DE69828578T2

DE69828578T2 - Elektronenemitter

Info

Publication number: DE69828578T2
Application number: DE69828578T
Authority: DE
Inventors: Babu Chalamala; P. Sung PACK; A. Charles ROWELL
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: CN1237270A; WO1999005692A1; JP2001501358A; KR20000068641A; EP0928494A1; US6091190A; TW374193B; KR100561325B1; EP0928494B1; DE69828578D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Feldemissionsvorrichtungen und im Besonderen auf Beschichtungen, die den Oberflächen der Elektronenemitterstrukturen von Feldemissionsvorrichtungen zugeführt werden.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist bekannt, dass emissionsverstärkende Beschichtungen auf den Oberflächen von Elektronenemitterstrukturen von Feldemissionsvorrichtungen gebildet werden. Diese Beschichtungen nach dem Stand der Technik werden eingesetzt, um die Emissionsstromkennlinien der Feldemissionsvorrichtung zu verbessern. Typischerweise sind die Elektronenemitterstrukturen Spindt-Spitzen-Strukturen, die aus Molybdän gemacht sind, und ist die emissionsverstärkende Beschichtung ein Metall, das wegen seiner niedrigen Austrittsarbeit ausgewählt wird, die geringer ist als die des Molybdäns. Die Oberflächenaustrittsarbeit von Molybdän ist ungefähr 4,6 eV. Verfahren zum Bilden von Elektronenemitterstrukturen, wie zum Beispiel Spindt-Spitzen, aus Molybdän sind dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt.
Zum Beispiel wird eine elektronenemittierende Elektrode, ein Verfahren zum Herstellen derselben und eine lichtemittierende Vorrichtung, die über dieselbe verfügt, in der WO97/05639 offenbart, worin ein elektronenemittierender Film auf einem isolierenden Seltene-Erden-Metalloxid gebildet wird. Eine Feldemissionsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen derselben wird in der EP 0 434 330 offenbart. Eine Elektronenstrahlquelle und ihr Herstellungsverfahren und eine Elektronenstrahlquellenvorrichtung und eine Elektronenstrahlvorrichtung, die dieselbe verwendet, wird in der EP 0 718 863 offenbart. Eine Dünnschichtfeldemissionselektronenquelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben wird in der US 4008412 offenbart.
Emissionsverstärkende Beschichtungen werden bekanntermaßen aus einem reinen Metall gemacht, das aus den folgenden ausgewählt wird: Natrium, Calcium, Barium, Cäsium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Platin, Silber und Gold. Außerdem sind emissionsverstärkende Beschichtungen bekannt, die aus den Karbiden von Hafnium und Zirkonium gemacht sind. Von diesen Beschichtungen nach dem Stand der Technik weiß man, dass sie die Emissionsstromkennlinien von Feldemissionselektronenemittern verbessern.
Diese Beschichtungen nach dem Stand der Technik leiden jedoch unter mehreren Nachteilen. Zum Beispiel sind viele der Beschichtungen nach dem Stand der Technik, wie zum Bei spiel jene, die aus den Alkali- und Erdalkali-Metallen gemacht sind, hinsichtlich bestimmter Gasarten, wie zum Beispiel sauerstoffhaltigen Gasen, die in der Feldemissionsvorrichtung vorkommen, extrem reaktiv. Viele der Beschichtungen nach dem Stand der Technik sind für eine Oxidation während des Betriebs der Vorrichtung anfällig, was zu Emissionsinstabilitäten führt. Die Alkali- und Erdalkalimetalle verfügen außerdem über hohe Oberflächendiffusionskoeffizienten. Nach ihrer Aufbringung verbleiben diese Metalle somit nicht stationär auf der Oberfläche der Elektronenemitterstruktur. Diese Merkmale einer hohen Reaktivität und Oberflächenmobilität führen zu Emissionsstrominstabilitäten, einer kurzen Lebensdauer der Vorrichtung und stringenten Vakuumerfordernissen.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist außerdem bekannt, dass Elektronenemitter mit Filmen beschichtet werden, die aus diamantähnlichem Kohlenstoff gemacht sind. Dieses Beschichten nach dem Stand der Technik wird außerdem zu dem Zweck eingesetzt, die Austrittsarbeit der Oberfläche des Elektronenemitters zu verringern.
