片上微型热电子源的制作方法

[0001]
本实用新型涉及电子源技术领域，具体涉及一种片上微型热电子源。


背景技术：

[0002]
电子源可以为很多真空电子器件和设备提供其工作必不可少的自由电子束，是这些器件和设备的核心元件，已经广泛应用于医疗诊断科学研究等重要领域。在当今人们越来越追求集成化、功耗低、便于携带的今天，电子源也面临着发射性能不稳定、体积大、功耗高和难集成等问题，这也是限制真空电子器件微型化主要瓶颈之一。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型的目的是至少解决现有技术中的电子源体积大、功耗高和难集成等问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
[0004]
本实用新型的第一方面提出了一种片上微型热电子源，包括：衬底，至少一个电子发射体单元，设置在所述衬底表面的控制电极；所述电子发射体单元包括铱本体和设置在所述铱本体上的氧化钇薄膜；所述电子发射体单元的两端分别连接一所述控制电极；所述衬底与所述电子发射单元相对的区域设置有沟槽，所述沟槽设于所述控制电极之间。
[0005]
根据本实用新型的片上微型热电子源中，铱本体和氧化钇组成的电子发射单元具有电流大、发射性能稳定、寿命长、抗中毒性强等优点。设置多个电子发射体单元及对应的控制电极，可以稳定发射性能、减小电子源的体积和功耗，具有较高的阵列集成度。
[0006]
另外，根据本实用新型的片上微型热电子源，还可具有如下附加的技术特征：
[0007]
在本实用新型的一些实施例中，所述电子发射单元形成长条状、折线形、z形、s形或几字形。
[0008]
在本实用新型的一些实施例中，具有多个所述电子发射体单元，多个所述电子发射体单元并列连接于两个所述控制电极之间。
[0009]
在本实用新型的一些实施例中，所述衬底表面设置有多个插指电极组，所述插指电极组包括多个相互平行设置的所述控制电极，相邻两个所述插指电极组的所述控制电极嵌套插指排列，相邻两个所述控制电极之间具有至少一个所述电子发射体单元。
[0010]
在本实用新型的一些实施例中，多个所述插指电极组还包括第一插指电极和第二插指电极，所述第一插指电极和第二插指电极平行间隔的设置于所述衬底表面。
[0011]
在本实用新型的一些实施例中，所述片上微型热电子源还包括：电子引出电极，所述电子引出电极具有与所述电子发射体单元相对应的孔洞；
[0012]
设置在所述衬底表面的支撑部件，所述电子引出电极通过所述支撑部件安装在所述衬底上。
[0013]
在本实用新型的一些实施例中，所述铱本体和所述控制电极之间有一部分重叠。
[0014]
在本实用新型的一些实施例中，所述氧化钇薄膜由硝酸钇分解或者由钇薄膜氧化而制成。
[0015]
在本实用新型的一些实施例中，所述控制电极为金属电极、石墨烯电极或碳纳米管电极中的一种或多种。
附图说明
[0016]
通过阅读下文优选实施例的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0017]
图1为本实用新型实施例提供的片上微型热电子源中铱本体和氧化钇薄膜的结构示意图；
[0018]
图2为本实用新型实施例提供的一种片上微型热电子源的结构示意图；
[0019]
图3为图2中a-a方向的剖视图；
[0020]
图4为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图；
[0021]
图5为图4中b-b方向的剖视图；
[0022]
图6为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图；
[0023]
图7为图6中c-c方向的剖视图。
[0024]
附图中各标号表示如下：
[0025]
1：衬底；2：控制电极；3：电子发射体单元；4：支撑部件；5：电子引出电极；6：孔洞；7：沟槽；21：第一插指电极；22：第二插指电极；31：铱本体；32：氧化钇薄膜。
具体实施例
[0026]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0027]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0028]
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施例的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0029]
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内
侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在
