ЭМИТТЕР ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2005 года по МПК H01J19/02 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а более конкретно к конструкции эмиттера (в том числе эмиссионного) у активных элементов микро- и наноэлектроники таких, как диодов и транзисторов.

В настоящее время известны различные варианты конструкции эмиттеров у нанотранзисторов и нанодиодов. Так, известна конструкция эмиссионного эмиттера на основе углеродных нанотрубок, сформированных в пористом оксиде алюминия [1, 2], но пока эмиссионные свойства таких эмиттеров остаются низкими, так как плотность расположения нанотрубок получается высокой. Поэтому, хотя одиночная трубка может обладать очень высокими эмиссионными свойствами (иметь пороговые напряженности поля ~1 В/мкм и эмиссионный ток до 10^-4 А [3], все эти свойства утрачиваются при плотной упаковке нанотрубок. В рассматриваемой конструкции нанотрубки формируются вертикально и поэтому рассматриваемый способ годится только для создания вертикальных транзисторов. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция эмиттера активного элемента микро- и наноэлектроники, включающая основание эмиттера, расположенное на поверхности подложки и выполненное из слоя каталитического материала, на поверхности которого сформированы углеродные нанотрубки, расположенные перпендикулярно поверхности основания эмиттера. Формирование нанотрубок осуществляют с помощью метода газофазного осаждения при использовании каталитических материалов (каталитические материалы - это металлы, стимулирующие рост углеродных нанотрубок), которые локально наносятся на основание эмиттера или сами служат основанием эмиттера [4]. Основание эмиттера формируется в виде проводящей площадки, минимальные размеры которой определяются разрешающей способностью литографии. Существенным недостатком формируемых таким способом эмиттеров является то, что нанотрубки вырастают плотноупакованными. Но главный недостаток остается прежний: эмиттер имеет форму “столбика” и может использоваться только в вертикальной конструкции эмиттера. Известны планарные конструкции транзисторов, канал которых представляет горизонтально лежащую нанотрубку [5]. Эти транзисторы формируются посредством механического прикрепления нанотрубки к двум контактным площадкам, одна из которых играет роль эмиттера, а другая - анода. Поэтому они могут служить только демонстрационным целям и не являются примером интегральных нанотранзисторов. Следует также заметить, что в подобных транзисторах используются только нанотрубки, обладающие полупроводниковыми свойствами.

Целью изобретения является создание планарного эмиттера. Такая конструкция позволит создавать планарные эмиссионные триоды и диоды, т.е. такие активные элементы, эмиттеры и аноды которых располагаются в одной плоскости.

Поставленная цель достигается тем, что в эмиттере для интегральных приборов, содержащем основание эмиттера, расположенное на подложке и выполненное из слоя каталитического материала, на поверхности которого сформированы углеродные нанотрубки, расположенные перпендикулярно поверхности основания эмиттера, в качестве основания эмиттера использован торец слоя каталитического материала, находящегося между слоями некаталитического материала. Эта конструкция позволит создать планарный эмиттер в форме “лезвия”, толщину основания которого посредством изменения толщины каталитического слоя можно регулировать в пределах 1-50 нм и которое состоит из нанотрубок с диаметрами не более толщины основания.

Одним из вариантов выполнения изобретения является вариант, в котором на каталитический слой наносят сначала слой ванадия, а затем диоксида кремния, который позволяет формировать затвор для управления потоком электронов.

Другим вариантом является конструкция, в которой каталитический слой и его торец заключены между некаталитическими слоями. В этом случае торец каталитического слоя находится в полости, образованной нижним и верхним некаталитическими слоями. В любом случае вся поверхность каталитического слоя (кроме торца, обращенного в сторону анода) должна быть закрыта некаталитическим материалом.

Существо изобретения поясняется ниже с помощью чертежей, на которых схематично изображено:

Фиг.1 - основные конструктивные особенности эмиттера.

На фиг.2 - один из примеров последовательности операций формирования эмиттера для планарного эмиссионного триода.

На фиг.3 - конструкция канального триода.

На фиг.4 - расположение электродов на чипе изготавливаемой интегральной схемы для формирования ориентированных углеродных нанотрубок.

1 - подложка

2 - слой некаталитического материала

3 - слой каталитического материала

4 - слой некаталитического материала

5, 6, 7 - торцы соответственно слоев 2, 3, 4

8 - слой некаталитического материала

9 - нанотрубки

10 - полость

6 - торец каталитического материала, образующий основание эмиттера

11 - анод

12 - затвор

13 - электрический электрод

14 - электрический электрод

15 - эмиттеры.

