场发射显示器

场发射显示器（FED）提纲一、场发射显示器概述二、场发射理论三、微尖阵列场发射阴极四、场发射显示的阴极材料五、FED中的发射均匀性和稳定性问题六、聚焦型微尖阵列场发射阴极七、FED的主要制作材料和工艺八、FED中真空度的维持九、新型场发射显示器十、FED的研究概况及发展前景一、场发射显示器概述FED（FieldEmissionDisplay)与CRT的相同点：利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发型显示器件。因此，FED具有与CRT相似的显示品质，如高亮度、高对比度、全彩色、高显示容量及低功耗等性能。典型场发射显示结构原理CRT发射显示结构原理一、场发射显示器概述FED与CRT的区别点：CRT采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表面势垒的能量从而发射出来；而FED采用冷阴极，采用表面功函数较低、电子势很小甚至为负值得材料，使之在外加电场作用下逸出。因此，FED不但降低了功耗，而且可以瞬时发射电子。（2）CRT的热阴极为点发射源或线发射源，需要通过偏转磁场的作用，才能在显示屏幕上进行扫描而产生显示。因此，CRT难以实现平板化；而FED的冷阴极为面发射源，可以十分方便地实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低。一、场发射显示器概述（3）CRT的加速电场电压通常在1330kV之间；而采用平板结构的FED一般加速电压小于10kV。另一方面，CRT的消耗电流很小，因此其功耗控制在可接受的范围内；而FED的加速电压较低，要达到与CRT相当地亮度，必然需要较高的消耗电流。（4）阴阳极距离也是两者的主要区别之一。CRT的阴阳极距离至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至达到几十厘米；而FED的阴阳极距离小于3mm。FED的优点：（1）冷阴极发射；（2）低的工作电压；（3）自发光和高亮度；（4）宽视角；（5）高速响应；（6）很宽的环境温度变化范围。1968年斯坦福国际研究所的C.A.Spindt研制成功微尖阴极发射结构的FED，后法国政府实验室LETI对Spindt的方法作了改进并于1990年研制出第一个15cm单色显示器。一、场发射显示器概述在温度T＝0K时，为了使金属中具有最大能量的电子能够克服表面势垒而逸出，必须提供的最小能量叫做逸出功。=Wa—EF0电子发射方式：（1）热电子发射；（2）光电子发射；（3）二次电子发射；（4）场致发射。二、场发射理论金属表面势垒和内部电子按能量分布金属的热电子发射理查逊—德施曼公式：二、场发射理论在加速场下金属表面的势垒曲线二、场发射理论金属表面场致发射方程:—真空器件.—列阴极，行栅极.—行列电极交叉点有多于4500个微尖,微尖直径150nm.—电流0.11A/microtip.阴极阵列

三、微尖阵列场发射阴极三、微尖阵列场发射阴极微尖形貌

微尖阵列场发射阴极（FEA）场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径为1m，尖端与阳极距离为1m左右，则当极间加上几十伏的电压，就会在尖端表面上产生109V/cm数量级的强电场。在忽略极间空间电荷的情况下，阴极发面尖端处场强与阳极电压Ua成正比。即

几种典型的尖端形状三、微尖阵列场发射阴极三、微尖阵列场发射阴极微尖电子发射

场发射阴极阵列面积240mm240mm，包含1.4x106个微尖。金属微尖的伏安特性三、微尖阵列场发射阴极对阴极制造的要求：（1）在整个表面上具有均匀的电子发射；（2）提供充足的电流，以便在低电压下获得很高的亮度；（3）在微尖和栅极之间没有短路。阴极微尖制作种类：（1）在金属基体上沉积金属形成金属阴极尖。其特点工艺复杂，但可实现大电流，发射特性好，寿命长。（2）以硅片作基片，采用硅的各向异性腐蚀形成硅阴极尖。其特点是工艺较简单，较易实现，但发射特性差，寿命短。FED显示器的制作工艺三、微尖阵列场发射阴极金属微尖FEA制作过程三、微尖阵列场发射阴极三、微尖阵列场发射阴极金属微尖FEA的扫面电镜照片Si微尖FEA制作过程三、微尖阵列场发射阴极Spindt尖锥型场发射平面显示器件遇到的困难（1）大面积Spindt尖锥阵列制作大面积Spindt尖锥阵列制作是最大的难题。尤其是在追求尖锥形成的一致性时,困难就更大。具体的难点在于要求有庞大的工艺设备。（2）封接、排气和消气技术的突破

