第七章 場致發(fā)射顯示FED

1、第七章第七章 場致發(fā)射顯示場致發(fā)射顯示FED一、概述一、概述 致發(fā)射顯示（致發(fā)射顯示（Field Emission Display, FED）是真空微）是真空微場電子在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用場電子在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用 兼有真空電子器件和固體器件的優(yōu)點(diǎn)：兼有真空電子器件和固體器件的優(yōu)點(diǎn)： （1）采用薄膜工藝制成場致發(fā)射陣列，可在室溫下工作）采用薄膜工藝制成場致發(fā)射陣列，可在室溫下工作 （2）可利用硅集成工藝制造場致發(fā)射陣列，其電流密度）可利用硅集成工藝制造場致發(fā)射陣列，其電流密度是氧化物熱陰極發(fā)射電流密度的是氧化物熱陰極發(fā)射電流密度的1001000倍倍 （3）抗輻射能力強(qiáng)，可以工作與極低溫的宇宙空間）抗輻射

2、能力強(qiáng)，可以工作與極低溫的宇宙空間 （4）場致發(fā)射陣列可工作與）場致發(fā)射陣列可工作與500以下的高溫以下的高溫 （5）工作頻率可高達(dá)）工作頻率可高達(dá)1000GHz，且可工作與低真空，且可工作與低真空 總之，總之，F(xiàn)ED非常適合于軍用非常適合于軍用各類電視機(jī)功耗的比較各類電視機(jī)功耗的比較 FED基本結(jié)構(gòu)和原理基本結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由陽極基板和陰極基板構(gòu)成，陽極基板為紅綠藍(lán)三色熒光粉粉條由陽極基板和陰極基板構(gòu)成，陽極基板為紅綠藍(lán)三色熒光粉粉條為了保證色純度，之間用黑矩陣隔開，為了保證色純度，之間用黑矩陣隔開，陰極基板由可以行列尋址的發(fā)射陣列和柵極組成。陰極基板由可以行列尋址的發(fā)射陣列和柵極組成

3、。兩基板之間有支撐以抵抗大氣壓力，基板之間用低熔點(diǎn)玻璃封接兩基板之間有支撐以抵抗大氣壓力，基板之間用低熔點(diǎn)玻璃封接原理：原理：在柵極和陰極之間有一個(gè)電壓差形成電場，使得微尖釋在柵極和陰極之間有一個(gè)電壓差形成電場，使得微尖釋出電子，再經(jīng)過陽極和陰極之間的高壓電場加速電子使之轟擊出電子，再經(jīng)過陽極和陰極之間的高壓電場加速電子使之轟擊熒光粉而發(fā)光熒光粉而發(fā)光。FED的三個(gè)基本工藝的三個(gè)基本工藝 FED中使用的場致發(fā)射陣列從工作原理上可分為：中使用的場致發(fā)射陣列從工作原理上可分為：金屬場致發(fā)射、半導(dǎo)體場致發(fā)射、熱助內(nèi)場致發(fā)射金屬場致發(fā)射、半導(dǎo)體場致發(fā)射、熱助內(nèi)場致發(fā)射 1金屬表面的場致發(fā)射方程金屬表面

4、的場致發(fā)射方程 金屬表面的場致發(fā)射方程在以下假說條件下得出：金屬表面的場致發(fā)射方程在以下假說條件下得出： A、金屬內(nèi)自由電子的能量分布服從費(fèi)米分布、金屬內(nèi)自由電子的能量分布服從費(fèi)米分布 B、金屬板表面是理想平面，忽略其原子尺寸的不規(guī)、金屬板表面是理想平面，忽略其原子尺寸的不規(guī)則性則性 C、表面勢壘由電鏡像力產(chǎn)生、表面勢壘由電鏡像力產(chǎn)生 D、金屬表面逸出功分布均勻、金屬表面逸出功分布均勻 T=0K時(shí)金屬場致發(fā)射定量方程為：時(shí)金屬場致發(fā)射定量方程為：其中其中J（0）為場致發(fā)射電流密度，）為場致發(fā)射電流密度，為發(fā)射表面電為發(fā)射表面電場強(qiáng)度，場強(qiáng)度，mm為金屬的逸出功，為金屬的逸出功，t t（y y）

5、和）和（y y）為為NordheimNordheim橢圓函數(shù)，大多數(shù)情況下可取橢圓函數(shù)，大多數(shù)情況下可取t t2 2（y y）=1=11 1， （y）0.95-y2F-N公式公式 對(duì)對(duì)F-N公式作如下代換公式作如下代換其中其中I為發(fā)射電流，為發(fā)射電流，a為發(fā)射面積，為發(fā)射面積，U為加速電壓，為加速電壓，為電場轉(zhuǎn)為電場轉(zhuǎn)化因子，與發(fā)射形體和極間距離有關(guān)，代入電流密度公式得：化因子，與發(fā)射形體和極間距離有關(guān)，代入電流密度公式得：其中有：其中有： 對(duì)數(shù)處理，可得：對(duì)數(shù)處理，可得：可見，可見，ln（I/U2）=ln（a-b/U）之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。）之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。常用這個(gè)關(guān)系檢測是否是場致發(fā)射，很有

