（凝聚态物理专业论文）10英寸cuo纳米线冷阴极场发射显示器阴极基板制作工艺研究.pdf

摘要 1o 英寸c u 0 纳米线冷阴极场发射显示器 阴极基板制作工艺研究 专业：凝聚态物理 硕士生：李永德 导师：陈军教授 摘要 场发射显示器( f e d ) 具有低功耗、高亮度、宽视角、响应时间短等优点， 是非常有应用前景的新型平板显示器件。近期，人们发现纳米线冷阴极具有优异 的场发射特性。但是，如何低成本制备大面积的带栅极的纳米线冷阴极f e d 器 件仍然是一个难题。 本论文简要综述了场发射显示器件的工作原理、器件结构和研究状况，重点 介绍1 0 英寸背栅极和复合栅极结构的氧化铜纳米线冷阴极f e d 阴极基板的制作 工艺的研究结果。本论文的主要研究结果如下： 1 采用有限元仿真软件模拟了背栅极结构和复合栅极结构f e d 的电场分 布，模拟结果证明了这两种结构在f e d 器件应用中的可行性。 2 发展了采用湿法刻蚀制作1 0 英寸背栅极结构和复合栅极结构f e d 的阴 极基板的工艺技术，验证了1 0 英寸面积内制作均匀显示的带栅极结构纳米线 f e d 的可行性。进步了优化电子束蒸发蒸镀氧化铝绝缘层的工艺，提高了绝 缘层耐压性能。优化了器件结构和湿法刻蚀工艺，提高了栅极与背电极接触的可 靠性。 3 研制出采用c u o 纳米线阴极的1 0 英寸全封装复合栅极结构场发射显示 i v 摘要 器原型器件。经动态测试，栅极电压最小在1 5 0v 能对c u o 纳米线阴极实现较 好控制，器件可实现行列寻址及字符显示。 关键词：场发射显示器，纳米线冷阴极、湿法刻蚀 v a b s t r a c t f a b r i c a t i o no ft h ec a t h o d ep a n e lo f10 一i n c h c u on a n o w i r ec o l dc a t h o d ef i e l de m i s s i o nd i s p l a y m a j o r ： n a m e ： c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s y o n g d el i s u p e r v i s o r ：j u nc h e n ，p r o f e s s o r a b s t r a c t f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) i sc h a r a c t e r i z e db yl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h b r i g h t n e s s ，w i d ev i e w - a n g l e ，f a s tr e s p o n s ea n ds oo n , t h u s ，i ti sr e s p e c t e da so n e o ft h e p r o m i s i n gt e c h n o l o g i e sf o rn e x t - g e n e r a t i o nf l a tp a n e ld i s p l a y r e c e n t l y , n a n o w i r ec o l d c a t h o d e sw i t he x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nr e p o r t e d h o w e v e r , h o wt or e a l i z e l o wc o s tf a b r i c a t i o no f l a r g ea r e ag a t e c o n t r o l l e df e du s i n gn a n o w i r ec o l dc a t h o d ei s s t i l lac h a l l e n g e t h ed i s s e r t a t i o nf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e sb a s i cp r i n c i p l ea n dp r o g r e s s e so fl i e l d e m i s s i o nd i s p l a y a n dt h e ni tr e p o r t st h er e s u l t sa b o u tt h ef a b r i c a t i o no ft e n i n c h u n d e r - g a t es t r u c t u r ea n dd u a l g a t es t r u c t u r ef e du s i n gc u o n a n o w i r ec o l dc a t h o d e t h em a j o