СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОЛЕВЫХ ТОКОВ И КРУТИЗНЫ АВТОЭМИССИОННЫХ ВАХ Российский патент 2023 года по МПК H01J9/02 B82B1/00 H01J1/30 

Область техники

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и вакуумно-плазменной микроэлектроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.

Уровень техники.

Аналитическим выражением, описывающим туннельную эмиссию электронов при приложении сильных электрических полей, является формула Фаулера и Нордгейма, согласно которой основными параметрами, определяющими полевой ток являются потенциал работы выхода электрона из материала катода (ϕ) и электрическое поле на отдельном (усредненном) микровыступе (E_i). E_i связанно со средней величиной напряженности внешнего электрического поля Е₀=U/h, где U - напряжение на аноде, h - расстояние между катодом и анодом, через коэффициент усиления поля К, который определяется морфологией поверхности катода [1]:

где А, В - некоторые коэффициенты.

Из выражения (1) следует, что крутизна ВАХ (dJ/dU) увеличивается с увеличением коэффициент усиления поля К и уменьшением работы выхода электронов и расстояния между катодом и анодом. Эти заключения хорошо согласуются с экспериментальными данными и лежат в основе разработки и совершенствования полевых источников электронов.

Известны многоострийные полевые эмиттеры, которые принято называть спиндтовскими [2]. Чтобы обеспечить достаточно интенсивную полевую эмиссию и крутизну ВАХ, в ячейках спиндтовских систем устанавливают острийные катоды с малым (меньше 1 мкм) диаметром вершины, и управляющий электрод, напряжение которого определяет величину поля у острия, устанавливают на расстоянии порядка микрона от вершины острия. Технология создания спиндтовских структур чрезвычайно сложна и это препятствует широкому их практическому использованию. К тому же, спиндтовские структуры могут быть достаточно долговечными только в низкочастотных и низковольтных устройствах, в которых распыление материала эмиттеров бомбардирующими ионами остаточного газа не приводит к деградации их рабочих характеристик.

Известны матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). В патенте США [3] изложено техническое решение, согласно которому полевой эмиссионный элемент содержит электропроводящую подложку, расположенный на ней диэлектрический слой, в котором выполнена матрица сквозных отверстий, на стенках которых расположен изолирующий слой, над которым расположен вытягивающий слой, в отверстиях сформирован массив углеродных нанотрубок, причем высота массива углеродных нанотрубок меньше толщины диэлектрического слоя.

С момента своего открытия УНТ показали себя как многообещающие кандидаты для использования в катодных материалах с полевой эмиссией из-за их малого радиуса наконечника, высокого аспектного отношения и превосходных электрических, термических и механических свойств [4,5]. Однако, попытки создания многопучковых катодов на основе УНТ не дали до настоящего времени ожидаемых эмиссионных характеристик. Основной причиной этого, как показали наблюдения, является низкая адгезионная прочность между УНТ матрицей и подложкой [6], а также подверженность к перенапылению на анод и другие детали арматуры источника электронов. Эмиссионные характеристики структур на основе УНТ нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов и тепла. Увеличение крутизны ВАХ в эмиссионных элементах, описанных в [3], которое могло бы достигаться за счет уменьшения разности между толщиной изолирующего слоя и высотой массива УНТ, ограничено его диэлектрическими свойствами и возможностью возникновения короткого замыкания между УНТ и вытягивающим слоем из-за перенапыления углерода.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному нами является изобретение, в котором использовано в качестве материала эмиттера наноалмазное покрытие, представляющее собой углеродную пленку, содержащую наноструктурированные алмазные компоненты, что приводит к повышению деградационной стойкости, плотности тока и уменьшению рабочих напряжений в интегральных приборах вакуумной нано- и микроэлектроники. Сущность изобретения: интегральный автоэмиссионный элемент включает подложку, покрытую диэлектрическим слоем, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, расположенную на верхней поверхности упомянутой катодной структуры и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются катоды на основе наноалмазных покрытий, расположенные на внешней поверхности катодной структуры, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре [7]. Создание эмиттера проводится в едином технологическом цикле с формированием структуры анодов без дополнительной операции совмещения анодов с катодной структурой.

