KR20030046487A - Multilayer carbon-based field emission electron device for high current density applications - Google Patents
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Abstract
기판을 반응기 내에 배치하고, 기판을 가열하고 반응기에 수소의 혼합물 및 대략 8 내지 13% 농도의 탄소-함유가스를 공급하면서 기판 부근의 가스 혼합물에 에너지를 0.5 마이크로미터 두께의 탄소-계 물질의 제1층을 성장시키는 시간 동안 공급하고, 이어서 탄소-함유 가스의 농도를 감소시키고 계속하여 제1층 보다 두꺼운, 탄소-계 물질의 제2층을 성장시키므로써 전자 전계 방출 장치가 제공된다. 이어서 기판이 제1층으로부터 제거되고 전극이 제2층에 도포된다. 이 장치는 독립적이고, 음극선관, 증폭기 및 진행파관과 같은 다양한 전자 장치에서 냉음극으로 사용될 수 있다. 기판의 표면은, 전계 방출 장치에 패터닝된 표면을 생성하도록 제1층이 성장되기 전에 패터닝된다.The substrate is placed in a reactor, the substrate is heated and energy is supplied to the gas mixture near the substrate while supplying a mixture of hydrogen and a carbon-containing gas at a concentration of approximately 8 to 13% to the reactor. An electron field emission device is provided by supplying for the time of growing one layer and then reducing the concentration of the carbon-containing gas and subsequently growing a second layer of carbon-based material thicker than the first layer. The substrate is then removed from the first layer and an electrode is applied to the second layer. The device is independent and can be used as a cold cathode in various electronic devices such as cathode ray tubes, amplifiers and traveling wave tubes. The surface of the substrate is patterned before the first layer is grown to produce a patterned surface in the field emission device.
Description
전계 방출 전자 장치에 대해 2 개의 기본적인 구조가 있다. 첫번째 구조는 전자 방출 팁의 어레이를 사용한다. 이러한 장치들은, 전형적으로 높이가 1 에서 수 마이크로미터이고 아주 작은 곡률 반경을 갖는 방출 팁을 형성하기 위해, 복잡한 포토리소그라피 기술을 이용하여 제조된다. 팁은 보통 실리콘, 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 다른 내화 금속으로 구성된다. 나아가 종래기술은 마이크로팁(micorotip)이 특정 결정 방위의 다이아몬드로 제조될 수 있거나 또는 성능 향상을 위해 비-탄소(non-carbon) 마이크로팁이 다이아몬드 또는 다이아몬드성(diamond-like) 탄소으로 코팅될 수 있다는 것을 제시한다(미국특허 제5,199,918호). 또한, 탄소를 포함하는, 세선(thin wire) 또는 다양한 물질의 위스커 제조에 기반을 둔 한 부류의 마이크로팁이 개시되었다("저 전계에서 나노튜브 번들 이미터로부터의 전계 방출 : Field Emission from Nanotube Bundle Emitters at Low Fields, Q. Wang등 저, App. Phys. Lett. 70, [24], pp. 3308(1977)).There are two basic structures for field emission electronics. The first structure uses an array of electron emission tips. Such devices are typically manufactured using complex photolithography techniques to form ejection tips having a radius of curvature of 1 to a few micrometers in height. The tip is usually composed of silicon, molybdenum, tungsten and / or other refractory metals. Furthermore, the prior art has shown that microtips can be made of diamond in a particular crystal orientation or non-carbon microtips can be coated with diamond or diamond-like carbon for improved performance. (US Pat. No. 5,199,918). In addition, a class of microtips based on the manufacture of whiskers of thin wire or various materials, including carbon, has been disclosed (“Field Emission from Nanotube Bundle Emitters at Low Fields: Field Emission from Nanotube Bundle. Emitters at Low Fields, Q. Wang et al., App. Phys. Lett. 70, [24], pp. 3308 (1977)).
전계 방출 장치의 제조 방법에 대한 두번째 종래 기술은 보통 다이아몬드 또는 다이아몬드성 탄소로 이루어진 저(low) 또는 음(negative) 전자 친화성 표면에 기반을 두고 있다(미국특허 제 5,341,063 호; 미국특허 제 5,602,439 호). 이러한 장치는 팁으로 형성되거나 또는 편평(flat)할 수 있다. 다른 넓은 밴드갭(bandgap) 물질들(주로 3족 질화물)이 음 전자 친화 특성때문에 전계 방출 장치로서 제시되어왔다.A second prior art for methods of making field emission devices is based on low or negative electron affinity surfaces, usually made of diamond or diamond carbon (US Pat. No. 5,341,063; US Pat. No. 5,602,439). ). Such a device may be formed with a tip or flat. Other wide bandgap materials (mainly Group III nitrides) have been proposed as field emission devices because of their negative electron affinity properties.
첫번째 방법에 있어서는, 팁을 제조하는데 복잡한 리소그라피 및/또는 다른 제조 기술들이 필요하다. 또한, 비-다이아몬드로 제조된 팁들은 팁의 저항성 가열(resistive heating)로 인해 짧은 기능상 수명을 가지며 양극으로부터의 역-스퍼터링(back-sputtering)으로 인해 열화된다. 다이아몬드-계 마이크로팁은 이들 두가지 문제를 어느 정도까지는 해결하지만 적합하게 기능하기 위해서는 전형적으로 많은 음 전자 친화성 표면을 요구한다.In the first method, complex lithography and / or other manufacturing techniques are required to produce the tip. In addition, tips made from non-diamonds have a short functional life due to resistive heating of the tip and degrade due to back-sputtering from the anode. Diamond-based microtips solve these two problems to some extent, but typically require many negative electron affinity surfaces to function properly.
두번째 방법은 장치가 작동하는데 저 또는 음 전자 친화성 표면을 요구한다. 나아가서, 이 종래 기술은 탄소 격자 내에 나선 전위(screw dislocation) 또는 다른 결함을 허용하므로써 향상된 다이아몬드 또는 다이아몬드성 이미터가 제조될 수 있다는 것을 제시하였다(미국특허 제 5,619,092 호). 10 A/㎠의 전류밀도를 갖는다이아몬드-계(diamond-based) 물질이 최근에 개시되었다(T. Habermann, J. Vac. Sci. Tech. B16, p.693(1998)). 이들 장치들은 기판 상에 제조되고 기판 상에 남겨진다.The second method requires a low or negative electron affinity surface for the device to operate. Furthermore, this prior art suggests that improved diamond or diamondoid emitters can be produced by allowing screw dislocations or other defects in the carbon lattice (US Pat. No. 5,619,092). Diamond-based materials having a current density of 10 A / cm 2 have recently been disclosed (T. Habermann, J. Vac. Sci. Tech. B16, p. 693 (1998)). These devices are fabricated on the substrate and left on the substrate.
아주 최근의 논문은 게이트된(gated) 그리고 언게이트된(ungated) 다이아몬드 마이크로팁을 개시하고 있다(D.E. Patterson 등, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 509(1998)). 몇몇 언게이트된 이미터는 팁 당 7.5 마이크로앰프의 전류를 허용한다고 보고되었다. 이미터를 제조하는데 이용된 공정 파라미터들은 논의되지 않았다. 만일 팁들이 2.5 × 107팁/cm2의 밀도에서 제조될 수 있다면, 모든 팁들이 방출하고 또한 균일하게 방출한다고 가정할 경우, 전류밀도가 175 A/cm2만큼 높게 될 수 있다고 계산되었다.A very recent paper discloses gated and ungated diamond microtips (DE Patterson et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 509 (1998)). Some ungateed emitters have been reported to allow 7.5 microamps of current per tip. The process parameters used to make the emitters were not discussed. If the tips could be produced at a density of 2.5 × 10 7 tips / cm 2 , it was calculated that the current density could be as high as 175 A / cm 2 , assuming all the tips emitted and evenly emitted.
