CN107818899A - 可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列。该电子源阵列结构通过刻蚀通孔以及环状顶部环状栅极电极实现分段电极桥接串联，可以在聚焦极和栅极在同一个平面的情形下实现纳米冷阴极电子源行列寻址功能。本发明进一步公开了所述纳米冷阴极电子源阵列的制作方法。本发明的纳米冷阴极电子源阵列制备工艺简单，有较好的聚焦电子束能力以及可寻址发射能力，作为大面积电子源在平板X射线源、场发射显示器等领域有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉属于真空微纳电子技术领域，特别是一种可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法。
背景技术
相对于传统的基于热电子发射的电子源器件，基于场致电子发射原理的冷阴极电子源，具有功耗低、反应速度高、可实现大面积发射等优点。其中，大面积可寻址冷阴极阵列在液晶显示器背光源(LCD backlight)，场致发射显示器(FED，field emission display)、平板X射线源等领域有重要的应用前景。
C.A.Spindt等人在1968年提出以钼(Mo)尖锥作为冷阴极的可寻址电子源阵列的制作方法。该种冷阴极被称为Spindt冷阴极阵列。Spindt冷阴极阵列通过在靠近冷阴极尖端的控制栅极上施加电压，实现控制冷阴极电子的发射及关断的功能。同时，栅极结构的应用实现了冷阴极电子源器件的可寻址驱动。但是，Spindt冷阴极阵列存在工艺复杂、大面积制作困难等缺点。为了克服上述问题，人们先后探索了薄膜冷阴极(如金刚石及类金刚石薄膜)和准一维纳米材料冷阴极(如碳纳米管和纳米线)等新型冷阴极。准一维纳米材料冷阴极具有极大的高径比，尖端的电场增强作用强，从而可以大大降低冷阴极的工作电压。碳纳米管生长温度高，且需要使用催化剂，实现大面积均匀发射难度较大。通常，碳纳米管冷阴极均需要采用复杂的后处理方法才能实现大面积均匀发射。而近期的研究发现，半导体纳米线(如氧化铜、氧化锌、氧化钨纳米线)容易在玻璃基板上实现大面积制备，并能够实现大面积均匀发射。已有研究成功展示了它们在场致发射显示器件以及平板X射线源器件的应用前景。
在纳米线冷阴极电子源方面，主要如何实现具有小焦斑的可寻址冷阴极电子源阵列，是冷阴极电子源阵列进一步发展亟待解决的关键问题。在Spindt阴极和碳纳米管阴极阵列研究中，曾经报道过多种聚焦结构及其制作方法。但是，为了同时实现聚焦和行列寻址，必须将聚焦极和控制栅极制作在不同的平面，聚焦极和控制栅极之间用绝缘层隔开。这种结构通常会增加工艺的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作工艺简单、具有可调电子发射能力以及聚焦电子束能力的可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列。
本发明采用了以下技术方案解决该技术问题：
一种可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于所述结构包括：
g)衬底；
h)制作在上述衬底上且垂直排布的底部阴极电极和底部栅极电极，所述底部栅极分列于底部阴极电极两侧且不与所述底部阴极电极相接；
i)覆盖在上述底部栅极电极和底部阴极电极上的绝缘层，所述绝缘层上刻蚀有分别使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露的若干刻蚀通孔；
j)制作在上述绝缘层上的顶部阴极电极，所述顶部阴极电极通过所述刻蚀通孔与底部阴极电极相连；
k)制作在上述绝缘层上、环绕在顶部阴极电极外侧且与顶部阴极不相互连接的顶部环状栅极电极，所述顶部环状栅极电极通过至少两个刻蚀通孔分别与位于底部阴极电极两侧的底部栅极电极相连，实现分段底部栅极电极的串联；
制作在上述顶部阴极电极上的纳米冷阴极。
本发明所述的纳米冷阴极电子源阵列结构，通过采用顶部环状栅极电极以及通过刻蚀通孔的结构设计，实现分段的底部电极的串联，可以在简单的器件结构中，实现栅极和阴极的纵横交错排布，从而实现器件的行列寻址能力，解决了器件中复杂的电极引线排布的问题。
优选地，所述纳米冷阴极电子源阵列还包括制作在所述绝缘层上且环绕在顶部环状栅极外侧的聚焦极电极。
优选地，所述的纳米冷阴极的形状为可对称操作的图形，包括圆形、环形或多边形。
优选地，所述顶部环状栅极电极的形状为可对称操作的环状，包括圆环或多边形环。
优选地，所述底部阴极电极、底部栅极电极、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极以及聚焦极电极由具备导电性能且兼容微加工工艺的材料制成，包括Cr、Al、Ti、Cu、ITO、IZO或AZO。
优选地，所述纳米冷阴极由一维线性纳米材料ZnO、WOx、CNTs或二维纳米冷阴极薄膜材料石墨烯、金刚石薄膜制得。
优选地，所述绝缘层由具备高电阻特性的材料或其混合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，该绝缘层厚度为1-5μm。
本发明的另一个目的，在于提供一种制备所述可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的方法，包括以下步骤：
a)清洁衬底；
