一種熱助場致電子發射陰極結構及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱助場致電子發射陰極結構及其制備方法；陰極結構垂直于襯底表面，由頂部尖錐和底部納米溝道構成；尖錐的錐角為15°～60°，納米溝道最窄部分的直徑或寬度為10～100 nm；陰極結構工作時，納米溝道限制場發射過程中尖錐產生的焦耳熱的傳導，使尖錐溫度升高，實現熱助場發射，提升電子發射性能；納米溝道電阻所具有的負反饋限流作用，可避免發射體過流擊穿；尖錐所具有的熱容可避免自身溫度過高熔化。本發明所述陰極結構既實現發射體的“自加熱”，又可避免高溫和大電流引起陰極失效，有利于陰極在低壓驅動、高穩定性電子源上的應用。該陰極結構無需加熱燈絲，結構簡單，容易實現陣列式電子源的制作。
【專利說明】
一種熱助場致電子發射陰極結構及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及納米電子器件技術領域，更具體地，涉及一種熱助場致電子發射陰極結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]場發射電子源具有工作溫度低、功耗低、響應速度快的特點，在中小功率行波管、電子成像、高靈敏度傳感器、平板顯示器、平面光源、并行電子束光刻、高頻真空電子管等器件中具有潛在應用。電子源工作時，陰極表面吸附所引起的功函數變化;陣列中發射體幾何形貌不同所導致的各發射端面局域電場的差異，都將影響場發射電子源的電流穩定性和可靠性。上述問題限制了場發射電子源的應用開發。目前商用的電子源中較多選用的是熱助場發射電子源。常規的熱助場發射電子源中，陰極發射體是焊接在加熱燈絲上，利用電流通過加熱燈絲所產生的焦耳熱來加熱陰極，使陰極工作在高溫下(約1800 K)。加熱場發射陰極既有利于增強陰極的電子發射性能，又能減少陰極表面的氣體吸附，提高陰極的可靠性。熱助場發射電子源的工作溫度與熱電子源相比較低，而且具有總發射電流較大、穩定性較好等優點，因此得到較廣泛的應用。然而，已有的熱助場發射電子源均需要在加熱燈絲上施加額外的偏置電壓來產生焦耳熱，功耗較大，陰極結構也相對復雜，制作陣列式的電子源工藝難度高。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種功耗較低，結構簡單，易于制作陣列式電子源的熱助場致電子發射陰極結構。
[0004]本發明的第二個目的是提供所述熱助場致電子發射陰極結構的制備方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的:
一種熱助場致電子發射陰極結構，陰極結構垂直于襯底表面，由頂部尖錐和底部納米溝道構成；陰極結構將尖錐和納米溝道一體化集成;所述納米溝道為兩頭寬中間窄的納米結構。
[0006]陰極結構工作時，利用外加電場誘導陰極頂端尖錐發射電子。尖錐具有較小的尖端曲率半徑可增強發射端面的局域電場，有利于降低場發射驅動電壓。由于納米溝道以及尖錐的尖端具有較大電阻，因此場發射電流通過時將產生焦耳熱。由于納米溝道為兩頭寬中間窄的結構，且熱阻較大，可以限制尖錐和襯底之間的熱傳導，使尖錐的溫度升高，實現熱助場發射，提升陰極的電子發射性能。位于陰極頂端的尖錐錐體所具有的熱容可以避免自身溫度過高而熔化。另一方面，利用納米溝道電阻可以實現負反饋限流，避免發射體因過流而擊穿，提高陰極的可靠性和發射電流穩定性。上述所列特點是常規的納米線/棒所不具備的。
[0007]尖錐溫度的升高有利于增強電子發射，因此可以進一步降低發射驅動電壓和功耗，提高總發射電流；同時，尖錐溫度升高可使表面吸附物脫附，有利于提高陰極的可靠性和發射電流穩定性。在本發明中，尖錐溫度升高所需的熱量來源于場發射電流在納米溝道以及尖錐尖端處產生的焦耳熱；不需要將發射體焊接在加熱燈絲上并且在加熱燈絲上施加額外的偏置電壓來產生焦耳熱;完全不同于常規的熱助場發射電子源。
[0008]為了獲得明顯的負反饋作用，優選地，所述納米溝道的電阻大于100kQ。
[0009]優選地，所述尖錐的錐角為15°?60°，高度為200?1000 nm。
[0010]優選地，所述納米溝道最窄部分的直徑或寬度為10?100 nm，高度為200?1200nm;該結構的納米溝道具有較大的電阻和熱阻，可同時限制電傳導和熱傳導。
[0011]更優選地，所述納米溝道最窄部分的直徑或寬度為10?70nm，最優選地，所述納米溝道最窄部分的直徑或寬度為30?70 nm，這是綜合考慮了合理的電阻、熱阻以及結構強韌度的選擇。
