專利名稱：一種帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種場發(fā)射元件。
背景技術(shù)：
碳納米管是目前場發(fā)射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研機(jī)構(gòu)都在積極努力，以實(shí)現(xiàn)碳納米管在場發(fā)射器件中的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。在目前的碳納米管及其相關(guān)的研究領(lǐng)域中，新的結(jié)構(gòu)、材料和工藝方法依然在不斷的探索中。然而另一方面，已有的發(fā)射材料、器件結(jié)構(gòu)均已達(dá)到數(shù)十種之多。對于這些納米管材料冷陰極的工作機(jī)理的探索、對于已有器件結(jié)構(gòu)的潛在性能的充分發(fā)掘和利用，依然是非常重要的研究內(nèi)容。在大電流密度場發(fā)射器件(例如冷陰極X射線管和微波放大器)的制備中，對于碳納米管發(fā)射陰極陣列的分布均勻性和取向性要求較高，而定向碳納米管陣列陰極因取向性好，場發(fā)射性能優(yōu)異具有很大的應(yīng)用潛力。然而，對于碳納米管陣列的研究至今沒有使其得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，仍有許多不足之處需要探討和改進(jìn)，同時其電子發(fā)射能力與陣列結(jié)構(gòu)、種類、形貌等因素的關(guān)系仍需得到進(jìn)一步明確。目前，定向碳納米管陣列的場發(fā)射性能存在以下一些問題(1)雖然文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了可觀的發(fā)射電流密度，然而通常是在較小的發(fā)射面積上獲得，發(fā)射總電流較小，而場發(fā)射微波器件和場發(fā)射X射線源等則要求從數(shù)平方毫米的發(fā)射面積上提供幾十乃至一百毫安以上電流，所以目前的碳納米管陣列發(fā)射性能尚無法滿足器件要求；(2)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性存在嚴(yán)重問題，限制了其在場發(fā)射器件中的應(yīng)用；(3)三極結(jié)構(gòu)碳納米管陣列技術(shù)仍處于初級階段，工藝水平和發(fā)射性能需要得到提高，新型發(fā)射體結(jié)構(gòu)仍需得到進(jìn)一步開發(fā)。由于制備工藝的局限，即使是通過精確控制的方法制備出來的定向碳納米管陣列中發(fā)射體的高度和尖端曲率半徑等通常存在5°/rio%的起伏。由于場致發(fā)射電流密度與發(fā)射體尖端的電場強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系，場致發(fā)射體陣列中不同發(fā)射體提供的發(fā)射電流密度很不均勻。部分電流負(fù)載較大的發(fā)射體首先出現(xiàn)損毀，進(jìn)而由于真空放電形成整個發(fā)射體陣列被破壞。場發(fā)射陣列尺寸越大，發(fā)射電流密度不均勻性對電流負(fù)載的局限越嚴(yán)重。為了提高發(fā)射陣列的發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性，人們在碳納米管和襯底電極之間引入了限流電阻層(ballast layer)。然而,這仍然存在著很大的局限性,遠(yuǎn)不足以使電流達(dá)到相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。作為微電子器件的基本原件，場效應(yīng)晶體管在一定的源漏電壓下可以提供穩(wěn)定的電流，而且電流大小可以通過柵極電壓精確控制。更重要的是，場效應(yīng)晶體管工作在飽和區(qū)時，電流達(dá)到飽和，幾乎不隨源漏電壓的變化而變化，而且飽和電流可也以受柵極電壓的精確控制。因此，是否可以給場發(fā)射陣列中的每一根碳納米管都集成一個場效應(yīng)晶體管，且通過一定工藝手段將場效應(yīng)管的飽和電流控制在碳納米管的安全發(fā)射電流以內(nèi)，這樣就可以平衡每一根碳納米管的發(fā)射電流，并使所有碳納米管同時在同一水平發(fā)射。從而達(dá)到提高碳納米管陣列的場發(fā)射電流密度，穩(wěn)定性及壽命等性能。[0007]目前文獻(xiàn)和專利報(bào)道的通過場效應(yīng)管控制場發(fā)射的研究工作大多針對場發(fā)射顯示器方面，注重對單個場發(fā)射顯示像素的發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性的控制，而發(fā)射電流并不能得到相應(yīng)的提聞。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件，尤其是性能增強(qiáng)的碳納米管陣 列。本實(shí)用新型提出的碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場發(fā)射器件。