在ｆｅａ中使用ｍｏｓｆｅｔ技术

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1、在F E A中使用的MO S F E T技术 攀旭东 【 华东电子方团公司. 南京2 1 0 0 2 幻 摘 要 本文对以M O S F E T ( 金属筑化 物硅场效应薄腆晶体管) 技术提高F E D ( 场致发射显示， 等签件的 F E M场致发射阵列 阴极发射电流的 称定性 作T 说明并就对M O S F E T技术的改进 作了 介绍。 类抽A MOS F # T F E D F E A毯定性发射电流 T h e I mp r o v e me n t o f F E A E mi s s i o n C u r r e n t S t a b i l i t y w i t h MO

2、S F E T J i X . 面 n g ( H u a d o n g E l e c t ro n ic s G ro叩c o . , N 叫 In g 2 1 0 0 2 8 ) .A b s t r a c t I n山is p a g e, h o w t o ia mp e t h e s t a b i li ty o f F E A e m i s s io n c u r r e n t w it h MO S F E T i s d e s c r i b e d Th e imp r o v e m e n t o f MO S F E T i ts el f is a

3、 ls o i.n rt o d u c e d . K e y w o r d s MO S F E T . F E D . F E A , S t a b i U t y . e mi s io n -a c 1 前言 场致发射显示技术是一门新兴的显示技术. 它兼有平 板显示器件轻、 薄、 低功耗以及电子束管( C R T) 高亮度、 高 对比 度、 响应速度快等优点. 因而具有十分广阔的应用前 景 . 但作为一门新兴的技术， 它目前还不够成熟， 还有许 多技术上有待于进一步解决的问题和缺点; 其中一个主要 问题就是其核心部件 一 一 场致发射阵列( F E A ) 阴极的发 射电流不稳.

4、 并且难以控制。这两个间题会造成图象质量 下降， 从而限 制了F E D器 件的 应用与 推广。国 外研究机构 在制备S p i n d t 型F E A时， 增加了 一层电阻层， 用于改进发 射电流的均匀性与稳定性， 但这又使整个 F E A的制作过 程变得复杂了口 门电 吸 护， 碑卜 一， ， 一 户，.一，. 里 化物匕 , 通进徐 县 o1$ t# L n $ Tf P 型墓底 田1 集成化的M O S F E T结构、 玩为 离闷值电压区长度, 1为低阔 值电压区长度 为了 克服这些缺点 。 现开发了金属氧化物硅场效应薄膜晶体管( M O S F E T ) 技术. 并在该 技术的

5、实际应用中做了一些改进， 使F E :A发射电流的稳定性与可控性得到了较大的提高。 2 集成化的MO S F E T技术 以M O S F E T控制的F E A具有能得到均匀稳定 的发射电流， 可采用低压驱动电路， 从而能用于小面 积、 高分辨率显示器件等优点。但因为F E D器件与 外部驱动电路的连线很多， 只有将这些电路集成在 一个基底上方可使用。为了实现集成化. 就必须使 M O S F E T能够承受F E A门极的高压， 并且使M O S - F E T小到不致影响显示的 分辨率， 同时应能驱动象 素单元工作。 图1 是 集成化的M O S F E T结构. 这种结构实际 上是一系

6、列高阅值电压与低闭值电压金属氧化物半 导体结构件的接头 。在该结构中， 其荃底为P型硅 基 底 . 墓 底上 的 金属 氧 化 物层 厚度 为4 8 0 p m 。 门 极 在高低 压闭值区的长度分别为4 0 p m与 l o p m , 宽 度均为1 4 p m ,图2 是 集成化， 曹 犷 M O S F E T的发射电流/ 发射电压特性曲萝 川 线. 当 发射电压上升到8 0 V时. 便可得到尸一 一， 合适的发射电流曲线。I _侧蛋的 一 悦fl 的 奋卜llL，尸甘11.企. 名J已之 (.益)沼寻轰洲 二 口此拍吸 口 发射 电 医 ( v ) 图2 集成化MO S F E T的发

