CN118039431A - 内栅结构的纳米冷阴极电子源、制作方法及电子源阵列 - Google Patents
内栅结构的纳米冷阴极电子源、制作方法及电子源阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种内栅结构的纳米冷阴极电子源、制作方法及电子源阵列，电子源包括衬底、绝缘层、底部栅极电极、刻蚀通孔、顶部环状阴极电极、顶部栅极电极和纳米线冷阴极，所述结构中，顶部栅极电极通过刻蚀通孔与底部栅极电极相连，顶部环状阴极电极可避免刻蚀过程的表面损伤，纳米线冷阴极直接制备在顶部环状阴极电极上，可极大提高纳米线冷阴极生长形貌的可控性，且该结构具有自聚焦特性。本专利还公开了一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法。本发明的内栅结构纳米冷阴极电子源阵列能够实现行列寻址，具有强的栅控电子发射能力和电子束聚焦能力。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，更具体地，涉及一种内栅结构的纳米冷阴极电子源、制作方法及电子源阵列。
背景技术
电子源作为产生真空电子的电子器件，被广泛应用于微波功率放大器、X射线源、微波器件等真空电子器件中。相对于传统的基于热电子发射的电子源器件，冷阴极具有响应速度快、功耗低、寿命长等优点。栅极结构冷阴极电子源可以在较低电压下实现对发射电子进行空间调控，是真空微电子器件中电子源常用的结构。
在栅极结构的研究过程中，出现了前栅、平栅和背栅等多种结构。前栅结构是指栅极电极位于阴极平面的上方，如传统的Spindt冷阴极阵列，这种结构相对复杂，刻蚀工艺容易污染电极表面，但是对阴极发射的电子有一定的聚焦能力；背栅结构是指栅极电极位于阴极平面的下方，制备工艺简单，制备过程对纳米线生长影响小，但容易造成电子束发散，电子聚焦效果较差；平栅结构是指栅极电极与阴极处于同一个平面上，结构相对简单，制备工艺对纳米线的影响较小，但是栅极与阴极相对距离远，栅控效果介于前栅与背栅之间。同时，为了减小电子束的焦斑，通常在结构中添加聚焦电极，从而降低电子束的发散程度，提高冷阴极电子源的特性。
准一维纳米材料具有极大的高径比，场增强因子极大，从而可以大大降低冷阴极的工作电压，因而被广泛用作冷阴极材料。但在栅极结构器件中，由于器件制备中刻蚀工艺的引入，使得阴极电极表面形貌难以保持平整、且引入杂质污染，使得准一维纳米材料的生长受到极大影响。如何解决栅极结构中准一维纳米材料冷阴极可控生长、实现大面积高电流均匀发射是是目前纳米冷阴极电子源器件面临的难题。
现有技术中公开一种可行列寻址的共面纳米冷阴极电子源阵列及制作方法其具体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。另一现有技术公开一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法，公开了在顶部环状栅极电极上，通过刻蚀通孔分别与底部栅极电极相连，使得制成的器件具有强栅控电子发射能力和可行列寻址的功能。但以上两种纳米冷阴极电子源的结构中的顶部阴极均通过刻蚀通孔的方法与底部阴极电极连接，通孔和刻蚀工艺会导致阴极和生长源薄膜的损伤，在实际应用中存在纳米线生长形貌差，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，则需要施加更高的驱动电压或者缩短顶部栅极和阴极的间距，存在光刻精度要求高、制作难度大，成本高昂和难以大面积制作的问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种内栅结构的纳米冷阴极电子源，解决现有技术中纳米冷阴极的场发射电流偏低、驱动电压高的问题；本发明的目的之二是提供一种所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法；本发明的目的之三是提供一种内栅结构的纳米冷阴极电子源阵列。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供一种内栅结构的纳米冷阴极电子源，包括：
衬底；
底部栅极电极，所述底部栅极电极设置于所述衬底上；
绝缘层，所述绝缘层覆盖所述底部栅极电极，并刻蚀有刻蚀通孔，所述刻蚀通孔贯穿所述绝缘层并与所述底部栅极电极相通；
顶部栅极电极，所述顶部栅极电极设置于所述绝缘层上表面，所述顶部栅极电极通过所述刻蚀通孔与所述底部栅极电极连接；
顶部环状阴极电极，所述顶部环状阴极电极设置于所述绝缘层上表面，环绕在所述顶部栅极电极外侧且与所述顶部栅极电极互不连接，所述顶部环状阴极电极在垂直于所述底部栅极电极的方向上设置有电极条；
生长源薄膜，所述生长源薄膜设置于所述顶部环状阴极电极上，在所述生长源薄膜上生长有纳米冷阴极。
上述技术手段中，所述顶部圆状栅极电极通过刻蚀通孔与底部栅极电极相连，同时环状阴极可免受刻蚀过程中的生长源薄膜的表面损伤，可极大提升纳米线冷阴极的生长可控性，实现更大高径比形貌的纳米线冷阴极的生长，进而提升发射电流。
