几种宽带隙半导体材料场发射特性的研究

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1、兰州大学博士学位论文摘要显示器作为人机交换信息的界面或窗口，在信息社会中起着重要的作用。目前广泛应用的热阴极射线管(CRD因不能与集成电路制造技术相兼容，很难实现结构上的小型化，且工作电压高，能耗大，面临着被淘汰的局面。基于场发射阴极的场发射显示器(FED)，因无需电子束的扫描，可使其结构薄型化，实现低能耗、高清晰度、高稳定性大屏幕平面显示，是新一代最有发展前途的显示器。场发射平板显示技术虽已取得很大的进展，但距离大规模的应用依然存在不小差距。其原因在于尚未找到一种具有良好发射特性的场发射阴极材

2、料，且现有的场发射阴极材料在性能、制备及加工工艺上也存在许多尚需解决的问题。因而，近年来场发射阴极材料的研究已成为材料研究领域中的一个熟点问题。近年来，研究工作者们致力于寻找一种场发射性能优越的新材料。宽带隙半导体材料具有场发射阴极材料所要求的几乎所有性质：良好的化学与热稳定性、高的熔点和热导率、小的介电常数、大的载流子迁移率和高的击穿电压，特别是这些材料的电子亲合势(EA)很小甚至是负值(NEA)，为成为良好的场发射材料提供了可能。本文利用不同方法制备了几种宽带隙半导体材料，并研究了它们的场发

3、射特性。主要取得了以下几方面的结果：(1)利用电化学方法沉积了类金刚石(DLC)薄膜和非晶碳氮(a-CNx)薄膜，研究了在DLC薄膜沉积过程中电压、温度和沉积时间对电流密度的影响，在a-CN。薄膜沉积过程中电压对电流密度的影响，得出了较高电压和较高温度有利于DLC薄膜生长以及较高电压有利于a-CNx薄膜生长的结论。测量了合适条件下沉积的DLC薄膜和a-CNx薄膜的结构特性和场发射特性。由于a-CN。膜的疏松结构，DLC薄膜的粗糙表面以及大的禁带宽度，导致DLC薄膜的场发射特性优于a．CNx薄膜。

4、(2)利用直流溅射方法沉积了非晶氮化镓(a-GaN)薄膜，研究了a-GaN薄膜的结构和场发射特性，以及氢等离子体处理和si掺杂对薄膜场发射特性的影响，并对兰州大学博士学位论文场发射性能变化的机理进行了分析。氢等离子体处理后，由于薄膜表面的突起减少，a-GaN薄膜的缺陷态密度减少，甚至是有一些薄膜已经被刻蚀掉使得薄膜的场发射特性变差，Si的掺杂使电子可以直接从杂质带发射到真空而且可能导致了曲率更小的尖锥的形成，使薄膜的场发射特性变好。(3)利用化学气相沉积方法生长了氮化镓纳米线(GaNnanowi

5、res)、氮化铟镓纳米线(InGaNnanowires)和氮化铟纳米线(InNnanowires)。研究了温度、气体比例和时间对样品形貌的影响，以及合适条件下生长的纳米线的结构和场发射特性。在T--950℃、NH3／Ar=l／2．5时GaN纳米线是六方相的。由于其具有较大的发射点密度，并且没有场屏蔽效应产生，所以发射电流密度最大。在T=600℃、无Ar且t=70min时生长的InGaN纳米线是六方相和立方相的混合相，且In含量不均匀，具有最小的开启电场，最大的发射电流密度。在I"--550℃、无

6、m时生长的InN纳米线是六方相和立方相的混合相，具有最小的开启电场，最大的发射电流密度。(4)利用直流溅射方法沉积THfN。O，薄膜。研究了退火温度对薄膜结构和场发射特性的影响，并对其场发射机理进行了分析。随着退火温度的升高，薄膜的相结构发生变化，而且HfN成分减少，Hf02成分增多；组成薄膜的颗粒变大；其表面出现隆起甚至是纳米锥状突起。由于结构和形貌的影响，使得在800℃的退火温度下，薄膜具有最小的开启电场和最大的电流密度。通过对以上几种宽带隙半导体材料场发射特性的研究，为场发射研究积累了实验

7、数据，并为理解尚不明确的发射机理提供了实验依据。关键词：场发射；DLc薄膜；a-CN。薄膜；a-G削薄膜；Ⅲ族氮化物纳米线；HfN。Oy薄膜II兰州大学博士学位论文AbstractAsthehuman-machineinformationexchangeinterface，thedisplayplaysavitalroleinmodeminformationsociety．Thewidelyappliedcathoderaytube(CRT)displayworksunderhighvoltag

8、esanditisveryenergy—consuming．Itisalsoincompatiblewiththefabricationtechnologyofintegrationcircuitsanddifficulttobeminiaturized．TheCRTdisplaytechnologythereforeneedstobereplaced．Thefieldemission-baseddisplay(FED)doesnotneedthescanningofelectronbeamsa