Результат интеллектуальной деятельности: АВТОЭМИССИОННЫЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДИОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам вакуумной СВЧ-электроники и может быть использовано в устройствах коммутации тока, в смесителях и в других приборах и устройствах силового сектора СВЧ-электроники. Известны твердотельные p-n и p-n гетеропереходные СВЧ-диоды, работа которых основана на биполярной либо монополярной инжекции носителей тока. При использовании для их изготовления широкозонных материалов, таких как арсенид галлия либо нитрид галлия и твердые растворы на их основе, эти диоды работоспособны в широком диапазоне температур (до 250°С и 350°С соответственно) и радиационных воздействий (вплоть до 10⁷ рад), эффективны при применении в области сверхвысоких частот вплоть до 30-40 ГГц. Однако в области частот, больших 50 ГГц, эффективность твердотельных диодов резко падает, что связано с подбарьерными паразитными утечками по емкостному каналу. В области частот, больших 50 ГГц, тем более при частотах субтерагерцового и терагерцового диапазонов, вне конкуренции находятся вакуумные эмиссионные СВЧ-диоды. Катодами таких диодов, как правило, являются термокатоды, что резко снижает мобильность таких приборов и устройств на их основе [1].

Существуют вакуумные эмиссионные приборы с диодными характеристиками, но с катодом, принцип действия которого основан на автоэлектронной эмиссии [2]. Это подбарьерный механизм транспорта тока, ему свойственны уникальное быстродействие (характерные времена ~1 пс), слабая зависимость от температуры, монохроматичность энергии пучка электронов. При этом по ряду причин возможность реализовать большие величины плотности токов свойственна острийным катодам. Однако попытки заменить в вакуумных сильноточных диодах термокатоды на автоэмиссионные острийные катоды, особенно в силовом секторе СВЧ-электроники, сталкиваются с серьезными техническими проблемами. Одной из таких проблем является отсутствие острийных автокатодов, у которых большим плотностям токов соответствовали бы и большие полные анодные токи, а также незначительный рабочий ресурс. Максимальные величины полного тока составляют сегодня значения ~10-100 мА, при плотностях тока ~20 А/см². Причина тому - значительная дисперсия аспектных отношений (как правило, высот) микроострий массива острийных автокатодов и недостаточно высокий предел текучести традиционных полупроводниковых и металлических материалов. Поэтому в процессе автоэмиссии при фиксированных напряжениях участвует, как правило, сравнительно небольшое количество микроострий (~1000-3000 штук из сотен и сотен тысяч). Попытки подключить к автоэмиссии другие острия массива автокатода простым увеличением напряжения приводят к разрушению уже автоэмиттирующих острий и включению в процесс автоэмиссии другой, столь же немногочисленной группы микроострий [3]. В [4] был предложены твердотельные автоэмиссионные диоды, острийные автокатоды которых выполнены на основе гетероструктур Si-nanoSi-алмаз-МоС и Si-nanoSi-алмаз-графен. В указанной конструкции, независимо от высоты того либо иного микроострия массива, напряженности электрического поля вблизи каждого из микроострий будут одинаковыми, так как они определяться не высотой микроострия, а постоянной толщиной алмазного слоя, расположенного между проводящим металлом и микроостриями nanoSi. Кроме того, использование алмазного слоя обладающего высокой теплопроводностью, позволяет снять тепловую нагрузку с автоэмиттирующих микроострий. Экспериментальные исследования показали, что в такой структуре полные автоэмиссионные токи с элемента площадью в 2,5×10^-3 см² составляют ~120 мА, а достигнутая плотность тока ~45-50 А/см².

Такой подход должен быть потенциально эффективен и в вакуумном варианте автоэмиссионного СВЧ-диода. Отличие заключается лишь в том, что проводящий слой, расположенный поверх поликристаллической алмазной пленки, покрывающей массив из полупроводниковых либо алмазных микроострий, должен быть туннельно-прозрачным, для того чтобы автоэмиттированные микроостриями электроны могли пройти сквозь них к положительно смещенному аноду СВЧ-диода. В такой гетероструктуре поверх алмазного слоя может быть расположен, например, проводящий туннельно-прозрачный слой нанометровой толщины, выполненный из металл-углеродной [5, 6] либо из графеновой пленки. Исследования графеновой пленки показали, что при энергиях электронов более 100 эВ, коэффициент прозрачности графеновой пленки достигает ~90%.

Таким образом, для реализации автокатодов для СВЧ-систем большой мощности (~ в несколько киловатт) потребуются автокатоды большой плотности и с высокой степенью однородности параметров автоэмиссии с поверхности катода. При этом востребованными являются автокатоды большой площади и актуальны способы их изготовлений.

Наиболее близким - прототипом - к заявляемому изобретению по конструкции и по способу изготовления является электронно-оптический преобразователь 2⁺ поколения (типы ЭПМ70-Г и ЭОП 2 [7]). Конструкция ЭОП 2⁺ поколения включает вакуумно-плотный корпус и последовательно расположенные входное окно для оптического излучения с нанесенным на его внутреннюю плоскость фотокатодом, электроды ускоряющего промежутка, микроканальная пластина, катодолюминесцентный экран, нанесенный на волоконно-оптическую пластину, являющуюся одновременно и выходным окном корпуса ЭОП, а также геттер и электрические контакты. При изготовлении ЭОП осуществляют сборку перечисленных элементов в металлокерамическом корпусе, затем обезгаживают собранные элементы и внутреннюю поверхность корпуса, подвергая их в течение ~20 часов процедуре «тренировки», заключающейся в циклах нагрева и охлаждений в условиях высокого вакуума (~10^-9 мм рт.ст.) при предельных освещенностях фотокатода, предельных значениях тока фотокатода, МКП и люминесцентного экрана; по окончании - активируют геттер. Тренировка производится при номинальных значениях напряжений на электродах.

