Автоэмиссионные источники электронов

Автоэмиссионные источники электронов на основе углеродных наноматериалов (УНМ)

Явление автоэлектронной эмиссии, или полевой электронной эмиссии, впервые было открыто и описано Р. Вудом в 1897 году при исследовании вакуумного разряда. Ее теоретическое обоснование было предложено в 1928 году Р. Г. Фаулером и Л.В.Нордгеймом, которые создали квантово-механическую теорию автоэлектронной эмиссии. Модель Фаулера-Нордгейма хорошо описывала экспериментальные факты, полученные Р.Э. Милликеном и Ч.К. Лоуритсеном. Первый прибор на основе автоэлектронной эмиссии был создан Э.В. Мюллером в 1936 году, в последствии известный как автоэмиссионный микроскоп Мюллера.


В 1963 году был создан первый макет электровакуумного СВЧ-прибора на основе острийного вольфрамового катода [1]. В 1968 году Чарльз Спиндт опубликовал работу по созданию на кремниевой пластине матричного автоэмиссионного катода на основе молибденовых острий, совмещенных с вытягивающим электродом, расположенным на тонкопленочном изоляторе [2]. Эта работа придала дополнительный импульс к созданию миниатюрных электровакуумных приборов на основе автоэмиссии.


В 1976 году был предложен усовершенствованный метод изготовления тонкопленочного катода Спиндта с полевой эмиссией [3]. В этой же работе был описан метод создания решеток автокатодов с молибденовыми остриями с использованием тонкопленочной технологии и электронно-лучевой микролитографии, а также были приведены результаты подробного экспериментального исследования полученных автокатодов.


Возможность получения с одиночного автоэлектронного эмиттера больших плотностей тока (~1011 А/см2 – теоретический предел; ~108 А/см2 в эксперименте Дайка [4]) и высокая крутизна вольт-амперной характеристики (ВАХ) стимулировали исследования по созданию нового класса электровакуумных приборов, в том числе ламп бегущей волны (ЛБВ) и клистронов, работающих на принципах автоэлектронной эмиссии. В 1986 году был представлен доклад о создании электронной пушки c катодом Спиндта для ЛБВ [5]. Лабораторный образец ЛБВ с катодом Спиндта был создан в 1997 г. [6], а в 2009 г. были опубликованы результаты испытаний 100-ваттной ЛБВ С-диапазона, проработавшей при различных значениях тока и коэффициентах заполнения импульса около 150 ч [7;8].


Широкое применение автоэмиссионных катодов Спиндта было ограничено из-за использования сложной и дорогостоящей технологии изготовления, необходимости поддержания высокого уровня вакуума для защиты катодных элементов от ионной бомбардировки. Кроме того, большая величина шунтирующей емкости катодно-сеточного пространства таких катодов приводит к образованию значительных токов утечки в структуре катод-сетка, что затрудняет продвижение данного типа катодов в миллиметровый диапазон.


Со временем стали проводиться исследования не только с решетками автокатодов с молибденовыми остриями, но и с углеродными волокнами (УНВ) и углеродными нанотрубками (УНТ), карбидом гафния (HfC), арсенидом галлия (GaAs) и многими другими материалами, которые могут быть использованы для создания полевого катода. Также было произведено сравнение их характеристик между собой [9]. После открытия в 1991 году Иидзимой углеродных нанотрубок было опубликовано огромное количество работ, посвященных вопросам их применения. Результаты исследований по автоэмиссионным свойствам углеродных материалов наиболее полно обобщены и изложены в работах [10;11]


Современные темпы развития электроники остро ставят задачу расширения элементной базы, особенно в верхнем СВЧ диапазоне (более 100 ГГц). В данном частотном диапазоне у традиционных полупроводниковых приборов и интегральных схем происходит падение эффективности и уровня выходной мощности (рис.1). Квантовые приборы (лазеры) также работают в этой области плохо из-за низкой энергии квантов, сравнимой с энергией тепловых колебаний. Фотоэлектронные приборы и лазеры на частоте 1 ТГц имеют среднюю мощность, не превышающую 100 мВт.


