用于高电流密度用途的多层碳基场发射电子装置的制作方法

专利名称：用于高电流密度用途的多层碳基场发射电子装置的制作方法
背景技术：
发明领域一般而言，本发明所涉及的是电子场发射器。更具体地说，本发明提供了一种采用场发射并具有两层由采用含碳气体的方法得到的材料产生高电流密度的装置(device)。
相关技术说明现在存在着两种基本的场发射电子装置的几何结构。第一种几何结构是采用排列的电子发射尖端(tip)。这些装置是采用复杂的光刻技术以形成发射尖端而制成的，其中尖端通常具有一至几微米的高度并具有非常小的曲率半径。尖端通常是由硅、钼、钨和/或其它耐熔金属构成的。现有技术还建议指出，微尖端可由一种特定晶体取向的金刚石制成，或者，非碳微尖端可采用金刚石或类金刚石碳进行涂敷，以提高它们的性能(US 5,199,918)。此外，一类基于制造各种不同材料包括碳的细线或须状物技术的微尖端，也已经公开(“Field Emission from Nanotube Bundle Emitters at Low Fields，”Q.Wang et al，App.Phys.Lett.70，[24]，pp.3308(1997))。
第二种制造场发射装置的现有技术方法，是基于一种低或负电子亲合表面，该表面通常是由金刚石和/或类金刚石碳构成的(US 5,341,063、US5,602,439)。这些装置可形成为尖端，或者，它们可以是平的。其它宽带隙材料(主要为III族氮化物)，由于它们的负电子亲合性能，也已经建议用作场发射装置。
在第一种方法中，需要复杂的光刻(lithographic)和/或其它制造技术，来制造所述尖端。另外，由非金刚石材料制成的尖端，由于所述尖端的电阻加热，所以功能寿命会短，并由于来自阳极的背溅射而会使尖端毒化。金刚石基微尖端一定程度地解决了这两个问题，但是，通常地，为了合适地运行，需要许多负电子亲合表面。
第二种方法，为了使所述装置运行，需要一种低或负电子亲合表面。另外，现有技术建议，一种改善的金刚石或类金刚石发射器可通过酌情处理在碳晶格中的螺旋位错或其它缺陷而制造出来(US 5,619,092)。具有电流密度为10A/cm2的金刚石基材料，最近已经公开(T.Habermann，J.Vac.Sci.Tech.B16，P.693(1998))。这些装置是在一种基材(substrate)上制造的并保留在其上。
最近的文献公开了门控(gated)和非门控(ungated)金刚石微尖端(D.E.Patterson et al，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.509(1998))。一些非门控发射器据报导，可允许电流为7.5微安/尖端。但没有公开用来形成发射器的过程变量。如果尖端可以2.5×107尖端/cm2的密度形成，则可以计算出电流密度可高达175A/cm2，假定所有尖端都发射并且它们是均匀发射的。
对于不同的装置，需要不同特性的场发射器。对于一些装置来说，如平板显示器、传感器和高频装置，为了使能量需求最小，低电场下的发射是非常受人欢迎的。对于其它装置来说，发射可在较高的极限电场下进行，但是需要电流高。在放大器和某些供电设备如磁控管和速调管中，高电流对于某些电子枪的应用，是特别需要的。
因此，人们需要一种改善的碳基电子发射器，它不涉及制造复杂的带有尖端的微米尺寸(或更小)结构或需要某些结晶取向或特定缺陷以起适当作用的结构。另外，这些发射器应该能够为中等的电场提供高水平的发射电流。优选发射器应该具有足够的厚度，使所述发射器材料在没有基材时具有机械强度，从而制得无支撑的电源，它们可适合用于各种不同的电子设备之中。
发明概述根据本发明，通过碳的化学或物理气相沉积以形成一种具有两层碳基材料的体相结构(bulk structure)而制成了高电流密度碳基电子发射器。按这种方法生成的体相材料或主体(body)，据信能够提供一种包围传导的碳通道的高热传导性基质(thermal conductivity matrix)，从而在传导通道中的电阻热，甚至是在高电流时，也可从所述通道散逸。电子最终借助于传导通道中的场发射而从碳表面发射出来。另外，发射层与具有非常高的热传导率的较厚层直接接触，这样热量就可以一定速率从发射层转移出来，以避免发射层的过热和失效(failure)。
