技术领域
[0001] 本
发明涉及
真空微电子器件技术领域，尤其涉及一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法。
背景技术
[0002] 中国
专利201910834161.3，名称为一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法，通过引入底部分段环状栅极
电极，并利用
刻蚀通孔将其与顶部环状栅极电极，从而实现底部分段环状栅极电极的
串联，形成底部环状电极，与顶部环状栅极电极构成双环栅结构。但该结构未实现对
纳米线冷阴极的充分利用，即只有生长源
薄膜外侧的纳米线受到栅极调控，同时底部环状电极栅控作用较弱并且还可能导致电子束的发散问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源。所述纳米冷阴极电子源具有强栅控电子发射能
力、电子束聚焦能力且具有可行列寻址共面双栅聚焦结构。
[0004] 本发明的另一个目的在于提供一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的制作方法。该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了共面双栅聚焦结构。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源，所述纳米冷阴极电子源的结构包括：衬底、制作在所述衬底上的底层分段阴极电极和底层栅极电极、
覆盖在所述底层分段阴极电极和底层栅极电极上的绝缘层、制作在所述绝缘层中分别使底层分段阴极电极和底层栅极电极局部裸露的刻蚀通孔、制作在所述绝缘层上的顶层环状阴极电极、顶层内部栅极电极、顶层外部环状栅极电极和聚焦电极、制作在所述顶层环状阴极电极上的生长源薄膜、制作在所述生长源薄膜上的纳米线冷阴极，
[0007] 所述顶层环状阴极电极通过所述刻蚀通孔与底层分段阴极电极相连，所述顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与所述底层栅极电极相连，所述顶层环状阴极电极位于所述顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极之间且与所述顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极不相连，所述聚焦电极环绕在所述顶层外部环状栅极电极外侧且与顶层外部环状栅极电极不相连。
[0008] 要实现底层分段阴极电极的连接，底层分段阴极电极上各至少设置一个刻蚀通孔。所述顶层环状阴极电极通过所述刻蚀通孔与底层分段阴极电极相连，使得各个底层分段阴极电极连接起来，构成一整条的底层阴极电极。
[0009] 所述顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极通过刻蚀通孔分别与所述底层栅极电极相连，实现顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极的串联。所述顶层环状阴极电极位于所述顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极之间且与所述顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极不相连。顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极的设置实现对生长源薄膜上内侧和外侧的纳米线冷阴极的调控。
[0010] 所述聚焦电极环绕在所述顶层外部环状栅极电极外侧且与顶层外部环状栅极电极不相连，从而实现了共面双栅聚焦结构。聚焦电极的引入有利于解决电子束发散的问题。
[0011] 原理：通过外加
电场使冷阴极尖端产生场致发射电子，并且在顶层外部环状栅极电极与顶层内部栅极电极上施加
电压，由于顶层外部环状栅极电极与顶层内部栅极电极与冷阴极距离很近，加上电压后，很容易达到场致电子发射的开启和
阈值电场，从而控制冷阴极产生电子发射。根据电场
叠加原理，在相同电压下，多个栅极结构可以提高电场，从而增强栅极控制作用。通过刻蚀通孔，将顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极分别与底层栅极电极相连，构成顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极的串联，实现顶层外部环状栅极电极与顶层内部栅极电极的共面双栅聚焦结构，极大的提高器件的栅控特性，另外，该共面双栅聚焦结构增加栅极调控生长源薄膜边缘纳米线冷阴极的数量，即对生长源薄膜内侧和外侧的纳米线冷阴极均有调控作用，从而有效提高纳米线冷阴极的场发射
电流，同时增强对场发射电流的调控作用。此外，在共面双栅聚焦结构将电子束从纳米线冷阴极中
