Исследование физических явлений в структурах для приборов вакуумной электроники на основе автоэмиссии и вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Кулешов, Александр Евгеньевич

• Кулешов, Александр Евгеньевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Кулешов, Александр Евгеньевич

Содержание

Основные термины, обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Динамика поведения электронов в алмазе

1.1. Определение глубины проникновения первичного электрона в пленку

1.2. Оценка диффузионной длины электрона в моно и поликристаллическом алмазе

Глава 2. Катодно-сеточный узел для исследования элементов вакуумной микроэлектроники

2.1. Моделирование поведения электронов в КСУ

2.2. Стенд для измерения электровакуумных характеристик приборов

2.3. Выводы по главе

Глава 3. Приборы вакуумной электроники на основе умножителя - концентратора электронов

3.1. Конструкция и принцип действия УКЭ

3.2. Моделирование поведения электронов в УКЭ с помощью программы «SIMION8»

3.3. Экспериментальное исследование УКЭ

3.4. Вакуумный эмиссионный триод на основе УКЭ

3.4.1. Конструкция ВЭТ

3.4.2. Расчет В АХ вакуумного эмиссионного триода

3.4.3. Экспериментальное исследование ВЭТ

3.5. Мембранный усилитель электронного потока

3.5.1. Усилитель электронного потока на основе УКЭ

3.5.2. Технология изготовления усилителя электронного потока

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Комбинированный автоэмиттер на основе алмазных микроконусов и графена

4.1. Графеновый электрод как управляющий электрод автоэмиттера

4.2. Конусообразные микроэмиттеры

4.3. Экспериментальное исследование прохождения электронов через графеновый электрод

4.4. Расчет эмиссионного тока автоэмиттера на основе КМЭ

4.5. Оптимизация размеров КМЭ

4.6. Технология формирования КМЭ

4.7. Расчет эмиссионных характеристик комбинированного автоэмиттера на основе КМЭ с учетом реальных технологий

4.8. Деформация графенового электрода под действием электростатических сил

4.9. Влияние технологического разброса геометрических параметров КМЭ на ток эмиссии

4.10. Конструкция и основные операции изготовления КАЭ при использовании графена

4.10.1.Основные конструктивные параметры КАЭ

4.10.2. Разработка топологии фотошаблонов для изготовления КАЭ

4.10.3. Изготовление интегрального КАЭ

4.11. Оптимальные В АХ комбинированного автоэмиттера

4.12. Выводы по главе

Заключение

Основные результаты и выводы

Благодарности

Список публикаций по теме диссертации

Список цитируемой литературы

Основные термины, обозначения и сокращения

Холодный катод, автоэмиссионный катод, автоэмиттер, автокатод -

эмиттер свободных электронов, работающий на основе явления автоэлектронной эмиссии.

Катодно-сеточный узел (КСУ) - устройство, основными элементами которого являются катод и одна или несколько сеток, предназначенных для эмиссии из катода потока электронов и управления этим потоком.

Комбинированный автоэмиттер (КАЭ) - устройство, основными элементами которого являются автоэмиттер и электрод, предназначенный исключительно для стимуляции автоэмиссии электронов.

Умножитель-концентратор потока электронов (УКЭ) - устройство,

превращающее пучок первичных электронов в концентрированный пучок

вторичных электронов со значительным увеличением их количества.

Вакуумный эмиссионный триод (ВЭТ) - устройство, состоящее из автокатода

(допускается и КАЭ), УКЭ, управляющей сетки и анода.

КРАП - кремниевая решетка, покрытая алмазной пленкой.

КМЭ - конусообразный микроэмиттер.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических явлений в структурах для приборов вакуумной электроники на основе автоэмиссии и вторичной эмиссии электронов из алмазных пленок»

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних 50 лет кремний является основным материалом в электронной промышленности, выпускающей микросхемы, плотность упаковки которых подчиняется закону Мура (число транзисторов увеличивается вдвое каждые два года).

Такое положение не может сохраняться дальше и встает вопрос о новом материале, который обеспечит дальнейший прогресс в электронике. Хорошим кандидатом на такой материал является углерод, особенно его аллотропные модификации - алмаз, графен, углеродные нанотрубки и т.д. [1].

Впервые графен теоретически был исследован Wallace в 1947 г. [2], но существенное его продвижение (в качестве материала для наноэлектроники) осуществили Гейм и Новоселов, когда разместили графен на покрытую окислом кремниевую подложку [3]. Сейчас основные усилия по применению графена в электронике направлены на разработку малошумящего транзистора для частотного диапазона 100 - 200 ГГц. Углеродные нанотрубки (УНТ), как и графен, обладают большим потенциалом как суперчувствительные детекторы [4], хотя могут быть использованы и для разработки активных элементов наноэлектроники. Причем преимущество перед кремниевыми транзисторами у транзисторов на УНТ заключается в наличии высокой подвижности электронов, что позволяет избежать малых размеров, которые и являются ограничением для кремниевых транзисторов, поскольку тогда сильно начинают проявляться эффекты туннелирования. По этой причине в последние годы нет заметного увеличения в быстродействии кремниевых микросхем.

