非晶氮化硼薄膜的场致电子发射研究

1、第29卷第12期2002年12月中国激光Vol.A29,No.12December,2002文章编号:025827025(2002)1221110203非晶氮化硼薄膜的场致电子发射研究张兰,马会中,姚宁,胡欢陵,张兵临31,312323郑州大学1工程力学系,2物理工程学院,河南郑州450052中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031提要利用脉冲激光沉积(PLD)技术在镀钛的陶瓷衬底上制备出了非晶态氮化硼薄膜,借助于X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及Raman光谱分析了该薄膜的结构,并研究了薄膜场致电子发射特性,阈值电场为m,当电场为9Vm时,电流密度为50416VA

2、cm。关键词氮化硼薄膜,脉冲激光沉积,场致电子发射中图分类号O484文献标识码A2FieldElectronBoronNitrideFilmG12,YAONing,HUHuan2ling,ZHANGBinglin2232mentofEngineeringMechanics,DepartmentofPhysics,3ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450002;AnhuiInstituteofOpticsandfineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Hefei,AnhuiAbstractAmorphousboron

3、nitridethinfilmwaspreparedonthetitaniumcoatedceramicsubstratebypulsedlaserdepositiontechnique(PLD).ThemicrostructureofthefilmwasexaminedbyusingX2raydiffraction,scanningelectronmicroscopyandRamanspectroscopy.Theelectronfieldemissioncharacteristicswereinvestigated.Theturn2onfieldwasm.Thecurrentdensity

4、was50m.4.6VAcmatanelectricfieldof9VKeywordsboronnitridethinfilm,pulsedlaserdeposition(PLD),fieldelectronemission21引言随着场发射平板显示技术的不断发展,寻找好的冷阴极材料的工作受到了人们的广泛关注。近年来,金刚石、类金刚石、纳米碳管等碳基薄膜被认为13是好的冷阴极场发射材料。立方氮化硼(c2BN)薄膜与金刚石薄膜有着相似的特性,如高的硬度、电4阻率和热导率,且其易掺杂性比金刚石薄膜更优越,因此立方氮化硼薄膜作为超硬涂层及半导体材料受到了人们的重视。六方氮化硼(h2BN)也具有好的热

5、稳定性、化学稳定性,作为好的润滑材料受到人们的关注。立方氮化硼与六方氮化硼均是宽带隙材料,因此,在一定条件下可能具有较低的电子亲和势,而具有好的场致电子发射特性。对于立方氮化硼薄膜的场发射特性近来已有研究报道。TakashiSugino,ChiharuKimura等报道了采用等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)方法制备出了立方氮化硼薄膜,并研究了该薄膜的场致电子发射特性,其场m5,6。发射阈值电场为7V非晶态BN因制备方法而异,其带隙为414519eV,也属于宽带隙材料,因此也有可能成为冷阴极场发射材料,但目前尚未见到对非晶氮化硼场致电子发射特性的研究。本文报道了用长脉冲激光沉积(PLD)技

6、术制备非晶氮化硼薄膜,并研究了其场收稿日期:2002204228;收到修改稿日期:2002207209基金项目:863计划新材料领域项目和河南省自然科学基金(编号:004042000)资助项目。),女,讲师,中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生,主要从事激光与物质相互作用及材作者简介:张兰(1971料科学等方向的研究。3E2mail:blzhang© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 12期张兰等:非晶氮化硼薄膜的场致电子发射研究1111致电子发射

7、特性。发现该薄膜具有较低的场发射阈m。用脉冲激光沉积技值电场,阈值电场为416V术制备的这种薄膜,其显著优点是:场发射阈值电场低,沉积效率高;在室温下即可沉积,不会影响衬底的电学特性;以及很容易通过控制激光脉冲数而精确地控制薄膜的厚度。应室内真空度为114×10Pa,平均功率密度约10Wcm,激光脉冲重复频率为5Hz,沉积时间为5min,沉积速率每个激光脉冲为011nm,薄膜厚度约-36为150nm。2实验方法脉冲激光沉积技术制备BN薄膜的实验装置如图1所示。以氮化硼作为靶子,表面镀钛的陶瓷片作为衬底,将靶子和衬底放在真空反应室内,二者相距约3cm。以自由运转长脉冲YAG激光器作为激

8、发光源,脉冲宽度约100ms。这里采用长脉冲激光沉积和用Q(,。即长脉冲激光束通过透镜聚焦在靶子上,使靶面融化和蒸发,蒸发所产生的蒸气中含有大量的原子和原子7团,这些原子和原子团冷却凝结,从而在衬底上沉积出薄膜。制备薄膜的过程是在室温下进行的。反BN薄膜的实验装置1set2upforpreparingBNfilmbypulsedlaserdepositiontechnique3实验结果分析对该薄膜进行了X射线衍射(XRD)分析,X射线衍射谱各峰值的2角及d值如表1所示,在XRD谱中所有各峰值均为Al2O3衬底的衍射峰,并未呈现出BN的衍射峰,说明该薄膜是非晶态。表1X射线衍射峰位置及相应d值T

