场发射气体显示：从概念到实践

1、场发射气体显示：从概念到实践Field-emission Gas Display: From Concept to Practice 电子物理与器件教育部重点实验室 2012年05月11日2012中国平板显示学术会议目 录 一、场发射气体显示基本概念 二、MIM型场发射电子源基本特性 三、MIM型场发射电子源研究进展 四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践能源之星标准对平板电视开机模式功耗之规定 对角线尺寸（英寸）幅形比屏幕尺寸（英寸）4.0版本最大开机模式功耗（瓦）2010年5月1日生效5.0版本最大开机模式功耗（瓦）2012年5月1日生效2016:917.49.837273216:9

2、27.915.778554216:936.620.6115815016:943.624.51531086016:952.329.4210108资料来源：EPA: ENERGY STAR Program Requirements for TVs: Versions 4.0 and 5.0，September 3, 2009 . 一、场发射气体显示基本概念能源之星标准对平板电视开机模式功耗之规定 一、场发射气体显示基本概念场发射气体显示器件场发射气体显示（FGD）：Field-emission Gas Display FED主要问题：高真空，高电压； PDP主要问题：放电消耗大量功率，发光效率低；

3、 新型显示原理：直接注入电子激发气体发光。外加电压（几十伏）注入电子（场发射电子源）电子激发气体发光FGD=FED+PDP 一、场发射气体显示基本概念三星公司原理性实验（IMID，2007）气体：3 Torr纯Xe气电子源：CNT（非MIM）显示屏：2英寸 一、场发射气体显示基本概念驱动电压亮度发光效率35 V （1kHz, 1%占空比）263 cd/m24.14 lm/W40 V （1kHz, 1%占空比）506 cd/m23.58 lm/W脉宽调制驱动（PWM） 一、场发射气体显示基本概念寿命测试： 2.5分钟27.5分钟主要原因： CNT阴极直接暴露在气体中，阴极电子发射特性很快劣化。解

4、决办法： 寻找能够在气氛环境下稳定工作的新型电子源。 一、场发射气体显示基本概念已有的各种场发射电子源 一、场发射气体显示基本概念MIM型场发射电子源的特点 三明治结构，由底电极、电子发射层和顶电极构成； 顶电极厚度10 nm左右，电子穿过顶电极注入到气体中； 工作电压较低，一般在几十伏。顶电极：金属（Au，Pt）电子发射层：绝缘材料，多孔多晶硅底电极：金属，半导体PPS电子源：金属底电极/多孔多晶硅（PPS）/金属顶电极MIM电子源：金属底电极/绝缘层/金属顶电极MIS电子源：半导体底电极/绝缘层/金属顶电极 一、场发射气体显示基本概念目 录 一、场发射气体显示基本概念 二、MIM型场发射电

5、子源基本特性 三、MIM型场发射电子源研究进展 四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践MIM型场发射MIM：Metal-Insulator-Metal（金属-绝缘体-金属）底电极-绝缘体界面势垒绝缘体-顶电极界面能带偏移外加偏压底电极绝缘体顶电极真空 一、MIM型场发射电子源基本特性MIM型场发射电流绝缘层厚度MIM型场发射的优点：（1）能够优化底电极、绝缘层和顶电极材料；（2）能够优化绝缘层和顶电极的厚度；（3）场发射电流主要由绝缘层势垒贯穿控制，而不是由表面势垒贯穿控制（电子靠动能越过表面势垒）。（4）受表面环境影响小，器件电压低（小于20V）。 二、MIM型场发射电子源基本特性美国

6、加州理工学院Mead最早提出基于MIM场发射的电子器件C. A. Mead, J. Appl. Phys., 1961, 32:646绝缘层厚度：10nm 提出基于隧穿电子发射原理的器件，由于材料和工艺原因，发射不稳定，重复性差。 二、MIM型场发射电子源基本特性器件电压：7V发射效率器件电流发射面积：直径0.1mm最大发射电流：最大发射电流密度： 二、MIM型场发射电子源基本特性前苏联学者关于MIM电子源阵列的初步实验结果P. E. Troyan et al, J. Vac. Sci. Technol. B, 1993, 11:514MIM阵列绝缘层厚度：100-120nm顶电极(Al)厚度

