Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития вакуумных автоэлектронных микроприборов 14
1.1. Существующие конструктивно-технологические принципы создания автоэмиссионных катодов 16
1.2. Вакуумные автоэлектронные микроприборы 31
1.3. Автоэмиссионные наноструктуры 41
1.3.1. Автоэмиссионные матрицы из нанопроводов 43
1.3.2. Углеродно-нанотрубчатые автоэмиссионные матрицы 47
Цели и задачи исследования 52
Глава 2. Физико-технологические принципы создания наноструктурных автоэмиссионных матриц на основе тонких пленок вентильных металлов 55
2.1. Физико-химические основы создания автоэмиссионных матриц 55
2.2. Микрогеометрия и стехиометрия оксидно-титановых матриц наноэмиттеров 64
2.2.1. Методика проведения эксперимента 64
2.2.2. Результаты электронной микроскопии 66
2.2.3. Результаты оже-электронной спектроскопии 71
2.3. Вольт-амперные характеристики наноструктурных автоэмиссионных матриц 77
Глава 3. Интегральная технология создания тонкоплёночных наноструктурных автоэлектронных микроприборов 90
3.1. Технология изготовления автоэлектронных микротриодов 91
3.2. Базовые процессы анодного окисления тонкоплёночных структур вентильных металлов 118
3.2.1. Выбор оптимального режима процесса плотного анодирования алюминия 119
3.2.2. Процессы локального сквозного анодного окисления тонкоплёночных структур вентильных металлов 131
3.3. Электрофизические характеристики изоляционных компонентов автоэлектронных микроприборов 140
3.3.1. Оборудование и методика проведения испытаний 140
3.3.2. Методика изготовления тестовых структур и результаты испытаний 142
3.4. Система межсоединений для наноструктурных автоэлектронных микроприборов 153
3.4.1. Технология изготовления 153
3.4.2. Электрофизические характеристики 159
3.4.3. Устойчивость к электромиграции 161
Глава 4. Физические основы моделирования и расчёта характеристик наноструктурных автоэлектронных микроприборов 164
4.1. Постановка задачи 166
4.2. Математическое описание основных физических процессов 168
4.3. Обсуждение полученных уравнений -. 174
4.4. Алгоритм анализа и расчета характеристик автоэмиссионных структур и микроприборов 177
Глава 5. Характеристики тонкоплёночных наноструктурных автоэлектронных микроприборов 183
5.1. Диодные структуры 184
5.2. Катодно-сеточные элементы 186
5.3. Триодные структуры 191
5.3.1. Вольтамперные характеристики 192
5.3.2. Дифференциальные параметры 196
5.3.3. Требования к вакууму 203
5.3.4. Быстродействие 205
5.3.5. Степень интеграции 210
Заключение 213
Литература 216
Приложение 233
- Существующие конструктивно-технологические принципы создания автоэмиссионных катодов
- Физико-химические основы создания автоэмиссионных матриц
- Технология изготовления автоэлектронных микротриодов
- Математическое описание основных физических процессов
- Диодные структуры
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных направлений современной электроники является вакуумная микро- и наноэлектроника. Главным преимуществом вакуумных автоэлектронных микроприборов (АЭМП) перед полупроводниковыми приборами является их высокая стойкость к воздействию температуры и радиации. Эта устойчивость обусловлена самой природой автоэлектронной эмиссии, лежащей в основе работы данных приборов. Кроме этого, для АЭМП ожидается сверхвысокое быстродействие, поскольку баллистический перенос электронов от катода к аноду обеспечивается за очень короткое время пролёта - менее одной пикосекунды. Общей тенденцией развития вакуумной микроэлектроники, ставшей особенно заметной в последние годы, является постоянная разработка новейших конструкций и технологий изготовления все более низковольтных и миниатюрных автоэлектронных приборов. В традиционно изготавливаемых вакуумных автоэлектронных микроприборах, независимо от того, состоят ли их катоды из металлических или кремниевых острий, это обеспечивается за счет дальнейшего уменьшения радиусов эмиттирующих острий и диаметров отверстий в управляющем электроде. Оба эти фактора способствуют снижению значений минимально необходимого напряжения на управляющем электроде для обеспечения автоэлектронной эмиссии. Анализ современного состояния вакуумных автоэлектронных микроприборов показал, что физико-технологические принципы их создания, использующие методы субмикронной литографии для изготовления конструктивно входящих в них автоэмиссионных матриц, достигли своего физического предела. Достигнутый минимальный уровень рабочих напряжений для этих приборов составляет ~ 40 - 50 В. Одним из наиболее перспективных путей создания автоэлектронных микроприборов с точки зрения повышения их надежности, снижения рабочих напряжений вплоть до значений, сравнимых с полупроводниковыми приборами, а также снижения их себестоимости является разработка нелитографических технологий формирования автоэмиссионных конструкций, базирующихся на физических процес-
5 сах самоорганизации структур на наноуровне. В качестве физического процесса, который естественным образом за счет самоорганизации структуры создает диэлектрический слой с регулярной матрицей цилиндрических на-ноканалов, плотность упаковки которых может варьироваться от 108 до 10 см" , является процесс пористого анодирования алюминия.
