Schnell, Jean-philippe (4 Passage De La Visitation, Paris, Paris, F-75007, FR)
Legagneux, Pierre (4 Rue Blaise Pascal, Le Mesnil Saint Denis, Le Mesnil Saint Denis, F-78320, FR)
Gangloff, Laurent (9 Chemin Du Moulon, Gif Sur Yvette, Gif Sur Yvette, F-91190, FR)
Groning, Oliver (Sonnenfeldstrasse 30, Gerlafingen, CH-4563, CH)
Minoux, Eric (2 Rue François Leroux, Orsay, Orsay, F-91400, FR)
Schnell, Jean-philippe (4 Passage De La Visitation, Paris, Paris, F-75007, FR)
Legagneux, Pierre (4 Rue Blaise Pascal, Le Mesnil Saint Denis, Le Mesnil Saint Denis, F-78320, FR)
Gangloff, Laurent (9 Chemin Du Moulon, Gif Sur Yvette, Gif Sur Yvette, F-91190, FR)
Groning, Oliver (Sonnenfeldstrasse 30, Gerlafingen, CH-4563, CH)
| 1. | Dispositif à effet de champ comportant au moins un élément émetteur de courant (11) caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif saturateur de courant, à saturation de vitesse de porteurs de charge (12), connecté en série avec I' élément émetteur. |
| 2. | Dispositif à effet de champ selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif saturateur de courant, à saturation de vitesse de porteurs de charge comprend une couche de matériau semiconducteur faiblement dopé (120). |
| 3. | Dispositif à effet de champ selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de matériau semiconducteur faiblement dopé est insérée entre deux couches de matériaux fortement dopés (121 ,122) . |
| 4. | Dispositif à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 3 , caractérisé en ce que la couche de matériau semiconducteur faiblement dopé présente une section S et une densité de porteurs n choisis tels que n = Isat sχqχvsat q : étant la charge élémentaire I sat : étant le courant de saturation imposé que le dispositif permet de ne pas dépasser Vsat : étant la vitesse de saturation des porteurs de charge dans la couche de matériau semiconducteur. |
| 5. | Dispositif à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément émetteur comprend au moins une micropointe semiconductrice ou métallique, de forme approximativement conique ou pyramidale ou de type nanofil, ou nanofibre ou nanotube. |
| 6. | Dispositif à effet de champ selon la revendication 5, caractérisé en ce que la micropointe est perpendiculaire au support conducteur . |
| 7. | Dispositif à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étendue de la couche du matériau semiconducteur faiblement dopé, caractérisée par sa longueur I vérifie la relation suivante : ^sat U fc claquage U où : h est la hauteur de l'émetteur. E0 est le champ électrique moyen à appliquer à l'émetteur pour que celuici émette le courant lsat en l'absence de dispositif saturateur de courant. Ei est le champ électrique appliqué à l'émetteur en présence du dispositif saturateur de courant, α est un coefficient prenant des valeurs entre 0 et 1 selon le confinement latéral de l'électrode conductrice supérieure du saturateur et également selon la géométrie de la pointe, εsat est le champ électrique critique correspondant à la saturation de vitesse des porteurs dans le matériau semiconducteur faiblement dopé, εciaquage est le champ électrique de claquage dans le matériau semiconducteur faiblement dopé. |
| 8. | Dispositif à effet de champ, comprenant à la surface d'un substrat (13), un ensemble d'éléments émetteurs (11 ij), caractérisé en ce que chaque élément émetteur est connecté en série avec un dispositif saturateur de courant à saturation de vitesse de porteurs de charges (12ij). |
| 9. | Tube amplificateur comprenant un générateur connecté à une anode et à une cathode caractérisé en ce que la cathode est un dispositif à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 8. |
Le domaine de l'invention est celui des cathodes froides à émission de champ en vue d' applications à l'électronique sous vide : sources d'électrons pour l'instrumentation, tubes à rayons X, écrans plats,... sont particulièrement concernés les amplificateurs hyperfréquences, en vue par exemple d'applications aux télécommunications.
