BSD技术特性与应用

虽然电浆显示器(plasma)与LCD(Liquid Crystal Display)等平面显示器(Flat Panel Display)已经进入商品化阶段，不过耗电量、辉度、对比以及动画反应时间等问题，若与传统CRT比较时仍有改善的空间，另一方面有机EL等诸多新世代平面显示器(表1)却面临制程、成本、使用寿命、大型化等瓶颈，因此至今仍无法实用化。有鑑于此松下电工与东京农工大学利用BSD(Ballistic electron Surface emitting Device)概念制作场发射显示器(FED:Field Emitting Display)。
而BSD的动作原理是利用固体中的电子在近乎真空环境加速移动。该物性是由硅结晶奈米(nano；1 nano = 10-12m)结晶化形成鍊锁结构，由于鍊锁结构能垂直发射电子，因此利用电子该撞击前方涂有萤光体的透明基板产生影像。奈米技术制成的BSD可以有效解决平面显示器常见的问题，同时还具备低成本、制程简单、可大型化等优点，因此它的应用受到相关业者高度重视。
　

表1 各种FED平面显示器的动作原理与特性
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BSD技术动向
BSD是应用弹道电子释放特性构成冷阴极电子源，它的电子释放原理不同于传统FED。表2是BSD代表性特徵，由表2可知BSD具有低电压驱动、低真空动作环境、不需集束电极、低制作成本等特性，尤其是玻璃基板与500°C低温湿制程(wet process)，更可大幅降低制作成本。
　

表2 BSD的特征　

BSD是将silicon奈米结晶化形成锁鍊状结构，藉此使电子呈弹道状移动，一般将此现象称为弹道电子输送。图1是BSD电子源的动作机制说明图，基本上它是在柱状polysi licon之间形成电子drift层，polysilicon与奈米结晶silicon混合的system unit称为NPS层(Nano crystalline Poly-Silicon layer)，虽然NPS层是利用阳极氧化技术制成，不过在polysilicon的结晶粒界的glen部位会产生快速反应，因此polysilicon结晶粒的表面，支配性形成奈米结晶silicon，使得NPS层内残留的silicon结晶粒比奈米结晶silicon多，该残留的柱状polysilicon可帮助散热，进而提高冷阴极的电子热传导稳定性，所以BSD释放电子时几乎不会产生闪烁噪讯(flicker noise)。BSD释放电子时是利用电子作热激发，使电子从基板下方注入NPS层，由于奈米结晶silicon的表面，是利用低温氧化制程制成氧化薄膜，因此施加的电压几乎全部流入该氧化膜层内进而形成强电界领域，而氧化膜的厚度非常的薄，所以电子很容易将强电界领域的氧化膜变成tunnel，并进入邻接的奈米结晶silicon内，随着电子通过氧化膜被加速，并朝向表面电极方向前进，如此反覆相同动作所以到达表面附近的电子，具备比热平衡状态更高的运动能量，而表面电极也变得很容易将成为tunnel的电子释放至真空中。

BSD具体动作原理如图1所示，BSD电子源是先在由负极(cathode)所构成的背面基板上制作复晶硅膜(poly-Silicon)，之后将复晶硅膜多孔化(porous)，接着在复晶硅之间制作复数的微结晶硅，同时将复晶硅与微结晶硅的表面氧化，多孔化复晶硅(PPS:Porous Poly Silicon)膜层厚度约1.5μm，最后在PPS表面制作Au或Ag等金属薄膜形成二极体(diode)结构，除了以上的差异PPS外部电子发射源的动作原理则与传统的FED完全相同，换句话说这种BSD type的FED，也是利用电子撞击正面基板表面上的萤光体产生影像，它与以往的FED最大差异处，是电子发射源的制作方式与结构不同而已。
　

图1 BSD的动作原理
　

图2是释放至真空中的电子能量分佈量测结果，图中的x轴为电子能量，y轴为释放电子的相对数，测试时的基准能量是比照真空状态时的准位，测试方法是在室温下进行，採用一般性的交流减速电界法。假设表面金属的动作关数为ψ(eV)时，完全未发生冲突释放出去的电子最大能量，理论上几乎等于施加电压减去动作关数ψ的能量，以图2为例假设VPS = 22V时，虽然分佈的最大能量-Vmax祇有17eV，不过表面电极的动作关数大约有5 eV，换言之它与上述施加电压减去动作关数的结果完全一致，由此验证BSD具有独特的弹道电子释放特性。实际上在室温环境下NPS层多少会发生冲突，一般是将它视准弹道电子的释放。如图2所示的能量分佈峰值位置，亦即电子数最多的能量，理论上是最大能量的60%约在10eV处，即使如此若与其它种类的电子源比较时，很明显的是BSD具备很高的能量。另一个特殊现象是该能量分佈与施加电压具有依存性，也就是说随着VPS的增加，峰值能量Emax与最大能量 会逐渐移至high energy side，这意味着BSD释放的电子在NPS层几乎未散乱，如果在低温环境下测试释放电子的能量分佈，上述弹道电子释放更加明显，而且能量分佈幅度更加狭窄(峰值能量EP朝最大能量Emax方向移动)。
　

