三极管场发射阵列的设计与制作

论文摘要

以场致发射理论为基础的真空微电子器件,因其具有功耗低、电流密度大、频率高等诸多优点而倍受人们关注。场发射阴极作为真空微电子器件最核心的部分,其性能的好坏直接决定了场发射器件的总体性能。近年来,通过众多研究者的不懈努力,场发射阴极阵列的结构、阴极材料和制备工艺等方面都有长足的进步。在场发射阴极阵列中,应用最为广泛的是场发射三极管阵列。现阶段比较成熟的有SRI实验室Spindt制作的钼尖锥场发射阵列和采用氧化削尖工艺的硅尖锥场发射阵列,这两种场发射阵列阴极的制备方法各有特点但不尽相同。他们的共同点是都采用硅作为基底材料,工艺相对简单且与大规模集成电路工艺兼容,可以大规模生产。本文在修改常规Spindt型阴极制备工艺的基础上制作出低电压操控且具有亚微米栅极孔径的场发射阵列,新工艺中最重要的一点是采用硅的局部氧化工艺制备栅极绝缘层,利用硅的侧向氧化使栅极孔径降低到亚微米量级,并通过固定角度蒸发工艺制备铝牺牲层,电子束垂直蒸发金属钼形成尖锥阴极,成功的制备出了钼尖锥三极管场发射阴极阵列。论文主要围绕空腔刻蚀工艺和尖锥沉积工艺两部分进行了重点研究。分别对不同刻蚀参数的空腔进行金属尖锥的沉积,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了尖锥形貌,并对栅极孔径、尖锥高度和尖端的曲率半径做了测量。得到了锥尖曲率半径为20nm的尖锥阵列,并模拟计算了上述参数对场发射性能的影响。为改善场发射性能,采用电子束蒸发法在制作完成的钼尖锥三极管阵列上沉积六硼化镧薄膜,形成复合型场发射尖锥阵列。设计制作了场发射测试装置,分别对钼尖锥阵列和复合六硼化镧薄膜的钼尖锥阴极阵列的场发射特性进行了测试,最后对实验现象和数据进行了详细的分析和讨论,指出了存在的问题,并提出了改进方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 场发射技术的发展历史与现状
• 1.3 场发射阴极阵列的分类
• 1.4 场致发射特点及应用
• 1.5 本课题研究的内容
• 第二章 场发射理论
• 2.1 场致发射原理
• 2.2 场发射理论的精确性
• 2.3 微尖发射体参数与场发射的关系
• 第三章 尖锥型场发射三极管阵列的制备工艺比较
• 3.1 SPINDT 型金属微尖阵列制备工艺
• 3.2 硅微尖锥阵列制作工艺
• 3.3 鸟嘴栅孔型金属微尖场发射阵列工艺
• 3.4 本章小结
• 第四章 三极管场发射阴极阵列制作
• 4.1 硅片的选择与清洗
• 4.2 光刻过程与图形化
• 4.3 氧化模型与参数控制
• 4.4 空腔的刻蚀参数研究
• 4.5 尖锥阵列的制作
• 4.6 六硼化镧薄膜的蒸发
• 第五章 结构优化与软件模拟
• 5.1 锥尖曲率半径对发射性能的影响
• 5.2 栅极电压对发射性能的影响
• 5.3 栅极孔径对发射性能的影响
• 5.4 两种三极管结构的模拟结果比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 阴极阵列的测试
• 6.1 测试装置的设计制作
• 6.2 测试结果及分析
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本论文的总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士研究生期间发表的论文