[發明專利]一種提高薄膜型ZnO場發射特性的方法

無效

• 申請號: 200910021775.6
• 申請日: 2009-03-31
• 公開（公告）號: CN101527237A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 李軍
• 申請（專利權）人: 彩虹集團公司
• 主分類號: H01J9/02
• 分類號: H01J9/02;C23C14/35;C23C14/08;H01J9/42;G01R19/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳翠蘭

技術領域

本發明屬于場發射平板顯示技術領域，涉及一種薄膜型場發射材料的制備技術，以及一種提高薄膜型ZnO場發射特性的方法。

背景技術

“場發射”在真空微電子器件中有著十分廣泛而重要的應用，如場發射平板顯示器、大功率電子發射源等，而這些器件最關鍵的技術之一就是制作性能優異的陰極電子發射體。

寬禁帶半導體ZnO有著眾多優異的特性，尤其是：良好的化學穩定性，小的甚至負的電子親和勢，高的熱導率，抗氧化性，耐高溫性，大的擊穿場強和高的載流子遷移率，大的發射電流，使得它在場發射研究領域倍受青睞。但ZnO場發射陰極材料研究目前主要集中在化學方法制備的一維納米材料方面，研究磁控濺射等物理方法制備ZnO薄膜的場發射性能報道卻很少，原因是雖然薄膜型ZnO作為電子發射體，發射均勻性好、穩定性高、與基板附著力強以及易實現大面積，但由于薄膜型ZnO發射材料的場發射電流密度較小、閾值電壓較大，離實際應用水平還有一定的差距。

眾所周知，對于半導體材料而言，降低其表面勢壘高度是提高場發射電流密度、減小閾值電壓的一個關鍵手段。文獻[C.X.Xu，X.W.Sun，andB.J.Chen.Field?emission?from?gallium-doped?zinc?oxide?nanofiber?ayyay.Appl.Phys.Lett.2004，84(9)：1540～1542]為證，通過摻雜的確可以降低材料的表面勢壘高度，而選擇合適的摻雜元素還有可能提供更多的電子源，從而更有利于場發射特性的提高。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術不足，提供一種提高薄膜型ZnO場發射特性的方法，該方法提高了薄膜型ZnO的場發射電流密度，減小了場發射開啟場強。

本發明的目的是通過以下技術方案來解決的：

這種提高薄膜型ZnO場發射特性的方法，包括如下步驟：

摻Al的ZnO陶瓷靶材制備：

將分析純的Al(OH)₃粉和分析純ZnO粉末以Al∶Zn＝1∶1at.％的原子比進行混合，放入球磨機球磨12～24小時，使原料充分混合均勻，取出后在干燥箱里80～100℃干燥，然后進行摻膠，用粉末壓片機壓制成生坯，直徑為50mm，最后放入硅碳棒高溫爐中進行煅燒，先500℃預燒1.5～2.5小時進行排膠，然后1300℃燒結3.5～4.5小時，制得摻Al的ZnO陶瓷靶材；

純ZnO陶瓷靶材制備：將分析純的ZnO粉末在干燥箱里80～100℃干燥，然后進行摻膠，用粉末壓片機壓制成生坯(直徑為50mm)。最后放入硅碳棒高溫爐中進行煅燒(先500℃預燒1.5～2.5小時進行排膠，然后1300℃燒結3.5～4.5小時)，得到純ZnO陶瓷靶材；

摻Al或純ZnO薄膜的制備：

1)用氨水、雙氧水和去離子混合液煮沸襯底Si；混合液體積比為氨水∶雙氧水∶去離子水＝1∶2∶5，煮沸時間為20-40min，接著用去離子水沖洗干凈；

2)然后，依次用分析純的甲苯、丙酮和乙醇超聲清洗襯底Si；時間各為10～20min，清洗后的襯底用濃度為3％的HF酸浸泡4-6min，然后用高純氮氣將襯底Si表面的HF酸吹干；

3)將摻Al的ZnO陶瓷靶材或純ZnO陶瓷靶材與處理后的襯底Si送入射頻磁控濺射儀，對射頻磁控濺射儀抽真空，背底真空為6×10^-3Pa，充入Ar和O₂，其體積比為4∶1，工作氣壓為1.0Pa，靶基距為40mm，濺射功率為50W，襯底溫度為400℃，濺射時間60min，開始濺射鍍膜，然后，在600℃的真空環境下原位退火60min，得到摻Al的ZnO薄膜或純ZnO薄膜。

場發射性能測試：

將制得的摻Al的ZnO薄膜或純ZnO薄膜切割成0.5cm²見方作為陰極，ITO玻璃作為陽極，用玻璃絲將陰極與陽極隔離，間隔約為100微米，再用透明膠帶固定，最后將其送入真空測試系統，用KEITHLEY?2410進行測試。測試時真空度為5×10^-7Pa，當場發射電流密度為10^-6A/cm²時，陽極ITO玻璃和制得的薄膜之間所加的最低電壓定義為開啟電壓，對應的電場為開啟電場。