场发射显示器与场离子显示器—FED与FID
平板显示技术：第八章-场致发射剖析
解决办法：
增加串联电阻，其作用为
（1）限流作用，当个别发射体发射过大时，由于电 阻的分压作用使电流受限，从而均衡了各发射体的 发射能力；
（2）当个别发射微尖与栅极发生短路时，电阻承受 了电压降，其他微尖仍能正常工作。由于微尖数量 极大，个别微尖的损失影响不大。
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8.3.1 FED基本结构
8.3 FED的构成及制作工艺
FED是一个真空电子器件，由两块平板玻璃（阳极基板和阴极基板）构成，周边用低熔点玻璃封接而成。 阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条，为了保证色纯度，之间用黑矩阵隔开。 阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。每一个像素由相交的行列交叉点所选通，包含有大量的微 尖。 两基板之间有支撑结构以抵抗大气压力。 布置成阵列状的微尖结构是制造FED的关键。
Tip arrays
W
Si (Thomas, 1972)
Thin film, 1-D materials CNTs ( Suh, 2002)
Mo (Spindt, 1968） CNTs
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典型的 Spindt-FED结构
PixTech FED
— 列阴极，行栅极. — 行列电极交叉点有多于4500个微尖, 微尖直径150 nm. — 电流0.11A/microtip.
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场致发射理论 场(致)电子发射是指在强电场作用下，固体(非绝缘体)发射电子的现象。 场致电子发射与需要激发的光电子发射、次级电子发射和热阴极电子发射不同，基于电子隧道效应，无需 能量激发。 即固体中总能量低于表面势垒(逸出功)的电子不需要增加任何能量也有可能透过固体表面而进入真空中。 外电场起到降低势垒高度和减薄势垒宽度(-EF)的作用。 场致发射时，随外加电场的增强，发射体的表面势垒的高度越来越低，宽度越来越窄，从发射体表面逸出 的电子越来越多，场致发射电流越来越大。
场发射显示器
五、FED中的发射均匀性和稳定性问题
（4）分布式横向串联电阻结构 网格状串联电阻结构的缺 点是，当等位体薄膜上的任何 一个微尖发生短路击穿时，该 等位体薄膜上的所有微尖都失 效。改进措施是使每个像素都 包含多个这样的单元，即使个 别单元失效，对该像素影响也 有限。
分布式横向串联电阻结构及其等效电路
六、聚焦型微尖阵列场发射阴极
优点：减小电子束的发散度，实现高阳极电压工作。
聚焦极 栅极
竖直同轴聚焦型
共面聚焦型
六、聚焦型微尖阵列场发射阴极
聚焦型微尖照片
七、FED的主要制作材料和工艺
两组常用高、低压荧光粉的性能
低压荧光粉存在的问题：
色饱和度低，可见光转换效率低，亮度低，寿命短。
七、FED的主要制作材料和工艺
三、微尖阵列场发射阴极
金属微尖FEA制作过程
三、微尖阵列场发射阴极
金属微尖FEA的扫面电镜照片
三、微尖阵列场发射阴极
Si微尖FEA制作过程
三、微尖阵列场发射阴极
Spindt尖锥型场发射平面显示器件遇到的困难
（1）大面积Spindt尖锥阵列制作
大面积Spindt尖锥阵列制作是最大的难题。尤其是在追 求尖锥形成的一致性时,困难就更大。具体的难点在于要求有 庞大的工艺设备。 （2）封接、排气和消气技术的突破 在大面积显示器制作的过程中,必须解决封接、排气和消 气的技术问题。 （3）发射稳定性和均匀性差
三、微尖阵列场发射阴极
微尖形貌
三、微尖阵列场发射阴极
微尖阵列场发射阴极（FEA） 场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径为1m， 尖端与阳极距离为1m左右，则当极间加上几十伏的电压，就会 在尖端表面上产生109V/cm数量级的强电场。 在忽略极间空间电荷的情况下，阴极发面尖端处场强与阳 极电压Ua成正比。即
PDP基本概况
PDP市场分析预测人类信息社会的主要特征是随时随地的获得信息、加工信息、利用信息、传播信息，以信息化带动工业化。
阴极射线管（CRT）诞生一百多年来，作为终端显示器的地位是无与伦与的。
但是近十年来受到了平板显示器的有力挑战，从二十世纪八十年代开始，物理学领域新的实验技术、极端条件实验技术和实验方法的发展带动了半导体技术的迅猛发展，新型发光材料的物理研究，合成方法研究以及应用研究的异常活跃，促进了显示技术的发展。
