Конструктивно-технологические решения изготовления наноразмерных автоэмиссионных катодов на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Житяев Игорь Леонидович

• Житяев Игорь Леонидович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Житяев Игорь Леонидович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОРАЗМЕРНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ СТРУКТУР

1.1 Автоэлектронная эмиссия

1.1.1 Автоэлектронная эмиссия из металлов

1.1.2 Моделирование автоэмиссионных структур

1.1.3 Автоэлектронная эмиссия из наноуглеродных материалов

1.2 Методы получения графена

1.2.1 Механическое отшелушивание

1.2.2 Химическое осаждение из газовой фазы

1.2.3 Разложение полиметилметакрилата на кремнии

1.2.4 Лазерная обработка полиимида

1.2.5 Лазерная абляция и фотоотслоение

1.2.6 Химическое жидкофазное расслоение графита

1.2.7 Электростатическое отделение графеновых хлопьев от объемного графита

1.2.8 Сублимация карбида кремния в вакууме

1.3 Конструкции автоэмиссионных катодов

1.5 Выводы

1.6 Постановка задач

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ НАНОРАЗМЕРНОЙ АВТОЭМИССИОННОЙ ЯЧЕЙКИ

2.1 Эмиттер вертикального типа в форме острия

2.2 Влияние топологии эмиттера вертикального типа на однородность эмиссии

2.3 Эмиттер планарного типа в форме острия

2.4 Эмиттер планарного типа в форме лезвия

2.5 Эмиттер планарного типа в форме диска

2.6 Выводы

3 ПОЛУЧЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛЕНОК МУЛЬТИГРАФЕНА НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕМ 81С

3.1 Получение пленок мультиграфена

3.2 Исследование спектров комбинационного рассеяния света (КРС) пленок мультиграфена

3.3 Исследование пленок мультиграфена на поверхности карбида кремния методом АСМ

3.4 Исследование режимов травления структур мультиграфен/ 81С с помощью ФИП

3.5 Выводы

4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК МУЛЬТИГРАФЕНА НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕМ 81С

4.1 Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления планарных эмиссионных ячеек на основе пленок мультиграфена на 81С

4.2 Изготовление и исследование эмиссионных ячеек планарного типа с эмиттером в форме острия на основе пленок мультиграфена на 81С

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивно-технологические решения изготовления наноразмерных автоэмиссионных катодов на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния»

Актуальность работы

Разработка автоэмиссионных устройств является важной задачей вакуумной микро- и наноэлектроники. Для автоэлектронной эмиссии требуется приложение внешнего электрического поля с высокой напряженностью [1]. Автоэмиссионные катоды демонстрируют высокие значения плотности эмиссионного тока, высокую крутизну вольт-амперной характеристики (ВАХ), низкий уровень шумов, субпикосекундное быстродействие [2]. Приборам, работающим на принципе автоэлектронной эмиссии, свойственны малое энергопотребление, низкая стоимость, компактность, виброударопрочность, стабильность работы. Использование элементной базы вакуумной автоэмиссионной электроники способствует повышению устойчивости устройств к высоким температурам, радиации, СВЧ электромагнитным импульсам [3].

На основе автоэмиссионных источников света производят автоэмиссионные дисплеи (FED - Field Emission Display) [4]. Свечение происходит при попадании электронов с высокими энергиями на поверхность прозрачного анода с нанесенным люминофором. FED-дисплеи показывают отличную цветопередачу, четкость изображения, широкий угол обзора, безынерционность. Основным недостатком данного вида дисплеев является требование высокого вакуума. Вследствие высокой скорости переноса электрона от катода к аноду в автоэлектронных системах, можно создать на их основе СВЧ-устройства с микросекундным временем готовности [5]. Возможно использование автоэмиттеров в качестве источников электронного пучка для накачки высокоэнергетических KrF-лазеров [6]. В 1981 году Г. Беннонгом и Г. Рорером был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), за что через пять лет им была присуждена Нобелевская премия. Принцип работы микроскопа основан на туннелировании электронов

между проводящей поверхностью и зондом. В качестве зондов выступают эмиссионные катоды [7].

Развитие современных автоэлектронных приборов направлено на уменьшение геометрических размеров активных элементов, что приводит к возрастанию роли нанотехнологий в этом процессе [8]. Использование достижений современных технологий лучевой литографии, позволяющих воспроизводимо формировать структуры нанометровых размеров [9-12] с использованием фокусированных ионных пучков (ФИП), способствовало разработке планарных конструкций автоэмиссионных ячеек с наноразмерным межэлектродным расстоянием [13-23], для которых характерны низкие пороговые напряжения, высокая напряженность электрического поля у эмитирующей поверхности, низкая вероятность ионизации молекул остаточного газа. Применение для их изготовления методов планарной технологии микроэлектроники позволяет обеспечить интеграцию автоэмиссионных элементов в структуру СВЧ интегральных микросхем.

В процессе разработки автоэмиссионных приборов актуальным становится вопрос выбора материала катода. Результаты анализа показывают, что наибольшее предпочтение отдается доступным и технологичным материалам с низкой работой выхода электрона, обеспечивающим долговечность и эффективность полевых эмиттеров, так как изменение формы острия катода в процессе эксплуатации значительно ухудшает электрические характеристики прибора и может привести к его дальнейшей непригодности [24-26]. В вакуумной электронике наиболее часто эмиттеры изготавливают из тугоплавких металлов, металлов переходных групп и полупроводников [27-29]. Использование полупроводниковых материалов, таких как кремний и карбид кремния, объясняется тем, что для них были разработаны основные технологические операции изготовления сложных микро- и наноструктур. В работах Лучинина В.В. (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») показана перспективность применения карбида кремния для формирования автоэмиссионных структур. Исследования, проведенные в 70-х годах 20-го века, показали перспективность использования

углеродных материалов для автоэмиссии [30]. В настоящее время наибольший интерес для исследователей автоэлектронной эмиссии представляют такие углеродные материалы, как алмазографитовые покрытия, нанотрубки, графен (мультиграфен). Многообещающими в автоэмиссионной электронике являются пленки мультиграфена, так как наноструктуры на их основе характеризуются высокими значениями форм-фактора, механической прочности, электро- и теплопроводности. Качество и свойства пленок мультиграфена зависят от метода их получения и вида подложки. В работах Лебедева А.А. (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН) сообщается о технологичном методе получения пленок мультиграфена на карбиде кремния, который позволяет получать однородные пленки на всей поверхности подложки большой площади.

Автоэмиссионные катоды имеют форму, обеспечивающую высокую напряженность электрического поля (~109 В/м) у эмитирующей поверхности, необходимую для эмиссии электронов, например, острие, лезвие и др. На основе единичных эмиттеров изготавливают многоэмиттерные системы для получения большей плотности эмиссионного тока, а также для светоизлучающих устройств. Конструкция эмиссионной ячейки зависит от ряда параметров и характеризуется величиной форм-фактора. Для структур с большим форм-фактором требуется приложение меньшей разности потенциалов для достижения у поверхности требуемой напряженности электрического поля. В случае эмиттера в форме острия важно учитывать высоту эмиттера, радиус закругления вершины эмиттера, угол наклона боковой поверхности относительно его центральной оси, межэлектродное расстояние. Для планарных автокатодов с торцевой эмиссией также необходимо учитывать толщину структуры. В многоэмиттерных структурах расстояние между вершинами эмиттеров будет определять их количество на единицу площади.

Несмотря на перспективность автоэмиссионной элементной базы в настоящее время недостаточно изучены автоэмиссия из катодов нанометровых размеров и процессы формирования эмиссионных структур с наноразмерным межэлектродным расстоянием. Актуальными являются задачи снижения

пороговых и рабочих напряжений, которые достигают значений 102^103 В. Не решены вопросы механизма появления множественных «колец» на эмиссионном изображении, наблюдаемых в условиях эмиссии электронов в сильных электрических полях при высокой плотности тока, что говорит о неоднородности происходящих эмиссионных процессов. Также не решены вопросы повышения однородности напряженности электрического поля у поверхности эмиттеров в форме лезвия и многоэмиттерных структур, что является важным для обеспечения их долговечности и стабильности эмиссии. Актуальность перечисленных выше проблем определили в итоге тему данного исследования диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка конструктивно-технологических решений изготовления и исследование наноразмерных автоэмиссионных катодов на основе пленок мультиграфена на SiC.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование различных конструкций эмиссионных ячеек с наноразмерным межэлектродным расстоянием и определение влияния конструктивных параметров наноразмерной эмиссионной ячейки на максимальное значение форм-фактора и распределение напряженности электрического поля вдоль эмитирующей поверхности.

2. Исследование пленок мультиграфена на поверхности полуизолирующего SiC и влияния технологических параметров фокусированного пучка ионов галлия на характеристики локальных областей травления в экспериментальных образцах.

3. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления автоэмиссионных ячеек планарного типа с нанометровым межэлектродным расстоянием на основе мультиграфена на поверхности полуизолирующего SiC.

4. Изготовление и исследование автоэмиссионных структур с нанометровым межэлектродным расстоянием на основе мультиграфена на поверхности полуизолирующего SiC.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния конструктивных параметров наноразмерных автоэмиссионных ячеек на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC с острийным эмиттером вертикального и планарного типов на максимальное значение форм-фактора.

2. Предложен механизм появления множественных «колец» на эмиссионном изображении катодов в форме острия вертикального типа в предпробойном режиме при автоэлектронной эмиссии в сильных электрических полях.

3. Установлены закономерности влияния формы эмитирующего торца планарного лезвийного катода и анода на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC на характер распределения напряженности электрического поля вдоль эмитирующей поверхности.

Практическая значимость

1. Разработаны рекомендации по проектированию наноразмерных автоэмиссионных структур с катодом в форме острия, в которых учтено влияние конструктивных параметров автоэмиссионной ячейки на максимальное значение форм-фактора.

