Nitrid handeln kann, wird ebenfalls durch Dünnfilmtechniken erhalten, die über den Widerstandsfilm 5 derart gelegt sind, daß die Elemente parallel zueinander sind. Der Widerstandsfilm 5, der Isolator 11 und der leitende Film 6 dienen zusammen als ein Kondensator, der eine Hochfrequenzüberbrückung für Wechselstrom durch den Anschlußleiter 1 bereitstellt. Der Kondensator ermöglicht eine Verstärkung hochfrequenter Signale, als ob die Strombegrenzungsbelastungslinie auf einen sehr kleinen Widerstand zurückzuführen wäre, wodurch der Verstärkungsfaktor des Verstärkers stark erhöht wird. Dem ist so, da der Gleichstrom hinsichtlich seiner Fähigkeit, den Emitter zu beschädigen, durch den Widerstand eingeschränkt ist; und weil der Überbrückungskondensator einen anderen Weg für das hochfrequente Signal zum Passieren des Emitters bereitstellt.
Fig. 2a und 2b veranschaulichen zwei Emitterkanten 61 beziehungsweise 62, wobei Pfeile den Elektronenfluß an der Kante von jedem zeigen. Der Typ mit Grad-Kante 62 wird gegenwärtig bevorzugt, da die Ecken der Kante 61 mit Wahrscheinlichkeit eine Konzentration der Elektronenemission bewirken und den Ausfall beginnen.
Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht des in Fig. 1 dargestellten Emitters. Die bei Gegenstand 7 gezeigte Struktur dient als Stützschicht. In dieser Ansicht ist auch eine isolierende Substratschicht 12 und die obere und untere Steuerelektrode 8 und 9 zu sehen. Eine Steuerelektrode wirkt wie ein seitliches Gate, das den Stromfluß zwischen der Anode 10 und der elektronenemittierenden Kathode 4 steuert.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Draufsicht beziehungsweise Perspektivansicht einer zweiten Art von Emitter. In dieser Konfiguration ist die ganze Emitterstruktur in kammartige Elemente 4 segmentiert. Jedes kammartige Element e&sub1; ... en weist ein einzelnes Widerstandselement 5 auf, durch das es mit einem Leiterkontakt 2 verbunden wird.
Durch die Anordnung der zweiten Konfiguration kann ein größerer Gesamtstrom gezogen werden, ohne die einzelnen Kammelemente auszubrennen. Die in Fig. 1 und 3 gezeigte erste Konfiguration ermöglicht es, daß ein geringerer Gesamtstrom gezogen wird als die zweite Konfiguration (unter der Annahme, daß die beiden die gleiche Größe haben würden), weist aber wegen der größeren Fläche des Widerstandsfilms eine effektivere kapazitive Ankopplung auf.
Fig. 6 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht, die eine der beiden Konfigurationen des Emitters darstellen könnte. In Fig. 6 wird auch ein dielektrisches Material 11 zwischen dem leitenden Element 6 und dem Widerstandselement 5 sowie ein Isoliersubstrat 12 gezeigt, auf dem der Emitter konstruiert ist.
Fig. 7 ist eine ausführliche Seitenansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 6. Von oben aus befindet sich dort eine Stützschicht 15 (vorzugsweise Nitrid, obwohl andere wohlbekannte Stützschichten mit ähnlichen elektrischen Charakteristiken verwendet werden könnten). Eine obere Steuerelektrode 8 (vorzugsweise TiW, etwa 250 nm (2500 Ångström), obwohl andere Metalle oder leitfähige Materialien verwendet werden könnten), eine obere geopferte Schicht 16 (vorzugsweise SiO&sub2;; etwa 