平板显示技术：第八章_场致发射

1、1显显示示器器发光型发光型受光型受光型CRT(阴极射线管阴极射线管)PDP(等离子显示器等离子显示器) AMOLED （TFT-OLED）FED(场发射显示器场发射显示器)LED(发光二极管发光二极管)VFD(真空荧光显示器真空荧光显示器)LCD(液晶显示器液晶显示器) TFT-LCDE-ink（电子墨水显示器）（电子墨水显示器）平平板板显显示示器器28.1 场致发射显示器概述场致发射显示器概述场致发射显示器件场致发射显示器件( (Field Emission Display，FED) )是显示与是显示与真空微电子相结合的产物，是发光原理最接近真空微电子相结合的产物，是发光原理最接近CRTCR

2、T的一种的一种新新兴兴平板显示器件平板显示器件，也是当今世界庞大的显示技术产业产品更，也是当今世界庞大的显示技术产业产品更新换代的重要候选之一。新换代的重要候选之一。 真空微电于的概念最早出现在真空微电于的概念最早出现在2020世纪世纪6060年代初，将真空电子年代初，将真空电子器件的尺寸做到微米级，与当时的半导体器件相当，并具备器件的尺寸做到微米级，与当时的半导体器件相当，并具备真空器件的独特优势，也可以实现器件的集成。真空器件的独特优势，也可以实现器件的集成。这类器件只能用微型场发射冷阴极，因此真空微电子技术是这类器件只能用微型场发射冷阴极，因此真空微电子技术是和场发射紧密相连共同发展的。

3、和场发射紧密相连共同发展的。场致发射显示是现今正在研发的平板显示模式中的一种，是场致发射显示是现今正在研发的平板显示模式中的一种，是真空微场电子在显示领域的应用。真空微场电子在显示领域的应用。3场致发射显示可利用冷阴极电子源替代传统场致发射显示可利用冷阴极电子源替代传统CRT中的热中的热电子源，压缩庞大的电子枪空间；采用交叉矩阵寻址替电子源，压缩庞大的电子枪空间；采用交叉矩阵寻址替代代CRT电子束扫描寻址，节省电子束偏转空间。电子束扫描寻址，节省电子束偏转空间。由于发光机制相同，因此场致发射显示既可以保留由于发光机制相同，因此场致发射显示既可以保留CRT优异的显示性能，又顺应了显示技术向着平板

4、化方向发优异的显示性能，又顺应了显示技术向着平板化方向发展的趋势；展的趋势；由于场致发射平板显示器与由于场致发射平板显示器与CRT同属于真空电子器件，同属于真空电子器件，许多器件制作工艺技术和原理是相同的，许多器件制作工艺技术和原理是相同的，CRT产业可以产业可以为场致发射平板显示器未来产业发展提供一个完善的技为场致发射平板显示器未来产业发展提供一个完善的技术平台。术平台。19911991年法国年法国LETI CHENGLETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品，并议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品，并

5、吸引吸引CandescentCandescent、PixtechPixtech 、MicronMicron、RicohRicoh、MotorolaMotorola、SamsungSamsung、PhilipsPhilips等公司投入，也使得等公司投入，也使得FEDFED加入众多平面加入众多平面显示器技术的行列。显示器技术的行列。 456问题的提出问题的提出上个世纪由上个世纪由CRTCRT统治整个显示技术领域！统治整个显示技术领域！CRTCRT（Cathode Ray Tube Cathode Ray Tube ）突出优点：突出优点：1 1 、具有高分辨率、具有高分辨率2 2 、轻易实现的高亮度

