场发射气体显示：从概念到实践

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1、场发射气体显示：从概念到实践Field-emissionGasDisplay:FromConcepttoPractice西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室2012年05月11日刘纯亮2012中国平板显示学术会议目录一、场发射气体显示基本概念二、MIM型场发射电子源基本特性三、MIM型场发射电子源研究进展四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践能源之星标准对平板电视开机模式功耗之规定对角线尺寸（英寸）幅形比屏幕尺寸（英寸）4.0版本最大开机模式功耗（瓦）2010年5月1日生效5.0版本最大开机模式功耗（瓦）2012年5月1日生效2016

2、:917.49.837273216:927.915.778554216:936.620.6115815016:943.624.51531086016:952.329.4210108资料来源：EPA:ENERGYSTARProgramRequirementsforTVs:Versions4.0and5.0，September3,2009.一、场发射气体显示基本概念能源之星标准对平板电视开机模式功耗之规定一、场发射气体显示基本概念场发射气体显示器件场发射气体显示（FGD）：Field-emissionGasDisplayFED主要问题：高真

3、空，高电压；PDP主要问题：放电消耗大量功率，发光效率低；新型显示原理：直接注入电子激发气体发光。外加电压（几十伏）注入电子（场发射电子源）电子激发气体发光FGD=FED+PDP一、场发射气体显示基本概念三星公司原理性实验（IMID，2007）气体：3Torr纯Xe气电子源：CNT（非MIM）显示屏：2英寸一、场发射气体显示基本概念驱动电压亮度发光效率35V（1kHz,1%占空比）263cd/m24.14lm/W40V（1kHz,1%占空比）506cd/m23.58lm/W脉宽调制驱动（PWM）一、场发射气体显示基本概念寿命测试：2.5分钟~27

4、.5分钟主要原因：CNT阴极直接暴露在气体中，阴极电子发射特性很快劣化。解决办法：寻找能够在气氛环境下稳定工作的新型电子源。一、场发射气体显示基本概念已有的各种场发射电子源一、场发射气体显示基本概念MIM型场发射电子源的特点三明治结构，由底电极、电子发射层和顶电极构成；顶电极厚度10nm左右，电子穿过顶电极注入到气体中；工作电压较低，一般在几十伏。顶电极：金属（Au，Pt）电子发射层：绝缘材料，多孔多晶硅底电极：金属，半导体PPS电子源：金属底电极/多孔多晶硅（PPS）/金属顶电极MIM电子源：金属底电极/绝缘层/金属顶电极MIS电子源：半导体底

5、电极/绝缘层/金属顶电极一、场发射气体显示基本概念目录一、场发射气体显示基本概念二、MIM型场发射电子源基本特性三、MIM型场发射电子源研究进展四、未来前景分析场发射气体显示：从概念到实践MIM型场发射MIM：Metal-Insulator-Metal（金属-绝缘体-金属）底电极-绝缘体界面势垒绝缘体-顶电极界面能带偏移外加偏压底电极绝缘体顶电极真空一、MIM型场发射电子源基本特性MIM型场发射电流绝缘层厚度MIM型场发射的优点：（1）能够优化底电极、绝缘层和顶电极材料；（2）能够优化绝缘层和顶电极的厚度；（3）场发射电流主要由绝缘层势垒贯穿控制

6、，而不是由表面势垒贯穿控制（电子靠动能越过表面势垒）。（4）受表面环境影响小，器件电压低（小于20V）。二、MIM型场发射电子源基本特性美国加州理工学院Mead最早提出基于MIM场发射的电子器件C.A.Mead,J.Appl.Phys.,1961,32:646绝缘层厚度：10nm提出基于隧穿电子发射原理的器件，由于材料和工艺原因，发射不稳定，重复性差。二、MIM型场发射电子源基本特性器件电压：7V发射效率器件电流发射面积：直径0.1mm最大发射电流：最大发射电流密度：二、MIM型场发射电子源基本特性前苏联学者关于MIM电子源阵列的初步实验结果P.

7、E.Troyanetal,J.Vac.Sci.Technol.B,1993,11:514MIM阵列绝缘层厚度：100-120nm顶电极(Al)厚度：10-20nm发射效率：器件电压：16V发射电流密度：发射电流涨落达10%二、MIM型场发射电子源基本特性电形成后产生负阻现象电形成无电形成电形成无电形成负阻二、MIM型场发射电子源基本特性负阻引起发射电流涨落较大二、MIM型场发射电子源基本特性T.Kusunoki,etal,Jpn.J.Appl.Phys.,1993,32:L1695已有实验结果表明：（1）阴极工作在10K温度下，发射电流涨落消失；

8、（2）负阻现象通常出现在电形成MIM器件中，在低温下也会消失。电形成无电形成发射电流与时间关系新想法：无电形成的MIM器件可得到无涨落的