專利名稱：一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于場發(fā)射陰極領(lǐng)域，涉及一種薄膜晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，尤其是一種優(yōu)化 GaN薄膜場發(fā)射性能的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，適用于場發(fā)射平板顯示器等真空微電子器件的陰極。
背景技術(shù)：
作為一種高效、無污染、低功耗的電子源，場發(fā)射技術(shù)受到了國際廣泛的關(guān)注。場發(fā)射陰極在真空微電子器件中有著十分廣泛的應用，如場發(fā)射超薄顯示器、高性能電子槍、 高頻高功率器件、傳感器件等。因此，一種發(fā)射效率高、壽命長、成本低廉的場發(fā)射陰極材料是目前真空微電子材料的研究熱點。GaN是一種重要的寬帶隙半導體材料，其具有高熱導率、耐高溫、抗輻射、高化學穩(wěn)定性、高機械強度等優(yōu)良特性，適用于存儲器件、藍綠發(fā)光器件以及其他微電子器件，是目前先進的半導體材料之一。與此同時，GaN具有較低的電子親合適Q.7-3.3eV)，有利于電子隧穿表面勢壘發(fā)射，是一種極具潛力的場發(fā)射陰極材料。但GaN場發(fā)射陰極材料研究目前重要集中在化學方法制備準一維納米材料方面。然而近年來已公開[Nano Letters 9， 257 (2009)]，準一維GaN材料的熱導率和其薄膜結(jié)構(gòu)相比顯著降低，這將導致陰極發(fā)射體在工作過程中難以避免的發(fā)生過熱及失效，使得該結(jié)構(gòu)器件在穩(wěn)定性以及使用壽命上無法得到有效保障，造成使用成本的上升，最終限制了其在高頻高功率真空微電子器件中的應用。一種電子發(fā)射效率高、發(fā)射穩(wěn)定、壽命長、成本低廉的場發(fā)射陰極是真空微電子器件進一步發(fā)展的關(guān)鍵。采用物理方法制備薄膜型場發(fā)射陰極極具潛力。一方面，物理方法相對于化學方法有諸多優(yōu)勢，如附著性好、結(jié)構(gòu)致密且純度高，制備的薄膜質(zhì)量優(yōu)，增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。另一方面，薄膜型場發(fā)射陰極相對于準一維材料陰極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進一步提高了發(fā)射穩(wěn)定性及使用壽命。然而研究物理方法制備GaN薄膜型陰極的場發(fā)射性能報道卻非常少。對于薄膜晶體結(jié)構(gòu)、厚度、晶粒尺寸、應力等薄膜結(jié)構(gòu)本身對場發(fā)射性能的研究則更少。而實際上，薄膜晶體結(jié)構(gòu)，如相結(jié)構(gòu)及擇優(yōu)取向等對場發(fā)射性能的影響非常顯著，探索出場發(fā)射性能最優(yōu)的薄膜晶體結(jié)構(gòu)，可以有效提高GaN薄膜型場發(fā)射陰極的性能并縮短研發(fā)周期，具有顯著的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種優(yōu)化GaN薄膜場發(fā)射性能的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，該方法是通過控制生長溫度來控制GaN的結(jié)晶度及結(jié)晶取向，得到場發(fā)射性能最佳的晶體結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)化設(shè)計的方法有助于縮短GaN薄膜型陰極場發(fā)射器件的研發(fā)周期，獲得一種電子發(fā)射效率高、發(fā)射穩(wěn)定、壽命長、成本低廉的場發(fā)射陰極。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案解決的本發(fā)明提供的一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)選擇Si作為襯底，GaN靶作為靶材；2)將襯底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)，調(diào)整靶基距為50_90mm，抽真空使背底真空為 IXKT5-IXKT2Pa ；2)通入保護氣體調(diào)整工作氣壓為IX 1(Γ2-1Χ IO1Pa,在脈沖頻率5_15Hz、脈沖能量300-500mJ/脈沖的條件下，改變襯底溫度700 V -1000 V并進行沉積得到本發(fā)明的產(chǎn)品。所述的襯底為η型(100)單晶Si，所述GaN靶為純度大于99%的GaN粉末在560°C 燒結(jié)而成；所述的保護氣體為純度大于99. 9%的氮氣。所述的襯底溫度優(yōu)選700°C、800°C、90(rC和1000°C。