信息顯示技術(shù)：第八章 場(chǎng)致電子發(fā)射顯示

1、信息顯示技術(shù)第八章 場(chǎng)致電子發(fā)射顯示場(chǎng)致電子發(fā)射（FED）顯示器場(chǎng)致發(fā)射顯示（Field Emission Display, FED）是利用電場(chǎng)發(fā)射型的冷電子源的自發(fā)光型平板顯示器。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(chǎng)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(chǎng)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1001000倍（3）抗輻射能力強(qiáng)，可以工作與極低溫的宇宙空間（4）場(chǎng)致發(fā)射陣列可工作與500以下的高溫（5）工作頻率可高達(dá)1000GHz，且可工作與低真空?qǐng)鲋码娮影l(fā)射（FED）概述場(chǎng)致電子發(fā)射發(fā)光器件J M Bonard et al三菱SamsungMo

2、torola高清顯示器超大屏幕顯示液晶背光源投影光源日常照明ISEISE均勻性有待提高工作電壓高功耗低亮度高一、場(chǎng)致發(fā)射顯示器基本介紹 場(chǎng)致發(fā)射顯示器是利用電場(chǎng)發(fā)射型的冷電子源的自發(fā)光平板顯示器。1、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀1928年Fowler和Nordheim提出了金屬場(chǎng)致發(fā)射理論，推到了F-N公式，奠定了場(chǎng)發(fā)射的理論基礎(chǔ)。1968年，Spindt發(fā)表了Spindt陰極結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了低電壓場(chǎng)發(fā)射陰極的研究領(lǐng)域。1990年，第一臺(tái)FED電視樣機(jī)研制成功。1994年后，Pixtech和Futaba公司開(kāi)始將FED推進(jìn)到商業(yè)化階段。2、場(chǎng)致發(fā)射顯示原理FED是利用電場(chǎng)將電子由陰極吸引出來(lái)，故稱(chēng)為冷陰極電子。

3、 發(fā)光原理相同 冷陰極陣列替代電子槍 節(jié)省龐大的電子槍空間 需要30萬(wàn)個(gè)真空微電子源 矩陣尋址替代電子束掃描 節(jié)省龐大的電子束偏轉(zhuǎn)空間三個(gè)電子源，真空電子大面積冷陰極是制作FED的核心關(guān)鍵技術(shù)場(chǎng)致電子發(fā)射顯示（FED）3、發(fā)射理論（1）表面勢(shì)壘與電子發(fā)射 場(chǎng)發(fā)射就是在導(dǎo)體或半導(dǎo)體表面施加強(qiáng)電場(chǎng)，使導(dǎo)帶中的電子發(fā)射到真空中。 內(nèi)場(chǎng)發(fā)射：首先依靠隧道效應(yīng)將電子發(fā)射到介質(zhì)中，電子被介質(zhì)中的電場(chǎng)加速，獲得足夠的能量，克服表面勢(shì)壘發(fā)射到真空中，這是金屬-絕緣體-技術(shù)（MIM)和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)兩種結(jié)構(gòu)陰極的物理基礎(chǔ)。電子發(fā)射：（1）熱電子發(fā)射：費(fèi)米分布于溫度的關(guān)系很大，高溫下許多材料都能得

4、到可觀的電子發(fā)射；（2）光電發(fā)射：光照使得材料內(nèi)部部分電子獲得超過(guò)表面勢(shì)壘的能量，產(chǎn)生有效電子發(fā)射；（3）二次電子發(fā)射：外部電子轟擊使得材料內(nèi)部部分電子獲得超過(guò)表面勢(shì)壘的能量，產(chǎn)生有效電子發(fā)射；（4）場(chǎng)發(fā)射：不增加發(fā)射體內(nèi)部的能量，而是用外加電場(chǎng)降低表面勢(shì)壘，也能得到電子發(fā)射。（2）金屬表面的場(chǎng)發(fā)射方程二、微尖陣列場(chǎng)發(fā)射陰極1、金屬微尖陣列場(chǎng)發(fā)射陰極從F-N公式可知，要得到較大的場(chǎng)發(fā)射，只有兩個(gè)手段：降低發(fā)射體的功函數(shù)。低功函數(shù)材料易氧化，難以使用。增加其表面電場(chǎng)。利用尖端效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高表面電場(chǎng)。尖端效應(yīng)導(dǎo)體表面電荷面密度與導(dǎo)體表面曲率有關(guān)，對(duì)于孤立導(dǎo)體，曲率半徑 r 小處 大，r 大處 小；證明

