場發(fā)射顯示器技術(shù)現(xiàn)況與發(fā)展

場發(fā)射顯示器技術(shù)現(xiàn)況與發(fā)展
場發(fā)射顯示器﹙FED， Field Emission Display﹚是藉由背面基板的
陰極放電，放出電子到前板的螢光層上激發(fā)螢光體發(fā)光。顯示器的特性
有自發(fā)光式薄型顯示器，消費(fèi)電力較低，高亮度，廣視角，反應(yīng)速度快
﹙μsec 等級﹚，動作溫度范圍大﹙-40～+80°C﹚以及耐環(huán)境性等。由於
發(fā)光原理最近於CRT﹙Cathode Ray Tube﹚，顯示性能也有接近CRT 所
呈現(xiàn)的等級，不過，F(xiàn)ED 的開發(fā)歷史雖起於1950 年代，至今仍未實(shí)用
化，目前待解決的問題包括壽命﹙數(shù)千小時(shí)﹚提昇、可靠度、成本等方
面，如今雖有多項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生，但都面臨實(shí)用化的問題。但隨著新技
術(shù)的引進(jìn)與突破，因此在平面顯示器領(lǐng)域中頗受期待。
場發(fā)射顯示器概述
FED 的發(fā)光方式與CRT 相異之處，在於CRT 是加熱陰極產(chǎn)生熱電
子，并利用電磁場控制電子偏向，在螢光幕上掃描定址，而FED 的電
子發(fā)出方式是平面狀，電子直接向前射出到對應(yīng)的畫素(圖1)。FED 的
顯示技術(shù)可以將傳統(tǒng)bulk 形式的CRT 薄型化，因此有著thin CRT 的別
稱，在顯示器技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中，因能保有CRT 的色彩表現(xiàn)，同時(shí)兼顧到
平面、薄型的新世代顯示器發(fā)展需求而受到矚目。
FED 的陰極與陽極間距在0.2～1mm，如此狹小的空間，考驗(yàn)著電
子源到螢光面的穩(wěn)定性，device 的真空度也有嚴(yán)格的要求，因此真空技
術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)，以及真空容器制造技術(shù)都是FED 的制程技術(shù)發(fā)展
課題。由於FED 是藉由電子放電激發(fā)螢光體發(fā)光，因此發(fā)射效率以及
均勻性便成了需要嚴(yán)格掌控的因子，此外，因?yàn)榘l(fā)光要藉由真空狀態(tài)中，
固體表面強(qiáng)電場放出電子，而發(fā)射體在FED 的重要性也就顯然可見，
其發(fā)展重點(diǎn)如下：
1.電子射出特性佳﹙低陰極電壓，高電流密度﹚
2.畫素間電流密度的均一性3.容易調(diào)節(jié)全彩階調(diào)信號所對應(yīng)的電子束
4.使用過程的劣化程度低，電子供應(yīng)安定
5.制造成本低，可以做大尺寸的畫面
場發(fā)射技術(shù)簡介
FED 依發(fā)射方式不同，可以如表1 中分類，目前的技術(shù)主流為Spindt
方式，Spindt 型的發(fā)射體(emitter)是圓錐狀的立體構(gòu)造，新的技術(shù)是朝
向較簡單的平面構(gòu)造，以因應(yīng)低成本制程、大型化的需求，近年來較受
到注目的新技術(shù)則有表面?zhèn)鲗?dǎo)型﹙ SCE， Surface Conduction Electron
Emitter Display﹚、碳奈米管型﹙CNT，Carbon Nanotube﹚、彈道電子
面放出型﹙BSD，Ballistic electron Surface emitting Display﹚等。
Spindt 型
Spindt 型發(fā)射體是由美國SRI ﹙ Stanford Research Institute ﹚
International 的C.A. Spindt 等人開發(fā)，這是FED 最早的構(gòu)造設(shè)計(jì)方式﹙其
發(fā)射體陣列如圖2 所示﹚ ， 後來法國研究機(jī)構(gòu)LETI ﹙ Laboratoire
d’Electronique, de Technologie et d’Instrumentation﹚ 應(yīng)用此發(fā)射體發(fā)表
了彩色FED，吸引了多方注目，90 年代初期全球有許多研究機(jī)構(gòu)及顯
示器廠商投入研究開發(fā)的行列。LETI 最初發(fā)表的彩色FED 尺寸為六寸，