Actuellement, les sources d'électrons des tubes amplificateurs hyperfréquences sont thermoïoniques. Du fait de leur mode de fonctionnement (température ~1000°C), l'émission au niveau de la cathode ne peut être modulée à des fréquences supérieures à quelques GHz. Des sources fonctionnant sur le principe de l'émission par effet de champ (cathodes froides) sont étudiées pour leurs meilleures performances potentielles (modulation de l'émission à hautes fréquences, mise en fonctionnement immédiate de la cathode sans délai de chauffage, compacité des tubes, ...). Ces sources sont à commande purement électrique. Dans les triodes hyperfréquences, par exemple, qui comportent trois électrodes successives : la cathode, la grille et l'anode, on module la tension électrique appliquée entre la cathode et la grille d'extraction, pour moduler le courant d'électrons émis par effet de champ à partir de la cathode. II est ainsi connu d'utiliser des cathodes à pointes qui présentent un facteur d'amplification β très important. Le courant émis dépend du champ appliqué E 0 selon la loi de Fowler-Nordheim /(E 0 ) = α(βE 0 ) 2 eχp , a et
b étant des paramètres qui dépendent notamment du travail de sortie du matériau et de l'aire d'émission. Ce courant augmente de façon exponentielle avec le champ appliqué et le facteur d'amplification. Néanmoins, l'émission d'un courant excessif peut altérer de façon irréversible la pointe. De plus, dans le cas d'un réseau d'émetteurs, une inhomogénéité en facteur d'amplification se traduit par de grandes inhomogénéités sur le courant émis
par chaque pointe (une variation de 15% sur β induit une variation de 100% sur le courant émis).
Pour résoudre ces problèmes (dégradation de l'émetteur individuel, inhomogénéité dans un réseau), il est connu et notamment dans les réseaux d'émetteurs destinés aux prototypes d'écrans plats, d'associer à chaque émetteur d'électrons par effet de champ, une résistance série qu'on peut aussi appeler résistance ballast (U. S. patent No 4,940,916), dans le but d'empêcher les meilleurs émetteurs d'émettre un courant excessif et destructeur et par là même d'homogénéiser l'émission d'un ensemble d'émetteurs. Selon l'art antérieur, une résistance ballast est généralement constitué d'un matériau résistif (par exemple silicium amorphe ou polycristallin) disposant de deux contacts ohmiques à ses extrémités. Les porteurs se déplacent à une vitesse sensiblement proportionnelle au champ ε auquel ils sont soumis sur l'ensemble du domaine de fonctionnement (loi d'Ohm).
Il est également connu d'associer un transistor à effet de champ fonctionnant en régime de saturation de courant (U. S. Patent No 5,359,256). Selon l'art antérieur, un saturateur de courant est généralement constitué d'un transistor à effet de champ dont le courant de saturation dépend de la tension de grille. Le mécanisme de saturation découle du pincement du canal du transistor au voisinage du drain.
L'utilisation d'une résistance ballast pose un problème dans le cas d'une utilisation pour applications hautes fréquences. En effet, si on limite l'émission à un courant l max , alors la transconductance dl/dV de la cathode (V étant la tension appliquée sur la contre-électrode) se dégrade rapidement à partir de courants très inférieurs à l max .
La technologie de réalisation d'un saturateur de courant (avec un transistor à effet de champ) est une opération relativement complexe et peut ne pas être compatible avec la réalisation de certains émetteurs électroniques.
Pour résoudre ce problème de courants trop élevés sur un émetteur ou le problème d'homogénéisation au sein d'un ensemble d'émetteurs à la surface d'un substrat, la présente invention propose de monter en série dans
une cathode, un émetteur d'électrons avec un élément dit saturateur de courant à saturation de vitesse des porteurs, se distinguant d'une résistance ballast de l'art antérieur et d'un saturateur de courant de l'art antérieur, tel que ceux-ci sont décrits précédemment. Un dispositif saturateur selon l'invention présente une résistance relativement faible pour de faibles champs électriques appliqués et une saturation de courant lorsque le champ dépasse une valeur seuil (ε sat )- Ce dispositif saturateur est une diode (on entend par diode un dispositif à 2 terminaux), constituée d'une couche semi-conductrice faiblement dopée. Avantageusement, cette couche est munie à ses extrémités de couches sur-dopées pour assurer un bon contact électrique avec les autres éléments de la cathode. Cette couche présente un régime de mobilité des porteurs pour des champs électriques relativement faibles Qusqu'à quelques 10 3 V/cm pour le silicium faiblement dopé par exemple) et un régime de saturation de vitesse des porteurs (v sat ~10 7 cm.s "1 ) pour des champs plus importants (quelques 10 4 V/cm pour le silicium faiblement dopé). Le champ critique ε sa t est d'autant plus bas que la mobilité est grande (ε S at=v S at/μ)-
La figure 1 illustre un tel comportement représentant la vitesse des porteurs de charges (les traits pleins sont relatifs aux électrons, les traits pointillés sont relatifs aux trous) en fonction du champ électrique appliqué et ce pour différents matériaux (courbes A et A pour le silicium, courbes B et B' pour le germanium et courbe C pour le GaAs).
