專利名稱：電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明與場(chǎng)發(fā)射器件領(lǐng)域有關(guān)，具體地說與場(chǎng)發(fā)射器件的陰極結(jié)構(gòu)有關(guān)。
本發(fā)明的背景現(xiàn)有的技術(shù)已知道場(chǎng)發(fā)射器件和可尋址的場(chǎng)發(fā)射器件矩陣。例如可選擇性地尋址的場(chǎng)發(fā)射器件矩陣用于場(chǎng)發(fā)射顯示。

圖1所示的是一個(gè)現(xiàn)有的具有三極管結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射器件(FED)100。FED100包括多個(gè)通過介質(zhì)層140與陰極115隔離的柵引出電極150。陰極115包括一層淀積在支撐襯底110上的導(dǎo)電材料，如鉬。由介質(zhì)材料，如氧化硅，形成的介質(zhì)層140將柵引出電極150與陰極115隔離。由一層導(dǎo)電材料形成的陽極180與柵電極150分開，由此確定間隙區(qū)165。間隙區(qū)165一般達(dá)到10-6托以下的壓強(qiáng)。介質(zhì)層140具有確定發(fā)射阱160的垂直表面145。多個(gè)電子發(fā)射極170分別淀積在發(fā)射阱160中(每個(gè)一個(gè))，并包括Spindt尖。介質(zhì)層140還包括一個(gè)具有被覆蓋部分147和暴露部分149的主表面。柵引出電極150做在覆蓋部分147上。介質(zhì)層140主表面的暴露部分149暴露在間隙區(qū)165中。
在FED100工作時(shí)，正如三極管工作的通常情形一樣，合適的電壓加在柵引出電極150，陰極115和陽極180上來選擇性地從電子發(fā)射極170上抽取電子，并將它們引向陽極180。一般電壓偏置包括100-10,000伏范圍內(nèi)的陽極電壓；10-100伏范圍內(nèi)的柵引出電極電壓；以及低于大約10伏的陽極電勢(shì)，一般情況該陽極電學(xué)接地。發(fā)射電子撞擊陽極180，在那里釋放出氣態(tài)物質(zhì)。沿著發(fā)射電子從電子發(fā)射極170到陽極180的軌跡，它們也撞擊存在于間隙區(qū)165中的氣態(tài)物質(zhì)，其中一些由陽極產(chǎn)生。以這種方式，在間隙區(qū)165中產(chǎn)生正離子物質(zhì)，如圖1中帶圈“+”符號(hào)所示。
當(dāng)FED100用到場(chǎng)發(fā)射顯示器中時(shí)，陽極180已淀積了一層陽極發(fā)光材料。當(dāng)接收到電子時(shí)，陽極發(fā)光材料就發(fā)光。當(dāng)激活時(shí)，公共陽極發(fā)光材料釋放出大量的氣態(tài)物質(zhì)，它們易被電子撞擊破裂而形成離子。間隙區(qū)165中的正離子物質(zhì)受到陽極180高正電勢(shì)的排斥，如圖1中一對(duì)箭頭177所示，使它們撞擊柵引出電極150和介質(zhì)層140主表面的暴露部分149。那些撞擊柵引出電極部分150的離子作為柵電流流走；那些撞擊介質(zhì)層140主表面的暴露部分149的離子在那里保留下來，導(dǎo)致一個(gè)電勢(shì)的形成，如圖1中“+”符號(hào)所示。
暴露部分149處正電勢(shì)的建立持續(xù)進(jìn)行，直到介質(zhì)層140擊穿，或該正電勢(shì)足夠高，以致將電子折射到介質(zhì)層140的主表面上(圖1中箭頭175所示)，使得這些電子被暴露部分149接收，從而中和表面電荷。在前一個(gè)情形中，介質(zhì)層140的擊穿是由于建立的電勢(shì)達(dá)到該介質(zhì)層的擊穿電壓，它一般在300-1000伏的范圍內(nèi)。介質(zhì)層140的擊穿常常導(dǎo)致陽極180上一個(gè)弧光的產(chǎn)生以及陰極115和暴露部分149間的破壞性電流(圖1中箭頭178所示)，它們破壞介質(zhì)層140和陰極115，從而使得FED100不工作。在后一個(gè)情形中，電荷的建立/中和周期依次重復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致發(fā)射極170上發(fā)射電子的散焦情形。
在場(chǎng)發(fā)射器件的開發(fā)中，為了降低因電極間電容而帶來的功率要求，可期望減少柵引出電極150和陰極115間重疊的面積。柵引出電極150面積的減少，同時(shí)增加了介質(zhì)層140主表面暴露部分149的面積。這使得介質(zhì)充電問題嚴(yán)重以及相伴隨的控制失控或器件失效，如以上詳細(xì)所述。
現(xiàn)有的電子管，如電視中用的陰極射線管，因介質(zhì)表面充電而導(dǎo)致弧光問題已通過涂上一層導(dǎo)電材料薄膜在暴露的介質(zhì)表面，如氧化錫，而得以解決。這項(xiàng)技術(shù)不能有效解決FED100中類似的充電問題，因?yàn)楦采w一層諸如氧化錫材料的介質(zhì)層140的暴露部分149會(huì)在柵引出電極間產(chǎn)生短路，嚴(yán)重破壞電子發(fā)射極170的尋址能力。這種尋址能力對(duì)于FED100的應(yīng)用來說，如場(chǎng)發(fā)射顯示，是很重要的。