rr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ee l e c t r i c a lf i e l d d i s t r i b u t i o no fu n d e r g a t es t r u c t u r ea n dd u a l g a t es t r u c t u r ef e d s t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no fa b o v et w ot h et w os t r u c t u r e sf o r n a n o w i r ec o l dc a t h o d ef e d 2 aw e tp r o c e s si sd e v e l o p e df o rt h ef a b r i c a t i o no ft e n i n c hf e d t h i sp r o c e s s v i a b s t r a c t v a l i d a t e dt h ef a b r i c a t i o nf e a s i b i l i t yo ft e n i n c h g a t e c o n t r o l l e d f e dw i t hg o o d u n i f o r m i t y b yo p t i m i z i n gt h ep r e p a r a t i o no fa l u m i n ai n s u l a t o ru s i n ge l e c t r o nb e a m e v a p o r a t i o n ，t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fi n s u l a t o rh a sb e e ni m p r o v e d i no r d e rt o e n h a n c ec o n t a c tb e t w e e nu n d e r - g a t ee l e c t r o d ea n dp l a n a r - g a t ee l e c t r o d e ，t h ed e v i c e s t r u c t u r ea n de t c h i n g p r o c e s sh a v e b e e no p t i m i z e d 3 p r o t o t y p e so ft e n i n c hf u l l y - s e a l e df e du s i n gc u on a n o w i r ec o l dc a t h o d e w e r ef a b r i c a t e d m e a s u r e m e n to ft h ef e dc h a r a c t e r i s t i c ss h o w st h a tg a t ev o l t a g eo f a b o u t1 2 0vi sn e e d e dt od r i v et h ed e v i c e d i s p l a y i n go fv i d e oi m a g e sw a sa c h i e v e d k e y w o r d s ：f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , n a n o w i r ec o l dc a t h o d e ，w e t e t c h v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸯永愿 日期：m 年月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：苍永缱导师签名：丫爸q 日期：。伸年占月穸日日期：l 。年6 月c 7日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：襁 日期：口，p 年月9 日 m 第一章导论 引言 第一章导论 随着信息社会发展的日趋成熟，人们对信息显示的需求越来越大。显示器作 为信息显示的重要载体，得到飞速发展。平板显示器，如液晶显示器( l c d ， l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 和等离子体显示器( p d p ，p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 由于具 有轻薄的优点，已基本取代阴极射线管显示器( c r t ，c a t h o d er a yt u b e ) ，成为 目前主流的显示器件。而场发射显示器( f e d ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ) 作为潜 在的下一代平板显示技术之一也日益受到人们的重视。