信息显示技术：第八章 场致电子发射显示

1、信息显示技术第八章 场致电子发射显示场致电子发射（FED）显示器场致发射显示（Field Emission Display, FED）是利用电场发射型的冷电子源的自发光型平板显示器。兼有真空电子器件和固体器件的优点：（1）采用薄膜工艺制成场致发射阵列，可在室温下工作（2）可利用硅集成工艺制造场致发射阵列，其电流密度是氧化物热阴极发射电流密度的1001000倍（3）抗辐射能力强，可以工作与极低温的宇宙空间（4）场致发射阵列可工作与500以下的高温（5）工作频率可高达1000GHz，且可工作与低真空场致电子发射（FED）概述场致电子发射发光器件J M Bonard et al三菱SamsungMo

2、torola高清显示器超大屏幕显示液晶背光源投影光源日常照明ISEISE均匀性有待提高工作电压高功耗低亮度高一、场致发射显示器基本介绍 场致发射显示器是利用电场发射型的冷电子源的自发光平板显示器。1、发展历史及现状1928年Fowler和Nordheim提出了金属场致发射理论，推到了F-N公式，奠定了场发射的理论基础。1968年，Spindt发表了Spindt阴极结构，开创了低电压场发射阴极的研究领域。1990年，第一台FED电视样机研制成功。1994年后，Pixtech和Futaba公司开始将FED推进到商业化阶段。2、场致发射显示原理FED是利用电场将电子由阴极吸引出来，故称为冷阴极电子。

3、 发光原理相同 冷阴极阵列替代电子枪 节省庞大的电子枪空间 需要30万个真空微电子源 矩阵寻址替代电子束扫描 节省庞大的电子束偏转空间三个电子源，真空电子大面积冷阴极是制作FED的核心关键技术场致电子发射显示（FED）3、发射理论（1）表面势垒与电子发射 场发射就是在导体或半导体表面施加强电场，使导带中的电子发射到真空中。 内场发射：首先依靠隧道效应将电子发射到介质中，电子被介质中的电场加速，获得足够的能量，克服表面势垒发射到真空中，这是金属-绝缘体-技术（MIM)和金属-绝缘体-半导体(MIS)两种结构阴极的物理基础。电子发射：（1）热电子发射：费米分布于温度的关系很大，高温下许多材料都能得

4、到可观的电子发射；（2）光电发射：光照使得材料内部部分电子获得超过表面势垒的能量，产生有效电子发射；（3）二次电子发射：外部电子轰击使得材料内部部分电子获得超过表面势垒的能量，产生有效电子发射；（4）场发射：不增加发射体内部的能量，而是用外加电场降低表面势垒，也能得到电子发射。（2）金属表面的场发射方程二、微尖阵列场发射阴极1、金属微尖阵列场发射阴极从F-N公式可知，要得到较大的场发射，只有两个手段：降低发射体的功函数。低功函数材料易氧化，难以使用。增加其表面电场。利用尖端效应实现高表面电场。尖端效应导体表面电荷面密度与导体表面曲率有关，对于孤立导体，曲率半径 r 小处 大，r 大处 小；证明

5、：设有两个半径不同的导体球 ，半径分别为 a 和 b ，用一根长导线将两者相连，小球相当于导体的尖端，大球相当于曲率半径大的一端，两球所带的电荷面密度分别为 a 、b 则Q=4a2 a+4b2 b = Qa+ QbQbabQa两球的电势（两者可看成孤立导体） Ua= k4a2 a /a= k4b2 b /b=Ub即aa= b b 即曲率半径 r 小处 大，r 大处 小；导体表面附近的 E 与 的关系E= /0在导体的尖端处 r很小， 很大，E很大。因此，强大的 E 使导体尖端附近的空气电离成导体而出现放电的现象。当带电云层接近地表面时，由于静电感应使物体带上异号电荷，这些电荷比较集中在突出物体

6、，累积到一定的时候便会产生强大的火花放电。为避免雷击，可在建筑物上安装尖端导体，用粗铜线接到潮湿泥土或埋到地下金属板，以保持避雷针与大地有良好接触。当带电云层接近时，放电就通过避雷针和铜通地导体不断进行，以免损坏建筑物。将场发射阴极用在电子器件中，必须解决以下两个问题： （1）需要分布密度足够的均匀微尖阵列，而不仅仅是单个微尖，以得到一定面积上的均匀发射； （2）需要近距离地引出电极，称为栅极或门极。1968年美国的spindt等用微加工技术制备了栅控金属鉬微尖FEA。2、硅衬底微尖阵列场发射阴极3、六硼化镧场发射阵列阴极 六硼化镧是一种特殊结构的晶体，具有金属的良好导电性及逸出功低等优点。

