KR20180006322A - 나노튜브들 또는 나노와이어들에 기초한 평면형 캐소드를 갖는 진공 전자 튜브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 전자 튜브에 관한 것이며, 이 진공 전자 튜브는 진공 챔버 (E) 에 배열된 적어도 하나의 전자 방출 캐소드 (C) 및 적어도 하나의 애노드 (A) 를 가지며, 상기 캐소드는 전도성 재료를 포함하는 기판 (Sb), 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있는 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들로서, 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들의 종축은 상기 기판의 평면에 대해 실질적으로 평행한, 상기 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들, 및 나노와이어 또는 나노튜브 소자에 제 1 전위 (V1) 를 인가가능하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 커넥터 (CE1) 를 포함하는 평면형 구조체를 갖는다.
Description
본 발명은 진공 전자 관들의 분야에 관한 것으로, 그 적용은 예를 들어 X 선 튜브들 또는 진행파 튜브들 (travelling wave tube; TWT) 의 제조를 포함한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 음극이 나노 튜브 또는 나노 와이어 소자들에 기초하는 진공 전자 튜브들에 관한 것이다.
도 1 에 예시된 바와 같이 진공 전자 튜브의 구조가 알려져 있다. 전자 방출 캐소드 (Cath) 및 애노드 (A) 는 진공 챔버 (E) 에 배열된다. 통상적으로 10 KV 와 500 KV 사이의 전위차 (V0) 를 애노드 (A) 와 캐소드 (Cath) 사이에 인가하여 챔버 내에서 전기장 (E0) 을 생성하며, 이는 캐소드로부터의 전자들의 여기 및 이의 가속을 허용하여 "전자 건" 을 형성한다. 전자들은 전기장 (E0) 의 영향 하에서 애노드로 유인된다. 애노드에 의해 생성된 전기장은 3 가지 기능들을 갖는다:
- (콜드 캐소드들에 대해) 캐소드로부터의 전자들의 추출들,
- 이들이 튜브에 이용되기 위해 전자들에 궤적을 제공하는 것. 예를 들어, TWT 에서, 상호작용 임펠러로 전자 빔을 주입하는 것이 가능하다.
- 튜브의 필요에 따라 전압 구배를 통해 전자들에 에너지를 제공하는 것. 예를 들어, X-레이 튜브에서, 전자들의 에너지는 X-레이 방사 스펙트럼을 제어한다.
TWT 는 금속 임펠러에서 전자 빔이 통과하는 튜브이다. RF 웨이브는 전자 빔과 상호작용하기 위하여 이 임펠러에서 가이드된다. 이 상호작용은 전자 빔과 증폭된 RF 웨이브 사이의 에너지의 전달을 가져온다. 따라서, TWT 는 예를 들어 통신 위성들에서 발견되는 고출력 증폭기이다.
일 실시형태에 따른 X 레이 튜브에서, 전자들은 애노드에 대한 충격에 의해 제동되며, 이들 감속된 전자들은 전자기파를 방출한다. 전자들의 초기 에너지가 충분히 강하면 (적어도 1 keV), 연관 방사선은 X 범위 내에 있다. 다른 실시형태에 따르면, 에너지화된 전자들은 타겟 (애노드) 의 원자들의 코어 전자들과 상호작용한다. 유도된 전자 재구성은 특징 에너지의 포톤의 방출에 의해 완성된다.
따라서, 캐소드에 의해 방출된 전자들은 X 선 튜브용의 타겟/애노드 (통상적으로 텅스텐으로 이루어짐) 또는 TWT용 상호 작용 임펠러를 향하여 외부 필드 (E0) 에 의해 가속화된다.
전자들의 (준)연속 방출을 형성하기 위해, 2 개의 기술들, (i) 콜드 캐소드들 및 (ii) 열이온 캐소드들이 채용된다.
콜드 캐소드들은 필드 방출에 의한 전자 방출에 기초한다: 재료에 인가된 강한 전기장 (수 V/nm) 은 터널 효과에 의해 전자들이 진공으로 통과하는 것을 허용하기에 충분한 에너지 배리어의 곡률을 허용한다. 이러한 강한 필드들을 획득하는 것은 거시적으로 불가능하다.
수직 팁들을 갖는 캐소드들은 팁 효과와 결합된 필드 방출을 이용한다. 이를 위하여, 매우 널리 이용되고 문헌에서 개발된 지오메트리는 도 2 에 예시된 바와 같이 기판 상에 (강한 애스펙트 비를 갖고) 수직 팁들 (P) 을 제조하는 것으로 구성된다. 팁 효과에 의해, 이미터의 팁에서의 필드는 수 오더 정도로 구해질 수 있다. 이 필드는 균일한 필드에서 팁에 의해 표현되는 정전기적 교란에 의해 생성된다. 이 구성에서, 균일한 외부 필드 (E0) 가 인가된다. 이 필드의 변형으로 인하여, 이미터들의 팁에서 필드 레벨을 제어하는 것을 가능하게 하고 따라서 대응하는 방출된 전류 레벨을 제어하는 것이 가능하다.
Spindt 팁들로 지칭되는 제 1 게이트 캐소드들이 1970 년대에 개발되었으며, 도 3 에 예시되어 있다. 이들의 원리는 제어 게이트 (25) 에 의해 둘러싸인 전도성 팁 (20) 의 사용에 기초한다. 통상적으로 정점은 게이트의 평면 상에 있다. 팁들과 게이트 사이의 전위차는 팁들의 정점에서 전기장 레벨을 변조하는 것 (그리고 이에 따라 전류가 방출되는 것) 을 가능하게 한다. 이들 구조들와 관련하여, 팁/게이트 정렬에 대한 이들의 매우 높은 감도와 2 개의 소자들 사이의 전기 절연 문제들이 알려져 있다.
보다 최근에, 팁 이미터들은 기판에 대하여 직각으로 수직으로 배열된 카본 나노튜브들 또는 CNT들로부터 제조되었다.
카본 나노튜브들 (CNT) 을 갖는 게이트 캐소드는 또한 예를 들어, 특허 출원 번호 PCT/EP2015/080990 에서 설명되며 도 4 에 예시되어 있다. 게이트 (G) 는 ("수직 정렬된 CNT" 에 대해) 각각의 VACNT 주변에 정렬된다.
필드 방출은 통상 금속성 재료의 표면 상의 전기장으로부터 야기된다. 이때, 이 필드는 인가된 전위 필드의 구배에 직접 연결된다.
통상의 캐소드 (게이트 없음) 에서, 전위 필드는 나노튜브 단독의 전위로부터 그리고 외부 필드의 영향들의 조합으로부터 야기된다. 이때, 이들 2 개가 연결된다.
"게이트" 유형의 캐소드에서, 나노튜브들의 레벨에서의 전위 필드는 외부 전기장의 영향들의 조합으로부터, (이전과 같이) 나노튜브의 전위로부터, 뿐만 아니라 다른 2 개와 독립하는 게이트에 의해 유도되는 전위로부터 야기된다. 따라서, 시스템으로 도입되는 이 새로운 전극과 작용하는 것에 의해 전자 방출을 변경하는 것이 가능하다.
일반적으로, 각각의 이미터와 연관된 필드 증폭 팩터는 이미터의 팁의 곡률의 반경에 그리고 이미터의 높이에 강하게 연결된다. 이들 2 개의 파라미터들에서의 분산들은 증폭 팩터 분산들을 유도한다. 이때, 터널 효과는 이 증폭 팩터를 수반하는 지수함수 법칙이며: 따라서, 이미터들의 코호트 (cohort) 를 고려하는 것에 의해 (1 퍼센트 미만의 정도의 비교적 낮을 수 있는) 단지 일부분만이 전자 방출에 실제로 참여한다. 타겟의 총 전류에 대해, 이는 실제 이미터들이 (균일하게 되어 있고 모든 이미터들에 걸쳐 균일하게 분포되어 있는 방출에 비해) 비교적 높은 전류들을 방출하는 것을 요구한다.
