CN104658831B - 小型化、集成化的硅基场发射‑接收器件 - Google Patents

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Abstract

一种小型化、集成化的硅基场发射‑接收器件，包括：一n型硅衬底；一纳米尖端结构，其制作于n型硅衬底上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底的材料相同；一二氧化硅绝缘层，其制作于n型硅衬底上，其中间有一电子发射‑接收窗口，该电子发射‑接收窗口围绕在纳米尖端结构的周围；一n型掺杂硅片，其制作在二氧化硅绝缘层上，且覆盖二氧化硅绝缘层上的电子发射‑接收窗口；一高压源，其正极与n型掺杂硅片连接；一电流表，其正极与高压源连接，负极与n型硅衬底连接。本发明有利于提高大规模研制真空微纳器件过程中的性能和成品率。

Description

小型化、集成化的硅基场发射-接收器件
技术领域
本发明涉及真空电子器件领域，特别是一种小型化、集成化的硅基场发射-接收装置。
背景技术
在真空电子领域的场发射器件的测试过程中，通常采用金属薄片或镀有金属薄膜的绝缘基片，如玻璃、蓝宝石等作为接收电子的阳极，阳极和阴极不属于同一材料体系，在器件工艺和器件封装方面存在差异。尤其是当真空电子领域向小型化、集成化发展的过程中，需要在微纳尺度上对场发射器件进行测试和封装，金属阳极不便于通过研磨和离子轰击的方式减薄，因此不容易实现多个器件的小型化和集成化。这种阳极和阴极的材料差异和工艺不兼容性会严重影响单个器件的性能和大规模器件研制的一致性和成品率。
除了阳极和阴极分属不同材料体系带来的不利影响之外，场发射器件测试过程的另一个复杂的步骤是阳极和阴极之间需要一绝缘介质。当场发射器件的尺寸较大时，该绝缘介质可以将陶瓷、玻璃、蓝宝石等绝缘材料直接夹持在阳极和阴极之间，实现绝缘功能；但是当真空器件向小型化、集成化发展之后，就必须通过在阴极表面制作绝缘介质薄膜的方式来实现绝缘功能。该绝缘介质薄膜可以采用二氧化硅或氮化硅，一般是在阴极表面采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法生长一层二氧化硅薄膜，然后通过光刻和腐蚀的方法露出发射窗口。这种制作绝缘介质薄膜的方法工艺过程相对复杂，且该工艺过程会对阴极发射性能造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种小型化、集成化的硅基场发射接收器件，其可降低工艺的复杂度，有利于提高大规模研制真空微纳器件过程中的性能和成品率。
本发明提供一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，包括：
一n型硅衬底；
一纳米尖端结构，其制作于n型硅衬底上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底的材料相同；
一二氧化硅绝缘层，其制作于n型硅衬底上，其中间有一电子发射-接收窗口，该电子发射-接收窗口围绕在纳米尖端结构的周围；
一n型掺杂硅片，其制作在二氧化硅绝缘层上，且覆盖二氧化硅绝缘层上的电子发射-接收窗口；
一高压源，其正极与n型掺杂硅片连接；
一电流表，其正极与高压源连接，负极与n型硅衬底连接。
本发明的关键之处在于同时采用n型高浓度掺杂的硅材料作为场发射阴极和接收电子的阳极。其中，在场发射阴极，即冷阴极结构部分，通过生长纳米线或刻蚀出纳米锥尖阵列增大场增强因子以提高电子发射性能；在阳极部分，利用高浓度n型掺杂硅材料良好的导电性能作为接收电子和传导电流的介质；阴极和阳极之间采用二氧化硅作为绝缘层。
由于上述技术的运用，与现有器件结构相比，本发明的有益效果包括：
(1)同时采用硅基材料分别作为场发射器件的阴极和阳极之后，两者均属于半导体工艺中最为成熟的硅材料体系，降低了工艺的复杂度，有利于提高大规模研制真空微纳器件过程中的性能和成品率；
(2)在本发明中提出的硅基场发射一接收器件结构中，接收电子的阳极采用具有二氧化硅绝缘层的n型高浓度掺杂硅基片，通过光刻和刻蚀的方法露出n型掺杂硅材料部分作为发射窗口，未被刻蚀的SiO2作为绝缘层，可以避免对在阴极表面制作绝缘层的过程中对电子发射性能的不利影响；
(3)本发明中采用阳极表面的二氧化硅作为绝缘介质，避免了采用陶瓷、玻璃、蓝宝石等绝缘材料时器件夹持和固定的难度，降低了器件尺寸，有利于实现真空电子器件的小型化和集成化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件的结构示意图。
图2是发射电子的阴极部分和接收电子的阳极部分在键合之前的工艺示意图。
图3是电子发射及电子接收的窗口示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，包括：
一n型硅衬底10，所述n型硅衬底10的材料为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该n型硅衬底10的厚度为100-1000μm；
一纳米尖端结构11，其制作于n型硅衬底10上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底10的材料相同，所述纳米尖端结构11是在n型硅衬底10上生长的单根硅纳米线或硅纳米线阵列，或者是通过光刻工艺刻蚀获得的单个硅尖锥或硅尖锥阵列；
一二氧化硅绝缘层12，其制作于n型硅衬底10上，其中间有一电子发射-接收窗口13，该电子发射-接收窗口13围绕在纳米尖端结构11的周围，所述二氧化硅绝缘层12的厚度为1-10μm；所述二氧化硅绝缘层12是在n型硅衬底10的表面或n型掺杂硅片14的表面分别通过热氧化的方法获得，或在上述两者表面同时热氧化获得；所述电子发射-接收窗口13是在n型掺杂硅片14的表面通过光刻和刻蚀的方法得到，刻蚀深度大于阳极表面的二氧化硅绝缘层12的厚度，刻蚀至露出n型掺杂硅片14为止；
一n型掺杂硅片14，其制作在二氧化硅绝缘层12上，且覆盖二氧化硅绝缘层12上的电子发射-接收窗口13，所述n型掺杂硅片14为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，硅片厚度为100-1000μm；
