- BSD技術(shù)動(dòng)向
- BSD的制作技術(shù)
- BSD電子源的特性
- BSD的產(chǎn)品應(yīng)用
- 使用壽命長(zhǎng)，可靠性高
- 低分散電子釋放角度電子釋放能量大
- 電子垂直發(fā)射，不需收斂電極
- 電子釋放穩(wěn)定均勻無(wú)poppingnoise
然電漿顯示器(plasma)與LCD(LiquidCrystalDisplay)等平面顯示器(FlatPanelDisplay)已經(jīng)進(jìn)入商品化階段，不過(guò)耗電量、輝度、對(duì)比以及動(dòng)畫反應(yīng)時(shí)間等問(wèn)題，若與傳統(tǒng)CRT比較時(shí)仍有改善的空間，另一方面有機(jī)EL等諸多新世代平面顯示器(表1)卻面臨制程、成本、使用壽命、大型化等瓶頸，因此至今仍無(wú)法實(shí)用化。有鑑于此松下電工與東京農(nóng)工大學(xué)利用BSD(BallisticelectronSurfaceemittingDevice)概念制作場(chǎng)發(fā)射顯示器(FED:FieldEmittingDisplay)。
而BSD的動(dòng)作原理是利用固體中的電子在近乎真空環(huán)境加速移動(dòng)。該物性是由硅結(jié)晶奈米(nano；1nano=10-12m)結(jié)晶化形成鍊鎖結(jié)構(gòu)，由于鍊鎖結(jié)構(gòu)能垂直發(fā)射電子，因此利用電子該撞擊前方涂有螢光體的透明基板產(chǎn)生影像。奈米技術(shù)制成的BSD可以有效解決平面顯示器常見(jiàn)的問(wèn)題，同時(shí)還具備低成本、制程簡(jiǎn)單、可大型化等優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用受到相關(guān)業(yè)者高度重視
表1各種FED平面顯示器的動(dòng)作原理與特性
BSD技術(shù)動(dòng)向
BSD是應(yīng)用彈道電子釋放特性構(gòu)成冷陰極電子源，它的電子釋放原理不同于傳統(tǒng)FED。表2是BSD代表性特徵，由表2可知BSD具有低電壓驅(qū)動(dòng)、低真空動(dòng)作環(huán)境、不需集束電極、低制作成本等特性，尤其是玻璃基板與500°C低溫濕制程(wetprocess)，更可大幅降低制作成本。
特征說(shuō)明
低真空動(dòng)作環(huán)境真空密封容易
使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。
低分散電子釋放角度電子釋放能量大
電子垂直發(fā)射，不需收斂電極。
電子釋放穩(wěn)定均勻無(wú)poppingnoise。
平面結(jié)構(gòu)制程單純結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
制作容易。
可大型化。
表2BSD的特征
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BSD是將silicon奈米結(jié)晶化形成鎖鍊狀結(jié)構(gòu)，藉此使電子呈彈道狀移動(dòng)，一般將此現(xiàn)象稱為彈道電子輸送。圖1是BSD電子源的動(dòng)作機(jī)制說(shuō)明圖，基本上它是在柱狀polysilicon之間形成電子drift層，polysilicon與奈米結(jié)晶silicon混合的systemunit稱為NPS層(NanocrystallinePoly-Siliconlayer)，雖然NPS層是利用陽(yáng)極氧化技術(shù)制成，不過(guò)在polysilicon的結(jié)晶粒界的glen部位會(huì)產(chǎn)生快速反應(yīng)，因此polysilicon結(jié)晶粒的表面，支配性形成奈米結(jié)晶silicon，使得NPS層內(nèi)殘留的silicon結(jié)晶粒比奈米結(jié)晶silicon多，該殘留的柱狀polysilicon可幫助散熱，進(jìn)而提高冷陰極的電子熱傳導(dǎo)穩(wěn)定性，所以BSD釋放電子時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生閃爍噪訊(flickernoise)。
