CN102280331A

CN102280331A - 具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极及其制备方法

Info

Publication number: CN102280331A
Application number: CN2011101933835A
Authority: CN
Inventors: 王如志; 宋志伟; 赵维; 严辉; 王波; 张铭; 宋雪梅; 朱满康; 侯育冬; 刘晶冰; 汪浩
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102280331B

Abstract

具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极及其制备方法，属于场发射阴极技术领域，该阴极材料为GaN和AlN的混合物，同时具有六方纤锌矿和立方闪锌矿两种晶体结构；组分为：Al_xGa_1-xN，0＜x≤0.95。制备方法：将衬底及GaN和AlN烧结成的靶材放入激光脉冲沉积系统，抽真空、加热衬底、通入保护气体，用脉冲激光沉积系统制备了铝镓氮纤锌矿六方相和闪锌矿立方相两相共存的纳米薄膜。该薄膜相对单相薄膜场发射开启电压和最大电流密度提高了2-5个数量级。这种两相共存的薄膜有助于提高薄膜场发射性能和场发射显示器的商业化，有着明显的应用前景和潜在的经济效益。

Description

具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极及其制备方法

技术领域

本发明属于场发射阴极技术领域，特别涉及一种包含具有亚稳态混合相的半导体纳米薄膜，应用于高分辨率场发射显示器、微波放大器、电子束诱导光源等，尤其适用于场发射平板显示器的阴极。

背景技术

场发射显示器的核心部件就是场发射冷阴极。场发射阴极是真空微电子器件的核心技术，同时也是真空微电子学的主要研究对象。做为场发射技术最有潜力的应用之一，场发射平板显示器(FED)成为了目前各国竞相开发研制的项目。据DisplaySearch公司的市场报告，2010年全球平板显示器领域的营收就达到了1100亿美元，占据显示器市场总份额的94％。场发射平板显示器(FED)兼有普通阴极射线管显示器(CRT)的高画质及LCD的超薄与低功耗，且在发光效率、亮度、视角、抗苛刻环境及数字化控制上具有十分明显的优势，被认为是最具发展潜力与发展前景的下一代平板显示器。FED作为一种主动发光式的平板型真空显示器，是目前唯一能够保持传统CRT高画质的新型平板显示技术。从性能和原理上来看，由于发光与显示机制基本相同，FED既保留CRT优异的显示性能，又顺应显示向着平板化方向发展的趋势。从产业基础和更新换代需求来看，由于FED制造过程所用的材料、工艺技术、仪器设备和厂房设施与CRT基本相同，完善的CRT产业将为FED的发展提供一个完善的产业化平台。因此，研制具有自主产权的FED对中国有着十分重要的战略意义和现实意义。而场发射阴极作为FED的最核心部件，场发射阴极材料或性能不够或成本高昂，已成为了FED的发展瓶颈。为解决场发射冷阴极材料问题，1990年以来，人们开始尝试采用一些具有负电子亲和势的宽带隙半导体薄膜做为场发射阴极。由于技术上还未完全成熟，至今FED还未能成功商业化。

对场发射冷阴极的要求无外乎性能和经济两方面。从性能方面要求阈值电压低，易于开启，饱和电流密度大，结构稳定寿命高；从经济层面要求生产工艺简单，易于大规模生产，材料丰富价格便宜。围绕这两个基本点，一种阈值电场低、电子发射稳定、使用寿命长、工艺简单、成本低廉的场发射阴极是以FED为代表的真空微电子器件商业化的关键。现阶段我们的场发射阴极分为三类：微尖阵列型场发射阴极、一维纳米材料场发射阴极和半导体薄膜型场发射阴极。由于前两者制备工艺复杂、结构难度大、成本高、寿命等问题难以解决所以一直没有实现工业化，而半导体薄膜场发射阴极材料可以克服以上缺点，其工艺简单，成本低廉，发射稳定，但阈值电场高，场发射性能很不理想。所以我们目前就是想提高其场发射性能以达到实现工业化的要求和条件。为了提高材料场发射性能，人们通常采用两种方式：一是通过材料形貌调整实现几何结构场增强提高其场发射性能，如以纳米碳管为代表的诸多一维纳米材料；二是通过选择合适材料或表面改性实现低表面真空势垒获得良好场发射性能，如以金刚石薄膜为代表的一些宽带隙半导体薄膜。然而，虽然和传统薄膜型阴极相比通过这两种方法有效地增强了电子发射性能，但是该阴极结构仍需要进一步增强才能达到器件应用需要的场发射性能。

