（物理电子学专业论文）场致发射阵列阴极技术研究.pdf

原剑性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：扬日 关于学位论文使用授权的声观 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查蒸l导师签名：缘 山东大学硕士学位论文 诵晏 场致发射阵列阴极( f e a ) 是一种工作在场致发射下的冷阴极，具有瞬时启动、 无预热延迟、功耗小、室温工作，发射电流密度远大于目前的热阴极等优势。用 它取代中小功率行波管( t w t ) 中的热阴极，可以减小器件尺寸和重量，提高效率 与使用寿命，场致发射阵列阴极( f e a ) 是十分理想的电子源。 本文首先综述了真空微电子学及其核心场致发射阵列阴极的发展历史和现 状：1 9 6 8 年c a s p i n d t 首次报道利用电子束加工技术和薄膜技术进行钼微尖场 致发射阵列阴极( s p i n d t 阴极) 的制作和测试。之后，人们开始了对场致发射阵列 阴极多方面的研究。目前，s p i n d t 阴极是所有报道的发射电流密度最大的阴极， 铝微尖、栅控、硅基场致发射阵列阴极( f e a ) 在6 5 0 a c m 2 电流密度下，已经显示 出大于8 年的长寿命和可靠性。最大发射电流密度已达到2 0 0 0 a c m 2 。 本文首先对场致发射机理进行了理论研究：通过f o w l e r - n o r d h e i m 方程及 f o w l e r - n o r d h e i m 曲线分析场致发射阵列阴极，特别是s p i n d t 阴极的发射特性； 分析空f 司电荷效应对场发射三极管区及f e a 电子枪中强流电子注散焦的影响。 本文介绍了场致发射三极管的有限差分程序，详细叙述了程序的物理模型、 基本原理及程序的主要内容。 本文使用场致发射三极管模拟程序，进一步讨论三极管的几个关键参数，如 栅孔半径、栅极厚度、发射体高度等对发射特性的影响；在解决强流电子注的聚 焦问题上，首先通过模拟计算分析了单个微尖发射体的垂直双栅聚焦问题，认为 聚焦极孔径，电压的减小，聚焦极和栅极间距的增大，均能对电子注起到聚焦作 用，但同时也降低了发射体表面的电场强度，减小发射电流。而且在本文这种特 定结构下，添加的聚焦电极会在聚焦的同时，减小发射电流。比较有效的提高发射 电流的方法是增大聚焦极孔径或者提高栅极的栅压。其次分析了微尖发射体阵列在 电子枪中的整体聚焦情况，改变聚焦极形状和电压，得到较平行的电子注发射。 本文还阐述了垂直双栅聚焦结构的f e a 的制作工艺。垂直双栅结构的制作 工艺基于微细加工技术和薄膜沉积技术制作的栅控金属微尖场致发射体阵列阴 极，不同点是还要在原金属栅层上沉积一层s i ，n ：绝缘质和一层金属栅聚焦极。 关键词：真空微电子学，场致发射阵列阴极电子枪，聚焦 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l de m i s s i o na r r a y ( f e a ) i sak i n do f c o l dc a t h o d ew h o s e o p e r a t i o np r i n c i p l ei s f i e l de m i s s i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fi n s t a n tt u r n - o n ，n o p r e h e a t i n gd e l a y , h i 曲 c u r r e n td e n s i t y , l o w d i s s i p a t i o n ，r o o m - t e m p e r a t u r eo p e r a t i o ne t c u s i n g f e ai n m i n i a t u r i z e dt r a v e l i n gw a v et u b e ( t w t lc a nm i n i m i z et h es i z ea n dt h ew e i g h to ft h e d e v i c e e n h a n c i n g 也ee f f i c i e n c ya n d t h e1 i r et i m e f i r s t t h e d e v e l o p m e n t s o ff e a w h i c hw a st l l ec o r eo ft h ev a c u u m m i c r o e l e c t r o n i c s ，w e r er e v i e w e d s i n c e1 9 6 8 c a s p i n d th a sr e p o r t e dt h ef e af o r f i r s t t i m e ，w h i c hw a sm a d eb yu s i n gm i c r o m a c h i n gt e c h n o l