一种纳米硅薄膜阴极及其制作方法

摘要

一种纳米硅薄膜阴极及其制作方法，由依次制作于基底上的底电极——含纳米晶硅的二氧化硅层(即纳米晶硅颗粒镶嵌在二氧化硅中)——顶电极构成，其中的含纳米晶硅的二氧化硅层采用溅射法结合高温退火工艺制备。在含纳米晶硅的二氧化硅层的制备过程中，调节通入镀膜腔中的氩气和氧气的分压比或调节硅靶和二氧化硅靶的溅射功率来控制最后制得的含纳米晶硅二氧化硅层中的硅晶粒的大小和密度分布，使含纳米晶硅二氧化硅层中粒径适中的硅晶粒的密度呈周期性变化的分层分布。此纳米硅薄膜阴极的制作工艺与硅微电子加工工艺兼容，并且电子发射性能稳定。

主权项

一种纳米硅薄膜阴极的制作方法，其特征在于：首先在基底(4)上沉积底电极(1)，然后在底电极(1)上沉积含纳米晶硅的二氧化硅层(2)；最后在含纳米晶硅的二氧化硅层(2)的表面沉积顶电极(3)，得到纳米硅薄膜阴极；其中，含纳米晶硅的二氧化硅层(2)是采用如下两种方法中的一种沉积在底电极(1)上的：第一种方法：在底电极(1)上采用溅射法沉积SiO_x薄膜，然后对SiO_x薄膜进行高温退火处理使Si与SiO₂产生相分离并析出纳米晶硅(22)，形成含纳米晶硅的二氧化硅层(2)；且0<x<2；第二种方法：在底电极(1)上交替沉积非晶硅薄膜和SiO₂薄膜以得到α‑Si/SiO₂多层复合薄膜，对α‑Si/SiO₂多层复合薄膜进行高温退火处理，使α‑Si/SiO₂多层复合薄膜中的非晶硅转变为纳米晶硅(22)，形成含纳米晶硅的二氧化硅层(2)；沉积SiO_x薄膜是采用以下三种方式中的一种实现的：第一种方式：向镀膜腔中通入氩气和氧气，以硅靶为溅射源在底电极(1)上沉积SiO_x薄膜；其中，在SiO_x薄膜沉积过程中，控制氩气和氧气的分压比为(12:1)‑(1:1)并保持恒定以沉积具有均匀富硅量的SiO_x薄膜；或者通过分时段地调节氩气和氧气的流量，使氩气和氧气的分压比在一个时间段保持在(12:1)‑(8:1)中的一个恒定值，而在下一个时间段保持在(4:1)‑(1:1)中的一个恒定值，且每个时间段的时间长度为1‑10分钟，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；或者通过分时段地调节硅靶的溅射功率，使硅靶溅射功率在一个时间段为一个较高的值，而在下一个时间段为一个较低的值，高溅射功率与低溅射功率的比值控制在(2:1)‑(5:1)，每个时间段的时间长度为1‑10分钟，且控制氩气和氧气的分压比为(12:1)‑(1:1)并保持恒定，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；第二种方式：向镀膜腔中通入氩气或同时通入氩气和氧气，以硅靶和二氧化硅靶为共溅射源在底电极(1)上沉积SiO_x薄膜；若向镀膜腔中通入氩气和氧气，则控制镀膜腔中氩气与氧气的分压比高于3:1；其中，在SiO_x薄膜沉积过程中，保持硅靶和二氧化硅靶的溅射功率恒定以沉积具有均匀富硅量的SiO_x薄膜；或者通过分时段地调节硅靶和二氧化硅靶的溅射功率，使硅靶和二氧化硅靶的溅射功率比在一个时间段为一个较高的值，而在下一个时间段为一个较低的值，高溅射功率比与低溅射功率比的比值控制在(2:1)‑(5:1)，每个时间段的时间长度为1‑10分钟，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；第三种方式：向镀膜腔中通入氩气，或者同时通入氩气和氧气，采用硅和二氧化硅复合靶为溅射源在底电极(1)上沉积SiO_x薄膜，且同时通入氩气和氧气时，控制镀膜腔中氩气与氧气的分压比高于3:1；其中，在薄膜沉积过程中，用一个恒定的功率溅射一个硅和二氧化硅复合靶以沉积具有均匀富硅量的SiO_x薄膜；或者采用两个硅含量不同的硅和二氧化硅复合靶作为溅射源，两个靶材中硅的重量百分比含量相差30％以上，在薄膜沉积过程中，在一个时间段溅射高硅含量的复合靶，而在下一个时间段溅射低硅含量的复合靶，每个时间段的时间长度为1‑10分钟，如此交替往复以沉积在薄膜厚度方向上富硅量呈周期性变化的SiO_x薄膜；沉积α‑Si/SiO₂多层复合薄膜是采用以下两种方式中的一种实现的：第一种方式：以硅靶为溅射源在底电极(1)上沉积α‑Si/SiO₂多层复合薄膜，且在薄膜沉积过程中，在一个时间段向镀膜腔中通入氩气，下一个时间段向镀膜腔中同时通入氩气和氧气，并控制氩气和氧气的分压比为(1:2)‑(1:4)，每个时间段的时间长度为1‑10分钟，如此交替往复以沉积α‑Si/SiO₂多层复合薄膜；第二种方式：向镀膜腔中通入氩气，以硅靶和二氧化硅靶为溅射源在底电极(1)上沉积α‑Si/SiO₂多层复合薄膜，在薄膜沉积过程中，在一个时间段溅射硅靶，在下一个时间段溅射二氧化硅靶，每个时间段的时间长度为1‑10分钟，如此交替往复以沉积α‑Si/SiO₂多层复合薄膜。