因此目前的场发射阴极普遍存在或阈值电场高、电流密度低，或发射不均匀、结构不稳定，使用寿命短或工艺复杂、制作成本高等缺陷，严重制约着以FED为代表的真空微电子器件商业化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有场发射阴极发射稳定性差、开启电场高、发射电流密度低、制备工艺复杂、生产成本高等难以避免的缺陷，提供一种包含纤锌矿六方相和闪锌矿立方相的混合相纳米薄膜结构的、具有低阈值电场、高发射电流密度并兼具工艺简单、使用寿命长的适用于真空微电子器件的场发射阴极及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极材料，其特征是：该场发射阴极材料为GaN和AlN两种宽带隙氮化物半导体的混合物，并且该薄膜应同时具有六方纤锌矿和立方闪锌矿两种晶体结构；该场发射阴极材料的组分为：Al_xGa_1-xN(0＜x≤0.95)；该场发射阴极材料的厚度为40-500nm。

上述具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极材料，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择n型掺杂单晶硅或金属为基底材料；若采用n型掺杂单晶硅为基底材料，在制备薄膜阴极之前还需要用HF酸浸泡，再用去离子水清洗，最后干燥衬底表面；

2)靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％)的粉末，其中GaN的摩尔比大于5％，经烧结成靶；

3)将衬底和靶材放入激光脉冲沉积系统，抽真空使背底真空为3×10^-3Pa-1×10^-5Pa，加热衬底到400-1000℃；

4)通入保护气体调整工作气压为0.1-10Pa，在脉冲频率8-16Hz、脉冲能量300-500mJ/脉冲的条件下，沉积90秒-900秒，靶基距40mm-90mm，得到混合相氮化物半导体纳米薄膜层，在保护气氛下原位退火30分钟；

5)在保护气体的气氛保护下降至室温，得到具有增强电子发射性能的混合相纳米薄膜场发射阴极。

上述步骤2)HF酸质量浓度为2％-10％，浸泡30秒-600秒。

上述步骤5)和6)对于氮化物采用氮气或惰性气体作为保护气体。

本发明的优点在于：

1)本发明使用的混合相Al_xGa_1-xN(0＜x≤0.95)纳米薄膜，通过阶梯式的电子输运可以有效地降低电子传输过程中所需外加电场，从而降低开启电压，使得在较低的电场下有一个较大的电流密度。其电流密度比单相的纳米薄膜的电流密度高出2-5个数量级。

2)本发明使用的衬底采用n型掺杂Si或金属，具有高电导的特性，为表面电子发射提供了高密度的电子注入，在电子输运环节进一步增强了场发射性能。

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，具有极大的应用潜力。

附图说明

图1为采用本发明实施例1阴极材料和未采用本发明阴极结构制备的薄膜型阴极XRD图谱；

图2为根据实施例1和实施例2制备的混合相纳米结构薄膜的表面AFM形貌图；

图3为采用本发明实施例1和实施例2阴极结构和未采用本发明阴极结构制备的薄膜型阴极场发射电流密度曲线(J-E)。

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：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比为1∶1)的粉末经烧结成靶。以抛光的n型(100)掺杂硅做衬底，该衬底用质量5％的HF酸浸泡3min，再用去离子水清洗，最后干燥衬底表面，将衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约7×10^-4Pa，并加热衬底到900℃。生长条件为：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，靶基距为80mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为350mJ/脉冲，沉积300s的时间，沉积一层150nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.5Ga_0.5N薄膜，原位退火30min，最后在氮气保护下降至室温。该纳米薄膜具有28.7nm的表面均方根粗糙度，其表面形貌AFM图见图2，其XRD图谱见图1。

