（凝聚态物理专业论文）半导体薄膜场发射机理研究.pdf

内容摘要 内容摘要 通过建立纳米半导体薄膜场发射模型，分别研究了c b n 半导体薄膜场发射 纳米增强效应及纳米a l ，g a 。n 复合膜的热场发射特性。研究结果表明：小纳米 晶粒半导体薄膜具有更为优异的场发射特性；在不考虑纳米几何场增强情况下， 半导体纳米场发射增强效应可能源于n e a 增强及带隙宽化后导致的强带弯曲； 纳米a l ；g a 。一。n 复合膜同样具有纳米场增强效应；纳米场增强效应大小也与场发 射体温度与合金成分指数密切相关。 选用c - b n 真空金属结构，系统地研究了半导体薄膜的场发射能量分布 ( f e e d ) 多峰特征。研究表明：f e e d 多峰特征主要出现在具有低电子亲和势的 宽带半导体薄膜中，只要所加电场足够高，多峰出现将是不可避免的。而且， 随着场强的增加，单峰的f e e d 将逐渐演变为两个蜂，甚至多个峰。研究也发现， f e e d 峰的强度、数目及位置与场强、亲和势及掺杂能级紧密相关。对于这种规 律，提出了一种共振隧穿场发射模型进行合理的解释。 发展自洽量子模型研究了多层结构半导体超薄膜的场发射特性。与以前两 步法解释超薄膜场发射机制相比，此模型对于场发射过程的理解更加明晰。研 究结果表明：结构上的微小调整，将可能导致场发射电流数量级的改变，这为 场发射应用研究提供了一种全新思路。结构调制对于场发射特性的极大改善可 能来源于两个方面：其一，结构调制导致势阱中能级移动，改变电子积累状态 影响场发射电子源状态；其二，势阱中电子积累影响有效表面势垒，导致电子 发射隧穿过程改变。 选用不同相结构b n 薄膜，实验地研究了相结构对场发射性能影响，发现高 立方相含量b n 薄膜具有更为优异的场发射性能。除了不同相结构b n 薄膜表面 形貌引起的场增强外，场发射增强更主要的原因可能在于不同相结构薄膜键合 方式不同而导致的电子积累及表面势垒差异，一般而言，s p 3 键合材料的场发射 性能可能要优于s p 2 键合方式。 关键词场发射，半导体薄膜，量子隧穿，机理，能带 复旦大学博士后出站报告 a b s t r a c t a ne l e c t r o n e m i s s i o nt h e o r e t i c a lm o d e li n t e g r a t i n gt h ec h a n g ei nt h eg r a i ns i z e o fn a n o c r y s t a i l i n eb a s e do nq u a n t u mt h e o r yw a se s t a b l i s h e d t h en a n o c r y s t a l l i n e c - b nf i l m sf i e l de n h a n c e m e n te f f e c ta n dn a n o c r y s t a l l i n ea l x g a l x nc o m p o s i t ef i l m s a r er e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee m i s s i o nc u r r e n tf r o m n a n o c r y s t a l l i n eg r a i nf i l m si sf a rl a r g e rt h a nt h a tf r o mr e g u l a rg r a i nf i l m so rb u l k t h ef i e l de m i s s i o ne n h a n c e m e n tm a yo r i g n a t ef r o mt h en e a s t r e n g t h e na n dt h e b a n db e n d i n gi n c r e a s e db e c a u s eo ft h ew i d e nb a n d g a pi nn a n o c r y s t a l l i n ef i l m s t h e n a n o c r y s t a l l i n ef i e l de m i s s i o ne n h a n c e m e n ti sa l s oc l o s er e l a t e dw i t ht h ec o m p o s i t e i n d e xa n de m i s s i o nt e m p e r a t u r ef o r a l x g a l x nf i l m s m u l t i p e a kc h a r a c t e r i s t i c so ff i e l de m i s s i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o n ( f e e d ) f r o m s e m i c o n d u c t o rf i l m sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y , i ti ss h o w nt h a tf o rw i d e b a n d g a ps e m i c o n d u c t o r sw i t hl o wo rn e g a t i v ee l e c t r o na f f i n i t y , t h ea p p e a r a n c eo f f e e dm u l t i p e a k si si n e v i t a b l ew h e nah j 睁e l e c t r i cf i e l di sa p p l i e d ，a n dt h ee x t r a p e a k sw i l lb e c o m ep r o n o u n c e dw h i l et h ep e a kp o s i t i o n ss h i f tt o w a r dt h el o w e r e n e r g ys i d ew i t hi n c r e a s i n gf i e l d w h i c ha g r e e sw e l lw i t he x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s i ti sa l s of o u n dt h a tt h en u m b e r s t r e n g t ha n dp o s i t i o no ff e e dp e a k sa r es t r o n g l y d e p e n d e n to nf a c t o r ss u c ha sf i e l di n t e n s i t y , e l e c t r o na f f i n i t ya n dd o p i n gl e v e l s r e s o n a n te l e c t r o nt u n n e l i n gi ss u g g e s t e da s a na p p r o p r i a t em o d e lt od e s c r i b et h e f e e dm u l t i p e a kc h a r a c t e r i s t i c so b s e r v e d as e l f - c o n s i s t e n tq u a n t u mm o d e li s d e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h es t r u c t u r a l e n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo ff i e l de m i s s i o n ( 固f r o mm u l t i l a y e rs e m i c o n d u c t o rf i l m s c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u st w o - s t e pf em e c h a n i s m ，t h es e l f - c o n s i s t e n tm o d e li s s t r a i g h t f o r w a r dt ou n d e r s t a n d i n gt h ew h o l et u n n e l i n gp r o c e s so ff ef r o mm u l t i l a y e r f i l m s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ef ec h a r a c t e r i s t i c sc a nb ei m p r o v e d r e m a r k a b l yb yo n l yal i t t l es t r u c t u r em o d u l a t i o n t h ed i s t i n c ts t r u c t u r ee f f e c to ft h e f ec h a r a c t e r i s t i c sm a ym a i n l yr e s u l tf r o mt w or e a s o n s o n ei st h ee n e r g yl e v e ls h i f t ； t h eo t h e ri st h ee f f e c t i v es u r f a c eb a r r i e rr e d u c t i o nd u et oa c c u m u l a t i o no fe l e c t r o n si n a b s t r a c t t h eo c c u p i e ds t a t e s t h ec a l c u l a t e db a n d s t r u c t u r ea l s oc o r r e c t ss o m ei m p r o p e r s u p p o s