Недостатком, который не позволяет широко использовать УНТ в электронике, является отсутствие регулярных методов, позволяющих формировать УНТ с заданными параметрами и точно задавать место их роста. Что

касается графена, то к его недостаткам следует отнести отсутствие технологии формирования монокристаллического кристалла необходимого размера и в необходимом месте наносхемы. Однако их потенциальные возможности остаются все еще очень высокими.

Уникальные свойства алмаза как материала для полупроводниковой электроники известны, по крайней мере, последние лет пятьдесят. Это в первую очередь высокая подвижность электронов и дырок, высокое пробойное напряжение, высокая теплопроводность, превосходящая теплопроводность меди в несколько раз [5]. В последнее время у алмаза была обнаружена даже сверхпроводимость при высокой концентрации акцепторной примеси [6]. Известно также, что при гидрогенизации поверхности алмаза, электронное сродство может стать отрицательным [7].

Совокупность таких уникальных свойств алмаза делает его в первую очередь материалом для разработки мощной СВЧ электроники, работающей при повышенной температуре и частотах, превосходящих 100 ГГц.

Исследователи из Университета штата Северная Каролина [8] показали с помощью расчетов, что мощность МЕЗБЕТ на алмазе в частотном диапазоне должна быть в 30 раз выше, чем у транзистора на ОаАБ и в четыре раза выше, чем у транзисторов на карбиде кремния. Однако, несмотря на многолетние усилия, реализовать потенциал алмаза как материала для мощных высокочастотных приборов до сих пор не удалось.

За последние 30 лет были разработаны и испытаны десятки различных конструкций транзисторов на основе алмаза [9, 10, 11]. Это транзисторы с затвором Шоттки (МЕ8РЕТ), с затвором металл-диэлектрик (М18РЕТ), с поверхностным каналом р-типа, возникающем при гидрогенизации алмаза, это транзисторы с 5-каналом и т.д. Несмотря на разнообразие конструкций, разработать транзисторы, которые могла бы выпускать промышленность для частотного диапазона 40 - 60 ГГц, пока не удалось. Даже транзисторы, полученные в лабораторных условиях, имеют частоту отсечки /т менее 50 ГГц, а частоту генерации/т менее 100 ГГц [12]. В то же время необходимость в развитии

радиолокации, спутниковой связи, высокоточного оружия, скоростного интернета требует освоения частотного диапазона 0,1-1 ТГц, что немыслимо без разработки активных приборов этого диапазона. Конечно, отсутствие на рынке алмазного транзистора в сильной степени связано с трудностями промышленного выпуска монокристаллических алмазных пленок площадью более 1 см2. Современная промышленность, например фирма «Element six», выпускает монокристаллы размером 8><8 мм2 с подвижностью дырок и электронов 2000 -3500 см /В-с [13]. Но стоимость таких кристаллов превышает тысячу долларов. Возможно, что и поликристаллический алмаз можно будет использовать для разработки высокочастотных транзисторов. Специалисты компании NTT [14] сообщили, что на основе высококачественной поликристаллической пленки (которая изготовлена фирмой «Element six» и по своим размерам может превышать площадь 10 х 10 см ) им удалось изготовить MESFET с /г = 45 ГГц и fmax- 120 ГГц. Однако такие параметры транзистор имел только благодаря тому, что он имел размеры сопоставимые с размером зерен полиалмаза, а зерно, в среднем, имело размер - 100 мкм. Поэтому пока этот транзистор является только некоторой вехой на пути развития мощной твердотельной СВЧ электроники.

К твердотельной электронике на основе алмаза относятся и разнообразные детекторы ультрафиолета, альфа-частиц, гамма-квантов и нейтронов [15, 16, 17]. Промышленный выпуск такого рода детекторов освоен уже давно. Особо следует отметить большие надежды, связанные с разработкой на основе уникальных свойств гидрогенизированной поверхности алмаза биосенсоров, в том числе и сенсоров для расшифровки ДНК [18].