5、：設(shè)有兩個(gè)半徑不同的導(dǎo)體球 ，半徑分別為 a 和 b ，用一根長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)將兩者相連，小球相當(dāng)于導(dǎo)體的尖端，大球相當(dāng)于曲率半徑大的一端，兩球所帶的電荷面密度分別為 a 、b 則Q=4a2 a+4b2 b = Qa+ QbQbabQa兩球的電勢(shì)（兩者可看成孤立導(dǎo)體） Ua= k4a2 a /a= k4b2 b /b=Ub即aa= b b 即曲率半徑 r 小處 大，r 大處 ??；導(dǎo)體表面附近的 E 與 的關(guān)系E= /0在導(dǎo)體的尖端處 r很小， 很大，E很大。因此，強(qiáng)大的 E 使導(dǎo)體尖端附近的空氣電離成導(dǎo)體而出現(xiàn)放電的現(xiàn)象。當(dāng)帶電云層接近地表面時(shí)，由于靜電感應(yīng)使物體帶上異號(hào)電荷，這些電荷比較集中在突出物體

6、，累積到一定的時(shí)候便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的火花放電。為避免雷擊，可在建筑物上安裝尖端導(dǎo)體，用粗銅線(xiàn)接到潮濕泥土或埋到地下金屬板，以保持避雷針與大地有良好接觸。當(dāng)帶電云層接近時(shí)，放電就通過(guò)避雷針和銅通地導(dǎo)體不斷進(jìn)行，以免損壞建筑物。將場(chǎng)發(fā)射陰極用在電子器件中，必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題： （1）需要分布密度足夠的均勻微尖陣列，而不僅僅是單個(gè)微尖，以得到一定面積上的均勻發(fā)射； （2）需要近距離地引出電極，稱(chēng)為柵極或門(mén)極。1968年美國(guó)的spindt等用微加工技術(shù)制備了柵控金屬鉬微尖FEA。2、硅襯底微尖陣列場(chǎng)發(fā)射陰極3、六硼化鑭場(chǎng)發(fā)射陣列陰極 六硼化鑭是一種特殊結(jié)構(gòu)的晶體，具有金屬的良好導(dǎo)電性及逸出功低等優(yōu)點(diǎn)。

7、在1400-1680時(shí)，可以獲得0-100A/cm2的直流發(fā)射電流，具有很好的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。 不僅在熱電子源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也特別合適場(chǎng)致發(fā)射冷陰極使用。三、微尖發(fā)射體的性能1、微尖發(fā)射的特點(diǎn) 與熱陰極發(fā)射相比，場(chǎng)發(fā)射在空間上的均勻性和時(shí)間上的穩(wěn)定性方面都相對(duì)較差。 場(chǎng)發(fā)射電流不僅與陽(yáng)極或柵極電壓有關(guān)，而且與發(fā)射體參數(shù)有關(guān)，后者的影響更大。 實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論對(duì)一個(gè)微尖或?qū)σ粋€(gè)發(fā)射陣列，場(chǎng)發(fā)射都是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值。當(dāng)微尖的數(shù)量很大時(shí)，總的發(fā)射電流起伏就變得比較小了。 影響場(chǎng)發(fā)射電流的因素很多，主要有發(fā)射體的形狀、材料的功函數(shù)、真空度和表面污染情況等。2、發(fā)射體幾何參數(shù)的影響 在同樣的陰柵

8、極間距和柵極電壓下，發(fā)射體表面電場(chǎng)由其幾何形狀決定。3、發(fā)射材料參數(shù)的影響 從F-N公式可以看出，功函數(shù)對(duì)發(fā)射電流影響很大，采用低功函數(shù)的發(fā)射表面是增大電流密度和減小引出電壓的有效手段。 常用的發(fā)射體材料主要采用難熔的過(guò)渡金屬元素，特別是Mo，不足之處是功函數(shù)較高?？梢栽诎l(fā)射微尖上沉積一層低功函數(shù)薄膜來(lái)降低功函數(shù)，促進(jìn)場(chǎng)致電子發(fā)射。四、FED中的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性的問(wèn)題1、電阻限流原理 與熱陰極發(fā)射相比，發(fā)射電流的起伏是場(chǎng)發(fā)射陰極中存在的最大問(wèn)題。發(fā)射過(guò)程中受表面形態(tài)變化、離子轟擊、氣體吸附等多種因素影響，造成發(fā)射電流起伏不定。 如果沒(méi)有自動(dòng)反饋控制，場(chǎng)發(fā)射陰極很難正常工作。這種反饋不能依靠外

