EP1249028B1 - Electron generating cathode and method for the production thereof - Google Patents
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- EP1249028B1 EP1249028B1 EP01903954A EP01903954A EP1249028B1 EP 1249028 B1 EP1249028 B1 EP 1249028B1 EP 01903954 A EP01903954 A EP 01903954A EP 01903954 A EP01903954 A EP 01903954A EP 1249028 B1 EP1249028 B1 EP 1249028B1
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- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
- H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
Definitions
- the invention relates to an electron generating cathode and an electron generating device. It also relates to a method of manufacturing this cathode.
- each site may correspond to an abrupt transition between a high electron affinity material and a low electron affinity material.
- the electronic affinity of a material is a quantity characterizing the possibility of electron emission from the surface of the material.
- the transitions between low and high electron affinity materials are between a sp 2 phase and an sp 3 phase.
- transitions may also correspond to transitions between a conductive phase and an insulating phase; in the case of a carbon-based material, the sp 2 phase is conductive and the sp 3 phase is insulating.
- the sites would be sp 2 conductive channels of size 10 to 100 nm in an insulating sp 3 matrix and the electron emission would come from a peak effect.
- a second model J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) an emitting site would correspond to a surface variation, localized over a distance of about 10 nm, of the electronic affinity.
- a third model MW Geis et al., Nature, 393, 431, 1998) in diamond the electron emission originates from triple metal / diamond / vacuum junctions.
- the method of manufacturing an electron-emitting cathode as described in WO 96 25753 uses any electrode surface in which geometric irregularities are formed. These are the irregularities that emit the electrons. This method is limited by the density of irregularities that can be obtained and does not allow to obtain large current densities emitted by the cathode.
- the cathode according to the invention is characterized in that it comprises a layer or a substrate made of an insulating material or with low electronic affinity and artificially generated electron emitter sites, these sites preferably having a predetermined density of between 10 8 and 10 13 / cm 2 . These sites are created from areas with high electronic affinity and / or conductive. It is believed (although the invention is not limited to this interpretation) that the emission of electrons (the sites) is effected at the transition between the areas of high electron affinity and / or conductive and the conductive layer or substrate or at low electronic affinity. Thus, the emitter sites would be constituted by the transition between the zones and the rest of the layer or substrate. However, in what follows, for simplicity, we will sometimes designate the same sites and areas.
- the invention departs from the routes explored so far, which consisted in naturally obtaining, by the choice of the material, densities of higher emitter sites.
- the invention makes it possible to select the material in a wide range. It is sufficient, in general, that the material in which artificially created transmitter sites are provided is insulating or of low electronic affinity.
- the invention allows densities of higher sites.
- the invention makes it possible, in certain cases, to control the locations of artificially created sites.
- the artificially created locations are predefined.
- the materials in which artificial emitter sites are created are chosen from the group comprising: monocrystalline or polycrystalline diamond, diamond-like carbon (DLC), a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N, a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC, a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium nitride, GaN, and an insulating material such as MgO magnesium oxide or TiO 2 titanium oxide.
- DLC diamond-like carbon
- a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N
- a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC
- a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium n
- the invention also relates to a method for producing a cathode according to the invention.
- This method is characterized in that the emitting sites are made either by local modification of the conduction properties of an insulating material, or by local modifications of electronic affinity when using a material with low electronic affinity.
- the method does not require geometric modification of the surface of the cathode which can remain locally substantially flat. Unlike other embodiments using as angular areas emitter site including sharp points or sharp edges, the location of the sites is independent of the geometry of the surface of the cathode. It is possible to define mathematically a surface, in this case that of the cathode, locally substantially flat. It is a substantially continuous surface and does not have a derivative break at the scale of at least a few nanometers.
- the local modification is obtained by surface irradiation of predefined location zones with an electron or ion beam of section between 1 and 100 nm.
- the electron or ion beam is produced in a vacuum chamber where there is a pressure of the type generally used in vacuum electronic tubes.
- This pressure is generally less than a few 133.10 -5 Pascals (10 -5 torr).
- the torr is a unit of pressure substantially equal to 133 Pascals.
- the torr also corresponds to the pressure exerted by a mercury column of height equal to 1 mm.
- the more the vacuum is pushed (the lower the pressure) the more precise the electron or ion beam will be. This makes it possible to increase the density of the electron emitting sites. This also makes it possible to control the density of the electron emitting sites.
- Irradiation provides energy to the surface to modify its electronic affinity.
- ionic irradiation whatever the nature of the chosen ion, it is the energy that it brings to the surface which is determining.
- heavy ions are used which provide artificial emitter sites with random positioning.
- the impact of each ion creates a site and the density of sites is then directly equal to the implanted dose.
- a dose of 10 10 atoms / cm 2 will induce 10 10 sites / cm 2 , the sites being separated by an average distance of 10 -5 cm, i.e. 100 nm.
- the transmitter sites are created using localized pulses of electric current. These pulses modify the conduction properties of the layer or substrate where they are applied.
- the conductive channels created are sp 2 type.
- the conducting channels are crystalline channels.
- the conduction is improved by several orders of magnitude.
- the conductive channels can also be made by doping by implanting doping atoms.
- the conducting channels are for example the consequence of the creation of defects or localized deoxidation.
- the cathode is manufactured independently of the electron extraction grid. In another embodiment, the cathode is monolithic, i.e., this cathode and the extraction grid are manufactured simultaneously.
- the manufacture is either of series type or of parallel type.
- Serial type manufacturing consists of using a single beam sweeping the surface on which we want to create transmitting sites, this beam being activated at predefined locations.
- Parallel fabrication involves simultaneously producing a plurality of beams reaching predefined locations.
- one or more other electrodes can be made at the same time as the cathode and the extraction grid.
- the invention also relates to a triode using a cathode according to the invention. It has been found that such a triode can be used at frequencies of the order of 10 GHz whereas up to now it has been possible to reach frequencies of 4 GHz.
- the manufacture may be of the series type or of the parallel type.
- Figures 1, 1a and 2 illustrate series type manufacturing processes.
- an emitting material which, in general, is an insulating or low electron affinity material, deposited in the form of a layer 20, of thickness 10 to 100 nm on a conductive substrate 22, for example doped silicon or any substrate (for example glass) covered with a metal layer.
- an electron or ion beam is focused 24.
- an electron or ion beam is focused 24.
- the zones irradiated by the beam 24 each have a substantially circular section with a diameter of 1 to 100 nm.
- the pitch between two successive zones is between 5 and 500 nm.
- a step greater than or equal to twice the height of the conductive channels, that is to say the thickness of the layer 20, will preferably be chosen. Otherwise, there would be a reduction in the peak effect of each channel and thus a decrease in the total current emitted.
- an electron or ion beam of the same size is used.
- a beam of the type used is used. in a transmission electron microscope.
- Such a beam allows a diameter of the order of 1 nm with a current of 1 nA.
- the pitch between two impacts that is to say between two specific locations, is 5 nm, we obtain emitting site densities of 4.10 12 / cm 2 .
- the emissive site densities are then 2.5 ⁇ 10 11 / cm 2 .
- a tip 30 is used whose contact section with the layer 20 has a diameter less than 20. and this tip is associated with a generator (not shown) of electrical pulses 31 which produces the pulses at predetermined locations 26 1 , 26 2 .
- Each pulse modifies the electrical properties of the emitter layer 20, that is to say transforms the corresponding locations into conductive areas and / or high electron affinity.
- the section of the end of the tip 30 has a diameter of 10 nm
- the material of the layer 20 is an amorphous carbon layer 20 nm thick
- the pitch is 50 nm
- the electrical pulses 31 have an amplitude of 10 V.
- FIGS. 3a to 3c, 4a to 4d and 5a to 5c will now describe a method of manufacturing an electron-emitting cathode in which the sites are produced simultaneously, that is to say in parallel .
- the sites are made using electron or ion beams.
- the first step of the method consists in depositing a protective mask 32 (FIG. 3a) on the layer 20.
- This mask with a thickness of 100 to 1000 nm, has openings 36 with a diameter of between 50 and 100 nm separated by a step of 200 to 500 nm.
- the material constituting the protective mask 32 is for example a resin of the type commonly used in high resolution lithography processes. This material can also be a heavy metal (for example molybdenum or tungsten) in order to block the high energy electron or ion beams.
- the layer 20 is exposed to a parallel beam 34 of ions or electrons through the openings 36 of the mask 32.
- Electron emitter sites 38 1 , 38 2 , etc. are thus obtained. at the openings 36 with a predefined density, that of the openings of the mask 32. With apertures 36 of diameter 50 to 100 nm and a pitch of 200 to 500 nm, the density of emitter sites can reach 10 10 / cm 2 .
- the protective mask 32 is eliminated, for example by etching.
- An electron-generating layer 20 is thus obtained (FIG. 3c) with emitter sites 38 1 , 38 2 , ... created artificially.
- irradiation with heavy ions for example of antimony or xenon
- aggregates by example C 60
- very high energy for example from 50 MeV to 1 GeV.
- the irradiation can be carried out directly on the layer 20 without using a mask 32.
- the emitting sites or conducting channels and / or high electron affinity are created along the trace ions or aggregates in the material of the layer 20.
- the transmitting sites are not in predetermined positions. However, the density of Such transmitter sites is controllable by the dose of heavy ions or aggregates.
- the emitting sites are made in parallel using an electric field.
- an insulating mask 40 ( Figure 4a) having openings of diameter between 50 and 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- This insulating mask is, for example, silica or silicon nitride. Its thickness depends on the voltage that will be applied during the following steps. With a breakdown field of the order of 500 V / ⁇ m, an applied voltage of 100 volts, the insulation thickness will be of the order of 300 nm.
- a metal layer 42 ( Figure 4b) of thickness about one micron.
- the metal of the layer 42 fills the openings of the insulating mask 40 and comes into contact, through these openings, with the layer 20.
- a pulse 44 for example 100 volts.
- This pulse is, in one example, applied for a duration of less than one second.
- the voltage and the duration are chosen so as to locally modify, at the right of the openings of the layer 40, the electrical properties of the material emitting the layer 20 (FIG. 4c).
- the layers 40 and 42 are removed, for example by etching, leaving the layer 20 with conducting channels 46 1 , 46 2 forming electron emitters.
- FIGS. 5a to 5c instead of using an insulating mask 40 to define the sites, use is made of a network of conductive tips 50 1 , 50 2 , etc. formed on the surface 52 of a conductive substrate 54 ( Figure 5a). This network of tips 50 1 , 50 2 , etc. is applied on the surface of the layer 20 at the same time as an electric pulse 56 (FIG. 5b) is applied to the conductive substrate 54.
- the voltage of the pulse 56 and its duration are chosen to locally modify, in the sites located at the right of the tips, the conduction properties of the material emitting layer 20.
- a network 46 1 , 46 2 , etc. conductive channels Figure 5c).
- the density is equal to the density of the peak network.
- FIGS. 6a and 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d will now describe a method for manufacturing a monolithic type cathode consisting of simultaneously producing, on the same substrate, the sources of electrons and the grid of extraction of these electrons.
- Figures 6a and 6b show a series type manufacturing process.
- an insulating mask 60 is deposited with a thickness of 100 to 500 nm; the mask 60 is made of silica or silicon nitride.
- a conductive metal 62 is deposited with a thickness of between 50 and 300 nm.
- the metal layer 62 is etched, for example by lithography then etching or reactive ion etching, so as to create circular openings 66 with a diameter of 50 to 200 nm in this layer 62.
- the layer 62 is intended to constitute the grid of extraction.
- the part of the insulating layer 60 which is situated at the right of the openings 66 is then removed, for example by chemical etching, so as to create cavities 64 of greater diameter than the openings 66 so as to avoid any interference. between the beam and the insulator, the interaction can create parasitic loads.
- an electron or ion beam 70 is centered on each opening so as to irradiate the center of the layer 20 at the right of the corresponding opening 66, which creates the emitting sites 72 1 , 72 2 , etc.
- the insulating layer 60 is not essential, that is to say that the gate 62 is deposited directly on the layer 20.
- the fabrication of the sites is of the parallel type.
- the layer 20 of emitting material an insulating layer 60 and on this insulating layer, a conductive layer 62 in which apertures 74 are etched and under which one performs, by chemical etching, cavities 76 of the insulator 60.
- the openings 74 have a diameter of between 50 and 100 nm and the pitch between two adjacent openings 74 is between 200 and 500 nm.
- conductive layer 62 is exposed to a parallel beam 78 of electrons or ions.
- the direction of the parallel beam is perpendicular to the face of the layer 62.
- the openings 74 constitute diaphragms which allow the beam 78 to reach only the layer 20 in line with the openings 74. It should be noted that in this case, interest in limiting the diameter of the openings 74 to obtain a correct positioning of the emitter sites 80 1 , 90 2 on the layer 20.
- openings 74 used to create the sites 80 1 , 88 2 , etc. are insufficient for normal operation, in a last step ( Figure 7c), these openings are enlarged to form openings 84 of larger diameter, for example between 100 and 200 nm.
- the extraction grid 62 can be deposited directly on the layer 20.
- the resin layer 90 is then scanned by an electron or ion beam 92 located at predetermined locations which creates, through the layers 86, 88 and 90, emitting sites 94 1 , 94 2 , etc. for example spaced in a pitch of 200 to 1000 nm.
- Irradiation using beam 92 also creates a modification of resin layer 90 which can be developed to obtain apertures 96 1 , 96 2 , etc. (FIG. 8b) at locations that naturally correspond to those of the transmitter sites 94 1 , 94 2 , and so on.
- openings 96 1, ... 90 of the resin layer are utilized to produce openings 98 1, ... in the metal layer 88 and cavities 100 1 of the insulating layer 86 below the openings 98 1 , ... ( Figure 8c).
- the illumination of the resin is used to make the openings 98 1 , ... of the grid 88.
- This method allows easy alignment of the sites 94 1 with the openings 98 1 of the electron extraction gate 88.
- the layer 88 is deposited directly on the layer 20.
- the beam 92 is replaced by a multiplicity of localized beams.
- the electron or ion beam 92 can also be replaced by a multicharged heavy ion beam that provides a random positioning.
- the realization is of parallel type; it has the same advantage of self-alignment of the sites and openings of the grid.
- FIGS. 9a to 9d illustrate a method of manufacturing parallel type transmitter sites by means of a voltage pulse.
- an insulating layer 104 is deposited on the emitter layer 20 on which a metal layer 106 is deposited (FIG. 9a).
- the insulating layer 104 is for example silica or silicon nitride.
- openings 108 1 , 108 2 , etc. are formed. with a diameter of 50 to 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- the thickness of the insulating layer 104 depends on the voltage that will be applied thereafter. Thus with a voltage of 100 volts, the thickness of the insulator is of the order of 300 nm if this insulator has a breakdown field of the order of 500 volts / micron.
- a layer 110 (FIG. 9b) is deposited on the layer 106 and in the openings 108i, and a pulse 112 (FIG. 100 volts and lasting less than one second.
- the voltage and the duration are chosen so as to locally modify the electrical properties of the layer 20 in order to create conducting channels, as previously described.
- This method also allows a correct alignment of the emitting sites with the openings of the gate 106.
- the emitting sites are made by doping a semiconductor material.
- This process consists of a monocrystalline p-type semiconductor substrate (or layer) 120, for example made of silicon or gallium arsenide, on which an intrinsic semiconductor layer is formed by epitaxy or ion implantation.
- An insulating layer 124 which is covered by a metal layer 126, is then deposited on the layer 122.
- openings 128 1 , 128 2 , etc. ( Figure 10a) whose diameter is between 50 and 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- the metal layer 126 with its openings 128 1 to 128 2 is irradiated with a parallel ion beam 130, which allows the production of doped channels 130 1 , 130 2 , etc. by ion implantation in the layer 122.
- These doped channels are p-type ( Figure 10b).
- the openings 128 1 , 128 2 have a relatively small diameter, so as to control the locations of the doped areas 130 1 , 130 2 , etc. Under these conditions, it may then be necessary to enlarge these openings 128 1 , 128 2 , so as to make openings 132 1 , 132 2 of larger diameter ( Figure 10c).
- an isotropic etching is used. For example, etching inducing a 50 nm decrease in the thickness of layer 126 will result in a 100 nm increase in apertures 132.
- cavities 134 1 are made, for example by etching, under the openings 132 1 formed in the insulating layer 124 (FIG. 10d).
- This method makes it possible to obtain monocrystalline doped channels which are self-aligned with the openings of the extraction grid.
- the emitter layer 20 in which emitter sites 131 i are implanted can be produced not only simultaneously with an extraction grid 136, but also with at least one other electrode 138 (FIG. 11), according to methods similar to those described. previously.
- an insulator 140 has been deposited and the electrode 138 is formed on the insulator 140.
- the opening 142 i of the electrode 138 is of a diameter substantially greater than the diameter of the opening 144 i of the grid 136.
- FIG. 11 The structure shown in FIG. 11 is feasible with all the types of emissive sites previously described.
- the cold cathode field emission according to the invention can be used to produce electronic tubes operating at frequencies, in particular of the order of 10 GHz.
- Fig. 12 shows a single gate multibeam inductive output tube.
- This tube comprises a cathode 150 according to the invention with which is associated a plane grid 152 on which the high frequency input energy is applied.
- the distance d between the gate 152 and the cathode 150 may, according to the invention, be chosen relatively independently of the method of manufacturing the cathode. It can therefore be low enough that the electric extraction field is important at the cathode, so as to extract the desired current; it can also be quite large (for example 5 to 10 microns) so that the capacitance gate / cathode is low and does not short circuit, or disturb, the microwave energy injected on the grid.
- the electrons generated by the sites 151 i of the cathode 150 are also extracted from the cathode / gate space; they are also current modulated because of the microwave field prevailing in this space. They are then accelerated by the electric field prevailing between this assembly and the anode block 154, which consists essentially of a cavity 154, the bottom, thicker, collects most of the electrons.
- the output power is extracted at a lateral end 156 of the cavity 154.
- a gate 158 comprising two parts lying along two distinct surfaces, namely an active part 160 at a distance d 2 from the surface of the cathode 150 and a second part 162 comprising the parts non-active of the grid 158 at a distance d 1 from the surface 150 greater than the distance d 2.
- This structure makes it possible, on the one hand, to further reduce the gate / cathode capacity and to operate at even higher frequencies, and, on the other hand, to bring the active parts 160 of the gate closer to the cathode, to reinforce the electric field of extraction and increase the current or reduce the "input" microwave energy injected on the grid.
- Each active portion 160 of the gate is connected to the inactive portion 162 by a flared portion, particularly conical, 164.
- the shape of these flared portions 164 is chosen to prevent the electron beams 170 diverge under the effect the space charge and for these beams to pass through the active parts of the grid at the desired locations.
- the flared portions 164 form a wehnelt, that is to say an electronic lens.
- Figure 14 shows a single gate type electron gun.
- the cathode 172 is formed on a concave spherical surface, and the gate 174 has a similar shape.
- the openings of the gate 174 are, as described above, to the right of the emitter sites of the cathode 172.
