Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»

ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Полное название вуза

Научно-информационный материал

Вакуумная микро - и наноэлектроника.

Автоэмиссионные микроприборы.

Полное название НИМ или НОМ

Москва 2009 г.

Автоэмиссионные микроприборы

Открылась новая эра вакуумных электронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией. Эти новые приборы обла­дают сверхвысоким быстродействием (субпикосекундным), высокой устой­чивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и весьма большим КПД. Приборы вакуумной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диапазона длин волн, в системах непосредственного телевизионного вещания со спутников с использованием тридцатисантиметровых антенн и менее, в РЛС, теле­фонных системах сотовой связи и т. п.

Интересным бытовым применением вакуумной микроэлектроники яв­ляется разработка плоских панельных дисплеев, обеспечивающих изобра­жение высокого качества и высокой яркости (в том числе и для цветного телевидения). В частности, на конференции в Вильямсбурге в докладе Хол-ланда и Спиндта было сообщено о разработке вакуумного катодолюминес-центного экрана с холодным катодом Спиндта,

В тонком катодолюминесцентном цветном дисплее исполь­зуется матрично адресуемая группа автоэмиссионных острий для каж­дого цветного элемента индикатора. Электроны с острий фокусируются на близко расположенном люминофоре цветного элемента (разрешающая способность индикатора — около 40 линий/см, сторона панели — 8,3 см, толщина — 4 мм). Обсуждалась также и возможность создания телевизи­онных экранов больших размеров.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Каждый элемент индикатора представляет собой микротриод с автоэ­лектронным катодом, управляющим электродом и анодом.

При использовании указанного элемента в качестве ячейки катодолю-минесцентного экрана анод покрывается люминофором.

К настоящему времени существует пять базовых конструкций автоэ­лектронных микрокатодов:

•  острийные (рис. 1; 2);

•  лезвийные (рис. 3.);

•  торцевые тонкопленочные (рис. 4; 5);

•  нанотрубочные (рис. 6.);

•  поверхностные (рис. 7).

Рис.1. Схема фрагмента конструкции пикселя дисплея на полевой эмис­сии с острийными и с лезвийными катодами. Сечение. 1 — катод­ная пластина (стекло); 2 — адресуемые катодные шины — строки; 3 — резисторный слой (аморфный кремний); 4 — субмикроные автоэмиссионные катоды; 5 — диэлектрическая пленка; 6 — адре­суемые шины — столбцы; 7 — люминофор (красный); 8 — люминофор (зеленый); 9 — люминофор (синий); 10 — адресуе­мые анодные шины (прозрачная проводящая пленка) — столбцы; 11 — анодная пластина (стекло)

Рис.2. Схема острийного пикселя. Вид сверху. 4 — острийные катоды (молибден)

Рис. 3. Схема лезвийного пикселя. Вид сверху. 4 — лезвийные катоды (молибден)

Рис. 4. Схема торцевого тонкопленочного диода: 1 — тонкая пленка алмазоподобного углерода (а — С); 2 — резистивная пленка аморф­ного кремния (а — Si); 3 — адресуемая катодная шина (металл); 4 — адресуемая анодная шина (металл); 5 — стеклянная подлож­ка; 6, 7, 8 — люминофор

При создании приборов вакуумной электроники такие микротриоды используются в качестве элементов вакуумной интегральной схемы или вакуумного прибора с микроэлектронными катодами.

Одно из важнейших направлений в развитии СВЧ электроники в на­ступающем тысячелетии принадлежит вакуумной микроэлектронике и ва­куумным интегральным схемам (ВИС), создаваемым на ее основе. Это обу­словлено рядом принципиальных моментов.

Функциональные возможности радиолокационных комплексов, теле­коммуникационных устройств и систем обработки информации на СВЧ интегральных схемах будут принципиально отличаться от возможностей существующих интегральных схем. Прежде всего, они связаны с возмож­ностью в условиях экстремальных воздействий окружающей среды обе­спечивать в ВИС высоконадежную передачу, прием, хранение и обработку в реальном масштабе времени очень больших по объему потоков инфор­мации. Такое утверждение основано на том, что в последние годы стало ясно — на традиционном пути развития полупроводниковых устройств эти вопросы в полном объеме не могут быть решены. Поэтому значительная часть радиоэлектронной СВЧ аппаратуры будущего, к которой предъявля­ются повышенные требования, должна создаваться на основе СВЧ ВИС. Именно по этой причине в последние десятилетия и особенно в настоящее время практически во всех ведущих странах мира проводятся интенсивные работы, направленные на изучение и решение прежде всего фундамен­тальных проблем вакуумной микроэлектроники как основы всего этого направления.