6、及很好的对比度、轻易实现的高亮度及很好的对比度3 3 、能够显示丰富的彩色色调和图象层次、能够显示丰富的彩色色调和图象层次4 4 、显示速度快、显示速度快 被人们认为是图文显示的标准被人们认为是图文显示的标准 8.2 7CRT由高能电子束激发荧光材料而发光。由高能电子束激发荧光材料而发光。8电子发射是指电子从阴极逸出进入真空或其它气电子发射是指电子从阴极逸出进入真空或其它气体媒质中的过程。体媒质中的过程。电子发射按照其获得外加能量的方式，即电子的电子发射按照其获得外加能量的方式，即电子的受激发方式分为以下四种：热电子发射，光电子受激发方式分为以下四种：热电子发射，光电子发射，次级电子发射及场致

7、电子发射。发射，次级电子发射及场致电子发射。主要有：主要有：1 1 、热电子发射热电子发射 传统传统CRTCRT的原理的原理2 2 、场致电子发射场致电子发射 FEDFED技术核心技术核心9热电子发射：热电子发射：靠升高物体温度给发射体内部的电子靠升高物体温度给发射体内部的电子以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出而形成的电子发射方式。这种方式的发射能耗高，而形成的电子发射方式。这种方式的发射能耗高，同时还有时间的延迟性。同时还有时间的延迟性。场致发射：不场致发射：不需要提供给体内电子以额外的能量，需要提供给体内电子以额外的能量，而是靠强的外加

8、电场来压抑物体的表面势垒，使表而是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。又称为子发射。又称为冷电子发射冷电子发射。它没有时间延迟，功。它没有时间延迟，功耗低，是一种非常有效的电子发射方式。耗低，是一种非常有效的电子发射方式。10场致发射理论场致发射理论场场( (致致) )电子发射是指在强电场作用下，固体电子发射是指在强电场作用下，固体( (非绝缘体非绝缘体) )发射电子的现象。发射电子的现象。场致电子发射与需要

9、激发的光电子发射、次级电子场致电子发射与需要激发的光电子发射、次级电子发射和热阴极电子发射不同，基于电子隧道效应，发射和热阴极电子发射不同，基于电子隧道效应，无需能量激发无需能量激发。即固体中总能量低于表面势垒即固体中总能量低于表面势垒( (逸出功逸出功 ) )的电子不需的电子不需要增加任何能量也有可能透过固体表面而进入真空要增加任何能量也有可能透过固体表面而进入真空中。外电场起到中。外电场起到降低势垒高度降低势垒高度和和减薄势垒宽度减薄势垒宽度( ( -E-EF F) )的作用。的作用。场致发射时，随外加电场的增强，发射体的表面势场致发射时，随外加电场的增强，发射体的表面势垒的高度越来越低，

10、宽度越来越窄，从发射体表面垒的高度越来越低，宽度越来越窄，从发射体表面逸出的电子越来越多，场致发射电流越来越大。逸出的电子越来越多，场致发射电流越来越大。11在加速场下金属表面的势垒曲线在加速场下金属表面的势垒曲线12问题的分析问题的分析 为了获得可利用的场致发为了获得可利用的场致发射电流，阴极表面必须有射电流，阴极表面必须有相当相当高的加速电场强度高的加速电场强度 。由静电学知识可知，极小由静电学知识可知，极小曲率半径的金属针尖表面曲率半径的金属针尖表面容易形成极强的电场，即容易形成极强的电场，即“尖端放电尖端放电”。因而将场致发射体（阴极）因而将场致发射体（阴极）做成曲率半径很小的针尖做成

11、曲率半径很小的针尖 。13可行性分析可行性分析1 1、制造工艺制造工艺 试想用该技术制造一个试想用该技术制造一个1717英寸显示器（显示屏长英寸显示器（显示屏长320mm320mm，宽宽240mm240mm），），实现实现1600160012001200的分辨率。的分辨率。每个发射尖端占有面积约：每个发射尖端占有面积约： 平均边长为：平均边长为： 2 2、制造材料制造材料 在其他条件不变时，随着逸出功在其他条件不变时，随着逸出功 的减小，场发射的减小，场发射电流会显著增大。寻求逸出功足够低的材料，可以电流会显著增大。寻求逸出功足够低的材料，可以实现在很低控制电压下获得相当可观的发射电流！实现在