……
下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
[0030]
如图1和图2所示，本实施例中的片上微型热电子源，片上微型热电子源包括：衬底1；
[0031]
至少一个电子发射体单元3，电子发射体单元3包括铱本体31和设置在铱本体31上的氧化钇薄膜32；
[0032]
设置在衬底1表面的控制电极2，电子发射体单元3的两端分别连接一控制电极2；
[0033]
衬底1与电子发射单元相对的区域设置有沟槽7，沟槽7设于控制电极2之间。
[0034]
铱本体31为细丝状，通过构沟槽7可以使得电子发射体单元3部分或是全部悬空在两个控制电极2之间，从而减小电子发射体单元3通过衬底1的热量耗散，提高加热效率。这样，通过控制电极2为电子发射体单元3施加电压，电压一般为几个伏特，即可以使得电子从电子发射体单元3的材料表面发射出来。具体发射机理为：通过控制电极2给电子发射体单元3两端施加电压，使电子发射体单元3因焦耳效应被加热，电子发射体单元3中的电子因此获得足够的动能以越过电子发射体单元3表面进入真空。
[0035]
铱本体31和氧化钇32组成的电子发射单元是一种热电子源，它具有电流大、发射性能稳定、寿命长等优点，更为重要的是它具有较强的抗中毒性，能在较差的真空条件下工作，可短时间内热暴大气。设置多个电子发射体单元3及对应的控制电极2，可以稳定发射性能、减小电子源的体积和功耗，实现较高的阵列集成度。
[0036]
在本实用新型的一些实施例中，具有多个电子发射体单元3，多个电子发射体单元3沿衬底1横向或纵向排列，多个电子发射体单元3并列连接于两个控制电极2之间，即多个电子发射体单元3平行设置于两个控制电级2之间。
[0037]
相邻两个电子发射体单元3共同连接于控制电极2。
[0038]
在本实用新型的一些实施例中，电子发射体单元3可形成长条状、折线形、z形、s形或几字形。
[0039]
如图2和图3所示，铱本体31并行连接于一个公用控制电极2之间，用于为铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32提供电压。铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32呈z字形，也可以设计成其他形状，目的是增强中间恒温区的长度。控制电极2的宽度大于或等于30微米、厚度大于或等于100纳米，较宽较厚的电极能够增强片上微型热电子源的耐热性能，从而延长使用寿命。
[0040]
在本实用新型的一些实施例中，衬底1表面设置有多个插指电极组，插指电极组包括多个相互平行设置的控制电极2，相邻两个插指电极组的控制电极2嵌套插指排列，相邻两个控制电极2之间具有至少一个电子发射体单元3。
[0041]
在本实用新型的一些实施例中，多个插指电极组包括第一插指电极21和第二插指电极22，第一插指电极21和第二插指22电极平行间隔的设置于衬底1表面。
[0042]
具体地，如图4和图5所示，在本实用新型的一些实施例中，多个插指电极组还包括
第一插指电极21和第二插指电极22，第一插指电极21和第二插指电极22平行间隔的设置于衬底1表面，并且第一插指电极21的多个控制电极2与第二插指电极22的多个控制电极2嵌套插指交替排列，相邻的控制电极2之间具有至少一个电子发射体单元3，这样，一组相邻的多个电子发射体单元3可以直接通过第一插指电极21和第二插指电极22同时为单个或多个电子发射体单元3提供工作电压。
[0043]
可以直接通过第一插指电极21和第二插指电极22同时为多个铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32提供工作电压。电子发射体单元3的行数和列数可以基于需求设定。
[0044]
如图6和图7所示，在本实用新型的一些实施例中，片上微型热电子源还包括：电子引出电极5，电子引出电极5具有与电子发射体单元3相对应的孔洞6；电子引出电极5用于形成电子加速电场，以使得电子发射体单元3产生的电子通过孔洞6出射；
[0045]
设置在衬底1表面的支撑部件4，电子引出电极5通过支撑部件4安装在衬底1上。
[0046]
电子引出电极5通过绝缘支撑部件4设置在电子发射体单元3的上方，通过给电子引出电极5施加设定电压，可以为从电子发射体单元3中发射的电子加速，并使其穿过孔洞6，从而将电子引出到片上微型热电子源的外部空间中。
[0047]
在本实用新型的一些实施例中，氧化钇薄膜32包裹在铱本体31的顶面和侧面，铱本体31的底面悬于沟槽7之上。
[0048]
在本实用新型的一些实施例中，铱本体31和控制电极2之间有一部分重叠，以形成良好的欧姆接触。
[0049]
在本实用新型的一些实施例中，氧化钇薄膜32由硝酸钇分解或者由钇薄膜氧化而制成。
[0050]
