CN110600350A - 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 - Google Patents
一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110600350A CN110600350A CN201910834161.3A CN201910834161A CN110600350A CN 110600350 A CN110600350 A CN 110600350A CN 201910834161 A CN201910834161 A CN 201910834161A CN 110600350 A CN110600350 A CN 110600350A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- ring
- cold cathode
- cathode electrode
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 71
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 31
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 19
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 12
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Chemical compound O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N tungsten trioxide Chemical compound O=[W](=O)=O ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 11
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 9
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 7
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 7
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000000233 ultraviolet lithography Methods 0.000 description 3
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000476 molybdenum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N oxomolybdenum Chemical compound [Mo]=O PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
- H01J1/304—Field-emissive cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
- H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
- H01J9/027—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of thin film cathodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源，包括衬底、绝缘层、底部阴极电极、底部分段环状栅极电极、刻蚀通孔、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极、生长源薄膜、纳米线冷阴极，所述顶部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与底部分段环状栅极电极相连，还公开了一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，包括以下步骤：制作底部阴极电极、底部分段环状栅极电极、绝缘层、刻蚀通孔、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极，沉积生长源薄膜，热氧化生长纳米线冷阴极。该纳米冷阴极电子源具有强栅控电子发射能力且是具有可行列寻址双环栅结构。
Description
技术领域
本发明涉及真空微电子器件技术领域，尤其涉及一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法。
背景技术
中国专利ZL201610542509.8，名称为自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法，顶部阴极电极和顶部栅极电极薄膜制备沉积过程中形成电极的薄膜，通过刻蚀通孔与底部阴极电极条和底部阴极栅极条连接起来；中国专利ZL201711063201.6，名称为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，公开了在衬底垂直排布有底部阴极电极条和底部阴极栅极条，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。但以上两种纳米冷阴极电子源的结构中的底部栅极电极条，只是起到电学连接的作用，所以只有单一的平面控制栅极结构，在实际应用中存在栅控特性差，纳米冷阴极的场发射电流偏低、驱动电压高的问题。若在此结构基础上想进一步增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用，则需要制作多个控制栅极，存在制作难度大，成本高昂和无法大面积制作的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源。所述纳米冷阴极电子源具有强栅控电子发射能力且是具有可行列寻址双环栅结构。利用刻蚀通孔将顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用。
本发明的另一个目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制作方法。该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了双环栅结构，也就是多个栅极控制，使得双环栅结构制作简单，降低成本，实现大面积制作。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源，所述纳米冷阴极电子源的结构包括：
衬底；制作在所述衬底上的底部阴极电极和多个底部分段环状栅极电极；所述多个底部分段环状栅极电极环绕在所述底部阴极电极周围且与底部阴极电极不相连；覆盖在所述底部分段环状栅极电极和底部阴极电极上的绝缘层；制作在所述绝缘层中分别使底部分段环状栅极电极和底部阴极电极局部裸露的刻蚀通孔，至少有两个所述底部分段环状栅极上分别有至少一个刻蚀通孔；制作在所述绝缘层上的顶部阴极电极和顶部环状栅极电极；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；所述顶部环状栅极电极环绕在所述顶部阴极电极周围且与顶部阴极电极不相连；所述顶部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连，实现底部分段环状栅极电极的串联；制作在所述顶部阴极电极上的生长源薄膜；制作在所述生长源薄膜上的纳米线冷阴极。
要实现底部分段环状栅极，至少有两个底部分段环状栅极电极上有至少一个刻蚀通孔。
在多个底部分段环状栅极电极中，每个底部分段环状栅极电极对应两个或两个以上的刻蚀通孔，以提高导电性。
通过引入底部分段环状栅极电极，刻蚀通孔使底部分段环状栅极电极和底部阴极电极局部裸露；所述顶部环状栅极电极在所述绝缘层上环绕在顶部阴极电极周围，且与顶部阴极电极不相连，所述顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极通过刻蚀通孔相连，实现底部分段环状栅极电极的串联，形成底部环状电极，连接成圆环，实现了双环栅结构。
