一种TFT驱动的可寻址冷阴极平板X射线源器件及制备方法与流程

本发明涉属于真空微纳电子技术领域，尤其涉及一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件，更涉及一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件的制备方法。

背景技术：

采用可寻址平板x射线源，可发展出新一代的低剂量成像方法。可寻址平板x射线源采用场发射冷阴极微阵列发射电子，轰击金属靶材产生x射线。它具有分区、逐点发射的能力，而且具备低功耗、成像工作距离短、响应速度快等优点，而且不需要配备笨重的加热电源和冷却设备，使用更加灵活方便且便于携带。可寻址平板x射线源由可行列寻址的冷阴极电子源阵列和阳极组成。冷阴极电子源阵列的寻址驱动方式可分为无源驱动和有源驱动两种方式。在activecontroloftheemissioncurrentoffieldemitterarrays和amonolithicfieldemitterarraywithajfet两篇文献中，研究者相继采用场效应管（mosfet）、结型场效应管（jfet）的有源器件调控冷阴极发射电流，以提高冷阴极各像素发射电流的一致性和电流的稳定性。已有研究将mosfet和jfet与冷阴极场发射阵列集成到一起，有效的实现了对冷阴极场发射的控制并提高场发射电流的稳定性，但是，mosfet和jfet与冷阴极场发射阵列只能通过硅片集成到一起，而硅片目前单片最大尺寸为12英寸，由于受到硅基衬底的限制，无法实现大面积有源驱动可寻址电子源阵列。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件，包括有源驱动器件、采用高压绝缘隔离体平行相对的阳极基板和阴极基板，所述阳极基板具有金属薄膜靶层，所述阴极基板包括纳米冷阴极阵列和高压tft，所述高压tft为有源驱动器件，所述高压tft包括栅极电极、源极电极、漏极电极；所述高压tft和所述纳米冷阴极阵列在同一个衬底上。利用高压tft驱动实现低压可寻址。高压tft用于达到1000v以上的电压环境。冷阴极电子源阵列由高压tft驱动的冷阴极电极组成。

优选地，所述的平板x射线源器件是在真空封装或动态真空下工作。动态真空是没有封装，在真空腔里运行，需要真空泵维持运行环境的真空；真空封装是采用真空封离技术将器件封装起来，形成一个便携式器件，不需要真空泵维持真空。

优选地，所述冷阴极电子源阵列的每个单元均由所述高压tft单独驱动。采用高压tft有源控制，可以实现可寻址的冷阴极场发射。当给高压tft的栅极电极施加正电压，对应的冷阴极便开启场发射；给高压tft的栅极电极施加负电压，对应的冷阴极便关闭场发射。在整个可寻址冷阴极平板x射线源器件中，每个单元均由单独的高压tft控制，便可以对每个单元的单独控制，实现可寻址功能。同时还使得驱动过程中效率更高，更稳定。

本发明还提供一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件的制备方法，包括以下步骤：

1）制作阴极基板：

a）清洁衬底，

b）在衬底上制作栅极电极，栅极电极可以是由mo、cr、al、ti、cu等金属材料和ito、izo、azo等金属氧化物材料以及其他具备优秀导电性能实现。

c）在上述栅极电极覆盖栅极绝缘层，绝缘层是由氧化硅、氮化硅、氧化铝或其它具备高电阻特性的材料及其混合材料制成的一层或多层绝缘薄膜组成，绝缘薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，如电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等方法制备。

d）在上述栅极绝缘层上制作有源层，有源层包括a-igzo、a-izto、a-si或p-si等半导体材料。有源层薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，如溅射和化学气相沉积等方法制备。并采用定域刻蚀的方法获得图形化的有源层，刻蚀有源层的方法可以是湿法刻蚀，反应离子刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。

e）在上述有源层的上方制作源极电极和漏极电极，在栅极电极和漏极电极之间有偏移漏极结构，源极电极和漏极电极可以是由mo、cr、al、ti、cu等金属材料和ito、izo、azo等金属氧化物材料以及其他具备优秀导电性能实现。源极电极和漏极电极薄膜的制备可以采用电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等通用薄膜制备方法。

