CN113555263B - 一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法，通过将场增强电极近距离的集成在电子发射体周围，通过引入强电场降低电子发射体的表面势垒，进而提高电子发射体的发射效率，解决了热电子源功耗大和难以集成的问题。

Description

一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法

技术领域

本发明涉及电子设备技术领域，更具体地说，涉及一种片上(on-chip)微型的场助热发射电子源(miniature field-assisted thermionic electron source)及制作方法。

背景技术

片上集成的微型电子源是真空微电子学的重要组分部分。其具有体积小、重量轻和可集成等诸多优势，在小型化的x射线源、真空微电子集成电路、微型电子显微镜、小型化的质谱仪以及用于电推进的离子源等诸多应用领域有着巨大的潜力。

在过去的半个世纪里，有关于片上微型电子源的研究主要集中在场发射电子源上。

20世纪60年代末，有技术率先将集成电路中的微加工工艺引入真空电子领域，成功制备出薄膜场致发射电子源。到了80年代中期，人们已经可以实现在1mm直径的晶片上集成10000个基于金属微尖的场发射真理。21世纪初，基于纳米材料阵列的场发射电子源发展迅速，特别是碳纳米管和氧化锌等新型功能材料获得了极大的关注和研究。

由于时间响应快、单色性好、易于集成和批量制备等诸多优点，场发射电子源在近几十年中一直受到广泛的关注与研究。然而，工作电压高、稳定工作要求真空度高和阵列均一性差等问题至今没有得到很好的解决，导致场发射电子源的实际应用仍然受到很大的限制。

基于热电子源而言，其因为制备工艺简单、真空度要求低和发射性能稳定等优点，热电子源仍是现阶段最主流的商用电子源类型，被广泛地应用在摄像管、示波管、微波管和大功率发射管等电真空器件中。并且，热发射电子源较场发射电子源的真空要求低，能更好的适应目前全封装的微腔较低真空度的环境。

但是，传统的热电子源难以实现小型化，同时其热电子源的功耗很大，以及加热装置的存在也使热电子源更加难以小型化集成。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法，技术方案如下：

一种片上微型的场助热发射电子源，所述场助热发射电子源包括：

衬底，所述衬底上设置有第一凹槽；

设置在所述衬底上的至少一组电极对；

在每一组所述电极对之间设置有电子发射体，所述电子发射体悬空在所述第一凹槽上方；

设置在所述衬底上的绝缘间隔层，所述绝缘间隔层覆盖所述电极对和所述电子发射体，所述绝缘间隔层上设置有第二凹槽，所述第二凹槽用于暴露出所述电子发射体；

设置在所述绝缘间隔层上的场增强电极。

优选的，在上述场助热发射电子源中，在垂直于所述衬底的方向上，所述场增强电极的投影和所述电极对的投影不重叠。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述衬底为氧化铝衬底或氮化硅衬底或氧化铍衬底或碳化硅衬底或氮化硼衬底或金刚石衬底；

或是表面覆盖有以下材料薄膜的硅衬底：氧化硅或氮化硅或碳化硅或氮化铝或金刚石。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述电子发射体的材料为碳纳米管或石墨烯或六硼化镧或六硼化钐或钨或钼或铱或锇或氧化钇或氧化钡或氧化铝或氧化钪或氧化钙中的一种或多种。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述绝缘间隔层的材料为氧化硅或氧化铝或玻璃或陶瓷中的一种或多种。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述场增强电极分布在所述第二凹槽的两侧。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述衬底背离所述绝缘间隔层一侧的热沉。

优选的，在上述场助热发射电子源中，所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述热沉和所述衬底之间的导热粘合层。

一种片上微型的场助热发射电子源的制作方法，所述制作方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底的预设位置上形成至少一个电子发射体；

在所述衬底上形成与所述电子发射体连接的至少一组电极对，所述电极对的数量与所述电子发射体的数量相同，且每一组所述电极对相对应连接一个所述电子发射体；

在所述衬底上形成绝缘间隔层；

在所述绝缘间隔层的预设位置形成场增强电极；

对所述绝缘间隔层进行刻蚀形成第二凹槽，所述第二凹槽用于暴露出所述电子发射体；

通过所述第二凹槽对所述衬底进行刻蚀形成第一凹槽，所述电子发射体悬空在所述第一凹槽上方。

优选的，在上述制作方法中，对所述绝缘间隔层进行刻蚀的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀；

