一種納米硅薄膜陰極及其制作方法

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一種納米硅薄膜陰極及其制作方法
【專利摘要】一種納米硅薄膜陰極及其制作方法，由依次制作于基底上的底電極——含納米晶硅的二氧化硅層(即納米晶硅顆粒鑲嵌在二氧化硅中)——頂電極構成，其中的含納米晶硅的二氧化硅層采用濺射法結合高溫退火工藝制備。在含納米晶硅的二氧化硅層的制備過程中，調節(jié)通入鍍膜腔中的氬氣和氧氣的分壓比或調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率來控制最后制得的含納米晶硅二氧化硅層中的硅晶粒的大小和密度分布，使含納米晶硅二氧化硅層中粒徑適中的硅晶粒的密度呈周期性變化的分層分布。此納米硅薄膜陰極的制作工藝與硅微電子加工工藝兼容，并且電子發(fā)射性能穩(wěn)定。
【專利說明】一種納米硅薄膜陰極及其制作方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子材料與器件【技術領域】，具體涉及一種納米硅薄膜陰極及其制作方法。

【背景技術】
[0002] 冷陰極的種類很多，有Spindt型、硅微尖型、碳納米管型、金剛石薄膜型、類金剛石薄膜型、多孔硅型和表面?zhèn)鲗щ娮影l(fā)射型、金屬--絕緣體（氧化物）--金屬型和金屬--絕緣體（氧化物）--半導體--金屬型等。為了獲得良好的電子發(fā)射，陰極材料應滿足以下基本要求：較低的功函數(shù)，電子發(fā)射開啟電壓低；發(fā)射電流密度大并且均勻穩(wěn)定；較高的電導率和熔點；穩(wěn)定的表面物理化學性質；材料經(jīng)濟實用，成本低，易加工等。
[0003] 在眾多陰極材料中，娃材料的加工處理與半導體工藝技術兼容，因而工藝成熟，力口工精度高，易于制備具有不同結構要求的冷陰極。例如，通過鍍膜和光刻工藝可以制備出硅微尖陣列陰極，該陰極可以在很低的偏置電壓下產(chǎn)生較大的發(fā)射電流。但硅陣列陰極的熱穩(wěn)定性較差、發(fā)射均勻性和可靠性低以及難以大面積制備。多孔硅陰極是另一種硅基冷陰極，它主要利用電化學陽極刻蝕技術制備而成，與其他冷陰極相比，利用多孔硅制作的平面冷陰極工藝相對簡單，且具有驅動電壓低和電子發(fā)散角小等特點，更重要的是其對環(huán)境氣壓不敏感，甚至可在氣體中發(fā)射電子。但多孔硅陰極也存在以下不足之處：
[0004] (1)多孔硅陰極的電子發(fā)射穩(wěn)定性較差，機械性能和化學性能不穩(wěn)定，不利于制備長時間使用的器件。
[0005] (2)電化學陽極刻蝕技術采用氫氟酸作為腐蝕液，會產(chǎn)生有毒廢水，嚴重污染環(huán) 境，因而有很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種納米硅薄膜陰極及其制作方法，該方法的工藝重復性好，無污染；制備的納米硅薄膜陰極的電子發(fā)射的穩(wěn)定性好，有很好的機械和化學穩(wěn)定性；制備工藝與硅微電子加工工藝兼容。
[0007] 為了達到上述目的，本發(fā)明納米硅薄膜陰極的制作方法為：首先在基底上沉積底電極，然后在底電極上沉積含納米晶硅的二氧化硅層；最后在含納米晶硅的二氧化硅層的表面沉積頂電極，得到納米硅薄膜陰極；其中，含納米晶硅的二氧化硅層是采用如下兩種方法中的一種沉積在底電極上的：
[0008] 第一種方法：在底電極上采用濺射法沉積SiOx薄膜，然后對SiOx薄膜進行高溫退火處理使Si與SiO2產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅，形成含納米晶硅的二氧化硅層；且 0<x<2 ；
[0009] 第二種方法：在底電極上交替沉積非晶硅薄膜和SiO2薄膜以得到a_Si/Si02多層復合薄膜，對a_Si/Si02多層復合薄膜進行高溫退火處理，使a-Si/Si02S層復合薄膜中的非晶硅轉變?yōu)榧{米晶硅，形成含納米晶硅的二氧化硅層。
[0010] 沉積SiOx薄膜是采用以下三種方式中的一種實現(xiàn)的：
[0011] 第一種方式：向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，以硅靶為濺射源在底電極上沉積SiOx 薄膜；
[0012] 其中，在SiCU^膜沉積過程中，控制氬氣和氧氣的分壓比為（12:1)-(1:1)并保持恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0013] 或者通過分時段地調節(jié)氬氣和氧氣的流量，使氬氣和氧氣的分壓比在一個時間段保持在（12:1)-(8:1)中的一個恒定值，而在下一個時間段保持在（4:1)-(1:1)中的一個恒定值，且每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；
[0014] 或者通過分時段地調節(jié)硅靶的濺射功率，使硅靶濺射功率在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率與低濺射功率的比值控制在（2:1)-(5:1)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，且控制氬氣和氧氣的分壓比為 (12:1)-(1:1)并保持恒定，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的 SiOx薄膜；
[0015] 第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣或同時通入氬氣和氧氣，以硅靶和二氧化硅靶為共濺射源在底電極上沉積SiOx薄膜；若向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，則控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ;
