Изобретение относится в основном к автоэлектронным эмиттерам, в частности к автоэлектронным эмиттерам и способам создания автоэлектронных эмиттеров, использующих низковольтные/отрицательные электронные сродственные покрытия.
Известны устройства автоэлектронной эмиссии, использующие специально профилированные проводники/полупроводниковые электроды в качестве электронных эмиттеров. Известные электронные эмиттеры обладают недостатками, такими как высокое рабочее напряжение, поверхностная неустойчивость, чувствительность к повреждению ионной бомбардировкой.
Поэтому существует потребность в электронных устройствах, использующих электронный эмиттер/электронный источник, который устраняет по крайней мере некоторые недостатки известных электронных эмиттеров.
Изобретение обеспечивает создание электронного эмиттера, отличающегося специально профилированным проводниковым/полупроводинковым электродом, имеющим основную поверхность, некоторое множество заселенных ионами зародышеобразовательных участков, размещенных на основной поверхности проводникового/полупроводникового электрода и по крайней мере алмазный кристаллит, размещенный на основной поверхности проводникового/полупроводникового электрода и на зародышеобразовательном участке из некоторого множества зародышеобразовательных участков.
Кроме того, изобретение обеспечивает наличие способа изготовления электродного эмиттера, который характеризуется созданием специально профилированной подложки, имеющей основную поверхность, внедрением ионов в виде зародышеобразовательных участков на по крайней мере некоторой части основной поверхности специально профилированной подложки, выращиванием алмазных кристаллов предпочтительно по крайней мере на некоторых зародышеобразовательных участках, осаждением слоя проводящего/полупроводящего материала по крайней мере на некоторой части основной поверхности подложки и алмазных кристаллитах, и удалением по крайней мере некоторой части специально профилированной подложки с целью изготовления электронного эмиттера, имеющего алмазное покрытие, размещенное по крайней мере на некоторой части проводникового/полупроводникового слоя,
Дополнительно изобретение обеспечивает наличие способа изготовления автоэлектронного эмиттера, который характеризуется изготовлением специально профилированного проводникового/полупроводникового электрода, имеющего основную поверхность, внедрением ионов в виде зародышеобразовательных участков по крайней мере на некоторой части основной поверхности проводникового/полупроводникового электрода и выращиванием алмазных кристаллитов предпочтительно по крайней мере на некоторых зародышеобразовательных участках с целью изготовления электронного эмиттера, содержащего алмазное покрытие, размещенное по крайней мере на некоторой части основной поверхности специально профилированного проводникового/полупроводникового электрода.
На фиг. 1 представлено внедряющее ионы устройство; на фиг. 2 поперечное сечение ионного внедрения; на фиг. 3 устройство, обеспечивающее рост алмаза; на фиг. 4-7 боковые вертикальные разрезы структур, которые получаются в результате исполнения шагов способа по изобретению; на фиг. 8-12 боковые вертикальные разрезы структур, которые получаются в результате выполнения шагов другого способа по изобретению; на фиг. 13-17 боковые вертикальные разрезы структур, получаемых в результате выполнения шагов следующего способа по изобретению; на фиг. 18-20 боковые вертикальные разрезы структур, которые получаются в результате выполнения шагов следующего способа по изобретению; на фиг. 21-24 боковые вертикальные разрезы структур, которые получаются с результате выполнения шагов следующего способа по изобретению; на фиг. 25-29 боковые вертикальные разрезы структур, которые получаются в результате выполнения шагов следующего способа по изобретению.
На фиг. 1 изображен один из вариантов осуществления внедряющего ионы устройства. Предусмотрено наличие вакуумной камеры 101, вмещающей по крайней мере ионный источник 106 и удерживающее подложку (цель) приспособление 103. Имеется апертура источника ионного материала 105, как она изображена, для обеспечения материалом ионного источника 106. Имеется выпускное отверстие 102, к которому оперативно присоединяют откачивающее устройство (не показано) для создания разрежения в камере 101. Во время работы внедряющего ионы устройства ионный пучок 107 направляется на цель, которой в настоящем примере является полупроводниковая подложка 104, под действием электрического поля, которое наводится источником напряжения 108 таким, что по крайней мере некоторые ионы, образующие ионный пучок 107, внедряются в подложку 104.
