基于独立场效应管调控的碳纳米管场发射阵列的研究

Carbon nanotube cold cathodes have promising applications,however,their electron emission ability, emission current uniformity and stability, and sensitivity of gate modulation still can not satisfy the requests of large power devices. To improve above performances of carbon nanotubes array, this project presents an Individually Transistor-Ballasted Carbon Nanotube Arrays on SOI (silicon on insulator) substrate. This structure has following advantages: (1)each carbon nanotube in the array is connected in serise with a transistor, which will redistribute the emission current of the array, improve the current density、stability and uniformity,(2)gate could modulate both drain-source current of transistor and electric field around carbon nanotube tip, consequently the sensitivity of gate modulation is improved,(3) the structure is fabricated on SOI substrate, which simplifies the fabrication process.Based on the computer simulation and theory analysis, the emission current limitation effect of transistor on carbon nanotubes, the redistribution function of the emission current by the transistors array, and the mechanism of large current emission will be illustrated. Based on the design and optimization of the device structure, the devices will be fabricated and tested. This project will open a new way for the research of field emission devices.

碳纳米管场发射电子源有很好的应用前景，但目前其大电流发射能力、电流均匀性和稳定性以及大电流的调制灵敏度等性能仍不能满足大功率器件的需求。为进一步提高碳纳米管阴极的上述性能，本项目创新性地提出一种基于绝缘硅衬底（SOI）的独立场效应管调控的碳纳米管场发射阵列三极结构。该结构特点为：1）场发射阵列中每一根碳纳米管都串联了一个独立的场效应管，这可以平衡每根碳管的发射电流，进而提高阵列的总体电流及电流稳定性；（2）栅极既可调制场效应管的源漏电流，又可调制碳纳米管尖端电场，以此提高电流调制灵敏度；3）基于SOI衬底制备，工艺相对简单。本项目将通过理论分析和模拟计算阐明场效应管对单根碳纳米管的限流保护机制和对碳纳米管阵列发射电流的平衡作用，进而探索该结构实现大电流均匀发射的机理；然后优化设计器件结构，并研究器件的制备工艺和场发射性能。本项目的研究为场发射器件的发展开辟了新的道路。

本项目主要解决碳纳米管场发射电子源目前存在的两个关键科学问题：一、大电流场发射机制，二、大电流的灵敏调制。基于这两个关键科学问题，并结合项目申请书和计划书中提出的研究目标，研究计划和研究内容，本项目的主要研究工作主要集中在：(1)基于碳纳米管的复合纳米结构场发射阵列，(2)集成限流非线性电阻的碳纳米管场发射阵列，(3)集成限流晶体管的碳纳米管场发射阵列，(4)基于石墨烯和碳纳米管的场发射三极结构。前两部分工作主要解决关键科学问题一，后两个部分工作主要解决关键科学问题二。具体包括：1、为了提高碳纳米管阵列的场发射稳定性，本项目提出并制备出两种碳纳米管和宽禁带半导体的复合结构阵列：(1)碳纳米管网格-氧化锌纳米线复合结构。(2)碳纳米管-六方氮化硼复合结构阵列。相比单纯的碳纳米管网格或阵列阴极，复合结构阴极的发射稳定性有很大改善，同时阴极的发射电流也得到了较大提高。2、为了改善碳纳米管阵列场发射电流的均匀性，以达到提高发射电流的目的。本项目提出一种集成限流非线性电阻的碳纳米管阵列。也就是给阵列中每个发射单元都串联一个独立的非线性电阻，以此达到平衡阵列电流的目的。研究结果表明，这种方法可以有效提高场发射电流密度、稳定性和寿命。3、为了改善场发射阴极大电流发射和大电流灵敏调制相互制约的瓶颈问题，本项目提出一种集成限流三极管的碳纳米管阵列。其主要创新性是给阵列中每个碳纳米管串联一个独立的三极管，通过调控三极管的饱和电流来调控碳纳米管的发射电流。研究结果表明，这种调控方式可以有效提高最大发射电流、电流调制灵敏度，以及稳定性和寿命。4、同样，为了提高大电流发射的调制灵敏度，本项目提出两种基于石墨烯的场发射栅极调制结构：(1)石墨烯和金属栅网复合栅极结构。将石墨烯薄膜覆盖到金属栅网表面作为栅极电极，利用石墨烯极薄的厚度、良好的导电性能和机械性能，可以有效提高栅极-阴极电场的均匀性，降低驱动电压和电子束发散角度。(2)石墨烯平面三极结构。石墨烯的层片结构易于平铺在衬底上，利用这种特性，将阴极和栅极制备在同一平面上，利用阴-栅之间的横向电场实现石墨烯片层结构的场发射，实现了石墨烯横向发射电流的灵敏调制。项目按照研究计划顺利完成，为了进一步解决两个关键科学问题，对研究内容有了一定的深化和拓展，取得了良好的研究成果