f）在上述源极电极和漏极电极的上方覆盖钝化层，所述钝化层刻蚀开孔形成刻蚀通孔，露出漏极电极，钝化层是由氧化硅、氮化硅、氧化铝或其它具备高电阻特性的材料及其混合材料制成的一层或多层绝缘薄膜组成，绝缘薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，如电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等方法制备。刻蚀绝缘层的方法可以是湿法刻蚀，反应离子刻蚀等通用薄膜刻蚀方法。

g）在上述钝化层的上方制作冷阴极电极，并通过刻蚀通孔与漏极电极连接，冷阴极电极的材料为抗高温氧化能力较好的ito、izo、azo等导电性能良好的材料中的一种。

h）在上述冷阴极电极的顶部上定域制作冷阴极预生长薄膜，冷阴极预生长源薄膜可以通过电子束蒸发、溅射以及化学气相沉积等通用薄膜制备方法来制作，接着采用剥离技术，得到用于冷阴极电子源阵列生长的生长源薄膜阵列。冷阴极预生长薄膜的材料可以为钨、锌、铜、铁、钼、铬或可氧化的金属材料中的一种或多种，并通过热氧化的方式获得一维金属氧化物冷阴极电子源阵列。

i）将上述冷阴极预生长薄膜在含氧的气氛下加热至200~650℃，并保温30分钟~12小时，最后自然降温，获得纳米冷阴极阵列；高压tft和纳米冷阴极阵列均制备在阴极基板上。

2）制作阳极基板：

a）在衬底上制作阳极金属薄膜靶层，

b）在上述阳极金属薄膜靶层上制作阳极保护层，

3）所述阳极基板和所述阴极基板采用高压绝缘隔离体平行相对。

在栅极电极和漏极电极之间设计了偏移漏极结构，此偏移漏极结构区域的有源层不受栅极电场的调控，同时能承受纳米冷阴极阵列较高的阳极电压。

偏移漏极结构使得tft在高源漏电压下正常运行，偏移漏极区域的有源层不受栅极电场的调控，相当于在沟道中串联了一个电阻，从而使得tft能承受较高的源漏电压；钝化层的制备，用来保护tft的沟道；钝化层刻蚀开孔，露出漏极电极是为了后续将冷阴极集成到漏极上；纳米冷阴极阵列采用垂直集成的方法集成在高压tft的正上方，可以实现高分辨可寻址的冷阴极电子源阵列；在使用热氧化法的方式获得以为金属氧化物纳米冷阴极阵列的同时也对高压tft完成了退火工艺。

优选地，所述高压绝缘隔离体为玻璃、石英、陶瓷或者绝缘塑料中的一种，其厚度为0.1mm~500mm。

优选地，所述阳极基板包括金属薄膜靶层和阳极保护层，所述金属薄膜靶层为钨、钼、铑、银、铜、金、铬、铝、铌、钽、铼中的一种或任意几种组合的金属薄膜，其厚度为0.1μm~1500μm，所述阳极保护层为抗高温氧化的合金薄膜，其厚度为20nm~200nm。阳极保护层是用来保护阳极金属层在高温封装过程中不被氧化。如果器件要真空封装，工艺温度为400℃以上，如果没有阳极保护层，那么阳极金属将会被氧化。

优选地，所述高压tft采用同心圆结构，所述栅极电极、源极电极、漏极电极形状为圆环形或圆形并且圆心重合，偏移漏极结构长度范围为1~50%沟道长度。高压tft圆环形栅极电极的内半径范围为0μm~500μm，内半径与外半径的差值为5μm~500μm，圆环形源极电极的外半径范围为0μm~500μm，内半径与外半径的差值为5μm~500μm，圆形漏极电极的半径范围为0μm~500μm，偏移漏极结构长度范围为0μm~500μm。栅极电极、源极电极、漏极电极由具备导电性能且兼容微加工工艺的材料制成，包括mo、cr、ito、al、cu、ti、izo或azo。

优选地，所述有源层包括a-igzo、a-izto、a-si或p-si中至少一种。栅极电极、源极电极、漏极电极由具备导电性能且兼容微加工工艺的材料制成，包括mo、cr、ito、al、cu、ti、izo或azo；

