CN113140434A - 一种片上微型电子源及制造方法、电子源系统、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种片上微型电子源及其制造方法、电子源系统、电子设备，其中片上微型电子源包括衬底，衬底上形成有驱动电极对，驱动电极对存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结，驱动电极对可以用于驱动电子隧穿结发出电子束，在衬底上方可以固定聚焦电极，聚焦电极上形成有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸。也就是说，本申请实施例中，可以通过驱动电极驱动电子隧穿结发出电子束，电子隧穿结无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率，通过聚焦电极可以对电子束进行聚集，从而减小电子束的束斑尺寸，这样可以得到发射电流较大，且束斑尺寸较小的电子束。
Description
技术领域
本申请涉及电子科学与技术领域，尤其涉及一种片上微型电子源及其制造方法、电子源系统、电子设备。
背景技术
电子源是一种提供可在自由空间运动的电子束的器件，广泛应用于医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件、智能手机、电脑等重要领域。当前，电子源的微型化和片上化是限制以上设备微型化和片上化的主要瓶颈之一，因此，高性能小尺寸的片上微型电子源是重要的电子元器件。
片上微型电子源的研究始于1960年代，目前已有多种片上微型电子源。然而，现有的片上微型电子源的整体发射电流较小，电子束的束斑尺寸较大，不能满足较多的应用需求。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种片上微型电子源及其制造方法、电子源系统、电子设备，以减小片上微型电子源的束斑尺寸，进而满足较多的应用需求。
为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：
本申请实施例提供了一种片上微型电子源，包括：
衬底；
所述衬底上的驱动电极对；所述驱动电极对存在间隙，所述间隙中形成有电子隧穿结；所述驱动电极对用于驱动所述电子隧穿结发出电子束；
所述衬底上方固定的聚焦电极，所述聚焦电极上形成有纵向贯穿所述聚焦电极的聚焦通道，用于在所述电子束通过时减小所述电子束的束斑尺寸。
可选的，所述聚焦电极为金属电极；或所述聚焦电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述聚焦电极和所述衬底之间形成有第一支撑部件。
可选的，所述聚焦电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第一支撑部件为一体化结构。
可选的，所述第一支撑部件为位于所述聚焦电极的外侧的侧墙，所述聚焦电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第一支撑部件的外侧。
可选的，所述聚焦电极为多个，多个所述聚焦电极竖直排布。
可选的，多个所述聚焦电极构成台阶结构。
可选的，还包括：
所述衬底和所述聚焦电极之间固定的引出电极，用于为所述电子束提供电子加速电场；所述引出电极上形成有纵向贯穿所述引出电极的引出通道。
可选的，所述引出电极为金属电极；或所述引出电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述引出电极和所述衬底之间形成有第二支撑部件。
可选的，所述引出电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第二支撑结构为一体化结构。
可选的，所述第二支撑部件为位于所述引出电极外侧的侧墙，所述引出电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第二支撑部件的外侧。
可选的，所述引出电极和所述聚焦电极构成台阶结构。
可选的，所述驱动电极对与所述衬底接触，所述电子隧穿结形成于绝缘层中，所述绝缘层形成于所述驱动电极对之间。
可选的，所述驱动电极对和所述衬底之间形成有绝缘层，在所述驱动电极对的间隙正对的绝缘层中形成有电子隧穿结。
可选的，所述绝缘层的材料为下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。
可选的，所述驱动电极对包括延伸至两个区域电极之外的两个相对的指状电极，每个所述区域电极包括至少一个指状电极。
可选的，所述衬底下方还形成有热沉。
可选的，所述驱动电极的电极材料为下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
可选的，所述间隙的宽度小于或者等于10微米。
本申请实施例还提供了一种电子源系统，包括基座，以及所述的微型电子源；所述基座用于为所述微型电子源提供支撑，并为所述微型电子源提供电源连接端口。
可选的，所述电子源系统还包括控制模块；所述控制模块与所述电源连接端口连接，用于为所述微型电子源供电。
本申请实施例还提供了一种片上微型电子源的制造方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成驱动电极对，所述驱动电极对之间存在间隙，所述间隙中形成有电子隧穿结；所述驱动电极对用于驱动所述电子隧穿结发出电子束；
在所述衬底上方固定聚焦电极，所述聚焦电极上形成有纵向贯穿所述聚焦电极的聚焦通道，用于在所述电子束通过时减小所述电子束的束斑尺寸。
可选的，所述聚焦电极为金属电极；或所述聚焦电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述在所述衬底上固定聚焦电极，包括：
在所述衬底上形成第一支撑部件；
在所述第一支撑部件上形成聚焦电极。
可选的，所述在所述衬底上方固定聚焦电极之前，所述方法还包括：
在所述衬底上固定引出电极，所述引出电极用于为所述电子束提供电子加速电场，所述引出电极上形成有纵向贯穿所述引出电极的引出通道。
