纳米金刚石薄膜微观结构和场发射性能研究(6)
离子注入和高温扩散，预先生长金刚石，后掺杂 可精确控制
硼掺杂量 成本较高
1.5金刚石的的场发射特性研究
1.5.1金刚石薄膜场发射的研究现状
最近20 年，平板显示器技术高速发展。据Display-Search网站的市场报告，2008 年全球平板显示器领域的营收接近1000亿美元，占据了显示器市场总份额的89%。场发射平板显示器(FED)兼有普通阴极射线管显示(CRT) 的高画质及LCD 的超薄与低功耗，且在发光效率、亮度、视角、抗苛刻环境及数字化控制上具有十分明显的优势， 被认为是最具发展潜力与发展前景的下一代平板显示器。高品质的场致电子发射( 场发射) 材料是FED产业化及规模化应用的关键所在。另外，场发射材料也可应用于高速开关器件、精密电子设备和其它器件的电子源或离子源(如扫描和透射电子显微镜、俄歇电镜、隧道显微镜等) 、兼备固态器件和真空器件优点的微波、毫米波器件、高性能电子枪、各种传感器件如压力计、磁场计等。这使得场发射材料成为人们研究的热点。然而，一些工艺简单的场发射材料因性能不够好未能走向器件化，另一些可器件化应用的场发射材料却因为工艺复杂与成本高昂未能实现规模化生产。场发射材料或性能不够好或成本高昂，已成为FED或其它高性能真空微电子器件发展的瓶颈。
场发射材料性能最重要的两个品质因素是电流密度与阈值电压。因为大电流密度意着高亮度，低阈值电压就意着低功耗。场发射阴极就结构而言，可分为尖端型与薄膜型。最初场发射冷阴极结构基于降低阈值电压的考虑使用尖端型结构，主要是利用尖端局域场强增加的特性( 几何场增强) 降低其阈值电压。当前比较成熟的尖端场发射冷阴极主要有金属微尖阵列场发射阴极、硅尖锥阵列场发射阴极、纳米碳管阵列场发射阴极等。金属微尖阵列场发射阴极的设计思想首先由Spindt在1968 年提出, 其优点是发射效率高、发射稳定，但技术难度大、工艺复杂, 成本相对过高。硅微尖阵列场发射阴极本质上是金属微尖阵列思想的一个延伸，其特点是易于集成、工艺相对简单，但其发射电流较小，稳定性差。自1991年纳米碳管问世以来，因为其具有大的发射电流和低的阈值电压被认为是尖端型场发射阴极结构的最佳选择。但是，纳米碳管作为场发射阴极，依然还存在一些难以克服的缺陷，例如：由于纳米碳管的管径过小，容易出现单根局部温度过高而发生熔断的现象，进而促使整个场发射系统的崩溃。于是开始考虑工艺相对简单、并容易实现大面积结构、器件寿命长、且具有易于与其它微电子器件集成、易于数字化、发射电流均匀、易于控制等诸多优势的薄膜型场发射阴极。于是研制了金属- 绝缘层- 金属(MIM )、金属- 绝缘层- 半导体- 金属(M ISM ) 等多类场发射阴极，但这类阴极相对于尖端场发射阴极，其发射电流密度小、阈值电压高。1990 年以后，相继在一些宽带隙的半导体薄膜中发现其表面存在负电子亲和势的现象，于是开始尝试采用宽带半导体薄膜如金刚石、类金刚石、立方氮化硼( c- BN ) 、氮化铝( AlN )、碳化硅( SiC) 等一些宽带隙的半导体薄膜作为场发射阴极材料。近年来，纳米薄膜场发射材料因其优异的性能，成为当前场发射材料研究的热点。本文综述近年来场发射薄膜材料的理论与实验研究取得的进展，同时评述场发射薄膜材料研究的瓶颈所在及未来发展的趋势。
1.5.2金刚石薄膜场发射原理
在真空微电子器件与场发射平板显示技术中，场发射极起着关键的作用。金刚石作为发射极材料具有许多吸引人的性质，如宽带隙、低的电子亲合势、高的化学和机械稳定性、高的热导率等。与传统的发射极如硅锥阵列与钼锥阵列相比较，采用金刚石作为发射极具有明显的优势，如可获得高的发射电流密度、高的电流稳定性、低场发射行为[ 30，31] 、器件的制造工艺和技术简单等。因此, 对金刚石进行研究以增强阴极场致发射性质引起了人们广泛的关注。