專利名稱：冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場致電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)及其制造方法。
金剛石等薄膜是良好的場致電子發(fā)射材料。實驗和理論研究表明，非摻雜的金剛石薄膜是非常好的絕緣材料，其本身并沒有足夠的自由電子可供場致電子發(fā)射，而通過場致電子發(fā)射到真空的電子首先由金屬或半導(dǎo)體等導(dǎo)電襯底在薄膜與襯底界面以內(nèi)注入方式進(jìn)入薄膜導(dǎo)帶，隨后在薄膜內(nèi)部電場作用下運(yùn)動到薄膜表面，最后在表面電場作用下通過隧穿或準(zhǔn)熱電子發(fā)射等方式發(fā)射到真空。然而目前金剛石薄膜電子發(fā)射的閾值電場較高，一般在20MV／m以上，大大限制了冷陰極電子發(fā)射器件的應(yīng)用，如何降低電子發(fā)射的閾值電場從而降低器件的工作電壓是國際上的一個熱門研究課題。
本發(fā)明的目的是提供一種冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)及制造該表面結(jié)構(gòu)的方法，使場致電子發(fā)射電壓比現(xiàn)有薄膜的電子發(fā)射電壓低。
本發(fā)明冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)，是在布滿腐蝕坑的襯底硅(111)面上覆蓋一層非連續(xù)的、呈分立島狀的金剛石顆粒表面層，腐蝕坑的半徑小于0．5微米，坑的邊緣由層狀結(jié)構(gòu)的表面層組成，表面層的邊緣有大小尺寸為幾十納米的尖狀物。冷陰極電子發(fā)射依賴這些分立的金剛石顆粒島與硅表面層形成的“微觀硅基-金剛石混合結(jié)構(gòu)”。
冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)的制造方法為1．選擇拋光面為(111)面的重?fù)诫s硅片，分別在丙酮和無水乙醇中超聲清洗15-25分鐘，然后浸入氫氟酸中10-20分鐘，用純水或去離子水沖洗干凈、風(fēng)干；2．放入10-50％氫氧化鈉溶液中腐蝕，溫度保持在80℃，時間25-35分鐘，然后用純水或用去離子水沖洗干凈、風(fēng)干；3。進(jìn)行金剛石薄膜沉積，沉積真空度1×10-4-3×10-5乇，沉積速率40-80nm／hour，沉積時間3小時，沉積溫度293-300K，襯底偏壓70-120V。
在上述制造方法中，最佳的腐蝕條件為腐蝕溶液采用30％氫氧化鈉溶液，溫度保持在80℃，腐蝕時間為30分鐘。
用透射電鏡的高能電子衍射技術(shù)測得經(jīng)上述方法制造的表面結(jié)構(gòu)，最上層由許多金剛石顆粒組成，這些顆粒包含非晶和單晶成分，大小在0．1微米范圍。這些顆常生長在經(jīng)上述方法處理過的硅片的最上層表面的邊緣；這些顆粒既有金剛石化學(xué)鍵(sp3成分可達(dá)95％)，也有石墨化學(xué)鍵(sp2成分不高于15％)。這兩種組分的比例從襯底到表面會有變化，在靠近襯底處，石墨成分最高，而在表面處金剛石成分最高。與沉積在沒經(jīng)過上述表面處理的硅襯底上的薄膜相比，由本方法制造的表面層結(jié)構(gòu)的場致電子發(fā)射性能良好，具有如下特點(diǎn)①場致電子發(fā)射的閾值電場可以降低一半，一般從沒有經(jīng)過處理的20MV／m降至經(jīng)過處理后的低于10MV／m；②根據(jù)法拉奧-諾得旱公式計算得出的電場增強(qiáng)因子可以高達(dá)約700；③電流密度達(dá)100毫安培／平方厘米。


圖1是冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是冷陰極電子發(fā)射表面層電子顯微鏡照片。
圖3是冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)場致發(fā)射閾值電場(定義為10μA／cm2)與腐蝕時間的關(guān)系曲線圖。
在圖1中，1為重?fù)诫s(111)面N型或P型硅襯底，2為襯底表面腐蝕坑，坑的邊緣由層狀的表面層組成，表面層的邊緣存在大小幾十納米的尖狀物，3為沉積在襯底表面的非連續(xù)的、呈分立島形狀的金剛石顆粒表面。
在圖2中，照片所示分立狀顆粒為生長在腐蝕硅襯底上的金剛石晶粒。
在圖3中，縱坐標(biāo)為閾值電場，定義為10μA／cm2，橫坐標(biāo)為硅襯底的腐蝕時間，單位為分鐘。
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實施例的具體實施條件及硅表面參數(shù)結(jié)構(gòu)見表1。
表1．不同實施條件及硅表面參數(shù)結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1．一種冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)，其特征是在布滿腐蝕坑的襯底硅(111)面上覆蓋一層非連續(xù)的、呈分立島形狀的金剛石顆粒表面層，腐蝕坑半徑小于0．5微米，坑的邊緣由層狀的表面層組成，表面層的邊緣有大小尺寸為幾十納米的尖狀物。
2．一種制造如權(quán)利要求1所述的冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)的方法，其特征是制造步聚為a．選擇拋光面為(111)面的重?fù)诫s襯底硅片，分別在丙酮和無水乙醇中超聲清洗15-25分鐘，然后浸入氫氟酸中10-20分鐘，用純水或去離子水沖洗干凈、風(fēng)干；b．放入10-50％氫氧化鈉溶液腐蝕，溫度保持在80℃，時間25-35分鐘，然后用純水或去離子水沖洗干凈、風(fēng)干；c．進(jìn)行金剛石薄膜沉積，沉積真空度1×10-4-3×10-5乇，沉積速率40-80nm／hour，沉積時間3小時，沉積溫度293-300K，襯底加偏壓70-120V。
3．一種如權(quán)利要求2所述的制造冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)的方法，其特征是所選用重?fù)诫s襯底硅片電阻率在10Ωcm以下。
4．一種如權(quán)利要求2、3所述的制造冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)的方法，其特征是最佳腐蝕條件為腐蝕液為30％濃度的氫氧化鈉溶液，溫度保持在80℃，腐蝕時間為30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種場致電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)及其制造方法。在布滿腐蝕坑的襯底硅(111)面上沉積上一層非連續(xù)的、呈分立島形狀的金剛石顆粒表面層,構(gòu)成閾值電壓低的冷陰極電子發(fā)射表面層結(jié)構(gòu)。由于該表面層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的場致特性,適用于各種面積(包括12英寸以上大面積)的硅表面。因此適合于制作平板顯示器所需的大面積冷陰極電子源上的應(yīng)用。
文檔編號H01J1/30GK1279496SQ0011711
公開日2001年1月10日 申請日期2000年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月27日
發(fā)明者許寧生, 陳建, 鄧少芝 申請人:中山大學(xué)