CN105931931A - 一种尖锥阵列场致发射三极结构及其制作方法 - Google Patents

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杜小飞
王琦龙
张晓兵
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Abstract

本发明公开了一种尖锥阵列场致发射三极结构及其制作方法，所述结构包括阴极基底、氧化层、金属尖锥和石墨烯栅极，在氧化层的每个空腔内设置有一个金属尖锥，所有金属尖锥共同形成金属尖锥阵列，氧化层设置在阴极基底上，石墨烯栅极设置在氧化层上。本发明采用石墨烯栅极代替传统的金属栅极，且与传统Spindt型场致发射阵列制备流程有所不同。本发明是在尖锥形成及清洗杂质后，在氧化层上覆盖单层或少层石墨烯作为栅极，这一方面可在石墨烯栅极制备前对尖锥和空腔内的金属杂质进行有效的清洗，降低阴栅短路风险，另一方面石墨烯层可在其下方形成更均匀的电场，有效降低了尖锥发射电子所需要的电压。

Description

一种尖锥阵列场致发射三极结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种以单层或少层石墨烯作为栅极的尖锥阵列场致发射三极结构及其制作方法，属于真空电子器件技术。
背景技术
Spindt阴极是研发最早的场发射阴极，其性能卓越，且能够在较小的面积上同时实现很高的电流密度和很大的总电流，非常适用于微波功率器件。当工作频率上升至太赫兹频段，器件对阴极电流密度要求超过100A/cm2，其他阴极很难达到要求。真空微电子学研究初期，几乎所有的场发射应用研究都曾尝试过该阴极，但是Spindt型场发射阴极可靠性不高，限制了其应用发展。其主要问题有阵列不均匀性导致局部过度发射，空间放电诱发电弧，初期老炼过程中容易失效及发射尖锥和栅极间短路、漏电等。其原因主要有以下几点：
第一、沉积制作发射尖锥过程中产生的金属颗粒杂质在分离层剥离时脱落，它们附着在发射尖锥表面、栅极边缘以及承载尖锥的二氧化硅空腔中，尤其是一些空腔内部的沉积物，很难彻底去除。这些金属颗粒沉积物的存在，会导致初期阴极失效，并且成为后期应用的潜在隐患。
第二、传统的Spindt阴极是在结构制作好之后清洗其内部的杂质，一方面空腔内部的杂质不能有效去除，而这些沉积颗粒隐藏在栅极下空腔内部，从SEM观测图中几乎看不到，但这些颗粒的存在会影响到尖锥及空腔内部电场分布及阴栅短路。另一方面若去除时时间和强度过大，又可能使栅极开裂，甚至尖锥脱落。
第三、Spindt阴极制作过程中，SiO2的去除过程中，栅极下空腔会被腐蚀，而阵列中各发射尖锥之间的距离往往较近，这就使的栅极层下仅有部分SiO2支撑，当SiO2绝缘层和金属栅极之间的结合力不足以支撑栅极上方沉积分离层及金属闭合层时，栅极会产生开裂现象，这会造成阴栅短路及后期测试中电弧损毁。
第四、由于各阴栅之间结构的差异导致其电场的不均匀性，进而引起每个发射体的不均匀性，容易产生局部过度发射而导致整个阴极失效。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够有效降低阴栅短路问题及栅极开裂问题的场发射阵列三极结构，同时降低尖锥场致发射阵列制备的工艺难度；本发明采用单层或少层石墨烯(或类似原子级层状结构)作为栅极电极，可以在相同驱动电压下获得更大的尖锥表面电场，使得整个阵列的发射均匀性得到改善。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种尖锥阵列场致发射三极结构，包括阴极基底、氧化层、金属尖锥和石墨烯栅极，氧化层上设置有贯穿氧化层厚度的空腔阵列，在氧化层的每个空腔内设置有一个金属尖锥，所有金属尖锥共同形成金属尖锥阵列，氧化层设置在阴极基底上，石墨烯栅极设置在氧化层上；金属尖锥的大端面设置在阴极基底上，金属尖锥的尖端与石墨烯栅极间存在间隙。
