[发明专利]场发射器件

说明书

本申请基于1999年9月30日提出的在先日本专利申请No．11-280666，并要求其优先权，此处将其整个内容列为参考。

本发明涉及到场发射器件，更确切地说是涉及到具有阴极、阳极和栅极组成的三电极结构的场发射器件。

已经提出了各种各样的场发射型冷阴极。其中，称为Spindt型发射极的尖端发射极和表面传导发射极是有代表性的类型。近年，还已经提出采用具有稳定的低功函数的碳纳米管的方法。

图1示出了尖端发射极的剖面图。此发射极具有制作在阴极120上的尖端发射极170的尖锐前端，前端的曲率半径为几纳米到几十纳米。尖端发射极基于集中在前端的强电场而发射冷电子。换言之，电场形成在发射极170的前端与制作在阴极120上的第一绝缘层130上的栅电极140之间，并从尖端发射极170的前端发射电子。因此，为了在低电压下发射电子，将栅电极140与发射极170之间的距离设定得尽可能小是理想的。发射的电子被拖向排列在尖端发射极170上方的阳极(未示出)的方向。但是，各个电子在发射时沿水平方向具有初始速度，因此，电子束沿横向扩展。

为了防止电子束的这一扩展，如图1所示，控制电极160被排列在栅电极140上方。此时，栅电极140的孔径与控制电极160的孔径必需设定成具有适当的比率。为了安装控制电极160，必需在栅电极140上安装绝缘层150，然后在绝缘层150上安装控制电极160。为了完成这一安装过程，必需高精度对准。因此，有不仅增加安装工艺，而且使制造过程所需的设施变得昂贵的缺点。

同时，在表面传导发射极的情况下，电子发射极被提供在延伸于制作在衬底上的成对电极(发射极电极和栅电极)上方的导电薄膜上。当电场被施加到电子发射极二端上的电极时，电子沿水平方向被从发射极电极拖出，且力被施加到提供在衬底上的栅电极。于是，电子沿水平方向发射。加速电极被提供在电子发射极上方，发射的部分电子飞向加速电极。但这一效率低，且电子从衬底沿抛物线方向而不是沿垂直方向发射。因此，撞击加速电极的电子从电子发射极的法线偏离。由于这一现象，当场发射极被用于图象显示单元时，电子束就扩展。结果，发生电子束向相邻象素的泄漏，亦即得不到高效率的光发射。

图2透视图示出了日本专利申请KOKAI公报No．8-250018公开的表面传导发射极的一个例子。这一表面传导发射极借助于使发射的电子束变窄而解决了电子束向相邻象素的泄漏。为了解决上述现象，提供了电极122a和122b，以致在由成对电极123a和123b之间施加电压的方向以及被加速电极(电极123a和123b上方，未示出)作用于被发射的电子上的电场施加方向确定的表面上，沿与成对电极123a和123b之间施加电压的方向正交的方向形成一个大致U形的等电位表面。

然而，根据表面传导发射极，为了形成大致U形的等电位表面，必需将电子发射极设置在器件电极的中央，还必需严格调整器件的制作和布线电极的高度。

为了解决上述制造方法的困难，在日本专利申请KOKAI公报No．8-293244中提出了一种四电极型场发射极。图3示出了四电极型场发射极。所公开的四电极结构由阴极131、控制电极134、栅电极133和阳极136组成。根据此方法，不使用尖端发射极和表面传导发射极，而使用低功函数材料作为电子发射层135。电子束的形状被其上制作了电子发射层135的衬底(阴极)131、已经围绕电子发射层制作在电子发射层135上的电子束形成电极(控制电极)134、和已经制作在电子束形成电极134上的绝缘层132上的栅电极133变窄。

然而，根据此发射极，由于必需以相似于图1所示的发射极的方式制作控制电极，故工艺也不可避免地变得复杂。

而且，日本专利申请KOKAI公报No．9-82215已经公开了一种在电子发射表面中具有大量精细尺寸的场发射尖端的发射极。还提出了一种栅和发射极之间的距离对孔径(短径)的比率设定为1-2或更大，致使大量场发射尖端能够具有几乎同等的发射电子的机会的结构。基于这一结构，能够几乎均匀地驱动由纳米尺寸的金属丝制成的发射极。但这一公开的一个目的是几乎均匀地驱动由纳米尺寸的金属丝制成的发射极。这一公开不是为了限制电子发射轨道的扩展。于是，此公开描述了希望具有控制电极而不特别限制电极结构。