[發(fā)明專利]電子發(fā)射冷陰極器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280057923.X
• 申請(qǐng)日: 2012-11-26
• 公開（公告）號(hào): CN104246960B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈科莫·烏利塞;弗朗西斯卡·布魯內(nèi)蒂;阿爾多·迪卡洛;費(fèi)迪南多·里奇;菲利波·杰瑪;安娜·瑪麗亞·菲奧雷洛;馬西米利亞諾·迪斯彭扎;羅伯塔·布蒂廖內(nèi)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 塞萊斯ES股份有限公司
• 主分類號(hào): H01J1/304
• 分類號(hào): H01J1/304;H01J9/02;H01J21/10;H01J21/20;H01J19/24;H01J19/38;H01J29/04
• 代理公司: 北京康信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及屬于用于高頻應(yīng)用的半導(dǎo)體真空管族類的微米量級(jí)/納米量級(jí)的電子器件，并且特別涉及用于高頻應(yīng)用的電子發(fā)射冷陰極器件。更具體地，本發(fā)明涉及冷陰極三極管和冷陰極電子槍。

背景技術(shù)

如已知的，能夠在兆赫(THz)量級(jí)下操作的技術(shù)已傳統(tǒng)地限于分子天文學(xué)和化學(xué)光譜學(xué)。然而，以在THz波段的頻率操作的檢測(cè)器和源方面的近來(lái)的進(jìn)步已使該領(lǐng)域向新的應(yīng)用展開，諸如國(guó)土安全系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)分析和成像)、生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用(細(xì)胞表征、熱與光譜標(biāo)測(cè))以及材料表征(近場(chǎng)探測(cè)、食品產(chǎn)業(yè)質(zhì)量控制和醫(yī)藥質(zhì)量控制)。

盡管以在THz波段的頻率操作的傳感器和源的商業(yè)應(yīng)用正在增長(zhǎng)，然而這樣的增長(zhǎng)在某種程度上受到提供以THz頻率操作的可靠源的困難所限制，并且由于這樣的限制，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)由于電子移動(dòng)性的不足而已經(jīng)顯示為不合要求的。

使用真空電子而非半導(dǎo)體技術(shù)允許電子的性能在真空中相比在待利用的半導(dǎo)體材料中達(dá)到更高的速度，并且因此實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率(標(biāo)稱地從GHz到THz)。真空電子器件的基本工作原理是基于射頻(RF)信號(hào)與所產(chǎn)生的電子束之間的相互作用；RF信號(hào)對(duì)電子束中的電子施加速度調(diào)制，從而允許能量從電子束轉(zhuǎn)移至RF信號(hào)。

常規(guī)的老一代真空管包括用于產(chǎn)生電子束的熱陰極，其在非常高的溫度(800℃-1200℃)下操作并且受到很多限制，這些限制包括：高電力要求、長(zhǎng)的升溫時(shí)間、不穩(wěn)定問(wèn)題和有限的小型化。

已通過(guò)引入具有FEA(場(chǎng)發(fā)射陣列)陰極的真空器件來(lái)解決前述限制，這帶來(lái)了顯著的優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于在THz波段的頻率放大而言，使得能夠在室溫下工作并且實(shí)現(xiàn)將尺寸降低至微米和納米級(jí)。用于RF源的FEA結(jié)構(gòu)首先由Charles?Spindt提出(C.A.Spindt等,“Physical?properties?of?thin-film?field?emission?cathodes?with?molybdenum?cones,Journal?of?Applied?Physics,vol.47,1976.12,第5248-5263頁(yè))，并且通常被稱為Spindt陰極(或由于低的操作溫度而稱為冷陰極)。特別地，Spindt陰極器件采用形成在導(dǎo)電基板上的微加工金屬電子發(fā)射器尖端或錐并且與其歐姆接觸。每個(gè)發(fā)射器在陽(yáng)電極與陰電極之間的加速場(chǎng)中具有其自身的同軸孔徑。柵電極(也已知為控制或調(diào)制柵)通過(guò)二氧化硅層與陽(yáng)電極和陰電極隔離并且與發(fā)射器隔離。電子發(fā)射器尖端的大型陣列(其每一個(gè)均能夠產(chǎn)生幾十微安)理論上能夠產(chǎn)生大的發(fā)射電流密度。

Spindt陰極器件的性能受到由于材料磨損而對(duì)電子發(fā)射器尖端造成的損害的限制，并且出于這種原因，全世界已作出大量努力以尋找用于其生產(chǎn)的創(chuàng)新型材料。

特別地，已經(jīng)通過(guò)將碳納米管(CNT)用作冷陰極發(fā)射器極大地改進(jìn)了Spindt結(jié)構(gòu)(見(jiàn)例如，S.Iijima,Helical?microtubules?of?graphitic?carbon,Nature,1991,vol.354,第56-58頁(yè)，或者W.Heer,A.Chatelain,D.Ugarte,A?carbon?nanotube?field-emission?electron?source,Science,1995,vol.270,Issue?5239,第1179-1180頁(yè))。

碳納米管(CNT)優(yōu)選地是能夠使用各種制造工藝來(lái)制造的具有范圍從大約2nm至100nm的直徑以及幾個(gè)微米的長(zhǎng)度的石墨化柱形管。

特別地，CNT可被認(rèn)為是本質(zhì)上最好的發(fā)射器之一(見(jiàn)例如，J.M.Bonard,J.P.Salvetat,T.Stockli,L.Forrò和A.Field?emission?from?carbon?nanotubes:perspectives?for?applications?and?clues?to?the?emission?mechanism,Applied?Physics?A,1999,Vol.69,第245-254頁(yè))，并且因此是Spindt類型器件中的理想電子發(fā)射器；許多研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到它們的場(chǎng)發(fā)射性能(見(jiàn)例如，S.Orlanducci,V.Sessa,M.L.Terranova,M.Rossi和D.Manno,Chinese?Physics?Letters,2003,Vol.367,第109-114頁(yè))。

關(guān)于此，圖1示出了已知的Spindt型冷陰極器件特別是Spindt型冷陰極三極管(其將CNT用作電子發(fā)射器并且在圖1中整體由參考標(biāo)號(hào)1表示)的示意性截面視圖。