专利名称：具有低孔隙度高掺杂接触层的硅发射体的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种具有包含高掺杂区的低孔隙度多孔硅材料接触层的硅发射体，并且涉及一种制造具有包含高掺杂区的低孔隙度多孔硅材料接触层的硅发射体的方法。更具体而言，本发明涉及一种包括低孔隙率多孔硅材料接触层的硅发射体，该硅材料含高掺杂区以减少高孔隙度多孔硅材料的活性层与顶电极之间的接触电阻以及增加顶电极的电子发射效率和发射稳定性，同时还涉及该发射体的制造方法。
背景技术：
图1表示现有技术的多孔硅发射体100。现有技术的多孔硅发射体100是一种二极管结构，它包括高掺杂n+硅(Si)基板103作电子注入层、还可有与基板103电接触的欧姆接触105、在基板103上形成的活性多孔硅(Si)层101、和在活性多孔硅层101上形成的电极107，电极107与101层电连接。当电极107对基板103加有正偏压时，由电压源V1提供的二极管电流Id流经活性层101和基板103。二极管电流的一部分Ie射入到电极107上面的真空区(未示)，并由位于电极107对面的集电极115收集。集电极115由电压源V2提供相对于电极107的正偏压，以便引出由电极107发射的电子e。电极(107，115)和欧姆接触105可由导电材料如金(Au)或铝(Al)制成。
现有技术的多孔硅发射体100的一个缺点在于，活性多孔硅(Si)层101具有高的孔隙度，它使电极107与活性多孔硅(Si)层之间有高的串联接触电阻Rc。电阻Rc与高电压下活性多孔硅(Si)层101的电阻相当或甚至比其高。因此，高的串联接触电阻Rc在活性层101和电极107之间产生不希望的/意外的电压降，该压降使多孔硅发射体100的电子发射效率降低。
其次，高的串联接触电阻Rc使功率消耗较高和功率耗散(废热)较增，这含减少发射体100的使用寿命。在以电池供能的应用中，希望降低能耗，从而延长电池寿命和运行时间。再次，希望减少由系统产生的废热量，因为热控制系统如通风机和热阱会增加系统的费用、重量和复杂性。
现有技术的多孔硅发射体100的第二个缺点在于接触电阻Rc在V1提供高偏压下使二极管和发射电流达到饱合。电子发射电流随电压的增高而增大是希望的。但是，如果出现饱合，电子发射电流呈峰值，并不随电压的增高而增大。
最后，现有技术的多孔硅发射体100的另一缺点在于，活性多孔硅(Si)层101与电极107的接触电阻高，它使电子发射效率降低。
因此，需要一种能减少多孔硅发射体的活性孔硅层和电极之间的串联接触电阻的多孔硅发射体。同时需要一种能在低电压下运行的，从而能降低能耗和废热产生的多孔硅发射体。此外还需要一种在较高电压下不会饱合，从而能在这种较高的电压下获得高发射电流和发射效率的多孔硅发射体。
发明描述本发明解决上面提到的高串联接触电阻产生的问题，其措施是在高孔隙度多孔硅材料和顶电极之间采用一种低孔隙度和低电阻率的多孔硅材料的接触层。其次，与端电极相邻的低孔隙度多孔硅的部分接触层包括高掺杂区，以增加顶电极的电子发射效率和发射电流，并进一步降低运行电压。低孔隙度多孔硅接触层降低顶电极和高孔隙度多孔硅活性层之间的串联接触阻抗。其结果是当偏压施于二极管时，在活性层和顶电极之间的压降降低，而且绝大部分压降产生在活性层内。
其次，与现有技术的多孔硅发射体的高功率消耗和功率耗散相关的问题是通过本发明的低孔隙度多孔硅的接触层解决的，因为降低接触电阻会导致功率消耗和功率耗散下降。再次，接触阻抗降低容许电子发射体在较低的电压下运行，这符合低功率消耗和低功率耗散的目的。
