本发明专利技术涉及一种电子发射阴极结构的制备，适用于平面显示器件或电子源阴极材阴极。本发明专利技术步骤：选定金属或ｎ掺杂半导体，作为电子供给层；选择多层膜构成组分，选择原则为：组分材料的电子亲和势应存在差异；设计多层膜，层数至少两层，且相邻膜层为不同组分，除基底外的多层膜总厚度为６～２０ｎｍ，而每层厚度大于１ｎｍ，小于或等于１０ｎｍ；确定每层膜层厚度：多层膜总厚度不变，每层膜厚度为１～１０ｎｍ情况下，改变其膜厚度，得到多种不同厚度比例的多层膜结构；计算上述不同的多层膜结构的场发射电流，选取最大的多层膜结构确定每层膜的实际厚度；按确定每层膜实际厚度在基底上沉积一组多层膜结构。本发明专利技术无需开发新材料或完善材料本身特性即可提高场发射特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电子发射阴极结构的制作及设计，适用于平面显示器件或电子源阴极材阴极。
技术介绍
场发射在真空微电子器件中有着十分广泛而重要的应用，如场发射平板显示器、大功率电子发射源等，因此，场发射材料已成为微电子材料研究中的一个热点领域。以前场发射阴极结构制作与设计中，往往着眼于开发新材料或者完善材料本身特性来提高其场发射特性，例如采用纳米管、线等新型材料，或者对场发射表面进行处理，降低电子亲和势等。但采用一些新材料，虽然极大的提高场发射性能，但是依然存在着诸多缺陷，例如，采用纳米碳管作为场发射材料，虽然能获得大的发射电流密度，低的阈值电压，但经常可能因为局部温度过高，熔断某些纳米碳管，导致整个场发射系统崩溃。同样，对于采用几何场增强获得大发射电流的尖端场发射材料也往往会遇到同样的问题。通过采用一些特殊结构的半导体薄膜作为电子发射阴极，最近研究人员成功地实现了场发射特性的极大提高。这意味着，可通过薄膜结构参数(薄膜组分、组分厚度、薄膜内场、发射表面形状，薄膜界面，层间耦合等)的调整来实现场发射性能的提高，也为场发射器件的应用提供一种全新的思路。其一，在不改变材料成分基础上，通过薄膜结构调整可以实现场发射电流成数量级增大，这比单纯从发现新材料或者通过表面处理完善材料场发射性能效果更明显，且更简单易行，将很容易达到器件应用所需的电流密度及与阈值电压。其二，一般而言，薄膜场发射结构将有利于避免局部场发射区域因为温度过高而烧毁，保证了稳定的场发射电流，可以极大地提高了场发射器件的寿命；其三、已有的实验研究报道的能大大改善其场发射性能的特殊薄膜结构，其厚度大都是小纳米尺度，属于超薄膜场发射的研究范畴。
技术实现思路
本专利技术技术思路是，按照组分材料的电子亲和势应存在差异选定材料组分，确定膜层数、总厚度，每层厚度(即在基本工艺流程参数保持不变的情况，结合理论结构设计，仅需改变每层薄膜的沉积时间，从而调控多层薄膜的厚度比例)，实现应用水平的大发射电流场发射阴极。本专利技术提供了一种，其特征在于，包括以下步骤1)选定基底材料金属或者n掺杂半导体，作为电子供给层；2)根据半导体或绝缘体数据手册，选择相应几种薄膜基材作为多层超薄膜构成组分，选择原则为考虑能带结构的搭配有利于构造量子势阱及势垒结构，即选择组分材料的电子亲和势应存在差异；3)设计上述多层超薄膜，其层数至少两层，且相邻膜层应为不同组分，除基底外的多层薄膜总厚度为6～20nm，而每层薄膜的厚度应大于或等于1nm，小于或等于10nm；4)用如下方法确定每层膜层厚度若多层超薄膜总厚度为d，层数为n，则初始结构为每层厚度为d/n；在保证多层膜总厚度不变，每层膜厚度为1～10nm情况下，在初始结构为每层厚度为d/n的基础上改变其薄膜厚度，其它膜层厚度同时相应改变，根据组合可得到多种不同厚度比例的多层超薄膜结构；根据数据手册，确定能带结构，按现有技术计算不同厚度比例的多层超薄膜结构阴极的场发射电流，选取场发射电流最大的多层超薄膜结构，即可确定每层膜的实际厚度；5)采用薄膜沉积系统制作多层膜结构，按照上述步骤4)确定的每层膜的实际厚度在基底上沉积一组多层超薄膜结构得到本专利技术的产品。上述步骤1)中，基底金属可采用Cu或者Al，基底n掺杂半导体可采用n-Si或n-GaN。上述步骤2)中，可采用如下搭配方式构成确定组分多层膜；金刚石与SiC；Si与金刚石；Si与SiO2；GaN与GaxAlxN；Si与c-BN；AlN、GaN与GaxAlxN；Si、SiC与BN；AlAs、GaN与GaAs；上述步骤3)中，若选定两种薄膜组分，优选层数为两层或者四层；若三种组分，优选层数为三层或者六层薄膜。与已有技术相比，本专利技术提高场发射性能，不需要开发新阴极材料或者对材料进行复杂的工艺改性，只需在多层膜制备过程调整各层薄膜的厚度比例，则可能使得场发射电流数量级增大，且阈值电压也得到降低，获得应用水平的场发射阴极结构，工艺简单可靠，成本低廉。根据统计分布规律，选定其它两种厚度比例，制备另外二组多层超薄膜材料进行误差分析与对比。样品场发射电流增加50-200倍以上，阈值电压相应也得到了降低。另外，若多层薄膜各层选择适当，将可能获得具有十分优异性能的场发射阴极结构。附图说明图1场发射阴极结构能带构造示例26nm厚度的Ga0.5Al0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比320nm厚度的Ga0.5Al0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比410nm厚度的SiC/c-BN薄膜结构阴极场发射电流对比512nm厚度的AlN/Ga0.5Al0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比615nm厚度的Si/SiO2/Si/SiO2薄膜结构阴极场发射电流对比716nm厚度的AlN/Ga0.5Al0.5N/GaN/AlN/Ga0.5Al0.5N/GaN薄膜结构阴极场发射电流对比图具体实施方式以下就实施例来进一步介绍本专利技术。