ПОВЫШЕНИЕ КРУТИЗНЫ ВАХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ПОЛЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
INCREASING THE STEEPNESS OF THE VAC OF HIGH-CURRENT FIELD ELECTRON SOURCES

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной электроники, в частности, к разработке и созданию радиационно-стойких приборов и устройств, работа которых основана на использовании полевых источников электронов. Среди них приборы вакуумной микроэлектроники, энергоэффективные источники белого света, плоские катодолюминесцентные экраны и дисплеи, мощные ЭВП сверхвысокочастотного и субтерагерцового диапазонов частот с микросекундным временем готовности для космической связи и телекоммуникаций, радиоастрономии, спектроскопии, медицины, противодействию терроризму (дистанционное обнаружение взрывчатых веществ) и пр.
Технический результат - снижение порога автоэмиссии и повышение крутизны вольт-амперных характеристик полевых источников электронов, изготовленных с использованием наноалмазных пленочных покрытий.
Технический результат достигается за счет уменьшения удельных поверхностных сопротивлений алмазографитовых пленочных структур - наноалмазных покрытий, а также за счет увеличения длительности и частоты импульсов анодного напряжения при эксплуатации источников электронов в импульсно-периодических электрических полях.
Аналитическим выражением, описывающим туннельную эмиссию электронов при приложении сильных электрических полей, является формула Фаулера и Нордгейма [1]. Несмотря на упрощения, использованные при ее получении, она хорошо описывает автоэлектронную эмиссию из металлов в вакуум:
i
i
0
где А, В - некоторые коэффициенты, ϕ - потенциал работы выхода электрона из материала катода, E - электрическое поле на отдельном (усредненном) микровыступе. Eсвязано со средней величиной напряженности внешнего электрического поля Е=U/h, где U - напряжение на аноде, h - расстояние между катодом и анодом, через коэффициент усиления поля К, который определяется морфологией поверхности катода:
Таким образом, аналитическое выражение (1) зависимости j(E) примет вид:
Из выражения (3) следует, что крутизна ΒΑΧ (dj/dU) увеличивается с увеличением коэффициента усиления поля К и уменьшением работы выхода электронов и расстояния между катодом и анодом. Эти заключения хорошо согласуются с экспериментальными данными и лежат в основе разработки и совершенствования полевых источников электронов. В частности, для всех видов материалов автокатодов традиционным путем снижения рабочих напряжений автоэлектронной эмиссии, увеличения автоэмиссионных токов и крутизны ΒΑΧ является увеличение коэффициента усиления поля К, которое достигается уменьшением радиусов эмитирующих острий и диаметров отверстий в управляющих электродах, определяется уровнем применяемой технологии изготовления и выражается, как правило, в увеличении их себестоимости.
-7
-6
6
7
2
Известны многоострийные полевые эмиттеры, способные работать в техническом вакууме [2]. Функционирование таких эмиттеров в системах, которые принято называть спиндтовскими, осуществляют при рабочих напряжениях, не превышающих несколько сотен вольт. В этом случае из-за малой энергии бомбардирующих катод ионов сводится к приемлемому минимуму ионное распыление материала эмиттера. Чтобы обеспечить достаточно интенсивную полевую эмиссию и крутизну ΒΑΧ, в ячейках спиндтовских систем устанавливают острийные катоды с малым (меньше 1 мкм) диаметром вершины, и управляющий электрод, напряжение которого определяет величину поля у острия, устанавливают на расстоянии порядка микрона от вершины острия. В одиночной ячейке Спиндта токи эмиссии, как правило, не превышают 10-10 А. Чтобы получить существенно большие токи, создают спиндтовские структуры, включающие до 10-10 ячеек на 1 см. Технология создания спиндтовских структур чрезвычайно сложна, это препятствует широкому их практическому использованию. К тому же спиндтовские структуры могут быть достаточно долговечными только в низковольтных устройствах, где не требуется ускорение потока автоэлектронов до энергий, существенно превышающих несколько сотен эВ.
Известны матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). В патенте США [3] изложено техническое решение, согласно которому полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, в котором выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках которых расположен изолирующий слой, над которым расположен вытягивающий слой, в отверстиях сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.
