EP3267463A2 - Tube electronique sous vide a cathode planaire a base de nanotubes ou nanofils - Google Patents

Tube electronique sous vide a cathode planaire a base de nanotubes ou nanofils Download PDF

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EP3267463A2
EP3267463A2 EP17178583.5A EP17178583A EP3267463A2 EP 3267463 A2 EP3267463 A2 EP 3267463A2 EP 17178583 A EP17178583 A EP 17178583A EP 3267463 A2 EP3267463 A2 EP 3267463A2
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EP
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nanotube
nanowire
cathode
tube according
elements
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Jean-Paul Mazellier
Lucie SABAUT
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Thales SA
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Thales SA
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    • H01J2235/06—Cathode assembly
    • H01J2235/068—Multi-cathode assembly

Definitions

  • the invention relates to the field of vacuum electronic tubes, which find applications for example for the production of X-ray tubes or traveling wave tubes (TOP). More particularly, the invention relates to vacuum electronic tubes whose cathode is based on nanotubes or nanowires.
  • Cold cathodes are based on an electron emission by emission of field: an intense electric field (some V / nm) applied on a material allows a curvature of the barrier of energy sufficient to allow the electrons to transit towards the vacuum by tunnel effect . To obtain fields as intense in a macroscopic way is impossible.
  • the vertical spike cathodes use field emission combined with the peak effect.
  • a geometry widely used and developed in the literature consists of producing vertical points P (with a high aspect ratio) on a substrate as illustrated figure 2 .
  • peak effect the field at the top of the transmitter can be of the desired order.
  • This field is generated by the electrostatic disturbance represented by the tip in a homogeneous field. In this configuration, a homogeneous external field E0 is applied. It is the variation of this field which makes it possible to control the level of field at the top of the emitters and thus the level of emitted current corresponding.
  • the first cathodes with integrated grid (“gated cathode”), called Spindt tips, were developed in the 70's, and are illustrated figure 3 .
  • Their principle is based on the use of a conductive tip 20 surrounded by a control gate 25.
  • the apex is on the plane of the grid. It is the difference of potential between the points and the grid which makes it possible to modulate the level of electric field at the apex of the peaks (and thus the emitted current).
  • These structures are known for their very high sensitivity to tip / grid alignment and for electrical insulation problems between the two elements.
  • More recently point emitters have been made from carbon nanotubes or CNT (for "Carbon NanoTube” in English) arranged vertically perpendicular to the substrate.
  • An integrated grid cathode “Gated Cathode” CNT carbon nanotubes is also described for example in the patent application No. PCT / EP2015 / 080990 and illustrated figure 4 .
  • a grid G is arranged around each VACNT (for "Vertically Aligned CNT").
  • Field emission results from the electric field at the surface of a typically metallic material. This field is directly related to the gradient of the applied electric potential field.
  • the potential field results from the combination of the influences of the external field and the potential of the nanotube only. But both are linked.
  • the potential field at the level of the nanotubes results from the combination of the influences of the external electric field, the potential of the nanotube (as above), but also the potential induced by the gate which is independent of the two. other.
  • the potential induced by the gate which is independent of the two. other.
  • the field amplification factor associated with each transmitter is strongly related to its height and the radius of curvature of its tip. Dispersions in these two parameters induce amplification factor dispersions. But the tunnel effect is an exponential law involving this amplification factor: thus, considering a cohort of emitters, a fraction (which can be relatively small, of the order of a percent or less) only actually participates in the electronic broadcast.
  • a first example is illustrated figure 5 : a tip type transmitter Pp, ZnO nanowire type, is parallel to the substrate. One of its ends is connected to an electrode (Cath cathode) and a counter electrode (Anode A) makes it possible to generate the equivalent of the homogeneous field E0 in the case of vertical structures. The show always appears at the apex of the tip.
  • FIG. 6 A second example operating according to the same principle, comprising a gate G and a doped polysilicon tip Pp, is illustrated figure 6 .
  • a vacuum tube it is sought to use the electron beam "far" from the cathode.
  • the anode is in close proximity to the emissive element (in order to limit the voltages to be applied), so that the beam travels a very short distance before being intercepted by the anode. . It can not be used further in the vacuum tube.
  • Thermionic cathodes use the thermionic effect to emit electrons. This effect consists in emitting electrons by heating. For this we polarize the two electrodes arranged at the ends of a filament. The application of a potential difference between the two ends generates a current in the filament, which heats by the Joule effect. When it reaches a certain temperature (typically 1000 degrees Celsius) electrons are emitted. Indeed the mere fact of heating allows some electrons to have a higher thermal energy than the metal-vacuum barrier: thus they are spontaneously extracted to the vacuum. There are pellet-shaped cathodes (of the order of a millimeter) with an electric filament placed underneath to heat the material, which will then emit electrons.
  • the thermionic cathodes make it possible to provide strong currents over long periods in relatively average voids (up to 10 -6 mbar, for example). But their emission is difficult to switch quickly (at the scale of a fraction of GHz for example), the size of the source is fixed and their temperature limits the compactness of the tubes where they are integrated.
  • An object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by proposing an electronic vacuum tube having a planar cathode based nanotubes or nanowires, to overcome a number of limitations related to the use of emitting points vertical, while using the tunnel effect or the thermionic effect or a combination of both.
  • the present invention relates to a vacuum electron tube comprising at least one electron emitting cathode and at least one anode disposed in a vacuum chamber, the cathode having a planar structure comprising a substrate comprising a conductive material, a plurality of nanotube or nanowire elements electrically isolated from the substrate, the longitudinal axis of said nanotube or nanowire elements being substantially parallel to the plane of the substrate, and at least one first connector electrically connected to at least one nanotube or nanowire element so as to be able to apply to the nanowire element or nanotube a first electrical potential.
  • the nanotube or nanowire elements are substantially parallel to each other.
  • the first connector comprises a substantially planar contact element disposed on an insulating layer and connected to a first end of the nanotube or nanowire element.
  • the cathode further comprises a first control means connected to the first connector and to the substrate, and configured to apply a bias voltage between the substrate and the nanotube element so that the nanotube or nanowire element emits electrons by its surface by tunnel effect.
  • the bias voltage is between 100 V and 1000 V.
  • the nanotube or nanowire elements have a radius of between 1 nm and 100 nm.
  • the cathode comprises a second electrical connector electrically connected to at least one nanotube or nanowire element so as to be able to apply a second electric potential to the nanotube or nanowire element.
  • the first and second connectors respectively comprise a first and a second substantially planar contact element disposed on a layer and respectively connected to a first and second ends of said nanotube element or nanowire.
  • the cathode comprises at least one nanotube or nanowire element connected simultaneously to the first connector and to the second connector.
  • the cathode further comprises means for heating the nanotube or nanowire element.
  • the cathode comprises a second control means connected to the first and second connectors and configured to apply a heating voltage to said nanotube or nanowire element via the first and second electric potential, so as to generate a electric current in said nanotube element or nanowire, so that the nanotube or nanowire element emits electrons by its surface by thermoionic effect.
  • the heating voltage is between 0.1 V and 10 V.
  • the nanotube or nanowire elements are partially buried in an insulating burial layer.
  • the cathode is divided into a plurality of zones, the nanotube elements or nanowires of each zone being connected to a different first electrical connector, so that the bias voltages applied to each zone are independent and reconfigurable.
  • the nanotube or nanowire elements are conductive.
  • the nanotube or nanowire elements are semiconductors and in which the bias voltage is greater than a threshold voltage, the nanowire or nanotube element then constituting a channel of a MOS type capacitor, so as to generate free carriers in the nanowire or nanotube element.
  • the cathode further comprises a light source configured to illuminate the nanotube or nanowire element so as to generate free carriers in said nanowire or nanotube element by photogeneration.
  • the vacuum electronic tube 70 according to the invention is illustrated figure 7 , which describes a profile view and a perspective view of the cathode C of the device.
  • the vacuum electronic tube according to the invention is typically an X-ray tube or a TOP.
  • the vacuum electronic tube 70 comprises at least one cathode C emitting electrons and at least one anode A disposed in a vacuum chamber E.
  • the specificity of the invention lies in the original structure of the cathode, the rest of the tube being dimensioned according to the state of the art.
  • the at least one cathode C of the tube 70 has a planar structure comprising a substrate Sb comprising a conductive material, that is to say having an electrical behavior close to a metal, and a plurality of electrically isolated NT nanotube or nanowire elements. of the substrate.
  • the insulation is carried out with an insulating layer Is deposited on the substrate, the nanotube elements or NT nanowires being arranged on the insulating layer Is.
  • planar structure is meant that the longitudinal axis of the nanotube or nanowire elements is substantially parallel to the plane of the insulating layer, as shown figure 7 .
  • Nanotubes and nanowires are known to those skilled in the art. Nanotubes and nanowires are elements whose diameter is less than 100 nanometers and their length is from 1 to several tens of microns. The nanotube is a predominantly hollow structure while the nanowire is a solid structure. The two types of nano-element are generally called NT and are compatible with a cathode of the vacuum tube according to the invention.
  • the substrate is doped silicon, doped silicon carbide, or any other compatible conductive material of the manufacture of the cathode.
