CN109300750B - 一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法，所述包括场发射阴极电子源：衬底、第一电极、第二电极、第一螺旋部和第二螺旋部。所述第一电极与所述第一螺旋部连接，所述第二电极与所述第二螺旋部连接；所述第一螺旋部与所述第二螺旋部相互环绕设置形成嵌套的双螺旋结构，并用于发射电子；所述第一电极、所述第二电极、所述第一螺旋部和所述第二螺旋部均设置在所述衬底的上表面。本发明的第一电极、第二电极、第一螺旋部和第二螺旋部形成单层结构，降低了加工控制难度，提高了稳定性，适合大规模阵列集成。

Description

一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法

技术领域

本发明涉及电子发射技术领域，具体而言，涉及一种场发射阴极电子源及其阵列。

背景技术

电子源被认为是真空电子器件的核心，为其提供工作所必须的自由电子束。场发射电子源是通过在场发射材料外部加一强电场，压抑发射材料表面势垒，使其势垒高度降低、宽度变窄，使得相当数量的电子从场发射材料内部通过隧道效应遂穿至外部，在外电场的作用下产生定向运动，从而形成一定的发射电流密度。

一个典型场发射电子源的基本结构通常包括阴极、栅极和阳极。微场发射阴极阵列是一种通过现代加工手段，在一定区域内大量密集集成的电子源。微场发射阵列自发明以来，发展了多种结构，其中Spindt阴极又称薄膜金属场发射阴极，是最早依靠现代微加工手段制作的场发射阴极，结构包含微发射尖锥、绝缘层和栅极组成的阵列式阴极。由于微尖锥曲率半径很小，微尖和栅极间距也很近，因此二者之间只需很小的偏压，就可以诱导尖锥表面产生电子发射。场发射阴极阵列可以基于微纳加工技术实现大量发射尖锥阵列的高密度集成，因此可以获得高的总发射电流和电流密度。

但是，场发射尖锥阵列由于是三维立体的结构，加工时，难以对的沉积的尖锥、电极等多层结构进行精确控制，而由此所得阵列均匀性较差，甚至诱发局部电弧损坏器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法，其通过在衬底上表面设置第一螺旋部和第二螺旋部，形成具备电子发射能力的导电细丝，单层结构，降低了加工控制难度，提高了稳定性，适合大规模阵列集成。

本发明的实施例是这样实现的：

一种场发射阴极电子源，包括：衬底、第一电极、第二电极、第一螺旋部和第二螺旋部；所述第一电极与所述第一螺旋部连接，所述第二电极与所述第二螺旋部连接；所述第一螺旋部与所述第二螺旋部相互环绕设置构成嵌套的双螺旋结构，并用于发射电子；所述第一电极、所述第二电极、所述第一螺旋部和所述第二螺旋部均设置在所述衬底的上表面。

优选地，在所述衬底的上表面设置有绝缘层，所述第一电极、所述第二电极、所述第一螺旋部和所述第二螺旋部均设置在所述衬底上表面的绝缘层上。

优选地，所述第一螺旋部与所述第二螺旋部之间的间距小于等于200nm。

优选地，所述第一电极为钛或钯；所述第二电极的材料为钛或钯。

优选地，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述第一螺旋部的相对两侧。

优选地，所述嵌套的双螺旋结构为圆形或方形。

优选地，采用平面工艺制成。

一种场发射阴极电子源阵列，包括：多个上述的场发射阴极电子源，每个所述场发射阴极电子源的第一电极依次相连接，每个所述场发射阴极电子源的第二电极依次相连接。

优选地，阵列中的每个所述场发射阴极电子源的第一电极和第二电极分别设置于所述第一螺旋部或第二螺旋部的相对两侧。

一种电子发射方法，该方法应用于上述的场发射阴极电子源，或上述的场发射阴极电子源阵列，步骤包括：在所述第一电极和所述第二电极上施加电压，并不断增大电压直至所述第一螺旋部与所述第二螺旋部之间的绝缘层上形成导电细丝；在导电细丝形成后调整所述第一电极和所述第二电极上的电压，致使导电细丝断裂，断裂的导电细丝形成电子隧穿尖端，具备电子发射能力；导电细丝断裂后，再在所述第一电极和所述第二电极上施加电压，使形成的所述电子隧穿尖端进行电子发射。

