[发明专利]一种提高薄膜型ZnO场发射特性的方法

说明书

技术领域

本发明属于场发射平板显示技术领域，涉及一种薄膜型场发射材料的制备技术，以及一种提高薄膜型ZnO场发射特性的方法。

背景技术

“场发射”在真空微电子器件中有着十分广泛而重要的应用，如场发射平板显示器、大功率电子发射源等，而这些器件最关键的技术之一就是制作性能优异的阴极电子发射体。

宽禁带半导体ZnO有着众多优异的特性，尤其是：良好的化学稳定性，小的甚至负的电子亲和势，高的热导率，抗氧化性，耐高温性，大的击穿场强和高的载流子迁移率，大的发射电流，使得它在场发射研究领域倍受青睐。但ZnO场发射阴极材料研究目前主要集中在化学方法制备的一维纳米材料方面，研究磁控溅射等物理方法制备ZnO薄膜的场发射性能报道却很少，原因是虽然薄膜型ZnO作为电子发射体，发射均匀性好、稳定性高、与基板附着力强以及易实现大面积，但由于薄膜型ZnO发射材料的场发射电流密度较小、阈值电压较大，离实际应用水平还有一定的差距。

众所周知，对于半导体材料而言，降低其表面势垒高度是提高场发射电流密度、减小阈值电压的一个关键手段。文献[C.X.Xu，X.W.Sun，andB.J.Chen.Field emission from gallium-doped zinc oxide nanofiber ayyay.Appl.Phys.Lett.2004，84(9)：1540～1542]为证，通过掺杂的确可以降低材料的表面势垒高度，而选择合适的掺杂元素还有可能提供更多的电子源，从而更有利于场发射特性的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种提高薄膜型ZnO场发射特性的方法，该方法提高了薄膜型ZnO的场发射电流密度，减小了场发射开启场强。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种提高薄膜型ZnO场发射特性的方法，包括如下步骤：

掺Al的ZnO陶瓷靶材制备：

将分析纯的Al(OH)₃粉和分析纯ZnO粉末以Al∶Zn＝1∶1at.％的原子比进行混合，放入球磨机球磨12～24小时，使原料充分混合均匀，取出后在干燥箱里80～100℃干燥，然后进行掺胶，用粉末压片机压制成生坯，直径为50mm，最后放入硅碳棒高温炉中进行煅烧，先500℃预烧1.5～2.5小时进行排胶，然后1300℃烧结3.5～4.5小时，制得掺Al的ZnO陶瓷靶材；

纯ZnO陶瓷靶材制备：将分析纯的ZnO粉末在干燥箱里80～100℃干燥，然后进行掺胶，用粉末压片机压制成生坯(直径为50mm)。最后放入硅碳棒高温炉中进行煅烧(先500℃预烧1.5～2.5小时进行排胶，然后1300℃烧结3.5～4.5小时)，得到纯ZnO陶瓷靶材；

掺Al或纯ZnO薄膜的制备：

1)用氨水、双氧水和去离子混合液煮沸衬底Si；混合液体积比为氨水∶双氧水∶去离子水＝1∶2∶5，煮沸时间为20-40min，接着用去离子水冲洗干净；

2)然后，依次用分析纯的甲苯、丙酮和乙醇超声清洗衬底Si；时间各为10～20min，清洗后的衬底用浓度为3％的HF酸浸泡4-6min，然后用高纯氮气将衬底Si表面的HF酸吹干；

3)将掺Al的ZnO陶瓷靶材或纯ZnO陶瓷靶材与处理后的衬底Si送入射频磁控溅射仪，对射频磁控溅射仪抽真空，背底真空为6×10^-3Pa，充入Ar和O₂，其体积比为4∶1，工作气压为1.0Pa，靶基距为40mm，溅射功率为50W，衬底温度为400℃，溅射时间60min，开始溅射镀膜，然后，在600℃的真空环境下原位退火60min，得到掺Al的ZnO薄膜或纯ZnO薄膜。

场发射性能测试：

将制得的掺Al的ZnO薄膜或纯ZnO薄膜切割成0.5cm²见方作为阴极，ITO玻璃作为阳极，用玻璃丝将阴极与阳极隔离，间隔约为100微米，再用透明胶带固定，最后将其送入真空测试系统，用KEITHLEY 2410进行测试。测试时真空度为5×10^-7Pa，当场发射电流密度为10^-6A/cm²时，阳极ITO玻璃和制得的薄膜之间所加的最低电压定义为开启电压，对应的电场为开启电场。