中心議題：

• BSD技術動向
• BSD的製作技術
• BSD電子源的特性
• BSD的產品應用

解決方案：

• 使用壽命長
  ，可靠性高
• 低分散電子釋放角度電子釋放能量大
• 電子垂直發射，不需收斂電極
• 電子釋放穩定均勻無poppingnoise

然電漿顯示器(plasma)與LCD(LiquidCrystalDisplay)等平麵顯示器(FlatPanelDisplay)已經進入商品化階段

，不過耗電量、輝度、對比以及動畫反應時間等問題，若與傳統CRT比較時仍有改善的空間
，另一方麵有機EL等諸多新世代平麵顯示器(表1)卻麵臨製程、成本、使用壽命、大型化等瓶頸

，因此至今仍無法實用化。有鑑於此鬆下電工與東京農工大學利用BSD(BallisticelectronSurfaceemittingDevice)概念製作場發射顯示器(FED:FieldEmittingDisplay)。

而BSD的動作原理是利用固體中的電子在近乎真空環境加速移動。該物性是由矽結晶奈米(nano
；1nano=10-12m)結晶化形成鍊鎖結構，由於鍊鎖結構能垂直發射電子，因此利用電子該撞擊前方塗有螢光體的透明基板產生影像。奈米技術製成的BSD可以有效解決平麵顯示器常見的問題
，同時還具備低成本、製程簡單
、可大型化等優點，因此它的應用受到相關業者高度重視


表1各種FED平麵顯示器的動作原理與特性

BSD技術動向

BSD是應用彈道電子釋放特性構成冷陰極電子源
，它的電子釋放原理不同於傳統FED。表2是BSD代表性特徵，由表2可知BSD具有低電壓驅動

、低真空動作環境

、不需集束電極、低製作成本等特性，尤其是玻璃基板與500°C低溫濕製程(wetprocess)

，更可大幅降低製作成本。

特征說明

低真空動作環境真空密封容易
使用壽命長

，可靠性高。
低分散電子釋放角度電子釋放能量大
電子垂直發射
，不需收斂電極。
電子釋放穩定均勻無poppingnoise。
平麵結構製程單純結構簡單。
製作容易。
可大型化。


表2BSD的特征　
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BSD是將silicon奈米結晶化形成鎖鍊狀結構，藉此使電子呈彈道狀移動，一般將此現象稱為彈道電子輸送。圖1是BSD電子源的動作機製說明圖，基本上它是在柱狀polysilicon之間形成電子drift層，polysilicon與奈米結晶silicon混合的systemunit稱為NPS層(NanocrystallinePoly-Siliconlayer)

，雖然NPS層是利用陽極氧化技術製成，不過在polysilicon的結晶粒界的glen部位會產生快速反應
，因此polysilicon結晶粒的表麵，支配性形成奈米結晶silicon，使得NPS層內殘留的silicon結晶粒比奈米結晶silicon多

，該殘留的柱狀polysilicon可幫助散熱，進而提高冷陰極的電子熱傳導穩定性
，所以BSD釋放電子時幾乎不會產生閃爍噪訊(flickernoise)。

BSD釋放電子時是利用電子作熱激發，使電子從基板下方注入NPS層，由於奈米結晶silicon的表麵，是利用低溫氧化製程製成氧化薄膜
，因yin此ci施shi加jia的de電dian壓ya幾ji乎hu全quan部bu流liu入ru該gai氧yang化hua膜mo層ceng內nei進jin而er形xing成cheng強qiang電dian界jie領ling域yu，而er氧yang化hua膜mo的de厚hou度du非fei常chang的de薄bo，所suo以yi電dian子zi很hen容rong易yi將jiang強qiang電dian界jie領ling域yu的de氧yang化hua膜mo變bian成chengtunnel，並進入鄰接的奈米結晶silicon內nei
，隨sui著zhe電dian子zi通tong過guo氧yang化hua膜mo被bei加jia速su，並bing朝chao向xiang表biao麵mian電dian極ji方fang向xiang前qian進jin
，如ru此ci反fan覆fu相xiang同tong動dong作zuo所suo以yi到dao達da表biao麵mian附fu近jin的de電dian子zi

