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1、氮化碳薄膜的冷阴极电子场发射特性研究 路险峰，李金钗， 都怀喜，张志宏， 叶明生 ( 武汉大学 物理科学与技术学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要 : 采用低压等离 于体增强化学气相沉积法 ( L P - P E C V D 制备氮化减薄拱;低能离子注入机 对制 备 的 薄 膜进 行N z 注 入 修杂 . X 射线 光电 于 能 诺 ( X P S ) 分 析了N Z 注 入 前 后氮 化破 薄 膜中N . C的 含f及其结合能的变化情况;1 0 1 P a超高真空下对 注入前后的氮 化破薄膜进行了电子场发封浏试， 发 射起始场强 2 .5 V 1 u m , 德定发封电流
2、1 m A / c m ; 结 果 表 明 、 经N 2 注 入 后的 氮 4 ! i 谈 薄 眺的 电 于 场 发 劫 特性得到明皿增强. 姜妞i 1 “饭化翻菠房:官子注入:电子场发射 : X P S 极电 子发射材料可望在各种极端环境下使用. 本工作采用低压等离子体增强化学气相沉积 ( L P - P E C V D ) 法 在S i 衬 底上 生 长C N 扩 5 切。 薄膜。 对制备的薄膜进行 N 3 注入掺杂。 采用 X射线光电 子能 谱( X P S ) 对注入前后的薄膜进行了 分析。 1 0 4 P a 的超高真空下侧试了氮化碳薄膜的冷阴极电子发射 特 性 ( I - V )
3、， 获得了明显优子同 类型平面结构金刚 石薄膜的电 子场发射 特性。 研究还表明 经N z 注入 后氮化碳薄膜的电子场发射特性得到明显增强. 2 实验工艺 1 引言 近年来. 关子冷阴极电子场发射材料的研究越 来越受到人们的注意。 传统的电子发射材料一般为 热电子发射或者热场致发射，这类材料在性能上存 在不少内在的缺陷，如使用寿命比 较有限，电子发 射不掩定， 体积大， 难以集成等。 冷阴极电子场发 射材料的出现:在很大程度上弥补了这些块陷。 从 已 报道的各种冷阴极材料来着 ( 如金刚石等) ，电子 发射都比 较稳定， 而且发射电流比较大。 自 从C o h e n 等人在8 0 年代后期通
4、过对体弹摸1t 的计算预言 C - N化合物可能具有达到或超过金刚石 的硬度以来， 对氮化碳的研究引起了学术界的广泛 关注，但侧重点主要是在机械性能方面。 随着研究 的深入，人们发现氮化碳除了具有优良 的机械性能 外，还具有其它一些优异的性能， 如化学性质稳定， 耐腐蚀抗氧化能力强.具有较大的禁带宽度和负的 电子亲和力j l J I 等。 因而.它还将是一种非常优异的 冷阴极电子场发射材料。 另外。 氮化碳薄膜易于尖 锥化 13 . 6 1的 特 点， 使得大 功率 器 件 的 进 一步 微 型 化 和 电子显示屏的薄型化成为可能。宽的光学带隙、 优 异的化学挽定性和良 好的机械性能使得抓化碳
5、冷阴 2 . 1氮化碳薄腆的制备 采用低压等离子体增强化学气相沉积 ( L P - P E C V D ) 法卜 先以N , ( 9 9 .9 9 9 % ) 和S i H 4 ( 1 5 9 0 的H , 稀释) 为工作气惹， 在 1 0 0 ) 单晶 硅衬底上制备S i3 N 4 过渡层。 S i H , 的流f为 1 .2 U m i n . N 2 的流ft 3 .3 U m i n : 然 后以C A( 9 9 . 9 0A ) 和N 2 ( 9 9 .9 9 9 % ) 为 工 作气源， 在S i3 N , 过 渡层上生 长抓化碳薄膜， q和 N : 的 流 皿比 为3 : 2 0
