CN1652283B - 一种场发射电子源器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种场发射电子源器件及其制备方法，它有封入真空容器内的场发射电子源和阳极，场发射电子源包括基片上的阴极、栅极及其间层结构，其特征是引出栅极电极的厚金属膜与阴极之间为绝缘层，而与厚金属膜相连的、具有大量微孔的薄金属膜与阴极之间为复合体层。上述的间层结构指位于阴极与栅极之间的绝缘层、半导体层、复合体层。上述的薄金属膜指厚度在50纳米以内、具有大量微孔的金属膜。其制备方法是利用微电子工艺在硅、玻璃等基板上的阴极上制备有复合材料层薄膜，再在上述的复合材料薄膜表面上有薄金属膜栅极，将上述器件与阳极密封在真空容器内而成。本发明工艺简单，结构合理，具有驱动电压低、发射电流密度高、电子束发散小，发射效率高等优点。

Description

一种场发射电子源器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种场发射电子源器件及其制备方法。

背景技术

目前人们使用、研究的场发射电子源主要包括金属微尖(Spindt微尖)、金属-绝缘层-金属(MIM)以及包括金属-绝缘层-半导体(MOS)三种结构。其中MIM结构如图4所示，具有驱动电压低(小于20V)，发射电流的发散角度小，对真空度的要求低等等优点，但是存在发射电流密度低，而且效率低(控制栅极电流远高于发射电流)等缺陷，这些缺点主要是由于高质量绝缘层难以获得，导致栅极的漏电流高；MOS结构的电子源类似于MIM结构，只是采用半导体硅材料以获得高质量的SiO2绝缘层，但是实际结果表明MIM结构存在的问题并没有获得解决。以微尖阴极作为电子发射区的金属微尖结构的电子源如图5所示，具有发射电流密度高，驱动电压相对低(小于100V)，效率高等等优点，是近年来新开发的结构，也是目前研究的重点，但是存在着驱动电压较高(70V左右)，且发射电流发散严重(发散角大于30度)，工艺复杂等问题，难以实现广泛应用。

研究发现，实现驱动电压低、发射电流密度高、电子束发散小的高效场发射电子源的途径是将MIM(或MOS)结构与金属微尖结构结合起来，并将金属微尖结构的栅极孔径降低至数十纳米左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种发射电流密度高，电子发散小，驱动电压低的场发射电子源及其制备方法，以解决目前场发射电子源存在的不足。

本发明有封入真空容器内的阳极和包括基片上的阴极与栅极及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是：引出栅极电极部分的厚金属膜(简称金厚属膜)，即引出栅极电极的厚金属膜与阴极之间为绝缘层，而与厚金属膜相连的、具有大量微孔的薄金属膜与阴极之间为复合体层，并且复合体层中的导电材料从薄金属膜的微孔中暴露出来，所述的复合体层的电阻率不小于3Ω.cm^-1。所述的薄金属膜是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的薄金属膜。

为了简化上述电子源的制备工艺，降低电子源器件的制作成本，可以采用场发射电子源的如下结构：即引出栅极电极的厚金属膜与阴极之间为绝缘层和其上的半导体层或复合体层，而薄金属膜与阴极之间为复合体层，并且复合体层中的导电材料从薄金属膜的微孔中暴露出来，因此其结构是有封入真空容器内的阳极和包括基片上的阴极与栅极及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极上有绝缘层和复合体层，并在一部分阴极上只有复合体层，而且在只有复合体层的区域上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜作为栅极。

为了进一步简化图2所示的电子源的制备工艺，进一步降低电子源器件的制作成本，可以采用如下结构，即引出栅极电极的厚金属膜与阴极之间为半导体层或复合体层，而薄金属膜与阴极之间为复合体层，并且复合体层中的导电材料从薄金属膜的微孔中暴露出来，因此其结构是有封入真空容器内的阳极和包括基片上的阴极与栅极及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极上有一复合体层，该复合体层的上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜作为栅极。

本发明是MIM、MOS结构与Spindt结构的优化结合，即利用复合体层替代一部分MIM、MOS结构中的绝缘层，同时利用具有大量孔径在1微米以内的微孔的薄金属膜作为栅极，从而降低栅极孔径至1微米以内，实现降低驱动电压和场发射电子束的发散的目的。

其制备方法是利用微电子工艺在硅、玻璃等基板上的电极(作为阴极)上制备有复合材料层薄膜，再在上述的复合材料薄膜表面上有厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的网状结构的薄金属膜栅极电极，还有金属板、柱、丝或荧光屏作为阳极，并以真空容器真空密封而成这里所指的微电子工艺是通常的硅平面工艺。