2. Предложены способы повышения однородности напряженности электрического поля вдоль эмитирующего торца наноразмерного автоэмиссионного катода в форме планарного лезвия.

3. Экспериментально определены режимы травления наноструктур на основе пленок мультиграфена на поверхности полуизолирующего SiC методом ФИП, позволяющие формировать автоэмиссионные структуры планарного типа с межэлектродным зазором 15^30 нм.

4. Разработаны конструкции наноразмерных автоэмиссионных ячеек на основе мультиграфена на поверхности полуизолирующего SiC и предложен технологический маршрут изготовления.

5. Изготовлена автоэмиссионная ячейка планарного типа с наноразмерным межэлектродным расстоянием и эмиттером в форме острия на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC, пороговое напряжение которой составило 0,5 В, плотность эмиссионного тока ~5 106 А/м2.

Положения, выносимые на защиту

1. Закономерности влияния конструктивных параметров наноразмерных автоэмиссионных ячеек на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC с острийным эмиттером вертикального и планарного типов на максимальное значение форм-фактора.

2. Механизм появления множественных «колец» на эмиссионном изображении катодов в форме острия вертикального типа в предпробойном режиме при автоэлектронной эмиссии в сильных электрических полях.

3. Закономерности влияния формы эмитирующего торца планарного лезвийного катода и анода на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC на характер распределения напряженности электрического поля вдоль эмитирующей поверхности.

4. Конструкция и технологический маршрут изготовления автоэмиссионной ячейки планарного типа на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем SiC с наноразмерным межэлектродным расстоянием и эмиттером в форме острия.

Результаты работы внедрены в производственной деятельности ПАО «ГРАНИТ» и ООО «АВИАОК» при выполнении опытно-конструкторских работ, в учебный процесс кафедры НТ МСТ ИНЭП ЮФУ и были использованы при выполнении НИР: проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 16.1154.2014/К «Разработка и исследование конструктивно-технологических решений формирования элементов автоэмиссионной наноэлектроники на основе пленок графена на карбиде кремния методом фокусированных ионных пучков», в рамках Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых

российских ученых - кандидатов наук «Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания элементов автоэмиссионной наноэлектроники методом локального ионно-стимулированного осаждения» (Проект № МК-6163.2016.8), ФЦП России №14.587.21.0025 по теме «Разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для оптимизации производства изделий из сапфира в микро- и наноэлектронике» (уникальный идентификатор RFMEFI58716X0025), внутреннего гранта Южного федерального университета № ВнГр-07/2017-26 «Адгезионные структуры на основе иерархических тубулентных углеродных наноматериалов», проекта «Разработка элементов автоэмиссионной наноэлектроники на основе пленок графена на карбиде кремния» Фонда содействия инновациям по программе «УМНИК».

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробированы на международных и всероссийских научных семинарах и конференциях:

• Первая российская конференция «Графен: молекула и 2D кристалл» (Россия, г. Новосибирск, 8-12 сентября 2015 г.);

• Международные конференции " Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" (Россия, г. Азов, 2015 г.; Индонезия, г. Сурабая, 2016 г.; Индия, г. Джабалпур, 2017 г.; Южная Корея, г. Пусан, 2018 г.);

• VII, VIII и IX Международные научно-технические конференции «Микро-и нанотехнологии в электронике» (Россия, г. Нальчик, 2015, 2016 и 2017 гг.);

• 12-ая и 13-ая международные конференции «Advanced Carbon Nanostructures» (Россия, г. Санкт-Петербург, 2015 и 2017 гг.);

• 3-я международная школа-конференция по оптоэлектронике, фотонике, приборам и наноструктурам «Saint Petersburg OPEN 2016» (Россия, г. Санкт-Петербург, 28-30 марта 2016 г.);

• 27-ая Международная конференция «Diamond and Carbon Materials» (Франция, г. Монпелье, 4-8 сентября 2016 г.);

• Международные молодежные конференции «ФизикА.СПб» (Россия, г. Санкт-Петербург, 2016 и 2017 гг.);

• Международные конференции «Scanning probe microscopy» (Россия, г. Екатеринбург, 2017 и 2018 гг.);

• Международная конференция "Micro- and Nanoelectronics - 2018" (ICMNE-2018) (Россия, г. Звенигород, 1-5 октября 2018 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 работы, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 9 - в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 181 наименования и одного приложения. Диссертация изложена на 152 страницах, включая 109 рисунков и 3 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературных источников, в котором исследованы вопросы теории автоэлектронной эмиссии. Рассмотрены наноуглеродные материалы, применяемые в автоэмиссионных приборах. Показана перспективность использования мультиграфена для этих целей. Определены основные методы получения графеновых пленок. Показано, что использование метода термической деструкции карбида кремния позволяет получать пленки на всей площади поверхности пластины SiC, что актуально для реализации метода на предприятиях микроэлектронной промышленности. Рассмотрены конструкции автоэмиссионных катодов, обеспечивающие эффективность эмиссии. Определены цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований автоэмиссионных ячеек различных типов, проведена оценка влияния конструктивных параметров на распределение напряженности электрического поля и форм-фактор. Проведена оценка эффекта экранирования в многоэмиттерных структурах и предложены способы его минимизации. Предложено объяснение появления множественных «колец» в сильных электрических полях. Предложен способ, позволяющий исключить усиление напряженности электрического поля на углах планарного эмиттера в форме лезвия относительно его центрального участка. Исследована эмиссионная структура в форме диска.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований пленок мультиграфена на поверхности полуизолирующего карбида кремния: Проведена оценка параметров пленки мультиграфена на основе КРС-спектра и АСМ-изображения. Исследовано влияние параметров фокусированного ионного пучка на геометрические размеры формируемых наноструктур на основе пленок мультиграфена на поверхности полуизолирующего карбида кремния.

В четвертой главе разработаны конструкция и технологический маршрут изготовления наноразмерного автоэмиссионного катода планарного типа с наноразмерным межэлектродным зазором на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния. Изготовлен макет эмиссионный ячейки на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния и исследована его вольт-амперная характеристика.

В заключении сформулированы основные результаты.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОРАЗМЕРНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ СТРУКТУР

1.1 Автоэлектронная эмиссия

Впервые явление автоэлектронной эмиссии было выявлено в 1897 году Р. Вудом, который наблюдал свечение стекла под воздействием электронов, испускаемых в сильном электрическом поле [31]. Теоретическое обоснование автоэлектронной эмиссии на основе туннельного эффекта дали Фаулер и Нордгейм [32].

При автоэлектронной эмиссии электроны туннелируют с поверхности автоэмиссионного катода через уменьшенный электрическим полем потенциальный барьер в вакуум. В результате не тратится энергия на возбуждение электронов.

1.1.1 Автоэлектронная эмиссия из металлов

Для начала эмиссии с поверхности металла электрону необходимо совершить работу, равную величине потенциального барьера, образованного силами, удерживающими электрон на поверхности твердого тела, которая называется работой выхода электрона [33, 34]:

А = е^ф, (1.1)

где ^ - потенциал работы выхода. Потенциальный барьер на границе металл -вакуум имеет ступенчатую структуру (рисунок 1.1). При приложении отрицательного потенциала к металлу возникающее электрическое поле с напряженностью Е начинает изменять форму потенциального барьера. В результате чего потенциальный барьер принимает форму, способствующую туннелированию электронов через потенциальный барьер с поверхности металла в вакуум.

Высота барьера понижается на величину:

Д^=е3/2^72, (1.2)

где Е - напряженность электрического поля.

Потенциальная энергия электрона вычисляется по формуле:

и(х) = {и0 -еЕх-е /4х, при х > 0, {0,

(1.3)

при х < 0.

При х = 0, предполагается, что потенциалы при х > 0 и при х < 0 плавно переходят друг в друга [35, 36].

Рисунок 1.1 - Энергетическая диаграмма границы металл/вакуум:

1 - потенциальный барьер без приложенного внешнего электрического поля;

2 - потенциальный барьер под действием электрического поля; - высота потенциального барьера после приложения отрицательного потенциала

Для вычисления плотности автоэмиссионного тока необходимо найти поток электронов, падающий на поверхность металла изнутри.

Фх=2е4з О (ш, рх)гР Рх/т аРхаРуаРг, (14)

где 0(Ш, рх) - прозрачность потенциального барьера для электронов. Полная плотность тока вычисляется интегрированием по импульсам в полупространстве, занятом металлом:

' = 2е/кз ГСС^/п/рОС^, рх)4рх4ру4р2 . (1.5)

Е = Р7

т

(16)

Рх/ -дШ/ /т = / о

Рх

(1.7)

Подставим (1.7) в (1.5).

} = 2%зССЛге0№, р^/д^аруЧр: . (1.8)

В уравнении (1.8) неизвестна только величина прозрачности барьера. Для его вычисления рассмотрим потенциальный барьер как последовательность узких прямоугольных барьеров с изменяющейся по определенному закону высотой (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Аппроксимация потенциального барьера последовательностью

прямоугольных потенциальных барьеров с известной прозрачностью

Для нахождения величины прозрачности потенциального барьера, изображенного на рисунке 1.1, необходимо решить задачу о туннелировании частицы сквозь прямоугольный потенциальный барьер с высотой, большей энергии частицы (и0 На рисунке 1.3 представлено графическое решение задачи о вероятности прохождения частицы сквозь потенциальный барьер.

Выражение для расчета прозрачности барьера произвольной формы можно представить в виде:

й = ехр - Шх)ах], (19)

Из выражения (1.9) следует, что с ростом ширины и высоты потенциального барьера его прозрачность падает экспоненциально, а энергия частицы при туннелировании не изменяется.

