场发射阵列可以广泛应用于平板显示、微波器件、场发射传感器等领域。其中作为微波器件的电子源尤为突出。由于目前理论还需进一步发展和工艺技术的限制,制备高性能的场发射阴极阵列存在一定的难度。随着大模集成电路技术的发展和工艺的成熟,开发出高性能的场发射器件已经具有一定可行性的。本文在总结前人工作的基础上,制定了一套符合实际实验条件的研究场发射阵列方案,进行了大量的理论、数值模拟和实验研究,所做工作和取得的成果如下:薄膜结构的场发射设计(包括理论计算、结构模拟、材料选取及工艺制备)对实际器件的应用具有重要意义。本文以六硼化镧材料为选取对象,进行了以下几个方面的研究:1.引入了表面能级理论,通过微扰理论求解周期势终止于表面的波动方程,得到表面态解的具体形式;将求解出的材料表面能带代入薛定谔方程中,通过WKB法计算出场发射条件下电子透射几率的近似表达式。通过对具体材料的表面能级和电子透射几率的计算,得出了理想情况下薄膜场发射随表面态变化的规律。初步实现了对理想F-N公式描述的情形补充,同时从理论上研究了薄膜材料的微观场发射机理。2.对于电子发射材料,其能带结构及电子的性质,表面和界面的性质以及电子的行为对场发射特性都是十分重要的问题。通过研究对硼化镧立方结构材料晶体能带结构计算结果表明,材料具备金属特性,而且费米能级以下的能带可以为提供场发射时足够的发射电子。3.通过建立多级管阵列简化模型,考虑电子的空间电荷效应,采用有限数值差分对微孔径场发射阵列进行了模拟,得出了与实际相符合的数值模拟和优化结构,为后期试验提供了设计依据。4.采用半导体集成工艺技术,对硅片进行加工,成功的制备出大面积的场发射阵列。与此同时,通过对阵列尖端沉积六硼化镧薄膜,改善场发射二极管的发射性能,并详细分析了影响薄膜发射的原因。测试结果表明,沉积六硼化镧薄膜后的二极管发射性能与纯硅尖相比具有明显增强。因此,本文以六硼化镧为薄膜材料,成功制备了大面积场发射二极管阵列,并进行分析测试。