基于SOI場效應(yīng)管控制的背柵極碳納米管場發(fā)射結(jié)構(gòu)研究*

丁沭沂,雷　威

(1.南京師范大學(xué)泰州學(xué)院信息工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇省信息顯示工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

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基于SOI場效應(yīng)管控制的背柵極碳納米管場發(fā)射結(jié)構(gòu)研究*

丁沭沂1,2*,雷威2

(1.南京師范大學(xué)泰州學(xué)院信息工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇省信息顯示工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

摘要:針對目前碳納米管場發(fā)射電子源存在的問題,以提高碳納米管場發(fā)射陣列的大電流發(fā)射能力、電流均勻性和穩(wěn)定性以及電流調(diào)制靈敏度為目標(biāo),基于絕緣硅(SOI)技術(shù),提出并制備出一種獨立場效應(yīng)管控制的碳納米管場發(fā)射陣列三極結(jié)構(gòu),并通過理論分析和實驗驗證等手段,發(fā)現(xiàn)其具有良好的柵極調(diào)制效果、優(yōu)良的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:場效應(yīng)管;碳納米管陣列;場發(fā)射;柵極調(diào)控

以碳納米管為代表的一維納米材料,具有優(yōu)秀的場發(fā)射性能,在平板顯示、微波放大器、空間離子推進(jìn)器、電子顯微鏡、電子束光刻和X射線源等器件中有很好的應(yīng)用前景[1-3],但目前其大電流發(fā)射能力、電流均勻性和穩(wěn)定性以及大電流的調(diào)制靈敏度等性能仍不能滿足大功率器件的需求。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)場發(fā)射陣列發(fā)射電流過大時,通常會發(fā)生發(fā)射體損毀和電流急劇跌落的現(xiàn)象,這嚴(yán)重制約了場發(fā)射電子源在大功率器件中的應(yīng)用。雖然限制電流發(fā)射能力的原因有很多,但根據(jù)文獻(xiàn)報道[4-5],關(guān)鍵因素大致有:(1)屏蔽效應(yīng)、邊沿場效應(yīng)和發(fā)射體形貌差異引起的電流發(fā)射不均勻。(2)大電流發(fā)射引起的發(fā)射體損毀。由于以上這些原因,在碳納米管陣列發(fā)射電流較大時,部分發(fā)射性能較好的碳納米管可能會由于過載而損毀,與此同時,性能較差的碳納米管發(fā)射電流較小,使得場發(fā)射陣列的總體發(fā)射電流難以提高,并導(dǎo)致電流發(fā)射不穩(wěn)定。

在大功率器件中,為了調(diào)制發(fā)射電流,通常在場發(fā)射陣列前面配置一個柵網(wǎng)或?？灼琜6-7],為了獲得足夠的發(fā)射電流,需要在柵網(wǎng)或?？灼鲜┘痈唠妷?但是高電壓的施加往往會降低電流調(diào)制靈敏度和電子透過率。

目前國內(nèi)外很多研究小組采用場效應(yīng)晶體管控制碳納米管陣列的發(fā)射[8-9],這主要是由于場效應(yīng)管的制備是成熟技術(shù),可以實現(xiàn)很高的器件性能一致性和穩(wěn)定性,通過場效應(yīng)管的調(diào)控發(fā)射電流,可以提高每個像素單元發(fā)射電流的一致性和穩(wěn)定性,以及電流調(diào)制靈敏度。雖然各國研究人員在這方面的研究取得了重要研究成果,但目前主要是針對在場發(fā)射平板顯示等小功率器件中的應(yīng)用,對單個像素的小電流發(fā)射進(jìn)行調(diào)制。而對大功率器件中的大電流靈敏調(diào)制的研究還處在起步階段。

因此,為了改善目前碳納米管陰極存在的問題,本文基于絕緣硅SOI(Silicon on Insulator)技術(shù)[6],提出一種獨立場效應(yīng)管控制的碳納米管場發(fā)射陣列三極結(jié)構(gòu),并通過理論分析和實驗驗證等手段,對該結(jié)構(gòu)的工作機(jī)制展開研究。