实施例2：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比1∶1)的粉末经烧结成靶。以抛光的n型(111)掺杂硅做衬底，该衬底用质量7％的HF酸浸泡3min，再用去离子水清洗，最后干燥衬底表面，将衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约7×10^-4Pa，并加热衬底到850℃。生长条件为：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，靶基距为60mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为375mJ/脉冲，沉积一层280nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.5Ga_0.5N薄膜，原位退火30min，最后在氮气保护下降至室温。该纳米薄膜具有31.6nm的表面均方根粗糙度，其XRD图谱见图1。

实施例3：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比1∶1)的粉末经烧结成靶。以抛光的Al做衬底，将衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约2×10^-3Pa，并加热衬底到650℃。生长条件为：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5Pa，靶基距为60mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为400mJ/脉冲，沉积一层150nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.5Ga_0.5N薄膜，原位退火30min，最后在氮气保护下降至室温。

实施例4：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比1∶1)的粉末经烧结成靶。以抛光的Cu做衬底，将该衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约1×10^-3Pa，并加热衬底到650℃。生长条件为：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，靶基距为60mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为400mJ/脉冲，沉积一层200nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.5Ga_0.5N薄膜，原位退火30min，最后在氮气保护下降至室温。

实施例5：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比4∶6)的粉末经烧结成靶。以抛光的n型(100)掺杂硅做衬底，该衬底用质量10％的HF酸浸泡3min，再用去离子水清洗，最后干燥衬底表面，将衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约2×10^-3Pa，并加热衬底到850℃。生长条件为：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，靶基距为60mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为400mJ/脉冲，沉积一层200nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.4Ga_0.6N薄膜，原位退火30min，最后在氩气保护下降至室温。

实施例6：

本实施例的靶材为均匀混合的AlN和GaN(纯度＞98％，摩尔比6∶4)的粉末经烧结成靶。以抛光的n型(100)掺杂硅做衬底，该衬底用质量5％的HF酸浸泡3min，再用去离子水清洗，最后干燥衬底表面，将衬底放入激光脉冲沉积系统腔体中，将沉积室抽为约2×10^-3Pa，并加热衬底到850℃。生长条件为：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，靶基距为60mm，设定脉冲激光的频率为13Hz，脉冲能量为400mJ/脉冲，沉积一层200nm厚的非故意掺杂的n型Al_0.6Ga_0.4N薄膜，原位退火30min，最后在氩气保护下降至室温。

采用本发明实施例1和实施例2的阴极结构和未采用本发明阴极结构(只有单一取向)的薄膜型阴极，其XRD图谱见图1，从图1可以看出，本发明的混合相具备纤锌矿六方结构和闪锌矿立方结构的共存，其场发射电流密度曲线(J-E)见图3，从图3可以看出：和未采用本发明阴极结构的样品相比，采用本发明阴极结构样品的场发射电流密度得到了2-5个数量级的提高，于是通过构造具有混合相的纳米半导体薄膜，使其场发射性能得到了显著的提高，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

1.具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极材料，其特征在于，该场发射阴极材料为GaN和AlN两种宽带隙氮化物半导体的混合物，并且该薄膜同时具有六方纤锌矿和立方闪锌矿两种晶体结构；该场发射阴极材料的组分为：Al_xGa_1-xN，其中0＜x≤0.95。

2.具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极材料，其特征在于，该场发射阴极材料的厚度为40-500nm。

3.按照权利要求1或2的具有电子发射增强的混合相氮化物薄膜场发射阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)靶材为均匀混合的AlN和GaN的粉末，其中GaN的摩尔比大于5％，经烧结成靶；

4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，AlN和GaN的纯度均大于98％。

5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)HF酸质量浓度为2％-10％，浸泡30秒-600秒。

6.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)和6)对于氮化物采用氮气或惰性气体作为保护气体。