一种集成离子收集电极的场发射器件结构及其制备方法和应用

摘要

本发明公开一种集成离子收集电极的场发射器件结构及其应用方法，所述器件结构包含由下往上依次层叠的阴极、第一绝缘层、电子发射控制电极、第二绝缘层和离子收集电极；所述离子收集电极为具有若干个微孔的平铺电极，微孔孔径为1.5～3.5μm；所述阴极、第一绝缘层、电子发射控制电极及第二绝缘层在微孔中向上凸起形成由内至外、由下往上依次套设的围合结构；所述微孔中的电子发射控制电极高出离子收集电极所在平面，形成火山口状栅孔，所述栅孔顶端与离子收集电极所在平面具有大于300nm的高度差；所述微孔中的阴极位于电子发射控制电极栅孔中，且不高于栅孔顶端；器件结构工作时，电子发射控制电极施加正偏压，离子收集电极施加负偏压。

说明书

技术领域

本发明涉及真空微纳电子器件技术领域，更具体地，涉及一种集成离子收集电极的场发射器件结构及其制备方法和应用。

背景技术

场发射阴极工作过程中，真空环境中残留的气体和电极表面释放的吸附气体受电子轰击离化。由于阴极处于低电位，产生的正离子将轰击阴极，使阴极形貌发生改变甚至造成阴极失效。更进一步地，当阴极工作在低真空或离子环境时，正离子对阴极的轰击作用更明显，从而更容易造成阴极失效。上述问题限制了场发射阴极在低真空及离子环境的应用。已有的弱化离子轰击阴极的方法主要有两种，其一，在阴极表面沉积多晶金刚石、类金刚石或者氮化铝等硬质薄膜，作为保护层，以增强阴极的抗离子轰击能力。正离子的轰击将消耗阴极表面的硬质薄膜；且不同位置受轰击的概率不同，导致阴极发射不均匀。其二，将网状电极放置于阴极正上方，并利用环氧树脂或者银浆等粘结剂进行固定。在该网状电极施加正电压以反射其上方的正离子，进而有效地减少轰击阴极的正离子。但是该方法难以稳定地粘接网状电极，同时也难以控制网状电极与阴极之间的相对位置。而发展一体化集成多层电极的微纳场发射器件结构，利用集成的电极弱化离子轰击阴极，则可能有效地解决上述问题，达到有效保护阴极的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对场发射阴极因离子回轰效应对阴极带来的损害及现有改进方法存在的缺陷和不足，提供一种集成了离子收集电极的场发射器件结构，通过将正离子引导至施加负偏压的离子收集极，可有效减弱离子回轰效应带来的器件失效问题。

本发明的第二个目的是提供所述集成离子收集电极的场发射器件结构的制备方法。

本发明的第三个目的是提供所述集成离子收集电极的场发射器件结构在环境真空度测量中的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种集成离子收集电极的场发射器件结构，包含由下往上依次层叠的阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3、第二绝缘层4和离子收集电极5；所述离子收集电极5为具有若干个微孔的平铺电极，微孔孔径为1.5～3.5μm；所述阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3及第二绝缘层4在微孔中向上凸起形成由内至外、由下往上依次套设的围合结构；所述微孔中的电子发射控制电极3高出离子收集电极5所在平面，形成火山口状栅孔，所述栅孔顶端与离子收集电极5所在平面具有至少300nm的高度差；所述微孔中的阴极1位于电子发射控制电极栅孔中，且不高于栅孔顶端；场发射器件结构工作时，电子发射控制电极3施加正偏压，离子收集电极5施加负偏压。

目前，常见的用于聚焦电子束流的场发射器件结构为在阴极上集成两层电极，靠近阴极的底层电极用于控制电子发射，远离阴极的上层电极用于聚焦电子束流；所述聚焦电极高于电子出射点平面，以最优化电子束流聚焦程度。然而，在本发明提供的集成离子收集电极的场发射器件结构中，离子收集电极和电子发射控制电极顶端具有高度差，离子收集电极低于电子出射点平面，离子收集电极上负偏压对阴极表面电场和出射电子轨迹影响较小。上述所列结构特点是现有的用于聚焦电子束流的场发射器件结构所不具备的。通过施加有负偏压的平铺离子收集电极产生准平行电场，一方面减弱离子收集电极上所施加的负偏压对阴极表面电场的影响。另一方面，离子收集极为电势最低处，有利于吸引正离子，减弱正离子对阴极的轰击。本发明提供的集成离子收集电极的场发射器件结构可应用于低真空或离子环境的新型场发射器件。

