一種場效應管溝道型場致發射陰極及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于真空微電子學領域，涉及一種由外加溝道偏置電壓以及背柵電壓調制 的場發射陰極及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 集成真空電子器件要求其陰極具有更高的電子束流密度輸出，更高的工作頻率， 更小的陰極尺寸和更高的裝配精度。與依靠提高電子動能以逸出材料表面勢皇的熱陰極相 比，更高發射效率的場致發射陰極是集成真空電子器件最有希望的解決方案。場發射陰極 的發展經歷了最早的Spindt型陰極到近年來的納米冷陰極。Spindt型陰極技術的實際應 用并不順利，以硅錐場發射陣列為例，即便得益于微電子技術發展可以制作出曲率半徑可 達原子尺度的尖端，但對于制作出具有如此尖端并且形貌一致的硅錐陣列仍舊是巨大的挑 戰。為了回避尖錐型陰極陣列復雜的加工工藝，可采用低的功函數材料薄膜覆蓋于尖端以 達到改善原有尖端陰極性能的目的，典型代表是金剛石和類金剛石薄膜材料陰極。這種陰 極的挑戰在于可均勻控制的柵陰極陣列結構的制造。上世紀90年代中期開始，以碳納米管 作為場致發射冷陰極開始引起廣泛的研宄興趣。碳納米管具有極高的橫縱比、納米尺度的 發射尖端、良好的導電性能以及超高的電流承載能力（遠大于l〇 9A/cm2)。隨后，人們對更 多種類的低維納米材料，如ZnO納米線、CuO納米線和W納米線等作為場發射陰極的可能性 展開研宄。這類陰極通常被稱為納米冷陰極，成為Spindt型陰極和Si-FEA后最重要的一 類場致發射陰極。這類陰極的優勢在于，不需復雜的尖錐制作工藝便可獲得很低的場發射 開啟場強，且陰極材料可選范圍大，制備手段多樣。目前納米冷陰極的開關與調制主要依賴 立體柵極。場發射電流的大小都是通過陰極外部的場強進行控制。由于發射電流與外部場 強的指數依賴關系，使得穩定性難以控制；其次由于立體柵極結構是一種電容性結構，這將 限制其調制頻率的上限。
【發明內容】
[0003] 本發明所解決的問題是，提出了一種新型可調控的場效應管溝道型場致發射陰極 及其制備方法，為實現二維材料的可調控納米冷陰極提供了一種途徑，并可實現高頻率的 調制，從而推動二維材料在集成真空微電子領域的實際應用。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：
[0005] 一種場效應管溝道型場致發射陰極，包括襯底上刻蝕出的一維納米棱刃，在襯底 和一維納米棱刃上設置有絕緣介質層，在絕緣介質層上設置有二維材料，在二維材料的兩 端設置有金屬源漏電極。
[0006] 所述一維納米棱刃是垂直結構或是尖端具有曲率半徑的楔形結構，所述絕緣介質 層介質是絕緣氧化層介質或是層狀絕緣材料介質，所述二維材料包括單層，雙層，或多層， 所述的二維材料呈折角狀，所述的金屬源漏電極與作為導電溝道的二維材料之間形成歐姆 接觸，包括金屬鈦Ti、金Au、鎳Ni或鉑Pt。
[0007] -種場效應管溝道型場致發射陰極的制備方法，包括以下步驟：
[0008] 1)在襯底上刻蝕出尖銳的一維納米棱刃，襯底的選取包含硅Si，三氧化二鋁 Al2O 3，以異丙醇IPA與氫氧化鉀KOH的混合溶液為刻蝕劑，異向刻蝕得到硅Si的楔形體，或 者采用感應耦合等離子體ICP刻蝕交替復合深刻蝕硅Si的方法得到硅Si楔形體，再采用 反復低溫干氧氧化與刻蝕的方法銳化削尖硅Si楔形體，最后在硅Si襯底上得到一維納米 棱刃，氧化溫度900°C -1000°C，時間3-5小時；直接采用感應耦合等離子體ICP干法刻蝕 Al2O3襯底，得到一維納米棱刃；
[0009] 2)在含一維納米棱刃的襯底上表面氧化出一層柵介質層，或是轉移上一層氮化硼 BN作為介質層，硅Si的氧化溫度900°C -1000°C，時間3-5小時，得到二氧化硅SiO2介質 層；氮化硼BN介質層的轉移，采用機械剝離六方氮化硼h-BN薄晶片的方式制得少層氮化硼 BN，再轉移至襯底；
[0010] 3)在襯底上轉移一層二維材料，并使得二維材料跨過一維納米棱刃或是在含一維 納米棱刃的絕緣襯底上直接生長，二維材料為石墨烯，采用以金屬銅或鎳為襯底生長石墨 烯，再以濕法刻蝕襯底轉移至目標襯底；介質上原位生長石墨烯，在介質二氧化硅SiO 2或三 氧化二鋁Al2O3上淀積一層金屬鎳，受鎳的催化作用，襯底與金屬鎳接觸面之間會生長石墨 烯，以三氯化鐵？冗1 3溶液刻蝕除去鎳即可；二維材料為氧化石墨烯，將含氧化石墨烯的酒 精懸濁液滴加到含納米棱刃的襯底上，待酒精蒸發干即可；二維材料為二硫化鉬，采用機械 剝離二硫化鉬薄晶片的方式制得少層二硫化鉬，再轉移至介質層；