Реализовать потенциальные возможности алмаза, для освоения терагерцового диапазона, можно не только двигаясь по пути твердотельной электроники, но и по пути вакуумной электроники. Альтернативным направлением для твердотельной электроники является вакуумная эмиссионная электроника [19, 20]. Возникшая как катоды Спиндта [1] несколько десятилетий назад, эмиссионная электроника продолжает интенсивно развиваться в наши дни, о чем свидетельствуют значительные средства, вкладываемые в ряд крупных

проектов [4]. Привлекательной стороной эмиссионной электроники является не только то, что она возвращает нас к традиционным вакуумным лампам, которые теперь превращаются в элементы микросхем, но и возможность в интегральном исполнении реализовать лампы бегущей волны (ЛБВ) и клистроны [21]. Причем, в отличие от твердотельной электроники, чем выше частоты, тем миниатюрнее и проще изготовление ЛБВ и клистронов. А в твердотельной электронике, как отмечалось выше, необходимость уменьшения размеров затвора транзистора приводит к нежелательному эффекту - туннелированию электронов. Основной причиной, сдерживающей внедрение автоэмиссионной электроники, является отсутствие- надежных и мощных автоэмиттеров, обеспечивающих плотность эмиссионного тока в десятки и сотни ампер на квадратный сантиметр. В разработке эмиттеров типа матрицы из катодов Спиндта достигнут большой прогресс [19]. Была продемонстрирована плотность тока в 2000 А/см , но она была зарегистрирована на площади много меньшей, чем 0,1 мм [22]. В то же время катоды с площадью более чем 0,1 мм необходимы для работы мощных устройств в диапазоне 0,1-1 ТГц. С появлением углеродных нанотрубок (УНТ) казалось, что проблема будет решена [23 - 26]. Однако выяснилось, что эмиттеры на основе УНТ, получаемые методом газофазного осаждения (СУО), имеют малую плотность тока и недостаточную стабильность [27]. Все что сейчас имеется на рынке - это эмиттеры, полученные на основе композиционных материалов, состоящие из УНТ диаметром 1 - 5 нм и наночастиц размером 10-50нм. Максимальная плотность тока этих эмиттеров не превышает 0,1 А/см и при непрерывной работе продолжительностью 100 часов плотность тока уменьшается вдвое.

Существуют и другие типы автоэмиттеров, которые исследовались в течение последних 10 лет [28]. Но реализовать их промышленный выпуск не удалось из-за невоспроизводимости, нестабильности и малой плотности эмиссионного тока.

Оригинальный подход в построении эмиссионной электроники предлагает группа Novatrans Group SA [29]. Но и в этом случае пока получены малые плотности тока (менее 10 А/см ).

Несомненным достижением автоэмиссионной электроники в последние годы является создание катодов на основе эффекта поверхностно эмитируемых электронов (Surface conduction electron emission [30]). Хотя ток и здесь небольшой, зато конструкция катода хорошо подходит для создания плоских автоэмиссионных экранов, превосходящих по своим характеристикам жидкокристаллические экраны. Такие экраны реализованы фирмой «Сапоп» совместно с фирмой «Toshiba».

Несмотря на трудности в разработке полевых эмиттеров для мощных СВЧ устройств терагерцового диапазона, в развитие этого направления продолжают вкладывать большие средства, так как решение этой проблемы радикально продвинет электронику в направлении смыкания радиочастотного диапазона и светового. Из предлагаемых решений рассматриваемой проблемы можно отметить разработку полевых эмиттеров на основе алмазных катодов Спиндта. Здесь лучшие результаты получены учеными лаборатории Diamond Microelectronic Laboratory университета Vanderbilt University [31] и исследователями лаборатории Semiconductor Technologies R&D Laboratories [32]. В университете Vanderbilt эмиссионный катод формировался из ультрананокристаллического алмаза (UNCD) с наличием некоторого количества углерода со связями sp2. Катод состоял из матрицы алмазных пирамид, основание которых имело размер 2x2 мкм2 и вершины которых переходили в игольчатые острия, имеющие радиус закругления 5-15 нм. Максимальная плотность тока, которую мог эмитировать этот катод, составляла 15 А/см при абсолютном значении тока в 15 мА.

Кроме вертикальных вариантов эмиттера в этом университете также разработаны и латеральные варианты, как для диодных конструкций, так и для транзисторных. Проведенные испытания на радиацию и температуру показали, что эти конструкции работают при облучении в 20 МРад и температуре 200°С.

Пожалуй, результаты, полученные в Diamond Microelectronic Laboratory, являются за последнее время наиболее значимыми, поэтому разработчики из Vanderbilt University принимали участие в проекте DARPA по созданию усилителя бегущей волны на 200 ГГц [33]. В этом проекте используется эмиссионный катод на основе пирамид с иглообразными вершинами, которые, в силу используемой технологии, имеют разброс по высоте, что существенно отражается на разбросе генерируемых токов. Из-за этого недостатка разработчикам пришлось ввести последовательные сопротивления, которые компенсируют этот разброс. Кроме того, чтобы управляющий электрод не замыкал с иглообразными вершинами, электроды расположены не сверху или сбоку от вершин игл, а снизу. В результате конструкция получается непростой, что требует использования очень сложных технологических операций.