更具体地，通过在电子发射控制电极与阴极之间施加电压差，诱导阴极发射电子，电子与环境中的气体分子碰撞，导致气体离化；在离子收集上施加负偏压将正离子引导至收集极，同时排斥电子，减少其被电子发射控制电极俘获的概率；所述结构既可收集离子，弱化离子轰击阴极，提高阴极可靠性，延长阴极寿命；又可通过监测离子收集电极上的离子电流，实现环境真空度的测量。目前，电离真空计中电子源和离子收集极多是非集成机构，体积和质量较大；充当电子源的多为热阴极，热阴极工作时需被加热，致使真空计结构复杂；本发明作为片上集成场发射器件结构，质量轻体积小，不需加热，结构稳定性高，适用于各种环境真空度的测量。

本发明的集成离子收集电极的场发射器件结构，离子收集电极和电子发射控制电极顶端具有高度差，离子收集电极低于电子出射点平面，离子收集电极上负偏压对阴极表面电场和出射电子轨迹影响较小；通过施加有负偏压的平铺离子收集电极产生准平行场，一方面沿电子出射方向加速电子，减少电子被“电子发射控制极”俘获；另一方面，离子收集极为电势最低处，有利于吸引正离子，减弱正离子对阴极的轰击。此外，还可以通过监控离子收集电极上的离子电流测量环境中的真空度。本发明提供的集成离子收集电极的场发射器件结构可应用于低真空或离子环境的新型真空电子器件。上述特点是常规的集成了控制电极的场发射器件所不具备的。

优选地，所述微孔中的阴极为尖锥结构或者表面沉积有低维纳米材料的平台。

优选地，所述阴极的高度为1.2～3.0μm。

具体地，所述阴极材料选自非晶硅、硅、金刚石、钼、铬、镍、六硼化镧、碳化硅、锗、硼、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝或氮化镓中的一种或多种；所述低维纳米材料选自碳纳米管、硅纳米线、氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、金纳米颗粒、金银合金纳米颗粒、类金刚石薄膜中的一种或多种。

所述电子发射控制电极及离子收集电极选自铬、铌、钼、铜、金、银、铝、掺杂非晶硅、氧化铟锡的一种或多种；所述第一绝缘层及第二绝缘层选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪、云母的一种或多种。

优选地，所述电子发射控制电极栅孔顶端与离子收集电极所在平面竖直距离为0.3～1.2μm的高度差；这是综合考虑了第一绝缘层2，第二绝缘层4，电子发射控制电极3厚度的选择。

优选地，所述离子收集电极所在平面与电子发射控制电极顶端的高度差为400～1200nm，以确保所述集成离子收集电极的场发射器件结构具有最优的弱化离子回轰效果。

优选地，所述离子收集电极上的微孔的孔径为1500～3500nm。

进一步优选地，所述离子收集电极孔径为1800～3000nm，其厚度为100～300nm。

更优选地，所述离子收集电极孔径在2000～3000nm；最优选地，所述离子收集电极孔径应在2200～2500nm，这是综合考虑了合理的结构参数和减弱离子回轰效果的选择。

