一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法，所述表面隧穿微型电子源是平面多区结构，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔即所述绝缘区域的最小宽度≤100nm。相比于现有垂直多层结构的隧穿电子源，本发明专利技术电子源及其阵列具有电子发射效率高、结构简单、加工方便、易于大规模阵列集成等优点，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。

A surface tunneling micro electron source and its array and implementation method

【技术实现步骤摘要】
一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法本申请为申请日为2017年5月27日，申请号为201710390423.2，专利技术创造名称为“一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法”的分案申请
本专利技术属于电子科学与
，特别涉及一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法。
技术介绍
电子源被认为是真空电子器件(如X射线管、高功率微波管、阴极射线管等)的心脏，为后者提供其工作所必须的自由电子束，因此是真空电子器件必不可少的关键元件。目前，基本所有的实用真空电子器件都使用热发射电子源。由于热发射电子源是通过将电子发射体加热到高温(一般大于1000K)使得发射体内部电子获得足够的动能从而越过表面势垒发射出来，所以其具有工作温度高、功耗大、存在预热延迟、寿命短、电子能量分布宽、体积大且难以集成等缺点，极大地限制了真空电子器件的性能和发展。因此，需要发展可避免热发射电子源以上问题的新型电子源，其中的一个选择就是隧穿电子源。隧穿电子源，也被称为内场发射电子源，是一种基于金属(M)或半导体(S)-绝缘体(I)-金属(M)或半导体(S)三层结构的具有内部量子隧穿效应的电子源。相比于传统热发射电子源，隧穿电子源具有工作温度低、功耗小、不存在预热延迟等优点。隧穿是一个量子力学的概念，指的是一个电子可以具有一定的概率穿过一个比其动能还要大的势垒。隧穿电子源最早由C.A.Mead于1960年提出，其最初的结构是MIM结构，即在一衬底表面依次具有第一金属层(M)、绝缘层(I)和第二金属层(M)(美国专利号3056073；JournalofAppliedPhysics,1961,32,646)。其工作方式和原理是：在第二金属层上施加一个相对于第一金属层的正偏压，且偏压值大于第二金属层的表面势垒值(以电子伏特为单位)；由于绝缘层很薄(与电子平均自由程相当)，第一金属层中的电子会发生量子隧穿效应通过绝缘层并进入第二金属层，电子在隧穿通过绝缘层的过程中能量被增加到第二金属层的真空能级以上；由于第二金属层的厚度很薄(与电子平均自由程相当)，部分隧穿通过绝缘层的电子可以无散射地进一步穿过第二金属层，并从第二金属层表面发射到真空中(见图1)。在MIM结构的隧穿电子源中，电子在穿过第二金属层时会受到很强的电子-电子散射，只有很少比例的电子能够穿过第二金属层并发射到真空中，因此发射效率(发射电流与隧穿电流的比值)很低(一般小于1％)。为了提高MIM隧穿电子源的发射效率，B.V.Dore等人于1961年专利技术了一种改进的MIM隧穿电子源，在第二金属层上面增加了一层具有较低功函数的半导体材料(如碱金属或碱土金属氧化物)，以降低电子发射时需要克服的表面势垒高度(美国专利号3184636)。1963年，L.R.Apker又提出了SIS结构的隧穿电子源，分别利用N型硅层替代第一金属层和具有低电子亲合势的半导体层替代第二金属层(美国专利号3214629)。为了进一步提高隧穿电子源的发射效率，后来又在绝缘层、金属或半导体层的材料、厚度和结构等方面进行了很多的优化(美国专利号3706920；中国专利号981224733；IEEETransactionsonElectronDevices，2000，47，1667；IEEETransactionsonElectronDevices,2002,49,1059)，但是隧穿电子源的发射效率仍旧难以满足实际应用的需求(最高只有11％)(IEEETransactionsonElectronDevices,2012,59,2256)。目前，所有的隧穿电子源都采用MIM、MIS或SIS的垂直多层结构，因此电子在隧穿通过绝缘层之后必须要穿过第二金属或半导体层才能发射到真空中(见图1)。电子在穿过第二金属或半导体层时遇到散射使得电子能量降低是导致隧穿电子源发射效率低的主要原因之一。此外，利用微加工的技术在同一衬底表面加工分立的垂直多层结构和相应的电极需要复杂的工艺步骤，具有垂直多层结构的隧穿电子源很难被大规模阵列化集成(IEEETransactionsonElectronDevices,2002,49,1005)。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的之一在于克服现有隧穿电子源存在的发射效率低和难以大规模阵列集成的技术问题，提供一种新型的隧穿电子源。