7、射电压/ 发射电 流特性曲线 堕1遭属 孕) 等 a cM 馨 川 3 M O S F E T技术的改进 3 . 1 n - M O S F E T 技术 虽然集成化的 MO S F E T具有前述优 点， 但其制作工艺仍嫌复杂. 并且还有会 引 起故障的倾向。为此， n -M O S道沟 型M O S F E T ) 技 术便应运而生。n -M O S 是一种灵敏器件。 当把它与F E A集成在 一起时， 其工艺过程不但可以与前述集成 化M O S F E T工艺兼容。 而且其结构也更 为简单。n -M O S只孺要一个能驱动 F E A 工作闭值电 压， 就能够获得稳定与 均匀的发射电流，

8、 并且可以减少由F E A 门电极到 MO S F E T门之间的驱动负载。 图3是一个 n -MO S 对个 F E A的结构。 一 垂直 扫 描 器 ; 孕 早 粤 户户户 一鹭. ， 母母母 (tX /1i 1) 数 据贮 存 * 描 IF19 m b 图3 一个 n -M OS对一个F E A的F E D单元 为了 减少功耗， 对n -M O S 的电 路一般采 用动 态逻辑设 计。其电路 是由产生扫描每一列 的单脉冲移 位寄存器， 由脉冲 驱动的数据贮 存器以及数据锁定部分组成。这样的电路设计还 可以减少器件占空体积以及可能产生的误差。图 4 是将 n -MO S , F E A和驱

9、动电路集成在一 起的工艺过程。 3 . 2 集成了n / p 型硅蚕 底F E A的M O S F E T技 术 为了 进一步提高 集成化M O S F E T中F E A发射电流的稳定性与均匀性， 可以在集成的 M O S F E T中 采用n / p 型硅荃底F E A .图5 是这种集成化的M O S F E 丁结构。它是由发 射源、 二重门电 极和场发射微尖 组成。工作时， 电子由发 射源产生， 穿过门极下逆 变层后到达发射徽尖。第 一重门 是环 绕在徽尖周围 的 抽取门 ， 第二重门则用 于控制来自发射源的发射 电流。 硅发 射微尖是作为 MO S F E T内的发射 电极 工作的。

10、 这种集成化 M O D - F E T的制造工艺与传统 的n型硅场发射微尖的一 样， 并可与大规模集成电 路的工艺兼容。 图6是其 工艺过程， 图7是其场发 射微尖的发射特性。当抽 取门极电压上升时. 发射 扣ak叫 摄化物盘 _ 厂 巫 通 夕 一 一 _ zl e 一 一 门。 匕二 M 型匕 _ 一一 分离 层 搜人翻弄 食尖层落艘 多晶硅 门极 / 巨 全全二 F E A 门极N O S F E 7 门极 / 弓 乡 挤节 图4 将,MOs, 9 动电路以及 F E A集成在一起的工艺过程 尸 书 1取扮制 发 肘 汤 门一! 兰 1生上 图5 具有. / p 型硅基底F 以 的集

11、成化MO S F E 丁结构 电流也增加， 并逐渐趋稳， 到达一饱和值。在较低的门抽取 电压下。 发射电流的大小并不依赖于抽取电压， 而由控制门 极电 压决 定。这表明， 在发射电 流达到稳定值后， 就受到了 MO S F E T门极的良好控制。这种 MO S F E T即使在有残留 气体的环境中， 也能使F E A的发射电流保持良好的稳定性 图t , 是 这种M O S F E T 在c o中 的发射稳定性， 它克服了传 统的n 型硅 微尖在残气中 发射电流的不稳定性。因为由残 气 造成的发 射电流波动， 受到了M O S F E T的完全控制。试 验 表明 ， 甚至在5 - - t 0 毛

