基于SOI场效应管控制的背栅极碳纳米管场发射结构研究*

丁沭沂,雷　威

(1.南京师范大学泰州学院信息工程学院,江苏 泰州 225300;2.东南大学电子科学与工程学院,江苏省信息显示工程技术研究中心,南京 210096)



基于SOI场效应管控制的背栅极碳纳米管场发射结构研究*

丁沭沂1,2*,雷威2

(1.南京师范大学泰州学院信息工程学院,江苏 泰州 225300;2.东南大学电子科学与工程学院,江苏省信息显示工程技术研究中心,南京 210096)

摘要:针对目前碳纳米管场发射电子源存在的问题,以提高碳纳米管场发射阵列的大电流发射能力、电流均匀性和稳定性以及电流调制灵敏度为目标,基于绝缘硅(SOI)技术,提出并制备出一种独立场效应管控制的碳纳米管场发射阵列三极结构,并通过理论分析和实验验证等手段,发现其具有良好的栅极调制效果、优良的发射均匀性和稳定性。

关键词:场效应管;碳纳米管阵列;场发射;栅极调控

以碳纳米管为代表的一维纳米材料,具有优秀的场发射性能,在平板显示、微波放大器、空间离子推进器、电子显微镜、电子束光刻和X射线源等器件中有很好的应用前景[1-3],但目前其大电流发射能力、电流均匀性和稳定性以及大电流的调制灵敏度等性能仍不能满足大功率器件的需求。

研究发现,当场发射阵列发射电流过大时,通常会发生发射体损毁和电流急剧跌落的现象,这严重制约了场发射电子源在大功率器件中的应用。虽然限制电流发射能力的原因有很多,但根据文献报道[4-5],关键因素大致有:(1)屏蔽效应、边沿场效应和发射体形貌差异引起的电流发射不均匀。(2)大电流发射引起的发射体损毁。由于以上这些原因,在碳纳米管阵列发射电流较大时,部分发射性能较好的碳纳米管可能会由于过载而损毁,与此同时,性能较差的碳纳米管发射电流较小,使得场发射阵列的总体发射电流难以提高,并导致电流发射不稳定。

在大功率器件中,为了调制发射电流,通常在场发射阵列前面配置一个栅网或模孔片[6-7],为了获得足够的发射电流,需要在栅网或模孔片上施加高电压,但是高电压的施加往往会降低电流调制灵敏度和电子透过率。

目前国内外很多研究小组采用场效应晶体管控制碳纳米管阵列的发射[8-9],这主要是由于场效应管的制备是成熟技术,可以实现很高的器件性能一致性和稳定性,通过场效应管的调控发射电流,可以提高每个像素单元发射电流的一致性和稳定性,以及电流调制灵敏度。虽然各国研究人员在这方面的研究取得了重要研究成果,但目前主要是针对在场发射平板显示等小功率器件中的应用,对单个像素的小电流发射进行调制。而对大功率器件中的大电流灵敏调制的研究还处在起步阶段。

因此,为了改善目前碳纳米管阴极存在的问题,本文基于绝缘硅SOI(Silicon on Insulator)技术[6],提出一种独立场效应管控制的碳纳米管场发射阵列三极结构,并通过理论分析和实验验证等手段,对该结构的工作机制展开研究。

1　基于SOI基底的背栅极碳纳米管场发射三极结构的制备

1.1场发射阵列的结构与工作原理

图1为本文提出的基于SOI场效应管控制的背栅极碳纳米管场发射三极结构的结构示意图。在SOI的上表面制备了环状电极,材料为金属钨(W)。碳纳米管发射体被制备在环状电极的中心,并垂直于基片表面生长。该结构既是一个场发射三极结构,又是一个场效应管结构。

图1　基于SOI晶体管控制的背栅极碳纳米管场发射三极结构的结构示意图

从场发射三极结构的角度看,上表面的环形电极为阴极,重掺杂的硅为背栅极(Back Gate),碳纳米管为发射体。在传统的背栅极结构中,发射体位于阴极电极上,电子主要是从位于阴极边缘的发射体发射出来的。而在该结构中,碳纳米管发射体通过半导体硅与阴极(环状电极)相连;从场效应管的角度看,环状电极相当于场效应管里源极(Source),碳纳米管相当于漏极(Drain),SOI底部的重掺杂的硅相当于背栅极(Back Gate),碳纳米管与环状电极之间的半导体硅相当于沟道(Channel)。

1.2栅极调制性能的数值计算

栅极调制效果是三极结构的关键性衡量要素,它直接反应栅极对阴极发射电流的调制能力,一般希望通过较小的栅极电压范围,调制较大的尖端电场变化范围。这将极大的利于外围驱动电路的设计。

