Разработка и исследование эмиссионной среды для твердотельного автоэмиссионного диода на основе гетероструктуры кремний/алмаз тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Мигунов, Денис Михайлович

• Мигунов, Денис Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мигунов, Денис Михайлович

Введение.

1 Глава I. Аналитический обзор: состояние вопроса, актуальность работы, принципиальные и технические проблемы.

1.1 Автоэлектронная эмиссия.

1.2 Проблемы, связанные с разработкой вакуумных и твердотельных сильноточных диодов.

1.3 Углеродные материалы в электронике.

2 Глава II. Экспериментальные исследования: архитектура автоэмиссионной структуры, используемые методики, технологии и оборудование.

2.1 Установка для формирования автоэмиссионных сред.

2.2 Модернизация блока питания ИК нагрева.

2.3 Отработка технологических параметров формирования автоэмиссионных

2.3.1 Формирование массивов из наноразмерных конусов (далее НС) в твердых пленках.

2.3.1.1 Постановка задачи.

2.3.1.2 Физико-математическая модель формирования наноразмерных областей

2.3.1.3 Массоперенос вещества в пленке.

2.3.1.4 Случай «толстой» пленки.

2.3.1.5 Случай пленки наноразмерной толщины.

2.4 Формирование наноразмерных объектов (наноструктур ирование) с использованием процессов плазменного травления и маскирующих наноразмерных капель.

2.4.1 Архитектура используемых пленок.

2.4.2 Техмаршрут формирования наноструктурированных сред.

2.4.3 Оптимизация технологических параметров технологического маршрута формирования наноструктурированных сред.

2.5 Формирование матричных структур из массивов наноразмерных конусов.

2.6 Формирование массивов из наноразмерных конусов на подложке поликристаллического карбида кремния.

2.7 Формирование гетероструктуры nano Si / алмаз и твердотельного автоэмиссионного диода на его основе.

3 Глава III. Электрофизические исследования полученных наноструктур и твердотельных автоэмиссионных диодов на их основе.

3.1 Результаты физических исследований наноструктур ированных поверхностей с использованием РЭМ и РМА.

3.2 Исследования на АСМ.

3.3 Результаты ПЭМ исследований.

3.4 Результаты физических исследований гетероструктур nano Si / алмаз и твердотельного автоэмиссионного диода на его основе.

3.4.1 Исследования физических исследований автоэмиссионных диодов на основе гетероструктур nano Si / алмаз.

3.5 Исследования электрофизических свойств эмиссионных структур.

3.5.1 Теоретический анализ автоэмиссионных свойств из объектов наноструктурированной среды.

3.5.1.1 Случай «средних» полей (E0>F).

3.5.1.2 Случай «сильных» полей (E0~F).

3.5.2 Экспериментальные исследования автоэмиссии электронов с поверхностей с массивами из нанообъектов.

3.5.3 ВАХ диодов на основе гетероструктур nano Si / алмаз.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование эмиссионной среды для твердотельного автоэмиссионного диода на основе гетероструктуры кремний/алмаз»

В рамках твердотельной электроники удалось успешно решить множество системных задач благодаря достигнутому быстродействию твердотельной электронной компонентной базы (~10 ГГц) и значительной плотности

7 2 расположения вентилей на кристалле 5 10 вент/см ).

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 требует реализации катодных узлов с плотностью тока более 10 А/см при выходной мощности в несколько киловатт. Традиционно область СВЧ силовой электроники «закрывается» приборами и устройствами вакуумной электроники. При этом в мощных вакуумных ламповых устройствах, в качестве катодных узлов, используются термоэлектронные катоды, имеющие низкий КПД, большие массу и габариты и значительную инерционность.

Среди важных задач современной электроники существенное место отводится созданию стабильных автоэмиссионных катодов [2-4], способных 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 внешней радиации; чрезвычайно низкая инерционность; экспоненциально высокая крутизна вольт — амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования автоэлектронных катодов в различных электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, плоские дисплейные экраны, приборы и устройства радиочастотной электроники, и т. д.