f e d 继承了c r t 主动发 光、响应速度快等特点，并兼具了l c d 、p d p 等平板显示器轻薄的优点，是具 有很强竞争力的下一代显示器件。目前我国在l c d 、p d p 等平板显示技术上落 后于欧美、日韩等国家，发展尚未成熟的f e d 显示技术对我国的平板显示产业 具有重要的战略意义。 1 1 场发射显示器件的原理 f e d 和c r t 具有相似的工作原理，都是利用电子束轰击荧光屏发光实现显 示。所不同的是f e d 在每个荧光屏像素都具有对应的发射体，由交叉电极寻址 控制其发射电子。因此f e d 不需要像c r t 一样要有一个庞大的偏转线圈来实现 电子束的偏转扫描。f e d 采用的阴极技术也与c r t 不同。c r t 般采用热阴极， 利用热电子发射来产生电子，而f e d 采用冷阴极，利用场致电子发射，即电子 在强电场下隧穿阴极表面。因此，从显示原理上看，f e d 可以说是平板化的c r t ， 它具有c r t 所有的优点，包括高亮度、高对比度、宽视角、短响应时间、宽工 作温度等。由于采用冷阴极，它同时具备低功耗的特点。 搪孽导葩 1 2 场发射显示器件冷阴极材料 冷阴极材科、器件结构及制作工艺三个方面共同决定了场发射显示器件的性 能。其中，阴极材料的选择在定程度上决定了器件结构和制作工艺的选择。下 面将简单介绍一下应用于场发射显示器件中较为成熟的冷阴极材料。 最先受关注的冷阴极是s p i n d t 尖锥阴极。图1 - 1 给出其典型的s e m 照片【1 】。 s p i n d t 尖锥阴极最早是由美国斯坦福研究院( s r i ) 的c 九s p i n d t 于1 9 6 8 年发 明的，他采用金属钼材料，利用薄膜自n q - i 艺成功制作出尖锥阵列1 2 。1 9 7 2 年， r n t h o m a s 等人首次报道了硅尖锥阵列的制作【3 】。1 9 8 5 年l e t i 公司的m e y e r 等人利用该种阴极制作了第一个f e d 原型器件 4 1 。s p i n d t 尖锥阴极具有均匀性、 可控性好等优点。但尖锥阴极容易因氧化和离子轰击等原因而受损，因此其场发 射稳定性不高。由于受制造成本高，工艺复杂等问题的制约，目前s p i a d t 冷阴 极应用于f e d 器件中的研究己逐渐减少。m o t o r o l a 公司己基本转向碳纳米管 ( c a r b o n n 蛐o t u b e ，c n t ) 阴极方面的研究。2 0 0 8 年末s o n y 放弃了量产s p i n d t 阴极f e d 的计划，f u t a b a 公司目前仍然看好s p i n d t 阴极f e d ，并积极开展其车 载显示产品的研究。 矗a t , 66 o 靠66 66 6 66 冉 6 66 o6oo ( a ) b j 图1 - 1 ( a ) 阴极发射体阵列( b ) s p i n d t 阴极【1 随着纳米材料研究的发展，准一维纳米材料在场发射显示方面的应用逐渐得 到研究者的重视。碳纳米管阴极尾目前研究最广泛的纳米阴极材料。1 9 9 1 年， 日本的 i j i m a 等人首次报道了c n t 结构1 5 1 。c n t 具有很大的高径比，其直径最 小不到1 纳米，而长度则可达毫米量级。因此在较小的电压作用下，纳米管顶端 就会形成很大的局部电场。另一方面，相比干s p i n d t 阴极，c n t 制备工艺简单 2 第一章导论 这有利于降低器件的制造成本。上个世纪9 0 年代术，韩国s a m s u n g 、美国m o t o r o l a 等公司相继丌展c n t 冷阴极场发身4 显示器的研究。s a m s u n g 在1 9 9 9 年首先发表 了4 5 英寸印刷型c n t 冷阴极二极结构f e d 6 。图1 - 2 为该f e d 显示的图像和 印刷c n t 冷阴极的s e m 照片。s a m s u n g 报道的场发射显示器件大多采用印刷型 c n t 冷阴极。印刷型c n t 冷阴极的优点是容易大面积制作，且不需要精密的光 刻技术，制作成本较低。但是印刷c n t 冷阴极场发射性能往往不如直接生长的 c n t 。因此，印刷型c n t 阴极需要一定的后处理来激活。另一方面印刷的c n t 一般难以很好的直立，这在一定程度上影响了场发射性能。s a m s u n g 在c n t 后 处理方面做了许多研究，并报道过多种后处理工艺：如等离子体处8 7 1 、电场 处理【8 】。主流的三极结构f e d ，尤其是前栅极结构f e d ，阴极的定位的精确性 要求较高，这对印制工艺提出比较苛刻的要求。s a m s u n g 为了克服这一技术难题， 采用了光敏材料来作为印刷浆料，借助光刻技术实现了印制阴极的精确定位f 9 】。 s a m s u n g 在2 0 0 5 年初展示了用印制c n t 制作的3 8 英寸彩色f e d 。 ( a )( b ) 圈1 - 2 ( a ) 4 5 英寸二极彩色f e d 器件显示效果1 6 1 ( b ) 印刷c n t 阴极形貌图 6 】 制作c n t 冷阴极的另一方法是在器件中直接催化生长，一般采用c v d 来 制各。高温( 6 0 0 ) 制各的c n t 冷阴极具有很好的场发射性能，但是由于其 较高的制备温度，不能将其制作在普通的玻璃衬底上，因此并不适合于大面积场 发射显示器件的应用。m o t o r o l a 和l e l i 制作的f e d 采用的阴极都是低温制各的 c n t 。图1 3 是l e l i 于0 6 年报道的一款平面栅极结构f e d 中的c n t 冷阴极的 s e m 照片 1 0 1 。从图中可以看出，在一定工艺条件下，低温制各的c n t 仍然具 有较好的方向性和大的长径比。m o t o r o l a 和l e i t 公司采用低温生长c l , r f 阴极 第一章导论 并结合薄膜工艺制备了多款平面栅极结构的f e d ，都具有较好的显示效果。 c n t 阴极虽然具有优异的场发射性能，井有较成熟的制各工艺，但仍有一 些问题限制其在f e d 中的应用。首先，c n t 电学性质不单一，而且目前还未能 实现很好控制，这可能影响到器件制作的重复性。其次，低温生长的c n t 均匀 性较差。 图1 - 3 低温生k 的c n t 冲阴极形貌图【1 0 】 1 3 场发射显示器件的结构 1 3 1 二极结构 从工作原理上来讲，场发射显示器f e d 只需要阴极和阳极就可以实现交叉 寻址显示。如图1 4 所示，当给某一像点对应的阳极电极和阴极电极分g 施加高 电压脉冲和低电压脉冲时，该像点即为选中的发射点。韩国三星公司在1 9 9 9 年 就发表了基于印刷型c n t 冷阴极的全封装二极f e d 器件。本实验室前期也开展 t - - 极结构f e d 器件的研究工作，并制作了若干样机。图1 - 5 ( a ) 是本实验室 研发的4 5 英寸c n t 冷阴极二极f e d 器件。图1 - 5 ( b ) 是其显示效果图【1 l 】。 但是在这种二极结构中，为了给阴极发射体表面提供足够大的电场，并使电子轰 击荧光屏时有足够的能量，阳极需加较高的脉冲电压。这增大了驱动电路的难度 和成本，并且难以实现高亮度和荻阶调节。 第一章导论 豳1 4 典型的二撮场发射f e d 器件 ( a )( b ) 图1 - 5 ( a ) 4 5 英寸全封装二极结构f e d 器件，( b ) 显示效果图【1 1 1 3 2 带栅结构 目前大多数在研的f e d 器件都采用带栅结构。在这种结构中，栅极制作在 紧靠阴极的地方，作为阴极表面电子引出电极，栅极和阴极交叉捧列，之间由绝 缘层隔开。栅极施加电场在阴极表面，使电子隧穿出阴极表面。由于栅极和阴极 之间的间距较小所以很容易实现低压驱动。结构中，阳极只起加速电子的作用， 因此，阳极只需加直流偏压。由于直流高压电路较容易实现其驱动电路成本也 可降低。因此，带栅结构f e d 较容易通过增大阳极偏压实现高亮度f e d 器件。 根据栅极与阴极的相对位置和制作工艺的差异，带栅结构f e d 可分为分立 栅极结构、前栅极结构、平栅极结构背栅极结构等。 第一章导论 1 ) 分立栅极结构 分立栅极结构中，栅极与阴极制作在两块基板上，栅极和阴极基板由隔离柱 或隔离墙支撑隔离开。韩国s a m s u n g 公司【1 2 】、日本n o r i t a k e 公司、美国a p p l i e d n a n o t e c h 1 3 均进行过分立栅极结构f e d 的研究工作。日本n o r i t a k e 公司报道过 多个基于碳纳米管阴极的分立栅极结构f e d 1 4 ，1 5 ，图1 - 6 为该公司在0 9 年国 际真空纳电子会议上报道的分立栅极f e d 结构示意图1 1 5 】。这种结构的关键技术 是隔离墙的制作。该公司采用多管口同步压制和紫外固化的技术来制作隔离墙。 在分立栅极结构中，由于栅极和阴极之间的间隙较大，因此，栅极驱动电压一般 较高。n o r i t a k e 公司为了克服这个缺点，在栅极电极上增加了电势控制电极，电 势控制电极加直流偏压在阴极表面形成叠加增强电场，从而降低栅极的驱动电压 【1 5 】。 p h i l i p s 公司在2 0 0 3 年报道了一种新型的分立前栅极结构f e d 。他们命名该 结构为h o p p i n gf e d 1 6 。2 0 0 4 年，p h i l i p s 公司停止该f e d 器件的研究后，其 合作者国内东南大学w dl c i 小组继续这种h o p p i n gf e d 的研究。图1 - 7 为该小 组制作的h o p p i n gf e d 器件结构及其电子轨迹模拟图【1 7 】。在这种结构中，阴极 制作在类似倒漏斗的一个空间里面。在栅极的驱动作用下，阴极发射的电子沿着 栅孔壁“跳跃”出栅孔射向阳极。孔壁涂有高二次电子系数的m g o 材料，电子沿 孔壁行走的过程中会和m g o 层不断碰撞产生二次电子。这种结构有利增大发射 电子的透过率。 