Известные к настоящему времени работы по разработке методов создания матриц наноэмиттеров на основе нанопористого анодного оксида алюминия (АОА) носят экспериментальный характер и продемонстрировали лишь возможность получения из них автоэмиссионных токов при пороговых напряжениях от 20 до 80 В. Полученные электрические и эмиссионные характеристики этих матриц показали, что существующие методы пока еще не позволяют создавать в едином технологическом цикле наноструктурную эмиттерную матрицу, жестко связанную с экстрактором с требуемой междуэлектродной изоляцией и воспроизводимой микрогеометрией. Достигнутые к настоящему времени результаты указывают на отсутствие концепции создания в едином технологическом цикле на основе нанопористого анодного оксида алюминия надежных и с воспроизводимыми геометрическими, электрическими и эмиссионными характеристиками наноструктурных автоэмиссионных матриц (АЭМ), катодно-сеточных и триодных микроструктур, что не позволяет приблизиться к прогнозируемому для наноструктурных автоэлектронных микроприборов уровню рабочих напряжений в единицы Вольт.
Таким образом, в теоретическом, экспериментальном и практическом аспекте важным и актуальным является проведение работы, направленной на решение вышеуказанных проблем.
Целью работы является разработка физико-технологических принципов создания тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов на основе нанопористого анодного оксида алюминия. Достижение этой цели требовало решения следующих задач:
1.Разработка принципиально новых физико-технологических принципов создания на основе тонкопленочных структур вентильных металлов авто- эмиссионных матриц с воспроизводимыми геометрическими, электрофизическими и вольт-амперными характеристиками.
2.Исследование геометрических параметров, элементного состава и эмиссионных свойств создаваемого нового класса матриц наноэмиттеров. 3.Разработка физико-технологических принципов создания на основе нано-пористого анодного оксида алюминия принципиально нового класса микроприборов - тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микротриодов.
4.Разработка технологии изготовления системы межсоединений тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов для обеспечения возможности создания на их основе в едином технологическом цикле цифровых логических элементов и микросистем.
5.Теоретический анализ физики процессов, происходящих в наноструктурных автоэлектронных микроприборах и разработка физических принципов моделирования и расчета их характеристик.
6.Моделирование и расчет характеристик тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов, включая диодные, катодно-сеточные и триодные структуры.
Методы исследования. В процессе изучения проблем, сформулированных в диссертационной работе, и решении поставленных задач использовались современные методы экспериментальной физики для исследования микро- и наноструктур, а именно: сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, оже-электронная и инфракрасная спектроскопия, современные измерительные приборы и аппаратура. В работе также были использованы методы математического моделирования, математической физики, граничных элементов и вычислительных экспериментов.
Связь работы с научными программами. Тематика данной работы включена в «Межведомственный перечень приоритетных направлений развития науки и техники, критических технологий, реализуемых в ракетно-
7 космической промышленности в интересах создания перспективных космических средств различного целевого назначения на 2001-2005 годы» в части п. 1.5.4 «Технологии создания тонкопленочных приборов вакуумной элек-троники терагерцового диапазона (10 Гц) на основе наноструктурных автоэлектронных матриц». В рамках этой программы был выполнен ряд НИР, научным руководителем и основным исполнителем которых являлся автор, в частности:- НИР ГАЛС «Исследование и разработка конструкционно-технологических решений создания тонкопленочных вакуумных интегральных схем для радиопередающих средств бортовых комплексов перспективных КА с длительным сроком активного существования 10.... 15 и более лет», 2001-2003 г. г.; - НИР КВАНТ «Разработка и экспериментальная отработка комплекса базовых конструкторско-технологических и схемотехнических решений по созданию температурно- и радиационностойких узлов бортовой аппаратуры на основе устройств вакуумной микроэлектроники для космических аппаратов нового поколения», 2004-2005 г. г. (Гос. per. №-У86378).
