阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，属于真空电子技术中的场发射电子器件领域。
【背景技术】
[0002]AlN薄膜是一种性能优异的场发射阴极(即冷阴极)材料，它的带隙高达6.2eV,本身即具有负的电子亲和势，这意味着AlN导带底的位置高于真空能级，只要电子能够从AlN材料内部运动到表面，即可发射到真空中，无需额外施加一个高场强来压低表面势皇以帮助电子越过势皇发射到真空中，因此，AlN在场发射领域具有很大的应用潜力。
[0003]作为宽带隙半导体材料，AlN在场发射方面也有不足之处。AlN材料本身的导电性很差，必须通过高浓度的掺杂来获得部分改善；而且缺乏同质衬底，只能采取晶格失配和热失配较大的异质衬底进行外延生长。目前，常用于AlN外延生长的异质衬底包括蓝宝石、碳化硅和硅衬底。相比较而言，η型SiC衬底在导电性、晶格失配和热失配方面优于蓝宝石衬底，在击穿场强方面又明显优于η型硅衬底，因此，相对更适合作为AlN冷阴极薄膜制备的衬底。
[0004]当在η型SiC衬底上外延生长AlN薄膜型冷阴极时，由于常用的6H_SiC带隙为
3.leV，而AlN的带隙为6.2eV，两者相差较大，因此当电子从η型SiC衬底上向AlN表面运动时，需要克服SiC和AlN界面上存在的较高势皇，这对电子运动造成了阻碍作用，不利于AlN冷阴极场发射能力的提高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，利用负电子亲和势的优势，将电子发射到真空中。
[0006]为了克服【背景技术】的不足，本发明提供一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，包括:
[0007]一 η 型 SiC 衬底；
[0008]一 η型金属电极，其制作在η型SiC衬底下表面；
[0009]一 AlN薄膜型冷阴极，其外延生长在η型SiC衬底上；
[0010]一金属阳极，其位于AlN薄膜型冷阴极的上面，且不与AlN薄膜型冷阴极接触；
[0011]一高压源，其正极连接金属阳极；
[0012]—电流计，其正极连接高压源，负极与η型金属电极连接。
[0013]由于上述技术的运用，与现有器件结构相比，本发明的有益效果在于:采用多层组分呈阶梯状渐变的AlGaN层代替单层AlN薄膜之后，由于Al组分是从η型SiC衬底向AlN表面的方向依次增大，因此和η型SiC衬底构成异质界面的是低Al组分的AlGaN，带隙较低，与SiC之间的带隙差较小，使得电子容易越过异质界面处的势皇；此后构成每个同质界面的相邻两层AlGaN，组分依次升高，两层AlGaN之间的势皇相对较小，使得电子也容易越过各个同质界面的势皇，最终运动到AlN表面，并利用负电子亲和势的优势发射到真空中。
【附图说明】
[0014]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中:
[0015]图1是一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的结构示意图。
[0016]图2是η型SiC衬底上阶梯状组分渐变的多层AlGaN薄膜结构示意图。
[0017]图3是η型SiC衬底上阶梯状组分渐变的AlN薄膜的能带结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]请参阅图1所示，本发明提供一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，包括:
[0019]一 η型SiC衬底11，所述η型SiC衬底11的电阻率为0.020.2 Ω.cm，厚度为200-500 μm ；
[0020]一 η型金属电极10，其制作在η型SiC衬底11下表面，所述η型金属电极10的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50_200nm，Au层厚度为50_200nm ；Ni或Ni/Au薄膜经退火形成欧姆接触，退火气氛为氮气或氩气，退火温度为950°C，退火时间为 l-5min ；
[0021 ] 一 AlN薄膜型冷阴极12，其外延生长在η型SiC衬底11上，所述AlN薄膜冷阴极12为的厚度为10-500nm，Si掺杂浓度为I X 1018-1 X 1020cm_3，所述AlN薄膜型冷阴极12放置于真空系统中进行测量，真空度为I X 10-1-1 X 10-8Pa，所述AlN薄膜冷阴极12由多层具有不同Al组分的AlGaN构成，AlGaN的层数彡2，从η型SiC衬底11开始依次为AlxGai_xN、AlyG&1_yN、AlzGa1=N,各层的Al组分依次升高，满足O彡x < y < z彡I ;
[0022]—金属阳极13，其位于AlN薄膜型冷阴极12的上面，且不与AlN薄膜型冷阴极12接触，所述金属阳极13的材料为Au、Ag、Cu、Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极，或为固定在可调节装置上的平顶金属探针；
[0023]一高压源14，其正极连接金属阳极13，所述高压源14的作用是为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV ；
[0024]—电流计15，其正极连接高压源14，负极与η型金属电极10连接，所述电流计15的作用是测量金属阳极13接收到的电子电流，测量范围为IXKT9-1XKr1Ac
[0025]上述在η型SiC衬底11上外延生长的AlN薄膜型冷阴极12和金属阳极13构成电子发射-接收装置，其测量过程是在真空系统中进行，系统真空度为I X KT1-1 X 1-8Pa0
[0026]图2是η型SiC衬底上阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的多层材料结构示意图，该AlN薄膜型冷阴极由多层具有不同Al组分的AlGaN薄层构成，AlGaN薄层的层数多2，具体包括:
[0027]一 η 型 SiC 衬底 20，其电阻率为 0.02-0.2 Ω.cm，厚度为 200-500 μ m ;
[0028]一 AlxGal-xN薄膜21，其外延生长在η型SiC衬底20上，所述AlxGa1J薄膜21中的Al组分彡O ;当X = O时，所述AlxGa1J薄膜21为外延生长在η型SiC衬底20上的GaN薄膜；所述AlxGa1J薄膜21的厚度为l_50nm ；
