退火对Al-Al2O3-Ti/Au金属-绝缘体-金属电子源发射特性的影响
研究了退火工艺对金属-绝缘体-金属( MIM) 器件( Al-Al2O3-Ti /Au 结构) 的发射特性的影响。在对MIM 器件Ti /Au顶电极进行退火处理后，金属离子渗入绝缘层形成掺杂，器件发射电流密度提高，有效发射面积增大，并有较高发射效率，在加速电压200 V，器件偏置电压13.5 V 时电子发射电流密度达到1056.6 μA/cm2 ，最大发射效率为4.7%，最优退火温度为300℃。在对MIM 器件的Al 底电极进行退火处理后，可以减小电化学氧化的电解质掺杂，提高器件发射寿命，器件工作于非电形成状态，电子发射电流密度波动小。对Al 底电极的单独退火可使器件同时具有发射大、稳定性好的优点，在提高MIM 发射性能的同时，缩短了器件制备周期。
金属-绝缘体-金属( metal-insulator-metal，MIM)冷阴极电子发射源与其它类型冷阴极电子源相比，具有结构简单、易于制造、发射点密度大、发射电子束偏离小、发射表面抗掺杂污染能力强等诸多优点，在平版印刷和场发射显示等领域有潜在应用前景。图1 为MIM 器件加载偏置电压前后的能带图，当在顶、底电极间加载偏置电压后( 图1(b) ) ，绝缘层中的能带发生倾斜，降低了绝缘层的导带与禁带之间的能差，从而增加了电子隧穿到绝缘层和金属顶电极界面的机率，当这些电子能量超过顶电极逸出功时，电子就可以被发射到真空中。
图1 MIM 器件能带倾斜示意图
近年来，关于MIM 发射器件的研究主要集中在提高器件的电子发射性能和寿命。Toshiaki Kusunoki等通过降低绝缘层氧化电流密度，使器件工作在非电形成(non-formed) 状态，可减小器件的发射电流波动和发射能量损耗。采用近阈值电压驱动可降低发射电子能谱宽度。Takashi Onishi 等通过对MIM器件底电极掺杂Nd，消除底电极表面小突起，提高Al2O3绝缘层质量。黄蕙芬等对MIM器件(Ta-Ta2O5-Ta 结构) 氧化层进行热处理，使非晶膜出现晶体颗粒，氧化层性能更加稳定，发射重复性和稳定性较好。
本文通过对Al-Al2O3-Ti/Au 结构的MIM 器件Ti/Au 顶电极和Al 底电极进行不同温度的退火处理，研究退火工艺对器件电子发射特性的影响。实验结果表明，对MIM 器件制备完成后进行退火处理并不能替代单独对Al 底电极的退火处理，不同退火工艺会使器件具有不同的发射特性。在氮气氛中对Ti /Au 顶电极进行退火处理，可使Ti /Au 顶电极厚度减小，金属离子渗入绝缘层形成掺杂，对器件发射性能提升显著。其中300℃，15 min 退火后，器件最大发射电流密度比无退火处理时提高了2 个数量级，达到1056.6 μA/cm2。对Al 底电极进行退火可以提高Al 底电极和Al2O3的成膜质量，发射电流密度波动范围ΔJe/Je为27.9%，器件发射特性的重复性好，发射寿命提高。由于Al 底电极的快速退火同样可以达到缓慢电化学氧化的效果，因此使器件的制备周期缩短，为MIM 电子源的实际应用提供了更多的可能。
1、样品制备
Al-Al2O3-Ti/Au 结构的MIM 电子源制备工艺如下: 真空度5.0 × 10-4 Pa，先用磁控溅射仪在玻璃基底上制备150 nm 的Al 底电极，然后用质量比为3%的草酸在15℃水浴中对Al 底电极进行氧化，再用体积比为5%的磷酸对形成的氧化铝浸泡，得到20 nm厚的Al2O3绝缘层。最后，在Al2O3表面溅射制备约为4 nm Ti 和6 nm Au，形成复合顶电极。为研究退火Al-Al2O3-Ti /Au 结构的MIM 电子源发射特性的影响，实验中对样品分5 种情况进行处理，其中A 样品不进行退火处理，B、C、D 样品的顶电极制备完成后，在氮气氛中分别进行200，300 和400℃，15 min 的退火处理。E 样品Al 底电极制备完成后，根据B、C、D样品退火后的电子发射特性，选择300℃，15 min 的氮气氛退火处理，然后制备Al2O3绝缘层和Ti /Au顶电极。样品编号及对应的退火条件如表1 所示，样品的器件结构及电子发射特性测试原理如图2 所示。器件测试在3.0 × 10-4 Pa 的室温下进行，电子发射的加速电压为200 V，偏置电压Vd 的脉冲频率为0.5 Hz，幅值在0 ～15 V 之间变化。
表1 样品编号及对应的退火条件
图2 MIM 器件结构和电子发射特性测试示意图
3、结论
对Al-Al2O3-Ti/Au 结构的MIM 器件进行不同温度的退火工艺后，发现器件的电子发射特性有不同的变化。对器件Al 底电极退火可以提高Al2O3成膜质量，消除器件的“负阻效应”，使器件工作于非电形成状态，同时器件的发射稳定性能较好，连续10 min的电子发射测试表明，电子发射电流密度波动范围为±27.9%。对器件顶电极分别进行200，300，400℃退火后，器件发射电流得到显著增强，300℃为顶电极退火最优温度，器件的最大发射电流密度达到1056.6 μA/cm2，比未退火器件的最大发射电流密度提高了2 个数量级，发射阈值电压显著减小，降低到11 V，发射效率较高，最大发射效率为4.7%。但是Ti /Au 顶电极退火工艺并不能代替Al 底电极退火工艺，无法使器件具有发射大、稳定性好的双重特点。对退火工艺的进一步研究，使退火工艺对器件性能的影响进行叠加，是下一步研究的重点。