На фиг. 2 изображен боковой вертикальный вид подложки 104, в которую внедрились ионы 201. Ионы избирательно внедрены на заданную глубину в подложку 104 в соответствии с напряженностью ассоциированного электрического поля (не показано). В соответствии с этим напряженность электрического поля подбирают так, чтобы внедренные ионы расположились существенно на поверхности подложки 104.
На фиг. 3 дано схематическое изображение обеспечивающего выращивание алмаза устройства. Предусмотрено наличие вакуумной камеры 301, которая вмещает держатель подложки (цели) 305 и нагревательный элемент 304. Источниковая труба 303, которая является частью питающего газопровода, является источником активных газовых составляющих, обеспечивающих среду для выращивания алмаза. Камера 301 разрежается откачивающим насосом (не показано), который подсоединяется к выпускному отверстию 302. Во время работы цель, которой в настоящем примере является подложка 306, размещается на целевом держателе 305, рядом с которым размещен нагревательный элемент 304. Источник питания 307 создает электрический ток через нагревательный элемент 304 для нагревания подложки 306, и в присутствии подходящих газовых составляющих на поверхности подложки 306 происходит реакция, в ходе которой выращивается алмаз.
Рост алмаза по крайней мере частично зависит от способности зародышеобразования на поверхности материала. При многих способах формирования алмаза зародышеобразование происходит случайным образом и недостаточно хорошо распределяется по поверхности, приводя к нежелательному и неполному росту пленки. Углеродные ионы, внедренные в поверхность подложки 306, обеспечивают появление существенно равномерно распределенного множества зародышеобразующих участков, на которых инициируется рост алмаза.
На фиг. 4 изображен в увеличенном масштабе боковой вертикальный разрез структуры 400, полученной в результате выполнения разнообразных шагов способа, соответствующего изобретению. Структура 400 имеет специально профилированный опорный слой или слой, который ниже называется подложкой 401, имеющий основную поверхность по которой подложка 401 специально профилирована любым из известных способов, включающих, но не ограниченных, анизотропное травление и ионное фрезерование, для получения специально профилированной области, которой в настоящем варианте осуществления является желообразное углубление 402. Пучок углеродных ионов, обозначенный стрелками 405, обеспечивает появление углеродных зародышеобразующих участков 404, внедренных в поверхность 401.
На фиг. 5 изображен боковой вертикальный разрез структуры 400, которая подверглась воздействию дополнительных шагов способа, соответствующего изобретению, при котором источник реагентного материала (обозначенный стрелками на фиг. 5), размещенный в промежуточной области между подложкой 401 и близко расположенным нагревательным элементом (позиции 304 на фиг. 3), усиливает рост алмазного кристаллитного покрытия 406 предпочтительно на зародышеобразующих участках с внедренным углеродом.
На фиг. 6 изображен боковой вертикальный разрез структуры 400, которая подверглась воздействию дополнительного шага способа, соответствующего изобретению, на котором слой проводникового/полупроводникового материала 407 осажден на любую экспонированную часть основной поверхности подложки 401 и на алмазное кристаллитовое покрытие 406. Проводинковый/полупроводинковый материал 407 осаждается так, чтобы заполнить углубление 402 выступом 408.
На фиг. 7 изображен боковой вертикальный разрез структуры 400, подвергавшейся дополнительному шагу обработки в соответствии со способом, соответствующим изобретению, на котором по крайней мере часть подложки 401 удалена. Удаление подложки 401 фактически обнажает слой проводникового/полупроводникового материала 407 и, в частности, обнажает выступ 408, на котором отложено алмазное кристаллитовое покрытие 406. Материал или материалы, из которых изготовлены подложка 401, и проводниковый/полупроводниковых материал 407 выбирают так, чтобы можно было сравнительно легко удалять некоторым способом, подобным травлению, растворению и т. п. без существенного воздействия кристаллитового покрытия 406 или проводникового/полупроводникового материала 407.
