片上微型热电子源的制作方法

本实用新型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(miniaturethermionicelectronsource)。

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。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供了一种片上微型热电子源，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。

优选的，在上述片上微型热电子源中，如果所述衬底为绝缘衬底，所述衬底是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、以及金刚石衬底中的任一种；

如果所述衬底为半导体衬底，所述绝缘导热薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、氮化铝薄膜和金刚石薄膜中的任一种。

优选的，在上述片上微型热电子源中，所述发射体材料薄膜为碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、六硼化镧薄膜、六硼化钐薄膜、钨薄膜、钼薄膜、铱薄膜、锇薄膜、氧化钇薄膜、氧化钡薄膜、氧化铝薄膜、氧化钪薄膜、以及氧化钙薄膜中的一种膜层或是多种膜层的叠层。

优选的，在上述片上微型热电子源中，所述控制电极为金电极、钛电极、铬电极、铜电极、银电极、铂电极、碳电极、钨电极、钼电极、铱电极、以及锇电极中的任一种。

优选的，在上述片上微型热电子源中，还包括：

设置在所述衬底1背离所述电子发射体单元一侧表面的热沉。

优选的，在上述片上微型热电子源中，还包括：

电子引出电极，所述电子引出电极具有与所述电子发射体单元相对应的孔洞，所述电子引出电极用于形成电子加速电场，以使得所述电子发射体单元产生的电子通过所述孔洞出射；

设置在所述衬底表面的绝缘支撑部件，所述电子引出电极通过所述绝缘支撑部件安装在所述衬底上。

通过上述描述可知，本实用新型技术方案提供的片上微型热电子源中，在衬底上形成至少一个电子发射体单元，并在所述衬底上形成控制电极，所述电子发射体单元相对两端分别连接一控制电极，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，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。可见，本实用新型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。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种片上微型热电子源的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种片上微型热电子源的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种片上微型热电子源制作方法的流程示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种片上微型热电子源制作方法的流程示意图；

图7为基于本实用新型实施例所述制作方法制备的片上微型热电子源的电子显微镜图像。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本实用新型实施例提供的一种片上微型热电子源的结构示意图，图1中，(b)图为所述片上微型热电子源的立体结构示意图，(a)图为(b)图沿虚线位置的切面图。所述片上微型热电子源包括：衬底1；设置在所述衬底1表面的至少一个电子发射体单元3；设置在所述衬底1表面的控制电极2，所述电子发射体单元3相对两端分别连接一控制电极2，用于为所述电子发射体单元3提供电压，以使得所述电子发射体单元3因为焦耳效应发热出射电子。

其中，所述衬底1与所述电子发射体单元3相对的区域具有沟槽8，通过所述构沟槽8可以使得所述电子发射体3部分或是全部悬空在两个控制电极2之间，从而减小电子发射体单元3中通过所述衬底的热量通过衬底1耗散，以降低所述电子发射体单元的热量耗散，提高加热效率。这样，通过控制电极2为电子发射体单元3施加电压，电压一般为几个伏特，即可以使得电子从电子发射体单元3的材料表面发射出来。具体发射机理为：通过控制电极2给电子发射体单元3两端施加电压，使电子发射体单元3因焦耳效应被加热，电子发射体单元3中的电子因此获得足够的动能以越过电子发射体单元3表面势垒进入真空。

可选，所述控制电极2的宽度大于或等于3微米，较大的电极宽度能够增强片上微型热电子源的耐热性能，从而延长使用寿命。

可选的，所述衬底1为绝缘衬底，或表面覆盖有绝缘导热薄膜的半导体衬底。如果所述衬底1为绝缘衬底，所述衬底1是氮化铝衬底、氮化硅衬底、氧化铍衬底、碳化硅衬底、氮化硼衬底、以及金刚石衬底中的任一种；如果所述衬底1为半导体衬底，所述绝缘导热薄膜为氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、碳化硅薄膜、氮化铝薄膜和金刚石薄膜中的任一种。半导体衬底可以为硅衬底、锗衬底、砷化镓衬底、金属氧化物衬底、硅基氮化物衬底以及碳化硅基氮化物衬底中的任一种。

所述发射体材料薄膜为碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、六硼化镧薄膜、六硼化钐薄膜、钨薄膜、钼薄膜、铱薄膜、锇薄膜、氧化钇薄膜、氧化钡薄膜、氧化铝薄膜、氧化钪薄膜、以及氧化钙薄膜中的一种膜层或是多种膜层的叠层。