i t i o ni nt h ed u a l - b a r r i e rm o d e l f i e l de m i s s i o np r o p e r t i e sf r o md i f f e r e n tc u b i cp h a s ec o n t e n tb nf i l m sa l e s t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o wt h e r ea r eb e t t e rf i e l de m i s s i o np e r f o r m a n c ef r o mh i g hc u b i c p h a s eb nf i l m st h a nf r o ml o wc u b i cp h a s eb nf i l m s e x p e c tt h eg e o m e t r yf i e l d e n h a n c e m e n t ，t h ee n h a n c e m e n te f f e c to ff i e l de m i s s i o nf r o mb nf i l m sw i t hc u b i c p h a s ec o n t e n ti n c r e a s i n gi sm a i n l yr o o t e di nt h ea c c u m u l a t e de l e c t r o ne n h a n c i n ga n d t h es u r f a c ep o t e n t i a lb a r r i e rl o w i n g g e n e r a l l y , t h e r ei sb i g g e rf i e l de m i s s i o nc u r r e n t f r o ms p 3b o n d i n gt h a ns p 2b o n d i n g k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o n ；s e m i c o n d u c t o rf i l m s ；q u a n t u mt u n n e l i n g m e c h a n i s m ；e n e r g yb a n d 第1 章引言 ! u , l m , ! ! ! 曼皇曼曼量曼! 蔓! ! ! 曼! ! 鼍! 曼曼曼皇詈! 量曼皇皇鼍寡! 詈鼍量曼! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! 曼皇曼皇曼曼曼皇! 曼量曼皇曼蔓篁蔓! ! 曼曼曼曼篁 第1 章引言+ 1 1 场发射实质及研究现状 2 1 世纪是信息化技术高度发展的时代，而其中最重要的是图像与文字的处 理，因而显示技术占据越来越重要的地位。随着要求的不断提高，显示设备逐 渐趋向于超薄、超轻，且有丰富的色彩特性。目前市场上常用的阴极射线管 ( c r t ) 与液晶显示器( l c d ) 己不能充分满足信息显示的要求；近年来，场 发射平板显示( f e d ) 技术异军突起，吸引了人们的积极关注，并取得了很大 进展【l l 口但距离大规模的商业应用依然存在很大差距，其原因在于现有的场发 射材料在性能、制备及加工工艺上存在许多问题，尚未找到一种具有满意场电 子发射特性的材料。此外，场电子发射材料在其它真空微电子器件中也有很重 要的应用，如微波放大器等 2 】，近年来已成为微电子研究中的一个热点【3 _ 1 1 1 。 1 1 1 场发射实质 1 1 1 1 场发射 场发射 1 z , 1 3 】也叫场致电子发射，指高场作用下，电子隧穿材料表面势垒的 一种发射过程。一般而言，电子发射分为四种基本形式：( 1 ) 热电子发射：其能 量获得方式是通过升高物体温度，从而导致电子在物体内无序热运动的能量随 温度的增高而增大，其中部分电子能克服束缚而逸出物体表面，但对于金属要 得到可用电流，往往要超过1 0 0 0 k 温度，且效率极低。( 2 ) 光电子发射，亦称 外光电效应，它以光( 电磁) 辐射的形式给予电子能量，当电子吸收光辐射能 量足以克服表面势垒，将成为发射电子，从而导致光电子发射，发射的电子称 为光电子，并可形成光电流。但此种发射通常需要低波长激发光源，因而限制 了其应用发展。( 3 ) 次级电子发射：当具有足够动能的电子或离子轰击表面时， 会引起电子或离子从被轰击的物体表面发射出来，这种现象称为次级电子发射。 可分为反射型电子次级发射、透射型次级发射及次级离子发射三种类型，在光 电信增管中有重要应用。( 4 ) 场致电子发射：它是在物体表面上加很强的电场， 通过降低表面势垒高度与减小势垒宽度，从而大大有利于电子隧穿表面势垒， 其电子发射主要是一种隧穿过程，发射电流较大。与前三种发射形式不同的是： 复旦大学博士后出站报告 场发射主要通过使表面势垒变低与变窄，使得固体内部电子在能量不改变的情 况下隧穿表面势垒：而前三种发射形式主要是使内部电子获得足够大能量，从 而克服表面势垒的约束。 