RU181863U1 - Автоэмиссионный пленочный диод - Google Patents
Автоэмиссионный пленочный диод Download PDFInfo
- Publication number
- RU181863U1 RU181863U1 RU2017142037U RU2017142037U RU181863U1 RU 181863 U1 RU181863 U1 RU 181863U1 RU 2017142037 U RU2017142037 U RU 2017142037U RU 2017142037 U RU2017142037 U RU 2017142037U RU 181863 U1 RU181863 U1 RU 181863U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field emission
- emitter
- substrate
- anode
- tip
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J21/00—Vacuum tubes
- H01J21/02—Tubes with a single discharge path
- H01J21/04—Tubes with a single discharge path without control means, i.e. diodes
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к автоэмиссионным диодам, которые могут быть использованы при создании источников света, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники. Технический результат полезной модели - получение стабильного автоэмиссионного диода с высокой плотностью автоэмиссионного тока до 50 А/см. Результат достигнут использованием пленки графена, расположенной на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния, в качестве наноразмерного эмиттера электронов в форме острия и анода. Для повышения эффективности и стабильности автоэлектронной эмиссии межэлектродное расстояние эмиттер-анод выполнено менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях с углублением межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм. Полученный диод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 50 А/смпри приложенном напряжении до 10 В. 3 ил.
Description
Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к автоэмиссионным диодам, которые могут быть использованы при создании источников света, автоэмиссионных дисплеев и устройств СВЧ электроники.
Известно устройство для эмиссии электронов, содержащее один или несколько пленочных эмиттеров с заостренными концами и анод, расположенные на изолированной подложке (патент US 4904895 опубликован 27.02.1990). Устройство может быть использовано для изготовления пленочных диодов, триодов и тетродов.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие пленочного эмиттера и анода (в аналоге противоэлектрод), расположенные на подложке.
Недостатком этого устройства является невысокая плотность эмиссионного тока 10-2 А/см2 при приложенном напряжении 80 В из-за большой работы выхода электронов из катода, изготовленного с использованием тугоплавких металлов W, Zr, Ti.
Известно микроэлектронное устройство с использованием планарного композитного автоэмиссионного катода, состоящего из подложки, верхней и нижней проводящих пленок, между которыми расположена углеродная пленка, легированная примесью n-типа и анод (патент US 5703380 А, опубл. 30.12.1997). Устройство может быть использовано для изготовления пленочных диодов, триодов и автоэмиссионных дисплеев.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие пленочного углеродного эмиттера электронов и анода, расположенные на подложке.
Недостатком автоэмиссионного диода является сложность изготовления катода из-за необходимости дифференциального травления одной из проводящих пленок для вскрытия углеродной пленки, легирования углеродной пленки примесью n-типа, неоднородностью боковой эмиссии электронов вдоль торца эмиттера и невысокая плотность эмиссионного тока.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионное устройство диодного типа с использованием углеродных нанотрубок и способ его изготовления (патент US 6605894 В2, опубл. 12.08.2003), содержащий непроводящую подложку, катодный электрод из горизонтально расположенных углеродных нанотрубок и анод, расположенные на непроводящей подложке. Устройство позволяет получать плотность тока 80 мА/см2 при напряженности поля 3 В/мкм.
Существенными признаками общими с заявляемой полезной моделью являются наличие эмиттера из углеродного материала, анода, а также подложки (в заявляемой полезной модели полуизолирующий карбид кремния с объемным сопротивлением более 108 Ом⋅см).
Недостатком автоэмиссионного устройства является сложность изготовления автоэмиссионного эмиттера с горизонтально расположенными нанотрубками, закрепленными на вертикальном катодном электроде, невысокая плотность эмиссионного тока (80 мА/см2), большой разброс длины углеродных нанотрубок, приводящий к неоднородному распределению напряженности поля в межэлектродном промежутке, нестабильной эмиссии электронов и разрушению катода на участках его поверхности с наибольшей напряженностью поля.
Техническим результатом, на который направлена заявляемая полезная модель, является создание работающего при низком приложенном напряжении автоэмиссионного пленочного диода с плотностью эмиссионного тока более 80 мА/см2, который может быть использован при создании источников света, автоэмиссионных дисплеев, устройств СВЧ электроники и ряде других приложений.
Технический результат достигается тем, что автоэмиссионный пленочный диод выполнен с эмиттером в форме острия и анодом из пленки, состоящей из 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния с объемным сопротивлением более 108 Ом⋅см, радиус закругления острия эмиттера составляет не более 30 нм, а длина - более 200 нм, межэлектродное расстояние эмиттер-анод менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углубление межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм.
