專(zhuān)利名稱(chēng)：一種帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列及制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)發(fā)射元件及制備方法，尤其是場(chǎng)發(fā)射陰極的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是目前場(chǎng)發(fā)射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研機(jī)構(gòu)都在積極努力，以實(shí)現(xiàn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射器件中的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。在目前的碳納米管及其相關(guān)的研究領(lǐng)域中，新的結(jié)構(gòu)、材料和工藝方法依然在不斷的探索中。然而另一方面，已有的發(fā)射材料、器件結(jié)構(gòu)均已達(dá)到數(shù)十種之多。對(duì)于這些納米管材料冷陰極的工作機(jī)理的探索、對(duì)于已有器件結(jié)構(gòu)的潛在性能的充分發(fā)掘和利用，依然是非常重要的研究?jī)?nèi)容。在大電流密度場(chǎng)發(fā)射器件(例如冷陰極X射線管和微波放大器)的制備中，對(duì)于碳納米管發(fā)射陰極陣列的分布均勻性和取向性要求較高，而定向碳納米管陣列陰極因取向性好，場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)異具有很大的應(yīng)用潛力。然而，對(duì)于碳納米管陣列的研究至今沒(méi)有使其得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，仍有許多不足之處需要探討和改進(jìn)，同時(shí)其電子發(fā)射能力與陣列結(jié)構(gòu)、 種類(lèi)、形貌等因素的關(guān)系仍需得到進(jìn)一步明確。目前，定向碳納米管陣列的場(chǎng)發(fā)射性能存在以下一些問(wèn)題(1)雖然文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了可觀的發(fā)射電流密度，然而通常是在較小的發(fā)射面積上獲得，發(fā)射總電流較小，而場(chǎng)發(fā)射微波器件和場(chǎng)發(fā)射X射線源等則要求從數(shù)平方毫米的發(fā)射面積上提供幾十乃至一百毫安以上電流，所以目前的碳納米管陣列發(fā)射性能尚無(wú)法滿足器件要求；(2)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性存在嚴(yán)重問(wèn)題，限制了其在場(chǎng)發(fā)射器件中的應(yīng)用；(3)三極結(jié)構(gòu)碳納米管陣列技術(shù)仍處于初級(jí)階段，工藝水平和發(fā)射性能需要得到提高， 新型發(fā)射體結(jié)構(gòu)仍需得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。由于制備工藝的局限，即使是通過(guò)精確控制的方法制備出來(lái)的定向碳納米管陣列中發(fā)射體的高度和尖端曲率半徑等通常存在59TlO%的起伏。由于場(chǎng)致發(fā)射電流密度與發(fā)射體尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系，場(chǎng)致發(fā)射體陣列中不同發(fā)射體提供的發(fā)射電流密度很不均勻。部分電流負(fù)載較大的發(fā)射體首先出現(xiàn)損毀，進(jìn)而由于真空放電形成整個(gè)發(fā)射體陣列被破壞。場(chǎng)發(fā)射陣列尺寸越大，發(fā)射電流密度不均勻性對(duì)電流負(fù)載的局限越嚴(yán)重。為了提高發(fā)射陣列的發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，人們?cè)谔技{米管和襯底電極之間引入了限流電阻層 (ballast layer)。然而，這仍然存在著很大的局限性，遠(yuǎn)不足以使電流達(dá)到相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。作為微電子器件的基本原件，場(chǎng)效應(yīng)晶體管在一定的源漏電壓下可以提供穩(wěn)定的電流，而且電流大小可以通過(guò)柵極電壓精確控制。更重要的是，場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，電流達(dá)到飽和，幾乎不隨源漏電壓的變化而變化，而且飽和電流可也以受柵極電壓的精確控制。因此，是否可以給場(chǎng)發(fā)射陣列中的每一根碳納米管都集成一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，且通過(guò)一定工藝手段將場(chǎng)效應(yīng)管的飽和電流控制在碳納米管的安全發(fā)射電流以內(nèi)，這樣就可以平衡每一根碳納米管的發(fā)射電流，并使所有碳納米管同時(shí)在同一水平發(fā)射。從而達(dá)到提高碳納米管陣列的場(chǎng)發(fā)射電流密度，穩(wěn)定性及壽命等性能。
目前文獻(xiàn)和專(zhuān)利報(bào)道的通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管控制場(chǎng)發(fā)射的研究工作大多針對(duì)場(chǎng)發(fā)射顯示器方面，注重對(duì)單個(gè)場(chǎng)發(fā)射顯示像素的發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性的控制，而發(fā)射電流并不能得到相應(yīng)的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件及制備方法，尤其是性能增強(qiáng)的碳納米管陣列。本發(fā)明提出的碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個(gè)限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場(chǎng)發(fā)射器件。本發(fā)明技術(shù)方案是帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，是帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層，導(dǎo)電基板為柵極；在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板生長(zhǎng)的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過(guò)半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連。