CN1069825A - 采用可调整的金刚石半导体发射极的场致发射电子器件 - Google Patents

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Abstract

一种具有金刚石半导体电子发射极(102)的场 致发射器件，发射极有一个暴露面(120)，呈现出低的 /负的电子亲和能，该器件通过调整结耗尽区(110) 加以控制。向器件的栅极(104)施加一个合适的工 作电压(106)就能调整结耗尽区宽度，从而控制穿过 电子发射极(102)主体以便在暴露面(120)发射的电 子。

Description

本发明一般涉及场致发射电子器件，特别是采用电子发射极的场致发射电子器件，其发射面呈现出低的/负的电子亲和能。
场致发射器件和场致发射电子发射极为本领域人所共知。一般说来，这些先有技术的部件喜欢采用成形的电子发射极，其中发射顶部/边缘在很小的曲率半径内具有几何不连续性。由于需要在电子发射极区域附近提供非常强的增强电场以便可以吸取电子，所以顶部/边缘的这种特点是不合适的。为了提高发射电子的灵敏度，已经出现了这样一些技术，即采用功函数降低的材料，例如铯，并使该材料形成在电子发射极的表面，或直接进入电子发射极的主体。
对具有很小曲率半径的发射顶部/边缘的需要限制了反复实现电子发射极。在发射极表面或主体内使用特殊材料，由于很难在发射极表面或主体内保持该材料，因此将引起工作不稳定。
先有技术的电子发射极和利用电子发射极的场致发射器件还受到离子对电子发射极的冲击所造成的破坏。在存在很低的残留气压的情况下，发射极还偶尔受到离子的冲击，这将损坏发射顶部/边缘，并使之变得无用。
一些其它先有技术的场致发射电子发射极不用小曲率半径的顶部/边缘。然而，这种结构的特点是极大地限制了发射极的实用性，例如，有效地控制发射电流和发射轨迹。
因此，需要有至少能克服先有技术某些缺点的场致发射器件和场致发射电子发射极。
这种需要以及其它需要基本上是通过一种电可调整的电子发射极来实现的，该电子发射极包括具有一个发射电子的发射面和一个主表面的金刚石半导体电子发射极，以及至少部分地置于金刚石半导体电子发射极的主表面上的导电/半导电材料层。
这种需要以及其它需要带通过一种制造电可调整的电子发射极的方法来实现，该方法包括以下步骤：形成一个具有发射电子的发射面和主表面的金刚石半导体电子发射极，以及形成一层与金刚石半导体电子发射极的主表面接触的导电/半导电材料层，于是在金刚石半导体电子发射极和导电/半导电材料层之间的交界而形成一个电子耗尽区和与之相关的耗尽区宽度。
这种需要以及更进一步的需要是通过一种场致发射器件来实现的，该器件包括一个具有主表面的支撑衬底，置于支撑衬底的主表面上的第一层可按图形选择加工的导电/半导电材料层，具有一个主表面和至少一个发射面的第一经选择成形的金刚石半导体电子发射极，置于第一层可按图形选择加工的导电/半导电材料层上的金刚石成形半导体电子发射极，置于支撑衬底的主表面和金刚石半导体电子发射极的部分主表面上的一层绝缘材料，置于绝缘材料层上并与金刚石半导体电子发射极的主表面有物理接触的第二层导电/半导电材料，于是在相应的交界面形成一个具有耗尽区的结和与之相关的耗尽区宽度，以及相对于金刚石半导体电子发射极的发射面位置较远的用于收集发射电子的阳极。
图1A表示本发明的场致发射器件的一个实施例的侧视图。
图1B是对图1A所说实施例的第二种描述。
图2表示本发明的场致发射器件的另一个实施例的侧视图。
图3B是对图3A所说实施例的第二种描述。
图4表示本发明的场致发射器件的局部透视图。
图5是对类似于图4的场致发射器件进行改进后所得器件的局部透视图。
现在参照图1A，它是本发明的场致发射器件（100）的一个实施例的侧视剖面图。有一个包括主表面的支撑衬底101。具有一个包括主表面的支撑衬底1010。具有一个主表面130和一个用于发射电子的发射面120的经选择成形的金刚石半导体电子发射极102，置于支撑衬底101的主表面上。电子发射极102用实现金刚石发射极的第一种方法经选择成形，先直接在支撑衬底101的主表面上生长一层金刚石，接下来有选择地对某些金刚石层进行蚀刻，以便有选择地形成金刚石半导体电子发射极102。绝缘材料层103淀积在支撑衬底101的主表面的暴露部分，并置于金刚石半导体电子发射极102的主表面130上。导电/半导电材料层104淀积在层103上，并置于金刚石半导体电子发射极102的主表面130的至少一部分上。
在金刚石半导体电子发射极102和它上面的层104之间的交界面形成一个具有耗尽区的结110和与之相关的耗尽区宽度。相对于金刚石半导体电子发射极102的发射面120位置较远的地方有一个阳极108，用于收集用箭头109表示的发射电子。尽管金刚石半导体电子发射极102以及器件100一般是以垂直于支撑衬底101的方式表示的，但应懂得，场致发射器件100也可以用另外的方式形成，一般是如此处所说的使其处于非导电的支撑衬底水平的位置上。
图1A还画出了与导电/半导电材料层104相连的第一外部电压源106。电压源106向层104提供一个可变电压，使得结耗尽区110的宽度相应地变化。调整结耗尽区110宽度的结果是调整了金刚石半导体电子发射极102的发射面120上得到的电子。
第二外部电压源107与阳极108相连，因此阳极108收集发射电子109。电压源107进一步在阳极108和金刚石半导体电子发射极102的发射面120之间的区域提供了一个加速电场。该电场用来去除滞留在金刚石半导体电子发射极102的发射面120上的或附近的电子，并使它们进入阳极108和金刚石半导体电子发射极102的发射面120之间的自由空间区。在没有任何加速电场的情况下，电子用与采用先有技术的电子发射极时相比幅度小得多的电场获得电子发射。此外，没有必要像先有技术的实施例那样，要求小曲率半径的几何连续性。
