CN102097264A - 一种大电流场致发射阴极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大电流场致发射阴极结构。在该结构中，阴极发射面积被分为若干小的点阵，每个小的阴极发射点之间电学绝缘。由于每个阴极发射点的面积较小，可以获得很好的发射均匀性。本发明通过测量每一个阴极发射点的场致发射特性，可以确定场发射阴极点阵的发射电流不均匀性。根据该不均匀性，在每个阴极发射点下匹配相应的限流电阻，并通过与发射点对应的限流电阻，提高整个阴极发射点阵的发射电流均匀性，从而获得大的发射电流。

Description

一种大电流场致发射阴极结构
技术领域
本发明是一种大电流场致发射阴极结构，涉及场致发射电子器件中电子源的结构及其相应的制备。 
背景技术
电子源是真空电子器件的核心。在各种真空电子源中，电子的发射大致可分为热阴极电子发射、光致电子发射和场致电子发射等几大类。所谓场致发射是指在场致发射阴极前施加一个较高的电场，由于隧道效应出现表面势垒降低、变薄，电子从固体中发射到真空，形成场致发射电流。与热阴极电子发射相比较，电子不需要通过加热获得能量，所以场致发射阴极的功率小，响应速度快，而且可以实现小型化和集成化。基于场致发射阴极的真空微纳电子器件是电子器件发展的一个重要方向。
做为电子器件的电子源，需要场致发射阴极能够提供较大的电流发射能力。然而对于现有的场致发射阴极，当阴极发射面积比较小时，可以获得很高的平均发射电流密度。但是，当阴极面积增大时，平均发射电流密度迅速减小，因此很难获得较大的场致发射电流，制约了场致发射阴极在电子器件中的应用。
限制场致发射阴极发射电流进一步提高的机制尚不完全被人们所认知，但是部分负载过重的发射体首先损毁已经被实验研究所证实。在制备场致发射体阵列过程中，由于制备工艺参数的精确控制程度有限，各个发射体的高度、取向性等几何参数不完全一样。例如，通常情况下，发射体的高度起伏大于10%。由于场发射结构中阴极与阳极之间距离较小，发射体的高度和取向性变化导致发射体表面的电场分布改变。根据经典的Folwer-Nordheim场致发射理论，场致发射电流密度近似与发射体表面电场强度呈指数关系。因此，发射体阵列中高度和取向性的零散使各个发射体的发射电流密度出现很大差异。场致发射阴极面积越大，其发射电流密度的不均匀性越大。当在阳极上施加一高电压时，部分发射体首先发射电子。由于此时大部分发射体尚未有电子发射，所以场发射阴极的总发射电流
仍然较低。随着阳极电压的升高，这些优先发射的发射体电流密度迅速增加，甚至出现过负载现象。过载的场致发射体在大电流作用下发生热释重、焦耳热熔等，导致迅速损毁。过载发射体的损毁还将使器件的真空环境急剧恶化，使其它未过载的发射体也随之损毁，导致整个场致发射阴极的失效。
针对场发射阴极存在的上述问题，本发明提出一种大电流场致发射阴极结构。采用本发明的大电流阴极结构，可以将场致发射阵列的发射不均匀性控制在10%以内，从而获得较大的发射电流。
发明内容
技术问题：本发明目的是提供一种大电流场致发射阴极结构。在场发射阴极结构中，场致发射体被设计成若个相互电学隔离的点阵。根据每个场发射阴极点的电流发射特性，再设计与场发射阴极点阵相匹配的电阻点阵。通过场致发射阴极点阵与电阻点阵，实现场致发射阵列的均匀发射，获得较大的场致发射电流。
技术方案：本发明的大电流场致发射阴极结构为：在基板上设有场发射阴极点阵列，该阴极发射点阵具有二维结构，共有m行、n列；与场致发射阴极点阵对应，在基板上的场发射阴极点阵列的下方制备贯穿通道，并在通道中填充导电材料，通过贯穿通道及导电材料实现场发射阴极点阵与外电阻阵列电性连接；根据每个场发射阴极点阵不同的电流发射特性，在每一个场发射阴极点阵下匹配不同的电阻，这些电阻构成外电阻阵列；场发射阴极点阵列通过外电阻阵列与外接电源负极相连接；外接电源的正极与阳极向连接，实现均匀场致发射，获得大发射电流。