Для достижения технического результата автоэмиссионный пленочный диод содержит подложку, эмиттер из углеродного материала и анод, выполнен с эмиттером в форме острия и анодом из пленки, состоящей из 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния с объемным сопротивлением более 108 Ом⋅см, радиус закругления острия эмиттера составляет не более 30 нм, а длина - более 200 нм, межэлектродное расстояние эмиттер-анод менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углубление межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами:
фиг. 1 - схематично иллюстрирует устройство автоэмиссионного пленочного диода, где 1 - эмиттер в форме острия; 2 - анод; 3 - подложка полу изолирующего карбида кремния; 4 - углубление межэлектродного промежутка в подложке; 5 - источник напряжения;
фиг. 2 - электронно-микроскопическое изображение автоэмиссионного пленочного диода, где 1 - эмиттер в форме острия; 2 - анод; 3 - подложка полуизолирующего карбида кремния;
фиг. 3 - экспериментальная вольт-амперная характеристика автоэмиссионного пленочного диода.
Работа устройства заключается в следующем. В автоэмиссионном пленочном диоде (фиг. 1) с эмиттером в форме острия (1), радиус закругления острия которого не более 30 нм, а длина более 200 нм, и анодом (2) толщиной 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния (3), с межэлектродным промежутком менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углублением межэлектродного промежутка в подложке (4) более 100 нм при приложении разности потенциалов от источника напряжения (5) благодаря локализации электрического поля на острие эмиттера сквозь его потенциальный барьер эмитируют электроны путем туннелирования. Автоэмиссионный пленочный диод (фиг. 2) характеризуется высокой плотностью эмиссионного тока при приложенном напряжении 10 В (фиг. 3).
Как видно из результатов измерений технический результат полезной модели - автоэмиссионный диод с плотностью тока до 50 А/см2. Это открывает новые конструктивные и технологические возможности при производстве автоэмиссионных устройств различного назначения.
Для решения поставленной задачи в устройстве предлагается выполнить эмиттер в форме острия и анод из пленки графена на подложке полуизолирующего карбида кремния. Величина напряженности электрического поля на острие зависит от его длины и радиуса закругления, толщины пленки графена и углубления межэлектродного промежутка в подложке. Поэтому радиус закругления острия выбирается минимально технологически достижимым не более 30 нм. Толщина пленки из 1-5 слоев графена обусловлена высоким коэффициентом усиления поля и максимальной плотностью тока при этих толщинах. Длина пленочного эмиттера выбирается более 200 нм, так как при меньшей длине существенно снижается напряженность поля на острие. Углубление межэлектродного промежутка в подложке выбирается более 100 нм, чтобы исключить влияние полуизолирующей подложки на протекание тока между катодом и анодом. При меньших значениях углубления снижается напряженность поля на острие эмиттера. Для повышения срока службы пленочного острийного эмиттера и стабильности эмиссионного тока пленочный автоэмиссионный диод выполнен с межэлектродным зазором менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях. Это снижает вероятность разрушения эмиттера ионной бомбардировкой. Изготовление межэлектродного промежутка в несколько десятков нанометров позволяют современные технологии с использованием ионно-плазменных, ионнохимических технологий и технологий фокусированных ионных пучков. Использование графеновой пленки в качестве эмиттера электронов позволяет снизить работу выхода электронов до 1 эВ и менее и получить высокую плотность эмиссионного тока при малых рабочих напряжениях до 10 В. В качестве эмиттера электронов выбрана пленка графена на углеродной грани карбида кремния 
. Выбор углеродной грани карбида кремния по сравнению с кремниевой обусловлена тем, что на этой грани путем термической деструкции получаются более качественные, содержащие меньшее количество дефектов с лучшими электрическими характеристиками графеновые пленки. Это позволяет осуществить на пленке графена выполнение технологических операций получения топологического рисунка методами стандартной технологии изготовления интегральных схем. Выбор карбида кремния в качестве подложки обусловлена его инертностью к агрессивным средам, высокой температуростойкостью и теплопроводностью, важнейшими параметрами при разработке мощных автоэмиссионных устройств. Сопротивление карбида кремния более 108 Ом⋅см обеспечивает хорошую изоляцию элементов эмиссионного устройства от ее влияния на характеристики устройства.
Технико-экономические преимущества предлагаемой полезной модели перед известными заключаются в следующем:
выборе в качестве подложки полуизолирующего карбида кремния, обладающего высокими теплофизическими и электрофизическими характеристиками, необходимыми для изготовления эмиссионных устройств, а также возможностью создания на его поверхности графеновых пленок различной толщины, обладающих хорошей адгезией к подложке;
выборе графена в качестве материала автоэмиссионного диода, который имеет низкую работу выхода электронов по сравнению с тугоплавкими металлами, и технологичен при получении и изготовлении автоэмиссионных устройств;
улучшении конструктивных решений топологии автоэмиссионного пленочного диода, которые позволили полезной модели иметь малые нанометровые размеры, повышающие степень интеграции, более стабильные параметры эмиссионного тока по сравнению с известными, что позволило повысить плотность эмиссионного тока до 50 А/см2, расширить области возможного применения при разработке автоэмиссионных устройств различного применения.
