一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)及其制作方法，所述結(jié)構(gòu)包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，在氧化層的每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設(shè)置在陰極基底上，石墨烯柵極設(shè)置在氧化層上。本發(fā)明采用石墨烯柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬柵極，且與傳統(tǒng)Spindt型場致發(fā)射陣列制備流程有所不同。本發(fā)明是在尖錐形成及清洗雜質(zhì)后，在氧化層上覆蓋單層或少層石墨烯作為柵極，這一方面可在石墨烯柵極制備前對(duì)尖錐和空腔內(nèi)的金屬雜質(zhì)進(jìn)行有效的清洗，降低陰柵短路風(fēng)險(xiǎn)，另一方面石墨烯層可在其下方形成更均勻的電場，有效降低了尖錐發(fā)射電子所需要的電壓。
【專利說明】
一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種以單層或少層石墨烯作為柵極的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于真空電子器件技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]Spindt陰極是研發(fā)最早的場發(fā)射陰極，其性能卓越，且能夠在較小的面積上同時(shí)實(shí)現(xiàn)很高的電流密度和很大的總電流，非常適用于微波功率器件。當(dāng)工作頻率上升至太赫茲頻段，器件對(duì)陰極電流密度要求超過lOOA/cm2，其他陰極很難達(dá)到要求。真空微電子學(xué)研究初期，幾乎所有的場發(fā)射應(yīng)用研究都曾嘗試過該陰極，但是Spindt型場發(fā)射陰極可靠性不高，限制了其應(yīng)用發(fā)展。其主要問題有陣列不均勻性導(dǎo)致局部過度發(fā)射，空間放電誘發(fā)電弧，初期老煉過程中容易失效及發(fā)射尖錐和柵極間短路、漏電等。其原因主要有以下幾點(diǎn):
[0003]第一、沉積制作發(fā)射尖錐過程中產(chǎn)生的金屬顆粒雜質(zhì)在分離層剝離時(shí)脫落，它們附著在發(fā)射尖錐表面、柵極邊緣以及承載尖錐的二氧化硅空腔中，尤其是一些空腔內(nèi)部的沉積物，很難徹底去除。這些金屬顆粒沉積物的存在，會(huì)導(dǎo)致初期陰極失效，并且成為后期應(yīng)用的潛在隱患。
[0004]第二、傳統(tǒng)的Spindt陰極是在結(jié)構(gòu)制作好之后清洗其內(nèi)部的雜質(zhì)，一方面空腔內(nèi)部的雜質(zhì)不能有效去除，而這些沉積顆粒隱藏在柵極下空腔內(nèi)部，從SEM觀測圖中幾乎看不至IJ，但這些顆粒的存在會(huì)影響到尖錐及空腔內(nèi)部電場分布及陰柵短路。另一方面若去除時(shí)時(shí)間和強(qiáng)度過大，又可能使柵極開裂，甚至尖錐脫落。
[0005]第三、Spindt陰極制作過程中，S12的去除過程中，柵極下空腔會(huì)被腐蝕，而陣列中各發(fā)射尖錐之間的距離往往較近，這就使的柵極層下僅有部分S12支撐，當(dāng)S12絕緣層和金屬柵極之間的結(jié)合力不足以支撐柵極上方沉積分離層及金屬閉合層時(shí)，柵極會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，這會(huì)造成陰柵短路及后期測試中電弧損毀。
[0006]第四、由于各陰柵之間結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其電場的不均勻性，進(jìn)而引起每個(gè)發(fā)射體的不均勻性，容易產(chǎn)生局部過度發(fā)射而導(dǎo)致整個(gè)陰極失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種能夠有效降低陰柵短路問題及柵極開裂問題的場發(fā)射陣列三極結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低尖錐場致發(fā)射陣列制備的工藝難度;本發(fā)明采用單層或少層石墨烯(或類似原子級(jí)層狀結(jié)構(gòu))作為柵極電極，可以在相同驅(qū)動(dòng)電壓下獲得更大的尖錐表面電場，使得整個(gè)陣列的發(fā)射均勻性得到改善。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]—種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設(shè)置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設(shè)置在陰極基底上，石墨烯柵極設(shè)置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設(shè)置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙。
[0010]優(yōu)選的，所述金屬尖錐的尖端曲率半徑小于50nm，以保證金屬尖錐的發(fā)射效率。
[0011]優(yōu)選的，所述氧化層的厚度為Ium左右，優(yōu)選為0.8?1.2um;空腔的孔徑為Ium左右，優(yōu)選為0.8?1.2um0
[0012]優(yōu)選的，沿矩形陣列線，相鄰兩個(gè)金屬尖錐大端面中心點(diǎn)的直線距離為4.5?5.5un。
[0013]優(yōu)選的，綜合考慮電子的通過效率和石墨烯層?xùn)艠O需要承載的電壓，設(shè)計(jì)所述石墨烯柵極為單層結(jié)構(gòu)或少層結(jié)構(gòu)，所述少層為2?4層。