实施例一在n掺杂的GaN基底上，对于总厚度为6nm，组分由Ga0.5Al0.5N及GaN构成两层超薄膜，由理论设计，预测沉积2nm的Ga0.5Al0.5N与4nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性(附图1)；于是实验上，在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积2nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积4nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。1.1在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积3nm的GaN，作为对比一样品；1.2在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积1.5nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积4.5nm的GaN，作为对比二样品；见附图2，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加100倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为156mA/cm-2，阈值场强为1.1V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果。实施例二在n掺杂的GaN基底上，对于总厚度为20nm，组分由Ga0.5Al0.5N及GaN构成两层超薄膜，由理论设计，预测沉积7.2nm的Ga0.5Al0.5N与13.8nm的GaN构成的多层超薄膜可能具有最优的场发射特性；在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积7.2nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积13.8nm的GaN，作为多层超薄膜结构增强场发射阴极样品。2.1在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积3nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积17nm的GaN，作为对比一样品；2.2在n掺杂的GaN上，使用薄膜沉积系统，首先沉积15nm的Ga0.5Al0.5N，然后再沉积5nm的GaN，作为对比二样品；见附图3，比较三组多层薄膜结构场发射电流，相对于对比样品，样品场发射电流增加100倍以上，阈值电压相应也得到了降低。对样品进行场发射特性测试，稳定的场发射电流密度为12mA/cm-2，阈值场强为2.8V/μm，可应用于场发射实际器件，说明结构场发射增强设计取得了良好的实际效果；实施例三在金属基底Cu上，对于总厚度为10nm，组分由Si及c-BN构成两层超薄膜，由理论设计，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多层超薄膜结构增强场发射阴极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：１）选定基底材料：金属或者ｎ掺杂半导体，作为电子供给层；２）根据半导体或绝缘体数据手册，选择相应几种薄膜基材作为多层超薄膜构成组分，选择原则为：考虑能带结构 的搭配有利于构造量子势阱及势垒结构，即选择组分材料的电子亲和势应存在差异；３）设计上述多层超薄膜，其层数至少两层，且相邻膜层应为不同组分，除基底外的多层薄膜总厚度为６～２０ｎｍ，而每层薄膜的厚度应大于或等于１ｎｍ，小于或等于１０ｎｍ ；４）用如下方法确定每层膜层厚度：若多层超薄膜总厚度为ｄ，层数为ｎ，则初始结构为每层厚度为ｄ／ｎ；在保证多层膜总厚度不变，每层膜厚度为１～１０ｎｍ情况下，在初始结构为每层厚度为ｄ／ｎ的基础上改变其薄膜厚度，其它膜层厚度同时相应改变， 根据组合可得到多种不同厚度比例的多层超薄膜结构；根据数据手册，确定能带结构，按现有技术计算不同厚度比例的多层超薄膜结构阴极的场发射电流，选取场发射电流最大的多层超薄膜结构，即可确定每层膜的实际厚度；５）采用薄膜沉积系统制作多层膜结构 ，按照上述步骤４）确定的每层膜的实际厚度在基底上沉积一组多层超薄膜结构得到本专利技术的产品。...
【技术特征摘要】
1.一种多层超薄膜结构增强场发射阴极制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)选定基底材料金属或者n掺杂半导体，作为电子供给层；2)根据半导体或绝缘体数据手册，选择相应几种薄膜基材作为多层超薄膜构成组分，选择原则为考虑能带结构的搭配有利于构造量子势阱及势垒结构，即选择组分材料的电子亲和势应存在差异；3)设计上述多层超薄膜，其层数至少两层，且相邻膜层应为不同组分，除基底外的多层薄膜总厚度为6～20nm，而每层薄膜的厚度应大于或等于1nm，小于或等于10nm；4)用如下方法确定每层膜层厚度若多层超薄膜总厚度为d，层数为n，则初始结构为每层厚度为d/n；在保证多层膜总厚度不变，每层膜厚度为1～10nm情况下，在初始结构为每层厚度为d/n的基础上改变其薄膜厚度，其它膜层厚度同时相应改变，根据组合可得到多种不同厚度比例的多层超薄膜结构；根据数据手册，确定能带结构，按现有技术计算不同厚度比例的多层超薄膜结构阴极的场发射电...
【专利技术属性】
技术研发人员：王如志，严辉，王波，朱满康，侯育东，宋雪梅，汪浩，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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