碳基主体可通过将一种基材放入到一个反应器中，降低反应器中的压力，并向反应器中供入一种包括氢和含碳气体如甲烷的浓度为8-13％的混合气体而形成。向基材附近的气体施加高的能量。该能量可采用多种方法如微波或RF等离子体提供。基材在反应器内经由积极的加热或冷却基材的阶段，使之处于一个选定的温度范围。在当一层已经生长到数微米的厚度时，降低甲烷的浓度，形成第二个更厚的层。接着除去所述基材，留下独立的具有两层碳基材料的主体。每层具有一个优选范围的电阻率。将一个电极放置在所述较厚层的表面之上。在高电流密度下从所述较薄层表面的电子发射是稳定的。这种表面可以是平坦的或者可以是经过构造的(structured)。在碳基主体上的构造表面，是通过在发射层生长之前对基材表面进行构造而获得的。
由此提供了基于从碳基主体进行高电流密度电子发射的装置。这些装置包括电子枪(electron guns)和含有电子枪的阴极射线管(cathode ray tube)、放大器(amplifyier)和行波管(traveling wave tube)。
附图的简要说明本发明前述和其它目的和优点，可由下述给出的说明和随后的附图而更加清楚明了，其中相同的标记表示相同的部件。


图1A和1B是一个两层高电流碳基电子发射器的示意图，它具有电子传导的通道，存在于形成在平坦基材(A)上的绝缘的高热传导性碳结构中，在基材被除去后，表面已经被一个欧姆接触点(B)所覆盖。
图2A和2B是用来在平坦基材(A)或构造基材(B)上形成本发明高电流碳基电子发射器的方法的示意图。
图3A和3B是本发明电子枪(A)和含有电子枪的阴极射线管(B)的示意图。
图4是本发明的放大器的示意图。
图5是本发明的行波管的示意图。
优选实施方式的说明为了使材料导带中的电子能逸入到真空中，一种称作功函数的能量φ，必须要施加到所述电子上，以使它们获得等于真空能级的能量。这种能量通常是通过加热所述材料，以产生称作热发射而提供的。对于本发明来说，采用了一种称作场发射的量子力学作用(quantum mechanics effect)，它可允许电子通道穿过势垒进入真空。降低势垒是通过施加一个强的外部电场到固体表面之上而实现的，在我们同时申请的名称为“Carbon-Based FieldEmission Electron Device for High Current Density”专利申请中对它有更加全面的解释。这种方法仅对本发明装置场强为数百伏特/微米是实用的。一种替代的可用来降低势垒作用的方法，是提供亚微米尺寸的尖锐结构，即微尖端，它们可增强在微尖端处的电场强度。现有技术中公开的方法是使用制造的微尖端或须状物以获得这种结果。
本发明使用一种远非复杂的几何结构，以在非传导碳基材料基质中的传导碳基材料的材料通道获得亚微米尺寸特征。另外，提供了两层具有这些通道的材料，所述两层具有不同的电子和热的传导性能。令人惊奇的是，本发明的材料可获得高电流密度水平的电子发射。
图1A图示说明一种碳基体相材料，它具有两层101和102，存在于基材103之上。通过化学气相沉积(CVD)或通过物理气相沉积(PVD)技术，碳基材料沉积在基材103之上。在每层中的所述碳基材料含有至少95％的碳原子，所述材料的其余部分是由存在于所述沉积体系中的其它元素构成的。
存在于所述材料中的典型种类，除了碳之外，还包括(但不限于这些)氢、氮和氧。可用来形成所述碳材料的沉积技术，包括(但不限于这些)微波CVD、热丝CVD、DC等离子弧沉积、火焰沉积、阴极电弧沉积、热分解和磁控管溅射。本发明在每层中都具有碳通道105和107，所述通道具有小于1微米的直径，通道存在于每层的基质材料104和106之中。所述通道采用电子显微镜是观察不到的。在每层中的基质材料104和106是形成用来具有高的热传导率。过渡层108非常薄，如图所示是介于层101和102之间。电子的场发射，据信是在传导通道105和表面109的交点处，在基材103被除去之后并当一个合适的施加电场存在于所述表面时发生的。