К важнейшим из них относится проблема получения свободных электронов в вакууме, вопросы управления интенсивными потоками электро­нов и их взаимодействия с электромагнитными полями в малых объемах. Только их решение позволит подойти к созданию новых высокоэффектив­ных эмиссионных материалов для высокостабильных автоэмиссионных ка­тодов, формированию интенсивных микропотоков электронов и созданию микроминиатюрных активных электронных СВЧ устройств. К настоящему времени эти вопросы достаточно успешно решаются. В комплексе с ними рассматриваются возможности построения принципиально новых ВИС для обработки радиоимпульсной информации в диапазоне СВЧ, а также миниатюрных СВЧ приборов средней мощности для ВИС. По всем пере­численным моментам сейчас уже имеются значительные достижения.

Рис. 5. Схема торцевого тонкопленочного отражательного триода: 1 — тонкая пленка алмазоподобного углерода (а — С); 2 — резистив­ная пленка аморфного кремния (а — Si); 3 — адресуемая катодная шина (металл); 4 — адресуемая управляющая шина (рефлектор); 5 — изолятор (SiO2); 6, 7, 8 — люминофор; 9 — прозрачная анод­ная шина; 10 — стеклянная анодная плата; 11 — стеклянная ка­тодная подложка

Рис. 6. Микротриод на основе углеродных нанотрубок: 1 — стеклянная подложка; 2—4 — катодная структура из каталитической пленки между двумя некаталитическими проводящими пленками; 2 — проводящая ванадиевая пленка (20 нм); 3 — пленка из каталити­ческого материала (никель) (20 им); 4 — проводящая ванадиевая пленка (20 нм); 5 — диэлектрический слой, закрывающий все торцы катода, кроме обращенного к аноду — 6; 7 — слой угле­родных нанотрубок, сформированных на торце каталитической пленки 3

В последние несколько лет все большее внимание уделяется вакуумной наноэлектронике, использующей автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок (рис.6).

Вначале усилия были направлены на их применение в плоских экра­нах, однако позднее появились сообщения об их использовании в нано-приборах — аналогах вакуумных ламп. При этом разработана планарная конструкция, позволяющая реализовать большую степень интеграции. Оценки показывают, что при нормах проектирования 20 нм плотность элементов в ЗУ может достигать 1010—1011 см-2. Большое быстродействие (до гигагерца), широкий диапазон температур (< 300 °С) и ожидаемая стой­кость к спецвоздействиям открывают широкую дорогу этим приборам для двойного применения.

Рис. 7. Схема пикселя дисплея с поверхностными эмиттерами (Surface-Conduction Electron-Emitter Display (SED): 1 — стеклянная под­ложка; 2 — адресуемые катодные шины (Pt); 3 — поверхностный катод (PdO); 4 — металлическая маска (А1); 5 — люминофор, све­тофильтры; 6 — анодная плата (стекло)

Серьезные усилия будут направлены на создание плоских экранов повышенной яркости любых размеров и конфигураций — проекционных экранов, табло, дисплеев, очков-экранов. При этом пред­полагается существенное снижение потребляемой мощности. Наиболее перспективные направления — лазерные и светодиодные матрицы для проекционных экранов и автоэмиссионные катоды для плоских экранов любой сложности.

Интенсивные разработки в области новой технологии ведут многие компании, например, Motorola, которая за 15 лет исследований в области углеродных нанотрубок (CNT) и плоских дисплеев полевой эмиссией (FED) получила 160 патентов. В мае 2005 г. компания сообщила о создании про­тотипа дисплея на базе CNT, который «окрестила» (NED) Nano Emissive Flat Screen Display). Прототип представляет собой 5-дюймовый фрагмент 42-дюймового дисплея с разрешением 1280x720 и соотношением сторон 16:9, который компания собирается производить серийно. Толщина панели 33 мм. Samsung недавно продемонстрировал свой прототип дисплея на базе нанотрубок, но уже телевизионного размера. В своих разработках корпора­ция сотрудничает с американской компанией Carbon Nanotechnologies, Inc. (CNI), которая поставляет ей углеродные нанотрубки. Samsung собиралась в конце 2006 г. начать выпуск телевизоров на основе новой технологии.

