MX2013001179A - Dispositivo emisor superficial de electrones desde un arreglo de monticulos de carburo de silicio. - Google Patents

Abstract

La presente invención es relativa a un emisor superficial de electrones que emite electrones desde un arreglo en tamaño micrométrico de Grafeno sobre Carburo de Silicio. El emisor consiste de una multitud de montículos SiC con alta razón de aspecto y cercanía, cuyos ejes se posicionan en paralelo uno al otro, formados por autoalineamiento con separación equidistante. Al operar el dispositivo a bajo voltaje se logra una emisión eficiente consecuencias de tunelaje mecánico cuántico entre montículos de los electrones inyectados desde el contacto catódico.

Description

DISPOSITIVO EMISOR SUPERFICIAL DE ELECTRONES DESDE UN ARREGLO DE MONTÍCULOS DE CARBURO DE SILICIO Campo de la Invención La invención se refiere a los dispositivos de emisión de electrones, utilizables en varios aparatos, como lo son aparatos con exposición de haz de electrones, generadores de rayos X, u otros aparatos que usen haces de electrones y más específicamente en un novedoso micro-emisor por campos.

Estado de la técnica La primera realización y utilidad potencial de un dispositivo de vacío micro eléctrico utilizando un cátodo frío como emisor de campo de electrones se remonta a los trabajos de Shoulders (Adv. Comput. 2, 1961 , p. 135), donde se informó de un método de manufactura de un dispositivo con un tamaño de 0.1 micrómetros y una emisión de campo tipo diodo. Debido a la muy afilada porción de emisor y el radio de curvatura de tamaño nanométrico, el campo eléctrico aplicado por la diferencia del voltaje entre el ánodo y del emisor se incrementa por 100 y hasta 1000 veces como comparación entre la diferencia de voltaje aplicada y dividida por la distancia entre el ánodo-emisor.

Esto fue entendido muy tempranamente que un emisor por campo de electrones simple permite liberar una muy pequeño potencia para ser usado como una fuente de electrones para muchas aplicaciones. Estas deficiencias pueden ser removidas al usar arreglos de emisores por campo de electrones. Spindt et al. (J. Appl. Phys. 39, N° 7, 1968, p. 3504) reportaron la fabricación de un arreglo de estructuras, en el cual un número de cátodos fríos de tamaño micrométrico son colocados en un substrato simple por una técnica de película delgada. Como se muestra en la figura 1 , el emisor de arte anterior incluye una placa base eléctricamente aislante (sustrato) 1 , una película eléctricamente conductora 5, una película eléctricamente aislante 4, una película eléctricamente conductora 3, que son secuencialmente formadas por una técnica de deposición de película utilizando máscaras apropiadas durante el proceso de fabricación.

Como resultado de la función de las máscaras, una serie de cavidades están formadas en la capa aislante 4 y la película conductora 3. El material emisor se vaporiza. El material emisor depositado ahora forma una proyección cónica emisor 1. Según el informe de Spind, se propone una estructura que tiene un emisor de tamaño micrométrico cónico con una punta afilada y un electrodo de extracción de electrones de puerta y un ánodo por encima del emisor. En relación con la figura. 2 de la técnica anterior, en una publicación de patente reciente de Hirakawa et al. (US 8164247 B2), un dispositivo de emisión de electrones se propone, en donde el elemento de emisión de electrones 1 1 incluye un substrato de electrodo 6, como un electrodo de fondo, un electrodo de película delgada 8 como un electrodo superior, y una capa de aceleración de electrones sandwhiched (intercalados) entre ellas. Además, el substrato de electrodo 6 y el electrodo de película delgada 8 están conectados a una fuente de alimentación, provocando la emisión de electrones desde el elemento emisor de electrones y su aceleración a través de la capa aislante.

La aplicación de un campo eléctrico alto de alrededor de 10?7 V/cm a la superficie de un material conductor induce un efecto tal que los electrones son emitidos desde la superficie hacia el vacío. Este fenómeno se conoce como "emisión de campo" y es causad por el tunelaje de los electrones en la proximidad del nivel de Fermi del material en el nivel de vacío.