层101和102是通过两步进行沉积的，它们是先形成具有更好的电子传导的层101，接着形成一个电子传导较低但具有较高热传导的层102。过渡层108，它比层101和102更薄，是当所述气体组合物从用于生长层101的较高烃浓度变为用于生长层102的较低烃浓度时形成的。过渡层108通常具有数量级为数十埃的厚度，是在气体组合物在所述生长表面附近的等离子体中变化的数秒钟时间内形成的。电子传导性较高的材料中的通道105和107，据信是通过过渡层108连通的。电子传导性更好的层101不仅仅是一个现有技术公知的成核层。相反，所述电子传导性更好的层为本发明装置提供了所述发射表面，它是表面109。
在所述层已经生长成之后除去基材103，并沉积一电极层，以形成本发明的电子发射装置。基材可采用公知的物理或化学方法除去。图1B图示说明了电极110，它设置在层102的顶部。电极110可为一层金属或其它传导材料，它被沉积以获得与碳基层102表面的欧姆接点(ohmic contact)。
本发明的碳基材料使用了高碳含量沉积技术，它们可避免形成完全sp3杂化的碳，这样可以形成纯金刚石薄膜。该方法不需要使用任何特定的设计用来形成微尖端、纤维、晶须或任何含有一种有组织排列的碳原子的其它结构的碳薄膜处理。另外，该方法不需要特地在金刚石和/或类金刚石碳结构中制造缺陷，而具有这样缺陷的结构在现有技术中用来制造碳发射器。该方法只包括形成一种体相固体材料，该材料据信会产生传导的碳通道，这些通道随机性地穿透碳材料的体相。
图2A图示说明了用于形成本发明所述材料的方法。在图2A中，含有选择量的碳原子的原料气或气体混合物203被输入到一个真空室中，所述真空室维持压力在10-5-500Torr之间。优选地，所述压力是在50-200Torr之间。所述原料气，以体积计，优选地含有大约85-90％的氢、浓度大于5％甲烷至高达约13％甲烷的甲烷气、余量为氧气的组合。为了形成层201，所述第一层，甲烷含量优选是大于8％，最优选地，甲烷含量是大于10％(体积)。现有技术中用于形成电子发射碳薄膜的典型原料气组成要求甲烷的含量低于约5％。尽管甲烷在本文中是作为供给碳原子到所述体系而选用的气体，但是，应该能够理解，任何数目的含碳分子都是可以采用的。这些含碳前体中的一些包括乙烷、丙烷、丙酮、乙炔、甲醇、乙醇和尿素(但不限于这些)。对于每种前体，可采用与甲烷相当量(equivalent)的碳原子。如果碳前体在室温时不是气体，则所述前体可采用标准技术而转化为气体。气体或气体混合物203接着借助于等离子体、热丝或激光提高其能量，以形成气态分子204，其中具有含碳离子和/或碳原子。优选的气体活化方法是微波或RF等离子体，在大于1kW的功率下进行操作，但是，热丝、激光或其它技术也可用来形成一种气态分子，其中存有含碳离子和/或碳原子。高能分子204接着轰击基材205，它已经加热到约250-1200℃的温度，优选为600-1100℃。基材205应该从已知的碳化物形成剂包括Si、Mo和Ti材料中选择。另外，已经发现，使用金刚石粉末的基材成长表面预处理，可极大地改善所述碳基发射材料的生长。一种典型的基材预处理是使用在甲醇中的金刚石粉末(小于10微米直径的颗粒尺寸)悬浮液中的所述基材的超声波成核作用，在50W功率下持续20分钟。20分钟后，基材从所述成核浴中取出，并清洗掉所有残余的金刚石粉末。这种预处理和多种其它用于CVD金刚石成长的预处理，是现有技术中已知的。
所述富碳生长方法，会产生电子传导率更好的碳基层201，它带有透过基质材料207的电子传导性碳通道206。层201生长至厚度至少为0.5微米，但是优选，厚度至大于约10微米。层201应该具有的电阻率在1×10-1-1×10-4ohm-cm之间，优选是在1×10-2-1×10-3ohm-cm之间。
