Микроэлектроника, 2022, T. 51, № 2, стр. 95-100

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время общепризнано, что освоение диапазона электромагнитных волн между микроволновым и инфракрасным (100 ГГц и выше) является ключевой проблемой электроники. Источники когерентного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона имеют широкие перспективы применения в таких областях, как безопасность и противодействие терроризму (дистанционное обнаружение взрывчатых веществ), беспроводные информационно-коммуникационные системы высокоскоростной передачи данных, радиоастрономия, спектроскопия, медицина и пр. Имеются различные подходы к освоению ТГц диапазона, например, с помощью приборов твердотельной или квантовой электроники. Однако, не вызывает сомнений, что для достижения уровней мощности порядка десятков ватт и выше оптимальными являются электровакуумные приборы (ЭВП). Компактные источники ТГц диапазона такой мощности могут быть реализованы на основе миниатюрных аналогов “классических” приборов вакуумной СВЧ электроники: ламп бегущей и обратной волны.

Основная проблема при создании относительно мощных источников когерентного ТГц излучения заключается в необходимости получения электронных пучков со сверхвысокими плотностями тока, что в немалой степени, кроме увеличения мощности, обусловлено уменьшением размеров приборов. Наряду с традиционным повышением рабочей частоты, мощности и обеспечением мгновенного времени готовности систем навигации и космической связи, ставятся задачи по увеличению их надежности и срока службы в десятки и сотни тысяч часов [1]. Как показывает практика, надежность и долговечность, а также стабильность электрических характеристик ЭВП в значительной степени определяются эмиссионной надежностью и долговечностью катодов. В настоящее время, в большинстве производимых в мире ЭВП, в том числе СВЧ диапазона длин волн, нашли применение термоэмиссионные металлопористые катоды (МПК).

Одним из основных требований, предъявляемых к современным МПК ЭВП, особенно со стороны миниатюрных ламп бегущей волны (ЛБВ) мм- и ТГц диапазонов, является повышение плотности отбираемого тока, которое достигается увеличением рабочей температуры. Увеличение температуры МПК влечет за собой повышение скорости испарения активного вещества. Вследствие повышения скорости испарения активного вещества и его ограниченного запаса при уменьшающихся габаритных размерах ЭВП, обусловленных требованиями заданных диапазонов длин волн, долговечность работы МПК не достаточно высока. К другим недостаткам термокатодов относятся большое время готовности и недостаточно высокая предельная плотность токоотбора, которая находится на уровне не более десятков А/см².

Перспективным направлением миниатюризации приборов ТГц диапазона является замена термоэмиссионных катодов на полевые катоды. Преимущества последних хорошо известны [2, 3]. Одним из наиболее перспективных материалов для создания подобного типа устройств являются наноуглеродные пленочные структуры [4–6]. Показано, что выбором режимов конденсации алмазографитовых нанокомпозитов в неравновесной микроволновой плазме паров этанола низкого давления получено снижение порога полевой эмиссии электронов с 15–17 до 4–6 В/мкм и увеличение плотности автоэмиссионного тока в импульсах микросекундной длительности свыше 100 А/см² [7]. Такие характеристики полевых источников электронов удовлетворяют практически всем современным требованиям, предъявляемым к ЭВП СВЧ и субтерагерцового диапазонов. Ключевые вопросы, сдерживающие их промышленное применение, связаны с долговременной устойчивостью и воспроизводимостью эмиссионных характеристик в течение необходимых для ЭВП сроков службы.

Целью работы являлось исследование долговременной стабильности эмиссионных характеристик сильноточных полевых источников электронов на основе композитных наноуглеродных пленочных покрытий с уровнем плотности автоэмиссионного тока не менее 100 А/см² в нестационарных температурно-вакуумных условиях эксплуатации.

2. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве автоэмиссионных катодов использовались алмазографитовые плёночные структуры толщиной около 100 нм, осажденные на поликоровые пластины в микроволновой плазме паров этанола по методике, изложенной в [7]. Эмитирующей частью катодов были торцы алмазогафитовой плёнки, на расстоянии 7 мм от которых напылялся металлический контакт с прикладываемым катодным потенциалом (рис. 1).

Рис. 1.

Схематичное изображение планарно-торцевого наноалмазографитового автокатода.

Измерительное диодное устройство обеспечивало равную удаленность точек торца катода относительно анода из молибдена диаметром 5.5 мм. Межэлектродный зазор составлял 40 мкм. Измерения проводились в вакуумной камере при давлении Р = (2–3) × 10^–5 Па с использованием источника питания постоянного напряжения. Измерительная часть установки, кроме источника питания, включала записывающий многоканальный осциллограф, высоковольтный делитель напряжения, а также измерительное сопротивление ПЭВ-100 с номиналом 5.017 кОм для наблюдения за изменениями напряжения и полевого тока. Определение элементного состава поверхностей планарно-торцевых автоэмиссионных структур после электрических испытаний проведено с использованием автоэмиссионного сканирующего микроскоп MIRA 2 LMU производства фирмы Tescan, оснащенный системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350. Чувствительность детектора INCA Energy составляла 133 эВ/10 мм², что позволяет анализировать химические элементы от бериллия до плутония.

После общего обезгаживания измерительного устройства, которое проводилось при прогреве встроенными нагревателями и давлении в вакуумной камере 2 × 10⁵ Па, обезгаживание анода осуществлялось автоэмиссионным током катода около 8 мА. Процесс сильноточного обезгаживания анода сопровождался свечением, интенсивность которого увеличивалась с увеличением напряженности электрического поля и величины автоэмиссионного тока (рис. 2).

Рис. 2.

Свечение торца катода при напряженности поля 35 В/мкм и плотности полевого тока 1090 А/см².

Испытания на долговременную воспроизводимость характеристик катода проводились при циклических изменениях вакуума в диапазоне от 9 × 10⁶ Па при работающем высоковакуумном насосе до 0.1 Па к концу периода, в котором насос находился в выключенном состоянии. Обезгаживание завершалось нагревом анода электронным пучком мощностью свыше 15 Вт в течение 30 мин. Максимальный автоэмиссионный ток достигал величины 12 мА.

На рис. 3 приведены осциллограммы нестабилизированного выходного напряжения источника питания и падения напряжения на измерительном резисторе, при необходимости пересчитываемое в эмиссионный ток, полученные при проведении одного из циклов испытаний. Можно видеть, что полевой ток, как и следовало ожидать согласно Фаулеру и Нордгейму [8], очень чувствителен к нестабильности напряжения источника питания.

Рис. 3.

Осциллограммы выходного напряжения источника питания (внизу) и падения напряжения на измерительном резисторе (вверху) в течение одного из циклов испытаний.

При испытаниях имитировались условия с аварийным отключением питающего напряжения и средств откачки, которые состояли в следующем. После испытаний автокатода при заданном напряжении в течение определенного промежутка времени (от 0.5 до 3 часов в разных циклах) проводился замер ВАХ и отключение источника питания. После остывания измерительного устройства отключались средства откачки, в результате чего давление в камере повышалось до 0.1 Па. Далее цикл испытаний с откачкой, подъемом напряжения, выдержкой при поданном напряжении и измерениями ВАХ повторялся. Всего выполнено 8 циклов испытаний.

На рис. 4 приведены изменения тока эмиссии и напряжения источника питания в течение 8 циклов испытаний с суммарной длительностью свыше 13.5 ч. В эту длительность время отключения источника питания и средств откачки не включалось. Можно видеть, что при фиксированной напряженности поля около 50 В/мкм и циклическом изменении вакуумных условий эксплуатации автокатода полевой ток изменялся в пределах от 6 до 8 мА, что составляет около 25% при средней плотности токоотбора 1.3 × 10³ А/см².

Рис. 4.

Изменения полевого тока (9) и напряженности поля (10) в межэлектродном зазоре в течение 8 циклов долговременных испытаний (1–8 – циклы испытаний).

