[发明专利]等离子体发生装置

说明书

本发明涉及等离子体发生装置。

等离子体发生装置具有在受控环境内彼此分开设置的阴极和阳极，该受控环境包含处于低压下的一种放电气体或气体混合物。当在两个电极之间施加足够的热量和电压时，气体内形成电子发射，导致放电和辐射。通常，辐射主要在UV(紫外)或VUV(真空紫外)范围内。

作为等离子体显示领域的已有技术，可以提及的是美国专利US-A-5705886、US-A-5663611和欧洲专利申请EP-A-0764965。

根据本发明的等离子体发生装置使用由宽带隙材料制成的阴极或者包括宽带隙材料的阴极，宽带隙材料具有大于2eV的带隙，诸如掺杂的金刚石、AlN、GaN或AlGaInN合金。对于金刚石，特别合适的掺杂(物)为氮、硫、磷或硼加氮共同掺杂；对于AlN、GaN或AlGaInN合金，特别合适的掺杂(物)为硅、锌或硅加锌共同掺杂。这种阴极可以通过例如化学汽相淀积(CVD)、溅射、分子束外延技术或氢化物汽相物理蒸发制造，或者通过其他块状晶体制造技术形成，并且可以使用例如电阻加热或感应加热(交流或射频)直接或间接地加热，以便电子主要通过热离子发射而从阴极发射出来。也可以在阳极和这种阴极之间施加有效的电压，使电子主要通过场致发射而从阴极发射出来。与金属阴极相比，在根据本发明的装置中阴极的离子轰击可以增强电子的二次发射。

与大多数其他材料相比，金刚石的各种物理特性的幅值几乎总是表现为任一给定特性的已知数值范围的最大值或最小值。作为电子应用的材料，金刚石的功效是从这些最小值和最大值的选择组合得到的。下面的表l列出了选择的与电子应用相关的金刚石特性。CVD金刚石具有几乎与单晶块状金刚石相同的特性，同时显示出从商业角度讲批量制造的潜能，对于电子应用中所使用的金刚石而言，CVD金刚石表现出最大的可能性。

                                            表1

特性数值单位介电常数5.61介电强度1.0×10⁷ V/cm(伏/厘米)介质损耗6.0×10^-4切向折射率2.4带隙5.45 eV(电子伏)空穴迁移率1.6×10³cm²/V-sec(厘米²/伏-秒)空穴速度1.0×10⁷ cm/sec(厘米/秒)电子迁移率2.2×10³ cm²/V-sec(厘米²/伏-秒)电子速度2.2×10⁷ cm/sec(厘米/秒)电阻率1.0×10¹³ Ω-cm(欧姆-厘米)热导率2000 W/m-K(瓦特/米-开)热膨胀系数1.1×10^-6/K(/开)功函数(111)面-4.5 eV(电子伏)晶格常数3.57埃金刚石的最令人感兴趣的特性之一是其(111)表面的所谓负电子亲和力(NEA)。低的电子亲和力使得金刚石薄膜能在低至0.5V/μm的场强下发射电子。(111)表面不仅可以呈现NEA，而且它还对由于暴露于原子氧、原子氢、空气或水造成的阴极特性的毒化有极强的抵抗性。金刚石阴极的预期电弧不能破坏其NEA特性。由此(111)取向的金刚石尖端具有低的溅射量和长的发射器件寿命。金刚石是一种间接带隙半导体，其能量最低点沿<111>方向，并且金刚石的发射密度超过大多数半导体的10倍(10⁶A/cm²)。已经确定与(111)面相切射出的电子几乎是单一能量的，并且在真空微电子学领域中这可以很好地用于降低电子束噪声。金刚石中电子和空穴的高电场漂移速度超过其他材料。电子迁移率超过硅，空穴迁移率仅低于锗。基于很高的介电强度、高的热导率、由于其低的辐射俘获截面形成的高的抗辐射性以及很高的载流子速度，其作为高功率、高性能的等离子体发生阴极的有益特征估计可与金属相比或更好。