电子发射阴极及其制造方法以及其应用技术

一种电子发射阴极包括：一个ｎ型半导体膜，该膜包含部分地从该ｎ型半导体膜表面上突出的金刚石颗粒；及一个与ｎ型半导体膜对置的阳极，并在它们之间具有真空。利用在阳极与ｎ型半导体膜之间施加电压使电子发射。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1995年10月5日递交的，题目为“电子发射阴极及其制造方法及其应用”的专利申请号为95118252．8的中国专利申请的分案申请。本专利技术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·φ3／2／F)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。附图说明图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项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。本专利技术的目的在于提供一种电子发射阴极及一种电子发射装置，它们可相对地免于时效的损坏，允许构成大面积的装置，并甚至在低真空度时也能高效地发射电子并且成本低及是有优异的批量生产率。并且，提供包括该电子发射电极的一种高亮度、长寿命及大型显示的平板显示器。本专利技术的另一目的在于提供一种包括该电子发射电极的一种重量轻、效率高及功率大的热电式冷却装置。根据本专利技术的一方面，电子发射阴极包括一个n型半导体膜，其包含从该n型半导体膜表面上部分地突出的金刚石(diamond)颗粒；及一个阳极，它被放置在n型半导体膜的对面，并在这两者间设有真空，其中利用在阳极与n型半导体膜之间施加一电压使电子发射。在本专利技术的一个实施例中，该金刚石颗粒是由p型半导体构成的。根据本专利技术的另一方面，电子发射阴极包括一个碳膜，其包含从该碳膜表面上部分突出的金刚石颗粒；其中利用在一阳极与碳膜之间施加一电压使电子发射。在本专利技术的一个实施例中，该碳膜是n型半导体或赝n型半导体。在本专利技术的一个实施例中，该碳膜包含作为n型杂质的氮，及部分的碳膜包含具有金刚石结构的颗粒。根据本专利技术的又一方面，电子发射阴极包括一个导电膜；形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜；形成在第一半导体膜上的第二导电型的一个岛状第二半体导膜；其中利用在一阳极及第二半导体膜之间施加一电压使电子发射。在本专利技术的一个实施例中，第一半导体膜被作成岛状形状。根据本专利技术的另一方面，电子发射阴极包括一个导电膜；形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜；形成在第一半导体膜上的并具有多个设在其中的孔的第二导电型的一个第二半导体膜，该多个孔至少曝露出第一半导体膜的一个表面；其中利用在一阳极及第二半导体膜之间施加一电压使电子发射。在本专利技术的一个实施例中，在第一半导体膜上也设有多个孔，由此曝露出导电膜的一个表面。在本专利技术的一个实施例中，第一半导体膜及第二半导体膜中的一个包含掺硼的金刚石。在本专利技术的一个实施例中，第一半导体膜及第二半导体膜中的一个是由含氮的薄碳膜构成的，该薄碳膜是利用由吡啶(pyridine)、哒嗪(pyridazine)、嘧啶(pyrimidine)、及1，3，5-三嗪(triazine)组成的族中选择出的一个的制成的。根据本专利技术的又一方面，电子发射装置包括一个由-n型半导体膜组成的阴极，该膜包含部分地从该n型半导体膜的表面突出的金刚石颗粒；及一个与该n型半导体膜对置的阳极并在这两者之间设有真空，其中利用在阳极及阴极之间施加一电压使电子从阴极发射出来。根据本专利技术的另一方面，电子发射装置包括；一个由碳膜组成的阴极，该碳膜包含部分地从该碳膜表面突出的金刚石颗粒；及一个与该碳膜对置的阳极并在这两者之间设有真空，其中利用在阳极及阴极之间施加一电压使电子从阴极发射出来。根据本专利技术的又一方面，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
电子发射阴极，包括：一个导电膜；形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜；形成在第一半导体膜上的第二导电型的一个岛状第二半导体膜，及与导电膜对置的一个阳极并在这两者之间设有真空，其中利用在阳极及第二半导体膜之间施加 一电压使电子发射。

【技术特征摘要】
JP 1995-3-15 056016/95;JP 1995-3-20 060755/95;JP 11．电子发射阴极，包括一个导电膜；形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜；形成在第一半导体膜上的第二导电型的一个岛状第二半导体膜，及与导电膜对置的一个阳极并在这两者之间设有真空，其中利用在阳极及第二半导体膜之间施加一电压使电子发射。2．根据权利要求1的电子发射阴极，其中第一半导体膜被作成岛状形状。3．电子发射阴极，包括一个导电膜；形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜；形成在第一半导体膜上的并具有多个设在其中的孔的第二导电型的一个第二半导体膜，该多个孔至少曝露出第一个半导体膜的一个表面；及与导电膜对置的一个阳极并在这两者之间设有真空；其中利用在阳极及第二半导体膜之间施加一电压使电子发射。4．根据权利要求3的电子发射阴极，其中在第一半导体膜上也设有多个孔，由此曝露出导电膜的一个表面。5．根据权利要求1的电子发射阴极，其中第一半导体膜及第二半导体膜中的一个包含掺硼的金刚石。6．根据权利要求3的电子发射阴极，其中第一半导体膜及第二半导体膜中的一个包含掺硼的金刚石。7．根据权利要求1的电子发射阴极，其中第一半导体膜及第二半导体膜中的一个是由含氮的薄碳膜构成的，该薄碳膜是利用从由吡啶(pyridine)、哒嗪(pyridazine)、嘧啶(pyrimidine)及1，3，5-三嗪(triazine)组成的族中选择出的一个制成的。8．根据权利要求3的电子发射阴极，其中第一半导体膜及第二半导体膜中的一个是由含氮的薄碳膜构成的，该薄碳膜是利用从吡啶、哒嗪、嘧啶及1，3，5-三嗪组成的族中选择出的一个制成的。9．电子发射装置，包括一个阴极，它包括一个导电膜，形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜，及形成在第一半导体膜上的第二导电型的一个岛状第二半导体膜；及与第一半导体膜对置的一个阳极并在这两者之间设有真空；其中利用在阳极及阴极之间施加一电压使电子从阴极发射出来。10．电子发射装置，包括一个阴极，它包括一个导电膜，形成在该导电膜上的第一导电型的一个第一半导体膜，及形成在第一半导体膜上的并具有多个设在其中的孔的第二导电型的一个第二半导体膜，该多个孔至少曝露出第一半导体膜的一个表面；及与第一半导体膜对置的一个阳极并在这两者之间设有真空，其中利用在阳极及阴极之间施加一电压使电子从阴极发射出来。11．根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：田中博由，小寺宏一，内田正雄，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]