抽取出来之后，聚焦电极对抽取出来的电子束进行聚焦。本发明通过对聚焦极施加负电压，可以对发射出来电子束起到排斥作用，产生聚焦效果，从而实现电子源的微焦斑化。
[0012] 进一步地，所述底层分段阴极电极的数量为2个，所述顶层环状阴极电极通过2个刻蚀通孔分别与所述底层分段阴极电极相连，所述顶层内部栅极电极通过1个刻蚀通孔与所述底层栅极电极相连，所述顶层外部环状栅极电极通过1个刻蚀通孔与所述底层栅极电极相连。
[0013] 所述顶层外部环状栅极电极通过两个或两个以上的刻蚀通孔与所述底层栅极电极相连，以提高
导电性。
[0014] 进一步地，所述纳米线冷阴极为
氧化锌纳米线、氧化
铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化
铁纳米线、氧化
钛纳米线或者氧化
锡纳米线。
[0015] 进一步地，所述生长源薄膜的厚度范围在0.1μm-5μm；所述生长源薄膜由锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种制备而成。保持这个距离有利于后面热氧化生长纳米线。
[0016] 进一步地，所述生长源薄膜的形状为可对称操作的图形，其直径或边长为5μm-500μm，所述相邻生长源薄膜之间的间距为生长源薄膜的直径或边长的0.1-10倍，形状可以为圆环状或半圆环状。对称图形方便实验制作。
[0017] 进一步地，所述衬底由
硅片、玻璃、
石英玻璃或者陶瓷基片的一种或多种组合构成。
硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片是大面积的材料。
[0018] 进一步地，所述底层分段阴极电极、底层栅极电极、顶层环状阴极电极、顶层内部栅极电极、顶层外部环状栅极电极、聚焦电极采用导电薄膜，所述导电薄膜的厚度范围在0.1μm-2μm，所述导电薄膜为Cr、Al、Ti、Cu、ITO、IZO、AZO、FTO、LTFO中的一种或多种组合制备而成。所述导电薄膜通过磁控
溅射法、紫外光
光刻和刻蚀工艺制备。
[0019] 进一步地，所述绝缘层由
二氧化硅、氮化硅或氧化
铝中的任意一种或其组合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，该绝缘层厚度为1μm-5μm。
[0020] 本发明的另一目的在于提供一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，其包括以下步骤：
[0021] (1)在衬底上分别制作底层分段阴极电极和底层栅极电极；
[0022] (2)在底层分段阴极电极和底层栅极电极上覆盖一层绝缘层；
[0023] (3)刻蚀绝缘层，制作位于底层分段阴极电极和底层栅极电极上的刻蚀通孔；
[0024] (4)在刻蚀通孔上制作与底层分段阴极电极相连的顶层环状阴极电极，在刻蚀通孔上制作分别与底层栅极电极相连的顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极，在绝缘层上制作聚焦电极；
[0025] (5)沉积生长源薄膜；
[0026] (6)热氧化生长源薄膜以生长纳米线冷阴极。
[0027] 所述底层分段阴极电极、底层栅极电极、顶层环状阴极电极、顶层内部栅极电极、顶层外部环状栅极电极、聚焦电极的厚度优选为0.1μm-2μm；绝缘层的厚度优选为1μm-5μm。
[0028] 所述沉积生长源薄膜可采用
磁控溅射法、真空热
蒸发法、
电子束蒸发法或
化学气相沉积方法等方法沉积生长源薄膜。该生长源薄膜厚度优选为0.1μm-5μm。
[0029] 进一步地，所述热氧化法包括升温过程和保温过程，升温过程的升温速率为1℃/min-30℃/min；保温过程的保温
温度为300℃-600℃，保温时间为1min-600min，保温结束后自然冷却至室温即可。
[0030] 所述热氧化法生长纳米线冷阴极的过程是在箱式炉或管式炉中进行。
[0031] 进一步地，热氧化的升温过程和保温过程通入Ar、H2、N2、O2中的一种或两种以上组合气体。氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛或者氧化锡纳米线的生长和氧气浓度有关，所以通入气体改变氧气浓度，可以控制纳米线的生长。
[0032] 本发明还提供一种共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源阵列，由所述的共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源构成。
[0033] 底层栅极电极构成列向排布的电极，底层分段阴极电极在顶层环状阴极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底层阴极电极的分段设计可以使底层分段阴极电极和底层栅极电极在同一平面上实现相互垂直，从而使该电子源所组成的电子源阵列具有行列寻址能力。
