CN104078293B - 一种场发射电子源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种场发射电子源，包括阴极、栅极、绝缘层和与阴极相对设置的阳极，其中，所述阴极包括阴极基底和刻蚀在所述阴极基底的阴极发射体阵列，所述栅极通过绝缘层的间隔设于所述阴极基底的上表面，及所述阴极发射体任意一个阴极发射体的侧面。本发明还提供了一种场发射电子源的制备方法，包括：在所述阴极基底表面刻蚀得到所述阴极发射体阵列；在图案化后的阴极表面沉积所述绝缘层；于所述绝缘层表面沉积所述栅极；在围绕所述阴极发射体的栅极表面和绝缘层上进行刻蚀，暴露出所述阴极发射体，获得所述场发射电子源。本发明提供的场发射电子源能够提高栅电子发射率，延长场发射电子源使用寿命，制备工艺简单，适用于真空电子器件的冷阴极。

Description

一种场发射电子源及其制备方法

技术领域

本发明涉及场发射技术领域，尤其涉及一种场发射电子源及其制备方法。

背景技术

X射线真空管作为发射X射线的器件被广泛地应用于医疗、安全和工业领域，例如X射线成像技术。传统X射线产生机制是通过加热真空管内阴极金属丝发射高能热电子轰击阳极靶，产生X射线。与传统热电子发射相比，场发射电子源无须加热，只需施加一定的电场即可产生较高的发射电子流密度，因此场发射技术以其快速的开关特性而逐渐成为一种重要的电子发射方法。

现有技术中，场发射电子源主要采用Spindt-type式的场发射结构和背栅极场发射结构。如图1所示，所述Spindt-type式的场发射电子源为三级结构，包括阴极1、阳极2和栅极3，所述栅极3位于所述阴极1和所述阳极2中间，栅极3产生强电场从阴极基底4拉出电子，通过阴极发射体5的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压6聚焦作用下发射电子7轰击阳极2的产生X射线，栅极3通常采用金属网结构，在电子发射过程中截获发射电子7较多，通常有不少于20％的发射电子7在运动过程中撞击到栅极3，导致阴极1的发射电子7利用率较低，同时发射电子7对栅极3的溅射导致栅极3发热而产生形变，蒸发造成栅极3的损害。为了解决此问题，研究人员提出采用背栅极式场发射电子源结构(Diamond and RelatedMaterials，2001，10，1705)，如图2所示为背栅极式场发射电子源结构的示意图，栅极3位于阴极基底4底部，中间由绝缘层8分隔阴极1和栅极3以防短路。电子发射时，所述背栅极式场发射电子源可以避免像Spindt-type结构中发射电子7与栅极3发生碰撞，但是当背栅极在工作时加正偏压，阴极上逸出的电子向栅极3附近集中，在阳极电压的驱动下，只能从栅极的侧面发射电子，由于侧面积较小的局限性，所以只有很少的电子能发射，导致发射效率较低进而影响成像质量。

现有技术中，常见的场发射阴极材料(例如碳纳米管材料或半导体材料)易与基底接触形成异质结结构，从电子输运的过程来分析，电子从基底电极注入到一维结构的碳纳米管或半导体纳米线必须穿越一个界面势垒，其相关的电子通过界面的输运过程对应一个高阻态。(Carbon，2006，44，418和J.Appl.Phys.2009，106)指明该界面电阻可能限制场发射特性的提升，在高场下产生场发射电流饱和及F-N直线弯曲的现象，导致发射效率较低，进而影响成像质量。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种场发射电子源，用以防止电子在发射过程中不会碰撞栅极，同时降低电子发射的界面势垒，提高电子的发射率和栅极的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种场发射电子源，包括阴极、与阴极相对设置的阳极，栅极和绝缘层，其中，所述阴极包括阴极基底和刻蚀在所述阴极基底上的阴极发射体阵列；所述栅极通过绝缘层的间隔设于所述阴极基底的上表面，及所述阴极发射体阵列中任意一个阴极发射体的侧面。

