EP1153408B1 - Cathode a effet de champ a performances accrues - Google Patents

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EP1153408B1
EP1153408B1 EP00905117A EP00905117A EP1153408B1 EP 1153408 B1 EP1153408 B1 EP 1153408B1 EP 00905117 A EP00905117 A EP 00905117A EP 00905117 A EP00905117 A EP 00905117A EP 1153408 B1 EP1153408 B1 EP 1153408B1
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EP
European Patent Office
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emission cathode
cathode according
semiconductor
microline
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EP00905117A
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EP1153408A1 (fr
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Georges Thomson-CSF Propriété Intel. FAILLON
Dominique Thomson-CSF Propriété Intel. DIEUMEGARD
Christian Thomson-CSF Propriété Intell. BRYLINSKY
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Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thales Electron Devices SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J21/00—Vacuum tubes
    • H01J21/02—Tubes with a single discharge path
    • H01J21/06—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
    • H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
    • H01J21/105—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode with microengineered cathode and control electrodes, e.g. Spindt-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/06—Electron or ion guns

Definitions

  • the present invention relates to field effect cathodes (called "field emission array” in English, ie FEA). These cathodes are already used in some types of electronic tubes of large experimental power, such as relativistic magnetrons, vircators ... but also in new tubes of more conventional types such as traveling wave tubes for radar or telecommunication.
  • the cathode is formed of at least one network of points comprising a substrate covered with a layer dielectric with cavities, each accommodating an emissive tip in protrusion, a grid placed on the surface of the dielectric layer surrounds less partially the cavities.
  • the show electron density can be modulated by modulating the voltage applied to Grid.
  • the gate and the substrate-tip assembly separated by the dielectric layer are equivalent to a high capacitance of the order of 10 to 100 pF / mm 2 and the corresponding conductance is of the order of a few tens of mS / mm 2 to 10 GHz.
  • a current of 1 ⁇ A / tip can be extracted, the tips having a density of the order of 10 6 to 10 7 per square centimeter.
  • the impedance presented by the gate to the modulator that feeds it is essentially real and remains a few tens of ohms, which makes it possible to use a modulator of reasonable power.
  • the impedance presented by the gate to the modulator which feeds it becomes very weak because of the reactance of the capacitance which is very weak (0.1 to 1 ⁇ / mm 2 towards 10 GHz by example), which imposes a bandwidth modulator equivalent to that of conventional tubes, at very high power to obtain a satisfactory current intensity.
  • the modulator is connected to the gate by a transmission line microwave, usually a microstrip line. Another reason imposing on the modulator a high power is that the signal of modulation applied to the grid is reflected at the transition between the line of transmission and the grid.
  • FIG. 1a shows a top view of a cathode field effect of known type.
  • Cathode 1 has four networks 2 of sector-shaped tips grouped together on the same support 50 electrically conductive.
  • Each network has a conductive substrate referenced 3, a dielectric layer referenced 4 with cavities 5 in which emitters 6, the dielectric layer is surmounted by a grid 7.
  • FIG. 1b shows a top view of a cathode field effect of known type.
  • Cathode 1 has four networks 2 of sector-shaped tips grouped together on the same support 50 electrically conductive.
  • Each network has a conductive substrate referenced 3, a dielectric layer referenced 4 with cavities 5 in which emitters 6, the dielectric layer is surmounted by a grid 7.
  • FIG. 1b shows a top view of a cathode field effect of known type.
  • each of the networks 2 is done at using microstrip lines 8 each connecting a network of points 2 to one modulator M of power located at a distance.
  • microstrip lines 8 each connecting a network of points 2 to one modulator M of power located at a distance.
  • the microstrip lines 8 are long, they occupy a good surface more important than peak networks 2.
  • the support 50 conductor serves as the conducting plane for microstrip 8 lines. Insulation microstrip lines are referenced 8.2 and the conductive tape 8.3.
  • Each microstrip line 8 is electrically connected to a network of points 2 by a conductor 9 secured to one side of the ribbon 8.3 conductor and the other of the grid 7 of the network 2 spikes.
  • Modulators M must generate a microwave signal at a high level, in particular because, being located far enough away from arrays of spikes 2, they are connected by lines that generate a strong reflection on the grid side, and because reflections also occur. in advanced networks because of the presence of spikes 6.
  • the object of the invention is to propose a cathode which does not have these disadvantages.
  • the present invention provides a field effect cathode modulable microwave, formed of at least one network of spikes emissive, capable of emitting electrons with a current density much larger than that of field effect cathodes existing.
  • This cathode has the advantage of requiring no modulator of conventional power to control the emission of electrons or line transmission at high level.
  • Conventional modulators are expensive, greedy electricity and pose cooling problems.
  • the transmission lines pose problems of differential delays phase of the microwave signal and weakening.
  • the present invention is a cathode with a microwave modulating field, comprising at least one network of emitting tips, and means for producing a modulation signal microwave to the tips, in which the means for produce the modulation signal include a semiconductor element, characterized in that a micro-line of impedance matching, of length not exceeding several hundred micrometers, is interposed between the semiconductor element and the peak array, for routing the modulation signal of the semiconductor element to the network.
  • the microline is a line, in particular of microstrip type or coplanar, whose conducting ribbon is connected at one end to the network of spikes and at the other end to the semiconductor element of modulation.
  • the semiconductor modulation element is of transistor type especially MESFET or diode type.
  • the conductive ribbon of the microline can be configured in two sections interconnected by a capacitor.
  • the microline can also have a polarization function and be connected to a source of polarization.
  • At least one of the spike array, the semiconductor element modulation and the microline is discrete.
  • At least two elements taken from the network of points, the element modulation semiconductors and microlines are part of the same electrically insulating or semi-insulating support. Both elements can be mounted on one side of the support, the other side of which is coated with conductive layer that serves as a ground plane.
  • the network of tips has an electrically insulating or semi-insulating substrate with on one side a conductive or semi-conductive layer, emitting points in electrical contact with the conductive or semiconducting layer, a dielectric layer provided with cavities each housing one of the points, the dielectric layer being surmounted by a conductive grid which surrounds at less partially the cavities.
  • the substrate is traversed by at least one hole metallized which helps to electrically connect the tips to the other side of the substrate.
  • the metallized hole can be extended by a contact that is reported on a suitable conductive pad of the support.
  • the substrate and the dielectric layer can also be traversed by at least one metallized hole which contributes to electrically connect the grid to the other side of the substrate. We can then remove wired links associated with the tips and / or the grid.
  • microligne is easily achievable in a form integrated into electrically insulating or semi-insulating support even if the network of points and / or the semiconductor modulation element are discrete.
  • the network of spikes, the microligne and the semiconductor element of modulation are integrated on the same semiconductor substrate.
  • the semiconductor employed is semi-insulating material such as silicon carbide.
  • the microligne can then have a ribbon that extends on one side to form a grid of the spike network and on the other side to form a contact of the semiconductor modulation element.
  • Figure 2 shows schematically, with a view to above, a cathode field effect, modulable microwave according the invention.
  • the cathode comprises at least one network of R points conventional in itself, means S to produce a modulation signal microwave that controls the emission of electrons and means L for send the signal to the network of points R.
  • the means S for producing the signal of microwave modulation comprise a semiconductor element of modulation placed right next to the R-point network, while the means for routing it to the network of spikes R are a short microline introducing a negligible disturbance.
  • the microline has not a role of electrical connection between the network of points and the element semiconductor modulation. It also has an adaptation function impedance between the peak array and the semiconductor element of modulation. Moreover, it can also convey at least one voltage of polarization.
  • the arrangement of the R-point networks offers a very large number of possibilities. It is possible to focus on a small area a large number of networks of points R, which makes it possible to obtain increased current densities.
  • Each network of R points may have optimal dimensions so that there is no or very little disturbance of the modulation signal in the network R peaks which allows to obtain electron beams much more homogeneous than in the past.
  • the typical values for such a network of spikes R are of the order of 50 micrometers by 300 micrometers. A spread over a distance of the order of 50 micrometers does not provide any significant disturbance to 10GHz.