다른 장치에 대해서는 다른 전계 이미터 특성이 요구된다. 평면 패널 디스플레이, 센서 및 고주파 장치와 같은 몇가지 장치에 대해서는, 전력 요구(power requirement)를 최소화하기 위해 저 전계에서의 방출이 특히 바람직하다. 다른 장치들에 대해서는, 방출을 위한 보다 높은 임계 전계(threshold electric field)는 용인되지만, 고전류가 요구된다. 고전류는 특히, 마그네트론 및 클라이스트론(klystron)과 같이, 증폭기 및 몇몇 전력 공급기에서의 몇가지 전자총의 응용에 필요하다.Different field emitter characteristics are required for other devices. For some devices, such as flat panel displays, sensors, and high frequency devices, emission at low electric fields is particularly desirable to minimize power requirements. For other devices, a higher threshold electric field for emission is acceptable, but high current is required. High current is particularly needed for the application of some electron guns in amplifiers and some power supplies, such as magnetrons and klystrons.
따라서, 적합하게 기능하기 위해서, 어떤 결정학적 방위 또는 특정 결함을 필요로 하는 팁 또는 구조체를 가지는 복잡하고 마이크로미터 사이즈(또는 더 작은) 구조체의 제조와 관련이 없는 개선된 탄소-계 전자 이미터에 대한 필요성이 있다. 나아가서, 이들 이미터는 완화된(moderate) 전계를 갖는 하이 레벨의 방출 전류를 제공하여야 한다. 바람직하게는, 다양한 전자 장치용으로 적합한 독립적(free-standing) 전자 소스가 되도록 이미터는 방출 물질이 기판 없이도 기계적 강도를 갖기에 충분한 두께를 가져야 한다.Thus, in order to function properly, improved carbon-based electron emitters are not involved in the manufacture of complex, micrometer-sized (or smaller) structures having tips or structures that require some crystallographic orientation or specific defects. There is a need. Furthermore, these emitters must provide a high level of discharge current with a moderated electric field. Preferably, the emitter should have a thickness sufficient for the emitter material to have mechanical strength without a substrate so as to be a free-standing electron source suitable for various electronic devices.
본 발명은 일반적으로 전자 전계 이미터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전계 방출을 이용하여 높은 전류밀도를 생성하고, 탄소-함유(carbon-containing) 가스를 사용하는 공정으로부터 제조된 2층 물질을 갖는 장치에 관한 것이다.The present invention relates generally to electron field emitters. More specifically, it relates to a device having a two layer material produced from a process using a field emission to produce a high current density and using a carbon-containing gas.
본 발명의 상술한 목적과 다른 목적 및 장점들이 다음에 기술된 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 명백해질 것이며, 도면에서 같은 부호는 같은 부분을 나타낸다.The above and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which like reference characters designate the same parts.
도 1a 및 1b는 전기적 전도성 채널을 갖는 2-층 고전류 탄소-계 전자 이미터를 도시한 도면으로서, 도 1a는 평탄 기판 상에 형성된 절연성, 고 열전도율 가본 구조에 전기적 전도성 채널을 갖는 것을 나타내고, 도 1b는 기판이 제거된 후에 표면이 오믹 접촉(ohmic contact)으로 덮힌 것을 나타낸다.1A and 1B show two-layer high current carbon-based electron emitters having electrically conductive channels, FIG. 1A shows having electrically conductive channels in an insulating, high thermal conductivity strand structure formed on a flat substrate, and FIG. 1b shows that the surface is covered with ohmic contacts after the substrate is removed.
도 2a 및 2b는 본 발명의 고전류 탄소-계 전자 이미터를 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 도면으로서, 도 2a는 평탄 기판 상에 형성하는 방법을 나타내고, 도 2b는 구조화된 기판 상에 형성하는 방법을 나타낸다.2A and 2B schematically illustrate a method of forming a high current carbon-based electron emitter of the present invention, FIG. 2A shows a method of forming on a flat substrate, and FIG. 2B shows a method of forming on a structured substrate. The method is shown.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 도 3a는 전자총을 나타내고, 도 3b는 전자총을 포함하는 음극선관을 나타낸다.3a and 3b schematically show a device according to the invention, in which FIG. 3a shows an electron gun and FIG. 3b shows a cathode ray tube comprising an electron gun.
도 4는 본 발명의 증폭기를 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a schematic view of an amplifier of the present invention.
도 5는 본 발명의 진행파관을 개략적으로 나타낸 도면이다.5 is a view schematically showing a traveling waveguide of the present invention.
본 발명에 따르면, 고전류밀도 탄소-계 전자 이미터는, 2층 탄소-계 물질의 벌크 구조로 형성하기 위해서, 탄소의 화학 또는 물리 기상 증착에 의해 형성된다. 본 방법에서 성장된 벌크 물질 또는 몸체는 전도성 탄소 채널을 둘러싸는 고 열전도율 매트릭스(matrix)를 제공하여, 고전류에서 조차도 전도성 채널에서의 저항성 가열이, 채널로부터 발산될 수 있다고 여겨진다. 전자는 전도성 채널로부터의 전계 방출에 의하여 궁극적으로 탄소 표면으로부터 방출된다. 그에 더해, 방출층은 매우 높은 열전도율을 갖는 두꺼운 층과 직접 접촉하여, 과잉 온도 및 방출 층의 고장을 회피할 정도의 속도로 열이 방출층으로부터 전달될 수 있다.According to the present invention, high current density carbon-based electron emitters are formed by chemical or physical vapor deposition of carbon to form a bulk structure of a two-layer carbon-based material. It is believed that the bulk material or body grown in the present method provides a high thermal conductivity matrix surrounding the conductive carbon channel such that resistive heating in the conductive channel can be dissipated from the channel even at high currents. Electrons are ultimately emitted from the carbon surface by field emission from the conductive channel. In addition, the emissive layer can be in direct contact with a thick layer having a very high thermal conductivity such that heat can be transferred from the emissive layer at a rate that avoids excessive temperature and failure of the emissive layer.
탄소-계 몸체(carbon-based body)는, 기판을 반응기 내에 배치하고, 반응기 내 압력을 낮추고, 수소 및 탄소-함유 가스 이를테면 8 내지 13 퍼센트 농도의 메탄을 포함하는 가스 혼합물을 반응기 내로 공급하므로써 성장된다. 고 에너지가 기판 부근의 가스에 공급된다. 에너지는 여러가지 방법, 이를테면 마이크로웨이브(microwave) 또는 RF 플라즈마에 의해 제공될 수 있다. 기판은 반응기 내의 기판 스테이지의 활성 가열 또는 냉각을 통해 소정 범위의 온도로 유지된다. 하나의 층이 수 마이크로미터 두께까지 성장된 후에 메탄 농도는 낮춰지고 보다 두꺼운 제2층이 성장된다. 이어서 기판이 제거되어 2층의 탄소-계 물질의 독립적 몸체를 남긴다. 각 층은 바람직한 범위의 전기 저항율을 가진다. 전극이 두꺼운 층의 표면 상에 배치된다. 얇은 층의 표면으로부터의 고 전류밀도 상태에서 전자 방출은 안정적이다. 이러한 표면은 평탄할 수 있거나 구조화될 수 있다. 탄소-계 몸체의 구조화된 표면은 방출층이 성장되기 전에 기판 표면을 구조화시키므로써 이루어질 수 있다.Carbon-based bodies are grown by placing a substrate in the reactor, lowering the pressure in the reactor, and feeding a gas mixture containing hydrogen and a carbon-containing gas such as 8 to 13 percent methane into the reactor. do. High energy is supplied to the gas near the substrate. Energy can be provided by various methods, such as microwave or RF plasma. The substrate is maintained at a range of temperatures through active heating or cooling of the substrate stage in the reactor. After one layer is grown to a few micrometers thick, the methane concentration is lowered and a thicker second layer is grown. The substrate is then removed, leaving an independent body of two layers of carbon-based material. Each layer has an electrical resistivity in the preferred range. The electrode is disposed on the surface of the thick layer. Electron emission is stable at high current density from the surface of the thin layer. Such surface may be flat or structured. The structured surface of the carbon-based body can be achieved by structuring the substrate surface before the emissive layer is grown.
