Разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Волков, Евгений Юрьевич

• Волков, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волков, Евгений Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОИНМХ АВТОЭМИССИОННЫХ ПРИБОРОВ

1.1 Антоэлсктропнан эмиссии металлов

1.2 Аптоэлсктроииая эмиссии полупроводником

1.3 Амгоэлектронная эмиссии углеродных материалов

1.3.1 Углеродные папо,материалы

1.3.2 Автоэлектроннаи эмиссии углеродных нанотрубок

1.3.3 Графем и его получение

1.3.4 Аптоэлсктроииая эмиссия пленок графема

1.4 Автоэмнсснонные катоды

1.4.1 Влияние геометрии катодом на амтоэмнсснонные характеристики

1.4.2 Матричные и мпогокатодные системы

1.4.3 Технологии изготовлении единичных автоэмнссионных катодов и их матриц

1.5 Применение автоэмнсснонных катодом в современных приборах микро- и наноэлектропнкн

Выводы н ностаномка задач

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ЗАЗОРЕ

2.1 Математическое описание поли м антоэмнсснонных структурах

2.2 Расчет электростатических нолей

2.2.1 Метод конечных элементов

2.3 Моделирование антоэмнсснонных структур с катодами в форме острия

2.3.1 Моделирование матриц с автоэмнсснонными катодами в форме острия

2.4 Моделирование автоэмнссионных структур с катодами в форме лезвия

2.5 Моделирование нланарных эмиссионных структур

2.6 Выводы

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ

3.1 Получение пленок графена на подложках карбида кремнии

3.2 Исследование морфологии и спектральных характеристик пленок графена на карбиде кремния

3.2.1 Исследование спектральных характеристик пленок графена на БіС

3.2.2 Исследование .морфологии поверхности пленок графена на БіС

3.3 Исследование антоэмнсснонных характеристик пленок графена на подложках карбида кремнии

3.4 Изготовление карбпдокремннемых антоэмнсснонных катодов в форме острия с помощью метода фокусированных ионных пучков

3.5 Исследование авгоэмнсспоииых характеристик полученных наноструктур

і

3.6 Исследование стабильности эмиссионных структур на основе пленок графсна на карбиде кремния

3.7 Выводы

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭМИССИОННЫХ НАНОСТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ

4.1 Разработка технологии изготовления пленарных эмиссионных ячеек на основе пленок графепа на карбиде кремния

4.2 Разработка технологии изготовления планарных эмиссионных ячеек с катодами в форме диска и кольца на основе пленок графена на карбиде кремния

4.3 Разработка технологии изготовления эмиссионных ячеек с катодом в форме острия на основе пленок графена на карбиде кремния

4.4 Разработка технологии изготовления эмиссионной ячейки с катодом в форме плапарного острия на основе пленок графена на карбиде кремния

4.5 Матрицы автоэмиссионных катодов на основе пленок графена на SiC

4.6 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационном рабо і ы

Для создания современных приборов большой интерес представляют источники элекіронов на основе автоэлектронпой эмиссии из микро- и наноструктур. Такие структурі,і имеют широкий спектр применения: нолевые эмиссионные дисплеи, устройства СВЧ, микро- и наносенсоры. компьютеры нового поколения, единичные автоэмиссионные катоды в электронно-зопдовых системах и др.

Автоэмиссионные катоды работают при высокой напряженности электрического поля (порядка 107 В/см). Для достижения такой высокой напряженности поля им придают форму острий или лезвий, что позволяет получать локальное усиление электрического поля. Современные технологии лучевой литографии позволяют формировать структуры субмикропиых размеров. Эю послужило основой нового этапа развития автоэмиссионных приборов.