Окончательная структура, которая содержит алмазное покрытие, включает в себя автоэлектронный эмиттер, обладающий несколькими желательными рабочими характеристиками, среди которых можно назвать пониженное рабочее напряжение, улучшенная поверхностная устойчивость и пониженная чувствительность к поврежению ионной бомбардировкой. Введение внедренных углеродных участков зародышеобразования представляет механизм улучшенного покрытия алмазным кристаллитом и предотвращает формирование неоднородного покрытия, которое может быть обусловлено нежелательным сильным ростом кристаллита.
На фиг. 8 изображен в увеличенном масштабе боковой вертикальный разрез структуры 500, которая получена выполнением шагов другого способа, соответствующего настоящему изобретению. Несущий слой или подложка 501 имеет основную поверхность. Слой формовочного материала 509, подобного фоторезистному или изоляционному материалу, нанесен на подложку 501. Затем слой формовочного материала 509 избирательно экспонируется и проявляется, чтобы образовалось по крайней мере одно отверстие 503, через которое выполняется анизотропное избирательное профилирование подложки 501 для создания преднамеренно профилированной области, которая в настоящем варианте осуществления имеет форму желобообразного углубления 502. Пучок углеродных ионов (изображен стрелками 505 на фиг. 8) обеспечивает внедрение зародышеобразующих участков 504 в углубление 502 подложки 501.
На фиг. 9 изображен боковой вертикальный разрез структуры 500, на котором нет слоя формовочного материала 509, удаленного после внедрения зародышеобразующих участков 504.
На фиг. 10 изображен боковой вертикальный разрез структуры 500, подвергшейся воздействию дополнительных шагов настоящего способа, на которых источник реагентного материала, обозначенный стрелками 520, который размещен в промежуточной области между подложкой 501 и близко расположенным нагревательным материалом (фиг, 3), обеспечивает рост алмазного кристаллита 506 предпочтительно на внедренных углеродных участках зародышеобразования.
На фиг. 11 изображен боковой вертикальный разрез структуры 500, подвергшейся воздействию дополнительного шага настоящего способа, на котором слой проводникового/полупроводникового материала 507 осажден на любую экспонированную часть основной поверхности подложки 501 и на алмазный кристаллит 506. Проводниковый/полупроводниковый материал 507 осажден так, что углубление 502 заполнено выступом 508.
На фиг. 12 изображен боковой вертикальный разрез структуры 500, подвергшейся воздействию дополнительного шага настоящего способа, по которому удалена по крайней мере часть подложки 501. Удаление подложки 501 фактически обнажает слой проводникового/полупроводникового материала 507 и, в частности, обнажает выступ 508, на котором отложен алмазный кристаллит 506.
Использование внедренных зародышеобразующих участков, на которых можно инициировать рост алмазного кристаллита, обеспечивает более однородное покрытие. Поскольку толщина покрытия составляет 5000 
, весьма важно, чтобы при формировании покрытия неправильности и толщине и покрытии были минимальным. Другие способы выполнения процесса выращивания алмазной пленки не обеспечивают существенно равномерного роста толщины и покрытия.
На фиг. 13 изображен боковой вертикальный разрез структуры 600, изготовленной следующим способом, соответствующим изобретению. Структура 600 подобна структуре 500 (на фиг. 8), при этом признаки, первоначально обозначенные на фиг. 9, аналогичны образом обозначены, причем позиции начинаются с цифры "6". На фиг. 13 показано испарение материала в малом углу, используемое для осаждения материала 610 на подложке 601 так, чтобы оказалась частично покрытой заданным образом профилированная область 602 подложки 601. Дополнительно на фиг. 13 изображен ионный пучок, обозначенный стрелками 605, который внедряет углеродные зародышеобразующие участки 604 в заданным образом профилированную область 602 подложки 601 и существенно в предопределенную часть заданным образом профилированной области 602, которой в данном конкретном варианте осуществления является дно желоба.
На фиг. 14 изображена структура 600 после выполнения дополнительного шага настоящего способа, на котором удален материал 610.