탄소-계 몸체로부터의 고 전류밀도 전자 방출을 기반으로 하는 장치가 제공된다. 이러한 장치들은 전자총, 및 전자총, 증폭기 그리고 진행파관(traveling wave tube)을 포함하는 음극선관을 포함한다.An apparatus based on high current density electron emission from a carbon-based body is provided. Such devices include an electron gun and a cathode ray tube comprising an electron gun, an amplifier and a traveling wave tube.
물질의 전도대(conduction band)에 있는 전자가 진공으로 들어가기 위해서는, 전자가 진공 에너지 레벨과 동일한 에너지에 도달할 수 있도록 작용함수 φ로 알려진 에너지가 전자에 공급되어야 한다. 이 에너지는 일반적으로 물질을 가열하므로써 공급되고, 이는 열이온 방출(thermionic emission)로 이르는 것에 도달하게 된다. 본 발명에 대해서는, 전자로 하여금 전위장벽을 통과하여 진공으로 들어가게 하는, 전계 방출로 알려진 양자역학효과가 채용된다. 전위장벽의 저하는 강한 외부 전계를 고체의 표면에 인가하므로써 이루어지며, 이는 본 출원인의 "고전류 밀도 응용을 위한 탄소-계 전계 방출 전자 장치"라는 제목으로 동시에 제출된 특허 출원에 보다 상세하게 설명된다. 이 방법은 본 발명의 장치들에 대해서는 마이크로미터 당 수백 볼트의 전계 강도에서만 실용적이다. 전위장벽 효과를 낮추기 위한 다른 방법은 마이크로미터 사이즈 이하(sub-micrometer-sized)의 첨예한 구조, 즉 팁을제공하는 것이며, 이는 마이크로팁에서 전계 강도를 강화시킨다. 종래기술에 개시된 방법은 이러한 결과를 얻기 위해 제조된 마이크로팁 또는 위스커를 이용한다.In order for electrons in the conduction band of a material to enter a vacuum, energy known as the function function φ must be supplied to the electrons so that the electrons reach the same energy as the vacuum energy level. This energy is generally supplied by heating the material, which reaches to thermionic emission. For the present invention, a quantum mechanical effect known as field emission is employed, which causes electrons to enter the vacuum through the potential barrier. The lowering of the potential barrier is achieved by applying a strong external electric field to the surface of the solid, which is described in more detail in a patent application filed simultaneously under the title "Carbon-Based Field Emission Electronics for High Current Density Applications". . This method is only practical for field devices of several hundred volts per micrometer for the devices of the present invention. Another way to lower the potential barrier effect is to provide a sub-micrometer-sized sharp structure, or tip, which enhances the field strength at the microtip. The method disclosed in the prior art uses a microtip or whisker prepared to achieve this result.
본 발명은 물질――비전도성 탄소-계 물질의 매트릭스 내의 전도성 탄소-계 물질의 채널에 있어서, 마이크로미터-사이즈 이하의 특징을 달성하는데 훨씬 덜 복잡한 구조를 이용한다. 나아가서, 이러한 채널을 갖는 2층 물질이 제공되는데, 이러한 2층은 전기 및 열전도율에 있어서 다른 특성을 가진다. 놀랍게도, 본 발명의 물질은 하이 레벨의 전류 밀도에서 전자의 방출이 이루어진다.The present invention utilizes a much less complex structure for achieving sub-micrometer-sized features in channels of conductive carbon-based materials in a matrix of material-non-conductive carbon-based materials. Furthermore, two layer materials having such channels are provided, which have different properties in electrical and thermal conductivity. Surprisingly, the material of the present invention is capable of emitting electrons at high levels of current density.
도 1a는 기판(103) 상에 2층(101 및 102)을 갖는 탄소-계 벌크 물질을 나타낸다. 탄소-계 물질은 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD)에 의해 기판(103)에 증착된다. 탄소-계 물질의 각층은 적어도 95% 탄소 원자로 구성되며, 잔여분은 증착 시스템 내에 존재하는 다른 원소의 원자로 구성된다. 탄소 외에, 그 물질 내에 존재하는 전형적인 종은, 이들에 제한되는 것은 아니지만, 수소, 질소, 및 산소이다. 탄소 물질의 형성에 이용될 수 있는 증착 기술은, 이들에 제한되는 것은 아니지만, 마이크로웨이브 CVD, 열-필라멘트 CVD, DC 플라즈마 아크 증착, 화염 증착(flame deposition), 음극 아크 증착(cathodic arc deposition), 열분해(thermal decomposition) 및 마그네트론 스퍼터링을 포함한다. 본 발명은 각층에 탄소 채널(105 및 107)을 제공하는데, 이 채널은 각층의 매트릭스 물질(104 및 106) 내에서 1 마이크로미터 이하의 직경을 가진다. 이 채널들은 전자 현미경으로 관찰될 수 없었다. 각층의 매트릭스 물질(104 및 106)은 고 열전도율을 갖도록 형성된다. 매우 얇은 전이층(transition layer)은 층(101)과 층(102) 사이에서 보인다. 전자의 전계 방출은 기판(103)이 제거된 후 표면에 적합한 인가 전계가 존재할 때, 전도성 채널(105) 및 표면(109)의 교차점(intersection)에서 일어난다고 여겨진다.1A shows a carbon-based bulk material having two layers 101 and 102 on a substrate 103. The carbon-based material is deposited on the substrate 103 by chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD). Each layer of carbon-based material consists of at least 95% carbon atoms and the remainder consists of atoms of other elements present in the deposition system. In addition to carbon, typical species present in the material are, but are not limited to, hydrogen, nitrogen, and oxygen. Deposition techniques that can be used to form carbon materials include, but are not limited to, microwave CVD, heat-filament CVD, DC plasma arc deposition, flame deposition, cathodic arc deposition, Thermal decomposition and magnetron sputtering. The present invention provides carbon channels 105 and 107 in each layer, which channels have a diameter of 1 micrometer or less in the matrix material 104 and 106 of each layer. These channels could not be observed under an electron microscope. The matrix materials 104 and 106 of each layer are formed to have high thermal conductivity. A very thin transition layer is visible between layer 101 and 102. The field emission of electrons is believed to occur at the intersection of the conductive channel 105 and the surface 109 when there is a suitable applied field on the surface after the substrate 103 is removed.
층(101) 및 층(102)은 더 전기 전도적인 층(101)을 형성하고 다음에 덜 전도적이고 보다 더 열전도적인 층(102)을 형성하는, 2단계에 의해 증착된다. 층(101 및 102) 보다 더 얇은 전이층(108)은 가스 조성이 층(101)을 성장시키는데 이용되는 높은 탄화수소 함유량에서 층(102)을 성장시키는데 이용되는 낮은 탄화수소 함유량으로 바뀔 때 형성된다. 일반적으로 대략 10 옴스트롱의 두께를 갖는 전이층(108)은 성장 표면 부근의 플라즈마에서 가스 조성이 변화하는 수초 동안 형성된다. 고 전기전도율 물질(105 및 107)의 채널들은 전이층(108)을 가로질러 서로 연결된다고 여겨진다. 보다 전기 전도적인 층(101)은 종래기술에 일반적으로 알려진 바와 같은 단순한 핵생성 층이 아니다. 그 대신에, 더 전기 전도적인 층은 본 발명의 장치에 위한 방출 표면을 제공하며, 이는 도면부호 (109)로 나타낸 표면이다.Layer 101 and 102 are deposited in two steps, forming a more electrically conductive layer 101 and then forming a less conductive and more thermally conductive layer 102. Thinner than layers 101 and 102, transition layer 108 is formed when the gas composition changes from the high hydrocarbon content used to grow layer 101 to the low hydrocarbon content used to grow layer 102. Generally, the transition layer 108 having a thickness of approximately 10 ohms strong is formed for several seconds while the gas composition changes in the plasma near the growth surface. The channels of high conductivity material 105 and 107 are believed to be connected to each other across the transition layer 108. The more electrically conductive layer 101 is not a simple nucleation layer as is generally known in the art. Instead, a more electrically conductive layer provides an emissive surface for the device of the present invention, which is the surface indicated by reference numeral 109.
기판은(103)은, 상술한 층들이 성장되고 전극층이 증착되어 본 발명의 전자 방출 장치를 형성한 후에 제거된다. 기판은 공지의 물리 또는 화학 방법으로 제거될 수 있다. 도 1b는 층(102)의 상면에 배치된 전극(110)을 보여준다. 전극(110)은 탄소-계 층(102)의 표면과 오믹접촉(ohmic contact)이 이루도록 증착되는, 금속 또는 다른 전도성 물질층일 수 있다.The substrate 103 is removed after the above-mentioned layers are grown and the electrode layer is deposited to form the electron emission device of the present invention. The substrate can be removed by known physical or chemical methods. 1B shows the electrode 110 disposed on the top surface of the layer 102. Electrode 110 may be a layer of metal or other conductive material that is deposited to make ohmic contact with the surface of carbon-based layer 102.
본 발명의 탄소-계 물질은 순수 다이아몬드 막의 형성의 경우와 같은, 완전한 sp3혼성 탄소의 형성을 회피하는 고 탄소 함유 증착 기술을 이용한다. 이 공정은 탄소 원자의 잘 구성된 배열을 포함하는 마이크로팁, 섬유(fiber), 위스커(whisker) 또는 다른 어떤 구조를 생성하도록 의도된, 어떠한 탄소 막의 특수한 처리도 이용하지 않는다. 그에 더해, 이 공정은, 탄소 이미터를 생산하는 종래기술에서 보여지는 바와 같은, 다이아몬드 및/또는 다이아몬드성 탄소 구조 내에 특별하게 결함을 생성을 하지 않는다. 이 공정은, 탄소 물질의 벌크를 불규칙하게 통과하는 탄소의 전도성 채널의 생성을 가져오는, 벌크 고체 물질의 형성을 포함한다.The carbon-based material of the present invention utilizes a high carbon containing deposition technique that avoids the formation of complete sp 3 hybrid carbon, such as in the case of the formation of pure diamond films. This process does not make use of any special treatment of the carbon film, which is intended to produce microtips, fibers, whiskers or any other structure containing a well-organized arrangement of carbon atoms. In addition, this process does not particularly create defects in diamond and / or diamondaceous carbon structures, as seen in the prior art of producing carbon emitters. This process involves the formation of a bulk solid material, resulting in the creation of conductive channels of carbon that randomly pass through the bulk of the carbon material.
도 2a는 본 발명의 물질을 형성하는 공정을 나타낸다. 도 2a에서, 공급원료 가스 또는 소정 량의 탄소 원자를 포함하는 가스 조합물(203)이 진공 챔버로 도입되는데, 진공 챔버는 10-5Torr 내지 500 Torr의 압력으로 유지된다. 바람직하게는, 압력이 50 Torr 내지 200 Torr이다. 공급원료 가스는 바람직하게는, 부피비로, 대략 85-90% 수소, 메탄5% 이상에서 대략 메탄13%까지 농도의 메탄 가스, 및 잔량 산소(balance oxygen)의 조합을 포함한다. 제1층인 층(201)을 성장시키기 위해, 메탄 함유량는, 부피비로, 바람직하게는 8% 이상, 가장 바람직하게는 메탄 함유량이 10% 이상이다. 종래 기술에서 전자 방출 탄소 막을 생성하기 위해 이용된 전형적인 공급원료 가스 조성은 대략 5% 이하의 메탄 함유량을 요구한다. 비록 여기에서는 시스템에 탄소 원자를 공급하기 위한 선택 가스로서 메탄이 특정되었지만, 어떠한 탄소-함유 종이라도 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 몇가지의 이들 탄소-함유선구물질(precursor)는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 에탄, 프로판, 아세톤, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올 및 요소(urea)를 포함한다. 각 선구물질에 대해 메탄-등가량의 탄소 원자량이 이용된다. 만일 이 탄소 선구물질이 상온에서 가스가 아니라면, 선구물질은 표준 기술에 의해 가스로 변환될 수 있다. 이어서 가스 또는 가스들(203)은 가스종(204 : gaseous species)을 형성하도록 플라즈마, 열필라멘트 또는 레이저에 의해 에너지가 상승되는데, 가스종에는 탄소-함유 이온 및/또는 탄소 원자가 존재한다. 바람직한 가스 활성 방법은 1kW이상의 전력에서 동작하는 마이크로파 또는 RF플라즈마이다. 그러나 열필라멘트 레이저 또는 기타 기술들이 탄소함유 이온 및/또는 탄소원자들을 남기는 가스종을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이어 고 에너지 종(204)들이 기판(205)에 충돌되고, 기판은 대략 250℃ 내지 1200℃의 온도 범위, 바람직하게는 대략 600℃ 내지 대략 1100℃의 온도 범위로 가열된다. 기판(205)은 Si, Mo, 및 Ti를 포함하는 공지의 탄화물-형성물(carbide-former)인 모든 물질의 군으로부터 선택되어야 한다. 그에 더해, 다이아몬드 분말을 이용한 기판 성장 표면 사전처리가 탄소-계 방출 물질의 성장을 상당히 증대시킨다는 것이 밝혀졌다. 전형적인 기판 사전처리는 메탄올 내의 다이아몬드 분말(10㎛ 직경 입자 사이즈) 현탁액에서 50 W 전력으로 20분 동안 행해지는 기판의 초음파 핵생성을 이용한다. 20분 후, 기판은 핵생성 욕조로부터 제거되고 모든 잔류 다이아몬드 분말들이 세정된다. CVD 다이아몬드의 성장을 위한 이러한 사전처리 및 여러 다른 사전처리는 종래 기술에서 공지이다.2A shows a process for forming a material of the present invention. In FIG. 2A, a feedstock gas or gas combination 203 comprising a predetermined amount of carbon atoms is introduced into a vacuum chamber, which is maintained at a pressure of 10 −5 Torr to 500 Torr. Preferably, the pressure is between 50 Torr and 200 Torr. The feedstock gas preferably comprises a combination of approximately 85-90% hydrogen, methane gas at a concentration of at least 5% methane to approximately 13% methane, and balance oxygen, by volume. In order to grow the layer 201 which is a 1st layer, methane content is volume ratio, Preferably it is 8% or more, Most preferably, methane content is 10% or more. Typical feedstock gas compositions used to produce electron emitting carbon films in the prior art require a methane content of approximately 5% or less. Although methane has been specified here as the gas of choice for supplying carbon atoms to the system, it should be understood that any carbon-containing species may be used. Some of these carbon-containing precursors include, but are not limited to, ethane, propane, acetone, acetylene, methanol, ethanol and urea. Methane-equivalent carbon atoms are used for each precursor. If this carbon precursor is not a gas at room temperature, the precursor can be converted to gas by standard techniques. The gas or gases 203 are then energized by plasma, hot filament or laser to form a gaseous species (204), where the carbon-containing ions and / or carbon atoms are present. Preferred gas activation methods are microwave or RF plasmas operating at powers above 1 kW. However, thermal filament lasers or other techniques can be used to form gas species leaving carbon-containing ions and / or carbon atoms. The high energy species 204 then impinge on the substrate 205 and the substrate is heated to a temperature range of about 250 ° C. to 1200 ° C., preferably about 600 ° C. to about 1100 ° C. Substrate 205 should be selected from the group of all materials that are known carbide-formers, including Si, Mo, and Ti. In addition, it has been found that substrate growth surface pretreatment with diamond powder significantly increases the growth of carbon-based emitters. Typical substrate pretreatment utilizes ultrasonic nucleation of the substrate for 20 minutes at 50 W power in a suspension of diamond powder (10 μm diameter particle size) in methanol. After 20 minutes, the substrate is removed from the nucleation bath and all remaining diamond powders are cleaned. Such pretreatment and several other pretreatments for the growth of CVD diamond are known in the art.
탄소가 풍부한 성장 공정은, 매트릭스 물질(207)을 통과하는 전기 전도성 탄소 채널을 가지는 고 전기전도율의 탄소-계 층(201)을 생성하게 된다. 층(201)은 적어도 0.5 마이크로미터 두께까지 성장되지만, 바람직하게는 대략 10 마이크로미터 이상의 두께까지이다. 층(201)은 1 × 10-1내지 1 × 10-4ohm-cm, 바람직하게는 1 × 10-2내지 1 × 10-3ohm-cm의 전기 비저항을 가져야 한다.The carbon-rich growth process will result in a high conductivity carbon-based layer 201 having electrically conductive carbon channels through the matrix material 207. Layer 201 is grown to at least 0.5 micrometers thick, but is preferably up to a thickness of at least about 10 micrometers. Layer 201 should have an electrical resistivity of 1 × 10 −1 to 1 × 10 −4 ohm-cm, preferably 1 × 10 −2 to 1 × 10 −3 ohm-cm.
층(201)이 성장된 후에, 덜 전기 전도성을 가지지만 여전히 고 열전도율을 갖는 층(202)을 생성하기 위해 증착 조건이 변경된다. 이 층의 성장 동안, 성장 반응에서 탄소 종의 농도는 감소된다. 이 감소는 탄소-함유 공급원료 가스 농도의 감소, 성장 온도의 변경, 또는 반응기 내의 압력의 감소를 포함하는 여러가지 방법에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 이 농도는 공급원료 가스 내에서 탄소 농도를 층(201)을 성장시키는데 사용된 수치의 대략 50 퍼센트까지 줄이므로써 감소된다. 이어서 층(202)은 소정 두께의 층을 형성하기에 충분한 시간 동안 성장된다. 바람직하게는, 층(202)의 두께는 층(201)의 두께의 적어도 열 배이다. 이들 두개 층은 반응기 내에서 탄화수소 농도가 변하는 시간 동안 형성되는 전이층(208)에 의해 격리된다. 고열전도율층(202)은 대략 10-2내지 103ohm-cm, 바람직하게는 대략 10-1내지 10 ohm-cm의 전기 비저항을 가진다. 더 나아가서, 층(202)은 100 W/m-K 이상의 열전도율을 가진다. 이 물질에서 고전류가 얻어지도록 하는 것은 이러한 높은 열전도율층(202)이라고 여겨진다. 종래기술의 장치에서는, 고전류 출력은 작은 영역으로부터의 전자 방출에 의해 야기되는 높은 온도에 기인하여 장치의 고장을 초래한다. 본 발명에서는, 고열전도율층(202)이 활성 층(201)으로부터 줄 열(Joule heat)을 쉽게 제거하므로써, 고전류밀도가 가능하게 한다. 방출층(201)의 성장에 이용되는 탄소 성장 파라미터들은, 고-품질 절연성 다이아몬드막을 성장시키는데 이용되는 전형적인 성장 파라미터를 회피하여야 하며, 그러므로 탄소 농도가 희박하고 수소농도가 부유한 기스를 사용한다. 그리고 열제거층(202)을 성장시키는데 이용되는 성장 파라미터는 전자로 하여금 방출층(201) 내로 흐르게 하도록 하는 적합한 전기 전도율을 제공하여야 한다.After layer 201 is grown, deposition conditions are altered to produce layer 202 having less electrical conductivity but still having high thermal conductivity. During the growth of this layer, the concentration of carbon species in the growth reaction is reduced. This reduction can be accomplished by a variety of methods including reducing the carbon-containing feedstock gas concentration, changing the growth temperature, or decreasing the pressure in the reactor. Preferably, this concentration is reduced by reducing the carbon concentration in the feedstock gas to approximately 50 percent of the value used to grow layer 201. Layer 202 is then grown for a time sufficient to form a layer of desired thickness. Preferably, the thickness of layer 202 is at least ten times the thickness of layer 201. These two layers are segregated by the transition layer 208 which is formed during the varying hydrocarbon concentration in the reactor. The high thermal conductivity layer 202 has an electrical resistivity of approximately 10 −2 to 10 3 ohm-cm, preferably approximately 10 −1 to 10 ohm-cm. Furthermore, layer 202 has a thermal conductivity of at least 100 W / mK. It is believed that this high thermal conductivity layer 202 allows high current to be obtained in this material. In prior art devices, the high current output causes the device to fail due to the high temperature caused by the electron emission from a small area. In the present invention, the high thermal conductivity layer 202 easily removes Joule heat from the active layer 201, thereby enabling high current density. The carbon growth parameters used for the growth of the emissive layer 201 should avoid the typical growth parameters used to grow the high-quality insulating diamond film, and therefore use a gas with a low carbon concentration and a rich hydrogen concentration. And the growth parameters used to grow the heat removal layer 202 should provide a suitable electrical conductivity that allows electrons to flow into the emissive layer 201.
기판(205)은 전술한 바와 같이 제거되고, 전극은 도 1b를 참조하여 설명한 바와 같이 도포된다. 층들의 두께는 기판 물질이 제거된 후에 이 물질이 몸체로서 취급되기에 충분한 강도를 제공한다. 이 물질의 두꺼운 두께 때문에, 긴 성장 시간이 필요할 수 있다. 예를 들어, 10 마이크로미터/시간의 성장 속도에서 하루 이상의 성장 시간이 2-층 웨이퍼 또는 탄소-계 물질을 성장시키기는데 필요할 수 있다. 큰 사이즈의 기판이 본 발명의 물질의 큰 웨이퍼를 형성하기 위해 이용될 수 있으며, 이어 기판에 제거되고, 전극이 보다 두꺼운 표면에 부착되며, 이어 소망하는 이미터 사이즈로 절단된다.The substrate 205 is removed as described above, and the electrode is applied as described with reference to FIG. 1B. The thickness of the layers provides sufficient strength for the material to be treated as a body after the substrate material has been removed. Because of the thick thickness of this material, long growth times may be required. For example, a growth time of more than one day at a growth rate of 10 micrometers / hour may be required to grow a two-layer wafer or carbon-based material. Larger size substrates can be used to form large wafers of the material of the present invention, which are then removed from the substrate, the electrodes are attached to thicker surfaces, and then cut to the desired emitter size.
층(201)의 탄소-계 물질은 주로 다이아몬드 및/또는 다이몬드성 탄소(95-99% sp3탄소)으로 구성되고 따라서 본 발명이 보다 큰 전자 방출 특성, 이를테면 보다 긴 수명, 보다 높은 방출 안정성, 및 주어진 인가 전계에서 더 높은 전류밀도를 가진다는 것이 밝혀졌다. 본 설명에 속박되는 것을 원하지는 않지만, 층(201)이 주로다이아몬드 및/또는 다이아몬드성 탄소으로 구성된다면, 매우 높은 열전도율의 벌크물질(207)이, 장치가 종래기술의 전계 방출 물질보다 높은 전류 밀도에서, 보다 더 안정성을 가지고, 더 긴 시간 주기에 걸쳐서 작동될 수 있도록 하는, 속도로 탄소 채널(206)로부터 열을 전도 발산한다고 믿는다. 층(202)이 층(201)으로부터 열을 전도 발산하는 역할을 한다.The carbon-based material of layer 201 consists mainly of diamond and / or diamondoid carbon (95-99% sp 3 carbon) and thus the present invention provides for greater electron emission characteristics, such as longer lifetime, higher emission stability, And higher current density at a given applied field. While not wishing to be bound by this description, if layer 201 consists primarily of diamond and / or diamondaceous carbon, a very high thermal conductivity bulk material 207 may result in a device having a higher current density than prior art field emission materials. Is believed to conduct heat away from the carbon channel 206 at a rate that allows it to be more stable and operate over longer periods of time. Layer 202 serves to conduct heat away from layer 201.
도 1b를 참조하여, 전자의 전계 방출은 적절한 전계가 표면(109)에 위치할 때 그 표면(109)으로부터 발생한다는 것이 밝혀졌다. 전형적인 임계 전계(1 ㎂ 이상의 방출 전류를 낳는 전계)는 대략 10 V/㎛이다. 적절한 접지 접촉이 방출표면의 맞은편 표면으로 이루어져야 한다. 100 A/cm2이상의 전류 밀도는 100 V/마이크로미터 이하의 인가 전계에서 본 발명의 장치로부터 얻어진다.Referring to FIG. 1B, it was found that the field emission of electrons originates from the surface 109 when a suitable electric field is located on the surface 109. Typical critical fields (fields resulting in emission currents of 1 mA or more) are approximately 10 V / μm. Proper ground contact shall be made on the surface opposite the emitting surface. Current densities of 100 A / cm 2 or greater are obtained from the device of the present invention at an applied electric field of 100 V / micrometer or less.
도 2b는 기판(209)가 성장 공정 전에 구조화되었다는 것을 제외하고, 도 2a와 동일한 공정을 나타낸다. 기판은 그 표면에 다양한 방식으로 형성된 구조를 가질 수 있다. 하나의 방법은 기판 내에 흠(pit)들을 형성하는, 실리콘의 이방성 식각(anisotropic etch)에 의한 것이다. 이어 이 흠들은 기판이 제거된 후에 탄소-계 몸체인 층(201) 내의 돌출부들이 된다. 표면을 구조화하는 다른 수단은, 층(201)의 성장 전에 기판에 대한, 다이아몬드 가루(dust)를 이용한 연마, 레이저빔 또는 이온 충격(ion bombardment)를 포함한다. 탄소-계 몸체의 표면은 몸체의 성장 후에 기판(209)의 표면 형상을 취한다. 기판(209)의 제거 후에, 직조된 탄소-계 몸체의 표면은 전자 방출 동안의 소정 레벨의 전류 밀도를 얻기 위해 전계 요구조건을 저하시키는데 이용될 수 있다. 층(202)의 반대 표면은 도 1b에서 설명된 바와 같이 금속된다.FIG. 2B shows the same process as FIG. 2A, except that the substrate 209 was structured before the growth process. The substrate may have a structure formed on its surface in various ways. One method is by anisotropic etch of silicon, which forms pit in the substrate. These blemishes then become protrusions in layer 201 that is the carbon-based body after the substrate is removed. Other means of structuring the surface include polishing with a diamond dust, laser beam or ion bombardment on the substrate prior to growth of layer 201. The surface of the carbon-based body takes the surface shape of the substrate 209 after growth of the body. After removal of the substrate 209, the surface of the woven carbon-based body can be used to lower the electric field requirements to obtain a certain level of current density during electron emission. The opposite surface of layer 202 is metal as described in FIG. 1B.
본 발명의 물질은 고-전력 고-주파 출력을 요구하는 다양한 응용에서 효용을 가지며, 냉음극(cold cathode)에 이로울 것이다. 본 발명의 물질은 방사(radiation) 효과에 영향을 받지 않고 섭씨(Celsius) 수백도의 온도 범위에서 작동할 수 있다. 본 발명의 물질의 몇가지 응용은 전자총, RF와 마이크로웨이브 증폭기 및 마이크로웨이브 소스이다.The materials of the present invention have utility in a variety of applications requiring high-power high-frequency output and would be beneficial for cold cathodes. The materials of the present invention can operate in a temperature range of hundreds of degrees Celsius without being affected by radiation effects. Some applications of the materials of the present invention are electron guns, RF and microwave amplifiers, and microwave sources.
도 3a를 참조하여, 본 발명의 물질이 전자총(306)에서 보여진다. 본 발명의 2-층 탄소-계 전자 이미터의 방출층(301)은, 제1 절연층(303a), 전자추출전극층(304), 제2절연층(302b) 및 포커싱(focusing) 전극층(305)에 의해 순차적으로 덮혀진다. 오믹접촉(307)이 전자총에 전자를 공급하는 고열전도율층(302)에 형성된다. 절연층에 적합한 물질로는 실리콘산화막(silicon dioxide) 또는 다른 절연물질이고, 금속 또는 다른 전도성 물질은 전극에 접합하다. 다중 절연 및 전극 층들을 제조하는 방법과 그 층들에 개구부를 생성하는 방법은 반도체 제조 분야에서 기존에 이용되는 것들이다. 다층 웨이퍼를 개별 전자총으로 절단(sawing)이나 또는 다른 분할을 하기 전에 단일 탄소 웨이퍼 상에 다수의 전자총을 생성하는 것이 바람직하다. 전형적인 전자총은 층에 직경 1 내지 5 마이크로미터를 가지는 개구부들을 포함하고 이 개구부들은 대략 10 마이크로미터 내지 대략 20 마이크로미터 범위의 피치(개구부의 중심 사이의 거리)를 가진다. 피치는 직경에 비해 약간 클 수 있지만, 계산 및 결과는 피치가 개구부 직경의 적어도 약2 배여야 한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 전자총은 100 × 100 개구부 배열, 또는 10,000 개구부 내에 10 마이크로미터 피치를 갖는 1 마이크로미터의 개구부를 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 단일 2-인치 직경 또는 그 보다 큰 탄소 웨이퍼 상에 수천개의 전자총이 제조될 수 있다.Referring to FIG. 3A, the material of the present invention is shown in an electron gun 306. The emission layer 301 of the two-layer carbon-based electron emitter of the present invention includes a first insulating layer 303a, an electron extraction electrode layer 304, a second insulating layer 302b, and a focusing electrode layer 305. ) Are covered sequentially. An ohmic contact 307 is formed in the high thermal conductivity layer 302 for supplying electrons to the electron gun. Suitable materials for the insulating layer are silicon dioxide or other insulating material, and the metal or other conductive material is bonded to the electrode. Methods of making multiple insulation and electrode layers and creating openings in the layers are those conventionally used in the field of semiconductor manufacturing. It is desirable to create multiple electron guns on a single carbon wafer before sawing or otherwise splitting the multilayer wafer into individual electron guns. A typical electron gun includes openings having a diameter of 1 to 5 micrometers in the layer and these openings have a pitch (distance between the center of the opening) in the range of about 10 micrometers to about 20 micrometers. The pitch may be slightly larger than the diameter, but calculations and results indicate that the pitch should be at least about twice the diameter of the opening. For example, the electron gun may comprise an array of 100 × 100 openings, or an opening of 1 micrometer with a 10 micrometer pitch in 10,000 openings. Nevertheless, thousands of electron guns can be fabricated on a single 2-inch diameter or larger carbon wafer.
도 3b는 음극선관(CRT) 내의 도3a의 전자총을 보여준다. 도 3b를 참조하여, 전자총(305)은 CRT의 전기 연결 베이스(312)에 장착된다. 전자총(305)은 적합한 전력이 장치에 인가될 때 전자빔(307)을 발생한다. 이 빔은 CRT 외부에 위치된 자기 굴절 코일(308)에 의해 조종되어 이미지(311)를 생성하는 인광스크린(310)을 충돌하도록 향해진다. 본 발명의 전자총은 본 발명의 탄소-계 이미터의 고출력 전류밀도 및 전자총의 작은 사이즈 때문에 특히 강점이 있다. CRT는 이를테면 텔레비젼 수상기 및 컴퓨터 모니터 내의 CRT일 수 있다. 더 나아가서, 전자총은 많은 과학 장비 이를테면 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 및 오거 전자 분광계(Auger electron spectrometer)에 이용될 수 있다. 본 발명의 물질을 포함하는 전자총은 종래기술의 전자총 보다 더 높은 휘도(brightness), 더 작은 스폿(spot) 사이즈 및 더 높은 작동 주파수를 가질 것이다. 이러한 진전은 보다 밝고, 보다 해상도가 높은 CRT를 가능하게 한다. 적정한 전계가 인가되는 즉시 탄소-계 냉음극은 전자를 방출하고, 그에 따라 그를 사용하는 CRT는 즉각 켜진다. 열이온(thermionic) 전자총을 이용하는 종래기술의 CRT는, 필라멘트 또는 다른 열이온 전자 이미터를 통해 지속적으로 전류를 인입하지 않는다면, 상당한 승온 시간을 요구한다. 전자총에 본 발명의 탄소-계 이미터를 이용하는 다른 이점들은: 보다긴 총의 수명, 전자빔의 보다 높은 안정성 및 보다 저렴한 제작비이다.3B shows the electron gun of FIG. 3A in a cathode ray tube (CRT). Referring to FIG. 3B, the electron gun 305 is mounted to the electrical connection base 312 of the CRT. Electron gun 305 generates electron beam 307 when suitable power is applied to the device. This beam is directed by the magnetic refracting coil 308 located outside the CRT to impinge the phosphor screen 310 which produces the image 311. The electron gun of the present invention is particularly advantageous because of the high output current density of the carbon-based emitter of the present invention and the small size of the electron gun. The CRT can be, for example, a CRT in a television receiver and a computer monitor. Furthermore, electron guns can be used in many scientific instruments such as scanning electron microscopes and Auger electron spectrometers. Electron guns comprising the materials of the present invention will have higher brightness, smaller spot size and higher operating frequency than prior art electron guns. This progress allows for brighter, higher resolution CRTs. As soon as a suitable electric field is applied, the carbon-based cold cathode emits electrons, so that the CRT using it is turned on immediately. Prior art CRTs using thermoionic electron guns require significant elevated temperature times unless they continuously draw current through a filament or other thermal ion electron emitter. Other advantages of using the carbon-based emitter of the present invention in an electron gun are: longer gun life, higher stability of the electron beam and lower manufacturing costs.
본 발명의 물질의 고전류 특성은 또한 RF 및 마이크로웨이브 증폭기에서의 이점을 입증한다. 증폭기는 보다 작고, 가벼운 패기지에서도 보다 큰 증폭 전력을 나타낼 것이다. 본 발명의 물질을 채용하는 고주파 증폭기의 도면이 도 4에 도시된다. 이 증폭기에서, 절연 베이스(401)은 베이스(401)에 증착된 또는 부착된 금속 또는 다른 전도성 물질로 구성된 전도성 접지 평면(405 : ground plane)을 가진다. 개별 독립체로서, 냉음극 이미터는 본 발명의 탄소 베이스 이미터(402)를 제조하고, 이미터(402)에 절연층(403)을 증착하고, 마지막으로 절연층(403) 상에 전도성 게이트층(404)을 증착하므로써 형성된다. 이어 표준 반도체 제조 기술을 이용하여 마이크로미터-사이즈의 홀(406)들이 게이트층 및 절연층들에 개구된다. 이러한 냉음극의 제조 방법은 전술한 전자총의 제조 방법과 유사하다. 게이트된 냉음극(402/403/404/406)은 전도성 에폭시와 같은 전기적 전도성 접착제에 의해 접지 평면(405)에 부착되고 전자를 수집하기 위해 양극(407)이 베이스 어셈블리로부터 소정거리 이격되어 배치된다. 장치가 사용중일 때, 제어 신호가 접지 평면(405)과 음냉극 게이트(404) 사이에 놓여지고 증폭된 신호가 접지평면(405)과 양극(407) 사이에서 발생된다.The high current properties of the materials of the present invention also demonstrate the advantages in RF and microwave amplifiers. The amplifier will show greater amplification power even in smaller, lighter packages. A diagram of a high frequency amplifier employing the material of the present invention is shown in FIG. In this amplifier, the insulating base 401 has a conductive ground plane 405 composed of a metal or other conductive material deposited or attached to the base 401. As a separate entity, the cold cathode emitter fabricates the carbon base emitter 402 of the present invention, deposits an insulating layer 403 on the emitter 402, and finally a conductive gate layer on the insulating layer 403. It is formed by depositing 404. The micrometer-sized holes 406 are then opened in the gate layer and the insulating layers using standard semiconductor fabrication techniques. The manufacturing method of such a cold cathode is similar to the manufacturing method of the electron gun mentioned above. The gated cold cathode 402/403/404/406 is attached to the ground plane 405 by an electrically conductive adhesive, such as a conductive epoxy, with the anode 407 spaced a predetermined distance from the base assembly to collect electrons. . When the device is in use, a control signal is placed between ground plane 405 and negative cold cathode gate 404 and an amplified signal is generated between ground plane 405 and anode 407.
도 5는 본 발명의 전자총을 포함하는, 표준 마이크로웨이브 발생장치인 진행파관(TWT)을 나타낸다. 이 장치에서는, 전자들이 이미터 베이스(507)에 대해 신호 전극(502)를 통하여 RF 여기 전위를 제공하므로써 본 발명의 탄소-계 이미터로부터 추출되는데, 이미터 베이스는 전극(502)에 대해 DC-바이어스되어 있다. 방출된 전자들이 전극(502)에 입력된 신호의 구동 주파수에서 펄스 빔(503) 내에서 생성된다. 펄스 빔(503)은 고전압에 의해 가속되고 헬릭스(504)를 통해 빔덤프(505: beam dump)로 포커스된다. 펄스 빔(503)은 헬릭스(504)와 유도 결합(inductively couple)하여, 출력 전극(506)에서 증폭된 출력 신호(RF 전력)을 생성한다. 이 장치는 엔벨로프(508)로 둘러싸여진다. 본 발명의 탄소-계 전자 소스를 이용하는 TWT의 이점은 뛰어난 효율 및 고전력-대-중량 비(higher power-to-weight ratios)를 포함한다.5 shows a traveling waveguide (TWT), which is a standard microwave generator, including the electron gun of the present invention. In this device, electrons are extracted from the carbon-based emitter of the present invention by providing an RF excitation potential via the signal electrode 502 to the emitter base 507, which emits a DC to the electrode 502. -It is biased. Emitted electrons are generated in the pulse beam 503 at the drive frequency of the signal input to the electrode 502. The pulsed beam 503 is accelerated by the high voltage and focused through a helix 504 into a beam dump 505. The pulse beam 503 inductively couples with the helix 504 to generate an amplified output signal (RF power) at the output electrode 506. This device is surrounded by an envelope 508. The advantages of TWT using the carbon-based electron source of the present invention include excellent efficiency and higher power-to-weight ratios.