а) б)

Рисунок 1.3 - Графическое решение задачи о вероятности прохождения частицы сквозь потенциальный барьер: а) энергетическая диаграмма прохождения частицы сквозь прямоугольный потенциальный барьер; б) решение уравнения Шредингера для задачи о вероятности прохождения частицы сквозь прямоугольный потенциальный барьер

Выражение (1.8) для плотности автоэмиссионного тока после преобразований принимает окончательный вид:

_ е3Е

3г2

8р(2т)г/2ф3/2у(у)

3h.eE

(1.10)

" / 8у\1(рЬ2(у)ех1р

Выражение (1.10) называется формулой Фаулера-Нордгейма для плотности тока эмиссии.

(1.11)

у —

/4рво

Ф

«у) —

к(у) — №Е(к)-(1-ХЖк(к)]^

(1.12)

(1.13)

где

Х — (1-у2)1/2,

к —

- г2Х

( 1(1+Ху>

12

QE(k) — ¡^2(1 - к2Бт2р) Х/2&-р

(1.14)

(1.15)

(1.16)

2

Qк(k) = /0Я/2(1 - ^¿П2р)-1/2ф, (117)

Упростим выражение (1.10) путем введения коэффициентов А, В и С:

„ Е2 , (1.18)

где и = 1 - ( С'£/ф2 ); А = 1.610-6А^В-2, В = 7109эВ-3/2^м-1 и С = 1.410-9 эВ2^В-1.

1.1.2 Моделирование автоэмиссионных структур

Достижения в области нанотехнологий и недостаток адекватных моделей наноразмерных автоэмиссионных структур формируют потребность в понимании процессов, происходящих на уровне нанометровых масштабов и менее. Совокупность применения теоретических методов и высокой производительности современных вычислительных систем способствуют моделированию сложных систем нанометрового диапазона.

Для анализа автоэмиссионных структур применяются аналитические и численные методы. Однако применение аналитических методов для расчетов наноразмерных эмиссионных структур ограничивается сложностью конструкции. В связи с отсутствием осесимметричности, уменьшением межэлектродного расстояния до значений менее радиуса закругления актуальным становится применение численных методов.

Результаты моделирования автоэмиссионных структур позволяют получить характеристики, недоступные при проведении эксперимента, показать влияние вариаций конструкции автоэмиссионной ячейки на распределение электрического поля в межэлектродном промежутке и для её последующей оптимизации, обеспечить понимание процесса усиления поля на вершинах наноразмерных структур. Совокупность результатов численного моделирования, решения уравнения Фаулера-Нордгейма и экспериментальных данных позволяют оценить работу выхода электрона и эффективную область эмиссии.

В работе [37] исследовались эмиссионные структуры на основе углеродных нанотрубок. Распределение электрического поля рассчитывалось путем решения уравнения Лапласа с использованием пакета прикладных программ Matlab PDE Toolbox. Оптимизация конструкции осуществлялась путем использования массива с различной высотой углеродных нанотрубок (рисунок 1.4).

а)

б)

Рисунок 1.4 - Зависимость напряженности электрического поля (а) и плотности тока (б) от положения нанотрубок относительно центра для массивов с однородной высотой и с нормальным распределением высоты

При нормальном распределении высот нанотрубок в массиве наблюдалось повышение однородности эмиссии. Однако задача получения однородной эмиссии по площади массива эмиттеров остается нерешенной, так как плотность тока на краю массива и в центре отличается на порядок.

В работе [38] задача распределения электрического поля решалась методом конечных элементов с использованием программного обеспечения ЛКБУБ у10,0. Конфигурация модели с эмиттером в форме цилиндра и полусферическим окончанием основана на параметрах экспериментального образца, где в качестве эмиттера выступает одностенная углеродная нанотрубка (УНТ). На основе расчётов оценивали влияние межэлектродного расстояния на напряженность электрического поля (рисунок 1.5).

а) б)

Рисунок 1.5 - Результаты моделирования УНТ эмиттера: а) картина напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве; б) зависимость напряженности электрического поля от

межэлектродного зазора

Результаты моделирования показали нелинейную зависимость напряженности электрического поля от величины межэлектродного зазора. При увеличении межэлектродного расстояния напряженности электрического

поля у основания стремится к значениям на аноде.

В работе [39] определяли условия, при которых коэффициент усиления поля автоэмиссионного катода по типу УНТ не зависит от межэлектродного расстояния с использованием программного обеспечения для численного моделирования на основе метода конечных элементов Ansys-Maxwell 2015. Для повышения точности расчетов в области вершины эмиттера сгущалась сетка конечных элементов (рисунок 1.6, а).

а) б)

Рисунок 1.6 - Результаты моделирования автоэмиссионного катода: а) сетка конечных элементов; б) зависимость напряженности электрического поля от угла эмитирующей поверхности относительно оси Z

На рисунке 1.6, б представлена рассчитанная численно и аналитически напряженность электрического поля как функция от угла эмитирующей поверхности относительно оси Z. Максимум напряженности электрического поля находится в точке, соответствующей углу эмитирующей поверхности 0о относительно оси Z, и достигает значений ~6.3 • 109 В/м. Когда угол эмитирующей поверхности равен 90о относительно оси Z, напряженность электрического поля снижается до ~4.6 • 109 В/м. Увеличение аспектного отношения приводит к возрастанию коэффициента усиления поля (рисунок 1.7, а). Увеличение расстояния эмиттер-анод способствует снижению коэффициента усиления поля (рисунок 1.7, б). Выявлено, что

существует такое межэлектродное расстояние, превышение которого не приводит к снижению коэффициента усиления поля.

*г = 20нм *г= 10 нм * г = 5 нм

• 1111ШШ

у1И-63.93 Т™= 63.31 / / У.„г 62.07

/

1 10 100 1000 Отношение расстояния анод-подложка к высоте эмиттера

а) б)

Рисунок 1.7 - Результаты расчета коэффициента усиления поля: а) в зависимости от отношения высоты эмиттера к его радиусу закругления вершины; б) в зависимости от отношения расстояния анод-подложка к

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Житяев Игорь Леонидович, 2019 год

- -

г — 50 нм 0 нм

т -

•>

, .

0 2 4 6 8 10

а, мкм

Рисунок 2.26 - зависимость отношения напряженности электрического поля на углах планарного эмиттера в форме лезвия Е1 к значению в центральной области

Е3 от величины а

При о = 5 мкм дополнительное скругление угла эмиттера до 50 нм позволяет достигать одинаковых значений напряженности электрического поля на углу и в центре катода. В этом случае напряженность электрического поля на участке между центром и углом излучателя уменьшается лишь в 1,1 раза. Конструкции со скругленными углами и о < 5 мкм также позволяют устранить усиление напряженности электрического поля в углах эмиттера по сравнению с центром, но, при этом, происходит снижение напряженности электрического поля у всей эмитирующей поверхности, в конечном итоге, будет способствовать уменьшению тока эмиссии.

Увеличение радиуса закругления углов лезвийного эмиттера способствует изменению характера распределения напряженности электрического поля вдоль эмиссионной поверхности от первого к третьему типу в соответствии с рисунком 2.23. Можно заключить, что увеличение радиуса закругления в точках A, B, С и D приводит к снижению значения напряженности электрического поля на углах лезвия, но недостаточно для достижения равномерности эмиссии. Дополнительное моделирование автоэмиссионной ячейки с эмиттером в форме лезвия постоянной ширины (bc = const) показало, что уменьшение ширины анода способствует распределению напряженности электрического поля в соответствии с типам от четвертого до шестого. Условия 5 и 6 представляют интерес с практической точки зрения, но условие 4 допустимо [144].

Зависимости напряженности электрического поля в точках E1 и E2 от радиуса закругления для различной длины анода получены на основе результатов моделирования (рисунок 2.27). Серая область на рисунке 2.27, а соответствует значениям напряженности электрического поля, равным или меньшим, чем в точке E3. Распределение, в котором значения напряженности электрического поля E1<E3 появляются при длине анода 980 нм или менее. Напряженность электрического поля уменьшается в точке E2 с увеличением радиуса закругления и уменьшением длины анода (рисунок 2.27, б).

а)

б)

Рисунок 2.27 - Зависимости напряженности электрического поля от радиуса закругления с различными значениями длины анода: а) в точке Е1; б) в точке Е2

Плотность эмиссионного тока оценивалась с использованием уравнения Фаулера-Нордгейма с учетом напряженности электрического поля, полученной из

результатов моделирования. В расчетах использовалась работа выхода электрона равная 0,3 эВ. Эта величина была определена по наклону ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма для эмиссионных структур на основе графеновых пленок на карбиде кремния [145, 146]. Подобные низкие значения работы выхода электрона наблюдались в ряде работ по исследованию эмиссионных структур на основе графена [147, 148]. На рисунке 2.28 показана зависимость плотности эмиссионного тока от напряженности электрического поля.

Напряженность электрического поля (х1Е8),

Рисунок 2.28 - Зависимость плотности эмиссионного тока от напряженности

электрического поля Напряженность электрического поля изменяется от значений в центральной области лезвийного эмиттера до значений в углах. Показано, что плотность тока на углах эмиттера достигает значений порядка 6,5-1012 А/м2 и превышает значения в центральной области более чем в 20 раз. Такое поведение зависимости можно объяснить низкой работой выхода электронов. Увеличение плотности тока на углах автоэмиссионного катода в форме лезвия всего в 20 раз может быть перспективным для создания эмиссионных структур на основе мультиграфена на SiC с высокой однородностью эмиссии вдоль эмитирующей поверхности. Использование материалов с более высокой работой выхода электронов для эмиссионной ячейки с катодом в форме лезвия приведет к большей в несколько

раз неоднородности эмиссии. Совокупность сильного электрического поля и высокой плотности тока может привести к изменению геометрии эмиттера из-за поверхностной миграции атомов материала эмиттера. Это может способствовать последующему увеличению тока эмиссии, что, в свою очередь, приводит к большей неоднородности эмиссии вдоль эмиссионной поверхности.