300 nm (3000 Ångström), obwohl andere stützende Materialien mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften substituiert werden könnten); der Emitter, der durch zwei Stützschichten umgeben ist, d.h., die Stützschichten sind Nitrid 11a und 11b mit einer Dicke von etwa 200 nm (2000 Ångström) und der Emitter e, eine 30 nm (300 Ångström) starke Schicht aus TiW, obwohl Ersatzmaterialien wie in den ähnlichen obigen Schichten verwendet werden könnten). Darunter befindet sich eine andere "niedrigere" Opferschicht 17, hinsichtlich Aufbau und Dicke ähnlich der oberen Opferschicht 16 und unterer Elektrode 9, etwa 100 nm (1000 Ångström) TiW. Die ganze Struktur wird von einer anderen Stützschicht 11 (etwa 100 nm (1000 Ångström)) gestützt und auf den SiO&sub2;-Wafer 12 gelegt (auch hier könnten Substitute wie etwa kristallines Silizium beispielsweise substituiert werden. Die passendsten Ersatzmaterialien ergeben sich ohne weiteres für einen Durchschnittsfachmann.).
Fig. 8a, 8b und 8c veranschaulichen drei Alternativen für die Kammstruktur 4 kombiniert mit Widerstandselementen 2. Fig. 8d ist eine seitliche Querschnittsansicht von Element e der in Fig. 8b gezeigten Konfiguration.
Fig. 9 zeigt ein Stück 40 eines Arrays mit Emittern 41, 42, 43 und 44 und Widerstandselementen 2a, 2b und 2c. Steuerelektrodendrähte 50, 52 und 54 (Metallisierungs- oder andere stromführende Strukturen) und Leitungen 63 und 65 sind an Verbindungspunkten 51 beziehungsweise 53 verbunden, um den Emitter 41 einzuschalten.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das weitere Einzelheiten eines Dünnfilmkantenemitters 70 offenbart, der in einem FEA-Flachbildschirm verwendet wird. Auf einem Substrat 71 befindet sich eine Nitridschicht 72 von etwa 250 nm (2500 Ångström). Auf der Schicht 72 ist eine Gateelektrode 73 aus TiW ausgebildet, die etwa 100 nm (1000 Ångström) dick ist. Auf der Schicht 72 ist eine 350 nm (2500 Ångström) starke Schicht 74 aus Oxid ausgebildet. Auf der Oxidschicht 74 findet sich eine 150 nm (1500 Ängström) starke Schicht 75 aus Nitrid, mit der 20 bis 30 nm (200 bis 300 Ångström) von TiW als Emitterkantenschicht 76 gestützt wird. Auf der Emitterkantenschicht 76 befindet sich eine 150 nm (1500 Ångström) starke Nitridschicht 77. Die Nitridschichten 75 und 77 stützen die Emitterschicht 76 strukturell. Auf der Schicht 77 ist eine 350 nm (3500 Ångström) starke Schicht 79 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Auf einem Teil der Oxidschicht 79 ist eine Gateelektrode 80 aus TiW von etwa 250 nm (2500 Ångström) ausgebildet. Auf der Gateelektrode 80 und der Oxidschicht 79 ist eine 250 nm (2500 Ångström) starke Schicht 81 ausgebildet.
Die Kanten der Gateelektroden 73 und 80 und Nitridschichten 72, 75, 77 und 81 sind etwa mit der emittierenden Kante der Emitterkantenschicht 76 ausgerichtet. In die Schichten 77, 79 und 81 ist ein Kontaktloch zur Ausbildung der Emittersteuerung über Ohmsches Metall 78 geätzt, bei dem es sich effektiv um einen Widerstand handelt, der mit der Emitterkante 76 in Reihe geschaltet ist. Das Metall 78 ist TaN. Die Oxidschichten 74 und 79 sind von der emittierenden Kante der Emitterkantenschicht 76 um etwa 0,5 Mikrometer