[0014]所述石墨烯柵極可以替換為其他任何具有原子級(jí)的層狀網(wǎng)格原子結(jié)構(gòu)或類似的原子結(jié)構(gòu)的材料;與金屬層?xùn)艠O比較，在其他參數(shù)相同的情況下，石墨烯柵極可以使得尖錐頂部獲得更大的電場，同時(shí)尖錐陣列的發(fā)射更為均勻。
[0015]一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟:
[0016](I)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層氧化層，氧化層的厚度根據(jù)金屬尖錐的高度設(shè)計(jì)；
[0017](2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對(duì)光刻膠層進(jìn)行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層；
[0018](3)采用離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠；
[0019](4)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，使蒸發(fā)源以設(shè)定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一定厚度的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區(qū)域；在制作分離層時(shí)，避免金屬鋁填充到空腔內(nèi)；
[0020](5)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，垂直蒸發(fā)金屬鉬，控制蒸發(fā)時(shí)間，在空腔內(nèi)形成鉬微尖的同時(shí)覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層；
[0021](6)用化學(xué)腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層；
[0022](7)清洗鉬微尖和空腔內(nèi)包括金屬顆粒在內(nèi)的雜質(zhì)，使用直接干法或濕法轉(zhuǎn)移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開口。
[0023]有益效果:本發(fā)明提供的以單層或少層石墨烯作為柵極的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)及其制作方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明提出的石墨烯柵極Spindt陰極結(jié)構(gòu)，在柵極制作前，可對(duì)陰極及空腔部分充分清洗，去除剝離層溶解過程中形成的金屬顆粒雜質(zhì)，空腔內(nèi)部的雜質(zhì)可很好的去除，通過SEM可觀察清除效果，達(dá)到要求后，再在其氧化層上制備石墨烯柵極，這可有效降低陰柵短路的風(fēng)險(xiǎn)；
[0025]2、本發(fā)明的石墨烯柵極是在清洗雜質(zhì)之后制備在二氧化硅支撐體上，可避免清洗過程中柵極開裂現(xiàn)象，工藝難度大大降低；
[0026]3、本發(fā)明的石墨烯柵極結(jié)構(gòu)是覆蓋在整個(gè)發(fā)射尖錐上方，相對(duì)于傳統(tǒng)的尖錐陣列結(jié)構(gòu)的陰極，其他參數(shù)相同的條件下，本結(jié)構(gòu)可在陰極尖錐表面產(chǎn)生更大的電場，因此可降低調(diào)制電壓；
[0027]4、本發(fā)明的石墨烯柵極層的柵極孔極小且均勻分布在陰極尖錐上，因此可在柵極層下方和尖錐上方空間產(chǎn)生相對(duì)均勻的電場，陣列的發(fā)射均勻性可得到有效改善。
【附圖說明】
[0028]圖1為硅基底和在其上形成的氧化層；
[0029]圖2為在氧化層上覆蓋光刻膠，確定發(fā)射體尺寸；
[0030]圖3為腐蝕形成的空腔；
[0031 ]圖4為在二氧化硅層上旋涂分離層；
[0032]圖5為形成發(fā)射尖錐和閉合層；
[0033]圖6為腐蝕去掉閉合層和分離層；
[0034]圖7為使用轉(zhuǎn)移法制備石墨烯柵極；
[0035]圖8為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0036]圖中包括:1-硅基底，2-氧化層，3-光刻膠層，4-分離層，5-閉合層，6_金屬尖錐，7_石墨烯。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0038]一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設(shè)置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設(shè)置在陰極基底上，石墨烯柵極設(shè)置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設(shè)置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙;所述石墨烯柵極為單層結(jié)構(gòu)或少層結(jié)構(gòu)，所述少層為2?4層。
[0039]一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟:
[0040](I)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層厚度約為Ium的氧化層，氧化層的厚度根據(jù)金屬尖錐的高度設(shè)計(jì)，如圖1所示；