6、效常用這個(gè)關(guān)系檢測是否是場致發(fā)射，很有效2、溫度對(duì)場致發(fā)射的影響、溫度對(duì)場致發(fā)射的影響 當(dāng)陰極工作溫度小于當(dāng)陰極工作溫度小于1000K時(shí)，陰極工作溫度對(duì)場致發(fā)射電時(shí)，陰極工作溫度對(duì)場致發(fā)射電流影響不大，流影響不大，其中其中溫度對(duì)場致發(fā)射電流的影響可近似表示為：溫度對(duì)場致發(fā)射電流的影響可近似表示為： 可見當(dāng)溫度從室溫增加到可見當(dāng)溫度從室溫增加到1000K，場致發(fā)射電流只增，場致發(fā)射電流只增加了加了30% 當(dāng)外加電場越大，溫度的影響越小當(dāng)外加電場越大，溫度的影響越小l 發(fā)射電流與功函數(shù)、電場強(qiáng)度密切相關(guān)，所以要獲得大的發(fā)射電流與功函數(shù)、電場強(qiáng)度密切相關(guān)，所以要獲得大的場致發(fā)射電流，可以采取降低發(fā)射

7、材料逸出功和增加發(fā)射場致發(fā)射電流，可以采取降低發(fā)射材料逸出功和增加發(fā)射體表面電場的方法。體表面電場的方法。l 低逸出功材料化學(xué)性質(zhì)活潑，不耐微尖在發(fā)射電流時(shí)引起低逸出功材料化學(xué)性質(zhì)活潑，不耐微尖在發(fā)射電流時(shí)引起的高溫，所以的高溫，所以實(shí)際實(shí)用的發(fā)射材料都是耐熔材料實(shí)際實(shí)用的發(fā)射材料都是耐熔材料，如，如W、Mo、Ta、Zr、Nb等。等。l 要獲得有實(shí)用意義的場致發(fā)射電流，對(duì)于要獲得有實(shí)用意義的場致發(fā)射電流，對(duì)于Mo這類材料，這類材料，表面電場應(yīng)達(dá)到表面電場應(yīng)達(dá)到107V/cml 只有借助尖端效應(yīng)才能獲得如此高的表面電場只有借助尖端效應(yīng)才能獲得如此高的表面電場 制成具有一定發(fā)射面積和具有可實(shí)用發(fā)射

8、電流密度制成具有一定發(fā)射面積和具有可實(shí)用發(fā)射電流密度的場致發(fā)射陰極的場致發(fā)射陰極必須解決兩個(gè)工藝問題必須解決兩個(gè)工藝問題： （1）需要一個(gè)均勻分布，且密度足夠高的微尖陣列）需要一個(gè)均勻分布，且密度足夠高的微尖陣列 （2）要有近距低壓引出場致發(fā)射電流的電極）要有近距低壓引出場致發(fā)射電流的電極 微尖型場致發(fā)射陣列有兩種：微尖型場致發(fā)射陣列有兩種：Mo微尖和硅微尖和硅Si微尖微尖鉬微尖的制造工藝鉬微尖的制造工藝Spindt于斯坦福研究院發(fā)明的于斯坦福研究院發(fā)明的Mo微尖場致發(fā)射陣列結(jié)構(gòu)單元：微尖場致發(fā)射陣列結(jié)構(gòu)單元：柵極：約為柵極：約為4um的的Mo層，微孔直徑：層，微孔直徑：1um，絕緣層為，絕緣

9、層為11.5um厚的厚的SiO2，發(fā)射微尖是圓錐形金屬，發(fā)射微尖是圓錐形金屬M(fèi)o，電阻層：多晶硅；底電，電阻層：多晶硅；底電極是重?fù)诫s硅。極是重?fù)诫s硅。鉬微尖與柵極距離小于鉬微尖與柵極距離小于1um，在底電極和柵極之間加幾十伏電，在底電極和柵極之間加幾十伏電壓時(shí)，壓時(shí)，在微尖表面能形成在微尖表面能形成107V/cm量級(jí)的電場，足以產(chǎn)生顯著的量級(jí)的電場，足以產(chǎn)生顯著的場致發(fā)射場致發(fā)射 制作流程如下：制作流程如下： （1）在玻璃板上先后蒸上）在玻璃板上先后蒸上100nmMo層和層和200um非晶硅電阻層，非晶硅電阻層，并光刻形成電極并光刻形成電極 （2）沉積）沉積1umSiO2絕緣層和絕緣層和10