Sur ces courbes, il apparaît un premier régime, dans lequel la vitesse des porteurs varie linéairement avec le champ électrique, puis au delà d'une certaine valeur de champ ε sat , cette vitesse atteint un palier correspondant à ε < ε ^ v = με une vitesse dite de saturation des porteurs ε > ε. v = v o
Ce phénomène est notamment décrit dans les publications_de C.
Jacoboni, C. Canali, G. Ottaviani, and A. A. Quaranta, "A review of some charge transport properties of silicon", SoNd State Electron., 20, 77 (1977) et de P. Smith, M. Inoue, and J. Frey, "Electron velocity in Si and GaAs at very high electric fields", Appl. Phys. Lett., 37, 797 (1980).
La densité de courant est donnée par J = nqv où n est la concentration de porteurs (cm 3 ), q la charge élémentaire (C) et v la vitesse
des porteurs (cm.s 1 ). Pour des champs électriques faibles, la vitesse des porteurs est proportionnelle au champ et on a v = με où ε est le champ électrique (V.cm "1 ) et μ la mobilité (cm 2 .V "1 .s "1 ). On est en régime de mobilité
(loi d'Ohm, U = RI). Pour des champs électriques plus élevés, on observe une saturation de la vitesse des porteurs et dans ce cas J = J sat = nqv sat .
Pour le silicium (faiblement dopé), on voit sur la figure 1 que pour des champs supérieurs à 30kV.cm "1 , on passe dans ce régime de saturation avec v S at=10 7 cm.s "1 .
En associant un dispositif saturateur de courant avec une pointe à émission de champ, on peut limiter ainsi le courant émis par la pointe à une valeur choisie pour ne pas la dégrader / = I sat < I dégradahon . Même si on applique des champs électriques supérieurs à celui nécessaire pour obtenir ce courant, l'émetteur sera bridé à cette valeur.
De même, dans le cas d'un réseau, on pourra appliquer des champs suffisamment intenses pour que toutes les pointes émettent un fort courant sans dégrader les émetteurs possédant un plus fort facteur d'amplification. L'avantage de la présente invention par rapport au dispositif de résistance ballast est que l'on va conserver une transconductance élevée jusqu'à de fortes valeurs de courant puisque le dispositif présente une résistance faible jusqu'à un courant très proche du courant de saturation
(U).
L'idée de la présente invention est donc d'associer à une pointe à émission de champ un dispositif saturateur de courant à saturation de vitesse de porteurs de charges.
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif à effet de champ comportant au moins un élément émetteur à la surface caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un dispositif saturateur de courant, à saturation de vitesse de porteurs de charges, connecté en série avec l'élément émetteur .
Avantageusement le dispositif saturateur de vitesse de porteurs de charge comprend une couche de matériau semi-conducteur faiblement dopé.
Cette couche de matériau semi-conducteur faiblement dopé peut présenter une section S et une densité de porteurs n choisis tels que n = ^ . sχqχv sat q : étant la charge élémentaire I sat : étant le courant de saturation imposé que le dispositif permet de ne pas dépasser.
V Sat : étant la vitesse de saturation des porteurs de charge dans la couche de matériau semi-conducteur
Cette couche de matériau semi-conducteur faiblement dopé peut être insérée entre deux couches de matériaux fortement dopés pour assurer un bon contact électrique avec les autres éléments du dispositif à effet de champ.