优选地，所述电子发射控制电极顶端平面与阴极顶端平面距离在100nm之内。

更优选地，所述电子发射控制电极顶端平面与阴极顶端平面距离应在50nm之内。

优选地，所述施加在电子发射控制电极的电压在0～300V，施加在离子收集电极上的电压在-200～0V，以获得明显的减弱离子回轰效果和大的场发射电流。

优选地，所述施加在离子收集电极电压上的绝对值小于或者等于施加在电子发射控制电极上的绝对值，以获得明显的减弱离子回轰效果。

优选地，所述微孔中向上凸起的第一绝缘层2和第二绝缘层4与离子收集电极5所在平面齐平。

优选地，所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度为0.1～0.4μm。

优选地，所述电子发射控制电极厚度为0.1～0.3μm。

优选地，所述离子收集电极厚度为0.1～0.3μm。

本发明提供一种可有效减弱离子回轰效应的方法，是在本发明所述集成离子收集电极的场发射器件结构的电子发射控制电极施加正偏压，离子收集电极施加负偏压。

同时，本发明还请求保护集成离子收集电极的场发射器件结构在环境真空度测量中的应用。

具体地，所述测试方法为，器件结构工作时，电子发射控制电极施加电压诱导阴极发射电子，电子与环境中的气体分子碰撞，导致气体离化；离子收集电极上施加负偏压将正离子引导至离子收集电极，同时排斥电子，减少其被电子发射控制电极俘获的概率；分别测量离子收集电极上的离子电流I_i，阴极电子电流I_c和电子发射控制电极上的电子电流I_g，环境真空度的测量公式为：