可选的，所述引出电极为金属电极；或所述引出电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述在所述衬底上固定引出电极，包括：
在所述衬底上形成第二支撑部件；
在所述第二支撑部件上形成引出电极。
可选的，所述方法还包括：
在所述导热层的下方形成热沉，所述热沉与所述导热层接触。
本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备至少包括前述的微型电子源或电子源系统。
可选的，所述电子设备包括以下设备的至少一种：医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件、智能手机、电脑。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
基于以上技术方案可知，本申请提供了一种片上微型电子源及其制造方法、电子源系统、电子设备，其中片上微型电子源包括衬底，衬底上形成有驱动电极对，驱动电极对存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结，驱动电极对可以用于驱动电子隧穿结发出电子束，在衬底上方可以固定聚焦电极，聚焦电极上形成有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸。也就是说，本申请实施例中，可以通过驱动电极驱动电子隧穿结发出电子束，电子隧穿结无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率，通过聚焦电极可以对电子束进行聚集，从而减小电子束的束斑尺寸，这样可以得到发射电流较大，且束斑尺寸较小的电子束。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种片上微型电子源的制造方法的流程图；
图2为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图3为图2中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图4为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图5为图4中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图6为本申请实施例提供的一种电子隧穿结的结构示意图；
图7为本申请实施例中电子隧穿结的能带图；
图8为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图9为图8中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图10为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图11为图10所示的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图12为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图13为图12中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图14为图12中的片上微型电子源在虚线椭圆中的区域的局部放大图；
图15为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图16为图15中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图17为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图18为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图19为图18中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图20为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图21为图20中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图22为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图；
图23为图22中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；
图24为本申请实施例提供一种片上微型电子源的工作示意图；
图25为本申请实施例提供的一种电子源系统的示意图；
图26为本申请实施例提供的另一种电子源系统的示意图。
具体实施方式
电子源是一种提供可在自由空间运动的电子束的器件，广泛应用于医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件、智能手机、电脑等重要领域。当前，电子源的微型化和片上化是限制以上设备微型化和片上化的主要瓶颈之一，因此，高性能小尺寸的片上微型电子源是重要的电子元器件。
片上微型电子源的研究始于1960年代，目前已有多种片上电子源，例如：基于微尖结构的场发射片上电子源、基于金属(M)-绝缘体(I)-金属(M)隧穿结的隧穿电子源、负电子亲和势片上电子源、片上微型热发射电子源等等。
其中，场发射片上电子源的主要问题是工作电压高、稳定工作要求超高真空、阵列均一性差等。MIM隧穿电子源和负电子亲和势电子源的主要问题是电子发射效率低、发射电流密度小。微型片上热发射电子源的主要问题除了发射效率低和发射电流密度小之外，还存在局部温度高、功耗大等问题。
为了解决上述片上电子源存在的问题，本申请实施例提供了一种基于阻变材料的表面隧穿电子源，该表面隧穿电子源是一种平面多区结构的表面隧穿微型电子源。其具体包括一衬底，在衬底表面形成有相连的两个导电区域和一个绝缘区域，其中，绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，从而形成有电子隧穿结。该表面隧穿电子源还包括一个驱动电极对，通过驱动电极对给表面隧穿电子源施加电压，能够使电子从电子隧穿结中电势低的导电区域隧穿通过绝缘区域进入电势高的导电区域，并从电势高的导电区域靠近绝缘区域的边界处发射到真空。