Selon une variante de l'invention, l'élément émetteur comprend au moins une micropointe semi-conductrice ou métallique, de forme approximativement conique ou pyramidale ou de type nanofil, ou nanofibre ou nanotube.
Avantageusement la micropointe peut être perpendiculaire au support conducteur .
Avantageusement l'étendue de la couche de matériau semiconducteur faiblement dopé, caractérisée par sa longueur I , peut vérifier la relation suivante :
fc sat U fc claquage U
OÙ
E 0 est le champ électrique moyen à appliquer à l'émetteur pour que celui-ci émette un courant l sat en l'absence de dispositif saturateur de courant, l sat étant la valeur du courant d'émission maximal qu'on ne veut pas dépasser, Ei est le champ électrique appliqué à l'émetteur en présence du dispositif saturateur de courant, h est la hauteur de l'émetteur,
α est un coefficient prenant des valeurs entre 0 et 1 selon le confinement latéral de l'électrode conductrice supérieure du saturateur et également selon la géométrie de la pointe, ε sat est le champ critique de saturation de vitesse des porteurs dans le matériau semiconducteur faiblement dopé, ε c i a qu a g e est le champ de claquage dans le matériau semiconducteur faiblement dopé.
Avantageusement l'élément émetteur peut être réalisé avec un matériau conducteur ou semi-conducteur (par exemple de molybdène, Si, C, BN 1 ... composés semi-conducteurs ou alliages...). Avantageusement, l'élément émetteur sera de forme approximativement pyramidale, conique ou cylindrique et sera plein (exemple : nanofil métallique) ou creux (exemple : nanotube/nanofibre de carbone).
L'invention a aussi pour objet un dispositif à effet de champ comprenant à la surface d'un substrat, un ensemble d'éléments émetteurs , caractérisé en ce que chaque élément émetteur est connecté en série avec un dispositif saturateur de courant à saturation de vitesse de porteurs de charges .
L'invention a aussi pour objet un tube amplificateur comprenant un générateur connecté à une anode et à une cathode caractérisé en ce que la cathode est un dispositif à effet de champ selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre l'évolution de la vitesse des porteurs de charges en fonction du champ électrique appliqué dans différents matériaux semiconducteurs,
- la figure 2 schématise une micropointe associée à un dispositif saturateur de courant,
- la figure 3 schématise une micropointe associée à un dispositif saturateur de courant sur un support conducteur,
- la figure 4 schématise une cathode à effet de champ constituée de N pointes associées à des dispositifs saturateurs de courant,
- la figure 5 illustre un exemple de dispositif saturateur de courant utilisé dans l'invention, - la figure 6 illustre des exemples de géométrie de micropointes pouvant être utilisées comme émetteur dans la cathode selon l'invention,
- la figure 7 illustre un dispositif d'émission comportant une cathode selon l'art connu,
- la figure 8 illustre un dispositif émetteur comportant une anode et une cathode selon l'invention, ladite cathode comportant un dispositif saturateur de courant,
- la figure 9 illustre la caractéristique du saturateur de courant,
- la figure 10a illustre pour une cathode de l'art connu, les surfaces équipotentielles, - la figure 10b illustre pour une cathode selon l'invention, les surfaces équipotentielles,
- la figure 11 représente la courbe de Fowler-Nordheim pour un émetteur de champ,
- les figures 12a à 12f illustrent les étapes d'un premier exemple de procédé de réalisation de cathode selon l'invention,
- les figures 13a à 13e illustrent les étapes d'un second procédé de réalisation de cathode selon l'invention,
- les figures 14a à 14f illustrent les étapes d'un troisième procédé de réalisation de cathode selon l'invention.
De manière générale, l'invention associe un émetteur 1 et un dispositif saturateur de vitesse de porteurs de charge 2 comme schématisé en figure
2. Le dispositif à effet de champ utilisant cette association 11/12 est schématisé en figure 3, L'ensemble étant à la surface d'un substrat conducteur 13 .
Selon l'invention, le dispositif à effet de champ peut comprendre un élément émetteur ou un ensemble d'éléments émetteurs 11 ij associés à des dispositifs saturateurs 12ij comme illustré en figure 4.