本实验室也在近期提出了一种新型的分立双栅驱动f e d 结构 1 8 ，1 9 1 ，图 1 8 为其结构示意图。在这种结构中，阴极基板和栅极基板是相互独立的，器件 通过栅极陶瓷基板两侧相互交叉的两个栅极实现寻址驱动。由于阴极基板上无需 制作电极条，可用硅片、金属片等耐高温材料作为衬底，因此阴极可采用c n t ， w o ) ( 等需高温生长，但场发射性能优异的纳米材料。但由于双栅结构引入了一 层独立的栅极层，增大了其封装的难度。此外由于陶瓷精细通孔工艺昂贵，因此 器件难于实现高分辨和大面积制作。 6 第一章导论 图1 - 6 n o r i t a k e 公司制作分立栅极f e d 结构示意圈【1 5 】 翻! 隔 t ! 嘲 。纽，。，。 ，”篡：一簋王i 盂产一一m 1 i l m 。1 重秦奏苏”目垆行 ，伊、k “m “ 图1 取栅驱动型f e d 器件结构【1 8 】 第一章导论 2 ) 前栅极结构 前栅极结构是被研究最多的一种带栅结构。在这种结构中，栅极通过微加工 工艺直接与阴极集成在同一片基板上。栅极电极与阴极电极交叉排列并由二氧化 硅、氮化硅、氧化铝等绝缘薄膜隔开。由于栅极采用微加工工艺制作，容易实现 器件的微小化，因此前栅极结构相对于分立栅极结构更适合于高分辨的f e d 制 作。c a s p i n d t 最早粟用这种结构制作基于s p i n d t 冷阴极的f e d 2 。f u t a b a 目前 用金属钼尖锥作为阴极制作前栅极结构f e d 。罔1 - 9 给出其器件结构示意图及钼 尖锥阴极s e m 照片 1 1 。s a m s u n g 则采用该结构制作c n t - f e d 。图1 - 1 0 给出了 s a m s u n g 公司制作的两种前栅极结构f e d 器件的结构s e m 照片 2 0 , 2 1 1 。这两个 器件具有十分相似的结构。围1 - 9 ( a ) 所示的结构采用微加工工艺依次制作了阴 极电极、非晶硅层、栅极一阴极绝缘层、栅极电极、聚焦极栅极绝缘层、聚焦 电极，晟后是采用印刷工艺制作c n t 阴极。由于普通的丝网印刷精度较低，所 以他们采用光敏材料来作为印刷浆料。在印制好整面浆料后，利用非晶硅层作为 模板，通过背面曝光技术来形成阴极图形。为了减少聚焦极和阳极电压对阴极发 射体表面电场的影响，他们减小栅孔的尺寸。图1 - 9 ( b ) 所示是减小栅孔后的结 构s e m 图。由于孔径减小，印刷浆料难于进入栅孔，因此该器件采用直接生长 c n t 代替丝网印刷来制作阴极。台湾工研院 2 2 1 ( 图1 - 1 1 ) 、美国m o t o r o l a 和法 国l e t i l 2 3 1 ( 图1 - 1 2 ) 等研究单位也报道过前栅结构的f e d 。而m o t o r o l a 和l e t i 采用的器件结构由于阴极发射体表面和栅极电极平面基本平齐，所以又称为平面 栅极结构。 o l f ( s i o x ) 芒盈姣 l _ m 日h l 叫o _ j a a # s u b s a r a s o m 0 “胁1 lr 图1 - 9 ( a ) f u l a b a 公司制作的前栅极f e d 结构示意幽 ( b ) 器什结构中的钼尖锥玲阴极【1 】 第一常导论 ( a ) ( b ) 图1 - 1 2 ( a ) m o t o r o l a 公司和i e t i 台作开发的前栅f e d 结构示意圈 ( b ) 器件结构s e m 照片【2 3 】 9 笫一章导论 3 ) 背栅极结构 2 0 0 1 年，s a m s u n g 公司c h o i ys 等人首次报道了采用背栅极结构的f e d 器 件 2 a i 。在这种结构中，栅极位于阴极下方。通过给栅极施加正电压，可以使栅 极起发射电子引出电极的作用。背栅极结构最明显的优势就是结构简单，对工艺 条件要求低，且阴极后处理容易。但是背栅极结构也存在一些问题，例如驱动 电压高，发射电子束发散、易在绝缘层产生电荷积累等。为了解决这些问题，三 星公司提出了刻蚀绝缘层、制作嵌入栅极等方案1 2 5 ，2 6 ，这些方案在一定程度上 解决了上述问题。但是背栅结构目前并没有真正报道过原型样机，因此还有许多 问题值得我们去探索研究。图1 1 3 为三星公司提出的两种背栅极结构的f e d 器 件。 h 哪e - l 咖 ! 忍 图1 一1 3 背据极型f e d 器件结构【2 5 】 ( a ) 不刻蚀绝缘层( b ) 刻蚀绝缘层 1 4 场发射显示器的研究状况 1 4 1 国内外的研究发展状况 目前在f e d 研究领域，同本、韩国、美国仍然处于领先地位。日本的f u t a b a 、 s o n y 等在s p i n d t 阴极f e d 的研究上取得很大的进展。f u t a b a 已研发了多款不同 尺寸的车载显示器件，并已有商用产品。s o n y 虽己将其f e d 技术转让给友达公 司，但从其在2 0 0 7 年展出的2 6 英寸彩色样机的显示效果看，该技术己达到商用 1 0 第一章导论 的水平。