对所述衬底进行刻蚀的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种片上微型的场助热发射电子源，通过将场增强电极近距离的集成在电子发射体周围，通过引入强电场降低电子发射体的表面势垒，进而提高电子发射体的发射效率，解决了热电子源功耗大和难以集成的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图。

其中，图1-图3所示的片上微型的场助热发射电子源中仅仅包括一组电极对和一个电子发射体。

参考图4-图6，图4为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图，图5为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图，图6为本发明实施例提供的另一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图。

其中，图4-图6所示的片上微型的场助热发射电子源中包括多组阵列排布的电极对和多个电子发射体。

所述场助热发射电子源包括：

衬底1，所述衬底1上设置有第一凹槽4；

设置在所述衬底1上的至少一组电极对2；

在每一组所述电极对2之间设置有电子发射体3，所述电子发射体3悬空在所述第一凹槽4上方；

设置在所述衬底1上的绝缘间隔层5，所述绝缘间隔层5覆盖所述电极对2和所述电子发射体3，所述绝缘间隔层5上设置有第二凹槽6，所述第二凹槽6用于暴露出所述电子发射体3；

设置在所述绝缘间隔层5上的场增强电极7，所述场增强电极7分布在所述第二凹槽6的两侧。

在该实施例中，通过设置第二凹槽，可以使电子发射体产生的大部分电子传输到外部，器件热电子发射的原理为：通过电极对对电子发射体施加电压，一般电压为几伏特，使电子发射体因焦耳效应被加热，即可使电子从电子发射体的材料表面激发出来，并且可以有足够的动能越过电子发射体的表面势垒进入真空。

并且，将场增强电极近距离地集成在电子发射体周围，通过引入强电场降低电子发射体的表面势垒，进而提高电子发射体的发射效率，降低了热电子源功耗大，更有利于器件大规模的片上集成。

也就会说，通过对场增强电极施加电压，可以在电子发射体的周围引入强电场，降低电子发射体的表面势垒，从而使电子发射体中的电子不需要获得非常大的动能就可以从势垒隧穿进入真空，从而降低场助热发射电子源的功率。

进一步的，基于本发明上述实施例，在垂直于所述衬底1的方向上，所述场增强电极7的投影和所述电极对2的投影不重叠。

在该实施例中，在垂直于所述衬底的方向上，极大程度的使所述场增强电极7的投影和所述电极对2的投影不重叠，用于防止绝缘间隔层5因高压被击穿漏电的问题发生。

需要说明的是，在实际过程中，由于制作工艺的精度或其它因素的影响，场增强电极7的投影和所述电极对2的投影会有一部分重叠，因此，在垂直于所述衬底1的方向上，所述场增强电极7的投影和所述电极对2的投影不重叠是本申请的一种优选实施方式，通过改进制作工艺以及避免其它因素的影响，以提高制作精度。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述衬底1为氧化铝衬底或氮化硅衬底或氧化铍衬底或碳化硅衬底或氮化硼衬底或金刚石衬底。

在该实施例中，所述衬底1包括但不限定于是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、金刚石衬底；

或是表面覆盖有以下材料薄膜的硅衬底：氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化铝和金刚石。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述电子发射体3的材料为碳纳米管或石墨烯或六硼化镧或六硼化钐。

在该实施例中，所述电子发射体3的材料包括但不限定于下列材料中的一种或多种：碳纳米管、石墨烯、六硼化镧、六硼化钐、钨、钼、铱、锇、氧化钇、氧化钡、氧化铝、氧化钪、氧化钙。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述绝缘间隔层5的材料为氧化硅或氧化铝。

在该实施例中，所述绝缘间隔层5的材料包括但不限于下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、玻璃、陶瓷。

参考图7-9，图7为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的截面示意图，图8为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的部分结构示意图，图9为本发明实施例提供的又一种片上微型的场助热发射电子源的结构示意图。

所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述衬底1背离所述绝缘间隔层5一侧的热沉8。

在该实施例中，通过在所述衬底1背离所述绝缘间隔层5一侧设置所述热沉8，可以使片上微型的场助热发射电子源产生的热量快速导出。

进一步的，为了增加衬底和热沉之间的热接触效果，所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述热沉8和所述衬底1之间的导热粘合层。

基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种片上微型的场助热发射电子源的制作方法，参考图10，图10为本发明实施例提供的一种片上微型的场助热发射电子源的制作方法的流程示意图。