在大面积显示器制作的过程中,必须解决封接、排气和消气的技术问题。（3）发射稳定性和均匀性差三、微尖阵列场发射阴极（4）器件的打火、亮度问题

器件的间距很小仅为200μm左右。少量横向初速度较大的电子还会打到隔离柱(支撑墙)上使之荷电。一般讲隔离柱是用绝缘体制作的,荷电后其电位是悬浮的,可能很高,这就造成内部打火。器件的间距小带来两个不利的因素:A.为防止发射体阵列板和荧光屏之间发生打火,荧光屏电位不能高,一般仅为几百V。B.由于荧光屏电位不高,因此屏的亮度也低。三、微尖阵列场发射阴极克服困难的办法:（1）加大场发射阴极板和阳极板之间的距离,从原来的200μm增加到1.5mm以上。所带来的好处是:I.可以增加排气的管导,有利于排气和去气的处理;II.提高了阴极板和阳极板之间的耐压,减少板间直接打火的可能性;III.由于板间耐压的提高,可以采用高压荧光粉,从而提高荧光粉的效率和屏的发光亮度,还可保持荧光粉的寿命。三、微尖阵列场发射阴极场发射阴极采用四极结构,即在每个像素上面再增加一个聚焦电极。所带来的好处是:在加大场发射阴极板和阳极板之间的距离后,保证不降低分辨率;减少可能打到支撑墙上的电子,进一步减少打火的可能性。使用高效消气剂,且从整体结构设计上解决消气技术难题。三、微尖阵列场发射阴极四、场发射显示的阴极材料难熔金属钨、钼等硅金刚石和类金刚石薄膜型，其中碳纳米管薄膜是当前热点综合型，比如在钼或者硅等微尖上涂覆一层金刚石薄膜阴极材料要求：较低的功函数较高的电导率、熔点稳定的表面物理化学性质加工工艺简单阴极材料种类：五、FED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稳定性的原因：

由于Spindt型工艺生成的阴极微尖是服从Gaussion分布,因此不可能使各发射体完全一样。微细加工工艺难以达到大面积的均匀性,如阴极微尖、栅极孔几何尺寸的离散及相对位置的偏差。发射电流决定于表面电场和阴极表面状态。发射过程中受表面形态变化、离子轰击、气体吸附等多种因素影响，造成发射电流起伏不定。解决办法：

增加串联电阻，其作用为（1）限流作用，当个别发射体发射过大时，由于电阻的分压作用使电流受限，从而均衡了各发射体的发射能力；（2）当个别发射微尖与栅极发生短路时，电阻承受了电压降，其他微尖仍能正常工作。由于微尖数量极大，个别微尖的损失影响不大。五、FED中的发射均匀性和稳定性问题发射电流与栅极电压的关系场发射阵列限流电阻层的结构：（1）纵向串联电阻结构由于电阻层位于所有微尖下,要有较大的压降,就需把电阻层作得较厚,但这是有限的。因此个别发射体发射电流过大或与栅极短路时,易造成电阻层的击穿,失去抑制作用。纵向串联电阻结构及其等效电路五、FED中的发射均匀性和稳定性问题（2）横向串联电阻结构与纵向串连电阻结构相比，耐击穿能力和限流能力大大提高，缺点是中间部分的微尖阴栅极间电压降比外侧的低，因此发射也小。在极端情况下，外侧微尖发射过大，甚至烧毁，而中间部分的微尖发射仍然很小，因此限制了总的发射电流。横向串联电阻结构及其等效电路五、FED中的发射均匀性和稳定性问题（3）网格状串联电阻结构

网格状电阻层把阴极分成网格状阴极,在每个网格中央加上一个金属岛电极作为等势体。电流经横向电阻渡越到金属岛上,在其上各微尖均匀发射,横向电阻承受较大的压降而纵向电阻起到均匀电流的作用,这样以较薄的电阻层就起到均匀发射电流的作用,提高了发射的一致性。网格状串联电阻结构及其等效电路五、FED中的发射均匀性和稳定性问题（4）分布式横向串联电阻结构网格状串联电阻结构的缺点是，当等位体薄膜上的任何一个微尖发生短路击穿时，该等位体薄膜上的所有微尖都失效。改进措施是使每个像素都包含多个这样的单元，即使个别单元失效，对该像素影响也有限。分布式横向串联电阻结构及其等效电路五、FED中的发射均匀性和稳定性问题六、聚焦型微尖阵列场发射阴极优点：减小电子束的发散度，实现高阳极电压工作。聚焦极共面聚焦型栅极竖直同轴聚焦型六、聚焦型微尖阵列场发射阴极聚焦型微尖照片两组常用高、低压荧光粉的性能