12、很低控制电压下获得相当可观的发射电流！242103 . 1013. 03112001600240320mmmmmmmmm110103 . 12414问题的解决问题的解决FED结构示意图结构示意图15微型真空三极管结构微型真空三极管结构实际上是一种薄的实际上是一种薄的CRT显示器，其单元结构是一个微型真空三极显示器，其单元结构是一个微型真空三极管。包括作为阴极的发射尖锥，孔状的金属栅极以及有透明导电管。包括作为阴极的发射尖锥，孔状的金属栅极以及有透明导电层形成的阳极，阳极表面涂有荧光粉。层形成的阳极，阳极表面涂有荧光粉。FED发光过程：发光过程：在栅极和阴极间加上不高的电压（低于在栅极和阴极间加

13、上不高的电压（低于100V）形成电场，由于之）形成电场，由于之间距离很小，在阴极的尖端会产生很强的电场，逸出电子，再经间距离很小，在阴极的尖端会产生很强的电场，逸出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速，轰击荧光粉实现发光显示。过阳极和阴极之间的高压电场加速，轰击荧光粉实现发光显示。16问题的展望问题的展望1 1、实现显示器件平板化的解决方案众多。、实现显示器件平板化的解决方案众多。2 2、目前大部分平板显示器件的图像显示质量，特、目前大部分平板显示器件的图像显示质量，特 别是性能价格比和传统别是性能价格比和传统CRTCRT显示器件仍然有一定显示器件仍然有一定的距离。的距离。3 3、FEDF

14、ED显象原理和显象原理和CRTCRT几乎完全相同（电子束激几乎完全相同（电子束激发荧光粉发光），因此它完全有能力达到和超越发荧光粉发光），因此它完全有能力达到和超越CRTCRT的显示质量。的显示质量。4 4、未来的、未来的FEDFED将向高亮度、高分辨率、大尺寸方将向高亮度、高分辨率、大尺寸方向发展。向发展。1718相同点：处于真空状态；靠电子轰击荧光粉发光，具有基本相同相同点：处于真空状态；靠电子轰击荧光粉发光，具有基本相同的荧光屏结构。的荧光屏结构。不同之处在于不同之处在于电子的发射和扫描方式电子的发射和扫描方式。CRT需藉需藉偏转偏转磁场控制电子枪射出的电子束磁场控制电子枪射出的电子束在

15、显示屏上进行扫描在显示屏上进行扫描，阴极到阳极距离阴极到阳极距离达到几十厘米。达到几十厘米。FED的冷阴极为面发射源，的冷阴极为面发射源， 由百万多电子源直接激发荧光材料，由百万多电子源直接激发荧光材料，阴阳极距离小于阴阳极距离小于3mm，易于实现平板化和矩阵驱动。易于实现平板化和矩阵驱动。连同极板连同极板玻璃在内，器件厚度不过玻璃在内，器件厚度不过67mm。CRT的加速电场电压通常在的加速电场电压通常在13 30kV之间；而之间；而FED一般加速电压一般加速电压小于小于10kV，为达到与，为达到与CRT相当的亮度，需要较高的消耗电流。相当的亮度，需要较高的消耗电流。19FED的三个基本工艺的

16、三个基本工艺20电子束发射技术电子束发射技术（发射体表面几何形状，（发射体表面几何形状，束流密度一致性，束流轨道等）束流密度一致性，束流轨道等）电子发射材料的起始电场越低越好电子发射材料的起始电场越低越好电子发射极密度需大于电子发射极密度需大于106A/cm2每个发射极需均匀发射电子每个发射极需均匀发射电子在高真空、高电压下发射极维持稳定性与寿命在高真空、高电压下发射极维持稳定性与寿命支撑间隔材料支撑间隔材料真空密封技术真空密封技术低压荧光粉技术低压荧光粉技术21支撑间隔材料支撑间隔材料隔离支撑材料：隔离支撑材料： 热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英玻璃。热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶

17、瓷、石英玻璃。22 美国美国Micron Display Technology 是以直径是以直径25m，长长350m，间距为，间距为100m的玻璃纤维直接结合在阳的玻璃纤维直接结合在阳极板或阴极板之间。极板或阴极板之间。此圆柱设计的优点是提供足够的抽气通路，使后续此圆柱设计的优点是提供足够的抽气通路，使后续真空封合可以顺利进行。缺点在于单支玻璃纤维的真空封合可以顺利进行。缺点在于单支玻璃纤维的垂直度不易维持垂直度不易维持。垂直度良好方能确保在另一面板垂直度良好方能确保在另一面板(阳极板或阴极板阳极板或阴极板)上，也获得正确的定位，而不会造成混色问题。上，也获得正确的定位，而不会造成混色问题。2

18、3Spacer Wall美国美国CandescentCandescent与日本与日本SonySony于于20002000年合作，将年合作，将FEDFED尺寸尺寸由由5.3”5.3”扩大至扩大至13.2”13.2”。其其SpacerSpacer是采用长壁是采用长壁(Wall)(Wall)方方式，为壁厚式，为壁厚55m55m，壁高，壁高1270m1270m，壁长，壁长278mm278mm的陶的陶瓷板，其瓷板，其SpacerSpacer高宽比为高宽比为2 2：3 3。摆置方式采用水平横式。摆置方式采用水平横式放置在发射微尖之间隙上。放置在发射微尖之间隙上。2425低压荧光粉技术低压荧光粉技术26要得

19、到足够大的发射电流，应提高栅极工作电压；要得到足够大的发射电流，应提高栅极工作电压；采用低表面逸出功的发射材料或阴极表面涂敷低采用低表面逸出功的发射材料或阴极表面涂敷低逸出功材料；改变阴极的几何形状以增大几何因逸出功材料；改变阴极的几何形状以增大几何因子。子。可寻址的场致发射阵列是可寻址的场致发射阵列是FEDFED器件的基础和核心，器件的基础和核心，发射均匀、稳定，长寿命、高可靠性、低成本的发射均匀、稳定，长寿命、高可靠性、低成本的场致发射体及其阵列制备工艺就成为场致发射体及其阵列制备工艺就成为FEDFED研究的研究的关键。关键。2728PixTech FED 列阴极，行栅极列阴极，行栅极.

20、. 行列电极交叉点有多于行列电极交叉点有多于45004500个微尖个微尖, , 微尖直径微尖直径150 nm. 150 nm. 电流电流0.10.1 1 1 A/microtipA/microtip. . 场致发射是在金属尖端上进场致发射是在金属尖端上进行的。行的。29先制作栅极，再沉积微尖先制作栅极，再沉积微尖金刚石尖锥阵列金刚石尖锥阵列钼微尖钼微尖30先刻蚀微尖，再沉积栅极先刻蚀微尖，再沉积栅极3132FEDFED中的发射均匀性和稳定性问题中的发射均匀性和稳定性问题造成微尖发射不均匀性和不造成微尖发射不均匀性和不稳定性的稳定性的原因原因：微细加工工艺难以达到大面微细加工工艺难以达到大面积的

21、均匀性积的均匀性, ,如阴极微尖、栅如阴极微尖、栅极孔几何尺寸的离散及相对极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。位置的偏差。 发射电流决定于表面电场发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发射过程和阴极表面状态。发射过程中受表面形态变化、离子轰中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多种因素影击、气体吸附等多种因素影响，造成发射电流起伏不定。响，造成发射电流起伏不定。 解决办法：解决办法： 增加串联电阻增加串联电阻，其作用为，其作用为（1 1）限流作用，当个别发射）限流作用，当个别发射体发射过大时，由于电阻的分体发射过大时，由于电阻的分压作用使电流受限，从而均衡压作用使电流受限，从而均衡了各发射体的