Claims (3)
1. Автоэмиссионный пленочный диод, содержащий подложку, эмиттер из углеродного материала и анод, отличающийся тем, что диод выполнен с эмиттером в форме острия и анодом из пленки, состоящей из 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния с объемным сопротивлением более 108 Ом⋅см.
2. Автоэмиссионный пленочный диод по п. 1, отличающийся тем, что радиус закругления острия эмиттера составляет не более 30 нм, а длина - более 200 нм.
3. Автоэмиссионный пленочный диод по п. 1, отличающийся тем, что межэлектродное расстояние эмиттер-анод менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углубление межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017142037U RU181863U1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Автоэмиссионный пленочный диод |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017142037U RU181863U1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Автоэмиссионный пленочный диод |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU181863U1 true RU181863U1 (ru) | 2018-07-26 |
Family
ID=62981869
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017142037U RU181863U1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Автоэмиссионный пленочный диод |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU181863U1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021037481A1 (de) * | 2019-08-29 | 2021-03-04 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg | Elektronenquelle zum erzeugen eines elektronenstrahls |
| RU221572U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-11-13 | Артем Иванович Ковалец | Полевой эмиссионный катод концентрического типа |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6605894B2 (en) * | 2000-12-05 | 2003-08-12 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Field emission devices using carbon nanotubes and method thereof |
| US20100244661A1 (en) * | 2005-12-29 | 2010-09-30 | Industrial Technology Research Institute | Lateral field emission device |
| RU171829U1 (ru) * | 2016-11-30 | 2017-06-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Автоэмиссионный катод |
-
2017
- 2017-12-01 RU RU2017142037U patent/RU181863U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6605894B2 (en) * | 2000-12-05 | 2003-08-12 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Field emission devices using carbon nanotubes and method thereof |
| US20100244661A1 (en) * | 2005-12-29 | 2010-09-30 | Industrial Technology Research Institute | Lateral field emission device |
| RU171829U1 (ru) * | 2016-11-30 | 2017-06-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Автоэмиссионный катод |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021037481A1 (de) * | 2019-08-29 | 2021-03-04 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg | Elektronenquelle zum erzeugen eines elektronenstrahls |
| CN114521282A (zh) * | 2019-08-29 | 2022-05-20 | 埃朗根-纽伦堡 弗里德里希·亚历山大大学 | 用于产生电子束的电子源 |
| RU221572U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-11-13 | Артем Иванович Ковалец | Полевой эмиссионный катод концентрического типа |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4857769B2 (ja) | 電子放出素子 | |
| US7102157B2 (en) | Nanotube-based vacuum devices | |
| Fomani et al. | Toward amp-level field emission with large-area arrays of Pt-coated self-aligned gated nanoscale tips | |
| RU181863U1 (ru) | Автоэмиссионный пленочный диод | |
| Ulisse et al. | Study of the influence of transverse velocity on the design of cold cathode-based electron guns for terahertz devices | |
| RU171829U1 (ru) | Автоэмиссионный катод | |
| US7176478B2 (en) | Nanotube-based vacuum devices | |
| JP2008078081A (ja) | 電界放出電子源及びその製造方法 | |
| Ng et al. | Electron field emission characteristics of electrochemical etched Si tip array | |
| JP2020511798A (ja) | ダイヤモンド半導体装置 | |
| Pennisi et al. | Dovetail tip: a new approach for low-threshold vacuum nanoelectronics | |
| Ghotbi et al. | Effect of substrate conductivity on Si self-assembled field emission arrays | |
| RU2590897C1 (ru) | Автоэмиссионный элемент с катодами на основе углеродных нанотрубок и способ его изготовления | |
| JP7145200B2 (ja) | 電子流を制御するデバイス及び該デバイスを製造する方法 | |
| RU221572U1 (ru) | Полевой эмиссионный катод концентрического типа | |
| CN111293013B (zh) | 一种场发射冷阴极结构及其制造方法 | |
| Patti et al. | Towards a nanofabricated vacuum cold-emitting triode | |
| JP2017143011A (ja) | 電子放出素子 | |
| Sotgiu et al. | Microstructured silicon surfaces for field emission devices | |
| KR100846503B1 (ko) | 전계방출소자의 에이징 방법 | |
| Patti et al. | 2-V turn-on voltage field-emitting vacuum nanoelectronic device | |
| Rughoobur et al. | Arrays of Si field emitter individually regulated by Si nanowires high breakdown voltages and enhanced performance | |
| RU2579777C1 (ru) | Прибор на основе углеродосодержащих холодных катодов, расположенных на полупроводниковой подложке, и способ его изготовления | |
| US20220406556A1 (en) | Electron source for generating an electron beam | |
| US20060145582A1 (en) | Planar gated field emission devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20181202 |