9、部電路，只能靠其內(nèi)部的自動(dòng)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)。 一般采用增加串聯(lián)電阻的方式。 作用： （1）當(dāng)個(gè)別發(fā)射體發(fā)射電流過(guò)大時(shí)，由于電阻分壓作用使電流受限，從而均衡了各發(fā)射體的發(fā)射能力，起限流作用； （2）當(dāng)個(gè)別微尖與柵極發(fā)射短路時(shí)，電阻承受了電壓降，其他微尖仍能正常工作。3、FEA限流電阻層結(jié)構(gòu) 反饋電阻一般采用濺射或氣相沉積的多晶硅薄膜，電阻率要進(jìn)行比較準(zhǔn)確的控制，以滿(mǎn)足各種要求。五、FED中的其他關(guān)鍵技術(shù)1、支撐技術(shù) FED需要真空工作環(huán)境，對(duì)角尺寸3英寸以上的FED器件，大氣壓的作用足以使顯示器面板上產(chǎn)生極大的應(yīng)力而破裂。對(duì)于小尺寸器件，大氣壓造成的板極變形對(duì)顯示質(zhì)量也有一定的影響。 支撐結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)

10、足：（1）機(jī)械強(qiáng)度高；（2）支撐面積足夠??；（3）必須考慮支撐單元表面的二次電子發(fā)射；（4）需要有一定的電阻率，以釋放積累的電荷。（1）支撐結(jié)構(gòu)的必要性支撐結(jié)構(gòu)：（1）柱狀支撐；（2）球狀支撐；（3）墻狀支撐。厚度為50200m的薄片，一般由玻璃和陶瓷材料制成。（2）玻板受力分析 定量分析大氣壓造成的板極變形和產(chǎn)生應(yīng)力的情況，預(yù)先確定和優(yōu)化支撐墻排列方案，對(duì)于提高大面積FED器件可靠性和降低其制造成本是十分重要的。采用普通鈉鈣玻璃制作FED的陰陽(yáng)板極。在保證玻璃板不損壞的前提下，應(yīng)最大限度的減少支撐墻的數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。另外，減少由于支撐墻過(guò)多而對(duì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。（3）支撐墻體受力分析

11、典型的支撐墻寬度為0.10.2mm、高度約為13mm。在實(shí)際器件中，支撐墻的支撐面通常需要承受相當(dāng)于一百個(gè)大氣壓以上的壓力，因此對(duì)支撐墻的機(jī)械強(qiáng)度提出了很高的要求。 在支撐墻安裝過(guò)程中，難免造成個(gè)別支撐墻安放不垂直的現(xiàn)象。由于這微小的傾角，可能造成支撐墻內(nèi)部應(yīng)力的增大。2、真空技術(shù) 場(chǎng)發(fā)射陣列（FEA）發(fā)射性能在器件工作初期發(fā)射電流下降很快，然后逐步趨于穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，器件真空度越高，下降速度越慢，下降幅度越小。 發(fā)射下降的原因： （1）FEA發(fā)射性能的降低機(jī)制 發(fā)射體表面氣體吸附 表面氧化 離子濺射 離子注入 FED需要消氣劑來(lái)維持內(nèi)部的真空度。 （2）FED中消氣劑的使用消氣劑種類(lèi)： 蒸散

12、型 非蒸散型器件存放壽命：L為消氣劑的特征吸氣量；A為消氣劑的有效吸氣面積；Q為FED器件的漏率 FED是靠電子轟擊熒光粉發(fā)光，熒光粉的種類(lèi)將影響FED的性能和采用器件結(jié)構(gòu)。 （3）熒光粉熒光粉的種類(lèi)： a）低壓熒光粉。低壓下工作的FED必然需要大電流，熒光粉的飽和于庫(kù)倫壽命問(wèn)題將會(huì)非常突出。導(dǎo)致流明效率低、壽命短、容易飽和、色還原性差和污染發(fā)射體等問(wèn)題。 b）高壓熒光粉。具有較高效率和理想色坐標(biāo)的3kV以上的中高壓熒光粉可以容易得到。可實(shí)現(xiàn)較高效率、理想的色還原和長(zhǎng)壽命。六、場(chǎng)致發(fā)射顯示技術(shù)的種類(lèi)FED有兩個(gè)研究方向：微尖型冷陰極和薄膜平面型FED1、Spindt型微尖FED優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：1、

13、大面積Spindt尖錐陣列制作難度很大；2、精確度為微米量級(jí)的集成工藝，成本高；3、熒光屏和發(fā)射體陣列需要高真空封裝工藝；4、為保持穩(wěn)定性，需要良好的排氣工藝；5、發(fā)光材料選擇困難。2、金剛石薄膜場(chǎng)致發(fā)射技術(shù) 金剛石及類(lèi)金剛石薄膜具有負(fù)電子親和勢(shì)，將導(dǎo)致冷陰極發(fā)射起始電場(chǎng)大幅度下降，與金屬冷陰極相比，起始發(fā)射電場(chǎng)約下降3個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著冷陰極電子發(fā)射不必再在高電壓下進(jìn)行。 同時(shí)，采用金剛石薄膜作為發(fā)射體，還具有發(fā)射效率高、導(dǎo)熱率高、表面穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：技術(shù)不成熟，發(fā)射機(jī)理仍不完善3、碳納米管場(chǎng)發(fā)射顯示技術(shù)(CNT) CNT是1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種碳結(jié)構(gòu)。理想的碳納米管是由碳原子形成的

