Патент на изобретение №2273073
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ И УПРАВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ, МАТРИЧНЫЕ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
(57) Реферат:
Настоящее изобретение относится к микроэлектронике, включая вакуумную микроэлектронику, в частности полевые эмиссионные приборы, особенно полевые эмиссионные катоды, так же, как и другие эмиссионные приборы, такие как полевые эмиссионные дисплеи, источники для электронных пушек, СВЧ-приборы и др. Технический результат изобретения: обеспечение стабильности и однородности электронных потоков. Сущность: предложен источник электронов, у которого полевой эмиттер образован вискером, выращенным на подложке эпитаксиально. В теле и/или на поверхности полевого эмиттера выполнены балластный резистор и активная область. Балластный резистор может быть реализован в форме полупроводниковых n-n+, р-р+, или р-n полупроводниковых переходов, или изолирующего слоя, поперечных потоку носителей заряда. Компоненты для управления такими источниками электронов располагаются вертикально. 6 н. и 42 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Настоящее изобретение относится к микроэлектронике, включая вакуумную микроэлектронику, в частности полевые эмиссионные приборы, особенно полевые эмиссионные катоды, так же, как и другие эмиссионные приборы, такие как полевые эмиссионные дисплеи, источники для электронных пушек, СВЧ-приборы и др. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В последние годы рассматриваются различные варианты реализации полевой эмиссии, включая эмиссию с использованием дефектов в планарных структурах, причем дефекты действуют как инициаторы полевой эмиссии [1, 2]. Полевые эмиттеры (острия, лезвия и др), изготовленные специальными методами, как инициаторы полевой эмиссии, имеют много преимуществ в сравнении с дефектами с точки зрения пригодности для реализации регулярных систем мультиэмиттеров и управляемого выращивания систем на больших площадях. Однако на практике часто случается, когда регулярные системы уступают по однородности структурам со случайным распределением дефектов. Известны также трудности в стабильности и однородности электронных потоков, генерируемых полевыми эмиттерами. Той же природы трудности с однородностью полевой эмиссии мультиэмиттеров. Здесь однородность обычно обеспечивается балластными резисторами, которые выравнивают электронные потоки через разные полевые эмиттеры. Для того чтобы преодолеть трудности (проблемы) с полевыми эмиттерами, используют различные конструкторские и технологические решения. Известен источник электронов, у которого полевой эмиттер присоединен к стоку полевого транзистора, служащего стабильным источником электронного тока [3, 4]. В таком источнике электронов проблема стабильности и управляемости полевой эмиссии успешно решена. Однако здесь транзисторный р-n переход источника электронов расположен в той же подложке, где и полевой эмиттер, и управляющий электрод расположен между полевым эмиттером и источником носителей заряда (электронов), который также расположен в подложке. Это значительно увеличивает площадь, занимаемую пикселом (элементом изображения), и, соответственно, уменьшает разрешающую способность полевых эмиссионных дисплеев, основанных на таких источниках электронов. Решение проблемы стабильности и управляемости в сочетании с пространственным размещением управляющих компонентов успешно реализована в патенте [5]. Здесь стабилизирующий/управляющий диод размещен в эмиттерной базе. Такая конструкция принципиально уменьшает размеры источника электронов, как минимум, в 3 раза, поскольку его управляющий компонент занимает то же место, что и сам эмиттер. Такой источник электронов позволяет регулировать напряжение так, что стартовое напряжение для полевой эмиссии снижается и, таким образом, обеспечивается однородная эмиссия. Множество эмиттеров, действующих через диоды и работающие фактически как балластные резисторы, расположены на катодном электроде. Такая конструкция обеспечивает однородность полевой эмиссии и, одновременно, ее управляемость. Однако предложенные в [5] компоненты стабилизации и управления тока полевой эмиссии недостаточны для решения проблем однородности и управляемости. В патенте [6] реализовано более полное использование преимуществ полевых эмиттеров. Полевой эмиттер рассматривается как пространственно распределенный объект (различные части которого служат функциональными компонентами прибора), а не как “материальная точка” полевой эмиссии, без пространственных характеристик их различных