eng
Выпуск #5/2018
А.Григорьев, А.Иванов, В.Ильин, В.Лучинин
Вакуумная электроника: ренессанс или стагнация
Вакуумная электроника: ренессанс или стагнация
Просмотры: 3996
Освоение миллиметровых длин волн и терагерцового диапазона частот при необходимости обеспечения высоких значений важнейшего критерия качества систем беспроводной связи, радиолокации и радиоэлектронного противодействия – произведения выходной мощности на рабочую частоту и полосу частот – стали стимулом для развития вакуумной микроэлектроники. Использование базовых и модифицированных процессов микро- и нанотехнологии и инфраструктуры интегрально-группового производства приборов твердотельной электроники и микросистемной техники создают предпосылки к эволюции вакуумной электроники в микро- и наноразмерную область. В статье отмечено, что по комплексу параметров, в том числе, быстродействию, критерию качества, предельной рабочей частоте, уровню шумов, устойчивости к радиационным, температурным и электромагнитным воздействиям, приборы вакуумной эмиссионной электроники могут превосходить твердотельные функциональные аналоги. Определены актуальные физико-технологические проблемы вакуумной микроэлектроники. Представлены современные разработки, реализуемые на кафедре радиотехнической электроники и в центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ "ЛЭТИ", в том числе, автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния и алмаза, лампа бегущей волны миллиметрового диапазона для 5G систем беспроводной связи и клистрон миллиметрового диапазона. Рассмотрены области, в которых может быть востребована вакуумная микроэлектроника.
УДК 621.37; ВАК 05.27.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.356.368
УДК 621.37; ВАК 05.27.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.356.368
Теги: field emission cathode klystron traveling wave tube vacuum micro-device автоэмиссионный катод вакуумный микроприбор клистрон лампа бегущей волны
Уже более 10 лет прошло с момента принятия "Стратегии развития электронной промышленности России на период до 2025 года", в который отмечалась необходимость: "обеспечения развития тех направлений электронной промышленности, в которых имеются отечественные научно-технические решения и продукция, определяющие мировой уровень, в частности вакуумная СВЧ-электроника". Внедрение материалов и процессов микро- и нанотехнологии в вакуумную индустрию и возможность комплексирования твердотельных и вакуумных микроприборов позволяет прогнозировать создание функционально интегрированных изделий нового поколения с ранее недостижимыми энергочастотными параметрами и условиями эксплуатации.
В основу вакуумной электроники положена термоэмиссионная (Т.А.Эдисон – 1883 год, О.У.Ричардсон – 1901 год) [1] и автоэмиссионная (Ю.Э.Лилиенфельд – 1922 год, Р.Фаулер и Л.Нордхейм – 1929 год) [2] способность материалов эмитировать в вакуум носители заряда, в частности, электроны. Петербургская школа вакуумной электротехники и электроники [3] начала развиваться с конца 19 в. в стенах электротехнического института (ЭТИ, ЛЭТИ, ныне – СПбГЭТУ "ЛЭТИ") в рамках кооперации с заводом "Айваз", выпускавшим c 1913 года электрические лампы накаливания под торговой маркой "Светлана". В 1928 году для производства приемно-усилительных и генераторных ламп на базе "Айваза" был создан Электровакуумный завод (ЭВЗ) "Светлана". Приобретенный опыт разработки и производства вакуумных электронных приборов С.А.Векшинский, главный инженер ЭВЗ "Светлана", использовал при организации в 1943 году НИИ электровакуумной техники (ныне – АО "НПП "Исток" им. Шокина) [4], деятельность которого определила развитие ряда до настоящего времени востребованных, актуальных и фактически не имеющих аналогов промышленных приборов для генерации СВЧ-излучения.
До сих пор российская вакуумная электроника по ряду направлений, в первую очередь связанных с генерацией мощного электромагнитного излучения, держится на уровне лучших мировых достижений. Современной тенденцией вакуумного электронного приборостроения является реализация конструкторско-технологических решений на основе адаптированных микро- и нанотехнологий твердотельной электроники и микросистемной техники. Создание компактных миниатюрных приборов вакуумной электроники определило формирование нового направления – интегральной вакуумной микро- и наноэлектроники, а в последнее время – и так называемых "вакуумных наноламп", то есть фактически полевых транзисторов с баллистическим переносом носителей в наноразмерном (около 100 нм) вакуумном канале.
Наряду с представлением современных разработок в области вакуумной электроники, реализуемых на кафедре радиотехнической электроники (РТЭ) и в центре микротехнологии и диагностики (инжиниринговый центр ЦМИД) СПбГЭТУ "ЛЭТИ", целью данной статьи является рассмотрение следующих вопросов:
• конструкторско-технологическое обеспечение создания приборов с ранее недостижимыми параметрами;
• роль микро- и наноразмерных факторов в эволюции микромощных вакуумных приборов;
• востребованность и конкурентоспособность вакуумной электроники.
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Характеризуя современное состояние экспериментальных разработок в области вакуумной микроэлектроники, следует отметить, что по комплексу параметров, в том числе, быстродействию, критерию качества (произведению выходной мощности на рабочую частоту и полосу частот), предельной рабочей частоте, уровню шумов, устойчивости к радиационным, температурным и электромагнитным воздействиям, приборы вакуумной эмиссионной электроники должны превосходить твердотельные функциональные аналоги. Определим ряд актуальных физико-технологических проблем.