上述本发明实施例提供的一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法，针对现有技术的电子源，本发明通过在衬底的上表面设置相互环绕的第一螺旋部和第二螺旋部形成单层结构，用于发射电子，避免了现有技术的场发射尖锥的立体堆叠设计，提高了加工成品的可靠性；同时由于第一螺旋部与第二螺旋部的环绕设计，可以产生大量的导电细丝作为电子隧穿尖端；又由于螺旋结构使得第一螺旋部的两侧均布置有第二螺旋部(或者说第二螺旋部的两侧均布置有第一螺旋部)，因而进一步增大了形成电子隧穿尖端的面积；其所形成的阵列各个第一电极相连接以及各个第二电极相连接，更加易于控制，保证一致性。综上本发明的场发射阴极电子源的结构降低了加工难度，提高了产品的均匀性，增加了衬底的利用率，适用于大规模阵列集成。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的一种场发射阴极电子源的第一实施方式的结构示意图。

图2是本发明第一实施例提供的一种场发射阴极电子源的第二实施方式的结构示意图。

图3是本发明第一实施例提供的一种场发射阴极电子源的第三实施方式的结构示意图。

图4是本发明第一实施例提供的一种场发射阴极电子源的第四实施方式的结构示意图。

图5是本发明第二实施例提供的一种场发射阴极电子源阵列的结构示意图。

图标：100-场发射阴极电子源；300-场发射阴极电子源；400-场发射阴极电子源；101-衬底；102-第一电极；103-第二电极；104-第一螺旋部；105-第二螺旋部；106-绝缘层；108-圆角；200-场发射阴极电子源阵列。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种场发射阴极电子源100，包括：衬底101、第一电极102、第二电极103、第一螺旋部104和第二螺旋部105。

具体的，所述第一电极102与所述第一螺旋部104连接，所述第二电极103与所述第二螺旋部105连接；所述第一螺旋部104与所述第二螺旋部105相互环绕设置，并用于发射电子。所述第一电极102、所述第二电极103、所述第一螺旋部104和所述第二螺旋部105均设置在所述衬底101的上表面(此处所谓的上表面仅指代衬底101的其中一面，并非相对于水平面而言的绝对方向上的上表面，该上表面的周围面为侧面)。

衬底101，用于对其上表面设置的各部件进行机械支撑或起到电气绝缘作用，利于机械加工。

衬底101的形状为长方体状，也可以为正方体、圆柱状等，不作限制。该衬底101可以使用绝缘材料制成，例如：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锌、氧化锆、氮化硅、金刚石等；另外也可为任意材料的衬底101上覆盖绝缘层106，例如在硅衬底101的上表面覆盖一层氧化硅制成的绝缘层106。此时，所述第一电极102、所述第二电极103、所述第一螺旋部104和所述第二螺旋部105均设置在所述衬底101上表面的绝缘层106上，绝缘层106的厚度可根据器件的具体要求或电压等参数进行设定，例如可为300nm(可允许存在加工误差)。

第一电极102与第二电极103，用于施加电压，其中第一电极102或第二电极103中任一者可为阴极，另一者为阳极。

较优选的，第一电极102的材料可采用钛或/和钯，第二电极103的材料可采用钛或/和钯材料。此外，也可使用其他材料，例如以下的一种或多种：金属、石墨烯、碳纳米管、半导体；其中金属可以是钨、钼、钯、钛、金、铂、铜、铑、铝等；其中半导体如：硅、锗；石墨烯可以是单层、多层、单晶或者多晶；碳纳米管可以是单壁、多壁、单根、多根或者碳纳米管薄膜等。

第一电极102和第二电极103可设置在第一螺旋部104(第二螺旋部105)的同一侧；也可设置在第一螺旋部104(第二螺旋部105)的相对侧，如图2所示，在相对侧时可利于该场发射阴极电子源100进行大规模阵列集成。

第一电极102和第二电极103之间的位置应当保持一定距离。第一电极102可通过一延长部连接到第一螺旋部104，第二电极103可通过一延长部连接到第二螺旋部105。

