CN101286430A - 一种硅基表面电子发射器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基表面电子发射器件及其制备方法。该器件在n型硅衬底的正面沉积有SiO₂或Al₂O₃薄膜层，在SiO₂或Al₂O₃薄膜层上沉积有栅电极，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。其制备步骤如下：先清洗n型硅片；然后用热氧化法或化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶－凝胶法在硅片上沉积SiO₂或Al₂O₃薄膜；再在SiO₂或Al₂O₃薄膜上溅射栅电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。本发明的硅基表面电子发射器件具有较高发射电子能量，高场发射稳定性好，可以用于制备场发射显示器。器件制备工艺简单，与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。

Description

一种硅基表面电子发射器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅基表面电子发射器件及其制备方法。

背景技术

1961年，K.R.Shoulders提出了基于场发射阴极阵列的微电子装置的设想；1968年，C.Spindt第一次研制出场发射阴极阵列；直到1985年，法国LETI的A.Ghis等人用场发射阴极阵列发射电子激发荧光粉，制备出第一台场发射显示器，从而引发了场发射显示器的研究热潮(参考文献：K.R.Shoulders，Adv.Comput.2，135(1961)；C.A.Spindt，J.Appl.Phys.39，3504(1968)；A.Ghis et.al.，IEEE Trans.Electron.38，2320(1993))。场发射显示器继承了传统的阴极射线管显示器在亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度方面的优势，此外，场发射显示器还具有薄型、低功耗、自发光、工作电压低、工作环境温度宽、无X射线辐射等优点，具有非常好的发展前景。电子发射器件是场发射显示器的关键组件，高性能的电子发射器件的发展对场发射显示器具有非常重要的意义。然而，在电子发射器件中，现在常用的尖锥形发射体阵列、以及处于研究阶段的碳纳米管等的制作工艺都比较复杂，并且高场下的发射稳定性和使用寿命都不太理想，限制了场发射显示器的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高发射电子能量，高场发射稳定性好的硅基表面电子发射器件及其制备方法。

本发明的硅基表面电子发射器件，其特征是在n型硅衬底的正面沉积有SiO₂或Al₂O₃薄膜层，在SiO₂或Al₂O₃薄膜层上沉积有栅电极，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。

发明的硅基表面电子发射器件的制备方法，包括以下步骤：

1)对电阻率为0.005-50欧姆·厘米的n型硅片进行清洗；

2)利用热氧化法或化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶法在硅片上沉积SiO₂或Al₂O₃薄膜；

3)在SiO₂或Al₂O₃薄膜上溅射栅电极，在n型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。

上述的热氧化法，是将硅片在800-1000℃于氧气氛下热处理1-4小时，氧化得到SiO₂薄膜；通过改变热氧化的温度和时间，可以调节SiO₂薄膜的厚度。

上述的化学气相沉积法，是以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，在300-500℃的沉积温度和80-120Torr的工作压强下沉积得到SiO₂薄膜；通过改变沉积温度和工作压强，可以调节SiO₂薄膜的绝缘性能和厚度；

上述的蒸发法，是以蓝宝石颗粒为蒸发源，利用电子束蒸发方法沉积Al₂O₃薄膜；通过改变沉积时间，可以调节Al₂O₃薄膜的厚度。

上述的溅射法，是以Al为靶材，在沉积温度为150-300℃、溅射功率为80-120W、O₂和Ar的流量比为1∶2-3∶1、工作压强为2-10Pa的条件下，沉积得到Al₂O₃薄膜；通过改变沉积温度、溅射功率、O₂和Ar的流量比以及工作压强，可以调节Al₂O₃薄膜的绝缘性能和厚度。

上述的溶胶-凝胶法，是将硝酸铝溶于二甲基甲酰胺中，制备成Al的摩尔浓度为0.5-1.2M的前驱体溶液，在转速为3000-5000转/分钟下旋涂30-60秒，旋涂后烘干，然后在600-800℃于氧气下热处理2小时；通过改变前驱体溶液中Al的摩尔、旋涂转速和时间，可以调节Al₂O₃薄膜的厚度，通过改变热处理温度，可以调节Al₂O₃薄膜的绝缘性能。

本发明的有益效果在于：此硅基表面电子发射器件可以用于制备场发射显示器，SiO₂或Al₂O₃薄膜的存在使得发射电子具有较高的能量，该平面结构的电子发射器件可以解决尖锥形发射体阵列和碳纳米管所遇到的制作工艺复杂、高场发射稳定性低等问题，此外，器件制备工艺与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。

