硅掺杂铝镓氮薄膜场发射性能研究

王京; 王如志; 赵维; 陈建; 王波; 严辉

doi:10.7498/aps.62.017702

摘要

利用脉冲激光沉积, 分别制备了一系列不同Si掺杂浓度的铝镓氮(AlGaN)薄膜. 对此薄膜进行场致电子发射测试表明, Si掺杂浓度为1%的AlGaN薄膜具有最好的场发射特性. 相对于非掺杂样品, 其场发射电流明显增加, 场发射开启电场显著降低. 掺杂带来载流子浓度的提升, 为场发射提供足够的电子源, 使样品的场发射性能提升. 但掺杂浓度的进一步提高, 薄膜缺陷增加, 电子迁移率降低, 其薄膜内部电子输运能力降低大于电子浓度的增加对场电子发射的贡献, 导致场发射性能开始变差.

关键词:

铝镓氮 /
场发射 /
Si掺杂

Abstract

Aluminum gallium nitride (AlGaN) thin films are prepared by pulsed laser deposition with different silicon doping concentrations from 0.5% to 2%. The field emission measurement shows that the 1% Si-doped AlGaN film has the best field emission property. Compared with undoped film, the Si-doped film has a large emission current density and a low threshold field. The increase of doping concentration can increase the carrier concentration, which will add a number of supply electrons, thereby improving greatly the FE property of AlGaN film. With the doping concentration further increasing, the defect of film increases and the electron mobility reduces. The reduction of the internal supply electron is greater than the contribution of the increase of electrons concentration, which induces the field emission performance to deteriorate. This study will provide a reliable basis for designing high-performance field emission devices.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京工业大学材料科学与工程学院薄膜实验室, 北京 100124;

2.
中山大学测试中心, 广州 510275

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11074017, 51072236)、北京市属市管高等学校人才强教计划(批准号: PHR201007101)、北京市科技新星计划(批准号: 2008B10)、北京市自然科学基金(批准号: 1102006)和北京工业大学基础研究基金资助的课题.

Authors and contacts

1.
Laboratory of Thin Film Materials, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.
Instrumental Analysis of Research Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11074017, 51072236), the Funding Project for Academic Human Resources Development in Institutions of Higher Learning Under the Jurisdiction of Beijing Municipality, China (Grant No. PHR201007101), the Beijing Nova Program, China (Grant No. 2008B10), the Beijing Natural Science Foundation, China (Grant No 1102006), and the Beijing University of Technology basic research Foundation, China.

参考文献

[1]	Yuan L Y, Tao Y T, Chen J, Dai J J, Song T, Ruan M Y, Ma Z W, Gong L, Liu K, Zhang X H, Hu X J, Zhou J, Wang Z L 2011 Adv. Funct. Mater. 21 2150
[2]	Zhang X H, Gong L, Liu K, Cao Y Z, Xiao X, Sun W M, Hu X J, Gao Y H, Chen J, Zhou J, Wang Z L 2010 Adv. Mater. 22 5292
[3]	Zhao W, Wang R Z, Song X M, Wang Hao, Wang B, Yan H, Chu P K 2010 Appl. Phys. Lett. 96 0921011
[4]	Yoder M N 1996 IEEE Trans. Electron Dev. 43 1633
[5]	Wang R Z, Wang B, Yan H 2009 Mater. China 28 306 (in Chinese) [王如志, 王波, 严辉 2009 中国材料进展 28 306]
[6]	You J B, Zhang X W, Cai P F, Dong J J, Gao Y, Yin Z G, Chen N F, Wang R Z, Yan H 2009 Appl. Phys. Lett. 94 2621051
[7]	Thapa R, Saha B, Chattopadhyay K K 2009 Appl. Surf. Sci. 255 4536
[8]	Xu L C, Wang R Z, Yan H 2012 J. Phys. Chem. C 116 1282
[9]	Song Z W, Wang R Z, Zhao W, Wang B, Yan H 2012 J. Phys. Chem. C 116 1780
[10]	Taniyasu Y, Kasu M, Toshiki M 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2115
[11]	Jia L, Xie E Q, Pan X J, Zhang Z X 2009 Acta Phys. Sin. 58 3377 (in Chinese) [贾璐, 谢二庆, 潘孝军, 张振兴 2009 物理学报 58 3377]
[12]	Fowler R H, Nordhein L W 1928 Proc. R. Soc. Lond. A 119 173
[13]	Xu C X, Sun X W, Chen B J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1540
[14]	Cutler P H, Miskovsky N M, Lerner P B, Chung M S 1999 Appl. Surf. Sci. 146 126
[15]	Fursey G 2005 Field Emission in Vacuum Microelectronics (1st Ed.) (New York: Springer) p86
[16]	Zhou Q G, Zhai J W, Yao X 2007 Acta Phys. Sin. 56 6667 (in Chinese) [周歧刚, 翟继卫, 姚熹 2007 物理学报 56 6667]
[17]	Shi S C, Chen C F, Chattopadhyay S 2005 Appl. Phys. Lett. 87 073109
[18]	Wang R Z, Ding X M, Wang B, Xue K, Xu J B, Yan H, Hou X Y 2005 Phys. Rev. B 72 125310
[19]	Farid J S, Patil K R, Pillai V K 2010 J. Phys. Chem. C 114 3843
[20]	Li J J, Wu H H, Long B Y, L X Y, Hu C Q, Jin Z S 2005 Acta Phys. Sin. 54 1447 (in Chinese) [李俊杰, 吴汉华, 龙北玉, 吕宪义, 胡超权, 金曾孙 2005 物理学报 54 1447]

