氢、氧等离子体处理对氮化硼薄膜场发射特性的影响

用RF磁控溅射的方法在Si（100）基底上沉积了纳米氮化硼薄膜，然后分别用氢、氧等离子体对薄膜表面进行了处理，用红外光谱、原子力显微镜、光电子能谱以及场发射试验对薄膜进行了研究，结果表明氢等离子体使BN薄膜表面NEA增加，阈值电场降低，发射电流明显增大。氧等离子体处理对BN薄膜的场发射特性影响不大，只是发射电流略有降低，这只能是由于氧化层存在的原因。
关键词：氮化硼薄膜；场发射；表面处理；阈值电场；发射电流

目前，场发射器件的应用越来越受到人们的重视。由于宽禁带半导体金刚石[1]、类金刚石膜[2]具有极好的场发射特性，又有造价低、可以大面积沉积等许多优点，已经成为人们研制场发射器件的首选材料。这些材料都满足做场发射器件的一个重要条件即负电子亲和势（NEA）。由于BN具有金刚石的优良特性，并且能够形成平坦的BN薄膜，且具备表面负电子亲和势（NEA）这个场发射的必备条件，人们自然想到了氮化硼是做场发射体的优良材料。有人证明BN薄膜具有高发射电流的潜在可能性[3]，有报道硫掺杂BN薄膜具有较低的阈值电场[4]。我们已经研究了在纳米薄膜情况下厚度对BN薄膜场发射特性的影响,结果表明薄膜厚度在132nm时，得到了阈值电场为11V/μm和电场为23V/μm时发射电流密度达到240μA/cm2[5]的结果。为了能清楚的了解BN薄膜的场发射特性与其他因素的关系，我们研究了表面后处理（氢氧等离子体处理）对BN薄膜场发射特性的影响，希望能为BN薄膜的制备、处理和场发射的应用提供依据。
2 实 验
我们用射频磁控溅射的方法在Si(100)基底上沉积的BN薄膜[6]。薄膜沉积条件如文献[5]和[6]中所述。场发射特性是在超高真空（<5.0×10-7Pa）情况下测量的，BN薄膜作为阴极，导电玻璃板作为阳极，薄膜与阳极之间由直径为100μm的玻璃丝隔离开，样品面积为5mm×5mm。对BN薄膜场发射特性的分析是利用电流密度-电场强度(J-E)关系曲线来完成的。当场发射电流为0.5μA时，阳极和样品之间所加的最低电压定义为阈值电压，对应的电场为阈值电场。
我们用RF磁控溅射的方法在Si（100）基底上沉积了纳米BN薄膜，薄膜首先用红外光谱检测，结果如图１所示；然后用氢、氧等离子体处理，氢、氧等离子体是利用弧光放电获得的，处理条件为：rf功率为50W，工作气压为50Pa，基底温度保持100℃，氢、氧等离子体处理时间分别为60min和20min。