  • the cathode further comprises at least a first connector CE1 electrically connected to at least one nanotube or nanowire element so as to be able to apply to the element NT a first electrical potential.
  • the first connector CE1 thus allows electrical access to NT elements. Due to the complexity of manufacturing technology, not all NT elements of the cathode are connected. In the following we do not We will only consider NT elements that are actually electrically connected to the CE1 connector.
  • the elements NT (connected) of the cathode C in operation emit electrons from its surface S.
  • a first variant is based on the tunnel effect
  • a second variant is based on the thermionic effect, the two variants being combinable, allowing increased electron emission.
  • planar structure of NT elements has many advantages. It makes it possible to produce the generic device illustrated figure 7 compatible use of the two aforementioned effects, separately or in combination.
  • the manufacture of the elements NT according to the invention is carried out from known technological bricks, and does not require growth of the PECVD (DC plasma) type, as in the case of vertical carbon nanotubes, which releases the constraints on the usable materials and potential designs significantly.
  • PECVD DC plasma
  • surface insulation which is not compatible with PECVD growth to date, which makes it possible to obtain a higher level of robustness compared to current "gated cathode” designs.
  • the nanotube elements or nanowire NT are substantially parallel to each other, and the average distance W between each element is controlled.
  • An average distance between NT elements of the order of the thickness of the insulation is preferred. Parallelism ensures a greater compactness of integration and therefore a greater number of active transmitters per unit area, which potentially increases the current emitted by the structure.
  • the first connector CE1 comprises a substantially planar contact element C1 arranged an insulating layer Is and connected to a first end E1 of the element NT.
  • the manufacture of the CE1 connector is facilitated.
  • the contact element C1 is typically metallic, of a standard material in microelectronics: aluminum, titanium, gold, tungsten, etc.).
  • NT nanoelements are isolated from the substrate by vacuum.
  • the insulating layer Is having been used during the manufacture of the nanotubes has been removed (sacrificial layer) under the nanotube portion, these being then attached to the substrate by the planar contact C1, in turn insulated from the substrate by the insulating layer Is.
  • the insulator is obtained for the planar contact C1 by a sacrificial physical layer Is and for the elements NT by the vacuum Vac.
  • the thermal insulation of NT is increased.
  • the emission area is increased, the lower half surface being able to participate in the emitted current (provided that the external field E0 makes it possible to recover the electrons emitted by this lower half-surface).
  • the cathode is configured to emit electrons via its surface S by tunnel effect.
  • the cathode C of the tube 70 comprises a first control means MC1 connected to the first connector CE1, biased to the voltage V1, and to the substrate Sb, and configured to apply a bias voltage V NW between the substrate and the nanotube element.
  • the potential difference V NW must be negative.
  • the substrate may for example be connected to the ground.
  • the front contact with the elements NT via CE1 is indeed electrically isolated from the conductive substrate Sb.
  • an insulating layer Is "thick" with a thickness h of between 100 nm and 10 ⁇ m is preferable.
  • the bias voltage V NW is therefore established between the elements NT and the substrate.
  • This polarization voltage and the combined external macroplast field E0 induce a surface field E S on the NT element.
  • the nanoelement / insulator / substrate system forms a capacity that allows the generation of a large number of negative charges that focus on the small surface S of the nanotube, as illustrated.
  • figure 9 which generates an intense electric field E S on the surface of the element NT, expressed by lines of fields 90 very narrow in the vicinity of S.
  • the electric field Es is inversely proportional to the radius r of the element NT.
  • the applied external macroscopic field E0 is basic necessary for the needs of the vacuum electron tube (in particular to direct the electrons emitted into the tube).
  • the extraction of electrons is carried out by tunnel effect, and the electrons are emitted radially in all directions.
  • the external field E0 causes the electrons to take a trajectory 100 generally perpendicular to the substrate, as illustrated figure 10 , and accelerates them.
  • the external field E0 contributes only marginally here to the extraction (see below).
  • the present invention has the following advantages.
  • the horizontal emitting elements NT have exactly the same height h, contrary to conventional approaches (typically +/- 1 ⁇ m on the vertical nanotubes, for typical heights of 5 to 10 ⁇ m), which in fact reduces the height of the emitters. considerably the problem on the dispersion of this parameter, which is solved extremely simply by the use of a homogeneous insulating layer Is made with conventional microelectronic means.
  • the radius of nanotubes it is possible to apply methods that are otherwise known for producing nanowires / nanotubes with small radius dispersions.
  • the nanomaterials thus produced can be selected by various methods to minimize the dispersion on the radius factor (impossible if we consider growth on substrate). A dispersion of radius of +/- 2 nm is typically achievable (against +/- 20 nm for VACNT).
  • the cathode C is such that when the bias voltage V NW is low or zero, the field effect is negligible: the vacuum tube 70 operates in "Normally off” mode, which is a desired safety element in some applications of medical X-ray tubes.
  • the peak effect of the nano planar elements according to the invention is realized in two dimensions, and the potential electronic emission areas are therefore much higher.
  • the surface is of the order of ⁇ r 2 ; while for a planar nanotube it is of the order of Lr (L length of the nanowire, r radius of the nanowire) for a neighboring emitter density.
  • Lr L length of the nanowire, r radius of the nanowire
  • the nanotube or NT nanowire elements have a radius r between 1 nm and 100 nm.
  • the first term is purely geometric, with typical values of 10 to 100.
  • the bias voltage V NW is typically between 100 V and 1000 V.
  • E0 is of the order of 0.01 V / nm and the term V NW / (h / ⁇ r ) of the order of 0.1 V / nm.
  • the term V NW / (h / ⁇ r ) is large before E0, and it is this first term which contributes to the first order to obtain the field Es.
  • E0 is not used for electron extraction, that is to say that there is independence between generation / extraction (via V NW ) and acceleration (via E0) of the electrons is a huge advantage for the X-ray tubes.
  • the emission current is changed.
  • the bias voltage which conditions the value of the emission current, not or little the external field E0. It is thus possible in an X-ray tube according to the invention to produce an identical emission current image for different energies.
  • the cathode C comprises a second electrical connector CE2 electrically connected to at least one nanotube element or nanowire NT so as to be able to apply to the nano-element a second electrical potential V2.
  • the cathode comprises at least one element NT connected simultaneously to the first connector CE1 and the second connector CE2. in order to make the cathode according to the invention compatible with the use of the thermionic effect (see below).
  • a different potential is applied to both ends of the nano-element, which, with a conductive substrate, is only possible with the presence of an insulator between the nanoelement and the substrate.
  • the cathode C comprises several nanotube elements or NT nanowires connected to the same first connector and / or the same second connector.
  • the connector CE2 comprises a planar contact element C2 (typically metallic, of a standard material in microelectronics: aluminum, titanium, gold, tungsten, etc.), disposed on an insulating layer Is and connected to a second end E2 of the NT element as illustrated figure 12 .
  • a series of elements of electrical contacts are interconnected.
  • the contacts are preferably locally parallel and placed at a distance L. Between the electrodes are NT nanowires / nanotubes so that at least one of their ends is connected to one of the electrical contacts.
  • the characteristic distance between two nanowires / nanotubes is denoted W.
  • the figure 12 corresponds to the embodiment with a physical insulating layer Is deposited on the substrate.
  • the figure 12 bis illustrates the embodiment for which the Is layer has been removed under the nanotubes, also illustrated figure 7bis , the isolation thereof being performed by the vacuum present under the NT nanotubes.
  • the distance W between the elements NT is substantially constant and controlled. Indeed, it is preferable to respect an average distance of the order of the insulator thickness, the constancy in the value of the distance W being the ideal case.
  • Each element NT has an emitting surface of the order of 7000nm 2 (useful emission of the half surface S). Emitter emission currents per emitter (of the order of 200 nA) are acceptable by nanowires / nanotubes.
  • the cathode C according to the invention emits electrons by thermionic effect, by heating the element NT.
  • the cathode C further comprises means for heating the nanotube element or NT nanowire.
  • the nanotube elements it is not necessary to dimension the NT elements specifically, there is no constraint on the height h of the insulating layer Is or on the radius r of the elements NT.
  • a low-output material should be used for the nano elements, such as tungsten or molybdenum.
  • a preferred way to heat the nanotube / nanowire is to pass a current therein. For this, at least one nanotube element or NT nanowire must be simultaneously connected to the first connector CE1 and the second connector CE2.
  • the heating means comprise a second control means MC2 configured to apply a heating voltage Vch to the nanotube element or NT nanowire via the first electrical potential V1 and the second electrical potential V2.
  • Vch V1 - V2
  • An electric current I is thus generated in the nanotube / nanowire element NT.
  • the two connectors CE1 and CE2 must be sufficiently spatially separated on the nanotube to allow the current to circulate.
  • V NW no bias voltage
  • the heating temperature Vch is between 0.1 V and 10 V.
  • the figure 15 illustrates a cathode C according to the invention configured to emit electrons by thermoionic effect and based on planar contacts C1 and C2 of the same nature as those described in FIGS. figures 12 and 12bis .
