Pour limiter les probl`emes de fabrication et de transparence des cathodes Spindt tout en dessinant une cathode plus compacte, une solution est d’int´egrer la grille dans le plan de la cathode, pour r´ealiser des triodes planaires. Aujourd’hui, il existe quelques exemples de r´ealisation de telles cathodes planaires, mais les propri´et´es d’´emission de champ sont rarement adapt´ees aux sp´ecifications requises pour un tube `a rayons X de nouvelle g´en´eration.
Les designs propos´es s’inspirent en majorit´e des interdigit´es r´epandus dans les capteurs et microsyst`emes, avec de longues bandes de films de nanotubes (au potentiel cathode)
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juxtapos´ees `a des bandes m´etalliques (au potentiel de grille). Elles peuvent ˆetre qualifi´ees de parallel-gate ou de side-gate. La proximit´e de la grille par rapport aux nanotubes permet de modifier localement le champ ressenti au sommet des nanotubes et donc de moduler l’´emission avec quelques dizaines de Volts. Les nanotubes sont crus sous forme de tapis par CVD thermique [104, 105] ou PECVD [106], ou bien d´epos´es par screen- printing suivi d’une ´etape de brossage [92,107]. Comme il l’a ´et´e expliqu´e pr´ec´edemment, ces morphologies d’´emetteurs sont loin d’ˆetre id´eales pour g´en´erer de fortes densit´es de courant.
D’ailleurs, certains auteurs parmi eux ont sp´ecifiquement choisi de cr´eer de faibles den- sit´es de courant (10 µA.cm−2) pour prot´eger leurs dispositifs, FED [106] ou lampe de r´etro-´eclairage pour ´ecrans plats [92]. Ces derniers expliquent aussi qu’ils cherchent `
a avoir une grande divergence d’´emission pour illuminer de mani`ere homog`ene l’´ecran phosphore. On comprend bien que ces g´eom´etries ne satisfont pas les exigences des tubes `
a rayons X qui demandent `a la fois de forte densit´e de courant et de faible divergence. Quant au travail d’Ulisse et al. [105], int´eress´es par une application d’amplificateur de signal radio-fr´equence, ils ont d´emontr´e un fonctionnement `a 2 GHz `a 200 µA, notam- ment grˆace au patterning de la cathode. N´eanmoins, cette optimisation de la capacitance se fait au d´etriment d’une technologie compl`etement planaire, puisque le substrat est structur´e sur deux niveaux, avec la croissance de nanotubes sur le niveau inf´erieur, et la grille de contrˆole sur le niveau sup´erieur (Figure 1.34). Une fois encore, la technique de croissance des nanotubes n’est pas id´eale pour les performances d’´emission.
Figure 1.34: Cathodes `a grille planaire interdigit´ee [105].
Une autre structure a ´et´e envisag´ee, qui place la grille sous les nanotubes, d’o`u l’appel- lation de grille enterr´ee ou undergate (Figure1.35.a). Il s’agit d’une structure sandwich pleine couche conducteur/isolant/conducteur. La derni`ere couche conductrice, qui sup- portera les nanotubes, peut ainsi ˆetre facilement pattern´ee par lithographie. Une cathode `
a grille enterr´ee poss`ede donc deux avantages majeurs : d’une part la simplicit´e du pro- cessus de fabrication, et d’autre part, l’isolation volumique des deux ´electrodes qui sont s´epar´ees par une pleine couche d’isolant, minimisant ainsi les fuites de courant. Ce type de cathode `a grille enterr´ee a ´et´e fabriqu´e et test´e en ´emission de champ par Choi et al. [108]. Une fois encore, les nanotubes de carbone ont ´et´e d´epos´es par screen-printing puis dress´es par brossage, pour donner un courant de 0,4 mA soit une densit´e de courant de 0,25 A.cm−2. Malgr´e l’´epaisseur d’isolant de 15 µm, une tension de grille de 70 V a per- mis de diminuer de 25 V la tension d’anode qui initie l’´emission (soit une r´eduction de
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Figure 1.35: a) Sch´ema d’une cathode `a grille enterr´ee ; b) simulations des potentiels ´
electriques et des trajectoires ´electroniques selon la tension de grille [108].
8%). Il ressort des simulations que seuls les ´emetteurs en bord de motif sont affect´es par la polarisation de grille (Figure1.35.b). Cette structure gagnerait donc `a ˆetre optimis´ee pour am´eliorer ses performances de modulation.
Tous ces r´esultats esquissent le potentiel des cathodes `a grille planaire, tant dans leur principe physique que dans leur faisabilit´e technologique. N´eanmoins, ils refl`etent sur- tout le b´en´efice qu’il y aurait `a gagner `a maximiser l’´emission en rempla¸cant les films d’´emetteurs par des r´eseaux ordonn´es de nanotubes align´es verticalement, ainsi qu’`a optimiser le design de grille (dans sa position, sa g´eom´etrie...).
Des triodes planaires int´egrant de tels r´eseaux avec des solutions de grille de contrˆole repens´ees, ont effectivement ´et´e r´ealis´ees. Ainsi, Li et al. de l’Universit´e de Cambridge [109] ont mis au point un r´eseau de nanotubes individuels verticaux, chacun appartenant `
a un transistor local dont la grille est commune (Figure 1.36). Il s’agit d’un transistor
Figure 1.36: a) Sch´ema et b) image MEB d’une cathode `a nanotubes de carbone pilot´es par transistor individuel. c) Courant d’´emission en fonction du champ ´electrique
d’anode pour diff´erentes polarisations de grille arri`ere [109].