在层201已经生长好之后，改变沉积条件以制备一种电子传导性低但热传导性高的层202。在该层的生长过程中，在生长反应中的碳分子的浓度是降低的。这种降低可采用多种方法实现，包括降低含碳原料气的浓度，改变生长温度或降低反应器中的压力。优选地，浓度是通过减少原料气中碳的浓度至用于生长层201水平的大约50％而实现降低的。层202接着生长足够的时间，以形成具有选定厚度的层。优选地，层202的厚度是层201厚度的至少十倍。这两个层被过渡层208所隔离，208是在烃浓度在反应器中改变的过程中形成的。高热传导层202具有的电阻率在约10-2-103ohm-cm之间，优选是在约10-1-10ohm-cm之间。另外，层202具有的热传导率大于100W/m-K。据信，正是这种高的热传导层202，使得高电流能够采用这种材料获得。在现有技术装置中，高电流输出会由于由较小面积进行电子发射所引起的高温而导致所述装置失效。在本发明中，高的热传导层202能够更容易从活化层201中除去焦耳热，所以能够允许高的电流密度。用来生长所述发射层201的碳生长参数，必须避免用来生长高质量绝缘金刚石薄膜的典型生长参数，它是采用碳含量低而富含氢的气体，并且用来生长散热层202的生长参数应该提供足够的电子传导性，以允许电子流过到达发射层201。
基材205按如前所述除去，并涂敷了一个电极，如图1B所述。所述层的厚度提供足够的强度，使所述材料在基材材料被除去之后能够作为一个主体进行处理。由于所述材料具有很大的厚度，因而必需要较长的生长时间。例如，在生长速率为10微米/小时时，需要多于一天的生长时间，以生长一种两层晶片或主体的碳基材料。尺寸大的基材可被用来形成大的本发明所述材料的晶片，接着除去基材，在所述较厚表面之上施加电极，接着切割或锯成想要的发射器的尺寸。
已经发现，如果层201的碳基材料主要是由金刚石和/或类金刚石碳(含有95-99％sp3碳)构成的，则本发明将具有更大的电子发射性能，例如，更长的寿命，更大的发射稳定性和在给定使用电场时具有更高的电流密度。尽管不想受本发明解释的限制，但是我们相信，如果层201主要是由金刚石和/或类金刚石碳构成的，则体相材料207的极高的热传导性，将会以一定的速率把热量从碳通道206传导出去，所述速率能够允许所述装置在更高电流密度下进行操作，并在较现有技术的场发射材料更长的时间段内具有更大的稳定性。层202用来把热量从层201传导出去。
参见图1B，已经发现，电子的场发射是在当一个合适的电子场置于表面109时，在109表面上发生的。典型的极限电场(threshold electric fields)(会导致大于1μA的发射电流的电场)大约为10V/μm。一种合适的接地点(ground contact)必须连接到与所述发射表面相对的表面上。在施加低于100V/μm的电场时，本发明的装置可获得大于100A/cm2的电流密度。
图2B给出了如图2A相同的工序，不同之处在于基材209在所述生长步骤之前已经进行了构造。所述基材可按各种不同方法在其表面之上形成一种构造。一种方法是采用硅的各向异性蚀刻方法以在所述基材上形成凹处(pit)。所述凹处随后在除去基材之后在层201的碳基主体中变为突起。其它用来构造所述表面的方法，包括在层201生长之前用金刚石粉末磨蚀、激光束或离子轰击所述表面。在主体生长之后，碳基主体的表面呈现出基材209表面的形状。在除去基材209之后，碳基主体的质构化表面，可用来降低在电子发射过程中为获得选定水平的电流密度所需要的电场。层202的相对表面进行金属化处理，如图1B所述。
本发明的材料可用于需要高功率、高频输出和可从冷阴极(cold cathode)中获益的多种应用之中。本发明的材料对于辐射作用不敏感，可在数百摄氏度的温度范围内进行操作。这种材料的一些应用是电子枪、RF和微波放大器和微波源。
参见图3A，本发明的材料在电子枪306中。本发明的两层碳基电子发射器的发射层301，依次被第一介电层303A、电子取出电极(electronextraction electrode)层304、第二介电层302B和聚集电极层305所覆盖。欧姆接点307制成为高的热传导层302，以向电子枪供电子。适合用于介电层的材料为二氧化硅或其它绝缘材料，金属或其它传导材料适合用作所述电极。用来制造所述多个介电和电极层并在所述层中形成小孔的方法，是那些常规用于半导体制造技术中的方法。优选地，是在锯断或其它分隔所述多层晶片为分立的电子枪之前，在一个单一碳晶片上形成许多的电子枪。一种典型的电子枪将在层中具有直径为1-5微米的多个小孔(opening)，且小孔的孔距为约10-20微米(小孔中心之间的距离)。孔距可以小至仅略微大于所述直径，但是，计算和结果表明，孔距应该至少约为小孔直径的两倍。例如，一个电子枪可在一个100×100排列的小孔或10000个小孔中含有具有10微米的孔距的1微米小孔。而且，数千个电子枪可在一个2英寸直径或更大的碳晶片上制造出来。
图3B所示为在一个阴极射线管(CRT)中图3A的电子枪。参见图3B，电子枪305被安装在CRT的电子连接底板312之上。当合适的功率(power)施加到所述装置之上时，电子枪305将会产生电子束307。所述电子束受到位于CRT外壳309之外的磁偏转线圈308控制，并被引导轰击荧光屏310，从而产生图象311。本发明的电子枪是特别受人欢迎的，因为本发明的碳基发射器具有很高的输出电流密度，且所述电子枪具有很小的尺寸。所述CRT可为那些电视和计算机显示器中使用的那些CRT。另外，电子枪也用于许多科学仪器之中，如扫描电子显微镜和Auger电子能谱仪中。含有本发明材料的电子枪，与现有技术电子枪相比，将具有更高的亮度、更小的光点直径(spot size)和更高频的操作。这种改进可制造更亮、更高分辨率的CRTs。当碳基冷阴极在施加合适电场时会立即发射出电子，使用它们的CRTs将会立即接通。使用热电子枪的现有技术CRTs需要一个明显的升温时间，如果它们不是恒定地引导电流流过一个灯丝或其它热的电子发射器的话。在电子枪中使用本发明的碳基发射器的其它优点是电子枪的寿命更长、电子束具有更高的稳定性和更低的制造成本。
本发明材料的高电流特性，被证实在RF和微波放大器中也是有利的。放大器在更小、更轻的包裹中表现出更好的放大功率。一种采用本发明材料的高频放大器的草图，示于图4中。在此放大器中，绝缘底板401具有由一种金属或其它传导材料沉积或附着在底板401之上构成的传导接地层405。作为一个单独的实体，通过制造本发明的碳基发射器402、沉积介电层403到发射器402之上、并最终沉积一传导门控层(gate layer)404到所述介电层403之上而制造出冷阴极发射器。使用标准半导体制造技术，在所述门控层和所述介电层依次开有微米尺寸的小孔406。制造这种冷阴极的方法，与前述讨论的用于制造电子枪的方法相似。所述门控冷阴极402/403/404/406通过导电的粘合剂如导电的环氧树脂粘接到接地层405之上，阳极407放置在远离所述底板配件的选定距离处，以收集电子。当所述装置启动时，在接地层405和冷阴极门控404之间给出一控制信号(controlsignal)，在接地层405和阳极407之间就会产生一个放大的信号。
图5所示为一个行波管(TWT)的示意图，它是一种标准的微波发生装置，含有本发明的电子枪。在此装置中，电子是通过经由输入信号电极502提供一个相对于发射器底板507的RF激发电势(它相对于电极502是DC-偏压的)而从本发明所述碳基发射器501中抽取出的。发射电子是在电极502上信号输入的驱动频率下产生于脉冲光束503中。脉冲光束503通过高压进行加速，并集中通过螺旋管504到束流收集器505之上。脉冲光束503与螺旋管504进行诱导耦合，在输出电极506处形成一个放大的输出信号(RF功率)。所述装置封装在外壳508之中。使用本发明碳基电子源的TWTs的优点包括具有优异的功效和更高的功率/重量比。
本发明的碳基材料，通过下述的实施例得到更为详细的说明。实施例仅是用来例证性说明之用，相对于该实施例的许多变体和改进对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
实施例1再参见图2A，硅基材205在碳生长之前通过浸没在一种金刚石粉末和甲醇悬浮液(0.1g的1μm金刚石粉末在100ml甲醇中)并进行超声波振动(50W)20分钟而对其进行预处理。在超声处理之后，通过用甲醇清洗除去所有遗留在基材205上的残余金刚石/甲醇。基材205接着用干燥氮气进行干燥并引入到一种在水冷却的钼支架上的市售的微波化学气相沉积系统(ASTeXAX5400)中。所述反应器抽真空至压力低于1mTorr。气体混合物203，由87％氢、11％甲烷和2％氧组成，被引入到所述反应器中，采用的气体流量为532sccm的氢，70sccm的甲烷和9sccm的氧。所述系统保持在115Torr的恒定压力下。引燃(ignite)微波等离子体204并保持在5kW。基材205升高到所述等离子区，保持沉积温度在900-1050℃。碳基层201以10微米/小时的沉积速率沉积到基材205上持续2小时，从而得到一种约20微米厚度的材料。所述层201的电阻率大约为1×10-2ohm-cm。在所述2小时生长时间结束时，所述甲烷的流动速率降低至40sccm。这种甲烷浓度的降低，会使得一种高热传导和电阻更高的层202能够直接并紧密地沉积到发射层201之上。传导碳通道据信已经在所述结构中生长。所述高热传导层202持续沉积24小时，从而得到一个约240微米厚度的层。在所述生长周期之后，基材205通过化学溶解(chemical dissolution)被除去，从而使活性表面208暴露出来。所述整个非支撑碳基主体测得的厚度为240微米。
为了进行装置测试，安装如图1B所示的电极110，所述装置放置在一个真空度为5×10-1Torr的测试室中。一个单独的电极放置在所述发射表面的邻近位置(大约为20微米)，以在所述发射表面上形成一个电场。从一个在施加54V/μm的电场的4平方微米面积中，所述主体产生大于30微安的连续直流。其电流密度为750A/cm2。与报导的所有已知的现有技术相比，它具有相当高的电流密度。
为了比较显示所述高热传导层202的优点，进行与上述相同的工序，不同之处在于发射层201是持续生长22小时，且没有附加的高热传导层添加到所述装置之上。测得所述薄膜的厚度为165微米。在其由于过热失效之前，该薄膜在施加电场为41V/μm的4平方微米面积上仅能产生2.5微安的电流。其电流密度为62.5A/cm2。
尽管本发明已经根据特定的具体内容作了描述，但是，并不意味着这些具体内容可以认为是对本发明范围的限制，除非达到它们包括在的权利要求书之中的程度。
权利要求
1.一种电子场发射装置，包括具有两层的碳基主体，第一层的厚度大于约0.5微米，第二层的厚度大于第一层的厚度，所述两层是采用下述方法形成的将基材放入到处于选定压力下的反应器中，并使所述基材处于选定范围的温度下，供给含有第一浓度的含碳气体和氢气的气体混合物到所述反应器中，同时向所述基材附近的气体混合物供应能量，并持续足以生长第一层的时间，然后降低所述含碳气体浓度至第二较低浓度并生长第二层，随后从所述第一层除去所述基材；和位于所述第二层上的电接点。
2.权利要求1所述装置，其中所述第一层的厚度大于0.5微米。
3.权利要求1所述装置，其中所述第二层的厚度大于所述第一层厚度的约10倍。
4.权利要求1所述装置，其中所述气体混合物含有甲烷或与甲烷相当的碳原子的烃气体，其体积浓度在约5％-13％甲烷之间。
5.权利要求1所述装置，其中所述气体混合物含有甲烷或具有与甲烷相当的碳原子的烃气体，其体积浓度在约8％-12％甲烷之间。
6.权利要求1所述装置，其中所述气体混合物含有甲烷或具有与甲烷相当的碳原子的烃气体，其体积浓度大于约10％甲烷。
7.权利要求1所述装置，其中所述气体混合物还含有氧。
8.权利要求1所述装置，其中所述基材选自由形成碳化物的材料组成的材料。
9.权利要求1所述装置，其中所述反应器中的压力范围为约1×10-5至约500Torr。
10.权利要求1所述装置，其中所述反应器中的压力范围为约50至约200Torr。
11.权利要求1所述装置，其中所述基材温度在约600℃至约1100℃范围内。
12.权利要求1所述装置，其中所述能量是通过微波或RF等离子体方法供给所述气体混合物的。
13.权利要求12所述装置，其中所述供给能量为大于1千瓦的功率水平。
