CN1522454A - 硅基介质隧穿发射器 - Google Patents

Abstract

一种发射器(50，100)具有电子源层(10)和形成在电子源层(10)上的硅基介质层(20)。此硅基介质层(20)最好小于大约500。绝缘层(78)可选地形成在电子源层(10)上，并具有确定在其中的窗口，其中形成硅基介质层(20)。阴极层(14)被形成在硅基介质层(20)上，以便提供电子(16)和/或光子(18)的能量发射(22)的表面。最好对发射器(50，100)进行退火工艺(120，122)，从而提高从电子源层(10)隧穿到阴极层(14)的电子(16)的供应。

Description

硅基介质隧穿发射器

技术领域

本发明的目的是场发射器件。确切地说，本发明的目的是利用直接隧穿的平板场发射发射器及其在电子器件中的应用。

背景技术

已经提出并实现了几种不同的场发射器件，来产生对显示器或诸如存储器件之类的其它电子器件有用的电子发射。诸如电子管之类的具有热离子发射的真空器件，通常要求对阴极表面进行加热以便产生电子发射。这些电子在真空中被拉向处于预定电压电位以吸引电子的阳极结构。对于诸如阳极射线管之类的显示器件，阳极结构涂敷有磷光体，以便当电子碰撞到磷光体上时，产生光子，从而产生可见图象。诸如spindt尖端(尖端电极)之类的冷阴极器件已经被用来取代热阴极技术。但难以在保持可靠性的情况下减小尺寸和集成几个尖端电极。随着尺寸的减小，这种spint尖端更容易受到来自电子对其撞击时离化的真空中的沾污物造成的损伤。此离化的沾污物然后被吸引到spint尖端，并与之碰撞，从而引起损伤。为了提高尖端的寿命，真空区必须具有越来越高的真空。发射表面大的平板发射器能够可靠地工作于较低的真空要求下。但对于某些应用，来自常规平板发射器的电流密度对于实用来说不够高。因而要求产生一种高能量流密度且能够可靠地工作于低真空环境中的平板发射器。

发明内容

一种发射器具有电子源层和形成在电子源层上的硅基介质层。此硅基介质层最好小于大约500。绝缘层可选地形成在电子源层上，并具有确定在其中的窗口，其中形成硅基介质层。阴极层被形成在硅基介质层上，以便提供电子和/或光子的能量发射表面。最好对发射器进行退火工艺，从而提高从电子源层隧穿到阴极层的电子的供应。