- the shape of the surfaces 172 and 174 makes it possible to create a convergent electron beam and therefore with a high current density that can be used in a microwave tube of conventional structure, for example a traveling wave tube (TOP).
- TOP traveling wave tube
- this grid does not intercept the beam.
- no parasitic emission occurs.
- the gate 174 can receive control signals for modulating the emission of electrons.
- the modulation of the beam is then carried out in the electron generator, whereas usually the generation and modulation take place with two separate devices.
- FIG. 15 represents an oscillator tube comprising a cathode according to the invention.
- This oscillator tube is of the monotron type.
- the electrons 182 leaving the cathode / grid space immediately return to a resonant cavity 180 where they are accelerated by a DC voltage V KA , applied between the bottom of the cavity and the cathode. If the residence time t of these electrons in the cavity is large and such that approximately 2n ⁇ ⁇ 2nFt ⁇ (2n + 1) ⁇ , there is oscillation at the frequency F, as long as the cavity resonates at this frequency F , or at a frequency close to F.
- the electrons are accelerated in a grid / cavity space and pass through the cavity at a constant speed, in the absence of interactions.
- the frequency is closely related to the residence time t, according to the above relationship.
- the dimensions of the cavity and its coupling antenna 189 are such that the resonance mode has components electrical field parallel to the beams and located where these beams pass.
- the adjustable voltage 188 makes it possible to adjust the speed of the electrons and therefore the time t, ie the frequency of operation of the oscillator tube.
- FIG. 16 represents a broadband triode using a cathode according to the invention.
- the configuration of this triode is similar to that of the tube shown in Figure 15, but differs in that the mounting is amplifier type.
- the configuration of the triode is such that the electron beam 196 passes through a maximum zone of the electric field at a given frequency f.
- the adjustment of the frequency f is obtained, in particular, by microwave short circuits 198.
- the cathode according to the invention is also used to constitute a broadband amplifying triode.
- the distance between the gate 202 and the cathode 204 is variable; the emitting surface of each transmitter site 206 of the cathode 204 and the density of these sites is a function of the cathode-grid distance at the location of these sites.
- the gate-cathode distance is large, the sites are wide but widely spaced, the space between two sites corresponding to half a wavelength.
- the grid-cathode distance is small, the sites are small but not very spaced and therefore dense. In this way, the current density emitted remains the same.
- the variable distance between cathode 204 and gate 202 allows a wide band.
- the lowest distance corresponds to operation at the highest frequencies and the highest distance at the lowest frequencies.
- the invention can also be used for display applications.
- the invention generally relates to a method for manufacturing an electron-emitting cathode which is characterized in that it starts from an insulating emitter material or low electron affinity and in that it is artificially defined transmitter sites by localized creation of areas with high electronic affinity and / or conductive.
- the artificially created sites constitute, in volume, conductive channels.
- the ratio between the height of a site and the pitch between two sites is less than or equal to 0.5.
- the invention also relates to an electron emitting device comprising an emitting cathode and a gate which is characterized in that the emitting cathode has electron-emitting sites separated from each other and created artificially and in that the gate Electron extraction has openings in front of the sites.
- the distance separating the gate from the emitting surface (204) of the cathode is variable.
- the density of transmitter sites on the cathode varies in the opposite direction of the distance to the gate.
- the current density emitted it is advantageous for the current density emitted to be constant regardless of the distance from the gate to the emitting surface.
- the invention relates to an electron generating cathode and an electron generating device. It also relates to a method of manufacturing this cathode.
- each site may correspond to an abrupt transition between a high electron affinity material and a low electron affinity material.
- the electronic affinity of a material is a quantity characterizing the possibility of electron emission from the surface of the material.
- the transitions between low and high electron affinity materials are between a sp 2 phase and an sp 3 phase.
- transitions may also correspond to transitions between a conductive phase and an insulating phase; in the case of a carbon-based material, the sp 2 phase is conductive and the sp 3 phase is insulating.
- the sites would be sp 2 conductive channels of size 10 to 100 nm in an insulating sp 3 matrix and the electron emission would come from a peak effect.
- a second model J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) an emitting site would correspond to a surface variation, localized over a distance of about 10 nm, of the electronic affinity.
- a third model MW Geis et al., Nature, 393, 431, 1998) in diamond the electron emission originates from triple metal / diamond / vacuum junctions.
- the method of manufacturing an electron-emitting cathode as described in WO 96 25753 uses any electrode surface in which geometric irregularities are formed. These are the irregularities that emit the electrons. This method is limited by the density of irregularities that can be obtained and does not allow to obtain large current densities emitted by the cathode.
- the cathode according to the invention is characterized in that it comprises a layer or a substrate made of an insulating material or with low electronic affinity and artificially created electron-emitting sites, these sites having, preferably, a predetermined density of between 10 8 and 10 13 / cm 2 . These sites are created from areas with high electronic affinity and / or conductive. It is believed (although the invention is not limited to this interpretation) that the emission of electrons (the sites) is effected at the transition between the areas of high electron affinity and / or conductive and the conductive layer or substrate or at low electronic affinity. Thus, the emitter sites would be constituted by the transition between the zones and the rest of the layer or substrate. However, in what follows, for simplicity, we will sometimes designate the same sites and areas.
- the invention departs from the routes explored so far, which consisted in naturally obtaining, by the choice of the material, densities of higher emitter sites.
- the invention makes it possible to select the material in a wide range. It is sufficient, in general, that the material in which artificially created transmitter sites are provided is insulating or of low electronic affinity.
- the invention allows densities of higher sites.
- the invention makes it possible, in certain cases, to control the locations of artificially created sites.
- the artificially created locations are predefined.
- the materials in which artificial emitter sites are created are chosen from the group comprising: monocrystalline or polycrystalline diamond, diamond-like carbon (DLC), a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N, a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC, a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium nitride, GaN, and an insulating material such as MgO magnesium oxide or TiO 2 titanium oxide.
- DLC diamond-like carbon
- a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N
- a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC
- a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium n
- the invention also relates to a method for producing a cathode according to the invention.
- This method is characterized in that the emitting sites are made either by local modification of the conduction properties of an insulating material, or by local modifications of electronic affinity when using a material with low electronic affinity.
- the method does not require geometric modification of the surface of the cathode which remains locally substantially flat. Unlike other embodiments using as angular areas emitter site including sharp points or sharp edges, the location of the sites is independent of the geometry of the surface of the cathode. It is possible to define mathematically a surface, in this case that of the cathode, locally substantially flat. It is a substantially continuous surface and does not have a derivative break at the scale of at least a few nanometers.
- the local modification is obtained by surface irradiation of predefined location zones with an electron beam of section between 1 and 100 nm.
- the electron beam is produced in a vacuum chamber where there is a pressure of the type generally used in vacuum electronic tubes.
- This pressure is generally less than a few 133.10 -5 Pascals (10 -5 torr).
- the torr is a unit of pressure substantially equal to 133 Pascals.
- the torr also corresponds to the pressure exerted by a mercury column of height equal to 1 mm. Indeed, the more the vacuum is pushed (the lower the pressure), the more precise the electron beam will be. This makes it possible to increase the density of the electron emitting sites. This also makes it possible to control the density of the electron emitting sites.
- Irradiation provides energy to the surface to modify its electronic affinity.
- ionic irradiation whatever the nature of the chosen ion, it is the energy that it brings to the surface which is determining.
- heavy ions are used which provide artificial emitter sites with random positioning.
- the impact of each ion creates a site and the density of sites is then directly equal to the implanted dose.
- a dose of 10 10 atoms / cm 2 will induce 10 10 sites / cm 2 , the sites being separated by an average distance of 10 -5 cm, i.e. 100 nm.
- the transmitter sites are created using localized pulses of electric current. These pulses modify the conduction properties of the layer or substrate where they are applied.
- the conductive channels created are sp 2 type.
- the conducting channels are crystalline channels.
- the conduction is improved by several orders of magnitude.
- the conductive channels can also be made by doping by implanting doping atoms.
- the conducting channels are for example the consequence of the creation of defects or localized deoxidation.
- the cathode is manufactured independently of the electron extraction grid. In another embodiment, the cathode is monolithic, i.e., this cathode and the extraction grid are manufactured simultaneously.
- the manufacture is either of series type or of parallel type.
- Serial type manufacturing consists of using a single beam sweeping the surface on which we want to create transmitting sites, this beam being 6 activated at predefined locations.
- Parallel fabrication involves simultaneously producing a plurality of beams reaching predefined locations.
- one or more other electrodes can be made at the same time as the cathode and the extraction grid.
- the invention also relates to a triode using a cathode according to the invention. It has been found that such a triode can be used at frequencies of the order of 10 GHz whereas up to now it has been possible to reach frequencies of 4 GHz.
- the manufacture may be of the series type or of the parallel type.
- Figures 1, 1a and 2 illustrate series type manufacturing processes.
- an emitting material which, in general, is an insulating or low electron affinity material, deposited in the form of a layer 20, of thickness 10 to 100 nm on a conductive substrate 22, for example doped silicon or any substrate (for example glass) covered with a metal layer.
- an electron or ion beam is focused 24.
- an electron or ion beam is focused 24.
- the zones irradiated by the beam 24 each have a substantially circular section with a diameter of 1 to 100 nm.
- the pitch between two successive zones is between 5 and 500 nm.
- a step greater than or equal to twice the height of the conductive channels, that is to say the thickness of the layer 20, will preferably be chosen. Otherwise, there would be a reduction in the peak effect of each channel and thus a decrease in the total current emitted.
- an electron or ion beam of the same size is used.
- a beam of the type used is used. in a transmission electron microscope.
- Such a beam allows a diameter of the order of 1 nm with a current of 1 nA.
- the pitch between two impacts that is to say between two specific locations, is 5 nm, we obtain emitting site densities of 4.10 12 / cm 2 .
- the emissive site densities are then 2.5 ⁇ 10 11 / cm 2 .
- a tip 30 is used whose contact section with the layer 20 has a diameter of less than 20 nm and this tip is associated with a generator (not shown) of electrical pulses 31 which produces the pulses at predetermined locations 26 1 , 26 2 .
- Each pulse modifies the electrical properties of the emitter layer 20, that is to say transforms the corresponding locations into conductive areas and / or high electron affinity.
- the section of the end of the tip 30 has a diameter of 10 nm
- the material of the layer 20 is an amorphous carbon layer 20 nm thick
- the pitch is 50 nm
- the electrical pulses 31 have an amplitude of 10 V.
- FIGS. 3a to 3c, 4a to 4d and 5a to 5c will now describe a method of manufacturing an electron-emitting cathode in which the sites are produced simultaneously, that is to say in parallel .
- the sites are made using electron beams.
- the first step of the method consists in depositing a protective mask 32 (FIG. 3a) on the layer 20.
- This mask with a thickness of 100 to 1000 nm, has openings 36 with a diameter of between 50 and 100 nm separated by a step of 200 to 500 nm.
- the material constituting the protective mask 32 is for example a resin of the type commonly used in high resolution lithography processes. This material can also be a heavy metal (for example molybdenum or tungsten) in order to block the high energy electron or ion beams.
- the layer 20 is exposed to a parallel beam 34 of electrons through the openings 36 of the mask 32.
- Electron emitter sites 38 1 , 38 2 , etc. are thus obtained. at the openings 36 with a predefined density, that of the openings of the mask 32. With apertures 36 of diameter 50 to 100 nm and a pitch of 200 to 500 nm, the density of emitter sites can reach 10 10 / cm 2 .
- the protective mask 32 is eliminated, for example by etching.
- An electron-generating layer 20 is thus obtained (FIG. 3c) with emitter sites 38 1 , 38 2 , ... created artificially.
- irradiation with aggregates for example C 60
- the irradiation can be carried out directly on the layer 20 without using a mask 32.
- the emitting sites or conducting channels and / or high electron affinity are created along the trace ions or aggregates in the material of the layer 20.
- the transmitting sites are not in predetermined positions. However, the density of Such transmitter sites is controllable by the dose of heavy ions or aggregates.
- the emitting sites are made in parallel using an electric field.
- an insulating mask 40 ( Figure 4a) having openings of diameter between 50 and 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- This insulating mask is, for example, silica or silicon nitride. Its thickness depends on the voltage that will be applied during the following steps. With a breakdown field of the order of 500 V / ⁇ m, an applied voltage of 100 volts, the insulation thickness will be of the order of 300 nm.
- a metal layer 42 ( Figure 4b) of thickness about one micron.
- the metal of the layer 42 fills the openings of the insulating mask 40 and comes into contact, through these openings, with the layer 20.
- a pulse 44 for example 100 volts.
- This pulse is, in one example, applied for a duration of less than one second.
- the voltage and the duration are chosen so as to locally modify, at the right of the openings of the layer 40, the electrical properties of the material emitting the layer 20 (FIG. 4c).
- the layers 40 and 42 are removed, for example by etching, leaving the layer 20 with conducting channels 46 1 , 46 2 forming electron emitters.
- FIGS. 5a to 5c instead of using an insulating mask 40 to define the sites, use is made of a network of conductive tips 50 1 , 50 2 , etc. formed on the surface 52 of a conductive substrate 54 ( Figure 5a). This network of tips 50 1 , 50 2 , etc. is applied on the surface of the layer 20 at the same time as an electric pulse 56 (FIG. 5b) is applied to the conductive substrate 54.
- the voltage of the pulse 56 and its duration are chosen to locally modify, in the sites located at the right of the tips, the conduction properties of the material emitting layer 20.
- a network 46 1 , 46 2 , etc. conductive channels Figure 5c).
- the density is equal to the density of the peak network.
- FIGS. 6a and 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d will now describe a method for manufacturing a monolithic type cathode consisting of simultaneously producing, on the same substrate, the sources of electrons and the grid of extraction of these electrons.
- Figures 6a and 6b show a series type manufacturing process.
- an insulating mask 60 is deposited with a thickness of 100 to 500 nm; the mask 60 is made of silica or silicon nitride.
- a conductive metal 62 is deposited with a thickness of between 50 and 300 nm.
- the metal layer 62 is etched, for example by lithography then etching or reactive ion etching, so as to create circular openings 66 with a diameter of 50 to 200 nm in this layer 62.
- the layer 62 is intended to constitute the grid of extraction.
- the part of the insulating layer 60 which is located at the right of the openings 66 is then removed, for example by etching, so as to create cavities 64 of greater diameter than the openings 66 so as to avoid any interaction between the beam and the insulator, the interaction can create parasitic loads.
- an electron beam 70 is centered on each opening so as to irradiate the center of the layer 20 at the right of the corresponding opening 66, which creates the emitter sites 72 1 , 72 2 , etc.
- the insulating layer 60 is not essential, that is to say that the gate 62 is deposited directly on the layer 20.
- the fabrication of the sites is of the parallel type.
- the layer 20 of emitting material an insulating layer 60 and on this insulating layer, a conductive layer 62 in which apertures 74 are etched and under which one performs, by chemical etching, cavities 76 of the insulator 60.
- the openings 74 have a diameter of between 50 and 100 nm and the pitch between two adjacent openings 74 is between 200 and 500 nm.
- conductive layer 62 is exposed to a parallel beam 78 of electrons.
- the direction of the parallel beam is perpendicular to the face of the layer 62.
- the openings 74 constitute diaphragms which allow the beam 78 to reach only the layer 20 in line with the openings 74. It should be noted that in this case, interest in limiting the diameter of the openings 74 to obtain a correct positioning of the emitter sites 80 1 , 90 2 on the layer 20.
- openings 74 used to create the sites 80 1 , 88 2 , etc. are insufficient for normal operation, in a last step ( Figure 7c), these openings are enlarged to form openings 84 of larger diameter, for example between 100 and 200 nm.
- the extraction grid 62 can be deposited directly on the layer 20.
- the resin layer 90 is then scanned by an electron beam 92 located in predetermined locations which creates, through the layers 86, 88 and 90, emitting sites 94 1 , 94 2 , etc. for example spaced in a pitch of 200 to 1000 nm.
- Irradiation using beam 92 also creates a modification of resin layer 90 which can be developed to obtain apertures 96 1 , 96 2 , etc. (FIG. 8b) at locations that naturally correspond to those of the transmitter sites 94 1 , 94 2 , and so on.
- openings 96 1 , ... of the layer 90 of resin are used to make openings 98 1 , ... in the metal layer 88 and cavities 100 1 of the insulating layer 86, under the openings 98 1 , ... ( Figure 8c).
- the illumination of the resin is used to make the openings 98 1 , ... of the grid 88.
- This method allows easy alignment of the sites 94 1 with the openings 98 1 of the electron extraction gate 88.
- the layer 88 is deposited directly on the layer 20.
- the beam 92 is replaced by a multiplicity of localized beams.
- the electron beam 92 can also be replaced by a multicharged heavy ion beam which provides a random positioning.
- the realization is of parallel type; it has the same advantage of self-alignment of the sites and openings of the grid.
- FIGS. 9a to 9d illustrate a method of manufacturing parallel type transmitter sites by means of a voltage pulse.
- an insulating layer 104 is deposited on the emitter layer 20 on which a metal layer 106 is deposited (FIG. 9a).
- the insulating layer 104 is for example silica or silicon nitride.
- openings 108 1 , 108 2 , etc. are formed. with a diameter of 50 to 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- the thickness of the insulating layer 104 depends on the voltage that will be applied thereafter. Thus with a voltage of 100 volts, the thickness of the insulator is of the order of 300 nm if this insulator has a breakdown field of the order of 500 volts / micron.
- a layer 110 (FIG. 9b) is deposited on the layer 106 and in the openings 108 i , and a pulse 112 is applied (FIG. 9c), for example of an amplitude 100 volts and lasting less than one second.
- the voltage and the duration are chosen so as to locally modify the electrical properties of the layer 20 in order to create conducting channels, as previously described.
- This method also allows a correct alignment of the emitting sites with the openings of the gate 106.
- the emitting sites are made by doping a semiconductor material.
- This process consists of a monocrystalline p-type semiconductor substrate (or layer) 120, for example made of silicon or gallium arsenide, on which an intrinsic semiconductor layer is formed by epitaxy or ion implantation.
- An insulating layer 124 which is covered by a metal layer 126, is then deposited on the layer 122.
- openings 128 1 , 128 2 , etc. ( Figure 10a) whose diameter is between 50 and 100 nm with a pitch of 200 to 500 nm.
- the metal layer 126 with its openings 128 1 to 128 2 is irradiated with a parallel ion beam 130, which allows the production of doped channels 130 1, 130 2, etc. by ion implantation in the layer 122.
- These doped channels are p-type ( Figure 10b).
- the openings 128 1 , 128 2 have a relatively small diameter, so as to control the locations of the doped areas 130 1 , 130 2 , etc. Under these conditions, it may then be necessary to enlarge these openings 128 1 , 128 2 , so as to make openings 132 1 , 132 2 of larger diameter ( Figure 10c).
- an isotropic etching is used. For example, etching inducing a 50 nm decrease in the thickness of layer 126 will result in a 100 nm increase in apertures 132.