很明显，本发明涉及一种高发射电子发射体和一种制造高发射电子发射体的方法。本发明的高发射电子发射体包括电子注入层、与电子注入层接触的高孔隙度多孔硅材料的活性层、与该活性层接触的低孔隙度多孔硅材料的接触层，该接触层包括延伸到接触层界面内的高掺杂区、以及与接触层界面接触的顶电极。具有高掺杂区的接触层降低活性层和顶电极之间的接触电阻。掺杂区降低接触层的电阻率。电子注入层由导电材料如n+半导体、n+单晶硅(Si)、硅化物、金属，或玻璃基板上的金属层制成。活性层和接触层可在硅(Si)的外延层、硅(Si)的聚硅层、无定形硅(Si)层或沉积在电子注入层上的碳化硅(SiC)层中形成。顶电极是一种导电材料如金(Au)或铝(Al)。
一种制造高发射电子发射体的方法，它包括用n+掺杂物掺杂硅材料层的界面表面，使该硅材料层退火，以形成掺杂区，该区向硅材料层的界面表面内部延伸，在暗环境或在照明环境下在氢氟酸(HF)溶液中在第一阳极化电流下使界面表面电化学阳极化，以形成低孔隙度多孔硅材料的接触层。第一阳极化电流密度保持第一个时间周期，直至接触层达到第一厚度。然后第一阳极化电流密度增大至第二阳极化电流密度(即第二阳极化电流密度大于或等于第一阳极化电流密度)，以形成高孔隙度多孔硅材料的活性层。第二阳极化电流密度保持第二个时间周期，直至活性层达到第二厚度。最后还可将顶电极沉积在界面表面上。
在本发明的一个实施方案中，电子注入层包含一种材料，该材料包括但不限于n+型半导体、n+型单晶硅、金属、金属合金、玻璃基板上的金属层，和金属硅化物。
在本发明的另一个实施方案中，低孔隙度多孔硅材料的接触层和高孔隙度多孔硅材料的活化层可以是一种包括但不限于多孔外延硅、多孔聚硅和多孔碳化硅中的材料。
在本发明的再一个实施方案中，多孔外延硅可以是本征多孔外延硅；n-型多孔外延硅；或p-型多孔外延硅。多孔聚硅可以是本征多孔聚硅；n-型多孔聚硅；或p-型多孔聚硅。
在本发明的再一个实施方案中，n+型掺杂区是用一种工艺掺杂的，该工艺包括但不限于离子注入、扩散和现场沉积。高掺杂区可包括但不限于n-型掺杂物如砷、锑、磷、钒和氮。
在本发明的一个实施方案中，电子注入层包括欧姆接触。
从下面的详细叙述，并参照附图和实施例能使本发明的其它方面和优点显而易见。
附图简述图1是现有技术的具有高孔隙度多孔硅活性层的多孔硅发射体截面图。
图2a是本发明的具有低孔隙度多孔硅材料和n+型掺杂区的接触层的高发射电子发射体的截面图；图2b是图2a所示本发明的高发射电子发射体的截面图，其中将有各层厚度。
图3是图2a所示的高发射电子发射体的截面图，其中还包括本发明的欧姆接触。
图4a-4d表示本发明的高发射电子发射体的制造方法，该发射体包括电子注射层和含n型高掺杂区的低孔隙度多孔硅材料的接触层。
图5a-5c表示制造高发射电子发射体的电化学阳极化方法，该发射体包括本发明的电子注入层和含n+型掺杂区的低孔隙度多孔硅材料的接触层。
图6a-6b分别表示本发明的恒定的阳极化电流密度和变化的阳极化电流密度。
发明详述下述详细叙述和图中类似元件用类似的标记数表示。
如说明性附图所示，本发明涉及具有低孔隙度多孔硅材料接触层的高发射电子发射体，该接触层包括高掺杂区，以及涉及具有包括掺杂区的低孔隙度多孔硅接触层的高发射电子发射体的制造方法。
高发射电子发射体包括电子注入层、与电子注入层接触的高孔隙度多孔硅材料的活性层、与活性层接触的低孔隙度多孔硅材料的接触层、延伸入接触层界面表面的高掺杂区、与界面表面接触的顶电极。低孔隙度多孔硅材料的接触层降低高孔隙度多孔硅材料的活性层与顶电极之间的接触电阻(即接触阻抗较低)。其次，高掺杂区进一步降低低孔隙度多孔硅材料的接触层的电阻率，其结果增大从顶电极的电子发射电流和从顶电极的稳定电子发射。因此，为使端电极在一定的电压下发射电子而对高发射电子发射体施加偏压时，操作电压降低。
降低接触电阻的优点包括降低功率消耗、降低功率耗散、在高操作电压下不出现饱合的高发射电流、以及降低操作电压。