[0016] 其中，在SiOx薄膜沉積過程中，保持硅靶和二氧化硅靶的濺射功率恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0017] 或者通過分時段地調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率，使硅靶和二氧化硅靶的濺射功率比在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率比與低濺射功率比的比值控制在（2:1)-(5:1)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；
[0018] 第三種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，或者同時通入氬氣和氧氣，采用硅和二氧化硅復合靶為濺射源在底電極上沉積SiOx薄膜，且同時通入氬氣和氧氣時，控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ;
[0019] 其中，在薄膜沉積過程中，用一個恒定的功率濺射一個硅和二氧化硅復合靶以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0020] 或者采用兩個硅含量不同的硅和二氧化硅復合靶作為濺射源，兩個靶材中硅的重量百分比含量相差30 %以上，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射高硅含量的復合靶，而在下一個時間段濺射低硅含量的復合靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜。
[0021] 沉積a-Si/Si02多層復合薄膜是采用以下兩種方式中的一種實現(xiàn)的：
[0022] 第一種方式：以硅靶為濺射源在底電極上沉積a_Si/Si02多層復合薄膜，且在薄膜沉積過程中，在一個時間段向鍍膜腔中通入氬氣，下一個時間段向鍍膜腔中同時通入氬氣和氧氣，并控制氬氣和氧氣的分壓比為（1:2)-(1:4)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積a-SVSiO2多層復合薄膜；
[0023] 第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，以硅靶和二氧化硅靶為濺射源在底電極上沉積a_Si/Si02多層復合薄膜，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射硅靶，在下一個時間段濺射二氧化硅靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積a-Si/Si02多層復合薄膜。
[0024] 在沉積SiOx薄膜和a_Si/Si02多層復合薄膜過程中，控制鍍膜腔中總氣壓為 0. 08-5.OPa，基底的溫度控制在200-500°C。
[0025] 所述的第一種方法和第二種方法中的高溫退火處理均是在氮氣環(huán)境中進行，高溫退火處理溫度為500-1100°C，高溫退火處理時間為30-120分鐘。
[0026] 所述的第一種方法和第二種方法中高溫退火處理后還要進行二次高溫退火處理，二次高溫退火處理是在氧氣環(huán)境中進行的，二次高溫退火溫度為500-900°C，二次高溫退火時間為20-60分鐘。
[0027] 所述的含納米晶硅的二氧化硅層中的納米晶硅的粒徑為3_8nm，含納米晶硅的二氧化娃層的厚度為200-3000nm，底電極的厚度為50-300nm，頂電極的厚度為5-20nm。
[0028] 所述的底電極是采用濺射法制備，通過濺射鎢、鎳、鉻、鋁、銅、鈦中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成；頂電極是采用濺射法制備，通過濺射金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成。
[0029] -種采用所述的制作方法制得的納米硅薄膜陰極，包括依次設置在基底上的底電極、含納米晶硅的二氧化硅層以及能夠向外發(fā)射出電子的頂電極；且含納米晶硅的二氧化硅層由納米晶硅和二氧化硅組成。
[0030] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0031] 1、本發(fā)明利用含納米晶硅的二氧化硅層薄膜作為陰極材料，一方面電子在其中傳輸時受到的散射較少，另一方面可在薄膜中施加較強的電場以利于電子加速，因而，本發(fā)明所采用的含納米晶硅的二氧化硅層是一種性能優(yōu)良的電子發(fā)射材料。而且由于納米硅薄膜陰極是構建在基底上的多層結構，即底電極--含納米晶硅的二氧化硅層--頂電極，其中的含納米晶硅的二氧化硅層采用濺射法結合高溫退火工藝制作。與其它鍍膜技術相比，本發(fā)明采用的濺射法可以制備致密、均勻、重復性好的SiOx薄膜或a-Si/Si02多層復合薄膜，從而能更精確地控制最終形成的含納米晶硅二氧化硅層中的硅晶粒大小、硅晶粒密度及膜層總厚度，因此具有很好的重復性。
[0032] 2、在制備薄膜時，本發(fā)明通過調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率和濺射時間或者通過調節(jié)氬氣和氧氣分壓比，能夠制備出硅晶粒的大小適中及其密度在薄膜厚度方向上呈周期性分布的含納米晶硅二氧化硅層，利用硅晶粒密度較高的膜層具有較高的導電率來增強垂直于薄膜方向上的電場強度，從而有利于電子的加速。采用這種方法制備的納米硅薄膜陰極既有好的電子發(fā)射穩(wěn)定性，同時還有較高的電子發(fā)射密度以及良好的機械和化學穩(wěn) 定性能。
