(57)【要約】      （修正有）【課題】低い動作電圧、及び冷陰極先端部の摩滅を防ぐことによる長寿命化を可能にした真空マイクロ電子デバイスを提供する。【解決手段】基板２１０上に第１のダイヤモンド層２５０を形成するステップと、基板及び第１のダイヤモンド層を加熱することによって第１のダイヤモンド層からグラフェン層２６０を誘導するステップと、グラフェン層の上部に第２のダイヤモンド層２７０を形成するステップと、第２のダイヤモンド層にマスクを適用するステップとを含む。マスクは、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの形状を含む。反応性イオン電子ビームエッチングによって２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び１又は２以上の２次元グリッド２４０を形成するステップをさらに含む。各々は、第１のダイヤモンド層、グラフェン層及び第２のダイヤモンド層の一部を、第１のダイヤモンド層と第２のダイヤモンド層との間にグラフェン層が位置するような形で含む。【選択図】図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１のダイヤモンド層を形成するステップと、
前記基板及び前記第１のダイヤモンド層を加熱することにより、前記第１のダイヤモンド層からグラフェン層を誘導するステップと、
前記グラフェン層の上部に第２のダイヤモンド層を形成するステップと、
前記第２のダイヤモンド層に、陰極、陽極、及び１又は２以上のグリッドの形状を含むマスクを適用するステップと、
反応性イオン電子ビームエッチングによって２次元冷陰極、２次元陽極、及び１又は２以上の２次元グリッドを形成するステップと、を含み、
前記２次元冷陰極、前記２次元陽極、及び前記１又は２以上の２次元グリッドの各々は、前記第１のダイヤモンド層と前記第２のダイヤモンド層との間に前記グラフェン層が位置するように、前記第１のダイヤモンド層、前記グラフェン層、及び前記第２のダイヤモンド層の一部を含む、方法。
【請求項２】
前記基板上に前記第１のダイヤモンド層を形成するステップは、前記基板をポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆するステップと、前記基板及び前記ポリ（ヒドリドカルビン）層を不活性雰囲気内で加熱するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板及び前記ポリ（ヒドリドカルビン）層は、１５０℃〜８００℃の温度で加熱される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板を被覆するステップは、前記基板をスピンコーティングするステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記基板及び前記第１のダイヤモンド層は、４００℃〜５００℃の温度で加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板及び前記第１のダイヤモンド層は、９００℃〜１９００℃の温度で加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記２次元陽極の各エッジは、丸みを帯びたエッジを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記２次元冷陰極は、尖った先端部と、複数の丸みを帯びたエッジとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に位置する２次元陽極と、
前記２次元陽極に対向して前記基板上に位置する２次元冷陰極と、
前記基板上の前記２次元陽極と前記２次元冷陰極との間に位置する部分をそれぞれが含む１又は２以上の２次元グリッドと、
を備えた装置であって、
前記２次元陽極、前記２次元冷陰極、及び前記１又は２以上の２次元グリッドの各々は、
第１のダイヤモンド層と、
第２のダイヤモンド層と、
前記第１のダイヤモンド層と前記第２のダイヤモンド層との間に位置する、前記第１のダイヤモンド層から誘導されたグラフェン層と、
を含む、装置。
【請求項１０】
前記第１のダイヤモンド層は、六方晶ダイヤモンドを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記グラフェン層は、前記基板及び前記第１のダイヤモンド層を加熱することによって前記第１のダイヤモンド層から誘導される、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記２次元陽極、前記２次元冷陰極及び前記１又は２以上の２次元グリッドの各々は、反応性イオン電子ビームエッチングによって形成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記２次元冷陰極は、尖った先端部と、少なくとも２つの丸みを帯びたエッジとを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
基板上に第１のシリコンカーバイド層を形成するステップと、
前記基板及び前記第１のシリコンカーバイド層を加熱することにより、前記第１のシリコンカーバイド層からグラフェン層を誘導するステップと、
前記グラフェン層の上部に第２のシリコンカーバイド層を形成するステップと、
前記第２のシリコンカーバイド層に、陰極、陽極、及び１又は２以上のグリッドの形状を含むマスクを適用するステップと、
反応性イオン電子ビームエッチングによって２次元冷陰極、２次元陽極、及び１又は２以上の２次元グリッドを形成するステップと、を含み、
前記２次元冷陰極、前記２次元陽極、及び前記１又は２以上の２次元グリッドの各々は、前記第１のシリコンカーバイド層と前記第２のシリコンカーバイド層との間に前記グラフェン層が位置するように、前記第１のシリコンカーバイド層、前記グラフェン層、及び前記第２のシリコンカーバイド層の一部を含む、方法。
【請求項１５】