  • the electrical voltage applied via CE1 and CE2 (respectively by the recovery of C1 and C2 contacts) creates a current I in the nanotube / nanowire element NT. In this case the stream 1 flows from one end to the other of the NT nanotube.
  • the cathode according to the invention combines the two physical effects of electron emission, tunneling effect and thermionic effect, as illustrated on the principle figure 16 .
  • a bias voltage V NW between 100 V and 1000 V
  • a voltage Vch between 0.1 V and 10 V
  • the NT nanotube preferably has a radius r between 1 nm and 100 nm, to optimize the tunnel effect.
  • the figure 17 illustrates the combination of the two effects using two contacts planar C1 and C2. This results in greater electron emission than when the two physical effects are used in isolation.
  • heating the emissive element reduces the field to be applied to emit a given current which is useful for reducing the dimensions for example of the insulator.
  • the emitting elements are "hot", surface contamination problems are avoided (the elements are less easily adsorbed on the hot surfaces). This improves the stability of the emission.
  • the presence of an empty interface - insulator - nanowire / nanotube is likely to induce a local exacerbation of the field. Since this interface is "under" the nanowire, it is preferable to reduce this effect because it can lead to local electronic injection into the insulator and unwanted load effects.
  • the nanotube or NT nanowire elements are partially buried in an Isent burial insulating layer. A constant field level is thus obtained according to the periphery of the nanowire / nanotube.
  • the Isent layer is the insulating layer disposed on the substrate Sb.
  • the Isent layer consists of at least one additional layer deposited on the insulating layer Is.
  • this partial burial can cause an electronic emission in the insulator, which induces local loading effects "shielding" the action of the substrate.
  • the Isent burial layer is a multilayer consisting of a plurality of sub-layers. This controls the structure of the field lines better and limits unwanted exacerbation effects. In addition one can play on the permittivity / dielectric strength parameters of the different layers to optimize the voltages applicable in the structure.
  • the incorporation of a high permittivity material can significantly modify the effective height, and this aspect should be taken into account in the dimensioning of the thickness h of the layer Is.
  • the cathode C is divided into a plurality of zones Z, Z ', each zone comprising nanotube elements or nanowires connected to the same first electrical connector: for example the elements NT of the zone Z are connected to CE1 and the elements NT of the zone Z 'are connected to CE1', CE1 being different from CE1 '. It is then possible to apply bias voltages V NW and V NW 'to each zone that is independent of one another and reconfigurable. The program is thus "pixelated" by producing several electrically autonomous emission zones in order to spatially modulate the emission zone.
  • the figure 19 illustrates a cathode C comprising an emitting zone Z while a zone Z 'does not emit
  • the figure 20 illustrates a cathode C with the two zones Z and Z 'emitting.
  • the spatial modulation of the emission zone is carried out by juxtaposing several cathodes next to one another.
  • At least one planar contact C1 is common to two groups of nano-elements. This densifies the network of nano-elements.
  • the nanotubes / nanoelements NT are made of conducting material, such as carbon, doped ZnO, doped silicon, silver, copper, tungsten, etc.
  • the nanotube / nanowire elements are semiconductors, for example Si, SiGe or GaN, so as to induce the presence by field effect and / or by illumination, which makes it possible to have additional levers on the control of the electronic broadcast.
  • the nanowire element or nanotube then constitutes a channel with a capacity of MOS type. Bearer generation occurs when the bias voltage V NW is greater than a threshold voltage Vth.
  • the tube 70 further comprises a light source configured to illuminate the nanotube or nanowire element, the free carriers are then generated by photogeneration.
  • Nano-elements NT semiconductors can be used to generate electrons by tunnel effect and / or by thermoionic effect
  • the figure 22 shows a first method of manufacturing the cathode C according to the invention, of the "bottom up” type.
  • a nanowire / nanotube NT dispersion is produced on an insulating layer Is deposited on a conductive substrate Sb ("spay", “dip coating”, electrophoresis).
  • the key point is to have an average distance W between controllable nanowires / nanotubes.
  • the contacts are made by lift-off on the mat previously produced. It should be noted that the contacts can be made before the dispersion (preferably buried contacts so that the surface of the contact material is at the level of the surface of the insulator) to have only the dispersion to be achieved as a final embodiment step.
  • the figure 23 shows a second method of manufacturing the cathode C according to the invention, of the "top-down" type.
  • a thin layer (intended to be the emitting material) is deposited on an insulating layer Is, itself on a conductive substrate Sb.
  • An etching mask is made on this layer and the material is etched to leave only nanowires / nanotubes on the + insulator substrate, as shown figure 23a .
  • the contacts are made by lift-off on the carpet previously made, as illustrated figure 23b . Note that as before the contacts can be made before the dispersion (preferably buried contacts so that the surface of the contact material is at the level of the surface of the insulation) to have only the dispersion to achieve as a final step of realization

Abstract

L'invention concerne un tube électronique sous vide comprenant au moins une cathode (C) émissive d'électrons et au moins une anode (A) disposées dans une enceinte à vide (E), la cathode présentant une structure planaire comprenant un substrat (Sb) comprenant un matériau conducteur, une pluralité d'éléments nanotube ou nanofil (NT) isolés électriquement du substrat, l'axe longitudinal desdits éléments nanotube ou nanofil étant sensiblement parallèle au plan du substrat, et au moins un premier connecteur (CE1) relié électriquement à au moins un éléments nanotube ou nanofil de manière à pouvoir appliquer à l'élément nanofil ou nanotube un premier potentiel électrique (V1).

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • L'invention concerne le domaine des tubes électroniques à vide, qui trouvent des applications par exemple pour la réalisation de tubes à rayons X ou de tubes à ondes progressives (TOP). Plus particulièrement l'invention concerne des tubes électroniques à vide dont la cathode est à base d'éléments nanotubes ou nanofils.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • On connaît la structure d'un tube électronique sous vide, tel qu'illustré figure 1. Une cathode Cath émettrice d'électrons et une anode A sont disposées dans une enceinte à vide E. Une différence de potentiel V0 typiquement comprise entre 10 KV et 500 KV est appliquée entre l'anode A et la cathode Cath pour générer un champ électrique E0 à l'intérieur de l'enceinte, permettant l'extraction des électrons de la cathode et leur accélération, pour réaliser un « canon à électrons ». Les électrons sont attirés vers l'anode sous l'influence du champ électrique E0. Le champ électrique généré par l'anode a 3 rôles :
    • extractions des électrons de la cathode (pour les cathodes froides),
    • donner une trajectoire aux électrons pour les utiliser dans le tube. Par exemple dans un TOP cela permet d'injecter le faisceau électronique dans l'hélice d'interaction,
    • donner de l'énergie aux électrons à travers le gradient de tension pour les besoins du tube. Par exemple dans un tube à rayons X l'énergie des électrons contrôle le spectre d'émission des rayons X.
    Un TOP est un tube dans lequel transite un faisceau électronique dans une hélice métallique. Une onde RF est guidée dans cette hélice afin d'interagir avec le faisceau électronique. De cette interaction résulte un transfert d'énergie entre le faisceau électronique et l'onde RF qui est amplifiée. Un TOP est donc un amplificateur forte puissance, que l'on trouve par exemple dans des satellites de télécommunication.
    Dans un tube à rayons X, selon un mode les électrons sont freinés par impact sur l'anode, et ces électrons décélérés émettent une onde électromagnétique. Si l'énergie initiale des électrons est suffisamment forte (au moins 1 keV) le rayonnement associé est dans le domaine X. Selon un autre mode les électrons énergétiques interagissent avec les électrons de coeur des atomes de la cible (anode). La réorganisation électronique induite est accompagnée de l'émission d'un photon d'énergie caractéristique.
    Ainsi les électrons émis par la cathode sont accélérés par le champ extérieur E0 soit vers une cible/anode (typiquement en tungstène) pour un tube à rayons X, soit vers une hélice d'interaction pour un TOP.
  • Afin de produire une émission (quasi)continue d'électrons, deux technologies sont employées : (i) les cathodes froides et (ii) les cathodes thermoioniques.
  • Les cathodes froides sont basées sur une émission électronique par émission de champ : un champ électrique intense (quelques V/nm) appliqué sur un matériau permet une courbure de la barrière d'énergie suffisante pour permettre aux électrons de transiter vers le vide par effet tunnel. Obtenir des champs aussi intenses de manière macroscopique est impossible.
    Les cathodes à pointes verticales utilisent l'émission de champ combinée à l'effet de pointe. Pour ce faire, une géométrie très utilisée et développée dans la littérature consiste à réaliser des pointes P verticales (avec un fort rapport d'aspect) sur un substrat tel qu'illustré figure 2. Par effet de pointe, le champ au sommet de l'émetteur peut être de l'ordre recherché. Ce champ est généré par la perturbation électrostatique que représente la pointe dans un champ homogène. Dans cette configuration, un champ extérieur homogène E0 est appliqué. C'est la variation de ce champ qui permet de contrôler le niveau de champ au sommet des émetteurs et donc le niveau de courant émis correspondant.
