Введение к работе
С появлением сканирующей туннельной микроскопии и спинтдов-ских катодов стала все более заметной тенденция возрастания интереса к микро- и наноэлектронным структурам, создаваемым на основе полевых эмиттеров. Несмотря на то, что полевая эмиссия электронов была открыта значительно раньше транзисторного эффекта, ее широкому практическому применению препятствовала чрезвычайно низкая стабильность эмиссионного тока и высокий уровень флуктуации. В течение продолжительного времени повышение стабильности полевых эмиттеров связывалось исключительно только со снижением уровня фликкерных флуктуации, достигаемому путем подбора оптимальных материалов, технологических процессов изготовления эмиттеров и обработки их поверхности. Хотя в данном направлении и были достигнуты заметные успехи, полевые эмиссионные приборы так и не смогли составить конкуренцию полупроводниковым и термоэмиссионным приборам.
Одной из причин многочисленных неудач, длительное время преследовавших все предпринимаемые усилия в направлении снижения уровня шумов полевых эмиттеров, является недооценка роли фундаментальной теории, успешно используемой для описания флуктуационных процессов в ряде физических систем. Лишь относительно недавно на основе термодинамического рассмотрения флуктуации полевого тока был установлен достаточно неожиданный на первый взгляд факт, что величина эквивалентной температуры шумов полевых эмиттеров может быть снижена путем уменьшения величины межэлектродных рабочих напряжений. Заметим, что современные тенденции развития технологии производства перспективных полевых катодов открывают широкие горизонты для эффективного приложения данных выводов на практике.
Общей чертой современного этапа в исследовании флуктуационных процессов в электронных приборах является его тесная связь с прогрессом наноэлектронной технологии. Наиболее значимым событием этого периода является публикация серии работ Роллса, в которых показано, что характерным свойством субмикронных электронных структур является возможность прямого наблюдения элементарных фликкерных флуктуации и относительно невысокая степень их стохастичности. Необходимо отметить, что благодаря разработке метода зондирующего отверстия для полевых эмиттеров "субмикронный барьер" был достигнут значительно раньше, чем в МОП транзисторах. Все это послужило, в частности, необходимой основой для применения в данной работе неиспользовавшнхея ранее для изучения флуктуационных процессов методов, к числу которых можно отнести определение фазовых характеристик, спектральный анализ с высоким разрешением по частоте и исследование двумерной функции распределения.
Важным аспектом изучения флуктуационных процессов в субмикронных эмиссионных приборах является возможность косвенного определения ряда физических характеристик исследуемой системы, недоступных традиционной флуктуационной спектроскопии. К числу таких характеристик относится получение "шумового изображения" участка поверхности катода, оценка времени деградации, определение числа и типа элементарных центров эмиссии, идентификация характера нелинейности процессов, сопровождающих флуктуации. В силу своей известной специфики и значимости совокупность основанных на анализе шумов эмиссионного тока методов определения характеристик полевых катодов может быть отнесена к самостоятельному научному направлению - флуктуационной спектроскопии микро- и наноэлектронных эмиссионных приборов.
Цель работы.
Основной целью данной работы является экспериментальное исследование и моделирование флуктуационных процессов в микро- и наноэлектронных эмиссионных приборах. В качестве базового объекта исследования использованы эмиссионные приборы, выполненные на основе полевых эмиттеров из полупроводниковых, металлических, угольных и керамических материалов. Одним из главных направлений данной работы является идентификация типа элементарных низкочастотных флуктуации путем анализа статистических, спектральных и фазовых характеристик флуктуационных процессов с невысокой степенью стохастичности.
Другим направлением работы является развитие флуктуационной спектроскопии микро- и наноэлектронных эмиссионных приборов, обеспечивающей, в частности, определение динамического типа и количества элементарных центров эмиссии, эквивалентной температуры шума, величины и характера нелинейностей, сопровождающих флуктуации.
Актуальность темы исследования
Актуальность тематики диссертации определяется следующими основными факторами:
-
Возросшим интересом к субмикронкым структурам, создаваемым на основе полевых эмиттеров.
-
Необходимостью всестороннего изучения причин низкой стабильности и большого уровня токовых шумов полевых эмиттеров.
-
Возможностью использования для изучения низкочастотных флуктуационных токовых процессов новых методических подходов, эффективность которых обусловлена относительно низкой степенью стохастичности шумов в субмикронных эмиссионных приборах.
4. Высокой эффективностью использования флуктуационной спектроскопии для неразрушающего контроля ряда физических характеристик микро- и наноэлектронных приборов. К числу таких характеристик можно отнести получение "шумового изображения" анализируемого участка поверхности катода, определение времени деградации катода, числа и типа элементарных центров эмиссии, идентификацию характера нелинейности процессов, сопровождающих низкочастотные флуктуации.
Практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе научные результаты по изучению флуктуащюнных процессов могут быть использованы при разработке новых технологий производства высокостабильных микро- и наноэлектронных эмиссионных приборов, применяемых при создании перспективных устройств отображения информации, высокочувствительных усилительных и радиоприемных устройств.
Разработанные в ходе научных исследований экспериментальные методики отличаются высокой эффективностью и универсальностью, что позволяет использовать их при изучении флуктуационных процессов практически в любых современных микро- и наноэлектронных приборах, а также - в естественных природных системах, характеризующихся относительно небольшим числом источников элементарных низкочастотных флуктуации.
Применение предложенной в работе методики оценки эквивалентной шумовой температуры полевых эмиссионных приборов позволит более целенаправленно совершенствовать технологию создания быстродействующих микроэлектронных эмиссионных приборов.