前記第１のシリコンカーバイド層を形成するステップは、前記基板をポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）で被覆するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板を被覆するステップは、前記基板をスピンコーティングするステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のシリコンカーバイド層から前記グラフェン層を誘導するステップは、前記基板及び前記第１のシリコンカーバイド層を１５００℃〜１７００℃の温度で加熱するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記２次元陽極の各エッジは、丸みを帯びたエッジを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記２次元冷陰極は、尖った先端部と、複数の丸みを帯びたエッジとを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のシリコンカーバイド層を形成するステップは、
前記グラフェン層をポリ（メチルシリン）又はポリ（ヒドリドカルビン）の一方で被覆するステップと、
前記ポリ（メチルシリン）又はポリ（ヒドリドカルビン）を熱処理するステップと、
を含む請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に電子機器に関し、具体的には、２次元グラフェンの冷陰極、陽極、及びグリッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセッサは、処理要素が強烈な熱及び放射線に曝される多くの用途において使用されることがある。例えば、高温で動作するミサイル、又は高放射線環境（例えば、太陽陽子又は宇宙線）で動作する人工衛星は、プロセッサを搭載することができる。しかしながら、熱及び放射線は、これらの処理要素を劣化させ、又は損傷を与えることがある。シリコン、シリコン−ゲルマニウム、砒化ガリウム又は窒化ガリウムなどの半導体材料に基づくプロセッサは、特に高温及び高放射線に弱い。従って、これらのプロセッサは、重質の遮蔽材及び高価な冷却システムを必要とする。真空マイクロ電子デバイスは、これらの有害な動作条件に影響されず、従ってこのような動作環境への適性が高い。しかしながら、真空マイクロ電子デバイスは、比較的高い動作電圧、及び冷陰極先端部の摩滅に起因する最終的な故障に悩まされてきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つの実施形態によれば、方法が、基板上に第１のダイヤモンド層を形成するステップと、基板及び第１のダイヤモンド層を加熱することにより、第１のダイヤモンド層からグラフェン層を誘導するステップとを含む。グラフェン層の上部には、第２のダイヤモンド層を形成することができ、このダイヤモンド層にはマスクを適用することができる。マスクは、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの形状を含むことができる。反応性イオン電子ビームエッチングによって、２次元冷陰極、２次元陽極及び１又は２以上の２次元グリッドを形成することができる。２次元冷陰極、２次元陽極及び１又は２以上の２次元グリッドの各々は、第１のダイヤモンド層、グラフェン層及び第２のダイヤモンド層の一部を、第１のダイヤモンド層と第２のダイヤモンド層との間にグラフェン層が位置するような形で含むことができる。
【０００４】
いくつかの実施形態の技術的利点としては、陰極先端部の摩滅を防ぐことによって陰極の寿命が延びることを挙げることができる。別の利点としては、フォノン閉じ込めを通じたマイクロ電子機器の動作電圧の低下及びマイクロ電子機器設計の単純化を挙げることができる。当業者には、以下の図、説明及び特許請求の範囲から他の技術的利点が容易に明らかになるであろう。さらに、上記では特定の利点を列挙したが、様々な実施形態は、列挙した利点の全てを含むことも、一部を含むことも、又は全く含まないこともある。
【０００５】
以下、開示する実施形態、並びにその特徴及び利点をさらに完全に理解できるように、添付図面と共に以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示のいくつかの実施形態による、マイクロ電子機器の例を使用できる環境例を示す図である。
【図２Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、図１のマイクロ電子機器において使用できる真空マイクロ電子デバイスの例を示す上面図である。
【図２Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、図２Ａの真空マイクロ電子デバイスを示す側面図である。
【図２Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、図２Ａの真空マイクロ電子デバイスを示す側面図である。
【図３】本開示のいくつかの実施形態による、真空マイクロ電子デバイスを形成する方法例を示すフローチャートである。
【図４】本開示のいくつかの実施形態による、真空マイクロ電子デバイスを形成する方法例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
プロセッサは、電子が出入りする構成要素である電極を含むことができる。１つのタイプの電極に、冷陰極（例えば、スピント型陰極）がある。冷陰極は、一定の電圧を受けると電子を放出することができる。例えば、ミサイルは、そのプロセッサ内に、標的に向かって進むにつれて強烈な熱及び放射線を受ける陰極を有することができる。陰極の中には、原子破砕によって電子を放出した時に変形又は摩滅することがある尖った先端部を有するものもある。これら陰極の先端部は、鈍くなってプロセッサの機能停止を引き起こすことがある。
【０００８】
これらの及びその他の問題点を克服するために、ある実施形態では、２つのダイヤモンド層間に位置するグラフェン層を用いて２次元冷陰極を形成することができる。２つのダイヤモンド層間にグラフェン層を位置付けることにより、陰極内の原子を閉じ込めて（拘束して）適所に留まらせ、これによって先端部の摩滅を低減し、又は完全に排除できるようになる。別の実施形態では、後述するように、シリコンカーバイドなどの他の材料間にグラフェン層を位置付けることができる。
【０００９】
