Автоэмиссионный эмиттер с нанокристаллической алмазной пленкой
FIELD EMISSION EMITTER WITH NANOCRYSTALLINE DIAMOND FILM

Изобретение относится к приборам вакуумной микроэлектроники, в частности к полевым эмиссионным элементам, используемым в качестве автоэмиссионных катодов, к вакуумным триодам, диодам и устройствам на их основе, а также полевым эмиссионным дисплеям и вакуумным микроэлектронным переключателям токов.
Принцип работы эмиттера основан на явлении автоэлектронной эмиссии, то есть прохождении электронов через потенциальный барьер на границе твердое тело-вакуум под воздействием приложенного электрического поля. Вероятность такого эффекта определяется высотой потенциального барьера (работой выхода) и величиной приложенного электрического поля. Из теории известно, что плотность тока эмиссии автоэмиссионного катода (эмиттера) является экспоненциальной функцией от величины напряженности электрического поля на его поверхности. Поэтому для увеличения плотности эмиссионного тока, поверхность катода выполняется шероховатой. Тогда вблизи вершин микроострий реализуется локальное усиление напряженности электрического поля, что позволяет получить высокие плотности автоэмиссионного тока при сравнительно небольших значениях прикладываемого к электродам напряжения, что важно для практического применения таких устройств.
Известны различные конструкции автоэмиссионных устройств (диодов и триодов) вертикальной или пленарной конструкции на основе острийных «холодных» катодов, изготавливаемых из различных металлов или полупроводников. Автоэмиссионные устройства могут формироваться в виде вакуумного триода, состоящего из автоэмиссионного катода (эмиттера), электропроводящей сетки с управляющим напряжением и анода, разделенных изолирующими, диэлектрическими слоями, или в виде диода, состоящего из катода и анода, разделенных диэлектрическим слоем [Н.И. Татаренко, В.Ф. Кравченко. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М:.ФИЗМАТЛИТ, (2006), 192 с.].
В последнее время в качестве материала автоэмиссионных катодов все чаще используются углеродсодержащие, в частности, алмазные материалы, имеющие низкую, а иногда отрицательную, работу выхода электронов. Поэтому для получения больших плотностей автоэмиссионных токов и большей стабильности автоэлектронной эмиссии при продолжительном ресурсе службы, автоэмиссионный катод изготавливается из материала с достаточно высокой электронной проводимостью - нанокристаллических алмазных (НКА) пленок, характеризующимися различными структурными дефектами, формирующими системы дополнительных электронных уровней в запрещенной зоне алмаза. Эмиссионные свойства НКА пленок значительно улучшаются с увеличением их дефектности вплоть до формирования аморфного материала, существенным признаком которого остается алмазный тип гибридизации связей валентных электронов атома углерода.
Известны автоэмиссионные катоды на основе алмазных микроострий пирамидальной формы (патенты US 6132278 и US 7256535), изготовляемые широко применяемым двухстадийным методом. Первоначально на кремниевой пластине создается матрица из углублений в виде остроконечных перевернутых пирамид, а затем происходит их заращивание путем осаждения алмазной пленки из газовой фазы в плазме СВЧ газового разряда. В процессе осаждения алмаза содержание графитовой фазы в алмазе контролируется, что позволяет содержанием графита менять эмиссионные свойства. В дальнейшем происходит стравливание кремния и формирование на основе катодов в виде остроконечных алмазных пирамид диодных или триодных структур.
Известна конструкция автоэмиссионного катода (патент RU 2391738) на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ). Нанотрубки имеют относительно большую высоту по отношению к диаметру, что позволяет отнести их к острийным катодам. Создание анода и формирование катода (нанесение УНТ) в данном конкретном решении происходит в едином технологическом цикле без дополнительной операции совмещения анодов с катодной структурой. При таком технологическом маршруте закрываются все области с нанотрубками, уменьшается разброс расстояний между катодами и анодами, что повышает стабильность работы прибора и обеспечивает уменьшение разброса токовых характеристик отдельных полевых эмиссионных элементов с УНТ.