图2 BSD释放电子能量的特性
　

综合以上的说明可知BSD的电子释放机制，是当电压注入上方电极与背面基板之间时，下方铝质电极所产生的电子会注入PPS层内的微结晶硅，而电子通过微结晶硅内部时几乎没有能量损耗(energy loss)，主要原因是一旦施加电界后，微结晶硅表面的氧化膜会使电子加速。此外一般硅内部的平均自由行程约为50nm，而微结晶硅的glen size祇有5nm。由于当电子通过PPS层时，几乎不会与其它电子或硅原子发生冲突，因此电子通过微结晶硅内部时，能量损耗几乎等于零，使得到达上方金属电极的电子能量减去金属的动作关数值最大可达14～15eV，这种现象称为弹道电子传导效应。以往的弹道电子传导效应必需在真空环境下才会发生，不过BSD利用多孔化(porous)将复晶硅膜(polysi licon)包覆，因此它可在固体中产生弹道电子释放现象。利用这样的特性制作FED时可使已加速的电子，在cell gap内部呈垂直状发射出，并使电子撞击正面基板表面上的萤光体产生影像。由于BSD的电子发射源可将电子呈垂直状发射出去，因此cell gap高达数mm的高电压型FED，也不需要设置电子束收歛电极防止失真(cross talk)现象。
 
 
BSD的制作技术
图3是BSD的基本结构，如图所示BSD电子源呈夹心状(sandwich)。图4是BSD的制作流程，由图可知下方电极pattern通常是利用溅镀法制作，基于量产性的考量因此BSD改用lift off方式制作，接着在上方制作柱状polysilicon，虽然polysilicon可在amorphous膜层长膜，再利用雷射作退火处理进行再结晶化，不过如此一来polysilicon膜层厚度较厚，因此BSD採用减压CVD技术制作最佳化柱状polysilicon。一般CVD技术需在650°C左右高温下，利用石英玻璃才能获得polysilicon，基于成本与量产性的考量改用电浆(pla sma)CVD技术，使长膜温度降至550°C以下，使用的玻璃则与TFT、PDP常用的玻璃相同。有关BSD的电子释放部的阳极氧化制程，主要是利用松下电工开发的阳极氧化‧低温氧化一贯作业的湿制程(wet process)专用设备(图5)，该设备具有低制作成本、可大型化、高良品率等特徵。
　

图3 BSD的结构
　

图4 BSD的制作流程
　

图5 阳极氧化‧CEO专用设备的外观
　

接着在玻璃基板上制作金属电极，并将金属电极上方的柱状polysilicon膜层浸泡于氟酸与乙醇混合液内，同时施加电压至混合液内的白金负极，与polysilicon膜层的正极，进行类似电界研磨加工。由于silicon在某些条件下无法进行研磨，反而会产生sili con的奈米结晶，这种特殊现象主要是因为柱状polysilicon的grain boundary的结合能量很低，使得该部份发生反应析并出silicon，在此同时被析出的silicon会进行再结晶化，最后形成如图1所示的奈米结构，这种被称为自我组织的独特现象发生与否，完全取决于制程条件的设定。

在柱状polysilicon grain之间形成奈米结晶polysilicon之后，去除洗净氟酸与乙醇，再注入以硫酸为base的电解液，并对白金负极与基板正极施加电压，藉此在奈米结晶polysilicon的表面形成很薄的氧化膜，这种称为电气化学的氧化法(ECO:Electro Chem ical Oxidation)可以使大size的silicon结晶更容易氧化，最先开始氧化部位是polysi licon grain部份，接着是奈米结晶部位被氧化，最后是size比较均匀的奈米结晶部位，此时polysilicon部位会被很厚的氧化膜包覆，由于表面的polysilicon膜层也被很厚的氧化膜包覆，所以可以防止polysilicon膜层与表面电极的发生break down现象。