Wenn die Elektronenemitterstrukturen aus Metall gemacht sind und darauf keine emissionsverstärkende Beschichtung gebildet ist, reagieren die Oberflächen der Elektronenemitterstrukturen mit sauerstoffhaltigen Gasarten, die in der Vorrichtung enthalten sind, wodurch die Oberflächen der Elektronenemitterstrukturen in ein Oxid des Metalls umgesetzt werden. Typischerweise sind Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in Mengen vorhanden, die ausreichen, um eine nennenswerte Oxidation der Molybdänemitteroberflächen während des Betriebs der Vorrichtung zu verursachen. Die sich ändernden Merkmale der Oberflächen der Elektronenemitterstrukturen führen zu Emissionsstrominstabilitäten. Weiterhin hat Molybdänoxid, das Oxid des Metalls, aus dem Elektronenemitterstrukturen typischerweise gemacht sind, eine Austrittsarbeit, die größer als die von reinem Molybdän ist, was zu Elektronenemissionsmerkmalen führt, die gegenüber jenen der reinen Molybdänoberfläche minderwertig sind.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf an einer verbesserten Feldemissionsvorrichtung, die über Elektronenemitter verfügt, die während des Betriebs der Vorrichtung oxidationsbeständig sind und die über eine Oberflächenaustrittsarbeit verfügen, die geringer als jene oder gleich jenen des Metalls ist, aus dem die Elektronenemitterstrukturen gemacht sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 und 3 sind Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung; und
5 und 6 sind Querschnittsansichten einer vierten Ausführungsform einer Feldemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung.
Es ist klar, dass aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung die in den Abbildungen gezeigten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet worden sind. Zum Beispiel sind die Dimensionen einiger der Elemente relativ zu einander übertrieben dargestellt. weiterhin wurden da, wo es für geeignet gehalten wurde, Bezugszeichen in unterschiedlichen Abbildungen wiederholt verwendet, um sich entsprechende Elemente anzuzeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemissionsvorrichtung, die über Elektronenemitterstrukturen verfügt, die mit einer Passivierungsschicht beschichtet sind. Die Passivierungsschicht ist chemisch und thermodynamisch stabiler als Beschichtungen nach dem Stand der Technik. Zum Beispiel ist die Passivierungsschicht während des Betriebs der Feldemissionsvorrichtung oxidationsbeständig. Die Passivierungsschicht ist aus einem leitenden Metalloxid gemacht. Das Oxid verfügt über eine Austrittsarbeit, die geringer als die Austrittsarbeit der Elektronenemitterstruktur ist. Die Passivierungsschicht ist vorzugsweise aus einem Oxid gemacht, das aus einer Gruppe von Oxiden ausgewählt wird, die In, Ir, Ru, Pd, Sn, Re und Kombinationen davon umfasst. Beispielhafte Oxide zur Verwendung in der Passivierungs schicht eines Elektronenemitters der Erfindung sind: In₂O₃, IrO₂, RuO₂, PdO, SnO₂, ReO₃, In₂O₃:SnO₂, SrRuO₃.
