CN104882344A - 基于多孔材料的场致发射型电子源及显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔材料的场致发射型电子源及显示器件，其中电子源包括后基板，该后基板上依次设置有底电极、绝缘膜、顶电极的MIM型多层膜结构，其特征在于，所述绝缘膜由阻挡层和多孔层构成，该阻挡层靠近底电极的一侧，其厚度不超过20nm，多孔层靠近顶电极一侧，其厚度至少应大于阻挡层厚度的5倍。通过优化阻挡层和多孔层的厚度，以及在多孔材料孔内生长纳米材料的方法，可以在改善电子源寿命，提高发射稳定性的同时，降低器件的阈值电压，提高电子源的发射效率。

Description

基于多孔材料的场致发射型电子源及显示器件

技术领域

本发明涉及真空电子技术，特别涉及一种场致发射型电子源及显示器件。

背景技术

电子源广泛应用于微波管、行波管、电子显微镜、X射线管以及平板显示等领域，是光电子器件、传感器以及场发射型显示器的核心部件。开发制备工艺简单、高发射效率、高稳定性和长寿命的新型电子源是当前光电子显示器件的研究热点。电子源主要分为两种：热阴极型电子源和冷阴极型电子源。冷阴极型电子源主要包括金属-绝缘层-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)型、场发射型以及表面传导型等。在这之中，MIM型电子源由于具有结构简单、驱动电压低以及制备工艺简易且发射性能受表面环境影响小等优点。此外，MIM电子源能够和薄膜晶体管技术相兼容，从而能够实现有源矩阵驱动。

含传统MIM型电子源的显示器件的装配结构如图1所示，其电子源结构为典型的“三明治”结构，首先，采用磁控溅射或者电子束蒸发镀膜的方法在玻璃基底或者硅基底101上制备一层金属电极104(Al或者Cr/Cu或者类似金属电极)；然后采用电化学或者溅射的方法在金属电极上制备一层绝缘层105，该绝缘层可为氧化物或者半导体材料；此后在绝缘层上采用溅射法沉积一层金属薄膜106。

MIM型电子源结构中，电子在两金属电极间形成的强电场作用下由阴极加速向阳极运动，隧穿出表面电极而形成电子发射。MIM型电子源的阈值场强一般不低于100V/μm，为了获得高电场强度以及便于电子隧穿，通常MIM型电子源中的绝缘层和顶电极的厚度一般不超过30nm。MIM型电子源当前存在的主要问题是发射效率低、发射电流小以及寿命较短。MIM型电子源的寿命及发射效率均与绝缘层的性能相关，当前为了改善电子源的可靠性和发射性能，MIM型电子源中绝缘层通常采用致密型氧化物或者半导体材料，采用致密型材料虽然在一定程度上可以提高器件的寿命，但是电子在绝缘层行进过程中，也存在着潜在的能量损耗较大的问题，导致器件的发射效率偏低。例如，图1传统的MIM型电子源结构中，电子在底电极105和顶电极106间形成的强电场作用下由底电极105加速向顶电极106运动，在运动过程中，电子在绝缘层中经过碰撞、散射而失去能量，一部分电子被陷阱所捕获，只有少部分电子从电场中获得能量，当电子的能量高于表面势垒时，电子才有可能隧穿出顶电极106而形成电子发射。

此外，由于绝缘层和顶电极的厚度较薄，导致器件的绝缘强度较低，顶电极连续膜制备较为困难。特别地，当需要对采用电化学阳极氧化法制备的绝缘层进行退火处理时，由于膜层较薄，金属电极的原子容易渗入至绝缘层中，导致MIM型电子源的绝缘性能降低，在长时间工作时，容易由于局部过热而引起器件击穿(电阻小)。