В диссертационной работе также определено влияние изменения конструкции автоэмиссионной наноструктуры на длину участка с однородной напряженностью электрического поля вдоль эмиттера (рисунок 2.29). Наибольшая длина участка с однородной напряженностью электрического поля соответствует случаю, когда длина катода и анода равны, а радиус скругления углов лезвия равен 0 нм. Уменьшение или увеличение длины анода относительно длины катода приводит к уменьшению длины участка с однородной напряженностью электрического поля вдоль эмиттера. Было обнаружено, что увеличение радиуса закругления и уменьшение длины анода приводят к уменьшению длины однородного участка. Следовательно, важно было определить условия, обеспечивающие наибольшую однородность поля у эмиттера в форме лезвия, когда значения напряженности электрического поля в точке Е1<Е3, при минимальном радиусе скругления углов и максимальной длине анода. Зависимость длины анода и длины участка с однородной напряженностью электрического поля вдоль эмиттера от минимального радиуса закругления, когда напряженность электрического поля Е1<Е3 и Е1<Е2 <Е3 построена на рисунке 2.30 на основе данных из рисунков 2.27 и 2.29.

Эти кривые позволяют определить минимально допустимый радиус закругления при максимальной длине участка эмиттера с однородной напряженностью электрического поля. Наибольшая длина участка эмиттера с однородной напряженностью электрического поля для условий, когда напряженность электрического поля Е1<Е3, соответствует радиусу закругления 15 нм и длине анода 960 нм. Можно достичь условий с радиусом закругления 0 нм, если длина анода снижена на 10% по сравнению с катодом.

а)

б)

Рисунок 2.29 - Зависимости длины участка с однородной напряженностью электрического поля вдоль эмиттера от радиуса закругления при разных значениях длины анода: а) 1а<1000 нм; б) 1а>1000 нм

а)

б)

Рисунок 2.30 - Зависимости длины участка с однородной напряженностью электрического поля вдоль эмиттера 1е и соответствующей ей длины анода 1а от радиуса закругления при различных условиях: а) напряженность электрического поля Е1<Е3; б) напряженность электрического поля Е1<Е2 <Е3

Таким образом, было проведено моделирование распределения напряженности электрического поля в наноразмерном межэлектродном промежутке планарных автоэмиссионных структур в форме лезвия. Определено влияние наноразмерной модификации катода и анода на распределение напряженности электрического поля. Показано, что модификация лезвийного излучателя коронным разрядом [ 118] или с использованием процесса полировки кромок [149] недостаточна. Эти методы приводят к изменениям радиуса закругления эмиттера и не обеспечивают однородность эмиссии с поверхности катода. В этом случае локализованные участки с наибольшей напряженностью поля не исчезают, а только становятся менее интенсивными. На основе результатов моделирования были определены условия однородности электрического поля на эмитирующей поверхности планарного наноразмерного лезвийного эмиттера. Таким образом, полевая эмиссионная ячейка с лезвийным эмиттером должна быть изначально контролируемо модифицирована, чтобы избежать локализованного усиления напряженности электрического поля. Это обеспечит максимальную длину участка с однородной эмиссией. Полученная разница значений плотности тока эмиссии в центре и на углах эмиттера подтверждает необходимость начальной оптимизации конструкции полевой эмиссионной ячейки. Значения плотности тока согласуются с характеристиками нанометровых эмиссионных структур [130, 150].

2.5 Эмиттер планарного типа в форме диска

Одним из возможных решений, направленных на достижение однородности эмиссии вдоль эмитирующей поверхности, может быть использование эмиссионной ячейки с эмиттером в форме диска. Общий вид эмиттера в форме диска представлен на рисунке 2.31.

В настоящей работе количество слоев в пленке мультиграфена было равным 10. При моделировании межэлектродное расстояние изменялось от

30 до 500 нм. Для определения влияния межэлектродного расстояния и размеров эмиттера на форм-фактор моделирование проводилось в два этапа:

- при фиксированном значении радиуса диска гс = 1000 нм (изменялся внутренний радиус планарного кольца);

- при фиксированном значении внутреннего радиуса планарного кольца га = 1500 нм (изменялся радиус диска).

2

Z

У х

Рисунок 2.31. Общий вид наноразмерной планарной автоэмиссионной структуры, где: 1 - диск; 2 - кольцо

На основе полученных по результатам моделирования данных были построены зависимости форм-фактора на торце диска при rc = const и кольца при ra = const от межэлектродного расстояния (рисунок 2.32). Обе кривые имеют схожий характер и практически накладываются друг на друга, но при одинаковых значениях межэлектродного расстояния максимальное значение форм-фактора выше в структурах с меньшим радиусом диска. Разница значений форм-фактора при одинаковых межэлектродных расстояниях, но различных радиусах планарного эмиттера в форме диска приведена на рисунке 2.33. Из рисунка 2.33 следует, что при межэлектродном расстоянии 30 нм форм-фактор на эмитирующей поверхности выше на 105 м-1. Такая разница значений может оказывать существенное влияние на эмиссию электронов, так как для

эмиттеров на основе наноуглеродных материалов свойственна низкопороговая эмиссия.

-гс = const

О 100 200 300 400 500

с/, НМ

Рисунок 2.32 - Зависимость форм-фактора от межэлектродного расстояния, где: гс - радиус катода, га - радиус анода

J_I_i_1_I_I_I_I_I_I_I_

0 100 200 300 400 500

d, нм

Рисунок 2.33 - Зависимость разницы величины форм-фактора на торце эмиссионной структуры в форме диска и кольца от межэлектродного расстояния, где: fii - форм-фактор диска при rc = const, в2 - форм-фактор

кольца при ra = const

2.6 Выводы

В результате проведенных теоретических исследований автоэмиссионных ячеек различных типов можно сделать следующие выводы:

1. В острийных эмиттерах вертикального типа, изменяя радиус закругления вершины острия и межэлектродное расстояние с 30 до 5 нм и угол наклона боковой поверхности относительно центральной оси вертикального эмиттера до 0°, можно увеличить форм-фактор в 5,5 раз. Конструкция эмиттера вертикального типа защищена патентом РФ на полезную модель [151].

2. Для эмиттеров планарного типа в форме острия на величину форм-фактора также оказывает влияние его толщина и относительное положение плоскостей электродов. Снижение числа монослоев в пленке мультиграфена с 10 до 2 позволяет на четверть повысить максимальное значение форм-фактора. При снижении плоскости анода относительно катода на 50 нм происходит уменьшение форм-фактора в ~2,5 раза. Изменение межэлектродного расстояния и радиуса закругления вершины эмиттера с 50 до 5 нм приводит к увеличению форм-фактора в 1,9 раз.

3. Сравнение эмиссионной ячейки с эмиттерами вертикального и планарного типов показало, что при 10 монослоях в пленке мультиграфена величина форм-фактора на вершине эмиттера планарного типа выше в ~1,3 раза по сравнению с вертикальным эмиттером и в ~1,6 раз - при 2 монослоях в мультиграфеновой пленке.

4. Определена высота эмиттера в форме острия, при которой его основание оказывает экранирующее влияние на эмитирующую поверхность и приводит к снижению максимального значения форм-фактора до двух раз.

5. Для многоэмиттерных острийных структур необходимо учитывать расстояние между центральными осями единичных эмиттеров, чтобы исключить эффект экранирования. Для планарных многоэмиттерных структур минимальное допустимое расстояние между остриями массива (700 нм) превышает значения для структур вертикального типа, что можно объяснить лучшими эмиссионными свойствами боковой поверхности острия планарного

типа. Использование планарной конструкции с анодом в виде диска и катода в виде кольца, содержащего равномерно распределенные острия, направленные внутрь к аноду, позволяет уменьшить габариты многоэмиттерной структуры и повысить плотность эмиссионного тока, которая зависит от количества единичных острий.

6. Для планарных эмиссионных катодов в форме лезвия возможны шесть типов распределения напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке. При этом на углах эмиттера происходит усиление напряженности электрического поля до 2,5 раз. Для повышения однородности напряженности электрического поля вдоль эмитирующей поверхности автоэмиссионного катода в форме лезвия планарного типа необходимо уменьшать длину анода относительно длины катода и повышать радиус закругления углов лезвия.

7. Для повышения форм-фактора планарной эмиссионной структуры в форме диска необходимо уменьшать его радиус.

8. Механизм появления множественных «колец» на эмиссионном изображении катода вертикального типа в предпробойном режиме заключается в локализации потоков эмитированных электронов с концентрических ступеней по периферии автоэмиссионного катода в форме острия, формируемых вследствие модификации эмиссионной поверхности в сильных электрических полях при высокой плотности тока.

3 ПОЛУЧЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛЕНОК МУЛЬТИГРАФЕНА НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕМ SiC

3.1 Получение пленок мультиграфена

Для получения пленок мультиграфена использовались образцы полуизолирующего карбида кремния политипа 6H-SiC с удельным сопротивлением >106 Ом-см производства «Intrinsic Semiconductor». Использование полуизолирующего карбида кремния и технологии сублимации карбида в вакууме кремния позволило получать пленки мультиграфена на изолированной подложке без дополнительных операций переноса, необходимых при использовании альтернативных методов получения пленок мультиграфена. Пленкам мультиграфена, получаемым на поверхности SiC, свойственны высокая однородность и адгезия к подложке.

Характеристики пленок графена зависят от грани карбида кремния, на которой формируется графен. Si-грань способствует формированию одно-и двуслойного графена с высокой однородностью пленки, но низкой подвижностью носителей заряда [152]. В диссертационной работе пленки мультиграфена были получены на С-грани карбида кремния. Известно, что пленки, формируемы на С-грани, характеризуются лучшими электрическими параметрами. Взаимодействие пленок графена с подложкой на С-грани карбида кремния снижено по сравнению с Si-гранью, что может быть одной из причин большей подвижности носителей заряда, измеренной на эпитаксиальном графене на C-грани [68]. Разориентированность монослоев друг относительно друга в пленке мультиграфена, формируемой на поверхности C-грани карбида кремния, может способствовать поведению мультиграфеновой пленки аналогично монослойному графену [ 153]

Метод термической деструкции карбида кремния перспективен тем, что позволяет получать пленки графена на всей поверхности подложки.

