场发射阵列(FEA)阴极具有瞬时启动、低功耗、室温工作等优点,如用作微波真空电子器件的电子源可以有效减小器件尺寸、提高器件性能。Spindt阴极作为典型的集成栅控FEA,尤其适用于微波器件。目前,国际上已经研制出采用Spindt阴极的C、X和Ku波段行波管;国内由于Spindt阴极的发射电流尚不能满足微波管的要求等原因,还未研制出采用Spindt阴极的微波管。提高Spindt阴极总电流的途径主要有:(1)提高单根发射体的电流;(2)提高单位面积内有效发射体的数量。其中,提高发射体集成度是提高单位面积内有效发射体数量的有效手段。本课题拟通过提高发射体集成度来提高Spindt阴极的发射性能。目前为止,我国主要采用光学光刻技术制备Spindt阴极,本文则分别基于电子束光刻(EBL)技术和纳米球光刻(NSL)技术两种技术途径,重点研究高集成度钼尖Spindt阴极的制备技术。首先,本文概述了场发射理论;分析了影响场发射性能的关键因素和阴极失效机理;仿真分析了单根发射体结构尺寸对场发射特性以及有效发射面积的影响,研究了发射体阵列的场屏蔽效应,分析了发射体结构尺寸对发射体最佳间距的影响,为发射体结构尺寸以及集成度的设计提供了理论支撑。其次,本文分别基于EBL和NSL两种技术途径系统研究了高集成度钼尖Spindt阴极的制备技术。虽然国际上已经广泛使用EBL技术制备高集成度Spindt阴极,但国内由于受到EBL技术发展等限制,还缺乏相应的系统研究工作。本文将现代微加工技术与半导体工艺相结合,把基于EBL技术制备高集成度钼尖Spindt阴极的工艺流程分为薄膜沉积、掩膜图案化、图形转移和双向沉积几个关键步骤并分别进行了系统研究。具体包括:研究二氧化硅绝缘介质层的制备及其耐压特性;研究金属钼(Mo)薄膜的沉积及薄膜表面性质;研究电子束抗蚀胶、数值孔径、曝光剂量等参数对电子束曝光的影响;研究图形转移过程中不同材料的刻蚀速率、选择比。最后,通过反复实验,优化工艺参数,制备了集成度为2.5′107tips/cm~2的钼尖Spindt阴极。该方法重复性好、可靠性高,可以根据实际需要,实现Spindt阴极阵列面积、排列方式、和集成度的调整。缺点是生产效率低且成本极高。为了降低生产成本,提高生产效率,本文提出了基于NSL技术制备高集成度钼尖Spindt阴极的技术方案,该制备方法国内外均鲜有报道,制备工艺研究面临着前所未有的挑战。本文首先研究了制备工艺中的关键技术问题,具体包括:研究聚苯乙烯(PS)纳米微球自组装技术和PS球单层膜性质;研究氧等离子体反应离子刻蚀(RIE)技术对PS球尺寸和形貌的影响;分析薄膜沉积方式、PS球剥离方法对栅孔形貌的影响。最后,利用直径1μm的PS球,制备了集成度为1.8′108tips/cm~2的钼尖Spindt阴极。该方法制备的Spindt阴极的集成度取决于PS球原始尺寸,因此,集成度高且可调控。该方法为降低制备高集成度Spindt阴极的成本、缩短制备周期提供了新的思路。本文研究了高集成度钼尖Spindt阴极的场发射特性和阴极失效机理。搭建了场发射测试系统和电路;测试了Spindt阴极的场发射特性,目前测得Spindt阴极的开启电压约为30~40V,最大发射电流密度高达196A/cm~2,最大发射电流约为55μA。总电流不高主要是因为测试的Spindt阴极阵列面积小(包含的发射体数量少)、发射体之间的均匀性不够好等原因。本文分析了影响场发射性能的因素,分别对驱动电压脉冲宽度、阴极尺寸参数以及测试环境对场发射特性的影响进行了详细的分析与讨论;研究了阴栅短路、结构损伤和氧化层沿面闪络引起的Spindt阴极失效;最后分析了Spindt阴极的可靠性,提出了提高Spindt阴极发射性能的方法,这将有助于高集成度钼尖Spindt阴极成品率的提高与发射性能的改善。最后,对Spindt阴极在太赫兹器件中的应用进行了初步探索。首先对皮尔斯电子枪综合法进行了总结与分析,修正了通用的皮尔斯电子枪综合法;采用MATLAB 7.9,分别计算了0.14THz、0.22THz和0.34THz折叠波导行波管(FWTWT)电子枪的初始结构参数;以0.14THz FWTWT为例,采用CST软件进行数值模拟,初步设计了基于Spindt阴极的电子枪。