АВТОЭМИССИОННЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ ДИОД

Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к автоэмиссионным диодам, которые могут быть использованы при создании источников света, автоэмиссионных дисплеев и устройств СВЧ электроники.
Известно устройство для эмиссии электронов, содержащее один или несколько пленочных эмиттеров с заостренными концами и анод, расположенные на изолированной подложке (патент US 4904895 опубликован 27.02.1990). Устройство может быть использовано для изготовления пленочных диодов, триодов и тетродов.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие пленочного эмиттера и анода (в аналоге противоэлектрод), расположенные на подложке.
-2
2
Недостатком этого устройства является невысокая плотность эмиссионного тока 10 А/см при приложенном напряжении 80 В из-за большой работы выхода электронов из катода, изготовленного с использованием тугоплавких металлов W, Zr, Ti.
Известно микроэлектронное устройство с использованием планарного композитного автоэмиссионного катода, состоящего из подложки, верхней и нижней проводящих пленок, между которыми расположена углеродная пленка, легированная примесью n-типа и анод (патент US 5703380 А, опубл. 30.12.1997). Устройство может быть использовано для изготовления пленочных диодов, триодов и автоэмиссионных дисплеев.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие пленочного углеродного эмиттера электронов и анода, расположенные на подложке.
Недостатком автоэмиссионного диода является сложность изготовления катода из-за необходимости дифференциального травления одной из проводящих пленок для вскрытия углеродной пленки, легирования углеродной пленки примесью n-типа, неоднородностью боковой эмиссии электронов вдоль торца эмиттера и невысокая плотность эмиссионного тока.
2
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионное устройство диодного типа с использованием углеродных нанотрубок и способ его изготовления (патент US 6605894 В2, опубл. 12.08.2003), содержащий непроводящую подложку, катодный электрод из горизонтально расположенных углеродных нанотрубок и анод, расположенные на непроводящей подложке. Устройство позволяет получать плотность тока 80 мА/см при напряженности поля 3 В/мкм.
8
Существенными признаками общими с заявляемой полезной моделью являются наличие эмиттера из углеродного материала, анода, а также подложки (в заявляемой полезной модели полуизолирующий карбид кремния с объемным сопротивлением более 10 Ом⋅см).
2
Недостатком автоэмиссионного устройства является сложность изготовления автоэмиссионного эмиттера с горизонтально расположенными нанотрубками, закрепленными на вертикальном катодном электроде, невысокая плотность эмиссионного тока (80 мА/см), большой разброс длины углеродных нанотрубок, приводящий к неоднородному распределению напряженности поля в межэлектродном промежутке, нестабильной эмиссии электронов и разрушению катода на участках его поверхности с наибольшей напряженностью поля.
2
Техническим результатом, на который направлена заявляемая полезная модель, является создание работающего при низком приложенном напряжении автоэмиссионного пленочного диода с плотностью эмиссионного тока более 80 мА/см, который может быть использован при создании источников света, автоэмиссионных дисплеев, устройств СВЧ электроники и ряде других приложений.
8
Технический результат достигается тем, что автоэмиссионный пленочный диод выполнен с эмиттером в форме острия и анодом из пленки, состоящей из 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния с объемным сопротивлением более 10 Ом⋅см, радиус закругления острия эмиттера составляет не более 30 нм, а длина - более 200 нм, межэлектродное расстояние эмиттер-анод менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углубление межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм.
8
Для достижения технического результата автоэмиссионный пленочный диод содержит подложку, эмиттер из углеродного материала и анод, выполнен с эмиттером в форме острия и анодом из пленки, состоящей из 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния с объемным сопротивлением более 10 Ом⋅см, радиус закругления острия эмиттера составляет не более 30 нм, а длина - более 200 нм, межэлектродное расстояние эмиттер-анод менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углубление межэлектродного промежутка в подложке более 100 нм.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами:
фиг. 1 - схематично иллюстрирует устройство автоэмиссионного пленочного диода, где 1 - эмиттер в форме острия; 2 - анод; 3 - подложка полу изолирующего карбида кремния; 4 - углубление межэлектродного промежутка в подложке; 5 - источник напряжения;
фиг. 2 - электронно-микроскопическое изображение автоэмиссионного пленочного диода, где 1 - эмиттер в форме острия; 2 - анод; 3 - подложка полуизолирующего карбида кремния;
фиг. 3 - экспериментальная вольт-амперная характеристика автоэмиссионного пленочного диода.