팁 형태로 된 이들 이미터들의 제조가 하기와 같이 행해진다:
- 에칭에 의해 (예를 들어: 실리콘 팁), 기판 상에 직접 또는 직접 성장에 의해 (예를 들어: CNT). 이들 2 개의 방법들은 기판에 대하여 직각에서 팁들의 바람직한 배향을 허용해야 한다.
- 또는 마운팅에 의해: 이후, (나노튜브/나노와이어 형태에서) 나노재료의 합성을 기판 상에 마운팅한다. 직각에서의 배향의 단계가 또한 필요하다.
기판 상에서의 직접적인 제조에 의해, 상당한 반경/높이 분산들이 문헌에 알려져 있다. 또한, 기판 상의 CNT들의 성장의 특수한 경우에, 기판에 대하여 직각에서의 배향이 제어되지만, 재료의 품질은 CVD 성장에 의해 얻어진 CNT 재료의 것에 비해 상당히 낮다. 높이 분산을 감소시키는 일 수단은 캡슐화된 재료에 대해 폴리싱을 수행하는 것이며: 폴리싱된 재료가 결함이 있어, 연관된 방출 성능 레벨을 감소시키는 점에서 단점이 있다.
그 후에 성장된 재료들이 기판 상에 마운팅되는 경우에, 기판에 대하여 직각에서의 배향을 구하는 것은 복잡하다 (국부화되어 있지 않고, 실제 높이가 제어되지 않는 등이 있다).
문헌에 공지된, 나노와이어에 기초한 (기판에 대해 직각에서의 오브젝트 뱅향이 없는) 평면형 지오메트리를 갖는 캐소드들은 여전히 팁 효과에 기반을 두고 있다. 그러나, 기판에 대해 직각이 아닌 배향을 완화시키기 위하여, 이미터를 지지하는 전극에 대한 대향전극이 기판에 통합된다. 도 5 에 제 1 예가 예시되어 있으며, Pp 팁 타입의, ZnO 나노와이어 타입의 이미터가 기판에 평행하다. 이들 단부들 중 하나는 전극 (캐소드 (Cath)) 에 접속되어 있고, 대향 전극 (애노드 (A)) 은 수직 구조체들의 경우에 균질한 필드 (E0) 의 등가물을 생성하는 것을 가능하게 한다. 여전히 방출은 팁의 정점에서 나타난다. 전자 빔은 이미터로부터 애노드로 전파되지만, 이는 (특히, 통상의 전자 튜브에 빔을 주입하기 위해) 어디에서나 이 빔을 이용하기 위해 빔을 편향시키는 것을 어렵게 한다. 게이트 (G) 와 도핑된 폴리실리콘의 팁 (Pp) 을 포함하고 동일한 원리에 따라 동작하는 다른 예가 도 6 에 예시되어 있다.
진공 튜브의 경우에, 캐소드로부터 "멀리" 전자 빔을 이용하는 것을 목적으로 한다. 평면형 구조체의 경우에, 애노드는 (인가될 전압들을 제한하기 위해) 방출형 소자에 바로 근접하여 있으며, 이는 빔 진행들이 애노드에 의해 인터셉트되기 전에 매우 짧은 거리를 진행한다는 것을 의미한다. 따라서, 이는 진공 튜브에서 더 멀리 이용될 수 없다.
열이온 캐소드들은 전자들을 방출하기 위해 열이온 효과를 이용한다. 이 효과는 가열을 통하여 전자들을 방출하는 것으로 구성된다. 이를 위하여, 필라멘트의 단부들에 배열된 2 개의 전극들이 바이어싱된다. 2 개의 단부들 사이의 전위차의 인가는 필라멘트에서 전류를 생성하고, 이는 줄의 효과를 통하여 힛팅 업시킨다. 이것이 특정 온도에 도달할 때 (통상 섭씨 1000 도) 전자들이 방출된다. 실제로, 가열이라는 점은 단순히 일부 전자들이 금속 진공 배리어보다 더 큰 열에너지를 갖는 것을 허용하고, 따라서, 이들 전자들은 진공에서 자발적으로 추출된다.
(1 밀리미터의 정도로 된) 패드 형태로 된 캐소드들이 존재하며, 여기에서, 전자 필라멘트는 재료의 가열을 보장하도록 하부에 배치되고 재료들은 이후 전자들을 방출한다.
열이온 캐소드들은 비교적 중간 진공들 (예를 들어, 최대 10-6 mbar) 에서 장기간에 걸쳐 높은 전류들을 공급하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이들의 방출은 (예를 들어, GHz 의 분수값의 스케일 정도에서) 고속으로 스위칭하는 것이 어렵고, 소스의 사이즈는 고정되어 있으며, 이들의 온도는 이들이 통합되어 있는 튜브들의 콤팩트화를 제한한다.
본 발명의 목적은 나노튜브들 또는 나노와이어들에 기초한 평면형 캐소드를 갖는 진공 전자 튜브를 제안하는 것에 의해 위에 언급된 단점들을 완화시키는 것이며, 이는 터널 효과 또는 열이온 효과 또는 이 둘의 조합을 이용하는 한편, 수직 방출 팁들의 사용에 연결된 특정 수의 제약들을 극복하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 대상은 진공 전자 튜브이고, 진공 전자 튜브는 진공 챔버에 배열된 적어도 하나의 전자 방출 캐소드 및 적어도 하나의 애노드를 가지며, 상기 캐소드는 전도성 재료를 포함하는 기판, 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있는 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들의 종축은 상기 기판의 평면에 대해 실질적으로 평행함), 및 나노와이어 또는 나노튜브 소자에 제 1 전위를 인가가능하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 커넥터를 포함하는 평면형 구조체를 갖는다.
우선적으로, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 서로 실질적으로 평행하다.
선호되는 실시형태에 따르면, 제 1 커넥터는 절연층 상에 배열되고 나노튜브 또는 나노와이어 소자의 제 1 단부에 연결된 실질적으로 평면형 콘택 소자를 포함한다.
유리하게, 캐소드는, 나노튜브 또는 나노와이어 소자가 터널 효과에 의해 그 표면을 통하여 전자들을 방출하게 하도록, 제 1 커넥터에 그리고 기판에 연결되고 기판과 나노튜브 소자 사이에 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는 제 1 제어 수단을 더 포함한다. 유리하게, 바이어스 전압은 100 V ∼ 1000 V 에 존재한다.
유리하게, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 1 nm ∼ 100 nm 의 반경을 갖는다.
변형예에 따르면, 캐소드는 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 제 2 전위를 인가가능하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 전기적으로 연결된 제 2 전기 커넥터를 포함한다.
변형예의 선호되는 실시형태에 따르면, 제 1 및 제 2 커넥터들은 개별적으로, 절연층 상에 배열되고 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자의 제 1 및 제 2 단부에 개별적으로 연결된 제 1 및 제 2 실질적으로 평면형 콘택 소자들을 포함한다.
우선적으로, 캐소드는 제 1 커넥터 및 제 2 커넥터에 동시에 연결된 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 포함한다.
변형예에 따르면, 캐소드는 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 가열하기 위한 수단을 더 포함한다.