，具ju備bei比bi熱re平ping衡heng狀zhuang態tai更geng高gao的de運yun動dong能neng量liang，而er表biao麵mian電dian極ji也ye變bian得de很hen容rong易yi將jiang成cheng為weitunnel的電子釋放至真空中。

BSD具體動作原理如圖1所示，BSD電子源是先在由負極(cathode)所構成的背麵基板上製作複晶矽膜(poly-Silicon)


，之後將複晶矽膜多孔化(porous)，接著在複晶矽之間製作複數的微結晶矽
，同時將複晶矽與微結晶矽的表麵氧化，多孔化複晶矽(PPS:PorousPolySilicon)膜層厚度約1.5μm，最後在PPS表麵製作Au或Ag等金屬薄膜形成二極體(diode)結構，除了以上的差異PPS外部電子發射源的動作原理則與傳統的FED完全相同，換句話說這種BSDtype的FED，也是利用電子撞擊正麵基板表麵上的螢光體產生影像
，它與以往的FED最大差異處

，是電子發射源的製作方式與結構不同而已。



圖1BSD的動作原理
　
圖2是釋放至真空中的電子能量分佈量測結果
，圖中的x軸為電子能量

，y軸zhou為wei釋shi放fang電dian子zi的de相xiang對dui數shu
，測ce試shi時shi的de基ji準zhun能neng量liang是shi比bi照zhao真zhen空kong狀zhuang態tai時shi的de準zhun位wei，測ce試shi方fang法fa是shi在zai室shi溫wen下xia進jin行xing，採採用yong一yi般ban性xing的de交jiao流liu減jian速su電dian界jie法fa。假jia設she表biao麵mian金jin屬shu的de動dong作zuo關guan數shu為weiψ(eV)時，完全未發生衝突釋放出去的電子最大能量

，理論上幾乎等於施加電壓減去動作關數ψ的能量，以圖2為例假設VPS=22V時，雖然分佈的最大能量-Vmax祇有17eV，不過表麵電極的動作關數大約有5eV，換言之它與上述施加電壓減去動作關數的結果完全一致，由此驗證BSD具有獨特的彈道電子釋放特性。實際上在室溫環境下NPS層多少會發生衝突，一般是將它視準彈道電子的釋放。

如圖2所示的能量分佈峰值位置
，亦即電子數最多的能量，理論上是最大能量的60%約在10eV處
，即使如此若與其它種類的電子源比較時，很明顯的是BSD具備很高的能量。另一個特殊現象是該能量分佈與施加電壓具有依存性
，也就是說隨著VPS的增加
，峰值能量Emax與最大能量會逐漸移至highenergyside，這意味著BSD釋放的電子在NPS層幾乎未散亂，如果在低溫環境下測試釋放電子的能量分佈
，上述彈道電子釋放更加明顯，而且能量分佈幅度更加狹窄(峰值能量EP朝最大能量Emax方向移動)。



