场发射显示器阴极结构的发展

1、场发射显示器阴极结构的发展Development of Cathode Structure of Field Emission DisplayWUHuai-yu1, AI Yan-ping2, ZHAOFu-bao2, WANGHai-jun3(1. Broadcast Television Network Media Co. Ltd. of Shaanxi Luochuan branch, Luochuan Shaanxi 727400, China; 2. Broadcast Television Network Media Co. Ltd. of Shaanxi Ansai branch

2、, Ansai Shaanxi 717400, China; 3. Xian Innovation College Yanan University, Xian Shaanxi 710100, China): Field Emission Display(FED), with the advantages of both traditional cathode-ray tube(CRT) and Liquid Crystal Display(LCD), has a great development potential and is expected to becomethe mainstre

3、am of display device in the digital television age. The principle of electron field emission was discussed in detail, from F-N formula, FED cathode materials and the cathode structure design principles are discussed, and finally development of FED cathode structure was expounded.Keywords: field emis

4、sion display(FED); Fowler-Nordheim formula; cathode structure引言数字电视时代的显示器件应该具有高亮度、 高对比度、 全彩 色、宽频带、平板化、低功耗、长寿命、无辐射以及低价格等优 点,由于阴极射线管工作电压高、功耗大、有X射线辐射、体积大、笨重 , 不符合显示器件向高清晰度、高分辨率、平板化、节 能化、数字化、集成化等方向发展的要求 , 故其应用越来越少。 目前,虽然液晶显示器和等离子显示器（PDP）是平板显示器（FPD） 市场的主流显示器 , 但由于它们都存在着一些固有缺陷 , 所以算 不上数字电视时代的理想显示器。当前市场上的F

5、PD技术各具特色及优势 , 在具体的应用领域都存在着与其相应的应用空间和发 展潜力 , 而被认为有可能是未来主流显示器的场发射显示器 （FED） 集中了众多显示器的优点 , 其潜在的性能优势使之有望成为下一 代显示器的主导1。本文论述了场发射原理以及 FED阴极结构 的设计依据和发展。1 场发射原理场致发射与热电子发射不同 , 它并不需要提供给体内电子以 额外的能量 , 它的基本原理是电子隧道效应 ,即依靠强的外加电 场来压抑物体的表面势垒 , 使表面势垒的高度降低 , 宽度变窄 , 这 样发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出 , 形成场 致电子发射。场致电子发射是一种很有效的电子发

6、射方式 , 发射 电流密度很高 , 发射时间没有迟滞性 2, 且功耗低。利用场致发 射原理制成的阴极是冷阴极，可以作为FED的电子源。场致发射时 , 随外加电场的增强 , 发射体表面势垒的高度越 来越低 , 宽度越来越窄 , 从发射表面逸出的电子越来越多 , 使场发 射电流也越来越大。1928年,R. H. Fowler 和L. W. Nordheim 应用量子理论 , 提出了电子绝对零度下从清洁金属表面发射进入 真空的理论 , 即在金属和真空界面上加一电场使金属的能带结构 弯曲导致电子穿过金属势垒 , 并推出了场发射电流密度的公式 , 称 F-N 公式 , 可以简写为 :J=AE2exp(-

7、B/E)式中,J是绝对零度时的场致发射电流密度;E是金属表面的 电场强度；A、B为与发射体表面功函数有关的常数:A=1.54X 10-6 -1exp(9.89 -1/2)B=6.87X 107 3/2;( 是金属表面功函数)R. H. Fowler 和 L. W. Nordheim 在推导该式时作了以下理 想化的假定 : 理想金属表面 ; 忽略原子尺度 ; 金属内电子服从费米 分布 ; 表面功函数均匀分布 ; 表面势垒由镜像力产生。 在实验应用 中该式必须加以修正 , 但该式对于场发射的研究仍有指导意义 3 。虽然上式是在T=0K下得到的，但事实上只要金属表面的功 函数不是非常低或外加电场不是

8、很高 , 则该公式使用的绝对温度 范围可以扩展到几百摄氏度。对上述公式进行对数处理 , 得到 :In(J/E2)和1/E之间呈线性关系，用上式作图，被称作F-N关 系曲线 , 用作检验场发射的判据 , 所有的测量点都在一条直线上。从 F-N 公式中可以看出 , 场发射电流密度大小与外加电场场 强和发射体的功函数有密切关系。因此利用场致发射时 , 应尽量 选择低功函数的材料作发射体 ,并设计恰当的阴极结构 , 才能满 足器件工作的要求。2 场发射显示器的阴极结构2.1 场发射显示器的器件原理图FED的器件原理图如图1所示,直流电源或脉冲直流电源在 两块相互平行的极板之间可形成直流电场 , 冷阴极

