CN102280332B

CN102280332B - 一种mipm型内场发射阴极

Info

Publication number: CN102280332B
Application number: CN 201110184514
Authority: CN
Inventors: 邹宇; 展长勇; 林黎蔚; 任丁; 刘波; 黄宁康; 肖婷
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: CN102280332A

Abstract

本发明的阴极属于真空电子学和材料学领域，尤其涉及一种MIPM型内场发射阴极。本发明的MIPM型内场发射阴极由底电极层、绝缘层、电子储存传输层和顶电极层组成，其主要特征在于电子储存传输层采用多孔硅薄膜材料。在交流驱动模式下，该功能层不仅能输运电子而且能储存电子，从而提高发射效率。与现有技术相比，本发明具有发射电流大、稳定性好等优点，并且这种阴极环境适应能力强，不仅可在气体中工作，也可在液体中工作。

Description

一种MIPM型内场发射阴极

技术领域

本发明属于真空电子学和材料学领域，尤其涉及一种MIPM型内场发射阴极。

背景技术

场致电子发射有三种类型：一是外场致发射，二是内场致发射，三是横向场发射。

外场致发射阴极有用金属或半导体椎尖、纳米管、纳米线等制备，其原理是利用外部强电场来压抑表面势垒，使势垒的最高点降低，并使势垒的宽度变窄，当冷阴极表面势垒宽度被电场压缩到可以同电子波长相比拟时，因电子的隧道效应，大量电子穿过表面势垒逸出。横向场发射原理是利用不连续薄膜或者纳米狭缝的传导电流形成电子发射被垂直的电场引出，又称为表面传导阴极。内场致发射的原理是利用内部强场使电子从基底进入介质层，并在介质层中加速而获得足够能量，逸出介质层。由于内场发射阴极的内建电场不受外界气氛影响，因此内场致发射对表面形貌和气体吸附等不敏感。目前内场型发射阴极从结构和原理上又可划分包括三种：一种是金属-绝缘层-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM)型，另外一种是金属-多孔硅-金属（MPM) 金属-多孔硅-金属型（Metal-Porous Silicon-Metal，MPM）型，第三种是金属-绝缘层-半导体层-金属（Metal-Insulator-Semiconductor-Metal，MISM)型。

电子在穿越MIM型阴极的绝缘层时，由于散射作用电子会损失大部分动能，导致大部分电子不能从顶金属电极发射出,因而MIM型阴极的发射效率不高。MPM型是1995年日本的Nobuyoshi Koshida等人提出的(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34,1995，pp. L705-L707)。多孔硅中有大量纳米硅晶粒，电子在其中穿越时，由于量子隧穿效应，损失的能量比较少。相比MIM型，这种MPM型阴极，栅极工作电压可降低到20 V以内，其阴极电子发射效率目前超过了10%，但是发射效率稳定性不佳。日本最近报道的一种MPM型阴极，栅极电压为16 V，工作5小时后发射效率从2.1%下降到1.6%，下降幅度为23%。

MISM型阴极用交流电驱动，其工作原理如下:在交流驱动电压的负半周，下电极电位为正，电子从上电极注入到半导体层和绝缘体层的界面上，以界面态电子的形式存在界面上。当电压反向时，界面上的电子重新回到半导体层中，并在其中得到加速，然后进入上电极，部分能量大的电子可以克服上电极的表面势垒发射到真空中。这种阴极的优点是电子发射稳定性好，缺点是发射效率不高。国内专利（申请号01140447.7，授权公告号CN 1142572C）对这一结构中的半导体层（此专利中称为电子传输层）进行了改进，采用了从高电子亲和势的组分渐变到低电子亲和势的组分的薄膜作半导体层，发射效率超过0.5%，但发射效率仍不能满足实际应用的需求（如场发射平板显示器），其性能仍需要进一步改进。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是现有的MISM型内场发射型阴极发射效率不高，发射电流密度低的缺点。

