1、第八章 场致发射显示（FED）,场致发射显示器概述场致电子发射FED的构成及制作工艺新型FED显示器技术,1,显示器,发光型,受光型,CRT(阴极射线管)PDP(等离子显示器)OLED(有机发光显示器) AMOLED （TFT-OLED）FED(场发射显示器)LED(发光二极管)VFD(真空荧光显示器),LCD(液晶显示器) TFT-LCDE-ink（电子墨水显示器）,显示器分类,平板显示器,2,8.1 场致发射显示器概述,场致发射显示器件(Field Emission Display，FED)是显示与真空微电子相结合的产物，是发光原理最接近CRT的一种新兴平板显示器件，也是当今世界庞大的显示
2、技术产业产品更新换代的重要候选之一。 真空微电于的概念最早出现在20世纪60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CRT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代CRT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CRT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
3、趋势；由于场致发射平板显示器与CRT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，CRT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术平台。1991年法国LETI CHENG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，并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入众多平面显示器技术的行列。,4,场致发射显示是近些年各大显示厂商、科研院所研究的重点，20世纪90年代初，开展了“薄膜型”冷阴极电子源的研制，以期能够获得易于实现大面积制备冷阴极的
4、技术。 美国的摩托罗拉和惠普公司、荷兰的飞利浦公司、韩国的三星公司、日本的日立和松下公司；美国的贝尔实验室、美国Argonne国家实验室、英国卢瑟福国家实验室；英国的剑桥大学、美国的麻省理工学院和加州大学戴维斯分校、法国的里昂大学等都有专门的研究组进行攻关。 在中国，也有中山大学、东南大学、长春光机物理所、中科院上海微系统所、西安交通大学、清华大学、北京大学、福州大学等多家院校和研究机构投入该领域的研究。,5,FED显示器特点,FED本质上是由许多微型CRT组成的平板显示器，其具备下列优点：（1）冷阴极发射。（2）低工作电压。（3）自发光和高亮度。（4）宽视角和高速响应。（5）很宽的环境温度变
5、化范围。 （极低温的宇宙空间-500）（6）抗辐射能力强，工作频率可高达1000GHz,6,问题的提出,上个世纪由CRT统治整个显示技术领域！CRT（Cathode Ray Tube ）突出优点：1 、具有高分辨率2 、轻易实现的高亮度及很好的对比度3 、能够显示丰富的彩色色调和图象层次4 、显示速度快 被人们认为是图文显示的标准,8.2 场致电子发射,7,显示技术首要解决的问题：实现显示器件的平板化FED是既能保持CRT的优势又能平板化的一项技术。,逐渐暴露的缺点：1、体积大2、重量大3、功耗大4、屏幕越大显象管越长，大面积显示困难,CRT由高能电子束激发荧光材料而发光。,8,电子发射是指电
6、子从阴极逸出进入真空或其它气体媒质中的过程。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电子发射。主要有：1 、热电子发射 传统CRT的原理2 、场致电子发射 FED技术核心,问题的铺垫,9,热电子发射：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。场致发射：不需要提供给体内电子以额外的能量，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
7、冷电子发射。它没有时间延迟，功耗低，是一种非常有效的电子发射方式。,10,场致发射理论,场(致)电子发射是指在强电场作用下，固体(非绝缘体)发射电子的现象。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，无需能量激发。即固体中总能量低于表面势垒(逸出功)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中。外电场起到降低势垒高度和减薄势垒宽度(-EF)的作用。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，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。,11,Field Electron Emission,在加速场
8、下金属表面的势垒曲线,12,问题的分析,为了获得可利用的场致发射电流，阴极表面必须有相当高的加速电场强度 。由静电学知识可知，极小曲率半径的金属针尖表面容易形成极强的电场，即“尖端放电”。因而将场致发射体（阴极）做成曲率半径很小的针尖 。,13,可行性分析,1、制造工艺 试想用该技术制造一个17英寸显示器（显示屏长320mm，宽240mm），实现16001200的分辨率。每个发射尖端占有面积约： 平均边长为： 2、制造材料 在其他条件不变时，随着逸出功的减小，场发射电流会显著增大。寻求逸出功足够低的材料，可以实现在很低控制电压下获得相当可观的发射电流！,14,问题的解决,FED结构示意图,15