10、0umMo柵極，并光刻成列電極柵極，并光刻成列電極 （3）涂光刻膠，并形成柵孔，干刻除去柵孔上的）涂光刻膠，并形成柵孔，干刻除去柵孔上的Mo層層 （4）進(jìn)一步干刻除去柵孔下的）進(jìn)一步干刻除去柵孔下的SiO2層，直到電阻層為止，除層，直到電阻層為止，除去表面光刻膠去表面光刻膠 （5）在垂直方向用電子束蒸發(fā)鉬，同時(shí)在與水平表面成）在垂直方向用電子束蒸發(fā)鉬，同時(shí)在與水平表面成15度的度的方向上蒸鋁方向上蒸鋁 （6）蒸發(fā)的鉬附著在柵孔邊緣，使柵孔不斷縮小，使透過柵孔）蒸發(fā)的鉬附著在柵孔邊緣，使柵孔不斷縮小，使透過柵孔的的Mo蒸氣形成的鉬柱逐漸變細(xì)，直至柵孔被封死，鉬微尖電極蒸氣形成的鉬柱逐漸變細(xì)，直至

11、柵孔被封死，鉬微尖電極在底電極上形成在底電極上形成 （7）將鋁犧牲層連同其上的）將鋁犧牲層連同其上的Mo層用層用NaOH溶液除去，形成一溶液除去，形成一個(gè)能行、列選址的個(gè)能行、列選址的Mo微尖陣列微尖陣列FED技術(shù)難點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn) 支撐技術(shù)支撐技術(shù) 電子束發(fā)射技術(shù)（發(fā)射體表面幾何形電子束發(fā)射技術(shù)（發(fā)射體表面幾何形狀，束流密度一致性，束流軌道等）狀，束流密度一致性，束流軌道等） 真空密封技術(shù)真空密封技術(shù) 電子流收集體：三基色熒光粉電子流收集體：三基色熒光粉支撐間隔材料支撐間隔材料 FED工作于真空條件下，顯示屏又是平面型，為了抵抗大工作于真空條件下，顯示屏又是平面型，為了抵抗大氣壓力，氣壓力，F(xiàn)ED

12、上下基板之間上下基板之間必須采用支撐結(jié)構(gòu)必須采用支撐結(jié)構(gòu) FED支撐結(jié)構(gòu)要求：支撐結(jié)構(gòu)要求： （1）支撐單元的支撐面積必須足夠小，在顯示圖像時(shí)不影）支撐單元的支撐面積必須足夠小，在顯示圖像時(shí)不影響圖像質(zhì)量響圖像質(zhì)量 （2）支撐單元的體電阻和表面電阻必須很大，使得陽極與）支撐單元的體電阻和表面電阻必須很大，使得陽極與陰極之間由于支撐單元造成的漏電流可以忽略不計(jì)陰極之間由于支撐單元造成的漏電流可以忽略不計(jì) （3）為了防止電荷積累，支撐單元要具有合適的電阻率，）為了防止電荷積累，支撐單元要具有合適的電阻率，把電荷導(dǎo)走把電荷導(dǎo)走 （4）具有足夠大的支撐強(qiáng)度）具有足夠大的支撐強(qiáng)度真空度的維持真空度的維持

13、 對(duì)于對(duì)于EFD微尖，無論是剩余氣體電離后形成正離微尖，無論是剩余氣體電離后形成正離子轟擊，微尖還是從器壁或熒光粉析出的氣體吸子轟擊，微尖還是從器壁或熒光粉析出的氣體吸附在微尖上都繪影響微尖的場致發(fā)射效果。附在微尖上都繪影響微尖的場致發(fā)射效果。 根據(jù)真空電子器件制造工藝，要使得器件能長期根據(jù)真空電子器件制造工藝，要使得器件能長期保持密封，必須做到以下幾點(diǎn)：保持密封，必須做到以下幾點(diǎn)： （1）排氣過程中器件內(nèi)部各部件去氣徹底）排氣過程中器件內(nèi)部各部件去氣徹底 （2）封離前器件內(nèi)真空度高）封離前器件內(nèi)真空度高 （3）用消氣劑以維持封離后期間內(nèi)高真空）用消氣劑以維持封離后期間內(nèi)高真空 FED體積與表面積之比很大，意味著器件表面積只要有一體積與表面積之比很大，意味著器件表面積只要有一點(diǎn)出氣，真空度就會(huì)變得很差。點(diǎn)出氣，真空度就會(huì)變得很差。 FED器件封接的漏氣率小于器件封接的漏氣率小于110-11Torr/s，排氣臺(tái)，排氣臺(tái)應(yīng)該能抽到應(yīng)該能抽到110-8Torr數(shù)量級(jí)真空度，這樣將高數(shù)量級(jí)真空度，這樣將高牢固度室溫消氣劑安裝在牢固度室溫消氣劑安裝在10mm內(nèi)徑的排氣管內(nèi)，內(nèi)徑的排氣管內(nèi)，基本上可以保證器件存放壽命在基本上可以保證器件存放壽命在2000天以上天以上 FED中，由于結(jié)構(gòu)限制，只能使用鋯、鈦類型非中，由于結(jié)構(gòu)限制，只能使用鋯、鈦類型非蒸散型消氣劑。蒸散型消氣劑。