이 변형예의 일 실시형태에 따르면, 캐소드는 제 1 커넥터 및 제 2 커넥터에 연결되고, 나노튜브 또는 나노와이어 소자가 열이온 효과에 의해 그 표면을 통하여 전자들을 방출하게 하도록 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 전류를 생성하기 위해 가열 전압을 제 1 및 제 2 전위들을 통하여 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 인가하도록 구성되는 제 2 제어 수단을 포함한다. 우선적으로, 가열 전압은 0.1 V ∼ 10 V 에 있다.
일 실시형태에 따르면, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 매립형 절연 층 내에 부분적으로 매립된다.
일 실시형태에 따르면, 캐소드는 복수의 구역들로 분할되고, 각각의 구역에 인가된 바이어스 전압들이 독립적이고 재구성가능하게 되도록, 각각의 구역의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 상이한 제 1 전기 커넥터에 연결된다.
변형예에 따르면, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 컨덕터들이다.
다른 변형예에 따르면, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 반도체들이며, 여기에서 바이어스 전압은 임계전압보다 더 크며, 이후, 나노와이어 또는 나노튜브 소자는 나노와이어 또는 나노튜브 소자에서 자유 캐리어들을 생성하도록 MOS 타입의 커패시터의 채널을 구성한다.
우선적으로, 캐소드는 광생성에 의해 상기 나노와이어 또는 나노튜브 소자에서 자유 캐리어들을 생성하도록 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 조명하도록 구성되는 광원을 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽을 때 그리고 비제한적 예들로서 주어지는 첨부된 도면들의 관점에서 명확해질 것이다.
도 1 은 이미 언급된 것으로서, 종래 기술로부터 공지된 진공 전자 튜브를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 이미 언급된 것으로서, 수직 팁 캐소드를 예시한다.
도 3 은 이미 언급된 것으로서, 종래 기술로부터 공지된 "게이트 전극" 의 일 예를 예시한다.
도 4 는 이미 언급된 것으로서, 게이트 전극이 종래 기술에 공지된 수직 카본 나노튜브들에 기초하는 진공 전자 튜브를 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 종래 기술로부터 공지된 나노튜브 팁 타입의 평면형 지오메트리의 제 1 일예를 예시한다.
도 6 은 종래 기술로부터 공지된 팁-기반 평면형 지오메트리를 갖는 캐소드의 제 2 예를 예시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 진공 전자 튜브를 예시한다.
도 7a 는 나노튜브들의 절연이 진공에 의해 형성되는 본 발명에 따른 캐소드의 일 실시형태를 예시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 진공 전자 튜브의 제 1 선호되는 변혀예를 예시한다.
도 9 는 나노소자의 근방에 있는 필드 라인들을 개략적으로 나타낸다.
도 10 은 외부 필드의 존재에서 나노튜브로부터 추출되는 전자들의 궤적들을 개략적으로 나타낸다.
도 11 은 적어도 하나의 나노소자가 제 2 커넥터에 전기적으로 연결되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 선호되는 변형예를 예시한다.
도 12 는 적어도 하나의 커넥터가 절연층 상에 배열된 평면형 콘택 소자를 포함하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 선호되는 변형예를 예시한다.
도 12a 는 적어도 하나의 커넥터가 절연층 상에 배열된 평면형 콘택 소자를 포함하고 나노튜브들의 절연이 진공에 의해 생성되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 일 실시형태를 예시한다.
도 13 은 터널 효과에만 기초하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 14 는 제 1 커넥터에 이미 연결된 적어도 하나의 나노소자가 제 1 커넥터로부터 공간적으로 분리되어 있는 제 2 커넥터에 또한 연결되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 15 는 터널 효과에 기초하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 16 은 터널 효과 및 열이온 효과 양쪽을 이용하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 17 은 평면형 콘택들을 포함하고 터널 효과 및 열이온 효과 양쪽 모두를 이용하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 18 은 나노소자들이 절연층에 부분적으로 매립되어 있는 나노소자의 일 실시형태를 예시한다.
도 19 는 구역들로 분할된 본 발명에 따른 캐소드의 사용의 일 예를 개략적으로 예시한다.
도 20 은 구역들로 분할된 본 발명에 따른 캐소드의 사용의 다른 예를 개략적으로 예시한다.
도 21 은 적어도 하나의 평면형 콘택이 나노소자들의 2 개의 그룹들에 공통이 되는 본 발명에 따른 캐소드 변형예를 예시한다.
도 22 는 나노튜브들/나노와이어들을 제조하는 제 1 방법을 예시한다. 도 22a 는 제 1 단계를 개략적으로 나타내고 도 22b 는 제 2 단계를 개략적으로 나타낸다.
도 23 은 나노튜브들/나노와이어들을 제조하는 제 2 방법을 예시한다. 도 23a 는 제 1 단계를 개략적으로 나타내고 도 23b 는 제 2 단계를 개략적으로 나타낸다.
도 1 은 이미 언급된 것으로서, 종래 기술로부터 공지된 진공 전자 튜브를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 이미 언급된 것으로서, 수직 팁 캐소드를 예시한다.
도 3 은 이미 언급된 것으로서, 종래 기술로부터 공지된 "게이트 전극" 의 일 예를 예시한다.
도 4 는 이미 언급된 것으로서, 게이트 전극이 종래 기술에 공지된 수직 카본 나노튜브들에 기초하는 진공 전자 튜브를 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 종래 기술로부터 공지된 나노튜브 팁 타입의 평면형 지오메트리의 제 1 일예를 예시한다.
도 6 은 종래 기술로부터 공지된 팁-기반 평면형 지오메트리를 갖는 캐소드의 제 2 예를 예시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 진공 전자 튜브를 예시한다.
도 7a 는 나노튜브들의 절연이 진공에 의해 형성되는 본 발명에 따른 캐소드의 일 실시형태를 예시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 진공 전자 튜브의 제 1 선호되는 변혀예를 예시한다.
도 9 는 나노소자의 근방에 있는 필드 라인들을 개략적으로 나타낸다.
도 10 은 외부 필드의 존재에서 나노튜브로부터 추출되는 전자들의 궤적들을 개략적으로 나타낸다.
도 11 은 적어도 하나의 나노소자가 제 2 커넥터에 전기적으로 연결되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 선호되는 변형예를 예시한다.
도 12 는 적어도 하나의 커넥터가 절연층 상에 배열된 평면형 콘택 소자를 포함하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 선호되는 변형예를 예시한다.
도 12a 는 적어도 하나의 커넥터가 절연층 상에 배열된 평면형 콘택 소자를 포함하고 나노튜브들의 절연이 진공에 의해 생성되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 일 실시형태를 예시한다.
도 13 은 터널 효과에만 기초하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 14 는 제 1 커넥터에 이미 연결된 적어도 하나의 나노소자가 제 1 커넥터로부터 공간적으로 분리되어 있는 제 2 커넥터에 또한 연결되는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 15 는 터널 효과에 기초하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 16 은 터널 효과 및 열이온 효과 양쪽을 이용하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 17 은 평면형 콘택들을 포함하고 터널 효과 및 열이온 효과 양쪽 모두를 이용하는 본 발명에 따른 튜브의 캐소드의 변형예를 예시한다.
도 18 은 나노소자들이 절연층에 부분적으로 매립되어 있는 나노소자의 일 실시형태를 예시한다.
도 19 는 구역들로 분할된 본 발명에 따른 캐소드의 사용의 일 예를 개략적으로 예시한다.
도 20 은 구역들로 분할된 본 발명에 따른 캐소드의 사용의 다른 예를 개략적으로 예시한다.
도 21 은 적어도 하나의 평면형 콘택이 나노소자들의 2 개의 그룹들에 공통이 되는 본 발명에 따른 캐소드 변형예를 예시한다.
도 22 는 나노튜브들/나노와이어들을 제조하는 제 1 방법을 예시한다. 도 22a 는 제 1 단계를 개략적으로 나타내고 도 22b 는 제 2 단계를 개략적으로 나타낸다.
