一種尖錐陣列場致發射三極結構及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種尖錐陣列場致發射三極結構及其制作方法，所述結構包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，在氧化層的每個空腔內設置有一個金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設置在陰極基底上，石墨烯柵極設置在氧化層上。本發明采用石墨烯柵極代替傳統的金屬柵極，且與傳統Spindt型場致發射陣列制備流程有所不同。本發明是在尖錐形成及清洗雜質后，在氧化層上覆蓋單層或少層石墨烯作為柵極，這一方面可在石墨烯柵極制備前對尖錐和空腔內的金屬雜質進行有效的清洗，降低陰柵短路風險，另一方面石墨烯層可在其下方形成更均勻的電場，有效降低了尖錐發射電子所需要的電壓。
【專利說明】
一種尖錐陣列場致發射三極結構及其制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種以單層或少層石墨烯作為柵極的尖錐陣列場致發射三極結構及其制作方法，屬于真空電子器件技術。
【背景技術】
[0002]Spindt陰極是研發最早的場發射陰極，其性能卓越，且能夠在較小的面積上同時實現很高的電流密度和很大的總電流，非常適用于微波功率器件。當工作頻率上升至太赫茲頻段，器件對陰極電流密度要求超過lOOA/cm2，其他陰極很難達到要求。真空微電子學研究初期，幾乎所有的場發射應用研究都曾嘗試過該陰極，但是Spindt型場發射陰極可靠性不高，限制了其應用發展。其主要問題有陣列不均勻性導致局部過度發射，空間放電誘發電弧，初期老煉過程中容易失效及發射尖錐和柵極間短路、漏電等。其原因主要有以下幾點:
[0003]第一、沉積制作發射尖錐過程中產生的金屬顆粒雜質在分離層剝離時脫落，它們附著在發射尖錐表面、柵極邊緣以及承載尖錐的二氧化硅空腔中，尤其是一些空腔內部的沉積物，很難徹底去除。這些金屬顆粒沉積物的存在，會導致初期陰極失效，并且成為后期應用的潛在隱患。
[0004]第二、傳統的Spindt陰極是在結構制作好之后清洗其內部的雜質，一方面空腔內部的雜質不能有效去除，而這些沉積顆粒隱藏在柵極下空腔內部，從SEM觀測圖中幾乎看不至IJ，但這些顆粒的存在會影響到尖錐及空腔內部電場分布及陰柵短路。另一方面若去除時時間和強度過大，又可能使柵極開裂，甚至尖錐脫落。
[0005]第三、Spindt陰極制作過程中，S12的去除過程中，柵極下空腔會被腐蝕，而陣列中各發射尖錐之間的距離往往較近，這就使的柵極層下僅有部分S12支撐，當S12絕緣層和金屬柵極之間的結合力不足以支撐柵極上方沉積分離層及金屬閉合層時，柵極會產生開裂現象，這會造成陰柵短路及后期測試中電弧損毀。
[0006]第四、由于各陰柵之間結構的差異導致其電場的不均勻性，進而引起每個發射體的不均勻性，容易產生局部過度發射而導致整個陰極失效。
【發明內容】
[0007]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種能夠有效降低陰柵短路問題及柵極開裂問題的場發射陣列三極結構，同時降低尖錐場致發射陣列制備的工藝難度;本發明采用單層或少層石墨烯(或類似原子級層狀結構)作為柵極電極，可以在相同驅動電壓下獲得更大的尖錐表面電場，使得整個陣列的發射均勻性得到改善。
[0008]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0009]—種尖錐陣列場致發射三極結構，包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個空腔內設置有一個金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設置在陰極基底上，石墨烯柵極設置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙。
[0010]優選的，所述金屬尖錐的尖端曲率半徑小于50nm，以保證金屬尖錐的發射效率。
[0011]優選的，所述氧化層的厚度為Ium左右，優選為0.8?1.2um;空腔的孔徑為Ium左右，優選為0.8?1.2um0
[0012]優選的，沿矩形陣列線，相鄰兩個金屬尖錐大端面中心點的直線距離為4.5?5.5un。
[0013]優選的，綜合考慮電子的通過效率和石墨烯層柵極需要承載的電壓，設計所述石墨烯柵極為單層結構或少層結構，所述少層為2?4層。
[0014]所述石墨烯柵極可以替換為其他任何具有原子級的層狀網格原子結構或類似的原子結構的材料;與金屬層柵極比較，在其他參數相同的情況下，石墨烯柵極可以使得尖錐頂部獲得更大的電場，同時尖錐陣列的發射更為均勻。
[0015]一種尖錐陣列場致發射三極結構的制作方法，包括如下步驟:
[0016](I)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層氧化層，氧化層的厚度根據金屬尖錐的高度設計；
[0017](2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對光刻膠層進行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層；
[0018](3)采用離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠；
[0019](4)旋轉硅基底的同時，使蒸發源以設定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一定厚度的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區域；在制作分離層時，避免金屬鋁填充到空腔內；
[0020](5)旋轉硅基底的同時，垂直蒸發金屬鉬，控制蒸發時間，在空腔內形成鉬微尖的同時覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層；
[0021](6)用化學腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層；
[0022](7)清洗鉬微尖和空腔內包括金屬顆粒在內的雜質，使用直接干法或濕法轉移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開口。
[0023]有益效果:本發明提供的以單層或少層石墨烯作為柵極的尖錐陣列場致發射三極結構及其制作方法，具有如下優點:
