场发射显示器阴极材料的发展

摘要:文章介绍了显示器件的发展现状,场发射显示器(FED)是显示领域内有发展潜力的一种平板显示器,有望成为数字电视时代的主流显示器件。阴极技术是FED的关键技术,文章还分析了FED的工作原理,并详细论述了FED阴极材料的应用与发展。

关键词:场发射显示器;F-N公式;阴极材料

中图分类号:TN873文献标识码:B

Development of Cathode Materials of FED

YAO Li1, WU Huai-yu1, AI Yan-ping2, SONG Bei3

(1. Broadcast Television Network Media Co., Ltd. of Shanxi, Luochuan branch, Luochuan Shaanxi 727400, China; 2. Broadcast Television Network Media Co., Ltd. of Shanxi, Ansai branch, Ansai Shaanxi 717400, China; 3. Xi'an Innovation College Yan'an University, Xi'an Shaanxi 710100, China)

Abstract:The developing status of display device was introduced. Field emission display (FED), a kind of flat-panel display, with development potential in the field of display technology, is expected to become the mainstream display device in the digital television age. Cathode technology is the key technology of FED. Working principle of FED was analyzed, and application and development of FED cathode material were discussed in detail.

Keywords:field emission display (FED); Fowler-Nordheim formula; cathode material

引言

20世纪以来,电子显示技术的进步使信息显示发生了革命性的飞跃。目前,电子显示技术在工业、航空航天、军事、卫星遥感、教育教学、娱乐、医疗及交通运输等领域都发挥着重要的作用,显示技术及相关产业的产品占据着信息产业总产值的45%左右[1]。

阴极射线管(CRT)是德国物理学家布劳恩(Kari Ferdinand Braun)发明的,1897年被用于一台示波器中首次与世人见面。但CRT得到广泛应用却是在20世纪30年代电视机出现以后,从此CRT开始统治显示器市场。由于CRT显示器技术成熟,显示品质好,有完整的工业生产体系,生产成本低,且价格便宜,所以一直占据着大量的市场份额。进入21世纪以来,由于数字技术、计算机技术和微电子技术的发展,显示器件技术和产业进入了一个全面转型的阶段,液晶显示器(LCD)和等离子体显示器(PDP)等平板显示器(flat panel display,FPD)技术突飞猛进,逐渐成为市场的主流。FPD凭借重量轻、平板化、大屏幕等优势,正在逐步取代CRT显示器。目前,FPD已经成为高清数字电视、计算机和3G通信终端显示的关键器件,其市场规模巨大,是信息产业发展潜力中最大的经济增长点之一。目前,市场上的FPD技术各具特色和优势,但作为主流显示器的LCD和PDP也存在着一些固有缺陷,于是FED被公认为有可能成为下一代显示器件的主流[2],本文介绍了FED的工作原理,并详细论述了FED阴极材料的发展。

1 场发射显示器的工作原理

FED的设计思想源自CRT的平板化,它与CRT的最大区别是电子发射与扫描方式。CRT的基本原理是把由电子枪产生的电子束汇聚在荧光屏上,利用偏转线圈的磁场使电子束在荧光屏上扫描来进行图像显示。电子束偏转是导致CRT体积庞大的主要原因。FED的基本原理是利用直流电源在两块互相平行的平板电极之间形成直流电场,在电场的驱动下,电子从点阵冷阴极材料的表面逸出并加速,轰击阳极荧光材料从而使之发光,此种发光原理与CRT类似,都是在真空中让电子撞击荧光粉发光。二者的不同之处首先在于CRT由单一的电子枪发射电子束,透过偏转磁场来控制电子束发射扫描的方向,而FED显示器则拥有数十万个有源冷发射阴极,每个荧光粉点对应一个场发射阴极,阴极点阵的场发射电流由行列电极上的电压控制,高压扫描信号加在行电极上,数据信号加在列电极上实现动态图像的显示;其次在于电压部分,CRT大约需要15~30kV左右的工作电压,而FED的阴极电压小于1kV。图1是CRT和FED工作原理示意图。

