[发明专利]场致发射装置

说明书

本发明涉及场致发射装置，尤其涉及制造可寻址场致电子发射阴极阵列的方法。本发明的较佳实施例是提供制备多电极控制和聚焦结构的低成本制造方法。

对于本领域专业人员而言很显然，实际场致发射装置(尤其是显示器)的关键是允许用低电压控制发射电流的安排。该领域的主要技术涉及基于尖头的发射体，即，利用原子锐度的微尖头作为场致发射源的结构。

相当多的现有技术涉及基于尖头的发射体。该技术中工作人员的主要目的一直是将带孔径的电极(栅极)放在距离每个单个发射尖头不足1微米处，以致于利用100V或更小的外加电压能够获得所需的高电场，这些发射体称为选通阵列。在美国加利福尼亚斯坦福研究院工作的C A Spindt描述了第一次实际实现的这一阵列(J.Appl.Phys.39，7，pp.3504-3508(1968))。Spindt的阵列采用钼发射尖头，这可以通过将金属真空蒸发到Si基板上SiO₂层中的圆柱凹陷中利用自掩膜技术产生。科技和专利文献描述了对基本Spindt技术的许多改进和变化。

另一种重要的方法是利用硅微工程技术产生选通阵列。目前正在制造采用这种技术的场致电子发射显示器，世界各国许多机构对此感兴趣，此外，已经描述许多改进技术。

所有基于尖头的发射系统的一个主要问题是它们被离子轰击损伤、在强电流下的欧姆加热以及由装置中电击穿产生的灾难性损伤等弱点。制造大面积器件是既困难又费成本的。此外，为了获得低的控制电压，由尖头及其相关栅极孔径组成的基本发射元件必须接近于1微米或更小(直径)。产生这种结构需要半导体型制造技术及其高成本的相关结构。此外，当需要大面积时，必须采用昂贵且缓慢步进和重复设备。

大约在1985年发现，从氢-甲烷气氛中可以将金刚石薄膜生长在加热基板上，以提供大面积的场致发射体。

1998年，S Bajic和R V Latham(Journal of Physics D Applied Physics，vol 21 200-204(1998))描述一种产生高密度的金属-绝缘体-金属-绝缘体-真空(MIMIV)发射部位的低成本复合材料。这种复合材料具有分散在环氧树脂中的导电颗粒。采用标准自旋涂层技术在表面上施加涂层。

后来(1995)，Tuck、Taylor和Latham(GB 2304989)通过用无机绝缘体替代环氧树脂改善了上述的MIMIV发射体，无机绝缘体既改善稳定性又使它们能够在密封真空装置中工作。

这种大面积发射体的最好的例子能够在小于10V/μm电场下产生有用电流。在本说明书的上下文中，大面积场致发射体是利用其组分、微结构、功函数或其它特性在宏观电场下发射有用电流的任何材料，这可以在平面或接近平面的表面上合理地产生，即不采用原子锐度的微尖头作为发射部位。

电子光学分析表明，控制大面积发射体所需的特征尺寸的量级约大于基于尖头系统的量级。Zhu等人(美国专利5,283,501)描述了基于金刚石发射体的这种结构。Moyer(美国专利5,473,281)提出一种电子光学的改进主张，其中导电层位于大面积发射体上方，既防止发射到栅极绝缘体中又防止电子通过栅极孔径聚焦。这些结构的概念并不新颖，与几十年前在热离子器件中已经使用的安排在电光学上是等效的。例如，Winsor(美国专利3,500,110)描述一种在阴极电位下的阴影栅格，防止无用电子在相对于阴极的正电位下拦截栅格组。再后来，Miram(美国专利4,096,406)对此作了改进，产生一种键合栅格结构，其中阴极栅格和控制栅格被固体绝缘体分开并被置于与阴极相接触。Moyer的安排简单地采用等效的大面积场致发射体代替Miram的结构中的热离子阴极。然而，这种结构是有用的，主要问题是以低成本和在大面积上构造它们的方法。在这方面，本发明的较佳实施例对这一技术作出贡献。

本发明的较佳实施例目的是提供采用大面积发射体的经济有效的场致发射结构和装置。装置中可以采用的发射体结构包括：场致电子发射显示面板、大功率脉冲装置(如电子MASER和回旋管)、十字场微波管(如CFA)、线性波束管(如速调管)、闪光x射线管、触发点火火花间隙及相关装置、消毒用的大面积x射线源、真空计、空间飞船用的离子起飞加速器、粒子加速器、灯、臭氧发生器、以及等离子体反应器。

根据本发明的一个方面，提供一种制造场致电子发射阴极的方法，该方法包括以下步骤：

a.通过低分辨率装置在绝缘基板上淀积第一导电层、场致发射层和第二导电层，以形成至少一个阴极电极；