專利名稱：具有柱形結構的陰極發光屏及其制備方法
技術領域：
本發明涉及電子材料和微電子器件領域，包括真空微電子器件，特別是基于場發射效應的器件，例如場發射顯示器、真空熒光顯示器、陰極發光燈等。
已有發光屏通常制作成晶態膜的形式，晶態膜是通過例如汽相淀積制備到例如玻璃的光滑襯底上的。
對于淀積，使用了真空材料汽化技術、升華技術、化學輸運技術、陰極濺射技術等。
在所有的技術中，晶態發光材料(磷光體)的結核現象以不可控的方式、各向同性或各向異性地出現在光滑的無結構襯底上。在這種情況下，磷光體通常是一團微小的(微米和／或亞微米)晶粒，通常是等軸的，近似為一個疊一個的球形(

圖1)。在這種系統中，晶粒中產生的光線(即剖面標出的)反復在周圍磷光體顆粒構成的曲徑中散射。這種現象降低了屏幕的分辨率。
另一個問題涉及如下事實，即在由晶粒構成的薄膜屏幕中，磷光體沒有填充所有的空間。這降低了屏幕的有效性，降低了屏幕的導熱性和導電性。
另外，這種屏幕與襯底具有很差的粘附性(adgesion)，這是因為近球形晶粒與襯底只有點接觸。
在專利[1]中，單晶(板形或外延層)材料用作磷光體。這改善了屏幕特性的可再造性，提高了效率(光能與激發光線所耗能量之比)。然而，在這種情況下，發射光沿磷光體板(或外延層)傳播；這降低了屏幕的分辨率和效率。
另一項專利[2]假定通過旋轉拋入孔中的方法由稀釋溶液或懸浮液進行磷光體的局域化淀積，孔的側壁經過金屬化，以便防止光線進入發光屏的鄰近區域。然而，在這種情況下，圖像的對比度只提高了50％；換句話說，沒有消除光線沿發光屏的散射。
如果發光屏由柱形晶體制作，那么就可以消除這些缺點，柱形晶體呈長條形，其長度方向基本垂直于屏幕平面。這種想法在專利[3]所述的設計中實現了。在這種情況下，由柱形晶體磷光體發出的光線沿晶體的長度方向傳播，晶體起光波導的作用。然而，通過熔晶制備這種屏幕的方法并不適用于許多十分重要的情況，例如在場發射顯示器中使用的薄(0．1-1微米厚)且平的發光屏。
在專利[4]中，提出了一種具有柱形晶體的顯示器，其中在鄰近柱形晶體的位置嵌入了不發光黑體材料。這種插入能提高直接鄰接插入物的柱形材料的圖象對比度，而其它不鄰近(不接觸)嵌入位置的柱形不能提高其對比度；另外，專利[4]沒有給出制備這種屏幕的方法。
在本發明中，提出了一種更加優化的屏幕設計。另外，提出了制備這種屏幕的技術。
提出了具有柱形結構的屏幕，其中每個柱形由與柱形同軸的間隙環繞，間隙中填充了導電、不發光媒質。柱形的外端覆以發光熒光層，其層厚至少比柱形的高度小于一個數量級。發光層可相對于柱形外延形成。
在本發明中還提出制備發光屏的方法。該方法包括汽相淀積發光材料，其中首先在襯底上淀積過渡物，該過渡物的材料不同于發光材料并在晶化溫度下呈液相。過渡物的厚度大于10納米、小于1微米。液相是在過渡物與襯底的接觸作用中形成的。
過渡物由多種化學元素構成。至少一種化學元素用作發光激活劑或共激活劑。激活劑或共激活劑是通過離子注入引入發光材料中的。
結構和／或化學元素中的不均勻性的微突起出現在襯底上，不均勻性具有規則特性，特別是晶圖對稱特性。
發光材料覆以可以透過電子的薄材料層。具體地講，金剛石或類金剛石材料可以用作透明材料。
圖1是由近等軸晶粒薄膜制作的標準陰極發光屏的簡圖。
圖2是由近乎垂直于襯底的柱形構成的薄膜制作的陰極發光屏的簡圖。
圖3是在圖2所示薄膜中的光束的傳播簡圖。
圖4是由柱形構成的連續薄膜的解理剖面圖的SEM顯微圖。
圖5是具有受電子轟擊的柱形結構的陰極發光屏的簡圖。柱形的陰影狀上部示出電子進入的程度和光激發位置。
圖6是陰極發光屏簡圖。屏幕的上端部覆以光發射發光層。
圖7是由在其間具有間隙的柱形制作的陰極發光屏的簡圖。
圖8是由在其間具有間隙的柱形制作的薄膜的SEM顯微圖(頂視圖)。可以看到屏幕的拼接結構。
圖9是圖7和8所示的陰極發光屏的簡圖。間隙中填充了導電不發光媒質。