栅极对碳纳米管尖端的电场调制效果可以通过有限元方法进行数值模拟计算,模拟软件也是采用COMSOL MULTIPHYSICS。模拟流程同样是:建立模型→边界条件设置→网格划分→数值计算。该结构的计算结构模型及参数参考了实验中工艺所能达到的水平来赋值,以便用实验来验证。具体数值如图2所示。在模拟中,我们设置了虚拟阳极,它距离阴极很近,目的是简化计算过程。

图2　基于SOI基底的背栅极碳纳米管场发射三极结构的示意图及参数

在数值模拟过程中,施加在阴极和阳极上的电压设为定值,分别为0 V和10 V,对应的宏观电场为2 V/μm。当栅极上的电压(Vg)被赋值后,空间电场即可计算得到。如图3所示,栅极电压为-5 V、-10 V、-15 V、-20 V情况下,碳纳米管尖端附近的典型电场分布情况。可以看出,栅极的调制效果是很明显的。

1.3器件的制备

为了研究晶体管对碳纳米管发射电流的控制作用,以及这种SOI场效应管能否将发射电流限制在安全值以内,我们制备了单根碳纳米管器件。如图4所示,在同一基片上,我们制备了4组器件。

图4　在同一基片上制备的四组基于单根碳纳米管场发射三极结构

2　场发射测试及数据分析

场发射测试在真空度10-8mbar的环境下进行,测试系统示意图如下图5所示,阳极(Anode)距离阴极表面的距离为250 μm,阳极接高压(Va),将电极(Electrode,Source)接地,给硅基底(Si Substrate)施加一个电压(Vg)。

图5　基于SOI基底的背栅极碳纳米管场发射三极结构测试示意图

图6　四组器件的发射电流与栅极电压的关系

图6中阳极电压为1 000 V(对应阳极电场为4 V/μm)的情况下,4组器件的发射电流与栅极电压的关系。在本实验中,为了避免绝缘层(SiO2)被击穿,栅极电压被限制在0～-80 V以内。图中数据表明,CNT1在栅极电压为-20 V的时候就开始发射;而CNT3和CNT4在栅极电压-60 V的时候才开始发射。很明显,碳纳米管的发射能力有很大差异,原因是它们的形貌(包括高度,直径等)的差异比较大,这在SEM图中可以看出。

虽然碳纳米管的发射能力不尽相同,但是需要注意的是,CNT1和CNT2的饱和电流均在80 nA左右。这说明了晶体管的饱和电流在80 nA左右,从而限制了碳纳米管的最大发射电流也只能是80 nA。然而,由于CNT3和CNT4在栅极电压达到-80 V的时候,发射电流也没有达到80 nA,因此发射电流没有出现饱和现象。由前期工作可以得知,单根碳纳米管可以承载10 μA～20 μA的发射电流,因此80 nA的发射电流绝对属于安全范围,不会造成碳纳米管的烧毁。

考虑到在三极结构中,阳极对发射电流的调控效果不明显,因此这里不再讨论。

在同上的测试系统中,我们对单根碳纳米管场发射三极结构进行了发射稳定性测试。发射电流与时间的关系被记录在下图7中。起始电流为50 nA,测试时间均为2 700 s。很明显,具有限流晶体管的发射阵列具有很好的稳定性,波动幅度在2%以内。这说明,由于带有限流晶体管的碳纳米管阵列中每根碳纳米管的发射电流均被限制在安全范围以内,因此不会引起碳纳米管的剧烈发射或者烧毁现象,进而体现出电流的高度稳定性。

图7　带有限流场效应管的碳纳米管阴极的发射电流稳定性

3　结论

本文提出了一种基于SOI场效应管控制的背栅极碳纳米管场发射结构。首先给出了这种结构的工作模式,并通过模拟计算验证了其具有良好的栅极调制效果;然后通过精确定位的电子束光刻技术,成功制备了单根碳纳米管三极结构发射体并进行了场发射测试。测试电压设定在0～-80 V间得到了明显的调制效果,并与模拟计算相符合。由于串联了场效应管,碳纳米管的发射电流被限制在80 nA以下,这确保了发射体安全稳定地工作。该三极结构的具有优良的发射均匀性和稳定性,适合运用在大功率场发射器件中,为三极结构的制备提供了又一种可选择方案。

参考文献:

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[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.

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[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,南京师范大学泰州学院信息工程学院讲师,东南大学显示技术中心博士在读,研究方向为纳米材料的制备与表征,dingshuyi@seu.edu.cn;

雷威(1967-),男,东南大学电子科学与工程学院教授,博士生导师,主要研究方向为显示科学与技术、微纳功能材料与器件、真空电子技术等,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

中图分类号:TN386

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0597-04

收稿日期:2013-07-10修改日期:2013-07-30

项目来源:国家自然科学基金项目(51202027)