  • the semiconductor element S of modulation which delivers the microwave modulation signal can be for example a transistor or a diode.
  • its area is of the order 500 micrometers by 200 micrometers with an active part by significantly smaller, about 50 micrometers by 200 micrometers.
  • the microline L it can have a length of about 100 micrometers or even several hundred micrometers without introducing of significant disturbance.
  • FIG. 3a shows in section, an example of field effect cathode according to the invention.
  • the network of points R, the microline L and the semiconductor element S of modulation are discrete and integral with the same dielectric support 100.
  • the network of points R, the microligne L and the semiconductor element Modulation S are each reported by brazing on a conductive pad respectively 10R, 10L, 10S carried by one of the faces of the dielectric support 100.
  • the solder is shown in thick blackened line.
  • This dielectric support 100 has an essentially mechanical role but it may be interesting to place on its other main face a coating conductor 101 so as to achieve a local ground plane.
  • the microline L is a microstrip line. We could consider that it is a line coplanar and on the figure in section she would have the same profile.
  • the line to microstrip L conventionally comprises a conductive plane 10.1 or ground plane, then an electrically insulating or semi-insulating layer 12 then a conductive strip 11.
  • the conductive plane 10.1 is attached to the conductive pad 10L of the dielectric support 100.
  • the conductive plane 10.1 and the conductive strip 11 may be of nickel or a base alloy titanium, gold, platinum for example.
  • the electrically insulating layer or semi-insulating 12 may be ceramic, silica or even carbide of silicon for example.
  • the ribbon 11 of the microligne L can be discontinuous and formed of two sections interconnected by a capacitor C reported, for example, between two sections. This capacitor C participates in the impedance matching.
  • the network of points R comprises a substrate 13 electrically insulating or semi-insulating with a 13.1 layer on one side conductive or semi-conductive, MP emitting points in contact with the conductive or semiconductor layer 13.1, a layer dielectric 14 provided with cavities 15 each housing one of the points MP, the dielectric layer 14 being surmounted by a conductive grid G which at least partially surrounds the cavities 15.
  • the other side of the substrate 13 is coated with a conductive coating 10.2 to join it by soldering on the dielectric support 100.
  • the substrate 13 when it is insulating can be for example in glass, alumina, silica and when it is semi-insulating, for example in silicon carbide SiC.
  • the materials of the substrate 13 are chosen for their ability to withstand significant voltages, for example of the order of a few hundred volts without damage as well as temperatures high, of the order of 400 ° C for example, these temperatures being reached when the cathode is mounted in a microwave tube that is parboiled to get a good vacuum.
  • all incoming materials in the composition in the cathode according to the invention must be able to withstand steaming and must not degas under vacuum.
  • the dielectric layer 14 may be silica SiO 2 for example and the gate G and MP points molybdenum for example.
  • the semiconductor element S of modulation is in the example of Figure 3a a transistor. More specifically, in this example it is a MESFET type transistor, but of course other types of transistors are usable. It comprises a conductive layer 10.3 for the solder then a substrate 16 of semiconductor material with semi-insulating properties, then a semiconductor coating 18 of type N, realized preferably in two layers 18.1, 18.2, the surface layer 18.1 or contact layer is N + doped and therefore more conductive than the 18.2 background or N-doped active layer, then two ohmic contacts, one of drain Ds and one of source Ss and a Schottky gate contact Gs between ohmic contacts Ds, Ss.
  • a passivation layer 21 on the coating 18, it may be silica by example.
  • the microligne L is connected at one of its ends to the element modulation semiconductor S, in the example described at its drain Ds, at its other end to the network of points R, in the example at level of the grid G.
  • the grid G of the network of points R is brought to a E1 bias voltage and MP peaks at a ground potential.
  • the source Ss of the semiconductor element S modulation is connected to a ground potential and the Gs gate receives a modulation HF signal microwave that the semiconductor element will amplify. Connections described above can be achieved by wired wiring (known as English denomination of wire bonding) with 20.1 gold wires for example.
  • the semiconductor modulation element S is now a diode, it can for example be of type Gunn or IMPATT. It comprises a first conductive layer K which forms its cathode and that will be soldered on the appropriate conductive pad 10S of the 100 dielectric support. Its anode A is formed by a second layer conductive layer and these two conductive layers A, K are separated by a semiconductor layer 30. Its cathode K is connected to a mass and its anode A at one end of the microligne L.
  • Figure 3b differs from the FIG. 3a in that the electrically conductive or semi-conducting layer 13.1 is obtained by surface doping of the semi-insulating layer 13 then made of a semiconductor material with properties semi-insulating materials such as, for example, silicon carbide.
  • the MP tips are also made with the semiconductor material to semi-insulating properties rendered semiconductor by doping. Peaks MP could of course be made of an electrically conductor such as molybdenum.
  • ribbon 11 is a beach conductor carried by the dielectric support 100, on the face where reported the network of points R and the semiconductor element S of modulation. Its ground plane is formed by the conductive layer 101. It has an anti-radiation screen function. We find the ribbon 11 in two sections and capacitor C.
  • the grid G is then deposited in molybdenum, for example ( Figure 4b).
  • a masking operation for example by lithography, attack by chemical etching or reactive ion etching (RIE)
  • RIE reactive ion etching
  • the conductive layer of gate G to form openings 17, then the dielectric layer 14 to form the cavities 15 ( Figure 4c).
  • the openings 17 open into the cavities 15.
  • the transistor can be realized in a known manner.
  • An example embodiment is illustrated in FIGS. 5a to 5h and the transistor obtained corresponds to that shown in Figure 3a.
  • silicon SiC or gallium nitride GaN can be obtained by epitaxy whether liquid (LPE), vapor phase (VPE) or by molecular beam (MBE) or ion implantation.
  • a trench 20 is made in the contact layer 18.1 in a median zone of the plate 19 by reactive ion etching (FIG. 5c).
  • a passivation layer 21 is generally deposited afterwards (FIG. 5d). It may be silica SiO 2 or silicon nitride Si 3 N 4 for example.
  • the deposition of the ohmic contacts D s and S s occurs after an etching operation in the passivation layer 21 to the contact layer 18.1, preceded by a masking operation, for example by lithography (FIG. 5e).
  • the two substantially identical ohmic contacts D s and S s are then preferably deposited at the same time, by spraying or evaporation in the etched locations. They are usually nickel.
  • the resin 25 used in the masking operation is then removed (FIG. 5f).
  • the deposition of the Schottky contact G s is carried out separately, again in the case of the trench 20, an etching operation in the passivation layer 21 to the active layer 18.2 preceded by a masking operation for example by lithography ( Figure 5g).
  • the contact Schottky G s . titanium for example is deposited by spraying or evaporation in the etched location and is then removed from the resin 27 which was used in the masking operation.
  • the electrical connections of the network of R points and the S semiconductor element are in the form of wires 20.1. It may be advantageous to reduce or even delete the number of wired links.
  • FIG. 7a, 7b illustrate this configuration.
  • a wired link can have a disruptive effect on the electron emission diagram.
  • a Wired link is equivalent to a parasitic inductance.
  • the S-shaped semiconductor element shown schematically is transistor type. It has three studs: a stud of drain pd, a source pad ps, a grid gate pg each coming into contact electrical with a suitable conductive pad of the dielectric support 100. More particularly the drain pad pd comes into contact with the ribbon 11 of the microline L, the gate pin pg comes into electrical contact with a conductive pad 70 by which is brought the modulation signal to amplify, as for the source pad ps, it comes in contact with a beach conductive 71 connected to the local ground by a metallized hole 72 which passes through the dielectric support 100, for example.
  • the pads pd, pg, ps also have a mechanical role of maintaining the S modulation semiconductor element on the dielectric support 100, the mechanical connection can be made by fusion between the pads and the conductive pads.
  • This hole 73 is metallized internally and extends to the opposite of the MP points by a contact 74 in the form of a stud conductor 740. It is this pad 740 that will contribute to the electrical connection MP points and mechanical attachment of the network of points R on the dielectric support 100. This pad 740 is in electrical contact with a conductive pad 75 carried by the dielectric support 100, this range conductive 75 being connected in the example to the local mass by any means appropriate.