所述控制电极2为金电极、钛电极、铬电极、铜电极、银电极、铂电极、碳电极、钨电极、钼电极、铱电极、以及锇电极中的任一种。

本实用新型实施例所述的片上微型热电子源，可以直接在衬底1上形成电子发射体单元3及其对应控制电极2，从而实现片上微型热电子源构架，具有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。

参考图2，图2为本实用新型实施例提供的另一种片上微型热电子源的结构示意图，图2中，(b)图为所述片上微型热电子源的立体结构示意图，(a)图为(b)图沿虚线位置的切面图。在图1所示方式基础上，图2所示方式中，具有多个阵列排布的所述电子发射体单元3；在第一方向上，依次排布的多个所述电子发射体单元3中，相邻两个所述电子发射体单元3共用一个控制电极2；其中，所述第一方向为所述阵列的行方向或列方向。

本实用新型实施例所述片上微型热电子源中，所述电子发射体单元3由电子发射体材料薄膜通过图形化剪切得到。可以通过设置在所述衬底1表面的图形化的电子发射体材料薄膜，直接在衬底1上形成多个阵列排布的电子发射体单元3，并在衬底1表面形成与电子发射体单元3对应控制电极2，在兼具上述传统热发射电子源的优点时，还可以直接在衬底1上形成大规模的阵列电子发射体单元3以及对应的控制电极2，具有较高的阵列集成度。

如图2所示，所述衬底1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2，相邻两个所述控制电极2之间具有一个所述电子发射体单元3。

在图2所述方式中，所述第一方向为所述电子发射体单元3的列方向，图2中示出了三列所述电子发射体单元3。电子发射体单元3的行数和列数可以基于需求设定，本实用新型实施例对此不做具体限定。

其中，所述插指电极组包括相互嵌套的插指电极21和插指电极22，所述插指电极21具有的控制电极2为第一电极，所述插指电极22具有的控制电极2为第二电极，第一电极和第二电极在第一方向上交替排布，相邻的第一电极和第二电极之间具有一个所述电子发射体单元3。这样，一组在第一方向上相邻的多个电子发射体单元3可以直接通过两个插指电极同时为该多个电子发射体单元3提供工作电压。

如图2所示，一组在第一方向上相邻的多个电子发射体单元3和相邻的另一组在第一方向上相邻的多个电子发射体单元3可以共用一插指电极，从而提高电极复用率，提高集成度。

其他方式中，也可以以所述电子发射体单元3的行方向作为所述第一方向。

参考图3，图3为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图，图3中，(b)图为所述片上微型热电子源的立体结构示意图，(a)图为(b)图沿虚线位置的切面图。在图2所示方式基础上，图3所示方式中，所述片上微型热电子源还包括：电子引出电极5，所述电子引出电极5具有与所述电子发射体单元3相对应的孔洞6，所述电子引出电极5用于形成电子加速电场，以使得所述电子发射体单元3产生的电子通过所述孔洞6出射；设置在所述衬底1表面的绝缘支撑部件4，所述电子引出电极5通过所述绝缘支撑部件4安装在所述衬底1上。

所述电子引出电极5通过所述绝缘支撑部件4设置在所述电子发射体单元3的上方，通过给所述电子引出电极5施加设定电压，可以把从电子发射体单元2中发射的电子加速，并使其穿过所述孔洞6，从而将电子引出到所述片上微型热电子源的外部空间中。

参考图4，图4为本实用新型实施例提供的又一种片上微型热电子源的结构示意图，图4中，(b)图为所述片上微型热电子源的立体结构示意图，(a)图为(b)图沿虚线位置的切面图，(c)图为所述片上微型热电子源去掉绝缘支撑部件4和电子引出电极5后的内部立体结构示意图。在图3所示方式基础上，图4所示方式中，所述片上微型热电子源还包括：设置在所述衬底1背离所述电子发射体单元3一侧表面的热沉7。

所述热沉7与所述衬底1表面形成良好的热接触，以能够快速的将片上微型电子源产生的热量导走。为了增加热沉7与衬底1之间的热接触，还可以在所述衬底1和所述热沉7之间设置导热胶粘层。

图4是基于图3所述方式设置热沉7，其他方式中，也可以为基于图1和图2任一种方式设置热沉7。

本实用新型实施例所述片上微型热电子源可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如微型x射线管、微型电离真空计、平板显示器等。

通过上述描述可知，本实用新型实施例提供的片上微型热电子源，可以直接在衬底1上形成电子发射体单元3及其对应控制电极2，从而实现片上微型热电子源构架，具有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。而且所述片上微型热电子源可以直接在衬底1上形成多个阵列排布的电子发射体单元3及其对应控制电极2，在兼具上述传统热发射电子源的优点时，还可以直接在衬底1上形成大规模的阵列电子发射体单元3以及对应的控制电极2，具有较高的阵列集成度。