従って、本開示の態様は、１つの実施形態では基板上に第１のダイヤモンド層を形成し、基板及び第１のダイヤモンド層を加熱することによって第１のダイヤモンド層からグラフェン層を誘導する方法を含む。グラフェン層の上部には、第２のダイヤモンド層を形成することができ、このダイヤモンド層にマスクを適用することができる。このマスクは、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの形状を含むことができる。反応性イオン電子ビームエッチングによって、２次元冷陰極、２次元陽極及び１又は２以上の２次元グリッドを形成することができる。２次元冷陰極、２次元陽極及び１又は２以上の２次元グリッドの各々は、第１のダイヤモンド層、グラフェン層及び第２のダイヤモンド層の一部を、第１のダイヤモンド層と第２のダイヤモンド層との間にグラフェン層が位置するような形で含むことができる。
【００１０】
本開示は、数多くの利点をもたらすことができる。例えば、ダイヤモンド又はシリコンカーバイドによって閉じ込められたグラフェン層を含む２次元冷陰極は、グラフェンの炭素原子を適所に保つことによって先端部の摩滅を低減することができる。先端部の摩滅が低減する結果、陰極の寿命を延ばすことができる。別の例として、ダイヤモンド又はシリコンカーバイドによって閉じ込められたグラフェン層を含む２次元冷陰極は、フォノン閉じ込めを通じてマイクロ電子機器の動作電圧を低下させることができる。さらに別の例では、真空マイクロ電子デバイスが低電圧で動作できるので、ダイヤモンド又はシリコンカーバイドによって閉じ込められたグラフェン層を含む２次元冷陰極が、マイクロ電子機器の設計を単純化することができる。低電圧での動作によって冷却要件を下げることができ、これによって遮蔽コスト及び冷却コスト、並びに重量を減少させることができる。
【００１１】
図１〜図４を参照しながらさらなる詳細について説明する。図１に、例示的なマイクロ電子機器１２０を使用できる例示的な環境１００を示す。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃには、図１のマイクロ電子機器１２０内で使用できる例示的な真空マイクロ電子デバイス１３０の様々なビューを示す。図３及び図４には、真空マイクロ電子デバイス１３０を形成する方法例を示す。
【００１２】
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ電子機器１２０を使用できる例示的な環境１００を示す図である。環境１００は、マイクロ電子機器１２０を使用できるあらゆる環境とすることができる。例えば、環境１００は、宇宙の通信衛星を含むことができる。別の例では、環境１００が、空中のミサイルを含むことができる。環境１００は、空中環境として示しているが、水上で動作するボート又は陸上で動作する自動車などの地上環境を含むこともできる。環境１００では、マイクロ電子機器１２０が高温及び高放射線に曝されることがある。（後述する）２次元冷陰極２２０は、これらの高温及び高放射線が２次元冷陰極２２０の先端部を変形させるのを防ぎ、従って電子的動作の障害（例えば、ソフト及びハードのエラー及び故障）を防ぐことができる。いくつかの実施形態では、環境１００が、航空車両１１０、マイクロ電子機器１２０及び真空マイクロ電子デバイス１３０を含むことができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、航空車両１１０を、構成されたあらゆるタイプの空中車両とすることができる。例えば、航空車両１１０は、飛行機、スペースシャトル、人工衛星、ミサイル又は他のいずれかのタイプの空中車両とすることができる。航空車両１１０として示しているが、環境１００は、地上車両（例えば、ボート、自動車、地上ロボット又は構造体（例えば、放射線強度計算環境））を含むこともできる。いくつかの実施形態では、航空車両１１０が、マイクロ電子機器１２０及び真空マイクロ電子デバイス１３０を含むことができる。
【００１４】
ある実施形態では、マイクロ電子機器１２０を、微小スケールの電子デバイスとすることができる。例えば、マイクロ電子機器１２０は、マイクロメートル規模又はそれよりも小さな規模とすることができる。いくつかの実施形態では、マイクロ電子機器１２０を処理装置とすることができる。いくつかの実施形態では、マイクロ電子機器１２０が、真空マイクロ電子デバイス１３０を含むことができる。
【００１５】
ある実施形態では、真空マイクロ電子デバイス１３０を、真空容器内の電極間の電流を制御するデバイスとすることができる。例えば、真空マイクロ電子デバイス１３０は、二極管、三極管、四極管、五極管、又は他のいずれかのタイプの電極とすることができる。以下でさらに完全に説明するように、２次元冷陰極などの真空マイクロ電子デバイス１３０のいくつかの構成要素は、ダイヤモンド又はシリコンカーバイドの層間にグラフェン層を有することができる。
【００１６】
図２Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、図１のマイクロ電子機器１２０において使用できる例示的な真空管１３０を示す上面図である。いくつかの実施形態では、真空マイクロ電子デバイス１３０が、基板２１０と、２次元冷陰極２２０と、２次元陽極２３０と、１又は２以上の２次元グリッド２４０とを含むことができる。
【００１７】
ある実施形態では、基板２１０を、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０、及び２次元グリッド２４０を支持する１又は２以上の材料層とすることができる。いくつかの実施形態では、基板２１０をあらゆるタイプの材料で形成することができる。例えば、基板２１０は、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ダイヤモンド、タングステン、ハフニウム、又は他のいずれかのタイプの材料で形成することができる。基板２１０は、あらゆる形状に形成することができる。例えば、基板２１０は矩形とすることができる。別の例では、基板２１０を円形とすることができる。いくつかの実施形態では、基板２１０を１又は２以上の材料層で被覆することができる。例えば、基板２１０は、ポリ（ヒドリドカルビン）層（poly(hydridocarbyne)）で被覆することができる。別の例では、基板２１０をポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）層（poly(silyne-co-hydridocarbyne)）で被覆することができる。