提高Spindt型场发射冷阴极阵列发射均匀性的方法

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1、第19卷第6期　　　　　　　　半　导　体　学　报　　　　　　　　Vol.19,No.61998年6月　　　　　　CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJune,1998提高Spindt型场发射冷阴极阵列3发射均匀性的方法张友渝　江泽流　宗婉华　王文喜　张大立　王民娟(河北半导体研究所　石家庄　050051)摘要　本文提出采用栅孔直径整匀法以及改进的纵向高阻Si镇流电阻法,提高了Spindt型场发射冷阴极阵列的发射均匀性.EEACC:2560Z,2320,2340E1　引言Spindt型场发射冷阴极阵列(FE

2、A)是一种阴极电流密度很高的冷阴极.它也是真空微电子器件(场发射真空平板显示器、微波真空微电子器件、真空微电子传感器等)较为理想的电子源.进一步提高场发射冷阴极阵列的电流密度及降低栅极阈值电压仍然是目前真空微电子学研究的主要领域之一.实践表明,在一定的栅极提拉电压Vgs下,场发射冷阴极阵列的阴极电流并不与阵列的大小成正比.一般认为,在成千上万个尖锥组成的Spindt型场发射冷阴极阵列中,只有一部[1,2]分尖锥发射电子.这种发射电流不均匀现象,一方面,限制了场发射冷阴极阵列的阴极电流及阴极电流密度的提高.另一方面,阵列中个别尖锥

3、发射电流过大,也是引起场发射冷阴[3]极阵列烧毁的原因之一.因此,解决场发射冷阴极阵列内各单元电子均匀地发射成为提高阴极电流密度及可靠性的关键和难点.图1给出场发射冷阴极阵列(FEA)的结构示意图.根据金属场发射的Fowler2Nord2[4]heim理论,场发射冷阴极阵列中,第j个尖锥的发射电流可以用公式表达为-6273ö21.54×10sjEj-6.83×107-4Ejij≈exp(H(3.39×10))(1)7Ej7Ej=BjVgkj(2)3国家自然科学基金资助项目张友渝　男,1941年出生,高级工程师,从事真空微电子学研

4、究江泽流　男,1939年出生,高级工程师,从事微细加工技术研究宗婉华　女,1955年出生,工程师,从事超高速GaAs单片数字电路研究1997203229收到,1997206210定稿432　　　　　　　　　　　　　　　半　导　体　学　报　19卷其中　sj为尖锥顶部的有效发射面积;Ej是尖锥顶部的电场强度;7为尖锥金属的功函数,H(y)是Nordheim函数;Vgkj为栅2尖锥之间的电压;Bj为场强倍增因子,它的大小取决于栅2尖锥之间的几何结构和尺寸.由(1)式和(2)式,可以看出,产生场发射冷阴极阵列(FEA)内各单元发射电流不

5、均匀的原因是:1.场发射冷阴极阵列各单元的几何尺寸不可能绝对图1FEA结构示意图地均匀一致(栅孔直径的大小、尖锥曲率半径及尖锥高度等的起伏).而尖锥顶部的场强与该发射单元的几何尺寸密切相关,该单元的发射电流又是尖锥顶部场强的指数函数.因此各发射单元之间,微小的几何尺寸方面的差别,将导致发射电流的巨大差异.2.尖锥顶部表面状态的差异(晶粒的大小,晶面指向分布,表面吸附等)产生尖锥顶部有效功函数的起伏,而场发射电流对于尖锥顶部表面的有效功函数的值又是十分敏感.因此,尖锥顶部表面状态的差异,也是造成场发射冷阴极阵列发射不均匀的原因之一

6、.[5]Itoh等人指出,在一定的尖锥成型工艺条件下,尖锥高度和尖锥顶的曲率半径均与栅孔直径有关.由于光刻版图的不均匀性及光刻工艺过程本身引入栅孔直径的起伏,将导致尖[6]锥高度和尖锥顶的曲率半径的不均匀.Bestui等人为了克服光刻圆阵列图形直径的分散,人为地采用由直径分别为1100、1105、1110和1115Lm的子阵列组成的圆阵列光刻掩模,以克服光刻工艺过程本身引入的圆阵列直径的起伏.虽然这种方法可以确保每个子阵列总有一个尖锥正常发射电子,提高了整个场发射冷阴极阵列发射的均匀性,但确降低了整个阵列的点阵密度.[7][8]

7、Borel等人和Meyer分别提出采用纵向和侧向串联电阻法,以改善阴极阵列内各单[9]元之间发射电流的均匀性.Itoh等人指出,采用侧向串联电阻法时,由于电流路经的不同,与各个尖锥串联的电阻其阻值与尖锥在阵列中的位置有关.此外,与侧向串联电阻连接的金属互连网格需要占据一定的面积,降低了阵列点阵密度,这对进一步提高阴极阵列的电流密度十分不利.为此,一方面,我们采用栅孔直径整匀术,改善栅孔直径本身的均匀性以及尖锥高度和尖锥顶部曲率半径的均匀性,以便减少各发射单元伏安特性曲线的分散.另一方面,为进一步提高阴极阵列内各单元之间发射电流的

8、均匀性,我们在每一个尖锥下制作一个纵向串联[10]电阻R.Levine指出,当采用微米量级厚度的电阻层时,由于侧向串联电阻的电长度较纵向串联电阻长,侧向串联电阻的热击穿和电击穿强度均高于纵向串联电阻,因此认为侧向串联电阻法优于纵向串联电阻法.为了克服纵向串联电阻