圖2BSD釋放電子能量的特性
　
綜合以上的說明可知BSD的電子釋放機製，是當電壓注入上方電極與背麵基板之間時

，下方鋁質電極所產生的電子會注入PPS層內的微結晶矽，而電子通過微結晶矽內部時幾乎沒有能量損耗(energyloss)，主要原因是一旦施加電界後，微結晶矽表麵的氧化膜會使電子加速。此外一般矽內部的平均自由行程約為50nm，而微結晶矽的glensize祇有5nm。由於當電子通過PPS層(ceng)時(shi)
，幾(ji)乎(hu)不(bu)會(hui)與(yu)其(qi)它(ta)電(dian)子(zi)或(huo)矽(gui)原(yuan)子(zi)發(fa)生(sheng)衝(chong)突(tu)，因(yin)此(ci)電(dian)子(zi)通(tong)過(guo)微(wei)結(jie)晶(jing)矽(gui)內(nei)部(bu)時(shi)，能(neng)量(liang)損(sun)耗(hao)幾(ji)乎(hu)等(deng)於(yu)零(ling)，使(shi)得(de)到(dao)達(da)上(shang)方(fang)金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)子(zi)能(neng)量(liang)減(jian)去(qu)金(jin)屬(shu)的(de)動(dong)作(zuo)關(guan)數(shu)值(zhi)最(zui)大(da)可(ke)達(da)14～15eV，這種現象稱為彈道電子傳導效應。以往的彈道電子傳導效應必需在真空環境下才會發生，不過BSD利用多孔化(porous)將複晶矽膜(polysilicon)包覆，因此它可在固體中產生彈道電子釋放現象。利用這樣的特性製作FED時可使已加速的電子，在cellgap內部呈垂直狀發射出，並使電子撞擊正麵基板表麵上的螢光體產生影像。由於BSD的電子發射源可將電子呈垂直狀發射出去，因此cellgap高達數mm的高電壓型FED，也不需要設置電子束收歛電極防止失真(crosstalk)現象。
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BSD的製作技術

圖3是BSD的基本結構，如圖所示BSD電子源呈夾心狀(sandwich)。圖4是BSD的製作流程

，由圖可知下方電極pattern通常是利用濺鍍法製作
，基於量產性的考量因此BSD改用liftoff方式製作，接著在上方製作柱狀polysilicon，雖然polysilicon可在amorphous膜層長膜，再利用雷射作退火處理進行再結晶化，不過如此一來polysilicon膜層厚度較厚，因此BSD採用減壓CVD技術製作最佳化柱狀polysilicon。一般CVD技術需在650°C左右高溫下

，利用石英玻璃才能獲得polysilicon，基於成本與量產性的考量改用電漿(plasma)CVD技術
，使長膜溫度降至550°C以下
，使用的玻璃則與TFT、PDP常用的玻璃相同。有關BSD的電子釋放部的陽極氧化製程，主要是利用鬆下電工開發的陽極氧化‧低溫氧化一貫作業的濕製程(wetprocess)專用設備(圖5)，該設備具有低製作成本、可大型化
、高良品率等特徵。


圖3BSD的結構

圖4BSD的製作流程

圖5陽極氧化‧CEO專用設備的外觀

接著在玻璃基板上製作金屬電極，並將金屬電極上方的柱狀polysilicon膜層浸泡於氟酸與乙醇混合液內，同時施加電壓至混合液內的白金負極
，與polysilicon膜層的正極
，進行類似電界研磨加工。由於silicon在某些條件下無法進行研磨，反而會產生silicon的奈米結晶，這種特殊現象主要是因為柱狀polysilicon的grainboundary的結合能量很低，使得該部份發生反應析並出silicon
，在此同時被析出的silicon會進行再結晶化

，最後形成如圖1所示的奈米結構，這種被稱為自我組織的獨特現象發生與否，完全取決於製程條件的設定。
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在柱狀polysilicongrain之間形成奈米結晶polysilicon之後，去除洗淨氟酸與乙醇
，再注入以硫酸為base的電解液
，並對白金負極與基板正極施加電壓，藉此在奈米結晶polysilicon的表麵形成很薄的氧化膜
，這種稱為電氣化學的氧化法(ECO:ElectroChemicalOxidation)可以使大size的silicon結晶更容易氧化，最先開始氧化部位是polysilicongrain部份，接著是奈米結晶部位被氧化，最後是size比較均勻的奈米結晶部位，此時polysilicon部位會被很厚的氧化膜包覆
，由於表麵的polysilicon膜層也被很厚的氧化膜包覆
，所以可以防止polysilicon膜層與表麵電極的發生breakdown現象。

