一种集成栅极电子源的排布方法及真空电子设备

本发明涉及真空微纳电子源的，更具体地，涉及一种集成栅极电子源的排布方法及真空电子设备。

背景技术：

1、p型半导体中电子是少数载流子，制备于p型半导体衬底上的场发射阴极具有饱和发射特性，可提供稳定的场发射电流。集成电子抽取栅极的基于p型半导体衬底的场发射电子源，可作为高性能电子源应用于高时间/空间分辨率电子显微成像、微纳真空三极管、高通量电子束光刻、高精度电离真空计、微推力器电荷中和器和高能量分辨率质谱仪等领域。

2、在本领域常见基于p型半导体衬底的集成“并联矩形”栅电极板的方阵电子源设计中，为获得较大的发射电流密度，场发射阴极方阵密排于栅电极板中的小部分区域。因此，栅电极板在平面上可分为场发射阴极方阵外与方阵内两个区域，其中方阵外的区域面积占总栅电极板面积的大部分，其下方反型层电流是阵列场发射电流的主要电子供应来源。这些反型层电子沿电子浓度梯度最大的方向扩散输运，大部分分配至输运距离最短(即位于方阵边缘)的场发射阴极。方阵内部的各个场发射阴极只能得到其周围小面积区域(以场发射阴极间距为边长的正方形)反型层电子供应场发射，供应量远小于方阵边缘的场发射阴极。

3、由此可见，现有技术的基于p型半导体衬底的集成栅极电子源中，对阵列边缘与阵列内部的场发射阴极进行电子供应的区域面积不同，供应电流存在较大差异，导致发射电流不均匀，存在基于p型半导体衬底的集成栅极场发射电子源中各个场发射阴极电子供应来源区域面积不一致、供应电流和发射电流不均匀的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中制备于p型半导体衬底上的集成栅极场发射电子源中各个场发射阴极电子供应来源区域面积不一致、供应电流和发射电流不均匀的不足，提供一种集成栅极电子源的排布方法及真空电子设备。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种集成栅极电子源的排布方法，包括以下步骤：

4、s1.在均匀掺杂的p型半导体衬底上制备集成栅极电子源，所述集成栅极电子源包括栅电极板和若干个场发射阴极，若干个所述场发射阴极分别为c1，c2…cn，所述栅电极板划分为n个平面区域，每个所述平面区域内分别设有独立栅极孔洞，若干个所述场发射阴极分别制备于所述独立栅极孔洞内；

5、s2.对于n个所述平面区域中的任意一点pi，其中i∈{1,2,…n}，定义lc1pi，lc2pi…lcnpi为点pi与若干个所述场发射阴极分别在所述栅电极板内连接的最短路径长度，均满足lcipi为lc1pi，lc2pi…lcnpi中的最小值；

6、s3.调整所述栅电极板的形状和所述场发射阴极的排布位置，使n个所述平面区域的面积相等或最大限度接近。

7、本发明的一种集成栅极电子源的排布方法，在栅电极板中，到达某个场发射阴极输运路径最短的点的集合，可被划分为该场发射阴极的电子供应来源的平面区域，由于扩散电流向电子浓度梯度最大的方向输运，反型层扩散电子倾向于分配到输运路径长度最短的场发射阴极，因此通过调整栅电极板平面形状和场发射阴极排布，使各个场发射阴极的电子供应来源区域面积相等或最大限度接近，能够提升分配至电子源中各个场发射阴极的供应电流一致性，提升各个场发射阴极的场发射电流均匀性，有效解决了现有技术中基于p型半导体衬底的集成栅极场发射电子源中各个场发射阴极电子供应来源区域面积不一致、供应电流和发射电流不均匀的技术问题。

8、进一步地，所述栅电极板的形状为圆形，若干个所述场发射阴极均匀排列在一个与所述栅电极板同心的圆周上。将栅电极板的形状设为圆形，若干个场发射阴极均匀分布在与栅电极板同心的一个圆周上，每个场发射阴极的电子供应来源区域为其与相邻场发射阴极连线的垂直平分线、栅电极板的边缘共同围绕而成的扇形平面区域；由于该电子源结构的旋转对称性，各个场发射阴极的几何位置是等效的，电子供应区域面积相等，可实现各个场发射阴极均匀的电子供应及发射电流。