BSD釋放電子時(shí)是利用電子作熱激發(fā)，使電子從基板下方注入NPS層，由于奈米結(jié)晶silicon的表面，是利用低溫氧化制程制成氧化薄膜，因此施加的電壓幾乎全部流入該氧化膜層內(nèi)進(jìn)而形成強(qiáng)電界領(lǐng)域，而氧化膜的厚度非常的薄，所以電子很容易將強(qiáng)電界領(lǐng)域的氧化膜變成tunnel，并進(jìn)入鄰接的奈米結(jié)晶silicon內(nèi)，隨著電子通過(guò)氧化膜被加速，并朝向表面電極方向前進(jìn)，如此反覆相同動(dòng)作所以到達(dá)表面附近的電子，具備比熱平衡狀態(tài)更高的運(yùn)動(dòng)能量，而表面電極也變得很容易將成為tunnel的電子釋放至真空中。
BSD具體動(dòng)作原理如圖1所示，BSD電子源是先在由負(fù)極(cathode)所構(gòu)成的背面基板上制作復(fù)晶硅膜(poly-Silicon)，之后將復(fù)晶硅膜多孔化(porous)，接著在復(fù)晶硅之間制作復(fù)數(shù)的微結(jié)晶硅，同時(shí)將復(fù)晶硅與微結(jié)晶硅的表面氧化，多孔化復(fù)晶硅(PPS:PorousPolySilicon)膜層厚度約1.5μm，最后在PPS表面制作Au或Ag等金屬薄膜形成二極體(diode)結(jié)構(gòu)，除了以上的差異PPS外部電子發(fā)射源的動(dòng)作原理則與傳統(tǒng)的FED完全相同，換句話說(shuō)這種BSDtype的FED，也是利用電子撞擊正面基板表面上的螢光體產(chǎn)生影像，它與以往的FED最大差異處，是電子發(fā)射源的制作方式與結(jié)構(gòu)不同而已。
圖1BSD的動(dòng)作原理
圖2是釋放至真空中的電子能量分佈量測(cè)結(jié)果，圖中的x軸為電子能量，y軸為釋放電子的相對(duì)數(shù)，測(cè)試時(shí)的基準(zhǔn)能量是比照真空狀態(tài)時(shí)的準(zhǔn)位，測(cè)試方法是在室溫下進(jìn)行，採(cǎi)用一般性的交流減速電界法。假設(shè)表面金屬的動(dòng)作關(guān)數(shù)為ψ(eV)時(shí)，完全未發(fā)生沖突釋放出去的電子最大能量，理論上幾乎等于施加電壓減去動(dòng)作關(guān)數(shù)ψ的能量，以圖2為例假設(shè)VPS=22V時(shí)，雖然分佈的最大能量-Vmax祇有17eV，不過(guò)表面電極的動(dòng)作關(guān)數(shù)大約有5eV，換言之它與上述施加電壓減去動(dòng)作關(guān)數(shù)的結(jié)果完全一致，由此驗(yàn)證BSD具有獨(dú)特的彈道電子釋放特性。實(shí)際上在室溫環(huán)境下NPS層多少會(huì)發(fā)生沖突，一般是將它視準(zhǔn)彈道電子的釋放。
如圖2所示的能量分佈峰值位置，亦即電子數(shù)最多的能量，理論上是最大能量的60%約在10eV處，即使如此若與其它種類的電子源比較時(shí)，很明顯的是BSD具備很高的能量。另一個(gè)特殊現(xiàn)象是該能量分佈與施加電壓具有依存性，也就是說(shuō)隨著VPS的增加，峰值能量Emax與最大能量會(huì)逐漸移至highenergyside，這意味著BSD釋放的電子在NPS層幾乎未散亂，如果在低溫環(huán)境下測(cè)試釋放電子的能量分佈，上述彈道電子釋放更加明顯，而且能量分佈幅度更加狹窄(峰值能量EP朝最大能量Emax方向移動(dòng))。
圖2BSD釋放電子能量的特性
綜合以上的說(shuō)明可知BSD的電子釋放機(jī)制，是當(dāng)電壓注入上方電極與背面基板之間時(shí)，下方鋁質(zhì)電極所產(chǎn)生的電子會(huì)注入PPS層內(nèi)的微結(jié)晶硅，而電子通過(guò)微結(jié)晶硅內(nèi)部時(shí)幾乎沒(méi)有能量損耗(energyloss)，主要原因是一旦施加電界后，微結(jié)晶硅表面的氧化膜會(huì)使電子加速。此外一般硅內(nèi)部的平均自由行程約為50nm，而微結(jié)晶硅的glensize祇有5nm。由于當(dāng)電子通過(guò)PPS層時(shí)，幾乎不會(huì)與其它電子或硅原子發(fā)生沖突，因此電子通過(guò)微結(jié)晶硅內(nèi)部時(shí)，能量損耗幾乎等于零，使得到達(dá)上方金屬電極的電子能量減去金屬的動(dòng)作關(guān)數(shù)值最大可達(dá)14～15eV，這種現(xiàn)象稱為彈道電子傳導(dǎo)效應(yīng)。