在图2a中，高发射电子发射体10包括含正面表面2和背面表面4的电子注入层1、与电子注入层1接触的高孔隙度多孔硅材料的活性层3、与高孔隙度多孔硅活性层3接触的低孔隙度多孔硅材料的接触层5，该接触层包括高掺杂区8(以后称为掺杂区8)，该掺杂区8延伸入接触层5的界面表面12、和与低孔隙度多孔硅材料5接触层5的界面表面12接触的顶电极7。
当端电极7由外电压源V施加以相对于电子注入层1为正偏压时，高发射电子发射体10从顶电极7发射电子e-(见虚线)。虽然只示出了外电压源V，可用一个以上的电压源给顶电极7和电子注入层1之间加偏压。在图2a中，电子注入层1接地，顶电极7与外电压源V的正端子相联。
接触层5和活性层3是在硅材料层6中形成(见图2b的虚线)它沉积在电子注入层1之上，细节将在下面叙述。
电子注入层1可用导电材料制成，包括列于表1的材料，但不限用这些材料。
表1
n+单晶硅和n+半导体可呈硅晶片、半导体晶片或基板的形式。n+单晶硅的晶体取向可为(100)和(111)。其它晶体取向亦可采用。n+单晶硅的优选取向为(100)。
适宜作电子注入层1的金属包括任何导电的金属。金(Au)、金合金、铝(Al)、和铝合金是适宜金属的实例。如果电子注入层是玻璃基片上的金属层，那些金属亦是适宜的。例如，电子注入层1可以是沉积在玻璃基板上的厚度为0.10μm-0.3μm的金(Au)或铝(Al)层。
电子注入层1可以是导电的硅化物如硅化钛(TiSi)或硅化铂(PtSi)，或者电子注入层1可以是导电的氮化物如氮化钛(Ti3N4)。
图2b表示出高发射电子发射体10的各层厚度。这里所示的层厚可依应用而变化，本发明不限于这里所示的厚度范围。
电子注入层1的厚度可为t1，这决定于所用材料的厚度。例如，如果用单晶硅晶片作电子注入层1，则电子注入层1的厚度t1将是晶片的厚度。如果电子注入层1经磨、擦、抛光、或化学机械磨平等工艺变薄，则变薄的电子注入层1的最终厚度将为t1。如果采用非晶片的基板则t1将是基板的厚度或基板经任一种变薄工艺处理之后的厚度。
典型的顶电极7是薄层导电材料，包括但不限于金(Au)、金合金、铝、铝合金、钨(W)、钨合金、铂(Pt)和铂合金。顶电极7亦可以是一种多层金属，包括两种或多种不同的金属材料。优选金(Au)或金合金薄层作顶电极7。
顶电极7的厚度te可依接触层5的电导率不同在5.0nm-10nm之间。如果接触层5的电导率高，则顶电极7可较薄。沉积顶电极7的工艺包括但不限于如e-束蒸发、热蒸发和溅镀。如果接触层5的掺杂区8有足够的导电性(即电阻率≈几mΩ·cm)，则顶电极可以是必需的也可不是必需的。
高孔隙度多孔硅材料活性层3的厚度ta可为0.5μm-10.0μm，低孔隙度多孔硅材料接触层5的厚度tc可为10.0nm-100.0nm。
图2b中，接触层5和活性层3是硅材料层6形成的，硅材料层6是沉积在电子注入层1的正面表面2上。活性层3与电子注入层1接触，并位于接触层5和电子注入层1之间。例如低压化学蒸汽沉积(LPCVD)工艺可用于沉积硅材料层6。硅材料层6包括在硅材料层6中形成接触层5之后将变为接触层5的界面表面12的界面表面12，这将在下面讨论。
硅层6的厚度ts约为0.5μm-10.0μtm。厚度ts很接近高孔隙度多孔硅材料的活性层3的厚度ta(即ts≌ta)，因为低孔隙度多孔硅材料的接触层5的厚度tc远薄于厚度ta(即tc为nm，而ta为μm，即厚度之差约为3个数量级)。掺杂区8的厚度td(td≤tc)在5nm-50nm范围内。
接触层5和活性层3形成之后，顶电极7沉积在接触层5的界面表面12上。掺杂区8延伸至界面表面之内，而且顶电极7与接近界面表面12的部分掺杂区8接触(参见图2a的虚线)。掺杂区8降低接触层5的电阻率(Ω·cm)。
