第七章_场致发射显示FED

1、第七章第七章 场致发射显示场致发射显示FED 一、概述一、概述 致发射显示（致发射显示（Field Emission Display, FED）是真空微）是真空微 场电子在显示领域的应用场电子在显示领域的应用 兼有真空电子器件和固体器件的优点：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）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）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是氧化物热阴极发射电流密度的1001000倍倍 （3）抗辐射能力强，可以工作与极低温的宇宙空间）

2、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）场致发射阵列可工作与500以下的高温以下的高温 （5）工作频率可高达）工作频率可高达1000GHz，且可工作与低真空，且可工作与低真空 总之，总之，FED非常适合于军用非常适合于军用 各类电视机功耗的比较各类电视机功耗的比较 FED基本结构和原理基本结构和原理 结构：结构： 由阳极基板和阴极基板构成，阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条由阳极基板和阴极基板构成，阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条 为了保证色纯度，之间用黑矩阵隔开，为了保证色纯度，之间用黑矩阵隔开， 阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。阴极基板由可以行列寻址的发

3、射阵列和栅极组成。 两基板之间有支撑以抵抗大气压力，基板之间用低熔点玻璃封接两基板之间有支撑以抵抗大气压力，基板之间用低熔点玻璃封接 原理：原理：在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得微尖释在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得微尖释 出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击 荧光粉而发光荧光粉而发光。 FED的三个基本工艺的三个基本工艺 FED中使用的场致发射阵列从工作原理上可分为：中使用的场致发射阵列从工作原理上可分为： 金属场致发射、半导体场致发射、热助内场致发射金属场致发射、半导体场致发射、热助内场致发射 1金

4、属表面的场致发射方程金属表面的场致发射方程 金属表面的场致发射方程在以下假说条件下得出：金属表面的场致发射方程在以下假说条件下得出： A、金属内自由电子的能量分布服从费米分布、金属内自由电子的能量分布服从费米分布 B、金属板表面是理想平面，忽略其原子尺寸的不规、金属板表面是理想平面，忽略其原子尺寸的不规 则性则性 C、表面势垒由电镜像力产生、表面势垒由电镜像力产生 D、金属表面逸出功分布均匀、金属表面逸出功分布均匀 T=0K时金属场致发射定量方程为：时金属场致发射定量方程为： 其中其中J（0）为场致发射电流密度，）为场致发射电流密度，为发射表面电为发射表面电 场强度，场强度，mm为金属的逸出功

5、，为金属的逸出功，t t（y y）和）和（y y） 为为NordheimNordheim椭圆函数，大多数情况下可取椭圆函数，大多数情况下可取t t2 2（y y） =1=11 1， （y）0.95-y2 F-N公式公式 对对F-N公式作如下代换公式作如下代换 其中其中I为发射电流，为发射电流，a为发射面积，为发射面积，U为加速电压，为加速电压，为电场转为电场转 化因子，与发射形体和极间距离有关，代入电流密度公式得：化因子，与发射形体和极间距离有关，代入电流密度公式得： 其中有：其中有： 对数处理，可得：对数处理，可得： 可见，可见，ln（I/U2）=ln（a-b/U）之间呈现线性关系。）之间呈

6、现线性关系。 常用这个关系检测是否是场致发射，很有效常用这个关系检测是否是场致发射，很有效 2、温度对场致发射的影响、温度对场致发射的影响 当阴极工作温度小于当阴极工作温度小于1000K时，阴极工作温度对场致发射电时，阴极工作温度对场致发射电 流影响不大，流影响不大， 其中其中 温度对场致发射电流的影响可近似表示为：温度对场致发射电流的影响可近似表示为： 可见当温度从室温增加到可见当温度从室温增加到1000K，场致发射电流只增，场致发射电流只增 加了加了30% 当外加电场越大，温度的影响越小当外加电场越大，温度的影响越小 l 发射电流与功函数、电场强度密切相关，所以要获得大的发射电流与功函数、

7、电场强度密切相关，所以要获得大的 场致发射电流，可以采取降低发射材料逸出功和增加发射场致发射电流，可以采取降低发射材料逸出功和增加发射 体表面电场的方法。体表面电场的方法。 l 低逸出功材料化学性质活泼，不耐微尖在发射电流时引起低逸出功材料化学性质活泼，不耐微尖在发射电流时引起 的高温，所以的高温，所以实际实用的发射材料都是耐熔材料实际实用的发射材料都是耐熔材料，如，如W、 Mo、Ta、Zr、Nb等。等。 l 要获得有实用意义的场致发射电流，对于要获得有实用意义的场致发射电流，对于Mo这类材料，这类材料， 表面电场应达到表面电场应达到107V/cm l 只有借助尖端效应才能获得如此高的表面电场

8、只有借助尖端效应才能获得如此高的表面电场 制成具有一定发射面积和具有可实用发射电流密度制成具有一定发射面积和具有可实用发射电流密度 的场致发射阴极的场致发射阴极必须解决两个工艺问题必须解决两个工艺问题： （1）需要一个均匀分布，且密度足够高的微尖阵列）需要一个均匀分布，且密度足够高的微尖阵列 （2）要有近距低压引出场致发射电流的电极）要有近距低压引出场致发射电流的电极 微尖型场致发射阵列有两种：微尖型场致发射阵列有两种：Mo微尖和硅微尖和硅Si微尖微尖 钼微尖的制造工艺钼微尖的制造工艺 Spindt于斯坦福研究院发明的于斯坦福研究院发明的Mo微尖场致发射阵列结构单元：微尖场致发射阵列结构单元：