На фиг. 15 дан боковой вертикальный разрез структуры 600 после выполнения дополнительных шагов настоящего способа, на которых источник реагентного материала, изображенный стрелками 620, который размещен в промежуточной области между подложкой 601 и близко отстоящего от подложки нагревательного элемента (фиг. 3), обеспечивает рост алмазного кристаллита 606 предпочтительно во внедренных углеродных зародышеобразующих участках. В случае структуры, представленной на фиг. 15, кристаллит предпочтительно растет только на части экспонированной поверхности подложки 601 и, в частности, на вершине заданным образом профилированной области 602.
На фиг. 16 дан боковой вертикальный разрез структуры 600 после выполнения дополнительного шага настоящего способа, на котором слой проводникового/полупроводникового материала 607 осаждается на любую экспонированную часть основной поверхности подложки 601 и на алмазный кристаллит 606. Проводниковый/полупроводниковый материал 607 осаждается так, что заполняет заданным образом профилированную область 602 выступом 608.
На фиг. 17 дан боковой вертикальный разрез структуры 600 после выполнения дополнительного шага настоящего способа, соответствующего изобретению, на котором удалена по крайней мере часть подложки 601. Удаление подложки 601 фактически обнажает слой из проводникового /полупроводникового материала 607 и, в частности, осаждает выступ 608, на вершине которого осажден алмазный кристаллит 606.
На фиг. 18 изображен боковой вертикальный разрез структуры 1400, которая выполнена путем выполнения разнообразных шагов в соответствии со следующим способом, соответствующим изобретению. Структура 1400 включает в себя заданным образом профилированный слой 1401 проводникового/полупроводникового материала, имеющий по крайней мере основную поверхность с заданным профилем, причем в этом конкретном варианте осуществления изобретения она имеет форму конического выступа, являющегося электродом 1402. Слой 1401 профилируется заданным образом любым из известных способов, которые включают анизотропное травление и ионное фрезерование, но не ограничиваются ими. Углеродный ионный поток, обозначенный стрелками 1405, обеспечивает внедрение углеродных зародышеобразующих участков 1404 на основной поверхности электрода 1402.
Слой 1401 (на фиг. 19) опирается на подложку, которой является слой 1403 из формовочного материала, подобного фоторезистному или изоляционному материалу, в котором имеется по крайней мере одно отверстие 1409. Отверстие 1409 выполняется предпочтительно экспонированием и проявлением фоторезиста или травлением изоляционного материала, как потребуется. Проводниковый/полупроводниковый электрод существенно размещен внутри отверстия 1409 и на слое 1401. Углеродный ионный пучок, обозначенный стрелками 1405, обеспечивает внедрение зародышеобразующих участков 1404 на проводниковом/полупроводниковом электроде 1402, при этом остальная часть слоя 1401 защищена от внедрения зародышеобразующих участков 1404 слоем 1403. Слой формовочного материала 1403 можно затем удалить, когда будут внедрены зародышеобразующие участки 1404.
На фиг. 20 дан боковой вертикальный разрез структуры 1400 (фиг. 18 и 19) после выполнения дополнительных шагов способа, соответствующего изобретению. Источник реагентного материала, обозначенный стрелками 1420, размещенный в промежуточной области между проводниковым/полупроводниковым электродом 1402 и близко расположенным нагревательным элементом 304 (фиг. 3), обеспечивает рост алмазного кристаллита 1406 предпочтительно на внедренных углеродных зародышеобразующих участках.
Готовый проводниковый-полупроводниковый электрод 1402, на который осаждено покрытие из алмазного кристаллита 1406, выполнен в виде автоэлектронного эмиттера, обладающего некоторыми желательными рабочими характеристиками, включающими пониженное рабочее напряжение, улучшенную поверхностную стабильность и пониженную чувствительность к повреждению ионной бомбардировкой. Использование внедренных углеродных зародышеобразующих участков 1404 предоставляет механизм для улучшенного покрытия алмазным кристаллитом и предотвращает формирование неоднородного покрытия, которое предполагает нежелательно большой рост кристаллита.
