CN102306595A - 一种带有限流晶体管的碳纳米管场发射阵列及制备 - Google Patents
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Abstract
带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，包括阴极、位于阴极下方的栅极、阴极和栅极之间的绝缘层和半导体层，导电基板为栅极；在导电基板上设有绝缘层，在绝缘层上为半导体薄膜；半导体薄膜上设有作为阴极的格状或环状金属电极；在格状或环状金属电极格状或环状孔的中心位置设有垂直于基板生长的单根碳纳米管；所述碳纳米管的一端与半导体层电学相连，且碳纳米管通过半导体层与阴极电学相连；在平面排列的带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件构成场发射阵列，电极为网格状金属电极。所提出和碳纳米管阵列中每一根碳纳米管都串联一个限流晶体管，得到发射电流密度大，发射稳定性高的场发射元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种场发射元件及制备方法，尤其是场发射阴极的制备方法。
背景技术
碳纳米管是目前场发射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研机构都在积极努力，以实现碳纳米管在场发射器件中的实际应用和产业化。在目前的碳纳米管及其相关的研究领域中，新的结构、材料和工艺方法依然在不断的探索中。然而另一方面，已有的发射材料、器件结构均已达到数十种之多。对于这些纳米管材料冷阴极的工作机理的探索、对于已有器件结构的潜在性能的充分发掘和利用，依然是非常重要的研究内容。
在大电流密度场发射器件（例如冷阴极X射线管和微波放大器）的制备中，对于碳纳米管发射阴极阵列的分布均匀性和取向性要求较高，而定向碳纳米管阵列阴极因取向性好，场发射性能优异具有很大的应用潜力。然而，对于碳纳米管阵列的研究至今没有使其得到广泛的实际应用，仍有许多不足之处需要探讨和改进，同时其电子发射能力与阵列结构、种类、形貌等因素的关系仍需得到进一步明确。目前，定向碳纳米管阵列的场发射性能存在以下一些问题：（1）虽然文献已经报道了可观的发射电流密度，然而通常是在较小的发射面积上获得，发射总电流较小，而场发射微波器件和场发射X射线源等则要求从数平方毫米的发射面积上提供几十乃至一百毫安以上电流，所以目前的碳纳米管阵列发射性能尚无法满足器件要求；（2）发射稳定性和均匀性存在严重问题，限制了其在场发射器件中的应用；（3）三极结构碳纳米管阵列技术仍处于初级阶段，工艺水平和发射性能需要得到提高，新型发射体结构仍需得到进一步开发。
由于制备工艺的局限，即使是通过精确控制的方法制备出来的定向碳纳米管阵列中发射体的高度和尖端曲率半径等通常存在5%~10%的起伏。由于场致发射电流密度与发射体尖端的电场强度呈指数关系，场致发射体阵列中不同发射体提供的发射电流密度很不均匀。部分电流负载较大的发射体首先出现损毁，进而由于真空放电形成整个发射体阵列被破坏。场发射阵列尺寸越大，发射电流密度不均匀性对电流负载的局限越严重。为了提高发射阵列的发射稳定性和均匀性，人们在碳纳米管和衬底电极之间引入了限流电阻层（ballast layer）。然而，这仍然存在着很大的局限性，远不足以使电流达到相当的稳定性。
作为微电子器件的基本原件，场效应晶体管在一定的源漏电压下可以提供稳定的电流，而且电流大小可以通过栅极电压精确控制。更重要的是，场效应晶体管工作在饱和区时，电流达到饱和，几乎不随源漏电压的变化而变化，而且饱和电流可也以受栅极电压的精确控制。
因此，是否可以给场发射阵列中的每一根碳纳米管都集成一个场效应晶体管，且通过一定工艺手段将场效应管的饱和电流控制在碳纳米管的安全发射电流以内，这样就可以平衡每一根碳纳米管的发射电流，并使所有碳纳米管同时在同一水平发射。从而达到提高碳纳米管阵列的场发射电流密度，稳定性及寿命等性能。
目前文献和专利报道的通过场效应管控制场发射的研究工作大多针对场发射显示器方面，注重对单个场发射显示像素的发射稳定性和均匀性的控制，而发射电流并不能得到相应的提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件及制备方法，尤其是性能增强的碳纳米管阵列。本发明提出的碳纳米管阵列中每一根碳纳米管都串联一个限流晶体管，得到发射电流密度大，发射稳定性高的场发射器件。
