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一种常开型后栅极场致发射显示板的研究

仲雪飞  
【摘要】: 随着真空微电子学的发展,对于场致发射显示器件的研究逐步深入。进入九十年代以后,由于碳纳米管阴极的制备工艺不断进步和成本不断降低,大屏幕碳纳米管场致发射平板显示器的研究成为这一领域的主流。而为了实现高灰度等级和提高亮度,发展厚膜工艺三极管结构场致发射显示器件是一个必然的方向。 本论文首先自行设计开发了场致发射显示计算机模拟软件,利用该软件对基于厚膜工艺的前栅极结构和传统后栅极结构进行计算模拟。 通过计算机模拟计算,发现前栅极结构的栅极调制电压范围较低。但在工作状态下,阴极表面场致发射电流密度分布不均匀,电子发射主要集中在阴极边缘,因此对阴极使用寿命影响较大。前栅极结构的工艺制作公差对阴极发射特性影响较大,特别是介质厚度、栅极开口尺寸和栅极对准精度。虽然前栅极结构可以获得较小的驱动电压,但是无论从工艺制造还是器件工作特性方面考虑,均不适合采用厚膜制造工艺,因此这种结构不易降低制造成本,在大屏幕显示的应用方面非常困难。传统后栅极结构中由于阴极在栅极和阳极之间,因此阳极电压不能过高,否则阳极高压将直接使阴极产生场致发射,造成本底暗电流。在工作状态下,与前栅极结构相比,阴极表面场致发射电流密度分布更不均匀,对阴极使用寿命影响更为严重。另外在该结构中,电子束发散较为严重,易造成像素之间的串扰。但后栅极结构的工艺制作公差对阴极发射特性影响较小,因此对工艺制作的一致性要求较低。从工艺制造方面考虑,后栅极结构比较适合采用厚膜制造工艺。 本文在传统后栅极结构基础上首次提出了一种常开型后栅极结构场致发射显示板的概念。该显示板利用阳极高压使阴极产生场致电子发射,而通过在埋在阴极之下的栅极上施加低于阴极的电压来阻止场致电子发射,从而来调制显示所需图像。 本文利用自行设计的软件对常开型后栅极结构进行了模拟计算。通过分析发现在常开型后栅极结构中,虽然栅极在阴极之下,阴极直接曝露在阳极高压电场中,但是由于栅极电压为负,能够截断阳极高压的影响,因此阳极电压能够提高。虽然驱动电压略有提高,但阴极表面场致发射电流密度分布比较均匀,提高了阴极使用寿命。工艺制作公差对阴极发射特性影响较小,对工艺制作的一致性要求较低。因此这种结构容易降低制造成本,实现大屏幕显示。 为了进一步提高常开型后栅极结构的可行性,本文对该结构进行了进一步优化设计,首次提出了双阴极常开型后栅极结构,即同一像素中包含两根阴极。该结构降低了栅极的工作电压和阴极发射峰值电流密度,提高了阳极工作电压。通过对工作电压的优化,在阳极上获得了分布均匀、尺寸适合的电子束斑,有利于提高荧光粉的效率和使用寿命。 为了验证模拟计算的结果,采用厚膜工艺分别制作了普通后栅极结构和常开型后栅极结构场致发射显示样屏,并对样屏进行测试分析,验证了常开型后栅极结构的可行性。


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