專利名稱：一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，涉及場(chǎng)致發(fā)射電子器件中電子源的結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的制備。
背景技術(shù)：
電子源是真空電子器件的核心。在各種真空電子源中，電子的發(fā)射大致可分為熱陰極電子發(fā)射、光致電子發(fā)射和場(chǎng)致電子發(fā)射等幾大類。所謂場(chǎng)致發(fā)射是指在場(chǎng)致發(fā)射陰極前施加一個(gè)較高的電場(chǎng)，由于隧道效應(yīng)出現(xiàn)表面勢(shì)壘降低、變薄，電子從固體中發(fā)射到真空，形成場(chǎng)致發(fā)射電流。與熱陰極電子發(fā)射相比較，電子不需要通過(guò)加熱獲得能量，所以場(chǎng)致發(fā)射陰極的功率小，響應(yīng)速度快，而且可以實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。基于場(chǎng)致發(fā)射陰極的真空微納電子器件是電子器件發(fā)展的一個(gè)重要方向。做為電子器件的電子源，需要場(chǎng)致發(fā)射陰極能夠提供較大的電流發(fā)射能力。然而對(duì)于現(xiàn)有的場(chǎng)致發(fā)射陰極，當(dāng)陰極發(fā)射面積比較小時(shí)，可以獲得很高的平均發(fā)射電流密度。 但是，當(dāng)陰極面積增大時(shí)，平均發(fā)射電流密度迅速減小，因此很難獲得較大的場(chǎng)致發(fā)射電流，制約了場(chǎng)致發(fā)射陰極在電子器件中的應(yīng)用。限制場(chǎng)致發(fā)射陰極發(fā)射電流進(jìn)一步提高的機(jī)制尚不完全被人們所認(rèn)知，但是部分負(fù)載過(guò)重的發(fā)射體首先損毀已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)。在制備場(chǎng)致發(fā)射體陣列過(guò)程中， 由于制備工藝參數(shù)的精確控制程度有限，各個(gè)發(fā)射體的高度、取向性等幾何參數(shù)不完全一樣。例如，通常情況下，發(fā)射體的高度起伏大于10%。由于場(chǎng)發(fā)射結(jié)構(gòu)中陰極與陽(yáng)極之間距離較小，發(fā)射體的高度和取向性變化導(dǎo)致發(fā)射體表面的電場(chǎng)分布改變。根據(jù)經(jīng)典的 i^olwer-Nordheim場(chǎng)致發(fā)射理論，場(chǎng)致發(fā)射電流密度近似與發(fā)射體表面電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。因此，發(fā)射體陣列中高度和取向性的零散使各個(gè)發(fā)射體的發(fā)射電流密度出現(xiàn)很大差異。 場(chǎng)致發(fā)射陰極面積越大，其發(fā)射電流密度的不均勻性越大。當(dāng)在陽(yáng)極上施加一高電壓時(shí)，部分發(fā)射體首先發(fā)射電子。由于此時(shí)大部分發(fā)射體尚未有電子發(fā)射，所以場(chǎng)發(fā)射陰極的總發(fā)射電流仍然較低。隨著陽(yáng)極電壓的升高，這些優(yōu)先發(fā)射的發(fā)射體電流密度迅速增加，甚至出現(xiàn)過(guò)負(fù)載現(xiàn)象。過(guò)載的場(chǎng)致發(fā)射體在大電流作用下發(fā)生熱釋重、焦耳熱熔等，導(dǎo)致迅速損毀。過(guò)載發(fā)射體的損毀還將使器件的真空環(huán)境急劇惡化，使其它未過(guò)載的發(fā)射體也隨之損毀，導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極的失效。針對(duì)場(chǎng)發(fā)射陰極存在的上述問題，本實(shí)用新型提出一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。采用本實(shí)用新型的大電流陰極結(jié)構(gòu)，可以將場(chǎng)致發(fā)射陣列的發(fā)射不均勻性控制在10% 以內(nèi)，從而獲得較大的發(fā)射電流。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型目的是提供一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。在場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)中，場(chǎng)致發(fā)射體被設(shè)計(jì)成若個(gè)相互電學(xué)隔離的點(diǎn)陣。根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的電流發(fā)射特性，再設(shè)計(jì)與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣相匹配的電阻點(diǎn)陣。通過(guò)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣與電阻點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)射陣列的均勻發(fā)射，獲得較大的場(chǎng)致發(fā)射電流。