zurückgeätzt. Ebenfalls auf dem Substrat 71 ist eine Nitridschicht 82 von etwa 250 nm (2500 Ångström) ausgebildet, die von dem Emitterkantenwafer 70 beabstandet ist. Auf der Schicht 82 ist eine Anode 83 mit einer 0,5 Mikrometer starken Schicht aus TiW ausgebildet. Bei dem Metall der Gegenstände 73, 76, 80 und 83 kann es sich um ein anderes als TiW handeln, muß aber eine ähnliche Arbeitsfunktion haben, um elektrochemische Reaktionen zu verhindern, zu denen es zwischen derartigen Gegenständen kommen könnte, die aus verschiedenen Metallen zusammengesetzt sind. Die Anode 83 fungiert als eine Fokussierelektrode für die von der Emitterkante 76 emittierten Elektroden. Die Anode 83 läßt sich hinsichtlich der Entfernung auf etwa 1,5 bis 4 Mikrometer von der Kante 76 einstellen, um eine optimale Fokussierung zu bewirken.
Die Emitter 70 können als ein Kammzahnemitter mit mehreren Zähnen als in Fig. 3 beziehungsweise 5 gezeigte Baugruppen 20 und 21 ausgebildet werden. Die Anzahl der Zähne des Emitters ist unkritisch, doch kann für ein Display eine bevorzugte Anzahl vier sein, wie sie der Feldemitter 84 von Fig. 11 hat. Jeder Emitterzahn weist eine Breite 85 auf, die etwa 4 Mikrometer breit ist. Der Emitter 84 weist eine Abmessung 87 von etwa 30 Mikrometern auf, und ist einer der Emitter, der ein Pixel 88 mit einer Abmessung 89 von 100 bis 300 Mikrometern auf jeder Seite bildet. Ein zweidimensionales Array von Pixeln 88 bilden ein matrixförmiges adressierbares Pixelarray 90 mit einer durch die Auflösung und Pixelgröße bestimmten Abmessung 91. Die Anzahlen der Emitter 84 in einem Pixel 88 und des Pixels 88 im Array 90 sind eine Sache der Wahl bei der Auslegung.
Fig. 12 zeigt einen Teil der Struktur des Displays 100, wobei sich auf dem Substrat 71 Feldemitter 84 befinden. Ein Spaltenadressenleitungsstreifen 92 und ein Zeilenadressenleitungsstreifen 93 wählen das jeweilige Pixel 88 aus, das eingeschaltet werden soll, um Elektronen zu emittieren, die sich zu einem außerhalb der Ebene befindlichen Schirm 97 bewegen. Der Streifen 92 ist an das Gate des Feldemitters 84 angeschlossen, und der Streifen 93 ist an den Widerstand/Emitter des Feldemitters 84 angeschlossen. Der Schirm 94 besteht aus einer Glasplatte oder einem Substrat 95. Eine Leuchtstoffschicht 96 ist auf einer Glasplatte oder einem Substrat 95 ausgebildet, und eine Zinn-Aluminium- (Al-)Schicht 97, die für Elektronenstrahlen 98 transparent ist, aber elektrische Signale leitet, ist auf der Leuchtstoffschicht 96 ausgebildet. Die Schicht 97 ist an einen positiven Anschluß einer Spannungsquelle angeschlossen, deren anderer negativer Anschluß an die jeweiligen Emitter 84 angeschlossen ist. Elektronenemissionen 98 treffen auf die Leuchtstoffschicht 96, während sie durch die Anode 97 gehen. Während auf die Leuchtstoffschicht 96 emittierte Elektronen 98 auftreffen, emittiert die Schicht 96 Photonen in dem Bereich, auf den Emissionen oder Elektronen 98 auftreffen, was zu einer sichtbaren Anzeige von Licht für einen Beobachter resultiert. Bei der Schicht 96 kann es sich aber auch um einen Indium-Zinnoxid-Film (ITO-Film) handeln, der elektrische Signale leitet, aber für Licht transparent ist, und der auf der Glasplatte