优选地，所述栅极绝缘层和所述钝化层均由具备高电阻特性的材料或其混合材料制成，包括氧化硅、氮化硅或氧化铝等，所述栅极绝缘层的厚度为100nm~500nm，所述钝化层的厚度为0.1μm~1μm。

优选地，所述冷阴极预生长薄膜的材料可以为钨、锌、铜、铁、钼、铬或可氧化的金属材料中的一种或多种，并通过热氧化的方式获得一维金属氧化物冷阴极电极。所述冷阴极电极包括一维纳米材料或二维纳米冷阴极薄膜材料中的一种。一维线性纳米材料为zno、wox、cnts，二维纳米冷阴极薄膜材料为石墨烯、金刚石薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）利用高压tft的器件特性，可有效的提高冷阴极场发射电流的稳定性，实现对冷阴极场发射的开关以及电流精准的控制；利用高压tft作为有源驱动，驱动纳米冷阴极阵列，可以降低驱动电压，从而降低了大面积冷阴极电子源的驱动电路的成本；高压tft与纳米冷阴极阵列集成是实现大面积有源驱动、低压可寻址电子源阵列的有效途径。

2）冷阴极电子源阵列工作时，对阳极施加高压直流或脉冲电压，同时对相应的高压tft的栅极电极施加低压直流或脉冲电压，相应的纳米冷阴极电极会在高压tft的驱动作用下实现电子的发射和调控。通过选择性的对高压tft的栅极电极施加电压，可以实现低压驱动的可寻址电子发射。

3）将冷阴极电子源阵列垂直集成在高压tft的正上方，具备高分辨可寻址发射电子的能力。并且在完成纳米冷阴极阵列生长工艺的同时，亦可完成高压tft的退火，相兼容的制备工艺使得两者可以集成在玻璃衬底上。因此，可以实现大尺寸的电子源阵列器件的制备，并且该冷阴极电子源阵列可应用于平板x射线源，实现可寻址的平板x射线源。

附图说明

图1是本发明所述一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件中的结构示意图；

图2为图1中的冷阴极电子源阵列的结构剖示图；

图3为图1中的冷阴极电子源阵列的俯视结构示意图；

图4为图3中的冷阴极电子源阵列局部俯视结构示意图；

图5为图1中的冷阴极电子源阵列的制作流程图；

附图标记说明

衬底1；栅极电极2；栅极绝缘层3；有源层4；漏极电极5；偏移漏极结构6；源极电极7；钝化层8；刻蚀通孔9；冷阴极电极10；生长源薄膜11；纳米冷阴极阵列12；栅极电极条13；源极电极条14；隔离体15；阳极金属薄膜靶层16；阳极保护层17。

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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

实施例1

如图1所示，为本发明所述一种tft驱动的可寻址冷阴极平板x射线源器件中的结构示意图，平板x射线源由采用高压tft驱动可寻址的冷阴极电子源阵及阳极组成。阳极与冷阴极电子源阵列之间采用隔离体15保持一定的阴阳极间距。纳米冷阴极阵列12在阳极高压和脉冲栅极电压共同作用下出射电子轰击阳极金属薄膜靶层16，从而产生可寻址的x射线。

实施例2

如图2所示，为图1中的冷阴极电子源阵列的结构剖示图。如图2所示，该电子源阵列的基本结构，包括衬底1、圆环形的栅极电极2、栅极绝缘层3、有源层4、圆形漏极电极5、偏移漏极结构6、圆环形的源极电极7、钝化层8、冷阴极电极10以及纳米冷阴极阵列12。纳米冷阴极阵列12垂直集成在高压tft的正上方，冷阴极电极10通过刻蚀通孔9将纳米冷阴极阵列12与高压tft的漏极电极5连接，见图2和图3。因为纳米冷阴极阵列12是由高压tft驱动的，所以在恒定的阳极电压下，对高压tft的栅极电压进行调控，即可实现对冷阴极电子源阵列的可寻址调控。

如图3所示，图3中的冷阴极电子源阵列的俯视结构示意图；源极电极条14将同一列所有高压tft的源极电极7相连接，栅极电极条13将同一行所有高压tft的栅极电极2相连接。从而可以对栅极电极条13施加脉冲电压实现对纳米冷阴极阵列的可寻址。

