CN110767519B - 一种场发射电子源结构及其形成方法、电子源、微波管 - Google Patents

一种场发射电子源结构及其形成方法、电子源、微波管 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光增强场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管，所述电子源结构包括支撑衬底；形成在衬底上的光电阴极层；形成在光电阴极层的一部分上的源极；覆盖所述源极和光电阴极层的绝缘层；形成在所述绝缘层上的栅极；以及贯穿所述栅极及所述绝缘层且暴露所述光电阴极层的真空沟道。本发明提供的光增强场发射电子源结构与基于冷阴极的电子源结构相比，具有较低的工作电压，可有效降低了强电场作用下电子源器件因击穿导致短路的概率；相比于传统光电阴极组件的电子源结构，本发明的光增强场发射电子源结构拥有更大的发射电流密度和更强的抗离子轰击能力，可满足高频率行波管对大电流密度电子源结构的要求。

Description

一种场发射电子源结构及其形成方法、电子源、微波管
技术领域
本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管。
背景技术
行波管是靠连续调制电子注的速度实现放大功能的微波电子管，阴极的电子发射能力决定行波管的性能。热阴极组件是行波管中常用的电子源，具有发射电流密度较大、性能稳定和寿命长等特点。但是对行波管工作频率增加，行波管器件的体积越来越小，对阴极的发射能力提出了更高的要求，同时对热阴极的结构和加工工艺也提出了更大的挑战。另外热阴极工作于高温状态，对高频率行波管的真空环境影响较大，以及阴极的蒸发物会破坏电极之间的绝缘性，最终影响行波管的性能。
冷阴极组件是一种工作于常温状态的电子源，同时拥有较长的发展历史，冷阴极的理论发射电流密度远大于热阴极的发射电流密度，是一种理想的电子源，但是由于冷阴极工作所需的电压较大，而制备过程中很难保障每一个电子发射单元具有一致的结构和耐压特性，因此工作过程中发生打火和短路的几率较大，导致了冷阴极无法在行波管中进行应用。同样，光电阴极也是工作于常温条件，且具有较高的光电转换效率，但是光电阴极的发射电流密度相对较小，尚无法满足高频率行波管对大电流密度的电子源结构的要求。
因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种低工作电压、高发射电流密度、稳定性高的电子源结构及其形成方法。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种光增强场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管。
根据本发明的一个方面，提供一种光增强场发射电子源结构，该电子源结构包括支撑衬底；形成在衬底上的光电阴极层；形成在光电阴极层的一部分上的源极；覆盖所述源极和光电阴极层的绝缘层；形成在所述绝缘层上的栅极；以及贯穿所述栅极及所述绝缘层且暴露所述光电阴极层的真空沟道。
优选地，所述沟道为垂直沟道或V形沟道。
优选地，所述支撑衬底为透明衬底或非透明衬底。
优选地，所述真空沟道的深度h1为栅极和绝缘层的厚度之和≤h1＜栅极、绝缘层和光电阴极层的厚度之和。
优选地，光电阴极层的材料选自GaAs、GaN、AlGaAs、AlGaN、InAs、GaP、InP、Si和InGaAsP中的一种或多种，或GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN和GaAs/GaN异质结构晶体材料中的一种或多种，优选地，光电阴极层的厚度Tc≥10nm。
优选地，所述绝缘层的厚度Ti为20nm≤Ti≤5μm，优选地，所述栅极层的厚度Tg为20nm≤Tg≤5μm。
根据本发明的另一方面，提供一种光增强场发射电子源，该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极，或，