[0033] 3、本發(fā)明通過濺射工藝和高溫退火工藝的控制可以制備具有適中的硅晶粒大小、硅晶粒密度和膜層總厚度以及較少的硅原子懸掛鍵等硅晶粒與二氧化硅的界面缺陷的含納米晶硅的二氧化硅層，從而能夠減小電子在其中運動時受到的散射和被捕獲幾率。
[0034] 4、本發(fā)明采用干法制備工藝，克服了電化學陽極濕法刻蝕帶來的污染，并且與硅微電子加工工藝兼容，適用于可用作電子束器件、發(fā)光器件、平板顯示器件、微波器件和傳感器件的納米硅薄膜陰極的制作。
[0035] 進一步，本發(fā)明對含納米晶硅的二氧化硅層采用在氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，利用擴散到含納米晶硅二氧化硅層中的氧原子進一步鈍化薄膜內(nèi)部的缺陷，從而減小電子在含納米晶硅的二氧化硅層的運動過程中受到的散射和被捕獲幾率，這些措施有利于電子獲得更高的能量從頂電極發(fā)射出去。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是第一種納米硅薄膜陰極的結構示意圖；
[0037] 圖2是第二種納米硅薄膜陰極的結構示意圖；
[0038] 圖3是第三種納米硅薄膜陰極的結構示意圖；
[0039] 圖4是納米硅薄膜陰極的電子發(fā)射特性曲線。
[0040]其中，1、底電極，2、含納米晶硅的二氧化硅層，21、二氧化硅，22、納米晶硅，3、頂電極，4、基底。

【具體實施方式】
[0041] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0042] 參見圖1-3,本發(fā)明納米硅薄膜陰極的制作方法，首先在基底4上濺射沉積底電極 1，然后在底電極1上制備含納米晶硅的二氧化硅層2 ;最后在含納米晶硅的二氧化硅層2 的表面濺射沉積頂電極3 ;且含納米晶硅的二氧化硅層2中的納米晶硅22的粒徑為3-8nm，含納米晶硅的二氧化硅層2的厚度為200-3000nm，底電極1的厚度為50-300nm，頂電極3 的厚度為5-20nm;底電極1采用濺射鎢、鎳、鉻、鋁、銅、鈦中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成，頂電極3采用濺射金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成。
[0043] 其中，含納米晶硅的二氧化硅層2是采用如下兩種方法中的一種制作在底電極1 上的：
[0044] 第一種方法：在底電極1上采用濺射法沉積SiOx薄膜（0〈x〈2,即富硅的氧化硅薄膜），然后對SiOx薄膜進行高溫退火處理使Si與SiO2產(chǎn)生相分離 (570, 4(1 -i)5/_(/zc) + ^67O2(0<.\-<2))并析出納米晶娃22,形成含納米晶娃的二氧化硅層2 ;且沉積SiOx薄膜是采用以下三種方式中的一種實現(xiàn)的：
[0045] 第一種方式：向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，以硅靶為濺射源在底電極1上沉積 SiOx薄膜；
[0046] 其中，在SiCU^膜沉積過程中，控制氬氣和氧氣的分壓比為（12:1)-(1:1)并保持恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0047] 或者通過周期性地調節(jié)通入鍍膜腔中的氬氣和氧氣的分壓比或硅靶的濺射功率，來控制含納米晶硅二氧化硅層2中的硅晶粒22的大小和密度分布，使含納米晶硅二氧化硅層2中粒徑適中的硅晶粒22的密度呈周期性變化的分層分布。周期性地調節(jié)通入鍍膜腔中的氬氣和氧氣的分壓比的具體做法為：采用分時段地調節(jié)氬氣和氧氣的流量，使氬氣和氧氣的分壓比在一個時間段保持在（12:1)-(8:1)中的一個恒定值，而在下一個時間段保持在（4:1)-(1:1)中的一個恒定值，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜。周期性地調節(jié)硅靶的濺射功率的做法為：分時段地調節(jié)硅靶的濺射功率，使硅靶濺射功率在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率與低濺射功率的比值控制在（2:1)-(5:1)范圍內(nèi)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，且控制氬氣和氧氣的分壓比為（12:1)-(1:1)并保持恒定，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；
[0048] 第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣或同時通入氬氣和氧氣，以硅靶和二氧化硅靶為共濺射源在底電極1上沉積SiOx薄膜，且同時通入氬氣和氧氣時，控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ;
[0049] 其中，在SiOx薄膜沉積過程中，保持硅靶和二氧化硅靶的濺射功率恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0050] 或者通過周期性地調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率，來控制含納米晶硅的二氧化硅層2中硅晶粒22的大小和密度分布，使含納米晶硅二氧化硅層2中粒徑適中的硅晶粒 22的密度呈周期性變化的分層分布。其具體做法為：采用分時段地調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率，使硅靶和二氧化硅靶的濺射功率的比值在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率比與低濺射功率比的比值控制在（2:1)-(5:1)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；