В то же время в патенте RU 2455724 отмечены существенные недостатки использования УНТ в качестве автоэмиссионных катодов, а именно нестабильность эмиссионных характеристик таких структур - при постоянном приложенном напряжении плотность тока эмиссии постепенно снижается. Это, по-видимому, связано с разрушением кончиков эмитирующих электроны нанотрубок под действием ионов остаточного газа. Этот недостаток приводит также к снижению продолжительности ресурса катодов. С целью исключения этих недостатков авторы патента RU 2455724 предлагают заменить автоэмиссионный катод на основе УНТ на катод на основе наноалмазного покрытия (покрытия из НКА пленки). В патенте предложена конструкция автоэмиссионных устройств (вакуумных диодов и триодов) с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий. Предложен интегральный автоэмиссионный элемент, включающий подложку, покрытую диэлектрическим слоем, катодную структуру, представляющую собой один или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности подложки, опорную структуру, расположенную на верхней поверхности катодной структуры и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются катоды на основе плоских наноалмазных покрытий. Техническим результатом изобретения является повышение деградационной стойкости, плотности тока и уменьшение рабочих напряжений. Однако, устраняя недостатки автоэмиссионных катодов на основе УНТ, авторы теряют также очевидное достоинство таких катодов, а именно, их острийный характер, то есть высокое аспектное соотношение между высотой катода и его острием (эмитирующей частью), так как, в связи с низкой плотностью эмитирующих центров, пленочный катод на основе плоских поликристаллических алмазных пленок не является высокоэффективным эмиттером.
-2
Наиболее близкое к предлагаемому техническому решению устройство приведено в патенте RU 2194328 (прототип). Технический результат данного патента - получение автоэмиссионного пленочного катода с высокими эмиссионными характеристиками, стойкого в высоких электрических полях, достигается тем, что в предлагаемом автоэмиссионном катоде, содержащем подложку с нанесенной на нее углеродной пленкой, углеродная пленка выполнена в виде нерегулярной структуры, состоящей из углеродных микро- и наноребер и/или микро- и нанонитей, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки, с характерным масштабом от 0,05 до 1 мкм, плотностью расположения 0,1÷100 мкм и покрытых сверху НКА пленкой толщиной доли микрометра. Нерегулярная структура из углеродной пленки с наноребрами и/или микро- и нанонитями играют роль острийных катодов, являющихся центрами автоэлектронной эмиссии, то есть аналогами УНТ. Покрытие углеродной пленки алмазной пленкой защищает углеродную пленку от разрушения, обуславливая большую стабильность эмиссии автоэмиссионного катода и его больший ресурс. При этом защитное покрытие из НКА пленки помимо ее прочности к разрушению в процессе эмиссии, обладает высокой эмиссионной способностью. Тем не менее данная конструкция, будучи аналогом катода на УНТ не лишена полностью недостатков, присущих автоэмиссионным катодам на основе УНТ. Различный масштаб острий (от 0,05 до 1 мкм) приводит к различным плотностям тока с этих острий, в результате чего более высокие острия быстрее разрушаются. Это обуславливает нестабильность эмиссионной характеристики - снижение плотности тока и невысокий ресурс автоэмиссионных катодов. Защита тонкой НКА пленкой улучшает эти характеристики по сравнению с катодами на основе УНТ, но не решает проблему полностью.
Техническим результатом предлагаемого решения является разработка автоэмиссионного эмиттера (катода), обладающего высокими эмиссионными характеристиками (высокой плотностью тока при низком напряжении эмиссии), высокой стабильностью тока при продолжительном ресурсе службы.
Указанный технический результат достигается тем, что автоэмиссионный эмиттер с нанокристаллической алмазной пленкой, расположен на подложке из проводящего кремния, выполнен в виде вертикально расположенной трубки с тонкими стенками из однослойной проводящей нанокристаллической алмазной пленки или из двухслойной нанокристаллической алмазной пленки, внутренний слой которой является проводящим, а внешний непроводящим.