施引文献

[1]	Yuan L Y, Tao Y T, Chen J, Dai J J, Song T, Ruan M Y, Ma Z W, Gong L, Liu K, Zhang X H, Hu X J, Zhou J, Wang Z L 2011 Adv. Funct. Mater. 21 2150
[2]	Zhang X H, Gong L, Liu K, Cao Y Z, Xiao X, Sun W M, Hu X J, Gao Y H, Chen J, Zhou J, Wang Z L 2010 Adv. Mater. 22 5292
[3]	Zhao W, Wang R Z, Song X M, Wang Hao, Wang B, Yan H, Chu P K 2010 Appl. Phys. Lett. 96 0921011
[4]	Yoder M N 1996 IEEE Trans. Electron Dev. 43 1633
[5]	Wang R Z, Wang B, Yan H 2009 Mater. China 28 306 (in Chinese) [王如志, 王波, 严辉 2009 中国材料进展 28 306]
[6]	You J B, Zhang X W, Cai P F, Dong J J, Gao Y, Yin Z G, Chen N F, Wang R Z, Yan H 2009 Appl. Phys. Lett. 94 2621051
[7]	Thapa R, Saha B, Chattopadhyay K K 2009 Appl. Surf. Sci. 255 4536
[8]	Xu L C, Wang R Z, Yan H 2012 J. Phys. Chem. C 116 1282
[9]	Song Z W, Wang R Z, Zhao W, Wang B, Yan H 2012 J. Phys. Chem. C 116 1780
[10]	Taniyasu Y, Kasu M, Toshiki M 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2115
[11]	Jia L, Xie E Q, Pan X J, Zhang Z X 2009 Acta Phys. Sin. 58 3377 (in Chinese) [贾璐, 谢二庆, 潘孝军, 张振兴 2009 物理学报 58 3377]
[12]	Fowler R H, Nordhein L W 1928 Proc. R. Soc. Lond. A 119 173
[13]	Xu C X, Sun X W, Chen B J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1540
[14]	Cutler P H, Miskovsky N M, Lerner P B, Chung M S 1999 Appl. Surf. Sci. 146 126
[15]	Fursey G 2005 Field Emission in Vacuum Microelectronics (1st Ed.) (New York: Springer) p86
[16]	Zhou Q G, Zhai J W, Yao X 2007 Acta Phys. Sin. 56 6667 (in Chinese) [周歧刚, 翟继卫, 姚熹 2007 物理学报 56 6667]
[17]	Shi S C, Chen C F, Chattopadhyay S 2005 Appl. Phys. Lett. 87 073109
[18]	Wang R Z, Ding X M, Wang B, Xue K, Xu J B, Yan H, Hou X Y 2005 Phys. Rev. B 72 125310
[19]	Farid J S, Patil K R, Pillai V K 2010 J. Phys. Chem. C 114 3843
[20]	Li J J, Wu H H, Long B Y, L X Y, Hu C Q, Jin Z S 2005 Acta Phys. Sin. 54 1447 (in Chinese) [李俊杰, 吴汉华, 龙北玉, 吕宪义, 胡超权, 金曾孙 2005 物理学报 54 1447]