- cavities 134 1 are made, for example by etching, under the openings 132 1 formed in the insulating layer 124 (FIG. 10d).
- This method makes it possible to obtain monocrystalline doped channels which are self-aligned with the openings of the extraction grid.
- the emitter layer 20 in which emitter sites 131i are implanted can be made not only simultaneously with an extraction grid 136, but also with at least one other electrode 138 (FIG. 11), according to methods similar to those described above. .
- an insulator 140 has been deposited and the electrode 138 is formed on the insulator 140.
- the opening 142i of the electrode 138 is of a diameter substantially greater than the diameter of the opening 144i of the grid 136.
- FIG. 11 The structure shown in FIG. 11 is feasible with all the types of emissive sites previously described.
- the cold cathode field emission according to the invention can be used to produce electronic tubes operating at frequencies, in particular of the order of 10 GHz.
- Fig. 12 shows a single gate multibeam inductive output tube.
- This tube comprises a cathode 150 according to the invention with which is associated a plane grid 152 on which the high frequency input energy is applied.
- the distance d between the gate 152 and the cathode 150 may, according to the invention, be chosen relatively independently of the method of manufacturing the cathode. It can therefore be low enough that the electric extraction field is important at the cathode, so as to extract the desired current; it can also be quite large (for example 5 to 10 microns) so that the capacitance gate / cathode is low and does not short circuit, or disturb, the microwave energy injected on the grid.
- the electrons generated by the sites 151 i of the cathode 150 are also extracted from the cathode / gate space; they are also current modulated because of the microwave field prevailing in this space. They are then accelerated by the electric field prevailing between this assembly and the anode block 154, which consists essentially of a cavity 154, the bottom, thicker, collects most of the electrons.
- the output power is extracted at a lateral end 156 of the cavity 154.
- a gate 158 comprising two parts lying along two distinct surfaces, namely an active part 160 at a distance d 2 from the surface of the cathode 150 and a second part 162 comprising the parts not active grid 158, at a distance d 1 of the surface 150 greater than the distance d 2 .
- This structure makes it possible, on the one hand, to further reduce the gate / cathode capacity and to operate at even higher frequencies, and, on the other hand, to bring the active parts 160 of the gate closer to the cathode, to reinforce the electric field of extraction and increase the current or reduce the "input" microwave energy injected on the grid.
- Each active portion 160 of the gate is connected to the inactive portion 162 by a flared portion, particularly conical, 164.
- the shape of these flared portions 164 is chosen to prevent the electron beams 170 diverge under the effect the space charge and for these beams to pass through the active parts of the grid at the desired locations.
- the flared portions 164 form a wehnelt, that is to say an electronic lens.
- Figure 14 shows a single gate type electron gun.
- the cathode 172 is formed on a concave spherical surface, and the gate 174 has a similar shape.
- the openings of the gate 174 are, as described above, to the right of the emitter sites of the cathode 172.
- the shape of the surfaces 172 and 174 makes it possible to create a convergent electron beam and therefore with a high current density that can be used in a microwave tube of conventional structure, for example a traveling wave tube (TOP).
- TOP traveling wave tube
- this grid does not intercept the beam.
- no parasitic emission occurs.
- the gate 174 can receive control signals for modulating the emission of electrons.
- the modulation of the beam is then carried out in the electron generator, whereas usually the generation and modulation take place with two separate devices.
- FIG. 15 represents an oscillator tube comprising a cathode according to the invention.
- This oscillator tube is of the monotron type.
- the electrons 182 leaving the cathode / grid space immediately return to a resonant cavity 180 where they are accelerated by a DC voltage V KA , applied between the bottom of the cavity and the cathode. If the residence time t of these electrons in the cavity is large and such that approximately 2n ⁇ ⁇ 2nFt ⁇ (2n + 1) ⁇ , there is oscillation at the frequency F, as long as the cavity resonates at this frequency F , or at a frequency close to F.
- the electrons are accelerated in a grid / cavity space and pass through the cavity at a constant speed, in the absence of interactions.
- the frequency is closely related to the residence time t, according to the above relationship.
- the dimensions of the cavity and its coupling antenna 189 are such that the resonance mode has components electrical field parallel to the beams and located where these beams pass.
- the adjustable voltage 188 makes it possible to adjust the speed of the electrons and therefore the time t, ie the frequency of operation of the oscillator tube.
- FIG. 16 represents a broadband triode using a cathode according to the invention.
- the configuration of this triode is similar to that of the tube shown in Figure 15, but differs in that the mounting is amplifier type.
- the configuration of the triode is such that the electron beam 196 passes through a maximum zone of the electric field at a given frequency f.
- the adjustment of the frequency f is obtained, in particular, by microwave short circuits 198.
- the cathode according to the invention is also used to constitute a broadband amplifying triode.
- the distance between the gate 202 and the cathode 204 is variable; the emitting surface of each transmitter site 206 of the cathode 204 and the density of these sites is a function of the cathode-grid distance at the location of these sites.
- the gate-cathode distance is large, the sites are wide but widely spaced, the space between two sites corresponding to half a wavelength.
- the grid-cathode distance is small, the sites are small but not very spaced and therefore dense. In this way, the current density emitted remains the same.
- the variable distance between cathode 204 and gate 202 allows a wide band.
- the lowest distance corresponds to operation at the highest frequencies and the highest distance at the lowest frequencies.
- the invention can also be used for display applications.
- the invention generally relates to a method for manufacturing an electron-emitting cathode which is characterized in that it starts from an insulating emitter material or low electron affinity and in that it is artificially defined transmitter sites by localized creation of areas with high electronic affinity and / or conductive.
- the artificially created sites constitute, in volume, conductive channels.
- the ratio between the height of a site and the pitch between two sites is less than or equal to 0.5.
- the invention also relates to an electron emitting device comprising an emitting cathode and a gate which is characterized in that the emitting cathode has electron-emitting sites separated from each other and created artificially and in that the gate Electron extraction has openings in front of the sites.
- the distance separating the gate from the emitting surface (204) of the cathode is variable.
- the density of transmitter sites on the cathode varies in the opposite direction of the distance to the gate.
- the current density emitted it is advantageous for the current density emitted to be constant regardless of the distance from the gate to the emitting surface.
Landscapes
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Description
L'invention est relative à une cathode génératrice d'électrons ainsi qu'à un dispositif générateur d'électrons. Elle concerne aussi un procédé de fabrication de cette cathode.The invention relates to an electron generating cathode and an electron generating device. It also relates to a method of manufacturing this cathode.
On sait que certains matériaux, notamment des matériaux à base de carbone, permettent une émission d'électrons par application d'un champ faible, au plus de quelques dizaines de volts par micromètre.It is known that certain materials, in particular carbon-based materials, allow an emission of electrons by application of a weak field, at most of a few tens of volts per micrometer.
Bien que l'origine de ces émissions ne soit pas clairement établie, il est communément admis que l'émission provient de sites constitués de très petites zones dont la plus grande dimension dans la surface d'émission serait de quelques nanomètres à 100 nm environ, chaque site pouvant correspondre à une transition abrupte entre un matériau à forte affinité électronique et un matériau à faible affinité électronique.Although the origin of these emissions is not clearly established, it is generally accepted that the emission comes from sites consisting of very small areas whose largest dimension in the emission surface would be a few nanometers to about 100 nm, each site may correspond to an abrupt transition between a high electron affinity material and a low electron affinity material.
On rappelle ici que l'affinité électronique d'un matériau est une grandeur caractérisant la possibilité d'émission d'électrons à partir de la surface du matériau. Pour des matériaux à base de carbone, les transitions entre matériaux à faible et forte affinité électronique sont entre une phase sp2 et une phase sp3.It is recalled here that the electronic affinity of a material is a quantity characterizing the possibility of electron emission from the surface of the material. For carbon-based materials, the transitions between low and high electron affinity materials are between a sp 2 phase and an sp 3 phase.
Ces transitions peuvent également correspondre à des transitions entre une phase conductrice et une phase isolante ; dans le cas d'un matériau à base de carbone, la phase sp2 est conductrice et la phase sp3 est isolante.These transitions may also correspond to transitions between a conductive phase and an insulating phase; in the case of a carbon-based material, the sp 2 phase is conductive and the sp 3 phase is insulating.
Selon un premier modèle (Gröning et al. Applied Physics letters 71,2253, 1997) les sites seraient des canaux sp2 conducteurs de taille 10 à 100 nm dans une matrice sp3 isolante et l'émission électronique proviendrait d'un effet de pointe. Selon un second modèle (J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) un site émissif correspondrait à une variation en surface, localisée sur une distance d'environ 10 nm, de l'affinité électronique. Selon un troisième modèle (M.W. Geis et al. Nature, 393, 431, 1998) dans le diamant l'émission électronique tire son origine de jonctions triples métal/diamant/vide.According to a first model (Gröning et al., Applied Physics Letters 71,2253, 1997) the sites would be sp 2 conductive channels of size 10 to 100 nm in an insulating sp 3 matrix and the electron emission would come from a peak effect. . According to a second model (J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) an emitting site would correspond to a surface variation, localized over a distance of about 10 nm, of the electronic affinity. According to a third model (MW Geis et al., Nature, 393, 431, 1998) in diamond the electron emission originates from triple metal / diamond / vacuum junctions.
Pour augmenter l'émission électronique on cherche donc à augmenter la densité de sites d'émission. A ce jour, les meilleurs résultats fournissent des densités de sites de l'ordre de 106/cm2, c'est-à-dire 10-2/µm2. Ces valeurs sont trop faibles pour obtenir des densités de courant d'émission suffisantes, au moins égales à 0,1 A/cm2. Par ailleurs, l'emplacement des sites émissifs n'est pas prévisible, ce qui peut constituer un inconvénient pour des applications pratiques.To increase the electronic emission, one therefore seeks to increase the density of emission sites. To date, the best results provide site densities of the order of 10 6 / cm 2 , that is to say 10 -2 / μm 2 . These values are too low to obtain sufficient emission current densities, at least equal to 0.1 A / cm 2 . Moreover, the location of the emitting sites is not predictable, which can be a disadvantage for practical applications.
Toutefois, W. Zhu et al. (Appl. Phys. Lett. 75, p. 873 1999) ont réussi à réaliser des cathodes en carbone sous forme de nanotubes avec une densité de sites émissifs de l'ordre de 107/cm2, la densité de courant obtenue étant de l'ordre de 0,5 A/cm2 ; mais, cette valeur est encore trop faible pour que ce matériau soit utilisable en pratique.However, W. Zhu et al. (Appl. Phys. Lett. 75, p. 873 1999) were able to achieve carbon cathodes form of nanotubes with an emissive site density of the order of 10 7 / cm 2, the current density obtained being the order of 0.5 A / cm 2 ; but, this value is still too low for this material to be usable in practice.
Le procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons tel que décrit dans le document WO 96 25753 utilise une surface quelconque d'électrode dans laquelle on forme des irrégularités géométriques. Ce sont ces irrégularités qui émettent les électrons. Ce procédé est limité par la densité d'irrégularités que l'on peut obtenir et ne permet pas d'obtenir de grandes densités de courant émis par la cathode.The method of manufacturing an electron-emitting cathode as described in WO 96 25753 uses any electrode surface in which geometric irregularities are formed. These are the irregularities that emit the electrons. This method is limited by the density of irregularities that can be obtained and does not allow to obtain large current densities emitted by the cathode.
L'invention selon les revendications 1-32 remédie à ces inconvénients. Elle permet d'atteindre des densités de sites d'émission de l'ordre de 1012/cm2 et donc d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur les densités de courant.The invention according to claims 1-32 overcomes these disadvantages. It makes it possible to reach emission site densities of the order of 10 12 / cm 2 and thus to increase by several orders of magnitude the current densities.
La cathode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte une couche ou un substrat en un matériau isolant ou à faible affinité électronique et des sites émetteurs d'électrons créés artificiellement, ces sites ayant, de préf rence, une densité prédéterminée comprise entre 108 et 1013/cm2. Ces sites sont créés à partir de zones à forte affinité électronique et/ou conductrices. On pense (sans que l'invention soit limitée à cette interprétation) que l'émission d'électrons (les sites) s'effectue à la transition entre les zones à forte affinité électronique et/ou conductrices et la couche ou substrat conducteur ou à faible affinité électronique. Ainsi, les sites émetteurs seraient constitués par la transition entre les zones et le reste de la couche ou substrat. Cependant, dans ce qui suit, pour simplifier, on désignera quelquefois de la même manière les sites et les zones.The cathode according to the invention is characterized in that it comprises a layer or a substrate made of an insulating material or with low electronic affinity and artificially generated electron emitter sites, these sites preferably having a predetermined density of between 10 8 and 10 13 / cm 2 . These sites are created from areas with high electronic affinity and / or conductive. It is believed (although the invention is not limited to this interpretation) that the emission of electrons (the sites) is effected at the transition between the areas of high electron affinity and / or conductive and the conductive layer or substrate or at low electronic affinity. Thus, the emitter sites would be constituted by the transition between the zones and the rest of the layer or substrate. However, in what follows, for simplicity, we will sometimes designate the same sites and areas.
Ainsi, l'invention s'écarte des voies explorées jusqu'à présent, qui consistaient à obtenir naturellement, par le choix du matériau, des densités de sites émetteurs plus élevées. L'invention permet de sélectionner le matériau dans une large gamme. Il suffit, de façon générale, que le matériau dans lequel on prévoit des sites émetteurs créés artificiellement soit isolant ou à faible affinité électronique.Thus, the invention departs from the routes explored so far, which consisted in naturally obtaining, by the choice of the material, densities of higher emitter sites. The invention makes it possible to select the material in a wide range. It is sufficient, in general, that the material in which artificially created transmitter sites are provided is insulating or of low electronic affinity.
Outre le degré de liberté supplémentaire qu'offre le choix du matériau, l'invention permet des densités de sites plus élevées.In addition to the additional degree of freedom afforded by the choice of material, the invention allows densities of higher sites.
De plus, l'invention permet, dans certains cas, de contrôler les emplacements des sites créés artificiellement. En effet, dans un mode de réalisation préféré, les emplacements créés artificiellement sont prédéfinis.In addition, the invention makes it possible, in certain cases, to control the locations of artificially created sites. Indeed, in a preferred embodiment, the artificially created locations are predefined.
Selon une réalisation, les matériaux dans lesquels on crée des sites émetteurs artificiels sont choisis dans le groupe comprenant : le diamant monocristallin ou polycristallin, le carbone de structure analogue au diamant (DLC, diamond like carbon), un matériau à faible affinité électronique à base de carbone tel que ta-C ou ta-C:N, un matériau amorphe très faiblement conducteur tel que a-Si, a-C:H: ou a-SiC, un matériau à grande bande interdite tel que le nitrure d'aluminium, AlN, ou le nitrure de gallium, GaN, et un matériau isolant tel que l'oxyde de magnésium MgO ou l'oxyde de titane TiO2.According to one embodiment, the materials in which artificial emitter sites are created are chosen from the group comprising: monocrystalline or polycrystalline diamond, diamond-like carbon (DLC), a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N, a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC, a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium nitride, GaN, and an insulating material such as MgO magnesium oxide or TiO 2 titanium oxide.
L'invention concerne aussi un procédé pour réaliser une cathode conforme à l'invention.The invention also relates to a method for producing a cathode according to the invention.
Ce procédé est caractérisé en ce que les sites émetteurs sont réalisés soit par modification locale des propriétés de conduction d'un matériau isolant, soit par des modifications locales d'affinité électronique quand on fait appel à un matériau à faible affinité électronique. Le procédé ne nécessite pas de modification géométrique de la surface de la cathode qui peut rester localement sensiblement plane. Contrairement à d'autres réalisations utilisant comme site émetteur des zones anguleuses notamment des pointes ou des arêtes vives, la localisation des sites est indépendante de la géométrie de la surface de la cathode. Il est possible de définir de façon mathématique une surface, en l'occurrence celle de la cathode, localement sensiblement plane. Il s'agit d'une surface sensiblement continue et ne présentant pas de rupture de dérivée à l'échelle d'au moins quelques nanomètres.This method is characterized in that the emitting sites are made either by local modification of the conduction properties of an insulating material, or by local modifications of electronic affinity when using a material with low electronic affinity. The method does not require geometric modification of the surface of the cathode which can remain locally substantially flat. Unlike other embodiments using as angular areas emitter site including sharp points or sharp edges, the location of the sites is independent of the geometry of the surface of the cathode. It is possible to define mathematically a surface, in this case that of the cathode, locally substantially flat. It is a substantially continuous surface and does not have a derivative break at the scale of at least a few nanometers.
Selon un mode de réalisation, la modification locale est obtenue par irradiation en surface de zones d'emplacements prédéfinis avec un faisceau électronique ou ionique de section comprise entre 1 et 100 nm.According to one embodiment, the local modification is obtained by surface irradiation of predefined location zones with an electron or ion beam of section between 1 and 100 nm.
Avantageusement, on réalise le faisceau électronique ou ionique dans une enceinte sous vide où règne une pression du type généralement utilisée dans les tubes électroniques sous vide. Cette pression est généralement inférieure à quelques 133.10-5 Pascals (10-5torr). On rappelle que le torr est une unité de pression sensiblement égale à 133 Pascals. Le torr correspond également à la pression exercée par une colonne de mercure de hauteur égale à 1 mm. En effet, plus le vide est poussé (plus la pression est faible), plus le faisceau d'électron ou d'ion sera précis. Ceci permet d'augmenter la densité des sites émetteurs d'électrons. Ceci permet également de contrôler la densité des sites émetteurs d'électrons.Advantageously, the electron or ion beam is produced in a vacuum chamber where there is a pressure of the type generally used in vacuum electronic tubes. This pressure is generally less than a few 133.10 -5 Pascals (10 -5 torr). It is recalled that the torr is a unit of pressure substantially equal to 133 Pascals. The torr also corresponds to the pressure exerted by a mercury column of height equal to 1 mm. In fact, the more the vacuum is pushed (the lower the pressure), the more precise the electron or ion beam will be. This makes it possible to increase the density of the electron emitting sites. This also makes it possible to control the density of the electron emitting sites.
L'irradiation permet d'apporter de l'énergie à la surface afin de modifier son affinité électronique. Dans le cas d'une irradiation ionique, peu importe la nature de l'ion choisi, c'est l'énergie qu'il apporte à la surface qui est déterminante.Irradiation provides energy to the surface to modify its electronic affinity. In the case of an ionic irradiation, whatever the nature of the chosen ion, it is the energy that it brings to the surface which is determining.
En variante, on fait appel à des ions lourds qui fournissent des sites émetteurs artificiels avec un positionnement aléatoire. Dans ce cas, l'impact de chaque ion crée un site et la densité de sites est alors directement égale à la dose implantée. Ainsi, une dose de 1010 atomes/cm2 induira 1010 sites/cm2, les sites étant séparés par une distance moyenne de 10-5 cm, c'est-à-dire 100 nm.Alternatively, heavy ions are used which provide artificial emitter sites with random positioning. In this case, the impact of each ion creates a site and the density of sites is then directly equal to the implanted dose. Thus, a dose of 10 10 atoms / cm 2 will induce 10 10 sites / cm 2 , the sites being separated by an average distance of 10 -5 cm, i.e. 100 nm.