相较于传统多层MIM结构的垂直隧穿电子源，表面隧穿电子源的电子在发射时无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率。然而，发明人经过研究发现，表面隧穿电子源发射的电子束的束斑尺寸较大，对于相同电流的电子束而言，束斑尺寸越大，电子束的密度就越小，不能满足更多的应用需求。
基于以上技术问题，本申请提供了一种片上微型电子源及其制造方法、电子源系统、电子设备，其中片上微型电子源包括衬底，衬底上形成有驱动电极对，驱动电极对存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结，驱动电极对可以用于驱动电子隧穿结发出电子束，在衬底上方可以固定聚焦电极，聚焦电极上形成有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸。也就是说，本申请实施例中，可以通过驱动电极驱动电子隧穿结发出电子束，电子隧穿结无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率，通过聚焦电极可以对电子束进行聚集，从而减小电子束的束斑尺寸，这样可以得到发射电流较大，且束斑尺寸较小的电子束。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
本申请实施例提供了一种片上微型电子源的制造方法，参考图1所示，为本申请实施例提供的一种片上微型电子源的制造方法的流程图。具体的，该方法可以包括以下步骤：
S101，提供衬底1，参考图2和图3所示。
本申请实施例中，衬底1可以为微型电子源提供支撑，其材料可以为以下材料中的一种或多种：硅、锗、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、金刚石、玻璃、陶瓷、金属。其中，图2为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图3所示为图2中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图。
S102，在衬底1上形成驱动电极对31、32，驱动电极对31、32存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结2，参考图3-图19所示。
本申请实施例中，驱动电极对31、32包括第一驱动电极31和第二驱动电极32，第一驱动电极31和第二驱动电极32在工作时被施加不同的电压，因此可以具有电压差。驱动电极对31、32可以采用导电性良好的材料，例如可以是金属、掺杂的半导体、石墨烯和碳纳米管中的至少一种。驱动电极对31、32可以存着间隙，即第一驱动电极31和第二驱动电极32之间存在间隙，间隙的宽度小于或者等于10微米。参考图4和图5所示，其中，为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图5所示为图4中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图。
驱动电极对31、32的间隙中可以形成有电子隧穿结2，参考图6所示，为本申请实施例提供的一种电子隧穿结的结构示意图，从第一驱动电极31到第二驱动电极32的方向，电子隧穿结2依次可以包括连接的第一导电区域22、绝缘区域21和第二导电区域23，这样构成了导体-绝缘体-导体的电子隧穿结2。其中，第一导电区域22和第一驱动电极31连接，第二导电区域23和第二驱动电极32连接。
驱动电极对31、32可以驱动电子隧穿结2发射电子束，参考图7所示，为本申请实施例中电子隧穿结的能带图，当在第一驱动电极31和第二驱动电极32上施加电压后，假设第一驱动电极31的电势低于第二驱动电极32的电势，则第一导电区域22的电势也低于第二导电区域23的电势，电子从电势低的第一导电区域22隧穿通过第一导电区域22和绝缘区域21界面的势垒，进入到绝缘区域21，并在绝缘区域21被电场加速获得能量，当所施加电压高于第二导电区域23的表面势垒时，电子穿过绝缘区域21后其能量就高于第二导电区域23的表面势垒，此时电子可以越过第二导电区域23的表面势垒发射到真空中，完成电子由固体内部到真空的发射过程。
在本申请实施例中，电子隧穿结2可以在绝缘层中形成，绝缘层可以为阻变材料制成，其中阻变材料是指最初是电学绝缘的材料，在对其施加电压进行软击穿，可以呈现阻变状态并具有电子发射能力，完成阻变材料的激活后，阻变材料由电学绝缘材料变成导电材料。
具体的，可以通过驱动电极对31、32来对驱动电极对31、32的间隙中的绝缘层进行软击穿，这样在该区域的绝缘层内形成有横穿整个间隙的绝缘层的导电细丝，使得该区域的绝缘层由绝缘态转变为导电态，然后利用驱动电极对31、32为其间隙中的绝缘层施加电压，使该区域中的导电细丝断裂，在导电细丝断裂的位置构成绝缘区域21，而绝缘区域两侧的导电细丝可以作为第一导电区域22和第二导电区域23。其中，导电细丝的形状可以是任意形状，例如可以是四边形，也可以是其他不规则的形状。
作为一示例，绝缘层可以选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。
具体实施时，用于形成电子隧穿结2的绝缘层可以和驱动电极对位于同一层，参考图4、图5和图6，这样可以在衬底1上形成驱动电极对31、32后，根据驱动电极对31、32的形状形成间隙中的绝缘层，或者在驱动电极对31、32之外的包括间隙中的区域形成绝缘层，在利用驱动电极对31、32的电压对绝缘层进行软击穿时，由于驱动电极对31、32之间存在电压，因此只对驱动电极对31、32间隙下的绝缘层进行软击穿，而不影响其他区域的绝缘层。绝缘层和驱动电极对31、32位于同一层时，也可以先在衬底1上形成绝缘层，刻蚀去除部分绝缘层，在去除绝缘层暴露出的衬底上形成驱动电极对31、32，对绝缘层刻蚀的步骤可以具体为：在绝缘层上旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光、显影定影、湿法刻蚀、去胶等工艺步骤。