Eine Feldemissionsvorrichtung der Erfindung stellt eine stabilere Elektronenemission, eine längere Lebensdauer der Vorrichtung, eine niedrigere Betriebsspannung für einen spezifizierten Emissionsstrom, verringerte Kurzschlussprobleme zwischen individuellen Gateelektroden und zwischen Gateelektroden und Kathodenelektroden und weniger stringente Vakuumerfordernisse als Feldemissionsvorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Verfügung.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Feldemissionsvorrichtung (FED) 100, die gemäß der Erfindung konfiguriert ist. Die FED 100 umfasst ein Substrat 110, das aus einem harten Material, wie zum Beispiel Glas, Quarz oder dergleichen, gemacht ist. Eine Kathode 112 ist auf dem Substrat 110 angeordnet und ist aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Molybdän, Aluminium oder dergleichen, gemacht. Die Kathode 112 wird durch Verwenden eines konventionellen Aufbringungsverfahrens, wie zum Beispiel Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung oder dergleichen, gebildet. Eine dielektrische Schicht 114 wird auf der Kathode 112 durch Verwenden von Standardaufbringungstechniken, wie zum Beispiel eine plasmaverstärkte chemische Bedampfung, gebildet. Die dielektrische Schicht 114 ist aus einem dielektrischen Material, wie zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder dergleichen, gemacht. Eine Mehrzahl von Emittertöpfen 115 wird in der dielektrischen Schicht 114 durch ein konventionelles Ätzverfahren gebildet. Eine Elektronenemitterstruktur 118 ist in jedem der Emittertöpfe 115 gebildet. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Elektronenemitterstruktur 118 eine konische Form und kann eine Spindt-Spitze umfassen, die aus Molybdän gemacht ist. Verfahren zum Herstellen der Elektronenemitterstruktur 118 sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt. Die FED 100 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Gateelektroden 116, die aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel aus Molybdän, Aluminium oder dergleichen, gemacht sind. Die Gateelektroden 116 sind bemustert, um eine selektive Adressierbarkeit der Elektronenemitterstrukturen 118 zur Verfügung zu stellen. Die FED 100 umfasst außerdem eine Anode 122, die mit einem Abstand zu den Elektronenemitterstrukturen 118 angeordnet und konstruiert ist, um Elektronen zu empfangen, die daraus emittiert werden. Gemäß der Erfindung verfügt die FED 100 über eine Passivierungsschicht 120, die auf den Elektronenemitterstrukturen 118, den Gateelektroden 116 und der dielektrischen Schicht 114 angeordnet ist. Ein Elektronenemitter 121 wird durch die Elektronenemitterstruktur 118 und dem Teil der Passivierungsschicht 120, die darauf gebildet ist, definiert.
Die Passivierungsschicht 120 ist aus einem Material gemacht, das in der Vakuumumgebung der FED 100 chemisch und thermodynamisch stabil ist. Die chemische und thermodynamische Stabilität der Passivierungsschicht 120 stellt eine stabile Elektronenemission von dem Elektronenemitter 121 zur Verfügung. Im Besonderen ist die Passivierungsschicht 120 chemisch und thermodynamisch stabiler als die Elektronenemitterstruktur 118. Zum Beispiel ist die Passivierungsschicht 120 während des Betriebs der FED 100 oxidationsbeständig. Im Besonderen hat die Passivierungsschicht 120 eine größere Oxidationsbeständigkeit als das Material, das die Elektronenemitterstrukturen 118 umfasst. Die Passivierungsschicht 120 ist aus einem Material gemacht, das über eine Austrittsarbeit verfügt, die geringer als die Austrittsarbeit des Materials ist, aus dem die Elektronenemitterstrukturen 118 gemacht sind.
Die Passivierungsschicht 120, die aus einem leitenden Oxid gemacht ist, kann sehr dünn gemacht werden (eine Monoschicht bis ungefähr 100 Nanometer), so dass der Schichtwiderstand hoch genug ist, um elektrische Kurzschlussprobleme zwischen den Gateelektroden 116 abzumildern.
Wie oben beschrieben, ist eine Passivierungsschicht gemäß der Erfindung aus einem leitenden Metalloxid gemacht. Sie ist aus einem Oxid gemacht, das über eine Austrittsarbeit verfügt, die geringer als die des Materials ist, aus dem die Elektronenemitterstruktur 118 gemacht ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronenemitterstruktur 118 aus Molybdän gemacht, das eine Austrittsarbeit von ungefähr 4,6 eV hat.
