專利名稱：場(chǎng)發(fā)射電子源器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件。
背景技術(shù)：
目前人們使用、研究的場(chǎng)發(fā)射電子源主要包括金屬微尖(Spindt微尖)、金屬—絕緣層—金屬(MIM)以及包括金屬—絕緣層—半導(dǎo)體(MOS)三種結(jié)構(gòu)。其中MIM結(jié)構(gòu)如圖4所示，具有驅(qū)動(dòng)電壓低(小于20V)，發(fā)射電流的發(fā)散角度小，對(duì)真空度的要求低等等優(yōu)點(diǎn)，但是存在發(fā)射電流密度低，而且效率低(控制柵極電流遠(yuǎn)高于發(fā)射電流)等缺陷，這些缺點(diǎn)主要是由于高質(zhì)量絕緣層難以獲得，導(dǎo)致柵極的漏電流高；MOS結(jié)構(gòu)的電子源類似于MIM結(jié)構(gòu)，只是采用半導(dǎo)體硅材料以獲得高質(zhì)量的SiO2絕緣層，但是實(shí)際結(jié)果表明MIM結(jié)構(gòu)存在的問題并沒有獲得解決。以微尖陰極作為電子發(fā)射區(qū)的金屬微尖結(jié)構(gòu)的電子源如圖5所示，具有發(fā)射電流密度高，驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)低(小于100V)，效率高等等優(yōu)點(diǎn)，是近年來新開發(fā)的結(jié)構(gòu)，也是目前研究的重點(diǎn)，但是存在著驅(qū)動(dòng)電壓較高(70V左右)，且發(fā)射電流發(fā)散嚴(yán)重(發(fā)散角大于30度)，工藝復(fù)雜等問題，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓低、發(fā)射電流密度高、電子束發(fā)散小的高效場(chǎng)發(fā)射電子源的途徑是將MIM(或MOS)結(jié)構(gòu)與金屬微尖結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，并將金屬微尖結(jié)構(gòu)的柵極孔徑降低至數(shù)十納米左右。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種發(fā)射電流密度高，電子發(fā)散小，驅(qū)動(dòng)電壓低的場(chǎng)發(fā)射電子源，以解決目前場(chǎng)發(fā)射電子源存在的不足。
本實(shí)用新型有封入真空容器內(nèi)的陽極和包括基片上的陰極與柵極及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是引出柵極電極部分的厚金屬膜(簡(jiǎn)稱金厚屬膜)，即引出柵極電極的厚金屬膜與陰極之間為絕緣層，而與厚金屬膜相連的、具有大量微孔的薄金屬膜與陰極之間為復(fù)合體層，并且復(fù)合體層中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜的微孔中暴露出來，所述的復(fù)合體層的電阻率不小于3Ω.cm-1。所述的薄金屬膜是厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的薄金屬膜。
為了簡(jiǎn)化上述電子源的制備工藝，降低電子源器件的制作成本，可以采用場(chǎng)發(fā)射電子源的如下結(jié)構(gòu)即引出柵極電極的厚金屬膜與陰極之間為絕緣層和其上的半導(dǎo)體層或復(fù)合體層，而薄金屬膜與陰極之間為復(fù)合體層，并且復(fù)合體層中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜的微孔中暴露出來，因此其結(jié)構(gòu)是有封入真空容器內(nèi)的陽極和包括基片上的陰極與柵極及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是場(chǎng)發(fā)射電子源是陰極上有絕緣層和復(fù)合體層，并在一部分陰極上只有復(fù)合體層，而且在只有復(fù)合體層的區(qū)域上面以具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜作為柵極。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖2所示的電子源的制備工藝，進(jìn)一步降低電子源器件的制作成本，可以采用如下結(jié)構(gòu)，即引出柵極電極的厚金屬膜與陰極之間為半導(dǎo)體層或復(fù)合體層，而薄金屬膜與陰極之間為復(fù)合體層，并且復(fù)合體層中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜的微孔中暴露出來，因此其結(jié)構(gòu)是有封入真空容器內(nèi)的陽極和包括基片上的陰極與柵極及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是場(chǎng)發(fā)射電子源是陰極上有一復(fù)合體層，該復(fù)合體層的上面以具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜作為柵極。
本實(shí)用新型是MIM、MOS結(jié)構(gòu)與Spindt結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)合，即利用復(fù)合體層替代一部分MIM、MOS結(jié)構(gòu)中的絕緣層，同時(shí)利用具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的薄金屬膜作為柵極，從而降低柵極孔徑至1微米以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)降低驅(qū)動(dòng)電壓和場(chǎng)發(fā)射電子束的發(fā)散的目的。