На фиг. 21 дан боковой вертикальный разрез структуры 1500, полученной в результате выполнения шагов следующего способа, соответствующего изобретению. Имеется опорная подложка 1501. Слой 1508 изоляционного материала, в котором выполнено отверстие 1509, нанесен на опорную подложку 1501. Проводниковый/полупроводниковый электрод 1502 (фиг. 18 и 19) размещен внутри отверстия 1509 и на опорной подложке 1501. Слой проводникового/полупроводникового материала 1507 нанесен на слой 1508 так, что отверстие 1509 проходит через слой 1507. Слой формовочного материала 1522 нанесен на слой 1507. Углеродный ионный пучок, обозначенный стрелками 1505, обеспечивает внедрение зародышеобразующих участков 1504 в проводниковый/полупроводниковый электрод 1502. Слой 1522 можно удалить после внедрения зародышеобразующих участков 1504.
Как показано на фиг. 22, формовочный слой 1522 (фиг. 21) удаляется, чтобы по крайней мере некоторые зародышеобразующие участки 1504 осаждались на проводниковом/полупроводниковом слое 1507.
На фиг. 23 дан боковой вертикальный разрез структуры 1500 (фиг. 21 и 22) после выполнения дополнительных шагов настоящего способа. Источник реагентного материала, обозначенный стрелками 1520, расположенный в промежуточной области между проводниковым/полупроводниковым электродом 1502 и близко расположенным к электроду нагревательным элементом (фиг. 3), обеспечивает рост алмазного кристаллита 1506 предпочтительно на внедренных углеродных зародышеобразующих участках. Комбинация проводникового/полупроводникового электрода 1502 с покрытием на алмазных зародышеобразующих участках 506 образует улучшенный электронный эмиттер 1510.
На фиг. 24 дан боковой вертикальный разрез структуры 1500 (фиг. 23), которая дополнительно имеет анод 1516, удаленный относительно электронного эмиттера 1510, для сбора всех электронов, испускаемых электронным эмиттером 1510. Слой 1507, поскольку он изготовлен из проводникового/полупроводникового материала, функционирует в качестве управляющего эмиссией электрода для управления скоростью электродной эмиссии. Автоэлектронное эмиттерное устройство (структура 1500), использующая электронный эмиттер, содержащий алмазное покрытие, образованное в соответствии со способом по изобретению (фиг. 24), можно с преимуществом использовать в приложениях, относящихся к данной области техники. Использование внедренных зародышеобразующих участков, на которых можно иницировать рост алмазного кристаллита, обеспечивает нанесение более однородного покрытия. Поскольку желательна толщина покрытия - 5000 
оказывается важным фактором при формировании покрытия минимизация неправильностей толщины и покрытия. Другие способы выращивания алмазной пленки не обеспечивают существенно однородных толщины и покрытия. Другие способы выращивания алмазной пленки не обеспечивают существенно однородных толщины и покрытия.
На фиг. 25 дан боковой вертикальный разрез структуры 1600 (фиг. 22), причем подобные признаки, первоначально обозначенные на фиг. 22, обозначены позициями, начинающимися с цифры "6". На фиг. 25 дополнительно изображен внедряющий ионы источник 1640, создающий ионный пучок 1605, который внедряет углеродные зародышеобразующие участки 1604 в проводниковый/полупроводниковый электрод 1602. Внешний источник напряжения оперативно включен между внедряющим ионы источником 1640 и опорной подложкой 1601. Второй внешний источник напряжения 1612 оперативно включен между проводниковым/полупроводниковым слоем 1607 и опорной подложкой 1601. Структура, изображенная на фиг. 25, может использовать проводниковый/полупроводниковый электрод, образованный как описано выше (фиг. 18). После приложения подходящего напряжения к проводниковому/полупроводниковому слою ионы, составляющие ионный пучок 1605, будут предпочтительно отталкиваться от области, близкой к периферии проводникового/полупроводникового слоя 1607, к предпочтительно малой части поверхности проводникового/полупроводникового электрода 1602. Такая переориентация ионного пучка 1605 приводит к внедрению зародышеобразующих участков 1604 существенно только в предпочтительной части поверхности проводникового/полупроводникового электрода 1602.
На фиг. 26 дан боковой вертикальный разрез структуры 1600, в которой другим способом получены результаты, описанные со ссылками на фиг. 25. При этом модифицированном способе отверстие 1609 частично закрывают путем отложения материала под малым углом, как это известно специалистам, для создания частично покрывающего слоя 1614. Углеродный ионный поток, обозначенный на фиг. 25 стрелками 1605, обеспечивает внедрение зародышеобразующих участков 1604 в проводниковый/полупроводниковый электрод 1602.
