[发明专利]一种带有限流阻变层的场发射阴极结构及其制备方法

说明书

一种带有限流阻变层的场发射阴极结构及其制备方法，属于场致电子发射技术领域。本发明通过在场发射阵列阴极中每个阴极发射体与衬底间采用掺杂有金属离子的复合忆阻材料作为阻变层，使得每个阴极发射体下的阻变层由其自身电流变化控制金属离子在阻变层内的迁移进而实现阻变功能正常发射时，处于低阻状态；短路或过流发射时，阻变层切换至高阻状态，并且不同阴极发射体之间互不影响，以此限制单个阴极发射体的最大发射电流、抑制短路或过流发射。本发明提供的场发射限流结构相比现有限流结构较为简单，制备成本低，并且由于该阻变层的存在，在不影响场发射特性的同时有效地改善了场发射阴极发射的稳定性，对现有场发射阴极性能的提升有重大意义。

技术领域

本发明属于场致电子发射技术领域，具体涉及一种带有限流阻变层的场发射阴极结构及其制备方法。

背景技术

场发射阴极具有室温工作、启动快、低功耗、发射电流密度高等诸多优点，是国内外阴极电子源的研究热点。场发射阴极阵列(Field emission array，FEA)，或称Spindt阴极，是真空场发射微电子器件的核心部件。传统Spindt阴极场发射阴极结构是利用微纳工艺加工而成的微尖电子枪阵列，阵列单元为阴栅组件，即每个单元由生长在发射极上的金属尖锥发射体和栅极小孔组成，栅极与发射极之间设置绝缘层。在栅极和发射极间加上较小的电压，发射体材料内电子能量增加进而逸出形成电流，从而使尖锥产生显著的场发射现象。由于微纳加工工艺的限制，即使精确控制制得的场发射阴极阵列中发射体的高度和金属尖锥曲率半径等通常存在小的起伏，同样发射电流密度下不同发射体尖端电场强度很不均匀。场致发射阵列阴极中不同的场发射阴极尖锥提供的发射电流不一致，部分较高较尖的阴极发射体先达到了场发射的阈值电压，开始发射电子，若要使剩下的阴极也达到发射的阈值电压，就需要继续增加外加电压，由于场致发射电流密度与发射体尖端的电场强度呈指数关系，发射阈值低的那部分发射单元将由于电流负载过大首先出现损毁，进而导致真空放电使整个发射体阵列被破坏，造成器件损毁。场发射阴极阵列尺寸越大，发射电流密度不均匀性对电流负载的局限也越趋严重。因此，场发射阴极发射的稳定性是制约真空场发射微电子器件性能提升的关键，研究出稳定的、性能优良的场发射阴极成为了人们的迫切需求。

目前主流的解决办法是在场发射阴极发射体和衬底电极间引入限流结构，作为限流结构有电阻、场效应管和PN结。其中，场发射阴极发射体串联电阻的限流结构是利用电阻的分压作用形成负反馈，从而抑制瞬时大电流，起到稳流的作用，但是通常能起到分压作用的电阻阻值高达兆欧，并且无法动态调节；场发射阴极发射体串联场效应管的限流结构则是利用了场效应管的恒流区特性或沟道电阻随栅压改变的特性来抑制场发射电流的波动，此结构复杂，制作工艺繁琐、成本很高；场发射阴极发射体串联PN结的限流结构利用PN结工作在反偏电压时的电流特性来提高场发射阴极阵列的发射电流的稳定性和均匀性，通常PN结的反向饱和电流极小，约在nA级别，很难满足场发射阴极发射电流的需求。因此，寻找一种简单有效的结构，改善场发射阴极发射的均匀性和稳定性，具有十分重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中场发射阴极限流结构设计所面临的问题，提供一种带有限流阻变层的场发射阴极结构，制备简单、成本低，并且通过简单的场发射限流结构，可以解决场发射阵列阴极中发射电流密度不均匀所导致的阴栅短路或过流发射而引起的器件损毁问题，提高阴极的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种带有限流阻变层的场发射阴极结构，包括设置在衬底上由阴极、栅极和绝缘层形成的阴栅组件，其特征在于，各个阴极发射体与衬底间均设置有作为限流结构的阻变层，所述阻变层的材料为金属离子掺杂忆阻材料。

进一步地，所述阴极发射体与阻变层之间为电连接，相当于在阴极发射体下方串联一个变阻器。

进一步地，所述阴栅组件具体包括阴极、设置在阴极外围的栅极以及设置在阴极与栅极之间的绝缘层，所述阴极包括阴极发射体及其下方的限流结构。