附图说明

图1是结合本发明的隧穿发射器的示例图。

图2是利用图1的隧穿发射器来产生聚焦电子束的示例图。

图3是包括几个隧穿发射器和光学透镜来产生显示器件的集成电路的示例图。

图4是组合多个隧穿发射器和控制电路的集成电路的示例方框图。

图5是包括用来对来自隧穿发射器的能量发射进行聚焦的透镜的集成电路上的隧穿发射器的示例图。

图6是由包括多个隧穿发射器和产生或通过光子的阳极结构的集成电路所形成的示例显示器。

图7是一种组合了包括用来将信息读出和记录到可重新写入的媒质上的多个隧穿发射器的集成电路的示例存储器件。

图8是示例隧穿发射器的俯视图。

图9是图8所示隧穿发射器的示例剖面图。

图10是组合了结合本发明隧穿发射器的电子器件、显示器、或存储器件中的至少一种的计算机的示例方框图。

图11A-11L是用于产生本发明隧穿发射器的示例工艺中的各个示例步骤的说明。

图12A和12B是用来可选地改善本发明的隧穿发射器的示例退火工艺曲线。

具体实施方式

本发明的目的是场发射发射器，它利用大约200-5000的足够薄的硅基介质层在电子源与平板阴极表面之间产生电场，从而提供每平方厘米高量级的发射电流。常规的平板发射器型器件每平方厘米表面面积的发射电流低，因而无法用于某些应用。本发明采用具有适当缺陷的硅基介质的薄的淀积，来形成其中电子能够在电子源与阴极表面之间通过介质中的缺陷隧穿的势垒。利用这种材料，发射电流能够大于10mAmps、100mAmps、或1Amp，这分别比常规平板发射器技术的发射电流大一个数量级、二个数量级、或三个数量级。实际的发射率依赖于用于硅基介质层的材料类型和厚度的设计选择。除了电子发射之外，本发明还能够产生光子发射，从而提供了结合本发明的发射器的其它用途。在本发明及其制造方法和各种用途的下列描述中，本发明的其它优点和特点将变得更为明显。

在本描述中，发射器元件的各个部分未被按比例绘出。为了提供更清楚描述和理解本发明，某些尺度相对于其它尺度已经被夸大。为了说明的目的，此处所示的各个实施方案被示于二维图中，各个区域具有深度和宽度。应该理解的是，这些区域仅仅是部分器件的单个单元的说明，它可能包括排列在三维结构中的多个这种单元。因此，当制造在实际器件上时，这些区域将具有3个尺度，包括长度、宽度、以及深度。

而且，本发明的一种情况是能够用常规的集成电路薄膜技术来加以制造。存在着几种不同的技术来执行几个工艺步骤，并能够由本技术领域的熟练人员互换。例如，除非特别指出，材料的淀积可以举例来说采用诸如蒸发、溅射、化学气相淀积、分子束外延、光化学气相淀积、低温光化学气相淀积、以及等离子体淀积之类的几种工艺之一。此外，存在着几种不同的腐蚀技术，举一些可能的腐蚀技术的例子来说，例如湿法腐蚀、干法腐蚀、离子束腐蚀、反应离子刻蚀、以及诸如桶形等离子体腐蚀和平面等离子体腐蚀之类的等离子体腐蚀。所用实际技术的选择将依赖于所用的材料和成本考虑以及其它各种因素。

图1是发射器器件50的示例图，优选为用于电子发射和光子发射的平板发射器，它包括电子源10。电子源10上是硅基介质层20。硅基介质层20优选由诸如SiN_x、Si₃N₄(RI～2.0)、Si_xN_y(x∶y＞3/4，RI～2.3)、以及SiC之类的硅基介质组成。预计F_y-SiO_x和C_y-SiO_x也能够用作硅基介质层20。硅基介质层的厚度优选约为500，优选约为250-5000，例如500或以下。选择的厚度决定了硅基介质层必须能够承受的电场强度和所希望的发射器发射电流。排列在硅基介质层20上的是阴极层14，优选为诸如铂、金、钼、铱、钌、钽、铬、或其它难熔金属、或其合金之类的薄膜导体。可以采用本技术领域熟知的其它阴极层。阴极层的厚度优选为30-150。当具有发射器电压为Ve(约为3-10V)的电压源24经由接触12被施加到阴极层14和电子源10时，电子从衬底10(电子源)隧穿到阴极层14。由于硅基介质层20中的缺陷，故电子通过其中隧穿的电场被各种各样的间隙加强，故从阴极层14表面的电子发射16大于常规的设计。光子发射18也同电子发射16一起发生，从而形成从发射器50的能量发射22。

各种厚度的电场如公式

$\stackrel{\→}{E}=\frac{V_c}{t_{\mathrm{thickness}}}$

计算，其中t_thickness是硅基介质层20的厚度。例如，对于V_e＝10V，对于500的硅基介质层厚度，电场等于每米2×10⁶V。特定的碳基介质的最小厚度将依赖于其介电强度。

最好用等离子体增强的化学气相淀积(PECVD)方法来淀积硅基介质层20。利用硅基介质作为硅基介质层，在整个材料中得到了缺陷区，从而由于在电子源10与阴极层14之间产生的电场而通过各种缺陷实现了隧穿。