Полагая, что для катодов Спиндт-типа необходимо получать острия одинаковой длины (выражаясь более точно, чтобы вершины острий лежали на одной высоте), исследователи из Semiconductor Technologies R&D Laboratories разработали оригинальную технологию формирования острий в форме гладких конусов с разбросом их высот ~ 4,9% [32]. Исходным материалом служит поликристаллическая алмазная пленка /?-типа с отполированной поверхностью. На пленке формируется маска SiC>2 в виде дисков диаметром 1-3 мкм. Затем алмаз травится в плазме, в результате образуются гладкие алмазные конусы почти одинаковой высоты. Управляющий электрод формируется самосовмещенной технологией и представляет сетку с круглыми отверстиями, в центре которых располагаются верхушки алмазных конусов. Такая конструкция управляющего электрода использовалась во всех эмиссионных катодах классического Спиндт-типа. Однако она не позволяет (из-за замыканий электрод-эмиттер) получить эмиссионный катод более 0,1 мм . Так, несмотря на

л

полученную плотность 26,5 А/см , катоды лаборатории Semiconductor Technologies R&D Laboratories не имели площадь более 0,01 мм . За счет переноса управляющего электрода, исследователям из Vanderbilt University удалось на

-Л

порядок увеличить площадь катода, однако плотность составляла только 15 А/см .

Группа разработчиков из НИИФП, на основе изучения многочисленных и разнообразных конструкций, представленных в обширной литературе, предложила для алмазного полевого катода Спиндт-типа использовать в качестве управляющего электрода графеновый электрод. В этом случае катод представляет совокупность ячеек, содержащих алмазные микроострия. Над микроостриями располагается сплошной графеновый электрод, опирающийся на диэлектрические стенки ячеек. Для получения оптимальных параметров ячейки была разработана методика расчета эмиссионных характеристик ячейки. Методика включает разработанные в рамках диссертации аналитические модели:

- прозрачности графена для электронов;

- зависимости плотности тока эмиссии от параметров и режима работы ячейки.

Расчет плотности тока существенно опирается на теорию Фаулера-Нордгейма и расчет функции напряженности поля Е{г) у поверхности микроострий с помощью программного комплекса «SIMION 8». Чтобы полученные числовые значения функции Е(г) использовать в аналитических моделях, функции Е(г) были заменены соответствующими аппроксимационными многочленами.

Проведенные расчеты показали, что на основе ячейки с микроостриями из алмаза и графенового электрода можно создать полевой катод, обеспечивающий плотность тока 100 А/см и выше. На основе предложенной конструкции ячейки предложена технология создания полевого катода. Доминирующим звеном в этой технологии является разработанная технология формирования микрорисунка на алмазной пленке. Суть технологии заключается в том, что маска изготавливается с высокой степенью точности (насколько это позволяет микроэлектроника) до роста алмазной пленки. В результате это позволяет формировать микроконусы с разбросом их высот не хуже, чем это достигнуто специалистами лаборатории Semiconductor Technologies R&D Laboratories.

Получить плотность электронного потока в 100 А/см, используя существующие полевые катоды, не представляется возможным. Однако для

получения такой плотности можно усилить первичный электронный поток и дополнительно еще его сконцентрировать. В результате можно отказаться от разработки автоэмиттеров, которые непосредственно эмитируют электроны с такой плотностью и использовать автоэмиттеры, дающие плотность 1-10 А/см2 или даже еще меньшую. В настоящей работе предложен умножитель-концентратор электронов (УКЭ), который и выполняет такую функцию [34, 35]. УКЭ представляет собой сквозное сужающееся отверстие в проводящей пластине. Стенки отверстия покрыты пленкой проводящего поликристаллического алмаза. Первичный поток электронов, проникающий в отверстие со стороны ее широкой части, падает на стенки отверстия и рождает вторичные электроны в алмазной пленке. Часть вторичных электронов в силу небольшой работы выхода электрона у алмаза покидают пленку и образуют в отверстии электронный газ, который под действием электрического поля и диффузии выходит через узкую часть отверстия. Одна из возможных конструкций УКЭ подробно рассмотрена в рамках данной работы, причем она была изготовлена, а ее эмиссионные характеристики измерены.

Для того чтобы найти эмиссионные характеристики рассматриваемых в диссертации приборов, пришлось провести исследование траекторий электронов, которые падают на поверхность алмаза с определенной энергией. Подобным исследованием занимались многие ученые, так, например, Канайя (Капауа) и Окаяма (Okayama) [36] получили формулу глубины проникновения электрона в вещество в зависимости от начальной энергии. Они полагали, что при попадании электрона в вещество, электрон начинает сразу отклоняться от своего первоначального движения. Поэтому область проникновения электрона в вещество они представляли полусферой определенного радиуса и с центром, расположенным на поверхности. Мы же исходили из того, что в начальный момент времени электрон еще продолжает сохранять направление первоначального движения. Поэтому в нашем подходе центр области, в которой происходит основная потеря электроном энергии, оказывается смещенным в глубь вещества. Ученые из Naval Research Laboratory [37], занимаясь сходными

вопросами, с помощью метода Монте-Карло исследовали проникновение электрона в алмаз. Полученные ими результаты в области энергий 1-13 кэВ почти точно совпадают с результатами, которые следуют из выведенных нами формул.