本发明技术方案是：带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，是带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，包括阴极、位于阴极下方的栅极、阴极和栅极之间的绝缘层和半导体层，导电基板为栅极；在导电基板上设有绝缘层，在绝缘层上为半导体薄膜；半导体薄膜上设有作为阴极的格状或环状金属电极；在格状或环状金属电极格状或环状孔的中心位置设有垂直于基板生长的单根碳纳米管；所述碳纳米管的一端与半导体层电学相连，且碳纳米管通过半导体层与阴极电学相连。若干在平面排列的带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件构成场发射阵列，即被认为位于半导体层上方的作为场发射体的碳纳米管阵列。
绝缘层的厚度在100nm至300nm之间。
绝缘层的材料可为二氧化硅、氧化铝、氮化硅等材料。
半导体的厚度为10nm至200nm之间。
半导体的材料为多晶硅或单晶硅、氧化锌薄膜等。
栅极材料即导电基板为重掺杂硅、银等高导电性材料或薄膜、如ITO薄膜，镍（Nickel）薄膜。导电基板可以生长在SOI表面。
碳纳米管场发射元件的格状或环状（阵列则为网状）电极相当于场效应管里源极（source），碳纳米管相当于漏极（drain），底部的导电基板相当于背栅极（back gate），碳纳米管与网状电极之间的半导体薄膜相当于沟道（channel）。
在该结构中，由于沟道中的电流跟发射电流相同，单根碳纳米管的发射电流必然被控制在晶体管的饱和电流以下，因此可以通过栅极调制碳纳米管的饱和发射电流。本发明就是通过给每个单元的每一根碳纳米管串联一个场效应管达到限制电流的目的。为了避免碳纳米管由于剧烈发射而烧毁，该饱和电流必须是单根碳纳米管能够稳定发射的安全电流值。饱和电流的调节可以通过调控栅极电压来实现。
本发明由以下步骤实现：
步骤一，在导电基板上制备绝缘层，导电基板为栅极；
步骤二，在绝缘层上制备半导体薄膜；
步骤三，在半导体薄膜上制备网格状金属电极，为阴极；
步骤四，在网格状金属电极网孔的中心位置制备垂直于基板生长的单根碳纳米管阵列。
具体而言，SOI（绝缘衬底上的硅）材料是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜。
（1）在SOI基片表面生长网格状金属电极；首先将SOI基片超声清洗，然后在基片上旋涂PMMA 电子束光刻胶，进行电子束光刻，光刻图案为直径100nm的圆点；
（2）电子束光刻的SOI基片显影，在基片的表面形成具有圆孔图案的光刻胶掩膜。
（3） 采用磁控溅射的方法在SOI基片表面溅射催化剂层，由两层薄膜组成的，下面一层是ITO薄膜，厚度为20nm；上面是镍（Nickel）薄膜，厚度为7nm。
催化剂层也可以采用Fe薄膜或Al薄膜，或双层薄膜，上面是Fe薄膜。
（4）剥离，将SOI基片浸入丙酮中，剩下了具有圆点图案的催化剂薄膜。浸入丙酮中没有被曝光的光刻胶就被丙酮溶解，光刻胶表面的催化剂层自动脱落。这样一来，只剩下了具有圆点图案的催化剂薄膜。
（5）将SOI基片表面再旋涂一层PMMA，进行电子束光刻，图案是圆环，为阴极。
（6） 显影之后，在样品表面溅射一层钨（W）。
（7） 将SOI基片浸入丙酮中，就只剩下环状电极和催化剂点。
（8）采用PECVD法生长碳纳米管。
本发明的工作原理是：
该发明其实是一个典型的场效应管结构：网状电极相当于场效应管里源极（source），碳纳米管相当于漏极（drain），底部的导电基板相当于背栅极（back gate），碳纳米管与网状电极之间的半导体薄膜相当于沟道（channel）。
在该结构中，由于沟道中的电流跟发射电流相同，单根碳纳米管的发射电流必然被控制在晶体管的饱和电流以下，因此可以通过栅极调制碳纳米管的饱和发射电流。本发明就是通过给每一根碳纳米管串联一个场效应管达到限制电流的目的。为了避免碳纳米管由于剧烈发射而烧毁，该饱和电流必须是单根碳纳米管能够稳定发射的安全电流值。饱和电流的调节可以通过调控栅极电压来实现。
本发明有益效果是：所提出和碳纳米管阵列中每一根碳纳米管都串联一个限流晶体管，得到发射电流密度大，发射稳定性高的场发射器件。本发明可以通过栅极调制碳纳米管的饱和发射电流。通过给每一根碳纳米管串联一个场效应管达到限制电流的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图[jsyy1] 。在SOI的上表面制备了环状电极，材料为金属钨（W）。碳纳米管发射体被制备在环状电极的中心，并垂直于基片表面生长。该结构既是一个场发射三极结构，又是一个场效应管结构。
图2为本发明的扫描电子显微镜图像。
具体实施方案
