[发明专利]场发射器及其制造方法和使用其的场发射显示设备

说明书

本发明涉及具有碳纳米管薄膜的场发射器及其制造方法以及使用该场发射器的场发射显示设备，更具体地，涉及具有碳纳米管薄膜作为电子发射元件的场发射器、其制作方法和使用该场发射器的场显示设备。

目前作为下一代平板显示设备研究的场发射显示设备是基于在真空管内发射电子，并且由从强电场中的微米尺寸的尖端发射出的、加速并与荧光材料碰撞的电子发光。该场发射显示设备轻而且薄，并且具有高亮度和高清晰度。

传统的用于场发射显示设备的电子发射器使用的是金属或硅材料制成的尖端，这不仅结构复杂而且象素之间的电流密度不均匀。为了解决以上的不足，可用一金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)作为每个单元象素的有源电路，在S.Kanemaru等的论文“由内置的MOSFET驱动的硅场发射器的有源矩阵”，IDW′97，pp735-738，1997进行了描述。并且，薄膜晶体管能够用来作为每个单元象素的有源电路从而解决上述不足，描述在H.Gamo等的论文“用于有源矩阵FED应用的具有玻璃上的内置薄膜晶体管的可控场发射器阵列”，IDW′98，pp667-670，1998中。然而，由于要在已有的场发射显示设备的制造工艺上再增加一些工艺，上面的文章所讲的结构就显得更加复杂了。

本发明的一个目的在于提供一种场发射器，该发射器使用碳纳米管薄膜，即便是在低电压下仍具有高电流密度。

本发明的另一个目的是提供一种通过简单的工艺制造具有碳纳米管薄膜的场发射器的方法。

本发明还有一个目的是提供一种场发射显示设备，该显示设备具有使用碳纳米管薄膜、即便是在低电压下仍具有高电流密度的场发射器。

为了实现第一个目的，本发明提供了带有碳纳米管薄膜的场发射器，其中包括：一绝缘基片；一在绝缘基片上形成的薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；一在薄膜晶体管的漏极上、由碳纳米管薄膜形成的电子发射单元。

薄膜晶体管的半导体层为多晶硅层或非晶型硅层。薄膜晶体管可以是共面型、交错型或逆交错型晶体管。

接触碳纳米管薄膜的一部分漏极的表面上有催化金属，它是过渡金属，如镍或钴，能使碳纳米管生成。或者，漏极本身可由用于生长碳纳米管的催化金属形成。

为了实现第二个目的，本发明提供了具有碳纳米管薄膜的场发射器的制造方法。该方法包括：在绝缘基片上形成一具有半导体层、源极、漏极和栅极的薄膜晶体管；在形成薄膜晶体管的绝缘基片的整个表面上形成保护绝缘膜；腐蚀部分保护绝缘膜以便露出部分漏极；在露出的漏极上形成碳纳米管薄膜。当薄膜晶体管是共面型晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成一半导体层；在半导体层上形成相隔预定距离的源极图案和漏极图案；在源极图案和漏极图案之间形成一由栅绝缘薄膜和栅极所组成的栅极图案。当薄膜晶体管是交错型晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成相隔预定距离的源极图案和漏极图案；形成一半导体层图案，该图案当填充源极图案和漏极图案之间的空间时向侧面延伸一预定长度；在源极图案和漏极图案之间的半导体层图案上形成一由栅绝缘薄膜和栅极组成的栅极图案。当薄膜晶体管是逆交错晶体管时，形成薄膜晶体管的步骤包括以下几个子步骤：在绝缘基片上形成一由栅极和栅绝缘薄膜组成的栅极图案；形成一覆盖栅极图案的半导体层图案；在半导体层图案上形成间隔预定距离的源极图案和漏极图案。

在露出的漏极部分上形成碳纳米管薄膜的步骤可通过用已经长成的碳纳米管薄膜涂抹在漏极露出部分的表面或直接在漏极露出部分的表面上生长碳纳米管薄膜来实现。这时，该方法还包括在接触碳纳米管薄膜的漏极部分表面上形成一用于生长碳纳米管的催化金属层。形成催化金属层的步骤可在形成薄膜晶体管的步骤中实现或在腐蚀部分保护绝缘薄膜的步骤之后实现。

为了实现第三个目的，本发明提供一种场发射显示设备，该设备中单元象素排列在一矩阵中，每个单元象素由多个栅极线路和多个数据线路(线路十字交错)而定义，其中每个单元象素包括：在一绝缘基片上形成的一薄膜晶体管，该薄膜晶体管有一半导体层、一源极、一漏极和一栅极；在薄膜晶体管的漏极上的由碳纳米管薄膜形成的一电子发射单元；形成在绝缘基片对面的上部电极；在上部电极的下表面上形成的与电子发射单元相对的荧光材料。

在本发明中，碳纳米管薄膜用来作为场发射器中的电子发射单元。因此，即便在低电压下仍有强电流密度的场发射器可用简单的制造方法来实现。每个象素都有一致的电流密度的场发射显示设备因其由一薄膜晶体管来驱动从而可以实现。