通過控制沉積溫度從而控制GaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了最優(yōu)的場發(fā)射性能的結(jié)晶度及結(jié)晶取向，有效提高了 GaN薄膜型場發(fā)射陰極的場發(fā)射性能。因此這種場發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法具有廣闊的應用前景以及潛在的經(jīng)濟效益。本發(fā)明的優(yōu)點在于1)本發(fā)明使用的優(yōu)化GaN薄膜場發(fā)射性能的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，通過控制襯底溫度從而控制GaN的結(jié)晶度及結(jié)晶取向，得到場發(fā)射性能最佳的晶體結(jié)構(gòu)。這種優(yōu)化設(shè)計有助于縮短薄膜型場發(fā)射器件的開發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本。2)本發(fā)明使用的基底為單晶Si，易于與其他微電子器件集成，是制造真空微電子器件的理想陰極，具有廣闊的應用前景。3)本發(fā)明提供的場發(fā)射陰極制備工藝簡單易行，不涉及復雜、昂貴的光刻技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備?？梢允褂眉す饷}沖沉積、磁控濺射及化學氣相沉積等多種成熟、經(jīng)濟的成膜方法制備，具有商業(yè)化應用潛力。


圖1為在不同襯底溫度下制備的不同晶體結(jié)構(gòu)GaN薄膜X射線衍射圖譜(XRD)；圖2為在不同襯底溫度下制備的不同晶體結(jié)構(gòu)GaN薄膜原子力顯微照片(AFM)，其中圖2 (a)是1000°C，根據(jù)實施例4 ；圖2 (b)是900°C，根據(jù)實施例3 ；圖2 (c)是800°C，根據(jù)實施例2 ；圖2(d)是700°C，根據(jù)實施例1 ；圖3為在不同襯底溫度下制備的不同晶體結(jié)構(gòu)GaN薄膜場發(fā)射電流密度曲線 (J-E)；圖4為在不同襯底溫度下制備的不同晶體結(jié)構(gòu)GaN薄膜電流密度曲線對應的FN 曲線。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明，本發(fā)明決非僅局限于所陳述的實施例。實施例1 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為65mm，將沉積室抽為約5X 10_4Pa，供給純度為99. 99%的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為lPa， 設(shè)定脈沖激光的頻率為10Hz，脈沖能量為350mJ/脈沖，加熱襯底到700°C經(jīng)沉積得到低結(jié)晶度的六方氮化鎵薄膜。實施例2 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為65mm，將沉積室抽為約5X 10_4Pa，供給純度為99. 99%的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為lPa， 設(shè)定脈沖激光的頻率為10Hz，脈沖能量為350mJ/脈沖，加熱襯底到800°C經(jīng)沉積得到較低結(jié)晶度的六方多取向氮化鎵薄膜。實施例3 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為65mm，將沉積室抽為約5X 10_4Pa，供給純度為99. 99%的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為lPa， 設(shè)定脈沖激光的頻率為10Hz，脈沖能量為350mJ/脈沖，加熱襯底到900°C經(jīng)沉積得到較高結(jié)晶度的六方氮化鎵薄膜，且沿(002)晶面擇優(yōu)取向。實施例4 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為65mm，將沉積室抽為約5X 10_4Pa，供給純度為99. 99%的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為lPa， 設(shè)定脈沖激光的頻率為10Hz，脈沖能量為350mJ/脈沖，加熱襯底到1000°C經(jīng)沉積得到高結(jié)晶度的六方氮化鎵薄膜，且沿(002)晶面擇優(yōu)取向。實施例5 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為70mm，將沉積室抽為約lX10_4Pa，供給純度為99. 99 %的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為 0. lPa，設(shè)定脈沖激光的頻率為15Hz，脈沖能量為400mJ/脈沖，加熱襯底到700°C經(jīng)沉積得到低結(jié)晶度的六方氮化鎵薄膜。