氧化锌薄膜的制备及场发射性能研究

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1、摘要摘要氧化锌是一类重要的宽禁带II—VI族化合物半导体材料，有着众多优异的特性，尤其是：良好的化学稳定性，小的甚至负的电子亲和势(NEA)，高的热导率，良好的耐高温性和抗氧化性，大的击穿场强和高的载流子迁移率，大的场发射电流，使得它在场发射研究领域倍受青睐。但ZnO场发射阴极材料的研究目前主要集中在化学方法制备的一维纳米材料方面，采用物理方法制备ZnO薄膜的场发射性能的报道却很少。磁控溅射法制备的薄膜相对于化学方法有着诸多优势，比如附着性好，结构致密、针孔少且纯度较高，均匀性好，更重要的是其发射电流均匀，制成的器件寿命长，且易于与其它微电子器件集成等。在此背景

2、之下，本文对ZnO薄膜场发射特性作了一些有益的研究，研究内容如下：采用射频磁控溅射法在Si(100)衬底上制备了不同薄膜厚度、不同衬底温度、La掺杂和A1掺杂的ZnO薄膜样品；用XRD、FESEM和AFM对薄膜进行了结构和表面形貌表征，所有薄膜均为c轴择优取向生长(厚度系列中20nlTl和30nln的样品除外)。研究了薄膜厚度对场发射性能的影响，得到了场发射性能最佳的厚度值(40nm)。发现此结果并不只是由于表面粗糙度变化所致，而可能是样品表面粗糙度变化、高电场导致薄膜内部空间电荷区能带结构的改变而引起的势垒高度减小以及电子在薄膜中因散射作用导致的电流密度指数级

3、的衰减三者共同作用的结果。研究了衬底温度对薄膜场发射性能的影响。发现场发射特性的变化可能是由于衬底温度的改变引起表面形貌的变化所致，在厚度相同的情况下，粗糙度越大，场发射性能越好。研究了镧掺杂和铝掺杂对薄膜场发射性能的影响。掺杂后ZnO薄膜场发射特性比未掺杂ZnO薄膜均有显著的提高。发现掺杂导致场发射增强的实质可能源于：一方面掺杂可以更好的提供场发射电子源，进而提高了场发射电流密度，另一方面掺杂可以使得ZnO薄膜费米能级升高，最终使其功函数降低，一定程度上降低了表面隧穿势垒，增大了场发射电流。关键词磁控溅射法；ZnO薄膜；场发射；功函数北京Tqp人学T学硕{：学

4、位论文．II—ABSTRACTABSTRACTZincOxideisoneoftheimportantII-VIcompoundsemiconductormaterialswithwideband—gap．Ithasmanyexcellentproperties，inparticular，thegoodchemicalstability,smallorevennegativeelectronaffinity(NEA)，highthermalconductivityandmeltingpoint，antioxidation，hugebreakdownvoltage

5、andhighelectronmobility，bigfieldemissioncurrent，whichmakethemtobepromisingfieldemissionmaterials．ButmostoftheresearchesonZnOfieldemissioncathodematerialsfoellsontheone—dimensionnano—materials，whicharefabricatedbythechemicalmethods．However，itisrarelyreportedthatthefieldemissioncharact

6、eristicofZnOfilmswerepreparedbyphysicalmethods．Comparedtothethinfilmsfabricatedbychemicalmethods，magnetronsputteringhaslotsofadvantages，suchasgoodadherence，compactstructure，smallamountofneedleholesandhigh-purity，gooduniformity．Themoreimportantfactoristhattheemittingcurrentisveryunifo

7、rm，deviceshavealonglifetime，andcanbeeasilyintegratedwithothermicroelectronicdevice．Underthisbackground，someresearchesonthefieldemissionofZnOthinfilmsweredone．Andthemainresearchprogresseswereshownasfollow：RFmagnetronsputteringWasusedtopreparetheZnOthinfilmswithdifferentthicknessanddif

8、ferentsubstr