低电子亲和势的场助热电子发射阴极

满足电视显示要求的平板显示器件中, 被人们 广泛看好的是等离子体显示 (PD P ) 、大屏幕液晶显 示器 (L CD ) 以 及 预 想 中 的 廉 价 场 发 射 显 示 器 件 ( FED ) 。2002 年, 日本开始政府支持的大屏幕有机 发光二极管 (OL ED ) 计划, 瞄准以有机薄膜晶体管 ( T FT ) 为基础的 152 cm 器件。 到目前为止, 还没有完全满足 HD TV 各项要求 的显示器件, 而指标上最接近上述条件的仍然是阴 极射线显像管 (CR T ) 。CR T 在使用期间亮度、 色度 没有可觉察到的变化这一点是其他任何显示器无法 比拟的。 虽然可以实现 100 cm 以上的大尺寸, 但体 积和质量始终是 CR T 面临的一个大问题。 FED 在 原理上最接近 CR T , 应该具备 CR T 的优良性能, 这 就是虽然遇到了许多困难, 人们仍然坚持研究 FED 的原因之一。 FED 分微尖型 ( Sp ind t ) 、碳纳米管型 (CN T ) 、 弹道表面发射型 (B SD ) 、表面传导发射型 (SED ) 和 薄膜场助热电子发射 (FA H ED ) 型等[ 1～ 7 ]。 其中, 微 尖型工艺技术复杂, 碳纳米管型发射和显示均匀性 差, 后 3 种发射电流小, 显示亮度低。 显示器件对均 匀性的要求是非常高的, 通常情况下, 邻近像素亮度 不均匀性不应超过 3% , 高性能器件的要求更高。 在 这一性能上, FA H ED 最具优势, 它是所有 FED 中显 示图像最均匀的。提高 FA H ED 的阴极发射电流成了 必须大力解决的问题, 也是本文的主要研究内容。
构, 其中 A l2O 3 只有 10 nm 左右, A u 膜厚度小于 10 nm 。当极间电压为 10V , 电场强度高达 1V nm 时, 电子从 A l 下电极注入到 A l2O 3 中, 并在其中得 到加速。 部分过热电子可以穿过 A u 电极薄膜发射 到真空中。 由于电子在 A l2O 3 中的自由程很小, 不到 1 nm , 加之在A u 膜中散射, 能够发射到真空中的比 例很小, 一般小于 0. 1% 。由于 A l2O 3 中电场太强, A u 膜中的原子能扩散到 A l2O 3 中, 降低其耐压强 度, 导致击穿, 寿命只有数十分钟。 将单层 A u 膜换 成复合 Ir P t A u 薄膜, 不但可以阻止 A u 原子的扩 散, 还能有效提高发射比例[ 5 ]。 一般将发射电流和上 绝缘层中传导电流之比定义为发射率, 采取上述措 施后, 发射率达到 0. 3% , 采用简单矩阵寻址就基本 满足一般显示的要求。
L I D e jie
(D epartm en t of Electron ic Eng ineer ing, Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina ) Abstract: T he field assisted ho t electron em ission cathode w ith a m etal in su lato r sem iconducto r m etal structu re is a m ain candidate fo r large screen disp lays. T he th ickness, and m aterial com po sit ion and crystallizat ion of each layer strongly influence the electron em ission. In a cathode w ith a top electrode com po sed of an A u A g doub le layer, the effective affin ity is reduced abou t 0. 5 eV and the em ission cu rren t is increased several tim es. T he sem iconducto r m aterial Zn 1- xM gxO has low electron affin ity, a su itab le band gap fo r electron in jection, and is easily p repared by spu ttering. C rystal lattice m atch ing betw een the top electrode and the sem iconducto r layer, w h ich reduces electron scattering at the in terface and enhances the em ission cu rren t, w as realized at the Zn 1- xM g xO A u and L iF A u in terfaces. A n in terface state con tro lling layer betw een the in su lato r and the sem iconducto r layers greatly reduces the d riving vo ltage greatly, w h ich is esp ecially u sefu l fo r cathodes having sem iconducto r layers w ith w ide band gap s. Key words: field em ission; flat cathode; m etal in su lato r m etal (M I M ) ; m etal in su lato r sem iconducto r m etal (M ISM )
图 1 MI M 结构的场助热电子发射阴极结构