技術(shù)方案本實(shí)用新型的大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)為在基板上設(shè)有場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列，該陰極發(fā)射點(diǎn)陣具有二維結(jié)構(gòu)，共有m行、η列；與場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)，在基板上的場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列的下方制備貫穿通道，并在通道中填充導(dǎo)電材料，通過(guò)貫穿通道及導(dǎo)電材料實(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣與外電阻陣列電性連接；根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣不同的電流發(fā)射特性，在每一個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣下匹配不同的電阻，這些電阻構(gòu)成外電阻陣列；場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列通過(guò)外電阻陣列與外接電源負(fù)極相連接；外接電源的正極與陽(yáng)極向連接，實(shí)現(xiàn)均勻場(chǎng)致發(fā)射，獲得大發(fā)射電流。基板為絕緣介質(zhì)基板，各場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣相互之間為電學(xué)絕緣。所述的外電阻陣列中，第i行、第j列所對(duì)應(yīng)的匹配電阻R(i，j)的確定方法為首先將場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列中第i行、第j列的場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)與外接電源相連接，測(cè)試不同電壓下陽(yáng)極電流，獲得每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的電流-電壓曲線，根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的電流-電壓曲線，得到在設(shè)定電流I時(shí)，第(i，j)個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)所要求的陽(yáng)極電壓v(i，j)；獲得整個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣所要求的最大陽(yáng)極電壓Vmax ；第(i，j)個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)所匹配的電阻R(i，j) 由公式[Vmax_V(i，j)]/I決定，并用同樣的方法得到場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列中，每一個(gè)陰極點(diǎn)所匹配的電阻。所述的電阻陣列，如果場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列的行列數(shù)小于3，選擇分離的外加電阻與陰極點(diǎn)陣相連接；如果場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列的行列數(shù)大于3，則附加電阻板，在附加電阻板上制備與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列對(duì)應(yīng)的貫穿通道，在貫穿通道中填充具有相應(yīng)電阻率的材料，形成匹配電阻陣列，通過(guò)摻雜方式調(diào)控每一個(gè)電阻R(i，j)的阻值，然后將匹配電阻陣列與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列電性連接。有益效果本實(shí)用新型將場(chǎng)發(fā)射陰極分為若干相互電學(xué)隔離的點(diǎn)陣。根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的電流發(fā)射特性，再設(shè)計(jì)與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣相匹配的電阻點(diǎn)陣。通過(guò)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣與電阻點(diǎn)陣，使場(chǎng)發(fā)射陰極陣列的發(fā)射不均勻性降低在10%以內(nèi)，從而獲得大場(chǎng)致發(fā)射電流。

圖1是本實(shí)用新型提出的場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。圖2是場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與電阻陣列相匹配。圖3是每個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)的發(fā)射特性測(cè)試。圖4是附加電阻板實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)陣與發(fā)射體點(diǎn)陣的匹配。其中有基板1、場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2、通道3、外電阻陣列4、外接電源5、陽(yáng)極6、附加電阻板7、匹配電阻陣列8。
具體實(shí)施方式
在制備場(chǎng)致發(fā)射體陣列過(guò)程中，由于制備工藝參數(shù)的精確控制程度有限，各個(gè)發(fā)射體的高度、取向性等幾何參數(shù)不完全一樣。例如，通常情況下，發(fā)射體的高度起伏大于 10%。由于場(chǎng)發(fā)射結(jié)構(gòu)中陰極與陽(yáng)極之間距離較小，發(fā)射體的高度和取向性變化導(dǎo)致發(fā)射體表面的電場(chǎng)分布改變。根據(jù)經(jīng)典的R)Iwer-Nordheim場(chǎng)致發(fā)射理論，場(chǎng)致發(fā)射電流密度
