[發明專利]具有電子發射增強的混合相氮化物薄膜場發射陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201110193383.5
• 申請日: 2011-07-12
• 公開（公告）號: CN102280331A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發明（設計）人: 王如志;宋志偉;趙維;嚴輝;王波;張銘;宋雪梅;朱滿康;侯育冬;劉晶冰;汪浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01J1/308
• 分類號: H01J1/308;H01J29/04;H01J9/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于場發射陰極技術領域，特別涉及一種包含具有亞穩態混合相的半導體納米薄膜，應用于高分辨率場發射顯示器、微波放大器、電子束誘導光源等，尤其適用于場發射平板顯示器的陰極。

背景技術

場發射顯示器的核心部件就是場發射冷陰極。場發射陰極是真空微電子器件的核心技術，同時也是真空微電子學的主要研究對象。做為場發射技術最有潛力的應用之一，場發射平板顯示器(FED)成為了目前各國競相開發研制的項目。據DisplaySearch公司的市場報告，2010年全球平板顯示器領域的營收就達到了1100億美元，占據顯示器市場總份額的94％。場發射平板顯示器(FED)兼有普通陰極射線管顯示器(CRT)的高畫質及LCD的超薄與低功耗，且在發光效率、亮度、視角、抗苛刻環境及數字化控制上具有十分明顯的優勢，被認為是最具發展潛力與發展前景的下一代平板顯示器。FED作為一種主動發光式的平板型真空顯示器，是目前唯一能夠保持傳統CRT高畫質的新型平板顯示技術。從性能和原理上來看，由于發光與顯示機制基本相同，FED既保留CRT優異的顯示性能，又順應顯示向著平板化方向發展的趨勢。從產業基礎和更新換代需求來看，由于FED制造過程所用的材料、工藝技術、儀器設備和廠房設施與CRT基本相同，完善的CRT產業將為FED的發展提供一個完善的產業化平臺。因此，研制具有自主產權的FED對中國有著十分重要的戰略意義和現實意義。而場發射陰極作為FED的最核心部件，場發射陰極材料或性能不夠或成本高昂，已成為了FED的發展瓶頸。為解決場發射冷陰極材料問題，1990年以來，人們開始嘗試采用一些具有負電子親和勢的寬帶隙半導體薄膜做為場發射陰極。由于技術上還未完全成熟，至今FED還未能成功商業化。

對場發射冷陰極的要求無外乎性能和經濟兩方面。從性能方面要求閾值電壓低，易于開啟，飽和電流密度大，結構穩定壽命高；從經濟層面要求生產工藝簡單，易于大規模生產，材料豐富價格便宜。圍繞這兩個基本點，一種閾值電場低、電子發射穩定、使用壽命長、工藝簡單、成本低廉的場發射陰極是以FED為代表的真空微電子器件商業化的關鍵?，F階段我們的場發射陰極分為三類：微尖陣列型場發射陰極、一維納米材料場發射陰極和半導體薄膜型場發射陰極。由于前兩者制備工藝復雜、結構難度大、成本高、壽命等問題難以解決所以一直沒有實現工業化，而半導體薄膜場發射陰極材料可以克服以上缺點，其工藝簡單，成本低廉，發射穩定，但閾值電場高，場發射性能很不理想。所以我們目前就是想提高其場發射性能以達到實現工業化的要求和條件。為了提高材料場發射性能，人們通常采用兩種方式：一是通過材料形貌調整實現幾何結構場增強提高其場發射性能，如以納米碳管為代表的諸多一維納米材料；二是通過選擇合適材料或表面改性實現低表面真空勢壘獲得良好場發射性能，如以金剛石薄膜為代表的一些寬帶隙半導體薄膜。然而，雖然和傳統薄膜型陰極相比通過這兩種方法有效地增強了電子發射性能，但是該陰極結構仍需要進一步增強才能達到器件應用需要的場發射性能。

因此目前的場發射陰極普遍存在或閾值電場高、電流密度低，或發射不均勻、結構不穩定，使用壽命短或工藝復雜、制作成本高等缺陷，嚴重制約著以FED為代表的真空微電子器件商業化。

發明內容

本發明的目的在于克服現有場發射陰極發射穩定性差、開啟電場高、發射電流密度低、制備工藝復雜、生產成本高等難以避免的缺陷，提供一種包含纖鋅礦六方相和閃鋅礦立方相的混合相納米薄膜結構的、具有低閾值電場、高發射電流密度并兼具工藝簡單、使用壽命長的適用于真空微電子器件的場發射陰極及其制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案解決的：

具有電子發射增強的混合相氮化物薄膜場發射陰極材料，其特征是：該場發射陰極材料為GaN和AlN兩種寬帶隙氮化物半導體的混合物，并且該薄膜應同時具有六方纖鋅礦和立方閃鋅礦兩種晶體結構；該場發射陰極材料的組分為：Al_xGa_1-xN(0＜x≤0.95)；該場發射陰極材料的厚度為40-500nm。

上述具有電子發射增強的混合相氮化物薄膜場發射陰極材料，其特征在于，包括以下步驟：

1)選擇n型摻雜單晶硅或金屬為基底材料；若采用n型摻雜單晶硅為基底材料，在制備薄膜陰極之前還需要用HF酸浸泡，再用去離子水清洗，最后干燥襯底表面；

2)靶材為均勻混合的AlN和GaN(純度＞98％)的粉末，其中GaN的摩爾比大于5％，經燒結成靶；