CN100583350C - 微型场发射电子器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型场发射电子器件，其包括：一基底；一第一绝缘层与一第二绝缘层相隔一定距离设置于基底上；一阴极电极层与一阳极电极层分别设置于第一绝缘层与第二绝缘层上，该阴极电极层具有一场发射端正对该阳极电极层，该微型场发射电子器件内密封有惰性气体，且满足条件式：h＜_e，其中，h为阴极电极层的场发射端与阳极电极层之间的间距；_e为电子在惰性气体环境中的自由程。

Description

微型场发射电子器件

技术领域

本发明涉及一种微型场发射电子器件，尤其涉及一种工作在大气压惰性气体环境下的纳米级微型场发射电子器件。

背景技术

现代计算机的发明是从电子管开始的，早期的二极管、三极管都是用真空电子管实现，世界上第一台电子计算机即用约18000个真空电子管制造出来。1947年，贝尔实验室发明了晶体管，由于晶体管具有能耗低、易于微型化和集成化、适于大规模制造且成本低廉等优点，它在绝大多数应用场合迅速取代了真空电子管，并且使得微处理器的出现和计算机的大规模普及成为可能。然而，在某些特殊的场合，真空电子管仍然具有晶体管不可替代的优势，如极高频率、动态范围大、抗反向击穿、大功率，以及能够在高温、高辐射场合下工作的特性。真空电子管的优点具体体现为：其一，场发射电子在10伏特的真空加速电压下的运动速度约为1.87×10⁸cm/s，比单晶硅中电子的漂移速率1.5×10⁷cm/s(10⁴V/cm电场)大一个数量级，只要电子管的阴-阳极间距足够小(如100nm)，就可做成开关速度远快于晶体管的元器件；其次，温度对半导体器件的性能影响很大，传统的硅基半导体工作温度一般不能超过350℃，碳化硅、金刚石等宽禁带半导体可工作在600℃，而真空电子管的工作原理对温度并不敏感，理论上可以在高温下稳定地工作；其三，高能辐射粒子对半导体器件的影响是巨大的，在一定的辐照强度下不仅会使器件性能不稳定，而且可能造成不可逆转的硬件损坏，而真空电子管的工作状态则基本不受高能粒子的影响。真空电子管的这些特性在太空探索、地质勘探、反应堆监控、炼钢、喷气发动机等高温场合实时监测、超高速通讯和信号处理等领域具有不可替代的价值。

传统电子管一般具有庞大的体积和重量，因此其无法集成化，不能满足稍微复杂的信号处理需求，针对于此，从20世纪60年代开始，人们开始研究微型真空电子管，并制造出了微型真空三极管。微型真空电子管的工作原理和传统电子管基本相同，并且，高真空环境对于传统电子管或微型电子管都是必须的。其原因在于：真空中的残余气体如果被电子电离，就会破坏电子管的工作状态；正离子会增加电子管噪声；过量的正离子会轰击损坏阴极；阴极表面的气体吸附也会造成发射性能不稳定。对于传统电子管，真空可以用吸气剂来维持，但微型电子管由于其内部空间狭小，比表面积大，维持高真空是非常困难的。因此，对于微型真空电子管来说，维持微小体积内的高真空环境是一个极难解决的技术难题，使得微型真空电子管难以实用化。

因此，本发明有必要提供一种工作在惰性气体环境下的微型场发射电子器件，它具有与微型真空电子管相似的优越性能和应用前景，并且避开了微型真空电子管封装中的真空维持难题，有望制造出实用化的新型电子元器件及其集成电路。

发明内容

以下，将以若干实施例说明一种工作在惰性气体环境下的微型场发射电子器件，其具有极快的开关速度，以及能够在高温、高辐射场合下工作的特点。

一种微型场发射电子器件，其包括：一基底；一第一绝缘层与一第二绝缘层相隔一定距离设置于基底上；一阴极电极层与一阳极电极层分别设置于第一绝缘层与第二绝缘层上，该阴极电极层具有一场发射端正对该阳极电极层，该微型场发射电子器件内密封有惰性气体，且满足条件式：h＜λ_e，其中，h为阴极电极层的场发射端与阳极电极层之间的间距；λ_e为电子在惰性气体环境中的自由程。