도 23 은 나노튜브들/나노와이어들을 제조하는 제 2 방법을 예시한다. 도 23a 는 제 1 단계를 개략적으로 나타내고 도 23b 는 제 2 단계를 개략적으로 나타낸다.
종래 기술 모두는 진공 튜브 캐소드들을 형성하기 위해 나노튜브/나노와이어 캐소드들의 형태와 연관된 팁 효과를 항상 이용하려 하는 반면, 본원에서는 진공 튜브가 평면형 지오메트리에 따라 배열되는 나노튜브 또는 나노와이어에 기초하여 제안된다.
본 발명에 따른 진공 전자 튜브 (70) 는 도 7 에 예시되어 있으며, 이는 디바이스의 캐소드 (C) 의 사시도와 프로파일 도를 설명한다. 본 발명에 따른 진공 전자 튜브는 통상 X-레이 튜브 또는 TWT 이다.
진공 전자 튜브 (70) 는 진공 챔버 (E) 에 배열된 적어도 하나의 전자 방출 캐소드 (C) 및 적어도 하나의 애노드 (A) 를 포함한다. 본 발명의 특정 특징부는 캐소드의 오리지널 구조체에 있지만, 튜브의 나머지는 종래 기술에 따라 치수조정되어 있다.
튜브 (70) 의 적어도 하나의 캐소드 (C) 는 전도성 재료, 즉 금속과 유사한 전기적 거동을 나타내는 재료를 포함하는 기판 (Sb) 을 포함하는 평면형 구조체, 및 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있는 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 을 갖는다.
도 7 에 예시된 일 실시형태에 따르면, 기판 상에 데포지션된 절연층 (Is) 에 의해 절연이 이루어지며 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 이 절연층 (Is) 상에 배열되어 있다. 평면형 구조체는 나노튜브 또는 나노와이어 소자들의 종축이 도 7 에 예시된 바와 같이 절연층의 평면에 실질적으로 평행하다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
나노튜브들 및 나노와이어들은 종래 기술의 당업자에게 잘 알려져 있다. 나노튜브들 및 나노와이어들은 그 직경이 100 나노미터보다 작으며, 그 길이가 1 ∼ 수 십 마이크론인 소자들이다. 나노튜브는 대부분 중공형의 구조를 갖는 한편, 나노와이어는 솔리드 구조체이다. 2 개의 타입들의 나노소자는 일반적으로 NT 라고 지칭되며, 본 발명에 따른 진공 튜브의 캐소드와 양립가능하다.
통상적으로, 기판은 도핑된 실리콘, 도핑된 실리콘 카비드, 또는 캐소드의 제조와 양립가능한 임의의 다른 전도성 재료로 이루어진다.
캐소드는 소자 (NT) 에 제 1 전위를 인가가능하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 커넥터 (CE1) 를 더 포함한다. 따라서, 제 1 커넥터 (CE1) 는 소자들 (Nt) 에 대한 전기적 액세스를 허용한다. 제조 기술의 복잡도로 인하여, 캐소드의 소자들 (NT) 이 모두 반드시 접속해야 하는 것은 아니다. 이하, 우리는 커넥터 (CE1) 에 실제로 전기적으로 연결된 소자들 (NT) 에만 초점을 맞출 것이다.
평면형 구조체로 인하여, 캐소드 (C) 의 (접속된) 소자들 (NT) 은 동작시 그 표면 (S) 으로부터 전자들을 방출한다. 각각이 전자들의 방출을 야기하는 물리적 효과에 따라, 본 발명에 따른 캐소드 (C) 의 특정 구성을 포함하는 2 개의 변형예들이 있다. 제 1 변형예는 터널 효과에 기초하며, 제 2 변형예는 열이온 효과에 기초하며, 2 개의 변형예들은 결합가능하여, 전자들의 증가된 방출을 야기한다. 이들 2 개의 변형예들은 이후에 자세하게 설명한다.
소자들 (NT) 의 평면형 구조체는 다수의 이점들을 제공한다. 이는 2 개의 상술한 효과들의 사용과 개별적으로 또는 공동으로 양립가능한 도 7 에 예시된 일반 디바이스를 제조하는 것을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 소자들 (NT) 의 제조는 알려진 기술적 적층 블록으로부터 수행되며, 수직 카본 나노튜브들의 경우에서와 같이 PECVD (플라즈마 DC) 타입의 어떠한 성장도 요구하지 않으며, 이는 이용될 수 있는 재료들에 대한 제약들 및 그리고 잠재적 설계들에 대한 제약들을 상당히 해방시킨다. 현재의 "게이트 캐소드" 설계들에 비해 더 높은 견고성을 획득하는 것을 가능하게 하는 (현재 PECVD 성장과 호환가능하지 않은) 표면 절연부들을 특히 형성하는 것이 가능하다.
소자들 (NT) 은 플레이트 상의 인-시츄 성장 (예를 들어, 촉매 국부화 방법들) 에 의해 또는 마운팅에 의한 엑스-시츄 성장 방법들에 의해 제조될 수 있다. 2 개의 방법들은 이점들 및 결함들을 갖는다:
인-시츄: 마운팅이 필요하지 않고, 나노와이어들/나노튜브들의 가능한 국부화. 그러나, 이 방법은 보다 제약적이고, 이벤트 후에 나노와이어들/나노튜브들을 선택하는 것을 어렵게 한다.
엑스-시츄: 인-시츄 성장보다 훨씬 더 큰 성장 방법들의 패널에 대한 액세스. 이 접근 방식은 재료 요구들에 대한 방법의 구현 및 적응의 보다 큰 유연성을 제공한다. 또한, 필드 방출에 대한 파라미터를 감소시키기 위해 유사한 직경의 나노재료들을 선택하는 것이 가능하다. 재료 품질 제어가 또한 간단하다. 마지막으로, 넓은 범위의 재료들의 산업적 이용가능성이 유리한 설계 유연성을 제공한다. 그러나, 이 방법은 2 개의 나노와이어들/나노튜브들 사이의 타겟 간극 (W) 을 보장하기 위해 마운팅하고 밀도를 제어하는 단계를 요구하는 결점을 나타낸다.
에칭에 의한 기판 상의 수평 나노와이어들의 제조는 마이크로전자기기들의 요구들에 폭넓게 연구되는 주제이다. 사이즈 감소 및 사이즈 분산의 능력이 특히 이들 연구들의 초점이다. 수개의 전략들이 이 문제를 해결하기 위해 성공적으로 개발되어 왔다 (광학 리소그래피 DUV/EUV; 전자 빔 리소그래피; "스페이서 리소그래피"; 등). 본 발명에 따른 이들 나노와이어들/나노튜브들의 제조는, 최근의 게이트들이 산업 스케일에서 10 nm 정도의 사이즈들을 실현하고 있는 CMOS 기술들에서의 게이트 제조와 매우 유사하다.
우선적으로, 양호한 동작을 위하여, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 은 실질적으로 서로 평행하고 각각의 소자 사이의 평균 거리 (W) 가 제어된다. 절연부의 두께의 정도의 소자들 (NT) 사이의 평균 거리가 선호된다. 평균 정렬은 보다 큰 집적 콤팩트화, 및 이에 따라, 표면적 단위 당 보다 큰 수의 액티브 이미터들을 보장하고, 이는 구조체에 의해 방출되는 전류를 잠재적으로 증가시킨다.