进一步的，所述绝缘层设置两个或两个以上的刻蚀通孔，每个刻蚀通孔均与所述底部栅极电极相通，并且所述顶部栅极电极分别通过多个所述刻蚀通孔与所述底部栅极电极连接，以提高导电性。
进一步的，所述生长源薄膜设置有多个，多个所述生长源薄膜排布于所述顶部环状阴极电极上，每个所述生长源薄膜上均生长有所述纳米冷阴极。
进一步的，所述生长源薄膜的形状为可对称操作的图像，包括圆形、环形或多边形。
进一步的，还包括叉指聚焦极电极，所述叉指聚焦极电极设置于所述绝缘层上表面，环绕在所述顶部环状阴极电极外侧且与所述顶部环状阴极电极互不连接，进一步减小束斑尺寸，提高成像的清晰度。
进一步的，所述底部栅极电极、顶部栅极电极和顶部环状阴极电极上均设置有导电薄膜。
本发明的第二方面提供一种如所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，包括以下步骤：
S1：在所述衬底上制作所述底部栅极电极；
S2：在所述底部栅极电极上覆盖所述绝缘层；
S3：在所述绝缘层上通过刻蚀制作所述刻蚀通孔；
S4：在所述刻蚀通孔上制作与所述底部栅极电极相连的顶部栅极电极，同时在所述绝缘层上制作所述顶部环状阴极电极和电极条；
S5：在所述顶部环状阴极电极沉积所述生长源薄膜；
S6：通过热氧化所述生长源薄膜生长所述纳米线冷阴极。
进一步的，步骤S4中，还同时在所述绝缘层上制作叉指聚焦极电极。
进一步的，步骤S5中，所述热氧化包括升温过程和保温过程，所述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，所述升温过程和保温过程中通入Ar、H2、N2、O2中的一种或任意两种以上的组合气体。
本发明的第三方面提供一种内栅结构的纳米冷阴极电子源阵列，包括多个阵列排布的如所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其中，每一排的纳米冷阴极电子源的底部栅极电极连接成一排，每一列的纳米冷阴极电子源的电极条连接成一列。
上述技术手段中，在顶部环状阴极电极和底部栅极电极的共同控制作用下，具有行列寻址能力的同时，提升了有效发射面积，进而增加了发射总电流，且降低了由于某个像素的损坏造成该像素发射的缺失几率，使得发射效果更均匀。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明所述的纳米冷阴极电子源，通过利用顶部栅极电极及刻蚀通孔与底部栅极电极相连，实现底部栅极与顶部栅极的内栅结构，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、增加发射电流的目的。
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，阴极单独位于绝缘层顶部，在保证行列寻址的同时，不对阴极表面造成损伤，该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了内栅结构，使得栅极结构器件制作简单，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为本发明实施例提供的一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的结构俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法的工艺示意图；
图6为本发明实施例提供的内栅结构的纳米冷阴极电子源阵列的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的内栅结构的纳米冷阴极多阵列排布电子源结构示意图；
图8为本发明实施例提供的用于对比的电子源的剖面结构示意图；
图9为本发明实施例提供的内栅结构的纳米冷阴极电子源与图8提供的电子源的束斑尺寸仿真结果图。
图中，1为衬底，2为底部栅极电极，3为绝缘层，4为刻蚀通孔，5为顶部栅极电极，6为顶部环状阴极电极，61为电极条，7为叉指聚焦极电极，8为生长源薄膜，9为纳米冷阴极。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种内栅结构的纳米冷阴极电子源，如图1至3所示，包括：
衬底1；
底部栅极电极2，所述底部栅极电极2设置于所述衬底1上；
绝缘层3，所述绝缘层3覆盖所述底部栅极电极2，并刻蚀有刻蚀通孔4，所述刻蚀通孔4贯穿所述绝缘层3并与所述底部栅极电极2相通；
顶部栅极电极5，所述顶部栅极电极设置于所述绝缘层3上表面，所述顶部栅极电极5通过所述刻蚀通孔4与所述底部栅极电极2连接；
顶部环状阴极电极6，所述顶部环状阴极电极6设置于所述绝缘层3上表面，环绕在所述顶部栅极电极5外侧且与所述顶部栅极电极5互不连接，所述顶部环状阴极电极6在垂直于所述底部栅极电极2的方向上设置有电极条61；
生长源薄膜8，所述生长源薄膜8设置于所述顶部环状阴极电极6上，在所述生长源薄膜8上生长有纳米冷阴极9。
在本实施例中，通过引入底部栅极电极2，刻蚀通孔4使底部栅极电极2局部裸露；所述顶部环状阴极电极6在所述绝缘层3上环绕在顶部栅极电极5周围，且与顶部栅极电极5不相连，所述顶部栅极电极5和底部栅极电极2通过刻蚀通孔4相连，实现底部栅极电极2和顶部栅极电极5的串联，实现了内栅结构。
