一種帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米電子器件技術領域，更具體地，涉及一種帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構。
【背景技術】
[0002]場致發射電子源陣列在平板顯示器、并行電子束光刻、微型X射線源上具有潛在應用。目前在研究的電子源材料主要包括半導體納米尖錐及納米線、金屬納米尖錐及納米線、碳基材料(碳納米管\石墨烯)、金屬氧化物納米線。由于電子源陣列中發射體的幾何形貌和表面電子結構存在差異，這分別造成發射端面的局域電場強度和功函數不同，陣列中發射體的場發射特性一致性較差。陣列中的發射體為并聯排布，在相同外加電壓的作用下，陣列中僅有部分性能優異的發射體參與發射，使陣列總的電流強度難以有效提升。此外，場致發射電子源普遍存在一定的電流波動。
[0003]為了克服上述問題，目前所采用的技術方法是將發射體與電阻或場效應管串聯。串聯電阻的目的是利用電阻的分壓形成負反饋，抑制瞬時大電流脈沖，減小發射電流的波動。由于串聯電阻對發射電流較大的發射體的分壓作用更為明顯，可一定程度提高陣列中發射體特性的均勻性。然而，起有效分壓的電阻的阻值通常達到兆歐量級，且阻值無法動態調節，其分壓效果導致電子源的驅動電壓上升，發射電流難以提升，功耗增加;也為驅動電路的設計帶來困難。
[0004]而串聯場效應管的目的是利用場效應管的恒流區特性，抑制場發射電流的波動，提高陣列中發射體的場發射特性的一致性;也可通過柵壓改變溝道電阻，實現有源控制。然而，場效應管在恒流區的電阻隨著源漏電壓的增大而增大，其作用類似于串聯一個阻值隨著外加電壓增大的可變電阻。在場發射電流增大過程中，場效應管上的分壓會顯著增大;此效應和串聯電阻相似，也會導致電子源的驅動電壓上升，功耗增加等問題。而且，場效應管器件的制作工藝也較為復雜，制備成本較高。
[0005]除上述兩種方法外，也有研究者提出利用PN結反偏置時的限流區特性，來抑制場發射電流的波動，提高陣列中發射體的可靠性并改善反射體之間的場發射特性的一致性。但是現有的器件結構中，PN結位于襯底表面，外加電場難以對結區形成貫穿效應，這種PN結在限流區的阻值是固定的，和串聯電阻相似;若PN結阻值過小，則難以達到有效的抑制場發射電流波動的效果，若PN結阻值過大，則其分壓效果會導致電子源的驅動電壓上升，發射電流難以提升，功耗增加。
【發明內容】
[0006]本發明提供解決上述技術問題的方法，即提供一種帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構。
[0007]本發明同時提供上述帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的: 一種帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構，該器件結構由發射體和電極構成;所述發射體由兩段一維納米材料組成，其一段為用于發射電子的N型摻雜半導體，另一段為P型摻雜半導體，或者是能與所述N型摻雜半導體形成肖特基接觸的金屬;所述兩段一維納米材料接觸形成PN結或肖特基結，所述PN結或肖特基結突出于襯底表面。
[0008]這里必須保證該PN結或者肖特基結必須突出襯底表面，不能與襯底表面齊平或低于襯底表面。
[0009]該器件結構在工作時，納米結處于反偏置狀態，電極施加電壓形成的電場既可誘導發射體頂端發射電子，又可貫穿納米發射體上納米結所在位置(納米結區)的表面。這種貫穿作用使納米結外表面附近的勢皇區收窄，電子隧穿通過納米結的幾率增大，結電阻減小。隨著電極上施加的電壓的增大，電場對結區的貫穿作用增強，電子隧穿通過納米結的幾率增加，結電阻進一步減小。在場發射電流增大過程中，結區壓降增加緩慢或減小，場發射電流-電場(1-E)特性曲線仍可保持陡直。同時，由于結電阻的降低，在結區產生的焦耳熱不會隨電流的增大而快速地上升。和串聯電阻、場效應管或與襯底表面齊平的PN結對比，這種器件結構既可以抑制場發射電流的波動，又可以提高發射體的耐壓(耐流)能力，增加器件的可靠性，同時還能減弱由于結電阻壓降過大而導致的發射體場發射驅動電壓過高及功耗過大問題，且有利于提高陣列中發射體場發射特性的均勻性。
[0010]優選地，所述一維納米材料的直徑小于200nm，PN結或肖特基結外表面電場強度大于17 V/m，從而在PN結或肖特基結外表面形成較強的電場貫穿效果，對納米結的電子輸運特性具有增強作用。
