一种片上微型电子源及其制造方法技术

本申请公开了一种片上微型电子源及其制造方法。该片上微型电子源中设置有导热层，并且同一电极对中的至少一个电极通过绝缘层的通孔与导热层连接，如此，该片上微型电子源产生的热量可以通过该电极和导热层散发出去，从而显著提高了片上电子源的散热能力，因而，该片上微型电子源能够将多个单电子源集成在同一衬底上，形成集成度较高的电子源集成阵列，从而使该片上电子源具有较大的整体发射电流，进而使其满足较多的应用需求。例如，本申请提供的片上微型电子源可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如X射线管、微波管、平板显示器等。

【技术实现步骤摘要】
一种片上微型电子源及其制造方法
本申请涉及电子科学与
，尤其涉及一种片上微型电子源及其制造方法。
技术介绍
真空电子器件(如X射线管、微波管、阴极射线管等)广泛应用于航空航天、医疗健康和科学研究等重要领域，但仍面临体积大、功耗高和难集成等问题，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。电子源是所有真空电子器件必不可少的关键元件，为后者提供其工作所必须的自由电子束。当前，电子源的微型化和片上化是限制真空电子器件微型化和片上化的主要瓶颈之一，因此，高性能的片上微型电子源是真空电子学领域急需的一种电子元器件。片上微型电子源的研究始于1960年代，目前已有多种片上微型电子源。然而，现有的片上微型电子源的整体发射电流较小，很难满足较多的应用需求。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供了一种片上微型电子源及其制造方法，以提高片上微型电子源的整体发射电流，进而满足较多的应用需求。为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：一种片上微型电子源，包括：导热层，位于所述导热层上面的绝缘层，所述绝缘层由阻变材料制成，所述绝缘层中设置有至少一个通孔；以及，位于所述绝缘层上面的至少一个电极对，所述电极对中的至少一个电极通过所述通孔与所述导热层接触连接；其中，所述电极对的两电极之间存在间隙；所述间隙下面的绝缘层区域内形成有遂穿结。可选地，所述间隙的宽度小于或者等于10微米。可选地，所述片上微型电子源还包括：引出电极，所述引出电极包括引出电极层和位于所述引出电极层一侧的绝缘支撑结构；所述引出电极层上设置有至少一个孔洞；所述绝缘支撑结构位于所述电极对和所述引出电极层之间，以使所述引出电极层悬于所述电极对的上方。可选地，所述片上微型电子源还包括：位于所述导热层下方的热沉，所述导热层与所述热沉贴合。可选地，所述绝缘层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、金刚石和无定形碳。可选地，所述电极对中的电极材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。可选地，所述导热层选自下列材料中的一种或多种：金属、金刚石、重掺杂半导体。可选地，所述导热层为衬底或为设置于所述衬底上方的材料层。一种片上微型电子源的制造方法，包括：提供导热层；在所述导热层上形成由阻变材料制成的绝缘层，所述绝缘层上设置有至少一个通孔；形成覆盖部分所述绝缘层表面的至少一个电极对；所述电极对中的两电极之间存在间隙，所述电极对中的至少一个电极通过所述通孔与所述导热层接触连接；控制所述间隙下方的绝缘层被软击穿并呈现阻变特性，以在所述间隙下方的绝缘层区域内形成遂穿结。可选地，所述方法还包括：制备引出电极，所述引出电极包括引出电极层和位于所述引出电极层一侧的绝缘支撑结构；所述引出电极层上设置有至少一个孔洞；所述控制所述间隙下方的绝缘层被软击穿并呈现阻变特性，以在所述间隙下方的绝缘层区域内形成遂穿结之前或之后，还包括：连接所述绝缘支撑结构和所述电极对，和/或，连接所述绝缘支撑结构和所述绝缘层，以使所述引出电极层悬于所述电极对的上方。可选地，所述方法还包括：在所述导热层的下方形成热沉，所述热沉与所述导热层接触。相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：基于以上技术方案可知，本申请提供的片上微型电子源中设置有导热层，并且同一电极对中的至少一个电极通过绝缘层的通孔与导热层连接，如此，该片上微型电子源产生的热量可以通过该电极和导热层散发出去，从而显著提高了片上电子源的散热能力，因而，该片上微型电子源能够将多个单电子源集成在同一衬底上，形成集成度较高的电子源集成阵列，从而使该片上电子源具有较大的整体发射电流，进而使其满足较多的应用需求。例如，本申请提供的片上微型电子源可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如X射线管、微波管、平板显示器等。附图说明图1是本申请实施例一提供的一种片上微型电子源的立体结构示意图；图2是本申请实施例一提供的片上微型电子源沿图1中A-A’虚线的剖面结构示意图；图3是本申请实施例一提供的片上微型电子源的结构原理示意图；图4是本申请实施例提供的片上微型电子源中的遂穿结能带结构示意图；图5是本申请实施例提供的一种片上微型电子源制造方法的流程示意图；图6(1)至图6(4)是本申请实施例一提供的一种片上微型电子源制造方法一系列制程对应的剖面结构示意图；图7是本申请实施例二提供的一种片上微型电子源的立体结构示意图；图8是本申请实施例二提供的片上微型电子源沿图7中B-B’虚线的剖面结构示意图；图9是本申请实施例二提供的一种片上微型电子源制造方法的流程示意图；图10(1)至图10(4)是本申请实施例二提供的一种片上微型电子源制造方法一系列制程对应的剖面结构示意图；图11是本申请实施例三提供的另一种片上微型电子源的立体结构示意图；图12是本申请实施例三提供的片上微型电子源沿图11中C-C’虚线的剖面结构示意图；图13是本申请实施例三提供的另一种片上微型电子源制造方法的流程示意图；图14是本申请实施例三提供的引出电极对应的剖面结构示意图；图15是本申请实施例四提供的另一种片上微型电子源的立体结构示意图；图16是本申请实施例四提供的片上微型电子源沿图15中D-D’虚线的剖面结构示意图；图17是本申请实施例四提供的另一种片上微型电子源制造方法的流程示意图。具体实施方式片上微型电子源的研究始于1960年代，目前已有多种片上电子源，例如：基于微尖结构的场发射片上电子源、基于金属(M)-绝缘体(I)-金属(M)隧穿结的隧穿电子源、负电子亲和势片上电子源、片上微型热发射电子源等等。其中，场发射片上电子源的主要问题是工作电压高、稳定工作要求超高真空、阵列均一性差等。MIM隧穿电子源和负电子亲和势电子源的主要问题是电子发射效率低、发射电流密度小。微型片上热发射电子源的主要问题除了发射效率低和发射电流密度小之外，还存在局部温度高、功耗大等问题。为了解决上述片上电子源存在的问题，作为本申请的一实施例，本申请实施例提供了一种基于阻变材料的表面隧穿电子源，该表面隧穿电子源是一种平面多区结构的表面隧穿微型电子源。其具体包括一衬底，在衬底表面形成有相连的两个导电区域和一个绝缘区域，其中，绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，从而形成有隧穿结。该表面隧穿电子源还包括一个电极对，通过电极对给表面隧穿电子源施加电压，能够使电子从隧穿结中电势低的导电区域隧穿通过绝缘区域进入电势高的导电区域，并从电势高的导电区域靠近绝缘区域的边界处发射到真空。相较于传统多层MIM结构的垂直隧穿电子源，表面隧穿电子源的电子在发射时无需穿过多个材料层，具有更高的发射效率。对于表面遂穿电子源来说，为了满足实际应用对发射电流的需求(一般毫安以上)，需要在同一个衬底表面进行表面隧穿电子源的阵列集成，以提高整体发射电流。但是，由于表面隧穿电子源在工作时，位于衬底表面上的部件会产生热量，而衬底的导热能力较差，如果集成阵列数过多，热量会在衬底表面迅速累积导致器件的温度急剧升高，并最终导致器件失效。而要保证器件正常的功能，就需要限制阵列集成的数目不能超过100，因而严重限制了整体发射电流的大小。为了提高表面遂穿电子源的散热性能，进而提高整体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片上微型电子源，其特征在于，包括：导热层；位于所述导热层上面的绝缘层，所述绝缘层由阻变材料制成，所述绝缘层中设置有至少一个通孔；以及，位于所述绝缘层上面的至少一个电极对，所述电极对中的至少一个电极通过所述通孔与所述导热层接触连接；其中，所述电极对的两电极之间存在间隙；所述间隙下面的绝缘层区域内形成有遂穿结。