En variante, les sites émetteurs sont créés à l'aide d'impulsions localisées de courant électrique. Ces impulsions modifient les propriétés de conduction de la couche ou du substrat, là où elles sont appliquées.Alternatively, the transmitter sites are created using localized pulses of electric current. These pulses modify the conduction properties of the layer or substrate where they are applied.
Quel que soit le procédé utilisé, celui-ci crée, en plus de modifications locales en surface, des modifications locales en volume, à savoir qu'on forme des canaux conducteurs.Whatever the method used, it creates, in addition to local modifications on the surface, local changes in volume, namely that forming conductive channels.
Pour des matériaux à base de carbone de type sp3, les canaux conducteurs créés sont de type sp2.For carbon-based materials of sp 3 type, the conductive channels created are sp 2 type.
Dans un matériau amorphe très faiblement conducteur, les canaux conducteurs sont des canaux cristallins. Dans ce cas, la conduction est améliorée de plusieurs ordres de grandeur.In a very weak amorphous material, the conducting channels are crystalline channels. In this case, the conduction is improved by several orders of magnitude.
Les canaux conducteurs peuvent aussi être réalisés par dopage grâce à l'implantation d'atomes dopants.The conductive channels can also be made by doping by implanting doping atoms.
Dans le cas des matériaux isolants, les canaux conducteurs sont par exemple la conséquence de la création de défauts ou d'une désoxydation localisée.In the case of insulating materials, the conducting channels are for example the consequence of the creation of defects or localized deoxidation.
Dans un mode de réalisation, la cathode est fabriquée indépendamment de la grille d'extraction des électrons. Dans une autre réalisation, la cathode est monolithique, c'est-à-dire que cette cathode et la grille d'extraction sont fabriquées simultanément.In one embodiment, the cathode is manufactured independently of the electron extraction grid. In another embodiment, the cathode is monolithic, i.e., this cathode and the extraction grid are manufactured simultaneously.
Dans les deux cas, la fabrication est soit de type série, soit de type parallèle. La fabrication de type série consiste à utiliser un faisceau unique balayant la surface sur laquelle on veut créer des sites émetteurs, ce faisceau étant activé aux emplacements prédéfinis. La fabrication parallèle consiste à produire simultanément une pluralité de faisceaux atteignant des emplacements prédéfinis.In both cases, the manufacture is either of series type or of parallel type. Serial type manufacturing consists of using a single beam sweeping the surface on which we want to create transmitting sites, this beam being activated at predefined locations. Parallel fabrication involves simultaneously producing a plurality of beams reaching predefined locations.
Dans le cas d'une réalisation monolithique, on peut réaliser une ou plusieurs autres électrodes en même temps que la cathode et la grille d'extraction.In the case of a monolithic embodiment, one or more other electrodes can be made at the same time as the cathode and the extraction grid.
L'invention concerne également une triode utilisant une cathode conforme à l'invention. On a constaté qu'une telle triode pouvait être utilisée à des fréquences de l'ordre de 10 GHz alors que jusqu'à présent on avait réussi à atteindre des fréquences de 4 GHz.The invention also relates to a triode using a cathode according to the invention. It has been found that such a triode can be used at frequencies of the order of 10 GHz whereas up to now it has been possible to reach frequencies of 4 GHz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels :
- les figures 1 et 1a, 2, 3a à 3c,4a à 4d, et 5a à 5c sont des schémas illustrant des procédés, conformes à l'invention, de fabrication de cathode, cette fabrication étant effectuée indépendamment de la grille d'extraction,
- les figures 6a à 6b, 7a à 7c, 8a à 8d, 9a à 9d et 10a à 10d sont des schémas illustrant des procédés de fabrication, conformes à l'invention, de cathodes et de grilles d'extraction,
- la figure 11 illustre une cathode conforme à l'invention avec une grille d'extraction ainsi qu'une autre électrode,
- la figure 12 est un schéma d'un tube utilisant une cathode conforme à l'invention,
- la figure 13 est un schéma d'un tube analogue à celui de la figure 12 mais pour une variante,
- la figure 14 est un schéma d'un canon à électrons comportant une cathode conforme à l'invention,
- les figures 15, 15a et 15b sont des schémas d'un tube oscillateur comportant une cathode conforme à l'invention,
- la figure 16 est un schéma d'une triode comportant une cathode conforme à l'invention, et
- la figure 17 est un schéma d'une triode pour une variante.
- FIGS. 1 and 1a, 2, 3a to 3c, 4a to 4d, and 5a to 5c are diagrams illustrating cathode manufacturing methods according to the invention, this fabrication being carried out independently of the extraction grid,
- FIGS. 6a to 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d are diagrams illustrating methods of manufacture, according to the invention, of cathodes and extraction grids,
- FIG. 11 illustrates a cathode according to the invention with an extraction grid as well as another electrode,
- FIG. 12 is a diagram of a tube using a cathode according to the invention,
- FIG. 13 is a diagram of a tube similar to that of FIG. 12, but for a variant,
- FIG. 14 is a diagram of an electron gun comprising a cathode according to the invention,
- FIGS. 15, 15a and 15b are diagrams of an oscillator tube comprising a cathode according to the invention,
- FIG. 16 is a diagram of a triode comprising a cathode according to the invention, and
- Fig. 17 is a diagram of a triode for a variant.
On va tout d'abord décrire en relation avec les figures 1, 1a, 2, 3a à 3c, 4a à 4d, 5a à 5c plusieurs procédés permettant de fabriquer une cathode d'émission d'électrons, cette fabrication étant effectuée indépendamment de celle de la grille d'extraction des électrons.First of all, in connection with FIGS. 1, 1a, 2, 3a to 3c, 4a to 4d, 5a to 5c, several methods for producing an electron-emitting cathode will be described, this fabrication being carried out independently of that of the electron extraction grid.
La fabrication peut être du type série ou du type parallèle. Les figures 1, 1a et 2 illustrent des procédés de fabrication de type série.The manufacture may be of the series type or of the parallel type. Figures 1, 1a and 2 illustrate series type manufacturing processes.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 1a, on part d'un matériau émetteur qui, d'une façon générale, est un matériau isolant ou à faible affinité électronique, déposé sous forme de couche 20, d'épaisseur 10 à 100 nm sur un substrat conducteur 22, par exemple en silicium dopé ou bien un substrat quelconque(par exemple en verre) recouvert d'une couche métallique.In the embodiment shown in FIGS. 1 and 1a, starting from an emitting material which, in general, is an insulating or low electron affinity material, deposited in the form of a
Sur la couche 20, en des emplacements prédéterminés, on focalise un faisceau électronique ou ionique 24. Ainsi, en chaque emplacement 261, 262, etc. sur lequel a été focalisé le faisceau 24, on crée des sites émetteurs d'électrons.On the
Les zones irradiées par le faisceau 24 ont chacune une section sensiblement circulaire de diamètre de 1 à 100 nm. Le pas entre deux zones successives est compris entre 5 et 500 nm.The zones irradiated by the
De façon générale, afin d'obtenir un effet de champ optimal sur chaque site, on choisira de préférence un pas supérieur ou égal à deux fois la hauteur des canaux conducteurs, c'est-à-dire à l'épaisseur de la couche 20. Dans le cas contraire, il y aurait diminution de l'effet de pointe de chaque canal et donc une diminution du courant total émis.In general, in order to obtain an optimal field effect at each site, a step greater than or equal to twice the height of the conductive channels, that is to say the thickness of the
Pour obtenir une zone irradiée d'un diamètre compris entre 1 et 100 nm on utilise un faisceau électronique ou ionique de même taille.To obtain an irradiated zone with a diameter of between 1 and 100 nm, an electron or ion beam of the same size is used.
Pour créer le faisceau électronique d'irradiation, dans un exemple, on utilise un faisceau du type de celui mis en oeuvre dans un microscope électronique à transmission. Un tel faisceau permet un diamètre de l'ordre de 1 nm avec un courant de 1 nA. Dans ce cas, si le pas entre deux impacts, c'est-à-dire entre deux emplacements déterminés, est de 5 nm, on obtient des densités de sites émissifs de 4.1012/cm2.To create the electron beam of irradiation, in one example, a beam of the type used is used. in a transmission electron microscope. Such a beam allows a diameter of the order of 1 nm with a current of 1 nA. In this case, if the pitch between two impacts, that is to say between two specific locations, is 5 nm, we obtain emitting site densities of 4.10 12 / cm 2 .
Si on fait appel à un faisceau de taille de 5 nm du type de ceux fournis par les masqueurs électroniques utilisés pour la lithographie électronique à haute résolution, avec un pas de 20 nm, les densités de sites émissifs sont alors de 2,5x1011/cm2.If a 5 nm size beam of the type provided by the electronic maskers used for high-resolution electronic lithography, with a pitch of 20 nm, is used, the emissive site densities are then 2.5 × 10 11 / cm 2 .
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, au lieu de faire appel à un faisceau d'électrons ou à un faisceau d'ions, on utilise une pointe 30 dont la section de contact avec la couche 20 a un diamètre inférieur à 20 nm et cette pointe est associée à un générateur (non montré) d'impulsions électriques 31 qui produit les impulsions en des emplacements prédéterminés 261, 262. Chaque impulsion modifie les propriétés électriques de la couche émettrice 20, c'est-à-dire transforme les emplacements correspondants en des zones conductrices et/ou à haute affinité électronique.In the embodiment shown in FIG. 2, instead of using an electron beam or an ion beam, a
Dans un exemple: la section de l'extrémité de la pointe 30 a un diamètre de 10 nm, le matériau de la couche 20 est une couche de carbone amorphe d'épaisseur 20 nm, le pas est de 50 nm et les impulsions électriques 31 ont une amplitude de 10 V.In one example: the section of the end of the
On va maintenant décrire en relation avec les figures 3a à 3c, 4a à 4d et 5a à 5c, un procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons dans laquelle les sites sont réalisés simultanément, c'est-à-dire en parallèle.FIGS. 3a to 3c, 4a to 4d and 5a to 5c will now describe a method of manufacturing an electron-emitting cathode in which the sites are produced simultaneously, that is to say in parallel .
Dans l'exemple représenté sur les figures 3a et 3c, les sites sont réalisés à l'aide de faisceaux électroniques ou ioniques.In the example shown in Figures 3a and 3c, the sites are made using electron or ion beams.
La première étape du procédé consiste à déposer un masque de protection 32 (figure 3a) sur la couche 20. Ce masque, d'épaisseur de 100 à 1000 nm comporte des ouvertures 36 de diamètre compris entre 50 et 100 nm séparées par un pas de 200 à 500 nm. Le matériau constitutif du masque de protection 32 est par exemple une résine du type de celles couramment utilisées dans les procédés de lithographie à haute résolution. Ce matériau peut être aussi un métal lourd (par exemple le molybdène ou le tungstène) afin de bloquer les faisceaux électroniques ou ioniques de haute énergie.The first step of the method consists in depositing a protective mask 32 (FIG. 3a) on the
Au cours d'une seconde étape (figure 3b), la couche 20 est exposée à un faisceau parallèle 34 d'ions ou d'électrons à travers les ouvertures 36 du masque 32.In a second step (FIG. 3b), the
On obtient ainsi des sites émetteurs d'électrons 381, 382, etc. au droit des ouvertures 36 avec une densité prédéfinie, celle des ouvertures du masque 32. Avec des ouvertures 36 de diamètre 50 à 100 nm et un pas de 200 à 500 nm, la densité de sites émetteurs peut atteindre 1010/cm2.Electron emitter sites 38 1 , 38 2 , etc. are thus obtained. at the
Ces valeurs ne sont, bien entendu, données qu'à titre d'exemple. On peut en effet faire appel à des techniques de lithographie électronique permettant des ouvertures de diamètre de 10 nm avec un espacement minimum entre motifs compris entre 30 et 50 nm. Dans ce cas, la densité de sites émetteurs est sensiblement supérieure.These values are of course only given by way of example. It is indeed possible to use electronic lithography techniques allowing openings with a diameter of 10 nm with a minimum spacing between patterns of between 30 and 50 nm. In this case, the density of transmitting sites is substantially greater.
Au cours d'une dernière étape, le masque de protection 32 est éliminé, par exemple par attaque chimique. On obtient ainsi une couche 20 génératrice d'électrons (figure 3c) avec des sites émetteurs 381, 382,... créés artificiellement.During a last step, the
Dans une variante (non montrée), à la place d'un faisceau d'électrons ou d'ions 34, on fait appel à une irradiation avec des ions lourds (par exemple d'Antimoine ou de Xénon) ou bien des agrégats (par exemple C60) éventuellement multichargés, et donc de très forte énergie par exemple de 50 MeV à 1 GeV. Dans ce cas, l'irradiation peut être effectuée directement sur la couche 20 sans faire appel à un masque 32. Les sites émetteurs ou canaux conducteurs et/ou de forte affinité électronique sont créés le long de la trace des ions ou agrégats dans le matériau de la couche 20. Dans ce cas, les sites émetteurs ne se trouvent pas en des positions prédéterminées. Toutefois, la densité de tels sites émetteurs est contrôlable par la dose d'ions lourds ou agrégats.In a variant (not shown), in place of an electron or
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4a à 4d, les sites émetteurs sont réalisés en parallèle à l'aide d'un champ électrique.In the embodiment shown in FIGS. 4a to 4d, the emitting sites are made in parallel using an electric field.
Pour la mise en oeuvre de ce procédé, on dépose sur la couche 20 un masque isolant 40 (figure 4a) présentant des ouvertures de diamètre compris entre 50 et 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm. Ce masque isolant est, par exemple, en silice ou en nitrure de silicium. Son épaisseur dépend de la tension qui sera appliquée au cours des étapes suivantes. Avec un champ de claquage de l'ordre de 500 V/µm, une tension appliquée de 100 volts, l'épaisseur d'isolant sera de l'ordre de 300 nm.For the implementation of this method, is deposited on the
Après le dépôt de l'isolant 40, on procède au dépôt d'une couche métallique 42 (figure 4b) d'épaisseur un micron environ. Le métal de la couche 42 remplit les ouvertures du masque isolant 40 et vient en contact, par ces ouvertures, avec la couche 20.After the deposition of the
Après dépôt de la couche 42, on applique à cette dernière une impulsion 44, par exemple de 100 volts. Cette impulsion est, dans un exemple, appliquée pendant une durée inférieure à une seconde. La tension et la durée sont choisies de manière à modifier localement, au droit des ouvertures de la couche 40, les propriétés électriques du matériau émetteur de la couche 20 (figure 4c).After deposition of the
Enfin, au cours d'une dernière étape on élimine les couches 40 et 42, par exemple par attaque chimique, ce qui laisse la couche 20 nue avec des canaux conducteurs 461, 462 formant des émetteurs d'électrons.Finally, during a last step, the
Dans la variante représentée sur les figures 5a à 5c, au lieu de faire appel à un masque isolant 40 pour définir les sites, on utilise un réseau de pointes conductrices 501, 502, etc. formées à la surface 52 d'un substrat conducteur 54 (figure 5a). Ce réseau de pointes 501, 502, etc. est appliqué sur la surface de la couche 20 en même temps qu'on applique une impulsion électrique 56 (figure 5b) au substrat conducteur 54.In the variant shown in FIGS. 5a to 5c, instead of using an insulating
Comme dans le mode de réalisation précédemment décrit, la tension de l'impulsion 56 et sa durée sont choisies pour modifier localement, dans les sites se trouvant au droit des pointes, les propriétés de conduction du matériau émetteur de la couche 20. Comme dans le cas précédent, on obtient un réseau 461, 462, etc. de canaux conducteurs (figure 5c). La densité est égale à la densité du réseau de pointes.As in the embodiment previously described, the voltage of the
On va maintenant décrire en relation avec les figures 6a et 6b, 7a à 7c, 8a à 8d, 9a à 9d et 10a à 10d, un procédé de fabrication de cathode de type monolithique consistant à fabriquer simultanément, sur un même substrat, les sources d'électrons et la grille d'extraction de ces électrons.FIGS. 6a and 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d will now describe a method for manufacturing a monolithic type cathode consisting of simultaneously producing, on the same substrate, the sources of electrons and the grid of extraction of these electrons.
Comme dans la réalisation précédemment décrite (fabrication de générateurs d'électrons indépendamment de la grille d'extraction), on peut soit faire appel à un procédé série, soit faire appel à un procédé parallèle pour la fabrication des sites émetteurs d'électrons.As in the previously described embodiment (manufacture of electron generators independently of the extraction grid), one can either use a series process, or use a parallel process for the manufacture of electron emitting sites.
Les figures 6a et 6b représentent un procédé de fabrication de type série.Figures 6a and 6b show a series type manufacturing process.
Dans cet exemple, sur la couche 20 de matériau émetteur, on dépose un masque isolant 60 d'épaisseur de 100 à 500 nm ; le masque 60 est en silice ou en nitrure de silicium. Sur la couche isolante 60, on dépose un métal conducteur 62 d'épaisseur comprise entre 50 et 300 nm. La couche métallique 62 est gravée, par exemple par lithographie puis attaque chimique ou attaque ionique réactive, de façon à créer des ouvertures circulaires 66 de diamètre de 50 à 200 nm dans cette couche 62. La couche 62 est destinée à constituer la grille d'extraction.In this example, on the
On enlève ensuite la partie de la couche isolante 60 se trouvant au droit des ouvertures 66, par exemple par attaque chimique, de façon à créer des cavités 64 de diamètre plus important que les ouvertures 66 de façon à éviter toute interac-tion entre le faisceau et l'isolant, l'interaction pouvant créer des charges parasites.The part of the insulating
Enfin, un faisceau électronique ou ionique 70 est centré sur chaque ouverture de façon à irradier le centre de la couche 20 au droit de l'ouverture 66 correspondante, ce qui crée les sites émetteurs 721, 722, etc.Finally, an electron or
Lorsque la couche 20 est isolante ou très faiblement conductrice, la couche isolante 60 n'est pas indispensable, c'est-à-dire que la grille 62 est déposée directement sur la couche 20.When the
Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 7a à 7c, la fabrication des sites est du type parallèle.In the embodiments shown in FIGS. 7a to 7c, the fabrication of the sites is of the parallel type.