9、able1XRDpeakpositionanddvalue2d10.2818.598052.4201.744018.0004.924157.3801.604525.4603.495661.1801.513627.9003.192566.4001.406729.3803.037568.1001.375735.0402.558874.2001.277037.6602.386576.7601.240641.5602.171277.0001.237443.2402.090677.3401.232844.6802.02652d氮化硼薄膜扫描电镜(SEM)的照片如图2所示,从图中可看到,薄膜的表面结构呈不

10、规则形状,而未见任何有序的晶态结构,这和X射线衍射分析测试结果相一致。图3给出了该薄膜的Raman光谱,从Raman光-1谱可看到在13001500cm范围内有一宽峰结构,峰值约在139818cm处。立方氮化硼晶体的-1Raman峰为105415和130615cm,分别对应于横-1图2非晶氮化硼薄膜扫描电镜照片Fig.2SEMmicrographofamorphousBNfilm图3非晶氮化硼薄膜的Raman光谱Fig.3RamanspectrumofamorphousBNfilm© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publis

11、hing House. All rights reserved. 中国激光29卷11128光学振动模(TO)与纵光学振动模(LO)。Nemanich等研究了六方氮化硼晶体的Raman光谱,Raman峰处于136612cm,对应于晶面内的2sp相B2N振动;同时发现随着晶粒的变小,该9Raman峰向高频方向移动并且谱线加宽。据此-1可以判定,在图3中位于139818cm处的宽带-1Raman峰对应于h2BN的136612cm特征峰,即sp相B2N振动峰,这里的Raman峰的频移和谱线2-1的加宽是由于非晶薄膜的高度无序所致。从而可以2确定该薄膜是sp相结构的非晶态BN薄膜。用所制备的非晶态BN薄

12、膜作为阴极研究了场致电子发射特性。场发射实验采用了二极管结构,已在参考文献10中报道。阴极面积约为1cm,用镀ITO的透明导电玻璃作为阳极,为阴极和阳极间的隔离垫片,m。Pa行的,得到的电流4所示,从图m,当电场为中可计算出,416V2m时,电流密度为50A9Vcm。薄膜的Fowler2Nordheim曲线如图5所示,图中的曲线近似于线性2图5非晶氮化硼薄膜的Fowler2Nordheim曲线Fig.5Fowler2NordheimcurveofamorphousBNfilm,BN。参考文献1W.Zhu,G.P.Kochanski,S.Jinetal.Electronfieldemission

13、fromion2implanteddiamondJ.Appl.Phys.Lett.,1995,67(8):115711592F.Y.Chuang,C.Y.Sun,T.T.Chenetal.LocalelectronfieldemissioncharacteristicsofpulsedlaserdepositeddiamondlikecarbonfilmsJ.Appl.Phys.Lett.,1996,69(23):350435063OlivierM.Küttel,OliverGroening,ChristophEmmeneggeretal.Electronfieldemissionf

14、romphasepurenanotubefilmsgrowninamethanehydrogenplasmaJ.Appl.Phys.Lett.,1998,73(15):211321154DengJinxiang,WangBo,YanHuietal.DepositionofcubicboronnitridethinfilmswithwideenergygapJ.Chin.J.Semiconductors(半导体学报),2001,22(1):6668(inChinese)5TakashiSugino,YoshihiroEto,ShigeruTagawa.Fieldemissioncharacter

15、isticsofboronnitridefilmsC.InternationalVacuumMicroelectronicsConferenceIVMC2000,2000.3763776ChiharuKimura,TomohideYamamoto,TakashiSugino.FieldemissioncharacteristicsofboronnitridefilmsdepositedonSisubstrateswithcubicboronnitridecrystalgrainsC.InternationalVacuumMicroelectronicsConferenceIVMC2000,20

16、00.2442457H.Sankur,J.T.Cheung.Formationofdielectricandsemiconductorthinfilmsbylaser2assistedevaporationJ.Appl.Phys.A,1998,47:2712848S.Koizumi,T.Murakami,T.Inuzukaetal.Epitaxialgrowthofdiamondthinfilmsoncubicboronnitride111surfacesbydcplasmachemicalvapordepositionJ.Appl.Phys.Lett.,1990,57(6):5635659R

17、.J.Nemanich,S.A.Solin,RichardM.Martin.LightscatteringstudyofboronnitridemicrocrystalsJ.PhysicalReviewB,1981,23(12):6348635510H.Ma,L.Zhang,N.Yaoetal.Field2electronemissionfrompolyimide2ablatedfilmsJ.Appl.Phys.A,2000,71:28128411MaHuizhong,ZhangLan,YaoNingetal.Electronfieldemissionfromnitrogenionimplantationdiamond2likecarbonfilmJ.Chin.Phys.Lett.,1999,16(8):608609关系,说明这是由于隧道效应引起的冷阴极场发射过程。图4非晶氮化硼薄膜的电流2电压特性曲线Fig.4I2VcharacteristicsofamorphousBNfilm11已知简化的F2N公式732ln=ln-2VV-6(d),为场增强因子,这这里=1154×10A里