从F-N公式[1]中可以看出,场发射电流密度大小与外加电场场强和发射体的功函数有密切的关系。因此,利用场致发射时,应尽量选择低功函数的材料作发射体,并设计恰当的阴极结构,才能满足器件工作的要求。

2 场发射显示器的阴极材料发展

FED的核心部件是阴极,阴极的性能决定着FED的性能和应用。由于不同的FED所使用的发射体材料及其发射电子的机理各不相同,因而性能也不尽相同。为获得良好的场致电子发射,阴极发射体材料应具备以下基本要求:功函数小,因而电子容易逸出;场发射开启电场低;场发射电流密度大并且均匀稳定;耐粒子轰击、耐腐蚀,以满足器件使用环境与寿命要求;导热性好,易于散热;材料经济实用,成本低,易加工等。常见的场发射阴极材料有以下几类。

2.1 金属材料

FED早期采用的发射体是难熔金属材料,主要有W、Mo、Ta等,W和Mo的功函数相近,分别为4.52eV、4.5eV,而钽的较低,为4.13eV。金属W作为场致发射材料时,真空度要求优于10-7Pa以上。为了获得大的场发射电流,它们都做成微尖型结构,主要工艺大多采用真空镀膜和化学电解腐蚀制作出曲率半径在几十至几百纳米的场发射尖端阴极。对于金属场致发射材料,为了在很低的控制电压下获得很大的发射电流,一般采用足够尖的微尖, 但微尖尺寸不能无限减小,至多达到一个原子的大小。现在人们主要在降低阴极功函数上下功夫,采用敷涂具有很低逸出功的材料,甚至是负电子亲和势(NEA)的材料,已取得了一些可喜的成果。因为金属FED阴极工艺复杂、难度大、成本高、制作面积受限,难以满足形成大屏幕显示的要求,因而逐步被一些新型材料取代。

2.2硅材料

采用硅材料的好处是和半导体工艺兼容,可以利用成熟的半导体工艺技术。纯硅若制成很尖的微尖和小的栅极间隔就可以在很低的开关电压下产生比较大的发射电流。因此,其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构上,传统的方法是采用热氧化法来制作微尖。现有报道采用等离子体氧化法制作硅阴极,可获得80nm的硅微尖发射体[4]。

硅阵列发射体的缺点主要有热稳定性差、发射的可靠性低以及难以大面积制备等。在硅尖锥包覆各类碳薄膜、金属膜或改进微尖阵列制备工艺有助于改善其发射特性,目前已经取得了显著的成果,例如在硅尖表面敷上TiN和C-BN(cube boron nitride)膜,在硅尖上涂敷10～20nm的TiN膜。这种敷TiN膜的硅场致发射材料比同等条件下的一般硅发射材料具有更高的发射稳定性和更低的发射电压。C-BN薄膜是一种宽带半导体材料,具有负电子亲和势效应,其制作工艺主要是用激光或等离子束技术把纳米晶C-BN材料涂敷到硅尖上面。包覆改性可降低发射电压和提高发射稳定性。

另外,多孔硅也是一种较理想、有发展前景的场致发射阴极材料。文献表明多孔硅阴极在12.5V/μm的电场中可以获得1mA/cm2的发射电流密度。其具有良好表现的主要原因是由于它的发射体是一种高密度的超尖硅组织,但在微尖上制作平面多孔硅场致发射阴极的工艺比较复杂[5]。

2.3碳材料

2.3.1金刚石相关材料[6,7]

多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜以及纳米金刚石涂层等都被认为是理想的场发射材料。由于金刚石具有高硬度、宽带隙、高热导率、抗化学腐蚀以及负电子亲和势等优良性能,作为场发射阴极材料有着极大的性能优势。

金刚石场发射阴极在10V/μm的电场下即可获得发射电流,相比于普通金属高达103V/μm以上的场发射开启电场,优势非常明显。实验证实,对金刚石薄膜表面的纳米结构化或涂层进行改性都可以进一步提高其场发射特性,为金刚石薄膜材料的器件化应用打下基础。