附图说明

图1是硅基表面电子发射器件的结构示意图；

图2是硅基表面电子发射器件在不同的正向偏压下激发器件表面空气中的氮微等离子发光谱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

参照图1，发明的硅基表面电子发射器件，在硅衬底1的正面沉积有SiO₂或Al₂O₃薄膜层2，在SiO₂或Al₂O₃薄膜层上沉积有金属电极作为栅电极3，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极4作为阴极。

实施例1

采取如下工艺步骤：

1)清洗n型<100>，电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm²、厚度为675微米的硅片；

2)将硅片在900℃于氧气氛下热处理2小时，得到厚度为30nm的SiO₂薄膜；

3)在SiO₂薄膜上溅射2Onm厚的Au膜作为栅极，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜作为欧姆接触电极。

实施例2

采取如下工艺步骤：

1)清洗n型<100>，电阻率为0.5欧姆·厘米、大小为15×15mm²、厚度为675微米的硅片；

2)以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，利用化学气相沉积方法在硅片上沉积厚度为100nm的SiO₂薄膜，沉积温度为500℃，工作压强为100Torr；

3)在SiO₂薄膜上溅射20nm厚的Al膜作为栅极，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜作为欧姆接触电极。

实施例3

采取如下工艺步骤：

1)清洗n型<100>，电阻率为50欧姆·厘米、大小为15×15mm²、厚度为675微米的硅片；

2)以蓝宝石颗粒为蒸发源，利用电子束蒸发方法在硅片上沉积厚度为100nm的Al₂O₃薄膜；

3)在Al₂O₃薄膜上溅射30nm厚的Au膜作为栅极，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜作为欧姆接触电极。

实施例4

采取如下工艺步骤：

1)清洗n型<100>，电阻率为0.08欧姆·厘米、大小为15×15mm²、厚度为675微米的硅片；

2)以Al为靶材，利用直流反应磁控溅射法在硅片上沉积厚度为50nm的Al₂O₃薄膜，溅射时，衬底温度200℃、溅射功率80W、通以O₂和Ar混合气体，O₂和Ar的流量比为3∶1，工作压强为5Pa；

3)在Al₂O₃薄膜上溅射20nm厚的Al膜作为栅极，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜作为欧姆接触电极。

实施例5

采取如下工艺步骤：

1)清洗n型<100>，电阻率为6欧姆·厘米、大小为15×15mm²、厚度为675微米的硅片；

2)将硝酸铝溶于二甲基甲酰胺中，制备成Al的摩尔浓度为0.6M的前驱体溶液，在硅片上旋涂时，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为30秒，得到厚度为100nm的Al₂O₃薄膜，旋涂后在80℃下烘干10分钟，然后在650℃于氧气下热处理2小时；

3)在Al₂O₃薄膜上溅射20nm厚的Au膜作为栅极，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜作为欧姆接触电极。

图2给出了实例1获得的硅基表面电子发射器件在27.5、28.5和29.0V的正向偏压下激发器件表面氮微等离子发光谱(正向偏压时，负压加在硅衬底上)。从图2可以看出，此硅基表面电子发射器件发射出的电子足以激发器件表面空气中氮气得到稳定的微等离子体发光，产生峰位位于约316nm、337nm、358nm和380nm的发光峰，分别对应于N₂的第二正带系中(v’→v”)为(1→0)、(0→0)、(0→1)和(0→2)的跃迁(其中，v’和v”分别为上能级和下能级的振动量子数)。并且，随着正向偏压的增大，发射电子的数量增多，所具有的能量增高，从而激发氮气产生更强的微等离子体发光。其他实例获得的硅基表面电子发射器件也可以在正向偏压下激发器件表面的氮气得到相似的微等离子体发光，只是由于制备方法的不同，所需要的工作电压稍有差别，但都保持在20-30V的范围内。

Claims (2)

1.一种硅基表面电子发射器件，其特征是在n型硅衬底(1)的正面沉积有SiO₂或Al₂O₃薄膜层(2)，在SiO₂或Al₂O₃薄膜层上沉积有栅电极(3)，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极(4)。

2.根据权利要求1所述的硅基表面电子发射器件的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)对电阻率为0.005-50欧姆·厘米的n型硅片进行清洗；

2)利用热氧化法或化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶法在硅片上沉积SiO₂或Al₂O₃薄膜；

3)在SiO₂或Al₂O₃薄膜上溅射栅电极，在n型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。

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