以往的彈道電子傳導(dǎo)效應(yīng)必需在真空環(huán)境下才會(huì)發(fā)生，不過(guò)BSD利用多孔化(porous)將復(fù)晶硅膜(polysilicon)包覆，因此它可在固體中產(chǎn)生彈道電子釋放現(xiàn)象。利用這樣的特性制作FED時(shí)可使已加速的電子，在cellgap內(nèi)部呈垂直狀發(fā)射出，并使電子撞擊正面基板表面上的螢光體產(chǎn)生影像。由于BSD的電子發(fā)射源可將電子呈垂直狀發(fā)射出去，因此cellgap高達(dá)數(shù)mm的高電壓型FED，也不需要設(shè)置電子束收歛電極防止失真(crosstalk)現(xiàn)象。
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BSD的制作技術(shù)
圖3是BSD的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示BSD電子源呈夾心狀(sandwich)。圖4是BSD的制作流程，由圖可知下方電極pattern通常是利用濺鍍法制作，基于量產(chǎn)性的考量因此BSD改用liftoff方式制作，接著在上方制作柱狀polysilicon，雖然polysilicon可在amorphous膜層長(zhǎng)膜，再利用雷射作退火處理進(jìn)行再結(jié)晶化，不過(guò)如此一來(lái)polysilicon膜層厚度較厚，因此BSD採(cǎi)用減壓CVD技術(shù)制作最佳化柱狀polysilicon。一般CVD技術(shù)需在650°C左右高溫下，利用石英玻璃才能獲得polysilicon，基于成本與量產(chǎn)性的考量改用電漿(plasma)CVD技術(shù)，使長(zhǎng)膜溫度降至550°C以下，使用的玻璃則與TFT、PDP常用的玻璃相同。有關(guān)BSD的電子釋放部的陽(yáng)極氧化制程，主要是利用松下電工開(kāi)發(fā)的陽(yáng)極氧化?低溫氧化一貫作業(yè)的濕制程(wetprocess)專用設(shè)備(圖5)，該設(shè)備具有低制作成本、可大型化、高良品率等特徵。
圖3BSD的結(jié)構(gòu)
圖4BSD的制作流程
圖5陽(yáng)極氧化?CEO專用設(shè)備的外觀
接著在玻璃基板上制作金屬電極，并將金屬電極上方的柱狀polysilicon膜層浸泡于氟酸與乙醇混合液內(nèi)，同時(shí)施加電壓至混合液內(nèi)的白金負(fù)極，與polysilicon膜層的正極，進(jìn)行類似電界研磨加工。由于silicon在某些條件下無(wú)法進(jìn)行研磨，反而會(huì)產(chǎn)生silicon的奈米結(jié)晶，這種特殊現(xiàn)象主要是因?yàn)橹鶢頿olysilicon的grainboundary的結(jié)合能量很低，使得該部份發(fā)生反應(yīng)析并出silicon，在此同時(shí)被析出的silicon會(huì)進(jìn)行再結(jié)晶化，最后形成如圖1所示的奈米結(jié)構(gòu)，這種被稱為自我組織的獨(dú)特現(xiàn)象發(fā)生與否，完全取決于制程條件的設(shè)定。
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在柱狀polysilicongrain之間形成奈米結(jié)晶polysilicon之后，去除洗凈氟酸與乙醇，再注入以硫酸為base的電解液，并對(duì)白金負(fù)極與基板正極施加電壓，藉此在奈米結(jié)晶polysilicon的表面形成很薄的氧化膜，這種稱為電氣化學(xué)的氧化法(ECO:ElectroChemicalOxidation)可以使大size的silicon結(jié)晶更容易氧化，最先開(kāi)始氧化部位是polysilicongrain部份，接著是奈米結(jié)晶部位被氧化，最后是size比較均勻的奈米結(jié)晶部位，此時(shí)polysilicon部位會(huì)被很厚的氧化膜包覆，由于表面的polysilicon膜層也被很厚的氧化膜包覆，所以可以防止polysilicon膜層與表面電極的發(fā)生breakdown現(xiàn)象。
利用ECO制程形成氧化膜后立即進(jìn)行清洗、干燥、濺鍍，接著進(jìn)行表面電極與電極patterning，便完成所有BSD電子源的作業(yè)流程。