图2是图1发射器50的使用示例图。在此应用中，利用被示例为设定在预定电压下的导体中孔径的静电聚焦器件即透镜28，电子发射16被聚焦，此预定电压能够被调整以改变其聚焦效果。本技术领域的熟练人员可以理解的是，透镜28可以由一个以上的导电层组成以产生所希望的聚焦效果。电子发射16被透镜28聚焦成阳极结构30上的聚焦束32。阳极结构30被设定在阳极电压V_a26，其幅度依赖于专门用途以及从阳极结构30到发射器50的距离而变化。例如，若阳极结构30是存储器件的可记录媒质，则V_a可以被选择为500-1000V。透镜28借助于在其孔径中形成电场34而聚焦电子发射16。借助于设定V_e在恰当的电压，从发射器50发射的电子被引导到孔径中心，并进一步被吸引到阳极结构30，从而形成聚焦束32。

图3是显示器40的示例实施方案，此显示器40具有包括多个制作在象素组阵列中的集成发射器100的集成电路52。此集成发射器100发射光子发射18，可见光源被光学透镜38聚焦成聚焦束32，可作为图象被观察到。光学透镜38最好涂敷有诸如氧化铟锡之类的透明导电表面，以便捕获从发射器发射的电子。

图4是集成电路52的示例实施方案，此集成电路52包括至少一个集成的发射器100，但最好包括多个排列在阵列中的集成发射器100。发射器控制电路72被集成到集成电路52上，并被用来运行此至少一个集成发射器100。

图5是包括集成发射器100和透镜阵列48的集成电路52的示例实施方案。此集成电路52被制作在导电衬底10上，最好是重掺杂的硅或诸如薄膜导电层之类的导电材料上，以便提供电子源。在衬底10上淀积厚度约为250-约5000的硅基介质层20，优选厚度约为500，虽然对于某些应用约为250-约750更优选。不同的半导体薄膜材料层被涂敷到衬底10，并被腐蚀以便形成集成发射器100。排列在硅基介质层20上的是阴极层14，优选是铂、金、钼、铱、钌、钽、铬、或其它难熔金属、或其合金组成的薄膜导电层。阴极层14构成阴极表面，能量以电子和光子的形式从这一阴极表面被发射。利用常规薄膜加工方法，透镜阵列48被涂敷，且包括确定在导电层中并对准于集成发射器100的透镜28，以便将来自集成发射器100的能量聚焦到阳极结构76的表面上。阳极结构76位于离集成电路52的目标距离74处。

图6是利用本发明的集成发射器100的显示器应用的变通实施方案。在本实施方案中，多个发射器100被排列并形成在集成电路52中。各个发射器100以电子发射16或光子发射18的形式发射能量发射22(见图1)。阳极结构即显示器40将发射的能量接收在由各个显示子象素42构成的显示象素44中。显示子象素42最好是在被能量发射22的电子发射16冲击时产生光子的磷光材料。或者，显示子象素42可以是半透明的窗口，以便使能量发射22的光子发射18能够通过显示器40，以直接看到光子。

图7是存储器件中的集成发射器100的一种变通应用。在本示例实施方案中，具有多个集成发射器100的集成电路(IC)52，具有对准于集成发射器100的聚焦机构的透镜阵列48。此透镜阵列48被用来产生聚焦束32，用来影响记录表面即媒质58。媒质58被涂敷到动子(mover)56，动子56使媒质58相对于IC52上的集成发射器100定位。动子56中最好集成有读出器电路62。读出器62被示为一种放大器68，它对媒质58形成第一欧姆接触64，并对动子56形成第二欧姆接触66，最好是半导体或导体衬底。当聚焦束32冲击媒质58时，若聚焦束的电流密度足够高，则媒质被相变，从而形成一个受影响的媒质区域60。当低电流密度的聚焦束32被施加到媒质58的表面时，不同的电流流速被放大器68探测到，从而产生读出器输出70。于是，借助于用来自发射器50的能量影响媒质，就用媒质的结构相变性质将信息储存在媒质中。一种这样的相变材料是In₂Se₃。其它的相变材料对本技术领域的熟练人员来说是众所周知的。