14、石墨烯片層卷成的無(wú)縫、中空的管體。 CNT通常直徑小于100nm，其尖端有很小的曲率半徑。同時(shí)CNT具有很高的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種非常理想的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料。碳納米管，半徑：30-45 nm 碳納米管取向隨機(jī)，密集分布于襯底上 多數(shù)碳納米管的高度為15 mm左右 少數(shù)豎直向上的碳納米管高度為40-80 mm一維納米材料一維納米材料硅納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)二極結(jié)構(gòu)三極結(jié)構(gòu)三極結(jié)構(gòu)的大致分類(lèi)：（1）高柵結(jié)構(gòu)。器件工作所需要的柵極電壓相對(duì)較低，工藝比較容易實(shí)現(xiàn)，但柵極電流較大，對(duì)柵極和陰極之間的絕緣性要求高；（2）平柵結(jié)構(gòu)。柵極電流比較小，有利于器件進(jìn)一步提高顯示亮度；缺點(diǎn)：柵極結(jié)構(gòu)的控制作用

15、較弱，制備成功率低；（3）低柵結(jié)構(gòu)。場(chǎng)發(fā)射陰極平面略高于柵極所在的平面；（4）背柵結(jié)構(gòu)。對(duì)柵極結(jié)構(gòu)的材料要求低，制作過(guò)程不會(huì)污染陰極。缺點(diǎn)：亮度低，柵極控制作用差。雙柵極結(jié)構(gòu)采用CNT制作FED冷陰極，具有如下優(yōu)勢(shì)：與Spindt結(jié)構(gòu)比，CNT的長(zhǎng)徑比大，有更大的場(chǎng)增強(qiáng)因子；大部分CNT具有良好的導(dǎo)電性；CNT具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性；CNT具有多種制備方法，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，原材料價(jià)格相對(duì)較便宜；還可以采用厚膜工藝來(lái)加工CNT FEA，降低了大尺寸FED的制作成本，適合批量生產(chǎn)。碳納米管（CNT）制備工藝熱化學(xué)氣相沉積法襯底：硅片催化劑： Fe膜、Ni/Cr薄膜直接生長(zhǎng)法平面光源最高

16、亮度: 26000 cd/m2（工作電壓: 2.8 kV, 工作電流: 1.6 mA, 效率: 13.8 lm/W ）典型亮度: 4000 cd/m2（工作電壓: 2.0 kV, 工作電流: 1.2 mA, 效率: 4 lm/W ）(發(fā)光面積：34 mm22.5 mm)印刷法CNT FED要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須解決以下問(wèn)題：碳納米管的大面積均勻可控制備技術(shù)還不成熟；實(shí)現(xiàn)低價(jià)格、高效率、低溫度下在玻璃基板上直接生長(zhǎng)CNT薄膜；如何在生產(chǎn)線(xiàn)上形成圖案化的CNT發(fā)射陰極，及三極結(jié)構(gòu)的制備；在提高亮度的前提下，如何克服發(fā)光不均勻、閃爍等現(xiàn)象，如何防止CNT被破壞；實(shí)現(xiàn)大面積顯示屏的透明封裝；高發(fā)光效率陽(yáng)極熒光粉材料的選擇、制作，及防止老化（4）彈道電子表面發(fā)射型顯示器（BSD）1995年，東京農(nóng)工大學(xué)的越田教授發(fā)現(xiàn)，由陽(yáng)極氧化的單晶硅層會(huì)發(fā)生電子發(fā)射現(xiàn)象，該現(xiàn)象為1998年彈道電子發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。利用此現(xiàn)象，1999年松下電工正式以BSD的名稱(chēng)發(fā)表利用彈道電子表面發(fā)射型冷陰極電子源的全色平板顯示器。電子發(fā)射的原理：當(dāng)在柵極上施加電壓后，電子會(huì)從下基板的點(diǎn)擊像NPS層（納米晶-多晶硅層）。由于納米晶硅的直徑只有5nm左右，同電子在硅中的平均自由程（約50nm）相比小得多，因此注入的電子與納米晶硅晶格發(fā)生碰撞的概率非常低。直接到達(dá)納米晶粒