  • the contact 74 of points is not in form of conductive pad as shown in Figure 7b.
  • the hole 73 is metallized at its walls, this metallization 78 forms a bottom on the side of the tips MP and leads to the opposite of the tips forming a 741 overhang that comes into contact electrical and mechanical with a suitable conductive pad 75 of dielectric support 100.
  • This connection can be soldered.
  • this conductive pad 75 is connected to the local ground by a hole metallized 76 which passes through the dielectric support 100 to the ground plane 101.
  • the metallization 76 is not hatched so as not to overload the Fig.
  • the holes 73 should have a relatively small diameter if the peak density is important in the network. The order of magnitude of their diameter is less than a micrometer. The realization of these holes is delicate. To avoid making too thin holes, you can extend the electrically conductive or semiconductive layer 13.1 which in this variant is continuous from one point to another, by a zone 77 free from MP tip. This variant is illustrated in Figure 7c. We then pierce one or several holes 79 through the electrically insulating or semi-insulating substrate 13 and these holes may be less fine than those in line with MP tips.
  • the metallization 80 of the holes is similar to what has just been described for FIGS. 7a or 7b and the contact 74 with points opposite spikes take the form of either stud or overflow.
  • the electrical connection of the tip contact 74 may be similar to that described in FIGS. 7a, 7b.
  • the mechanical connection of the tip network to the dielectric support 100 can be done as in the examples of FIGS.
  • the thickness to be taken consideration is that of the dielectric layer 14 comprising the cavities
  • the dielectric layer 14 comprising the cavities 15 and that of the electrically insulating substrate 13 or semi-insulating.
  • the orders of magnitude of the thicknesses are as follows: about 1 micrometer for the dielectric layer 14 including the cavities 15 and about 300 micrometers for the electrically insulating substrate 13 or semi-insulating. The energy needed to charge the grid-tip capacity can be reduced for the same emission of electrons.
  • FIG. 7d illustrates this configuration.
  • One or several holes 82 have been made from the grid to the base of the network of points, through firstly the dielectric layer 14 carrying the cavities And on the other hand the electrically insulating or semi-insulating substrate 13. These holes are metallized and arranged so that the metallization 83 is without electrical contact with the electrically conductive or semi-conductive layer 13.1 point support MP which can then be discontinuous.
  • metallization 83 is ends with the contact 81 in the form of a stud or an overflow, the two variants being shown in Figure 7d.
  • one of the contacts 81 comes into mechanical and electrical contact with the ribbon 11 of the microligne L and the other (the one in the form of overflow) comes in contact mechanical and electrical with a conductive pad 84 carried by the support dielectric 100 and connected to the polarization source E1.
  • the holes can be obtained by RIE engraving. It will be possible to produce the electrically conductive layer 13.1 and / or the grid G nickel which is not attacked during the etching, if this last is performed after the deposition of the dielectric layer 14 and the grid G.
  • the metallization of the holes can be carried out in several layers at titanium base, nickel, gold for example. The studs and the overhangs can also be in these materials.
  • the microligne L does not serves not only to electrically connect the semiconductor element S of modulation to the network of spikes R. It also has an adaptation function because the semiconductor element S of modulation and the network of points R have typically have very different output impedances.
  • the impedance of the semiconductor element can be of the order of a few ohms to a few dozens of ohms while that of the network of spikes of the order of the ohm or the tenth of an ohm.
  • the ribbon 11 of the microstrip line will have a geometry that is suitable for performing this adaptation function between the network of points R and semiconductor element S of modulation.
  • the thickness of the insulating substrate 12 participates in this adaptation function.
  • the thickness of the semiconductor element S modulation is of the order of or slightly larger than that of the network of points R so as not to prevent the extraction of electrons, nor deflect their trajectories. A maximum deviation of the order of ten micrometers is acceptable.
  • FIG. 6a represents, in plan view, a cathode according to the invention.
  • the modulation semiconductor element S is always a MESFET transistor. Its source S s is brought to ground, its gate G s connected to a bias source E3 receives the microwave modulation signal HF and its drain D s is connected to a first end of the microstrip line L which is shown as a line microstrip.
  • the second end of the microline L is connected to the gate G of the tip network R.
  • the ribbon geometry of the line L in two sections 11.1, 11.2 connected together by a capacitor C allows the adaptation between the transistor S and the Spike network R.
  • the microstrip line L is connected to a source of bias E2 on the side of its first end. This bias applies to the drain D s of the transistor S.
  • the wired links at both ends of the microline L are referenced 20.1.
  • the peaks MP of the network of points are connected to the mass. This connection is made by an extension of the layer electrically conductive or semiconductive 13.1, without layer cover dielectric, this extension being described in FIG. 7c.
  • the grid G of the network of points R is connected to a source of polarization E1.
  • Decoupling means C ', L1, L2, L3 have been introduced in a manner quite conventional for a person skilled in the art.
  • a capacitor C ' is found between the gate G s of the transistor S and the input of the microwave modulation signal HF, an inductance L3 between the bias source E3 and the gate G s of the transistor S, an inductor L2. between the polarization source E2 and the microstrip line L (drain side D s of the transistor S), an inductance L1 between the bias source E1 and the gate G of the ridge network R.
  • FIG. 6b illustrates a cathode according to the invention in which the semiconductor element S modulation is a diode.
  • the cathode K of the diode is connected to the mass and the anode A at the first end of the microline L which is also connected to the source of polarization E2.
  • SY signal of Synchronization can be injected on the anode A of the diode.
  • SY signal of synchronization can be electric and then we place a capacitor of decoupling C "between the anode A and the arrival of the synchronization signal SY.
  • the synchronization signal could be optical and in this case the element modulation semiconductor S would be an optical component such as a photodiode.
  • the cathode according to the invention comprises a network of points R and a semiconductor element S of discrete modulation, it is possible that the cathode according to the invention is monolithic.
  • FIG. 8 which shows such a cathode monolithic. Electrical connections to local ground or to a source polarization were not represented for the sake of clarity, but they can be carried out according to one of the methods described previously.
  • the network of points R, the microligne L and the semiconductor element S modulation are integrated on the same substrate 200 semiconductor with semi-insulating properties such as silicon carbide by example. From the point of view of heat evacuation, it gives all satisfaction.
  • This common substrate 200 has one of its faces main coated with a conductive layer 201 which serves as a plane of local mass. On the other main face, an area I is determined for at minus a network of points R, a zone II for the microline L and a zone III for the semiconductor element S of modulation.
  • zone III the semiconductor element S of modulation and this realization can be done as illustrated in FIGS. 5, the substrate 200 then being equivalent to the substrate 16.
  • the zone of points R and this embodiment can be done as illustrated in FIGS. 4, the substrate 200 being then equivalent to the electrically insulating or semi-insulating layer 13.
  • zone II the microlignee L is made and its structure is equivalent to that shown in Figure 3b.
  • the substrate 200 corresponds virtually to that referenced 100 in Figure 3b.
  • the drain of the transistor, the ribbon of the microligne and the grid of the network of spikes can be done during a same step in the same material.
  • the passivation layer 21 of the element semiconductor modulation, of dielectric material can extend in zone II by covering the substrate 200 and in zone I by forming the dielectric layer comprising cavities 15.
  • Such a cathode with monolithic field effect is very interesting because it is compact, its cost is reduced compared to that a cathode with discrete elements because it uses less materials and its realization takes less time.

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Description

La présente invention concerne les cathodes à effet de champ (dénommées "field emission array" en langue anglaise, soit FEA). Ces cathodes sont déjà utilisées dans certains types de tubes électroniques de grande puissance expérimentaux, tels que les magnétrons relativistes, les vircators... mais aussi dans de nouveaux tubes de types plus conventionnels comme les tubes à ondes progressives pour des applications en radar ou en télécommunication.
Dans ce second cas, la cathode est formée d'au moins un réseau de pointes comportant un substrat recouvert d'une couche diélectrique avec des cavités, chacune accueillant une pointe émissive en saillie, une grille placée à la surface de la couche diélectrique entoure au moins partiellement les cavités.
