氮化铝薄膜的制备及场发射性质

【摘要】：AlN 薄膜具有很多优异的特性。由于其化学稳定性高、热传 导率高、机械强度高、电绝缘性能佳、高能隙、热膨胀系数低， 所以可用于大功率半导体器件的绝缘基片，大规模和超大规模集 成电路的散热基片和应用于半导体上作绝缘层或保护层 （Passivation layer）；其优良的光学特性，可以用它制作大功率的 紫外光学器件；AlN 薄膜还具有高声波波速（500至 6500m/sec）， 是目前所知具有最大表面波速的材料与高机电耦合系数，可以用 AlN 薄膜制作表面声波元件等。 并且 AlN 作为一种宽带隙材料，它有很多独特的性质，已经 证明其具有表面负电子亲和势（NEA），能够使电子易于逸出表 面，是很好的电子场发射材料。AlN 薄膜的优良特性表明其在作 为显示器镀层阴极方面具有明显的优势，而场发射性能的好坏是 衡量显示器阴极材料品质的主要标准。 在制备 AlN 薄膜的各种方法中，磁控溅射方式，设备简单， 易于控制并且重复性较好，能在低温下制备结晶良好的薄膜，可 以避免损伤基片和器件，扩大了薄膜的应用范围。所以本文利用 射频磁控溅射方法制备 AlN 薄膜。我们通过改变镀膜条件：溅射 功率、工作气压、气体分压，以及在不同基底 Si, Mo, NiMnCo上 - 88 - WP=94 吉林大学硕士学位论文 沉积了AlN薄膜。测得不同条件下沉积的AlN薄膜的场发射特性。 寻找场发射性能最佳的成膜条件。 在 AlN 薄膜的沉积过程中，沉积参数对 AlN 薄膜表面形貌、 薄膜厚度有很大影响: 溅射时间的长短决定了薄膜的厚度，也影 响了晶粒的大小。薄膜厚度越厚，结晶尺寸越大；溅射功率的增 加，可以增快沉积速率，N2气浓度的增加，不仅会使溅射速率减 慢，而且薄膜表面粗糙度下降场发射阈值电场升高；溅射时总气 压越低，薄膜沉积速率越快。工作气压为 1Pa时，有利于得到场 发射性能较 好的 AlN 薄膜。 场发射测试需要在超高真空的条件下进行，本论文通过使用 溅射离子泵，并用加热带进行加热的方法，使真空室内的真空度 达到了 2.8×10-7Pa以上。 经过对场发射性能进行测试得到使 AlN 薄膜缓慢、均匀生长 的场发射较佳的沉积条件为：工作气压为 1Pa，N2气分压为 10%， 射频功率为 80W，靶基距离为 5cm。 实验发现：在相同基底上沉积的 AlN 薄膜，影响其场发射性 能的主要因素有两个：一是薄膜的厚度。在 Si基底上得到起始场 强小、场发射电流密度大的 AlN 薄膜的厚度范围为 40~50nm 的 最佳薄膜厚度，阈值电场为 10V/μm , 当电场升到 35 V/μm ， 场发射电流密度为 284μA/cm2。二是阀值电场明显依赖于表面粗 糙度，即尖端效应。 - 89 - WP=95 吉林大学硕士学位论文 在不同基底上沉积的 AlN 薄膜，其基底材料是影响场发射特 性的重要因素。