本實(shí)用新型技術(shù)方案是帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件，其特征是包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層、導(dǎo)電基板；其特征是在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，導(dǎo)電基板為柵極，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連。絕緣層的厚度在IOOnm至300nm之間。絕緣層的材料可為二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等材料。半導(dǎo)體的厚度為IOnm至200nm之間。半導(dǎo)體的材料為多晶硅或單晶硅、氧化鋅薄膜等。柵極材料即導(dǎo)電基板為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料或薄膜、如ITO薄膜，鎳(Nickel)薄膜。導(dǎo)電基板可以生長在SOI表面。碳納米管場發(fā)射元件的格狀或環(huán)狀(陣列則為網(wǎng)狀)電極相當(dāng)于場效應(yīng)管里源極(source),碳納米管相當(dāng)于漏極(drain),底部的導(dǎo)電基板相當(dāng)于背柵極(back gate),碳納米管與網(wǎng)狀電極之間的半導(dǎo)體薄膜相當(dāng)于溝道(channel)。在該結(jié)構(gòu)中，由于溝道中的電流跟發(fā)射電流相同，單根碳納米管的發(fā)射電流必然被控制在晶體管的飽和電流以下，因此可以通過柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。本實(shí)用新型就是通過給每個單元的每一根碳納米管串聯(lián)一個場效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。為了避免碳納米管由于劇烈發(fā)射而燒毀，該飽和電流必須是單根碳納米管能夠穩(wěn)定發(fā)射的安全電流值。飽和電流的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)控柵極電壓來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一，在導(dǎo)電基板上制備絕緣層，導(dǎo)電基板為柵極；步驟二，在絕緣層上制備半導(dǎo)體薄膜；步驟三，在半導(dǎo)體薄膜上制備網(wǎng)格狀金屬電極，為陰極；步驟四，在網(wǎng)格狀金屬電極網(wǎng)孔的中心位置制備垂直于基板生長的單根碳納米管陣列。具體而言，SOI (絕緣襯底上的硅)材料是在頂層硅和背襯底之間引入了一層氧化層。通過在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜。(I)在SOI基片表面生長網(wǎng)格狀金屬電極；首先將SOI基片超聲清洗，然后在基片上旋涂PMMA電子束光刻膠，進(jìn)行電子束光刻，光刻圖案為直徑IOOnm的圓點(diǎn)；(2)電子束光刻的SOI基片顯影，在基片的表面形成具有圓孔圖案的光刻膠掩膜。(3)采用磁控濺射的方法在SOI基片表面濺射催化劑層，由兩層薄膜組成的，下面一層是ITO薄膜，厚度為20nm ;上面是鎳(Nickel)薄膜，厚度為7nm。催化劑層也可以采用Fe薄膜或Al薄膜，或雙層薄膜，上面是Fe薄膜。(4)剝離，將SOI基片浸入丙酮中，剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。浸入丙酮中沒有被曝光的光刻膠就被丙酮溶解，光刻膠表面的催化劑層自動脫落。這樣一來，只剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。(5)將SOI基片表面再旋涂一層PMMA，進(jìn)行電子束光刻，圖案是圓環(huán)，為陰極。(6)顯影之后，在樣品表面濺射一層鎢(W)。(7)將SOI基片浸入丙酮中，就只剩下環(huán)狀電極和催化劑點(diǎn)。(8 )采用PECVD法生長碳納米管。 本實(shí)用新型的工作原理是該實(shí)用新型其實(shí)是一個典型的場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀電極相當(dāng)于場效應(yīng)管里源極(source),碳納米管相當(dāng)于漏極(drain),底部的導(dǎo)電基板相當(dāng)于背柵極(back gate),碳納米管與網(wǎng)狀電極之間的半導(dǎo)體薄膜相當(dāng)于溝道(channel)。在該結(jié)構(gòu)中，由于溝道中的電流跟發(fā)射電流相同，單根碳納米管的發(fā)射電流必然被控制在晶體管的飽和電流以下，因此可以通過柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。本實(shí)用新型就是通過給每一根碳納米管串聯(lián)一個場效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。