奈米碳管場發射特性之改善與其側向元件之
研究
研究生: 阮全平 指導教授: 鄭晃忠 博士
國立交通大學電子工程學系 電子研究所博士班
摘 要
本論文主要針對奈米碳管場發射特性之改善及其側向元件之研製 為主題作深入之探討。由於奈米碳管具有奈米级的管徑,極大的高寬比, 堅強的機械性質及穩定的化學性質,因此,一直是極具潛力的場發射顯 示器材料。由場發射的測試中，發現奈米碳管具有非常優異的場發射特 性;我們利用微波電漿輔助化學氣相沉積系統及熱化學氣相沉積系統進 行奈米碳管的合成,可惜其密度很高(109 ~1010/cm2), 而密度較高的奈米 碳管因為電場之遮蔽效應(screening effect)使得其場發射特性並不因其 具有較高密度之場發射源而變好。為了進一步改善奈米碳管之場發射特 性,我們提出包括覆蓋二氧化矽於催化金屬層,局部氧化催化金屬,改變氫 氣含量及前處理時間,成長柱狀奈米碳管陣列,高密度氧電漿後處理等方 法,進行奈米碳管之場發射特性之改善,此外,我們也研製奈米碳管之側向 場發射元件。 i由實驗結果,我們發現覆蓋二氧化矽於催化金屬層可以有效控制奈 米碳管的密度，而實驗結果亦表示優異的場發射特性可藉由調變奈米碳 管之密度而得到。此外, 於奈米碳管成長前,先進行催化金屬的局部氧化 亦有密度改善的作用, 我們得到兩層不同高度及密度的碳管分佈,其中 較低層的碳管是由準直的碳管上覆蓋一層疑是催化金屬氧化物,而較長 的碳管其密度更疏,由底部成長並穿出催化金屬氧化物層之上,由實驗 結果,我們可以有效的降低起始電場到 1.9V/µm。至於改變氫氣含量及 前處理時間的方法,我們得到明顯由較長及較短的碳管交錯組成的雙層 形式的碳管組態, 由於高密度碳管由此雙層形式的碳管組態瓜分,因此 其密度相對降低,但是其場發射源並未減少, 由實驗結果,我們不僅減少 其起始電場,同時,於較低電場下,有非常高的電流密度。 有些研究指出,個別碳管間距與個別碳管高度之比值為 2 時,可以有 效減少電場之遮蔽效應, 因此, 我們嘗試成長柱狀型態的碳管陣列, 經 由成長條件之控制, 調變陣列間距與碳管長度的比值, 我們發現雖然每 個陣列的碳管密度都很高, 但是卻具有極佳的場發射特性, 當陣列間距 與碳管長度的比值為 1/3 時, 不僅有最低的起始電場及超高的電流密度, 其導通電場也比其他研究團隊更低。 我們也對碳管進行了高密度氧電漿後處理, 由實驗結果,適當的電 漿後處理條件可以有效的控制碳管密度,其之場發射起始電場可以大幅 降低，而場發射電流亦可大幅增加。 最後, 我們也研製奈米碳管之側向場發射元件, 利用半導體的蝕刻 技術以及奈米碳管可選擇區域成長的特點，可以很容易地製作此種二極 結構，不需要很先進的曝光設備就可以將間距縮小到 0.53 µm，此元件 的啟動電壓可以降低到 0.2 V，而當陽極電壓為 10 V 時就可得到 9.72 mA ii
的發射電流。而奈米碳管的長度對二極結構場發射特性的影響也有所探 討，太短的奈米碳管會使得場發射電流變小，而太長的奈米碳管有短路 的問題，所以必須適當地控制奈米碳管的長度。同時此二極元件在短時 距 1500 秒的穩定度電性量測下，其電流波動率小於 3.5﹪。
