使用射頻磁控濺射和化學溶液法制備了SiO2/聚酰亞胺(PI)/SiO2絕緣膜。分別使用X射線衍射、掃描電鏡對薄膜結構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。結果表明:SiO2/PI/SiO2復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。

　　關鍵詞：聚酰亞胺;場發(fā)射;復合薄膜;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生發(fā)光, 其結構可簡單地分為二極場致發(fā)射和三極場致發(fā)射。二極結構雖制作工藝簡單, 但由于二極發(fā)射亮度低, 灰度再現性能差, 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百伏, 需要高壓驅動, 而高壓調控往往相對難控制[1-3] 。為了降低FED 顯示的調控電壓, 往往需要運用三極結構, 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, 提高柵極的調控性能[4] 。三極結構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。前柵結構中,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, 但是柵極和介質層的制備工藝復雜, 成本高[5] 。后柵極結構制備工藝簡單、成本低, 便于大面極的FED 器件的制備[6-7] 。

　　后柵結構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穩(wěn)定性,能夠經受后期的電極刻蝕、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, 在制備后柵極結構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, 其中采用聯苯四酸二酐( BPDA) 和4, 4-二氨基二苯醚( ODA) 亞胺化而成的聯苯型PI熱分解溫度高達600, 同時PI 絕緣膜還具有化學穩(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, 導致PI 和玻璃襯底之間的結合可靠性不好, 會造成薄膜脫落的現象, 然而SiO2 與玻璃和PI 都具有良好的粘附性, 且經過400烘烤后不會出現薄膜脫落的現象, 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 復合絕緣薄膜的后柵型結構, 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) 對薄膜結構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。結果表明: PI 復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。

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