楊光敏

（長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130032）

1 納米金剛石的場發(fā)射機(jī)制

目前，對金剛石膜的場發(fā)射機(jī)制已有很多的研究。場發(fā)射性質(zhì)受基底材料的功函數(shù)、基底/金剛石界面的粗糙度、界面層的電導(dǎo)率、以及金剛石膜表面的形貌等因素的影響。其中電子在電場的作用下經(jīng)過了以下過程：

1.1 電子從金屬/金剛石界面的注入

從金屬/絕緣體界面或金屬表面處的載流子注入有兩個基本模型，即肖脫基（Schottky）發(fā)射和Fowler-Nordheim注入。在兩種模型中，由于絕緣體導(dǎo)帶和金屬費(fèi)米能級的不同在界面處會產(chǎn)生勢壘Ф。

由于金剛石本身的化學(xué)惰性和寬禁帶的特點(diǎn)，要使其與基底間形成歐姆接觸是比較困難的，因此，電子并不能直接通過傳導(dǎo)到達(dá)金剛石膜體內(nèi)。與金剛石相接觸的電

極材料的基底都是金屬或?qū)щ娦粤己玫牡妥璋雽?dǎo)體（如鉬或低阻硅），金剛石和基底之間形成肖脫基接觸，在接觸面上存在較高的勢壘，從而阻礙了電子的輸運(yùn)。從金屬到真空的電子需要穿越的主要勢壘就在金屬/金剛石的背接觸處。

圖1 金屬/金剛石能帶圖

電子在金屬/金剛石界面上的注入可用能帶圖來進(jìn)行解釋。圖1為金屬/金剛石膜的能帶圖，它考慮了接觸處的能帶彎曲，保證有足夠高的隧穿幾率，得到可探測的發(fā)射電流。隧穿距離d、內(nèi)場F以及導(dǎo)帶底與金剛石費(fèi)米能級之間的差值ECBM之間有一個簡單的關(guān)系式：F=ECBM/(ed)，e為電子電荷。金剛石場發(fā)射的電流－電場特性與金屬FN發(fā)射十分類似，發(fā)射電流以指數(shù)關(guān)系依賴于外加電場，這是因?yàn)榻饘?金剛石界面處的隧穿以指數(shù)關(guān)系依賴于內(nèi)場，而內(nèi)場與外場成正比。

電子從基底的費(fèi)米能級注入到金剛石導(dǎo)帶后，聚集在導(dǎo)帶底鄰近處，隨后電子從金剛石/真空界面處發(fā)射，界面處的導(dǎo)帶被電勢降落ΔV所降低，ΔV正比于外加電壓V0及膜的厚度，反比于膜的介電常數(shù)E。其中發(fā)射電子的動能E可以表示為

式中Xdiam為電子親合勢；EF為費(fèi)米能級。因此，為了使電子從基底注入到金剛石的導(dǎo)帶中，金剛石的導(dǎo)帶底必須被降低。因?yàn)榻饎偸砻娴碾娮佑H合勢非常小，其表面勢壘比金屬/金剛石界面的勢壘要低很多，使得金屬/金剛石界面的注入機(jī)制可能成為電流限制的主要因素。除此之外，在不同的基底上沉積金剛石膜時，基底與金剛石之間形成的界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)均有所不同，使得場致發(fā)射的性質(zhì)也有所不同。

1.2 電子在金剛石膜體內(nèi)的傳導(dǎo)

在固體薄膜的場致發(fā)射過程當(dāng)中，對導(dǎo)電性能較好的膜，最重要的機(jī)制是電子隧穿過界面勢壘，因?yàn)殡娮釉隗w內(nèi)的傳導(dǎo)相對比較容易。而對于絕緣性好的膜，體內(nèi)傳導(dǎo)則變得更為重要，并且影響到發(fā)射的電流密度。因此，在金剛石膜的場致發(fā)射中，體傳導(dǎo)機(jī)制在電子傳輸與發(fā)射中起著十分重要的作用。電子在體內(nèi)的傳導(dǎo)，導(dǎo)體中是遵守歐姆定律，而在絕緣體中通常由帶隙中的缺陷或雜質(zhì)的深能級所控制，材料的絕緣性使電荷發(fā)生累積，當(dāng)電壓增加時，電流的增加受到限制，稱為空間電荷限制電流（SCLC）機(jī)制，該機(jī)制常在外加高電場和高電流密度下的絕緣體中發(fā)生。

上述模型中，電子在CVD金剛石體內(nèi)傳導(dǎo)以SCLC模型為主要的傳導(dǎo)機(jī)制，晶界通常被認(rèn)為是電子在CVD金剛石膜中的主要傳導(dǎo)途徑。

由于金剛石是絕緣體，電子的傳導(dǎo)只能通過摻雜或者缺陷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。晶粒的邊界是缺陷和雜質(zhì)最集中的地方，因此，認(rèn)為晶粒邊界為提供電子傳輸?shù)耐ǖ?，場發(fā)射的電子正是通過這些導(dǎo)電通道傳輸?shù)浇饎偸砻?，再從金剛石表面發(fā)射出來。此外，也有人認(rèn)為CVD金剛石中的sp2碳在金剛石體內(nèi)形成sp2-金剛石-sp2微結(jié)構(gòu)，其形式類似于金屬-絕緣體-金屬（MIM）微結(jié)構(gòu)（因sp2碳是導(dǎo)電的石墨顆粒），在外場作用下由這些微結(jié)構(gòu)區(qū)域形成傳導(dǎo)通道。還有人認(rèn)為電子在金剛石膜體內(nèi)的傳導(dǎo)為類彈道的熱電子傳輸，Cutler等報道了金剛石膜中電子傳導(dǎo)的類彈道行為。

電子來自于金剛石與Si基底之間的界面，它們向上通過晶界處由雜質(zhì)（如石墨）或缺陷形成的傳導(dǎo)通道。CVD金剛石膜的柱狀結(jié)構(gòu)對電場有增強(qiáng)的作用。Lacher等認(rèn)為石墨雜質(zhì)可能成為嵌入的場發(fā)射尖端，有利于電子直接發(fā)射到真空或發(fā)射到金剛石膜的導(dǎo)帶中。傳導(dǎo)通道內(nèi)的高電流密度會導(dǎo)致快速的局部發(fā)熱。局部溫度容易超過周圍金剛石在真空中石墨化的溫度（1700K），這也會增加沿這些途徑的傳導(dǎo)性，導(dǎo)致更高的發(fā)射電流。

2 結(jié)論

場發(fā)射理論已經(jīng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。由于半導(dǎo)體技術(shù)及納米技術(shù)的飛速發(fā)展，人們逐漸把場發(fā)射理論應(yīng)用于半導(dǎo)體及納米材料，但其大體理論框架并沒有改變。仍然是基于金屬的F-N理論。雖然對理論本身有了一定的改進(jìn)，但并沒有突破其理論的經(jīng)典局限性。所以我們應(yīng)對場發(fā)射理論做進(jìn)一步的研究，使之應(yīng)用到更廣的領(lǐng)域。

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