一种提升供应电流的电子源结构及其制备方法

本发明涉及真空微纳电子源的，更具体地，涉及一种提升供应电流的电子源结构及其制备方法。

背景技术：

1、高能量分辨率质谱仪、微推力器电荷中和器、电动力缆绳、极高真空电离规等真空电子装备需要配备高电流密度、高电流稳定性、长工作寿命的电子源。制备于p型半导体衬底上的场发射电子源具有电流稳定性高的优点，可作为高质量电子源应用于上述领域。然而，由于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电子源具有饱和发射特性，发射电流强度及电流密度需要提升。

2、本领域常见的基于p型半导体衬底的集成控制电极场发射电子源中，绝缘层和控制电极均为平面薄层，平铺于衬底上。控制电极相对衬底处于高电位，诱导衬底表面形成载流子耗尽层，耗尽层中的热产生电子供应场发射电流。耗尽层为准二维薄层结构，热产生电流与耗尽薄层面积成正比。对于特定耗尽薄层面积，电流供应量是一定的，增多发射体数量无助于提升发射电流强度及电流密度；将发射体密排于耗尽薄层中的小部分区域，将导致供应电子分配不均匀，发射电流不一致，不利于发射总电流强度及电流密度的提升；同时增大耗尽薄层面积和相邻发射体间距有助于提升发射电流，但不利于提升发射电流密度，并且导致器件尺寸增大、制造良率下降。

3、由此可见，现有技术的基于p型半导体衬底的集成平面控制电极电子源中，控制电极及其诱导形成的载流子耗尽区为平面薄层结构，存在基于p型半导体衬底的集成控制电极电子源中供应电流密度小、发射电流强度及电流密度受限的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中单位衬底面积向发射体供应的电流较小、发射电流强度及电流密度受限的不足，提供一种提升供应电流的电子源结构及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种提升供应电流的电子源结构，包括衬底、多个凸起结构、多个发射体、绝缘层和控制电极；所述衬底和凸起结构均为p型掺杂半导体材料；所述衬底、所述凸起结构和所述发射体由下往上依次叠放；所述凸起结构的侧表面面积大于相邻所述发射体水平间距平方的十分之一；所述绝缘层厚度均匀且沿所述凸起结构和所述衬底的表面贴合覆盖，所述控制电极覆盖所述绝缘层的外表面；所述绝缘层与所述控制电极开设有多个存在空间重叠区域的微孔，所述发射体容纳置于所述微孔中；在所述控制电极相对所述凸起结构和所述衬底处于高电位，诱导被所述控制电极覆盖的p型半导体表面形成电子反型层和载流子耗尽层。

4、本发明的一种提升供应电流的电子源结构，在控制电极-绝缘层-被绝缘层覆盖的p型半导体凸起结构及衬底表面所形成金属-绝缘层-半导体(mis)结构中，将控制电极置于相对凸起结构和衬底的高电位，诱导p型半导体表面形成准二维载流子耗尽层，耗尽层中的热产生电子输运到发射体，供应场发射电流；其中，在凸起结构的侧表面形成大面积的载流子耗尽层，可供应充足的热产生电子；该耗尽层垂直于衬底，所占衬底面积小，有效提升了单位衬底面积向发射体供应的电流，增大发射电流；在供应充足电子的基础上可实现发射体的密集排列，提升发射电流密度，有效解决了现有技术中基于p型半导体衬底的集成控制电极电子源中供应电流密度小、发射电流强度及电流密度受限的问题。

5、需要指出，已有发射体串联凸起结构的器件结构应用于集成控制电极电子源中，但其器件结构及功能与本发明存在较大差异；已有结构采用发射体与大高径比n型掺杂半导体纳米柱(直径为100nm，高度>10μm)串联集成，绝缘层完全填充各个发射体及凸起结构之间的水平间隙，控制电极为平面电极，该结构利用纳米柱作为限流元件，限制由n型半导体衬底向发射体输运的电流，从而削弱器件中发射特性优异的发射体电流，提升发射电流均匀性。而在本发明中，要求p型半导体凸起结构侧表面形成大面积载流子耗尽层，凸起结构横截面特征尺寸一般为微米量级，从而提升向发射体供应的热产生电流；同时，本发明利用厚度均匀的绝缘层沿与发射体串联的p型半导体凸起结构的表面贴合覆盖，将覆盖绝缘层外表面的控制电极相对凸起结构和衬底置于高电位，在二者表面诱导形成载流子耗尽层，向发射体供应热产生电流；若采用已有的器件结构，仅将其中的n型掺杂半导体替换为p型掺杂半导体，由于控制电极到凸起结构侧面中下部及衬底的距离较远，难以诱导形成耗尽区并供应产生电流；即使形成耗尽区，上述表面电子反型层中电子浓度远小于凸起结构侧表面上部，形成负电子浓度梯度，不利于耗尽层产生电子经反型层扩散输运至发射体，无法实现供应电流强度和电流密度的提升。

