不同浓度硼掺杂金刚石薄膜的场发射性能的研究

作者:石晓林 刊名:科技通报 上传者:王茹

【摘要】利用微波等离子体化学气相淀积法(MPCVD),在硅基片上合成硼掺杂金刚石薄膜。研究B2O3从1000~5000 ppm不同浓度对场发射性能影响。随硼浓度地增加,纳米金刚石(NCD)薄膜的场发射性能得到改善。且场发射性能的增强归功于更好的电导率和金刚石薄膜的纳米特性。

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在半导体材料中,CVD合成的金刚石薄膜作为场发射材料呈现出史无前例的优势[1]。微晶金刚石薄膜的场电子发射(FEE)已被广泛研究,许多研究者研究了工艺参数,金刚石质量和后续处理对CVD金刚石薄膜FEE参数的影响,研究发现,金刚石晶格的原位掺杂中,硼和氮是首选[2]。电导率作为决定FEE性能的主要参数之一[2],发现了硼掺杂NCD膜的场发射行为。本文报道了掺杂不同硼浓度的NCD膜的FEE性能。合成样品中B2O3浓度为1000、2000和5000ppm,发射电流密度为1A/cm2时,阈场值分别为1.04V/m、0.84V/m、0.8V/m,比文献中各种MCD和NCD膜的阈场值低很多[3-10]。在预设值为1A时,发射电流的稳定性很好。1实验利用MPCVD在硅基片上合成硼掺杂NCD膜。金刚石粉末处理后,P型镜面光滑硅基底用#400~#800砂纸和0.3m氧化铝粉末机械抛光,随后基片放入丙酮中利用超声波清洗,并通过波导管放入2.45GHz微波的石英管中,在反应装置中通过B2O3,丙酮和甲醇混合引入硼源,混合物充当碳源。为了研究硼掺杂在场发射性能上的影响,用不同B2O3浓度合成金刚石膜,实验条件如表1。场发射实验在压力为1.3310-6Pa的全金属腔中进行,典型的“二极管”构造,涂磷的锡氧化物玻璃板作阳极,硅基片上沉积B掺杂NCD膜作阴极,在阴阳极间距为1mm时进。1000、2000和5000ppm的硼合成的NCD膜分别标为A,B,C。场发射实验在相同条件下执行多次来核查结果的重复性。2结果与讨论在1.3310-6Pa的压力下,样本的场发射电流密度对电场(JE)曲线如图1。攻击场引起1nA电流时,A,B,C分别为0.64、0.52和0.36V/m。当叠加场缓慢增加时,发射电流密度快速增加。阈值电场引起1A/cm-2电流密度时,A,B,C分别为1.04、0.84和0.80V/m。图1显示硼在NCD膜中的密度对攻击场和阈电场值的影响。高浓度B2O3合成的NCD膜在气相中显示出较低的攻击场和阈电场值[3-10]。表2中可看出攻击场和阈电场的值优于文献中报道的。发射电流密度对叠加场性能用FowlerNordheim公式分析:J=A2E2准2exp-B准3/2EJ为发射电流密度;A(1.5410-6AeVV-2),B(6.83103VeV-3/2m-1)为恒值;准为工作函数;为场增强因数。样本A,B,C的ln(J/E2)对(1/E)的关系如图1中插图。不同宽禁带半导体纳米结构的场发射性能FN点偏离线性关系,但本研究中,金刚石的FN点仍为线性关系,这可能源于叠加电场的范围超出观察数据。随硼浓度的增加,NCD膜场发射行为的改善归因于其较好的电性能。NCD颗粒高的高宽比提供高的场增强因数,导致阈电场值的减小。然而高宽比不是影响NCD膜场发射性能的唯一因素,电导率和传导机理也是一个重要因素。本文已使用双探针法测量了样本的薄膜电阻,样本A,B,C分别为7.6、3.56和0.12k,与已报道的相似。因此NCD膜发射性能的改善可归功于高的高宽比和较好电导率的综合影响。除发射能力之外,发射电流的稳定性在发射器应用中也是重要参数之一。在预设电流值1A,基础电压1.3310-6Pa时研究B掺杂NCD膜的场发射电流。在持续2h里,样本的发射电流对时间(It)关系如图2。从It中看到,与A和C相比,B有较好的发射稳定性。相同条件下合成样本的FE结果(即JE和It)显示出在平均值表1MPCVD合成掺硼NCD薄膜的实验参数Table1Experimentalparametersusedfort

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