该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构的阵列，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极。
根据本发明的另一方面，提供一种微波管，该微波管包括如上所述的光增强场发射电子源和管壳，其中所述管壳包括对应所述电子源的透光窗口。
优选地，所述支撑衬底为透光衬底，所述电子源为透射式电子源；或者所述支撑衬底为非透光衬底，所述电子源为反射式电子源。
根据本发明的另一方面，提供一种光增强场发射电子源结构的形成方法，该方法包括：
提供衬底；
在衬底上形成光电阴极层；
在所述光电阴极层上形成源极金属层，对得到的源极金属层进行图案化得到暴露部分光电阴极层的源极；
形成覆盖所述源极和暴露的光电阴极层的绝缘层；
在所述绝缘层上形成栅极金属层；以及
通过光刻工艺形成贯穿所述栅极金属层和绝缘层、暴露所述光电阴极层的槽以形成沟道。
本发明的有益效果如下：
相比于与传统冷阴极组件的电子源结构，本发明提供的光增强场发射电子源结构有效地降低了电子源结构所需的工作电压，从而减少电子源结构在工作过程中出现打火和短路的几率，进而提高电子源结构的可靠性和使用寿命，而且该电子源结构所发射的电子束易调制，提高了电子源结构的可靠性。与传统光电阴极组件的电子源结构相比，本发明提供的光增强场发射电子源结构拥有更大的发射电流密度和更强的抗离子轰击能力，同时还增加了发射电子束的多样性，大幅度提高该电子源结构的稳定性，可满足高频率行波管对大电流密度的电子源结构的要求。另外，本发明提供的光增强场发射电子源结构的发射电流强度和脉冲特性可根据光照强度和频率进行调节，可广泛应用于光调制真空微波器件、自由电子激光器和光源等，是一种理想的高性能真空器件电子源结构。进一步，可根据本发明提供的光增强场发射电子源结构的支撑衬底的不同，设计不同的电子源和制作工艺，扩大该电子源结构的使用范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种光增强场发射电子源结构的工作原理图；
图2为本发明提供的一种包含垂直沟道的光增强场发射电子源结构的结构示意图；
图3为本发明提供的一种包含V型沟道的光增强场发射电子源结构的结构示意图；
图4为本发明提供的一种阵列式光增强场发射电子源结构的结构示意图；
图5为本发明提供的一种光电阴极材料为GaAs的光增强场发射电子源结构的电子发射特性；
图6为本发明提供的一种光电阴极材料为GaAs/GaN的光增强场发射电子源结构的电子发射特性。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。
图1示意性示出根据本发明的光增强场发射电子源结构的工作原理。本发明提供一种光增强场发射电子源结构，该电子源结构包括支撑衬底105；形成在衬底105上的光电阴极层104、形成在光电阴极层104的一部分上的源极103、覆盖所述源极103和光电阴极层104的绝缘层102、形成在所述绝缘层102上的栅极101以及贯穿所述栅极101及所述绝缘层102且暴露所述光电阴极层104的真空沟道106。其中所述栅极101材料选自Ni、Mo、Al等金属材料，其厚度Tg优选为20nm≤Tg≤5μm；所述绝缘层102材料选自Al2O3、SiO2等绝缘材料，其厚度Ti优选为20nm≤Ti≤5μm；所述源极材料103选自Ni、Mo、Al等金属材料，其厚度Ts优选为20nm≤Ts≤所述绝缘层102的厚度Ti；所述光电阴极层104的材料选自GaAs、GaN、AlGaAs、AlGaN、InAs、GaP、InP、Si和InGaAsP中的一种或多种，以及GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN和GaAs/GaN等异质结构晶体材料，其厚度Tc≥10nm。所述支撑衬底105为透明衬底或非透明衬底。优选地，选自Si、GaAs、GaN等单晶材料，或蓝宝石、石英、玻璃等透明材料。