Основная трудность в создании стабильных автоэлектронных катодов состоит в том [5], что автоэмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. Работа автоэлектронного катода в электронном приборе сопровождается различными процессами, происходящими на его поверхности; основные из них: бомбардировка ионами остаточного газа; пондеромоторные 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 процессы, порознь или в совокупности, приводят к развитию процессов, вызывающих деградацию автокатодов, проявляющихся в катодном распылении материала, изменении формы эмитирующей поверхности, изменении количества и расположения эмитирующих электроны острий, в фазовых изменениях на поверхности. Результатом является изменение работы выхода электронов и рост механических напряжений, изменения предельных параметров автоэлектронных катодов (величина и стабильность эмиссионного тока, спектр шумов и т. д.), разрушение прибора.

Для эффективного решения большинства приборных задач автоэмиссионной электроники на элементах нанометровых и субмикронных размеров и последующей интеграции разрабатываемых технологий и устройств в технологии и устройства традиционной микроэлектроники необходима разработка технологических процессов, реализующих эффективные сильноточные автоэмиссионные среды стойкие к деградации, с высокой степенью однородности по пластине площадью приемлемой для приборных применений.

Постановка работы

Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологического маршрута формирования активных 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 о Новая автоэмиссионная среда и твердотельный автоэмиссионный диод на ее основе. о Результаты экспериментальных исследований автоэмиссионных характеристик диодов на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз, о Метод формирования массивов из наноразмерных объектов, основанный на использовании суперпозиции ВЧ и DC плазмы и наноразмерных маскирующих объектов.

Положения, выносимые на защиту о Гетероструктура nano Si/алмаз (слабо легированный акцепторами), позволяет поставить в одинаковые автоэмиссионные условия большинство острий массива наноразмерных объектов, о 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, о 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/см .

Практическая ценность результатов исследований о 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/см ), не нуждающихся в вакуумировании. о 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. о Разработанные, изготовленные и исследованные экспериментальные образцы твердотельных автоэмиссионных диодов, не нуждающиеся в вакуумировании, выполнены на основе гетероструктур nano Si/алмаз и имеют низкий порог автоэмиссии (-0,5 В) и высокую плотность тока 20 А/см2).

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.

Данная работа выполнялась в рамках следующих НИР:

• «Разработка и исследование однокристальной схемы умножителя потока электронов на основе углеродных наноструктур и алмазных пленок», 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.

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 выдаче от 10.05.2011). Подана заявка на патент Российской Федерации (№2012125312 от 19.06.2012). Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях:

• 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, нанотехнологий 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

Структура и объем 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.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Мигунов, Денис Михайлович

Основные результаты и выводы

Разработаны технологические процедуры и технологический маршрут формирования маскирующих наноразмерных областей из пленок нанометровой толщины посредством плазменно-термической симуляции. Разработаны технологические процедуры и технологические маршруты формирования вертикально ориентированных нанообъектов с большим аспектным отношением посредством плазмохимического травления через маскирующие наноразмерные области.

Разработаны технологические маршруты формирования активных автоэмиссионных сред на основе гетероструктур nano Si / поликристаллический алмаз с массивами наноструктур на гетерогранице.

Сформированные массивы кремниевых наноразмерных конусов обладают следующими автоэмиссионными характеристиками: Епор ~ 5 В/мкм, 1макс ~

2 2 2 100 мкА/мм (в пересчете на см - 10 мА/см ), характер автоэмиссии — стабильный.

Технологический маршрут и кремниевые наноструктуры были использованы при изготовлении твердотельного автоэмиссионного диода, не нуждающегося в вакуумировании, выполненного на основе гетероструктур nano Si / алмаз, имеющего низкий порог автоэмиссии (~ 0,5 В) и высокую плотность тока 20 А/см ).

Благодарности

Хотел бы выразить искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю - Ильичеву Эдуарду Анатольевичу за постановку задачи и идеи, которые он внес в настоящую диссертационную работу; за помощь, терпение, дискуссии и переданный опыт.

Так же, я признателен сотрудникам 85 отдела ФГУП «НИИФП им. Ф.В. Лукина» и кафедры КФН МИЭТ за искреннюю помощь и поддержку настоящей работы.

