具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件制造技术

一种具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件。它包括基板上的栅极、阴极与绝缘层，及与之相对的有一定间距的阳极，并被包容固定在真空腔体内，其特征是栅极位于绝缘层与基板中间，且通过孔从绝缘层中显露出来的栅极被阴极环绕，又在阴极与绝缘层之间设有一层电子发射层。在上述绝缘层与电子发射层之间又加入一层阴极而形成夹层阴极。为提高发射电流密度和电子发射的均匀性，在阴极与显露出来的栅极之间的绝缘层表面设有电子散射层。上述栅极可以是倒Ｔ或“工”形结构。且以上的多种结构都可以规则地制备成阵列结构。由此构筑的本发明专利技术弥补了表面传导型电子源器件的不足，不但工艺简单、驱动电压低，电子束汇聚好，效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用场致电子发射(简称场发射)现象在真空环境中获得电子束的器件---具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件
技术介绍
通常的场发射电子源器件是利用在强外电场作用下从固体材料表面逸出的电子(场发射现象)，利用栅极、阳极施加的电场实现电子的发射、调制和加速以获得发光、高频振荡、X射线等功能的电子器件。目前已有多种场发射电子源器件结构，如金属或半导体微尖+圆孔栅极(简称微尖型)，表面传导型(SED型)，金属—绝缘层—金属(简称MIM型)，金属—绝缘层—半导体(MOS型)等。在微尖型的结构中，发射电子的阴极位于圆孔栅极的中心；在表面传导型中阴极与阳极相对；MIM或者MOS结构中栅极完全覆盖阴极。诸电子源器件结构均各有优缺点，如微尖型具有发射电子的效率高，驱动电压相对低，但是存在电子束发散、制备工艺复杂的缺点；表面传导型(SED型)具有驱动电压低、制备工艺简单的优点，同时也存在电子束发散、效率低的缺点；MIM或MOS型结构的电子源具有驱动电压低、电子束发散小，但是效率低，工艺要求比较高的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件，以弥补已有技术的不足。本专利技术的基本构思是通过改变以往场发射电子源的电极结构，使发射电子的阴极环绕栅极，从而使得从阴极发射的电子向栅极汇聚，以解决以往表面传导型(SED型)和微尖型场发射电子源的电子束发散的问题。即利用合理的电极结构实现电子束的自汇聚。本专利技术是对已有SED型和微尖型场发射器件的改进，它包括具有阴极和栅极两个或者两个以上电极的基板，及其与该基板相对的有一定间距的相互平行或者相对的可导电的基板或金属丝、棒等(作为阳极)并被包容固定在真空容器内和相应的电源V1和V2，其特征是在具有阴极和控制栅极的基板上，阴极环绕着暴露或显露出来的栅极(在真空中)，使得从阴极发射的电子，在向栅极电极运动过程中，又被阴极电极本身聚焦，从而减少电子束的发散。本专利技术的基本工作原理即在栅极2的正向电压的作用下，从与阴极3相连的电子发射层4发射出来的电子在加速向栅极运动；同时有部分电子向高压阳极1运动。向高压阳极1运动的电子同时受到栅极的作用。由于暴露在真空中的栅极被阴极环绕，使得向高压阳极1运动的电子不仅受到栅极2的作用，同时也受到阴极1本身的限制作用，从而使得电子向栅极中心汇聚，即解决了电子束发散的问题。因此，本专利技术包括基板上的栅极、阴极与绝缘层，及与之相对的有一定间距的阳极，并被包容固定在真空腔体内，其特征是栅极位于绝缘层与基板中间，且通过孔从绝缘层中显露出来的栅极被阴极环绕，又在阴极与绝缘层之间设有一层电子发射层。若要降低施加在栅极上的工作电压，可以延伸上述栅极到绝缘层表面，形成倒T形栅极的结构，或者形成高于绝缘层上表面的“工”形栅极结构或平于、低于绝缘层的“工”形栅极结构。因此，上述栅极可以是条状、倒T形或“工”形栅极结构。进一步，在上述绝缘层与电子发射层之间又加入一层阴极，使电子发射层在两层阴极之间，形成夹层阴极，以改善电子发射层与阴极的接触。为了提高发射电流密度及其电子发射的均匀性，可以在阴极与显露出来的栅极之间的绝缘层表面又设有电子散射层。电子发射层可以用电子散射层代替，以简化工艺。综上所述，本专利技术有效解决了微尖型和表面传导型场发射电子源器件的电子束发散的不足，而且工艺简单、驱动电压低、效率高。附图说明图1为本专利技术的基本结构示意图。图2为本专利技术的倒T形栅极的结构示意图。图3为本专利技术的“工”形栅极的结构示意图。图4为本专利技术的另一种“工”形栅极的结构示意图。图5为本专利技术的电子发射层在两层阴极之间的基本结构示意图。图6为本专利技术的另一种电子发射层在两层阴极之间的结构示意图。