发明内容

针对当前大多数电子源存在着发射效率低、寿命短以及均匀性和稳定性较差等问题。本发明提出了一种采用多孔结构材料作为绝缘层或中间层、并在多孔材料孔内填充纳米材料的MIM新型电子源及其显示器件。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于多孔材料的场致发射型电子源，包括后基板，该后基板上依次设置有底电极、绝缘膜、顶电极的MIM型多层膜结构，其特征在于，所述绝缘膜由阻挡层和多孔层构成，该阻挡层靠近底电极的一侧，其厚度不超过20nm，多孔层靠近顶电极一侧，其厚度至少应大于阻挡层厚度的5倍。

上述方案中，所述阻挡层和多孔层为一体结构，即在靠近底电极一侧，生长有高致密型和绝缘性能的Al₂O₃阻挡层，在该阻挡层之上为垂直于水平面的多孔Al₂O₃结构层。所述底电极与Al₂O₃阻挡层之间设有Ti膜。

所述阻挡层也可单独由致密型氧化物或半导体材料制成；可选用Al₂O₃、ZnO、ZnS、Mg_xZn_(1-x)O、MgS、CdS、MgO，BaO的任一种。所述多孔层由规则、有序的多孔结构介质材料制成；可选用多孔硅、多孔碳化硅、多孔二氧化钛、多孔二氧化硅的任一种。

所述绝缘膜阻挡层上沿多孔层孔内生长有直径小于多孔材料孔径的纳米材料，具有纳米级发射尖端、高的长径比。

一种基于多孔材料的场致发射型电子源的显示器件，其特征在于，将涂覆有荧光粉层和透明电极的前基板覆盖在前述基于多孔材料的场致发射型电子源的后基板上，前基板和后基板之间以支撑条形成一密闭空间，其中为真空或充入惰性气体。

上述方案中，所述底电极和顶电极各包含多条相互平行的电极；底电极与顶电极以正交或者平行方式排列，每个交叉点或者重叠区域对应一个电子发射单元。

与传统MIM型电子源相比，本发明的优点是：

(1)本发明由于采用多孔介质材料作为绝缘层，电子可在孔内加速获得能量，降低了电子在绝缘层中的损耗，因而可以获得高的发射效率。特别的，当采用含阻挡层的多孔氧化铝膜为绝缘层时，由于多孔氧化铝的阻挡层较薄，因而场增强效果更加显著，电子源的发射效率获得大幅提高。

(2)本发明提出的采用多孔介质材料作为绝缘层且在孔内生长具有高长径比纳米材料结构的MIM型电子源，可以在提高器件寿命的同时，降低器件的阈值电压，提高电子源的发射效率和稳定性。

(3)本发明提出的以多孔介质材料为绝缘层的电子源结构具有制备工艺简单、易于大规模生产等优点，且能采用薄膜晶体管(TFT)驱动，在微波管、行波管、电子显微镜、X射线管以及平板显示等真空电子领域中有重要的应用价值。

附图说明

图1为含典型MIM电子源的显示器件装配示意图。

图2为用本发明实施例2的MIM电子源的显示器件装配示意图。

图3为本发明实施例1的MIM电子源结构示意图。其中，(a)图为层状示意图；(b)图为多孔氧化铝结构平面显微照片。

图4为本发明实施例2的MIM电子源结构示意图。

图5为多孔材料中生长有纳米材料的MIM型电子源结构及显示器件示意图。其中，(a)图为显示器件；(b)图为电子源结构。

图6为采用本发明电子源的平板显示装置结构示意图。

图7为采用TFT驱动的本发明电子源的显示器件电原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

传统的MIM电子源结构中(图1)，为了获得高电场强度，绝缘层105的厚度要薄，但另一方面，绝缘层厚度较薄也导致器件的寿命较低。为了解决上述问题，本发明提出了一种新型电子源结构，能在改善电子源发射效率的同时，显著提高器件的寿命。