Pour extraire des électrons depuis les pointes, on applique une différence de potentiel entre la grille et les pointes. L'émission d'électrons peut être modulée en densité en modulant la tension appliquée à la grille.
D'un point de vue électrique, la grille et l'ensemble substrat-pointes séparés par la couche diélectrique sont équivalents à une forte capacité de l'ordre de 10 à 100 pF/mm2 et la conductance correspondante est de l'ordre de quelques dizaines mS/mm2 vers 10 GHz.
Typiquement si on applique environ 80 V entre la grille et l'ensemble substrat-pointes, on peut extraire un courant de 1 µA/pointe, les pointes ayant une densité de l'ordre de 106 à 107 au centimètre carré
A des fréquences de 10 à 100 kHz, l'impédance présentée par la grille au modulateur qui l'alimente, est essentiellement réelle et reste de quelques dizaines d'ohms, ce qui permet d'utiliser un modulateur de puissance raisonnable.
Les développements en cours concernent le fonctionnement de ces cathodes, à effet de champ en hyperfréquence. L'avantage d'un tube électronique utilisant une telle cathode modulée en hyperfréquence est qu'il peut être très compact, qu'il peut être construit en se passant de focalisateur et que son rendement est élevé. On peut espérer obtenir des tubes dont le principe de fonctionnement sera comparable à celui des IOT (abréviation en langue anglaise de Inductive Output Tube soit tube à sortie inductive), mais fonctionnant avec des fréquences bien plus élevées.
Mais si la grille est modulée en hyperfréquence, l'impédance présentée par la grille au modulateur qui l'alimente devient très faible à cause de la réactance de la capacité qui est très faible (0,1 à 1Ω/mm2 vers 10 GHz par exemple), ce qui impose un modulateur à largeur de bande équivalente à celle des tubes classiques, à puissance très élevée pour obtenir une intensité de courant satisfaisante.
Le modulateur est relié à la grille par une ligne de transmission hyperfréquence, généralement une ligne à microruban. Une autre raison imposant au modulateur une puissance élevée est que le signal de modulation appliqué à la grille se réfléchit à la transition entre la ligne de transmission et la grille.
A cet effet la figure 1a montre en vue de dessus une cathode à effet de champ de type connu. La cathode 1 comporte quatre réseaux 2 de pointes en forme de secteur regroupés sur un même support 50 électriquement conducteur. Chaque réseau comporte un substrat conducteur référencé 3, une couche diélectrique référencée 4 avec des cavités 5 dans lesquelles prennent place des pointes émissives 6, la couche diélectrique est surmontée d'une grille 7. On se réfère aussi à la figure 1 b.
L'alimentation électrique de chacun des réseaux 2 se fait à l'aide de lignes à microruban 8 reliant chacune un réseau de pointes 2 à un modulateur M de puissance situé à distance. On a schématisé un modulateur M par réseau de pointes 2 mais un seul peu suffire pour tous. Les lignes à microruban 8 sont longues, elles occupent une surface bien plus importante que celle des réseaux de pointes 2. On ne peut pas approcher le modulateur M tout près des réseaux de pointes 2 car il est bien plus encombrant que les réseaux de pointes.
Dans la configuration décrite et illustrée, le support 50 conducteur sert de plan conducteur pour les lignes à microruban 8. L'isolant des lignes à microruban est référencé 8.2 et le ruban conducteur 8.3.
Chaque ligne à microruban 8 est électriquement reliée à un réseau de pointes 2 par un conducteur 9 solidaire d'un côté du ruban conducteur 8.3 et de l'autre de la grille 7 du réseau 2 de pointes.
Les modulateurs M doivent générer un signal hyperfréquence à fort niveau notamment parce qu'étant situés assez loin des réseaux de pointes 2, ils en sont reliés par des lignes qui engendrent une forte réflexion côté grille, et parce qu'il se produit également des réflexions dans les réseaux de pointe à cause de la présence des pointes 6.
Plus on s'éloigne de la ligne à microruban 8 en pénétrant dans le réseau de pointes 2, plus le signal est affaibli et plus la densité de courant produite par les pointes est petite. Cela conduit à un faisceau électronique inhomogène, préjudiciable au bon fonctionnement d'un tube électronique. Au-delà de 100 micromètres de propagation dans le réseau de pointes 2, le signal de modulation devient inefficace.
La forme en secteur donnée aux réseaux de pointes 2, permet si on ne dépasse pas une largeur de 50 à 100 micromètres, d'améliorer l'homogénéité du faisceau. Mais on est limité en densité de courant car on ne peut faire avoisiner un grand nombre de réseaux de pointes sans augmenter considérablement la surface qu'il occupe à cause de l'encombrement des lignes à microruban venant du modulateur M.
Le but de l'invention est de proposer une cathode n'ayant pas ces inconvénients. La présente invention propose une cathode à effet de champ modulable en hyperfréquence, formée d'au moins un réseau de pointes émissives, susceptible d'émettre des électrons avec une densité de courant beaucoup plus importante que celle des cathodes à effet de champ existantes. Cette cathode à l'avantage de ne nécessiter ni de modulateur de puissance conventionnel pour commander l'émission d'électrons, ni de ligne de transmission à fort niveau. Les modulateurs conventionnels sont coûteux, gourmands en électricité et posent des problèmes de refroidissement. Les lignes de transmission posent des problèmes de retards différentiels de phase du signal hyperfréquence et d'affaiblissement.
Pour y parvenir la présente invention est une cathode à effet de champ modulable en hyperfréquence, comportant au moins un réseau de pointes émissives, et des moyens pour produire un signal de modulation hyperfréquence à destination des pointes, dans lequel les moyens pour produire le signal de modulation comprennent un élément semi-conducteur, caractérisée en ce qu'une micro-ligne d'adaptation d'impedance, de longueur n'excédant pas plusieurs centaines de micromètres, est interposée entre l'élément semiconducteur et le réseau de pointes, pour acheminer le signal de modulation de l'élément semiconducteur au réseau.,
La microligne est une ligne notamment de type à microruban ou coplanaire, dont le ruban conducteur est relié à une de ses extrémités au réseau de pointes et à l'autre extrémité à l'élément semi-conducteur de modulation.
L'élément semi-conducteur de modulation est de type transistor notamment MESFET ou de type diode.
Pour réaliser l'adaptation d'impédance le ruban conducteur de la microligne peut être configuré en deux tronçons reliés entre eux par un condensateur.
La microligne peut aussi avoir une fonction de polarisation et être reliée à une source de polarisation.
Au moins un élément pris parmi le réseau de pointes, l'élément semi-conducteur de modulation et la microligne est discret.
Au moins deux éléments pris parmi le réseau de pointes, l'élément semi-conducteur de modulation et la microligne sont solidaires d'un même support électriquement isolant ou semi-isolant. Les deux éléments peuvent être montés sur une face du support dont l'autre face est revêtue d'une couche conductrice qui sert de plan de masse.
Il est possible de relier la microligne au réseau de pointes et/ou à l'élément semi-conducteur de modulation par une liaison filaire.
Mais pour éviter des perturbations d'émission, il est avantageux d'éviter les liaisons filaires au niveau du réseau de pointes. Le réseau de pointes comporte un substrat électriquement isolant ou semi-isolant avec sur une face une couche conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives en contact électrique avec la couche conductrice ou semi-conductrice, une couche diélectrique munie de cavités logeant chacune une des pointes, la couche diélectrique étant surmontée d'une grille conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités. Le substrat est traversé par au moins un trou métallisé qui contribue à relier électriquement les pointes à l'autre face du substrat. Le trou métallisé peut se prolonger par un contact qui est rapporté sur une plage conductrice appropriée du support.
Le substrat et la couche diélectrique peuvent aussi être traversés par au moins un trou métallisé qui contribue à relier électriquement la grille à l'autre face du substrat. On peut alors supprimer des liaisons filaires associées aux pointes et/ou à la grille.
Pour supprimer une ou plusieurs liaisons filaires au niveau de l'élément semi-conducteur de modulation, il est possible d'utiliser un élément compatible avec une technique de report par microbossages.