256*256 畫素，加400V 電壓可以達(dá)到300cd／m2 的亮度表現(xiàn)，壽命則
為5000 小時(shí)。雙葉電子有推出對角線18.2cm，陽極低電壓驅(qū)動方式﹙驅(qū)
動電壓200V﹚的單色FED，解析度為VGA，另外還有開發(fā)800V，表
現(xiàn)300 cd／m2 亮度的18cm、WIDE 全彩FED。高電壓驅(qū)動的全彩FED
則以Sony／Candescent 頗受矚目，利用數(shù)千伏驅(qū)動電壓，可以得到高亮
度表現(xiàn)，2001 年的SID 中，Candescent Tech 與SONY 發(fā)表了13.2 寸SVGA
的彩色FED，陽極電壓7000V，亮度達(dá)到800 cd／m2。
Spindt 型的圓錐狀發(fā)射體材料通常是用鉬﹙Mo﹚，直徑約在1μm，
發(fā)射體多排成一列一列，應(yīng)用形式為FEA﹙Field Emitter Array﹚。Spindt
型的發(fā)射體是現(xiàn)今主流，由於歷經(jīng)了30 多年的研究歷史，為完成度較
高的技術(shù)，投入廠商及研究機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)入實(shí)用階段，已經(jīng)推出數(shù)寸～15
寸的FED 樣品。然而，Spindt-FED 的制造困難度較高，如高電壓型FED
在耐電壓方面，由於陰極與陽極之間的gap 在1mm 以上，需要有高aspect
比的支柱構(gòu)造以穩(wěn)定最終顯示表現(xiàn)，維持放射電流的均一性才能集束電
子束，擁有高可靠度才可確保高耐電壓特性，如何面對低成本、大型化
的需求，都是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困難點(diǎn)。
具體來說，電子源FEA 的制作、成膜技術(shù)、蝕刻技術(shù)、復(fù)雜的微
細(xì)加工技術(shù)、高成本的制程，與array 制作過程的均一性、高真空度要
求，以及最終面板的assembly 都是FED 實(shí)用化待解決的課題。
SCE 型
SCE﹙又稱為SED，Surface Conduction Electron Emitter Display﹚
是由Canon 開發(fā)的技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，是由粒徑在5～10nm 的超
微細(xì)PdO﹙氧化鈀﹚粒子所形成的薄膜，在發(fā)射體電極間有極微細(xì)的gap
﹙nm 等級﹚，當(dāng)外加電壓產(chǎn)生tunnel 效應(yīng)時(shí)，電子放出并經(jīng)由陽極的
引向而射向螢光板。
在Canon 的3.1 寸試作樣品中，陰極與陽極間距為2～5mm，pixel size
720*230μm，畫素?cái)?shù)為80*80*3，加以6000V 的加速電壓可以達(dá)到640 cd
／m2 的高亮度。SCE 與Spindt 最大的不同處在於其平面構(gòu)造，因此有
應(yīng)用印刷技術(shù)的可能性，較可能達(dá)到低成本化，只是目前效率只有0.1
～0.2%，若朝大尺寸化發(fā)展，消耗電力會是很大的問題。
圖4　SCE 結(jié)構(gòu)圖
BSD 型
BSD﹙Ballistic electron Surface emitting Display﹚是由松下電工與
東京農(nóng)工大學(xué)共同開發(fā)，在陰極形成一多孔性的多晶矽層PPS﹙Porous
poly-Si﹚，當(dāng)中有細(xì)的微結(jié)晶粒﹙直徑約5nm﹚，表面并有一薄的氧化
層。當(dāng)在陰極與陽極間加電位差時(shí)，陰極電子注入PPS 層并進(jìn)入多晶矽
的微結(jié)晶之間， 電子加速運(yùn)動得到高能量而放出， 電子放出效率約為
1%。由於外加電壓集中在微結(jié)晶的氧化層表面， 在這薄層表面形成強(qiáng)
電場，電子得以加速射出，此現(xiàn)象即為「彈道電子傳導(dǎo)」。由於高能量
的電子是從陰極的垂直方向飛出，不需要作偏向調(diào)整，因此可以達(dá)到高
發(fā)光效率、高亮度、低消費(fèi)電力﹙40 寸100W﹚的特點(diǎn)，且在制程方面
有著制作簡單、容易大型化、低成本的特色。