需要说明的是，在驱动电极对31、32和衬底1接触的场景下，衬底1为绝缘材料，这样不影响驱动电极对31、32的功能。
具体实施时，用于形成电子隧穿结2的绝缘层可以位于驱动电极对的下层，这样参考图8和图9，可以在形成覆盖衬底1的绝缘层20后，在绝缘层20上形成驱动电极对31、32，而在利用驱动电极对31、32的电压对绝缘层20进行软击穿时，由于驱动电极对31、32之间存在电压，因此只对驱动电极对31、32间隙下的绝缘层20进行软击穿，而不影响其他区域的绝缘层20，参考图10和图11。其中，图8为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图9为图8中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图，图10为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图11为图10所示的片上微型电子源沿AA’向的剖视图。
本申请实施例中，形成绝缘层20的方式可以是薄膜沉积工艺或者热氧化工艺。例如：当衬底1为硅衬底时，可以将硅衬底放入反应管中，将反应管加热到800～1000℃，使硅衬底表面生成一层氧化硅层，以氧化硅层作为绝缘层20。形成驱动电极对31、32的方式可以是薄膜沉积工艺和溶脱剥离技术，为了使驱动电极对31、32的间隙中的绝缘层20易于被软击穿，该间隙的宽度可以小于或者等于10微米，较小的间隙宽度有利于控制电子隧穿结2中形成较小宽度的绝缘区域21，从而保证在施加大于导电区域表面势垒的电压后，能发生显著的电子隧穿和电子发射，且绝缘区域21不被电压击穿。
在形成驱动电极对31、32和绝缘层20后，可以为驱动电极对31、32施加电压，并逐渐增大电压值，同时监测电流大小，并设置限制电流在某一电流值，例如100μA，当电流突然陡峭增加时停止电压增加，此时间隙下方的绝缘层20被软击穿并呈现阻变特性。如此，在该绝缘层区域内形成有横穿整个间隙下方的绝缘层20的导电细丝，使得该绝缘层区域由绝缘态转变到导电态，然后又经历低阻态到高阻态的转变后，导电细丝断裂，在间隙下方的绝缘层区域内形成电子遂穿结2，该电子遂穿结2自第一驱动电极31到第二驱动电极32，依次包括连接的第一导电区域22、绝缘区域21和第二导电区域23。
为了便于提高电子源的集成度，本申请实施例中的驱动电极对31、32可以包括延伸至区域电极311、321或区域电极321、312之外的两个相对的指状电极，每个区域电极311、321、312可以包括至少一个指状电极，参考图12为本申请实施例提供的一种片上微型电子源的结构示意图，图13为其中图12中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图，图14为图12中的片上微型电子源在虚线椭圆中的区域的局部放大图。区域电极311、312、321可以是较大的面积的电极，在区域电极311、312、321之外可以延伸较多个指状电极，同一区域电极可以被施加同一电压，这样，可以在不同的区域电极311、312、321上施加不同电压，而相邻的区域电极311、312、321上延伸出来的相对的两个指状电极可以作为驱动电极对31、32，与这两个指状电极31、32之间的电子隧穿结2构成一个电子发射体。
作为一种示例，参考图12所示，在绝缘层20上可以形成有多个区域电极311、321、312，每个区域电极311、321、312可以向外延伸有多个指状电极，相邻的区域电极延伸出的指状电极可以相对设置，两个相对设置的指状电极可以构成一个指状电极对，一个指状电极对可以作为一个驱动电极对31、32，这样可以形成多个驱动电极对31、32阵列排布，而每个驱动电极对31、32之间的绝缘层可以被软击穿形成电子隧穿结2，驱动电极对31、32和其间的电子隧穿结2可以形成电子发射体，多个驱动电极对31、32和其间的多个电子隧穿结2可以形成多个电子发射体。
为了提高衬底1的散热性，还可以在衬底1下方设置散热部件10，参考图15和图16所示，其中图15为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图16为图15中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图，例如可以在衬底下方设置热沉，形成的热沉与衬底紧密贴合并且形成良好的热接触，从而使片上微型电子源在工作时产生的热量依次通过驱动电极对31、32、绝缘层20、衬底1和热沉耗散掉。
由于驱动电极对31、32只需具有电压差即可，为了便于对集成的多个电子发射体进行控制，可以形成两个区域电极，分别用于连接高电压和低电压，区域电极的形状可以任意设置，例如一个区域电极包围另一个区域电极，或者两个区域电极相扣设置，本领域技术人员也可以设计更多种使两个区域电极具有较大的相对面积的形状。这样可以控制多个电子发射体同时工作，电子可以从该多个遂穿结内发射出去，从而形成了较大的整体发射电流，提高工作效率。
参考图17所示，为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，区域电极311和区域电极312直接相连，构成一个不规则形状的区域电极，可以施加同一电压，而区域电极321可以被施加另一电压，这样区域电极311和区域电极321的相对的指状电极可以作为驱动电极对，区域电极321和区域电极312的相对的指状电极也可以作为驱动电极对。
S103，在衬底1上方固定聚焦电极4，聚焦电极4上形成有纵向贯穿聚焦电极4的聚焦通道41，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸，参考图18-图23。
基于上述说明可知，在驱动电极对31、32上施加电压后，第一驱动电极31和第二驱动电极31之间的电子隧穿结2的位置会发射出电子，在多个电子发射体同时工作时，发射出的电子数量也随之增多，然而电子束发射的方向不尽相同，尤其是在电子发射体增多的情况下，发射的电子也较为分散，因此电子束的束斑尺寸往往较大，这会导致在一些场景下不能满足实际需求。