  • Les premières cathodes à grille intégrée (« gated cathode »), dénommées pointes Spindt, ont été développées dans les années 70, et sont illustrées figure 3. Leur principe repose sur l'utilisation d'une pointe conductrice 20 entourée d'une grille de contrôle 25. Typiquement l'apex est sur le plan de la grille. C'est la différence de potentiel entre les pointes et la grille qui permet de moduler le niveau de champ électrique à l'apex des pointes (et donc le courant émis). Ces structures sont connues pour leur très forte sensibilité à l'alignement pointe/grille et pour les problèmes d'isolation électrique entre les 2 éléments.
  • Plus récemment des émetteurs à pointe ont été réalisés à partir de nanotubes de carbone ou CNT (pour « Carbon NanoTube» en anglais) disposés verticalement, perpendiculairement au substrat.
    Une cathode à grille intégrée « Gated Cathode » à nanotubes de carbone CNT est également décrite par exemple dans la demande de brevet n° PCT/EP2015/080990 et illustrée figure 4. Une grille G est disposée autour de chaque VACNT (pour « Vertically Aligned CNT »).
    L'émission de champ résulte du champ électrique à la surface d'un matériau typiquement métallique. Or ce champ est directement lié au gradient du champ de potentiel électrique appliqué.
    Dans une cathode classique (pas de grille), le champ de potentiel résulte de la combinaison des influences du champ externe et du potentiel du nanotube seulement. Or les deux sont liés.
    Dans une cathode de type « gated », le champ de potentiel au niveau des nanotubes résulte de la combinaison des influences du champ électrique externe, du potentiel du nanotube (idem précédemment) mais également du potentiel induit par la grille qui lui est indépendant des deux autres. Ainsi on peut modifier le niveau d'émission électronique en jouant avec cette nouvelle électrode introduite dans le système.
  • De manière générale, le facteur d'amplification de champ associé à chaque émetteur est fortement lié à sa hauteur et au rayon de courbure de sa pointe. Des dispersions dans ces deux paramètres induisent des dispersions de facteur d'amplification. Or l'effet tunnel est une loi exponentielle faisant intervenir ce facteur d'amplification : ainsi, en considérant une cohorte d'émetteurs, une fraction (qui peut être relativement faible, de l'ordre du pourcent ou moins) seulement participe réellement à l'émission électronique.
  • Pour un courant total visé, ceci impose aux émetteurs effectifs de pouvoir émettre des courants relativement forts (comparé à une émission qui serait homogène et répartie uniformément sur tous les émetteurs).
  • La réalisation de ces émetteurs en forme de pointe se fait :
    • soit directement sur le substrat, par gravure (ex : pointes silicium), par croissance directe (exemple : CNT). Ces deux méthodes doivent permettre une orientation préférentielle des pointes perpendiculaire au substrat.
    • soit par report : synthèse d'un nanomatériau (sous forme de nanotube/nanofil) puis report sur un substrat. Une étape d'orientation perpendiculairement au substrat est également nécessaire.
  • Avec une réalisation directement sur substrat, des dispersions notables en rayon/hauteur sont connues dans la littérature. De plus, dans le cas spécifique des CNTs crus sur substrat, l'orientation perpendiculaire au substrat est maîtrisée mais la qualité du matériau est notablement inférieure à celle de matériau CNTs obtenus par croissance CVD. Un moyen de réduire la dispersion de hauteur est de réaliser un polissage sur matériau encapsulé : l'inconvénient réside dans le fait que le matériau poli est défectueux, ce qui réduit les performances d'émission associées.
    Dans le cas de matériaux crus puis reportés sur substrat, obtenir une orientation perpendiculaire au substrat est complexe (non localisé, hauteur effective non contrôlée, ...).
  • Les cathodes présentant une géométrie planaire (pas d'orientation d'objet perpendiculaire au substrat) à base de nanofil, connues de la littérature, sont toujours basées sur l'effet de pointe. Mais, afin de palier à l'orientation non perpendiculaire au substrat, une contre-électrode à l'électrode portant l'émetteur est intégrée au substrat. Un premier exemple est illustré figure 5 : un émetteur de type pointe Pp, de type nanofil de ZnO, est parallèle au substrat. Une de ses extrémités est connectée à une électrode (cathode Cath) et une contre-électrode (Anode A) permet de générer l'équivalent du champ homogène E0 dans le cas des structures verticales. L'émission apparaît toujours à l'apex de la pointe. Le faisceau électronique se propage de l'émetteur vers l'anode, il est possible mais difficile de dévier le faisceau pour l'utiliser ailleurs (notamment pour l'injecter dans une tube électronique classique). Un deuxième exemple fonctionnant selon le même principe, comprenant une grille G et une pointe Pp en polysilicium dopé, est illustré figure 6.
    Dans le cas d'un tube à vide, on cherche à utiliser le faisceau électronique « loin » de la cathode. Dans le cas d'une structure planaire, l'anode est à proximité directe de l'élément émissif (afin de limiter les tensions à appliquer) ce qui fait que le faisceau parcours une distance très courte avant d'être intercepté par l'anode. Il ne peut dont pas être utilisé plus loin dans le tube à vide.
  • Les cathodes thermoioniques utilisent l'effet thermoionique pour émettre des électrons. Cet effet consiste à émettre des électrons par chauffage. Pour cela on polarise les deux électrodes disposées aux extrémités d'un filament. L'application d'une différence de potentiel entre les deux extrémités génère un courant dans le filament, qui chauffe par effet Joule. Lorsqu'il atteint une certaine température (typiquement 1000 degrés Celsius) des électrons sont émis. En effet le seul fait de chauffer permet à certains électrons d'avoir une énergie thermique supérieure à la barrière métal-vide : ainsi ils sont spontanément extraits vers le vide.
    Il existe des cathodes en forme de pastille (de l'ordre du millimètre) avec un filament électrique placé en dessous pour assurer le chauffage du matériau, qui va alors émettre des électrons.
    Les cathodes thermoioniques permettent de fournir de forts courants sur de longues périodes dans des vides relativement moyens (jusqu'à 10-6 mbar par exemple). Mais leur émission est difficilement commutable rapidement (à l'échelle d'une fraction de GHz par exemple), la taille de la source est fixée et leur température limite la compacité des tubes où elles sont intégrées.
  • Un but de la présente invention est de palier aux inconvénients précités en proposant un tube électronique sous vide présentant une cathode planaire à base de nanotubes ou nanofils, permettant de s'affranchir d'un certain nombre de limitations liées à l'utilisation des pointes émettrices verticales, tout en utilisant l'effet tunnel ou l'effet thermoionique ou une combinaison des deux.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • La présente invention a pour objet un tube électronique sous vide comprenant au moins une cathode émissive d'électrons et au moins une anode disposées dans une enceinte à vide, la cathode présentant une structure planaire comprenant un substrat comprenant un matériau conducteur, une pluralité d'éléments nanotube ou nanofil isolés électriquement du substrat, l'axe longitudinal desdits éléments nanotube ou nanofil étant sensiblement parallèle au plan du substrat, et au moins un premier connecteur relié électriquement à au moins un éléments nanotube ou nanofil de manière à pouvoir appliquer à l'élément nanofil ou nanotube un premier potentiel électrique.
  • Préférentiellement les éléments nanotube ou nanofil sont sensiblement parallèles entre eux.
  • Selon un mode de réalisation préféré le premier connecteur comprend un élément de contact sensiblement planaire disposé sur une couche isolante et relié à une première extrémité de l'élément nanotube ou nanofil.
  • Avantageusement la cathode comprend en outre un premier moyen de commande relié au premier connecteur et au substrat, et configuré pour appliquer une tension de polarisation entre le substrat et l'élément nanotube de manière à ce que l'élément nanotube ou nanofil émette des électrons par sa surface par effet tunnel. Avantageusement la tension de polarisation est comprise entre 100 V et 1000 V.
  • Avantageusement les éléments nanotube ou nanofil présentent un rayon compris entre 1 nm et 100 nm.
  • Selon une variante la cathode comprend un deuxième connecteur électrique relié électriquement à au moins un élément nanotube ou nanofil de manière à pouvoir appliquer à l'élément nanotube ou nanofil un deuxième potentiel électrique.
  • Selon un mode de réalisation préféré de la variante le premier et le deuxième connecteurs comprennent respectivement un premier et un deuxième éléments de contact sensiblement planaires disposés sur une couche isolante et respectivement reliés à une première et une deuxième extrémités dudit élément nanotube ou nanofil.
  • Préférentiellement la cathode comprend au moins un élément nanotube ou nanofil relié simultanément au premier connecteur et au deuxième connecteur.
  • Selon une variante la cathode comprend en outre des moyens de chauffage de l'élément nanotube ou nanofil.
  • Selon un mode de réalisation de cette variante la cathode comprend un deuxième moyen de commande relié au premier et au deuxième connecteurs et configuré pour appliquer une tension de chauffage audit élément nanotube ou nanofil via le premier et le deuxième potentiel électrique, de manière à générer un courant électrique dans ledit élément nanotube ou nanofil, de sorte que l'élément nanotube ou nanofil émette des électrons par sa surface par effet thermoionique. Préférentiellement la tension de chauffage est comprise entre 0.1 V et 10 V.
  • Selon un mode de réalisation les éléments nanotube ou nanofil sont partiellement enterrés dans une couche isolante d'enterrement.