该微型场发射电子器件进一步包括一第三绝缘层间隔设置于第一绝缘层于第二绝缘层之间，一栅极电极层设置于该第三绝缘层上，位于阴极电极层与阳极电极层之间。

该栅极电极层在对应于场发射端位置设置有一开口。

该微型场发射电子器件进一步包括一栅极电极层设置于基底上，位于阴极电极层与阳极电极层之间。

该栅极电极层设置于场发射端与基底之间。

该场发射端为微尖结构。

该场发射端材料为金属材料或表面镀有金属材料薄膜的半导体材料。

该场发射端表面形成有低逸出功材料薄膜。

该低逸出功材料薄膜材料为金属硼化物或稀土氧化物。

该场发射端材料为稀土氧化物、碳化物与高熔点金属。

该场发射端表面设置有碳纳米管或半导体纳米线。

该场发射端为碳纳米管或半导体纳米线。

该惰性气体的分压为0.1～10个大气压。

该惰性气体可选择为氦、氖、氩、氪、氙及其任意组合的混合气体。

该微型场发射电子器件进一步满足关系式： $h<\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_e}}{10}.$

相较于现有技术，所述的工作在惰性气体环境中的微型场发射电子器件，由于其阴-阳极间距远小于电子在惰性气体内的自由程，阴极的场发射电压可以降低至几乎不引起惰性气体原子电离的数值，因此工作时气体电离的几率可以忽略不计，电子的发射不受影响。其次，惰性气体原子不仅不会吸附在阴极表面改变其发射性能，而且一个大气压下高密度的惰性气体原子会持续不断地轰击阴极，可以起到清洁作用，去除阴极上吸附的杂质气体分子，维持阴极的正常工作。并且，所述的微型场发射电子器件可在具有特殊要求(如极高频、高温、高辐射等)的场合替代晶体管和传统电子管器件及其电路。

附图说明

图1为本发明第一实施例的微型场发射电子器件的立体结构示意图。

图2为本发明第二实施例的微型场发射电子器件的立体结构示意图。

图3为本发明第三实施例的微型场发射电子器件的立体结构示意图。

图4为本发明第四实施例的微型场发射电子器件的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种薄膜形微型场发射电子器件10，该微型场发射电子器件10包括一基底12，相隔一定距离形成于基底12上的第一绝缘层122与第二绝缘层124，一阴极电极层14与一阳极电极层18分别形成于该第一绝缘层122与第二绝缘层124上。该阴极电极层14具有一微尖结构的场发射端16，用于发射电子。该场发射端16面对该阳极电极层18，并与阳极电极层18之间相隔一定间距h1。该微型场发射电子器件10内部密封有含惰性气体原子144的惰性气体。本实施例微型场发射电子器件10内密封的惰性气体的分压为0.1～10个大气压，优选为1个大气压。惰性气体可选择为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性气体，优选为氦。为使微型场发射电子器件10在惰性气体环境下能维持正常的电子发射状态，本实施例微型场发射电子器件10还需满足以下条件式：h1＜λ_e，其中，h1为该微型场发射电子器件10的特征尺寸，即场发射端16与阳极电极层18之间的间距；λ_e为惰性气体环境中的电子自由程。

较小的特征尺寸h1以及工作在惰性气体环境中使得本实施例微型场发射电子器件10具有以下优点：其一，较小的特征尺寸h1能使场发射电子器件10的场发射端16发射的电子在飞行到阳极电极层18的过程中与惰性气体原子144的碰撞几率较小。本实施例优选为特征尺寸h1小于电子自由程λ_e的1/10。当特征尺寸h1远小于惰性气体环境中的电子自由程λ_e时，电子在飞行过程中几乎不与惰性气体原子144碰撞，此时可认为电子能够自由运动到达阳极电极层18。

本实施例中，电子在气体中的自由程λ_e可由以下公式计算： ${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}}}_e=\frac{4}{{\mathrm{\&pi;n\&sigma;}}^2}=\frac{4\mathrm{kT}}{{\mathrm{\&pi;\&sigma;}}^{2}p},$ 其中，n为气体分子密度；σ为气体分子的有效直径；k＝1.38×10^-23J/K，为波尔兹曼常数；T为绝对温度；p为气体压力。在T＝300K，一个大气压环境下，各种惰性气体环境下的电子自由程如表1所示：

