一種場發射器件及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體技術領域，具體地講，涉及一種場發射器件及其制作方法。
【背景技術】
[0002]半導體器件由于體積小、壽命長、易集成、能耗低、可靠性高、噪音低和工作電壓低等優點幾乎在各個應用領域取代了真空電子器件，但是真空電子器件由于電子輸運在真空中完成，其工作頻率比固體器件更高，并且能夠同時高頻高功率工作。因此，真空微電子器件在大功率高頻(例如應用于雷達、通信和電子對抗等)、特殊顯示和高保真的音響設備等方面還是具有巨大的應用前景。
[0003]真空電子器件的核心部分是發射陰極，發射陰極的不斷發展推動了真空電子器件的性能的提高，特別是場致發射冷陰極的提出可以實現不需加熱的陰極發射，降低了器件的能耗，提高了器件效率和可靠性。為了實現場致發射冷陰極工作時具備足夠的場強，場致發射冷陰極必需加工成曲率半徑非常小的針尖，同時陰極和陽極之間的距離要足夠小。為了增加場致發射器件的工作電流，需要制作針尖陣列。
[0004]在真空微電子發射場中，為減少加工難度一般采用自組織生長的一維半導體納米結構，如納米管、納米帶，納米柱(nanorods)、納米線等作為發射陰極。一維納米材料場發射器件開始于碳納米管陣列，但碳納米管電子結構限制了場發射的應用。
【發明內容】
[0005]為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種場發射器件，包括襯底、設置在襯底上的緩沖層、分別設置在緩沖層兩端的發射極層和集電極層、分別設置在發射極層和集電極層上的金屬電極層，其中，發射極層與集電極層之間具有溝道。
[0006]進一步地，所述發射極層采用氮化鎵基超晶格結構。
[0007]進一步地，所述發射極層的一側端具有尖端，所述集電極層的與發射極層的一側端對應的側端具有與所述尖端對應的尖凹部，其中，所述尖端與所述尖凹部配合設置。
[0008]進一步地，所述尖端的角度為60度。
[0009]進一步地，所述集電極層為η型氮化鎵層。
[0010]進一步地，所述緩沖層為高阻氮化鎵層。
[0011]進一步地，所述襯底采用的材料為藍寶石或氮化鎵或碳化硅。
[0012]本發明的另一目的還在于提供一種上述的場發射器件的制作方法，包括步驟:在襯底上形成緩沖層；在緩沖層上形成發射極層；將部分發射極層去除，以使所述部分發射極層覆蓋的緩沖層暴露，并使剩余部分發射極層形成尖端；沉積介質膜層，以將所述剩余部分發射極層完全覆蓋；在暴露的緩沖層上形成集電極層；將完全覆蓋所述剩余部分發射極層的介質膜層去除，以使剩余部分發射極層與集電極層之間形成溝道；在剩余部分發射極層和集電極層上分別形成金屬電極。
[0013]進一步地，所述“將所述剩余部分發射極層完全覆蓋”是指所述剩余部分發射極層的上表面和各個側表面均被覆蓋。
[0014]進一步地，所述“沉積介質膜層，以將所述剩余部分發射極層完全覆蓋”具體實現方式包括步驟:沉積介質膜層，以將所述剩余部分發射極層和暴露的緩沖層完全覆蓋；將所述暴露的緩沖層上覆蓋的介質膜層去除。
[0015]本發明的場發射器件及其制作方法，由于氮化鎵(GaN)半導體材料具有2.7?3.5eV低的電子親和勢，可以在異質結構中形成較低發射勢壘，并且氮化鎵具有優越物理特性(高熔點、高遷移率、高熱導率等)和穩定化學性能，可在低壓下實現低的發射率和免除殘余氣體化學吸附，因此可提高本發明的場發射器件的場增強因子及場致發射特性。另外，本發明的場發射器件中的η型摻雜GaN的電子濃度容易提高，且其可以在高溫高輻射環境下工作。此外，與使用硅(Si)等傳統半導體材料制作的場發射器件的場發射陰極相比，本發明的場發射器件的場發射陰極壽命更長。
【附圖說明】
[0016]通過結合附圖進行的以下描述，本發明的實施例的上述和其它方面、特點和優點將變得更加清楚，附圖中:
[0017]圖1根據本發明的實施例的場發射器件的立體圖。
[0018]圖2a至圖2h是根據本發明的實施例的場發射器件的制作流程立體圖。
【具體實施方式】
[0019]以下，將參照附圖來詳細描述本發明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發明，并且本發明不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發明的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。
[0020]圖1根據本發明的實施例的場發射器件的立體圖。
[0021]參照圖1，根據本發明的實施例的場發射器件包括襯底110、設置在襯底110之上的緩沖層120、分別設置在緩沖層120兩端之上的發射極層130和集電極層140、設置在發射極層130之上的第一金屬電極層151和設置在集電極層140之上的第二金屬電極層152，其中，發射極層130與集電極層140之間具有溝道160，以實現大氣壓下的電子的彈道運輸。
[0022]襯底110可例如采用藍寶石、氮化鎵或碳化硅材料等。本實施例中，優選的，襯底110采用氮化鎵材料。
[0023]緩沖層120可采用高阻氮化鎵材料。優選的，緩沖層120可采用摻鐵的高阻氮化鎵材料。
[0024]氮化鎵材料具有非常好的電子場發射性能，主要表現為禁帶寬度大、電子親和勢低、化學和力學穩定性高以及不易產生濺射腐蝕等優點，因此其可以作為場發射器件的發射極，以使場發射器件的發射極具有較長的發射壽命。并且與常見的砷化鎵(GaAs)基超晶格結構相比，氮化鎵(GaN)基超晶格結構具有極強的自發極化和壓電極化現象。此外，氮化鎵/鋁鎵氮(GaN/AlGaN)超晶格結構包含著具有不同價帶的合金，從而改善了能帶特性，價帶邊緣的周期性振蕩也增加了載流子的數目，因此，在本實施例中，發射極層130采用氮化嫁基超晶格結構，例如氣化嫁/招嫁氣(GaN/AlGaN)超晶格結構。在本實施例中，氣化嫁/鋁鎵氮(GaN/AlGaN)超晶格可為n_GaN/i_AlGaN超晶格，但本發明并不局限于此。
[0025]此外，由于發射極層130與集電極層140的形狀影響閾值電壓的大小，所以在本實施例中，優選的，發射極層130的一側端具有尖端131，所述集電極層140的與發射極層130的一側端對應的側端具有與尖端131對應的尖凹部141，其中，尖端131與尖凹部141配合設置，并且在尖端131與尖凹部141之間形成溝道160。此外，尖端131的角度為60度。
[0026]此外，集電極層140為η型氮化鎵層。換句話說，集電極層140采用η型氮化鎵材料。