[发明专利]电子发射阴极及其制造方法以及其应用

说明书

本发明涉及一种电子发射阴极；电子发射装置，平板显示器，及包括该电子发射阴极的热电型冷却装置；及制造该电子发射阴极的方法。

近年来，使用半导体小型化技术来集成小型电子发射装备并旨在实现高性能装置，如超高速装置的研究已经蓬勃地开展。这个研究领域被称为“真空微电子学”。真空微电子学尤其将其注意力一直聚集在平板显示器(或场发射显示器；以下为“FEDS”)的应用上，因为用于FED的电子发射装置的使用被考虑会导致产生比传统阴极射线管显示器更薄且更轻的显示装置。

在包括电子发射装置的FED中，电子发射装置布置成两维的排列并使得它们与其上涂有荧光物质的一个阳极相对置。利用在每个阴极与该阳极之间施加电压，使电子吸现进入真空，在那里电子将和荧光物质碰撞，致使其受激励并发射出光。

以下将描述传统的电子发射装置。通常，当从一固体电极中拉出电子时，其电流在密度J根据福勒尔-诺德海姆(Fowler-Nordheim)公式(式1)来求得：J＝(A·F²/φ)·exp(-B·φ^3/2/F)

                               式1

在上式中，A和B代表正常数；F代表电场；及φ代表阴极的逸出功。假定当拉出电子时所施加的电压为V，电场F则根据式2来求得：

F＝βV                         式2

在上式中，β是由阴极的几何形状决定的常数。

根据式1及式2，当保持施加电压V恒定时，通过增大β和/或减小φ可以使电流密度J增大。但是，在使用半导体作阴极的情况下，可用减小电子亲和力x(它是真空能级和半导体电带之间的能量差)取代逸出功φ来增加电流密度J。为了增大β，必须对阴极处理使其具有尖锐的点。尤其是，例如常使用蚀刻n型硅衬底并使其形成具有尖锐点突起的电子发射部分的方法。

图18是表示具有作为电子发射部分的尖锐点突起的传统电子发射装置的概要横截面图。如图18所示，电子发射装置500包括具有电子发射部分502的硅衬底504及形成在该硅衬底504上的栅极508，在它们之间夹有一绝缘膜506并使其围绕着电子发射部分502。具有尖顶锥状的电子发射部分502是由蚀刻硅衬底504获得的。在硅衬底504上设置了一个电极510。

利用将电子发射装置500放置在真空中并使其与一阳极对置，及相对于硅衬底504的电位对栅极508施加几十伏至几百伏的正电压，由于其尖顶，电场将集中在电子发射部分502上。然后，由真空度形成的势垒对于电子发射部分502中的电子来说被降低了，并且该势垒变薄了，因此由于隧道效应使电子从电子发射部分502的表面被吸出进入到真空中。被吸出的电子受到放置在硅衬底504对面的阳极的捕获，在阳极上相对栅极508的电位施加了几百至几千伏的正电压。

在仅有硅衬底504及电子发射部分502组成的电子发射阴极，没有任何栅极包括在内的情况下，电子将直接地被拉出并被对置的阳极捕获，这时在阳极及硅衬底504之间施加了几百至几千伏的电压。

作为用来使电能转换成热能的传统热电式装置，已公知了如图19所示的热电式冷却装置520。该热电式冷却装置520具有其中通过金属板526及528使n型半导体层522和p型半导体层524彼此交替串联连接的结构。利用在端子530及532之间施加电压，可使金属板526或金属板528被冷却，而另一金属板528或526则被加热。

但是，上述传统的电子发射装置具有以下的问题。

首先，对电子发射部分的尖顶必须以毫微米级的精度进行加工，因此需要高复杂的半导体处理技术。因而，用低成本来制包括这种电子发射装置的FEDS是有困难的。再者，电子发射装置的该尖顶形状易趋于改变，由此会产生由FED的非均匀显示。此外，电子发射装置的该尖顶易于被真空中的离子粒子撞击而产生溅蚀，由此会在较短的时间周期中形成该尖顶的损伤。其结果是，不能期望实现具有长寿命的FED。

在使用上述电子发射装置构成FED的情况下，必须实现约10^-8乇(torr)的真空度。使用这种真空度的FEDS的商用生产是不现实的。

此外，用作衬底的硅衬底限制了FED的显示器尺寸。这将导致实现大型显示的FED的困难问题。

在传统的热电式冷却装置中，被冷却的金属板及被加热的金属板彼此通过n型半导体层522及p型半导体层524相连接。热量将通过这些半导体层522及524从被冷却的板传递到被加热的板上，这就形成了大的热泄漏。这便产生了非常低的冷却/加热效率。