通过外加电场使冷阴极从尖端发射出电子，并且在底部栅极电极2和顶部环状阴极电极6上施加电压，由于顶部栅极电极5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。根据纳米线应力驱动生长机制，在相同的基底薄膜材料下，薄膜表面约平整，能提供的应力越大，纳米线的生长情况就越优异，即场增强因子越大，从而有效增加场发射电流，同时利于增强对冷阴极电流的调控作用。通过利用刻蚀通孔4将顶部栅极电极5和底部栅极电极2相连，实现底部栅极与顶部栅极的内栅结构，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。
在进一步的实施例中，所述衬底1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。
在进一步的实施例中，所述绝缘层3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3厚度为1μm-5μm
在进一步的实施例中，所述绝缘层3设置两个或两个以上的刻蚀通孔4，每个刻蚀通孔4均与所述底部栅极电极2相通，并且所述顶部栅极电极5分别通过多个所述刻蚀通孔4与所述底部栅极电极2连接，以提高导电性。
在进一步的实施例中，所述生长源薄膜8设置有多个，多个所述生长源薄膜8排布于所述顶部环状阴极电极6上，每个所述生长源薄膜8上均生长有所述纳米冷阴极9。
在进一步的实施例中，所述生长源薄膜8的形状为可对称操作的图像，包括圆形、环形或多边形，其直径或边长为5μm-500μm，对称图形的设计方便实验制作。
在本实施例中，多个所述生长源薄膜8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；所述相邻的生长源薄膜8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。多个所述生长源薄膜8排布于顶部环状阴极电极6上，所述纳米线冷阴极9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。
在进一步的实施例中，还包括叉指聚焦极电极7，所述叉指聚焦极电极7设置于所述绝缘层3上表面，环绕在所述顶部环状阴极电极6外侧且与所述顶部环状阴极电极6互不连接。
在进一步的实施例中，所述底部栅极电极2、顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6上均设置有导电薄膜，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。
在具体的实施例中，衬底1为大面积玻璃，底部栅极电极2、顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6为ITO制备而成，该底部栅极电极2、顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6的厚度范围均在1μm。底部栅极电极2、顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6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3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4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2.1μm。生长源薄膜8通过电子束蒸发法沉积于顶部环状阴极电极6上。叉指聚焦电极7用于减小发射电子的束斑尺寸，提高成像质量。生长源薄膜8的形状为具有对称性的环形，其内直径为30μm，外直径为50μm，相邻生长源薄膜8之间的间距为250μm。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。
实施例2
本实施例提供一种如实施例1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1：在所述衬底1上制作所述底部栅极电极2；
S2：在所述底部栅极电极2上覆盖所述绝缘层3；
S3：在所述绝缘层3上通过刻蚀制作所述刻蚀通孔4；
S4：在所述刻蚀通孔4上制作与所述底部栅极电极2相连的顶部栅极电极5，同时在所述绝缘层3上制作所述顶部环状阴极电极6和电极条61；
S5：在所述顶部环状阴极电极6沉积所述生长源薄膜8；
S6：通过热氧化所述生长源薄膜8生长所述纳米线冷阴极9。
在进一步的实施例中，步骤S4中，还同时在所述绝缘层3上制作叉指聚焦极电极7。
在进一步的实施例中，步骤S6中，所述热氧化包括升温过程和保温过程，所述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，所述升温过程和保温过程中通入Ar、H2、N2、O2中的一种或任意两种以上的组合气体。
