一种带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米电子器件技术领域，更具体地，涉及一种带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构。
【背景技术】
[0002]场致发射电子源阵列在平板显示器、并行电子束光刻、微型X射线源上具有潜在应用。目前在研究的电子源材料主要包括半导体纳米尖锥及纳米线、金属纳米尖锥及纳米线、碳基材料(碳纳米管\石墨烯)、金属氧化物纳米线。由于电子源阵列中发射体的几何形貌和表面电子结构存在差异，这分别造成发射端面的局域电场强度和功函数不同，阵列中发射体的场发射特性一致性较差。阵列中的发射体为并联排布，在相同外加电压的作用下，阵列中仅有部分性能优异的发射体参与发射，使阵列总的电流强度难以有效提升。此外，场致发射电子源普遍存在一定的电流波动。
[0003]为了克服上述问题，目前所采用的技术方法是将发射体与电阻或场效应管串联。串联电阻的目的是利用电阻的分压形成负反馈，抑制瞬时大电流脉冲，减小发射电流的波动。由于串联电阻对发射电流较大的发射体的分压作用更为明显，可一定程度提高阵列中发射体特性的均匀性。然而，起有效分压的电阻的阻值通常达到兆欧量级，且阻值无法动态调节，其分压效果导致电子源的驱动电压上升，发射电流难以提升，功耗增加;也为驱动电路的设计带来困难。
[0004]而串联场效应管的目的是利用场效应管的恒流区特性，抑制场发射电流的波动，提高阵列中发射体的场发射特性的一致性;也可通过栅压改变沟道电阻，实现有源控制。然而，场效应管在恒流区的电阻随着源漏电压的增大而增大，其作用类似于串联一个阻值随着外加电压增大的可变电阻。在场发射电流增大过程中，场效应管上的分压会显著增大;此效应和串联电阻相似，也会导致电子源的驱动电压上升，功耗增加等问题。而且，场效应管器件的制作工艺也较为复杂，制备成本较高。
[0005]除上述两种方法外，也有研究者提出利用PN结反偏置时的限流区特性，来抑制场发射电流的波动，提高阵列中发射体的可靠性并改善反射体之间的场发射特性的一致性。但是现有的器件结构中，PN结位于衬底表面，外加电场难以对结区形成贯穿效应，这种PN结在限流区的阻值是固定的，和串联电阻相似;若PN结阻值过小，则难以达到有效的抑制场发射电流波动的效果，若PN结阻值过大，则其分压效果会导致电子源的驱动电压上升，发射电流难以提升，功耗增加。
【发明内容】
[0006]本发明提供解决上述技术问题的方法，即提供一种带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构。
[0007]本发明同时提供上述带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的制备方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的: 一种带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构，该器件结构由发射体和电极构成;所述发射体由两段一维纳米材料组成，其一段为用于发射电子的N型掺杂半导体，另一段为P型掺杂半导体，或者是能与所述N型掺杂半导体形成肖特基接触的金属;所述两段一维纳米材料接触形成PN结或肖特基结，所述PN结或肖特基结突出于衬底表面。
[0008]这里必须保证该PN结或者肖特基结必须突出衬底表面，不能与衬底表面齐平或低于衬底表面。
[0009]该器件结构在工作时，纳米结处于反偏置状态，电极施加电压形成的电场既可诱导发射体顶端发射电子，又可贯穿纳米发射体上纳米结所在位置(纳米结区)的表面。这种贯穿作用使纳米结外表面附近的势皇区收窄，电子隧穿通过纳米结的几率增大，结电阻减小。随着电极上施加的电压的增大，电场对结区的贯穿作用增强，电子隧穿通过纳米结的几率增加，结电阻进一步减小。在场发射电流增大过程中，结区压降增加缓慢或减小，场发射电流-电场(1-E)特性曲线仍可保持陡直。同时，由于结电阻的降低，在结区产生的焦耳热不会随电流的增大而快速地上升。和串联电阻、场效应管或与衬底表面齐平的PN结对比，这种器件结构既可以抑制场发射电流的波动，又可以提高发射体的耐压(耐流)能力，增加器件的可靠性，同时还能减弱由于结电阻压降过大而导致的发射体场发射驱动电压过高及功耗过大问题，且有利于提高阵列中发射体场发射特性的均匀性。
[0010]优选地，所述一维纳米材料的直径小于200nm，PN结或肖特基结外表面电场强度大于17 V/m，从而在PN结或肖特基结外表面形成较强的电场贯穿效果，对纳米结的电子输运特性具有增强作用。
