CN105869967A - 一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法；阴极结构垂直于衬底表面，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成；尖锥的锥角为15°～60°，纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～100 nm；阴极结构工作时，纳米沟道限制场发射过程中尖锥产生的焦耳热的传导，使尖锥温度升高，实现热助场发射，提升电子发射性能；纳米沟道电阻所具有的负反馈限流作用，可避免发射体过流击穿；尖锥所具有的热容可避免自身温度过高熔化。本发明所述阴极结构既实现发射体的“自加热”，又可避免高温和大电流引起阴极失效，有利于阴极在低压驱动、高稳定性电子源上的应用。该阴极结构无需加热灯丝，结构简单，容易实现阵列式电子源的制作。

Description

一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米电子器件技术领域，更具体地，涉及一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法。

背景技术

场发射电子源具有工作温度低、功耗低、响应速度快的特点，在中小功率行波管、电子成像、高灵敏度传感器、平板显示器、平面光源、并行电子束光刻、高频真空电子管等器件中具有潜在应用。电子源工作时，阴极表面吸附所引起的功函数变化；阵列中发射体几何形貌不同所导致的各发射端面局域电场的差异，都将影响场发射电子源的电流稳定性和可靠性。上述问题限制了场发射电子源的应用开发。目前商用的电子源中较多选用的是热助场发射电子源。常规的热助场发射电子源中，阴极发射体是焊接在加热灯丝上，利用电流通过加热灯丝所产生的焦耳热来加热阴极，使阴极工作在高温下（约1800 K）。加热场发射阴极既有利于增强阴极的电子发射性能，又能减少阴极表面的气体吸附，提高阴极的可靠性。热助场发射电子源的工作温度与热电子源相比较低，而且具有总发射电流较大、稳定性较好等优点，因此得到较广泛的应用。然而，已有的热助场发射电子源均需要在加热灯丝上施加额外的偏置电压来产生焦耳热，功耗较大，阴极结构也相对复杂，制作阵列式的电子源工艺难度高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种功耗较低，结构简单，易于制作阵列式电子源的热助场致电子发射阴极结构。

本发明的第二个目的是提供所述热助场致电子发射阴极结构的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种热助场致电子发射阴极结构，阴极结构垂直于衬底表面，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成；阴极结构将尖锥和纳米沟道一体化集成；所述纳米沟道为两头宽中间窄的纳米结构。

阴极结构工作时，利用外加电场诱导阴极顶端尖锥发射电子。尖锥具有较小的尖端曲率半径可增强发射端面的局域电场，有利于降低场发射驱动电压。由于纳米沟道以及尖锥的尖端具有较大电阻，因此场发射电流通过时将产生焦耳热。由于纳米沟道为两头宽中间窄的结构，且热阻较大，可以限制尖锥和衬底之间的热传导，使尖锥的温度升高，实现热助场发射，提升阴极的电子发射性能。位于阴极顶端的尖锥锥体所具有的热容可以避免自身温度过高而熔化。另一方面，利用纳米沟道电阻可以实现负反馈限流，避免发射体因过流而击穿，提高阴极的可靠性和发射电流稳定性。上述所列特点是常规的纳米线/棒所不具备的。

尖锥温度的升高有利于增强电子发射，因此可以进一步降低发射驱动电压和功耗，提高总发射电流；同时，尖锥温度升高可使表面吸附物脱附，有利于提高阴极的可靠性和发射电流稳定性。在本发明中，尖锥温度升高所需的热量来源于场发射电流在纳米沟道以及尖锥尖端处产生的焦耳热；不需要将发射体焊接在加热灯丝上并且在加热灯丝上施加额外的偏置电压来产生焦耳热；完全不同于常规的热助场发射电子源。

为了获得明显的负反馈作用，优选地，所述纳米沟道的电阻大于100 kΩ。

优选地，所述尖锥的锥角为15°～60°，高度为200～1000 nm。

优选地，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～100 nm，高度为200～1200 nm；该结构的纳米沟道具有较大的电阻和热阻，可同时限制电传导和热传导。