Обеспечение эффективности и стабильности катодов, несмотря на их разнообразие (диспенсерный, бариевый, скандатный, вольфрамовый, легированный окисью скандия, углеродный), требует проведения исследований в области материалов, конструкций и физики эмиссии.
Потери в замедляющей системе при транспортировке электронных пучков определяют приоритетность обеспечения требуемого аспектного отношения замедляющих структур (петляющий, встречно-штыревой волноводы) и, особенно, качества их поверхности (шероховатость не хуже 30–50 нм). Следует отметить, что при переходе к применению замедляющих структур малой длины (порядка 2 см) с повышением частоты генерации резко возрастают требования к увеличению плотности тока при повышении яркости катодов и к системам формирования электронного пучка, учитывая его рассеяние на поверхности.
Внедрение новых микротехнологий формирования волноводов с развитой геометрией и низкой шероховатостью поверхности базируется на замене традиционной электроэрозионной (искровой) обработки на глубинное ионное травление или так называемую LIGA-технологию, основанную на литографии по толстому резисту с использованием синхронного излучения с последующим гальваническим выращиванием в полимерной матрице замедляющих структур. Для формирования развитого объемного канала сложной геометрии с замедляющей 3D-структурой возможно применение метода термического или анодного сращивания двух псевдопланарных заготовок канала с их прецизионным совмещением.
Создание фокусирующих систем с необходимыми для эффективного электронно-волнового взаимодействия величиной и распределением магнитного поля требует использования конструктивно-материаловедческих решений с высоким уровнем фокусирующего магнитного поля при минимизации его значения вне области прохождения луча. На данной стадии доминируют процессы численного анализа на основе моделирования нелинейного электронно-волнового взаимодействия.
При формировании вакуумного канала полевого транзистора с баллистическим переносом наряду с использованием остросфокусированного ионного пучка (FIB-технологии) для сверхлокального удаления и ионно-стимулированного осаждения материала, возможна технологическая реализация, основанная на так называемом "жертвенном" слое, которая широко используется при создании объектов микросистемной техники.
Функционирование миниатюрного устройства с совокупностью функциональных 3D геометрически развитых эмиссионной, транспортной и коллекторной подсистем требует достижения и длительного сохранения достаточно высокого уровня вакуума. В условиях наличия вакуумных микро- и наноканалов, то есть вакуумирования гетерогенных 3D-объектов сверхмалых размеров, наряду с традиционными проблемами откачки имеет место ограничение на использование распыляемых геттеров. Снижение требований к уровню вакуума в микро- и наноразмерных эмиссионных приборах прогнозируется при уменьшении характеристических размеров до уровня десятков нанометров.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ СПБГЭТУ "ЛЭТИ"
Автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния и алмаза
Матричные автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния рассматриваются как перспективные источники электронов для вакуумных микроэлектронных приборов. Несмотря на то, что карбид кремния обладает рядом существенных достоинств по сравнению с традиционными материалами автокатодов, разработкой его технологии занимаются всего несколько лабораторий в ряде ведущих стран.
В статье [5] представлены результаты формирования матрицы наноразмерных остриев с уменьшенным разбросом их высот. Результаты измерений показывают, что при высокой напряженности электрического поля неоднородность высот остриев является ключевым фактором нестабильности тока.
Одним из путей преодоления указанной нестабильности является использование алмазных пленок, поскольку алмаз признан одним из лучших материалов для получения автоэмиссии. Серьезной технологической проблемой при применении алмаза является создание остриев с высоким аспектным фактором. Решить ее позволяет нанесение нанокристаллической нелегированной тонкой пленки (0,5 мкм) на матричный автоэмиссионный катод из карбида кремния. Пленка "сглаживает" виртуальную эмитирующую поверхность, соединяющую острия, уменьшает разброс высот и повышает стабильность тока.
На рис.1 представлен матричный автоэмиссионный катод, сформированный на монокристаллической пластине 6H–SiC двухэтапным реактивным ионным травлением во фторсодержащей атмосфере. На первом этапе формировалась регулярная структура пьедесталов, на втором этапе – наноразмерные острия.
Полученные автокатоды были размещены в экспериментальных диодах с межэлектродным зазором 40 мкм. Диоды прошли предварительный прогрев при 200 °C в течение 50 мин и были вакуумированы до остаточного давления 7,5 · 10–⁸ Па. Исследование токовых характеристик проводилось в течение 48 ч при анодном напряжении 3,75 кВ. На рис.2 показаны экспериментальные графики изменения плотности тока от времени для двух диодов. В диоде с автокатодом без алмазной пленки в течение первых 4 часов плотность тока выросла на 19%, однако к концу периода наблюдений она снизилась на 23% по отношению к исходной величине. В диоде с алмазной пленкой колебания плотности тока не превышали 5% в течение всего эксперимента.
Таким образом, была экспериментально продемонстрирована автоэмиссия с поверхности нанокристаллической нелегированной тонкой пленки на матричном катоде из карбида кремния. Формирование комбинированной структуры стабилизировало эмиссионные свойства благодаря образованию химически инертной эмитирующей поверхности, свободной от нестабильных сорбированных загрязнений.
