場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐

1、場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐Field-emission Gas Display: From Concept to Practice 電子物理與器件教育部重點實驗室 2012年05月11日2012中國平板顯示學術(shù)會議目 錄 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展 四、未來前景分析場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐能源之星標準對平板電視開機模式功耗之規(guī)定 對角線尺寸（英寸）幅形比屏幕尺寸（英寸）4.0版本最大開機模式功耗（瓦）2010年5月1日生效5.0版本最大開機模式功耗（瓦）2012年5月1日生效2016:917.49.837273216:9

2、27.915.778554216:936.620.6115815016:943.624.51531086016:952.329.4210108資料來源：EPA: ENERGY STAR Program Requirements for TVs: Versions 4.0 and 5.0，September 3, 2009 . 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念能源之星標準對平板電視開機模式功耗之規(guī)定 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念場發(fā)射氣體顯示器件場發(fā)射氣體顯示（FGD）：Field-emission Gas Display FED主要問題：高真空，高電壓； PDP主要問題：放電消耗大量功率，發(fā)光效率低；

3、 新型顯示原理：直接注入電子激發(fā)氣體發(fā)光。外加電壓（幾十伏）注入電子（場發(fā)射電子源）電子激發(fā)氣體發(fā)光FGD=FED+PDP 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念三星公司原理性實驗（IMID，2007）氣體：3 Torr純Xe氣電子源：CNT（非MIM）顯示屏：2英寸 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念驅(qū)動電壓亮度發(fā)光效率35 V （1kHz, 1%占空比）263 cd/m24.14 lm/W40 V （1kHz, 1%占空比）506 cd/m23.58 lm/W脈寬調(diào)制驅(qū)動（PWM） 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念壽命測試： 2.5分鐘27.5分鐘主要原因： CNT陰極直接暴露在氣體中，陰極電子發(fā)射特性很快劣化。解

4、決辦法： 尋找能夠在氣氛環(huán)境下穩(wěn)定工作的新型電子源。 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念已有的各種場發(fā)射電子源 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念MIM型場發(fā)射電子源的特點 三明治結(jié)構(gòu)，由底電極、電子發(fā)射層和頂電極構(gòu)成； 頂電極厚度10 nm左右，電子穿過頂電極注入到氣體中； 工作電壓較低，一般在幾十伏。頂電極：金屬（Au，Pt）電子發(fā)射層：絕緣材料，多孔多晶硅底電極：金屬，半導體PPS電子源：金屬底電極/多孔多晶硅（PPS）/金屬頂電極MIM電子源：金屬底電極/絕緣層/金屬頂電極MIS電子源：半導體底電極/絕緣層/金屬頂電極 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念目 錄 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念 二、MIM型場發(fā)射電

5、子源基本特性 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展 四、未來前景分析場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐MIM型場發(fā)射MIM：Metal-Insulator-Metal（金屬-絕緣體-金屬）底電極-絕緣體界面勢壘絕緣體-頂電極界面能帶偏移外加偏壓底電極絕緣體頂電極真空 一、MIM型場發(fā)射電子源基本特性MIM型場發(fā)射電流絕緣層厚度MIM型場發(fā)射的優(yōu)點：（1）能夠優(yōu)化底電極、絕緣層和頂電極材料；（2）能夠優(yōu)化絕緣層和頂電極的厚度；（3）場發(fā)射電流主要由絕緣層勢壘貫穿控制，而不是由表面勢壘貫穿控制（電子靠動能越過表面勢壘）。（4）受表面環(huán)境影響小，器件電壓低（小于20V）。 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性美國

6、加州理工學院Mead最早提出基于MIM場發(fā)射的電子器件C. A. Mead, J. Appl. Phys., 1961, 32:646絕緣層厚度：10nm 提出基于隧穿電子發(fā)射原理的器件，由于材料和工藝原因，發(fā)射不穩(wěn)定，重復性差。 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性器件電壓：7V發(fā)射效率器件電流發(fā)射面積：直徑0.1mm最大發(fā)射電流：最大發(fā)射電流密度： 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性前蘇聯(lián)學者關(guān)于MIM電子源陣列的初步實驗結(jié)果P. E. Troyan et al, J. Vac. Sci. Technol. B, 1993, 11:514MIM陣列絕緣層厚度：100-120nm頂電極(Al)厚度