Анализ вторичной эмиссии электронов из алмазной пленки, покрывающей стенки УКЭ, и изучение траекторий электронов на основе программного комплекса «SIMION 8», позволили рассчитать коэффициент усиления плотности первичного потока электронов. Расчетные данные хорошо совпали с экспериментальными, которые показали, что УКЭ при энергии первичных электронов 0,9 кэВ и напряжении на аноде 20 В дает увеличение плотности первичного потока электронов в ~ 30 раз.

В диссертации также показано, как на основе УКЭ можно разработать активные приборы, в частности, как сконструировать вакуумный эмиссионный триод (ВЭТ). Предложенная конструкция ВЭТ была изготовлена и проведены экспериментальные исследования. Сравнение экспериментальных ВАХ эмиссионного триода с расчетными ВАХ, полученных с помощью программы «SIMION 8», показало некоторое расхождение в результатах. Как оказалось, это связано не с точностью расчетов, а с дефектностью алмазной пленки, которая сформирована на поверхности полости УКЭ. Из-за наличия в алмазной пленке паразитных глубоких примесей, пленка заряжается и приобретает отрицательный потенциал, в силу чего ВЭТ полностью не закрывается при отрицательных напряжениях на сетке. Указанный дефект будет устранен при использовании для роста алмазных пленок более чистых газов.

Получать почти идеальные алмазные пленки уже могут ряд фирм. Так фирма «Element six» выпускает монокристаллический и поликристаллический алмаз высокой чистоты. Это так называемый «электронный» алмаз. Применение подобных пленок позволит разработать в терагерцовом диапазоне ВЭТ с малыми сигналами управления.

Помимо использования УКЭ для ВЭТ, умножитель-концентратор хорошо подходит для разработки усилителей электронного потока и матричных приемников разнообразных излучений.

Известно, что тонкие пористые алмазные мембраны могут быть использованы для усиления электронного потока, передающего изображение в виде плотности электронов [38, 39]. Примером такого электронного потока является электронный поток, генерируемый фотокатодом в электрооптических преобразователях.

Алмазные мембраны, как усилители электронного потока (УЭП), могут найти широкое применение в приборах ночного видения, экспериментальной физике, аэрокосмической технике, атомной технике, астрономии и биологии. Более того, алмаз способен эмитировать электроны под действием рентгеновских лучей, гамма лучей и нейтронов. Это позволяет изображение, передаваемое этими излучениями, непосредственно перевести в электронный поток с последующим его усилением, т.е. в этом случае алмазные пленки можно использовать в координатно-чувствительных детекторах.

Для практического использования алмазных мембран требуются

2 2

разнообразные их конфигурации при размерах от 0,1 мм до 4 см . Недостатком выращенных на поверхности кремния методом СУО алмазных мембран толщиной 3 - 5мкм является то, что при их размерах превышающих несколько миллиметров они провисают и деформируются. Чтобы избежать этого недостатка, можно использовать кремниевые мембраны, технология изготовления которых была отработана для рентгеношаблонов [40]. В этом случае сначала формируется кремниевая мембрана толщиной 2-10 мкм, в ней отверстия соответствующего размера и затем на поверхность мембраны осаждается алмазная пленка. Выше рассмотрен умножитель-концентратор электронного потока (УКЭ), который не только усиливает поток, но и концентрирует его [35]. Расчеты и эксперименты показывают, что плотность тока в этом случае можно увеличить в 20 - 100 раз. Представляется целесообразным сформировать отверстия в кремниевой мембране в виде УКЭ. В этом случае мембрана превращается в решетку.

Значительное место в диссертации отведено конструированию и расчету катодно-сеточного узла, предназначенного для исследования элементов вакуумной микроэлектроники. Более конкретно, для исследования полевой и вторичной эмиссии алмазных структур и элементов на их основе. Эти КСУ должны обеспечить возможность подачи коротких импульсов управления,

_1 _л

достаточный ток эмиссии (в пределах 10 - 10 А) и удобное размещение испытуемого элемента на выходе потока электронов. Конструкция КСУ такого типа разработана и испытана. Она имеет коаксиальный тип, что обеспечивает подачу импульсов управления длительностью до 0.1 не. При подаче на сетку управляющего сигнала автоэмиттером генерируется поток электронов. В качестве автоэмиттера используется холодный катод ТВ-211 фирмы HeatWave Labs Inc., который обеспечивает плотность тока эмиссии 100мА/см при напряженности поля 5- ЮВ/мкм. Цилиндрический корпус КСУ позволяет удобно крепить на выходе электронного потока оснастку с испытуемым образцом. Для получения на выходе необходимого потока электронов, т.е. необходимой плотности и диаметра пучка электронов, на основе математических средства (в виде программ «Matlab», «Mathematica», «SIMION 8»), выявлены зависимости параметров выходного потока электронов от конструктивных параметров и режимов работы КСУ. Это позволило оптимизировать конструкцию КСУ и разработать соответствующую оснастку для испытаний УКЭ, ВЭТ, усилителя электронного потока и приемников излучения.

