多层超薄膜结构增强场发射阴极制备方法

摘要

本发明涉及一种电子发射阴极结构的制备，适用于平面显示器件或电子源阴极材阴极。本发明步骤：选定金属或n掺杂半导体，作为电子供给层；选择多层膜构成组分，选择原则为：组分材料的电子亲和势应存在差异；设计多层膜，层数至少两层，且相邻膜层为不同组分，除基底外的多层膜总厚度为6～20nm，而每层厚度大于1nm，小于或等于10nm；确定每层膜层厚度：多层膜总厚度不变，每层膜厚度为1～10nm情况下，改变其膜厚度，得到多种不同厚度比例的多层膜结构；计算上述不同的多层膜结构的场发射电流，选取最大的多层膜结构确定每层膜的实际厚度；按确定每层膜实际厚度在基底上沉积一组多层膜结构。本发明无需开发新材料或完善材料本身特性即可提高场发射特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子发射阴极结构的制作及设计，适用于平面显示器件或电子源阴极材阴极。

背景技术

场发射在真空微电子器件中有着十分广泛而重要的应用，如场发射平板显示器、大功率电子发射源等，因此，场发射材料已成为微电子材料研究中的一个热点领域。以前场发射阴极结构制作与设计中，往往着眼于开发新材料或者完善材料本身特性来提高其场发射特性，例如采用纳米管、线等新型材料，或者对场发射表面进行处理，降低电子亲和势等。但采用一些新材料，虽然极大的提高场发射性能，但是依然存在着诸多缺陷，例如，采用纳米碳管作为场发射材料，虽然能获得大的发射电流密度，低的阈值电压，但经常可能因为局部温度过高，熔断某些纳米碳管，导致整个场发射系统崩溃。同样，对于采用几何场增强获得大发射电流的尖端场发射材料也往往会遇到同样的问题。

通过采用一些特殊结构的半导体薄膜作为电子发射阴极，最近研究人员成功地实现了场发射特性的极大提高。这意味着，可通过薄膜结构参数(薄膜组分、组分厚度、薄膜内场、发射表面形状，薄膜界面，层间耦合等)的调整来实现场发射性能的提高，也为场发射器件的应用提供一种全新的思路。其一，在不改变材料成分基础上，通过薄膜结构调整可以实现场发射电流成数量级增大，这比单纯从发现新材料或者通过表面处理完善材料场发射性能效果更明显，且更简单易行，将很容易达到器件应用所需的电流密度及与阈值电压。其二，一般而言，薄膜场发射结构将有利于避免局部场发射区域因为温度过高而烧毁，保证了稳定的场发射电流，可以极大地提高了场发射器件的寿命；其三、已有的实验研究报道的能大大改善其场发射性能的特殊薄膜结构，其厚度大都是小纳米尺度，属于超薄膜场发射的研究范畴。

发明内容

本发明技术思路是，按照组分材料的电子亲和势应存在差异选定材料组分，确定膜层数、总厚度，每层厚度(即在基本工艺流程参数保持不变的情况，结合理论结构设计，仅需改变每层薄膜的沉积时间，从而调控多层薄膜的厚度比例)，实现应用水平的大发射电流场发射阴极。

本发明提供了一种多层超薄膜结构增强场发射阴极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选定基底材料：金属或者n掺杂半导体，作为电子供给层；

2)根据半导体或绝缘体数据手册，选择相应几种薄膜基材作为多层超薄膜构成组分，选择原则为：考虑能带结构的搭配有利于构造量子势阱及势垒结构，即选择组分材料的电子亲和势应存在差异；

3)设计上述多层超薄膜，其层数至少两层，且相邻膜层应为不同组分，除基底外的多层薄膜总厚度为6～20nm，而每层薄膜的厚度应大于或等于1nm，小于或等于10nm；

4)用如下方法确定每层膜层厚度：若多层超薄膜总厚度为d，层数为n，则初始结构为每层厚度为d/n；在保证多层膜总厚度不变，每层膜厚度为1～10nm情况下，在初始结构为每层厚度为d/n的基础上改变其薄膜厚度，其它膜层厚度同时相应改变，根据组合可得到多种不同厚度比例的多层超薄膜结构；根据数据手册，确定能带结构，按现有技术计算不同厚度比例的多层超薄膜结构阴极的场发射电流，选取场发射电流最大的多层超薄膜结构，即可确定每层膜的实际厚度；

5)采用薄膜沉积系统制作多层膜结构，按照上述步骤4)确定的每层膜的实际厚度在基底上沉积一组多层超薄膜结构得到本发明的产品。

上述步骤1)中，基底金属可采用Cu或者Al，基底n掺杂半导体可采用n-Si或n-GaN。

上述步骤2)中，可采用如下搭配方式构成确定组分多层膜；金刚石与SiC；Si与金刚石；Si与SiO₂；GaN与Ga_xAl_xN；Si与c-BN；AlN、GaN与Ga_xAl_xN；Si、SiC与BN；AlAs、GaN与GaAs；

上述步骤3)中，若选定两种薄膜组分，优选层数为两层或者四层；若三种组分，优选层数为三层或者六层薄膜。

与已有技术相比，本发明提高场发射性能，不需要开发新阴极材料或者对材料进行复杂的工艺改性，只需在多层膜制备过程调整各层薄膜的厚度比例，则可能使得场发射电流数量级增大，且阈值电压也得到降低，获得应用水平的场发射阴极结构，工艺简单可靠，成本低廉。根据统计分布规律，选定其它两种厚度比例，制备另外二组多层超薄膜材料进行误差分析与对比。样品场发射电流增加50-200倍以上，阈值电压相应也得到了降低。另外，若多层薄膜各层选择适当，将可能获得具有十分优异性能的场发射阴极结构。