6、 . 实验过程中。 C V 0机的 沉积功 率为7 6 O W， 衬底温度为月 加。 2 .2 C N , 琳 麟的叮注 入 拍 杂 用低能离子注入机 ( 0 - -4 k o V) 对氮化碳薄膜进 行N 2 + 注 入 掺 杂. 注 入 剂 f 为6 .7 X 1 0 “ 1 c a ， 注入 能 盈为 7 0 0 c V e 2 .3 样a的x p s 9 l9 试 用 X射线光电子能谱仪 ( X P S ) 对制备的抓化 碳薄 膜和N 犷 注入后的C N , 样品 进行了 测试 圈2 - 5 分别 为N 扩 注入前后C N , 薄膜N l s , C l s 的 结合醋谱。 2 .4 超
7、高真空条件下样品的场发射侧试 l o l p a 超高真空 条件 下洲试了 所制备的 氮化碳 薄膜在N 2 is 入前后的冷阴极电子场发射特性. 测试 结果如图1 所示。 . 苍金 项目: 国家自 然 科学若会资 助项目 ( 1 9 9 7 5 0 3 5 ) 功能 材乖 冲灿刊， 2 0 0 1 拍 1 4 7 1 州，r李之1!1立甘吸留r备、r苦犷!t十于!r卫卫万L落1LrLrr.任.Ik.r.J寸!.!百民r.1主护、乍!1卜飞布t违压J牙，渗 1 0 0 0 g o 犯 注畔君 的 侧。 林 . . 注心 的 姚娜 月 I 50000 翎栩翎 0 钾自耳 0 . 0 往5 飞峨矛白
8、及右.韶己一巨，0 ， 乃 1 . 5 2 . 0 白a 日a F目匕 N - 图I氮 化 碳 薄 膜 注 入N , 喻后 2 . 5 3 . 0 3 石4 . 0 W m . 1 的电子场发射特性 团 间1叼E 门叨抽 V 图5 N 扩 注 入 后氮 化 碳 样品C l s 的 结 合能 讼 3 结果及分析 2 .5 氮化峨称助表面电学特性的At 侧f了N 2 注 入前 后抓 化 碳薄 膜表面电 阻 和 半导 体特性的变化。 娜月妙妙 日 n d fn 9 E r u r M 内V 图2 N , 注 入前氮 化 破祥品 N l s 的 结 合能 瀚 月 阅加5 日r id 吻 E n e r
9、 g n内V 圈3 N , 注 入 后免化 碳 样品N i s 的 结 合能 讲 霎 1 0 0 0 图4 1 4 7 2 0 3 20 3 10 300 2 90 2 80 .B inding EnergyleV 凡+ 注 入 前 氮 化 砚 样品C l s 的 结 合 能 进 3 . 1从 + 注 入 前后 氮化 碳 旅 成N l s . C l s 含 f及 其结 合能的变化 从X P S谱的 峰位可以 粉出。 注入N z 前 样品的 C I S 峰位在2 8 5 .0 l e V . N l s 的峰位在3 9 8 .6 e V ，而注 入后. C l s 和N l s 的峰位分别为2
10、 8 4 .6 e V和3 9 8 . 4 e V; 二者比 较而言， 有一定的偏移， 这说明C原子和N 原子周圈的化学环境发生了变化。 此外， X P S的定 纽 分析 表明， 7 0 0 c V的N 2 注入 后 氮化 碳薄 膜中N 的含f由2 1 . 8 % 减少至4 .9 8 %. N 2 注入对薄膜含抓 t的影响可以从二个方面加以分析 : 一方面， 我们 制 备的CNx 薄 腹 中C原 子 处 于非 饱和 状态。 存 在部 分不 饱 和健 ( 如C - N . 悬空 健等) 在N , 轰击的 条 件下， 非 饱 和 健 部分 断 裂， 与 注 入的N = 璐成 新的 砚 抓 键: 从
11、 而 导 致C N , 旗中 的 含 抓 皿 增 加; 另 一 方 面。 薄膜中的 部分碳抓健在N , 的轰击下完全断裂了， 一 部分N原子和N原子间结合成游离的N 2 而滋出， 导致薄旗中的含氮t减少。 在这两种因素中，占 主 导地位的是后一种情况。 因此，从总体上粉，氮化 碳薄膜中的含氮皿还是减少了。 3 .2 场发射特性 3 .2 . 1 氮 化 碳薄 膜的 电 子 场 发 射 特性 由侧试结果可以 居出， C N , 薄膜冷阴极电 子场 发 射的 起始电场较低( 4 2 . 3 V 1 r, 哟. 发射电 流稼定 性 较好， 而且发射电流也比较大。比较而言， 金刚石 冷阴 极发 射的