[0051] 第三種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，或者同時通入氬氣和氧氣，采用硅和二氧化硅復合靶為濺射源在底電極1上沉積SiOx薄膜，且同時通入氬氣和氧氣時，控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ;
[0052] 其中，在SiOx薄膜沉積過程中，保持硅和二氧化硅復合靶的濺射功率恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；
[0053] 或者使用兩個有不同硅含量的硅和二氧化硅復合靶，通過交替濺射這兩個復合靶，來控制含納米晶硅的二氧化硅層2中硅晶粒22的大小和密度分布，使含納米晶硅二氧化硅層2中粒徑適中的硅晶粒22的密度呈周期性變化的分層分布。其具體做法為：采用兩個硅含量不同的硅和二氧化硅復合靶作為濺射源，交替濺射這兩個靶材在底電極1上沉積SiOx薄膜，且兩個靶材中硅的重量百分比含量相差30%以上，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射高硅含量的復合靶，而在下一個時間段濺射低硅含量的復合靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx 薄膜；
[0054] 第二種方法：在底電極1上交替沉積非晶硅薄膜和二氧化硅薄膜來得到a-Si/ SiO2多層復合薄膜，對a-Si/Si02多層復合薄膜進行高溫退火處理，使a-Si/Si02多層復合薄膜中的非晶硅轉變?yōu)榧{米晶硅22,形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;且a-Si/Si02多層復合薄膜是采用以下兩種方式中的一種得到的：
[0055] 第一種方式：以硅靶為濺射源在底電極1上沉積a_Si/Si02多層復合薄膜；且在薄膜沉積過程中，在一個時間段向鍍膜腔中通入氬氣，下一個時間段向鍍膜腔中同時通入氬氣和氧氣，并控制氬氣和氧氣的分壓比為（1:2)_(1:4)，每個時間段的時間長度為1-10 分鐘，如此交替往復以沉積a-Si/Si02多層復合薄膜；
[0056] 第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，以硅靶和二氧化硅靶為濺射源在底電極1上沉積a-Si/Si02多層復合薄膜，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射硅靶，在下一個時間段濺射二氧化硅靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積a-Si/Si02 多層復合薄膜。
[0057] 在沉積SiOx薄膜和a_Si/Si02多層復合薄膜過程中，控制鍍膜腔中總氣壓為 0. 08-5.OPa，基底4的溫度控制在200-500°C。第一種方法和第二種方法中高溫退火處理均是在氮氣環(huán)境中進行的，高溫退火處理溫度為500-1100°C，高溫退火處理時間為30-120分鐘。
[0058] 進一步，第一種方法和第二種方法中高溫退火處理后還要進行二次高溫退火處理，二次高溫退火處理是在氧氣環(huán)境中進行的，二次高溫退火溫度為500-900°C，二次高溫退火時間為20-60分鐘。
[0059] 采用上述制作方法制得的納米硅薄膜陰極，包括依次設置在基底4上的底電極1、含納米晶硅的二氧化硅層2以及能夠向外發(fā)射出電子的頂電極3 ;且含納米晶硅的二氧化硅層2由納米晶硅22和二氧化硅21組成（即納米晶硅22鑲嵌在二氧化硅21中）。
[0060] 本發(fā)明的納米硅薄膜陰極由依次制作于基底上的底電極--含納米晶硅的二氧化硅層（即納米晶硅顆粒鑲嵌在二氧化硅中）一頂電極構成，在采用濺射法結合高溫退火工藝制備含納米晶硅的二氧化硅層的過程中，通過調節(jié)通入鍍膜腔中的氬氣和氧氣的分壓比或調節(jié)硅靶（純硅靶、摻磷的η型硅靶或摻硼的P型硅靶）和二氧化硅靶的濺射功率，使薄膜中的富硅量在膜厚方向上發(fā)生改變，從而控制最后制得的含納米晶硅的二氧化硅層中的硅晶粒大小和密度分布，使含納米晶硅二氧化硅層中粒徑適中的硅晶粒的密度呈周期性變化的分層分布。
[0061] 該納米硅薄膜陰極的電子發(fā)射過程為：在頂電極和底電極間施加一個正向偏壓 (10?30V)，電子由底電極進入到含納米晶硅二氧化硅層中，電子在電場的作用下相繼多次隧穿通過相鄰納米晶硅22之間的二氧化硅21，并在該層中得到加速（特別是在二氧化硅 21中），最終有部分具有較高能量的電子穿過頂電極而發(fā)射出去。電子在運動過程中會受到膜層中電子和聲子的散射及電子陷阱的捕獲使電子能量降低和傳輸電子數(shù)目減少，這將影響到陰極的電子發(fā)射穩(wěn)定性和發(fā)射密度。
[0062] 本發(fā)明的基本構思是：由于二氧化硅具有良好的物理化學穩(wěn)定性、高熔點和高密度的特性，而電子在納米晶硅中運動時有較大的漂移長度，因此用含納米晶硅的二氧化硅薄膜作為陰極材料，一方面電子在其中傳輸時受到的散射較少，另一方面可在薄膜中施加較強的電場以利于電子加速，因而含納米晶硅的二氧化硅層薄膜是一種適合的電子發(fā)射材料。納米硅薄膜陰極具有多層結構，即底電極--含納米晶硅的二氧化硅層--頂電極，其中的含納米晶硅的二氧化硅層采用濺射法結合高溫退火工藝制作。與其它鍍膜技術相 t匕，濺射法可以制備致密、均勻、重復性好的SiOx薄膜或a_Si/Si02交替多層薄膜，從而能更精確地控制最終形成的含納米晶硅二氧化硅層中的硅晶粒大小、硅晶粒密度及膜層總厚度。制備薄膜時，可以通過調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率和濺射時間、氬氣和氧氣分壓 t匕，制備出硅晶粒的大小適中及其密度在薄膜厚度方向上呈周期性分層分布的含納米晶硅二氧化硅層，利用硅晶粒密度較高的膜層具有較高的導電率來增強垂直于薄膜方向上的電場強度，從而有利于電子的加速。對含納米晶硅的二氧化硅層采用在氧氣中的二次退火，利用擴散到含納米晶硅二氧化硅層中的氧原子進一步鈍化薄膜內(nèi)部的缺陷，從而減小電子在含納米晶硅的二氧化硅層的運動過程中受到的散射和被捕獲幾率。這些措施有利于電子獲得更高的能量從頂電極發(fā)射出去。這樣制備出的納米硅薄膜陰極既有好的電子發(fā)射的穩(wěn)定性，同時還有較高的電子發(fā)射密度。