Отдельная благодарность сотрудникам ЦПК «MCT и ЭКБ» -Кириленко Е.П., Сахарову O.A., а также сотруднику ЦКБ ФГУП НИИФП Трифонову А.Ю. за выполненные измерения (РЭМ, РМА и ПЭМ) и обсуждения их результатов.

Список публикаций по теме диссертации

1. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин, «Каталитическая стимуляция роста наноструктур из углеродосодержащих подложек» // Тезисы докладов «Микро- и нанотехнологии в электронике», Нальчик, 2009.09, с. 64-65

2. Е. Ilyichev, V. Inkin, D. Migunov, G. Petruhin, E. Poltoratskii, G. Rychkov, D. Shkodin, CNS catalyst growth from carbonaceous substrate // International conference "Micro- and nanoelectronics 2009", RAS RFBR, Moscow -Zvenigorod, October 5-9, 2009, 02-03

3. Ye.Yu. Alekseeve, E.A. Ilyichev, V.N. Inkin, A.I. Kozlitin, D.M. Migunov, G.N. Petruhin, E.A. Poltoratskii, G.S. Rychkov, D.V. Shkodin, "Carbon nanostructures' catalytic growth from carbonaceous substrates in comparison with PECCVD method" // Proc. SPIE, Vol. 7521, 75210Z (2009), 26 February 2010

4. Е.Ю. Алексеева, Э.А. Ильичев, JI.JI. Купченко, Д.М. Мигунов, P.M. Набиев, Г.Н. Петрухин, Д.В. Шкодин, «Особенности каталитического роста наноструктур из углеродосодержащих подложек» // Тезисы докладов «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем», Москва, 2009.10, с. 3

5. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин, Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 4, стр. 48-53

6. Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, «Особенности каталитического роста углеродных наноструктур из углеродосодержащих слоев» // Тезисы докладов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, 2010.04, с. 16

7. Э.А. Ильичев, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, P.M. Набиев, JI.JI. Купченко, «Технологии плазмо-каталитического роста углеродных наноструктур: особенности и применение в автоэмиссионных схемах» // Сборник научных трудов «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010», под общей редакцией академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010, с.632-637

8. Э.А. Ильичев, В.Н. Инкин, P.M. Набиев, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин. Способ формирования углеродных наноструктур. Заявка №2009143994/28 от 27.11.2009г. Решение о выдаче от 10.05.2011г.

9. Д.М. Мигунов, «Каталитический синтез углеродных наноструктур для автоэмиссионных применений» // Тезисы докладов «III окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов», Москва, Зеленоград, 2011, с.ЗЗ

10. Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Д.М. Мигунов, P.M. Набиев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, Углеродные материалы в электронике: состояния и проблемы // Известия высших учебных заведений «Электроника» 5/2011 (91), с. 18-35

11.Е. Il'ichev, A. Kozlitin, D. Migunov, О. Sakharov, A. Trifonov, G. Petruchin, Features of nanostructures formed in solid substrates // International conference "Micro- and nanoelectronics 2012", RAS RFBR, Moscow - Zvenigorod, October 1-5, 2012, Pl-28

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мигунов, Денис Михайлович, 2012 год

1. 1 М.Я. Щелев, О.Д. Далькаров, Н.Г. Полухина, С.И. Веденеев. Современные проблемы физических наук // Успехи физических наук, июнь 2012: Т. 182.

2. Bryan p. Ribaya, Joseph Leung, Philip Brown. A study on the mechanical and electrical reliability of individual carbon nanotube field emission cathodes. // Nanotechnology 2008 - v. 19 - P. 1-8.

3. C.A. Пшеничнюк, Ю.М. Юмагузин. Энергетичечкие распределения электронов, эмитированных с поверхности вольфрамовых острий, покрытых алмазоподобными пленками// Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.5, с 105-112.

4. Г.Н. Фурсей. Автоэлектронная эмиссия // Соросовский образовательный журнал. 2000 г. - 11 : Т. 6.

5. Ильичев Э.А., Набиев P.M., Петрухин Г.Н., Рычков Г.С., Кулешов А.Е., Мигунов Д.М. Углеродные материалы в электронике: состояние и проблемы // «Известия высшмх учебных заведений, Электроника» , 2011, т.5(91), с. 1835.