[0029]一 AlyGa1J薄膜22，其外延生长在AlxGa^N薄膜21上，所述AlyGa1J薄膜22中的Al组分大于或等于AlxGa^N薄膜21中的Al组分，其厚度为l_50nm ；
[0030]一 AlzGa1J薄膜23，其外延生长在AlyGa1J薄膜22上，所述AlzGa1J薄膜23中的Al组分大于或等于AlyGa1J薄膜22中的Al组分，其厚度为l_50nm ;若该AlzGa1=N薄膜23为多层薄膜中的最后一层，则其Al组分为1，即为AlN薄膜，以使得表面处具有最大的负电子亲和势。
[0031]在图2所示的具体实施例中，以三层AlGaN薄膜为例对本发明中所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的多层结构做了详细说明，但是并不意味着本发明中的薄膜层数仅限于三层；凡是符合本发明中描述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，即由不同Al组分的AlGaN薄层构成，AlGaN薄层的层数彡2，从η型SiC衬底开始依次为AlxGai_xN、AlyG&1_yN、AlzGa1=N,各层的Al组分满足O彡x < y < z ^ 1，即在本发明的保护范围之内。
[0032]图3是η型SiC衬底上阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的能带结构示意图，其中(a)是在η型SiC衬底上直接生长单层AlN薄膜型冷阴极时的能带结构示意图，可以看出，由于AlN的带隙远大于SiC的带隙，两者界面处存在很高的势皇，会严重阻碍电子从η型SiC—侧运动到AlN—侧。(b)是在本发明中提出的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，由Al组分不同的多层AlGaN薄膜构成，沿着从η型SiC衬底到AlN表面的方向，各层的Al组分依次升高。无论是低Al组分AlGaN和SiC构成的异质界面，还是低Al组分AlGaN和高Al组分AlGaN构成的同质界面，由于相邻两层薄膜的带隙差相对变小，因此电子克服势皇、向AlN表面运动时的阻碍大大减小。因此，采用本发明中提出的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极的材料结构，可以非常有效地提高AlN薄膜型冷阴极的场发射性能。
[0033]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，包括: 一 η型SiC衬底； 一 η型金属电极，其制作在η型SiC衬底下表面； 一 AlN薄膜型冷阴极，其外延生长在η型SiC衬底上； 一金属阳极，其位于AlN薄膜型冷阴极的上面，且不与AlN薄膜型冷阴极接触； 一高压源，其正极连接金属阳极； 一电流计，其正极连接高压源，负极与η型金属电极连接。
2.如权利要求1所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中η型SiC衬底的电阻率为 0.02-0.2 Ω.cm，厚度为 200-500 μ m。
3.如权利要求1所述的一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中η型金属电极的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50_200nm，Au层厚度为50_200nm。
4.如权利要求1所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中AlN薄膜冷阴极为的厚度为 10-500nm，Si 掺杂浓度为 I X 118-1 X 102°cnT3。
5.如权利要求1所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中金属阳极的材料为Au,Ag.Cu,Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极，或为固定在可调节装置上的平顶金属探针。
6.如权利要求1所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中高压源的作用是为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV。
7.如权利要求1所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中电流计的作用是测量金属阳极接收到的电子电流，测量范围为IX 10_91X 101。
8.如权利要求4所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中AlN薄膜型冷阴极放置于真空系统中进行测量，真空度为I X KT1-1 X 1-8Pa0
9.如权利要求8所述的阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，其中AlN薄膜冷阴极由多层具有不同Al组分的AlGaN构成，AlGaN的层数彡2，从η型SiC衬底开始依次为AlxGai_xN、AlyGanNaizGahN,各层的 Al 组分满足 O 彡 x<y<z 彡 I。
【专利摘要】一种阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极，包括：一n型SiC衬底；一n型金属电极，其制作在n型SiC衬底下表面；一AlN薄膜型冷阴极，其外延生长在n型SiC衬底上；一金属阳极，其位于AlN薄膜型冷阴极的上面，且不与AlN薄膜型冷阴极接触；一高压源，其正极连接金属阳极；一电流计，其正极连接高压源，负极与n型金属电极连接。本发明是利用负电子亲和势的优势，将电子发射到真空中。
【IPC分类】H01J1-304
【公开号】CN104658829
【申请号】CN201510094612
【发明人】陈平, 赵德刚, 朱建军, 刘宗顺, 江德生, 杨辉
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月3日