Разработка и исследование эмиссионной среды для твердотельного автоэмиссионного диода на основе гетеростуктуры кремний / алмаз
На правах рукописи
Мигунов Денис Михайлович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИОННОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО АВТОЭМИССИОННОГО ДИОДА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТУКТУРЫ КРЕМНИЙ / АЛМАЗ Специальность 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2012
Работа выполнена в: Национальном исследовательском университете «МИЭТ» на кафедре «Квантовой физики и наноэлектроники» Научный доктор физико-математических наук, руководитель: Ильичев Эдуард Анатольевич Официальные доктор технических наук, профессор, оппоненты: заведующий кафедры материалов и процессов твердотельной электроники НИУ «МИЭТ», Громов Дмитрий Геннадьевич кандидат технических наук, заведующий НИЛ «Нанокомпозитные материалы» кафедры полупроводниковой электроники НИУ «МЭИ», Шупегин Михаил Леонидович
Ведущая организация: НИТУ «МИСиС»
Защита состоится « 26 » декабря 2012 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.134.01 в ауд. 3103 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу:
124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ»
Автореферат разослан « _ » ноября 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета:
доктор технических наук, профессор Т.Ю. Крупкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы В рамках твердотельной электроники удалось успешно решить множество системных задач благодаря достигнутому быстродействию твердотельной электронной компонентной базы ( 10 ГГц) и значительной плотности расположения вентилей на кристалле (~ 5107 вент/см2).
Однако существует ряд задач, решение которых традиционными методами не реализовано в рамках твердотельной электроники [1]. К таковым относится, например, получение компактных, но мощных схем и устройств для СВЧ генераторов и усилителей. Решение этой задачи в настоящее время реализуется в рамках вакуумной электроники и требует создания катодных узлов с плотностью тока порядка и более 10 A/см2 при выходной мощности в несколько киловатт. В частности, область СВЧ силовой электроники «закрывается» приборами и устройствами вакуумной электроники, где в качестве катодных узлов, используются термоэлектронные катоды, имеющие низкий КПД, большие массу и габариты и значительную инерционность.
Альтернативой им могут стать вакуумные автоэмиссионные катоды [2-4], способные длительное время работать в заданных технических условиях. Преимущества автоэлектронных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны: высокая монохроматичность энергии электронов пучка, устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безинерционность, высокая крутизна вольт-амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования автокатодов в сильноточных и быстродействующих электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, плоские экраны, приборы и устройства радиочастотной электроники, и т.д.
Ряд задач силовой СВЧ электроники могут быть решены в рамках твердотельной электроники. При этом, в качестве базовых элементов для СВЧ схем мощностью в 1…10 Вт используются, как правило, базовые диоды и триоды на основе GaAs, карбида кремния, алмаза, а также гетеростуктур GaAs-AlAs, GaN-AlN. Транспорт носителей тока в таких приборах осуществляется по надбарьерным (инжекционным) механизмам, что существенно ограничивает быстродействие, КПД и температурный диапазон работы использующих их схем.
В этом плане крайне актуальной была бы разработка силовых СВЧ приборов с доминированием подбарьерного (туннельного) механизма транспорта носителей тока. В этом случае естественно ожидать повышение быстродействия и существенное расширение температурного диапазона устройств работы приборов и схем.
Основная трудность в создании стабильных автоэлектронных сред и автокатодов состоит в том [5], что автоэлектронная эмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. Действительно, работа автоэлектронного катода в электронном приборе сопровождается различными процессами, происходящими на его поверхности. Основные из них: бомбардировка ионами остаточного газа, электромеханические нагрузки, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция в сильных электрических полях, и т. д. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации автокатода, перечисленные явления в совокупности, приводят к развитию процессов, вызывающих их деградацию: катодное распыление материала, изменение формы эмитирующей поверхности, изменение количества и расположения эмитирующих электроны острий, либо других активных центров, фазовые изменения на поверхности, механические напряжения.
Указанные эффекты вызывают изменения коэффициента прозрачности барьеров и неконтролируемые ухудшения основных параметров автокатодов, и приводят в конечном счете к выходу прибора из строя.