硅层6可由包括列于表2的材料制成，但不限于此。由于接触层5和活性层3是在硅材料层6中形成的，所以列于表2的材料可用于接触层5和活性层3两者。
表2
表2的多孔外延硅(Si)的材料包括但不限于列于表3的多孔外延硅材料。
表3
表2的多孔聚硅(Si)材料包括但不限于列于表4的多孔聚硅(Si)材料。
表4
对于表2的多孔外延硅、多孔聚硅和多孔无定形硅，接触层5的掺杂区8的掺杂剂材料可包括但不限于表5的掺杂剂材料。
对于表2的多孔碳化硅(SiC)，接触层5的掺杂区8的n-型掺杂剂材料可包括但不限于表5的第2、4、和5行的材料。
表5
在本发明的一个优选实施方案中，如图3所示，高发射电子发射体10包括欧姆接触9，它与电子注入层1的背面表面接触。欧姆接触9的适宜材料包括但不限于金(Au)、金合金、铂(Pt)、铂合金、铝(Al)、铝合金、和多层金属，该多层金属包括但不限于金上面的钽(Ta/Au)，和金上面的铬(Cr/Au)。
对于电化学阳极化制造工序，欧姆接触9可能是必需的，以便与电极(例如铂(Pt)电极)保持良好的电连接(即欧姆接触)，在阳极化过程中电子注入层1安置于该电极上。如果电子注入层1有小于几mΩ·cm的低电阻率，则欧姆接触9可以是不必要的。但是如果电子注入层1有高于几mΩ.cm的电阻率，则欧姆接触9是必要的。另外，如果电子注入层1有高的电阻率，则背面4可注入高剂量的n-型材料磷(P)或P-型材料硼(B)，以便降低电子注入层1的电阻率，以致在阳极化过程中与电极保持良好的电接触。
在图4a-4d和5a-5c中描述一种制造高发射电子发射体的方法。在图4a中，电子注入层1包括正面表面2和背面表面4。电子注入层1的厚度t1是在正面表面和背面表面(2，4)之间测定的。电子注入层1的材料包括但不限于表1列出的材料。
图4b中硅材料层6沉积在电子注入层1的正面表面2上。硅材料层6的厚度ts是在硅材料层6的界面表面12和正面表面2之间测出的。界面表面12在硅材料层6形成过程中(即现场)或形成之后(即扩散或注入)进行掺杂，形成延伸入界面表面12的掺杂区8。例如，硅材料层6的现场形成和掺杂可用化学蒸汽沉积(CVD)方法完成。其中硅材料层6通过CVD沉积，掺杂气体如膦(PH3)或胂(AsH3)在沉积过程通入沉积室。
另一方面，掺杂区8可在硅材料层6沉积之后通过扩散或离子注入形成。在扩散或离子注入之后需要退火。例如，离子注入可采用的加速电压约为30.0kV，剂量约为1*1015-1*1019cm-2。
掺杂之后，硅材料层6在惰性环境下退火。退火的时间和温度取决于所采用的掺杂剂类型、掺杂剂剂量和实现掺杂的工艺(例如，离子注入、扩散、或现场沉积)。
对于上面列于表5的掺杂剂材料，退火时间可包括，但不限于约1小时的退火时间，退火温度可包括，但不限于约1000℃的温度，惰性环境可包括但不限于真空或惰性气体。例如，惰性气体可以是氮(N)或氩(Ar)，优选氩(Ar)作惰性环境。
硅材料层6的材料包括但不限于表2、3和4所列的材料。适宜用作掺杂区8的掺杂剂材料包括但不限于上面表5所列的材料。掺杂区8的掺杂可借助包括但不限于离子注入、扩散和现场沉积等工艺进行。
在图4c中，硅材料层6的界面表面12经电化学阳极化(参见下面的讨论)，以形成低孔隙度多孔硅材料的接触层5，该层延伸入界面表面12，其厚度tc从界面表面12度量。
在图4d中，硅材料层6经电化学连续阳极化(参见下面的讨论)，以形成高孔隙度多孔硅材料的活性层3，该层与电子注入层1的正面表面2接触，并位于接触层5和电子注入层1之间。活性层3的厚度为ta。作为上述电化学阳极化工序的结果，硅材料层6(见虚线)转化成可变孔隙度的多孔硅材料层。阳极化后，顶电极7沉积在接触层5的界面表面12上。顶电极7的材料包括图2b中所引的材料。
图5a-5c描述硅材料层6的电化学阳极化的工艺，以制造本发明的高发射电子发射体10。在进行电化学阳极化之前，欧姆接触9(见图3)可沉积在电子注入层1的背面表面4上。
