未來科技 SED和FED顯示技術(shù)優(yōu)缺比較

從電子源板和驅(qū)動(dòng)電路方面可以清楚地看到SED和FED之間的顯著差異。在討論差異的顯著性之前，我們必須首先理解每種技術(shù)采用的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1. 標(biāo)準(zhǔn)FED發(fā)射器結(jié)構(gòu)

    采用納米碳管(CNT)發(fā)射器的一些典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。微端(Microtip)發(fā)射器也有相似的結(jié)構(gòu)。在這兩種情況下，電子束都是通過從發(fā)射器結(jié)構(gòu)(CNT或微端)獲得電子形成的，這是陽極、柵極和陰極之間的電壓差導(dǎo)致發(fā)射器上產(chǎn)生高電場的結(jié)果。在某些時(shí)候，陽極電場致使電子發(fā)射，而陰極-柵極的壓差控制發(fā)射電流強(qiáng)度。

圖4：用于CNT發(fā)射器的配置。(a)金屬柵格懸浮在位于陰極線頂部的CNT電子發(fā)射器片上。 (b)柵極結(jié)構(gòu)完全被集成，并采用光刻技術(shù)構(gòu)建于陰極板上。

    FED發(fā)射器的電子流受發(fā)射器上施加的電場(由陰極到柵極的偏置電壓產(chǎn)生)控制，并受Fowler-Nordheim等式的約束。發(fā)射器的電流是施加電壓的函數(shù)，并呈高度的非線性。圖5是一個(gè)CNT發(fā)射器的I-V特性例子。除了施加電場外，發(fā)射電流還取決于發(fā)射器的功函數(shù)(workfunction())和發(fā)射器形狀。當(dāng)功函數(shù)降低時(shí)，例如涂覆堿金屬，那么在較低的電場更容易獲取電子。當(dāng)發(fā)射器的形狀變得較銳利時(shí)，也更容易或取電子，因?yàn)樵诎l(fā)射器頂部的局部電場會更高。

圖5：作為電場函數(shù)的發(fā)射電流施加于CNT發(fā)射器，而且CNT發(fā)射器覆蓋了銫。銫可以降低功函，允許在較低的提取電場下發(fā)射。

    考慮標(biāo)準(zhǔn)FED技術(shù)時(shí)有兩個(gè)要點(diǎn)。首先，配置在很大程度上是垂直的。一般柵極緊靠陰極放置，這樣施加的電場在CNT發(fā)射器沉積的陰極處大部分是垂直的，從陰極發(fā)射出來的電子將直接到達(dá)陽極。一些電子束的加寬是施加電場的橫向分量引起的，但設(shè)計(jì)會盡可能地限制這些分量，或者需要時(shí)在路徑中放置另外的聚焦電極加以糾正。通常情況下，F(xiàn)ED設(shè)計(jì)師的目標(biāo)是禁止電子在離開發(fā)射器后撞擊除陽極外的其它任何表面。

    其次，典型的FED是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。在無源矩陣FED顯示器中，很難在陰極和柵極(開和關(guān)電壓)之間施加超過兩個(gè)或三個(gè)電壓等級，因此圖像的灰度等級是由脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。對所有無源矩陣平面顯示器而言，圖像是一行行建立的。當(dāng)某一行被激活時(shí)，該行的像素就被列驅(qū)動(dòng)器打開；該行每個(gè)像素保持打開的時(shí)間取決于該幅圖像幀的像素要求的發(fā)光強(qiáng)度。由于發(fā)射器的發(fā)射電流具有高度非線性，發(fā)射器的制造又很難控制，因此對微端和CNT顯示器來說發(fā)射和圖像的一致性是需要克服的大問題。制造技術(shù)已經(jīng)改善了基于CNT的FED的一致性。陰極的發(fā)射一致性通常是由與陰極串聯(lián)在一起的電流反饋電阻進(jìn)行控制。

    FED發(fā)射器的制造取決于FED開發(fā)團(tuán)隊(duì)所采用的方法。摩托羅拉和LETI公司開發(fā)的工藝要求CNT直接生長在陰極基底上，而ANI和三星等公司開發(fā)的工藝允許CNT印刷。與直接CNT生長所要求的高溫CVD方法相比，印刷方法更適合大批量制造具有一致發(fā)射性能的大面積陰極。印刷方法要求一個(gè)活化步驟，但即使這個(gè)步驟也針對使用珠光處理(bead-blasting)技術(shù)的大面積制造工藝作了優(yōu)化。

2.SED結(jié)構(gòu)

SED結(jié)構(gòu)與其它FED技術(shù)相比其獨(dú)特性在于，針對每個(gè)像素對陽極提供的電子束流需要用兩步產(chǎn)生。

a．第1步

    電子源橫向發(fā)出電子，穿越兩個(gè)電極之間形成的非常窄的間隙。電極之間的這個(gè)間隙雖然小，只有數(shù)個(gè)納米數(shù)量級，但仍是真空間隙，需要施加一定的電位才能將電子從一個(gè)電極提取出來，并穿過真空隧道屏障到達(dá)另外一個(gè)電極。穿越電極空隙的電子流遵循Fowler-Nordheim定律，因此具有高度非線性，并允許后文要討論到的矩陣可尋址方式。表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射器(SCE)正是從這種橫向發(fā)射器結(jié)構(gòu)而來。圖6是SED發(fā)射器的結(jié)構(gòu)圖。