12、起 始场 强为3 - 4 0 V 1 n m m 。 在相对较低 的电 压下就能够获得足够大而称定的发射电 流，这 正是新型冷阴极电子发射材料所需要的优良 性能。 而且，我 们用的 是平面型抓化谈发射派。 如果采用 高质f的尖锥阵列， 将获得更优异的发射性能Is . . 。 尖锥和超尖锥发射想与平面型发射源相比，为获得 同样的电场强度.前者所粉的外加电 压将小得多。 砚 功.锐鹅常刊， ? 1 10 1 1 0 卜 . 一一-一一一 这一方面的工作， 我们也在进行当中。为这一材料 的器件化莫定荃础。 3 . 2 1 氮化破薄膜电子场发射特性的 增强 由图5的7 - Y曲 线 我们可以 看出，
13、注 入 7 0 0 e V 的姚活 ，C N . 薄膜的发射性能与注入前相比 有明显 提高 起始场 强由2 . 5 V / i, m降 为1 .2 V 1 J u m; 稳 定 发 射电流由约0 . 5 m k c m 增大至1 M A / c l n ? 以 上。 另外， 在场发射曲线的末段，发射电流急剧增 加，同时。 我们观察到外部电压迅速下降. 可能是 由于强场下形成的等离子体放电所致。 氮化碳薄膜 作为冷阴极电子场发射材料应尽可能避免工作在这 一区域.以免发射电流急剧起伏导致鉴件烧毁. 3 .3 N , 注 入 前后 氮化 碳扮 助裹 面电 阻 特 性的 变 化 测试 结果表明， 叮注
14、入后， C N , 薄膜的表面电 阻明显降低。 可能原因是由子薄膜表面损失一部分 N后， 部分 C转变为以 石显态存在. 从而导致表面 电限的减少. 前景。 .考文似: 1 J o o H m K i r n , D o u g B o o n A h n , d P i . J . A p p l . P h i ， 一 ， 1 9 9 7 , 眨 ( 2 ) . 6 5 9 - 6 6 5 闭C h m L C , C h e n C长S . L Wetd. L A p p l . P h y a “ L e M , 1 9 9 8 , 7 2 ( 1 9 ) : 2 4 6 3 24 6
15、 5 . 侈IY t e - A . L i , S . X u , He-,hi L i , We i - Y , L M. J o u n W o f Ma l e c i- 目 3 S d a rc e L 改 扭 ” . 1 9 9 8 , 1 7 : 3 1 - 3 5 . 闻 R A le s m W Mc u , F . H u is h e n , G . P 明 M 凡C n u u e m u . A p p ! P h y a _ 人 1 9 9 7 , 6 5 : 2 0 7 - 2 1 3 . 5 1 8 . L G rv W g . J、 性 S c i . T e
16、 d u w l从 1 9 9 3 , 1 1 ( 2 ) : 4 4 9 - 4 5 3 6 1 I n J wC h u n g , D . B .M u r f d t , 人H o r iz , M.RH a a l m t d . J o u rn a l o f Ma t e r i a ls S c ie n c e , 1 9 9 7 , 3 2 : 4 9 9 9 - 5 0 0 3 . 闭 W Z L u , GP K o c hn 州, SJ 叭 L . SablesJA p p l . P h y a ., 1 9 9 5 , 7 8 ( 4 ) : 2 7 0 7 27 1 1 . F ) 刘元旧. 王 仲称，盆亚强 电子发射与光电阴 极. 北京 理 工 大学出 版杜.1 9 9 5 : 3 - 5 7 . 9 1孔庆 升 稗 眺电 子 学. 电 子 工 业出 版社，1 9 9 4 : 4 8 - 7