Кроме того стенки автоэмиссионного эмиттера выполнены толщиной от 5 нм до 500 нм.
Кроме того, проводящий слой может быть выполнен из легированной азотом нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.
Кроме того, проводящий слой может быть выполнен из легированной фосфором нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.
Кроме того, проводящий слой может быть выполнен из легированной одновременно фосфором и азотом нанокристаллической алмазной пленки с n-типом проводимости.
Кроме того, проводящий слой может быть выполнен из легированной бором нанокристаллической алмазной пленки с p-типом проводимости.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена схема реализации вакуумных триодов на основе автоэмиссионного эмиттера в виде трубки из однослойной легированной НКА пленки и изолирующем слоем, осажденным на НКА пленку.
На фиг. 2 представлена схема реализации вакуумных триодов на основе автоэмиссионного эмиттера в виде трубки из однослойной НКА пленки и изолирующем слоем, осажденным непосредственно на кремниевую подложку.
На фиг. 3 представлена схема реализации вакуумных триодов на основе автоэмиссионного эмиттера в виде трубки из двухслойной НКА пленки.
2
Обозначения на фиг. 1-3: 1 - проводящая подложка, 2 - кремниевый цилиндр, 3 - изолятор (SiO или диэлектрическая НКА пленка) осажденный на проводящую подложку или на легированную НКА пленку, 4 - металлическая пленка или легированная, проводящая НКА пленка (сетка), 5 - анод, 6 - легированная НКА пленка (стенка трубки), 7 - диэлектрическая НКА пленка;
На фиг. 4 представлена расчетная вольт-амперная характеристика вакуумного триода, изображенного на фиг. 1, для различных напряжений Uc на сетке.
2
В первом конкретном примере реализации разработанного устройства (фиг. 1-2) автоэмиссионный эмиттер (катод) выполнен в виде вертикально расположенной трубки диаметром от 1 до 50 мкм и длиной до 5 мкм со стенками из однослойной тонкой (5-500 нм) легированной бором, азотом или фосфором нанокристаллической алмазной (НКА) пленки, размещенной на подложке (1) из проводящего кремния. Для образования трубки легированная НКА пленка (6) осаждена из газовой фазы (CVD методом) на боковую стенку цилиндра из кремния (2) с любым типом проводимости, обеспечивающим омический контакт между кремнием и алмазом. Верхняя кромка трубки совпадает с торцом кремниевого цилиндра или превышает его на высоту до 5 мкм. Эмиттер соосно помещается в колодец с диаметром на 1-3 мкм превышающим диаметр эмиттера. Колодец формируется изолирующим слоем (3) с нанесенной на этот слой металлической пленкой (4), играющей роль сетки в случае триода или анода в случае диода. Изолирующий слой (3) между катодом и сеткой выполняется из SiO или нелегированной НКА пленки, осаждаемых на легированную НКА пленку (6) или непосредственно на проводящую подложку (1). Анод (5) располагается на расстоянии 2-100 мкм над катодным узлом.