[0012]優選地，所述的熱助場致電子發射陰極和襯底為半導體材料。
[0013]更優選地，所述半導體材料選自娃、碳化娃、鍺、硼、金剛石、氧化鋅、氧化鈦、氧化銅、氧化鎢、氮化鋁或氮化鎵。
[0014]本發明還提供所述的熱助場致電子發射陰極結構的制備方法，包括以下步驟:
51.襯底表面制備出掩膜或掩膜陣列；
52.利用等離子體或化學溶液刻蝕SI所述的襯底，在襯底上獲得尖錐；
53.在S2所述的尖錐表面覆蓋保護層；
54.再次利用等離子體或化學溶液刻蝕沒有被S3所述保護層覆蓋的襯底，即在S3所述尖錐下方獲得最窄部分的直徑或寬度為10?100 nm的納米溝道；
55.去除尖錐表面的保護層，獲得垂直于襯底表面的發射體，由頂部尖錐和底部納米溝道構成，即熱助場致電子發射陰極結構。
[0015]優選地，SI所述掩膜或掩膜陣列的材料為耐刻蝕材料，所述掩膜或掩膜陣列通過如下方法制備:
511.在干凈襯底上制備出厚度為100?1000nm的耐刻蝕材料薄膜，或直接選用表面覆蓋有厚度為100?1000 nm的耐刻蝕材料薄膜的襯底；
512.旋涂光刻膠，采用光學光刻或電子束光刻的方法定義光刻膠圖形，圖形的直徑或寬度為700?1500 nm；
513.利用等離子體刻蝕未被光刻膠保護的耐刻蝕材料薄膜直至露出襯底，保留被光刻膠保護的耐刻蝕材料薄膜，即為掩膜或掩膜陣列；
其中，所述耐刻蝕材料選自二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、鉻、鋁中的一種或多種。
[0016]優選地，當所述襯底材料為硅、碳化硅、鍺或硼時，所述熱助場致電子發射陰極結構的制備方法還包括S6:在800?1200 °C下氧化0.5?5小時，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度縮小至10?50 nm。
[0017]優選地，S3所述保護層為耐刻蝕材料，所述耐刻蝕材料選自二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、鉻、鋁中的一種或多種。
[0018]作為一種具體的實施方式，當所述陰極結構的材料是硅時，在制備出尖錐后，S3所述保護層的制備步驟如下:
531.在800?1200°C下氧化襯底和尖錐，使其表面形成二氧化硅；
532.利用等離子體刻蝕襯底平面上的二氧化硅，同時保留硅尖錐表面的二氧化硅，作為保護層。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明提供了一種熱助場致電子發射陰極結構，陰極結構垂直于襯底表面，由頂部尖錐和底部納米溝道構成;所述尖錐的錐角為15°?60°，高度為200?1000 nm，所述納米溝道為兩頭寬中間窄的結構，其最窄部分的直徑為10?100 nm，其高度為200?1200 nm，所述納米溝道的電阻和熱阻可分別限制電傳導和熱傳導。該陰極結構工作時，納米溝道限制場發射過程中尖錐尖端及納米溝道產生的焦耳熱的傳導，使尖錐溫度升高，實現熱助場發射，提升電子發射性能。而納米溝道電阻又具有負反饋限流作用，可避免發射體過流擊穿。同時，尖錐所具有的熱容可避免自身溫度過高熔化。本發明所述陰極結構與常規的納米線/棒/尖錐不同，既實現陰極結構的“自加熱”又可避免高溫和大電流引起器件失效，有利于獲得低壓驅動、高穩定性的陰極。與目前常規的熱阻場發射電子源相比，本發明提供的熱助場致電子發射陰極結構為尖錐和納米溝道一體化集成的新結構，直接采用場發射電流完成“自加熱”，無需將發射體焊接在加熱燈絲上并在加熱燈絲上施加額外的偏置電壓以產生焦耳熱，因此結構更簡單，容易實現陣列式電子源的制作，本發明所述熱助場致電子發射陰極結構具有實際和廣泛的應用價值。
【附圖說明】
[0020]圖1為熱助場致電子發射陰極結構圖，其中，圖1(a)為熱助場致電子發射陰極結構的示意圖，其中I為襯底，2為納米溝道，3為尖錐;圖1(b)為熱助場致電子發射陰極結構的典型掃描電子顯微(SEM)形貌圖。
[0021]圖2為熱助場致電子發射陰極結構的制備流程圖。
[0022]圖3為熱助場致電子發射陰極結構帶柵陣列(40X40)與常規尖錐型場發射陰極帶柵陣列(40 X40)的(a)場發射電流密度-柵極電壓(J-Vg)特性曲線及(b)對應的Fowler-Nordheim曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。在不背離本發明精神和實質的情況下，對本發明方法、步驟或條件所作的簡單修改或替換，均屬于本發明的范圍；若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。
