微波真空器件中的微電子技術

馮進軍 李興輝

(中國電子科技集團公司第十二研究所微波電真空器件國家級重點實驗室 北京 100015)

　　摘要：基于場致發射陰極和現代微細加工技術制作的微波真空電子器件，既可以實現器件的抗輻射，耐高溫，高頻率，大功率和瞬時啟動，同時又能具有小體積，高效率，集成化和低成本，是性能十分理想的新型電子器件。隨著現代微細加工特別是三維微加工技術如精密EDM 技術，DRIE，LIGA 和UV-LIGA 技術的發展，使得更高頻段微波甚至太赫茲真空器件慢波互作用結構的實現成為可能。

　　真空電子器件頻率的不斷提高，使得微細加工手段制作的慢波結構尺寸急劇縮小，要求相應陰極的發射電流密度明顯增大到幾十甚至幾百A/cm2。此時傳統熱陰極應用有了很大的困難，而使用場發射冷陰極作為電子源，有著十分誘人的前景。

　　本文綜述了場發射陣列陰極發明以來，各種類型包括Spindt 陰極，碳納米管和金剛石發射陣列在國際上發展狀況，以及將這些陰極作為電子源用于適合微波真空器件的研究嘗試。研究初期，場發射陰極應用主要集中在低頻C 波段和X 波段行波管和速調管，并且都獲得了功率輸出。

　　近年來的研究熱點，則多集中在高頻段微波器件和太赫茲器件。美國和歐盟啟動了多項相關計劃，如美國針對220 GHz 器件的HIFIVE 計劃，針對340 GHz 器件的SWIFT 計劃和針對650 GHz 器件的TIFT 計劃，以及THzElectronics 計劃的670,850,1030 GHz，以及歐盟啟動的針對太赫茲驅動信號放大器和光學調制太赫茲放大器研究的OPTHER 計劃。這些計劃中很多方案計劃采用微加工的場發射陰極，并且同時研發了相關的高頻互作用結構設計和加工技術，以及配套的材料技術。實現場發射陰極在微波真空電子器件中應用，仍需要在重復性、可靠性、一致性和電流發射能力方面進一步提升。

　　Spindt 金屬陣列陰極容易實現小發射面積下高電流密度和大電流，前提是源于先進的工藝條件和嚴格的工藝控制，并還要解決可靠性，減少陰柵極擊穿幾率，和耐受電弧傷害能力。碳納米管具有優良物理化學特性和發射穩定性，但實現柵控、垂直定向、高度一致、密度可控的碳納米管生長技術還比較困難，具體表現就是碳納米管場發射能力不強，陰極發射電流密度還遠達不到器件的要求，與微波真空電子器件要求電子源同時具有高電流密度和大電流不相符合。實現微加工的微波真空電子器件，需要解決穩定大電流密度陰極和強流電子注聚焦技術，高頻慢波結構MEMS 加工和高效互作用技術，以及高效熱控制和高熱容量技術。

　　這些問題是互相關聯的，而陰極問題是研究的基礎：W 及以下波段微波真空電子器件應用中，熱陰極和傳統加工技術占主導地位，而且單就發射電流密度和總電流指標而言，由于目前電流密度100 A/cm2熱陰極的實現，場發射陰極也不具優勢。而W 波段以上直至太赫茲頻段真空器件，微小尺寸高頻互作用區域的加工只能依靠現代MEMS 技術實現，此時制作工藝兼容，并且以小面積下強發射為特點的場發射陰極更具潛在應用優勢。

　　本文還簡要介紹了中電集團十二所微波電真空器件國家實驗室在高頻段微波真空器件，如94 GHz 行波管，220 GHz 和340 GHz 的返波振蕩器，560 GHz正反饋振蕩器的整管設計和工藝研究情況，以及整管相關技術如場發射冷陰極技術，DRIE和UV LIGA 方法制作折疊波導慢波結構技術，MPCVD 方法制作金剛石輸能窗片技術等。