更优选地，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～70 nm，最优选地，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为30～70 nm，这是综合考虑了合理的电阻、热阻以及结构强韧度的选择。

优选地，所述的热助场致电子发射阴极和衬底为半导体材料。

更优选地，所述半导体材料选自硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝或氮化镓。

本发明还提供所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

S1. 衬底表面制备出掩膜或掩膜阵列；

S2. 利用等离子体或化学溶液刻蚀S1所述的衬底，在衬底上获得尖锥；

S3. 在S2所述的尖锥表面覆盖保护层；

S4. 再次利用等离子体或化学溶液刻蚀没有被S3所述保护层覆盖的衬底，即在S3所述尖锥下方获得最窄部分的直径或宽度为10～100 nm的纳米沟道；

S5. 去除尖锥表面的保护层，获得垂直于衬底表面的发射体，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成，即热助场致电子发射阴极结构。

优选地，S1所述掩膜或掩膜阵列的材料为耐刻蚀材料，所述掩膜或掩膜阵列通过如下方法制备：

S11. 在干净衬底上制备出厚度为100~1000 nm的耐刻蚀材料薄膜，或直接选用表面覆盖有厚度为100～1000 nm的耐刻蚀材料薄膜的衬底；

S12. 旋涂光刻胶，采用光学光刻或电子束光刻的方法定义光刻胶图形，图形的直径或宽度为700～1500 nm；

S13. 利用等离子体刻蚀未被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜直至露出衬底，保留被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜，即为掩膜或掩膜阵列；

其中，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。

优选地，当所述衬底材料为硅、碳化硅、锗或硼时，所述热助场致电子发射阴极结构的制备方法还包括S6：在800～1200 ℃下氧化0.5～5小时，使纳米沟道最窄部分的直径或宽度缩小至10～50 nm。

优选地，S3所述保护层为耐刻蚀材料，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。

作为一种具体的实施方式，当所述阴极结构的材料是硅时，在制备出尖锥后，S3所述保护层的制备步骤如下：

S31. 在800～1200 ℃下氧化衬底和尖锥，使其表面形成二氧化硅；

S32. 利用等离子体刻蚀衬底平面上的二氧化硅，同时保留硅尖锥表面的二氧化硅，作为保护层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种热助场致电子发射阴极结构，阴极结构垂直于衬底表面，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成；所述尖锥的锥角为15°～60°，高度为200～1000 nm，所述纳米沟道为两头宽中间窄的结构，其最窄部分的直径为10～100 nm，其高度为200～1200 nm，所述纳米沟道的电阻和热阻可分别限制电传导和热传导。该阴极结构工作时，纳米沟道限制场发射过程中尖锥尖端及纳米沟道产生的焦耳热的传导，使尖锥温度升高，实现热助场发射，提升电子发射性能。而纳米沟道电阻又具有负反馈限流作用，可避免发射体过流击穿。同时，尖锥所具有的热容可避免自身温度过高熔化。本发明所述阴极结构与常规的纳米线/棒/尖锥不同，既实现阴极结构的“自加热”又可避免高温和大电流引起器件失效，有利于获得低压驱动、高稳定性的阴极。与目前常规的热阻场发射电子源相比，本发明提供的热助场致电子发射阴极结构为尖锥和纳米沟道一体化集成的新结构，直接采用场发射电流完成“自加热”，无需将发射体焊接在加热灯丝上并在加热灯丝上施加额外的偏置电压以产生焦耳热，因此结构更简单，容易实现阵列式电子源的制作，本发明所述热助场致电子发射阴极结构具有实际和广泛的应用价值。

附图说明

图1为热助场致电子发射阴极结构图，其中，图1(a)为热助场致电子发射阴极结构的示意图，其中1为衬底，2为纳米沟道，3为尖锥；图1(b)为热助场致电子发射阴极结构的典型扫描电子显微（SEM）形貌图。