[0024]1、本發明提出的石墨烯柵極Spindt陰極結構，在柵極制作前，可對陰極及空腔部分充分清洗，去除剝離層溶解過程中形成的金屬顆粒雜質，空腔內部的雜質可很好的去除，通過SEM可觀察清除效果，達到要求后，再在其氧化層上制備石墨烯柵極，這可有效降低陰柵短路的風險；
[0025]2、本發明的石墨烯柵極是在清洗雜質之后制備在二氧化硅支撐體上，可避免清洗過程中柵極開裂現象，工藝難度大大降低；
[0026]3、本發明的石墨烯柵極結構是覆蓋在整個發射尖錐上方，相對于傳統的尖錐陣列結構的陰極，其他參數相同的條件下，本結構可在陰極尖錐表面產生更大的電場，因此可降低調制電壓；
[0027]4、本發明的石墨烯柵極層的柵極孔極小且均勻分布在陰極尖錐上，因此可在柵極層下方和尖錐上方空間產生相對均勻的電場，陣列的發射均勻性可得到有效改善。
【附圖說明】
[0028]圖1為硅基底和在其上形成的氧化層；
[0029]圖2為在氧化層上覆蓋光刻膠，確定發射體尺寸；
[0030]圖3為腐蝕形成的空腔；
[0031 ]圖4為在二氧化硅層上旋涂分離層；
[0032]圖5為形成發射尖錐和閉合層；
[0033]圖6為腐蝕去掉閉合層和分離層；
[0034]圖7為使用轉移法制備石墨烯柵極；
[0035]圖8為本發明的結構不意圖；
[0036]圖中包括:1-硅基底，2-氧化層，3-光刻膠層，4-分離層，5-閉合層，6_金屬尖錐，7_石墨烯。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0038]一種尖錐陣列場致發射三極結構，包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個空腔內設置有一個金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設置在陰極基底上，石墨烯柵極設置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙;所述石墨烯柵極為單層結構或少層結構，所述少層為2?4層。
[0039]一種尖錐陣列場致發射三極結構的制作方法，包括如下步驟:
[0040](I)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層厚度約為Ium的氧化層，氧化層的厚度根據金屬尖錐的高度設計，如圖1所示；
[0041](2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對光刻膠層進行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層，如圖2所示；
[0042](3)采用化學腐蝕或反應等離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠，如圖3所示；
[0043](4)旋轉硅基底的同時，使蒸發源以設定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一層厚度約為0.2um的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區域，如圖4所示;在制作分離層時，避免金屬鋁填充到空腔內；
[0044](5)旋轉硅基底的同時，垂直蒸發金屬鉬，控制蒸發時間，在空腔內形成鉬微尖的同時覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層，如圖5所示；
[0045](6)用化學腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層，如圖6所示；
[0046](7)清洗鉬微尖和空腔內包括金屬顆粒在內的雜質，通過SEM觀察清除效果，達到要求后，再使用直接干法或濕法轉移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開口，如圖7所示。
[0047]本發明在制備工藝上進行了明顯的簡化，沉積尖錐陣列及去除分離層時不需要考慮柵極情況，防止了傳統制備過程中沉積尖錐及金屬閉合層時造成分離層及柵極開裂，甚至金屬通過裂縫到達柵極表面和尖錐空腔而引起陰柵短路。
[0048]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種尖錐陣列場致發射三極結構，其特征在于:包括陰極基底、氧化層、金屬尖錐和石墨烯柵極，氧化層上設置有貫穿氧化層厚度的空腔陣列，在氧化層的每個空腔內設置有一個金屬尖錐，所有金屬尖錐共同形成金屬尖錐陣列，氧化層設置在陰極基底上，石墨烯柵極設置在氧化層上;金屬尖錐的大端面設置在陰極基底上，金屬尖錐的尖端與石墨烯柵極間存在間隙。2.根據權利要求1所述的尖錐陣列場致發射三極結構，其特征在于:所述金屬尖錐的尖端曲率半徑小于50nm，以保證金屬尖錐的發射效率。3.根據權利要求1所述的尖錐陣列場致發射三極結構，其特征在于:所述氧化層的厚度為0.8?I.2um，空腔的孔徑為0.8?I.2um。4.根據權利要求1所述的尖錐陣列場致發射三極結構，其特征在于:沿矩形陣列線，相鄰兩個金屬尖錐大端面中心點的直線距離為4.5?5.5un。5.根據權利要求1所述的尖錐陣列場致發射三極結構，其特征在于:所述石墨烯柵極為單層結構或少層結構，所述少層為2?4層。6.一種尖錐陣列場致發射三極結構的制作方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)在硅基底上表面，用熱氧化法制備一層氧化層，氧化層的厚度根據金屬尖錐的高度設計； (2)在氧化層上表面制備一層光刻膠層，對光刻膠層進行光刻形成空腔圖形，裸露出空腔位置處的氧化層； (3)采用離子刻蝕法腐蝕空腔位置的氧化層，裸露出空腔位置處的硅基底，去除氧化層上表面剩余的光刻膠； (4)旋轉硅基底的同時，使蒸發源以設定角度入射到氧化層上表面，在氧化層上表面沉積一定厚度的金屬鋁作為分離層，分離層覆蓋住氧化層上表面和空腔開口邊沿區域;在制作分離層時，避免金屬鋁填充到空腔內； (5)旋轉硅基底的同時，垂直蒸發金屬鉬，控制蒸發時間，在空腔內形成鉬微尖的同時覆蓋住分離層并堵塞空腔開口，形成閉合層； (6)用化學腐蝕法腐蝕分離層，去掉分離層和閉合層； (7)清洗鉬微尖和空腔內包括金屬顆粒在內的雜質，使用直接干法或濕法轉移法，在氧化層上表面制備石墨烯層作為石墨烯柵極，石墨烯層覆蓋住氧化層上表面并堵塞空腔開□ O
【文檔編號】H01J1/304GK105931931SQ201610312913
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】狄云松, 杜小飛, 王琦龍, 張曉兵, 雷威
【申請人】東南大學