表面传导场发射电子源导电膜的结构转让专利
申请号 : CN200810231843.7
文献号 : CN101383258B
文献日 : 2010-11-10
发明人 : 胡文波 , 吴胜利 , 刘纯亮 , 张劲涛 , 王文江 , 孙永亮
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
本发明公开了一种表面传导场发射电子源导电膜的结构，即电子源的导电膜由氧化钯(PdO)膜与非晶碳膜形成的多层复合膜构成，利用氧化钯膜具有的良好的电子发射稳定性及非晶碳膜具有的较低的有效功函数、大的载流子迁移率、高的击穿电压、宽的禁带宽度及高的热传导系数，以改进导电膜的电子发射性能，从而提高场发射电子源的发射电流密度及电子发射率。
权利要求 :
1.一种表面传导场发射电子源导电膜的膜层结构，包括导电膜，其特征在于，导电膜采用在基底材料上制作PdO膜(3)，在PdO膜(3)上制作非晶碳膜(4)，再在非晶碳膜(4)上制作PdO膜(3)，如此构成PdO-非晶碳-PdO三层结构的导电膜。
2.一种表面传导场发射电子源导电膜的膜层结构，包括导电膜，其特征在于，导电膜采用在基底材料上制作非晶碳膜(4)，在非晶碳膜(4)上制作PdO膜(3)，再在PdO膜(3)上制作非晶碳膜(4)，如此构成非晶碳-PdO-非晶碳三层结构的导电膜。
说明书 :
技术领域
本发明属于平板显示器件制造领域，涉及一种电子发射源的结构，特别涉及一种可用于场发射显示器件的表面传导电子发射源导电膜的膜层结构。
背景技术
表面传导电子发射显示器(Surface-conduction Electron-emitter Display，SED)是近年来新发展起来的一种先进的平板显示器件。无论在对比度、灰度级、色彩及动态图像显示质量等方面，还是在功耗和厚度方面，SED都比目前主流的液晶显示器(LCD)和等离子体显示器(PDP)更加优良，被认为是继LCD和PDP之后的下一代的平板显示器件。
SED是一种高真空显示器件，由前玻璃基板、后玻璃基板以及周围的封接材料框形成一个密封结构，内部为高真空。SED整体上可以分为两个部分，即阳极板和阴极板。
SED阳极板由玻璃板、黑矩阵、滤光膜、荧光粉和金属膜组成。其中，三色滤光膜分别对应R、G、B三基色荧光粉，用以提高色纯度。荧光粉以色条的形式间隔沉积，色条之间用黑矩阵间隔以避免干扰，同时还可以减小对外部光的反射，提高对比度。金属膜位于荧光粉层的表面，是一层很薄的金属薄膜，用于作为阳极。
SED阴极板的主要部分是SED电子源，包括玻璃板、行电极(扫描电极)、列电极(调制电极)和表面传导电子发射阴极(SCE)。SCE是SED电子源进行电子发射的部分，它的数目很大，尺寸微小。典型的SCE结构包括器件电极、导电膜以及导电膜上的电子发射区。两个相对的器件电极用于导电膜与行电极或列电极之间的电气连接，厚度在几十纳米到几微米之间，间隔距离在几微米到几十微米之间。导电膜两端与器件电极紧密连接，是SCE的关键部分，它的厚度很薄，只有几个纳米。
表面传导电子发射现象最早是由前苏联学者Elinson MI在20世纪60年代初发现的，属于薄膜场发射现象。首先在两个相距10μm的平行电极的间隙中沉积一层极薄的SnO2薄膜，薄膜呈不连续颗粒状态，颗粒之间存在一些导电桥。然后在真空条件下，在两电极之间施加电压逐步烧掉颗粒之间的导电桥，从而形成相互间隔纳米量级间隙的SnO2孤岛。之后在电极间施加电压时，孤岛之间形成强电场，产生场致发射，从一个孤岛发射的电子到达下一个孤岛，实现了电子表面传导，形成了传导电流。如果在平行电极的上方设置阳极，则部分传导电子在阳极电压的牵引下到达阳极，形成发射电流，即实现了表面传导电子发射。定义发射电流与传导电流的比值为电子发射率，SnO2薄膜表面传导电子发射的发射率可达5％～10％，但发射电流不稳定度达到10％，无法应用于显示。
此后，1975年Hartwell M和Fonstad C G等人利用In2O3/SnO2薄膜，1978年德国的Blessing R和Pagnia H利用Au薄膜，分别进行过非连续性薄膜表面传导电子发射方面的实验，对表面传导电子发射的各种现象进行了分析和研究。但是这些不连续薄膜的电子发射率普遍较低，大都在0.1％左右，有些虽然能够得到较高的发射率，但是其电子发射的均匀性和稳定性却又比较差，达不到实用的要求。
日本佳能公司经过多年的研究开发，采用特殊工艺实现了连续薄膜纳米缝隙阴极，得到了均匀稳定的电子发射。其做法是：首先用喷墨打印工艺(ink-jetprocess)将含钯(Pd)化合物的溶液“打印”在每个子像素上，即器件电极对的间隙上，经过焙烧除去有机质，含Pd的化合物即转变成PdO超细粒子，形成PdO超细粒子膜。然后对薄膜进行“加电形成”工艺(electro-forming process)得到亚微米级的缝隙，再通过“激活工艺”(activation process)在缝隙上沉积碳膜减小缝隙宽度，最终得到纳米级缝隙。佳能公司将这种阴极命名为表面传导电子发射阴极，而将采用这种阴极制作的显示器命名为表面传导电子发射式显示器。佳能于1997年的SID年会上展出了10英寸240×240像素SED样机。
基于PdO导电膜的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。
