CN103021759B - 一种恒流发射的场致发射电子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流发射的场致发射电子源，包括基本发射单元，若干个该基本发射单元组成各种所需阵列，所述基本发射单元由一个场致发射体和一个恒流二级管串联组成或者由若干个场致发射体并联后再与一个恒流二级管串联组成。本发明在传统的场致发射电子源中引入恒流二极管，使得这种新型电子源的发射电流范围限定在安全范围内或者工作在恒定电流值上，以提高场致发射的均匀性和稳定性；同时恒定电流值可以通过工艺参数进行控制以满足不同的应用需求。

Description

一种恒流发射的场致发射电子源

技术领域

本发明涉及真空电子器件技术领域，具体涉及一种恒流发射的场致发射电子源。

背景技术

真空电子器件现在正呈快速发展趋势，市场需求的日益增大，特别是微型化真空电子器件和集成真空电子器件是目前发展的重点方向。场发射电子源在低温或者室温下工作，与电真空器件中的热电子源相比既有能耗低、响应速度快、亮度高、电子束品好等优点，可以大幅度提高真空电子器件的性能。场致发射阴极，是利用电子隧穿效应，在导体表面施加强电场，使其表面势垒降低并减薄，从而导致电子发射的阴极。阴极场发射材料是场致发射中最关键的材料，其性能决定了阴极的场发射性能。

由于场致发射电子源制备工艺限制或者材料本身的缺陷，场致发射阵列中每个场发射单元存在差异，例如Spindt场致发射阵列中尖锥高度不一致、尖端曲率半径不一致、发射单元晶格缺陷不一致、阴极发射材料形状差异等；再如碳纳米管长度不一致、笔直度不一致、晶格缺陷不一致、碳纳米管径不一致等；以及场发射体与衬底附着性能差异等，致使在施加同等电场强度下，场发射阵列单元之间的发射特性将会有差异。对于大面积的场致发射电子源，在相同的场强下，有的发射单元已经发射较高电流，而有些单元发射电流非常低甚至还没有电流发射，整个发射面会出现发射不均匀。由场致发射的I-V特性(如图1中FE曲线)可知，在阈值电压后，施加的电场强度微小的增加将导致场发射单元的发射电流巨大增加。为了获得较大的总发射电流，希望所有发射单元都能发射出较大电流，故要求外加电压较高以获得足够的场强。而强电场将会导致有些场致发射单元电流发射异常大。当电子源发射电流过大时，将使场致发射单元本身损坏，或者使得场致发射单元与衬底接口处产生大量焦耳热，如果积累的热量得不到及时的扩散，将会严重影响电子源发射特性和稳定性，甚至烧毁接口处，导致局部场发射单元完全失效，严重者诱发打火、击穿等现象，使电子源甚至整个器件彻底损坏。

综上所述，目前场致发射存在局部场发射单元电流过大易烧毁、发射稳定性差、发射均匀性差等缺点。

恒流二极管是一种半导体恒流器件，能在很宽的电压范围内输出恒定的电流，并有很高的动态阻抗；由于其温度特性好、结构简单和使用方便等特点，目前被广泛用于恒流源、稳压源、放大器以及电子仪器的保护电路中。因此，将恒流二极管良好的恒定电流特性应用到场致发射电子源中，将可克服局部场发射单元电流过大烧毁、发射稳定性差等缺点，同时在整个发射面上可以获得均匀的发射电流。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是：现有的场致发射电子源中在相同场强下不同场发射单元发射电流存在差异和承受极限发射电流差异的不足，特别是克服在较高工作电压下，局部场致发射单元发射电流过大或者超过极限发射电流而烧毁的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种恒流发射的场致发射电子源，其特征在于，包括基本发射单元，若干个该基本发射单元组成各种所需阵列，所述基本发射单元由一个场致发射体和一个恒流二级管串联组成或者由若干个场致发射体并联后再与一个恒流二级管串联组组成。

由一个场致发射体和一个恒流二级管串联组成的发射单元，其最大发射电流为恒流二极管的最大恒流值；由若干个场致发射体并联后再与一个恒流二级管串联组成的发射单元，其发射电流为若干个场致发射体的发射电流之和，并且最大发射总电流受到串联的恒流二级管控制。

作为本发明进一步地说明，所述发射单元为二极管型结构(如图2所示)或三级管型结构(如图3所示)，二极管型结构的发射单元包括导电基底、恒流二极管、场致发射体，所述场致发射体的底端与所述恒流二极管的阳极相连，恒流二极管和场致发射体构成一个整体结构作为一个场发射单元；三级管型结构的发射单元包括导电基底、恒流二极管、场致发射体、绝缘层和栅极，所述场致发射体的底端与所述恒流二极管的阳极相连，恒流二极管、场致发射体、绝缘层和栅极构成一个整体结构作为一个场发射单元。