7、：10-20nm發(fā)射效率：器件電壓：16V發(fā)射電流密度：發(fā)射電流漲落達10% 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性電形成后產(chǎn)生負阻現(xiàn)象電形成無電形成電形成無電形成負阻 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性負阻引起發(fā)射電流漲落較大 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性T. Kusunoki, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1993, 32:L1695已有實驗結(jié)果表明：（1）陰極工作在10K溫度下，發(fā)射電流漲落消失；（2）負阻現(xiàn)象通常出現(xiàn)在電形成MIM器件中，在低溫下也會消失。電形成無電形成發(fā)射電流與時間關(guān)系新想法：無電形成的MIM器件可得到無漲落的電子發(fā)射。 二、MIM型場發(fā)射電子

8、源基本特性日立MIM FED電子能量分布實驗結(jié)果電子能量分布半高寬與器件電壓的關(guān)系M. Suzuki et al, J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, 13:2201 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性無電形成時發(fā)射電流和能量分散與器件電壓的關(guān)系發(fā)射電流密度（器件電壓5V）：發(fā)射效率（器件電壓6V）：脈沖驅(qū)動可得到無電形成：脈沖寬度：重復周期：直流驅(qū)動將產(chǎn)生電形成。 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性日立開發(fā)的17英寸和32英寸 MIM FED（2009）17英寸640480 MIM FED32英寸1366768 MIM FED底電極：Al-Nd合金（300 nm）電子發(fā)

9、射層：氧化Al-Nd絕緣層（10 nm）頂電極：Au/Pt/Ir（2.3 nm） 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性N. Koshida, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1995, 34:L705松下BSD FEDPS: Porous Silicon（多孔硅） 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性MIS結(jié)構(gòu)彈道電子發(fā)射(BSD)：Ballistic electron Surface-emitting Display 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性松下7.6英寸8463 BSD FED（SID，2003）電流密度（工作電壓18V）： 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性N. N

10、egishi, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 1997, 36:L939先鋒HEED FED峰值電流密度（電壓110V）：MIS結(jié)構(gòu) 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性MIS電子源基本結(jié)構(gòu)電子發(fā)射區(qū)域放大圖 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性底電極：Si（8.4 m）電子發(fā)射層：SiOx（300 nm）頂電極：W（60 nm）/C（20 nm）先鋒4英寸HEED FED（IDW，2002） 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性目 錄 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展 四、未來前景分析場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐工藝

11、參數(shù)微觀形貌發(fā)射特性負阻無電形成多孔硅場發(fā)射電子源 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展Zhang Yujuan, et al, J. Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12負阻無電形成初步結(jié)論：符合MIM場發(fā)射基本特性，無電形成時發(fā)射特性較好。 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展多孔硅電子發(fā)射源 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展MIM型場發(fā)射電子源 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展Hongzhong Liu, et al, Nanotechnology, 2011, 22:455302桶狀MIM型場發(fā)射電子源 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展 三、MIM型

12、場發(fā)射電子源研究進展目 錄 一、場發(fā)射氣體顯示基本概念 二、MIM型場發(fā)射電子源基本特性 三、MIM型場發(fā)射電子源研究進展 四、未來前景分析場發(fā)射氣體顯示：從概念到實踐VUV光譜無147nm譜峰無823nm和828nm信號陽極電壓：100 V 四、未來前景分析10mmPPS電子發(fā)射直接激發(fā)氣體發(fā)光多孔多晶硅電子發(fā)射直接激發(fā)氣體（純Xe氣）發(fā)光 四、未來前景分析T. Ichihara, et al, Journal of the SID, 2010, 18:223MIM型場發(fā)射電子源具有電子注入的微腔等離子體器件K. F. Chen, et al, Applied Physics Letters, 2008, 93:161501 四、未來前景分析充Ne氣微腔等離子體相對發(fā)光強度 四、未來前景分析FGD發(fā)展前景分析 FGD利用了FED的電子發(fā)射和PDP的氣體激發(fā)發(fā)光，同時克服了FED的高真空、高電壓缺點和PDP的低放電效率