圖2和3示出了在現有技術中提出的具有柱形結構的陰極發光屏。
圖4至9示出了在此提出的具有柱形結構的陰極發光屏。
如圖4所示，柱形的典型高度是大約5微米。典型的柱形高-直徑比處于1∶1和100∶1之間。
如經常在場發射顯示器中采用的，來自平板陰極的加速電子束照射到屏幕上，并進入表面層(圖5)。在典型的場發射顯示器加速電壓下(例如1至3kV)，進入深度大約為100納米(如圖5中的陰影層所示)。因此，提出了將屏幕制作成覆以光發射發光層的柱形結構(如圖6所示)。
柱形由與其同軸的間隙(“溝槽”)環繞。圖7示出了柱形結構的長度方向剖面簡圖。圖8示出屏幕的掃描電子顯微圖(頂視圖)。如圖所示，柱形由間隙(“溝槽”)環繞。間隙中填充了導電不發光媒質，該媒質相對于發射光的光吸收系數大于20％。圖9示出填充屏幕的簡圖。填充要確保屏幕的導電性，這樣，當發光屏工作于陰極發光模式時不會發生充電現象。
這些屏幕具有一些優點，特別是低電壓場發射顯示器。
1．由其設計產生的高光功率輸出和高能量輸出。由于柱形壁的全內反射，產生光波導效應光優先沿著柱形傳播，不會超出柱形，也不會進入相鄰柱形。
2．光在沿著柱形傳播的過程中散射很低。這決定了該設計具有高分辨率。它等于單位長度上的光發射元件的數目。
3．與透明襯底的高粘附性(adgesion)，柱形由其端部固定，即光發射元件與襯底的接觸面積很大。這對于二極管型場發射顯示器是非常重要的，其中較大的電場梯度可以使屏幕顆粒與襯底剝離。
具有柱形結構的陰極發光屏的優點是在此提出的制備技術實現的。該技術基于化學或物理汽相淀積，在淀積過程中最重要的是伴隨著液相。圖4示出了該技術的有效性，其中示出了發光材料硫化鎘的柱形結構。
下面給出設計陰極發光屏的主要思想光線在每個柱形元件中的傳播方向同軸(平行)于激發出光線的主電子束的方向，(見圖3)，因此，在眾知(標準)的由近等軸顆粒疊加而成的屏幕中，由陰極發光激發出的光線不僅可以平行于電子束傳播，而且可以垂直于電子束傳播，或相對于電子束以任意方向傳播(見圖1)。
如柱形屏幕設計所實現的和在具體電子裝置中所使用的，發現了一些不顯著的優點。
(a)不同晶粒(在這里是柱形)的發光亮度更加均勻。在標準陰極發光屏中，由于發光晶粒的尺寸不同，各個晶粒的亮度顯著不同(在25-30微米的距離內差異高達50％)；這妨礙了高質量圖像的傳送和定像。
(b)與標準陰極發光屏相比，柱形磷光體的電功率和熱功率的耗散能力顯著提高(5至10倍)。
(c)實際上消除了在意外切斷電子束掃描時產生的柱形屏幕的“燒壞現象”。在標準陰極發光屏中，不可逆地燒壞屏幕所需的功率通常為0．1W／單元(這里單元是指圖像單元，即像素)，而對柱形屏幕的初步測試表明該參數提高到1W／單元(這里單元是柱形)。
(d)提高了在強光源(太陽，電燈等)照射下背景圖像的對比度。標準陰極發光屏的對比度值為k=bimage／b＜5，其中b是背景亮度，bimage是像素亮度。對基于所提出的柱形磷光體的屏幕所進行的測試表明k＞10至20。
既使采用0．1-0．5μm厚的金屬(例如鋁)涂層，該涂層通常制作在標準陰極發光屏的表面上，也不能完全消除標準屏幕所積累的大量電荷。這將產生大量的影響電子器件穩定工作的放電現象。柱形由與其同軸的間隙環繞(見圖7至9)。襯底區域的剩余部分和屏幕的所有其它體積中均填充了導電不發光媒質，該媒質相對于發射光的光吸收系數大于20％。
注意，柱形屏幕的上述優點均是在實驗屏幕尺寸(10×10mm)和商品屏幕尺寸(25×25或72×75mm)中獲得的。換句話說，所述結構的優異參數與尺寸無關。
已經相對于屏幕的特性廣泛地研究了光發射單元的剖面尺寸的變化。在光發射單元的剖面尺寸大約為1μm，間距大約為2μm時，制備了包含多于2．5．107cm-2個光發射單元的光發射結構。分辨率參數優于所有的已知屏幕。還發現，在總柱形數目為2．5．105cm-2時，間距為20μm的柱形結構可以有用作電子束器件的屏幕和轉換器的屏幕的重要應用。