Научная новизна результатов диссертации заключается в том, что в работе созданы, последовательно развиты и апробированы принципиально новые физико-технологические основы изготовления тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов. При этом:
Впервые предложен нелитографический метод создания наноструктурных автоэмиссионных матриц, использующий принцип самоорганизации системы на наноуровне в процессе многостадийного сквозного пористого анодирования слоя алюминия, расположенного на подслое вентильного тугоплавкого металла, с обоснованием критериев выбора этого металла.
Впервые экспериментально исследованы геометрические параметры, элементный состав и эмиссионные характеристики полученного нового класса матриц наноэмиттеров, формируемых из встроенных в основания окисных ячеек пористого АОА наноразмерных столбиковых выступов из анодного ок-
8 сида титана, и показано, что им присущ полевой характер эмиссии, описываемый уравнением Фаулера-Нордгейма.
Впервые разработаны физико-технологические принципы создания на основе тонких пленок вентильных металлов и их анодных оксидов нового класса микроприборов - тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микротриодов и систем их межсоединений, а также исследованы электрофизические характеристики их изоляционных и проводниковых компонентов.
Впервые разработаны физические принципы моделирования и расчета характеристик тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов.
5.Впервые осуществлен расчет характеристик тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов (диодов, катодно-сеточных элементов, триодов), создаваемых на основе нанопористого анодного оксида алюминия с установлением взаимосвязи с их микро- и наногеометрией.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: результатами экспериментальных исследований с применением современных методов экспериментальной физики и оборудования для изучения микро- и наноструктур; корректностью математической постановки и решения рассматриваемых задач с учетом использования для математического описания физических процессов, происходящих в наноструктурных автоэлектронных микроприборах, исходных фундаментальных уравнений Фаулера-Нордгейма, Максвелла и системы уравнений гидродинамики; экспериментальным подтверждением определяющих расчетных характеристик, полученных в результате разработанной процедуры моделирования и расчета параметров наноструктурных автоэлектронных микроприборов.
9 Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что они составляют научную основу и дают практические рекомендации по созданию принципиально нового класса приборов - тонкопленочных наност-руктурных автоэлектронных микроприборов. В частности:
Разработанный метод создания наноструктурных автоэмиссионных матриц позволил без использования процессов субмикронной литографии создать автоэмиссионные структуры с плотностью упаковки 3,74-1010 см "2 и диаметром наноканала в вентиле порядка 20 нм. Для таких автоэмиссионных структур напряжение включения составляло порядка 2,7 В, (что весьма близко к рабочим напряжениям полупроводниковых приборов), а соответствующая этому напряжению плотность эмиссионного тока составляла порядка 0,5 мА/мм . Таким образом, была впервые продемонстрирована возможность получения автоэлектронной эмиссии при рабочих напряжения в единицы вольт.
Разработанные физико-технологические принципы позволяют на основе формируемых матриц наноэмиттеров, встроенных в нанопористый анодный оксид алюминия, создавать в едином технологическом цикле надежные, с воспроизводимыми геометрическими, электрическими и эмиссионными характеристиками наноструктурные автоэлектронные микроприборы (диоды, катодно-сеточные элементы, триоды) с рабочими напряжениями на уровне единиц вольт. Для таких микроприборов рабочее напряжение на аноде составляет 4+5 В, что значительно меньше, чем значение первого ионизационного потенциала Ці для молекул, присутствующих в атмосфере остаточного газа микроприбора, в результате этого ионная бомбардировка и катодное распыление эмиттерных нановыступов становятся в принципе невозможными, что тем самым устраняет одну из главных причин нестабильности автоэлектронной эмиссии и устраняет необходимость обеспечения и поддержания в них высокого вакуума.