9、,微型真空三极管结构,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。FED发光过程：在栅极和阴极间加上不高的电压（低于100V）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,1、实现显示器件平板化的解决方案众多。2、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CRT显示器件仍然有一定的距离。3、FED显象原理和CRT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
10、超越CRT的显示质量。4、未来的FED将向高亮度、高分辨率、大尺寸方向发展。,17,8.3.1 FED基本结构,8.3 FED的构成及制作工艺,FED是一个真空电子器件，由两块平板玻璃（阳极基板和阴极基板）构成，周边用低熔点玻璃封接而成。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。阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。每一个像素由相交的行列交叉点所选通，包含有大量的微尖。两基板之间有支撑结构以抵抗大气压力。布置成阵列状的微尖结构是制造FED的关键。,18,FED与CRT的比较,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。不同之处在于电子的发
11、射和扫描方式。CRT需藉偏转磁场控制电子枪射出的电子束在显示屏上进行扫描，阴极到阳极距离达到几十厘米。FED的冷阴极为面发射源， 由百万多电子源直接激发荧光材料，阴阳极距离小于3mm，易于实现平板化和矩阵驱动。连同极板玻璃在内，器件厚度不过67mm。CRT的加速电场电压通常在1330kV之间；而FED一般加速电压小于10kV，为达到与CRT相当的亮度，需要较高的消耗电流。,19,FED的三个基本工艺,20,8.3.2 FED技术难点,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）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106A/cm2每个发射极需均匀发射电子在高真空
12、、高电压下发射极维持稳定性与寿命支撑间隔材料真空密封技术低压荧光粉技术,21,支撑间隔材料,工作在真空环境，平面型，需要抵抗大气压力由于平整度和轻薄的要求，不能采用CRT常用的厚玻璃作为上下基板。需要在上下基板间加上支撑结构。要求：1，支撑体面积足够小，尺寸均匀； 2，具有一定的电阻率，同时又不能产生过大的漏电流（电荷积累和漏电的矛盾）； 3，足够的支撑强度； 4，放气量小,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。,22,美国Micron Display Technology 是以直径25m，长350m，间距为100m的玻璃纤维直接结合在阳极板或阴极板之间。此圆柱设计的优
13、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垂直度不易维持。垂直度良好方能确保在另一面板(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。,23,美国Candescent与日本Sony于2000年合作，将FED尺寸由5.3”扩大至13.2”。其Spacer是采用长壁(Wall)方式，为壁厚55m，壁高1270m，壁长278mm的陶瓷板，其Spacer高宽比为2：3。摆置方式采用水平横式放置在发射微尖之间隙上。,24,真空密封技术,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，最容易受残余气体分子的损伤，影响到阴极的场发
14、射特性。因此需要高真空。要获得高真空，需要1，排气过程中器件内各部件去气彻底，不放气。2，用消气剂维持高真空1、物理作用：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。,25,低压荧光粉技术,现有的CRT荧光粉工作在高电压（几万伏）、小电流，而FED荧光粉工作在中、低电压，大电流。1，发光效率低，CRT的1/10以下。2，为了获得足够的亮度，需要大大增加电流密度，但荧光粉在大电流密度下有饱和现象，进一步降低了荧光粉的发光效率3，低压工作，无法采用阳极基板蒸铝技术，荧光粉失去铝层
15、保护，易受破坏并放出有害气体污染发射体。,26,场致电子发射阴极的发展,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逸出功材料；改变阴极的几何形状以增大几何因子。可寻址的场致发射阵列是FED器件的基础和核心，发射均匀、稳定，长寿命、高可靠性、低成本的场致发射体及其阵列制备工艺就成为FED研究的关键。,27,场发射阴极材料（冷阴极）的发展,Metal tip Tip arrays Thin film, 1-D materials Mo (Spindt, 1968） CNTs (Rinzler, 1995）W Si (Thomas, 1972) CNTs
16、( Suh, 2002),28,典型的 Spindt-FED结构,PixTech FED, 列阴极，行栅极. 行列电极交叉点有多于4500个微尖, 微尖直径150 nm. 电流0.11A/microtip. 场致发射是在金属尖端上进行的。,29,微尖制作,先制作栅极，再沉积微尖,金刚石尖锥阵列,钼微尖,30,微尖制作,先刻蚀微尖，再沉积栅极,31,使用过程中阴极的破坏,发射极发生焦耳加热而熔化发射体,32,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：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