22、发射能力；了各发射体的发射能力；（2 2）当个别发射微尖与栅极）当个别发射微尖与栅极发生短路时，电阻承受了电压发生短路时，电阻承受了电压降，其他微尖仍能正常工作。降，其他微尖仍能正常工作。由于微尖数量极大，个别微尖由于微尖数量极大，个别微尖的损失影响不大。的损失影响不大。33343536所有微针尖发射的所有微针尖发射的FEDFED：发射电流一致性和稳定性：发射电流一致性和稳定性CNTsCNTs必须直立必须直立CNTsCNTs的表面能很大，倾向于黏附在基底的表面能很大，倾向于黏附在基底CNTsCNTs集束力要足够强：某一集束力要足够强：某一CNTCNT的松弛将引起电弧的松弛将引起电弧37碳纳米管

23、阵列碳纳米管阵列38将将CNTCNT配成浆料后，以丝网配成浆料后，以丝网印刷技术印在玻璃基板的电印刷技术印在玻璃基板的电极上，烧结后发射源厚度约极上，烧结后发射源厚度约1um1um，上覆盖约，上覆盖约10nm10nm厚的绝厚的绝缘层。缘层。在发射极上，涂布栅极和栅在发射极上，涂布栅极和栅极绝缘层极绝缘层 ，以光刻技术挖，以光刻技术挖出小孔，发射电子将透过小出小孔，发射电子将透过小孔，被阳极电场加速撞击荧孔，被阳极电场加速撞击荧光材料而发光。光材料而发光。孔式栅极三极结构示意图孔式栅极三极结构示意图 3940Surface-conduction electron-emitter display,

24、 表面传导表面传导电子发射显示器电子发射显示器属于属于FED显示技术的一种，从目前来上，商业化的可能性显示技术的一种，从目前来上，商业化的可能性最高。最高。主要研制公司：佳能和东芝合资主要研制公司：佳能和东芝合资2004年组建年组建SED Inc.公司公司 SEDSED与当前平板显示器市场上的主流产品与当前平板显示器市场上的主流产品LCDLCD、PDPPDP相比，相比，有着明显的优势。最大的优势是画质好，达到了有着明显的优势。最大的优势是画质好，达到了CRTCRT的水平。的水平。除此之外，除此之外，SEDSED在暗处对比度、电力消耗、层次特性的表在暗处对比度、电力消耗、层次特性的表现上全面胜出

25、现有的现上全面胜出现有的LCDLCD和和PDPPDP，而成本又低于，而成本又低于LCDLCD和和PDPPDP显示器。显示器。SEDSED是主动发光显示器件，由电子撞击荧光粉发光，因此是主动发光显示器件，由电子撞击荧光粉发光，因此不存在液晶显示的可视角不够和响应时间过长的问题。同不存在液晶显示的可视角不够和响应时间过长的问题。同时，不需要背光灯，也不需要大量薄膜晶体管，板的结构时，不需要背光灯，也不需要大量薄膜晶体管，板的结构比液晶板简单，也能做得更薄。比液晶板简单，也能做得更薄。4142SEDSED结构与其它结构与其它FEDFED技术相比其独特性在于，技术相比其独特性在于，针对每个像针对每个像

26、素对阳极提供的电子束流需要用两步产生素对阳极提供的电子束流需要用两步产生。 a a第第1 1步步 电子源横向发出电子，穿越两个电极之间形成的非常窄的电子源横向发出电子，穿越两个电极之间形成的非常窄的间隙。电极之间的这个间隙虽然小，只有数个纳米数量级，间隙。电极之间的这个间隙虽然小，只有数个纳米数量级，但仍是真空间隙，需要施加一定的电位才能将电子从一个但仍是真空间隙，需要施加一定的电位才能将电子从一个电极提取出来，并穿过真空隧道屏障到达另外一个电极。电极提取出来，并穿过真空隧道屏障到达另外一个电极。b. b.第第2 2步步 穿越间隙并撞击对面电极的电子要么被吸收进对面电极穿越间隙并撞击对面电极的