  • Selon un mode de réalisation la cathode est divisée en une pluralité de zones, les éléments nanotubes ou nanofils de chaque zone étant reliés à un premier connecteur électrique différent, de sorte que les tensions de polarisation appliquées à chaque zone soient indépendantes et reconfigurables.
  • Selon une variante les éléments nanotube ou nanofil sont conducteurs .
  • Selon une autre variante les éléments nanotube ou nanofil sont semi-conducteurs et dans lequel la tension de polarisation est supérieure à une tension de seuil, l'élément nanofil ou nanotube constituant alors un canal d'une capacité de type MOS, de manière à générer des porteurs libres dans l'élément nanofil ou nanotube.
  • Préférentiellement la cathode comprend en outre une source lumineuse configurée pour illuminer l'élément nanotube ou nanofil de manière à générer des porteurs libres dans ledit élément nanofil ou nanotube par photogénération.
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
    • La figure 1 déjà citée schématise un tube électronique sous vide connu de l'état de l'art.
    • La figure 2 déjà citée illustre une cathode à pointe verticales.
    • La figure 3 déjà citée montre un exemple de « gated electrode» connu de l'état de l'art.
    • La figure 4 déjà citée schématise un tube électronique sous vide dont la cathode à grille intégrée est à base de nanotubes de carbone verticaux connue de l'état de l'art.
    • La figure 5 déjà citée illustre un premier exemple de cathode à géométrie planaire de type pointe à nanotube connue de l'état de l'art.
    • La figure 6 déjà citée illustre un deuxième exemple de cathode à géométrie planaire à base de pointe connue de l'état de l'art.
    • La figure 7 illustre un tube électronique sous vide selon l'invention.
    • La figure 7bis illustre un mode de réalisation de la cathode selon l'invention pour lequel l'isolation des nanotubes est réalisée par le vide.
    • La figure 8 illustre une première variante préférée d'un tube électronique sous vide selon l'invention.
    • La figure 9 schématise les lignes de champ au voisinage d'un nanoélément.
    • La figure 10 schématise les trajectoires des électrons extraits d'un nanotube en présence d'un champ externe.
    • La figure 11 illustre une variante préférée de la cathode du tube selon l'invention dans laquelle au moins un nanoélément est relié électriquement à un deuxième connecteur.
    • La figure 12 illustre une variante préférée de la cathode du tube selon l'invention dans laquelle au moins un connecteur comprend un élément de contact planaire disposé sur la couche isolante.
    • La figure 12bis illustre un mode de réalisation de la cathode du tube selon l'invention dans laquelle au moins un connecteur comprend un élément de contact planaire disposé sur la couche isolante et l'isolation des nanotubes est réalisée par le vide.
    • La figure 13 illustre une variante de la cathode du tube selon l'invention basée sur l'effet tunnel uniquement.
    • La figure 14 illustre une variante de la cathode du tube selon l'invention dans laquelle au moins un nanoélément déjà relié à un premier connecteur est également relié à un deuxième connecteur séparé spatialement du premier connecteur.
    • La figure 15 illustre une variante de la cathode du tube selon l'invention basée sur l'effet thermoionique.
    • La figure 16 illustre une variante de la cathode du tube selon l'invention utilisant à la fois l'effet tunnel et l'effet thermoionique
    • La figure 17 illustre une variante de la cathode du tube selon l'invention comprenant des contatcs planaires et utilisant à la fois l'effet tunnel et l'effet thermoionique
    • La figure 18 illustre un mode de réalisation de nano élément dans lequel ceux-ci sont partiellement enterrés dans une couche isolante.
    • La figure 19 schématise un exemple d'utilisation d'une cathode selon l'invention divisée en zone.
    • La figure 20 schématise un autre exemple d'utilisation d'une cathode selon l'invention divisée en zone.
    • La figure 21 illustre une variante de cathode selon l'invention dans laquelle au moins un contact planaire est commun à deux groupes de nanoéléments.
    • La figure 22 illustre une première méthode de fabrication des nanotubes/nanofils. La figure 22a schématise une première étape et la figure 22b une deuxième étape.
    • La figure 23 illustre une deuxième méthode de fabrication des nanotubes/nanofils. La figure 23a schématise une première étape et la figure 23b une deuxième étape.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Il est proposé ici un tube à vide à base d'éléments nanotube ou nanofil disposés selon une géométrie planaire, alors que l'ensemble de l'état de la technique a toujours cherché à utiliser l'effet de pointe associé à la forme des cathodes à nanotube/nanofil pour réaliser des cathodes de tube à vide.
  • Le tube électronique sous vide 70 selon l'invention est illustré figure 7, qui décrit une vue de profil et une vue en perspective de la cathode C du dispositif. Le tube électronique sous vide selon l'invention est typiquement un tube à rayons X ou un TOP.
  • Le tube électronique sous vide 70 comprend au moins une cathode C émissive d'électrons et au moins une anode A disposées dans une enceinte à vide E. La spécificité de l'invention réside dans la structure originale de la cathode, le reste du tube étant dimensionné selon l'état de la technique.
  • L'au moins une cathode C du tube 70 présente une structure planaire comprenant un substrat Sb comprenant un matériau conducteur, c'est à dite présentant un comportement électrique proche d'un métal , et une pluralité d'éléments nanotube ou nanofil NT isolés électriquement du substrat.
  • Selon un mode de réalisation illustré figure 7 l'isolation s'effectue avec une couche isolante Is déposée sur le substrat, les éléments nanotubes ou nanofils NT étant disposés sur la couche isolante Is. Par structure planaire on entend que l'axe longitudinal des éléments nanotube ou nanofil est sensiblement parallèle au plan de la couche isolante, comme illustré figure 7.
  • Les nanotubes et nanofils sont connus de l'homme de l'art. Les nanotubes et nanofils sont des éléments dont le diamètre est inférieur à 100 nanomètres et leur longueur est de 1 à plusieurs dizaines de microns. Le nanotube est une structure majoritairement creuse tandis que le nanofil est une structure pleine. Les deux types de nano-élément sont globalement dénommés NT et sont compatibles d'une cathode du tube à vide selon l'invention.
  • Typiquement le substrat est en silicium dopé, carbure de silicium dopé, ou tout autre matériau conducteur compatible de la fabrication de la cathode. La cathode comprend en outre au moins un premier connecteur CE1 relié électriquement à au moins un élément nanotube ou nanofil de manière à pouvoir appliquer à l'élément NT un premier potentiel électrique. Le premier connecteur CE1 permet ainsi un accès électrique aux éléments NT. Du fait de la complexité de la technologie de fabrication, tous les éléments NT de la cathode ne sont pas nécessairement connectés. Dans la suite nous ne nous intéresserons qu'aux éléments NT effectivement reliés électriquement au connecteur CE1.
  • Du fait de la structure planaire, les éléments NT (connectés) de la cathode C en fonctionnement émettent des électrons à partir de sa surface S. Il existe deux variantes induisant chacune une configuration spécifique de la cathode C selon l'invention, en fonction de l'effet physique à l'origine de l'émission d'électrons. Un première variante est basée sur l'effet tunnel, une deuxième variante est basée sur l'effet thermoionique, les deux variantes pouvant être combinées, permettant une émission d'électrons accrue. Ces deux variantes sont décrites en détails plus loin.
  • La structure planaire des éléments NT présente de nombreux avantages. Elle permet de réaliser le dispositif générique illustré figure 7 compatible de l'utilisation des deux effets précités, séparément ou en combinaison.
  • En outre la fabrication des éléments NT selon l'invention s'effectue à partir de briques technologiques connues, et ne nécessite pas de croissance de type PECVD (plasma DC) comme dans le cas des nanotubes de carbone verticaux, ce qui libère les contraintes sur les matériaux utilisables et sur les designs potentiels de manière significative. Il est notamment possible de réaliser des isolations surfaciques (non compatibles à ce jour avec la croissance PECVD) ce qui permet d'obtenir un niveau de robustesse supérieur par rapport aux designs actuels de « gated cathode ».
  • Les éléments NT peuvent être réalisés par une croissance in-situ sur plaque (méthodes de localisation de catalyseurs par exemple) ou par des méthodes de croissance ex-situ avec report. Les deux méthodes présentent avantages et inconvénients :
    • In-situ : pas besoin de report, localisation possible des nanofils/nanotubes. Mais ce procédé est plus restreint et il est difficile de sélectionner les nanofils/nanotubes a posteriori.
    • Ex-situ : accès à un panel de méthodes de croissances bien plus important qu'en croissance in-situ. Cette approche offre une plus grande souplesse de réalisation et d'adaptation de procédé au besoin matériau. De plus on peut sélectionner des nanomatériaux de diamètre similaire pour réduire le paramètre pour l'émission de champ. Le contrôle de la qualité du matériau est aussi facilité. Enfin la disponibilité commerciale d'une grande gamme de matériau offre une souplesse de design intéressante. Cette méthode présente néanmoins l'inconvénient de nécessiter une étape de report et de contrôle de la densité pour assurer l'espacement visé W entre 2 nanofils/nanotubes.
