使用射頻磁控濺射和化學(xué)溶液法制備了SiO2/聚酰亞胺(PI)/SiO2絕緣膜。分別使用X射線衍射、掃描電鏡對薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜表面形貌進行了表征;利用超高阻微電流測試儀測試了SiO2/PI/SiO2復(fù)合絕緣膜漏電流和電壓擊穿特性;采用SiO2/PI/SiO2作為絕緣膜,制作了后柵型場致發(fā)射器件,使用場發(fā)射測試系統(tǒng)測試了器件的開啟電壓、發(fā)射電流以及發(fā)光亮度。結(jié)果表明:SiO2/PI/SiO2復(fù)合絕緣膜具有高的擊穿電壓和低的漏電流密度,后柵器件中柵極對陰極表面的電場強度調(diào)控作用明顯,陽極電壓為750V時,柵極開啟電壓為91 V,陽極電流可達384μA,柵極漏電流僅為59μA,器件最高亮度可達600 cd/m2。

　　關(guān)鍵詞：聚酰亞胺;場發(fā)射;復(fù)合薄膜;后柵型

　　Abstract: The SiO2/polymide(PI)/SiO2 composite films were deposited by a combination of RF magnetron sputtering and chemical solution deposition.The microstructures and properties of the composite films were characterized with X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The impacts of the deposition conditions on quality of the films were studied.The prototyped under-gate field emission display(FED) device was fabricated with the SiO2/PI/SiO2 composite films.Various properties of the device,including the breakdown and on-set voltages,peak emission current,density,luminous intensity,and leakage current,were measured.The results show that the SiO2/PI/SiO2 composite film is a potential device-grade FED material with high breakdown voltage and low leakage current.For example,at an anode voltage of 750 V and an on-set grid voltage of 91 V,the anode and grid currents were found to be 384 μA and 59 μA,respectively,with a luminous intensity of 600 cd/m2.

　　Keywords: PI,FED,Composite thin films,Under-gate

　　基金項目: 教育廳資助省屬高校項目(JA09017);; 福建省光電平臺資助項目

　　場致發(fā)射顯示器( FED, field emission display ) 是一種真空電子器件, 由陰極發(fā)射的電子轟擊熒光粉產(chǎn)生發(fā)光, 其結(jié)構(gòu)可簡單地分為二極場致發(fā)射和三極場致發(fā)射。二極結(jié)構(gòu)雖制作工藝簡單, 但由于二極發(fā)射亮度低, 灰度再現(xiàn)性能差, 使其作為顯示器有很大的局限性, 而且二極發(fā)射陰極和陽極之間電壓高達數(shù)百伏, 需要高壓驅(qū)動, 而高壓調(diào)控往往相對難控制[1-3] 。為了降低FED 顯示的調(diào)控電壓, 往往需要運用三極結(jié)構(gòu), 其工作原理是通過場發(fā)射柵極和陰極之間一個相對較低的電壓( < 150 V) 來提高陰極表面的電場強度, 降低陽極電壓, 提高柵極的調(diào)控性能[4] 。三極結(jié)構(gòu)中按柵極位置的不同, 可分為前柵極場致發(fā)射和后柵極場致發(fā)射。前柵結(jié)構(gòu)中,柵極位于陰極的上面, 更接近陽極, 雖然前柵極FED顯示效果好、發(fā)射效率高, 但是柵極和介質(zhì)層的制備工藝復(fù)雜, 成本高[5] 。后柵極結(jié)構(gòu)制備工藝簡單、成本低, 便于大面極的FED 器件的制備[6-7] 。

