專利名稱：一種場發射針尖及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種場發射針尖及其制備方法與應用。
背景技術：
場發射(Field Emission)在平板顯示(Flat Panel Display)和真空微電子器件(Vacuum Microelectronic，如X射線發生器、微波發生器等)應用方面，具有極大的商業價值。在平板顯示器方面，基于場發射材料為冷陰極的平板顯示器與傳統的液晶(LCD)顯示器和目前已商品化的等離子平板顯示器(PDP)相比，具有能耗低、亮度大、高幀切換速度、全視角、易于尺寸微小型化的特點。因此，場發射顯示器(FED)被認為是最具前景的下一代平板顯示器。傳統場發射冷陰極材料主要集中在對一些難熔金屬(鉬)，半導體(硅)和絕緣體(金剛石)的研究上。近年來，關于碳納米管(CNTs)的研究成為新的熱點。目前，CNTs被國際上認為是一種高效的場發射材料。韓國三星公司已研制出了以取向CNTs為冷陰極的彩色平板顯示器(FED)。但是基于碳管的冷陰極，由于石墨層在發射電子時，化學穩定性及抗濺射能力較差，所以很難達到商品化所要求的工作壽命。導電氧化物(n型摻雜氧化銦(In2O3，indium oxide)、氧化錫、氧化鉬，氧化鉻等)因其具有良好的化學穩定性及抗濺射特性，是另一類理想的場發射材料；尤其在提高場發射壽命方面具有碳管無法比擬的優勢。導電氧化物針尖結構制備技術一直是國際難題，沒有得到很好的解決。
發明創造內容本發明的目的是提供一種場發射針尖。
本發明所提供的場發射針尖，是固定在硅襯底上的尖端為10-1-100nm的氧化銦或氧化銦錫納米晶體。
該納米晶體為4次對稱的錐形金字塔形貌，金字塔主軸垂直于硅襯底，所述納米晶體的4個三角側面為氧化銦或氧化銦錫的(222)面，底面為(400)面。所述硅襯底可為n型硅襯底，優選為高摻的n型硅襯底。其中，氧化銦(indium oxide)的分子式為In2O3，氧化銦納米晶體的晶相為立方相(cubic)，晶粒在襯底上呈隨機分布，平均距離約為1微米。
利用成熟的錫摻雜技術，對氧化銦摻雜錫元素，即可獲得良好n型導電性的氧化銦錫，通過控制摻雜錫元素的多少，可以調節氧化銦錫的導電性。
本發明的第二個目的是提供一種制備納米氧化銦或氧化銦錫場發射針尖的方法。
本發明所提供的制備方法，采用化學氣相沉積(CVD)的方法，包括以下步驟1)利用電子束蒸發或磁控濺射的方法在硅襯底上蒸鍍厚度為1-5納米的金屬鎳催化劑；2)采用金屬銦及氧化銦的混合物為生長源，得到納米氧化銦或氧化銦錫場發射針尖。
所述步驟1)中，硅襯底可為n型硅襯底，優選為高摻的n型硅襯底。在所述步驟1)中的硅襯底上蒸鍍厚度為4-6納米的金屬鎳催化劑后，采用高純金屬銦與氧化銦的混合物為蒸發源，襯底和蒸發源采用的垂直取向，距離控制在4-6mm；經抽真空洗氣后，在流量為190-210sccm的Ar保護下，以18-22℃/min的升溫速率，將反應腔的溫度升至940-960℃，并抽真空至38-42Torr；通入流量為18-22sccm的甲烷氣體反應8-12分鐘，得到納米氧化銦或氧化銦錫場發射針尖。其中，所蒸鍍的金屬鎳催化劑厚度優選為5納米；襯底和蒸發源之間的距離為5mm；經抽真空洗氣后，在流量為200sccm的Ar保護下，以20℃/min的升溫速率，將反應腔的溫度升至950-1050℃，并抽真空至40Torr；通入流量為20sccm的甲烷氣體反應10分鐘。
本發明利用化學氣相沉積方法成功地在n型摻雜的硅襯底上制備出垂直取向的金字塔型納米氧化銦(氧化銦錫)場發射針尖。由于氧化銦具有較低的電子親和勢(electron affinity)、固有的n摻雜特性、良好的化學穩定性及抗濺射本領，且具有垂直的取向，因此是理想的場發射針尖。由于金字塔型納米氧化銦(氧化銦錫)場發射針尖的生長具有對金屬鎳的選擇性和與硅襯底相結合的特點，因此，如果將本發明與傳統的硅半導體工藝和成熟的光刻技術結合會使Spindt型冷陰極制作變得簡單易行。由于氧化銦這種材料具有良好的化學穩定性和抗濺射能力，因此，基于金字塔型納米氧化銦(氧化銦錫)場發射針尖制作的平板顯示器可以具有很高的場發射穩定性和壽命。