  • La réalisation de nanofils horizontaux sur substrat par gravure est une thématique largement étudiée pour les besoins de la microélectronique. Les notions de réduction de taille et de dispersion en taille sont notamment au centre de ces études. Plusieurs stratégies ont été développées avec succès pour répondre à cette problématique (lithographie optique DUV/EUV; lithographie par faisceau d'électron; « spacer lithography » ; etc.). A noter que la réalisation de ces nanofils/nanotubes selon l'invention est très similaire à la réalisation de grille dans les technologies CMOS qui atteignent aujourd'hui des tailles de l'ordre de 10nm à l'échelle industrielle.
  • Préférentiellement pour un meilleur fonctionnement, les éléments nanotube ou nanofil NT sont sensiblement parallèles entre eux, et la distance moyenne W entre chaque élément est contrôlée. Une distance moyenne entre éléments NT de l'ordre de l'épaisseur de l'isolant est préférée. Le parallélisme assure une plus grande compacité d'intégration et donc un plus grand nombre d'émetteurs actifs par unité de surface, ce qui augmente potentiellement le courant émis par la structure.
  • Selon un mode préféré de réalisation illustré figure 7bis le premier connecteur CE1 comprend un élément de contact C1 sensiblement planaire disposé une couche isolante Is et relié à une première extrémité E1 de l'élément NT. La fabrication du connecteur CE1 est facilitée. L'élément de contact C1 est typiquement métallique, d'un matériau standard en microélectronique : aluminium, titane, or, tungstène...).
  • Selon un mode de réalisation également illustré figure 7bis, l'isolation des nanoéléments NT du substrat est réalisée par le vide.
  • Typiquement la couche isolante Is ayant été utilisée lors de la fabrication des nanotubes a été retirée (couche sacrificielle) sous la partie nanotube, ceux-ci étant alors arrimés au substrat par le contact planaire C1, quant à lui isolé du substrat par la couche isolante Is. Ainsi dans cette variante l'isolant est obtenu pour le contact planaire C1 par une couche physique sacrificielle Is et pour les éléments NT par le vide Vac.
    Il n'y a ainsi plus d'interface NT/isolant/vide, mais seulement une interface NT/vide. On augmente l'isolation thermique des NT. De plus on augmente la surface d'émission, la demi surface inférieure pouvant participer au courant émis (à condition de s'assurer que le champ externe E0 permet de récupérer les électrons émis par cette demi-surface inférieure).
  • Selon une première variante préférée illustrée figure 8 la cathode est configurée pour émettre des électrons via sa surface S par effet tunnel.
    Pour cela la cathode C du tube 70 comprend un premier moyen de commande MC1 relié au premier connecteur CE1, polarisé à la tension V1,et au substrat Sb, et configuré pour appliquer une tension de polarisation VNW entre le substrat et l'élément nanotube. Soit VSb le potentiel du substrat, on a : V NW = V 1 − V sb
    Figure imgb0001
     Pour obtenir de l'émission de champ, il faut que la différence de potentiel VNW soit négative. Le substrat peut par exemple être relié à la masse.
    Le contact face avant avec les éléments NT via CE1 est en effet isolé électriquement du substrat conducteur Sb.
    Pour un bon isolement, une couche isolante Is « épaisse » d'épaisseur h comprise entre 100 nm et 10 µm est préférable.
  • La tension de polarisation VNW est donc établie entre les éléments NT et le substrat. Cette tension de polarisation ainsi que le champ macroscopique extérieur E0 combinés induisent un champ de surface ES sur l'élément NT. En effet, le système nanoélément/isolant/substrat forme une capacité qui permet la génération d'un grand nombre de charges négatives qui se concentrent sur la faible surface S du nanotube, tel qu'illustré figure 9, ce qui génère un champ électrique intense ES à la surface de l'élément NT, exprimé par des lignes de champs 90 très resserrées au voisinage de S. Au premier ordre le champ électrique Es est inversement proportionnel au rayon r de l'élément NT.
    A noter que le champ macroscopique extérieur appliqué E0 est de base nécessaire pour les besoins du tube électronique sous vide (pour notamment diriger les électrons émis dans le tube).
    L'extraction des électrons est réalisée par effet tunnel, et les électrons sont émis radialement dans toutes les directions. Le champ extérieur E0 fait prendre aux électrons une trajectoire 100 globalement perpendiculaire au substrat, comme illustré figure 10, et les accélère. Le champ extérieur E0 ne contribue que marginalement ici à l'extraction (voir plus loin).
    Par rapport à une approche classique avec des émetteurs 1 D préférentiellement perpendiculaires au substrat VACNT, il existe une analogie entre la hauteur/rayon des VACNT et hauteur h fixée par l'épaisseur d'isolant, rayon du nanofil/nanotube NT planaire. Ainsi, par rapport aux émetteurs 1 D et au problème de dispersion de ces deux paramètres lors de la fabrication explicité dans la partie état de la technique, la présente invention présente les avantages suivants.
    Concernant la hauteur des émetteurs, les éléments NT émetteurs horizontaux ont exactement tous la même hauteur h, contrairement aux approches classiques (typiquement +/- 1 µm sur les nanotubes verticaux, pour des hauteurs typiques de 5 à 10µm), ce qui réduit de fait considérablement la problématique sur la dispersion de ce paramètre, qui est résolue de manière extrêmement simple par l'utilisation d'une couche isolante Is homogène réalisée avec des moyens microélectroniques classiques.
    Concernant le rayon de nanotubes, on peut appliquer des méthodes par ailleurs connues pour réaliser des nanofils/nanotubes présentant de faibles dispersions de rayon. En outre les nanomatériaux ainsi réalisés peuvent être sélectionnés par diverses méthodes pour réduire au maximum la dispersion sur le facteur rayon (chose impossible si on considère une croissance sur substrat). Une dispersion de rayon de +/- 2 nm est typiquement atteignable (contre +/- 20 nm pour les VACNT).
  • Ainsi dans une cathode selon l'état de la technique, du fait de la dispersion sur la hauteur et le rayon des nanotubes verticaux, il y a peu de nanotubes qui émettent effectivement des électrons, ce qui induit un fort courant par émetteur, un courant fort constituant une plus grande probabilité de destruction.
    Dans la cathode C selon l'invention, du fait d'une plus faible dispersion, on a moins de courant par émetteur, et donc la cathode est plus robuste.
  • En outre, la cathode C est telle que lorsque la tension de polarisation VNW est faible ou nulle, l'effet de champ est négligeable : le tube à vide 70 fonctionne en mode « Normally off », ce qui est un élément de sûreté recherché dans certaines application de tubes à rayon X médicaux.
  • A noter également que, comparé aux émetteurs de type 1 D, l'effet de pointe des nano éléments planaires selon l'invention est réalisé en deux dimensions, et les surfaces potentielles d'émission électroniques sont donc nettement plus élevées. En effet pour une micropointe 1 D la surface est de l'ordre de ∼r2 ; tandis que pour un nanotube planaire elle est de l'ordre de L.r (L longueur du nanofil, r rayon du nanofil) pour une densité d'émetteur voisine. Ce gain en surface d'émission est intéressant pour viser de forts courants globaux.
    Pour obtenir un effet de pointe et l'extraction par effet tunnel, préférentiellement les éléments nanotube ou nanofil NT présentent un rayon r compris entre 1 nm et 100 nm.
    Pour obtenir une émission par effet de champ (effet tunnel) d'un élément nanotube/nanofil NT, il convient que le champ électrique de surface Es soit compris entre 0.5 V/nm et 5 V/nm. Cette fourchette de valeur conditionne le dimensionnement de la cathode par la relation : Es = h / ϵ r r . acosh h / ϵ r r E 0 − V NW h / ϵ r
    Figure imgb0002
  • Avec :
    • Es champ à la surface du nanotube, E0 champ extérieur appliqué, VNW tension de polarisation
    • h hauteur et εr permittivité relative de la couche isolante présente sous le NT r rayon du nanotube/nanofil NT
  • Le premier terme est purement géométrique, avec des valeurs typiques de 10 à 100.
    La tension de polarisation VNW est typiquement comprise entre 100 V et 1000 V.
    Typiquement E0 est de l'ordre de 0.01 V/nm et le terme VNW /(h/εr) de l'ordre de 0.1 V/nm. Le terme VNW /(h/εr) est grand devant E0, et c'est ce premier terme qui contribue au premier ordre à l'obtention du champs Es.
    Le fait que E0 ne sert pas à l'extraction des électrons, c'est-à-dire qu'il y a indépendance entre génération/extraction (via VNW) et accélération (via E0) des électrons est un énorme avantage pour le tubes à rayons X.
    Selon l'état de la technique, lorsque l'on change le champ E0, on change le courant d'émission.
    Dans la cathode selon l'invention, c'est la tension de polarisation qui conditionne la valeur du courant d'émission, pas ou peu le champ extérieur E0. On peut ainsi dans un tube à rayons X selon l'invention réaliser une image à courant d'émission identique pour différentes énergies.
  • Ainsi des champs typiques de l'effet tunnel de quelques Volts/nm sont obtenus sur la surface S des nanofils/nanotubes NT.
    D'autres règles de conception permettent d'améliorer l'émission d'électrons :
    • Typiquement la distance W entre deux émetteurs NT est supérieure ou égale à h/2.