图2是本发明的场致发射器件200的一个实施例的局部透视图，其中对应于先前在图1A和1B中描述的部分类似地以数字“2”打头的参考号表示。器件200包括多个金刚石半导体电子发射极202，在一个单独的结构中成为一个电子发射极阵列。器件的工作原理基本上与前面描述的类似，其中电子发射基本上通过一个与导电/半导电材料层204相连的可调电压来控制，如同前面参照图1B所描述的那样。发射电子由阳极208收集。
图3A是本发明的采用金刚石半导体电子发射极302的场致发射器件300的另一实施例的侧视剖面图，其中对应于先前在图1A和1B中描述的部分类似地以数字“3”打头的参考号表示。器件300中，金刚石半层体电子发射极302置于第一导电/半导电材料层315上，该材料层315在淀积于支撑衬底301的主表面之后，有选择地按图形加工。另外，支撑衬底301的主表面也可以通过提供一个按图形加工的掩膜层来加以暴露，并且导电/半导材料层315有选择地淀积在支撑衬底301主表面的经选择的暴露部分。这两种技术在本领域中都是被普遍应用的。在本实施例中，第二导电/半导电材料层304对应于前面参照图1A所描述的导电/半导电材料层104，并且具有相同的功能。
将不会穿过阳极108和金刚石半导体电子发射极102之间的区域。
第三外部电压源105与支撑衬底101相连。此外，支撑衬底101也可以和对应于0.0伏的参考地电位相接，以代替电压源105。
图1B表示结构100，其中电子穿过金刚石半导体的主体，到达金刚石半导体电子发射极102的发射面120，并且随后通过加速电场的作用离开发射面120。然而，调整结耗尽区110的宽度可以有效地控制发射面120上得到的电子。通过这样的做法能有效地调整电子发射率。提高与层104相连的电压的幅度导致结耗尽区110宽度的增加。由于结耗尽区110基本上没有导带电子，并且穿过金刚石半导体主体的电子不通过结耗尽区110，所以向层104施加适当幅度的电压就可能中止流向发射面120的电子流，在这种情况下，场致发射器件100有效地处于截止方式，电子发射中断。图1B表示结耗尽区110的宽度向外延伸，实际上横穿金刚石半导体电子发射极102的全部宽度。
本发明的金刚石半导体的一个目的是提供一种场致发射电子器件，它不会像先有技术中的结构那样受到损坏，因为在先有技术中为了引起电子发射，必须在电子发射极产生很强的电场。用作本发明的电子发射极的金刚石半导体材料对应于一种结晶平面呈现出小于1.0电子伏的电子亲和能，而对应于另一种结晶平面则呈现出小于0.0电子伏的电子亲和能。所需的电子亲和能通过对位于所选结晶平面的发射面120的金刚石半导体材料淀积而得到。因此，就可以
图3A还画出了由许多层构成的阳极308，包括一层具有一个表面的基本透光的面板311，一层置于面板311表面的阴极发光材料312，以及置于阴极发光层312的导电层313。用箭头309表示的发射电子穿过金刚石半导体电子发射极302的发射面320和远处配置的阳极308之间的区域，将能量传给阴极发光层312中的激活部分，以便激发用箭头314表示的光子发射，这可以通过基本透光的面板311观察到。
图3B是器件300的侧视剖面图，其功能如前面参照图1B所作的说明。电压源305、306和307的连接及运行状况如前所述。在器件300中，通过向导电/半导电材料层304施加一个合适的外部电压调整结耗尽区310的宽度，来调整从金刚石半导体电子发射极302发射出的电子。调整电子发射的过程调整了从阴极发光层312发射出的光子，从而产生可见显示。
现在参照图4，它是器件400的局部透视图，其中对应于先前在图3A和3B中描述的部分类似地以数字“4”打头的参考号表示。在器件400中，有选择地按图形加工的第一导电/半导电材料层415是作为许多电独立的条纹实现的。类似地，在器件400中，第二导电/半导电材料层404有选择地按图形加工成许多条纹。应该懂得，术语“条纹”此处定义为包含用于特定用途的任何形状，包括区域或面积但不限于此。其中层415和404用电隔离部分隔开。如此形成之后，多个金刚石半导体电子发射极402中的每一个有选择地处于导通/截止方式，并且通过选择施加在每个电独立的条纹上的电压来控制电子发射。这样做之后，阴极发光层412的经选择区域感应发射光子，从而导致形成通过基本透光面板411可以看见的图像。
现在参照图5，它是器件500的局部透视图，其中对应于先前在图4中描述的部分类似地以数字“5”打头的参考号表示。器件500还有一个由许多层构成的阳极508，包括一层具有一个表面的基本透光的面板511，一层置于面板511表面的导电层513，以及一导置于导电层513上的阴极发光材料512。当然应该懂得，在该具体实施例中，导电层513由基本透光的材料构成，因此通过面板511和导电层513可以看见阴极发光层512发射的光子。
于是，本发明公开了改进的电子发射极，包括用作电子发射极的金刚石半导体材料，这种材料对应于一种结晶平面呈现出小于1.0电子伏的电子亲和能，而对应于另一种结晶平面则呈现出小于0.0电子伏的电子亲和能。因此，就可以用与采用先有技术的电子发射极对相比幅度小得多的电场获得电子发射。因为减小了电子亲和能，所以电子发射极就不受几何形状的限制，例如小曲率半径的顶部/边缘，这样的顶部/边缘会受到离子冲击的损害。此外，在存在很低的残留气压的情况下，发射极不再受到离子的冲击，这种冲击将损坏发射顶部/边缘，并使之变得无用。