目前，场发射主要有以下几种形式：尖端场致电子发射、介质薄膜( 介质 涂层) 场致电子发射、半导体场致电子发射以及纳米碳管场发射等。尖端场致 电子发射一般采用金属如钨等作为阴极材料，其发射面积约为1 0 4 c m 2 ，稳定的 直流发射电流密度可达1 0 7 a c m 2 ，但发射总电流不大，并且受温度影响较大， 而且为了在金属场发射中实现不太高的电压下得到足够强的电场，金属尖端的 直径要求达到微米数量级或更细，因此，制作复杂，寿命也很低，大大限制了 它的实际应用。介质薄膜和半导体的场致电子发射一般是指在金属表面覆盖一 层半导体或电介质，利用内部强电场使电子从金属进入半导体涂层，因为半导 体逸出功一般较小，因此电子具有较低的发射阈值。近年来，随着对低逸出功 材料的需求，发射稳定、寿命长、发射电流又足够大的新型薄膜半导体场发射 材料的开发与研究成为人们关注的热点。 1 1 ，1 2 场发射实质 场发射过程实质是电子隧穿表面势垒的过程，电子能否隧穿表匠势垒，通 常由表面势垒高度与宽度决定。就金属而言，表面势垒高度与功函数密切相联， 而对半导体而言，其高度与电子亲和势密不可分。降低金属中的逸出功或在半 ， 。 导体中实现负电子亲和势一直是场发射材料研究的重要课题。 1 1 1 3 逸出功及金属场发射 所谓逸出功是指在平衡状态下，从金属内部取出电子所需要的最小能量， 与电子发射密切相关。对金属而言，尽管其内部电子具有很大的平均动能，有 从金属中逸出的趋势，但在常温下并不能逸出，这意味着表面势垒对于电子隧 穿是一个不可忽略的量，逸出功的存在约束了电子常温及低温状态下电子从表 面逸出。在选择优异的金属阴极材料时，低的逸出功将是一个非常重要的参量。 既然外加高场并不能增加固体内部电子的能量，那么，高场作用下电子从 表面发射的机理是什么呢? 就经典理论而言，若电子动能低于表面势垒，电子 是不可能越过势垒的，而必须从量子理论出发理解场致电子发射。量子理论认 第1 章引言 为，电子是种几率波，其动能实际是振动幅度的平均表现，无论遇到多高饷 势垒，总存在某些电子越过势垒的几率，也就是把电子看做一种波。碰到势垒 时，不管其高度如何，或反射或透射，损失必然存在。对于宽势垒，电子虽然 部分隧穿，但其指数级衰减透射将致使发射出表面的电子很少。然而当表面势 垒宽度减小到与电子波长相同数量级时，则可能发生共振隧穿，即所谓的隧道 效应，使电子最大量地隧穿表面势垒。这也是在外场增加时势垒变窄，场发射 电流指数级递增的根本原因之一。 1 1 ，1 4 负电子亲和势及半导体场发射 区别与金属，通常把半导体表面势垒称为电子亲和势【1 3 】。所谓负电子亲和 势( n e a ) ，就是指在导带底部的电子所具有的能量大于表面外的自由电子所具 有的能量，也就是半导体导带底能级高于真空能级。寻找n e a 半导体场发射材 料成为目前场发射研究的热点。1 9 6 5 年s c h e e r 和v a nl a a r 首次成功地报道了 g a a s ：c s 零电子亲和势光电阴极，预示着半导体领域全新n e a 光电阴极技术的 诞生；1 9 7 3 年，es k o h n 在硅上沉积金属尖锥，使硅的真空能级下降，实现 了负电子亲和势，更使冷阴极的发展进入个新阶段。 既然半导体存在n e a ，若半导体导带底具有大量自由电子，则电子逸出表 面势垒将非常容易。但通常具有n e a 的半导体同时具有非常大的禁带宽度，如 b n 及a l n 等，实际上，具有n e a 的半导体导带底没有自由电子。要理解半导 体场发射实质应该从场作用对其能带结构入手。与金属不同的是，外场对半导 体表面具有渗透作用，导致较大表面能带弯曲。另外掺杂或者其它外来原子形 成的表面态也可能由于导致半导体近表面能带弯曲，在此表面态起到一种表面 屏蔽作用，使外场不易渗入半导体内部。根据计算：表面态密度达到1 0 1 3 c m 2 时，可忽略外场对半导体内部的影响。但在实际场发射研究中，较之于外场能 带弯曲，表面态密度很，、，通常可忽略其对近表面能带弯曲的影响，只考虑外 场的作用。外场作用下能带弯曲与n e a 的存在是宽带隙半导体优异的场发射性 能出现不可或缺的两个重要方面【1 4 。 1 1 2 场发射材料国内外研究现状 早期场发射材料用金属做成尖端形状，工艺相对成熟，但由于阈值电压较 复旦大学博士后出站报告 高而面临被淘汰。用s p i n d t 法制作的金属场发射阵列( f e a ) 的发射特性较稳 定，成为一个可发展的方向，但其技术难度高，工艺复杂。于是人们把目光转 向宽带隙半导体薄膜材料，如金刚石、类金刚石、立方氮化硼( c b n ) 、氮 化铝( a 1 n ) 、碳化硅( s i c ) 等。近十年来，纳米场发射材料引起人们关注，其 中碳纳米管的场发射特性尤其突出 1 6 】，单根多壁碳纳米管的发射电流甚至达到 o 1 m a 量级，基于其原理的显示器件已经制出。国内在场发射研究方面影响较 大的有中山大学，西安交通大学，华东师范大学等，并取得很多优异成果n z1 8 1 。 场发射理论自1 9 2 8 年f o w l e r 和n o r d h e i m 建立起场发射的f n 模型 1 9 以 来一直发展不大，目前的场发射理论基本都是在f - n 模型基础上的局部改进。 