ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ АВТОЭМИТТЕРА Российский патент 2016 года по МПК H01J1/34 B82B1/00 

Данное изобретение найдет применение в качестве приборной структуры (структуры для автоэмиттеров) в вакуумной силовой СВЧ-электронике.

Известны автоэмиссионные катоды на основе структур металл/оксид металла, а также автоэмиссионные катоды на основе массивов из углеродных нанотрубок /1/ или на основе вольфрамового либо кремниевого наноразмерных «острий» и «лезвий». Работа упомянутых автоэмиссионных катодов, отличающихся конструкцией и способами изготовления, базируется на эффекте холодной эмиссии электронов и описывается функциональной зависимостью Фаулера-Нордгейма. Упомянутые автоэмиссионные среды используются в качестве активных элементов катодно-сеточных узлов (автокатодов) усилительно-преобразовательных приборов и устройств вакуумной электроники, например автоэмиссионных вакуумных диодов. Для всех вышеобозначенных сред автокатодов характерны подбарьерный механизм транспорта электронов, характеризующийся существенным увеличением КПД по сравнению с гомопереходными и гетеропереходными диодами с надбарьерным механизмом транспорта заряда. Однако получить автоэмиссионный диоды и автокатодные вакуумные узлы, реализующие большие плотности тока, и иметь при этом приемлемый ресурс часов их устойчивой работы до сих пор никому не удалось. В силу этого сильноточные катодно-сеточные узлы для мощных силовых устройств, в частности, для вакуумных сильноточных диодов, продолжают изготавливать, как правило, на основе термоэмиссионных катодов, принцип действия которых основан на надбарьерном (термоэлектронная эмиссия) транспорте электронов.

Реализация сильноточных автоэмиссионных диодов и автокатодов позволила бы по сравнению с термоэмиссионными катодами значительно уменьшить габариты устройств и систем, существенно повысить частотный диапазон их эффективной работы и увеличить КПД приборов этого класса.

В качестве ближайшего аналога, принятого за прототип, для заявляемых в настоящей заявке приборных структур предлагается взять твердотельную инжекционную n-p гетеропереходную структуру, эмиттерный (n-типа) слой которой является узкозонным /2/. Недостатком такой гетероструктуры для силовых устройств является недостаточно высокая плотность тока, и все попытки ее увеличения приводят к росту рассеяния энергии в виде тепла и уменьшению КПД устройств.

Задачей предлагаемого изобретения является создание структуры, позволяющей значительно увеличить токи эмиссионного узла для вакуумного диода либо токи твердотельного диода, повысить деградационную стойкость устройств, увеличив тем самым их рабочий ресурс.

Это достигается тем, что в гетеропереходной структуре, состоящей из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, располагают на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы массив из наноструктурированных объектов, а р-слой выполняют в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, при этом концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 10²⁰-10²⁴ м^-3. Для расширения возможностей и функций изобретения по п.1 формулы предлагаются частные решения.

Частное решение (п.2 формулы) отличается от гетероструктуры по п.1 тем, что p-слой гетероструктуры выполняется в виде совокупности мезаструктур, площади которых превышают максимальную площадь сечения наноструктурированных объектов в 10…1000 раз.

Представленная в формуле конструкция позволяет реализовать новые качества по сравнению с прототипом, а предлагаемое частное решение повышает плотность эмиссионного тока и ресурс работы структуры.

Так, например:

Формирование массива из наноструктурированных объектов приводит к резкому обострению электрического поля вблизи острий нанообъектов этого массива, что приводит к реализации автоэмиссии (подбарьерного транспорта) электронов из острий массива, ток которой значительно превышает надбарьерную (инжекционную) компоненту. Однако, в силу значительной дисперсии линейных размеров нанообъектов массива в направлении нормальном плоскости гетероперехода, создать условия для автоэмиссиии из каждого из них при одинаковом напряжении на структуре является невыполнимой задачей. Предлагаемое в п.1 расположение коллекторного слоя из р- типа алмазной пленки поверх нанообъектов массива из НС приводит в заявляемых конструкциях к несравнимо более однородному распределению электрического поля вблизи каждого из наноразмерных объектов массива, что ставит их в одинаковые условия для автоэмиссии, что, как установлено в экспериментах, увеличивает суммарный ток с катода более чем на три порядка (в 1000 раз).

