УСИЛИТЕЛЬ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H01J43/06 B82B1/00 

Данное изобретение относится к вакуумной эмиссионной электронике. Оно может быть использовано в устройствах отображения информации в качестве плоских экранов дисплеев, в качестве мощных высокоэффективных осветительных приборов, а также в качестве усилительных катодно-сеточных узлов вакуумных радиоламп и генераторов (клистронов) СВЧ-диапазона.

Известны экраны дисплеев, выполненные с использованием электронного пучка, информация в которых отображается посредством пропорциональных сигналу изменений интенсивности электронного пучка и последующей адресации модулированного по интенсивности пучка электронов в плоскости экрана с использованием электростатических и магнитных систем.

Недостатками таких дисплеев являются их громоздкость, необходимость использования высоких напряжений, низкая экономичность.

Известны экраны плоских дисплеев, выполненные на основе жидкокристаллических материалов. Они компактны, экономичны, эффективны при выполнении ряда задач. Однако им свойственны и недостатки. В частности, их температурный диапазон работы незначителен и ограничивается значениями +10°С…+50°С. Кроме того, восприятие яркостной и цветовой характеристик изображения с экрана дисплея значительно зависит от угла зрения пользователя.

В последние годы были предложены конструкции экранов плоских дисплеев на основе элементной базы автоэмиссионной электроники [1]. Температурный диапазон их работы широк - от минус 70°С до плюс 100°С, а восприятие яркостной и цветовой характеристик изображения с экрана не зависит от угла зрения пользователя. Трудности реализации экранов на автоэмиссионной элементной базе заключаются в проблемах воспроизведения геометрии автоэмиттирующих электроны острий, от формы и размеров которых экспоненциально зависят величины пороговых напряжений и токи эмиссии, а значит, линейность преобразования сигнала. С целью уменьшения нелинейных искажений сигнала используют триодные автоэмиссионные элементы, в которых указанные искажения предполагается устранять вариациями величин напряжений на управляющих сетках таких элементов. Однако решение это трудно реализуемо, так как предполагает установку регулирующего электронного ключа для каждого острия. Кроме того, такой подход к коррекции приводит к ослаблению среднего уровня сигналов (увеличение отбора тока с острия приведет к превышению предела текучести металла из-за электростатических сил), а значит, к подавлению средней яркости изображения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству является плоская панель дисплея (flat display tube with addressable cathode) [2], включающая: автоэмиттирующий электроны катод с адресацией, выполненный в виде совокупности проводящих полосок с механически и гальванически связанной с ними системой автоэмиттирующих острий; ортогонально к нему расположенный многосвязный легированный свинцом слой из слабо проводящего стекла, с системой х-у адресных шин по обеим сторонам его поверхности, выполненный посредством спекания оптических волокон в жгут, последующего разрезания полученного жгута на шайбы и удаления из последних кварцевых сердцевин; коллектор электронов, в виде многослойной пленочной структуры из прозрачного для света проводящего слоя оксида индия-оксида олова, слоя фосфора и прозрачного для электронов пучка субмикронного слоя из алюминия, обеспечивающего стекание заряда.

К недостаткам конструкции прототипа, не позволившим до сего дня реализовать такое устройство, следует отнести: трудности изготовления одинаковых по форме и диаметру металлических либо полупроводниковых острий; трудности в реализации в таком устройстве пространственного разрешения, лучшего, чем 70 линий/мм, что связано со способом изготовления и исходным материалом умножающей поток электронов сетки (выполнена из легированных свинцом стекол на основе оптических волокон); неудовлетворительная радиационная стойкость и термическая нестабильность автоэмиттирующих острий на основе полупроводниковых материалов; высокие пороговые значения рабочих напряжений (более 5…7 В/мкм) и низкий порог текучести технологически пригодных для этих целей металлов.

Целью предлагаемого изобретения является разработка базовой конструкции усилителя-преобразователя и вариантов на ее основе, позволяющих усиливать токи, в частных случаях преобразовывать систему кодовых сигналов в двумерную картину изображений в оптическом диапазоне, с высоким пространственным разрешением, обладающих повышенной деградационной и радиационной стойкостью и способных устойчиво работать в широком температурном диапазоне.

