場(chǎng)致電子發(fā)射硅一維納米材料的研制及其器件應(yīng)用探索.pdf

1、近年來(lái)，對(duì)場(chǎng)致電子發(fā)射器件的研究主要趨向于實(shí)現(xiàn)大面積制備、低電壓驅(qū)動(dòng)、易實(shí)現(xiàn)器件集成等方面。因此，對(duì)場(chǎng)發(fā)射陰極材料及器件制作工藝提出了新的要求。對(duì)于材料，人們希望其具有場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)有序、與襯底之間接觸良好、制備工藝簡(jiǎn)便、能夠?qū)崿F(xiàn)大面積制備等特點(diǎn)。而對(duì)于器件制作工藝，則希望它能和傳統(tǒng)集成電路工藝兼容，便于以后和CMOS集成。雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種場(chǎng)致電子發(fā)射材料，但大多都難以滿(mǎn)足上述要求。在眾多場(chǎng)致電子發(fā)射材料中，硅一維納米材料具

2、有優(yōu)越的場(chǎng)致電子發(fā)射性能，且硅材料是制備集成電路的基本材料，因此硅一維納米材料是最有可能應(yīng)用于大面積、低驅(qū)動(dòng)電壓、易實(shí)現(xiàn)器件集成場(chǎng)發(fā)射器件的冷陰極材料?；谶@一背景，本論文開(kāi)展了以納米顆粒作為刻蝕掩模，用等離子體刻蝕法進(jìn)行硅一維納米材料制備的研究，并對(duì)它們的場(chǎng)致發(fā)射特性及其器件應(yīng)用等方面進(jìn)行了探索。主要的研究方向和結(jié)果包括以下幾個(gè)方面： 1.利用熱處理自組裝的方法在2英寸硅片表面實(shí)現(xiàn)了直徑分布均勻的半球形金銀納米顆粒的制備。通過(guò)

3、調(diào)節(jié)處理前金銀合金薄膜的厚度可以對(duì)所形成的納米顆粒直徑進(jìn)行控制，納米顆粒的直徑與處理前薄膜的厚度成正比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，我們實(shí)現(xiàn)了平均直徑變化范圍從20 nm～115 nm金銀納米顆粒的制備。同時(shí)，我們還對(duì)金銀納米顆粒的形成機(jī)理進(jìn)行了探索，實(shí)驗(yàn)表明表面應(yīng)力是形成顆粒的關(guān)鍵。 2.用等離子體刻蝕法在2英寸的硅片表面實(shí)現(xiàn)了直立有序單晶硅納米線的制備。通過(guò)利用不同直徑的納米顆粒作為掩模，刻蝕得到了不同直徑的單晶硅納米線(平均直徑變化范圍從

4、40nm～110 nm)。并對(duì)硅納米線的刻蝕工藝進(jìn)行了探索，探討了刻蝕過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)形成納米線形貌的影響。我們還對(duì)硅納米線的定位制備進(jìn)行了探索，在2英寸硅片表面制備出了多個(gè)硅納米線陣列，每個(gè)陣列由40×40個(gè)直徑為5 μm的硅納米線單元組成，在每個(gè)單元中包含大量高約1μm，直徑為50～100 nm的硅納米線。 3.由于用單晶硅片進(jìn)行硅納米線的制備，所形成硅納米線陣列的面積受硅片尺寸限制且成本較高，因此我們嘗試了進(jìn)行非晶硅納米線的制備

5、。用非晶硅薄膜代替單晶硅片作為襯底成功制備出低成本、大面積(直徑為4英寸的區(qū)域)直立有序的非晶硅納米線。 4.以金剛石納米顆粒為掩模，等離子體刻蝕的方法在2英寸硅片表面實(shí)現(xiàn)了直立有序硅納米管的制備。所形成的硅納米管上半部分為空心的管狀結(jié)構(gòu)，下半部為實(shí)心結(jié)構(gòu)，管壁最薄處的單晶硅層厚度僅為3 nm。對(duì)其形成機(jī)理的研究表明，在硅納米管的形成過(guò)程中Cl2等離子的垂直刻蝕作用以及氧化層的保護(hù)是硅納米管形成的關(guān)鍵因素。 5.對(duì)所制備

6、得到的單晶硅納米線、非晶硅納米線和硅納米管進(jìn)行場(chǎng)致電子發(fā)射性能測(cè)試，結(jié)果表明它們的場(chǎng)致電子發(fā)射性能具有較大的差異。其中單晶硅納米線的場(chǎng)發(fā)射性能最好，其最低開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值電場(chǎng)分布為6.5 MV/m和11.2 MV/m，最高發(fā)射電流密度為105 mA/cm2。同時(shí)對(duì)其場(chǎng)致電子發(fā)射性能差異的原因進(jìn)行了探討，我們認(rèn)為電阻和摻雜濃度的不同可能是造成這些差異的原因。 6.在2英寸硅片表面成功地研制出了帶控制柵極硅納米線陣列器件。對(duì)單個(gè)像素器