[0011] 4)在二維材料兩端淀積制作出金屬源漏電極（4)，采用電子束蒸發或是熱蒸發的 方式制作金屬電極，即得到場效應管溝道型場致發射陰極。
[0012] 本發明所描述的基于含有一維納米棱刃結構的場效應管溝道型場致發射陰極，可 以通過調控源漏電壓或背柵電壓的方式實現對場發射電流密度或開啟電場的控制。與現有 二維材料納米冷陰極相比，它具有如下特點：
[0013] 1、采用兩種方式實現開啟電場或閾值電場可調的場發射電流密度。首先，可通過 調節折角狀二維材料導電溝道兩端的源漏電壓，設置二維材料內部傳輸電流的大小，進而 改變二維材料折角處的電子的供給函數，實現對場發射電流密度的可控操作，即實現可調 的場發射電流密度。另外，通過調節場效應管的背柵電壓可以直接調節作為導電溝道的二 維材料中的載流子濃度，進而實現對場發射閾值電場的控制。
[0014] 2、可以均勻穩定地進行場發射。將原本波動的場發射電流信號反饋到二維折角場 效應管源漏電壓信號或背柵電壓信號中，實現對場發射電流密度的實時調控，從而得到均 勾穩定的場發射電流。
[0015] 3、為集成式真空電子器件提供一種新型的可調制的集成式場發射陰極。當器件處 于靜態工作時，在源漏電壓輸入周期性信號可實現對場致發射電流信號的周期性調制。相 比于立體柵而言，這種非電容性的調控可實現更高頻率的調制。通過以單個場效應管溝道 型場致發射陰極為基本單元，采用半導體平面工藝制作出陣列式可控的均勻穩定發射的陰 極，實現集成化。
【附圖說明】
[0016] 圖1是在襯底上刻蝕出尖銳的一維納米棱刃結構示意圖；
[0017]圖2是含氧化介質層的納米棱刃結構示意圖；
[0018] 圖3是含折角狀二維材料的陰極結構示意圖；
[0019]圖4是含折角狀二維材料的場效應管溝道型場發射陰極結構示意圖；
[0020] 其中：1為納米棱刃；2氧化介質層；3二維材料；4為金屬電極；5為刻蝕納米棱刃 的襯底。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0022] 參考附圖1-4,包括襯底5上刻蝕出的一維納米棱刃1，在襯底5和一維納米棱刃1 上設置有絕緣介質層2,在絕緣介質層2上設置有二維材料3,在二維材料3的兩端設置金 屬源漏電極4。
[0023] 所述一維納米棱刃1是垂直結構或是尖端具有曲率半徑的楔形結構。
[0024] 所述絕緣介質層2介質是絕緣氧化層介質或是層狀絕緣材料介質。
[0025] 所述二維材料3包括單層，雙層或多層。
[0026]實例一：
[0027] 1)襯底上刻蝕出一維納米棱刃。此方案采用的是Si-SiOdt為襯底。首先在高摻的 Si-SiO 2片子上光刻出2um寬的條狀掩膜圖形，利用HF腐蝕溶液刻蝕光刻膠未保護的SiO2 層，并在顯微鏡下觀察到SiO2脫落即可停止。然后采用lmol/L的異丙醇（IPA)和5mol/L 的KOH混合而成的KOH各向異性刻蝕液腐蝕制作出Si楔形體。腐蝕液溫度為60°C~63°C， 刻蝕時間6~7min。腐蝕過程中不要攪拌腐蝕液，一定比例的異丙醇可提高不同晶面腐蝕 速度比R(lllV(l〇〇).腐蝕容器要相對密閉，同時在水浴中也要加異丙醇，以保持腐蝕液 中異丙醇比例的穩定。最后采用反復氧化與刻蝕氧化層的削尖方式得到Si -維納米棱刃， 氧化溫度為950°C，通干氧4小時，刻蝕液為HF，水浴溫度60-70°C。
[0028] 2)氧化層的制作。以同樣低溫氧化的方法得到覆蓋于尖銳一維棱刃以及襯底的氧 化層，鈍化溫度為950°C，通干氧4小時。
[0029] 3)石墨烯的轉移。將利用CVD在Cu膜上生長的石墨烯轉移到含一維納米棱刃的 基底上。在生長完石墨烯的薄膜上旋涂上一層PMMA，水平靜止烘干后，剪成所需尺寸，并置 于0. 5mol/L FeC13溶液中進行刻蝕，刻蝕時間為15~20min，待Cu完全溶解后，將帶有石 墨烯的PMM轉移到去離子水中。在去離子水中將PMM膜附著有石墨烯的一面與襯底貼上， 然后取出并烘干。將樣品浸泡于丙酮中，以去掉石墨烯背面的PMM膜，再用酒精、去離子水 清洗后，即可實現大面積連續石墨烯薄膜到目標襯底的轉移。<