基于上述实施例提供的所述片上微型热电子源，本实用新型另一实施例还提供了一种片上微型热电子源的制作方法，所述制作方法如图5所示，图5为本实用新型实施例提供的一种片上微型热电子源制作方法的流程示意图，该制作方法包括：

步骤s11：在衬底表面形成图形化至少一个电子发射体单元。

可以直接所述衬底表面生长电子发射体材料薄膜，或是转移制备好的电子发射体薄膜到所述沉底的表面。然后通过图形化工艺对所述电子发射体薄膜进行裁剪，以在所述衬底表面的设定位置形成特定形状以及尺寸的电子发射体单元。

该步骤中，可以采用高掺杂的硅片作为衬底，将其置于适应玻璃制程的反应管中，将反应管加热到900℃，并通入氧气，使得硅片表面形成一层500nm的氧化硅薄膜作为绝缘导热薄膜。然后，在氧化硅薄膜表面转移一层定向碳纳米管薄膜作为电子发射体材料薄膜，并通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、等离子体刻蚀和去胶工艺步骤，图形化定向碳纳米管薄膜，制备多个阵列排布的边长为50μm-1000μm的定向碳纳米管单元作为电子发射体单元。

步骤s12：在所述衬底表面形成控制电极，所述电子发射体单元相对两端分别连接一控制电极。

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。所述控制电极与对应的所述电子发射体单元形成良好的欧姆接触。

该步骤中，通过旋涂光学胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在定向碳纳米管单元两端制备控制电极，控制电极可以为上述插指电极，电极宽度3μm-20μm，如可以为10μm，电极间距可以为3μm-20μm，如可以为10μm，电极宽度可以间距可以基于需求设定，本实用新型实施例对此不做具体限定。

步骤s13：在所述衬底与所述电子发射体单元相对的区域形成沟槽，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。

可以通过刻蚀溶液，所述电子发射体单元下方的所述衬底进行刻蚀，以形成所述沟槽，使得所述电子发射体单元部分或是全部悬空。

该步骤中，可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、氢氟酸湿法腐蚀、四甲基氢氧化铵湿法腐蚀、去胶等工艺步骤，将控制电极之间的碳纳米管单元下方的氧化硅薄膜全部腐蚀，并将其下方的部分硅片腐蚀，使得碳纳米管单元悬空连接于两个控制电极之间。

图5所示方式制作的所述片上微型热电子源中，没有设置电子引出电极，此时需外部电子引出电极对电子进行加速。其他方式中，还可以直接在所述片上微型热电子源中集成电子引出电极，此时，所述制作方法还可以如图6所示。

参考图6，图6为本实用新型实施例提供的另一种片上微型热电子源制作方法的流程示意图，图6所示制作方法在图5所示制作方法基础上还包括：

步骤s14：在所述衬底上设置绝缘支撑部件，在所述绝缘支撑部件上设置电子引出电极，所述电子引出电极通过所述绝缘支撑部件安装在所述衬底上。

该步骤中，单独制备具有所述绝缘支撑部件的电子引出电极，然后将其键合到形成有所述电子发射体、控制电极以及沟槽的衬底表面。可以先制作具有所述绝缘支撑部件的电子引出电极，或是先制作形成有所述电子发射体、控制电极以及沟槽的衬底，本实用新型实施例对此不做具体限定。

本实用新型实施例所述制作方法采用的微加工方法，在衬底表面形成阵列排布的电子发射体单元阵列及其对应的控制电极和沟槽，从而形成片上微型热电子源。

如果采用硅衬底，以碳纳米管阵列为电子发射体单元，基于实用新型实施例所述制作方法形成的片上微型热电子源的电子显微镜图像如图7所示，图7为基于本实用新型实施例所述制作方法制备的片上微型热电子源的电子显微镜图像，图7中，(a)图为70个电子发射体单元阵列的电子显微镜俯视图，(b)图为单个电子发射体单元的电子显微镜俯视图。

本实用新型实施例所述制作方法，可以用于制作上述实施例所述片上微型热电子源，制作方法简单，制作成本低，可以直接在衬底上形成电子发射体单元3及其对应控制电极，从而实现片上微型热电子源构架，具有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，而且直接在衬底上形成多个阵列排布的电子发射体单元及其对应控制电极，在兼具上述传统热发射电子源的优点时，还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。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制作方法而言，由于其与实施例公开的片上微型热电子源相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见片上微型热电子源对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。