负电子亲和势AlN冷阴极材料的平面电子发射特性研究

Cold cathode is one of the key elements in the vacuum microelectronic device. It has potential applications in many fields, such as the flat panel displays (FED), scanning electron microscopy (SEM), electron beam lithography (EBL), pressure sensor etc.Considering the practical applications of cold cathode and the negative electron affinity of wide band semiconductors, this project concentrates on the crystal quality and field electron emission of AlN films. The research will start from the epitaxial growth of AlN material, and several scientific questions would be studied in depth, including the surface migration dynamics of Al atoms and epitaxial mechanism during the AlN growth on heterogeneous substrates, the control of dislocation evolution and defect density, the physical model and energy band design of GaN/AlN complex structure, the behavior of oxygen impurities and its influence to the electron emission, the regulation of surface morphology of AlN films, and so on. On the base of understanding in-depth of mechanisms above, the planar cold cathode material of AlN with better characteristics of electron emission is expected.

冷阴极是真空微电子器件中的核心技术，在平板型显示器、大功率微波器件、扫描电子显微镜、电子束光刻、压力传感器等军民工业中均具有重要的意义。本课题拟针对冷阴极材料的实际应用，充分利用宽带隙半导体特有的负电子亲和势性质，从外延生长入手改进AlN薄膜的质量，研究AlN外延薄膜的平面电子发射特性。 本课题的研究过程将从AlN材料的外延生长入手，针对Al原子表面迁移动力学及大失配异质衬底上AlN外延生长机制、AlN外延薄膜中的位错演化过程和缺陷密度控制、GaN/AlN复合结构冷阴极材料的物理模型及能带设计、氧杂质在AlN材料中的行为模式及对电子发射密度的影响机理和AlN材料的表面形貌对电子发射特性的影响及调控等关键科学问题展开研究，期望能更深入地理解AlN薄膜中的结构参数对电子发射特性的影响机制，最终在高质量外延生长的基础上，获得具有良好发射特性的AlN平面冷阴极材料。

本课题的研究目标是针对AlN冷阴极材料的实际应用，利用AlN材料的负电子亲和势性质，从外延生长入手改进AlN外延薄膜质量，研究AlN冷阴极材料的平面电子发射特性。通过本项目四年来的支持，我们取得了以下四项主要结果：.1. AlN薄膜材料的MOCVD外延生长：采用MOCVD制备了不同厚度的AlN薄膜，通过原子力显微镜（AFM）研究了AlN材料的表面形貌对场发射电流密度的作用机制；采用X射线光电子能谱(XPS)与氩离子刻蚀方法，表征了AlN薄膜中元素的深度分布和化学状态，发现AlN膜中总存在Ga、O和C元素的污染，这些杂质元素在生长AlN薄膜过程中已被引入。.2. AlN薄膜材料电子亲和势的实验测量：采用紫外光电子能谱方法实际测量了AlN薄膜材料的电子亲和势，发现AlN的电子亲和势随厚度增大而增加，XPS分析发现其原因是薄膜中的O杂质含量增大，大部分O取代N位置，主要以Al-O形式存在，继而影响了AlN薄膜的电子亲和势。.3. AlN冷阴极在场发射过程中的击穿机制：实验测试过程中发现AlN冷阴极容易发生击穿现象，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）分析样品的表面形貌和成分发现：AlN薄膜表面存在不规则起伏，使得在电压上升过程中局域场增强因子发生变化，在热堆积与阳极引起的离子轰击共同作用下发生击穿。通过对AlN表面形貌调控和场发射样品工艺设计，降低了击穿现象发生的可能性，提高了场发射电流密度。.4. 高发射电流密度的AlN冷阴极材料：在上述实验结果的基础上，在MOCVD外延生长过程中对Si掺杂浓度进行调控，对AlN场发射样品结构进行优化设计，采用钝化技术抑制了AlN冷阴极的击穿现象，获得了具有良好场发射特性的AlN冷阴极材料，开启电压低至7.28 V，实验测得的最大场发射电流密度高达2550 mA/cm2。