Таким образом, для эффективного решения приборных задач силовой электроники, и автоэмиссионной электроники в частности, необходима разработка технологических процессов получения стойких к деградации и эффективных автоэмиссионных сред.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологического маршрута формирования автоэмиссионных сред на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз с массивами наноструктур на гетерогранице.
Одной из базовых компонентов упомянутого техмаршрута является технологический процесс формирования массивов из нанообъектов посредством использования плазмохимического травления твердой пленки (приборной структуры либо подложки) через наноразмерные маскирующие области.
Научная новизна:
1. Новая автоэмиссионная среда и твердотельный автоэмиссионный диод на ее основе.
2. Результаты экспериментальных исследований характеристик автоэмиссионных диодов на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз.
3. Метод формирования массивов из наноразмерных объектов, основанный на использовании суперпозиции ВЧ и DC плазмы и наноразмерных маскирующих объектов.
Достоверность и обоснованность результатов Достоверность результатов и корректность выводов и заключений основана как на использовании общепризнанных и аттестованных методов и устройств диагностики материалов и приборных структур, так и на результатах комплексных экспериментальных исследований разработанных в настоящей работе автоэмиттирующих структур в приборах.
Практическая значимость 1. Разработанные технологии получения маскирующих наноразмерных областей и кремниевых наноструктур с высоким аспектным отношением используются в технологическом маршруте изготовления твердотельных автоэмиссионных диодов с низкими пороговыми напряжениями автоэмиссии ( 0,5 В/мкм), высокими плотностями автоэмиссионных токов (~ 20 A/см2).
2. Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы наноструктурированных поверхностей кремния (nanoSi), исследованы в качестве активных сред для вакуумных автоэмиттеров катодно-сеточных узлов (КСУ): пороговое электрическое поле ~ 5 В/мкм, плотность тока ~ 10 мA/см2.
3. Разработанные, изготовленные и исследованные экспериментальные образцы твердотельных автоэмиссионных диодов, не нуждающиеся в вакуумировании, выполнены на основе гетероструктур nano Si/алмаз и имеют низкий порог автоэмиссии (~ 0,5 В), и высокую плотность тока (~ 20 A/см2).
На защиту выносятся следующие положения 1. Гетероструктура nano Si / алмаз (слабо легированный акцепторами), позволяет поставить в одинаковые автоэмиссионные условия большинство острий массива наноразмерных объектов.
2. Технологический маршрут в составе последовательности техпроцессов, состоящих в формировании на поверхности приборной структуры, наноразмерных маскирующих областей, формировании наноструктур, а затем и зародышевых структур с последующим ростом поликристаллической слаболегированной акцепторами алмазной пленки позволяет изготовить эффективную автоэмиссионную гетероструктуру nano Si / алмаз.
3. Технологический маршрут изготовления твердотельных диодов на основе гетероструктуры nano Si / алмаз позволяет получить автоэмиссионные диоды с пороговыми напряжениями не более ~ 0,5 В и плотностями тока не менее 20 А/см2.
Апробация работы Данная работа выполнялась в рамках следующих НИР:
«Разработка и исследование однокристальной схемы умножителя потока электронов на основе углеродных наноструктур и алмазных пленок» по ГК № 02.740.11.0115 от 15.06.2009;
«Исследование технологии каталитического синтеза углеродных наноструктур из материала углеродсодержащих подложек» № 66-ГБ-061-Гр.асп.-КФН от 01.10.2010;
«Определение граничных условий системы уравнений формообразования каталитических областей в процессе роста углеродных наноструктур» № 62-ГБ-061-Гр.ст.-КФН от 01.10.2010;
«Моделирование процесса каталитического роста углеродных нанотрубок» № 72-ГБ-061-Гр.ст.-КФН от 01.10.2011.
Основные результаты работы доложены автором на следующих конференциях и семинарах:
Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 21-27 сентября, 2009;
International conference “Micro- and nanoelectronics – 2009”.
Moscow – Zvenigorod, Russia, 5th-9th october, 2009;
Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем», Ульяновск, 22-25 октября, 2009;
17-ая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2010», Москва, Зеленоград, 28-30 апреля, 2010;
III окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов, Москва, Зеленоград, 2011;
International conference “Micro- and nanoelectronics – 2012”.
Moscow – Zvenigorod, Russia, 1st-5th october, 2012.