若干在平面排列的帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件構(gòu)成場(chǎng)發(fā)射陣列，即被認(rèn)為位于半導(dǎo)體層上方的作為場(chǎng)發(fā)射體的碳納米管陣列。絕緣層的厚度在IOOnm至300nm之間。絕緣層的材料可為二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等材料。半導(dǎo)體的厚度為IOnm至200nm之間。半導(dǎo)體的材料為多晶硅或單晶硅、氧化鋅薄膜等。柵極材料即導(dǎo)電基板為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料或薄膜、如ITO薄膜，鎳 (Nickel)薄膜。導(dǎo)電基板可以生長(zhǎng)在SOI表面。碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件的格狀或環(huán)狀(陣列則為網(wǎng)狀)電極相當(dāng)于場(chǎng)效應(yīng)管里源極 (source)，碳納米管相當(dāng)于漏極(drain)，底部的導(dǎo)電基板相當(dāng)于背柵極(back gate)，碳納米管與網(wǎng)狀電極之間的半導(dǎo)體薄膜相當(dāng)于溝道(channel)。在該結(jié)構(gòu)中，由于溝道中的電流跟發(fā)射電流相同，單根碳納米管的發(fā)射電流必然被控制在晶體管的飽和電流以下，因此可以通過(guò)柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。本發(fā)明就是通過(guò)給每個(gè)單元的每一根碳納米管串聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。為了避免碳納米管由于劇烈發(fā)射而燒毀，該飽和電流必須是單根碳納米管能夠穩(wěn)定發(fā)射的安全電流值。飽和電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)控柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一，在導(dǎo)電基板上制備絕緣層，導(dǎo)電基板為柵極；
步驟二，在絕緣層上制備半導(dǎo)體薄膜；
步驟三，在半導(dǎo)體薄膜上制備網(wǎng)格狀金屬電極，為陰極；
步驟四，在網(wǎng)格狀金屬電極網(wǎng)孔的中心位置制備垂直于基板生長(zhǎng)的單根碳納米管陣列。具體而言，SOI (絕緣襯底上的硅)材料是在頂層硅和背襯底之間引入了一層氧化層。通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜。(1)在SOI基片表面生長(zhǎng)網(wǎng)格狀金屬電極；首先將SOI基片超聲清洗，然后在基片上旋涂PMMA電子束光刻膠，進(jìn)行電子束光刻，光刻圖案為直徑IOOnm的圓點(diǎn)；(2)電子束光刻的SOI基片顯影，在基片的表面形成具有圓孔圖案的光刻膠掩膜。(3)采用磁控濺射的方法在SOI基片表面濺射催化劑層，由兩層薄膜組成的，下面一層是ITO薄膜，厚度為20nm ；上面是鎳(Nickel)薄膜，厚度為7nm。催化劑層也可以采用狗薄膜或Al薄膜，或雙層薄膜，上面是狗薄膜。(4)剝離，將SOI基片浸入丙酮中，剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。浸入丙酮中沒(méi)有被曝光的光刻膠就被丙酮溶解，光刻膠表面的催化劑層自動(dòng)脫落。這樣一來(lái)，只剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。(5)將SOI基片表面再旋涂一層PMMA，進(jìn)行電子束光刻，圖案是圓環(huán)，為陰極。(6)顯影之后，在樣品表面濺射一層鎢(W)。(7)將SOI基片浸入丙酮中，就只剩下環(huán)狀電極和催化劑點(diǎn)。(8 )采用PECVD法生長(zhǎng)碳納米管。本發(fā)明的工作原理是
該發(fā)明其實(shí)是一個(gè)典型的場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀電極相當(dāng)于場(chǎng)效應(yīng)管里源極(source)， 碳納米管相當(dāng)于漏極(drain)，底部的導(dǎo)電基板相當(dāng)于背柵極(back gate)，碳納米管與網(wǎng)狀電極之間的半導(dǎo)體薄膜相當(dāng)于溝道(channe 1)。在該結(jié)構(gòu)中，由于溝道中的電流跟發(fā)射電流相同，單根碳納米管的發(fā)射電流必然被控制在晶體管的飽和電流以下，因此可以通過(guò)柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。本發(fā)明就是通過(guò)給每一根碳納米管串聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。為了避免碳納米管由于劇烈發(fā)射而燒毀，該飽和電流必須是單根碳納米管能夠穩(wěn)定發(fā)射的安全電流值。飽和電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)控柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明有益效果是所提出和碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個(gè)限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場(chǎng)發(fā)射器件。本發(fā)明可以通過(guò)柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。通過(guò)給每一根碳納米管串聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖[jsyyl]。在SOI的上表面制備了環(huán)狀電極，材料為金屬鎢(W)。碳納米管發(fā)射體被制備在環(huán)狀電極的中心，并垂直于基片表面生長(zhǎng)。該結(jié)構(gòu)既是一個(gè)場(chǎng)發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，又是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明的掃描電子顯微鏡圖像。