附图说明

图1本发明的基本结构示意图。

图2在绝缘层上有半导体层或复合体层的场发射电子源示意图。

图3利用半导体层或复合体层替代绝缘层的场发射电子源示意图。

图4已有的金属微尖型(Spindt型)结构场发射电子源示意图。

图5已有的MIM或MOS结构场发射电子源示意图

其中1阳极；2栅极；3阴极；4绝缘层；5基片；6真空容器；7薄金属膜；8复合体层；9导电区(电子发射区)。

具体实施方式

本发明有封入真空容器6内的阳极1和包括基片5上的阴极3与栅极2极其间层结构组成的场发射电子源，其特征是引出栅极2电极的厚金属膜(简称厚金属膜)与阴极3之间为绝缘层4，而与厚金属膜相连的、具有大量微孔的薄金属膜7与阴极3之间为复合体层8，也就是场发射电子源是阴极3上有绝缘层4，并有一部分绝缘层4被一复合体层8所代替，该复合体层8的上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜7作为栅极2的一部分。如图1所示，所述的薄金属膜7是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的金属膜作为栅极2电极，以便在技术上保证复合体层中的导电材料从薄金属膜7的微孔中暴露出来。

本发明的另一个结构形式：有封入真空容器6内的阳极1和包括基片5上的阴极3与栅极2及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极3上有绝缘层4和复合体层8，并在一部分阴极上只有复合体层8，而且在只有复合体层8的区域上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜作为栅极2。如图2所示，所述的薄金属膜是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的金属膜7，并在技术上保证复合体层8中的导电材料从薄金属膜的微孔中暴露出来。

本发明的还有一个结构形式：有封入真空容器6内的阳极1和包括基片5上的阴极3与栅极2及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极3上有一复合体层8，该复合体层8的上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜7作为栅极2，如图3所示，所述的薄金属膜7是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的金属膜作为栅极2电极，以便在技术上保证复合体层8中的导电材料从薄金属膜7的微孔中暴露出来。

上述三种结构的复合体层都可以用半导体层代替，并在技术上保证从薄金属膜的微孔中暴露出来的半导体为N型半导体材料。

作为优化结构，实现本发明的场发射电子源结构的途径有两种：一种是在阴极与作为栅极一部分的具有大量微孔的网状的薄金属膜之间为半导体材料薄膜，以此半导体薄膜替代MIM或MOS结构中的一部分绝缘层，并利用薄金属膜形成的网状结构作为掩膜，通过离子注入、热处理、离子体处理等工艺(通称后处理)，使得从网状金属薄膜中暴露出来的半导体材料由介电材料转变为导电材料。另一种途径是在阴极与作为栅极一部分的具有大量微孔的网状的薄金属膜之间为由介电材料与导电材料组成的复合体材料薄膜，以此复合体膜替代MIM或MOS结构中的一部分绝缘层，并利用金属薄膜材料在介电材料与导电材料表面不同的成膜特性，通过以上的后处理工艺，使复合体薄膜中的导电材料从网状金属薄膜中暴露出来。

具体制备工艺如下：

1，在玻璃、有绝缘层的硅等基片5上利用已有的蒸发或溅射工艺方法沉积厚度在50纳米以上的金属薄膜作为阴极3；或者利用通常的微电子工艺在硅基片制备重掺杂的N型硅作为阴极；

2，又在阴极上形成一层厚度在0.1微米以上的绝缘层4，然后利用已有的微电子工艺，将需要发射电子的区域上的绝缘层去除，暴露出部分阴极3，同时保留其它区域的绝缘层。从绝缘层中暴露出来的阴极3部分可以是三百微米以内的圆形、方形或其它形状的图案，也可以是将这些图案规则地排列的阵列。

3，再利用已有的成膜技术(溅射、蒸发、喷涂、旋涂(spin-coating)、电化学沉积、化学气相沉积等)并结合微电子工艺，在暴露出来的阴极电极上制备半导体材料层，或者复合体材料层9，其厚度与绝缘层厚度相当。

4，以蒸发、溅射等技术沉积厚度大于50纳米的金属膜(厚金属膜)作为栅极2，利用微电子工艺，将与步骤2中的暴露出来的阴极相对应区域上的金属膜去除，而保留其它区域的金属膜。