一高压源16，其正极与n型掺杂硅片14连接，所述高压源16为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV；
一电流表15，其正极与高压源16连接，负极与n型硅衬底10连接，所述电流表15为测量n型掺杂硅片14接收到的场发射电子电流，测量范围为1×10-9-1×10-1A。
上述n型硅衬底10和n型掺杂硅片14通过对准后夹持固定、键合封装或低真空度封装的方式固定在一起；
上述小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，放置在一真空系统内进行测量，该真空系统的真空度为1×10-1-1×10-8Pa。
图2是n型硅衬底10和n型掺杂硅片14在对准并固定之前的工艺示意图，具体包括：
一n型掺杂硅片201，所述n型掺杂硅片201为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，硅片厚度为100-1000μm；
一二氧化硅绝缘层202，所述二氧化硅绝缘层202制作在n型掺杂硅片201之上；所述二氧化硅绝缘层202是在n型掺杂硅片201之上通过热氧化的方式获得，厚度为0-10μm；在所述二氧化硅绝缘层202之上通过光刻和刻蚀的方法获得接收电子的窗口，刻蚀深度大于该二氧化硅绝缘层202的厚度，刻蚀至露出n型掺杂硅片203为止，刻蚀之后剩余的二氧化硅绝缘层204作为阴极和阳极之间的绝缘层。
一n型硅衬底206，所述n型硅衬底206为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度为100-1000μm；
一二氧化硅绝缘层205，所述二氧化硅绝缘层205制作在n型硅衬底206之上，该二氧化硅绝缘层205是在n型硅衬底206之上通过热氧化的方式获得，厚度为0-10μm；在该二氧化硅绝缘层205之上，通过光刻和刻蚀的方法获得制作纳米尖端结构及发射电子的窗口，刻蚀深度大于该二氧化硅绝缘层205的厚度，刻蚀至露出n型硅衬底209为止，刻蚀之后剩余的二氧化硅绝缘层207作为阴极和阳极之间的绝缘层；在刻蚀窗口之内的n型硅衬底209上生长单根硅纳米线或硅纳米线阵列，作为进行电子场发射的纳米尖端结构208。
一n型硅衬底211，所述n型硅衬底211为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度为100-1000μm；
一二氧化硅绝缘层210，其制作在n型硅衬底211之上，该二氧化硅绝缘层210是在n型硅衬底211之上通过热氧化的方式获得，厚度为0-10μm；在该二氧化硅绝缘层210之上，通过光刻和刻蚀的方法获得制作纳米尖端结构及发射电子的窗口，刻蚀深度大于该二氧化硅绝缘层210的厚度，刻蚀至露出n型硅衬底214为止，刻蚀之后剩余的二氧化硅绝缘层212作为阴极和阳极之间的绝缘层；在刻蚀窗口之内的n型硅衬底214上继续刻蚀出单个硅尖锥或硅尖锥阵列，作为进行电子场发射的纳米尖端结构213。
图3是电子发射及电子接收的窗口示意图，具体包括：
一二氧化硅绝缘层31，其制作在n型掺杂硅材料上，该n型硅材料可以是作为电子发射阴极的n型硅衬底，也可以是作为阳极的n型掺杂硅片；该二氧化硅绝缘层31是在上述n型掺杂硅材料之上通过热氧化的方式获得，厚度为0-10μm；
一电子发射-接收窗口32，其制作在n型掺杂硅材料上，该电子发射-接收窗口32是在作为电子发射阴极的n型硅衬底和作为阳极的n型掺杂硅片之上通过光刻和刻蚀的方法获得，在阴极表面制作电子发射窗口和在阳极表面制作电子接收窗口的过程中使用同一套光刻版。
通过上述步骤分别获得的硅基场发射和接收部分，可以通过对准后夹持固定的方式结合在一起，并与高压源和电流表连接后放入真空系统内，形成完整的场发射-接收器件；也可将硅片减薄后，通过键合封装或低真空度封装的方式，将硅基的场发射和接收部分结合在一起，形成小型化、集成化的场发射-接收器件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，包括：
一n型硅衬底；
一纳米尖端结构，其制作于n型硅衬底上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底的材料相同；
一二氧化硅绝缘层，其制作于n型硅衬底上，其中间有一电子发射-接收窗口，该电子发射-接收窗口围绕在纳米尖端结构的周围；
一n型掺杂硅片，其制作在二氧化硅绝缘层上，且覆盖二氧化硅绝缘层上的电子发射-接收窗口；
一高压源，其正极与n型掺杂硅片连接；
一电流表，其正极与高压源连接，负极与n型硅衬底连接。
2.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中n型硅衬底的材料为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该n型硅衬底的厚度为100-1000μm。
3.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中纳米尖端结构是通过光刻工艺刻蚀获得的单个硅尖锥或硅尖锥阵列。
4.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中二氧化硅绝缘层的厚度为1-10μm。
5.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中n型掺杂硅片为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，硅片厚度为100-1000μm。
6.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中电流表为测量n型掺杂硅片接收到的场发射电子电流，测量范围为1×10-9-1×10-1A。
7.如权利要求1所述的小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，其中高压源为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV。
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