Die Passivierungsschicht 120 kann dadurch realisiert werden, dass eine pauschale, senkrechte (90° bezüglich der Ebene der Kathodenplatte) Aufbringung des Oxids aus der Gasphase durchgeführt wird. Dieses Verfahren ist für Oxide nützlich, die durch ein Verwenden von Standardbedampfungsverfahren aufgebracht werden können, wie zum Beispiel Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern, plasmaverstärktes chemisches Bedampfungsverfahren und dergleichen.
Die Passivierungsschicht 120 kann außerdem durch Verwenden eines flüssigen Trägers aufgebracht werden, wie ausführlicher mit Bezug auf 4–6 beschrieben wird. In diesem besonderen Verfahren wird das Oxid in den flüssigen Träger dispergiert, um eine flüssige Mischung zu bilden. Die flüssige Mischung wird auf die Oberfläche der Kathoden platte aufgebracht, wodurch die Elektronenemitterstrukturen 118 und die Oberflächengateelektroden 116 und das Dielektrikum 114 beschichtet werden. Der flüssige Träger wird dann selektiv entfernt. In einer Variation dieses Verfahrens kann eine metallorganische Vorstufe, die das metallische Element des Oxids enthält, eingesetzt werden. Die metallorganische Vorstufe wird in den flüssigen Träger dispensiert und während eines Plasmaveraschungsschrittes, der verwendet wird, um den flüssigen Träger selektiv zu entfernen, zu dem Oxid umgesetzt. Bei der Herstellung gemäß der Ausführungsform von 1 ist keine Opferschicht erforderlich, die mit Bezug auf 4–6 beschrieben wird.
Die Dicke der Passivierungsschicht gemäß der Erfindung ist vorbestimmt, um eine Elektronenemission von einer ausgewählten Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Im Allgemeinen können dünnere Filme eingesetzt werden, um eine Elektronenemission von einer Oberfläche 123 der Elektronenemitterstruktur 118 zu verbessern. Zum Beispiel kann ein dünner Film eine Monoschicht eines Materials umfassen. Dickere Filme können eingesetzt werden, um eine Elektronenemission von der Passivierungsschicht zur Verfügung zu stellen. Solche dicken Filme definieren die Oberfläche des Elektronenemitters und von dieser Oberfläche werden Elektronen emittiert. In der Ausführungsform von 1 hat die Passivierungsschicht 120 eine Dicke, die vorzugsweise zwischen 50–500 Angström liegt, so dass durch die Passivierungsschicht 120 eine Oberfläche 125 des Elektronenemitters 121 definiert wird.
Die FED 100 wird dadurch betrieben, dass der Kathode 112, den Gateelektroden 116 und der Anode 122 vorbestimmte Potentiale zugeführt werden, die geeignet sind, eine Elekt ronenemission, die durch einen Pfeil 124 in 1 angezeigt wird, von den Elektronenemittern 121 zu bewirken. Ein Elektronenemitter gemäß der Erfindung ist außerdem zur Verwendung in Feldemissionsvorrichtungen vorgesehen, die über andere Elektrodenkonfigurationen als eine Triodenkonfiguration verfügen. Zum Beispiel kann der Elektronenemitter der Erfindung in einer Diodenfeldemissionsvorrichtung oder in Vorrichtungen, die über zusätzliche Fokussierungselektroden verfügen, eingesetzt werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Feldemissionsvorrichtung gemäß der Erfindung ist die Passivierungsschicht auf den Elektronenemitterstrukturen 118 angeordnet; nichts von der Passivierungsschicht ist zwischen den Gateelektroden 116 angeordnet. Diese besondere Konfiguration wird in 2 und 3 dargestellt. Sie ist im Besonderen nützlich für Oxide, die über spezifische Widerstände verfügen, die niedriger als jene der Oxide sind, die für eine Verwendung in der Ausführungsform von 1 vorgesehen sind. Durch ein selektives Aufbringen der Passierungsschicht auf die Elektronenemitterstruktur 118 wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Gateelektroden 116 vermieden.