[0011]为了在PN结或肖特基结外表面获得强度大于17V/m的电场，需要对发射体与电极的相对位置进行设计，优选地，所述电极由单个电极或多个电极组成。
[0012]更优选地，当所述电极是一个阳极时，所述阳极位于发射体的正上方；当所述电极含有一个阳极和一个栅极时，所述阳极位于发射体的正上方，所述栅极位于阳极和衬底表面之间，此时对阳极和栅极共同施加电压；当所述电极含有一个阳极、一个第一栅极，一个第二栅极时，所述阳极位于发射体的正上方，所述第二栅极位于PN结或肖特基结所在位置的水平线上，所述第一栅极位于阳极和第二栅极之间，此时对阳极、第一栅极和第二栅极共同施加电压。
[0013]为了使PN结或肖特基结外表面的电场对结区具有有效的电场贯穿效应及避免纳米结被击穿，对所述PN结或肖特基结的位置有要求;优选地，所述PN结或肖特基结的位置突出于衬底表面，具体处于发射体尖端10 nm以下，发射体高度的1/2处以上(500 nm?2 μπι间可调，如I.2 μπι)的1/2处之间。
[0014]本发明所涉及的带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构，如果纳米结为PN结，所述N型掺杂半导体的掺杂浓度在114 cm—3?118 cm—3之间，使电场在N型区有一定的贯穿深度。所述P型掺杂半导体的掺杂浓度在119 cm—3?121 cm—3之间;P型掺杂半导体的掺杂浓度大于所述N型掺杂半导体的掺杂浓度的10倍以上。由于P型半导体掺杂浓度远大于N型半导体，电场贯穿作用对正电荷区(P型半导体一侧)的影响比对负电荷区(N型半导体一侧)的影响显著，从而导致势皇区在纳米结区外表面附近收窄，电子的隧穿几率增强。
[0015]如果纳米结为肖特基结，要求能与所述N型掺杂半导体形成肖特基接触的金属的费米能级与所述N型掺杂半导体费米能级的差值大于0.4 ^，例如在0.4 eV?1.0 eV之间，才能在N型半导体区形成一定宽度的势皇区，电场贯穿效应才能对势皇区形成有效的作用。
[0016]本发明还提供所述带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的制备方法，包括以下步骤:
51.在P型掺杂半导体或能与所述N型掺杂半导体形成肖特基结的金属材料上制备直立取向的一维N型掺杂半导体纳米结构，所述一维N型掺杂半导体纳米结构的高度为300 nm?I μπι；
52.以制备的一维N型掺杂半导体纳米结构为掩模，使用等离子体或化学溶液刻蚀SI所述的P型掺杂半导体或者金属材料，制备高度为200?800 nm的P型半导体或金属一维纳米结构，获得带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的发射体；
53.利用微加工工艺方法集成栅极，并组装阳极，制备出带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构。
[0017]所述的带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的制备方法，还可以包括以下步骤:
51.选用表面覆盖有厚度为300nm?I μπι的N型掺杂半导体薄膜的P型掺杂半导体衬底或金属衬底，在表面制备出直径为100?200 nm的掩模或掩模阵列；
52.利用等离子体或化学溶液刻蚀SI所述的N型掺杂半导体薄膜及P型掺杂半导体衬底或金属衬底，获得带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的发射体；
53.利用微加工工艺方法集成栅极，并组装阳极，制备出带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构。
[0018]所述的带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的制备方法还可以包括以下步骤:
51.在导电材料上，直接生长P型掺杂半导体一维纳米结构或能与所述N型掺杂半导体形成肖特基结的一维金属纳米结构；
52.在所制备的一维纳米结构顶端定位生长N型掺杂半导体一维纳米结构，制备出带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构的发射体；
53.利用微加工工艺方法集成栅极，并组装阳极，制备出带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明提供了一种带反偏置纳米结的场致电子发射器件结构，该器件结构由发射体和电极构成