La microligne est aisément réalisable sous une forme intégrée au support électriquement isolant ou semi-isolant même si le réseau de pointes et/ou l'élément semi-conducteur de modulation sont discrets.
Pour obtenir une cathode à effet de pointes compacte et relativement bon marché, il est intéressant que le réseau de pointes, la microligne et l'élément semi-conducteur de modulation soient intégrés sur un même substrat semi-conducteur. De préférence, le semi-conducteur employé est semi-isolant tel que le carbure de silicium.
La microligne peut alors posséder un ruban qui se prolonge d'un côté pour former une grille du réseau de pointes et de l'autre côté pour former un contact de l'élément semi-conducteur de modulation.
On notera qu'on connaít d'après le brevet US 5,268,648 une cathode à effet de champ dans laquelle le réseau de pointes est déposé directement sur le drain du transistor de commande, sans interposition de ligne d'adaptation d'impédance.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaítront dans la description qui suit et dans les figures annexées qui représentent :
  • les figures 1 a, 1 b déjà décrites une vue de dessus et une vue en coupe partielle d'une cathode à effet de champ connue ;
  • la figure 2 une vue de dessus d'un exemple de réalisation d'une cathode à effet de champ selon l'invention ;
  • les figures 3a, 3b des exemples de réalisation de cathodes à effet de champ selon l'inventions dans lesquelles l'élément semi-conducteur de modulation est un transistor ou une diode ;
  • les figures 4a à 4e différentes étapes pour réaliser le réseau de pointes d'une cathode à effet de champ selon l'invention ;
  • les figures 5a à 5h différentes étapes pour réaliser l'élément semi-conducteur de modulation d'une cathode à effet de champ selon l'invention ;
  • les figures 6a, 6b des exemples de schémas électriques de montage de cathodes à effet champ selon l'invention ;
  • les figures 7a à 7d de nouveaux exemples de cathodes selon l'invention dans lesquels certaines liaisons filaires ont été supprimées ;
  • les figures 7a à 7d de nouveaux exemples de cathodes selon l'invention dans lesquels certaines liaisons filaires ont été supprimées ;
  • la figure 8 un exemple de cathode à effet champ monolithique selon l'invention.
Les différents composants des cathodes selon l'invention ne sont pas représentés à l'échelle dans un souci de clarté.
La figure 2 montre de manière schématique, en vue de dessus, une cathode à effet de champ, modulable en hyperfréquence selon l'invention.
La cathode comporte au moins un réseau de pointes R classique en lui-même, des moyens S pour produire un signal de modulation hyperfréquence qui commande l'émission d'électrons et des moyens L pour acheminer le signal au réseau de pointes R.
Selon l'invention, les moyens S pour produire le signal de modulation hyperfréquence comportent un élément semi-conducteur de modulation placé juste à côté du réseau de pointes R, tandis que les moyens pour l'acheminer au réseau de pointes R sont une microligne courte introduisant une perturbation pratiquement négligeable. La microligne n'a pas qu'un rôle de liaison électrique entre le réseau de pointes et l'élément semi-conducteur de modulation. Elle a aussi une fonction d'adaptation d'impédance entre le réseau de pointes et l'élément semi-conducteur de modulation. Par ailleurs elle peut aussi acheminer au moins une tension de polarisation.
De cette manière, on peut se passer de modulateur de puissance conventionnel encombrant et coûteux et de ligne à fort niveau qui posaient des problèmes. Un même élément de modulation semi-conducteur S peut commander l'émission de plusieurs réseaux de pointes R.
L'agencement des réseaux de pointes R offre un très grand nombre de possibilités. Il est possible de concentrer sur une petite superficie un grand nombre de réseaux de pointes R, ce qui permet d'obtenir des densités de courant accrues. Chaque réseau de pointes R peut avoir des dimensions optimales pour qu'il n'y ait pas ou très peu de perturbation du signal de modulation dans le réseau R de pointes ce qui permet d'obtenir des faisceaux d'électrons bien plus homogènes que par le passé. Les valeurs typiques pour un in tel réseau de pointes R sont de l'ordre de 50 micromètres par 300 micromètres. Une propagation sur une distance de l'ordre de 50 micromètres ne procure pas de perturbation sensible vers 10GHz.
L'élément semi-conducteur S de modulation qui délivre le signal de modulation hyperfréquence, peut être par exemple un transistor ou une diode. Dans le cas d'un transistor MESFET, sa superficie est de l'ordre de 500 micromètres par 200 micromètres avec une partie active pa sensiblement plus petite, environ 50 micromètres par 200 micromètres. Quant à la microligne L, elle peut avoir une longueur d'environ 100 micromètres voire même plusieurs centaines de micromètres sans introduire de perturbation sensible.
Sur la figure 3a on a représenté en coupe, un exemple de cathode à effet de champ selon l'invention. Dans cette configuration le réseau de pointes R, la microligne L et l'élément semi-conducteur S de modulation sont discrets et solidaires d'un même support diélectrique 100. Dans cet exemple, le réseau de pointes R, la microligne L et l'élément semi-conducteur S de modulation sont rapportés chacun par brasage sur une plage conductrice respectivement 10R, 10L, 10S portée par une des faces du support diélectrique 100. La brasure est représentée en trait épais noirci. Ce support diélectrique 100 a un rôle essentiellement mécanique mais il peut être intéressant de placer sur son autre face principale un revêtement conducteur 101 de manière à réaliser un plan de masse locale.
On suppose que, dans l'exemple décrit, la microligne L est une ligne à microruban. On pourrait envisager que ce soit une ligne coplanaire et sur la figure en coupe elle aurait le même profil. La ligne à microruban L comporte de manière classique, un plan conducteur 10.1 ou plan de masse, puis une couche électriquement isolante ou semi-isolante 12 puis un ruban conducteur 11. Le plan conducteur 10.1 est rapporté sur la plage conductrice 10L du support diélectrique 100. Le plan conducteur 10.1 et le ruban conducteur 11 peuvent être en nickel ou dans un alliage à base de titane, d'or, de platine par exemple. La couche électriquement isolante ou semi-isolante 12 peut être en en céramique, en silice ou même en carbure de silicium par exemple.
Comme on le verra ultérieurement sur les figures 6a, 6b, le ruban 11 de la microligne L peut être discontinu et formé de deux tronçons reliés entre eux par un condensateur C rapporté, par exemple, entre les deux tronçons. Ce condensateur C participe à l'adaptation d'impédance.
Le réseau de pointes R comporte un substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant avec sur une face une couche 13.1 conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives MP en contact électrique avec la couche conductrice ou semi-conductrice 13.1, une couche diélectrique 14 munie de cavités 15 logeant chacune une des pointes MP, la couche diélectrique 14 étant surmontée d'une grille G conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités 15. L'autre face du substrat 13 est revêtue d'un revêtement conducteur 10.2 pour le solidariser par brasure sur le support diélectrique 100.
Le substrat 13 lorsqu'il est isolant peut être par exemple en verre, en alumine, en silice et lorsqu'il est semi-isolant par exemple en carbure de silicium SiC. On choisit les matériaux du substrat 13 pour leur capacité à supporter des tensions importantes, par exemple de l'ordre de quelques centaines de volts sans dommage ainsi que des températures élevées, de l'ordre de 400°C par exemple, ces températures étant atteintes lorsque la cathode est montée dans un tube hyperfréquence qui est étuvé pour obtenir un bon vide. De manière générale tous les matériaux entrant dans la composition dans la cathode selon l'invention doivent pouvoir supporter l'étuvage et ne doivent pas dégazer sous vide.
La couche diélectrique 14 peut être en silice SiO2 par exemple et la grille G et les pointes MP en molybdène par exemple.