本发进一步提供一种光增强场发射电子源结构的形成方法，包括以下步骤：提供衬底，具体地，可事先通过丙酮和无水乙醇等清洗支撑衬底材料表面的污染物。在衬底上形成光电阴极层，具体地，可使用MOCVD或MBE等外延技术在经清洗的衬底材料表面生长光电阴极层；根据透射式和反射式阴极工作模式或衬底材料，可选择性地将阴极材料粘结到其他支撑衬底上，并将原衬底腐蚀去除。在得到的光电阴极层上形成源极金属层，对得到的源极金属层进行图案化得到暴露部分光电阴极层的源极。具体地，通过在光电阴极层表面贴覆源极材料薄膜，并通过光刻与刻蚀等本领域技术人员熟知的方法对源极源极薄膜图案化，得到源极。形成覆盖所述源极和暴露的光电阴极层的绝缘层。在得到的绝缘层上形成栅极金属层。随后，通过光刻工艺形成贯穿所述栅极金属层和绝缘层、暴露所述光电阴极层的槽以形成沟道。所述沟道可根据需要进入光电阴极层一定深度。本领域技术人员可理解的是，也可以通过离子束聚焦刻蚀技术制作真空沟道结构。
下面结合图1阐述本发明提供的光增强场发射电子源结构的工作原理。本发明在光电阴极的电子源结构的制备工艺中引入了冷阴极的电子源结构的制备方法，即在光电阴极层104表面生长源极103、绝缘层102和栅极101，使用离子束聚焦刻蚀或光刻技术在光电阴极层104表面制作真空沟道106结构。栅极101作用是为光电阴极层104表面提供电场，使光电阴极层表面的电子可以发射到真空；绝缘层102的作用是使栅极101和源极103之间保持绝缘；源极103作用是为光电阴极层104补充电子；光电阴极层104的作用是将入射的光子转化为电子，实现光电转换。当光束照射到光电阴极层上时，光子将光电阴极层中的价带电子激发到导带，导带中的电子向光电阴极层表面扩散，并在真空沟道中强电场的作用下发射到真空，同时源极对光电阴极层中的电子进行补充，保持光电阴极层表面有持续的电子发射。支撑衬底的作用是为电子源结构提供力学支撑。优选地，支撑衬底可为透光衬底或非透光衬底，当支撑衬底为透光衬底时，光束可通过支撑衬底直接照射到光电阴极层，光增强场发射电子源工作于透射式模式。当支撑衬底为非透光衬底光束时，入射光束由真空沟道测照射到光电阴极层时，光增强场发射电子源工作于反射式模式。
本发明提供的光增强场发射电子源结构的响应时间和源极与真空沟道之间的间距有关，间距越小电子源结构的响应时间越短。同时间距过小会对制备工艺提出更高的要求。为了缩小源极与真空沟道之间的间距，优选地，可将源极103靠近所述真空沟道106处且由绝缘层102覆盖，如图2所示。由于随真空沟道深度增加，相同栅极电压条件下，光电阴极层表面的电场强度逐渐降低，因此为了提高光电阴极层表面的电场强度，优选地，所述真空沟道106为垂直沟道或V形沟道，如图2-3所示。
根据本发明的优选实施例，形成在本发明的光增强场发射电子源结构中的真空沟道106暴露所述光电阴极层104，即真空沟道106可仅暴露光电阴极层104的顶面，或者，所述真空沟道106形成至光电阴极层104中。所述垂直沟道106可为圆形结构或者矩形结构，所述V型结构可为圆锥结构或者棱锥结构。所述栅极层的真空沟道的边长或者直径Rt可为50nm≤Rt≤10μm，光电阴极层内部的真空沟道的边长或直径Rb≤栅极层的真空沟道的边长或直径Rt。电子源结构的真空沟道的深度hl为栅极和绝缘层厚度之和≤h1＜栅极、绝缘层和阴极厚度之和。真空沟道的长度L大于50nm，栅极层的真空沟道宽度Dt为50nm≤Dt≤50μm，光电阴极层内部的真空沟道宽度Db为Db≤栅极层沟道宽度Dt。
本发明提供的光增强场发射电子源结构工作时，所述栅极101施加正极电压，所述源极103施加负极电压为光电阴极层104补充电子。当入射光束照射光电阴极层104时，光电阴极层104产生电子，并在真空沟道106中强电场的作用下发射到真空沟道。可见，在未照射入射光之前，工作电压已经施加。因此，相比于与传统冷阴极组件的电子源结构，本发明提供的光增强场发射电子源结构可有效地降低电子源结构的工作电压，从而减少电子源结构在工作过程中出现打火和短路的几率，进而提高电子源结构的可靠性和使用寿命。