近年来，针对纳米碳管场发射而提出的自洽密度泛函( d f f ) 理论开始应用于 场发射模型【2 0 】但不管是经典的f n 理论，还是正在发展的基于量子理论的自 洽密度泛函理论，不可避免都存在局限性：f n 模型不能很好的解决发射表面 势问题；自洽密度泛函理论对于电子整个发射过程缺乏全面的考虑。 1 2 场发射显示器( f e d ) 应用进展。 场发射材料的一个最重要的应用就是场发射平扳显示器。从表1 - 1 可知， f e d 具有阴极射线管显示器( c r 如的高图像质量，液晶显示器( l c d ) 的超薄型 以及等离子体平板显示器( p d p ) 的大面积等特性，在发光效率、亮度、视角、 功耗等综合性能方面与l c d 和p d p 相比更有明显优势，分辨率高、色再现性 好、对比度好、响应速度快，耐苛刻的高低温、抗振动冲击，电磁辐射微弱， - 生产成本较低，易于实现数字化显示，有望在2 1 世纪显示领域占据主要地位。 表l l 平板显示器性能比较。” 特性， l c d p d pf e d 视角( 。) * - 6 0+ - 8 0- + 8 0 亮度cdm 。2 0 04 0 0 6 0 0 响应时间ms 3 0 6 01 1 0 1 0 3 0 u8 对比度m o o ：11 0 0 ：11 0 0 ：1 发光效率lr a w 1 3 4 1 o1 5 2 0 功耗w 3 2 0 02 工作温度 0 + 5 02 0 + 5 5 4 5 + 8 5 平板厚度m m 8 7 5 1 0 01 0 第1 章引言 1 2 1 场发射显示器研究进展 1 9 8 5 年，第一个行列选址的单色f e d 问世：1 9 9 3 年，法国l e t 公司推出 第个6 英寸彩色f e d 样品；在1 9 9 6 年的信息显示学会( s i d ) 年会上，法国l e t i 的r o b e r t m e y e r 和美国斯坦福国际研究所( s r i ) 的c a s p i n d t 获得了该学会为在 平板显示器研究与开发方面作出杰出科学技术成果的科学家所设立的j a n r a j c h m a n 奖，说明f e d 研究的重要意义及取得的重大突破；而1 9 9 7 年日本佳 能公司展出了1 0 英寸全彩色f e d ：1 9 9 8 年，法国p i x t e c h 公司开始批量生产6 英寸f e d ；1 9 9 9 年，韩国s a m s u n g 公司研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器 样管；2 0 0 0 年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管；2 0 0 2 年， 曰立公司成功开发可提升纳米碳管电子枪耐热温度的技术，应用于与传统显像 管相同的面板批量生产方式，生产低耗电的f e d 显示器，目前该公司己成功试 产5 寸f e d ，今后3 _ 4 年内将把画面尺寸举推升至4 0 寸。由于其广阔的应用 前景，f e d 产业化过程也非常迅速。首先使f e d 产业化的为法国p i xt e c h 公司， 随后美国的德州仪器( ) 、雷声( r a y t h e o n ) 和日本的双叶( f u t a b a ) 先后加 入，摩托罗拉( m o t o r o l a ) 与菲力浦( v h i l i p s ) 也积极跟进；而在亚洲研究f e d 的 主要有韩国、日本和中国台湾；根据日本经济产业省的统计与预测，2 0 1 0 年大 型显示器市场规模可望达到9 0 0 0 2 兆7 0 0 0 亿日圆，而f e d 可望与p d p 一争 长短，竞逐市场主流。 目前，美、法等国已经把f e d 应用于军事领域，如野外热像仪、头部显示 器等。微米显示器技术公司研制出单色场发射显示器，并已装在热像仪中进行 野外评估，最近又研制出适于头部显示器应用的1 8 r a m 全彩色场发射显示器。 摩托罗拉公司和雷西昂公司牵头的一个联合研制组，致力于降低制造费用、改 进封装和提高功率效率，已研制出亮度足以供座舱使用的尺寸为l o x l o c m 2 、分 辨率为5 1 2 x 5 1 2 像素的单色场发射显示器以c o n d e s c e n t 技术公司为首的另一个 联合研制组则着重发展场发射显示器的低成本制造技术，已推出了2 3 英寸的样 机。法国p i x t e c h 公司与美国摩托罗拉公司、雷西昂公司、日本f u t a b a 公司合 作，也正在积极发展场发射显示器技术。这家公司的最新产品是f e 5 2 4 m 1 型 1 3 。2 c m 单色场发射显示器，厚度仅l l c m ，与上一代2 0 c m 的厚度相比大大踌低。 复旦大学博士后出站报告 1 2 j2f e d 发展动态 国内f e d 研究起步较晚，以前多倾向于f e d 材料制备及f e d 器件相关技 术的开发与研究，近几年开始侧重实际f e d 器件的制作并取得了可喜进展。 