Plus précisément, le dispositif à effet de champ selon l'invention comprend un émetteur de type micropointe associé à un dispositif saturateur
de courant constitué d'un matériau dont la nature et l'épaisseur sont déterminés de façon à présenter un régime de saturation. Selon l'invention, on limite le courant émis par la pointe à une valeur choisie pour ne pas la dégrader / = I sat . Même si on applique des champs électriques supérieurs à celui nécessaire pour obtenir ce courant, l'émetteur sera bridé à cette valeur.
Le dispositif saturateur de courant peut être une structure de type n + in + (respectivement p + ip + ) où i est une couche pas ou faiblement dopée n
(respectivement p) comme illustré en figure 5. Si e est l'épaisseur de cette couche faiblement dopée et si ΔV est la différence de potentiel aux bornes de cette structure, alors c'est la valeur du champ ΔV/e qui déterminera le régime de fonctionnement.
Typiquement, les émetteurs peuvent être des objets conducteurs de taille micrométrique ou nanométrique, présentant un fort rapport entre leur hauteur et leur rayon au sommet, associés à un support conducteur. Les émetteurs sont plutôt perpendiculaires à ce support conducteur, et doivent leurs propriétés d'émission de champ à l'amplification du champ électrique existant à leur sommet du fait de leur forme comme illustré en figure 6. Des exemples sont des micropointes semi-conductrices ou métalliques par exemple de molybdène, de formes approximativement coniques, pointes pyramidales, nanofils métalliques, ou de semi-conducteurs, nanofibres, nanotubes de carbone, de BN, et autres...
Dans la suite de la description , le dispositif à effet de champ est une cathode à émission de champ. La figure 7 illustre un exemple de cathode comportant une pointe à émission de champ sur un substrat conducteur. La cathode est maintenue à la masse. Une contre électrode, située à une distance d de la cathode, est porté au potentiel V pθ iarisation- Le champ électrique appliqué E applιqué est ainsi y égal à E ap≠qué = p ° larιsatwn . Pour un émetteur sans dispositif saturateur de
courant (figure 10a), on peut décrire l'amplification du champ électrique par un tassement des équipotentielles au sommet de la pointe. Le champ électrique E local local au bout de la pointe est alors donné par
E i oca i = $o E appl i qué ' ' e facteur β 0 représentant le facteur d'amplification de la pointe et est lié à sa géométrie. Appelons E 0 le champ électrique à appliquer
pour que la pointe émette un courant égal à l sat en l'absence du dispositif saturateur de courant.
La figure 8 illustre la même cathode avec cette fois à la surface du support conducteur un dispositif saturateur de courant associé à l'émetteur. Appelons Ei le champ électrique appliqué. Il apparaît une différence de potentiel ΔV aux bornes du saturateur. Au sommet de cet émetteur, en présence du dispositif saturateur de courant (figure 10b), on a également tassement des équipotentielles mais avec cette fois-ci l'équipotentielle ΔV au niveau de la couche conductrice supérieure du saturateur. Cette équipotentielle remonte au dessus du substrat conducteur limitant ainsi l'effet d'amplification de la pointe. La figure des lignes équipotentielles est ainsi identique à celle d'un émetteur plus court. Il a été démontré que si l'extension latérale de la couche conductrice supérieure est faible (pas beaucoup supérieure à la longueur de la pointe), le facteur d'amplification devenait
$ rédu i t = βo x I ! - α — M 1 J ou α est un coefficient qui dépend de la géométrie de
la pointe et également de l'extension latérale de la couche conductrice supérieure (pour un émetteur de type nano-colonne, ce coefficient vaut 1 si l'extension latérale de la couche conductrice supérieure est égale au diamètre au pied de la pointe et 0,88 si elle vaut la hauteur de la pointe).
On peut donc déduire la variation relative du champ au sommet de la pointe
_, . . ., ,. .. .... Δβ AE AV par rapport a la situation sans ce dispositif : — — = — = α — .