4近似與發(fā)射體表面電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。因此，發(fā)射體陣列中高度和取向性的零散使各個(gè)發(fā)射體的發(fā)射電流密度出現(xiàn)很大差異。場(chǎng)致發(fā)射陰極面積越大，其發(fā)射電流密度的不均勻性越大。當(dāng)在陽(yáng)極上施加一高電壓時(shí)，部分發(fā)射體首先發(fā)射電子。由于此時(shí)大部分發(fā)射體尚未有電子發(fā)射，所以場(chǎng)發(fā)射陰極的總發(fā)射電流仍然較低。隨著陽(yáng)極電壓的升高，這些優(yōu)先發(fā)射的發(fā)射體電流密度迅速增加，甚至出現(xiàn)過(guò)負(fù)載現(xiàn)象。過(guò)載的場(chǎng)致發(fā)射體在大電流作用下發(fā)生熱釋重、焦耳熱熔等，導(dǎo)致迅速損毀。過(guò)載發(fā)射體的損毀還將使器件的真空環(huán)境急劇惡化，使其它未過(guò)載的發(fā)射體也隨之損毀，導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極的失效。針對(duì)場(chǎng)致發(fā)射陰極的上述技術(shù)難點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。在該場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)中，將場(chǎng)致發(fā)射陰極設(shè)計(jì)為若干相互電學(xué)隔離的點(diǎn)陣。由于每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的面積較小，可以認(rèn)為每個(gè)陰極點(diǎn)中場(chǎng)發(fā)射是均勻的，因此可以從每個(gè)陰極點(diǎn)獲得很大的發(fā)射電流密度。但是，不同的陰極點(diǎn)之間由于制備工藝的限制存在幾何形貌的差異，這些差異使得各個(gè)陰極點(diǎn)之間的電流密度出現(xiàn)很大的不同。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極陣列的均勻發(fā)射，本實(shí)用新型提出與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣相匹配的電阻點(diǎn)陣。根據(jù)每個(gè)陰極點(diǎn)的場(chǎng)致發(fā)射特性，采用公式[Vmax-V(i，j)]/I，確定電阻點(diǎn)陣中每個(gè)匹配電阻值。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣和電阻點(diǎn)陣，可以使場(chǎng)發(fā)射陰極陣列的發(fā)射不均勻性降低在10%以內(nèi)，從而獲得大場(chǎng)致發(fā)射電流。本實(shí)用新型提出的一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)為在基板1上場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2，該陰極發(fā)射點(diǎn)陣具有二維結(jié)構(gòu)，共有i 行、j列；根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣不同的電流發(fā)射特性，在每一個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣下匹配不同的電阻，這些電阻構(gòu)成外電阻陣列4 ；場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2通過(guò)外電阻陣列4與外接電源5負(fù)極相連接；外接電源5的正極與陽(yáng)極6向連接，實(shí)現(xiàn)均勻場(chǎng)致發(fā)射。本實(shí)用新型提出的一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式為a).在基板1上與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2對(duì)應(yīng)位置用曝光刻蝕等方法制備貫穿通道 3，并在貫穿通道3內(nèi)填充導(dǎo)電材料，構(gòu)成電性引出結(jié)構(gòu)。b).通過(guò)原位定向生長(zhǎng)或者絲網(wǎng)印刷的方法在絕緣的陰極基板1上制備場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2，其位置與各貫穿通道相對(duì)應(yīng)，每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)之間電學(xué)隔離。(c).如圖3所示，分別測(cè)量每一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)的電流-電壓關(guān)系曲線。根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)的電流-電壓曲線，得到在設(shè)定電流I時(shí)，第(i，j)個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)所要求的陽(yáng)極電壓v(i，j)；獲得整個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣所要求的最大陽(yáng)極電壓Vmax ；第(i，j)個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)所匹配的電阻R(i，j)由公式[Vmax-V(i，j)]/I決定，并用同樣的方法得到場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2中，每一個(gè)陰極點(diǎn)所匹配的電阻。