這樣，就需要一個(gè)場(chǎng)發(fā)射器件，它不會(huì)因?yàn)槠骷?nèi)主暴露介質(zhì)表面的電荷積累而失效。
附圖的簡(jiǎn)述參考這些附圖圖1是現(xiàn)有場(chǎng)發(fā)射器件的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件一種實(shí)施方法的截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件另一種實(shí)施方法的截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件另一種實(shí)施方法的原理頂視圖。
圖5是圖4結(jié)構(gòu)中沿著截?cái)嗑€5-5的截面圖。
圖6是圖4結(jié)構(gòu)中沿著截?cái)嗑€6-6的截面圖。
優(yōu)選實(shí)施方法的描述現(xiàn)在參考圖2，它示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的截面圖。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200包括用玻璃，如硼硅玻璃或硅，制成的支撐襯底210。在支撐襯底210上，制作陰極215。在這個(gè)具體的實(shí)施方法中，陰極215包括一導(dǎo)電材料層，如鉬或鋁。一般來說，陰極215包括一層金屬或其它合適導(dǎo)電材料。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200還包括形成在陰極215上的介質(zhì)層240。如果陰極215刻出圖形，介質(zhì)層240的部分也可以淀積在支撐襯底210上或在上面形成任何其它層。介質(zhì)層240具有確定多個(gè)發(fā)射阱260的多個(gè)表面245。電子發(fā)射極270做在每個(gè)發(fā)射阱260中，并能與陰極215連接。在所示的實(shí)施方法中，電子發(fā)射極270做在陰極215上，并包括Spindt尖場(chǎng)發(fā)射極。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施方法中，電阻材料，如非晶硅，做成的鎮(zhèn)流電阻從陰極215延伸到電子發(fā)射極270，以在它們之間提供電學(xué)連接。介質(zhì)層240還包括多個(gè)表面246。陰極215在多個(gè)電荷收集表面248處暴露。介質(zhì)層240的表面246和陰極215的電荷收集表面248確定多個(gè)電荷耗散阱252。電荷耗散阱252可以通過在陰極215上淀積一層介質(zhì)材料來形成，然后選擇性地刻蝕介質(zhì)材料，以暴露出下面陰極215部分。一般來說，在電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200中可期望暴露下面適合接收和流走氣態(tài)充電物質(zhì)的金屬。還可期望在電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200中減少介質(zhì)層材料的用量，由此減少工作中充電介質(zhì)表面的面積。
帶電物質(zhì)的去除以及充電介質(zhì)表面面積的減少帶來很大的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性包括保持工作結(jié)構(gòu)，如電子發(fā)射極270的完整性，以及提高電子發(fā)射的控制。電荷耗散阱252可以做在電子發(fā)射極270矩陣確定的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的有源區(qū)中。電荷耗散阱252還可以做在有源區(qū)之外電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的周圍。多個(gè)柵引出電極250做在介質(zhì)層240上，并與電子發(fā)射極270和陰極215隔開。
柵引出電極250，電子發(fā)射極270和陰極215的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成在陰極215和柵引出電極250上加上預(yù)定電勢(shì)時(shí)，從電子發(fā)射極270中產(chǎn)生電子發(fā)射。介質(zhì)層240提供足夠的介質(zhì)材料來確定發(fā)射阱260和支撐柵引出電極250，以使它們與陰極215電學(xué)隔離。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200還包括與柵引出電極250分開，并確定一個(gè)間隙區(qū)的陽極280，以及包括接收電子的導(dǎo)電材料。
