Вакуумная наноэлектроника на основе полупроводниковых автоэмиссионных структур: текущее состояние и перспективы развития. Обзор

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS

Обзорная статья УДК 621.389

doi:10.24151/1561-5405-2023-28-5-569-599 EDN: ZUKRLA

Вакуумная наноэлектроника на основе полупроводниковых автоэмиссионных структур: текущее состояние и перспективы развития. Обзор

Н. А. Дюжев, И. Д. Евсиков

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

evsikov.ilija@yandex.ru

Аннотация. Развитие полупроводниковой интегральной технологии и переход к нанометровому разрешению литографического процесса обусловили разработку полупроводниковых автоэмиссионных структур. Однако широкого внедрения в производство и коммерциализации комплекс технологий изготовления автоэмиссионных устройств в настоящее время не получил из-за их малого срока эксплуатации и недостаточной стабильности работы. В работе проведен сравнительный анализ полученных на сегодняшний день значимых результатов по разработке полупроводниковых автоэмиссионных структур с наноразмерным каналом проводимости с целью оценки текущего состояния и перспектив дальнейшего развития вакуумной наноэлектроники. Проанализированы технологические и эксплуатационные проблемы разработки автоэмиссионных триодных нано-размерных структур с применением различных полупроводниковых материалов. Показаны достигнутые успехи в области интеграции нано-размерных автоэмиссионных структур со стандартными КМОП-тран-зисторами. Рассмотрены возможные сферы применения структур вакуумной наноэлектроники. Описаны актуальные задачи данной научной отрасли, а также проблемы, возникающие в процессе внедрения элементной базы вакуумной наноэлектроники в цикл разработки и коммерциализации технологии вакуумных ИС.

Ключевые слова: автоэлектронная эмиссия, КМОП-технология, полупроводниковые автоэмиссионные наноструктуры, кремний, карбид кремния

Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-12-50312\20).

© Н. А. Дюжев, И. Д. Евсиков, 2023

Для цитирования: Дюжев Н. А., Евсиков И. Д. Вакуумная наноэлектроника на основе полупроводниковых автоэмиссионных структур: текущее состояние и перспективы развития. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 5. С. 569-599. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-5-569-599. - EDN: ZUKRLA.

Review article

Vacuum nanoelectronics based on semiconductor field emission structures: current state and development prospects. Review

N. A. Djuzhev, I. D. Evsikov

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia evsikov.ilija@yandex.ru

Abstract. The advances in semiconductor integrated technology and transition to nanometer resolution in lithography process have given rise to semiconductor field emission structures development. However, nowadays the suite of field emission devices technology has got neither large-scale manufacturing application nor commercialization due to their short useful life and insufficient operational stability. In this work, a comparative analysis of the significant results obtained to date in the development of semiconductor field emission devices with a nanoscale conduction channel is carried out to evaluate the current state and prospects for further development of vacuum nanoelectronics. The technological and operational problems of developing field emission triode structures using various semiconductor materials have been analyzed. The progress achieved in the field of integration of nanoscale field emission devices with standard CMOS transistors is shown. Possible areas of application of vacuum nanoelectronic devices are considered. The urgent tasks of this scientific industry, as well as the problems that arise in the process of introducing the element base of vacuum nanoelectronics into the development and commercialization cycle of vacuum IC technology are described.

Keywords: field-electron emission, CMOS technology, semiconductor field emission nanostructures, silicon, silicon carbide

Funding: the work has been supported by the Russian Foundation for Basic Research (project no. 20-12-50312\20).

For citation: Djuzhev N. A., Evsikov I. D. Vacuum nanoelectronics based on semiconductor field emission structures: current state and development prospects. Review. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 5, pp. 569-599. https://doi.org/ 10.24151/15615405-2023-28-5-569-599. - EDN: ZUKRLA.

Введение. Вакуумная микроэлектроника начинает развиваться в 1960-х гг. В то время в научных изданиях появляются работы, посвященные разработке технологии изготовления микроразмерных автоэмиссионных триодов, которые могли составить конкуренцию используемым термоэлектронным триодам в усилительной и приемопередающей электронике. Внедрение технологии автоэмиссионных микроразмерных триодов было затруднено по двум основным причинам: недостаточный общий уровень

развития микроэлектроники на тот период и проблемы, связанные с эксплуатационными характеристиками разрабатываемых триодов. Развитие полупроводниковой интегральной технологии и переход к нанометровому разрешению литографического процесса обусловили необходимость разработки автоэмиссионных структур.

Публикации начала 2010-х гг. группы американских исследователей из Центра на-нотехнологий НАСА демонстрируют продолжающийся интерес к разработке вакуумных автоэмиссионных структур с наноразмерным каналом проводимости, создаваемых на базе полупроводниковой интегральной технологии. Однако, несмотря на достигнутый прогресс в области создания микро- и наноразмерных автоэмиссионных структур, широкого внедрения в производство и коммерциализации комплекс технологий автоэмиссионных устройств в настоящее время не получил ввиду малого срока эксплуатации и недостаточной стабильности их работы.

В настоящей работе дается обзор литературных источников, посвященных исследованию автоэмиссионных структур вакуумной наноэлектроники, созданных с применением различных полупроводниковых материалов, рассматриваются основные эксплуатационные проблемы разработки автоэмиссионных структур, приводятся варианты их решения.

Физические принципы вакуумной наноэлектроники. В основе принципа работы автоэмиссионной электроники лежит явление автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронная, или холодная либо полевая, эмиссия проявляется при создании на поверхности жидкого или твердого тела внешнего электрического поля высокой напряженности 1 „ (более 10 В/см). Электрическое поле при этом снижает потенциальный барьер на границе тело - вакуум и сужает его настолько, что электроны в теле эмиттера приобретают способность без потери энергии проходить через этот барьер.

Рис. 1. Диаграмма потенциальной энергии для электронов у поверхности металла в случае приложенного внешнего электрического поля напряженностью Е (а) и моделирование распределения тока автоэлектронной эмиссии на вершине острийного эмиттера (б): ф - работа выхода металла в отсутствие приложенного электрического поля; e - заряд электрона; светлый участок на вершине острия - область

наибольшей плотности тока автоэмиссии Fig. 1. Potential energy diagram for electrons near the surface of a metal in the case of an applied external electric field of strength E (a) and simulation of field emission current distribution at the top of a needle-type emitter (b): ф - metal output work in the absence of an applied electric field; e - the electron charge; the light area at the top of the tip is the area of the highest auto emission density

В настоящее время наиболее разработанная и полная модель автоэлектронной эмиссии металлов построена для так называемого барьера сил электрического изображения. На рис. 1, а приведена потенциальная диаграмма, поясняющая данную модель автоэлектронной эмиссии. Суммарный потенциал равен сумме потенциала сил изображения и потенциала внешнего приложенного поля.

Впервые теория автоэлектронной эмиссии из металлов была сформулирована Фау-лером и Нордгеймом на основе полуклассического подхода для одномерной модели, применимой к плоскому катоду [1, 2]. Теория Фаулера - Нордгейма дает корректное качественное и в ряде случаев количественное объяснение высокой чувствительности плотности автоэмиссионного тока относительно напряженности электрического поля, приложенного к поверхности тела.

Современная форма записи выражения, которым определяется зависимость плотности тока (А/см ) автоэлектронной эмиссии от напряженности поля, имеет следующий

вид:

. е3 E2

J =--;-ехР

8nht (у)ф

f С /о... 3/2 ^

'Ф7" Э

s^ V2m

3 eh

или в приведенной форме:

72 f 3/2 Л

E2

J = 1,54.10-°^_exp t (У)ф

_6,S3-107^S

V ^ J

где e - элементарный заряд; h - постоянная Планка; E - локальная напряженность приложенного электрического поля, В/см; me - масса электрона; $

V ф V 3 Л ёУ

значения функций $(у) и табулированы [3].

Коэффициенты в выражении (1) 1,54-Ш-6 и 6,83-Ш7 в научной литературе иногда называются первой и второй константами Фаулера - Нордгейма и в краткой форме записи уравнения (1) обозначаются как A и B соответственно. В качестве поясняющей иллюстрации на рис. 1, б приведено изображение результатов моделирования распределения тока автоэлектронной эмиссии на поверхности конического острия с полусферической вершиной, полученное в среде мультифизического моделирования COMSOL Multiphysics.

Разработанная Фаулером и Нордгеймом теория вполне корректно описывала экспоненциальную зависимость плотности автоэлектронного тока от напряженности электрического поля, что подтверждалось ранними экспериментальными исследованиями. Начиная с 1950-х гг. в научной литературе появляются экспериментальные работы, описывающие различные явления и факторы, которые не укладываются в классическую теорию автоэмиссии Фаулера - Нордгейма: влияние эффектов пространственного заряда, джоулева разогрева и эффекта Ноттингама, «неклассический» характер автоэлектронной эмиссии с полупроводников, отклонения от теоретических расчетов при автоэмиссии с острий атомарного масштаба или в области сильных полей и высоких плотностей тока [4].

Среди современных исследователей автоэлектронной эмиссии определенного успеха при решении задач теоретического характера в общем случае и в случае металлов

добились Р. Форбс (уточненная теория автоэлектронной эмиссии металлов [5, 6]), К. Дженсен (объединенная теория термо- и автоэлектронной эмиссии [7, 8]), Б. Лепетит (квантово-механический подход к расчету тока автоэлектронной эмиссии [9, 10]), А. Киритсакис (исследование влияния различных факторов на автоэлектронную эмиссию [11, 12]).

Разработка физико-математических моделей автоэлектронной эмиссии полупроводников представляется более трудоемкой задачей по сравнению с моделями металлической автоэмиссии. Полупроводники характеризуются более низкой концентрацией носителей заряда в объеме эмиттера, что способствует проникновению электрического поля в полупроводник и изгибу энергетических зон. Данная особенность также может вызывать термо- и фоточувствительность, а также характерный эффект появления участка насыщения вольт-амперных зависимостей полупроводникового автоэмиттера. Затрудняют задачу сложности экспериментального наблюдения и интерпретирования эффектов, сопутствующих полупроводниковой эмиссии, связанные с их плохой воспроизводимостью. Cуществующие теоретические модели автоэлектронной эмиссии полупроводников описывают узкий круг физических эффектов и не могут полностью объяснить наблюдаемые в эксперименте ВАХ [13, 14].

Таким образом, полная и законченная теория автоэлектронной эмиссии из металлов и полупроводников не разработана. Задача создания непротиворечивой теоретической модели автоэлектронной эмиссии важна как из теоретических, так и из практических соображений, поскольку при разработке новых автоэмиссионных устройств возникает необходимость расчета рабочих характеристик создаваемого прибора при различных входных параметрах модели (геометрия электродов, тип материала эмиттера и т. п.). До тех пор пока такая теоретическая модель автоэлектронной эмиссии не будет создана, расчеты характеристик автоэмиссионных устройств будут носить оценочный характер, не претендующий на высокую точность получаемых результатов.

Эксплуатационные проблемы вакуумной наноэлектроники. Началом исследований в области вакуумной микроэлектроники можно считать доклад Д. Бака и К. Шо-улдерса, представленный на американской конференции, посвященной исследованиям и разработкам в вычислительной электронике [15]. Доклад содержал планы по созданию электронных приборов c линейными размерами порядка 0,1 мкм c использованием методов интегральной технологии, в том числе и приборов на основе автоэлектронной эмиссии. В 1961 г. опубликована знаковая для всей вакуумной микро- и наноэлектро-ники работа Шоулдерса, посвященная перспективам создания микроразмерных устройств с применением электронно-лучевой технологии [16]. В работе сформулированы технологические и конструкционные подходы к формированию автоэмиссионных микроструктур. Шоулдерс предложил два типа конструкций автоэмиссионных приборов: планарную конструкцию, в которой все электроды устройства формируются в одном функциональном слое и представляют собой заостренные лезвия, и острийную конструкцию с формированием массива триодов с заостренными стержнями или конусами в нескольких функциональных слоях. Предполагалось использовать такие автоэмиссионные микроприборы в качестве активных компонентов в системах обработки сигналов, а также при создании инфракрасных сенсоров и электролюминесцентных источников света.

В 1966 г. на конференции IEEE Conference on Tube Technique [17] Ч. Спиндт и К. Шоулдерс представили первые практические результаты в области разработок автоэмиссионных микроустройств. В 1968 г. Спиндт публикует статью, посвященную технологии создания автоэмиссионных тонкопленочных катодов на основе молибдена [18], а через восемь лет выходит в свет работа, результатом которой стал детальный

анализ рабочих характеристик автоэмиссионных катодов, изготовленных по разработанной ранее технологии [19]. Интерес к разработкам Спиндта проявили Министерство обороны США и НАСА. Связано это с тем, что вакуумные приборы, исходя из физических принципов их работы, должны обладать высокой устойчивостью к радиационным эффектам накопленной дозы и перепадам температур в широких диапазонах, а также функционировать в сверхвысокочастотном диапазоне, что крайне необходимо при создании элементной базы космического применения.

Катоды Спиндта создавали методом электронно-лучевого осаждения молибдена на сапфировую или сильнолегированную кремниевую подложку. Вращение подложки вокруг своей оси и осаждение материалов под острым углом позволили получить массивы периодично расположенных структур, состоящих из острийного конусообразного катода и фокусирующего сеточного электрода, окружающего катод (рис. 2, а).

