微波真空器件中的微電子技術(shù)
微波真空器件中的微電子技術(shù)
馮進(jìn)軍 李興輝
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所微波電真空器件國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100015)
摘要：基于場(chǎng)致發(fā)射陰極和現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)制作的微波真空電子器件，既可以實(shí)現(xiàn)器件的抗輻射，耐高溫，高頻率，大功率和瞬時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)又能具有小體積，高效率，集成化和低成本，是性能十分理想的新型電子器件。隨著現(xiàn)代微細(xì)加工特別是三維微加工技術(shù)如精密EDM 技術(shù)，DRIE，LIGA 和UV-LIGA 技術(shù)的發(fā)展，使得更高頻段微波甚至太赫茲真空器件慢波互作用結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)成為可能。
真空電子器件頻率的不斷提高，使得微細(xì)加工手段制作的慢波結(jié)構(gòu)尺寸急劇縮小，要求相應(yīng)陰極的發(fā)射電流密度明顯增大到幾十甚至幾百A/cm2。此時(shí)傳統(tǒng)熱陰極應(yīng)用有了很大的困難，而使用場(chǎng)發(fā)射冷陰極作為電子源，有著十分誘人的前景。
本文綜述了場(chǎng)發(fā)射陣列陰極發(fā)明以來(lái)，各種類(lèi)型包括Spindt 陰極，碳納米管和金剛石發(fā)射陣列在國(guó)際上發(fā)展?fàn)顩r，以及將這些陰極作為電子源用于適合微波真空器件的研究嘗試。研究初期，場(chǎng)發(fā)射陰極應(yīng)用主要集中在低頻C 波段和X 波段行波管和速調(diào)管，并且都獲得了功率輸出。
近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，則多集中在高頻段微波器件和太赫茲器件。美國(guó)和歐盟啟動(dòng)了多項(xiàng)相關(guān)計(jì)劃，如美國(guó)針對(duì)220 GHz 器件的HIFIVE 計(jì)劃，針對(duì)340 GHz 器件的SWIFT 計(jì)劃和針對(duì)650 GHz 器件的TIFT 計(jì)劃，以及THzElectronics 計(jì)劃的670,850,1030 GHz，以及歐盟啟動(dòng)的針對(duì)太赫茲驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大器和光學(xué)調(diào)制太赫茲放大器研究的OPTHER 計(jì)劃。這些計(jì)劃中很多方案計(jì)劃采用微加工的場(chǎng)發(fā)射陰極，并且同時(shí)研發(fā)了相關(guān)的高頻互作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工技術(shù)，以及配套的材料技術(shù)。實(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射陰極在微波真空電子器件中應(yīng)用，仍需要在重復(fù)性、可靠性、一致性和電流發(fā)射能力方面進(jìn)一步提升。
Spindt 金屬陣列陰極容易實(shí)現(xiàn)小發(fā)射面積下高電流密度和大電流，前提是源于先進(jìn)的工藝條件和嚴(yán)格的工藝控制，并還要解決可靠性，減少陰柵極擊穿幾率，和耐受電弧傷害能力。碳納米管具有優(yōu)良物理化學(xué)特性和發(fā)射穩(wěn)定性，但實(shí)現(xiàn)柵控、垂直定向、高度一致、密度可控的碳納米管生長(zhǎng)技術(shù)還比較困難，具體表現(xiàn)就是碳納米管場(chǎng)發(fā)射能力不強(qiáng)，陰極發(fā)射電流密度還遠(yuǎn)達(dá)不到器件的要求，與微波真空電子器件要求電子源同時(shí)具有高電流密度和大電流不相符合。實(shí)現(xiàn)微加工的微波真空電子器件，需要解決穩(wěn)定大電流密度陰極和強(qiáng)流電子注聚焦技術(shù)，高頻慢波結(jié)構(gòu)MEMS 加工和高效互作用技術(shù)，以及高效熱控制和高熱容量技術(shù)。
這些問(wèn)題是互相關(guān)聯(lián)的，而陰極問(wèn)題是研究的基礎(chǔ)：W 及以下波段微波真空電子器件應(yīng)用中，熱陰極和傳統(tǒng)加工技術(shù)占主導(dǎo)地位，而且單就發(fā)射電流密度和總電流指標(biāo)而言，由于目前電流密度100 A/cm2熱陰極的實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)發(fā)射陰極也不具優(yōu)勢(shì)。而W 波段以上直至太赫茲頻段真空器件，微小尺寸高頻互作用區(qū)域的加工只能依靠現(xiàn)代MEMS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)制作工藝兼容，并且以小面積下強(qiáng)發(fā)射為特點(diǎn)的場(chǎng)發(fā)射陰極更具潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
本文還簡(jiǎn)要介紹了中電集團(tuán)十二所微波電真空器件國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在高頻段微波真空器件，如94 GHz 行波管，220 GHz 和340 GHz 的返波振蕩器，560 GHz正反饋振蕩器的整管設(shè)計(jì)和工藝研究情況，以及整管相關(guān)技術(shù)如場(chǎng)發(fā)射冷陰極技術(shù)，DRIE和UV LIGA 方法制作折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)技術(shù)，MPCVD 方法制作金剛石輸能窗片技術(shù)等。