本发明提供的电子源结构发射电子束更易于调制并可增加阴极发射电子束的多样性，同时提高了电子源结构的可靠性。本发明提供的电子源结构具有设计多样性，与传统光电阴极组件的电子源结构相比，本发明提供的光增强场发射电子源结构可通过调节真空沟道的宽度和栅极材料，实现更大的发射电流密度和更强的抗离子轰击能力，显著提高光电阴极的稳定性，满足高频率行波管对大电流密度的电子源结构的要求。根据支撑衬底的不同，本发明提供的光增强场发射电子源可选择不同的工作模式，并且可依据不同的衬底设计不同的电子源和制作工艺，扩大该电子源结构的使用范围。进一步，本发明提供的光增强场发射电子源结构的发射电流强度和脉冲特性可根据光照强度和频率进行调节，可广泛应用于光调制真空微波器件、自由电子激光器和光源等，是一种理想的高性能真空器件电子源结构。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种光增强场发射电子源，该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极，其中栅极接正极电压，源极接负极电压。或者，该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构的阵列，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极。由于真空沟道结构为微米/亚微米量级，通过将电子源结构设计为阵列结构可有效提高发射电流密度，其中栅极接正极电压，源极接负极电压。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种微波管，该微波管包括如上所述的光增强场发射电子源和管壳，其中所述管壳包括对应所述电子源的透光窗口。优选地，所述支撑衬底为透光衬底时，所述电子源为透射式电子源；或者所述支撑衬底为非透光衬底时，所述电子源为反射式电子源。具体地，当电子源为透射式电子源，入射光束从支撑衬底下方射入光电阴极层，所述透光窗口位于支撑衬底下方；当电子源为反射式电子源时，入射光束从真空沟道照射到光电阴极层时，所述透光窗口位于真空沟道的一侧。
下面结合附图和具体实施例进行详细阐述：
实施例1
光增强场发射电子源结构如图2所示，其中支撑衬底105材料为GaAs，厚度为0.4mm；绝缘层102材料为Al2O3，厚度为20nm；栅极101和源极103材料为Mo，厚度均为20nm；光电阴极层104为GaAs薄膜，厚度为2μm。
真空沟道结构106为垂直沟道，真空沟道106宽度为1μm，深度为200nm，长度为1mm。真空沟道数量为100，间距为5μm，阵列式结构如图4所示。
光增强场发射电子源结构的制备方法如下：
第一步，使用丙酮和无水乙醇等清洗GaAs衬底材料表面的污染物；
第二步，使用MOCVD外延技术在第一步所得的衬底材料表面生长GaAs晶体材料；
第三步，在第二步所得材料表面贴覆Mo薄膜并使用光刻与刻蚀技术制备出源极结构；
第四步，在第三步所得材料表面贴覆Al2O3、Mo薄膜；
第五步，在第四步所得材料表面使用光刻与刻蚀技术制作真空沟道结构。
在功率为2W，波长为532nm激光光源自真空沟道测照射下，光增强场发射电子源结构在不同工作电压条件下的电流发射特性如图5所示，可以看出，光增强场发射电子源结构在较低的工作电压下仍具有大电流密度发射能力，在4V的工作电压下，光增强场发射电子源结构的发射电流可为27mA。
实施例2
光增强场发射电子源结构如图2所示，支撑衬底105材料为蓝宝石，厚度为0.46mm；绝缘层102材料为Al2O3，厚度为200nm；栅极101和源极103材料为Mo，厚度均为200nm；光电阴极104为GaAs/GaN薄膜，GaAs层厚度为10nm，GaN层厚度为50nm。
真空沟道结构106为垂直沟道，真空沟道直径为1μm，深度为600nm。真空沟道为100×100阵列结构，间距为3μm。
光增强场发射电子源结构的制备方法如下：
第一步，使用丙酮和无水乙醇等清洗蓝宝石支撑衬底材料表面的污染物；
第二步，使用MOCVD外延技术在第一步所得的材料表面生长GaAs/GaN晶体材料；
第三步，将第二步所得材料表面覆Mo薄膜并使用光刻与刻蚀技术制备出源极结构；
第四步，在第三步所得材料表面覆Al2O3、Mo薄膜薄膜；
第五步，在第四步所得材料表面使用等光刻与刻蚀技术制作真空沟道结构。