具體實(shí)施方案通過(guò)結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，本發(fā)明的上述工作原理和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，各附圖中；下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明所保護(hù)的范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例基于SOI基底制備帶有限流場(chǎng)效應(yīng)管的碳納米管陣列的流程如下
(1)首先將SOI基片分別在丙酮和IPA中超聲清洗兩分鐘，然后在基片上旋涂PMMA電子束光刻膠，接下來(lái)進(jìn)行電子束光刻，光刻圖案為直徑IOOnm的圓點(diǎn)。(2)將做完電子束光刻的基片樣品顯影(如置入MIBK中進(jìn)行顯影)，這樣就在基片
5的表面形成了具有圓孔圖案的光刻膠掩膜。(3)采用磁控濺射的方法在樣品表面濺射催化劑層，由兩層薄膜組成的，下面一層是ITO薄膜，厚度為20nm ；上面是鎳(Nickel)薄膜，厚度為7nm。(4)接下將樣品浸入丙酮中，剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。(5)在這之后在樣品表面再旋涂一層PMMA，進(jìn)行電子束光刻，這次的圖案是圓環(huán)。(6)顯影之后，在樣品表面濺射一層鎢(W)。(7)將樣品進(jìn)入丙酮之后，就只剩下環(huán)狀電極和催化劑點(diǎn)，即生長(zhǎng)碳納米管場(chǎng)的生長(zhǎng)點(diǎn)。(8)最后一個(gè)步驟是采用常規(guī)的PECVD法生長(zhǎng)碳納米管。環(huán)狀電極材料除了鎢之外，鉬、鋁等也可；催化劑材料除鎳之外，鐵也可。環(huán)狀金屬電極的邊長(zhǎng)為1微米-10微米。若干在平面排列的帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件構(gòu)成場(chǎng)發(fā)射陣列。
權(quán)利要求
1.帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層，導(dǎo)電基板為柵極；在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板生長(zhǎng)的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過(guò)半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連；干在平面排列的帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件構(gòu)成場(chǎng)發(fā)射陣列，電極為網(wǎng)格狀金屬電極。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征在于絕緣層的厚度在IOOnm至 300nm之間。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征在于絕緣層的材料可為二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等材料。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征在于半導(dǎo)體的厚度為IOnm至 200nm之間。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征在于半導(dǎo)體的材料為多晶硅或單晶硅、氧化鋅薄膜等。
6.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征在于柵極材料即導(dǎo)電基板為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料或薄膜、如ITO薄膜，鎳(Nickel)薄膜。
7.該碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列的制備方法步驟一，在導(dǎo)電基板上制備絕緣層，導(dǎo)電基板為柵極；步驟二，在絕緣層上制備半導(dǎo)體薄膜；步驟三，在半導(dǎo)體薄膜上制備網(wǎng)格狀金屬電極、即陰極；步驟四，在網(wǎng)格狀金屬電極網(wǎng)孔的中心位置制備垂直于基板生長(zhǎng)的單根碳納米管陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是(1)在SOI基片表面生長(zhǎng)網(wǎng)格狀金屬電極；首先將SOI基片超聲清洗，然后在基片上旋涂PMMA電子束光刻膠，進(jìn)行電子束光刻，光刻圖案為直徑IOOnm的圓點(diǎn)；(2)電子束光刻的SOI基片顯影，在基片的表面形成具有圓孔圖案的光刻膠掩膜；(3)采用磁控濺射的方法在SOI基片表面濺射催化劑層，由兩層薄膜組成的，下面一層是ITO薄膜，厚度為20nm ；上面是鎳(Nickel)薄膜，厚度為7nm ；(4)將SOI基片浸入丙酮中，剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜；(5)將SOI基片表面再旋涂一層PMMA，進(jìn)行電子束光刻，圖案是圓環(huán)；(6)顯影之后，在樣品表面濺射一層鎢(W);(7)將SOI基片浸入丙酮中，就只剩下環(huán)狀電極和催化劑點(diǎn)；(8)采用PECVD法生長(zhǎng)碳納米管；SOI (絕緣襯底上的硅)材料是在頂層硅和背襯底之間引入了一層氧化層；通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜。
全文摘要
帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層，導(dǎo)電基板為柵極；在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板生長(zhǎng)的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過(guò)半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連；在平面排列的帶有限流晶體管的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件構(gòu)成場(chǎng)發(fā)射陣列，電極為網(wǎng)格狀金屬電極。所提出和碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個(gè)限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場(chǎng)發(fā)射元件。
文檔編號(hào)H01J1/304GK102306595SQ20111022420
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月7日
發(fā)明者張研, 李馳 申請(qǐng)人:張研, 李馳