小型化、集成化的硅基場發射-接收器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及真空電子器件領域，特別是一種小型化、集成化的硅基場發射-接收
目.0
【背景技術】
[0002]在真空電子領域的場發射器件的測試過程中，通常采用金屬薄片或鍍有金屬薄膜的絕緣基片，如玻璃、藍寶石等作為接收電子的陽極，陽極和陰極不屬于同一材料體系，在器件工藝和器件封裝方面存在差異。尤其是當真空電子領域向小型化、集成化發展的過程中，需要在微納尺度上對場發射器件進行測試和封裝，金屬陽極不便于通過研磨和離子轟擊的方式減薄，因此不容易實現多個器件的小型化和集成化。這種陽極和陰極的材料差異和工藝不兼容性會嚴重影響單個器件的性能和大規模器件研制的一致性和成品率。
[0003]除了陽極和陰極分屬不同材料體系帶來的不利影響之外，場發射器件測試過程的另一個復雜的步驟是陽極和陰極之間需要一絕緣介質。當場發射器件的尺寸較大時，該絕緣介質可以將陶瓷、玻璃、藍寶石等絕緣材料直接夾持在陽極和陰極之間，實現絕緣功能；但是當真空器件向小型化、集成化發展之后，就必須通過在陰極表面制作絕緣介質薄膜的方式來實現絕緣功能。該絕緣介質薄膜可以采用二氧化硅或氮化硅，一般是在陰極表面采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法生長一層二氧化硅薄膜，然后通過光刻和腐蝕的方法露出發射窗口。這種制作絕緣介質薄膜的方法工藝過程相對復雜，且該工藝過程會對陰極發射性能造成不利影響。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，提供一種小型化、集成化的硅基場發射接收器件，其可降低工藝的復雜度，有利于提高大規模研制真空微納器件過程中的性能和成品率。
[0005]本發明提供一種小型化、集成化的硅基場發射-接收器件，包括:
[0006]— η型娃襯底；
[0007]一納米尖端結構，其制作于η型硅襯底上表面的中間部位，其材料與η型硅襯底的材料相同；
[0008]一二氧化硅絕緣層，其制作于η型硅襯底上，其中間有一電子發射-接收窗口，該電子發射-接收窗口圍繞在納米尖端結構的周圍；
[0009]一 η型摻雜硅片，其制作在二氧化硅絕緣層上，且覆蓋二氧化硅絕緣層上的電子發射-接收窗口；
[0010]一高壓源，其正極與η型摻雜硅片連接；
[0011 ] 一電流表，其正極與高壓源連接，負極與η型硅襯底連接。
[0012]本發明的關鍵之處在于同時采用η型高濃度摻雜的硅材料作為場發射陰極和接收電子的陽極。其中，在場發射陰極，即冷陰極結構部分，通過生長納米線或刻蝕出納米錐尖陣列增大場增強因子以提高電子發射性能；在陽極部分，利用高濃度η型摻雜硅材料良好的導電性能作為接收電子和傳導電流的介質；陰極和陽極之間采用二氧化硅作為絕緣層O
[0013]由于上述技術的運用，與現有器件結構相比，本發明的有益效果包括:
[0014](I)同時采用硅基材料分別作為場發射器件的陰極和陽極之后，兩者均屬于半導體工藝中最為成熟的硅材料體系，降低了工藝的復雜度，有利于提高大規模研制真空微納器件過程中的性能和成品率；
[0015](2)在本發明中提出的硅基場發射一接收器件結構中，接收電子的陽極采用具有二氧化硅絕緣層的η型高濃度摻雜硅基片，通過光刻和刻蝕的方法露出η型摻雜硅材料部分作為發射窗口，未被刻蝕的S12作為絕緣層，可以避免對在陰極表面制作絕緣層的過程中對電子發射性能的不利影響；
[0016](3)本發明中采用陽極表面的二氧化硅作為絕緣介質，避免了采用陶瓷、玻璃、藍寶石等絕緣材料時器件夾持和固定的難度，降低了器件尺寸，有利于實現真空電子器件的小型化和集成化。
【附圖說明】
[0017]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:
[0018]圖1是一種小型化、集成化的硅基場發射-接收器件的結構示意圖。
[0019]圖2是發射電子的陰極部分和接收電子的陽極部分在鍵合之前的工藝示意圖。
[0020]圖3是電子發射及電子接收的窗口示意圖。
【具體實施方式】
[0021]請參閱圖1所示，本發明提供一種小型化、集成化的硅基場發射-接收器件，包括:
[0022]— η型硅襯底10，所述η型硅襯底10的材料為摻磷、砷或銻的硅片，摻雜濃度為I X 117-1 X 11W3,該 η 型硅襯底 10 的厚度為 100-1000 μ m ；
[0023]—納米尖端結構11，其制作于η型娃襯底10上表面的中間部位，其材料與η型娃襯底10的材料相同，所述納米尖端結構11是在η型硅襯底10上生長的單根硅納米線或硅納米線陣列，或者是通過光刻工藝刻蝕獲得的單個硅尖錐或硅尖錐陣列；
[0024]一二氧化硅絕緣層12，其制作于η型硅襯底10上，其中間有一電子發射-接收窗口 13，該電子發射-接收窗口 13圍繞在納米尖端結構11的周圍，所述二氧化硅絕緣層12的厚度為1-10 μ m ;所述二氧化硅絕緣層12是在η型硅襯底10的表面或η型摻雜硅片14的表面分別通過熱氧化的方法獲得，或在上述兩者表面同時熱氧化獲得；所述電子發射-接收窗口 13是在η型摻雜硅片14的表面通過光刻和刻蝕的方法得到，刻蝕深度大于陽極表面的二氧化硅絕緣層12的厚度，刻蝕至露出η型摻雜硅片14為止；
[0025]一 η型摻雜硅片14，其制作在二氧化硅絕緣層12上，且覆蓋二氧化硅絕緣層12上的電子發射-接收窗口 13，所述η型摻雜硅片14為摻磷、砷或銻的硅片，摻雜濃度為I X 117-1 X 11W3,硅片厚度為 100-1000 μ m ；
[0026]一高壓源16，其正極與η型摻雜硅片14連接，所述高壓源16為場發射過程提供高電壓，電壓范圍為0-5kV ；
[0027]一電流表15，其正極與高壓源16連接，負極與η型硅襯底10連接，所述電流表15為測量η型摻雜硅片14接收到的場發射電子電流，測量范圍為IXKT9-1XKr1Ac
[0028]上述η型娃襯底10和η型摻雜娃片14通過對準后夾持固定、鍵合封裝或低真空度封裝的方式固定在一起；
[0029]上述小型化、集成化的硅基場發射-接收器件，放置在一真空系統內進行測量，該真空系統的真空度為I X KT1-1 X 10_8Pa。
[00