Dans cet exemple, on prévoit (comme décrit en relation avec la figure 6a), sur la couche 20 de matériau émetteur, une couche isolante 60 et sur cette couche isolante, une couche conductrice 62 dans laquelle on grave des ouvertures 74 et sous laquelle on réalise, par attaque chimique, des cavités 76 de l'isolant 60. Dans ce cas, les ouvertures 74 ont un diamètre compris entre 50 et 100 nm et le pas entre deux ouvertures 74 voisines est compris entre 200 et 500 nm.In this example, provision is made (as described with reference to FIG. 6a), on the
Ensuite (figure 7b), on expose la couche conductrice 62 à un faisceau parallèle 78 d'électrons ou d'ions. La direction du faisceau parallèle est perpendiculaire à la face de la couche 62. Ainsi, les ouvertures 74 constituent des diaphragmes qui permettent que le faisceau 78 atteigne seulement la couche 20 au droit des ouvertures 74. On notera que, dans ce cas, on a intérêt à limiter le diamètre des ouvertures 74 pour obtenir un positionnement correct des sites émetteurs 801, 902 sur la couche 20.Next (FIG. 7b),
Si le diamètre des ouvertures 74 utilisées pour créer les sites 801, 882, etc. est insuffisant pour un fonctionnement normal, au cours d'une dernière étape (figure 7c), on agrandit ces ouvertures de façon à constituer des ouvertures 84 de diamètre plus important, par exemple compris entre 100 et 200 nm.If the diameter of the
Comme dans le mode de réalisation précédemment décrit, si le matériau de la couche 20 est isolant ou faiblement conducteur, la grille d'extraction 62 peut être déposée directement sur la couche 20.As in the embodiment previously described, if the material of the
Dans l'exemple représenté sur les figures 8a à 8d, on effectue une fabrication des sites émetteurs autoalignés avec les ouvertures de la grille d'extraction.In the example shown in FIGS. 8a to 8d, self-aligned emitter sites are manufactured with the openings of the extraction grid.
A cet effet, au cours d'une première étape (figure 8a), sur la couche 20 de matériau émetteur, on dépose une couche isolante 86 sur laquelle on dépose une couche métallique 88 destinée à constituer la grille. Cette couche métallique 88 est recouverte par une couche de résine 90.For this purpose, during a first step (Figure 8a), on the
La couche de résine 90 est ensuite balayée par un faisceau électronique ou ionique 92 localisé en des emplacements prédéterminés qui crée, à travers les couches 86, 88 et 90 des sites émetteurs 941, 942, etc. par exemple espacés selon un pas de 200 à 1000 nm.The
L'irradiation à l'aide du faisceau 92 crée aussi une modification de la couche de résine 90 qui peut être développée pour obtenir des ouvertures 961, 962, etc. (figure 8b) en des emplacements qui correspondent naturellement à ceux des sites émetteurs 941, 942, etc.
Ces ouvertures 961,... de la couche 90 de résine sont mises à profit pour réaliser des ouvertures 981,... dans la couche métallique 88 et des cavités 1001 de la couche d'isolant 86, sous les ouvertures 981,... (figure 8c). L'illumination de la résine est utilisée pour réaliser les ouvertures 981,... de la grille 88.These openings 96 1, ... 90 of the resin layer are utilized to produce openings 98 1, ... in the
Enfin (figure 8d), la couche de résine 90 est éliminée.Finally (Figure 8d), the
Ce procédé permet un alignement aisé des sites 941 avec les ouvertures 981 de la grille 88 d'extraction des électrons.This method allows easy alignment of the sites 94 1 with the openings 98 1 of the
Comme dans les modes de réalisation précédemment décrits, si le matériau de la couche 20 est isolant ou très faiblement conducteur, on dépose la couche 88 directement sur la couche 20.As in the embodiments previously described, if the material of the
En variante, le faisceau 92 est remplacé par une multiplicité de faisceaux localisés. Le faisceau électronique ou ionique 92 peut aussi être remplacé par un faisceau à ions lourds multichargés qui fournit un positionnement aléatoire. Dans ce cas, la réalisation est de type parallèle ; elle présente le même avantage d'autoalignement des sites et des ouvertures de la grille.In a variant, the
Les figures 9a à 9d illustrent un procédé de fabrication de sites émetteurs de type parallèle à l'aide d'une impulsion de tension.FIGS. 9a to 9d illustrate a method of manufacturing parallel type transmitter sites by means of a voltage pulse.
Selon ce procédé, on dépose sur la couche 20 de matériau émetteur une couche isolante 104 sur laquelle on dépose une couche métallique 106 (figure 9a). La couche isolante 104 est par exemple en silice ou en nitrure de silicium. Dans les couches 104 et 106 on forme des ouvertures 1081, 1082, etc. de diamètre de 50 à 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm.According to this method, an insulating
L'épaisseur de la couche isolante 104 dépend de la tension qui sera appliquée ensuite. Ainsi avec une tension de 100 volts, l'épaisseur de l'isolant est de l'ordre de 300 nm si cet isolant présente un champ de claquage de l'ordre de 500 volts/µm.The thickness of the insulating
Après la réalisation des ouvertures 1081, 1082, on dépose sur la couche 106 et dans les ouvertures 108i, une couche métallique 110 (figure 9b), et on applique une impulsion 112 (figure 9c), par exemple d'une amplitude de 100 volts et de durée inférieure à une seconde. De toute façon, la tension et la durée sont choisies de manière à modifier localement les propriétés électriques de la couche 20 afin de créer des canaux conducteurs, comme précédemment décrit.After the openings 108 1 , 108 2 have been made, a layer 110 (FIG. 9b) is deposited on the
Enfin (figure 9d), la couche métallique 110 est éliminée et sous les ouvertures de la couche métallique 106, constituant la grille d'extraction d'électrons, on forme, par attaque chimique, des cavités 114i.Finally (Figure 9d), the
Ce procédé permet aussi un alignement correct des sites émetteurs avec les ouvertures de la grille 106.This method also allows a correct alignment of the emitting sites with the openings of the
Dans la réalisation que l'on va maintenant décrire en relation avec les figures 10a à 10d, les sites émetteurs sont réalisés par dopage d'un matériau semi-conducteur.In the embodiment that will now be described with reference to FIGS. 10a to 10d, the emitting sites are made by doping a semiconductor material.
Ce procédé consiste à partir d'un substrat (ou couche) 120 semi-conducteur de type p monocristallin, par exemple en silicium ou en arséniure de gallium, sur lequel on forme, par épitaxie ou implantation ionique, une couche semi-conductrice intrinsèque 122. On dépose ensuite sur la couche 122 une couche isolante 124 qui est recouverte par une couche métallique 126.This process consists of a monocrystalline p-type semiconductor substrate (or layer) 120, for example made of silicon or gallium arsenide, on which an intrinsic semiconductor layer is formed by epitaxy or ion implantation. An insulating
Dans la couche 126, on forme, par exemple par lithographie, des ouvertures 1281, 1282, etc. (figure 10a) dont le diamètre est compris entre 50 et 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm.In the
Après réalisation des ouvertures 1281, 1282, etc., on irradie, à l'aide d'un faisceau ionique parallèle 130, la couche métallique 126 avec ses ouvertures 1281 à 1282, ce qui permet la réalisation de canaux dopés 1301, 1302, etc. par implantation ionique dans la couche 122. Ces canaux dopés sont de type p (figure 10b).After making the openings 128 1 , 128 2 , etc., the
De préférence, les ouvertures 1281, 1282 ont un diamètre relativement faible, de façon à contrôler les emplacements des zones dopées 1301, 1302, etc. Dans ces conditions, il peut être ensuite nécessaire d'agrandir ces ouvertures 1281, 1282, de façon à réaliser des ouvertures 1321, 1322 de plus grand diamètre (figure 10c). Dans ce cas, on fait appel à une gravure de type isotrope. Par exemple, une gravure induisant une diminution de 50 nm de l'épaisseur de la couche 126 entraînera une augmentation de 100 nm des ouvertures 132.Preferably, the openings 128 1 , 128 2 have a relatively small diameter, so as to control the locations of the doped
Après la réalisation des ouvertures 1321, 1322, on réalise, par exemple par attaque chimique, des cavités 1341 sous les ouvertures 1321 formées dans la couche isolante 124 (figure 10d).After the openings 132 1 , 132 2 have been made, cavities 134 1 are made, for example by etching, under the openings 132 1 formed in the insulating layer 124 (FIG. 10d).
Ce procédé permet d'obtenir des canaux dopés monocristallins qui sont autoalignés avec les ouvertures de la grille d'extraction.This method makes it possible to obtain monocrystalline doped channels which are self-aligned with the openings of the extraction grid.
La couche émettrice 20 dans laquelle on implante des sites émetteurs 131i peut être réalisée non seulement de façon simultanée avec une grille d'extraction 136, mais aussi avec au moins une autre électrode 138 (figure 11), selon des procédés analogues à ceux décrits précédemment. Ainsi, dans l'exemple représenté sur la figure 11, sur la grille 136 on a déposé un isolant 140 et l'électrode 138 est formée sur l'isolant 140. L'ouverture 142i de l'électrode 138 est d'un diamètre sensiblement supérieur au diamètre de l'ouverture 144i de la grille 136.The
La structure représentée sur figure 11 est réalisable avec tous les types de sites émissifs précédemment décrits.The structure shown in FIG. 11 is feasible with all the types of emissive sites previously described.
La cathode froide d'émission de champ conforme à l'invention peut être utilisée pour réaliser des tubes électroniques fonctionnant à des fréquences, notamment de l'ordre de 10 GHz.The cold cathode field emission according to the invention can be used to produce electronic tubes operating at frequencies, in particular of the order of 10 GHz.
On va maintenant décrire en relation avec les figures 12 à 17 des tubes électroniques utilisant la cathode conforme à l'invention.We will now describe in relation to FIGS. 12 to 17, electronic tubes using the cathode according to the invention.
La figure 12 représente un tube à sortie inductive multifaisceau à grille unique.Fig. 12 shows a single gate multibeam inductive output tube.
Ce tube comporte une cathode 150 conforme à l'invention à laquelle est associée une grille plane 152 sur laquelle on applique l'énergie haute fréquence d'entrée. La distance d entre la grille 152 et la cathode 150 peut, suivant l'invention, être choisie de façon relativement indépendante du procédé de fabrication de la cathode. Elle peut donc être suffisamment faible pour que le champ électrique d'extraction soit important au niveau de la cathode, de façon à extraire le courant voulu ; elle peut aussi être assez grande (par exemple 5 à 10 microns) pour que la capacité grille/cathode soit faible et ne court-circuite pas, ou ne perturbe pas, l'énergie hyperfréquence injectée sur la grille.This tube comprises a
Les électrons engendrés par les sites 151i de la cathode 150 sont aussi extraits de l'espace cathode/grille ; ils sont également modulés en courant en raison du champ hyperfréquence régnant dans cet espace. Ils sont ensuite accélérés par le champ électrique régnant entre cet ensemble et le bloc anode 154, lequel est essentiellement constitué par une cavité 154, dont le fond, plus épais, recueille la majeure partie des électrons.The electrons generated by the sites 151 i of the
Ces électrons modulés en courant et accélérés sous quelques centaines ou quelques milliers de volts cèdent alors leur énergie cinétique sous la forme d'énergie électromagnétique dans la cavité 154.These electrons modulated in current and accelerated under some hundreds or a few thousand volts yield then their kinetic energy in the form of electromagnetic energy in the
La puissance de sortie est extraite à une extrémité latérale 156 de la cavité 154.The output power is extracted at a
Dans la variante représentée sur la figure 13, on prévoit une grille 158 comportant deux parties se trouvant selon deux surfaces distinctes, à savoir une partie active 160 à une distance d2 de la surface de la cathode 150 et une seconde partie 162 comportant les parties non actives de la grille 158, à une distance d1 de la surface 150 supérieure à la distance d2.In the variant shown in FIG. 13, there is provided a
Cette structure permet, d'une part, de diminuer encore plus la capacité grille/cathode et de fonctionner à des fréquences encore plus élevées, et, d'autre part, de rapprocher de la cathode les parties actives 160 de la grille, pour renforcer le champ électrique d'extraction et augmenter le courant ou réduire l'énergie hyperfréquence "d'entrée" injectée sur la grille.This structure makes it possible, on the one hand, to further reduce the gate / cathode capacity and to operate at even higher frequencies, and, on the other hand, to bring the
Chaque partie active 160 de la grille est reliée à la partie inactive 162 par une partie évasée, notamment conique, 164. De préférence, la forme de ces parties évasées 164 est choisie pour éviter que les faisceaux d'électrons 170 divergent sous l'effet de la charge d'espace et pour que ces faisceaux passent bien aux endroits voulus à travers les parties actives de la grille. Ainsi, les parties évasées 164 forment un wehnelt, c'est-à-dire une lentille électronique.Each
La figure 14 représente un canon à électrons de type à grille unique. Dans cette réalisation, la cathode 172 est réalisée sur une surface sphérique concave, et la grille 174 présente une forme analogue. Les ouvertures de la grille 174 sont, comme décrit ci-dessus, au droit des sites émetteurs de la cathode 172.Figure 14 shows a single gate type electron gun. In this embodiment, the
La forme des surfaces 172 et 174 permet de créer un faisceau d'électrons convergent et donc à haute densité de courant pouvant être utilisé dans un tube hyperfréquence de structure classique, par exemple un tube à onde progressive (TOP).The shape of the
Dans ce contexte, on a affaire à un canon avec une grille de commande unique 174, cette grille n'interceptant pas le faisceau. En d'autres termes, contrairement aux canons à électrons classiques, il n'est pas nécessaire de prévoir de grille formant un masque pour délimiter des zones émissives. De plus, il ne se produit pas d'émission parasite.In this context, we are dealing with a gun with a
Enfin, la grille 174 peut recevoir des signaux de commande permettant de moduler l'émission des électrons. La modulation du faisceau est alors effectuée dans le générateur d'électrons, alors qu'habituellement la génération et la modulation s'effectuent avec deux dispositifs distincts.Finally, the
La figure 15 représente un tube oscillateur comprenant une cathode conforme à l'invention. Ce tube oscillateur est du type monotron. Les électrons 182 sortant de l'espace cathode/ grille rentrent aussitôt dans une cavité résonnante 180 où ils sont accélérés par une tension continue VKA, appliquée entre le fond de la cavité et la cathode. Si le temps de séjour t de ces électrons dans la cavité est grand et tel que, approximativement, 2nπ < 2nFt < (2n + 1)π, il y a oscillation à la fréquence F, pour autant que la cavité résonne à cette fréquence F, ou à une fréquence proche de F.FIG. 15 represents an oscillator tube comprising a cathode according to the invention. This oscillator tube is of the monotron type. The
En variante, on prévoit, comme dans l'exemple de la figure 12, que les électrons sont accélérés dans un espace grille/cavité et traversent la cavité à vitesse constante, en l'absence d'interactions.In a variant, it is provided, as in the example of FIG. 12, that the electrons are accelerated in a grid / cavity space and pass through the cavity at a constant speed, in the absence of interactions.
Dans cette variante, comme dans la réalisation représentée sur la figure 15, quand il y a oscillation, la fréquence est en étroite relation avec le temps de séjour t, suivant la relation ci-dessus.In this variant, as in the embodiment shown in FIG. 15, when there is oscillation, the frequency is closely related to the residence time t, according to the above relationship.
Les dimensions de la cavité et son antenne de couplage 189 sont telles que le mode de résonance présente des composantes importantes de champ électrique parallèle aux faisceaux et localisées à l'endroit où passent ces faisceaux. Si la cavité est rectangulaire (figure 15a), le mode sera, par exemple, un mode
Dans cette réalisation, on prévoit d'appliquer une tension de polarisation 184 sur une grille 186, ainsi qu'une tension réglable 188 sur l'anode 190. La tension réglable 188 permet de régler la vitesse des électrons et donc le temps t, soit la fréquence de fonctionnement du tube oscillateur.In this embodiment, provision is made to apply a
La figure 16 représente une triode à large bande utilisant une cathode conforme à l'invention. La configuration de cette triode est analogue à celle du tube représenté sur la figure 15, mais s'en distingue par le fait que le montage est de type amplificateur.FIG. 16 represents a broadband triode using a cathode according to the invention. The configuration of this triode is similar to that of the tube shown in Figure 15, but differs in that the mounting is amplifier type.
La configuration de la triode est telle que le faisceau d'électrons 196 traverse une zone de maximum du champ électrique à une fréquence f donnée. Le réglage de la fréquence f est obtenu, notamment, par des courts-circuits hyperfréquences 198.The configuration of the triode is such that the
Dans la variante représentée sur la figure 17, la cathode conforme à l'invention est utilisée aussi pour constituer une triode amplificatrice à large bande. Dans ce cas, la distance entre la grille 202 et la cathode 204 est variable ; la surface émettrice de chaque site émetteur 206 de la cathode 204 et la densité de ces sites est fonction de la distance cathode-grille à l'endroit où se trouvent ces sites. Lorsque la distance grille-cathode est grande, les sites sont larges mais très espacés, l'espace entre deux sites correspondant à une demi-longueur d'onde. Au contraire, lorsque la distance grille-cathode est faible, les sites sont petits mais peu espacés et donc denses. De cette façon, la densité de courant émise reste la même.In the variant shown in FIG. 17, the cathode according to the invention is also used to constitute a broadband amplifying triode. In this case, the distance between the
La distance variable entre cathode 204 et grille 202 permet une bande large. La distance la plus faible correspond à un fonctionnement aux plus hautes fréquences et la distance la plus élevée, aux fréquences les plus basses.The variable distance between
L'invention peut également être utilisée pour des applications d'affichage.The invention can also be used for display applications.
L'invention concerne de façon générale un procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons qui est caractérisé en ce qu'on part d'un matériau émetteur isolant ou à faible affinité électronique et en ce qu'on définit artificiellement des sites émetteurs par création localisée de zones à forte affinité électronique et/ou conductrices.The invention generally relates to a method for manufacturing an electron-emitting cathode which is characterized in that it starts from an insulating emitter material or low electron affinity and in that it is artificially defined transmitter sites by localized creation of areas with high electronic affinity and / or conductive.
Dans un exemple, les sites créés artificiellement constituent, en volume, des canaux conducteurs.In one example, the artificially created sites constitute, in volume, conductive channels.
Dans ce cas, il est préférable de que le rapport entre la hauteur d'un site et le pas entre deux sites soit inférieur ou égal à 0,5.In this case, it is preferable that the ratio between the height of a site and the pitch between two sites is less than or equal to 0.5.
L'invention se rapporte aussi à un dispositif émetteur d'électrons comprenant une cathode émissive et une grille qui est caractérisé en ce que la cathode émissive présente des sites émetteurs d'électrons séparés les uns des autres et créés artificiellement et en ce que la grille d'extraction des électrons comporte des ouvertures en face des sites.The invention also relates to an electron emitting device comprising an emitting cathode and a gate which is characterized in that the emitting cathode has electron-emitting sites separated from each other and created artificially and in that the gate Electron extraction has openings in front of the sites.
Selon un mode de réalisation, la distance séparant la grille de la surface émissive (204) de la cathode est variable.According to one embodiment, the distance separating the gate from the emitting surface (204) of the cathode is variable.
Dans ce cas, de préférence, la densité de sites émetteurs sur la cathode varie en sens inverse de la distance à la grille.In this case, preferably, the density of transmitter sites on the cathode varies in the opposite direction of the distance to the gate.
Dans ce mode de réalisation, il est avantageux que la densité de courant émise soit constante quelle que soit la distance de la grille à la surface émissive.In this embodiment, it is advantageous for the current density emitted to be constant regardless of the distance from the gate to the emitting surface.
