Cathodes Froides à Hétéro-structure Oxyde ( ZnO ) / Nitrure ( GaN ) – CATHEON

L’objectif principal de ce projet est de démontrer la faisabilité de cathodes froides pour émission d’électrons dans le vide à forte densité de courant (> 0,1 A/cm2). Ce type de cathodes devrait permettre un démarrage quasi-immédiat (délai << 1 µs) et une modulation rapide de l’enveloppe du courant émis.
La première application visée pour ces cathodes se situe dans les (Tubes) Amplificateurs Hyperfréquences à Ondes Progressives.
Dans la cathode froide proposée, les électrons sont accélérés dans la bande de conduction et les bandes supérieures d’un monocristal semiconducteur. Une partie d’entre eux acquiert une énergie cinétique suffisante pour franchir la barrière de potentiel vers le vide, dont la hauteur est approximativement égale à l’affinité électronique du semiconducteur de surface.
Une cathode de ce type se présente sous la forme d’une puce de semiconducteur fonctionnant à basse tension et à température basse ou modérée (< 300 °C).
Le principe de l’émission électronique dans cette configuration a été démontré expérimentalement par THALES/3-5 lab en 2011 sur des jonctions PN en GaN polarisées en inverse, mais les densités d’émission obtenues jusqu’à présent restent limitées (< 0,1 A/cm2), très probablement à cause de la valeur élevée du travail de sortie du GaN (4,2-4,5 eV dans la littérature).
L’approche proposée dans le présent projet consiste à utiliser une hétéro-structure de matériaux semiconducteurs à « grands gaps » pour réduire le travail de sortie effectif du semiconducteur de surface.
Dans cette hétérostructure, la couche de semiconducteur de surface doit être fortement dopée de type N et celle du dessous doit être fortement dopée de type P. La marche de potentiel à l’hétérojonction doit être aussi haute que possible pour apporter une contribution majeure à l’accélération des électrons.
En fonctionnement, un très fort champ électrique (>> 1 MV/cm) règne à la jonction entre les deux couches, ce qui justifie l’utilisation de semiconducteurs à grand gap et oriente le choix des matériaux vers une hétéro-structure entre semiconducteurs de même système cristallin et de distances inter-atomiques très proches. Il se trouve que le couple ZnO/GaN semble présenter une grande partie des critères essentiels requis. En particulier, la littérature mentionne des valeurs de décalage de bande de conduction ?Ec d’environ 1 eV et, par ailleurs, le ZnO est facilement obtenu fortement conducteur de type N.
Nous avons donc choisi d’essayer de démontrer la faisabilité de cathodes froides à hétérojonction sous la forme de puces de diodes ZnO (N+) / GaN (P+). La couche de ZnO de type N+ doit être fortement conductrice, partiellement déplétée, et facilement traversée par les électrons avec un minimum de collisions. Elle doit donc être très fine (< 30 nm) et très fortement dopée (Nd > 3.1019 cm-3 ). Nous proposons de la réaliser par une technique « Atomic Layer Epitaxy » (ALE).
Le projet est organisé sous la forme de cycles d’étude calés sur la séquence de fabrication et de caractérisation des composants démonstrateurs finaux. Cette séquence comprend :
(1) L’optimisation et la réalisation, au 3-5 lab, de couches épitaxiales de GaN de type P+ de conductivité optimisée sur substrat monocristallin de saphir, SiC ou GaN.

(2) L’étude et la réalisation, au LMI, de couches fines (< 30 nm) épitaxiales de ZnO de type N++ sur GaN (P+) par ALE.

(3) L’optimisation du procédé, la fabrication des puces au 3-5 lab et leur caractérisation sur plaque.
(4) Le montage en boîtier des puces de cathodes sous la responsabilité de 3-5 lab.
(5) La caractérisation approfondie de l’émission électronique sous vide des cathodes à l’ILM.

Les démonstrateurs finaux du projet seront des cathodes montées sur embase et caractérisées en émission sous vide (densité de courant-pervéance, spectre en énergie électronique).