原理：通过外加电场使冷阴极从尖端发射出电子，并且在底部分段环状栅极电极和顶部环状栅极电极上施加电压，由于底部分段环状栅极电极和顶部环状栅极电极与冷阴极距离很近，加上电压后，很容易达到场致发射的开启和阈值电场，从而控制冷阴极产生电子发射，根据电场叠加原理，在相同电压下，多个栅极结构可以提高电场，从而增强栅极控制作用。通过利用刻蚀通孔将顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，也就是多个控制栅极，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流，同时增强对冷阴极电流的调控作用。
进一步地，所述底部分段环状栅极电极的数量为3个；所述顶部环状栅极电极通过至少3个刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连。
进一步地，多个所述生长源薄膜排布于顶部阴极电极上，所述纳米线冷阴极为氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛纳米线或者氧化锡纳米线。
更进一步地，多个所述生长源薄膜以阵列形式排布于顶部阴极电极上。
进一步地，所述生长源薄膜由锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种制备而成，其厚度范围在0.3μm-5μm；所述相邻生长源薄膜之间的间距为直径或边长的0.1-10倍。保持这个距离有利于后面热氧化生长纳米线。
进一步地，所述生长源薄膜的形状为可对称操作的图形，其直径或边长为5μm-500μm，形状可以为圆形、环形或多边形。对称图形方便实验制作。
进一步地，所述衬底由硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片的一种或多种组合构成。硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片是大面积的材料。
进一步地，所述底部分段环状栅极电极、底部阴极电极、顶部环状栅极电极和顶部阴极电极上设置有导电薄膜，所述导电薄膜为Cr、Al、Ti、Cu、ITO、IZO、AZO、FTO、LTFO中的一种或多种组合制备而成，所述导电薄膜的厚度范围在0.1μm-2μm。所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。
进一步地，所述绝缘层由二氧化硅、氮化硅或氧化铝中的任意一种或其组合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，该绝缘层厚度为1μm-5μm。
本发明的另一目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，其包括以下步骤：
S1、在衬底上制作底部阴极电极和底部分段环状栅极电极；底部阴极电极和底部分段环状栅极电极的厚度优选为0.1μm-2μm。
S2、在底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上覆盖一层绝缘层；绝缘层的厚度优选为1μm-5μm。
S3、刻蚀绝缘层，制作位于底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上的刻蚀通孔；
S4、在刻蚀通孔上制作与底部阴极电极条相连的顶部阴极电极，制作与底部分段环状栅极电极相连的顶部环状栅极电极；顶部阴极电极和顶部环状栅极电极的厚度优选为0.1μm-2μm。
S5、沉积生长源薄膜；可采用磁控溅射法、真空热蒸发法、电子束蒸发法或化学气相沉积方法等方法沉积生长源薄膜。该生长源薄膜厚度优选为0.3μm-5μm；
S6、热氧化生长源薄膜以生长纳米线冷阴极。
底部阴极电极构成列向排布的电极，底部分段环状栅极电极在顶部环状栅极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底部环状栅极电极的分段设计可以使底部阴极电极和底部分段环状栅极电极在同一平面上实现相互垂直，从而使该电子源所组成的电子源阵列具有行列寻址能力。
进一步地，步骤S6中所述热氧化法包括升温过程和保温过程，升温过程的升温速率为1℃/min-30℃/min；保温过程的保温温度为300℃-600℃，保温时间为1min-600min，保温结束后自然冷却至室温即可。
所述热氧化法生长纳米线冷阴极的过程是在箱式炉或管式炉中进行。
进一步地，热氧化的升温过程和保温过程通入Ar、H2、N2、O2中的一种或两种以上组合气体。氧化锌、氧化铜、氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛或者氧化锡等纳米线的生长和氧气浓度有关，所以通入气体改变氧气浓度，可以控制纳米线的生长。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的纳米冷阴极电子源，通过利用顶部环状栅极电极及刻蚀通孔将底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用，从而达到降低驱动电压、增加发射电流。
此外，由于栅极电极与阴极电极引线均交错排布于底层，在实现器件的可寻址功能的同时，显著减少顶层复杂的电极引线排布，降低电极边缘放电现象发生的可能性，有利于器件的稳定工作，拓宽其在场发射平板显示器及平板X射线源中的应用。
本发明通过顶部栅极电极和刻蚀通孔的配合，将底部分段环栅连接成圆环，在保证电学连接的同时，该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了双环栅结构，使得双环栅结构制作简单，降低成本，实现大面积制作。
本发明为无源器件，只需通过电场控制，不需要额外的外部电源供电，同时结构也更简单，方便制作。
附图说明
图1是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源的剖面结构示意图；
图2是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源底部电极排布示意图；
图3是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源的结构示意图；
图4(a)-(f)为双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制作工艺流程图；
图5是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源阵列底部电极排布示意图；
图6是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源阵列的结构示意图；
图7是对比例中纳米冷阴极电子源底部电极排布示意图；
附图标记说明
衬底1、底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7、生长源薄膜8、纳米线冷阴极9、栅极电极连接线10、阴极电极连接线11、聚焦极电极81、底部栅极电极条21、顶部栅极电极61。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例制备ZnO纳米冷阴极电子源。
如图1-图3所示，本发明的双环栅结构的纳米冷阴极电子源包括衬底1、设置于衬底1上的底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7、生长源薄膜8以及纳米线冷阴极9。
底部分段环状栅极电极2为分段不连续的环状电极结构，其环绕于底部阴极电极3周围，底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3的外引线相互垂直排列。绝缘层4覆盖在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上，绝缘层4在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上分别刻蚀有若干刻蚀通孔5，使底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3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分别与底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3连通。所述顶部阴极电极7上排布有生长源薄膜8。生长源薄膜8上生长有纳米线冷阴极9。