为解决上述问题，本发明用多孔硅替换MISM型阴极中的普通半导体层形成一种MIPM型（Metal-Insulator-Semiconductor-Metal，金属-绝缘层-多孔硅-金属）的内场发射阴极，从下到上包括紧密结合的四个功能薄膜层：底电极层1、绝缘层2、电子储存传输层3和顶电极层4，其特征在于，所述的底电极层材料为金属或合金，厚度≧10 nm，所述的顶电极层材料为低电子亲和势能的金属、合金、掺杂的类金刚石或半导体，厚度为5 nm~500 nm，所述的绝缘层材料为金属氧化物、第四族元素氧化物、陶瓷或云母，厚度为100 nm~1 μm，所述的电子储存传输层材料为n型多孔硅，厚度为10 μm~500 μm。

所述的MIPM型内场发射阴极，其特征在于，所述的n型多孔硅的平均电导率为0.005 Ω×cm~3 Ω×cm，平均孔隙率为5%~80%，平均孔径为1 nm~100 μm。

当阴极受交流驱动工作在负半周，即下电极电位为正时，对传统的MISM型内场发射阴极而言，电子从上电极注入到半导体层和绝缘体层的界面上，以界面态电子的形式存在界面上；对本发明提供的MIPM型内场发射阴极而言，电子不仅可以存储在半导体层和绝缘体层的界面上而且可以存储在多孔硅层中，从而保证了效率和发射电流的密度。这是因为多孔硅中大量存在的纳米晶的晶界可以捕获大量电子，当工作在交流的负偏压时多孔硅可被“充电”。当工作电压反向时电子被内场驱动即可形成大电流发射。这种工作模式既保证了内场发射阴极的发射效率，也保证了工作的稳定性。这种内场发射阴极不仅能液体、大气或真空中工作，而且能在高温、高辐射等极端条件下工作。

附图说明

图1 MIPM型内场发射阴极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

参阅图1，该底电极1的材料为金，厚度为500 nm；该绝缘层2的材料为SiO₂，厚度为100 nm；该电子储存传输层3材料为多孔硅，厚度为40 μm，其平均电导率为0.01 Ω，平均孔隙率为50%、平均孔径为30 nm；该顶电极4材料为金，厚度为15 nm。在10^-5 torr气压下，测得发射效率为1.5%，连续工作20小时后束流衰减1%。

实施例2

参阅图1，该底电极的材料1为铬，厚度为200 nm；该绝缘层2的材料为HfO₂，厚度为300 nm；该电子储存传输层3材料为多孔硅，厚度为40 μm，其平均电导率为0.01 Ω，平均孔隙率为50%、平均孔径为50 nm；该顶电极4材料为Ag，厚度为10 nm。在10^-5 torr气压下，测得发射效率为1.5%，连续工作20小时后束流衰减1%。

实施例3

参阅图1，该底电极1的材料为Ag，厚度为200 nm；该绝缘层2的材料为Ta₂O₅，厚度为400 nm；该电子储存传输层3材料为多孔硅，厚度为30 μm，其平均电导率为0.01 Ω，平均孔隙率为50%、平均孔径为30 nm；该顶电极4材料为ZrN，厚度为8 nm。在10^-5 torr气压下，测得发射效率为1.3%，连续工作20小时后束流衰减1%。

Claims

1.一种MIPM型内场发射阴极，其包括依次连接的四个功能薄膜层：底电极层、绝缘层、电子储存传输层和顶电极层，其特征在于，所述的底电极层材料为金属或合金，厚度≧10 nm，所述的顶电极层材料为低电子亲和势能的金属或半导体，所述的低电子亲和势能的金属或半导体为Au、Ag或ZrN，厚度为5 nm~500 nm，所述的绝缘层材料为金属氧化物、第四族元素氧化物、陶瓷或云母，厚度为100 nm~1 μm，所述的电子储存传输层材料为n型多孔硅，厚度为10 μm~0.5 mm。

2.如权利要求1所述的MIPM型内场发射阴极，其特征在于，所述的n型多孔硅的平均电导率为0.005 Ω×cm~3 Ω×cm，平均孔隙率为5%~80%，平均孔径为1 nm~100 μm。