用氧化钯作导电膜的SED的优点是电子发射稳定性好，但缺点是发射电流密度及电子发射率较低，导致SED亮度不高。
SED是一种高真空显示器件，由前玻璃基板、后玻璃基板以及周围的封接材料框形成一个密封结构，内部为高真空。SED整体上可以分为两个部分，即阳极板和阴极板。
SED阳极板由玻璃板、黑矩阵、滤光膜、荧光粉和金属膜组成。其中，三色滤光膜分别对应R、G、B三基色荧光粉，用以提高色纯度。荧光粉以色条的形式间隔沉积，色条之间用黑矩阵间隔以避免干扰，同时还可以减小对外部光的反射，提高对比度。金属膜位于荧光粉层的表面，是一层很薄的金属薄膜，用于作为阳极。
SED阴极板的主要部分是SED电子源，包括玻璃板、行电极(扫描电极)、列电极(调制电极)和表面传导电子发射阴极(SCE)。SCE是SED电子源进行电子发射的部分，它的数目很大，尺寸微小。典型的SCE结构包括器件电极、导电膜以及导电膜上的电子发射区。两个相对的器件电极用于导电膜与行电极或列电极之间的电气连接，厚度在几十纳米到几微米之间，间隔距离在几微米到几十微米之间。导电膜两端与器件电极紧密连接，是SCE的关键部分，它的厚度很薄，只有几个纳米。
表面传导电子发射现象最早是由前苏联学者Elinson MI在20世纪60年代初发现的，属于薄膜场发射现象。首先在两个相距10μm的平行电极的间隙中沉积一层极薄的SnO2薄膜，薄膜呈不连续颗粒状态，颗粒之间存在一些导电桥。然后在真空条件下，在两电极之间施加电压逐步烧掉颗粒之间的导电桥，从而形成相互间隔纳米量级间隙的SnO2孤岛。之后在电极间施加电压时，孤岛之间形成强电场，产生场致发射，从一个孤岛发射的电子到达下一个孤岛，实现了电子表面传导，形成了传导电流。如果在平行电极的上方设置阳极，则部分传导电子在阳极电压的牵引下到达阳极，形成发射电流，即实现了表面传导电子发射。定义发射电流与传导电流的比值为电子发射率，SnO2薄膜表面传导电子发射的发射率可达5％～10％，但发射电流不稳定度达到10％，无法应用于显示。
此后，1975年Hartwell M和Fonstad C G等人利用In2O3/SnO2薄膜，1978年德国的Blessing R和Pagnia H利用Au薄膜，分别进行过非连续性薄膜表面传导电子发射方面的实验，对表面传导电子发射的各种现象进行了分析和研究。但是这些不连续薄膜的电子发射率普遍较低，大都在0.1％左右，有些虽然能够得到较高的发射率，但是其电子发射的均匀性和稳定性却又比较差，达不到实用的要求。
日本佳能公司经过多年的研究开发，采用特殊工艺实现了连续薄膜纳米缝隙阴极，得到了均匀稳定的电子发射。其做法是：首先用喷墨打印工艺(ink-jetprocess)将含钯(Pd)化合物的溶液“打印”在每个子像素上，即器件电极对的间隙上，经过焙烧除去有机质，含Pd的化合物即转变成PdO超细粒子，形成PdO超细粒子膜。然后对薄膜进行“加电形成”工艺(electro-forming process)得到亚微米级的缝隙，再通过“激活工艺”(activation process)在缝隙上沉积碳膜减小缝隙宽度，最终得到纳米级缝隙。佳能公司将这种阴极命名为表面传导电子发射阴极，而将采用这种阴极制作的显示器命名为表面传导电子发射式显示器。佳能于1997年的SID年会上展出了10英寸240×240像素SED样机。
基于PdO导电膜的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。
用氧化钯作导电膜的SED的优点是电子发射稳定性好，但缺点是发射电流密度及电子发射率较低，导致SED亮度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面传导场发射电子源导电膜的结构，它能够提高电子源的电流发射密度，增加电子发射率。
本发明的基本构思是：SED的导电膜采用氧化钯膜和非晶碳膜构成的多层复合膜。氧化钯膜的电子发射性能稳定，但发射电流密度较低。而非晶碳膜作为阴极场发射材料有以下优点：(1)具有负的或极低的电子亲和势、较低的有效功函数，使电子更容易发射，场发射阈值电压低，发射电流密度大；(2)热传导系数大，熔点高，化学稳定性良好；(3)载流子迁移率高，击穿场强大，保证了高的响应速度以及大的发射电流。但非晶碳膜的电子发射稳定性较差。利用氧化钯膜与非晶碳膜相结合作为表面传导场发射电子源的导电膜，可在保证电子稳定发射的同时，获得高的发射电流密度和电子发射率，从而提高电子源的发射性能。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种表面传导场发射电子源导电膜的结构，导电膜采用PdO膜和非晶碳膜构成的多层复合膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作PdO膜，然后在其上制作非晶碳膜，从而构成PdO—非晶碳膜两层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作非晶碳膜，然后在其上制作PdO膜，从而构成非晶碳—PdO两层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作PdO膜，然后在其上制作非晶碳膜，再在非晶碳膜上制作PdO膜，从而构成PdO—非晶碳—PdO三层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作非晶碳膜，然后在其上制作PdO膜，再在PdO膜上制作非晶碳膜，从而构成非晶碳—PdO—非晶碳三层结构导电膜。
