可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收装置，属于真空电子技术中的场发射电子器件领域。
【背景技术】
[0002]作为III族氮化物半导体材料的一种，AlN带隙很宽，高达6.2eV，无需Cs激活过程，本身就具有负电子亲和势，并具有场发射所要求的几乎所有特性，包括良好的化学与热稳定性、高的熔点和热导率、大的载流子迀移率和高的击穿电压等，因此是一种优异的冷阴极材料。
[0003]但是作为冷阴极材料，AlN也有自己的不足，那就是由于Al原子的存在，表面容易氧化形成氧化铝薄膜，氧化铝薄膜不导电，也不具有负电子亲和势特性，因此对AlN表面的电子发射形成了阻碍。在AlN冷阴极材料生长、器件制备和性能测试过程中，AlN会多次暴露在空气中，容易因氧化而形成氧化铝薄膜。尤其是在场发射器件制备过程中，需要在AlN表面采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法生长二氧化硅或氮化硅绝缘膜，长时间的加热和接触氧气的过程大大加剧了 AlN冷阴极材料的表面氧化，影响了其电子发射性會K。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，可以减少AlN冷阴极材料的表面氧化，提高其电子发射性能。
[0005]为了克服【背景技术】的不足，本发明提供一种可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，包括:
[0006]一 η 型 SiC 衬底；
[0007]一 η型金属电极，其制作在η型SiC衬底下表面；
[0008]一 AlN冷阴极，其外延生长在η型SiC衬底上；
[0009]一金属阳极；
[0010]一二氧化硅绝缘层，其制作在金属阳极上，该二氧化硅绝缘层的中间为电子发射-接收窗口；
[0011]其中该制作有二氧化硅绝缘层的金属阳极扣置在AlN冷阴极的表面；
[0012]一高压源，其正极连接金属阳极；
[0013]—电流计，其正极连接高压源，负极与η型金属电极连接。
[0014]本发明的关键之处在于在金属阳极上采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法生长二氧化硅绝缘层，然后通过光刻和腐蚀的方法露出接收电子的窗口，窗口面积和形状由光刻版进行控制。在对AlN冷阴极进行电子发射性能测试时，直接将AlN冷阴极和上述带有二氧化硅绝缘层的金属阳极对准并固定，然后放入真空系统中，即可进行测试，大大减少了 AlN冷阴极与氧气或空气接触的时间。
[0015]由于上述技术的运用，与现有器件结构相比，本发明的有益效果在于:
[0016](I)本发明在金属阳极上生长二氧化硅绝缘层并制作电子发射-接收窗口，在保留对电子发射-接收窗口位置、面积和形状进行精确控制的同时，避免了在AlN冷阴极表面生长二氧化硅绝缘层、并通过光刻和腐蚀的方法制作电子发射窗口的过程中，AlN冷阴极被加热和长时间暴露于氧气气氛下容易在表面形成氧化铝薄膜的不足之处，可以有效地降低表面氧化层的阻碍作用，提高AlN冷阴极的电子发射性能。
[0017](2)采用本发明中二氧化硅绝缘层制作于金属阳极之上的电子接收结构，无需在AlN冷阴极表面进行绝缘膜生长和发射窗口制作，可以在AlN冷阴极生长完毕后，与阳极对准并固定，直接放入真空系统中进行场发射性能的测试，能够更迅速地获得不同的外延生长参数对AlN冷阴极场发射性能的影响，并通过测试结果的反馈对AlN冷阴极的外延生长过程进行调整和优化，可以大大加快冷阴极材料的研制进程。
【附图说明】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中:
[0019]图1是一种减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构的示意图。
[0020]图2是一种减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构的工艺过程示意图。
【具体实施方式】
[0021]参阅图1所示，本发明提供一种可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，包括:
[0022]一 η型SiC衬底11，所述η型SiC衬底11的电阻率为0.02-0.2 Ω.cm，厚度为200-500 μm ；
[0023]— η型金属电极10，其制作在η型SiC衬底11下表面，所述η型金属电极10的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50_200nm，Au层厚度为50_200nm ；Ni或Ni/Au薄膜经退火形成欧姆接触，退火气氛为氮气或氩气，退火温度为950°C，退火时间为 l-5min ；
[0024]一 AlN冷阴极12，其外延生长在η型SiC衬底11上，所述AlN冷阴极12的厚度为10-500nm，Si 掺杂浓度为 I X 1018-1 X 1020cm_3 ；
[0025]一金属阳极15，所述金属阳极15为Au、Ag、Cu、Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极；
[0026]一二氧化硅绝缘层13，其制作在金属阳极15上，该二氧化硅绝缘层13的中间为电子发射-接收窗口 14，所述二氧化硅绝缘层13是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长，厚度为0.1-2 μ m，所述电子发射-接收窗口 14是制作在金属阳极15上，通过光刻和腐蚀的方法在二氧化硅绝缘层13上制作窗口，窗口面积和形状由光刻版进行控制；
