Abstract
我們首先發明負偏壓二階段微波電漿化學氣相蒸鍍 (MPECVD) 法，成功的發展出金字塔尖端發射體，其啟始電壓僅有11OV/μm，且在1OOOV/μm下具有120nA/tip之發射電流，若以STM針尖之面積 (50nm) 來計算，則其電子發射電流密度為4800A/cm2，經由F-N polt計算結果，其功函數約0.1715eV，另外發展出選區平面形發射體陣列，配合金 (Au) 促進發射電流之機制下，啟始電壓僅約1OV/μm，而其發射電流也達?lmA/cm2（在20V/μm下），經由F-N polt計算結果，其功函數約0.085eV (Au/Pt/Si)。顯示出鑽石於場發射平面顯示器 (FED)之應用潛力。我們使用微波電漿化學氣相蒸鍍 (MPPECVD) 方法，負偏壓二階段成長方式（成核條件：溫度850?900℃，(3?4 mol% CH4),-16VDC；成長條件：溫度900℃，(4?6mol% CH4),-100VDC)，可以在極高的蒸鍍速率下(?3μm/hr)生長出 (100) 優選方位的鑽石膜，其主要機制乃因負偏壓 (negative bias)之作用下，鑽石產生電子發射所致。並以此負偏壓效應，成功的於二氧化矽與石英上成長鑽石薄膜，可知加負偏壓可以有效的促進SP3-鍵的形成，在有覆蓋二氧化矽的矽晶片上可讓鑽石成核變成可能，其鑽石的成長行為皆為均質成長；另外由聚乙烯醇 (poly-vinyl alcohol,PVA) 和聚苯甲烯 (poly-phenylcarbyne,PPC)等有機中間層發現鑽石的孕核機制，皆由Si、C之sp3懸垂鍵 (dangling bond)開始孕核成長。顯示PVA和PPC有機中間層縮短鑽石孕核週期，且由PVA有機中間層可使鑽石晶粒大小與高度之分布均勻。此行為乃是基於PVA之線性結構與C-OH鍵在電漿中易與含碳物種形成Sp3-鍵結。另外首先應用金中間層可使場發射電流由1μA/cm2增強到lOOμA/cm2,而啟始電壓 (turn on voltage)僅由14MV/μm下降lOMV/μm 。在拉曼光譜(Raman spectrum) 和穿透式電子顯微鏡 (TEM) 之電子繞射圖紋中觀察在矽基材或有金中間層約兩種鑽石膜之微晶結構，發現其電子主要經由鑽石晶粒發射，進一步使用高劑量摻雜之矽 (LR-Si) 基板，使啟始電場由 (E0)Si＝-14.4MV/μm降低到(E0)LR-si＝9.7MV/μm；電流密度由 (Je)si＝4μA/cm2增加到 (Jc)LR-si＝40μA/cm2，'可藉金預鍍中間層改變界面特性更有效的增進場發射特性。啟始電場進一步降低到 (E0)Au-si＝8.7MV/μm，場發射電流密度更增加到 (Je)Au--si＝400μA/cm2，二次離子質譜儀 (SIMS) 顯示金原子擴散至非晶質碳層，而降低界面層之電阻，所以電子可容易地經由矽基板穿過界面層傳導到鑽石而發射。最後由非等向性蝕刻技術及MPPECVD鑽石薄膜，成功的製成鑽石尖端陣列。而由自金 (Pt) 之高穩度特性，配合光圖紋蝕刻技術，成功的進行CVD鑽石選區成長，進一步完成平面形鑽石陣列。