专利摘要

一种倒装阳极的纳米真空三极管结构，包括：一衬底；一氮化铝薄膜阴极生长于衬底的正面；一金属电极制作在衬底的背面；形成阴极；一玻璃基板；一透明导电层制作在玻璃基板上；一第一绝缘层制作在透明导电层上，中间为窗口；一金属栅极制作在第一绝缘层上，中间为窗口；一第二绝缘层制作在金属栅极上，中间为窗口；形成阳极；将该阳极的第二绝缘层与该阴极的氮化铝薄膜阴极扣置连接，形成倒装阳极的纳米真空三极管结构。本发明可以克服已有纳米真空三极管结构的不足，提出同时具有避免阴极氧化、提高阳极收集电子能力、以及便于倒装集成的多重优点。

权利要求

1.一种倒装阳极的纳米真空三极管结构，包括：

一衬底；

一氮化铝薄膜阴极，其生长于衬底的正面；

一金属电极，其制作在衬底的背面；

其中该衬底、氮化铝薄膜阴极和金属电极为阴极；

一玻璃基板；

一透明导电层，其制作在玻璃基板上；

一第一绝缘层，其制作在透明导电层上，中间为窗口；

一金属栅极，其制作在第一绝缘层上，中间为窗口；

一第二绝缘层，其制作在金属栅极上，中间为窗口；

其中该玻璃基板、透明导电层、第一绝缘层、金属栅极和第二绝缘层为阳极；将该阳极的第二绝缘层与该阴极的氮化铝薄膜阴极扣置连接，形成倒装阳极的纳米真空三极管结构；

所述倒装阳极结构，阴极与阳极和栅极在工艺上互不影响，便于利用倒装技术将真空三极管集成；

所述第一绝缘层、第二绝缘层及金属栅极三层的总厚度小于100nm；第一绝缘层、第二绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅；

所述窗口的深度大于第一绝缘层、第二绝缘层及金属栅极厚度的总和。

2.根据权利要求1所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构，其中衬底为半绝缘的蓝宝石或碳化硅。

3.根据权利要求1所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构，其中氮化铝薄膜阴极为n型Si掺杂，Si掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3。

4.根据权利要求1所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构，其中金属电极和金属栅极7的材料为金、铜、镍、铝或镍金合金，金属电极的厚度为50-200nm，金属栅极的厚度为5-50nm。

5.一种倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底的正面制作氮化铝薄膜阴极；

步骤2：在该衬底的背面制作金属电极；

步骤3：退火，所述衬底、氮化铝薄膜阴极和金属电极为阴极；

步骤4：在玻璃基板上依次制作透明导电层、第一绝缘层、金属栅极和第二绝缘层，形成阳极；

步骤5：采用光刻工艺，在形成阳极的第二绝缘层上面的中间向下刻蚀，刻蚀深度到达透明导电层内，形成窗口；

步骤6：采用倒装焊工艺，将阳极中窗口两侧的第二绝缘层与阴极上的氮化铝薄膜阴极进行扣置连接，完成制备；

所述倒装阳极结构，阴极与阳极和栅极在工艺上互不影响，便于利用倒装技术将真空三极管集成。

6.根据权利要求5所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，其中衬底为半绝缘的蓝宝石或碳化硅。

7.根据权利要求5所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，其中氮化铝薄膜阴极为n型Si掺杂，Si掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3。

8.根据权利要求5所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，其中金属栅极的材料为金、铜、镍或铝，厚度为5-50nm。

9.根据权利要求5所述的倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，其中调整第一绝缘层、第二绝缘层及金属栅极三层的总厚度小于100nm；第一绝缘层、第二绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅。

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术中的场发射电子器件领域，特别涉及一种倒装阳极的纳米真空三极管结构及制备方法。