参考图2，本发明在玻璃或者硅片构成的后基板101上设置能产生电子发射的电子源，它具有MIM多层膜结构，即后基板101上依次设置底电极(Al)104、阻挡层108、多孔层10、顶电极106，其中，阻挡层108、多孔层10组成绝缘膜109。由玻璃构成的前基板102上涂覆有荧光粉层103和透明电极，与上述电子源组成显示器件：即后基板101和前基板102之间以支撑条形成一密闭空间，该密闭空间可以为真空或者充入惰性气体。作为底电极104的金属材料优先选用Al，也可选用Ti、Cr、Cu、Ni、Mo、W等一种或多种导电合金。顶电极106可选用Pt、Au、Ir或者类金刚石组成的一种或者几种混合薄膜。阻挡层108采用致密型氧化物或半导体材料，如Al₂O₃、ZnO、ZnS、Mg_xZn_(1-x)O、MgS、CdS等，或者采用高二次电子发射材料，如MgO，BaO等，其厚度为1-20nm之间。多孔层105采用规则、有序的多孔结构介质材料(如多孔硅、多孔碳化硅、多孔二氧化钛、多孔二氧化硅等)，厚度为10-500nm之间。

实施例1

参考图3，绝缘膜109采用多孔氧化铝结构，为了增强Al与后基板101的附着力，先在后基板101上溅射一层厚度不超过50nm的Ti膜，再在Ti膜上溅射厚度为100nm-600nm的Al膜，此后采用二次阳极氧化的方法将Al膜氧化为图3(b)所示的厚度为3-500nm、孔径为10nm-300nm的多孔氧化铝结构，经500℃退火后，再一次氧化以消除部分表面缺陷，随后在多孔绝缘膜109上制备金属顶电极106。多孔氧化铝绝缘膜包含阻挡层和多孔层，在靠近Al金属底电极104的一侧，垂直于孔底的方向上，生长有高致密型和绝缘性能的Al₂O₃阻挡层，在阻挡层之上为多孔结构的Al₂O₃层。采用阻挡层和多孔层相结合的结构，一方面可以改善器件的绝缘强度，提高器件的寿命，另一方面，由于阻挡层Al₂O₃厚度较薄(与阳极氧化电压及氧化时间相关，一般为几到几十纳米之间)，电子穿过阻挡层时损耗的能量较小，此外在多孔结构孔内，电子可以无障碍的向阳极运动，获得加速而无碰撞引起的能量损耗，因而有利于提高器件的发射效率。此外，在维持一定的发射效率下，采用此种结构可以适当的增加绝缘层的厚度以提高绝缘强度，从而提高器件的寿命。

实施例2

参考图4，该实施例电子源结构中与图3相同的部分不再赘述，与图3不同的是，本发明提出的电子源结构中，采用在底电极104上单独制备一层厚度1-20nm的绝缘材料作为阻挡层108，此后，在其上制备厚度为30nm-20μm的多孔层105。

参考图5(a)，图3中的多孔Al₂O₃作为绝缘膜109，且在孔内生长有直径小于多孔材料孔径的纳米材料107，如碳纳米管、半导体纳米线(Si纳米线、ZnS纳米线)、金属纳米线，如Au、Ag纳米线等以及氧化物纳米线，如ZnO、MgO或者SiO₂纳米线等。图5(b)则在图4中绝缘材料阻挡层108上的多孔层105孔内生长有纳米材料107。纳米材料107具有纳米级发射尖端、高的长径比，如直径为1-20nm，长度为100-500nm的Si纳米线等材料。因而在材料的尖端附近，其电势线的分布比其他区域更为密集，即外加电场被显著增强，形成局部场致增强效应，有利于降低器件的阈值电压。特别的，当通过增加绝缘层105的厚度来提升器件的寿命时，采用本发明提出的填充纳米材料的方法可以实现降低器件电压的同时，增加器件的寿命及发射效率。

