[发明专利]一种纳米硅薄膜阴极及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子材料与器件技术领域，具体涉及一种纳米硅薄膜阴极及其制作方法。

背景技术

冷阴极的种类很多，有Spindt型、硅微尖型、碳纳米管型、金刚石薄膜型、类金刚石薄膜型、多孔硅型和表面传导电子发射型、金属——绝缘体(氧化物)——金属型和金属——绝缘体(氧化物)——半导体——金属型等。为了获得良好的电子发射，阴极材料应满足以下基本要求：较低的功函数，电子发射开启电压低；发射电流密度大并且均匀稳定；较高的电导率和熔点；稳定的表面物理化学性质；材料经济实用，成本低，易加工等。

在众多阴极材料中，硅材料的加工处理与半导体工艺技术兼容，因而工艺成熟，加工精度高，易于制备具有不同结构要求的冷阴极。例如，通过镀膜和光刻工艺可以制备出硅微尖阵列阴极，该阴极可以在很低的偏置电压下产生较大的发射电流。但硅阵列阴极的热稳定性较差、发射均匀性和可靠性低以及难以大面积制备。多孔硅阴极是另一种硅基冷阴极，它主要利用电化学阳极刻蚀技术制备而成，与其他冷阴极相比，利用多孔硅制作的平面冷阴极工艺相对简单，且具有驱动电压低和电子发散角小等特点，更重要的是其对环境气压不敏感，甚至可在气体中发射电子。但多孔硅阴极也存在以下不足之处：

(1)多孔硅阴极的电子发射稳定性较差，机械性能和化学性能不稳定，不利于制备长时间使用的器件。

(2)电化学阳极刻蚀技术采用氢氟酸作为腐蚀液，会产生有毒废水，严重污染环境，因而有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米硅薄膜阴极及其制作方法，该方法的工艺重复性好，无污染；制备的纳米硅薄膜阴极的电子发射的稳定性好，有很好的机械和化学稳定性；制备工艺与硅微电子加工工艺兼容。

为了达到上述目的，本发明纳米硅薄膜阴极的制作方法为：首先在基底上沉积底电极，然后在底电极上沉积含纳米晶硅的二氧化硅层；最后在含纳米晶硅的二氧化硅层的表面沉积顶电极，得到纳米硅薄膜阴极；其中，含纳米晶硅的二氧化硅层是采用如下两种方法中的一种沉积在底电极上的：

第一种方法：在底电极上采用溅射法沉积SiO_x薄膜，然后对SiO_x薄膜进行高温退火处理使Si与SiO₂产生相分离并析出纳米晶硅，形成含纳米晶硅的二氧化硅层；且0<x<2；

第二种方法：在底电极上交替沉积非晶硅薄膜和SiO₂薄膜以得到α-Si/SiO₂多层复合薄膜，对α-Si/SiO₂多层复合薄膜进行高温退火处理，使α-Si/SiO₂多层复合薄膜中的非晶硅转变为纳米晶硅，形成含纳米晶硅的二氧化硅层。

沉积SiO_x薄膜是采用以下三种方式中的一种实现的：

第一种方式：向镀膜腔中通入氩气和氧气，以硅靶为溅射源在底电极上沉积SiO_x薄膜；

其中，在SiO_x薄膜沉积过程中，控制氩气和氧气的分压比为(12:1)-(1:1)并保持恒定以沉积具有均匀富硅量的SiO_x薄膜；

或者通过分时段地调节氩气和氧气的流量，使氩气和氧气的分压比在一个时间段保持在(12:1)-(8:1)中的一个恒定值，而在下一个时间段保持在(4:1)-(1:1)中的一个恒定值，且每个时间段的时间长度为1-10分钟，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；

或者通过分时段地调节硅靶的溅射功率，使硅靶溅射功率在一个时间段为一个较高的值，而在下一个时间段为一个较低的值，高溅射功率与低溅射功率的比值控制在(2:1)-(5:1)，每个时间段的时间长度为1-10分钟，且控制氩气和氧气的分压比为(12:1)-(1:1)并保持恒定，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；

第二种方式：向镀膜腔中通入氩气或同时通入氩气和氧气，以硅靶和二氧化硅靶为共溅射源在底电极上沉积SiO_x薄膜；若向镀膜腔中通入氩气和氧气，则控制镀膜腔中氩气与氧气的分压比高于3:1；

其中，在SiO_x薄膜沉积过程中，保持硅靶和二氧化硅靶的溅射功率恒定以沉积具有均匀富硅量的SiO_x薄膜；