上述技术方案中，所述氧化钯膜可采用磁控溅射、射频溅射或真空电子束蒸发等方法制作，非晶碳膜可采用等离子体化学气相沉积、离子束沉积、离子束辅助沉积、射频溅射、磁控溅射、真空阴极电弧沉积、高强度直流电弧或脉冲真空电弧离子镀等方法制作。可采用光刻工艺将导电膜加工成所需要的图形，并用“加电形成”工艺形成导电膜之间的缝隙。
由于采用了PdO与非晶碳构成的多层复合膜作为导电膜，因此在电子源阴极板的器件电极上施加一个十几伏的电压时，两种材料的薄膜同时参与了电子的场发射。这种复合导电膜的电子发射性能综合了PdO膜电子发射稳定及非晶碳膜电子发射阈值电压低、载流子迁移率高和发射电流密度大的优点。实验表明，与现有技术相比，本发明的表面传导场发射电子源导电膜的结构可提高场发射电子源的发射电流密度及电子发射率。
本发明的基本构思是：SED的导电膜采用氧化钯膜和非晶碳膜构成的多层复合膜。氧化钯膜的电子发射性能稳定，但发射电流密度较低。而非晶碳膜作为阴极场发射材料有以下优点：(1)具有负的或极低的电子亲和势、较低的有效功函数，使电子更容易发射，场发射阈值电压低，发射电流密度大；(2)热传导系数大，熔点高，化学稳定性良好；(3)载流子迁移率高，击穿场强大，保证了高的响应速度以及大的发射电流。但非晶碳膜的电子发射稳定性较差。利用氧化钯膜与非晶碳膜相结合作为表面传导场发射电子源的导电膜，可在保证电子稳定发射的同时，获得高的发射电流密度和电子发射率，从而提高电子源的发射性能。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种表面传导场发射电子源导电膜的结构，导电膜采用PdO膜和非晶碳膜构成的多层复合膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作PdO膜，然后在其上制作非晶碳膜，从而构成PdO—非晶碳膜两层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作非晶碳膜，然后在其上制作PdO膜，从而构成非晶碳—PdO两层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作PdO膜，然后在其上制作非晶碳膜，再在非晶碳膜上制作PdO膜，从而构成PdO—非晶碳—PdO三层结构导电膜。
所述的导电膜的制作过程为首先在基底材料上制作非晶碳膜，然后在其上制作PdO膜，再在PdO膜上制作非晶碳膜，从而构成非晶碳—PdO—非晶碳三层结构导电膜。
上述技术方案中，所述氧化钯膜可采用磁控溅射、射频溅射或真空电子束蒸发等方法制作，非晶碳膜可采用等离子体化学气相沉积、离子束沉积、离子束辅助沉积、射频溅射、磁控溅射、真空阴极电弧沉积、高强度直流电弧或脉冲真空电弧离子镀等方法制作。可采用光刻工艺将导电膜加工成所需要的图形，并用“加电形成”工艺形成导电膜之间的缝隙。
由于采用了PdO与非晶碳构成的多层复合膜作为导电膜，因此在电子源阴极板的器件电极上施加一个十几伏的电压时，两种材料的薄膜同时参与了电子的场发射。这种复合导电膜的电子发射性能综合了PdO膜电子发射稳定及非晶碳膜电子发射阈值电压低、载流子迁移率高和发射电流密度大的优点。实验表明，与现有技术相比，本发明的表面传导场发射电子源导电膜的结构可提高场发射电子源的发射电流密度及电子发射率。
附图说明
图1是现有技术的表面传导场发射电子源导电膜的一种典型结构示意图；
其中，图a是主视图，图b是俯视图；
图2是本发明第一种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图3是本发明第二种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图4是本发明第三种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图5是本发明第四种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图。
以上图中，1，为基底材料，一般为玻璃基板，2，为器件电极，3，为氧化钯PdO膜，4，为非晶碳膜，5，为导电膜间的缝隙。
下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明。
其中，图a是主视图，图b是俯视图；
图2是本发明第一种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图3是本发明第二种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图4是本发明第三种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图；
图5是本发明第四种实例的表面传导场发射电子源导电膜的结构示意图。
以上图中，1，为基底材料，一般为玻璃基板，2，为器件电极，3，为氧化钯PdO膜，4，为非晶碳膜，5，为导电膜间的缝隙。