MOLYBDENUM GATE FILM

б

Рис. 2. Схематичное изображение конструкции молибденового триода Спиндта в разрезе (а),

одиночный молибденовый триод Спиндта (б) и массив триодов Спиндта (в) [19] Fig. 2. Schematic representation of the construction of the Spindt molybdenum triode in section (a), Spindt single molybdenum triode (b) and Spindt triode array (c) [19]

Создано несколько типов экспериментальных образцов с различным числом триодных структур: 1, 100 и 5000. Плотность упаковки молибденовых микротриодов в массиве

5 —2

составляла 6,4-10 см . Диаметр сеточного отверстия полученных структур варьировался в пределах 1—3 мкм, высота молибденовых катодов составляла примерно 1,5 мкм, радиус закругления их вершин около 50 нм (рис. 2, б, в). Анод-коллектор триодов располагался над исследуемым образцом на расстоянии порядка нескольких сотен микрон. Средняя плотность тока по массиву оказалась равна приблизительно 10 А/см2. Результаты исследовательских испытаний триодов и собственные теоретические оценки авторов позволили сделать вывод о том, что разработанные массивы со 100 триодами Спиндта могут стабильно работать на протяжении нескольких тысяч часов в условиях сверхвысокого вакуума (от 10—9 торр и менее).

Для снятия ВАХ и зависимостей эмиссионного тока от времени к сеткам триодов подавали выпрямленное напряжение (положительные синусоидальные полуволны) с частотой 60 Гц, что позволило замедлить процесс распыления анода. Авторы работы [19] указывают на возникновение периодических взрывов катодов, которые почти всегда сопровождались полным выходом отдельного триода в массиве из строя. Предположительно, взрывные процессы происходили из-за возникновения газового разряда между катодом и сеточным электродом, который проявлялся в результате распыления функциональных слоев триода. Для устранения взрывов перед непосредственным проведением измерений вакуумную камеру подвергали дегазации с применением отжига при температуре 350—450 °С.

Эксплуатационные проблемы автоэмиссионных устройств возникают из-за фундаментального свойства всех вакуумных и газонаполненных эмиссионных приборов — транспорт электронов в межэлектродном пространстве осуществляется вне объема твердого тела с открытой поверхности катода. Данное свойство приводит к возникновению эффектов ионизации и плазмообразования, термических и механических эффектов, эффектов молекулярной сорбции и миграции.

Ионная бомбардировка представляет серьезную проблему обеспечения стабильности автоэмиссионного тока. Ионы в межэлектродном пространстве прибора могут образовываться в результате ионизации как молекул остаточных газов, так и молекул материалов функциональных слоев автоэмиссионного прибора при их распылении под действием бомбардировки. Следствием этих процессов может стать снижение уровня вакуума автоэмиссионного прибора, приводящее к возникновению электрического пробоя в межэлектродном пространстве и выходу прибора из строя. Проблема ионизации может быть решена напрямую созданием среды со сверхвысоким вакуумом в корпусе автоэмиссионного устройства. Применение ионных ловушек, т. е. дополнительных электродов под ненулевым потенциалом, которые будут перетягивать образующиеся положительные ионы на себя, может решить проблему ионной бомбардировки, однако конструкция устройства в этом случае усложнится [20]. Модификация формы катода для управления траекторией эмитированных электронов также является одним из возможных конструкционных подходов для снижения негативного влияния ионной бомбардировки [21]. Перспективное направление устранения ионизационных процессов — снижение межэлектродных расстояний до длины свободного пробега электрона в межэлектродной среде, что может значительно ослабить интенсивность ионной бомбардировки или полностью исключить ее. Для воздушной среды нормального атмосферного давления длина пробега будет составлять 67 нм [22]. Получение таких же или меньших межэлектродных расстояний в автоэмиссионных устройствах достижимо с учетом современного уровня технологии [23].

Известно, что процессу автоэлектронной эмиссии, как и любому другому процессу, связанному с протеканием тока в объеме твердого тела, будет сопутствовать явление джоулева разогрева. Протекание токов большой плотности в автоэмиссионных структурах может приводить к их расплавлению, выгоранию или разрушению посредством взрыва. Теоретические и экспериментальные работы, однако, показывают, что разрушения термического характера происходят вследствие дополнительного разогрева автоэлектронных эмиттеров квантово-механическим эффектом Ноттингама [24]. Сущность данного эффекта состоит в том, что в процессе эмиссии средняя энергия эмитированных электронов может отличаться от электронов, замещающих их. Это и обусловливает теплопоглощение или тепловыделение. В совокупности эффекты Джоуля и Ноттингама приводят к более интенсивному перегреву вершины эмиттера в отличие от действия данных эффектов по отдельности. При достижении температуры инверсии, при которой энергия эмитированных электронов становится равной энергии приходящих электронов проводимости, нагрев эмиттера прекращается. При большем нагреве энергия ушедших электронов начинает превышать энергию электронов проводимости, при этом, соответственно, эмиттер начинает охлаждаться, а максимум температуры смещается от вершины в глубь тела эмиттера.

Существует также проблема, связанная с взрывным характером разрушений катодов. Исследования демонстрируют, что предел плотности автоэмиссионного тока для

эмиттеров острийного типа, изготовленных из тугоплавких металлов, составляет по-

7 2 9 2

рядка 10 А/см при постоянном напряжении и может достигать 10 А/см в случае на-носекундного импульсного режима [14]. При достижении указанного предела плотности тока происходит взрывное разрушение катода, сопровождаемое пробоем вакуумного промежутка в межэлектродном пространстве. Взрывной характер разрушения эмиттеров в основном обусловлен наличием микровыступов на поверхности катодов, которые разрываются при быстром нагреве вследствие протекания автоэмиссионного тока высокой плотности [25].

Для решения проблем термического разрушения автоэмиссионных структур применяются тугоплавкие материалы, в первую очередь тугоплавкие металлы или карбиды металлов. Изготовление эмиттеров из материалов с большим коэффициентом теплопроводности (карбид кремния, алмаз) также является эффективным способом ослабления влияния тепловых эффектов. Менее очевидные способы борьбы с перегревом эмиттеров — это применение новых конструкционных подходов к снижению тепловыделения автоэмиссионных структур [26] и контроль протекаемого тока автоэлектронной эмиссии [27].

Протеканию автоэлектронной эмиссии в случае неидеально чистой поверхности эмиттера и неидеального вакуума будут сопутствовать адсорбция, десорбция и поверхностная миграция молекул остаточных газов. Данные процессы приводят к тому, что эффективная работа выхода электронов с поверхности автоэлектронного эмиттера не является постоянной. В ходе эмиссии токовые характеристики эмиттера могут изменяться в довольно широком диапазоне: изменение работы выхода на ~0,3 эВ приводит к изменению плотности тока автоэлектронной эмиссии в три раза [28, 29]. Влияние сорбционных и миграционных процессов может быть ослаблено предварительной очисткой поверхности эмиттера от слоя адсорбированных молекул и дальнейшим поддержанием чистоты эмиттера во время эксплуатации прибора методом подкалки. Однако использование нагрева в автоэмиссионном приборе лишает его важного преимущества — сниженной потребляемой мощности по сравнению с классическими термоэмиссионными устройствами — и требует усложнения конструкции прибора.

В условиях высокой напряженности поля и, соответственно, протекания автоэмиссионного тока высокой плотности может наблюдаться эффект перестройки поверхности вершины эмиттера. В результате саморазогрева протекающим током на поверхности запускается процесс миграции атомов, вследствие чего на вершине эмиттера возникают микровыступы и острые ребра стыков кристаллографических плоскостей [30]. В свою очередь, появление таких заострений на вершине эмиттера приводит к локальному усилению электрического поля, что может инициировать вакуумный пробой и разрушение эмиттера. Использование материалов с высоким коэффициентом теплопроводности и работа эмиттера в полях с некритической напряженностью позволят избежать возникновения эффекта поверхностной перестройки вершины.

Улучшение эксплуатационных характеристик автоэмиссионных устройств может быть достигнуто за счет подбора подходящего материала для изготовления эмиттера. Молибден выбран в качестве основного материала для автоэмиссионных триодов Спиндта, во-первых, по причине достаточно высокой технологической воспроизводимости, а во-вторых, ввиду высокой тугоплавкости и механической прочности. Однако молибден имеет небольшое значение работы выхода, равное 4,3 эВ, и молибденовые катоды нельзя нагревать до температуры 700 °С (такая температура необходима для полного удаления адсорбированных молекул остаточных газов с их поверхности по причине возникновения деформаций, вызываемых тепловыми напряжениями слоев в изготовленных триодных структурах).

С учетом технологии создания острийных триодов Спиндта исследователи предпринимали попытки поиска оптимальных металлов для создания автоэмиссионных приборов [31—33]. Рассматривались различные варианты автоэмиссионных структур на основе тугоплавких металлов для устранения негативных эффектов тепловой природы. Расширенный перечень тугоплавких металлов включает в себя ниобий, молибден, тантал, вольфрам, рений, титан, ванадий, хром, цирконий, рутений, родий, гафний, осмий и иридий. Эти металлы имеют высокую температуру плавления (от 1670 до 3422 °С у титана и вольфрама соответственно), обладают стойкостью к механическим воздействиям и относительной химической инертностью. В работах последних лет триоды пла-нарного типа создавали на основе тантала [34, 35], вольфрама [36, 37], золота [36, 38, 39], платины [36], алюминия [40]. Отметим, что применение металлов в качестве материала для автоэмиссионных структур исключает использование операции окисления, которая в случае полупроводников позволяет заострять эмитирующие иглы и кромки для получения сверхострых нанометровых скруглений вершин. Металлы также менее технологичны по сравнению с полупроводниками при рассмотрении процессов плаз-мохимического травления электродных слоев.

В настоящее время активно развиваются направления по созданию устройств на основе углеродных модификаций: углеродных нанотрубок, графена, наноалмазных пленок и т. п. Исследованиям автоэмиссионных свойств и разработкам таких устройств посвящено много работ [41—45]. Углеродные нанотрубки — перспективный материал для автоэмиссионных приборов: аномально высокий коэффициент усиления поля структур из углеродных нанотрубок, связанный с высоким аспектным отношением, позволяет получать автоэлектронную эмиссию при крайне низких электрических полях [44]. Углеродные нанотрубки имеют различные электронные свойства в зависимости от их хиральности (несимметричности сетки атомов) и атомарной структуры (нанотрубки могут быть одностенными или многостенными, открытыми или закрытыми). Еще одним важным для автоэмиссионной электроники свойством нанотрубок является малый разброс значений работы выхода по поверхности катода. Данный параметр составляет

несколько процентов от исходного значения при идеальном случае в диапазоне изменения давления от сверхвысокого вакуума до нормального атмосферного в отличие от металлических эмиттеров, работа выхода которых может изменяться на несколько десятков процентов [13]. Эмиттеры на основе синтезированных углеродных нанотрубок могут быть сформированы в различных конфигурациях: отдельные пучки нанотрубок с низкой плотностью по подложке, массивы пучков высокой плотности, пучки из хаотически ориентированных нанотрубок. В случае хаотически ориентированных массивов нанотрубок высокой плотности может возникать эффект электрической экранировки, при котором близко расположенные к рабочим электродам нанотрубки электростатически «затеняют» собой дальние и короткие. Неравномерное распределение токовой нагрузки по площади катода с плотным расположением нанотрубок может приводить к взрывным разрушениям отдельных сегментов структуры. При этом плазма из поврежденных волокон может способствовать закоротке активных эмиссионных центров катода и быстрому выхода его из строя [46]. В случае массивов пучков низкой плотности проблема неравномерности тока эмиссии отдельных пучков также будет проявляться. Поэтому необходимо, чтобы технология создания предусматривала высокую воспроизводимость волокон в составе пучка.

Исследуются возможности использования графена в качестве материала для автоэмиссионных приборов. Графен характеризуется высокой подвижностью электронов, которая на порядок превышает электронную подвижность кремния при температуре 300 К [47]. Среди преимуществ пленочного эмиттера на основе графена можно выделить: устойчивость к влиянию эффектов ионной бомбардировки и высокий коэффициент усиления поля, связанный с очень малым «радиусом скругления» кромки эмиттера с минимальной толщиной в один монослой графена [48]. Экспериментальные результаты исследования графеновых эмиттеров демонстрировали высокий коэффициент усиления поля и соответственно низкие пороговые напряжения [49, 50].

Предпринимались попытки снижения рабочих напряжений и повышения эмиссионной стабильности и долговечности автоэмиссионных структур с помощью различных покрытий эмиттера. Основные характеристики материалов-кандидатов в данном случае следующие: низкая работа выхода, высокая температура плавления, химическая инертность. В качестве материалов покрытий подходящими могут стать карбиды или бориды металлов, например карбид гафния [51], гексаборид лантана [52] или углеродные модификации типа графена [50] или алмаза [53]. В случае применения покрытий возникают такие проблемы, как степень адгезии материала покрытия, конформность наносимого слоя и нежелательное увеличение радиуса скругления вершины автоэлектронного эмиттера.