본 발명의 탄소-계 물질은 다음의 예에 의해 더 상세하게 설명된다. 이 예는 단지 예시를 의도한 것이며 다수의 변형물 및 수정물들은 당업자에게 명백할 것이다.The carbon-based material of the present invention is explained in more detail by the following examples. This example is intended to be illustrative only and many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art.
예 1Example 1
도 2a를 참조하여, 실리콘 기판(205)은 다이아몬드 분말 및 메탄올 현탁액(100 ml. 메탄올 내 0.1 g. 1 ㎛ 다이아몬드 분말)에 담금으로써, 탄소 성장 전에 사전처리되고, 20분 동안 초음파 진동되었다. 메탄올 세정을 이용하여 초음파처리(sonification) 후에 기판(205)에 남겨진 모든 잔류 다이아몬드/메탄올이 제거되었다. 이어 기판(205)은 건 질소(dry nitrogen)로 건조되고 통상의 마이크로웨이브 화학 기상 증착 시스템 내의 수냉 몰르브덴 홀더에 인입되었다. 반응기는 1 mTorr 이하의 압력까지 진공되었다. 87% 수소, 11% 메탄, 및 2% 산소로 구성된 가스 혼합물(203)이 532 sccm 수소, 70 sccm 메탄, 및 9 sccm 산소의 가스유속을 이용하여 반응기 내로 도입되었다. 시스템은 115 Torr의 일정한 압력으로 고정되었다. 마이크로웨이브 플라즈마(204)가 점화되어 5 kW로 유지되었다. 기판(205)이 플라즈마 내로 상승되고 900℃ 내지 1050℃의 증착 온도로 유지되었다. 탄소-계 층(201)이 기판(205) 상에 10 마이크로미터/시간의 증착 속도로 2시간 동안 증착되어, 대략 20 마이크로미터 두께의 물질이 생겼다. 층(201)의 전기 비저항은 대략 1 × 10-2ohm-cm였다. 2 시간 성장 기간의 마지막에, 메탄의 유속은 40 sccm까지 감소되었다. 메탄 농도에 있어 이러한 감소는 방출층(201) 상에 고 열전도율 및 보다 더 전기적 저항성을 갖는 층(202)이 직접적이고 친밀하게 증착되게 하였다. 전도성 탄소 채널이 구조물 속으로 성장하였다고 여겨진다. 고 열전도율 층(202)은 24시간 동안 증착되어, 대략 240 마이크로미터의 두께를 갖게 되었다. 성장 사이클 후에, 기판(205)이 화학 용해에 의해 제거되어, 활성 표면(208)이 노출되었다. 전체적인 독립 탄소-계 몸체는 240 마이크로미터의 측정 두께를 가졌다.Referring to FIG. 2A, the silicon substrate 205 was immersed in diamond powder and methanol suspension (0.1 g. 1 μm diamond powder in 100 ml. Methanol), pretreated before carbon growth, and ultrasonically vibrated for 20 minutes. Methanol cleaning was used to remove all residual diamond / methanol left in the substrate 205 after sonication. Substrate 205 was then dried with dry nitrogen and introduced into a water-cooled molybdenum holder in a conventional microwave chemical vapor deposition system. The reactor was evacuated to a pressure of up to 1 mTorr. A gas mixture 203 consisting of 87% hydrogen, 11% methane, and 2% oxygen was introduced into the reactor using a gas flow rate of 532 sccm hydrogen, 70 sccm methane, and 9 sccm oxygen. The system was fixed at a constant pressure of 115 Torr. The microwave plasma 204 was ignited and maintained at 5 kW. The substrate 205 was raised into the plasma and maintained at a deposition temperature of 900 ° C to 1050 ° C. Carbon-based layer 201 was deposited on substrate 205 at a deposition rate of 10 micrometers / hour for 2 hours, resulting in a material approximately 20 micrometers thick. The electrical resistivity of layer 201 was approximately 1 × 10 −2 ohm-cm. At the end of the two hour growth period, the flow rate of methane was reduced to 40 sccm. This reduction in methane concentration has resulted in a direct and intimate deposition of layer 202 with high thermal conductivity and more electrical resistance on the emissive layer 201. It is believed that the conductive carbon channel grew into the structure. The high thermal conductivity layer 202 was deposited for 24 hours, resulting in a thickness of approximately 240 micrometers. After the growth cycle, the substrate 205 was removed by chemical dissolution to expose the active surface 208. The entire independent carbon-based body had a measurement thickness of 240 micrometers.
장치 테스트를 위해, 도 1b에 도시된 전극(110)이 설치되었고 이 장치는 5 × 10-7Torr의 진공의 테스트 챔버 내에 배치되었다. 방출 표면에서 전계를 발생시키도록 이격된 전극을 방출 표면에 근접(대략 20 마이크로미터)시켰다. 방출 몸체는 54 V/마이크로미터의 인가 전계에서 4 sq 마이크로미터 영역으로부터 30 마이크로앰프 이상의 연속 직류를 생성하였다. 이는 750 A/cm2의 전류밀도이다. 이는 어떠한 공지의 종래기술보다도 훨씬 높은 전류밀도였다.For device testing, the electrode 110 shown in FIG. 1B was installed and placed in a test chamber of vacuum of 5 × 10 −7 Torr. Electrodes spaced apart to generate an electric field at the emitting surface were brought close to the emitting surface (approximately 20 micrometers). The discharge body produced more than 30 microamps of continuous direct current from the 4 sq micrometer region at an applied field of 54 V / micrometer. This is a current density of 750 A / cm 2 . This was a much higher current density than any known prior art.
고 열전도율 층(202)의 이점을 보여주기 위한 비교를 위해, 방출층(201)이 22시간 동안 성장되고 장치에 추가적인 고 열전도율층이 더해지지 않았다는 것을 제외한, 상기와 동일한 공정이 수행되었다. 막은 165 마이크로미터의 측정 두께를 가졌다. 이 막은, 41 V/마이크로미터의 인가 전계에서 과열로 인해 고장되기 전에, 4 sq 마이크로미터 영역에 걸쳐서 단지 2.5 마이크로앰프 전류를 생성하였다. 이는 62.5 A/cm2의 전류밀도였다.For comparison to show the benefits of the high thermal conductivity layer 202, the same process was performed except that the emissive layer 201 was grown for 22 hours and no additional high thermal conductivity layer was added to the device. The membrane had a measurement thickness of 165 micrometers. This film produced only 2.5 microamp currents over the 4 sq micrometer region before failing due to overheating at an applied electric field of 41 V / micrometer. This was a current density of 62.5 A / cm 2 .
본 발명이 상세한 설명을 참조하여 설명되었지만, 그러한 상세한 설명이 첨부도면에 포함된 범위를 설명한 것 외에 본 발명의 범위에 대한 한정을 의도한 것은 아니다.Although the present invention has been described with reference to the detailed description, such detailed description is not intended to limit the scope of the present invention other than the range included in the accompanying drawings.
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