2 0 0 0 年7 月，西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引 导碳纳米管在导电的硅片衬底上有序、定向生长，进而研制出功能完备的场发 射像素管，纯度高，有序性好，场发射性能大大提高，在碳纳米管场发射显示 器( c n t - f e d ) 的实用化进程中做出贡献，其技术优势在于显像管体积小，重量 轻，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从4 5 到8 5 。c 都能正常工作，拥 有广阔的潜在的应用前景。 2 0 0 0 年1 2 月1 8 日福州大学举行的新闻发布会上展示了由本校研制成功的 2 0 英寸场致发射显示器( f e d ) ，这是当时世界上开发成功的屏幕尺寸最大的 f e d 显示器，具有工艺简单、成本低廉、投资少以及极低的x 射线等优势，可 望成为当前彩电阴极射线管( c r t ) 之后的新一代主流显示器。 2 0 0 2 年2 月，国家“8 6 3 ”计划新材料领域专家委员会在河南鉴定通过的“金 刚石一碳膜冷阴极场发射平板显示器”，为张兵临领导的研究小组在f e d 研究上 取得的较大突破。此平面型f e d 采用金刚石薄膜、碳膜作为发射体，摈弃了微 锥型f e d 因采用精细加工技术而不易制造大屏幕的弊端，工艺简单、成本降低、 便于产业化推广，与传统的显像相比，具备亮度高、色彩饱和度好、响应快、 视角宽等优点，并将能量转换效率从1 堤高到2 0 以上，大大节省了能源。 第1 章引言 参考文献 1kw e m e r u sd i s p l a yi n d u s t r yo nt h ee d g e i e e es p e c t r u m ( 1 9 9 5 ) - 3 2 ：6 2 6 9 2t u t s u m i v a c u u mm i c r o e l e c t r o n i c s w h a t sn e wa n de x c i t i n g k e y n o t ea d d r e s s i e e e t r a n s a c t i o n so i le l e c t r o nd e v i c e s 1 9 9 1 ，3 8 ：2 2 7 6 2 2 8 3 3 s e u n gh ek w o n ，s u n gh e ec h o ，j a es e e 1 o o ，a n dj o n gd u kl e e f a b r i c a t i o no ff u l l - c o l o r p h o s p h o rs c r e e nb ye l e c t r o p h o r e t i cd e p o s i t i o nf o rf i e l de m i s s i o nd i s p l a y 印p l i c a t i o n j o u r n a l o ft h ee l e c t r o c h e m i c a ls o c i e t y 2 0 0 0 ，1 4 7 ( 8 ) ：3 1 2 0 3 1 2 4 4 李德杰，王邦江，姚保纶金属场发射阵列的研究微细加工技术1 9 9 9 ，( 1 ) ：6 8 7 3 5 z h i m o v 、j = ，w o j a k ，gl ，c h o i ，w b ，g n o m e , j j h r e n ，j lw i d eh a n dg a pm a t e r i a l s f o rf i e l de m i s s i o nd e v i c e s j o u r n a lo fv a c u u ms c i e n c e t e c h n o l o g ya - v a c u u ms u r f a c e s a n df i l m s 1 9 9 7 ，1 5 ：1 7 3 3 1 7 3 8 6 李炜场发射平板显示器阳极荧光材料及器件的研究中国科学院博士学位论文( 上海 冶金研究所) 2 0 0 0 7 茅东升无氢非晶金刚石薄膜的制各及其电子场发射性能研究中国科学院博士学位 论文仙海冶金研究所) 2 0 0 0 8 陈建界面特性对非晶、纳米晶金刚石薄膜场致电子发射的影响中山大学博士学位论 文2 0 0 1 9 李会军氮化碳薄膜场致电子发射特性研究郑州大学硕士学位论文2 0 0 2 1 0 王如志族氮化物半导体薄膜场发射性能研究，北京工业大学博士学位论文2 0 0 3 1 1 n s x ua n ds e j a zh u q n o v e lc o l dc a t h o d em a t e r i a l sa n da p p l i c a t i o n s m a t e r i a l ss c i e n c e a n de n g i n e e r i n gr4 8 ( 2 0 6 5 ) 4 7 - 1 8 9 1 2 薛增泉，吴全德电子发射与电子能谱北京大学出版社1 9 9 3 1 3 刘元震，王仲春，董亚强电子发射与光电阴极北京理工大学出版社1 9 9 5 1 4 r z w a n g , b w a n g ，h w a n g , h z h o u ，a eh u a n g ，m kz h ua n dh y a h ，b a