松下公司与东京农业大学共同开发了b s d 型f e d 技术 2 7 1 ，并在p d p 电视玻璃基板上开发出高画质的b s d 型f e d 显示器。韩国三星s d i 、l g 在2 0 0 0 年初就曾宣称要实现f e d 的商用化，但由于各种原因仍未能推出正式产品。三 星s d i 从1 9 9 9 年开始相续报道了多款彩色f e d 样机，最大尺寸达3 8 英寸，并 在f e d 研究领域拥有最多专利【2 8 】。美国的m o t o r o l a 公司在0 6 年报道了4 6 英 寸的全彩色f e d ，其分辨率达到4 6 英寸全高清电视的水平 2 9 1 。 国内从事f e d 研究的机构有中山大学、福州大学、东南大学、西安交通大 学、华东师范大学、中科院长春光机所、台湾工业研究所、台湾东元纳米等。其 中福州大学已成功研制出2 5 英寸q v g a 彩色f e d 3 0 1 ，在国内处于领先水平。 西安交通大学采用印刷c n t 阴极成功制作出5 5 英寸的f e d 原型器件【3 1 】。本 实验前期开展了二极结构印制阴极场发射显示器的研究，成功制作了1 6 0 1 2 0 的4 5 英寸原型样机1 1 1 1 。之后利用薄膜、厚膜工艺成功制作了1 0 英寸高亮度双 栅极结构的f e d 。近期开展了三极结构纳米线f e d 的研制。台湾地区在f e d 研 究上要略领先于内地。台湾工业技术研究所已拥有制作q v g a 分辨率的1 0 英寸 彩色f e d 技术，而且宣称其2 0 英寸显示器亮度均匀性可达到1 5 3 2 1 。台湾东 元纳米开发了多款不同分辨率的“看透型”单色f e d ，并已开始出售1 3 3 1 。 虽然近几年在国家的大力支持下，我国在f e d 研究方面已取得一定的进步， 积累了一些经验，但无可否认，目前我国f e d 研究的整体水平相对国外的研究 机构还有一定差距。因此加强对f e d 核心技术的研究工作，具有十分重要的意 义。 1 4 2 场发射显示器件研制面临的问题 由上面的叙述我们可以得出以下结论：国内外在场发射显示器件方面的研究 虽已取得一定的成果，但离大规模商用量产还有一定距离。目前，还有较多问题 制约着场发射显示器发展。 第一章导论 1 ) 冷阴极材料的制备及器件集成 寻找可大规模均匀制备的阴极材料是首先要解决的问题。早期使用难熔金属 尖锥作为阴极，虽然均匀性能达到较高水平，但制作工艺复杂，制作价格昂贵是 其产业化的瓶颈。c n t 的出现给制作低成本，大面积的阴极提供了一种新的途 径。但从近几年的研究情况看，在器件中均匀的集成c n t 阴极仍然存在较大问 题。另外c n t 的低温制备工艺目前也没得到较好解决。 准一维纳米材料尤其是金属氧化物纳米线的快速发展，给场发射阴极的选择 提供了更大的空间。其中备受关注的有氧化锌纳米线、氧化钨纳米线、氧化铜纳 米线等。氧化物纳米线相对于碳纳米管，制备工艺要简单很多。如氧化锌纳米线、 氧化铜纳米线均可以采用热氧化法在4 0 0 至6 0 0 摄氏度直接氧化其相应的金属薄 膜得至u 3 4 ，3 5 1 ，若将其应用于器件中，可在一定程度简化器件制作工艺。氧化锌 具有优异的场发射性能，是目前场发射研究领域仅次于碳纳米管研究热点。氧化 铜纳米线具有稳定的场发射性能和简单的制备工艺，是一种具有较大潜力的场发 射阴极材料。 目前为止，开展基于金属氧化物纳米线阴极的场发射显示器件的研究还较 少。2 0 0 5 年台湾s e uy il i 等人曾报道了采用氧化锌纳米线阴极的带栅场发射器 件 3 6 1 ，但该器件栅极和阴极均无法实现寻址，只能用来研究发射机理。2 0 0 8 年 国内东南大学报道了集成有氧化锌纳米线的表面传导发射显示器件 3 7 1 。但在该 器件中，氧化锌纳米线并不是发射阴极。它被制作在栅阴隧道中，在阴极的发射 电子的轰击下产生二次电子，从而增大发射电流密度。本实验室是较早开展氧化 物纳米线场发射器件研究的单位，研究并制备了双栅结构氧化钨纳米线冷阴极 f e d 器件 1 8 1 。 从以上报道可以看出，目前对金属氧化物纳米冷阴极的研究，仍处于发射 机理和发射性能研究阶段，在阴极集成及器件集成阴极后工作性能的提高方面还 有很多工作需要研究人员去做。 1 2 第一章导论 器件结构的设计和制作工艺 设计简单、可低成本制作、可大面积重复的器件结构也是f e d 制作的重要 问题。经典的前栅结构，具有开启电压低的优点，但其制作工艺还是相对复杂， 电子透过率也较低。而s a m s u n g 提出的背栅结构，在制作工艺上要简单许多， 在大面积制作方面具有较大优势。但背栅结构要求较高驱动电压，并且存在绝缘 层电荷积累问题。在各种显示技术迅猛发展的今天，如果权衡器件的制造成本和 器件的工作性能显得尤为关键。 探索适合f e d 制作的工艺也是十分关键的问题。丝网印刷工艺具有低成本， 易大面积制作的优势，但若要将其应用在高分辨器件的制作上，则显得十分困难。 薄膜加工工艺虽然成本相对较高，但如果能够采用标准的薄膜加工工艺来制作 f e d ，在进入大规模产业化后，制作成本就会降低。