[实用新型]一种带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种场发射元件。

背景技术

碳纳米管是目前场发射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研机构都在积极努力，以实现碳纳米管在场发射器件中的实际应用和产业化。在目前的碳纳米管及其相关的研究领域中，新的结构、材料和工艺方法依然在不断的探索中。然而另一方面，已有的发射材料、器件结构均已达到数十种之多。对于这些纳米管材料冷阴极的工作机理的探索、对于已有器件结构的潜在性能的充分发掘和利用，依然是非常重要的研究内容。

 在大电流密度场发射器件（例如冷阴极X射线管和微波放大器）的制备中，对于碳纳米管发射阴极阵列的分布均匀性和取向性要求较高，而定向碳纳米管阵列阴极因取向性好，场发射性能优异具有很大的应用潜力。然而，对于碳纳米管阵列的研究至今没有使其得到广泛的实际应用，仍有许多不足之处需要探讨和改进，同时其电子发射能力与阵列结构、种类、形貌等因素的关系仍需得到进一步明确。目前，定向碳纳米管阵列的场发射性能存在以下一些问题：（1）虽然文献已经报道了可观的发射电流密度，然而通常是在较小的发射面积上获得，发射总电流较小，而场发射微波器件和场发射X射线源等则要求从数平方毫米的发射面积上提供几十乃至一百毫安以上电流，所以目前的碳纳米管阵列发射性能尚无法满足器件要求；（2）发射稳定性和均匀性存在严重问题，限制了其在场发射器件中的应用；（3）三极结构碳纳米管阵列技术仍处于初级阶段，工艺水平和发射性能需要得到提高，新型发射体结构仍需得到进一步开发。

由于制备工艺的局限，即使是通过精确控制的方法制备出来的定向碳纳米管阵列中发射体的高度和尖端曲率半径等通常存在5%~10%的起伏。由于场致发射电流密度与发射体尖端的电场强度呈指数关系，场致发射体阵列中不同发射体提供的发射电流密度很不均匀。部分电流负载较大的发射体首先出现损毁，进而由于真空放电形成整个发射体阵列被破坏。场发射阵列尺寸越大，发射电流密度不均匀性对电流负载的局限越严重。为了提高发射阵列的发射稳定性和均匀性，人们在碳纳米管和衬底电极之间引入了限流电阻层（ballast layer）。然而，这仍然存在着很大的局限性，远不足以使电流达到相当的稳定性。

作为微电子器件的基本原件，场效应晶体管在一定的源漏电压下可以提供稳定的电流，而且电流大小可以通过栅极电压精确控制。更重要的是，场效应晶体管工作在饱和区时，电流达到饱和，几乎不随源漏电压的变化而变化，而且饱和电流可也以受栅极电压的精确控制。

因此，是否可以给场发射阵列中的每一根碳纳米管都集成一个场效应晶体管，且通过一定工艺手段将场效应管的饱和电流控制在碳纳米管的安全发射电流以内，这样就可以平衡每一根碳纳米管的发射电流，并使所有碳纳米管同时在同一水平发射。从而达到提高碳纳米管阵列的场发射电流密度，稳定性及寿命等性能。

目前文献和专利报道的通过场效应管控制场发射的研究工作大多针对场发射显示器方面，注重对单个场发射显示像素的发射稳定性和均匀性的控制，而发射电流并不能得到相应的提高。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提出一种带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，尤其是性能增强的碳纳米管阵列。本实用新型提出的碳纳米管阵列中每一根碳纳米管都串联一个限流晶体管，得到发射电流密度大，发射稳定性高的场发射器件。

本实用新型技术方案是：带有限流晶体管的碳纳米管场发射元件，其特征是包括阴极、位于阴极下方的栅极、阴极和栅极之间的绝缘层和半导体层、导电基板；其特征是在导电基板上设有绝缘层，导电基板为栅极，在绝缘层上为半导体薄膜；半导体薄膜上设有作为阴极的格状或环状金属电极；在格状或环状金属电极格状或环状孔的中心位置设有垂直于基板的单根碳纳米管；所述碳纳米管的一端与半导体层电学相连，且碳纳米管通过半导体层与阴极电学相连。绝缘层的厚度在100nm至300nm之间。

绝缘层的材料可为二氧化硅、氧化铝、氮化硅等材料。

半导体的厚度为10nm至200nm之间。

半导体的材料为多晶硅或单晶硅、氧化锌薄膜等。

栅极材料即导电基板为重掺杂硅、银等高导电性材料或薄膜、如ITO薄膜，镍（Nickel）薄膜。导电基板可以生长在SOI表面。

碳纳米管场发射元件的格状或环状（阵列则为网状）电极相当于场效应管里源极（source），碳纳米管相当于漏极（drain），底部的导电基板相当于背栅极（back gate），碳纳米管与网状电极之间的半导体薄膜相当于沟道（channel）。