n d b e n d i n gm e c h a n i s mf o rf i e l de m i s s i o ni nw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r s a p p l p h ” l e t t 2 0 0 2 ，8 1 ( 1 5 ) ：2 7 8 2 2 7 8 4 1 5m ，n y o 咀c rw i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n dd e v i c e s i e e et r a n s a c t i o n so n e l e c t r o nd e v i c e s 1 9 9 6 ，4 3 ：1 6 3 3 1 6 3 6 1 6 x z h a n g ，gh c h e n ，z b l is z d e n ga n dn s x u ，q u a n t u m m e c h a n i c a l i n v e s t i g a t i o n o ff i e l d e m i s s i o nm e c h a n i s mo fa m i c r o m e t e r - l o n gs i n g l e - w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e p h y s r e v l e t l2 0 0 4 9 2 ( 1 0 ) ：1 0 6 8 0 3 1 7 n y - h u a n g ，j c s h e ，j a nc h e n ，s z d e n g ，n s x u ，h b i s h o p ，s e h u q ，l w a n g ，d y z h o n g ，e g w a n g ，a n dd m c h e n ，m e c h a n i s mr e s p o n s i b l e f o r i n i t i a t i n gc a r b o n 7 复旦大学博士后出站报告 n a n o t u b e v a c u u mb r e a k d o w n p h y s r e v l e t t 2 0 0 4 ，9 3 ( 7 ) ：0 7 5 5 0 1 1 4 1 8w a d e h e e r , 八c h a t e l a i na n dd u 2 a r t e ac a r b o nn a n o t u b ef i e l d e m i s s i o ne l e c t r o ns o u r c e s c i e n c e 1 9 9 5 ，2 7 0 ( 5 2 3 外：1 1 7 9 1 1 8 0 1 9r h f o w l e ra n dl wn o r d h e i n ，p r o c r s o c l o n d o n1 9 2 8 ，a 1 1 9 ：1 7 3 2 0 y g o h d a ，yn a k a m u r a ，kw a m n a b e ，a n ds w a t a n a b a s e i f - c o n s i s t e n td e n s i t yf u n c t i o n a l c a l c u l a t i o no f f i e l de m i s s i o nc u l l e n t 8f r o mm e t a l s p h y s r e v l e t t 2 0 0 0 ，8 5 f 5 ) ：1 7 5 0 1 7 5 3 2 1 朱长纯，史永胜场致发射显示器的现状与发展真空电子技术2 0 0 2 ，5 ：1 5 1 7 ，2 6 8 第2 章半导体薄膜场发射纳米增强机制研究 第2 章半导体薄膜场发射纳米增强机制研究 2 1 半导体薄膜纳米增强场发射理论模型 2 1 1 纳米薄膜场发射研究现状 最初的纳米场发射研究主要是纳米团簇【1 _ 3 】及纳米尖端 4 ，5 】通过提高表面增 强因子用以提高场发射电流。其后，人们发现随着场发射材料尺度减小，材料 中能出现宏观材料未有的纳米效应，可有效提高场发射特性，从而开始关注纳 米场发射的实质。1 9 9 5 年r i n z l e r 等发现了碳纳米管场发射增强现象【酬，对开口 碳纳米管，场发射电流大大增强，且发射最后局域管壁边沿的单个原子。同年 d e h e e r 等 7 1 报道的碳纳米管场发射高密度电子枪，在低电压下的场发射电流超 过l o o m a ，为场发射显示器提供了广阔应用前景与基础。这些成为纳米增强场 发射的典型的例子，从而引发人们研究纳米材料场发射高潮尤其是纳米碳管场 发射研究。另外，c l a e m o z a t o n s k i i 等i s 也研究了纳米丝碳薄膜场发射特性，在 1 0 0 v z m 场强下，得到了高达1 a c m 2 电流，另外也观察到了场发射的重构及倒 换效应。最近几年来，人们开始广泛关注纳米宽带隙半导体，特别是金刚石， 类金刚石【9 1 及氮化物半导体等【1 0 , 1 1 ，本身具备良好的物理化学性能，为场发射提 供了可靠的保证和广阔的应用前景。