Публикации По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 статья в иностранном журнале, 1 статья, вошедшая в сборник научных трудов. Получен патент Российской Федерации (заявка №2009143994/28 от 27.11.2009, решение о выдаче от 10.05.2011). Подана заявка на патент Российской Федерации (№2012125312 от 19.06.2012).
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, содержит 115 страниц машинописного текста, включая таблицы, 43 рисунка и список литературы из 34 наименований. В приложении приведены акты внедрения результатов работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дан анализ состояния работ в данной области, выделены принципиальные проблемы, возникающие в рамках стандартных подходов, обоснована актуальность выполненных в настоящей работе исследований, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен сравнительный анализ существующих и разрабатываемых вакуумных и твердотельных сильноточных диодов.
Результаты анализа используются при разработке методов и подходов к решению целей и задач. Показаны преимущества автоэмиссионных катодов. Несмотря на многолетние усилия многочисленных групп исследователей, получить быстродействующие сильноточные автоэмиссионные катоды для вакуумных либо твердотельных диодов и триодов, и иметь при этом приемлемый ресурс часов их устойчивой работы до сих пор никому не удалось [6]. Надежды реализовать сильноточные вакуумные автокатоды на основе углеродных наноструктур [7] также не увенчались успехом. В то же время показано, что по сравнению с углеродными нанотрубками, наноструктуры конической формы обеспечивают значительно большую механическую и термическую стабильность. В настоящей работе конические наноструктуры были сформированы в твердых пленках с помощью комбинации DC и ВЧ плазменных методов [8-10].
Такой подход существенно расширяет спектр приборных задач, в которых можно использовать наноструктурированных объекты. Однако, в силу низкого предела текучести кремния, добиться длительной стабильности эмиссии электронов такими средами не представляется возможным.
В настоящей работе предлагается и подробно исследуется новая автоэмиссионная среда, выполненная на основе гетероструктуры нано Si / алмаз, в которой наноструктурированные объекты расположены на гетерогранице. При этом, упомянутые нанообъекты сформированы на поверхности кремния с помощью комбинации ВЧ и DC плазменных методов, а затем заращены слаболегированным акцепторами слоем поликристаллического алмаза. В такой конструкции автоэмиссионная среда оказывается упакованной в объеме твердого слоя, что предотвращает ее разрушения за счет ионной бомбардировки.
Кроме того, испущенные наноразмерными остриями в процессе холодной эмиссии первичные электроны, могут быть многократно умножены посредством эффекта вторичной эмиссии в материале с отрицательной энергией сродства. К таковому относится и поликристаллический алмаз. Таким образом, сильноточные катоды для мощных СВЧ устройств представляется возможным разрабатывать в виде базовых конструкций катодных узлов в составе последовательно расположенных автоэмиссионного элемента на основе наностуктур (НС) и умножителя потока электронов на основе алмазных пленок [11].
Во второй главе приводится описание используемых методик, технологий и архитектуры автоэмиссионной структуры. Подробно описывается установка «Алмаз-1», разработанная совместно НИИФП и НИИТМ. В настоящей работе она применяется для формирования упомянутых эмитирующих наноструктурированных сред.
В процессе настоящей работы была выполнена модернизация ряда основных узлов установки. В частности, полной переделки подвергся блок питания системы ИК нагрева, нагрузкой которого являлась совокупность из тринадцати ламп ИК излучения каждая мощностью в 1 кВт. В процессе модернизации схемы питания были устранены наблюдаемые «перекосы» фаз, не только пагубно влияющие на стабильную и безаварийную работу блока питания, но и вызывающие флюктуации плазменного разряда и, как следствие, нестабильность и не воспроизводимость техпроцессов.
Подвергся модернизации и терморегулятор, реализующий пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования мощности. ПИД предполагает уменьшение мощности, подаваемой на нагреватель, по мере приближения температуры объекта к заданной температуре. Однако, при реализованном в «Алмазе-1» законе регулирования, когда печка работает не на 100% мощности, срез полуволны сети 50 Гц создает большую помеху в сеть. Поэтому терморегулятор был запрограммирован по двухпозиционному закону регулирования широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при котором нагрузка включается на долю периода ШИМ.
В рамках выполнения настоящей работы была предложена автоэмиссионная среда в виде гетероструктуры нанокристаллический кремний / алмаз, с массивами из нанообъектов на гетерогранице.