在所有制程當(dāng)中祇有polysilicon長(zhǎng)膜時(shí)需要550°C高溫之外，其它制程包含奈米結(jié)晶硅長(zhǎng)膜與氧化膜的制作，都是在常溫環(huán)境下進(jìn)行，因此材料的高溫履歷非常少，更無(wú)基板升、降溫時(shí)間，所以可大幅縮減制作時(shí)間與制作成本，也就是說(shuō)上述制程非常適合大尺寸面板的制作。
BSD電子源的特性
圖6是典型的BSD電子源的電壓?電流特性圖，圖中的橫軸為電壓，縱軸為電流密度，JPS是二極體(diode)的電流密度，JPS表示從二極體表面金屬膜層釋放至真空中的電子emission電流密度，一般emission電流祇能在VPS為正方向時(shí)才能觀測(cè)到。由圖可知隨著電壓增加，二極體的順向電流與釋放電流亦增大，當(dāng)順向電壓為28V時(shí)emission電流密度約為8.9mA/cm²，emission效率約為1.2%左右。
圖6BSD電子源的V-I特性
圖7是BSD電子源的emission電流時(shí)間變化特性圖，橫軸為時(shí)間，縱軸為電流密度，二極體電壓為16V，如圖所示二極體電流IPS與釋放電流Ie，不會(huì)隨著電流發(fā)生spike，亦即所謂的閃爍(flicker)現(xiàn)象，顯示BSD電子源不需外部電路，就可獲得傳統(tǒng)Spendtype電子源無(wú)法達(dá)成的特性。
圖7二極體電流與釋放電流的V時(shí)間變化特性
圖8是BSD電子源的周圍真空度發(fā)生變化時(shí)的emission電流變化特性，具體測(cè)試方法是將爐內(nèi)更換成氮素，接著抽真空至10-4Pa再逐漸導(dǎo)入氮素，藉此觀察真空度變化時(shí)的emission電流變化，圖中的橫軸為真空度，縱軸為二極體(diode)的電流密度，由圖可知即使真空度降至10-4，emission的電流密度幾乎無(wú)任何改變，顯示BSD電子源在真空度非常惡劣的環(huán)境下，仍具備良好的emission特性。
圖8BSD電子源的釋放電流與真空度依存性
圖9是二極體電壓Vps對(duì)電子能量及釋放電子數(shù)量關(guān)系圖，由圖可知電子能量隨著Vps變大而增加，例如Vps為16V時(shí)可獲得6eV值，如此高的電子能量相當(dāng)于CRT或傳統(tǒng)(convention)FED的100倍左右。目前BSD之FED的電子釋放效率約為1%，電流釋放密度最大是1mA/cm2，因此已經(jīng)足夠撞擊正面基板表面上的螢光體，并獲得極高的發(fā)光效果。此外BSD之FED祇需20V左右的動(dòng)作電壓，如果換算成42吋的FED時(shí)，它的電力消耗量約為100W左幼，是同級(jí)電漿顯示器(PDP:PlasmaDisplayPanel)的1/3左右。
圖9diode電壓與電子能量與電子釋放數(shù)量之關(guān)系
BSD非常適用于高電壓SpendtypeFED。由于BSD具有垂直彈道電子釋放特性，因此不需要收歛電極來(lái)控制電子束的發(fā)射角度，這對(duì)降低FED的制作成本具有重大的影響，除此之外BSD技術(shù)賦與spacer更寬廣的選擇裕度。以往的FED都是利用spacer使cellgap能維持一定的間隙，因此選用spacer時(shí)除了粒徑均勻性與穩(wěn)定性的考量之外，spacer還需要具備不會(huì)干涉電子束飛行軌道重要特質(zhì)，然而不論基板材質(zhì)為陶瓷(ceramic)或是玻璃(glass)，spacer都會(huì)因施加電壓而帶負(fù)電，進(jìn)而直接、間接影響電子束的飛行軌道，造成螢光體撞擊點(diǎn)偏移、影像畫質(zhì)劣化等不良現(xiàn)象。
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由于BSD的彈道電子釋放現(xiàn)象所產(chǎn)生的電子發(fā)射角度幾乎是無(wú)偏差的垂直角，因此BSD的FED可無(wú)限制的選用適用的spacer。如上所述BSD最大特點(diǎn)(advantage)是它的制作性，傳統(tǒng)高電壓型FED的發(fā)射電極(emitting)是先制作發(fā)射平臺(tái)(hall)，再制作Al2O3與Wo、Ni等覆蓋層(scapegoatlay)垂直膜層，最后利用蝕刻(etching)技術(shù)去除覆蓋層，相較之下BSD之FED的電子發(fā)射源祇需制作復(fù)晶硅膜，之后再經(jīng)過(guò)膜層多孔化與氧化等制程即可，如此簡(jiǎn)易的制程對(duì)平面顯示器(FPD:FlatPanelDisplay)大型化與低價(jià)化具有加乘效應(yīng)。