oder dem Substrat 95 ausgebildet ist, und eine Schicht 97 kann Leuchtstoff sein, der auf der Schicht 96 ausgebildet ist, die an einen positiven Anschluß einer Spannungsquelle angeschlossen ist, deren anderer negativer Anschluß an die jeweiligen Emitter 84 angeschlossen ist. Der Film beziehungsweise die Schicht 96 ist die Anode zum Sammeln von Elektronenemissionen 98 von Emittern 84. Die Elektronenemissionen 98 treffen auf die Leuchtstoffschicht 97 auf, während sie zu der Anode 96 gehen. Während auf die Leuchstoffschicht 97 emittierte Elektronen 98 auftreffen, emittiert die Schicht 97 Photonen in den Bereich, auf den Emissionen oder Elektronen 98 auftreffen, was zu einer sichtbaren Anzeige von Licht für einen Beobachter führt. Die Glasplatte ist zur Verbesserung der Betrachtung mit einem Antireflexionsfilm 111 beschichtet. Der Schirm 94 wird parallel zu dem Substrat 91 von einem dielektrischen Abstandshalter 99 in einer Entfernung von zwischen 200 und 10 000 Mikrometern zwischen Schirm 94 und Substrat 71 gestützt.
In Fig. 13 befindet sich eine Konfiguration einer Vakuum-Mikroelektronik-Feldemitter-Mikrostruktur 101. Ein Dünnfilmkantenemitter 102 ist zwischen die Steuerelektroden 103 und 104 geschichtet. Elektronen werden von dem Emitter 102 seitlich emittiert und werden an einer Anode 105, die sich von dem Emitter 102 einige wenige Mikrometer entfernt befindet, gesammelt. Die Struktur 101 wird mit einem Prozeß hergestellt, der Silizium-IS-Strukturierungstechniken (IS = integrierte Schaltung) mit Oberflächenmikrostrukturierung verbindet, wie als ein vereinfachter Prozeß in Fig. 14 umrissen ist.
Die Feldemitterstruktur 84 des Displays 100 in Fig. 12 ähnelt der Struktur 101 in Fig. 13. Die Anode 105 der Struktur 101 wäre jedoch eine Fokussierelektrode. Die Emitterkante 102 der Struktur 101 ist in Kammelemente 106 aufgeteilt, und jedes Emitterkammelement oder jeder Emitterkammfinger 106 ist einzeln an eine Stromausgleichswiderstandsschicht beziehungsweise ein Element 107 angeschlossen. Das Widerstandselement 107 verhindert eine Elektromigration beziehungsweise ein Ausbrennen der emittierenden Kante 102 durch Begrenzen des Gleichstroms in jedem Finger 106. Die Dünnfilmkantenemitterstrukturen 102 mit Kammwiderständen 107 als Finger 106 gestattet eine individuelle Vorspannung für jeden Emitter, wodurch verhindert wird, daß einige wenige Kurzschlüsse die Leitungsspannung in den L-Zustand versetzen. Ein seitlicher Vorwiderstand 107 ist für geringfügige Herstellungsprozeßvariationen nicht empfindlich. Der Dünnfilmkantenemitter 102 weist eine geringe Eigenkapazität auf. Der Vorwiderstand 107 aus Fingern kann durch einen Überbrückungskondensator 108 bei den entsprechenden Frequenzen überbrückt werden, um schnelle Antwortzeiten des Emitters 101 zu ermöglichen.
Die Finger 106 der Emitterkante 102 müssen dünn sein (d.h. < 20 nm (< 200 Ångström)), um die starken elektrischen Felder für eine Niederspannungsemission zu erzielen. Die ideale Emitterstruktur ist ein verjüngter seitlicher Emitter mit einer sehr dünnen emittierenden Kante, die in einer Dünnfilmkantenemitterform schwer zu erzielen ist. Fig. 15 zeigt als Kompromiß eine laminierte Emitterstruktur 109, die die Vorteile der Scharfheit der Dünnfilmkante mit der Stromführungsfähigkeit eines dicken Films kombiniert. Indem ein Emitter mit einer geringen Arbeitsfunktion verwendet wird, der aus LaB6, CeB6, C5-implantiertem W1 oder Cs- implantiertem TiW besteht, wird die Gatebetriebsspannung recht gering gehalten.