Для проведения испытаний разнообразных элементов вакуумной микроэлектроники, КСУ помещается в вакуумную камеру, в которой создается давление 10"6 - 10~7 Topp. Через вакуумные разъемы на КСУ подаются управляющие напряжения, а соответствующие сигналы с испытуемого элемента через выходные вакуумные порты подаются на измерительную аппаратуру.

Таким образом, диссертация посвящена разработке активных элементов вакуумной микро- и наноэлектроники на основе эмиссионных свойств алмаза. В диссертации предложен ряд моделей активных элементов, описаны соответствующие технологии их изготовления и представлены результаты их

экспериментальной проверки. Все расчеты базируются на теоретическом анализе поведения в алмазе электронов с определенной начальной энергией.

Постановка работы

Целью диссертационной работы является исследование процессов электронной эмиссии из микро- и наноструктурированных пленок на основе углерода, включая графен, для применений в составе СВЧ автоэмиссионных приборов в гибридном и интегральном исполнениях.

Материалы диссертационной работы включают теоретические и экспериментальные результаты исследований, а также разработку базовых конструкций и технологий эмиссионных элементов и приборов. Особое значение

придается созданию сильноточных автоэмиссионных узлов, обеспечивающих

2 2 плотность эмиссионного тока более 100 А/см на площади более 0,1 мм , которые

позволяют получить эмиссионные СВЧ приборы с триодными характеристиками,

с высоким сопротивлением в области насыщения и приемлемы для технических

приложений коэффициентом усиления.

Научная новизна:

1. Получено теоретическое выражение для глубины проникновения электрона в алмаз посредством решения дифференциального уравнения Бете. Выражение с точностью до 5% совпадает с результатами численных расчетов, полученными при определении глубины проникновения электрона в алмаз с помощью программы «CASINO».

2. Разработана и экспериментально подтверждена оригинальная физико-математическая модель умножения и формирования пучка вторичных электронов. Выполнен ее численный анализ.

3. Получены теоретические и экспериментальные результаты по прохождению через пакет графеновых пленок электронов с энергией 0,1 -10,0 кэВ.

4. Разработана математическая модель комбинированного автоэмиттера в составе автокатода и управляющего электрода на основе графеновой пленки, обеспечивающего плотность эмитируемого тока до 100 А/см .

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность результатов и корректность выводов и заключений основана как на использовании общепризнанных и аттестованных методов и приборов диагностики материалов и приборных структур, так и на результатах комплексных экспериментальных исследований разработанных в настоящей работе эмитирующих электроны структур и приборов. Результаты исследований апробированы на российских и международных конференциях.

Практическая значимость

1. Аналитическое решение дифференциального уравнения Бете позволило получить функциональную зависимость глубины проникновения электронов в алмаз в диапазоне энергий от 1 до 13 кэВ, что позволяет рассчитывать и конструировать эффективные конструкции умножителя-концентратора потока электронов с минимальным количеством экспериментов.

2. Разработанный коаксиальный катодно-сеточный узел, работоспособность которого подтверждена экспериментально при исследовании умножителя-концентратора потока электронов и вакуумного эмиссионного триода, потенциально открывает возможность для разработки в диапазоне субтерагерцовых и терагерцовых частот сильноточных СВЧ автоэмиссионных приборов с высоким коэффициентом усиления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кулешов, Александр Евгеньевич, 2014 год

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nicholas R.J., Mainwood A. and Eaves L. Introduction. Carbon-based electronics: fundamentals and device applications. Phil. Trans. R. Soc. A (2008) 366, P. 180-193.

2. Wallace P.R. The band theory of graphite // Phys. Rev. 71, 1947, P. 622-634.

3. Novoselov K.S., Geim A.K. The rise of grapheme // Nat. Mater. 6, 2007, P. 183191.

4. Avouris P., Chen Z. and Perebeinos V. Carbon-based electronics // Nat. Nanotechnol. 2, 2007, P. 605-617.

5. May P.W. Diamond thin films: a 21st-century material // Phil. Trans. R. Soc. bond. A (2000) 358, P. 473-495.

6. Bustarret E., Achatz P., Sacepe В., et. al. Metal-to-insulator transition and superconductivity in born-doped diamond // Phil. Trans. R. Soc. A (2008) 366, P. 267-279.