Изготовление автоэмиссионных структур, имеющих, с одной стороны, компактные размеры, а с другой - низкие рабочие напряжения, требует уменьшения межэлектродных расстояний до суб-100-нм диапазона. Для серийного производства автоэмиссионных устройств в этом случае может возникнуть проблема степени воспроизводимости массивов автоэмиссионных структур. Значительный разброс геометрических параметров, влияющий на получаемый автоэмиссионный ток, становится причиной выхода из строя отдельных элементов массива вследствие превышения критического значения плотности тока автоэмиссии. С точки зрения технологичности и воспроизводимости автоэмиссионных структур перспективно использование полупроводниковых материалов.

Вакуумная наноэлектроника на основе полупроводниковых структур. Важной задачей автоэмиссионной электроники является оптимизация эмиссионных и эксплуатационных параметров приборов. В качестве рабочих материалов для автоэмиссионных

структур рассматриваются металлы, углеродные модификации, полупроводники. Последние характеризуются важными для автоэмиссионной электроники особенностями:

— для полупроводниковых материалов разработана групповая технология формирования структур с высокой степенью воспроизводимости. Самой развитой в этом отношении до сих пор остается кремниевая КМОП-технология;

— КМОП-технология дает возможность комбинирования автоэмиссионных триодов и твердотельных полевых транзисторов на одной подложке, изготавливаемых в едином технологическом процессе;

— характеристиками автоэмиссионного процесса можно управлять с помощью изменения концентрации носителей заряда в объеме полупроводникового эмиттера (эффекты проникновения электрического поля, поверхностных состояний и т. п.).

На процесс автоэлектронной эмиссии оказывает существенное влияние следующая особенность полупроводниковых материалов. Известно, что число свободных электронов как в собственных, так и в легированных полупроводниках, которые применяются в микроэлектронике, на несколько порядков ниже, чем в металлах. Современный технологический маршрут создания КМОП-транзисторов включает в себя этап ионного легирования кремния для формирования активных областей транзистора, в которых

18 20 —3

концентрация примесей может составлять 10—10 см [54]. Внешнее электрическое поле проникает в объем легированного полупроводника на глубину, обратно пропорциональную концентрации примеси в его приповерхностном слое [55]. Проникновение электрического поля приводит к изгибу энергетических зон полупроводника, что в случае автоэлектронных эмиттеров влияет на снижение пороговой напряженности поля для возникновения устойчивой автоэлектронной эмиссии. В случае кремниевых эмиттеров острийного типа со средней степенью легирования (1017—1018 см3) глубина проникновения электрического поля будет соизмерима с радиусом скругления вершины острия эмиттера (порядка нескольких нанометров).

Работы по созданию автоэмиссионных структур на основе кремния известны с середины 1970-х гг. [56]. Отечественные разработки автоэмиссионных микроприборов на основе кремниевых лезвийных и острийных триодных структур велись в 1980-х гг. в НИИФП им. Ф. В. Лукина и в настоящее время проводятся в МИЭТ [57]. Триодные структуры планировалось использовать в качестве источника электронов в матричных автоэмиссионных дисплеях и микрофокусных источниках рентгеновского излучения [58, 59]. На рис. 3, а, б представлены РЭМ-фотографии лезвийных и острийных автоэмиссионных катодно-сеточных узлов, изготовленных на основе кремния. Структуры получены в Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» МИЭТ.

Интерес к кремнию с точки зрения автоэмиссионной электроники объясняется несколькими причинами. Среди всех полупроводниковых материалов самым используемым в интегральной электронике остается кремний, так как кремниевая технология на сегодняшний день наиболее развита. Технологические процессы ионной имплантации и диффузионной загонки донорных или акцепторных примесей в объем кремниевых подложек не требуют больших энергий примесных ионов и дают возможность управления автоэлектронной эмиссией посредством генерации и инжекции носителей заряда в приповерхностную область эмиттера. Термическое окисление кремния в кислородной среде с добавлением паров воды позволяет получать эмиттеры лезвийного или острий-ного типа с чрезвычайно малыми радиусами скругления вершин (порядка единиц нанометров), что способствует снижению рабочих напряжений устройства за счет увеличения коэффициента усиления поля и эффекта проникновения поля в полупроводник [59].

Рис. 3. РЭМ-изображения кремниевого катодно-сеточного узла автоэмиссионного триода лезвийного типа (а) и кремниевого катодно-сеточного узла автоэмиссионного триода

острийного типа

Fig. 3. SEM images of a silicon cathode-grid assembly of a blade-type field emission triode

Кремний имеет важное для автоэмиссионных структур в условиях отсутствия сверхвысокого вакуума свойство: образующийся на поверхности кремния слой собственного окисла SiO2 толщиной приблизительно 2 нм [60] обеспечивает стабильность эмиссионных свойств катода в химически активной среде [57, 61]. Как показано в работе [62], собственный слой оксида кремния толщиной 3 нм позволил снизить рабочее напряжение пирамидальных вертикальных катодов до 10 В за счет уменьшения высоты барьера на границе полупроводник - диэлектрик. Следует отметить возможность совместного изготовления кремниевых автоэмиссионных и традиционных твердотельных приборов в едином технологическом процессе, что не является уникальной для кремния особенностью, а относится и к другим полупроводникам, например к карбиду кремния. Такие технологические возможности открывают перспективы создания гибридных полупроводниковых ИС, сочетающих в себе преимущества классических полевых транзисторов и автоэмиссионных приборов.

Активные разработки планарных автоэмиссионных структур на основе монокристаллического и поликристаллического кремния проводятся с конца 1990-х гг. [63, 64]. Несмотря на то что на тот момент максимальный уровень технологии составлял 150-180 нм, в 2000 г. удалось создать автоэмиссионный планарный диод на основе кремния с минимальным межэлектродным зазором 40 нм с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Изготовленный диод позволил получить ток эмиссии 1,4 мкА при напряжении 40 В на аноде. Результаты исследований изготовленных триодов демонстрируют, что максимальный ток эмиссии 0,3 5 мкА может быть получен при напряжениях 35 и 10 В на аноде и сетке соответственно. Крутизна передаточной характеристики триода оказалась равной 7,9 нСм, что, как указывают авторы, недостаточно для усиления высокочастотных сигналов. Для повышения крутизны передаточной характеристики предлагается уменьшать рабочие напряжения изготовленных триодов.

Дальнейшее развитие технология создания планарных автоэмиссионных приборов на основе кремния получила в исследованиях американской группы ученых из Центра нанотехнологий НАСА. В работе [65] представлены результаты исследований по соз-

данию наноразмерного автоэмиссионного триода, или, как его назвали авторы, транзистора с наноразмерным вакуумным каналом и изолированным затвором. Разработанная структура представляет собой два симметричных кремниевых острия — катод и анод, расположенные на слое оксида кремния. Для изготовления устройств использовали пластины КНИ. Нижний слой кремния, отделенный оксидом, выполняет функцию управляющего электрода (аналог сетки). Межэлектродный промежуток формировали сушкой фоторезистивной маски, утонением перемычки до ее разрыва и последующим плазмохимическим травлением кремния по сформированной маске. Расстояние катод — анод в полученной структуре равно 150 нм. Максимальное значение тока автоэмиссии, полученное при работе разработанного устройства, составляет 40 мкА при напряжении на аноде и сетке 20 и 8 В соответственно. Крутизна передаточной характеристики триода достаточно высокая — 0,2 мкСм, частота отсечки, по оценкам авторов, составляет 0,46 ТГц при фиксированном напряжении на аноде и сетке 10 В.

Работа [66] научной группы Центра нанотехнологий НАСА посвящена разработке автоэмиссионного наноразмерного триода на основе кремния с трехмерной конструкцией сеточного электрода, в которой канал проводимости между катодом и анодом окружен со всех сторон сеткой. В публикации продемонстрированы экспериментальные результаты радиационных и температурных испытаний триодов. По приведенным данным, разработанные кремниевые триоды способны выдержать облучение протонами и гамма-квантами вплоть до доз 10 и 100 крад соответственно без заметного изменения порогового напряжения и максимального тока автоэмиссии.

В качестве полупроводникового материала для создания автоэмиссионных приборов может использоваться не только монокристаллический или поликристаллический кремний. Уникальные свойства карбида кремния дают все основания для рассмотрения этого полупроводника в качестве рабочего материала для устройств автоэмиссионной электроники. Теплопроводность карбида кремния превышает теплопроводность кремния более чем втрое, что может оказать положительное влияние на отвод тепла, выделяемого в процессе работы прибора. Карбид кремния имеет температуру плавления 2830 °С, высокую пробивную напряженность поля и высокую механическую прочность (энергия ковалентной связи между атомами карбида кремния почти втрое превышает таковую у кремния) [67, 68]. Дополнительное преимущество карбида кремния — эффект образования оксидной пленки при контакте с воздухом, пассивирующую открытую поверхность эмиттера [69].

В работе [70] научной группы Центра нанотехнологий НАСА сообщается о создании автоэмиссионного триода цилиндрической конструкции на основе карбида кремния. Приборный слой устройства формировали после эпитаксиального выращивания области п-типа проводимости с концентрацией 10 см и толщиной 5 мкм на поверхности карбидокремниевой пластины. Конструкция устройства представляет собой полый цилиндр, дно которого служит эмиттером, а средний и верхний слои, разделенные изолятором, являются сеткой и анодом. Как указывают авторы, выбор карбида кремния в качестве материала для автоэмиссионных структур обусловлен большей энергией разрыва связи карбида кремния по сравнению с монокристаллическим кремнием, что повышает стойкость эмиттеров из карбида кремния к катодному распылению при ионной бомбардировке. Кроме того, авторы обращают внимание на более высокую стойкость транзисторов на основе карбида кремния к воздействию высоких температур и ионизирующего излучения. Изготовленные приборы характеризуются сравнительно небольшим пороговым напряжением (около 5 В) и высокой стабильностью протекания автоэлектронной эмиссии в течение 24 ч работы. В отличие от диодов на основе карби-

докремниевых нанопроволок, изготовленных научной группой Лиу, триоды Центра на-нотехнологий НАСА создавались стандартными методами интегральной технологии на 150-мм карбидокремниевых пластинах, что при условии дополнительных технологических отработок отдельных операций позволит запустить серийный выпуск разработанных триодов.

Перспективными являются разработки автоэмиссионных устройств на основе алмаза. Алмаз относится к широкозонным полупроводникам, ширина его запрещенной зоны составляет 5,47 эВ. Жидкая фаза углерода существует только при крайне высоких давлениях, а при температуре около 4000 °С и нормальном атмосферном давлении происходит его сублимация [71]. Алмаз обладает исключительной электронной и дырочной проводимостью, а теплопроводность алмазных СУВ-слоев может достигать 22 Вт/(см-К), что почти в шесть раза больше, чем у карбида кремния. При этом алмаз химически инертен при температурах ниже нескольких сотен градусов Цельсия [68].

С середины 2000-х до начала 2010-х гг. предпринимались попытки создания пла-нарных автоэмиссионных приборов на основе пленок нанокристаллического алмаза [72, 73]. Наноалмазный слой формировали методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на пластины КНИ, электроды приборов изготавливали реактивным ионным травлением осажденного слоя и приборного слоя кремния. Катод прибора представляет собой «гребенку» из нескольких заостренных наноалмазных эмиттеров с высоким аспектным отношением. Расстояние катод - анод варьировали в пределах 2-10 мкм. При относительно малой крутизне ВАХ (22 нСм) и высоких управляющих напряжениях (65-410 В) созданные приборы позволили получить максимальный ток эмиссии 0,3 мкА и продемонстрировали коэффициент усиления по напряжению порядка 200. Изготовленные триоды подвергали радиационному воздействию в ходе экспериментальных измерений, результаты которых показали отсутствие заметного влияния накопленной дозы 20 Мрад на ВАХ триода.

Авторы работ [74, 75] исследовали характеристики логического вентиля функции ИЛИ, созданного на основе наноалмазных автоэмиссионных диодов. Технологический процесс создания структур аналогичен созданию приборов на основе пленок нанокри-сталлического алмаза. Элемент состоит из двух автоэмиссионных диодов, представляющих собой структуру из множества (до 9360 единиц) наноалмазных многоострий-ных элементов, которые окружены со всех сторон кромками наноалмазного слоя (катод и анод). Межэлектродное расстояние в структурах равно 4 мкм. Характеристики изго-

^ _у

товленных приборов снимали в вакуумной камере при давлении 10 торр. Диоды продемонстрировали высокое значение автоэмиссионного тока, равное 87 мкА, при напряжении на аноде 12,5 В. Токовые флуктуации составляли 2 % при значении тока 8,5 мкА на протяжении 2 ч проведения экспериментальных исследований. Для проверки функциональной работоспособности устройства на анод подавали импульсный сигнал прямоугольной формы, равный 2,2 В. Результаты проверки функции ИЛИ показали корректность работы разработанного устройства, однако наблюдалась разница в уровнях напряжения на входе и выходе устройства, составляющая 1 В. Авторы отмечают, что улучшение характеристик разработанных устройств может быть достигнуто уменьшением межэлектродных расстояний диодов до субмикронных значений с помощью электронно-лучевой литографии.

