[发明专利]电子发射冷阴极器件

说明书

技术领域

本发明总体涉及属于用于高频应用的半导体真空管族类的微米量级/纳米量级的电子器件，并且特别涉及用于高频应用的电子发射冷阴极器件。更具体地，本发明涉及冷阴极三极管和冷阴极电子枪。

背景技术

如已知的，能够在兆赫(THz)量级下操作的技术已传统地限于分子天文学和化学光谱学。然而，以在THz波段的频率操作的检测器和源方面的近来的进步已使该领域向新的应用展开，诸如国土安全系统、测量系统(网络分析和成像)、生物和医学应用(细胞表征、热与光谱标测)以及材料表征(近场探测、食品产业质量控制和医药质量控制)。

尽管以在THz波段的频率操作的传感器和源的商业应用正在增长，然而这样的增长在某种程度上受到提供以THz频率操作的可靠源的困难所限制，并且由于这样的限制，传统的半导体技术由于电子移动性的不足而已经显示为不合要求的。

使用真空电子而非半导体技术允许电子的性能在真空中相比在待利用的半导体材料中达到更高的速度，并且因此实现更高的工作频率(标称地从GHz到THz)。真空电子器件的基本工作原理是基于射频(RF)信号与所产生的电子束之间的相互作用；RF信号对电子束中的电子施加速度调制，从而允许能量从电子束转移至RF信号。

常规的老一代真空管包括用于产生电子束的热阴极，其在非常高的温度(800℃-1200℃)下操作并且受到很多限制，这些限制包括：高电力要求、长的升温时间、不稳定问题和有限的小型化。

已通过引入具有FEA(场发射阵列)阴极的真空器件来解决前述限制，这带来了显著的优点，特别是对于在THz波段的频率放大而言，使得能够在室温下工作并且实现将尺寸降低至微米和纳米级。用于RF源的FEA结构首先由Charles Spindt提出(C.A.Spindt等,“Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones,Journal of Applied Physics,vol.47,1976.12,第5248-5263页)，并且通常被称为Spindt阴极(或由于低的操作温度而称为冷阴极)。特别地，Spindt阴极器件采用形成在导电基板上的微加工金属电子发射器尖端或锥并且与其欧姆接触。每个发射器在阳电极与阴电极之间的加速场中具有其自身的同轴孔径。栅电极(也已知为控制或调制栅)通过二氧化硅层与阳电极和阴电极隔离并且与发射器隔离。电子发射器尖端的大型阵列(其每一个均能够产生几十微安)理论上能够产生大的发射电流密度。

Spindt阴极器件的性能受到由于材料磨损而对电子发射器尖端造成的损害的限制，并且出于这种原因，全世界已作出大量努力以寻找用于其生产的创新型材料。

特别地，已经通过将碳纳米管(CNT)用作冷阴极发射器极大地改进了Spindt结构(见例如，S.Iijima,Helical microtubules of graphitic carbon,Nature,1991,vol.354,第56-58页，或者W.Heer,A.Chatelain,D.Ugarte,A carbon nanotube field-emission electron source,Science,1995,vol.270,Issue 5239,第1179-1180页)。

碳纳米管(CNT)优选地是能够使用各种制造工艺来制造的具有范围从大约2nm至100nm的直径以及几个微米的长度的石墨化柱形管。

特别地，CNT可被认为是本质上最好的发射器之一(见例如，J.M.Bonard,J.P.Salvetat,T.Stockli,L.Forrò和A.Field emission from carbon nanotubes:perspectives for applications and clues to the emission mechanism,Applied Physics A,1999,Vol.69,第245-254页)，并且因此是Spindt类型器件中的理想电子发射器；许多研究已经认识到它们的场发射性能(见例如，S.Orlanducci,V.Sessa,M.L.Terranova,M.Rossi和D.Manno,Chinese Physics Letters,2003,Vol.367,第109-114页)。

关于此，图1示出了已知的Spindt型冷阴极器件特别是Spindt型冷阴极三极管(其将CNT用作电子发射器并且在图1中整体由参考标号1表示)的示意性截面视图。