其制備方法是利用微電子工藝在硅、玻璃等基板上的電極(作為陰極)上制備有復(fù)合材料層薄膜，再在上述的復(fù)合材料薄膜表面上有厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄金屬膜柵極電極，還有金屬板、柱、絲或熒光屏作為陽極，并以真空容器真空密封而成這里所指的微電子工藝是通常的硅平面工藝。


圖1本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2在絕緣層上有半導(dǎo)體層或復(fù)合體層的場(chǎng)發(fā)射電子源示意圖。
圖3利用半導(dǎo)體層或復(fù)合體層替代絕緣層的場(chǎng)發(fā)射電子源示意圖。
圖4已有的金屬微尖型(Spindt型)結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射電子源示意圖。
圖5已有的MIM或MOS結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射電子源示意圖其中1陽極；2柵極；3陰極；4絕緣層；5基片；6真空容器；7薄金屬膜；8復(fù)合體層；9導(dǎo)電區(qū)(電子發(fā)射區(qū))。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型有封入真空容器6內(nèi)的陽極1和包括基片5上的陰極3與柵極2極其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是引出柵極2電極的厚金屬膜(簡(jiǎn)稱厚金屬膜)與陰極3之間為絕緣層4，而與厚金屬膜相連的、具有大量微孔的薄金屬膜7與陰極3之間為復(fù)合體層8，也就是場(chǎng)發(fā)射電子源是陰極3上有絕緣層4，并有一部分絕緣層4被一復(fù)合體層8所代替，該復(fù)合體層8的上面以具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜7作為柵極2的一部分。如圖1所示，所述的薄金屬膜7是厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的金屬膜作為柵極2電極，以便在技術(shù)上保證復(fù)合體層中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜7的微孔中暴露出來。
本實(shí)用新型的另一個(gè)結(jié)構(gòu)形式有封入真空容器6內(nèi)的陽極1和包括基片5上的陰極3與柵極2及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是場(chǎng)發(fā)射電子源是陰極3上有絕緣層4和復(fù)合體層8，并在一部分陰極上只有復(fù)合體層8，而且在只有復(fù)合體層8的區(qū)域上面以具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜作為柵極2。如圖2所示，所述的薄金屬膜是厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的金屬膜7，并在技術(shù)上保證復(fù)合體層8中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜的微孔中暴露出來。
本實(shí)用新型的還有一個(gè)結(jié)構(gòu)形式有封入真空容器6內(nèi)的陽極1和包括基片5上的陰極3與柵極2及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是場(chǎng)發(fā)射電子源是陰極3上有一復(fù)合體層8，該復(fù)合體層8的上面以具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜7作為柵極2，如圖3所示，所述的薄金屬膜7是厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的金屬膜作為柵極2電極，以便在技術(shù)上保證復(fù)合體層8中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜7的微孔中暴露出來。
上述三種結(jié)構(gòu)的復(fù)合體層都可以用半導(dǎo)體層代替，并在技術(shù)上保證從薄金屬膜的微孔中暴露出來的半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體材料。
作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的場(chǎng)發(fā)射電子源結(jié)構(gòu)的途徑有兩種一種是在陰極與作為柵極一部分的具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜之間為半導(dǎo)體材料薄膜，以此半導(dǎo)體薄膜替代MIM或MOS結(jié)構(gòu)中的一部分絕緣層，并利用薄金屬膜形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為掩膜，通過離子注入、熱處理、離子體處理等工藝(通稱后處理)，使得從網(wǎng)狀金屬薄膜中暴露出來的半導(dǎo)體材料由介電材料轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電材料。另一種途徑是在陰極與作為柵極一部分的具有大量微孔的網(wǎng)狀的薄金屬膜之間為由介電材料與導(dǎo)電材料組成的復(fù)合體材料薄膜，以此復(fù)合體膜替代MIM或MOS結(jié)構(gòu)中的一部分絕緣層，并利用金屬薄膜材料在介電材料與導(dǎo)電材料表面不同的成膜特性，通過以上的后處理工藝，使復(fù)合體薄膜中的導(dǎo)電材料從網(wǎng)狀金屬薄膜中暴露出來。