Разработанные физические основы моделирования характеристик наноструктурных автоэлектронных микроприборов позволяют еще на этапе проек-
10 тирования прогнозировать влияние их конструкционно-геометрических параметров на ожидаемые характеристики.
4. Разработанные физико-технологические принципы создания тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов и систем их межсоединений являются первоосновой для создания нового поколения цифровых и аналоговых микросистем сверхвысокой степени интеграции и быстродействия, совместимых по напряжению питания с полупроводниковыми интегральными схемами и отличающихся повышенной надёжностью, радиационной и тепловой стойкостью. Это обеспечит качественно новый уровень тактико-технических характеристик создаваемой микроэлектронной аппаратуры.
Положения, выносимые на защиту.
1.Физико-технологические принципы создания наноструктурных автоэмиссионных матриц на основе тонких пленок вентильных металлов и их анодных оксидов.
2. Результаты экспериментального исследования геометрических параметров, элементного состава и вольт-амперных характеристик полученного нового класса оксидно-титановых матриц наноэмиттеров.
3.Физико-технологические принципы создания на основе тонких пленок вентильных металлов и их анодных оксидов нового класса микроприборов -тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микротриодов и систем их межсоединений.
4.Выбранные оптимальные режимы процессов формирования изоляционных компонентов автоэлектронных микроприборов и систем их межсоединений, а также результаты исследования их электрофизических характеристик.
5.Разработанные основы процедуры моделирования и расчета характеристик тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов. б.Расчетные и экспериментальные характеристики тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов (диодов, катодно-сеточных эле- ментов, триодов) с установленной взаимосвязью с их микро- и наногеомет-рией.
Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве после защиты кандидатской диссертации, а именно: в работах [44,180,194,228] личный вклад соискателя состоит в формулировке идей, разработке конструкций и технологий изготовления изделий, а также в составлении формул и описаний изобретений; в работах [109,120] соискателем написаны разделы, посвященные конструктивным и технологическим проблемам изготовления автоэлектронных эмиттеров, квантово-размерных структур и приборов на их основе; в работах [156,157,166,167] личный вклад соискателя состоит в разработке физико-технологических принципов создания нового класса матриц наноэмиттеров, их изготовлении, участии в исследовании их геометрических параметров и стехиометрического состава, обсуждении результатов и формулировке выводов; в работах [158,168,169,170] лично соискателем созданы наноструктурные автоэмиссионные матрицы и тестовые приборы на их основе, исследованы их электрофизические и вольт-амперные характеристики, принято участие в изучении структуры электрического поля в автоэмиссионных ячейках и исследовании их эмиссионных свойств, а также в обсуждении полученных результатов и формулировке выводов; в работе [175] соискатель разработал метод решения рассматриваемой задачи, получил аналитические выражения, с помощью которых провёл расчет распределения толщин осаждаемых пленок; в работах [182,185,196] соискателем осуществлена постановка задач, обоснованы методы исследований, принято участие в экспериментальных исследованиях, обсуждении результатов и формулировке выводов; в работах [187,188] соискателем разработаны и изготовлены тестовые структуры для оценки электрофизических характеристик изоляционных компонентов автоэлектронных микроприборов, принято участие в исследовании влияния ионизирующего гамма-излучения на их электрофизические параметры, обсуждении полученных результатов и формулировке выводов; в работах [197,198] соискателем разработана конструкция и технология изготовления
12 систем межсоединений для наноструктурных автоэлектронных микроприборов, а также исследованы их основные электрофизические параметры; в работах [206,207,209,210,213,214,215,216,217,219,225] личный вклад соискателя состоит в постановке задач, разработке методов и подходов для решения рассмотренных задач, участии в аналитических и экспериментальных исследованиях, анализе и обсуждении полученных результатов, формулировке выводов; монография [229] написана лично соискателем при общей редакции научного консультанта - заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.-м.н., профессора В.Ф. Кравченко.
Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований были представлены и обсуждены на следующих научных конференциях:
3-я Международная научно-техническая конференция «Современная технология гибридных интегральных микросхем, включая элементы сверхпроводниковой электроники» (Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Нарочь, сентябрь 1994).
International Conference "Nanomeeting-95" (Minsk, Belarus, 1995, May 15-19).
3.11th International Vacuum Microelectronics Conference (IVMC'98), (The Grove Park Inn, Asheville, NC USA, 1998, July 19-24).
