研究了退火工藝對金屬-絕緣體-金屬( MIM) 器件( Al-Al2O3-Ti /Au 結構) 的發射特性的影響。在對MIM 器件Ti /Au頂電極進行退火處理后，金屬離子滲入絕緣層形成摻雜，器件發射電流密度提高，有效發射面積增大，并有較高發射效率，在加速電壓200 V，器件偏置電壓13.5 V 時電子發射電流密度達到1056.6 μA/cm² ，最大發射效率為4.7%，最優退火溫度為300℃。在對MIM 器件的Al 底電極進行退火處理后，可以減小電化學氧化的電解質摻雜，提高器件發射壽命，器件工作于非電形成狀態，電子發射電流密度波動小。對Al 底電極的單獨退火可使器件同時具有發射大、穩定性好的優點，在提高MIM 發射性能的同時，縮短了器件制備周期。

　　金屬-絕緣體-金屬( metal-insulator-metal，MIM)冷陰極電子發射源與其它類型冷陰極電子源相比，具有結構簡單、易于制造、發射點密度大、發射電子束偏離小、發射表面抗摻雜污染能力強等諸多優點，在平版印刷和場發射顯示等領域有潛在應用前景。圖1 為MIM 器件加載偏置電壓前后的能帶圖，當在頂、底電極間加載偏置電壓后( 圖1(b) ) ，絕緣層中的能帶發生傾斜，降低了絕緣層的導帶與禁帶之間的能差，從而增加了電子隧穿到絕緣層和金屬頂電極界面的機率，當這些電子能量超過頂電極逸出功時，電子就可以被發射到真空中。

圖1 MIM 器件能帶傾斜示意圖

　　近年來，關于MIM 發射器件的研究主要集中在提高器件的電子發射性能和壽命。Toshiaki Kusunoki等通過降低絕緣層氧化電流密度，使器件工作在非電形成(non-formed) 狀態，可減小器件的發射電流波動和發射能量損耗。采用近閾值電壓驅動可降低發射電子能譜寬度。Takashi Onishi 等通過對MIM器件底電極摻雜Nd，消除底電極表面小突起，提高Al2O3絕緣層質量。黃蕙芬等對MIM器件(Ta-Ta2O5-Ta 結構) 氧化層進行熱處理，使非晶膜出現晶體顆粒，氧化層性能更加穩定，發射重復性和穩定性較好。

　　本文通過對Al-Al2O3-Ti/Au 結構的MIM 器件Ti/Au 頂電極和Al 底電極進行不同溫度的退火處理，研究退火工藝對器件電子發射特性的影響。實驗結果表明，對MIM 器件制備完成后進行退火處理并不能替代單獨對Al 底電極的退火處理，不同退火工藝會使器件具有不同的發射特性。在氮氣氛中對Ti /Au 頂電極進行退火處理，可使Ti /Au 頂電極厚度減小，金屬離子滲入絕緣層形成摻雜，對器件發射性能提升顯著。其中300℃，15 min 退火后，器件最大發射電流密度比無退火處理時提高了2 個數量級，達到1056.6 μA/cm²。對Al 底電極進行退火可以提高Al 底電極和Al2O3的成膜質量，發射電流密度波動范圍ΔJe/Je為27.9%，器件發射特性的重復性好，發射壽命提高。由于Al 底電極的快速退火同樣可以達到緩慢電化學氧化的效果，因此使器件的制備周期縮短，為MIM 電子源的實際應用提供了更多的可能。

1、樣品制備

　　Al-Al2O3-Ti/Au 結構的MIM 電子源制備工藝如下: 真空度5.0 × 10^-4 Pa，先用磁控濺射儀在玻璃基底上制備150 nm 的Al 底電極，然后用質量比為3%的草酸在15℃水浴中對Al 底電極進行氧化，再用體積比為5%的磷酸對形成的氧化鋁浸泡，得到20 nm厚的Al2O3絕緣層。最后，在Al2O3表面濺射制備約為4 nm Ti 和6 nm Au，形成復合頂電極。為研究退火Al-Al2O3-Ti /Au 結構的MIM 電子源發射特性的影響，實驗中對樣品分5 種情況進行處理，其中A 樣品不進行退火處理，B、C、D 樣品的頂電極制備完成后，在氮氣氛中分別進行200，300 和400℃，15 min 的退火處理。E 樣品Al 底電極制備完成后，根據B、C、D樣品退火后的電子發射特性，選擇300℃，15 min 的氮氣氛退火處理，然后制備Al2O3絕緣層和Ti /Au頂電極。樣品編號及對應的退火條件如表1 所示，樣品的器件結構及電子發射特性測試原理如圖2 所示。器件測試在3.0 × 10^-4 Pa 的室溫下進行，電子發射的加速電壓為200 V，偏置電壓Vd 的脈沖頻率為0.5 Hz，幅值在0 ～15 V 之間變化。

表1 樣品編號及對應的退火條件

圖2 MIM 器件結構和電子發射特性測試示意圖

3、結論

　　對Al-Al2O3-Ti/Au 結構的MIM 器件進行不同溫度的退火工藝后，發現器件的電子發射特性有不同的變化。對器件Al 底電極退火可以提高Al2O3成膜質量，消除器件的“負阻效應”，使器件工作于非電形成狀態，同時器件的發射穩定性能較好，連續10 min的電子發射測試表明，電子發射電流密度波動范圍為±27.9%。對器件頂電極分別進行200，300，400℃退火后，器件發射電流得到顯著增強，300℃為頂電極退火最優溫度，器件的最大發射電流密度達到1056.6 μA/cm²，比未退火器件的最大發射電流密度提高了2 個數量級，發射閾值電壓顯著減小，降低到11 V，發射效率較高，最大發射效率為4.7%。但是Ti /Au 頂電極退火工藝并不能代替Al 底電極退火工藝，無法使器件具有發射大、穩定性好的雙重特點。對退火工藝的進一步研究，使退火工藝對器件性能的影響進行疊加，是下一步研究的重點。