СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА И ДЕГРАДАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ НА КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИНАХ
METHOD FOR INCREASING CURRENT DENSITY AND DEGRADATION RESISTANCE OF AUTO-EMISSION CODES ON SILICON PLATES

Область техники
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии из композитных наноалмазографитовых структур.
Уровень техники
Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в которых матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [1].
При изготовлении матрицы все нити ткани ориентируют под острым углом к направлению эмиссии электронов, а рабочую поверхность, которая является эмиттером электронов и состоит из множества нитей, образующих волокна, полируют.
Однако при эксплуатации таких автокатодов в техническом вакууме происходит разрушение связующего вещества под действием ионной бомбардировки. Это приводит к расслоению материала и существенно ограничивает плотности автоэмиссионных токов и срок службы катода.
6
-2
Известны также регулярные многоострийные матрицы автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, изготовленные термохимическим способом [2]. Плотность упаковки таких матричных стеклоуглеродных эмиттерных структур достигает 10 см. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заострялись в кислородной плазме. После заострения их радиус составлял 0,3-0,5 мкм.
Однако стеклоуглеродные матрицы многоострийных катодов не обеспечивают высокой плотности упаковки эмиттирующих центров. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения ионной бомбардировкой и, как следствие, к деградации многоострийных катодов. Кроме того, многоэтапность и сложность технологии ограничивает ее применение и конкурентоспособность.
8
-2
Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [3]. Поверхностная плотность случайно ориентированных одностенных нанотрубок составляла 10 см. Коэффициент увеличения электрического поля на вершине трубки изменяется в диапазоне от 2500 до 10000 при среднем значении 3600, что примерно втрое выше соответствующего значения для многослойных нанотрубок.
Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это, по-видимому, связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов.
9
-2
Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные автоэмиссионные катоды на монокристаллическом кремнии [4]. В таких автокатодах для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения рабочих напряжений при получении повышенных значений токов автоэмиссии осуществляется формирование на кристаллическом кремнии эмиссионных центров в виде наноалмазографитовых островков на интегральных столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и с поверхностной плотностью до (5-14)10 см.
Недостатком многоострийных автоэмиссионных катодов на монокристаллическом кремнии является недостаточно высокие стабильность и плотности автоэмиссионных токов.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионных катодов, которая при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства кремниевых интегральных схем, обеспечивала бы высокие плотность и стабильность автоэмиссионного токоотбора при более продолжительном ресурсе работы.
9
-2
Поставленная цель достигается тем, что многоострийную катодную матрицу в виде островковых автоэмиссионных углеродных покрытий на кремниевых столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14)10 см изготавливают на подложке монокристаллического кремния дырочного типа проводимости. Повышение плотностей и стабильности автоэмиссионных токов в такой катодной матрице достигается при увеличении сопротивления поперечному транспорту носителей заряда через эмиссионный слой.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - структура автоэмиссионного элемента:
1 - анод;
2 - автоэмиссионное углеродное покрытие;
3 - полупроводник p-типа.
Фиг. 2 - график зависимости плотности автоэмиссионного тока от проводимости поверхностного слоя при напряженности поля 20 В/мкм.
Осуществление изобретения
При автоэлектронной эмиссии из планарной структуры, изготовленной на пластине кремния дырочного типа проводимости, реализуется «обратное включение» диодной структуры на границе полупроводник-алмазографитовый слой, при котором ток неосновных носителей (электронов) проходит поперек структуры к положительному аноду (1) (Фиг. 1).
s
s
a
s
a
c
а
c
a
c
c
s
s
Как известно [5], при обратном включении приконтактный слой полупроводника обедняется основными носителями, и поперечный ток через структуру полупроводник (3) - металл (проводящий эмиссионный слой (3)) стремится к величине тока насыщения, который зависит от величины потенциала ϕ на его поверхности. Потенциал ϕ на поверхности полупроводника определяется разностью потенциалов на аноде (V) и падением потенциала в эмиссионном слое (ϕ=V-V). При флуктуации тока автоэмиссии I изменяется величина падения потенциала в эмиссионном слое, так как V=I⋅R, где R - поперечное сопротивление эмиссионного слоя. Результатом этого является изменение величины ϕ и тока, проходящего через полупроводник. При обратном включении зависимость тока насыщения от потенциала ϕ является очень слабой, а сопротивление очень большим. Это не позволяет флуктуациям тока переводить процесс эмиссии в режим аномального разряда и, тем самым, способствует повышению стабильности автоэмиссионного тока и долговечности автокатода за счет устранения явлений, связанных с «выгоранием» эмиссионных центров автокатода в результате токовых флуктуаций.
к
При увеличении поперечного сопротивления планарной эмиссионной структуры, изготовленной на полупроводнике p-типа, увеличивается в ней падение потенциала и, таким образом, уменьшается величина положительного потенциала ϕ на поверхности полупроводника. За счет уменьшения толщины и сопротивления запирающего слоя в полупроводнике это способствует повышению автоэмиссионного тока из планарной структуры, изготовленной на подложке кремния р-типа (Фиг. 2).
-4
-5
2
Автоэмиссионные катоды были изготовлены в виде островковых покрытий композиционной наноалмазографитовой пленки, сформированной на поверхности монокристаллических кремниевых пластин p-типа в плазме микроволнового газового разряда паров этанола в диапазоне давлений от 0,05 до 0,08 Па и температуре подложки от 200 до 350°С. Изготовленные углеродные многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы с различными поверхностной плотностью и аспектным отношением столбчатых эмиссионных центров при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, а также высокие плотности тока. Так, при уменьшении электропроводности эмиссионного слоя от 1,35⋅10 См до 2⋅10 См за счет увеличения толщины углеродного слоя с 1,0 нм до 10 нм и более плотности эмиссионных токов с катодных матриц на подложках кремния p-типа при напряженности поля 20 В/мкм увеличивались от 3 до 19 мА/см (Фиг. 2).
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978.
2. Патент RU 1738013, МКИ Н01J 1/30, 1993.
3. Bonard J. - М., Salvetat J. - P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998, 73, p. 918.
4. Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2011.
5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: 1977, с. 672.