最近w a n g 等f 1 2 】报道了通过c v d 沉积的不 同厚度的金刚石薄膜场发射特性，结果表明，相对于微米、亚微米金刚石，纳 米金刚石薄膜具有的阈值电压更低，达到了1 5 v m m ，而且随薄膜厚度降低， 阂值电压也相应降低，与微米膜相比，纳米膜的阈值电压降低了十几倍。这说 明在纳米尺度下，宽带隙半导体场电子发射大大改善。而s u g i n o 等【1 0 】研究了多 晶纳米b n 薄膜场电子发射特性，发现场发射的纳米增强不仅与表面形貌场增 强有关，其实质可能是纳米薄膜导致的有效表面势垒降低。 与此同时，对纳米材料场发射理论实质的研究引起极大关注。h a r t 等 t 3 , 1 4 通过第一原理赝势法，并考虑三维纳米结构的实际形状，在纳米碳管场发射的 计算中，取得与实验一致的结果，如纳米碳管场发射局域于末端，电子空间波 函数隧穿表面势垒时有一定的时序，从而形成发射量子线等。这说明理论研究 可能论证或者预言某些纳米场发射奇异现象，是纳米材料场发射的一个重要发 复旦大学博士后出站报告 展方向。f i s h e r 等【1 5 】理论地研究了纳米结构材料场发射过程中的能量输运问题， 发现当场发射尖端小于5 0 n m 时，带弯曲对能级分布的影响非常明显，另外， 纳米场发射可能有利于热能的损耗，从而有利于实现冷阴极发射。 2 1 2 纳米晶半导体薄膜场发射理论模型建立 如前所述，纳米材料尺度减小到某一临界值，其性质可能发生改变，从而 引起电子隧穿表面势垒过程及相关发射行为变异。例如对于纳米半导体，尺度 的减小可能导致带隙宽增大，进而影响费米能级。从场发射隧穿的一般表达式 ( 3 - 1 ) 式可明显看出，费米能级的改变将引起场发射电流的变化，因此，纳米半 导体与一般非纳米半导体场发射特性将存在差异。下文中，在主要考虑纳米效 应导致能级改变的情况下，试图建立起一种比较简单的纳米半导体场发射理论 模型。在模型中，为体现纳米尺度效应对场发射的影响，我们假定所研究的半 导体由纳米晶组成，且忽略纳米晶在场发射过程中的表面增强作用。 对于纳米晶半导体，带隙大小与晶粒尺度存在如下近似解析关系1 1 6 】： 小+ h 圳2 - 2f 三巩+ 扑警+ 妄剥矿 ( 2 - ，) 这里，至妇为纳米晶半导体禁带宽度，如为非纳米晶体材料半导体禁带宽 度，r 为纳米晶粒尺度大小，r n 。为电子有效质量，m k 为空穴有效质量，e 为介 电常数，s 为相关空间参数，a 。为复合介电常数及e 基本电荷量。为进一步简化 模型，若设定九为相关常量综仓参数，( 2 - 1 ) 为指数泰勒展开形式，因此其可 化简为： e 卵一g o + 旭g oe x p ( 一r r o ) ( 2 - 2 ) 对于九的求出，可采用如下简单方式。如设体材料半导体禁带宽度为b d ( 即r 一8 ) ，最大单个原子能级间隙为e g 。( 即月0 ) ，则 a；生二垒(2-3) l = e 护 在体材料半导体本征电子密度可写为： 姒t ) _ 2 f 等厂h 陟驴” ( 2 - 4 ) 第2 章半导体薄膜场发射纳米增强机制研究 这里毋为本征半导体费米能级，在不严格考虑下，位于带隙正中位置。如 果对于纳米晶半导体，假设仅仅只考虑其能级结构改变，而其它性质不变盼隋 况下，同样地，其电子密度可写为： 行= z ( 等) “2 h 卜 ( 2 5 ) 设纳米晶半导体的费米能为| e 0 ，无论是纳米晶，还是体材料，都属于同一 种半导体，在不掺杂的条件下，将有下式成立： ，l 口) 一吩( t k 僻”剐旧( 2 6 ) 联立( 2 2 ) ( 2 6 ) 式，则得到纳米晶半导体费米能级的表达式 一地纠4 e 屿删一v 1 一般地，金属或者半导体场隧穿电流基本表达式可写为： _ ，- 竿广但：) l n 1 + e 邯t 4 咙s 7 】远= 广暇) d e ( 2 - 8 ) 式中，鼋为基本电荷量，m 。发射电极横向有效电子质量，b 为玻尔兹曼常 数，r 为温度，h 为普朗克常数，毋为费米能。于是，通过( 2 7 ) 式及结合( 2 - 8 ) 式则可研究不同纳米尺度半导体场发射特性。 2 2c b n 半导体薄膜场发射纳米增强效应研究 2 2 1 纳米c b n 薄膜场发射研究意义及现状 宽带隙半导体c - b n 薄膜的n e a 特性、高硬度、热及化学稳定性等良好的 物理化学性质使之成为一种极为优异的电子发射源及场发射材料。近年来，许 多关于c b n 薄膜场发射的研究相继开展 1 7 - 2 2 1 ，其中关于纳米b n 薄膜场发射特 性的研究引起很多人关注 1 0 , 2 2 j ，t a k a s h i 等 9 6 对纳米b n 薄膜场发射特性的研究 结果显示，纳米c - b n 薄膜能明显地降低表面有效势垒高度，更加有利于场电子 隧穿发射，表明c b n 半导体场发射确实具有纳米增强效应。而目前沉积获得的 c b n 薄膜大都由纳米晶粒组成【1 9 1 ，纳米c b n 半导体薄膜成为一种极具发展潜 力的场发射材料。实验研究的同时，对纳米c b n 薄膜场发射的理论研究，有助 复旦大学博士后出站报告 于深入理解、拓展及预言当前实验上c b n 薄膜场发