圖6：SED的結(jié)構(gòu)。每個(gè)子像素都有一個(gè)獨(dú)特的用于提供電子流的電極對。

b.第2步

    穿越間隙并撞擊對面電極的電子要么被吸收進(jìn)對面電極(因此只產(chǎn)生熱量，不發(fā)光)，要么被散射出來，再被陽極電位建立的電場所捕獲，并加速撞擊某個(gè)精確熒光點(diǎn)，從而產(chǎn)生紅、綠或藍(lán)光點(diǎn)。這種組合式電子發(fā)射加電子束散射過程如圖7所示，其中Va代表陽極電位，Vf是跨越間隙的驅(qū)動(dòng)電位。許多散射事件可能發(fā)生在電子被陽極電場捕獲之前。因此被陽極捕獲的電子數(shù)量的效率(Ie/If,圖7)非常低，大約在3%，但功效比較理想，因?yàn)閂f比較低，約在20V。值得注意的是，到達(dá)陽極的電子流一致性取決于間隙處的電場發(fā)射電流以及像素到像素的散射事件效率。

圖7：表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射器發(fā)射機(jī)制。

    上述發(fā)射器是采用多種技術(shù)制造的。簡單的矩陣連線通過印刷方法沉積而成，這種方法在交叉點(diǎn)處使用銀線和絕緣薄膜。鉑(Pt)電極采用薄膜光刻制成，這些電極之間的間隙是60nm。納米碳間隙采用兩步工藝創(chuàng)建，最先是在Pt電極上和電極間用噴墨印刷方法沉積PdO薄膜(10nm厚)。這層薄膜由直徑約10nm的超細(xì)PdO顆粒組成。然后是第一步，在兩個(gè)Pt電極之間的這種PdO薄膜上施加一串電壓脈沖，通過減少氧化層在該薄膜上“形成”一個(gè)間隙。由于基底處于真空環(huán)境，脈沖熱量會減少PdO。隨著PdO的減少，薄膜會受到一定的壓力，最終在PdO點(diǎn)的直徑范圍內(nèi)形成亞微米的間隙。

    然后，將陰極暴露在有機(jī)氣體中“激活”間隙，并往間隙上施加更多的脈沖電壓。這些脈沖電壓將形成局部放電，并導(dǎo)致間隙中形成類似CVD的碳薄膜沉積，最終間隙將縮小至自我限制的5nm數(shù)量級距離。當(dāng)間隙較大時(shí)，由于碳?xì)浠�合物分子在因放電形成的等離子區(qū)內(nèi)的分裂而沉積成碳元素。隨著間隙逐漸變小，脈沖生成的局部放電電流會越來越大，材料將逐漸蒸發(fā)。當(dāng)間隙為5nm時(shí)，碳元素的沉積和蒸發(fā)達(dá)到平衡。這種間隙的寬度受有機(jī)氣體壓力和脈沖電壓的控制。間隙的橫截面圖像如圖8所示。

圖8：(頂部)采用成型和激活工藝制造的納米碳間隙的SED橫截面圖。(底部)納米碳間隙結(jié)構(gòu)的框圖�；�底損耗是由于激活工藝局部產(chǎn)生的高溫引起的。

    與FED相似，SED也是逐行驅(qū)動(dòng)的，如圖9所示。掃描電路產(chǎn)生掃描信號(V_scan)，信號調(diào)制電路產(chǎn)生同步于掃描信號的脈寬調(diào)制信號(V_sig)。由于表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射器具有高度非線性的Ie-If特性，可以不用有源單元而使用簡單的矩陣x-y配置來有選擇地驅(qū)動(dòng)每個(gè)像素，并在信號電壓為18.9V、掃描電壓為9.5V時(shí)仍能獲得100000:1的亮度對比度。相比之下，基于CNT的FED結(jié)構(gòu)的典型信號電壓為 35" 50 V，掃描電壓為50" 100 V。SED開關(guān)器件的電壓低得多，但它們必須針對更高的穩(wěn)態(tài)電流負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于SCE電子散射機(jī)制的低效率，最高電流可達(dá)30倍。SED的大電流還要求互連線阻抗比FED低，因?yàn)榧词咕�上一個(gè)很小的壓降也會導(dǎo)致邊到邊的非一致性。

圖9：SED矩陣尋址式驅(qū)動(dòng)方法框圖。

本文小結(jié)

    SED和其它FED技術(shù)有許多相似的部分，例如陽極配置和陽極使用的熒光層、隔離器技術(shù)、吸氣器以及許多裝配工藝。最大的差異在于發(fā)射器結(jié)構(gòu)，雖然SED和其它基于FED的結(jié)構(gòu)都可以用印刷技術(shù)進(jìn)行制造，從而有助于降低大屏幕顯示器的制造成本。

    兩種發(fā)射器結(jié)構(gòu)都遵循Fowler-Nordheim特性，允許使用簡單的x-y矩陣尋址實(shí)現(xiàn)高的對比度。SED已經(jīng)可以提供100000:1的對比度；如果使用相同的陽極，F(xiàn)ED也能提供近似值。SED和基于CNT的FED(對于印刷CNT層)都要求激活步驟，雖然激活過程有很大的不同。SED的驅(qū)動(dòng)電壓為20V或以下，但要求較大的電流能力�；�于CNT的FED一般工作在50 " 100 V范圍內(nèi)，但驅(qū)動(dòng)電流小得多。由于要求大的驅(qū)動(dòng)電流和低的驅(qū)動(dòng)電壓，SED的互連線需要更穩(wěn)定可靠。因此SED和基于CNT的FED已經(jīng)被證明或有可能被證明是制造高質(zhì)量、大屏幕HDTV顯示器的低成本方法。

作者：

R. L. Fink, Zvi Yaniv,

L. H. Thuesen, Igor Pavlovsky

Applied Nanotech公司