在图5a中，将图4b所述的结构(即电子注入层1加具有掺杂区8的硅材料层6)置于小室21之中，该小室包括第一电极23和第二电极27。电子注入层1与第一电极23有电连通。通常，电子注入层1安装在第一电极23上。采用导电金属作第一电极和第二电极(23，27)。宜采用铂(Pt)作第一电极和第二电极(23，27)，因为铂(Pt)能耐氢氟酸(HF)，氢氟酸将用于阳极化过程。
在电化学阳极化过程中，通常希望只将界面表面12暴露在氢氟酸(HF)溶液中。为此目的，可使用密封(未示)来防止氢氟酸溶液侵蚀电子注入层1的背面表面4和/或电子注入层1和硅材料层6的其它部位。实质上，密封容许HF溶液只与界面表面12接触，防止HF溶液与图4b所示结构的其它部位，包括背面表面4接触。
电流源I与第一电极和第二电极(23，27)联接，致使第一电极23为阳极。第二电极27为阴极。小室21充满氢氟酸(HF)溶液E，该溶液完全覆盖硅材料层6的界面表面12和第一及第二电极(23，27)。
对于本文所述的实施方案，HF溶液E的浓度可包括但不限于列于表6的浓度。通常，HF溶液E是在水(H2O)中的氢氟酸(HF)稀释溶液，并且该稀释溶液添加到乙醇(C2H5OH)中，以生成有预定HF重量％的乙醇溶液。HF在水(H2O)中和/或乙醇(C2H5OH)中的浓度同样可用体积表示。HF溶液E的浓度为10体积％-30体积％。HF溶液E的温度可为0℃左右(即约为摄氏零度)。但是，HF溶液E的实际温度与应用有关，并且不限于这里所列的范围。
表6
在图5a-5c中，一种制备高放射电子发射体的方法包括，在电化学阳极化之前，在电子注入层1的正面表面2上沉积硅材料层6(见图4a和4b)。硅材料层6沉积之后，将界面表面12界定在硅材料层6上，硅材料层6的厚度为ts。界面表面12在电化学阳极化前用掺杂剂材料掺杂，致使在靠近界面表面12的部分硅材料层6包括示于图4b的掺杂区8。
在图5a中，包括掺杂区8的硅材料层6按上面所述的方式放入小室21。在暗环境中，电流源I使第一阳极电流密度I1(mA/cm2)流过第一及第二电极(23，27)和HF溶液E，以便使硅材料层6的界面表面12电化学阳极化，以形成延伸入界面表面12的低孔隙度多孔硅材料的接触层5。
第一阳极化电流密度I1保持第一个时间期T1，直至低孔隙度多孔硅材料的接触层5形成如图5b所示的第一厚度tc。
在图5c中，电流源I将阳极化电流密度从第一阳极化电流密度转换到第二阳极化电流密度I2(mA/cm2)，形成高孔隙度多孔硅材料的活性层3。高孔隙度多孔硅材料的活性层3通过在光学环境中的阳极化形成，该环境是基于硅层6的材料预先选定的。高孔隙度多孔硅材料的活性层3直接位于低孔隙度多孔硅材料的接触层5和电子注入层1的正面表面2之间。
第二阳极化电流密度I2持续第二个时间期T2，直至高孔隙度多孔硅材料的活性层3达到第二厚度ta。由于电化学阳极化工艺将硅材料层6转变为多孔硅层(PS)(即接触层5和活性层3)，所得高孔隙度多孔硅材料活性层3直接位于低孔隙度多孔硅材料的接触层5和电子注入层1的正面表面2之间，如图5c所示。
第二阳极化电流密度I2可大于或等于第一阳极化电流密度I1。第二阳极化电流密度I2优选大于第一阳极化电流密度I1。而且，第一和第二阳极化电流密度(I1，I2)之一或两者可以是恒定电流密度(即时间变化而振幅是恒定的)，如图6a所示，或者它们可能是变化的电流密度(即时间变化，整幅是经过调制的)，如图6b所示。虽然图6b表示为矩形波形，但变化的电流密度所用的波形不限于矩形波形。可采用任一适宜的波形，例如三角波形，或者亦可采用阶梯波形。