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a effet de champ (Field-Effect Transistor, FET) en appauvrissement : le courant passe par d´efaut, sans polarisation de grille. Le quadrillage m´etallique dessin´e autour des nanotubes est polaris´e `a 0 V et repr´esente la source d’´electrons (S). Le nanotube, sur couche semi-conductrice joue le rˆole de drain (D) en ´evacuant les ´electrons par ´emission de champ lorsque l’on applique une tension d’anode. En polarisant la grille en face arri`ere, on “pince” le canal des porteurs, coupant ainsi l’approvisionnement en ´electrons de la source vers le drain. Le courant d’´emission demand´e par la loi de Fowler-Nordheim
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etant lui toujours constant, le nanotube, flottant par rapport `a la source, ajuste son potentiel pour correspondre `a la nouvelle caract´eristique IDS(VDS) du transistor. La
chute de potentiel r´esultante au pied du nanotube, modifie son champ d’apex et par suite le courant d’´emission. Ce faisant, `a tension d’anode fixe, il devient possible de moduler le courant ´emis par les nanotubes (Figure1.36.c). Une tension de grille de -20 V permet ainsi de diminuer le courant d’un ordre de grandeur. Les auteurs pr´ef`erent toutefois mettre en avant le pouvoir de ballast de leur structure. Le courant est redistribu´e parmi tous les nanotubes, prot´egeant les plus forts ´emetteurs, pour une plus longue dur´ee de vie et une meilleure stabilit´e du courant.
Le choix des semi-conducteurs pour moduler l’´emission a aussi ´et´e exploit´e par Thales, avec le d´eveloppement de photocathodes par Hudanski et al. [110]. Chaque ´emetteur est contrˆol´e par une diode PIN, int´egr´ee au substrat, et activ´ee par illumination laser (Figure1.37). Sous l’excitation lumineuse, des paires ´electrons/trous sont g´en´er´ees dans
Figure 1.37: a) Sch´ema d’une photocathode `a nanotubes de carbone. b) Courant d’´emission et chute de potentiel de la diode selon la tension d’anode, pour diff´erentes
puissance optique d’´eclairement [110].
la zone de d´epl´etion autour du CNT. Les ´electrons sont ensuite drain´es vers le nanotube puis ´emis sous l’action du champ ´electrique ext´erieur. Sur le mˆeme principe d’auto- polarisation que pr´ec´edemment avec le transistor, lorsque la diode n’est pas ´eclair´ee, une chute de potentiel apparaˆıt `a ses bornes (dont l’une est le nanotube). Le champ ´
electrique `a l’apex du tube s’en trouve r´eduit. Par suite, le courant d’´emission s’ajuste sur le courant de fuite de la diode : l’´emission est brid´ee. Un rapport ON/OFF de 30 a ´et´e obtenu, d´efini comme le rapport du courant d’´emission en r´egime d’´eclairement par rapport au courant de fuite sans illumination. Outre la modulation fr´equentielle de l’´emission (d´emontr´ee `a 1 kHz) pour faire des sources puls´ees, cette architecture permet d’aller facilement encore plus loin. En adressant spatialement les ´emetteurs un `a un par laser, une telle cathode (ou un r´eseau de cathodes mont´ees en parall`ele), peut en effet accomplir de l’imagerie 3D statique par multi-source. Un premier pas a ´et´e fait dans cette direction avec la d´emonstration d’une bi-source pour de l’imagerie st´er´eoscopique (Figure1.38).
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Figure 1.38: St´er´eoscopie avec une bi-source `a photocathodes. Chaque photocathode est excit´ee par un laser `a une fr´equence diff´erente et forme un signal RX collect´e par un mˆeme d´etecteur. Par multiplexage fr´equentiel, les deux images form´ees par chacune des sources `a des angles de vue diff´erents peuvent ˆetre isol´ees, puis recombin´ees pour
former une image st´er´eoscopique.
Ces cathodes `a grille planaire qui forment l’´etat de l’art actuel, n’en restent pas moins limit´ees dans le cadre d’une modulation importante du courant, o`u l’on cherche des rapports ON/OFF de plusieurs milliers, `a des fr´equences de plusieurs centaines de MHz. L’inconv´enient de ces structures est le principe mˆeme de leur fonctionnement, bas´e sur une auto-polarisation du syst`eme. Qu’il s’agisse du transistor ou de la photodiode, ces deux composants ob´eissent `a une courbe de fonctionnement courant-tension qui d´epend de la tension de grille ou de la puissance optique appliqu´ee. Le nanotube, quant `
a lui, suit la courbe de Fowler-Nordheim qui fait correspondre une valeur de courant d’´emission `a un unique champ d’apex. Dans le respect de l’int´egrit´e du syst`eme, CNT et transistor/photodiode, il n’existe qu’un seul point de fonctionnement commun aux deux sous-syst`emes. Le syst`eme ´evolue donc de lui-mˆeme vers son point d’´equilibre, on parle d’auto-polarisation. Dans les configurations propos´ees, une seule borne du syst`eme est contrˆol´ee (la tension source-grille du transistor, et la borne P de la photodiode). Le nanotube ´etant flottant, c’est lui qui ajuste son potentiel et s’auto-polarise. Il n’est possible de moduler le courant que dans un sens, en particulier le r´eduire, en rendant le transistor ou la diode bloquant.