o g ya n dt h i n f i l m t e c h n o l o g y , p e o p l eb e c a m em o r ea n dm o l li n t e r e s t e di ni t c u r r e n t l y , w i t l lac u r r e n t d e n s i t yo f 6 5 0 a c m 2 f e ah a sg o tt h e8 - - y e a rl i f et i m ea n d h i g hc r e d i b i l i t y s e c o n d ， s t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h em e c h a n i s mo ff e aa n d u s i n g t h e f o w l e r - n o r d h e i m e q u a t i o n a n dt h ef o w l e r - n o r d h e i mc u r v e a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f f e a ，e s p e c i a l l yt h ec a p a b i l l t yo f t h es p i n d tc a t h o d e a n a l y z e dt h e e 髓c to ft h es p a c ec h a r g e w h i c he f f e c t st h ef o c a s i n go fe l e c t r o nb e a mi nt 1 1 ef i e l d e m i s s i o nt r i o d ef f e t ) a n dt h ef e ae l e c t r o ng u n n l i r d ，f f r f d p ，t h ev i s u a lf o r t r a np r o g r a mu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，w a s i n t r o d u c e di nd e t a i l f o u r t h ，t h er e l a t i o no ff e t ss e v e r a lk e yp a r a m e t e r sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r e s i m u l a t e di nd e t a i lw i t ht h ef e t - f d pi no r d e rt o k e e pt h ee m i t t e de l e c t r o nb e a m f o c u s i n gi nf e t ，t h ev e r t i c a lt w o g a t e sf o c u s i n gw a ss u g g e s t e d ，w h i c he l i m i n a t et h e l a t e r a lv e l o c i t yo fe l e c t r o n st h u sc o l l i m a t i o nt h eb e a m t h ee l e c t r o ng u n e m p l o y i n g a s e r i e so f s h a p e de l e c t r o s t a t i cl e n s e st h a ta l l o w sf o rc o n t r o l l i n gt h eb e a mo f t h ee l e c t r i c f i e l dw a ss i m u l a t e dw i t ht w t c a d f i n a l l y , a k i n do fv e r t i c a it w o - g a t e sf o c u s i n gf e aw a sm a d ew i t hs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g ya n d t h i nf i l mt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：v a c u u mm i c r o e l e c t r o n i c s ，f i e l de m i s s i o na r r a yc a t h o d e ，e l e c t r o n g u n ，f o c u s i n g 2 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 场致发射阵列阴极发展背景 1 8 9 7 年r ww o o d 发现场致发射现象【i l ，即物质表面在强电场的作用下产 生电子的发射。