基板为绝缘介质基板，各场发射阴极点阵相互之间为电学绝缘。
所述的外电阻阵列中，第i行、第j列所对应的匹配电阻R(i,j)的确定方法为：首先将场发射阴极点阵列中第i行、第j列的场发射阴极点与外接电源相连接，测试不同电压下阳极电流，获得每个场发射阴极点的电流-电压曲线，根据每个场发射阴极点的电流-电压曲线，得到在设定电流I时，第(i,j)个阴极发射点所要求的阳极电压V(i,j)；获得整个场发射阴极点阵所要求的最大阳极电压Vmax；第(i,j)个阴极发射点所匹配的电阻R(i,j)由公式                                                
Figure 952770DEST_PATH_IMAGE002
决定，并用同样的方法得到场发射阴极点阵列中，每一个阴极点所匹配的电阻。
所述的电阻阵列，如果场发射阴极点阵列的行列数小于3，选择分离的外加电阻与阴极点阵相连接；如果场发射阴极点阵列的行列数大于3，则附加电阻板，在附加电阻板上制备与场发射阴极点阵列对应的贯穿通道，在贯穿通道中填充具有相应电阻率的材料，形成匹配电阻阵列，通过掺杂方式调控每一个电阻R(i,j)的阻值，然后将匹配电阻阵列与场发射阴极点阵列电性连接。
有益效果：本发明将场发射阴极分为若干相互电学隔离的点阵。根据每个场发射阴极点的电流发射特性，再设计与场发射阴极点阵相匹配的电阻点阵。通过场致发射阴极点阵与电阻点阵，使场发射阴极阵列的发射不均匀性降低在10%以内，从而获得大场致发射电流。 
附图说明
图1 是本发明提出的场致发射阴极点阵结构。
图2是场致发射阴极点阵结构与电阻阵列相匹配。
图3是每个场致发射阴极点的发射特性测试。
图4是附加电阻板实现电阻点阵与发射体点阵的匹配。
其中有：基板1、场发射阴极点阵列2、通道3、外电阻阵列4、外接电源5、阳极6、附加电阻板7、匹配电阻阵列8。
具体实施方式
在制备场致发射体阵列过程中，由于制备工艺参数的精确控制程度有限，各个发射体的高度、取向性等几何参数不完全一样。例如，通常情况下，发射体的高度起伏大于10%。由于场发射结构中阴极与阳极之间距离较小，发射体的高度和取向性变化导致发射体表面的电场分布改变。根据经典的Folwer-Nordheim场致发射理论，场致发射电流密度近似与发射体表面电场强度呈指数关系。因此，发射体阵列中高度和取向性的零散使各个发射体的发射电流密度出现很大差异。场致发射阴极面积越大，其发射电流密度的不均匀性越大。当在阳极上施加一高电压时，部分发射体首先发射电子。由于此时大部分发射体尚未有电子发射，所以场发射阴极的总发射电流仍然较低。随着阳极电压的升高，这些优先发射的发射体电流密度迅速增加，甚至出现过负载现象。过载的场致发射体在大电流作用下发生热释重、焦耳热熔等，导致迅速损毁。过载发射体的损毁还将使器件的真空环境急剧恶化，使其它未过载的发射体也随之损毁，导致整个场致发射阴极的失效。
针对场致发射阴极的上述技术难点，本发明提出一种大电流场致发射阴极结构。在该场致发射阴极结构中，将场致发射阴极设计为若干相互电学隔离的点阵。由于每个场发射阴极点的面积较小，可以认为每个阴极点中场发射是均匀的，因此可以从每个阴极点获得很大的发射电流密度。但是，不同的阴极点之间由于制备工艺的限制存在几何形貌的差异，这些差异使得各个阴极点之间的电流密度出现很大的不同。
为了实现整个场发射阴极阵列的均匀发射，本发明提出与场发射阴极点阵相匹配的电阻点阵。根据每个阴极点的场致发射特性，采用权利要求3提出的计算方法，确定电阻点阵中每个匹配电阻值。通过场发射阴极点阵和电阻点阵，可以使场发射阴极阵列的发射不均匀性降低在10%以内，从而获得大场致发射电流。
本发明提出的一种大电流场致发射阴极结构为：在基板1上场发射阴极点阵列2，该阴极发射点阵具有二维结构，共有i行、j列；根据每个场发射阴极点阵不同的电流发射特性，在每一个场发射阴极点阵下匹配不同的电阻，这些电阻构成外电阻阵列4；场发射阴极点阵列2通过外电阻阵列4与外接电源5负极相连接；外接电源5的正极与阳极6向连接，实现均匀场致发射。