Mehrere auf dem Dünnfilmkantenemitter basierende Feldemitterstrukturen eignen sich für Displays. Eine ist eine Dual-Steuerelektroden-Struktur 110 in Fig. 16, die einem zur HF-Verstärkung verwendeten Vakuumtransistor ähnelt. Der Emitter 112 ist symmetrisch zwischen einer oberen Steuerelektrode 113 über dem Emitter 112 und einer unteren Steuerelektrode 114 auf dem Substrat 118 unter dem Emitter 112 angeordnet. Die Elektroden 113 und 114 sind Gates, die die Intensität der Elektronenemissionen 116 steuern. Die Elektroden 113 und 114 sind jeweils um 0,5 Mikrometer vom Emitter 112 beabstandet. Die Anode eines Vakuumtransistors wird als eine Fokussierelektrode 115 verwendet, ist auf dem Substrat 118 angeordnet und zwischen einem Minus 20 und Minus 50 Volt, in der Regel bei einem Minus 35 Volt, beziehungsweise des Emitters 112 vorgespannt. Die Elektrode 115 ist etwa 4 Mikrometer von dem Emitter 112 beabstandet. Der Emitter 112 ist auf Null Volt gesetzt, und die Steuerelektroden 113 und 114 sind auf etwa ein Plus 100 Volt gesetzt. Die negative Vorspannung an der Elektrode 115 wendet Elektronen 116 von einer seitlichen Richtung in eine vertikale Richtung zu dem Schirm 117. Der Schirm 117 weist eine Glasplatte 119 mit einer auf ihr ausgebildeten ITO-Schicht 120 auf. Die ITO-Schicht 120 ist als eine Anode oder ein Sammler für Elektroden 116 angeschlossen. Auf der ITO-Schicht 120 ist eine Schicht aus Leuchtstoff 121 ausgebildet. Die Leuchtstoffschicht 121 befindet sich ungefähr 2500 Mikrometer von dem parallelen Substrat 118 entfernt. Der Sammler 120 ist bei einem positiven 20 000 Volt vorgespannt (d.h. bei einem Feld von 8 Volt pro Mikrometer). Die Elektronenenergieverbreiterung der Emission 116 beträgt etwa 0,1 Elektronenvolt (ev), und der Emissionswinkel beträgt ±45 Grad.
Eine andere Display-Feldemitterstruktur ist die Einzel- Steuerelektroden-Konfiguration 122, die in Fig. 17 gezeigt ist. Die Konfiguration 122 weist die gleichen Gegenstände, physikalischen Abmessungen, Spannungsanforderungen und Betriebscharakteristiken wie die Konfiguration 110 von Fig. 16 auf. Der einzige Unterschied besteht darin, daß in der Konfiguration 122 keine untere Elektrode oder kein unteres Gate 114 existiert. Die Position und Höhe der Fokuselektrode 115 wirkt sich auf die Kollimation der Elektronen 116 aus. Die beste Position für die Elektrode 115 ist für die Konfiguration 110 unter dem Emitter 112 und befindet sich auf der gleichen Höhe wie das obere Steuergate 113 für die Konfiguration 122. Die Elektronen scheinen in Konfiguration 122 besser kollimiert zu werden. Beide Konfigurationen 110 und 122 sind wenig anfällig für Erosion des Emitters 112 durch energetische Teilchen, die durch Bombardierung des Phosphorschirms 121 durch Elektronen 116 desorbiert werden.
Die Leistungsspezifikationen eines kleinen FEA-Displays sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

