[发明专利]一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法

权利要求书

1.一种热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，阴极结构垂直于衬底表面，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成；所述纳米沟道为两头宽中间窄的纳米结构。

2.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述纳米沟道的电阻大于100 kΩ。

3.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～100 nm，高度为200～1200 nm。

4.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述尖锥的锥角为15°～60°，高度为200～1000 nm。

5.根据权利要求1所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述的热助场致电子发射阴极和衬底为半导体材料。

6.根据权利要求5所述的热助场致电子发射阴极结构，其特征在于，所述半导体材料选自硅、碳化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝或氮化镓。

7.权利要求1至6任一项所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 衬底表面制备出掩膜或掩膜阵列；

S2. 利用等离子体或化学溶液刻蚀S1所述的衬底，在衬底上获得尖锥；

S3. 在S2所述的尖锥表面覆盖保护层；

S4. 再次利用等离子体或化学溶液刻蚀没有被S3所述保护层覆盖的衬底，即在S3所述尖锥下方获得最窄部分的直径或宽度为10～100 nm的纳米沟道；

S5. 去除尖锥表面的保护层，获得垂直于衬底表面的发射体，由顶部尖锥和底部纳米沟道构成，即热助场致电子发射阴极结构。

8.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，S1所述掩膜或掩膜阵列的材料为耐刻蚀材料，所述掩膜或掩膜阵列通过如下方法制备：

S11. 在干净衬底上制备出厚度为100～1000 nm的耐刻蚀材料薄膜，或直接选用表面覆盖有厚度为100～1000 nm的耐刻蚀材料薄膜的衬底；

S12. 旋涂光刻胶，采用光学光刻或电子束光刻的方法定义光刻胶图形，图形的直径或宽度为700～1500 nm；

S13. 利用等离子体刻蚀未被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜直至露出衬底，保留被光刻胶保护的耐刻蚀材料薄膜，即为掩膜或掩膜阵列；

其中，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，当所述衬底材料为硅、碳化硅、锗或硼时，还包括S6：在800～1200 ℃下氧化0.5～5小时，使纳米沟道最窄部分的直径或宽度缩小至10～50 nm。

10.根据权利要求7所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，其特征在于，S3所述保护层为耐刻蚀材料，所述耐刻蚀材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、铬、铝中的一种或多种。