SiO2/聚酰亚胺/SiO2复合薄膜绝缘性能及基于聚酰亚胺复合薄膜的后栅型场致发射性能的研

　　使用射频磁控溅射和化学溶液法制备了SiO2/聚酰亚胺(PI)/SiO2绝缘膜。分别使用X射线衍射、扫描电镜对薄膜结构和薄膜表面形貌进行了表征;利用超高阻微电流测试仪测试了SiO2/PI/SiO2复合绝缘膜漏电流和电压击穿特性;采用SiO2/PI/SiO2作为绝缘膜,制作了后栅型场致发射器件,使用场发射测试系统测试了器件的开启电压、发射电流以及发光亮度。结果表明:SiO2/PI/SiO2复合绝缘膜具有高的击穿电压和低的漏电流密度,后栅器件中栅极对阴极表面的电场强度调控作用明显,阳极电压为750V时,栅极开启电压为91 V,阳极电流可达384μA,栅极漏电流仅为59μA,器件最高亮度可达600 cd/m2。

　　关键词：聚酰亚胺;场发射;复合薄膜;后栅型

　　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

　　基金项目: 教育厅资助省属高校项目(JA09017);; 福建省光电平台资助项目

　　场致发射显示器( FED, field emission display ) 是一种真空电子器件, 由阴极发射的电子轰击荧光粉产生发光, 其结构可简单地分为二极场致发射和三极场致发射。二极结构虽制作工艺简单, 但由于二极发射亮度低, 灰度再现性能差, 使其作为显示器有很大的局限性, 而且二极发射阴极和阳极之间电压高达数百伏, 需要高压驱动, 而高压调控往往相对难控制[1-3] 。为了降低FED 显示的调控电压, 往往需要运用三极结构, 其工作原理是通过场发射栅极和阴极之间一个相对较低的电压( < 150 V) 来提高阴极表面的电场强度, 降低阳极电压, 提高栅极的调控性能[4] 。三极结构中按栅极位置的不同, 可分为前栅极场致发射和后栅极场致发射。前栅结构中,栅极位于阴极的上面, 更接近阳极, 虽然前栅极FED显示效果好、发射效率高, 但是栅极和介质层的制备工艺复杂, 成本高[5] 。后栅极结构制备工艺简单、成本低, 便于大面极的FED 器件的制备[6-7] 。

　　后栅结构中需要栅极阴极之间具有良好的绝缘层, 同时要求绝缘层具有很好的物理和化学稳定性,能够经受后期的电极刻蚀、电泳以及FED 高温封接( > 400 ) [8-9] 。目前一般使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 方法制备SiO2 作绝缘材料, 但相对成本较高, 材料的缺陷密度高, 在制备后栅极结构的时候容易造成击穿[10-11]。与无机绝缘材料相比, 聚酰亚胺( PI) 是一种具有优良的耐热性和绝缘性的有机聚合物, 其中采用联苯四酸二酐( BPDA) 和4, 4-二氨基二苯醚( ODA) 亚胺化而成的联苯型PI热分解温度高达600, 同时PI 绝缘膜还具有化学稳定性良好、绝缘性好、制备工艺简单、成本低廉等特点[12-14] 。然而单层的PI 膜不适合作为场发射阴极和栅极之间的绝缘层, 包括如下困难: 玻璃表面存在的腐蚀层, 导致PI 和玻璃衬底之间的结合可靠性不好, 会造成薄膜脱落的现象, 然而SiO2 与玻璃和PI 都具有良好的粘附性, 且经过400烘烤后不会出现薄膜脱落的现象, 所以本论文采用SiO2 作为玻璃与PI 的过渡层; PI 还存在吸水和被强碱溶解腐蚀的问题, 直接暴露在后续的湿法刻蚀液体中时会造成PI 绝缘膜的破坏, 而SiO2 对于湿法刻蚀中的强酸和强碱溶液具有良好的化学稳定性, 能够一定程度上阻挡气体和水渗透进入PI 绝缘层。因此本文中选用基于SiO2/ PI/ SiO2 复合绝缘薄膜的后栅型结构, 如图1 所示, 阴极和栅极为Cr-Cu-Cr 电极, 电极宽度02 mm, 间距02 mm; 绝缘层为SiO2/ PI/ SiO2复合薄膜, 厚度约为31m; 在阴极上的为碳纳米管( CNT) , 厚度为1~ 2 m; 阳极为印刷有荧光粉的氧化铟锡( ITO) 玻璃; 阴极和阳极的间距为500m。

　　在本文中, 首先采用射频磁控溅射和化学溶液法制备了SiO2/ PI/ SiO2 薄膜作为绝缘层; 分别使用X 射线衍射( XRD) 、扫描电镜( SEM) 对薄膜结构和薄膜表面形貌进行了表征; 使用场发射测试系统测试了器件的开启电压、发射电流以及发光亮度。结果表明: PI 复合绝缘膜具有高的击穿电压和低的漏电流密度, 且制作的器件栅极对阴极边缘的电场强度调控作用明显, 阳极电压为750 V 时, 栅极开启电压为91 V, 阳极电流可达384A, 栅极漏电流仅为59A, 器件最高亮度可达600 cd/ m2。

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