實施例6 以拋光的η型(100)硅做襯底，將純度99. 99%的氮化鎵粉末經(jīng)560°C燒結(jié)120min 制成氮化鎵靶，將基底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)腔體中，調(diào)整靶基距為60mm，將沉積室抽為約lX10_3Pa，供給純度為99. 99 %的氮氣作為保護氣并調(diào)節(jié)沉積室的工作氣壓為 0. 5Pa,設(shè)定脈沖激光的頻率為8Hz，脈沖能量為450mJ/脈沖，加熱襯底到800°C經(jīng)沉積得到較低結(jié)晶度的六方多取向氮化鎵薄膜。以上實施例在不同襯底溫度下制備的不同晶體結(jié)構(gòu)GaN薄膜X射線衍射圖譜 (XRD)見圖1 ；薄膜原子力顯微照片(AFM)見圖2 ；場發(fā)射電流密度曲線(J-E)見圖3 ；電流密度曲線對應的FN曲線見圖4。如圖2所示的原子力顯微照片，用本發(fā)明方法制備的GaN薄膜表面均方根粗糙度分別為3. 9nm、ll. 0nmU6. 8nm、33. 6nm。場發(fā)射電流密度隨場強變化曲線如圖3所示，在襯底溫度為900°C時制備的GaN薄膜場發(fā)射性能明顯優(yōu)于其他薄膜，其開啟電場最小，僅為2. 3V/ym。采用本發(fā)明方法制備的GaN薄膜如圖1所示均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，隨著沉積溫度的升高結(jié)晶度顯著增強且晶粒沿(002)呈現(xiàn)擇優(yōu)取向。因此可以看出，900°C下沉積的GaN 薄膜雖然表面粗糙度相對較低削弱了表面幾何結(jié)構(gòu)對電場的增強，然而高度取向的GaN晶體結(jié)構(gòu)顯著增強了薄膜的場發(fā)射性能。 于是通過控制沉積溫度從而控制GaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了最優(yōu)的場發(fā)射性能的結(jié)晶度及結(jié)晶取向，有效提高了 GaN薄膜型場發(fā)射陰極的場發(fā)射性能。因此這種場發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法具有廣闊的應用前景以及潛在的經(jīng)濟效益。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)選擇Si作為襯底，GaN靶作為靶材；2)將襯底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)，調(diào)整靶基距為50-90mm，抽真空使背底真空為 1 X 1(Γ5-1 X KT2Pa ；2)通入保護氣體調(diào)整工作氣壓為IXKr2-IXlO1Pa,在脈沖頻率5-15HZ、脈沖能量 300-500mJ/脈沖的條件下，改變襯底溫度700°C -1000°C并進行沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，其特征在于所述的Si襯底為η型(100)單晶Si，所述GaN靶為純度大于99%的GaN粉末在560°C 燒結(jié)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，其特征在于所述的保護氣體為純度大于99. 9%的氮氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，其特征在于所述的襯底溫度分別選擇700°C、800°C、900°C和1000°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種優(yōu)化硅基GaN場發(fā)射特性的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)制方法，屬于場發(fā)射陰極領(lǐng)域。包括如下步驟選擇Si作為襯底，GaN靶作為靶材；將襯底和靶材放入激光脈沖沉積系統(tǒng)，調(diào)整靶基距為50-90mm，抽真空使背底真空為1×10-5-1×10-2Pa；通入保護氣體調(diào)整工作氣壓為1×10-2-1×101Pa，在脈沖頻率5-15Hz、脈沖能量300-500mJ/脈沖的條件下，改變襯底溫度700℃-1000℃并進行沉積。本發(fā)明通過控制沉積溫度從而控制GaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了最優(yōu)的場發(fā)射性能的結(jié)晶度及結(jié)晶取向，有效提高了GaN薄膜型場發(fā)射陰極的場發(fā)射性能。
文檔編號C30B23/06GK102226294SQ201110122078
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者嚴輝, 侯育冬, 劉晶冰, 宋雪梅, 張銘, 朱滿康, 汪浩, 王如志, 王波, 趙維 申請人:北京工業(yè)大學