第一厚度tc和第二厚度ta将随应用和几个与制造有关的因素而变化，包括第一和第二阳极化时间(T1、T2)；第一和第二阳极化电流密度(I1、I2)；阳极化是否在暗环境或有照明的环境中进行；提供照明环境的光源的类型和功率；HF溶液E的浓度；和HF溶液E的温度。
在高孔隙度多孔硅材料的活性层3形成之后，还可将导电材料沉积在接触层5上(即在界面表面12上)，以便形成顶电极7(在图5c中未示)。顶电极7的材料包括上面所列材料。
为活性层3的阳极化所预先选定的光学环境是暗环境，这时硅材料层是p-多孔外延硅。相反，预先选定的光学环境是照明的环境，这时硅材料层是n-多孔外延硅或本征多孔外延硅。
为活性层3预先选定的光学环境是暗环境，这时硅材料层6是p-多孔聚硅。相反，预先选定的光学环境是照明的环境，这时硅材料层是n-多孔聚硅或本征多孔聚硅。
如图5a-5c所示，照明环境可由与电源(未示)相连的光源31提供。光源31产生光L，并经窗口P进入小室21。窗口P可用耐HF的材料制成。如果光L从小室21侧面导入，则窗口P应包括光学透明的窗。例如窗的材料可以是如蓝宝石。如果光L从上面导入，则第二电极27可以是光学透明的网。如果需要照明环境，光闸S可推至无窗口的遮断位置，致使光L照明硅材料层6。优选使光L完全照明整个界面表面12。
另一方面，在图5a-5c中，可将光闸S安置在窗口遮断的位置，致使光L不能在电化学阳极化过程中通过窗口P进入小室21。
硅材料层6中的第一厚度tc和第二厚度ta将依应用和上述几个与制造有关的因素而变化。而且，在硅材料层6中的第一厚度tc和第二厚度ta同样取决于光源31和光源31的强度(功率)。例如可采用汞(Hg)光源或钨(W)光源作光源31。光源31的功率将依应用而变化。例如，示范性光源是500瓦的钨光源。另一方面，亦可采用150瓦的汞光源。光源31的功率不限于这里所列的范围，亦可采用汞(Hg)或钨(W)光源以外的其它光源。
在本发明一个实施方案中，第一阳极化电流密度I1包括但不限于约2mA/cm2-5mA/cm2范围内。
在本发明的另一实施方案中，对暗环境的第一时间期T1包括但不限于约3秒-约30秒。
在本发明的再一实施方案中，第一厚度包括但不限于约4.0nm-约10.0nm。
在本发明的一个实施方案中，第二阳极化电流密度I2包括但不限于约10mA/cm2-约50mA/cm2。
在本发明的另一实施方案中，第二时间期T2包括但不限于约5秒-约2分钟的范围。第二时间期T2将取决于电化学阳极化发生在有照明的环境中或是在暗环境中。因此，第二时间期T2应随所采用的光环境的类型(即有照明或是暗的)而相应变化。在暗或有照明的环境中阳极化速率是有区别的，但第二时间期T2取决于活性层3的预期厚度(即ta)。
在本发明的再一实施方案中，第二厚度ta包括但不限于约0.5μm-约2.0μm的范围。
低孔隙度多孔硅材料的接触层5的孔隙度和高孔隙度多孔硅材料的活性层3的孔隙度可用电化学阳极化处理后在接触层5中和活性层3中残留的空气量进行相对测量。例如，孔隙度35％的接触层5的空气重量应为35％，硅为65％，孔隙度85％的活性层3的空气重量应为85％，硅为15％。
因此，低孔隙度硅材料的接触层5在电化学阳极化后残留的硅重量较多，因为其低孔隙度意味着硅对空气的比例较高(即残留的硅多于空气)。相反，高孔隙度多孔硅材料的活性层3在电化学阳极化之后残留的硅重量较小，因为其高孔隙度意味着硅对空气的比例较低(即残留的空气多于硅)。
低孔隙度多孔硅材料的接触层5和高孔隙度多孔硅材料的活化层3的孔隙度范围可以变化，而且高度取决于几个因素，该因素包括材料的类型(即单晶的电子注入层1和外延或聚硅的硅材料层6)、掺杂剂浓度和掺杂剂类型、阳极化电流密度、阳极化是否在暗的或有照明的环境中进行、HF溶液E的浓度等等。
