[发明专利]一种场发射电子源结构及其形成方法、电子源、微波管

说明书

本发明公开一种光增强场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管，所述电子源结构包括支撑衬底；形成在衬底上的光电阴极层；形成在光电阴极层的一部分上的源极；覆盖所述源极和光电阴极层的绝缘层；形成在所述绝缘层上的栅极；以及贯穿所述栅极及所述绝缘层且暴露所述光电阴极层的真空沟道。本发明提供的光增强场发射电子源结构与基于冷阴极的电子源结构相比，具有较低的工作电压，可有效降低了强电场作用下电子源器件因击穿导致短路的概率；相比于传统光电阴极组件的电子源结构，本发明的光增强场发射电子源结构拥有更大的发射电流密度和更强的抗离子轰击能力，可满足高频率行波管对大电流密度电子源结构的要求。

技术领域

本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管。

背景技术

行波管是靠连续调制电子注的速度实现放大功能的微波电子管，阴极的电子发射能力决定行波管的性能。热阴极组件是行波管中常用的电子源，具有发射电流密度较大、性能稳定和寿命长等特点。但是对行波管工作频率增加，行波管器件的体积越来越小，对阴极的发射能力提出了更高的要求，同时对热阴极的结构和加工工艺也提出了更大的挑战。另外热阴极工作于高温状态，对高频率行波管的真空环境影响较大，以及阴极的蒸发物会破坏电极之间的绝缘性，最终影响行波管的性能。

冷阴极组件是一种工作于常温状态的电子源，同时拥有较长的发展历史，冷阴极的理论发射电流密度远大于热阴极的发射电流密度，是一种理想的电子源，但是由于冷阴极工作所需的电压较大，而制备过程中很难保障每一个电子发射单元具有一致的结构和耐压特性，因此工作过程中发生打火和短路的几率较大，导致了冷阴极无法在行波管中进行应用。同样，光电阴极也是工作于常温条件，且具有较高的光电转换效率，但是光电阴极的发射电流密度相对较小，尚无法满足高频率行波管对大电流密度的电子源结构的要求。

因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种低工作电压、高发射电流密度、稳定性高的电子源结构及其形成方法。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种光增强场发射电子源结构及其形成方法、包括其的电子源、微波管。

根据本发明的一个方面，提供一种光增强场发射电子源结构，该电子源结构包括支撑衬底；形成在衬底上的光电阴极层；形成在光电阴极层的一部分上的源极；覆盖所述源极和光电阴极层的绝缘层；形成在所述绝缘层上的栅极；以及贯穿所述栅极及所述绝缘层且暴露所述光电阴极层的真空沟道。

优选地，所述沟道为垂直沟道或V形沟道。

优选地，所述支撑衬底为透明衬底或非透明衬底。

优选地，所述真空沟道的深度h₁为栅极和绝缘层的厚度之和≤h₁＜栅极、绝缘层和光电阴极层的厚度之和。

优选地，光电阴极层的材料选自GaAs、GaN、AlGaAs、AlGaN、InAs、GaP、InP、Si和InGaAsP中的一种或多种，或GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN和GaAs/GaN异质结构晶体材料中的一种或多种，优选地，光电阴极层的厚度T_c≥10nm。

优选地，所述绝缘层的厚度T_i为20nm≤T_i≤5μm，优选地，所述栅极层的厚度T_g为20nm≤T_g≤5μm。

根据本发明的另一方面，提供一种光增强场发射电子源，该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极，或，

该电子源包括如上所述的光增强场发射电子源结构的阵列，该电子源进一步包括与栅极电连接的第一电极和与源极电连接的第二电极。