第一螺旋部104和第二螺旋部105，用于产生电子隧穿尖端，并发射电子。

具体的，第一螺旋部104和第二螺旋部105相互环绕设置，并且两者相互平行(即所述第一螺旋部104与所述第二螺旋部105之间的间距处处相等)，保证电子发射能力的稳定性和均匀性。另外，由于第一螺旋部104和第二螺旋部105相互环绕设置形成嵌套的双螺旋结构，该嵌套的双螺旋结构可以为圆形结构也可以为方形结构(如图3所示的一种场发射阴极电子源300，可在第一螺旋部或第二螺旋部的方形转角处进行圆角108的设计，防止尖端放电发生)，另外还可以为椭圆形或其他形状；该双螺旋结构还可以为单层结构(如图4所示的一种场发射阴极电子源400)。在非最内层或非最外层，可以有：第一螺旋部104的两侧分布有第二螺旋部105，在第二螺旋部105的两侧分布有第一螺旋部104，此时可将两个螺旋部之间的间隔均设置相同(例如，第一螺旋部104与两侧的第二螺旋部105的间隔均相同)，使得任意两者之间狭缝均具备产生电子发射能力的条件，增加了电子发射面积。

进一步的，第一螺旋部104和第二螺旋部105之间的间隔应当小于等于200nm；在本实施例中，以100nm为优选。

在本实施例中，较优选的一种生产加工方式为，平面工艺。同时由于采用硅材料的衬底101覆盖氧化硅的形式，可以有效的掩蔽大多数重要的受主语施主杂志的扩散，保证加工时(如光刻加工)对第一电机、第二电极103、第一螺旋部104、第二螺旋部105等的控制更加精准。同时副盖的氧化硅薄膜可钝化该器件的表面，受周围环境影响的弱点得到控制，提高器件的稳定性。由于本发明的单层结构，在采用平面工艺进行加工时，仅需要进行单层刻蚀即可完成，避免了多层的立体结构加工，可保证完成加工后的产品性能的一致性与稳定性。

第二实施例

请参照图5，本发明还提供一种场发射阴极电子源阵列200，图3示出为2*3阵列，但不局限于此，可以为N*M阵列(N行数、M为列数)。与第一实施例不同的是，在本实施例中该阵列包括：多个上述的场发射阴极电子源100。每个所述场发射阴极电子源100的第一电极102依次相连接，每个所述场发射阴极电子源100的第二电极103依次相连接。

在本实施例中，阵列中的每个所述场发射阴极电子源100的第一电极102和第二电极103分别设置于所述第一螺旋部104或第二螺旋部105的相对两侧，如图2所示。在阵列集成的每一行，可直接将多个第一电极102刻蚀成一体，或将第二电极103也刻蚀为一体，降低加工的复杂度。

第三实施例

本发明还提供一种电子发射方法，该方法可直接基于上述实施例提供的场发射阴极电子源100，或上述提供的场发射阴极电子源阵列200进行应用。

该方法的步骤包括：

在所述第一电极102和所述第二电极103上施加电压，并不断增大电压直至所述第一螺旋部104与所述第二螺旋部105之间的绝缘层106上形成导电细丝。具体的，施加电压后由于第一螺旋部104与第二螺旋部105之间的绝缘层106被贯穿(若无绝缘层106，则衬底101被贯穿)，形成导电态，产生导电细丝。同时可监测导电电流，达到精确控制的目的。

在导电细丝形成后调整电压，致使导电细丝断裂，断裂的导电细丝形成电子隧穿尖端，具备电子发射能力。调整电压可进行增大，也可进行减小，还可根据所述导电电流进行定向调整；调整之后，使得导电细丝断裂，此时第一螺旋部104与第二螺旋部105之间的绝缘层106(若无绝缘层106，则为衬底101)转变为高阻态。而断裂形成的导电细丝对构成了表面遂穿场效应电子源的电子遂穿尖端，具有电子发射能力。

在导电细丝断裂后，当再在所述第一电极102和所述第二电极103上施加电压。若第一电极102为阴极，第二电极103为阳极；则电子从电势低的第一螺旋部104遂穿通过绝缘区域(衬底101或第一螺旋部104与第二螺旋部105之间的绝缘层106)，进入电势高的第二螺旋部105附件，并从电势高的第二螺旋部105靠近绝缘区域的边界处发射电子到真空中。

例如：将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃，然后通入氧气，氧化硅片表面，得到一层300nm厚的氧化硅薄膜。

经过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、电子束蒸发镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底表面制备钛钯金属(70nm钯/O.5nm钛)电极对，所制备的两个电极对可位于第一螺旋部104的相对两侧，并与第一螺旋不104和第二螺旋不105保持大于等于50nm的间距。