Приборы на основе автоэлектроппой эмиссии по сравнению с термо- и фотоэмиссионными обладают рядом преимуществ: не требуют дополнительных затрат энергии (нагрев, облучение), позволяют получать высокую плотность і ока эмиссии, вольт-амперные характеристики таких приборов имеют экспоненциально высокую крутизну, стабильны в широком диапазоне рабочих температур, безынерционны, устойчивы к радиации, имеют низкий уровень шума и высокое быстродействие. В процессе эксплуатации таких приборов на поверхности авгоэмиссиоипых катодов протекают различные процессы, которые оказывают негативное влияние на стабильность рабоїьг. ионная бомбардировка катода, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция атомов и другие. Перечисленные процессы, в зависимости от режимов работы автоэмиссионпых приборов, приводят к каїодному распылению, изменению геометрии эмитирующей поверхности, разогрев)' катода током эмиссии с послед) ющим его разрушением, изменению работы выхода электронов. Все перечисленные эффекты снижают стабильность работы эмиссионных приборов.

В настоящее время ведутся исследования, направленные на повышение стабильности работы автоэмиссионных приборов. 'Гак в работах Лучинина В.В. предложено использовать карбид кремния для создания эмиссионных структур методом фокусированных ионных пучков. Здесь использование карбида кремния обусловлено его устойчивостью к внешним воздействиям, что проявляется в высоких значениях теплопроводности, температуры плавления, химической, радиационной и лучевой стойкости. Одним из недостатков эмиссионных структур па основе карбида кремния является высокая работа выхода электронов.

Такие приборы имеют высокие рабочие напряжения. Для снижения рабочих напряжений необходимо на эмитирующую поверхность наносить тонкие пленки материалов, обладающих низкой работой выхода, а также проводить дальнейшее уменьшение размеров таких структур. Использование пленок графена является перспективным для этих целей, благодаря тому, что они обладают низкой работой выхода электронов, имеют высокую адгезионную прочность к карбиду кремния и стабильность, могут быть получены на всей поверхности подложки путем термического разложение карбида кремния в вакууме.

В настоящее время процесс получения пленок графена на карбиде кремния еще недостаточно изучен. Не изучено также влияние конструкции наноразмерных автоэмиссиоппых катодов с пленками графена на поверхности карбида кремния на эмиссию электронов. Решение этих вопросов является актуальной задачей современной микро- и наноэлектроники,

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является, разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссиоппых наноструктур на основе пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния исследований микроэлектронных автоэмиссиоппых приборов на основе углеродных материалов.

2. Провести математическое моделирование распределения электрического поля в межэлектродпом зазоре и эмиссионных характеристик различных конструкции автоэмиссионных катодов.

3. Исследовать возможность получения максимальных напряжен ностей электрического поля при минимальных рабочих напряжениях в различных конструкциях автоэм и сс и он и ых катодов.

4. Экспериментально исследовать влияние технологических режимов па морфологию поверхности и спектры комбинационного рассеяния света пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

5. Разработать конструкцию автоэмиссиоппых катодов и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния с использованием метода фокусированных ионных пучков.

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности влияния конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов различной формы (острие, лезвие и планарного тина) на

коэффициент усиления электрического поля, величину напряженности электрического ноля и эмиссионных характеристики.

2. Установлена неоднородность поля вдоль эмитирующей поверхности в пленарных эмиссионных структурах и в структурах в форме лезвия, предложены конструкции эмиссионных структур, в которых ее можно избежать.

3. Согласно экспериментальным исследованиям автоэмиссионных характеристик наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния установлено, что при расстояниях между анодом и катодом 1-5 им, эмиссия электронов возможна на воздухе.

Практическая значимость

1. Экспериментально определены режимы получения пленок графена па карбиде кремния (полуизолирующип и п-пша) методом термического разложения в вакууме при давлении 10"3 Па. Температура предварительного отжига 900 °С, температура окончательного отжига 1300 °С.

2. Разработаны конструкции и технологии изготовления эмиссионных ячеек на основе пленок графена па карбиде кремния. На основании результатов моделирования установлено, что планарпые автоэмиссионные катоды в форме диска и кольца обладают высокой однородностью электрического поля вдоль всей эмитирующей поверхности.

3. Показана возможность применения метода фокусированных ионных пучков (диаметр пучка 12-20 им) для формирования наноразмерпых автоэмиссионных структур с пленками графена па карбиде кремния.