7、在1400-1680时，可以获得0-100A/cm2的直流发射电流，具有很好的热稳定性及化学稳定性。 不仅在热电子源领域有着广泛的应用，也特别合适场致发射冷阴极使用。三、微尖发射体的性能1、微尖发射的特点 与热阴极发射相比，场发射在空间上的均匀性和时间上的稳定性方面都相对较差。 场发射电流不仅与阳极或栅极电压有关，而且与发射体参数有关，后者的影响更大。 实验表明，无论对一个微尖或对一个发射阵列，场发射都是一个统计平均值。当微尖的数量很大时，总的发射电流起伏就变得比较小了。 影响场发射电流的因素很多，主要有发射体的形状、材料的功函数、真空度和表面污染情况等。2、发射体几何参数的影响 在同样的阴栅

8、极间距和栅极电压下，发射体表面电场由其几何形状决定。3、发射材料参数的影响 从F-N公式可以看出，功函数对发射电流影响很大，采用低功函数的发射表面是增大电流密度和减小引出电压的有效手段。 常用的发射体材料主要采用难熔的过渡金属元素，特别是Mo，不足之处是功函数较高。可以在发射微尖上沉积一层低功函数薄膜来降低功函数，促进场致电子发射。四、FED中的发射均匀性和稳定性的问题1、电阻限流原理 与热阴极发射相比，发射电流的起伏是场发射阴极中存在的最大问题。发射过程中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多种因素影响，造成发射电流起伏不定。 如果没有自动反馈控制，场发射阴极很难正常工作。这种反馈不能依靠外

9、部电路，只能靠其内部的自动反馈机制实现。 一般采用增加串联电阻的方式。 作用： （1）当个别发射体发射电流过大时，由于电阻分压作用使电流受限，从而均衡了各发射体的发射能力，起限流作用； （2）当个别微尖与栅极发射短路时，电阻承受了电压降，其他微尖仍能正常工作。3、FEA限流电阻层结构 反馈电阻一般采用溅射或气相沉积的多晶硅薄膜，电阻率要进行比较准确的控制，以满足各种要求。五、FED中的其他关键技术1、支撑技术 FED需要真空工作环境，对角尺寸3英寸以上的FED器件，大气压的作用足以使显示器面板上产生极大的应力而破裂。对于小尺寸器件，大气压造成的板极变形对显示质量也有一定的影响。 支撑结构必须满

10、足：（1）机械强度高；（2）支撑面积足够小；（3）必须考虑支撑单元表面的二次电子发射；（4）需要有一定的电阻率，以释放积累的电荷。（1）支撑结构的必要性支撑结构：（1）柱状支撑；（2）球状支撑；（3）墙状支撑。厚度为50200m的薄片，一般由玻璃和陶瓷材料制成。（2）玻板受力分析 定量分析大气压造成的板极变形和产生应力的情况，预先确定和优化支撑墙排列方案，对于提高大面积FED器件可靠性和降低其制造成本是十分重要的。采用普通钠钙玻璃制作FED的阴阳板极。在保证玻璃板不损坏的前提下，应最大限度的减少支撑墙的数量，降低生产成本。另外，减少由于支撑墙过多而对内部场强分布的影响。（3）支撑墙体受力分析

11、典型的支撑墙宽度为0.10.2mm、高度约为13mm。在实际器件中，支撑墙的支撑面通常需要承受相当于一百个大气压以上的压力，因此对支撑墙的机械强度提出了很高的要求。 在支撑墙安装过程中，难免造成个别支撑墙安放不垂直的现象。由于这微小的倾角，可能造成支撑墙内部应力的增大。2、真空技术 场发射阵列（FEA）发射性能在器件工作初期发射电流下降很快，然后逐步趋于稳定。一般来说，器件真空度越高，下降速度越慢，下降幅度越小。 发射下降的原因： （1）FEA发射性能的降低机制 发射体表面气体吸附 表面氧化 离子溅射 离子注入 FED需要消气剂来维持内部的真空度。 （2）FED中消气剂的使用消气剂种类： 蒸散