图2为热助场致电子发射阴极结构的制备流程图。

图3为热助场致电子发射阴极结构带栅阵列（40×40）与常规尖锥型场发射阴极带栅阵列（40×40）的(a)场发射电流密度-栅极电压（J-V_G）特性曲线及(b)对应的Fowler–Nordheim曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例 1

一种热助场致电子发射阴极结构的制备（纳米沟道最窄部分的直径或宽度约为100 nm，对应的电阻值约为100 kΩ），包括以下步骤：

S1. 在干净硅衬底上，利用化学气相沉积系统在其表面沉积厚度为500～1000 nm的二氧化硅/氮化硅掩膜层；

S2. 旋涂厚度约为500～600 nm的光刻胶（AR-N 7520）；利用电子束光刻系统对光刻胶进行曝光；对曝光后的样品进行显影，得到中心距为6 μm的圆形或长条形光刻胶阵列，圆形或长条形的直径或宽度可以为700～1500 nm；

S3. 利用等离子体反应刻蚀系统刻蚀未被光刻胶保护的二氧化硅/氮化硅，直至露出硅衬底，留下被光刻胶保护的二氧化硅/氮化硅，成为二氧化硅/氮化硅掩膜阵列；

S4. 利用等离子反应刻蚀系统体刻蚀硅衬底，直至在二氧化硅/氮化硅掩膜下方获得硅尖锥结构，尖锥的底部直径约为700 nm，尖锥的高度约为650 nm；

S5. 将刻蚀后的样品置于1000 ℃的氧气氛围下氧化120 min（氧气流量为0.9 SLM），使硅衬底和硅尖锥表面形成厚度约120 nm的氧化层；

S6. 继续利用硅尖锥上方的二氧化硅/氮化硅掩膜，使用等离子体反应刻蚀上述氧化层，直至露出硅衬底，同时保留硅尖锥侧壁的氧化层作为保护层；

S7. 再次利用等离子体反应刻蚀硅衬底，在硅尖锥下方（衬底上）获得最窄部分的直径或宽度约为100 nm的纳米沟道，其高度约为800 nm；

S8. 用体积比为5：1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除二氧化硅，即在衬底上获得由硅尖锥和硅纳米沟道组成的发射体，即热助场致电子发射阴极结构，如图1和图2所示。

实施例 2

实验方法同实施例1，唯一不同的是在S8制备得到纳米沟道最窄部分的直径或宽度约为100 nm的发射体的基础上，增加一步操作：

S81. 将S8获得的样品置于900 ℃的氧气氛围下氧化50 min（氧气流量为0.9 SLM），使纳米沟道最窄部分的直径或宽度减小至约为70 nm（对应的电阻值约为1 MΩ），并用体积比为5：1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除表面氧化层。

采用上述工艺制备纳米沟道最窄部分的直径约为70 nm的硅发射体阵列（40×40）。作为对比，发明人也制作了常规的无纳米沟道硅尖锥阵列（40×40）。阵列中发射体之间的间距均为6 μm。采用微纳加工方法集成了栅极，并采用表面镀有ITO的玻璃作为阳极，使阴极和阳极间的距离约为100 μm，对两种器件结构的场发射特性进行测试，两种结构分别代表热助场致电子发射阴极结构和常规的硅尖锥场致电子发射阴极结构。图3(a)是上述两种器件结构对应的场发射电流密度-栅极电压（J-V_G）特性曲线，而图3(b)则是对应的Fowler–Nordheim曲线。从图3(a)可以看出，热助场致电子发射阴极结构具有更低的驱动电压和更大的发射电流，从图3(b)也可以看出在大电流区域，热助场致电子发射阴极结构的Fowler–Nordheim曲线向上弯曲，意味着电子发射效率高于场发射。