6. А.В. Елецкий. Углеродные нанотрубкии и их эмиссионные свойства // Успехи физических наук. апрель 2002 - 4 : Т. 172.

7. R. С. Mani, X. Li, М. К. Sunkara, and К. Rajan, Nano Letters 3, 671 (2003).

8. С. L. Tsai, С. F. Chen, and L. K. Wu, Applied Physics Letters 81, 721 (2002).

9. G. Y. Zhang, X. Jiang, and E. G. Wang, Science 300, 472 (2003).

10. K. L. Klein, A. V. Melechko, P. D. Rack, J. D. Fowlkes, H. M. Meyer, and M. L. Simpson, Carbon 43, 1857 (2005).

11. V. I. Merkulov, A. V. Melechko, M. A. Guillorn, D. H. Lowndes, and M. L. Simpson, Chemical Physics Letters 350, 381 (2001).

12. H. Cui, X. Yang, H. M. Meyer, L. R. Baylor, M. L. Simpson, W. L. Gardner, D. H. Lowndes, L. An, and J. Lui, Journal of Materials Research 20, 850 (2005).

13. E.A. IFichev, A.E. Kuleshov, E.A. Poltoratskii and G.S. Rychkov. Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film. Diamond Relat., Mater., 2011, 20/1,23-25. Умножитель концентратор.

14. C.A. Гаврилов, H.H. Дзбановский, Э.А. Ильичев, П.В. Минаков, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков, Н.В. Суетин. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны. // Журнал технической физики, 2004, т.74, вып. 1, с 108-114.

15. С.А. Гаврилов, Э.А. Ильичев, Э.А. Полторацкий, Г.С. Рычков. Усилитель электронного потока. Патент №2222072, приоритет изобретения 16.11.2000, зарегистрирован 20.01.2004.

16. B.C. Вавилов Е.А. Конорова Полупроводниковый алмазы // Успехи физических наук. апрель 1976 - 4: Т. 118.

17. М.В. Байдакова А.Я. Вуль, В.Г. Голубев, С.А.Грудинкин, В.Г. Мелехин, Н.А. Феоктистов, А. Крюгер Получение алмазных пленок на кристаллическом кремнии методом термического газофазного осаждения // Физика и техника полупроводников. 2002 - 6 : Т. 36.

18. A.A.Istratov and E.R. Weber, Journal of the Electrochemical Society 149, G21 (2002).

19. R.R. Chromik, W.K.Neils, and E.J. Cotts, Journal of Applied Physics 86, 4273 (1999).

20. C.S. Lee, H. Gong, R. Liu, A.T.S. Wee, C.L. Cha, A. See, and L. Chan, Journal of Applied Physics 90, 3822 (2001).

21. Э.Г. Раков, Пиролитический синтез углеродных нанотрубок и нановолокон // Рос. Хим. Ж. 2004 - т. XLVIII - №5 - с. 12-20.

22. K.L. Klein. Synthesis and Characterization of Nanostructured Materials // A Dissertation Presented for the Doctor of Philosophy Degree. The University of Tennessee, Knoxville: May 2009.

23. И.В. Грехов Г.А. Месяц. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов // Успехи физических наук, июль 2005: Т. 175.

24. А.Т. Рахимов. Автоэмиссионный катоды (холодные эмиттеры) на нанокристалличеких углеродных и наноалмазных пленках (физика, технология, применение) // Успехи физических наук, сентябрь 2000: Т. 170.

25. В.Д. Калканов, Н.В. Милешкона, Е.В. Остроумова. Тунельная эмиссия электронов из валентной зоны полупроводников в сильных электрических полях // Физика и техника полупроводников, 2006, т.40, вып.9, с 1062-1068.

26. N. Vikulov, N. Kichaeva, Electrónica: NTB. No. 5 (2008) 70.

27. J.K. Ha, B.H. Chung, S.Y. Han, et. al. L. Vac. Sci. Technol. В 20 (2002) 2080.

28. N.de Jonge, J.M. Bonard. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 362 (2004) 2239.

29. Э.А. Ильичев, B.H. Инкин, Д.М. Мигунов, Г.Н. Петрухин, Э.А. Полторацкий,

30. Г.С. Рычков, Д.В. Шкодин, Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 4, стр. 48-53