因此，接触层5的低孔隙度可在宽的范围内变化。例如，接触层5的低孔隙度可在约10％-约40％范围内变化。这个范围只是示例性的，低孔隙度多孔硅材料的接触层5的孔隙度不限于这个范围。相反，活性层3的高孔隙度同样在宽的范围内变化。例如，活性层3的高孔隙度可在约60％-约85％范围内变化。这个范围只是示例性的，高孔隙度多孔硅材料的活性层3的孔隙度不限于这个范围。
由于本发明的低孔隙度多孔硅材料的接触层5的目的在于降低高孔隙度多孔硅材料的活化层3与顶电极7之间的串联接触电阻，所以低孔隙度多孔硅材料的接触层5应尽可能薄和致密。因此，重要的是使低孔隙度多孔硅材料的接触层5显著地比高孔隙度多孔硅的活化层3薄(即tc＜ta，因为tc厚度为nm，相比ta厚度为μm)。这里所列第一时间期T1、HF溶液E的浓度、第一阳极化电流密度I1和光学环境(暗或光照)的实例是与制造薄和致密的低孔隙度多孔硅材料的接触层5相一致的，该层降低串联接触电阻，并与活性层3的高孔隙度相比，它具有低的孔隙度。
虽然公开和描述了本发明的几个实施方案，本发明并不局限于所公开和描述的具体形式和结构。本发明只受权利要求所限。
权利要求
1.一种高发射电子发射体10，它包括电子注入层1，包括正面表面2和背面表面4，高孔隙度多孔硅材料的活性层3，它与正面表面2接触；低孔隙度多孔硅材料的接触层5，它与活性层接触，并包括界面表面12；和n-型高掺杂区8，它延伸入界面表面12，该n-型高掺杂区8的特征是低孔隙度。
2.权利要求1的高发射电子发射体，其中电子注入层1包括选自n+半导体、n+单晶硅、导电的硅化物、导电的氮化物、金属和玻璃基板上的金属层的导电材料。
3.权利要求2的高发射电子发射体，其中n+单晶硅包括选自100晶体取向和111晶体取向的晶体取向。
4.权利要求2的高发射电子发射体，其中导电硅化物选自硅化钛和硅化铂，导电氮化物包括氮化钛。
5.权利要求1的高发射电子发射体，其中电子注入层1的背面表面4包括欧姆接触9。
6.权利要求5的高发射电子发射体，其中欧姆接触9由选自金、金合金、铂、铂合金、铝、铝合金、多层金属、金顶面的钽、金顶面的铬中的一种材料制成。
7.权利要求1的高发射电子发射体，还包括与界面表面12接触的顶电极7。
8.权利要求7的高发射电子发射体，其中顶电极由选自金、金合金、铝、铝合金、钨、钨合金、铂、和铂合金的导电材料制成。
9.权利要求1的高发射电子发射体，其中低孔隙度多孔硅材料的接触层5和高孔隙度多孔硅材料的活性层3是选自多孔外延硅、多孔聚硅、多孔无定形硅、和多孔碳化硅的材料。
10.权利要求9的高发射电子发射体，其中多孔外延硅是选自n-多孔外延硅、p-多孔外延硅、和本征多孔外延硅的材料。
11.权利要求10的高发射电子发射体，其中对于n-多孔外延硅和本征多孔外延硅，接触层5的n-型高掺杂区8包括选自砷、磷和锑的掺杂剂材料。
12.权利要求9的高发射电子发射体，其中多孔聚硅是选自n-多孔聚硅、p-多孔聚硅和本征多孔聚硅的材料。
13.权利要求12的高发射电子发射体，其中对于n-多孔聚硅和本征多孔聚硅，接触层5的n-型高掺杂区8包括选自砷、磷、和锑的掺杂剂材料。
14.权利要求9的高发射电子发射体，其中对于多孔碳化硅，接触层5的n-型高掺杂区8包括选自氮、磷、和钒的掺杂剂材料。
15.一种用于制造高发射电子发射体10的方法，该发射体包括电子注入层1，其上为硅材料层6，该硅材料层6包括高孔隙度多孔硅材料的活性层3、低孔隙度多孔硅材料的接触层5和接触层5中的n-型高掺杂区8，该方法包括用掺杂剂掺杂硅材料层6的界面表面12，形成n-型高掺杂区8；在预选的光学环境下于氢氟酸溶液中以第一阳极化电流密度I，使界面表面12阳极化，以形成低孔隙度多孔硅材料的接触层5；使第一阳极化电流密度I1持续第一时间期T1，直至低孔隙度多孔硅材料的接触层5达到第一厚度tc；将第一阳极化电流密度转换到第二阳极化电流密度I2，以形成高孔隙度多孔硅材料的活性层3；以及使第二阳极化电流密度I2持续第二时间期T2，直至高孔隙度多孔硅材料的活性层3达到第二厚度ta。