圖1為金字塔型納米氧化銦場發射針尖的掃描電鏡照片圖2為金字塔型納米氧化銦場發射針尖陣列的場發射電場強度與電流密度關系曲線圖3為金字塔型納米氧化銦場發射針尖陣列的場發射電場強度與電流密度F-N擬合曲線
具體實施例方式
實施例1、納米氧化銦場發射針尖的制備方法納米氧化銦場發射針尖的制備采用化學氣相沉積(CVD)的方法。首先利用電子束蒸發方法，在高摻的n型硅襯底上蒸鍍厚度為5納米的金屬鎳催化劑。采用高純金屬銦與氧化銦的混合物為蒸發源，金屬銦與氧化銦的摩爾比為1∶1。襯底和蒸發源采用的垂直取向，距離控制在5mm左右。經抽真空洗氣后，在流量為200sccm的Ar保護下，以20℃/min的升溫速率，將反應腔的溫度升至950℃，并抽真空至40Torr。通入流量為20sccm的甲烷氣體反應10分鐘，在Ar氣保護下自然冷卻至室溫，取出樣品，得到納米氧化銦場發射針尖。
實施例2、納米氧化銦場發射針尖及其場發射特性如圖1所示，該場發射針尖為4次對稱的錐形金字塔形貌，金字塔主軸垂直于硅襯底，場發射針尖的4個三角側面為氧化銦或氧化銦錫的(222)面，底面為(400)面。場發射針尖的尺寸為10-1-100nm量級，在底上呈隨機分布，平均距離為1μm。該場發射針尖呈現出穩定，高效的場發射效率。如圖2、圖3所示，表明對應于電流密度為0.1μA/cm2的開啟外加電場強度為2.7V/μm，對應于電流密度為1mA/cm2的閾值電場強度為6.0V/μm，圖中，(1)表示平均尺寸為180nm的氧化銦晶粒的電流密度-電場強度曲線，(2)表示平均尺寸為1-5μm氧化銦晶粒的電流密度-電場強度曲線。因此，該場發射針尖的場發射效率已經足以滿足平板顯示的要求。
權利要求
1.一種場發射針尖，是固定在硅襯底上的尖端為10-1-100nm的氧化銦或氧化銦錫納米晶體。
2.根據權利要求1所述的場發射針尖，其特征在于所述納米晶體為4次對稱的錐形金字塔形貌，金字塔主軸垂直于硅襯底。
3.根據權利要求1或2所述的場發射針尖，其特征在于所述納米晶體的4個三角側面為氧化銦或氧化銦錫的(222)面，底面為(400)面。
4.根據權利要求1或2所述的場發射針尖，其特征在于所述硅襯底為n型硅襯底。
5.根據權利要求4所述的場發射針尖，其特征在于所述硅襯底為高摻的n型硅襯底。
6.一種制備權利要求1所述場發射針尖的方法，包括以下步驟1)利用電子束蒸發或磁控濺射的方法在硅襯底上蒸鍍厚度為1-5納米的金屬鎳催化劑；2)采用金屬銦及氧化銦的混合物為生長源，得到納米氧化銦或氧化銦錫場發射針尖。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述步驟1)中，硅襯底為n型硅襯底，優選為高摻的n型硅襯底。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于在所述步驟1)中的硅襯底上蒸鍍厚度為5納米的金屬鎳催化劑后，采用高純金屬銦與氧化銦的混合物為蒸發源，襯底和蒸發源采用的垂直取向，距離控制在4-6mm；經抽真空洗氣后，在流量為190-210sccm的Ar保護下，以18-22℃/min的升溫速率，將反應腔的溫度升至940-960℃，并抽真空至38-42Torr；通入流量為18-22sccm的甲烷氣體反應8-12分鐘，得到納米氧化銦或氧化銦錫場發射針尖。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述蒸鍍的金屬鎳催化劑厚度為5納米；所述襯底和蒸發源之間的距離為5mm。
10.權利要求1-5所述的場發射針尖在制備平板顯示器或Spindt型冷陰極中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種場發射針尖及其制備方法與應用。本發明所提供的場發射針尖，是固定在硅襯底上的尖端為10
文檔編號H01J1/30GK1581399SQ0314978
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月6日 優先權日2003年8月6日
發明者俞大鵬, 張曄, 賈宏博 申請人:北京大學