На фигуре 1а, б, в показаны основные конструктивные особенности эмиттера планарных триодов. Здесь (фиг.1а) 1 - подложка, на которой формируется интегральная схема и 2, 3, 4 - рабочие слои, сформированные в виде прямоугольного параллелепипеда; 5, 6, 7 - торцы слоев (фиг.1б); 6 - торец слоя каталитического материала, являющийся основанием эмиттера; 5, 7 - торцы некаталитических слоев, один из которых находится над каталитическим слоем, а другой - под; 8 - слой из некаталитического материала, закрывающий слои 2, 3, 4, кроме их торцов 5, 6, 7; слой 8 (на фиг.1б) может быть как из проводящего электрический ток материала, так и из непроводящего, например SiO₂; 9 - углеродные нанотрубки (фиг.1в.).

На фиг.2 подробно изображен один из способов формирования эмиттера для планарного эмиссионного триода. Здесь 1 - диэлектрическая подложка; 2 - слой ванадия; 3 - слой никеля; 4 - слой ванадия (фиг.2а); А-В - горизонтальная линия, по которой производится предполагаемый вертикальный разрез формируемого эмиттера (фиг.2б); 8 - нанесенный на всю подложку диэлектрический слой (фиг.2в); фиг.2г - освобождение от диэлектрика периферийной части основания эмиттера; 10 - полость, образованная травлением слоев 2, 3, 4, со стороны, свободной от диэлектрика (фиг.2д); 9 - сформированные газофазным осаждением нанотрубки (фиг.2е); 11 - анод триода и 12 - затвор триода (фиг.2ж).

На фиг.3 показана конструкция канального триода.

На фиг.4 показано расположение электродов на чипе изготавливаемой интегральной схемы. Здесь 13 и 14 электроды, нанесенные по краям подложки для формирования нанотрубок, расположенных по направлению вектора СД; 15 - формируемые эмиттеры.

Конструкция эмиттера имеет две основные особенности. Первая состоит в том, что на подложке 1 (фиг.1a) многослойная структура 2, 3, 4 обязательно включает слой 3 каталитического материала (из Со, Fe, Ni или их композиции) толщиной 1-50 нм и эта структура покрыта некаталитическим материалом 8 таким образом, чтобы исключить возможность обнажения каталитического слоя, кроме торца 6 каталического слоя, который образует основание эмиттера и обращен в сторону анода (фиг.1б).

Вторая особенность заключается в том, что одним из известных методов [2] формируют углеродные нанотрубки, которые начинают расти только из торца 6 каталитического слоя, образуя в форме “лезвия” слой 9, толщина которого равна ширине торца каталитического слоя (см. фиг.1в), а длина определяется длительностью роста нанотрубок и может лежать в диапазоне 0,1-10 мкм.

Для более полного понимания изобретения и с целью его иллюстрации ниже приводится пример изготовления предлагаемого эмиттера. Однако следует понимать, что возможны его различные модификации, очевидные для специалиста в данной области техники, не меняющие существа изобретения и не выходящие за пределы объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

На сапфировую подложку 1 поочередно напыляется слой ванадия 2 толщиной 20 нм, слой никеля 3 толщиной 1-50 нм и слой ванадия 4 толщиной 20 нм (фиг.2а). С помощью технологии изготовления СБИС на подложке 1 формируется из слоев 2, 3, 4 прямоугольная основа (фиг.2б) для эмиттера размером 0,2×10 мкм². Затем вся подложка покрывается диэлектриком SiO₂ 8 так, чтобы он закрыл основу со всех сторон (фиг.2в). На фиг.2в-2ж представлены вертикальные разрезы (по линии АВ (фиг.2б)) формируемого эмиттера. С помощью технологии изготовления СБИС правая торцевая часть основы вместе с торцом каталитического слоя 6 освобождается от окисла SiO₂ (фиг.2г) и затем производится травление (в частности, электрохимическое) слоев 2, 3, 4 до тех пор, пока не образуется полость 10 длиной 3-5 мкм (фиг.2д). В этом случае торец каталитического материала образует основание эмиттера 6. После этого методом газофазного осаждения формируют углеродные нанотрубки 9 длиной 1-2 мкм, чем и завершается формирование эмиссионного эмиттера (фиг.2е). Для создания эмиссионного триода нужно с помощью технологии изготовления СБИС сформировать анод 11 и затвор 12 (фиг.2ж).

