阅读说明：本技术 一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法 (Nano cold cathode electron source with double-ring grid structure and manufacturing method thereof ) 是由 陈军 黄佳 邓少芝 许宁生 佘峻聪 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源,包括衬底、绝缘层、底部阴极电极、底部分段环状栅极电极、刻蚀通孔、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极、生长源薄膜、纳米线冷阴极,所述顶部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与底部分段环状栅极电极相连,还公开了一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法,包括以下步骤：制作底部阴极电极、底部分段环状栅极电极、绝缘层、刻蚀通孔、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极,沉积生长源薄膜,热氧化生长纳米线冷阴极。该纳米冷阴极电子源具有强栅控电子发射能力且是具有可行列寻址双环栅结构。(The invention discloses a nanometer cold cathode electron source with a double-ring grid structure, which comprises a substrate, an insulating layer, a bottom cathode electrode, a bottom section annular grid electrode, an etching through hole, a top cathode electrode, a top annular grid electrode, a growth source film and a nanowire cold cathode, wherein the top annular grid electrode is respectively connected with the bottom section annular grid electrode through the etching through hole, and the invention also discloses a preparation method of the nanometer cold cathode electron source with the double-ring grid structure, which comprises the following steps: and manufacturing a bottom cathode electrode, a bottom section annular grid electrode, an insulating layer, an etched through hole, a top cathode electrode and a top annular grid electrode, depositing a growth source film, and growing a nanowire cold cathode by thermal oxidation. The nanometer cold cathode electron source has strong grid control electron emission capability and a double-ring grid structure capable of column addressing.)

一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法

技术领域

本发明涉及真空微电子器件技术领域，尤其涉及一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源及其制作方法。

背景技术

中国专利ZL201610542509.8，名称为自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法，顶部阴极电极和顶部栅极电极薄膜制备沉积过程中形成电极的薄膜，通过刻蚀通孔与底部阴极电极条和底部阴极栅极条连接起来；中国专利ZL201711063201.6，名称为可行列寻址的共面聚焦纳米冷阴极电子源阵列及制作方法，公开了在衬底垂直排布有底部阴极电极条和底部阴极栅极条，将聚焦极电极和控制栅极制作在同一个平面上，同时通过通孔桥联的方法，使得制成的器件具备行列寻址功能。但以上两种纳米冷阴极电子源的结构中的底部栅极电极条，只是起到电学连接的作用，所以只有单一的平面控制栅极结构，在实际应用中存在栅控特性差，纳米冷阴极的场发射电流偏低、驱动电压高的问题。若在此结构基础上想进一步增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用，则需要制作多个控制栅极，存在制作难度大，成本高昂和无法大面积制作的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源。所述纳米冷阴极电子源具有强栅控电子发射能力且是具有可行列寻址双环栅结构。利用刻蚀通孔将顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用。

本发明的另一个目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制作方法。该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了双环栅结构，也就是多个栅极控制，使得双环栅结构制作简单，降低成本，实现大面积制作。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源，所述纳米冷阴极电子源的结构包括：

衬底；制作在所述衬底上的底部阴极电极和多个底部分段环状栅极电极；所述多个底部分段环状栅极电极环绕在所述底部阴极电极周围且与底部阴极电极不相连；覆盖在所述底部分段环状栅极电极和底部阴极电极上的绝缘层；制作在所述绝缘层中分别使底部分段环状栅极电极和底部阴极电极局部裸露的刻蚀通孔，至少有两个所述底部分段环状栅极上分别有至少一个刻蚀通孔；制作在所述绝缘层上的顶部阴极电极和顶部环状栅极电极；所述顶部阴极电极通过所述刻蚀通孔与底部阴极电极相连；所述顶部环状栅极电极环绕在所述顶部阴极电极周围且与顶部阴极电极不相连；所述顶部环状栅极电极通过刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连，实现底部分段环状栅极电极的串联；制作在所述顶部阴极电极上的生长源薄膜；制作在所述生长源薄膜上的纳米线冷阴极。

要实现底部分段环状栅极，至少有两个底部分段环状栅极电极上有至少一个刻蚀通孔。

在多个底部分段环状栅极电极中，每个底部分段环状栅极电极对应两个或两个以上的刻蚀通孔，以提高导电性。

通过引入底部分段环状栅极电极，刻蚀通孔使底部分段环状栅极电极和底部阴极电极局部裸露；所述顶部环状栅极电极在所述绝缘层上环绕在顶部阴极电极周围，且与顶部阴极电极不相连，所述顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极通过刻蚀通孔相连，实现底部分段环状栅极电极的串联，形成底部环状电极，连接成圆环，实现了双环栅结构。