Процедура формирования предложенной автоэмиссионной среды включает следующие основные этапы:
этап формирования массивов из наноразмерных маскирующих покрытий;
этап формирования в твердых пленках массивов из наноразмерных конусов (наноструктурирование);
этап формирования на наноструктурированной поверхности зародышевой среды для последующего роста поликристаллических алмазных пленок;
синтез на наноструктурированной поверхности кремния поликристаллических слаболегированных акцепторами алмазных пленок из газовой фазы (PECVD).
Рисунок 1. Схема, поясняющая процесс формирования конусов:
– осаждение маски никеля;
А – формирование наноразмерных маскирующих B, C капель в процессе обработки пластины температурой и слабыми потоками плазмы;
– формирование конических наноструктур D посредством плазменного травления поверхности подложки потоками ВЧ и DC плазмы;
– схематическое изображение сформированных E наноразмерных конусов.
Последовательность процедур формирования наноразмерных конусов (первый и второй этапы формирования автоэмиссионной среды) представлена на рисунке 1. Она заключается в напылении слоя никеля (Ni) наноразмерной толщины, последующего формирования наноразмерных капель никеля, использование упомянутых капель в качестве масочного материала при проведение процесса ионно плазменного травления наноразмерных конусов [12-14].
С целью реализации возможности управления размерами нанометровых капель нами использовались различные адгезионные слои (V, Cr, Mo). Сами же наноразмерные капли формировались нами посредством фотонного нагрева объема приборной структуры до температур ~ 5500…8000 С и перегрева ее лицевой поверхности (покрытой пленкой никеля наноразмерной толщины) посредством бомбардировки потоками ионов аргона. Последние формируются ВЧ полем, возбуждаемым посредством ВЧ генератора и вводимым в рабочую камеру спиральным индуктором. Кинетическая энергия падающих на пластину ионов задается разностью потенциалов между подложкой и стенками камеры (~ 150…200 эВ), а плотность их потока определяется мощностью ВЧ поля (до ~ 200 Вт) и давлением рабочего газа (аргона) в камере (от 2 до 80 Па).
Нагрев пленки приводит к реализации ее состояния, которое характеризуется таким параметром как вязкость, что в свою очередь приводит к генерации радиационных дефектов в пленке Ni. Наличие капиллярных сил довершает процесс распада пленки никеля на наноразмерные фрагменты (капли).
Полученные наноразмерные капли (с латеральными размерами до 50…100 нм) в рассматриваемом техмаршруте будут являться маскирующими в процессе травления нанообъектами. Далее повышается вводимая ВЧ мощность (до 400 Вт) и разность потенциалов между подложкой и стенками камеры (до ~ 350 В), что дает старт процессу ионного травления материала подложки. Результатом ионно плазменного травления будет являться формирование наноразмерных объектов конической формы [8]. При этом, углы при вершинах наноразмерных конусов (в рамках конкретного техпроцесса, т.е.
фиксированными технологическими параметрами) для всего массива нанообъектов одинаковы. Указанные углы при вершинах конусов (а значит и их аспектное отношение) определяются соотношением плотности плазмы (зависит от давления в камере и подаваемой мощности ВЧ излучения) и кинетической энергии ионов с импульсом в направлении нормальном к подложке (определяется постоянным смещением).
Указанный подход позволяет управляемо формировать активные среды в виде массивов наноразмерных конусов с усредненными параметрами аспектных отношений.
Поиск и оптимизация технологических параметров процесса формирования активных сред из массивов автоэмиттирующих структур проводился на установке «Алмаз-1», при этом, в качестве исходного подложечного материала использовались следующие пленочные структуры:
Si (подложка)100 / Ni Si (подложка)100 / АПП / Ni Si (подложка)111 / Ni Si (подложка)100 / Mo / Ni Здесь АПП – углеродная алмазоподобная пленка. Было использовано АПП двух типов: низкой проводимости с преобладанием sp3 фазы углерода и высокой с преобладанием sp2 фазы. Толщина слоя Ni варьировалась от 5 до 30 нм. Толщины адгезионных слоев не превышали 50 нм. В качестве кремниевой (Si) подложки чаще всего использовались кремниевые пластины КЭФ-4,5 с ориентацией 100.