На рис. 5 приведены ВАХ автокатода, полученные в начале испытаний и после завершения 8 циклов. Можно видеть, что несмотря на неблагоприятные факторы, связанные с периодическими отключениями питающего напряжения и ухудшением вакуума, полевая эмиссионная способность катода за время испытаний имела хорошую воспроизводимость. Об этом свидетельствуют, в частности, линейные зависимости полевых токов от напряженности электрического поля, построенные в координатах Фаулера и Нордгейма в режимах обеспечивающих сверхвысокую плотность тока полевой эмиссии.

Рис. 5.

ВАХ катода, измеренные до (кривая 1) и после 8 циклов испытаний (кривая 2): (а) в линейных координатах; (б) в координатах Фаулера-Нордгейма.

С целью выяснения природы свечения после демонтажа вакуумного измерительного устройства проведены исследования поверхности анода. Изучение элементного состава показало наличие на его поверхности углеродной фазы. Для исследования свойств осажденной на аноде углеродной структуры, катод вновь был установлен в вакуумную камеру и проведен новый цикл испытаний, который полностью воспроизвел полученную ранее ВАХ. С целью исследования эмиссионной способности углеродного слоя, осажденного на анод в процессе сильноточной полевой эмиссии с катода, на анод подавалось отрицательное относительно катода напряжение. При этом в электрической цепи фиксировался ток, значения которого были соизмеримы с ранее полученными токами эмиссии с катода. Однако ток анода не был стабильным. При напряженностях электрического поля свыше 40 В/мкм происходили микропробои, результатом которых являлось падение тока. До возникновения пробоев на ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма присутствует линейный участок. Поэтому эмиссионный ток с анода также имеет автоэмиссионную природу (рис. 6).

Рис. 6.

ВАХ полевой эмиссии с анода: (а) в линейных координатах; (б) в координатах Фаулера-Нордгейма.

После прекращения эмиссии с анода при фиксированном напряжении осуществлялось прямое включение диодной структуры. При измерениях ВАХ было установлено улучшение эмиссионной способности катода. Положительный эффект проявлялся в снижении порога начала полевой эмиссии и повышении крутизны ВАХ, что позволяет получать аналогичные токи при меньших напряженностях электрического поля (рис. 7).

Рис. 7.

Изменение ВАХ автоэмиссионного катода до (1) и после (2) переосаждения эмиссионного материала с анода на катод: (а) в линейных координатах; (б) в координатах Фаулера-Нордгейма.

В работе [7] показано, что алмазографитовые пленочные композиты представляют собой графитовые матрицы с погруженными в них алмазными нанокристаллитами. Поэтому, вероятнее всего, при сильноточной полевой эмиссии распылению подвергается графитовая компонента матрицы. Об этом может свидетельствовать высокая воспроизводимость ВАХ после различных циклов испытаний, которая в предположении автоэмиссии не только с алмазных нанокристаллитов, но и графитовых микровыступов, могла бы претерпевать существенные трансформации. Преимущественное распыление графитовой фазы, находящейся в окружении алмазных нанокристаллитов, обусловлено более низкой теплопроводностью графита и, как следствие, более высокими температурой нагрева и коэффициентом ионного распыления. Распыленные атомы углерода ионизируются в сильном электрическом поле, образуя при рекомбинации в потоке полевых электронов светящиеся вакуумно-плазменные катодные факелы, вершинами которых являются преимущественно наноалмазные эмиссионные центры [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой долговременной воспроизводимости эмиссионных характеристик сильноточных полевых источников электронов на основе алмазографитовых пленочных структур.

Впервые установлен эффект качественного изменения углеродной структуры с восстановлением исходной эмиссионной способности полевого катода после переосаждения на него с анода распыленного материала, которое может быть реализовано изменением полярности напряжения в межэлектродном зазоре. Обнаруженный эффект может быть использован как для создания автоэмиссионного катода с улучшенными эмиссионными характеристиками, так и для восстановления его эмиссионной способности при долговременной работе в составе ЭВП.

Результаты могут быть использованы для прогнозирования сроков службы полевых алмазографитовых источников электронов при эксплуатации в заданных силовых токовых режимах с возможным возникновением нестационарных температурно-вакуумных условий.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 16-19-10033) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-38-90216).