Необходимо отметить, что работы по созданию дисплеев с полевой эмиссией ведутся и в нашей стране, в НИИ «Волга» (г. Саратов). Институт разработал действующие образцы FED, в основе которых плоские катоды с микроструктурой, полученной методом осаждения тонких углеродных пленок с последующей фотолитографией. На эти конструкции НИИ «Вол­га» получен ряд патентов: Патент РФ № 000 от 01.01.2001 г. и Патент США № 000 от 01.01.2001 г.; Патент РФ № от 01.01.2001 г. и Патент США № 000 от 01.01.2001 г.

Японские компании Toshiba и Cannon совместно добились существен­ных успехов и подошли вплотную к созданию полноценного дисплея, кото­рый они назвали SED (Surface-conduction electron-emitter display). Этой же аббревиатурой названа новая совместная фирма, созданная компаниями в сентябре 2004 г. для организации массового выпуска плоскопанельных телевизоров на базе новой технологии. Предполагается, что к концу 2007 г. фирма будет выпускать более 70000 SED панелей в год.

Источником электронов в SED панели является поверхность тонкой пленки окиси палладия со специальной микроструктурой, в чем-то по­добной структуре, созданной в 1972 году в НИИ «Волга», эмитирующей электронный поток для каждого пикселя.

Открытие возникновения эмиссионного тока при прохождении элек­трического тока через тонкие металлические пленки с островной структу­рой толщиной несколько десятков ангстрем, обусловленное тем, что часть электронов, осуществляющих перенос зарядов между металлическими островками в пленке, имеет компоненту скорости, направленную перпен­дикулярно к поверхности пленки, было сделано сотрудниками АН УССР в 1963 году.

Авторские свидетельства на автоэлектронные катоды на этом эффекте были получены НИИ «Волга» в 1972 (№ 000) и 1977 (№ 000) годах.

О серьезности намерений и успехах в освоении новой технологии сви­детельствует недавнее решение партнеров о строительстве в Японии вто­рого завода по производству панелей на базе SED технологии, в который было инвестировано в мае 2005 года 1,7 млрд долларов. Предприятие должно начать выпуск продукции в январе 2007 года, и это будут 50-дюймовые панели. Расчетная производительность завода — 15000 штук в месяц.

Кроме упомянутых фирм исследованиями и разработками в области FED занимаются: в Японии — Sony, Mitsubishi Electric, Hitachi, Asahi, Noritake, Futaba; в Южной Корее — LG Electronics; на Тайване — Delta Optoelectronics.

Новые дисплеи FED практически по всем основным характери­стикам должны превосходить существующие плоские панели: по яркости, по уровню собственного контраста, по цветопередаче. Энергопотребление у них в два раза меньше, чем у плазменных панелей и в 1,5 раза меньше жидкокристаллических. Они имеют малое время отклика пикселя (около 2 мс), небольшой вес и малую толщину панели.

Японское министерство экономики, торговли и промышленности еще в мае 2004 г. сделало прогноз, что в 2010 г. рынок дисплеев с поле­вой эмиссией (FED) будет оцениваться от 500 миллионов до 2,4 триллио­нов долларов США. Согласно тем же прогнозам, стоимость 42-дюймовой FED панели будет примерно 450 долларов, плазменная панель будет стоить 680 долларов.

На протяжении всей долгой истории создания и совершенствования электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) разработчики задавались вопросом, как уменьшить ее размеры, сделать плоской, а заодно избавиться от других присущих ей недостатков, сохранив при этом достоинства. С развитием микроэлектроники проблема становилась все острее, поскольку объем элементов электроники в телевизионном приемнике оказался настолько мал, что он совершенно не влиял на внешние размеры телевизора, которые определяла электронно-лучевая трубка.

Проблема появления дисплея, пространственно и энергетически сопря­гаемого с интегральными микросхемами, наилучшим образом решается путем создания плоского катодолюминесцентного экрана с автоэлектрон­ным наноструктурированным катодом.

Вакуумная микроэлектроника (наноэлектроника) позволяет создать принципиально новые вакуумные лампы СВЧ диапазона и принципиаль­но новые, высокоэффективные, плоские катодолюминесцентные дисплеи.