带控制栅极碳纳米管场致电子发射器件结构的研究

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1、带控制栅极碳纳米管场致电子发射器件结构的研究学位申请人：廖奕峰导专师：许宁生教授余峻聪讲师业：凝聚态物理摘要碳纳米管等准一维纳米材料因为优异的场致发射性能，成为近年来真空微电子器件研究的热点之一。本论文较系统地研究了带控制栅极碳纳米管场致电子发射器件结构的制作技术及相关科学问题。论文首先用计算机软件对闭合空间中的器件模型进行了电场强度和分布的数值计算。计算结果表明，给栅极施加5v的偏压，碳纳米管阴极的表面电场强度可以达到107V／m，远高于碳纳米管的开启电场和阈值电场，说明了器件的可行性。论文分别探索和比较了两种常见的方法，即Postgrowth法和In

2、-situgrowth法及采用它们制作的带控制栅极碳纳米管器件的结构和特性。采用Postgrowth法制作器件时，碳纳米管阴极由热分解化学气相沉积法生长得到。器件制作工艺较为简单，但是碳纳米管束的形貌不整齐，器件最终的外形难以有效控制。在In-situgrowth方法制作器件过程中，采用微波等离子体化学气相沉积法可以生长高度较小的碳纳米管阴极。在该方法中，由于碳纳米管生长时需经历高温过程，绝缘层厚度受到限制，导致栅极与阴极的距离不足1岫，碳纳米管生长后极易与栅极接触造成器件失效。此外，微波等离子体化学气相沉积法生长碳纳米管时，高能离子轰击容易对已经制作好

3、的器件基本结构造成破坏。在总结了上述两种方法的优缺点后，论文提出了深槽型带控制栅极碳纳米管场致发射器件结构及其相关制作工艺。深槽型带控制栅极碳纳米管场致电子发射器件结构的使用，减4,T碳纳米管过度生长造成器件失效的可能性。在实验中，我们成功获得了原型器件结构，并对其迸行了场致电子发射性能测试。测试结果表明，器件在栅极上施加4-5V偏压时即可以诱导碳纳米管发射电子。关键词：碳纳米管控制栅极场致电子发射微细加工ⅡStudyofFieldEmissionDevicesUsingGatedCarbonNanotubeCathodeName：Yi—fengLiao

4、Supervisor：ProfessorNing-shengXuandMr．Jun-congSheMajor：CondensedMatterPhysiesABSTRACTTherehasbeenincre鼬inginterestinthestudyofvacuummicro-electronlcdevicebyusinggatedcarbonnanotubes(CNTs)andotherquasione—dimensionalnanomaterialsduetotheirexcellentfieldemissionproperties．Inthisthe

5、sis,asystematicstudyoffieldemissiondevicesusinggatedCNTsascathodeispresented．Theoryoffieldelectronemissionandthehistoryoffieldemissionmicro-devicesarereviewedinthefirsttwochapters．Tofullyunderstandthemechanismofthedevice，somesimulationworkwascarriedoutandtheresultsshowthatthefiel

6、dstrengthwasstrongenoughwhena5VbiaswaSappliedtothegate．Twomethods，i．e·postgrowthandin-situgrowth,wereinvestigatedanddetails®ivenbelow：(1)Inthecaseofpostgrowthprocess，theCNTscathodeweregrowninathermalchemicalvapordeposition(CVD)system_TheproneoftheapertureWasprovedtobedifficukt

7、obecontrolledbecausetheshapeofCNTsbundlewasneitheruniformnorsharp．(2)Inthecaseofin-situgrowthprocess，microwaveplasmaCVDfMPCVD)WasemployedtogrowCNTs．ThethicknessofinsulatorlayerwaslimitedtolessthanHIl}tm_AsaresuR，itislikelythatCNTswouldgrowbeyondtheinsulatorlayerandthatthedevicefa

8、ilsduetOelectricalshortcircuit．Furthermo