一种微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统的制作方法

本实用新型属于真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及行波管、返波管、速调管、回旋管、自由电子激光、奥罗管、太赫兹脉塞等真空电子器件中使用的用于电子枪的一种微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统。

背景技术：

真空电子器件是一类利用高能电子注与电磁微波信号互作用后将电子注动能转化为微波能量的功率放大器件，包括行波管，速调管，返波管，回旋管等。电子枪作为真空电子器件的核心部件，其发射电子注的质量很大程度上决定了真空电子器件性能的优劣。

常规的真空电子器件大多是采用圆柱形电子注。近年来，随着科技的发展，真空电子器件向更高频率、更高功发展，正在向太赫兹挺进。然而，由于尺寸共渡效应，随着工作频率的增加，高频结构的尺寸将变得越来越小，进而其内部传输的电子注尺寸越来越小，一方面电子注越细小使得空间电荷力越强，导致电子注聚焦困难；另一方面，由于电流密度不可能无限制的增加，真空电子器件输入的直流功率随工作频率的升高而降低。

为了使真空电子器件更好地应用在毫米波以及太赫兹领域，带状电子注器件成为了一个研究热点。带状电子注在相同的阴极发射电流密度下可以传输更大的电流，进而大幅度提高器件的输入直流功率。其次，传输相同的电流，带状注的空间电荷力弱。并且带状注真空器件也具有结构简单、易于调节和集成的优点。

常规真空电子器件中，电子枪的阴极一般都是热阴极，阴极中的热子在驱动电流的作用下加热阴极，电子克服表面势垒逸出进入真空。由于热阴极效率低、能耗高和尺寸庞大等，限制了真空电子器件向微型化和集成化方向的发展，这使得开始考虑采用场致发射来取代热阴极发射。

在场致发射中，当冷阴极表面势垒宽度被外加电场压缩到可以同电子波长相比拟，电子的隧道效应将非常明显，阴极体内大量电子穿过表面势垒而逸出到达外部真空环境。目前主要用于显示技术领域，如2005年东南大学王琦龙的、名称为“新型低压驱动碳纳米管场致发射显示的研究”论文1.2节“场致发射显示”中就公布了一种场致发射显示器件，如图1所示，包括玻璃基板、导电电极以及位于导电极板上的锥形发射体(发射尖端)以及栅极，电子是由与荧光屏大小相同的场发射阵列发出的，每个荧光粉发光点对应一个场发射阴极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控制，发光是逐行进行的，因此每个阵列阴极的发生电子束相当于CRT中电子枪的电子束流。

但上述结构的场致发射阴极不适于用真空电子器件，一是阴极长时间发射时将烧毁其锥形发射尖端，二是发射电流不够大，不能满足真空电子器件对带状电子注的需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统，以产生大电流、高电流密度的电子注，用于真空电子器件。

为实现上述实用新型目的，本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统，包括：

一基板，用于固定；

其特征在于，还包括：

一冷阴极，其材料选用金属或硅，利用半导体刻蚀技术将冷阴极材料表面刻蚀为截面为等腰三角形的一系列平行金属突起，突起为截面沿延伸形成的三角棱，棱的顶端为冷阴极发射尖端，等腰三角形截面高度和底宽均根据具体需要设计，为微米或纳米量级，而两个相邻三角棱的距离以及三角棱的长度，则根据发射电流密度以及所需电流宽度决定；

冷阴极材料平板下表面固定在基板上表面；

一栅网，冷阴极的发射尖端上面是栅网，栅网距离冷阴极顶端一般为微米或纳米量级，栅网材料选用金属材料，在冷阴极的每个发射尖端正上方栅网与其形状向对应的开一个矩形口或孔，使得冷阴极发射的电子能够通过栅网，并形成带状电子注。

在栅网上施加比冷阴极更低的电压，即栅网作为栅极施加负高压，绝对值小于冷阴极上电压值，则在冷阴极发射尖端形成强电场，强电场就压缩冷阴极表面的势垒宽度，当势垒宽度与电子波长相比拟时，电子的隧道效应非常明显，冷阴极体内的大量电子穿过表面势垒逸出，形成电流，所施加电压差越大，电流越大。

本实用新型的目的是这样实现的。

本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统，通过将半导体刻蚀技术将冷阴极材料平板上表面刻蚀为截面为等腰三角形的一系列平行金属突起，提高突起的发射尖端的电场强度，进而提高发射电流强度和密度。同时，栅网距离冷阴极顶端一般为微米或纳米量级，栅网材料选用金属材料，在冷阴极发射尖端正上方栅网开一个矩形口或孔，使得冷阴极发射的电子能够通过，并形成电流较大、高效率的带状电子注。此外，本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统具有体积小、瞬时启动、电流密度大和室温工作等优点，适用于多种类真空电子器件。