平板显示器件成为八十年代和九十年代发光与显示的研究热点。
主要的研究工作集中在：1．粉末电致发光材料及显示器件的研究，包括直流粉末电致发光（DCEL）和交流粉末电致发光（ACEL）；2．薄膜电致发光材料及器件的研究（TFEL）；3．有机薄膜电致发光材料及器件的研究（OEL）；4．等离子体发光材料及显示器件的研究（PDP）；5．场发射材料及显示器件的研究（FED）；6．半导体发光二极管及大屏显示方案的研究（LED）；7．液晶显示技术的研究（LCD）。
在整个学术界关于显示器的研究都是和发光材料联系在一起的，认为显示技术的核心是发光材料的问题。
当时提出的目标是：固体化、平板化、全彩色、高亮度、长寿命、低功耗、大面积、无辐射、无闪烁，当然成本也不能太高。
从材料上分主要分为无机和有机，从显示原理上分有主动发光式和非发光式(被动发光式)。
经过二十多年的研究、竞争和发展，平板显示器已经渐渐进入角色，成为新世纪显示器的主流产品。
目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种: 1．场发射平板显示器（FED）2．等离子体平板显示器（PDP）3．有机薄膜电致发光二极管（OEL）4．薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD）据美国Stanford Resources InC.提供的最新资料显示，平板显示器市场将从1999年的169亿美元增加到2005年的349亿美元，超过CRT显示器件。
PDP 显示器市场将从1999年的8亿美元增加到2005年的58亿美元，这在所有的平板显示器中增幅最大，2002年以后，PDP将进入快速增长期，主要是彩色大屏幕PDP电视机的增长。
场致发射显示.
场致发射显示定义：场发射显示器（FED），即场致发射阵列平板显示或称为真空微尖平板显示器（MFD)，是一种新型的自发光平板显示器件。
场致发射显示一、发展简史•1961年，Shouledrs.K.R提出用场发射电子源的纵向和横向真空微电子三极管的概念•1968年，斯坦福研究所的Spindt.C.A，用薄膜技术和钼尖锥工艺制作微型场发射阵列阴极。
•1985年，Meyer.R，微尖锥型阴极的矩阵选址阴极发光平板显示器•1988年，美国首届国际真空微电子学会议，标志真空微电子学的正式诞生•1989年，单色FED研制成功•1997年，全色FED研制成功•2001年，Sony公司13.2英寸全色FED场致发射显示场致发射显示On Nov. 23, 1999PixTech, Inc.announced thedelivery of the first12.1-inch FieldEmission Display(FED) to the U. S.ArmyFirst Delivery of 12.1”FEDFED的优点：•图像质量好、视角宽（1800）•功耗低（1－3w）、寿命长•无偏转线圈，无X射线辐射•响应速度快（<2 us）•体积小，重量轻•工作温度范围宽•制作工艺比较简单（与LCD及其它PDP比）总之，FED集中了CRT和LCD的优点，摒弃了它们的缺点，性能优良，极具竞争力的新一代显示器。
场致发射显示FED的应用领域：•< 6英寸的FED，替代CRT,作头盔显示•可以放在武器上左定位显示器•摄像器上的取景器•汽车的导航系统显示终端•电子照相机的显示器•仿真技术方面•便携式计算机显示屏•用作可视电话的显示器主要在军事领域场致发射显示二、FED的工作原理构成：场发射阵列阴极（FEAC)和显示荧光屏示意图：场致发射显示场致发射显示和材料有关的常数：与发射体现状，栅压；B A :)/(2g g g e U U B AU I−⋅=FED 的场发射理论场发射就是导体或者半导体表面施加强电场，使导带中的电子发射到真空中。
电子显示技术13
• 因此，基于场离子发射的场离子显示器，比基于场电子发 射的场发射显示器，在加工难度上要低得多。
①冷阴极发射；
②低的工作电压；
③自发光和高亮度；
④宽视角；
⑤高速响应；
⑥很宽的环境温度变化范围。
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电子显 示技术
场发射显示器
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场发射显示器
• 因此，FED已被认为是未来将起重要作用的一种平板显示 器件和技术，甚至有可能在办公设备和家用显示器件方面 取代CRT显示器。
Futaba (14.4”SVGA / 2005)
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场离子显示器（FID）
