场致发射法[场致发射法]

　场致发射机理及特点　　

　　场致电子发射也称冷电子发射，是与热电子发射完全不同性质的一种电子发射方式。热电子发射是靠升高物体温度，给发射体内部的电子以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出而形成的电子发射方式。这种方式的发射能耗高，同时还有时间的延迟性。场致发射则不同，它并不需要提供给体内电子以额外的能量，而是靠强的外加电场来压抑物体的表面势垒，使表面势垒的高度降低、宽度变窄，这样发射体内的大量电子由于隧道效应穿透表面势垒逸出形成场致电子发射。而且它没有时间延迟、功耗低，因而场致发射是一种非常有效的电子发射方式。

　　场致发射时，随外加电场的增强发射体的表面势垒的高度越来越低、宽度越来越窄，从发射体表面逸出的电子越来越多，这样场致发射电流越来越大。Fowler－Nordheim利用量子理论研究了场致发射现象，推导出了F－N场致发射公式

场致发射法

式中：E为外加电场场强的大小，A和B是与发射体的功函数有关的常数。由上式可见场致发射电流密度大小与外加电场场强和发射体的功函数有密切的关系。因此利用场致发射时，就应选择合适的材料作发射体，并设计恰当的发射体结构，才能在尽量低的电压得到所需的电子发射量以满足器件工作的要求。场致发射阴极可分两大类：一类是微尖型。一般材料功函数较大要形成场致发射时场强应在107V／cm以上，根据场强E与极间电压V成正比的关系：

　　E＝βV

其中比例因子β，也称场强变换几何因子。它是由阴极与阳极形状以及极间距离等决定的。低压下形成场致发射，需要利用尖端效应，将阴极表面作成具有很大曲率的尖端才能获得高场强。常用的场致发射阴极有通过近代薄膜微电子工艺制作的Spint型［2］（金属尖锥）、硅尖锥型、混合型（在金属尖锥表面在镀上一层功函数小的金属薄膜Cs、Ta、Pt等）。

　　另一类为薄膜场致发射阴极。近年来金刚石薄膜与类金刚石薄膜作为场致发射阴极的研究正在深入进行，这类材料具有负的电子亲和势，功函数为0．2～0．3eV，因此做场致发射阴极非常合适。一般金属材料获得冷发射时的表面场强在107V／cm以上，而金刚石表面只要104～105V／cm即可获得发射电流。另外金刚石优良的导热性、稳定的化学性质、好的机械强度都使金刚石表现出作为场致发射阴极的优势。

　　掺杂的金刚石可以获得更低的发射场强阈值，如掺氮、硼等。不仅大多数类型的金刚石都有发射能力，许多碳材料也易产生电子发射。这里以一定发射电流所需要的阈值电压大小作为衡量标准，对最近开发的各种金刚石阴极进行比较。纯净的金刚石具有5．5eV的宽带隙，由于电阻太高，很难得到场致发射。掺硼形成P型后，发射性能有改善，但阈值场强仍较高。掺磷、特别是掺氮形成N型可使阈值场强降为0．5V／μm。多晶CVD金刚石由于晶粒边界有导电性而易获得场致发射能力，这是一种半导体，带隙宽度在1～4eV氮掺杂后阈值场强可达到5V／μm［3］。用过滤的阴极真空电弧法沉积的四面体非晶碳，阈值场强可降到20～40V／μm。在等离子氢烧结的纳米晶态金刚石织构膜［4］，在电流密度10mA／cm2下，阈值场强可达3～5V／μm。碳纳米管是另一种有希望的场致发射材料［5］，其发射电流较大、阈值场强较低。

　　其它宽禁带半导体如BN、SiC、CaN、AlN等Ⅲ－Ⅴ族化合物，常认为是一组类金刚石的超硬材料，它们在高温下稳定，不易形成缺陷能阻止掺杂剂的扩散。实验标明这类材料的电子亲和势很低，通过表面处理甚至可以使电子亲合势变为负的。从而引起了用它制作场致发射阴极的兴趣，这类材料一般可适合高功率、高发射电流的应用场合，这类宽禁带半导体的场致发射机理及应用还有待进一步研究。　　场致发射的应用：　　利用场致电子发射通过现代微加工技术制造出来的真空微电子器件有许多超过固体器件的优点，例如真空微电子器件能提供很高电流密度（＞100A／cm2），在真空微电子器件中电子的弹道传输方式比半导体器件中的荷电粒子的传输方式更有效、速度更快且基本无功耗，真空微电子器件的工作特性基本与温度无关，且对辐射不敏感等。其应用前景非常广泛，如应用于场致发射显示器、微波器件及传感器等方面。

（1）　微波器件方面的应用

　　场致发射在微波管中的应用目前主要有两种：一是预调制放大器，有耦合腔输出的窄带器件速调四极管和螺旋线输出的宽带器件行波速调四极管。虽然目前的输出功率只有毫瓦量级［6］，但都得到了10GHz调制频率的射频功率输出，这说明场致发射的射频调制频率已经达10GHz。二是小型行波管（TWT），用场致发射阴极直接代替TWT中的热阴极做小型化的中功率的TWT放大器，在X波段10．5GHz处已经得到27．5W的功率输出［7］。微波器件应用要求场致发射阴极电子源具有高电流密度、低发散、性能稳定可靠、长寿命及栅控能力。大电流、高跨导、低电容的场致发射阴极是提高场致发射微波器件的关键。

（2）　传感器方面的应用

　　场发射在传感器方面的主要应用有真空微电子磁敏传感器、压力传感器、加速度传感器及图像传感器等。其中磁敏传感器是基于真空微电子器件中的电子运动不受晶格散射的影响可获得很高的速度，并且在磁场作用下有较大的偏移量，从而具有较高的灵敏度和精度。压力传感器其结构主要有场致发射阴极、真空腔和阳极等，阳极或场发射阴极可作为压力敏感膜，当其受到压力时将发生形变，阴极与阳极之间的距离变化从而使阴极发射尖锥的场强发生改变，最终表现为输出电流的变化，因而可通过测量电流得到相应的压力值。一般利用场致发射制作的真空微电子传感器具有灵敏度高、抗辐射、体积小、低功耗等优点。

（3）　显示屏

　　场致发射显示屏（FED）是一种能够实现轻薄化和良好像质的新型显示器件。它的各方面性能如亮度、功耗、分辨率、响应速度等方面都有与其它显示器相竞争的实力。场致发射显示屏［8］由场致发射阴极阵列、驱动电路和涂有导电薄膜（阳极）及萤光粉的玻璃板构成的，阴极是场致发射平板显示器的核心部分。Spindt型阴极在场发射显示屏的应用主要要求其均匀性和一致性，而对发射电流大小没有过高的要求，大面积均匀刻蚀技术是制约场发射显示屏朝大尺寸发展的一个障碍。低控制电压、大面积、均匀一致性好、稳定可靠、耐轰击、长寿命阴极的开发是场致发射显示器的关键。类金刚石薄膜表面的负电子亲合势引起了对类金刚石发射体的多方面的研究，平面结构的类金刚石薄膜制作过程相对简单，省去微尖的形成工艺。由于类金刚石薄膜可以拼成大面积，使得大面积的平板场发射显示器成为可能。