1 9 2 8 年，f o w l e r 和n o r d h e i m 导出了f o w e r - n o r d h e i m 场发射方 程【2 1 。1 9 3 6 年，e wm u l l e r 制成单晶尖端场发射体，定量地证明了 f o w l e r - n o r d h e i m 的理论。随着现代微细加工技术、材料工艺学以及现代显微镜 技术不断发展，1 9 6 8 年c a s p i n d t 首次报道利用电子束加工技术和薄膜技术进 行钼微尖场发射体阵列阴极( s p i n d t 型阴极) 的制作和测试【3 1 ，成为真空微电子学 最初的基础。1 9 7 6 年美国斯坦福国际研究所( s r i ，s t a n f o r dr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的s p i n d t ，b r o d i e 小组报道了他们的大面积薄膜场发射阴极( t f f e c ，t h i nf i l m f i e l de m i s s i o nc a 山o d e l 的制造技术及物理特性【4 l o 此后，人们对场致发射阵列开 始进行多方面的研究工作。1 9 8 8 年6 月在美国威廉斯堡召开了首届国际真空微 电子学会议( i v m c ，i n t e r n a t i o n a lv a c u u m m i c r o e t e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ) 标志着这门 新学科一真空微电子学的诞生。 真空微电子学是研究微米级大小的真空器件中电子作无碰撞弹道运动的行为 和特征，电子与静电场、静磁场以及与电磁波相互作用的一门科学与技术。它涉 及的学科及领域较广，如半导体技术、薄膜技术、真空技术、表面分析、材料科 学、平板显示技术、微电子学等。其核心是利用半导体工艺及薄膜技术制成的场 致发射阵列( f e a s ，f i e l de m i s s i o na r r a y s ) 冷阴极。简单来说，真空微电子学是用 制作半导体器件的微细加工工艺制作真空电子器件是真空电子学与微电子学发 展的必然产物。 利用微细j n z 技术和真空工艺制作的冷阴极电子源一场致发射阵列阴极具 有一系列优点【5 i ：a 瞬时启动，工作电压f 氐o o o v 左右) 。在这种器件中，电子渡 越时间已不再是工作频率限制的因素，真空微三极管阴极至栅极间距可做到lu m 左右，根据极问电容的影响，工作频率可达1 0 0 t 1 0 0 0 g h z ，丌关速度l p s 。 可以用于制作工作频率高达1 t h z 的分布式放大器山室温工作无阴极热损耗。 可以作为一种新型的冷光源应用于平板显示器件，应用于微波器件中，可以减小 山东大学硕士学位论文 器件的体积。c 电流密度大，是在强电场作用下( e 1 0 7 v ，c m ) 形成的强流电子注， 曲率半径9 0 n m 的单尖发射体的发射电流密度已经大于1 0 8 a c m 2 ，脉冲模式下发 射电流可以达到4 9 m a 。阵列的发射电流密度已达到2 4 0 0 a c m 2 。可以直接进行 栅极调制发射，得到密度调制电子注。应用于中小型微波器件中，提高发射功率 和使用寿命。d 可以选择使用多种方法和材料制作场致发射阵列阴极。发射体 本身可以使用硅、砷化镓、碳化锆、碳化铪、钛、铌、钨、锂、金刚石、碳纳 米管等。工艺技术方面也有很多方法，主要是微加工工艺技术的发展，在大面积 范围内刻蚀出半径很小的孔阵列，以及各种镀膜光刻技术的应用。总之，它的出 现引起了各国研究人员的广泛关注。 在众多的场致发射阵列阴极中，1 9 6 8 年s r i 的c a s p i n d t 博士发明的金属尖 锥阵列是发明最早，研究最为成熟，应用领域也最为广泛的阴极类型【3 1 。它是一 种带有自对准栅极发射阵列，也是所有报道的发射电流密度最大的阴极，钼微尖、 栅控、硅基的f e a s 在6 5 0 a c m 2 电流密度下【6 i ，已经显示出大于8 年的长寿命和 可靠性，2 4 0 0 a e m 2 电流密度也已达到孙。 微加工技术在真空电子学中应用的研究f 在逐步扩大。主要技术进展表现 为：一是场致发射阵列阴极技术本身的发展，它已经可以提供和热阴极同样的或 者大得多的发射电流密度：二是场致发射显示技术发展，它已经可以提供1 2 英 寸或更大一些尺寸的自发光平板显示器；三是场致发射微波功率放大器技术的发 展：四是真空电子技术和微机械系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技 术的结合，e 在研制微型微波或毫米波电子管。工作频率可以推到 1 0 0 0 1 2 0 0 g h z 。 1 2 场致发射阵列阴极的现状及应用 1 2 1 场致发射阵列阴极技术的现状 1 各种场致发射阵列阴极 通常根据实际需要选择发射体的材料【州，材料的选取，应具有功函数低、熔 点高、耐轰击，发射性能稳定等特点。例如，钨和钼金属材料的发射体与硅和砷 化镓的场发射体相比具有更大的场发射性能，但相应的对环境的真空度要求更 高。选择金属碳化物- 碳化锆、碳化铪做发射体材料，会得到更高的发射电流 密度它们化学性能稳定，不易发生溅射和扩散，耐高温，其功函数分剐为3 2 e v 山东大学硕士学位论文 和3 3 e v ，比硅或钼材料低了大约l e v 。因此即可以直接用它们做成单个发射体 使用，也可以用来涂覆硅或铝微尖发射阵列。表1 1 是不同类型发射体的各项性 能。 表11 不同类型发射体的性能 制作材料 m om om os is i 制作单位 s r lm i t m i t m c n cm c n c 尖锥数量1 0 0 0 06 0 0 0 7 0 3 0 0 3 3 0 02 8 0 7 4 尖锥密度( t i p 眈m 2 ) 1 3 1 0 61 0 91 0 93 x 1 0 63 x 1 0 5 最人电 流( m a ) 1 8 0 1 52 2 62 1 5 d c 测试脉冲脉冲d c 测试d c 测试 电流密度( a c m 2 ) 2 32 4 0 03 1 062 ，】 发射体发射半径 2 5 n m 1 0 n m1 0 r i m ) n mb n m 一般功函数4 5 e v 左右的材料要获得有效的场致电子发射，发射体表面的电 场强度应大于i o i v c m 。在施加较低电压条件下只有将发射体制作成微尖的形式 才能极大的提高电场强度。s p i n d t 领导的s r t 组员利用这一思想，研制了栅极 孔径0 5l am 的封装密度极高的f e a s ，图1 1 是s p i n d t 型阴极的示意图和照片。 微尖制造在硅基衬底上，衬底覆盖了1 厚二氧化硅( s i o 。) 绝缘层，s i 嘎上再覆 盖0 2 5 m 厚的钼金属栅极层，在金属层上刻蚀出直径为l 帅的圆孔阵列，并进 一步刻蚀穿透s i o ! 层，到达硅基表面，形成圆柱孔阵列。通过薄膜沉积技术， ( a ) 结构示意图( b ) 场致发射阵列阴极s e m 照片 图1 1 场致发射阵列阴极( s p i n d t ) 在圆孔阵列内形成铝微尖阵列。这一技术可以制成带自对准栅极的场发射阵列 山东大学硕士学位论文 封装密度大，存在的问题是在制作过程中必须保持每个微尖几何尺寸的一致性， 因此很难制作大面积的均匀的阴极极板，目前限于制作中小尺寸的场致发射平板 显示器件( f e d ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ) ；但是它的大电流密度( 每个微尖的发射 电流可达l o1 1a ) ，瞬时启动以及栅控的性能应用在微波器件中可以缩小体积、减 轻重量、去掉阴极热丝的功耗，满足某些特殊领域的需求。 美国麻省理工学院( m i tm a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 林肯实验室采 用激光全息技术，研制出高发射电流密度的s p i n d t 阴极，栅极孑l 直径o 1 6 i _ t m ， 孔中心间距o 3 2 啪，封装密度为9 8 0 x1 0 6 t i p s c m 2 ，电流密度达到2 4 0 0 a c m 2 ， 单尖发射电流约1 6 9 a ，如图1 2 ( a ) 所示。 北卡罗来纳微电子系统工艺中- l = , ( m c n c ，c e n t e rf o rm i c r o e l e c t r o n i cs y s t e m t e c h n o l o g yo f n o r t hc a r o l i n a ) 皋l j 作的尖锥柱状发射体，如图1 2 ( b ) 所示。发射尖高 度的增高减小了栅极与衬底间的极问电容。柱体的高度由o 7 i jm 到4 um 。栅极 开口直径为lu m 到2 p m 。封装密度3 1 0 6 t i p s c m 2 ，电流密度6 a c m 2 。 ( a ) 采用激光全息技术的f e a s( b ) 尖锥柱状发射阵列 图1 2 场致发射阵列阴极 锋状发射体与圆锥型发射体相比有更大的发射电流密度。适当的设计会令阴 极和栅极问电容很小，并且免受离子轰击的影响。缺点是场增强效应小于圆锥型 的发射体，因此需要更大的开启栅压。图l - 3 是海军实验室0 叮i 也，n a v a lr e s e a r c h l a b ) 的h f g r a y 的楔型硅发射体和楔型发射体的发射机制。图1 4 是m i t 的 a i a k i n w a n d e 制作的锋状发射体和相应的发射机制。 6 山东大学硕士学位论文 ( a ) 楔型硅发射体 ( b ) 发射机制 图1 3n r l 制作的单个场发射体 ( a ) 锋状发射体( b ) 发射机制 图1 4m i t 制作的单个场发射体 2 碳纳米管冷阴极 碳纳米管作为新型场致发射冷阴极材料也已逐渐成为研究热点，日本电镜学 家i i j i m a 于1 9 9 1 年发现了多壁碳纳米管 1 ，又于1 9 9 3 年发现了单壁碳纳米管【8 】。 这种由纯碳原子所形成的直径极细的纳米管所表现出来的独特的电学及力学性 质引起了人们极大的关注1 9 11 1 0 】。 近年来，碳纳米管场致发射显示器件的研究发展迅猛。碳纳米管是由类似石 墨六边形网格翻卷而成的管状物，管子两端一般也是由含五边形的半球面网格封 口。碳纳米管的直径只有几十纳米，长度却可达几微米甚至更长，可被看成一种 理想的一维材料。碳纳米管具有极细的发射尖端，在相对比较低的电压下就可发 射大量的电子，单根碳纳米管施加电场后发射电流可达lf a 以上，而碳纳米管 阵列的场致发射电流经常可达1 0 m a c m 2 ，具有好的化学稳定性和优良的机械强 山东大学硕士学位论文 度，是一种优良的场致发射材料。如果与丝制印刷术结合可较容易制备大面积发 射阵列，用于场致发射平面显示器；采用碳纳米管冷阴极光源【i “，具有不含汞、 低功耗、可瞬间点亮、寿命长和亮度可调等优点。瑞士的j mb o n a r d 等人在金 属线上生长多壁碳纳米管，并以此为阴极研制出圆柱形光源，亮度达到 1 0 0 0 0 c d m 2 。目前，液晶显示器通常采用荧光灯作为背光源，其亮度要求至少达 到5 0 0 0c d m 2 ，并且要求发光均匀和长寿命，碳纳米管冷阴极平板光源在这方面 有很好的应用前景。碳纳米管场致发射阵列与其微观图，如图1 5 所示。 ( a ) 碳纳米管场致发射阵列 ( b ) 碳纳米管微观图 图1 5 碳纳米管 尽管如此，如果与s p i n d t 阴极的大发射电流密度相比，碳纳米管的发射电流 密度仍然不能满足特殊领域的需要；而且栅控应用尚有困难。 3 表面涂敷不同材料的硅发射体 在硅尖表面涂敷性能优良的各种材料如金属、铁电材料、类金刚石、超纳 米晶金刚石2 i ( n c d ) 等。硅尖阵列由于制作工艺简单，又和集成电路技术兼容， 易于利用现有成熟技术，在发明之初就引起人们的广泛关注，得到了较快的发展。 然而硅本身并非理想的发射体材料，它的逸出功大，表面化学性能不稳定，导电 导热性能差，这都限制了它的应用。因此可选择在硅尖或阵列阴极上沉积一层薄 膜，从而降低阈值电压、增大发射电流，改善发射的稳定性。难熔会属硅化物如： w s i 2m o s i 2 等有很高的电导率，与硅基衬底有很好的结合强度，是发射体可供 选择的材料。近年来具有负电子亲和势的金刚石及类金刚石、耐轰击的碳纳米管 材料以及各种结构的碳材料，在平面结构或低压条件下可能获得场电子发射，从 而引起众多研究者的注意。图1 6 是各种涂敷材料的s i 尖。图1 7 是硅尖锥阵列 山东大学硕士学位论文 涂敷n c d 前后发射电压阈值和发射电流的变化。 ( a ) 涂敷不同厚度金刚石薄膜的硅尖锥c o ) 沉积超纳米晶( n c d ) 金刚石薄膜的阵列阴极 图1 6 各种涂敷材料的s i 尖 ：i _ ) l口t 蜘 f j u a c o l一 f - j 一： o 踟。寸嚣g 。辨2 ” ：( b ) 谴 n 秽 。k 、 u c o 矧一 、j ：r 00 0 s0 - i t ，v o 0 ( o l ，v ) 1 5 0 0 0 2o 0 眈5 o 3 ( a ) 发射电流- 电压特性图( b ) f - n 曲线图 图1 7 硅尖锥阵列涂敷n c d 前后发射也压阐值和发射电流的变化 1 2 2 场致发射阵列阴极技术的应用 1 平板显示( f e d ) 技术成为现代显示技术的发展趋势 目前t 液晶显示技术( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 及等离子体显示技术( p d p ) 比较成熟，已经成为商品，但是由于其本身难以克服的缺点不能满足所有场合 的需要。场致发射显示器f l e d ) 作为一种有潜力的新型平板显示器件具有同阴极 射线管( c r t , c a t h o d e - r a yt u b e ) 一样的亮度和颜色，但又不像液晶显示器有视觉 和温度限制以及需要背景光源照明等问题，在显示色彩上又比等离子体显示器 ( p d p ) 要好并且节省能源，所以成为c r t 换代的首选技术。 f e a 应用于场致发射显示器( f e d ) ，兼有c r t 和l c d 的双重优点，在 军用高分辨率头盔显示器和复杂战场环境下的军用通讯、医疗等的显示器中具有 9 邶 m 埘 枷 舶 m v e 葛2 宣o 山东大学硕士学位论文 十分重要的应用前景。它是将玻璃基片上的场致发射体阵列和另一块涂有发光荧 光粉的玻璃面板结合起来，用隔离子支撑两块玻璃板，抽真空后迸行封闭，构成 平板显示器件，图1 8 是s p i n & 阴极的f e d 原理图。 雷1 8s p i n d t 踢极的f e d 原理囝 c a n d e s c e n t 技术公司则在2 0 0 1 年展示了他们用f e d 制成的d v d 。目前 p i x t e c h 公司已经有两种型号的5 _ 2 英寸单色f e d 产品出售，其蓝绿色f e d 已经 装在t d s 2 t 0 型示波器上，并进行了批量生产，同时开发出5 6 英寸和8 5 英 寸的全彩色f e d 样品，如图1 9 所示。 ( a ) p i x t e c h 公司9 9 年为美国军方研制( b ) p i x t e c h ：5 2 英寸t d s 2 1 0 示波器 的第一个单色1 2 1 时的f e d 图1 9 使用s p i n d t 阴极制成的f e d 采用钼和硅尖阵列传统f e d 技术由于加工难度大，成品率低等因素，使场 发射显示器的发展缓慢，碳纳米管作为一种稳定性好、抗离子轰击能力强、大的 长径比、小的尖端曲率半径和电子溢出功小等良好的场发射特性的新型阴极材 料给f e d 技术带来了转机。韩国三星高科技研究所n s l e e 等人用单壁碳纳 米管同有机赋形混合通过屏幕e o e i j 技术制备出4 5 英寸二极管结构的场发射显示 山东大学硕士学位论文 器，如图1 1 0 所示。该显示板厚度仅为2 2 m m ，阳极工作电压8 0 0 v ，亮度商达 3 5 0 c d m 2 并进行了真空封装【1 5 l 。为了采用碳纳米管阴极得到较小的调制电压范 围，很多国外的研究机构都开始研究碳纳米管的场致发射三极管结构。 ( a ) 彩色f e d 结构图( b ) c n t 的三极管结构 图1 1 0 使用c n t 阴极的彩色f e d 2 场致发射微波功率放大器技术的发展。 ( 1 ) 由于f e a 阴极特有的优势，电流密度大、栅控发射、渡越时间小、启动 速度快、功耗小等，可以使许多现存的大功率微波毫米波器件的性能得以改善， 体积缩小，可靠性、互作用效率、线性度改善，使雷达、通讯、电子战和精密制 导装备性能有所提高。 场致发射阵列阴极( f e a ) 有可能广泛应用在微波管中做电子源【泊】。采用f e a 作为微波管，如行波管的冷阴极电予源，在技术上是个极大的挑战。首先作为 行波管的电子源，要求比显示器件大得多电流和电流密度。大功率行波管要求的 脉冲发射电流密度将达到2 0 3 0 a c m ：，或更高。2 0 0 - - 4 0 0 w 宽带大功率连续波行 波管要求的连续波电流密度将达到2 5a e m 2 。最近的进展表明，f e a 可以满足 许多中小功率行波管的要求；其次。可以应用在预群聚电子注器件中，因为f e a 的发射过程是栅控发射，使射频信号对发射电流密度的直接调制成为可能，所以 可以实现高频信号直接激励阴极发射；而且，将使传统的三、四极管在新的条件 下得到新的应用。传统的三、四极管，由于电子渡越时阳】效应使最高工作频率限 制在4 g h z 以下，采用f e a 以后，阴极和栅极间的距离缩短到1 。2um ，阴极到 阳极的距离也可作到3 5pm ，渡越时间效应被极大地降低。理论上，其最高工 山东大学硕士学位论文 作频率可达1 0 0 0 g h z ，实际上作到3 0 0 g h z 是完全可能的。 近年来，将f e a 应用于行波管的研究已经在国内外几个研究组中进行。最 早的工作发表在1 9 6 3 年。大部分研究工作是在最近十年问完成的。 表i 2f e a 在微波管中的应用研究 1 9 7 6 盘b r o d i e 提出使用s p i n & 阴极和微带线做微波器件 1 9 8 6 盘 l a l l y 等第一个使用s p i n d t 阴极的微波管( 美国m e c ) 美国n r l第个侧向真空晶体管 1 9 9 7 笠 日本n e c 公司使用f e a 制作t w t ，1 0 5 g h z 的频率处得到2 7 5 w 的连 续波功率输出 1 9 9 7 矩美国n r l 预调制f e a 电子束的速调四极管( k l y s t r o d e ) 实验，在栅 极上施加微波信号，直接产生一个密度调制的电子注，调 制频率达到1 0 g h z ，输出功率4 r o w 。 2 0 0 0 芷 n o r t h r o p 公司 研制脉冲行波管，在4 5 g h z 时功率达到5 5 w 。 这些研究工作可以分成两个部分，模拟和实验研究。模拟和分析工作主要集 中在场致发射物理机理、r f 对f e a 栅极的耦合、射频调制对行波管性能的影响 等方面。r f 调制行波管的模拟表明其效率可大于4 0 。最近c p i ，n e c 和n o r t h r o p 公司的3 个研究组研究了f e a 在微波管中的工作。c p i 研究的是速调管，在1 0 g h z 获得了功率输出。n e c 公司成功地将f e a 用于行波管中，为防止打火，在f e a 中采用了垂直集成的限流器。在1 0 5 g h z 获得了2 7 5 w 功率输出，2 2 d b 增益和 1 4 的效率。电子注的流通率为8 2 ，说明需要重新设计适合于f e a 的电子枪【1 8 】。 2 0 0 0 年美国n o r t h r o p 公司研制成功了用f e a 制成的f e a 行波管 1 6 】。它采用了 一个直径为l m m 包含5 0 ，0 0 0 个针尖的s p i n d t 阴极其发射电流为9 4 i m a ， 获得了5 5 w 的输出功率，该行波管的体积大为减小，它可用于微波功率( m p m ) 模块等器件中。图1 1 l 是n o r t h r o p 公司研制成功的f e a 行波管和它所采用的 s p i n d t 阴极。 