7、：10-20nm发射效率：器件电压：16V发射电流密度：发射电流涨落达10% 二、MIM型场发射电子源基本特性电形成后产生负阻现象电形成无电形成电形成无电形成负阻 二、MIM型场发射电子源基本特性负阻引起发射电流涨落较大 二、MIM型场发射电子源基本特性T. Kusunoki, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1993, 32:L1695已有实验结果表明：（1）阴极工作在10K温度下，发射电流涨落消失；（2）负阻现象通常出现在电形成MIM器件中，在低温下也会消失。电形成无电形成发射电流与时间关系新想法：无电形成的MIM器件可得到无涨落的电子发射。 二、MIM型场发射电子

8、源基本特性日立MIM FED电子能量分布实验结果电子能量分布半高宽与器件电压的关系M. Suzuki et al, J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, 13:2201 二、MIM型场发射电子源基本特性无电形成时发射电流和能量分散与器件电压的关系发射电流密度（器件电压5V）：发射效率（器件电压6V）：脉冲驱动可得到无电形成：脉冲宽度：重复周期：直流驱动将产生电形成。 二、MIM型场发射电子源基本特性日立开发的17英寸和32英寸 MIM FED（2009）17英寸640480 MIM FED32英寸1366768 MIM FED底电极：Al-Nd合金（300 nm）电子发

9、射层：氧化Al-Nd绝缘层（10 nm）顶电极：Au/Pt/Ir（2.3 nm） 二、MIM型场发射电子源基本特性N. Koshida, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1995, 34:L705松下BSD FEDPS: Porous Silicon（多孔硅） 二、MIM型场发射电子源基本特性MIS结构弹道电子发射(BSD)：Ballistic electron Surface-emitting Display 二、MIM型场发射电子源基本特性松下7.6英寸8463 BSD FED（SID，2003）电流密度（工作电压18V）： 二、MIM型场发射电子源基本特性N. N

10、egishi, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1997, 36:L939先锋HEED FED峰值电流密度（电压110V）：MIS结构 二、MIM型场发射电子源基本特性MIS电子源基本结构电子发射区域放大图 二、MIM型场发射电子源基本特性底电极：Si（8.4 m）电子发射层：SiOx（300 nm）顶电极：W（60 nm）/C（20 nm）先锋4英寸HEED FED（IDW，2002） 二、MIM型场发射电子源基本特性目 录 一、场发射气体显示基本概念 二、MIM型场发射电子源基本特性 三、MIM型场发射电子源研究进展 四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践工艺

11、参数微观形貌发射特性负阻无电形成多孔硅场发射电子源 三、MIM型场发射电子源研究进展Zhang Yujuan, et al, J. Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12负阻无电形成初步结论：符合MIM场发射基本特性，无电形成时发射特性较好。 三、MIM型场发射电子源研究进展多孔硅电子发射源 三、MIM型场发射电子源研究进展MIM型场发射电子源 三、MIM型场发射电子源研究进展Hongzhong Liu, et al, Nanotechnology, 2011, 22:455302桶状MIM型场发射电子源 三、MIM型场发射电子源研究进展 三、MIM型

12、场发射电子源研究进展目 录 一、场发射气体显示基本概念 二、MIM型场发射电子源基本特性 三、MIM型场发射电子源研究进展 四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践VUV光谱无147nm谱峰无823nm和828nm信号阳极电压：100 V 四、未来前景分析10mmPPS电子发射直接激发气体发光多孔多晶硅电子发射直接激发气体（纯Xe气）发光 四、未来前景分析T. Ichihara, et al, Journal of the SID, 2010, 18:223MIM型场发射电子源具有电子注入的微腔等离子体器件K. F. Chen, et al, Applied Physics Letters, 2008, 93:161501 四、未来前景分析充Ne气微腔等离子体相对发光强度 四、未来前景分析FGD发展前景分析 FGD利用了FED的电子发射和PDP的气体激发发光，同时克服了FED的高真空、高电压缺点和PDP的低放电效率