9、 栅极：约为栅极：约为4um的的Mo层，微孔直径：层，微孔直径：1um，绝缘层为，绝缘层为11.5um 厚的厚的SiO2，发射微尖是圆锥形金属，发射微尖是圆锥形金属Mo，电阻层：多晶硅；底电，电阻层：多晶硅；底电 极是重掺杂硅。极是重掺杂硅。 钼微尖与栅极距离小于钼微尖与栅极距离小于1um，在底电极和栅极之间加几十伏电，在底电极和栅极之间加几十伏电 压时，压时，在微尖表面能形成在微尖表面能形成107V/cm量级的电场，足以产生显著的量级的电场，足以产生显著的 场致发射场致发射 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层和层和200um非晶硅电阻层

10、，非晶硅电阻层， 并光刻形成电极并光刻形成电极 （2）沉积）沉积1umSiO2绝缘层和绝缘层和100umMo栅极，并光刻成列电极栅极，并光刻成列电极 （3）涂光刻胶，并形成栅孔，干刻除去栅孔上的）涂光刻胶，并形成栅孔，干刻除去栅孔上的Mo层层 （4）进一步干刻除去栅孔下的）进一步干刻除去栅孔下的SiO2层，直到电阻层为止，除层，直到电阻层为止，除 去表面光刻胶去表面光刻胶 （5）在垂直方向用电子束蒸发钼，同时在与水平表面成）在垂直方向用电子束蒸发钼，同时在与水平表面成15度的度的 方向上蒸铝方向上蒸铝 （6）蒸发的钼附着在栅孔边缘，使栅孔不断缩小，使透过栅孔）蒸发的钼附着在栅孔边缘，使栅孔不断

11、缩小，使透过栅孔 的的Mo蒸气形成的钼柱逐渐变细，直至栅孔被封死，钼微尖电极蒸气形成的钼柱逐渐变细，直至栅孔被封死，钼微尖电极 在底电极上形成在底电极上形成 （7）将铝牺牲层连同其上的）将铝牺牲层连同其上的Mo层用层用NaOH溶液除去，形成一溶液除去，形成一 个能行、列选址的个能行、列选址的Mo微尖阵列微尖阵列 FED技术难点技术难点 支撑技术支撑技术 电子束发射技术（发射体表面几何形电子束发射技术（发射体表面几何形 状，束流密度一致性，束流轨道等）状，束流密度一致性，束流轨道等） 真空密封技术真空密封技术 电子流收集体：三基色荧光粉电子流收集体：三基色荧光粉 支撑间隔材料支撑间隔材料 FED

12、工作于真空条件下，显示屏又是平面型，为了抵抗大工作于真空条件下，显示屏又是平面型，为了抵抗大 气压力，气压力，FED上下基板之间上下基板之间必须采用支撑结构必须采用支撑结构 FED支撑结构要求：支撑结构要求： （1）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显示图像时不影）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显示图像时不影 响图像质量响图像质量 （2）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大，使得阳极与）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大，使得阳极与 阴极之间由于支撑单元造成的漏电流可以忽略不计阴极之间由于支撑单元造成的漏电流可以忽略不计 （3）为了防止电荷积累，支撑单元要具有合适的电阻率，）为了防止电荷积累，支

13、撑单元要具有合适的电阻率， 把电荷导走把电荷导走 （4）具有足够大的支撑强度）具有足够大的支撑强度 真空度的维持真空度的维持 对于对于EFD微尖，无论是剩余气体电离后形成正离微尖，无论是剩余气体电离后形成正离 子轰击，微尖还是从器壁或荧光粉析出的气体吸子轰击，微尖还是从器壁或荧光粉析出的气体吸 附在微尖上都绘影响微尖的场致发射效果。附在微尖上都绘影响微尖的场致发射效果。 根据真空电子器件制造工艺，要使得器件能长期根据真空电子器件制造工艺，要使得器件能长期 保持密封，必须做到以下几点：保持密封，必须做到以下几点： （1）排气过程中器件内部各部件去气彻底）排气过程中器件内部各部件去气彻底 （2）封

14、离前器件内真空度高）封离前器件内真空度高 （3）用消气剂以维持封离后期间内高真空）用消气剂以维持封离后期间内高真空 FED体积与表面积之比很大，意味着器件表面积只要有一体积与表面积之比很大，意味着器件表面积只要有一 点出气，真空度就会变得很差。点出气，真空度就会变得很差。 FED器件封接的漏气率小于器件封接的漏气率小于110-11Torr/s，排气台，排气台 应该能抽到应该能抽到110-8Torr数量级真空度，这样将高数量级真空度，这样将高 牢固度室温消气剂安装在牢固度室温消气剂安装在10mm内径的排气管内，内径的排气管内， 基本上可以保证器件存放寿命在基本上可以保证器件存放寿命在2000天以上天以上 FED中，由于结构限制，只能使用锆、钛类型非中，由于结构限制，只能使用锆、钛类型非 蒸散型消气剂。蒸散型消气剂