En el caso de los cátodos termoiónicos, la densidad de emisión de campo está limitado a aproximadamente varias decenas de amperios por centímetro cuadrado como máximo. Con los cátodos fríos, una densidad de corriente de emisión de alrededor de 10?7 a 10?9 amperios por centímetro cuadrado se puede lograr. Por consiguiente, el uso de cátodos de emisión por campo en frío es particularmente atractivo para el diseño de dispositivos electrónicos en miniatura en vacío.

Emisores cónicos pequeños con una punta afilada permite concentrar el campo eléctrico en la parte de la punta del emisor, por lo que puede ser la corriente de electrones emitidos desde el emisor al ánodo controlado por el voltaje aplicado a través del emisor.

Como se informa en J. Vac. Sci. Technol. B13, 1995, pp487 una forma cónica con una relación de aspecto ideal (diámetro de interfaz inferior dividida por la altura) se pueden fabricar por ejemplo con Molibdeno.

El campo eléctrico en la punta del emisor está influenciado por dos factores: el primero es la nitidez de la punta emisora, y el otro es la distancia entre la punta del emisor y la puerta. Por ejemplo, en la solicitud abierta de patente japonesa Hei-8-329823, una estructura con un gran número de cristales crecidos en columna de tipo ß-Tungsteno se informó. Materiales con "Afinidad electrónica cuasi negativa" como matenales emisores han sido reportados en J. Vac. Sci. Technol. B13, 1997, pp 1733, y más tarde en Science 282, 1998 pp.1471.

Un elemento de emisión de electrones no es estable operar en condiciones normales, a menos que se mantiene bajo una presión atmosférica de menos de 10?(-7) Torr porque sus características son muy sensibles a los estados de la superficie, aunque para el nitruro de boro se informó para operar de manera estable incluso en condiciones de vacío más pobres de 10?(-5) Torr.

Se conocen diversos métodos para la deposición en vacío de BN, Diamond etc, tales como CVD y la ablación por láser. Las películas producidas por estos métodos presentan estructura policristalina pero son de excelente uniformidad en el tamaño de grano. La Patente de US 5019003 describe un emisor que tiene una pluralidad de partículas finas, donde las esquinas afiladas de las partículas resultan del agente de unión. Esta patente describe también la disposición de una puerta y el ánodo para la extracción de electrones para constituir un elemento de emisión de electrones.

Especificación de la invención Elementos emisores de electrones convencionales no han sido suficientemente capaces de emitir electrones para aplicaciones especiales. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo pequeño extremadamente eficiente con larga vida útil, y que se puede operar con una tensión baja.

De acuerdo con la presente invención, un arreglo (matriz) de emisores de electrones se puede fabricar, lo que aumenta la cantidad de la emisión de electrones de cada emisor de tamaño nanométrico debido a la formación de una minibanda de energía por la combinación de todos los elementos emisores, de los cuales se produce la emisión de electrones.

Breve descripción de las figuras La figura. 1 es una estructura de emisión por campo de arte previa de electrones como se describe por Spind et al (J. Appl. Phys. 39, N 0 7, 1968, pág. 3504). El emisor de campo arte anterior incluye una placa base eléctricamente aislante (sustrato) (6), Durante el proceso de fabricación, una película eléctricamente conductora (5), una película eléctricamente aislante (4), una película eléctricamente conductora (3), son secuencialmente formada por una técnica de deposición de película usando máscaras adecuadas. Como resultado de la función de las máscaras, una serie de cavidades (2) están formadas en la capa aislante (4) y la película conductora (3). El material emisor está ahora vaporizado. El material emisor depositado forma una proyección cónica emisor (1 ).

La figura 2 es una estructura de arte previa de un emisor de electrones según lo descrito en la patente US 8164247 B2, donde el elemento de emisión de electrones (11 ) incluye un substrato de electrodo 6, como un electrodo de fondo, un electrodo de película delgada (8) como un electrodo superior, y una capa de aceleración de electrones intercalados entre ellas. Además, el substrato de electrodo (6) y el electrodo de película delgada (8) están conectados a una fuente de alimentación, provocando la emisión de electrones desde el elemento emisor de electrones y su aceleración a través de la capa aislante. Una emisión de electrones balísticos también se discute.