4.2nd International Symposium on Electrochemical Microsystem Technologies, Tokyo, Japan, 1998, September 24-28.
5. 12th International Vacuum Microelectronics Conference (IVMC'99), (Darm stadt, Germany, 1999, July 6-9).
13th International Vacuum Microelectronics Conference (IVMC 2000), (Guangzhou, China, 2000, August 14-17).
2nd European Field Emission Workshop (Segovia, Spain, 2000, September 25-29).
8. 14 International Vacuum Microelectronics Conference (IVMC 2001), (Univer sity of California, Davis, California, USA, 2001, August 12-16).
9. 15th International Vacuum Microelectronics Conference & 48th International Field Emission Symposium (IVMC 2002), (Lyon, France, 2002, July 7-11). Fourth IEEE International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC'02), (Saratov, Russia, 2002, July 15-19).
2nd VDE World Microtechnologies Congress (MICRO.tec 2003), (Munich, Germany, 2003, October 13-15). The 4-th International Conference "Porous Semiconductors - Science and Technology", (Cullera-Valencia, Spain, 2004, March 14-19).
13. 17th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC 2004), (Cam bridge, Massachusetts USA, 2004, July 11-16).
14. The 8 World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI 2004), (Orlando, Florida, USA, 2004, July 18-21).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 научных работах (в том числе одной монографии и пяти изобретениях), которые перечислены в списке литературы.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и содержит 232 страницы текста, в том числе 64 рисунка, 10 таблиц, список литературы насчитывает 229 наименований.
Существующие конструктивно-технологические принципы создания автоэмиссионных катодов
Общими требованиями к вакуумному автоэмиссионному катоду являются: работа при низком напряжении, высокая плотность тока эмиссии, маленький размер, совместимость с техникой микротехнологии и высоковакуумной обработки. Для большинства применений также важны: малый шум, длительный срок службы и единообразие конструкции [70, 71].
Поскольку для получения заметного автоэлектронного тока необходимы сильные электрические поля 107 В/см у поверхности эмиттеров, то с целью получения таких полей ценой допустимых, не слишком высоких напряжений, применяется особая геометрия эмиттера - это всегда поверхность с высокой кривизной: острия, лезвия, выступы и т.п.
Из электростатики известно, что поверхностная плотность заряда на проводнике сложной формы всегда принимает наибольшее значение на заострении. В силу того, что напряженность электрического поля пропорциональна поверхностной плотности заряда где Е - напряженность электрического поля, а - поверхностная плотность за-ряда, Ео - 8.85-10" Кл/(В-м) - электрическая постоянная, то, естественно, и напряженность электрического поля будет особенно велика возле участков с малым радиусом кривизны, то есть у заострений [68].
Большая часть усилий по разработке подходящих катодов для вакуумной микроэлектроники сконцентрировалась вокруг различных способов изготовления матриц миниатюрных автоэлектронных эмиттеров [70]. К настоящему времени сложились две основных технологии изготовления автоэлектронных эмиттеров. По одной из них - электронный эмиттер изготавливается из кремния, по другой - из тугоплавкого металла, как, например, молибдена или вольфрама. Интересно отметить, что вне зависимости от того, какой материал используется для эмиттера, вакуумные автоэлектронные триоды можно изготавливать, используя способы, аналогичные тем, которые используются в производстве интегральных схем.
При этом эмиттерная матрица может быть изготовлена на любой плоской, гладкой, совместимой со сверхвысоким вакуумом керамической, стеклянной, металлической или кремниевой подложке [70].
Первые работы в этом направлении были выполнены в 1961 - 1968гг. Кеннетом Шоулдерсом и Чарльзом Спиндтом [12-14, 28], сотрудниками лаборатории прикладной физики Стенфордского исследовательского института США (Менло Парк, Калифорния). Сущность усовершенствованной ими в дальнейшем технологии [15,29] заключается в следующем (рис. 1.1).