进一步地，所述阴极为金属、金属合金或半导体材料。

进一步地，所述阴极基底的高度为1～2mm，所述阴极发射体阵列的高度为0.5μm～100μm。

进一步地，所述栅极为金属、金属合金、半导体材料或碳纳米管材料，所述栅极的高度为100nm～1000nm，围绕所述阴极发射体侧面的栅极高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10。

进一步地，所述绝缘层为介电材料，所述绝缘层的高度为20nm～100nm，围绕所述阴极发射体阵列中任意一发射体的绝缘层高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10，所述栅极的高度等于所述绝缘层高度。

进一步地，所述阴极发射体阵列中任意一个发射体和所述绝缘层之间设有空隙。

进一步地，所述空隙的间距为所述阴极发射体高度的0～1/2。

进一步地，所述栅极的电压范围为1kV～5kV。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种场发射电子源的制备方法，包括如下步骤：

在所述阴极基底表面刻蚀得到所述阴极发射体阵列；

在图案化后的阴极表面沉积所述绝缘层；

于所述绝缘层表面沉积所述栅极；

在围绕所述阴极发射体的栅极表面和绝缘层上进行刻蚀，暴露出所述阴极

发射体，获得所述场发射电子源。

进一步地，所述沉积方法为原子层沉积法或化学气相沉积法。

进一步地，所述围绕阴极发射体侧面栅极和绝缘层上进行刻蚀后，所述围绕阴极发射体侧面的栅极的高度和绝缘层的高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10，暴露出所述阴极发射体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用一种场发射阴极电子源，栅极处于电子发射源的侧面，电子在发射过程中不会碰撞栅极，提高了发射电子利用率，同时栅极也不会因此发生溅射，高温熔化，蒸发等不良结果，延长了电子源使用寿命；(2)阴极发射体阵列在基底材料的基础上刻蚀而成，克服了异质结构产生的界面势垒；(3)本发明制备工艺简单，阵列的长径比和间距可控，防止发生电场屏蔽效应。

附图说明

图1所示为现有技术中Spindt-type式场发射电子源结构示意图；

图2所示为现有技术中背栅极式场发射电子源的结构示意图；

图3所示为本发明中场发射电子源的结构示意图；

图4所示为本发明中单根场发射电子源的结构示意图；

图5所示为本发明中单根场发射电子源的剖面结构示意图；

图6所示为本发明中具有空隙结构的场发射电子源结构示意图；

图7所示为本发明中具有空隙结构的单根场发射电子源的结构示意图；

图8所示为本发明中具有空隙结构的单根场发射电子源的剖面结构示意图；

图9所示为本发明中场发射电子源的制备流程示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明场发射电子源及其制备方法进行详细描述。

本发明为解决上述技术问题提供了一种场发射电子源。图3为本发明中场发射电子源的结构示意图。请参见图3，一种场发射电子源为三级结构包括阴极1、阳极2和栅极3，阴极1包括阴极基底4和阴极发射体5，所述阴极1和所述阳极2相对设置，所述阴极基底4上设有刻蚀于所述阴极基底4表面的阴极发射体5阵列，避免所述阴极基底4和所述阴极发射体5形成异质结结构，降低或消除电子从所述阴极基底4传导至所述阴极发射体5时的接触势垒，有助于克服在高场条件下界面的高阻态所产生的电流饱和现象和F-N弯曲现象；所述阴极1表面覆有一层绝缘层8，用以隔离所述阴极1和所述栅极3，以防短路；所述栅极3通过绝缘层8的间隔设于所述阴极基底的上表面和所述阴极发射体阵列任意一个阴极发射体5的侧面，形成场发射电子源。所述阴极1可以为具有优良导电性的金属，金属合金或半导体材料，例如碳纳米管、重掺杂硅等，本发明对此不作具体限定，所述阴极1的高度为1～2mm，所述阴极发射体5阵列的高度为0.5～100μm；所述阴极基底4的高度为1～2mm，对整个场发射电子源起支撑作用；所述阴极发射体5阵列的高度为0.5～100μm；所述栅极3材料可以为具有优良导电性的金属、金属合金或半导体材料，例如金属钨、碳纳米管等，本发明对此不作具体限定；所述栅极3的高度为100nm～1μm，围绕所述阴极发射体5侧面的栅极高度为所述阴极发射体5阵列高度的3/10～7/10。所述绝缘层8可以为SiO₂、Al₂O₃、HfO₂、Si₃N₄、Ti₃N₄、TaN等高介电常数材料或其复合材料，本发明对此不作具体限定；所述绝缘层8的高度为20～100nm，围绕所述阴极发射体侧面的栅极3的高度等于所述绝缘层8的高度。