本申请实施例中，可以在衬底1上方固定聚焦电极4，聚焦电极4上形成有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道41，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸，参考图18和图19所示，其中图18为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图19为图18中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图。聚焦电极4可以是平板、细丝、线圈等任何形状，可以与衬底1平行设置，也可以不与衬底1平行设置。具体的，聚焦电极4可以为导体电极，也可以为绝缘结构，当然，绝缘结构的上表面和/或下表面上形成有导电层，以使聚焦电极4在被施加电压时实现电子束的聚焦功能，导电层可以完全覆盖绝缘结构的上表面和/或下表面，也可以根据实际情况设计其性质，以在不影响聚焦电极4的功能的基础上，提高器件的安全性。
在实际工作中，由于电子带有负电，因此可以为聚焦电极4施加相对于驱动电极的电势的负电压，这样电子束在通过聚焦电极4中的聚焦通道41时，聚焦电极4会对电子束产生排斥作用，这样电子束受到电场力向聚焦通道41的中心聚集，从而电子束的束斑尺寸得以减小。本申请实施例中，聚焦电极4对电子束有排斥作用，从而实现聚焦功能，因此在设计聚焦电极4施加的电压时，可以兼顾电子束的发射效率和束斑尺寸，从而寻求合适的电压。
聚焦电极4上可以设置有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道41，以使电子束在通过聚焦通道41时其束斑尺寸得以减小。需要说明的是，聚焦通道41可以是任何可供电子穿过的形状，例如孔洞、线性狭缝、环形狭缝等，聚焦通道41具有定义电子束形状的作用，因此可以根据实际应用对电子束的形状的要求而具体设计。作为以具体事例，聚焦通道41可以为孔洞，孔洞可以为圆形。如利用聚焦通道41来限制束斑尺寸的大小，则聚焦电极4一般应施加相对于驱动电极的电势的正电压，如此可减弱聚焦电极4对发射电流的截获。
为了电子源出射的电子更好的穿过聚焦电极4的聚焦通道41，聚焦通道41可以与电子发射体的位置相对，在多个电子发射体同时工作时，可以令聚焦通道41正对多个电子发射体，其中，聚焦通道41的尺寸略小于多个电子发射体所在的区域尺寸，以使多个电子发射体发射出的电子能够顺利通过聚焦电极4的聚焦通道41。
需要说明的是，图18、图19中的电子源是为了说明形成有电子发射体的衬底和聚焦电极的相对位置而进行的示例性说明，实际上，电子源还可以包括图3-图17所示的除图18、图19所示的电子源之外的其他电子源形式以及其上的聚焦电极，在此不做一一举例说明。
具体实施时，聚焦电极4可以固定在衬底1上，具体的，可以在衬底1上形成第一支撑部件5，而后在第一支撑部件5上形成聚焦电极4。第一支撑部件5可以键合在衬底1上，也可以粘合在衬底1上，聚焦电极4可以键合在第一支撑部件5上，也可以粘合在第一支撑部件5上。具体的，可以利用阳极键合等键合方式，或者粘附剂粘合的粘合方式。
作为一种可能的实现方式，第一支撑部件5可以是聚焦电极4和衬底1之间的支柱，也可以是聚焦电极4和衬底1之间的围墙，参考图20和图21所示，图20为本申请实施例中片上微型电子源在制造过程中的结构示意图，图21为图20中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图，第一支撑部件5可以包围衬底上的驱动电极对31、32以及电子隧穿结2，这样发射的电子束被包围在聚焦电极4、衬底1和第一支撑部件5之间。其中，第一支撑部件5可以为绝缘结构，在聚焦电极4为绝缘结构时，第一支撑部件5和聚焦电极4可以为一体化结构。
具体实施时，若衬底1下方形成有散热部件10，则聚焦电极4也可以固定在散热部件10上。
聚焦电极的数量可以根据实际情况而定，若需要的电子束的束斑尺寸较小，可以设置多个聚焦电极4、6对电子束进行聚焦，多个聚焦电极4、6的聚焦通道41、61在纵向上正对，以使从下方的聚焦电极6的聚焦通道61出射后进入上方的聚焦电极4的聚焦通道41。具体实施时，若包括多个聚焦电极，可以令聚焦通道的尺寸由下至上依次减小，这样经过聚焦通道的电子束的束斑尺寸也逐渐减小。
在聚焦电极的聚焦通道为多个时，上层的聚焦电极4可以固定在下层的聚焦电极6上，也可以固定在衬底1上。例如可以通过多个子支撑部件依次将多个聚焦电极固定在电极上，多个子支撑部件构成第一支撑部件5；也可以将多个聚焦电极固定在一个支撑部件上，该支撑部件作为第一支撑部件5，从而利用这一个支撑部件将多个聚焦电极固定在衬底1上。
在通过多个子支撑部件依次将多个聚焦电极固定在电极上时，为了便于为聚焦电极4、6连接电压，聚焦电极4、6的边缘可以暴露于第一支撑部件5的外侧，参考图22和图23所示，图23为图22中的片上微型电子源沿AA’向的剖视图；或者聚焦电极4、6可以具有引出端，该引出端暴露于第一支撑部件5的外侧，该引出端的材料可以是导电材料，也可以是绝缘材料，该绝缘材料上形成导电层，利用该导电层可以为聚焦电极4供电。
暴露在第一支撑部件5的外侧的多个聚焦电极4、6的边缘，可以呈现为台阶结构，即上一层聚焦电极4的面积小于下一层聚焦电极6的面积，这样每层聚焦电极的台阶面暴露出来，从而可以利用暴露出来的台阶面为聚焦电极4、6施加电压，参考图22所示。
当然，为了方便向驱动电极对31、32施加电压，驱动电极对31、32也需要暴露到第一支撑结构5外侧，在驱动电极对31、32为区域电极上的指状电极时，可以在区域电极上设置引出端，引出端暴露于第一支撑结构5外侧，这样通过引出端可以为区域电极对31、32施加电压，进而使相应的驱动电极对31、32具有电压。