图7为本专利技术的绝缘层表面有电子散射层的基本结构示意图。图8为本专利技术的另一种在绝缘层表面有电子散射层的结构示意图。图9为本专利技术的阵列结构示意图。其中1，阳极，；2，栅极；3，阴极；4，电子发射层；5，绝缘层；6，基板；7，真空腔体；8，电子散射层。V1和V2为外加电源。具体实施例方式如图1，本专利技术包括基板6上的栅极2、阴极3与绝缘层5，及与之相对的有一定间距的阳极1，并被包容固定在真空腔体7内和相宜的电源，其特征是栅极2位于绝缘层5与基板6中间，且通过孔从绝缘层5中显露出来的栅极2被阴极3环绕，阴极3与绝缘层5之间设有一电子发射层4。电子发射层4可以是金属、金属氧化物、半导体等颗粒材料，颗粒尺寸小于50微米，或者由以上材料的混合；也可以是含有纳米金属钼线、纳米氧化锌带(线)、碳纳米管等低维材料的混合物，低维材料主要包括一维、准一维、二维、准二维纳米金属、金属氧化物、元素或者复合半导体材料。电子发射层4的作用是发射电子，类似于传统的热阴极；阴极2主要是输运电子的电极。为了降低施加在栅极上的工作电压，从绝缘层圆孔中显露或暴露出来的栅极2可以延伸到绝缘层5的表面，形成倒T形栅极的结构，如图2；或者形成高于绝缘层5的“工”形栅极结构，如图3所示。因此上述栅极可以是条状、倒T形或“工”形栅极结构。为了降低从电子发射层4发射出来的电子被栅极2捕获的几率，提高电子的发射效率，可以将图3中的栅极延伸到绝缘层5表面下，或使延伸出来的栅极与绝缘层在同一平面，如图4所示是栅极与绝缘层在同一平面。因此“工”形栅极结构从圆孔中显露或暴露出来的高低可以根据器件的具体需要如栅极工作电压大小进行调整。考虑到电子发射层4与阴极3的接触电阻较大，为了降低该接触电阻，可以在图1所示结构中的绝缘层5与电子发射层4之间再加入一层阴极(简称为下阴极，相对的电子发射层4之上的阴极3为上阴极)，使得电子发射层在两层阴极之间，形成“三明治”结构的夹层阴极，因此，在所述阴极3的下方的电子发射层与绝缘层之间又有一阴极，如图5所示。其栅极2的结构也可以具有图1、图2、图3中的结构。同样，为了提高电子发射的效率，降低施加在栅极上的工作电压，并简化制备工艺，图5中的电子发射层4可以覆盖下层的阴极(即绝缘层与电子发射层之间的阴极)，如图6所示。同样其中的栅极2也可以具有图1、图2、图3中的结构。为了提高电子发射的均匀性，提高发射的电流密度，可以在阴极3与显露出来的栅极2之间的绝缘层表面设有电子散射层8，如图7。电子散射层8主要是散射电子，也可以发射电子，因此发射层4可以被电子散射层8代替，而且电子散射层8可以与阴极3、栅极2、电子发射层4相连，也可以不相连。栅极也可以具有图1、图2、图4中的结构；阴极也可以具有图5、图6的结构。图8为具有图4所示栅极与阴极结构的图7所示基本结构的另一种形式，该结构能提高电子发射的效率。以上的多种结构都可以规则地重复排列，制备成阵列结构，即在玻璃基板6表面上的绝缘层5中规则地排列上述多个任一结构的阵列结构，如图9。阴极与基板表面的栅极可以实现类似于液晶显示的X-Y矩阵寻址。阳极是荧光屏，也可以是金属板、柱、丝等。而制备阴极与栅极的材料是铝、铜、镍铬合金等金属，也可以是碳素导电材料，或者铟掺杂的氧化锡(ITO)等透明导电材料。电子发射层4是通常的金属特别是高温金属、金属氧化物、半导体等颗粒材料，颗粒尺寸小于50微米，或者由以上材料的混合；也可以是含有纳米钼线、纳米氧化锌带(线)、碳纳米管等低维材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件，包括基板（６）上的栅极（２）、阴极（３）与绝缘层（５），及与之相对的有一定间距的阳极（１），并被包容固定在真空腔体（７）内，其特征是栅极（２）位于绝缘层（５）与基板（６）中间，且通过孔从绝缘层（５）中显露出来的栅极（２）被阴极（３）环绕，阴极（３）与绝缘层（５）之间设有一电子发射层（４）。

【技术特征摘要】
1.一种具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件，包括基板(6)上的栅极(2)、阴极(3)与绝缘层(5)，及与之相对的有一定间距的阳极(1)，并被包容固定在真空腔体(7)内，其特征是栅极(2)位于绝缘层(5)与基板(6)中间，且通过孔从绝缘层(5)中显露出来的栅极(2)被阴极(3)环绕，阴极(3)与绝缘层( )5之间设有一电子发射层(4)。2.如权利要求1所述的具有汇聚特性的表面传导场发射电子源器件，其特征是上述的绝缘层(5)与电子发射层(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：元光，蒋进京，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]