利用ECO製程形成氧化膜後立即進行清洗
、幹燥
、濺鍍，接著進行表麵電極與電極patterning
，便完成所有BSD電子源的作業流程。

在所有製程當中祇有polysilicon長膜時需要550°C高溫之外，其它製程包含奈米結晶矽長膜與氧化膜的製作，都是在常溫環境下進行，因此材料的高溫履歷非常少，更無基板升、降溫時間，所以可大幅縮減製作時間與製作成本

，也就是說上述製程非常適合大尺寸麵板的製作。

BSD電子源的特性

圖6是典型的BSD電子源的電壓‧電流特性圖，圖中的橫軸為電壓，縱軸為電流密度
，JPS是二極體(diode)的電流密度，JPS表示從二極體表麵金屬膜層釋放至真空中的電子emission電流密度
，一般emission電流祇能在VPS為正方向時才能觀測到。由圖可知隨著電壓增加，二極體的順向電流與釋放電流亦增大，當順向電壓為28V時emission電流密度約為8.9mA/cm²，emission效率約為1.2%左右。
　

圖6BSD電子源的V-I特性
　
圖7是BSD電子源的emission電流時間變化特性圖，橫軸為時間
，縱軸為電流密度
，二極體電壓為16V，如圖所示二極體電流IPS與釋放電流Ie，不會隨著電流發生spike，亦即所謂的閃爍(flicker)現象
，顯示BSD電子源不需外部電路
，就可獲得傳統Spendtype電子源無法達成的特性。



圖7二極體電流與釋放電流的V時間變化特性

圖8是BSD電子源的周圍真空度發生變化時的emission電流變化特性，具體測試方法是將爐內更換成氮素，接著抽真空至10-4Pa再逐漸導入氮素
，藉此觀察真空度變化時的emission電流變化，圖中的橫軸為真空度，縱軸為二極體(diode)的電流密度，由圖可知即使真空度降至10-4，emission的電流密度幾乎無任何改變，顯示BSD電子源在真空度非常惡劣的環境下，仍具備良好的emission特性。
　


圖8BSD電子源的釋放電流與真空度依存性
　
圖9是二極體電壓Vps對電子能量及釋放電子數量關係圖，由圖可知電子能量隨著Vps變大而增加，例如Vps為16V時可獲得6eV值，如此高的電子能量相當於CRT或傳統(convention)FED的100倍左右。目前BSD之FED的電子釋放效率約為1%，電流釋放密度最大是1mA/cm2，因此已經足夠撞擊正麵基板表麵上的螢光體，並獲得極高的發光效果。此外BSD之FED祇需20V左右的動作電壓，如果換算成42吋的FED時，它的電力消耗量約為100W左幼，是同級電漿顯示器(PDP:PlasmaDisplayPanel)的1/3左右。


圖9diode電壓與電子能量與電子釋放數量之關係
　
BSD非常適用於高電壓SpendtypeFED。由於BSD具有垂直彈道電子釋放特性，因此不需要收歛電極來控製電子束的發射角度，這對降低FED的製作成本具有重大的影響，除此之外BSD技術賦與spacer更寬廣的選擇裕度。以往的FED都是利用spacer使cellgap能維持一定的間隙，因此選用spacer時除了粒徑均勻性與穩定性的考量之外，spacer還需要具備不會幹涉電子束飛行軌道重要特質，然而不論基板材質為陶瓷(ceramic)或是玻璃(glass)，spacer都會因施加電壓而帶負電
，進而直接、間接影響電子束的飛行軌道，造成螢光體撞擊點偏移、影像畫質劣化等不良現象。
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由於BSD的彈道電子釋放現象所產生的電子發射角度幾乎是無偏差的垂直角，因此BSD的FED可無限製的選用適用的spacer。如上所述BSD最大特點(advantage)是它的製作性，傳統高電壓型FED的發射電極(emitting)是先製作發射平台(hall)，再製作Al2O3與Wo
、Ni等覆蓋層(scapegoatlay)垂直膜層