Лампа бегущей волны миллиметрового диапазона для 5G систем беспроводной связи
В статье [6] представлены результаты проектирования отдельных узлов лампы бегущей волны (ЛБВ) W-диапазона c рабочей полосой частот 2 ГГц, ускоряющим напряжением 6 кВ, коэффициентом усиления 25 дБ и выходной мощностью в импульсе 6 Вт. Проектирование проведено с учетом возможности использования полученных результатов на более высоких частотах, в частности, применялся ленточный электронный пучок и замедляющая система (ЗС) в форме петляющего волновода (рис.3). Получены основные параметры конфигурации узлов ЛБВ.
Общая длина ЗС составила 28 мм (40 периодов). Размер широкой стенки волновода составляет 2,2 мм, узкой стенки – 0,1 мм. Размеры (Ш Ч В) пролетного канала – 1,2 Ч 0,1 мм. Мгновенная ширина полосы усиливаемых частот, определенная по уровню –1 дБ, для всех значений ускоряющего напряжения превысила 3 ГГц. Изменение ускоряющего напряжения на ±0,2 кВ обеспечивало перестройку центральной частоты в пределах от 92 до 102 ГГц при сохранении коэффициента усиления более 25 дБ.
Электронная пушка проектировалась на базе термоэмиссионного импрегнированного катода с допустимой плотностью тока 20 А/см2. Коэффициент линейной компрессии луча составил 2,5. В качестве прототипа использовалась пушка Мюллера. Рассматривалась возможность использования в приборе автоэмиссионного катода на основе карбида кремния с предельной плотностью тока до 10 А/см2.
Магнитная система проектировалась на основе однопериодной конфигурации из прямоугольных по сечению стержней постоянных аксиально намагниченных магнитов в SmCo с энергией 15 МГсЭ. Зазор полюсных наконечников составил 0,33 мм, их толщина – 2,5 мм. Было достигнуто осевое значение индукции B0 = 0,25 Тл. Магнитную систему удалось вписать в объем 30 Ч 15 Ч 11 мм.
Клистрон миллиметрового диапазона
В статье [7] представлены результаты проектирования усилительного клистрона W-диапазона c выходной мощностью в импульсе 1 кВт, рабочей полосой частот 0,38 ГГц, ускоряющим напряжением 10 кВ и коэффициентом усиления 50 дБ. Рассмотрены проблемы выбора ускоряющего напряжения, формы электронного пучка, рабочего вида колебаний резонаторов.
Модель проектируемого клистрона показана на рис.4 (без пушки и коллектора). Для реализации режима группировки электронов используется "скиртронная" система настройки: первый резонатор настроен на нижний край полосы рабочих частот, промежуточные резонаторы – на частоты выше рабочих частот клистрона, выходное устройство – на центр полосы. Система настройки резко несимметрична относительно центральной частоты, но итоговую частотную характеристику выходной мощности удается выровнять, повышая сопротивление входного резонатора или перестраивая второй резонатор ближе к первому в пределах полосы.
Для моделирования процесса взаимодействия электронов с высокочастотным электромагнитным полем был использован метод крупных частиц. На рис.5 показаны положения крупных частиц в фиксированный момент времени в установившемся режиме (время симуляции – 15 нс) на частоте 94,2 ГГц в выходной части клистрона. Ток пучка составил 0,7 А, входная мощность – 5 мВт, общее число частиц – 46485.
Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики клистрона, полученные в результате моделирования, показаны на рис.6. На рабочей частоте 94,2 ГГц при токе пучка 0,8 А выходная мощность достигла 1070 Вт. КПД в этой точке составляет 13%, а коэффициент усиления – 50 дБ. Ширина полосы усиления по уровню –3 дБ равна 380 МГц, что несколько меньше заданной.
Проектирование электродинамической и электронно-оптической систем усилительного клистрона W-диапазона с выходной мощностью 1 кВт показало, что выбранные модели узлов позволяют обеспечить заданные параметры за исключением ширины полосы усиливаемых частот. Расширение полосы может быть достигнуто за счет использования пассивных резонаторов.
О РОЛИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ФАКТОРОВ В ЭВОЛЮЦИИ ВАКУУМНЫХ МИКРОПРИБОРОВ
Новые функциональные возможности приборов вакуумной эмиссионной микро- и наноэлектроники определяются следующими факторами:
• сверхмалыми временами (10–9–10–12 с) протекания процессов (минимальные длины пробега, скорость распространения электромагнитного импульса в вакууме – 2,9979 · 108 м/с);
• сверхмалыми емкостями ввиду микроразмеров конструктивных элементов и низкого значения относительной диэлектрической проницаемости вакуума (ε=1);
• высокими индукциями магнитных полей в условиях сверхмалых размеров (слабое проявление эффекта спада магнитного поля от расстояния – около 1/R6);
• сверхвысокими напряженностями электрических полей (более 108 В/см), что обусловлено сверхмалыми межэлектродными расстояниями и наноразмерной локальной кривизной конструктивных элементов, например катодов;
• сверхвысокими плотностями тока (более 108 А/см2) из-за возможности нано- и микролокализации эмиссионных процессов;
• высокими плотностями элементов (более 108/мм2) вследствие возможности их реализации на основе интегрально-групповых микро- и нанотехнологий.
