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Title:
FIELD EMITTER ARRAY WITH ENHANCED PERFORMANCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/048220
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a field emitter array capable of microwave modulation, comprising at least an array (R) of emissive tips, means for producing a microwave modulation signal including a semiconductor element (S) controllable in microwave modulation in the proximity of the tips and a short micro-line (L) for routing the modulation signal towards the array of tips which produces an impedance adaptation between the array of tips (R) and the modulation semiconductor element (S). The invention is useful for producing a compact field emitter array.

Inventors:
FAILLON GEORGES (FR)
DIEUMEGARD DOMINIQUE (FR)
BRYLINSKY CHRISTIAN (FR)
Application Number:
PCT/FR2000/000346
Publication Date:
August 17, 2000
Filing Date:
February 11, 2000
Export Citation:
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Assignee:
THOMSON TUBES ELECTRONIQUES (FR)
FAILLON GEORGES (FR)
DIEUMEGARD DOMINIQUE (FR)
BRYLINSKY CHRISTIAN (FR)
International Classes:
H01J3/02; H01J1/304; H01J21/10; H01J23/06; (IPC1-7): H01J21/10; H01J3/02
Foreign References:
US5268648A1993-12-07
US5731597A1998-03-24
Other References:
SPINDT C A: "FIELD-EMITTER-ARRAY DEVELOPMENT FOR HIGH-FREQUENCY OPERATION", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY: PART B, vol. 11, no. 2, 1 March 1993 (1993-03-01), pages 468 - 473, XP000364851, ISSN: 0734-211X
Attorney, Agent or Firm:
Simonnet, Christine (Thomson-CSF Propriété Intellectuelle Dépt. Brevets 13, avenue du Président Salvador Allende Arcueil Cedex, F-94117, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Cathode à effet de champ modulable en hyperfréquence comportant au moins un réseau de pointes (R) émissives, des moyens (S) pour produire un signal de modulation hyperfréquence avec un élément semiconducteur de modulation, commandable en hyperfréquence qui avoisine le réseau de points (R) et des moyens (L) pour acheminer le signal de modulation au réseau de pointes (R), caractérisée en ce que les moyens pour acheminer le signal de modulation au réseau de pointes (R) sont une microligne (L) courte qui introduit une perturbation pratiquement négligeable et réalise une adaptation d'impédance entre le réseau de pointes (R) et l'élément semiconducteur (S) de modulation.
2. Cathode à effet de champ selon la revendication 1, caractérisée en ce que la microligne (L) est une ligne comportant un ruban (11) conducteur relié å une de ses extrémités au réseau de pointes (R) et à l'autre extrémité å l'élément semiconducteur (S) de modulation.
3. Cathode å effet de champ l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément semiconducteur (S) de modulation est de type transistor ou de type diode.
4. Cathode å effet de champ selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la microligne (L) a un ruban conducteur (11) en deux tronçons (11.1,11.2) relies entre eux par un condensateur (C).
5. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la microligne (L) est reliée å une source de polarisation (E2).
6. Cathode å effet de champ selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la microligne (L) est reliée å l'élément semi conducteur (S) de modulation et/ou au réseau de pointes (R) par une liaison filaire (20.1).
7. Cathode a effet de champ selon l'une des revendications 1 å 6, caractérisée en ce qu'au moins un élément pris parmi le réseau de pointes (R), I'element semiconducteur (S) de modulation et la microligne (L) est discret.
8. Cathode a effet de champ selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins deux éléments pris parmi le réseau de pointes (R), I'element semiconducteur (S) de modulation et la microligne (L) sont solidaires d'un mme support (100) électriquement isolant ou semi isolant.
9. Cathode à effet de champ selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux éléments sont montes sur une face du support (100) dont l'autre face est revetue d'une couche conductrice (101) qui sert de plan de masse.
10. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'élément semiconducteur de modulation (S) est compatible avec une technique de report par microbossages.
11. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 7 å 10, dans laquelle le réseau de pointes (R) comporte un substrat (13) électriquement isolant ou semiisolant avec sur une face une couche (13.1) conductrice ou semiconductrice, des pointes émissives (MP) en contact électrique avec la couche conductrice ou semiconductrice (13.1), une couche diélectrique (14) munie de cavités (15) logeant chacune une des pointes (MP), la couche diélectrique (14) étant surmontée d'une grille (G) conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités (15), caractérisée en ce que le substrat (13) est traverse par au moins un trou métallise qui contribue å relier électriquement les pointes (MP) à l'autre face du substrat (13) électriquement isolant ou semiisolant.
12. Cathode å effet de champ selon l'une des revendications 7 à 11, dans laquelle le réseau de pointes (R) comporte un substrat (13) électriquement isolant ou semiisolant avec sur une face une couche (13.1) conductrice ou semiconductrice, des pointes emissives (MP) en contact électrique avec la couche conductrice ou semiconductrice (13.1), une couche diélectrique (14) munie de cavités (15) logeant chacune une des pointes (MP), la couche diélectrique (14) étant surmontée d'une grille (G) conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités (15), caractérisée en ce que le substrat (13) et la couche diélectrique (14) sont traverses par au moins au moins un trou métallisé (82) qui contribue à relier électriquement la grille (G) à I'autre face du substrat (13).
13. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le trou métallise (73,82) se prolonge par un contact électrique (74).
14. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 8 å 13, caractérisée en ce que la microligne (L) est intégrée au support (100) électriquement isolant ou semiisolant.
15. Cathode å effet de champ selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réseau de pointes (R), la microligne (L) et l'élément semiconducteur (S) de modulation sont intégrés sur un mme substrat semiconducteur (200).
16. Cathode å effet de champ selon la revendication 15, caractérisée en ce que le substrat semiconducteur (200) est semiisolant tel que du carbure de silicium.
17. Cathode à effet de champ selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisée en ce que la microligne (L) possède un ruban qui se prolonge d'un cote pour former une grille (G) du réseau de pointes (R) et de l'autre cote pour former un contact (Ds) de l'élément semiconducteur (S) de modulation.
Description:
CATHODE A EFFET DE CHAMP A PERFORMANCES ACCRUES La présente invention concerne les cathodes à effet de champ (dénommées"field emission array"en langue anglaise, soit FEA). Ces cathodes sont déjà utilisées dans certains types de tubes électroniques de grande puissance expérimentaux, tels que les magnétrons relativistes, les vircators... mais aussi dans de nouveaux tubes de types plus conventionnels comme les tubes à ondes progressives pour des applications en radar ou en télécommunication.