Исследование процесса формирования наноструктурированных сред включало в себя вариации температуры нагрева образцов, мощности плазмы, тянущего поля (постоянного напряжения), давления рабочего газа и времени травления. Процедура исследований заключалась в фиксировании большинства параметров при вариации одного из них в некотором диапазоне. В реактор одновременно помещалось несколько образцов с различными типами структур, перечисленными выше. Таким образом, исследовалась зависимость образования эмитирующих острий, а так же их размера, от толщины исходной пленки для маски и от используемого адгезионного слоя в структуре. Подробное исследование полученных структур приводится в третьей главе.
Заметим, в рассматриваемом техмаршруте при формировании маскирующих нанообъектов можно использовать как процессы ультрафиолетовой либо электронной литографии, так и наноимпринтинг. Кроме того, использование литографических процедур в приборном техмаршруте, позволяет формировать массивы эмитирующих нанообъектов (наноразмерных конусов) локально, в заданных областях пластины.
а б Рисунок 2. РЭМ изображения образца массивов наноразмерных конусов, сформированных в локальных областях пластины (период расположения групп 3 мкм): а – увеличение 4000 раз, б – 30000 раз В частности на рисунке 2 (а и б) показана возможность локального формирования конусов посредством литографии по фотошаблонному рисунку на кремниевой пластине.
Используемый подход реализации сильноточных автоэмиссионных сред (гетероструктура nano Si / алмаз) представляется эффективным применить к структурам с подложками из карбида кремния (SiC).
Значительность величины его коэффициента теплопроводности позволила бы дополнительно повысить верхний предел токов снимаемых с кристалла.
Кроме того, значительная величина ширины запрещенной зоны, вдвое выше чем у кремния скорость насыщения электронов, а также температурная и радиационная стойкость материала и электрическая прочность [15] позволили бы существенно расширить функциональность и рабочий диапазон температуры электрических схем с автоэмиссионными элементами Рисунок 3. РЭМ изображение на основе структур образца карбида кремния со нано SiC / алмаз.
сформированными конусами В настоящей работе нами изучалась возможность формирования наноразмерных конусов на поверхности пластин поликристаллического карбида кремния. На эти пластины, также как и на Si, наносился маскирующий материал: никель толщиной 30 нм с адгезионным слоем хрома (Cr) 10 нм.
Результаты формирования на SiC массивов наноразмерных конусов представлены на рисунке 3.
В третьей главе диссертации приводятся комплексные исследования полученных наноструктур и твердотельных автоэмиссионных диодов на их основе.
На рисунке 4 приводятся РЭМ изображения наноразмерных конусов, полученных на кремнии методом, описанным во второй главе диссертации.
а б Рисунок 4. РЭМ изображения полученных наноструктур В результате процесса ионного (ВЧ+DC) травления подложки через сформированные маскирующие нанообъекты получены наноразмерные конусы со следующими параметрами: диаметр при основании конуса от 0,08 до 0,5 мкм, высота от 0,5 до 1,5 мкм.
Меняя различные технологические параметры и исходные подложки и структуры, можно варьировать размеры и аспектные отношения наноразмерных конусов и их плотность расположения на поверхности.
Полученные образцы подвергались рентгеновскому микроанализу (РМА). РМА проводился при нормальном падении пучка на образец при ускоряющем напряжении 5 кВ.
Из результатов анализа следует, что материал наноконусов – кремний. На рентгенограмме на рисунке видны следы никеля, что объясняется присутствием остатков маскирующего металла.
Наличие в рентгеновских спектрах линии кислорода по видимому связано с процессом Рисунок 5. Спектр РМА окисления поверхности наноконусов кремниевой пластины в остаточной атмосфере газовой среды камеры реактора при больших температурах (предварительная откачка осуществлялась до 1 Па, а в техпроцессе использовалась ВЧ плазма).
В отличие от вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, НС, выполненные в твердых пленках, допускают возможность сканирования на атомно-силовом микроскопе (АСМ). При этом, отсутствуют процессы «залипания» кантилевера на сканируемом объекте, нет возбуждений кантилевера и т.п. Это указывает на исключительную жесткость полученных массивов острий вертикально ориентированных НС, а также на их хорошую адгезию к подложке.