[0011]為了在PN結或肖特基結外表面獲得強度大于17V/m的電場，需要對發射體與電極的相對位置進行設計，優選地，所述電極由單個電極或多個電極組成。
[0012]更優選地，當所述電極是一個陽極時，所述陽極位于發射體的正上方；當所述電極含有一個陽極和一個柵極時，所述陽極位于發射體的正上方，所述柵極位于陽極和襯底表面之間，此時對陽極和柵極共同施加電壓；當所述電極含有一個陽極、一個第一柵極，一個第二柵極時，所述陽極位于發射體的正上方，所述第二柵極位于PN結或肖特基結所在位置的水平線上，所述第一柵極位于陽極和第二柵極之間，此時對陽極、第一柵極和第二柵極共同施加電壓。
[0013]為了使PN結或肖特基結外表面的電場對結區具有有效的電場貫穿效應及避免納米結被擊穿，對所述PN結或肖特基結的位置有要求;優選地，所述PN結或肖特基結的位置突出于襯底表面，具體處于發射體尖端10 nm以下，發射體高度的1/2處以上(500 nm?2 μπι間可調，如I.2 μπι)的1/2處之間。
[0014]本發明所涉及的帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構，如果納米結為PN結，所述N型摻雜半導體的摻雜濃度在114 cm—3?118 cm—3之間，使電場在N型區有一定的貫穿深度。所述P型摻雜半導體的摻雜濃度在119 cm—3?121 cm—3之間;P型摻雜半導體的摻雜濃度大于所述N型摻雜半導體的摻雜濃度的10倍以上。由于P型半導體摻雜濃度遠大于N型半導體，電場貫穿作用對正電荷區(P型半導體一側)的影響比對負電荷區(N型半導體一側)的影響顯著，從而導致勢皇區在納米結區外表面附近收窄，電子的隧穿幾率增強。
[0015]如果納米結為肖特基結，要求能與所述N型摻雜半導體形成肖特基接觸的金屬的費米能級與所述N型摻雜半導體費米能級的差值大于0.4 ^，例如在0.4 eV?1.0 eV之間，才能在N型半導體區形成一定寬度的勢皇區，電場貫穿效應才能對勢皇區形成有效的作用。
[0016]本發明還提供所述帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的制備方法，包括以下步驟:
51.在P型摻雜半導體或能與所述N型摻雜半導體形成肖特基結的金屬材料上制備直立取向的一維N型摻雜半導體納米結構，所述一維N型摻雜半導體納米結構的高度為300 nm?I μπι；
52.以制備的一維N型摻雜半導體納米結構為掩模，使用等離子體或化學溶液刻蝕SI所述的P型摻雜半導體或者金屬材料，制備高度為200?800 nm的P型半導體或金屬一維納米結構，獲得帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的發射體；
53.利用微加工工藝方法集成柵極，并組裝陽極，制備出帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構。
[0017]所述的帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的制備方法，還可以包括以下步驟:
51.選用表面覆蓋有厚度為300nm?I μπι的N型摻雜半導體薄膜的P型摻雜半導體襯底或金屬襯底，在表面制備出直徑為100?200 nm的掩模或掩模陣列；
52.利用等離子體或化學溶液刻蝕SI所述的N型摻雜半導體薄膜及P型摻雜半導體襯底或金屬襯底，獲得帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的發射體；
53.利用微加工工藝方法集成柵極，并組裝陽極，制備出帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構。
[0018]所述的帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的制備方法還可以包括以下步驟:
51.在導電材料上，直接生長P型摻雜半導體一維納米結構或能與所述N型摻雜半導體形成肖特基結的一維金屬納米結構；
52.在所制備的一維納米結構頂端定位生長N型摻雜半導體一維納米結構，制備出帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構的發射體；
53.利用微加工工藝方法集成柵極，并組裝陽極，制備出帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明提供了一種帶反偏置納米結的場致電子發射器件結構，該器件結構由發射體和電極構成