本申请提供了一种片上微型电子源，包括衬底，衬底上形成有驱动电极对，驱动电极对存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结，驱动电极对可以用于驱动电子隧穿结发出电子束，在衬底上方可以固定聚焦电极，聚焦电极上形成有纵向贯穿聚焦电极的聚焦通道，用于在电子束通过时减小电子束的束斑尺寸。也就是说，本申请实施例中，可以通过驱动电极驱动电子隧穿结发出电子束，电子隧穿结无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率，通过聚焦电极可以对电子束进行聚集，从而减小电子束的束斑尺寸，从而得到发射电流较大，且束斑尺寸较小的电子束。
此外，发明人经过研究发现，驱动电极对31、32的间距通常较小，而在电子发射时，驱动电极对31、32被施加电压，这导致驱动电极对31、32的两个电极之间具有很强的横向电场，因此，当电子从驱动电极31、32之间的电子隧穿结2中发射出来后，会受到一个很强的电场力的作用，该电场力将多数发射出来的电子引向驱动电极对31、32中电势高的电极一侧，并被该电极截获，参考图24所示，为本申请实施例提供一种片上微型电子源的工作示意图。这导致电子从固体材料(电子隧穿结)发射出来以后，又被驱动电极32截获，重新回到固体材料(驱动电极)中，从而使得电子的有效发射效率和电流较小，无法满足很多实际应用的需求。况且，如果聚焦电极4的电压为负时，在减小电子束的束斑尺寸的前提下，也在一定程度上降低了电子的有效发射效率。
因此，本申请实施例中，还可以在聚焦电极4和电子发射体之间固定引出电极8，也就是说，可以在固定聚焦电极4之前固定引出电极8，然后在引出电极8上方固定聚焦电极4。引出电极8可以为电子束提供电子加速电场，这样电子受到引出电极8作用的电场力，可远离衬底1表面发射出去，从而避免被驱动电极所截获。
其中，引出电极8可以是平板、细丝、线圈等任何形状，引出电极8可以与衬底平行设置，也可以不与衬底平行设置。具体的，引出电极8可以是导体电极，也可以为绝缘结构，当然，绝缘结构的上表面和/或下表面上形成有导电层，以使引出电极8可以施加电压而提供电子引出电场。
为了实现电子源的工作，在驱动电极31、32之间施加第一电压V1以驱动电子由电子发射体发射到真空中；同时在引出电极8上施加第二电压V2以使得电子不被驱动电极31、32截获，从而远离衬底1出射。一般来说，为确保好的电子引出效果，V2应大于V1，且所需V2的大小随引出电极8与衬底1的间距的增大而增大。
引出电极8上可以设置有纵向贯穿引出电极8的引出通道81，以使电子束在被引出电极8吸引之后从引出通道出射81到引出电极8的上方空间。需要说明的是，本实施例中引出电极8的引出通道81可以是任何可供电子穿过引出电极8的形状，如孔洞、线性狭缝、环形狭缝等，也可以是任何数目的孔洞以任何形式的孔洞排布。该引出通道81具有定义电子束形状的作用，因此可以根据具体应用对电子束形状的要求而具体设计。
举例来说，引出电极8上可以设置至少一个孔洞作为引出通道81，而多个孔洞更有利于电子从片上微型电子源引出到外部空间。实际上，引出电极8上设置有一个孔洞的方案也在本申请的保护范围之列。引出电极8上的孔洞可以根据工艺条件和需要设置成不同的形状，作为一具体示例，将孔洞设置成圆形。
为了电子源出射的电子更好的穿过引出电极8的引出通道81，引出通道81位置可与电子发射体的位置相对，而聚焦电极4的聚焦通道41与引出通道81的位置相对，这样电子束在被引出电极8加速后，可以被聚焦电极4聚集而出射。也就是说，在微型电子源工作时，可以向引出电极8施加正电压，从而使电子被引出电极8加速，通过引出通道81被引出到外部空间中，而聚焦电极4被施加负电压，从而对电子束进行聚焦，再通过聚焦通道41出射，出射后的电子束具有较高的能量，同时具有较小的束斑尺寸。当然，引出电极8和聚焦电极4分别被施加不同的电压，因此二者分别固定在衬底之上，而不会有所接触。
具体实施时，引出电极8可以固定在衬底1上，具体的，可以在衬底1上形成第二支撑部件9，而后在第二支撑部件9上形成引出电极8。第二支撑部件9可以键合在衬底1上，也可以粘合在衬底1上。第二支撑部件可以是引出电极8和衬底1之间的支柱，也可以是引出电极8和衬底1之间的围墙，参考图22和图23所示。由于引出电极8设置在聚焦电极4的下方，则第二支撑部件9可以设置在第一支撑部件5的内侧，也可以作为第一支撑部件5的一部分，及第二支撑部件9在用于支撑引出电极8的同时，也可以起着支撑聚焦电极4的作用。
其中，第二支撑部件9可以为绝缘结构，在引出电极8为绝缘结构时，第二支撑部件9和聚焦电极8可以为一体化结构。
具体实施时，若衬底1下方形成有散热部件10，则引出电极8也可以固定在散热部件10上。
引出电极8的边缘可以暴露于第一支撑部件5和第二支撑部件9的外侧，参考图22和图23，或者引出电极8可以具有引出端，该引出端暴露于第一支撑部件5和第二支撑部件9的外侧，该引出端可以为导电材料，也可以为绝缘材料，该绝缘材料上形成导电层，利用该导电层可以为引出电极8供电。
暴露在第一支撑部件5之外的引出电极8的边缘，可以和聚焦电极4的边缘构成台阶结构，即引出电极8的面积大于聚焦电极4的面积，而在聚焦电极为多个时，多个聚焦电极4、6暴露在第一支撑部件5的外侧的边缘也呈现台阶结构，便于利于暴露出来的台阶面为引出电极8和聚焦电极4施加电压。
当然，为了方便向驱动电极31、32施加电压，驱动电极31、32也需要暴露到第二支撑结构9以及第一支撑结构5的外侧，在驱动电极31、32为区域电极上的指状电极时，可以在区域电极上设置引出端，引出端暴露于第二支撑结构9以及第一支撑结构5的外侧，这样通过引出端可以为区域电极施加电压，进而使相应的驱动电极31、32具有电压。
本申请实施例提供了一种片上微型电子源，包括衬底，衬底上形成有驱动电极对，驱动电极对存在间隙，间隙中形成有电子隧穿结，驱动电极对可以用于驱动电子隧穿结发出电子束，在衬底上方可以固定引出电极，用于为电子束提供电子加速电场，从而提高电子的发射效率，得到较大的发射电流，而引出电极上方还可以固定有聚焦电极，用于减小电子束的束斑尺寸，这样能够在提高发射电流的同时减小电子束的束斑尺寸。
此外，由于本发明中的电子源是加工在芯片表面，通常难以直接按照传统接线的方式实现电子源与外电路的连接。为了便于本发明中电子源与外电路进行连接，本实施例中可以将电子源设置在基座11上，构成电子源系统，参考图25所示，为本申请实施例提供的一种电子源系统的示意图。基座11可以为微型电子源提供支撑，并为微型电子源提供电源连接端口，具体的，基座11具有可与一般外电路进行电学连接的部件111(如接线柱、引脚、针孔等)，同时具有可与电子源各电极(包括驱动电极、引出电极、聚焦电极)连接的部件112(如焊丝)，从而实现电子源和外电路的电路转接。