Благодаря широкому использованию современной совместимой вычислительной техники все разработанные и реализованные в виде действующих экспериментальных установок и программных пакетов новые научные методики полностью готовы и доступны для массового тиражирования и повторения. Внедрение разработок будет способствовать повышению методического уровня изучения статистических характеристик флуктуационных процессов в существующих и вновь создаваемых микро- и наноэлектронных эмиссионных приборах.
Применение полученных в работе аналитических соотношений, учитывающих природу элементарных флуктуации І/f шума, позволит повысить точность теоретических оценок дисперсии, частотной зависимости спектральной плотности мощности, диапазона частот и времени деградации природных систем, параметры которых испытывают низкочастотные флуктуации со спектром вида Uf.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
На защиту диссертации выносятся следующие научные результаты:
-
Методика и результаты экспериментальных исследований спектральной плотности мощности, фазовых (динамических) характеристик, моментных функций (кумулянтных коэффициентов), одномерной и двумерной функций распределения, эквивалентной температуры флуктуации эмиссионного тока полевых катодов с акгивной эмиттирующей области микронных и субмикронных размеров;
-
Аналитические зависимости для оценки времени деградации физических систем относительно параметра, испытывающего флуктуации вида l/f(у>1). В частности, защищается методика и соответствующие аналитические выражения оценки времени деградации эмиссионных приборов по среднему значению индекса спектральной плотности l/f флуктуации эмиссионного тока.
-
Аналитические соотношения для расчета дисперсии, трендовых и детальных частотных зависимостей спектральной плотности мощности l/f шума с различными динамическими типами элементарных флуктуации (бинарных, экспоненциальных и осцилляционных). Компьютерные и математические модели l/f шума, обеспечивающие расчет на основе параметров спектральной плотности мощности количества первичных источников элементарных флуктуации и их динамических характеристик.
-
Методика и результаты экспериментальных исследований двумерной функции распределения флуктуационных процессов с локальных участков поверхности полевых эмиттеров. Статистические модели, которые на основе двумерного статистического анализа низкочастотных флуктуации обеспечивают получение "шумового изображения" субмикронного участка поверхности эмиттера и дают информацию о динамике и характере нелинейных процессов, проявляющихся в исследуемых флуктуациях.
-
Методика и результаты исследований фазовых характеристик случайных процессов вида l/f, полученных путем фрактального интегрирования гауссовского белого шума.
Научная новизна работы
Общим итогом выполнения данной работы является развитие нового научного направления - флуктуационной спектроскопии микро- и нано-электронных эмиссионных приборов. Конкретными аспектами, характеризующими научную новизну работы, является следующее:
- Учтена специфика флуктуационных процессов в субмикронных эмиссионных приборах. На этой основе созданы экспериментальные методики и измерены трендовые и детальные частотные зависимости спек-
тральной плотности мощности, фазовые (динамические) характеристики, моментныс функции (кумулянтные коэффшшенты), одномерная и двумерная функции распределения, эквивалентная температура флуктуации тока полевых эмиттеров с активной областью микронных и субмикронных размеров.
- На основе зксперимеїггального изучения и компьютерного модели
рования спектральных и фазовых характеристик низкочастотных флуктуа
ции тока показана возможность существования l/f шума с тремя различ
ными тинами элементарных флуктуации: осцилляционными, экспоненци
альными и бинарными. С учетом различного уровня взаимной корреляции
и различного динамического типа первичных источников шума созданы
компьютерные и математические модели шума, которые обеспечили:
а) идентификацию динамических характеристик и расчет количества
первичных источников элементарных l/f флуктуации;
б) оценку времени деградации систем с l/f шумом (при у>1);
в) расчет дисперсии и спектральной плотности мощности l/f шума;
Разработаны и реализованы в виде компьютерных программ алгоритмы некратного интегрирования случайных процессов. Проведена идентификация динамических характеристик элементарных l/f флуктуации в шуме, полученном путем некратного интегрирования белого шума.
Установлены закономерности изменения формы двумерной функции распределения флуктуации под влиянием нелинейных явлений в системе, производящей l/f туи.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались:
На Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике: 17-й (Ленинград, 1978), 18-й (Москва, 1981), 19-й (Ташкент, 1984), 20-й (Киев, 1987), 21-й (Ленинград 1990);
На ежегодных научно-технических семинарах "Шумовые и деграда-ционные процессы в полупроводниковых приборах" (1984-1997 гг.);
На Международных конференциях "Noise in Physical Systems and l/f Noise": 13-й (Паланга, 1995г) и 14-й (Левей, Бельгия, 1997 г.);
На Всесоюзных конференциях "Шумы в физических системах": 4-й (Пушино, 1985), 6-й (Паланга, 1991), 7-й (Паланга, 1994 г.);
На международных симпозиумах "Field Emission Symposium":38-fi (Вена, Австрия, 1991), 40-й (Нагоя, Япония, 1993), 43-й (Москва, 1996);
На Международных конференциях "International Vacuum Microelectronics Conference": 6-й (США, 1993), 7-й (Гренобль, Франция, 1994);
На 2-й Международной конференции "Nanoscale Science and Technology" (Москва, 1993);
На Всесоюзных симпозиумах по ненакаливаемым катодам: 4-м (Томск, 1980) и 5-м (Томск, 1985);
На 3-й Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизко-частотных колебаний естественного происхождения", (Львов, 1990);
На межотраслевом совещании по полевой эмиссионной микроскопии (Харьков, 1989).
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 27 статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах, 12 статей в научных сборниках, более 30 тезисов докладов научных конференций, получено 2 авторских свидетельства. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