因此我们需要研究探索能与 传统薄膜工艺相兼容的制作工艺。 从以上叙述可知，在冷阴极材料方面，金属氧化物纳米线由于具有良好的场 发射性能和简单可控的制备工艺，是具有巨大潜力和研究价值的新型冷阴极材 料；在器件结构方面，探索简单且可行的器件结构，是目前场发射显示器件研究 的关键。制作工艺方面，我们需探索能与传统薄膜工艺相兼容，并能低成本、大 面积制备的工艺。 1 5 本论文研究的主要目的和工作 由于阴极材料本身的特性或工艺条件的限制，目前常见的f e d 在阴极及其 与器件集成上仍存在工艺复杂、制作成本高等问题。氧化铜纳米线冷阴极具有制 备温度低，易定域制备的优点。因此采用氧化铜纳米线作为f e d 的阴极材料， 可有效地减低f e d 器件制作的工艺复杂性。本研究小组在基于氧化铜纳米线冷 阴极f e d 器件的研究上已有所进展。詹润泽等人采用l i f t o f ft 艺和绝缘层干法 刻蚀工艺制作了3 5 英寸平面栅极结构r d 器件，并通过剥离阴极电极和绝缘 层之间的铝牺牲层，去除干法刻蚀的残余物改善了器件发射的均匀性，制作出了 3 5 英寸的原型器件【3 8 】。麦强等人采用绝缘层剥离工艺实现了3 5 英寸复合栅极 第一章导论 结构f e d 器件的全湿法制作【3 9 】，有效的减低了器件的制作成本。 本论文将在他们研究的基础上，开展十英寸纳米线冷阴极f e d 器件制作工 艺的研究，希望通过本论文的研究，实现利用薄膜微加工技术发展一套工艺简单、 大面积低成本的f e d 器件制作工艺。 本论文主要研究采用湿法工艺制作1 0 英寸背栅极结构和复合栅极结构f e d 阴极基板的工艺技术，通过这些工作来验证在1 0 英寸面积内制作均匀显示的带 栅极结构纳米线f e d 阴极基板的可行性。 本论文各章节内容安排如下： 第2 章介绍背栅、复合栅两种结构的模拟结果，器件制作工艺，包括金属电 极l i f t o f f 工艺，氧化铝制备和刻蚀工艺等，背栅结构和复合栅极c u o 纳米线f e d 的集成工艺。 第3 章介绍复合栅极结构器件的工作性能的测试结果分析。 第4 章总结了本论文研究的主要结果，提出下一步研究工作的建议。 1 4 第二章1 0 英寸c u o 纳米线冷阴极f e d 阴极桀板制作_ t 艺研究 第二章1 0 英寸c u o 纳米线冷阴极f e d 阴极基板 制作工艺研究 阴极基板制作工艺研究是本论文工作的最主要部分。本研究组的其他成员在 前期也开展了这方面的一些研究工作。但他们主要开展的工作是在小尺寸器件 上，在中大尺寸上目前还没有做过相关的研究工作。本章将介绍十英寸q v g a ( 3 2 0 x 3 x 2 4 0 ) f e d 阴极基板的制作工艺，包括十英寸背栅结构和复合栅极结构 的场发射显示器件阴极基板的制作工艺。 2 1 器件结构的计算机模拟仿真 2 1 1 器件结构 背栅结构如图2 1 所示，栅极位于阴极下方，栅极电极与阴极电极交叉排列， 并由中间绝缘材料隔开，在栅极和阴极电极交叉的地方制作发射阴极。器件工作 时，通过给背栅电极施加正电压，在阴极发射体边沿形成一定的局部电场，即可 使阴极发射体内部电子隧穿出表面势垒，形成发射电子束。为了增强栅极对阴极 发射体的控制作用，我们可以在背栅结构的基础上引入平面栅极，即形成复合栅 极结构，如图2 2 所示，我们在绝缘层上刻出通孔，从背栅电极将电极引到绝缘 层上方形成平面栅极。 1 5 第二$ 1 0 琏- jc u o 纳米线挎胡桓f e d 阴极华板制忤l 岂斜宄 阴极发射体 图2 - 2 复合栅极结构f e d 阴极基扳结构示意罔 2 1 2 器件结构模拟 理想情况f 在器件中，各个发射体结构相同。为了节省计算资源，我们只 截取一个发射单元来进行模拟。我们对发射单元做了如下简化：纳米线简化为整 体块材；电极为平滑的矩形体，并将其定义成电阻为零的理想金属。参考现有的 工艺条件将器件模型参数定义如下( 图2 - 3 ) ：背栅厚度0l “m ，绝缘层厚度2 “m ，阴极电极厚度05 m 阴极发射体高度为3p m ，阴极与阳极距离1 0 0 m 。 栅极电压为1 5 0v ，阳极电压( 罔中束画出) 为5 0 0v 。图2 - 4 为背栅结构中阴 极表面所在平面三维电场分布网。图中用高度值代表电场强度大小。 第= 章1 0 英寸c u o 纳米线冲明极f e d 阴极基扳制作1 艺研究 幽2 - 3 背栅结构仿真模型 r m r 7 ，n 图2 _ 4 背栅结构中二维电场分布图 鼬 从仿真得到的电场分布图中可以看出，阴极靠近栅极的边沿是阴极表面电场 最强的区域。三维仿真计算虽然能直观的得到我们需要的电学参量。但其计算量 巨大，为了得到计算结果，一般都以牺牲精度为代价。因此，有目的地截取二维 平面来进行模拟计算，能够得nl 七- - 维模拟更加准确的结果。观察图2 - 4 我们可 以得知，阴极发射体表面电场强度分布沿图中y 轴( 平行栅极电极) 方向有较明 显的变化，但x 轴( 平行阴极电极) 方向变化较小。