由于薄膜类型的金刚石场发射阴极制备工艺复杂,成膜率低,不容易推广到商品化,而涂层类型的金刚石场发射阴极在市场化方面有着很好的前景。

2.3.2碳纳米管(CNT)

CNT导电性极好,具有很大的长径比,是一种集优良的材料特性与几何形貌于一体的场发射材料,由于其顶部的电场增强效应很强,容易产生场致电子发射,而且CNT物理化学性质都比较稳定,故CNT具有良好的场发射性能。CNT作为场发射阴极时需要制备成阵列状,它的场发射电流受其阵列密度的影响,若密度过小,则发射电流很小,而密度过大又会导致纳米管之间出现静电屏蔽现象,也造成发射电流减小。理论计算表明,CNT的高度与相邻管间距的比值为1/2时阵列的发射特性最好[8]。工艺上制备最优CNT阵列的难度较大,故CNT-FED要走向应用还有很长的路。

2.3.3其它材料[9]

除了上述几种常用的材料,还有一些半导体化合物材料也具有较好的场发射特性。

研究发现,碳化硅(SiC)、砷化镓(CaAs)、氮化镓(CaN)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等宽带隙半导体材料也具有较强的场发射能力。鲁博等制备的SiC纳米纤维具有特殊的“树状”结构,该结构能增强场发射性能,降低开启场强至1.1V/μm;GaAs场致发射体是采用硅(100)晶面作衬底, 用选择性外延技术制作而成,微尖结构的GaAs可在80V以下的电压中发射电流;GaN的功函数为2.7～3.3eV, 可淀积成n型材料,纳米GaN薄膜有很低的场发射开启电场;在n 型Si (100) 基底上利用等离子体增强脉冲激光沉积系统所制备的不同沉积气压下的纳米BN薄膜有良好的场发射性能;AlN尖锥或薄膜也都表现出较好的场发射特性。

一些具有一维或准一维纳米结构的材料,如石墨纳米纤维、难熔金属纳米线、纳米硅、氧化铜纳米线、二氧化锡纳米线以及各种结构的纳米氧化锌等,都具有较明显的场发射特性。

另外,利用直流溅射法在Si衬底上沉积的HfNxOy薄膜开启电场小且发射电流密度大;六硼化镧(LaB6)薄膜具有良好的场发射稳定性,是一种理想的薄膜场发射材料。硅基底上生长的硼碳氮(BCN)纳米管开启电场为1.8V/μm,2.48V/μm外电场下发射电流达170μA/cm2,一些导电聚合物材料也有着较好的场发射能力。

3 结论

场致发射材料是FED阴极的核心,对FED的性能起着决定性的作用。实用的场致发射材料的结构主要包括微尖型和平面型,它们的构架都是以F-N场发射电流方程式作为最基本的理论依据,寻求足够低的功函数和负电子亲和势以及尽量大的场增强因子的材料。包覆改性等技术可有效降低发射电压,提高发射电流及其稳定性。

各种FPD在具体的应用领域都存在着与其对应的应用空间和发展潜力,而且未来的显示器也不可能像CRT那样一统天下,由于相对成熟的LCD和PDP的核心技术都控制在欧美和日韩等发达国家手中,国产品牌显示器的发展空间极为有限,而激光彩色显示器和有机发光显示器(OLED)等新型显示技术还不成熟[10],随着更低功函数的发射体材料的开发,FED的市场化预计将会取得突破,在FPD领域研发具有自主知识产权的FED产品具有重要的战略意义,以此为契机,实现我国高端显示领域赶超发达国家的目标[11]。

参考文献

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[10] 刘立军. 平板显示器中FED与OLED技术特性比较[J].现代显示, 2009, 8:34-38.

[11] 杨延宁. 纳米金刚石复合材料场发射关键技术研究[D]. 西安:西北大学, 2010.

作者简介:姚力(1977-),女,籍贯陕西安康,现任职陕西省广电网络传媒有限公司洛川县支公司副经理,从事广播电视管理和有线电视网络建设工作,E-mail:。