[0027]其中该制作有二氧化硅绝缘层13的金属阳极15扣置在AlN冷阴极12的表面；
[0028]一高压源16，其正极连接金属阳极15，所述高压源16为场发射过程提供高电压，电压范围为0-5kV ；
[0029]—电流计17，其正极连接高压源16，负极与η型金属电极10连接，所述电流计17用于测量金属阳极15接收到的电子电流，测量范围为IXKT9-1XKr1Ac
[0030]上述在η型SiC衬底11上外延生长的AlN冷阴极12和在金属阳极15上制作的二氧化硅绝缘层13、电子发射-接收窗口 14共同构成AlN冷阴极电子发射-接收器件，其场发射性能测试于真空系统中进行，系统的真空度为I X KT1-1 X 1-8Pa0
[0031]图2是一种减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构的工艺过程示意图，具体包括:
[0032]一金属阳极20，所述金属阳极20为Au、Ag、Cu、Al、不锈钢等金属薄片，或制作在玻璃、蓝宝石基片上的单一金属或复合金属薄层，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极；
[0033]一二氧化硅绝缘层22，其制作在金属阳极21上，该二氧化硅绝缘层22是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法生长，厚度为0.1-2 μπι；
[0034]一电子发射-接收窗口 25，其制作在金属阳极23上，通过光刻和腐蚀的方法在二氧化硅绝缘层24上制作窗口，窗口面积和形状由光刻版进行控制。
[0035]图2所示的电子接收结构是将金属阳极之上的二氧化硅绝缘层光刻并腐蚀后露出的电子发射-接收窗口。当AlN冷阴极薄膜在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)系统中生长完毕后，不需要再在AlN冷阴极表面进行二氧化硅绝缘层的生长和电子发射-接收窗口制作，可以将AlN冷阴极与带有电子发射-接收窗口的金属阳极对准并固定，直接放入真空系统中进行场发射性能的测试，避免了 AlN冷阴极在生长二氧化硅绝缘层的过程中被加热和长时间暴露于氧气气氛下容易在表面形成氧化铝薄膜的不足之处，可以有效地降低AlN表面氧化层的阻碍作用，提高AlN冷阴极的电子发射性能。
[0036]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，包括: 一 η型SiC衬底； 一 η型金属电极，其制作在η型SiC衬底下表面； 一 AlN冷阴极，其外延生长在η型SiC衬底上； 一金属阳极； 一二氧化硅绝缘层，其制作在金属阳极上，该二氧化硅绝缘层的中间为电子发射-接收窗口 ； 其中该制作有二氧化硅绝缘层的金属阳极扣置在AlN冷阴极的表面； 一高压源，其正极连接金属阳极； 一电流计，其正极连接高压源，负极与η型金属电极连接。
2.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中η型SiC衬底的电阻率为0.02-0.2 Ω.cm，厚度为200-500 μ m。
3.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中η型金属电极的材料为Ni或Ni/Au，所述Ni或Ni/Au中的Ni层厚度为50_200nm，Au层厚度为50_200nm。
4.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中AlN冷阴极的厚度为10-500nm，Si掺杂浓度为I X 118-1 X 102°cnT3。
5.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中金属阳极为Au、Ag、Cu、Al或不锈钢，或制作在玻璃或蓝宝石基片上的单一金属或复合金属，或制作在玻璃之上的铟锡氧化物电极。
6.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中二氧化硅绝缘层的厚度为0.1-2 μ m。
7.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中电子发射接收窗口的面积和形状由光刻版进行控制。
8.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中高压源为场发射过程提供高电压，电压范围为05kV。
9.如权利要求1所述的可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，其中电流计用于测量金属阳极接收到的电子电流，测量范围为IXKT9-1XKr1Ac
【专利摘要】一种可以减少AlN冷阴极表面氧化的电子接收结构，包括：一n型SiC衬底；一n型金属电极，其制作在n型SiC衬底下表面；一AlN冷阴极，其外延生长在n型SiC衬底上；一金属阳极；一二氧化硅绝缘层，其制作在金属阳极上，该二氧化硅绝缘层的中间为电子发射-接收窗口；其中该制作有二氧化硅绝缘层的金属阳极扣置在AlN冷阴极的表面；一高压源，其正极连接金属阳极；一电流计，其正极连接高压源，负极与n型金属电极连接。本发明可以减少AlN冷阴极材料的表面氧化，提高其电子发射性能。
【IPC分类】H01J1-304, H01J1-38
【公开号】CN104681374
【申请号】CN201510093713
【发明人】陈平, 赵德刚, 朱建军, 刘宗顺, 江德生, 杨辉
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月3日