Ii/(I_c-I_g)＝K×P

其中，P为测试系统压强，K为灵敏度系数，Ii/(I_c-I_g)被定义为归一化的离子电流，K的取值取决于器件结构参数、电压值以及离子收集极的收集效率。

本发明还请求保护上述任一所述的集成离子收集电极的场发射器件结构的制备方法，包括如下步骤：

S1.在阴极及衬底上制备第一绝缘层；

S2.在S1所述的第一绝缘层上沉积电子发射控制电极；

S3.旋涂光刻胶，显影得到光刻胶图形；

S4.刻蚀光刻胶，将光刻胶减薄，至露出电子发射控制电极，再去除未被光刻胶覆盖的电子发射控制电极；

S5.在S4所述的结构上依次沉积第二绝缘层离子收集电极；

S6.重复S3，刻蚀光刻胶，将光刻胶减薄，至露出离子收集电极，再去除未被光刻胶覆盖的离子收集电极；

S7.再刻蚀第二绝缘层，直至阴极顶端露出。

优选地，所述第一绝缘层为0.1～0.4μm。

优选地，所述电子发射控制电极厚度为0.1～0.3μm。

优选地，所述离子收集电极厚度为0.1～0.3μm。

优选地，所述衬底为金属或半导体材料；所述半导体材料选自硅、氮化硅、锗、硼、金刚石、氧化锌、氧化钛、氧化铜、氧化钨、氮化铝或氮化镓中的一种或多种。

优选地，所述刻蚀为等离子刻蚀或化学刻蚀；更优选地，步骤S4和S6所述刻蚀为等离子体刻蚀。

具体地，所述集成离子收集电极的场发射器件结构的制备方法，包括如下步骤：

S1.在阴极及衬底上制备出厚度为0.1～0.4μm的第一绝缘层；

S2.在S1所述的第一绝缘层上沉积厚度为0.1～0.3μm的电子发射控制电极；

S3.旋涂光刻胶，采用光刻方法定义光刻胶图形，图形的直径或宽度为0.7～3.5μm；

S4.利用等离子体刻蚀光刻胶，将光刻胶减薄至0.8～1.5μm，露出电子发射控制电极，接着利用化学溶液去除未被光刻胶覆盖的电子发射控制电极；

S5.在S4所述的结构上依次沉积厚度为0.1～0.4μm的第二绝缘层和厚度为0.1～0.3μm的离子收集电极；

S6.重复S3，接着利用等离子体刻蚀光刻胶，将光刻胶减薄至0.5～1μm，露出离子收集电极；接着利用化学溶液去除未被光刻胶覆盖的离子收集电极；

S7.利用化学溶液刻蚀第二绝缘层，直至阴极顶端露出。

作为一种具体的实施方式，当所述阴极结构材料是硅时，S1所述的绝缘层为氧化硅时，制备步骤如下：

S11.在800～1200℃下氧化成衬底和尖锥，使其表面形成二氧化硅；

S12.利用等离子体刻蚀衬底平面上的二氧化硅，同时保留硅尖锥表面的二氧化硅，作为绝缘保护层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开一种集成离子收集电极的场发射器件结构，包含由下往上依次层叠的阴极、第一绝缘层、电子发射控制电极、第二绝缘层和离子收集电极；所述离子收集电极为具有若干个微孔的平铺电极，微孔孔径为1.5～3.5μm；所述阴极、第一绝缘层、电子发射控制电极及第二绝缘层在微孔中向上凸起形成由内至外、由下往上依次套设的围合结构；所述微孔中的电子发射控制电极高出离子收集电极所在平面，形成火山口状栅孔，所述栅孔顶端与离子收集电极所在平面具有至少300nm的高度差；所述微孔中的阴极位于电子发射控制电极栅孔中，且不高于栅孔顶端；离子收集电极施加负偏压，在电子发射控制电极上方形成准平行电场；器件结构工作时，电子发射控制电极施加电压诱导阴极发射电子，电子与环境中的气体分子碰撞，导致气体离化；离子收集上所施加的负偏压将正离子引导至收集极，同时排斥电子，减少其被电子发射控制电极俘获；所述结构既可收集离子，弱化离子轰击阴极，提高阴极可靠性，延长阴极寿命；又可监测离子电流，实现环境真空度的测量。

本发明的集成离子收集电极的场发射器件结构与非集成场发射器件结构相比，本发明提供的集成离子收集电极的场发射器件结构，离子收集电极与阴极、电子发射控制极进行片上集成，质量轻体积小，不需加热，结构稳定性高，无需添加额外装置达到保护阴极的目的。结构简单，容易实现应用在低真空或离子环境的阵列式电子源的制作，本发明所述集成了离子收集电极的场发射器件结构具有实际而广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明集成了离子收集电极的场发射器件结构示意图。

图注：1-阴极；2-第一绝缘层；3-电子发射控制电极；4-第二绝缘层；5-离子收集极。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际器件的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，一种集成了离子收集电极的场发射器件结构，包含由下往上依次层叠的阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3、第二绝缘层4和离子收集电极5；离子收集电极5为具有4个微孔的平铺电极，微孔孔径为1.5～3.5μm(本实施例中为2μm)；阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3及第二绝缘层4在微孔中向上凸起，形成由内至外、由下往上依次套设有阴极1、第一绝缘层2、电子发射控制电极3、第二绝缘层4和离子收集电极5的围合结构；微孔中的电子发射控制电极3高出离子收集电极5所在平面，形成具有火山口状的栅孔，其孔径为0.6μm，该栅孔顶端与离子收集电极5所在平面具有0.3～1.2μm的高度差(例如0.5μm、0.7μm、1μm，本实施例中为1μm)；微孔中的阴极1位于电子发射控制电极栅孔中，该阴极为表面附着有金纳米颗粒的硅材料圆台，该圆台的高度为2.2μm，衬底材料为硅，阴极顶端平面与电子发射控制电极3的栅孔顶端处于同一水平面；向上凸起的第一绝缘层2和第二绝缘层4与离子收集电极5所在平面齐平。

第一绝缘层2和第二绝缘层4为二氧化硅薄膜，电子发射控制电极3和离子收集电极5为Cr金属薄膜。该集成离子收集电极的场发射器件结构工作时，电子发射控制电极3施加正偏压，离子收集电极5施加负偏压，施加在离子收集电极5上负偏压的绝对值小于或者等于施加在电子发射控制电极3上的正偏压。

集成离子收集电极的场发射器件结构可通过在离子收集电极5上施加负压，使离子收集电极5成为整个器件结构中的电势最低处，将正离子引导至离子收集电极5，使阴极1被离子轰击的概率减小，到达保护阴极1的目的。

上述集成了离子收集电极的场发射器件结构通过以下方法制备而成：

S1.在阴极及衬底上，利用化学气相沉积系统在其表面沉积厚度为0.2～1μm的二氧化硅保护层；

S2.在S1的基础上，利用溅射方法在其表面沉积厚度为0.1～0.25μm的铬电极保护层；

S3.旋涂厚度为2.6～2.9μm的光刻胶；利用光学光刻系统对光刻胶进行曝光；对曝光样品进行显影，得到电极条；

S4.利用电感耦合等离子体刻蚀系统对电极进行自对位开孔，刻蚀光刻胶，露出电极顶端；

S5.利用高氯酸、硝酸铈铵的混合溶液对露出的电极进行刻蚀；

S6.去掉表面光刻胶，重复步骤S2～S4；减薄光刻胶至0.9～1.1μm；

S7.利用高氯酸、硝酸铈铵的混合溶液对露出的电极进行刻蚀；

S8.用体积比为9:1的去离子水和氢氟酸的混合溶液去除二氧化硅，即在衬底上获得完整的集成了离子收集电极的场发射器件结构，离子收集电极上的微孔直径为1.5～3.5μm。