Наряду с этим имеют место следующие возможности:
• улучшение показателя мощность/объем, уменьшение массогабаритных характеристик источников питания, снижение рабочих напряжений;
• повышение эффективности управления процессами токопрохождения и усиления сигналов с помощью магнитных полей в условиях их локализации в сверхмалых объемах;
• реализация конструкций, обеспечивающих функционирование микроприборов с пониженными требованиями по глубине вакуума;
• эффективное использование интегрально-групповых микротехнологий твердотельной электроники и микросистемной техники при создании миниатюрных вакуумных приборов;
• комплексирование твердотельных и вакуумных микроприборов в изделия с ранее недостижимыми функциональными параметрами.
Прогрессивные конструктивно-технологические решения в области разработки эмиссионных систем позволяют решить комплекс задач по созданию нетрадиционной микро- и нанотехники нового поколения, использующей создание в малых объемах локальных зон сверхвысоких температур, создание и локальное удержание плазмы в сверхмалых объемах, а также стимуляцию сверхлокализованного, в том числе топологически упорядоченного, рентгеновского излучения.
ВОСТРЕБОВАННОСТЬ И КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ВАКУУМНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Современные тенденции и возможные рынки для вакуумной микроэлектроники определяются спросом на приборы коротковолновой части миллиметрового диапазона с выходной мощностью в десятки ватт и более. Обобщенная структура возможных областей применения таких приборов с учетом значимости базовых параметров приведена в таблице. Таким образом, вакуумная микроэлектроника может быть востребована в следующих областях:
• инфокоммуникационные системы с ранее недостижимыми частотами и произведениями мощности на полосу пропускания, создание которых стимулируется развитием беспроводной широкодиапазонной высокоскоростной связи поколения 5G, требующей повышения рабочей частоты и, как следствие, увеличения мощности сигнала из-за фактора возрастания его поглощения в атмосфере;
• инфо-телекоммуникационные системы космического базирования, развитие которых может требовать дискретного повышения рабочей частоты в окнах прозрачности атмосферы (90, 220, 460, 670, 850, 1030 ГГц) для интеграции с наземными объектами связи, увеличения скорости передачи информации и обеспечения ее помехозащищенности, а также использования рентгеновского диапазона частот из-за минимизации фактора поглощения излучения в космическом пространстве;
• навигационные системы космического базирования, которые требуют повышения мощности и частоты работы систем радионавигации с целью достижения более высокого разрешения, точности позиционирования, максимизации охвата территорий, увеличения надежности и долговечности функционирования в условиях внешних электромагнитных и радиационных воздействий;
• высокоточные радиоэлектронные средства обнаружения, наведения и радиоэлектронного противодействия с высокими энергочастотными параметрами, пространственным и 3D-разрешением, устойчивостью к внешним электромагнитным воздействиям;
• техника досмотрового антитеррористического назначения, ориентированная на эксплуатацию в частотном диапазоне "терагерцовые щели" (300 ГГц – 3 ТГц), обеспечивающая дистанционное неразрушающее томографическое выявление и мультиспектральную идентификацию широкой номенклатуры взрывчатых и наркотических веществ при минимизации негативного воздействия контрольно-диагностической процедуры на человека;
• приборы для научных исследований и сертификации продукции, основанные на анализе колебательных спектров молекул органической и неорганической природы в терагерцовом диапазоне частот, обеспечивающем экспресс-идентификацию состава объектов, в том числе без нарушения целостности упаковки;
• медицинская техника нового поколения для безвредной радио-томографической экспресс-диагностики отдельных органов человека с целью раннего выявления патологических изменений;
• системы обеспечения безопасности ядерных и техногенно-опасных объектов на основе ЭКБ со сверхэкстремальными температурными и радиационными условиями эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Важным стимулом развития вакуумной микроэлектроники следует считать освоение миллиметровых длин волн и терагерцового диапазона частот при необходимости обеспечения требуемых значений важнейшего критерия качества систем беспроводной связи, радиолокации и радиоэлектронного противодействия – произведения выходной мощности на рабочую частоту и полосу частот.
Использование базовых и модифицированных процессов микро- и нанотехнологии и инфраструктуры интегрально-группового производства приборов твердотельной электроники и микросистемной техники создают предпосылки к ренессансу вакуумной электроники с эволюцией в микро- и наноразмерную область.
Комплексирование твердотельных и вакуумных микроприборов – рациональный экономически эффективный путь гармонизации конструктивно-технологических решений при прорывном характере интегрированных функциональных микроволновых и терагерцовых систем с ранее недостижимыми параметрами.
Основные научно-образовательные направления развития школы вакуумной электроники в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" представлены на форзаце данного издания.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Thermionic emission. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermionic_emission. (Accessed 30 July 2018).
2. Field electron emission. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission. (Accessed 30 July 2018).
3. Grigoriev A.D., Ivanov V.A., Molokovsky S.I. O-Type Microwave Devices. Microwave Electronics Springer Series in Advanced Microelectronics, 109–202. 2018. doi:10.1007/978-3-319-68891-6_7.
4. Попов Р.М. Так начинался "Исток". URL: http://www.qrz.ru/articles/article212.html. (Дата обращения: 30.07.2018).
Popov R.M. Tak nachinalsya "Istok". Available at: http://www.qrz.ru/articles/article212.html. (Accessed 30 July 2018). (In Russian).