图8是包括阴极层14中的发射器区域84的集成发射器100的本发明示例实施方案的俯视图。此阴极层14被电耦合到并被排列在导电层82上，导电层82被排列在绝缘层78上。集成发射器100优选被示为圆形，但也可以采用其它形状。由于形状中不存在分立的边沿，故在产生更为均匀的电场方面，圆形是优选的。

图9是图8所示集成发射器100示例实施方案沿9-9线的剖面。衬底10，最好是导电层或重掺杂的半导体，为排列在绝缘层78中和绝缘层78表面上确定的窗口内的硅基介质层20提供了电子源。阴极层14，最好是薄膜导电层，被排列在硅基介质层20上以及部分地排列在导电层82上，从而与导电层形成电接触。依赖于为绝缘层78和导电层82所选择的特定材料，可以可选地增加粘合层80，以便提供导电层82与绝缘层78之间的键合界面。

图10是计算机90的示例方框图，此计算机90包括微处理器96、耦合到微处理器96的存储器98、以及电子器件即存储器件94和显示器件92。这些电子器件被耦合到微处理器96。微处理器96能够执行来自存储器的指令，以便能够在存储器与诸如存储器件94和显示器件92之类的电子器件之间传送数据。各个电子器件包括集成电路，此集成电路具有结合本发明的发射器，最好还具有用来聚焦来自发射器的发射的聚焦器件。发射器具有其上排列有绝缘层的电子源层。绝缘层具有窗口，窗口限定硅基介质层被制作在其中的电子源层上。在硅基介质层上是阴极层。最好但可选地已经对具有发射器的集成电路进行了退火工艺，从而增大能够从电子源层隧穿到阴极层的电子的供应。

图11A-11L示出了用来产生结合本发明的发射器的示例工艺步骤。图11A中，由介质或光抗蚀剂组成的掩模102被用于衬底10，衬底10最好是硅半导体衬底，虽然衬底10也可以是导电薄膜层或导电衬底。衬底10的薄片电阻最好约为100-0.0001欧姆厘米。

在图11B中，当衬底10是硅衬底时，最好用场氧化物生长方法来形成绝缘层78。绝缘层78能够可选地由用常规半导体工艺单独或组合地淀积或生长的其它氧化物、氮化物、或其它常规的介质组成。绝缘层78被形成在除了被掩模102覆盖的区域之外的衬底上。被掩模102确定的区域，因而即是得到的空洞即绝缘层78中确定的窗口，决定了稍后形成的集成发射器100在清除掩模102时的位置和形状。

在图11C中，硅基介质层20被涂敷在衬底10和绝缘层78上。最好用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法来涂敷硅基介质层20。其它的淀积技术对本技术领域的熟练人员来说是众所周知的。硅基介质层20优选是SiC、SiN_x、Si₃N₄(RI～2.0)、或Si_xN_y(x∶y＞3/4，RI～2.3)。预计F_y-SiO_x和C_y-SiO_x也能够可选地用作硅基介质层20的适当材料。硅基介质层20的厚度优选约为250-5000。

在图11D中，可选的粘合层80被涂敷在硅基介质层20上。当稍后涂敷的导电层82(见图11D)由金组成时，此粘合层80最好是钽。最好用常规的淀积技术来涂敷此粘合层。此粘合层的厚度最好约为100-200。

在图11E中，导电层82被涂敷在衬底10上先前涂敷的各个层上，例如若使用了的粘合层80上。最好用常规淀积技术来形成导电层。此导电层最好是厚度约为500-1000的金。