利用COMSOL Multiphysics软件的静电模块与带电粒子追踪模块对离子收集极弱化离子回轰阴极的效果进行模拟仿真。仿真针对两类器件结构进行，分别是集成了离子收集电极的场发射器件结构和具有相同几何结构参数的未集成离子收集电极的场发射器件结构。仿真中采用的集成离子收集电极的场发射器件结构的离子收集电极微孔直径为2μm，电子发射控制电极上的栅孔直径为0.6μm，电子发射控制电极顶端与离子收集电极所在平面具有1μm高度差，绝缘层厚度均为300nm。仿真的思路是在空间随机释放带正电的初始速度为零的自由氢离子，分析比较到达阴极的氢离子的数量。仿真时，两类器件的电子发射控制电极均施加60V，对于集成了离子收集电极的场发射器件结构，离子收集电极上施加的电压为-60V。在上述电压条件下，在空间随机释放103000个氢离子。仿真结果表明，对于未集成离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数为10016个；对于集成了离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数仅为7482个，离子收集极有效减少了回轰阴极的离子数目。

进一步将两类器件的电子发射控制电极上设置为150V，离子收集电极上的电压设置为-100V。在上述电压条件下，在空间随机释放103000个氢离子。仿真结果表明，对于未集成离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数为11200个；对于集成了离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数仅为6400个，离子收集极有效减少了回轰阴极的离子数目。

上述实施结果表明本发明所涉及的集成离子收集电极的场发射器件结构可有效减少回轰阴极的离子的数目。

实施例2

实验方法同实施例1，不同的是，将阴极从表面附着有金纳米颗粒的硅圆台改为表面附着有氧化锌纳米线、氧化钛纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氮化铝纳米线等材料中的一种。

实施例3

实验方法同实施例1，不同的是，将阴极从表面附着有金纳米颗粒的硅圆台改为尖锥。尖锥高2.2μm，锥角30°。尖锥阴极材料为铬，钼，镍，六硼化镧、硅、锗、硼或金刚石等材料中的一种。

实施例4

实验方法同实施例1，唯一不同的是所述绝缘层的材料为氮化硅。

实施例5

实验方法同实施例1，唯一不同的是，所述电极材料为铌、镍、钼、钨、非晶硅。

对比例1

实验方法同实施例1，唯一不同的是，本实施例中所述离子收集电极孔径大于3.5μm，为4μm。当离子收集电极孔径为4μm时，两类器件的电子发射控制电极均施加60V，对于集成了离子收集电极的场发射器件结构，离子收集电极上施加的电压为-60V。在上述电压条件下，在空间随机释放103000个氢离子。仿真结果表明，对于未集成离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数为10016个；对于集成了离子收集电极的场发射器件结构，落在阴极上的离子数仅为9896个，离子收集电极弱化离子回轰效果不明显。

对比例2

实验方法同实施例1；唯一不同的是，本实施例中集成了离子收集电极的场发射器件结构的电子发射控制电极3栅孔顶端与离子收集电极5所在平面的高度差小于300nm，为100nm。计算结果表明，电子发射控制电极电压为60V，离子收集电极上施加的电压为-60V时，电子发射控制电极栅孔顶端与离子收集电极高度差为100nm的器件结构，其阴极顶端表面电场强度仅为1.1MV/m；在两电极施加相同电压，电子发射控制电极栅孔顶端与离子收集电极高度差为300nm的器件结构，其阴极顶端表面电场强度为1.6MV/m。前者阴极顶端表面电场强度仅为后者的68.75％。此实施例中的离子收集电压对器件结构阴极表面电场存在明显的弱化效应，抑制阴极的电子发射。