CN102226294B - 一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法，属于场发射阴极领域。包括如下步骤：选择Si作为衬底，GaN靶作为靶材；将衬底和靶材放入激光脉冲沉积系统，调整靶基距为50-90mm，抽真空使背底真空为1×10-5-1×10-2Pa；通入保护气体调整工作气压为1×10-2-1×101Pa，在脉冲频率5-15Hz、脉冲能量300-500mJ/脉冲的条件下，改变衬底温度700℃-1000℃并进行沉积。本发明通过控制沉积温度从而控制GaN薄膜的晶体结构，获得了最优的场发射性能的结晶度及结晶取向，有效提高了GaN薄膜型场发射阴极的场发射性能。
Description
技术领域
本发明属于场发射阴极领域，涉及一种薄膜晶体结构调制方法，尤其是一种优化GaN薄膜场发射性能的晶体结构调制方法，适用于场发射平板显示器等真空微电子器件的阴极。
背景技术
作为一种高效、无污染、低功耗的电子源，场发射技术受到了国际广泛的关注。场发射阴极在真空微电子器件中有着十分广泛的应用，如场发射超薄显示器、高性能电子枪、高频高功率器件、传感器件等。因此，一种发射效率高、寿命长、成本低廉的场发射阴极材料是目前真空微电子材料的研究热点。
GaN是一种重要的宽带隙半导体材料，其具有高热导率、耐高温、抗辐射、高化学稳定性、高机械强度等优良特性，适用于存储器件、蓝绿发光器件以及其他微电子器件，是目前先进的半导体材料之一。与此同时，GaN具有较低的电子亲合适(2.7-3.3eV)，有利于电子隧穿表面势垒发射，是一种极具潜力的场发射阴极材料。但GaN场发射阴极材料研究目前重要集中在化学方法制备准一维纳米材料方面。然而近年来已公开[Nano Letters 9，257(2009)]，准一维GaN材料的热导率和其薄膜结构相比显著降低，这将导致阴极发射体在工作过程中难以避免的发生过热及失效，使得该结构器件在稳定性以及使用寿命上无法得到有效保障，造成使用成本的上升，最终限制了其在高频高功率真空微电子器件中的应用。
一种电子发射效率高、发射稳定、寿命长、成本低廉的场发射阴极是真空微电子器件进一步发展的关键。采用物理方法制备薄膜型场发射阴极极具潜力。一方面，物理方法相对于化学方法有诸多优势，如附着性好、结构致密且纯度高，制备的薄膜质量优，增强了结构稳定性和使用寿命。另一方面，薄膜型场发射阴极相对于准一维材料阴极结构稳定，进一步提高了发射稳定性及使用寿命。然而研究物理方法制备GaN薄膜型阴极的场发射性能报道却非常少。对于薄膜晶体结构、厚度、晶粒尺寸、应力等薄膜结构本身对场发射性能的研究则更少。而实际上，薄膜晶体结构，如相结构及择优取向等对场发射性能的影响非常显著，探索出场发射性能最优的薄膜晶体结构，可以有效提高GaN薄膜型场发射阴极的性能并缩短研发周期，具有显著的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种优化GaN薄膜场发射性能的晶体结构调制方法，该方法是通过控制生长温度来控制GaN的结晶度及结晶取向，得到场发射性能最佳的晶体结构，这种优化设计的方法有助于缩短GaN薄膜型阴极场发射器件的研发周期，获得一种电子发射效率高、发射稳定、寿命长、成本低廉的场发射阴极。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
本发明提供的一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)选择Si作为衬底，GaN靶作为靶材；
2)将衬底和靶材放入激光脉冲沉积系统，调整靶基距为50-90mm，抽真空使背底真空为1×10-5-1×10-2Pa；
2)通入保护气体调整工作气压为1×10-2-1×101Pa，在脉冲频率5-15Hz、脉冲能量300-500mJ/脉冲的条件下，改变衬底温度700℃-1000℃并进行沉积得到本发明的产品。
所述的衬底为n型(100)单晶Si，所述GaN靶为纯度大于99％的GaN粉末在560℃烧结而成；
所述的保护气体为纯度大于99.9％的氮气。
所述的衬底温度优选700℃、800℃、900℃和1000℃。
通过控制沉积温度从而控制GaN薄膜的晶体结构，获得了最优的场发射性能的结晶度及结晶取向，有效提高了GaN薄膜型场发射阴极的场发射性能。因此这种场发射阴极结构及其制备方法具有广阔的应用前景以及潜在的经济效益。
本发明的优点在于：
1)本发明使用的优化GaN薄膜场发射性能的晶体结构调制方法，通过控制衬底温度从而控制GaN的结晶度及结晶取向，得到场发射性能最佳的晶体结构。这种优化设计有助于缩短薄膜型场发射器件的开发周期，节省研发成本。
2)本发明使用的基底为单晶Si，易于与其他微电子器件集成，是制造真空微电子器件的理想阴极，具有广阔的应用前景。
3)本发明提供的场发射阴极制备工艺简单易行，不涉及复杂、昂贵的光刻技术及其相关设备。可以使用激光脉冲沉积、磁控溅射及化学气相沉积等多种成熟、经济的成膜方法制备，具有商业化应用潜力。
附图说明
图1为在不同衬底温度下制备的不同晶体结构GaN薄膜X射线衍射图谱(XRD)；
图2为在不同衬底温度下制备的不同晶体结构GaN薄膜原子力显微照片(AFM)，其中：图2(a)是1000℃，根据实施例4；图2(b)是900℃，根据实施例3；图2(c)是800℃，根据实施例2；图2(d)是700℃，根据实施例1；
