[发明专利]一种阈值电压可调的大电流场发射二极管及其加工方法

权利要求书

1.一种阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，包括能够相互靠近或远离的底部玻璃层和锥尖发射体，在所述底部玻璃层朝向所述锥尖发射体的端面上设有阴极电极、阳极电极和控制电极，所述阴极电极与所述锥尖发射体连接，所述底部玻璃层和所述锥尖发射体在所述控制电极的控制电压变大时相互靠近，并在所述控制电极的控制电压变小时相互远离；

在所述锥尖发射体上朝向所述阳极电极的一端设有第一金属控制极板，在所述阳极电极上设有用于与所述第一金属控制极板成对布置的第二金属控制极板，所述第一金属控制极板和所述第二金属控制极板均与所述控制电极电连接，以使得通过改变施加在所述控制电极上的控制电压大小，能够控制所述第一金属控制极板和所述第二金属控制极板之间的静电引力，且所述底部玻璃层和所述锥尖发射体之间的距离在所述第一金属控制极板和所述第二金属控制极板之间的静电引力变大时减小，并在所述第一金属控制极板和所述第二金属控制极板之间的静电引力变小时增大。

2.根据权利要求1所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，在所述锥尖发射体朝向所述阳极电极的一端设有多个表面覆盖有金属薄膜的锥尖体。

3.根据权利要求2所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，多个所述锥尖体在所述锥尖发射体的端面形成N行×M列的锥尖阵列结构，且所述锥尖体形成的锥尖阵列结构在所述锥尖发射体上的分布位置与所述阳极电极在所述底部玻璃层上的分布位置相适应，以使得所述锥尖体发射的电子能够在锥尖阵列结构与所述阳极电极之间形成均匀的场发射电流。

4.根据权利要求3所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，在所述锥尖发射体上朝向所述底部玻璃层的一端还设有用于防止所述锥尖体与所述阳极电极直接接触的保护台阶，所述保护台阶环绕所述锥尖体形成的锥尖阵列结构一圈。

5.根据权利要求4所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，所述保护台阶朝向所述阳极电极的端面凸出于对应位置的所述锥尖体。

6.根据权利要求4所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，所述阳极电极与所述阴极电极之间设有第一间隙区域，所述阳极电极与所述控制电极之间设有第二间隙区域，所述保护台阶在所述底部玻璃层上的投影位于对应位置的所述第一间隙区域或所述第二间隙区域内。

7.根据权利要求6所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，还包括硅基材料制成的硅壁和悬臂梁，所述硅壁与所述底部玻璃层固定连接，所述悬臂梁的固定端与所述硅壁连接，所述悬臂梁的自由端与所述锥尖发射体连接，以使得所述锥尖发射体能够向靠近或远离所述底部玻璃层的方向移动。

8.根据权利要求7所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管，其特征在于，所述阴极电极上设有金属引线，所述金属引线与所述硅壁通过键合工艺进行连接，所述硅壁再通过所述悬臂梁与所述锥尖发射体连接，以实现所述阴极电极与所述锥尖发射体的连接。

9.一种如权利要求8所述的阈值电压可调的大电流场发射二极管的加工方法，其特征在于，场发射二极管采用MEMS制造工艺加工而成，具体包括以下步骤：

步骤1）在双面抛光的N型硅片上刻蚀第一凹槽窗口，并以光刻胶掩膜腐蚀硅的方式形成键合锚点；

步骤2）在硅片上刻蚀第二凹槽窗口，并以光刻胶掩膜刻蚀硅的方式形成锥尖阵列台阶；

步骤3）在锥尖阵列台阶上采用各向同性的腐蚀液并采用湿法腐蚀工艺形成锥尖体和保护台阶；

步骤4）以光刻胶为掩膜，采用剥离法在锥尖体和保护台阶位置制作TiW/Au发射电极；

步骤5）以光刻胶为掩膜，采用ICP刻蚀工艺刻蚀形成第三凹槽窗口；

步骤6）在底部玻璃层上溅射TiW/Au复合层，并采用丙酮超声剥离工艺制备阴极电极、阳极电极和控制电极；

步骤7）将硅片与底部玻璃层之间通过硅-玻璃键合工艺进行连接，硅片与阴极电极的金属引线之间通过硅-金键合工艺进行连接，键合完成后在硅片背面进行化学机械抛光处理；

步骤8）在硅片正面溅射铝，以光刻胶为掩膜刻蚀铝，形成悬臂梁图形，然后采用ICP刻蚀工艺形成悬臂梁的梁厚，去除光刻胶，以铝为掩膜释放结构以形成硅壁、悬臂梁和锥尖发射体结构。