基座11上具有一定数目的可与一般外电路进行电学连接的部件111，同时具有一定数目的可与电子源各电极连接的部件112，其中部件111和部件112电连接。部件111可以是接线柱、引脚、针孔。部件112可以是金属焊丝，可以通过超声点焊实现与电子源各电极(包括驱动电极、引出电极、聚焦电极)的连接。
为了给电子源提供电压驱动和控制，本实施例还可以为电子源设置控制模块12，控制模块12可以与基座11上的电源连接端口连接，为微型电子源供电，并对驱动电极、引出电极、聚焦电极的电压进行调控，参考图26所示，为本申请实施例提供的另一种电子源系统的示意图。具体的，控制模块12可以包括电压输入端121和若干个电压输出端122，每个电压输出端122对应于每一个电子源的电极(包括驱动电极、引出电极、聚焦电极)，并通过基座11实现与这些电极的连接。每一个电压输出端122根据电子源的工作需要输出一个电压。
需要说明的是，图25、图26中的电子源系统是为了说明电子源和聚焦电极的相对位置而进行的示例性说明，实际上，电子源系统还可以包括图3-图23所示的除图20所示的电子源之外的其他电子源，在此不做一一举例说明。
本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备至少包括以上的微型电子源或电子源系统，从而为电子设备的其他部件提供电子束。电子设备可以包括以下设备的至少一种：医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件、智能手机、电脑。
基于以上实施例提供的一种片上微型电子源的制造方法，本申请实施例还提供了一种片上微型电子源，包括：
衬底；
所述衬底上的驱动电极对；所述驱动电极对存在间隙，所述间隙中形成有电子隧穿结；所述驱动电极对用于驱动所述电子隧穿结发出电子束；
所述衬底上方固定的聚焦电极，所述聚焦电极上形成有纵向贯穿所述聚焦电极的聚焦通道，用于在所述电子束通过时减小所述电子束的束斑尺寸。
可选的，所述聚焦电极为金属电极；或所述聚焦电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述聚焦电极和所述衬底之间形成有第一支撑部件。
可选的，所述聚焦电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第一支撑部件为一体化结构。
可选的，所述第一支撑部件为位于所述聚焦电极的外侧的侧墙，所述聚焦电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第一支撑部件的外侧。
可选的，所述聚焦电极为多个，多个所述聚焦电极竖直排布。
可选的，多个所述聚焦电极构成台阶结构。
可选的，还包括：
所述衬底和所述聚焦电极之间固定的引出电极，用于为所述电子束提供电子加速电场；所述引出电极上形成有纵向贯穿所述引出电极的引出通道。
可选的，所述引出电极为金属电极；或所述引出电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
可选的，所述引出电极和所述衬底之间形成有第二支撑部件。
可选的，所述引出电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第二支撑结构为一体化结构。
可选的，所述第二支撑部件为位于所述引出电极外侧的侧墙，所述引出电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第二支撑部件的外侧。
可选的，所述引出电极和所述聚焦电极构成台阶结构。
可选的，所述驱动电极对与所述衬底接触，所述电子隧穿结形成于绝缘层中，所述绝缘层形成于所述驱动电极对之间。
可选的，所述驱动电极对和所述衬底之间形成有绝缘层，在所述驱动电极对的间隙正对的绝缘层中形成有电子隧穿结。
可选的，所述绝缘层的材料为下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。
可选的，所述驱动电极对包括延伸至两个区域电极之外的两个相对的指状电极，每个所述区域电极包括至少一个指状电极。
可选的，所述衬底下方还形成有热沉。
可选的，所述驱动电极的电极材料为下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
可选的，所述间隙的宽度小于或者等于10微米。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。微型电子源实施例可以参考微型电子源的制造方法实施例中的说明。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。
Claims (31)
1.一种片上微型电子源，其特征在于，包括：
衬底；
所述衬底上的驱动电极对；所述驱动电极对存在间隙，所述间隙中形成有电子隧穿结；所述驱动电极对用于驱动所述电子隧穿结发出电子束；
所述衬底上方固定的聚焦电极，所述聚焦电极上形成有纵向贯穿所述聚焦电极的聚焦通道，用于在所述电子束通过时减小所述电子束的束斑尺寸。
2.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述聚焦电极为金属电极；或所述聚焦电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
3.根据权利要求2所述的微型电子源，其特征在于，所述聚焦电极和所述衬底之间形成有第一支撑部件。
4.根据权利要求3所述的微型电子源，其特征在于，所述聚焦电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第一支撑部件为一体化结构。
5.根据权利要求2所述的微型电子源，其特征在于，所述第一支撑部件为位于所述聚焦电极的外侧的侧墙，所述聚焦电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第一支撑部件的外侧。
