本發(fā)明涉及陰極電子源的，具體地，涉及一種多孔硅基陰極電子源及其制備方法和制備多孔硅基陰極電子源的設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、高功率高頻的真空微/納電子器件需要高效穩(wěn)定的片上電子源，相比傳統(tǒng)的熱離子場(chǎng)發(fā)射源、表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射源、納米管發(fā)射源等陰極電子源，平面多孔硅電子源是一種具有標(biāo)準(zhǔn)mis結(jié)構(gòu)的硅基場(chǎng)發(fā)射電子源。該電子源以其堅(jiān)實(shí)的硅工藝基礎(chǔ)及電子發(fā)射角小、工作電壓低、對(duì)氣氛環(huán)境不敏感等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。在多孔硅電子源中，采用電化學(xué)陽極氧化制備的多孔硅層是其核心部分，對(duì)多孔硅層及其內(nèi)部填充的納米晶的充分和均勻的鈍化是形成電子加速隧穿通道的關(guān)鍵。

2、然而，受多孔硅層自身復(fù)雜的微觀形貌結(jié)構(gòu)特性及其內(nèi)部納米晶隨機(jī)分布且可控性差的影響，采用傳統(tǒng)的快速熱氧化、高壓水蒸氣退火、表面熱碳化處理等工藝難以使其獲得均勻充分的鈍化特性，會(huì)在其內(nèi)部形成不同厚度及氧化程度的二氧化硅膜，同時(shí)上述工藝涉及的高壓高溫環(huán)境還會(huì)不同程度損傷多孔硅的表層部分，使得用于電子加速的隧穿通道在靠近表面區(qū)域部分受損，從而使得電子源的有效發(fā)射面積受到影響，同時(shí)電子源的平面發(fā)射均勻性也將變差。此外，因高溫高壓環(huán)境受損的隧穿通道結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性也會(huì)變差，器件工作時(shí)的可重復(fù)性及穩(wěn)定性會(huì)受到較大影響。

3、電化學(xué)氧化作為一種液相氧化方式，可以避免高溫高壓過程，但其單向的氧化特點(diǎn)通常會(huì)造成多孔硅一側(cè)氧化過度而另一側(cè)未被氧化現(xiàn)象，從而造成多孔硅層氧化不均勻及局部納米硅氧化不充分的現(xiàn)象，特別是對(duì)于較厚的多孔硅層。這種內(nèi)外不均勻的氧化特性會(huì)增大電子在隧穿時(shí)的由缺陷態(tài)引起的隨機(jī)散射作用，同時(shí)納米晶的不充分氧化會(huì)使其互聯(lián)性能下降，導(dǎo)致電子在其外表面氧化層界面處的聲子散射作用加強(qiáng)，這些因素將導(dǎo)致器件場(chǎng)發(fā)射性能劣化，器件的穩(wěn)定性和重復(fù)性將變差，從而難以滿足未來真空微電子芯片對(duì)高性能片上電子源的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多孔硅基陰極電子源及其制備方法和制備設(shè)備，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中多孔硅陰極電子源穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種多孔硅基陰極電子源的制備方法，包括：通過陽極氧化法制備多孔硅層；在第一電解液中，對(duì)多孔硅層進(jìn)行陰極還原處理，以使第一電解液中的特定離子鈍化多孔硅層，利于多孔硅層氧化；對(duì)鈍化后的多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化，以使鈍化后的多孔硅層均勻、充分氧化；對(duì)電化學(xué)氧化處理后的多孔硅層進(jìn)行熱退火。

3、在一些實(shí)施例中，通過陽極氧化法制備多孔硅層包括：將置于第一電解液的硅晶片連接至電化學(xué)電源的陽極，腐蝕硅晶片后形成多孔硅層。

4、在一些實(shí)施例中，特定離子包括氫離子；在第一電解液中，對(duì)多孔硅層進(jìn)行陰極還原處理包括：反轉(zhuǎn)電化學(xué)電源的電極，使多孔硅層連接電化學(xué)電源的陰極，以驅(qū)使氫離子鈍化多孔硅層。

5、在一些實(shí)施例中，第一電解液包括純氫氟酸或氫氟酸與乙醇的混合溶液，其中，混合溶液中氫氟酸的占比不低于20%；硅晶片包括n型硅或p型硅，硅晶片的電阻不超過106ω·cm；腐蝕硅晶片的方式包括恒流腐蝕法或脈沖腐蝕法，其中，腐蝕的峰值電流小于200ma/cm2；對(duì)多孔硅層進(jìn)行陰極還原處理時(shí)的電流密度不超過100?ma/cm2，陰極還原處理的時(shí)間不超過20?min。

6、在一些實(shí)施例中，對(duì)鈍化后的多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化包括：將鈍化后的多孔硅層置于第二電解液中，向第二電解液中通入特定電流。