L'élément semi-conducteur S de modulation est dans l'exemple de la figure 3a un transistor. Plus précisément, dans cet exemple il s'agit d'un transistor de type MESFET, mais bien entendu d'autres types de transistors sont utilisables. Il comporte une couche conductrice 10.3 pour la brasure puis un substrat 16 en matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes, puis un revêtement semi-conducteur 18 de type N, réalisé préférentiellement en deux couches 18.1, 18.2, la couche de surface 18.1 ou couche de contact est dopée N+ et donc plus conductrice que la couche de fond 18.2 ou couche active dopée N, puis deux contacts ohmiques, un de drain Ds et un de source Ss et un contact Schottky de grille Gs entre les contacts ohmiques Ds, Ss. On a aussi représenté dans cet exemple une couche de passivation 21 sur le revêtement 18, elle peut être en silice par exemple.
La microligne L est reliée à une de ses extrémités à l'élément semi-conducteur de modulation S, dans l'exemple décrit au niveau de son drain Ds, à son autre extrémité au réseau de pointes R, dans l'exemple au niveau de la grille G. La grille G du réseau de pointes R est portée à une tension de polarisation E1 et les pointes MP à un potentiel de masse. La source Ss de l'élément semi-conducteur de modulation S est reliée à un potentiel de masse et la grille Gs reçoit un signal HF de modulation hyperfréquence que l'élément semi-conducteur va amplifier. Les liaisons décrites ci-dessus peuvent être réalisées par câblage filaire (connu sous la dénomination anglaise de wire bonding) avec des fils 20.1 d'or par exemple.
Sur la figure 3b, l'élément semi-conducteur de modulation S est maintenant une diode, elle peut par exemple être de type Gunn ou IMPATT. Elle comporte une première couche conductrice K qui forme sa cathode et qui va être brasée sur la plage conductrice appropriée 10S du support 100 diélectrique. Son anode A est formée par une seconde couche conductrice et ces deux couches conductrices A, K sont séparées par une couche semi-conductrice 30. Sa cathode K est reliée à une masse et son anode A à une extrémité de la microligne L.
Au niveau du réseau de pointes R, la figure 3b diffère de la figure 3a par le fait que la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 est obtenue par dopage en surface de la couche semi-isolante 13 alors réalisée dans un matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes tel que par exemple le carbure de silicium. Dans l'exemple les pointes MP sont aussi réalisées avec le matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes rendu semi-conducteur par dopage. Les pointes MP auraient pu bien sur être réalisées en un matériau électriquement conducteur tel que le molybdène.
En ce qui concerne la microligne L elle est maintenant intégrée dans le support diélectrique 100. Son ruban 11 est une plage conductrice portée par le support diélectrique 100, sur la face où sont rapportés le réseau de pointes R et l'élément semi-conducteur S de modulation. Son plan de masse est formé par la couche conductrice 101. Elle a une fonction d'écran antifuite de rayonnement. On retrouve le ruban 11 en deux tronçons et le condensateur C.
Les techniques employées pour réaliser le réseau de pointes R peuvent être celles classiques de l'industrie des semi-conducteurs. Un exemple de réalisation est illustré aux figures 4a à 4e. Ces figures illustrent le cas d'un réseau de pointes discret tel que celui décrit à la figure 3a.
On part d'un substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. On suppose dans l'exemple qu'il est en verre par exemple. On dépose dessus une couche électriquement conductrice 13.1, en molybdène par exemple par évaporation sous vide. On dépose ensuite la couche diélectrique 14 qui peut être en silice par exemple (figure 4a).
On dépose ensuite la grille G en molybdène par exemple (figure 4b). Après une opération de masquage, par exemple par lithographie, on attaque par gravure chimique ou gravure ionique réactive (RIE), la couche conductrice de grille G pour former des ouvertures 17, puis la couche diélectrique 14 pour former les cavités 15 (figure 4c). Les ouvertures 17 débouchent dans les cavités 15.
Le dépôt des pointes MP réalisées, en molybdène Mo par exemple, peut se faire par évaporation sous vide. (figure 4d).
Par attaque chimique, on enlève ensuite tout ce qui se trouve au-dessus de la grille G (figure 4e), c'est à dire la résine 25 qui a servi dans l'opération de masquage et le métal en excès des pointes MP se trouvant sur la résine 25 et référencé 26. On métallise en 10.2 le substrat 13 sur sa face opposée à celle portant les pointes MP pour pouvoir solidariser par une brasure à l'or par exemple le réseau de pointes R au support diélectrique 100. Cette étape aurait pu intervenir avant.
Le transistor peut être réalisé de manière connue. Un exemple de réalisation est illustré aux figures 5a à 5h et le transistor obtenu correspond à celui illustré à la figure 3a.
On dépose sur un substrat 16 en matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes (du carbure de silicium par exemple) un revêtement 18 plus conducteur. (figure 5a). Il est préférable de réaliser ce revêtement 18 en deux couches 18.1, 18.2, la couche 18.1 en surface, dopée N+ est la couche de contact et la couche 18.2 entre le substrat 16 et la couche de contact 18.1 est la couche active et est dopée N. Ces dépôts en silicium SiC ou en nitrure de gallium GaN, par exemple, peuvent être obtenus par épitaxie qu'elle soit liquide (LPE), en phase vapeur (VPE) ou par jet moléculaire (MBE) ou bien encore par implantation ionique.
Par gravure ionique réactive jusque dans le substrat 16, on délimite un plateau 19 ou mésa (figure 5b).
Une tranchée 20 est réalisée dans la couche de contact 18.1 dans une zone médiane du plateau 19 par gravure ionique réactive (figure 5c).
Une couche de passivation 21 est généralement déposée ensuite (figure 5d). Elle peut être en silice SiO2 ou en nitrure de silicium Si3N4 par exemple.
Le dépôt des contacts ohmiques Ds et Ss se fait après une opération de gravure dans la couche de passivation 21 jusqu'à la couche de contact 18.1, précédée d'une opération de masquage par exemple par lithographie (figure 5e). Les deux contacts ohmiques Ds et Ss, sensiblement identiques sont ensuite déposés de préférence en même temps, par pulvérisation ou évaporation dans les emplacement gravés. Ils sont généralement en nickel. On procède ensuite au retrait de la résine 25 qui a servi dans l'opération de masquage (figure 5f).
Le dépôt du contact Schottky Gs se fait séparément, là aussi on procède au niveau de la tranchée 20, à une opération de gravure dans la couche de passivation 21 jusqu'à la couche active 18.2 précédée d'une opération de masquage par exemple par lithographie (figure 5g). Le contact Schottky Gs. en titane par exemple est déposé par pulvérisation ou évaporation dans l'emplacement gravé puis on procède au retrait de la résine 27 qui a servi dans l'opération de masquage. On procède à une opération de métallisation (référence 10.3) du substrat 16 sur la face opposée à celle portant les contacts pour pouvoir solidariser par une brasure à l'or, par exemple, l'élément semi-conducteur de modulation au support diélectrique 100 (figure 5h).
Dans ce qui vient d'être décrit, les liaisons électriques du réseau de pointes R et de l'élément semi-conducteur de modulation S sont sous forme de fils 20.1. Il peut être avantageux de réduire voire de supprimer le nombre de liaisons filaires.
Dans cette optique, il est possible d'utiliser un élément semi-conducteur de modulation compatible avec un montage connu sous la dénomination anglaise de " flip chip " ou de " report par microbossages " en langue française. En ce qui concerne le réseau de pointes R il peut aussi être compatible avec ce type de montage. Les figures 7a, 7b illustrent cette configuration. Au niveau du réseau de pointes R, une liaison filaire peut avoir un effet perturbateur sur le diagramme d'émission des électrons. Une liaison filaire est équivalente à une inductance parasite.
Au point de vue surface utile du support diélectrique 100, il est possible de la réduire en supprimant certaines liaisons filaires car on peut aussi supprimer certaines plages conductrices par exemple celle de masse locale pour les pointes MP. Cette réduction de surface est avantageuse.