Volle Farbe 8 Bit/Farbe

Auflösung 160 dpi
Helligkeit 300 fL
Kontrastverhältnis > 100 : 1
Dimmbarkeit 2000 : 1
Bildrate 60 Hz
Pixelgröße 200 um · 150 um
Anoden-Emitter-Abstand 1000-2500 um
Gate-Emitter-Abstand 0,5 um
Anoden-Emitter-Spannung 20.000 V
Gate-Emitter-Spannung 100 V
Luminanz (Helligkeit) 7000 cd/m&supmin;
Filterdurchlässigkeit 0,1
Eigenkontrast 300 : 1
Antwortzeit < 5 ms
Betrachtungswinkel ±90º
Bei diesem Beispiel gibt es mit dem Kontrastverbesserungsfilter eine Helligkeit (Luminanz) von 700 cd/m² (etwa 210 fL). Falls die Durchlässigkeit des Kontrastverbesserungsfilters T 0,1 beträgt, dann entspricht dies einer Helligkeit (Luminanz) L von 7000 cd/m² an der emittierenden Quelle. Für eine Lambertsche Oberfläche, die eine richtungsmäßig gleichförmige Luminanz erzeugt, ist die spezifische Lichtausstrahlung M gegeben durch
M = πL
Der Gesamtlichtstrom Ev durch jedes Pixel beläuft sich somit auf
Fv = MdA
= MA
= πLA
wobei A die Fläche ist. Bei einer Pixelgröße von 200 um · 150 um ist A = 3 · 10&sup4; um² = 3 · 10&supmin;&sup6; m² und
Fv = 6,60 · 10&supmin;&sup8; Lumen
Die spektrale Strahlungsleistung k(l) bei der Wellenlänge 1 ist gegeben durch
k(l) = Fvl/Fel
wobei Fvl der spektrale Leuchtenergiefluß und Fel der spektrale Strahlungsenergiefluß ist
und wobei Fe der Gesamtstrahlungsfluß ist. Die Gesamtstrahlungsleistung ist gegeben durch K
Bei K = 25 lm/W ist der Strahlungsfluß
Fe = 0,026 mW
Bei einem Display, das mit einer Anodenspannung Va = 20.000 Volt betrieben wird, ist der Anodenstrom pro Pixel gegeben durch
Ia = Fe/Va
= 1,32 nA/Pixel
Die Leuchtstoffschicht 121 wirkt wie die Anode und kann auf dem Glas abgeschieden sein. Darauf kann eine dünne Schicht 120 aus Al folgen, die eine leitende Schicht ist und ebenfalls wie ein Reflektor wirkt. Bei Betrieb bewegen sich die emittierten Elektronen zu der Anode 121 und bewirken eine Leuchtemission, wenn sie auf den Leuchtstoffschirm 121 auftreffen. Hochspannungsleuchtstoffe sind viel besser als Niederspannungsleuchtstoffe, da die Helligkeit proportional zu der Beschleunigungsspannung und zu der Stromdichte ist und die Lebenszeit des Leuchtstoffs umgekehrt proportional zu der abgeschiedenen Ladungsdichte ist. In der folgenden Tabelle werden die Charakteristiken von Nieder- und Hochspannungs-Kathodenlumineszenzleuchtstoffen verglichen.
Helligkeit α Bescheunigkaeitsspannung
Helligkeit α Stromdichte
Lebensdauer α 1/abgeschiedene Ladung
In Fig. 12 ist der Leuchtstoffschirm Teil eines einzelnen Kantenemitterarrays 84. Das Array 100 kann je nach der Art des Leuchtstoffs 97, den der Schirm 94 aufweist, eine von mehreren Farben emittieren. In der obigen Tabelle finden sich Beispiele von Materialien, die verwendet werden, um rotes, grünes und blaues Licht emittierende Leuchtstoffe zu erzielen. Das Pixel 88 eines Arrays von Feldemittern 84 kann zusammen mit einem Leuchtstoffschirm 94 wie dem von Fig. 12 so ausgelegt werden, daß es rotes, grünes oder blaues Licht emittiert, mit dem entsprechenden Leuchtstoff sogar Licht einer anderen Farbe. Somit können rote, grüne und blaue Pixel in einem matrixförmigen adressierbaren Pixelarray 90 angeordnet werden, um ein Vollfarbe-Feldemitterdisplay zu erzielen. Das Pixellay- out beispielsweise kann derart sein, daß an jedes Pixel einer gegebenen Farbe Pixel der anderen Farben angrenzen. Beispiele für Farbpixelformate, für drei- und vierfarbige Matrixarrays, sind im Stand der Technik dargelegt, wie etwa einem US-Patent Nr. 4,800,375 von Louis Silverstein et al., das am 24. Januar 1989 erteilt wurde und den Titel "Four Color Repetitive Sequence Matrix Array for Flat Panel Displays" aufweist.