表3是負(fù)極基板的制作流程，表中左側(cè)是利用BSD試作FED的制程條件，右側(cè)是未來(lái)商品化時(shí)的預(yù)定制造方法。
※試作type的流程如下所示:
1.先以LPVCD制作復(fù)晶硅膜。
2.HF:再用乙醇(Athanol)作陽(yáng)極氧化。
3.最后以RTO(RapidThermalOxidation)將復(fù)晶硅膜氧化。
※未來(lái)商品化時(shí)的預(yù)定制作流程如下所示:
1.先以濺鍍法(sputter)在蘇打石玻璃(sodalineglass)制作Al等膜層，再用蝕刻法(etching)制作圖樣(pattern)。
2.接著利用CVD或蝕刻技術(shù)制作復(fù)晶硅膜。
3.以電解電鍍技術(shù)進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理制作微結(jié)晶硅。
4.最后濺鍍Au或Ag等金屬。
上述第1與第4項(xiàng)之流程系使用現(xiàn)有的成膜技術(shù)與材料；第2與第3項(xiàng)則為松下公司開(kāi)發(fā)的多孔化PPS技術(shù)。有關(guān)第2項(xiàng)復(fù)晶硅膜制程必需將作業(yè)溫度與壓力等參數(shù)作最佳化組合，如此便可使蘇打石玻璃在450°C~550°C的低溫環(huán)境下完成長(zhǎng)膜作業(yè)。第3項(xiàng)的電解液、液溫、電流密度等參數(shù)經(jīng)過(guò)作最佳化后，在一定條件下進(jìn)行陽(yáng)極氧化，之后必需再度更改制程參數(shù)(processparameter)才可再進(jìn)行陽(yáng)極氧化作業(yè)。
雖然第2與第3項(xiàng)制程稍嫌煩瑣，不過(guò)并未涉及高單價(jià)材料或是高難度作業(yè)，祇需稍為修改或是延用現(xiàn)有的復(fù)晶硅制作技術(shù)與TFT-LCD生產(chǎn)設(shè)備即可。此外微結(jié)晶硅的glensize與porous的幅寬，可透過(guò)制程參數(shù)自由控制調(diào)整，因此類似要求有高細(xì)畫質(zhì)的spindttype的FED發(fā)射體(emitter)，每一dot可設(shè)置超過(guò)100個(gè)以上的PPS。
BSD的產(chǎn)品應(yīng)用
如上所述BSD電子源具有非常獨(dú)特的性能，因此利用BSD與低溫制程試做2.6吋，168(RGB)×126全彩BSD平面顯示器。126根下方電極是在玻璃基板上以濺鍍方式制成，上方形成polysilicon之后立即進(jìn)行陽(yáng)極氧化與CEO制程，接著利用蒸鍍法制作表面電極，使表面電極與下方電極形成直交狀，然后再以離子研磨法(ionmilling)進(jìn)行168×3的patterning，最后介由spacer將frontglass粘貼于BSD電子源。
有關(guān)frontglass它是先在玻璃基板coat一層ITO，再以網(wǎng)版印刷法依序?qū)22螢光體、blackmatrix與RGB各色均勻覆蓋，frontglass與BSD電子源間隔約3mm，當(dāng)6kV的DC電壓施加于表面電極之間時(shí)可使釋放電子加速，由于BSD電子源與frontglass之間不需電子收斂用grid電極，因此利用溶融玻璃密封后進(jìn)行10-4Pa抽真空，便可獲利BSD平面顯示器。驅(qū)動(dòng)BSD顯示器是依序使每個(gè)line的BSD電子源加速發(fā)生emission，負(fù)極掃描速度為每秒30次，表面電極與下方電極之間施加VPS=22V的資料脈沖。
圖10表4分別是利率BSD技術(shù)制作之2.6吋彩色FED外觀圖與規(guī)格；由于BSD的電子發(fā)射源可在大cellgap環(huán)境下，以垂直方式在涂有螢光體的面板上產(chǎn)生圖樣(pattern)，因此祇要驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)由最加化設(shè)計(jì)，便可獲得令人滿意的影像顯示效果。
圖10利用BSD制作2.6吋全彩之FED外觀
表4全彩BSD的FED規(guī)格