• 场离子显示器(field ion display，FID)，是一种既 能够克服FED的困难，实现CRT平板化，又能保 持CRT优良图像质量的新型彩色平板显示器。
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场离子显示器（FID）
• 场离子发射比场电子发射容易实现。场电子发射要求金属 表面场强E达到107v／cm(1V／nm)以上。而场离子发射， 因受气体电离能等外在因素的影响，尖端表面场强E低于 106V／cm(0.1V／nm)仍可产生离子发射。
有大量的钼微尖(>1000微尖／像素)。
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显示器的种类
显示器的种类FPDFPD=Flat Panel Display 平板显示器平板显示（FPD）差不多成为以后电视的主流是大势所趋，但目前在国际上尚没有严格的定义，一样这种显示屏厚度较薄，看上去就像一款平板，平板显示的种类专门多，按显示媒质和工作原理分，有液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）、电致发光显示（ELD）、有机电致发光显示（OLED）、场发射显示（FED）、投影显示等。
FPD的进展趋势平板显示器与传统的CRT（阴极射线管）相比，具有薄、轻、功耗小、辐射低、没有闪耀、有利于人体健康等优点。
目前，在全球销售方面，它已超过CRT。
估量到2018年，二者销售值的比将达到5：1。
21世纪，平板显示器将成为显示器中的主流产品。
据闻名的Stanford Resources公司推测，全球平板显示器的市场将从2001年的230亿美元增加到2006年的587亿美元，以后4年的年均增长率将达到20%。
各有千秋的平板显示技术平板显示器分为主动发光显示器与被动发光显示器。
前者指显示媒质本身发光而提供可见辐射的显示器件，它包括等离子显示器（PDP）、真空荧光显示器（VFD）、场发射显示器（FED）、电致发光显示器（LED）和有机发光二极管显示器（OLED）等。
后者指本身不发光，而是利用显示媒质被电信号调制后，其光学特性发生变化，对环境光和外加电源（背光源、投影光源）发出的光进行调制，在显示屏或银幕上进行显示的器件，它包括液晶显示器（LCD）、微机电系统显示器（DMD）和电子油墨（EL）显示器等。
1.液晶显示器（LCD）液晶显示器包括无源矩阵液晶显示器（PM-LCD）与有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）。
STN与TN液晶显示器均同属于无源矩阵液晶显示器。
90 年代，有源矩阵液晶显示器技术获得了飞速进展，专门是薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）。
它作为STN的换代产品具有响应速度快、不产生闪耀等优点，广泛应用到便携式运算机及工作站、电视、摄录像机和手持式视频游戏机等产品中。
2024年发射显示器(FED)市场调研报告
2024年发射显示器（FED）市场调研报告1. 引言本报告旨在对发射显示器（Field Emission Display，简称FED）市场进行全面调研和分析。
FED作为一种新型的显示器技术，具有色彩鲜艳、对比度高、视角宽广等优点，并且在逐渐取代传统液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PDP）的趋势下，市场前景广阔。
2. 市场概况FED显示器市场自20世纪90年代初起开始发展，目前正处于快速增长阶段。
根据市场研究机构的数据，2019年FED显示器全球市场规模达到XX亿美元，并预计在未来几年内将呈现稳定增长。
北美、亚太地区和欧洲是FED显示器市场的主要消费地区，据预测，未来几年内亚太地区的增长率将最高。
3. 市场驱动因素3.1 技术优势FED显示器相较于传统显示器具有明显的技术优势。
首先，FED显示器的色彩表现更加鲜艳，能够呈现更真实的画面；其次，FED显示器的对比度更高，显示效果更加清晰；此外，FED显示器具有更广阔的视角，用户可以从不同角度观看屏幕而不损失显示质量。
这些技术优势吸引了越来越多的消费者选择FED显示器。
3.2 可持续发展需求随着人们对环境保护的关注度不断提高，越来越多的消费者开始关注产品的能源效率和环境友好性。
相比传统液晶显示器和等离子显示器，FED显示器具有更低的能耗和更短的寿命，能够满足可持续发展的需求。
3.3 市场替代趋势FED显示器作为传统液晶显示器和等离子显示器的替代品，成为市场发展的新趋势。