背景技术

近十几年来，III族氮化物材料在固体发光二极管、蓝/绿光激光器、高电子迁移率晶体管和太阳能电池等光电子及微电子器件领域表现出优良的特性，其相关器件受到世界各国的科研机构的重视并被广泛研究。氮化铝材料作为其中的代表之一，其所特有的负的电子亲和势的特性使其成为了真空微电子领域中新的研究热点。对于具有负电子亲和势的材料，由于其表面电子的束缚几乎为零，当外加一个很小的电压的时候，考虑电子向表面供应充足的情况下，便可以得到一个很大的场致电子发射电流。正是由于这种特性，使得氮化铝在场发射显示器和微波器件中具有潜在的应用前景。但是，由于铝原子的化学性质非常活泼，极易和空气中或者传统工艺制作过程中的氧元素反应并在阴极表面生成一层很薄的氧化层，这层氧化层会在阴极形成电子发射的势垒，严重影响阴极的场致发射特性，从而影响器件性能。

纳米真空三极管作为小型化的真空电子器件，其具有体积小、工作电压低等优点，其在空间科学领域具有广阔的应用前景。更重要的是，纳米真空三极管结构可以将阳极和阴极间距控制到电子在空气中的平均自由程范围以内，使得器件可以在低真空甚至大气环境下工作，同时仍然保持真空电子器件的优越性。然而，目前纳米真空三极管的制作工艺存在一定的问题。首先，在阴极表面生长多层结构过程中，阴极处于高温及氧气环境，容易引起阴极表面的氧化。其次，传统工艺制作的阳极为没有侧向限制的开放结构，该结构增加器件漏电，同时导致阳极收集能力不足。综上所述，目前的真空三极管结构难以克服阴极氧化、器件漏电及阳极收集能力不足等问题，影响了氮化铝真空三极管的发展与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倒装阳极的纳米真空三极管结构及制备方法，其可以克服已有纳米真空三极管结构的不足，提出同时具有避免阴极氧化、提高阳极收集电子能力、以及便于倒装集成的多重优点。

本发明提供一种倒装阳极的纳米真空三极管结构，包括：

一衬底；

一氮化铝薄膜阴极，其生长于衬底的正面；

一金属电极，其制作在衬底的背面；

其中该衬底、氮化铝薄膜阴极和金属电极为阴极；

一玻璃基板；

一透明导电层，其制作在玻璃基板上；

一第一绝缘层，其制作在透明导电层上，中间为窗口；

一金属栅极，其制作在第一绝缘层上，中间为窗口；

一第二绝缘层，其制作在金属栅极上，中间为窗口；

其中该玻璃基板、透明导电层、第一绝缘层、金属栅极和第二绝缘层为阳极；将该阳极的第二绝缘层与该阴极的氮化铝薄膜阴极扣置连接，形成倒装阳极的纳米真空三极管结构。

本发明还提供一种倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底的正面制作氮化铝薄膜阴极；

步骤2：在该衬底的背面制作金属电极；

步骤3：退火，所述衬底、氮化铝薄膜阴极和金属电极为阴极；

步骤4：在玻璃基板上依次制作透明导电层、第一绝缘层、金属栅极和第二绝缘层，形成阳极；

步骤5：采用光刻工艺，在形成阳极的第二绝缘层上面的中间向下刻蚀，刻蚀深度到达透明导电层内，形成窗口；

步骤6：采用倒装焊工艺，将阳极中窗口两侧的第二绝缘层与阴极上的氮化铝薄膜阴极进行扣置连接，完成制备。

本发明有以下有益效果：

1、本发明专利采用倒装阳极的结构，阴极与阳极和栅极在工艺上互不影响，便于利用倒装技术将真空三极管集成，并且，这种组合的结构可以大大降低器件的制作难度，减小器件的制作周期。

2、本发明利用聚焦离子束刻蚀出真空沟道，未把阳极刻穿，形成了封闭的阳极。与传统的直接刻穿的阳极相比，这种阳极更利于收集被栅极抽取的电子，使得器件具有更低的漏电，更高的收集效率。

3、本发明在金属阳极上生长金属栅极层和二氧化硅隔离层，这种三极管结构和工艺，与传统方法相比，减少对氮化铝薄膜阴极的工艺处理。制作好的阳极部分和阴极可以采用外部夹持固定的方法；如果阳极和阴极表面具有原子级的平整度，可通过范德瓦耳斯力形成化学键结合；如果没有达到原子级的平整度，可通过紫外固化胶或金属键合的方式固定。如此，避免了氮化铝薄膜阴极受高温与氧气的影响，降低了氮化铝表面的氧化，从而提高器件的性能。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是一种倒装阳极的纳米真空三极管结构示意图。

