[发明专利]片上微型热电子源及其制作方法

说明书

本发明公开了一种片上微型热电子源及其制作方法，在衬底上形成至少一个电子发射体单元，并在衬底上形成控制电极，电子发射体单元相对两端分别连接一控制电极，用于为电子发射体单元提供电压，以使得电子发射体单元因为焦耳效应发热出射电子，衬底与电子发射体单元相对的区域具有沟槽，以降低电子发射体单元通过衬底的热量耗散，提高加热效率。可见，本发明技术方案提供了一种新型的片上微型热电子源，兼具传统热发射电子源的发射电流大、真空度要求低、发射性能稳定等诸多优点，且可以直接在衬底上形成大规模的阵列电子发射体单元以及对应的控制电极，具有较高的阵列集成度。

技术领域

本发明涉及电子源技术领域，更具体的说，涉及一种片上(on-chip)微型热电子源(miniature thermionic electron source)及其制作方法。

背景技术

电子源是一种能够提供真空中自由电子束的基本电子器件，是诸多真空电子器件和电子设备(如X射线管、微波管、阴极射线管等)的关键元件，广泛应用于航空航天、医疗健康和科学研究等重要领域。当前，真空电子器件普遍仍面临质量与体积大、难以集成等问题，解决这些问题的一个方案是实现微型化的片上真空电子器件。因此对电子源的微型化和片上化的需求也应运而生。

目前研究较多的片上微型电子源为基于场发射的片上电子源，主要包括基于金属微尖阵列的spindt场发射电子源和基于纳米线阵列的场发射电子源。由于具有时间响应快、单色性好、易于集成等优点，场发射电子源在近半个世纪以来一直受到广泛的关注与研究。然而，场发射电子源具有的工作电压高、稳定工作要求真空度高、阵列均一性差等问题至今没得到很好的解决，故场发射电子源的实际应用仍然受到很大的限制。

由于具有制备工艺简单、发射电流大、真空度要求低、发射性能稳定等优点，热电子源仍是现阶段最主流的商用电子源类型，被广泛地应用于如摄像管、示波管、微波管和大功率发射管等电真空器件中。特别地，热发射电子源较场发射电子源的真空要求低，能更好地适应目前全封装的微腔较低真空度的环境。但普通的热电子源通常采用宏观块体材料，如金属材料、硼化物材料或氧化物材料作为发射体，利用传统的加工方法制备而成，因此难以满足片上微型电子源的需求，无法实现片上的规模集成。如何设计一种兼具传统热发射电子源以及场发射片上电子源的片上微型热电子源，是电子源领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种片上微型热电子源及其制作方法，方案如下：

一种片上微型热电子源，包括：

衬底；

设置在所述衬底表面的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相对两端分别连接一所述控制电极，用于为所述电子发射体单元提供电压，以使得所述电子发射体单元因为焦耳效应发热出射电子；

其中，所述衬底与所述电子发射体单元相对的区域具有沟槽，以降低所述电子发射体单元通过所述衬底的热量耗散，提高加热效率。

优选的，在上述片上微型热电子源中，具有多个阵列排布的所述电子发射体单元；

在第一方向上，依次排布的多个所述电子发射体单元中，相邻两个所述电子发射体单元共用一个控制电极；

其中，所述第一方向为所述阵列的行方向或列方向。

优选的，在上述片上微型热电子源中，所述电子发射体单元由电子发射体材料薄膜通过图形化剪切得到。

优选的，在上述片上微型热电子源中，所述衬底表面设置有相互嵌套的插指电极组，所述插指电极组包括在所述第一方向上依次排布的多个所述控制电极，相邻两个所述控制电极之间具有一个所述电子发射体单元。

优选的，在上述片上微型热电子源中，所述衬底为绝缘衬底，或表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底。