5. Golubkov V., Ivanov A., Ilyin V., Luchinin V., Bogdanov S., Chernov V., Vikharev A. Stabilizing effect of diamond thin film on nanostructured silicon carbide field emission array. J. Vac. Sci. Technol. B 34(6). Nov/Dec 2016.
6. Григорьев А.Д., Иванов А.С., Ильин В.А., Лучинин В.В., Титов В.Н. Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Электронная техника, серия 1, СВЧ техника. Вып. 4 (537). 2015.
Grigoryev A.D., Ivanov A.S., Ilyin V.A., Luchinin V.V., Titov V.N. The designing of millimeter and submillimeter ranges traveling-wave tubes (TWT). Elektronnaya tekhnika, Series 1, SVCH-tekhnika. Vol. 4 (537). 2015. (In Russian).
7. Григорьев А.Д., Аверкиев Д.В., Киреев А.Г., Серегина Е.Р. Проблемы разработки усилительных клистронов диапазона КВЧ // Электронная техника, серия 1, СВЧ техника. В печати.
Grigor'yev A.D., Averkiyev D.V., Kireyev A.G., Seregina Ye.R. Problemy razrabotki usilitel'nykh klistronov diapazona KVCH. Elektronnaya tekhnika, Series 1, SVCH-tekhnika. [In publishing].
В основу вакуумной электроники положена термоэмиссионная (Т.А.Эдисон – 1883 год, О.У.Ричардсон – 1901 год) [1] и автоэмиссионная (Ю.Э.Лилиенфельд – 1922 год, Р.Фаулер и Л.Нордхейм – 1929 год) [2] способность материалов эмитировать в вакуум носители заряда, в частности, электроны. Петербургская школа вакуумной электротехники и электроники [3] начала развиваться с конца 19 в. в стенах электротехнического института (ЭТИ, ЛЭТИ, ныне – СПбГЭТУ "ЛЭТИ") в рамках кооперации с заводом "Айваз", выпускавшим c 1913 года электрические лампы накаливания под торговой маркой "Светлана". В 1928 году для производства приемно-усилительных и генераторных ламп на базе "Айваза" был создан Электровакуумный завод (ЭВЗ) "Светлана". Приобретенный опыт разработки и производства вакуумных электронных приборов С.А.Векшинский, главный инженер ЭВЗ "Светлана", использовал при организации в 1943 году НИИ электровакуумной техники (ныне – АО "НПП "Исток" им. Шокина) [4], деятельность которого определила развитие ряда до настоящего времени востребованных, актуальных и фактически не имеющих аналогов промышленных приборов для генерации СВЧ-излучения.
До сих пор российская вакуумная электроника по ряду направлений, в первую очередь связанных с генерацией мощного электромагнитного излучения, держится на уровне лучших мировых достижений. Современной тенденцией вакуумного электронного приборостроения является реализация конструкторско-технологических решений на основе адаптированных микро- и нанотехнологий твердотельной электроники и микросистемной техники. Создание компактных миниатюрных приборов вакуумной электроники определило формирование нового направления – интегральной вакуумной микро- и наноэлектроники, а в последнее время – и так называемых "вакуумных наноламп", то есть фактически полевых транзисторов с баллистическим переносом носителей в наноразмерном (около 100 нм) вакуумном канале.
Наряду с представлением современных разработок в области вакуумной электроники, реализуемых на кафедре радиотехнической электроники (РТЭ) и в центре микротехнологии и диагностики (инжиниринговый центр ЦМИД) СПбГЭТУ "ЛЭТИ", целью данной статьи является рассмотрение следующих вопросов:
• конструкторско-технологическое обеспечение создания приборов с ранее недостижимыми параметрами;
• роль микро- и наноразмерных факторов в эволюции микромощных вакуумных приборов;
• востребованность и конкурентоспособность вакуумной электроники.
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Характеризуя современное состояние экспериментальных разработок в области вакуумной микроэлектроники, следует отметить, что по комплексу параметров, в том числе, быстродействию, критерию качества (произведению выходной мощности на рабочую частоту и полосу частот), предельной рабочей частоте, уровню шумов, устойчивости к радиационным, температурным и электромагнитным воздействиям, приборы вакуумной эмиссионной электроники должны превосходить твердотельные функциональные аналоги. Определим ряд актуальных физико-технологических проблем.
Обеспечение эффективности и стабильности катодов, несмотря на их разнообразие (диспенсерный, бариевый, скандатный, вольфрамовый, легированный окисью скандия, углеродный), требует проведения исследований в области материалов, конструкций и физики эмиссии.
Потери в замедляющей системе при транспортировке электронных пучков определяют приоритетность обеспечения требуемого аспектного отношения замедляющих структур (петляющий, встречно-штыревой волноводы) и, особенно, качества их поверхности (шероховатость не хуже 30–50 нм). Следует отметить, что при переходе к применению замедляющих структур малой длины (порядка 2 см) с повышением частоты генерации резко возрастают требования к увеличению плотности тока при повышении яркости катодов и к системам формирования электронного пучка, учитывая его рассеяние на поверхности.
Внедрение новых микротехнологий формирования волноводов с развитой геометрией и низкой шероховатостью поверхности базируется на замене традиционной электроэрозионной (искровой) обработки на глубинное ионное травление или так называемую LIGA-технологию, основанную на литографии по толстому резисту с использованием синхронного излучения с последующим гальваническим выращиванием в полимерной матрице замедляющих структур. Для формирования развитого объемного канала сложной геометрии с замедляющей 3D-структурой возможно применение метода термического или анодного сращивания двух псевдопланарных заготовок канала с их прецизионным совмещением.