目前，一些国内外知名显示器制造商已经开始转型生产FED显示器，并且开展了广泛的市场推广活动。
随着FED显示器的技术进一步成熟和成本的降低，预计其市场份额将不断扩大。
4. 市场挑战4.1 技术难题尽管FED显示器技术具有许多优势，但也面临着一些技术难题。
首先，FED显示器的制造过程复杂，需要较高的技术水平和高昂的成本。
其次，FED显示器在长时间使用后容易出现发射材料老化、亮度衰减等问题，导致寿命较短。
表面传导电子发射显示器(SED)和场发射显示器(FED)的技术对比分析
表面传导电子发射显示器(SED)和场发射显示器(FED)的技术对比分析场发射显示器概述场发射显示器（Field emission display，FED）发光原理为：在发射与接收电极中间的真空带中导入高电压以产生电场，使电场刺激电子撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。
此种发光原理与阴极射线管（CRT）类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，其中不同之处在CRT由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨（Deflation Yoke）来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子，因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的效果。
其次在于电压部分，CRT大约需要15~30KV左右的工作电压，而FED的阴极电压约小于1KV。
FED技术原理与发展场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出，随後吸引後续的研究者投入研发。
不过，场发射电极的应用是到1991年法国LETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品之後，场发射电极技术才真正被注意，并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入众多平面显示器技术的行列。
在场发射显示器的应用，发射与接收电极中间为一段真空带，因此必须在发射与接收电极中导入高电压以产生电场，使电场刺激电子撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。
此种发光原理与阴极射线管（CRT）类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，其中不同之处在CRT由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨（Deflation Yoke）来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子，因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的效果。
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• FED英文全称是Field Emission Display，即场致 发射显示器。
• 依电子发射源而分，FED又可分为CNT（碳纳 米管型）、SED（表面传导型）、Spindt（圆 锥发射体型）、BSD（弹道电子放射型）等 类型。
• 目前最为看好的应用主要是CNT和SED两大技 术体系。
支撑间隔材料
• FED工作于真空条件下，显示屏又是平面型， 为了抵抗大气压力，FED上下基板之间必须采 用支撑结构
• FED支撑结构要求： • （1）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显
示图像时不影响图像质量 • （2）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大，
使得阳极与阴极之间由于支撑单元造成的漏 电流可以忽略不计 • （3）为了防止电荷积累，支撑单元要具有合 适的电阻率，把电荷导走 • （4）具有足够大的支撑强度
PixTech FED
Spindt Type FED
PixTech 5.2”
In field emission displays, electrons coming from millions of tiny micro-tips pass through gates and light up pixels on a screen.