衬底1为大面积玻璃。底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7为ITO制备而成，该底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的厚度范围均在1μm。底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过紫外光光刻、刻蚀工艺、磁控溅射和剥离技术制备。绝缘层4由二氧化硅绝缘薄膜组成，采用化学气相沉积方法制备。刻蚀通孔5通过刻蚀工艺制备，采用反应离子刻蚀方法。生长源薄膜8为锌膜，生长源薄膜8的厚度为2.6μm。生长源薄膜8通过电子束蒸发法沉积于顶部阴极电极7上。生长源薄膜的形状为具有对称性的圆形，其直径为252μm，相邻生长源薄膜8之间的间距为1260μm。通过前述生长源薄膜8生长得到的纳米线冷阴极9为氧化锌纳米线。
下面结合图4(a)-(f)详细解释双环栅结构的ZnO纳米冷阴极电子源的制作方法，具体步骤如下：
(1)清洁并吹干衬底1；衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜为ITO，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。导电薄膜的厚度为1.0μm。
(2)在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。
(3)在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。
(4)在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为ITO，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。导电薄膜的厚度为1.0μm。
(5)在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；生长源薄膜8为锌，其厚度范围在2.6μm；生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。
(6)通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为15℃/min，升温过程不通入气体。热氧化过程的保温温度为450℃，保温时间范围在300min，保温过程不通入气体。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为氧化锌纳米线。
实施例2
本实施例制备CuO纳米冷阴极电子源。
清洁并吹干衬底1；所述衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；所述作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜IZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。所述导电薄膜的厚度为0.1μm。
在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。所述作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，所述绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。
在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。所述刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。
在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。所述作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为IZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。所述导电薄膜的厚度为0.1μm。
在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；所述生长源薄膜8为锌，其厚度范围在0.3μm；所述生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。
通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。所述热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为1℃/min，升温过程通入Ar。热氧化过程的保温温度为300℃，保温时间范围在1min，保温过程通入Ar。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为CuO纳米线。
实施例3
本实施例制备TiO纳米冷阴极电子源。
清洁并吹干衬底1；所述衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；所述作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜为AZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。所述导电薄膜的厚度为2μm。
在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。所述作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，所述绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。
在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。所述刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。
在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。所述作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为AZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。所述导电薄膜的厚度为2μm。
在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；所述生长源薄膜8为锌，其厚度范围在5.0μm；所述生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。
通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。所述热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为30℃/min，升温过程通入N2。热氧化过程的保温温度为600℃，保温时间范围在600min，保温过程通入N2。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为TiO纳米线。
如图5所示，是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源阵列底部电极排布示意图；通过引入底部分段环状栅极电极，并通过顶部环状栅极电极和刻蚀通孔实现其连接，才实现底部环状栅极电极的引入。
