[實(shí)用新型]一種場發(fā)射陰極和真空電子器件用電子源

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720530843.1
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN206877963U
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李興輝;蔡軍;馮進(jìn)軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J9/02
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司11257
• 代理人: 張雪梅

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及真空電子技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種場發(fā)射陰極和真空電子器件用電子源。

背景技術(shù)

場發(fā)射陰極可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)啟動(dòng)和室溫工作，而且其電子引出無需外能，功耗小，電流密度大。傳統(tǒng)真空電子器件使用場發(fā)射陰極作為電子源，有助于降低功耗，提高頻率，實(shí)現(xiàn)器件小型化、集成化。場發(fā)射陰極潛在應(yīng)用涉及顯示器，微波功率放大器，傳感器，X射線管，高能粒子加速器，以及各種顯微鏡、離子槍和質(zhì)量分析器。研制高性能場發(fā)射陰極，對真空電子器件的發(fā)展和進(jìn)步，具有積極的意義。

傳統(tǒng)集成柵控尖錐陣列場發(fā)射陰極如Spindt陰極，因其工作電壓低，電子束易于成型而廣受關(guān)注。然而集成柵控場發(fā)射陰極，由于發(fā)射體和柵極距離很近，容易因?yàn)殛帠哦搪穼?dǎo)致器件失效，工作可靠性較差。近年來非集成柵控的場發(fā)射陰極的研究更受關(guān)注。

非集成柵控的場發(fā)射陰極包括薄膜型，無序管線型，簇叢陣列型和尖錐陣列型，其中尖錐陣列型最容易實(shí)現(xiàn)規(guī)則制作，得到良好的陰極發(fā)射均勻性。制作無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極，可以使用化學(xué)腐蝕法，聚焦離子束刻蝕法，倒模成型法和Spindt陰極去柵法。然而化學(xué)腐蝕法制作尖錐僅限于硅系等半導(dǎo)體材料，但硅并非很好的發(fā)射材料；聚焦離子束刻蝕法成本高昂，在制造大面積陣列時(shí)候尤為如此；倒模成型法存在均勻性，以及陣列需要二次轉(zhuǎn)移問題；Spindt陰極本身制造已經(jīng)非常復(fù)雜高難，再次加工則繁復(fù)加劇。

因此無論從科學(xué)研究，或是實(shí)用化的角度，都迫切需要一種簡便易行、成本較低的制造無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的第一個(gè)目的在于提供一種場發(fā)射陰極。

本實(shí)用新型的第二個(gè)目的在于提供一種無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極的制備方法，以期解決化學(xué)腐蝕法僅限于制作硅系等半導(dǎo)體材料尖錐、聚焦離子束刻蝕法成本高昂、倒模成型法需二次轉(zhuǎn)移以及Spindt陰極去柵法工藝繁復(fù)等問題。

本實(shí)用新型的第三個(gè)目的在于提供一種真空電子器件用電子源。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案：

一種場發(fā)射陰極，該場發(fā)射陰極為無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極，包括導(dǎo)電基片和形成于基片上表面的場發(fā)射尖錐陣列。

優(yōu)選地，所述場發(fā)射陰極的發(fā)射材料為任何適合蒸發(fā)鍍膜的材料，所述材料具有高熔點(diǎn)，同時(shí)具有低功函數(shù)，所述高熔點(diǎn)為≥2000℃，所述低功函數(shù)為≤5eV；優(yōu)選地，所述發(fā)射材料為金屬鉬、鉭、鎢或金屬碳化物如碳化鋯，但并不僅限定于這些材料。本實(shí)用新型的方法適用于任何適合蒸發(fā)鍍膜的金屬和非金屬場發(fā)射材料，克服了化學(xué)腐蝕法制作尖錐僅限于硅系等半導(dǎo)體材料的缺點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述陰極沿矩形陣列線，相鄰兩個(gè)金屬尖錐大端面中心點(diǎn)的直線距離為4.5～5.5μm；所述尖端的曲率半徑≤50nm。

優(yōu)選地，所述場發(fā)射陰極的導(dǎo)電基片為拋光導(dǎo)電基片，或包括拋光基片和形成于拋光基片表面的導(dǎo)電薄膜的復(fù)合基片。基片的材料是本領(lǐng)域人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)際需要可以做出選擇的材料，所述導(dǎo)電基片材料包括但不僅限于金屬單質(zhì)，拋光基片材料包括但不僅限于石英、藍(lán)寶石和硅，導(dǎo)電薄膜材料包括但不僅限于金屬單質(zhì)。

一種真空電子器件用電子源，其特征在于，包括如權(quán)利要求1～4任一所述的無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極和外加非集成引出柵極。傳統(tǒng)集成柵極Spindt陰極的發(fā)射尖錐和集成柵極之間距離較短，為微米或亞微米級，因此在真空電子器件中使用時(shí)，常常由于陰柵極間漏電或者真空電弧產(chǎn)生，引起整個(gè)器件失效。而本實(shí)用新型制作的無集成柵極Spindt陰極，其使用的外加非集成引出柵極和發(fā)射尖錐距離較遠(yuǎn)，為幾十微米至幾百微米量級，陰柵極間基本不會漏電，即使有電弧產(chǎn)生，一般也不會短路失效，因此提高了陰極使用以及整個(gè)器件的可靠性。

一種無集成柵極尖錐陣列場發(fā)射陰極的制備方法，包括如下步驟：

1)在擬制作尖錐陣列場發(fā)射陰極的基片表面涂覆光刻膠。

2)將步驟1)中涂有光刻膠的基片進(jìn)行曝光，對曝光后的基片進(jìn)行顯影，得到圓形孔洞陣列光刻膠基片；這些圓孔將作為制作尖錐的承載孔。

3)令步驟2)得到的基片沿自身法線方向自轉(zhuǎn)，同時(shí)相對基片表面以傾斜角度蒸鍍一層犧牲層材料，從而使蒸鍍的犧牲層包覆于光刻膠表面，減小光刻形成的光刻膠圓孔頂部開口的尺寸。用該方法蒸鍍材料，令材料不斷沉積在圓孔開口，形成小口徑大空腔結(jié)構(gòu)，以利于后續(xù)尖錐成型。由于為直線蒸發(fā)角度，所以犧牲層材料并不會進(jìn)入到光刻膠孔下部和底部。