電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的工作包括通過電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200外部接地電壓源(沒有畫出)將合適的電勢(shì)加到陰極215，柵引出電極250以及陽極280上，以從電子發(fā)射極270中產(chǎn)生電子發(fā)射，并以合適的加速度將發(fā)射電子引向陽極280。在電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的工作中，正離子氣態(tài)物質(zhì)在間隙區(qū)265中產(chǎn)生，并被吸引到比陽極280保持更低電勢(shì)的陰極215。圖2中箭頭所指的正離子電流277包括那些不期望的帶電物質(zhì)。正離子電流277的一部分被陰極215電荷收集表面248接收，并流到接地電勢(shì)源(沒有畫出)。正離子電流277的另外一部分被柵引出電極250接收，并流到接地電勢(shì)源(沒有畫出)。被流走的帶電物質(zhì)不再能夠?qū)橘|(zhì)表面充電或撞擊，從而引起對(duì)電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200中工作部分，如電子發(fā)射極270的破壞。
電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200的制作包括將一介質(zhì)材料層制作出電荷耗散場(chǎng)發(fā)射阱252的制作步驟。首先，陰極215通過采用合適工藝，如濺射或等離子化學(xué)氣相淀積(PECVD)，在支撐襯底210上淀積導(dǎo)電材料，如鉬或鋁。隨后，在陰極215上做出圖案，形成可尋址列。
一個(gè)鎮(zhèn)流電阻包含在陰極215中，鎮(zhèn)流電阻在陰極215的導(dǎo)電材料和電子發(fā)射極270間提供電學(xué)連接。鎮(zhèn)流電阻包括一層電阻材料，如非晶硅，它通過合適工藝，如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)，淀積在支撐襯底210上。隨后，將電阻材料層刻出圖形，以使電阻從陰極215的導(dǎo)電材料延伸到電子發(fā)射極270。
接下來，介質(zhì)，如氧化硅，通過已知淀積方法淀積在陰極215上。柵引出電極250通過合適淀積技術(shù)在介質(zhì)層上形成，并由導(dǎo)體組成，如鉬。對(duì)與陰極215部分對(duì)準(zhǔn)處的介質(zhì)層進(jìn)行選擇性地刻蝕，去除電荷收集表面248上面的介質(zhì)材料，形成電荷耗散阱252。然后，電荷耗散阱252用光刻膠掩膜覆蓋，防止包括電子發(fā)射極270的材料淀積到里面。介質(zhì)層再次刻出圖形，并選擇性地刻蝕，形成發(fā)射阱260。然后，電子發(fā)射極270通過標(biāo)準(zhǔn)的為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的尖制造技術(shù)在發(fā)射阱260中形成。然后，光刻膠從電荷耗散阱252中去除。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可不用Spindt尖而采用其它電子發(fā)射極，例如，包括基于碳的表面發(fā)射極，如類似于金剛石的碳層。另外，根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射器件可以包括諸如二極管和四極管的電極結(jié)構(gòu)，而不是三極管?，F(xiàn)在參考圖3，它畫出了根據(jù)本發(fā)明的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300的剖面圖。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300包括電荷場(chǎng)發(fā)射器件200的部分，這些部分相類似，并以“3”開頭作為參考。然而，電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300不包括柵引出電極。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300可以采用圖2中所述類似的方法制作。然而，形成柵引出電極的一步可以省去。
電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300的工作包括通過電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件300的外部接地電源(沒有畫出)將合適電勢(shì)加到陰極315和陽極380上，以從多個(gè)電子發(fā)射極370上產(chǎn)生電子發(fā)射。
現(xiàn)在參考圖4-6，它們畫出了電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件的簡(jiǎn)圖。圖4大致地畫出了電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件400的頂視圖；圖5和6分別畫出了圖4中截面線5-5和6-6的截面圖。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件400包括電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件200(圖2)的部分，這些部分類似，并以“4”開頭作為參考。電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件400包括多個(gè)做在支撐襯底410上的被隔離的陰極415。