[0024]實施例1
一種熱助場致電子發射陰極結構的制備(納米溝道最窄部分的直徑或寬度約為100nm，對應的電阻值約為100 kQ )，包括以下步驟:
51.在干凈硅襯底上，利用化學氣相沉積系統在其表面沉積厚度為500?1000nm的二氧化硅/氮化硅掩膜層；
52.旋涂厚度約為500?600nm的光刻膠(AR-N 7520);利用電子束光刻系統對光刻膠進行曝光;對曝光后的樣品進行顯影，得到中心距為6 Mi的圓形或長條形光刻膠陣列，圓形或長條形的直徑或寬度可以為700?1500 nm；
53.利用等離子體反應刻蝕系統刻蝕未被光刻膠保護的二氧化硅/氮化硅，直至露出硅襯底，留下被光刻膠保護的二氧化硅/氮化硅，成為二氧化硅/氮化硅掩膜陣列；
54.利用等離子反應刻蝕系統體刻蝕硅襯底，直至在二氧化硅/氮化硅掩膜下方獲得硅尖錐結構，尖錐的底部直徑約為700 nm，尖錐的高度約為650 nm;
55.將刻蝕后的樣品置于1000°C的氧氣氛圍下氧化120 11^11(氧氣流量為0.9 SLM)，使硅襯底和硅尖錐表面形成厚度約120 nm的氧化層；
56.繼續利用硅尖錐上方的二氧化硅/氮化硅掩膜，使用等離子體反應刻蝕上述氧化層，直至露出硅襯底，同時保留硅尖錐側壁的氧化層作為保護層；
57.再次利用等離子體反應刻蝕硅襯底，在硅尖錐下方(襯底上)獲得最窄部分的直徑或寬度約為100 nm的納米溝道，其高度約為800 nm;
58.用體積比為5:1的去離子水和氫氟酸的混合溶液去除二氧化硅，S卩在襯底上獲得由硅尖錐和硅納米溝道組成的發射體，即熱助場致電子發射陰極結構，如圖1和圖2所示。
[0025]實施例2
實驗方法同實施例1，唯一不同的是在S8制備得到納米溝道最窄部分的直徑或寬度約為100 nm的發射體的基礎上，增加一步操作:
S81.將S8獲得的樣品置于900 °C的氧氣氛圍下氧化50 1^11(氧氣流量為0.9 SLM)，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度減小至約為70 nm(對應的電阻值約為I ΜΩ)，并用體積比為5:1的去離子水和氫氟酸的混合溶液去除表面氧化層。
[0026]采用上述工藝制備納米溝道最窄部分的直徑約為70nm的硅發射體陣列(40 X40)。作為對比，發明人也制作了常規的無納米溝道硅尖錐陣列(40X40)。陣列中發射體之間的間距均為6 Mi。采用微納加工方法集成了柵極，并采用表面鍍有ITO的玻璃作為陽極，使陰極和陽極間的距離約為100 Mi，對兩種器件結構的場發射特性進行測試，兩種結構分別代表熱助場致電子發射陰極結構和常規的硅尖錐場致電子發射陰極結構。圖3(a)是上述兩種器件結構對應的場發射電流密度-柵極電壓(J-Vc)特性曲線，而圖3(b)則是對應的Fowler-Nordheim曲線。從圖3(a)可以看出，熱助場致電子發射陰極結構具有更低的驅動電壓和更大的發射電流，從圖3(b)也可以看出在大電流區域，熱助場致電子發射陰極結構的Fowler-Nordheim曲線向上彎曲，意味著電子發射效率高于場發射。
[0027]實施例3
實驗方法同實施例1，唯一不同的是步驟SI直接選用表面覆蓋有300 nm二氧化硅的襯底，或者直接選用表面覆蓋有100 nm氧化鋁的襯底。
[0028]實施例4
實驗方法同實施例2，唯一不同的是在S81制備得到納米溝道最窄部分直徑或寬度約為70 nm的發射體的基礎上，再增加一步操作:S82.將S81制備得到的樣品置于900 °C的氧氣氛圍下氧化40 11^11(氧氣流量為0.9 SLM)，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度減小至約為
50nm，并用體積比為5:1的去離子水和氫氟酸的混合溶液去除表面氧化層。
[0029]實施例5
實驗方法同實施例2，唯一不同的是在S81制備得到納米溝道最窄部分的直徑或寬度約為70 nm的發射體的基礎上，再增加一步操作:S83.將S81制備得到的樣品置于800 °C的氧氣氛圍下氧化4小時(氧氣流量為0.9 SLM)，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度減小至約為30 nm，并用體積比為5:1的去離子水和氫氟酸的混合溶液去除表面氧化層。
[0030]實施例6
實驗方法同實施例2，唯一不同的是在S81制備得到納米溝道最窄部分的直徑或寬度約為70 nm的發射體的基礎上，再增加一步操作:S84.將S81制備得到的樣品置于850 °C的氧氣氛圍下氧化5小時，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度減小至約為1 nm，并用體積比為5:1的去離子水和氫氟酸的混合溶液去除表面氧化層。