Po E ι hE i
En revanche si l'extension latérale de la couche conductrice supérieure est grande, cet effet disparaît et l'on se retrouve dans une situation identique à celle de la figure 10a avec une différence de potentiel entre la grille et la contre électrode égale à V polansatwn - AV . Dans ce cas, la
. .. . . . . „ . . Δβ AE AV variation relative du champ au sommet est égale a : — — = — = — . β E 1 E λ d
Ainsi, entre ces deux situations (extension latérale petite de la couche conductrice supérieure et extension grande), on a un rapport d'« efficacité » égal à α — . h
On voit donc qu'il est favorable de limiter l'extension latérale de cette couche conductrice « équipotentielle » pour bénéficier de cet effet qui permet de repousser les équipotentielles vers le haut.
On a donc la relation suivante entre Δβ et ΔV : AV = — L — — . ce β 0 On suppose qu'on applique un champ électrique Ei suffisamment élevé pour que la pointe émette un courant l sat en présence du dispositif saturateur de courant. Ce champ est donc forcément supérieur à E 0 (qui était le champ à appliquer en absence de dispositif saturateur de courant pour émettre un courant l sa t)- Un même courant émis est équivalent à un même champ local au bout de la pointe, en d'autres termes on a la relation
E local = β<A> = firéduifil "
Le champ aux bornes du matériau semi-conducteur est donné par
ΔV/e, où e est l'épaisseur de la couche semi-conductrice faiblement dopée. Pour être en régime de saturation, ce champ doit être supérieur au champ seuil de saturation au delà duquel on est en régime de saturation de vitesse des porteurs ε sat (qui vaut ~30kV.cm "1 pour le silicium faiblement dopé). De plus, on doit être à une valeur de champ inférieure au champ de claquage ε ^ c c l / aquage du matériau (~300kV.cnrï 1 pour le silicium faiblement dopé).
On peut donner une forme analytique de ces conditions :
AV AV p > e > p sat claquage hE λ Δβ 1 hE λ Δβ
1 y > e > x ε« * α βo ~~ claquage a βo
^(E ι -E 0 ) > e > -^!L(E ι -E 0 )
£ sat 0 ^ ε claquage tt
Calculons quelles épaisseurs nous pouvons choisir pour le semiconducteur faiblement dopé dans le cas du silicium, avec comme émetteur
un nanotube de carbone de hauteur 2μm. On considère que l'extension latérale de la couche conductrice supérieure est faible (α=1 ). En fin disons que l'on applique un champ Ei supérieur à E 0 de 10V/μm. alors on obtient 1 μm > e > 0.7 μm . Supposons que le courant maximal que peut émettre un nanotube de carbone soit 100μA. On peut prendre l sat =50μA.
Reste donc à calculer la densité de porteurs dans le matériau semiconducteur faiblement dopé ainsi que sa section pour fixer l sat à la valeur de 50μA. Si l'on prend l'exemple d'une structure de type n + in + en silicium, on voit (figure 1 ) que la vitesse de saturation des porteurs (pour des champs supérieurs à 30kV.cm "1 ) est de 10 7 cm.s "1 . Sachant que I sat = SxN D xqxv " s s c at
I 9 on peut calculer N D = — — . Si l'on considère une section de 1 μm s χ g χ v sat
(extension latérale faible de la couche conductrice supérieure) de notre
50 10 "6 dispositif, alors N n = — 5 : — ^ τ = 3Λ0 15 crn ~3 . On peut se fixer une
D 10 "8 xl.6.10 "19 xl0 7 épaisseur du matériau i par exemple e=2μm. En régime de mobilité, avec une telle concentration de porteurs, la mobilité dans le matériau est maximale et vaut μ~1000 cm 2 . V 1 .s "1 . Sachant qu'en régime de champ faible (inférieur à 4kV.cm "1 ), la mobilité est constante (voir figure 1 ) on peut en déduire la résistivité du matériau p = = To r , = 2Ω.c/n "1 . qnμ 1.6.10 "19 X 3.10 15 xlOOO
Si l'on envisage de travailler à hautes fréquences, il faut vérifier la condition de relaxation diélectrique du matériau F c = — où F c est la τ ώéi fréquence de coupure et τ dlél le temps de relaxation diélectrique. Il est donné
P ar τ ώé i = — ou ε est la permittivité du matériau (ε = ε o ε r , ε r = 11.8 pour le εp silicium) soit ici on a F c = 50GHz .