    • Typiquement h/r est supérieur ou égal à 100 : par exemple h=1 à 5 µm et r =2 à 10 nm.
    • Typiquement la polarisation admissible entre contacts supérieurs et substrat est au moins de l'ordre de E0*h/εr (soit quelques dizaines de Volts).
  • Selon une variante préférée illustrée figure 11 la cathode C comprend un deuxième connecteur électrique CE2 relié électriquement à au moins un élément nanotube ou nanofil NT de manière à pouvoir appliquer au nanoélément un deuxième potentiel électrique V2. On s'assure ainsi de la bonne connexion d'une plus grande quantité de nanotubes. Avantageusement la cathode comprend au moins un élément NT relié simultanément au premier connecteur CE1 et au deuxième connecteur CE2, afin de rendre la cathode selon l'invention compatible de l'utilisation de l'effet thermo ionique (voir plus loin).
    Dans cette configuration on applique un potentiel différent aux deux extrémités du nanoélément, ce qui, avec un substrat conducteur, n'est possible qu'avec la présence d'un isolant entre le nanoélement et le substrat.
  • Préférentiellement, pour faciliter la fabrication, la cathode C comprend plusieurs éléments nanotubes ou nanofils NT connectés au même premier connecteur et/ou au même deuxième connecteur.
    Préférentiellement, le connecteur CE2 comprend un élément de contact C2 planaire (typiquement métallique, d'un matériau standard en microélectronique : aluminium, titane, or, tungstène...), disposé sur une couche isolante Is et relié à une deuxième extrémité E2 de l'élément NT tel qu'illustré figure 12.
    Ainsi sur l'isolant une série d'éléments de contacts électriques sont reliés entre eux. Les contacts sont préférentiellement localement parallèles et placés à une distance L. Entre les électrodes figurent les nanofils/nanotubes NT de manière qu'au moins une de leur extrémité soit connectée à un des contacts électriques. La distance caractéristique entre deux nanofils/nanotubes est notée W.
    La figure 12 correspond au mode de réalisation avec une couche isolante physique Is déposée sur le substrat. La figure 12 bis illustre le mode de réalisation pour lequel la couche Is a été retirée sous les nanotubes, également illustré figure 7bis, l'isolation de ceux-ci étant réalisée par le vide présent sous les nanotubes NT.
  • Pour que la cathode C selon l'invention présentant la structure des figures 12 ou 12 bis émette des électrons par effet tunnel uniquement, il convient de relier entre eux les connecteurs CE1 et CE2, tel qu'illustré figure 13. Dans ce cas les potentiels sont égaux : V 1 = V 2.
    Figure imgb0003
  • Pour une émission maîtrisée, préférentiellement la distance W entre les éléments NT est sensiblement constante et contrôlée. En effet il est préférable de respecter une distance moyenne de l'ordre de l'épaisseur d'isolant, la constance dans la valeur de la distance W étant le cas idéal.
  • Cela permet de maximiser le nombre d'émetteurs efficaces par unité de surface et donc d'augmenter le courant d'émission associé. Les émetteurs sont sollicités de la même manière ce qui maximise le courant d'émission associé et augmente la durée de vie/robustesse de la cathode.
    Avec une telle géométrie, des densités de 50000 à 100 000 par mm2 sont obtenues (« fill factor » inférieur à 1 dû à l'intégration des reprises de contact en face avant). Chaque élément NT présente une surface émissive de l'ordre de 7000nm2 (émission utile de la demi-surface S).
    Les courants d'émission nominaux par émetteur (de l'ordre de 200 nA) sont acceptables par des nanofils/nanotubes.
  • Selon une autre variante la cathode C selon l'invention émet des électrons par effet thermoionique, en chauffant l'élément NT. Ainsi la cathode C comprend en outre des moyens de chauffage de l'élément nanotube ou nanofil NT. Pour cela il n'est pas nécessaire de dimensionner spécifiquement les éléments NT, il n'y a pas de contrainte sur la hauteur h de la couche isolante Is ou sur le rayon r des éléments NT. Il convient d'utiliser dans ce cas un matériau à faible travail de sortie pour les nano éléments, tels que tungstène ou molybdène.
    Un moyen préféré pour chauffer le nanotube/nanofil est de faire passer un courant dans celui-ci. Pour cela au moins un élément nanotube ou nanofil NT doit être relié simultanément au premier connecteur CE1 et au deuxième connecteur CE2.
    Selon un mode de réalisation figure 14 les moyens de chauffage comprennent un deuxième moyen de commande MC2 configuré pour appliquer une tension de chauffage Vch à l'élément nanotube ou nanofil NT via le premier potentiel électrique V1 et le deuxième potentiel électrique V2.
    On a Vch = V1 - V2
    On génère ainsi un courant électrique I dans l'élément nanotube/nanofil NT. Les deux connecteurs CE1 et CE2 doivent être suffisamment séparés spatialement sur le nanotube pour permettre au courant de circuler.
    Pour une variante de l'invention dans laquelle seul l'effet thermoionique est utilisé (pas de tension de polarisation VNW ni de dimensionnement spécifique), il convient de chauffer l'élément NT à une température de chauffage supérieure ou égale à 1000° Celsius.
  • Lorsque l'effet thermoionique vient en combinaison/complément de l'effet tunnel (voir plus loin) une température de chauffage supérieure à 600° Celsius est suffisante.
    Préférentiellement la tension de chauffage Vch est comprise entre 0.1 V et 10 V.
  • Ainsi une cathode configurée selon l'invention comprend au moins un moyen de commande (MC1 et/ou MC2) relié au premier connecteur CE1 et configuré pour appliquer une différence de potentiel de sorte qu'elle émette des électrons à partir de sa surface S La différence de potentiel étant appliquée :
    • premier moyen de commande MC1 : entre l'élément NT (V1 via CE1) et le substrat Sb (potentiel du substrat VSb) pour une émission d'électrons par effet tunnel (tension de polarisation VNW=V1-VSb),
    • deuxième moyen de commande MC2 : à l'élément NT lui-même (V1 via CE1 et V2 via CE2) pour une émission par effet thermoionique (tension de chauffage Vch=V1-V2).
    La tension de polarisation et la tension de chauffage pouvant être appliquée simultanément pour bénéficier des deux effets.
  • La figure 15 illustre une cathode C selon l'invention configurée pour émettre des électrons par effet thermoionique et basée sur des contacts planaires C1 et C2 de même nature que ceux décrits sur les figures 12 et 12bis. La tension électrique appliquée via CE1 et CE2 (respectivement par la reprise de contacts C1 et C2) crée un courant I dans l'élément nanotube/nanofil NT. Dans ce cas le courant 1 circule d'une extrémité à l'autre du nanotube NT.
  • Selon un mode de réalisation, la cathode selon l'invention combine les deux effets physiques d'émission d'électrons, effet tunnel et effet thermoionique, tel qu'illustré sur le principe figure 16. Pour cela on applique simultanément une tension de polarisation VNW (comprise entre 100 V et 1000 V) entre substrat et nanoélement, et une tension Vch (comprise entre 0.1 V et 10V) entre deux parties du nano élément NT. Le nanotube NT a préférentiellement un rayon r compris entre 1 nm et 100 nm, pour optimiser l'effet tunnel. La figure 17 illustre la combinaison des deux effets en utilisant deux contacts planaires C1 et C2. On obtient ainsi une émission d'électrons plus importante que lorsque les deux effets physiques sont utilisés isolément. En effet, la structure étant utilisée sous vide, chauffer l'élément émissif permet de réduire le champ à appliquer pour émettre un courant donné ce qui est utile pour réduire les dimensions par exemple de l'isolant. De plus comme les éléments émissifs sont « chauds » on évite des problèmes de contamination de surface (les éléments sont moins facilement adsorbés sur les surfaces chaudes). Ceci améliore la stabilité de l'émission.
  • La présence d'une interface vide - isolant - nanofil/nanotube est susceptible d'induire une exacerbation locale du champ. Cette interface se trouvant « sous » le nanofil, il est préférable de réduire cet effet car il peut entraîner une injection électronique locale dans l'isolant et des effets de charges indésirables. Pour cela selon un mode de réalisation illustré figure 18 les éléments nanotube ou nanofil NT sont partiellement enterrés dans une couche isolante d'enterrement Isent. On obtient ainsi un niveau de champ constant selon le pourtour du nanofil/nanotube.
    Selon une variante la couche Isent est la couche isolante disposée sur le substrat Sb.
  • Selon une variante préférée la couche Isent est constituée d'au moins une couche additionnelle déposée sur la couche isolante Is. En effet cet enterrement partiel peut provoquer une émission électronique dans l'isolant, ce qui induit des effets de charges locales « écrantant » l'action du substrat. Préférentiellement on réalise une encapsulation locale dans un matériau présentant une forte permittivité diélectrique (dénommé matériau « high-k »), tel que HfO2 , avec εHfO2 = 24, pour jouer sur l'effet de permittivité et ainsi minimiser le champ du nanofil à la jonction avec l'isolant tout en maximisant le champ sur la partie libre du nanofil. Selon un mode de réalisation la couche d'enterrement Isent est un multicouche constitué d'une pluralité de sous couches. On contrôle ainsi mieux la structure des lignes de champ et on limite les effets d'exacerbation non désirés. De plus on peut jouer sur les paramètres permittivité/tenue diélectrique des différentes couches pour optimiser les tensions applicables dans la structure.