所述的半導(dǎo)體材料主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體材料和具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料如氧化鋅、氧化銅、鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鋯鈦酸鉛等；所指的復(fù)合體是由絕緣材料與導(dǎo)電材料組成的材料，其中的導(dǎo)電材料可以是摻雜的半導(dǎo)體材料、各種金屬材料、碳納米管等，而絕緣材料可以是各種本征半導(dǎo)體材料、各種氧化物和氮化物材料以及具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的介電材料；這里所指的復(fù)合體層的材料主要包括各種介電材料微粒與導(dǎo)電材料微粒的混和材料，介電材料微粒包括各種氧化物、氮化物、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的介電材料如氧化鋁、氮化硅、鈦酸鋇等，導(dǎo)電顆粒包括碳納米管、金屬、摻雜半導(dǎo)體材料。如碳納米管與介電材料(如金屬氧化物、金屬氮化物、鐵電材料等)的復(fù)合體、金屬納米材料與介電材料的復(fù)合體、導(dǎo)電氧化物與介電材料的復(fù)合體等。其中制成的復(fù)合體層8的電阻率不小于3Ω.cm-1。
為了簡(jiǎn)化制備工藝，降低器件制作成本，在以上器件制備工藝3中，可以將半導(dǎo)體層或復(fù)合體層覆蓋絕緣層4，省略部分微電子工藝，從而簡(jiǎn)化器件制備工藝，形成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，降低器件制作成本，在以上器件制備工藝2中，可以直接利用半導(dǎo)體層或復(fù)合體層替代絕緣層8，并省略步驟3，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝，形成圖3所示的結(jié)構(gòu)。
由此構(gòu)筑的本實(shí)用新型工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)合理，具有驅(qū)動(dòng)電壓低、發(fā)射電流密度高、電子束發(fā)散小，發(fā)射效率高，可以用于替代目前廣泛使用的熱陰極電子源，也可以利用這種電子源發(fā)射的電子束轟擊熒光屏的方法獲得各種高效光源和實(shí)現(xiàn)平板顯示。
權(quán)利要求1一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，它有封入真空容器(6)內(nèi)的陽極(1)和包括基片(5)上的陰極(3)與柵極(2)及其間層結(jié)構(gòu)組成的場(chǎng)發(fā)射電子源，其特征是與厚金屬膜柵極(2)相連的、具有大量微孔的薄金屬膜(7)與陰極(3)之間為復(fù)合體層(8)，且復(fù)合體層中的導(dǎo)電材料從薄金屬膜(7)的微孔中暴露出來，所述的復(fù)合體層的電阻率不小于3Ω.cm-1。
2如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，其特征是所述的場(chǎng)發(fā)射電子源的陰極(3)與柵極(2)之間有絕緣層(4)和復(fù)合體層(8)。
3如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，其特征是場(chǎng)發(fā)射電子源的陰極(3)與柵極(2)之間有一復(fù)合體層(8)，
4如權(quán)利要求1或2或3所述的一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，其特征是所述的薄金屬膜(7)是厚度在50納米以內(nèi)、具有大量孔徑在1微米以內(nèi)的微孔的金屬膜(7)作為柵極(2)的一部分。
5如權(quán)利要求1或2或3所述的一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，其特征是上述復(fù)合體層(8)是半導(dǎo)體層。
6如權(quán)利要求1或2或3所述的場(chǎng)發(fā)射電子源器件，其特征是從絕緣層(4)中暴露出來的陰極區(qū)域是尺度在三百微米以內(nèi)的圓形、方形的圖案或這些圖案規(guī)則排列的陣列。
專利摘要一種場(chǎng)發(fā)射電子源器件，它有封入真空容器內(nèi)的場(chǎng)發(fā)射電子源和陽極，場(chǎng)發(fā)射電子源包括基片上的陰極、柵極及其間層結(jié)構(gòu)，其特征是引出柵極電極的厚金屬膜與陰極之間為絕緣層，而與厚金屬膜相連的、具有大量微孔的薄金屬膜與陰極之間為復(fù)合體層。上述的間層結(jié)構(gòu)指位于陰極與柵極之間的絕緣層、半導(dǎo)體層、復(fù)合體層。上述的薄金屬膜指厚度在50納米以內(nèi)、具有大量微孔的金屬膜。其制備方法是利用微電子工藝在硅、玻璃等基板上的陰極上制備有復(fù)合材料層薄膜，再在上述的復(fù)合材料薄膜表面上有薄金屬膜柵極，將上述器件與陽極密封在真空容器內(nèi)而成。本實(shí)用新型工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)合理，具有驅(qū)動(dòng)電壓低、發(fā)射電流密度高、電子束發(fā)散小，發(fā)射率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J37/06GK2781561SQ20052007991
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月1日
發(fā)明者元光, 宋航 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)