2 und 3 sind Querschnittsansichten einer Feldemissionsvorrichtung (FED) 200 gemäß der Erfindung. Die FED 200, wie in 3 dargestellt, umfasst eine Passivierungsschicht 220, die nur auf den Oberflächen 123 der Elektronenemitterstrukturen 118 angeordnet ist. Die Konfiguration von 3 ist im Besonderen für dickere (größer als ungefähr 100 Nanometer) Passivierungsschichten geeignet, die aus leitenden Oxiden gemacht sind.
Wie in 2 dargestellt, kann die FED 200 dadurch gemacht werden, dass zuerst eine Opferschicht 226 auf den Gateelektroden 116 und der dielektrischen Schicht 114 gebildet wird. Die Opferschicht 226 ist aus einem Opfermaterial gemacht, das in der Lage ist, im Anschluss an das Aufbringen der Passivierungsschicht 220 selektiv entfernt zu werden. Die Opferschicht 226 ist vorzugsweise aus einem Material gemacht, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Aluminium, Zink, Kuper, Zinn, Titan, Vanadium und Silber umfasst. Die Opferschicht 226 wird durch Einsetzen einer gewinkelten Aufbringung gebildet, um eine Aufbringung des Opfermaterials auf die Wände des Emittertopfes 115 und der Oberfläche 123 zu mindern.
Nach der Bildung der Opferschicht 226 wird die Passivierungsschicht 220 auf die Kathodenplatte dadurch aufgebracht, dass eine pauschale, senkrechte (90° bezüglich der Ebene der Kathodenplatte) Aufbringung des Oxids aus der Gasphase durchgeführt wird. Dieses Verfahren ist für Oxide nützlich, die durch ein Verwenden von Standardbedampfungsverfahren aufgebracht werden können, wie zum Beispiel Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern, plasmaverstärktes chemische Bedampfungsverfahren und dergleichen.
In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke der Passivierungsschicht 220 in einem Bereich von ungefähr 50–500 Angström, so dass durch das Oxid der Passivierungsschicht 220 eine Oberfläche 225 definiert wird und eine Elektronenemission von der Passivierungsschicht 220 ausgeht. Die Kombination der Elektronenemitterstruktur 118 und des Teils der Passivierungsschicht 220, der darauf angeordnet ist, definiert einen Elektronenemitter 221.
Im Anschluss an die Aufbringung der Passivierungsschicht 220 wird die Opferschicht 226 selektiv entfernt, wie zum Beispiel durch ein geeignetes selektives Ätzverfah ren. Dann wird die Anode 122 mit der Kathodenplatte, wie in 3 dargestellt, zusammengebaut. Beispielhafte leitende Oxide, die vorzugsweise durch das mit Bezug auf 2 und 3 beschriebene Verfahren aufgebracht werden, sind In₂O₃, IrO₂, RuO₂, PdO, SnO₂, ReO₃, In₂O₃:SnO₂, BaTiO₃, BaCuO_x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x, YBa₂Cu₃O_7-x, SrRuO₃, wobei x eine ganze Zahl ist.
Einige der Oxide, die zur Verwendung in der Passivierungsschicht auf einem Elektronenemitter der Erfindung vorgesehen sind, werden nicht konventionell durch Standardbedampfungsverfahren aufgebracht. Diese Oxide umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein, RuO₂ und ReO₃. Verfahren, die im Besonderen für die Aufbringung dieser Arten von Oxiden geeignet sind, werden unten mit Bezug auf 4–6 beschrieben.
