場發射顯示器（FED）提綱一、場發射顯示器概述二、場發射理論三、微尖陣列場發射陰極四、場發射顯示的陰極材料五、FED中的發射均勻性和穩定性問題六、聚焦型微尖陣列場發射陰極七、FED的主要制作材料和工藝八、FED中真空度的維持九、新型場發射顯示器十、FED的研究概況及發展前景一、場發射顯示器概述FED（FieldEmissionDisplay)與CRT的相同點：利用陰極電子經電場加速而轟擊熒光材料發光的主動發型顯示器件。因此，FED具有與CRT相似的顯示品質，如高亮度、高對比度、全彩色、高顯示容量及低功耗等性能。典型場發射顯示結構原理CRT發射顯示結構原理一、場發射顯示器概述FED與CRT的區別點：CRT采用熱陰極，通過加熱陰極材料使其表面電子獲得克服表面勢壘的能量從而發射出來；而FED采用冷陰極，采用表面功函數較低、電子勢很小甚至為負值得材料，使之在外加電場作用下逸出。因此，FED不但降低了功耗，而且可以瞬時發射電子。（2）CRT的熱陰極為點發射源或線發射源，需要通過偏轉磁場的作用，才能在顯示屏幕上進行掃描而產生顯示。因此，CRT難以實現平板化；而FED的冷陰極為面發射源，可以十分方便地實現平板化和矩陣驅動，無論重量還是體積都大大降低。一、場發射顯示器概述（3）CRT的加速電場電壓通常在1330kV之間；而采用平板結構的FED一般加速電壓小于10kV。另一方面，CRT的消耗電流很小，因此其功耗控制在可接受的范圍內；而FED的加速電壓較低，要達到與CRT相當地亮度，必然需要較高的消耗電流。（4）陰陽極距離也是兩者的主要區別之一。CRT的陰陽極距離至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至達到幾十厘米；而FED的陰陽極距離小于3mm。FED的優點：（1）冷陰極發射；（2）低的工作電壓；（3）自發光和高亮度；（4）寬視角；（5）高速響應；（6）很寬的環境溫度變化范圍。1968年斯坦福國際研究所的C.A.Spindt研制成功微尖陰極發射結構的FED，后法國政府實驗室LETI對Spindt的方法作了改進并于1990年研制出第一個15cm單色顯示器。一、場發射顯示器概述在溫度T＝0K時，為了使金屬中具有最大能量的電子能夠克服表面勢壘而逸出，必須提供的最小能量叫做逸出功。=Wa—EF0電子發射方式：（1）熱電子發射；（2）光電子發射；（3）二次電子發射；（4）場致發射。二、場發射理論金屬表面勢壘和內部電子按能量分布金屬的熱電子發射理查遜—德施曼公式：二、場發射理論在加速場下金屬表面的勢壘曲線二、場發射理論金屬表面場致發射方程:—真空器件.—列陰極，行柵極.—行列電極交叉點有多于4500個微尖,微尖直徑150nm.—電流0.11A/microtip.陰極陣列

三、微尖陣列場發射陰極三、微尖陣列場發射陰極微尖形貌

微尖陣列場發射陰極（FEA）場致發射是在金屬尖端上進行的。如果尖端曲率半徑為1m，尖端與陽極距離為1m左右，則當極間加上幾十伏的電壓，就會在尖端表面上產生109V/cm數量級的強電場。在忽略極間空間電荷的情況下，陰極發面尖端處場強與陽極電壓Ua成正比。即

幾種典型的尖端形狀三、微尖陣列場發射陰極三、微尖陣列場發射陰極微尖電子發射

場發射陰極陣列面積240mm240mm，包含1.4x106個微尖。金屬微尖的伏安特性三、微尖陣列場發射陰極對陰極制造的要求：（1）在整個表面上具有均勻的電子發射；（2）提供充足的電流，以便在低電壓下獲得很高的亮度；（3）在微尖和柵極之間沒有短路。陰極微尖制作種類：（1）在金屬基體上沉積金屬形成金屬陰極尖。其特點工藝復雜，但可實現大電流，發射特性好，壽命長。（2）以硅片作基片，采用硅的各向異性腐蝕形成硅陰極尖。其特點是工藝較簡單，較易實現，但發射特性差，壽命短。FED顯示器的制作工藝三、微尖陣列場發射陰極金屬微尖FEA制作過程三、微尖陣列場發射陰極三、微尖陣列場發射陰極金屬微尖FEA的掃面電鏡照片Si微尖FEA制作過程三、微尖陣列場發射陰極Spindt尖錐型場發射平面顯示器件遇到的困難（1）大面積Spindt尖錐陣列制作大面積Spindt尖錐陣列制作是最大的難題。尤其是在追求尖錐形成的一致性時,困難就更大。具體的難點在于要求有龐大的工藝設備。（2）封接、排氣和消氣技術的突破