优选的，所述金属尖锥的尖端曲率半径小于50nm，以保证金属尖锥的发射效率。
优选的，所述氧化层的厚度为1um左右，优选为0.8～1.2um；空腔的孔径为1um左右，优选为0.8～1.2um。
优选的，沿矩形阵列线，相邻两个金属尖锥大端面中心点的直线距离为4.5～5.5un。
优选的，综合考虑电子的通过效率和石墨烯层栅极需要承载的电压，设计所述石墨烯栅极为单层结构或少层结构，所述少层为2～4层。
所述石墨烯栅极可以替换为其他任何具有原子级的层状网格原子结构或类似的原子结构的材料；与金属层栅极比较，在其他参数相同的情况下，石墨烯栅极可以使得尖锥顶部获得更大的电场，同时尖锥阵列的发射更为均匀。
一种尖锥阵列场致发射三极结构的制作方法，包括如下步骤：
(1)在硅基底上表面，用热氧化法制备一层氧化层，氧化层的厚度根据金属尖锥的高度设计；
(2)在氧化层上表面制备一层光刻胶层，对光刻胶层进行光刻形成空腔图形，裸露出空腔位置处的氧化层；
(3)采用离子刻蚀法腐蚀空腔位置的氧化层，裸露出空腔位置处的硅基底，去除氧化层上表面剩余的光刻胶；
(4)旋转硅基底的同时，使蒸发源以设定角度入射到氧化层上表面，在氧化层上表面沉积一定厚度的金属铝作为分离层，分离层覆盖住氧化层上表面和空腔开口边沿区域；在制作分离层时，避免金属铝填充到空腔内；
(5)旋转硅基底的同时，垂直蒸发金属钼，控制蒸发时间，在空腔内形成钼微尖的同时覆盖住分离层并堵塞空腔开口，形成闭合层；
(6)用化学腐蚀法腐蚀分离层，去掉分离层和闭合层；
(7)清洗钼微尖和空腔内包括金属颗粒在内的杂质，使用直接干法或湿法转移法，在氧化层上表面制备石墨烯层作为石墨烯栅极，石墨烯层覆盖住氧化层上表面并堵塞空腔开口。
有益效果：本发明提供的以单层或少层石墨烯作为栅极的尖锥阵列场致发射三极结构及其制作方法，具有如下优点：
1、本发明提出的石墨烯栅极Spindt阴极结构，在栅极制作前，可对阴极及空腔部分充分清洗，去除剥离层溶解过程中形成的金属颗粒杂质，空腔内部的杂质可很好的去除，通过SEM可观察清除效果，达到要求后，再在其氧化层上制备石墨烯栅极，这可有效降低阴栅短路的风险；
2、本发明的石墨烯栅极是在清洗杂质之后制备在二氧化硅支撑体上，可避免清洗过程中栅极开裂现象，工艺难度大大降低；
3、本发明的石墨烯栅极结构是覆盖在整个发射尖锥上方，相对于传统的尖锥阵列结构的阴极，其他参数相同的条件下，本结构可在阴极尖锥表面产生更大的电场，因此可降低调制电压；
4、本发明的石墨烯栅极层的栅极孔极小且均匀分布在阴极尖锥上，因此可在栅极层下方和尖锥上方空间产生相对均匀的电场，阵列的发射均匀性可得到有效改善。
附图说明
图1为硅基底和在其上形成的氧化层；
图2为在氧化层上覆盖光刻胶，确定发射体尺寸；
图3为腐蚀形成的空腔；
图4为在二氧化硅层上旋涂分离层；
图5为形成发射尖锥和闭合层；
图6为腐蚀去掉闭合层和分离层；
图7为使用转移法制备石墨烯栅极；
图8为本发明的结构示意图；
图中包括：1-硅基底，2-氧化层，3-光刻胶层，4-分离层，5-闭合层，6-金属尖锥，7-石墨烯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种尖锥阵列场致发射三极结构，包括阴极基底、氧化层、金属尖锥和石墨烯栅极，氧化层上设置有贯穿氧化层厚度的空腔阵列，在氧化层的每个空腔内设置有一个金属尖锥，所有金属尖锥共同形成金属尖锥阵列，氧化层设置在阴极基底上，石墨烯栅极设置在氧化层上；金属尖锥的大端面设置在阴极基底上，金属尖锥的尖端与石墨烯栅极间存在间隙；所述石墨烯栅极为单层结构或少层结构，所述少层为2～4层。
一种尖锥阵列场致发射三极结构的制作方法，包括如下步骤：