別の例では、基板２１０をポリ（メチルシリン）層（poly(methylsilyne)）で被覆することができる。基板２１０は、あらゆるタイプの被覆方法を用いて被覆することができる。いくつかの実施形態では、基板２１０を、鉄又はレニウムなどのグラフェン誘導触媒で被覆することができる。例えば、基板２１０は、スピンコーティング法を用いて被覆することができる。この例では、基板２１０の中心付近に材料を堆積させ、この材料が遠心力によって均等に広がるように基板２１０を高速で回転させることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０を、電子を放出する電極とすることができる。いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０が、（例えば、冷電子放出を促す）尖った先端部２２２と、（例えば、電子放出を抑制する）２つの丸みを帯びたエッジとを有することができる。いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０が２次元陽極２３０に対向することができる。ある実施形態では、２次元冷陰極２２０から流出した電子が、２次元グリッド２４０を通って２次元陽極２３０に流れることができる。ある実施形態では、２次元冷陰極２２０を基板２１０によって支持することができる。いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０が、ダイヤモンド層及び／又はシリコンカーバイド層間に位置するグラフェン層を有することができるように、図３及び図４で説明する方法に従って２次元冷陰極２２０を形成することができる。ダイヤモンド層及び／又はシリコンカーバイド層間にグラフェン層を位置付けることにより、グラフェンの炭素原子が適所に保持されるので２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅せず、これによってマイクロ電子機器１２０の寿命が延びる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、２次元陽極２３０を、２次元冷陰極２２０から放出された電子を回収する電極とすることができる。ある実施形態では、２次元陽極２３０を２次元冷陰極２２０に対向して位置付けることができる。ある実施形態では、２次元陽極２３０が、丸みを帯びたエッジを有することができる。ある実施形態では、２次元陽極２３０を基板２１０によって支持することができる。ある実施形態では、２次元陽極２３０が、ダイヤモンド層及び／又はシリコンカーバイド層間に位置するグラフェン層を有することができるように、図３及び図４で説明する方法に従って２次元陽極２３０を形成することができる。
【００２０】
１つの実施形態では、２次元グリッド２４０を、２次元冷陰極２２０から２次元陽極２３０への電子の流れを制御するように構成されたいずれかの構成要素とすることができる。ある実施形態では、２次元グリッド２４０をあらゆる形状とすることができる。ある実施形態では、２次元グリッド２４０が、丸みを帯びたエッジを有することができる。１つの実施形態では、２次元グリッド２４０が、２次元冷陰極２２０と２次元陽極２３０との間に位置することができる。ある実施形態では、２次元グリッド２４０が、対向するグリッド２４０を分離する空間を挟んで他方のグリッドに対向することができる。あらゆる数の２次元グリッド２４０を使用することができる。例えば、真空マイクロ電子デバイス１３０は、２つの２次元グリッド２４０を含んで四極管を形成することができる。別の例では、真空管１３０が、３つの２次元グリッドを含んで五極管を形成することができる。ある実施形態では、２次元グリッド２４０が、ダイヤモンド層及び／又はシリコンカーバイド層間に位置するグラフェン層を有することができるように、図３及び図４で説明する方法に従って２次元グリッド２４０を形成することができる。
【００２１】
図２Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による図２Ａの真空管１３０を示す側面図である。図２Ａに関して上述したように、真空管１３０は、基板２１０と、２次元冷陰極２２０と、２次元陽極２３０と、２次元グリッド２４０とを含むことができる。図２Ｂの実施形態例に示すように、いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々が、第１のダイヤモンド層２５０、グラフェン層２６０及び第２のダイヤモンド層２７０を含むことができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、第１のダイヤモンド層２５０を、図３の方法に従って形成されるダイヤモンドの層とすることができる。例えば、第１のダイヤモンド層２５０は、ポリ（ヒドリドカルビン）の層を熱処理することによって形成することができる。いくつかの実施形態では、第１のダイヤモンド層２５０が、グラフェン層２６０の形成を容易にすることができる。例えば、第１のダイヤモンド層２５０を加熱してグラフェン層２６０を形成することができる。第１のダイヤモンド層２５０は、グラフェン層２６０を閉じ込めることもできる。例えば、第１のダイヤモンド層２５０は、グラフェン層２６０から炭素原子が逃げ出すのを防ぐことができる。いくつかの実施形態では、第１のダイヤモンド層２５０が、基板２１０の真上であってグラフェン層２６０の下方に位置することができる。例えば、第１のダイヤモンド層２５０を基板２１０の上部に形成し、第１のダイヤモンド層２５０の上部にグラフェン層２６０を形成又は堆積することができる。いくつかの実施形態では、第１のダイヤモンド層２５０を六方晶ダイヤモンドとすることができる。
【００２３】