[1]	郑钦仁, 詹涪至, 折俊艺, 王建宇, 石若立, 孟国栋. 石墨烯的形貌特征对其场发射性能的影响. 物理学报, 2024, 73(8): 086101. doi: 10.7498/aps.73.20231784
[2]	刘郅澄, 周杰, 陈凡, 彭彪, 彭文屹, 章爱生, 邓晓华, 罗显芝, 刘日新, 刘德武, 黄雨, 阎军. Si对Inconel 718合金中γ相影响的第一性原理研究. 物理学报, 2023, 72(18): 186301. doi: 10.7498/aps.72.20230583
[3]	杨孟骐, 姬宇航, 梁琦, 王长昊, 张跃飞, 张铭, 王波, 王如志. 四方结构GaN纳米线制备、掺杂调控及其场发射性能研究. 物理学报, 2020, 69(16): 167805. doi: 10.7498/aps.69.20200445
[4]	叶芸, 陈填源, 郭太良, 蒋亚东. 磁场辅助热处理金属化碳纳米管场发射性能. 物理学报, 2014, 63(8): 086802. doi: 10.7498/aps.63.086802
[5]	陈程程, 刘立英, 王如志, 宋雪梅, 王波, 严辉. 不同基底的GaN纳米薄膜制备及其场发射增强研究. 物理学报, 2013, 62(17): 177701. doi: 10.7498/aps.62.177701
[6]	吕文辉, 张帅. 接触电阻对碳纳米管场发射的影响. 物理学报, 2012, 61(1): 018801. doi: 10.7498/aps.61.018801
[7]	张培增, 李瑞山, 谢二庆, 杨华, 王璇, 王涛, 冯有才. 电化学方法制备ZnO纳米颗粒掺杂类金刚石薄膜及其场发射性能研究. 物理学报, 2012, 61(8): 088101. doi: 10.7498/aps.61.088101
[8]	杨延宁, 张志勇, 张富春, 张威虎, 闫军锋, 翟春雪. 纳米金刚石的变温场发射. 物理学报, 2010, 59(4): 2666-2671. doi: 10.7498/aps.59.2666
[9]	秦玉香, 胡明. 钛碳化物改性碳纳米管的场发射性能. 物理学报, 2008, 57(6): 3698-3702. doi: 10.7498/aps.57.3698
[10]	王新庆, 李良, 褚宁杰, 金红晓, 葛洪良. 纳米碳管阵列场发射电流密度的理论数值优化. 物理学报, 2008, 57(11): 7173-7177. doi: 10.7498/aps.57.7173
[11]	郑新亮, 李广山, 钟寿仙, 田进寿, 李振红, 任兆玉. 激光烧蚀对碳纳米管薄膜场发射性能的影响. 物理学报, 2008, 57(12): 7912-7918. doi: 10.7498/aps.57.7912
[12]	元光, 郭大勃, 顾长志, 窦艳, 宋航. 单颗粒CVD金刚石的场发射. 物理学报, 2007, 56(1): 143-146. doi: 10.7498/aps.56.143
[13]	罗敏, 王新庆, 葛洪良, 王淼, 徐亚伯, 陈强, 李利培, 陈磊, 管高飞, 夏娟, 江丰. 排列形状及阵列数目对纳米导线阵列场发射性能的影响. 物理学报, 2006, 55(11): 6061-6067. doi: 10.7498/aps.55.6061
[14]	胡利勤, 林志贤, 郭太良, 姚亮, 王晶晶, 杨春建, 张永爱, 郑可炉. 取向和非取向In2O3纳米线的场发射研究. 物理学报, 2006, 55(11): 6136-6140. doi: 10.7498/aps.55.6136
[15]	王新庆, 王淼, 李振华, 杨兵, 王凤飞, 何丕模, 徐亚伯. 单根纳米导线场发射增强因子的计算. 物理学报, 2005, 54(3): 1347-1351. doi: 10.7498/aps.54.1347
[16]	李强, 梁二军. 碳、碳氮和硼碳氮纳米管场发射性能的比较研究. 物理学报, 2005, 54(12): 5931-5936. doi: 10.7498/aps.54.5931
[17]	李海钧, 顾长志, 窦艳, 李俊杰. 单根准直碳纳米纤维的场发射特性. 物理学报, 2004, 53(7): 2258-2262. doi: 10.7498/aps.53.2258
[18]	宋教花, 张耿民, 张兆祥, 孙明岩, 薛增泉. 多壁碳纳米管阵列场发射研究. 物理学报, 2004, 53(12): 4392-4397. doi: 10.7498/aps.53.4392
[19]	张兆祥, 张耿民, 侯士敏, 张浩, 顾镇南, 刘惟敏, 赵兴钰, 薛增泉. 利用场发射显微镜研究O2对单壁碳纳米管场发射的影响. 物理学报, 2003, 52(5): 1282-1286. doi: 10.7498/aps.52.1282
[20]	孙建平, 张兆祥, 侯士敏, 赵兴钰, 施祖进, 顾镇南, 刘惟敏, 薛增泉. 用场发射显微镜研究单壁碳纳米管场发射. 物理学报, 2001, 50(9): 1805-1809. doi: 10.7498/aps.50.1805

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