[发明专利]一种具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射电子源阵列的结构及其制作方法，属于真空微电子技术领域。更具体地，本发明给出了一种把下层电极嵌入到衬底的冷阴极电子源阵列的结构及其嵌入式电极的制作方法。 

背景技术

与热电子发射不同，场致电子发射是通过用很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的宽度变窄，当势垒宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子由于隧穿效应就会发射出来。场致电子发射因为不需要加热就能使电子发射出来，所以又称为冷电子发射，而根据场致电子发射原理来工作的阴极则称为冷阴极。冷阴极由于电子发射效率高，可控性强，响应快和能够实现大面积电子发射等优点，在场发射显示器等真空微电子器件上有重要应用前景。 

一般的冷阴极电子源由阴极和栅极构成。通过在栅极施加电压，在冷阴极表面产生强的电场，从而发射电子。因此，器件正常工作时，栅极与阴极之间需要施加电压。这就对栅阴极之间绝缘层的耐压性能有很高的要求。特别是对于需要寻址的电子源阵列，由于底层电极条制作在衬底之上，会形成一定高度的台阶，这将造成沉积在其上面的绝缘层和上层电极条在下层电极条边缘处也存在一台阶。随着底层电极条厚度的增加，这一台阶高度也会增加，从而增大了绝缘层局部位置的电场，降低了绝缘层的耐压性能，影响到器件的稳定性。因此，如果能够消除台阶，降低局部电场，则可以提高绝缘层的耐压，从而提高器件稳定性。 

发明内容

本发明提供了一种电极嵌入到衬底中的冷阴极电子源阵列及其嵌入式电极的制作方法。 

本发明的冷阴极电子源阵列包括衬底（1），嵌入在衬底（1）里的下层电极条（2）和与之交叉排列的上层电极条（4），上下层电极条之间的绝缘层（3），以及制作在阴极电极条上的冷阴极阵列（6）。在上述结构中，下层电极条可以是阴极电极条或栅极电极条。 

本发明所述的冷阴极电子源阵列的嵌入式电极的制作方法为采用自上而下的薄膜微加工工艺方法。其制作步骤如下： 

（1）清洗衬底； 

（2）在衬底上制作具有底层电极条图案的掩模层； 

（3）刻蚀衬底； 

（4）沉积底层电极条薄膜； 

（5）除去掩模层。 

嵌入式电极的制作采用光刻，真空镀膜，剥离和刻蚀等工艺技术。其中，光刻可以采用紫外光刻或电子束光刻；真空镀膜技术为电子束蒸发、磁控溅射和化学气相沉积等通用的镀膜方法；刻蚀技术为湿法刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀等通用的薄膜刻蚀方法。 

本发明所述的冷阴极电子源阵列的衬底可为玻璃、陶瓷或硅等；衬底的刻蚀掩膜层可为光刻胶或铝等。根据不同的衬底材料和电极条的厚度，衬底的刻蚀深度一般为100纳米至5微米。 

制作嵌入式电极的材料可为ITO，铬、铝、钛、钨、钼或铌中的一种或几种，其厚度为100纳米至5微米。 

本发明所述的具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列，其冷阴极材料可以采用微尖锥，石墨烯、金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳纳米管、氧化铜纳米线、氧化锌纳米线和氧化钨纳米线等一维纳米材料。 

本发明的具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列结构及其嵌入式电极的制作方法具有制作工艺简单，可控性高的优点。由于降低了器件工作时上下层寻址电极重叠处绝缘层所承受的电场，提高了器件的稳定性，并且可以采用玻璃作为衬底材料，所以，本发明的嵌入式电极结构在各种冷阴极电子源阵列结构和场发射平板显示等真空微电子器件中有重要应用价值。 

附图说明

图1a是下层电极为阴极，以纳米线作为冷阴极材料的冷阴极电子源阵列的结构示意图； 

图1b是下层电极为栅极，以纳米线作为冷阴极材料的冷阴极电子源阵列的结构示意图； 

图2a是底层电极陷入衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图； 

图2b是底层电极完全埋在衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图； 

图2c底层是电极部分埋在衬底里的冷阴极电子源阵列的结构示意图； 

图3是图1（a）所示的冷阴极电子源阵列的制作流程图； 

图4是本发明底层电极的制作流程图； 

图5a是现有冷阴极电子源阵列中绝缘层的电场模拟示意图； 

图5b是本发明冷阴极电子源阵列中绝缘层的电场模拟示意图； 

图中，上层电极电压为100V，下层电极接地。 

图6a是实际制作的电子源阵列的绝缘层台阶在低放大倍数时的扫描电子显微镜照片。