【摘 要】
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场发射阵列阴极（FEA）具有瞬时启动、低功耗、室温工作等优点,用作X射线管的电子源可以有效减小器件尺寸、提高器件性能。Si-LaB6复合型FEA有效结合了硅（Si）成熟的微纳制造工艺和硼化镧（LaB6）薄膜优异的场发射特性,是一种很有潜力的场发射阴极结构。传统的FEA制备一般采用光学光刻、电子束光刻（EBL）等微纳图形技术,集成度难以突破106 tips/cm2,成本高、场发射性能也难以提升。纳米
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场发射阵列阴极（FEA）具有瞬时启动、低功耗、室温工作等优点,用作X射线管的电子源可以有效减小器件尺寸、提高器件性能。Si-LaB6复合型FEA有效结合了硅（Si）成熟的微纳制造工艺和硼化镧（LaB6）薄膜优异的场发射特性,是一种很有潜力的场发射阴极结构。传统的FEA制备一般采用光学光刻、电子束光刻（EBL）等微纳图形技术,集成度难以突破106 tips/cm2,成本高、场发射性能也难以提升。纳米球光刻技术（NSL）是一种低成本、高产量、高集成度的微纳图形技术,制备的FEA集成度至少在107tips/cm2以上,有望通过提高阵列密度进一步提升场发射电流密度,大幅降低FEA制备成本,有助于FEA的商业化应用。论文首次采用NSL技术制备Si-LaB6FEA,为LaB6场发射阴极领域降低成本、提高性能提供了新的思路。论文围绕采用NSL技术制备出符合性能要求的Si-LaB6 FEA的工艺流程和参数进行了一系列的探索性的工作,具体包括:1.Si-LaB6 FEA的理论设计。论文选择了柱形发射体结构和相应的工艺方案;设计FEA阵列密度,NSL技术选择使用2μm直径的微球;采用Opera-3D建立了Si-LaB6 FEA模型,并模拟了阴极发射体高度、直径、LaB6厚度对场发射性能的影响,并得出了对实验具备理论指导意义的结论:（1）Si-LaB6 FEA主要依靠柱体顶端LaB6薄膜边缘产生场致发射;（2）理想阴极发射体直径为0.8μm,高度至少为1.7μm;（3）LaB6的厚度对场发射性能影响不大2.采用NSL技术制备Si-LaB6 FEA。设计了工艺方案,并根据相关预实验结果选择合适的工艺方案;论文对每个工艺步骤及部分关键工艺参数进行了讨论,最终制备出阴极发射体直径约0.8μm、高度约为2.2μm、阵列密度约为2.68×107tips/cm2的Si-LaB6 FEA,并进行了表面形貌的SEM表征。3.使用自制的二极管测试装置和测试电路对Si-LaB6 FEA样品进行场发射性能测试。测试结果表明:在真空度8×10-5Pa下,Si-LaB6 FEA样品测得最大场发射电流密度458mA/cm2,并根据F-N特性曲线计算出场增强因子为4.64×104,比现有报道的使用光刻技术制备的Si-LaB6 FEA阵列密度多一个数量级,总体发射电流高出四个数量级。
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