Эффективность работы интегрального автоэмиссионного элемента определяется током эмиссии и крутизной ВАХ, которые зависят от материала электрода, рабочего напряжения и расстояния между анодом и катодом. Недостатком описанного автоэмиссионного элемента, также как в предыдущих структурах, является возникновение токов утечки между катодным материалом и управляющим и/или анодным электродами при уменьшении расстояния между ними с целью уменьшения рабочего напряжения и увеличения плотности тока и крутизны ВАХ.

Целью изобретения является создание автоэмиссионных матриц на основе углеродных гетероструктур, которые при технологии изготовления, совместимой с низкотемпературной технологией производства интегральных схем, обладали бы высокими эффективностью (высокими крутизной ВАХ и плотностью тока при более низком рабочем напряжении эмиссии) и стабильностью автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что создание автоэмиссионной матрицы осуществляется в одном вакуумном технологическом цикле осаждением трехслойной углеродной гетероструктуры с различным электронным обогащением слоев, верхний и нижний из которых являются обогащенными, а между ними осаждается квантоворазмерный обедненный слой.

Углеродные слои с различным электронным обогащением осаждают при температуре (300±10)°С с использованием микроволновой плазмы паров этанола по методике, изложенной в [9]. Обогащенный электронами нижний слой гетероструктуры толщиной около 0,2 мкм получают при давлении 0,07…0,1 Па и смещении на подложкодержателе +200…+300 В. В том же вакуумном цикле после снижения давления паров этанола до 0,01-0,02 Па при смещении -200 -300 В осаждают обедненный углеродный слой толщиной 4-6 нм. На обедненный слой при том же давлении и смещении, которые использовали при осаждении обогащенного нижнего слоя, осаждают верхний обогащенный слой толщиной 40-60 нм.

Повышение эффективности и стабильности автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе службы осуществляется введением в обогащенную электронами углеродную матрицу низкоразмерного углеродного слоя, обедненного электронами. При тех же, что у прототипа, геометрических характеристиках автоэмиссионных элементов это позволяет уменьшать пороги начала полевой эмиссии, увеличивать крутизну автоэмиссионных ВАХ и плотность тока.

Согласно квантовой механике, в углеродных слоях, являющихся по своей природе полуметаллами, с толщинами меньше длины волны де Бройля, которая при комнатной температуре для полупроводниковых структур составляет от 25 до 100 нм, а для металлов на порядок меньше, минимальная энергия электронов не может быть равной нулю. Всегда существует так называемая энергия нулевых колебаний (E₁), которая определяется толщиной квантоворазмерного слоя. При приложении электрических полей поперечный транспорт электронов в гетероструктурах осуществляется их туннелированием сквозь квантовый барьер (КБ), прозрачность которых тем выше, чем меньше их толщина l [8]:

где h=6,62⋅10^-34 Дж⋅с - постоянная Планка, m - масса туннелирующей частицы, U - потенциальная энергия, W - энергия электрона, падающего на барьер.

Из выражения (2) следует, что вероятность прохождения частицы сквозь КБ зависит от его ширины и превышения над уровнем энергии туннелирующего электрона W, то есть от U - W или, в конечном счете, от высоты барьера. С увеличением напряженности внешнего поля, энергии основных состояний электронов в квантово размерных структурах снижаются, а их кинетическая энергия увеличивается. При сближении их значений до величины порядка k₀T возникают условия для резонансного туннелирования электронов и токи сквозь гетероструктуры интенсивно увеличиваются.