Технология изготовления автоэмиссионных триодов острийного типа на основе на-ноалмазных пленок рассматривается в публикациях [76-78]. Процесс изготовления массива автоэмиссионных триодов и результаты измерений полученных образцов приведены соответственно в публикациях 2017 г. В приборном слое пластины КНИ вы-

травливали конусообразную полость, далее проводили операцию окисления пластины до смыкания вершины конуса. Наноалмазные острия формировали из азотсодержащего нанокристаллического алмазного слоя методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в полости на поверхности пластины. После этого молибденовую пластину припаивали к лицевой стороне пластины КНИ с осажденным слоем нанокристалличе-ского алмаза, при этом приборный слой кремния и слой скрытого оксида полностью стравливали с полученной структуры. Катодно-сеточную изоляцию формировали из оставшегося слоя оксида кремния, верхний слой кремния использовали в качестве сеточного электрода. На пластине сформированы два массива триодов: два анода из сильнолегированного кремния п-типа фиксировали на высоте 4 и 25 мкм над массивами наноалмазных эмиттеров с помощью спейсеров из оксида кремния и нитрида алюминия соответственно. Передаточная ВАХ наноалмазных триодов, полученная в режиме постоянного тока, показала высокое значение крутизны, равное 37 мкСм. Усилительные свойства изготовленных триодов исследовали в режиме переменного тока. Коэффициент усиления по напряжению триодов определяли при подаче переменного сигнала с частотой 100 Гц и амплитудой приблизительно 2—3 В на сеточный электрод триода. Коэффициент усиления по напряжению равен 3,8 для образцов с расстоянием катод — анод 25 мкм и 1,84 для образцов с расстоянием катод — анод 4 мкм. Частота отсечки у изготовленных приборов составляет доли мегагерц, что, по мнению авторов, связано с недостаточно высокой крутизной ВАХ и большой емкостью катод — сетка.

Подходящим материалом для создания приборов автоэмиссионной наноэлектрони-ки может стать нитрид галлия. По состоянию на 2023 г. нитрид галлия остается перспективным и востребованным материалом для силовой и высокочастотной микроэлектроники. Он имеет необходимые для эмиссионной электроники характеристики: ширина запрещенной зоны 3,39 эВ, достаточно высокая температура плавления, равная 2276 °С, высокая химическая стойкость и механическая прочность. Работы последних лет демонстрируют морфологическое многообразие автоэмиссионных структур из нитрида галлия [79]. Пример успешной реализации триодов на основе острий из нитрида галлия представлен в работе [80]. Острия изготавливали химическим травлением сильнолегированного слоя нитрида галлия по специальной технологии, разработанной авторами публикации. Сеточные электроды прибора формировали напылением и последующим реактивным ионным травлением слоя хрома. В результате проведения технологического процесса изготовлен массив из 10 тыс. нитридгаллиевых триодов. Полученная плотность тока эмиссии с массива триодов достигала 150 мА/см . Как указывают авторы, им удалось снизить напряжение включения триодов (напряжение, необходимое для получения тока 1 пА) до 20 В по сравнению с предыдущими результатами за счет уменьшения радиуса скругления острий с 40 до 20 нм.

Проведены работы по интеграции кремниевых автоэмиссионных устройств и полевых транзисторов в едином технологическом процессе. Научная группа Центра нано-технологий НАСА в 2014 г. представила результаты разработки устройства, сочетающего в себе стандартный полевой КМОП-транзистор и автоэмиссионный кремниевый триод планарного типа на одной подложке [81]. Твердотельный транзистор и эмиссионный триод изготовлены в едином технологическом процессе. Метод формирования канала проводимости автоэмиссионного триода и полевого транзистора предложен в 2012 г. [65]. Канал формировали сушкой фоторезистивной маски и утонением перемычки канала. Экспериментальная проверка функционирования устройств показала корректную работу и приемлемые рабочие характеристики как эмиссионного, так и твердотельного приборов. Для ослабления влияния процессов ионной бомбардировки

на работу автоэмиссионного триода в воздушной среде управляющее напряжение сетки не превышало 10 В.

Пример интеграции автоэмиссионного триода с полевым транзистором для улучшения контроля за протеканием тока предложен в публикации [82]. Продемонстрированный прибор представляет собой автоэмиссионный острийный триод и полевой транзистор, совмещенные в одной структуре на подложке кремния ^-типа, причем катод триода является стоком транзистора. Данное решение позволило значительно повысить стабильность тока эмиссии на уровне 3 мкА, снизив токовые флуктуации с нескольких десятков процентов до нескольких единиц. Аналогичный способ повышения стабильности тока автоэлектронной эмиссии диода на основе хаотически ориентированных на-норазмерных игл оксида цинка (2п0) с помощью управляющего полевого транзистора предложен в работе [83]. На кремниевой подложке p-типа формировали области п+-типа проводимости, которые при работе прибора выполняли функции стока и истока транзистора. Результаты проверки работы изготовленного прибора показали снижение токовых флуктуаций с 61 до 3 % на уровне 650 нА.

Научная группа Университета Чжуншань им. Сунь Ятсена (Китай) для создания дополнительного механизма ограничения и контроля тока автоэлектронной эмиссии в едином технологическом маршруте изготовила массив автоэмиссионных триодов ост-рийного типа на основе кремния совместно с полевыми транзисторами, встроенными в тело эмиттера. Изготовленные триоды, управляемые полевыми транзисторами, продемонстрировали малые флуктуации автоэмиссионного тока ~ 5 % и высокую управляемость ВАХ, равную 0,4 пА/мВ, при напряжении на сетке 53 В [84].

Перспективы развития вакуумной наноэлектроники на основе полупроводников. Вакуум как среда распространения носителей заряда по сравнению с твердым телом имеет следующую особенность. Электроны, пересекающие вакуумный канал, не соударяются с узлами кристаллической решетки, как в случае движения в объеме твердого тела. В свою очередь, устранение эффекта рассеяния электронов на решетке кристалла позволяет автоэмиссионным устройствам функционировать в гегагерцовом или даже терагерцовом диапазоне частот.

Для автоэмиссионных устройств, принцип работы которых основан на взаимодействии поверхности эмиттера и электромагнитной волны, частотное ограничение будет связано со временем туннелирования электрона через потенциальный барьер. Оценки этой величины дают значение ~ 10-15 с. Частотный предел функционирования прибора в таком случае составляет ~ 1014 Гц [14]. Если ограничение быстродействия определяется для усилительного автоэмиссионного прибора, использующего перенос электронов в вакуумном канале (например, для триода), предельная частота определяется временем пролета электронов от катода к аноду устройства [85]:

X =т +т ,

к-а к-с с-а >

х = \2md

к-с V eU к-с'

12m d,

Хс-а

с-а

e VUT + VUT :

где тк-с и тс-а - время пролета электроном межэлектродного пространства катод - сетка и сетка - анод соответственно; m - масса покоя электрона; e - заряд электрона; Uс - потенциал сетки; dк-с - межэлектродное расстояние катод - сетка; dс-а - межэлектродное расстояние сетка - анод; Uа - потенциал анода.

Однако в реальных автоэмиссионных приборах граничная частота определяется не только времяпролетными характеристиками устройства (которые устанавливают границу работы устройств с суб-100-нм проектными нормами в терагерцовом диапазоне), но и временем, затрачиваемым на перезарядку межэлектродных емкостей. Частота отсечки для автоэмиссионного триода в таком случае определяется как

Л = gm/2^кCс—к,

где gm = д1а/дис — крутизна передаточной ВАХ, определяемая как отношение изменения выходного тока анода /а к вызвавшему его изменению управляющего напряжения на сетке ис; Сс—к — электрическая емкость между сеткой и катодом.

Оценки показывают, что в реальных автоэмиссионных приборах ограничение быстродействия по крутизне передаточной характеристики вступает в силу раньше, чем времяпролетное ограничение.

Авторами настоящей статьи предпринято оценочное моделирование ВАХ и параметров быстродействия двух типов автоэмиссионных триодов: лезвийного и планарно-го типа в среде мультифизического конечно-элементного моделирования СОМБОЬ МиШрЬувюБ. На рис. 4 приведено изображение созданных конструкций триодов, которые использовались при проведении конечно-элементного моделирования. Модели триодов создавали с учетом реально достижимых в современном КМОП-процессе технологических норм. Критическая для достижения максимального тока автоэмиссии величина апертуры сетки (двойное расстояние катод — сетка) при моделировании варьировали в диапазоне 15—45 нм. Радиус скругления вершины катода фиксировали на значении 2 нм, расстояние катод — анод равно 100 нм, длина катода в случае лезвийного триода и высота в случае планарного триода равна 500 нм.

Рис. 4. Трехмерные конечно-элементные модели триодов лезвийного типа (а) и планарного типа (б): А - анод; С - сетка; К - катод Fig. 4. 3D finite element models of a blade-type triode (a) and planar triode (b): A - anode; C - grid; К - cathode

Расчет распределения напряженности электрического поля на поверхности катода в данных моделях проводили средствами стандартного физического модуля COMSOL Multiphysics для моделирования электростатических явлений. Полученные распределения напряженности поля затем использовали для расчета распределений плотности тока автоэлектронной эмиссии. Для вычисления плотности тока применяли уравнение автоэлектронной эмиссии для металлических поверхностей в форме записи (1). Работу выхода материала принимали равной 4 эВ. При проведении оценочного моделирования

не учитывали дополнительные эффекты для полупроводникового материала: концентрацию носителей в приповерхностной области катода, проникновение электрического поля и т. д.

Результаты моделирования передаточных ВАХ и частоты отсечки в зависимости от расстояния катод - сетка для лезвийного и планарного триодов приведены на рис. 5.

Рис. 5. Семейство передаточных ВАХ автоэмиссионного триода лезвийного типа при вариации апертуры сетки (а) и зависимость частоты отсечки автоэмиссионного триода лезвийного типа от апертуры сетки (б), семейство передаточных ВАХ автоэмиссионного триода планарного типа при вариации апертуры сетки (в) и зависимость частоты отсечки автоэмиссионного триода планарного

типа от апертуры сетки (г) Fig. 5. Cathode current vs. grid voltage characteristics of a blade-type field emission triode with a variation of the grid aperture (a) and cut-off frequency of a blade-type field emission triode as a function of the grid aperture (b), cathode current vs. grid voltage characteristics of a planar field emission triode with a variation of the grid aperture (c) and cut-off frequency of a planar field emission triode as a function

of the grid aperture

Полученные значения распределения плотности тока автоэмиссии по поверхности катода при максимальных значениях напряжения на аноде и сетке показали, что критическое значение плотности тока 106 А/см2, приводящее к разрушению катода, не превышено [86]. Расчет частоты отсечки триодов проводили по формуле (2) на основе расчетной крутизны передаточной ВАХ и емкости катод - сетка. Результаты моделирования демонстрируют, что конструкция триода лезвийного типа предпочтительна с точки зрения управляемости ВАХ, при этом максимальная частота отсечки в триоде такого типа более чем на два порядка выше частоты отсечки планарного триода. Предельная частота отсечки триода лезвийного типа при достижении расстояния катод - сетка 15 нм составляет порядка нескольких сотен гигагерц. При этом частота отсечки, согласно приведенной зависимости, будет резко падать при увеличении апертуры сетки. Дополнительным преимуществом конфигурации лезвийного типа перед триодами с катодами в виде острий является повышенная стойкость к разрушениям термического характера, так как выделяемое на лезвии в процессе эмиссии тепло будет распределяться по большей площади в отличие от катода в виде острия. С точки зрения технологической интеграции триоды планарного типа предпочтительнее лезвийных триодов, так как технологический процесс изготовления последних требует использования операций создания вертикальных структур.

В настоящее время не существует коммерчески успешных решений автоэмиссионных устройств в форме интегральных микросхем. В качестве примера вакуумной интегральной схемы, которая выпускалась малыми пробными партиями, можно привести электронную систему матричного автоэмиссионного дисплея. В научно-технической литературе описание первого варианта конструкции дисплея такого типа появилось в 1970 г. [87]. Автоэмиссионные матричные дисплеи по принципу действия близки к электронно-лучевым трубкам: дисплей имеет экран, покрытый люминофором, светящимся в результате падения на него пучка ускоренных электронов, источником которых является матрица автоэмиссионных структур. Первый прототип монохромного автоэмиссионного дисплея был представлен разработчиками из французского исследовательского центра CEA-Leti в 1986 г. на конференции по проблемам дисплейных технологий [88]. В начале 2000-х гг. фирмы PixTech (Франция), Futaba (Япония) и Micron Technology (США) выпускали цветные матричные автоэмиссионные дисплеи малыми партиями. Именно активная разработка матричных автоэмиссионных дисплеев обусловила повышенный интерес к автоэмиссионным разработкам спустя двадцать лет после публикаций Спиндта. Коммерциализация технологии автоэмиссионных матричных дисплеев не воплотилась в жизнь, и разработки были заморожены к концу 2000-х гг. Разработчики автоэмиссионных дисплеев столкнулись с множеством проблем технологического и эксплуатационного характера, к тому же к концу 2000-х гг. уже активно развивались LCD- и OLED-дисплеи, которые оказались более надежными и дешевыми в производстве устройствами [89].

Современный уровень развития нанотехнологии [81-84] позволяет создавать автоэмиссионные устройства на основе кремния в едином технологическом цикле со стандартными КМОП-транзисторами, что открывает возможности создания гибридных вакуумно-твердотельных ИС на основе полупроводников. Важное преимущество снижения технологических норм - эффект уменьшения вероятности возникновения ударной ионизации для всех типов газов, содержащихся в воздухе, за счет уменьшения длины канала проводимости прибора по крайней мере до 65 нм и падения рабочего напряжения до 12 В [22, 67]. Это означает, что эмиссия электронов в устройстве может осуществляться в воздушной среде при нормальном атмосферном давлении.

