Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Полное название вуза
Научно-информационный материал
Вакуумная микро- и наноэлектроника.
Автоэмиссионные приборы с наноуглеродными эмиттерами.
Полное название НИМ или НОМ
Москва 2009 г.
Автоэмиссионные приборы
с наноуглеродными эмиттерами.
Общей тенденцией развития вакуумной микроэлектроники, является разработка новейших
конструкций и технологий, направленных на миниатюризацию и изготовление низковольтных
автоэмиссионных приборов. Центральной проблемой в создании, как элементной базы вакуумной
микроэлектроники и систем отображения информации, так и других технологических применений
полевых источников электронов является проблема создания дешевого по стоимости, надежного и
долговечного автоэмиссионного катода. Главным содержанием проблемы является обеспечение
низкой работы выхода электронов и мощного теплоотвода от функционирующих эмиссионных
центров.
Перспективными материалами для формирования автоэмиссионных катодов, являются
углеродные материалы: углеродные нанотрубки, графен, поликристаллические алмазные слои,
наноалмазографитовые слои. Углеродные материалы для автоэмиттеров получают на основе физикохимических процессов самоорганизации углеродных наноструктур.
В 1991 г. открыта новая форма углерода, имеющая вид протяженной структуры в виде полого
цилиндра или свитка, получившая название «нанотрубка». Углеродные нанотрубки (УНТ) могут
состоять из одного или нескольких слоев атомов углерода, имеют диаметр от нескольких нанометров
до десятков нанометров и длину в несколько микрон. Установлено, что нанотрубки могут иметь
открытые или закрытые концы и обладать различными проводящими свойствами. Структура
углеродной нанотрубки показана на рис. 8.
Рис.8 Структура углеродной нанотрубки
Углеродные нанотрубки обладают уникальными электро-физическими свойствами и
рассматриваются многими исследователями как перспективный материал для создания элементной
базы наноэлектронных устройств. УНТ могут быть использованы в качестве эмиттеров
автоэмиссионных приборов, так как геометрическое строение и высокая проводимость УНТ
определяет их высокие автоэмиссионные свойства.
Автоэмиссионный эмиттер изготавливается в виде массива углеродных нанотрубок,
формируемых обычно на поверхности каталитического слоя (Co, Ni) методом пиролитического или
плазмо-химического осаждения из парогазовой смеси (например из паров этанола) при температуре
450-750 0С. Структура эмиттера на основе УНТ показана на Рис.9. Элементы с представленными
эмиттерами были изготовлены в ОАО “НИИМЭ и Микрон” совместно с Ярославским филиалом
Физико-технологического института Академии наук в 2009 г.
2
Рис.9 Структура эмиттера на основе УНТ
На основе УНТ получают автоэмиссионные диоды и триоды, структура которых показана на 10
а, 10б. Горизонтальные размеры таких элементов могут составлять от десятков нанометров до
нескольких микрон. Вертикальные размеры могут составлять от 0,5 до нескольких микрон.
Показанные автоэмиссионные приборы проявляют высокие автоэмиссионные свойства в нейтральной
газовой среде или в вакууме.
Рис.10а Структура диода с УНТ
Рис.10а Структура триода с УНТ
Примечание: КС-каталитический слой, АС –адгезионный слой.
Эмиссионные характеристики диодов с УНТ показаны на рис.11. Средняя плотность тока
достигает 180 мкА/см, порог эмиссии – от 1,5 до 5 В/мкм
3
Рис.11 Вольт-амперная характеристика диода с УНТ
Недостатком автоэмиссионных элементов на основе УНТ является их невысокая
работоспособность. Из-за больших тепловыделений в функционирующих эмиссионных центрах
(микровыступах) УНТ быстро разрушаются с образованием новых эмиссионных центров и т.д. вплоть
до их полного исчезновения или нарушения электронно-физических условий для поддержания
эффективной электронной эмиссии.
Более
устойчивым
материалом
для
автоэмиттеров
является
композиционная
наноалмазографитовая структура, представляющая собой графитовую матрицу с включениями
наноалмазных
кристаллитов.
Вершины
алмазных
кристаллитов,
распределенных
в
наноалмазографитовой матрице, которые, по сравнению с графитовыми микровыступами, имеют
значительно более высокие теплопроводность и электрическую прочность, обеспечат устойчивость и
стабильность автоэлектронной эмиссии. Поставка же электронов на поверхностные уровни
наноалмазных кристаллитов для автоэлектронной эмиссии может осуществляться из окружающей их
графитовой матрицы. Наилучший же общий отвод тепла от эмитирующих центров может быть
осуществлен, например, за счет применения тангенциальной (торцевой) конструкции автокатода, при
которой обеспечивается максимальная поверхность теплоотвода.