Важным является получение однородных пленок графена. Одним из факторов, влияющих на однородность формируемых пленок, является однородность температуры в подложке карбида кремния. Для обеспечения однородного нагрева экспериментальных образцов был разработан нагревательный столик и проведено численное моделирование распределения температуры в нем (рисунок 3.1).

а) б)

Рисунок 3.1 - Результаты моделирования распределения температуры нагрева столика: а) общий вид; б) зона расположения образца SiC на столике

Результаты моделирования показали, что при максимальной температуре нагрева столика 1672 К разброс температуры в нём составляет 4 К, а в зоне нахождения образца 2 К.

В диссертационной работе экспериментальные исследования проводились с использованием оборудования НОЦ и ЦКП «Нанотехнологии» ЮФУ, а также Института физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины.

На первом этапе пластина карбида кремния резалась на экспериментальные образцы (рисунок 3.2). На С-грани производилась маркировка каждого образца для упрощения его идентификации. Затем проводилась подготовка экспериментальных образцов карбида кремния с использованием стандартных методов очистки поверхности

полупроводниковых пластин для удаления слоя, фиксирующего пластину при резке образцов, загрязнений и оксидных пленок.

Рисунок 3.2 - Общий вид экспериментальных образцов полуизолирующего

карбида кремния

На следующем этапе образцы карбида кремния отжигались в вакуумной установке ВУ-2М при температуре 900°С в течение двух часов для окончательного удаления естественного окисла. Остаточное давление в камере составляло 10-3 Па. Измерение температуры осуществлялось инфракрасным термометром КМ-ТермиксК с диапазоном измеряемых температур 700-2000 °С (точность измерения ±1+0.01-Т, где Т - показания температуры) и платина-платинародиевой термопарой (точность измерения ±1.5 °С в диапазоне температур 0 -600 °С и ±0.0025-Т, где Т -показания температуры в диапазоне 600 -^1600 °С). Показания термопары контролировались с использованием цифрового мультиметру BENNING ММ3 (точность измерения диапазоне в 200 мВ - 0.5%). Через два часа после начала отжига температура подложки увеличивалась до 1350°С (рисунок 3.3).

Эта операция способствует образованию пленки мультиграфена на поверхности карбида кремния. Время выдержки при температуре 1350°С составляло 20 мин. При режимах отжига, используемых в данной диссертационной работе, на поверхности карбида кремния образуются

7^12 углеродных слоев толщиной 20-^40 А [101]. Толщина одного слоя углеродных атомов составляет 3.35 А. Расстояние между нулевым графеновым слоем, непосредственно прилегающим к карбиду кремния, и подложкой составляет 2 А. Нулевой слой, как сообщается в работе [154], проявляет полупроводниковые свойства. Следующий слой графена находится на расстоянии 3.1 А от нулевого слоя. Последующие слои на расстоянии 3.39±0.02 А друг от друга [107].

Рисунок 3.3 - Отжиг экспериментального образца полуизолирующего карбида кремния при температуре 1350°С

3.2 Исследование спектров комбинационного рассеяния света (КРС) пленок мультиграфена

При получении наноуглеродных пленок важным требованием является возможность их идентификации и характеризации. Методы контроля должны быть информативными, неразрушающими и обладать высоким разрешением. К таким методам можно отнести Рамановскую спектроскопию. Существует ряд работ, посвященных КРС-исследованиям пленок графена на карбиде кремния [155-159].

В диссертационной работе был проанализирован КРС-спектр полуизолирующего карбида кремния 6Н^С после высокотемпературного отжига в вакууме (рисунок 3.4) [160]. КРС-спектры возбуждались Аг-Кг-лазером с длиной волны излучения Х1 = 488,0 нм. В спектре комбинационного

рассеяния света пленки графена присутствуют три основных пика: G-пик (~1580 см-1), наблюдаемый в углеродных материалах с sp2-гибридизацией [161]; D-пик (в диапазоне 1300 ^ 1370 см-1), который указывает на наличие дефектов в пленке из-за наличия вакансий, участков с изменением гибридизации от sp2- к sp3-, границ зерен или взаимодействия графена с подложкой [162]; 2D-пик (иногда называемый G'-пик) возникает из-за процесса двойного резонанса, когда сохранение импульса выполняется двумя фононами с противоположными волновыми векторами, и его присутствие в спектре комбинационного рассеяния света не требует наличия D -пика [163]. Интенсивность D-, G- и 2D-пиков может дать информацию о свойствах пленки графена [164-167].

С

1500 2000 2500 3000

Частота, см-1

Рисунок 3.4 - Спектр КРС мультиграфена на полуизолирующем карбиде

кремния

На основе полученных спектров проведена характеризация графеновой пленки на поверхности карбида кремния. Учитывая отношение интенсивности G- и 2D-пиков, а также частоту максимума интенсивности G-пика, можно оценить количество графеновых слоев в пленке [168]. КРС-спектр характерен для многослойной пленки с количеством графеновых монослоев ~10.

Отношение интенсивности D- и G-пиков обратно пропорционально среднему размеру sp2-кластеров Ьа в графеновой пленке и позволяет его оценить с использованием соотношения [169]:

В соответствии с КРС-спектром пленки мультиграфена на карбиде кремния размер графенового кластера составил 37,8 нм. На основе полученных результатов исследований и величины ширины G-пика на половине высоты можно сделать вывод о типе дефектов в пленке мультиграфена. Доминирующими являются линейные дефекты на границе графеновых кластеров [170].

В полученном спектре наблюдается смещение G-пика в высокочастотную область, что может говорить о присутствии сжимающих напряжений в пленке мультиграфена на карбиде кремния, возникающих из-за рассогласования решеток графена и карбида кремния. Об оценке напряжения сжатия а по величине смещения максимума интенсивности G-пика КРС-спектра графена на карбиде кремния сообщается в работе [158]. Она основана на соотношении:

где юа - частота, соответствующая максимуму интенсивности G-пика в спектре мультиграфена на карбиде кремния, = 1580 см-1, а -деформационный коэффициент графита (~7.47 см-1/ГПа). Для полученных КРС-спектров величина напряжения сжатия оценивается как а = 0,5 ГПа. Деформация пленки составляет 0,048 % [171]. Полученные результаты подтверждают возможность формирования графена на поверхности С-грани карбида кремния с низкими деформирующими напряжениями в пленке [172]. Невысокие значения величины деформации также могут говорить о многослойной графеновой пленке и о графене, состоящем из кластеров [1 73].

(3.1)

ша — ш0 = ао,

(3.2)

3.3 Исследование пленок мультиграфена на поверхности карбида кремния методом АСМ

С использованием сканирующей зондовой нанолаборатории Ntegra были получены АСМ-изображения (рисунок 3.5) пленок мультиграфена на карбиде кремния. Для исследований применялся платиновый зонд с радиусом закругления вершины 10 нм.

Из полученных АСМ-изображений следует, что высокотемпературный отжиг экспериментальных образцов при температуре 1350 °C в течение 20 мин способствует трансформации поверхности карбида кремния. Исчезают царапины с поверхности, образованные при механической шлифовке и полировке карбида кремния. Также необходимо отметить, что максимальный перепад высот на поверхности карбида кремния после процесса формирования пленки мультиграфена снизился с 6 до 3,5 нм.

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

высота, нм

а) б)

Рисунок 3.5 - АСМ-изображения 5x5 мкм экспериментального образца после высокотемпературного отжига: а) при Т = 900 °С, 2 ч; б) при Т = 1350 °С, 20 мин

3.4 Исследование режимов травления структур мультиграфен/SiC с помощью ФИП

После этапа формирования пленок мультиграфена на поверхности карбида кремния проведено исследование режимов наноразмерного профилирования экспериментальных образцов. Для наноразмерного профилирования использовался метод фокусированных ионных пучков. К достоинствам метода и определяющим факторам выбора метода относятся прецизионность обработки, воспроизводимость и контроль параметров травления, возможность формирования высокоаспектных углублений наноразмерной ширины. Травление с использованием фокусированных ионных пучков позволяет избавиться от недостатков традиционных литографических процессов, связанных с применением масок, резистов и жидкостных травителей [174].

Электронно-ионный комплекс Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды), в составе которого присутствует электронно-лучевая и ионная колонны с галлиевым жидкометаллическим источником ионов (разрешение 7 нм), использовался для реализации операций травления экспериментальных образцов ионным пучком и последующего анализа методом растровой электронной микроскопии [175, 176]. Проводилась оценка влияния времени воздействия фокусированного ионного пучка на профилирование поверхности структур мультиграфен/карбид кремния. Экспериментальные образцы располагались в установке так, чтобы ионный пучок попадал на поверхность в направлении нормали. Используемый при травлении шаблон представлял массив 5x5 точек, в котором время воздействия в точке возрастало от 10 до 200 мкс по строкам массива. Количество проходов фокусированного ионного пучка по поверхности мультиграфена на карбиде кремния было равным 100; ток ионного пучка варьировался в диапазоне от 100 пА до 7 нА. Ускоряющее напряжение фокусированного пучка при травлении составляло 30 кэВ.

РЭМ-изображения экспериментальных образцов после травления при различном времени воздействия фокусированным ионным пучком в точке представлены на рисунке 3.6.

в) г)

Д) е)

Рисунок 3.6 - РЭМ-изображения поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 100 пА; б) 300 пА; в) 500 пА; г) 1 нА; д) 3 нА; е) 7 нА Результаты АСМ-исследований массивов наноразмерных углублений в структурах мультиграфен/SiC при различном времени воздействия ионного пучка в точке и токе ионного пучка представлены на рисунках 3.7, 3.8.

а)

s

с if.