La Figura 3 representa un diagrama esquemático mostrando un ejemplo de la estructura del dispositivo emisor de electrones de la invención presente, con un sustrato de Silicio (12) sobre una base metálica (15) cubierto por una capa fina de Grafeno (13).

Un montículo de Silicio (14) es cubierto con una capa de Grafeno. (16) es una capa separatora aislante, que apoya una capa anódica (17).

La Figura 4 es un diagrama esquemático mostrando un arreglo práctico del dispositivo emisor de electrones del invento presente con una línea de montículos de Silicio (14), y (18) arreglo de una multitud de montículos autoalineados.

La Figura 5 muestra la formación de una estructura de minibandas energéticas con el efecto de fuerte aumento de emisión de electrones del arreglo completo; en donde (a) es el plano de nivel de vacío, (b) es el plano de banda de conducción, (c) es la minibanda, (d) es el espacio de vacío en frente del ánodo, (e) es el vacío de interfase, (f) es la interfase metal-semiconductor, (g) es la dirección de arreglo de cono, (h) es la dirección del cátodo-ánodo, (i) es el metal de contacto, y (j) es el nivel Fermi.

Mejor método de llevar a cabo la invención Se describe una realización preferida de un elemento de emisión de electrones de la presente invención. Un diagrama esquemático que muestra un ejemplo de la estructura de un elemento de emisión de electrones de la presente invención se muestra en la figura 3; número de referencia 15 representa un sustrato base metálico, el número de referencia 13 representa una capa de electrodo cátodo, el número de referencia 13 representa una capa de alta conducción de grafeno, el número de referencia 14 representa un emisor cónico de silicio, el número de referencia 16 representa un separador aislante y la referencia numérica 17 es una capa de puerta (ánodo)para cableado. El sustrato 13 está formado de una sola oblea de carburo de silicio cristalino. Una capa de cátodo 13 se forma sobre el sustrato 12. Si bien en general, los materiales conductores se utilizan como material del emisor, aquí la película metálica 13 está formada de grafeno. El espesor de la película de esta capa emisora se ajusta a aproximadamente 1 nm, o de uno a unos pocos monocapas de grafeno. La capa emisora 13 se forma mediante un proceso térmico. Una capa espadadora aislante 16 y la capa de cableado de puerta (ánodo) 17 se proporcionan sobre la capa de emisor 13.

El arreglo de estructuras auto-alineados se muestra en la figura. 4. Montículos de 5 nm de diámetro de base y alrededor de 20 nm de altura proporcionan una relación de aspecto de cerca de 40. La regularidad y la cercanía de los montículos producen una estructura nueva de banda de energía de los electrones elevados a estados de energía de un punto cuántico, que se combinan en una estructura energética de minibanda, de la cual ocurre una masiva emisión de electrones por campo.

Obviamente, variaciones de la presente invención son posibles a la luz de las enseñanzas anteriores. El tamaño del patrón y el espesor de la película, etc., tal como dados en las realizaciones anteriores, no se pretende que limiten la invención. Por lo tanto, debe entenderse que dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invención puede ser practicada de otra manera que se describe en el presente texto.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de emisión de electrones por campo compuesto de un sustrato, una capa catódica formada sobre el sustrato; un arreglo emisor formado sobre dicha capa catódica dicho arreglo emisor compuesto de montículos de tamaño nanométrico, dichos montículos formados por autoalineamiento.

2. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dicha capa catódica está formada por partículas eléctricamente conductivas.

3. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dichas partículas son formadas por montículos.

4. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde el diámetro de dichos montículos son entre 5 y 100 nanómetros.

5. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde montículos se encuentran en distancia nanométrica del uno al otro.

6. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dicha capa catódica está formada por una capa conductiva de material diferente, particularmente Grafeno.

7. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dichos montículos de dicho emisor son cubiertos con una capa conductiva de material diferente, particularmente de Grafeno.

8. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dicho sustrato es hecho de SiC monocristalino.

9. Dispositivo de emisión de electrones por campo, según reivindicación 1 , donde dicho sustrato es cubierto con una capa monocristalina de Grafeno.