L'invention est relative à une cathode génératrice d'électrons ainsi qu'à un dispositif générateur d'électrons. Elle concerne aussi un procédé de fabrication de cette cathode.The invention relates to an electron generating cathode and an electron generating device. It also relates to a method of manufacturing this cathode.
On sait que certains matériaux, notamment des matériaux à base de carbone, permettent une émission d'électrons par application d'un champ faible, au plus de quelques dizaines de volts par micromètre.It is known that certain materials, in particular carbon-based materials, allow an emission of electrons by application of a weak field, at most of a few tens of volts per micrometer.
Bien que l'origine de ces émissions ne soit pas clairement établie, il est communément admis que l'émission provient de sites constitués de très petites zones dont la plus grande dimension dans la surface d'émission serait de quelques nanomètres à 100 nm environ, chaque site pouvant correspondre à une transition abrupte entre un matériau à forte affinité électronique et un matériau à faible affinité électronique.Although the origin of these emissions is not clearly established, it is generally accepted that the emission comes from sites consisting of very small areas whose largest dimension in the emission surface would be a few nanometers to about 100 nm, each site may correspond to an abrupt transition between a high electron affinity material and a low electron affinity material.
On rappelle ici que l'affinité électronique d'un matériau est une grandeur caractérisant la possibilité d'émission d'électrons à partir de la surface du matériau. Pour des matériaux à base de carbone, les transitions entre matériaux à faible et forte affinité électronique sont entre une phase sp2 et une phase sp3.It is recalled here that the electronic affinity of a material is a quantity characterizing the possibility of electron emission from the surface of the material. For carbon-based materials, the transitions between low and high electron affinity materials are between a sp 2 phase and an sp 3 phase.
Ces transitions peuvent également correspondre à des transitions entre une phase conductrice et une phase isolante ; dans le cas d'un matériau à base de carbone, la phase sp2 est conductrice et la phase sp3 est isolante.These transitions may also correspond to transitions between a conductive phase and an insulating phase; in the case of a carbon-based material, the sp 2 phase is conductive and the sp 3 phase is insulating.
Selon un premier modèle (Grôning et al. Applied Physics letters 71,2253, 1997) les sites seraient des canaux sp2 conducteurs de taille 10 à 100 nm dans une matrice sp3 isolante et l'émission électronique proviendrait d'un effet de pointe. Selon un second modèle (J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) un site émissif correspondrait à une variation en surface, localisée sur une distance d'environ 10 nm, de l'affinité électronique. Selon un troisième modèle (M.W. Geis et al. Nature, 393, 431, 1998) dans le diamant l'émission électronique tire son origine de jonctions triples métal/diamant/vide.According to a first model (Groning et al., Applied Physics Letters 71,2253, 1997) the sites would be sp 2 conductive channels of size 10 to 100 nm in an insulating sp 3 matrix and the electron emission would come from a peak effect. . According to a second model (J. Robertson et al., Diamond and related materials 7, 620, 1998) an emitting site would correspond to a surface variation, localized over a distance of about 10 nm, of the electronic affinity. According to a third model (MW Geis et al., Nature, 393, 431, 1998) in diamond the electron emission originates from triple metal / diamond / vacuum junctions.
Pour augmenter l'émission électronique on cherche donc à augmenter la densité de sites d'émission. A ce jour, les meilleurs résultats fournissent des densités de sites de l'ordre de 106/cm2, c'est-à-dire 10-2/µm2. Ces valeurs sont trop faibles pour obtenir des densités de courant d'émission suffisantes, au moins égales à 0,1 A/cm2. Par ailleurs, l'emplacement des sites émissifs n'est pas prévisible, ce qui peut constituer un inconvénient pour des applications pratiques.To increase the electronic emission, one therefore seeks to increase the density of emission sites. To date, the best results provide site densities of the order of 10 6 / cm 2 , that is to say 10 -2 / μm 2 . These values are too low to obtain sufficient emission current densities, at least equal to 0.1 A / cm 2 . Moreover, the location of the emitting sites is not predictable, which can be a disadvantage for practical applications.
Toutefois, W. Zhu et al. (Appl. Phys. Lett. 75, p. 873 1999) ont réussi à réaliser des cathodes en carbone sous forme de nanotubes avec une densité de sites émissifs de l'ordre de 107/cm2, la densité de courant obtenue étant de l'ordre de 0,5 A/cm2 ; mais, cette valeur est encore trop faible pour que ce matériau soit utilisable en pratique.However, W. Zhu et al. (Appl. Phys. Lett. 75, p. 873 1999) were able to achieve carbon cathodes form of nanotubes with an emissive site density of the order of 10 7 / cm 2, the current density obtained being the order of 0.5 A / cm 2 ; but, this value is still too low for this material to be usable in practice.
Le procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons tel que décrit dans le document WO 96 25753 utilise une surface quelconque d'électrode dans laquelle on forme des irrégularités géométriques. Ce sont ces irrégularités qui émettent les électrons. Ce procédé est limité par la densité d'irrégularités que l'on peut obtenir et ne permet pas d'obtenir de grandes densités de courant émis par la cathode.The method of manufacturing an electron-emitting cathode as described in WO 96 25753 uses any electrode surface in which geometric irregularities are formed. These are the irregularities that emit the electrons. This method is limited by the density of irregularities that can be obtained and does not allow to obtain large current densities emitted by the cathode.
L'invention selon les revendications 1-31 remédie à ces inconvénients. Elle permet d'atteindre des densités de sites d'émission de l'ordre de 1012/cm2 et donc d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur les densités de courant.The invention according to claims 1-31 overcomes these disadvantages. It makes it possible to reach emission site densities of the order of 10 12 / cm 2 and thus to increase by several orders of magnitude the current densities.
La cathode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte une couche ou un substrat en un matériau isolant ou à faible affinité électronique et des sites émetteurs d'électrons créés artificiellement, ces sites ayant, de préférence, une densité prédéterminée comprise entre 108 et 1013/cm2. Ces sites sont créés à partir de zones à forte affinité électronique et/ou conductrices. On pense (sans que l'invention soit limitée à cette interprétation) que l'émission d'électrons (les sites) s'effectue à la transition entre les zones à forte affinité électronique et/ou conductrices et la couche ou substrat conducteur ou à faible affinité électronique. Ainsi, les sites émetteurs seraient constitués par la transition entre les zones et le reste de la couche ou substrat. Cependant, dans ce qui suit, pour simplifier, on désignera quelquefois de la même manière les sites et les zones.The cathode according to the invention is characterized in that it comprises a layer or a substrate made of an insulating material or with low electronic affinity and artificially created electron-emitting sites, these sites having, preferably, a predetermined density of between 10 8 and 10 13 / cm 2 . These sites are created from areas with high electronic affinity and / or conductive. It is believed (although the invention is not limited to this interpretation) that the emission of electrons (the sites) is effected at the transition between the areas of high electron affinity and / or conductive and the conductive layer or substrate or at low electronic affinity. Thus, the emitter sites would be constituted by the transition between the zones and the rest of the layer or substrate. However, in what follows, for simplicity, we will sometimes designate the same sites and areas.
Ainsi, l'invention s'écarte des voies explorées jusqu'à présent, qui consistaient à obtenir naturellement, par le choix du matériau, des densités de sites émetteurs plus élevées. L'invention permet de sélectionner le matériau dans une large gamme. Il suffit, de façon générale, que le matériau dans lequel on prévoit des sites émetteurs créés artificiellement soit isolant ou à faible affinité électronique.Thus, the invention departs from the routes explored so far, which consisted in naturally obtaining, by the choice of the material, densities of higher emitter sites. The invention makes it possible to select the material in a wide range. It is sufficient, in general, that the material in which artificially created transmitter sites are provided is insulating or of low electronic affinity.
outre le degré de liberté supplémentaire qu'offre le choix du matériau, l'invention permet des densités de sites plus élevées.in addition to the additional degree of freedom afforded by the choice of material, the invention allows densities of higher sites.
De plus, l'invention permet, dans certains cas, de contrôler les emplacements des sites créés artificiellement. En effet, dans un mode de réalisation préféré, les emplacements créés artificiellement sont prédéfinis.In addition, the invention makes it possible, in certain cases, to control the locations of artificially created sites. Indeed, in a preferred embodiment, the artificially created locations are predefined.
Selon une réalisation, les matériaux dans lesquels on crée des sites émetteurs artificiels sont choisis dans le groupe comprenant : le diamant monocristallin ou polycristallin, le carbone de structure analogue au diamant (DLC, diamond like carbon), un matériau à faible affinité électronique à base de carbone tel que ta-C ou ta-C:N, un matériau amorphe très faiblement conducteur tel que a-Si, a-C:H: ou a-SiC, un matériau à grande bande interdite tel que le nitrure d'aluminium, AlN, ou le nitrure de gallium, GaN, et un matériau isolant tel que l'oxyde de magnésium MgO ou l'oxyde dé titane TiO2.According to one embodiment, the materials in which artificial emitter sites are created are chosen from the group comprising: monocrystalline or polycrystalline diamond, diamond-like carbon (DLC), a low-affinity electronic material based on carbon such as ta-C or ta-C: N, a very weakly conductive amorphous material such as a-Si, aC: H: or a-SiC, a material with a large bandgap such as aluminum nitride, AlN , or gallium nitride, GaN, and an insulating material such as MgO magnesium oxide or TiO 2 titanium oxide.
L'invention concerne aussi un procédé pour réaliser une cathode conforme à l'invention.The invention also relates to a method for producing a cathode according to the invention.
Ce procédé est caractérisé en ce que les sites émetteurs sont réalisés soit par modification locale des propriétés de conduction d'un matériau isolant, soit par des modifications locales d'affinité électronique quand on fait appel à un matériau à faible affinité électronique. Le procédé ne nécessite pas de modification géométrique de la surface de la cathode qui reste localement sensiblement plane. Contrairement à d'autres réalisations utilisant comme site émetteur des zones anguleuses notamment des pointes ou des arêtes vives, la localisation des sites est indépendante de la géométrie de la surface de la cathode. Il est possible de définir de façon mathématique une surface, en l'occurrence celle de la cathode, localement sensiblement plane. Il s'agit d'une surface sensiblement continue et ne présentant pas de rupture de dérivée à l'échelle d'au moins quelques nanomètres.This method is characterized in that the emitting sites are made either by local modification of the conduction properties of an insulating material, or by local modifications of electronic affinity when using a material with low electronic affinity. The method does not require geometric modification of the surface of the cathode which remains locally substantially flat. Unlike other embodiments using as angular areas emitter site including sharp points or sharp edges, the location of the sites is independent of the geometry of the surface of the cathode. It is possible to define mathematically a surface, in this case that of the cathode, locally substantially flat. It is a substantially continuous surface and does not have a derivative break at the scale of at least a few nanometers.
Selon un mode de réalisation, la modification locale est obtenue par irradiation en surface de zones d'emplacements prédéfinis avec un faisceau électronique de section comprise entre 1 et 100 nm.According to one embodiment, the local modification is obtained by surface irradiation of predefined location zones with an electron beam of section between 1 and 100 nm.
Avantageusement, on réalise le faisceau électronique dans une enceinte sous vide où règne une pression du type généralement utilisée dans les tubes électroniques sous vide. Cette pression est généralement inférieure à quelques 133.10-5 Pascals (10-5torr). On rappelle que le torr est une unité de pression sensiblement égale à 133 Pascals. Le torr correspond également à la pression exercée par une colonne de mercure de hauteur égale à 1 mm. En effet, plus le vide est poussé (plus la pression est faible), plus le faisceau d'électron sera précis. Ceci permet d'augmenter la densité des sites émetteurs d'électrons. Ceci permet également de contrôler la densité des sites émetteurs d'électrons.Advantageously, the electron beam is produced in a vacuum chamber where there is a pressure of the type generally used in vacuum electronic tubes. This pressure is generally less than a few 133.10 -5 Pascals (10 -5 torr). It is recalled that the torr is a unit of pressure substantially equal to 133 Pascals. The torr also corresponds to the pressure exerted by a mercury column of height equal to 1 mm. Indeed, the more the vacuum is pushed (the lower the pressure), the more precise the electron beam will be. This makes it possible to increase the density of the electron emitting sites. This also makes it possible to control the density of the electron emitting sites.
L'irradiation permet d'apporter de l'énergie à la surface afin de modifier son affinité électronique. Dans le cas d'une irradiation ionique, peu importe la nature de l'ion choisi, c'est l'énergie qu'il apporte à la surface qui est déterminante.Irradiation provides energy to the surface to modify its electronic affinity. In the case of an ionic irradiation, whatever the nature of the chosen ion, it is the energy that it brings to the surface which is determining.
En variante, on fait appel à des ions lourds qui fournissent des sites émetteurs artificiels avec un positionnement aléatoire. Dans ce cas, l'impact de chaque ion crée un site et la densité de sites est alors directement égale à la dose implantée. Ainsi, une dose de 1010 atomes/cm2 induira 1010 sites/cm2, les sites étant séparés par une distance moyenne de 10-5 cm, c'est-à-dire 100 nm.Alternatively, heavy ions are used which provide artificial emitter sites with random positioning. In this case, the impact of each ion creates a site and the density of sites is then directly equal to the implanted dose. Thus, a dose of 10 10 atoms / cm 2 will induce 10 10 sites / cm 2 , the sites being separated by an average distance of 10 -5 cm, i.e. 100 nm.
En variante, les sites émetteurs sont créés à l'aide d'impulsions localisées de courant électrique. Ces impulsions modifient les propriétés de conduction de la couche ou du substrat, là où elles sont appliquées.Alternatively, the transmitter sites are created using localized pulses of electric current. These pulses modify the conduction properties of the layer or substrate where they are applied.
Quel que soit le procédé utilisé, celui-ci crée, en plus de modifications locales en surface, des modifications locales en volume, à savoir qu'on forme des canaux conducteurs.Whatever the method used, it creates, in addition to local modifications on the surface, local changes in volume, namely that forming conductive channels.
Pour des matériaux à base de carbone de type sp3, les canaux conducteurs créés sont de type sp2.For carbon-based materials of sp 3 type, the conductive channels created are sp 2 type.
Dans un matériau amorphe très faiblement conducteur, les canaux conducteurs sont des canaux cristallins. Dans ce cas, la conduction est améliorée de plusieurs ordres de grandeur.In a very weak amorphous material, the conducting channels are crystalline channels. In this case, the conduction is improved by several orders of magnitude.
Les canaux conducteurs peuvent aussi être réalisés par dopage grâce à l'implantation d'atomes dopants.The conductive channels can also be made by doping by implanting doping atoms.
Dans le cas des matériaux isolants, les canaux conducteurs sont par exemple la conséquence de la création de défauts ou d'une désoxydation localisée.In the case of insulating materials, the conducting channels are for example the consequence of the creation of defects or localized deoxidation.
Dans un mode de réalisation, la cathode est fabriquée indépendamment de la grille d'extraction des électrons. Dans une autre réalisation, la cathode est monolithique, c'est-à-dire que cette cathode et la grille d'extraction sont fabriquées simultanément.In one embodiment, the cathode is manufactured independently of the electron extraction grid. In another embodiment, the cathode is monolithic, i.e., this cathode and the extraction grid are manufactured simultaneously.
Dans les deux cas, la fabrication est soit de type série, soit de type parallèle. La fabrication de type série consiste à utiliser un faisceau unique balayant la surface sur laquelle on veut créer des sites émetteurs, ce faisceau étant 6 activé aux emplacements prédéfinis. La fabrication parallèle consiste à produire simultanément une pluralité de faisceaux atteignant des emplacements prédéfinis.In both cases, the manufacture is either of series type or of parallel type. Serial type manufacturing consists of using a single beam sweeping the surface on which we want to create transmitting sites, this beam being 6 activated at predefined locations. Parallel fabrication involves simultaneously producing a plurality of beams reaching predefined locations.
Dans le cas d'une réalisation monolithique, on peut réaliser une ou plusieurs autres électrodes en même temps que la cathode et la grille d'extraction.In the case of a monolithic embodiment, one or more other electrodes can be made at the same time as the cathode and the extraction grid.
L'invention concerne également une triode utilisant une cathode conforme à l'invention. On a constaté qu'une telle triode pouvait être utilisée à des fréquences de l'ordre de 10 GHz alors que jusqu'à présent on avait réussi à atteindre des fréquences de 4 GHz.The invention also relates to a triode using a cathode according to the invention. It has been found that such a triode can be used at frequencies of the order of 10 GHz whereas up to now it has been possible to reach frequencies of 4 GHz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels :
- les figures 1 et 1a, 2, 3a à 3c,4a à 4d, et 5a à 5c sont des schémas illustrant des procédés, conformes à l'invention, de fabrication de cathode, cette fabrication étant effectuée indépendamment de la grille d'extraction,
- les figures 6a à 6b, 7a à 7c, 8a à 8d, 9a à 9d et 10a à 10d sont des schémas illustrant des procédés de fabrication, conformes à l'invention, de cathodes et de grilles d'extraction,
- la figure 11 illustre une cathode conforme à l'invention avec une grille d'extraction ainsi qu'une autre électrode,
- la figure 12 est un schéma d'un tube utilisant une cathode conforme à l'invention,
- la figure 13 est un schéma d'un tube analogue à celui de la figure 12 mais pour une variante,
- la figure 14 est un schéma d'un canon à électrons comportant une cathode conforme à l'invention,
- les figures 15, 15a et 15b sont des schémas d'un tube oscillateur comportant une cathode conforme à l'invention,
- la figure 16 est un schéma d'une triode comportant une cathode conforme à l'invention, et
- la figure 17 est un schéma d'une triode pour une variante.
- FIGS. 1 and 1a, 2, 3a to 3c, 4a to 4d, and 5a to 5c are diagrams illustrating cathode manufacturing methods according to the invention, this fabrication being carried out independently of the extraction grid,
- FIGS. 6a to 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d are diagrams illustrating methods of manufacture, according to the invention, of cathodes and extraction grids,
- FIG. 11 illustrates a cathode according to the invention with an extraction grid as well as another electrode,
- FIG. 12 is a diagram of a tube using a cathode according to the invention,
- FIG. 13 is a diagram of a tube similar to that of FIG. 12, but for a variant,
- FIG. 14 is a diagram of an electron gun comprising a cathode according to the invention,
- FIGS. 15, 15a and 15b are diagrams of an oscillator tube comprising a cathode according to the invention,
- FIG. 16 is a diagram of a triode comprising a cathode according to the invention, and
- Fig. 17 is a diagram of a triode for a variant.
On va tout d'abord décrire en relation avec les figures 1, 1a, 2, 3a à 3c, 4a à 4d, 5a à 5c plusieurs procédés permettant de fabriquer une cathode d'émission d'électrons, cette fabrication étant effectuée indépendamment de celle de la grille d'extraction des électrons.First of all, in connection with FIGS. 1, 1a, 2, 3a to 3c, 4a to 4d, 5a to 5c, several methods for producing an electron-emitting cathode will be described, this fabrication being carried out independently of that of the electron extraction grid.