7. Stephen John Soue Bulk and Transfer Doping of Diamond, Submitted to the University of Exeter as a thesis for the degree of Doctor of Philosophy in Physics, November 2005.

8. Trow R.L. et. al. The potential of diamond and silicon carbide electronic devices for microwave and millimeter wave applications. // Proc. of the IEEE, 1991, v. 79, N5, P. 598.

9. Gurbuz Y., Esame O., Tekin I., et. al. Diamond semiconductor technology for RF device applications // Solid-State Electronics 49 (2005) P. 1055-1070.

10.E. Kohn, M. Kubovich, F. Hernandez-Guillen, A. Denisenko Diamond for High Power // High Temperature Electronics, 12th GaAs Symposium, Amsterdam, 2004.

П.Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы. Применение в электронике. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 4/2007, С. 58-67.

12.Kubovich М., Kasu М. et. al. Microwave performance evaluation of diamond surface channel FETs // Diamond and Related Materials, 2004, V. 13, P. 802.

13.1sberg J., Hammersberg J., Johansson E., et. al High carrier mobility in single-crystal plasma-deposited diamond // Science, 2002, V. 297, P. 1670-1672.

14.Veda K., Kasu M. et. al. Diamond FET using high-quality polycrystalline diamond with fT of 45 GHz and fmax of 120 GHz // IEEE Electron Device Letters, 2006, V. 27, N 7, P. 570.

15.Hochedez J-F et. al. Diamond UV detectors for future solar physics missions // Diamond and Related Materials, 2001, V. 10, P. 673.

16.Schmitd G.J. et. al. A neutron sensor based on single crystal CVD diamond // Nucl. Instrum. And Methods A, 2004, V. 527, P. 554.

17.Manfzedotti C. CVD diamond detectors for nuclear and domestic applications // Diamond and Related Materials, 2005, V. 14, P. 531.

18.V. Vermeeren, S. Wenmackers, P. Wangner and L. Michiels DNA Sensors with Diamond as a Promising Alternative Transducer Material // Sensors, 2009, 9, P. 5600-5636.

19. Wei Zhu, Vacuum Microelectronics, John Wiley & Sons, 2001, P. 396.

20.Ives R.L. Microfabrication of High-Frequency Vacuum Electron Devices // IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 32, N 3, June 2004, P. 1277-1291.

21.Kang W.P., Davidson J.L., Wisitsora A. et. al. Diamond vacuum field emission devices // Diamond and Related Materials, 2004, V. 13, P. 1944-1948.

22.Parameswaran L., Murphy R.A., Harris C.T. et.al. Vacuum Electronics Annual Review // Abstracts San Diego, CA, May 2 (1997) IV-7.

23.Hsu David S.Y.. // Appl. Phys. Lett. 2002.V.80. P. 2988-2990.

24.Li D„ Zhang J. //J.Vac. Sci. Technol. B. 2001. V. 19 (5). P. 1820-1823.

25.Sohn J.I, Lee S. // Appl. Phys. A. 2002. V. 74. P. 287-290.

26.Ha J.K, Chung B.H, Han S.Y. et al. // J. Vac. Sei. Technol. В. 2002. V. 20 (50). P. 2080-2084.

27.Jonge N. and Bonard J. - M. // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 2004. V. 362. P. 22392266.

28.Krauss A.R, Auciello J, Ding M.Q. et al // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 2958.

29.Diamant G, Halahmi E, Kronik L. et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 262903.

30.Li Y. and Lo H.-Y. //J.Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 085301.

31.Karthik Subramanian. "Development of Nanocrystalline Diamond Lateral Vacuum Field Emission Devices". Dissertation submitted to Vanderbilt University for the degree of Doctor of Philosophy. August 2008, Nashville, Tennessee, P. 209.

32.Tatsumi N, Veda A, Seki Y. et. al. Fabrication of Highly Uniform Diamond Electron Emitter Devices, SEI Technical Review, N 64, April 2007, 15-20.

33.Final Report Backgated Diamond Field Tip Array Cathodes for 220 GHz TWT UnderContract W9 //NF-08-C-0052, December 29, 2009.

34.Ильичев Э.А, Кулешов A.E, Полторацкий Э.А, Рынков Г.С. Умножитель-концентратор электронов для автоэмиссионной интегральной электроники // ПЖТФ, 2010, Т. 36, Вып. 1, С. 44-51.

35.11'ichev Е.А, Kuleshov A.E, Poltoratskii Е.А, Rychkov G.S. Electron multiplier concentrator on the base of polycrystalline diamond film // Diamond and Related Materials 20 (2011), P. 23-25.

36.Goldstein J.I, Newbury D.E., Echlin P. et. al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis // Plenum Press, New York, 1981, P. 72.