4. Показана перспективность применения пленок графена на карбиде кремния (полуизолирующий и п-типа) в приборах эмиссионной электроники.

Положения, выносимые на защиту

1. Особенности эмиссии электронов при переходе от микроэлектроппых к наноразмериым структурам, заключающиеся в уменьшении требований к степени вакуума в эмиссионных приборах и уменьшении влияния объемного заряда на эмиссионные характеристики.

2. Технологические режимы получения пленок графена на поверхности карбида кремния при использовании метода термического разложения в вакууме при давлении 10'3 Па.

3. Закономерности изменения напряженности электрического поля в межэлсктродпом зазоре наноразмерпых автоэмиссионных структур различных конструкций.

4. Конструкции и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных ячеек на основе пленок графеиа па карбиде кремния, работающих при напряжснностях ноля на 1-2 порядка меньших rio сравнению с обычными приборами вакуумной эмиссионной электроники.

5. Результаты исследований эмиссионных характеристик наноструктур при межэлектродных расстояниях 1, 3 и 5 н.м, па основании которых была определена работа выхода электронов из пленок графеиа на карбиде кремния.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР) кафедры ТМиНА и НОЦ «11аиотехнологии» в 2009-2012 гг.: НИР № 301.38.06.52 «Разработка и исследование физических и технологических принципов создания микро- и напоприборов и систем для мониторинга окружающей среды», НИР № 301.38.06.51 «Разработка принципов построения и основ теории технологических процессов создания упорядоченных массивов наноструктур для квантовых и молекулярных папоэлектронных и паномехаппческих систем».

Результаты диссертационной работы внедрены па предприятиях ООО «Центр лазерных технологий» (г. Таганрог) и ООО «АВИАОК Иптерпейшенел» (г. Таганрог), а также в учебный процесс па кафедре Технологии микро- и напоэлектроппой аппаратуры (ТМиНА) факультета Электроники и приборостроения (ФЭП) Южного федерального университета (ЮФУ).

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах:

- Международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Панотехнолопш-2010» (Россия. Дивноморское. 19-24 сентября 2010 г.);

- III Международной научно-технической конференции микро- и нанотехнологии в электронике (Нальчик, 11-16 октября 2010 г.);

- И Международной научной конференции «Паноетруктурные материалы-2010»: Беларусь-Россия-Украипа (ПАПО-2010) (Киев. 19-22 октября 2010 г.);

- VII Кжсгодпой научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Росюв-па-Дону, 1 1-25 апреля 2011 г.);

- V Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, 9-15 октября 2011 г.);

- 14-ой научной молодежной школе Физика и технология микро - и наносистем (Санкт-Петербург, 24-25 ноября 201 1 г.);

- 5-ой Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (ЙЕМ8Т-5) (Украина, Одесса, 4-8 июня 2012 г.).

- Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - 2012» ТТИ ЮФУ (Таганрог, 25-29 июня 2012 г);

За участие в конкурсе «Инновационных разработок ТТИ ЮФУ» работа отмечена дипломом первой степени в номинации «Инновационная идея». За участие в конкурсе «Молодой шшоватор города Таганрога-2012» работа отмечена дипломом второй степени в номинации «Инновационная идея».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей. 4 из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем работы составляет 145 сфапиц. включая 106 рисунков. 5 таблиц, и 11! наименований списка использованной литературы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая значимость работы, отражены сведения о се апробации и структуре.

В первой киаве представлен обзор, посвященный теоретическим основам автоэлектронной эмиссии из различных материалов, включая углеродные наноматериалы. Приведены основные методы получения углеродных наиоматериалов и графена. Рассмотрены основные конструкции автоэмиссионных катодов и их аппроксимации, позволяющие рассчитать напряженность электрического поля у поверхности катода. Описаны преимущества и недостатки автоэмиссионных катодов, как единичных, так и их матриц. Проанализированы основные методы изготовления автоэмиссионных катодов и их матриц, применяемых в современных приборах микро- и наноэлектроникп. Определены цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты моделирования распределения электрического поля в межэлектродном зазоре автоэмиссионных структур. Выявлены закономерности, связывающие геометрические параметры катода с напряженностью электрического поля. В результате анализа выявленных закономерностей определены конструкции автоэмпссионных приборов, состоящие из единичных катодов и матриц. Проведена оценка длины свободного пробега электронов в межэлектродном зазоре предложен! 101"! структуры.

