Page 84 - 《真空与低温》2025年第3期
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陈 阳等：硅尖锥冷阴极阵列衬底供应电流一致化排布设计 355
0 引言 分。在实际应用方面，电子源排布既需确保栅极下
方反型电子输运分布的一致性，又需预留栅极与外
片上集成电子抽取栅极的场发射电子源阵列
（又称为“冷阴极阵列”）具有体积小、集成度高、驱 部电路相连所需接线区域。本工作基于反型层电
动电压低、开关速度快、电子能量集中、抗辐射干 子输运模型，对不同阴极排布和栅极形状的 P 型硅
扰等优点 [1-2] ，在超高真空电离规、微推力器电荷中 尖锥阵列衬底电流分布进行仿真计算，提出多种电
和器、质谱仪、真空沟道三极管、便携式平板 X 射 子源排布设计方案，为一致性优良、稳定性好的大
线源等真空电子器件与装备中具有应用潜力 [3-4] 。 电流场发射电子源研制及应用提供参考。
获得发射电流稳定性良好、阵列中各个阴极发射 1 器件物理模型
电流均匀的冷阴极阵列是领域研究的重点和难点。
本工作的仿真模拟计算基于反型层电子输运
硅微尖锥是一类材料特性与制备工艺研究均成熟
模型开展 。图 1 展示了集成栅极 P 型硅尖锥阵
[15]
的冷阴极，能够采用与集成电路工艺兼容的微加工
列载流子输运物理图像。在栅极正电压作用下，栅
[5]
技术制备出形貌一致性良好的硅尖锥阵列 。然
极下方阴极衬底表面形成电子反型层-载流子耗尽
而，阵列中各尖锥发射端面形貌及电学特性仍存在
层结构。P 型硅尖锥场发射电子由耗尽区中的热
差异，发射电流由特性优异的部分尖锥承载，电流
产生电子供应。在电流饱和区，由于栅极下方的耗
[6]
均匀性及电流强度有待提升 ；发射端面气体吸附/
尽区体积远大于尖锥锥体及其下方耗尽区体积，栅
[7]
脱附、表面原子迁移等过程导致发射电流不稳定 。
极下方耗尽区产生电子为场发射电子的主要供应
为提升硅尖锥阵列发射电流均匀性，研究者们采用
来源。载流子产生后，电子在内建电场作用下注入
[9]
[8]
表面改性 、热氧化锐化尖端 、调控杂质分凝 [10]
反型层，随后沿反型层输运至各尖锥底部，被渗透
等方法提升各个阴极尖端曲率、发射表面特性
进入锥体的电场抽取至尖端供应发射。由于栅极-
一致性；采用集成限流电阻 [11] 或有源调控晶体
真空-尖锥底部所形成电容密度小于栅极-二氧化
管 [12] 等方法提升发射电流均匀性及稳定性。虽然
硅-硅衬底电容密度，且在锥体电场抽取作用下，尖
上述研究取得了良好的进展，但仍难以获得发射电
锥底部表面趋于“全耗尽”，电子浓度远小于栅极
流高度一致的硅尖锥电子源阵列。
下方反型层电子浓度。在反型层二维平面区域内，
硅尖锥作为半导体阴极，可通过掺杂类型及浓
浓度梯度驱使反型层电子由硅/二氧化硅界面扩散
度来调控阴极电学特性是其优势之一。上述研究
输运至尖锥底部。由于电子输运方向与栅极-阴极
主要基于 N 型掺杂硅尖锥开展，这是因为 N 型硅
衬底电场方向垂直，忽略漂移机制对栅极下方反型
衬底中电子供应充足，有利于大电流场发射。相比
层电子输运的作用。因此，用扩散方程描述电子输运：
之下，P 型硅尖锥中电子为少子，场发射电流受限
于衬底电流供应，提供饱和的高稳定性发射电流 。 j = eD n ∇σ n （1）
[13]
然而，饱和的衬底供应电流限制了发射电流强度。 式中：j 为电流线密度，A/cm；σ n 为电子面密度，cm ；
−2
近年来，中山大学研究团队提出一体化集成窄直径 e 为电子电荷量；D n 为电子扩散系数。
（约 50 nm）纳米沟道的 P 型硅尖锥器件结构 [14] ，利
栅极 耗尽区 反型层
用纳米沟道限热效应在尖锥顶部形成局域高温，诱
导热效应提升载流子产生率，激励发射电流热增强；
同时，纳米沟道的限流效应可避免尖锥过热烧毁， SiO 2
提供自增强、自稳定的发射电流。对于 P 型硅尖
锥阵列，衬底供应电流在阵列中的分配均匀性是影 p-Si衬底
响阵列发射电流均匀性及热效应均匀性的关键因
素。研究者通过优化阴极排布，设计了一种旋转对 图 1 集成栅极 P 型硅尖锥阵列载流子输运示意图
称的硅尖锥阵列，显著提升衬底供应电流分配均匀 Fig. 1 Schematic illustration of carrier transport of the gated
p-type Si-tip array
性，在各个尖锥尖端均匀激励热效应并获得稳定的
[15]
大电流场发射（389 μA、400 根尖锥） 。然而，当 与此同时，耗尽区产生电子均匀注入反型层。
前对于 P 型场发射电子源排布方法的研究尚不充 根据电流连续性原理可推算得知，反型层电流线密