частей. Согласно патенту [6] компоненты для управления источником электронов трансформированы из плоской конструкции, описанной в [3, 4], в вертикальную. Таким образом, принципиальная роль в стабилизации и управлении полевым эмиссионным током приписывается телу и поверхности полевого эмиттера, в добавление к обычной роли его вершины. Подобно [3-5], в патенте [6] экстрагирующий (“вытягивающий”) электрод действует на электроны, расположенные на вершине эмиттера. В [6] рассматриваются источники электронов, у которых полевые эмиттеры имеют достаточные длину и толщину. Поэтому с точки зрения действия управляющих электродов или барьеров (таких как диод в [5]) рассматриваются как минимум четыре области электронных источников: – подложка, на которой располагается полевой эмиттер; – базис (основание) полевых эмиттеров; – вершина полевых эмиттеров; – их тела. Это области селективной активации, или активные области. Итак, активная область есть область в подложке, в теле полевого эмиттера, в его основании, или на его вершине. Соединение источника носителей заряда с полевым эмиттером осуществляется через эти области, и управление полевым эмиссионным током (потоком носителей заряда) из одной области в другую осуществляется посредством стимулирования и экстракции носителей заряда. В некоторых случаях, однако, такое управление потоком носителей заряда не может быть реализован в [6]. Это относится к тому факту, что полевой эмиттер, будучи под действием довольно сильного электрического поля, например, анодного поля, подвергается его влиянию не только у вершины полевого эмиттера, но также во всем теле. Как результат, такое электрическое поле, действующее на полевой эмиттер, “закорачивает” действие различных барьеров и “отключает” управляющие компоненты. Метод изготовления полевых эмиттеров посредством “влажного” и “сухого” травления, использованный в патенте [6], приводит к образованию эмиттеров, имеющих малые отношения длины активной области l к его диаметру d. В этом случае, для управления током полевой эмиссии необходимо использовать слишком высокие напряжения, для того чтобы компенсировать действие больших внешних (например, анодных) электрических полей. В самом деле, если полевой эмиттер, содержащий участок p-типа проводимости, помещен в электрическое поле Е (Фиг.3c), создаваемое анодом, то граница первого р-n перехода 04 смещена на Ej к p-области. При определенном значении Еt первый переход 04 приближается ко второму 06 в такой степени, что электроны из n-области начинают туннелировать через узкий барьер к полевому эмиттеру. Это вызывает эмиссию электронов из полевого эмиттера. Это есть “закорачивание” под действием внешнего электрического поля. Существование управляющего электрода вблизи полевого эмиттера и в традиционном (Фиг.3а), и в рассмотренном в [6] варианте (Фиг.3b) может компенсировать действие проникающего электрического поля и, таким образом, “запирать” носителей заряда второй n-области с. Однако известно, что при геометрических размерах, рассмотренных в [6], длина l области р-типа сравнима и даже короче ширины d. Как известно, для “запирания” носителей заряда значение поперечного электрического поля управляющего электрода 02 или 08 должно быть сравнимо с продольным полем, ответственным за поток носителей заряда. Это вынуждает прилагать высокие напряжения к управляющим электродам. Кроме того, в патенте [6] управляющие электроды стимулируют протекание носителей заряда сквозь активную область и экстрагируют электроны из полевого эмиттера. Таким образом, электронная эмиссия стабилизируется и управляется. В то же время управляющие электроды в [6] не запирают поток носителей заряда через активную область. Указанная выше функция управляющих электродов – стимулировать протекание носителей заряда – делает необходимыми выполнять отмеченные в [6] приблизительные размеры р-области как “…образованные не более чем несколькими мкм по толщине и, в общем, субмикронные толщины” (см. колонка 8, последний абзац в [6]). Это означает, что авторы [6] не рассматривают возможности обеспечить управляющий электрод “запирающими” функциями и, как результат, они рассматривают конструкцию, которая достаточна как раз для стимулирования и недостаточна для запирания движения электронов под влиянием сильного внешнего электрического поля. Известно, однако, что если управляющие электроды могут запирать поток, то возможно использовать малое (по абсолютному значению) отрицательное напряжение для запирания потока. Этот подход очень важен с практической точки зрения – использовать “электрические ключи” в разных управляющих системах, например