表面热处理对氮化硼薄膜场发射特性的影响

摘 要：用RF磁控溅射的方法在最佳沉积条件下在Si（100）基底上沉积了纳米氮化硼薄膜，然后对薄膜在真空度低于5×10-4Pa、温度分别为800℃和1000℃条件下进行了表面热处理，分别用红外光谱、原子力显微镜以及不同退火温度的场发射试验对薄膜进行了研究，结果表明表面热处理对BN薄膜的表面形貌没有明显影响，样品场发射特性的变化可能与表面负电子亲和势有关，未进行热处理的样品阈值电场较低，可能归因于表面负电子亲和势效应，阈值电场为8V/μm，发射电流为80μA，热处理温度为800℃时，负电子亲和势仍然存在，直到热处理温度达到1000℃时，表面负电子亲和势才消失。
关键词：氮化硼薄膜；表面热处理；场发射；发射电流；阈值电场

目前，由于宽禁带半导体金刚石、类金刚石膜具有极好的场发射特性，又有较好的机械硬度、化学惰性、高热导率、造价低、可以大面积沉积等许多优点，已经成为人们研制场发射器件的首选材料。人们已经集中精力研究合成金刚石场发射器，观察到金刚石p-n结[1]和多晶金刚石膜[2]的电子发射。这些材料都满足做场发射器件的一个重要条件即负电子亲和势（NEA）。由于BN薄膜具有金刚石的优良特性，并且能够形成平坦的BN薄膜。人们自然想到了BN肯定是做场发射体的优良材料，于是人们开始用各种方法沉积氮化硼薄膜，有报道激光刻蚀沉积的碳掺杂的BN薄膜在很低的电压下就能发射电流[3]，有人证明BN薄膜具有高发射电流的潜在可能性[4]。因此研究怎样提高BN薄膜的场发射特性是非常必需的。我们已经研究了厚度对氮化硼薄膜场发射特性的影响[5]。为了能清楚的了解氮化硼薄膜的场发射特性与温度的关系，我们又研究了表面热处理对氮化硼薄膜场发射特性的影响，希望能为以后氮化硼薄膜场发射特性的应用奠定基础。
2 实验
我们用射频磁控溅射的方法在Si(100)基底上沉积的氮化硼薄膜[6]。薄膜沉积条件如文献[5]和[6]中所述。场发射特性是在超高真空（<5.0×10-7Pa）情况下测量的，氮化硼薄膜作为阴极，导电玻璃板作为阳极，氮化硼薄膜与阳极之间由直径为100μm的玻璃丝隔离开，样品面积为5mm×5mm。对BN薄膜场发射特性的分析是利用电流-电压(I-V)关系曲线来完成的。由于阈值电压低可以降低工作电压，对实际工作中制备阴极阵列有重要意义，而且它是考察场发射特性的几个重要指标之一，为此我们利用阈值电压来衡量BN薄膜场发射特性。当场发射电流为0.5μA时，阳极和样品之间所加的最低电压定义为阈值电压，对应的电场为阈值电场。
我们用RF磁控溅射的方法制备的BN薄膜，膜厚大约100nm，所得薄膜的红外光谱如图1所示。