Создание фокусирующих систем с необходимыми для эффективного электронно-волнового взаимодействия величиной и распределением магнитного поля требует использования конструктивно-материаловедческих решений с высоким уровнем фокусирующего магнитного поля при минимизации его значения вне области прохождения луча. На данной стадии доминируют процессы численного анализа на основе моделирования нелинейного электронно-волнового взаимодействия.
При формировании вакуумного канала полевого транзистора с баллистическим переносом наряду с использованием остросфокусированного ионного пучка (FIB-технологии) для сверхлокального удаления и ионно-стимулированного осаждения материала, возможна технологическая реализация, основанная на так называемом "жертвенном" слое, которая широко используется при создании объектов микросистемной техники.
Функционирование миниатюрного устройства с совокупностью функциональных 3D геометрически развитых эмиссионной, транспортной и коллекторной подсистем требует достижения и длительного сохранения достаточно высокого уровня вакуума. В условиях наличия вакуумных микро- и наноканалов, то есть вакуумирования гетерогенных 3D-объектов сверхмалых размеров, наряду с традиционными проблемами откачки имеет место ограничение на использование распыляемых геттеров. Снижение требований к уровню вакуума в микро- и наноразмерных эмиссионных приборах прогнозируется при уменьшении характеристических размеров до уровня десятков нанометров.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ СПБГЭТУ "ЛЭТИ"
Автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния и алмаза
Матричные автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния рассматриваются как перспективные источники электронов для вакуумных микроэлектронных приборов. Несмотря на то, что карбид кремния обладает рядом существенных достоинств по сравнению с традиционными материалами автокатодов, разработкой его технологии занимаются всего несколько лабораторий в ряде ведущих стран.
В статье [5] представлены результаты формирования матрицы наноразмерных остриев с уменьшенным разбросом их высот. Результаты измерений показывают, что при высокой напряженности электрического поля неоднородность высот остриев является ключевым фактором нестабильности тока.
Одним из путей преодоления указанной нестабильности является использование алмазных пленок, поскольку алмаз признан одним из лучших материалов для получения автоэмиссии. Серьезной технологической проблемой при применении алмаза является создание остриев с высоким аспектным фактором. Решить ее позволяет нанесение нанокристаллической нелегированной тонкой пленки (0,5 мкм) на матричный автоэмиссионный катод из карбида кремния. Пленка "сглаживает" виртуальную эмитирующую поверхность, соединяющую острия, уменьшает разброс высот и повышает стабильность тока.
На рис.1 представлен матричный автоэмиссионный катод, сформированный на монокристаллической пластине 6H–SiC двухэтапным реактивным ионным травлением во фторсодержащей атмосфере. На первом этапе формировалась регулярная структура пьедесталов, на втором этапе – наноразмерные острия.
Полученные автокатоды были размещены в экспериментальных диодах с межэлектродным зазором 40 мкм. Диоды прошли предварительный прогрев при 200 °C в течение 50 мин и были вакуумированы до остаточного давления 7,5 · 10–⁸ Па. Исследование токовых характеристик проводилось в течение 48 ч при анодном напряжении 3,75 кВ. На рис.2 показаны экспериментальные графики изменения плотности тока от времени для двух диодов. В диоде с автокатодом без алмазной пленки в течение первых 4 часов плотность тока выросла на 19%, однако к концу периода наблюдений она снизилась на 23% по отношению к исходной величине. В диоде с алмазной пленкой колебания плотности тока не превышали 5% в течение всего эксперимента.
Таким образом, была экспериментально продемонстрирована автоэмиссия с поверхности нанокристаллической нелегированной тонкой пленки на матричном катоде из карбида кремния. Формирование комбинированной структуры стабилизировало эмиссионные свойства благодаря образованию химически инертной эмитирующей поверхности, свободной от нестабильных сорбированных загрязнений.
Лампа бегущей волны миллиметрового диапазона для 5G систем беспроводной связи
В статье [6] представлены результаты проектирования отдельных узлов лампы бегущей волны (ЛБВ) W-диапазона c рабочей полосой частот 2 ГГц, ускоряющим напряжением 6 кВ, коэффициентом усиления 25 дБ и выходной мощностью в импульсе 6 Вт. Проектирование проведено с учетом возможности использования полученных результатов на более высоких частотах, в частности, применялся ленточный электронный пучок и замедляющая система (ЗС) в форме петляющего волновода (рис.3). Получены основные параметры конфигурации узлов ЛБВ.
Общая длина ЗС составила 28 мм (40 периодов). Размер широкой стенки волновода составляет 2,2 мм, узкой стенки – 0,1 мм. Размеры (Ш Ч В) пролетного канала – 1,2 Ч 0,1 мм. Мгновенная ширина полосы усиливаемых частот, определенная по уровню –1 дБ, для всех значений ускоряющего напряжения превысила 3 ГГц. Изменение ускоряющего напряжения на ±0,2 кВ обеспечивало перестройку центральной частоты в пределах от 92 до 102 ГГц при сохранении коэффициента усиления более 25 дБ.