陰極415用導(dǎo)電材料做成，如鉬或鋁。一般地說，陰極415用金屬或其它合適導(dǎo)電材料做成，并與另外一個(gè)電極電學(xué)隔離，用來提供多個(gè)電子發(fā)射極470的選擇性尋址。電荷耗散層490做在相鄰陰極415間的支撐襯底410上。在這個(gè)具體的實(shí)施方法中，電荷耗散層490與陰極415電學(xué)隔離。電荷耗散層490由導(dǎo)電材料做成，并與場(chǎng)發(fā)射器件外部的地接觸(沒有畫出)電學(xué)連接。電荷耗散場(chǎng)層490包括電荷收集表面449，它在電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件400的工作過程中接收帶電氣態(tài)物質(zhì)。然后通過電荷耗散層490流到地接觸處。
電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件400的制作包括支撐襯底410上形成電荷耗散層490以及在介質(zhì)層440中形成電荷耗散阱453以暴露電荷耗散層490的電荷收集面449的步驟。如圖4和5所示，電荷耗散阱452也可以采用與圖2所述類似的方法在介質(zhì)層440中形成，以暴露出陰極415的電荷收集表面448。陰極415做在支撐襯底410上。電荷耗散層490通過合適淀積技術(shù)做在陰極415間，如包括電荷耗散層490導(dǎo)電材料的掩膜淀積。電荷耗散層490可以由導(dǎo)體，如鋁，或其它一些電阻性材料，如非晶硅，做成。然后，介質(zhì)，如二氧化硅，采用已知的淀積方法淀積在陰極415和電荷耗散層490上。柵引出電極450做在介質(zhì)層上。柵引出電極450由導(dǎo)體，如鉬，做成，它通過合適的淀積方法淀積。然后，介質(zhì)層選擇性地刻蝕，形成電荷耗散阱453，并暴露出電荷耗散層490的電荷收集面449。介質(zhì)層選擇性地刻蝕，形成電荷耗散阱452，并暴露出陰極415的電荷收集面448。電荷耗散阱453,452用一層光刻膠掩膜覆蓋，以防止包括電阻發(fā)射極470材料的淀積。
接下來，介質(zhì)層選擇性地刻蝕，以形成多個(gè)發(fā)射阱460。在每個(gè)發(fā)射阱460中，采用為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)Spindt尖制造技術(shù)做一個(gè)電子發(fā)射極470。最后，光刻膠從電荷耗散阱453,452中去除。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施方法中，電荷耗散層與陰極電學(xué)連接，以便電荷耗散層接收的電荷通過陰極流走。在本發(fā)明的實(shí)施方法中，通過在電荷耗散層中加入相對(duì)高的方塊電阻防止電荷耗散層連接的陰極間的短路。在本發(fā)明的實(shí)施方法中，電荷耗散層還具有109-1012Ω/方塊范圍的方塊電阻。它最好由不摻雜的非晶硅做成。任何提供上述范圍方塊電阻以及具有合適薄膜特性的材料都可以采用。合適的薄膜特性包括足夠的與支撐襯底的粘附性。預(yù)先確定方塊電阻，可影響撞擊電荷耗散層490的帶正電物質(zhì)電流的傳導(dǎo)，由此在器件工作過程中減少正表面電荷的積累。間隙區(qū)中產(chǎn)生的離子電流，與發(fā)射電子相比，其比例會(huì)小于或等于大約0.1％。例如在場(chǎng)發(fā)射顯示中，正離子返回電流大約為10皮安。因?yàn)樵撜x子電流如此之小，所以電荷耗散層的方塊電阻可做得很高，足以防止陰極間短路，以及過量功率損耗，同時(shí)可以充分導(dǎo)通/流走碰撞電荷。在本具體實(shí)施方法中，電荷耗散層的厚度在100-500埃的范圍內(nèi)。
本文已對(duì)一個(gè)電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件的摘要進(jìn)行了闡述，該器件減少了器件中介質(zhì)層面積，并且提供的結(jié)構(gòu)將器件工作過程中產(chǎn)生的不期望正電荷流走。這些特點(diǎn)減少了介質(zhì)層擊穿的可能性，并且提供了對(duì)電子軌跡的控制。
權(quán)利要求
1．一個(gè)電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(300)包括一個(gè)具有主表面的支撐襯底(310)；一個(gè)做在支撐襯底(310)主表面上具有電荷收集表面(348)的陰極(315)；一層做在陰極(315)上的介質(zhì)層(340)，該介質(zhì)層(340)確定一個(gè)發(fā)射阱(360)，該陰極(315)的介質(zhì)層(340)和電荷收集表面(348)確定電荷耗散阱(352)；一個(gè)做在發(fā)射阱(360)中的電子發(fā)射極(370)；以及一個(gè)與介質(zhì)層(340)隔離確定一個(gè)間隙區(qū)(365)的陽極(380)，該電荷耗散阱(352)與間隙區(qū)(365)連接。
