Abstract
為提高鑽石膜之場發射特性，我們針對鑽石膜本質與表面之性質及改善製程進行研究；同時為製作場發射元件或顯示器以各種圖型基材來選區成長鑽石陣列或在鑽石膜上選區蝕刻。我們利用摻硼來降低鑽石之電阻率並求取最佳場發射特性之摻硼濃度。鑽石膜之場發射可能機制中最為人認同之一為：電子經由導電帶底線之缺陷傳遞；於鑽石成長過程中，藉由基材施以正或負偏壓來引進較多之缺陷盼能改善場發射特性。而氫電漿處理鑽石膜表面過程中偏壓之改變可讓我們清楚電漿與鑽石之作用。藉由高溫蒸鍍鉻於鑽石表面產生類鑽石則可大幅提高場發射電流密度。以Cr/SiO2/Si圖型基材可製作奈米晶粒鑽石陣列，在鑽石膜上選區蝕刻也可製作奈米晶粒鑽石陣列均可大幅改善場發射特性。首先我們發現電子場發射容量於B(OCH3)3=2 sccm時最高，21.6 V/um時場發射電流密度可達58.1 uA/cm2，之後隨B(OCH3)3之增加而降低。紅外光譜顯示進入鑽石成為P型摻質之硼濃度極限約(B3+)s=5 x 10E20 cm-3，當高於溶解極限之硼摻入鑽石膜時，鑽石晶格應力大且較無序因而降低其場發射性質；相反地，從電子順磁共振分析中，發現低硼摻雜之空位缺陷密度較高，因而可能形成缺陷能帶提昇場發射容量。真空退火降低了低硼濃度試片之空位缺陷密度，對高硼濃度之影響卻很小；因而使低硼濃度之場發射容量大幅下降，高硼濃度之場發射性質卻幾乎不受影響。鑽石膜成長時基材加正及負偏壓之帶電物種轟擊效應產生較高密度之空位缺陷，使其放射電流密度(2000 W為 45-46 uA/cm2(21.6 V/um)，2500 W為 134-155 uA/cm2(21.6 V/um)) 都比未加偏壓成長之鑽石膜(7-9 uA/cm2(21.6 V/um))要高。加負偏壓之氫電漿會蝕刻鑽石成奈米大小柱狀微結構，由於電場集中效應使電子場發射電流密度由21 uA/cm2增加為162 uA/cm2 (21.6 V/um)。有系統觀察鉻鍍於鑽石膜上，只有高溫蒸鍍鉻於鑽石膜上可大幅增強鑽石膜之場發射能力。985℃蒸鍍鉻於鑽石膜上，其場發射電流密度至少提高20倍。經電子顯微鏡、拉曼光譜及歐傑電子能譜分析，發現鍍鉻鑽石膜表面產生一層類鑽薄膜及石墨，為造成電子場發射能力大幅提升之原因。鑽石能選擇性的成長鑽石於SiN表面的氣氛壓力為60 torr甲烷濃度為介於CH4/H2=9/300 sccm與CH4/H2＝18/300 sccm之間。用高功率MPECVD不易將摻硼鑽石直接選區成長於SiO2/Si圖型上，所以用下列二種製程：(i)將摻硼鑽石成核於SiO2/Si圖型上，接著把SiO2用BOE掀掉，最後再以不加偏壓方式成長鑽石於鑽石成核陣列點形成鑽石塊陣列(diamond pad)，場發射容量能於21.6 V/um可達1417.7 uA/cm2)。(ii)以CH4/H2＝9/300 sccm成核，然後以CH4/H2＝18/300 sccm成長於Cr/SiO2/Si 基材，把Cr/SiO2蝕刻掉，鑽石晶粒為90 nm大小之小圓柱結構除應力小外，加上電場集中效應使其電流密度可達2×10E5 uA/cm2（21.6 V/um，只計算鑽石陣列面積為電子發射面積）。另一製作鑽石陣列方法：將CVD鑽石膜(5.3×10E2 uA/cm2（21.6 V/um）)鍍上一層二氧化矽(APCVD)，微影製程後接著進行BOE蝕刻及氫氣電漿蝕刻以製作鑽石陣列點圖型。用適當之負偏壓(-170 V)氫氣電漿將鑽石晶粒蝕刻成奈米大小(90 nm)之柱狀晶粒時，場發射電流密度可達2.0×10E5 uA/cm2 (只計算陣列點為發射面積)。