CN107346720B - 场发射器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种场发射器件，包括衬底、设置在所述衬底上的缓冲层、分别设置在所述缓冲层两端的发射极层和金属集电极层、分别设置在所述发射极层和所述金属集电极层上的电极层，其中，所述发射极层与所述金属集电极层之间具有沟道。本发明的场发射器件中的集电极采用金属材质，可以根据场发射器件的性能将发射极的尖凸部角度设计为任意角度，而且，由于所述集电极采用的是金属材质，在湿法腐蚀介质膜层形成纳米间距时不需要添加掩膜，简化了工艺、降低了成本、提高了性能。

Description

场发射器件及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种场发射器件及其制作方法。
背景技术
场发射器件在真空微电子(包括超高速高频器件、场发射显示器和微波放大器等)方面有着广泛的应用，场发射阴极作为真空微电子器件的核心而倍受关注。要实现好的场发射特性主要通过降低场发射阴极的电子亲和势和纳米结构提高场增强因子来实现，半导体材料因其成熟的微纳加工制造技术，近年来成为场发射阴极材料研究的一个热点领域。在半导体材料，有些半导体材料具有低的电子亲和势或者负电子亲和势，如GaN的电子亲和势约2.7–3.3eV，极可能致使在异质结构中形成较低发射势垒，且半导体材料n型掺杂容易实现高的电子浓度，是理想的场发射阴极材料。
场发射器件中，横向结构场发射器件可以通过微纳加工实现发射阴极-集电极距离控制，且横向结构器件比垂直结构器件更容易集成。但是，由于横向结构场发射器件需要经过后续复杂工艺实现。因此，如何实现横向结构场发射器件对未来器件的制备和应用都至关重要。在横向场发射器件制作过程中，如何实现纳米级阴极和阳极间距为器件制备关键工艺之一。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种场发射器件，包括衬底、设置在所述衬底上的缓冲层、分别设置在所述缓冲层两端的发射极层和金属集电极层、分别设置在所述发射极层和所述金属集电极层上的电极层，其中，所述发射极层与所述金属集电极层之间具有沟道。
进一步地，所述金属集电极层采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极。
进一步地，所述发射极层朝向所述金属集电极层一侧具有至少一个尖凸部，所述金属集电极层朝向所述发射极层的一侧对应具有至少一个尖凹部，所述尖凸部与所述尖凹部配合设置使得所述沟道呈非直线状。
进一步地，每个所述尖凸部的顶角角度为a，0°＜a≤90°。
进一步地，所述发射极层采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构。
进一步地，所述电极层采用钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)复合薄膜电极。
进一步地，所述衬底采用的材料为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
本发明的另一目的在于提供一种如上所述的场发射器件的制作方法，包括步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成发射极材料层；
刻蚀所述发射极材料层，以使所述发射极材料层一侧形成尖凸部，获得形成在所述缓冲层一侧的所述发射极层；
沉积介质膜层，以将所述发射极层完全覆盖；
对应于所述发射极层、在所述缓冲层另一侧形成金属集电极层，以使得所述集电极层朝向所述发射极层一侧端具有与所述尖凸部对应的尖凹部；
湿法腐蚀去除所述介质膜层，以使所述发射极层与所述金属集电极层之间形成沟道；
在所述发射极层和所述金属集电极层上分别形成所述电极层。
进一步地，所述金属集电极层采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极。
进一步地，每个所述尖凸部的顶角角度为a，0°＜a≤90°。
进一步地，所述发射极材料层采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构。
进一步地，所述电极层材质采用钛/铝/镍/金复合薄膜电极。
进一步地，所述衬底采用的材料为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
