CN104658830B - 碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构 - Google Patents

碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构 Download PDF

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Abstract

一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，包括：一n型SiC衬底；一n型金属电极，其制作在n型SiC衬底下表面；一SiC纳米尖端结构，其制作在n型SiC衬底上表面，其与n型SiC衬底的材料相同；一AlN冷阴极薄膜，其制作在SiC纳米尖端结构的上表面；一电压源，其正极与AlN冷阴极薄膜连接，负极与n型金属电极连接；一金属阳极，其位于AlN冷阴极薄膜的上面，且不与AlN冷阴极薄膜接触；一高压源，其正极连接金属阳极；一电流计，其正极连接高压源，负极连接n型金属电极。本发明是利用负电子亲和势进行电子发射，进一步提高电子发射密度。

Description

碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构
技术领域
本发明涉及一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，属于真空电子技术中的场发射电子器件领域。
背景技术
作为III族氮化物半导体材料的一种，AlN带隙很宽，高达6.2eV，无需Cs激活过程，本身就具有负电子亲和势，并具有场发射所要求的几乎所有特性，包括良好的化学与热稳定性、高的熔点和热导率、大的载流子迁移率和高的击穿电压等，因此是一种优异的冷阴极材料。但是AlN的导电性能很差，阻碍了电子在AlN薄膜中的传输，影响了AlN冷阴极的场发射性能的进一步提高。
目前作为冷阴极的AlN薄膜多采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方式外延生长，经常采用的衬底包括蓝宝石、n型SiC或n型硅基衬底等。在上述几种衬底中，蓝宝石为绝缘材料，导电性能不好，因此需要在AlN薄膜上通过光刻和刻蚀形成台阶结构并制作金属电极，工艺过程比较复杂。n型SiC衬底和n型硅基衬底具有良好的导电性能，两者相比较而言，硅衬底具有更成熟的工艺，更容易实现大规模纳米线阵列或纳米尖锥阵列；但是硅材料的击穿电压较低，在电子发射的过程中尖端结构容易损坏，使得场增强因子减小，或破坏整个二维阵列发射能力的均匀性；SiC衬底的工艺难度较大，但是能耐高压，更适合作为高电压、高发射电流密度和高发射电流的场发射阴极衬底。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其是利用负电子亲和势进行电子发射，进一步提高电子发射密度。
本发明提供一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，包括：
一n型SiC衬底；
一n型金属电极，其制作在n型SiC衬底下表面；
一SiC纳米尖端结构，其制作在n型SiC衬底上表面，其与n型SiC衬底的材料相同；
一AlN冷阴极薄膜，其制作在SiC纳米尖端结构的上表面；
一电压源，其正极与AlN冷阴极薄膜连接，负极与n型金属电极连接；
一金属阳极，其位于AlN冷阴极薄膜的上面，且不与AlN冷阴极薄膜接触；
一高压源，其正极连接金属阳极；
一电流计，其正极连接高压源，负极连接n型金属电极。
本发明的关键之处在于在n型SiC上通过光刻和刻蚀工艺制作出纳米尖锥阵列，或通过小角度斜切衬底的方式制作出原子级台阶状的纳米尖端结构，然后在具有纳米尖端结构的SiC衬底上制作n型Si掺杂AlN薄层，获得AlN冷阴极结构。
由于上述技术的运用，与现有器件结构相比，本发明的有益效果在于：
采用n型SiC作为衬底，SiC材料具有良好的导电性和高击穿场强，有利于获得在高电压、高电流和高电流密度的场发射阴极；
在n型SiC衬底表面制作纳米尖锥阵列或原子台阶，获得大的场增强因子，有利于提高阴极的电子发射能力；
在具有纳米尖端结构的n型SiC衬底表面覆盖AlN薄层，通过施加电压或通过共振隧穿的方式使得电子从n型SiC中输运到AlN表面，利用负电子亲和势进行电子发射，进一步提高电子发射密度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，包括：
一n型SiC衬底11，所述n型SiC衬底11的电阻率为0.02-0.2Ω·cm，厚度为200-500μm；
一n型金属电极10，其制作在n型SiC衬底11下表面，所述n型金属电极10的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50-200nm，Au层厚度为50-200nm；Ni或Ni/Au薄膜经退火形成欧姆接触，退火气氛为氮气或氩气，退火温度为950℃，退火时间为1-5min；
一SiC纳米尖端结构12，其制作在n型SiC衬底11上表面，其与n型SiC衬底11的材料相同，所述SiC纳米尖端结构12是通过光刻和刻蚀在n型SiC衬底11表面制作；所述SiC纳米尖端结构12为单个纳米尖锥或纳米尖锥阵列，或者是通过小角度斜切衬底的方式制作的具有原子级台阶的纳米尖端结构；
一AlN冷阴极薄膜13，其制作在SiC纳米尖端结构12的上表面，所述AlN冷阴极薄膜13的材料为n型Si掺杂AlN薄膜，厚度为1-100nm，Si掺杂浓度为1×1010-1×1020cm-3；
一电压源15，其正极与AlN冷阴极薄膜13连接，负极与n型金属电极10连接，所述电压源15的作用是在n型SiC衬底11和AlN冷阴极薄膜13之间施加电压，电压范围为0-100V；
一金属阳极14，其位于AlN冷阴极薄膜13的上面，且不与AlN冷阴极薄膜13接触，所述金属阳极14为Au、Ag、Cu、Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极，或为固定在可调节装置上的平顶金属探针；
其中，所述AlN冷阴极薄膜13和金属阳极14构成电子发射接收结构，放置于真空系统中进行测量，真空度为1×10-1-1×10-8Pa；
一高压源16，其正极连接金属阳极14，所述高压源16的作用是为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV；
一电流计17，其正极连接高压源16，负极连接n型金属电极10，所述电流计17的作用是测量金属阳极14接收到的电子电流，测量范围为1×10-9-1×10-1A；
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，包括：
一n型SiC衬底；
一n型金属电极，其制作在n型SiC衬底下表面；
一SiC纳米尖端结构，其制作在n型SiC衬底上表面，其与n型SiC衬底的材料相同；
一AlN冷阴极薄膜，其制作在SiC纳米尖端结构的上表面；
一电压源，其正极与AlN冷阴极薄膜连接，负极与n型金属电极连接；
一金属阳极，其位于AlN冷阴极薄膜的上面，且不与AlN冷阴极薄膜接触；
一高压源，其正极连接金属阳极；
一电流计，其正极连接高压源，负极连接n型金属电极。
2.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中n型SiC衬底的电阻率为0.02-0.2Ω·cm，厚度为200-500μm。
3.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中n型金属电极的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50-200nm，Au层厚度为50-200nm。
4.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中SiC纳米尖端结构是通过光刻和刻蚀在n型SiC衬底表面制作的。
5.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中AlN冷阴极薄膜的材料为n型Si掺杂AlN薄膜，厚度为1-100nm，Si掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
6.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中金属阳极为Au、Ag、Cu、Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极，或为固定在可调节装置上的平顶金属探针。
7.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中电压源的作用是在n型SiC衬底和AlN冷阴极薄膜之间施加电压，电压范围为0-100V。
8.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中高压源的作用是为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV。
9.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中电流计的作用是测量金属阳极接收到的电子电流，测量范围为1×10-9-1×10-1A。
10.如权利要求1所述的碳化硅衬底上的AlN冷阴极结构，其中AlN冷阴极薄膜和金属阳极构成电子发射-接收结构，放置于真空系统中进行测量，真空度为1×10-1-1×10-8Pa。
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