低压荧光粉存在的问题：色饱和度低，可见光转换效率低，亮度低，寿命短。七、FED的主要制作材料和工艺隔离柱材料要求：（1）隔离柱很薄，尺寸均匀；（2）具有一定的刚度、强度；（3）具有一定的电阻率，同时又不能产生过大的漏电流；（4）放气量小。

七、FED的主要制作材料和工艺隔离柱材料：热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英玻璃。阴极材料尖锥型阴极，如钼、硅。薄膜型阴极，如多晶金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜、类石墨、碳纳米管。七、FED的主要制作材料和工艺FED制作工艺：七、FED的主要制作材料和工艺FED屏内残气的来源：（1）蒸发和分解蒸发现象是屏内产生气体的主要原因在排气时，扩散泵油的蒸气会污染屏内的各种材料，在高速电子或离子的轰击下，会放出大量的气体；真空卫生不严格，有机物、脂肪、汗脂、清洗残液等污染物均可带入屏内，在真空条件下，会产生大量的气体；在荧光屏烘烤时，如果有机膜未充分分解，在电子轰击下也会分解出大量气体。

八、FED中真空度的维持（2）热解析FED基板玻璃在制造加工过程中，由于在大气中存放时间太长，玻璃内部溶解了大量气体，在它表面也吸附着大量气体。（3）电子诱导解析电子束不断地轰击荧光屏和电极也会引起气体的释放。电子诱导解析主要是电子与固体表面的分子或表面吸附的气体分子产生非弹性碰撞，使这些分子产生激发或离解，再从表面释放出来。八、FED中真空度的维持残余气体对屏性能影响1、对场发射阴极的损伤场发射阴极是FED显示屏内最具活性的部件，FED显示器件的寿命主要是由场发射阴极的寿命所决定的。阴极电子发射是一种表面现象，而表面最容易受残余气体分子的损伤。八、FED中真空度的维持2、对荧光屏的损伤残余气体分子和低速电子发生碰撞时，将俘获电子而形成负离子。这种负离子受阳极正电位的吸引而轰击阳极，使阳极上荧光屏受到灼伤而形成离子斑，随着时间的积累将造成荧光粉脱落。3、对驱动电路的影响器件内残余气体压力愈大，则其产生的电离噪声也越大。电离产生的电子在阳极电场的作用下飞向阳极，使阳极的电流增大，通常气体分子电离几率不是常数，增加的阳极电流也是起伏不定的，从而产生电流噪声。八、FED中真空度的维持FED中消气剂的使用1、物理作用当气体分子和消气剂表面相碰撞时，气体分子有可能淀积在消气剂表面而被吸附，并形成单分子或数个分子的薄层。因消气剂表面组织疏松，表面粗糙，故对气体分子有很大的吸附能力。2、化学作用气体和消气剂之间发生化学反应而生成新的固态化合物，从而使屏内的气体减少，提高真空度。八、FED中真空度的维持九、新型场发射显示器1、碳纳米管（CNT）场发射显示器九、新型场发射显示器

CNT曲率半径极小而密度极高,能在较低的施加电场下维持较高的发射电流密度,并且仍具有较高的机械强度与化学稳定性,十分适合用作FED的发射体九、新型场发射显示器CNT的伏安特性九、新型场发射显示器碳纳米管的制备方法：•电弧法使用两个石墨电极在He气氛中加高压放电。放电后阴极上会产生排列整齐的碳质的丝状物质和小颗粒的混合体,其中的丝状物质即为两端封闭的MWNT。如果在石墨电极中混进金属块(Fe,Co等),金属就会在放电过程中蒸发,起到某种催化作用,生成单壁碳纳米管(SWNT)。•激光熔融法可用于单壁碳纳米管的大量生产。将激光打在已被加热的、掺有Co或Ni的石墨靶上,产生石墨蒸气,同时用Ar气将凝结成的CNT吹出。成品呈网状,混有大量杂质。九、新型场发射显示器•化学气相淀积法使用颗粒状的薄膜作为生长核,高温加热并通入碳源气体,气体在加热区碳化沉积并在生长核的作用下形成密度和直径与生长核相当的CNT。ＣＶＤ法的主要缺陷是加热温度高。近年来,生长温度已经可以控制在600℃以下。九、新型场发射显示器2、金属-绝缘体-金属(