[0063] 本發(fā)明進一步給出了納米硅薄膜陰極制作方法的實施例，其僅在于解釋，而不是限定。
[0064] 實施例1 :
[0065] 參照圖1所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0066] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0067] 1)采用濺射鎳靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為200nm;
[0068] 2)向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，使氬氣與氧氣的分壓比為5:1的同時控制鍍膜腔中的總氣壓為〇. 2Pa，且基底4的溫度控制在500°C，以硅靶為濺射源并以160W的濺射功率在底電極1上沉積厚度為500nm的SiOx薄膜；然后，在IKKTC的氮氣環(huán)境中對SiOx薄膜退火60分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在900°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為30分鐘；
[0069] 3)在經(jīng)過二次高溫退火的含納米晶硅的二氧化硅層2上通過濺射Au靶以沉積頂電極層3,其厚度為8nm。
[0070] 實施例2 :
[0071] 參照圖2所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0072] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0073] 1)采用濺射鋁靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為50nm;
[0074] 2)在以硅靶為濺射源沉積SiOx薄膜的過程中，向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，鍍膜腔中的總氣壓控制在〇. 5Pa，且基底4的溫度控制在200°C，硅靶濺射功率為150W，通過分時段地調節(jié)氬氣和氧氣的流量，使鍍膜在氬氣和氧氣的分壓比為10:1且保持1分鐘、分壓比為2:1且保持3分鐘的兩種條件下交替進行，在底電極1上沉積厚度為200nm、在薄膜厚度方向上富硅量呈交替變化的SiOx薄膜；然后，在700°C的氮氣環(huán)境中對SiOx薄膜退火120 分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在860°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為40分鐘；
[0075] 3)在經(jīng)過二次高溫退火的含納米晶硅的二氧化硅層2上通過濺射鉬靶以沉積頂電極層3,其厚度為15nm。
[0076] 實施例3 :
[0077] 參照圖2所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0078] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0079] 1)采用濺射鉻靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為300nm;
[0080] 2)在以硅靶為濺射源沉積SiOx薄膜的過程中，向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，鍍膜腔中的總氣壓控制在l.OPa，氬氣與氧氣的分壓比為3:1，且基底4的溫度控制在350°C，通過分時段地調節(jié)硅靶的濺射功率，使鍍膜在硅靶濺射功率為260W且濺射時間為1分鐘、濺射功率為150W且濺射時間為5分鐘的兩種條件下交替進行，在底電極1上沉積厚度為lOOOnm、在薄膜厚度方向上富硅量呈交替變化的SiOx薄膜；然后，在800°C的氮氣環(huán)境中對 SiOx薄膜退火100分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在800°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為45分鐘；
[0081] 3)在經(jīng)過二次高溫退火的含納米晶硅的二氧化硅層2上通過濺射銀和鉬組成的復合祀材以沉積頂電極層3,其厚度為5nm。
[0082] 實施例4 :
[0083] 參照圖1所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0084] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0085]1)采用濺射鎳和鈦組成的復合靶材在基底4上沉積底電極1，其厚度為IOOnm;