3
2
С момента своего открытия УНТ показали себя как многообещающие кандидаты для использования в катодных материалах с полевой эмиссией из-за малого радиуса их наконечника, высокого аспектного отношения и превосходных электрических, термических и механических свойств. Сообщалось, что плотность тока полевой эмиссии отдельной УНТ диаметром 14 нм составляла ~ 10 А/см. Пороговая напряженность поля начала автоэмиссии УНТ с различными диаметрами составляет от 0,1 до 2 В/мкм [4, 5]. Однако попытки создания многопучковых катодов на основе УНТ не дали до настоящего времени ожидаемых эмиссионных характеристик. Основной причиной этого, как показали наблюдения, является низкая адгезионная прочность между УНТ-матрицей и подложкой [6], а также подверженность к перенапылению на анод и другие детали арматуры источника электронов. Эмиссионные характеристики структур на основе УНТ нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов и тепла. Увеличение крутизны ΒΑΧ в эмиссионных элементах, описанных в [3], которое могло бы достигаться за счет уменьшения разности между толщиной изолирующего слоя и высотой массива УНТ, ограничено его диэлектрическими свойствами и возможностью возникновения короткого замыкания между УНТ и вытягивающим слоем из-за перенапыления углерода.
Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному является изобретение [7], в котором в качестве материала эмиттера использовано наноалмазное покрытие, представляющее собой углеродную пленку, содержащую наноструктурированные алмазные компоненты, что приводит к повышению деградационной стойкости, плотности тока и уменьшению рабочих напряжений в интегральных приборах вакуумной нано- и микроэлектроники. Сущность данного изобретения: интегральный автоэмиссионный элемент включает подложку, покрытую диэлектрическим слоем, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, расположенную на верхней поверхности упомянутой катодной структуры и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются катоды на основе наноалмазных покрытий, расположенные на внешней поверхности катодной структуры, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре. Создание эмиттера проводится в едином технологическом цикле с формированием структуры анодов без дополнительной операции совмещения анодов с катодной структурой.
Эффективность работы интегрального автоэмиссионного элемента определяется током эмиссии и крутизной ΒΑΧ, которые, в свою очередь, зависят от материала электрода, рабочего напряжения и расстояния между анодом и катодом. Недостатком описанного автоэмиссионного элемента является возникновение токов утечки между катодным материалом и управляющим и/или анодным электродами при уменьшении расстояния между ними с целью уменьшения рабочего напряжения и увеличения плотности тока и крутизны ΒΑΧ.
Целью изобретения является создание автоэмиссионных элементов на основе наноалмазных покрытий, которые при упрощенной технологии изготовления, совместимой с низкотемпературной технологией производства интегральных схем, обладали бы высокими эффективностью (высокими крутизной ΒΑΧ и плотностью тока при более низком рабочем напряжении эмиссии) и стабильностью автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе службы.
Поставленная цель достигается тем, что для повышения крутизны ΒΑΧ и уменьшения рабочих напряжений используют эмиттеры на основе алмазографитовых пленочных структур - наноалмазных покрытий с меньшим удельным поверхностным сопротивлением (фиг. 1). При тех же геометрических характеристиках автоэмиссионных элементов это позволяет уменьшать пороги начала полевой эмиссии и увеличивать крутизну автоэмиссионных ΒΑΧ. Наиболее высокая крутизна ΒΑΧ и меньшая напряженность поля начала автоэмиссии реализуются при эксплуатации наноалмазных покрытий с высокой поверхностной электропроводностью в импульсно-периодических электрических полях с микросекундными длительностями импульсов анодного напряжения. Влияние микросекундных длительностей импульсов сильных электрических полей на крутизну ΒΑΧ обусловлено следующим.
Квантово-механические расчеты показывают, что вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер зависит не только от ширины барьера и его превышения над уровнем энергии туннелирующего электрона, то есть, в конечном счете, от высоты барьера U, определяемой работой выхода, но и собственной энергии электрона W, падающего на барьер (W<U). Прозрачность барьера D (W, Е), рассчитанная в квазиклассическом приближении, имеет вид [8]:
Где  - постоянная Планка, m - масса туннелирующей частицы, U - потенциальная энергия, W - энергия электрона, падающего на барьер.