在图11F中，图形化层104被涂敷在导电层82上，并在其中形成窗口，以便确定用来形成集成发射器的腐蚀区域。此图形化层104优选是厚度约为1微米的正光抗蚀剂层。

在图11F中，最好用湿法腐蚀工艺来产生图形化层104窗口内导电层82中的窗口。此腐蚀通常会产生如所示的各向同性腐蚀分布，其中部分导电层在图形化层104下方被钻蚀。所用的湿法腐蚀工艺最好不与若使用了的粘合层80发生反应，以便防止腐蚀材料达及衬底10。干法腐蚀工艺可以可选地用来腐蚀此导电层82。

在图11G中，优选用对粘合层80有反应的干法腐蚀工艺来产生各向异性分布108。

在图11I中，剥离工艺被用来清除图形化层104。低温等离子体最好被用来反应腐蚀烧蚀图形化层104中的有机材料。在平面等离子体腐蚀工艺中，所用的气体最好是氧。被处理过的衬底10被置于工作室中，并引入氧，且氧被能量源激发，从而产生等离子体场。等离子体场将氧激励到高能状态，这又将图形化层104组分氧化成气体，被真空泵从工作室清除。

湿法剥离工艺能够被可选地用来代替等离子体剥离工艺。处理过的衬底10被浸入到溶剂中，泡胀并清除图形化层104。

图11J示出了在处理过的衬底10的表面上涂敷阴极层14。阴极层14最好是诸如铂的薄膜金属层，且厚度最好约为50-约250。诸如金、钼、铱、钌、钽、铬、或其它难熔金属、或其合金之类的其它金属作为例子，能够被用于阴极层14。排列在硅基介质层20上的阴极层14构成了发射器腔114中的发射器表面86。

图11K示出了阴极抗蚀剂层116的涂敷，它已经涂敷并图形化以确定阴极层14待要被腐蚀处的窗口以便隔离衬底10上的多个发射器，图11L示出了已经被腐蚀过并且阴极光抗蚀剂116被清除的阴极层14。在发射器腔114内是发射器表面86。图8示出了得到的结构的示例俯视图。发射器表面86具有第一面积。发射器腔114具有与发射器表面86接界的第一腔区，具有在粘合层80中基本上平行的侧壁。发射器腔114具有形成在导电层82中的第二腔区，其侧壁偏斜到具有第二面积的窗口。此第二面积大于第一面积。阴极层14被排列在发射器表面86和发射器腔114的第一和第二区的侧壁上。利用集成电路薄膜工艺来制造发射器，能够与常规集成电路上的传统有源电路一起被集成。如上所述，具有发射器的集成电路能够被用于显示器件或存储器件。在制造之后，最好对发射器进行退火工艺，以便增大从发射器的发射量。

图12A和12B是用来增大体现本发明的发射器的发射电流能力的示例退火工艺的曲线。借助于使发射器寿命更长，此退火工艺还提高了器件成品率和质量。在其它的好处中，此退火工艺有助于减小不同金属的接触电阻，从而增大流到发射器的电流。

在图12A中，第一热分布120示出了包括结合本发明的发射器的处理过的衬底首先在10分钟之内被升温到大约400℃，然后在此温度下保持30分钟。处理过的衬底然后在大约55分钟内被缓慢冷却回到室温(大约25℃)。在图12B中，第二热分布122示出了包括结合本发明的发射器的处理过的衬底在10分钟之内被加热到大约600℃的温度，并在此温度下保持大约30分钟。处理过的衬底然后在大约100分钟内被逐渐冷却到室温。本技术领域熟练人员可以理解的是，提升的温度与冷却的速率能够从所述的示例工艺进行修正而仍然符合本发明的构思与范围。借助于对包括至少一个结合本发明的发射器的衬底进行退火，改善了发射器的一些特性。

Claims (20)

1.一种发射器(50，100)，它包含：

电子源(10)；

排列在电子源上的硅基介质层(20)；以及

排列在硅基介质层上的阴极层(14)；

其中，电子源、硅基介质层、以及阴极层，已经经受了退火工艺(120，122)。

2.权利要求1的发射器(50，100)，其中，硅基介质层(20)选自由SiC、SiN_x、Si₃N₄、Si_xN_y、F_y-SiO_x、以及C_y-SiO_x组成的组。

