[发明专利]具有增强电子发射性能的薄膜场发射阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于场发射阴极领域，特别涉及一种包含具有表面突起形貌的半导体传导缓冲层和半导体电子势垒/阱层，用于高频高功率的电子发射阴极装置，尤其适用于场发射平板显示器的阴极。

背景技术

场发射阴极是真空微电子器件的核心技术。作为该技术最具潜力的应用之一，场发射平板显示(FED)技术在近20年中获得了高速的发展。FED作为一种主动发光式的平板型显示器，是目前唯一能够保持传统阴极射线管显示器的高画质，并且具备液晶显示器超薄低功耗特性的新型平板显示器。然而场发射阴极作为最核心部件，由于技术上还未完全成熟，至今FED还未能成功商业化。据DisplaySearch公司的市场报告，2012年全球电视出货量将超过2亿5千万台。因此，场发射阴极具有重大的研究价值与应用前景。

一种阈值电场低、电子发射稳定、使用寿命长、工艺简单、成本低廉的场发射阴极是以FED为代表的真空微电子器件商业化的关键。早期，场发射阴极主要采用微尖阵列结构。但是该阴极结构采用了光刻等半导体工艺和超高真空系统导致成本过高，难以成功商业化。例如采用尖锥阵列技术的FED生产厂商Pixtech和Cadenscent均已宣告破产。1991年首次发现碳纳米管后，准一维材料逐渐成为场发射阴极的研究热点，例如纳米管、纳米线等。由于极高的长径比值，具有更显著的局域电场增强作用从而拥有最低的阈值电场。但其同时具有固有的一些缺陷，如发射电流不均匀稳定和高电流密度工作条件下材料易熔断损毁。另一方面，薄膜型场发射阴极具有电子发射稳定、工艺简单、成本低廉的特点，但由于其阈值电场相对前两种阴极过高而发展缓慢。近年来研究发现，通过沉积基于共振隧穿器件的电子势垒/阱功能层，利用量子增强效应可以有效提高薄膜型场发射阴极的电子发射效率。然而，虽然和传统薄膜型阴极相比电子发射性能可以提高1-2个数量级，该阴极结构仍需要进一步增强才能达到器件应用需要的场发射性能。

因此目前的场发射阴极普遍存在或阈值电场高、电流密度低，或发射不均匀、结构不稳定，或工艺复杂、制作成本高等缺陷，严重制约着以FED为代表的真空微电子器件商业化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有场发射阴极发射稳定性差、阈值电场高、发射电流密度低、高电流密度下发射体易熔断损毁、制备工艺复杂、生产成本高等难以避免的缺陷，提供一种包含表面具有突起形貌的传导缓冲层和半导体电子势垒/阱结构的、具有低阈值电场、高发射电流密度、电子发射稳定并兼具工艺简单、使用寿命长的适用于真空微电子器件的场发射阴极及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

本发明提供的具有增强电子发射性能的薄膜场发射阴极，该阴极包括：一导电衬底(2)，在导电衬底(2)上有一层半导体电子势垒层(3)和半导体电子势阱层(4)，其特征是：还包括一具有表面突起形貌的半导体传导缓冲层(1)，由导电衬底(2)自下向上依次为半导体传导缓冲层(1)、半导体电子势垒层(3)和半导体电子势阱层(4)。

所述的导电衬底为掺杂单晶硅或金属衬底。

所述的半导体传导缓冲层的材料可以为n型掺杂的：ZnO、Al_xGa_1-xN、GaAs、Si，0≤x＜1。

所述的具有表面突起形貌的半导体传导缓冲层厚度在50-300nm之间，表面的均方根粗糙度应在15-150nm，表面突起的密度在10⁶-10⁹cm^-2。

所述的半导体电子势垒层与半导体电子势阱层，可采用如下搭配确定薄膜组分：Al_xGa_1-xN与Al_yGa_1-yN，其中0≤y＜x≤1；SiO₂与Si；AlAs与GaAs。

所述的半导体电子势垒层的厚度为1-10nm，半导体电子势阱层的厚度为2-20nm。

本发明还提供了前述具有增强电子发射性能的薄膜场发射阴极的制备方法，主要包括以下步骤：

1)将导电衬底放入激光脉冲沉积系统，抽真空使背底真空为1×10^-3-1×10^-5Pa，加热衬底到100-1000℃；

2)沉积一层半导体传导缓冲层，生长条件为：通入保护气体调整工作气压为0.1-10Pa，在脉冲频率8-16Hz、脉冲能量300-500mJ/脉冲的条件下，沉积60-600s得到具有表面突起形貌的半导体传导缓冲层；