Технический результат, заключающийся в повышении деградационной стойкости устройства, реализации высокого пространственного разрешения картины изображения, расширенного температурного диапазона и повышенной радиационной стойкости, достигается предлагаемой конструкцией усилителя-преобразователя в составе: автоэмиссионного катода на основе углеродных наноструктурированных материалов, например углеродных нанотрубок; управляющей сетки на основе многосвязной (в частном случае сетчатой формы) монокристаллической, либо поликристаллической алмазной пленки; коллектора электронов, выполненного либо (как у прототипа) в виде многослойной пленочной структуры из прозрачного для света слоя оксида индия-оксида олова, люминесцирующего слоя (CdS, ZnS, P) и субмикронного слоя алюминия, прозрачного для электронов пучка, либо в виде сплошного проводящего электрода - в зависимости от функционального использования прибора.

Действительно:

- использование в качестве автоэмиттирующего электроны катода массива из углеродных нанотрубок снимает проблему производства острий одинаковой формы и диаметра; многочисленные исследования [например, 3 и 4] указывают на реальную возможность реализации массивов углеродных нанотрубок (УНТ) с незначительной дисперсией их диаметра в рамках одного процесса их получения; кроме того, предел текучести графеновых слоев, из которых состоят нанотрубки, на порядок превышает аналогичные параметры самых прочных металлических и полупроводниковых материалов [4, 5]; так, удельная прочность УНТ составляет ~4 ГПа (стали - 0,4 ГПа), удельный модуль упругости ~400 ГПа (для стали - 26 ГПа);

- использование в качестве умножителя потока электронов многосвязной (например, сетчатой) пленки из монокристаллического либо поликристаллического алмаза позволяет посредством применения фотолитографических методов (даже в рамках проектных норм 1…2 мкм) получить пространственное разрешение в системах визуализации изображения лучше, чем в 100 линий/мм [6]. Кроме того, слои поликристаллического либо монокристаллического алмаза, так же, как и графеновые слои, обладают самой высокой стойкостью к ионизирующим излучениям [7] - т.е. используя их в качестве активной основы устройства, существенно повышаем его радиационную стойкость. Расширение температурного диапазона работы относительно устройства-прототипа обусловлено существенно большей широкозонностью и термостойкостью алмаза [5] нежели кремний и германий, значительной термостойкостью графеновых стенок УНТ [4] и металлическим характером проводимости УНТ с наиболее распространенными хиральными индексами.

Существо основной конструкции изобретения и его вариантов поясняется фиг.1…14.

В заявляемой основной конструкции (фиг.1…7), в применениях, связанных с преобразованием кодов электрического сигнала в двумерную картину оптического изображения (плоские экраны дисплеев), автоэмиттирующий электроны катод выполнен на подложке 1 (например, из кремния) в виде совокупности адресных шин 2 с расположенными на них массивами УНТ 3, отделенных от подложки диэлектрическими слоями 4 (например, SiО_2./Si₃N₄). Умножающий электронный поток многосвязный слой 5 со сквозными каналами 6 выполнен из пленки поликристаллического либо монокристаллического алмаза, расположенной на кремниевой подложке 7 n-типа проводимости, отделенной от электро- и теплопроводящего основания 8 диэлектрическим материалом 9; на обеих поверхностях алмазной пленки расположены адресные шины 10 и 11 (х-у адресация). Коллектор 12 электронов (анод) выполнен в виде мультислойной пленочной структуры из проводящих прозрачных для света и электронов слоев оксида индия-оксида олова 12, субмикронного слоя алюминия 13 и слоя 14 из люминесцирующего материала (например, из CdS, ZnS, P). Вся конструкция заключена (размещена) в корпусе 15, откаченном до давления остаточного атмосферного газа не более 10^-6 мм рт.ст.