[0086] 2)以硅靶和二氧化硅靶為共濺射源在底電極1上沉積SiOx薄膜，在薄膜沉積過程中，向鍍膜腔中通入氬氣并且將氣壓控制在〇.IPa，且基底4的溫度控制在350°C，保持硅靶和二氧化硅靶的濺射功率分別為120W和260W在底電極1上沉積厚度為2600nm的SiOx薄膜；然后，在l〇〇〇°C的氮氣環(huán)境中對SiOjJ^膜退火60分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在800°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為40分鐘；
[0087] 3)通過濺射銀靶在含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為12nm。
[0088] 實施例5 :
[0089] 參照圖1所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0090] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0091] 1)采用濺射鎢靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為200nm;
[0092] 2)以硅靶和二氧化硅靶為濺射源并同時濺射這兩個靶材在底電極1上沉積SiOx 薄膜，在薄膜沉積過程中，向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣并且將總氣壓控制在〇. 3Pa，氬氣與氧氣的分壓比為6:1，且基底4的溫度控制在400°C，保持硅靶和二氧化硅靶的濺射功率分別為IOOW和220W在底電極1上沉積厚度為1500nm的SiOx薄膜；然后，在1050°C的氮氣環(huán) 境中對SiOx薄膜退火60分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在850°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為40分鐘；
[0093] 3)通過濺射金靶在含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為18nm。
[0094] 實施例6 :
[0095] 參照圖2所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0096] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0097] 1)采用濺射鎢和銅組成的復合靶材在基底4上沉積底電極1，其厚度為220nm;
[0098] 2)以硅靶和二氧化硅靶為濺射源并同時濺射這兩個靶材在底電極1上沉積SiOx 薄膜，在薄膜沉積過程中，向鍍膜腔中通入氬氣并且將氣壓控制在〇. 6Pa，且基底4的溫度控制在450°C，通過分時段地調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率，使硅靶和二氧化硅靶的濺射功率在1分鐘內(nèi)分別為120W和150W，而在此后的5分鐘內(nèi)分別為40W和200W，如此交替往復以制備出在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的、厚度為700nm的SiOx薄膜；然后，在IKKTC的氮氣環(huán)境中對SiOx薄膜退火45分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在800°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為45分鐘；
[0099] 3)通過濺射鉬靶在經(jīng)過二次高溫退火的含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為6nm。
[0100] 實施例7 :
[0101] 參照圖2所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0102] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0103] 1)采用濺射鋁靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為180nm;
[0104] 2)向鍍膜腔中同時通入氬氣和氧氣，鍍膜腔中的總氣壓控制在0. 3Pa并且使氬氣與氧氣的分壓比為6:1，基底4的溫度控制在500°C，以硅的重量百分比含量分別為10%和 50%的兩個硅和二氧化硅復合靶為濺射源沉積SiOx薄膜，在薄膜沉積過程中，首先以220W 的功率濺射高硅含量的復合靶且時間為1. 5分鐘，再以220W的功率濺射低硅含量的復合靶且時間為6分鐘，如此交替往復以制備在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的、厚度為 1600nm的SiOx薄膜；然后，在1000°C的氮氣環(huán)境中對SiOx薄膜退火60分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2,此含納米晶硅的二氧化硅層 2中硅晶粒22密度呈周期性變化的分層分布；
[0105] 3)在含納米晶硅的二氧化硅層2上通過濺射金靶以沉積頂電極層3,其厚度為 9nm〇
[0106] 實施例8:
[0107] 參照圖1所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0108] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0109] 1)采用濺射鎢靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為160nm;