7、在一些實(shí)施例中，第二電解液包括硫酸溶液、硝酸溶液或氫氧化鈉溶液，第二電解液的溶液濃度介于0.1-5?mol/l之間；特定電流不超過150?ma/cm2，電化學(xué)氧化的時(shí)間不超過60?min。

8、在一些實(shí)施例中，對(duì)鈍化后的多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化還包括：在對(duì)多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化處理的過程中，使用光源照射多孔硅層，以提供多孔硅層在氧化時(shí)所需的空穴。

9、在一些實(shí)施例中，對(duì)電化學(xué)氧化處理后的多孔硅層進(jìn)行熱退火之后，制備方法還包括：在多孔硅層的表面沉積頂電極，在硅晶片的背面沉積底電極。

10、本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供了一種多孔硅基陰極電子源，包括依次堆疊的底電極、硅襯底、多孔硅層和頂電極，多孔硅基陰極電子源采用上述實(shí)施例中的制備方法制得。

11、本發(fā)明實(shí)施例第三方面提供了一種制備多孔硅基陰極電子源的設(shè)備，包括：陽極氧化設(shè)備，用于通過陽極氧化法制備多孔硅層；陰極還原設(shè)備，用于在第一電解液中，對(duì)多孔硅層進(jìn)行陰極還原處理，以使第一電解液中的特定離子鈍化多孔硅層，利于多孔硅層氧化；電化學(xué)氧化設(shè)備，用于對(duì)鈍化后的多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化，以使鈍化后的多孔硅層均勻、充分氧化；熱退火設(shè)備，用于對(duì)電化學(xué)氧化處理后的多孔硅層進(jìn)行熱退火。

12、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果至少包括：

13、（1）在電化學(xué)氧化處理多孔硅層前執(zhí)行陰極還原處理，即先采用陰極還原對(duì)多孔硅層內(nèi)表面進(jìn)行有效鈍化，有助于電化學(xué)氧化對(duì)多孔硅層進(jìn)行更完全、更充分的氧化，有助于改善多孔硅層的界面和內(nèi)部的電子缺陷態(tài)密度，能夠降低硅襯底注入至多孔硅層中的電子在隧穿加速過程中因缺陷態(tài)引起的隨機(jī)散射作用，從而大幅改善器件電流及發(fā)射電流的重復(fù)性及穩(wěn)定性；

14、（2）本發(fā)明所公開的制備方法僅涉及電化學(xué)工藝，不需要快速熱氧化及高溫水蒸氣退火等工藝所涉及的昂貴的設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單方便，能夠在常溫下進(jìn)行，滿足大面積低成本的工藝需要。

技術(shù)特征：

1.一種多孔硅基陰極電子源的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述通過陽極氧化法制備多孔硅層包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述特定離子包括氫離子；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述第一電解液包括純氫氟酸或氫氟酸與乙醇的混合溶液，其中，所述混合溶液中氫氟酸的占比不低于20%；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述對(duì)鈍化后的所述多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述第二電解液包括硫酸溶液、硝酸溶液或氫氧化鈉溶液，所述第二電解液的溶液濃度介于0.1-5?mol/l之間；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述對(duì)鈍化后的所述多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化還包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述對(duì)電化學(xué)氧化處理后的所述多孔硅層進(jìn)行熱退火之后，所述制備方法還包括：

9.一種多孔硅基陰極電子源，包括依次堆疊的底電極、硅襯底、多孔硅層和頂電極，其特征在于，所述多孔硅基陰極電子源采用權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的制備方法制得。

10.一種制備多孔硅基陰極電子源的設(shè)備，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種多孔硅基陰極電子源及其制備方法和制備設(shè)備，涉及陰極電子發(fā)射源技術(shù)領(lǐng)域。多孔硅基陰極電子源的制備方法包括：通過陽極氧化法制備多孔硅層；在第一電解液中，對(duì)多孔硅層進(jìn)行陰極還原處理，以使第一電解液中的特定離子鈍化多孔硅層，利于多孔硅層氧化；對(duì)鈍化后的多孔硅層進(jìn)行電化學(xué)氧化，以使鈍化后的多孔硅層均勻、充分氧化；對(duì)電化學(xué)氧化處理后的多孔硅層進(jìn)行熱退火。該制備方法在電化學(xué)氧化處理前先采用陰極還原對(duì)多孔硅層進(jìn)行鈍化，有助于電化學(xué)氧化對(duì)多孔硅層進(jìn)行更完全、更充分的氧化，降低多孔硅層中的電子在隧穿加速過程中因缺陷態(tài)引起的隨機(jī)散射作用，從而大幅改善器件電流及發(fā)射電流的重復(fù)性及穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：何力,李賽磊,朱元昊,任慧雪,沈桂英,伍邵騰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10