La fabrication peut être du type série ou du type parallèle. Les figures 1, 1a et 2 illustrent des procédés de fabrication de type série.The manufacture may be of the series type or of the parallel type. Figures 1, 1a and 2 illustrate series type manufacturing processes.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 1a, on part d'un matériau émetteur qui, d'une façon générale, est un matériau isolant ou à faible affinité électronique, déposé sous forme de couche 20, d'épaisseur 10 à 100 nm sur un substrat conducteur 22, par exemple en silicium dopé ou bien un substrat quelconque(par exemple en verre) recouvert d'une couche métallique.In the embodiment shown in FIGS. 1 and 1a, starting from an emitting material which, in general, is an insulating or low electron affinity material, deposited in the form of a
Sur la couche 20, en des emplacements prédéterminés, on focalise un faisceau électronique ou ionique 24. Ainsi, en chaque emplacement 261, 262, etc. sur lequel a été focalisé le faisceau 24, on crée des sites émetteurs d'électrons.On the
Les zones irradiées par le faisceau 24 ont chacune une section sensiblement circulaire de diamètre de 1 à 100 nm. Le pas entre deux zones successives est compris entre 5 et 500 nm.The zones irradiated by the
De façon générale, afin d'obtenir un effet de champ optimal sur chaque site, on choisira de préférence un pas supérieur ou égal à deux fois la hauteur des canaux conducteurs, c'est-à-dire à l'épaisseur de la couche 20. Dans le cas contraire, il y aurait diminution de l'effet de pointe de chaque canal et donc une diminution du courant total émis.In general, in order to obtain an optimal field effect at each site, a step greater than or equal to twice the height of the conductive channels, that is to say the thickness of the
Pour obtenir une zone irradiée d'un diamètre compris entre 1 et 100 nm on utilise un faisceau électronique ou ionique de même taille.To obtain an irradiated zone with a diameter of between 1 and 100 nm, an electron or ion beam of the same size is used.
Pour créer le faisceau électronique d'irradiation, dans un exemple, on utilise un faisceau du type de celui mis en oeuvre dans un microscope électronique à transmission. Un tel faisceau permet un diamètre de l'ordre de 1 nm avec un courant de 1 nA. Dans ce cas, si le pas entre deux impacts, c'est-à-dire entre deux emplacements déterminés, est de 5 nm, on obtient des densités de sites émissifs de 4.1012/cm2.To create the electron beam of irradiation, in one example, a beam of the type used is used. in a transmission electron microscope. Such a beam allows a diameter of the order of 1 nm with a current of 1 nA. In this case, if the pitch between two impacts, that is to say between two specific locations, is 5 nm, we obtain emitting site densities of 4.10 12 / cm 2 .
Si on fait appel à un faisceau de taille de 5 nm du type de ceux fournis par les masqueurs électroniques utilisés pour la lithographie électronique à haute résolution, avec un pas de 20 nm, les densités de sites émissifs sont alors de 2,5x1011/cm2.If a 5 nm size beam of the type provided by the electronic maskers used for high-resolution electronic lithography, with a pitch of 20 nm, is used, the emissive site densities are then 2.5 × 10 11 / cm 2 .
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, au lieu de faire appel à un faisceau d'électrons, on utilise une pointe 30 dont la section de contact avec la couche 20 a un diamètre inférieur à 20 nm et cette pointe est associée à un générateur (non montré) d'impulsions électriques 31 qui produit les impulsions en des emplacements prédéterminés 261, 262. Chaque impulsion modifie les propriétés électriques de la couche émettrice 20, c'est-à-dire transforme les emplacements correspondants en des zones conductrices et/ou à haute affinité électronique.In the embodiment shown in FIG. 2, instead of using an electron beam, a
Dans un exemple : la section de l'extrémité de la pointe 30 a un diamètre de 10 nm, le matériau de la couche 20 est une couche de carbone amorphe d'épaisseur 20 nm, le pas est de 50 nm et les impulsions électriques 31 ont une amplitude de 10 V.In one example: the section of the end of the
On va maintenant décrire en relation avec les figures 3a à 3c, 4a à 4d et 5a à 5c, un procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons dans laquelle les sites sont réalisés simultanément, c'est-à-dire en parallèle.FIGS. 3a to 3c, 4a to 4d and 5a to 5c will now describe a method of manufacturing an electron-emitting cathode in which the sites are produced simultaneously, that is to say in parallel .
Dans l'exemple représenté sur les figures 3a et 3c, les sites sont réalisés à l'aide de faisceaux électroniques.In the example shown in Figures 3a and 3c, the sites are made using electron beams.
La première étape du procédé consiste à déposer un masque de protection 32 (figure 3a) sur la couche 20. Ce masque, d'épaisseur de 100 à 1000 nm comporte des ouvertures 36 de diamètre compris entre 50 et 100 nm séparées par un pas de 200 à 500 nm. Le matériau constitutif du masque de protection 32 est par exemple une résine du type de celles couramment utilisées dans les procédés de lithographie à haute résolution. Ce matériau peut être aussi un métal lourd (par exemple le molybdène ou le tungstène) afin de bloquer les faisceaux électroniques ou ioniques de haute énergie.The first step of the method consists in depositing a protective mask 32 (FIG. 3a) on the
Au cours d'une seconde étape (figure 3b), la couche 20 est exposée à un faisceau parallèle 34 d'électrons à travers les ouvertures 36 du masque 32.During a second step (FIG. 3b), the
On obtient ainsi des sites émetteurs d'électrons 381, 382, etc. au droit des ouvertures 36 avec une densité prédéfinie, celle des ouvertures du masque 32. Avec des ouvertures 36 de diamètre 50 à 100 nm et un pas de 200 à 500 nm, la densité de sites émetteurs peut atteindre 1010/cm2.Electron emitter sites 38 1 , 38 2 , etc. are thus obtained. at the
Ces valeurs ne sont, bien entendu, données qu'à titre d'exemple. On peut en effet faire appel à des techniques de lithographie électronique permettant des ouvertures de diamètre de 10 nm avec un espacement minimum entre motifs compris entre 30 et 50 nm. Dans ce cas, la densité de sites émetteurs est sensiblement supérieure.These values are of course only given by way of example. It is indeed possible to use electronic lithography techniques allowing openings with a diameter of 10 nm with a minimum spacing between patterns of between 30 and 50 nm. In this case, the density of transmitting sites is substantially greater.
Au cours d'une dernière étape, le masque de protection 32 est éliminé, par exemple par attaque chimique. On obtient ainsi une couche 20 génératrice d'électrons (figure 3c) avec des sites émetteurs 381, 382,... créés artificiellement.During a last step, the
Dans une variante (non montrée), à la place d'un faisceau d'électrons 34, on fait appel à une irradiation avec des agrégats (par exemple C60) éventuellement multichargés, et donc de très forte énergie par exemple de 50 MeV à 1 GeV. Dans ce cas, l'irradiation peut être effectuée directement sur la couche 20 sans faire appel à un masque 32. Les sites émetteurs ou canaux conducteurs et/ou de forte affinité électronique sont créés le long de la trace des ions ou agrégats dans le matériau de la couche 20. Dans ce cas, les sites émetteurs ne se trouvent pas en des positions prédéterminées. Toutefois, la densité de tels sites émetteurs est contrôlable par la dose d'ions lourds ou agrégats.In a variant (not shown), in place of an
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4a à 4d, les sites émetteurs sont réalisés en parallèle à l'aide d'un champ électrique.In the embodiment shown in FIGS. 4a to 4d, the emitting sites are made in parallel using an electric field.
Pour la mise en oeuvre de ce procédé, on dépose sur la couche 20 un masque isolant 40 (figure 4a) présentant des ouvertures de diamètre compris entre 50 et 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm. Ce masque isolant est, par exemple, en silice ou en nitrure de silicium. Son épaisseur dépend de la tension qui sera appliquée au cours des étapes suivantes. Avec un champ de claquage de l'ordre de 500 V/µm, une tension appliquée de 100 volts, l'épaisseur d'isolant sera de l'ordre de 300 nm.For the implementation of this method, is deposited on the
Après le dépôt de l'isolant 40, on procède au dépôt d'une couche métallique 42 (figure 4b) d'épaisseur un micron environ. Le métal de la couche 42 remplit les ouvertures du masque isolant 40 et vient en contact, par ces ouvertures, avec la couche 20.After the deposition of the
Après dépôt de la couche 42, on applique à cette dernière une impulsion 44, par exemple de 100 volts. Cette impulsion est, dans un exemple, appliquée pendant une durée inférieure à une seconde. La tension et la durée sont choisies de manière à modifier localement, au droit des ouvertures de la couche 40, les propriétés électriques du matériau émetteur de la couche 20 (figure 4c).After deposition of the
Enfin, au cours d'une dernière étape on élimine les couches 40 et 42, par exemple par attaque chimique, ce qui laisse la couche 20 nue avec des canaux conducteurs 461, 462 formant des émetteurs d'électrons.Finally, during a last step, the
Dans la variante représentée sur les figures 5a à 5c, au lieu de faire appel à un masque isolant 40 pour définir les sites, on utilise un réseau de pointes conductrices 501, 502, etc. formées à la surface 52 d'un substrat conducteur 54 (figure 5a). Ce réseau de pointes 501, 502, etc. est appliqué sur la surface de la couche 20 en même temps qu'on applique une impulsion électrique 56 (figure 5b) au substrat conducteur 54.In the variant shown in FIGS. 5a to 5c, instead of using an insulating
Comme dans le mode de réalisation précédemment décrit, la tension de l'impulsion 56 et sa durée sont choisies pour modifier localement, dans les sites se trouvant au droit des pointes, les propriétés de conduction du matériau émetteur de la couche 20. Comme dans le cas précédent, on obtient un réseau 461, 462, etc. de canaux conducteurs (figure 5c). La densité est égale à la densité du réseau de pointes.As in the embodiment previously described, the voltage of the
On va maintenant décrire en relation avec les figures 6a et 6b, 7a à 7c, 8a à 8d, 9a à 9d et 10a à 10d, un procédé de fabrication de cathode de type monolithique consistant à fabriquer simultanément, sur un même substrat, les sources d'électrons et la grille d'extraction de ces électrons.FIGS. 6a and 6b, 7a to 7c, 8a to 8d, 9a to 9d and 10a to 10d will now describe a method for manufacturing a monolithic type cathode consisting of simultaneously producing, on the same substrate, the sources of electrons and the grid of extraction of these electrons.
Comme dans la réalisation précédemment décrite (fabrication de générateurs d'électrons indépendamment de la grille d'extraction), on peut soit faire appel à un procédé série, soit faire appel à un procédé parallèle pour la fabrication des sites émetteurs d'électrons.As in the previously described embodiment (manufacture of electron generators independently of the extraction grid), one can either use a series process, or use a parallel process for the manufacture of electron emitting sites.
Les figures 6a et 6b représentent un procédé de fabrication de type série.Figures 6a and 6b show a series type manufacturing process.
Dans cet exemple, sur la couche 20 de matériau émetteur, on dépose un masque isolant 60 d'épaisseur de 100 à 500 nm ; le masque 60 est en silice ou en nitrure de silicium. Sur la couche isolante 60, on dépose un métal conducteur 62 d'épaisseur comprise entre 50 et 300 nm. La couche métallique 62 est gravée, par exemple par lithographie puis attaque chimique ou attaque ionique réactive, de façon à créer des ouvertures circulaires 66 de diamètre de 50 à 200 nm dans cette couche 62. La couche 62 est destinée à constituer la grille d'extraction.In this example, on the
On enlève ensuite la partie de la couche isolante 60 se trouvant au droit des ouvertures 66, par exemple par attaque chimique, de façon à créer des cavités 64 de diamètre plus important que les ouvertures 66 de façon à éviter toute interaction entre le faisceau et l'isolant, l'interaction pouvant créer des charges parasites.The part of the insulating
Enfin, un faisceau électronique 70 est centré sur chaque ouverture de façon à irradier le centre de la couche 20 au droit de l'ouverture 66 correspondante, ce qui crée les sites émetteurs 721, 722, etc.Finally, an
Lorsque la couche 20 est isolante ou très faiblement conductrice, la couche isolante 60 n'est pas indispensable, c'est-à-dire que la grille 62 est déposée directement sur la couche 20.When the
Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 7a à 7c, la fabrication des sites est du type parallèle.In the embodiments shown in FIGS. 7a to 7c, the fabrication of the sites is of the parallel type.
Dans cet exemple, on prévoit (comme décrit en relation avec la figure 6a), sur la couche 20 de matériau émetteur, une couche isolante 60 et sur cette couche isolante, une couche conductrice 62 dans laquelle on grave des ouvertures 74 et sous laquelle on réalise, par attaque chimique, des cavités 76 de l'isolant 60. Dans ce cas, les ouvertures 74 ont un diamètre compris entre 50 et 100 nm et le pas entre deux ouvertures 74 voisines est compris entre 200 et 500 nm.In this example, provision is made (as described with reference to FIG. 6a), on the
Ensuite (figure 7b), on expose la couche conductrice 62 à un faisceau parallèle 78 d'électrons. La direction du faisceau parallèle est perpendiculaire à la face de la couche 62. Ainsi, les ouvertures 74 constituent des diaphragmes qui permettent que le faisceau 78 atteigne seulement la couche 20 au droit des ouvertures 74. On notera que, dans ce cas, on a intérêt à limiter le diamètre des ouvertures 74 pour obtenir un positionnement correct des sites émetteurs 801, 902 sur la couche 20.Next (FIG. 7b),
Si le diamètre des ouvertures 74 utilisées pour créer les sites 801, 882, etc. est insuffisant pour un fonctionnement normal, au cours d'une dernière étape (figure 7c), on agrandit ces ouvertures de façon à constituer des ouvertures 84 de diamètre plus important, par exemple compris entre 100 et 200 nm.If the diameter of the
Comme dans le mode de réalisation précédemment décrit, si le matériau de la couche 20 est isolant ou faiblement conducteur, la grille d'extraction 62 peut être déposée directement sur la couche 20.As in the embodiment previously described, if the material of the
Dans l'exemple représenté sur les figures 8a à 8d, on effectue une fabrication des sites émetteurs autoalignés avec les ouvertures de la grille d'extraction.In the example shown in FIGS. 8a to 8d, self-aligned emitter sites are manufactured with the openings of the extraction grid.
A cet effet, au cours d'une première étape (figure 8a), sur la couche 20 de matériau émetteur, on dépose une couche isolante 86 sur laquelle on dépose une couche métallique 88 destinée à constituer la grille. Cette couche métallique 88 est recouverte par une couche de résine 90.For this purpose, during a first step (Figure 8a), on the
La couche de résine 90 est ensuite balayée par un faisceau électronique 92 localisé en des emplacements prédéterminés qui crée, à travers les couches 86, 88 et 90 des sites émetteurs 941, 942, etc. par exemple espacés selon un pas de 200 à 1000 nm.The
L'irradiation à l'aide du faisceau 92 crée aussi une modification de la couche de résine 90 qui peut être développée pour obtenir des ouvertures 961, 962, etc. (figure 8b) en des emplacements qui correspondent naturellement à ceux des sites émetteurs 941, 942, etc.
Ces ouvertures 961,... de la couche 90 de résine sont mises à profit pour réaliser des ouvertures 981,... dans la couche métallique 88 et des cavités 1001 de la couche d'isolant 86, sous les ouvertures 981,... (figure 8c). L'illumination de la résine est utilisée pour réaliser les ouvertures 981,... de la grille 88.These openings 96 1 , ... of the
Enfin (figure 8d), la couche de résine 90 est éliminée.Finally (Figure 8d), the
Ce procédé permet un alignement aisé des sites 941 avec les ouvertures 981 de la grille 88 d'extraction des électrons.This method allows easy alignment of the sites 94 1 with the openings 98 1 of the
Comme dans les modes de réalisation précédemment décrits, si le matériau de la couche 20 est isolant ou très faiblement conducteur, on dépose la couche 88 directement sur la couche 20.As in the embodiments previously described, if the material of the
En variante, le faisceau 92 est remplacé par une multiplicité de faisceaux localisés. Le faisceau électronique 92 peut aussi être remplacé par un faisceau à ions lourds multichargés qui fournit un positionnement aléatoire. Dans ce cas, la réalisation est de type parallèle ; elle présente le même avantage d'autoalignement des sites et des ouvertures de la grille.In a variant, the
Les figures 9a à 9d illustrent un procédé de fabrication de sites émetteurs de type parallèle à l'aide d'une impulsion de tension.FIGS. 9a to 9d illustrate a method of manufacturing parallel type transmitter sites by means of a voltage pulse.
Selon ce procédé, on dépose sur la couche 20 de matériau émetteur une couche isolante 104 sur laquelle on dépose une couche métallique 106 (figure 9a). La couche isolante 104 est par exemple en silice ou en nitrure de silicium. Dans les couches 104 et 106 on forme des ouvertures 1081, 1082, etc. de diamètre de 50 à 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm.According to this method, an insulating
L'épaisseur de la couche isolante 104 dépend de la tension qui sera appliquée ensuite. Ainsi avec une tension de 100 volts, l'épaisseur de l'isolant est de l'ordre de 300 nm si cet isolant présente un champ de claquage de l'ordre de 500 volts/µm.The thickness of the insulating
Après la réalisation des ouvertures 1081, 1082, on dépose sur la couche 106 et dans les ouvertures 108i, une couche métallique 110 (figure 9b), et on applique une impulsion 112 (figure 9c), par exemple d'une amplitude de 100 volts et de durée inférieure à une seconde. De toute façon, la tension et la durée sont choisies de manière à modifier localement les propriétés électriques de la couche 20 afin de créer des canaux conducteurs, comme précédemment décrit.After the openings 108 1 , 108 2 have been made , a layer 110 (FIG. 9b) is deposited on the
Enfin (figure 9d), la couche métallique 110 est éliminée et sous les ouvertures de la couche métallique 106, constituant la grille d'extraction d'électrons, on forme, par attaque chimique, des cavités 114i.Finally (Figure 9d), the
Ce procédé permet aussi un alignement correct des sites émetteurs avec les ouvertures de la grille 106.This method also allows a correct alignment of the emitting sites with the openings of the
Dans la réalisation que l'on va maintenant décrire en relation avec les figures 10a à 10d, les sites émetteurs sont réalisés par dopage d'un matériau semi-conducteur.In the embodiment that will now be described with reference to FIGS. 10a to 10d, the emitting sites are made by doping a semiconductor material.