Connaissant la résistivité du matériau, sa section et sa longueur on peut en calculer sa résistance en régime de mobilité. Soit pour des champs électriques inférieurs à 4kV.cm "1 , on a R=40kΩ.
On peut donc tracer la caractéristique I-V (figure 9) de notre dispositif. Jusqu'à l=20μA, la résistance est de 40kΩ et donc on conserve un bon dl/dV de la courbe d'émission de champ (voir figure 11 ).
EXEMPLE DE REALISATION DE CATHODE SELON L'INVENTION
Selon une première réalisation de l'invention illustrée en figure 12, on commence le procédé de fabrication par le dépôt de l'empilement de couches n + in + (ou p+ip + ) respectivement référencées 121 , 120, 122 sur un substrat conducteur 13 ( figure 12a) L'épaisseur de la couche faiblement dopée 120 peut être d'environ 2μm. Une première étape de lithographie et de gravure RIE permet de définir des plots n + in + (ou p + ip + ) de diamètre contrôlé par exemple 1 μm, (figure 12b). Une étape de lithographie électronique permet de former des ouvertures de diamètre contrôlé par exemple 50nm pour des nanotubes de carbone de diamètre 20nm sur la structure n + in + (ou p + ip + ), ( figure 12c). Ensuite on dépose une couche 40 de barrière de diffusion qui peut être en TiN puis une couche 50 de catalyseur qui peut être en Ni (figure 12d). On procède alors à une étape de lift off pour enlever la couche de TïN/Ni qui n'est pas souhaitée et ne laisser que des plots de TïN/Ni (figure 12e). On réalise alors la croissance des nanotubes de carbone 1 1 par de PECVD (figure 12f).
Selon une seconde variante de l'invention illustrée en figure 13, on commence le procédé de fabrication par le dépôt de l'empilement de couches n + in + (ou p+ip + ) référencées respectivement 121 , 120, 122 sur un substrat conducteur 13 (figure 13a). L'épaisseur de la couche intrinsèque peut être d'environ 2μm. Une étape de lithographie électronique permet de former des ouvertures de diamètre contrôlé (par exemple 50nm pour des nanotubes de carbone de diamètre 20nm) dans une couche de résine 60, sur la structure n + in + (ou p + ip + ) (figure 13b). Ensuite on dépose une couche 40 de barrière de diffusion qui peut être en TiN puis une couche 50 de catalyseur qui peut être en Ni (figure 13c). On procède alors à une étape de lift off pour enlever la couche de TiN/Ni qui n'est pas souhaitée et ne laisser que des plots de TiN/Ni (figure 13d). Une étape de gravure RIE en utilisant le catalyseur comme masque permet de graver la couche supérieure n + (ou p + ) pour limiter son extension latérale. On réalise alors la croissance des nanotubes de carbone par de PECVD (figure 13e).
Selon une troisième variante de l'invention illustré en figure 14, on commence le procédé de fabrication par le dépôt de l'empilement de couches n + i référencées 121 et 120 sur un substrat conducteur 13 (figure 14a). L'épaisseur de la couche intrinsèque peut être d'environ 2μm. Une étape de lithographie électronique permet de former des ouvertures de diamètre contrôlé (par exemple 50nm pour des nanotubes de carbone de diamètre 20nm) sur la structure n + i (figure 14b). Ensuite on réalise la couche 122 n + supérieure par implantation ionique (figure 14c). Ensuite on dépose une couche 40 de barrière de diffusion qui peut être en TiN puis une couche 50 de catalyseur qui peut être en Ni (figure 14d). On procède alors à une étape de lift off pour enlever la couche de TiN/Ni qui n'est pas souhaitée et ne laisser que des plots de TiN/Ni (figure 14e). On réalise alors la croissance des nanotubes de carbone 11 par de PECVD à ~600-700°C (figure 14f). L'activation électrique des dopants peut être effectuée durant la croissance des nanotubes de carbone où à l'aide d'un recuit spécifique dépendant du matériau semi-conducteur et du dopant utilisé.
Next Patent: TELESCOPIC GUIDE RAIL FOR FURNITURE DRAWERS