На сапфировую подложку - 1 наносят слой молибдена - 2 толщиной 0,25 мкм. На проводниковый слой молибдена - 2 наносят диэлектрический слой из окиси алюминия - 3 толщиной 1 мкм, и затем проводниковый слой молибдена - 4 толщиной 0,25 мкм. В результате чего на подложке - 1 формируется трехслойная тонкопленочная "сэндвич" структура M0-AI2O3-M0. После чего методами электронно-лучевой литографии и травления в сформированной тонкопленочной "сэндвич" структуре формируют цилиндрические микрополости диаметром порядка 1,5 мкм. При этом участки верхнего слоя молибдена - 4 протравливаются в растворе на основе серной и азотной кислот, а нижележащий слой оксида алюминия - 3 в ортофосфорной кислоте при температуре 95 С. Далее удаляют фоторезист и подложку со сформированной структурой (рис. 1.1,а), последовательно нагревают в вакууме до температуры 1000 С, в результате этого оставшийся слой окиси алюминия - 3 оказывается устойчивым по отношению к последующему травлению в ортофосфорной кислоте при температуре 95 С. Затем по касательной к поверхности вращающейся вокруг своей оси подложки осаждают окись алюминия -5, в результате чего вокруг обода каждой цилиндрической микрополости образуется нависающий выступ (губа) (рис. 1.1,6).
Физико-химические основы создания автоэмиссионных матриц
Для понимания разрабатываемых принципов рассмотрим вначале кратко механизм образования анодных окисных пленок. Окисные слои, образующиеся на аноде в процессе анодирования вентильных металлов при приложении напряжения между анодом и катодом, погруженными в раствор электролита, принято называть анодными окисными пленками (АОП) [151,152]. В качестве электролита могут использоваться водные и неводные растворы, расплавы солей, кислородная плазма или даже некоторые ионные проводники - твердые электролиты. В основе процесса анодного окисления лежит механизм переноса ионов металла или кислорода через растущий окисный слой под действием электрического поля, возникающего в пленке при приложении напряжения [151, 152]. В зависимости от типа электролита, используемого в процессе анодирования, на поверхности вентильного металла, служащего в качестве анода, могут образовываться как плотные, так и пористые анодные окисные пленки. Алюминий является типичным вентильным металлом, на поверхности которого могут легко образовываться как плотные, так и пористые АОП. В тех случаях, когда электролитом является кислородная плазма или жидкостные растворы, не растворяющие или почти не растворяющие окись алюминия, образуются плотные с высоким сопротивлением ионному току АОП АЬОз, толщина которых пропорциональна прикладываемому напряжению. Плотные АОП АЬОз представляют собой аморфный коррозион-ностойкий диэлектрик с хорошими изоляционными свойствами, однако, процесс роста такой пленки ограничивается ее пробоем, который происходит при достижении определенного напряжения. Практика показывает, что максимальные напряжения образования окислов (напряжения формовки) достигаются в электролитах с низкой проводимостью, как, например, разбавленные растворы лимонной, винной, борной кислот.
Пористый анодный оксид алюминия (АОА) образуется в электролитах, умеренно растворяющих окись алюминия, таких как растворы серной, щавельной, ортофосфорной, сульфосалициловой, малоновой и других кислот [121-123]. При описании механизма роста АОП согласно классической модели [151,152] решетки ионов металла и кислорода рассматриваются как взаимопроникающие друг в друга. При этом ион рассматривается как гармонический осциллятор, слабо связанный с решеткой. Для перемещения иона через решетку окисла он должен преодолеть потенциальный барьер W, существующий между двумя соседними междоузлиями.