為了避免碳納米管由于劇烈發(fā)射而燒毀，該飽和電流必須是單根碳納米管能夠穩(wěn)定發(fā)射的安全電流值。飽和電流的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)控柵極電壓來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型有益效果是所提出和碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場發(fā)射器件。本實(shí)用新型可以通過柵極調(diào)制碳納米管的飽和發(fā)射電流。通過給每一根碳納米管串聯(lián)一個場效應(yīng)管達(dá)到限制電流的目的。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。在SOI的上表面制備了環(huán)狀電極，材料為金屬鎢(W)。碳納米管發(fā)射體被制備在環(huán)狀電極的中心，并垂直于基片表面生長。該結(jié)構(gòu)既是一個場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，又是一個場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。圖2為本實(shí)用新型的掃描電子顯微鏡圖像。
具體實(shí)施方案通過結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施方案，本實(shí)用新型的上述工作原理和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，各附圖中對本實(shí)用新型的實(shí)施例做詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例基于SOI基底制備帶有限流場效應(yīng)管的碳納米管陣列的流程如下(I)首先將SOI基片分別在丙酮和IPA中超聲清洗兩分鐘，然后在基片上旋涂PMMA電子束光刻膠，接下來進(jìn)行電子束光刻，光刻圖案為直徑IOOnm的圓點(diǎn)。(2)將做完電子束光刻的基片樣品顯影(如置入MIBK中進(jìn)行顯影)，這樣就在基片的表面形成了具有圓孔圖案的光刻膠掩膜。[0041](3)采用磁控濺射的方法在樣品表面濺射催化劑層，由兩層薄膜組成的，下面一層是ITO薄膜，厚度為20nm ;上面是鎳(Nickel)薄膜，厚度為7nm。(4)接下將樣品浸入丙酮中，剩下了具有圓點(diǎn)圖案的催化劑薄膜。(5)在這之后在樣品表面再旋涂一層PMMA,進(jìn)行電子束光刻,這次的圖案是圓環(huán)。(6)顯影之后，在樣品表面濺射一層鎢(W)。(7)將樣品進(jìn)入丙酮之后，就只剩下環(huán)狀電極和催化劑點(diǎn)，即生長碳納米管場的生長點(diǎn)。(8)最后一個步驟是采用常規(guī)的PECVD法生長碳納米管。環(huán)狀電極材料除了鎢之外，鑰、鋁等也可；催化劑材料除鎳之外，鐵也可。環(huán)狀金屬電極的邊長為I微米-10微米?！?br> 權(quán)利要求1.帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件，其特征是包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層、導(dǎo)電基板；其特征是在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，導(dǎo)電基板為柵極，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連。
2.如權(quán)利要求I所述的帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件，其特征在于絕緣層的厚度在IOOnm至300nm之間。
專利摘要帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件，包括陰極、位于陰極下方的柵極、陰極和柵極之間的絕緣層和半導(dǎo)體層，導(dǎo)電基板為柵極；在導(dǎo)電基板上設(shè)有絕緣層，在絕緣層上為半導(dǎo)體薄膜；半導(dǎo)體薄膜上設(shè)有作為陰極的格狀或環(huán)狀金屬電極；在格狀或環(huán)狀金屬電極格狀或環(huán)狀孔的中心位置設(shè)有垂直于基板生長的單根碳納米管；所述碳納米管的一端與半導(dǎo)體層電學(xué)相連，且碳納米管通過半導(dǎo)體層與陰極電學(xué)相連；在平面排列的帶有限流晶體管的碳納米管場發(fā)射元件構(gòu)成場發(fā)射陣列，電極為網(wǎng)格狀金屬電極。所提出和碳納米管陣列中每一根碳納米管都串聯(lián)一個限流晶體管，得到發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定性高的場發(fā)射元件。
文檔編號H01J1/308GK202473821SQ20112028408
公開日2012年10月3日 申請日期2011年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月7日
發(fā)明者張研, 李馳 申請人:張研, 李馳