Задача создания стойкой быстродействующей элементной базы вакуумной нано-электроники и внедрения ее в цикл разработки вакуумных ИС может быть решена с помощью полупроводниковой технологии. В таблице представлена информация по основным термическим и электрическим свойствам полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике в настоящее время. Кремний как основной материал для изготовления автоэмиссионных структур имеет ряд важных преимуществ: нано-метровый радиус скругления вершины эмиттера при использовании процесса окисления, повышенная стойкость к ионной бомбардировке, возможности интеграции эмиссионных устройств с твердотельными в едином технологическом процессе. При этом, однако, с точки зрения эксплуатационных характеристик кремний имеет средние физические параметры: невысокие температура плавления и коэффициент теплопроводности, относительно низкая механическая прочность. Карбид кремния и алмаз выгодно отличаются от кремния относительно стойкости к перегреву, электродному распылению и процессам адсорбции. Уже достаточно давно существует и развивается технология создания силовых карбидокремниевых МОБЕБТ-транзисторов, достижения которой можно использовать при создании автоэмиссионных устройств. Текущий уровень технологии изготовления наноалмазных структур, по данным публикаций последних десяти лет, позволяет создавать автоэмиссионные приборы с приемлемыми рабочими напряжениями и достаточно высокой стабильностью тока эмиссии. Как показывают исследования фазового состава алмазных наноструктур, наличие графитовых фаз в структуре эмиттера улучшает его эмиссионные свойства. Добиться повышенного содержания графитовых фаз можно, изготавливая наноалмазные эмиттеры методом плазменного осаждения из газовых смесей, богатых инертными газами, либо методом ионной имплантации медью, железом или золотом [90]. Достаточно широко используемые в настоящее время нитрид галлия и арсенид галлия, несмотря на разработанную технологию, уступают рассмотренным полупроводникам прежде всего в термических свойствах: невысокая температура плавления и теплопроводность этих материалов затрудняют их использование в автоэмиссионных приборах.

Свойства полупроводниковых материалов для изготовления автоэмиссионных наноструктур [54, 68, 98, 99]

Properties of semiconductor materials for the manufacture of field-emission nanostructures [54, 68, 98, 99]

Материал Ширина запрещенной зоны, эВ Относительная диэлектрическая постоянная Электрическое поле пробоя, МВ/см Подвижность электронов, см2/(В-с) Теплопроводность, Вт/(смК) Температура плавления, К

Кремний 1,12 11,9 0,3 1500 1,5 1687

Арсенид галлия 1,43 12,5 0,4 5600 0,54 1511

Нитрид галлия 3,39 9,5 3,3 400 1,3 2550

Карбид кремния 3,20 10 3,5 500 4 3103

Нано- алмаз 5,47 5,7 10 4500 22 4300*

Температура сублимации.

Наноразмерные автоэмиссионные структуры на основе полупроводниковых материалов можно применять и в приборах, не относящихся напрямую к элементной базе электроники. К их числу можно отнести портативный источник рентгеновского излучения [91], электронную систему для рентгеновской литографии [59], миниатюрный масс-спектрометр [92], осветительную люминесцентную лампу [93], датчик давления [94], нейтрализатор заряда в ионных двигателях [95], дезинфицирующую ультрафиолетовую лампу [96], датчик Холла [97]. Так же как и в случае с разработкой элементной базы вакуумной наноэлектроники, основной проблемой автоэмиссионных структур в устройствах становится стабильность работы и срок эксплуатации. Уникальные свойства полупроводниковых материалов могут быть полезны для решения обозначенных проблем.

Заключение. Проведенный обзор публикаций показал, что автоэмиссионная электроника - актуальный предмет исследований, имеющий перспективы создания защищенной быстродействующей элементной базы нового типа. ИС на основе полупроводниковых автоэмиссионных структур могут найти свое применение в разработке электронных устройств для различных областей техники, но для широкого внедрения автоэмиссионной электроники необходимо решить ряд проблем прикладного характера.

Использование полупроводниковых материалов - карбида кремния или нанострук-турированного алмаза - при изготовлении автоэмиссионных наноструктур потенциально может значительно улучшить эксплуатационные характеристики разрабатываемых автоэмиссионных приборов. Групповые технологические процессы наноэлектроники предоставляют широкие возможности создания гибридных устройств, сочетающих в себе вакуумные и твердотельные элементы на одной подложке. Основной задачей в данном случае станет отработка технологических процессов формирования автоэмиссионных наноразмерных структур на основе рассмотренных полупроводников. Создание автоэмиссионных устройств с возможностью работы в диапазоне частот вплоть до нескольких сотен гигагерц невозможно без получения значительных токов эмиссии при малых рабочих напряжениях. Перспективным вариантом достижения максимальной крутизны передаточной ВАХ, а следовательно, и максимальных рабочих частот может стать использование автоэмиссионных наноразмерных триодов с вертикальным расположением электродов и катодом в форме лезвия.

Литература

1. Fowler R. H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proc. R. Soc. Lond. A. 1928. Vol. 119. Iss. 781. P. 173-181. https://doi.org/10.1098/rspa.1928.0091

2. Nordheim L. Zur Elektronentheorie der Metalle. I // Ann. Phys. 1931. Vol. 401. Iss. 5. P. 607-640. https://doi.org/10.1002/andp. 19314010507

3. Forbes R. G. Comments on the continuing widespread and unnecessary use of a defective emission equation in field emission related literature // Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 126. Iss. 21. Art. No. 210901. https://doi.org/10.1063/1.5117289

4. Márquez-Mijares M., LepetitB. A three dimensional numerical quantum mechanical model of field electron emission from metallic surfaces covered with carbon adsorbates // Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 126. Iss. 6. Art. No. 065107. https://doi.org/10.1063/L5094238

5. Forbes R. G. Renewing the mainstream theory of field and thermal electron emission // Modern Developments in Vacuum Electron Sources / eds G. Gaertner, W. Knapp, R. G. Forbes. Cham: Springer, 2020. P. 387-447. https://doi.org/10.1007/978-3-030-47291-7_9

6. Forbes R. G. 21st century planar field emission theory and its role in vacuum breakdown science // 2020 29th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). Padova: IEEE, 2021. P. 3-10. https://doi.org/10.1109/ISDEIV46977.2021.9587119

7. Jensen K. L. A tutorial on electron sources // IEEE Transactions on Plasma Science. 2018. Vol. 46. No. 6. P. 1881-1899. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2782485

8. Jensen K. L. A reformulated general thermal-field emission equation // Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 126. Iss. 6. Art. No. 065302. https://doi.org/10.1063/1.5109676

9. LepetitB. Electronic field emission models beyond the Fowler - Nordheim one // Journal of Applied Physics. 2017. Vol. 122. Iss. 21. Art. No. 215105. https://doi.org/10.1063/L5009064

10. Lepetit B. A quantum mechanical model of electron field emission from two dimensional materials. Application to graphene // Journal of Applied Physics. 2021. Vol. 129. Iss. 14. Art. No. 144302. https://doi.org/10.1063/5.0047771

11. Kyritsakis A., Djurabekova F. A general computational method for electron emission and thermal effects in field emitting nanotips // Computational Materials Science. 2017. Vol. 128. P. 15-21. https://doi.org/ 10.1016/j.commatsci.2016.11.010

12. Kyritsakis A., Veske M., Djurabekova F. General scaling laws of space charge effects in field emission // New J. Phys. 2021. Vol. 23. No. 6. Art. No. 063003. https://doi.org/10.1088/1367-2630/abffa8

13. Егоров Н. В., Шешин Е. П. Автоэлектронная эмиссия: Принципы и приборы. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 703 с.

14. Фурсей Г. Н. Автоэлектронная эмиссия. СПб.: Лань, 2012. 319 с.

15. BuckD. A., Shoulders K. R. An approach to microminiature printed systems // Papers and Discussions Presented at the Dec. 3-5, 1958, Eastern Joint Computer Conference: Modern Computers: Objectives, Designs, Applications (AIEE-ACM-IRE '58 (Eastern)). New York: ACM Press, 1958. P. 55-59. https://doi.org/10.1145/ 1458043.1458057

16. Shoulders K. R. Microelectronics using electron-beam-activated machining techniques // Advances in Computers. 1961. Vol. 2. P. 135-293. https://doi.org/10.1016/S0065-2458(08)60142-4

17. Spindt C. A., Shoulders K. R. Research in micron-size field-emission tubes // IEEE 1966 8th Conference on Tube Techniques. New York: IEEE, 1966. P. 143.

18. Spindt C. A. A thin-film field-emission cathode // Journal of Applied Physics. 1968. Vol. 39. Iss. 7. P. 3504-3505. https://doi.org/10.1063/L1656810

19. Spindt С. А., Brodie I., Humphrey L., Westerberg E. R. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones // Journal of Applied Physics. 1976. Vol. 47. Iss. 12. P. 5248-5263. https://doi.org/10.1063/L322600

20. А. с. 107388 СССР. Способ уменьшения ионной бомбардировки эмитирующих электроны металлических острий / М. И. Елинсон, Г. Ф. Васильев; заявл. 24.09.1955; опубл. 10.09.1957.

21. Пат. 2044363 РФ. Устройство с автоэлектронной эмиссией (его варианты) / Н. А. Дюжев, А. Б. Ишкарин; заявл. 08.07.1994; опубл. 20.09.1995.

22. Jennings S. G. The mean free path in air // Journal of Aerosol Science. 1988. Vol. 19. Iss. 2. P. 159-166. https://doi.org/10.1016/0021-8502(88)90219-4

23. Electron emission devices for energy-efficient systems / S. Nirantar, T. Ahmed, M. Bhaskaran et al. // Adv. Intell. Syst. 2019. Vol. 1. Iss. 4. Art. ID: 1900039. https://doi.org/10.1002/aisy.201900039

24. Nottingham W. B. Remarks on energy losses attending thermionic emission of electrons from metals // Phys. Rev. 1941. Vol. 59. Iss. 11. P. 906. https://doi.org/10.1103/PhysRev.59.906.2

25. Месяц Г. А. Взрывная электронная эмиссия. М.: Физматлит, 2011. 280 с.

26. Self-modulated field electron emitter: Gated device of integrated Si tip-on-nano-channel / Z. Huang, Y. Huang, Z. Pan et al. // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109. Iss. 23. Art. No. 233501. https://doi.org/10.1063/ 1.4971336

27. Guerrera S. A., Akinwande A. I. Nanofabrication of arrays of silicon field emitters with vertical silicon nanowire current limiters and self-aligned gates // Nanotechnology. 2016. Vol. 27. No. 29. Art. No. 295302. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/29/295302

28. Kolosko A. G., Popov E. O., Filippov S. V. Analysis of the behavior of individual emission sites on the surface of a multi-tip field cathode // Tech. Phys. Lett. 2019. Vol. 45. Iss. 3. P. 304-307. https://doi.org/ 10.1134/S1063785019030283

29. Ab initio calculation of field emission from metal surfaces with atomic-scale defects / H. Toijala, K. Eimre, A. Kyritsakis et al. // Phys. Rev. B. 2019. Vol. 100. Iss. 16. Art. ID: 165421. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.100.165421

30. Fujita S., Shimoyama H. Mechanism of surface-tension reduction by electric-field application: Shape changes in single-crystal field emitters under thermal-field treatment // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 75. Iss. 23. Art. ID: 235431. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.235431

31. Double-gated, Spindt-type field emitter with improved electron beam extraction / Y. Honda, M. Nanba, K. Miyakawa et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2016. Vol. 63. No. 5. P. 2182-2189. https://doi.org/10.1109/TED.2016.2545710

32. Nagao M., Gotoh Y., Neo Y., Mimura H. Beam profile measurement of volcano-structured double-gate Spindt-type field emitter arrays // J. Vac. Sci. Technol. B. 2016. Vol. 34. Iss. 2. Art. ID: 02G108. https://doi.org/ 10.1116/1.4944453

33. Deka N., Subramanian V. On-chip fully integrated field emission arrays for high-voltage MEMS applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67. No. 9. P. 3753-3760. https://doi.org/ 10.1109/TED.2020.3006167

34. Chang W.-T., Chuang T.-Y., Su Ch.-W. Metal-based asymmetric field emission diodes operated in the air // Microelectronic Engineering. 2020. Vol. 232. Art. No. 111418. https://doi.org/10.1016/j.mee.2020.111418

35. Chang W.-T., ChengM.-Ch., Chuang T.-Y., Tsai M.-Y. Field emission air-channel devices as a voltage adder // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. Iss. 12. Art. No. 2378. https://doi.org/10.3390/nano10122378

36. Metal-air transistors: Semiconductor-free field-emission air-channel nanoelectronics / S. Nirantar, T. Ahmed, G. Ren et al. // Nano Lett. 2018. Vol. 18. No. 12. P. 7478-7484. https://doi.org/10.1021/ acs.nanolett.8b02849

37. De Rose L. B., Scherer A., Jones W. M. Suspended nanoscale field emitter devices for high-temperature operation // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67. No. 11. P. 5125-5131. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3019765

38. Nanoscale vacuum channel transistor with in-plane collection structure / J. Xu, H. Hu, W. Yang et al. // Nanotechnology. 2020. Vol. 31. No. 6. Art. No. 065202. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab51cb

39. Optimization of a field emission electron source based on nano-vacuum channel structures / J. Xu, C. Lin, Y. Shi et al. // Micromachines. 2022. Vol. 13. Iss. 8. Art. No. 1274. https://doi.org/10.3390/mi13081274

40. Srisonphan S. Field effect-controlled space-charge limited emission triode with nanogap channels // IEEE Electron Device Letters. 2021. Vol. 42. No. 10. P. 1540-1543. https://doi.org/10.1109/LED.2021.3103557

41. Field emission from carbon nanostructures / F. Giubileo, A. Di Bartolomeo, L. Iemmo et al. // Applied Sciences. 2018. Vol. 8. Iss. 4. Art. No. 526. https://doi.org/10.3390/app8040526

42. Comparison of field emission performances and durability of three nanocarbon materials / M.-J. Youh, C.-S. Lin, N.-W. Pu et al. // Vacuum. 2020. Vol. 177. Art. ID: 109382. https://doi.org/10.1016/ j.vacuum.2020.109382

43. Углеродные материалы для автоэмиссионных приборов на их основе / З. Я. Лвин, Е. П. Шешин,

H. Ч. Чжо и др. // Труды МФТИ. 2018. Т. 10. № 2 (38). C. 30-46. EDN: XTWBOH.

44. Шестеркин В. И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. № 1. С. 3-30. https://doi.org/10.31857/ S0033849420010040. - EDN: FFULEM.