，最後利用蝕刻(etching)技術去除覆蓋層，相較之下BSD之FED的電子發射源祇需製作複晶矽膜
，之後再經過膜層多孔化與氧化等製程即可
，如此簡易的製程對平麵顯示器(FPD:FlatPanelDisplay)大型化與低價化具有加乘效應。

表3是負極基板的製作流程，表中左側是利用BSD試作FED的製程條件，右側是未來商品化時的預定製造方法。

※試作type的流程如下所示:
1.先以LPVCD製作複晶矽膜。
2.HF:再用乙醇(Athanol)作陽極氧化。
3.最後以RTO(RapidThermalOxidation)將複晶矽膜氧化。

※未來商品化時的預定製作流程如下所示:
1.先以濺鍍法(sputter)在蘇打石玻璃(sodalineglass)製作Al等膜層，再用蝕刻法(etching)製作圖樣(pattern)。
2.接著利用CVD或蝕刻技術製作複晶矽膜。
3.以電解電鍍技術進行陽極氧化處理製作微結晶矽。
4.最後濺鍍Au或Ag等金屬。

上述第1與第4項之流程係使用現有的成膜技術與材料；第2與第3項則為鬆下公司開發的多孔化PPS技術。有關第2項複晶矽膜製程必需將作業溫度與壓力等參數作最佳化組合，如此便可使蘇打石玻璃在450°C~550°C的低溫環境下完成長膜作業。第3項的電解液
、液溫、電流密度等參數經過作最佳化後
，在一定條件下進行陽極氧化
，之後必需再度更改製程參數(processparameter)才可再進行陽極氧化作業。

雖然第2與第3項製程稍嫌煩瑣，不過並未涉及高單價材料或是高難度作業
，祇需稍為修改或是延用現有的複晶矽製作技術與TFT-LCD生產設備即可。此外微結晶矽的glensize與porous的幅寬

，可透過製程參數自由控製調整
，因此類似要求有高細畫質的spindttype的FED發射體(emitter)，每一dot可設置超過100個以上的PPS。



BSD的產品應用

如上所述BSD電子源具有非常獨特的性能，因此利用BSD與低溫製程試做2.6吋，168(RGB)×126全彩BSD平麵顯示器。126根下方電極是在玻璃基板上以濺鍍方式製成，上方形成polysilicon之後立即進行陽極氧化與CEO製程，接著利用蒸鍍法製作表麵電極
，使表麵電極與下方電極形成直交狀，然後再以離子研磨法(ionmilling)進行168×3的patterning，最後介由spacer將frontglass粘貼於BSD電子源。

有關frontglass它是先在玻璃基板coat一層ITO，再以網版印刷法依序將P22螢光體、blackmatrix與RGB各色均勻覆蓋，frontglass與BSD電子源間隔約3mm
，當6kV的DC電壓施加於表麵電極之間時可使釋放電子加速，由於BSD電子源與frontglass之間不需電子收斂用grid電極，因此利用溶融玻璃密封後進行10-4Pa抽真空
，便可獲利BSD平麵顯示器。驅動BSD顯示器是依序使每個line的BSD電子源加速發生emission


，負極掃描速度為每秒30次
，表麵電極與下方電極之間施加VPS=22V的資料脈衝。

圖10表4分別是利率BSD技術製作之2.6吋彩色FED外觀圖與規格
；由於BSD的電子發射源可在大cellgap環境下，以垂直方式在塗有螢光體的麵板上產生圖樣(pattern)
，因此祇要驅動電路與驅動方式經由最加化設計
，便可獲得令人滿意的影像顯示效果。

圖10利用BSD製作2.6吋全彩之FED外觀

表4全彩BSD的FED規格