[0110] 2)向鍍膜腔中通入氬氣，鍍膜腔中的氣壓控制在2.OPa，且基底4的溫度控制在 300°C，以200W的功率濺射一個硅和二氧化硅復合靶沉積厚度為IOOOnm的SiOx薄膜；然后，在950°C的氮氣環(huán)境中對SiOx薄膜退火80分鐘，使SiOx產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅22以形成含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在900°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為30分鐘；
[0111] 3)通過濺射鉬靶在含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為10nm。
[0112] 實施例9:
[0113] 參照圖3所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0114] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0115] 1)采用濺射鉻靶在基底4上沉積底電極1，其厚度為220nm;
[0116] 2)向鍍膜腔中通入氬氣并且氣壓控制在0.6Pa，基底4的溫度控制在500°C，以 80W功率濺射硅靶3分鐘和220W功率濺射二氧化硅靶5分鐘的多重交替濺射方式，在底電極1上沉積厚度為300nm的a-Si/Si02多層復合薄膜；然后，在1000°C的氮氣環(huán)境中對 a-Si/Si02多層復合薄膜退火60分鐘，使a-Si轉變化納米晶22,形成由納米晶硅22和二氧化硅21交替多層膜組成的含納米晶硅的二氧化硅層2 ;
[0117] 3)通過濺射銀靶在含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為12nm。
[0118] 實施例10 :
[0119] 參照圖3所示，納米硅薄膜陰極具有多層結構，包括依次設置于基底4上的底電極 1、含納米晶硅的二氧化硅層2 (由納米晶硅22和二氧化硅21組成）和頂電極3。
[0120] 該納米硅薄膜陰極的制作方法包括以下步驟：
[0121] 1)采用濺射鋁和鈦組成的復合靶材在基底4上沉積底電極1，其厚度為200nm;
[0122] 2)以硅靶作為濺射源，濺射功率為180W，鍍膜腔中總氣壓控制在0. 4Pa，基底4的溫度控制在400°C，在薄膜沉積過程中，首先向鍍膜腔中通入氬氣且時間為I. 1分鐘，接著在此后的7分鐘內(nèi)向鍍膜腔中同時通入氬氣和氧氣并保持氬氣和氧氣分壓比為1 :4,這兩步交替進行，從而在底電極層上沉積厚度為500nm的a-Si/Si02交替多層復合薄膜；然后，在IKKTC的氮氣環(huán)境中對a-Si/Si02多層復合薄膜退火50分鐘，使a-Si轉變化納米晶硅22,形成由納米晶硅22和二氧化硅21交替多層膜組成的含納米晶硅的二氧化硅層2 ;再對含納米晶硅二氧化硅層2進行在800°C的氧氣環(huán)境中的二次高溫退火，退火時間為45分鐘；
[0123] 3)通過濺射鉬靶在含納米晶硅的二氧化硅層2上沉積頂電極層3,其厚度為8nm。
[0124] 上述實施例中含納米晶硅的二氧化硅層2中的硅晶粒22的尺寸為3_8nm。
[0125] 圖4所示為制作的納米硅薄膜陰極的電子發(fā)射特性測試曲線。納米硅薄膜陰極的閾值電壓為8V，并且隨著施加在頂電極3與底電極1間正偏壓Vb的升高，陰極的二級管電流Id (流經(jīng)頂電極的電流）和發(fā)射電流均增加。
[0126] 雖然本發(fā)明以上述較佳的實施例對本發(fā)明作出了詳細的描述，但并非用上述實施例來限定本發(fā)明。本發(fā)明的納米硅薄膜陰極的結構和制作方法不局限于上述幾種方案，只要是按照本發(fā)明的基本構思，采用制備SiOx薄膜或a_Si/Si02多層復合薄膜并通過高溫退火形成含納米晶硅的二氧化硅薄膜的方法制作的納米硅薄膜陰極，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于：首先在基底（4)上沉積底電極（1)，然后在底電極（1)上沉積含納米晶硅的二氧化硅層（2);最后在含納米晶硅的二氧化硅層 (2)的表面沉積頂電極（3)，得到納米硅薄膜陰極；其中，含納米晶硅的二氧化硅層⑵是采用如下兩種方法中的一種沉積在底電極（1)上的：第一種方法：在底電極（1)上采用濺射法沉積SiOx薄膜，然后對SiOx薄膜進行高溫退火處理使Si與Si02產(chǎn)生相分離并析出納米晶硅（22)，形成含納米晶硅的二氧化硅層（2); 且0 < x < 2 ; 第二種方法：在底電極（1)上交替沉積非晶硅薄膜和Si02薄膜以得到a-Si/Si02多層復合薄膜，對a-Si/Si02多層復合薄膜進行高溫退火處理，使a-Si/Si02S層復合薄膜中的非晶硅轉變?yōu)榧{米晶硅（22)，形成含納米晶硅的二氧化硅層（2)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于，沉積SiOx薄膜是采用以下三種方式中的一種實現(xiàn)的：第一種方式：向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，以硅靶為濺射源在底電極（1)上沉積SiOx 薄膜；其中，在SiOj^膜沉積過程中，控制氬氣和氧氣的分壓比為（12:1)-(1:1)并保持恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；或者通過分時段地調節(jié)氬氣和氧氣的流量，使氬氣和氧氣的分壓比在一個時間段保持在（12:1)-(8:1)中的一個恒定值，而在下一個時間段保持在（4:1)-(1:1)中的一個恒定值，且每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；或者通過分時段地調節(jié)硅靶的濺射功率，使硅靶濺射功率在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率與低濺射功率的比值控制在（2:1)-(5:1)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，且控制氬氣和氧氣的分壓比為 (12:1)-(1:1)并保持恒定，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的 SiOx薄膜；第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣或同時通入氬氣和氧氣，以硅靶和二氧化硅靶為共濺射源在底電極（1)上沉積SiOx薄膜；若向鍍膜腔中通入氬氣和氧氣，則控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ; 其中，在SiOx薄膜沉積過程中，保持硅靶和二氧化硅靶的濺射功率恒定以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；或者通過分時段地調節(jié)硅靶和二氧化硅靶的濺射功率，使硅靶和二氧化硅靶的濺射功率比在一個時間段為一個較高的值，而在下一個時間段為一個較低的值，高濺射功率比與低濺射功率比的比值控制在（2:1)-(5:1)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜；第三種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，或者同時通入氬氣和氧氣，采用硅和二氧化硅復合靶為濺射源在底電極（1)上沉積SiOx薄膜，且同時通入氬氣和氧氣時，控制鍍膜腔中氬氣與氧氣的分壓比高于3:1 ; 其中，在薄膜沉積過程中，用一個恒定的功率濺射一個硅和二氧化硅復合靶以沉積具有均勻富硅量的SiOx薄膜；或者采用兩個硅含量不同的硅和二氧化硅復合靶作為濺射源，兩個靶材中硅的重量百分比含量相差30 %以上，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射高硅含量的復合靶，而在下一個時間段濺射低硅含量的復合靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性變化的SiOx薄膜。
3. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于，沉積a _Si/Si02多層復合薄膜是采用以下兩種方式中的一種實現(xiàn)的：第一種方式：以硅靶為濺射源在底電極（1)上沉積a _Si/Si02多層復合薄膜，且在薄膜沉積過程中，在一個時間段向鍍膜腔中通入氬氣，下一個時間段向鍍膜腔中同時通入氬氣和氧氣，并控制氬氣和氧氣的分壓比為（1:2)_(1:4)，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積a _Si/Si02多層復合薄膜；第二種方式：向鍍膜腔中通入氬氣，以硅靶和二氧化硅靶為濺射源在底電極（1)上沉積a _Si/Si02多層復合薄膜，在薄膜沉積過程中，在一個時間段濺射硅靶，在下一個時間段濺射二氧化硅靶，每個時間段的時間長度為1-10分鐘，如此交替往復以沉積a -Si/Si02多層復合薄膜。
4. 根據(jù)權利要求2和3所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于，在沉積SiOx薄膜和a-Si/Si02多層復合薄膜過程中，控制鍍膜腔中總氣壓為0.08-5. OPa，基底（4)的溫度控制在200-500°C。
5. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于：所述的第一種方法和第二種方法中的高溫退火處理均是在氮氣環(huán)境中進行，高溫退火處理溫度為 500-1100°C，高溫退火處理時間為30-120分鐘。
6. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于：所述的第一種方法和第二種方法中高溫退火處理后還要進行二次高溫退火處理，二次高溫退火處理是在氧氣環(huán)境中進行的，二次高溫退火溫度為500-900°C，二次高溫退火時間為20-60分鐘。
7. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極的制作方法，其特征在于：所述的含納米晶硅的二氧化硅層（2)中的納米晶硅（22)的粒徑為3-8nm，含納米晶硅的二氧化硅層（2)的厚度為200-3000nm，底電極（1)的厚度為50-300nm，頂電極（3)的厚度為5-20nm。
8. 根據(jù)權利要求1所述的納米硅薄膜陰極，其特征在于：所述的底電極（1)是采用濺射法制備，通過濺射鎢、鎳、鉻、鋁、銅、鈦中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成；頂電極（3)是采用濺射法制備，通過濺射金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復合靶材沉積而成。
9. 一種采用權利要求1?8中任意一項權利要求所述的制作方法制得的納米硅薄膜陰極，其特征在于：包括依次設置在基底（4)上的底電極（1)、含納米晶硅的二氧化硅層（2) 以及能夠向外發(fā)射出電子的頂電極（3);且含納米晶硅的二氧化硅層（2)由納米晶硅（22) 和二氧化硅（21)組成。
【文檔編號】H01J1/30GK104357800SQ201410558337
【公開日】2015年2月18日申請日期:2014年10月20日優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】胡文波, 趙曉磊, 樊金龍, 吳勝利, 張勁濤申請人:西安交通大學

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