9、进一步地，所述栅电极板的形状为正方形，若干个所述场发射阴极呈方阵排列；位于所述方阵边缘的场发射阴极到所述栅电极板边界的最短距离均等于方阵中相邻场发射阴极间距的一半。将栅电极板的形状设为正方形，若干个场发射阴极呈方阵排列，并均匀分布在整个栅电极板区域中，由于位于所述方阵边缘的场发射阴极到所述栅电极板边界的最短距离均等于方阵中相邻场发射阴极间距的一半，各个场发射阴极的电子供应来源区域均为边长等于相邻场发射阴极间距的正方形平面区域，并且各个正方形平面区域的面积相等，可实现各个场发射阴极均匀的电子供应及发射电流。

10、进一步地，若干个所述场发射阴极呈方阵排列，所述栅电极板包括位于方阵外部四周的矩形区域、及分别连接在所述矩形区域与所述场发射阴极之间的独立引线，各所述独立引线的长度和面积相等或最大限度接近。将若干个场发射阴极以方阵式排列，栅电极板分为位于方阵外部四周的矩形区域、及分别连接在所述矩形区域与所述场发射阴极之间的独立引线两个区域，矩形区域划分为若干面积相等的平面区域，由于各独立引线的长度和面积相等或最大限度接近，使各个场发射阴极的电子供应来源区域面积相等或最大限度接近，使方阵外部矩形区域的反型层电子经过长度相等或接近的独立引线输运至各个场发射阴极，避免位于方阵边缘的场发射阴极接收大部分电子供应，可实现各个场发射阴极均匀的电子供应及发射电流。

11、进一步地，n个所述平面区域的面积标准差与平均值之比小于0.4。

12、进一步地，组成所述p型半导体衬底的材料为p型掺杂的单质硅、单质锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、氧化镓、氧化锌、金刚石一种或几种。

13、进一步地，所述p型半导体衬底的掺杂浓度高于室温下的衬底材料本征载流子浓度且低于1020cm-3。

14、进一步地，所述场发射阴极为微尖锥、纳米线、纳米颗粒、二维薄膜的其中一种。

15、进一步地，所述栅电极板的材料为金、银、铝、铬、钼、镍、铌、钽、石墨、重掺杂多晶硅、六硼化镧中两种以上材料组成的合金。

16、本发明还提供一种真空电子设备，包括所述集成栅极电子源。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、本发明的一种集成栅极电子源的排布方法能够提升制备于p型半导体衬底上的场发射阴极电子供应来源区域面积的一致性，提升场发射阴极供应电流的均匀性，提供制备于p型半导体衬底上的发射电流均匀稳定的集成栅极电子源，有效解决了现有技术中基于p型半导体衬底的集成栅极场发射电子源中各个场发射阴极电子供应来源区域面积不一致、供应电流和发射电流不均匀的技术问题。

技术特征：

1.一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：所述栅电极板(1)的形状为圆形，若干个所述场发射阴极(2)均匀排列在一个与所述栅电极板(1)同心的圆周上。

3.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：所述栅电极板(1)的形状为正方形，若干个所述场发射阴极(2)呈方阵排列；位于方阵边缘的场发射阴极(2)到所述栅电极板(1)边界的最短距离均等于方阵中相邻场发射阴极间距的一半。

4.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：若干个所述场发射阴极(2)呈方阵排列，所述栅电极板(1)包括位于方阵外部四周的矩形区域(12)、及分别连接在所述矩形区域(12)与所述场发射阴极(2)之间的独立引线(13)，所述独立引线(13)的长度和面积相等或最大限度接近。

5.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：n个所述平面区域(11)的面积标准差与平均值之比小于0.4。

6.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：组成所述p型半导体衬底的材料为p型掺杂的单质硅、单质锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、氧化镓、氧化锌、金刚石一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：所述p型半导体衬底的掺杂浓度高于室温下的衬底材料本征载流子浓度且低于1020cm-3。

8.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：所述场发射阴极(2)为微尖锥、纳米线、纳米颗粒、二维薄膜的其中一种。

9.根据权利要求1所述的一种集成栅极电子源的排布方法，其特征在于：所述栅电极板(1)的材料为金、银、铝、铬、钼、镍、铌、钽、石墨、重掺杂多晶硅、六硼化镧中两种以上材料组成的合金。

10.一种真空电子设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的集成栅极电子源。

技术总结
本发明涉及真空微纳电子源的技术领域，更具体地，涉及一种集成栅极电子源的排布方法及真空电子设备，能够提升制备于P型半导体衬底上的场发射阴极电子供应来源区域面积的一致性，提升场发射阴极供应电流的均匀性，提供发射电流均匀稳定的集成栅极电子源，有效解决了现有技术中基于P型半导体衬底的集成栅极场发射电子源中各个场发射阴极电子供应来源区域面积不一致、供应电流和发射电流不均匀的技术问题。

技术研发人员：佘峻聪,陈阳,黄一峰,陈军,邓少芝,许宁生
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25