真空微电子场致发射技术研究(2)
20世纪60年代，斯坦福国际研究所的Shoulders在“Microelectronics using electron-beam-activated machining techniques”的文章中，提到了一种器件。当时还没有微细加工技术，仙童公司（Fairchild）刚刚宣布利用新发明的平面工艺研制4个晶体管的芯片。但是，Shoulders提出一种器件，开关速度可以再在10-10s微米级的真空隧道效应器件，这种器件有较高的输入阻抗，工作电压50V，不受电离、位移效应等，无需达到高温，有长达上百年的寿命。Spindt经过持续的研究，最终成功地利用微细加工技术做出了场发射体阵列阴极，现在称为Spindt阴极。1966年IEEE的“电子管技术”会议上,金属场发射尖锥阵列的性能和工艺研究正式公布于世。场致发射体阵列的寿命可以超过一万小时，栅极电压不到100V，通过缩减结构尺寸，可以进一步减小工作电压到几十伏特。理论上只要有理想的真空环境，FEA可以无限次使用，不像热阴极那样存在活性物质的消耗和补充问题。真是这些优越的性能，使得FEA器件很吸引人，其中两个突出的应用分别是射频真空器件和场致发射显示器(FED)。
1.2 FED应用
场致发射阴极阵列的应用是VME重要研究之一，它拥有以下几个优点：
1.电子是在真空中传播的，载体速度快，电子的最大速度等于光速，远远高于在固体中传播速度；
2.在在真空中没有载流子的散射，传播过程没有功率损耗，使得设备电子束能量高效率回收；
3.由于电子是在真空中传播，对温度和辐射不敏感，不受电离效应、位移效应等影响，工作温度范围较宽；
4.材料选择广泛，所有的材料，金属、半导体、绝缘体、超导体、有机物和复合材料都是可能使用的器件场致发射阴极材料。
真空微电子管拥有对温度和辐射不敏感、尺寸结构小、质量小、抗干扰强、可靠性高等优点，综合了真空电子管和集成电路的众多优势，它广泛应用于场致发射显示器、高速开关器件、产生微波和毫米波的微波管、快速信号处理的真空集成电路、传感器、加速器等方面。微加工技术的发展为小尺寸复杂结构器件的批量生产打通了新的捷径，许多上面列出的优势激发我们在许多领域开发新的设备 [2]。包括: (1)用微加工制造的场致发射阵列阴极来代替热阴极；(2)可靠性高的、稳定性好的微波、毫米波、亚毫米波器件代替普通的的器件；（3）减小器件体积，提高集成度，提高效率。
1.3 VME研究现状
在这20多年间，西方各发达国家对VMD进行了大量的基础与应用研究，投入了巨量的人力物力。然而在国内对VMD的研究相对滞后，相关方面专家较少资金不足，不过国家已经重视有关VMD的研究，也投入了很多资金对基础理论和应用进行研究，也引起了国内很多专家学者的重视。
由于发射的顶点是非常尖锐的，通常小于20nm的半径，当栅极电压为4至100V时场发射电压决于栅极孔径的大小，如Nakamoto等人报道的文章。Spindt从一个单硅发射极栅极电压的函数观察到的发射电流，研究了一种电子发射电流80pA的，金属发射器的最大发射电流为100pA。Takegawa等人在6米的Si发射极阵列测定了最高发射电流64 mA。由于加工技术的改进，使得在半径0.32pm的区域堆积密度大于109 /cm2，场发射阵列发射的最大平均电流密度已增加到超过1000A/cm2。由于技术封锁和制作条件限制，国内对于场致发射阴极阵列的制作工艺还尚未成熟，而是这恰恰是制造FEA的基础。目前制备硅FEA的工艺已经比较完善有电子束蒸发、湿法腐蚀、干法定向刻蚀、局部氧化等 [3]。我们通常使用湿法腐蚀，它可以比较完整的保护硅尖表面减少损伤。蒸发法做发射极有个优势就是任何材料都可作为发射极，另一方面，在刻蚀过程中有多种刻蚀方法而且可用于自对准。目前制备金属FEA的工艺也已经比较完善一般采用自对准技术，这种FEA阴极尖端曲率半径可达1nm。制作FEA的材料比较广泛有半导体 (砷化镓、硅、金刚石)、难熔金属(Mo、W、Ta)和金属硅化物(WSi、TaSi、TiSi) 等。