　　后柵結(jié)構(gòu)中需要柵極陰極之間具有良好的絕緣層, 同時要求絕緣層具有很好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性,能夠經(jīng)受后期的電極刻蝕、電泳以及FED 高溫封接( > 400 ) [8-9] 。目前一般使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD) 方法制備SiO2 作絕緣材料, 但相對成本較高, 材料的缺陷密度高, 在制備后柵極結(jié)構(gòu)的時候容易造成擊穿[10-11]。與無機絕緣材料相比, 聚酰亞胺( PI) 是一種具有優(yōu)良的耐熱性和絕緣性的有機聚合物, 其中采用聯(lián)苯四酸二酐( BPDA) 和4, 4-二氨基二苯醚( ODA) 亞胺化而成的聯(lián)苯型PI熱分解溫度高達600, 同時PI 絕緣膜還具有化學(xué)穩(wěn)定性良好、絕緣性好、制備工藝簡單、成本低廉等特點[12-14] 。然而單層的PI 膜不適合作為場發(fā)射陰極和柵極之間的絕緣層, 包括如下困難: 玻璃表面存在的腐蝕層, 導(dǎo)致PI 和玻璃襯底之間的結(jié)合可靠性不好, 會造成薄膜脫落的現(xiàn)象, 然而SiO2 與玻璃和PI 都具有良好的粘附性, 且經(jīng)過400烘烤后不會出現(xiàn)薄膜脫落的現(xiàn)象, 所以本論文采用SiO2 作為玻璃與PI 的過渡層; PI 還存在吸水和被強堿溶解腐蝕的問題, 直接暴露在后續(xù)的濕法刻蝕液體中時會造成PI 絕緣膜的破壞, 而SiO2 對于濕法刻蝕中的強酸和強堿溶液具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性, 能夠一定程度上阻擋氣體和水滲透進入PI 絕緣層。因此本文中選用基于SiO2/ PI/ SiO2 復(fù)合絕緣薄膜的后柵型結(jié)構(gòu), 如圖1 所示, 陰極和柵極為Cr-Cu-Cr 電極, 電極寬度02 mm, 間距02 mm; 絕緣層為SiO2/ PI/ SiO2復(fù)合薄膜, 厚度約為31m; 在陰極上的為碳納米管( CNT) , 厚度為1~ 2 m; 陽極為印刷有熒光粉的氧化銦錫( ITO) 玻璃; 陰極和陽極的間距為500m。

　　在本文中, 首先采用射頻磁控濺射和化學(xué)溶液法制備了SiO2/ PI/ SiO2 薄膜作為絕緣層; 分別使用X 射線衍射( XRD) 、掃描電鏡( SEM) 對薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜表面形貌進行了表征; 使用場發(fā)射測試系統(tǒng)測試了器件的開啟電壓、發(fā)射電流以及發(fā)光亮度。結(jié)果表明: PI 復(fù)合絕緣膜具有高的擊穿電壓和低的漏電流密度, 且制作的器件柵極對陰極邊緣的電場強度調(diào)控作用明顯, 陽極電壓為750 V 時, 柵極開啟電壓為91 V, 陽極電流可達384A, 柵極漏電流僅為59A, 器件最高亮度可達600 cd/ m2。

參考文獻：
　　[1]仲雪飛,張雄,尹涵春,等.前柵極碳納米管場發(fā)射顯示板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2010,30(1):33-37
　　[2]Choi Y S,Kang J H,Park Y J,et al.An Under-Gate TriodeStructure Field Emission Display with Carbon Nanotube Emit-ters[J].Diamond Relat Mater,2001,10(2001):1705-1708
　　[3]Choi Y S,Kang J H,Park Y J,et al.A Simple Structure andFabrication of Carbon-Nanotube Field Emission Display[J].Applied Surface Science,2005,221(2004):307-374
　　[4]Fan S,Chapline M G,Fraklin N R,et al.Sel-f Oriented Regu-lar Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field EmissionProperties[J].Science,2005,283(1999):512-515
　　[5]Wang Q H,Setlur A A,Laurehaas J M,et al.A Nanotube-Based Field-Emission Flat Panel Display[J].Appl Phys Lett,2008,72(1998):2912-2915
　　[6]仲雪飛,樊兆雯,伊函春,等.常開型后柵陰極場致發(fā)射顯示板工作特性的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2004,24(6):404-407
　　[7]林志賢,廖志君,郭太良.大屏幕FED集成驅(qū)動電路的研制[J].液晶與顯示,2005,20(5):440-445
　　[8]張永愛,許華安,郭太良.陽極氧化法制備Ta2O5絕緣膜及性能研究[J].功能材料,2009,40(6):977-980
　　[9]仲雪飛,張雄尹,伊涵春,等.厚膜工藝制備后柵極場發(fā)射顯示板的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2010,30(4):409-413
　　[10]儲開榮,雷威,狄云松,等.后柵極場致發(fā)射顯示板制作的研究[J].納米器件與技術(shù),2006,(3):20-22
　　[11]李建昌,韓小波,韓娜,等.SnO2復(fù)合薄膜甲烷氣敏傳感器研究進展[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2010,30(6):641-648
　　[12]仲雪飛,樊兆雯,伊涵春,等.常開型后柵陰極場致發(fā)射顯示板工作特性的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2004,24(6):404-407
　　[13]李玲珍,鄭姚生.聚酰亞胺絕緣膜的真空性能及在電真空器件中的應(yīng)用研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2001,21(3):220-228
　　[14]李玉魁,劉云朋.三極場發(fā)射顯示器件的發(fā)光優(yōu)化制作[J].液晶與顯示,2010,25(5):709-712