Ce procédé consiste à partir d'un substrat (ou couche) 120 semi-conducteur de type p monocristallin, par exemple en silicium ou en arséniure de gallium, sur lequel on forme, par épitaxie ou implantation ionique, une couche semi-conductrice intrinsèque 122. On dépose ensuite sur la couche 122 une couche isolante 124 qui est recouverte par une couche métallique 126.This process consists of a monocrystalline p-type semiconductor substrate (or layer) 120, for example made of silicon or gallium arsenide, on which an intrinsic semiconductor layer is formed by epitaxy or ion implantation. An insulating
Dans la couche 126, on forme, par exemple par lithographie, des ouvertures 1281, 1282, etc. (figure 10a) dont le diamètre est compris entre 50 et 100 nm avec un pas de 200 à 500 nm.In the
Après réalisation des ouvertures 1281, 1282, etc., on irradie, à l'aide d'un faisceau ionique parallèle 130, la couche métallique 126 avec ses ouvertures 1281 à 1282, ce qui permet la réalisation de canaux dopés 1301, 1302, etc. par implantation ionique dans la couche 122. Ces canaux dopés sont de type p (figure 10b).After making the openings 128 1 , 128 2 , etc., the
De préférence, les ouvertures 1281, 1282 ont un diamètre relativement faible, de façon à contrôler les emplacements des zones dopées 1301, 1302, etc. Dans ces conditions, il peut être ensuite nécessaire d'agrandir ces ouvertures 1281, 1282, de façon à réaliser des ouvertures 1321, 1322 de plus grand diamètre (figure 10c). Dans ce cas, on fait appel à une gravure de type isotrope. Par exemple, une gravure induisant une diminution de 50 nm de l'épaisseur de la couche 126 entraînera une augmentation de 100 nm des ouvertures 132.Preferably, the openings 128 1 , 128 2 have a relatively small diameter, so as to control the locations of the doped
Après la réalisation des ouvertures 1321, 1322, on réalise, par exemple par attaque chimique, des cavités 1341 sous les ouvertures 1321 formées dans la couche isolante 124 (figure 10d).After the openings 132 1 , 132 2 have been made, cavities 134 1 are made, for example by etching, under the openings 132 1 formed in the insulating layer 124 (FIG. 10d).
Ce procédé permet d'obtenir des canaux dopés monocristallins qui sont autoalignés avec les ouvertures de la grille d'extraction.This method makes it possible to obtain monocrystalline doped channels which are self-aligned with the openings of the extraction grid.
La couche émettrice 20 dans laquelle on implante des sites émetteurs 131i peut être réalisée non seulement de façon simultanée avec une grille d'extraction 136, mais aussi avec au moins une autre électrode 138 (figure 11), selon des procédés analogues à ceux décrits précédemment. Ainsi, dans l'exemple représenté sur la figure 11, sur la grille 136 on a déposé un isolant 140 et l'électrode 138 est formée sur l'isolant 140. L'ouverture 142i de l'électrode 138 est d'un diamètre sensiblement supérieur au diamètre de l'ouverture 144i de la grille 136.The
La structure représentée sur figure 11 est réalisable avec tous les types de sites émissifs précédemment décrits.The structure shown in FIG. 11 is feasible with all the types of emissive sites previously described.
La cathode froide d'émission de champ conforme à l'invention peut être utilisée pour réaliser des tubes électroniques fonctionnant à des fréquences, notamment de l'ordre de 10 GHz.The cold cathode field emission according to the invention can be used to produce electronic tubes operating at frequencies, in particular of the order of 10 GHz.
On va maintenant décrire en relation avec les figures 12 à 17 des tubes électroniques utilisant la cathode conforme à l'invention.We will now describe in relation to FIGS. 12 to 17, electronic tubes using the cathode according to the invention.
La figure 12 représente un tube à sortie inductive multifaisceau à grille unique.Fig. 12 shows a single gate multibeam inductive output tube.
Ce tube comporte une cathode 150 conforme à l'invention à laquelle est associée une grille plane 152 sur laquelle on applique l'énergie haute fréquence d'entrée. La distance d entre la grille 152 et la cathode 150 peut, suivant l'invention, être choisie de façon relativement indépendante du procédé de fabrication de la cathode. Elle peut donc être suffisamment faible pour que le champ électrique d'extraction soit important au niveau de la cathode, de façon à extraire le courant voulu ; elle peut aussi être assez grande (par exemple 5 à 10 microns) pour que la capacité grille/cathode soit faible et ne court-circuite pas, ou ne perturbe pas, l'énergie hyperfréquence injectée sur la grille.This tube comprises a
Les électrons engendrés par les sites 151i de la cathode 150 sont aussi extraits de l'espace cathode/grille ; ils sont également modulés en courant en raison du champ hyperfréquence régnant dans cet espace. Ils sont ensuite accélérés par le champ électrique régnant entre cet ensemble et le bloc anode 154, lequel est essentiellement constitué par une cavité 154, dont le fond, plus épais, recueille la majeure partie des électrons.The electrons generated by the sites 151 i of the
Ces électrons modulés en courant et accélérés sous quelques centaines ou quelques milliers de volts cèdent alors leur énergie cinétique sous la forme d'énergie électromagnétique dans la cavité 154.These electrons modulated in current and accelerated under some hundreds or a few thousand volts yield then their kinetic energy in the form of electromagnetic energy in the
La puissance de sortie est extraite à une extrémité latérale 156 de la cavité 154.The output power is extracted at a
Dans la variante représentée sur la figure 13, on prévoit une grille 158 comportant deux parties se trouvant selon deux surfaces distinctes, à savoir une partie active 160 à une distance d2 de la surface de la cathode 150 et une seconde partie 162 comportant les parties non actives de la grille 158, à une distance d1 de la surface 150 supérieure à la distance d2.In the variant shown in FIG. 13, there is provided a
Cette structure permet, d'une part, de diminuer encore plus la capacité grille/cathode et de fonctionner à des fréquences encore plus élevées, et, d'autre part, de rapprocher de la cathode les parties actives 160 de la grille, pour renforcer le champ électrique d'extraction et augmenter le courant ou réduire l'énergie hyperfréquence "d'entrée" injectée sur la grille.This structure makes it possible, on the one hand, to further reduce the gate / cathode capacity and to operate at even higher frequencies, and, on the other hand, to bring the
Chaque partie active 160 de la grille est reliée à la partie inactive 162 par une partie évasée, notamment conique, 164. De préférence, la forme de ces parties évasées 164 est choisie pour éviter que les faisceaux d'électrons 170 divergent sous l'effet de la charge d'espace et pour que ces faisceaux passent bien aux endroits voulus à travers les parties actives de la grille. Ainsi, les parties évasées 164 forment un wehnelt, c'est-à-dire une lentille électronique.Each
La figure 14 représente un canon à électrons de type à grille unique. Dans cette réalisation, la cathode 172 est réalisée sur une surface sphérique concave, et la grille 174 présente une forme analogue. Les ouvertures de la grille 174 sont, comme décrit ci-dessus, au droit des sites émetteurs de la cathode 172.Figure 14 shows a single gate type electron gun. In this embodiment, the
La forme des surfaces 172 et 174 permet de créer un faisceau d'électrons convergent et donc à haute densité de courant pouvant être utilisé dans un tube hyperfréquence de structure classique, par exemple un tube à onde progressive (TOP).The shape of the
Dans ce contexte, on a affaire à un canon avec une grille de commande unique 174, cette grille n'interceptant pas le faisceau. En d'autres termes, contrairement aux canons à électrons classiques, il n'est pas nécessaire de prévoir de grille formant un masque pour délimiter des zones émissives. De plus, il ne se produit pas d'émission parasite.In this context, we are dealing with a gun with a
Enfin, la grille 174 peut recevoir des signaux de commande permettant de moduler l'émission des électrons. La modulation du faisceau est alors effectuée dans le générateur d'électrons, alors qu'habituellement la génération et la modulation s'effectuent avec deux dispositifs distincts.Finally, the
La figure 15 représente un tube oscillateur comprenant une cathode conforme à l'invention. Ce tube oscillateur est du type monotron. Les électrons 182 sortant de l'espace cathode/ grille rentrent aussitôt dans une cavité résonnante 180 où ils sont accélérés par une tension continue VKA, appliquée entre le fond de la cavité et la cathode. Si le temps de séjour t de ces électrons dans la cavité est grand et tel que, approximativement, 2nπ < 2nFt < (2n + 1)π, il y a oscillation à la fréquence F, pour autant que la cavité résonne à cette fréquence F, ou à une fréquence proche de F.FIG. 15 represents an oscillator tube comprising a cathode according to the invention. This oscillator tube is of the monotron type. The
En variante, on prévoit, comme dans l'exemple de la figure 12, que les électrons sont accélérés dans un espace grille/cavité et traversent la cavité à vitesse constante, en l'absence d'interactions.In a variant, it is provided, as in the example of FIG. 12, that the electrons are accelerated in a grid / cavity space and pass through the cavity at a constant speed, in the absence of interactions.
Dans cette variante, comme dans la réalisation représentée sur la figure 15, quand il y a oscillation, la fréquence est en étroite relation avec le temps de séjour t, suivant la relation ci-dessus.In this variant, as in the embodiment shown in FIG. 15, when there is oscillation, the frequency is closely related to the residence time t, according to the above relationship.
Les dimensions de la cavité et son antenne de couplage 189 sont telles que le mode de résonance présente des composantes importantes de champ électrique parallèle aux faisceaux et localisées à l'endroit où passent ces faisceaux. Si la cavité est rectangulaire (figure 15a), le mode sera, par exemple, un mode
Dans cette réalisation, on prévoit d'appliquer une tension de polarisation 184 sur une grille 186, ainsi qu'une tension réglable 188 sur l'anode 190. La tension réglable 188 permet de régler la vitesse des électrons et donc le temps t, soit la fréquence de fonctionnement du tube oscillateur.In this embodiment, provision is made to apply a
La figure 16 représente une triode à large bande utilisant une cathode conforme à l'invention. La configuration de cette triode est analogue à celle du tube représenté sur la figure 15, mais s'en distingue par le fait que le montage est de type amplificateur.FIG. 16 represents a broadband triode using a cathode according to the invention. The configuration of this triode is similar to that of the tube shown in Figure 15, but differs in that the mounting is amplifier type.
La configuration de la triode est telle que le faisceau d'électrons 196 traverse une zone de maximum du champ électrique à une fréquence f donnée. Le réglage de la fréquence f est obtenu, notamment, par des courts-circuits hyperfréquences 198.The configuration of the triode is such that the
Dans la variante représentée sur la figure 17, la cathode conforme à l'invention est utilisée aussi pour constituer une triode amplificatrice à large bande. Dans ce cas, la distance entre la grille 202 et la cathode 204 est variable ; la surface émettrice de chaque site émetteur 206 de la cathode 204 et la densité de ces sites est fonction de la distance cathode-grille à l'endroit où se trouvent ces sites. Lorsque la distance grille-cathode est grande, les sites sont larges mais très espacés, l'espace entre deux sites correspondant à une demi-longueur d'onde. Au contraire, lorsque la distance grille-cathode est faible, les sites sont petits mais peu espacés et donc denses. De cette façon, la densité de courant émise reste la même.In the variant shown in FIG. 17, the cathode according to the invention is also used to constitute a broadband amplifying triode. In this case, the distance between the
La distance variable entre cathode 204 et grille 202 permet une bande large. La distance la plus faible correspond à un fonctionnement aux plus hautes fréquences et la distance la plus élevée, aux fréquences les plus basses.The variable distance between
L'invention peut également être utilisée pour des applications d'affichage.The invention can also be used for display applications.
L'invention concerne de façon générale un procédé de fabrication d'une cathode émettrice d'électrons qui est caractérisé en ce qu'on part d'un matériau émetteur isolant ou à faible affinité électronique et en ce qu'on définit artificiellement des sites émetteurs par création localisée de zones à forte affinité électronique et/ou conductrices.The invention generally relates to a method for manufacturing an electron-emitting cathode which is characterized in that it starts from an insulating emitter material or low electron affinity and in that it is artificially defined transmitter sites by localized creation of areas with high electronic affinity and / or conductive.
Dans un exemple, les sites créés artificiellement constituent, en volume, des canaux conducteurs.In one example, the artificially created sites constitute, in volume, conductive channels.
Dans ce cas, il est préférable de que le rapport entre la hauteur d'un site et le pas entre deux sites soit inférieur ou égal à 0,5.In this case, it is preferable that the ratio between the height of a site and the pitch between two sites is less than or equal to 0.5.
L'invention se rapporte aussi à un dispositif émetteur d'électrons comprenant une cathode émissive et une grille qui est caractérisé en ce que la cathode émissive présente des sites émetteurs d'électrons séparés les uns des autres et créés artificiellement et en ce que la grille d'extraction des électrons comporte des ouvertures en face des sites.The invention also relates to an electron emitting device comprising an emitting cathode and a gate which is characterized in that the emitting cathode has electron-emitting sites separated from each other and created artificially and in that the gate Electron extraction has openings in front of the sites.
Selon un mode de réalisation, la distance séparant la grille de la surface émissive (204) de la cathode est variable.According to one embodiment, the distance separating the gate from the emitting surface (204) of the cathode is variable.
Dans ce cas, de préférence, la densité de sites émetteurs sur la cathode varie en sens inverse de la distance à la grille.In this case, preferably, the density of transmitter sites on the cathode varies in the opposite direction of the distance to the gate.
Dans ce mode de réalisation, il est avantageux que la densité de courant émise soit constante quelle que soit la distance de la grille à la surface émissive.In this embodiment, it is advantageous for the current density emitted to be constant regardless of the distance from the gate to the emitting surface.
Claims (32)
- Process for fabricating an electron-emitting cathode, which starts with an emitter material (20) that is insulating or has a low electron affinity, characterized in that the emitter material (20) has a surface locally remaining substantially plane, in that emitter sites (261, 262) are artificially defined on the surface by locally creating zones that have a high electron affinity and/or are conducting, and in that the sites (261, 262) are produced by irradiating the surface of the insulating or low-electron-affinity material using an electron or particle beam (24).
- Process according to Claim 1, characterized in that the irradiation is carried out in a vacuum chamber in which the pressure is generally of the type used in vacuum electron tubes.
- Process according to Claim 2, characterized in that the pressure is less than a few 10-5 torr (133 × 10-5 pascals).
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the density of the sites is predetermined.
- Process according to Claim 4, characterized in that the predetermined densities are between 108 and 1013/cm2.
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the insulating or low-electron-affinity material is chosen from the group comprising single-crystal or polycrystalline diamond, carbon having a structure similar to that of diamond, a carbon-based material having a low electron affinity such as ta-C, ta-C:N, an amorphous material having a very low conductivity, such as a-Si, a-C:H or a-SiC, or a large-bandgap material, such as aluminium nitride or gallium nitride, and an insulating material such as magnesium oxide MgO or titanium oxide TiO2.
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the conducting or high-electron-affinity sites (261, 262) are produced at predefined locations.
- Process for fabricating an electron-emitting cathode, which starts with an emitter material (20) which is insulating or has a low electron affinity, characterized in that the emitter material (20) has a surface that locally remains substantially plane, in that emitter sites (261, 262) are artificially defined on the surface by locally creating high-electron-affinity and/or conducting zones and in that the sites (261, 262) are produced by applying an electric current pulse (31, 44) that causes the conduction properties of the material to be locally modified.
- Process according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the emitter sites (261, 262) produced are randomly positioned.
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the artificially created sites (261, 262) constitute, volumewise, conducting channels.
- Process according to Claim 10, characterized in that the low-electron-affinity insulating material is of the sp3 type and the conducting channels are of the sp2 type, the insulating or low-electron-affinity material being based on carbon.
- Process according to Claim 10, characterized in that the conducting channels are crystalline, the emitter material being amorphous and very weakly conducting.
- Process according to Claim 10, characterized in that the conducting channels are produced by the creation of defects.
- Process according to Claim 10, characterized in that the conducting channels are produced by localized deoxidation, the emitter material being insulating.
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that each site (261, 262) extends over a substantially circular zone with a diameter between 1 and 100 nm.
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the height of a site to the pitch between two sites is 0.5 or less.
- Process according to Claim 7, characterized in that a focused electron beam (24) is used to create the sites, said beam being applied sequentially to the surface (20) of the emitter material at predetermined locations.
- Process according to Claim 7, characterized in that the locations of the sites (381, 382; 721, 722) are defined by means of a mask (32; 62) placed in front of the emitter material and in that this emitter material is irradiated using a parallel electron beam (34) through the holes in the mask.
- Process according to Claim 8, characterized in that the positions of the sites (461, 462) are defined by a mask (40) having holes, which is placed near the surface (20) of the emitter material, in that a conducting layer (42) is applied in the holes of the insulating mask (40) and in that an electric pulse (44) is applied to this conducting material so as to create the sites (461, 462) in the emitter material.
- Process according to Claim 8, characterized in that the sites are produced using a tip (30) applied at predetermined locations against the emitter material, a voltage (32) being applied to the tip (30) in order to produce the sites (261, 262) at the predetermined locations.
- Process according to Claim 8, characterized in that the sites (461, 462) are produced using a set of tips (501, 502) applied against the surface (20) of the emitter material, a pulse (56) being applied to the set of tips (501, 502).
- Process according to any one of the preceding claims, characterized in that an extraction grid (62) is produced simultaneously with the cathode, this grid (62) being formed by a metal layer (62) having apertures (66, 74) that are used to produce the sites (721, 722; 801, 802).
- Process according to Claim 22, characterized in that, when the sites (721, 722) are produced using a parallel electron or ion beam (78) for the irradiation, apertures (74) of a first size are produced in the grid (62) and, after the irradiation, the diameter of the apertures (74) in the grid (62) is increased.
- Process according to Claim 18 or 19, characterized in that the sites are produced using an electron or ion beam (92) applied on a resist layer (90) covering a metal layer (88) intended to form the grid, the beam modifying the resist (90) and creating the site (941, 942), the illumination of the resist (90) being used to produce the apertures (981) in the grid (88).
- Process according to Claim 22, characterized in that an insulator (60) is provided between the emitter material (20) and the grid (62) and in that a cavity (64, 1001) is formed in this insulator (60), in line with each aperture in the grid, facing each site (721, 722) of the emitter material.
- Electron-emitting device comprising an emissive cathode (150) and a grid (152), the emissive cathode (150) having artificially created electron-emitting sites (151i) that are separated from one another, characterized in that the electron-emitting sites (151i) are created on a surface that locally remains substantially plane, in that the sites are produced by irradiating the surface using an electron or particle beam and in that the electron-extracting grid (152) has apertures facing the sites (151i).
- Device according to Claim 26, characterized in that the apertures in the grid lie on a surface (160) at a first distance (d2) from the cathode (150) and in that those parts of the grid (158) that do not have apertures lie on a second surface (162) at a second distance (d1) from the emitting surface, which is greater than the first distance.
- Device according to Claim 27, characterized in that each part of the grid (158) having at least one aperture and associated with at least one emitter site is connected to the rest of the grid having no apertures via a conical part (164) designed to constitute a Wehnelt cathode.
- Device according to any one of Claims 26 to 28, characterized in that the distance separating the grid (202) from the emissive surface (204) of the cathode can be varied.
- Device according to Claim 29, characterized in that the density of emitter sites on the cathode varies inversely with the distance to the grid.
- Device according to Claim 27, characterized in that the emitted current density is constant irrespective of the distance of the grid from the emissive surface.
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