\

2 3 4

Plane, um

б)

в)

Рисунок 3.7 - Двухмерные АСМ-изображения и соответствующие им профилограммы поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 100 пА; б) 300 пА; в) 500 пА

а)

¿А ""Л г

X \ I

и

V

TT

г

т

2 3 4

Plane, um

б)

M 1 * ^

« I % * % %

mu

uni

о

0 1 2 3 4 5 6 7 um

в)

Рисунок 3.8 - Двухмерные АСМ-изображения и соответствующие им профилограммы поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 1 нА; б) 3 нА; в) 7 нА

Таблица 3.1 - Результаты АСМ-измерений массивов наноразмерных точечных углублений в структурах мультиграфен/БЮ

№ п/п Время воздействия в точке, мкс Ток ^^ ионного пучка, пА 10 50 100 150 200

Глубина / диаметр точки, нм

1. 100 1/320 3/340 4/350 5/430 6/450

2. 300 5/360 8/380 13/390 15/430 16/590

3. 500 7/420 14/450 20/470 30/510 32/550

4. 1000 9/400 38/510 49/550 57/620 66/700

5. 3000 25/471 37/628 78/667 96/700 112/745

6. 7000 22/510 95/706 157/824 227/863 248/941

: воздействия, мкс

Рисунок 3.9 - Зависимости глубины локальной области травления от времени воздействия ионного пучка в точке при различных значениях тока

ионного пучка

воздействия, мкс

Рисунок 3.10 - Зависимости диаметра локальной области травления от времени воздействия ионного пучка в точке при различных значениях тока

ионного пучка

Из полученных зависимостей следует, что уменьшение времени воздействия ионного пучка в точке позволяет формировать наноструктуры с меньшими геометрическими параметрами. Таким образом, уменьшение количества проходов ионного пучка по поверхности экспериментального образца будет способствовать уменьшению области травления. Уменьшение тока ионного пучка также способствует уменьшению геометрических размеров области травления, что, в свою очередь, связано с уменьшением плотности потока энергии ионного пучка и его размеров.

На следующем этапе проводилось исследование влияние тока ионного пучка на параметры локальной области травления в виде линии. Травление экспериментальных образцов проводилось с использованием разработанного растрового графического шаблона в виде массива, состоящего из 15 линий длиной 5 мкм и переменным расстоянием между линиями от 50 нм до 1,5 мкм. Ускоряющее напряжение фокусированного ионного пучка при травлении составляло 30 кэВ, так как большее ускоряющее напряжение способствует лучшей фокусировке и уменьшению диаметра ионного пучка. Количество

проходов фокусированного ионного пучка по поверхности мультиграфена на карбиде кремния было равным 100; ток ионного пучка варьировался в диапазоне от 1 пА до 7 нА, перекрытие диаметра пучка при перемещении - 0 %, время воздействия ионного пучка в точке шаблона - 200 мкс.

На рисунках 3.11, 3.12 представлены РЭМ-изображения пленок мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированных ионным пучком при различных токах. На изображениях наблюдается развитая поверхность экспериментального образца, связанная с наличием мультиграфеновой пленки на карбиде кремния. Также можно идентифицировать участки поверхности, на которых были царапины после механической шлифовки/полировки пластины. При травлении со значением тока ионного пучка 7 нА происходит сильный растрав обрабатываемых участков поверхности и сращивание близлежащих линий. При токе ионного пучка 7 нА его диаметр согласно техническому описанию к установке составляет ~141 нм. Энергия ионов по диаметру пучка соответствует нормальному распределению. При больших токах ионного пучка его участки, удаленные от оптической оси более чем на половину диаметра на полувысоте, оказывают значительное влияние на латеральное растравливание обрабатываемых участков поверхности.

С использованием сканирующей зондовой нанолаборатории Ntegra были получены АСМ-изображения поверхности экспериментальных образцов после травления фокусированным ионным пучком. Использовался режим полуконтактной АСМ. Использовались зондовые датчики-кантилеверы NSG 11 (ЗАО «НТ-МДТ») с радиусом закругления острия кантилевера 5 — 10 нм. Полученные АСМ-изображения представлены на рисунках 3.13-3.16. Анализ полученных АСМ-изображений и их статистическая обработка производились с использованием программного обеспечения Image Analysis 3.0. Значения глубины, ширины и количества линий при различных токах ионного пучка представлены в Таблице 3.1. Зависимости глубины, ширины и количества идентифицируемых линий от величины тока ионного пучка представлены на рисунках 3.17-3.19.

д) е)

Рисунок 3.11 - РЭМ-изображения поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 1 пА; б) 10 пА; в) 30 пА; г) 50 пА; д) 100 пА; е) 300 пА

в) г)

Рисунок 3.12 - РЭМ-изображения поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком:

а) 500 пА; б) 3 нА; в) 5 нА; г) 7 нА

а) б)

Рисунок 3.13 - Трехмерное АСМ-изображение поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным

ионным пучком: а) 1 пА; б) 10 пА

а)

£ г

Vг л Ал г

Y V V » Г m

I ? ? F 'if

0 1 2 3 4 5 6 7 Plane, um

б)

в)

Рисунок 3.14 - Трехмерные АСМ-изображения и соответствующие им профилограммы поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 30 пА; б) 50 пА; в) 100 пА

0123456789 10 Plane, um

0 2 4 6 8 10

Plane, um

О 2 4 6 8 10

Plane, um

в)

Рисунок 3.15 - Трехмерные АСМ-изображения и соответствующие им профилограммы поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком: а) 300 пА; б) 500 пА; в) 3 нА

а)

б)

Рисунок 3.16 - Трехмерные АСМ-изображения и соответствующие им профилограммы поверхности пленки мультиграфена на карбиде кремния после воздействия фокусированным ионным пучком:

а) 5 нА; б) 7 нА

Рисунок 3.17 - Зависимость количества обнаруживаемых линий от тока ФИП

Таблица 3.2 - Результаты АСМ-измерений массивов наноразмерных углублений в виде линий в структурах мультиграфен/БЮ

№ Параметр линии Глубина, Ширина, Количество,

п/п Ток ионного пучка нм нм шт.

1. 1 пА 4 200 15

2. 10 пА 13 350 11

3. 30 пА 15 330 11

4. 50 пА 23 340 10

5. 100 пА 89 450 9

6. 300 пА 90 417 9

7. 500 пА 150 501 8

8. 3 нА 243 647 7

9. 5 нА 218 890 5

10. 7 нА 208 1090 4

О -Ц-1--1--1--1--1--1--г

о 1х103 2x103 Зх103 4x103 5х103 6х103 7х103

Ток пучка, пА

Рисунок 3.18 - Зависимость глубины линии в структуре мультиграфен/карбид кремния от тока ионного пучка

1200 1100 1000 900

щ

700

та

м

600

Я

¡3 500 400 300 200

1 10 100 1000

Ток пучка, пА

Рисунок 3.19 - Зависимость ширины линии в структуре мультиграфен/карбид кремния от тока ионного пучка

При токе ионного пучка 1 пА полученные значения глубины травления коррелируют со среднеарифметической шероховатостью поверхности. Увеличение тока ионного пучка приводит к снижению разрешающей способности при наноразмерном профилировании. Толщина сформированных линий экспоненциально увеличивается с увеличением тока ионного пучка, а глубина линии существенно возрастает в диапазоне от 1 пА до 1 нА. Последующее увеличение глубины линии практически не наблюдается, что можно связать с артефактами АСМ-изображений из-за использования зондов NSG11, имеющих аспектное соотношение (1:3) и большой угол раствора конуса зонда.

При экспериментальных исследованиях важной задачей являлось определение режимов травления, обеспечивающих минимальное межэлектродное расстояние в эмиссионной структуре планарного типа. Необходимо было выявить режимы травления пленок мультиграфена на карбиде кремния, соответствующие минимальным токам ионного пучка (Ii),

минимальному времени воздействия ионного пучка в точке (&) и количеству проходов (пе). Для решения поставленной задачи исследовано влияние воздействия фокусированного ионного пучка при токе 1 пА и 10 пА, количестве проходов ионного пучка по поверхности экспериментального образца от 100 до 900 и времени воздействия ионного пучка в точке от 1 до 9 мкс [177]. Перекрытие ионного пучка при перемещении - 50 % от его диаметра. Ускоряющее напряжение пучка составляло 30 кэВ. Шаблоны для травления представляли квадраты 300 X 300 нм. Общее время травления варьировалось в диапазоне 1 — 15 мин. Участки экспериментального образца, подвергавшиеся воздействию фокусированного ионного пучка, исследовались с помощью атомно-силового микроскопа (рисунок 3.20).

а) б)

Рисунок 3.20 - Профилограмма участков экспериментального образца после обработки ФИПом при токе 1 пА, различном времени воздействия в точке и количестве проходов: а) & = 1, 2.. .9 мкс, пе = 100; б) & = 1 мкс, пе =

100, 200.900

По результатам исследования режимов травления выявлено, что ток 1 пА недостаточен для травления структур мультиграфен^С. Увеличение времени воздействия ионного пучка в точке или количества проходов не способствуют инициации процесса травления. Наблюдается лишь увеличение объема материала в зоне обработки. Последующее повышение тока ионного пучка до

10 пА позволило добиться инициализации процесса травления экспериментального образца. Поэтому величина тока ионного пучка 10 пА использована при формировании эмиттеров планарного типа с наноразмерным межэлектродным зазором. Рекомендуемым предельным значением тока ионного пучка для формирования углублений нанометровой ширины в структурах мультиграфен/SiC является 100 пА. Для травления больших объемов материала, не требующих нанометровой точности в зоне воздействия ФИП, рекомендуется использовать значения тока ионного пучка более 500 пА.

3.5 Выводы

В результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Анализ КРС-спектра мультиграфена, полученного путем термической деструкции полуизолирующего SiC в вакууме при температуре отжига 1350°С в течение 20 мин, показал наличие ~10 монослоев в пленке со средним размером графеновых кластеров ~38 нм.