纳米材料107制备方法可以采用化学气相沉积法(CVD)、等离子体化学气相沉积法(PECVD)、电化学结合超声法等常规方法。本发明并不对制备方法进行限定。

图6为本发明的电子源在平板显示装置中的应用示例。行电极由X1，X2…Xn构成，A1，A2…An对应于列电极，R，G，B为对应的像素单元，每个像素单元包含一个或多个前述的电子源结构。电子源发射的电子在前基板102形成的高电场下加速运动，并撞击相应的荧光粉单元而发光。

参考图7，本发明MIM电子源由于驱动电压低且能够和薄膜晶体管技术相兼容，因而可以采用TFT技术实现器件的有源矩阵驱动。图7中X1，X2，X3为行电极，A1，A2为列电极，Comm为共用电极，与电子源的顶电极106相连，共用电极上施加一直流电压。行、列电极的交叉点对应一像素单元，当该像素单元被选中时，对应的X、A电极施加高电平脉冲，此时晶体管T101导通，A电极上的电压经T102对电容C进行充电，当电容C上的电压达到晶体管T102的阈值电压时，T102导通，电子源的底电极104接地，此时电子在顶电极106和底电极104形成的电场作用下加速并隧穿顶电极106形成电子发射。R为放电电阻，在T101的截止时间，电容C通过电阻R进行放电，RC时间常数和电子源的开启电压决定了电子源的发射时间。

综上所述，本发明提出了两种采用多孔材料作为绝缘层的MIM型或MISM型电子源结构及显示装置。与现有技术相比，本发明电子源的特点是以含阻挡层的多孔氧化物为绝缘层，由于采用多孔结构材料为支撑，因而相对于传统致密型绝缘层结构来说，电子在孔内加速向阳极运动的过程中能量损耗较小，因而发射效率较高，此外亦可通过适当增加膜厚的方法改善器件的寿命。

由于纳米材料具有高长径比，因而在孔内填充纳米材料可以实现局部场增强的效果。该新型电子源的优点是可以在增加绝缘层厚度的情况下降低器件的阈值电压，因而可以在提高器件寿命的同时改善器件的发射特性。

Claims (9)

1.一种基于多孔材料的场致发射型电子源，包括后基板，该后基板上依次设置有底电极、绝缘膜、顶电极的MIM型多层膜结构，其特征在于，所述绝缘膜由阻挡层和多孔层构成，该阻挡层靠近底电极的一侧，其厚度不超过20nm，多孔层靠近顶电极一侧，其厚度至少应大于阻挡层厚度的5倍。

2.如权利要求1所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述阻挡层和多孔层为一体结构，即在靠近底电极一侧，生长有高致密型和绝缘性能的Al₂O₃阻挡层，在该阻挡层之上为垂直于水平面的多孔Al₂O₃结构层。

3.如权利要求2所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述底电极与Al₂O₃阻挡层之间设有Ti膜。

4.如权利要求1所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述阻挡层单独由致密型氧化物或半导体材料制成；所述多孔层由规则、有序的多孔结构介质材料制成。

5.如权利要求4所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述致密型氧化物或半导体材料为Al₂O₃、ZnO、ZnS、Mg_xZn_(1-x)O、MgS、CdS、MgO，BaO中的任一种。

6.如权利要求4所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述规则、有序的多孔结构介质材料为多孔硅、多孔碳化硅、多孔二氧化钛、多孔二氧化硅中的任一种。

7.如权利要求1或2或4所述的基于多孔材料的场致发射型电子源，其特征在于，所述绝缘膜阻挡层上沿多孔层孔内生长有直径小于多孔材料孔径的纳米材料，具有纳米级发射尖端、高的长径比。

8.一种显示器件，其特征在于，将涂覆有荧光粉层和透明电极的前基板覆盖在权利要求1所述的基于多孔材料的场致发射型电子源的后基板上，前基板和后基板之间以支撑条形成一密闭空间，其中为真空或充入惰性气体。

9.如权利要求8所述的显示器件，其特征在于，所述底电极和顶电极各包含多条相互平行的电极；底电极与顶电极以正交或者平行方式排列，每个交叉点或者重叠区域对应一个或者多个电子发射单元。