Работа устройства заключается в следующем. В автоэмиссионном пленочном диоде (фиг. 1) с эмиттером в форме острия (1), радиус закругления острия которого не более 30 нм, а длина более 200 нм, и анодом (2) толщиной 1-5 слоев графена, расположенными на углеродной грани подложки полуизолирующего карбида кремния (3), с межэлектродным промежутком менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях и углублением межэлектродного промежутка в подложке (4) более 100 нм при приложении разности потенциалов от источника напряжения (5) благодаря локализации электрического поля на острие эмиттера сквозь его потенциальный барьер эмитируют электроны путем туннелирования. Автоэмиссионный пленочный диод (фиг. 2) характеризуется высокой плотностью эмиссионного тока при приложенном напряжении 10 В (фиг. 3).
2
Как видно из результатов измерений технический результат полезной модели - автоэмиссионный диод с плотностью тока до 50 А/см. Это открывает новые конструктивные и технологические возможности при производстве автоэмиссионных устройств различного назначения.
8
Для решения поставленной задачи в устройстве предлагается выполнить эмиттер в форме острия и анод из пленки графена на подложке полуизолирующего карбида кремния. Величина напряженности электрического поля на острие зависит от его длины и радиуса закругления, толщины пленки графена и углубления межэлектродного промежутка в подложке. Поэтому радиус закругления острия выбирается минимально технологически достижимым не более 30 нм. Толщина пленки из 1-5 слоев графена обусловлена высоким коэффициентом усиления поля и максимальной плотностью тока при этих толщинах. Длина пленочного эмиттера выбирается более 200 нм, так как при меньшей длине существенно снижается напряженность поля на острие. Углубление межэлектродного промежутка в подложке выбирается более 100 нм, чтобы исключить влияние полуизолирующей подложки на протекание тока между катодом и анодом. При меньших значениях углубления снижается напряженность поля на острие эмиттера. Для повышения срока службы пленочного острийного эмиттера и стабильности эмиссионного тока пленочный автоэмиссионный диод выполнен с межэлектродным зазором менее длины свободного пробега электронов при нормальных условиях. Это снижает вероятность разрушения эмиттера ионной бомбардировкой. Изготовление межэлектродного промежутка в несколько десятков нанометров позволяют современные технологии с использованием ионно-плазменных, ионнохимических технологий и технологий фокусированных ионных пучков. Использование графеновой пленки в качестве эмиттера электронов позволяет снизить работу выхода электронов до 1 эВ и менее и получить высокую плотность эмиссионного тока при малых рабочих напряжениях до 10 В. В качестве эмиттера электронов выбрана пленка графена на углеродной грани карбида кремния . Выбор углеродной грани карбида кремния по сравнению с кремниевой обусловлена тем, что на этой грани путем термической деструкции получаются более качественные, содержащие меньшее количество дефектов с лучшими электрическими характеристиками графеновые пленки. Это позволяет осуществить на пленке графена выполнение технологических операций получения топологического рисунка методами стандартной технологии изготовления интегральных схем. Выбор карбида кремния в качестве подложки обусловлена его инертностью к агрессивным средам, высокой температуростойкостью и теплопроводностью, важнейшими параметрами при разработке мощных автоэмиссионных устройств. Сопротивление карбида кремния более 10 Ом⋅см обеспечивает хорошую изоляцию элементов эмиссионного устройства от ее влияния на характеристики устройства.
Технико-экономические преимущества предлагаемой полезной модели перед известными заключаются в следующем:
выборе в качестве подложки полуизолирующего карбида кремния, обладающего высокими теплофизическими и электрофизическими характеристиками, необходимыми для изготовления эмиссионных устройств, а также возможностью создания на его поверхности графеновых пленок различной толщины, обладающих хорошей адгезией к подложке;
выборе графена в качестве материала автоэмиссионного диода, который имеет низкую работу выхода электронов по сравнению с тугоплавкими металлами, и технологичен при получении и изготовлении автоэмиссионных устройств;
2
улучшении конструктивных решений топологии автоэмиссионного пленочного диода, которые позволили полезной модели иметь малые нанометровые размеры, повышающие степень интеграции, более стабильные параметры эмиссионного тока по сравнению с известными, что позволило повысить плотность эмиссионного тока до 50 А/см, расширить области возможного применения при разработке автоэмиссионных устройств различного применения.