在大面積顯示器制作的過程中,必須解決封接、排氣和消氣的技術問題。（3）發射穩定性和均勻性差三、微尖陣列場發射陰極（4）器件的打火、亮度問題

器件的間距很小僅為200μm左右。少量橫向初速度較大的電子還會打到隔離柱(支撐墻)上使之荷電。一般講隔離柱是用絕緣體制作的,荷電后其電位是懸浮的,可能很高,這就造成內部打火。器件的間距小帶來兩個不利的因素:A.為防止發射體陣列板和熒光屏之間發生打火,熒光屏電位不能高,一般僅為幾百V。B.由于熒光屏電位不高,因此屏的亮度也低。三、微尖陣列場發射陰極克服困難的辦法:（1）加大場發射陰極板和陽極板之間的距離,從原來的200μm增加到1.5mm以上。所帶來的好處是:I.可以增加排氣的管導,有利于排氣和去氣的處理;II.提高了陰極板和陽極板之間的耐壓,減少板間直接打火的可能性;III.由于板間耐壓的提高,可以采用高壓熒光粉,從而提高熒光粉的效率和屏的發光亮度,還可保持熒光粉的壽命。三、微尖陣列場發射陰極場發射陰極采用四極結構,即在每個像素上面再增加一個聚焦電極。所帶來的好處是:在加大場發射陰極板和陽極板之間的距離后,保證不降低分辨率;減少可能打到支撐墻上的電子,進一步減少打火的可能性。使用高效消氣劑,且從整體結構設計上解決消氣技術難題。三、微尖陣列場發射陰極四、場發射顯示的陰極材料難熔金屬鎢、鉬等硅金剛石和類金剛石薄膜型，其中碳納米管薄膜是當前熱點綜合型，比如在鉬或者硅等微尖上涂覆一層金剛石薄膜陰極材料要求：較低的功函數較高的電導率、熔點穩定的表面物理化學性質加工工藝簡單陰極材料種類：五、FED中的發射均勻性和穩定性問題造成微尖發射不均勻性和不穩定性的原因：

由于Spindt型工藝生成的陰極微尖是服從Gaussion分布,因此不可能使各發射體完全一樣。微細加工工藝難以達到大面積的均勻性,如陰極微尖、柵極孔幾何尺寸的離散及相對位置的偏差。發射電流決定于表面電場和陰極表面狀態。發射過程中受表面形態變化、離子轟擊、氣體吸附等多種因素影響，造成發射電流起伏不定。解決辦法：

增加串聯電阻，其作用為（1）限流作用，當個別發射體發射過大時，由于電阻的分壓作用使電流受限，從而均衡了各發射體的發射能力；（2）當個別發射微尖與柵極發生短路時，電阻承受了電壓降，其他微尖仍能正常工作。由于微尖數量極大，個別微尖的損失影響不大。五、FED中的發射均勻性和穩定性問題發射電流與柵極電壓的關系場發射陣列限流電阻層的結構：（1）縱向串聯電阻結構由于電阻層位于所有微尖下,要有較大的壓降,就需把電阻層作得較厚,但這是有限的。因此個別發射體發射電流過大或與柵極短路時,易造成電阻層的擊穿,失去抑制作用。縱向串聯電阻結構及其等效電路五、FED中的發射均勻性和穩定性問題（2）橫向串聯電阻結構與縱向串連電阻結構相比，耐擊穿能力和限流能力大大提高，缺點是中間部分的微尖陰柵極間電壓降比外側的低，因此發射也小。在極端情況下，外側微尖發射過大，甚至燒毀，而中間部分的微尖發射仍然很小，因此限制了總的發射電流。橫向串聯電阻結構及其等效電路五、FED中的發射均勻性和穩定性問題（3）網格狀串聯電阻結構

網格狀電阻層把陰極分成網格狀陰極,在每個網格中央加上一個金屬島電極作為等勢體。電流經橫向電阻渡越到金屬島上,在其上各微尖均勻發射,橫向電阻承受較大的壓降而縱向電阻起到均勻電流的作用,這樣以較薄的電阻層就起到均勻發射電流的作用,提高了發射的一致性。網格狀串聯電阻結構及其等效電路五、FED中的發射均勻性和穩定性問題（4）分布式橫向串聯電阻結構網格狀串聯電阻結構的缺點是，當等位體薄膜上的任何一個微尖發生短路擊穿時，該等位體薄膜上的所有微尖都失效。改進措施是使每個像素都包含多個這樣的單元，即使個別單元失效，對該像素影響也有限。分布式橫向串聯電阻結構及其等效電路五、FED中的發射均勻性和穩定性問題六、聚焦型微尖陣列場發射陰極優點：減小電子束的發散度，實現高陽極電壓工作。聚焦極共面聚焦型柵極豎直同軸聚焦型六、聚焦型微尖陣列場發射陰極聚焦型微尖照片兩組常用高、低壓熒光粉的性能

