场发射显示器技术现况与发展

场发射显示器技术现况与发展场发射显示器﹙FED， Field Emission Display﹚是藉由背面基板的阴极放电，放出电子到前板的萤光层上激发萤光体发光。显示器的特性有自发光式薄型显示器，消费电力较低，高亮度，广视角，反应速度快﹙μsec 等级﹚，动作温度范围大﹙-40～+80°C﹚以及耐环境性等。由於发光原理最近於CRT﹙Cathode Ray Tube﹚，显示性能也有接近CRT 所呈现的等级，不过，FED 的开发历史虽起於1950 年代，至今仍未实用化，目前待解决的问题包括寿命﹙数千小时﹚提昇、可靠度、成本等方面，如今虽有多项新技术的产生，但都面临实用化的问题。但随着新技术的引进与突破，因此在平面显示器领域中颇受期待。场发射显示器概述FED 的发光方式与CRT 相异之处，在於CRT 是加热阴极产生热电子，并利用电磁场控制电子偏向，在萤光幕上扫描定址，而FED 的电子发出方式是平面状，电子直接向前射出到对应的画素(图1)。FED 的显示技术可以将传统bulk 形式的CRT 薄型化，因此有着thin CRT 的别称，在显示器技术领域当中，因能保有CRT 的色彩表现，同时兼顾到平面、薄型的新世代显示器发展需求而受到瞩目。FED 的阴极与阳极间距在0.2～1mm，如此狭小的空间，考验着电子源到萤光面的稳定性，device 的真空度也有严格的要求，因此真空技术、微细加工技术，以及真空容器制造技术都是FED 的制程技术发展课题。由於FED 是藉由电子放电激发萤光体发光，因此发射效率以及均匀性便成了需要严格掌控的因子，此外，因为发光要藉由真空状态中，固体表面强电场放出电子，而发射体在FED 的重要性也就显然可见，其发展重点如下：1.电子射出特性佳﹙低阴极电压，高电流密度﹚2.画素间电流密度的均一性3.容易调节全彩阶调信号所对应的电子束4.使用过程的劣化程度低，电子供应安定5.制造成本低，可以做大尺寸的画面场发射技术简介FED 依发射方式不同，可以如表1 中分类，目前的技术主流为Spindt方式，Spindt 型的发射体(emitter)是圆锥状的立体构造，新的技术是朝向较简单的平面构造，以因应低成本制程、大型化的需求，近年来较受到注目的新技术则有表面传导型﹙ SCE， Surface ConducTIon ElectronEmitter Display﹚、碳奈米管型﹙CNT，Carbon Nanotube﹚、弹道电子面放出型﹙BSD，BallisTIc electron Surface emitTIng Display﹚等。Spindt 型Spindt 型发射体是由美国SRI ﹙ Stanford Research InsTItute ﹚International 的C.A. Spindt 等人开发，这是FED 最早的构造设计方式﹙其发射体阵列如图2 所示﹚ ， 後来法国研究机构LETI ﹙ Laboratoired’Electronique, de Technologie et d’Instrumentation﹚ 应用此发射体发表了彩色FED，吸引了多方注目，90 年代初期全球有许多研究机构及显示器厂商投入研究开发的行列。LETI 最初发表的彩色FED 尺寸为六寸，256*256 画素，加400V 电压可以达到300cd／m2 的亮度表现，寿命则为5000 小时。双叶电子有推出对角线18.2cm，阳极低电压驱动方式﹙驱动电压200V﹚的单色FED，解析度为VGA，另外还有开发800V，表现300 cd／m2 亮度的18cm、WIDE 全彩FED。高电压驱动的全彩FED则以Sony／Candescent 颇受瞩目，利用数千伏驱动电压，可以得到高亮度表现，2001 年的SID 中，Candescent Tech 与SONY 发表了13.2 寸SVGA的彩色FED，阳极电压7000V，亮度达到800 cd／m2。Spindt 型的圆锥状发射体材料通常是用钼﹙Mo﹚，直径约在1μm，发射体多排成一列一列，应用形式为FEA﹙Field Emitter Array﹚。Spindt型的发射体是现今主流，由於历经了30 多年的研究历史，为完成度较高的技术，投入厂商及研究机构纷纷进入实用阶段，已经推出数寸～15寸的FED 样品。然而，Spindt-FED 的制造困难度较高，如高电压型FED在耐电压方面，由於阴极与阳极之间的gap 在1mm 以上，需要有高aspect比的支柱构造以稳定最终显示表现，维持放射电流的均一性才能集束电子束，拥有高可靠度才可确保高耐电压特性，如何面对低成本、大型化的需求，都是产业发展的困难点。具体来说，电子源FEA 的制作、成膜技术、蚀刻技术、复杂的微细加工技术、高成本的制程，与array 制作过程的均一性、高真空度要求，以及最终面板的assembly 都是FED 实用化待解决的课题。SCE 型SCE﹙又称为SED，Surface Conduction Electron Emitter Display﹚是由Canon 开发的技术，其结构如下图所示，是由粒径在5～10nm 的超微细PdO﹙氧化钯﹚粒子所形成的薄膜，在发射体电极间有极微细的gap﹙nm 等级﹚，当外加电压产生tunnel 效应时，电子放出并经由阳极的引向而射向萤光板。在Canon 的3.1 寸试作样品中，阴极与阳极间距为2～5mm，pixel size720*230μm，画素数为80*80*3，加以6000V 的加速电压可以达到640 cd／m2 的高亮度。SCE 与Spindt 最大的不同处在於其平面构造，因此有应用印刷技术的可能性，较可能达到低成本化，只是目前效率只有0.1～0.2%，若朝大尺寸化发展，消耗电力会是很大的问题。图4　SCE 结构图BSD 型BSD﹙Ballistic electron Surface emitting Display﹚是由松下电工与东京农工大学共同开发，在阴极形成一多孔性的多晶矽层PPS﹙Porouspoly-Si﹚，当中有细的微结晶粒﹙直径约5nm﹚，表面并有一薄的氧化层。当在阴极与阳极间加电位差时，阴极电子注入PPS 层并进入多晶矽的微结晶之间， 电子加速运动得到高能量而放出， 电子放出效率约为1%。由於外加电压集中在微结晶的氧化层表面， 在这薄层表面形成强电场，电子得以加速射出，此现象即为「弹道电子传导」。由於高能量的电子是从阴极的垂直方向飞出，不需要作偏向调整，因此可以达到高发光效率、高亮度、低消费电力﹙40 寸100W﹚的特点，且在制程方面有着制作简单、容易大型化、低成本的特色。