Claims (10)

1、一种包括电可调电子发射极的场致发射电子器件，其特征在于：
具有用于发射电子的发射面(120)和主表面(130)的金刚石半导体电子发射极9102)；以及
至少部分置于金刚石半导体电子发射极(102)的主表面(130)并与之形成结耗尽区(110)的导电/半导电材料层(104)。
2、权利要求1所说的场致发射电子器件，其特征还在于金刚石半导体电子发射极（102）置于支撑衬底（101）上。
3、权利要求1所说的场致发射电子器件，其特征还在于至少一部分发射面（120）呈现小于1电子伏的电子亲和能。
4、权利要求1所说的场致发射电子器件，其特征还在于至少一部分发射面（12）呈现小于0电子伏的电子亲和能。
5、权利要求1所说的场致发射电子器件，其特征还在于导电/半导电材料层（404）有选择地作为许多电独立的条纹形成。
6、权利要求1所说的场致发射电子器件，其特征还在于有一个相对于金刚石半导体电子发射极（102）的发射面位置较远的用于收集发射电子的阳极（108）。
7、权利要求6所说的场致发射器件，其特征还在于阳极（308）包括：
具有一个表面的基本透光的面板（311），
置于面板（311）表面的阴极发光材料层（312），以及
置于阴极发光材料层（312）上的导电层（313）。
8、权利要求6所说的场致发射器件，其特征还在于阳极（508）包括：
具有一个表面的基本透光的面板（511），
置于透光面板（511）表面的导电层（513），以及
置于导电层（513）上的阴极发光材料层（512）。
9、一种制造包括电可调电子发射极的场致发射电子器件的方法，其特征在于以下步骤：
形成一个具有发射电子的发射面（120）和主表面（130）的金刚石半导体电子发射极（102）;以及
形成一层与金刚石半导体电子发射极（102）的主表面（130）接触的导电/半导电材料层（104），于是在金刚石半导体电子发射极（102）和导电/半导电材料层（104）之间的交界面形成一个电子耗尽区（110）和与之相关的耗尽区宽度。
10、权利要求9所说的方法的特征还在于以下步骤：
将一个电压源（106）与导电材料层（104）相连，这样，调整电压源（106）的过程调整了耗尽区的宽度，从而有效地控制了穿过金刚石半导体材料主体到达发射面（120）的电子。
CN 92105455 1991-08-20 1992-07-06 采用可调整的金刚石半导体发射极的场致发射电子器件 Pending CN1069825A (zh)

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