表1

气体	氦	氖	氩	氪	氙
						有效直径(10<sup>-10</sup>m)	2.18	2.6	3.7	4.2	4.9
电子自由程(μm)	1.07	0.77	0.38	0.29	0.22

本实施例惰性气体优选为氦气，在一个大气压的氦气中工作的微型场发射电子器件10，只要特征尺寸h1远小于场发射端16所发射电子在He中自由程λ_e(1.07μm)，即可认为电子能够自由运动到达阳极电极层18。另外，如表2所示，本实施例优选为特征尺寸h1小于电子在He中的自由程λ_e的1/10(107nm)，此时，91％的电子在飞行过程中不与He原子发生碰撞。

表2

特征尺寸	0.01λ<sub>e</sub>	0.1λ<sub>e</sub>	1λ<sub>e</sub>	5λ<sub>e</sub>	10λ<sub>e</sub>
						自由运动(不碰撞)的几率	0.99	0.91	0.37	0.007	4.5×10<sup>-5</sup>

其二，由于特征尺寸h1小于电子自由程λ_e，场发射端16的尖端与阳极电极层18的间距极小，使得本实施例微型场发射电子器件10发射电子所需的场发射电压较小，因而电子从阴极电极层14与阳极电极层18之间的加速电压所获得的能量较小。表3所示为各种惰性气体的第一电离能。本实施例中，当电子从加速电压所获得的能量小于所充惰性气体的第一电离能时，气体原子不会电离；当电子从加速电压所获得的能量等于或略大于所充惰性气体的第一电离能时，气体原子的电离率较低亦可以忽略。因此，本实施例微型场发射电子器件10发射电子即使与惰性气体原子144碰撞也基本不会使惰性气体原子144发生电离。

表3

气体	氦	氖	氩	氪	氙
						第一电离能(eV)	24.587	21.564	15.759	13.999	12.130

其三，由于本实施例微型场发射电子器件10工作于惰性气体环境中，惰性气体原子144不仅不会吸附在场发射端16表面，而且，在一个大气压下高密度的惰性气体原子144由于热运动会持续不断地轰击该场发射端16，可在一定程度上起到清洁作用，去除在制作过程或其他过程中吸附在场发射端16表面的杂质气体分子，维持场发射电子器件10的正常工作。

一般，器件内部，单位面积上的气体分子的轰击频率可按下述公式计算： $\mathrm{\&upsi;}=\frac{1}{4}n\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{p}{\sqrt{2{\mathrm{\&pi;m}}_0\mathrm{kT}}}=\frac{p\&CenterDot;N_A}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;MRT}}},$ 其中，n为气体分子密度；υ为气体分子热运动平均速度；p为压力；M为气体分子量；N_A＝6.02×10²³mol^-1为阿佛加德罗常数；T为绝对温度值；R＝8.31J/(mol.K)。

本实施例中，在300K，一个大气压的氦气环境下，微型场发射电子器件10内部的场发射端16表面，单位面积上的惰性气体原子146的轰击频率为7.7×10²⁷/m₂s。而场发射端16表面吸附的一个杂质气体分子，如水蒸气分子的面积约为10^-19m₂，因此，该水蒸气分子被轰击的频率是7.7×10⁸/s。如此高的轰击频率能起到很强的清洗作用，可以保证场发射端1 6不会因为杂质气体原子的吸附而改变其场发射特性。

另外，本实施例中，基底12材料可选择为硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、氧化铝(Al₂O₃)或金刚石等半导体材料。绝缘层122，124材料可选择为二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)等绝缘材料。阳极电极层18材料可选择为金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铼(Re)、铌(Nb)、镍(Ni)、铬(Cr)、锆(Zr)或铪(Hf)等半导体产业中常用的金属材料，也可选用硅(Si)、锗(Ge)或氮化镓(GaN)等半导体材料，或上述半导体材料上镀上述金属材料薄膜的导电结构。阴极电极层14与阳极电极层1 8的材料相同。其场发射端16可进一步沉积低逸出功材料薄膜如以六硼化镧(LaB₆)为主的金属硼化物或以氧化镧(La₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化钆(Gd₂O₃)或氧化镝(Dy₂O₃)等为主的稀土氧化物，以提高电子发射效率。另外，阴极电极层14还可采用稀土氧化物(氧化镧、氧化钇、氧化钆、氧化镝等)、碳化物(碳化钍、碳化锆、碳化钛、碳化钽等)与高熔点金属(钨、钼、铌、铼、铂等)压制烧结形成的具有微尖场发射端16的薄膜，或将碳纳米管或半导体纳米线附着于上述任一微尖结构表面作为场发射端16。另外，本技术领域技术人员应明白，碳纳米管、半导体纳米线或其组成的阵列亦可直接形成于阴极电极层14相对于阳极电极层18的一端作为场发射端16。