В третьей главе проведены 'экспериментальные исследования, включающие: отработку режимов отжига карбида кремния в вакууме, необходимого для получения пленок графена; исследования морфологии поверхности и спектров комбинационного рассеяния света полученных пленок, подтверждающие присутствие графена; оценку эмиссионных свойств графена Fia плоских подложках: изготовление карбндокремпиевых катодов заданной геометрии методом фокусированных ионных пучков: огжиг изготовленных катодов в вакууме с соблюдением предварительно отработанных режимов; исследование эмиссионных свойств полученных структур и обработку результатов измерений. Определены эмиссионные свойства графена.

В четвертой главе разработаны конструкции и технологические маршруты изготовления пяти различных наноразмерных автоэмиссионных ячеек. Проанализированы преим\щества и недостатки предложенных конструкций. Разработаны технологические режимы маршрутов изготовления эмиссионных ячеек.

В заключении сформулированы основные результаты.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы па предприятиях и в учебном процессе.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Волков, Евгений Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны технологические основы изготовления и исследованы характеристики автоэмпссиоппых наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния.

В результате проведенных исследований были получены следующие основные результат:

1. Установлено, что в эмиссионных наноструктурах с катодами в форме острия и лезвия при межэлектродном расстоянии много меньшем высоты катода, напряженность электрического поля пс зависит от высоты, сильно зависит от радиуса закругления вершины каюда и межэлектродпого расстояния.

2. Установлено, чго для обеспечения однородности электрического поля у поверхности автоэмиссионного катода и повышения стабильности его параметров предпочтительны катоды в форме острия, планарные катоды в форме диска и кольца Для создания мощных приборов микро- и папоэлектропики наиболее перспективны автоэмпссионпые катоды в форме диска и кольца.

3. Обнаружена повышенная напряженное!ь электрического поля у края катода в форме лезвия, которая может влиять па стабильность работы автоэмиссионных структур. У катодов в форме лезвия с поперечным сечением 15 виде прямоугольника повышенная напряженность у края наблюдается как в продольном, так и в поперечном направлении. Для уменьшения воздействия этого эффекта необходимо увеличить радиус закру1 ленпя вершины лезвия.

4. Определены режимы отжига бН-БК" в вакууме (10"3 Па) при получении пленок графена на его поверхности. Показано, что графеновые пленки образуются на поверхности 81С при температурах отжига свыше 1200 °С. Исследованы эмиссионные характеристики полученных пленок графена па подложках БЮ. Показано, что для правильной оценки эмиссионных свойств графена, таких как коэффициент усиления поля и работа выхода электронов, необходимо знать точную геометрию катода.

5. Исследованы спектры комбинационного рассеяния света и морфология поверхности полученных пленок графена на карбиде кремния. Установлено, что в спектрах КРС при температурах отжига в вакууме ниже 1200 °С па поверхности карбида кремния преобладает графитовая фаза с максимальной интенсивностью фононной полосы на частоте 1583 см'1. При отжиге в вакууме при температурах выше 1200 °С преобладает графеновая фаза с максимальной интенсивностью фононной полосы на частоте 2720 см"1.

6. Показано, что с помощью метода фокусированных ионных пучков, можно изготовить карбидокремписвые автоэмисепопные катоды в форме острия с радиусами закругления вершины в диапазоне 15-60 нм. Измерены, при межэлектродном расстоянии 1, 3 и 5 нм,

эмиссионные характеристики структур после формирования на их поверхности пленок графена. По наклону ВАХ в координатах Фаулсра-Нордгейма была определена работа выхода электронов из графена на карбиде кремния. Экспериментально установлена высокая стабильность эмиссии электронов из полученных структур.