(d).當(dāng)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣行、列數(shù)較小(一般小于3)，可選用分離的外加電阻實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣與電阻陣列的匹配，如圖2所示。(e).如果場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣行列數(shù)較大，采用分離的外加電阻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用也很不方便。因此，本發(fā)明提出采用附加電阻板的方式實(shí)現(xiàn)電阻層匹配。在附加電阻板7上通過(guò)曝光、刻蝕的方法制備貫穿通道，在貫穿通道中填充具有一定電阻率的材料，形成匹配電阻陣列8，通過(guò)摻雜等方式調(diào)控每一個(gè)電阻R(i，j)的阻值，然后將匹配電阻陣列8與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列2電性連接，如圖4所示。
權(quán)利要求1.一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于在基板(1)上設(shè)有場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列 O)，該陰極發(fā)射點(diǎn)陣具有二維結(jié)構(gòu)，共有m行、η列；與場(chǎng)致發(fā)射陰極點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)，在基板(1) 上的場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列(2)的下方制備貫穿通道(3)，并在通道(3)中填充導(dǎo)電材料，通過(guò)貫穿通道(3)及導(dǎo)電材料實(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣與外電阻陣列電性連接；根據(jù)每個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣的電流發(fā)射特性，在每一個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣下匹配對(duì)應(yīng)的電阻，這些電阻構(gòu)成外電阻陣列⑷；場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列⑵通過(guò)外電阻陣列⑷與外接電源(5)負(fù)極相連接； 外接電源(5)的正極與陽(yáng)極(6)向連接，實(shí)現(xiàn)均勻場(chǎng)致發(fā)射，獲得大發(fā)射電流。
2.如權(quán)利要求1所述的大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征是基板(1)為絕緣介質(zhì)基板， 各場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣相互之間為電學(xué)絕緣。
3.如權(quán)利要求1所述的大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征是所述的外電阻陣列W)，如果場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列⑵的行列數(shù)小于3，選擇分離的外加電阻與陰極點(diǎn)陣相連接；如果場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列(2)的行列數(shù)大于3，則附加電阻板(7)，在附加電阻板(7)上制備與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列(2)對(duì)應(yīng)的貫穿通道，在貫穿通道中填充具有相應(yīng)電阻率的材料，形成匹配電阻陣列(8)，通過(guò)摻雜方式調(diào)控每一個(gè)電阻Ri，j的阻值，然后將匹配電阻陣列(8)與場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣列⑵電性連接。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種大電流場(chǎng)致發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，陰極發(fā)射面積被分為若干小的點(diǎn)陣，每個(gè)小的陰極發(fā)射點(diǎn)之間電學(xué)絕緣。由于每個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)的面積較小，可以獲得很好的發(fā)射均勻性。本實(shí)用新型通過(guò)測(cè)量每一個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)的場(chǎng)致發(fā)射特性，可以確定場(chǎng)發(fā)射陰極點(diǎn)陣的發(fā)射電流不均勻性。根據(jù)該不均勻性，在每個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)下匹配相應(yīng)的限流電阻，并通過(guò)與發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的限流電阻，提高整個(gè)陰極發(fā)射點(diǎn)陣的發(fā)射電流均勻性，從而獲得大的發(fā)射電流。
文檔編號(hào)H01J1/304GK202103004SQ201120019940
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者婁朝剛, 崔一平, 張曉兵, 王保平, 陳靜, 雷威 申請(qǐng)人:東南大學(xué)