12、型 非蒸散型器件存放寿命：L为消气剂的特征吸气量；A为消气剂的有效吸气面积；Q为FED器件的漏率 FED是靠电子轰击荧光粉发光，荧光粉的种类将影响FED的性能和采用器件结构。 （3）荧光粉荧光粉的种类： a）低压荧光粉。低压下工作的FED必然需要大电流，荧光粉的饱和于库伦寿命问题将会非常突出。导致流明效率低、寿命短、容易饱和、色还原性差和污染发射体等问题。 b）高压荧光粉。具有较高效率和理想色坐标的3kV以上的中高压荧光粉可以容易得到。可实现较高效率、理想的色还原和长寿命。六、场致发射显示技术的种类FED有两个研究方向：微尖型冷阴极和薄膜平面型FED1、Spindt型微尖FED优点：缺点：1、

13、大面积Spindt尖锥阵列制作难度很大；2、精确度为微米量级的集成工艺，成本高；3、荧光屏和发射体阵列需要高真空封装工艺；4、为保持稳定性，需要良好的排气工艺；5、发光材料选择困难。2、金刚石薄膜场致发射技术 金刚石及类金刚石薄膜具有负电子亲和势，将导致冷阴极发射起始电场大幅度下降，与金属冷阴极相比，起始发射电场约下降3个数量级，这意味着冷阴极电子发射不必再在高电压下进行。 同时，采用金刚石薄膜作为发射体，还具有发射效率高、导热率高、表面稳定性好等优点。缺点：技术不成熟，发射机理仍不完善3、碳纳米管场发射显示技术(CNT) CNT是1991年才被发现的一种碳结构。理想的碳纳米管是由碳原子形成的

14、石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。 CNT通常直径小于100nm，其尖端有很小的曲率半径。同时CNT具有很高的强度、良好的导热性和化学稳定性，是一种非常理想的场发射冷阴极材料。碳纳米管，半径：30-45 nm 碳纳米管取向随机，密集分布于衬底上 多数碳纳米管的高度为15 mm左右 少数竖直向上的碳纳米管高度为40-80 mm一维纳米材料一维纳米材料硅纳米线结构二极结构三极结构三极结构的大致分类：（1）高栅结构。器件工作所需要的栅极电压相对较低，工艺比较容易实现，但栅极电流较大，对栅极和阴极之间的绝缘性要求高；（2）平栅结构。栅极电流比较小，有利于器件进一步提高显示亮度；缺点：栅极结构的控制作用

15、较弱，制备成功率低；（3）低栅结构。场发射阴极平面略高于栅极所在的平面；（4）背栅结构。对栅极结构的材料要求低，制作过程不会污染阴极。缺点：亮度低，栅极控制作用差。双栅极结构采用CNT制作FED冷阴极，具有如下优势：与Spindt结构比，CNT的长径比大，有更大的场增强因子；大部分CNT具有良好的导电性；CNT具有很高的机械强度和良好的化学稳定性；CNT具有多种制备方法，工艺相对简单，原材料价格相对较便宜；还可以采用厚膜工艺来加工CNT FEA，降低了大尺寸FED的制作成本，适合批量生产。碳纳米管（CNT）制备工艺热化学气相沉积法衬底：硅片催化剂： Fe膜、Ni/Cr薄膜直接生长法平面光源最高

16、亮度: 26000 cd/m2（工作电压: 2.8 kV, 工作电流: 1.6 mA, 效率: 13.8 lm/W ）典型亮度: 4000 cd/m2（工作电压: 2.0 kV, 工作电流: 1.2 mA, 效率: 4 lm/W ）(发光面积：34 mm22.5 mm)印刷法CNT FED要实现产业化必须解决以下问题：碳纳米管的大面积均匀可控制备技术还不成熟；实现低价格、高效率、低温度下在玻璃基板上直接生长CNT薄膜；如何在生产线上形成图案化的CNT发射阴极，及三极结构的制备；在提高亮度的前提下，如何克服发光不均匀、闪烁等现象，如何防止CNT被破坏；实现大面积显示屏的透明封装；高发光效率阳极荧光粉材料的选择、制作，及防止老化（4）弹道电子表面发射型显示器（BSD）1995年，东京农工大学的越田教授发现，由阳极氧化的单晶硅层会发生电子发射现象，该现象为1998年弹道电子发射现象的发现奠定了基础。利用此现象，1999年松下电工正式以BSD的名称发表利用弹道电子表面发射型冷阴极电子源的全色平板显示器。电子发射的原理：当在栅极上施加电压后，电子会从下基板的点击像NPS层（纳米晶-多晶硅层）。由于纳米晶硅的直径只有5nm左右，同电子在硅中的平均自由程（约50nm）相比小得多，因此注入的电子与纳米晶硅晶格发生碰撞的概率非常低。直接到达纳米晶粒