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真空微电子器件因具有耐高温、响应快、功率大、适合大规模生产、集成化等优点,在军事和民用工业中发挥了重要的作用,其核心是场发射冷阴极。近年来,一维纳米冷阴极材料的制备、优化和应用成为真空微电子学研究的前沿内容之一。采用化学气相沉积(CVD)等简便的技术路线在导电性基片上直接生长场发射一维纳米结构,可以增强一维纳米结构与基片之间的附着力,降低接触电阻,有望得到性能优良的新型冷阴极材料。本论文围绕这一思路,直接在导电基片上生长ZnO、CrSi2、AlN、碳纳米管(CNTs)和氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)等多种场发射性能良好的一维纳米结构,在真空微电子器件等领域具有潜在的应用:
1.ZnO是一种性能优良、应用前景广泛的半导体材料,其一维纳米结构在场致电子发射、光电纳米器件等诸多领域有重要的应用前景。本文以Cu-Zn合金片为基片并提供Zn源,通过简单的氧化过程,成功地在导电的合金基片上大面积地生长出了ZnO纳米带、纳米梳和纳米线等一维纳米结构薄膜。其开启电场约2.2-3.8V/μm,在4.8～8.9V/μm的电场强度下发射电流密度可达1mA/cm2,具有优良的场发射性能。
2.CrSi2和TiSi2具有低电阻率、高熔点、高温下化学性能稳定等优点,引起人们广泛的关注。它们的功函数低于目前研究最广泛的CNTs和ZnO,其一维纳米结构有望具有优良的场发射性能,目前还鲜有这类材料的合成及场发射性能研究的文献报道。本文以低成本的金属Cr粉和NiCl2为原料,采用本课题组发展的“原位氯化物产生法”直接在重掺杂的导电Si基片上大面积合成了CrSi2一维微纳米结构,得到具有良好场发射特性的CrSi2纳米线,其开启电场在6.5～7.3 V/μm之间,100 min内电流密度波动小于4％。进一步将此技术路线的适用范围从铬基化合物拓展到钛基化合物,在Si基片表面制备得到场发射性能十分稳定的TiSi2薄膜结构,在100 min内电流波动小于1％。
3.CNTs和N-CNTs具有纳米级尖端、大长径比、高强度、良好的热稳定性及导电性等一系列优点,是十分理想的场发射材料。考虑到金属Ni本身就可以催化CNTs和N-CNTs的生长,本文采用CVD方法,无需外加催化剂,直接在Ni基片上合成了非定向的CNTs和N-CNTs薄膜。通过优化实验条件,还在沉积了Fe催化剂的重掺杂Si基片上制备了准定向的CNTs和N-CNTs阵列。N-CNTs最小开启电场为1.2 V/μm,接近目前文献报道的最小值(0.8 V/μm)。
4.AIN一维纳米结构将低的电子亲和势、高的场增强因子、优异的化学和热稳定性、高的机械强度等特点集成于一体,有望成为理想的场发射材料。本文用导电性强、经过氮化处理的n片为基片,以无水AlCl3为Al源,NH3/N2混合气为N源,以CVD方法沉积得到AIN纳米锥、纳米柱和纳米花阵列,具有良好的场发射性能。