本实施例微型场发射电子器件10在应用时，通过施加一场发射电压于阴极电极层14与阳极电极层18之间，利用电场作用使得场发射端16尖端的表面势垒降低和变窄，当场发射端16尖端的表面势垒宽度窄到可与电子波长相比拟时，电子由于隧穿效应穿透场发射端16尖端表面势垒而进入微型场发射电子器件10内部，并在电场作用下运动到阳极电极层18，从而实现电子发射。

请参阅图2，本发明第二实施例提供一种微型场发射电子器件20，该微型场发射电子器件20包括一基底22，相隔一定距离形成于基底22上的第一绝缘层222与第二绝缘层224，一阴极电极层24与一阳极电极层28分别形成于该第一绝缘层222与第二绝缘层224上。该阴极电极层24具有一微尖结构的场发射端26，用于发射电子。该微型场发射电子器件20内部密封有惰性气体，且该微型场发射电子器件20的特征尺寸h2，即场发射端26的场发射尖端262与阳极电极层28之间的间距小于电子在该惰性气体中的自由程。该第二实施例提供的微型场发射电子器件20与本发明第一实施例的微型场发射电子器件10的结构基本相同，其区别在于：第二实施例的微型场发射电子器件20为三极型结构，其进一步包括一第三绝缘层226间隔设置于第一绝缘层222与第二绝缘层224之间，一栅极电极层282形成于该第三绝缘层226上，位于阴极电极层24与阳极电极层28之间。该栅极电极层282与阴极电极层24及阳极电极层28基本平行，该栅极电极层282与第三绝缘层226在对应于场发射端26位置设置有一开口284。

本实施例微型场发射电子器件20中基底、绝缘层及各电极层材料均与第一实施例的微型场发射电子器件10中相同，栅极电极层282的材料与阳极电极层28相同。在应用时，本实施例微型场发射电子器件20通过在栅极电极层282施加电压控制场发射端26发射电子，并在阳极电极层28施加电压使电子加速运动到阳极电极层28。

请参阅图3，本发明第三实施例提供一种微型场发射电子器件30，该微型场发射电子器件30包括一基底32，相隔一定距离形成于基底32上的第一绝缘层322、第二绝缘层324与第三绝缘层326间隔设置于第一绝缘层322与第二绝缘层324之间，一阴极电极层34与一阳极电极层38分别形成于该第一绝缘层322与第二绝缘层324上，一栅极电极层382形成于该第三绝缘层326上，位于阴极电极层34与阳极电极层38之间，该栅极电极层382与第三绝缘层326在对应于场发射端36位置设置有一开口384。该阴极电极层34具有一微尖结构的场发射端36，用于发射电子。该微型场发射电子器件30内部密封有惰性气体，且该微型场发射电子器件30的特征尺寸h3，即场发射端36的场发射尖端362与阳极电极层38之间的间距小于电子在该惰性气体中的自由程。该第三实施例提供的微型场发射电子器件30与本发明第二实施例的微型场发射电子器件20的结构基本相同，其区别在于：第三实施例的微型场发射电子器件30内部密封有两种以上的惰性气体，本实施例优选为采用氦气344与氖气346的混合气体。其中混合气体中的氦气344可以提高电子自由程，降低微型场发射电子器件30对特征尺寸h3的要求。而氖气346的分子量较大，具有更好的清洁场发射端36表面、去除场发射端36表面吸附的杂质气体的效果。