Задачей изобретения является автоэмиссионный диод большой площади с высокой однородностью автоэмиссии с поверхности автокатода, позволяющий существенно увеличить полный эмиссионный ток при высокой мобильности устройства.

Для реализации этого предлагается конструкция, содержащая вакуумно-плотный корпус из металлокерамики, источник электронов, анод и электрические контакты, отличающаяся тем, что вместо входного окна располагают входную металлическую заглушку, соединенную с корпусом штенгелем из бескислородной меди, вместо фотокатода располагают автокатод, между автокатодом и анодом расположен вытягивающий электроны электрод, а затем анод, который выполнен из металла и имеет винтовое окончание для крепления конструкции к радиатору.

Способ изготовления автоэмиссионного СВЧ-диода, включающий сборку элементов диода в корпус и дегазацию корпуса, отличается тем, что проводится «тренировка» при предельных амплитудах импульсов питающих напряжений при температуре, превышающей температуру второй критической точки выделения паров воды в условиях термического обезгаживания, затем производится активация геттера и затем холодная герметизация.

При этом перед проведением «тренировки» через штенгель производят откачку атмосферного газа из изделия в процессе его обезгаживания, после чего производится холодная герметизация посредством «откуса» медного штенгеля. Сам же процесс «тренировки» проводится в процессе обезгаживания автоэмиссионного СВЧ-диода, выполняется по аналогии с циклами отжига ЭОП 2+ поколений типа ЭПМ70-Г и ЭОП 2 и поколения типа ЭП-10 и, с целью обеспечения долговечности изделия, проводится при предельных амплитудах импульсов питающих напряжений и при температуре, превышающей температуру второй критической точки выделения паров воды при термическом обезгаживании. По окончании тренировки производится активация геттера и только потом холодная герметизация («откус» штенгеля).

На Фиг. 1 представлена заявляемая конструкция вакуумного СВЧ-диода. Он состоит из вакуумно-плотного корпуса 1, последовательно расположенных острийного автокатода 2, вытягивающего электроны электрода 3, анода 4, имеющего винтовое окончание для крепления, геттера 5, входной металлической заглушки 6 и штенгеля 7.

Корпус 1 может быть выполнен из металлокерамики; острийный автокатод 2 - выполнен на основе нанокристаллических алмазных пленок [2] либо на основе упомянутых выше гетероструктур Si-nanoSi-C-MoC или Si-nanoSi-C-графен. Вытягивающий электроны электрод 3 выполнен из металл-углеродной либо графеновой пленки, анод 4 - из металла (например, ковар), а штенгель 7 - из бескислородной меди.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом (Фиг. 1). Между вытягивающим элктродом 3 и поверхностью автокатода 2 создается разность потенциалов, (например, минус на автокатоде), достаточная для реализации автоэмиссии (среднее поле в промежутке 1-10 В/мкм). Электрический потенциал на аноде 4 должен превышать величину электрического потенциала на электроде 3, вытягивающем электроны из автокатода. Геттер 5 необходим для финальной «очистки» объема корпуса и расположенных в корпусе 1 элементов от остаточной атмосферы, которая выполняется после завершения процессов циклических откачек атмосферы и дегазации активных элементов и внутренней поверхности корпуса. Ожидание положительного результата от использования предложенной конструкции обусловлено следующими факторами. Исследование автокатода на основе гетероструктур Si-nanoSi-C-MoC (толщина слоя металл-углеродной пленки, МоС, не превышала 10 нм) показало высокую степень однородности автоэмисссии уже на ранней стадии ее развития (~350 мА с площади 3,5 см²). А изучение автоэмиссии пары nanoSi-алмаз, с использованием гетероструктуры Si-nanoSi-C-металл [4] показало, что с каждой мезаструктуры площадью - 2,5×10^-3 см² можно снять полный ток ~120 мА, при плотности тока с каждой мезаструктуры - 45-50 А/см².

Предложенный подход, по сравнению с существующими, позволяет нивелировать отрицательное воздействие дисперсии высот микроострий на снимаемые токи с поверхности автокатодов. Это позволяет одновременно поставить в автоэмиссионные условия доминирующее количество микроострий и существенно повысить эффективность острийного автокатода. Наши экспериментальные исследования в твердотельном варианте автоэмиссионного СВЧ-диода показали, что указанный подход позволяет повысить величину полного тока снимаемого с поверхности автокатода на три порядка (в 1000 раз).

Использованная информация

1. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника, М.: Наука, 1966, с. 117.

2. K. Subramanian, et al. Vanderbilt University. Final Report Backgated Diamond Field Tip Array Cathodes for 220 GHr TWT Under Contract W911NF-08-C-0052, December 29, 2009.

3. Tatsumi, A. Veda, Y. Seki, et al. Fabrication of Highly Uniform Diamond Electron Emitter Devices, SEI Technical Review, N64, April 2007, 15-20.

4. V.A. Bespalov, E.A. Il'ichev*, A.E. Kuleshov, D.M. Migunov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, G.S. Rychkov, O.A. Sakharov, and Yu. V. Shcherbinin. // Technical Physics, 2014, Vol. 59, No. 10, pp. 1531-1535.

5. L.P. Sidorov, V.K. Dmitriev, V.N. Inkin. // Patent to be publicher in Russian, 2000103496, 25-02-2000.

6. V.K. Dmitriev, V.N. Inkin, E.A. Ilʺichev, and others // Diamond and related materials, 10, p. 1007-1010, 2001.

7. Куклев С.В., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Электронно-оптические преобразователи. М. НИИ ЭПР, 2004, 188 с. - Прототип.