Dans ce second cas, la cathode est formée d'au moins un réseau de pointes comportant un substrat recouvert d'une couche diélectrique avec des cavités, chacune accueillant une pointe émissive en saillie, une grille placée à la surface de la couche diélectrique entoure au moins partiellement les cavités.

Pour extraire des électrons depuis les pointes, on applique une différence de potentiel entre la grille et les pointes. L'émission d'électrons peut tre modulée en densité en modulant la tension appliquée à la grille.

D'un point de vue électrique, la grille et l'ensemble substrat- pointes séparés par la couche diélectrique sont équivalents à une forte capacité de l'ordre de 10 à 100 pF/mm2 et la conductance correspondante est de l'ordre de quelques dizaines mS/mm2 vers 10 GHz.

Typiquement si on applique environ 80 V entre la grille et l'ensemble substrat-pointes, on peut extraire un courant de 1 uA/pointe, les pointes ayant une densité de l'ordre de 106 a 107 au centimetre carre A des fréquences de 10 à 100 kHz, I'impedance présentée par la grille au modulateur qui I'alimente, est essentiellement réelle et reste de quelques dizaines d'ohms, ce qui permet d'utiliser un modulateur de puissance raisonnable.

Les développements en cours concernent le fonctionnement de ces cathodes, à effet de champ en hyperfréquence. L'avantage d'un tube électronique utilisant une telle cathode modulée en hyperfréquence est qu'il peut tre très compact, qu'il peut tre construit en se passant de focalisateur et que son rendement est élevé. On peut espérer obtenir des tubes dont le principe de fonctionnement sera comparable a celui des IOT (abréviation en

langue anglaise de Inductive Output Tube soit tube à sortie inductive), mais fonctionnant avec des fréquences bien plus élevées.

Mais si la grille est modulée en hyperfréquence, I'impedance présentée par la grille au modulateur qui I'alimente devient très faible à cause de la réactance de la capacité qui est très faible (0,1 à 1Q/mm2 vers 10 GHz par exemple), ce qui impose un modulateur à largeur de bande équivalente à celle des tubes classiques, a puissance très élevée pour obtenir une intensité de courant satisfaisante.

Le modulateur est relié à la grille par une ligne de transmission hyperfréquence, généralement une ligne à microruban. Une autre raison imposant au modulateur une puissance élevée est que le signal de modulation applique a la grille se réfléchit à la transition entre la ligne de transmission et la grille.

A cet effet la figure 1a montre en vue de dessus une cathode à effet de champ de type connu. La cathode 1 comporte quatre réseaux 2 de pointes en forme de secteur regroupes sur un mme support 50 électriquement conducteur. Chaque réseau comporte un substrat conducteur référencé 3, une couche diélectrique référencée 4 avec des cavités 5 dans lesquelles prennent place des pointes émissives 6, la couche diélectrique est surmontée d'une grille 7. On se réfère aussi à la figure 1 b.

L'alimentation électrique de chacun des réseaux 2 se fait à I'aide de lignes à microruban 8 reliant chacune un réseau de pointes 2 à un modulateur M de puissance situe à distance. On a schématisé un modulateur M par réseau de pointes 2 mais un seul peu suffire pour tous.

Les lignes a microruban 8 sont longues, elles occupent une surface bien plus importante que celle des réseaux de pointes 2. On ne peut pas approcher le modulateur M tout près des réseaux de pointes 2 car il est bien plus encombrant que les reseaux de pointes.

Dans la configuration décrite et illustrée, le support 50 conducteur sert de plan conducteur pour les lignes à microruban 8. L'isolant des lignes à microruban est référencé 8.2 et le ruban conducteur 8.3.

Chaque ligne à microruban 8 est électriquement reliée à un réseau de pointes 2 par un conducteur 9 solidaire d'un cote du ruban conducteur 8.3 et de l'autre de la grille 7 du réseau 2 de pointes.

Les modulateurs M doivent générer un signal hyperfréquence à fort niveau notamment parce qu'etant situes assez loin des réseaux de pointes 2, ils en sont reliés par des lignes qui engendrent une forte réflexion cote grille, et parce qu'il se produit également des réflexions dans les réseaux de pointes 2 à cause de la présence des pointes 6.

Plus on s'éloigne de la ligne a microruban 8 en pénétrant dans le réseau de pointes 2, plus le signal est affaibli et plus la densité de courant produite par les pointes est petite. Cela conduit à un faisceau électronique inhomogène, préjudiciable au bon fonctionnement d'un tube électronique.