请参阅图4，本发明第四实施例提供一种微型场发射电子器件40，该微型场发射电子器件40包括一基底42，相隔一定距离形成于基底42上的第一绝缘层422与第二绝缘层424，一阴极电极层44与一阳极电极层48分别形成于该第一绝缘层422与第二绝缘层424上。该阴极电极层44具有一微尖结构的场发射端46，用于发射电子。该微型场发射电子器件40内部密封有惰性气体，且该微型场发射电子器件40的特征尺寸h4，即场发射端46的场发射尖端462与阳极电极层48之间的间距小于电子在该惰性气体中的自由程。该第四实施例提供的微型场发射电子器件40与本发明第一实施例的微型场发射电子器件10的结构基本相同，其区别在于：第四实施例的微型场发射电子器件40为背栅三极型结构，其进一步包括一栅极电极层482形成于基底42上，位于阴极电极层24与阳极电极层28之间。该栅极电极层482与阴极电极层44及阳极电极层48基本平行，且设置于场发射端46与基底42之间。另外，第四实施例的微型场发射电子器件40内部密封有两种以上的惰性气体，本实施例优选为采用氦气444与氖气446的混合气体。其中混合气体中的氦气444可以提高电子自由程，降低微型场发射电子器件40对特征尺寸h4的要求。而氖气446的分子量较大，具有更好的清洁场发射端46表面、去除场发射端46表面吸附的杂质气体的效果。

另外，本发明第一实施例二极型的微型场发射电子器件10也可同样在其内部密封两种以上的惰性气体，以分子量较大的惰性气体原子轰击场发射端表面具有更好地清洁作用，分子量较小的惰性气体原子可以提高电子自由程。

本技术领域技术人员应明白，本发明各实施例提供的微型场发射电子器件为薄膜型器件，其结构可采用习知的电子束光刻结合干法、湿法蚀刻以及真空镀膜技术实现。器件的封装工艺可先抽真空再充入一定工作气压的惰性气体，也可以在流动的工作气压惰性气体环境下封装，免去抽真空步骤以提高生产速度、降低成本。另外，本发明提供的二极型、三极型场发射电子器件结构可集成在同一个基底上，即可做成集成电路，以实现复杂的信号处理和运算。

本发明提供的微型场发射电子器件的优点在于：其一，本发明的微型场发射电子器件工作于惰性气体环境下，由于微型场发射电子器件的特征尺寸小于电子在惰性气体内的自由程，具有良好的电子发射性能；其二，由于微型场发射电子器件的特征尺寸较小，其场发射电压可以降低至几乎不引起惰性气体原子电离的数值，在微型场发射电子器件工作时气体电离的几率极小；其三，惰性气体原子不仅不会吸附于场发射端表面影响其发射性能，而且惰性气体原子会持续不断地轰击场发射端表面，可以去除场发射端表面吸附的杂质气体分子，维持微型场发射电子器件正常工作；其四，本发明提供的微型场发射电子器件具有极快的开关速度，且能够在高温、高辐射等环境正常工作。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种微型场发射电子器件，其包括：一基底；一第一绝缘层与一第二绝缘层相隔一定距离设置于基底上；一阴极电极层与一阳极电极层分别设置于第一绝缘层与第二绝缘层上，该阴极电极层具有一场发射端正对该阳极电极层，其特征在于，该微型场发射电子器件内密封有惰性气体，且满足条件式：h＜λ_e，其中，h为阴极电极层的场发射端与阳极电极层之间的间距；λ_e为电子在惰性气体环境中的自由程。

2.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，进一步包括一第三绝缘层间隔设置于第一绝缘层于第二绝缘层之间，一栅极电极层设置于该第三绝缘层上，位于阴极电极层与阳极电极层之间。

3.如权利要求2所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该栅极电极层在对应于场发射端位置设置有一开口。

4.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，进一步包括一栅极电极层设置于基底上，位于阴极电极层与阳极电极层之间。

5.如权利要求4所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该栅极电极层设置于场发射端与基底之间。

6.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端为微尖结构。

7.如权利要求6所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端材料为金属材料或表面镀有金属材料薄膜的半导体材料。

8.如权利要求7所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端表面形成有低逸出功材料薄膜。

9.如权利要求8所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该低逸出功材料薄膜材料为金属硼化物或稀土氧化物。。

10.如权利要求6所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端材料为稀土氧化物、碳化物与高熔点金属。

11.如权利要求6所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端表面设置有碳纳米管或半导体纳米线。

12.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该场发射端为碳纳米管或半导体纳米线。

13.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该惰性气体的分压为0.1～10个大气压。

14.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，该惰性气体可选择为氦、氖、氩、氪、氙及其任意组合的混合气体。

15.如权利要求1所述的微型场发射电子器件，其特征在于，进一步满足关系式： $h<\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_e}}{10}.$

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