由于工艺过程中涉及到阳极氧化技术, 与 T FT 技术不相容, 因此上述简单结构不能用于高亮度有 源矩阵驱动显示。 为了适应有源矩阵驱动的要求, 介 质绝缘层必须采用物理或化学沉积薄膜, 最好是简 单的溅射或蒸发薄膜。 这样得到的薄膜致密性不如 氧化薄膜, 厚度一般需要达到 100 nm 以上才能满足 绝缘性能要求。 为了降低工作电压和提高发射率, 绝 缘层材料应该有较窄的带隙, 并在 300 ℃以下有较 好的结晶性能, 以降低注入电压和提高电子在其中 的平均自由程。 如果可能, 应该考虑上电极和绝缘层 之间的晶格匹配问题, 降低上电极中的散射, 提高发 射率。 采取上述措施后, 将驱动电压控制在 20V 以 下、 发射率提高到 1% 以上是完全可能的。 交流工作的 FA H ED 结构如图 2 所示, 包括下
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清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
2003, 43 ( 4)
1 FAHED 的工作原理
FA H ED 分直流工作和交流工作两种, 简单的 金 属 绝 缘 体 金 属 (M I M ) 结构阴极就属于直流 FA H ED 。图 1 所 示 的 为 常 用 的 A l A l2O 3 A u 结
带隙较宽因而无夹层的样品引出阈值很大而带有夹层金属对器件阈值的影响样品组绝缘层半导体层夹层金属注入?引出阈值上电极结晶与晶格匹配迄今为止所有的研究工作都没有注意到上电极薄膜的结晶性能对发射的影响
ISSN 100020054 清华大学学报 ( 自然科学版) 2003 年 第 43 卷 第 4 期 CN 1122223 N . 43, N o. 4 J T singhua U n iv ( Sci & T ech ) , 2003, V o l
电极、 绝缘层、 电子传输层、 上电极, 也称为 M ISM 结 构 阴 极。 一 个 典 型 的 结 构 是, 下 电 极 用 ITO ( Ind ium T in O x ide, 氧 化 铟 锡 ) 薄 膜, 绝 缘 层 为 400 nm 的 T a 2O 5 , 电子传输层为 50 nm 的半导体 ZnS, 上电极为 10 nm 的 A u 膜。 交流工作的 FA H ED 的工作过程可以描述如 下: 首先电极间加反向电压, 当电压较低时, 没有发 生电子注入。 薄膜中电场强度与介电常数成反比, 由 于绝缘层的介电常数是半导体层 3 倍左右, 其中电 场只有半导体层中的三分之一左右。 以 T a 2O 5 和 ZnS 为例, 两者的击穿电场大约为 0. 15V nm , 而介 电常数之比大约为 3, 因此绝缘层中电场很弱。 当半 导体层中电场足够强时, 上电极中的电子通过隧道 效应进入半导体层中, 到达并积累在绝缘层和半导 体层的界面上。 当驱动电压增加时, 半导体层上的压 降基本不变, 电流通过它给绝缘层电容充电。 只要驱 动电压不过高, 电子就不能注入到绝缘层中。 当各层 材料和厚度确定以后, 界面上注入的电荷量完全由 驱动电压决定。 如果在电极间加正向电压, 随着半导 体层中电场增大, 超过界面态电子反向注入阈值时, 界面态电子开始重新进入半导体层中, 此时半导体 层上的压降基本保持不变。 电子在半导体层中受到 加速和散射两种作用, 不断得到和失去能量。 半导体 层中的电场达到 0. 1V nm 以上, 而其中电子平均 自由程可以超过 10 nm , 因此平均能量达到 1 eV 以 上。 半导体层中电子自由程主要受限于各种散射机 制, 改善其结晶质量是提高自由程的最有效的手段, 这可以通过适当选择材料以及成膜技术来达到。 沉 积方法、 衬底温度、 沉积速率等都严重地影响薄膜的 结晶质量, 需慎重选择和处理。 电子到达上电极时, 部分电子已经有足够的能量克服界面作用进入其 中, 并且穿过上电极发射到真空中。 对于常用的半导 体材料, 如 ZnS, 其电子亲和势高达 4 eV , 这就意味 着只有能量达到这一值以上的电子才有可能从上电 极逸出。当平均能量只有 1 eV 时, 超过 4 eV 能量的 电子比例很小, 因此发射率很低。 发射率一般情况下 小于 0. 1% , 提高发射率是这类平面阴极的一个重 要研究任务。 在上电极中, 电子同样受到散射作用而失去能 量。 不同的是, 在上电极中没有电场, 受到散射的电 子将成为上电极中电流, 不可能发射到真空中。 因 此, 上电极的厚度一般小于一个电子的平均自由程。 以 A u 为例, 其中电子平均自由程超过 10 nm ( 与成 膜方法有关) , 因此其厚度最好不要超过 10 nm 。作
8 35 4612465, 469
低电子亲和势的场助热电子发射阴极
李德杰
( 清华大学 电子工程系, 北京 100084)
摘 要: 具有金属 绝缘层 半导体 金属结构的场助热电子 发射阴极是大屏幕显示器中的主要候选部件。 电子发射受到 各层薄膜的厚度、 材料组分和结晶状态等的严重影响。 由
Au Ag 双层薄膜构成的上电极使得电子亲和势降低 0. 5 eV , 发射电流提高了数倍。 半导体材料 Zn 1- xM g xO 具有
数字高清晰度电视 (HD TV ) 的发展对显示技术 提出了很高的要求, 也为显示器的研究和发展提供 了很好的机遇。 为了实现临场感, 除了对画质和音响 等 提 出 要 求 外, 显 示 尺 寸 必 需 足 够 大, 一 般 认 为
125 cm 是最基本的尺寸。
低的电子亲和势以及适合电子注入的带隙宽度, 并且已经较 为容易地用溅射方法制备。 上电极和半导体层之间的晶格匹 配可以降低电子在界面上的散射, 对提高发射电流是很重要 的, 这已经在 Zn 1- xM g xO A u 和 L iF A u 界面上实现。 在绝 缘层和半导体层之间引入界面态控制层可以大大降低驱动 电压, 对采用宽带隙半导体层的阴极尤其具有实用价值。 关键词: 场发射; 平面阴极; 金属 绝缘体 金属; 金属 绝 缘体 半导体 金属 中图分类号: TN 141 文章编号: 100020054 ( 2003) 0420461205 文献标识码: A
收稿日期: 2002210225 基金项目: 国家教育振兴计划 作者简介: 李德杰 (19462) , 男 ( 汉) , 河北, 教授。
E2 m ail: lid j@ ee. tsinghua. edu. cn
F ield a ss isted hot electron em iss ion ca thode w ith low aff in ity