в полевых эмиссионных дисплеях. Такой вариант может быть реализован в [6] благодаря малому значению характеристического l/d, которое приблизительно равно 1, как это обеспечивается в конструкции, предложенной в [6]. В настоящем изобретении этот недостаток преодолевается благодаря тому факту, что здесь для стабилизации и управления полевой эмиссией используется вискер со значением l/d>1. В настоящем изобретении предлагается также метод изготовления вискеров с поперечными р-n переходами. Как результат, предлагаемая конструкция позволяет управлять полевой эмиссией запиранием потока носителей заряда. Предлагаемый подход особенно важен для создания эффективных долговечных плоских панелей, в том числе полевых эмиссионных дисплеев. В самом деле, чем выше анодное (ускоряющее) электрическое поле, тем более эффективны и долговечны люминофоры, т.к. их эффективность выше при более высоких напряжениях. Кроме того, при увеличении анодного напряжения в таких приборах и, соответственно, уменьшении необходимого тока долговечность люминофоров увеличивается. Высокое ускоряющее напряжение позволяет использовать защитное покрытие (например, из алюминия), которое предотвращает разложение люминофоров и увеличивает светимость благодаря отражению света этим покрытием. Кроме того, снижение токов полезно для самих эмиттеров (особенно полупроводниковых), поскольку сильные токи их нагревают и приводят к деградации. В настоящем изобретении предлагаются различные возможности для стабилизации и управления током полевой эмиссии, основанные на использовании эпитаксиально-выращенных вискеров. Благодаря выращиванию вискеров отношение l/d может быть реализовано как 5-10 или более. Кроме того, создание вискерных полевых эмиттеров путем выращивания расширяет возможности варьирования их формой и создания контрольных электродов. В частности, предлагается конструкция эмиттера со ступенчатой формой, показанного на Фиг.4b. Согласно настоящему изобретению полевой эмиттер выполняют в виде вискера, который включает по меньшей мере один барьер (например, n-n+, р-р+, n+-р, или р-n переход), т.е. барьер создают в теле полевого эмиттера на некоторой высоте h>0 (Фиг.4а) над подложкой, т.е. выше его собственного основания. В то же время в патентах [3,5] один из барьеров располагается у основания полевого эмиттера, либо на верхнем уровне подложки, либо ниже ее. Как было отмечено выше, активная область может располагаться и в основании полевого эмиттера [5], и у его вершины [3, 5] или в подложке [3], и в теле полевого эмиттера [6]. В настоящем изобретении предлагается вариант, когда активная зона располагается на боковой поверхности полевого эмиттера или в теле материала, который имеет прямой или косвенный контакт с подложкой или полевым эмиттером. Активная область может размещаться также в тонком поверхностном проводящем слое, расположенном на изолирующей подложке. Таким образом, вариант управляющего электронного источника, как это предложено в настоящем изобретении, не только решает проблему переноса стабилизирующего и управляющего компонентов из планарного расположения в вертикальное (и, таким путем, повышения разрешающей способности прибора), но также позволяет сохранить возможность управления эмиссионным током посредством низкого напряжения. Таким путем, возможно реализовать управляемость в случае и низкого, и высокого внешнего электрического поля. В патенте [6], как было отмечено, предлагается метод для изготовления полевых эмиттеров с поперечными р-n переходами. Однако этот метод не позволяет получить оптимальные геометрические параметры полевого эмиттера с необходимыми функциональными характеристиками. Известны методы выращивания ориентированных систем вискеров [7-10]. Эти методы, однако, не содержат процедур для приготовления р-n переходов. В настоящем изобретении предлагаются такие процедуры. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Предлагается источник электронов, содержащий полевой эмиттер, подложку, источник носителей заряда, по меньшей мере один балластный резистор, причем полевой эмиттер выполнен из вискера (нитевидного кристалла), выращенного эпитаксиально на подложке, и по меньшей мере один балластный резистор выполнен как барьер, который представляет собой границу в теле полевого эмиттера, причем эта граница образована контактом материалов с разным типом проводимости. Полевой эмиттер выполнен по меньшей мере из одного полупроводникового материала, и по меньшей мере один барьер образован переходом между материалами с разным типом проводимости, такими как n, n+, р, р+. В другом варианте барьер образован слоем