Рисунок 6. Изображение АСМ 10х10 мкм2 полученных наностуктур Основная цель привлечения к исследованиям АСМ состояла в необходимости измерений радиусов закругления острий единичных конусов. Методами АСМ, с учетом радиуса закругления зонда кантилевера (в NSG-10НТ-МДТ он составляет не более 10 нм), были получены следующие геометрические параметры для острий изготавливаемых наноструктур:
диаметр при основании конуса от 0,08 до 0,5 мкм, высота от 0,5 до мкм, радиус закругления острия не более 20…25 нм.
Некоторые образцы Рисунок 7. Изображение АСМ:
изучались на просвечивающем вертикальный срез единичного электронном микроскопе, в том конуса числе и в режиме микродифракции. Изучение картин микродифракции на ПЭМ позволило установить, что наноразмерные конусы являются объемными образованиями и по материалу, и по кристаллографической ориентации идентичны материалу подложки (Si100).
Наблюдаемые изредка наноразмерные включения при вершине острий конусов являются нанокристаллитами никеля, который нами использовался в качестве маскирующего материала при плазменных процессах формирования в подложке обсуждаемых нанообъектов.
Таким образом, в Рисунок 8. ПЭМ изображение исследованиях нами установлено, отдельного конуса что конусы на подложке и подложка имеют единую кристаллическую структуру и значит, сформированы посредством ионного травления материала подложки в присутствии массивов наноразмерных масок. Это и объясняет хорошую адгезию конусов к поверхности. На рисунке 8 на вершинке конуса во время регистрации спектров при большем увеличении регистрируется капля никеля.
В разделах 3.4 - 3.5 главы 3 представлены результаты физических и электрофизических исследований твердотельных автоэмиссионных диодов на основе гетероструктур nano Si / алмаз.
а б Рисунок 9. РЭМ изображение поликристаллической алмазной пленки, выращенной на подложке с массивами из наноразмерных конусов: а – поверхность образца, б – скол Так на рисунке 9б показан скол образца с поликристаллической алмазной пленкой. Кружочками выделены выявившиеся на сколе кремниевые конусы, покрытые алмазной пленкой.
При изготовлении твердотельных автоэмиссионных диодов (ТАД) на основе гетероструктуры nano Si / алмаз с использованием фотолитографии формировались мезаструктуры. При этом применяется плазмохимическое травление, в процессе которого пленка поликристаллического алмаза вытравливается вплоть до кремниевой подложки. Далее пластины с мезаструктурами покрывались с лицевой стороны изолирующим диэлектриком, к лицевым поверхностям мезаобластей в диэлектрике вскрывались окна, и формировались металлические контакты (Cr/Au). Затем упомянутые мезаобласти объединялись с лицевой стороны пленкой металла, обеспечивающей между ними гальваническую связь.
В результате, отдельные активные макроэлементы (меза стуктуры) представляют собой квадраты со стороной 500 мкм.
На их лицевой поверхности (на поликристаллической алмазной пленке) формировались контакты, затем покрываемые слоем гальванической связи на основе Au. К тыльной стороне пластины формировался омический Рисунок 10. РЭМ изображение контакт, а затем поверхность фрагмента ячейки ТАД контакта металлизировалась (Cr Au). В результате были получены тестовые твердотельные автоэмиссионные диоды на основе гетероструктуры nano Si / алмаз. На рисунке 10 представлено РЭМ изображение фрагмента ТАД. Видна мезаструктура, выполненная на кремниевой подложке, представляющая собой совокупность нанообъектов из кремния (массивы наноразмерных конусов), покрытых поликристаллической алмазной пленкой толщиной 2 мкм, к которой выполнен контакт на основе Cr/Au.
Рисунок 11. Зависимость тока автоэмиссии из массивов наноразмерных конусов в вакуум в координатах Фаулера-Нордгейма) Разработка ТАД предполагает предварительную разработку, изготовление и исследование автоэмиссионных характеристик основного элемента ТАД – обсуждаемых нанообъектов (наноразмерных конусов) наноструктурированных кремниевых сред. Типичные результаты с площади 3 мм2 представлены на рисунке 11. Установлено, что порог автоэмиссии в вакуум из массивов нанообъектов на основе наноструктурированного кремния составляет 5 В/мкм, а максимальная плотность автоэмиссионного тока при напряженности поля ~ 50 В/мкм не превышает ~ 100 мкА/мм2.