2．一個(gè)電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(400)包括一個(gè)具有主表面的支撐襯底(410)；一個(gè)形成在支撐襯底(410)主表面上的陰極(415)；一層形成在與陰極(415)相鄰的支撐襯底(410)主表面上，具有一個(gè)電荷收集面(449)的電荷耗散層(490)；一層形成在陰極(415)和電荷耗散層(490)上的介質(zhì)層(440)，該介質(zhì)層(440)確定一個(gè)發(fā)射阱(460)，該電荷耗散層(490)和介質(zhì)層(440)的電荷收集面確定一個(gè)電荷耗散阱(453)；一個(gè)形成在發(fā)射阱(460)中的電子發(fā)射極(470)；以及一個(gè)與介質(zhì)層(440)隔離確定一個(gè)間隙區(qū)(465)的陽極(480)，該電荷耗散阱(453)與間隙區(qū)(465)連接。
3．權(quán)利要求4中的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(400)，其中電荷耗散層(490)與陰極(415)電學(xué)隔離。
4．權(quán)利要求4中的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(400)，其中電荷耗散層(490)與陰極電學(xué)連接。
5．權(quán)利要求6中的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(400)，其中電荷耗散層(490)由非晶硅組成。
6．權(quán)利要求6中的電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(400)，其中電荷耗散層(490)具有109-1012Ω/方塊范圍內(nèi)的方塊塊電阻。
7．一種在具有多個(gè)電子發(fā)射極(270,370,470)的場(chǎng)發(fā)射器件(200,300,400)內(nèi)減少充電的方法，該方法包括提供與多個(gè)電子發(fā)射極(270,370,470)相鄰的電荷收集表面(248,348,448,449)的步驟。
8．一種在具有一個(gè)陰極(215,315)，一個(gè)陽極(280,380)和一個(gè)間隙區(qū)(265,365)的場(chǎng)發(fā)射器件(200,300)內(nèi)減少充電的方法，該方法包括在陰極(215,315)的一部分和間隙區(qū)(265,365)間提供連接的步驟。
9．權(quán)利要求10中在場(chǎng)發(fā)射器件(200,300)內(nèi)減少充電的方法，其中場(chǎng)發(fā)射器件(200,300)還包括形成在陰極(215,315)上的介質(zhì)層(240,340)，在陰極(215,315)的一部分和間隙區(qū)(265,365)間提供連接的步驟包括在介質(zhì)層(240,340)中與陰極(215,315)部分對(duì)準(zhǔn)處形成電荷耗散阱(252,352)的步驟。
10．在場(chǎng)發(fā)射器件(200,300)內(nèi)減少充電的方法，包括以下步驟提供一個(gè)具有主表面的支撐襯底(210,310)；在支撐襯底(210,310)主表面上形成一個(gè)具有電荷收集表面(248,348)的陰極(215,315)；在陰極(215,315)上形成介質(zhì)層(240,340)；在介質(zhì)層(240,340)中形成發(fā)射阱(260,360)；在介質(zhì)層(240,340)中與陰極(215,315)電荷收集面對(duì)準(zhǔn)處形成電荷耗散阱(252,352)；在發(fā)射阱(260,360)中提供電子發(fā)射極(270,370)；以及提供一個(gè)與介質(zhì)層(240,340)隔離確定間隙區(qū)(265,365)的陽極(280,380)，以使電荷耗散阱(252,352)與間隙區(qū)(265,365)連接。
全文摘要
電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(200,300,400)包括一個(gè)支撐襯底(210,310,410),一個(gè)形成其上的陰極(215,315,415),一層形成在陰極(215,315,415)上的具有發(fā)射阱(260,360,460)的介質(zhì)層(240,340,440),以及一個(gè)暴露于電荷收集面(248,348,448,449)的電荷耗散阱(252,352,452,453);為了流走電荷耗散場(chǎng)發(fā)射器件(200,300,400)工作過程中產(chǎn)生的氣態(tài)正電荷,在每個(gè)發(fā)射阱(260,360,460)中做一個(gè)電子發(fā)射極(270,370,470),并且與介質(zhì)層(240,340,440)隔離的陽極(280,380,480)用來收集電子發(fā)射極(270,370,470)發(fā)射的電子。
文檔編號(hào)H01J1/304GK1216161SQ98800003
公開日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1998年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者羅德爾夫·魯瑟若, 羅伯特·T·史密斯, 勞倫斯·N·德沃斯基 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司