7. Разработаны коне ірукции и технологические маршруты изготовления пяти эмиссионных ячеек па основе пленок графена на карбиде кремния. Применение изолирующего карбида кремния значительно упрощает технологический процесс изготовления эмиссионных ячеек и матриц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волков, Евгений Юрьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ источников

1. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Двтоэлектронпая эмиссия / под ред. Д.В. Зернова. М.: ФИЗМАТЛИТ. 1958. 272 с.

2. Ненакаливаемые катоды / под ред. М.И. Елинсопа. М.: Сов. Радио, 1974. 336 с.

3. Шешип Е.П. Структура поверхности и автоэмиссиоппые свойства углеродных материалов. М.: Изд-во МФТИ, 2001. 288 с.

4. Добрецов JI. И.. Еомоюнова М. В. Эмиссионная электропика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1966. 564 с.

5. Татарснко И.И., Кравченко В.Ф. Автоэмиссиоппые наноструктуры и приборы на их основе. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 192 с.

6. Фурсей Г\И. Автоэлектронная эмиссия // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 11. С. 96 - 103.

7. Fowler R.II.. Nordheim L.W. Electron emission in intensive fields // Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.

8. Спроул P. Современная физика, изд. второе переработанное. Перевод с англ. / под ред. В.И. Когана. Серия «Физико-математическая библиотека инженера». М.: ФИЗМАТЛИТ, 1974. С. 441-442.

9. Дюжев H.A.. Козлов А.И. Махов В.П.. Серовайский В.М. Быстродействие микроэлектронных триодных структур е автоэлекгронпымп катодами // Микроэлектроника. 1990. Т. 19. № 5. С. 478.

10. Взрывная эмиссия электронов / С.П. Бугаев, Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц [и др.] //УФИ. 1975. Т. П5.№ 1. С. 101 - 117.

11. Соболев 1 I.A. Новый класс электронных эмиттеров // УФ11. 1973. Т. 111. № 2. С. 331 ~ 353.

12. Бирюлин Ю.Ф.. Каряев В.П.. Лепехин О.Ф. Универсальный двухфупкциоиальиып ОЭС фотокагод с высоким стабильным квантовым выходом фотоэмиссии // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. № 16. С. 29-36.

13. Фурсей Г.П., Баскин Л.И. Особенности полевой эмиссии полупроводников // Микроэлектроника. 1997. Т. 26. №2. С. 1 17 - 122.

14. Furscy G.N., Egorov N.Y. Field Emission ofp-type Silicon // Phys. Stat. Sol. 1969. V. 32. P. 2329.

15. Фурсей E.H., Бахтизин Р.З. Нелинейные вольтамперные характеристики р-типа германия // ФТТ. 1969. Т. U.C. 3672-3674.

16. Фурсей E.H.. Егоров Н.В., Манохин С.П. Переходные эффекты, связанные с автоэлсктройной эмиссией из кремния //ФТТ. 1972. Т. 14. С. 1686.

17. Эль'Пимр М.К., Егоров II.В., Фурссй Г.Н, Исследование переходных процессов при автоэмпссни из германия // ФТ'Г. 1975. Т. 17. С. 286.

18. Баскип Л.Н., Егоров II.В., Птипып В.Э., <]>урсей Г.II. Влияние глубоких центров захвата па эмиссионную способность шпрокозоппых полупроводниковых автокатодов // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. С. 1345.

19. Baskin L.M., l'ursey G.N. Decisive Role of Deep Trap Slate in Vacuum Breakdown in Presence of Dielectric Insertion // Proc. Of 13 ISDEIV(Paris). 1988. Pt. 1. P. 132.

20. Розова Т.Т.. Иванов B.I .. Фурссй Г.Н. Влияние сильного электрического поля на адсорбцию кислорода на германии // ФТ'Г. 1975. Т. 17. С. 64.

21. Иванов В.Г.. Смирнова Т.Н., Фурссй Г.Н. Пороговый эффект электроадсорбции кислорода на отдельных гранях монокристалла германия в автоэмнссионном микроскопе // Поверхность. 1986. Т. 12. С. 128.