45. The rise of carbon materials for field emission / N. Dwivedi, Ch. Dhand, J. D. Carey et al. // J. Mater. Chem. C. 2021. Vol. 9. Iss. 8. P. 2620-2659. https://doi.org/10.1039/D0TC05873D

46. Елецкий А.В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок // УФН. 2010. Т. 180. № 9. С. 897-930. EDN: MTVUHF.

47. Electric field effect in atomically thin carbon films / K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov et al. // Science. 2004. Vol. 306. Iss. 5696. P. 666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896

48. Егоров Н. В., Шешин Е. П. Современное состояние автоэмиссионной электроники // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 3. С. 5-15. https://doi.org/ 10.7868/S0207352817030088. - EDN: YIVPRJ.

49. Field electron emission characteristics and physical mechanism of individual single-layer graphene / Z. Xiao, J. She, S. Deng et al. // ACS Nano. 2010. Vol. 4. Iss. 11. P. 6332-6336. https://doi.org/ 10.1021/nn101719r

50. Shao X., Srinivasan A., Ang W. K., Khursheed A. A high-brightness large-diameter graphene coated point cathode field emission electron source // Nat. Commun. 2018. Vol. 9. Art. No. 1288. https://doi.org/ 10.1038/s41467-018-03721-y

51. Fabrication and characterization of HfC coated Si field emitter arrays / T. Sato, S. Yamamoto, M. Nagao et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2003. Vol. 21. Iss. 4. P. 1589-1593. https://doi.org/10.1116/

I.1569933

52. Enhanced field emission from lanthanum hexaboride coated multiwalled carbon nanotubes: Correlation with physical properties / R. Patra, S. Ghosh, E. Sheremet et al. // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 116. Iss. 16. Art. No. 164309. https://doi.org/10.1063/L4898352

53. Electron field emission from chemical vapor deposited diamond films / A. N. Obraztsov, I. Yu. Pavlovsky, A. P. Volkov et al. // J. Electrochem. Soc. 1998. Vol. 145. No. 7. P. 2572-2576. https://doi.org/10.1149/1.1838682

54. Handbook of semiconductor manufacturing technology / eds R. Doering, Y. Nishi. 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2008. 1722 p.

55. Tsong T. T. Field penetration and band bending near semiconductor surfaces in high electric fields // Surface Science. 1979. Vol. 81. Iss. 1. P. 28-42. https://doi.org/10.1016/0039-6028(79)90503-X

56. Thomas R. N., Wickstrom R. A., Schroder D. K., Nathanson H. C. Fabrication and some applications of large-area silicon field emission arrays // Solid-State Electronics. 1974. Vol. 17. Iss. 2. P. 155-163. https://doi.org/10.1016/0038-1101(74)90063-X

57. Махов В. И., Дюжев Н. А., Пинаев И. В. Влияние диэлектрического покрытия туннельной толщины на эмиссионные характеристики автоэлектронного катода // XIX Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике (Ташкент, сент. 1984 г.): секции 3, 4, 5. Ташкент: Фан, 1984. С. 45.

58. Дюжев Н. А., Махиборода М. А., Скворцов В. Э. Электронно-лучевой микродисплей высокого разрешения на базе кремниевого автоэмиссионного нанокатода // Rusnanotech'08: Международный форум по нанотехнологиям: сборник тез. докл. науч.-техн. секций (Москва, 03-05 дек. 2008 г.). М.: Российская корпорация нанотехнологий, 2008. Т. 2. 536 с.

59. Разработка технологических принципов создания системы микрофокусных рентгеновских трубок на основе кремниевых автоэмиссионных нанокатодов / Н. А. Дюжев, Г. Д. Демин, Н. А. Филиппов и др. // ЖТФ. 2019. Т. 89. № 12. С. 1836-1842. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.12.48479.137-19. -EDN: UGTCST.

60. Bohling C., Sigmund W. Self-limitation of native oxides explained // Silicon. 2016. Vol. 8. Iss. 3. P. 339-343. https://doi.org/10.1007/s12633-015-9366-8

61. Wu C.-C., Ou K.-L., Tseng C.-L. Fabrication and characterization of well-aligned and ultra-sharp silicon nanotip array // Nanoscale Res. Lett. 2012. Vol. 7. Iss. 1. Art. No. 120. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-120

62. Makhov V. I. Ballistic field-emission devices // Proceedings of the 2nd INT Conference on Vacuum Microelectronics, Bath, England. Bristol: Taylor & Francis, 1989. P. 235-238. (IOP Conf. Series; No. 99).

63. Park C.-M., Lim M.-S., Han M.-K. A novel in situ vacuum encapsulated lateral field emitter triode // IEEE Electron Device Letters. 1997. Vol. 18. No. 11. P. 538-540. https://doi.org/10.1109/55.641438

64. Lateral silicon field-emission devices using electron beam lithography / S. Han, S. Yang, T. Hwang et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 39. No. 5R. P. 2556-2559. https://doi.org/10.1143/JJAP.39.2556

65. Han J.-W., Jae Sub Oh, Meyyappan M. Vacuum nanoelectronics: Back to the future? - Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. Iss. 21. Art. No. 213505. https://doi.org/10.1063/L4717751

66. Han J.-W., Moon D.-I., Meyyappan M. Nanoscale vacuum channel transistor // Nano Lett. 2017. Vol. 17. Iss. 4. P. 2146-2151. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04363

67. CRC handbook of chemistry and physics: A ready-reference book of chemical and physical data, 2016-2017 / eds W. M. Haynes, D. R. Lide, T. J. Bruno. 97th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2016. 2652 p.

68. Wort C. J. H., Balmer R. S. Diamond as an electronic material // Materials Today. 2008. Vol. 11. Iss. 1-2. P. 22-28. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70349-8

69. SiC materials and devices / eds M. Shur, S. L. Rumyantsev, M. E. Levinshtein. New Jersey; London; Singapore: World Scientific, 2006. Vol. 1. 1033 p.

70. Nanoscale vacuum channel transistors fabricated on silicon carbide wafers / J.-W. Han, M.-L. Seol, D.-I. Moon et al. // Nat. Electron. 2019. Vol. 2. Iss. 9. P. 405-411. https://doi.org/10.1038/s41928-019-0289-z

71. Kondratyev A. M., Rakhel A. D. Melting line of graphite // Phys. Rev. Lett. 2019. Vol. 122. Iss. 17. Art. ID: 175702. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.175702

72. Subramanian K., Kang W. P., Davidson J. L. A monolithic nanodiamond lateral field emission vacuum transistor // IEEE Electron Device Letters. 2008. Vol. 29. No. 11. P. 1259-1261. https://doi.org/10.1109/ LED.2008.2005516

73. A review of recent results on diamond vacuum lateral field emission device operation in radiation environments / K. Subramanian, W. P. Kang, J. L. Davidson et al. // Microelectronic Engineering. 2011. Vol. 88. Iss. 9. P. 2924-2929. https://doi.org/10.1016/j.mee.2011.03.161

74. Ghosh N., Kang W. P., Davidson J. L. Nanodiamond lateral field emission vacuum logic OR gate // Electronics Letters. 2011. Vol. 47. Iss. 16. P. 926-927. https://doi.org/10.1049/el.2011.1586

75. Ghosh N., Kang W. P., Davidson J. L. Fabrication and implementation of nanodiamond lateral field emission diode for logic OR function // Diamond and Related Materials. 2012. Vol. 23. P. 120-124. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2012.01.030

76. Performance characteristics of nanocrystalline diamond vacuum field emission transistor array / S. H. Hsu, W. P. Kang, J. L. Davidson et al. // Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 111. Iss. 11. Art. No. 114502. https://doi.org/10.1063/L4723833

77. Hsu S. H., Kang W. P., Raina S., Huang J. H. Nanodiamond vacuum field emission device with gate modulated triode characteristics // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. Iss. 20. Art. No. 203105. https://doi.org/ 10.1063/1.4807128

78. Nanodiamond vacuum field emission microtriode / S.-H. Hsu, W. P. Kang, S. Raina et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2017. Vol. 35. Iss. 3. Art. No. 032201. https://doi.org/10.1116/L4981018

79. Nabi G. Morphology role in 3D flower like GaN nanostructures as excellent field emitters // Materials Today Communications. 2020. Vol. 25. Art. ID: 101287. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101287

80. Self-align-gated GaN field emitter arrays sharpened by a digital etching process / P.-C. Shih, G. Rughoobur, K. Cheng et al. // IEEE Electron Device Letters. 2021. Vol. 42. No. 3. P. 422-425. https://doi.org/10.1109/LED.2021.3052715

81. Han J.-W., Jae Sub Oh, Meyyappan M. Cofabrication of vacuum field emission transistor (VFET) and MOSFET // IEEE Transactions on Nanotechnology. 2014. Vol. 13. No. 3. P. 464-468. https://doi.org/10.1109/ TNANO.2014.2310774

82. Itoh J., Hirano T., Kanemaru S. Ultrastable emission from a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor-structured Si emitter tip // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69. Iss. 11. P. 1577-1578. https://doi.org/ 10.1063/1.117035

83. Yang W., She J., Deng S., Xu N. Field emission from a MOSFET-controlled ZnO-nanowire cold cathode // IEEE Transactions on Electron Devices. 2012. Vol. 59. No. 12. P. 3641-3646. https://doi.org/ 10.1109/TED.2012.2220548

84. Gated Si-tip with on-tip integrated gate-all-around field effect transistor for actively controlled field electron emission / M. Zeng, Yi. Huang, Yu. Huang et al. // IEEE Electron Device Letters. 2022. Vol. 43. No. 3. P. 466-469. https://doi.org/10.1109/LED.2022.3148397

85. Татаренко Н. И., Кравченко В. Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М.: Физматлит, 2006. 192 с.

86. Дюжев Н. А., Махиборода М. А., Федирко В. Л. Исследование различных режимов автоэлектронной эмиссии кремниевого кантилевера // Вакуумная наука и техника: материалы XIV науч.-техн. конф. (Сочи, 08-15 окт. 2007 г.). Сочи: МИЭМ, 2007. С. 248-251.

87. Patent 3500102 US. Thin electron tube with electron emitters at intersections of crossed conductors / M. E. Crost, K. Shoulders, M. H. Zinn; filed: 15.05.1967; publ.: 10.03.1970.

88. Meyer R. Microtips fluorescent display // Tech. Digest of Japan Display'86. 1986. P. 513-515.

89. Busta H. H. Field emission flat panel displays // Vacuum Microelectronics / ed. W. Zhu. Chichester: Wiley, 2001. P. 289-347. https://doi.org/10.1002/0471224332.ch7

90. Terranova M. L., Orlanducci S., Rossi M., Tamburri E. Nanodiamonds for field emission: State of the art // Nanoscale. 2015. Vol. 7. Iss. 12. P. 5094-5114. https://doi.org/10.1039/C4NR07171A

91. Basu A., Swanwick M. E., Fomani A. A., Velâsquez-Garcia L. F. A portable X-ray source with a nanostructured Pt-coated silicon field emission cathode for absorption imaging of low-Z materials // J. Phys. D: Appl. Phys. 2015. Vol. 48. No. 22. Art. No. 225501. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/22/225501

92. MEMS ion source for ion mobility spectrometry / T. Grzebyk, P. Szyszka, M. Krysztof et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2019. Vol. 37. Iss. 2. Art. ID: 022201. https://doi.org/10.1116/L5068750

93. Prototype of cathodoluminescent lamp for general lighting using carbon fiber field emission cathode / E. P. Sheshin, A. Yu. Kolodyazhnyj, N. N. Chadaev et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2019. Vol. 37. Iss. 3. Art. ID: 031213. https://doi.org/10.1116/L5070108

94. A cylindrical triode ultrahigh vacuum ionization gauge with a carbon nanotube cathode / J. Zhang, J. Wei, D. Li et al. // Nanomaterials. 2021. Vol. 11. Iss. 7. Art. No. 1636. https://doi.org/10.3390/nano11071636

95. Position and attitude tolerances of carbon nanotube field emission cathode as a neutralizer in an ion engine system / J. Kinoshita, R. Ikeda, M. Adachi et al. // Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci. 2021. Vol. 64. No. 5. P. 288-291. https://doi.org/10.2322/tjsass.64.288

96. Far UVC light for E. coli disinfection generated by carbon nanotube cold cathode and sapphire anode / S. T. Yoo, J. Y. Lee, A. Rodiansyah et al. // Current Applied Physics. 2021. Vol. 28. P. 93-97. https://doi.org/ 10.1016/j.cap.2021.05.007

97. Nanoscale vacuum channel Hall sensors / L. Fan, J. Bi, B. Zhao et al. // IEEE Sensors Journal. 2022. Vol. 22. No. 4. P. 23806-23811. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3218466

98. Harafuji K., Tsuchiya T., Kawamura K. Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 96. Iss. 5. P. 2501-2512. https://doi.org/ 10.1063/1.1772878

99. Сечи Ф., Буджатти М. Мощные твердотельные СВЧ-усилители / пер. с англ. В. О. Султанова. М.: Техносфера, 2016. 412 с.