Технология изготовления автоэлектронных микро триодов
На основании проведенного комплекса теоретических, экспериментальных и технологических исследований [44,124,125,156-158,166-170,175] была разработана интегральная технология изготовления автоэлектронных микротриодов, основные этапы которой представлены нарис. 3.1. На подложку - 1 последовательно осаждают адгезионный подслой вентильного металла - 2, проводниковый металлический слой - 3, который может быть выбран из группы вентильных металлов или других металлов совместимых с процессами анодирования, защитный слой вентильного металла - 4, слой резистивного материала - 5, и слой эмиттерного материала- 6 (рис. 3.1,а). Как было показано в главе 2, в качестве эмиттерных материалов могут быть выбраны те вентильные материалы, теплота диссоциации анодных оксидов которых меньше 110 ккал/моль при температуре 25 С или 13 ккал/моль при температуре 450 С и коэффициент диффузии кислорода -DK в анодных оксидах которых имеет достаточно высокое значение, например порядка DK=(4-M3)-10"14CM2/ceK и более, для диапазона температур Т = 350 -500С. К таким материалам могут быть отнесены вентильные металлы следующего ряда: титан, вольфрам, ниобий. Напротив, для адгезионного подслоя - 2 и защитного слоя - 4 выбирают такие вентильные металлы, теплота диссоциации анодных оксидов которых более 150 ккал/моль при температуре 25 С или 26 ккал/моль при температуре 450 С и в анодных оксидах которых коэффициент диффузии кислорода - DK имеет малые значения, например порядка DK= (0,5+- 1)-10",4см2/сек и менее при температурах Т = 650 + 700 С, типичным примером такого вентильного металла является тантал. Наиболее предпочтительным металлом для проводникового металлического слоя - 3 является алюминий. Далее на поверхности слоя эмиттерного материала - 6 формируют первую литографическую маску - 7, защищая ре-зистом топологический рисунок катодного электрода (рис. 3.1,6 - вид сверху). Затем методом селективного травления удаляют немаскированные участки: слоя эмиттерного материала - 6, слоя резистивного материала - 5 и защитного слоя вентильного металла - 4 (рис. 3.1,в). После чего удаляют первую литографическую маску и формируют вторую литографическую маску -8, защищая резистом топологический рисунок эмиттерной области катодного электрода (рис. 3.1,г).
Математическое описание основных физических процессов
Характеристики рассматриваемых здесь наноструктурных автоэлектронных микроприборов в конечном итоге будут определяться параметрами единичной автоэмиссионной диодной или триодной ячейки. Поэтому на первом этапе необходимо решить электростатическую задачу в отдельной ячейке для определения распределения напряженности электрического поля по поверхности эмиттера и взаимных емкостей между электродами. Затем, используя уравнение Фаулера-Нордгейма и принимая во внимание заданные граничные условия, можно решить уравнения гидродинамики, описывающие процессы переноса зарядов внутри триодной или диодной структуры. Далее с учетом найденных значений распределения токов в отдельных ячейках можно рассчитать вольт-амперные характеристики (ВАХ) и другие параметры конкретных конфигураций триодных или диодных структур.
В качестве базовой модели рассмотрим автоэмиссионную триодную ячейку, которая по сравнению с диодной имеет наиболее сложную конструкцию и вместе с тем представляет наибольший научный и практический интерес. Схематическое изображение одиночной автоэмиссионной триодной ячейки представлено на рис. 4.1. Как видно из этого рисунка, для рассматриваемых конструкций автоэмиссионных наноструктур данную задачу наибо 167 лее целесообразно решать в цилиндрических координатах. Для этого необходимо ввести цилиндрические координаты г, ф, z, таким образом, чтобы ось z совпадала с осью ячейки (рис. 4.1). Будем также полагать, что решаемая задача является осесимметричной, то есть отсутствует зависимость компонентов электромагнитного поля и плотности тока от угла ф, то есть д/ду=0.
Основные базовые элементы автоэмиссионной триодной ячейки можно охарактеризовать следующими параметрами:
- проводниковые элементы (катодный слой, острийный эмиттер, сеточный слой, анодный слой) - работой выхода ф0, коэффициентом шероховатости поверхности Кш, предельной механической прочностью о"пр, удельным сопротивлением р, коэффициентом теплопроводности Х , температурой плавления Тпл;
- диэлектрические элементы (подложка, изоляционные слои между катодом и сеткой, а также сеткой и анодом) - относительной диэлектрической проницаемостью є;
- граница автоэмиссионной триодной ячейки, то есть цилиндрическая поверхность, отделяющая данную ячейку от соседних, отсутствием нормальных составляющих компонентов электромагнитного поля и плотности электронного тока (5/дф = 0);
- область электронного газа, то есть свободное пространство внутри три-одной автоэмиссионной ячейки, состоящее из цилиндрического наноканала (среду в данной области с высокой степенью точности можно считать вакуумом), в котором возможно движение свободных электронов - концентрацией электронов п и скоростью V.