12、的气体压力下， 这种M O S F E 丁中 的发射微尖也能够稳定地发射。 3 . 3 具有聚焦透镜作用的1 A O S F E T技术 在F E A的 研究中 ， 已往曾开发出一种 具有 双门极 结构的 硅场发射微尖阵列( 图9 ) 。在这 种 结构中 ， 门极分为上下两个。位于低 位的门 极起着把电子束从发射微尖上抽取出 来的控制 门作 用， 而上面的门极则起一个对电子束聚焦的静电透镜作用。如果把上面门极的电压适当 降低， 即可对电子束作良好聚焦 图 1 0 ) 。这种 F E A很适用于高亮度 F E D器件。然而这种 F E A仍有发射电流不稳的缺点。为了克服这一缺点， 国外有人借助于

13、最近取得的以MO S F E T 控制发射电流技术， 成功地把 MO S F E T技术与上述双门极 F E A结合起来 制成了具有聚焦透 镜作 用的M O S F E T硅F E A ( 图工 ) 。 在这种 F E A中， 发射微尖起着发射电极的作用 它发射的电子束穿越 MO S F E T的转换 层。 位于低位的门 极分为 两部分， 工作时。 一部分在被施以足够高的电 压V e 后 ， 激励发射微 尖发射电子; 另一部分在被施以远低于Ve 的电压 v 。 后。 则会在硅基底上产生转换层。由于 墨翌户 K人离子与媛烧 P 离子 各条 各 不l 1 书 吞 毒 弄轰 不 鑫小 控制门吸电压

14、Y c (S ) (v盆)渭夕轰洲 ( l o o ) P 型硅 。热权化 李粤 不 月、匀 印制门极与金 属 抽取门极 控t A 7fl a C I 多品硅或倪蒸被 任 三多晶硅 或 捉 发 射 体发 旦 于 稼 7 二6 心 抽取 j 极 电JE % e ( ( ) 图6 把n / p 型硅基底与MO S F E T 集成在一起的工艺 图了 n l p 型硅基底 M O S F E T的电流与 电压关系 甲漂日哎二生 时间( 分) 图9 具有双门极结构的硅 E F A fs S a p 型 硅 基 底 M O S F E T 在 中 的 发 射 稳 定 性 V e 远高于V C , 所以通

15、过转换层加到发射微尖的电流 就受到了限制， 而转换层的传导又是受门极约束 的. 因而能一 分有效地稳定发射电流， 图1 2 就是这 种F E A中 十个发射微尖的束电 流F -N ( 福勒一诺 德海姆) 点图。 3 . 4 具有塔状微尖的MO S F E T技术 二 在这种技术中 ， 由M O S F E T 控制的F E .A 发射 IN ) o 有 右 ) 、 无 ( 左) 聚 焦 作用 的F E A 发 射 束 微尖 呈塔状， 开发这种技术的目 的在于降低功耗点 的 比 较 以及 获得稳定的发 射电 流。现己 研制出了两 种类型的塔状发射微尖M O S F E 丁器件， 一为配 置型(

16、图1 3 ) ， 一为 控制 型( 图1 4 ) ; 这两者的发射微尖都垂直于硅基底。器件中除 抽取电极门 外、 另有一兹制电极， 可通过对其施加 一定的电 压来控制发射电流。这两种器件的区 别在于: 配置型的电流发射区 仅限 于发 射微尖附近， 而控制型的 则存在于抽取门极下的整个区 域。塔 状发射微尖是以传 统的硅千刻法 和超纯水溶液非 均质湿刻法制作的。 从较长的工作周 期来 看。 这两种器件 的连续发射电流 还是 有差别的: 控制型器件的发射电 流 是逐渐增加的， 而配置型的则十分稳 定。控制型器件的 连续发射电流增加是在较大发射区 发生的离子轰击所致。 日 本松下电子 工业公司的K . K o g a 等人对这两种器件进行了 测量， 发现这两种器件发射 V - 2 5 V1 0 徽 尖 . ， 妇 、， . _ _ 吮 之 兹 一 ， ，一 :. Vc t 到 一 、 一 一 “ “ 一 :. .七A/。1)