5，以蒸发、溅射等技术沉积薄的金属膜7(薄金属膜)作为栅极的一部分，金属膜7的厚度在50纳米以内，并使其随机形成孔径尺寸在1微米以内的网状结构；

6，将以上步骤制备的样品在不同的气氛如真空、惰性气体、还原或氧化气体等气氛下进行热处理、扩散其它元素、等离子体处理等后处理，利用薄金属膜7作为掩膜，使部分半导体层转变为导电材料，或使复合体层中的导电材料9暴露出来。

7，以电真空器件工艺，将利用上述工艺制备的电子源器件以及作为阳极的金属板或柱或荧光屏等部分一起封入真空容器6内，并从阴极、栅极和阳极中分别引出外部电极作为驱动电极并分别连接直流、交流或脉冲电源，构成一个器件，如图1所示。

所述的半导体材料主要包括金属氧化物半导体材料和具有钙钛矿结构的半导体材料如氧化锌、氧化铜、钛酸钡、钛酸锶钡、锆钛酸铅等；所指的复合体是由绝缘材料与导电材料组成的材料，其中的导电材料可以是掺杂的半导体材料、各种金属材料、碳纳米管等，而绝缘材料可以是各种本征半导体材料、各种氧化物和氮化物材料以及具有钙钛矿结构的介电材料；这里所指的复合体层的材料主要包括各种介电材料微粒与导电材料微粒的混和材料，介电材料微粒包括各种氧化物、氮化物、具有钙钛矿结构的介电材料如氧化铝、氮化硅、钛酸钡等，导电颗粒包括碳纳米管、金属、掺杂半导体材料。如碳纳米管与介电材料(如金属氧化物、金属氮化物、铁电材料等)的复合体、金属纳米材料与介电材料的复合体、导电氧化物与介电材料的复合体等。其中制成的复合体层8的电阻率不小于3Ω.cm^-1。

为了简化制备工艺，降低器件制作成本，在以上器件制备工艺3中，可以将半导体层或复合体层覆盖绝缘层4，省略部分微电子工艺，从而简化器件制备工艺，形成如图2所示的结构。

为了进一步简化工艺，降低器件制作成本，在以上器件制备工艺2中，可以直接利用半导体层或复合体层替代绝缘层8，并省略步骤3，从而进一步简化工艺，形成图3所示的结构。

由此构筑的本发明工艺简单，结构合理，具有驱动电压低、发射电流密度高、电子束发散小，发射效率高，可以用于替代目前广泛使用的热阴极电子源，也可以利用这种电子源发射的电子束轰击荧光屏的方法获得各种高效光源和实现平板显示。

Claims (3)

1.一种场发射电子源器件，它有封入真空容器(6)内的阳极(1)和包括基片(5)上的阴极(3)与栅极(2)及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是栅极(2)电极的厚金属膜与阴极(3)之间为绝缘层(4)，而与厚金属膜相连的、具有大量微孔的薄金属膜(7)与阴极(3)之间为复合体层(8)，即场发射电子源是阴极(3)上有绝缘层(4)，并有一部分绝缘层(4)被所述的复合体层(8)所代替，该复合体层(8)的上面以具有大量微孔的网状的所述的薄金属膜(7)作为栅极(2)的一部分，所述的复合体层(8)中的导电材料从薄金属膜(7)的微孔中暴露出来，所述的薄金属膜(7)是厚度在50内米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的金属膜，所述的复合体层的电阻率不小于3Ω.cm^-1。

2.一种场发射电子源器件，它有封入真空容器(6)内的阳极(1)和包括基片(5)上的阴极(3)与栅极(2)及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极(3)上有绝缘层(4)和复合体层(8)，并在一部分阴极上只有复合体层(8)，而且在只有复合体层(8)的区域上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜(7)作为栅极(2)，所述的复合体层(8)中的导电材料从薄金属膜(7)的微孔中暴露出来，所述的薄金属膜(7)是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔的金属膜，所述的复合体层的电阻率不小于3Ω.cm^-1。

3.一种场发射电子源器件，它有封入真空容器(6)内的阳极(1)和包括基片(5)上的阴极(3)与栅极(2)及其间层结构组成的场发射电子源，其特征是场发射电子源是阴极(3)上有一复合体层(8)，该复合体层(8)的上面以具有大量微孔的网状的薄金属膜(7)作为栅极(2)，复合体层(8)中的导电材料从薄金属膜(7)的微孔中暴露出来，所述的薄金属膜(7)是厚度在50纳米以内、具有大量孔径在1微米以内的微孔金属膜，所述的复合体层的电阻率不小于3Ω.cm^-1。

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