Au-delà de 100 micromètres de propagation dans le réseau de pointes 2, le signal de modulation devient inefficace.

La forme en secteur donnée aux réseaux de pointes 2, permet si on ne dépasse pas une largeur de 50 à 100 micromètres, d'améliorer l'homogénéité du faisceau. Mais on est limité en densité de courant car on ne peut faire avoisiner un grand nombre de réseaux de pointes sans augmenter considérablement la surface qu'il occupe à cause de l'encombrement des lignes à microruban venant du modulateur M.

Le but de l'invention est de proposer une cathode n'ayant pas ces inconvénients. La présente invention propose une cathode à effet de champ modulable en hyperfréquence, formée d'au moins un réseau de pointes émissives, susceptible d'émettre des électrons avec une densité de courant beaucoup plus importante que celle des cathodes à effet de champ existantes. Cette cathode à!'avantage de ne nécessiter ni de modulateur de puissance conventionnel pour commander l'émission d'électrons, ni de ligne de transmission à fort niveau. Les modulateurs conventionnels sont couteux, gourmands en électricité et posent des problèmes de refroidissement. Les lignes de transmission posent des problèmes de retards différentiels de phase du signal hyperfréquence et d'affaiblissement.

Pour y parvenir la presente invention est une cathode à effet de champ modulable en hyperfréquence, comportant au moins un réseau de pointes émissives, des moyens pour produire un signal de modulation hyperfréquence et des moyens pour I'acheminer au réseau de pointes, caractérisée en ce que les moyens pour produire le signal de modulation comportent un élément semi-conducteur de modulation commandable en hyperfréquence situe très près du réseau de pointes, les moyens pour

acheminer le signal de modulation au réseau de pointes étant une microligne courte introduisant une perturbation pratiquement négligeable qui réalise une adaptation d'impédance entre le réseau de pointes et l'élément semi-conducteur de modulation.

La microligne est une ligne notamment de type a microruban ou coplanaire, dont le ruban conducteur est relié à une de ses extrémités au réseau de pointes et à l'autre extrémité à l'élément semi-conducteur de modulation.

L'élément semi-conducteur de modulation est de type transistor notamment MESFET ou de type diode.

Pour réaliser l'adaptation d'impédance le ruban conducteur de la microligne peut tre configure en deux tronçons reliés entre eux par un condensateur.

La microligne peut aussi avoir une fonction de polarisation et tre reliée à une source de polarisation.

Au moins un élément pris parmi le réseau de pointes, 1'616ment semi-conducteur de modulation et la microligne est discret.

Au moins deux éléments pris parmi le réseau de pointes, I'élément semi-conducteur de modulation et la microligne sont solidaires d'un mme support électriquement isolant ou semi-isolant. Les deux éléments peuvent tre montés sur une face du support dont I'autre face est revtue d'une couche conductrice qui sert de plan de masse.

11 est possible de relier la microligne au réseau de pointes et/ou à l'élément semi-conducteur de modulation par une liaison filaire.

Mais pour éviter des perturbations d'émission, il est avantageux d'éviter les liaisons filaires au niveau du réseau de pointes. Le réseau de pointes comporte un substrat électriquement isolant ou semi- isolant avec sur une face une couche conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives en contact électrique avec la couche conductrice ou semi- conductrice, une couche diélectrique munie de cavités logeant chacune une des pointes, la couche diélectrique étant surmontée d'une grille conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités. Le substrat est traverse par au moins un trou métallisé qui contribue à relier électriquement les pointes à t'autre face du substrat. Le trou métallise peut se prolonger par un contact qui est rapporte sur une plage conductrice appropriée du support.

Le substrat et la couche diélectrique peuvent aussi tre traverses par au moins un trou métallisé qui contribue à relier électriquement la grille à l'autre face du substrat. On peut alors supprimer des liaisons filaires associées aux pointes et/ou à la grille.

Pour supprimer une ou plusieurs liaisons filaires au niveau de l'élément semi-conducteur de modulation, il est possible d'utiliser un élément compatible avec une technique de report par microbossages.

La microligne est aisément réalisable sous une forme intégrée au support électriquement isolant ou semi-isolant meme si le réseau de pointes et/ou l'élément semi-conducteur de modulation sont discrets.

Pour obtenir une cathode à effet de pointes compacte et relativement bon marche, il est intéressant que le réseau de pointes, la microligne et l'élément semi-conducteur de modulation soient intégrés sur un mme substrat semi-conducteur. De préférence, le semi-conducteur employé est semi-isolant tel que le carbure de silicium.

La microligne peut alors posséder un ruban qui se prolonge d'un cote pour former une grille du réseau de pointes et de l'autre cote pour former un contact de l'élément semi-conducteur de modulation.

La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront dans la description qui suit et dans les figures annexées qui représentent: -les figures 1 a, 1 b deja decrites une vue de dessus et une vue en coupe partielle d'une cathode à effet de champ connue ; -la figure 2 une vue de dessus d'un exemple de réalisation d'une cathode à effet de champ selon l'invention; -les figures 3a, 3b des exemples de réalisation de cathodes à effet de champ selon l'inventions dans lesquelles l'élément semi-conducteur de modulation est un transistor ou une diode; -les figures 4a à 4e différentes étapes pour réaliser le réseau de pointes d'une cathode à effet de champ selon l'invention; -les figures 5a à 5h différentes étapes pour réaliser l'élément semi-conducteur de modulation d'une cathode à effet de champ selon l'invention; -les figures 6a, 6b des exemples de schémas électriques de montage de cathodes à effet champ selon l'invention ;

-les figures 7a à 7d de nouveaux exemples de cathodes selon l'invention dans lesquels certaines liaisons filaires ont été supprimees ; -la figure 8 un exemple de cathode à effet champ monolithique selon l'invention.