图3为在不同衬底温度下制备的不同晶体结构GaN薄膜场发射电流密度曲线(J-E)；
图4为在不同衬底温度下制备的不同晶体结构GaN薄膜电流密度曲线对应的FN曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。
实施例1：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为65mm，将沉积室抽为约5×10-4Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为1Pa，设定脉冲激光的频率为10Hz，脉冲能量为350mJ/脉冲，加热衬底到700℃经沉积得到低结晶度的六方氮化镓薄膜。
实施例2：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为65mm，将沉积室抽为约5×10-4Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为1Pa，设定脉冲激光的频率为10Hz，脉冲能量为350mJ/脉冲，加热衬底到800℃经沉积得到较低结晶度的六方多取向氮化镓薄膜。
实施例3：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为65mm，将沉积室抽为约5×10-4Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为1Pa，设定脉冲激光的频率为10Hz，脉冲能量为350mJ/脉冲，加热衬底到900℃经沉积得到较高结晶度的六方氮化镓薄膜，且沿(002)晶面择优取向。
实施例4：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为65mm，将沉积室抽为约5×10-4Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为1Pa，设定脉冲激光的频率为10Hz，脉冲能量为350mJ/脉冲，加热衬底到1000℃经沉积得到高结晶度的六方氮化镓薄膜，且沿(002)晶面择优取向。
实施例5：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为70mm，将沉积室抽为约1×10-4Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为0.1Pa，设定脉冲激光的频率为15Hz，脉冲能量为400mJ/脉冲，加热衬底到700℃经沉积得到低结晶度的六方氮化镓薄膜。
实施例6：
以抛光的n型(100)硅做衬底，将纯度99.99％的氮化镓粉末经560℃烧结120min制成氮化镓靶，将基底和靶材放入激光脉冲沉积系统腔体中，调整靶基距为60mm，将沉积室抽为约1×10-3Pa，供给纯度为99.99％的氮气作为保护气并调节沉积室的工作气压为0.5Pa，设定脉冲激光的频率为8Hz，脉冲能量为450mJ/脉冲，加热衬底到800℃经沉积得到较低结晶度的六方多取向氮化镓薄膜。
以上实施例在不同衬底温度下制备的不同晶体结构GaN薄膜X射线衍射图谱(XRD)见图1；薄膜原子力显微照片(AFM)见图2；场发射电流密度曲线(J-E)见图3；电流密度曲线对应的FN曲线见图4。
如图2所示的原子力显微照片，用本发明方法制备的GaN薄膜表面均方根粗糙度分别为：3.9nm、11.0nm、16.8nm、33.6nm。场发射电流密度随场强变化曲线如图3所示，在衬底温度为900℃时制备的GaN薄膜场发射性能明显优于其他薄膜，其开启电场最小，仅为2.3V/μm。采用本发明方法制备的GaN薄膜如图1所示均为六方纤锌矿结构，随着沉积温度的升高结晶度显著增强且晶粒沿(002)呈现择优取向。因此可以看出，900℃下沉积的GaN薄膜虽然表面粗糙度相对较低削弱了表面几何结构对电场的增强，然而高度取向的GaN晶体结构显著增强了薄膜的场发射性能。
于是通过控制沉积温度从而控制GaN薄膜的晶体结构，获得了最优的场发射性能的结晶度及结晶取向，有效提高了GaN薄膜型场发射阴极的场发射性能。因此这种场发射阴极结构及其制备方法具有广阔的应用前景以及潜在的经济效益。
Claims (3)
1.一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）选择Si作为衬底，GaN靶作为靶材；
2）将衬底和靶材放入激光脉冲沉积系统，调整靶基距为50-90mm，抽真空使背底真空为1×10-5-1×10-2Pa；
2）通入保护气体调整工作气压为1×10-2-1×101Pa，在脉冲频率5-15Hz、脉冲能量300-500mJ/脉冲的条件下，改变衬底温度700℃-1000℃并进行沉积；
所述的Si衬底为n型（100）单晶Si，所述GaN靶为纯度大于99%的GaN粉末在560℃烧结而成。
2.根据权利要求1所述的一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法，其特征在于：所述的保护气体为纯度大于99.9%的氮气。
3.根据权利要求1所述的一种优化硅基GaN场发射特性的晶体结构调制方法，其特征在于：所述的衬底温度分别选择700℃、800℃、900℃和1000℃。
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