Формирование p-слоя гетероструктуры по п.1 формулы в виде совокупности мезаструктур (п.2 формулы) приводит к уменьшению отрицательного влияния вероятных структурных дефектов (шунтирующих «проколов») на эмиссионные свойства локальных областей гетероструктуры. При этом указанное превышение площади мезаструктур над площадью поперечного сечения наноструктурированных объектов позволяет статистически усреднить эмиссионные токи каждой из мезаструктур.

Таким образом, достижение положительного эффекта в предлагаемых конструкциях обусловлено реализацией подбарьерного (автоэмиссионного) механизма транспорта одновременно из всего массива наноразмерных острий, несмотря на значительную дисперсию длин острий нанообъектов эмитирующего массива, которая является следствием статистического характера параметров технологических процессов формирования наноразмерных острий, а не только их технического несовершенства. При этом подбарьерный механизм транспорта (автоэмиссия) реализуется благодаря наличию на гетерогранице массива из наноразмерных острий с высоким аспектным отношением. Подбарьерный механизм транспорта обеспечит расширение температурного диапазона устойчивой работы прибора и монохроматичность автоэмиттирующих электронов по энергии, а равномерное распределение токов между остриями массива обеспечит большой рабочий ресурс и значительную величину суммарного тока.

Существо конструкций изобретения поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена гетеропереходная структура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - коллекторный слой (выполнен из алмазной пленки),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника,

4 - омический контакт.

Толщина алмазной пленки (2) не превышает диффузионную длину электронов в ней.

На фиг.2 представлена гетероструктура, в которой:

1 - эмиттерный слой (слой полупроводника, например кремний, германий, карбид кремния либо арсенид галлия),

2 - мезаструктура коллекторного слоя (выполнена в алмазной пленке),

3 - массив из наноразмерных объектов (например, из наноразмерных конусов), сформированный на поверхности слоя полупроводника,

4 - омический контакт.

Представленная гетероструктура для автоэмиссионных приборов и полупроводниковых устройств, а также приборные ячейки на их основе изготавливаются следующим образом. На полупроводниковой n-типа проводимости подложке располагается (выращивается) слой эмиттера электронов (например, n-типа слои германия, индий стильбиума либо теллурида кадмия). На поверхности слоя эмиттера посредством DC плазмы формируются массивы нанообъектов. Затем на поверхность эмиттерного слоя со сформированными наноразмерными объектами осаждается слой p-типа коллектора из поликристаллического алмаза. В изобретении по п.2 формулы мезаструктуры формируют посредством плазмохимического травления p-слоя коллектора на всю его толщину.

Пример формирования гетероструктуры для автоэмиттера

На подложку кремния осаждают пленку никеля наноразмерной толщины, из которой посредством высокотемпературного отжига формируют затем капли никеля наноразмерной величины; далее формируют наноструктурированные объекты, подвергая полученную структуру воздействию потоков ионов с энергиями в несколько сотен электронвольт [3]; наносят на поверхность с массивами нанообъектов (наноструктурированная поверхность) нанокристаллиты алмаза и осуществляют рост поликристаллической алмазной пленки; затем маскируют поверхность и посредством фотолитографии по заданному рисунку, используя ПХТ, формируют массивы из мезаструктур требуемых размеров; затем формируют омические контакты к тыльной стороне подложки.

Предложенная конструкция позволяет реализовать сильноточные быстродействующие автоэмиттеры. Областями применений предлагаемых конструкций могут стать быстродействующие и сильноточные катодно-сеточные узлы для усилительных и генераторных СВЧ-устройств (в ЛБВ и клистронах).

Источники информации

1. Huczko A. // Appl. Phys. 2002. A74. P.617-638.

2. М.Шур. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1992. - Прототип.

3. Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления / Э. А.Ильичев, Инкин В.Н., Мигунов Д.М., Детрухин Г.Н., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Шкодин Д.В. // Письма в "Журнал технической физики". - 2010. - Т.36, вып.4. - С.48-52.

Изобретение относится к структурам для автоэмиттеров. Изобретение обеспечивает значительное увеличение рабочих токов автокатода, повышение стойкости устройств к деградации и увеличение их рабочего ресурса. В гетеропереходной структуре на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы сформирован массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 10²⁰-10²⁴ м^-3. В случае частного решения p-слой выполнен в виде совокупности мезаструктур. Гетероструктура и ее частное решение могут быть использованы при конструировании схем и устройств силовой СВЧ-электроники. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гетеропереходная структура, состоящая из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, отличающаяся тем, что на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы расположен массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 10²⁰-10²⁴ м^-3.

2. Гетеропереходная структура по п.1, отличающаяся тем, что полупроводниковый слой p-типа выполнен в виде совокупности мезаструктур.