[0034] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035] 本发明所述的纳米冷阴极电子源，通过利用刻蚀通孔分别将顶层内部栅极电极和顶层外部环状栅极电极与底层栅极电极相连，实现顶层内部栅极电极与顶层外部环状栅极电极的共面双栅聚焦结构，极大的提高器件栅控特性的同时增加栅极调控生长源薄膜边缘纳米线冷阴极的数量，从而有效提高纳米线冷阴极的场发射电流；
[0036] 顶层环状阴极电极通过绝缘层上的刻蚀通孔跟底层分段阴极电极相连接，这样的连接设计解决了顶部栅极和阴极电极交叉引线布局的难题，显著减少顶层复杂的电极引线排布。
[0037] 本发明为阵列排布的电子源，通过对聚焦极施加负电压，可以对发射出来电子束起到排斥作用，产生聚焦效果，有利于解决电子束发散的问题，从而实现电子源的微焦斑化。
[0038] 本发明只需要一步工艺就可同时制作两个栅极及一个聚焦极，使得共面双栅聚焦结构制作简单，降低成本，有利于实现大面积制作。
附图说明
[0039] 图1是本发明共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的剖面结构示意图；
[0040] 图2是本发明共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的俯视结构示意图；
[0041] 图3是本发明共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的结构示意图；
[0042] 图4(a)-(f)为共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源的制作工艺
流程图；
[0043] 图5是本发明共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源阵列的结构示意图；
[0044] 图6是对比例中双环栅结构的纳米冷阴极电子源的剖面结构示意图；
[0045] 附图标记说明
[0046] 衬底1、底层分段阴极电极2、底层栅极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9、生长源薄膜10、纳米线冷阴极11、对比例衬底21、对比例底部分段环状栅极电极22、对比例底部阴极电极23、对比例绝缘层24、对比例刻蚀通孔25、对比例顶部环状栅极电极26、对比例顶部阴极电极27、对比例生长源薄膜28、对比例纳米线冷阴极29。
具体实施方式
[0047] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
[0049] 本实施例制备ZnO纳米冷阴极电子源
[0050] 如图1-图3所示，本发明的共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源包括衬底1、底层分段阴极电极2、底层栅极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9、生长源薄膜10、纳米线冷阴极11。
[0051] 底层分段阴极电极2的数量为2个，其位于底层栅极电极3两侧，底层分段阴极电极2与底层栅极电极3的外引线相互垂直排列。绝缘层4覆盖在底层分段阴极电极2和底层栅极电极3上，绝缘层4在底层分段阴极电极2和底层栅极电极3上分别刻蚀有若干刻蚀通孔5，使底层分段阴极电极2与底层栅极电极3局部裸露。顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8以及聚焦电极9制作在绝缘层4上，顶层内部栅极电极6与顶层外部环状栅极电极7通过刻蚀通孔5分别与底层栅极电极3连通，顶层环状阴极电极8通过刻蚀通孔5与底层分段阴极电极2连通。所述顶层环状阴极电极8上排布有生长源薄膜10。生长源薄膜10上生长有纳米线冷阴极11。
[0052] 衬底1为大面积玻璃。底层分段阴极电极2、底层栅极电极3为Cr制备而成，厚度范围均为0.12μm，顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9为ITO制备而成，厚度范围均为0.5μm。底层分段阴极电极2、底层栅极电极3、顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9通过紫外光光刻、刻蚀工艺、磁控溅射和剥离技术制备。绝缘层4由二氧化硅绝缘薄膜组成，采用化学气相沉积方法制备。刻蚀通孔5通过刻蚀工艺制备，采用反应离子刻蚀方法。生长源薄膜10为锌膜，生长源薄膜10的厚度为1.2μm。生长源薄膜10通过电子束蒸发法沉积于顶层环状阴极电极8上。生长源薄膜的形状为具有对称性的圆形，其直径为252μm，相邻生长源薄膜10之间的间距为
600μm。通过前述生长源薄膜10生长得到的纳米线冷阴极11为氧化锌纳米线。
[0053] 下面结合图4(a)-(f)详细解释共面双环栅极结构的ZnO纳米冷阴极电子源的制作方法，具体步骤如下：
