[发明专利]小型化、集成化的硅基场发射‑接收器件

说明书

技术领域

本发明涉及真空电子器件领域，特别是一种小型化、集成化的硅基场发射-接收装置。

背景技术

在真空电子领域的场发射器件的测试过程中，通常采用金属薄片或镀有金属薄膜的绝缘基片，如玻璃、蓝宝石等作为接收电子的阳极，阳极和阴极不属于同一材料体系，在器件工艺和器件封装方面存在差异。尤其是当真空电子领域向小型化、集成化发展的过程中，需要在微纳尺度上对场发射器件进行测试和封装，金属阳极不便于通过研磨和离子轰击的方式减薄，因此不容易实现多个器件的小型化和集成化。这种阳极和阴极的材料差异和工艺不兼容性会严重影响单个器件的性能和大规模器件研制的一致性和成品率。

除了阳极和阴极分属不同材料体系带来的不利影响之外，场发射器件测试过程的另一个复杂的步骤是阳极和阴极之间需要一绝缘介质。当场发射器件的尺寸较大时，该绝缘介质可以将陶瓷、玻璃、蓝宝石等绝缘材料直接夹持在阳极和阴极之间，实现绝缘功能；但是当真空器件向小型化、集成化发展之后，就必须通过在阴极表面制作绝缘介质薄膜的方式来实现绝缘功能。该绝缘介质薄膜可以采用二氧化硅或氮化硅，一般是在阴极表面采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法生长一层二氧化硅薄膜，然后通过光刻和腐蚀的方法露出发射窗口。这种制作绝缘介质薄膜的方法工艺过程相对复杂，且该工艺过程会对阴极发射性能造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种小型化、集成化的硅基场发射接收器件，其可降低工艺的复杂度，有利于提高大规模研制真空微纳器件过程中的性能和成品率。

本发明提供一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，包括：

一n型硅衬底；

一纳米尖端结构，其制作于n型硅衬底上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底的材料相同；

一二氧化硅绝缘层，其制作于n型硅衬底上，其中间有一电子发射-接收窗口，该电子发射-接收窗口围绕在纳米尖端结构的周围；

一n型掺杂硅片，其制作在二氧化硅绝缘层上，且覆盖二氧化硅绝缘层上的电子发射-接收窗口；

一高压源，其正极与n型掺杂硅片连接；

一电流表，其正极与高压源连接，负极与n型硅衬底连接。

本发明的关键之处在于同时采用n型高浓度掺杂的硅材料作为场发射阴极和接收电子的阳极。其中，在场发射阴极，即冷阴极结构部分，通过生长纳米线或刻蚀出纳米锥尖阵列增大场增强因子以提高电子发射性能；在阳极部分，利用高浓度n型掺杂硅材料良好的导电性能作为接收电子和传导电流的介质；阴极和阳极之间采用二氧化硅作为绝缘层。

由于上述技术的运用，与现有器件结构相比，本发明的有益效果包括：

(1)同时采用硅基材料分别作为场发射器件的阴极和阳极之后，两者均属于半导体工艺中最为成熟的硅材料体系，降低了工艺的复杂度，有利于提高大规模研制真空微纳器件过程中的性能和成品率；

(2)在本发明中提出的硅基场发射一接收器件结构中，接收电子的阳极采用具有二氧化硅绝缘层的n型高浓度掺杂硅基片，通过光刻和刻蚀的方法露出n型掺杂硅材料部分作为发射窗口，未被刻蚀的SiO₂作为绝缘层，可以避免对在阴极表面制作绝缘层的过程中对电子发射性能的不利影响；

(3)本发明中采用阳极表面的二氧化硅作为绝缘介质，避免了采用陶瓷、玻璃、蓝宝石等绝缘材料时器件夹持和固定的难度，降低了器件尺寸，有利于实现真空电子器件的小型化和集成化。

附图说明

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：

图1是一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件的结构示意图。

图2是发射电子的阴极部分和接收电子的阳极部分在键合之前的工艺示意图。

图3是电子发射及电子接收的窗口示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种小型化、集成化的硅基场发射-接收器件，包括：

一n型硅衬底10，所述n型硅衬底10的材料为掺磷、砷或锑的硅片，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，该n型硅衬底10的厚度为100-1000μm；

一纳米尖端结构11，其制作于n型硅衬底10上表面的中间部位，其材料与n型硅衬底10的材料相同，所述纳米尖端结构11是在n型硅衬底10上生长的单根硅纳米线或硅纳米线阵列，或者是通过光刻工艺刻蚀获得的单个硅尖锥或硅尖锥阵列；