Falls die erforderliche Luminanz (Helligkeit) des Flachbildschirms mit einem Kontrastverbesserungsfilter L beträgt, dann ist die spezifische Lichtausstrahlung M für eine Lambertsche (diffuse) Oberfläche gegeben durch
M = πL.
Falls die Filterdurchlässigkeit T ist, dann ist die eigentliche spezifische Lichtausstrahlung Mo gegeben durch
und der Lichtstrom φv ist gegeben durch
Für ein Avionikdisplay von 12,7 cm · 12,7 cm beträgt die Fläche A = 161,3 cm² = 1,613 · 10&supmin;² m². Falls die spezifische Lichtausstrahlung L = 200 fL a 700 cd/m² und die Filterdurchlässigkeit T @ 0,3 liegt, dann ist Mo @ 7300 cd/m² und der Lichtstrom φv ist gegeben durch
φv = MOA @ 120 lm.
Bei einem Leuchtstoff mit einer Strahlungsleistung von K und einer Anodenspannung Va beträgt die erforderliche Stromdichte
J = Φv/KAVa.
Die Lebensdauer t des Leuchtstoffs wird durch die abgeschiedene Gesamtladungsdichte QL bestimmt:
QL = Jt, und
In der Regel ist QL = 10&sup6; Coulomb/m²
t = 2,688 · 10² kVas.
Bei Niederspannungsleuchtstoffen ist K = 2 lm/W und Va = 200 V, somit ist
t = 15 h (2 Tage bei 8 h/Tag).
Bei Hochspannungsleuchtstoffen ist K = 25 lm/W und
Va = 20.000 V, somit ist
t = 37.500 h (≥10 Jahre bei 8 h/Tag).
Bei Überlegungen hinsichtlich der Lebenszeit sind Hochspannungsleuchtstoffe besser als Niederspannungsleuchtstoffe. Ein Problem, das angesprochen werden muß, ist der Durchschlag von dielektrischen Abstandshaltern aufgrund der hohen Anodenspannungen. Der dieelektrische Durchschlag sollte jedoch kein Problem darstellen, da das elektrische Feld der dielektrischen Abstandshalter 99 (in Fig. 12) bei 20.000 Volt unter 10&sup5; V/cm liegt.
Eine dritte Display-Feldemitterstruktur ist eine auf einem Chip angeordnete Leuchtstoffschirmkonfiguration 124 in Fig. 18. Die Konfiguration 124 ist eine Ableitung der Konfiguration 110. Ein zwischen 1,0 bis 2,5 Mikrometer tiefer Graben 125 ist (durch Mikrostrukturierung) in dem Bereich der früheren Fokussierelektrode 115 in das Substrat 118 geätzt. Eine Anode 123 ist in dem Graben 125 abgeschieden. Nach der Abscheidung der Anode 123 wird eine Leuchtstoffschicht 127 durch Elektronenstrahlverdampfung und Abheben definiert. Die Elektronen 126 bewegen sich vom Emitter 112 zu dem Leuchtstoffschirm 127 und der Anode 123, um Photonen zur Betrachtung zu emittieren. Seitlich befindet sich die Anode 123 zwischen 2 und 10 Mikrometern von der nächsten Kante des Emitters 112 entfernt. Die Spannung der Anode 123 ist relativ zu dem Emitter 112, der sich bei einer Nullspannung befindet, größer oder gleich als positive 500 Volt. Das obere Steuergate 113 und das untere Steuergate 114 liegen bei 100 Volt und sind relativ zu dem Emitter 112 wie in Konfiguration 110 von Fig. 16 ähnlich angeordnet.