所述场发射电子源工作时，所述阴极1接地，在所述栅极3上施加1kV～5kV的栅极电压，在所述阴极1表面形成高电场，将电子束从所述阴极基底4逸出后，逸出电子束传输至所述阴极发射体5，在聚焦电极6的聚焦作用下形成聚焦电子束7，所述阳极2施加15kV～100kV的阳极电压加速所述聚焦电子束7，并轰击阳极2，产生所需要的射线。

图4为本发明中单根场发射电子源的结构示意图，图5为本发明单根场发射电子源的剖面结构示意图。请参见图4和图5，所述单根场发射电子源为圆柱体，也可以为其它结构，本发明对此不作具体限定；所述栅极3覆于所述绝缘层8表面，所述绝缘层8覆于所述阴极1表面，所述栅极3和所述绝缘层8与所述阴极1具有相同的图案化结构。所述阴极发射体5部分突出，增大电子7的发射面积，提高场发射效率；所述围绕阴极发射体5侧面的栅极3的高度等于绝缘层8的高度，为所述阴极发射体5阵列高度的3/10～7/10。

图6为具有空隙结构的场发射电子源结构示意图。请参见图6，与图3不同之处在于，所述阴极发射体5与所述绝缘层8之间设有空隙9，使得阴极发射体5暴露出更大的阴极发射区域，增加阴极1的发射面积，提高场发射效率；所述空隙9的间距为所述阴极发射体5的高度的0～1/2。

图7为具有空隙结构的单根场发射电子源的结构示意图，图8为具有空隙结构的单根场发射电子源的剖面结构示意图。请参见图7和图8，所述栅极3覆于所述绝缘层8表面，栅极3和绝缘层8围绕所述阴极发射体5的侧面，所述阴极发射体5部分突出，围绕所述阴极发射体侧面的栅极3的高度等于绝缘层8的高度，为所述阴极发射体5阵列高度的3/10～7/10。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种场发射电子源的制备方法，图9为本发明中场发射电子源的制备流程示意图。请参见图9，一种场发射电子源的制备方法，包括如下步骤：

执行步骤S10：对预处理的阴极基底4进行刻蚀，获得具有阴极发射体5阵列的阴极1，所述预处理的方法为：分别用去离子水和丙酮对阴极基底4超声洗涤1～3次后室温干燥即可。所述刻蚀方法可以为光刻蚀、物理刻蚀或化学刻蚀，为获得纳米或微米级的阵列结构，本发明优选化学刻蚀。

执行步骤S20：在所述具有阵列结构的阴极1表面沉积绝缘层8，用于分隔所述阴极1和所述栅极3，防止发生短路而造成电子源的损害。所述沉积方法可以为原子层沉积方法(Atomic Layer Deposition，ALD)或化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)，本发明优选化学气相沉积方法

执行步骤S30：继续在所述绝缘层8的表面沉积栅极3材料，所述栅极3覆于所述绝缘层8表面，并且所述栅极3和所述绝缘层8围绕所述阴极发射体5阵列中任意一个发射体8的侧面，形成具有阵列结构的场发射电子源。

执行步骤S40：对围绕所述阴极发射体5侧面的栅极3表面和绝缘层8表面进行二次刻蚀，刻蚀方法可以采用光刻蚀、化学刻蚀、离子刻蚀或物理刻蚀方法，本发明对此不作具体限定，本发明优选光刻蚀方法；刻蚀后，露出部分阴极发射体5，所述围绕阴极发射体侧面的栅极3的高度和绝缘层8的高度为所述阴极发射体5的3/10～7/10，增大发射面积，利于提高电子发射率。