9、材料和荧光材 料分别涂覆于阴、阳极板上 , 并分别通过金属电极和透明电极与 电源连接。电子在冷阴极材料的表面逸出并加速 , 轰击阳极上的 荧光粉使之发光。2.2FED阴极结构FED阴极结构分为Spindt型和平面薄膜型。Spindt型根据 阴极材料的不同又分为金属 Mo-Spindt型、Si-Spindt型与其它 类型;平面薄膜型分为金刚石薄膜型、类金刚石薄膜型、纳米金 刚石涂层型、SED型、纳米碳管型等，具体分类如图2所示。Spindt 型是最早的传统型结构 , 根据阴极场发射阵列结构可 分为二极管型与三极管型 4 。二极管型是只有阴、 阳两级,当给 阳极加上一定的电压时 , 阴极就会发射出

10、电子 , 并在阳极电压的 加速下,轰击到阳极荧光粉而发光。二极管型结构一般阴阳极间 距较大,故所需的电压较大 ,而图 3所示为三极管型结构 ,相比二 极管型而言 , 结构中多了一个栅极 , 因此最终所需的电压稍低于 二极管型结构 , 其结构是在阴极三角锥型发射体与阳极间加入栅 极, 当在栅极加上一定的电压大于三角锥型阴极产生电子的阈值 电压后,电子将发射出 ,同时在阳极电压的加速后 , 轰击到阳极涂 覆的荧光粉使其发光。FED采用Spindt型阴极结构，是基于薄膜技术与半导体 加工方法 , 采用高熔点金属作发射体 , 在性能方面达到了较高的 水平，色纯、亮度及寿命等性能接近CRT但由于涉及到精

11、密光刻、刻蚀和薄膜沉积技术 , 导致制作成本很高 , 且很难实现大屏 幕。由于FED中阳极结构、支撑和封接等方面改进的余地很小，所以要想在 Spindt 型上有大的突破 , 必须要用新的发射体材料 和结构 , 同时要避免制作过程中的精密光刻和刻蚀技术。该工艺 中,三角锥型阴极产生电子的阈值电压与栅极开口径有关 ,有关 资料表明，栅极开口径在1卩m以下时，阈值电压在50V以下。可 以采用0.5卩m以下的栅极开口径来降低驱动电路的成本，该方法的缺点是工艺复杂 , 成本较高。SED型是一种成熟的平面薄膜型FED,即表面传导电子发射显示器 (surface-conduction electron- e

12、mitter display,SED) 型,是日本佳能(Canon)公司于1996年推出的新型结构。其结构 如图4所示5,阴极是由厚度为10nm左右的PdO膜形成的玻璃 基板,在中心部分有10nm左右的狭缝，这个狭缝的成型主要是利 用了施加高电压时产生极细裂缝的现象。当给该薄膜施加10V左右的电压时,在一侧PdO膜上的电子将向另外一侧 PdO膜运动, 此时给阳极加上高电压时 , 则一部分跳出来的电子将改变方向到 阳极 , 激发阳极上的荧光粉而发光。阳极电压一般比较高 , 约为 6kV左右。SED功耗比彩色LCD大，但是比彩色PDP小,亮度比彩 色PDP大。由于SED显示器不需要发射电子束，从而

13、使厚度可以 做得相当薄，甚至比LCD和 PDP都要薄。SED最主要的特点就是 对比度较高 , 这是由它的发光原理决定的。目前公布的对比度为 8,600:1,灰度为10位,SED不存在反应时间的问题，几乎看不到 拖尾和轮廓模糊的现象。SED只需要增加微型电子发射器的数量 就完全可以实现大屏幕 , 因此被誉为未来很有前景的平板显示器 之一。但该结构电子离散角大 , 分辨率低。BSD型,即弹道电子发射(ballistic-electronsurface-emitting device,BSD) 型, 结构如图 5 所示 , 是松下电工 推出的。BSD发射电子冷阴极不用Spindt型的微尖结构，而是采

14、 用下电极上低温多晶硅发射电子。 电子的发射机制是利用施加于 金属薄膜间的电位所产生的电场来加速电子 , 成为弹道电子进入 纳米硅中，穿过氧化膜隧道，从表面层放出电子，故称BSD型6。 其优点是:(1)工作电压在20V左右;(2)功耗为PDP的1/3;(3)亮 度大于 20,000cd/m2;(4) 对比度 500:1;(5) 制作工艺简单 ;(6) 真 空度要求低 , 仅为 1Pa;(7) 性能稳定 , 寿命长。CNT型,即纳米碳管型(carbon nanotube,CNT 型),结构如图 6所示，主要就是利用了 CNTs优异的发射电子特性制成了阴极。 将整齐排列生长的CNTS或者利用丝网印刷工艺将 CNTS整齐排列， 构成场发射阴极 , 然后制备成三极管型结构 7 。当给栅极加上大 于CNTs发射电子的阈值电压时,纳米碳管由于显著的尖端效应 就会放出电子 , 放出的电子在阳极电压下 ,