2. АСМ-изображение поверхности карбида кремния после высокотемпературного отжига показали его трансформацию и снижение шероховатости поверхности с 6 до 3,5 нм.

3. C помощью ФИП на установке Nova NanoLab 600 были исследованы режимы травления пленок мультиграфена на карбиде кремния. Для формирования эмиссионных структур планарного типа с наноразмерным межэлектродным зазором предпочтительно использовать фокусированный ионный пучок со значением тока 10 пА. Для участков, не требующих наноразмерной точности целесообразно повысить ток ионного пучка до значений 500 пА и более.

4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК МУЛЬТИГРАФЕНА НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕМ 8Ю

4.1 Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления планарных эмиссионных ячеек на основе пленок мультиграфена на 81С

По результатам теоретических исследований влияния конструктивных параметров наноразмерной автоэмиссионной ячейки на максимальное значение форм-фактора и экспериментальных исследований наноразмерного профилирования подложек карбида кремния с пленками мультиграфена разработана конструкция планарной автоэмиссионной ячейки с эмиттером в форме острия, защищенная патентом РФ на полезную модель [178]. Общий вид планарной автоэмиссионной ячейки представлен на рисунке 4.1. На рисунках 4.2, 4.3 представлен чертеж планарной автоэмиссионной ячейки.

Рисунок 4.1 - Общий вид планарной автоэмиссионной ячейки с эмиттером в форме острия: 1) катод; 2) анод; 3) полуизолирующий карбид кремния

1 Размеры указаны в им.

Рисунок 4.2 -Автоэмиссионная структура (вид сверху)

A-A (1) (1000000:1)

no

▼

1 Размеры указаны в нм.

Рисунок 4.3 - Сечение А-А автоэмиссионной структуры, представленной на

рисунке 4.2

На основе результатов проведенного в главе 1 анализа литературных источников и экспериментальных исследований в главе 3 с учетом конструкции планарной автоэмиссионной структуры на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния, предложенной в

главе 4, был разработан технологический маршрут её изготовления (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Технологический маршрут изготовления планарной автоэмиссионной ячейки на основе мультиграфена на полуизолирующем

карбиде кремния

1. Подготовка пластин 81С.

На данном этапе производится резка, шлифовка и полировка полуизолирующего карбида кремния, а также определение его кристаллографических направлений (граней). Планарная эмиссионная ячейка на основе пленок мультиграфена должна формироваться на подложке полуизолирующего карбида кремния толщиной 450 мкм, которая будет обеспечивать отсутствие контакта между анодом и катодом.

2. Очистка пластин 81С.

Для достижения требуемого уровня чистоты поверхности карбида кремния производится стандартный процесс очистки, который позволяет

удалить остатки полировочной пасты, жировых или иного рода загрязнений (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Очистка подложки карбида кремния

3. Высокотемпературный отжиг 8С, формирование мультиграфена

Геометрические размеры и эмиссионные характеристики пленки мультиграфена зависят от режимов отжига карбида кремния, в особенности, от температуры и времени. Подложка карбида кремния устанавливается на нагревательный столик С-гранью вверх. Отжиг полуизолирующего карбида кремния производится в вакуумной камере в два этапа: 2 часа при температуре 900 °С и давлении 10-3 Па; 20 минут при 1350 °С и 10-3 Па (рисунок 4.6).

Мультиграфен

t t t t t t t t

Нагрев 900-1350 °С

Рисунок 4.6 - Формирование слоя мультиграфена

4. Контроль пленки мультиграфена.

Контроль параметров экспериментальных образцов после процесса высокотемпературного нагрева полуизолирующего карбида кремния в вакуууме осуществляется с использованием Рамановского спектрометра, растрового электронно-ионного микроскопа (Nova NanoLab 600) и сканирующей зондовой нанолаборатории с датчиком NSG-11 (Ntegra).

5. Травление ФИП, формирование эмиттеров.

Травление осуществляется в растровом электронно-ионном микроскопе (Nova NanoLab 600) с использованием галлиевой ионной колонны по

подготовленному растровому шаблону эмиссионной ячейки. Ток ФИП равен 10 пА, ускоряющее напряжение 30 кэВ, время воздействия пучка в точке 10 мкс (рисунок 4.7). Для формирования планарных структур требуется 2^3 минуты, в то время как для формирования эмиссионной структуры острийного типа требуется 35 минут.

ФИП

d.

Межэлектродный зазор

I

Рисунок 4.7 - Формирование эмиттеров

Применение фокусированных ионных пучков позволяет формировать структуры с наноразмерным межэлектродным зазором. Катод и анод изготавливаются в одной технологической операции. В результате снижается трудоемкость технологического процесса, время формирования автоэмиссионной структуры и стоимость изготовления эмиссионной ячейки по сравнению эмиттерами вертикально типа. К преимуществам данного технологического маршрута также можно отнести относительную простоту изготовления шаблонов. Использование иных технологий травления будет способствовать ухудшению эмиссионных характеристик и усложнению технологического маршрута изготовления.

6. Контроль параметров эмиттеров.

На данном этапе осуществляется контроль геометрических параметров с помощью растрового электронно-ионного микроскопа (Nova NanoLab 600) и сканирующей зондовой нанолаборатории с датчиком NSG-11 (Ntegra).

7. Осаждение вольфрама, формирование контактной системы.

Формирование контактно-металлизационной системы (рисунок 4.8) осуществляется методом селективного локального осаждения вольфрама из газовой фазы под действием ФИП (Nova NanoLab 600).

Рисунок 4.8 - Формирование контактно-металлизационной системы

8. Отжиг контактов.

Отжиг сформированных контактов производится методом быстрой термической обработки в вакууме.

9. Контроль параметров эмиссионной ячейки.

На данном этапе производится контроль геометрических и электрофизических параметров планарной автоэмиссионной ячейки с использованием растрового электронно-ионного микроскопа (Nova NanoLab 600), сканирующей зондовой нанолаборатории с датчиком NSG-11 (Ntegra), измерительной установки Keithley и зондовой станции ЭМ6070А.

10. Отбраковка.

11. Скрайбирование.

12. Ломка на кристаллы.

13. Установка годных кристаллов в корпус.

14. Разварка выводов.

15. Герметизация.

16. Контроль герметичности.

17. Контроль выходных параметров.

18. Маркировка и сдача на склад.

4.2 Изготовление и исследование эмиссионных ячеек планарного типа с эмиттером в форме острия на основе пленок мультиграфена на 81С

Для формирования планарной автоэмиссионной ячейки с эмиттером в форме острия на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния была разработана электронная модель в виде растрового шаблона (рисунок 4.9). Электронная модель эмиссионной ячейки учитывает оптимальные значения межэлектродного расстояния, радиуса закругления вершины эмиттера, высоты и угла наклона боковой поверхности относительно центральной оси.

Рисунок 4.9 - Растровый шаблон для изготовления планарной эмиссионной

ячейки с эмиттером острийного типа

Таким образом, были изготовлены эмиссионные структуры планарного типа с межэлектродным расстоянием, определяемым диаметром ионного пучка. РЭМ-изображение изготовленной эмиссионной ячейки представлено на рисунке 4.10. Выявлено, что используемое оборудование позволяет воспроизводимо формировать эмиссионные ячейки с межэлектродным зазором -15^30 нм. Радиус закругления вершины эмиттера составил 30 нм. Применение фокусированных ионных пучков позволило изготовить катод и анод в единой технологической операции [179]. Оптимальное время травления составило 2 мин 30 сек. При большем времени травления наблюдалось частичное стравливание острия автоэмиссионного катода.

а) б)

Рисунок 4.10 - РЭМ-изображение планарной эмиссионной ячейки с эмиттером острийного типа: а) 100 000х увеличение; б) 200 000х увеличение

Структурные исследования и измерение вольт-амперной характеристики изготовленной эмиссионной ячейки планарного типа проводилось с использованием сканирующей зондовой нанолаборатории Ntegra (рисунок 4.11) [180].

U, В

а) б)

Рисунок 4.11 - Результаты исследования планарной эмиссионной ячейки на основе пленок мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния с эмиттером острийного типа: а) АСМ-изображение; б) ВАХ

На рисунке 4.11, а представлено АСМ-изображение изготовленной эмиссионной ячейки. Измерения вольт-амперных (рисунок 4.11, б) характеристик проводилось путем приведения в непосредственный контакт зонда микроскопа и контактной площадки острийного эмиттера планарного типа. Второй контакт микроскопа присоединялся к аноду. Из полученной вольт-амперной характеристики следует, что в изготовленной эмиссионной ячейке с острийным эмиттером планарного типа появление эмиссии наблюдается при разности потенциалов ~0,5 В. На основе экспериментальной воль-амперной характеристики построена ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма (рисунок 4.12).

со

-22,2 -22,3 -22,4 -22,5 -22,6 -22,7 -22,8

— -22,9

-23,0

■

- ■ ■ ■

■ 1 ■

- ■

• 1 ......

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

-1

ми, в

Рисунок 4.12 - Вольт-амперная характеристика планарной эмиссионной ячейки с эмиттером острийного типа в координатах Фаулера-Нордгейма

По наклону ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма произведена оценка работы выхода электрона изготовленной структуры, которая составила ~0,3 эВ. Полученное значение согласуется с результатами исследований наноразмерных эмиссионных структур на основе графена [145, 147, 148, 181]. На основе экспериментальных значений эмиссионного тока и результатов моделирования распределения напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре, позволивших определить площадь эмитирующей поверхности, проведена оценка величины плотности эмиссионного тока,

которая составила ~5-106 А/м2. Никое пороговое напряжение и работа выхода электрона изготовленной эмиссионной структуры планарного типа возможно объясняется высоким значением форм-фактора. Высокие значения плотности эмиссионного тока также объясняются малой величиной площади эмитирующей поверхности из-за наноразмерной толщины мультиграфеновой пленки. Полученные низкие пороговые напряжения являются важным для разработки энергоэффективных устройств на основе наноразмерных планарных мультиграфен/SiC эмиттеров, а также определяют возможность их интеграции в структуру современных СВЧ ИМС.