14.权利要求1所述装置，其中所述第一层的电阻率在约1×10-4-1×10-1ohm-cm之间。
15.权利要求1所述装置，其中所述第一层具有的电阻率在约1×10-3-1×10-2ohm-cm之间。
16.权利要求1所述装置，其中所述第二层的电阻率大于所述第一层的电阻率。
17.权利要求1所述装置，其中在施加的低于100伏特/微米的电场的存在下，所述装置的电流密度大于10A/cm2。
18.权利要求1所述装置，其中所述基材在放入到所述反应器中之前，在其表面上图案化为选定的形状。
19.一种电子枪，包括具有两层的碳基主体，第一层具有大于约0.5微米的厚度，第二层具有的厚度大于第一层的厚度，所述两层是采用下述方法形成的将基材放入到处于选定压力下的反应器中，并使所述基材处于选定范围的温度下，供给含有第一浓度的含碳气体和氢气的气体混合物到所述反应器中，同时向所述基材附近的气体混合物供给能量，并持续足以生长第一层的时间，接着降低所述含碳气体浓度至第二较低浓度并生长第二层，随后从所述第一层除去所述基材；位于所述碳基主体之上的第一介电层；第一和第二电极，所述电极被第二介电层隔开；和与所述碳基主体和所述电极连接的电接点。
20.一种阴极射线管，包括电子枪，所述电子枪包括具有两层的碳基主体，第一层具有大于约0.5微米的厚度，第二层具有的厚度大于第一层的厚度，所述两层是采用下述方法形成的将基材放入到处于选定压力下的反应器中，并使所述基材处于选定范围的温度下，供给含有第一浓度的含碳气体和氢气的气体混合物到所述反应器中，同时向所述基材附近的气体混合物供给能量，并持续足以生长第一层的时间，接着降低所述含碳气体浓度至第二较低浓度并生长第二层，随后从所述第一层除去所述基材；位于所述碳基主体之上的第一介电层；第一和第二电极，所述电极被第二介电层隔开，以及与所述碳基主体和所述电极连接的电接点；外壳；用于电连接的底板；偏转线圈；和荧光屏。
21.一种高频放大器，包括绝缘底板；传导接地平面；具有两层的碳基主体，第一层具有大于约0.5微米的厚度，第二层具有的厚度大于第一层的厚度，所述两层是采用下述方法形成的将基材放入到处于选定压力下的反应器中，并使所述基材处于选定范围的温度下，供给含有第一浓度的含碳气体和氢气的气体混合物到所述反应器中，同时向所述基材附近的气体混合物供给能量，并持续足以生长第一层的时间，接着降低所述含碳气体浓度至第二较低浓度并生长第二层，随后从所述第一层除去所述基材；介电层，具有穿透的开孔；电子取出电极，具有穿透的开孔；和阳极。
22.一种行波管，包括发射器底板；电子场发射装置，其含有具有两层的碳基主体，第一层具有大于约0.5微米的厚度，第二层具有的厚度大于第一层的厚度，所述两层是采用下述方法形成的将基材放入到处于选定压力下的反应器中，并使所述基材处于选定范围的温度下，供给含有第一浓度的含碳气体和氢气的气体混合物到所述反应器中，同时向所述基材附近的气体混合物供给能量，并持续足以生长第一层的时间，接着降低所述含碳气体浓度至第二较低浓度并生长第二层，随后从所述第一层除去所述基材以及连接所述主体的电接点；输入信号电极；其上连接有输出电极的螺旋结构；和束流收集器。
全文摘要
一种电子场发射装置，是通过将基材放入反应器中，加热所述基材并向所述反应器中供入氢和一种浓度约为8－13％含碳气体的混合物，同时向所述基材附近的气体混合物施加能量，持续足够的时间，以生长第一层碳基材料至厚度大于约0.5微米，接着降低所述含碳气体的浓度并继续生长第二层碳基材料，所述第二层较第一层更厚。接着从所述第一层除去基材，并将一个电极涂敷到所述第二层之上。所述装置是独立支撑的，它可作为一种冷阴极用于多种电子装置之中，如阴极射线管、放大器和行波管。基材的表面在所述第一层生长之前可进行图案加工，从而在所述场发射装置上形成一种具有图案的表面。
文档编号H01J29/48GK1505827SQ00820055
公开日2004年6月16日 申请日期2000年10月4日 优先权日2000年10月4日
发明者唐纳德·E·帕特森, 基思·D·贾米森, D 贾米森, 唐纳德 E 帕特森 申请人:尖端设备公司