-4
-6
При приложении напряжения между катодом и сеткой (или катодом и анодом) на верхней кромке трубки возникает значительное электрическое поля, приводящее к появлению автоэлектронной эмиссии и эмиссионного тока в цепи катод-анод. Изменяя напряжение на сетке можно эффективно управлять величиной анодного тока. Геометрия катода позволяет сочетать высокий коэффициент усиления поля, присущий острийным структурам, с развитой эмиссионной поверхностью верхней круглой кромки трубки, а использование легированных НКА пленок снижает работу выхода и повышает стабильность эмиссии, одновременно, защищая от разрушений ионами остаточного газа и обеспечивая работу в условиях относительно невысокого вакуума (10-10 Тор) [O.A. Ivanov, S.A. Bogdanov, A.L. Vikharev, V.V. Luchinin, V.A. Golubkov, A.S. Ivanov, V.A. Ilyin, Emission properties of undoped and boron-doped nanocrystalline diamond films coated silicon carbide field emitter arrays, J. Vac. Sci. Technol. В 36, 021204 (2018); doi: 10.1116/1.5012977; V.A. Golubkov, A.S. Ivanov, V.A. Ilyin, V.V. Luchinin, S.A. Bogdanov, V.V. Chernov, A.L. Vikharev, J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 34(6), (2016), 062202; Т.K. Ku, S.H. Chen, C.D. Yang, et. al., Enhanced electron emission from phosphorus- and boron-doped diamond-clad Si field emitter arrays, Thin Solid Films 290-291, 176-180, (1996); N. Ghosh, W.P. Kang, J.L. Davidson, S. Raina, Enhanced electron-field emission from nanodiamond ridge-structured emission arrays capped on micropatterned silicon pillars, Journal of Vacuum Science & Technology В 28, 1016 (2010); doi: 10.1116/1.3488608].
Расчеты показывают, что в данной конструкции эмиттера вольт-амперные характеристики с низким пороговым напряжением достигаются благодаря значительному усилению электрического поля на эмитирующей электроны верхней кромке трубки с малым радиусом закругления и уменьшению работы выхода электронов у легированных НКА пленок. На фиг. 4 приведена расчетная зависимость анодного тока триода с автоэлектронным эмиттером, состоящим из массива в количестве 56000 трубок, изображенных на фиг. 2 и расположенных на площади диаметром 3 мм, при различных напряжениях на общей сетке триода. Геометрические размеры триода: внешний диаметр катода - 6 мкм, зазор между сеткой и катодом по горизонтали - 2 мм, расстояние между анодом и сеткой - 5 мкм. Из фиг. 4 видно, что величина тока триода достигает 300 мкА при напряжении на аноде 500 В и напряжении на сетке 200 В. Понижение потенциала сетки до 100 В приводит к уменьшению эмиссионного тока до 1 мкА при напряжении на аноде 500 В. При понижении напряжения на сетке до 0 В, ток в структуре равен 0. Таким образом, изменяя напряжение на сетке можно эффективно управлять током эмиссии триода. При этом необязательно понижать напряжение на сетки до 0 В. Понижение напряжения с 200 В до 100 В уже приводит к переходу триода в непроводящее состояние.
2
Во втором конкретном примере реализации разработанного устройства (фиг. 3) автоэмиссионный эмиттер (катод) выполнен в виде вертикально расположенной трубки диаметром от 1 до 50 мкм и длиной до 5 мкм со стенкой из двухслойной НКА пленки, первый слой которой является тонким (5-50 нм) легированным бором, азотом или фосфором проводящим слоем, а второй слой толщиной 300-500 нм, осаждаемый из газовой фазы на первый слой для создания опорной структуры, является диэлектрической НКА пленкой, обладающей более высокими изоляционными свойствами и напряжением пробоя, чем SiO или другие изолирующие материалы.
Таким образом, отличительными признаками изобретения по сравнению с прототипом являются:
- конструкция автоэмиссионного катода (эмиттера) в виде вертикально расположенной трубки с тонкими стенками из проводящей НКА пленки, в том числе многослойной, что позволяет сочетать высокое аспектное отношение, с развитой эмиссионной поверхностью верхней круглой кромки трубки, иметь высокую проводимость и теплопроводность эмиттера, снизить рабочие напряжения, увеличить ток эмиссии и срок жизни эмиттера;
- в отличие от углеродных наноалмазных покрытий в качестве эмиттера используются структура, полностью состоящая из тонкой легированной донорной или акцепторной примесью НКА пленки, обладающей высокой проводимостью, низкой работой выхода, имеющей высокую прочность и стабильность эмиссионных параметров;
- вместо наноалмазного покрытия в виде нерегулярной острийной структуры используются катоды как в виде одиночной трубки, так и в виде массива трубок одного типоразмера, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и изготовленных из легированного нанокристаллического алмаза.