如图6所示，底部阴极电极构成列向排布的电极，底部分段环状栅极电极在顶部环状栅极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底部环状栅极电极的分段设计可以使底部阴极电极和底部分段环状栅极电极在同一平面上实现相互垂直，将本结构的纳米冷阴极电子源以阵列式排布，构成纳米冷阴极电子源阵列。
对比例
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，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平行的底部阴极电极条和底部栅极电极条。该两底部电极条材料为铬，其厚度约为120nm。接着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一层绝缘层薄膜，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连接顶部电极和相应底部电极的刻蚀通孔。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制备环状顶部栅极电极、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、内壁以及暴露在孔内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520nm。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。
如图7所示，该电子源的基本结构是，底部栅极电极条21和底部阴极电极条3制作在衬底1上且垂直排列的。绝缘层4覆盖在该两底部电极条上，绝缘层4在底部栅极电极条21和底部阴极电极条3上刻蚀有刻蚀通孔5。刻蚀通孔5内部及其开口边沿制作有与底部相应电极条连接的顶部栅极电极61和顶部阴极电极7。聚焦极电极12制作于顶部栅极电极61外侧的四周。在图7所示结构中，顶部栅极电极61外观为圆环状，该圆环状顶部栅极电极61和顶部阴极电极7通过刻蚀通孔5与其相应的底部电极条相连通。
本对比例中底部栅极电极条，只是起到电学连接的作用，是单一平面结构，本申请通过引入底部分段环状栅极电极，并通过顶部环状栅极电极和刻蚀通孔实现其连接，在保证电学连接的同时，实现双栅极结构。
在相同电压下，测试场发射电流。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述纳米冷阴极电子源的结构包括：
衬底；
制作在所述衬底上的底部阴极电极和多个底部分段环状栅极电极；多个所述底部分段环状栅极电极环绕在所述底部阴极电极周围且与底部阴极电极不相连；
覆盖在所述底部分段环状栅极电极和底部阴极电极上的绝缘层；
制作在所述绝缘层中分别使底部分段环状栅极电极和底部阴极电极局部裸露的刻蚀通孔，所述底部分段环状栅极电极上至少有一个刻蚀通孔；
制作在所述绝缘层上的顶部阴极电极和顶部环状栅极电极；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；所述顶部环状栅极电极环绕在所述顶部阴极电极周围且与顶部阴极电极不相连；所述顶部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连，实现底部分段环状栅极电极的串联；
制作在所述顶部阴极电极上的生长源薄膜；
制作在所述生长源薄膜上的纳米线冷阴极。
2.根据权利要求1所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述底部分段环状栅极电极的数量为3个；所述顶部环状栅极电极通过至少3个刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连。
3.根据权利要求1所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述纳米线冷阴极为氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛纳米线或者氧化锡纳米线。
4.根据权利要求1或2所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述生长源薄膜的厚度范围在0.3μm-5μm；相邻的所述生长源薄膜之间的间距为直径或边长的0.1-10倍。
5.根据权利要求1所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述生长源薄膜的形状为可对称操作的图形，所述生长源薄膜的直径或边长为5μm-500μm。
6.根据权利要求1所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述底部分段环状栅极电极、底部阴极电极、顶部环状栅极电极和顶部阴极电极上设置有导电薄膜，所述导电薄膜的厚度范围在0.1μm-2μm。
7.一种权利要求1所述双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上制作底部阴极电极和底部分段环状栅极电极；
S2、在底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上覆盖一层绝缘层；
S3、刻蚀绝缘层，制作位于底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上的刻蚀通孔；
S4、在刻蚀通孔上制作与底部阴极电极条相连的顶部阴极电极，制作与底部分段环状栅极电极相连的顶部环状栅极电极；
S5、沉积生长源薄膜；
S6、热氧化生长源薄膜以生长纳米线冷阴极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S6中所述热氧化包括升温过程和保温过程，升温过程的升温速率为1℃/min-30℃/min；保温过程的保温温度为300℃-600℃，保温时间为1min-600min，保温结束后自然冷却至室温。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，热氧化的升温过程和保温过程通入Ar、H2、N2、O2中的一种或两种以上组合气体。
10.一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的双环栅结构的纳米冷阴极电子源构成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910834161.3A CN110600350B (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910834161.3A CN110600350B (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110600350A true CN110600350A (zh) | 2019-12-20 |
| CN110600350B CN110600350B (zh) | 2020-08-04 |
Family
ID=68857482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910834161.3A Active CN110600350B (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110600350B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111081809A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-28 | 中山大学 | 一种高灵敏度的x射线探测器 |
| CN111081505A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-28 | 中山大学 | 一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 |
| CN114496686A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-05-13 | 中山大学 | 一种可寻址的纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5808403A (en) * | 1994-08-05 | 1998-09-15 | Pixel International S.A. | Microtip cathode with auxiliary insulating layer |