豳i 11 n o n h p 公司研制成功的f e a t w t 山东大学硕士学位论文 将场致发射阵列阴极应用于行波管，从而提高和改进行波管的性能，也是我 国高功率真空电子学实验室研究的目标之一。 3 集成固态，真空微波功率模块( m p m ，m i c r o w a v ep o w e rm o d u l e ) 微波功率模块( m p m ) 是近十年来发展起来的一项新器件 1 9 lo 它利用了固态器 件、真空器件和集成电源的优点，组成了一个构造各种军事电子系统和民用系统 的基本单元。它具有低噪声、高功率、高效率、小体积、轻重量和高可靠性的特 点。 1 9 8 9 年，美国国防部电子器件领导小组提出这一概念，目的是在一个器件 中如何实现真空电子器件大功率高效率和半导体器件低噪声小体积的优点，克服 两种器件单独工作的缺点。普通的m p m 是为各种军事系统和民用系统设计者提 供的一种紧凑型、高性能、射频构建单元。它包含低噪声固态放大器、功率行波 管和微组装集成电源三部分。为了获得高功率和高效率，最简单的办法是在保证 其输出功率不变的情况下，将普通的高增益行波管高频放大系统缩短，它所损失 的增益由模块中的固态放大器补上。固态放大器中还应包含均衡器和线性化器。 由固态放大器和行波管放大器构成的小型放大链，具有比行波管高得多的增益， 但具有小的体积和重量。电源是在几层陶瓷薄膜烧结而成的基板上，采用微组装 技术制造的高效率集成电源。 近十年来通信卫星得到持续发展，要求卫星发射机具有更大的功率输出、更 宽的带宽、更高的效率、更轻的重量、更高的可靠性和更经济的传输系统。卫星 通信系统有效载荷的关键元器件是射频放大链特别是作为末级功率放大的行波 管放大器，它是卫星通信系统有效载荷重量和能量消耗的主体。一个典型的用于 电视广播的通信卫星有效载荷包含2 0 1 0 0 个行波管放大器，每个行波管放大器 输出约l o o w 射频功率。一个通信卫星8 0 的能源消耗和3 0 的重量来源于行波 管放大器。显然提高行波管放大器效率和降低重量，将会极大地降低卫星的成本。 用f e a 制成的中小功率t w t 将是m p m 十分理想的器件。它可以大大减小 器件的尺寸和重量，但这对f e a 的发射特性有比较高的性能要求，同时还要求 长期的稳定性。 微波功率模块的应用会越来越普遍，将m p m 应用于卫星系统中是一个必然 的发展趋势。 山东大学硕士学位论文 4 微型真空电子器件( pv e d ，m i c r o - v a c u u me l e c t r o n i cd e v i c e s ) 的研究 太赫兹频域是介于毫米波和远红外之间的亚毫米波频域，即波长在t 0 0 0u m 1 0 0um ，频率在3 0 0 g h z 3 t h z 的一段频域【2 0 】，这一频域最显著的特点是可以 用于成像，提供该频域的频谱信息：太赫兹技术可用于高数据率通信，3 0 0 0 h z 以上的载波，其1 0 带宽就可以无线通信实现大于1 0 g b i t s s 的高速数据速率1 2 1 1 。 微加工技术可以用来制造微型真空电子器件( v e d ) 。这些器件可以用在毫 米波和太赫兹频域，因为在这么高的频率范围，高频电路中的任何租糙度和不规 则性，都将引起高频损耗，机械加工和电火花切割将不能采用。图1 1 2 是使用 l i g a 技术( l i g a 是采用x 射线刻蚀和电铸相结合的技术) 加工的9 4 g h z 速调管 高频电路的照片。国际上有几个研究组正在进行t h z 频域( o 3 3 0 t h z ) 输出功 率为0 0 0 1 1 0 w 的uv e d 研究。美国加州理工学院喷气推进实验室正在研究工 作在0 3 ，o6 和1 2 t h z 的微型速调管。采用多次光刻，深反应离子刻蚀制造谐振 腔。腔体先分成两半，镀金后用压力扩散焊形成腔体【2 3 j 。 图1 1 2l i g a 技术加工的9 4 g h z 速调管 威斯康星大学和美国宇航局正在研制输出功率为i w 的高功率t h z 辐射源。 图1 1 3 是他们正在研制的5 6 0 g h z ，5 6 m w 输出的折叠波导行波管振荡器示意图。 其输出功率返回部分进入输入端，产生振荡。模拟采用6 6 r a m 长的慢波电路， 1 0 9 k v 电压和0 5 m a 电子注电流，在5 2 0 5 8 0 g h z 获得大于1 0 d b 的增益2 1 1 。 图1 1 35 6 r o w 折叠波导行波管振荡器 山东大学硕士学位论文 1 3 论文的目标和研究方法 1 目前。s p i n d t 阴极的制作工艺正在进一步完善，而且在传统微波管，如行 波管和速调管等器件中的冷阴极电子源，s p i n d t 阴极可能是它所需要的较为理想 的微电子源，它对发射特性有比较高的性能要求同时还要求长期的稳定性，为 此，论文通过深入研究s p i n & 型冷阴极的场发射机理，使发射电流密度在现有基 础上，进一步提高。 2 研究强流电子注的形成机制：模拟计算场致发射三极管区的电场分布及 电子轨迹：单个微尖的电子注垂直双栅聚焦情况：电子枪中对电子注的整体聚焦 结构。 3 利用微加工工艺和薄膜技术制作垂直双栅聚焦结构的f e a s 。 