17、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。,33,8.4 新型FED显示器,碳纳米管场致发射显示器（CNT-FED）表面传导型场发射显示器（SED）,34,8.4.1 碳纳米管场致发射显示器CNT-FED,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
18、机械强度与化学稳定性,十分适合用作FED的发射体,35,碳纳米管场发射阵列的制备,印刷法直接生长法,36,CNTs用作阴极面临的问题,所有微针尖发射的FED：发射电流一致性和稳定性CNTs必须直立CNTs的表面能很大，倾向于黏附在基底CNTs集束力要足够强：某一CNT的松弛将引起电弧,37,CNTs发射极的制备,碳纳米管阵列,38,丝网印刷厚膜工艺制备碳纳米管冷阴极,将CNT配成浆料后，以丝网印刷技术印在玻璃基板的电极上，烧结后发射源厚度约1um，上覆盖约10nm厚的绝缘层。在发射极上，涂布栅极和栅极绝缘层 ，以光刻技术挖出小孔，发射电子将透过小孔，被阳极电场加速撞击荧光材料而发光。,孔式栅极
19、三极结构示意图,39,现阶段的产品开发情况,三星和摩托罗拉公司均已经开发出自己的CNT-FED面板。离实际的商业化还有一段距离,台湾工业研究院电子研究所研制的碳纳米管场发射显示器,法国LETI和美国Motorola公司6英寸QVGA CNT FED（2004）,40,8.4.2 SED显示技术,Surface-conduction electron-emitter display, 表面传导电子发射显示器属于FED显示技术的一种，从目前来上，商业化的可能性最高。主要研制公司：佳能和东芝合资2004年组建SED Inc.公司 SED与当前平板显示器市场上的主流产品LCD、PDP相比，有着明显的优
20、势。最大的优势是画质好，达到了CRT的水平。除此之外，SED在暗处对比度、电力消耗、层次特性的表现上全面胜出现有的LCD和PDP，而成本又低于LCD和PDP显示器。SED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。,41,42,SED技术的独特性,SED结构与其它FED技术相比其独特性在于，针对每个像素对阳极提供的电子束流需要用两步产生。 a第1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，
21、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。b.第2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(因此只产生热量，不发光)，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，从而产生红、绿或蓝光点。,43,44,SED结构,一个典型的SED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，下玻璃基板内层上就是SED显示的核心单元电子发射器。两层基板之间抽真空。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，先通过丝网印刷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
22、电极间制作氧化钯薄膜电子发射阴极。氧化钯电极间距只有4-6个纳米，当金属电极间加上10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SED与其它的场致发射显示器（FED）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，这与普通电
23、视显像管（CRT）的原理是一样的，只是电子发射阴极不同而已。CRT是目前电视用的所有显示器件中综合画质最出色的，SED自然也继承了CRT的优良品质。东芝和佳能宣称其制造成本只有PDP和LCD的二分之一到三分之一。,46,优势,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；发光完全可控，不存在液晶显示的背光泄漏或等离子显示的预放电问题，黑色表现力大大提高；发光效率可达5lm/W，使其耗电量只有同规格的等离子和液晶显示器的一半； 由于采用与普通电视显像管同样的高压荧光粉，可以达到优于PDP和LCD的色彩饱和度及锐利的图像； 器件基本上是平面结构，可以完全采用
24、印刷工艺生产，使生产成本可以做到大大低于PDP和LCD。,47,问题,SED只是场致发射显示器（FED）的一种。其与FED的唯一区别就是起牵引电子作用的柵极并不是与电子发射阴极平行排列在下玻璃基板上，而是制作在电子发射阴极和阳极（上玻璃基板）之间，因此仅仅是电极制作工艺的区别。为了不影响电子的发射和运行，FED的内部为超高真空状态，其表面要承受超过每平方米10吨的压力，内部的支撑问题需要解决。因此FED的尺寸不可能做的太大，CRT的极限尺寸只能达到45英寸。高速电子打到荧光粉后会把其内部吸附的气体解吸出来，造成真空度降低。因此FED的寿命与真空保持问题紧密相连。,48,FED目前面临的问题,寿命不长，这是一个关键因素由于玻壳和工艺问题, FED难于实现大屏幕化 阴极大面积发射的一致性不好阴极发射的稳定性需要继续研究结构复杂，支撑结构布局困难，真空封接还不完善,仪器仪表的监视器手提式计算机显示屏壁挂电视摄像机的取景器电子照相机的显示屏等娱乐用途炮瞄定位显示等军事用途汽车工业及航空工作中的导向系统监视器等,FED的用途,49,