На рис. 12 приведены различные реализованные в работе схемы полевых катодных матриц для
литографии, эмиссионных дисплеев и активных диодных и триодных однотуннельных устройств
вакуумной микроэлектроники полученных на основе наноалмазографитовых материалов с нормальной
к поверхности и с тангенциальной автоэмиссией.
Ua
Uупр
Uk
Ua
Uk
Рис. 12. Различные схемы катодных матриц на основе наноалмазографитовых структур.
В ОАО “НИИМЭ и Микрон” совместно с Саратовским филиалом Института радиотехники и
электроники Академии наук в 2009 г. была разработана технология изготовления автоэмиссионных
диодов и триодов на основе наноалмазографитовых эмиттеров. В качестве эмиттеров в катодных
матрицах используется композиционная наноалмазографитовая пленка, которая осаждалается в плазме
4
СВЧ газового разряда паров этанола. Верхний и нижний изолирующие слои в катодных матрицах с
тангенциальным отбором изготавливались осаждением гидрогенизированного карбида кремния
различного стехиометрического состава. Для получения «свеса» торца углеродной пленки,
предназначенного для усиления электрического поля в зазоре между катодом и анодом, после
проведения фотолитографии с целью получения контролируемого по величине зазора между катодом и
анодом, полученная трехслойная структура подвергалась плазмохимическому травлению с
управляемой анизатропностью. Управление анизатропностью осуществляется изменением рабочего
давления в плазме СВЧ газового разряда CF4.
На рис.13 приведены конструкции диодных и триодных катодных матриц
с отбором
автоэмиссионных электронов нормально к плоскости наноалмазографитовых эмиттеров. В диодной
структуре расстояние между анодом и катодом составляло 2 мкм, эмиссионная площадь – 0,02 мм2.
При 24В (12 В/мкм) анодный ток составлял 80 мкА, порог эмиссии – 5 В (2,5 В на 1 мкм).
Максимальная плотность, тока полученная в такой структуре составляла 0,4 А/см2.
В трехэлектродной структуре расстояние между анодом и катодом составляло 2 мкм, эмиссионная
площадь – 0,02 мм2. При 7В (3,5 В/мкм) получен ток 350 мкА. Порог эмиссии составил 5 В (2,5 В на 1
мкм). Максимальная плотность тока полученная в такой структуре составила – 1,75 А/см2. При подаче
отрицательного потенциала на управляющий электрод (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 В) наблюдалось
уменьшение анодного тока, а ветви анодной характеристики сдвигались вправо.
а)
б)
в)
Рис. 13. Конструкции катодных матриц с автоэмиссионными электронами из
наноалмазографитовых эмиттеров а) диода, б) триода, в) вид сверху трехэлектродной структуры. Х1 = Х2 = 2 мкм, Х3 = 6 мкм
На рис. 14 приведены типичные зависимости тока эмиссии от напряженности электрического поля
в диодной структуре на основе графитоподобных (3), и наноалмазографитовых пленок (1, 2).
Зависимости 2 и 3 получены при отборе эмиссионного тока нормально поверхности, а зависимость
вида 1 получена в структуре с тангенциальной эмиссией из наноалмазографитовой пленки. Можно
видеть, что графитоподобные пленки имеют существенно больший порог автоэмиссии, чем
наноалмазографитовые, причем торцевая эмиссия дает дополнительное усиление электрического поля в
зазоре катод – анод, в результате чего заданный эмиссионный ток может быть получен при значительно
меньших рабочих напряжениях
5
4
1
3,5
2
3
3
I, mkA
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
E, V/mkm
Рис.14. ВАХ эмиссионных токов для тангенциального (1) и планарных
(2,3) наноалмазографитового (2) и графитоподобного (3) эмиттеров.
Автоэмиссионные элементы с наноуглеродными эмиттерами могут эффективно использоваться
для создания спецстойких микросхем на основе наноуглеродных диодов и триодов, для производства
автоэмиссионных катодных матриц для электронно-лучевых трубок различного назначения, для
создания энергосберегающих осветительных приборов, в качестве элементов полевых эмиссионных
дисплеев, в СВЧ-технике и в других приборах.
6