【技术特征摘要】
1.一种片上微型电子源，其特征在于，包括：导热层；位于所述导热层上面的绝缘层，所述绝缘层由阻变材料制成，所述绝缘层中设置有至少一个通孔；以及，位于所述绝缘层上面的至少一个电极对，所述电极对中的至少一个电极通过所述通孔与所述导热层接触连接；其中，所述电极对的两电极之间存在间隙；所述间隙下面的绝缘层区域内形成有遂穿结。2.根据权利要求1所述的片上微型电子源，其特征在于，所述间隙的宽度小于或者等于10微米。3.根据权利要求1或2所述的片上微型电子源，其特征在于，所述片上微型电子源还包括：引出电极，所述引出电极包括引出电极层和位于所述引出电极层一侧的绝缘支撑结构；所述引出电极层上设置有至少一个孔洞；所述绝缘支撑结构位于所述电极对和所述引出电极层之间，以使所述引出电极层悬于所述电极对的上方。4.根据权利要求1-3任一项所述的片上微型电子源，其特征在于，所述片上微型电子源还包括：位于所述导热层下方的热沉，所述导热层与所述热沉贴合。5.根据权利要求1-4任一项所述的片上微型电子源，其特征在于，所述绝缘层选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、金刚石和无定形碳。6.根据权利要求1-5任一项所述的片上微型电子源，其特征在于，所述电极对中的电极材料选自下列材料中的一种或多种：金...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏贤龙，杨威，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11