本文研究了利用表面?zhèn)鲗?dǎo)技術(shù)的場發(fā)射顯示器件，提出了一種新型的表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合式材料作為陰極發(fā)射體，提高了發(fā)射均勻性，并對(duì)其制備工藝與發(fā)射性能進(jìn)行了討論。制作過程中采用絲網(wǎng)印刷工藝，降低了成本。測(cè)試結(jié)果顯示，柵極開啟電壓為150V 左右，此時(shí)陽極電流達(dá)到0.1mA。該結(jié)構(gòu)制作工藝簡單、成本較低、性能優(yōu)良，有著廣闊的應(yīng)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(dǎo)體制程技術(shù)研發(fā)出場發(fā)射電極元件，開啟運(yùn)用場發(fā)射電子作為顯示器技術(shù)，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(yīng)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(shì),有著及其廣闊的應(yīng)用前景。 自1991 年法國LETI CHENG 公司在第四屆國際真空微電子會(huì)議上展出一款運(yùn)用場發(fā)射技術(shù)制成的顯示器成品之后，各國研究人員紛紛投入對(duì)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(shì)，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(shí)用，要想使FED 進(jìn)軍大屏幕顯示領(lǐng)域，無論在技術(shù)上還是在成本上均很難控制。

　　而表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(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(dá)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(jī)構(gòu)，并于05 年推出了SED 電視的樣機(jī)，在當(dāng)時(shí)引起了很大的轟動(dòng)。但由于制備工藝專利授權(quán)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(gòu)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(xué)家Iijima 發(fā)現(xiàn)以來，被認(rèn)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(shí)，對(duì)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(huì)對(duì)發(fā)射尖端氧化；而在封接過程中，較高的溫度會(huì)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(duì)于碳納米管來說，氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構(gòu)具有生長簡單，結(jié)構(gòu)均勻，抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，因此氧化鋅納米結(jié)構(gòu)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(gòu)方面，目前大多采用三極發(fā)射結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的二極結(jié)構(gòu)，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(fù)合式材料作為陰極發(fā)射體是近年來研究的一個(gè)新方向，該復(fù)合陰極材料將碳納米管大的電子傳導(dǎo)特性和氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)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?dǎo)電子發(fā)射結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了絲網(wǎng)印刷工藝，降低了制作成本，實(shí)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(huì)有更大的發(fā)展空間。

2、SED基本原理及結(jié)構(gòu)

　　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?dǎo)電流拉向陽極，轟擊在陽極板上熒光粉而發(fā)光。在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)柵極施加一電壓，而陰極接地，這樣?xùn)艠O與陰極間便產(chǎn)生一電勢(shì)差，在這一電勢(shì)差的影響下，發(fā)射體薄膜層中就會(huì)有傳導(dǎo)電流產(chǎn)生，最后在陽極電壓的作用下，傳導(dǎo)電流中的部分電子被提取來轟擊熒光粉，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)陣列顯示與灰度控制，也就是實(shí)現(xiàn)了SED 在顯示中應(yīng)用。下圖是我們目前所采用的SED 結(jié)構(gòu)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(duì)于陰極板的制備，我們?cè)诔浞挚紤]成本與性能的基礎(chǔ)上，也采用了絲網(wǎng)印刷工藝進(jìn)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(shí)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(gòu)成表面?zhèn)鲗?dǎo)結(jié)構(gòu)，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(duì)準(zhǔn)必須掌握的十分精確，稍有偏差便會(huì)引起陰極與柵極之間的短路。