Обзор поступил в редакцию 07.02.2023 г.; одобрен после рецензирования 09.06.2023 г.;

принят к публикации 08.08.2023 г.

Информация об авторах

Дюжев Николай Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент, директор Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1), dyuzhev@ckp-miet.ru

Евсиков Илья Дмитриевич - инженер Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база», аспирант Института интегральной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина,1), evsikov.ilija@yandex.ru

References

1. Fowler R. H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields. Proc. R. Soc. Lond. A, 1928, vol. 119, iss. 781, pp. 173-181. https://doi.org/10.1098/rspa.1928.0091

2. Nordheim L. Zur Elektronentheorie der Metalle. I. Ann. Phys., 1931, vol. 401, iss. 5, pp. 607-640. https://doi.org/10.1002/andp.19314010507

3. Forbes R. G. Comments on the continuing widespread and unnecessary use of a defective emission equation in field emission related literature. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 126, iss. 21, art. no. 210901. https://doi.org/10.1063/1.5117289

4. Márquez-Mijares M., Lepetit B. A three dimensional numerical quantum mechanical model of field electron emission from metallic surfaces covered with carbon adsorbates. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 126, iss. 6, art. no. 065107. https://doi.org/10.1063/L5094238

5. Forbes R. G. Renewing the mainstream theory of field and thermal electron emission. Modern Developments in Vacuum Electron Sources, eds G. Gaertner, W. Knapp, R. G. Forbes. Cham, Springer, 2020, pp. 387447 https://doi.org/10.1007/978-3-030-47291-7_9

6. Forbes R. G. 21st century planar field emission theory and its role in vacuum breakdown science. 2020 29th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV). Padova, IEEE, 2021, pp. 3-10. https://doi.org/10.1109/ISDEIV46977.2021.9587119

7. Jensen K. L. A tutorial on electron sources. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, vol. 46, no. 6, pp. 1881-1899. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2782485

8. Jensen K. L. A reformulated general thermal-field emission equation. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 126. iss. 6. art. no. 065302. https://doi.org/10.1063/L5109676

9. Lepetit B. Electronic field emission models beyond the Fowler - Nordheim one. Journal of Applied Physics, 2017, vol. 122, iss. 21, art. no. 215105. https://doi.org/10.1063/L5009064

10. Lepetit B. A quantum mechanical model of electron field emission from two dimensional materials. Application to graphene. Journal of Applied Physics, 2021, vol. 129, iss. 14, art. no. 144302. https://doi.org/ 10.1063/5.0047771

11. Kyritsakis A., Djurabekova F. A general computational method for electron emission and thermal effects in field emitting nanotips. Computational Materials Science, 2017, vol. 128, pp. 15-21. https://doi.org/ 10.1016/j.commatsci.2016.11.010

12. Kyritsakis A., Veske M., Djurabekova F. General scaling laws of space charge effects in field emission. New J. Phys., 2021, vol. 23, no. 6, art. no. 063003. https://doi.org/10.1088/1367-2630/abffa8

13. Egorov N. V., Sheshin E. P. Field emission: Principles and devices. Dolgoprudnyi, Intellekt Publ., 2011. 703 p. (In Russian).

14. Fursey G. N. Field emission. St. Petersburg, Lan' Publ., 2012. 319 p. (In Russian).

15. Buck D. A., Shoulders K. R. An approach to microminiature printed systems. Papers and Discussions Presented at the Dec. 3-5, 1958, Eastern Joint Computer Conference: Modern Computers: Objectives, Designs, Applications (AIEE-ACM-IRE '58 (Eastern)). New York, ACM Press, 1958, pp. 55-59. https://doi.org/10.1145/ 1458043.1458057

16. Shoulders K. R. Microelectronics using electron-beam-activated machining techniques. Advances in Computers, 1961, vol. 2, pp. 135-293. https://doi.org/10.1016/S0065-2458(08)60142-4

17. Spindt C. A., Shoulders K. R. Research in micron-size field-emission tubes. IEEE 1966 8th Conference on Tube Techniques. New York, IEEE, 1966, p. 143.

18. Spindt C. A. A thin-film field-emission cathode. Journal of Applied Physics, 1968, vol. 39, iss. 7, pp. 3504-3505. https://doi.org/10.1063/1.1656810

19. Spindt C. A., Brodie I., Humphrey L., Westerberg E. R. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones. Journal of Applied Physics, 1976, vol. 47, iss. 12, pp. 5248-5263. https://doi.org/10.1063/1.322600

20. Elinson M. I., Vasil'ev G. F. A way to reduce ion bombardment of metal peaks emitting electrons. Copyright certificate 107388 USSR, publ. 10.09.1957. (In Russian).

21. Djuzhev N. A., Ishkarin A. B. Device for field emission. Patent 2044363 RF, publ. 20.09.1995. (In Russian).

22. Jennings S. G. The mean free path in air. Journal of Aerosol Science, 1988, vol. 19, iss. 2, pp. 159-166. https://doi.org/10.1016/0021-8502(88)90219-4

23. Nirantar S., Ahmed T., Bhaskaran M., Han J., Walia S., Sriram S. Electron emission devices for energy-efficient systems. Adv. Intell. Syst., 2019, vol. 1, iss. 4, art. ID: 1900039. https://doi.org/10.1002/ aisy.201900039

24. Nottingham W. B. Remarks on energy losses attending thermionic emission of electrons from metals. Phys. Rev., 1941, vol. 59. iss. 11. p. 906. https://doi.org/10.1103/PhysRev.59.906.2

25. Mesyats G. A. Explosive electron emission. Moscow: Fizmatlit Publ., 2011. 280 p. (In Russian).

26. Huang Z., Huang Y., Pan Z., She J., Deng S., Chen J., Xu N. Self-modulated field electron emitter: Gated device of integrated Si tip-on-nano-channel. Appl. Phys. Lett., 2016, vol. 109, iss. 23, art. no. 233501. https://doi.org/10.1063/L4971336

27. Guerrera S. A., Akinwande A. I. Nanofabrication of arrays of silicon field emitters with vertical silicon nanowire current limiters and self-aligned gates. Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 29. art. no. 295302. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/29/295302

28. Kolosko A. G., Popov E. O., Filippov S. V. Analysis of the behavior of individual emission sites on the surface of a multi-tip field cathode. Tech. Phys. Lett., 2019, vol. 45, iss. 3, pp. 304-307. https://doi.org/10.1134/S1063785019030283

29. Toijala H., Eimre K., Kyritsakis A., Zadin V., Djurabekova F. Ab initio calculation of field emission from metal surfaces with atomic-scale defects. Phys. Rev. B, 2019, vol. 100, iss. 16, art. ID: 165421. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.165421

30. Fujita S., Shimoyama H. Mechanism of surface-tension reduction by electric-field application: Shape changes in single-crystal field emitters under thermal-field treatment. Phys. Rev. B, 2007, vol. 75, iss. 23, art. ID: 235431. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.235431

31. Honda Y., Nanba M., Miyakawa K., Kubota M., Nagao M., Neo Y., Mimura H., Egami N. Double-gated, Spindt-type field emitter with improved electron beam extraction. IEEE Transactions on Electron Devices, 2016, vol. 63, no. 5, pp. 2182-2189. https://doi.org/10.1109/TED.2016.2545710

32. Nagao M., Gotoh Y., Neo Y., Mimura H. Beam profile measurement of volcano-structured double-gate Spindt-type field emitter arrays. J. Vac. Sci. Technol. B, 2016, vol. 34, iss. 2, art. ID: 02G108. https://doi.org/ 10.1116/1.4944453

33. Deka N., Subramanian V. On-chip fully integrated field emission arrays for high-voltage MEMS applications. IEEE Transactions on Electron Devices, 2020, vol. 67, no. 9, pp. 3753-3760. https://doi.org/ 10.1109/TED.2020.3006167

34. Chang W.-T., Chuang T.-Y., Su Ch.-W. Metal-based asymmetric field emission diodes operated in the air. Microelectronic Engineering, 2020, vol. 232, art. no. 111418. https://doi.org/10.1016/j.mee.2020.111418

35. Chang W.-T., Cheng M.-Ch., Chuang T.-Y., Tsai M.-Y. Field emission air-channel devices as a voltage adder. Nanomaterials, 2020, vol. 10, iss. 12, art. no. 2378. https://doi.org/10.3390/nano10122378

36. Nirantar S., Ahmed T., Ren G., Gutruf Ph., Xu Ch., Bhaskaran M., Walia S., Sriram Sh. Metal-air transistors: Semiconductor-free field-emission air-channel nanoelectronics. Nano Lett., 2018, vol. 18, no. 12, pp. 7478-7484. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02849

37. De Rose L. B., Scherer A., Jones W. M. Suspended nanoscale field emitter devices for high-temperature operation. IEEE Transactions on Electron Devices, 2020, vol. 67, no. 11, pp. 5125-5131. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3019765

38. Xu J., Hu H., Yang W., Li C., Shi Yu., Shi Yon., Wang Q., Zhang X. Nanoscale vacuum channel transistor with in-plane collection structure. Nanotechnology, 2020, vol. 31, no. 6, art. no. 065202. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab51cb

39. Xu J., Lin C., Shi Y., Li Y., Zhao X., Zhang X., Zhang J. Optimization of a field emission electron source based on nano-vacuum channel structures. Micromachines, 2022, vol. 13, iss. 8, art. no. 1274. https://doi.org/10.3390/mi13081274

40. Srisonphan S. Field effect-controlled space-charge limited emission triode with nanogap channels. IEEE Electron Device Letters, 2021, vol. 42, no. 10, pp. 1540-1543. https://doi.org/10.1109/LED.2021.3103557

41. Giubileo F., Di Bartolomeo A., Iemmo L., Luongo G., Urban F. Field emission from carbon nanostruc-tures. Applied Sciences, 2018, vol. 8, iss. 4, art. no. 526. https://doi.org/10.3390/app8040526

42. Youh M.-J., Lin C.-S., Pu N.-W., Liu Y.-M., Youh R.-Y., Li H.-Q., Tang P.-Y., Lin M.-H., Ger M.-D. Comparison of field emission performances and durability of three nanocarbon materials. Vacuum, 2020, vol. 177, art. ID: 109382. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109382

43. Lwin Z. Y., Sheshin E. P., Kyaw N. C., Myo M. M., Win L. N. Carbon materials for field emission instruments based on them. Trudy MFTI = Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, 2018, vol. 10, no. 2 (38), pp. 30-46. (In Russian). EDN: XTWBOH.

44. Shesterkin V. I. Operating emission characteristics of various types of field-emission cathodes. J. Commun. Technol. Electron., 2020, vol. 65, pp. 1-26. https://doi.org/10.1134/S1064226920010040

45. Dwivedi N., Dhand Ch., Carey J. D., Anderson E. C., Kumar R., Srivastava A. K., Malik H. K., Saifullah M. S. M. et al. The rise of carbon materials for field emission. J. Mater. Chem. C, 2021, vol. 9, iss. 8, pp. 2620-2659. https://doi.org/10.1039/D0TC05873D

46. Eletskii A. V. Carbon nanotube-based electron field emitters. Phys.-Usp., 2010, vol. 53, no. 9, pp. 863-892. https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201009a.0897

47. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, vol. 306, iss. 5696, pp. 666-669. https://doi.org/10.1126/science. 1102896

48. Egorov N. V., Sheshin E. P. The current state of the field emission electronics. Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya = Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2017, no. 3, pp. 5-15. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0207352817030088.

EDN: YIVPRJ.