ある実施形態では、グラフェン層２６０を、一原子の厚みを有するような炭素原子のシートとすることができる。いくつかの実施形態では、複数のグラフェン層２６０を使用することができる。ある実施形態では、図３の方法に従ってグラフェン層２６０を形成することができる。例えば、ある実施形態では、第１のダイヤモンド層２５０を焼き付けることにより、第１のダイヤモンド層２５０からグラフェン層２６０を誘導することができる。いくつかの実施形態では、グラフェン層２６０が、第１のダイヤモンド層２５０の上部であって第２のダイヤモンド層２７０の下方に位置することができる。第１のダイヤモンド層２５０と第２のダイヤモンド層２７０との間にグラフェン層を閉じ込めることにより、グラフェン層２６０の炭素原子が逃げ出すことができず、従って２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅しないようにすることができる。従って、２次元冷陰極２２０の寿命を延ばすことができ、これによってマイクロ電子機器１２０の寿命を延ばすこともできる。
【００２４】
ある実施形態では、第２のダイヤモンド層２７０を、図３の方法に従って形成されるダイヤモンドの層とすることができる。いくつかの実施形態では、第２のダイヤモンド層２７０をグラフェン層２６０の真上に形成することができる。例えば、グラフェン層２６０上にポリ（ヒドリドカルビン）層をスピンコーティングし、このポリ（ヒドリドカルビン）層を熱処理することによって第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。ある実施形態では、第２のダイヤモンド層２７０が、グラフェン層２６０を閉じ込めることによって炭素原子が逃げ出すのを防ぐことができる。いくつかの実施形態では、第２のダイヤモンド層２７０を六方晶ダイヤモンドとすることができる。
【００２５】
図２Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による図２Ａの真空マイクロ電子デバイス１３０を示す側面図である。図２Ａに関して上述したように、真空マイクロ電子デバイス１３０は、基板２１０と、２次元冷陰極２２０と、２次元陽極２３０と、２次元グリッド２４０とを含むことができる。図２Ｃの実施形態例に示すように、いくつかの実施形態では、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々が、基板２１０、第１のシリコンカーバイド層２８０、グラフェン層２８５及び第２のシリコンカーバイド層２９０を含むことができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０を、図４の方法に従って形成されるシリコンカーバイドの層とすることができる。例えば、第１のシリコンカーバイド層２８０は、ポリ（メチルシリン）又は（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層で形成することができる。この例では、基板２１０をスピンコーティングすることなどによって基板２１０上にポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層を堆積させ、このポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層を熱処理して第１のシリコンカーバイド層２８０を形成することができる。第１のシリコンカーバイド層２８０は、グラフェン層２８５の閉じ込め及び形成を容易にすることができる。例えば、第１のシリコンカーバイド層２８０は、グラフェン層２８５の炭素原子を適所に保持することによって２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅するのを防ぐことができる。いくつかの実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０が、基板２１０の真上であってグラフェン層２８５の下方に位置することができる。例えば、第１のシリコンカーバイド層２８０を基板２１０の上部に形成し、第１のシリコンカーバイド層２８０の上部にグラフェン層２８５形成又は堆積することができる。
【００２７】
ある実施形態では、グラフェン層２８５を、一原子の厚みを有するような炭素原子のシートとすることができる。ある実施形態では、図４の方法に従ってグラフェン層２８５を形成することができる。例えば、ある実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０を焼き付けることにより、第１のシリコンカーバイド層２８０からグラフェン層２８５を誘導することができる。この例では、シリコンカーバイド層２８０の熱分解を通じてグラフェン層２８５を形成することができる。いくつかの実施形態では、グラフェン層２８５が、第１のシリコンカーバイド層２８０の上部であって第２のシリコンカーバイド層２９０の下方に位置することができる。この位置に基づいて、第１のシリコンカーバイド層２８０及び第２のシリコンカーバイド層２９０によってグラフェン層２８５を閉じ込めることができる。グラフェン層２８５をこのように閉じ込めることにより、グラフェン層２８５の炭素原子が逃げ出すことができず、従って２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅しないようにすることができる。従って、２次元冷陰極２２０の寿命を延ばすことができ、これによってマイクロ電子機器１２０の寿命を延ばすこともできる。
【００２８】
ある実施形態では、第２のシリコンカーバイド層２９０を、図４の方法に従って形成されるシリコンカーバイドの層とすることができる。例えば、第２のシリコンカーバイド層２９０は、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層で形成することができる。この例では、グラフェン層２８５をスピンコーティングすることなどによってグラフェン層２８５上にポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層を堆積させ、このポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層を熱処理して第２のシリコンカーバイド層２９０を形成することができる。いくつかの実施形態では、第２のシリコンカーバイド層２９０が、グラフェン層２８５の真上に位置することができる。第２のシリコンカーバイド層２９０は、グラフェン層２８５の炭素原子を適所に保持することによってグラフェン層２８５の閉じ込めを容易にすることができる。
【００２９】
