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