场发射阵列薄膜设计及技术研究

论文摘要

场发射阵列可以广泛应用于平板显示、微波器件、场发射传感器等领域。其中作为微波器件的电子源尤为突出。由于目前理论还需进一步发展和工艺技术的限制,制备高性能的场发射阴极阵列存在一定的难度。随着大模集成电路技术的发展和工艺的成熟,开发出高性能的场发射器件已经具有一定可行性的。本文在总结前人工作的基础上,制定了一套符合实际实验条件的研究场发射阵列方案,进行了大量的理论、数值模拟和实验研究,所做工作和取得的成果如下:薄膜结构的场发射设计（包括理论计算、结构模拟、材料选取及工艺制备）对实际器件的应用具有重要意义。本文以六硼化镧材料为选取对象,进行了以下几个方面的研究:1.引入了表面能级理论,通过微扰理论求解周期势终止于表面的波动方程,得到表面态解的具体形式;将求解出的材料表面能带代入薛定谔方程中,通过WKB法计算出场发射条件下电子透射几率的近似表达式。通过对具体材料的表面能级和电子透射几率的计算,得出了理想情况下薄膜场发射随表面态变化的规律。初步实现了对理想F-N公式描述的情形补充,同时从理论上研究了薄膜材料的微观场发射机理。2.对于电子发射材料,其能带结构及电子的性质,表面和界面的性质以及电子的行为对场发射特性都是十分重要的问题。通过研究对硼化镧立方结构材料晶体能带结构计算结果表明,材料具备金属特性,而且费米能级以下的能带可以为提供场发射时足够的发射电子。3.通过建立多级管阵列简化模型,考虑电子的空间电荷效应,采用有限数值差分对微孔径场发射阵列进行了模拟,得出了与实际相符合的数值模拟和优化结构,为后期试验提供了设计依据。4.采用半导体集成工艺技术,对硅片进行加工,成功的制备出大面积的场发射阵列。与此同时,通过对阵列尖端沉积六硼化镧薄膜,改善场发射二极管的发射性能,并详细分析了影响薄膜发射的原因。测试结果表明,沉积六硼化镧薄膜后的二极管发射性能与纯硅尖相比具有明显增强。因此,本文以六硼化镧为薄膜材料,成功制备了大面积场发射二极管阵列,并进行分析测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 场发射的发展历史
• 1.2 场发射应用现状
• 1.2.1 场发射平板显示
• 1.2.2 微波器件
• 1.2.3 场发射传感器
• 1.3 场发射研究的意义
• 1.3.1 场致发射的优越性
• 1.3.2 场致发射研究的目的与意义
• 1.4 论文的选题及主要工作
• 第二章 引入表面态的场发射理论
• 2.1 场发射的基本理论
• 2.1.1 外场对逸出功的影响----肖特基效应
• 2.1.2 场发射方程----福勒-诺德海姆公式
• 2.2 表面态的基本理论
• 2.2.1 晶体电子结构和Bloch波函数
• 2.2.2 Tamm对表面电子结构的证明
• 2.2.3 一维半无限晶体的表面态
• 2.2.4 理想量子膜的电子态
• 2.3 场发射薄膜材料中的表面态理论
• 2.4 引入表面态场发射分析与讨论
• 第三章 场发射薄膜材料能带计算
• 3.1 材料计算的基本理论
• 3.2 六硼化镧能带结构的计算
• 3.3 相关硼化镧能带电子结构计算
• 第四章 场发射数值模拟
• 4.1 数值计算的基本理论
• 4.1.1 基本计算方程
• 4.1.2 计算模型及边界条件
• 4.1.3 有限差分算法
• 4.2 场发射计算的基本过程
• 4.3 场发射三级管结构模拟
• 4.3.1 物理模型
• 4.3.2 数值模拟结果及分析
• 4.3.3 结论
• 4.4 四种多级场发射结构模拟
• 4.4.1 四种结构模型的建立与计算
• 4.4.2 四种结构模型的计算结果与讨论
• 第五章 场发射阵列的制备及性能分析
• 5.1 氧化削尖场发射阵列的制备
• 5.1.1 氧化削尖制备场发射阵列
• 5.1.2 敷膜氧化削尖制备场发射阵列及测试
• 5.2 大面积发射阵列的制备及测试
• 5.3 在大面积场发射阵列上沉积硼化镧薄膜
• 5.4 薄膜场发射阵列的测试及分析
• 第六章 场发射总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果