(1)在硅基底上表面，用热氧化法制备一层厚度约为1um的氧化层，氧化层的厚度根据金属尖锥的高度设计，如图1所示；
(2)在氧化层上表面制备一层光刻胶层，对光刻胶层进行光刻形成空腔图形，裸露出空腔位置处的氧化层，如图2所示；
(3)采用化学腐蚀或反应等离子刻蚀法腐蚀空腔位置的氧化层，裸露出空腔位置处的硅基底，去除氧化层上表面剩余的光刻胶，如图3所示；
(4)旋转硅基底的同时，使蒸发源以设定角度入射到氧化层上表面，在氧化层上表面沉积一层厚度约为0.2um的金属铝作为分离层，分离层覆盖住氧化层上表面和空腔开口边沿区域，如图4所示；在制作分离层时，避免金属铝填充到空腔内；
(5)旋转硅基底的同时，垂直蒸发金属钼，控制蒸发时间，在空腔内形成钼微尖的同时覆盖住分离层并堵塞空腔开口，形成闭合层，如图5所示；
(6)用化学腐蚀法腐蚀分离层，去掉分离层和闭合层，如图6所示；
(7)清洗钼微尖和空腔内包括金属颗粒在内的杂质，通过SEM观察清除效果，达到要求后，再使用直接干法或湿法转移法，在氧化层上表面制备石墨烯层作为石墨烯栅极，石墨烯层覆盖住氧化层上表面并堵塞空腔开口，如图7所示。
本发明在制备工艺上进行了明显的简化，沉积尖锥阵列及去除分离层时不需要考虑栅极情况，防止了传统制备过程中沉积尖锥及金属闭合层时造成分离层及栅极开裂，甚至金属通过裂缝到达栅极表面和尖锥空腔而引起阴栅短路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种尖锥阵列场致发射三极结构，其特征在于：包括阴极基底、氧化层、金属尖锥和石墨烯栅极，氧化层上设置有贯穿氧化层厚度的空腔阵列，在氧化层的每个空腔内设置有一个金属尖锥，所有金属尖锥共同形成金属尖锥阵列，氧化层设置在阴极基底上，石墨烯栅极设置在氧化层上；金属尖锥的大端面设置在阴极基底上，金属尖锥的尖端与石墨烯栅极间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的尖锥阵列场致发射三极结构，其特征在于：所述金属尖锥的尖端曲率半径小于50nm，以保证金属尖锥的发射效率。
3.根据权利要求1所述的尖锥阵列场致发射三极结构，其特征在于：所述氧化层的厚度为0.8～1.2um，空腔的孔径为0.8～1.2um。
4.根据权利要求1所述的尖锥阵列场致发射三极结构，其特征在于：沿矩形阵列线，相邻两个金属尖锥大端面中心点的直线距离为4.5～5.5un。
5.根据权利要求1所述的尖锥阵列场致发射三极结构，其特征在于：所述石墨烯栅极为单层结构或少层结构，所述少层为2～4层。
6.一种尖锥阵列场致发射三极结构的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在硅基底上表面，用热氧化法制备一层氧化层，氧化层的厚度根据金属尖锥的高度设计；
(2)在氧化层上表面制备一层光刻胶层，对光刻胶层进行光刻形成空腔图形，裸露出空腔位置处的氧化层；
(3)采用离子刻蚀法腐蚀空腔位置的氧化层，裸露出空腔位置处的硅基底，去除氧化层上表面剩余的光刻胶；
(4)旋转硅基底的同时，使蒸发源以设定角度入射到氧化层上表面，在氧化层上表面沉积一定厚度的金属铝作为分离层，分离层覆盖住氧化层上表面和空腔开口边沿区域；在制作分离层时，避免金属铝填充到空腔内；
(5)旋转硅基底的同时，垂直蒸发金属钼，控制蒸发时间，在空腔内形成钼微尖的同时覆盖住分离层并堵塞空腔开口，形成闭合层；
(6)用化学腐蚀法腐蚀分离层，去掉分离层和闭合层；
(7)清洗钼微尖和空腔内包括金属颗粒在内的杂质，使用直接干法或湿法转移法，在氧化层上表面制备石墨烯层作为石墨烯栅极，石墨烯层覆盖住氧化层上表面并堵塞空腔开口。
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