碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，屬于真空電子技術中的場發射電子器件領域。
【背景技術】
[0002]作為III族氮化物半導體材料的一種，AlN帶隙很寬，高達6.2eV，無需Cs激活過程，本身就具有負電子親和勢，并具有場發射所要求的幾乎所有特性，包括良好的化學與熱穩定性、高的熔點和熱導率、大的載流子迀移率和高的擊穿電壓等，因此是一種優異的冷陰極材料。但是AlN的導電性能很差，阻礙了電子在AlN薄膜中的傳輸，影響了 AlN冷陰極的場發射性能的進一步提尚。
[0003]目前作為冷陰極的AlN薄膜多采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的方式外延生長，經常采用的襯底包括藍寶石、η型SiC或η型硅基襯底等。在上述幾種襯底中，藍寶石為絕緣材料，導電性能不好，因此需要在AlN薄膜上通過光刻和刻蝕形成臺階結構并制作金屬電極，工藝過程比較復雜。η型SiC襯底和η型硅基襯底具有良好的導電性能，兩者相比較而言，硅襯底具有更成熟的工藝，更容易實現大規模納米線陣列或納米尖錐陣列；但是硅材料的擊穿電壓較低，在電子發射的過程中尖端結構容易損壞，使得場增強因子減小，或破壞整個二維陣列發射能力的均勻性；SiC襯底的工藝難度較大，但是能耐高壓，更適合作為高電壓、高發射電流密度和高發射電流的場發射陰極襯底。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，提供一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其是利用負電子親和勢進行電子發射，進一步提高電子發射密度。
[0005]本發明提供一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，包括:
[0006]一 η 型 SiC 襯底；
[0007]一 η型金屬電極，其制作在η型SiC襯底下表面；
[0008]一 SiC納米尖端結構，其制作在η型SiC襯底上表面，其與η型SiC襯底的材料相同；
[0009]— AlN冷陰極薄膜，其制作在SiC納米尖端結構的上表面；
[0010]一電壓源，其正極與AlN冷陰極薄膜連接，負極與η型金屬電極連接；
[0011]—金屬陽極，其位于AlN冷陰極薄膜的上面，且不與AlN冷陰極薄膜接觸；
[0012]一高壓源，其正極連接金屬陽極；
[0013]—電流計，其正極連接高壓源，負極連接η型金屬電極。
[0014]本發明的關鍵之處在于在η型SiC上通過光刻和刻蝕工藝制作出納米尖錐陣列，或通過小角度斜切襯底的方式制作出原子級臺階狀的納米尖端結構，然后在具有納米尖端結構的SiC襯底上制作η型Si摻雜AlN薄層，獲得AlN冷陰極結構。
[0015]由于上述技術的運用，與現有器件結構相比，本發明的有益效果在于:
[0016]采用η型SiC作為襯底，SiC材料具有良好的導電性和高擊穿場強，有利于獲得在高電壓、高電流和高電流密度的場發射陰極；
[0017]在η型SiC襯底表面制作納米尖錐陣列或原子臺階，獲得大的場增強因子，有利于提尚陰極的電子發射能力；
[0018]在具有納米尖端結構的η型SiC襯底表面覆蓋AlN薄層，通過施加電壓或通過共振隧穿的方式使得電子從η型SiC中輸運到AlN表面，利用負電子親和勢進行電子發射，進一步提高電子發射密度。
【附圖說明】
[0019]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下參照附圖，并結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，其中:
[0020]圖1是碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]請參閱圖1所示，本發明提供一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，包括:
[0022]一 η型SiC襯底11，所述η型SiC襯底11的電阻率為0.02-0.2 Ω.cm，厚度為200-500 μm ；
[0023]— η型金屬電極10，其制作在η型SiC襯底11下表面，所述η型金屬電極10的材料為Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni層厚度為50_200nm，Au層厚度為50_200nm ；Ni或Ni/Au薄膜經退火形成歐姆接觸，退火氣氛為氮氣或氬氣，退火溫度為950°C，退火時間為 l-5min ；
[0024]一 SiC納米尖端結構12，其制作在η型SiC襯底11上表面，其與η型SiC襯底11的材料相同，所述SiC納米尖端結構12是通過光刻和刻蝕在η型SiC襯底11表面制作；所述SiC納米尖端結構12為單個納米尖錐或納米尖錐陣列，或者是通過小角度斜切襯底的方式制作的具有原子級臺階的納米尖端結構；
[0025]一 AlN冷陰極薄膜13，其制作在SiC納米尖端結構12的上表面，所述AlN冷陰極薄膜13的材料為η型Si摻雜AlN薄膜，厚度為1-1OOnm, Si摻雜濃度為I X 110-1 X 1020Cm_3;