利用導電不發光媒質填充環繞柱形的間隙的過程包括將柱形結構浸入適當的氧化物和／或硫化物液體中。另一種方法包括將柱形結構浸透在低熔點化合物中。這樣，不僅可以使用氧化物，例如B2O3(熔點450℃)，V2O5(熔點670℃)，CdO(826℃)，PbO2(290℃)，Bi2O3(817℃)，還可以使用硫化物SnS(882℃)，Sb2S3(550℃)。另外，還測試了金屬易熔物，例如Cd-Bi-Pb-Sn(熔點65℃)和Pb-Sn。上述的所有成份均吸收在光譜范圍420至760納米的光線，因此，在拼接柱形結構中，有可能顯著地提高對比度值，這是由于對柱形側發射光和透過透明襯底的逸出光線的吸收增加了。
已經研究了導電媒質對由拼接柱形結構制成的屏幕的發光特性的影響。在利用易熔金屬物Cd-Bi-Pb-Sn填充柱形之間間隙的情況下，填充物的電阻率在光吸收值＞105cm-1時為1至20Ω．cm。在由柱形覆蓋的襯底面積與填充媒質的面積之比為5∶1時，由屏幕前表面產生的光反射系數為20％，而對于沒有填充導電媒質的類似柱形結構，將反射45至60％的入射光。
沒有研究柱形高度與光吸收物的高度之間的關系。在某些初步實驗中，該關系是2∶1。即使所提供的值是這樣，溢出電流密度仍達到1至10A／cm2。
拼接屏幕的柱形單元可以具有由對能量＞5keV的電子束透明的金屬(Al或Ag)鏡制成的額外涂層。
權利要求
1．一種制作在透光襯底上的陰極發光拼接屏，該屏包括光發射元件、光波導元件、介質層和導電吸光元件，其中光發射元件由導光的柱形單晶實現，其中每個柱形的直徑與高度比在1∶1到1∶100范圍內，柱形的一個平端固定在襯底的內表面上，被柱形覆蓋的襯底面積與襯底總面積的比值在10∶1到1∶10范圍內，而襯底的其余部分和整個結構的其余部分由導電不發光媒質填充，所述媒質的光吸收系數相對于所發射的光大于20％。
2．根據權利要求1的屏幕，其中柱形的表面涂以鏡面反射金屬層。
3．根據權利要求1的屏幕，其中柱形的外端部涂以光發射發光層，其厚度至少比柱形的高度小一個數量級。
4．根據權利要求3的屏幕，其中發光層是相對于柱形進行外延的。
5．一種通過汽相淀積發光材料制備由襯底上的單晶柱形構成的發光屏的方法，其中首先將在結晶溫度下形成液態物的過渡物而不是發光材料淀積在襯底上，然后在這種襯底上淀積發光材料。
6．根據權利要求5的方法，其中過渡物的厚度大于10納米，且小于1微米。
7．根據權利要求5的方法，其中液態物在過渡物與襯底的相互接觸中形成。
8．根據權利要求5或6的方法，其中過渡物由多種化學元素構成。
9．根據權利要求8的方法，其中至少一種化學元素用作發光激活劑或共激活劑。
10．根據權利要求5的方法，其中結構和／或化學成份中的不均勻的微突起出現在襯底上。
11．根據權利要求10的方法，其中所述不均勻是規則特性。
12．根據權利要求11的方法，其中所述不均勻具有晶圖對稱特性。
13．根據權利要求5或9的方法，其中所述激活劑或共激活劑是通過離子注入的方式引入到發光材料中的。
14．根據權利要求13的方法，其中所述發光材料涂以由對于電子透明的材料構成的薄層。
15．根據權利要求14的方法，其中金剛石或類金剛石材料用作所述透明材料。
全文摘要
制作在透光襯底上的陰極發光拼接屏,其中屏幕的發光元件是光波導單晶柱形。制備屏幕的方法,通過將發光材料汽相淀積到覆以局域化液態物的襯底上。
文檔編號H01J29/18GK1280704SQ98810580
公開日2001年1月17日 申請日期1998年10月26日 優先權日1997年10月27日
發明者葉夫根尼·因維維奇·吉瓦吉佐夫, L·A·扎多羅茲納亞, A·N·斯特帕諾瓦, N·P·索斯興, N·N·楚邦, M·E·吉瓦吉佐夫 申請人:結晶及技術有限公司