изолятора, поперечного направлению движения носителей заряда. В качестве полевого эмиттера рассматривается острие. В частности, такой полевой эмиттер может состоять из двух взаимно коаксиальных частей, широкой нижней и более узкой верхней частей. В другом варианте полевым эмиттером является лезвие. Вершина полевого эмиттера заострена и покрыта алмазом или алмазоподобным материалом. В частности, алмазное или алмазоподобное покрытие полевого эмиттера может быть заострено. Полевой эмиттер, в частности, может быть выполнен в виде вискера (нитевидного кристалла), выращенного эпитаксиально к подложке. Балластное сопротивление может быть выполнено в виде барьера, представляющего собой границу между телом полевого эмиттера и проводящим слоем, расположенным на поверхности полевого эмиттера. В другом варианте балластное сопротивление может быть выполнено в виде барьера, представляющего собой границу в теле эмиттера, образованную контактом материалов с разной проводимостью. Полевой эмиттер, а также слой, расположенный на его поверхности, может быть выполнен из полупроводникового материала. В том случае, когда полевой эмиттер представляет собой острие, он может состоять из двух взаимно коаксиальных частей: широкой нижней и более узкой верхней частей. Вершина полевого эмиттера может быть заострена и покрыта алмазом или алмазоподобным материалом. Заостренным может быть также алмазное или алмазоподобное покрытие полевого эмиттера. Источник носителей заряда может быть соединен с полевым эмиттером через подложку и/или проводящий слой, расположенный на поверхности полевого эмиттера непосредственно или через слой изолятора. Барьер в источнике электронов может быть выполнен как переход, образованный границей между материалами с различной проводимостью типа n, n+, р, р+. В другом варианте барьер может быть образован слоем изолятора, поперечного направлению движения носителей заряда. Подложка, имеющая форму острия, может быть выполнена из изоляционного материала и покрыта проводящим слоем, толщина которого обеспечивает выполнение им функции балластного сопротивления. Проводящий слой в источнике электронов может иметь по крайней мере один барьер для носителей заряда. Барьер может быть выполнен как переход, образованный границей между материалами с различной проводимостью типа n, n+, р, р+. В другом варианте барьер может быть образован по крайней мере одним слоем изолятора, поперечного направлению движения носителей заряда. Описанный выше источник электронов может быть управляемым. Такой источник содержит по крайней мере одну активную область в теле и/или на поверхности полевого эмиттера. Эта активная область может располагаться на полевом эмиттере непосредственно или через слой изолятора. Управляющий электрод может находиться вблизи одного из барьеров для носителей заряда. В другом варианте управляющий электрод расположен на боковой поверхности полевого эмиттера через изолирующий слой. Еще в одном варианте управляющий электрод отделен от полевого эмиттера вакуумным зазором. Управляющий электрод может быть расположен вдоль полевого эмиттера. Управляющий электрод может иметь непосредственный контакт с боковой поверхностью полевого эмиттера. В описанном выше источнике электронов подложка является кристаллической, или она может быть образована слоем изолятора и расположенным на нем слоем проводящего материала. Проводящий слой подложки может быть выполнен из монокристаллического кремния, ориентированного по кристаллографической плоскости (111). На поверхности управляемого источника электронов может быть расположен слой материала, прозрачный для электронов, причем этот слой предотвращает выход химических элементов с поверхности источника. В управляемом источнике электронов может быть использован алмаз или алмазоподобное вещество. В предлагаемом изобретении рассматривается также матричная система управляемых источников электронов, содержащая по крайней мере два управляемых источника электронов. Она содержит двумерную систему из взаимно перпендикулярных рядов управляемых источников электронов. При этом управляющий электрод может иметь вид диафрагмы, которая выполнена из проводящего алмаза или алмазоподобного материала. В матричной системе источников подложка представляет собой ряды проводящего материала, расположенного на изоляторе. При этом управляемые источники электронов снабжены проводящими шинами, которые образуют две системы. Шины в каждой системе взаимно параллельны, а шины разных систем взаимно перпендикулярны, причем шины разных систем расположены на разных уровнях и разделены изолятором. В настоящем изобретении