Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

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.
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 —
2
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
3
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
4
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 ElectronEmitter 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 № 215266 от 10.07.2000 г. и Патент США № 6590320 от 08.07.2003 г.; Патент РФ №
22178637 от 27.11.2003 г. и Патент США № 6614199 от 02.09.2002 г.
Японские компании Toshiba и Cannon совместно добились существенных успехов и подошли
вплотную к созданию полноценного дисплея, который они назвали SED (Surface-conduction electronemitter display). Этой же аббревиатурой названа новая совместная фирма, созданная компаниями в
5
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 (№ 529688) и 1977 (№ 654023) 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.
6