Данная конструкция является плоской панелью (экраном) монитора и работает следующим образом. При создании разности потенциалов между любой из шин 2 катода и нижней шиной 4 многосвязного слоя, приводящей к достижению пороговых полей автоэмиссии (~1…2 В/мкм) из УНТ, наблюдается холодная эмиссия электронов. Попадая в полость отверстия (ячейку сетки, «колодец») сетки, ускоряясь и «умножаясь» при взаимодействии со стенками колодца (сетки) по ионизационному механизму в поле от разности потенциалов между электродами 10 и 11 шин х-у адресации, пучок электронов попадает на соответствующий элемент площади коллектора 12. Ячейка умножения, а значит, место локализации светового пятна на коллекторе (на экране дисплея), так же, как и интенсивность пучка, определяются разностью потенциалов на шинах 10 и 11. Используя адресные шины автоэмиттера, а также адресные шины умножителя потока электронов, на основе катодно-сеточного узла данной конструкции можно, выполняя локально умножения сигналов, организовать устройства, выполняющие такие функции, как спектральный анализ электрических сигналов, либо устройство распознавания образов.

Другим вариантом конструкции является конструкция, отличающаяся (фиг.8…9) от основного (базового) варианта тем, что на ближайшей к коллектору электронов поверхности упомянутого многосвязного слоя 5 умножителя потока электронов адресные шины гальванически связаны. При этом адресные шины катода, на котором расположены автоэмиттирующие электроны, углеродные нанотрубки 3, также могут быть гальванически связаны.

В случае использования сплошного проводящего электрода на поверхности многосвязной пленки данная конструкция эффективна в мощных и эффективных осветителях. Если же при этом и коллектор выполнен в виде сплошного проводящего электрода, то данная конструкция может эффективно использоваться в качестве вакуумных радиоламп и катодно-сеточного узла СВЧ генераторов (клистронов).

В случае использования локальных гальванически несвязанных шин катода конструкция эффективна при использовании в устройствах отображения информации (в плоских экранах мониторов). При этом в отличие от прототипа, в котором на обеих поверхностях многосвязного слоя необходимо расположение х-у адресных шин, при использовании многосвязной пленки умножителя на основе алмазных пленок шины, ближайшие к коллектору, можно заменить одним общим электродом. Обусловлено это наличием отрицательного электронного сродства к электронам [8] у алмазных пленок.

Третий вариант конструкции отличается (фиг.10 и 11) от конструкции, заявляемой в основном варианте, тем, что многосвязный умножающий слой 16 с адресными шинами 10 и 11 нанесен на поверхность полуизолирующей подложки 17, имеющей сквозные поры либо полости 18. При этом толщина слоя активного материала (алмаза), умножающего поток электронов, должна превышать диффузионную длину электронов. Полости в подложке могут быть сформированы посредством использования технологий газофазного травления либо лазерного распыления. Умножающая пленка алмаза может быть выращена в упомянутых порах PECVD методом [9], с предварительным осаждением на поверхностях полостей зародышей из нанокристаллитов алмаза.

Четвертым вариантом конструкции является конструкция, отличающаяся (фиг.12) от основной заявляемой в п.1 тем, что автоэмиттирующий электроны катод 19 выполнен на основе нано- (микро-) структурированного алмаза, на ближайшей к многосвязному слою 5 поверхности которого расположена алмазоподобная пленка (АПП) 20 с высоким коэффициентом черноты. Получить и нанести при низких температурах упомянутый слой АПП (например, слой тетраэдрического аморфного углерода, либо слои карбидов ряда металлов - молибдена, вольфрама, хрома) можно методом термического испарения жидких углеводородов, либо [10] методом нанесения из двух источников (термический испаритель и магнетронный источник). Толщина слоя АПП должна быть примерно равной обратной величине коэффициента поглощения рабочего излучения. Данное устройство может быть эффективным при использовании в качестве основного модуля электронно-оптического преобразователя, работающего как в режиме «на просвет», так и в режиме «на отражение» и преобразующего изображения инфракрасного (ИК) диапазона в изображение в видимом диапазоне. На базе указанной конструкции возможна организация устройства системы распознавания световых образов, а также системы оптической кодировки либо расшифровки сигнала.

Пятый вариант конструкции отличается (фиг.13 и 14) от предыдущих конструкций тем, что предполагает использование в любой из конструкций по пп.1…4 модулей из нескольких многосвязных слоев 5, со сквозными каналами 6 и с адресными шинами 10 и 11, расположенными последовательно друг за другом, позволяющих достичь для устройства в целом больших значений коэффициента умножения. Это крайне важно при разработках на их основе мощных осветителей, либо при использованиях обсуждаемых усилителей, например в устройствах электронно-оптического преобразования слабых сигналов.