  • Avantageusement, environ la moitié du nanoélément est enterré dans la couche Isent.
    Cependant, l'incorporation d'un matériau à forte permittivité, même en couche mince, peut significativement modifier la hauteur effective, et il convient de prendre en compte cet aspect dans le dimensionnement de l'épaisseur h de la couche Is.
  • Selon une autre variante illustrée figures 19 et 20 la cathode C est divisée en une pluralité de zones Z, Z', chaque zone comprenant des éléments nanotubes ou nanofils reliés à un même premier connecteur électrique : par exemple les éléments NT de la zone Z sont reliés à CE1 et les éléments NT de la zone Z' sont reliés à CE1', CE1 étant différent de CE1'. On peut alors appliquer des tensions de polarisation VNW et VNW' à chaque zone indépendantes les une des autres et reconfigurables. On « pixelise » ainsi l'émission en réalisant plusieurs zones d'émission électriquement autonomes afin de moduler spatialement la zone d'émission. La figure 19 illustre une cathode C comprenant une zone Z émettrice tandis qu'une zone Z' n'émet pas, et la figure 20 illustre une cathode C avec les deux zones Z et Z' émettrice.
    Selon l'état de la technique la modulation spatiale de la zone d'émission est réalisée en juxtaposant plusieurs cathodes à côté les unes des autres.
    Un avantage de la pixelisation d'une cathode est que l'on peut, pour des applications d'imagerie, dans un premier temps identifier une zone d'intérêt en illuminant à l'aide d'une large zone d'émission, puis une fois la zone d'intérêt détectée, réaliser une illumination de la zone d'intérêt avec une zone d'émission de plus faible dimension permettant une résolution accrue.
  • Selon une variante illustrée figure 21, au moins un contact planaire C1 est commun à deux groupes de nanoéléments. On densifie ainsi le réseau de nanoéléments.
  • Préférentiellement les nanotubes/nanoéléments NT sont en matériau conducteur, tels que Carbone, ZnO dopé, silicium dopé, argent, cuivre, tungstène, etc...
  • Selon un autre mode de réalisation les éléments nanotubes/nanofils sont semi-conducteurs, par exemple en Si, SiGe ou GaN, de manière à induire la présence par effet de champ et/ou par illumination, ce qui permet d'avoir des leviers supplémentaires sur le contrôle de l'émission électronique.
    L'élément nanofil ou nanotube constitue alors un canal d'une capacité de type MOS. La génération de porteurs s'opère lorsque la tension de polarisation VNW est supérieure à une tension de seuil Vth.
    Dans le cas d'une photogénération des porteurs, le tube 70 comprend en outre une source lumineuse configurée pour illuminer l'élément nanotube ou nanofil, les porteurs libres sont alors générés par photogénération.
    Des nanoéléments NT semiconducteurs sont utilisables pour générer des électrons par effet tunnel et/ou par effet thermoionique
  • A titre illustratif, la figure 22 montre une première méthode de fabrication de la cathode C selon l'invention, de type « bottom up ». Dans une première étape illustré figure 22 a on réalise une dispersion de nanofils/nanotubes NT sur une couche isolante Is déposée sur un substrat conducteur Sb (« spay », « dip coating », électrophorèse). Le point clé est d'avoir une distance moyenne W entre nanofils/nanotubes contrôlable.
    Dans une deuxième étape illustrée figure 22b on réalise les contacts par lift-off sur le tapis préalablement réalisé. A noter que les contacts peuvent être réalisés avant la dispersion (de préférence contact enterrés pour que la surface du matériau de contact soit au niveau de la surface de l'isolant) pour n'avoir que la dispersion à réaliser comme étape finale de réalisation.
    La figure 23 montre une deuxième méthode de fabrication de la cathode C selon l'invention, de type « top-down ». Une couche mince (destinée à être le matériau émetteur) est déposée sur une couche isolante Is, elle-même sur un substrat conducteur Sb. Un masque de gravure est réalisé sur cette couche et le matériau est gravé pour ne laisser que des nanofils/nanotubes sur le substrat+isolant, comme illustré figure 23a.
    Ensuite les contacts sont réalisés par lift-off sur le tapis préalablement réalisé, tel qu'illustré figure 23b. A noter que comme précédemment les contacts peuvent être réalisés avant la dispersion (de préférence contacts enterrés pour que la surface du matériau de contact soit au niveau de la surface de l'isolant) pour n'avoir que la dispersion à réaliser comme étape finale de réalisation

Claims (17)

  1. Tube électronique sous vide comprenant au moins une cathode (C) émissive d'électrons et au moins une anode (A) disposées dans une enceinte à vide (E),
    la cathode présentant une structure planaire comprenant un substrat (Sb) comprenant un matériau conducteur , une pluralité d'éléments nanotube ou nanofil isolés électriquement du substrat, l'axe longitudinal desdits éléments nanotube ou nanofil étant sensiblement parallèle au plan du substrat, et au moins un premier connecteur (CE1) relié électriquement à au moins un éléments nanotube ou nanofil de manière à pouvoir appliquer à l'élément nanofil ou nanotube un premier potentiel électrique (V1).
  2. Tube électronique sous vide selon la revendication 1 dans lequel les éléments nanotube ou nanofil sont sensiblement parallèles entre eux.
  3. Tube électronique sous vide selon les revendications 1 ou 2 dans lequel le premier connecteur (CE1) comprend un élément de contact (C1) sensiblement planaire disposé sur une couche isolante (Is) et relié à une première extrémité (E1) dudit élément nanotube ou nanofil.
  4. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications précédentes dans lequel la cathode comprend en outre un premier moyen de commande (MC1 ) relié au premier connecteur (CE1) et au substrat (Sb), et configuré pour appliquer une tension de polarisation (VNW) entre le substrat et l'élément nanotube de manière à ce que l'élément nanotube ou nanofil émette des électrons par sa surface (S) par effet tunnel.
  5. Tube électronique sous vide selon la revendication 4 dans lequel la tension de polarisation est comprise entre 100 V et 1000 V.
  6. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments nanotube ou nanofil (NT) présentent un rayon (r) compris entre 1 nm et 100 nm.
  7. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications précédentes dans lequel la cathode comprend un deuxième connecteur électrique (CE2) relié électriquement à au moins un élément nanotube ou nanofil (NT) de manière à pouvoir appliquer à l'élément nanotube ou nanofil un deuxième potentiel électrique (V2).
  8. Tube électronique sous vide selon la revendication 7 dans lequel le premier et le deuxième connecteur (CE1, CE2) comprennent respectivement un premier (C1) et un deuxième (C2) éléments de contact sensiblement planaires disposés sur une couche isolante et respectivement reliés à une première (E1) et une deuxième (E2) extrémités dudit élément nanotube ou nanofil.
  9. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel la cathode (C) comprend au moins un élément nanotube ou nanofil (NT) relié simultanément au premier connecteur et au deuxième connecteur.
  10. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications précédentes dans lequel la cathode comprend en outre des moyens de chauffage de l'élément nanotube ou nanofil.
  11. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications 9 ou 10 dans lequel la cathode comprend un deuxième moyen de commande (MC2) relié au premier (CE1) et au deuxième (CE2) connecteurs et configuré pour appliquer une tension de chauffage (Vch) audit élément nanotube ou nanofil (NT) via le premier (V1) et le deuxième (V2) potentiel électrique, de manière à générer un courant électrique (1) dans ledit élément nanotube ou nanofil (NT), de sorte que l'élément nanotube ou nanofil émette des électrons par sa surface (S) par effet thermoionique.
  12. Tube électronique sous vide selon la revendication 11 dans lequel la tension de chauffage est comprise entre 0.1 V et 10 V.
  13. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments nanotube ou nanofil (NT) sont partiellement enterrés dans une couche isolante d'enterrement (Isent).
  14. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications 4 à 13 dans lequel la cathode (C) est divisée en une pluralité de zones (Z, Z') les éléments nanotubes ou nanofils de chaque zone (Z,Z') étant reliés à un premier connecteur électrique différend (CE1,CE1'), de sorte que les tensions de polarisation (VNW, VNW') appliquées à chaque zone soient indépendantes et reconfigurables.
  15. Tube selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments nanotube ou nanofil sont conducteurs.
  16. Tube électronique sous vide selon l'une des revendications 4 à 14 dans lequel les éléments nanotube ou nanofil sont semi-conducteurs et dans lequel la tension de polarisation (VNW) est supérieure à une tension de seuil (Vth), l'élément nanofil ou nanotube constituant alors un canal d'une capacité de type MOS, de manière à générer des porteurs libres dans l'élément nanofil ou nanotube.
  17. Tube électronique sous vide selon la revendication 16 dans lequel la cathode comprend en outre une source lumineuse configurée pour illuminer l'élément nanotube ou nanofil de manière à générer des porteurs libres dans ledit élément nanofil ou nanotube par photogénération.
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