Les différents composants des cathodes selon l'invention ne sont pas représentés à l'échelle dans un souci de clarté.

La figure 2 montre de manière schématique, en vue de dessus, une cathode à effet de champ, modulable en hyperfréquence selon l'invention.

La cathode comporte au moins un réseau de pointes R classique en lui-mme, des moyens S pour produire un signal de modulation hyperfréquence qui commande l'émission d'électrons et des moyens L pour acheminer le signal au réseau de pointes R.

Selon l'invention, les moyens S pour produire le signal de modulation hyperfréquence comportent un élément semi-conducteur de modulation placé juste à cote du réseau de pointes R, tandis que les moyens pour l'acheminer au réseau de pointes R sont une microligne courte introduisant une perturbation pratiquement négligeable. La microligne n'a pas qu'un rôle de liaison électrique entre le réseau de pointes et l'élément semi-conducteur de modulation. Elle a aussi une fonction d'adaptation d'impédance entre le réseau de pointes et l'élément semi-conducteur de modulation. Par ailleurs elle peut aussi acheminer au moins une tension de polarisation.

De cette manière, on peut se passer de modulateur de puissance conventionnel encombrant et coûteux et de ligne à fort niveau qui posaient des problèmes. Un mme élément de modulation semi-conducteur S peut commander l'émission de plusieurs réseaux de pointes R.

L'agencement des réseaux de pointes R offre un très grand nombre de possibilités. II est possible de concentrer sur une petite superficie un grand nombre de réseaux de pointes R, ce qui permet d'obtenir des densités de courant accrues. Chaque réseau de pointes R peut avoir des dimensions optimales pour qu'il n'y ait pas ou très peu de perturbation du signal de modulation dans le réseau R de pointes ce qui permet d'obtenir des faisceaux d'électrons bien plus homogènes que par le passe. Les valeurs typiques pour un tel réseau de pointes R sont de l'ordre de 50

micromètres par 300 micromètres. Une propagation sur une distance de l'ordre de 50 micromètres ne procure pas de perturbation sensible vers 10GHz.

L'élément semi-conducteur S de modulation qui délivre le signal de modulation hyperfréquence, peut tre par exemple un transistor ou une diode. Dans le cas d'un transistor MESFET, sa superficie est de l'ordre de 500 micromètres par 200 micromètres avec une partie active pa sensiblement plus petite, environ 50 micromètres par 200 micromètres.

Quant à la microligne L, elle peut avoir une longueur d'environ 100 micromètres voire mme plusieurs centaines de micromètres sans introduire de perturbation sensible.

Sur la figure 3a on a représenté en coupe, un exemple de cathode à effet de champ selon l'invention. Dans cette configuration le réseau de pointes R, la microligne L et l'élément semi-conducteur S de modulation sont discrets et solidaires d'un mme support diélectrique 100.

Dans cet exemple, le réseau de pointes R, la microligne L et t'etement semi- conducteur S de modulation sont rapportes chacun par brasage sur une plage conductrice respectivement 10R, 10L, 10S portée par une des faces du support diélectrique 100. La brasure est représentée en trait épais noirci.

Ce support diélectrique 100 a un rôle essentiellement mécanique mais il peut tre intéressant de placer sur son autre face principale un revtement conducteur 101 de manière à réaliser un plan de masse locale.

On suppose que, dans l'exemple décrit, la microligne L est une ligne à microruban. On pourrait envisager que ce soit une ligne coplanaire et sur la figure en coupe elle aurait le mme profil. La ligne à microruban L comporte de manière classique, un plan conducteur 10.1 ou plan de masse, puis une couche électriquement isolante ou semi-isolante 12 puis un ruban conducteur 11. Le plan conducteur 10.1 est rapporte sur la plage conductrice 10L du support diélectrique 100. Le plan conducteur 10.1 et le ruban conducteur 11 peuvent tre en nickel ou dans un alliage à base de titane, d'or, de platine par exemple. La couche électriquement isolante ou semi-isolante 12 peut tre en en céramique, en silice ou mme en carbure de silicium par exemple.

Comme on le verra ultérieurement sur les figures 6a, 6b, le ruban 11 de la microligne L peut tre discontinu et forme de deux tronçons

reliés entre eux par un condensateur C rapporte, par exemple, entre les deux tronçons. Ce condensateur C participe à I'adaptation d'impédance.

Le réseau de pointes R comporte un substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant avec sur une face une couche 13.1 conductrice ou semi-conductrice, des pointes émissives MP en contact électrique avec la couche conductrice ou semi-conductrice 13.1, une couche diélectrique 14 munie de cavités 15 logeant chacune une des pointes MP, la couche diélectrique 14 étant surmontée d'une grille G conductrice qui entoure au moins partiellement les cavités 15. L'autre face du substrat 13 est revetue d'un revtement conducteur 10.2 pour le solidariser par brasure sur le support diélectrique 100.

