半导体薄膜纳米结构增强场发射理论及实验研究

摘要

场发射冷阴极在显示技术、微波能源及高频电子等方面具有十分重要的应用。基于几何增强的spindt尖端及一维材料场发射材料由于发射稳定性或工艺成本等问题限制了其器件应用发展。因此，宽带半导体薄膜场发射材料近年来引起了人们的关注，但薄膜场发射性能与器件应用尚有差距。基于宽带半导体薄膜场发射的理论与实验，我们开展了系统的研究工作:首先建立起了宽带半导体场发射能带弯曲机制，认为宽带半导体大能带弯曲与负电子亲和势对场发射性能提升具有同样重要的作用。在此基础上，我们首次在理论上提出了薄膜纳米结构调制增强场发射，即无需改变材料或组分，仅通过势垒/阱薄膜层量子结构的调制，就可实现场发射性能数量级的提高。在理论指导下，我们实验构造了超薄纳米结构场发射薄膜，通过其薄膜势阱/垒量子结构调制，场发射电流数量级增加。进一步地，我们采用可实现更大范围量子结构调控的Al-Ga1-N(0≤x≤1)作为纳米多层薄膜，研究发现，无论在理论上或是实验上，通过薄膜量子结构的调制，其场发射性能将得到极大地提高，可达到器件应用水平。通过纳米结构调制增强场发射，我们已制备出国际上最低闭值电压(0.78V/μm)纳米GaN场发射薄膜，场发射薄膜相关技术指标已达到或超过纳米管或量子线等一维纳米材料的场发射性能。