在本实用新型的一些实施例中，控制电极2为金属电极、石墨烯电极或碳纳米管电极中的一种或多种。
[0051]
本实用新型的片上微型热电子源制作时，制作方法包括：
[0052]
步骤s1、在衬底1表面图形化沉积铱薄膜得到特定形状的铱本体31。
[0053]
铱本体31呈长条状、折线形、s字形、z字形或几字形，目的是让铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32的中间恒温区足够长。在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤在衬底1表面形成特定形状的铱本体31。
[0054]
步骤s2、在衬底1表面形成控制电极2，电子发射体单元3并行连接于相邻两个控制电极2之间。
[0055]
控制电极2用于为铱本体31提供电压，以使得铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32因为焦耳效应发热出射电子。控制电极2与对应的铱本体31有部分重叠，以形成良好的欧姆接触。
[0056]
在该步骤中，通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在特定形状铱本体31两端制备控制电极2。控制电极2为上述插指电极，电极宽度在30微米以上，电极厚度为100nm以上，电极间距在10微米以上。电极宽度、厚度和间距可以基于需求设定，本实用新型实施例对此不做具体限定。
[0057]
步骤s3、在铱本体31下方的衬底1位置形成沟槽7，以降低铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32通过衬底1的热量耗散，提高加热效率。
[0058]
可以通过刻蚀溶液，对铱本体31下方的衬底1进行刻蚀，以形成沟槽7，使得铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32部分或是全部悬空。
[0059]
在该步骤中，可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、湿法腐蚀、溶脱去胶等工艺步骤，将控制电极2之间的铱本体31下方的衬底1腐蚀掉。
[0060]
步骤s4、在铱本体31表面形成氧化钇薄膜32，从而形成铱本体31表面的氧化钇薄膜32。
[0061]
在该步骤中，可以在铱表面滴硝酸钇(y(no3)3)溶液，再加热到大约900k，硝酸钇会分解成氧气、氮气和氧化钇，使铱表面覆盖一层氧化钇。或者在铱本体31表面沉积铱薄膜，然后加热通氧气氧化从而在铱本体31表面形成氧化钇薄膜32。
[0062]
可以根据需求再s4后增加一步，不具体为：
[0063]
步骤s5、在衬底1上设置绝缘支撑部件4，在绝缘支撑部件4上设置电子引出电极5，电子引出电极5通过绝缘支撑部件4安装在衬底1上。
[0064]
在该步骤中，单独制备具有绝缘支撑部件4的电子引出电极5，然后将其键合到形成有铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32、控制电极2以及沟槽7的衬底1表面。可以先制作具有绝缘支撑部件4的电子引出电极5，或是先制作形成有铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32、控制电极2以及沟槽7的衬底1，本实用新型实施例对此不做具体限定。
[0065]
本实用新型实施例制作方法采用的微加工方法，在衬底1表面形成阵列排布的铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32的阵列及其对应的控制电极2和沟槽7，从而形成片上微型热电子源。
[0066]
本实用新型实施例制作方法，可以用于制作上述实施例基于铱-氧化钇的片上微型热电子源，制作方法简单，成本低，可以直接在衬底1上形成铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32及其对应控制电极2，在铱本体31下面衬底1位置形成沟槽7，从而实现片上微型热电子源。该电子源不仅具有传统体材料铱-氧化钇阴极电子源的发射电流大、真空度要求低、发射性能稳定、抗中毒性强等诸多优点，而且直接在衬底1上大规模的形成多个阵列排布的铱本体31以及铱本体31表面的氧化钇薄膜32及其对应控制电极2，具有较高的阵列集成度。
[0067]
综上，本实用新型的片上微型热电子源中，铱本体31和氧化钇32组成的电子发射单元具有电流大、发射性能稳定、寿命长、抗中毒性强等优点。设置多个电子发射体单元3及对应的控制电极2，可以稳定发射性能、减小电子源的体积和功耗，具有较高的阵列集成度。
[0068]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。