低壓熒光粉存在的問題：色飽和度低，可見光轉換效率低，亮度低，壽命短。七、FED的主要制作材料和工藝隔離柱材料要求：（1）隔離柱很薄，尺寸均勻；（2）具有一定的剛度、強度；（3）具有一定的電阻率，同時又不能產生過大的漏電流；（4）放氣量小。

七、FED的主要制作材料和工藝隔離柱材料：熱壓氮化硅、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、石英玻璃。陰極材料尖錐型陰極，如鉬、硅。薄膜型陰極，如多晶金剛石薄膜、非晶金剛石薄膜、類石墨、碳納米管。七、FED的主要制作材料和工藝FED制作工藝：七、FED的主要制作材料和工藝FED屏內殘氣的來源：（1）蒸發和分解蒸發現象是屏內產生氣體的主要原因在排氣時，擴散泵油的蒸氣會污染屏內的各種材料，在高速電子或離子的轟擊下，會放出大量的氣體；真空衛生不嚴格，有機物、脂肪、汗脂、清洗殘液等污染物均可帶入屏內，在真空條件下，會產生大量的氣體；在熒光屏烘烤時，如果有機膜未充分分解，在電子轟擊下也會分解出大量氣體。

八、FED中真空度的維持（2）熱解析FED基板玻璃在制造加工過程中，由于在大氣中存放時間太長，玻璃內部溶解了大量氣體，在它表面也吸附著大量氣體。（3）電子誘導解析電子束不斷地轟擊熒光屏和電極也會引起氣體的釋放。電子誘導解析主要是電子與固體表面的分子或表面吸附的氣體分子產生非彈性碰撞，使這些分子產生激發或離解，再從表面釋放出來。八、FED中真空度的維持殘余氣體對屏性能影響1、對場發射陰極的損傷場發射陰極是FED顯示屏內最具活性的部件，FED顯示器件的壽命主要是由場發射陰極的壽命所決定的。陰極電子發射是一種表面現象，而表面最容易受殘余氣體分子的損傷。八、FED中真空度的維持2、對熒光屏的損傷殘余氣體分子和低速電子發生碰撞時，將俘獲電子而形成負離子。這種負離子受陽極正電位的吸引而轟擊陽極，使陽極上熒光屏受到灼傷而形成離子斑，隨著時間的積累將造成熒光粉脫落。3、對驅動電路的影響器件內殘余氣體壓力愈大，則其產生的電離噪聲也越大。電離產生的電子在陽極電場的作用下飛向陽極，使陽極的電流增大，通常氣體分子電離幾率不是常數，增加的陽極電流也是起伏不定的，從而產生電流噪聲。八、FED中真空度的維持FED中消氣劑的使用1、物理作用當氣體分子和消氣劑表面相碰撞時，氣體分子有可能淀積在消氣劑表面而被吸附，并形成單分子或數個分子的薄層。因消氣劑表面組織疏松，表面粗糙，故對氣體分子有很大的吸附能力。2、化學作用氣體和消氣劑之間發生化學反應而生成新的固態化合物，從而使屏內的氣體減少，提高真空度。八、FED中真空度的維持九、新型場發射顯示器1、碳納米管（CNT）場發射顯示器九、新型場發射顯示器

CNT曲率半徑極小而密度極高,能在較低的施加電場下維持較高的發射電流密度,并且仍具有較高的機械強度與化學穩定性,十分適合用作FED的發射體九、新型場發射顯示器CNT的伏安特性九、新型場發射顯示器碳納米管的制備方法：?電弧法使用兩個石墨電極在He氣氛中加高壓放電。放電后陰極上會產生排列整齊的碳質的絲狀物質和小顆粒的混合體,其中的絲狀物質即為兩端封閉的MWNT。如果在石墨電極中混進金屬塊(Fe,Co等),金屬就會在放電過程中蒸發,起到某種催化作用,生成單壁碳納米管(SWNT)。?激光熔融法可用于單壁碳納米管的大量生產。將激光打在已被加熱的、摻有Co或Ni的石墨靶上,產生石墨蒸氣,同時用Ar氣將凝結成的CNT吹出。成品呈網狀,混有大量雜質。九、新型場發射顯示器?化學氣相淀積法使用顆粒狀的薄膜作為生長核,高溫加熱并通入碳源氣體,氣體在加熱區碳化沉積并在生長核的作用下形成密度和直徑與生長核相當的CNT。ＣＶＤ法的主要缺陷是加熱溫度高。近年來,生長溫度已經可以控制在600℃以下。九、新型場發射顯示器2、金屬-絕緣體-金屬(