Шестой вариант конструкции отличается от основной конструкции (п.1) и конструкций, заявляемых в пп.4 и 5, тем, что ближайшая к коллектору система адресных шин многосвязного слоя (управляющей сетки) имеет ту же пространственную ориентацию, что и система адресных шин другой плоскости многосвязного слоя.

Представленные в пп.2…5 модификации изобретения, представленные в п.1, не выходят за пределы объема изобретения, определяемого формулой изобретения.

Таким образом, заявленные выше технические результаты реализованы в пп.2…6 данной заявки. Действительно: деградационная стойкость обеспечивается всеми модификациями устройства посредством использования автоэмиттеров из УНТ (низкие значения пороговых полей и высокая механическая прочность); высокое пространственное разрешение обеспечивается конструкциям по п.1, 2 и 6 посредством микронного масштаба ячеек сетки (многосвязного слоя); расширение температурного диапазона и повышение радиационной стойкости обеспечиваются выбором в качестве базовых материалов в конструкциях по пп.1…6 углеродных нанотрубок и алмазных пленок.

Для более полного понимания изобретения ниже приводится пример изготовления одной из модификаций его конструкции - вакуумной радиолампы. Она представляет собой сборку из трех основных узлов: автоэмиттирующего электроны катода на основе УНТ, умножителя потока электронов на основе многосвязной алмазной пленки и коллектора электронов из тугоплавкого металла (например, молибдена).

Указанные узлы изготавливаются следующим образом.

- Автоэмиттирующий электроны катод изготавливается на кристалле из кремниевой проводящей подложки с сформированной системой электродов, на которые по нужному рисунку осажден адгезионный слой наноразмерной толщины (например, ванадий, хром, либо нитрид титана). Затем на адгезионный слой осажден наноразмерной толщины (~100…200А) слой каталитического материала (например, никель), превращенный посредством термообработки в массивы наноразмерных капель. Далее, посредством PECVD метода, с использованием наноразмерных капель катализатора как своеобразных нанореакторов для роста УНТ, выращивают массивы углеродных нанотрубок, заканчивая тем самым процесс формирования автоэмиттирующего электроны катода.

- Многосвязная алмазная пленка, умножающая поток электронов, может быть выращена PECVD методом, с использованием в качестве зародышей роста нанокристаллитов из алмаза. При этом упомянутые нанокристаллиты внедряются в нанесенный на кремниевую подложку фоторезист, затем в алмазной пленке по фоторезисту выполняется фотолитография (например, в виде сетчатого рисунка). Затем подложку помещают в ростовую камеру и PECVD методом по заданному рисунку выращивают пленку поликристаллического алмаза. С тыльной стороны подложки, посредством химического травления кремния, вскрывают «колодец» (полость) вплоть до открытой поверхности многосвязной алмазной пленки, а на плоскую поверхность (либо обе поверхности) многосвязного слоя наносят металлический электрод (например, из хрома). При этом выбирают толщину кремниевой подложки таковой, чтобы разница между толщинами пластин автоэмиттирующего катода и умножительной пластины соответствовала требуемой величине межэлектродного зазора (см. фиг.1), например ~30 мкм.

Коллектор (анод) электронов получают из пластины молибдена.

Сборку конструкции осуществляют в вакуумно-плотном корпусе (8), согласно фиг.1.

В случае использования в заявляемых конструкциях автоэмиттирующих электроны катодов с адресацией возможно использование «лезвий» из планарно-ориентированных углеродных нанотрубок [11]. При этом проводящие шины выполняются с помощью напыления и последующей фотолитографии в виде трехслойных пленочных структур ванадий-никкель-ванадий, и на открытых с боковых торцов гранях каталитических пленок PECVD методом выращивают ряды УНТ.

Литература

1. W.B.Choi, D.S.Chung, J.H.Kang, and others. "Full sealed, high-brightness carbon-NT field emission display". // Appl. Phys. Lett., 75, 20, p.3129 (1999).

2. Mortimer H.Zinn and Elberon N.J. «Flat Display Tube with Addressable». // The united states patents, №3,622,828 from 23 nov. 1971.