实施例1：

a)取重掺杂n-Si片为阴极基底，分别用去离子水及丙酮超声洗涤1-3次，将所得硅片室温干燥，待用。

b)硅片表面旋涂光刻胶，覆盖上掩模版，经紫外光一次曝光后洗去光刻胶，得到表面图案化沟道；使用氟化氢(HF)刻蚀Si片，然后在惰性气氛保护下高温去除残余的光刻胶，获得具有阵列结构的阴极Si片，所述阴极基底的高度为1mm，所述阴极发射体阵列的高度为100μm。

c)使用化学气相沉积方法在具有阵列结构的阴极Si片沉积SiO₂绝缘层，所述SiO₂绝缘层的高度为80nm，继续使用CVD方法在绝缘层SiO₂表面上沉积金属钨作为栅极，所述栅极层高度为200nm。

d)将所得纳米阵列刻蚀，得到阴极电子源，所述围绕阴极发射体侧面的栅极高度为50μm，所述围绕阴极发射体侧面的绝缘层高度为50μm，获得具有纳米阵列结构的场发射阴极电子源阵列。

实施例2：

a)取一重掺杂n-Si片，分别用去离子水及丙酮，超声洗涤1～3次，将所得硅片室温干燥，待用。

b)硅片表面旋涂光刻胶，覆盖上正方形空隙的掩模版，紫外光一次曝光后洗去光刻胶，得到表面图案化沟道；使用HF刻蚀Si片，然后在惰性气氛保护下高温去除残余的光刻胶，得到刻蚀后的Si片，所述阴极基底的高度为2mm，所述阴极发射体阵列高度为20μm。

c)将刻蚀后的Si片再次进行旋涂光刻胶，将光刻模板和硅片基底在定位工作台上对准，进行二次紫外线曝光后洗去光刻胶，

d)使用ALD方法在金属纳米阵列表面沉积SiO₂绝缘层，高度为50nm。继续使用ALD方法在SiO₂表面上沉积金属钨，所述钨栅极层高度为800nm。

e)洗去剩余的光刻胶，所述围绕阴极发射体侧面的栅极高度为10μm，所述围绕阴极发射体侧面的绝缘层高度为10μm，获得具有纳米线阵列结构的场发射阴极电子源阵列。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种场发射电子源，包括阴极、与阴极相对设置的阳极，栅极和绝缘层，其特征在于，所述阴极包括阴极基底和刻蚀在所述阴极基底上的阴极发射体阵列；所述栅极通过绝缘层的间隔设于所述阴极基底的上表面和所述阴极发射体阵列中任意一个阴极发射体的侧面,围绕所述阴极发射体侧面的栅极的高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10。

2.如权利要求1所述的一种场发射电子源，其特征在于，所述阴极为金属、金属合金或半导体材料。

3.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述阴极基底的高度为1～2mm，所述阴极发射体阵列的高度为0.5μm～100μm。

4.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述栅极为金属、金属合金、半导体材料或碳纳米管材料，所述栅极的高度为100nm～1000nm。

5.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述绝缘层为介电材料，所述绝缘层的高度为20nm～100nm，围绕所述阴极发射体阵列中任意一发射体的绝缘层的高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10，所述栅极的高度等于所述绝缘层的高度。

6.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述阴极发射体阵列中任意一个阴极发射体和所述绝缘层之间设有空隙。

7.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于，所述空隙的间距不超过所述阴极发射体高度的0～1/2。

8.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述栅极的电压范围为1kV～5kV。

9.一种实现如权利要求1所述的场发射电子源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在所述阴极基底表面刻蚀得到所述阴极发射体阵列；

在图案化后的阴极表面沉积所述绝缘层；

于所述绝缘层表面沉积所述栅极；

在围绕所述阴极发射体的栅极表面和绝缘层上进行刻蚀，暴露出所述阴极发射体，获得所述场发射电子源。

10.如权利要求9所述的场发射电子源的制备方法，其特征在于，所述沉积方法为原子层沉积法或化学气相沉积法。

11.如权利要求9所述的场发射电子源的制备方法，其特征在于，在所述围绕阴极发射体侧面栅极和绝缘层上进行刻蚀后，所述围绕阴极发射体侧面的栅极的高度和绝缘层的高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10，暴露出所述阴极发射体。