将以上制备的钛钯金属电极对中的一个电极设为零电势，另二个电极设为负电势，逐渐增大电极对之间电压，同时监测电极对之间电流大小并设置限制电流为10uA时，防止电极对之间的氧化硅薄膜被击穿。当电流突然加速增加时，说明电极对之间的氧化硅薄膜由绝缘态变成导电态，在电极对之间形成导电细丝，停止电压增加。

调整两个电极对之间的电压为8-34V之间的任意值(包含8v与34v)，使得电极对之间的导电细丝断裂，氧化硅薄膜转变成高电阻态。此时，断裂的导电细丝形成包含导电区域-绝缘层区域-导电区域的表面隧穿微型电子源，在衬底表面得到一个表面隧穿微型电子源。

此时，在电极对的两端施加的驱动电压，并将电压增加达到约8V时，电子开始发射出来，当大于8V时(8V-34V之间)，发射电流随着驱动电压的增加而增大，最大达到10uA(电流击穿值)。

综上所述：

本发明实施例提供的一种场发射阴极电子源、阵列及电子发射方法，针对现有技术的电子源，本发明通过在衬底的上表面设置相互环绕的第一螺旋部和第二螺旋部，用于发射电子，避免了现有技术的场发射尖锥的立体堆叠设计，提高了加工成品的可靠性。同时由于第一螺旋部与第二螺旋部的环绕设计，可以产生大量的导电细丝作为电子隧穿尖端；又由于螺旋结构使得第一螺旋部的两侧均布置有第二螺旋部(或者说第二螺旋部的两侧均布置有第一螺旋部)，因而进一步增大了形成电子隧穿尖端的面积，防止尖端放电产生电弧；其所形成的阵列各个第一电极相连接以及各个第二电极相连接，更加易于控制，保证一致性。本发明的场发射阴极电子源的单层平面结构降低了加工难度，提高了产品的均匀性，增加了衬底的利用率，适用于大规模阵列集成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种场发射阴极电子源，其特征在于，包括：衬底、第一电极、第二电极、第一螺旋部和第二螺旋部；所述第一电极与所述第一螺旋部连接，所述第二电极与所述第二螺旋部连接；所述第一螺旋部与所述第二螺旋部相互环绕设置构成嵌套的双螺旋结构；所述双螺旋结构为圆形结构、方形结构或椭圆形结构，其中所述双螺旋结构为方形结构时，所述第一螺旋部和所述第二螺旋部的方形转角处为圆角设计；所述第一螺旋部与所述第二螺旋部之间的间距小于等于200nm，当在所述第一电极和所述第二电极上施加电压时，所述第一螺旋部与所述第二螺旋部之间形成导电细丝，并在所述细丝断裂后发射电子；所述第一电极、所述第二电极、所述第一螺旋部和所述第二螺旋部均设置在所述衬底的上表面。

2.根据权利要求1所述的场发射阴极电子源，其特征在于，在所述衬底的上表面设置有绝缘层，所述第一电极、所述第二电极、所述第一螺旋部和所述第二螺旋部均设置在所述衬底上表面的绝缘层上。

3.根据权利要求1所述的场发射阴极电子源，其特征在于，所述第一电极为钛或钯；所述第二电极的材料为钛或钯。

4.根据权利要求1所述的场发射阴极电子源，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述第一螺旋部的相对两侧。

5.根据权利要求1所述的场发射阴极电子源，其特征在于，采用平面工艺制成。

6.一种场发射阴极电子源阵列，其特征在于，包括：多个权利要求1-5任一项所述的场发射阴极电子源，每个所述场发射阴极电子源的第一电极相连接，每个所述场发射阴极电子源的第二电极相连接。

7.根据权利要求6所述的场发射阴极电子源阵列，其特征在于，阵列中的每个所述场发射阴极电子源的第一电极和第二电极分别设置于所述第一螺旋部或第二螺旋部的相对两侧。

8.一种电子发射方法，该方法应用于权利要求1-5任一项所述的场发射阴极电子源，或权利要求6-7任一项所述的场发射阴极电子源阵列，其特征在于：

在所述第一电极和所述第二电极上施加电压，并不断增大电压直至所述第一螺旋部与所述第二螺旋部之间的绝缘层上形成导电细丝；

在导电细丝形成后调整所述第一电极和所述第二电极上的电压，致使导电细丝断裂，断裂的导电细丝形成电子隧穿尖端，具备电子发射能力；

导电细丝断裂后，再在所述第一电极和所述第二电极上施加电压，使形成的所述电子隧穿尖端进行电子发射。

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