原理：通过外加电场使冷阴极从尖端发射出电子，并且在底部分段环状栅极电极和顶部环状栅极电极上施加电压，由于底部分段环状栅极电极和顶部环状栅极电极与冷阴极距离很近，加上电压后，很容易达到场致发射的开启和阈值电场，从而控制冷阴极产生电子发射，根据电场叠加原理，在相同电压下，多个栅极结构可以提高电场，从而增强栅极控制作用。通过利用刻蚀通孔将顶部环状栅极电极和底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，也就是多个控制栅极，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流，同时增强对冷阴极电流的调控作用。

进一步地，所述底部分段环状栅极电极的数量为3个；所述顶部环状栅极电极通过至少3个刻蚀通孔分别与所述底部分段环状栅极电极相连。

进一步地，多个所述生长源薄膜排布于顶部阴极电极上，所述纳米线冷阴极为氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛纳米线或者氧化锡纳米线。

更进一步地，多个所述生长源薄膜以阵列形式排布于顶部阴极电极上。

进一步地，所述生长源薄膜由锌、铜、钨、钼、铁、钛、锡中的任一种制备而成，其厚度范围在0.3μm-5μm；所述相邻生长源薄膜之间的间距为直径或边长的0.1-10倍。保持这个距离有利于后面热氧化生长纳米线。

进一步地，所述生长源薄膜的形状为可对称操作的图形，其直径或边长为5μm-500μm，形状可以为圆形、环形或多边形。对称图形方便实验制作。

进一步地，所述衬底由硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片的一种或多种组合构成。硅片、玻璃、石英玻璃或者陶瓷基片是大面积的材料。

进一步地，所述底部分段环状栅极电极、底部阴极电极、顶部环状栅极电极和顶部阴极电极上设置有导电薄膜，所述导电薄膜为Cr、Al、Ti、Cu、ITO、IZO、AZO、FTO、LTFO中的一种或多种组合制备而成，所述导电薄膜的厚度范围在0.1μm-2μm。所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。

进一步地，所述绝缘层由二氧化硅、氮化硅或氧化铝中的任意一种或其组合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝，该绝缘层厚度为1μm-5μm。

本发明的另一目的在于提供一种双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制备方法，其包括以下步骤：

S1、在衬底上制作底部阴极电极和底部分段环状栅极电极；底部阴极电极和底部分段环状栅极电极的厚度优选为0.1μm-2μm。

S2、在底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上覆盖一层绝缘层；绝缘层的厚度优选为1μm-5μm。

S3、刻蚀绝缘层，制作位于底部阴极电极和底部分段环状栅极电极上的刻蚀通孔；

S4、在刻蚀通孔上制作与底部阴极电极条相连的顶部阴极电极，制作与底部分段环状栅极电极相连的顶部环状栅极电极；顶部阴极电极和顶部环状栅极电极的厚度优选为0.1μm-2μm。

S5、沉积生长源薄膜；可采用磁控溅射法、真空热蒸发法、电子束蒸发法或化学气相沉积方法等方法沉积生长源薄膜。该生长源薄膜厚度优选为0.3μm-5μm；

S6、热氧化生长源薄膜以生长纳米线冷阴极。

底部阴极电极构成列向排布的电极，底部分段环状栅极电极在顶部环状栅极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底部环状栅极电极的分段设计可以使底部阴极电极和底部分段环状栅极电极在同一平面上实现相互垂直，从而使该电子源所组成的电子源阵列具有行列寻址能力。

进一步地，步骤S6中所述热氧化法包括升温过程和保温过程，升温过程的升温速率为1℃/min-30℃/min；保温过程的保温温度为300℃-600℃，保温时间为1min-600min，保温结束后自然冷却至室温即可。

所述热氧化法生长纳米线冷阴极的过程是在箱式炉或管式炉中进行。

进一步地，热氧化的升温过程和保温过程通入Ar、H₂、N₂、O₂中的一种或两种以上组合气体。氧化锌、氧化铜、氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛或者氧化锡等纳米线的生长和氧气浓度有关，所以通入气体改变氧气浓度，可以控制纳米线的生长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的纳米冷阴极电子源，通过利用顶部环状栅极电极及刻蚀通孔将底部分段环状栅极电极相连，实现底部环状栅极与顶部环状栅极的双环栅结构，极大的提高器件的栅控特性，从而有效增加场发射电流同时增强对冷阴极电流的调控作用，从而达到降低驱动电压、增加发射电流。