도 7a 에 예시된 선호되는 실시형태에 따르면, 제 1 커넥터 (CE1) 는 소자 (NT) 의 제 1 단부 (E1) 에 연결되고 절연층 (Is) 상에 정렬된 실질적으로 평면형의 콘택 소자 (C1) 를 포함한다. 커넥터 (CE1) 의 제조는 간단화된다. 콘택 소자 (C1) 는 통상적으로 금속이며, 마이크로전자기기에서의 재료 표준: 알루미늄, 티탄, 금, 텅스텐 등으로 이루어진다.
도 7a 에 또한 예시된 실시형태에 따르면, 기판으로부터의 나노소자들 (NT) 의 절연은 진공에 의해 수행된다. 통상적으로, 나노튜브들의 제조에 이용되는 절연층 (Is) (희생 층) 은 나노튜브 부분 아래에서 제거되었고, 그 후 이들 나노튜브들은 평면형 콘택 (C1) 에 의해 기판에 고정되고, 평면형 콘택은 그 부분에 대해 절연층 (Is) 에 의해 기판으로부터 절연된다. 따라서, 이 변형예에서, 물리적 희생층 (Is) 에 의해 평면형 콘택 (C1) 에 대해, 그리고 진공 (Vac) 에 의해 소자들 (NT) 에 대해 절연이 얻어진다.
따라서, 더 이상 어떠한 NT/절연부/진공 인터페이스도 존재하지 않고, NT/진공 인터페이스만이 제공된다. NT들의 열절연이 증가된다. 또한, 방출 표면이 증가되어, 하부 1/2 표면이 전류 방출에 참여가능하다 (외부 필드 (E0) 가 이 하부 1/2 표면에 의해 방출되는 전자들을 복구하는 것을 가능하게 하는 것이 보장된다).
도 8 에 예시된 제 1 선호되는 변형예에 따르면, 캐소드는 터널 효과들에 의해 그 표면 (S) 을 통하여 전자들을 방출하도록 구성된다.
이를 위하여, 튜브 (70) 의 캐소드 (C) 는 전압 (V1) 으로 바이어싱된 제 1 커넥터 (CE1) 에 그리고 기판 (Sb) 에 연결되고, 기판과 나노튜브 소자 사이에 바이어스 전압 (VNW) 을 인가하도록 구성되는 제 1 제어 수단 (MC1) 을 포함한다. VSb 가 기판의 전위이면 하기와 같이 된다:
VNW = V1-VSb
필드 방출을 얻기 위하여, 전위차 (VNW) 가 음인 것이 필수적이다. 예를 들어, 기판이 접지부에 연결될 수 있다.
VNW 을 통한 소자들 (NT) 과의 정면 콘택은 실제로 전도성 기판 (Sb) 으로부터 전기적으로 절연된다.
양호한 절연을 위하여, 100 nm ∼ 10 ㎛ 의 두께 (h) 를 갖는 "두꺼운" 절연층 (Is) 이 바람직하다.
바이어스 전압 (VNW) 이 따라서 소자들 (NT) 과 기판 사이에 확립된다. 이 바이어스 전압과, 결합된 외부의 매크로스코픽 필드 (E0) 는 소자 (NT) 상에서 표면 필드 (ES) 를 유도한다. 실제로, 나노소자/절연/기판 시스템은 도 9 에 예시된 바와 같이, 나노튜브의 작은 표면 (S) 상에 집중되는 다수의 음의 전하들을 생성할 수 있는 커패시터를 형성하며, 이는 S 의 부근에서 매우 근접한 필드 라인들 (90) 에 의해 표현되는 강한 전기 필드 (ES) 를 소자 (NT) 의 표면 상에 생성한다. 제 1 예에서 전기장 (ES) 은 소자 (NT) 의 반경 (r) 에 반비례한다.
적용된 외부 매크로스코픽 필드 (E0) 는 (특히, 튜브에서 방출된 전자들을 디렉팅하기 위해) 기본적으로 진공 전자 튜브의 요구들에 필수적이다.
전자들의 추출은 터널 효과에 의해 수행되고, 전자들은 모든 방향으로 방사상으로 방출된다. 외부 필드 (E0) 는 도 10 에 예시된 바와 같이 전자들이 기판에 대해 일반적으로 직각인 궤적 (100) 을 취하게 하고 전자들을 가속시킨다. 외부 필드 (E0) 는 본원에서 추출에 단지 약간 기여한다 (후술하는 것을 참조).
기판 (VACNT) 에 대해 직각에서 우선적으로 이미터들 (1D) 을 갖는 통상의 접근방식에 비교하여, 평면형 나노와이어/나노튜브 (NT) 의 반경, 절연체의 두께에 의해 설정된 높이 (h) 와 VACNT들의 높이/반경 사이에 유사성이 있다. 따라서, 이미터들 (1D) 에 비교하여, 그리고 종래 기술 분야에서 설명한 제조시 이들 2 개의 파라미터들의 분산 문제에 비교하여, 본 발명은 다음의 이점들을 제공한다.
이미터들의 높이에 관련하여, 수평 이미터 소자들 (NT) 은 통상적인 접근방법 (통상적으로, 5 내지 10 ㎛ 의 통상 높이들에 대해, 수직 나노튜브들 상에서 +/- 1 ㎛) 과 달리 모두 정확히 동일한 높이 (h) 를 가지며, 이는 사실상 이 파라미터의 분산 문제를 상당히 감소시키고, 이는 통상의 마이크로전자기기 수단으로 형성되는 균질한 절연층 (Is) 의 사용을 통하여 매우 간단하게 해결된다.
나노튜브 반경에 관하여, 낮은 반경 분산들을 보여주는 나노와이어들/나노튜브들을 제조하기 위해 또한 알려진 방법들을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 따라서 제조되는 나노재료들은 반경 팩터의 분산을 가능한 많이 감소시키는 여러 방법들 (기판 상의 성장을 고려하면 불가능한 일) 에 의해 선택될 수 있다. 통상적으로 (VACNT들에 대한 +/- 20 nm 에 비해) +/- 2 nm 의 반경 분산이 실현가능하다.
따라서, 종래 기술에 따른 캐소드에서, 수직 나노튜브들의 높이와 반경의 분산으로 인하여, 이미터 당 강한 전류를 유도하는 효과적으로 전자들을 방출하는 수개의 나노튜브들이 존재하며, 강한 전류는 더 큰 파괴 확률을 구성한다.
본 발명에 따른 캐소드 (C) 에서, 보다 작은 분산으로 인하여, 이미터 당 전류가 적으며 따라서 캐소드는 더 견고하다.
또한, 캐소드 (C) 는 바이어스 전압 (VNW) 이 낮거나 제로일 때 필드 효과는 무시가능하도록 이루어져, 진공 튜브 (70) 는 "정규적으로 off" 모드에서 동작하며, 이는 특정 의료용 X-레이 튜브 적용들에서 요구되는 신뢰성의 요소이다.
또한, 1D 타입의 이미터들과 비교하여, 본 발명에 따른 평면형 나노소자들의 팁 효과는 2 차원으로 형성되고, 따라서 잠재적인 전자 방출면들이 상당히 더 크다는 것을 주지해야 한다. 실제로, 1D 마이크로팁에서, 표면은 ∼r² 정도로 이루어지는 한편, 평면형 나노 튜브에서, 표면은 유사한 이미터 밀도에 대해 L.r (L 은 나노 와이어의 길이, r 은 나노 와이어의 반경) 의 정도로 이루어진다. 방출 표면에서의 이러한 이득은 강한 전체 전류들을 타겟화하는데 유리하다.
팁 효과 및 터널 효과에 의한 추출을 얻기 위해, 우선적으로 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 은 1 nm 내지 100 nm 의 반경 (r) 을 갖는다.