На представленных ниже рисунках 12 и 13 даны типичные изображения прямых и обратных вольт-амперных характеристик (ВАХ) для трех образцов ТАД, реализованных на одной пластине.
Рисунок 12. Прямые ветви ВАХ трех ячеек ТАД (Т=300К) Сравнивая результаты исследований автоэмиссии электронов в вакуум из массива НС, сформированных на поверхности кремниевых подложек, и ВАХ ТАД сформированных на основе гетероструктур nano Si / алмаз, с той же плотностью нанообъектов на гетерогранице, но с наличием коллекторного слоя из слаболегированной акцепторами пленки поликристаллического алмаза можно заключить, что токи твердотельных диодов превышают токи эмитируемые массивами НС в вакуум с той же удельной площади ~ в 2000 раз.
Рисунок 13. Обратные ВАХ трех ячеек ТАД (Т=300К) В результате обработки полевых зависимостей ВАХ было установлено, что доминирующей компонентой тока при прямом смещении (рисунок 12) является автоэмиссионная компонента («фауллеровские» зависимости на участке ВАХ при U 0,4 В). В результате обработки ВАХ обратного смещения (рисунок 13) установлено, что ток при обратном смещении контролируется не барьером на границе раздела металл / алмаз, а глубокими энергетическими центрами объема поликристаллического алмазного слоя, связанными, по-видимому, с барьерами между кристаллитами.
Основные результаты и выводы Разработаны технологические процедуры и технологический маршрут формирования маскирующих наноразмерных областей из пленок нанометровой толщины посредством плазменно-термической симуляции.
Разработаны технологические процедуры и технологические маршруты формирования вертикально ориентированных наноразмерных объектов с большим аспектным отношением посредством плазмохимического травления через маскирующие наноразмерные области.
Разработаны технологические маршруты формирования активных автоэмиссионных сред на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз с массивами наноструктур на гетерогранице.
Сформированные массивы кремниевых наноразмерных конусов обладают следующими автоэмиссионными характеристиками:
Епор 5 В/мкм, Iмакс 100 мкА/мм2 (в пересчете на см2, ~ 10 мА/см2), характер автоэмиссии – стабильный.
Технологический маршрут и кремниевые наноструктуры были использованы при изготовлении твердотельного автоэмиссионного диода, не нуждающегося в вакуумировании, выполненного на основе гетероструктур nano Si / алмаз, имеющего низкий порог автоэмиссии (~ 0,5 В) и высокую плотность тока (~ 20 A/см2).
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А.
Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин, «Каталитическая стимуляция роста наноструктур из углеродосодержащих подложек» // Тезисы докладов «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 2009.09, с. 64-65.
2. E. Ilyichev, V. Inkin, D. Migunov, G. Petruhin, E. Poltoratskii, G.
Rychkov, D. Shkodin, CNS catalyst growth from carbonaceous substrate // International conference “Micro- and nanoelectronics 2009”, RAS RFBR, Moscow – Zvenigorod, October 5-9, 2009, O2 03.
3. Ye.Yu. Alekseeva, E.A. Ilyichev, V.N. Inkin, A.I. Kozlitin, D.M.
Migunov, G.N. Petruhin, E.A. Poltoratskii, G.S. Rychkov, D.V.
Shkodin, “Carbon nanostructures' catalytic growth from carbonaceous substrates in comparison with PECCVD method“ // Proc. SPIE, Vol. 7521, 75210Z (2009), 26 February 2010.
4. Е.Ю. Алексеева, Э.А. Ильичев, Л.Л. Купченко, Д.М. Мигунов, Р.М. Набиев, Г.Н. Петрухин, Д.В. Шкодин, «Особенности каталитического роста наноструктур из углеродосодержащих подложек» // Тезисы докладов «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем», Москва, 2009.10, с. 3.
5. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин, Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 4, стр. 48-53.
6. Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, «Особенности каталитического роста углеродных наноструктур из углеродосодержащих слоев» // Тезисы докладов «Микроэлектроника и информатика – 2010», Москва, 2010.04, с.16.
7. Э.А. Ильичев, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А.
