[发明专利]具有低孔隙度高掺杂接触层的硅发射体

说明书

发明领域

本发明总的涉及一种具有包含高掺杂区的低孔隙度多孔硅材料接触层的硅发射体，并且涉及一种制造具有包含高掺杂区的低孔隙度多孔硅材料接触层的硅发射体的方法。更具体而言，本发明涉及一种包括低孔隙率多孔硅材料接触层的硅发射体，该硅材料含高掺杂区以减少高孔隙度多孔硅材料的活性层与顶电极之间的接触电阻以及增加顶电极的电子发射效率和发射稳定性，同时还涉及该发射体的制造方法。

技术背景

图1表示现有技术的多孔硅发射体100。现有技术的多孔硅发射体100是一种二极管结构，它包括高掺杂n+硅(Si)基板103作电子注入层、还可有与基板103电接触的欧姆接触105、在基板103上形成的活性多孔硅(Si)层101、和在活性多孔硅层101上形成的电极107，电极107与101层电连接。当电极107对基板103加有正偏压时，由电压源V₁提供的二极管电流I_d流经活性层101和基板103。二极管电流的一部分I_e射入到电极107上面的真空区(未示)，并由位于电极107对面的集电极115收集。集电极115由电压源V₂提供相对于电极107的正偏压，以便引出由电极107发射的电子e。电极(107，115)和欧姆接触105可由导电材料如金(Au)或铝(Al)制成。

现有技术的多孔硅发射体100的一个缺点在于，活性多孔硅(Si)层101具有高的孔隙度，它使电极107与活性多孔硅(Si)层之间有高的串联接触电阻R_c。电阻R_c与高电压下活性多孔硅(Si)层101的电阻相当或甚至比其高。因此，高的串联接触电阻R_c在活性层101和电极107之间产生不希望的/意外的电压降，该压降使多孔硅发射体100的电子发射效率降低。

其次，高的串联接触电阻R_c使功率消耗较高和功率耗散(废热)较增，这含减少发射体100的使用寿命。在以电池供能的应用中，希望降低能耗，从而延长电池寿命和运行时间。再次，希望减少由系统产生的废热量，因为热控制系统如通风机和热阱会增加系统的费用、重量和复杂性。

现有技术的多孔硅发射体100的第二个缺点在于接触电阻R_c在V₁提供高偏压下使二极管和发射电流达到饱合。电子发射电流随电压的增高而增大是希望的。但是，如果出现饱合，电子发射电流呈峰值，并不随电压的增高而增大。

最后，现有技术的多孔硅发射体100的另一缺点在于，活性多孔硅(Si)层101与电极107的接触电阻高，它使电子发射效率降低。

因此，需要一种能减少多孔硅发射体的活性孔硅层和电极之间的串联接触电阻的多孔硅发射体。同时需要一种能在低电压下运行的，从而能降低能耗和废热产生的多孔硅发射体。此外还需要一种在较高电压下不会饱合，从而能在这种较高的电压下获得高发射电流和发射效率的多孔硅发射体。

发明描述

本发明解决上面提到的高串联接触电阻产生的问题，其措施是在高孔隙度多孔硅材料和顶电极之间采用一种低孔隙度和低电阻率的多孔硅材料的接触层。其次，与端电极相邻的低孔隙度多孔硅的部分接触层包括高掺杂区，以增加顶电极的电子发射效率和发射电流，并进一步降低运行电压。低孔隙度多孔硅接触层降低顶电极和高孔隙度多孔硅活性层之间的串联接触阻抗。其结果是当偏压施于二极管时，在活性层和顶电极之间的压降降低，而且绝大部分压降产生在活性层内。

其次，与现有技术的多孔硅发射体的高功率消耗和功率耗散相关的问题是通过本发明的低孔隙度多孔硅的接触层解决的，因为降低接触电阻会导致功率消耗和功率耗散下降。再次，接触阻抗降低容许电子发射体在较低的电压下运行，这符合低功率消耗和低功率耗散的目的。