（1）在玻璃板上先后蒸上100nmMo层和200um非晶 硅电阻层，并光刻形成电极；
（2）沉积1umSiO2绝缘层和100umMo栅极，并光刻 成列电极
（3）涂光刻胶，并形成栅孔，干刻除去栅孔上的 Mo层
（4）进一步干刻除去栅孔下的SiO2层，直到电阻层 为止，除去表面光刻胶
工艺过程
（5）在垂直方向用电子束蒸发钼，同时在与水 平表面成15度的方向上蒸铝
真空度的维持
• 对于EFD微尖，无论是剩余气体电离后形成 正离子轰击，微尖还是从器壁或荧光粉析 出的气体吸附在微尖上都绘影响微尖的场 致发射效果。
• 根据真空电子器件制造工艺，要使得器件 能长期保持密封，必须做到以下几点：
• （1）排气过程中器件内部各部件去气彻底 • （2）封离前器件内真空度高 • （3）用消气剂以维持封离后期间内高真空
钼微尖与栅极距离小于1um，在底 电极和栅极之间加几十伏电压时，在 微尖表面能形成107V/cm量级的电场， 足以产生显著的场致发射
电流限制器
*阴极上的场发射陣列所蕴含最重要的問題，是整個陣 列內发射尖端的形狀、高度及材料工作函数的均一性， 每個尖端間的差异会导致始动电压的改变和电流的变 化，因此整個陣列自制作时需考虑此一問題，其改善 的方法是在发射尖端与电极間串接电阻，下图为兩种 场发射显示器所使用的电阻串接方式。 *下为垂直串接
FID的优点及发展前景
• 场离子比场电子发射容易实现 • FID利用微通道板将离子流转换成强电
子流
• FID采用场致离子冷发射 • FID具有较高的清晰度：100像素/mm2 • 加大微通道板的微孔直径，同时按比
例增加微通道板的厚度，可以制成直 径更大的微通道板，实现FID 的大屏 幕化。
电流限制器
*下为橫向串接
微尖制作工艺
• 制成具有一定发射面积和具有可实用发射 电流密度的场致发射阴极必须解决两个工 艺问题：
• （1）需要一个均匀分布，且密度足够高的 微尖阵列
• （2）要有近距低压引出场致发射电流的电 极
• 微尖型场致发射阵列有两种：Mo微尖和硅 Si微尖
制作流程如下：
工艺过程
微尖制作工艺流程
☺ 掩膜、光刻出栅极
微尖制作工艺流程
☺ 蚀刻出绝缘层内的孔洞
ห้องสมุดไป่ตู้
微尖制作工艺流程
☺ 倾斜蒸镀出金属铝牺牲层
微尖制作工艺流程
☺ 垂直蒸镀出圆锥形微尖
微尖制作工艺流程
☺ 蚀刻牺牲层，完成微尖制作
FED技术难点
• 支撑技术 • 电子束发射技术（发射体表面几何形状，
束流密度一致性，束流轨道等） • 真空密封技术 • 电子流收集体：三基色荧光粉
FED之像素结构
微尖阵列
FED的结构
FED的发射均匀性和稳定性
Spindt于斯坦福研究院发明的Mo微尖场致发射阵列
结构单元
栅极：约为4um的Mo层，微孔直径：1um； 绝缘层为1~1.5um厚的SiO2； 发射微尖是圆锥形金属Mo， 电阻层：多晶硅； 底电极是重掺杂硅。
Spindt于斯坦福研究院发明的Mo微尖场致发射阵列
真空度的维持
• FED体积与表面积之比很大，意味着器件表 面积只要有一点出气，真空度就会变得很差。
• FED器件封接的漏气率小于1×10-11Torr/s， 排气台应该能抽到1×10-8Torr数量级真空度， 这样将高牢固度室温消气剂安装在10mm内 径的排气管内，基本上可以保证器件存放寿 命在2000天以上
彩色显示FED的结构示意图
Spindt Type FED
Candescent ThinCRT Technology
Image from 13.2 in. SVGA 18-bit color Sony/Candescent Joint Development Display
场离子显示器FID
FID的局部结构剖视图
（6）蒸发的钼附着在栅孔边缘，使栅孔不断缩 小，使透过栅孔的Mo蒸气形成的钼柱逐渐变 细，直至栅孔被封死，钼微尖电极在底电极上 形成
（7）将铝牺牲层连同其上的Mo层用NaOH溶液 除去，形成一个行、列选址的Mo微尖阵列
*发射尖端的制作过程
微尖制作工艺流程
☺ 利用蒸镀工艺连续沉积各功能层
栅极 绝缘层 电阻层 阴极
• FED中，由于结构限制，只能使用锆、钛类 型非蒸散型消气剂。
FED中的荧光粉
• 在CRT中，荧光粉工作于高电压（几百至几 千伏） ，小电流条件下
• FED中，荧光粉工作于低电压大电流情况下， 工作时发光效率不高，即便高压情况下使 用，发光效率也只有CRT的1/10
• FED工作电压小于500V时，只能使用低压荧 光粉