1　基于SOI基底的背柵極碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的制備

1.1場發(fā)射陣列的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為本文提出的基于SOI場效應(yīng)管控制的背柵極碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。在SOI的上表面制備了環(huán)狀電極,材料為金屬鎢(W)。碳納米管發(fā)射體被制備在環(huán)狀電極的中心,并垂直于基片表面生長。該結(jié)構(gòu)既是一個場發(fā)射三極結(jié)構(gòu),又是一個場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。

圖1　基于SOI晶體管控制的背柵極碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

從場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的角度看,上表面的環(huán)形電極為陰極,重?fù)诫s的硅為背柵極(Back Gate),碳納米管為發(fā)射體。在傳統(tǒng)的背柵極結(jié)構(gòu)中,發(fā)射體位于陰極電極上,電子主要是從位于陰極邊緣的發(fā)射體發(fā)射出來的。而在該結(jié)構(gòu)中,碳納米管發(fā)射體通過半導(dǎo)體硅與陰極(環(huán)狀電極)相連;從場效應(yīng)管的角度看,環(huán)狀電極相當(dāng)于場效應(yīng)管里源極(Source),碳納米管相當(dāng)于漏極(Drain),SOI底部的重?fù)诫s的硅相當(dāng)于背柵極(Back Gate),碳納米管與環(huán)狀電極之間的半導(dǎo)體硅相當(dāng)于溝道(Channel)。

1.2柵極調(diào)制性能的數(shù)值計算

柵極調(diào)制效果是三極結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性衡量要素,它直接反應(yīng)柵極對陰極發(fā)射電流的調(diào)制能力,一般希望通過較小的柵極電壓范圍,調(diào)制較大的尖端電場變化范圍。這將極大的利于外圍驅(qū)動電路的設(shè)計。

柵極對碳納米管尖端的電場調(diào)制效果可以通過有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計算,模擬軟件也是采用COMSOL MULTIPHYSICS。模擬流程同樣是:建立模型→邊界條件設(shè)置→網(wǎng)格劃分→數(shù)值計算。該結(jié)構(gòu)的計算結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)參考了實驗中工藝所能達(dá)到的水平來賦值,以便用實驗來驗證。具體數(shù)值如圖2所示。在模擬中,我們設(shè)置了虛擬陽極,它距離陰極很近,目的是簡化計算過程。

圖2　基于SOI基底的背柵極碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的示意圖及參數(shù)

在數(shù)值模擬過程中,施加在陰極和陽極上的電壓設(shè)為定值,分別為0 V和10 V,對應(yīng)的宏觀電場為2 V/μm。當(dāng)柵極上的電壓(Vg)被賦值后,空間電場即可計算得到。如圖3所示,柵極電壓為-5 V、-10 V、-15 V、-20 V情況下,碳納米管尖端附近的典型電場分布情況?？梢钥闯?柵極的調(diào)制效果是很明顯的。

1.3器件的制備

為了研究晶體管對碳納米管發(fā)射電流的控制作用,以及這種SOI場效應(yīng)管能否將發(fā)射電流限制在安全值以內(nèi),我們制備了單根碳納米管器件。如圖4所示,在同一基片上,我們制備了4組器件。

圖4　在同一基片上制備的四組基于單根碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)

2　場發(fā)射測試及數(shù)據(jù)分析

場發(fā)射測試在真空度10-8mbar的環(huán)境下進(jìn)行,測試系統(tǒng)示意圖如下圖5所示,陽極(Anode)距離陰極表面的距離為250 μm,陽極接高壓(Va),將電極(Electrode,Source)接地,給硅基底(Si Substrate)施加一個電壓(Vg)。

圖5　基于SOI基底的背柵極碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)測試示意圖

圖6　四組器件的發(fā)射電流與柵極電壓的關(guān)系

圖6中陽極電壓為1 000 V(對應(yīng)陽極電場為4 V/μm)的情況下,4組器件的發(fā)射電流與柵極電壓的關(guān)系。在本實驗中,為了避免絕緣層(SiO2)被擊穿,柵極電壓被限制在0～-80 V以內(nèi)。圖中數(shù)據(jù)表明,CNT1在柵極電壓為-20 V的時候就開始發(fā)射;而CNT3和CNT4在柵極電壓-60 V的時候才開始發(fā)射。很明顯,碳納米管的發(fā)射能力有很大差異,原因是它們的形貌(包括高度,直徑等)的差異比較大,這在SEM圖中可以看出。