| JP2003519888A (ja) * | 1999-12-31 | 2003-06-24 | エクストリーム デバイシーズ， インコーポレイテッド | 電界放出カソードにおける動的ビーム形状修正のためのセグメント化されたゲート駆動 |
| CN102498539A (zh) * | 2009-08-17 | 2012-06-13 | 印度科学院 | 用于聚焦场发射的碳纳米管阵列 |
| CN106158551A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-11-23 | 中山大学 | 自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法 |
| CN107818899A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-03-20 | 中山大学 | 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 |
-
2019
- 2019-09-04 CN CN201910834161.3A patent/CN110600350B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5808403A (en) * | 1994-08-05 | 1998-09-15 | Pixel International S.A. | Microtip cathode with auxiliary insulating layer |
| JP2003519888A (ja) * | 1999-12-31 | 2003-06-24 | エクストリーム デバイシーズ， インコーポレイテッド | 電界放出カソードにおける動的ビーム形状修正のためのセグメント化されたゲート駆動 |
| CN102498539A (zh) * | 2009-08-17 | 2012-06-13 | 印度科学院 | 用于聚焦场发射的碳纳米管阵列 |
| CN106158551A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-11-23 | 中山大学 | 自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法 |
| CN107818899A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-03-20 | 中山大学 | 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 钱峰，邓少芝，陈军，许宁生: "薄膜型冷阴极电子源发光器件延迟特性的分析", 《真空科学与技术》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111081809A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-28 | 中山大学 | 一种高灵敏度的x射线探测器 |
| CN111081505A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-28 | 中山大学 | 一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 |
| CN114496686A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-05-13 | 中山大学 | 一种可寻址的纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法 |
| CN114496686B (zh) * | 2021-12-28 | 2023-10-27 | 中山大学 | 一种可寻址的纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110600350B (zh) | 2020-08-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110600350B (zh) | 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 | |
| CN109768051B (zh) | 一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件及制备方法 | |
| WO2016061715A1 (zh) | 金属氧化物薄膜晶体管制备方法 | |
| US20060238096A1 (en) | Carbon nanotube structure and method of manufacturing the same, field emission device using the carbon nanotube structure and method of manufacturing the field emission device | |
| JPH10298738A (ja) | シャドウマスク及び蒸着方法 | |
| US9142777B2 (en) | Apparatus and method for making OLED lighting device | |
| CN107818899B (zh) | 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 | |
| WO2016061714A1 (zh) | 一种金属氧化物薄膜晶体管制作方法 | |
| CN101494144B (zh) | 一种带栅极的纳米线冷阴极电子源阵列的结构及其制作 | |
| CN111081505B (zh) | 一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 | |
| KR100449071B1 (ko) | 전계 방출 소자용 캐소드 | |
| CN104091743B (zh) | 一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法及其结构 | |
| CN110854007A (zh) | 一种基于x射线微像素单元的平板x射线源及其制备方法 | |
| US20140191200A1 (en) | Apparatus and Method for Making OLED Lighting Device | |
| CN111524771A (zh) | 一种可快速响应的冷阴极平板脉冲x射线源及制备方法 | |
| CN111063597B (zh) | 一种栅极-阳极叉指型栅控平板x射线源及其制备方法 | |
| CN114496686B (zh) | 一种可寻址的纳米冷阴极电子源阵列及其制作方法 | |
| CN114050099A (zh) | 一种高压tft驱动的冷阴极平板x光源及制备方法 | |
| CN118039431A (zh) | 内栅结构的纳米冷阴极电子源、制作方法及电子源阵列 | |
| WO2011157097A1 (zh) | 具有边缘增强效应的栅极场发射阴极结构及其制备方法 | |
| JP2002260524A (ja) | 冷陰極電子源とそれを用いて構成した撮像装置、表示装置 | |
| CN114512379B (zh) | 一种纳米间隙电子源结构及制备方法 | |
| JPH09129123A (ja) | 電子放出素子及びその製造方法 | |
| KR100485128B1 (ko) | 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법 | |
| CN101819913A (zh) | 具有边缘增强效应的前栅型场发射阴极结构及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |