六硼化镧场发射特性研究

论文摘要

以场致发射理论为基础的真空微电子器件（VMDs），因其具有体积小、功耗低、电压低、速度快、抗辐射及工作温度范围宽等显著的特点而倍受人们的关注。场发射阴极是真空微电子器件的核心，其性能的好坏直接决定着场发射器件的总体性能。近年来，场发射冷阴极技术得到了快速发展，在场发射阵列阴极（FEAs）的结构、材料和制备工艺等方面的研究都有长足的进展。在各种冷阴极中，Spindt结构的场发射阴极结构是公认的最重要的场发射阴极结构。该结构的场发射阵列阴极是由一系列微尖锥构成，每个尖锥都有各自的栅极来控制尖锥的电子发射。Spindt结构的场发射阴极制备工艺成熟，是目前发射电流最大、性能最稳定的场发射阴极结构。钼尖锥Spindt结构的场发射阵列阴极已经在功率真空微电子器件如行波管中得到实验应用。根据场发射理论，FEA的尖锥最好采用低逸出功材料制作，另外，尖锥材料还应具有导热率高、导电能力强、熔点高和化学性质稳定等特点。然而，目前Spindt结构的场发射阴极通常采用钼或硅材料制作发射体尖锥，这些材料的逸出功偏高（硅：4．14eV，钼：4．4eV），抗离子轰击溅射的能力较差，而且化学性质不够稳定。与硅和钼相比，六硼化镧（LaB6）材料的逸出功低（2．3～2．8 eV），具有良好的热稳定性和化学稳定性、较高的导电率、高熔点、以及抗离子轰击溅射能力强等优点，是制备场发射阵列阴极发射体尖锥的理想材料。本文详细介绍了用LaB6材料制作Spindt结构场发射阵列阴极的研究工作，重点研究了LaB6材料的场发射性能、电子束蒸发技术、阵列的制作技术，以及发射尖锥的制备工艺。首先通过数值计算的方法，计算了场发射阴极结构对LaB6场发射电流以及发射的电子束发散程度的影响，确定了合适的场发射阴极结构参数，为后续工作的开展奠定了理论依据。研究了单晶LaB6单尖锥的场发射性能，揭示了LaB6材料在场发射应用情况下的逸出功的变化情况。测试结果表明，LaB6的逸出功在不同的真空条件下保持不变，气体分子的吸附和脱附是造成发射电流变化和波动的根本原因；让尖锥在低真空下短时间工作几分钟，使能量低于1keV的离子流轰击LaB6场发射阴极尖锥能够起到清洁阴极的作用，提高其发射电流能力，起到激活阴极的作用。LaB6独特的晶体结构使其具有高熔点、高化学稳定性和抗离子溅射能力，同时也造成了LaB6材料蒸发困难。LaB6材料蒸发时以La、B原子形式蒸发的特点使得在薄膜沉积过程中薄膜极易被氧化。本文自制了电子束蒸发电子枪，利用蒸气流吸收真空室内有害的残余气体，实现了较高纯度LaB6薄膜的快速沉积，通过对薄膜的逸出功测量，证明了LaB6薄膜的逸出功与块状材料基本相同。研究了使用硅的掩蔽氧化技术（LOCOS）制备场发射阴极栅极孔腔阵列的工艺条件，制作出了不同深度的孔腔阵列，并对其存在的问题进行了初步分析；牺牲层工艺是LaB6场发射阴极制备过程中特别需要关注的关键工艺之一，由于LaB6材料的逸出功远低于硅材料的逸出功，二者接触后产生的接触电势差造成LaB6尖锥在去除牺牲层的过程中被电化学腐蚀。本文研究了铝、NaCl、以及氧化锌等不同的牺牲层材料，用氧化锌制作牺牲层可以有效地解决LaB6尖锥的电化学腐蚀问题。成功地制作出了点阵面积1mm2、点阵数量25000个的LaB6场发射阵列阴极。测试结果显示阴极的发射特性符合FN场发射理论，发射电流达到0．6A／cm2，单尖锥平均发射电流0．24μA／tip，比文献报道的发射电流高约3个数量级。若进一步提高阵列的密度，发射电流密度可以达到1A／cm2以上，满足中小功率冷阴极真空功率电子器件的使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 场致发射技术的发展历史
• 1.2 场发射阵列的技术进展
• 1.2.1 门控金属、半导体阵列场发射体
• 1.2.2 金刚石、碳膜与其它宽禁带场发射阵列
• 1.2.3 铁电体场发射阵列
• 1.2.4 长纤维场发射阵列
• 1.3 场发射阵列阴极应用
• 1.3.1 场发射平板显示
• 1.3.2 在微波管中的应用
• 1.3.3 场发射传感器
• 1.4 六硼化镧场发射阵列阴极研究的目的和意义
• 1.5 课题的研究内容
• 第二章 场致发射阵列阴极的模拟计算
• 2.1 场发射机理
• 2.1.1 金属场致发射理论
• 2.1.2 FN公式的适用性
• 2.1.3 半导体场致发射
• 2.1.4 内场致发射
• 2.1.5 空间电荷效应
• 2.2 数值模拟计算的理论依据
• 2.2.1 基本计算方程
• 2.2.2 数学模型及边界条件
• 2.2.3 二维拉普拉斯方程的离散化
• 2.2.4 差分方程组的求解
• 6场发射三级管模拟计算结果'>2.3 LaB₆场发射三级管模拟计算结果
• 2.3.1 计算模型
• 2.3.2 数值模拟结果分析
• 2.4 场发射电子束的聚焦
• 第三章 六硼化镧材料特性与场发射应用
• 3.1 六硼化镧的材料特性
• 3.1.1 硼化物的性质与特点
• 3.1.2 六硼化镧材料的物理化学特性
• 3.2 六硼化镧材料在场发射中的应用
• 第四章 单晶六硼化镧单尖锥的场发射性能研究
• 6单晶场发射阴极的制备'>4.1 单尖锥LaB₆单晶场发射阴极的制备
• 6单晶场发射阴极的测试结果与分析'>4.2 单尖锥LaB₆单晶场发射阴极的测试结果与分析
• 6单晶场发射阴极的激活处理'>4.3 单尖锥LaB₆单晶场发射阴极的激活处理
• 6单晶场发射阴极的稳定度'>4.4 单尖锥LaB₆单晶场发射阴极的稳定度
• 6场发射尖锥阵列'>4.5 电化学腐蚀方法制备单晶LaB₆场发射尖锥阵列
• 第五章 六硼化镧薄膜的电子束蒸发沉积及逸出功的测量
• 5.1 电子束蒸发沉积装置
• 5.2 薄膜的结构与成份分析
• 6薄膜的逸出功测量'>5.3 LaB₆薄膜的逸出功测量
• 5.3.1 热发射逸出功的测量
• 5.3.2 场发射逸出功的测量
• 5.4 蒸发电子枪的改进
• 第六章 六硼化镧场发射阵列阴极制作
• 6.1 场发射阵列阴极制备工艺原理
• 6.1.1 硅片的选择与清洗
• 6.1.2 氧化工艺
• 6.1.3 光刻工艺
• 6.1.4 刻蚀工艺
• 6.2 微尖阵列场发射阴极制备工艺概述
• 6.2.1 Spindt型微尖阵列场发射阴极制备工艺概述
• 6.2.2 Spindt型场发射阴极栅极孔腔阵列制备
• 6.2.3 LOCOS场发射阵列的制备工艺过程
• 6.3 孔腔刻蚀工艺
• 6尖锥阵列的电子束蒸发制备'>6.4 LaB₆尖锥阵列的电子束蒸发制备
• 6.4.1 尖锥的成形
• 6.4.2 牺牲层材料研究
• 6.5 Spindt结构场发射阴极尖锥高度的调节
• 6场发射阵列阴极测试'>第七章 LaB₆场发射阵列阴极测试
• 7.1 测量三极管结构制作
• 7.2 测量电路原理
• 7.3 测量结果与分析
• 6场发射阴极的发射特性'>7.3.1 LaB₆场发射阴极的发射特性
• 6场发射阴极的发射稳定性'>7.3.2 LaB₆场发射阴极的发射稳定性
• 7.4 LOCOS场发射阴极的短路原因分析
• 第八章 结论
• 8.1 本论文的总结
• 8.2 下一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果