图2是一种倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种倒装阳极的纳米真空三极管结构，包括：

一衬底1，其可为半绝缘的蓝宝石或碳化硅，电阻率为0.03-0.04Ω·cm，厚度为300-450μm；

一氮化铝薄膜阴极2，所述氮化铝阴极2采用MOCVD方法，生长于衬底1的正面，所述氮化铝薄膜阴极2为n型Si掺杂，Si掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3，厚度为50nm-500nm；

一金属电极3，金属电极3制作在衬底1的背面，通过PECVD或溅射方法，先在衬底1的背面制作一层Ni/Au合金，Ni/Au合金经退火之后与衬底1形成良好的欧姆接触，Ni和Au厚度分为为50nm、50nm，退火温度为950℃-1050℃，退火时间为1min-3min，退火气氛为氮气；

其中所述衬底1、氮化铝薄膜阴极2和金属电极3为阴极11；

一玻璃基板4，用于承载透明导电层5、第一绝缘层6、金属栅极7及第二绝缘层8，同时利于观察到氮化铝薄膜阴极2场致电子发射过程；

一透明导电层5，其可为氧化铟锡等透明导电材料，采用磁控溅射方式将其制作于玻璃基板4之上，所述透明导电层5用于搜集氮化铝薄膜阴极2的场发射电子；

一第一绝缘层6，其制作在透明导电层5上面的两侧，中间为窗口10，所述第一绝缘层6采用PECVD方法制作于透明导电层5上，第一绝缘层6可为二氧化硅或氮化硅材料，厚度为20nm-50nm，达到隔离透明导电层5和金属栅极7的效果；

一金属栅极7，其制作于窗口10两侧的第一绝缘层6上，所述金属栅极7的材料为金、铜、镍、铝或镍金合金，厚度为5-50nm，该金属栅极7用于控制氮化铝薄膜阴极2的场发射能力；

一第二绝缘层8，采用磁控溅射或等离子体增强化学气相沉积方法制作于将其制作于窗口10两侧的金属栅极7上，所述第二绝缘层8可为二氧化硅或氮化硅材料，厚度为20nm-50nm，用于隔离金属栅极7和氮化铝薄膜阴极2；

其中调整第一绝缘层6、第二绝缘层8及金属栅极7的总厚度小于100nm；第一绝缘层6、第二绝缘层8的材料为二氧化硅或氮化硅。

其中该玻璃基板4、透明导电层5、第一绝缘层6、金属栅极7和第二绝缘层8为阳极12；

采用光刻工艺或聚焦离子束刻蚀方法，在形成阳极12的第二绝缘层8上面的中间向下刻蚀，刻蚀到达透明导电层5内，形成窗口10，其深度大于第一绝缘层6、金属栅极7和第二绝缘层8厚度的总和，窗口10平面大小在50×50nm2-2000×2000nm2；

将阳极12的第二绝缘层8与该阴极11的氮化铝薄膜阴极2扣置连接，形成倒装阳极的纳米真空三极管结构，扣置连接的方法可为外部加持固定或键合。

请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明提供一种倒装阳极的纳米真空三极管结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1的正面制作氮化铝薄膜阴极2，所述衬底1为半绝缘的蓝宝石或碳化硅，所述氮化铝薄膜阴极2为n型Si掺杂，Si掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1021cm-3；

步骤2：在衬底1的背面制作金属电极3，

步骤3：退火，所述衬底1、氮化铝薄膜阴极2和金属电极3为阴极11；

步骤4：在玻璃基板4上依次制作透明导电层5、第一绝缘层6、金属栅极7和第二绝缘层8，形成阳极12，所述金属栅极7的材料为金、铜、镍或铝，厚度为5-50nm，；

步骤5：采用光刻工艺或聚焦离子束刻蚀，在形成阳极12的第二绝缘层8上面的中间向下刻蚀，刻蚀深度到达透明导电层5内，形成窗口10；

步骤6：采用外部加持固定或键合方法，将阳极12中窗口10两侧的第二绝缘层8与阴极11上的氮化铝薄膜阴极2进行扣置连接，完成制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

倒装阳极的纳米真空三极管结构及制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。