6
7
7
В стационарном электрическом поле напряженности Ε электрон на длине свободного пробега  приобретает энергию, равную  В сильных электрических полях, характерных для автоэмиссионных процессов (~ 10 - 10 В/см), скорость дрейфа стремится к насыщению и становится соизмеримой с тепловой скоростью (ν ≈ 10 см/с). В импульсных электрических полях микросекундной длительности энергия, набираемая электронами в течение каждого импульса анодного напряжения, линейно зависит не от  а от его длительности Δt [9]:
В соответствии с выражениями (4) и (5) увеличение длительности импульсов сопровождается увеличением собственной энергии электронов и прозрачности потенциальных барьеров, которые, в свою очередь, приводят к уменьшению работы выхода электронов и напряженностей порогов начала автоэмиссии, а также, в соответствии с (1), увеличению крутизны ΒΑΧ (фиг. 2).
С увеличением частоты сильных импульсно-периодических электрических полей с микросекундными длительностями импульсов уменьшается длительность периода релаксации неравновесной концентрации электронов в приповерхностных слоях алмазографитовых пленочных структур, которая возникает при действии импульсов анодного напряжения. Вследствие этого увеличивается остаточная концентрация электронов в поверхностных слоях, что при воздействии последующих импульсов напряжения увеличивает эмиссионный ток и крутизну ΒΑΧ (фиг. 3).
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении порога автоэмиссии и повышении крутизны вольт-амперных характеристик полевых источников электронов на основе углерода за счет использования в качестве материала эмиттера алмазографитовых пленочных структур - наноалмазных покрытий с меньшим удельным поверхностным сопротивлением, а также при увеличении длительностей импульсов анодного напряжения и их частоты при эксплуатации в импульсно-периодических электрических полях микросекундной длительностей, которые обеспечивают сверхвысокое быстродействие радиотехнических систем СВЧ и субтерагерцового диапазонов, в составе которых они используются.
Изобретение поясняется графиками:
- на фиг. 1 показано влияние удельной поверхностной электропроводности наноалмазных покрытий на пороги начала полевой эмиссии и крутизну ΒΑΧ автоэмиссионного элемента в импульсно-периодических электрических полях с микросекундными длительностями импульсов анодного напряжения: 1-100 кОм/; 2 - 200 кОм/; 3- 400 кОм/;
- на фиг. 2. показано влияние длительности импульсов на пороги начала полевой эмиссии и крутизну ΒΑΧ автоэмиссионного элемента в анодных импульсно-периодических электрических полях: 1-10 мкс; 2-30 мкс; 3-50 мкс;
- на фиг. 3. показано влияние частоты импульсов микросекундной длительности на крутизну ΒΑΧ автоэмиссионного элемента в анодных импульсно-периодических электрических полях: 1-10 Гц; 2-20 Гц; 3-30 Гц.
Источники информации:
1. Fowler R.H., Nordheim L.W. // Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.
2. Brodie I., Spindt C.A. //Microelectronics. Advances in Electronics and Electron Physics, 1992, v.83, p.101-107.
3. Патент US №2014270087 (A1) от 18.09.2014 г., МПК: H01J 35/06. Park Shang-Hyeun, Schwoebel Paul R, Kim Il-Hwan, Kim Do-Yoon, Kim Yong-Chul, Lee Chang-Soo, Jeong Tae-Won / X-ray generator including heat sink block.
4. Zeng and Z. Ren. Field emission of carbon nanotubes in NanoScience in Biomedicine (Springer, 2009).
5. W. Wei, Y. Liu, Y. Wei, K. Jiang, L.-M. Peng, and S. Fan, Nano Lett. 7(1), 64-68 (2006). https://doi.org/10.1021/nl061982u
6. W. Wei, J. Kaili, W. Yang, L. Ming, Y. Haitao, Z. Lina, L. Qunqing, L. Liang, and F. Shoushan, Nanotechnology 17(8), 1994 (2006). https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/8/033.
7. Патент RU №2455724 от 10.07.2012, МПК: H01J 9/02, B82B 1/00, B82B 3/00. Красников Г.Я., Зайцев Η.Α., Орлов С.Η., Хомяков И.Α., Яфаров Р.К. / Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий.
8. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. Москва, "Наука", 1983 г.
9. Бонч-Бруевич В.Л, Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977. 672 с.