如图4所示，为图3中的冷阴极电子源阵列局部俯视结构示意图；高压tft采用同心圆结构，其栅极电极2和源极电极7为圆环形，漏极电极5为圆形。并且在栅极电极2和漏极电极5之间有一个偏移漏极结构6。此偏移漏极结构6区域的有源层4不受栅极电极2产生的电场调控，同时能承受纳米冷阴极阵列12较高的阳极电压。偏移漏极结构6使得tft在高源漏电压下正常运行。

实施例3

如图5所示，为图1中的冷阴极电子源阵列的制作流程图。

本实施例给出了采用氧化锌纳米线作为冷阴极材料的采用高压tft驱动可寻址的冷阴极电子源阵列制作过程。

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，并用氮气吹干。在玻璃衬底上，采用直流磁控溅射真空镀膜技术、光刻以及湿法刻蚀制备圆环形栅极电极2。该电极材料为钼，其厚度约为200nm。如图5（a）。

用等离子体增强化学气相沉积的方法在上述栅极电极2上方沉积栅极绝缘层3薄膜，绝缘层薄膜为二氧化硅薄膜，其厚度约为300nm。在栅极绝缘层3的上方采用射频磁控溅射真空镀膜技术、光刻以及湿法刻蚀制备有源层4，有源层4的材料为a-igzo，其厚度约为50nm。如图5（b）。

在有源层4的上方采用直流磁控溅射真空镀膜技术、光刻以及湿法刻蚀制备圆环形源极电极7和圆形漏极电极5。该电极材料为钼，其厚度约为200nm。如图5（c）。

采用等离子体增强化学气相沉积的方法在上述结构上沉积钝化层8薄膜，钝化层8薄膜为二氧化硅薄膜，其厚度约为300nm。如图5（d）。

然后采用反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅得到刻蚀通孔9，用于连接冷阴极电极10和高压tft的漏极电极5。如图5（e）。

接着在上述钝化层8的上方，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备冷阴极电极10。在冷阴极电极10薄膜制备沉积过程中，顶部电极薄膜也会沉积在钝化层8上刻蚀通孔9的开口边沿、内壁以及暴露在刻蚀通孔9底部的局部高压tft漏极电极5，这样冷阴极电极10就能很好的跟高压tft漏极电极5相连接。顶部电极材料为ito，其厚度约为200nm。如图5（f）。

接着在冷阴极电极10的顶部上光刻定位冷阴极电子源阵列生长区域，然后采用电子束蒸发真空镀膜技术镀生长源薄膜11，该生长源薄膜11为锌膜，采用剥离方法得到生长源锌薄膜阵列。如图5（g）。

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2小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。如图5（h）。

阳极的制备方法如下：将玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗20分钟，并用氮气吹干。在玻璃衬底上，采用直流磁控溅射真空镀膜技术制备阳极金属薄膜靶层16。该阳极金属薄膜靶层16材料为钨，其厚度约为500nm。之后采用直流磁控溅射真空镀膜技术制备阳极保护层17。该阳极保护层17材料为铝，其厚度约为100nm。陶瓷隔离体15厚度为1mm。在恒定的阳极电压下，对高压tft的栅极施加脉冲电压便可实现可寻址发射x射线的平板x射线源。

本发明的工作原理是冷阴极电子源阵列工作时，对阳极施加高压直流或脉冲电压，同时对相应的高压tft的栅极施加低压直流或脉冲电压，相应的冷阴极电子源阵列会在高压tft的驱动作用下实现电子的发射和调控。通过选择性的对高压tft的栅极施加电压，可以实现低压驱动的可寻址电子发射。同时，本发明将冷阴极电子源阵列垂直集成在高压tft的正上方，具备高分辨可寻址发射电子的能力。并且在完成冷阴极电子源阵列生长工艺的同时，亦可完成高压tft的退火，相兼容的制备工艺使得两者可以集成在玻璃衬底上。因此，可以实现大尺寸的电子源阵列器件的制备，并且该冷阴极电子源阵列可应用于平板x射线源，实现可寻址的平板x射线源。

需要特别指出的是，实际制作过程并不仅仅局限于上述所举的例子，还可以采用其它相类似的微加工方法实现器件结构，以及采用其他类似的生长手段实现冷阴极电子源阵列的生长。

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。