b)在衬底上制作垂直排布的底部阴极电极条和底部栅极电极条，所述底部栅极分列于底部阴极电极两侧且不与所述底部阴极电极相接；
c)在上述底部阴极电极条和底部栅极电极条上覆盖一层绝缘层；
d)在上述绝缘层上刻蚀若干刻蚀通孔，所述刻蚀通孔分别位于底部阴极电极条和底部栅极电极条上方以使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露；
e)在上述绝缘层上制作通过刻蚀通孔与底部阴极电极相连的顶部阴极电极以及与底部栅极电极条相连的顶部环状栅极电极阵列，所述顶部环状栅极环绕在顶部阴极电极外侧；
f)在上述顶部阴极电极上定域制作冷阴极预生长薄膜；
g)在上述冷阴极预生长薄膜上反应生长获得纳米冷阴极。
优选地，所述步骤e)包括在所述顶部环状栅极电极外侧四周制作聚焦极电极。
优选地，所述顶部阴极电极、顶部环状栅极电极以及聚焦极电极采用一步光刻构图工艺制作而成。
优选地，所述冷阴极预生长薄膜的材料可以为钨、锌、铜、铁、钼、铬或可氧化的金属材料中的一种或多种，并通过热氧化的方式获得一维金属氧化物纳米冷阴极。
优选地，所述冷阴极预生长薄膜为催化剂薄膜，并通过催化反应获得包括碳纳米管、石墨烯等一维或二维纳米碳基冷阴极。
优选地，所述步骤f)中在定域制作前，通过离子表面轰击、紫外臭氧表面处理或预沉积过渡薄膜进行预处理以提高冷阴极预生长薄膜与所述顶部阴极电极之间的粘附性能。
本发明所述的纳米冷阴极电子源阵列结构，根据实际需求，可以加入或不加入聚焦极电极结构。
本发明所述结构采用的制作方法包括光刻，真空镀膜，剥离和刻蚀等工艺技术。其中，光刻可采用紫外或电子束曝光，真空镀膜技术可采用的通用镀膜方法包括电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等；刻蚀技术可采用的方法包括湿法刻蚀，反应离子刻蚀等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的纳米冷阴极电子源阵列工作时，对阳极施加高压电压，同时对相应的栅极和阴极之间加正驱动电压。相应的纳米冷阴极会在栅极电压的驱动作用下实现电子的发射和调控。通过选择性的对栅极和阴极施加电压，可以实现行列寻址的电子发射。同时，通过对共面的聚焦极电极施加负电压，发射电子束的发散问题可以得到改善，实现器件的小焦斑显示驱动。特别是，本发明所述的电子源阵列采用玻璃作为阴极基板材料，可以实现大尺寸的电子源阵列器件的制备，该纳米冷阴极电子源阵列在平板X射线源器件方面有着重要的应用前景。
本发明将聚焦极电极和控制栅极制作在同一个平面上，同时通过通孔桥联的方法，使得制成的器件具备行列寻址功能。本发明的纳米冷阴极电子源阵列制备工艺简单，有较好的聚焦电子束能力以及可寻址发射能力，作为大面积电子源在平板X射线源、场发射显示器等领域有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列的结构剖示图。
图2是本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列的俯视结构示意图。
图3是本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列的制作流程图。
图4是本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列中桥接结构和阵列结的示意图。
图中：1:衬底；2：底部栅极电极；3：底部阴极电极；4：绝缘层；5：刻蚀通孔；6：顶部环状栅极电极；7：顶部阴极电极；8：聚焦极电极；9：生长源薄膜；10：反应后的生长源薄膜；11：纳米线冷阴极。
具体实施方式
为了更好地描述本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1、图2分别给出了本发明所述自对准聚焦结构可逐行寻址的纳米线冷阴极电子源阵列的结构剖示图和俯视结构示意图。如图1所示，该电子源阵列的基本结构，包括衬底1、底部栅极电极2、底部阴极电极3、绝缘层4、顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7、聚焦极电极8以及纳米线冷阴极11。
底部栅极电极2为分段不连续的电极条结构，其分列于底部阴极电极两侧并与底部阴极电极3在衬底1上相互垂直排列，见图4。绝缘层4覆盖在该两底部电极条上，绝缘层4在底部栅极电极2和底部阴极电极3上分别刻蚀有若干刻蚀通孔5，使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7制作在绝缘层4上，并通过刻蚀通孔5分别与底部栅极电极2和底部阴极3连通。顶部阴极电极上制作有纳米线冷阴极11。聚焦极电极8制作于绝缘层4上，并且环绕于顶部环状栅极电极6外侧四周，见图2。在图1所示的结构中，顶部环状栅极电极6外观为圆环状，分段的底部栅极电极2通过刻蚀通孔5与顶部环状栅极电极6实现连通，结构上相互垂直的底部栅极电极2和底部阴极电极3可以实现器件的行列寻址驱动。由于顶部阴极电极7和顶部环状栅极电极6薄膜在制备沉积过程中形成的电极薄膜也会沉积在刻蚀通孔5开口周围的绝缘层上方、通孔刻蚀通孔内壁以及暴露在刻蚀通孔底部的局部底部电极表面，这样顶部电极能很好的与其相应的底部电极连接起来，从而通过简单的结构设计实现器件可行列寻址功能。