別の実施形態では、第２のシリコンカーバイド層２９０の代わりにダイヤモンドの層を使用することができる。この実施形態では、グラフェン層２８５をポリ（ヒドリドカルビン）でスピンコーティングすることができる。いくつかの実施形態では、ポリ（ヒドリドカルビン）の層を熱処理して、グラフェン層２８５の上部にダイヤモンドの層を形成することができる。例えば、ポリ（ヒドリドカルビン）の層は、ポリ（ヒドリドカルビン）の層がダイヤモンドを形成するように最大８００℃の温度で焼き付けることができる。この実施形態では、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々が、第１のシリコンカーバイド層２８０、グラフェン層２８５及びダイヤモンド層を有することができる。グラフェン層２８５は、第１のシリコンカーバイド層２８０の上部であってダイヤモンド層の下方に位置することができる。この結果、グラフェン層２８５を第１のシリコンカーバイド層２８０及びダイヤモンド層によって閉じ込めることにより、炭素原子を適所に留まらせて２次元冷陰極２２０の尖った先端２２２が摩滅しないようにすることができる。
【００３０】
図３は、本開示のいくつかの実施形態による、真空マイクロ電子デバイス１３０を形成する方法例３００を示すフローチャートである。方法３００はステップ３１０から開始し、ある実施形態では、基板２１０上に第１のダイヤモンド層２５０を形成する。ある実施形態では、基板２１０をポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆することによって基板２１０上に第１のダイヤモンド層２５０を形成することができる。基板２１０は、あらゆる方法でポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆することができる。例えば、基板２１０をスピンコーティングすることができる。この例では、基板２１０の中心付近にポリ（ヒドリドカルビン）層を堆積させ、この材料が遠心力によって均等に広がるように基板２１０を高速で回転させることができる。基板２１０をポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆したら、ポリ（ヒドリドカルビン）層を熱処理して第１のダイヤモンド層２５０を形成することができる。例えば、ポリ（ヒドリドカルビン）層は、不活性雰囲気（例えば、アルゴン又は窒素）などにおいて焼き付け又は加熱することができる。いくつかの実施形態では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を様々な温度で熱処理することができる。例えば、ポリ（ヒドリドカルビン）層は、最大８００℃の温度で加熱することができる。別の例では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を１５０〜８００℃で加熱することができる。いくつかの実施形態では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を不活性雰囲気内で熱処理することができる。
【００３１】
ステップ３２０において、ある実施形態では、基板２１０及び第１のダイヤモンド層２５０を加熱することにより、第１のダイヤモンド層２５０からグラフェン層２６０を誘導することができる。例えば、基板２１０及び第１のダイヤモンド層２５０は、９００〜１９００℃の温度範囲で加熱することができる。別の例では、基板２１０及び第１のダイヤモンド層２５０を、４００〜５００℃の温度範囲で加熱してグラフェンの形成を誘導することができる。基板２１０及び第１のダイヤモンド層２５０を加熱する結果、第１のダイヤモンド層２５０の上部にグラフェン層２６０を形成し、又は成長させることができる。
【００３２】
ステップ３３０において、ある実施形態では、グラフェン層２６０の上部に第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。ある実施形態では、最初にグラフェン層２６０をポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆することによってグラフェン層２６０上に第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。グラフェン層２６０は、あらゆる方法でポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆することができる。例えば、グラフェン層２６０をスピンコーティングすることができる。この例では、グラフェン層２６０の中心付近にポリ（ヒドリドカルビン）層を堆積させ、この材料が遠心力によって均等に広がるようにグラフェン層２６０を高速で回転させることができる。一度グラフェン層２６０をポリ（ヒドリドカルビン）層で被覆したら、ポリ（ヒドリドカルビン）層を熱処理して第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。例えば、ポリ（ヒドリドカルビン）層は、不活性雰囲気内で焼き付け又は加熱することができる。いくつかの実施形態では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を様々な温度で熱処理して第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。例えば、ポリ（ヒドリドカルビン）層は、８００℃で加熱することができる。別の例では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を１５０〜８００℃で加熱することができる。いくつかの実施形態では、ポリ（ヒドリドカルビン）層を不活性雰囲気内で熱処理することができる。
【００３３】
ステップ３４０において、第２のダイヤモンド層２７０にマスクを適用することができる。１つの実施形態では、マスクが、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの２次元形状を含むことができる。マスクは、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の形状の反応性イオン電子ビームエッチングを容易にすることができる。例えば、第２のダイヤモンド層２７０の上面に電子が衝突した時に、非マスク領域では反応性イオンがダイヤモンドを除去し、マスク領域（例えば、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の形状）では除去しないようにすることができる。