因此我们只需获知阴极发射 体上沿y 轴方向某个截面的电场强度分布情况就可大致知道整个发射单元的电 场分布情况。在下面的模拟中我们只截取y _ z 截面建立二维模型进行模拟 二维模型栗用了与上面三维模型相同的参数，并在背栅结构的基础上增加平 栅电极以模拟复台栅极结构。平栅电极与阴极的距离1 5 u m 。从图2 - 5 ( a ) ，( b ) 的二维电场分布图中可以看出，在背栅结构和复合栅极结构中，阴极表面电场强 度并无明显差异。平栅电极并没有如预计一样增强了阴极表丽电场。这是因为在 建立的模型中，平栅电极与阴极距离太远，背栅电极形成的电场对其有一定的屏 1 7 第二。章1 0 其jc u o 纳米线狰阴搬f e d i w 极壮扳制作i 岂毋【e 蔽作用。我们减少平面栅极吁阴极之问的距离至5 “m ，重新建立仿真模型。表 2 - 1 列j | 减少栅阴问距后。复合栅极结构中阴极边沿表面电场强度与背栅结构中 相同位置( 取点位置参考同2 - 5 ( a ) ) 电场强度的对比结果。从结果上看，增加 平面栅极对阴极表面电场确实有一定程度的增强作用。 23i5678 x i f l 4 m 碥i i l 9 77 1 3 e 毒 ：_ 。 l i j i 虹 豳2 - 5 ( a ) 背栅极结构的电场分布模拟结果 ( b ) 复合栅极结构的电场分布模拟结果 表2 - 1 复合栅极结构与背栅极结构场强对比 l 位置 l 复台栅饭结构场强( v ，肿) l 背栅结构场强( v ，岬) 第章1 0 英寸c u o 纳米线降阴撒f e d 阴栏基扳制作t 艺研究 无论足在纯粹的背栅极结构中还足复合栅极结构中，阴极发射体靠近栅极的 边沿部分都是电场强度最强的区域，从图2 5 ( a ) ，( b ) 中可以看出，在这两种 结构中，阴极边沿表面电场强度大概在3 0v ，岬左右。文献报道的氧化铜纳米线 开启电场一般都小于1 0 w 岬 a o ，4 1 1 。可见，在这两种结构中，采用氧化铜纳 米线作为阴极在1 5 0 v 的栅极电压下可实现器件的驱动。观察图2 5 ( a ) ，( b ) 中阴极边沿与绝缘层界面处电场强度，可以发现在复合栅极结构中该处的场强要 明显小于在背栅极结构中。背栅极结构中该处最大场强达1 9 77 1w l i m ，复合栅 极则为1 7 1 9 9v 岫。在后期的测试宴验中貌们发现，器件中该处是最容易发生 击穿烧毁的区域。因此我们可以认为，通过增加平栅电极后，可在一定程度减小 了该处绝缘层的击穿机率增加器件工作的稳定性。 2 2 背栅结构场发射显示器件阴极基板制作 背栅结构场发射显示器件的制作整个工艺流程可简单分为阴极基板制作、阳 极基板制作、器件封装等。阴极基板制作工艺的主要步骤包括背栅电极制作、绝 缘层制备、阴极电极制作、阴极发射体制作，其流程如图2 - 6 所示。阳极制作工 艺包括1 t o 导电层蒸镀和荧光糟印刷等步骤。器件封装工艺包括低玻粉滁覆和 烧结、排气封离等步骤。 抖2 o i - l 7 “_ l 。p l 匕 柚- * f 1 _ 匕 。t _ 。厂二l 一一l j l j l 一 c r 、a 1掣8 n * t * l_ _ m e 产j 竺芒刍竺e 三三巡警 目自&c “ 号兰攀已薹翟! 芒勺竺芒 图2 - 6 背栅极结构阴极基板制作工艺流程 第= 章加英寸c u o 纳米线冷州极f e d 槛培扳制作1 _ 岂州究 2 2 1 背栅电极及阴极电极的制作 本论文主要研究阴极基板的制作。阳极基板和封装工艺由本研究小组的其他 成员完成。图2 - 6 为阴极基板制作工艺流程。首先通过光刻、磁控溅射、剥离等 工艺制作背栅电极，再利用电子束蒸发技术蒸镀氧化铝绝缘层薄膜，接着采用与 制作背栅电极相同的工艺步骤制作阴极电极，最后通过剥离工艺制作铜点并热氧 化生成氧化铜纳米线冷阴极。 背栅电极的制作是整个阴极基板工艺的第一步。在后续工艺研究中，我们发 现底层薄膜台阶对顶层薄膜的制各会产生很大影响。另一方面，由于场发射显 示器件为电压驱动型器件，而器件中金属电极台阶一般都是电场强度较高的区 域，因此金属电极台阶处的击穿是影响器件工作稳定的重要因素。为了减少背栅 电极台阶对整个器件制作工艺及器件工作稳定性的影响，我们需尽量减少背栅电 极的厚度。目前制作的器件，栅极和阴极之间仍存在一定的漏电流。如图2 - 7 标 出，在器件工作的某一时刻，行扫描线漏电流的大小等于所有列数据线漏电流的 总和。因此为了提高器件工作的可靠性，我们将厚度较薄的背栅电极设计为列数 据线，将阴极电极定义为行扫描电极。按照十英寸q v g a 分辨率规格，我们计 算得到像素的大小为06 6m m x 06 6m m ，r o b 子像素大小为06 6m i n x 0 2 2m m 。 进而我们将栅极电极设计为：中心距02 2 m m ，电极宽带0 1 2 m m ；将阴极电极 设计为：中心距06 6 m m ，电极宽度0 2 m m 。 02 2 m m u 图2 - 7 背栅极结构电极尺寸的设计 一瓣 h 卜 第章1 0 英寸c - - o 纳米线抟酣搬f e d 阴栏摹扳制作r 艺研兜 制作