本实施例中，顶部阴极电极7为圆形，顶部环状栅极电极6为与顶部阴极电极同心的圆环。但顶部环状栅极电极6的形状不受本实施例约束，只要是具备对称操作的环状即可，包括圆环、多边形环等。
图3是本发明所述可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列的制作流程图。
首先，在衬底1上制作垂直排列的底部栅极电极2和底部阴极电极3，底部栅极电极2和底部阴极电极3可以是由Cr、Al、Ti、Cu等金属材料和ITO、IZO、AZO等金属氧化物材料以及其他具备优秀导电性能实现。底部电极条薄膜的制备可以采用电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等通用薄膜制备方法。如图3(a)。
第二，在上述底部栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。绝缘层4是由氧化硅、氮化硅、氧化铝或其它具备高电阻特性的材料及其混合材料制成的一层或多层绝缘薄膜组成，绝缘薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，如子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等方法制备。见图3(b)。
第三，在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层得到用以连接顶部电极和相应底部电极的刻蚀通孔5。刻蚀绝缘层的方法可以是湿法刻蚀，反应离子刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。如图3(c)。
第四，在上述绝缘层4上方制备顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7以及聚焦极电极8。顶部环状栅极电极6制作于顶部圆形阴极电极的四周，聚焦极电极8制作于顶部环状栅极电极6外侧的四周。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4上的刻蚀通孔5和对应的底部栅极电极2及底部阴极电极3相连接。制作顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7以及聚焦极电极8的材料为抗高温氧化能力较好的ITO、IZO、AZO等导电性能良好的材料中的一种，顶部电极薄膜的制备可以通过电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等通用薄膜制备方法。如图3(d)。
第五，在顶部阴极电极7上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后沉积冷阴极预生长源薄膜；冷阴极预生长源薄膜可以通过电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等通用薄膜制备方法来制作；接着采用剥离技术得到用于纳米线冷阴极生长的生长源薄膜阵列9。如图3(e)。
最后，将经过上述步骤制作后的基板在含氧的气氛下加热至200～650℃，并保温30分钟～12小时，最后自然降温，就可以制得纳米线冷阴极11的阵列，作为冷阴极材料的电子源阵列。
需要特别指出的是，实际制作过程并不仅仅局限于上述所举的例子，还可以采用其它相类似的微加工方法实现器件结构，以及采用其他类似的生长手段实现纳米冷阴极的生长。
实施例1
本实施例给出了采用氧化锌纳米线作为冷阴极材料的可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列的制作过程，具体的制作工艺步骤请参见附图3。
首先将玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，并用氮气吹干。在玻璃衬底上，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备相互垂直排布的底部阴极电极条和分段底部栅极电极条。该两底部电极条材料为铬，其厚度约为120nm。用等离子体增强化学气相沉积的方法在上述两底部电极条上沉积绝缘层薄膜，绝缘层薄膜为二氧化硅薄膜，其厚度约为1.5μm。然后采用反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅得到分别用于连接顶部电极和相应底部电极的刻蚀通孔阵列。接着在上述绝缘层上方，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺同时制备环状顶部环状栅极电极、圆形顶部阴极电极以及聚焦极电极。在顶部阴极电极和顶部环状栅极电极薄膜制备沉积过程中，顶部电极薄膜也会沉积在绝缘层上刻蚀通孔的开口边沿、内壁以及暴露在刻蚀通孔底部的局部底部电极条表面，这样顶部电极就能很好的跟相应的底部电极相连接。顶部电极材料为ITO，其厚度约为350nm。接着在顶部阴极电极上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后采用电子束蒸发真空镀膜技术镀生长源薄膜，该生长源薄膜为锌膜，采用剥离方法得到生长源锌薄膜阵列。最后将制作有上述薄膜结构的玻璃衬底放入管式炉中进行氧化得到氧化锌纳米线冷阴极电子源阵列。热氧化过程先从室温升高至470℃，然后在470℃下保温3小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。