此外，由于栅极电极与阴极电极引线均交错排布于底层，在实现器件的可寻址功能的同时，显著减少顶层复杂的电极引线排布，降低电极边缘放电现象发生的可能性，有利于器件的稳定工作，拓宽其在场发射平板显示器及平板X射线源中的应用。

本发明通过顶部栅极电极和刻蚀通孔的配合，将底部分段环栅连接成圆环，在保证电学连接的同时，该方法制作的纳米冷阴极电子源实现了双环栅结构，使得双环栅结构制作简单，降低成本，实现大面积制作。

本发明为无源器件，只需通过电场控制，不需要额外的外部电源供电，同时结构也更简单，方便制作。

附图说明

图1是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源的剖面结构示意图；

图2是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源底部电极排布示意图；

图3是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源的结构示意图；

图4(a)-(f)为双环栅结构的纳米冷阴极电子源的制作工艺流程图；

图5是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源阵列底部电极排布示意图；

图6是本发明双环栅结构的纳米冷阴极电子源阵列的结构示意图；

图7是对比例中纳米冷阴极电子源底部电极排布示意图；

附图标记说明

衬底1、底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7、生长源薄膜8、纳米线冷阴极9、栅极电极连接线10、阴极电极连接线11、聚焦极电极81、底部栅极电极条21、顶部栅极电极61。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例制备ZnO纳米冷阴极电子源。

如图1-图3所示，本发明的双环栅结构的纳米冷阴极电子源包括衬底1、设置于衬底1上的底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3、绝缘层4、刻蚀通孔5、顶部环状栅极电极6、顶部阴极电极7、生长源薄膜8以及纳米线冷阴极9。

底部分段环状栅极电极2为分段不连续的环状电极结构，其环绕于底部阴极电极3周围，底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3的外引线相互垂直排列。绝缘层4覆盖在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上，绝缘层4在底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3上分别刻蚀有若干刻蚀通孔5，使底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3局部裸露。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7制作在绝缘层4上，并通过刻蚀通孔5分别与底部分段环状栅极电极2与底部阴极电极3连通。所述顶部阴极电极7上排布有生长源薄膜8。生长源薄膜8上生长有纳米线冷阴极9。

衬底1为大面积玻璃。底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7为ITO制备而成，该底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的厚度范围均在1μm。底部分段环状栅极电极2、底部阴极电极3、顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过紫外光光刻、刻蚀工艺、磁控溅射和剥离技术制备。绝缘层4由二氧化硅绝缘薄膜组成，采用化学气相沉积方法制备。刻蚀通孔5通过刻蚀工艺制备，采用反应离子刻蚀方法。生长源薄膜8为锌膜，生长源薄膜8的厚度为2.6μm。生长源薄膜8通过电子束蒸发法沉积于顶部阴极电极7上。生长源薄膜的形状为具有对称性的圆形，其直径为252μm，相邻生长源薄膜8之间的间距为1260μm。通过前述生长源薄膜8生长得到的纳米线冷阴极9为氧化锌纳米线。

下面结合图4(a)-(f)详细解释双环栅结构的ZnO纳米冷阴极电子源的制作方法，具体步骤如下：

(1)清洁并吹干衬底1；衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜为ITO，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。导电薄膜的厚度为1.0μm。

(2)在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。

(3)在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。

(4)在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为ITO，导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。导电薄膜的厚度为1.0μm。

(5)在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；生长源薄膜8为锌，其厚度范围在2.6μm；生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。

(6)通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为15℃/min，升温过程不通入气体。热氧化过程的保温温度为450℃，保温时间范围在300min，保温过程不通入气体。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为氧化锌纳米线。

实施例2

本实施例制备CuO纳米冷阴极电子源。

清洁并吹干衬底1；所述衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；所述作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜IZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。所述导电薄膜的厚度为0.1μm。

在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。所述作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，所述绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。

在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。所述刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。

在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。所述作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为IZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。所述导电薄膜的厚度为0.1μm。

在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；所述生长源薄膜8为锌，其厚度范围在0.3μm；所述生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。

通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。所述热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为1℃/min，升温过程通入Ar。热氧化过程的保温温度为300℃，保温时间范围在1min，保温过程通入Ar。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为CuO纳米线。

实施例3

本实施例制备TiO纳米冷阴极电子源。

清洁并吹干衬底1；所述衬底1为大面积的玻璃基片。在衬底1上制作底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3；所述作为底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3的导电薄膜为AZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀工艺制备。所述导电薄膜的厚度为2μm。