L'élément semi-conducteur de modulation S représenté schématiquement est de type transistor. Il comporte trois plots : un plot de drain pd, un plot de source ps, un plot de grille pg venant chacun en contact électrique avec une plage conductrice appropriée du support diélectrique 100. Plus particulièrement le plot de drain pd vient en contact avec le ruban 11 de la microligne L, le plot de grille pg vient en contact électrique avec une plage conductrice 70 par laquelle est amené le signal de modulation à amplifier, quant au plot de source ps, il vient en contact avec une plage conductrice 71 reliée à la masse locale par un trou métallisé 72 qui traverse le support diélectrique 100, par exemple. Les plots pd, pg, ps ont aussi un rôle mécanique de maintien de l'élément semi-conducteur de modulation S sur le support diélectrique 100, la liaison mécanique peut se faire par fusion entre les plots et les plages conductrices.
On va maintenant décrire plus en détail le réseau de pointes R dans lequel un contact 74 de pointes MP est ramené à la base du réseau à l'opposé des pointes. Ce réseau de pointes R pourrait être utilisé indépendamment de l'élément semi-conducteur de modulation S et de la microligne L. Dans l'exemple de la figure 7a, on retrouve le substrat électriquement isolant ou semi-isolant 13 percé de part en part d'au moins un trou 73. Ce trou débouche au niveau de la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 support d'au moins une pointe MP. Il se trouve à l'aplomb d'une pointe MP.
On retrouve la couche diélectrique 14 comportant les cavités 15 et la grille G sans modification par rapport à ce qui est montré à la figure 3a.
Ce trou 73 est métallisé intérieurement et se prolonge à l'opposé des pointes MP par un contact 74 prenant la forme d'un plot conducteur 740. C'est ce plot 740 qui va contribuer à la liaison électrique des pointes MP et à la solidarisation mécanique du réseau de pointes R sur le support diélectrique 100. Ce plot 740 est en contact électrique avec une plage conductrice 75 portée par le support diélectrique 100, cette plage conductrice 75 étant reliée dans l'exemple à la masse locale par tout moyen approprié.
On peut envisager que le contact 74 de pointes ne soit pas en forme de plot conducteur comme illustré sur la figure 7b. Sur ce nouvel exemple de réalisation, le trou 73 est métallisé au niveau de ses parois, cette métallisation 78 forme un fond du côté des pointes MP et débouche à l'opposé des pointes en formant un débord 741 qui vient en contact électrique et mécanique avec une plage conductrice appropriée 75 du support diélectrique 100. Cette liaison peut se faire par brasure. Dans l'exemple, cette plage conductrice 75 est reliée à la masse locale par un trou métallisé 76 qui traverse le support diélectrique 100 jusqu'au plan de masse locale 101. La métallisation 76 n'est pas hachurée pour ne pas surcharger la figure.
Dans l'exemple décrit à la figure 7b, on a représenté autant de trous 73 que de pointes MP et la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 support des pointes MP est discontinue et prend la forme de pastilles servant chacune de base à une pointe MP. Dans les exemples des figures 3 et 7a, on a représenté une couche 13.1 continue qui forme un tapis sous les pointes.
Les trous 73 doivent avoir un diamètre relativement petit si la densité des pointes est importante dans le réseau. L'ordre de grandeur de leur diamètre est inférieur au micromètre. La réalisation de ces trous est délicate. Pour éviter de réaliser des trous trop fins, on peut prolonger la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 qui dans cette variante est continue d'une pointe à une autre, par une zone 77 exempte de pointe MP. Cette variante est illustrée à la figure 7c. On perce alors un ou plusieurs trous 79 au travers du substrat électriquement isolant ou semi-isolant 13 et ces trous peuvent être moins fins que ceux à l'aplomb des pointes MP.
La métallisation 80 des trous est similaire à ce qui vient d'être décrit pour les figures 7a ou 7b et le contact 74 de pointes à l'opposé des pointes prend la forme soit de plot, soit de débord. La liaison électrique du contact 74 de pointes peut être similaire à ce qui est décrit aux figures 7a, 7b. La liaison mécanique du réseau de pointes au support diélectrique 100 peut se faire comme dans les exemples des figures 3.
Un autre avantage très important de ramener un contact de pointes MP à la base du réseau de pointes R à travers le substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant est que l'on augmente considérablement l'épaisseur de matériau isolant entre la grille G et ce contact de pointes. En conséquence, on réduit de manière importante la capacité grille-pointes. Sur la figure 3a, l'épaisseur à prendre en considération est celle de la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 alors que sur la figure 7a il s'agit de celle de la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 et de celle du substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. Les ordres de grandeurs des épaisseurs sont les suivants : environ 1 micromètre pour la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 et environ 300 micromètres pour le substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. L'énergie nécessaire pour charger la capacité grille-pointe peut être diminuée pour une même émission d'électrons.
Il peut aussi être avantageux de supprimer les liaisons filaires de la grille G et de ramener un contact 81 de grille à la base du réseau de pointes à l'opposé de la grille. La figure 7d illustre cette configuration. Un ou plusieurs trous 82 ont été réalisés depuis la grille jusqu'à la base du réseau de pointes, à travers d'une part la couche diélectrique 14 portant les cavités 15 et d'autre part le substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. Ces trous sont métallisés et on s'arrange pour que la métallisation 83 soit sans contact électrique avec la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 support des pointes MP qui peut alors être discontinue. On retrouve les pastilles comme à la figure 7b.
A la base du réseau R de pointes, la métallisation 83 se termine par le contact 81 en forme de plot ou de débord, les deux variantes étant représentées sur la figure 7d.
Dans l'exemple de la figure 7d, l'un des contacts 81 (celui en forme de plot) vient en contact mécanique et électrique avec le ruban 11 de la microligne L et l'autre (celui en forme de débord) vient en contact mécanique et électrique avec une plage conductrice 84 portée par le support diélectrique 100 et reliée à la source de polarisation E1.
Au point de vue réalisation, les trous peuvent être obtenus par gravure RIE. On pourra réaliser la couche électriquement conductrice 13.1 et/ou la grille G en nickel qui n'est pas attaquée lors de la gravure, si cette dernière est effectuée après le dépôt de la couche diélectrique 14 et de la grille G. La métallisation des trous peut être réalisée en plusieurs couches à base de titane, nickel, or par exemple. Les plots et les débords peuvent aussi être dans ces matériaux.
On se réfère de nouveau à la figure 3a. La microligne L ne sert pas qu'à relier électriquement l'élément semi-conducteur S de modulation au réseau de pointes R. Elle a aussi une fonction d'adaptation car l'élément semi-conducteur S de modulation et le réseau de pointes R ont généralement des impédances de sortie très différentes. L'impédance de l'élément semiconducteur peut être de l'ordre de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms tandis que celle du réseau de pointes de l'ordre de l'ohm ou du dizième d'ohm.
Le ruban 11 de la ligne à microruban possédera une géométrie qui convient pour réaliser cette fonction d'adaptation entre le réseau de pointes R et l'élément semi-conducteur S de modulation. L'épaisseur du substrat isolant 12 participe à cette fonction d'adaptation.
On s'arrange pour que l'épaisseur de l'élément semi-conducteur S de modulation soit de l'ordre de ou légèrement plus grande que celle du réseau de pointes R pour ne pas empêcher l'extraction des électrons, ni dévier leurs trajectoires. Un écart maximum de l'ordre de la dizaine de micromètres est acceptable.
Lors du fonctionnement de la cathode, les tensions à appliquer à la grille G du réseau de pointes peuvent être telles que la microligne L et éventuellement le réseau de pointes R soient reliés à des sources de polarisation. La figure 6a représente, en vue de dessus, une cathode selon l'invention. L'élément semi-conducteur S de modulation est toujours un transistor MESFET. Sa source Ss est portée à la masse, sa grille Gs reliée à une source de polarisation E3 reçoit le signal de modulation hyperfréquence HF et son drain Ds est relié à une première extrémité de la microligne L qui est représentée comme une ligne à microruban.
La seconde extrémité de la microligne L est reliée à la grille G du réseau de pointes R. La géométrie du ruban de la ligne L en deux tronçons 11.1, 11.2 reliés entre eux par un condensateur C permet l'adaptation entre le transistor S et le réseau de pointes R. La ligne à microruban L est reliée à une source de polarisation E2 du côté de sa première extrémité. Cette polarisation s'applique au drain Ds du transistor S. Les liaisons filaires aux deux extrémités de la microligne L sont référencées 20.1.