雖然碳納米管的發(fā)射能力不盡相同,但是需要注意的是,CNT1和CNT2的飽和電流均在80 nA左右。這說明了晶體管的飽和電流在80 nA左右,從而限制了碳納米管的最大發(fā)射電流也只能是80 nA。然而,由于CNT3和CNT4在柵極電壓達(dá)到-80 V的時候,發(fā)射電流也沒有達(dá)到80 nA,因此發(fā)射電流沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由前期工作可以得知,單根碳納米管可以承載10 μA～20 μA的發(fā)射電流,因此80 nA的發(fā)射電流絕對屬于安全范圍,不會造成碳納米管的燒毀。

考慮到在三極結(jié)構(gòu)中,陽極對發(fā)射電流的調(diào)控效果不明顯,因此這里不再討論。

在同上的測試系統(tǒng)中,我們對單根碳納米管場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了發(fā)射穩(wěn)定性測試。發(fā)射電流與時間的關(guān)系被記錄在下圖7中。起始電流為50 nA,測試時間均為2 700 s。很明顯,具有限流晶體管的發(fā)射陣列具有很好的穩(wěn)定性,波動幅度在2%以內(nèi)。這說明,由于帶有限流晶體管的碳納米管陣列中每根碳納米管的發(fā)射電流均被限制在安全范圍以內(nèi),因此不會引起碳納米管的劇烈發(fā)射或者燒毀現(xiàn)象,進(jìn)而體現(xiàn)出電流的高度穩(wěn)定性。

圖7　帶有限流場效應(yīng)管的碳納米管陰極的發(fā)射電流穩(wěn)定性

3　結(jié)論

本文提出了一種基于SOI場效應(yīng)管控制的背柵極碳納米管場發(fā)射結(jié)構(gòu)。首先給出了這種結(jié)構(gòu)的工作模式,并通過模擬計算驗證了其具有良好的柵極調(diào)制效果;然后通過精確定位的電子束光刻技術(shù),成功制備了單根碳納米管三極結(jié)構(gòu)發(fā)射體并進(jìn)行了場發(fā)射測試。測試電壓設(shè)定在0～-80 V間得到了明顯的調(diào)制效果,并與模擬計算相符合。由于串聯(lián)了場效應(yīng)管,碳納米管的發(fā)射電流被限制在80 nA以下,這確保了發(fā)射體安全穩(wěn)定地工作。該三極結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)良的發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性,適合運用在大功率場發(fā)射器件中,為三極結(jié)構(gòu)的制備提供了又一種可選擇方案。

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丁沭沂(1983-),女,南京師范大學(xué)泰州學(xué)院信息工程學(xué)院講師,東南大學(xué)顯示技術(shù)中心博士在讀,研究方向為納米材料的制備與表征,dingshuyi@seu.edu.cn;

雷威(1967-),男,東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為顯示科學(xué)與技術(shù)、微納功能材料與器件、真空電子技術(shù)等,lw@seu.edu.cn。

ResearchofIndividuallyTransistor-ControlledBack-GateCarbonNanotubeArraysonSOISubstrate*

DingShuyi1,2*,LEIWei2

(1.School of Information Engineering,Nanjing Normal University Taizhou College,Taizhou Jiangsu 225300,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Information Display Engineering Research Center,Nanjing 210096,China)

Abstract:Carbon nanotube cold cathodes have promising applications,however,their electron emission ability,emission current uniformity and stability,and sensitivity of gate modulation still can not satisfy the requests of large power devices.To improve above performances of carbon nanotubes array,this project presents an Individually Transistor-Ballasted Back-Gate Carbon Nanotube Arrays on SOI(silicon on insulator)substrate.Then through the computer simulation and theory analysis,we prove that this triod structure has the gate modulation,good emission uniformity and stability.

Key words:field effect transistor;carbon nanotubes array;field emission;gate modulation

doi:EEACC:2560S10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.003

中圖分類號:TN386

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0597-04

收稿日期:2013-07-10修改日期:2013-07-30

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51202027)