本专利技术所提供的隧穿电子源是一种平面多区结构的表面隧穿微型电子源，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔(即所述绝缘区域的最小宽度)≤100nm。。优选的，所述微型电子源还包括一电极对，所述电极对的两个电极分别与所述两个导电区域电连接。所述电极对用来给微型电子源施加电压，使得电子从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(导电区域此处的厚度优选小于电子平均自由程的两倍)发射到真空中。上述两个导电区域的最小间隔(或者所述绝缘区域的最小宽度)一般小于100nm，但该最小间隔或最小宽度应确保在发生显著的电子隧穿和电子发射时绝缘区域不被电压击穿。优选的，上述表面隧穿微型电子源中，至少一个导电区域在所述最小间隔处附近的厚度要小于电子平均自由程的两倍，通常与电子平均自由程(电子在连续发生两次散射的时间内运动距离的平均值)相当。上述表面隧穿微型电子源中，所述衬底可以是硅衬底、石英衬底、氧化铝衬底、碳化硅衬底或玻璃衬底。所述电极对的材料可以选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。所述金属例如钯、钛等；石墨烯可以是单层石墨烯或多层石墨烯；碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，可以是单根碳纳米管、碳纳米管或碳纳米管薄膜。优选的，上述表面隧穿微型电子源的导电区域由一种或多种金属和/或半导体制成，且至少一个所述导电区域由低功函数的材料制成。在对该表面隧穿微型电子源施加电压时，低功函数材料的导电区域为电势高的一方，而且，所述低功函数材料的功函数越低越好。所述低功函数的材料可以通过在金或银等金属薄膜表面制备一薄层铯、钾、锂等低功函数的金属实现。优选的，所述绝缘区域的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。优选的，上述表面隧穿微型电子源的两个导电区域和绝缘区域由被激活的阻变材料(施加电压可使得材料内部的导电细丝断裂和重新连接，从而电阻可发生大幅可逆改变的材料)构成，通过在阻变材料两端设电极对并施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料发生由绝缘态到导电态，再到高电阻态的转变，形成包含依次连接的导电区域-绝缘区域-导电区域的阻变材料单元。阻变材料由绝缘态转变到导电态时，在阻变材料表面形成贯穿电极对之间的导电细丝；导电细丝断裂，使得阻变材料转变成高电阻态。所述阻变材料可以是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、氮化硅和无定形碳。优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧穿电子源，其特征在于，所述隧穿电子源是平面多区结构的表面隧穿微型电子源，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔即所述绝缘区域的最小宽度小于100nm；/n所述隧穿电子源还包括一电极对，所述电极对的两个电极分别与所述两个导电区域电连接；/n当所述绝缘区域为绝缘薄膜时，所述两个导电区域由两个导电薄膜组成，所述绝缘区域由绝缘薄膜组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种隧穿电子源，其特征在于，所述隧穿电子源是平面多区结构的表面隧穿微型电子源，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔即所述绝缘区域的最小宽度小于100nm；
所述隧穿电子源还包括一电极对，所述电极对的两个电极分别与所述两个导电区域电连接；
当所述绝缘区域为绝缘薄膜时，所述两个导电区域由两个导电薄膜组成，所述绝缘区域由绝缘薄膜组成。


2.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述导电区域中至少一个导电区域在所述最小间隔处的厚度小于电子平均自由程的两倍。


3.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述衬底是硅衬底、石英衬底、氧化铝衬底、碳化硅衬底或玻璃衬底；所述电极对的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。


4.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述导电区域由一种或多种金属和/或半导体制成，且至少一个所述导电区域由低功函数的材料制成。


5.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述绝缘区域的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。


6.一种隧穿电子源的实现方法，所述隧穿电...

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