3.权利要求1的发射器(50，100)，能够提供发射电流大于每平方厘米1×10^-2A mps的发射能量。

4.权利要求1的发射器(50，100)，其中，硅基介质层(20)的厚度约为250-约5000。

5.一种集成电路(52)，它包含：

衬底(10)；

排列在衬底上的权利要求1的发射器(50，100)；以及

用来使制作在具有发射器的衬底上的发射器工作的电路(72)。

6.一种电子器件(90)，它包含：

权利要求1的能够发射能量(22)的发射器(50，100)；以及

阳极结构(76，42，58)，它能够接收发射的能量并响应于接收发射的能量而产生至少第一效应且响应于未接收发射的能量而产生第二效应。

7.权利要求6的电子器件(90)，其中，此电子器件是一种大规模存储器件(图7)，而阳极结构(58)是一种储存媒质，此电子器件还包含读出电路(62)，用来探测阳极结构上产生的效应。

8.权利要求6的电子器件(90)，其中，此电子器件是一种显示器件(44)，而阳极结构(76，42)是一种显示屏(40)，它响应于接收发射的能量(22)而产生可见的效应。

9.权利要求8的电子器件(90)，其中，显示屏(40)包括能够响应于接收发射的能量(22)而发射光子(18)的一种或多种磷光体(42)。

10.一种发射器(50，100)，它包含：

电子源层(10)；

制作在电子源层上且其中确定有窗口的绝缘层(78)；

制作在窗口中电子源层上且还排列在绝缘层上的硅基介质层(20)；以及

制作在硅基介质层上的阴极层(14)；

其中，发射器已经经受了退火工艺(120，122)，以便增大从电子源层隧穿到用于能量发射(22)的阴极层的电子的供应。

11.权利要求10的发射器(50，100)，除了电子发射(22)之外，还能够发射光子(18)。

12.权利要求10的发射器(50，100)，其中，阴极层(14)具有大于每平方厘米约为0.01A mps的发射率。

13.权利要求10的发射器(50，100)，其中，硅基介质层(20)选自由SiC、SiN_x、Si_xN_y、Si₃N₄、F_y-SiO_x、以及C_y-SiO_x组成的组。

14.权利要求10的发射器(50，100)，其中，硅基介质层(20)的厚度约为250-约5000。

15.电子器件(50，100)，它包含：

包括权利要求10的发射器的集成电路(52)；以及

用来会聚来自发射器的发射的聚焦器件(38，28)。

16.一种在电子源(10)上形成发射器(50，100)的方法，它包含下列步骤：

在电子源上用半导体薄膜层(52)形成硅基介质发射器，至少一个薄膜层是特征为厚度小于500的硅基介质层(20)的薄膜；以及

对加工过的发射器(120，122)进行退火，以便增大隧穿发射器的隧穿电流。

17.一种用权利要求16的工艺产生的发射器(50，100)。

18.权利要求16的方法，其中，涂敷硅基介质层(20)的步骤还包含涂敷选自由SiC、SiN_x、Si_xN_y、Si₃N₄、F_y-SiO_x、以及C_y-SiO_x组成的组的硅基介质的步骤。

19.一种在电子源(10)上形成发射器(50，100)的方法，它包含下列步骤：

在排列于电子源上的绝缘层(78)上涂敷硅基介质层(20)，此绝缘层确定电子源的窗口；

涂敷导电层(80，82)，以便粘合到硅基介质层；

在导电层上涂敷图形化层(104)；

在图形化和导电层中形成对电子源的窗口(108)；

腐蚀图形化层(104)，以便用剥离方法从导电层清除图形化层。

20.权利要求19的方法，还包含对加工过的发射器(120，122)进行退火，以便增大隧穿电流。

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