ВАКУУМНАЯ МИКРОСХЕМА С АЛМАЗНЫМИ ТЕПЛООТВОДАМИ

Полезная модель относится к вакуумной микроэлектронике.
Известны способы изготовления вакуумных микросхем. Так вакуумная микросхема Грэя [1] содержит источники электронов (катоды или истоки), управляющие электроды (сетка или затворы) и приемники электронов (аноды или стоки). Источники электронов выполнены в виде острийных автоэмиссионных катодов. Вакуумная микросхема находится в герметичном корпусе, в котором реализуется высокий вакуум.
Преимуществом устройств вакуумной микроэлектроники является высокая радиационная стойкость и температурная стойкость, так как испускающий электроны металл является более радиационно-стойким, чем полупроводники, применяющиеся для производства микросхем, а эмиссия электронов не зависит от температуры.
Недостатком вакуумной микросхемы Грэя является сложность изготовления вертикального автоэмиссионного источника электронов, где каждый источник электронов окружен металлическим управляющим электродом.
В качестве прототипа рассмотрена планарная конструкция вакуумной микросхемы, приведенная в источнике информации [2]. Здесь вакуумный транзистор изготовлен по стандартной кремниевой технологии при использовании «структуры-на-изоляторе». На оксидном слое толщиной 120 нм сформирован слой кремния толщиной 120 нм, на котором расположен вакуумный планарный транзистор. Однако кремний имеет не очень высокую теплопроводность (150 Вт/К⋅м), относительно низкое поле пробоя (0,3 МВ/см). [3]. Кроме того, кремний и особенно диоксид кремния обладают невысокой радиационной стойкостью [4]. Это ограничивает возможности использования вакуумных транзисторов, описание которых приведено в [2].
Техническим результатом предложенной полезной модели является создание вакуумной микросхемы, обладающей повышенной устойчивостью к пробою и повышенной радиационной стойкостью.
Технический результат реализуется таким образом, что планарная вакуумная микросхема содержит планарный острийный автоэмиссионный источник электронов, управляющий электрод и приемник электронов, расположенные между двумя алмазными пластинами. Алмазные пластины имеют теплопроводность не ниже 1000 Вт/К м и поле пробоя не менее 20 МВ/см [3]. Следует иметь в виду, что радиационная стойкость алмаза намного выше, чем радиационная стойкость кремния и диоксида кремния [4].
Кроме того, острийный автоэмиссионный источник электронов должен быть изготовлен на основе металла с низкой работой выхода, а управляющий электрод может быть выполнен на основе использования металлов с высокой работой выхода. Работа выхода приемника электронов не влияет на работу вакуумной микросхемы, так как на приемник электронов всегда подается положительное напряжение относительно источника электронов. Напротив, управляющий электрод должен быть изготовлен на основе металла с высокой работой выхода, чтобы исключить эмиссию электронов из управляющего электрода.
Дополнительно алмазные пластины могут быть изготовлены на основе монокристаллического алмаза или поликристаллического алмаза.
Структура вакуумной микросхемы с алмазными теплоотводами приведена на фиг. 1. Здесь 1 - острийные автоэмиссионные источники электронов (истоки), 2 - приемник электронов (сток), 3 - управляющий электрод (затвор), 4 - нижний алмазный теплоотвод, 5 - верхний алмазный теплоотвод. После изготовления вакуумной микросхемы с применением операций фотолитографии, электронной литографии, ионного травления алмаза, напыления и ионного травления металлических слоев, вакуумная микросхема закрывается второй алмазной пластиной и герметизуется в атмосфере высокого вакуума.
При работе источник электронов заземлен, на приемник электронов подается положительное напряжение относительно источника электронов, а на управляющий электрод подается отрицательное постоянное или переменное напряжение относительно источника электронов.
Литература
[1]. Трубецков Д.И. Вакуумная микроэлектроника. Соросовский образовательный журнал, 1997 г. №4. С. 58-64.
[2]. Jin-Woo Han, Jae Sub Oh, M. Meyyappan. Vacuum nanoelectronics: Back to the future? - Gate insulated vacuum chanel transistor // Applied Physics Letters. V. 100. P/213505 (2012).
[3]. Груздов B.B., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. Контроль новых технологий в твердотельной СВЧ электронике. М.: Техносфера. 2016, стр. 53.
[4]. В.М. Барбашов, Д.В. Громов. Радиационные эффекты в наногетероструктурных СВЧ-приборах и интегральных схемах. Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2013, с. 9.