[0031 ] 實施例7
實驗方法同實施例1，不同的是把硅換成碳化硅、鍺、硼等其它半導體材料。
[0032]對比例I
實驗方法同實施例1，唯一不同的是，所述納米溝道最窄部分的直徑做成120 nm，采用本對比例制備納米溝道最窄部分的直徑約為120 nm的硅發射體陣列(40 X40)，陣列中發射體之間的間距均為6 μπι。
[0033]采用實施例2的方法檢測本對比例制備得到的電子源與常規的硅尖錐場發射電子源的性能，結果表明，兩者的Fowler-Nordheim曲線均近似為直線，兩者的驅動電壓和最大發射電流值相當，說明本對比例制備得到的陰極結構的工作狀態接近于常規的場致電子發射陰極結構，因此沒有觀察到電子發射性能的顯著提升。
【主權項】
1.一種熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，陰極結構垂直于襯底表面，由頂部尖錐和底部納米溝道構成;所述納米溝道為兩頭寬中間窄的納米結構。2.根據權利要求1所述的熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，所述納米溝道的電阻大于100 k Ω。3.根據權利要求1所述的熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，所述納米溝道最窄部分的直徑或寬度為10?100 nm，高度為200?1200 nm。4.根據權利要求1所述的熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，所述尖錐的錐角為15。 ?60°，高度為200?1000 nm。5.根據權利要求1所述的熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，所述的熱助場致電子發射陰極和襯底為半導體材料。6.根據權利要求5所述的熱助場致電子發射陰極結構，其特征在于，所述半導體材料選自娃、碳化娃、鍺、硼、金剛石、氧化鋅、氧化鈦、氧化銅、氧化媽、氮化鋁或氮化鎵。7.權利要求1至6任一項所述的熱助場致電子發射陰極結構的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.襯底表面制備出掩膜或掩膜陣列； 52.利用等離子體或化學溶液刻蝕SI所述的襯底，在襯底上獲得尖錐； 53.在S2所述的尖錐表面覆蓋保護層； 54.再次利用等離子體或化學溶液刻蝕沒有被S3所述保護層覆蓋的襯底，即在S3所述尖錐下方獲得最窄部分的直徑或寬度為10?100 nm的納米溝道； 55.去除尖錐表面的保護層，獲得垂直于襯底表面的發射體，由頂部尖錐和底部納米溝道構成，即熱助場致電子發射陰極結構。8.根據權利要求7所述的熱助場致電子發射陰極結構的制備方法，其特征在于，SI所述掩膜或掩膜陣列的材料為耐刻蝕材料，所述掩膜或掩膜陣列通過如下方法制備: 511.在干凈襯底上制備出厚度為100?1000nm的耐刻蝕材料薄膜，或直接選用表面覆蓋有厚度為100?1000 nm的耐刻蝕材料薄膜的襯底； 512.旋涂光刻膠，采用光學光刻或電子束光刻的方法定義光刻膠圖形，圖形的直徑或寬度為700?1500 nm； 513.利用等離子體刻蝕未被光刻膠保護的耐刻蝕材料薄膜直至露出襯底，保留被光刻膠保護的耐刻蝕材料薄膜，即為掩膜或掩膜陣列； 其中，所述耐刻蝕材料選自二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、鉻、鋁中的一種或多種。9.根據權利要求7所述的熱助場致電子發射陰極結構的制備方法，其特征在于，當所述襯底材料為硅、碳化硅、鍺或硼時，還包括S6:在800?1200 °C下氧化0.5?5小時，使納米溝道最窄部分的直徑或寬度縮小至1?50 nm。10.根據權利要求7所述的熱助場致電子發射陰極結構的制備方法，其特征在于，S3所述保護層為耐刻蝕材料，所述耐刻蝕材料選自二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、鉻、鋁中的一種或多種。
【文檔編號】H01J1/304GK105869967SQ201610274917
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】佘峻聰, 黃志駿, 鄧少芝, 許寧生, 陳軍
【申請人】中山大學