[发明专利]一种场效应管沟道型场致发射阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于真空微电子学领域，涉及一种由外加沟道偏置电压以及背栅电压调制的场发射阴极及其制备方法。

背景技术

集成真空电子器件要求其阴极具有更高的电子束流密度输出，更高的工作频率，更小的阴极尺寸和更高的装配精度。与依靠提高电子动能以逸出材料表面势垒的热阴极相比，更高发射效率的场致发射阴极是集成真空电子器件最有希望的解决方案。场发射阴极的发展经历了最早的Spindt型阴极到近年来的纳米冷阴极。Spindt型阴极技术的实际应用并不顺利，以硅锥场发射阵列为例，即便得益于微电子技术发展可以制作出曲率半径可达原子尺度的尖端，但对于制作出具有如此尖端并且形貌一致的硅锥阵列仍旧是巨大的挑战。为了回避尖锥型阴极阵列复杂的加工工艺，可采用低的功函数材料薄膜覆盖于尖端以达到改善原有尖端阴极性能的目的，典型代表是金刚石和类金刚石薄膜材料阴极。这种阴极的挑战在于可均匀控制的栅阴极阵列结构的制造。上世纪90年代中期开始，以碳纳米管作为场致发射冷阴极开始引起广泛的研究兴趣。碳纳米管具有极高的横纵比、纳米尺度的发射尖端、良好的导电性能以及超高的电流承载能力(远大于10⁹A/cm²)。随后，人们对更多种类的低维纳米材料，如ZnO纳米线、CuO纳米线和W纳米线等作为场发射阴极的可能性展开研究。这类阴极通常被称为纳米冷阴极，成为Spindt型阴极和Si-FEA后最重要的一类场致发射阴极。这类阴极的优势在于，不需复杂的尖锥制作工艺便可获得很低的场发射开启场强，且阴极材料可选范围大，制备手段多样。目前纳米冷阴极的开关与调制主要依赖立体栅极。场发射电流的大小都是通过阴极外部的场强进行控制。由于发射电流与外部场强的指数依赖关系，使得稳定性难以控制；其次由于立体栅极结构是一种电容性结构，这将限制其调制频率的上限。

发明内容

本发明所解决的问题是，提出了一种新型可调控的场效应管沟道型场致发射阴极及其制备方法，为实现二维材料的可调控纳米冷阴极提供了一种途径，并可实现高频率的调制，从而推动二维材料在集成真空微电子领域的实际应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种场效应管沟道型场致发射阴极，包括衬底上刻蚀出的一维纳米棱刃，在衬底和一维纳米棱刃上设置有绝缘介质层，在绝缘介质层上设置有二维材料，在二维材料的两端设置有金属源漏电极。

所述一维纳米棱刃是垂直结构或是尖端具有曲率半径的楔形结构，所述绝缘介质层介质是绝缘氧化层介质或是层状绝缘材料介质，所述二维材料包括单层，双层，或多层，所述的二维材料呈折角状，所述的金属源漏电极与作为导电沟道的二维材料之间形成欧姆接触，包括金属钛Ti、金Au、镍Ni或铂Pt。

一种场效应管沟道型场致发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底上刻蚀出尖锐的一维纳米棱刃，衬底的选取包含硅Si，三氧化二铝Al₂O₃，以异丙醇IPA与氢氧化钾KOH的混合溶液为刻蚀剂，异向刻蚀得到硅Si的楔形体，或者采用感应耦合等离子体ICP刻蚀交替复合深刻蚀硅Si的方法得到硅Si楔形体，再采用反复低温干氧氧化与刻蚀的方法锐化削尖硅Si楔形体，最后在硅Si衬底上得到一维纳米棱刃，氧化温度900℃-1000℃，时间3-5小时；直接采用感应耦合等离子体ICP干法刻蚀Al₂O₃衬底，得到一维纳米棱刃；

2)在含一维纳米棱刃的衬底上表面氧化出一层栅介质层，或是转移上一层氮化硼BN作为介质层，硅Si的氧化温度900℃-1000℃，时间3-5小时，得到二氧化硅SiO₂介质层；氮化硼BN介质层的转移，采用机械剥离六方氮化硼h-BN薄晶片的方式制得少层氮化硼BN，再转移至衬底；

3)在衬底上转移一层二维材料，并使得二维材料跨过一维纳米棱刃或是在含一维纳米棱刃的绝缘衬底上直接生长，二维材料为石墨烯，采用以金属铜或镍为衬底生长石墨烯，再以湿法刻蚀衬底转移至目标衬底；介质上原位生长石墨烯，在介质二氧化硅SiO₂或三氧化二铝Al₂O₃上淀积一层金属镍，受镍的催化作用，衬底与金属镍接触面之间会生长石墨烯，以三氯化铁FeCl₃溶液刻蚀除去镍即可；二维材料为氧化石墨烯，将含氧化石墨烯的酒精悬浊液滴加到含纳米棱刃的衬底上，待酒精蒸发干即可；二维材料为二硫化钼，采用机械剥离二硫化钼薄晶片的方式制得少层二硫化钼，再转移至介质层；