49. Xiao Z., She J., Deng S., Tang Z., Li Z., Lu J., Xu N. Field electron emission characteristics and physical mechanism of individual single-layer graphene. ACS Nano, 2010, vol. 4, iss. 11, pp. 6332-6336. https://doi.org/10.1021/nn101719r

50. Shao X., Srinivasan A., Ang W. K., Khursheed A. A high-brightness large-diameter graphene coated point cathode field emission electron source. Nat. Commun., 2018, vol. 9, art. no. 1288. https://doi.org/ 10.1038/s41467-018-03721-y

51. Sato T., Yamamoto S., Nagao M., Matsukawa T., Kanemaru S., Itoh J. Fabrication and characterization of HfC coated Si field emitter arrays. J. Vac. Sci. Technol. B, 2003, vol. 21, iss. 4, pp. 1589-1593. https://doi.org/10.1116/L1569933

52. Patra R., Ghosh S., Sheremet E., Menaka Jha, Rodriguez R. D., Lehmann D., Ganguli A. K., Schmidt H. et al. Enhanced field emission from lanthanum hexaboride coated multiwalled carbon nanotubes: Correlation with physical properties. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, iss. 16, art. no. 164309. https://doi.org/10.1063/L4898352

53. Obraztsov A. N., Pavlovsky I. Yu., Volkov A. P., Rakova E. V., Nagovitsyn S. P. Electron field emission from chemical vapor deposited diamond films. J. Electrochem. Soc., 1998, vol. 145, no. 7, pp. 2572-2576. https://doi.org/10.1149/1.1838682

54. Doering R., Nishi Y., eds. Handbook of semiconductor manufacturing technology. 2nd ed. Boca Raton, FL, CRC Press, 2008. 1722 p.

55. Tsong T. T. Field penetration and band bending near semiconductor surfaces in high electric fields. Surface Science, 1979, vol. 81, iss. 1, pp. 28-42. https://doi.org/10.1016/0039-6028(79)90503-X

56. Thomas R. N., Wickstrom R. A., Schroder D. K., Nathanson H. C. Fabrication and some applications of large-area silicon field emission arrays. Solid-State Electronics, 1974, vol. 17, iss. 2, pp. 155-163. https://doi.org/10.1016/0038-1101(74)90063-X

57. Makhov V. I., Dyuzhev N. A., Pinaev I. V. Effect of dielectric coating of tunnel thickness on emission characteristics of field-emission cathode. XIX Vsesoyuznaya konferentsiya po emissionnoy elektronike (Tashkent, sent. 1984 g.): sektsii 3, 4, 5. Tashkent, Fan Publ., 1984, p. 45. (In Russian).

58. Dyuzhev N. A., Makhiboroda M. A., Skvortsov V. E. Cathode-ray high-resolution micro display based on silicon field emission nanocathode. Rusnanotech '08: Mezhdunarodnyy forum po nanotekhnologiyam: sbornik tez. dokl. nauch.-tekhn. sektsiy (Moskva, 03-05 dek. 2008 g.). Moscow: Rossiyskaya korporatsiya nanotekhnologiy Publ., 2008. Vol. 2. 536 p. (In Russian).

59. Djuzhev N. A., Demin G. D., Filippov N. A., Evsikov I. D., Glagolev P. Yu., Makhiboroda M. A., Chkhalo N. I., Salashchenko N. N. et al. Development of technological principles for creating a system of microfocus X-ray tubes based on silicon field emission nanocathodes. Tech. Phys., 2019, vol. 64, pp. 17421748. https://doi.org/10.1134/S1063784219120053

60. Bohling C., Sigmund W. Self-limitation of native oxides explained. Silicon, 2016, vol. 8, iss. 3, pp. 339-343. https://doi.org/10.1007/s12633-015-9366-8

61. Wu C.-C., Ou K.-L., Tseng C.-L. Fabrication and characterization of well-aligned and ultra-sharp silicon nanotip array. Nanoscale Res. Lett., 2012, vol. 7, iss. 1, art. no. 120. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-120

62. Makhov V. I. Ballistic field-emission devices. Proceedings of the 2nd INT Conference on Vacuum Microelectronics, Bath, England. Bristol, Taylor & Francis, 1989, pp. 235-238. IOP Conf. Series, no. 99.

63. Park C.-M., Lim M.-S., Han M.-K. A novel in situ vacuum encapsulated lateral field emitter triode. IEEE Electron Device Letters, 1997, vol. 18, no. 11, pp. 538-540. https://doi.org/10.1109/55.641438

64. Han S., Yang S., Hwang T., Lee J., Jong Duk Lee, Shin H. Lateral silicon field-emission devices using electron beam lithography. Jpn. J. Appl. Phys., 2000, vol. 39, no. 5R, pp. 2556-2559. https://doi.org/10.1143/ JJAP.39.2556

65. Han J.-W., Jae Sub Oh, Meyyappan M. Vacuum nanoelectronics: Back to the future? - Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor. Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 100, iss. 21, art. no. 213505. https://doi.org/ 10.1063/1.4717751

66. Han J.-W., Moon D.-I., Meyyappan M. Nanoscale vacuum channel transistor. Nano Lett., 2017, vol. 17, iss. 4, pp. 2146-2151. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04363

67. Haynes W. M., Lide D. R., Bruno T. J., eds. CRC handbook of chemistry and physics: A ready-reference book of chemical and physical data, 2016-2017. 97th ed. Boca Raton, FL, CRC Press, 2016. 2652 p.

68. Wort C. J. H., Balmer R. S. Diamond as an electronic material. Materials Today, 2008, vol. 11, iss. 1-2, pp. 22-28. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70349-8

69. Shur M., Rumyantsev S. L., Levinshtein M. E., eds. SiC materials and devices. New Jersey, London, Singapore, World Scientific, 2006. Vol. 1. 1033 p.

70. Han J.-W., Seol M.-L., Moon D.-I., Hunter G., Meyyappan M. Nanoscale vacuum channel transistors fabricated on silicon carbide wafers. Nat. Electron., 2019, vol. 2, iss. 9, pp. 405-411. https://doi.org/10.1038/ s41928-019-0289-z

71. Kondratyev A. M., Rakhel A. D. Melting line of graphite. Phys. Rev. Lett., 2019, vol. 122, iss. 17, art. ID: 175702. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.175702

72. Subramanian K., Kang W. P., Davidson J. L. A monolithic nanodiamond lateral field emission vacuum transistor. IEEE Electron Device Letters, 2008, vol. 29, no. 11, pp. 1259-1261. https://doi.org/10.1109/ LED.2008.2005516

73. Subramanian K., Kang W. P., Davidson J. L., Ghosh N., Galloway K. F. A review of recent results on diamond vacuum lateral field emission device operation in radiation environments. Microelectronic Engineering, 2011, vol. 88, iss. 9, pp. 2924-2929. https://doi.org/10.1016/j.mee.2011.03.161

74. Ghosh N., Kang W. P., Davidson J. L. Nanodiamond lateral field emission vacuum logic OR gate. Electronics Letters, 2011, vol. 47, iss. 16, pp. 926-927. https://doi.org/10.1049/el.2011.1586

75. Ghosh N., Kang W. P., Davidson J. L. Fabrication and implementation of nanodiamond lateral field emission diode for logic OR function. Diamond and Related Materials, 2012, vol. 23, pp. 120-124. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2012.01.030

76. Hsu S. H., Kang W. P., Davidson J. L., Huang J. H., Kerns D. V. Performance characteristics of nano-crystalline diamond vacuum field emission transistor array. Journal of Applied Physics, 2012, vol. 111, iss. 11, art. no. 114502. https://doi.org/10.1063/L4723833

77. Hsu S. H., Kang W. P., Raina S., Huang J. H. Nanodiamond vacuum field emission device with gate modulated triode characteristics. Appl. Phys. Lett., 2013, vol. 102, iss. 20, art. no. 203105. https://doi.org/ 10.1063/1.4807128

78. Hsu S. H., Kang W. P., Raina S., Howell M., Huang J. H. Nanodiamond vacuum field emission microtriode. J. Vac. Sci. Technol. B, 2017, vol. 35, iss. 3, art. no. 032201. https://doi.org/10.1116/1.4981018

79. Nabi G. Morphology role in 3D flower like GaN nanostructures as excellent field emitters. Materials Today Communications, 2020, vol. 25, art. ID: 101287. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101287

80. Shih P.-C., Rughoobur G., Cheng K., Akinwande A. I., Palacios T. Self-align-gated GaN field emitter arrays sharpened by a digital etching process. IEEE Electron Device Letters, 2021, vol. 42, no. 3, pp. 422-425. https://doi.org/10.1109/LED.2021.3052715

81. Han J.-W., Jae Sub Oh, Meyyappan M. Cofabrication of vacuum field emission transistor (VFET) and MOSFET. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2014, vol. 13, no. 3, pp. 464-468. https://doi.org/10.1109/ TNANO.2014.23 10774

82. Itoh J., Hirano T., Kanemaru S. Ultrastable emission from a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor-structured Si emitter tip. Appl. Phys. Lett., 1996, vol. 69, iss. 11, pp. 1577-1578. https://doi.org/10.1063/1.117035

83. Yang W., She J., Deng S., Xu N. Field emission from a MOSFET-controlled ZnO-nanowire cold cathode. IEEE Transactions on Electron Devices, 2012, vol. 59, no. 12, pp. 3641-3646. https://doi.org/10.1109/ TED.2012.2220548

84. Zeng M., Huang Yi., Huang Yu., Chen J., She J., Deng S. Gated Si-tip with on-tip integrated gate-all-around field effect transistor for actively controlled field electron emission. IEEE Electron Device Letters, 2022, vol. 43, no. 3, pp. 466-469. https://doi.org/10.1109/LED.2022.3148397

85. Tatarenko N. I., Kravchenko V. F. Field-emission nanostructures and devices based on them. Moscow, Fizmatlit Publ., 2006. 192 p. (In Russian).

86. Dyuzhev N. A., Makhiboroda M. A., Fedirko V. L. Study of various modes of silicon cantilever's field emission. Vakuumnaya nauka i tekhnika: materialy nauch.-tekhn. konf. (Sochi, 08-15 okt. 2007 g.). Sochi, MIEM Publ., 2007, pp. 248-251. (In Russian).

87. Crost M. E., Shoulders K., Zinn M. H. Thin electron tube with electron emitters at intersections of crossed conductors. Patent US3500102 United States, filed: 15.05.1967, publ.: 10.03.1970.

88. Meyer R. Microtips fluorescent display. Tech. Digest of Japan Display'86, 1986, pp. 513-515.

89. Busta H. H. Field emission flat panel displays. Vacuum Microelectronics, ed. W. Zhu. Chichester, Wiley, 2001, pp. 289-347. https://doi.org/10.1002/0471224332.ch7

90. Terranova M. L., Orlanducci S., Rossi M., Tamburri E. Nanodiamonds for field emission: State of the art. Nanoscale, 2015, vol. 7, iss. 12, pp. 5094-5114. https://doi.org/10.1039/C4NR07171A

91. Basu A., Swanwick M. E., Fomani A. A., Velasquez-Garcia L. F. A portable X-ray source with a nanostructured Pt-coated silicon field emission cathode for absorption imaging of low-Z materials. J. Phys. D: Appl. Phys., 2015, vol. 48, no. 22, art. no. 225501. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/22/225501

92. Grzebyk T., Szyszka P., Krysztof M., Gorecka-Drzazga A., Dziuban J. MEMS ion source for ion mobility spectrometry. J. Vac. Sci. Technol. B, 2019, vol. 37, iss. 2, art. ID: 022201. https://doi.org/10.1116/ 1.5068750

93. Sheshin E. P., Kolodyazhnyj A. Yu., Chadaev N. N., Getman A. O., Danilkin M. I., Ozol D. I. Prototype of cathodoluminescent lamp for general lighting using carbon fiber field emission cathode. J. Vac. Sci. Technol. B, 2019, vol. 37, iss. 3, art. ID: 031213. https://doi.org/10.1116/L5070108

94. Zhang J., Wei J., Li D., Zhang H., Wang Y., Zhang X. A cylindrical triode ultrahigh vacuum ionization gauge with a carbon nanotube cathode. Nanomaterials, 2021, vol. 11, iss. 7, art. no. 1636. https://doi.org/ 10.3390/nano11071636

95. Kinoshita J., Ikeda R., Adachi M., Shiraki R., Morita T., Yamamoto N., Nakano M., Ohkawa Y., Fu-naki I. Position and attitude tolerances of carbon nanotube field emission cathode as a neutralizer in an ion engine system. Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., 2021, vol. 64, no. 5, pp. 288-291. https://doi.org/10.2322/ tjsass.64.288

96. Yoo S. T., Lee J. Y., Rodiansyah A., Yune T. Y., Park K. Ch. Far UVC light for E. coli disinfection generated by carbon nanotube cold cathode and sapphire anode. Current Applied Physics, 2021, vol. 28, pp. 93-97. https://doi.org/10.1016Zj.cap.2021.05.007

97. Fan L., Bi J., Zhao B., Yan G., Ma Y., Zhao F. Nanoscale vacuum channel Hall sensors. IEEE Sensors Journal, 2022, vol. 22, no. 24, pp. 23806-23811. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3218466

98. Harafuji K., Tsuchiya T., Kawamura K. Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal. Journal of Applied Physics, 2004, vol. 96, iss. 5, pp. 2501-2512. https://doi.org/ 10.1063/1.1772878

99. Sechi F., Bujatti M. Solid-state microwave high-power amplifiers. Norwood, MA, Artech House, 2009. 315 p.

The review was submitted 07.02.2023; approved after reviewing 09.06.2023;

accepted for publication 08.08.2023.

Information about the authors

Nikolay A. Djuzhev - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof., Director, Center for Collective Use "Microsystem Technology and Electronic Component Base", National Research University of Electronic Technology (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), dyuzhev@ckp-miet.ru

Ilya D. Evsikov - Engineer of the Center for Collective Use "Microsystem Technology and Electronic Component Base", PhD student of the Institute of Integrated Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), evsikov.ilija@yandex.ru