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1、第57卷第6期2008年6月物理学报Vol.57,No.6,June,200810003290200857(06)367405ACTAPHYSICASINICA2008Chin.Phys.Soc.*激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究周江韦德远徐骏李伟宋凤麒万建国徐岭马忠元(南京大学物理系,固体微结构物理国家重点实验室,南京210093)(2007年8月20日收到;2007年11月28日收到修改稿)利用KrF准分子激光退火超薄非晶硅膜,并结合热退火技术制备了单层纳米硅薄膜并研究了薄膜的场电子发射
2、性质.在晶化形成的纳米硅薄膜中可以观测到稳定的场电子发射现象,其开启电场从原始淀积的非晶硅薄膜的217Vm降低到85Vm,而场发射电流密度可以达到01mAcm.激光晶化后形成的纳米硅材料的场电子发射特性的改善可以从薄膜表面形貌的改变以及高密度纳米硅的形成所导致的内部电场增强作用来解释.关键词:纳米硅,场发射,激光晶化PACC:6146,7970,8110J因而场发射开启电场较高而场发射电流较小.1引言在我们先前的工作中,采用KrF准分子脉冲激光作用于超薄氢化非晶硅(aSi:H)膜,再结合常规11-2由于在平板显示器件,真空微电子器
3、件和高频热退火技术,获得了面密度大于10cm,晶粒尺寸微波器件等方面有着重要的应用前景,近年来,对半可控的高密度硅基纳米材料,同时,在合适的激光辐导体材料的场发射特性的研究正越来越引起国际上照能量密度范围内,所获得的纳米硅的尺寸分布的[12]许多研究小组的重视.迄今为止,许多半导体材标准偏差小,这表明可以通过分别控制晶粒的成核料,包括金刚石,非晶碳、碳纳米管以及氮化物等材与生长过程的方法制备出高密度、均匀的硅基纳米[15][10]料的场电子发射特性已被广泛地研究和报道.薄膜.本文主要研究了利用准分子脉冲激光所制为了提高场发射材料与器件的特性,人
4、们希望能获备出的高密度纳米硅的场电子发射特性,研究表明,得具有较低的开启电场,较高的场发射电流和稳定样品具有良好的场电子发射特性,其开启电场与场性的冷电子发射材料,因而,材料的选择、制备到场电子发射电流都相对于非晶硅薄膜有较大提高,同发射器件结构的设计与机理研究等各个方面都需要时,对场发射特性与纳米硅的形成和表面形貌的联进行进一步地探索.系进行了初步研究和讨论.纳米硅薄膜是当前一类重要的半导体材料,它可以显示出与体硅材料所不同的许多有趣的物理现2.实验象,例如:室温下的强光致可见光发射,以及电荷存[68]储效应等.同时,由于它能和当前成熟的半导
5、体我们利用硅烷和氨气的混合气体在等离子体增集成电路工艺技术相兼容,因而非常有利于与微电强化学气相淀积(PECVD)系统中连续沉积了30nm子器件相结合,实现器件的高度集成.目前,对纳米厚的氢化非晶氮化硅(aSiN:H)和同样是30nm厚硅的研究主要集中在材料制备与光电特性方面,而的氢化非晶硅薄膜,生长时的射频源功率和生长温对纳米硅材料的场电子发射特性的研究较少.文献度分别控制为30W和250,衬底材料选用重掺杂[9]报道了利用激光晶化制备的纳米硅材料的场发的n型单晶硅片.生长时的其他详细参数可参考我[10,11]射特性,他们的研究结果表明,纳米
6、硅材料可以显现们以前的工作.如图1所示,在样品生长完以出较好的场发射特性,但由于其纳米硅的密度较低,后,采用KrF准分子脉冲激光(波长248nm)诱导结*国家自然科学基金(批准号:60425414)和国家重点基础研究项目(批准号:2007CB613401)资助的课题.通讯联系人.Email:junxu@nju.edu.cn6期周江等:激光晶化形成纳米硅材料的场电子发射性质研究3675[12]晶方法对非晶硅薄膜进行晶化,晶化过程中使用的与结构的变化有关.但一般是第一次测试的结果2激光能量密度可以在014Jcm的范围内调节.较差,随后的结果
7、越来越好,即开启电压降低,场发本实验中使用单脉冲进行晶化,所用的激光能量密射电流明显升高.而在我们的测试中,情况正好相2度为062Jcm,在样品上的晶化面积约为5mm反.我们认为,在我们的样品中,增加外加电场并不5mm.在激光晶化过程完成以后,样品再放置于会引起材料结构的变化而导致场发射特性的改变.900的热退火炉中进行30min热处理以消除激光较有可能的原因是在第一次测量时,由于电流的增退火过程中引入的应力与缺陷,退火是在纯氮气的加,使得样品的表面上附着的杂质的蒸发所导致的,保护气氛下进行的.透射电子显微镜被用来验证纳随着第一次测量时表面
8、清洁过程的完成,随后的测米硅晶粒的形成.样品的场电子发射特性是在真空试就显现出稳定而重复的膜本身的场发射性质.-4度小于1
