Введение к работе
Актуальность работы
В рамках твердотельной электроники удалось успешно решить множество системных задач благодаря достигнутому быстродействию твердотельной электронной компонентной базы (> 10 ГГц) и значительной плотности расположения вентилей на кристалле (~ 5-Ю7 вент/см2).
Однако существует ряд задач, решение которых традиционными методами не реализовано в рамках твердотельной электроники [1]. К таковым относится, например, получение компактных, но мощных схем и устройств для СВЧ генераторов и усилителей. Решение этой задачи в настоящее время реализуется в рамках вакуумной электроники и требует создания катодных узлов с плотностью тока порядка и более 10 А/см2 при выходной мощности в несколько киловатт. В частности, область СВЧ силовой электроники «закрывается» приборами и устройствами вакуумной электроники, где в качестве катодных узлов, используются термоэлектронные катоды, имеющие низкий КПД, большие массу и габариты и значительную инерционность.
Альтернативой им могут стать вакуумные автоэмиссионные катоды [2-4], способные длительное время работать в заданных технических условиях. Преимущества автоэлектронных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны: высокая монохроматичность энергии электронов пучка, устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к радиации, безинерционность, высокая крутизна вольт-амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования автокатодов в сильноточных и быстродействующих электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, плоские экраны, приборы и устройства радиочастотной электроники, и т.д.
Ряд задач силовой СВЧ электроники могут быть решены в рамках твердотельной электроники. При этом, в качестве базовых элементов для СВЧ схем мощностью в 1...10 Вт используются, как правило, базовые диоды и триоды на основе GaAs, карбида кремния, алмаза, а также гетеростуктур GaAs-AlAs, GaN-AlN. Транспорт носителей тока в таких приборах осуществляется по надбарьерным (инжекционным) механизмам, что существенно ограничивает быстродействие, КПД и температурный диапазон работы использующих их схем.
В этом плане крайне актуальной была бы разработка силовых СВЧ приборов с доминированием подбарьерного (туннельного) механизма транспорта носителей тока. В этом случае естественно ожидать повышение быстродействия и существенное расширение температурного диапазона устройств работы приборов и схем.
Основная трудность в создании стабильных автоэлектронных сред и автокатодов состоит в том [5], что автоэлектронная эмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. Действительно, работа автоэлектронного катода в электронном приборе сопровождается различными процессами, происходящими на его поверхности. Основные из них: бомбардировка ионами остаточного газа, электромеханические нагрузки, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция в сильных электрических полях, и т. д. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации автокатода, перечисленные явления в совокупности, приводят к развитию процессов, вызывающих их деградацию: катодное распыление материала, изменение формы эмитирующей поверхности, изменение количества и расположения эмитирующих электроны острий, либо других активных центров, фазовые изменения на поверхности, механические напряжения.
Указанные эффекты вызывают изменения коэффициента прозрачности барьеров и неконтролируемые ухудшения основных параметров автокатодов, и приводят в конечном счете к выходу прибора из строя.
Таким образом, для эффективного решения приборных задач силовой электроники, и автоэмиссионной электроники в частности, необходима разработка технологических процессов получения стойких к деградации и эффективных автоэмиссионных сред.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологического маршрута формирования автоэмиссионных сред на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз с массивами наноструктур на гетерогранице.
Одной из базовых компонентов упомянутого техмаршрута является технологический процесс формирования массивов из нанообъектов посредством использования плазмохимического травления твердой пленки (приборной структуры либо подложки) через наноразмерные маскирующие области.
Научная новизна:
-
Новая автоэмиссионная среда и твердотельный автоэмиссионный диод на ее основе.
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик автоэмиссионных диодов на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз.
-
Метод формирования массивов из наноразмерных объектов, основанный на использовании суперпозиции ВЧ и DC плазмы и наноразмерных маскирующих объектов.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность результатов и корректность выводов и заключений основана как на использовании общепризнанных и аттестованных методов и устройств диагностики материалов и приборных структур, так и на результатах комплексных экспериментальных исследований разработанных в настоящей работе автоэмиттирующих структур в приборах.
Практическая значимость
-
Разработанные технологии получения маскирующих наноразмерных областей и кремниевых наноструктур с высоким аспектным отношением используются в технологическом маршруте изготовления твердотельных автоэмиссионных диодов с низкими пороговыми напряжениями автоэмиссии (< 0,5 В/мкм), высокими плотностями автоэмиссионных токов (~ 20 А/см2).
-
Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы наноструктурированных поверхностей кремния (nanoSi), исследованы в качестве активных сред для вакуумных автоэмиттеров катодно-сеточных узлов (КСУ): пороговое электрическое поле ~ 5 В/мкм, плотность тока —10 мА/см2.
-
Разработанные, изготовленные и исследованные экспериментальные образцы твердотельных автоэмиссионных диодов, не нуждающиеся в вакуумировании, выполнены на основе гетероструктур пало Si/алмаз и имеют низкий порог автоэмиссии (~ 0,5 В), и высокую плотность тока (~ 20 А/см2).
На защиту выносятся следующие положения
-
Гетероструктура nano Si / алмаз (слабо легированный акцепторами), позволяет поставить в одинаковые автоэмиссионные условия большинство острий массива наноразмерных объектов.
-
Технологический маршрут в составе последовательности техпроцессов, состоящих в формировании на поверхности приборной структуры, наноразмерных маскирующих областей, формировании наноструктур, а затем и зародышевых структур с последующим ростом поликристаллической слаболегированной акцепторами алмазной пленки позволяет изготовить эффективную автоэмиссионную гетероструктуру nano Si / алмаз.
-
Технологический маршрут изготовления твердотельных диодов на основе гетероструктуры nano Si / алмаз позволяет получить автоэмиссионные диоды с пороговыми напряжениями не более ~ 0,5 В и плотностями тока не менее 20 А/см2.
Апробация работы
Данная работа выполнялась в рамках следующих НИР:
«Разработка и исследование однокристальной схемы умножителя потока электронов на основе углеродных наноструктур и алмазных пленок» по ГК № 02.740.11.0115 от 15.06.2009;
«Исследование технологии каталитического синтеза углеродных наноструктур из материала углеродсодержащих подложек» № 66-ГБ-061-Гр.асп.-КФН от 01.10.2010;
«Определение граничных условий системы уравнений формообразования каталитических областей в процессе роста углеродных наноструктур» № 62-ГБ-061-Гр.ст.-КФН от 01.10.2010;
«Моделирование процесса каталитического роста углеродных нанотрубок» № 72-ГБ-061-Гр.ст.-КФН от 01.10.2011.
Основные результаты работы доложены автором на следующих конференциях и семинарах:
Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 21-27 сентября, 2009;
International conference "Micro- and nanoelectronics - 2009". Moscow - Zvenigorod, Russia, 5th-9th October, 2009;
Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологии и микросистем», Ульяновск, 22-25 октября, 2009;
17-ая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, Зеленоград, 28-30 апреля, 2010;
III окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов, Москва, Зеленоград, 2011;
International conference "Micro- and nanoelectronics - 2012". Moscow - Zvenigorod, Russia, lst-5th October, 2012.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 статья в иностранном журнале, 1 статья, вошедшая в сборник научных трудов. Получен патент Российской Федерации (заявка №2009143994/28 от 27.11.2009, решение о вьщаче от 10.05.2011). Подана заявка на патент Российской Федерации (№2012125312 от 19.06.2012).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, содержит 115 страниц машинописного текста, включая 2 таблицы, 43 рисунка и список литературы из 34 наименований. В приложении приведены акты внедрения результатов работы.