本发明的场发射器件中的集电极层采用金属材质，可以根据场发射器件的性能将发射极的尖凸部角度设计为任意角度，而且，由于所述集电极层采用的是金属材质，在湿法腐蚀介质膜层形成纳米间距时不需要添加掩膜，简化了工艺、降低了成本、提高了性能。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为实施例1的场发射器件的立体图；
图2a至图2h是实施例1的场发射器件的制作流程立体图；
图3为实施例2的场发射器件的立体图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例1
图1根据本发明的实施例的场发射器件的立体图。
参照图1，根据本发明的实施例的场发射器件包括衬底10、设置在衬底10之上的缓冲层20、分别设置在缓冲层20两端之上的发射极层30和金属集电极层40、设置在发射极层30之上的第一电极层101和设置在金属集电极层40之上的第二电极层102，其中，发射极层30与金属集电极层40之间具有沟道100，以实现大气压下的电子的弹道运输，优选的，所述金属集电极层40采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极。
其中，衬底10可例如采用蓝宝石、氮化镓或碳化硅材料等；缓冲层20可采用高阻氮化镓材料。本实施例中，优选的，衬底10采用氮化镓材料，缓冲层20可采用掺铁的高阻氮化镓材料。
氮化镓材料具有非常好的电子场发射性能，主要表现为禁带宽度大、电子亲和势低、化学和力学稳定性高以及不易产生溅射腐蚀等优点，因此其可以作为场发射器件的发射极，以使场发射器件的发射极具有较长的发射寿命。所以，在本实施例中，发射极层30采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构，当然在其他实施例中，发射极层30也可以采用其他半导体材料，这里不用于对本发明进行限定。
此外，由于发射极层30与金属集电极层40的形状影响阈值电压的大小，所以在本实施例中，优选的，发射极层30朝向所述金属集电极层的一侧具有尖凸部30a，所述金属集电极层40朝向所述发射极层30的一侧对应具有尖凹部40a，其中，尖凸部30a与尖凹部40a配合设置，并且在尖凸部30a与尖凹部40a之间形成非直线型沟道100。由于本实施例中场发射器件的集电极层采用的是金属材质，在尖凸部30a采用任意角度时，尖凹部40a都可以与之对应，从而使得金属集电极层40的形状与发射极层30的形状很好的配合，为了提升场发射器件的性能，优选的，尖凸部30a的顶角的角度为a，0°＜a≤90°，优选地，0°＜a≤60°。
第一金属电极层101和第二金属电极层102均采用与发射极层30和金属集电极层40形成良好欧姆接触的金属材料，例如Ti/Al/Ni/Au材料系等，在其他实施例中，根据发射极以及集电极的材料，第一金属电极层101和第二金属电极层102也可以采用AuGe/Ni/Au或Ni/Au。
图2a至图2h是根据本发明的实施例的场发射器件的制作流程立体图。
在图2a中，在衬底10上形成缓冲层20。这里，衬底10可例如采用蓝宝石、氮化镓或碳化硅材料等。缓冲层20可采用高阻氮化镓材料，优选的，缓冲层20可采用掺铁的高阻氮化镓材料。
在图2b中，在缓冲层20上形成发射极材料层50。由于氮化镓材料具有非常好的电子场发射性能，主要表现为禁带宽度大、电子亲和势低、化学和力学稳定性高以及不易产生溅射腐蚀等优点，因此其可以作为场发射器件的发射极，以使场发射器件的发射极具有较长的发射寿命。所以，在本实施例中，发射极材料层50采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构，当然在其他实施例中，发射极材料层50也可以采用其他半导体材料，这里不用于对本发明进行限定。
在图2c中，刻蚀发射极材料层50，以使所述发射极材料层50一侧形成至少一尖凸部30a，获得形成在所述缓冲层20一侧的所述发射极层30。
其中，可以在发射极材料层50上沉积一层二氧化硅介质膜层105，以光刻胶为掩膜干法刻蚀二氧化硅介质膜层105，使得剩余部分的二氧化硅介质膜层105形成图案，然后湿法去除光刻胶，再以剩余部分的二氧化硅介质膜层105作为掩膜，干法刻蚀发射极材料层50，以使所述发射极材料层50一侧形成至少一尖凸部30a，获得形成在所述缓冲层20一侧的所述发射极层30。
在图2d中，沉积介质膜层103，以将发射极层30、剩余部分二氧化硅介质膜层105和图2c中暴露的缓冲层20完全覆盖。这里，介质膜层103可采用二氧化硅(SiO2)材料。此外，所述“将发射极层30、剩余部分二氧化硅介质膜层105完全覆盖”是指所述剩余部分二氧化硅介质膜层105的上表面和各个侧表面以及所述发射极层30的各个侧表面均被介质膜层103所覆盖。