作为本发明进一步的说明，所述恒流二极管采用源栅短路结型场效应晶体管。

所述源栅短路结型场效应晶体管包括n沟道结型场效应晶体管、p沟道结型场效应晶体管。

所述场致发射体由金属材料或碳纳米管材料或石墨烯材料或半导体材料或金刚石材料或类金刚石材料或导电聚合物材料制备而成；金属材料最优为钨W、钼Mo、钽Ta，半导体材料最优为砷化镓GaAs、氮化镓GaN、碳化硅SiC，导电聚合物材料最优为导电聚苯胺、聚合物-聚辛烷基取代聚吩薄膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、利用恒流二极管恒流特性，使得本发明的场致发射电子源的各个发射单元的最大发射电流限定在恒定电流值上，使发射单元不会因外加电压的提高而导致发射电流过大损坏、烧毁等问题，大面积的场致发射均匀性得到大大改善。特别地，场致发射电子源工作在安全区域，因而电子源的稳定性和寿命大大提高；

二、恒流二极管的恒电流值可以通过结型场效应管的参数来设定，如沟道长度、宽度、掺杂浓度等，以满足不同的应用需求。

附图说明

图1为电流-电压特性曲线示意图，其中CRD为恒流二极管的I-V特性曲线，FE为场致发射的I-V特性曲线。

图2为具有恒流二极管的场致发射电子源的I-V特性曲线。

图3为具有恒流二极管的二极管型场致发射单元示意图，其中13为导电基底、14为恒流二极管、15为恒流二极管阳极、16为场致发射体。

图4为具有恒流二极管的三极管型场致发射单元示意图，其中13为导电基底、14为恒流二极管、15为恒流二极管阳极、16为场致发射体、17为绝缘体、18为栅极。

图5为具有源栅短路n沟道结型场效应管和碳纳米管阵列的二极管型场发射电子源结构示意图，为典型的多个场致发射单元共用1个恒流二极管的电子源结构；由1-8构成源栅短路n沟道结型场效应管，碳纳米管的一端与场效应管的漏极相连；为前述中的多个场致发射单元共同受控于1个恒流二极管结构。

图6为具有源栅短路n沟道结型场效应管和Spindt型的二极管型场发射电子源结构示意图，为典型的1个场致发射单元连接1个恒流二极管的电子源结构。由1-8构成源栅短路n沟道结型场效应管，发射尖锥的底端与场效应管的漏极相连。为前述中的1个场致发射单元受控于1个恒流二极管结构。

图7为具有源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为单根碳纳米管或者单个碳纳米管束的二极管型场发射电子源结构图；由1-8构成源栅短路n沟道结型场效应管，碳纳米管的一端与场效应管的漏极相连；为前述中的1个碳纳米管场致发射单元受控于1个恒流二极管结构。

图8为具有漏极延伸到绝缘层上的源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为碳纳米管阵列的二极管型场发射电子源结构图；由1~8构成源栅短路n沟道结型场效应管，碳纳米管阵列的一端与延伸到绝缘层上面的场效应管漏极相连；为前述中的多个场致发射单元共同受控于1个恒流二极管结构。

图9为具有源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为碳纳米管阵列的三极管场发射电子源结构示意图；由1~8构成源栅短路n沟道结型场效应管，碳纳米管的一端与场效应管漏极；为前述中的多个场致发射单元共同受控于1个恒流二极管结构。

图10为具有源栅短路n沟道结型场效应管和Spindt型场发射单元的三极管型场发射电子源结构示意图，由1~8构成源栅短路n沟道结型场效应管，发射尖锥的底端与场效应管的漏极相连；为前述中的1个场致发射单元受控于1个恒流二极管结构。

附图标记为：1为导电基底、2为p型硅衬底、3为n型外延层、4为n+源极、5为导线，连接源极、栅极使得源栅短路、6为p+栅极、7为氧化层、8为n+漏极、9为碳纳米管阵列、10为发射尖锥、11为单个碳纳米管或者碳纳米管微束、12为栅极、13为导电基底、14为恒流二极管、15为恒流二极管阳极、16为场致发射体、17为绝缘体、18为栅极。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明的设计思路是，在传统的场致发射电子源中引入恒流二极管，使得这种新型电子源的发射电流范围限定在安全范围内或者工作在恒定电流值上，以提高场致发射的均匀性和稳定性；同时恒定电流值可以通过工艺参数进行控制以满足不同的应用需求。下面结合图1对此发明方案加以说明。图1分别为恒流二级管和场致发射体的I-V特性曲线，其中CRD为恒流二极管(CurrentRegulativeDiode，CRD)和场致发射(FieldEmission，FE)的I-V特性曲线图，图2为本发明的场致发射电子源I-V特性曲线图。根据图1中场致发射体的I-V特性曲线，在外加电压超过场致发射体的阈值电压VB后，电流随着外加电压增加而急剧增大。根据图1中CRD的I-V特性曲线，当发射电流＜Is时，发射电流随外加电压的增加上升；当发射电流达到Is后，发射电流不再随外加电压的增加而增加，此时的电流为恒定电流值，直到恒流二极管击穿为止。