【００３４】
ステップ３５０において、ある実施形態では、ステップ３４０のマスクの周囲を反応性イオン電子ビームエッチングすることによって２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び１又は２以上の２次元グリッド２４０を形成することができる。例えば、第２のダイヤモンド層２７０の上面に反応性イオンが衝突して、マスクされていないあらゆる材料を除去することができる。ある実施形態では、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の形状がマスクされているので、これらの構成要素のマスクされた形状内の材料を電子が除去しないことによって２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０を形成することができる。この結果、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々は、第１のダイヤモンド層２５０、グラフェン層２６０及び第２のダイヤモンド層２７０の一部を、グラフェン層２６０が第１のダイヤモンド層２５０と第２のダイヤモンド層２７０との間に位置するような形で含むことができる。第１のダイヤモンド層２５０と第２のダイヤモンド層２７０との間にグラフェン層２６０が位置することにより、炭素原子が逃げ出して２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅するのを防ぐことができる。
【００３５】
作業の実施形態例としては、基板２１０をポリ（ヒドリドカルビン）で被覆し、ポリ（ヒドリドカルビン）を熱処理することなどによって、基板２１０上に第１のダイヤモンド層２５０を形成することができる。この第１のダイヤモンド層２５０を加熱することにより、第１のダイヤモンド層２５０からグラフェン層２６０を誘導することができる。このグラフェン層２６０をポリ（ヒドリドカルビン）で被覆し、ポリ（ヒドリドカルビン）を熱処理することなどによって、グラフェン層２６０の上部に第２のダイヤモンド層２７０を形成することができる。この第２のダイヤモンド層２７０の上面に、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの形状のマスクを適用することができる。２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０は、電子ビームエッチングによって形成することができる。２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々は、第１のダイヤモンド層２５０、グラフェン層２６０及び第２のダイヤモンド層２７０を含むことができる。
【００３６】
図４は、本開示のいくつかの実施形態による、真空マイクロ電子デバイス１３０を形成する方法例４００を示すフローチャートである。方法４００はステップ４１０から開始し、ある実施形態では、基板２１０上に第１のシリコンカーバイド層２８０を形成する。ある実施形態では、基板２１０をポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）で被覆し、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）を熱処理することによって第１のシリコンカーバイド層２８０を形成することができる。この実施形態では、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）を２００〜１５００℃の温度範囲で熱処理することができる。ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）は、非酸化性雰囲気内で熱処理して第１のシリコンカーバイド層２８０を形成することができる。基板２１０は、あらゆる方法でポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）で被覆することができる。例えば、基板２１０は、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）でスピンコーティングすることができる。
【００３７】
ステップ４２０において、ある実施形態では、基板２１０及び第１のダイヤモンド層２８０を加熱することによって第１のダイヤモンド層２８０からグラフェン層２８５を誘導することができる。基板２１０及び第１のシリコンカーバイド層２８０は、１５００〜１７００℃などの温度範囲で加熱してグラフェン層２８５を形成することができる。いくつかの実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０の上面を熱分解することによって第１のシリコンカーバイド層２８０からグラフェン層２８５を誘導することができる。
【００３８】
ステップ４３０において、ある実施形態では、グラフェン層２８５の上部に第２のシリコンカーバイド層２９０を形成することができる。いくつかの実施形態では、グラフェン層２８５をポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）で被覆することによって第２のシリコンカーバイド層２９０を形成することができる。これらの実施形態では、グラフェン層２８５をポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）で被覆したら、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）を熱処理して第２のシリコンカーバイド層２９０を形成することができる。例えば、ポリ（メチルシリン）又はポリ（シリン−ｃｏ−ヒドリドカルビン）の層は、１５００〜１７００℃などの温度範囲で加熱することができる。この実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０及び第２のシリコンカーバイド層２９０によってグラフェン層２８５を拘束することができる。
【００３９】