27、电子要么被吸收进对面电极( (因因此只产生热量，不发光此只产生热量，不发光) )，要么被散射出来，再被阳极电位，要么被散射出来，再被阳极电位建立的电场所捕获，并加速撞击某个精确荧光点，从而产建立的电场所捕获，并加速撞击某个精确荧光点，从而产生红、绿或蓝光点。生红、绿或蓝光点。4344一个典型的一个典型的SEDSED单元由上下两层玻璃基板构成，上玻璃基板单元由上下两层玻璃基板构成，上玻璃基板内壁涂有红、绿、蓝三色荧光粉，并且有透明电极，下玻璃内壁涂有红、绿、蓝三色荧光粉，并且有透明电极，下玻璃基板内层上就是基板内层上就是SEDSED显示的核心单元显示的核心单元电子发射器电子发射器。两层。两层基板

28、之间抽真空。基板之间抽真空。电子发射器的核心结构是涂覆的超细氧化钯颗粒的电极柱，电子发射器的核心结构是涂覆的超细氧化钯颗粒的电极柱，先通过先通过丝网印刷丝网印刷法在后玻璃基板上制作对应每个像素的金属法在后玻璃基板上制作对应每个像素的金属电极，并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电电极，并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电子发射阴极。子发射阴极。氧化钯电极间距只有氧化钯电极间距只有4-64-6个纳米，当金属电极间加上个纳米，当金属电极间加上1010几伏的几伏的电压后，极间将形成超高电场，氧化钯膜中的电子会被牵引电压后，极间将形成超高电场，氧化钯膜中的电子会被牵引出来，形成电子发

29、射。出来，形成电子发射。由于金属电极是沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出来由于金属电极是沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出来的电子是在玻璃基板表面传导的，这是这种器件被命名为表的电子是在玻璃基板表面传导的，这是这种器件被命名为表面传导电子发射显示器的原因，这也是面传导电子发射显示器的原因，这也是SEDSED与其它的场致发与其它的场致发射显示器（射显示器（FEDFED）的区别所在。）的区别所在。45发射出来的电子传导到另一电极的表面时，会有一发射出来的电子传导到另一电极的表面时，会有一部分电子被弹性散射到两玻璃基板之间的空间中去，部分电子被弹性散射到两玻璃基板之间的空间中去，这时前玻璃基板上

30、所加的阳极高压将对这些电子加这时前玻璃基板上所加的阳极高压将对这些电子加速，并使之快速撞击到前玻璃基板所涂敷的荧光粉速，并使之快速撞击到前玻璃基板所涂敷的荧光粉上以发出可见光。上以发出可见光。发光原理就是高速电子撞击荧光粉发光，这与普通发光原理就是高速电子撞击荧光粉发光，这与普通电视显像管（电视显像管（CRTCRT）的原理是一样的，只是电子发）的原理是一样的，只是电子发射阴极不同而已。射阴极不同而已。CRTCRT是目前电视用的所有显示器件中综合画质最出是目前电视用的所有显示器件中综合画质最出色的，色的，SEDSED自然也继承了自然也继承了CRTCRT的优良品质。东芝和的优良品质。东芝和佳能宣称其制造成本只有佳能宣称其制造成本只有PDPPDP和和LCDLCD的二分之一到的二分之一到三分之一。三分之一。 46由电子撞击荧光粉发光，属于自发光器件，不存在由电子撞击荧光粉发光，属于自发光器件，不存在液晶显示的可视角不够和响应时间过长的问题；液晶显示的可视角不够和响应时间过长的问题；发光完全可控，不存在液晶显示的背光泄