微波真空器件中的微电子技术

微波真空器件中的微电子技术

冯进军 李兴辉

(中国电子科技集团公司第十二研究所微波电真空器件国家级重点实验室 北京 100015)

　　摘要：基于场致发射阴极和现代微细加工技术制作的微波真空电子器件，既可以实现器件的抗辐射，耐高温，高频率，大功率和瞬时启动，同时又能具有小体积，高效率，集成化和低成本，是性能十分理想的新型电子器件。随着现代微细加工特别是三维微加工技术如精密EDM 技术，DRIE，LIGA 和UV-LIGA 技术的发展，使得更高频段微波甚至太赫兹真空器件慢波互作用结构的实现成为可能。

　　真空电子器件频率的不断提高，使得微细加工手段制作的慢波结构尺寸急剧缩小，要求相应阴极的发射电流密度明显增大到几十甚至几百A/cm2。此时传统热阴极应用有了很大的困难，而使用场发射冷阴极作为电子源，有着十分诱人的前景。

　　本文综述了场发射阵列阴极发明以来，各种类型包括Spindt 阴极，碳纳米管和金刚石发射阵列在国际上发展状况，以及将这些阴极作为电子源用于适合微波真空器件的研究尝试。研究初期，场发射阴极应用主要集中在低频C 波段和X 波段行波管和速调管，并且都获得了功率输出。

　　近年来的研究热点，则多集中在高频段微波器件和太赫兹器件。美国和欧盟启动了多项相关计划，如美国针对220 GHz 器件的HIFIVE 计划，针对340 GHz 器件的SWIFT 计划和针对650 GHz 器件的TIFT 计划，以及THzElectronics 计划的670,850,1030 GHz，以及欧盟启动的针对太赫兹驱动信号放大器和光学调制太赫兹放大器研究的OPTHER 计划。这些计划中很多方案计划采用微加工的场发射阴极，并且同时研发了相关的高频互作用结构设计和加工技术，以及配套的材料技术。实现场发射阴极在微波真空电子器件中应用，仍需要在重复性、可靠性、一致性和电流发射能力方面进一步提升。

　　Spindt 金属阵列阴极容易实现小发射面积下高电流密度和大电流，前提是源于先进的工艺条件和严格的工艺控制，并还要解决可靠性，减少阴栅极击穿几率，和耐受电弧伤害能力。碳纳米管具有优良物理化学特性和发射稳定性，但实现栅控、垂直定向、高度一致、密度可控的碳纳米管生长技术还比较困难，具体表现就是碳纳米管场发射能力不强，阴极发射电流密度还远达不到器件的要求，与微波真空电子器件要求电子源同时具有高电流密度和大电流不相符合。实现微加工的微波真空电子器件，需要解决稳定大电流密度阴极和强流电子注聚焦技术，高频慢波结构MEMS 加工和高效互作用技术，以及高效热控制和高热容量技术。

　　这些问题是互相关联的，而阴极问题是研究的基础：W 及以下波段微波真空电子器件应用中，热阴极和传统加工技术占主导地位，而且单就发射电流密度和总电流指标而言，由于目前电流密度100 A/cm2热阴极的实现，场发射阴极也不具优势。而W 波段以上直至太赫兹频段真空器件，微小尺寸高频互作用区域的加工只能依靠现代MEMS 技术实现，此时制作工艺兼容，并且以小面积下强发射为特点的场发射阴极更具潜在应用优势。

　　本文还简要介绍了中电集团十二所微波电真空器件国家实验室在高频段微波真空器件，如94 GHz 行波管，220 GHz 和340 GHz 的返波振荡器，560 GHz正反馈振荡器的整管设计和工艺研究情况，以及整管相关技术如场发射冷阴极技术，DRIE和UV LIGA 方法制作折叠波导慢波结构技术，MPCVD 方法制作金刚石输能窗片技术等。