Le substrat 13 lorsqu'il est isolant peut tre par exemple en verre, en alumine, en silice et lorsqu'il est semi-isolant par exemple en carbure de silicium SiC. On choisit les matériaux du substrat 13 pour leur capacité à supporter des tensions importantes, par exemple de l'ordre de quelques centaines de volts sans dommage ainsi que des températures élevées, de l'ordre de 400°C par exemple, ces températures étant atteintes lorsque la cathode est montée dans un tube hyperfréquence qui est étuvé pour obtenir un bon vide. De manière générale tous les matériaux entrant dans la composition dans la cathode selon l'invention doivent pouvoir supporter l'étuvage et ne doivent pas dégazer sous vide.

La couche diélectrique 14 peut tre en silice SiO2 par exemple et la grille G et les pointes MP en molybdène par exemple.

L'élément semi-conducteur S de modulation est dans l'exemple de la figure 3a un transistor. Plus précisément, dans cet exemple il s'agit d'un transistor de type MESFET, mais bien entendu d'autres types de transistors sont utilisables. II comporte une couche conductrice 10.3 pour la brasure puis un substrat 16 en matériau semi-conducteur à propriétés semi- isolantes, puis un revtement semi-conducteur 18 de type N, réalise préférentiellement en deux couches 18.1,18.2, la couche de surface 18.1 ou couche de contact est dopée N+ et donc plus conductrice que la couche de fond 18.2 ou couche active dopée N, puis deux contacts ohmiques, un de drain Ds et un de source Ss et un contact Schottky de grille Gs entre les contacts ohmiques Ds, Ss. On a aussi représenté dans cet exemple une

couche de passivation 21 sur le revtement 18, elle peut tre en silice par exemple.

La microligne L est reliée à une de ses extrémités à l'élément semi-conducteur de modulation S, dans l'exemple décrit au niveau de son drain Ds, à son autre extrémité au réseau de pointes R, dans l'exemple au niveau de la grille G. La grille G du réseau de pointes R est portée à une tension de polarisation E1 et les pointes MP à un potentiel de masse. La source Ss de l'élément semi-conducteur de modulation S est reliée à un potentiel de masse et la grille Gs reçoit un signal HF de modulation hyperfréquence que l'élément semi-conducteur va amplifier. Les liaisons décrites ci-dessus peuvent tre réalisées par câblage filaire (connu sous la dénomination anglaise de wire bonding) avec des fils 20.1 d'or par exemple.

Sur la figure 3b, I'élément semi-conducteur de modulation S est maintenant une diode, elle peut par exemple tre de type Gunn ou IMPATT. Elle comporte une première couche conductrice K qui forme sa cathode et qui va tre brasée sur la plage conductrice appropriée 10S du support 100 diélectrique. Son anode A est formée par une seconde couche conductrice et ces deux couches conductrices A, K sont séparées par une couche semi-conductrice 30. Sa cathode K est reliée à une masse et son anode A à une extrémité de la microligne L.

Au niveau du réseau de pointes R, la figure 3b diffère de la figure 3a par le fait que la couche électriquement conductrice ou semi- conductrice 13.1 est obtenue par dopage en surface de la couche semi- isolante 13 alors réalisée dans un matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes tel que par exemple le carbure de silicium. Dans t'exemple les pointes MP sont aussi réalisées avec le matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes rendu semi-conducteur par dopage. Les pointes MP auraient pu bien sur tre réalisées en un matériau électriquement conducteur tel que le molybdène.

En ce qui concerne la microligne L elle est maintenant intégrée dans le support diélectrique 100. Son ruban 11 est une plage conductrice portée par le support diélectrique 100, sur la face ou sont rapportes le réseau de pointes R et l'élément semi-conducteur S de modulation. Son plan de masse est forme par la couche conductrice 101.

Elle a une fonction d'écran antifuite de rayonnement. On retrouve le ruban 11 en deux tronçons et le condensateur C.

Les techniques employées pour réaliser le réseau de pointes R peuvent tre celles classiques de l'industrie des semi-conducteurs. Un exemple de réalisation est illustré aux figures 4a à 4e. Ces figures illustrent le cas d'un réseau de pointes discret tel que celui décrit à la figure 3a.

On part d'un substrat 13 électriquement isolant ou semi- isolant. On suppose dans t'exemple qu'il est en verre par exemple. On dépose dessus une couche électriquement conductrice 13.1, en molybdène par exemple par évaporation sous vide. On dépose ensuite la couche diélectrique 14 qui peut tre en silice par exemple (figure 4a).

On dépose ensuite la grille G en molybdène par exemple (figure 4b). Après une opération de masquage, par exemple par lithographie, on attaque par gravure chimique ou gravure ionique réactive (RIE), la couche conductrice de grille G pour former des ouvertures 17, puis la couche diélectrique 14 pour former les cavités 15 (figure 4c). Les ouvertures 17 débouchent dans les cavités 15.

Le dépôt des pointes MP réalisées, en molybdène Mo par exemple, peut se faire par évaporation sous vide. (figure 4d).

Par attaque chimique, on enlève ensuite tout ce qui se trouve au-dessus de la grille G (figure 4e), c'est à dire la résine 25 qui a servi dans l'opération de masquage et le métal en excès des pointes MP se trouvant sur la résine 25 et référencé 26. On métallise en 10.2 le substrat 13 sur sa face opposée à celle portant les pointes MP pour pouvoir solidariser par une brasure à l'or par exemple le réseau de pointes R au support diélectrique 100. Cette étape aurait pu intervenir avant.

Le transistor peut tre réalisé de manière connue. Un exemple de réalisation est illustré aux figures 5a à 5h et le transistor obtenu correspond à celui illustré à la figure 3a.