通过结合附图详细说明本发明的实施方案，本发明的上述工作原理和优点将变得更加清楚，各附图中；下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明所保护的范围不限于下述的实施例。
实施例：基于SOI基底制备带有限流场效应管的碳纳米管阵列的流程如下：
（1）首先将SOI基片分别在丙酮和IPA中超声清洗两分钟，然后在基片上旋涂PMMA 电子束光刻胶，接下来进行电子束光刻，光刻图案为直径100nm的圆点。
（2） 将做完电子束光刻的基片样品显影（如置入MIBK中进行显影），这样就在基片的表面形成了具有圆孔图案的光刻胶掩膜。
（3） 采用磁控溅射的方法在样品表面溅射催化剂层，由两层薄膜组成的，下面一层是ITO薄膜，厚度为20nm；上面是镍（Nickel）薄膜，厚度为7nm。
（4） 接下将样品浸入丙酮中，剩下了具有圆点图案的催化剂薄膜。
（5） 在这之后在样品表面再旋涂一层PMMA，进行电子束光刻，这次的图案是圆环。
（6） 显影之后，在样品表面溅射一层钨（W）。
（7） 将样品进入丙酮之后，就只剩下环状电极和催化剂点，即生长碳纳米管场的生长点。
（8） 最后一个步骤是采用常规的PECVD法生长碳纳米管。
环状电极材料：除了钨之外，钼、铝等也可；催化剂材料：除镍之外，铁也可。
环状金属电极的边长为1微米-10微米。若干在平面排列的带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件构成场发射阵列。
Claims (8)
1.带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，包括阴极、位于阴极下方的栅极、阴极和栅极之间的绝缘层和半导体层，导电基板为栅极；在导电基板上设有绝缘层，在绝缘层上为半导体薄膜；半导体薄膜上设有作为阴极的格状或环状金属电极；在格状或环状金属电极格状或环状孔的中心位置设有垂直于基板生长的单根碳纳米管；所述碳纳米管的一端与半导体层电学相连，且碳纳米管通过半导体层与阴极电学相连；干在平面排列的带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件构成场发射阵列，电极为网格状金属电极。
2.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阵列，其特征在于：绝缘层的厚度在100nm至300nm之间。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阵列，其特征在于：绝缘层的材料可为二氧化硅、氧化铝、氮化硅等材料。
4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阵列，其特征在于：半导体的厚度为10nm至200nm之间。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阵列，其特征在于：半导体的材料为多晶硅或单晶硅、氧化锌薄膜等。
6.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阵列，其特征在于：栅极材料即导电基板为重掺杂硅、银等高导电性材料或薄膜、如ITO薄膜，镍（Nickel）薄膜。
7.该碳纳米管场发射阵列的制备方法：
步骤一，在导电基板上制备绝缘层，导电基板为栅极；
步骤二，在绝缘层上制备半导体薄膜；
步骤三，在半导体薄膜上制备网格状金属电极、即阴极；
步骤四，在网格状金属电极网孔的中心位置制备垂直于基板生长的单根碳纳米管阵列。
8.根据权利要求8所述的制备方法，其特征是
（1）在SOI基片表面生长网格状金属电极；首先将SOI基片超声清洗，然后在基片上旋涂PMMA 电子束光刻胶，进行电子束光刻，光刻图案为直径100nm的圆点；
（2）电子束光刻的SOI基片显影，在基片的表面形成具有圆孔图案的光刻胶掩膜；
（3） 采用磁控溅射的方法在SOI基片表面溅射催化剂层，由两层薄膜组成的，下面一层是ITO薄膜，厚度为20nm；上面是镍（Nickel）薄膜，厚度为7nm；
（4） 将SOI基片浸入丙酮中，剩下了具有圆点图案的催化剂薄膜；
（5）将SOI基片表面再旋涂一层PMMA，进行电子束光刻，图案是圆环；
（6） 显影之后，在样品表面溅射一层钨（W）；
（7） 将SOI基片浸入丙酮中，就只剩下环状电极和催化剂点；
（8）采用PECVD法生长碳纳米管；
SOI（绝缘衬底上的硅）材料是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化层；
通过在绝缘体上形成半导体薄膜。
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