16.权利要求15的方法，其中掺杂工序是选自离子注入、扩散、和现场沉积的过程。
17.权利要求16的方法，在掺杂工序后还包括如果掺杂工艺是离子注入或扩散，则将硅材料层6在惰性环境中退火。
18.权利要求15的方法，其中第一阳极化电流密度I1和第二阳极化电流密度I2选自恒定的电流密度和随时变化的电流密度之一。
19.权利要求15的方法，其中第二阳极化电流密度I2大于或等于第一阳极化电流密度I1。
20.权利要求15的方法，其中惰性环境是选自真空、惰性气体、氩气和氮气的环境。
21.权利要求15的方法，其中第一阳极化电流密度I1为约2mA/cm2-约5mA/cm2。
22.权利要求15的方法，其中第一厚度tc为约5nm-约10nm。
23.权利要求15的方法，其中第二阳极化电流密度I2为约10mA/cm2-约50mA/cm2。
24.权利要求15的方法，其中第二时间期T2为约5秒-约2分。
25.权利要求15的方法，其中第二厚度ta为约0.5μm-约2.0μm。
26.权利要求15的方法，其中电子注入层1包括选自n+半导体、n+单晶硅、导电硅化物、导电氮化物、金属、和玻璃基板上的金属层的导电材料。
27.权利要求26的方法，其中n+单晶硅包括选自100晶体取向和111晶体取向的晶体取向。
28.权利要求26的方法，其中硅化物选自硅化钛和硅化铂，而导电氮化物包括氮化钛。
29.权利要求15的方法，其中低孔隙度多孔硅材料的接触层5和高孔隙度多孔硅材料的活性层3是选自多孔外延硅、多孔聚硅、多孔无定形硅、和多孔碳化硅的材料。
30.权利要求29的方法，其中多孔外延硅是选自n-多孔外延硅、p-多孔外延硅、和本征多孔外延硅的材料。
31.权利要求30的方法，其中对于n-多孔外延硅和本征多孔外延硅，接触层5的高掺杂区8包括选自砷、磷、和锑的掺杂剂材料。
32.权利要求30的方法，其中如果硅材料层是p-多孔外延硅，则预选光学环境是暗环境，并且其中如果硅材料层是n-多孔外延硅或本征多孔外延硅，则预选的光学环境是光照环境。
33.权利要求32的方法，其中第一时间期T1为约3秒-约30秒。
34.权利要求29的方法，其中多孔聚硅是选自n-多孔聚硅、p-多孔聚硅、和本征多孔聚硅的材料。
35.权利要求34的方法，其中对于n-多孔聚硅和本征多孔聚硅，接触层5的n-型高掺杂区8包括选自砷、磷、和锑的掺杂剂材料。
36.权利要求34的方法，其中如果硅材料层是p-多孔聚硅，则预选的光学环境是暗环境，并且其中如果硅材料层是n-多孔聚硅或本征多孔聚硅，则预选的光学环境是光照环境。
37.权利要求36的方法，其中第一时间期T1为约3秒-约30秒。
38.权利要求29的方法，其中对于多孔碳化硅，接触层5的n-型高掺杂区8包括选自氮、磷、和钒的掺杂剂材料。
39.权利要求15的方法，还包括在第二时间期T2之后，在界面表面12上沉积导电材料，以形成顶电极7。
全文摘要
本发明涉及一种高发射电子发射体。该高发射电子发射体10包括电子注射层1、与电子注入层1接触的高孔隙度多孔硅材料的活性层3与活性层3接触的低孔隙度多孔硅材料的接触层5并包括带高掺杂区8的界面表面12、和还可有与接触层5接触的顶电极7。接触层5降低活性层3和顶电极7之间的接触电阻,而且高掺杂区8降低接触层5的电阻率,从而增高电子发射率和顶电极7的稳定电子发射。本发明还涉及一种制造高发射电子发射体的方法。
文档编号H01J1/312GK1384520SQ0211888
公开日2002年12月11日 申请日期2002年4月30日 优先权日2001年4月30日
发明者X·圣, N·科施达, H·P·郭 申请人:惠普公司