37.Yater J.E., Shih A.,. Butler J.E and Pehrsson P.E. Transmisson of low-energy electrons in boron-doped nanocrystalline diamond films // Journal of Applied Physics, V. 93, N 5, 2003, P. 3082-3089.

38.Гаврилов C.A., Дзбановский H.H. Ильичев Э.А. и др. Усиление потока электронов с помошью алмазной мембраны // ЖТФ. 2004. т.74. Вып. 1. С. 108-114.

39.Dvorkin V.V., Dzbanovsky N.N., Suetin N.V., Rychkov G.S.et al. // Diamond Relat. Mater. 2003. V. 12. P. 2208 - 2218.

40.Betz H., Huber H.-L., Pongratz S., et. Al. // Microelectronic Engineering. 1986. V. 5. Issues 1-4. P. 41-49.

41.Эберт Г. Краткий справочник по физике, ф-м., М. 1963.

42.Справочник по специальным функциям, под ред. М. Абрамовица и И. Стиган, М. «Наука» 1979, стр.55

43.Ландау Л.Д. и Лифшиц У.М. Квантовая механика, И. «Наука», М.1972.

44.Jensen K.L., Yater J.E., Shaw J.L., et. al. Bunch characterisitics of anelectron beam generated by adiamond secondary emitter amplifier, Journal of Applied Physics, 108,044509 (2010)

45.Ильичев Э.А,, Кулешов A.E., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С. Вакуумный эмиссионный триод на основе умножителя-концентратора электронов // ЖТФ. 2010. т.36. Вып. 20. С. 15 - 20.

46.Tremsin A.S., Siegmund O.H.W. // Diamond Relat. Mater. 2005. V. 14. P. 46-48

47.Spindt C.A.// J. of Appl. Phys. 1968. V.39. N 7. P. 3504-3505.

48.Викулов H., Кичаева H. // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. 2008. №5. с. 70-74.

49.Booth T.J. et al. 2008 Macroscopic graphena membranes and their extraordinary stiffness. Nano Left. 8 2442-6.

50.Meyer J.C. et al. 2008 Imaging and dynamics of light atoms and molecules on graphene. Nature 454 319 - 22.

51.Mutus J.Y. Low - energy electron point projection micros - copy of suspended grapheme, tho ultimate "microscope slide", NJP 13 (2011) 063011 (1 lpp).

52.Fowler R.H. and Nordheim L, Proc. Roy. Lond. A 119, 173 (1972).

53.Tatsumi N, Veda A, Tanizaki K. et al. Dovelopment of n-type Diamond Electron Emitter Device, SEI Technical Review, N.66, April, 2008 36-41.

54..Yamada T, Yamaguchi H, Okano K. and Sawabe A. Field Emission Properties of Boron - and Phosporus - Doped Diamond, New Diamond and Frontier Carbon Technology, Vol. 15, No. 6, 2005. PP. 337 - 347.

55.Baglin V, Collins I, Grobner O. et al. Secondary electron emission: experimental results and their implications. CERN - LHC/VAC, NH - 2 STREAMS/01.

56.Xianfeng Lu, Field Electron Emission from diamond and Related Films Synthesired by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, Dissertation December. 2006, University of Saskatekwan.

57.Hawkes P.W. & Kasper E. 1996 Applied geometrical optics. Principles of electron optics, vol. 11. Academic.

58.Podenok S, Sveningsson M. et al. Electric field enhancement factors around a metallic, end-capped cylinder. NANO: Brief Reports and Reviews. Vol. 1, No. 1 (2006) 87-93.

59.Белоусов М.Э, Ильичев Э.А, Кулешов А.Е. и др. Маски для формирования микрорисунка на алмазной пленке // ПЖТФ, 2012, т. 38, в. 5, 49 - 56.

60.Тгап D.T, Fanster С, Grotjohn Т.A. et al. // Diamond Relat. Mater. 2010. V. 19. P. 778-782.

61. J. Scoft Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets, Nano Letters, 2008, Vol.8, No. 8, 2458 - 2462.

62. J. Zhou and R. Huany. Internal lattice relaxation of single - layer grapheme under in-plane deformation. Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, University of Texas, Austin, TX 78712.

63.Aleman B. et al. Transfer-Free Batch Fabrication of Large-Area Suspended Graphene Membranes. ACS NANO, Vol. 4, N 8, 4762 - 4768, 2010.

64.Белоусов М.Э., Ильичев Э.А., Кулешов A.E. и др. Усилитель электронного потока на кремниевых решетках, покрытых алмазной пленкой // ПЖТФ. 2012. Т.38. Вып. 6. С. 45-51.

65.Lapington J.S., Taillandier V., Cann B.L. et. al. Investigation of the secondary electron emission characteristics of alternative dynode materials for imaging photomultipliers // The 9th International Conference on Position Sensitive Detectors, 12-16 September 2011, Aberystwyth, U.K.