Диодные структуры
Первым объектом, на котором была опробована разработанная компьютерная программа, явились диодные автоэмиссионные структуры [209, 210]. При этом для них была рассмотрена возможность получения анода в зависимости от технологии его формирования с различной конфигурацией внутренней поверхности в области наноканала. Схематическое изображение единичных типовых ячеек рассматриваемых диодных структур показано на компьютерной программы в первую очередь нами был проведен расчет вольт-амперных характеристик для диодных структур, геометрические параметры которых полностью соответствовали реальным диодным структурам, и на которых были получены экспериментальные ВАХ [156-158,170]. Толщина междуэлектродного диэлектрического слоя из нанопористого анодного оксида алюминия для обеих типовых геометрий диодных структур была одинакова и составляла dK.a= 120 нм. Активная область прибора (то есть площадь пересечения катодной и анодной полосок) составляла 1 мм .
В качестве материала анода использовался тантал с работой выхода ф0 = 4,12 эВ, а материала катода - титан с работой выхода ф0 = 3,95 эВ. Диэлектрическая проницаемость междуэлектродного диэлектрического слоя АОА, состоящего из стенок окисных ячеек, имела значение є = 10,0. В процессе моделирования также исследовалось влияние конфигурации внутренней поверхности анода в области наноканала (плоской - рис.5.1, а, с выступом -рис.5.1, б и впадиной - рис.5.1, в) на поведение обратной ветви ВАХ диодной структуры. Расчетные ВАХ для вышеупомянутых конструкций диодных структур приведены на рис. 5.2 (а, б, г). Сравнение экспериментальной (рис. 5.2, в) и расчетной (рис.5.2, б) ВАХ для наноструктурного диода с анодным выступом иллюстрирует их очень хорошее совпадение и вместе с тем объясняет причину наблюдаемой симметрии прямой и обратной ветвей ВАХ. В то же время, как это видно из рис. 5.2, а и 5.2, г, использование в на-ноструктурном автоэлектронном диоде плоского анода или анода с впадиной приводит к резкому увеличению асимметрии наблюдаемых ВАХ.
Таким образом, приведенные расчетные и экспериментальные ВАХ демонстрируют: во-первых, их очень хорошее совпадение, что подтверждает правильность выбранной модели и алгоритма расчета ВАХ рассматриваемых наноструктурных АЭМП, во-вторых, подтверждают, что для таких диодных структур характерное значение рабочего напряжения составляет менее 2 В; и, в-третьих, показывают возможные пути создания наноструктурных АЭД с различной степенью асимметрии прямой и обратной ветвей ВАХ.
Развитие нового класса миниатюрных вакуумных автоэлектронных микроприборов, включая СВЧ устройства и плоские вакуумные дисплеи, в значительной степени определяется достижениями в области создания недорогих и технологичных матриц катодно-сеточных элементов (ячеек), обеспечивающих автоэлектронную эмиссию при низких напряжениях [211]. Существующие конструктивно-технологические принципы изготовления матриц ав 187 тоэмиссионных катодно-сеточных ячеек предусматривают возможность их формирования, как на кремниевых, так и на диэлектрических подложках. Конструкция матриц катодно-сеточных ячеек состоит из: катодной полоски (строки), содержащей эмиссионные зоны; междуэлектродного диэлектрического слоя; управляющего электрода (сетки), представляющего собой полоску тонкой металлической пленки, расположенной на вышеупомянутом диэлектрическом слое, и выполняющего роль столбца (затвора). Область пересечения катодной и сеточной полосок образует эмиссионную зону, содержащую плотноупакованную матрицу автоэмиссионных катодно-сеточных ячеек, количество которых, например, в узлах пересечения катодных строк и затворных столбцов дисплея, составляет 1000. При подаче на катод и сетку соответствующего напряжения в месте пересечения катодной строки и сеточного столбца из катодно-сеточных ячеек происходит автоэлектронная эмиссия электронов, образуя электронный пучок. Однако напряжение, которое должно коммутироваться для включения и выключения элементов отображения (т.е. напряжение между катодом и сеткой) при использовании автоэмиссионных катодов Спиндта составляет порядка 40 В [211]. И это является одним из главных недостатков существующих конструкций плоских вакуумных дисплеев, так как для управления X-Y-матрицей требуется большое количество высоковольтных строчных и столбцовых формирователей, а они стоят очень дорого [212]. С учетом вышеизложенного представляет интерес оценка возможности применимости разработанных конструкций автоэмиссионных ячеек в качестве матриц для катодно-сеточных узлов автоэлектронных микроприборов.