4 stellt eine Struktur dar, die bei der Herstellung einer FED 300, die gemäß der Erfindung konfiguriert ist, gebildet wird. Das emissionsverstärkende Oxid, oder ein Vorläufer davon, wird zuerst in einen flüssigen Träger dispergiert. In diesem Beispiel ist der flüssige Träger ein organisches flüssiges Verbreitungsmittel. Das organische flüssige Verbreitungsmittel ist ein flüssiges organisches Material, wie zum Beispiel ein Alkohol, Aceton oder ein anderes organisches Lösungsmittel, das in der Lage ist, von einer Passivierungsschicht 320 im Anschluss an seine Aufbringung auf eine Kathodenplatte selektiv entfernt zu werden.
Nachdem das emissionsverstärkende Oxid oder sein Vorläufer in das organische flüssige Verbreitungsmittel dispergiert worden ist, wird die flüssige Mischung durch ein geeignetes Aufbringungsverfahren, wie zum Beispiel Wal zenbeschichtung, Rotationsbeschichtung oder dergleichen, der Oberfläche der Kathodenplatte zugeführt. Während dieses Aufbringungsschrittes beschichtet die flüssige Mischung die Elektronenemitterstrukturen 118 und die Opferschicht 226.
Im Anschluss an die Aufbringung der Passivierungsschicht 320 wird das organische flüssige Verbreitungsmittel davon entfernt. Die Entfernung des organischen flüssigen Verbreitungsmittels wird durch ein Veraschungsverfahren erreicht, das den Schritt des Verbrennens des organischen flüssigen Verbreitungsmittels dadurch, dass es einem Plasma ausgesetzt wird, umfasst. Auf diese Art und Weise wird ein Elektronenemitter 321 realisiert, der die Elektronenemitterstruktur 118 und die Beschichtung des darauf gebildeten emissionsverstärkenden Oxids umfasst. Nach der Entfernung des organischen flüssigen Verbreitungsmittels wird die Opferschicht 226 durch ein selektives Ätzverfahren selektiv entfernt. Dann wird die Kathodenplatte mit einer Anode (nicht gezeigt) zusammengebaut.
In dem Beispiel von 4 wird die Dicke der endgültigen emissionsverstärkenden Beschichtung durch die Konzentration des emissionsverstärkenden Oxids oder seines Vorläufers in dem organischen flüssigen Verbreitungsmittel bestimmt. Eine niedrige Konzentration kann verwendet werden, um eine sehr dünne Beschichtung zu bilden. Eine sehr dünne Beschichtung führt zu einer Oberfläche 325 des Elektronenemitters 321, die durch das Oxid und die Elektronenemitterstruktur 118 definiert wird. Zum Beispiel kann eine sehr dünne Beschichtung eine Monoschicht des emissionsverstärkenden Oxids umfassen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Konzentration vorbestimmt, so dass die endgültige Beschichtung dick genug ist, um die Oberfläche 325 des Elektronenemitters 321 zu definieren. In dieser letzteren Konfiguration geht eine Elektronenemission nur auf die Oxidbeschichtung zurück. Diese Konfiguration ist im Besonderen für emissionsverstärkende Oxide nützlich, die über eine Austrittsarbeit verfügen, die geringer als die der Elektronenemitterstruktur 118 ist. Die Dicke dieser dickeren Beschichtungen ist größer als ungefähr 100 Angström.
Wenn ein Vorläufer eines emissionsverstärkenden Oxids in der Ausführungsform von 4 verwendet wird, wird der Vorläufer des emissionsverstärkenden Oxids im Anschluss an die Aufbringung der flüssigen Mischung auf die Kathodenplatte zu dem entsprechenden emissionsverstärkenden Oxid umgesetzt. Ein exemplarischer Vorläufer ist ein metallorganisches Material, dessen metallisches chemisches Element ein Oxid bildet, das ein emissionsverstärkendes Material ist. Das metallische chemische Element des Vorläufers wird während des Schrittes des Entfernens des organischen flüssigen Verbreitungsmittels zu dem emissionsverstärkenden Oxid umgesetzt. Im Besonderen wird das metallische chemische Element des metallorganischen Materials während des Plasmaveraschungsschrittes oxidiert. Zum Beispiel ist ein metallorganischer Vorläufer, der zum Bilden von Rutheniumoxid nützlich ist, Dodecacarbonyltriruthenium [Ru₃(CO)₁₂] oder Ruthenium(III)2,4-Pentandionat[Ru(C₅H₇O₂)₃] : ein metallorganischer Vorläufer, der für die Bildung von Theniumoxid nützlich ist, ist Decacarbonyldirhenium [Re₂(CO)₁₀].