При полевой эмиссии в сильных импульсных электрических полях высокая нулевая энергия электронов в обедненном слое толщиной 5 нм, которая составляет около 0,2 эВ, кроме высокой прозрачности для туннелирования внутри гетероструктуры, существенно увеличивает также прозрачность потенциального барьера (ПБ) на границе твердое тело-вакуум без увеличения энергетической нагрузки на материал автокатода. Это происходит за счет уменьшения разности между высотой вакуумного ПБ (работой выхода электронов) и собственной энергией туннелирующего электрона. Благодаря бездиссипативному транспорту и снижению порога эмиссии, процессы, связанные с увеличением кинетической энергии электронов в гетероструктуре и развитием ударной ионизации атомов углеродной структуры, при увеличении внешнего электрического поля замедляются. Это позволяет в разы увеличить плотность полевого тока и крутизну ВАХ (Фиг. 1).

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении порога начала эмиссии и повышении плотности полевых токов и крутизны вольтамперных характеристик полевых источников электронов за счет создания условий для бездиссипативного транспорта электронов, при котором вероятность развития процессов ударной ионизации в катодной матрице и ее разрушение значительно уменьшаются.

Полученные автоэмиссионные матрицы на основе углеродных гетероструктур при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, а также высокую эффективность эмиссии.

Изобретение поясняется графиком. На фиг. 1 показаны автоэмиссионные ВАХ трехслойных углеродных гетероструктур с обогащенными электронами основанием толщиной 0,2 мкм и верхним слоем толщиной 60 нм в отсутствии квантового барьера (1) и при его ширине 5 нм (2).

Источники информации

1. Fowler R.H., Nordheim L.W. // Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.

2. Brodie I., Spindt C.A. //Microelectronics. Advances in Electronics and Electron Physics, 1992, v. 83, p. 101-107.

3. Патент США US 2014270087 (A1) (МПК H01J 35/06, опубликовано 18.09.2014 г.),

4. Zeng and Z. Ren. Field emission of carbon nanotubes in NanoScience in Biomedicine (Springer, 2009).

5. W. Wei, Y. Liu, Y. Wei, K. Jiang, L.-M. Peng, and S. Fan, Nano Lett. 7(1), 64-68 (2006). https://doi.org/10.1021/nl061982u

6. W. Wei, J. Kaili, W. Yang, L. Ming, Y. Haitao, Z. Lina, L. Qunqing, L. Liang, and F. Shoushan, Nanotechnology 17(8), 1994 (2006). https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/8/033.

7. Патент RU 2 455 724 C1. Опубликовано: 10.07.2012 Бюл. №19. Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий. Авторы: Красников Г.Я., Зайцев Н. А., Орлов С.Н., Хомяков И.А., Яфаров Р.К.

8. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. Москва, "Наука", 1983 г.

9. Яфаров Р.К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий. М.: Физматлит, 2009. 216 с.

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной электроники, в частности к разработке и созданию радиационно-стойких приборов и устройств, работа которых основана на использовании полевых источников электронов. Технический результат - снижение порога автоэмиссии, повышение плотности токов и крутизны вольт-амперных характеристик полевых источников электронов. В способе повышения плотности тока и крутизны ВАХ полевых источников электронов на основе углеродных покрытий в качестве эмиттера электронов используют трехслойную углеродную гетероструктуру, в которой в одном вакуумном технологическом цикле на нижний обогащенный электронами слой последовательно осаждают обедненный электронами слой толщиной 4-6 нм и верхний обогащенный слой, аналогичный нижнему, толщиной 40-60 нм. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ повышения плотности тока и крутизны ВАХ полевых источников электронов на основе углеродных покрытий, отличающийся тем, что в качестве эмиттера электронов используют трехслойную углеродную гетероструктуру, в которой в одном вакуумном технологическом цикле на нижний обогащенный электронами слой последовательно осаждают обедненный электронами слой толщиной 4-6 нм и верхний обогащенный слой, аналогичный нижнему, толщиной 40-60 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трехслойную углеродную гетероструктуру получают в микроволновой плазме паров этанола при температуре (300±10)°С при давлении 0,07-0,10 Па и смещении на подложкодержателе в интервале +200…+300 В для обогащенных электронами слоев и при давлении 0,01-0,02 Па и смещении -200…-300 В для обедненного промежуточного слоя.