[發明專利]碳納米管場發射電子源的限流保護結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201811023394.7
• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN110875166B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 姚智偉;孫泳海
• 申請（專利權）人: 姚智偉
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J9/02
• 代理公司: 北京冠和權律師事務所 11399
• 代理人: 朱健;張國香

本發明提供了一種碳納米管場發射電子源的限流保護結構，包括豎直方向上間隔一預設距離設置的陽極以及陰極基板，所述陽極位于陰極基板的上部；所述陰極基板的上表面由下至上依次連接有柱狀半導體限流結構、頂層電極以及垂直排列獨立碳納米管發射體，所述柱狀半導體限流結構和頂層電極的截面積相同。本發明的主要目的是通過使用半導體限流技術提高碳納米管場發射陰極的使用壽命和可靠性。使得碳納米管場發射陰極可以滿足醫用影像設備及軍用雷達對高密度電子源陣列的性能和使用壽命的要求，以進一步推動X射線陣列和微波陣列的發展。

技術領域

本發明涉及真空電子設備、X射線、電子槍、場發射陰極、碳納米管、微電子、半導體設備、雷達、計算機斷層掃描的技術領域中，特別涉及一種碳納米管場發射電子源的限流保護結構及其制備方法。

背景技術

目前，場致電子發射（場發射）作為一種純量子現象已經進行了長年的理論研究。很多種場發射電子源被開發出來，最具代表性的是金屬尖錐陰極和碳納米管場發射陰極。

金屬尖錐場發射陰極最早由SRI的Spindt博士在1968年開發(美國專利號US3755704A)。其基本結構示于附件中圖1A。該結構使用微電子技術制造。具有很高的電流密度并且所需的控制電壓很低。因此曾被認為是革命性的真空電子技術。然而由于金屬尖錐陰極需要極高真空才能穩定工作，復雜的大型真空系統使得該技術只能用于科研設備和高端實驗設備，而無法實現商品化和產業化。因此該技術已很少用于產品開發。

碳材料的場發射陰極可以在高真空中穩定工作，其最高工作壓強比金屬尖錐陰極高五個數量級，可以通過使用常規真空系統滿足其工作環境要求，具有商品化和產業化的潛力。碳納米管是一維納米材料，具有高導電性，高長徑比，耐高溫，低表面擴散，及高穩定性。因此碳納米管是目前最有前途的場發射體。

由碳納米管和導電膠混合并采用絲網印刷方式制備的場發射陰極已經被開發出來（美國專利號US6277318B1）。其基本結構示于附件中圖1B。然而由于該方法中碳納米管的密度和高度都是隨機分布的，該方法制備的場發射體均勻性和壽命都有很大不足。

大間距垂直碳納米管陣列能夠避免碳納米管之間的屏蔽作用，并且長度和直徑的差異都很小。因此垂直碳納米管陣列具有最好的場發射均勻性。為了進一步提高碳納米管的壽命，我們曾經研發了一種為每一根碳納米管串聯一個獨立電阻的保護機制及其制備方法。其結構示意圖示于附件中圖1C（美國專利號US9053890B2）。在該技術中，采用的電阻限流保護方法具有線性電組特性。因此當電流增大時，功耗也相應增大。由于該技術中限流機制采用的是線性限流電阻，當場發射體工作在超出工作范圍的電壓下時，發射電流依舊會持續升高，以至于達到損壞碳納米管的程度。同時，由于保護電阻沒有最大電流限制，碳納米管被大電流損壞的風險依然存在。類似的技術也曾被使用在金屬尖錐場發射陰極中。產生這個問題的原因的所采用的材料是未摻雜的半導體材料，電流是由電子和空穴的共同移動產生的，且電壓和電流之間是線性關系。較高的發射電流會產生較大的壓降，因此耗散功率會增加，以至于少數高電流碳納米管能夠引起整個陰極的溫度升高，導致場發射電流不穩定。

另一種被提出的場發射陰極保護技術是采用金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）用于單根碳納米管的限流。碳納米管合成過程中需要高達七百攝氏度的高溫，然而MOSFET器件在超過四百攝氏度時會被高溫損壞，因此雖然該技術所提出的結構在仿真模擬中表現出良好的性能，但根據目前的技術水平，該設備無法被制造出來。

縱觀現有的場發射陰極技術，由于單個場發射體的最大發射電流受其物理尺寸的限制，要達到實際應用所需的發射電流，場發射陰極必須由大量的發射體陣列組成。隨機的排布大量碳納米管可以簡單地通過絲網印刷或者電泳技術制備。然而由于隨機分布的碳納米管間距和高度無法控制，一些具有高度和位置優勢的碳納米管會提供較其他碳納米管更大的發射電流，以至于更容易被電流超載而燒毀。此外，隨機分布的碳納米管無法通過附加額外保護裝置提高均勻性和壽命，因此很難滿足市場對場發射體的使用壽命要求。