Les pointes MP du réseau de pointes sont reliées à la masse. Cette liaison se fait par un prolongement de la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1, sans couverture de couche diélectrique, ce prolongement étant décrit à la figure 7c.
Dans l'exemple décrit, la grille G du réseau de pointes R est reliée à une source de polarisation E1.
Des moyens de découplage C', L1, L2, L3 ont été introduits de manière tout à fait classique pour un homme du métier. On trouve, à cet effet un condensateur C' entre la grille Gs du transistor S et l'entrée du signal de modulation hyperfréquence HF, une inductance L3 entre la source de polarisation E3 et la grille Gs du transistor S, une inductance L2 entre la source de polarisation E2 et la ligne à microruban L (côté drain Ds du transistor S), une inductance L1 entre la source de polarisation E1 et la grille G du réseau de pointes R.
De la même manière la figure 6b illustre une cathode selon l'invention dans laquelle l'élément semi-conducteur de modulation S est une diode. Les seules différences par rapport au schéma de la figure 6a se situent au niveau des connexions de la diode. La cathode K de la diode est reliée à la masse et l'anode A à la première extrémité de la microligne L qui est aussi reliée à la source de polarisation E2. Un signal SY de synchronisation peut être injecté sur ''anode A de la diode. Le signal SY de synchronisation peut être électrique et on place alors un condensateur de découplage C" entre l'anode A et l'arrivée du signal SY de synchronisation. Le signal de synchronisation pourrait être optique et dans ce cas l'élément semi-conducteur de modulation S serait un composant optique tel qu'une photodiode.
Au lieu que la cathode selon l'invention comporte un réseau de pointes R et un élément semi-conducteur S de modulation discrets, il est possible que la cathode selon l'invention soit monolithique.
On se réfère à la figure 8 qui montre une telle cathode monolithique. Les liaisons électriques à la masse locale ou vers une source de polarisation n'ont pas été représentées dans un souci de clarté, mais elles peuvent être réalisées selon l'une des méthodes décrites précédemment. Le réseau de pointes R, la microligne L et l'élément semi-conducteur S de modulation sont intégrés sur un même substrat 200 semi-conducteur à propriétés semi-isolantes tel que le carbure de silicium par exemple. Au point de vue évacuation de chaleur, il donne toute satisfaction.
Ce substrat 200 commun comporte l'une de ses faces principales revêtues d'une couche conductrice 201 qui sert de plan de masse locale. Sur l'autre face principale, on détermine une zone I pour au moins un réseau de pointes R, une zone II pour la microligne L et une zone III pour l'élément semi-conducteur S de modulation.
On réalise dans la zone III l'élément semi-conducteur S de modulation et cette réalisation peut se faire comme l'illustrent les figures 5, le substrat 200 étant alors équivalent au substrat 16.
On réalise dans la zone I le réseau de pointes R et cette réalisation peut se faire comme l'illustrent les figures 4, le substrat 200 étant alors équivalent à la couche électriquement isolante ou semi-isolante 13.
On réalise dans la zone II la microligne L et sa structure est équivalente à celle représentée à la figure 3b. Le substrat 200 correspond pratiquement à celui référencé 100 sur la figure 3b.
Avec une telle configuration, le drain du transistor, le ruban de la microligne et la grille du réseau de pointes peuvent se faire lors d'une même étape dans un même matériau.
De la même manière, la couche de passivation 21 de l'élément semi-conducteur de modulation, en matériau diélectrique, peut s'étendre dans la zone II en recouvrant le substrat 200 et dans la zone I en formant la couche diélectrique comprenant les cavités 15.
Au lieu de réaliser un réseau de pointes R comparable à celui de la figure 3a avec des liaisons filaires, il est possible qu'il soit comparable à l'un des exemples des figures 7, c'est à dire avec les pointes reliées au plan de masse 201 par au moins un trou métallisé traversant le substrat 200.
Une telle cathode à effet de champ monolithique est très intéressante car elle est compacte, son coût est réduit par rapport à celui d'une cathode à éléments discrets car elle utilise moins de matériaux et sa réalisation prend moins de temps.

Claims (17)

  1. Cathode à effet de champ, modulable en hyperfréquence, comportant au moins un réseau (R) de pointes émissives, et des moyens (S) pour produire un signal de modulation hyperfréquence à destination des pointes, dans lequel les moyens pour produire un signal de modulation comprennent au moins un élément semiconducteur , caractérisée en ce qu'une micro-ligne d'adaptation d'impédance (L), de longueur n'excédant pas plusieurs centaines de micromètres, est interposée entre l'élément semiconducteur et le réseau de pointes, pour acheminer le signal de modulation de l'élément semiconducteur au réseau.
  2. Cathode à effet de champ selon la revendication 1, caractérisée en ce que la microligne (L) est une ligne comportant un ruban (11) conducteur relié à une de ses extrémités au réseau de pointes (R) et à l'autre extrémité à l'élément semi-conducteur (S) de modulation.
  3. Cathode à effet de champ l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément semi-conducteur (S) de modulation est de type transistor ou de type diode.
  4. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la microligne (L) a un ruban conducteur (11) en deux tronçons (11.1, 11.2) reliés entre eux par un condensateur (C).
  5. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la microligne (L) est reliée à une source de polarisation (E2).
  6. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la microligne (L) est reliée à l'élément semi-conducteur (S) de modulation et/ou au réseau de pointes (R) par une liaison filaire (20.1).
  7. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins un élément pris parmi le réseau de pointes (R), l'élément semi-conducteur (S) de modulation et la microligne (L) est discret.
  8. Cathode a effet de champ selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins deux éléments pris parmi le réseau de pointes (R), l'élément semi-conducteur (S) de modulation et la microligne (L) sont solidaires d'un même support (100) électriquement isolant ou semi-isolant.
  9. Cathode à effet de champ selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux éléments sont montés sur une face du support (100) dont l'autre face est revêtue d'une couche conductrice (101) qui sert de plan de masse.
  10. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'élément semi-conducteur de modulation (S) est compatible avec une technique de report par microbossages.
  11. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 7 à 10, dans laquelle le réseau de pointes (R) comporte un substrat (13) électriquement isolant ou semi-isolant avec sur une face une couche (13.1) conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives (MP) en contact électrique avec la couche conductrice ou semi-conductrice (13.1), une couche diélectrique (14) munie de cavités (15) logeant chacune une des pointes (MP), la couche diélectrique (14) étant surmontée d'une grille (G) conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités (15), caractérisée en ce que le substrat (13) est traversé par au moins un trou métallisé qui contribue à relier électriquement les pointes (MP) à l'autre face du substrat (13) électriquement isolant ou semi-isolant.
  12. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 7 à 11, dans laquelle le réseau de pointes (R) comporte un substrat (13) électriquement isolant ou semi-isolant avec sur une face une couche (13.1) conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives (MP) en contact électrique avec la couche conductrice ou semi-conductrice (13.1), une couche diélectrique (14) munie de cavités (15) logeant chacune une des pointes (MP), la couche diélectrique (14) étant surmontée d'une grille (G) conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités (15), caractérisée en ce que le substrat (13) et la couche diélectrique (14) sont traversés par au moins au moins un trou métallisé (82) qui contribue à relier électriquement la grille (G) à l'autre face du substrat (13).
  13. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le trou métallisé (73, 82) se prolonge par un contact électrique (74).
  14. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisée en ce que la microligne (L) est intégrée au support (100) électriquement isolant ou semi-isolant.
  15. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réseau de pointes (R), la microligne (L) et l'élément semi-conducteur (S) de modulation sont intégrés sur un même substrat semi-conducteur (200).
  16. Cathode à effet de champ selon la revendication 15, caractérisée en ce que le substrat semi-conducteur (200) est semi-isolant tel que du carbure de silicium.
  17. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisée en ce que la microligne (L) possède un ruban qui se prolonge d'un côté pour former une grille (G) du réseau de pointes (R) et de l'autre côté pour former un contact (Ds) de l'élément semi-conducteur (S) de modulation.
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