На фиг. 27 изображена структура 1600, подвергшаяся воздействию следующего шага обработки, на котором удален частично закрывающий слой 1614.
На фиг. 28 дан боковой вертикальный разрез структуры 1600, подвергшейся воздействию на следующих дополнительных шагах настоящего способа, на которых источник реагентного материала, изображенный стрелками 1620, который размещен в промежуточной области между проводниковым/полупроводниковым электродом 1602 и близко расположенным нагревательным элементом (фиг. 3), обеспечивает рост алмазного кристаллита 1606 предпочтительно на внедренных углеродных зародышеобразующих участках. В случае структуры, показанной на фиг. 28, рост алмазного кристаллита имеет место предпочтительно только на части экспонированной поверхности проводникового/полупроводникового электрода 1602. Комбинация из проводникового/полупроводникового электрода 1602 и покрывающего алмазного кристаллита 1606 образует улучшенный электронный эмиттер 1610.
На фиг. 29 дан боковой вертикальный разрез структуры 1600, дополнительно содержащий анод 1616, удаленный относительно электронного эмиттера 1610, для сбора электронов, испускаемых электронным эмиттером 1610. Проводниковый/полупроводниковый слой 1607 функционирует в качестве управляющего эмиссией электрода для управления скоростью электродной эмиссии. Автоэлектронное эмиссионное устройство, содержащее алмазное покрытие, сформированное по способу, соответствующему изобретению (фиг. 25-29), можно с преимуществами использовать в приложениях, известных специалистам в данной области техники. Использование внедренных зародышеобразующих участков, на которых инициируют рост алмазного кристаллита, обеспечивает более однородное покрытие. Поскольку желательна толщина покрытия 10 5000
, важно, чтобы при образовании покрытия минимизировались неправильности толщины и покрытия. Другие способы выращивания алмазной пленки не обеспечивают существенно однородной толщины и покрытия.
Описанные способы обеспечивают создание электронных эмиттерных структур, которые при использовании в автоэлектронных эмиттерных устройствах проявляют рабочие характеристики, не достижимые известными устройствами. Устройства автоэлектронной эмиссии, использующие электронные эмиттеры, изготовленные по способам, соответствующим настоящему изобретению, обеспечивают улучшенную работу, повышенную стабильность и большую продолжительность службы устройствам. Алмазное покрытие электронного эмиттера проявляет значительно пониженную рабочую функцию, обусловленную низким отрицательным электронным сродством, и отличается большей стабильностью кристаллитовой структуры, чем таковые могут быть достигнуты с используемыми материалами, ранее использовавшимися для изготовления электронных эмиттеров.
Использование: электронные приборы с автоэлектронной эмиссией. Сущность изобретения: устройство автоэлектронной эмиссии использует электронный эмиттер, который содержит покрытие из алмазного материала, нанесенное на поверхность избирательно профилированного проводникового/полупроводникового материала. Способ изготовления такого устройства включает этап, в котором углеродные ионы внедряются в поверхность проводникового/полупроводникового материала, чтобы они функционировали в качестве зародышеобразующих участков для выращивания алмаза. При альтернативном способе проводящий слой наносится поверх алмаза и проводниковый/полупроводниковый слой удаляется для образования электронного эмиттера с алмазным покрытием. 3 с. и 14 з. п. ф-лы, 29 ил.
7. Способ изготовления электронного эммитера, отличающийся тем, что изготовляют избирательно профилированную подложку, имеющую основную поверхность, внедряют ионы в качестве зародышеобразующих участков на по меньшей мере части основной поверхности избирательно профилированной подложки, выращивают алмазный кристаллит, по меньшей мере на части зародышеобразующих участков, откладывают слой полупроводникового/проводникового материала на по меньшей мере части основной подложки и алмазного кристаллита и удаляют по меньшей мере часть избирательно профилированной подложки для создания электронного эмиттера, имеющего алмазное покрытие, нанесенное по меньшей мере на часть проводникового/полупроводникового слоя.