предлагается также способ изготовления управляемых источников электронов. Он состоит в создании подложки с полевыми эмиттерами, каждый из которых содержит по меньшей мере один поперечный переход, образованный материалами с разными типами проводимости, и создании по меньшей мере одного управляющего электрода, близкого к такому переходу. Полевые эмиттеры выполнены из вискеров, эпитаксиально выращенных по механизму пар-жидкость-кристалл. При этом возможны два варианта реализации процесса по указанному механизму: создание углублений в подложке и осаждение частиц растворителя на дно этих полостей с последующим выращиванием вискеров; размещение частиц растворителя на подложке и травление подложки вокруг них с последующим выращиванием вискеров. Процедура создания полевых эмиттеров заключается в следующем. Напротив подложки с размещенными на ней частицами растворителя располагают источник, имеющий первый тип проводимости, выращивают вискеры, имеющие первый тип проводимости. Проводят стабилизированное охлаждение выращенных вискеров, имеющих глобулы на их вершинах, с введением инертного газа в среду реактора при одновременном снижении температуры подложки. Затем заменяют этот источник на источник другого состава, имеющего второй тип проводимости. Проводят стабилизированный нагрев выращенных вискеров, имеющих глобулы на их вершинах, с введением инертного газа в среду реактора при одновременном повышении температуры подложки, и выращивание вискеров, имеющих второй тип проводимости. Замена материала источника может быть проведена более чем два раза. Процедура создания полевых эмиттеров включает выращивание вискеров в газовой среде, содержащей элемент или элементы, из которых состоит подложка, и введение легирующих газообразных соединений в газовую среду. Создание полевых эмиттеров может включать более чем одну процедуру введения в газовую среду различных газообразных легирующих соединений. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР Фиг.1. Схема полевого эмиссионного катода согласно предшествующему уровню техники [5]: 1 – подложка; 2 – катод; 3 – диод; 4 – металлический слой; 5 – полупроводниковый слой; 6 – эмиттер; 7 – изолирующий слой; 8 – управляющий электрод. Фиг.2а, 2b. Иллюстрации к полевым эмиссионным приборам согласно [3]. Фиг.3а, 3b. Иллюстрации к полевым эмиссионным приборам согласно [6]: 01 – вершина полевого эмиттера; 02 – управляющий электрод; 03 – изолятор; 04 – барьер (переход); 06 – барьер (переход); 08 – управляющий электрод; 09 – проводящая часть подложки; 09i – изолирующая часть подложки; a, b, c – области с различными типами проводимости; е – положение активных областей. Фиг.3с. Иллюстрация полевого эмиттера с разными функциональными областями (из предшествующей техники): Е – внешнее электрическое поле; Еj – различные позиции перехода (например, р-n) под влиянием внешних электрических полей различной величины; Et – положение перехода, когда электроны начинают протекать через переход; l – длина активной области; d – ширина активной области. Фиг.3d. Иллюстрация метода изготовления полевого эмиттера согласно [6]: 12, 13, 14 – слои с разными типами проводимости. Фиг.4а, 4b, 4c, 4d, 4e. Иллюстрации стабилизированных источников электронов согласно настоящему изобретению: q – возможное движение заряженных частиц; h – высота барьера над подложкой; 00 – изолятор, если носители заряда поступают через поверхностный слой; 09 – проводящий материал, если носители заряда поступают через подложку. Фиг.5а, 5b, 5c, 5d. Иллюстрации управляемых источников электронов в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.6а. Иллюстрация матричной системы управляемых источников электронов в соответствии с настоящим изобретением: 07 – апертура. Ряды управляющих электродов 02 и 08 взаимно перпендикулярны, вместе они осуществляют управление эмиссией матричной системы. Фиг.6b. Иллюстрация матричной системы управляемых источников электронов в соответствии с настоящим изобретением. Ряды управляющих электродов 02 и ряды проводящих полосок 09 подложки, основанные на изолирующем участке 09i подложки, взаимно перпендикулярны, вместе они осуществляют управление эмиссией матричной системы. Фиг.7. Иллюстрация выращенного кремниевого вискера с поперечными барьерами (переходами). ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ПРИМЕР 1 Наиболее типичный вариант для осуществления стабилизированных электронных источников с использованием барьера в качестве балластного резистора состоит в следующем. Тонкий слой кремния n-типа осаждают на кремниевое острие p-типа, которое эпитаксиально к подложке (Фиг.4d). Переход между кремнием p-типа и кремниевым покрытием n-типа действует как балластный резистор. ПРИМЕР 2 Наиболее типичный вариант осуществления управляемого источника электронов, который использует вертикальное расположение управляющих компонентов, состоит в следующем. Острие содержит в своем теле два р-n перехода. Верхнюю часть острия выполняют из материала n-типа, а нижнюю часть (равно как и прилежащую часть подложки) – из материала р-типа. Управляющий электрод располагается в средней части острия, которое выполняют из материала p-типа. Управляющий электрод имеет протяженную длину, расположен на поверхности острия и имеет с ним прямой контакт (Фиг.5с). При приложении к управляющему электроду напряжения Vopen в области b вдоль поверхности полевого эмиттера образуется инверсный слой, и электроны из области с начинают проникать в область а через указанный инверсный слой. Тогда из полевого эмиттера под действием анодного напряжения эмиттируются электроны. ПРИМЕР 3 Наиболее типичный вариант для осуществления матричной системы с управляемыми источниками электронов, который использует вертикальное расположение управляющих компонентов, состоит в следующем. На проводящей подложке 09 из кремния с кристаллографической ориентацией (111) создают ряды заостренных вискерных полевых эмиттеров 01, см. Фиг.6а. На поверхности полевых эмиттеров создают систему управляющих электродов 08, причем между полевыми эмиттерами и управляющими электродами расположены изолирующие слои 03. Затем на эту структуру осаждают изолирующий стеклообразный слой 03′. После этого на указанное стекло осаждают систему параллельных полосок 02, и создают центросимметричные полости 07 на участках, соответствующих эмиттерам так, что верхняя (“острийная”) часть каждого эмиттера оказывается в центре полостей, возвышаясь над их дном. Важно, что система полосок 02 перпендикулярна системе параллельных рядов управляющего электрода 08. Для того чтобы получить эмиссию с данного полевого эмиттера, необходимо приложить напряжение Vopen к ряду в системе управляющих электродов 08 и, одновременно, приложить напряжение Vext к полоске в системе 02. На пересечении ряда и полоски суммарное напряжение Vopen+Vext инициирует эмиссию. ЛИТЕРАТУРА 1. I.Brodie, P.R.Schwoebel, Vacuum Microelectronic Devices, Proceedings of the IEEE, Vol.82, №7, July 1994. 2. W.Zhu, G.P.Kochanski, S.Jin and L.Siebles, J.Appl.Phys., 78 (1995) 2707. 3. H.F.Gray, Regulatable field emitter device and method of production thereof, US Pat. 5359256 C1, 313/169 (1994). 4. Junji Itoh, Takayuki Hirano, and Seigo Kanemaru, Ultrastable emission from a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor-structured Si emitter tip, Appl.Phys.Lett. 69 (11), 9 September 1996, р.1577. 5. Yoichi Kobori, Mitsuru Tanaka, Field emission cathode, US Pat. 5162704 C1, 315/349 (1992). 6. Seigo Kanemaru, Junji Itoh, Field emitter having source, channel, and drain layers, US Patent 5710478, Date of patent 20.01.1998. 7. E.I.Givargizov, Method and apparatus for growing oriented whisker arrays, RU Patent 2099808, 20.12.1997 г. 8. Yoshinori Terui, Ryuichi Terasaki, Method for producing single crystal, and needle-like single crystal, US Patent #5544617, Date of patent 13.08.1996. 9. Didier Pribat et al. Method for the controlled growth of crystal whiskers and application thereof to the making of tip microcathodes, US Patent #5314569, Date of Patent 24.05.1994. 10. Michio Okajima et al. Fabrication method of fine structures, US Patent 5381753, Date of patent 17.01.1995.
Формула изобретения
1. Источник электронов, содержащий полевой эмиттер, подложку, источник носителей заряда, по меньшей мере, одно балластное сопротивление, отличающийся тем, что полевой эмиттер выполнен из вискера (нитевидного кристалла), выращенного эпитаксиально на подложке, по меньшей мере, один балластный резистор выполнен как барьер, который представляет собой границу в теле полевого эмиттера, причем эта граница образована контактом материалов с разными типами проводимости. 2. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что полевой эмиттер выполнен, по меньшей мере, из одного полупроводникового материала. 3. Источник электронов по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один барьер образован переходом между материалами с разными типами проводимости, такими как n, n+, р, p+. 4. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один барьер образован слоем изолятора, поперечного направлению движения носителей заряда. 5. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что полевым эмиттером является острие. 6. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что полевой эмиттер состоит из двух взаимнокоаксиальных частей, широкой нижней и более узкой верхней частей. 7. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что полевым эмиттером является лезвие. 8. Источник электронов по п.1, отличающийся тем, что вершина полевого эмиттера заострена и покрыта алмазом или алмазоподобным материалом. 9. Источник электронов по п.8, отличающийся тем, что алмазное или алмазоподобное покрытие полевого эмиттера заострено. 10. Источник электронов, включающий полевой эмиттер, подложку, источник носителей заряда, по крайней мере, одно балластное сопротивление, отличающийся тем, что полевой эмиттер выполнен в виде вискера (нитевидного кристалла), выращенного эпитаксиально подложке, по крайней мере, одно балластное сопротивление выполнено в виде барьера, представляющего собой границу между телом полевого эмиттера и проводящим слоем, расположенным на поверхности полевого эмиттера. 11. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно балластное сопротивление выполнено в виде барьера, представляющего собой границу в теле эмиттера, образованную контактом материалов с разными типами проводимости. 12. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что полевой эмиттер выполнен, по меньшей мере, из одного полупроводникового материала. 13. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что проводящий слой, расположенный на поверхности полевого эмиттера, выполнен, по меньшей мере, из одного полупроводникового материала. 14. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один барьер образован изолирующим слоем, который поперечен потоку носителей заряда. 15. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что полевым эмиттером является острие. 16. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что полевой эмиттер состоит из двух коаксиальных частей, широкой нижней и более узкой верхней части. 17. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что полевым эмиттером является лезвие. 18. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что вершина полевого эмиттера заострена и покрыта алмазом или алмазоподобным материалом. 19. Источник электронов по п.18, отличающийся тем, что алмазное или алмазоподобное покрытие полевого эмиттера заострено. 20. Источник электронов по п.10, отличающийся тем, что источник носителей заряда соединен с полевым эмиттером через подложку и/или проводящий слой, расположенный на поверхности полевого эмиттера непосредственно или через слой изолятора. 21. Источник электронов, включающий полевой эмиттер, подложку, источник носителей заряда, по крайней мере, одно балластное сопротивление, отличающийся тем, что подложка имеет форму острия, выполненного из изоляционного материала и покрытого проводящим слоем, проводящий слой имеет, по меньшей мере, один барьер для носителей заряда, причем балластное сопротивление выполнено из проводящего слоя. 22. Источник электронов по п.21, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один барьер представляет собой переход между материалами с различными типами проводимостью, такими как n, n+, р, p+. 23. Источник электронов по п.21, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один барьер образован слоем изолятора, поперечного направлению движения носителей заряда. 24. Управляемый источник электронов, включающий источник электронов, выполненный по любому из пп.1-23, и, по крайней мере, один управляющий электрод. 25. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что источник электронов содержит, по крайней мере, одну активную область в теле и/или на поверхности полевого эмиттера. 26. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что источник электронов содержит, по крайней мере, одну активную область в проводящем слое, расположенном на поверхности подложки и/или полевого эмиттера непосредственно или через слой изолятора. 27. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один управляющий электрод находится вблизи одного из барьеров для носителей заряда. 28. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что, по крайней мере, один управляющий электрод расположен на боковой поверхности полевого эмиттера через изолирующий слой. 29. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что, по крайней мере, один управляющий электрод отделен от полевого эмиттера вакуумным зазором. 30. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что, по крайней мере, один управляющий электрод расположен вдоль полевого эмиттера. 31. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что управляющий электрод имеет непосредственный контакт с боковой поверхностью полевого эмиттера. 32. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что для источника электронов, выполненного по любому из пп.1-20, подложка является кристаллической. 33. Управляемый источник электронов по п.24, отличающийся тем, что для источника электронов, выполненного по любому из пп.1-20, подложка образована изолятором и расположенным на нем слоем проводящего материала. 34. Управляемый источник электронов по п.32, отличающийся тем, что подложка или проводящий слой подложки выполнен из монокристаллического кремния, ориентированного по кристаллографической плоскости (111). 35. Управляемый источник электронов по п.33, отличающийся тем, что слой проводящего материала прозрачен для электронов, предотвращает выход химических элементов с поверхности управляемого источника электронов. 36. Управляемый источник электронов по п.35, отличающийся тем, что в качестве указанного материала использован алмаз или алмазоподобное вещество. 37. Матричная система управляемых источников электронов содержит, по крайней мере, два управляемых источника электронов, по крайней мере, один из управляемых источников электронов выполнен по любому из пп.26-38. 38. Матричная система управляемых источников электронов по п.37, отличающаяся тем, что она состоит из двумерной системы взаимно перпендикулярных рядов управляемых источников электронов. 39. Матричная система управляемых источников электронов по п.37, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один управляющий электрод имеет форму диафрагмы, выполненной из проводящего алмаза или алмазоподобного материала. 40. Матричная система управляемых источников электронов по п.37, отличающаяся тем, что подложка представляет собой ряды проводящего материала, расположенного на изоляторе. 41. Матричная система управляемых источников электронов по п.37, отличающаяся тем, что управляемые источники электронов снабжены проводящими шинами, которые образуют две системы, шины в каждой системе взаимно параллельны, а шины разных систем взаимно перпендикулярны, причем шины разных систем расположены на разных уровнях и разделены изолятором. 42. Способ изготовления управляемых источников электронов, состоящий в создании твердотельной подложки с полевыми эмиттерами, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один поперечный переход, образованный материалами с разными электропроводностями, и в создании, по меньшей мере, одного управляющего электрода, близкого к такому переходу, отличающийся тем, что полевые эмиттеры выполнены из вискеров, эпитаксиально выращенных по механизму пар-жидкость-кристалл. 43. Способ изготовления управляемых источников электронов по п.42, отличающийся тем, что выполнение полевых эмиттеров включает создание углублений в подложке и осаждение частиц растворителя на дно этих полостей. 44. Способ изготовления управляемых источников электронов по п.42, отличающийся тем, что выполнение полевых эмиттеров включает размещение частиц растворителя на подложке и травление подложки вокруг частиц. 45. Способ изготовления управляемых источников электронов по любому из пп.43, 44, отличающийся тем, что последующая процедура создания полевых эмиттеров включает расположение источника, имеющего первый тип проводимости, напротив подложки с размещенными на ней частицами растворителя, выращивание вискеров, имеющих первый тип проводимости, стабилизированное охлаждение выращенных вискеров, имеющих глобулы на их вершинах, с введением инертного газа в среду реактора при одновременном снижении температуры подложки, замену источника на источник другого состава, имеющего второй тип проводимости, стабилизированный нагрев выращенных вискеров, имеющих глобулы на их вершинах, с введением инертного газа в среду реактора при одновременном повышении температуры подложки, и выращивание вискеров, имеющих второй тип проводимости. 46. Способ изготовления управляемых источников электронов по п.45, отличающийся тем, что замену материала источника проводят более чем два раза. 47. Способ изготовления управляемых источников электронов по п.45, отличающийся тем, что последующая процедура создания полевых эмиттеров включает выращивание вискеров в газовой среде, содержащей элемент или элементы, из которых состоит подложка, и введение легирующих газообразных соединений в газовую среду. 48. Способ изготовления управляемых источников электронов по п.47, отличающийся тем, что создание полевых эмиттеров включает более чем одну процедуру введения в газовую среду различных газообразных легирующих соединений.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
