更新时间：2023-01-24 17:50
场致发射显示（FED）是在强电场的作用下阴极表面势垒降低、变薄（图1-1），电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空，电子加速后轰击在荧光粉上实现显示。从结构上FED可分为二极管型和三极管型两种，FED的阴极材料主要有金属尖锥（也称Spindt型）、金刚石薄膜、碳纳米管（CNT）、化合物、表面传导电子发射体（SCEE）等。
FED具有主动发光、无图像畸变、宽视角（约170°）、快速响应（微秒级）、环境适应性强等特点。FED可以实现微型显示，也可实现大屏幕显示。
Spindt型FED是早期开发的技术，多家公司的均制作出产品，并在军方获得应用。但采用金属微尖发射电子，工艺复杂、需要超高真空，发射受控能力不强、阴极易受污染，因此已退出主流技术，当前的开发重点是CNT阴极的FED和SCEE阴极的表面传导电子发射显示（SED）。
FED器件中的阴极是非常重要的部分，阴极场发射材料的功函数越低，电子就越容易发射。许多金属、非金属、化合物、CNT可以用作场致发射阴极的材料，在FED中使用的有钼、硅、金刚石薄膜、CNT等。它们的功函数和蒸发温度见表1-2所列。
表1-2 一些场致发射阴极材料的功函数和蒸发温度
FED使用的材料的功函数大多数在4eV~5eV范围内。对这些材料，实现场发射需要在阴极表面有大于 V/cm的强电场。利用尖锥表面电场集中和尖锥处因镜像力减少而功函数降低的原理，尖锥处（曲率半径 10nm）可以在较低的电压下产生场发射。1976年美国Spindt教授用微米量级的钼锥获得了实用的发射电流，开创了真空微电子学的新领域。实用的场致发射阴极都组成阵列状，阴极的节距在微米量级，如图1-3所示。单个阴极的发射电流为1uA~10uA，按阴极密度为 / 计算，发射电流的面密度可达10A/ ，比热阴极大几个数量级。
场发射阴极的形状有锥形、金字塔形、纪念碑形、刀刃形和平面形等，其中以锥形最为常见，工艺也比较成熟；纪念碑形阴极的电容和功耗较低；平面形结构只有功函数很小的材料，如金刚石薄膜，才能适用。
Spindt型阴极的制作工艺如图1-4(a)所示。采用旋转蒸发法，先用光刻的方法在绝缘层-金属层复合结构上开出小孔，使基板旋转，同时以偏离法线75°的方向斜蒸金属Ni，在小孔口形成如图的刀口状，同时垂直蒸发金属钼，栅孔逐渐缩小，进入孔内的钼逐渐减少，锥状体逐渐形成，等到小孔表面被钼膜堵死，小孔内已经形成锥形钼微尖。去除表面钼膜和镍膜，微尖阵列就制成了。硅锥形阴极的制作如图1-4(b)所示，先在硅片上热氧化一层SiO2,用光刻法形成的SiO2掩模，然后用各向同性腐蚀液形成金字塔形硅尖阵列，去除SiO2掩模，生长绝缘层，蒸发金属薄膜，用于干法和湿法刻蚀工艺形成栅极孔并露出硅尖。由于锥体和栅孔的尺寸都在微米量级，上述光刻工艺需用亚微米技术进行。
Spindt型场发射阴极应用的最大问题是强电场和大电流密度引起的发射电流的不稳定性和不均匀性。电子显微镜研究发现，锥体表面的发射是不均匀的，存在发射中心，工作过程中发射会突然增大，产生“跳火”，随后发射下降，发射中心位置发生转移。可用一些工艺处理来稳定阴极的发射，但解决这个稳定的根本方法是在材料和结构上创新，如增加发射点密度、降低材料的功函数等。在尖锥底部加入一层电阻层限流，也可以使不均匀性得到明显改善。在良好的工作环境下，微尖发射阴极的寿命可以大于10000h。
金刚石薄膜是一种负电子亲和势材料，其相应的功函数为0.2eV~0.3eV，比钼和硅的功函数小很多。实验研究表明，非晶金刚石薄膜场发射所需的表面电场强度为 V/cm，比钼和硅低2个数量级，因此用金刚石薄膜作场发射阴极时不需要做成尖锥状，普通的薄膜点阵形状就可，因此工艺大大简化，成本也可随着降低，电流密度为100A/ 。如果把金刚石薄膜做到钼尖或硅尖发射体表面，发射电流可提高10倍，而且稳定性有明显改善。金刚石薄膜有良好的导热性能，它的导热系数比钼大5倍，对器件的散热十分有利。
CNT是1991年由日本的Iijima发现的。1995年，瑞典的Heer发现了CNT的场发射特性。随后，对CNT的生长机理、结构、特性进行了大量研究。1998年研制出了第一只具有CNT场发射体的试验性器件。CNT分为单壁和多壁两种，多壁更适合FED。由于CNT尺寸很小，因此在CNT管的端部，电场非常集中，能够产生场发射。
与其他阴极相比，CNT阴极具有直径小；发射电流密度大；发射阈值低，驱动电压低；化学稳定性高，可保持发射的长期稳定性等特点。
CNT的制作方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉淀法、印刷法等，其中前两种只能制备CNT粉体，化学气相沉淀法可以直接在基板上制备高纯度CNT薄膜。
最佳东芝公司和佳能公司共同开发出了SCEE阴极，并在此基础上制作出了SED显示器，实现了视频显示。
图1-5是金属尖锥FED结构示意图，以带有控制栅极的场发射阴极阵列的基板为后基板，以制作有透明导电电极和三基色荧光粉阵列的基板为前基板，其间设有隔离柱以抵抗外界大气的压力，并使两块基板的间距保持在200um左右范围内。上下基板对准后四周以低熔点玻璃粉密封，经烘烤、排气、激活、封离等标准的电真空工艺就制成场发射显示器件。内部真空度为10Pa量级。阴极发射的电子经过栅极的控制直接打在荧光粉上，使其激发发光。由于阴极和荧光粉之间的距离很近，发射的电子不会散焦，是一种近贴聚焦的工作方式。根据分辨力的不同，一个荧光粉点所对应的阴极微尖数目多达几百个至上千个，因此个别微尖的失效不影响相应的荧光粉的工作。FED所采用的荧光粉大多为ZnO系列低压荧光粉，数百伏阳极电压就可有满意的亮度和发光效率。从FED的结构和工作方式来看，它实际上是一种以微尖发射阵列为阴极的平板CRT。
CNT阴极FED结构如图1-6所示。除发射阴极代替微尖外，结构与尖锥FED相同。
SCEE阴极FED结构如图1-7所示。SCEE的制作工艺主要是：用印刷法在基板上形成电极线，喷墨法形成10nm的PdO薄膜，施加脉冲电压，形成亚微米级裂纹，然后采用通电活性化处理方式，在裂纹处形成C的堆积，使裂纹缩小至4nm~6nm。裂纹缩小到纳米级后，电场强度增大，可以在更低的电压下实现大电流发射。
上述三种结构的FED中，尖锥结构虽然实现了小批量生产，但由于工艺复杂、超高真空、发射不容易受控、阴极受污染等原因，正在被其他结构的技术取代。CNT阴极FED由于发射电流大、发射稳定性高、低电压驱动等优点，是目前国内外研究的热门。但CNT阴极FED存在保持阳极、栅极与阴极间隙的均匀性以及防止栅极与基板因膨胀系数不同导致损坏等问题。SED是2002年以后发展起来的新结构，具有可实现大屏幕显示、功耗低、图像质量优等特点，引起了行业内广泛的注目。