在功率为1W，波长为266nm激光光源自支撑衬底测照射下，光增强场发射电子源在不同工作电压条件下的电流发射特性如图6所示。同样可看出，可以看出，光增强场发射电子源结构在较低的工作电压下仍具有大电流密度发射能力。在4V的工作电压下，光增强场发射电子源结构的发射电流可为24mA。
实施例3
光增强场发射电子源结构如图3所示，支撑衬底105材料为玻璃，厚度为3mm；绝缘层102材料为Al2O3，厚度为1μm；栅极101和源极103材料为Mo，厚度均为1μm；光电阴极层104为GaAs薄膜，GaAs层厚度为2μm。
真空沟道结构106为“V”形结构，真空沟道直径为5μm，深度为4μm，长度为0.8mm。真空沟道为50×50阵列结构，间距为10μm。
光增强场发射电子源结构的制备方法如下：
第一步，使用丙酮和无水乙醇等清洗GaAs衬底材料表面的污染物；
第二步，使用MBE外延技术在第一步所得的衬底材料表面生长GaAs晶体；
第三步，将第二步所得材料表面涂覆Mo薄膜并使用光刻与刻蚀技术制备出源极结构；
第四步，在第三步所得材料表面涂覆Al2O3、Mo薄膜；
第五步，在第四步所得的材料表面使用等离子聚焦刻蚀技术制作真空沟道结构。
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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种光增强场发射电子源结构的形成方法，其特征在于，该方法包括
提供衬底；
在衬底上形成光电阴极层；
在所述光电阴极层上形成源极金属层，对得到的源极金属层进行图案化得到暴露部分光电阴极层的源极；
形成覆盖所述源极和暴露的光电阴极层的绝缘层；
在所述绝缘层上形成栅极金属层；以及，
通过光刻工艺形成贯穿所述栅极金属层和绝缘层、暴露所述光电阴极层的槽以形成沟道。
2.根据权利要求1所提供的形成方法形成的一种光增强场发射电子源结构，其特征在于，该电子源结构包括：
支撑衬底；
形成在衬底上的光电阴极层；
形成在光电阴极层的一部分上的源极；
覆盖所述源极和光电阴极层的绝缘层；
形成在所述绝缘层上的栅极；
以及贯穿所述栅极及所述绝缘层且暴露所述光电阴极层的真空沟道。
3.根据权利要求2所述光增强场发射电子源结构，其特征在于，所述沟道为垂直沟道或V形沟道。
4.根据权利要求2所述光增强场发射电子源结构，其特征在于，所述支撑衬底为透明衬底或非透明衬底。
5.根据权利要求2所述光增强场发射电子源结构，其特征在于，所述真空沟道的深度h1为栅极和绝缘层的厚度之和≤h1＜栅极、绝缘层和光电阴极层的厚度之和。
6.根据权利要求2所述光增强场发射电子源结构，其特征在于，光电阴极层的材料选自GaAs、GaN、AlGaAs、AlGaN、InAs、GaP、InP、Si和InGaAsP中的一种或多种，或GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN和GaAs/GaN异质结构晶体材料中的一种或多种，光电阴极层的厚度Tc≥10nm。
7.根据权利要求2所述光增强场发射电子源结构，其特征在于，所述绝缘层的厚度Ti为20nm≤Ti≤5μm，所述栅极层的厚度Tg为20nm≤Tg≤5μm。
8.一种光增强场发射电子源，其特征在于，该电子源包括根据权利要求2所述的光增强场发射电子源结构，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极，或，
该电子源包括根据权利要求1所述的光增强场发射电子源结构的阵列，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极。
9.一种微波管，其特征在于，该微波管包括如权利要求8所述的光增强场发射电子源和管壳，其中所述管壳包括对应所述电子源的透光窗口。
10.根据权利要求9所述的微波管，其特征在于，所述支撑衬底为透光衬底，所述电子源为透射式电子源；或者所述支撑衬底为非透光衬底，所述电子源为反射式电子源。
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