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 Electron
Emitter 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 ﹙ Laboratoire
d’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 size
720*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﹙Porous
poly-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。