基于SOI場效應管控制的背柵極碳納米管場發射結構研究*

丁沭沂,雷　威

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

?

基于SOI場效應管控制的背柵極碳納米管場發射結構研究*

丁沭沂1,2*,雷威2

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

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

關鍵詞:場效應管;碳納米管陣列;場發射;柵極調控

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

研究發現,當場發射陣列發射電流過大時,通常會發生發射體損毀和電流急劇跌落的現象,這嚴重制約了場發射電子源在大功率器件中的應用。雖然限制電流發射能力的原因有很多,但根據文獻報道[4-5],關鍵因素大致有:(1)屏蔽效應、邊沿場效應和發射體形貌差異引起的電流發射不均勻。(2)大電流發射引起的發射體損毀。由于以上這些原因,在碳納米管陣列發射電流較大時,部分發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射電流較小,使得場發射陣列的總體發射電流難以提高,并導致電流發射不穩定。

在大功率器件中,為了調制發射電流,通常在場發射陣列前面配置一個柵網或模孔片[6-7],為了獲得足夠的發射電流,需要在柵網或模孔片上施加高電壓,但是高電壓的施加往往會降低電流調制靈敏度和電子透過率。

目前國內外很多研究小組采用場效應晶體管控制碳納米管陣列的發射[8-9],這主要是由于場效應管的制備是成熟技術,可以實現很高的器件性能一致性和穩定性,通過場效應管的調控發射電流,可以提高每個像素單元發射電流的一致性和穩定性,以及電流調制靈敏度。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射平板顯示等小功率器件中的應用,對單個像素的小電流發射進行調制。而對大功率器件中的大電流靈敏調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[6],提出一種獨立場效應管控制的碳納米管場發射陣列三極結構,并通過理論分析和實驗驗證等手段,對該結構的工作機制展開研究。

1　基于SOI基底的背柵極碳納米管場發射三極結構的制備

1.1場發射陣列的結構與工作原理

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

圖1　基于SOI晶體管控制的背柵極碳納米管場發射三極結構的結構示意圖

從場發射三極結構的角度看,上表面的環形電極為陰極,重摻雜的硅為背柵極(Back Gate),碳納米管為發射體。在傳統的背柵極結構中,發射體位于陰極電極上,電子主要是從位于陰極邊緣的發射體發射出來的。而在該結構中,碳納米管發射體通過半導體硅與陰極(環狀電極)相連;從場效應管的角度看,環狀電極相當于場效應管里源極(Source),碳納米管相當于漏極(Drain),SOI底部的重摻雜的硅相當于背柵極(Back Gate),碳納米管與環狀電極之間的半導體硅相當于溝道(Channel)。

1.2柵極調制性能的數值計算

柵極調制效果是三極結構的關鍵性衡量要素,它直接反應柵極對陰極發射電流的調制能力,一般希望通過較小的柵極電壓范圍,調制較大的尖端電場變化范圍。這將極大的利于外圍驅動電路的設計。

柵極對碳納米管尖端的電場調制效果可以通過有限元方法進行數值模擬計算,模擬軟件也是采用COMSOL MULTIPHYSICS。模擬流程同樣是:建立模型→邊界條件設置→網格劃分→數值計算。該結構的計算結構模型及參數參考了實驗中工藝所能達到的水平來賦值,以便用實驗來驗證。具體數值如圖2所示。在模擬中,我們設置了虛擬陽極,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射三極結構的示意圖及參數

在數值模擬過程中,施加在陰極和陽極上的電壓設為定值,分別為0 V和10 V,對應的宏觀電場為2 V/μm。當柵極上的電壓(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。可以看出,柵極的調制效果是很明顯的。

1.3器件的制備

為了研究晶體管對碳納米管發射電流的控制作用,以及這種SOI場效應管能否將發射電流限制在安全值以內,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射三極結構

2　場發射測試及數據分析

場發射測試在真空度10-8mbar的環境下進行,測試系統示意圖如下圖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射三極結構測試示意圖

圖6　四組器件的發射電流與柵極電壓的關系

圖6中陽極電壓為1 000 V(對應陽極電場為4 V/μm)的情況下,4組器件的發射電流與柵極電壓的關系。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。圖中數據表明,CNT1在柵極電壓為-20 V的時候就開始發射;而CNT3和CNT4在柵極電壓-60 V的時候才開始發射。很明顯,碳納米管的發射能力有很大差異,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射電流也只能是80 nA。然而,由于CNT3和CNT4在柵極電壓達到-80 V的時候,發射電流也沒有達到80 nA,因此發射電流沒有出現飽和現象。由前期工作可以得知,單根碳納米管可以承載10 μA～20 μA的發射電流,因此80 nA的發射電流絕對屬于安全范圍,不會造成碳納米管的燒毀。

考慮到在三極結構中,陽極對發射電流的調控效果不明顯,因此這里不再討論。

在同上的測試系統中,我們對單根碳納米管場發射三極結構進行了發射穩定性測試。發射電流與時間的關系被記錄在下圖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射陣列具有很好的穩定性,波動幅度在2%以內。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射電流均被限制在安全范圍以內,因此不會引起碳納米管的劇烈發射或者燒毀現象,進而體現出電流的高度穩定性。

圖7　帶有限流場效應管的碳納米管陰極的發射電流穩定性

3　結論

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

參考文獻:

[1]Milne W I,Teo K B K,Minoux E,et al.Aligned Carbon Nanotubes/Fibers for Applications in Vacuum Microwave Amplifiers[J].J Vac Sci Tech B, 2006,24: 345-349.

[2]García L F V,Akinwande A I,Sánchez M M, et al.A Planar Array of Micro-Fabricated Electrospray Emitters for Thruster Applications[J].J Micromesh Sys,2006,15:1272-1280.

[3]Outlaw R A,McGuire G E.Back-Gated Field Emission Devices Based Upon Carbon[C]//Nanosheet the 8th IVESC and Nano Carbon Conf,2010:57-58.

[4]Liu P,Liu L,Wei Y, et al.Enhanced Field Emission from Imprinted Carbon Nanotube Arrays[J]. Appl Phys Lett,2006,89:073101- 073103.

[5]Cui Y K, Zhang X B, Lei W, et al. Vaporation of Tetrapod ZnO Nanostructures and Its Influence on the Field-Emission Performance[J].IEEE Electron Dev Lett, 2010,31: 479-481.

[6]Milne W I, Teo K B K, Minoux E, et al. Carbon Nanotubes as Electron Sources [J].J Vac Sci Technol B, 2006,24: 1058-1063.

[7]Wang S G, Calderon X, Peng R, et al. A Carbon Nanotube Field Emission Multipixel X-Ray Array Source for Microradiotherapy Application[J]. Appl Phys Lett,2011, 98:213701- 213703.

[8]Choi Y S, Kang J H,Kim H Y, et al. A Simple Structure and Fabrication of Carbon-Nanotube Field Emission Display [C]//SID of DIGEST,2001: 718.

[9]Yamamoto K, Nomura I, Yamazaki K, et al. Fabrication and Characterization of Surface Conduction Electron Emitters[C]//SID Int Symp Digest Tech, 2005,36: 1933-1935.

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

雷威(1967-),男,東南大學電子科學與工程學院教授,博士生導師,主要研究方向為顯示科學與技術、微納功能材料與器件、真空電子技術等,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

文獻標識碼: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:國家自然科學基金項目(51202027)