[发明专利]一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米电子器件技术领域，更具体地，涉及一种热助场致电子发射阴极结构及其制备方法。

背景技术

场发射电子源具有工作温度低、功耗低、响应速度快的特点，在中小功率行波管、电子成像、高灵敏度传感器、平板显示器、平面光源、并行电子束光刻、高频真空电子管等器件中具有潜在应用。电子源工作时，阴极表面吸附所引起的功函数变化；阵列中发射体几何形貌不同所导致的各发射端面局域电场的差异，都将影响场发射电子源的电流稳定性和可靠性。上述问题限制了场发射电子源的应用开发。目前商用的电子源中较多选用的是热助场发射电子源。常规的热助场发射电子源中，阴极发射体是焊接在加热灯丝上，利用电流通过加热灯丝所产生的焦耳热来加热阴极，使阴极工作在高温下（约1800 K）。加热场发射阴极既有利于增强阴极的电子发射性能，又能减少阴极表面的气体吸附，提高阴极的可靠性。热助场发射电子源的工作温度与热电子源相比较低，而且具有总发射电流较大、稳定性较好等优点，因此得到较广泛的应用。然而，已有的热助场发射电子源均需要在加热灯丝上施加额外的偏置电压来产生焦耳热，功耗较大，阴极结构也相对复杂，制作阵列式的电子源工艺难度高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种功耗较低，结构简单，易于制作阵列式电子源的热助场致电子发射阴极结构。

本发明的第二个目的是提供所述热助场致电子发射阴极结构的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种热助场致电子发射阴极结构，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；阴极结构将尖锥和纳米沟道一体化集成；所述纳米沟道为两头宽中间窄的纳米结构。

阴极结构工作时，利用外加电场诱导阴极顶端尖锥发射电子。尖锥具有较小的尖端曲率半径可增强发射端面的局域电场，有利于降低场发射驱动电压。由于纳米沟道以及尖锥的尖端具有较大电阻，因此场发射电流通过时将产生焦耳热。由于纳米沟道为两头宽中间窄的结构，且热阻较大，可以限制尖锥和衬底之间的热传导，使尖锥的温度升高，实现热助场发射，提升阴极的电子发射性能。位于阴极顶端的尖锥锥体所具有的热容可以避免自身温度过高而熔化。另一方面，利用纳米沟道电阻可以实现负反馈限流，避免发射体因过流而击穿，提高阴极的可靠性和发射电流稳定性。上述所列特点是常规的纳米线/棒所不具备的。

尖锥温度的升高有利于增强电子发射，因此可以进一步降低发射驱动电压和功耗，提高总发射电流；同时，尖锥温度升高可使表面吸附物脱附，有利于提高阴极的可靠性和发射电流稳定性。在本发明中，尖锥温度升高所需的热量来源于场发射电流在纳米沟道以及尖锥尖端处产生的焦耳热；不需要将发射体焊接在加热灯丝上并且在加热灯丝上施加额外的偏置电压来产生焦耳热；完全不同于常规的热助场发射电子源。

为了获得明显的负反馈作用，优选地，所述纳米沟道的电阻大于100 kΩ。

优选地，所述尖锥的锥角为15°～60°，高度为200～1000 nm。

优选地，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；该结构的纳米沟道具有较大的电阻和热阻，可同时限制电传导和热传导。

更优选地，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为10～70 nm，最优选地，所述纳米沟道最窄部分的直径或宽度为30～70 nm，这是综合考虑了合理的电阻、热阻以及结构强韧度的选择。

优选地，所述的热助场致电子发射阴极和衬底为半导体材料。

更优选地，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。

本发明还提供所述的热助场致电子发射阴极结构的制备方法，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。

优选地，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：