本文研究了利用表面?zhèn)鲗Ъ夹g的場發(fā)射顯示器件，提出了一種新型的表面?zhèn)鲗Оl(fā)射三極結(jié)構，采用復合式材料作為陰極發(fā)射體，提高了發(fā)射均勻性，并對其制備工藝與發(fā)射性能進行了討論。制作過程中采用絲網(wǎng)印刷工藝，降低了成本。測試結(jié)果顯示，柵極開啟電壓為150V 左右，此時陽極電流達到0.1mA。該結(jié)構制作工藝簡單、成本較低、性能優(yōu)良，有著廣闊的應用前景。

1、引言

　　場發(fā)射電極理論最早是在1928 年由R.H.Fowler 與L.W.Nordheim 共同提出，不過真正以半導體制程技術研發(fā)出場發(fā)射電極元件，開啟運用場發(fā)射電子作為顯示器技術，則是在1968 年由C.A.Spindt 提出。作為新型的平板顯示器件，從場致發(fā)射顯示器(FED)的工作原理來看，它依靠真空中場致發(fā)射的電子轟擊陽極面板上的熒光粉而發(fā)光，與CRT 在顯示原理幾乎完全一致，因而FED 既具有CRT 在亮度、響應速度、視角等方面的優(yōu)良特性，又具備了平板顯示器件在體積、功耗以及工作電壓等方面的優(yōu)勢,有著及其廣闊的應用前景。 自1991 年法國LETI CHENG 公司在第四屆國際真空微電子會議上展出一款運用場發(fā)射技術制成的顯示器成品之后，各國研究人員紛紛投入對場致發(fā)射顯示器件的研究開發(fā)。

　　雖然FED具備了多方面的優(yōu)勢，但在眾多的場致發(fā)射陰極方案中，僅Spindt鉬錐微尖陣列得到實用，要想使FED 進軍大屏幕顯示領域，無論在技術上還是在成本上均很難控制。

　　而表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射顯示器SED(Surface-conduction Electron-emitter Display)的出現(xiàn)則為FED 用于大屏幕顯示提供了可能。在制備工藝上，SED 通常與傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷工藝相結(jié)合，既降低了制備成本，又能夠達到大面積顯示的要求。日本東芝與佳能公司是在SED 方面研究比較深入的機構，并于05 年推出了SED 電視的樣機，在當時引起了很大的轟動。但由于制備工藝專利授權等方面的問題，使得SED 未能在市場出現(xiàn)。

　　發(fā)射體材料以及發(fā)射結(jié)構是SED 中最為核心的部分，上文中提到的Spindt 鉬錐微尖陣列由于其工藝難度高以及成本投資較高，很難滿足大屏幕顯示的需要；而碳納米管（CNTs）自從被日本科學家Iijima 發(fā)現(xiàn)以來，被認為是SED 中優(yōu)良的發(fā)射體。但在使用碳納米管作為發(fā)射體時，對器件內(nèi)部的真空度要求非常高，在高溫環(huán)境下殘留的氧會對發(fā)射尖端氧化；而在封接過程中，較高的溫度會使陰極表面的納米碳管丟失，在封接好的顯示器件中碳管的分布不均勻，從而在很大程度上影響到器件發(fā)射的均勻性與穩(wěn)定性。相對于碳納米管來說，氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構具有生長簡單，結(jié)構均勻，抗氧化等優(yōu)點，因此氧化鋅納米結(jié)構的場發(fā)射性能也逐漸受到研究人員的重視。而在發(fā)射結(jié)構方面，目前大多采用三極發(fā)射結(jié)構替代傳統(tǒng)的二極結(jié)構，通過在柵極施加電壓來控制電子的發(fā)射，這在很大程度上改善了發(fā)射性能并提高了器件的工作壽命。

　　利用碳納米管和氧化鋅復合式材料作為陰極發(fā)射體是近年來研究的一個新方向，該復合陰極材料將碳納米管大的電子傳導特性和氧化鋅晶體結(jié)構的均一取向性結(jié)合，大大改善了陰極的性能。本文采用了自制的氧化鋅與碳納米管的混合材料作為陰極發(fā)射體，提出了一種新型的表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射結(jié)構，并結(jié)合了絲網(wǎng)印刷工藝，降低了制作成本，實現(xiàn)了器件的封裝，得到了穩(wěn)定、均勻的電子發(fā)射以及較為可觀的發(fā)光效果。隨著研究的不斷深入，SED在今后的平板顯示市場中將會有更大的發(fā)展空間。

2、SED基本原理及結(jié)構

　　SED的基本原理即為場致發(fā)射，但與一般的場致發(fā)射也是有一定的區(qū)別的，它主要依靠在陽極上施加一高電壓（一般在幾千伏），在真空環(huán)境下將由陰極板產(chǎn)生的表面?zhèn)鲗щ娏骼�向陽極，轟擊在陽極板上熒光粉而發(fā)光。在實驗中我們對柵極施加一電壓，而陰極接地，這樣柵極與陰極間便產(chǎn)生一電勢差，在這一電勢差的影響下，發(fā)射體薄膜層中就會有傳導電流產(chǎn)生，最后在陽極電壓的作用下，傳導電流中的部分電子被提取來轟擊熒光粉，從而達到發(fā)光的目的。若在柵極通過外部電路施加掃描電壓，便可實現(xiàn)陣列顯示與灰度控制，也就是實現(xiàn)了SED 在顯示中應用。下圖是我們目前所采用的SED 結(jié)構示意圖：

　　SED 的制備主要包括陽極板的制備、陰極板的制備以及后續(xù)的封裝排氣。其中陽極板(Anode)的制備較為簡單，我們采用ITO 玻璃作為陽極基板，利用絲網(wǎng)印刷工藝在ITO 膜上印制熒光粉層并引出銀電極，經(jīng)烘干箱高溫烘干即可。而對于陰極板的制備，我們在充分考慮成本與性能的基礎上，也采用了絲網(wǎng)印刷工藝進行制備。首先在玻璃基板上印制銀電極作為陰極(cathode)，并在其上利用絲網(wǎng)印刷工藝涂覆帶有微孔的介質(zhì)層(dielectric layer)。

　　經(jīng)加熱煅燒，使陰極和介質(zhì)層牢固地附著于后玻璃基板上。之后，在介質(zhì)層上印制柵極(gate)，同時在介質(zhì)層微孔中填入銀漿將陰極引出，使柵極與陰極處于同一平面，從而構成表面?zhèn)鲗ЫY(jié)構，圖中陰極與柵極在空間上是相互垂直的。最后在陰極與柵極上印上發(fā)射體(emitter)即可。利用絲網(wǎng)印刷工藝方法簡單，成本較低，但在印刷過程中絲網(wǎng)的對準必須掌握的十分精確，稍有偏差便會引起陰極與柵極之間的短路。