[0041](2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對(duì)光刻膠層進(jìn)行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層，如圖2所示；
[0042](3)采用化學(xué)腐蝕或反應(yīng)等離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠，如圖3所示；
[0043](4)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，使蒸發(fā)源以設(shè)定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一層厚度約為0.2um的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區(qū)域，如圖4所示;在制作分離層時(shí)，避免金屬鋁填充到空腔內(nèi)；
[0044](5)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，垂直蒸發(fā)金屬鉬，控制蒸發(fā)時(shí)間，在空腔內(nèi)形成鉬微尖的同時(shí)覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層，如圖5所示；
[0045](6)用化學(xué)腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層，如圖6所示；
[0046](7)清洗鉬微尖和空腔內(nèi)包括金屬顆粒在內(nèi)的雜質(zhì)，通過SEM觀察清除效果，達(dá)到要求后，再使用直接干法或濕法轉(zhuǎn)移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開口，如圖7所示。
[0047]本發(fā)明在制備工藝上進(jìn)行了明顯的簡化，沉積尖錐陣列及去除分離層時(shí)不需要考慮柵極情況，防止了傳統(tǒng)制備過程中沉積尖錐及金屬閉合層時(shí)造成分離層及柵極開裂，甚至金屬通過裂縫到達(dá)柵極表面和尖錐空腔而引起陰柵短路。
[0048]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設(shè)置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個(gè)空腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設(shè)置在陰極基底上，石墨烯柵極設(shè)置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設(shè)置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述金屬尖錐的尖端曲率半徑小于50nm，以保證金屬尖錐的發(fā)射效率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述氧化層的厚度為0.8?I.2um，空腔的孔徑為0.8?I.2um。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于:沿矩形陣列線，相鄰兩個(gè)金屬尖錐大端面中心點(diǎn)的直線距離為4.5?5.5un。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述石墨烯柵極為單層結(jié)構(gòu)或少層結(jié)構(gòu)，所述少層為2?4層。6.一種尖錐陣列場致發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層氧化層，氧化層的厚度根據(jù)金屬尖錐的高度設(shè)計(jì)； (2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對(duì)光刻膠層進(jìn)行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層； (3)采用離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠； (4)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，使蒸發(fā)源以設(shè)定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一定厚度的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區(qū)域;在制作分離層時(shí)，避免金屬鋁填充到空腔內(nèi)； (5)旋轉(zhuǎn)硅基底的同時(shí)，垂直蒸發(fā)金屬鉬，控制蒸發(fā)時(shí)間，在空腔內(nèi)形成鉬微尖的同時(shí)覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層； (6)用化學(xué)腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層； (7)清洗鉬微尖和空腔內(nèi)包括金屬顆粒在內(nèi)的雜質(zhì)，使用直接干法或濕法轉(zhuǎn)移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開□ O
【文檔編號(hào)】H01J1/304GK105931931SQ201610312913
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】狄云松, 杜小飛, 王琦龍, 張曉兵, 雷威
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)