Das in Bezug auf 4 beschriebene Verfahren kann außerdem angewendet werden, um die in 1 dargestellte Konfiguration herzustellen, wenn der spezifische Widerstand der endgültigen Beschichtung hoch genug ist, um zu verhindern, dass sich die Gateelektroden 116 elektrisch kurz schließen. In dieser Variation des mit Bezug auf 4 beschriebenen Verfahrens wird die Opferschicht weggelassen.
Bestimmte emissionsverstärkende Oxide, die durch Verwenden eines flüssigen Trägers, wie mit Bezug auf 4 beschrieben, aufgebracht werden können, sind leitfähig genug, um zu elektrischen Kurzschlussproblemen zu führen, wenn sie auf die, oder in der Nähe der Oberflächen der dielektrischen Schicht 114, die die Emittertöpfe 115 definieren, aufgebracht werden. Diese leitenden emissionsverstärkenden Oxide können außerdem durch ein Verfahren gemäß der Erfindung, wie mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben, selektiv auf die Elektronenemitterstruktur 118 aufgebracht werden.
In 5 und 6 sind Querschnittsansichten einer FED 400 dargestellt, die über eine Passivierungsschicht 420 verfügt, die ein leitendes emissionsverstärkendes Oxid enthält. Die Passivierungsschicht 420 wird dadurch gebildet, dass zuerst das leitende emissionsverstärkende Oxid in ein flüssiges negatives Fotoresistmaterial dispergiert wird. Diese Mischung wird durch ein geeignetes Flüssigkeitsaufbringungsverfahren, wie zum Beispiel Walzenbeschichtung, Rotationsbeschichtung oder dergleichen, aufgebracht. Dieser Aufbringungsschritt beschichtet im Allgemeinen die Opferschicht 226 und die Elektronenemitterstrukturen 118. Etwas von dem aufgebrachten Material kann jedoch einen Fußteil 422 bei der Basis eines jeden Emittertopfes 115 bilden und/oder entlang der Wände aufgebracht werden, die die Emittertöpfe 115 definieren.
Wenn sie nicht entfernt werden, können diese Teile des aufgebrachten Materials aufgrund des relativ niedrigen spezifischen Widerstandes des leitenden emissionsverstärkenden Oxids zu elektrischen Kurzschlussproblemen zwischen der Kathode 112 und den Gateelektroden 116 führen. Diese Teile des aufgebrachten Materials können dadurch entfernt werden, dass die Kathodenplatte zuerst mit gebündeltem UV-Licht, das auf die Kathodenplatte in einer Richtung ausgerichtet wird, die im Allgemeinen senkrecht zu der Ebene der Kathodenplatte ist, fotobelichtet wird. Das gebündelte UV-Licht wird durch eine Mehrzahl von Pfeilen 424 in 5 angezeigt. Während des Fotobelichtungsschrittes verbirgt der obere vorstehende Teil der Struktur, der jeden Emittertopf 115 definiert, den Fußteil 422 und jedes Material, das an den Wänden der Emittertöpfe 115 aufgebracht ist, vor dem UV-Licht.