在底部分段环状栅极电极2和底部阴极电极3上沉积绝缘层4。所述作为绝缘层4的绝缘薄膜是二氧化硅材料，所述绝缘层4采用化学气相沉积方法制备。

在绝缘层4上定域刻蚀绝缘层4得到用以连接顶部阴极电极7和相应底部阴极电极3以及底部分段环状栅极电极2和顶部环状栅极电极6的刻蚀通孔5。所述刻蚀通孔5通过反应离子刻蚀方法制得。

在刻蚀通孔5上方制备顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7。顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7通过绝缘层4中的刻蚀通孔5分别与对应的底部分段环状阴极电极2和底部阴极电极3相连接。所述作为顶部环状栅极电极6和顶部阴极电极7的导电薄膜为AZO，所述导电薄膜通过磁控溅射法、紫外光光刻和刻蚀技术制备。所述导电薄膜的厚度为2μm。

在顶部阴极电极7上光刻定位纳米线冷阴极9生长区域，然后沉积生长源薄膜8；所述生长源薄膜8为锌，其厚度范围在5.0μm；所述生长源薄膜8的沉积方法为电子束蒸发法。

通过热氧化法在生长源薄膜8上生长纳米线冷阴极9。所述热氧化法生长过程在管式炉中进行，热氧化法过程的升温速率为30℃/min，升温过程通入N₂。热氧化过程的保温温度为600℃，保温时间范围在600min，保温过程通入N₂。最后自然冷却至室温即可。所得到的纳米线为TiO纳米线。

如图5所示，是本发明具有三个刻蚀通孔的纳米冷阴极电子源阵列底部电极排布示意图；通过引入底部分段环状栅极电极，并通过顶部环状栅极电极和刻蚀通孔实现其连接，才实现底部环状栅极电极的引入。

如图6所示，底部阴极电极构成列向排布的电极，底部分段环状栅极电极在顶部环状栅极电极的连接作用下，构成行向排布的电极，底部环状栅极电极的分段设计可以使底部阴极电极和底部分段环状栅极电极在同一平面上实现相互垂直，将本结构的纳米冷阴极电子源以阵列式排布，构成纳米冷阴极电子源阵列。

对比例

首先将玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，用氮气吹干。在玻璃衬底上，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备相互平行的底部阴极电极条和底部栅极电极条。该两底部电极条材料为铬，其厚度约为120nm。接着用等离子体增强化学气相沉积的方法在上述两底部电极条上沉积一层绝缘层薄膜，绝缘层薄膜为二氧化硅薄膜，其厚度约为1.5μm。然后采用反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅得到连接顶部电极和相应底部电极的刻蚀通孔。接着在上述绝缘层上方，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备环状顶部栅极电极、圆形顶部阴极电极以及聚焦极电极。在顶部阴极电极和顶部栅极电极薄膜制备沉积过程中，顶部电极薄膜也会沉积在绝缘层上刻蚀通孔的开口边沿、内壁以及暴露在孔内的局部底部电极条表面，这样顶部电极就能很好的跟相应的底部电极相连接。顶部电极材料为ITO，其厚度约为520nm。接着在顶部阴极电极上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后采用电子束蒸发真空镀膜技术镀生长源薄膜，该生长源薄膜为锌膜，采用剥离方法得到生长源锌薄膜阵列。最后将制作有上述薄膜结构的玻璃衬底放入管式炉中进行氧化得到氧化锌纳米线冷阴极电子源阵列。热氧化过程先从室温升高至470℃，然后在470℃下保温3小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。

如图7所示，该电子源的基本结构是，底部栅极电极条21和底部阴极电极条3制作在衬底1上且垂直排列的。绝缘层4覆盖在该两底部电极条上，绝缘层4在底部栅极电极条21和底部阴极电极条3上刻蚀有刻蚀通孔5。刻蚀通孔5内部及其开口边沿制作有与底部相应电极条连接的顶部栅极电极61和顶部阴极电极7。聚焦极电极12制作于顶部栅极电极61外侧的四周。在图7所示结构中，顶部栅极电极61外观为圆环状，该圆环状顶部栅极电极61和顶部阴极电极7通过刻蚀通孔5与其相应的底部电极条相连通。

本对比例中底部栅极电极条，只是起到电学连接的作用，是单一平面结构，本申请通过引入底部分段环状栅极电极，并通过顶部环状栅极电极和刻蚀通孔实现其连接，在保证电学连接的同时，实现双栅极结构。

在相同电压下，测试场发射电流。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。