[0054] (1)清洁并吹干衬底1；衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底层分段阴极电极2和底层栅极电极3；作为底层分段阴极电极2和底层栅极电极3的导电薄膜为Cr，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。导电薄膜的厚度为0.12μm。
[0055] (2)在底层分段阴极电极2和底层栅极电极3上沉积绝缘层4。作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，厚度为2.5μm，绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。
[0056] (3)在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶层环状阴极电极8和相应底层分段阴极电极2以及底层栅极电极3和顶层内部栅极电极6与顶层外部环状栅极电极7的刻蚀通孔5。刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。
[0057] (4)在刻蚀通孔5上方制备顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9。顶层内部栅极电极6与顶层外部环状栅极电极7通过刻蚀通孔5分别与底层栅极电极3相连，顶层环状阴极电极8通过刻蚀通孔5与底层分段阴极电极2相连。作为顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9的导电薄膜为ITO，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。导电薄膜的厚度为0.5μm。
[0058] (5)在顶层环状阴极电极8上光刻
定位纳米线冷阴极11生长区域，然后沉积生长源薄膜10；生长源薄膜10为锌，其厚度为1.2μm；生长源薄膜10的沉积方法为电子束蒸发法。
[0059] (6)通
过热氧化法在生长源薄膜10上生长纳米线冷阴极11。热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为2.5℃/min，升温过程不通入气体。热氧化过程的保温温度为470℃，保温时间为3小时，保温过程不通入气体。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为氧化锌纳米线。
[0060] 实施例2
[0061] 本实施例中共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源阵列与实施例1基本相同，如图5所示，不同之处在于，底层栅极电极构成列向排布的电极，底层分段阴极电极在顶层环状阴极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底层阴极电极的分段设计可以使底层分段阴极电极和底层栅极电极在同一平面上实现相互垂直，从而使该电子源所组成的电子源阵列具有行列寻址能力。阵列排布的电子源通过对聚焦极施加负电压，可以对发射出来电子束起到排斥作用，产生聚焦效果，从而实现电子源的微焦斑化。
[0062] 实施例3
[0063] 共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源与实施例1基本相同，不同之处在于，[0064] (1)所述阴极衬底11为大面积硅片。
[0065] (2)底层分段阴极电极2、底层栅极电极3为Al制备而成，厚度范围均为1μm，[0066] (3)所述作为绝缘层13的绝缘薄膜由氮化硅绝缘薄膜组成；该绝缘层厚度为1μm；
[0067] (4)顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9为AZO制备而成，厚度范围均为2μm；
[0068] (5)在顶层环状阴极电极8上光刻定位纳米线冷阴极11生长区域，然后沉积生长源薄膜10；所述生长源薄膜10为钼，其厚度为2.5μm；所述生长源薄膜10的直径为5μm，相邻所述生长源薄膜10之间的间距为50μm。
[0069] (6)所述热氧化法生长过程在箱式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为3℃/min，升温过程可以通入O2。热氧化过程的保温温度范围在600℃，保温时间范围在600min。
[0070] 实施例4
[0071] 共面双栅聚焦结构的纳米冷阴极电子源与实施例1基本相同，不同之处在于，[0072] (1)所述阴极衬底11为大面积陶瓷基片。
[0073] (2)底层分段阴极电极2、底层栅极电极3为Ti制备而成，厚度范围均为0.5μm，[0074] (3)所述作为绝缘层13的绝缘薄膜由氧化铝绝缘薄膜组成；该绝缘层厚度为5μm；