3. Bonard J.M., Kind H., Stokli Т., Nilsson L.o. «Field emission from carbon nanotubes: the first five years. // Solid State Electronics, 2001, v.45, p.p.893-914.

4. Liu X., Lee C., Han S., Li C., Zhou C. "Carbon nanotubes: synthesis, devices, and integrated systems". // Molecular nanoelectronics. American Science Publishers. 2003 p.1-20.

5. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. V.V.Dvorkin, E.A. Il′′ichev, E.A.Poltoratsky, at other. // Diamond and related materials, 12, 2003, p.2208-2218.

C.A.Гаврилов, Н.Н.Дзбановский, Э.А.Ильичев, П.В.Минаков, Э.А.Полторацкий, Г.С.Рычков и др. Усилитель электронного потока. // Патент РФ, №2221309 10.01.2004, приоритет от 15.06.2000.

7. C.Davies, // Proc. R. Soc. (London), A36, p.507 (1974).

8. F.J.Himpsel, J.A.Kuap, J.A. van Vechten, D.E.Eastman. // Phys. Rev. B, 20, 624 (1979).

9. Honda K., Rao T.N., Tryk D.A., and other. // J. Electrochem. Soc., v.147, p.659-667, 2000.

10. L.P.Sidorov, V.K.Dmitriev, V.N.Inkin. // Patent to be publicher in Russian, 2000103496, 25-02-2000; V.K.Dmitriev, V.N.Inkin, E.A. Il′′ichev, fnd others. // Diamond and related materials, 10, p.1007-1010, 2001.

11. Гаврилов С.А., Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С. Эмиттер для интегральных приборов. // Патент РФ №2250526, регистрация от 20.04.2005, приоритет от 21.07.2003.

Изобретение относится к вакуумной эмиссионной технике и может быть использовано при конструировании изделий и устройств вакуумной электроники, СВЧ и микроволновой электроники, систем визуализации информации (экраны плоских дисплеев), осветительных систем. Конструкция усилителя-преобразователя в составе: автоэмиссионного катода на основе углеродных наноструктурированных материалов, например углеродных нанотрубок; сетки на основе многосвязной (в частном случае сетчатой формы) монокристаллической, либо поликристаллической алмазной пленки; коллектора электронов, выполненного либо в виде многослойной пленочной структуры из прозрачного для света слоя оксида индия-оксида олова, люминесцирующего слоя (CdS, ZnS, P) и субмикронного слоя алюминия, прозрачного для электронов пучка, либо в виде сплошного проводящего электрода - в зависимости от функционального использования прибора. В предлагаемом изобретении обеспечиваются: деградационная стойкость - посредством использования автоэмиттеров из УНТ (низкие значения пороговых полей и высокая механическая прочность); высокое пространственное разрешение - посредством микронного масштаба ячеек сетки (многосвязного слоя); расширение температурного диапазона и повышение радиационной стойкости - посредством выбора в качестве базовых материалов углеродных нанотрубок и алмазных пленок. 5 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Усилитель-преобразователь, содержащий автоэмиттирующий электроны катод, ортогонально к нему расположенные, по крайней мере, один многосвязный (сетчатый) слой с системой управляющих электродов и коллектор электронов, отличающийся тем, что автоэмиттирующий электроны катод выполнен на основе углеродных наноструктурированных материалов, а многосвязный слой выполнен в виде многосвязной пленки из монокристаллического либо поликристаллического алмаза.

2. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ближайшая к коллектору электронов поверхность многосвязного слоя покрыта сплошной проводящей пленкой.

3. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что многосвязный слой расположен на поверхности полуизолирующей подложки, имеющей сквозные поры, либо полости.

4. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что автоэмиттирующий электроны катод выполнен на основе наномикроструктурированного алмаза, а на ближайшей к многосвязному слою поверхности алмазного слоя катода расположена пленка алмазоподобного вещества с высоким коэффициентом черноты.

5. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что число содержащихся в нем многосвязных слоев больше одного.

6. Усилитель-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ближайшая к коллектору система адресных шин многосвязного слоя имеет ту же пространственную ориентацию, что и система адресных шин другой плоскости многосвязного слоя.