나노튜브/나노와이어 소자 (NT)의 필드 효과 (터널 효과) 에 의한 방출을 얻기 위해, 표면 전기 필드 (ES) 는 0.5 V/nm ∼ 5 V/nm 에 있어야 한다. 이 값의 범위는 다음의 관계식을 통해 캐소드의 치수조정을 컨디셔닝한다.
식에서:
ES 는 나노튜브의 표면에서의 필드이며, E0 는 인가된 외부 필드이고, VNW 는 바이어스 전압이고,
h 는 높이이고 εr 는 NT 하에 존재하는 절연층의 상대 유전율이고,
r 은 나노튜브/나노와이어 (NT) 의 반경이다.
첫번째 항은 순수하게 기하학적이며, 10 내지 100 의 통상 값들을 갖는다.
바이어스 전압 (VNW) 은 통상적으로 100 V ∼ 1000 V 이다.
통상적으로 E0 는 0.01 V/nm 의 정도로 이루어지고, 항 (VNW/(h/εr)) 은 0.1 V/nm 의 정도로 이루어진다. 항 (VNW/(h/εr)) 은 E0 에 비해 크고, 그리고 이는 필드 (ES) 의 획득에 대한 제 1 인스턴스에 기여하는 첫번째 항이다.
E0 가 전자들의 추출에 사용되지 않는다는 사실, 즉 전자들의 (VNW 를 통한) 생성/추출과 (E0 를 통한) 가속 사이의 독립성이 X-레이 튜브관들에 큰 장점이다.
종래 기술에 따르면, 필드 (E0) 가 변할 때 방출 전류도 변한다.
본 발명에 따른 캐소드에서, 바이어스 전압이 외부 필드 (E0) 없이 또는 거의 없이 방출 전류의 값을 컨디셔닝한다. 따라서, 본 발명에 다른 X-튜브에서는 상이한 에너지들에 대하여 동일한 방출 전류들을 이용하여 이미지를 형성하는 것이 가능하다.
따라서, 수 볼트/nm 의 통상의 터널 효과 필드들이 나노와이어들/나노튜브들 (NT) 의 표면 (S) 상에서 획득된다.
다른 설계 규칙들도 전자 방출을 개선하는 것을 가능하게 한다:
- 통상적으로 2 개의 이미터들 (NT) 사이의 거리 (W) 는 h/2 보다 크거나 같다.
- 통상적으로 h/r 은 100 보다 크거나 같다: 예를 들어, h = 1 내지 5 ㎛ 이고 r = 2 내지 10 nm 이다.
- 통상적으로, 상부 콘택들과 기판 사이의 허용가능한 바이어스는 적어도 E0*h/εr (즉, 수 십 볼트들) 로 된다.
도 11 에 예시된 선호되는 변형예에 따르면, 캐소드 (C) 는 나노소자에 제 2 전위 (V2) 를 인가하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 에 전기적으로 연결된 제 2 전기 커넥터 (CE2) 를 포함한다. 따라서, 보다 큰 양의 나노튜브들의 양호한 접속의 보장이 이루어진다.
유리하게, 캐소드는 열이온 효과의 사용과 양립가능한 본 발명에 따른 캐소드를 실현하기 위해 제 1 커넥터 (CE1) 와 제 2 커넥터 (CE2) 에 동시에 연결된 적어도 하나의 소자 (NT) 를 포함한다 (후술한 것을 참조).
이 구성에서, 상이한 전위들이 나노소자의 2 개의 단부들에 인가되며, 이는 전도성 기판에서 나노소자와 기판 사이의 절연의 존재에 의해서만 가능하다.
우선적으로, 제조를 단순화하기 위해, 캐소드 (C) 는 동일한 제 1 커넥터 및/또는 동일한 제 2 커넥터에 접속된 수개의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 를 포함한다.
우선적으로, 커넥터 (CE2) 는 도 12 에 예시된 바와 같이, 절연층 (Is) 상에 배열되고 그리고 소자 (NT) 의 제 2 단부 (E2) 에 연결된 평면형 콘택 소자 (C2)(마이크로전자기기들에서의 재료 표준의 통상적으로 금속: 알루미늄, 티탄, 금, 텅스텐 등) 를 포함한다.
따라서, 절연부 상에서, 일련의 전기적 콘택 소자들이 서로 연결되어 있다. 콘택들은 우선적으로, 국부적으로 평행하고 거리 (L) 에 위치된다. 전극들 사이에는, 그 단부들 중 적어도 하나가 전기적 콘택들 중 하나에 접속되도록 하는 나노와이어/나노튜브 (NT) 가 존재한다. 2 개의 나노와이어들/나노튜브들 사이의 특징적 거리는 W 로 표기된다.
도 12 는 기판 상에 데포지션된 물리적 절연층 (Is) 을 갖는 실시형태에 대응한다. 도 12a 는 층 (Is) 이 또한 도 7a 에 예시된 나노튜브들 아래에서 제거된 실시형태를 예시하며, 나노튜브의 절연은 나노튜브들 (NT) 아래에 존재하는 진공에 의해 형성된다.
도 12 또는 도 12a 의 구조를 갖는 본 발명에 따른 캐소드 (C) 가 터널 효과에 의해서만 전자들을 방출하기 위해, 도 13 에 예시된 바와 같이, 커넥터들 (CE1 및 CE2) 을 함께 연결하는 것이 적절하다. 이 경우에, 전위들은 동일하다:
V1 = V2.
제어된 방출을 위하여, 우선적으로, 소자들 (NT) 사이의 거리 (W) 는 실질적으로 일정하게 제어된다. 실제로, 절연 두께의 정도의 평균 거리를 관찰하는 것이 바람직하며, 거리 (W) 의 값에서의 불변성이 이상적인 경우이다. 이는 단위 표면적 당 유효 이미터들의 수를 최대로 하고 따라서, 연관된 방출 전류를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이미터들은 캐소드의 견고성/수명을 증가시키고 연관된 방출 전류를 최대로 하는 동일 방식으로 요구된다.
이러한 지오메트리에 의해, mm2 당 50 000 내지 100 000 의 밀도가 얻어진다 ("충전 팩터" 는 정면에서의 콘택 릴레이의 통합으로 인하여 1 미만이다). 각각의 소자 (NT) 는 (하프-표면 (S) 의 방출에 유용한) 7000 nm2 정도의 방출 표면을 갖는다.
(200 nA) 정도의 이미터 당 공칭의 방출 전류들이 나노와이어들/나노튜브들에 의해 허용가능하게 된다.
다른 변형예에 따르면, 본 발명에 따른 캐소드 (C) 는 소자 (NT) 를 가열하는 것에 의한 열 이온 효과에 의해 전자들을 방출한다. 따라서, 캐소드 (C) 는 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 를 가열하기 위한 수단을 더 포함한다. 이를 위하여, 소자들 (NT) 을 구체적으로 치수조정하는 것이 반드시 필요한 것은 아니며, 소자들 (NT) 의 반경 (r) 에 대해 또는 절연층 (Is) 의 높이 (h) 에 대해 제약이 없다. 이 경우에, 나노소자들에 대한 낮은 일함수를 갖는 재료, 이를 테면, 텅스텐 또는 몰리브덴을 이용하는 것이 적합하다.
나노튜브/나노와이어를 가열하기 위한 선호되는 수단은 전류를 나노튜브/나노와이어에 통과시키는 것이다. 이를 위하여, 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 는 제 1 커넥터 (CE1) 에 그리고 제 2 커넥터 (CE2) 에 동시에 연결되어야 한다.
도 14 의 실시형태에 따르면, 가열 수단은 제 1 전위 (V1) 및 제 2 전위 (V2) 를 통하여 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 에 가열 전압 (Vch) 을 인가하도록 구성되는 제 2 제어 수단 (MC2) 을 포함한다.