利用ECO制程形成氧化膜后立即进行清洗、干燥、溅镀，接着进行表面电极与电极patterning，便完成所有BSD电子源的作业流程。
在所有制程当中祇有polysilicon长膜时需要550°C高温之外，其它制程包含奈米结晶硅长膜与氧化膜的制作，都是在常温环境下进行，因此材料的高温履歷非常少，更无基板升、降温时间，所以可大幅缩减制作时间与制作成本，也就是说上述制程非常适合大尺寸面板的制作。
 
 
BSD电子源的特性
图6是典型的BSD电子源的电压‧电流特性图，图中的横轴为电压，纵轴为电流密度，JPS是二极体(diode)的电流密度，JPS表示从二极体表面金属膜层释放至真空中的电子emi ssion电流密度，一般emission电流祇能在VPS为正方向时才能观测到。由图可知随着电压增加，二极体的顺向电流与释放电流亦增大，当顺向电压为28V时emission电流密度约为8.9mA/cm²，emission效率约为1.2%左右。
　

图6 BSD电子源的V-I特性
　

图7是BSD电子源的emission电流时间变化特性图，横轴为时间，纵轴为电流密度，二极体电压为16V，如图所示二极体电流IPS与释放电流Ie，不会随着电流发生spike，亦即所谓的闪烁(flicker)现象，显示BSD电子源不需外部电路，就可获得传统Spend type电子源无法达成的特性。
　

图7 二极体电流与释放电流的V时间变化特性
　

图8是BSD电子源的周围真空度发生变化时的emission电流变化特性，具体测试方法是将炉内更换成氮素，接着抽真空至10-4Pa再逐渐导入氮素，藉此观察真空度变化时的emission电流变化，图中的横轴为真空度，纵轴为二极体(diode)的电流密度，由图可知即使真空度降至10-4，emission的电流密度几乎无任何改变，显示BSD电子源在真空度非常恶劣的环境下，仍具备良好的emission特性。
　

图8 BSD电子源的释放电流与真空度依存性
　

图9是二极体电压Vps对电子能量及释放电子数量关系图，由图可知电子能量随着Vps 变大而增加，例如Vps为16V时可获得6eV值，如此高的电子能量相当于CRT或传统(conven tion)FED的100倍左右。目前BSD之FED的电子释放效率约为1%，电流释放密度最大是1mA/cm2，因此已经足够撞击正面基板表面上的萤光体，并获得极高的发光效果。此外BSD之FED祇需20V左右的动作电压，如果换算成42吋的FED时，它的电力消耗量约为100W左幼，是同级电浆显示器(PDP:Plasma Display Panel)的1/3左右。
　

图9 diode电压与电子能量与电子释放数量之关系
　

BSD非常适用于高电压Spend type FED。由于BSD具有垂直弹道电子释放特性，因此不需要收歛电极来控制电子束的发射角度，这对降低FED的制作成本具有重大的影响，除此之外BSD技术赋与spacer更宽广的选择裕度。以往的FED都是利用spacer使cell gap能维持一定的间隙，因此选用spacer时除了粒径均匀性与稳定性的考量之外，spacer还需要具备不会干涉电子束飞行轨道重要特质，然而不论基板材质为陶瓷(ceramic)或是玻璃(glass)，spacer都会因施加电压而带负电，进而直接、间接影响电子束的飞行轨道，造成萤光体撞击点偏移、影像画质劣化等不良现象。由于BSD的弹道电子释放现象所产生的电子发射角度几乎是无偏差的垂直角，因此BSD的FED可无限制的选用适用的spacer。如上所述BSD最大特点(advantage)是它的制作性，传统高电压型FED的发射电极(emitting)是先制作发射平台(hall)，再制作Al2O3与Wo、Ni等覆盖层(scapegoat lay)垂直膜层，最后利用蚀刻(etching)技术去除覆盖层，相较之下BSD之FED的电子发射源祇需制作复晶硅膜，之后再经过膜层多孔化与氧化等制程即可，如此简易的制程对平面显示器(FPD:Flat Panel Display)大型化与低价化具有加乘效应。

表3是负极基板的制作流程，表中左侧是利用BSD试作FED的制程条件，右侧是未来商品化时的预定制造方法。

※试作type的流程如下所示:
1.先以LPVCD制作复晶硅膜。
2.HF:再用乙醇(Athanol)作阳极氧化。
3.最后以RTO(Rapid Thermal Oxidation)将复晶硅膜氧化。