4.3 Выводы

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Была разработана конструкция планарной автоэмиссионной ячейки с эмиттером в форме острия.

2. Разработан технологический маршрут изготовления планарных наноразмерных автоэмиссионных ячеек на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния.

3. C помощью ФИП на установке Nova NanoLab 600 были сформированы планарные наноразмерные автоэмиссионные ячейки на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния. Время травления составило 2,5 мин.

4. При помощи зондовой нанолаборатории Ntegra Vita была исследована морфология и ВАХ планарной эмиссионной структуры на основе пленок мультиграфена на полуизолирующего карбида кремния. Полученные вольт-амперные характеристики показывают, что эмиссия с планарного автокатода в форме острия начинается при напряжении 0,5 В.

5. Проведена оценка работы выхода электрона, которая составила 0,3 эВ, и плотности тока ~5-106 А/м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ современного состояния исследований в области углеродной автоэмиссионной электроники. Определены основные требования к конструкциям и используемым материалам.

2. Теоретически установлены закономерности влияния геометрических параметров наноразмерных автоэмиссионных ячеек на основе мультиграфена на полуизолирующем SiC на величину форм-фактора единичных острийных эмиттеров и многоэмиттерных катодов вертикального и планарного типов и однородность напряженности электрического поля у эмитирующей поверхности планарного катода в форме лезвия.

3. Предложен механизм появления множественных «колец» на эмиссионном изображении катодов в форме острия вертикального типа, заключающийся в модификации эмитирующей поверхности, приводящей к локализации электронных потоков на аноде.

4. Исследованы КРС-спектр и АСМ-изображения пленок мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния, оценка которых показала размер мультиграфенового кластера ~38 нм и порядка десяти монослоев в пленке мультиграфена.

5. Экспериментально исследовано влияние технологических параметров фокусированного пучка ионов галлия на геометрические размеры области травления в экспериментальных образцах мультиграфена на полуизолирующем карбиде кремния.

6. Разработаны конструкции и технологический маршрут изготовления автоэмиссионных ячеек с нанометровым межэлектродным расстоянием на основе пленок мультиграфена на БЮ с использованием метода ФИП.

7. Изготовлена автоэмиссионная ячейка планарного типа с наноразмерным межэлектродным расстоянием и эмиттером в форме острия на основе мультиграфена на полуизолирующем БЮ, пороговое напряжение которой составило 0,5 В, плотность эмиссионного тока ~5Т06 А/м2.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Фурсей, Г. Н. Автоэлектронная эмиссия / Г. Н. Фурсей // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т. 6, №11. - C. 96-103.

2. Быстродействие микроэлектронных структур с автоэлектронными катодами / Н. А. Дюжев, А. И. Козлов, В. И. Махов [и др.] // Микроэлектроника. - 1990. - Т. 19, вып. 5. - С. 478-485.

3. Савинский, Н. Г. 3D наноинтегрированные автоэмиссионные матрицы наноприборов на основе наноуглеродных эмиттеров / Н. Г. Савинский // Вестник ЯрГУ. Серия Естественные и технические науки. -2013. - № 3. - С. 70-75.

4. A nanotube-based field-emission flat panel display / Q. H. Wang, A. A. Setlur, J. M. Lauerhaas [et al.] // Applied Physics Letter. - 1998. - Vol. 72, iss. 22. - P. 2912-2913.

5. Новые решения для создания перспективных приборов на основе низковольтной полевой эмиссии углеродных наноразмерных структур / Ю. B. Гуляев, Н. П. Абаньшин, Б. И. Горфинкель [и др.] // Письма в ЖТФ. -2013. - Т. 39, вып. 11. - С. 63-70.

6. Okuda, I. Nanoprojection-shaped silicon field emitter as relativistic-electron-beam source for pumping KrF laser / I. Okuda, E. Takahashi, Y. Owadano // Japanese journal of applied physics. - 2001. - Vol. 40. - P. 7168-7169.

7. Трубецков, Д. И. Вакуумная микроэлектроника / Д. И. Трубецков // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - № 4. - С. 58-64.

8. Татаренко, Н. И. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе / Н. И. Татаренко, В. Ф. Кравченко. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 192 с.

9. Интенсификация процессов формирования твердотельных структур концентрированными потоками энергии / А. П. Достанко, Н. К. Толочко, О. А. Агеев [и др.] под общей редакцией А. П. Достанко и Н. К. Толочко. -Минск: Бестпринт, 2005. - 682 с.

10. Атомная структура полупроводниковых систем / отв. ред. А. Л. Асеев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006 г. - 292 с.

11. Nanostructuring graphene on SiC by focused ion beam: Effect of the ion fluence / B. Prevel, J.-M. Benoit, L. Bardotti [et al.] // Applied physics letters. -2011. - Vol. 99. - P. 083116-1-3.

12. Моделирование распыления материалов фокусированным ионным пучком / Н. И. Боргардт, Р. Л. Волков, А. В. Румянцев [и др.] // Письма в журнал технической физики. - 2015. - Т. 41, вып. 12. - С. 97-104.

13. Carbon nanotube field emitters for planar emission vacuum micro- and nanoelectronics / S. A. Gavrilov, E. A. Il'ichev, E. A. Poltoratskii [et al.] // Technical physics letters. - 2004. - Vol. 30, № 7. - P. 609-611.

14. Lateral emitter as a base element of integrated emission electronics / S. A. Gavrilov, E. A. Il'ichev, A. I. Kozlitin [et al.] // Technical physics letters. -2004. - Vol. 30, № 6. - P. 466-468.

15. Novel planar field emission of ultra-thin individual carbon nanotubes / X. Song, J. Gao, Q. Fu [et al.] // Nanotechnology. - 2009. - Vol. 20. - P. 405208-1-7.

16. Lee, S. W. A study on field emission characteristics of planar graphene layers obtained from a highly oriented pyrolyzed graphite block / S. W. Lee, S. S. Lee, E.-H. Yang // Nanoscale research letters. - 2009. - Vol. 4. - P. 1218-1221.

17. High current density planar field electron emitters with carbon nanotubes / A. L. Musatov, K. R. Izrael'yants, A. B. Ormont [et al.] // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. - 2011. - Vol. 19. - P. 100-104.

18. Field emission in lateral silicon diode fabricated by atomic force microscopy lithography / J. Rouhi, S. Mahmud, S. D. Hutagalung [et al.] // Electronics letters. - 2012. - Vol. 48. № 12. - P. 712-714.

19. Singh, A. K. Evaluation of field emission parameters in a copper nano-tip based diode / A. K. Singh, J. Kumar // Journal of Applied Physics. - 2013. -Vol. 113. - P. 053303-1-4.

20. A planar diamond-like carbon nanostructure for a low-voltage field emission cathode with a developed surface / N. P. Aban'shin, Yu. A. Avetisyan, G. G. Akchurin [et al.] // Technical physics letters. - 2016. - Vol. 42, № 5. - P. 509-512.

21. Jones, W. M. Practical nanoscale field emission devices for integrated circuits / W. M. Jones, D. Lukin, A. Scherer // Applied Physics Letters. - 2017. -Vol. 110. - P. 263101-1-4.

22. High-quality and stable electron emission device with sub-30-nm aligned nanogap arrays / J. Xu, Q. Wang, Zh. Tao [et al.] // IEEE transactions on electron devices. - 2017. - Vol. 64, № 5. - P. 2364-2368.

23. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов / С. Вартапетов, Э. Ильичев, Р. Набиев [и др.] // Наноиндустрия. - 2009. - №4. - С. 12-18.

24. Бочаров, Г. С. Деградация полевого эмиссионного катода на основе углеродных нанотрубок в результате ионного распыления / Г. С. Бочаров, А. В. Елецкий // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82, вып. 7. - С. 112-116.

25. Исследование тепловой деградации кремниевого автоэмиссионного катода как двухфазной системы / Н. А. Дюжев, В. И. Кретов, М. А. Махиборода [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2011. - №4 (90). -С. 23-29.

26. Шешин, Е. П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов / Е. П. Шешин. М.: Изд-во МФТИ, 2001. - 288 с.

27. Фурсей, Г. ^.Особенности полевой эмиссии полупроводников / Г. Н. Фурсей, Л. Н. Баскин // Микроэлектроника. - 1997. - Т. 26, №2. - С. 117-122.

28. Широков, Е. Г. Автоэлектронная эмиссия системы вольфрамовых острий / Е. Г. Широков // Радиотехника и электроника. - 1964. - Т. 9, вып. 7. -С. 1320-1321.

29. Литвинов, Е. А. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах / Е. А. Литвинов, Г. А. Месяц, Д. И. Проскуровский // Успехи физических наук. - 1983. - Т. 139, вып. 2. - С. 265-302.

30. Baker, F. S. The carbon fiber filed emitter / F. S. Baker, A. R. Osborn, J. Williams // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1974. - V. 7, №15. -P. 2105-2115.

31. Wood, R. W. A new form of cathode discharge and the production of X-rays, together with some notes of diffraction / R. W. Wood // Physical Rewiev. -1897. - Т. 5, № 1. - C. 1-10.

32. Fowler, R. H. Electron emission in intense electric fields / R. H. Fowler, L. W. Nordheim // Proceedings of the Royal Society of London. A. - 1928. - V. 119, № 781. - P. 173-181.

33. Ненакаливаемые катоды / под ред. М. И. Елинсона. М.: Сов. Радио, 1974. - 336 с.

34. Добрецов, Л. Н. Эмиссионная электроника / Л. Н. Добрецов, М. В. Гомоюнова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 1966. - 564 с.

35. Nordheim L. W. The effect of the image force on the emission and reflexion of electrons by metals / L. W. Nordheim // Proceedings of the royal society London A. 1928. - Vol. 121. P. 626-639 р.