技術領域

本發明涉及在使用電子束的器件(包括平板顯示器件、傳感器、高頻振蕩器、超高速器件、電子顯微鏡和電子束曝光器件)中所使用的場發射器件(FED)及其制造方法的領域。尤其是，本發明涉及具有通過集成場效應晶體管(FET)來穩定發射電流的發射極的FED；具有高電流密度、均勻性和令人滿意的功率效率的FED；及其制造方法。

背景技術

常規的場發射器件(FED)最為人所知的基本結構具有如C.A.Spindt等人在應用物理期刊1976年第47卷的5238頁中所揭示的錐形Spindt結構。然而，具有此Spindt結構的FED的問題在于穩定的發射電流。尤其是，如H6-14263號日本專利審查公開中所提出的，不穩定的發射電流在應用于平板顯示器件時將引發一個較大的問題，這是因為不穩定的電流直接影響了顯示的畫面質量。

H7-118259號日本專利審查公開揭示了一種FED，它使用電阻的負反饋效應，通過把一高阻電阻器與一發射電子的發射極串聯而具有穩定發射。然而，使用10和10M歐姆之間的高阻電阻器與發射極串聯降低FED的響應，并消耗了較大的功率。為了解決這一問題，除了插入高阻電阻器以外，例如集成1000個以上的發射極而形成對應于一FED的發射極陣列，從而通過對許多發射極的輸出求平均來抵銷發射極的不穩定。然而，發射極數目的增加增大了復雜性，也增加了FED的制造成本。

為了解決這些問題，H9-259744號日本專利公開中揭示了通過直接把諸如晶體管等有源元件焊接到FED的發射極來控制電流在發射極中的流動的方案。這使得可在低功耗下穩定電流。此外，它不必形成大量的發射極。然而，此已有技術使用單晶硅作為襯底，使得不能制造大尺寸的平板顯示元件，而且也增加了成本。

近來，為了應用于平板顯示器件的目的，H9-129123號日本專利公開；H.Gamo等人在應用物理通信1998年第73卷的1301頁；Y.H.Song等人在SID98文摘1998年的189頁中都揭示了在平板顯示器件中用玻璃襯底替代單晶硅，以允許較大的尺寸并減少成本。在此結構中，在玻璃襯底上使用無定形硅和多晶硅形成場效應晶體管(FET)及其薄膜晶體管(TFT)。

圖10(a)和10(b)示出常規的FED的結構，包括發射極陣列7和TFT23。圖10(a)示出相應于一個象素的整個FED的透視圖。圖10(b)是發射極陣列7中的一個發射極和TFT的放大剖面圖。

如圖10(a)，在對應于由一個TFT23所控制的每個象素的FED的發射極陣列7中形成1000個以上的發射極10。由通過陰極連到發射極陣列7一隅的一TFT23來控制從發射極陣列7發射的電流。

如圖10(b)所示，FED包括通過漏極19相連的以上TFT23和發射極單元。TFT23包括位于玻璃襯底上的鉻源極9、n+無定形硅接觸層和溝道i無定形硅層20、二氧化硅柵絕緣層3以及鉻柵極4。發射極單元包括以上TFT23、鉻漏極金屬19、無定形硅發射極10、二氧化硅絕緣層24以及鈮集電極(extractionelectrode)11。

圖11示出制造常規FED的方法。如圖11(a)所示，依次層疊每一種材料。然后，用光致抗蝕劑21覆蓋將變為TFT7的部分。然后，通過蝕刻到暴露下漏極19來除去TFT以外的區域(圖11(b))。接著，再形成用于形成發射極的無定形硅層20(圖11(c))。然后，產生發射極的形狀(圖11(d))，在其頂部形成絕緣層24和集電極11，產生發射極孔以暴露發射極的尖端(圖11(e))。

在本說明書中，以下把發射冷電子的諸如錐形的部分叫做發射極，把此發射極與一晶體管相連而制成的整個器件叫做FED。

常規的FED具有以下缺點。

在玻璃襯底上形成厚度為200nm或更小的薄無定形或多晶硅時，不可能獲得具有高電子遷移率和優良結晶度的硅層。如果在此硅層上形成一TFT或FET的溝道層，則不能獲得具有均勻和優良特性的TFT或FET。

此外，使用準分子激光器對玻璃襯底上的無定形硅進行退火以使其結晶。這使得工藝變得復雜。激光器退火還不利于大規模生產，增加了制造成本。

此外，已有技術需要形成薄的無定形硅層、絕緣層和金屬層來形成一TFT或FET。發射極上的這些層被蝕刻，再形成用于形成發射極的較厚無定形硅層，從而增加了工藝的復雜度。在再次形成無定形硅層而產生發射極前，其形成表面暴露于空氣。這沾污了生長表面，而且可能使無定形硅層的結晶度退化。