附图说明：

图1场发射阴极结构能带构造示例图

图26nm厚度的Ga_0.5Al_0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比图

图320nm厚度的Ga_0.5Al_0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比图

图410nm厚度的SiC/c-BN薄膜结构阴极场发射电流对比图

图512nm厚度的AlN/Ga_0.5Al_0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比图

图615nm厚度的Si/SiO₂/Si/SiO₂薄膜结构阴极场发射电流对比图

图716nm厚度的AlN/Ga_0.5Al_0.5N/GaN/AlN/Ga_0.5Al_0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比图

具体实施方式

以下就实施例来进一步介绍本发明。

实施例一：

在n掺杂的GaN基底上，对于总厚度为6nm，组分由Ga_0.5Al_0.5N及GaN构成两层超薄膜，由理论设计，预测沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N与4nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性(附图1)；于是实验上，在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积4nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

1.1在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积3nm的GaN，作为对比一样品；

1.2在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积1.5nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积4.5nm的GaN，作为对比二样品；

见附图2，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加100倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为156mA/cm^-2，阈值场强为1.1V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果。

实施例二：

在n掺杂的GaN基底上，对于总厚度为20nm，组分由Ga_0.5Al_0.5N及GaN构成两层超薄膜，由理论设计，预测沉积7.2nm的Ga_0.5Al_0.5N与13.8nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积7.2nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积13.8nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

2.1在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积17nm的GaN，作为对比一样品；

2.2在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积15nm的Ga_0.5Al_0.5N，然后再沉积5nm的GaN，作为对比二样品；

见附图3，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加100倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为12mA/cm^-2，阈值场强为2.8V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果；

实施例三

在金属基底Cu上，对于总厚度为10nm，组分由Si及c-BN构成两层超薄膜，由理论设计，预测沉积5.3nm的Si与4.7nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在金属基底Cu上，使用薄膜沉积系统，首先沉积5.3nm的Si，然后再沉积4.7nm的c-BN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

3.1在金属基底Cu上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的Si，然后再沉积7nm的c-BN，作为对比一样品；

3.2在金属基底Cu上，使用薄膜沉积系统，首先沉积8nm的Si，然后再沉积2nm的c-BN，作为对比二样品；

见附图4，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加200倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为567mA/cm^-2，阈值场强为0.9V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果；

实施例四

在金属基底Al上，对于总厚度为12nm，组分由AlN、Ga_0.5Al_0.5N与GaN构成的三层超薄膜，由理论设计，预测沉积2.1nm的AlN、3.9nm的Ga_0.5Al_0.5N及6nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积2.1nm的AlN、再沉积3.9nm的Ga_0.5Al_0.5N，最后沉积6nm的GaN作为第一组多层超薄膜样品，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

4.1在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积4nm的AlN、再沉积4nm的Ga_0.5Al_0.5N，最后沉积4nm的GaN，作为对比一样品；

4.2在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积6nm的AlN、再沉积3.5nm的Ga_0.5Al_0.5N，最后沉积2.5nm的GaN，作为对比二样品；

见附图5，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加50倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为56mA/cm^-2，阈值场强为2.2V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果；

实施实例五

在n掺杂的Si基底上，对于总厚度为15nm，组分由Si及SiO₂构成四层超薄膜，由理论设计，预测沉积3.5nm的Si、4nm的SiO₂、沉积3.5的Si、4nm的SiO₂构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在n掺杂的Si上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3.5nm的SiO₂，再沉积4nm的Si，再沉积3.5nm的SiO₂，最后沉积4nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

5.1在n掺杂的Si上，使用薄膜沉积系统，首先沉积2nm的Si，再沉积4nm的SiO₂，再沉积3nm的Si，最后沉积6nm的SiO₂，作为对比一样品；

5.2在n掺杂的Si上，使用薄膜沉积系统，首先沉积7nm的Si，再沉积3nm的SiO₂，再沉积2nm的Si，最后沉积3nm的SiO₂，作为对比二样品；

见附图6，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加150倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为256mA/cm^-2，阈值场强为1.2V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果；

实施实例六

在金属基底Al上，对于总厚度为16nm，组分由AlN、Ga_0.5Al_0.5N与GaN构成的六层超薄膜，由理论设计，预测沉积2nm的AlN、3.1nm的Ga_0.5Al_0.5N、2.9nm的GaN、2.2nm的AlN、3.8nm的Ga_0.5Al_0.5N及2nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积2nm的AlN、再沉积3.1nm的Ga_0.5Al_0.5N，再沉积2.9nm的GaN、再沉积2.2nm的AlN、再沉积3.8nm的Ga_0.5Al_0.5N、最后沉积2nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。

6.1在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的AlN、再沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N，再沉积3nm的GaN、再沉积3nm的AlN、再沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N、最后沉积3nm的GaN，作为对比一样品；

6.2在金属基底Al上，使用薄膜沉积系统，首先沉积4nm的AlN、再沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N，再沉积1nm的GaN、再沉积3nm的AlN、再沉积2nm的Ga_0.5Al_0.5N、最后沉积4nm的GaN，作为对比二样品；

见附图7，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加100倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为189mA/cm^-2，阈值场强为1.5V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果。