다음이 적용된다 : Vch = V1 - V2
전류 (I) 는 따라서 나노튜브/나노와이어 소자 (NT) 에서 생성된다.
2 개의 커넥터들 (CE1 및 CE2) 은 전류가 순환하는 것을 허용하도록 나노튜브 상에 공간적으로 충분히 분리되어야 한다.
열이온 효과만이 이용되는 본 발명의 변형예에 대해 (바이어스 전압 (VNW) 이나 특정 치수조정이 없음), 섭씨 1000° 보다 높거나 같은 가열 온도로 소자 (NT) 를 가열하는 것이 적절하다.
이온 효과가 터널 효과와 결합하고/터널 효과를 보충할 때 (후술하는 것을 참조), 섭씨 600° 보다 높은 가열 온도이면 충분하다.
우선적으로, 가열 전압 (Vch) 은 0.1 V ∼ 10 V 에 있다.
따라서, 본 발명에 따라 구성된 캐소드는 제 1 커넥터 (CE1) 에 연결되고 캐소드가 그 표면 (S) 으로부터 전자들을 방출하도록 하기 위한 전위차를 인가하도록 구성되는 적어도 하나의 제어 수단 (MC1 및/또는 MC2) 을 포함한다. 전위차는 하기와 같이 인가된다:
- 제 1 제어 수단 (MC1): 터널 효과에 의한 전자 방출을 위해, 소자 (NT)(CE1 를 통한 V1) 와 기판 (Sb)(기판의 전위 (VSb)) 사이에 인가됨 (바이어스 전압 (VNW) = V1-VSb),
- 제 2 제어 수단 (MC2): 열이온 효과에 의한 방출을 위해 소자 (NT) 자체에 (CE1 을 통한 V1 및 CE2 를 통한 V2) 인가됨 (가열 전압 (Vch) = V1-V2).
바이어스 전압 및 가열 전압은 2 개의 효과들로부터의 이익을 얻기 위해 동시에 인가가능하다.
도 15 는 도 12 및 도 12a 에 설명된 것과 동일한 특성의 평면형 콘택들 (C1 및 C2) 에 기초하여 그리고 열이온 효과에 의해 전자들을 방출하도록 구성되는 본 발명에 따른 캐소드 (C) 를 예시한다. CE1 및 CE2 를 통하여 (개별적으로 콘택들 (C1 및 C2) 의 릴레이에 의해) 인가된 전압은 나노튜브/나노와이어 소자 (NT) 에서 전류 (I) 를 생성한다. 이 경우, 전류 (I) 는 나노튜브 (NT) 의 일 단부로부터 타 단부로 순환한다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 캐소드는 도 16 에서의 원리에 따라 예시된 바와 같이 터널 효과와 열이온 효과의 2 개의 물리적 전자 방출 효과들을 결합한다. 이를 위하여, 기판과 나노소자 사이의 바이어스 전압 (VNW)(100 V ∼ 1000 V) 및 나노소자 (NT) 의 2 개의 부분들 사이의 전압 (Vch)(0.1 V ∼ 10 V) 이 동시에 인가된다. 나노튜브 (NT) 는 우선적으로 터널 효과를 최적화하기 위해 1 nm ∼ 100 nm 의 반경 (r) 을 갖는다. 도 17 은 2 개의 평면형 콘택들 (C1 및 C2) 을 이용한 2 개의 효과들의 결합을 예시한다. 따라서, 2 개의 물리적 효과들이 절연에 이용될 때보다 보다 큰 전자 방출이 획득된다. 실제로, 구조체가 진공에서 이용되는 경우, 방출 소자를 가열하는 것은 소정의 전류를 방출하도록 인가되는 필드를 감소시키는 것을 가능하게 하고, 이는 예를 들어, 절연부의 치수들을 감소시키는데 유용하다. 또한, 방출 소자들이 "고온"이기 때문에, 표면 오염의 문제가 회피된다 (소자가 고온의 표면에 덜 쉽게 흡착된다). 이는 방출의 안정성을 개선시킨다.
진공-절연-나노 와이어/나노 튜브 인터페이스의 존재는 필드의 국부적 악화를 유발하기 쉽다. 이 인터페이스가 나노와이어 "아래에" 위치되기 때문에, 원하지 않는 전하 효과들과 절연부에서의 국부적 전자 주입을 야기할 수 있으므로 이 효과를 감소시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 18 에 예시된 일 실시형태에 따르면, 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 은 매립형 절연층 (Isent) 에 부분적으로 매립된다. 따라서, 나노와이어/나노튜브의 주연부에 따른 일정한 필드 레벨이 얻어진다.
변형예에 따르면, 층 (Isent) 은 기판 (Sb) 상에 배열된 절연층이다.
선호되는 변형예에 따르면, 층 (Isent) 은 절연층 (Is) 상에 데포지션된 적어도 하나의 추가적인 층으로 이루어진다. 실제로, 이 부분적 매립은 국부적 전하 효과들을 유도하는, 절연부에서의 전자 방출을 유발할 수 있고, 이들 효과들은 기판의 작용을 "스크리닝"한다. 우선적으로, HfO2 (여기에서 εHfO2 = 24) 와 같은 강한 전기 유전율을 나타내는 재료 ("고유전상수-k" 재료로 지칭됨) 에서의 국부적 캡슐화가 유전율 효과에 작용하도록 수행되고, 따라서, 절연부와의 접합에서 나노와이어의 필드를 최소화하면서 나노와이어의 자유 부분 상에 필드를 최대화한다. 일 실시형태에 따르면, 매립층 (Isent) 은 복수의 서브층들로 이루어진 다층이다. 필드 라인들의 구조가 따라서 보다 양호하게 제어되고, 원하지 않는 악화 효과들이 제한된다. 또한, 구조체에 인가가능한 전압들을 최적화하기 위해 상이한 층들의 유전율/유전 강도 파라미터들에 작용하는 것이 가능하다.
유리하게, 나노소자의 대략 1/2 가 층 (Isent) 에 매립된다.
그러나, 강한 유전율을 가진 재료의 통합은 심지어 박막층인 경우에도, 유효 높이를 상당히 변경시킬 수 있고, 이 양태가 층 (Is) 의 두께 (h) 의 치수 조정에 고려되어야 한다.
도 19 및 도 20 에 예시된 다른 변형예에 따르면, 캐소드 (C) 는 복수의 구역들 (Z, Z') 로 분할되고, 각각의 구역은 하나의 동일한 제 1 전기적 커넥터에 연결되는 나노튜브 또는 나노와이어 소자들을 포함하며, 예를 들어, 구역 (Z) 의 소자들 (NT) 은 CE1 에 연결되고 구역 (Z') 의 소자들 (NT) 은 CE1' 에 연결되며, CE1 은 CE1' 과 상이하다. 그 후, 서로 독립적이고 재구성가능한 각각의 구역에 바이어스 전압들 (VNW 및 VNW') 을 인가하는 것이 가능하다. 따라서, 방출은 방출 구역을 공간적으로 변조하기 위하여 수개의 전기적으로 자율적인 방출 구역들을 형성하는 것에 의해 "픽셀화 (pixelate)" 된다. 도 19 는 방출하는 구역 (Z) 을 포함하는 한편, 구역 (Z') 은 방출하지 않는 캐소드 (C) 를 예시하며, 도 20 은 구역들 (Z 및 Z') 양쪽이 방출하는 캐소드 (C) 를 예시한다.
종래 기술에 따르면, 방출 구역의 공간적 변조는 서로 나란한 수개의 캐소드들을 병치시키는 것에 의해 형성된다.