Наиболее перспективными приборами для получения мощного терагерцового излучения в настоящее время являются миниатюрные электровакуумные СВЧ приборы на основе автоэмиссионных катодов, изготовленные с использованием технологий нано- и микроэлектроники. Исследования в этом направлении широко ведутся в США, Китае, Индии, Южной Корее, странах Европы. Различными научными коллективами были предложены миниатюрные аналоги классических приборов вакуумной электроники: клистронов, ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ) и др.

Рисунок 1 – Зависимость средней и импульсной мощности от частоты для твердотельных полупроводниковых приборов и электровакуумных приборов [12]


Также необходимо отметить, что в современном мире существует большой класс телекоммуникационных приборов и систем управления, работающих в условиях повышенного радиационного воздействия. Изделия полупроводниковой электроники на p–n-переходах характеризуются низкой радиационной стойкостью из-за возникновения радиационных дефектов, вызываемых высокоэнергетическими частицами. Это приводит к нарушению работы p–n переходов ввиду возрастания токов утечки и, как следствие, к выходу из строя интегральной схемы (ИС) [13,14,15]. Существует ряд конструкционных мер, повышающих радиационную стойкость полупроводниковых приборов, но все они не позволяют кардинально решить данную проблему.


По сравнению с полупроводниковыми приборами, автоэмиссионные приборы имеют значительно более высокую стойкость к облучению, так как основаны на другом принципе работы, и теряют работоспособность только при физическом разрушении конструкции прибора. Интегральные автоэмиссионные микроприборы и интегральные схемы на их основе – перспективное направление микроэлектроники, связанное с использованием низковольтных и стабильных автоэлектронных эмиттеров.


Практическая значимость работ в этой области заключается в разработке конструкции и технологии серийного изготовления микровакуумных усилителей и генераторов СВЧ диапазона с конкурентоспособными характеристиками:


  • Минимизация паразитного нагрева прибора
  • Минимальное время выхода на рабочий режим
  • Диапазон рабочих частот более 100 ГГц
  • Улучшение массогабаритных характеристик за счет оптимизации схем электропитания и конструктива

Разработка интегральных автоэмиссионных приборов и схем на их основе позволит создавать радиационностойкие приборы для аэрокосмической отрасли и телекоммуникаций.


Разработка миниатюрных управляемых автоэмиссионных источников электронов позволит создать новый класс перспективных медицинских приборов для лечения онкологических заболеваний:


  • Малоинвазивный метод лечения злокачественных опухолей
  • Высокая эффективность обработки опухолевых тканей
  • Минимальное поражение здоровых тканей
  • Независимая регулировка энергии и интенсивности излучения
  • Уменьшение времени лечения
  • Отсутствие остаточного излучения в теле пациента

Кроме того, масштабируемые управляемые источники электронов позволят осуществлять разработку современных аналитических и диагностических приборов на основе электронного сканирования с излучающей точкой (микротомографы, маммографы и др.):


  • значительное увеличение скорости работы, возможность съемки быстро протекающих процессов (например, сердцебиение);
  • отсутствие механических частей в узле приемник-излучатель;
  • минимизация артефактов при процессе сканирования;
  • уменьшение затрат на техническое обслуживание оборудования (уменьшенная стоимость владения).

На данный момент не существует достаточной научно-технологической базы, позволяющей реализовать электровакуумный прибор с автоэмиссионным катодом на основе УНМ, однако многие научные коллективы работают над решением этой проблемы. На сегодняшний день известно о создании ряда макетов электровакуумных приборов на основе автоэмиссионных катодов на основе различных УНМ, однако их реализация сопряжена с рядом серьезных технических и технологических сложностей, а фактические характеристики пока что не позволяют составлять серьезную конкуренцию изделиям с традиционными электровакуумными приборами.


В институте ведутся работы по созданию автоэмиссионных катодов на основе УНМ и управляемых источников электронов, сопоставимых по характеристикам с аналогичными разработками мирового уровня. В качестве автоэмиссионных покрытий используются УНТ, УНС, карбид кремния и алмазоподобные пленки. Разработка технологических процессов и изготовление опытных образцов проводится на имеющемся в доступе серийно выпускаемом технологическом оборудовании полупроводниковой линейки, соответствующем стандартам для разработки полупроводниковых элементов групповым методом (рис 2).