在具体的实施例中，以制备ZnO纳米冷阴极电子源为例，结合图5(a)至(f)，详细解释内栅结构的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上制作底部栅极电极2；作为底部栅极电极2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，如图5(a)。
(2)在底部栅极电极2上沉积绝缘层3。作为绝缘层3的绝缘薄膜是二氧化硅材料，绝缘层3采用化学气相沉积方法制备，如图5(b)。
(3)在绝缘层3上定域刻蚀绝缘层3得到用以连接底部栅极电极2和顶部栅极电极5的刻蚀通孔4。刻蚀通孔4通过反应离子刻蚀方法制得，如图5(c)。
(4)在刻蚀通孔4上方制备顶部栅极电极5、顶部环状阴极电极6和电极条61。顶部栅极电极5通过绝缘层3中的刻蚀通孔4分别与对应的底部阴极电极2相连接。作为顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6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，如图5(d)。
(5)在顶部环状阴极电极6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，其厚度为5μm；生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法，如图5(e)。
(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400℃，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，如图5(f)。
以制备MoO3纳米冷阴极电子源为例，包括以下步骤：
清洁并吹干衬底1；所述衬底1为大面积的玻璃陶瓷基片。在衬底1上制作底部栅极电极2；所述作为底部栅极电极2的导电薄膜为Cu，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500nm。
在底部栅极电极2上沉积绝缘层3。所述作为绝缘层3的绝缘薄膜是二氧化硅材料，所述绝缘层3采用化学气相沉积方法制备。
在绝缘层3上定域刻蚀绝缘层3得到用以连接底部栅极电极2和顶部栅极电极5的刻蚀通孔4。所述刻蚀通孔4通过反应离子刻蚀方法制得。
在刻蚀通孔4上方制备顶部栅极电极5、顶部环状阴极电极6和电极条61。顶部栅极电极5和顶部环状阴极电极6通过绝缘层3中的刻蚀通孔4分别与对应的底部阴极电极2相连接。
在顶部环状阴极电极6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为钼，其厚度范围在0.5μm到5.0μm之间；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O2。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O2。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为MoO3纳米线。
实施例4
本实施例提供一种内栅结构的纳米冷阴极电子源阵列，如图6和图7所示，包括多个阵列排布的如实施例1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其中，每一排的纳米冷阴极电子源的底部栅极电极2连接成一排，每一列的纳米冷阴极电子源的电极条61连接成一列。
以ZnO纳米冷阴极电子源为例，本实施例中的纳米冷阴极电子源阵列的单像素结构与实施例1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源基本相同，不同之处在于，每一根底层栅极电极同时连接5×5个单像素阴极无损的内栅结构的纳米冷阴极电子源，从而形成一个子阵列。40×40个子阵列构成整片样品的行列寻址阵列。每一个子阵列在顶部阴极电极和底部栅极电极的共同控制作用下，具有行列寻址能力的同时，提升了有效发射面积，进而增加了发射总电流，且降低了由于某个像素的损坏造成该像素发射的缺失几率，使得发射效果更均匀。多阵列排布的电子源通过对聚焦极施加负电压，可以对发射出来电子束起到排斥作用，产生聚焦效果，从而实现电子源的微焦斑化。
实施例5
本实施例提供与如图8所示的电子源的对比数据，如图8所示，该电子源的基本结构是，底部栅极电极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在衬底上相互垂直排列,绝缘层覆盖在该两底部电极条上，绝缘层在底部栅极电极和底部阴极电极上分别刻蚀有若干刻蚀通孔，使底部栅极电极和底部阴极电极局部裸露。顶部环状栅极电极和顶部阴极电极制作在绝缘层上，并通过刻蚀通孔分别与底部栅极电极和底部阴极连通。顶部阴极电极上制作有纳米线冷阴极。聚焦极电极制作于绝缘层上，并且环绕于顶部环状栅极电极外侧四周，顶部环状栅极电极外观为圆环状，分段的底部栅极电极通过刻蚀通孔与顶部环状栅极电极实现连通，结构上相互垂直的底部栅极电极和底部阴极电极可以实现器件的行列寻址驱动。
