[发明专利]基于多孔介电材料薄膜的弹道场发射显示器件阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于真空电子发射型平板显示技术领域，特别涉及一种基于多孔介电材料薄膜的弹道场发射显示器件阴极的制备方法。

背景技术

弹道电子发射实际上是指利用多孔硅实现的一种准弹道电子发射，最早的结果是1995年报道的。这种发射有较高的效率和小的起伏，被认为可以克服Spindt型阴极的许多缺点。1999年，基于这种阴极的被称为弹道电子表面发射显示(Ballistic electron Surface-emitting Display，简称BSD)的器件样品在松下电子公司研制出来。

BSD阴极起初是在硅片上制作的，后来发展成在玻璃基底上沉积多晶硅薄膜上制作。首先在取向为100面的n型硅片上用扩散方法制备行电极。然后用液相CVD方法沉积1.5um厚的非掺杂多晶硅。接着在1∶1的HF(50％)和乙醇溶液中进行12s阳极化多孔处理，电流密度为30mA/cm²，同时在20cm的距离上用500W的钨灯进行照射。对多孔硅在900℃下进行60min氧化处理后，再沉积15nm的金膜作为栅极。栅极图新用离子研磨技术形成。为了减小栅极电阻，用较厚的铝膜制作汇流电极。

BSD阴极的发射阈值电压大约是8V，当栅极电压达到30V时，发射电流密度达2mA/cm²，可以满足高亮度显示的需求。如果将发射电流和栅极电流之比定义为发射率，则当栅压在22～30V之间时，发射率达到1％。实际表面这种阴极可以在压强高达10Pa时仍能正常工作。

阳极化过程中形成的多孔结构实际上是由纳米颗粒形成的，快速氧化过程使得纳米晶粒和周围的多晶硅颗粒表面形成一层二氧化硅。由于热发射，电子从基底进入多孔硅中。电子和纳米晶粒之间的碰撞几率小，导致了电子在纳米晶粒中的平均自由程远远大于体硅材料中的自由程，因此被认为是准弹道电子。由于氧化层的存在，得以在多孔硅层中施加强电场(10⁷V/m)。在这种强电场下，电子向栅极运动，并且获得几个电子伏特的能量，并通过金层发射到真空中。

BSD具有很多优点，如电子束发散角小，有自聚焦功能、抗污染和能在较低真空下正常工作等。

BSD最主要的缺点是发射效率低。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种具有器件电子运行零碰撞，电子聚焦能力强，发射效率高，器件结构简单，驱动电压低，制造成本低等优点，同时具备制备工艺简单，材料无需特殊处理，发射阴极也不需特殊的激活处理，直接施加驱动电压就能产生电子发射的优点，器件成本大大低于已有技术，适合大规模生产的基于多孔介电材料薄膜的弹道场发射显示器件阴极的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先在Si基片上通过深干法刻蚀制备直径为10～200nm的密布硅纳米草阵列；

2)然后以硅纳米草阵列为模板通过翻模技术得到直径为10～200nm的密布纳米孔阵列的介电材料薄膜；

3)在密布有纳米孔阵列的介电材料薄膜的正反面各沉积厚度为几十纳米和几百纳米的金属电极；

4)采用丝网印刷法在介电材料薄膜的正反面的金属电极上印制行列电极，并在行列电极的交叉点上用丝网印刷法印制绝缘层隔离。

所述的步骤1)深干法刻蚀的刻蚀气体为SF6，流量为100sccm，钝化气体为C4F8，流量为100sccm，刻蚀功率700W，刻蚀时间21min，纳米草高度为10um，纳米草直径为10～200nm，纳米草间距为10～200nm。

所述的步骤2)将PDMS及其固化剂按10∶1的质量比配成胶状溶液，并将胶状溶液滴在密布硅纳米草阵列的Si基片上，将其置于真空度为10-1Pa的密闭容器中去除PDMS溶液中的气泡并使PDMS溶液充分填充硅纳米草之间的间隙，最后将其保温在100℃固化24小时，通过控制PDMS滴定量使得流平后的PDMS厚度为100nm；再将固化后的PDMS连同硅基片一起浸泡在90℃的KOH溶液中腐蚀3小时，将硅基片及其纳米草腐蚀干净，并将腐蚀后的样品用去离子水超声清洗10min后氮气吹干，得到厚度为10-200nm、孔径为10～200nm、孔间距为10～200nm的PDMS多孔薄膜。

所述的步骤3)在密布有纳米孔阵列的介电材料薄膜的正反面采用磁控溅射沉积制备上层金属电极，下层金属电极，溅射功率为500W，氩气流量为20sccm，上层金属电极的溅射时间为1min，薄膜厚度为25nm，下层金属电极的溅射时间为10min，对应的薄膜厚度为25nm和250nm。