On dépose sur un substrat 16 en matériau semi-conducteur à propriétés semi-isolantes (du carbure de silicium par exemple) un revtement 18 plus conducteur. (figure 5a). II est préférable de réaliser ce revtement 18 en deux couches 18.1,18.2, la couche 18.1 en surface, dopée N+ est la couche de contact et la couche 18.2 entre le substrat 16 et la couche de contact 18.1 est la couche active et est dopée N. Ces dépôts

en silicium SiC ou en nitrure de gallium GaN, par exemple, peuvent tre obtenus par épitaxie qu'elle soit liquide (LPE), en phase vapeur (VPE) ou par jet moléculaire (MBE) ou bien encore par implantation ionique.

Par gravure ionique réactive jusque dans le substrat 16, on délimite un plateau 19 ou mesa (figure 5b).

Une tranchée 20 est réalisée dans la couche de contact 18.1 dans une zone médiane du plateau 19 par gravure ionique réactive, (figure 5c).

Une couche de passivation 21 est généralement déposée ensuite (figure 5d). Elle peut tre en silice Si02 ou en nitrure de silicium Si3N4 par exemple.

Le dépôt des contacts ohmiques Ds et Ss se fait après une opération de gravure dans la couche de passivation 21 jusqu'a la couche de contact 18.1, précédée d'une operation de masquage par exemple par lithographie (figure 5e). Les deux contacts ohmiques Ds et Ss, sensiblement identiques sont ensuite déposés de préférence en mme temps, par pulvérisation ou évaporation dans les emplacement graves. Ils sont généralement en nickel. On procède ensuite au retrait de la résine 25 qui a servi dans l'opération de masquage (figure 5f).

Le dépôt du contact Schottky Gs se fait séparément, la aussi on procède au niveau de la tranchée 20, à une opération de gravure dans la couche de passivation 21 jusqu'a la couche active 18.2 précédée d'une opération de masquage par exemple par lithographie (figure 5g). Le contact Schottky Gs, en titane par exemple est déposé par pulvérisation ou évaporation dans l'emplacement grave puis on procède au retrait de la résine 27 qui a servi dans l'opération de masquage. On procède à une opération de métallisation (référence 10.3) du substrat 16 sur la face opposée å celle portant les contacts pour pouvoir solidariser par une brasure à l'or, par exemple,!'eiement semi-conducteur de modulation au support diélectrique 100 (figure 5h).

Dans ce qui vient d'tre décrit, les liaisons électriques du réseau de pointes R et de I'element semi-conducteur de modulation S sont sous forme de fils 20.1. II peut tre avantageux de réduire voire de supprimer le nombre de liaisons filaires.

Dans cette optique, il est possible d'utiliser un élément semi- conducteur de modulation compatible avec un montage connu sous la dénomination anglaise de"flip chip"ou de"report par microbossages"en langue française. En ce qui concerne le réseau de pointes R il peut aussi tre compatible avec ce type de montage. Les figures 7a, 7b illustrent cette configuration. Au niveau du réseau de pointes R, une liaison filaire peut avoir un effet perturbateur sur le diagramme d'émission des électrons. Une liaison filaire est équivalente à une inductance parasite.

Au point de vue surface utile du support diélectrique 100, il est possible de la réduire en supprimant certaines liaisons filaires car on peut aussi supprimer certaines plages conductrices par exemple celle de masse locale pour les pointes MP. Cette réduction de surface est avantageuse.

L'élément semi-conducteur de modulation S représenté schématiquement est de type transistor. II comporte trois plots: un plot de drain pd, un plot de source ps, un plot de grille pg venant chacun en contact électrique avec une plage conductrice appropriée du support diélectrique 100. Plus particulierement le plot de drain pd vient en contact avec le ruban 11 de la microligne L, le plot de grille pg vient en contact électrique avec une plage conductrice 70 par laquelle est amené le signal de modulation à amplifier, quant au plot de source ps, il vient en contact avec une plage conductrice 71 reliee a la masse locale par un trou métallise 72 qui traverse le support diélectrique 100, par exemple. Les plots pd, pg, ps ont aussi un rôle mécanique de maintien de l'élément semi-conducteur de modulation S sur le support diélectrique 100, la liaison mécanique peut se faire par fusion entre les plots et les plages conductrices.

On va maintenant décrire plus en détail le réseau de pointes R dans lequel un contact 74 de pointes MP est ramené à la base du réseau à l'opposé des pointes. Ce réseau de pointes R pourrait tre utilisé indépendamment de I'element semi-conducteur de modulation S et de la microligne L. Dans l'exemple de la figure 7a, on retrouve le substrat électriquement isolant ou semi-isolant 13 perce de part en part d'au moins un trou 73. Ce trou débouche au niveau de la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 support d'au moins une pointe MP. II se trouve à l'aplomb d'une pointe MP.

On retrouve la couche diélectrique 14 comportant les cavités 15 et la grille G sans modification par rapport à ce qui est montre à la figure 3a.

Ce trou 73 est métallise intérieurement et se prolonge à l'opposé des pointes MP par un contact 74 prenant la forme d'un plot conducteur 740. C'est ce plot 740 qui va contribuer à la liaison électrique des pointes MP et à la solidarisation mecanique du réseau de pointes R sur le support diélectrique 100. Ce plot 740 est en contact électrique avec une plage conductrice 75 portée par le support diélectrique 100, cette plage conductrice 75 étant reliée dans l'exemple à la masse locale par tout moyen approprie.