[0026]一電壓源15，其正極與AlN冷陰極薄膜13連接，負極與η型金屬電極10連接，所述電壓源15的作用是在η型SiC襯底11和AlN冷陰極薄膜13之間施加電壓，電壓范圍為0-100V ；
[0027]—金屬陽極14，其位于AlN冷陰極薄膜13的上面，且不與AlN冷陰極薄膜13接觸，所述金屬陽極14為Au、Ag、Cu、Al或不銹鋼，或制作在玻璃或藍寶石基片上的單一金屬或復合金屬，或制作在玻璃之上的銦錫氧化物電極，或為固定在可調節裝置上的平頂金屬探針；
[0028]其中，所述AlN冷陰極薄膜13和金屬陽極14構成電子發射接收結構，放置于真空系統中進行測量，真空度為I X KT1-1 X 1-8Pa ；
[0029]—高壓源16，其正極連接金屬陽極14，所述高壓源16的作用是為場發射過程提供高電壓，電壓范圍為0-5kV ；
[0030]一電流計17，其正極連接高壓源16，負極連接η型金屬電極10，所述電流計17的作用是測量金屬陽極14接收到的電子電流，測量范圍為IXKT9-1XKr1A;
[0031]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，包括: 一 η型SiC襯底； 一 η型金屬電極，其制作在η型SiC襯底下表面； 一 SiC納米尖端結構，其制作在η型SiC襯底上表面，其與η型SiC襯底的材料相同； 一 AlN冷陰極薄膜，其制作在SiC納米尖端結構的上表面； 一電壓源，其正極與AlN冷陰極薄膜連接，負極與η型金屬電極連接； 一金屬陽極，其位于AlN冷陰極薄膜的上面，且不與AlN冷陰極薄膜接觸； 一高壓源，其正極連接金屬陽極； 一電流計，其正極連接高壓源，負極連接η型金屬電極。
2.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中η型SiC襯底的電阻率為 0.02-0.2 Ω.cm，厚度為 200-500 μ m。
3.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中η型金屬電極的材料為Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni層厚度為50_200nm，Au層厚度為50_200nm。
4.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中SiC納米尖端結構是通過光刻和刻蝕在η型SiC襯底表面制作的。
5.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中AlN冷陰極薄膜的材料為η型Si摻雜AlN薄膜，厚度為1-1OOnm, Si摻雜濃度為I X 118-1 X 120CnT30
6.如權利要求1所述的碳化娃襯底上的AlN冷陰極結構，其中金屬陽極為Au、Ag、Cu、Al或不銹鋼，或制作在玻璃或藍寶石基片上的單一金屬或復合金屬，或制作在玻璃之上的銦錫氧化物電極，或為固定在可調節裝置上的平頂金屬探針。
7.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中電壓源的作用是在η型SiC襯底和AlN冷陰極薄膜之間施加電壓，電壓范圍為0100V。
8.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中高壓源的作用是為場發射過程提供高電壓，電壓范圍為05kV。
9.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中電流計的作用是測量金屬陽極接收到的電子電流，測量范圍為IX 10_9-1 X 101。
10.如權利要求1所述的碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，其中AlN冷陰極薄膜和金屬陽極構成電子發射-接收結構，放置于真空系統中進行測量，真空度為I X KT1-1 X 1-8Pao
【專利摘要】一種碳化硅襯底上的AlN冷陰極結構，包括：一n型SiC襯底；一n型金屬電極，其制作在n型SiC襯底下表面；一SiC納米尖端結構，其制作在n型SiC襯底上表面，其與n型SiC襯底的材料相同；一AlN冷陰極薄膜，其制作在SiC納米尖端結構的上表面；一電壓源，其正極與AlN冷陰極薄膜連接，負極與n型金屬電極連接；一金屬陽極，其位于AlN冷陰極薄膜的上面，且不與AlN冷陰極薄膜接觸；一高壓源，其正極連接金屬陽極；一電流計，其正極連接高壓源，負極連接n型金屬電極。本發明是利用負電子親和勢進行電子發射，進一步提高電子發射密度。
【IPC分類】H01J9-02, B82Y30-00, H01J1-304
【公開號】CN104658830
【申請號】CN201510094613
【發明人】陳平, 趙德剛, 朱建軍, 劉宗順, 江德生, 楊輝
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年3月3日