6、进一步地，所述凸起结构为高径比大于5的圆柱、棱柱、圆台、棱台或不规则凸起形状。

7、进一步地，所述发射体为微尖锥、纳米线、纳米管、纳米颗粒、二维薄膜的其中一种或几种。

8、进一步地，组成所述衬底和凸起结构的材料为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、金刚石的一种或几种。

9、进一步地，所述p型半导体衬底和凸起结构的杂质浓度高于室温下的衬底材料本征载流子浓度且低于1020cm-3。

10、进一步地，所述控制电极的材料为金、银、铝、铬、钼、镍、铌、钽、石墨、重掺杂多晶硅、六硼化镧中的一种或两种以上材料组成的合金。

11、本发明还提供一种提升供应电流的电子源结构的制备方法，包括以下步骤：

12、s11.在所述衬底上制备多个所述发射体，沉积牺牲层，将所述发射体包裹于牺牲层中；

13、s12.旋涂光刻胶，定义覆盖各个所述发射体的光刻胶图案；

14、s13.刻蚀未被光刻胶覆盖的牺牲层，去除光刻胶；

15、s14.沿垂直于所述衬底表面方向深刻蚀未被牺牲层覆盖的所述衬底的材料，在各个所述发射体下方形成所述凸起结构，去除牺牲层；

16、s15.依次覆盖沉积所述绝缘层和所述控制电极的材料；

17、s16.旋涂光刻胶，光刻胶覆盖所述控制电极的材料，定义光刻图案为所述控制电极的轮廓；

18、s17.刻蚀减薄光刻胶，至露出所述发射体上方凸起的所述控制电极，去除未被光刻胶覆盖的所述控制电极形成所述微孔；

19、s18.去除光刻胶，湿法刻蚀去除所述绝缘层形成所述微孔，直至露出所述发射体顶端。

20、进一步地，步骤s15可替换为：依次覆盖沉积所述绝缘层的材料和所述控制电极的材料，直至控制电极的材料完全填充覆盖相邻所述凸起结构的所述绝缘层之间的水平间隙，采用表面平坦化技术使所述控制电极上表面为平面并去除所述发射体上方的所述控制电极材料，形成所述微孔；在步骤s17中无需刻蚀减薄光刻胶。

21、进一步地，一种提升供应电流的电子源结构的制备方法，可以替换为以下步骤：

22、s21.在所述衬底上沉积牺牲层，旋涂光刻胶，定义光刻胶图案，刻蚀未被光刻胶覆盖的牺牲层，去除光刻胶；

23、s22.沿垂直于所述衬底的方向深刻蚀未被牺牲层覆盖的所述衬底的材料，形成所述凸起结构，去除牺牲层；

24、s23.依次覆盖沉积所述绝缘层和所述控制电极的材料；

25、s24.旋涂光刻胶，定义所述控制电极轮廓及位于所述凸起结构上方的所述微孔的图案；

26、s25.依次刻蚀未被光刻胶覆盖的所述控制电极和所述绝缘层，形成所述微孔；

27、s26.沉积所述发射体的材料，在所述微孔中制备所述发射体，在光刻胶上同时沉积所述发射体的材料；

28、s27.去除光刻胶，其上方的所述发射体的材料也一并去除。

29、进一步地，步骤s23可替换为：依次覆盖沉积所述绝缘层的材料和所述控制电极的材料，直至控制电极的材料完全填充覆盖相邻所述凸起结构的所述绝缘层之间的水平间隙，采用表面平坦化技术使所述控制电极上表面为平面。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、本发明的一种提升供应电流的电子源结构，利用厚度均匀的绝缘层沿与发射体串联的p型半导体凸起结构的表面贴合覆盖，覆盖绝缘层外表面的控制电极相对p型半导体处于高电位，在凸起结构侧表面形成大面积的载流子耗尽层，利用其中热产生电子向发射体供应场发射，从而增大单位衬底面积向发射体供应的热产生电流，提升发射电流强度及电流密度，有效解决了现有技术中基于p型半导体衬底的集成控制电极电子源中供应电流密度小、发射电流强度及电流密度受限的技术问题。