On peut envisager que le contact 74 de pointes ne soit pas en forme de plot conducteur comme illustré sur la figure 7b. Sur ce nouvel exemple de réalisation, le trou 73 est métallise au niveau de ses parois, cette métallisation 78 forme un fond du cote des pointes MP et débouche à l'opposé des pointes en formant un débord 741 qui vient en contact électrique et mécanique avec une plage conductrice appropriée 75 du support diélectrique 100. Cette liaison peut se faire par brasure. Dans l'exemple, cette plage conductrice 75 est reliée à la masse locale par un trou métallise 76 qui traverse. le support diélectrique 100 jusqu'au plan de masse locale 101. La métallisation 76 n'est pas hachurée pour ne pas surcharger la figure.

Dans l'exemple décrit à la figure 7b, on a représenté autant de trous 73 que de pointes MP et la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 support des pointes MP est discontinue et prend la forme de pastilles servant chacune de base a une pointe MP. Dans les exemples des figures 3 et 7a, on a représenté une couche 13.1 continue qui forme un tapis sous les pointes.

Les trous 73 doivent avoir un diamètre relativement petit si la densité des pointes est importante dans le réseau. L'ordre de grandeur de leur diamètre est inférieur au micromètre. La réalisation de ces trous est délicate. Pour éviter de réaliser des trous trop fins, on peut prolonger la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1 qui dans cette variante est continue d'une pointe à une autre, par une zone 77 exempte de pointe MP. Cette variante est illustrée à la figure 7c. On perce alors un ou

plusieurs trous 79 au travers du substrat électriquement isolant ou semi- isolant 13 et ces trous peuvent tre moins fins que ceux à I'aplomb des pointes MP.

La métallisation 80 des trous est similaire a ce qui vient d'etre décrit pour les figures 7a ou 7b et le contact 74 de pointes à l'opposé des pointes prend la forme soit de plot, soit de debord. La liaison électrique du contact 74 de pointes peut tre similaire å ce qui est décrit aux figures 7a, 7b. La liaison mécanique du réseau de pointes au support diélectrique 100 peut se faire comme dans les exemples des figures 3.

Un autre avantage très important de ramener un contact de pointes MP à la base du réseau de pointes R à travers le substrat 13 electriquement isolant ou semi-isolant est que l'on augmente considérablement l'épaisseur de matériau isolant entre la grille G et ce contact de pointes. En conséquence, on réduit de manière importante la capacité grille-pointes. Sur la figure 3a, I'epaisseur à prendre en considération est celle de la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 alors que sur la figure 7a il s'agit de celle de la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 et de celle du substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. Les ordres de grandeurs des épaisseurs sont les suivants: environ 1 micromètre pour la couche diélectrique 14 comprenant les cavités 15 et environ 300 micromètres pour le substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. L'énergie nécessaire pour charger la capacité grille-pointe peut tre diminuée pour une mme émission d'électrons.

II peut aussi tre avantageux de supprimer les liaisons filaires de la grille G et de ramener un contact 81 de grille à la base du réseau de pointes à l'opposé de la grille. La figure 7d illustre cette configuration. Un ou plusieurs trous 82 ont été réalisés depuis la grille jusqu'a la base du réseau de pointes, à travers d'une part la couche diélectrique 14 portant les cavités 15 et d'autre part le substrat 13 électriquement isolant ou semi-isolant. Ces trous sont métallisés et on s'arrange pour que la métallisation 83 soit sans contact électrique avec la couche électriquement conductrice ou semi- conductrice 13.1 support des pointes MP qui peut alors tre discontinue. On retrouve les pastilles comme à la figure 7b.

A la base du réseau R de pointes, la métallisation 83 se termine par le contact 81 en forme de plot ou de débord, les deux variantes étant représentées sur la figure 7d.

Dans t'exempte de la figure 7d, I'un des contacts 81 (celui en forme de plot) vient en contact mécanique et électrique avec le ruban 11 de la microligne L et!'autre (celui en forme de débord) vient en contact mécanique et électrique avec une plage conductrice 84 portée par le support diélectrique 100 et reliée à la source de polarisation E1.

Au point de vue réalisation, les trous peuvent tre obtenus par gravure RIE. On pourra réaliser la couche électriquement conductrice 13.1 et/ou la grille G en nickel qui n'est pas attaquée lors de la gravure, si cette dernière est effectuée apres le dépôt de la couche diélectrique 14 et de la grille G. La métallisation des trous peut tre réalisée en plusieurs couches à base de titane, nickel, or par exemple. Les plots et les débords peuvent aussi tre dans ces matériaux.

On se réfère de nouveau à la figure 3a. La microligne L ne sert pas qu'a relier électriquement l'élément semi-conducteur S de modulation au réseau de pointes R. Elle a aussi une fonction d'adaptation car l'élément semi-conducteur S de modulation et le réseau de pointes R ont généralement des impédances de sortie très différentes. L'impédance de l'élément semiconducteur peut tre de l'ordre de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms tandis que celle du réseau de pointes de l'ordre de l'ohm ou du dizième d'ohm.

Le ruban 11 de la ligne a microruban possédera une géométrie qui convient pour réaliser cette fonction d'adaptation entre le réseau de pointes R et l'élément semi-conducteur S de modulation.

L'épaisseur du substrat isolant 12 participe à cette fonction d'adaptation.