Электронная пушка проектировалась на базе термоэмиссионного импрегнированного катода с допустимой плотностью тока 20 А/см2. Коэффициент линейной компрессии луча составил 2,5. В качестве прототипа использовалась пушка Мюллера. Рассматривалась возможность использования в приборе автоэмиссионного катода на основе карбида кремния с предельной плотностью тока до 10 А/см2.
Магнитная система проектировалась на основе однопериодной конфигурации из прямоугольных по сечению стержней постоянных аксиально намагниченных магнитов в SmCo с энергией 15 МГсЭ. Зазор полюсных наконечников составил 0,33 мм, их толщина – 2,5 мм. Было достигнуто осевое значение индукции B0 = 0,25 Тл. Магнитную систему удалось вписать в объем 30 Ч 15 Ч 11 мм.
Клистрон миллиметрового диапазона
В статье [7] представлены результаты проектирования усилительного клистрона W-диапазона c выходной мощностью в импульсе 1 кВт, рабочей полосой частот 0,38 ГГц, ускоряющим напряжением 10 кВ и коэффициентом усиления 50 дБ. Рассмотрены проблемы выбора ускоряющего напряжения, формы электронного пучка, рабочего вида колебаний резонаторов.
Модель проектируемого клистрона показана на рис.4 (без пушки и коллектора). Для реализации режима группировки электронов используется "скиртронная" система настройки: первый резонатор настроен на нижний край полосы рабочих частот, промежуточные резонаторы – на частоты выше рабочих частот клистрона, выходное устройство – на центр полосы. Система настройки резко несимметрична относительно центральной частоты, но итоговую частотную характеристику выходной мощности удается выровнять, повышая сопротивление входного резонатора или перестраивая второй резонатор ближе к первому в пределах полосы.
Для моделирования процесса взаимодействия электронов с высокочастотным электромагнитным полем был использован метод крупных частиц. На рис.5 показаны положения крупных частиц в фиксированный момент времени в установившемся режиме (время симуляции – 15 нс) на частоте 94,2 ГГц в выходной части клистрона. Ток пучка составил 0,7 А, входная мощность – 5 мВт, общее число частиц – 46485.
Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики клистрона, полученные в результате моделирования, показаны на рис.6. На рабочей частоте 94,2 ГГц при токе пучка 0,8 А выходная мощность достигла 1070 Вт. КПД в этой точке составляет 13%, а коэффициент усиления – 50 дБ. Ширина полосы усиления по уровню –3 дБ равна 380 МГц, что несколько меньше заданной.
Проектирование электродинамической и электронно-оптической систем усилительного клистрона W-диапазона с выходной мощностью 1 кВт показало, что выбранные модели узлов позволяют обеспечить заданные параметры за исключением ширины полосы усиливаемых частот. Расширение полосы может быть достигнуто за счет использования пассивных резонаторов.
О РОЛИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ФАКТОРОВ В ЭВОЛЮЦИИ ВАКУУМНЫХ МИКРОПРИБОРОВ
Новые функциональные возможности приборов вакуумной эмиссионной микро- и наноэлектроники определяются следующими факторами:
• сверхмалыми временами (10–9–10–12 с) протекания процессов (минимальные длины пробега, скорость распространения электромагнитного импульса в вакууме – 2,9979 · 108 м/с);
• сверхмалыми емкостями ввиду микроразмеров конструктивных элементов и низкого значения относительной диэлектрической проницаемости вакуума (ε=1);
• высокими индукциями магнитных полей в условиях сверхмалых размеров (слабое проявление эффекта спада магнитного поля от расстояния – около 1/R6);
• сверхвысокими напряженностями электрических полей (более 108 В/см), что обусловлено сверхмалыми межэлектродными расстояниями и наноразмерной локальной кривизной конструктивных элементов, например катодов;
• сверхвысокими плотностями тока (более 108 А/см2) из-за возможности нано- и микролокализации эмиссионных процессов;
• высокими плотностями элементов (более 108/мм2) вследствие возможности их реализации на основе интегрально-групповых микро- и нанотехнологий.
Наряду с этим имеют место следующие возможности:
• улучшение показателя мощность/объем, уменьшение массогабаритных характеристик источников питания, снижение рабочих напряжений;
• повышение эффективности управления процессами токопрохождения и усиления сигналов с помощью магнитных полей в условиях их локализации в сверхмалых объемах;
• реализация конструкций, обеспечивающих функционирование микроприборов с пониженными требованиями по глубине вакуума;
• эффективное использование интегрально-групповых микротехнологий твердотельной электроники и микросистемной техники при создании миниатюрных вакуумных приборов;
• комплексирование твердотельных и вакуумных микроприборов в изделия с ранее недостижимыми функциональными параметрами.
Прогрессивные конструктивно-технологические решения в области разработки эмиссионных систем позволяют решить комплекс задач по созданию нетрадиционной микро- и нанотехники нового поколения, использующей создание в малых объемах локальных зон сверхвысоких температур, создание и локальное удержание плазмы в сверхмалых объемах, а также стимуляцию сверхлокализованного, в том числе топологически упорядоченного, рентгеновского излучения.