캐소드의 픽셀화의 이점은 이미징 애플리케이션들에 대해, 넓은 방출 구역을 이용하여 조명하는 것에 의해 관심의 구역을 초기에 식별하고, 그 후, 관심의 대상이 검출되었다면, 보다 작은 치수들의 방출 구역을 갖는 관심 구역의 조명을 수행하여, 증가된 해상도를 허용하는 것을 가능하게 하는 점이다.
도 21 에 예시된 변형예에 따르면, 적어도 하나의 평면형 콘택 (C1) 은 나노소자들의 2 개의 그룹들에 대해 공통이다. 나노소자들의 네트워크가 따라서 고밀도로 형성된다.
우선적으로, 나노튜브들/나노소자들 (NT) 은 전도성 재료, 이를 테면, 카본, 도핑된 ZnO, 도핑된 실리콘, 은, 구리, 텅스텐 등으로 이루어진다.
다른 실시형태에 따르면, 나노튜브/나노와이어 소자들은 필드 효과 및/또는 조명에 의해 존재를 유도하도록 반도체들, 예를 들어, Si, SiGe 또는 GaN 으로 이루어진 반도체들이며 이는 전자 방출의 증가된 제어를 가능하게 한다.
나노와이어 또는 나노튜브 소자는 그 후 MOS 타입의 커패시터의 채널을 구성한다. 캐리어들의 생성은 바이어스 전압 (VNW) 이 임계 전압 (Vth) 보다 더 클 때 동작한다.
캐리어들의 광생성의 경우에, 튜브 (70) 는 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 조명하도록 구성되는 광원을 더 포함하고; 그 후, 자유 캐리어들이 광생성에 의해 생성된다.
반도체 나노소자들 (NT) 을 이용하여 터널 효과 및/또는 열이온 효과에 의해 전자들을 생성할 수 있다.
예시에 의해, 도 22 는 "바텀업" 타입의 본 발명에 따른 캐소드 (C) 를 제조하는 제 1 방법을 나타낸다. 도 22 에 예시된 제 1 단계에서, 나노와이어들/나노튜브들 (NT) 의 분산은 전도성 기판 (Sb) 상에 데포지션 ("스프레이", "딥코팅", 전기영동) 된 절연층 (Is) 상에서 형성된다. 중요한 점은 나노와이어들/나노튜브들 사이에서 제어될 수 있는 평균 거리 (W) 를 갖는 것이다.
도 22b 에 예시된 제 2 단계에서, 콘택들은 이전에 제조된 매트 상에서 리프트오프하는 것에 의해 형성된다. 마무리 제조 단계로서 분산만이 발생되게 하도록 콘택들 (콘택 재료의 표면이 절연부의 표면과 동일 면상에 놓이도록 바람직하게 매립된 콘택들) 이 분산 전에 형성될 수 있음을 주지해야 한다.
도 23 은 "탑다운" 타입의 본 발명에 따른 캐소드 (C) 를 제조하는 제 2 방법을 나타낸다. (이미터 재료가 되도록 하는) 박막층은 전도성 기판 (Sb) 상에 자체적으로, 절연층 (Is) 상에 데포지션된다. 에치 마스크가 이 층 상에 형성되고, 재료가 에칭되어 도 23a 에 예시된 바와 같이, 기판 + 절연층 상에 나노와이어들/나노튜브들만이 남겨진다.
그 후, 도 23b 에 예시된 바와 같이, 이전에 형성된 매트 상에서 리프트오프에 의해 콘택들이 형성된다. 이전에 언급된 바와 같이, 마무리 제조 단계로서 분산만이 발생되게 하도록 콘택들(콘택 재료의 표면이 절연부의 표면과 동일 면상에 놓이도록 바람직하게 매립된 콘택들) 이 분산 전에 제조될 수 있음을 주지해야 한다.
Claims (17)
- 진공 챔버 (E) 에 배열된 적어도 하나의 전자 방출 캐소드 (C) 및 적어도 하나의 애노드 (A) 를 포함하는 진공 전자 튜브로서,
상기 캐소드는 전도성 재료를 포함하는 기판 (Sb), 상기 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있는 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들로서, 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들의 종축은 상기 기판의 평면에 대해 실질적으로 평행한, 상기 복수의 나노튜브 또는 나노와이어 소자들, 및 적어도 하나의 나노와이어 또는 나노튜브 소자에 제 1 전위 (V1) 를 인가가능하도록 상기 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 1 커넥터 (CE1) 를 포함하는 평면형 구조체 (planar structure) 를 갖는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 서로 실질적으로 평행한, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 커넥터 (CE1) 는 절연층 (Is) 상에 배열되고 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자의 제 1 단부 (E1) 에 연결된 실질적으로 평면형 콘택 소자 (C1) 를 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자가 터널 효과에 의해 그 표면 (S) 을 통하여 전자들을 방출하게 하도록, 상기 제 1 커넥터 (CE1) 에 그리고 상기 기판 (Sb) 에 연결되고 상기 기판과 나노튜브 소자 사이에 바이어스 전압 (VNW) 을 인가하도록 구성되는 제 1 제어 수단 (MC1) 을 더 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 4 항에 있어서,
상기 바이어스 전압은 100 V ∼ 1000 V 에 있는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 은 1 nm ∼ 100 nm 의 반경 (r) 을 갖는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자에 제 2 전위 (V2) 를 인가가능하도록 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 에 전기적으로 연결된 제 2 전기 커넥터 (CE2) 를 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 커넥터들 (CE1, CE2) 은 개별적으로, 절연층 상에 배열되고 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자의 제 1 (E1) 및 제 2 (E1) 단부들에 개별적으로 연결된 제 1 (C1) 및 제 2 (C2) 실질적으로 평면형 콘택 소자들을 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 캐소드 (C) 는 제 1 커넥터 및 제 2 커넥터에 동시에 연결된 적어도 하나의 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 를 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 가열하기 위한 수단을 더 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 제 1 (CE1) 및 상기 제 2 (CE2) 커넥터들에 연결되고, 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자가 열이온 효과에 의해 그 표면 (S) 을 통하여 전자들을 방출하게 하도록 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자에서 전류 (I) 를 생성하기 위해 가열 전압 (Vch) 을 상기 제 1 (V1) 및 제 2 (V2) 전위들을 통하여 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자 (NT) 에 인가하도록 구성되는 제 2 제어 수단 (MC2) 을 포함하는, 진공 전자 튜브. - 제 11 항에 있어서,
상기 가열 전압은 0.1 V ∼ 10 V 에 있는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들 (NT) 은 매립형 절연층 (Isent) 에 부분적으로 매립되는, 진공 전자 튜브. - 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드 (C) 는 복수의 구역들 (Z, Z') 로 분할되고, 각각의 구역에 인가된 바이어스 전압들 (VNW, VNW') 이 독립적이고 재구성가능하게 되도록, 각각의 구역 (Z, Z') 의 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 상이한 제 1 전기 커넥터 (CE1, CE1') 에 연결되는, 진공 전자 튜브. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 컨덕터들인, 진공 전자 튜브. - 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자들은 반도체들이며, 상기 바이어스 전압 (VNW) 은 임계 전압 (Vth) 보다 더 크며, 이후, 상기 나노와이어 또는 나노튜브 소자는 상기 나노와이어 또는 나노튜브 소자에서 자유 캐리어들을 생성하도록 MOS 타입의 커패시터의 채널을 구성하는, 진공 전자 튜브. - 제 16 항에 있어서,
상기 캐소드는 광생성에 의해 상기 나노와이어 또는 나노튜브 소자에서 자유 캐리어들을 생성하도록 상기 나노튜브 또는 나노와이어 소자를 조명하도록 구성되는 광원을 더 포함하는, 진공 전자 튜브.
Applications Claiming Priority (2)
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