Claims (13)
1.一种可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于所述结构包括：
a)衬底；
b)制作在上述衬底上且垂直排布的底部阴极电极和底部栅极电极，所述底部栅极分列于底部阴极电极两侧且不与所述底部阴极电极相接；
c)覆盖在上述底部栅极电极和底部阴极电极上的绝缘层，所述绝缘层上刻蚀有分别使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露的若干刻蚀通孔；
d)制作在上述绝缘层上的顶部阴极电极，所述顶部阴极电极通过所述刻蚀通孔与底部阴极电极相连；
e)制作在上述绝缘层上、环绕在顶部阴极电极外侧且与顶部阴极不相互连接的顶部环状栅极电极，所述顶部环状栅极电极通过至少两个刻蚀通孔分别与位于底部阴极电极两侧的底部栅极电极相连，实现分段底部栅极电极的串联；
f)制作在上述顶部阴极电极上的纳米冷阴极。
2.根据权利要求1所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述纳米冷阴极电子源阵列还包括制作在所述绝缘层上且环绕在顶部环状栅极外侧的聚焦极电极。
3.根据权利要求1或2所述的纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述的纳米冷阴极的形状为可对称操作的图形，包括圆形、环形或多边形。
4.根据权利要求3所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述顶部环状栅极电极的形状为可对称操作的环状，包括圆环或多边形环。
5.根据权利要求2所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述底部阴极电极、底部栅极电极、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极以及聚焦极电极由具备导电性能且兼容微加工工艺的材料制成，包括Cr、Al、Ti、Cu、ITO、IZO或AZO。
6.根据权利要求2所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述纳米冷阴极由一维线性纳米材料ZnO、WOx、CNTs或二维纳米冷阴极薄膜材料石墨烯、金刚石薄膜制得。
7.根据权利要求2所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于：所述绝缘层由具备高电阻特性的材料或其混合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，该绝缘层厚度为1-5μm。
8.一种制备权利要求1所述可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)清洁衬底；
b)在衬底上制作垂直排布的底部阴极电极条和底部栅极电极条，所述底部栅极分列于底部阴极电极两侧且不与所述底部阴极电极相接；
c)在上述底部阴极电极条和底部栅极电极条上覆盖一层绝缘层；
d)在上述绝缘层上刻蚀若干刻蚀通孔，所述刻蚀通孔分别位于底部阴极电极条和底部栅极电极条上方以使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露；
e)在上述绝缘层上制作通过刻蚀通孔与底部阴极电极相连的顶部阴极电极以及与底部栅极电极条相连的顶部环状栅极电极阵列，所述顶部环状栅极环绕在顶部阴极电极外侧；
f)在上述顶部阴极电极上定域制作冷阴极预生长薄膜；
g)在上述冷阴极预生长薄膜上反应生长获得纳米冷阴极。
9.根据权利要求8所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤e)包括在所述顶部环状栅极电极外侧四周制作聚焦极电极。
10.根据权利要求9所述的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的制备方法，其特征在于：所述顶部阴极电极、顶部环状栅极电极以及聚焦极电极采用一步光刻构图工艺制作而成。
11.根据权利要求8所述的的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的制备方法，其特征在于：所述冷阴极预生长薄膜的材料可以为钨、锌、铜、铁、钼、铬或可氧化的金属材料中的一种或多种，并通过热氧化的方式获得一维金属氧化物纳米冷阴极。
12.根据权利要求8所述的的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的制备方法，其特征在于：所述冷阴极预生长薄膜为催化剂薄膜，并通过催化反应获得包括碳纳米管、石墨烯等一维或二维纳米碳基冷阴极。
13.根据权利要求8所述的的可行列寻址的共面聚焦结构纳米冷阴极电子源阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤f)中在定域制作前，通过离子表面轰击、紫外臭氧表面处理或预沉积过渡薄膜进行预处理以提高冷阴极预生长薄膜与所述顶部阴极电极之间的粘附性能。
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