1 4 本论文完成的工作 本论文主要研究场致发射阵列阴极的发射机理，分析发射特性，解决强流电 子注的聚焦问题。各章节具体内容分配如下：第1 章前言阐述场致发射阵列 阴极的发展背景、现状及在真空电子器件中的应用，阐述论文的研究目标、方法 及完成的主要工作：第2 章主要阐述场致发射机理：分析f n 方程、f - n 曲线与 发射特性的关系，空间电荷效应的形成及对强流电子注的影响：第3 章介绍场致 发射三极管的有限差分程序，详述参照实际的发射体建立的物理模型、基本原理 及程序框图：第4 章通过模拟计算分析场致发射三极管区的发射特性，得出栅 极孔半径( 冠一屉) ，栅极的厚度屈，发射体的高度尼以及它们的相对几何位置等因 素对发射特性有较大影响；第5 章研究强电子注的聚焦问题。文中首先通过阐 述带聚焦电极的硅尖发射体模型及静电特性的数值分析，初步分析电子注的聚焦 问题。然后模拟计算分析单个钼微尖电子注的聚焦，认为调节垂直双栅聚焦结构 中聚焦极的相关参数能够改善聚焦效果，获得平行的电子注发射。同时分析了电 子枪中对电子注的整体聚焦情况，主要是得到了不同于热阴极的较大的输入电流 情况下的电子注聚焦；第6 章介绍制作垂直双栅聚焦结构的制作过程，初步制作 了双层结构的发射阵列，以后的工作还需要进一步改进。 山东大学硕士学位论文 第二章场致发射阵列阴极理论分析 2 1 场致发射的发射原理 物质表面在强电场的作用下产生电子的发射，称为“场致发射”。1 8 9 7 年 r w w o o d 首先发现这个现象【l 】。场致发射与其它形式的电子发射有本质的不同： 热电子发射、光电子发射、次级电子发射都是以不圊的方式给电子以能量使之超 过表面势垒而逸入真空，而场致发射则是外加强电场使表面势垒高度降低、宽度 变窄，隧道效应的结果使电子向真空发射，即外场致发射；或者是在物质内部产 生强电场，使电子从金属基底进入介质，并在介质中得到加速雨获得足够的能量 以至使电子不需要另加能量就可逸出，这种形式称为内场致发射。相比其它形式 的电子发射外场致发射不需要任何形式的附加能量就可以得到电子发射，几乎 没有预热延迟，且电流密度可达1 0 7 锄2 以上，这是其它电子发射形式所无法 比拟的。要想产生场致发射，需要在发射体表面形成报强的电场，通常采用以下 两种方法：一是提高外界电压并把阴极做成曲率半径很小的尖端：二是缩短发射 体和阳极之间的距离。 人们最初研究认为真空击穿是由于钨丝阴极上微凸出点发射的电子所引起 的其电流电压特性呈指数关系。当导体的表面电场强度达到一定数值( 约为 1 0 1v c m ) 。就可以产生场致发射电子。电子的场致发射机理可由s o m m e r f e l d 的自由电子模型以及量子理论的隧道效应来解释。 s o m m e r f e l d 的自由电子模型理论认为口l ： 1 、金属内部势能恒定。 2 、金属内的自由电子犹如理想气体分子一样组成“电子气”。它们近似不 受力的作用。可在金属内作自由运动。 3 、自由电子具有一定能量，其分布满足f e r m i - - d i r a c 量子统计。 4 、金属界面存在一个足够高的势垒，当自由电子运动到金属界面时会受纠 势垒的反射。如果要把电子从金属内部移到外部就必须做功。 1 6 山东大学硕士学位论文 如果令金属内部的恒定势能为零，则自由电子模型就可看作一个如图2 1 所示的“平底势垒箱”：其中e ，是f e r m i 能级，w 。是势垒高度。当自由电子的能 量小于w 。时，将不会逸出金属表面，只有那些能量等于和大于w 。的电子才有可 能冲出金属表面，以真正自由电子的形态存在于空间。热电子发射、光电子发射 和次级电子发射都是以不同的方式给电子以能量，使之克服表面势垒而逸入真 空。而场致电子发射则不然，它是利用外加强电场来压抑表面势垒，使其高度降 低，宽度变窄，以致使电子不需要再另加能量就可逸出。不需要任何形式的附加 能量就可以得到电子发射，这是场致电子发射特别引人注意的地方。 图2 1 平底势垒箱模型示意豳 在外电场作用下金属表面势垒的变化及电子发射情况，如图2 2 所示。 f q 五 l “ m 蒯v a c u u m 图2 2 外电场作用下金属表面势垒变化示意闰 曲线a 表示没有外加电场时，表面势垒的高度分布，显然只有能量高于势垒 wo 的电子才能逸出金属表面。根据量子理论电子具有波粒二相性的观点，并非 所有能量高于势垒的电子都能逸出，但只要电子有零点几电子伏的超额能，逸出 山东大学硕士学位论文 的几率就很接近于l 了。也就是说，对于无外场的热电子发射而言，即使完全不 考虑电子的波动性以及势垒对电子的反射，完全采用经典力学的处理方法也可以 得到与实际相符的结果。当金属表面存在较弱电场( 一般小于1 0 3v c m ) 时如曲 线b 所示，此时情况符合s c h o t t k y 效应，势垒的最高点有所下降，下降值为 e e e 4 腮。，但势垒宽度变化不大。当外部电场进一步增强，则不仅势垒的高度 继续下降，而且势垒宽度也会明显地变窄，其形状变化为曲线c 的情况。考虑到 电子的波动性。当能量为e 的电子在a 点碰到势垒时，并非象微粒那样被弹回， 而是波函数在此处