【康沃真空網(wǎng)】研究了退火工藝對金屬-絕緣體-金屬( MIM) 器件( Al-Al2O3-Ti /Au 結(jié)構(gòu)) 的發(fā)射特性的影響。在對MIM 器件Ti /Au頂電極進(jìn)行退火處理后，金屬離子滲入絕緣層形成摻雜，器件發(fā)射電流密度提高，有效發(fā)射面積增大，并有較高發(fā)射效率，在加速電壓200 V，器件偏置電壓13.5 V 時(shí)電子發(fā)射電流密度達(dá)到1056.6 μA/cm2 ，z*大發(fā)射效率為4.7%，z*優(yōu)退火溫度為300℃。在對MIM 器件的Al 底電極進(jìn)行退火處理后，可以減小電化學(xué)氧化的電解質(zhì)摻雜，提高器件發(fā)射壽命，器件工作于非電形成狀態(tài)，電子發(fā)射電流密度波動小。對Al 底電極的單獨(dú)退火可使器件同時(shí)具有發(fā)射大、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在提高M(jìn)IM 發(fā)射性能的同時(shí)，縮短了器件制備周期。
　　金屬-絕緣體-金屬( metal-insulator-metal，MIM)冷陰極電子發(fā)射源與其它類型冷陰極電子源相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、發(fā)射點(diǎn)密度大、發(fā)射電子束偏離小、發(fā)射表面抗摻雜污染能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在平版印刷和場發(fā)射顯示等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用前景。圖1 為MIM 器件加載偏置電壓前后的能帶圖，當(dāng)在頂、底電極間加載偏置電壓后( 圖1(b) ) ，絕緣層中的能帶發(fā)生傾斜，降低了絕緣層的導(dǎo)帶與禁帶之間的能差，從而增加了電子隧穿到絕緣層和金屬頂電極界面的機(jī)率，當(dāng)這些電子能量超過頂電極逸出功時(shí)，電子就可以被發(fā)射到真空中。
　　MIM 器件能帶傾斜示意圖

　　近年來，關(guān)于MIM 發(fā)射器件的研究主要集中在提高器件的電子發(fā)射性能和壽命。Toshiaki Kusunoki等通過降低絕緣層氧化電流密度，使器件工作在非電形成(non-formed) 狀態(tài)，可減小器件的發(fā)射電流波動和發(fā)射能量損耗。采用近閾值電壓驅(qū)動可降低發(fā)射電子能譜寬度。Takashi Onishi 等通過對MIM器件底電極摻雜Nd，消除底電極表面小突起，提高Al2O3絕緣層質(zhì)量。黃蕙芬等對MIM器件(Ta-Ta2O5-Ta 結(jié)構(gòu)) 氧化層進(jìn)行熱處理，使非晶膜出現(xiàn)晶體顆粒，氧化層性能更加穩(wěn)定，發(fā)射重復(fù)性和穩(wěn)定性較好。
　　本文通過對Al-Al2O3-Ti/Au 結(jié)構(gòu)的MIM 器件Ti/Au 頂電極和Al 底電極進(jìn)行不同溫度的退火處理，研究退火工藝對器件電子發(fā)射特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對MIM 器件制備完成后進(jìn)行退火處理并不能替代單獨(dú)對Al 底電極的退火處理，不同退火工藝會使器件具有不同的發(fā)射特性。在氮?dú)夥罩袑i /Au 頂電極進(jìn)行退火處理，可使Ti /Au 頂電極厚度減小，金屬離子滲入絕緣層形成摻雜，對器件發(fā)射性能提升顯著。其中300℃，15 min 退火后，器件z*大發(fā)射電流密度比無退火處理時(shí)提高了2 個(gè)數(shù)量級，達(dá)到1056.6 μA/cm2。對Al 底電極進(jìn)行退火可以提高Al 底電極和Al2O3的成膜質(zhì)量，發(fā)射電流密度波動范圍ΔJe/Je為27.9%，器件發(fā)射特性的重復(fù)性好，發(fā)射壽命提高。由于Al 底電極的快速退火同樣可以達(dá)到緩慢電化學(xué)氧化的效果，因此使器件的制備周期縮短，為MIM 電子源的實(shí)際應(yīng)用提供了更多的可能。
　　1、樣品制備
　　Al-Al2O3-Ti/Au 結(jié)構(gòu)的MIM 電子源制備工藝如下: 真空度5.0 × 10-4 Pa，先用磁控濺射儀在玻璃基底上制備150 nm 的Al 底電極，然后用質(zhì)量比為3%的草酸在15℃水浴中對Al 底電極進(jìn)行氧化，再用體積比為5%的磷酸對形成的氧化鋁浸泡，得到20 nm厚的Al2O3絕緣層。z*后，在Al2O3表面濺射制備約為4 nm Ti 和6 nm Au，形成復(fù)合頂電極。為研究退火Al-Al2O3-Ti /Au 結(jié)構(gòu)的MIM 電子源發(fā)射特性的影響，實(shí)驗(yàn)中對樣品分5 種情況進(jìn)行處理，其中A 樣品不進(jìn)行退火處理，B、C、D 樣品的頂電極制備完成后，在氮?dú)夥罩蟹謩e進(jìn)行200，300 和400℃，15 min 的退火處理。E 樣品Al 底電極制備完成后，根據(jù)B、C、D樣品退火后的電子發(fā)射特性，選擇300℃，15 min 的氮?dú)夥胀嘶鹛幚?，然后制備Al2O3絕緣層和Ti /Au頂電極。樣品編號及對應(yīng)的退火條件如表1 所示，樣品的器件結(jié)構(gòu)及電子發(fā)射特性測試原理如圖2 所示。器件測試在3.0 × 10-4 Pa 的室溫下進(jìn)行，電子發(fā)射的加速電壓為200 V，偏置電壓Vd 的脈沖頻率為0.5 Hz，幅值在0 ～15 V 之間變化。
　　表1 樣品編號及對應(yīng)的退火條件



　　3、結(jié)論
　　對Al-Al2O3-Ti/Au 結(jié)構(gòu)的MIM 器件進(jìn)行不同溫度的退火工藝后，發(fā)現(xiàn)器件的電子發(fā)射特性有不同的變化。對器件Al 底電極退火可以提高Al2O3成膜質(zhì)量，消除器件的“負(fù)阻效應(yīng)”，使器件工作于非電形成狀態(tài)，同時(shí)器件的發(fā)射穩(wěn)定性能較好，連續(xù)10 min的電子發(fā)射測試表明，電子發(fā)射電流密度波動范圍為±27.9%。對器件頂電極分別進(jìn)行200，300，400℃退火后，器件發(fā)射電流得到顯著增強(qiáng)，300℃為頂電極退火z*優(yōu)溫度，器件的z*大發(fā)射電流密度達(dá)到1056.6 μA/cm2，比未退火器件的z*大發(fā)射電流密度提高了2 個(gè)數(shù)量級，發(fā)射閾值電壓顯著減小，降低到11 V，發(fā)射效率較高，z*大發(fā)射效率為4.7%。但是Ti /Au 頂電極退火工藝并不能代替Al 底電極退火工藝，無法使器件具有發(fā)射大、穩(wěn)定性好的雙重特點(diǎn)。對退火工藝的進(jìn)一步研究，使退火工藝對器件性能的影響進(jìn)行疊加，是下一步研究的重點(diǎn)。