所述制作方法包括：

S101：提供一衬底。

S102：在所述衬底的预设位置上形成至少一个电子发射体。

在该步骤中，可以在衬底的表面生长电子发射体的材料薄膜层，或者转移电子发射体的材料薄膜层到衬底表面，对该材料薄膜层进行裁剪，以在衬底的预设位置上形成特定形状和尺寸的电子发射体。

S103：在所述衬底上形成与所述电子发射体连接的至少一组电极对，所述电极对的数量与所述电子发射体的数量相同，且每一组所述电极对相对应连接一个所述电子发射体。

在该步骤中，所述电子发射体和所述电极对之间需形成良好的电接触效果。

S104：在所述衬底上形成绝缘间隔层。

S105：在所述绝缘间隔层的预设位置形成场增强电极。

在该步骤中，在绝缘间隔层表面的预设位置上制备特定形状和尺寸的场增强电极，在垂直于所述衬底的方向上，极大程度的使所述场增强电极的投影和所述电极对的投影不重叠，用于防止绝缘间隔层因高压被击穿漏电的问题发生。

S106：对所述绝缘间隔层进行刻蚀形成第二凹槽，所述第二凹槽用于暴露出所述电子发射体。

在该步骤中，包括但不限定于采用湿法刻蚀或干法刻蚀或激光打孔或机械打孔的方式形成第二凹槽。

S107：通过所述第二凹槽对所述衬底进行刻蚀形成第一凹槽，所述电子发射体悬空在所述第一凹槽上方。

在该步骤中，包括但不限定于采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形成第一凹槽。

以上对本发明所提供的一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种片上微型的场助热发射电子源，其特征在于，所述场助热发射电子源包括：

衬底，所述衬底上设置有第一凹槽；

设置在所述衬底上的至少一组电极对；

在每一组所述电极对之间设置有电子发射体，所述电子发射体悬空在所述第一凹槽上方；

设置在所述衬底上的绝缘间隔层，所述绝缘间隔层覆盖所述电极对和所述电子发射体，所述绝缘间隔层上设置有第二凹槽，所述第二凹槽用于暴露出所述电子发射体；

设置在所述绝缘间隔层上的场增强电极，所述场增强电极集成在所述电子发射体周围，用于在所述电子发射体的周围，引入降低电子发射体的表面势垒的电场；

在垂直于所述衬底的方向上，所述场增强电极的投影和所述电极对的投影不重叠。

2.根据权利要求1所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述衬底为氧化铝衬底或氮化硅衬底或氧化铍衬底或碳化硅衬底或氮化硼衬底或金刚石衬底；

或是表面覆盖有以下材料薄膜的硅衬底：氧化硅或氮化硅或碳化硅或氮化铝或金刚石。

3.根据权利要求1所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述电子发射体的材料为碳纳米管或石墨烯或六硼化镧或六硼化钐或钨或钼或铱或锇或氧化钇或氧化钡或氧化铝或氧化钪或氧化钙中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述绝缘间隔层的材料为氧化硅或氧化铝或玻璃或陶瓷中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述场增强电极分布在所述第二凹槽的两侧。

6.根据权利要求1所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述衬底背离所述绝缘间隔层一侧的热沉。

7.根据权利要求6所述的场助热发射电子源，其特征在于，所述场助热发射电子源还包括：

设置在所述热沉和所述衬底之间的导热粘合层。

8.一种片上微型的场助热发射电子源的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底的预设位置上形成至少一个电子发射体；

在所述衬底上形成与所述电子发射体连接的至少一组电极对，所述电极对的数量与所述电子发射体的数量相同，且每一组所述电极对相对应连接一个所述电子发射体；

在所述衬底上形成绝缘间隔层；

在所述绝缘间隔层的预设位置形成场增强电极，所述场增强电极集成在所述电子发射体周围，用于在所述电子发射体的周围，引入降低电子发射体的表面势垒的电场；

在垂直于所述衬底的方向上，所述场增强电极的投影和所述电极对的投影不重叠；

对所述绝缘间隔层进行刻蚀形成第二凹槽，所述第二凹槽用于暴露出所述电子发射体；

通过所述第二凹槽对所述衬底进行刻蚀形成第一凹槽，所述电子发射体悬空在所述第一凹槽上方。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，对所述绝缘间隔层进行刻蚀的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀；

对所述衬底进行刻蚀的方法为湿法刻蚀或干法刻蚀。

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