Claims

1. Display mit einem Array (20) aus Feldemittern mit einer Dünnfilmkante, umfassend:

ein Substrat (12);

mehrere Feldemitter (41-44), die auf dem Substrat in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jeder Emitter folgendes aufweist: einen ersten und zweiten Anschluß;

mehrere Zeilenadreßleiter (50-54), die an die ersten Anschlüsse der mehreren Emitter angeschlossen sind;

mehrere Spaltenadreßleiter (63, 65), die an die zweiten Anschlüsse der mehreren Emitter angeschlossen sind; und

einen Leuchtstoffschirm (96) in einer Entfernung von dem Substrat (12); und

wobei:

die Anregung jedes Emitters durch das Anlegen eines Signals an einen Zeilenadreßleiter und einen Spaltenadreßleiter, die an den Emitter angeschlossen sind, bewirkt wird; und

die Anregung jedes Emitters zu der Emission von Elektronen zu dem Leuchtstoffschirm führt, was die Emission von Photonen von dem Leuchtstoffschirm hervorruft;

eine Kathode (4), die an den ersten Anschluß angeschlossen ist;

eine Anode (10), die an den zweiten Anschluß angeschlossen ist; und

eine erste Steuerelektrode (8); und

wobei:

der Leuchtstoffschirm (96) an der Anode des Emitters angeordnet ist; und

der Feldemitter weiterhin eine kammförmige Emitterstruktur (3, 4) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Widerstandselement (5) eingefügt ist und zwischen der Kathode und dem ersten Anschluß zum Begrenzen des Stroms zu der Kathode in Reihe geschaltet ist; und

ein kapazitives Element (5, 6, 11) parallel zu dem Widerstandselement geschaltet ist.

2. Display nach Anspruch 1, bei dem jeder Emitter weiterhin eine zweite Steuerelektrode (9) umfaßt.

3. Display nach Anspruch 2, bei dem der Leuchtstoffschirm (96) folgendes umfaßt:

eine Glasplatte (95);

eine auf der Glasplatte ausgebildete Schicht aus Leuchtstoff (96); und

einen auf der Schicht aus Leuchtstoffilm ausgebildeten Metallfilm (97).

4. Display nach Anspruch 2, bei dem der Leuchtstoffschirm (96) folgendes umfaßt:

eine Glasplatte (95);

einen auf der Glasplatte ausgebildeten Metallfilm (97); und

eine auf dem Metallfilm ausgebildete Schicht aus Leuchtstoff (96).

5. Display nach Anspruch 3, weiterhin mit mindestens einem dielektrischen Abstandshalter (99) zum Stützen des Leuchtstoffschirms (96) relativ zu dem Substrat (71).

6. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit folgendem:

mehreren Pixeln (88), wobei jedes Pixel mindestens einen Feldemitter (84) umfaßt, wobei jedes Pixel einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist;

mehreren Zeilenadreßleitern (93), die an die ersten Anschlüsse der mehreren Pixel angeschlossen sind; und

mehreren Spaltenadreßleitern (92), die an die zweiten Anschlüsse der mehreren Pixel angeschlossen sind.

7. Display nach Anspruch 6, bei dem die mehreren Pixel folgendes umfassen:

eine erste Gruppe von Pixeln mit der Fähigkeit, Licht einer ersten Farbe zu emittieren;

eine zweite Gruppe von Pixeln mit der Fähigkeit, Licht einer zweiten Farbe zu emittieren; und

eine dritte Gruppe von Pixeln mit der Fähigkeit, Licht einer dritten Farbe zu emittieren.

8. Display nach Anspruch 7, bei dem die mehreren Pixel auf dem Display derart angeordnet sind, daß jedes Pixel einer Gruppe von Pixeln sich in der Nähe von Pixeln der anderen beiden Gruppen von Pixeln befindet.

9. Display nach Anspruch 8, bei dem:

der Leuchtstoffschirm jedes Pixels der ersten Gruppe von Pixeln eine erste Art von Leuchtstoff aufweist, um zu bewirken, daß emittiertes Licht die erste Farbe aufweist;

der Leuchtstoffschirm jedes Pixels der zweiten Gruppe von Pixeln eine zweite Art von Leuchtstoff aufweist, um zu bewirken, daß emittiertes Licht die zweite Farbe aufweist; und

der Leuchtstoffschirm jedes Pixels der dritten Gruppe von Pixeln eine dritte Art von Leuchtstoff aufweist, um zu bewirken, daß emittiertes Licht die dritte Farbe aufweist.