利用UV曝光技术研制单根定向碳纳米管阵列冷阴极

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所大功率微波电真空器件技术国防 作者:陈长青

  通过普通的紫外(UV) 光刻工艺,结合“变倾角缩口”新技术,研制了不同发射单元尺寸的碳纳米管(CNTs) 阵列阴极。扫瞄电镜分析表明,随着缩口尺寸的依次减小(从0.6μm到0.4μm ,最后到0.2μm) ,发射单元内CNTs 的根数也不断减少。当孔径缩至0.2μm时,发射单元仅由1 根~3 根CNTs 组成,并且大部分单元顶端均有单根CNT 伸出,使得整个发射体近似于单根CNT。场发射特性测试结果表明,0.2μm发射单元尺寸的阵列阴极,开启电场约2V·μm- 1 ;当场强为20V·μm- 1时,该阵列的电流密度达到0.35A·cm- 2 ,比1μm尺寸的阵列阴极提高了近4 倍,比连续生长的薄膜CNTs 阴极则高1~2 个数量级。

  碳纳米管(CNTs) 是一种优异的场发射体材料。其稳定的物理和化学性质和本身的高纵横比,使其可以获得更稳定、更大的发射电流,有望成为真空微电子器件中很有潜力的阴极电子源 。然而,在基片上生长的定向连续的CNTs ,管之间的间距很小,存在严重的电场屏蔽效应,使得CNTs 发射体尖端的场强大大减弱,因此阴极的发射电流密度很低。利用光刻技术,将连续生长的CNTs 图形化是提高发射电流密度的一种办法。我们已经利用UV 光刻技术制造了单元直径为1μm 的CNTs 阵列阴极,提高了阴极的发射电流密度。但是,图形化阵列的每个发射单元中仍有许多CNTs ,它们之间的屏蔽效应依然存在,因此发射电流密度仍限制在几十毫安每平方厘米。

  为了最大限度地避免电场屏蔽作用,必须制造单根的、离散分布的定向CNTs 阵列阴极。剑桥大学的Milne 等采用电子束光刻技术,通过控制催化剂颗粒的尺寸在100nm~200nm ,制造出600μm ×600μm 的单根定向CNTs 阵列阴极。在电场为21V·μm- 1时,取得0.7A·cm- 2的电流密度。并将该阴极应用在微波真空三极管中,测得工作电流密度达到1A·cm- 2 ,调制频率为1.5GHz ,预期的工作频率可达到30GHz~100GHz。显然,这种大电流密度的二极式单根定向CNTs 阵列阴极,在更高频率的微波电真空器件中具有潜在的应用价值。

  根据目前国内外的报道,电子束曝光是唯一一种制造单根定向CNTs 阵列的途径。然而,电子束曝光技术需要专用的设备,不仅价格昂贵,而且工作效率较低,一般仅局限在个别的实验室使用。与此相比,目前国内外大规模使用的光刻技术,用普通的紫外曝光。这种技术成熟、工艺简单、成本低,并且可以批量生产。因此,如果能用UV 光刻技术制造单根CNTs 阵列阴极,将为实现单根CNTs 阴极的实际应用奠定基础。

  我们曾经报道过,利用UV 光刻技术制造发射单元直径为1μm 的图形化CNTs 阵列阴极。由于UV技术的最高分辨率是0.7μm ,因此1μm 尺寸的CNTs 发射单元已经达到该技术的极限尺寸。而生长单根CNT 要求催化剂的面积小于200nm ,因此仅用UV 技术无法实现单根CNT 的生长。为此,本文提出了一种新技术———“变倾角缩口”技术,该技术可进一步缩小孔径,制造了发射单元尺寸分别为0.6μm、0.4μm 和0.2μm 的阴极,其中0.2μm 尺寸的阴极发射体已接近单根CNT。

1、实验方法

1.1、单根CNTs 阵列阴极的设计

  限制二极式定向CNTs 阵列阴极电流密度的主要因素是CNT之间的电场屏蔽效应。通常生长的CNTs之间的间距都比较接近,每根CNT 顶端的电场强度由于周围CNT的屏蔽作用而大大减弱,使阴极的发射电流密度降低。因此,在单根CNT阵列阴极的制造之前,必须对阵列的结构尺寸进行合理地设计。

  图1 是二极式单根CNT 阵列阴极的结构模型示意图。它由阴极组件和一个平板阳极组成,阴极组件则包括n2Si (100) 衬底、氮化钛缓冲层和直立的单根CNT 阵列。CNT 之间的直径为D , 间距为d ,高为h ,衬底与阳极之间的距离为L 。

  设CNT 的高h = 3μm 和直径D = 50nm(CNT 的高和直径是根据制备CNT 的具体实验数据确定的) ,阳极与衬底的距离L = 10μm ,仅改变CNT 之间的间距d ,模拟计算屏蔽效应对阴极场发射特性的影响,得到CNT 顶端的电场强度E 和间距d 的关系曲线如图2 所示。

二极式单根CNT阵列阴极的结构模型示意图h = 3μm , d 不同时,电场强度变化曲线

图1  二极式单根CNT阵列阴极的结构模型示意图  图2  h = 3μm , d 不同时,电场强度变化曲线

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3、结论

  利用普通UV 曝光工艺,制造出不同单元尺寸的CNTs 阵列阴极。扫描电镜分析表明,阵列具有较好的一致性,发射单元均呈圆锥形;随着缩口尺寸的减小,发射单元内CNTs 的根数减少。当缩口至0.2μm时,阵列中的发射单元由1 根~3 根CNTs 组成,顶端均有单根CNT 伸出,使得发射体接近于单根CNT。场发射特性测试表明,0.2μm 单元尺寸的CNTs 阴极,发射电流密度比未缩口前的1μm 单元尺寸的阴极提高了近4 倍,比基片上连续生长的CNT阴极提高1~2 个数量级。

  本文研究的一种“变倾角缩口”技术解决了制造这种单根CNT 阵列阴极的关键难题。。它可有效克服牺牲层缩口中出现的“瓶颈现象”,使缩口达到200nm 或更小,为制造单根CNTs 阵列阴极奠定了基础。下一步工作需要进一步优化工艺参数,提高CNT 的直立定向性,继续改善阵列的一致性,制造发射特性更好的单根定向CNTs 阵列阴极。

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