[發明專利]帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源及其制作方法

有效

• 申請號: 201811619109.8
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109767961B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 李興輝;韓攀陽;謝云竹;李含雁;李棟;蔡軍;馮進軍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十二研究所
• 主分類號: H01J3/02
• 分類號: H01J3/02;H01J9/00
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發明公開了一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源，其特征在于，包括從下到上依次設置的基底、發射尖錐、絕緣層、屏蔽層和柵極；所述發射尖錐至少部分暴露于所述絕緣層外，所述屏蔽層位于由所述發射尖錐、絕緣層和柵極構成的空腔中，以隔斷所述發射尖錐和柵極。該場發射電子源帶有防止沿絡電弧的屏蔽結構，能有效防止傳統場發射電子源的常見的沿絡電弧失效的問題發生。本發明還公開了一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源的制作方法。

技術領域

本發明涉及真空電子技術領域。更具體地，涉及一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源及其制作方法。

背景技術

場發射電子源具有不需加熱，室溫工作，功耗小，瞬時啟動以及電流密度大等特點。新型場發射真空電子器件，比傳統的真空電子器件具有更小的體積和更輕的重量，同時和半導體器件相比，它可以工作在更高的頻率、更大的功率、更寬的溫度范圍以及較強輻射的環境，具有很好的性能優勢。場發射電子源潛在應用涉及各種顯微鏡、顯示器、離子槍、質量分析器、陰極射線管、X射線發射器、微波功率放大器、高能粒子加速器和電子束光刻，具有廣泛的應用。研制高性能場發射電子源，對真空電子器件的發展和進步，具有積極的意義。

尖錐陣列型電子源是開發最早，發展和應用最為成熟的場發射電子源，其主要包括雙向沉積工藝制造的Spindt陰極電子源，倒模澆鑄工藝制造的全金屬尖錐陣列電子源，以及全半導體工藝制造的硅尖錐陣列電子源等。前期研究的傳統尖錐陣列型電子源，其主體結構一般只基于發射尖錐、絕緣層和柵極。一個倒模澆鑄工藝制造的金屬尖錐如圖1所示，圖1中，各部件標號分別表示為：01-基底，02-過渡層，03-尖錐承載層，04-絕緣層，06-柵極，07-發射尖錐。正常工作時，在柵極和發射尖錐之間施加電壓，就會在圖中A處尖錐頂端產生期望的發射電子。然而這種發射尖錐/絕緣層/柵極結構電子源，在大電流應用時常會出現電弧失效，影響器件可靠性。隨后研究表明，出現電弧失效的誘因，是當柵極和發射尖錐之間施加高電壓時，在圖中B處金屬/絕緣層/真空三結合點部位會產生非期望的發射電子，非期望的發射電子沿絕緣層爬升倍增，形成沿絡放電繼而誘發電弧。

在前期技術中，已有針對這種失效的相關措施。日本NEC研究團隊，分別在Spindt陰極電子源和硅尖錐陣列電子源的空腔內部使用絕緣結構，隔離沿絡放電，其研究成果申請專利并獲授權，如：公開號為US006369496B1的美國發明專利。其中使用絕緣結構的Spindt陰極電子源如圖2所示，圖2中，各部件標號分別表示為：01-基底，04-絕緣層，05-絕緣結構，06-柵極，07-發射尖錐，然而該發明制造方法工藝非常復雜。而其中的硅尖錐電子源，由于硅材料逸出功較大，化學穩定性差，導電、導熱性能差，影響了其實用性。因此無論從科學研究，或是實用化的角度，都迫切需要一種工藝簡便易行、工作可靠性高的場發射電子源。

因此，需要提供一種新的尖錐陣列型場發射電子源，以解決上述存在的技術問題。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源，該場發射電子源帶有防止沿絡電弧的屏蔽結構，能有效防止傳統場發射電子源的常見的沿絡電弧失效的問題發生。

本發明的第二個目的在于提供一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源的制作方法，該制備方法簡單易于實施。

為達到上述第一個目的，本發明提供一種帶屏蔽結構的尖錐陣列型場發射電子源，其包括從下到上依次設置的基底、發射尖錐、絕緣層、屏蔽層和柵極；所述發射尖錐至少部分暴露于所述絕緣層外，所述屏蔽層位于由所述發射尖錐、絕緣層和柵極構成的空腔中，以隔斷所述發射尖錐和柵極。

優選地，所述發射尖錐的材料選自高熔點、低功函數的純金屬。

優選地，所述發射尖錐的材料選自W或Mo。

優選地，所述發射尖錐暴露于所述絕緣層外的高度至少為其總高度的1/3。

優選地，所述發射尖錐暴露于所述絕緣層外的高度為0.2-0.6μm。