下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，导电膜的制作过程为在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作PdO膜3，因此导电膜采用的是单层材料膜，然后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图2所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作氧化钯PdO膜3，然后在其上制作非晶碳膜4，从而构成PdO—非晶碳两层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图3所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作非晶碳膜4，然后在其上制作氧化钯PdO膜3，从而构成非晶碳—PdO两层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图4所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作氧化钯PdO膜3，然后在其上制作非晶碳膜4，再在非晶碳膜上制作氧化钯PdO膜3，从而构成PdO—非晶碳—PdO三层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图5所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作非晶碳膜4，然后在其上制作氧化钯PdO膜3，再在氧化钯PdO膜3上制作非晶碳膜4，从而构成非晶碳—PdO—非晶碳三层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
采用氧化钯PdO膜3与非晶碳膜4构成的多层复合膜作为导电膜，在其裂缝5处两种材料都暴露在电子发射空间，因此在电子源阴极板的器件电极2上施加一个十几伏的电压时，两种材料的氧化钯膜3和非晶碳膜4同时参与了电子的场发射。这种复合导电膜的电子发射性能综合了氧化钯PdO膜3电子发射稳定及非晶碳膜4电子发射阈值电压低、载流子迁移率高和发射电流密度大的优点。实验结果表明，与现有的表面传导场发射电子源导电膜的结构相比，利用氧化钯PdO膜3与非晶碳膜4相结合，可获得稳定的高电流密度及高电子发射率的电子发射，从而提高电子源的发射性能。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明作出了详细的描述，但并非用上述实施例来限定本发明。本发明的表面传导场发射电子源导电膜的膜层结构不局限于上述几种形式，只要是按照本发明的技术方案，采用氧化钯和非晶碳构成的多层膜，以达到提高电子源电子发射性能的目的，均属于本发明的保护范围。
参照图2所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作氧化钯PdO膜3，然后在其上制作非晶碳膜4，从而构成PdO—非晶碳两层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图3所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作非晶碳膜4，然后在其上制作氧化钯PdO膜3，从而构成非晶碳—PdO两层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图4所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作氧化钯PdO膜3，然后在其上制作非晶碳膜4，再在非晶碳膜上制作氧化钯PdO膜3，从而构成PdO—非晶碳—PdO三层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
参照图5所示，导电膜的制作过程为首先在带有器件电极2等部件的玻璃基板1上制作非晶碳膜4，然后在其上制作氧化钯PdO膜3，再在氧化钯PdO膜3上制作非晶碳膜4，从而构成非晶碳—PdO—非晶碳三层结构导电膜，最后对薄膜进行“加电形成”工艺得到缝隙5。
采用氧化钯PdO膜3与非晶碳膜4构成的多层复合膜作为导电膜，在其裂缝5处两种材料都暴露在电子发射空间，因此在电子源阴极板的器件电极2上施加一个十几伏的电压时，两种材料的氧化钯膜3和非晶碳膜4同时参与了电子的场发射。这种复合导电膜的电子发射性能综合了氧化钯PdO膜3电子发射稳定及非晶碳膜4电子发射阈值电压低、载流子迁移率高和发射电流密度大的优点。实验结果表明，与现有的表面传导场发射电子源导电膜的结构相比，利用氧化钯PdO膜3与非晶碳膜4相结合，可获得稳定的高电流密度及高电子发射率的电子发射，从而提高电子源的发射性能。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明作出了详细的描述，但并非用上述实施例来限定本发明。本发明的表面传导场发射电子源导电膜的膜层结构不局限于上述几种形式，只要是按照本发明的技术方案，采用氧化钯和非晶碳构成的多层膜，以达到提高电子源电子发射性能的目的，均属于本发明的保护范围。