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500℃，然后在500℃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。
焦斑的大小是评价电子源性能的重要指标之一，一般采用束斑尺寸来进行表征。在相同电压下，发射电子束斑尺寸如图9所示，随着栅极电压增大，本发明内栅结构的纳米冷阴极电子源的束斑尺寸逐渐减小，而图8的单栅结构的纳米冷阴极电子源的束斑尺寸逐渐增大。内栅结构的纳米冷阴极电子源的束斑尺寸要远远小于传统单栅结构，且随着电压增大，该优势更加明显，测试结果如下表1。
表1在相同电压下，测试场发射电流
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
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)
1.一种内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，包括：
衬底(1)；
底部栅极电极(2)，所述底部栅极电极(2)设置于所述衬底(1)上；
绝缘层(3)，所述绝缘层(3)覆盖所述底部栅极电极(2)，并刻蚀有刻蚀通孔(4)，所述刻蚀通孔(4)贯穿所述绝缘层(3)并与所述底部栅极电极(2)相通；
顶部栅极电极(5)，所述顶部栅极电极设置于所述绝缘层(3)上表面，所述顶部栅极电极(5)通过所述刻蚀通孔(4)与所述底部栅极电极(2)连接；
顶部环状阴极电极(6)，所述顶部环状阴极电极(6)设置于所述绝缘层(3)上表面，环绕在所述顶部栅极电极(5)外侧且与所述顶部栅极电极(5)互不连接，所述顶部环状阴极电极(6)在垂直于所述底部栅极电极(2)的方向上设置有电极条(61)；
生长源薄膜(8)，所述生长源薄膜(8)设置于所述顶部环状阴极电极(6)上，在所述生长源薄膜(8)上生长有纳米冷阴极(9)。
2.根据权利要求1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述绝缘层(3)设置两个或两个以上的刻蚀通孔(4)，每个刻蚀通孔(4)均与所述底部栅极电极(2)相通，并且所述顶部栅极电极(5)分别通过多个所述刻蚀通孔(4)与所述底部栅极电极(2)连接。
3.根据权利要求1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述生长源薄膜(8)设置有多个，多个所述生长源薄膜(8)排布于所述顶部环状阴极电极(6)上，每个所述生长源薄膜(8)上均生长有所述纳米冷阴极(9)。
4.根据权利要求3所述内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述生长源薄膜(8)的形状为可对称操作的图像，包括圆形、环形或多边形。
5.根据权利要求3所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，还包括叉指聚焦极电极(7)，所述叉指聚焦极电极(7)设置于所述绝缘层(3)上表面，环绕在所述顶部环状阴极电极(6)外侧且与所述顶部环状阴极电极(6)互不连接。
6.根据权利要求1所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其特征在于，所述底部栅极电极(2)、顶部栅极电极(5)和顶部环状阴极电极(6)上均设置有导电薄膜。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的内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：在所述衬底(1)上制作所述底部栅极电极(2)；
S2：在所述底部栅极电极(2)上覆盖所述绝缘层(3)；
S3：在所述绝缘层(3)上通过刻蚀制作所述刻蚀通孔(4)；
S4：在所述刻蚀通孔(4)上制作与所述底部栅极电极(2)相连的顶部栅极电极(5)，同时在所述绝缘层(3)上制作所述顶部环状阴极电极(6)和电极条(61)；
S5：在所述顶部环状阴极电极(6)沉积所述生长源薄膜(8)；
S6：通过热氧化所述生长源薄膜(8)生长所述纳米线冷阴极(9)。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，还同时在所述绝缘层(3)上制作叉指聚焦极电极(7)。
9.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，所述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，所述升温过程和保温过程中通入Ar、H2、N2、O2中的一种或任意两种以上的组合气体。
10.一种内栅结构的纳米冷阴极电子源阵列，其特征在于，包括多个阵列排布的如权利要求1至6任一项所述的内栅结构的纳米冷阴极电子源，其中，每一排的纳米冷阴极电子源的底部栅极电极(2)连接成一排，每一列的纳米冷阴极电子源的电极条(61)连接成一列。
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