ВОСТРЕБОВАННОСТЬ И КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ВАКУУМНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Современные тенденции и возможные рынки для вакуумной микроэлектроники определяются спросом на приборы коротковолновой части миллиметрового диапазона с выходной мощностью в десятки ватт и более. Обобщенная структура возможных областей применения таких приборов с учетом значимости базовых параметров приведена в таблице. Таким образом, вакуумная микроэлектроника может быть востребована в следующих областях:
• инфокоммуникационные системы с ранее недостижимыми частотами и произведениями мощности на полосу пропускания, создание которых стимулируется развитием беспроводной широкодиапазонной высокоскоростной связи поколения 5G, требующей повышения рабочей частоты и, как следствие, увеличения мощности сигнала из-за фактора возрастания его поглощения в атмосфере;
• инфо-телекоммуникационные системы космического базирования, развитие которых может требовать дискретного повышения рабочей частоты в окнах прозрачности атмосферы (90, 220, 460, 670, 850, 1030 ГГц) для интеграции с наземными объектами связи, увеличения скорости передачи информации и обеспечения ее помехозащищенности, а также использования рентгеновского диапазона частот из-за минимизации фактора поглощения излучения в космическом пространстве;
• навигационные системы космического базирования, которые требуют повышения мощности и частоты работы систем радионавигации с целью достижения более высокого разрешения, точности позиционирования, максимизации охвата территорий, увеличения надежности и долговечности функционирования в условиях внешних электромагнитных и радиационных воздействий;
• высокоточные радиоэлектронные средства обнаружения, наведения и радиоэлектронного противодействия с высокими энергочастотными параметрами, пространственным и 3D-разрешением, устойчивостью к внешним электромагнитным воздействиям;
• техника досмотрового антитеррористического назначения, ориентированная на эксплуатацию в частотном диапазоне "терагерцовые щели" (300 ГГц – 3 ТГц), обеспечивающая дистанционное неразрушающее томографическое выявление и мультиспектральную идентификацию широкой номенклатуры взрывчатых и наркотических веществ при минимизации негативного воздействия контрольно-диагностической процедуры на человека;
• приборы для научных исследований и сертификации продукции, основанные на анализе колебательных спектров молекул органической и неорганической природы в терагерцовом диапазоне частот, обеспечивающем экспресс-идентификацию состава объектов, в том числе без нарушения целостности упаковки;
• медицинская техника нового поколения для безвредной радио-томографической экспресс-диагностики отдельных органов человека с целью раннего выявления патологических изменений;
• системы обеспечения безопасности ядерных и техногенно-опасных объектов на основе ЭКБ со сверхэкстремальными температурными и радиационными условиями эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Важным стимулом развития вакуумной микроэлектроники следует считать освоение миллиметровых длин волн и терагерцового диапазона частот при необходимости обеспечения требуемых значений важнейшего критерия качества систем беспроводной связи, радиолокации и радиоэлектронного противодействия – произведения выходной мощности на рабочую частоту и полосу частот.
Использование базовых и модифицированных процессов микро- и нанотехнологии и инфраструктуры интегрально-группового производства приборов твердотельной электроники и микросистемной техники создают предпосылки к ренессансу вакуумной электроники с эволюцией в микро- и наноразмерную область.
Комплексирование твердотельных и вакуумных микроприборов – рациональный экономически эффективный путь гармонизации конструктивно-технологических решений при прорывном характере интегрированных функциональных микроволновых и терагерцовых систем с ранее недостижимыми параметрами.
Основные научно-образовательные направления развития школы вакуумной электроники в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" представлены на форзаце данного издания.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Thermionic emission. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermionic_emission. (Accessed 30 July 2018).
2. Field electron emission. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission. (Accessed 30 July 2018).
3. Grigoriev A.D., Ivanov V.A., Molokovsky S.I. O-Type Microwave Devices. Microwave Electronics Springer Series in Advanced Microelectronics, 109–202. 2018. doi:10.1007/978-3-319-68891-6_7.
4. Попов Р.М. Так начинался "Исток". URL: http://www.qrz.ru/articles/article212.html. (Дата обращения: 30.07.2018).
Popov R.M. Tak nachinalsya "Istok". Available at: http://www.qrz.ru/articles/article212.html. (Accessed 30 July 2018). (In Russian).
5. Golubkov V., Ivanov A., Ilyin V., Luchinin V., Bogdanov S., Chernov V., Vikharev A. Stabilizing effect of diamond thin film on nanostructured silicon carbide field emission array. J. Vac. Sci. Technol. B 34(6). Nov/Dec 2016.
6. Григорьев А.Д., Иванов А.С., Ильин В.А., Лучинин В.В., Титов В.Н. Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Электронная техника, серия 1, СВЧ техника. Вып. 4 (537). 2015.
Grigoryev A.D., Ivanov A.S., Ilyin V.A., Luchinin V.V., Titov V.N. The designing of millimeter and submillimeter ranges traveling-wave tubes (TWT). Elektronnaya tekhnika, Series 1, SVCH-tekhnika. Vol. 4 (537). 2015. (In Russian).
7. Григорьев А.Д., Аверкиев Д.В., Киреев А.Г., Серегина Е.Р. Проблемы разработки усилительных клистронов диапазона КВЧ // Электронная техника, серия 1, СВЧ техника. В печати.
Grigor'yev A.D., Averkiyev D.V., Kireyev A.G., Seregina Ye.R. Problemy razrabotki usilitel'nykh klistronov diapazona KVCH. Elektronnaya tekhnika, Series 1, SVCH-tekhnika. [In publishing].
Отзывы читателей