Рисунок 2 – Изображение кремниевой пластины с элементами автоэмиссионного источника электронов, изготовленной групповым методом в ИНМЭ РАН


На рис. 3-5 приведены примеры изображений разрабатываемых автоэмиссионных катодов, полученных методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

Рисунок 3 – Автоэмиссионный катод на основе паттернированых углеродных нанотрубок

Рисунок 4 – Автоэмиссионный катод на основе конусов, покрытых углеродными наностенками (УНС)

Рисунок 5 – Автоэмиссионный катод на основе паттернированного карбида кремния


Для проведения испытаний разрабатываемых автоэмиссионных катодов и конструкций на их основе специалистами ОРИМНС был разработан и создан высоковакуумный испытательный стенд, позволяющий проводить измерения в диодной или многоэлектродной схеме при установке значения давления остаточных газов в диапазоне от 2*10-2 до 2*10-7 Торр (рис.6).

Рисунок 6 – Высоковакуумный испытательный стенд


Исследуемая структура помещается в измерительную оснастку, которая закрепляется внутри высоковакуумной камеры. Для корректного проведения измерений необходимо провести откачку и обезгаживание вакуумной камеры вместе с исследуемым образцом и оснастками. Процесс обезгаживания проводится таким образом, что позволяет избегать отравления и переосаждения адсорбированных загрязнений на поверхности автоэмиттеров. Конструкция высоковакуумного стенда позволяет осуществлять контроль составом и парциальным давлением выделяющихся газов во время процесса обезгаживания.


Для оценки равномерности автоэмиссии по поверхности исследуемого образца возможно проведение измерений с люминофором, нанесенным на вытягивающий электрод.


На рис. 7 изображен пример вольт-амперной характеристики перспективного макета триода, изготовленного в ИНМЭ РАН на основе УНС.

Рисунок 7 - ВАХ макета триода, изготовленного на основе УНС


Ссылки


1. Charboneer F.M., Barbour J.P., Garrett L.F., Dyke W.P. // Pros. IEEE. 1963. V. 51. № 7. P. 989

2. Spindt C.A. // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 6. P. 3504 https://doi.org/10.1063/1.1656810

3. Spindt C.A. et.al. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones // Journal of Applied Physics. – 1976 - Vol. 47, № 12. - P. 5248–5263

4. Dyke W.P., Trolan J.K. // Phys. Rev. 1953. № 89. P. 799

5. Lally P.M., Mack C.D., Spindt C.A. // Proc. IEEE Microwave Power Tube Conf. 1986. Monterey. CA. N.Y.: IEEE, 1986

6. Imura H., Tsuida S., Takahai M. et al. // Tech. Dig. Int. Electron Devices Meeting (IEDM-97). 10 Dec. 1997. N.Y.: IEEE, 1997. P. 721

7. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M. et al. // IEEE Trans. ED. 2009. V. 56. № 5. P. 896

8. Whaley D.R., Duggal R., Armstrong C.M. et al. // Proc. IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVECʼ08). Monterey. CA. 22–24 Apr. 2008. N.Y.: IEEE, 2008

9. Lockwood N.P., Cartwright K.L., d’Aubigny C.Y., et.al. Development of field emission cathodes, electron gun and a slow wave structure for a terahertz travelling wave tube // IEEE International Vacuum Electronics Conference Proceedings, IVEC 2010. P. 25

10. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Физматкнига, 2001 ISBN: 5-89155-066-0

11. Шестеркин, В. И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов / В. И. Шестеркин // Радиотехника и электроника. – 2020. – Т. 65, № 1. – С. 3-30. – DOI 10.31857/S0033849420010040

12. Booskee J.H. Plasma Physics and Related Challenges of Millimeter-Wave-to-Terahertz and High Power Microwave Generation // Physics of Plasma. – 2008. – Vol. 15. – P. 055502(1) – 055502(16) https://doi.org/10.1063/1.2838240

13. Pease R. L. Total ionizing dose effects in bipolar devices and circuits. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, vol. 50, iss. 3, pp. 539–551. https://doi.org/10.1109/TNS.2003.813133

14. Leroy C., Rancoita P.-G. Particle interaction and displacement damage in silicon devices operated in radiation environments. Rep. Prog. Phys., 2007, vol. 70 (4), pp. 493–625. https://doi.org/10.1088/0034-4885/70/4/R01

15. Zebrev G. Radiation effects in silicon high scaled integrated circuits. MEPhi, 2010. 148 p. (In Russian). http://doi.org/10.13140/2.1.1278.9442