在图2e中，将暴露的缓冲层20上的介质膜层103刻蚀去除掉。
在图2f中，在暴露的缓冲层20上形成金属集电极层40，以使得所述金属集电极层40与所述发射极层30对应，金属集电极层40朝向发射极层30的一侧具有与所述尖凸部30a对应的尖凹部40a。此外，金属集电极层40采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极。
在图2g中，采用湿法腐蚀工艺将完全覆盖发射极层30的剩余部分二氧化硅介质膜层105以及介质膜层103去除。这里，由于将形成尖凸部30a的两个侧面上的介质膜层103去除掉，因此，形成尖凸部30a的两个侧面与形成尖凹部40a的两个侧面之间形成非直线型沟道100。
在图2h中，在发射极层30和金属集电极层40上分别形成第一金属电极101和第二金属电极102。这里，第一金属电极层101和第二金属电极层102均采用与发射极层30和金属集电极层40形成良好欧姆接触的金属材料，例如Ti/Al/Ni/Au材料系等，在其他实施例中，根据发射极以及集电极的材料，第一金属电极层101和第二金属电极层102也可以采用AuGe/Ni/Au或Ni/Au。
实施例2
参照图3，本实施例与实施例1不同之处在于发射极层30的侧端具有多个尖凸部30a，对应的，金属集电极层40朝向发射极层30的一侧具有多个尖凹部40a，多个尖凸部30a与多个尖凹部40a形成相互插合的锯齿状，本实施例场发射器件的制作方法与实施例1的制作方法一样，这里不再赘述。
本发明的场发射器件中的集电极采用金属材质，可以根据场发射器件的性能将发射极的尖凸部角度设计为任意角度，而且，由于所述集电极采用的是金属材质，在湿法腐蚀介质膜层形成纳米间距时不需要添加掩膜，简化了工艺、降低了成本、提高了性能。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (6)

1.一种场发射器件，其特征在于，包括衬底、设置在所述衬底上的缓冲层、分别设置在所述缓冲层两端的发射极层和金属集电极层、分别设置在所述发射极层和所述金属集电极层上的电极层，其中，所述发射极层与所述金属集电极层之间具有沟道，所述发射极层朝向所述金属集电极层一侧具有多个尖凸部，所述金属集电极层朝向所述发射极层的一侧对应具有多个尖凹部，所述尖凸部与所述尖凹部配合设置使得所述沟道呈非直线状，每个所述尖凸部的顶角角度为a，0°＜a≤90°，所述金属集电极层采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极，所述发射极层采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构。
2.根据权利要求1所述的场发射器件，其特征在于，所述电极层采用钛/铝/镍/金复合薄膜电极。
3.根据权利要求1或2所述的场发射器件，其特征在于，所述衬底采用的材料为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
4.一种权利要求1所述的场发射器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上形成发射极材料层，所述发射极材料层采用氮化镓基超晶格结构或氮化镓多层异质结构或氮化镓高掺杂结构；
刻蚀所述发射极材料层，以使所述发射极材料层一侧形成多个尖凸部，获得形成在所述缓冲层一侧的所述发射极层，每个所述尖凸部的顶角角度为a，0°＜a≤90°；
沉积介质膜层，以将所述发射极层完全覆盖；
对应于所述发射极层、在所述缓冲层另一侧形成金属集电极层，以使得所述金属集电极层朝向所述发射极层的一侧具有与所述尖凸部对应的尖凹部，所述金属集电极层采用铬/金复合薄膜电极或钼薄膜电极；
湿法腐蚀去除所述介质膜层，以使所述发射极层与所述金属集电极层之间形成沟道；
在所述发射极层和所述金属集电极层上分别形成所述电极层。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述电极层材质采用钛/铝/镍/金复合薄膜电极。
6.根据权利要求4或5所述的制作方法，其特征在于，所述衬底采用的材料为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
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