[0075] (4)顶层内部栅极电极6、顶层外部环状栅极电极7、顶层环状阴极电极8、聚焦电极9为IZO制备而成，厚度范围均为1.5μm；
[0076] (5)在顶层环状阴极电极8上光刻定位纳米线冷阴极11生长区域，然后沉积生长源薄膜10；所述生长源薄膜10为锡，其厚度为5μm；所述生长源薄膜10的直径为500μm，相邻所述生长源薄膜10之间的间距为2500μm。
[0077] (6)所述热氧化法生长过程在箱式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为5℃/min，升温过程可以通入N2。热氧化过程的保温温度范围在500℃，保温时间范围在100min。
[0078] 对比例
[0079] 如图6所示，该电子源的基本结构是，设置于衬底1上的底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3。底部分段环状栅极电极2为分段不连续的环状电极结构，其环绕于底部阴极电极3周围，底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3的外引线相互垂直排列。绝缘层4覆盖在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上，绝缘层4在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上分别刻蚀有若干刻蚀通孔5，使底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3局部裸露。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7制作在绝缘层4上，并通过刻蚀通孔5分别与底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3连通。所述顶部阴极电极7上排布有生长源薄膜8。生长源薄膜8上生长有纳米线冷阴极9。
[0080] 制备过程为：首先将玻璃衬底1用丙
酮、
乙醇和去离子
水分别超声清洗20分钟，用氮气吹干。在玻璃衬底1上，采用光刻、直流磁控溅射真空
镀膜技术以及剥离工艺制备底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3。该两底部电极条材料为铬，其厚度约为120nm。接着用
等离子体增强化学气相沉积的方法在上述两底部电极条上沉积一层绝缘层4，绝缘层4为二氧化硅薄膜，其厚度为1.5μm。然后采用反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅得到连接顶部阴极电极7和底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。接着在上述绝缘层4上方，采用磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部电极材料为ITO，其厚度约为500nm。接着在顶部阴极电极7上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后采用电子束蒸发
真空镀膜技术沉积生长源薄膜8，该生长源薄膜为锌膜，采用剥离方法得到生长源锌薄膜阵列。最后将制作有上述薄膜结构的玻璃衬底放入管式炉中进行氧化得到氧化锌纳米线冷阴极电子源阵列。热氧化过程先从室温升高至470℃，然后在470℃下保温300min，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。
[0081] 在相同电压下，测试场发射电流。用场发射电流的大小对比说明本发明的强栅控电子发射能力。
[0082]实施例/对比例 以对比例中场发射电流为100％作为基准
实施例1 203％
实施例2 210％
实施例3 202％
实施例4 207％
对比例 100％
[0083] 本对比例通过引入底部分段环状栅极电极，并通过顶部环状栅极电极和刻蚀通孔实现其连接，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的非共面双栅结构。本发明利用刻蚀通孔将顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极分别与底层栅极电极相连，构成顶层外部环状栅极电极和顶层内部栅极电极的串联，从而实现顶层外部环状栅极电极与顶层内部栅极电极的共面双栅聚焦结构，极大的提高器件的栅控特性，另外，该共面双栅聚焦结构增加栅极调控生长源薄膜边缘纳米线冷阴极的数量，即对生长源薄膜内侧和外侧的纳米线冷阴极均有调控作用，从而有效提高纳米线冷阴极的场发射电流，同时增强对场发射电流的调控作用。此外，在共面双栅聚焦结构将电子束从纳米线冷阴极中抽取出来之后，聚焦电极对抽取出来的电子束进行聚焦。
[0084] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。