结合图1中CRD和FE的电流-电压特性曲线可以发现，含有恒流二极管的场致发射电子源将具有图2中I-V特性。当发射电流在0~Is区间时，场致发射体的发射电流小于恒流二极管的恒定电流值，因此场致发射的I-V特性曲线基本上不受到恒流二极管的限流特性影响；当外加电压增加到时场致发射体的发射电流超过Is时，由于恒流二极管的恒流限定特性，场致发射体的发射电流将维持在恒流二极管的恒定电流值。

实施例一、具有源栅短路n沟道结型场效应管和碳纳米管阵列的二极管型场发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻,在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口,通过浓磷扩散形成n+区，最后制作欧姆接触电极。

碳纳米管阵列场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得栅源短路，并在漏极上面生长单根碳纳米管多根碳纳米管如图5所示。

实施例二、具有源栅短路n沟道结型场效应管和Spindt型的二极管型场发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻，在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口，通过浓磷扩散形成n+区，最后制作欧姆接触电极。

尖锥场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得源栅短路，并在漏极上面生长发射尖锥如图6所示，发射尖锥可以为金属、半导体、金刚石等。

实施例三、具有源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为单根碳纳米管或者单个碳纳米管束的二极管型发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻，在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口，通过浓磷扩散形成n+区，最后制作欧姆接触电极。

碳纳米管阵列场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得栅源短路，并在漏极上面生长单根碳纳米管，如图7所示。

实施例四、具有漏极延伸到绝缘层上的源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为碳纳米管阵列的二极管型场发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻，在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口，通过浓磷扩散形成n+区，最后制作欧姆接触电极。

碳纳米管阵列场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得栅源短路，将n沟道结型场效应管的漏极延伸到绝缘层上面，从而可以在漏极上生长更大面积的碳纳米管阵列，如图8所示。

实施例五、具有源栅短路n沟道结型场效应管和场发射单元为碳纳米管阵列的三极管场发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻,在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口,通过浓磷扩散形成n+区，最后制作欧姆接触电极。

碳纳米管阵列场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得源栅短路，并在漏极上面生长碳纳米管，并在绝缘层制备一层栅极薄膜，如图9所示。

实施例六、具有源栅短路n沟道结型场效应管和Spindt型场发射单元的三极管型场发射电子源

n沟道结型场效应管制备包括以下步骤：①在p型硅衬底材料上外延生长n型薄膜外延层；②硼扩散在外延层上制作顶栅，底栅结是由n型外延层和p型衬底构成；③为了减小串联电阻,在顶栅扩散后光刻源、漏接触窗口,通过浓磷扩散形成n+区,最后制作欧姆接触电极。

尖锥场致发射电子源：在n沟道结型场效应管上的源极栅极镀上一层导电层，使得源栅短路，并在漏极上面生长发射尖锥，并在绝缘层上面制备一层栅极薄膜，发射尖锥可以为金属、半导体、金刚石等，如图10所示。

本发明实施例中的恒流二极管采用的都是n型源栅短路结型场效应管，p型源栅短路结型场效应管的恒流二极管依然属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种恒流发射的场致发射电子源，其特征在于，包括基本发射单元，若干个该基本发射单元组成各种所需阵列，所述基本发射单元由一个场致发射体和一个恒流二极管串联组成或者由若干个场致发射体并联后再与一个恒流二极管串联组组成；

由一个场致发射体和一个恒流二极管串联组成的基本发射单元，其最大发射电流为恒流二极管的最大恒流值；由若干个场致发射体并联后再与一个恒流二极管串联组成的发射单元，其发射电流为若干个场致发射体的发射电流之和，并且最大发射总电流受到串联的恒流二极管恒流值控制；

所述基本发射单元为二极管型结构或三极管型结构，二极管型结构的发射单元包括导电基底、恒流二极管、场致发射体，所述场致发射体的底端与所述恒流二极管的阳极相连；三极管型结构的发射单元包括导电基底、恒流二极管、场致发射体、绝缘层和栅极，所述场致发射体的底端与所述恒流二极管的阳极相连；

所述恒流二极管采用源栅短路结型场效应晶体管。

2.根据权利要求1所述的恒流发射的场致发射电子源，其特征在于，所述源栅短路结型场效应晶体管包括n沟道结型场效应晶体管、p沟道结型场效应晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的恒流发射的场致发射电子源，其特征在于，所述场致发射体由金属材料或碳纳米管材料或石墨烯材料或半导体材料或金刚石材料或类金刚石材料或导电聚合物材料制备而成；金属材料为钨W、钼Mo、钽Ta，半导体材料为砷化镓GaAs、氮化镓GaN、碳化硅SiC，导电聚合物材料为导电聚苯胺、聚合物-聚辛烷基取代聚吩薄膜。