Полторацкий, Г.С. Рычков, Р.М. Набиев, Л.Л. Купченко, «Технологии плазмо-каталитического роста углеродных наноструктур: особенности и применение в автоэмиссионных схемах» // Сборник научных трудов «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2010», под общей редакцией академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010, с.632-637.
8. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, Р.М. Набиев, Д.М. Мигунов, Г.Н.
Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин.
Способ формирования углеродных наноструктур. Заявка №2009143994/28 от 27.11.2009г. Решение о выдаче от 10.05.2011г.
9. Д.М. Мигунов, «Каталитический синтез углеродных наноструктур для автоэмиссионных применений» // Тезисы докладов «III окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов», Москва, Зеленоград, 2011, с.33.
10. Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Д.М. Мигунов, Р.М. Набиев, Г.Н.
Петрухин, Г.С. Рычков, Углеродные материалы в электронике:
состояния и проблемы // Известия высших учебных заведений «Электроника» 5/2011 (91), с.18-35.
11. E. Il’ichev, A. Kozlitin, D. Migunov, O. Sakharov, A. Trifonov, G.
Petruchin, Features of nanostructures formed in solid substrates // International conference “Micro- and nanoelectronics 2012”, RAS RFBR, Moscow – Zvenigorod, October 1-5, 2012, P1- Цитируемая литература 1. 1 М.Я. Щелев, О.Д. Далькаров, Н.Г. Полухина, С.И. Веденеев.
Современные проблемы физических наук // Успехи физических наук, июнь 2012: Т. 182.
2. Bryan p. Ribaya, Joseph Leung, Philip Brown. A study on the mechanical and electrical reliability of individual carbon nanotube field emission cathodes. // Nanotechnology - 2008 - v.19 - P.1-8.
3. J. Roberson. Growth of nanotubes for electronics // Materials today, 2007 - Vol. 10 - issues 1-2 - pp. 36-43.
4. de Jonge N., Bonard J.M. Carbon nanotube electron sources and application // Philos Transact A Math Phys Eng Sci. - 2004 Oct 15 362(1823):2239-66.
5. С.А. Пшеничнюк, Ю.М. Юмагузин. Энергетичеcкие распределения электронов, эмитированных с поверхности вольфрамовых острий, покрытых алмазоподобными пленками// Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.5, с 105-112.
6. Ильичев Э.А., Набиев Р.М., Петрухин Г.Н., Рычков Г.С., Кулешов А.Е., Мигунов Д.М. Углеродные материалы в электронике: состояние и проблемы // «Известия высших учебных заведений, Электроника», 2011, т.5(91), с.18-35.
7. А.В. Елецкий. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // Успехи физических наук. - апрель 2002 - 4 : Т. 172.
8. K. L. Klein, A. V. Melechko, P. D. Rack, J. D. Fowlkes, H. M.
Meyer, and M. L. Simpson, Carbon 43, 1857 (2005).
9. V. I. Merkulov, A. V. Melechko, M. A. Guillorn, D. H. Lowndes, and M. L. Simpson, Chemical Physics Letters 350, 381 (2001).
10. H. Cui, X. Yang, H. M. Meyer, L. R. Baylor, M. L. Simpson, W. L.
Gardner, D. H. Lowndes, L. An, and J. Lui, Journal of Materials Research 20, 850 (2005).
11. С.А. Гаврилов, Н.Н. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Н.В. Суетин. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны. // Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.1, с 108-114.
12. A.A.Istratov and E.R. Weber, Journal of the Electrochemical Society 149, G21 (2002).
13. R.R. Chromik, W.K.Neils, and E.J. Cotts, Journal of Applied Physics 86, 4273 (1999).
14. C.S. Lee, H. Gong, R. Liu, A.T.S. Wee, C.L. Cha, A. See, and L.
Chan, Journal of Applied Physics 90, 3822 (2001).
15. И.В. Грехов Г.А. Месяц. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов // Успехи физических наук, июль 2005: Т. 175.
Автореферат Мигунов Денис Михайлович тема: Разработка и исследование эмиссионной среды для твердотельного автоэмиссионного диода на основе гетероструктуры кремний / алмаз Подписано в печать: 2012 г.
Заказ № 82 Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,3 Формат 60х84 1/ Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