利用表面傳導的場(chǎng)發(fā)射顯示器件研究
本文研究了利用表面傳導技術(shù)的場(chǎng)發(fā)射顯示器件，提出了一種新型的表面傳導發(fā)射三極結構，采用復合式材料作為陰極發(fā)射體，提高了發(fā)射均勻性，并對其制備工藝與發(fā)射性能進(jìn)行了討論。制作過(guò)程中采用絲網(wǎng)印刷工藝，降低了成本。測試結果顯示，柵極開(kāi)啟電壓為150V 左右，此時(shí)陽(yáng)極電流達到0.1mA。該結構制作工藝簡(jiǎn)單、成本較低、性能優(yōu)良，有著(zhù)廣闊的應用前景。
1、引言
場(chǎng)發(fā)射電極理論最早是在1928 年由R.H.Fowler 與L.W.Nordheim 共同提出，不過(guò)真正以半導體制程技術(shù)研發(fā)出場(chǎng)發(fā)射電極元件，開(kāi)啟運用場(chǎng)發(fā)射電子作為顯示器技術(shù)，則是在1968 年由C.A.Spindt 提出。作為新型的平板顯示器件，從場(chǎng)致發(fā)射顯示器(FED)的工作原理來(lái)看，它依靠真空中場(chǎng)致發(fā)射的電子轟擊陽(yáng)極面板上的熒光粉而發(fā)光，與CRT 在顯示原理幾乎完全一致，因而FED 既具有CRT 在亮度、響應速度、視角等方面的優(yōu)良特性，又具備了平板顯示器件在體積、功耗以及工作電壓等方面的優(yōu)勢,有著(zhù)及其廣闊的應用前景。 自1991 年法國LETI CHENG 公司在第四屆國際真空微電子會(huì )議上展出一款運用場(chǎng)發(fā)射技術(shù)制成的顯示器成品之后，各國研究人員紛紛投入對場(chǎng)致發(fā)射顯示器件的研究開(kāi)發(fā)。
雖然FED具備了多方面的優(yōu)勢，但在眾多的場(chǎng)致發(fā)射陰極方案中，僅Spindt鉬錐微尖陣列得到實(shí)用，要想使FED 進(jìn)軍大屏幕顯示領(lǐng)域，無(wú)論在技術(shù)上還是在成本上均很難控制。
而表面傳導電子發(fā)射顯示器SED(Surface-conduction Electron-emitter Display)的出現則為FED 用于大屏幕顯示提供了可能。在制備工藝上，SED 通常與傳統的絲網(wǎng)印刷工藝相結合，既降低了制備成本，又能夠達到大面積顯示的要求。日本東芝與佳能公司是在SED 方面研究比較深入的機構，并于05 年推出了SED 電視的樣機，在當時(shí)引起了很大的轟動(dòng)。但由于制備工藝專(zhuān)利授權等方面的問(wèn)題，使得SED 未能在市場(chǎng)出現。
發(fā)射體材料以及發(fā)射結構是SED 中最為核心的部分，上文中提到的Spindt 鉬錐微尖陣列由于其工藝難度高以及成本投資較高，很難滿(mǎn)足大屏幕顯示的需要；而碳納米管（CNTs）自從被日本科學(xué)家Iijima 發(fā)現以來(lái)，被認為是SED 中優(yōu)良的發(fā)射體。但在使用碳納米管作為發(fā)射體時(shí)，對器件內部的真空度要求非常高，在高溫環(huán)境下殘留的氧會(huì )對發(fā)射尖端氧化；而在封接過(guò)程中，較高的溫度會(huì )使陰極表面的納米碳管丟失，在封接好的顯示器件中碳管的分布不均勻，從而在很大程度上影響到器件發(fā)射的均勻性與穩定性。相對于碳納米管來(lái)說(shuō)，氧化鋅(ZnO)納米結構具有生長(cháng)簡(jiǎn)單，結構均勻，抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，因此氧化鋅納米結構的場(chǎng)發(fā)射性能也逐漸受到研究人員的重視。而在發(fā)射結構方面，目前大多采用三極發(fā)射結構替代傳統的二極結構，通過(guò)在柵極施加電壓來(lái)控制電子的發(fā)射，這在很大程度上改善了發(fā)射性能并提高了器件的工作壽命。
利用碳納米管和氧化鋅復合式材料作為陰極發(fā)射體是近年來(lái)研究的一個(gè)新方向，該復合陰極材料將碳納米管大的電子傳導特性和氧化鋅晶體結構的均一取向性結合，大大改善了陰極的性能。本文采用了自制的氧化鋅與碳納米管的混合材料作為陰極發(fā)射體，提出了一種新型的表面傳導電子發(fā)射結構，并結合了絲網(wǎng)印刷工藝，降低了制作成本，實(shí)現了器件的封裝，得到了穩定、均勻的電子發(fā)射以及較為可觀(guān)的發(fā)光效果。隨著(zhù)研究的不斷深入，SED在今后的平板顯示市場(chǎng)中將會(huì )有更大的發(fā)展空間。
2、SED基本原理及結構
SED的基本原理即為場(chǎng)致發(fā)射，但與一般的場(chǎng)致發(fā)射也是有一定的區別的，它主要依靠在陽(yáng)極上施加一高電壓（一般在幾千伏），在真空環(huán)境下將由陰極板產(chǎn)生的表面傳導電流拉向陽(yáng)極，轟擊在陽(yáng)極板上熒光粉而發(fā)光。在實(shí)驗中我們對柵極施加一電壓，而陰極接地，這樣柵極與陰極間便產(chǎn)生一電勢差，在這一電勢差的影響下，發(fā)射體薄膜層中就會(huì )有傳導電流產(chǎn)生，最后在陽(yáng)極電壓的作用下，傳導電流中的部分電子被提取來(lái)轟擊熒光粉，從而達到發(fā)光的目的。若在柵極通過(guò)外部電路施加掃描電壓，便可實(shí)現陣列顯示與灰度控制，也就是實(shí)現了SED 在顯示中應用。下圖是我們目前所采用的SED 結構示意圖：
SED 的制備主要包括陽(yáng)極板的制備、陰極板的制備以及后續的封裝排氣。其中陽(yáng)極板(Anode)的制備較為簡(jiǎn)單，我們采用ITO 玻璃作為陽(yáng)極基板，利用絲網(wǎng)印刷工藝在ITO 膜上印制熒光粉層并引出銀電極，經(jīng)烘干箱高溫烘干即可。而對于陰極板的制備，我們在充分考慮成本與性能的基礎上，也采用了絲網(wǎng)印刷工藝進(jìn)行制備。首先在玻璃基板上印制銀電極作為陰極(cathode)，并在其上利用絲網(wǎng)印刷工藝涂覆帶有微孔的介質(zhì)層(dielectric layer)。
經(jīng)加熱煅燒，使陰極和介質(zhì)層牢固地附著(zhù)于后玻璃基板上。之后，在介質(zhì)層上印制柵極(gate)，同時(shí)在介質(zhì)層微孔中填入銀漿將陰極引出，使柵極與陰極處于同一平面，從而構成表面傳導結構，圖中陰極與柵極在空間上是相互垂直的。最后在陰極與柵極上印上發(fā)射體(emitter)即可。利用絲網(wǎng)印刷工藝方法簡(jiǎn)單，成本較低，但在印刷過(guò)程中絲網(wǎng)的對準必須掌握的十分精確，稍有偏差便會(huì )引起陰極與柵極之間的短路。