附图说明

图1是现有技术中一种场致发射显示器件的结构示意图；

图2是本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统一种具体实施方式结构示意图；

图3是图2所示微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统单周期组件结构示意图；

图4是图3所述单周期组件各部分结构示意图，其中(a)为单周期玻璃基板结构示意图图、(b)为单周期冷阴极的结构示意图、(c)为单周期栅格的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

传统的真空电子器件一般采用热阴极发射系统作为电子发射源，但随着真空器件频率向毫米波以及太赫兹频段的发展，真空电子器件的尺寸越来越小，使得热阴极电子光学系统的加工难度加大，另外热阴极还存在结构复杂、功耗高和易损坏等问题。另一方面根据真空电子器件输出功率与电流成正比可知，要实现真空电子器件的大功率输出，电子注的电流应越大越好。针对上述难题，本实用新型设计了一种微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统，能够产生大电流、高电流密度的带状电子注，以适应真空电子器件的微型化和集成化，并提高了真空电子器件的性能。

图2是本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图2所示，本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统包括基板1、冷阴极2以及栅网3。图2中给出的是微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统的部分周期(相邻两个冷阴极发射尖端为一个周期)，周期数根据具体需要设计。

基板1是一块形状为长方体的板，材料为金属、玻璃、硅片、蓝宝石、金刚石或石英，主要作用是为了固定。

冷阴极2的材料选用金属或硅等导体材料，利用半导体刻蚀技术将冷阴极材料平板上表面刻蚀为截面为等腰三角形的一系列平行金属突起，突起为截面沿延伸形成的三角棱，棱的顶端为冷阴极发射尖端，等腰三角形截面高度和底宽均根据具体需要设计，为微米或纳米量级，而两个相邻三角棱的距离以及三角棱的长度，则根据发射电流密度以及所需电流宽度决定。冷阴极材料平板下表面固定在基板1上表面。

冷阴极2的发射尖端上面是栅网3，栅网3距离冷阴极顶端为微米或纳米量级，栅网3的材料选用金属材料，在冷阴极2的每个发射尖端正上方栅网开一个与其(发射尖端)形状向对应的矩形口或孔，使得冷阴极2发射的电子能够通过栅网3，并形成带状电子注。

在栅网3上施加比冷阴极2更低的电压，即栅网3作为栅极上负高压，绝对值小于冷阴极2上电压值，则在冷阴极2发射尖端形成强电场，强电场就压缩冷阴极表面的势垒宽度，当势垒宽度与电子波长相比拟时，电子的隧道效应非常明显，冷阴极体2内的大量电子穿过表面势垒逸出，形成电流，所施加电压差越大，电流越大。

在本实用新型中，冷阴极刻蚀为截面为等腰三角形的三角棱，主要是为了提高突起的发射尖端的电场强度，进而提高发射电流密度。

进一步地说，本实用新型由于采用截面为等腰三角形的三角棱作为场致发射阴极体，和现有技术的采用锥形场致发射阴极体是不同的，锥形发射体发射尖端电场强度高，易于发射，但是发射电流大时，容易烧毁，其次锥形发射体采用阵列形式，单位面积上发射体数量有限，发射电流密度低。而本实用新型提出的三角棱场致发射阴极体，其发射尖端电场强度也高，易于发射，并且由于采用三角棱作为发射体，等同于密度极高的锥形发射体，所以发射电流密度一般为锥形阴极体数百倍，而且在发射电流大时，不容易烧毁，因此，适用于微型化的真空电子器件。

此外，本专利本实用新型微纳尺寸带状电子注场致发射阴极系统还具有体积小、结构简单、易加工、生产成本低、阈值场强低、发射电流密度大、使用寿命长的优点。相对于热阴极，本实用新型提出的截面为等腰三角形的带状注场致发射阴极不仅发射电流密度高，而且不需要加热，能瞬时发射、还具有体积小、室温条件工作，易于微型化、集成化的优点。

在本实施例中，基板1为玻璃基板，冷阴极2的导电电极、栅极矩形孔的宽度、长度、高度以及冷阴极2的发射尖端的高度、底端长度和宽度、结构周期数量可以根据实际情况进行调整。

在本实施例中，如图3、图4所示，对于一个单周期，玻璃基板1为长方体结构，其尺寸为：长度4μm、宽度1μm、高度0.5μm；冷阴极2的下部为长方体结构的导电电极，其尺寸为长度3μm、宽度1μm、高度0.5μm，冷阴极2的上部为三角棱，其尺寸为长度3μm、底端宽度1μm、高2μm，栅网3的栅极孔长3.1μm，宽0.05μm，高0.1μm。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。