On s'arrange pour que I'epaisseur de l'élément semi- conducteur S de modulation soit de l'ordre de ou légèrement plus grande que celle du réseau de pointes R pour ne pas empcher t'extraction des électrons, ni dévier leurs trajectoires. Un écart maximum de l'ordre de la dizaine de micromètres est acceptable.

Lors du fonctionnement de la cathode, les tensions à appliquer à la grille G du réseau de pointes peuvent tre telles que la microligne L et éventuellement le réseau de pointes R soient relies à des

sources de polarisation. La figure 6a représente, en vue de dessus, une cathode selon l'invention. L'élément semi-conducteur S de modulation est toujours un transistor MESFET. Sa source Ss est portée à la masse, sa grille Gs reliée à une source de polarisation E3 reçoit le signal de modulation hyperfréquence HF et son drain Ds est relié à une première extrémité de la microligne L qui est représentée comme une ligne a microruban.

La seconde extrémité de la microligne L est reliée à la grille G du réseau de pointes R. La géométrie du ruban de la ligne L en deux tronçons 11.1,11.2 relies entre eux par un condensateur C permet l'adaptation entre le transistor S et le réseau de pointes R. La ligne à microruban L est reliée à une source de polarisation E2 du cote de sa première extrémité. Cette polarisation s'applique au drain Ds du transistor S.

Les liaisons filaires aux deux extrémités de la microligne L sont référencées 20.1.

Les pointes MP du réseau de pointes sont reliées à la masse.

Cette liaison se fait par un prolongement de la couche électriquement conductrice ou semi-conductrice 13.1, sans couverture de couche diélectrique, ce prolongement étant décrit à la figure 7c.

Dans l'exemple décrit, la grille G du réseau de pointes R est reliée à une source de polarisation E1.

Des moyens de découplage C', L1, L2, L3 ont été introduits de maniere tout å fait classique pour un homme du métier. On trouve, à cet effet un condensateur C'entre la grille Gs du transistor S et l'entrée du signal de modulation hyperfréquence HF, une inductance L3 entre la source de polarisation E3 et la grille Gs du transistor S, une inductance L2 entre la source de polarisation E2 et la ligne a microruban L (cote drain Ds du transistor S), une inductance L1 entre la source de polarisation E1 et la grille G du réseau de pointes R.

De la mme manière la figure 6b illustre une cathode selon l'invention dans laquelle l'élément semi-conducteur de modulation S est une diode. Les seules différences par rapport au schéma de la figure 6a se situent au niveau des connexions de la diode. La cathode K de la diode est reliée å la masse et!'anode A å la première extrémité de la microligne L qui est aussi reliée à la source de polarisation E2. Un signal SY de synchronisation peut tre injecte sur I'anode A de la diode. Le signal SY de

synchronisation peut tre électrique et on place alors un condensateur de découplage C"entre I'anode A et l'arrivée du signal SY de synchronisation.

Le signal de synchronisation pourrait tre optique et dans ce cas l'élément semi-conducteur de modulation S serait un composant optique tel qu'une photodiode.

Au lieu que la cathode selon l'invention comporte un réseau de pointes R et un élément semi-conducteur S de modulation discrets, il est possible que la cathode selon!'invention soit monolithique.

On se réfère à la figure 8 qui montre une telle cathode monolithique. Les liaisons électriques à la masse locale ou vers une source de polarisation n'ont pas été représentées dans un souci de clarté, mais elles peuvent tre réalisées selon l'une des méthodes décrites précédemment. Le réseau de pointes R, la microligne L et l'élément semi- conducteur S de modulation sont intégrés sur un mme substrat 200 semi- conducteur å propriétés semi-isolantes tel que le carbure de silicium par exemple. Au point de vue évacuation de chaleur, il donne toute satisfaction.

Ce substrat 200 commun comporte l'une de ses faces principales revtues d'une couche conductrice 201 qui sert de plan de masse locale. Sur I'autre face principale, on détermine une zone I pour au moins un réseau de pointes R, une zone 11 pour la microligne L et une zone ill pour I'element semi-conducteur S de modulation.

On réalise dans la zone III I'element semi-conducteur S de modulation et cette réalisation peut se faire comme l'illustrent les figures 5, le substrat 200 étant alors équivalent au substrat 16.

On réalise dans la zone I le réseau de pointes R et cette réalisation peut se faire comme l'illustrent les figures 4, le substrat 200 étant alors equivalent a la couche électriquement isolante ou semi-isolante 13.

On réalise dans la zone 11 la microligne L et sa structure est équivalente a celle representee a la figure 3b. Le substrat 200 correspond pratiquement å celui reference 100 sur la figure 3b.

Avec une telle configuration, le drain du transistor, le ruban de la microligne et la grille du réseau de pointes peuvent se faire lors d'une mme étape dans un mme matériau.

De la mme manière, la couche de passivation 21 de l'élément semi-conducteur de modulation, en matériau diélectrique, peut s'étendre

dans la zone 11 en recouvrant le substrat 200 et dans la zone I en formant la couche diélectrique comprenant les cavités 15.

Au lieu de réaliser un réseau de pointes R comparable a celui de la figure 3a avec des liaisons filaires, il est possible qu'il soit comparable å l'un des exemples des figures 7, c'est à dire avec les pointes reliées au pian de masse 201 par au moins un trou métallisé traversant le substrat 200.

Une telle cathode à effet de champ monolithique est très intéressante car elle est compacte, son coût est réduit par rapport à celui d'une cathode å éléments discrets car elle utilise moins de matériaux et sa réalisation prend moins de temps.