別の実施形態では、グラフェン層２８５の上部にダイヤモンド層２７０を形成することができる。この実施形態では、図３の方法で説明したようにグラフェン層２８５をポリ（ヒドリドカルビン）の層で被覆することによってダイヤモンド層を形成することができる。グラフェン層２８５の上部にポリ（ヒドリドカルビン）の層を被覆したら、ポリ（ヒドリドカルビン）の層を熱処理してダイヤモンド層を形成することができる。この代替の実施形態では、第１のシリコンカーバイド層２８０及びダイヤモンド層によってグラフェン層２８５を物理的にフォノン拘束することができる。
【００４０】
ステップ４４０において、ある実施形態では、第２のシリコンカーバイド層２９０にマスクを適用することができる。いくつかの実施形態では、このマスクが、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの２次元形状を含むことができる。マスクは、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の形状の反応性イオン電子ビームエッチングを容易にすることができる。例えば、第２のシリコンカーバイド層２９０の上面に反応性イオンが衝突した時に、非マスク領域では電子がシリコンカーバイドを除去し、マスク領域では除去しないようにすることができる。
【００４１】
ステップ４５０において、ある実施形態では、反応性イオン電子ビームエッチングによって２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び１又は２以上の２次元グリッド２４０を形成することができる。例えば、第２のシリコンカーバイド層２９０の上面に反応性イオンが衝突して、マスクされていないあらゆる材料を除去することができる。２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の形状はマスクされているので、これらの構成要素のマスクされた形状内の材料を電子が除去しないことによって２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０を形成することができる。ステップ４１０〜４５０で説明したステップの結果、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び１又は２以上の２次元グリッド２４０の各々は、第１のシリコンカーバイド層２８０、グラフェン層２８５及び第２のシリコンカーバイド層２９０（又は代替の実施形態ではダイヤモンド層）の一部を、第１のシリコンカーバイド層２８０と第２のシリコンカーバイド層２９０（又はダイヤモンド層）との間にグラフェン層２８５が位置するような形で含むことができる。第１のシリコンカーバイド層２８０と第２のシリコンカーバイド層２９０（又はダイヤモンド層）との間にグラフェン層２６０が位置することにより、炭素原子が逃げ出して２次元冷陰極２２０の尖った先端部２２２が摩滅するのを防ぐことができる。
【００４２】
作業の実施形態例としては、基板２１０上に第１のシリコンカーバイド層２８０を形成することができる。この第１のシリコンカーバイド層２８０及び基板２１０を加熱することにより、第１のシリコンカーバイド層２８０からグラフェン層２８５を誘導することができる。このグラフェン層２８５の上部に第２のシリコンカーバイド層２９０を形成することができる。この第２のシリコンカーバイド層２９０に、陰極、陽極及び１又は２以上のグリッドの形状のマスクを適用することができる。２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０は、電子ビームエッチングによって形成することができる。２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０の各々は、第１のシリコンカーバイド層２８０、グラフェン層２８５及び第２のシリコンカーバイド層２９０を有することができる。
【００４３】
本開示は、数多くの利点をもたらすことができる。例えば、２次元グラフェンの冷陰極は、電子移動度を高めると同時に炭素原子を拘束し、これによって動作電圧を低下させて先端部の摩滅を減少させることができる。先端部の摩滅が低減する結果、陰極の寿命を延ばすことができる。別の例として、２次元グラフェンの冷陰極のフォノン閉じ込めにより、マイクロ電子機器の動作電圧を低下させることができる。さらに別の例では、２次元グラフェンの冷陰極が、その固有の耐熱性及び放射線耐性によってマイクロ電子機器設計を単純化し、これによって冷却及び放射線遮蔽のコスト及び重量を低減することができる。
【００４４】
複数の実施形態を用いて本開示を説明したが、当業者には無数の変更、変形、改変、転換及び修正を提案することができ、本開示は、このような変更、変形、改変、転換及び修正を添付の特許請求の範囲内に収まるものとして含むように意図される。例えば、グラフェン層２６０は、導電性のホウ素ドープダイヤモンド層に置き換えることができる。この例では、基板２１０を、第１のポリ（ヒドリドカルビン）層、ホウ素ドープしたポリ（ヒドリドカルビン）層及び第２のポリ（ヒドリドカルビン）層という３つの層で被覆することができる。その後、これらの層を１５０〜８００℃の温度で熱処理することができる。第１及び第２のポリ（ヒドリドカルビン）層は、熱処理によってダイヤモンドを形成することができ、ホウ素ドープしたポリ（ヒドリドカルビン）層は、熱処理によって導電性のホウ素ドープダイヤモンド層を形成することができる。熱処理したら、マスキング及び反応性イオン電子ビームエッチングを用いて、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び１又は２以上の２次元グリッド２４０を形成することができる。この例では、２次元冷陰極２２０、２次元陽極２３０及び２次元グリッド２４０が、第１のダイヤモンド層、ホウ素ドープダイヤモンドの層及び第２のダイヤモンド層を、第１のダイヤモンド層と第２のダイヤモンド層との間にホウ素ドープダイヤモンドの層が位置するような形で有することができる。この結果、第１及び第２のダイヤモンド層によってホウ素ドープダイヤモンドの層をフォノン拘束することができる。
【図１】
2017224595.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
2017224595.tif 000007
【図４】
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【外国語明細書】
2017224595000001.pdf