本发明提出的一种大电流场致发射阴极结构的实施方式为：
a). 在基板1上与场发射阴极点阵列2对应位置用曝光刻蚀等方法制备贯穿通道3，并在贯穿通道3内填充导电材料，构成电性引出结构。
b). 通过原位定向生长或者丝网印刷的方法在绝缘的阴极基板1上制备场发射阴极点阵列2，其位置与各贯穿通道相对应，每个场发射阴极点之间电学隔离。
(c). 如图3所示，分别测量每一个场致发射阴极点的电流－电压关系曲线。根据每个场发射阴极点的电流-电压曲线，得到在设定电流I时，第(i,j)个阴极发射点所要求的阳极电压V(i,j)；获得整个场发射阴极点阵所要求的最大阳极电压Vmax；第(i,j)个阴极发射点所匹配的电阻R(i,j)由公式
Figure 2011100239235100002DEST_PATH_IMAGE003
决定，并用同样的方法得到场发射阴极点阵列2中，每一个阴极点所匹配的电阻。
(d). 当场致发射阴极点阵行、列数较小（一般小于3），可选用分离的外加电阻实现场致发射阴极点阵与电阻阵列的匹配，如图2所示。
(e). 如果场致发射阴极点阵行列数较大，采用分离的外加电阻结构复杂，使用也很不方便。因此，本发明提出采用附加电阻板的方式实现电阻层匹配。在附加电阻板7上通过曝光、刻蚀的方法制备贯穿通道，在贯穿通道中填充具有一定电阻率的材料，形成匹配电阻阵列8，通过掺杂等方式调控每一个电阻R(i,j)的阻值，然后将匹配电阻阵列8与场发射阴极点阵列2电性连接，如图4所示。

Claims (4)

1.一种大电流场致发射阴极结构，其特征在于：在基板(1)上设有场发射阴极点阵列(2)，该阴极发射点阵具有二维结构，共有m行、n列；与场致发射阴极点阵对应，在基板(1)上的场发射阴极点阵列(2)的下方制备贯穿通道(3)，并在通道(3)中填充导电材料，通过贯穿通道(3)及导电材料实现场发射阴极点阵与外电阻阵列(4)电性连接；根据每个场发射阴极点阵不同的电流发射特性，在每一个场发射阴极点阵下匹配不同的电阻，这些电阻构成外电阻阵列(4)；场发射阴极点阵列(2)通过外电阻阵列(4)与外接电源(5)负极相连接；外接电源(5)的正极与阳极(6)向连接，实现均匀场致发射，获得大发射电流。
2.如权利要求1所述的大电流场致发射阴极结构，其特征是基板(1)为绝缘介质基板，各场发射阴极点阵相互之间为电学绝缘。
3.如权利要求1所述的大电流场致发射阴极结构，其特征是所述的外电阻阵列(4)中，第i行、第j列对应的匹配电阻R(i,j)的确定方法为：首先将场发射阴极点阵列(2)中第i行、第j列的场发射阴极点与外接电源相连接，测试不同电压下阳极电流，获得每个场发射阴极点的电流-电压曲线，根据每个场发射阴极点的电流-电压曲线，得到在设定电流I时，第(i,j)个阴极发射点所要求的阳极电压V(i,j)；获得整个场发射阴极点阵所要求的最大阳极电压Vmax；第(i,j)个阴极发射点所匹配的电阻R(i,j)由公式                                                
Figure 2011100239235100001DEST_PATH_IMAGE001
决定，并用同样的方法得到场发射阴极点阵列(2)中，每一个阴极点所匹配的电阻。
4.如权利要求1或3所述的大电流场致发射阴极结构，其特征是所述的电阻阵列(4)，如果场发射阴极点阵列(2)的行列数小于3，选择分离的外加电阻与阴极点阵相连接；如果场发射阴极点阵列(2)的行列数大于3，则附加电阻板(7)，在附加电阻板(7)上制备与场发射阴极点阵列(2)对应的贯穿通道，在贯穿通道中填充具有相应电阻率的材料，形成匹配电阻阵列(8)，通过掺杂方式调控每一个电阻R(i,j)的阻值，然后将匹配电阻阵列(8)与场发射阴极点阵列(2)电性连接。
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