Nach dem Fotobelichtungsschritt wird die Passivierungsschicht 420 entwickelt, wodurch die Teile der Passivierungsschicht 420 entfernt werden, die nicht fotobelichtet wurden, wie in 6 dargestellt. Dann wird der negative Resist von der Passivierungsschicht 420 entfernt, zum Beispiel durch Plasmaveraschung. Auf diese Art und Weise wird ein Elektronenemitter 421, der die Elektronenemitterstruktur 118 und das darauf gebildete emissionsverstärkende Oxid umfasst, realisiert. Nach der Entfernung des negativen Fotoresist wird die Opferschicht 226 entfernt. Im Anschluss an die Entfernung der Opferschicht 226 wird die Kathodenplatte mit einer Anode (nicht gezeigt) zusammengebaut. Beispiele für leitende emissionsverstärkende Oxide, die auf der Art und Weise, wie mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben, aufgetragen werden können, umfassen RuO₂, PdO, SnO₂, ReO₃ und IrO₂.
Die Dicke der endgültigen Konfiguration der Passivierungsschicht 420 wird auf eine ähnliche Art und Weise be stimmt, wie mit Bezug auf 4 beschrieben. In der bevorzugten Ausführungsform definiert das Oxid eine Oberfläche 425 des Elektronenemitters 421.
Zusammengefasst, bezieht sich die Erfindung auf eine Feldemissionsvorrichtung, die über Elektronenemitterstrukturen verfügt, die mit einer Passivierungsschicht beschichtet sind, die chemisch und thermodynamisch stabiler als Beschichtungen nach dem Stand der Technik ist. Die Passivierungsschicht ist vorzugsweise aus einem Oxid gemacht, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die die Oxide von In, Ir, Ru, Pd, Sn, Re und deren Kombinationen umfasst. Eine Feldemissionsvorrichtung der Erfindung stellt eine stabilere Elektronenemission, eine längere Lebenszeit der Vorrichtung, eine niedrigere Betriebsspannung für einen spezifizierten Emissionsstrom, verringerte Kurzschlussprobleme zwischen individuellen Gateelektroden und zwischen Gateelektroden und Kathodenelektroden und weniger stringente vakuumerfordernisse als Feldemissionsvorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Verfügung.

Claims

Feldemissionsvorrichtung (100, 200, 300, 400), die umfasst: ein Substrat (110) mit einer Oberfläche; eine Kathode (112), die auf der Oberfläche des Substrates (110) angeordnet ist; eine dielektrische Schicht (114), die auf der Kathode (112) angeordnet ist und einen Emittertopf (115) definiert; eine Elektronenemitterstruktur (118), die in dem Emittertopf (115) angeordnet ist und eine Oberfläche (123) hat, wobei die Elektronenemitterstruktur (118) ein Material mit einer ersten Austrittsarbeit umfasst; eine Passivierungsschicht (120, 220, 320, 420), die auf der Oberfläche (123) der Elektronenemitterstruktur (118) angeordnet ist, um einen Elektronenemitter (121, 221, 321, 421) zu definieren; und eine Anode, die gegenüber der Elektronenemitterstruktur (118) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht im Wesentlichen aus einem leitenden Metalloxid besteht, wobei das leitende Metalloxid eine zweite Austrittsarbeit hat, wobei die zweite Austrittsarbeit des leitenden Metalloxids geringer ist, als die erste Austrittsarbeit des Materials, das die Elektronenemitterstruktur (118) umfasst.
Feldemissionsvorrichtung (100, 200, 300, 400) gemäß Anspruch 1, die weiterhin eine Gate-Elektrode (116) umfasst, die auf der dielektrischen Schicht (114) angeordnet ist.
Feldemissionsvorrichtung (100, 200, 300, 400) gemäß Anspruch 2, wobei der Elektronenemitter (121, 221, 321, 421) eine Oberfläche (125, 225, 325, 425) hat und wobei das leitende Metalloxid die Oberfläche (125, 225, 325, 425) des Elektronenemitters (121, 221, 321, 421) definiert.
Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Oxid aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus den Oxiden von In, Ir, Ru, Pd, Sn, Fe und Kombinationen davon besteht.
Feldemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Oxid aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus In₂O₃, IrO₂, RuO₂, PdO, SnO₂, ReO₃, In₂O₃, SnO₂ und SrRuO₃ besteht.