Рассмотренный метод формирования эмиттера подходит и для создания канального триода. В этом случае, углеродные нанотрубки выращивают такой длины, чтобы они выходили из под диэлектрика SiO₂ 8, тогда при формировании анода 11 произойдет соединение нанотрубки с анодом (фиг.3). В этом случае затвор будет управлять движением электронов в нанотрубке, которая будет играть роль канала. Поэтому более правильно такой триод называть транзистором, тем более, что для эффективного управления таким триодом необходимо, чтобы трубки были одностенными и имели диаметр порядка 1 нм или обладали полупроводниковыми свойствами.

Для направленного роста нанотрубок используют электрическое поле. Такое поле можно создать подачей напряжения на электроды 13 и 14, нанесенные параллельно друг другу по краям интегральной схемы, как это показано на фиг.4. В этом случае рост нанотрубок у эмиттеров 15 будет происходить по направлению СД.

Предлагаемая конструкция эмиттера позволяет создавать интегральные схемы очень высокой степени интеграции. Принципиально определяющим моментом для размеров эмиссионного триода или канального транзистора является только диаметр нанотрубки. Если d-диаметр нанотрубки, то расстояние между основанием эмиттера и анодом можно сделать равным 10d. Эта величина и будет определять длину триода (транзистора), так как, в рассматриваемом случае, не надо формировать специально сток и исток (как это имеет место у полупроводниковых транзисторов). Роль стока и истока (в нашем случае основание эмиттера и анода) играет непосредственно металлическая разводка. Беря за ширину транзистора величину d=1 нм, получаем плотность размещения транзисторов - 10¹³ см^-2. Естественно, что современные технологии не позволяют даже приблизится к такой плотности. Однако реально в ближайшем будущем можно рассчитывать на минимальный размер металлического рисунка в 10-50 нм, что при длине канала из нанотрубки в 2 мкм обеспечит плотность активных элементов (триодов и диодов) порядка 10⁹ cм^-2, которая также недостижима при использовании полупроводниковых транзисторов.

Литература

1. Iwasaki Т., MotoL, Den T.Multiwalled carbon nanotubes growth in anodic alumina nanoholes, Appl.Phys.Letters, v.75, №14, 1999, рр.2044-2046.

2. Huczko A. Synthesis of aligned carbon nanotubes, Appl. Phys.A 74, 2002, pp.617-638.

3. Zhong L.W., Gao R.P., Poncharal P. et al. In situ imaging of field emission from individual carbon nanotubes and their structural damage. Appl. Phys. Letters, v.80A95, 2002, pp.856-858.

4. Sohn J.I., Lee S. Micropattemed vertically aligned carbon-nanotube growth on a Si surface or inside trenches. Appl. Phys. A 74, 2002, pp.287-290 (прототип).

5. Martel R., Schmidt Т., Shea Y.R. et. al. Single - and multi wall carbon nanotube field - effect transistors, Appl, Phys. Letters, v.73, №17, 1998, pp.2447-2449.

Использование: области микро- и наноэлектроники, а более конкретно при конструировании эмиттера, в том числе эмиссионного, у активных элементов микро- и наноэлектроники: диодов и транзисторов. Сущность изобретения: в эмиттере для интегральных приборов, содержащем основание эмиттера, расположенное на подложке и выполненное из слоя каталитического материала, на поверхности которого сформированы углеродные нанотрубки, расположенные перпендикулярно поверхности основания эмиттера, в качестве основания эмиттера использован торец слоя каталитического материала, находящегося между слоями некаталитического материала. Эта конструкция позволит создать планарный эмиттер в форме “лезвия”, толщину основания которого посредством изменения толщины каталитического слоя можно регулировать в пределах 1-50 нм и которое состоит из нанотрубок с диаметрами не более толщины основания. Техническим результатом изобретения является создание планарного эмиттера. 4 ил.

Эмиттер для интегральных приборов, содержащий основание эмиттера, расположенное на подложке и выполненное из слоя каталитического материала, на поверхности которого сформированы углеродные нанотрубки, расположенные перпендикулярно поверхности основания эмиттера, отличающийся тем, что в качестве основания эмиттера использован торец слоя каталитического материала, находящегося между слоями некаталитического материала.