※未来商品化时的预定制作流程如下所示:
1.先以溅镀法(sputter)在苏打石玻璃(soda line glass)制作Al等膜层，再用蚀刻法(etching)制作图样(pattern)。
2.接着利用CVD或蚀刻技术制作复晶硅膜。
3.以电解电镀技术进行阳极氧化处理制作微结晶硅。
4.最后溅镀Au或Ag等金属。

上述第1与第4项之流程系使用现有的成膜技术与材料；第2与第3项则为松下公司开发的多孔化PPS技术。有关第2项复晶硅膜制程必需将作业温度与压力等参数作最佳化组合，如此便可使苏打石玻璃在450°C ~ 550°C的低温环境下完成长膜作业。第3项的电解液、液温、电流密度等参数经过作最佳化后，在一定条件下进行阳极氧化，之后必需再度更改制程参数(process parameter)才可再进行阳极氧化作业。

虽然第2与第3项制程稍嫌烦琐，不过并未涉及高单价材料或是高难度作业，祇需稍为修改或是延用现有的复晶硅制作技术与TFT-LCD生产设备即可。此外微结晶硅的glen size与porous的幅宽，可透过制程参数自由控制调整，因此类似要求有高细画质的spin dt type的FED发射体(emitter)，每一dot可设置超过100个以上的PPS。
　

表3是负极基板的制作流程，表中左侧是利用BSD试作FED的制程条件，右侧是未来商品化时的预定制造方法。

※试作type的流程如下所示:
1.先以LPVCD制作复晶硅膜。
2.HF:再用乙醇(Athanol)作阳极氧化。
3.最后以RTO(Rapid Thermal Oxidation)将复晶硅膜氧化。

※未来商品化时的预定制作流程如下所示:
1.先以溅镀法(sputter)在苏打石玻璃(soda line glass)制作Al等膜层，再用蚀刻法(etching)制作图样(pattern)。
2.接着利用CVD或蚀刻技术制作复晶硅膜。
3.以电解电镀技术进行阳极氧化处理制作微结晶硅。
4.最后溅镀Au或Ag等金属。

上述第1与第4项之流程系使用现有的成膜技术与材料；第2与第3项则为松下公司开发的多孔化PPS技术。有关第2项复晶硅膜制程必需将作业温度与压力等参数作最佳化组合，如此便可使苏打石玻璃在450°C ~ 550°C的低温环境下完成长膜作业。第3项的电解液、液温、电流密度等参数经过作最佳化后，在一定条件下进行阳极氧化，之后必需再度更改制程参数(process parameter)才可再进行阳极氧化作业。

虽然第2与第3项制程稍嫌烦琐，不过并未涉及高单价材料或是高难度作业，祇需稍为修改或是延用现有的复晶硅制作技术与TFT-LCD生产设备即可。此外微结晶硅的glen size与porous的幅宽，可透过制程参数自由控制调整，因此类似要求有高细画质的spin dt type的FED发射体(emitter)，每一dot可设置超过100个以上的PPS。

    表3 负极基板的制作流程

BSD的产品应用
如上所述BSD电子源具有非常独特的性能，因此利用BSD与低温制程试做2.6吋，168(R GB)×126全彩BSD平面显示器。126根下方电极是在玻璃基板上以溅镀方式制成，上方形成polysilicon之后立即进行阳极氧化与CEO制程，接着利用蒸镀法制作表面电极，使表面电极与下方电极形成直交状，然后再以离子研磨法(ion milling)进行168×3的patter ning，最后介由spacer将front glass粘贴于BSD电子源。
有关front glass它是先在玻璃基板coat一层ITO，再以网版印刷法依序将P22萤光体、black matrix与RGB各色均匀覆盖，front glass与BSD电子源间隔约3mm，当6kV的DC电压施加于表面电极之间时可使释放电子加速，由于BSD电子源与front glass之间不需电子收敛用grid电极，因此利用溶融玻璃密封后进行10-4Pa抽真空，便可获利BSD平面显示器。驱动BSD显示器是依序使每个line的BSD电子源加速发生emission，负极扫描速度为每秒30次，表面电极与下方电极之间施加VPS = 22V的资料脉冲。

图10表4分别是利率BSD技术制作之2.6吋彩色FED外观图与规格；由于BSD的电子发射源可在大cell gap环境下，以垂直方式在涂有萤光体的面板上产生图样(pattern)，因此祇要驱动电路与驱动方式经由最加化设计，便可获得令人满意的影像显示效果。
　

图10 利用BSD制作2.6吋全彩之FED外观
　

表4 全彩BSD的FED规格