6.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述聚焦电极为多个，多个所述聚焦电极竖直排布。
7.根据权利要求6所述的微型电子源，其特征在于，多个所述聚焦电极构成台阶结构。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的微型电子源，其特征在于，还包括：
所述衬底和所述聚焦电极之间固定的引出电极，用于为所述电子束提供电子加速电场；所述引出电极上形成有纵向贯穿所述引出电极的引出通道。
9.根据权利要求8所述的微型电子源，其特征在于，所述引出电极为金属电极；或所述引出电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
10.根据权利要求9所述的微型电子源，其特征在于，所述引出电极和所述衬底之间形成有第二支撑部件。
11.根据权利要求10所述的微型电子源，其特征在于，所述引出电极为绝缘结构时，所述绝缘结构和所述第二支撑结构为一体化结构。
12.根据权利要求10所述的微型电子源，其特征在于，所述第二支撑部件为位于所述引出电极外侧的侧墙，所述引出电极和所述驱动电极具有导电端延伸至所述第二支撑部件的外侧。
13.根据权利要求8所述的微型电子源，其特征在于，所述引出电极和所述聚焦电极构成台阶结构。
14.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述驱动电极对与所述衬底接触，所述电子隧穿结形成于绝缘层中，所述绝缘层形成于所述驱动电极对之间。
15.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述驱动电极对和所述衬底之间形成有绝缘层，在所述驱动电极对的间隙正对的绝缘层中形成有电子隧穿结。
16.根据权利要求14或15所述的微型电子源，其特征在于，所述绝缘层的材料为下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。
17.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述驱动电极对包括延伸至两个区域电极之外的两个相对的指状电极，每个所述区域电极包括至少一个指状电极。
18.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述衬底下方还形成有热沉。
19.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述驱动电极的电极材料为下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
20.根据权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述间隙的宽度小于或者等于10微米。
21.一种电子源系统，其特征在于，包括基座，以及所述权利要求1-20所述的微型电子源；所述基座用于为所述微型电子源提供支撑，并为所述微型电子源提供电源连接端口。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电子源系统还包括控制模块；所述控制模块与所述电源连接端口连接，用于为所述微型电子源供电。
23.一种片上微型电子源的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成驱动电极对，所述驱动电极对之间存在间隙，所述间隙中形成有电子隧穿结；所述驱动电极对用于驱动所述电子隧穿结发出电子束；
在所述衬底上方固定聚焦电极，所述聚焦电极上形成有纵向贯穿所述聚焦电极的聚焦通道，用于在所述电子束通过时减小所述电子束的束斑尺寸。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述聚焦电极为金属电极；或所述聚焦电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上固定聚焦电极，包括：
在所述衬底上形成第一支撑部件；
在所述第一支撑部件上形成聚焦电极。
26.根据权利要求23-25任意一项所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上方固定聚焦电极之前，所述方法还包括：
在所述衬底上固定引出电极，所述引出电极用于为所述电子束提供电子加速电场，所述引出电极上形成有纵向贯穿所述引出电极的引出通道。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述引出电极为金属电极；或所述引出电极为绝缘结构，所述绝缘结构的上表面和/或下表面形成有导电层。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上固定引出电极，包括：
在所述衬底上形成第二支撑部件；
在所述第二支撑部件上形成引出电极。
29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述导热层的下方形成热沉，所述热沉与所述导热层接触。
30.一种电子设备，其特征在于，至少包括如权利要求1-20至少一项所述的微型电子源，或如权利要求21-22至少一项所述的电子源系统。
31.根据权利要求30所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括以下设备的至少一种：医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、电真空器件、智能手机、电脑。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2020-01-17 CN CN202010055354.1A patent/CN113140434A/zh active Pending
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