实施例 3

实验方法同实施例1，唯一不同的是步骤S1直接选用表面覆盖有300 nm二氧化硅的衬底，或者直接选用表面覆盖有100 nm氧化铝的衬底。

实施例 4

实验方法同实施例2，唯一不同的是在S81制备得到纳米沟道最窄部分直径或宽度约为70 nm的发射体的基础上，再增加一步操作：S82. 将S81制备得到的样品置于900 ℃的氧气氛围下氧化40 min（氧气流量为0.9 SLM），使纳米沟道最窄部分的直径或宽度减小至约为50 nm，并用体积比为5：1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除表面氧化层。

实施例 5

实验方法同实施例2，唯一不同的是在S81制备得到纳米沟道最窄部分的直径或宽度约为70 nm的发射体的基础上，再增加一步操作：S83. 将S81制备得到的样品置于800 ℃的氧气氛围下氧化4小时（氧气流量为0.9 SLM），使纳米沟道最窄部分的直径或宽度减小至约为30 nm，并用体积比为5：1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除表面氧化层。

实施例 6

实验方法同实施例2，唯一不同的是在S81制备得到纳米沟道最窄部分的直径或宽度约为70 nm的发射体的基础上，再增加一步操作：S84. 将S81制备得到的样品置于850 ℃的氧气氛围下氧化5小时，使纳米沟道最窄部分的直径或宽度减小至约为10 nm，并用体积比为5：1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除表面氧化层。

实施例 7

实验方法同实施例1，不同的是把硅换成碳化硅、锗、硼等其它半导体材料。

对比例 1

实验方法同实施例1，唯一不同的是，所述纳米沟道最窄部分的直径做成120 nm，采用本对比例制备纳米沟道最窄部分的直径约为120 nm的硅发射体阵列（40×40），阵列中发射体之间的间距均为6 μm。

采用实施例2的方法检测本对比例制备得到的电子源与常规的硅尖锥场发射电子源的性能，结果表明，两者的Fowler–Nordheim曲线均近似为直线，两者的驱动电压和最大发射电流值相当，说明本对比例制备得到的阴极结构的工作状态接近于常规的场致电子发射阴极结构，因此没有观察到电子发射性能的显著提升。

Claims (10)

1.一种热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，阴极结构垂直于衬底表面，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成；所述纳米沟道为两头宽中间窄的纳米结构。

2.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述纳米沟道的电阻大于100 kΩ。

3.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～100 nm，高度为200～1200 nm。

4.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述尖锥的锥角为15°

～60°，高度为200～1000 nm。

5.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述的热助场致电子发射阴极和衬底为半导体材料。

6.根据权利要求5所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述半导体材料选自硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝或氮化镓。

7.权利要求1至6任一项所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 衬底表面制备出掩膜或掩膜阵列；

S2. 利用等离子体或化学溶液刻蚀S1所述的衬底，在衬底上获得尖锥；

S3. 在S2所述的尖锥表面覆盖保护层；

S4. 再次利用等离子体或化学溶液刻蚀没有被S3所述保护层覆盖的衬底，即在S3所述尖锥下方获得最窄部分的直径或宽度为10～100 nm的纳米沟道；

S5. 去除尖锥表面的保护层，获得垂直于衬底表面的发射体，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成，即热助场致电子发射阴极结构。

8.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，S1所述掩膜或掩膜阵列的材料为耐刻蚀材料，所述掩膜或掩膜阵列通过如下方法制备：

S11. 在干净衬底上制备出厚度为100～1000 nm的耐刻蚀材料薄膜，或直接选用表面覆盖有厚度为100～1000 nm的耐刻蚀材料薄膜的衬底；

S12. 旋涂光刻胶，采用光学光刻或电子束光刻的方法定义光刻胶图形，图形的直径或宽度为700～1500 nm；

S13. 利用等离子体刻蚀未被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜直至露出衬底，保留被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜，即为掩膜或掩膜阵列；

其中，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，当所述衬底材料为硅、碳化硅、锗或硼时，还包括S6：在800～1200 ℃下氧化0.5～5小时，使纳米沟道最窄部分的直径或宽度缩小至10～50 nm。

10.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，S3所述保护层为耐刻蚀材料，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。