利用表面传导的场发射显示器件研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学电子科学与工程学院 作者:沈昱

  本文研究了利用表面传导技术的场发射显示器件,提出了一种新型的表面传导发射三极结构,采用复合式材料作为阴极发射体,提高了发射均匀性,并对其制备工艺与发射性能进行了讨论。制作过程中采用丝网印刷工艺,降低了成本。测试结果显示,栅极开启电压为150V 左右,此时阳极电流达到0.1mA。该结构制作工艺简单、成本较低、性能优良,有着广阔的应用前景。

1、引言

  场发射电极理论最早是在1928 年由R.H.Fowler 与L.W.Nordheim 共同提出,不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件,开启运用场发射电子作为显示器技术,则是在1968 年由C.A.Spindt 提出。作为新型的平板显示器件,从场致发射显示器(FED)的工作原理来看,它依靠真空中场致发射的电子轰击阳极面板上的荧光粉而发光,与CRT 在显示原理几乎完全一致,因而FED 既具有CRT 在亮度、响应速度、视角等方面的优良特性,又具备了平板显示器件在体积、功耗以及工作电压等方面的优势,有着及其广阔的应用前景。 自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技术制成的显示器成品之后,各国研究人员纷纷投入对场致发射显示器件的研究开发。

  虽然FED具备了多方面的优势,但在众多的场致发射阴极方案中,仅Spindt钼锥微尖阵列得到实用,要想使FED 进军大屏幕显示领域,无论在技术上还是在成本上均很难控制。

  而表面传导电子发射显示器SED(Surface-conduction Electron-emitter Display)的出现则为FED 用于大屏幕显示提供了可能。在制备工艺上,SED 通常与传统的丝网印刷工艺相结合,既降低了制备成本,又能够达到大面积显示的要求。日本东芝与佳能公司是在SED 方面研究比较深入的机构,并于05 年推出了SED 电视的样机,在当时引起了很大的轰动。但由于制备工艺专利授权等方面的问题,使得SED 未能在市场出现。

  发射体材料以及发射结构是SED 中最为核心的部分,上文中提到的Spindt 钼锥微尖阵列由于其工艺难度高以及成本投资较高,很难满足大屏幕显示的需要;而碳纳米管(CNTs)自从被日本科学家Iijima 发现以来,被认为是SED 中优良的发射体。但在使用碳纳米管作为发射体时,对器件内部的真空度要求非常高,在高温环境下残留的氧会对发射尖端氧化;而在封接过程中,较高的温度会使阴极表面的纳米碳管丢失,在封接好的显示器件中碳管的分布不均匀,从而在很大程度上影响到器件发射的均匀性与稳定性。相对于碳纳米管来说,氧化锌(ZnO)纳米结构具有生长简单,结构均匀,抗氧化等优点,因此氧化锌纳米结构的场发射性能也逐渐受到研究人员的重视。而在发射结构方面,目前大多采用三极发射结构替代传统的二极结构,通过在栅极施加电压来控制电子的发射,这在很大程度上改善了发射性能并提高了器件的工作寿命。

  利用碳纳米管和氧化锌复合式材料作为阴极发射体是近年来研究的一个新方向,该复合阴极材料将碳纳米管大的电子传导特性和氧化锌晶体结构的均一取向性结合,大大改善了阴极的性能。本文采用了自制的氧化锌与碳纳米管的混合材料作为阴极发射体,提出了一种新型的表面传导电子发射结构,并结合了丝网印刷工艺,降低了制作成本,实现了器件的封装,得到了稳定、均匀的电子发射以及较为可观的发光效果。随着研究的不断深入,SED在今后的平板显示市场中将会有更大的发展空间。

2、SED基本原理及结构

  SED的基本原理即为场致发射,但与一般的场致发射也是有一定的区别的,它主要依靠在阳极上施加一高电压(一般在几千伏),在真空环境下将由阴极板产生的表面传导电流拉向阳极,轰击在阳极板上荧光粉而发光。在实验中我们对栅极施加一电压,而阴极接地,这样栅极与阴极间便产生一电势差,在这一电势差的影响下,发射体薄膜层中就会有传导电流产生,最后在阳极电压的作用下,传导电流中的部分电子被提取来轰击荧光粉,从而达到发光的目的。若在栅极通过外部电路施加扫描电压,便可实现阵列显示与灰度控制,也就是实现了SED 在显示中应用。下图是我们目前所采用的SED 结构示意图:

  SED 的制备主要包括阳极板的制备、阴极板的制备以及后续的封装排气。其中阳极板(Anode)的制备较为简单,我们采用ITO 玻璃作为阳极基板,利用丝网印刷工艺在ITO 膜上印制荧光粉层并引出银电极,经烘干箱高温烘干即可。而对于阴极板的制备,我们在充分考虑成本与性能的基础上,也采用了丝网印刷工艺进行制备。首先在玻璃基板上印制银电极作为阴极(cathode),并在其上利用丝网印刷工艺涂覆带有微孔的介质层(dielectric layer)。

  经加热煅烧,使阴极和介质层牢固地附着于后玻璃基板上。之后,在介质层上印制栅极(gate),同时在介质层微孔中填入银浆将阴极引出,使栅极与阴极处于同一平面,从而构成表面传导结构,图中阴极与栅极在空间上是相互垂直的。最后在阴极与栅极上印上发射体(emitter)即可。利用丝网印刷工艺方法简单,成本较低,但在印刷过程中丝网的对准必须掌握的十分精确,稍有偏差便会引起阴极与栅极之间的短路。

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